Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng nút khung tới phản ứng của khung bê tông cốt thép chịu động đất tom tat tieng viet

Nghiên cứu thí nghiệm các loại nút khung BTCT liền khối chịu động đất ở Việt Nam nhằm làm sáng tỏ các vấn đề: khả năng bị biến dạng và chịu lực, tiêu chí đánh giá độ bền cắt, loại nút kh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Võ Mạnh Tùng

NÚT KHUNG TỚI PHẢN ỨNG CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 9580201

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội – Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Lê Ninh

Phản biện 1 : GS.TS Nguyễn Tiến Chương

Phản biện 2 : PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương

Phản biện 3 : TS Nguyễn Đại Minh

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Xây Dựng vào hồi giờ ngày tháng năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc Gia và Thư viện Trường

Đại học Xây dựng.

PHẦN MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Nút khung là vùng giao nhau giữa dầm và cột Dưới tác động động đất, các nút khung BTCT có ứng xử hết sức phức tạp và sự phá hoại của chúng thường dẫn tới sự sụp đổ của cả hệ kết cấu Nhiều mô hình xác định độ bền cắt và mô phỏng ứng xử của nút khung BTCT đã được đề xuất Tuy vậy, các mô hình tính toán này chưa có tính tổng quát và có sự đồng thuận rộng rãi Trong thiết kế, các nút khung vẫn được xem là vùng tuyệt đối cứng Hiện nay, theo quan niệm thiết kế kháng chấn hiện đại, các nút khung phải có đủ độ bền để đảm bảo cho các dầm và cột quanh nó phát triển được cơ cấu phá hoại dẻo mong muốn Để giải quyết vấn đề này, các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đưa ra các yêu cấu tính toán và cấu tạo nút khung rất chặt chẽ, nhưng lại

né tránh vấn đề biến dạng của chúng, một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng tới ứng xử của cả hệ kết cấu khi chịu động đất

Ở Việt Nam, hiện chưa có các công trình nghiên cứuvề ứng

xử của các nút khung BTCT dưới tác động các loại tải trọng Vùng nút khung được xem là vùng cứng hiển nhiên Do đó, việc

“Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng nút khung tới phản ứng của khung BTCT chịu động đất” là hết sức cần thiết

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

a Nghiên cứu tổng quan các mô hình xác định độ bền và mô phỏng ứng xử của các nút khung BTCT liền khối chịu động đất;

b Nghiên cứu thí nghiệm các loại nút khung BTCT liền khối chịu động đất ở Việt Nam nhằm làm sáng tỏ các vấn đề: khả năng bị biến dạng và chịu lực, tiêu chí đánh giá độ bền cắt, loại nút khung phù hợp yêu cầu tạo ra cơ cấu phá hoại dẻo ở khung

c Nghiên cứu mô hình tính toán phi tuyến có xét tới biến dạng nút khung BTCT được thiết kế theo TCVN 9386:2012

3 ĐỐI TƯỢNGVÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: các nút khung BTCT liền khối chịu

động đất hiện có trong thực tế xây dựng ở ViệtNam

Phương pháp nghiên cứu: lý thuyết kết hợp với thí nghiệm

4 CÁC KẾT QUẢ CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

a Các thí nghiệm cho thấy: các loại nút khung BTCT hiện có

ở Việt Nam đều bị biến dạng khi chịu động đất; nút khung được thiết kế theo TCVN 9386:2012 bị phá hoại dẻo, còn theo TCVN 5574:2012 và SP 14.13330.2011 (LB Nga) đều bị phá hoại giòn, không phù hợp để tạo ra cơ cấu phá hoại dẻo cho hệ kết cấu khung Xác định được các yếu tố chính ảnh hưởng tớiứng xử của nút khung và điều kiện để đảm bảo độ bền cắt của các nút khung được thiết kế ở Việt Nam

b Đề xuất 3 mô hình mô phỏng các thành phần biến dạng cắt

và trượt bám dính của nút khung Việc sử dụng các mô hình này trong phân tích tĩnh và động phi tuyến hệ khung BTCT được thiết kế theo TCVN 9386:2012 cho thấy biến dạng của nút khung làm thay đổi đáng kể phản ứng tổng thể của hệ kết cấu

5 CẤU TRÚC LUẬN ÁN

Luận án gồm Phần mở đầu, 5 chương, Kết luận và kiến nghị, Phần Phụ lục, Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến Luận án và Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG

BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT

VÀ NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC

1.1 SỰ PHÁ HOẠI NÚT KHUNG DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT

Có hai dạng phá hoại thường quan sát thấy sau các trận động đất: (a) phá hoại cắt nút và (b) phá hoại neo cốt thép Nguyên nhân do thiếu cốt đai và neo cốt thép không đủ trong vùng nút

1.2 PHÂN LOẠI CÁC NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Các nút khung được phân loại theo: (a) dạng hình học và cách neo cốt thép dầm (ngoài, trong), (b) ứng xử của nút (đàn hồi, không đàn hồi), (c) cấu tạo nút (giòn, dẻo)

1.3 CÁC LỰC TÁC ĐỘNG LÊN NÚT KHUNG BTCT

Xét một nút khung trong, chịu các lực tác động từ dầm và cột truyền vào (Hình 1.9a) gây ra các thành phần nội lực như trong Hình 1.9b Cân bằng các nội lực này sẽ được lực cắt nút theo phương ngang Vjh:

-lực cắt cột trên và dưới nút, As1 và As2 tiết diện cốt thép dầm,

và fy – hệ số vượt độ bền và ứng suất chịu kéo của cốt thép dầm

Hình 1.9

Lực tác động l nút khung trong

Ứng suất cắt nút theo phương ngang τjh và đứng τjv:

1.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA NÚT

1.4.1.Các mô hình xác định khả năng chịu cắt của nút

Có rất nhiều mô hình tính toán đã được đề xuất và được phân loại theo 4 cách Sau đây là 2 mô hình tính toán thông dụng nhất

1.4.2 Mô hình của Paulay và Priestley

Hình 1.12 Các cơ c truyền lực cắt:

bê tông nén chéo; b) giàn;

Theo Paulay và Priestley, khả năng chịu lực cắt của nút khung là sự kết hợp của cơ cấu dải b

nén chéo (Strut mechanism) và cơ cấu giàn (Truss mechanism)

Cơ cấu thứ nhất góp phần chịu cắt nút theo phương ngang

đứng V cv nhở lực nén chéo D c (Hình 1.12a), còn cơ cấu th

góp phần chịu cắt nút theo phương ngang V sh và đứng V sv nh

nén chéo D s được tạo ra qua lực bám dính của các thanh cốt đai

Các cơ cấu a) dải chéo; b)

ác thanh cốt đai trong vùng nút (Hình 1.12b)

Với mô hình ứng xử này, Paulay và Priestley đã thiết lập được các biểu thức tính toán khả năng chịu cắt của nút (trong và

ngoài) theo phương ngang V jh và đứng V jv

1.4.3 Mô hình A G Tsonos(1999, 2001)

Khả năng chịu lực cắt của nút theo Tsonos cũng gồm hai cơ cấu chịu lực như đề xuất của Paulay và Priestley, nhưng Tsonos cho rằng các cơ cấu này tạo ra một trường ứng suất đều Từ đó Tsonos thiết lập được mối quan hệ giữa ứng suất nén đứng σ và ứng suất cắt τ trong vùng nút và hệ quả là khả năng chịu cắt của nút theo phương ngang: V = jh h b c j(1.45)

1.5 KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA CÁC NÚT KHUNG THEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN

Phần này đề cập tới việc xác định khả năng chịu cắt nút trong các tiêu chuẩn thiết kế ACI 318M-2011, NZS 3101 (2016), TCVN 9386:2012, EN 1998-1-1:2004 và AIJ 1999

1.6 NHẬN XÉT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA NÚT KHUNG

Cơ sở lý luận dùng để xác định độ bền cắt nút khung V jhcó sự khác nhau rất rõ rệt trong cáctiêu chuẩn thiết kế kháng chấn Các tiêu chuẩn của Hoa Kỳ chú trọng tới các kích thước hình học nút

khung và cường độ f c Các tiêu chuẩn Việt Nam và châu Âu chú

trọng tới lượng cốt thép đai trong vùng nút và lực dọc cột N c

1.7 CÁC MÔ HÌNH NÚT DÙNG TRONG PHÂN TÍCH PHI TUYẾN

Có rất nhiều mô hình mô phỏng biến dạng của nút khung BTCT đã được đề xuất trong hơn 60 năm qua Sau đây là các mô hình tính toán nổi bật, được nhắc tới nhiều nhất

• Mô hình dựa trên các nghiên cứu thí nghiệm của Townsed

và Hanson (1973), Anderson và Towsend (1977)

• Mô hình dựa trên nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm:Mô hình khớp dẻo xoay của Otani (1974), Banon et all (1981), Fillipou et al (1983, 1988), El-Metwally (1988),Alath và Kunnath (1995), Pampanin (2002); Mô hình đa lò xo củaBiddah

và Ghobarah (1999), Elmorsi et al (2000), Lowes et al (2003), Altoontash (2004), Shin và LaFave (2004), Unal và Burak (2010)

Nhận xét về các mô hình: các mô hình dựa trên thực nghiệm

không có tính điển hình và khách quan, các mô hìnhđa lphản ánh được ứng xử thực tế của nút hơn các mô hình lò xo xoay nhưng để sử dụng cần các phần mềm đặc thù, khối l

tính toán lớn

1.8 NHẬN XÉT RÚT RA TỪ NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1 Dưới tác động động đất, trong vùng nút khung xuất hiện các lực cắt đứng và ngang lớn hơn nhiều so với các lực cắt tác động

2 Hiện vẫn chưa có mô hình mô phỏng hợp lý cơ cấu chịu cắt nút được nhất trí thừa nhận,tiêu chí đánh giá độ bền cắt nút các tiêu chuẩn còn khác nhau đáng kể Mô hình của Paulay vPriestley cho phép diễn dải một cách hợp lý nhất cơ cấu chịu lực của nút khung và được đưa vào nhiều tiêu chuẩn trong đó có Viêt Nam

3 Mô hình đa lò xo xuất hiện gần đây được xem là mô phsát thực nhất ứng xử của nút khung nhưng tính ứng dụng bị hạn chế do cần các phần mềm đặc thù và khối lượng tính toán lớn.Hiện nay ở Việt Nam chưa có các nghiên cứu về ứng xử các nút khung BTCT dưới tác động động đất

CHƯƠNG 2 BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNGBTCT

2.1 BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BTCT

Dưới tác động động đất, vùng nút khung chịu các lực cắt rất lớn nên sẽ bị biến dạng

2.2 CÁC THÀNH PHẦN BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BTCT

Biến dạng của nút khung gồm hai thành phần: biến dạng cắt

ở vùng lõi nút và chuyển vị xoay θsl ở đầu mút cố(Hình 2.2)

Hình 2.2 Biến dạng của nút

a) Biến dạng cắt, b) Chuyển vị xoay đầu mút cố định

2.3 CHUYỂN VỊ XOAY ĐẦU MÚT CỐ ĐỊNH

Cốt thép dọc dầm thường đi qua hoặc neo vào nút khung Chúng có xu hướng bị kéo ra khỏi vùng neo khi chịu lực gây ra chuyển vị xoay θsl ở đầu mút dầm (chuyển vị xoay đầu mút cố

định) Gọi s là chuyển vị trượt của thanh cốt thép (Hình 2.4):

đa lò xo ình lò xo

= (1 )

hòa đối với chiều cao hiệu dụng d

Khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo, chuyển vị xoay đầu mút cố định :

, = 8

y b y

y sl

c

d f f



 (2.5) trong đó ϕ y,

d b , f y và f c tương ứng độ cong trục dầm, đường kính cốt thép, cường độ chịu kéo của cốt thép và cường độ chịu nén của bê tông khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo

Cùng với sự gia tăng lực tác động, biến dạng chảy cốt thép

lan sâu vào trong nút Đoạn chiều dài chảy dẻo lan sâu l y,p gây ra chuyển vị trượt bổ sung l y,p cũng như chuyển vị xoay đầu mút

cố định bổ sung khi đạt trạng thái cực hạn: Δθ u,sl = ϕ u l y,p (2.6) với

- độ cong cực hạn tại đầu mút dầm.Theo Fardis Δθ u,sl = 5,5d b ϕ u

(2.8) khi tải trọng đổi chiều

Lực bám dính giữa cốt thép và bê tông trong vùng nút là yếu

tố quyết định độ lớn của chuyển

vị xoay θ sl Cường độ lực bám dính trong vùng nút phụ thuộc nhiều yếu tố: bó bê tông, đường

Morita và Kaku, Biddah xác định được chuyển vị trượt s của

thanh cốt thép cũng như độ dốc K1 và K2 của mô hình

2.4 BIẾN DẠNG CẮT NÚT KHUNG

Biến dạng cắt γ của nút khung gây ra ứng suất cắt τ xác định

theo (1.5) chủ yếu do lực bám dính dọc theo các thanh cốt thép dầm và cột đi qua lõi nút Ứng suất cắt nút là yếu tố quan trọng

ảnh hưởng đến độ bền lẫn độ cứng của nút khung Các tiêu chuẩn ACI 318M-11, NZS 3101 (2006), TCVN 9386:2012 và EN 1998-1-1:2004 đều đánh giá khả năng chịu cắt của nút khung

như một hàm của cường độ chịu nén f c bê tông, không xét tới hàm lượng cốt thép đai

2.5 NHẬN XÉT VỀ BIẾN DẠNG NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

1 Biến dạng nút khung gồm: chuyển vị xoay θ sl ở đầu mút

dầm và biến dạng cắt γ j ở vùng lõi nút

2 Độ lớn của θ sl là hệ quả của việc cốt thép dầm bị mất lực bám dính và bị chảy dẻo Độ lớn lực bám dính phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó hiệu ứng bó bê tông vùng lõi nút là quan trọng nhất

3 Độ lớn của γ j được xác định gián tiếp qua ứng suất cắt nút

τ jh từ thí nghiệm Để hạn chế biến dạng cắt nút,các tiêu chuẩn

thiết kế đưa ra giới hạn trị số τ jh rất khác nhau

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM

NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

3.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM

1 Đánh giá sự làm việc của các nút khung BTCT liền khối chịu

động đất được thiết kế theo 3 phương án: (1) theo TCVN

9386:2012, (2) lực tác động theo TCVN 9386:2012, tính toán và cấu tạo theo TCVN 5574:2012 và (3) theo SP 14.13330.2011

2 Xác định biến dạng của nút khung và các yếu tố ảnh hưởng

3 Đánh giá phản ứng và phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới ứng

xử của các loại nút khung BTCT hiện có ở Việt Nam dưới tác động động đất; thiết lập các mô hình ứng xử của nút khung được thiết kế theo TCVN 9386:2012 dùng trong phân tích phi tuyến

3.2 THIẾT KẾ CÁC MẪU THÍ NGHIỆM

Các mẫu thí nghiệm là nút khung trong tỷ lệ 1:1 theo phương ngang, được trích xuất từ một hệ kết cấu khung không gian 3 tầng xây dựng ở quận Thanh Xuân – Hà Nội, được thiết kế theo

3 phương án ở trên.Cấu tạo chi tiết các mẫu thí nghiệm được cho trong các Hình 3.3 (NK1 theo TCVN 9386:2012), Hình 3.4(NK2 theo TCVN 9386:2012 và TCVN 5574:2012) và Hình 3.5 (NK3 theo SP 14.13330.2011)

Hình 3.3 Cấu tạo mẫu NK1 Hình 3.4 Cấu tạo mẫu NK2

Hình 3.5 Cấu tạo mẫu NK3

3.3 ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ VẬT LIỆU CHẾ TẠO MẪU THÍ NGHIỆM

Các đặc trưng cơ lý của vật liệu bê tông và cốt thép được cho tương ứng trong các Bảng 3.2 và 3.3 Các mẫu thí nghiệm và các đặc trưng cơ lý của vật liệu được xác định tại Phòng thí nghiệm và kiểm định công trình Trường

Bảng 3.3 Các đặc trưng cơ lý của cốt thép

Thanh cốt thép Ф18 – AII Ф16 - AII Ф6 - AI

3.4 SƠ ĐỒ VÀ QUY TRÌNH CHẤT TẢI CÁC MẪU THÍ NGHIỆM

Sơ đồ dựng lắp và chất tải các mẫu thí nghiệm được cho trong Hình 3.9 với liên kết khớp cố định tại đầu cột dưới và khớp di động tại hai đầu dầm, còn đầu trên của cột tự do chịu tác động

của thẳng đứng P = 300 kN và tác động ngang đổi chiều

Hình 3.9 Sơ đồ dựng lắp và chất tải các mẫu thí nghiệm

Quy trình chất tải các mẫu thí nghiệm gồmhai giai đoạn: kiểm

soát lực và kiểm soát chuyển vị (Hình 3.12) Ở giai đoạn kiểm soát chuyển vị, chuyển vị chảy dẻo

∆y của các mẫu thí nghiệm đượcxác định gần đúng như trong Hình 3.10b

3.5 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ SƠ ĐỒ BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ ĐO

Các số liệu sau đã được thu thập khi thí nghiệm:lực tác động

và chuyển vị ngang ở đầu mút cột, biến dạng cắt của nút khung, biến dạng cắt và uốn của dầm, chuyển vị xoay của dầm

và cột, biến dạng của bê tông và cốt thép tại các vùng tới hạn của dầm, cột và trong nút khung, quá trình phát triển các khe nứt

Các thiết bị đo được sử dụng là đầu đo LVDT,phiến đo biến dạng,thiết bị đo chuyển vị ngang, máy TDS 530 và máy tính ghi

Hình 3.12 Lịch sử chất tải

a) Phản ứng lý tưởng b) Phản ứng thực tế

Hình 3.10 Định nghĩa chuyển vị chảy

dẻo và độ cứng của các mẫu thí nghiệm

Hình 3.26 mẫu NK1

dữ liệu, các thiết bị kiểm soát kích thủy lực

3.6.ỨNG XỬ CỦA CÁC MẪU THÍ NGHIỆM

Ở chu kỳ 19 (cuối cùng), mẫu NK1 bị phá hoại dẻo với các khớp dẻo uốn xuất hiện tại các đầu mút cột và dầm sát mặt nút Biến dạng vùng nút khung tương đối đều (Hình 3.17)

Hình 3.17 Phá hoại NK1

Mẫu NK2bị phá hoại giòn ở chu

kỳ 17, các đầu mút cột và dầm không bị biến dạng uốn Vùng quanh lõi nút bị phá hoại nén cục bộ, còn vùng trung tâm còn nguyên vẹn (Hình 3.20)

Hình 3.20 Phá hoại NK2

Mẫu NK3 bị phá hoại giòn ở chu kỳ 14 tương tự mẫu NK2 (Hình 3.23) Phá hoại nén cục

bộ vùng nút khung tập trung ở các góc Các đầu mút cột và dầm sát mặt nút bị biến dạng

do uốn và cắt

Hình 3.23 Phá hoại NK3

3.7 PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

3.7.1 Quan hệ lực cắt tầng – chuyển vị ngang

Các đường cong trễ biểu diễn quan hệ lực cắt tầng V – chuyển

vị ngang Δcủa cả 3 mẫu thí nghiệm đều đối xứng và bị bó hẹp

ở các mức độ khác nhau do cốt thép dầm bị trượt và chảy dẻo, đặc biệt ở mẫu NK3 (Hình 3.26)

3.7.2 Lực cắt tầng

Kết quả thí nghiệm cho thấy, lực cắt tầng lớn nhất Vcủa mẫu NK1 xuất hiện ở cấp dẻo lớn hơn, ở các chu kỳhơn và dẻo hơn so với các mẫu NK2 và NK3 (Bảng 3.7)

Bảng 3.7 Các thông số liên quan tới lực cắt tầng lớn nhất

ổn định và tuyến tính hơn so với các mẫu NK2 và NK3

3.41) Biến dạng dầm thuộc các mẫu NK2 và NK3 bị ảnh hcủa biến dạng cắt, khả năng phân tán năng lượng thấp

3.7.4 Ứng xử của các cột quanh nút khung

Cốt thép cột mẫu NK1 phát triển được biến dạng dẻo tốt h

ẫu NK1 có cốt thép dọc

ợng cốt

ần so với các Chuyển vị phát triển NK2 và NK3 (Hình