Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế phá hủy của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên

Mặc dù còn nhiều điểm chưa thống nhất, đa số các nghiên cứu đều chỉ ra rằng, ứng xử cận sụp đổ và sụp đổ của công trình BTCT là rất phức tạp bởi sự có mặt của các yếu tố sau: i Tính phi

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CƠ CHẾ PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố Các dữ liệu tham khảo đượctrích dẫn đầy đủ.

Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2021

Trần Quốc Cường

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành Luận án, Nghiên cứu sinh đã nhận được

sự định hướng, giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời động viên của cácnhà khoa học, các thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia đình

Trước hết, Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn tới các thày PGS.TS Phạm XuânĐạt, PGS.TS Nguyễn Trung Hiếu đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trìnhnghiên cứu

Nghiên cứu sinh cũng bày tỏ lòng cảm ơn tới các giảng viên, cán bộ kỹ thuật Phòngthí nghiệm và kiểm định công trình LAS-XD125, đã có nhiều nhận xét cùng sáng kiếncần thiết cho nghiên cứu thực nghiệm

Cho phép Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các thày cô giáo, các nhà khoa họccủa Đại học Xây dựng đã có các góp ý quý báu cho Nghiên cứu sinh trong quá trìnhthực hiện Luận án này

Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Học viện Cán bộ quản lý xây dựng và đô thị

đã tạo điều kiện thuận lợi để Nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu.Cuối cùng Nghiên cứu sinh cũng bày tỏ lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình,bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ Nghiên cứu sinh vượt qua khókhăn để đạt được những kết quả nghiên cứu trong Luận án này

NCS Trần Quốc Cường

LỜI CẢM ƠN ii

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Cơ sở khoa học của đề tài 4

5 Phương pháp nghiên cứu 5

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5

7 Những đóng góp mới của luận án 5

8 Cấu trúc của luận án 6

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN PHẲNG BTCT KHI BỊ MẤT CỘT ĐỠ 8 1.1 Sụp đổ lũy tiến (SĐLT) hệ kết cấu công trình BTCT 8

1.1.1 Khái niệm sụp đổ lũy tiến (SĐLT) 8

1.1.2 Một số vụ sụp đổ điển hình 9

1.1.3 Cơ chế SĐLT của kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực 12

1.1.3.1 Hiệu ứng gấp đôi nhịp 12

1.1.3.2 Hiệu ứng động 13

1.2 Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn khi biến dạng lớn và cơ chế chịu lực 14 1.2.1 Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn khi biến dạng lớn 14

1.2.2 Các cơ chế chịu lực thứ cấp của kết cấu BTCT khi biến dạng lớn 15 1.2.2.1 Cơ chế chịu lực vòm nén (CCVN) 15

1.2.2.2 Cơ chế chịu lực dây căng (CCDC) 16

1.2.2.3 Cơ chế màng (CCM) trong cấu kiện dầm sàn BTCT 17 1.3 Sự làm việc và dạng phá hoại của kết cấu sàn phẳng BTCT 18

1.3.1 Sự làm việc của kết cấu sàn phẳng 18

1.3.2 Các cơ chế phá hoại của sàn phẳng 19

1.3.3 Ứng xử của sàn phẳng BTCT ở trạng thái biến dạng lớn và các cơ chế chịu lực thứ cấp 19

1.3.3.1 Ứng xử của sàn phẳng ở trạng thái biến dạng lớn 19

1.3.3.2 Hiệu ứng màng nén bản sàn bị hạn chế chuyển vị ngang 20 1.3.3.3 Hiệu ứng màng căng bản sàn hạn chế chuyển vị ngang 21 1.3.3.4 Hiệu ứng màng với bản sàn tự do chuyển vị ngang 22

1.4 Một số phương pháp thiết kế phòng chống SĐLT trên thế giới 23

1.4.1 Phương pháp lực giằng 23

1.4.2 Phương pháp kháng cục bộ đặc biệt 25

1.4.3 Phương pháp Đường tải trọng thay thế 25

1.5 Nghiên cứu kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực 27

1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm 27

1.5.1.1 Sự phát triển CCDC và CCVN trong khung phẳng 27

1.5.1.2 Sự hình thành và phát triển CCM trong kết cấu sàn 30

1.5.2 Phương pháp bán thực nghiệm tính toán sức kháng sụp đổ 35

1.5.3 Những vấn đề còn tồn tại 41

1.6 Tóm tắt và kết luận chương 42

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH SÀN PHẲNG BTCT KHI MẤT CỘT BIÊN 44 2.1 Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu thực nghiệm 45

2.2.2.1 Số tỷ lệ cơ bản 49

2.2.2.2 Số tỷ lệ dẫn xuất 50

2.2.3 Lựa chọn các số tỷ lệ cơ bản 51

2.2.4 Mô hình hóa kết cấu chịu tác động do mất cột đột ngột 52

2.3 Mô hình thí nghiệm và vật liệu chế tạo 52

2.3.1 Mô hình thí nghiệm 52

2.3.1.1 Cấu tạo bản sàn BTCT 55

2.3.1.2 Cột đỡ sàn phẳng BTCT thí nghiệm 59

2.3.1.3 Liên kết cột với mẫu sàn thí nghiệm 61

2.3.1.4 Liên kết cột với sàn phòng thí nghiệm 62

2.3.2 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý vật liệu chế tạo 62

2.3.2.1 Vật liệu bê tông 62

2.3.2.2 Cốt thép sử dụng cho bê tông 62

2.3.2.3 Vật liệu chế tạo cột thép 63

2.3.2.4 Vật liệu bu lông 64

2.4 Tải trọng thí nghiệm tĩnh 64

2.4.1 Dạng tải trọng thí nghiệm tĩnh 64

2.4.2 Giá trị tải trọng tĩnh 65

2.4.3 Sơ đồ tác dụng tải trọng 65

2.4.4 Biện pháp tạo tải trọng phân bố đều 67

2.4.5 Quy trình tác dụng tải trọng tĩnh 68

2.5 Tải trọng thí nghiệm động 68

2.5.1 Tình huống mất cột đột ngột 68

2.5.2 Cách thức tạo trường hợp mất cột đột ngột 69

2.5.3 Quy trình thí nghiệm động 70

2.6 Thiết bị và dụng cụ đo 71

2.6.1 Thiết bị và dụng cụ đo chuyển vị LVDT 71

2.6.1.1 Đo chuyển vị đứng 71

2.6.1.2 Đo chuyển vị ngang 73

2.6.2 Thiết bị và dụng cụ đo biến dạng thép 73

2.6.2.1 Loại phiến điện trở (strain gauges) sử dụng 73

2.6.2.2 Mục đích sử dụng phiến điện trở (strain gauge) 73

2.6.2.3 Cơ sở chọn vị trí dán 74

2.6.2.4 Xác định nội lực trong cột 75

2.6.3 Đo gia tốc dao động 76

2.6.4 Thiết bị ghi dữ liệu 77

2.7 Quy trình thí nghiệm 77

2.7.1 Lắp dựng mẫu thí nghiệm 77

2.7.2 Quy trình thực hiện thí nghiệm 79

2.8 Kết luận chương 79

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 81 3.1 Phân tích kết quả thí nghiệm tĩnh với mẫu SP1 và SP3 81

3.1.1 Sự phân bố vết nứt, dạng và cơ chế phá hoại của mẫu thí nghiệm 81 3.1.2 Quan hệ tải trọng – chuyển vị 85

3.1.3 Biến dạng của cốt thép 92

3.1.4 Sự phân bố tải trọng về các chân cột 93

3.1.5 Hiệu ứng màng-ứng xử của sàn phẳng khi biến dạng lớn 95

3.2 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm động với mẫu SP2 101

3.2.1 Sự làm việc của cơ cấu cột chống thép 102

3.2.2 Quan hệ tải trọng – chuyển vị 103

3.2.3 Ứng xử động của kết cấu bản sàn 105

3.2.3.1 Quan hệ chuyển vị theo thời gian 106

3.2.3.2 Biến dạng của cốt thép 107

3.2.3.3 Sự gia tăng nội lực trong cột 109

4.1 Các giả thiết tính toán của phương pháp đơn giản 114

4.2 Đánh giá hiệu ứng động 115

4.3 Sức kháng SĐLT của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép 117

4.4 Tải trọng cực hạnWult của hệ kết cấu sàn phẳng 118

4.4.1 Tải trọng cực hạnWult khi mất cột biên giữa (CBG) 119

4.4.2 Tải trọng cực hạnWult khi mất cột biên cận góc (CBCG) 120

4.5 Hệ số độ dẻo chuyển vịµ∆ 120

4.5.1 Lựa chọn khớp dẻo xoay 121

4.5.2 Xác định chuyển vị dẻo∆y theo độ cong dẻoϕy 121

4.5.3 Xác định chuyển vị chảy dẻo∆p theo độ cong chảy dẻoϕp 123

4.5.4 Xác định hệ số chuyển vị dẻoµ∆theo hệ số dẻo xoayµϕ 124

4.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến sức kháng SĐLT 125

4.6 So sánh với kết quả thực nghiệm 128

4.6.1 Mẫu thí nghiệm sàn phẳng 128

4.6.2 Áp dụng phương pháp đơn giản cho mẫu thí nghiệm SP1 128

4.6.3 Nhận xét 130

4.7 Ví dụ áp dụng 131

4.8 Điều kiện áp dụng phương pháp đơn giản 134

4.9 Kết luận chương 137

PHỤ LỤC P1

A.1 Áp dụng phương pháp đơn giản P1A.2 Thiết kế bản sàn công trình thực P3A.3 Các bảng tính theo phương pháp đơn giản P5

B.1 Các số liệu thí nghiệm (data logger) P6B.2 Các kết quả Etab P6B.3 Số liệu Etab của sàn phẳng trước và sau khi mất cột P6

CCU Cơ cấu uốn

ALP Alternative load path

ĐTT Đường truyền tải trọng thay thế

GSA General Services Administration

UFC Unified Facilities Criteria

DOD Department of Defense

ASCE American Society of Civil Engineers

ACI American Concrete Institute

LVDT Linear variable differential transformer

BSG Bottem strain gauge

TSG Top strain gauge

Es Modul đàn hồi của cốt thép

Ec Modul đàn hồi của bê tông

As Diện tích tiết diện cắt ngang

Is Mô men quán tính của cột thép tròn

Rs Bán kính ngoài của cột thép tròn

ϵ Biến dạng dọc trục của thép

Lx(y) Nhịp kết cấu phương X và Y

mx(y) Moment uốn dương đơn vị phương X và Y

m′x(y) Moment uốn âm đơn vị phương X và Y.

As Tiết diện cốt thép chịu kéo đơn vị trong sàn phẳng

ds chiều cao tính kết cấu trong sàn phẳng

fc′ Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông

fy Giới hạn chảy dẻo của cốt thép

wyield Tải trọng gây chảy dẻo đơn vị của sàn phẳng

Wyield Tải trọng giới hạn chảy dẻo của sàn phẳng

WM Đóng góp của moment dương cho sức kháng tải

WT M A Đóng góp của hiệu ứng màng cho sức kháng tải

Wactual Tải trọng thí nghiệm

M′ Tổng Moment uốn âm lý thuyết của mẫu thí nghiệm

µ∆ Hệ số dẻo của kết cấu khi chuyển vị đứng

Wult Tải trọng phân bổ đều cực hạn

ϕ y Độ cong khi bắt đầu chảy dẻo

ϕp Độ cong trong suốt quá trình chảy dẻo

ϕm Độ cong lớn nhất của tiết diện

θ Góc xoay của tiết diện

β1 Hệ số tỷ lệ chiều cao vùng nén

(M e g) max Tải trọng đứng max để chuyển vị động max

Re Khả năng chịu lực của hệ tương đương

∆y Chuyển vị tương ứng với thời điểm bắt đầu chảy dẻo

∆ p Chuyển vị trong suốt quá trình chảy dẻo

Hình 1.3 SĐLT của các công trình khác 11

Hình 1.4 Gia tăng nội lực trong dầm phẳng hai nhịp mất gối tựa 12

Hình 1.5 Mô hình ứng xử động của kết cấu khi bị mất cột đột ngột 13

Hình 1.6 Cơ cấu uốn, cơ cấu vòm nén và cơ cấu dây căng 14

Hình 1.7 Cơ cấu chịu lực vòm nén (CCVN) [43] 15

Hình 1.8 So sánh sức kháng của cơ cấu dây căng và cơ cấu uốn 16

Hình 1.9 Đường truyền tải trọng thay thế khi mất cột biên giữa 17

Hình 1.10 Sụp đổ công trình do lực kéo CCDC [40] 18

Hình 1.11 Sự hình thành cơ cấu màng (CCM) trong cấu kiện sàn BTCT [41] 18 Hình 1.12 Kết cấu sàn phẳng 19

Hình 1.13 Các loại hiệu ứng màng của kết cấu sàn phẳng [25] 20

Hình 1.14 Hệ kết cấu khung sàn phẳng chịu lực[25] 21

Hình 1.15 Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng nén trong bản sàn BTCT [25] 21 Hình 1.16 Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng căng trong bản sàn BTCT[25] 22 Hình 1.17 Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng căng kết hợp vành nén[13] 23 Hình 1.18 Mô hình lực giằng cho hệ kết cấu khung (DOD 2005) [16] 24

Hình 1.19 Mô hình loại bỏ cột và đường truyền tải trọng thay thế 26

Hình 1.20 Đường truyền tải trọng thay thế trong dầm BTCT [48] 28

Hình 1.21 Đường truyền tải trọng thay thế CCDC khi cột bị phá hủy 29

Hình 1.22 Thí nghiệm cơ chế CCDC khi cột bị phá hủy 30

Hình 1.23 Cơ chế màng khi cột cận góc bị phá hủy 30

Hình 1.24 Sơ đồ thí nghiệm kết cấu dầm sàn BTCT mất cột biên [44] 31

Hình 1.25 Dạng phá hoại của mẫu thí nghiệm [44] 31

Hình 1.26 Mô hình TN đánh giá cơ chế màng của sàn phẳng BTCT 33

Hình 1.27 Sơ đồ chất tải trong thí nghiệm của Russel [46] 34

Hình 1.28 Nghiên cứu sức kháng tải của sàn phẳng khi mất cột [30] 34

Hình 1.29 Mô hình tính theo bốn mức độ khác nhau [20] 35

Hình 1.30 Sơ đồ hiệu ứng dây xích và hiệu ứng vòm nén[20] 36

Hình 1.31 Mô hình gia tải tĩnh có hệ số động khi mất cột đột ngột [20] 36

Hình 1.32 Phương pháp đánh giá động đơn giản [20] 37

Hình 1.33 Trường hợp mất cột biên cận góc và cột trong cận góc [43] 39

Hình 1.34 Quan hệ đàn-dẻo và nút khung nguy hiểm 40

Hình 1.35 Vị trí hình thành các khớp dẻo khi kết cấu mất cột [45] 40

Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu 3D công trình thực và vị trí mất một cột 48

Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm trường hợp mất cột biên cận góc 53

Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm trường hợp mất cột biên giữa 54

Hình 2.4 Mô hình thí nghiệm 54

Hình 2.5 Mặt bằng bố trí thép mẫu thí nghiệm SP1, SP2 56

Hình 2.6 Mặt bằng bố trí thép mẫu thí nghiệm SP3 57

Hình 2.7 Mẫu sàn thí nghiệm với dải sàn mở rộng 58

Hình 2.8 Chất tải biên và tải trọng thí nghiệm bằng các viên mẫu bê tông 58 Hình 2.9 Chi tiết cột thép đỡ bản sàn 60

Hình 2.10 Mô phỏng cột đỡ sàn bằng cột thép 61

Hình 2.11 Biểu đồ ứng suất-biến dạng khi kéo thép 63

Hình 2.12 Sơ đồ gia tải và mặt bằng 24 điểm tải 66

Hình 2.13 Giá đỡ tạo tải trọng phân bổ đều 66

Hình 2.14 Sơ đồ gia tải và phương tiện tạo tải trọng 67

Hình 2.15 Biện pháp gia tải phân bố đều 67

Hình 2.16 Hệ thay thế bằng cột thép và búa 69

Hình 2.17 Mặt bằng bố trí thiết bị đo chuyển vị (LVDT) 72

Hình 2.18 Sơ đồ bố trí thiết bị đo chuyển vị LVDT 73

Hình 2.19 Strain gauge đo biến dạng một phương 74

Hình 2.20 Mặt bằng bố trí các phiến điện trở 75

Hình 2.21 Sơ đồ bố trí thiết bị đo nội lực cột thép 76

Hình 2.22 Sơ đồ thiết bị đo gia tốc dao động 77

Hình 3.4 Dạng phá hoại của các mẫu thí nghiệm 85

Hình 3.5 Đường cong tải trọng – chuyển vị đứng LVDT3 (SP1,SP3) 86

Hình 3.6 Tải trọng gây sụp đổ mẫu thí nghiệm 87

Hình 3.7 Ứng xử của mẫu SP1 theo các cấp tải trọng 88

Hình 3.8 Ứng xử của mẫu SP3 theo các cấp tải trọng 89

Hình 3.9 Chuyển vị ngang đầu cột C1 và cột C5 90

Hình 3.10 Chuyển vị đứng tại vị trí LVDT1 và LVDT5 91

Hình 3.11 Biến dạng cốt thép ở vị trí mất cột 92

Hình 3.12 Biến dạng cốt thép ở vị trí đầu cột C3 93

Hình 3.13 Tỷ lệ phân phối tải trọng tới các cột 94

Hình 3.14 So sánh tải trọng thí nghiệm với phản lực chân cột 95

Hình 3.15 Biến dạng cốt thép tại vị trí cột bị mất của mẫu SP1, SP3 96

Hình 3.16 Sơ đồ đường dẻo và mô men âm thực nghiệm 97

Hình 3.17 Dạng phá hoại của mẫu 98

Hình 3.18 Hệ chịu tải trọng trước khi mất cột 102

Hình 3.19 Biến dạng của cột thép và phiến điện trở BD14 và BD15 103

Hình 3.20 Đường tải trọng–chuyển vị LVDT3 của mẫu SP1 và SP2 104

Hình 3.21 Biểu đồ gia tốc dao động của mẫu SP2 105

Hình 3.22 Biến động của chuyển vị theo thời gian 106

Hình 3.23 Biểu đồ biến dạng của cốt thép khi mất cột 107

Hình 3.24 Biểu đồ biến động biến dạng cốt thép đặc trưng 108

Hình 3.25 Biểu đồ biến dạng cốt thép tại vị trí mất cột 109

Hình 3.26 Biểu đồ biến động lực dọc cột C-5 109

Hình 3.27 Dạng phá hoại của mẫu thí nghiệm 111

Hình 3.28 Dạng phá hoại cuối của mẫu thí nghiệm 111

Hình 4.1 Mô hình tính toán hiệu ứng động khi sàn BTCT mất một cột [44] 116

Hình 4.2 Hàm độ bền của hệ tương đương 116

Hình 4.3 Sơ đồ tính mô men đường dẻo của các mẫu thí nghiệm 118

Hình 4.4 Sơ đồ tính chuyển vị đàn dẻo∆y khi sàn BTCT mất cột [44] 121

Hình 4.5 Mô hình tính chuyển vị chảy dẻo∆p khi sàn BTCT mất cột [44] 123 Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữaµ∆vàµϕ 125

Hình 4.7 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài khớp dẻo 126

Hình 4.8 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày bản sàn 126

Hình 4.9 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ bê tông 127

Hình 4.10 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép 127

Hình 4.11 Biểu đồ phương pháp đơn giản so với thực nghiệm mẫu SP1 130

Hình 4.12 Biểu đồ phương pháp đơn giản so với thực nghiệm mẫu SP1,2,3 131 Hình 4.13 Mặt bằng kết cấu điển hình bố trí thép sàn theo dải 132

Hình 4.14 Mặt phá hoại theo kiểu chọc thủng [3] 134

Hình 4.15 Tiết diện tính toán đối với cột giữa, cột biên và cột góc [3] 135 Hình A.1 Mặt bằng dải cột và dải nhịp P4 Hình A.2 Chi tiết phân vùng dải cột và dải nhịp một ô sàn P5 Hình A.3 Bố trí cốt thép cho một ô sàn kết cấu thực điển hình P5

Bảng 2.1 Thống kê mẫu thí nghiệm 53

Bảng 2.2 Kích thước và bố trí cốt thép các mẫu thí nghiệm 56

Bảng 2.3 Xác định cốt thép của mô hình từ hàm lượng cốt thép nguyên mẫu 57 Bảng 2.4 Bảng cấp phối bê tông (kg/m3) 62

Bảng 2.5 Đặc trưng cơ lý của cốt thép cho bê tông 63

Bảng 2.6 Đặc trưng cơ lý của thép chế tạo cột 63

Bảng 2.7 Đặc trưng cơ lý của thép chế tạo bu lông 64

Bảng 3.1 Gia tăng sức kháng tải do hiệu ứng màng căng 87

Bảng 3.2 Chuyển vị tương đối tại vị trí mất cột 89

Bảng 3.3 Kết quả tải trọng giới hạn 90

Bảng 3.4 Tỷ lệ tải trọng phân bổ về các cột 94

Bảng 3.5 Bảng tính mô men uốn đơn vị tới hạn của bản sàn 99

Bảng 3.6 Kết quả tính toán khả năng chịu tải lý thuyết của bản sàn 99

Bảng 3.7 Bảng tính mô men âm thực tế so với lý thuyếtkN m 100

Bảng 3.8 Tải trọng và hệ số tăng sức kháng tải do hiệu ứng màng 101

Bảng 3.9 Bảng tính hệ số động 110

Bảng 4.1 Thông số xác định hệ số độ dẻo xoayµϕ 120

Bảng 4.2 Kết quả thực nghiệm hệ số độ dẻo xoayµϕ theo hàm lượng cốt thépρ[44] 121

Bảng 4.3 Kết quả thực nghiệm∆yj theo∆yb [44] 122

Bảng 4.4 Xác định chiều dài khớp dẻolptheo chiều dày cấu kiện d [35] 124 Bảng 4.5 Hệ số độ dẻo chuyển vịµ∆theo hệ số độ dẻo xoayµϕ 125

Bảng 4.6 Kích thước và bố trí cốt thép các mẫu thí nghiệm 128

Bảng 4.7 Khả năng chịu mô men uốn tới hạn của sàn phẳng 129

Bảng 4.8 Tải trọng giới hạn dẻo của mẫu thí nghiệm 129

Bảng 4.9 Tải trọng và đặc trưng vật liệu kết cấu thực 132

Bảng 4.10 Kiểm tra tải trọng chọc thủng tại đầu cột mẫu SP1 (kN) 136

Bảng 4.11 Kiểm tra tải trọng chọc thủng tại đầu cột mẫu SP2 (kN) 136

Bảng 4.12 Kiểm tra tải trọng chọc thủng tại đầu cột mẫu SP3 (kN) 136

công trình có qui mô thiệt hại lớn về người và của Có thể kể đến vụ sụp đổ tòanhà Murrah Building (Thành phố Oklahoma, Mỹ, năm 1995) do bom xe làm chết

168 người, sụp đổ tòa nhà Sampoong Department Store (Thành phố Seoul, HànQuốc) làm chết và bị thương gần 500 người, hay vụ tấn công khủng bố Tháp đôitrung tâm thương mại thế giới WTC (Thành phố New York, Mỹ, năm 2001) làmchết gần 3000 người Các nghiên cứu hiện trường đã chỉ ra rằng các vụ sụp đổcông trình có đặc điểm chung là được bắt đầu bởi sự phá hoại của một vài cấukiện chịu lực mang tính cục bộ do áp lực của vụ nổ bom hay khí ga, sau đó lantruyền từ cấu kiện này sang cấu kiện khác, cuối cùng dẫn đến sụp đổ phần lớnhoặc toàn bộ kết cấu công trình Đây được định nghĩa là sụp đổ lũy tiến (SĐLT)công trình Do hậu quả nghiêm trọng mà nó gây ra, việc phòng chống SĐLT đã

và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu quốc tế cũngnhư các nhà lập pháp ở nhiều quốc gia Trong hơn ba thập kỷ vừa qua, nhiềunghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết mô phỏng số đã được thực hiện nhằm hiểu

rõ cơ chế SĐLT của công trình nhà dân dụng, đặc biệt là kết cấu bê tông cốt thép(BTCT) Mặc dù còn nhiều điểm chưa thống nhất, đa số các nghiên cứu đều chỉ

ra rằng, ứng xử cận sụp đổ và sụp đổ của công trình BTCT là rất phức tạp bởi

sự có mặt của các yếu tố sau: (i) Tính phi tuyến của vật liệu bê tông bao gồm sựphát triển vết nứt và nén vỡ, (ii) Tính phi tuyến hình học ở trạng thái biến dạnglớn, và (iii) Hiệu ứng động khi cấu kiện chịu lực như cột BTCT bị đánh sập độtngột Song song với các nỗ lực nghiên cứu của cộng đồng quốc tế, các yêu cầunhằm hạn chế thiệt hại do SĐLT gây ra cũng đã được các nhà lập pháp đưa vàotrong các tiêu chuẩn thiết kế và thi công hiện hành tại nhiều nước trên thế giớinhư Mỹ, Châu Âu, Singapore Nhiều tài liệu hướng dẫn thiết kế phòng chốngSĐLT cũng đã được ban hành như hướng dẫn thiết kế cải tạo các công trình của

chính phủ Mỹ (GSA - Progressive collapse Analysis and Design Guidelines forNew Federal Office Buildings and Major Modernization Projects-2003) [23] vàUFC 4-023-03 (Design of Buildings to Resist Progressive Collapse-2016) [16].Nhìn chung, sức kháng sụp đổ của công trình thường được đánh giá thông quatình huống giả định là một cột chịu lực bị mất đột ngột dưới tác động của bom,khí ga, đâm xe hay sụt lún nền và móng Mặc dù còn nhiều điểm hạn chế trong

cả các qui trình tính toán thiết kế cũng như cấu tạo BTCT, việc ban hành các tàiliệu hướng dẫn này đã được giới chuyên môn ủng hộ và cũng đã thể hiện vai tròquan trọng của công tác phòng chống SĐLT công trình ở các nước tiên tiến trênthế giới Đáng chú ý là nội dung các tài liệu này được cập nhật liên tục hàng nămdựa trên các kết quả nghiên cứu quan trọng của cộng đồng khoa học quốc tế.Kết cấu sàn phẳng được sử dụng nhiều cho các mục đích dân dụng và côngnghiệp, đặc biệt là siêu thị và các khu vui chơi giải trí So với kết cấu dầm sàntruyền thống, ưu điểm của kết cấu sàn phẳng là thời gian thi công nhanh chóng,chiều cao tầng lưu không lớn Tuy nhiên, nhược điểm chính là trọng lượng bảnthân rất lớn trong khi khu vực sàn đầu cột dễ bị phá hoại cục bộ do chọc thủng.Khi phá hoại này xảy ra tại một vị trí cục bộ nào đó thì việc ngăn chặn sự lantruyền phá hoại này là điều rất cần thiết để tránh SĐLT có thể xảy ra Cần nhấnmạnh là tình huống giả định mất cột đột ngột hoàn toàn tương thích và phản ánh

được sự phá hoại chọc thủng tại đầu cột này Đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm

cơ chế phá hủy của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên”đượclựa chọn nhằm làm rõ ứng xử của bản sàn khi mất cột, qua đó ngăn chặn hoặchạn chế thiệt hại của sụp đổ dây chuyền

2 Mục tiêu nghiên cứu

• Xây dựng một mô hình thực nghiệm phù hợp đủ để có thể mô tả ứng xử sụp

đổ của kết cấu sàn phẳng BTCT trong điều kiện mất cột biên.

Mô hình thực nghiệm cần phải được thiết kế đảm bảo các vấn đề sau Thứnhất, hệ gia tải trọng cần phải đảm bảo được sự phân bố đều trên mặt mẫuthí nghiệm trong suốt quá trình thí nghiệm, đặc biệt là khi biến dạng rất lớn

Quá trình này có bao gồm sự phát triển vết nứt, sự phân bố tải trọng về cáccột xung quanh cột bị mất, sức kháng tải trọng của kết cấu sau khi bị mất cột

và dạng sụp đổ hoàn toàn Quan sát thực nghiệm sự hình thành và phát triểncủa hiệu ứng màng, vốn là cơ chế chịu lực thứ cấp của sàn phẳng khi chịutrạng thái biến dạng lớn

• Đánh giá hiệu ứng động đến ứng xử của kết cấu sàn phẳng BTCT không mũ

cột trong tình huống cột chịu lực bị phá hoại đột ngột.

Khi cột chịu lực bị đánh sập đột ngột bởi bom nổ hay nổ khí ga, sự phá hoạichỉ diễn ra trong vài phần nghìn giây [16] Trong trường hợp này, ứng xử củacông trình là động nên dẫn đến tải trọng tác dụng, chuyển vị và nội lực củakết cấu bị khuếch đại bởi một hệ số động nhất định Do đó, việc đánh giáhiệu ứng động thông qua chương trình thực nghiệm là hết sức cần thiết đểhiểu rõ hơn cơ chế sụp đổ của kết cấu công trình

• Xây dựng công thức bán thực nghiệm nhằm tính toán sức kháng sụp đổ của

kết cấu sàn BTCT không mũ cột.

Dựa trên kết quả thực nghiệm thu được kết hợp với các kết quả lý thuyết đãđược công bố trước đây, nghiên cứu sẽ xây dựng một công thức bán thựcnghiệm có thể giúp cho kỹ sư thiết kế tính toán nhanh sức kháng sụp đổ củakết cấu sàn phẳng BTCT

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Theo sự phát triển của nhu cầu sử dụng và công năng của công trình dân dụng

và công nghiệp, hệ kết cấu sàn phẳng BTCT là tương đối đa dạng, có thể đượcphân thành ba loại chính, bao gồm:

• Sàn phẳng thông thường có chiều dày sàn không thay đổi theo cả hai phươngngang;

• Sàn phẳng được tăng cứng tại khu vực xung quanh đầu cột chịu lực, còn gọi

là sàn phẳng có mũ cột;

• Sàn phẳng được gia cường bằng hệ cáp dự ứng lực

Trong luận án này, đối tượng nghiên cứu được lựa chọn là sàn phẳng thông

thường vì các nghiên cứu trong lĩnh vực biến dạng lớn của dạng kết cấu này còn

nhiều vấn đề chưa sáng tỏ Ứng xử sụp đổ của sàn phẳng được nghiên cứu vớihai tình huống phá hoại cục bộ, đó là khi cột biên giữa hoặc cột biên cận góc bịphá hoại do các tác động bất thường

4 Cơ sở khoa học của đề tài

• Các kết quả nghiên cứu về kết cấu bản sàn BTCT trong 3 thập kỷ qua, đặcbiệt trong lĩnh vực nghiên cứu phòng chống SĐLT Nghiên cứu sự làm việccủa bản sàn BTCT dưới tác dụng của tải trọng tác dụng thẳng đứng với dạngphá hoại đặc trưng là chọc thủng tại đầu cột

• Các nghiên cứu sự làm việc của kết cấu bản sàn BTCT ở trạng thái biến dạnglớn Trong giai đoạn này ứng xử của kết cấu còn phụ thuộc vào các hiệu ứngchịu lực thứ cấp như: Hiệu ứng màng, hiệu ứng dây căng và hiệu ứng động.Các hiệu ứng này đã được các nghiên cứu chứng tỏ có vai trò nhất định trongviệc tham gia vào khả năng chịu tải của bản sàn

• Căn cứ theo kích thước và tỉ lệ của đối tượng nghiên cứu, phương pháp thựcnghiệm có thể được thực hiện trên kết cấu công trình thực với tỉ lệ 1:1, hoặctrên kết cấu mô hình với một tỉ lệ thu nhỏ nhất định Nghiên cứu trên côngtrình thực tất nhiên sẽ phản ánh được đầy đủ ứng xử kết cấu, nhưng thườngkhông được lựa chọn do chi phí rất lớn và chỉ có thể thực hiện với các biến

số nhất định Trong khi đó, nghiên cứu trên kết cấu mô hình thu nhỏ chophép thực hiện trên dải biến số rộng hơn với mức chi phí phù hợp và có thểđược thực hiện trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, để kết cấu mô hình có thể

Luận án lựa chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên ba kết cấu thínghiệm với kích thước hình học được thu nhỏ (tỉ lệ 1:3) so với đối tượng kếtcấu thực Hai trong số ba mẫu thí nghiệm này được tiến hành theo phương thứcgia tải tĩnh Mẫu thí nghiệm còn lại được sử dụng để quan sát ứng xử động củakết cấu khi cột bị phá hoại đột ngột.

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Mất một cột đỡ là trường hợp mà sàn phẳng BTCT chịu một tác động vốn chưađược kể đến trong tính toán thiết kế ban đầu Dưới tác động này, kết hợp với tảitrọng sử dụng tác động lên bản sàn, sẽ dẫn đến sự làm việc của bản sàn nằmngoài những trạng thái giới hạn (TTGH) về chịu lực, về biến dạng (TTGH 1 vàTTGH 2) được sử dụng làm cơ sở trong giai đoạn thiết kế Ứng xử của sàn phẳngBTCT sau khi mất cột sẽ gắn liến với trạng thái biến dạng lớn với các hiệu ứngchịu lực thứ cấp như hiệu ứng màng căng, hiệu ứng vòm cũng như sức khángsụp đổ của bản sàn Việc nghiên cứu sự làm việc của sàn phẳng BTCT, cũng nhưđóng góp của các hiệu ứng chịu lực thứ cấp đến sức kháng sụp đổ sẽ làm sáng tỏứng xử của bản sàn BTCT trường hợp mất một cột chịu lực

Phương pháp đơn giản nhằm đánh giá sức kháng SĐLT hệ kết cấu BTCT đã đượccông bố trên thế giới cho thấy đây là phương pháp hiệu quả có thể áp dụng vớimọi công trình với chi phí thấp, nhưng hiện nay phương pháp này chủ yếu cho

hệ dầm sàn Phát triển phương pháp đơn giản để có thể áp dụng được cho hệ sànphẳng BTCT là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

7 Những đóng góp mới của luận án

• Xây dựng được mô hình thí nghiệm động và tĩnh phù hợp có thể áp dụng vớinhiều nghiên cứu khác một cách hiệu quả;

• Nghiên cứu đã làm rõ và định lượng hiệu ứng màng trong sức kháng tải củasàn phẳng Hiệu quả của hiệu ứng màng căng làm tăng 1,14 và 1,34 lần tảitrọng giới hạn tính theo phương pháp đường dẻo;

• Xác định bằng thực nghiệm các hệ số động đặc trưng cho sự làm việc độngcủa sàn phẳng BTCT khi mất 01 cột đỡ đột ngột, trong đó hệ số động củabiến dạng của cốt thép bằng 1,12, của chuyển vị đứng bằng 1,09 và của lựcdọc đỡ cột bằng 1,28;

• Thiết lập được công thức đơn giản nhằm dự báo sức kháng SĐLT của sànphẳng dựa trên cơ sở đường chảy dẻo;

• Cung cấp 1 bộ số liệu thí nghiệm vê sự làm việc của sàn phẳng BTCT ở haitrạng thái chịu tác dụng của tải trọng phân bố tĩnh và chịu tải trọng động domất cột đột ngột Các số liệu thí nghiệm này có thể được sử dụng làm dữ liệutham khảo cho các nghiên cứu trong cùng lĩnh vực

8 Cấu trúc của luận án

Phần Mở đầu : Chương này sẽ làm rõ sự cần thiết của nghiên cứu, giới hạn phạm

vi, đối tượng, phương pháp nghiên cứu và các mục tiêu của Luận án

Chương 1 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU, phần này trình bày lịch sử nghiên cứu

về kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực đặc biệt là các nghiên cứu liên quan đếnkết cấu sàn phẳng BTCT không mũ cột

Chương 2 : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH SÀN PHẲNG BTCT KHI MẤT CỘT BIÊN, chương này giới thiệu các bước, cơ sở khoa học để xây dựng môhình thí nghiệm, các quy trình thí nghiệm cũng như các giả thiết ban đầu để thựchiện chương trình thực nghiệm

Chương 3 : PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM, phần này trìnhbày các kết quả thu được từ thực nghiệm như dạng phá hoại, quan hệ tải trọngchuyển vị, biến dạng cốt thép, cơ chế chịu lực màng và các ứng xử động

Chương 4 : PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG SĐLTCỦA SÀN

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN PHẲNG BTCT KHI BỊ MẤT CỘT ĐỠ

Kết cấu sàn phẳng BTCT không mũ cột khi một cột bị phá hủy do khủng bố, đâm

xe, sụt lún nền móng, phá dỡ hay lỗi thiết kế, thi công là một bài toán thực tế đặt rahiện nay Khi đó kết cấu tại vị trí mất cột (dầm, sàn) sẽ biến dạng lớn hoặc sụp đổ vàdẫn đến kích hoạt sự phá hủy dây chuyền của công trình Sự sụp đổ này còn được gọi

là sụp đổ lũy tiến (SĐLT) Làm rõ ứng xử cận sụp đổ của kết cấu khi mất cột là mụctiêu của cộng đồng nghiên cứu bởi nó sẽ hạn chế được thiệt hại do SĐLT gây ra Trongchương này sẽ trình bày những nội dung về SĐLT công trình do kết cấu mất một cộtchịu lực, các cơ chế làm việc của kết cấu khi ở miền biến dạng lớn và các nghiên cứuliên quan được cập nhật trên thế giới cũng như ở Việt Nam Các kết quả nghiên cứu

đã đạt được cũng như những tồn tại sẽ được đánh giá, qua đó làm rõ hướng phát triểncủa Luận án

1.1 Sụp đổ lũy tiến (SĐLT) hệ kết cấu công trình BTCT

1.1.1 Khái niệm sụp đổ lũy tiến (SĐLT)

Sụp Đổ Lũy Tiến (SĐLT)thường được bắt đầu bởi sự phá hoại cục bộ của một cấukiện chịu lực, lan truyền từ cấu kiện này sang cấu kiện khác, cuối cùng dẫn đến sụp

đổ phần lớn hoặc toàn bộ kết cấu công trình Thiệt hại về người và của do SĐLT gây

ra thường lớn hơn rất nhiều so với nguyên nhân ban đầu gây ra nó Lịch sử sụp đổ cáccông trình dân dụng đã cho thấy, nguyên nhân phá hoại cục bộ ban đầu thường là mộtcột chịu lực bị gãy do tác động của tải trọng bất thường (ví dụ: Sụp đổ tòa nhà MurrahBuilding, Mỹ, năm 1995) hoặc do phá hoại chọc thủng tại một đầu cột (ví dụ: Sụp đổtòa nhà Sampoong Store Department, Hàn Quốc, năm 1995)

(m) Kết cấu của tòa nhà bao gồm lưới cột 6, 1(m) × 10, 7(m) đỡ hệ thống dầm sànmột phương như được thể hiện trong Hình 1.1(a) Chiều dày của bản sàn là 152 (mm)được đỡ bởi hệ thống dầm bẹt có kích thướcb × h=508(mm) × 1220(mm) Một trongcác cấu kiện chịu lực chính của kết cấu là hệ thống dầm chuyển ở tầng 3 dọc theo trục

G với chiều dài nhịp (từ cột đến cột) là 12,2 (m) Hình 1.1(b) Dầm chuyển này đỡ hệthống cột biên từ tầng 3 lên đến mái

(a) Mặt bằng kết cấu (b) Hệ cột và dầm chuyển trục G

(c) Vị trí nổ bom gần cột G20 (d) Tòa nhà sau vụ nổ (photo Reuters)

Hình 1.1: Tòa nhà Murrah building trước và sau khi bị SĐLT [21]

Ngày 19 tháng 4 năm 1995, một xe bom với lượng thuốc nổ tương đương với khoảng

1800 (kg) TNT đã được kích hoạt trước sảnh của tòa nhà, cách cột G20 khoảng 4 (m).

Vụ nổ đã làm sụp đổ 1/2 tòa nhà và cướp đi sinh mạng của 168 người trong đó có 19trẻ em Hình 1.1(c) minh họa vị trí của vụ nổ và Hình 1.1(d) thể hiện phần còn lại củatòa nhà sau khi vụ nổ xảy ra Cộng đồng kỹ sư kết cấu và các nhà chuyên môn đềuthừa nhận rằng:

• Áp lực trực tiếp của bom xe chỉ có thể phá hoại được cột G20 và một phần nhỏdiện tích sàn, trong khi hai cột lân cận G24 và G16 gần như nguyên vẹn;

• Một phần sàn tầng 3 có thể bị vồng lên dưới áp lực nổ;

• Sự mất khả năng chịu lực của dầm chuyển ở tầng ba do cột G20 bị phá hoại lànguyên nhân chính gây ra sự sụp đổ của 1/2 tòa nhà Các nghiên cứu hiện trườngcũng chỉ ra sức phá hủy của vụ nổ chỉ làm hỏng cột G20, nhưng khi mất cộtđường truyền tải trọng thay thế không đáp ứng được nên dẫn đến SĐLT

W.Gene Corley [15] cho rằng nếu cột G20 không bị phá hoại do áp lực nổ thì thiệt hại

có thể giảm xuống chỉ ở mức 15% Trong khi nếu cột G20 bị phá hoại nhưng cơ cấukhớp dẻo có thể được hình thành trong dầm chuyển có chiều dài nhịp tính toán từ cộtG16 đến cột G24 thì phạm vi thiệt hại có thể giảm được tối đa là 50% Sự hình thànhkhớp dẻo sẽ tạo một đường truyền tải trọng mới khi mất cột và có thể sẽ giảm thiệthại của sụp đổ công trình

Siêu thị Sampoong Store (Hàn Quốc)[53]

Siêu thị Sampoong Store là tòa nhà 5 tầng nổi và 2 tầng hầm sử dụng kết cấu sànphẳng bê tông cốt thép được xây dựng từ năm 1989 tại Seoul, Hàn Quốc Mặt bằngkết cấu được thể hiện ở Hình 1.2(a) với lưới cột có bước cột 9 (m) theo trục Y và 10.8(m) theo trục X Bản sàn bê tông cốt thép dày 300 (mm) kết hợp với mũ cột dày 450(mm) Theo thiết kế ban đầu, cột chịu lực điển hình có đường kính 800 (mm) Tuynhiên trong quá trình thi công, đường kính cột bị giảm xuống còn 600 (mm) do tiêuchuẩn về sức kháng SĐLT chưa được tính ở thời điểm đó Sự việc dẫn đến sàn tầng 5

bị phá hoại chọc thủng (cắt) tại đầu cột sau này Ngày 29/6/1995, tòa nhà đang trongthời gian vận hành đã bất ngờ sụp đổ, phá hủy hoàn toàn 5 tầng nổi làm chết 502

(a) Thay đổi kích thước cột trong khi xây dựng (b) Hình ảnh trước và sau SĐLT

Hình 1.2: Tòa nhà Sampoong Store có kết cấu sàn phẳng BTCT bị SĐLT [53]

người và làm bị thương 937 người Thiệt hại về kinh tế lên tới hơn 100 tỉ won Hình1.2(b) là hình ảnh tòa nhà trước và sau sụp đổ

Trung tâm thương mại WTC [47]

Trong các sự kiện sụp đổ công trình nhà cao tầng, không thể không nhắc đến sự sụp

đổ tòa tháp đôi Trung tâm thương mại thế giới WTC (Hình 1.3(a)) vào ngày 11 tháng

9 năm 2001 tại NewYork-Mỹ Các điều tra hiện trường có chung nhận định rằng, vụđâm và nổ máy bay vào các tầng phía trên của tòa nhà chỉ gây mất khả năng chịu lựccủa một số cột thép ở một phía của tòa nhà ở tại các tầng cao, và nguyên nhân gây rasụp đổ hoàn toàn tòa tháp đôi này vẫn là SĐLT

(a) Tòa tháp đôi WTC bị tấn công năm 2001 [47] (b) Sập nhà trẻ Vườn Xanh, Hà Nội (2017)

Hình 1.3: SĐLT của các công trình trên thế giới và ở Việt Nam

Ở Việt nam cũng đã xảy ra một số sự kiện sụp đổ kết cấu xây dựng gây thiệt hại lớn

về người và của như sụp đổ cầu dẫn cầu Cần Thơ (2007) hay gần đây nhất là vụ sập

công trình nhà trẻ Vườn Xanh tại Nam Từ Liêm, Hà Nội, khi đang trong quá trình thicông xem Hình 1.3(b) Các vụ sụp đổ này có điểm chung là bắt nguồn từ những pháhoại nhỏ, mang tính cục bộ, lan truyền tới những cấu kiện xung quanh và hậu quảcuối cùng thường có qui mô vượt xa so với những phá hoại cục bộ ban đầu.

1.1.3 Cơ chế SĐLT của kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực

Mất một cột chịu lực là kịch bản phổ biến nhất khi thiết kế công trình cũng như khinghiên cứu trong lĩnh vực phòng chống SĐLT Bởi trường hợp này dễ có nguy cơ xảy

ra trong thực tế như khủng bố, sụt lún nền móng Khi đó công trình sẽ ở trạng tháibiến dạng lớn và có nguy cơ SĐLT bởi các hiệu ứng như sau

1.1.3.1 Hiệu ứng gấp đôi nhịp

Sự gia tăng nội lực trong kết cấu dầm sàn dẫn đến lan truyền sụp đổ do nhómnguyên nhân này có thể được hình dung bằng sự mất gối tựa của một hệ dầm phẳnghai nhịp với chiều dài mỗi nhịp là L và được thiết kế để chịu tải trọng phân bố đều qcho trong Hình 1.4 dưới đây

Hình 1.4: Sự gia tăng nội lực trong dầm phẳng hai nhịp bị mất gối tựa giữa [45]

Sau khi mất gối tựa B, mô men uốn trong dầm có độ gia tăng rất lớn so với giá trị thiết

kế ban đầu trước khi mất gối tựa Tại gối tựa bên trái và bên phải, mô men âm tănglên bốn lần trong khi tại gối tựa B, dấu của mô men bị đảo chiều từ âm sang dươngvới giá trị tuyệt đối tăng gấp hai lần

Hình 1.5: Mô hình hóa ứng xử động của hệ kết cấu khi bị mất cột đột ngột [44]

Hệ số động Ωkể đến sự khuếch đại tải trọng (trọng lực Mg) do tình huống mất cột

Fd là tải trọng động tương ứng tác dụng lên hệ và gây ra chuyển vị∆m Ở trạng tháicân bằng, hệ số động được biễu diễn bởi phương trình (1.1)

Ω = Fd

Có thể thấy rằng khi ứng xử của con lắc trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính với∆ < ∆ y,thì hệ số độngΩ đạt tới 2.0 [20] Với giá trị này thì tĩnh tải q bị khuyếch đại lên 2.0lần và mô men uốn trong kết cấu dầm-sàn (Hình 1.4), phía trên cột bị mất khả năngchịu tải, có thể tăng lên đến 8 lần Tuy nhiên, nếu kết cấu dầm sàn có khả năng biếndạng lớn vào miền phi tuyến (∆y < ∆ < ∆m) thì hệ số động giảm đi đáng kể Lúcnày, độ lớn của hệ số động tỉ lệ nghịch với độ “dẻo” (structural ductility), là đặc trưngcho khả năng biến dạng của hệ dầm sàn BTCT Kết cấu được coi là phá hoại khi biếndạng vượt quá giá trị cực hạn∆m (xem Hình 1.5)

1.2 Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn ở trạng thái biến dạng lớn

và các cơ chế chịu lực thứ cấp

1.2.1 Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn ở trạng thái biến dạng lớn

Khi xảy ra sự phá hủy cục bộ như phá hoại cột hay chọc thủng đầu cột, cơ cấu uốntrong dầm và sàn sẽ bị phá hoại do sự tăng đột biến về nội lực mô men uốn trongkết cấu công trình (như đã trình bày trong Hình 1.4) vượt quá độ bền thiết kế của cấukiện Khi đó cấu kiện sẽ chuyển sang trạng thái làm việc mới - trạng thái biến dạnglớn Sự phá hoại của cơ cấu uốn bắt đầu với biểu hiện đặc trưng là sự phá hoại nén vỡcủa bê tông vùng thớ nén và vết nứt tại vùng kéo của cấu kiện SĐLT sẽ không xảy

ra ngay lập tức nếu cơ cấu chịu lực thứ cấp xuất hiện thay thế cơ cấu uốn ở trạng tháibiến dạng lớn, bao gồm cơ cấu vòm nén (compressive arch action) và cơ cấu dây căng(tensile catenary action) Do sự có mặt tiếp ngay sau sự phá hoại của cơ cấu uốn trongcấu kiện dầm sàn, cơ cấu chịu lực thứ cấp còn được gọi là đường truyền tải trọng thaythế Khi đó, quan hệ tải trọng-biến dạng của cấu kiện dầm sàn (với điều kiện biên hạnchế chuyển vị ngang) bao gồm ba giai đoạn chịu lực: cơ cấu uốn (CCU) trong miềnbiến dạng nhỏ, cơ cấu vòm nén (CCVN) tương ứng miền biến dạng tương đối lớn và

cơ cấu dây căng (CCDC) trong miền biến dạng rất lớn Các cơ chế chịu lực thứ cấpđược minh họa trong Hình 1.6

Hình 1.6: Cơ cấu uốn (CCU), vòm nén (CCVN) và cơ cấu dây căng (CCDC) [37]

Sư hình thành và phát triển của CCVN và CCDC ở trạng thái biến dạng lớn là chủ đềchính trong các nghiên cứu thuộc lĩnh vực phòng chống SĐLT và sẽ được trình bày

cụ thể trong mục 1.5 ở chương này Phần tiếp theo trình bày chi tiết CCVN và CCDC

1.2.2 Các cơ chế chịu lực thứ cấp của kết cấu BTCT ở trạng thái biến dạng lớn

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra các cơ chế chịu lực thứ cấp khi kết cấu biến dạnglớn, chúng được kỳ vọng là đường truyền tải trọng thay thế tăng sức kháng SĐLT Cácnghiên cứu đã được thực hiện chủ yếu với hệ kết cấu dầm sàn BTCT

1.2.2.1 Cơ chế chịu lực vòm nén (CCVN)

Xem xét một dầm BTCT được ngàm ở hai đầu và chịu tải trọng phân bố đều q nhưtrong Hình 1.7(a)

Hình 1.7: Cơ cấu chịu lực vòm nén (CCVN) [43]

Khi biến dạng là nhỏ, dầm được thiết kế chịu tải trọng bằng cơ cấu uốn thông thườngvới một thớ chịu kéo và một thớ chịu nén ở phía đối diện tại một tiết diện dầm bất kỳ

Do sức kháng kéo của vật liệu bê tông chỉ bằng 1/10 sức kháng nén, biến dạng kéocủa dầm thường lớn hơn nhiều so với biến dạng nén, dẫn đến dầm có xu hướng dãn ratrong quá trình chịu lực Vì điều kiện biên là ngàm ở hai đầu dầm, chuyển vị dãn dàinày bị khống chế, dẫn đến sự xuất hiện lực nén dọc theo trục dầm Lực nén này sẽ làmgia tăng độ bền uốn của dầm như được minh họa trong Hình 1.7(b) Các nghiên cứutrước đây đã chỉ ra rằng, cơ cấu vòm nén này chỉ có thể phát huy đối với cấu kiện dầm

có chiều cao tiết diện không nhỏ hơn 1/20 chiều dài nhịp, cùng điều kiện chuyển vịngang phải được khống chế hoàn toàn Trong trường hợp điều kiện biên tại đầu dầmkhông đủ cứng, sức kháng tải trọng của cấu kiện không được cải thiện đáng kể

1.2.2.2 Cơ chế chịu lực dây căng (CCDC)

Xem xét dầm/bản BTCT chịu tải trọng phân bố đều W với điều kiện biên ngăn cảnchuyển vị ngang tại tiết diện hai đầu như trong Hình 1.8

Hình 1.8: So sánh khả năng chịu lực của cơ chế dây căng và cơ chế uốn [43]

Ở trạng thái biến dạng nhỏ, Hình 1.8(a), dầm chịu tải trọng bằng cơ cấu uốn với lựckéo trong cốt thép T ở thớ kéo cân bằng với lực nén C ở thớ nén tại tiết diện giữa dầm.Khi biến dạng nén của bê tông tăng lên đến giá trị giới hạn, lực nén C giảm dần về 0

do sự nén vỡ của bê tông vùng nén và sự dãn dài quá mức của cốt thép vùng kéo Hình1.8(b) Ở trạng thái này, dầm chịu tải trọng theo cơ cấu dây căng với sức chịu tải tỉ lệthuận với hàm lượng cốt thép chịu kéo và độ võng của dầm Hiệu quả của cơ cấu dâycăng được minh họa bằng công thức trong Hình 1.8(b)

như được trình bày trong Hình 1.9.

Hình 1.9: Đường truyền tải trọng thay thế khi cột biên giữa (CBG) bị phá hoại [42]

Khi cấu kiện sàn phía trên cột bị phá hoại biến dạng lớn, các ô sàn ở các nhịp lân cậnhình thành một tấm cứng (diaphragm) giữ ổn định cho các cột xung quanh cột bị pháhoại Tuy nhiên, khi Cột Biên Cận Góc (CBCG) bị phá hoại, miếng cứng không đượchình thành theo cách đối xứng trong các ô sàn lân cận, lực kéo ngang từ CCDC ở sàncác tầng có thể làm mất ổn định cột góc tại tầng 1 và làm thúc đẩy nhanh quá trìnhSĐLT Sụp đổ công trình tiếp theo có thể được minh họa như trong Hình 1.10 Hình1.11(a) minh họa sự hình thành cơ cấu màng (CCM) trong các ô sàn BTCT được đỡbởi cột biên cận góc Sự hình thành vành cứng được giải thích như sau, tại trạng tháicực hạn của cơ cấu uốn, ô sàn này sẽ hình thành ba tấm cứng riêng biệt, liên kết nhauthông qua hai đường dẻo mô men dương chéo xiên từ góc sàn Ở trạng thái biến dạnglớn, CCM sẽ hình thành ở vùng trung tâm Lực kéo CCM sẽ làm cho các tấm cứngdịch lại gần nhau, tạo thành một nửa vành cứng phía ngoài vùng chịu kéo trung tâm[44] Trong những điều kiện nhất định, nửa vành cứng này sẽ góp phần giữ ổn địnhcho cột góc, nhằm hạn chế sự gãy đổ của cột góc như đã trình bày trong Hình 1.10

Hình 1.10: Sụp đổ công trình do lực kéo CCDC [40]

Hình 1.11: Sự hình thành cơ cấu màng (CCM) trong cấu kiện sàn BTCT [41]

1.3 Sự làm việc và dạng phá hoại của kết cấu sàn phẳng BTCT

1.3.1 Sự làm việc của kết cấu sàn phẳng

Sàn phẳng là dạng kết cấu mà tải trọng tác dụng được truyền trực tiếp từ sàn lênđầu cột và không thông qua cấu kiện dầm Nhờ vậy, chiều cao tầng của kết cấu sànphằng được giảm đáng kể so với chiều cao tầng của kết cấu sàn dầm truyền thống(Hình 1.12a), nhờ đó giảm được chi phí nguyên vật liệu trong quá trình xây dựngcũng như chi phí điều hòa thông gió trong quá trình sử dụng Một ưu điểm khác củasàn phẳng là thời gian thi công ngắn hơn đáng kể so với kết cấu sàn dầm truyền thống.Trong tính toán thiết kế, sàn phẳng thường được chia thành các dải sàn đầu cột đượctính toán tương đương với kết cấu khung dầm và dải sàn giữa nhịp được tính toán như

(a) Chiều cao hiệu quả của hệ sàn phẳng (b) Dải cột và dải nhịp kết cấu sàn phẳng

Hình 1.12: Kết cấu sàn phẳng

cấu kiện sàn thông thường (Hình 1.12b)

Nhược điểm của sàn phẳng là khu vực sàn đầu cột có nguy cơ chọc thủng cao do ứngsuất tập trung và trọng lượng bản thân kết cấu lớn Khi xảy ra chọc thủng tại một đầucột, sự lan truyền phá hoại diễn ra nhanh hơn và có thể gây ra SĐLT

1.3.2 Các cơ chế phá hoại của sàn phẳng

Bản sàn BTCT thường được thiết kế theo phá hoại dẻo, biểu hiện bằng sự xuấthiện các vết nứt và sự vỡ bê tông Tuy nhiên, dạng phá hoại khác của bản sàn BTCT

là dạng phá hoại cắt do chọc thủng tại nút cột sàn phẳng Đặc điểm của dạng phá hoạicắt (chọc thủng) là sự sụp đổ đột ngột khi các dấu hiệu biến dạng và chuyển vị nhỏ,khó quan sát

1.3.3 Ứng xử của sàn phẳng BTCT ở trạng thái biến dạng lớn và các cơ chế chịu lực thứ cấp

1.3.3.1 Ứng xử của sàn phẳng ở trạng thái biến dạng lớn

Thông thường việc thiết kế bản sàn bê tông cốt thép thường dựa trên lý thuyết biếndạng nhỏ Khi có sự cố mất một cột chịu lực sẽ dẫn đến hiệu ứng gấp đôi nhịp cùngvới hiệu ứng động Trong trường hợp này, sự tương tác giữa các thành phần kết cấukhác nhau trở nên quan trọng để cung cấp các đường tải trọng thay thế Cơ chế làmviệc của bản sàn khi biến dạng lớn - hiệu ứng màng được kỳ vọng hạn chế sự phá

hoại gây SĐLT của hệ kết cấu Tùy thuộc vào các điều kiện biên, sự phát triển của lựcmàng trong mặt phẳng của bản sàn, có thể nâng cao đáng kể khả năng chịu tải, tạo

ra tải trọng giới hạn vượt quá khả năng chịu tải dựa trên ứng xử uốn [13] Hiệu ứngmàng có thể được phân loại thành ba dạng khác nhau:

• Hiệu ứng màng nén;

• Hiệu ứng màng kéo;

• Hiệu ứng màng kéo cùng với sự phát triển của vành nén (vành cứng)

Các điều kiện xuất hiện hiệu ứng màng bao gồm màng kéo ở trung tâm, màng nén ởcác cạnh của bản sàn khi có chuyển vị lớn được tóm tắt như Hình 1.13 Phần tiếp theotrình bày nguyên lý phát triển của các hiệu ứng màng trong bản sàn BTCT

Hình 1.13: Các loại hiệu ứng màng của kết cấu sàn phẳng [25]

1.3.3.2 Hiệu ứng màng nén trong bản sàn BTCT bị hạn chế chuyển vị ngang

Xét ứng xử kết cấu của bản sàn BTCT chịu tải trọng như trong Hình 1.14 Khi bảnsàn biến dạng do tải trọng tác dụng, các vết nứt được hình thành ở phía bê tông chịukéo (căng), dẫn đến tăng biến dạng kéo của cốt thép Biến dạng này tạo ra sự kéo dàicủa tấm, dẫn đến chuyển vị ngang ra phía ngoài trong trường hợp tấm tự do Trên thực

tế, sự chuyển dịch ngang này được ngăn chặn bởi liên kết của các phần tử kết cấu khácdẫn đến hạn chế chuyển vị ngang và lực nén màng được tạo ra, chúng làm tăng thêmkhả năng uốn của bản sàn Cơ chế phát triển của màng nén được biểu diễn bằng sơ đồtrong Hình 1.15.

Hình 1.15: Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng nén trong bản sàn BTCT [25]

1.3.3.3 Hiệu ứng màng căng trong bản sàn BTCT bị hạn chế chuyển vị ngang

Sự xuất hiện của hiệu ứng màng căng khi chuyển vị lớn còn gọi là màng kéo.Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm làm rõ hiệu ứng này Neil(1979) [31],Russel (2015) [46] Chúng xảy ra ở giai đoạn biến dạng lớn của cấu kiện đồng thờivới biểu hiện xảy ra tình trạng nứt và hư hỏng bê tông tăng cao và cuối cùng chỉ cònlại cốt thép làm việc như một lưới chịu kéo Điều này cũng phù hợp với nghiên cứucủa Gouverneur (2014) [25], nghiên cứu đã chỉ ra rằng sau khi cấu trúc bản sàn bị hưhỏng ban đầu và có chuyển vị lớn thì hiệu ứng màng kéo bắt đầu phát triển Trong

trường hợp cốt thép dọc được neo đủ, cốt thép có thể hoạt động như một lưới chịu kéohay lưới căng và sự sụp đổ biểu hiện bởi sự đứt của cốt thép (Hình 1.16).

Hình 1.16: Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng căng trong bản sàn BTCT[25]

Park and Gamble (2000) [34] cũng đã đề cập đến hiệu ứng màng căng trong nhiềunghiên cứu Nghiên cứu của Park cho rằng, khi cấu kiện biến dạng lớn, tải trọng tácdụng khi kết cấu xuất hiện hiệu ứng màng kéo có thể vượt quá tải trọng thiết kế thôngthường Khía cạnh này đã tạo ra cơ chế chịu lực thứ cấp hữu ích trong việc ngăn ngừaSĐLT, khi có tải trọng bất thường gây mất một cột chịu lực dẫn đến cấu kiện tại vịtrí đó biến dạng lớn Hiệu ứng màng kéo cũng vẫn còn chưa được kể đến trong thiết

kế kết cấu thông thường, ở đó chủ yếu liên quan đến việc đáp ứng tiêu chuẩn về trạngthái làm việc cục bộ (giới hạn ứng suất, giới hạn biến dạng) do các tải trọng tác dụng

cụ thể Tuy nhiên, hiệu ứng màng kéo có thể là mối quan tâm lớn khi xác định ứng xửtổng thể của hệ kết cấu sau một sự cố mất cột cục bộ Hiệu ứng này cần được kể đếntrong các thiết kế thông thường Việc mất cột chịu lực thường dẫn đến biến dạng lớn

và đây là tình huống thường được dùng để đánh giá sức kháng tải của kết cấu BTCTvới tác động của cơ chế màng căng (Đường truyền tải trọng thay thế)

1.3.3.4 Hiệu ứng màng với bản sàn BTCT không hạn chế chuyển vị ngang

Trong trường hợp này, bản sàn BTCT chịu tải bằng cơ chế màng kéo phát triển ởtâm và cơ chế màng nén được thiết lập như một "vòng" xung quanh chu vi của bảnsàn (Bailey 2004) [13] Sơ đồ biểu diễn hiệu ứng tác động của màng chịu kéo kết hợp