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

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN PHẲNG BTCT KHI BỊ MẤT CỘT ĐỠ 1.1 Sụp đổ lũy tiến SĐLT hệ kết cấu công trình BTCT... Các nghiên cứu hiện trường đã chỉ ra rằng các vụ sụp đổ công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

Trần Quốc Cường

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CƠ CHẾ PHÁ HỦY

CỦA KẾT CẤU SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn Các số liệu, các kết quả trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.

Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2021

Trần Quốc Cường

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Cơ sở khoa học của đề tài

5 Phương pháp nghiên cứu

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

7 Những đóng góp mới của luận án

8 Cấu trúc của luận án

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN

PHẲNG BTCT KHI BỊ MẤT CỘT ĐỠ

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

1.1.1 Khái niệm sụp đổ lũy tiến (SĐLT)

1.1.2 Một số vụ sụp đổ điển hình .

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

1.1.3.1 Hiệu ứng gấp đôi nhịp

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

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

1.5 Nghiên cứu kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực

1.6 Tóm tắt và kết luận chương

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH SÀN PHẲNG

2.1 Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu thực nghiệm

2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm

2.1.2 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm 2.2 Cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm

2.2.1Kết cấu công trình thực tế sử dụng cho việc xây dựng mô hình

2.7 Quy trình thí nghiệm .

2.8 Kết luận chương

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

3.1 Phân tích kết quả thí nghiệm tĩnh với mẫu SP1 và SP3

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

3.2.4 Xác định hệ số động theo số liệu thực nghiệm 110

3.2.5 Sự phát triển vết nứt và cơ chế phá hủy của mẫu SP2 110

3.3 Kết luận chương 112

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG

4.1 Các giả thiết tính toán của phương pháp đơn giản

4.2 Đánh giá hiệu ứng động 4.3 Sức kháng SĐLT của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép

4.4Tải trọng cực hạn Wult của hệ kết cấu sàn phẳng

4.5Hệ số độ dẻo chuyển vị µ∆

4.6 So sánh với kết quả thực nghiệm

4.7 Ví dụ áp dụng 4.8 Điều kiện áp dụng phương pháp đơn giản

4.9Kết luận chương

KẾT LUẬN

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong khoảng hơn ba thập kỷ gần đây, thế giới đã chứng kiến nhiều vụ sụp đổ côngtrình có qui mô thiệt hại lớn về người và của Có thể kể đến vụ sụp đổ tòa nhàMurrah Building (Thành phố Oklahoma, Mỹ, năm 1995) do bom xe làm chết 168người, sụp đổ tòa nhà Sampoong Department Store (Thành phố Seoul, Hàn Quốc)làm chết và bị thương gần 500 người, hay vụ tấn công khủng bố Tháp đôi trung tâmthương mại thế giới WTC (Thành phố New York, Mỹ, năm 2001) làm chết gần 3000người Các nghiên cứu hiện trường đã chỉ ra rằng các vụ sụp đổ công trình có đặcđiểm chung là được bắt đầu bởi sự phá hoại của một vài cấu kiện chịu lực mang tínhcục bộ do áp lực của vụ nổ bom hay khí ga, sau đó lan truyền từ cấu kiện này sangcấu kiện khác, cuối cùng dẫn đến sụp đổ phần lớn hoặc 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 tâmcủa cộng đồng nghiên cứu quốc tế cũng như các nhà lập pháp ở nhiều quốc gia.Trong hơn ba thập kỷ vừa qua, nhiều nghiên 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, đặcbiệt 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 trìnhBTCT là rất phức tạp bởi sự có mặt của các yếu tố sau: (i) Tính phi tuyến của vậtliệu bê tông bao gồm sự phát triển vết nứt và nén vỡ, (ii) Tính phi tuyến hình học ởtrạng thái biến dạng lớn, và (iii) Hiệu ứng động khi cấu kiện chịu lực như cột BTCT bịđánh sập đột ngột Song song với các nỗ lực nghiên cứu của cộng đồng quốc tế, cácyêu cầu nhằm hạn chế thiệt hại do SĐLT gây ra cũng đã được các nhà lập pháp đưavào trong 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 chống SĐLTcũng đã được ban hành như hướng dẫn thiết kế cải tạo các công trình của

2chính 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” được lựa chọn nhằm làm rõ ứng xử của bản sàn khi mất cột,

qua đó ngăn chặn hoặc hạn 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

Thứ hai, cơ cấu mất cột đột ngột cần phải đủ nhanh để có thể mô phỏngchính xác ứng xử trong thực tế xảy ra Thứ ba, sự phân bố nội lực, dạng pháhoại trong quá trình sụp đổ cần phải được đo đạc và ghi lại Thứ tư, mô hìnhthực nghiệm được chế tạo tuân theo chỉ dẫn của lý thuyết tương tự.

• Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu sàn phẳng BTCT không mũ

bị mất cột dưới tác dụng của tải trọng đến khi xảy ra sụp đổ hoàn toàn.

Quá trình này có bao gồm sự phát triển vết nứt, sự phân bố tải trọng

về các cột xung quanh cột bị mất, sức kháng tải trọng của kết cấu saukhi bị mất cột và dạng sụp đổ hoàn toàn Quan sát thực nghiệm sựhình thành và phát triển của hiệu ứng màng, vốn là cơ chế chịu lựcthứ cấp của sàn phẳng khi chịu trạng thái biến dạng lớn

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 pháhoại chỉ diễn ra trong vài phần nghìn giây [16] Trong trường hợp này,ứng xử của công trình là động nên dẫn đến tải trọng tác dụng, chuyển vị

và nội lực của kết cấu bị khuếch đại bởi một hệ số động nhất định Do đó,việc đánh giá hiệu ứng động thông qua chương trình thực nghiệm là hếtsức cần thiết để hiểu rõ hơn cơ chế sụp đổ của kết cấu công trình

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 đã được công bố trước đây, nghiên cứu sẽ xây dựng một công thức bán thực nghiệm có thể giúp cho kỹ sư thiết kế tính toán nhanh sức kháng sụp đổ của kết 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 được phân thành ba loại chính, bao gồm:

• 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 với hai tình huống phá hoại cục bộ, đó là khi cộtbiên giữa hoặc cột biên cận góc bị phá 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, đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu phòng chống SĐLT Nghiêncứu sự làm việc của bản sàn BTCT dưới tác dụng của tải trọng tácdụng thẳng đứng với dạng phá hoại đặc trưng là chọc thủng tại đầucột

• Các nghiên cứu sự làm việc của kết cấu bản sàn BTCT ở trạngthái biến dạng lớn Trong giai đoạn này ứng xử của kết cấu còn phụthuộc vào các hiệu ứng chịu lực thứ cấp như: Hiệu ứng màng, hiệu ứngdây căng và hiệu ứng động Các hiệu ứng này đã được các nghiên cứuchứng tỏ có vai trò nhất định trong việc tham gia vào khả năng chịu tảicủa bản sàn

• Căn cứ theo kích thước và tỉ lệ của đối tượng nghiên cứu, phương phápthực nghiệm có thể được thực hiện trên kết cấu công trình thực với tỉ lệ 1:1,hoặc trên 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 sốnhất định Trong khi đó, nghiên cứu trên kết cấu mô hình thu nhỏ cho phép thực

5 phản ảnh chính xác được ứng xử sụp đổ thực tế diễn ra thì chương trình thí nghiệm bao gồm mô hình thí nghiệm, phương pháp tạo tải trọng thí nghiệm, quy trình thí nghiệm và điều kiện biên của mẫu thí nghiệm cần phải được thiết kế một cách chi tiết, đầy đủ và phù hợp.

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận án lựa chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên ba kết cấu thí nghiệm với kích thước hình học được thu nhỏ (tỉ lệ 1:3) so với đối tượng kết cấu thực Hai trong số ba mẫu thí nghiệm này được tiến hành theo phương thức gia tải tĩnh Mẫu thí nghiệm còn lại được sử dụng để quan sát ứng xử động của kết 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 sànphẳng BTCT sau khi mất cột sẽ gắn liến với trạng thái biến dạng lớn với các hiệuứng chịu lực thứ cấp như hiệu ứng màng căng, hiệu ứng vòm cũng như sứckháng sụp đổ của bản sàn Việc nghiên cứu sự làm việc của sàn phẳng BTCT,cũng như đóng góp của các hiệu ứng chịu lực thứ cấp đến sức kháng sụp đổ sẽlàm sáng tỏ ứng 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 đãđược công bố trên thế giới cho thấy đây là phương pháp hiệu quả có thể ápdụng với mọi công trình với chi phí thấp, nhưng hiện nay phương pháp nàychủ yếu cho hệ dầm sàn Phát triển phương pháp đơn giản để có thể áp dụngđược cho hệ sàn phẳng 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 với nhiều nghiên cứu khác một cách hiệu quả;

• Nghiên cứu đã làm rõ và định lượng hiệu ứng màng trong sứckháng tải của sàn phẳng Hiệu quả của hiệu ứng màng căng làm tăng1,14 và 1,34 lần tải trọng giới hạn tính theo phương pháp đường dẻo;

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

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

• Cung cấp 1 bộ số liệu thí nghiệm vê sự làm việc của sàn phẳngBTCT ở hai trạng thái chịu tác dụng của tải trọng phân bố tĩnh và chịu tảitrọng động do mất cột đột ngột Các số liệu thí nghiệm này có thể được

sử dụng làm dữ liệu tham 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 đến kết 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 xâydựng mô hình thí nghiệm, các quy trình thí nghiệm cũng như các giả thiếtban đầu để thực hiện 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 trọng chuyển 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 SĐLT CỦA SÀN

7PHẲNG BTCT, giới thiệu phương pháp đơn giản đánh giá sức kháng SĐLT của hệ kết cấu sàn phẳng BTCT không mũ cột.

Kết luận : Bao gồm các kết luận và nhận xét chính rút ra từ nghiên

cứu, các khuyến nghị cũng được đề xuất.

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 tếđặt ra hiện nay Khi đó kết cấu tại vị trí mất cột (dầm, sàn) sẽ biến dạng lớn hoặcsụp đổ và dẫn đến kích hoạt sự phá hủy dây chuyền của công trình Sự sụp đổnày còn được gọi là sụp đổ lũy tiến (SĐLT) Làm rõ ứng xử cận sụp đổ của kếtcấu khi mất cột là mục tiêu của cộng đồng nghiên cứu bởi nó sẽ hạn chế đượcthiệt hại do SĐLT gây ra Trong chương này sẽ trình bày những nội dung về SĐLTcông trình do kết cấu mất một cột chịu lực, các cơ chế làm việc của kết cấu khi ởmiền biến dạng lớn và các nghiên cứu liên quan được cập nhật trên thế giới cũngnhư ở Việt Nam Các kết quả nghiên cứu đã đạt được cũng như những tồn tại sẽđược đánh giá, qua đó làm rõ hướng phát triển của 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 cấu

kiện 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 đổcác công trình dân dụng đã cho thấy, nguyên nhân phá hoại cục bộ ban đầu thường

là một cột chịu lực bị gãy do tác động của tải trọng bất thường (ví dụ: Sụp đổ tòa nhàMurrah Building, Mỹ, năm 1995) hoặc do phá hoại chọc thủng tại một đầu cột (ví dụ:Sụp đổ tòa nhà Sampoong Store Department, Hàn Quốc, năm 1995)

1.1.2 Một số vụ sụp đổ điển hình

Sụp đổ của tòa nhà Murrah Building (1995) Vụ sụp đổ này gây chấn động thế

giới và nó thúc đẩy mạnh mẽ nhu cầu nghiên cứu về SĐLT Murrah Building là một tòanhà 9 tầng có kết cấu bê tông cốt thép được xây dựng từ những năm 1970 [21] (Hình1.1) Mặt bằng của tòa nhà có chiều dài khoảng 61 (m) và có chiều rộng là 21.4

(m) Kết cấu của tòa nhà bao gồm lưới cột 6, 1(m) × 10, 7(m) đỡ hệ thống dầmsàn một 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 thước b × h = 508(mm) ×1220(mm) Một trong các cấu kiện chịu lực chính của kết cấu là hệ thống dầmchuyển 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 hệ thống 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 19 trẻ em Hình 1.1(c) minh họa vị trí của vụ nổ và Hình 1.1(d) thể hiện phần còn lại của tòa nhà sau khi vụ nổ xảy ra Cộng đồng kỹ sư kết cấu và các nhà chuyên môn đều thừa nhận rằng:

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

• 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

là nguyên nhân chính gây ra sự sụp đổ của 1/2 tòa nhà Các nghiên cứu hiệntrường cũng chỉ ra sức phá hủy của vụ nổ chỉ làm hỏng cột G20, nhưng khi mấtcột đường 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 cấu khớp dẻo có thể được hình thành trong dầm chuyển có chiều dài nhịp tính toán từ cột G16 đến cột G24 thì phạm vi thiệt hại có thể giảm được tối đa là 50% Sự hình thành khớp dẻo sẽ tạo một đường truyền tải trọng mới khi mất cột và có thể sẽ giảm thiệt hại 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) Tuy nhiêntrong quá trình thi công, đường kính cột bị giảm xuống còn 600 (mm) do tiêu chuẩn vềsức kháng SĐLT chưa được tính ở thời điểm đó Sự việc dẫn đến sàn tầng 5 bị phá hoạichọc thủng (cắt) tại đầu cột sau này Ngày 29/6/1995, tòa nhà đang trong thời gian vậnhành 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 Hình 1.2(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 nhậnđịnh rằng, vụ đâm và nổ máy bay vào các tầng phía trên của tòa nhà chỉ gây mấtkhả năng chịu lực của một số cột thép ở một phía của tòa nhà ở tại các tầng cao,

và nguyên nhân gây ra sụp 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

ỞViệt 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 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 nhưkhi nghiên 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 ởtrạng thái biến 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

nhóm nguyên nhân này có thể được hình dung bằng sự mất gối tựa của một hệ dầm phẳng hai nhịp với chiều dài mỗi nhịp là L và được thiết kế để chịu tải trọng phân bố đều q cho 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 tăng lên bốn lần trong khi tại gối tựa B, dấu của mô men

bị đảo chiều từ âm sang dương với giá trị tuyệt đối tăng gấp hai lần.

1.1.3.2 Hiệu ứng động

Khi cấu kiện cột chịu lực bị phá hoại đột ngột do áp lực nổ bom, khí ga hay va chạm xe

cộ, nội lực trong kết cấu dầm sàn còn bị khuếch đại thêm do ứng xử động của hệ dầmsàn và có thể được minh họa bằng dao động của con lắc lò xo có độ cứng R và có khốilượng vật nặng M sau khi được thả tự do tại vị trí biến dạng (Hình 1.5)

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

Hệ số động Ω kể 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 =

Có thể thấy rằng khi ứng xử của con lắc trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính với ∆ <

∆y, thì hệ số động Ω đạt tới 2.0 [20] Với giá trị này thì tĩnh tải q bị khuyếch đại lên2.0 lần và mô men uốn trong kết cấu dầm-sàn (Hình 1.4), phía trên cột bị mất khảnăng chịu tải, có thể tăng lên đến 8 lần Tuy nhiên, nếu kết cấu dầm sàn có khảnăng biến dạng lớn vào miền phi tuyến (∆y < ∆ < ∆m) thì hệ số động giảm đi đáng

kể Lúc này, độ lớn của hệ số động tỉ lệ nghịch với độ “dẻo” (structural ductility), làđặc trưng cho khả năng biến dạng của hệ dầm sàn BTCT Kết cấu được coi là pháhoại khi biến dạng 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 trong kếtcấu 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

vỡ của bê tông vùng thớ nén và vết nứt tại vùng kéo của cấu kiện SĐLT sẽ khôngxảy ra ngay lập tức nếu cơ cấu chịu lực thứ cấp xuất hiện thay thế cơ cấu uốn ở trạngthái biến dạng lớn, bao gồm cơ cấu vòm nén (compressive arch action) và cơ cấu dâycăng (tensile catenary action) Do sự có mặt tiếp ngay sau sự phá hoại của cơ cấuuốn trong cấu kiện dầm sàn, cơ cấu chịu lực thứ cấp còn được gọi là đường truyềntải trọng thay thế Khi đó, quan hệ tải trọng-biến dạng của cấu kiện dầm sàn (với điềukiện biên hạn chế chuyển vị ngang) bao gồm ba giai đoạn chịu lực: cơ cấu uốn (CCU)trong miền biến dạng nhỏ, cơ cấu vòm nén (CCVN) tương ứng miền biến dạng tươngđối lớn và cơ cấu dây căng (CCDC) trong miền biến dạng rất lớn Các cơ chế chịu lựcthứ cấp được minh họa trong Hình 1.6

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

Trong điều kiện lý tưởng về tỉ lệ chiều cao dầm trên chiều dài nhịp và độ cứng của liên kếtchống chuyển vị ngang tại gối tựa, cơ cấu vòm nén có sức kháng tải trọng cao hơn từ 2-3lần [37] so với cơ cấu uốn thuần túy Sau CCVN là trạng thái mất ổn định (snap-through),sức kháng tải trọng giảm xuống bằng CCU Nếu điều kiện về sự liên tục của cốt thép dọc

và độ cứng của liên kết chống chuyển vị ngang vẫn được đáp ứng, CCDC sẽ là trạng tháichịu lực cuối cùng cho đến khi công trình sụp đổ hoàn toàn Sư hình thành và phát triểncủa CCVN và CCDC ở trạng thái biến dạng lớn là chủ đề chính trong các nghiên cứuthuộc lĩnh vực phòng chống SĐLT và sẽ được trình bày cụ thể trong mục 1.5 ở chươngnày 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 biếndạng lớn, chúng được kỳ vọng là đường truyền tải trọng thay thế tăng sức khángSĐLT Các nghiên 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 như trong 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

dầm thường lớn hơn nhiều so với biến dạng nén, dẫn đến dầm có xu hướng dãn ra trongquá trình chịu lực Vì điều kiện biên là ngàm ở hai đầu dầm, chuyển vị dãn dài này bịkhống chế, dẫn đến sự xuất hiện lực nén dọc theo trục dầm Lực nén này sẽ làm gia tăng

độ bền uốn của dầm như được minh họa trong Hình 1.7(b) Các nghiên cứu trước đây đãchỉ ra rằng, cơ cấu vòm nén này chỉ có thể phát huy đối với cấu kiện dầm có chiều caotiết diện không nhỏ hơn 1/20 chiều dài nhịp, cùng điều kiện chuyển vị ngang phải đượckhống chế hoàn toàn Trong trường hợp điều kiện biên tại đầu dầm không đủ cứng, sứckháng 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 cản chuyển 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 giữadầm 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 vùngkéo Hình 1.8(b) Ở trạng thái này, dầm chịu tải trọng theo cơ cấu dây căng với sứcchịu tải tỉ lệ thuận với hàm lượng cốt thép chịu kéo và độ võng của dầm Hiệu quả của

cơ cấu dây căng được minh họa bằng công thức trong Hình 1.8(b)

1.2.2.3 Cơ chế màng (CCM) trong cấu kiện dầm sàn BTCT

Các nghiên cứu trước đây của Pham X.D và Tan K.H (2010), [42] đã chỉ

ra rằng đường truyền tải trọng thay thế CCVN và CCDC đòi hỏi cao đối với

độ cứng và độ bền liên kết chống chuyển vị ngang tại hai đầu của cấu kiện dầm/sàn Đòi hỏi này chỉ có thể đáp ứng khi cột bị phá hoại ở vị trí biên giữa của mặt bằng kết cấu công trình, 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 được hìnhthành theo cách đối xứng trong các ô sàn lân cận, lực kéo ngang từ CCDC ở sàn cáctầng có thể làm mất ổn định cột góc tại tầng 1 và làm thúc đẩy nhanh quá trình SĐLT Sụp

đổ công trình tiếp theo có thể được minh họa như trong Hình 1.10 Hình 1.11(a) minh họa

sự hình thành cơ cấu màng (CCM) trong các ô sàn BTCT được đỡ bởi cột biên cận góc

Sự hình thành vành cứng được giải thích như sau, tại trạng thái cực hạn của cơ cấu uốn,

ô sàn này sẽ hình thành ba tấm cứng riêng biệt, liên kết nhau thông qua hai đường dẻo

mô men dương chéo xiên từ góc sàn Ở trạng thái biến dạng lớn, CCM sẽ hình thành ởvùng trung tâm Lực kéo CCM sẽ làm cho các tấm cứng dịch lại gần nhau, tạo thành mộtnửa 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 định cho 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 lên đầucột và không thông qua cấu kiện dầm Nhờ vậy, chiều cao tầng của kết cấu sàn phằngđược 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 dựng cũng như chi phí điềuhòa thông gió trong quá trình sử dụng Một ưu điểm khác của sàn phẳng là thời gian thicông ngắn hơn đáng kể so với kết cấu sàn dầm truyền thống Trong tính toán thiết kế, sànphẳng thường được chia thành các dải sàn đầu cột được tính toán tương đương với kếtcấu khung dầm và dải sàn giữa nhịp được tính toán như

Dải nhịp

(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 doứng suất tập trung và trọng lượng bản thân kết cấu lớn Khi xảy ra chọc thủng tạimột đầu cột, 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 xuất hiện 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 hoại cắt (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 chịulực 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 cùng vớihiệu ứng động Trong trường hợp này, sự tương tác giữa các thành phần kết cấu khácnhau trở nên quan trọng để cung cấp các đường tải trọng thay thế Cơ chế làm việc củabản 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 triểncủa lực màng trong mặt phẳng của bản sàn, có thể nâng cao đáng kể khảnăng chịu tải, tạo ra tải trọng giới hạn vượt quá khả năng chịu tải dựa trên ứng

xử uốn [13] Hiệu ứng màng có thể được phân loại thành ba dạng khác nhau:

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 bản sànbiến dạng do tải trọng tác dụng, các vết nứt được hình thành ở phía bê tông chịu kéo(căng), dẫn đến tăng biến dạng kéo của cốt thép Biến dạng này tạo ra sự kéo dài củatấm, dẫn đến chuyển vị ngang ra phía ngoài trong trường hợp tấm tự do Trên thực

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

tế, sự chuyển dịch ngang này được ngăn chặn bởi liên kết của các phần tử kết cấu khác dẫn đến hạn chế chuyển vị ngang và lực nén màng được tạo

ra, chúng làm tăng thêm khả năng uốn của bản sàn Cơ chế phát triển của màng nén được biểu diễn bằng sơ đồ trong 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 chịukéo hay 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 ngănngừa SĐLT, khi có tải trọng bất thường gây mất một cột chịu lực dẫn đến cấu kiện tại

vị trí đó biến dạng lớn Hiệu ứng màng kéo cũng vẫn còn chưa được kể đến trongthiết kế kết cấu thông thường, ở đó chủ yếu liên quan đến việc đáp ứng tiêu chuẩn vềtrạng thái làm việc cục bộ (giới hạn ứng suất, giới hạn biến dạng) do các tải trọng tácdụng cụ thể Tuy nhiên, hiệu ứng màng kéo có thể là mối quan tâm lớn khi xác địnhứng xử tổng thể của hệ kết cấu sau một sự cố mất cột cục bộ Hiệu ứng này cầnđược kể đến trong các thiết kế thông thường Việc mất cột chịu lực thường dẫn đếnbiến dạng lớn và đây là tình huống thường được dùng để đánh giá sức kháng tải củakết cấu BTCT với 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

23 với một ’vòng’ nén phát triển trong các bản sàn BTCT hai chiều dọc và ngang như Hình 1.17.

Hình 1.17: Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng căng kết hợp vành nén[13]

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

Phòng chống SĐLT đối với các công trình nhà cao tầng là yêu cầu bắt buộc trongcác tiêu chuẩn thiết kế và thi công công hiện hành trên thế giới (ASCE, Eurocodes,GSA, DOD, ACI) Phòng chống SĐLT được định nghĩa là trong các điều kiện tải trọngđặc biệt (nổ khí gas, nổ bom, sụt lún nền móng), cho phép xảy ra một số phá hoại cục

bộ đối với một hay vài cấu kiện chịu lực (dầm, cột) nhưng không được kéo theo sựsụp đổ vượt giới hạn cho phép hay toàn bộ công trình Trong các hướng dẫn thiết kếcông trình chịu tải trọng đặc biệt đã được ban hành trong những năm gần đây (GSA,DOD [23], [16]), có ba phương pháp phòng chống SĐLT được đưa ra bao gồm:

• Phương pháp lực giằng (Ties method).

• Phương pháp gia cường cục bộ (Specific local resistance method).

• Phương pháp đường truyền tải trọng thay thế (Alternative load path method)

để đảm bảo sự sụp đổ không xảy ra Để đạt được mục tiêu này, phương pháp lực giằngyêu cầu tất cả các phần tử kết cấu trong từng tầng như dầm và sàn (theo phương ngang)

và dọc theo khung kết cấu như cột vách (theo phương trục đứng) được liên kết với nhaubằng một lượng cốt thép liên tục như được thể hiện trong Hình 1.18

Hình 1.18: Mô hình lực giằng cho hệ kết cấu khung (DOD 2005) [16]

Theo phương pháp lực giằng, đối với nhà thấp tầng không lớn hơn 4 tầng thì chỉ cầnđảm bảo kết cấu công trình được giằng theo phương ngang, nhưng khi nhà cao hơnbốn tầng thì để hệ giằng ngang đạt hiệu quả cần phải có cả giằng đứng, bao gồmtoàn bộ cột và tường chịu lực Ngoài ra cần bổ sung hệ giằng xung quanh chu vi mỗitầng, giằng theo hai phương vuông góc Trong công trình BTCT, công trình thép cócột và tường chịu lực chính thì phải giằng liên tục từ móng lên đến mái Dễ nhận thấyphương pháp lực giằng ưu tiên đảm bảo tính toàn vẹn cho kết cấu Ưu điểm củaphương pháp này là dễ thực hành vì không phải tính toán phân tích kết cấu nhưnghạn chế là thiên về định tính chủ quan và áp đặt Bên cạnh đó, phương pháp này sẽkhó áp dụng nếu công trình không có tính cân xứng Các nhà chuyên môn [15] chorằng, nếu áp dụng phương pháp lực giằng với tòa nhà Murrah Building, vẫn xảy rasụp đổ lũy tiến Hơn nữa, các thành phần trong kết cấu có phân phối lại tải trọng saukhi công trình bị hư hại cục bộ không, vẫn chưa có câu trả lời chính xác

1.4.2 Phương pháp kháng cục bộ đặc biệt

Là phương pháp thiết kế trực tiếp với mục tiêu là các cấu kiện chịu lực trọng yếu (key

or protected element) phải có đủ sức kháng cắt và kháng uốn chống lại các tác động trựctiếp từ áp lực nổ hay va chạm ô tô đâm vào Những phần tử trọng yếu thường là các cộtbiên, tường chịu lực ở tầng một Như vậy, nếu các phần tử kết cấu này không bị gãy đổbởi các nguyên nhân tác động này thì nguy cơ sụp đổ của công trình đương nhiên sẽkhông xảy ra Cải thiện khả năng kháng cục bộ đặc biệt cho các cấu kiện chịu lực được

sử dụng chủ yếu cho các công trình có tầm quan trọng cao như đại sứ quán hay cáctrung tâm thương mại lớn Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi phương pháp này cho cáccông trình dân dụng phổ thông là không khả thi do chi phí cao Ví dụ, tòa nhà Murrahbuilding, các cột ở trục G được xem là các phần tử trọng yếu, nếu chúng được thiết kếchịu được tác động trực tiếp của 1800kg thuốc nổ TNT ở khoảng cách 4m thì sẽ là bàitoán không kinh tế Mặt khác, tính thẩm mỹ ngoại thất của các công trình này cũng bị ảnhhưởng do kích thước tiết diện cấu kiện cột thường đòi hỏi rất lớn

1.4.3 Phương pháp Đường tải trọng thay thế

Là phương pháp phòng chống SĐLT được thừa nhận rộng rãi nhất trên thế giớihiện nay Nội dung phương pháp này có giả thiết, khi công trình chịu các tác động đặcbiệt nổ bom hay va chạm cho phép một hoặc vài cấu kiện chính (thường là cột, vách)

bị phá hủy hoàn toàn và mất khả năng chịu lực Tuy nhiên, phần kết cấu còn lại (dầm,sàn) ở vị trí này phải có khả năng phân phối lại tải trọng sao cho sụp đổ lũy tiến không

xảy ra Cơ chế phân phối tải trọng này có thể được định nghĩa là «đường truyền tải

trọng thay thế» Đối với kết cấu công trình dân dụng, sức kháng SĐLT được đánh giá

thông qua giả thiết mất cột như minh họa trong Hình 1.19 (DOD 2005 [16])

Tại mỗi thời điểm, một cột sẽ được rút ra khỏi sơ đồ kết cấu và khả năng SĐLT sẽ đượcđánh giá bằng cách so sánh sức kháng của kết cấu còn lại với giá trị tổ hợp tải trọng sửdụng của công trình Mặc dù tình huống thiết kế cơ bản (mất cột) là giống nhau nhưngquy trình phân tích và giá trị tải trọng thiết kế có sự khác nhau trong một số tiêu chuẩnthiết kế gần đây ASCE 7 và BS-8110 chỉ phân tích tĩnh vì cho rằng phản

Hình 1.19: Mô hình loại bỏ cột theo phương pháp đường truyền tải trọng thay

thế

ứng của kết cấu sau mất cột là tĩnh Tuy nhiên, GSA (2003) and DOD UFC 4-023-03(2005) cho rằng, trong lúc nổ cột bị rời đi rất nhanh trong khoảng vài phần nghìn củagiây [16], nhưng hiệu ứng dao động tự do sau đó cần phải xem xét được đặc trưngbằng hệ số động, tối đa bằng 2 Chỉ có một phần nhỏ tải trọng động được tính vào tảitrọng đứng thiết kế, nhưng Colin Gurley [24] lại cho rằng cần phải tính tất cả tải trọngđộng vào Tải trọng ngang được tính bằng 0.2Wn để kiểm tra sự ổn định của kết cấu.Bảng 1.1 thể hiện tổ hợp tải trọng thiết kế SĐLT trong một số tiêu chuẩn trên thế giới

Tiêu chuẩn thiết kế

ASCE 7-98, 02, 05

BS 8110-1:1997

DOD UFC 4-023-03

GSA 2003

Trong đó: D, L, S, Wn, LLAT = tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng tuyết, tải trọng gió và

Ω là hệ số khuếch đại do hiệu ứng động.

Các yêu cầu trong chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế phòng chống SĐLT của GSA.

27GSA (cơ quan dịch vụ công của chính phủ Mỹ) phân tích công trình bằng phươngpháp PTHH (mô phỏng số) Từ giả thiết mất cột, ứng xử tiếp theo của kết cấu cầnđược làm rõ, sức kháng kỳ vọng được định lượng Tải trọng giới hạn gây sụp đổ mẫu(ở trạng thái biến dạng lớn) là cơ sơ đánh giá nguy cơ SĐLT công trình Các kỹ sưphải kiểm tra thiết kế thông thường khi mất cột có đảm bảo sức kháng tải với đườngtruyền tải trọng mới Sức kháng dư tại nút nhằm tạo ra đường truyền tải trọng thay thếkhi mất cột phải được đánh giá bằng mô phỏng PTHH và cần kiểm chứng qua thựcnghiệm Như vậy cần có thêm những nghiên cứu thực nghiệm GSA cũng quy địnhgiới hạn sụp đổ khi công trình mất một cột với từng trường hợp thiết kế thông thường.Kịch bản mất cột biên và gia tải tĩnh đến sụp đổ hoàn toàn (vượt giới hạn trong 2trạng thái thiết kế thông thường) cũng được chấp nhận rộng rãi trong các nghiên cứutrên thế giới khi đánh giá nguy cơ SĐLT của công trình.

1.5 Nghiên cứu kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực trên thế giới và

trong nước hiện nay

1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm

Các nghiên cứu thực nghiệm phòng chống SĐLT công trình BTCT đượcthực hiện trong thời gian gần đây chủ yếu dựa trên tình huống hệ kết cấu mấtcột chịu lực Ba đối tượng nghiên cứu chính, đó là khung phẳng BTCT, kết cấusàn-dầm BTCT và kết cấu sàn phẳng BTCT Mục tiêu nghiên cứu là sự hìnhthành và phát triển đường truyền tải trọng thay thế, CCVN và CCDC trong cácđối tượng trên Một số nghiên cứu tiêu biểu được trình bày tổng hợp dưới đây

1.5.1.1 Sự phát triển CCDC và CCVN trong khung phẳng dầm-cột BTCT

Thực nghiệm trên khung dầm BTCT chiếm đại đa số các nghiên cứu tronglĩnh vực SĐLT Kết cấu thí nghiệm thường dựa trên kết cấu dầm gấp đôi nhịpngay phía trên cột bị phá hoại và được thu nhỏ theo một tỉ lệ nhất định

dầm hai nhịp có tỉ lệ 3/8 với điều kiện biên là ngàm cứng tại hai đầu của dầm.

Mô hình thí nghiệm và sơ đồ tải trọng được trình bày trong Hình 1.20(a)

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

Chiều dài mỗi nhịp dầm thí nghiệm là 6,75 feet (2,05 m) Tác động do phá hoại cộtchịu lực được mô phỏng bằng tải trọng tập trung Hình 1.20(b) trình bày quan hệtải trọng – chuyển vị của mẫu thí nghiệm Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quảcủa cơ chế chịu lực thứ cấp Đường truyền tải trọng thay thế CCVN đạt sức khángcực đại là 13 kips (58kN) khi chuyển vị tại điểm đặt lực (vị trí cột bị phá hoại) là 2.0

in (5 cm) Khi chuyển vị tại điểm đặt lực đạt tới 7,5 in (19,05 cm), tương ứng với

độ dốc 14%, cốt thép dọc phía dưới (cốt thép mô men dương) bị đứt hoàn toàn.Ngay sau đó, đường truyền tải trọng thay thế CCDC phát triển bằng thanh cốtthép dọc lớp trên (cốt thép mô men âm) cho đến khi độ dốc đạt 20% Tác giả kếtluận rằng, nếu cấu kiện dầm thỏa mãn các điều kiện cấu tạo theo tiêu chuẩn thiết

kế bê tông của Mỹ ACI 318 [8] thì đường truyền tải trọng thay thế hoàn toàn có thểhình thành và phát triển ở trong dầm

Đại học Northeastern University (Mỹ) trình bày một thí nghiệm mô hình tỉ lệ 1:8 đối

với khung phẳng 2-D có 4 nhịp chịu mất cột đột ngột (Hình 1.21) Mẫu thí nghiệm đượcthiết kế theo tiêu chuẩn ACI 318 Tải trọng phân bố trên dầm tại thời điểm cột giả định bịphá hoại được lấy theo tiêu chuẩn (1.0 Tĩnh tải + 0.25 hoạt tải) tác dụng lên khung đượcphân bố đều dọc theo dầm và được mô phỏng bằng các vật nặng như được minh họatrong Hình 1.21 Thí nghiệm được chia làm hai giai đoạn Giai đoạn đầu tiên là cột thủytinh được đập vỡ bằng búa để mô phỏng tình huống phá hoại đột

(a) Mô hình thí nghiệm kết cấu khung phẳng (b) Dạng phá hoại khi sụp đổ

Hình 1.21: Đường truyền tải trọng thay thế CCDC khi cột bị phá hủy đột ngột [27]

ngột Giai đoạn thứ hai là khung tiếp tục được gia tải tập trung tại vị trí mất cộtcho đến khi phá hoại hoàn toàn Thí nghiệm này đã chứng minh được sự hìnhthành và phát triển của đường truyền tải trọng thay thế CCDC trong điều kiệncột chịu lực bị phá hoại đột ngột Thêm vào đó, ở trạng thái sụp đổ cuối cùngcủa khung phẳng, các cột xung quanh đều bị xô nghiêng dịch chuyển vào phíacột bị phá hoại dưới tác dụng của lực kéo CCDC (Hình 1.21b) Điều này chứng

tỏ CCDC là một đường truyền tải trọng thay thế khi và chỉ khi liên kết chốngchuyển vị ngang thỏa mãn điều kiện bền cần thiết Trong trường hợp không đủđáp ứng, CCDC lại là tác nhân thúc đẩy quá trình SĐLT diễn ra nhanh hơn

cứu sự hình thành, phát triển và sức kháng tải trọng của đường truyền tải trọng thay thếCCDC trong dầm phẳng BTCT với nhiều thông số nghiên cứu như điều kiện biên củamẫu thí nghiệm, cấu tạo cốt thép và khoảng thời gian diễn ra phá hoại cột chịu lực, môhình thí nghiệm như Hình 1.22 Đối với thông số khoảng thời gian diễn ra sự phá hoại cộtchịu lực, tác giả đã thí nghiệm đối với ba tình huống giả định, đó là thí nghiệm tĩnh, thínghiệm rơi tự do (free-fall) và thí nghiệm phá hủy cột do nổ Hình 1.22 trình bày trạng tháiphá hoại của CCDC của khung phẳng trong điều kiện thời gian phá hủy cột diễn rakhoảng 100 mili-giây Từ các kết quả nghiên cứu này, một mô hình bán thực nghiệmnhằm tính toán sức kháng sụp đổ của CCDC được thiết lập

Hình 1.22: Sự hình thành và phát triển CCDC khi cột bị phá hủy đột ngột [54]

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

Điểm yếu cố hữu của CCVN và CCDC là phụ thuộc hoàn toàn vào độ cứng và

độ bền liên kết chuyển vị ngang, như đã thảo luận trên đây Vì lý do đấy, đườngtruyền tải trọng thay thế cho trường hợp phá hoại cục bộ cột cận góc (CCG) và cộtbiên cận góc (CBCG) sẽ phải là cơ cấu màng (CCM) cùng vành cứng

Dat Pham (2015) [45] thí nghiệm 12 mẫu trên hệ kết cấu sàn dầm BTCT

nhằm nghiên cứu sự hình thành và phát triển của CCM trong hai trường hợp phá hoại cục bộ ở biên và ở phía trong minh họa như Hình 1.23.

Hình 1.23: Sự hình thành và phát triển CCM khi cột cận góc bị phá hủy [45]

Kích thước hình học của mẫu thí nghiệm được thu nhỏ theo tỉ lệ 1:3 so với kết cấu thực.Các mẫu thí nghiệm được gia tải tĩnh đến phá hoại thông qua một hệ 12 điểm tải nhằm

mô phỏng tải trọng phân bố đều như trình bày trong Hình 1.24 Mẫu thí nghiệm

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

Hình 1.25 trình bày dạng phá hoại cuối cùng của ba mẫu thí nghiệm CCM đượchình thành tiếp theo sau trạng thái đường dẻo của sàn với ba tấm cứng độc lập Ởtrạng thái biến dạng lớn, sự phát triển của CCM luôn kèm theo sự phá hoại của cơcấu uốn mà điển hình là các phá hoại nén vỡ đáy tiết diện dầm sát cột biên, hoặcphá hoại xoắn của dầm biên, như trình bày trong Hình 1.25 Chương trình thựcnghiệm này cũng đã xác nhận sự hình thành CCM đồng thời với CCDC trong dầmbiên trên cột bị phá hoại Vai trò của nửa vành cứng trong CCM là rất quan trọng,đảm bảo cho kết cấu dầm-sàn không bị phá hoại cho đến khi chuyển vị thẳngđứng tại vị trí mất cột đạt khoảng 10% chiều dài nhịp [44].

Gouverneur (2014) [25], nghiên cứu thực nghiệm trên ba mẫu sàn phẳng BTCT

rộng 1,8m, nhịp 4m Mẫu thí nghiệm và sơ đồ gia tải được minh họa như Hình1.26(b), 1.26(a) Mẫu sàn phẳng BTCT làm việc một phương, bị hạn chế chuyển vịngang Được gia tải theo ba giai đoạn, ở giai đoạn một tải trọng tác dụng tăng dầnđến cấp tải dự báo gây chảy cốt thép, mẫu vẫn có đủ gối đỡ ở giữa nhịp Giai đoạn 2,

dỡ tải về không đồng thời tháo gối đỡ giữa nhịp (nhịp kết cấu tăng từ 4m lên 8m) Giaiđoạn 3, bản sàn gấp đôi nhịp được gia tải đến sụp đổ hoàn toàn, biểu hiện bởi cốtthép bị đứt Kết quả nghiên cứu chỉ rõ sự đóng góp của hiệu ứng màng căng làm sứckháng tải sụp đổ so với tải trọng chảy dẻo tăng 3 đến 5 lần

Russell Justin (2015) [46], Đại học Nottingham, Anh Nghiên cứu thực nghiệm

kết cấu sàn phẳng nhằm làm rõ sự phát triển đường truyền tải trọng thay thế khi

hệ kết cấu mất một cột đỡ Hình 1.27 là sơ đồ mô hình thí nghiệm điển hình

Russell đã tiến hành thí nghiệm tĩnh và động trên mẫu thí nghiệm có tỷ lệ thu nhỏ 1/3

so với kích thước công trình thật Các thông số nghiên cứu là vị trí mất cột (góc hoặcbiên), cấp tải động (khi mất cột đột ngột), số nhịp kết cấu (hai hoặc bốn) và hàmlượng cốt thép Đối với thí nghiệm tĩnh, bản sàn được chất tải bằng bao cát xếp trênmặt sàn với số lượng tăng dần cho đến khi mẫu phá hoại hoàn toàn Đối với thínghiệm động, tình huống cột bị mất đột ngột được mô phỏng bằng một cơ cấu dịchchuyển nhanh cho một cột chống tạm (quick release for a temporary column) Diễnbiến thí nghiệm động được ghi lại bằng một camera tốc độ cao Điểm đáng lưu ý làkết cấu thí nghiệm được đặt trực tiếp lên gối đỡ mà không có liên kết cột-sàn để đơn