Ảnh hưởng của tường chèn tới phản ứng của hệ khung bê tông cốt thép chịu động đất tt

LÝ DO CH ỌN ĐỀ TÀI Các nghiên cứu khoa học và quan sát hiện trường trong vòng 7 thập kỷ qua cho thấy, các tường chèn có ảnh hưởng lớn tới phản ứng của hệ khung bao quanh dưới tác động đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Phan Văn Huệ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 9580201 TÓM T ẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà N ội - Năm 2020

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 2020

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

Đại học Xây dựng.

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CH ỌN ĐỀ TÀI

Các nghiên cứu khoa học và quan sát hiện trường trong vòng 7

thập kỷ qua cho thấy, các tường chèn có ảnh hưởng lớn tới phản ứng của hệ khung bao quanh dưới tác động động đất Các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện nay, trong đó có TCVN 9386:2012, đều thừa nhận hiện tượng này, nhưng quy định về thiết kế hệ khung chèn còn có nhiều bất cập: (i) Mâu thuẫn giữa thiết kế tổng thể (không xét tới lực tương tác với tường chèn) và thiết kế cục bộ (phải xét tới lực tương tác với tường chèn); (ii) Các mô hình tính toán hệ khung chèn không rõ ràng và đầy đủ

Do đó, việc thực hiện đề tài nghiên cứu “Ảnh hưởng của tường

chèn tới phản ứng của hệ khung bê tông cốt thép chịu động đất”

là hết sức cần thiết.

2 M ỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

(i) Thiết lập mô hình (MH) ứng xử của các tường chèn và sử dụng nó để xác định ứng xử của hệ khung chèn chịu động đất; (ii) Nghiên cứu kiểm soát cơ cấu phá hoại các khung BTCT chịu động đất, khi có xét tới tương tác với các tường chèn; (iii) Nghiên cứu ảnh hưởng của tường chèn tới việc kiểm soát

phản ứng cục bộ của các cột khung BTCT chịu động đất

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu : Khung BTCT toàn khối nhiều tầng, có các tường chèn bằng khối xây trong mặt phẳng khung: (i) Khung được TK theo quan niệm kháng chấn hiện đại; (ii) Các tường chèn (gạch nung đặc và rỗng, gạch AAC) không có cốt thép và lỗ mở, được xây sau khi khung đã cứng Tường chèn tiếp xúc với khung không có khe hở và không có các liên kết chịu lực với khung

3.2 Phạm vi nghiên cứu: (i) Các tác động nằm trong mặt phẳng khung (ii) Tỷ số hình dạng của các tường chèn αm = h m /l m≤ 1,0

4 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

(i) Các kết quả nghiên cứu về hệ khung chèn trong 7 thập kỷ qua; (ii) Quan niệm thiết kế kháng chấn hiện đại; (iii) Quy định thiết kế khung BTCT chịu động đất trong các tiêu chuẩn trên thế giới, trong đó có Việt Nam

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Nghiên cứu lý thuyết và phân tích

mô phỏng số

6 ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

(i) Thiết lập được mô hình ứng xử phi tuyến của tường chèn và dùng nó để xác định ứng xử của hệ khung chèn chịu động đất; (ii) Thiết lập được điều kiện kiểm soát cơ cấu phá hoại khung

và đề xuất phương pháp thiết kế khung BTCT khi có xét tới tương tác với tường chèn theo quan niệm kháng chấn hiện nay;

(iii) Đề xuất phương pháp xác định lực tương tác với tường chèn và PP thiết kế cột khung chịu cắt khi chịu lực tương tác này

7 C ẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN: Luận án gồm phần Mở đầu, Bốn chương và Kết luận, được trình bày trong 116 trang với 29 bảng,

55 hình vẽ, 149 tài liệu tham khảo (Tiếng Việt: 10, Tiếng Anh, Rumani: 139) Phụ lục có 21 trang

CHƯƠNG 1

SỰ TƯƠNG TÁC KHUNG - TƯỜNG CHÈN VÀ VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH PHẢN ỨNG CỦA HỆ KHUNG CHÈN BTCT DƯỚI TÁC ĐỘNG NGANG 1.1 MỞ ĐẦU

Trái ngược với quan niệm trước đây xem tường chèn là cấu kiện không chịu tải, các kết quả quan sát hiện trường cho thấy tường chèn là nguyên nhân gây ra phá hoại: các cột, nút khung và sụp đổ nhà …khi chịu động đất Vấn đề này đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới

1.2 S Ự TƯƠNG TÁC KHUNG – TƯỜNG CHÈN VÀ ỨNG XỬ CỦA HỆ KHUNG CHÈN BTCT DƯỚI TÁC ĐỘNG NGANG

1.2.1 Sự tương tác khung - tường chèn dưới tác động ngang

Ứng xử của tường chèn trong

khung dưới tác động ngang được

chia thành 2 giai đoạn Giai đoạn

trước khi mặt tiếp xúc khung –

tường chèn bị nứt, hệ kết cấu có

ứng xử như một công xôn thẳng

đứng liền khối và giai đoạn sau

khi mặt tiếp xúc bị nứt tại các góc

không chất tải (Hình 1.3a) Trong

vùng tiếp xúc còn lại, xuất hiện

Tác động của lực tương tác khung - tường chèn đã làm cho tường chèn lẫn các cấu kiện khung bị phá hoại

1 Các d ạng phá hoại tường chèn: (i) Phá hoại nứt do cắt (dọc

theo các mạch vữa có dạng hình bậc thang hoặc trượt ngang; theo phương đường chéo); (ii) Phá hoại nén (theo dải chéo; ép vỡ các góc chịu tải)

2 Các dạng phá hoại khung BTCT: (i) Phá hoại uốn (ở đầu mút

cấu kiện; trong chiều dài nhịp); (ii) Phá hoại do lực dọc (cốt thép chảy dẻo; tuột neo); (iii) Phá hoại cắt cột; (iv) Phá hoại nút khung

1.2.2.2 Khung BTCT được TK theo các TC kháng chấn hiện đại

Các nghiên cứu thí nghiệm quy mô của các nhóm tác giả: Mehrabi et al (1996), Kakaletsis và Karayannis (2008), Morandi

et al (2014 – 2018), Basha (2017) đã cho các dạng phá hoại sau:

1 Phá ho ại tường chèn: Tường chèn khỏe - khung khỏe: cắt

trượt ngang và nén theo phương chéo; tường chèn yếu - khung khỏe: phá hoại cắt trượt ngang theo phương chéo hoặc giữa chiều cao tường

2 Phá hoại khung BTCT: a) Cột khung: Khớp dẻo xuất hiện ở hai đầu cột; nứt do cắt xuất hiện đồng thời với nứt uốn b) Dầm khung: Khe nứt uốn và cắt rất ít khi xuất hiện Dầm khung có ứng

xử cứng hơn so với khi không có tường chèn

1.3 MÔ HÌNH ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG CHÈN DƯỚI TÁC ĐỘNG NGANG

1.3.1 Các mô hình ứng xử của tường chèn trong khung

1.3.1.1 Các mô hình vĩ mô

Thay thế tường chèn

bằng một hoặc nhiều dải

chéo tương đương

1 MH một dải chéo

(Hình 1.8): Đặc trưng dải

chéo: bề rộng wm và bề

dày t m bằng bề dày tường

2 MH nhiều dải chéo:

Phân 1 dải chéo thành

nhiều dải tương đương (Hình 1.9 và 1.10).

1.3.1.2 Các mô hình vi mô

Dựa trên phương pháp PTHH (Hình 1.13 và 1.14)

a) Biến dạng do lực ngang; b) MH một dải chéo tương đương

Hình 1.8 MH một dải chéo tương đương

của mô hình, khối lượng tính toán lớn.

1.3.2 Các kết quả chính đạt được trong việc mô hình hóa vĩ mô

1.3.2.1 Các kết quả đạt được trong việc xác định bề rộng dải chéo w m

cố định của chiều dài đường chéo pano chèn dm: Holmes [1/3]

(1961), Smith [0,1÷0,25] (1962), Moghaddam và Dowling [1/6]

(1988), Smith và Coull [1/10] (1991), Paulay và Priestley [0,25]

(1992), Angel và cộng sự [1/8] (1994), Fardis [0,1÷0,2] (2009) …

(Trị số trong [ ] chỉ tỷ số w m /d m đề xuất)

b) Các PP xác định w m theo đặc tính hình học lẫn cơ học của

khung và tường chèn Các tác giả sau đây đã đề xuất PP xác định

bề rộng wm theo cách này: Mainstone (1974); Abdul-Kadir (1974),

Henry (1998); Nguyễn Lê Ninh (1980); Bazan và Meli (1980);

Liauw và Kwan (1984); Decanini và Fantin (1986); Govindan

(1986); Dawe và Seah (1989); Decanini et al (1993); Durrani và

Luo (1994); Flanagan và Bennet (2001); Al-Chaar (2002); Tucker

(2007); Amato et al (2009); Tabeshpour et al (2012);

Chrysostomou và Asteris (2012); Turgay et al (2014)…

2 Ở Việt Nam: Lý Trần Cường (1991) và Đinh Lê Khánh Quốc

(2017) đã đề xuất PP xác định wm theo phương hướng nhóm b)

3 Một số nhận xét về kết quả đạt được trong việc xác định w m :

Bề rộng wm phụ thuộc vào: (i) Đặc tính cơ học và hình học của

các thành phần hệ khung chèn; (ii) Mức độ suy giảm độ bền lẫn

độ cứng của chúng; (iii) Thời điểm xác định w m Do đó, trị số wm

hoàn toàn khác nhau giữa các tác giả Trong số các phương pháp

được đề xuất, chỉ có phương pháp của Nguyễn Lê Ninh (1980) có

khả năng xét tới tất cả yếu tố trên

1.3.2.2 Các kết quả đạt được trong việc thiết lập mô hình ứng xử phi tuyến đơn giản của tường chèn

Nhiều tác giả đã nghiên

cứu về MH này: Decanini,

có nhiều ưu điểm, nhưng ứng dụng của chúng còn rất hạn chế

1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TƯƠNG TÁC KHUNG - TƯỜNG CHÈN TRONG CÁC T IÊU CHUẨN THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN

1.4.1 Các quy định xét tới ảnh hưởng của tường chèn

Các tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 và EN 1998-1:2004; FEMA

356 (2000); ASCE 41-13 (2013) và ASCE 41-17 (2017); NZSEE (2017) đã có các quy định xét ảnh hưởng của tường chèn tới ứng

xử của hệ khung BTCT chịu động đất

1.4.2 Nhận xét về các quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế

• Các TC đều cho rằng tường chèn có ảnh hưởng bất lợi tới hệ khung, nhưng tách riêng việc tính toán phản ứng cục bộ ra khỏi tính toán tổng thể Các quy định thiết kế dầm, cột và nút khung đều không xét tới ảnh hưởng của lực tương tác với tường chèn, nhưng khi kiểm tra cột chịu cắt lại phải xét tới lực tương tác này

• Khi tính toán phản ứng cục bộ, các tiêu chuẩn yêu cầu sử dụng

mô hình một dải chéo, nhưng đều không có các chỉ dẫn về cách thiết lập mô hình (đặc biệt TCVN 9386:2012) nên rất khó thực hiện

hiện nay: phá hoại uốn và cắt ở hai đầu mút hoặc ở giữa cột; dầm thường bị gia tăng độ cứng, còn tường chèn thường bị phá hoại cắt trượt ngang theo phương chéo hoặc ở giữa chiều cao tường và phá hoại nén theo phương chéo

2 Mô hình đơn giản sử dụng một dải chéo tương đương được xem là phù hợp để xác định phản ứng tổng thể của hệ khung chèn

3 Tuy thừa nhận ảnh hưởng quan trọng của lực tương tác khung – tường chèn, nhưng các quy định về thiết kế hệ khung chèn trong các tiêu chuẩn vẫn còn nhiều bất cập và không rõ ràng

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA ỨNG XỬ PHI TUYẾN CỦA HỆ KHUNG CHÈN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT

2.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA HỆ KHUNG CHÈN

Từ nghiên cứu tổng quan, các mô hình sau đã được lựa chọn

để phân tích hệ khung chèn: mô hình đơn giản mô phỏng ứng xử uốn tại các vùng tới hạn của khung BTCT và mô hình một dải chéo tương đương mô phỏng ứng xử của tường chèn

2.2 MÔ HÌNH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU KHUNG BTCT

2.2.1 Ở mức vật liệu: Sử dụng các mô hình ứng xử của bê tông và cốt thép quy định trong EN 1992-1-1:2004

2.2.2 Ở mức cấu kiện chịu lực: Sử dụng MH khớp dẻo tập trung Ứng xử khớp dẻo được kiểm soát qua MH Takeda sửa đổi và đường cong lực-chuyển vị của nó lấy theo ASCE 41-13 (Hình 2.2)

a) b) c)

Hình 2.2 a) Biến dạng dẻo b) Luật trễ Takeda c) Quan hệ M–θ tại khớp dẻo

t ập trung ở các CK khung sửa đổi của các CK khung BTCT

2.3 THI ẾT LẬP MÔ HÌNH ỨNG XỬ PHI TUYẾN CỦA CÁC TƯỜNG CHÈN TRONG KHUNG BTCT

2.3.1 Xây dựng quan hệ lực – chuyển vị của mô hình

Ứng xử của tường chèn trong khung được mô hình hóa dưới dạng một đường cong như trong Hình 2.3 Trong mô hình khung, tường chèn được biểu diễn như trong Hình 2.4

2.3.2 Xác định các thông số cơ bản của mô hình

n = H/H u – với H lực ngang tác động và H u lực ngang tại thời điểm

tường chèn đạt độ bền cực hạn; m và k – các hệ số phụ thuộc vào

loại khối xây tường chèn; các thông số khác biểu thị các đặc tính hình học và cơ học của khung và tường chèn (Hình 1.8)

Từ bề rộng wm xác định được độ cứng của tường chèn khi bắt đầu bị nứt (2.4) và khi đạt độ bền cực hạn (2.5):

0,4

2 0

a) V ms - độ bền cắt trượt của tường chèn được lựa chọn từ các

phương pháp xác định của các tác giả sau: Rosenblueth (1980); Smith và Coull (1991); Paulay và Priestley (1992); Decanini et al (1993); Panagiotakos và Fardis (1994), Fardis (2009); Zarnic và Gostic (1997); FEMA 356 (2000), Al-Chaar (2002), ASCE 41-06, ASCE 41-13; Galanti et al (1998), EN 1998-1:2004; FEMA 306 (1998); EN 1996-1-1:2005; theo TCVN 5573:2011 (2.10)…

1

1 0, 72

bs m m ms

f t l V

n tgµ θ

=

− (2.10)

Hình 2.3 Quan hệ lực–chuyển vị của Hình 2.4 Vị trí các khớp dẻo

mô hình ứng xử tường chèn trong MH hệ khung chèn

hợp với đối tượng và mục tiêu

nghiên cứu đặt ra Kết quả được

các đường cong biểu diễn quan

(2.12) theo đề xuất của

Nguyễn Lê Ninh và Dolsek

2.3.2.3 Các bước xây dựng đường cong lực-chuyển vị của mô hình

Bước 1 Xác định K my theo (2.4) B ước 2 Xác định V mu theo (2.6)

Bước 3 Xác định∆ =mu V mu K mu∗ (2.14) Bước 4 Xác định Vmy theo (2.12) B ước 5 Xác định∆ =my V my K my (2.15) Bước 6 Xác định

2.3.3.1 Kakaletsis và Karayannis (2008)

nghiệm, thiết lập MH ứng xử của

tường chèn theo các bước ở mục

2.3.2.3 (Hình 2.16) Sử dụng các

MH này cùng với các mô hình

ứng xử của vật liệu và cấu kiện

BTCT được lựa chọn trong mục

2.2, thực hiện phân tích đẩy dần

các mẫu khung thí nghiệm Các

đường cong khả năng thu được

từ phân tích được so sánh với các

đường bao lực - chuyển vị thí

Hình 2.13 Quan hệ ứng suất – biến

dạng khối xây chịu nén

Hình 2.18 So sánh kết quả thí

nghiệm với kết quả phân tích

a) Tường chèn yếu (S) b) Tường chèn khỏe (IS)

Hình 2.16

MH ứng xử của các tường chèn

nghiệm (Hình 2.18) Kết quả cho thấy một sự phù hợp khá tốt giữa chúng.

2.3.3.2 Morandi et al (2014-2018)

Hình 2.20 Quan hệ lực – chuyển

vị của mô hình tường chèn đề xuất

Tương tự như trên, thiết lập

mô hình ứng xử của tường

chèn theo phương pháp đề

xuất (Hình 2.20) và thực hiện

phân tích đẩy dần các mẫu thí nghiệm Kết quả cho thấy các đường cong khả năng thu được từ phân tích khá phù hợp với các đường bao thí nghiệm (Hình 2.21)

CHƯƠNG 3

ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG CHÈN TỚI VIỆC KIỂM SOÁT

CƠ CẤU PHÁ HOẠI KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT 3.1 QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI VÀ CÁC QUY ĐỊNH THIẾT KẾ KHUNG TRONG CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN HIỆN NAY

3.1.1 Quan niệm hiện đại trong thiết kế công trình chịu động đất

Theo quan niệm kháng chấn hiện nay, mục tiêu thiết kế công trình nhằm bảo vệ trực tiếp sinh mạng con người và của cải vật

ch ất xã hội Khi động đất mạnh xảy ra, công trình được phép làm

việc sau giới hạn đàn hồi, nhưng không bị sụp đổ đột ngột

3.1.2 Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo quan niệm kháng chấn hiện đại

Hình 2.21 So sánh KQ thí nghiệm

với KQ phân tích theo MH đề xuất

Nhằm đạt được các mục tiêu trên, hệ kết cấu phải được thiết kế

để bị phá hoại dẻo và phá hoại cắt phải xảy ra sau phá hoại uốn khi động đất mạnh xảy ra

3.1.3 Thi ết kế khung BTCT theo tiêu chuẩn kháng chấn hiện nay

Để thực hiện nguyên tắc thiết kế trên, phương pháp thiết kế theo khả năng đã được sử dụng Theo phương pháp này, các lực

dùng để thiết kế khung phải như sau, ví dụ theo TCVN 9386:2012 (nguyên tắc thiết kế cơ bản cột khỏe – dầm yếu):

a) Dầm: Mômen uốn M và lực dọc N: lấy theo kết quả phân tích KC, còn l ực cắt Q: xác định lại từ khả năng chịu uốn của dầm b) Cột: Mômen uốn M: được xác định lại từ điều kiện:

∑M Rc≥1,3∑M Rb (3.1)

trong đó: ΣM Rc - tổng khả năng chịu mômen uốn nhỏ nhất của các cột quy tụ vào nút, có xét tới lực dọc N; ΣMRb - tổng khả năng chịu mômen uốn của các dầm quy tụ vào nút

L ực cắt Q: được xác định lại từ khả năng chịu uốn của cột

M ột số nhận xét: (i) Quá trình thiết kế khung phải tuân theo

một quy trình rất nghiêm ngặt; (ii) Các quy định thiết kế khung không xét tới sự tương tác khung – tường chèn

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG CHÈN TỚI PHẢN ỨNG CỦA CÁC

D ẦM KHUNG

Các nghiên cứu thí nghiệm trên hệ khung chèn cho thấy, dầm khung có ứng xử cứng hơn so với khung trống do lực tương tác với tường chèn gây ra Để làm rõ hiện tượng này, xét một khung BTCT không có tường chèn (khung trống) như trong Hình 3.2a Ngoại lực H gây ra mômen uốn tại tiết diện đầu mút C của dầm:

Độ cong của dầm tại đầu mút C sẽ có giá trị sau:

ω

+ (3.4) Khi có tường chèn, sơ đồ tính toán hệ khung chèn như trong Hình 3.2b, trong đó Rm là lực nén trong dải chéo tiết diện wm t m Thay thế sơ đồ ở Hình 3.2b bằng sơ đồ tương đương ở Hình 3.2c với Vm – hình chiếu theo phương ngang của lực nén Rm trong dải chéo Với sơ đồ này, ta có mômen và độ cong của dầm khi có xét

tới lực tương tác tường chèn: ( )

ω

+ (3.7), trong đó: bm

m c

I h

I l

ω = (3.8) Xét (3.3) và (3.8), ta được hệ số bm m

Ib b

I k I

ωω

= = (3.9) biểu thị

sự gia tăng mômen quán tính (độ cứng uốn) của dầm khi tương tác với tường chèn Cân bằng các độ cong (3.6) và (3.7), ta thiết lập được mối quan hệ:6 1

+ =+ − (3.11) Từ mối quan hệ giữa lực ngang H và Vm thiết lập được trên cơ sở các sơ đồ tính toán ở Hình 3.2b, 3.2c và từ (3.11) ta thiết lập được tỷ số ωm/ω Với kết

quả này, xác định hệ số kIb (3.9) tại thời điểm cực hạn (wm = w m0

khi n = 1,0 xem Chương 2) khi xét tới tương tác với tường chèn:

+

Biểu thức (3.18) cho thấy, khi xét tới tương tác với tường chèn, mômen quán tính của dầm khung Ibmu đã được tăng lên k Ibu lần: