Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng nút khung tới phản ứng của khung bê tông cốt thép chịu động đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Võ Mạnh Tùng NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG NÚT KHUNG TỚI PHẢN ỨNG CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG NÚT KHUNG TỚI PHẢN ỨNG CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580201 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS. NGUYỄN LÊ NINH Hà Nội – năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 20 tháng 1 năm 2018 Tác giả luận án Võ Mạnh Tùng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i DANH MỤC KÝ HIỆU ......................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................x MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT VÀ NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC...............................................................................................6 1.1. SỰ PHÁ HOẠI CỦA NÚT KHUNG DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT ......6 1.2. PHÂN LOẠI CÁC NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ...........................7 1.2.1 Phân loại dựa theo dạng hình học và cách neo cốt thép dầm ..................7 1.2.2. Phân loại dựa theo ứng xử của kết cấu .....................................................8 1.2.3. Phân loại dựa theo cách thức cấu tạo .......................................................8 1.3. CÁC LỰC TÁC ĐỘNG LÊN NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ........9 1.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU CẮT NÚT KHUNG ..12 1.4.1. Tổng quan về các mô hình xác định khả năng chịu cắt của nút khung ...............................................................................................................................12 1.4.2. Mô hình của Paulay và Priestley (1978, 1992) [35] ................................14 1.4.3. Mô hình A. G. Tsonos (1999, 2001) [48] .................................................20 1.5. KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA CÁC NÚT KHUNG THEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN ...................................................................23 1.5.1 Tiêu chuẩn của Hoa Kỳ (ACI 318M-2011) [56] ......................................23 1.5.2 Tiêu chuẩn thiết kế của New Zealand NZS 3101 (2006) [60].................24 1.5.3 Tiêu chuẩn của Việt Nam [55] và châu Âu [63]. ....................................24 1.5.4. Tiêu chuẩn của Nhật Bản AIJ 1999 (1999) [59] .....................................26 iii 1.6 MỘT SỐ NHẬN XÉT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA NÚT KHUNG ............................................................................27 1.7. MÔ HÌNH NÚT KHUNG DÙNG TRONG PHÂN TÍCH PHI TUYẾN ....27 1.7.1 Các mô hình dựa trên các nghiên cứu thí nghiệm ..................................28 1.7.2 Các mô hình dựa trên nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm ....28 1.7.3 Nhận xét về các mô hình đã được đề xuất ...............................................33 1.8 NHẬN XÉT RÚT RA TỪ NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ............................33 CHƯƠNG 2 BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ..........35 2.1. BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP .........................35 2.2. CÁC THÀNH PHẦN BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG ............................35 2.3. CHUYỂN VỊ XOAY ĐẦU MÚT CỐ ĐỊNH ..................................................36 2.3.1. Khái niệm về chuyển vị xoay đầu mút cố định ......................................36 2.3.2. Chuyển vị xoay đầu mút cố định trước khi cốt thép dọc bắt đầu bị chảy dẻo ...............................................................................................................38 2.3.3. Chuyển vị xoay đầu mút cố định từ lúc cốt thép dọc bắt đầu chảy dẻo cho tới trước khi cấu kiện đạt trạng thái cực hạn ...........................................39 2.3.4. Lực bám dính giữa cốt thép và bê tông ở các nút khung ......................40 2.4. BIẾN DẠNG CẮT NÚT KHUNG ..................................................................45 2.4.1. Ứng suất cắt nút khung ............................................................................45 2.4.2. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về ứng suất cắt nút khung ........46 2.4.3. Ứng suất cắt nút khung trong tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại ...............................................................................................................................47 2.5 NHẬN XÉT VỀ BIẾN DẠNG NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP .....49 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ........................................................................................................................51 3.1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM .................................................51 iv 3.2. THIẾT KẾ CÁC MẪU THÍ NGHIỆM..........................................................52 3.2.1 Xuất xứ của các mẫu thí nghiệm ..............................................................52 3.2.2 Cấu tạo chi tiết các mẫu thí nghiệm ........................................................54 3.3. ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO MẪU THÍ NGHIỆM ...................................................................................................................................56 3.3.1. Vật liệu bê tông .........................................................................................56 3.3.2. Vật liệu cốt thép .......................................................................................57 3.4. SƠ ĐỒ VÀ QUY TRÌNH CHẤT TẢI CÁC MẪU THÍ NGHIỆM ............58 3.4.1 Sơ đồ chất tải .............................................................................................58 3.4.2. Định nghĩa hệ số độ dẻo chuyển vị của mẫu thí nghiệm ......................59 3.4.3 Quy trình chất tải các mẫu thí nghiệm ...................................................61 3.5. CÁC SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ SƠ ĐỒ BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ ĐO .63 3.5.1. Các số liệu thí nghiệm...............................................................................63 3.5.2. Các thiết bị đo ...........................................................................................64 3.5.3. Sơ đồ bố trí các thiết bị đo và cách sử dụng các dữ liệu thu được .......64 3.6. ỨNG XỬ CỦA CÁC MẪU THÍ NGHIỆM ...................................................67 3.6.1. Mẫu thí nghiệm NK1. ...............................................................................67 3.6.2. Mẫu thí nghiệm NK2 ................................................................................70 3.6.3. Mẫu thí nghiệm NK3 ................................................................................73 3.7. PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ..............................................76 3.7.1. Quan hệ lực cắt tầng – chuyển vị ngang .................................................76 3.7.2. Lực cắt tầng ...............................................................................................78 3.7.3. Ứng xử của các dầm quanh nút khung ...................................................80 3.7.4. Ứng xử của các cột quanh nút khung .....................................................87 3.7.5. Ứng xử của nút khung ..............................................................................89 3.7.6. Phân tích nguyên nhân phá hoại các nút khung ....................................95 v 3.7.7 Khả năng chịu cắt của các nút khung bê tông cốt thép ......................99 3.7.8. Độ cứng của các mẫu thí nghiệm...........................................................100 3.7.9. Năng lượng được phân tán ở các mẫu thí nghiệm ...............................102 3.7.10. Hệ số cản nhớt tương đương ................................................................103 3.8. NHẬN XÉT RÚT RA TỪ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM .................................................................................................................................104 CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HÓA ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT ..............................................................................................106 4.1. BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ TỚI ỨNG XỬ TỔNG THỂ CỦA KHUNG ...........................................................................106 4.2. MÔ HÌNH HÓA BIẾN DẠNG CẮT CỦA NÚT KHUNG .........................107 4.2.1. Sự góp phần của biến dạng cắt nút khung tới chuyển vị ngang của khung..................................................................................................................107 4.2.2. Mô hình hóa sự góp phần của biến dạng cắt nút khung tới chuyển vị tầng .....................................................................................................................107 4.2.3. Xác định các đặc trưng của các lò xo mô phỏng biến dạng cắt nút ...109 4.2.4. Thiết lập mối quan hệ lý tưởng τjh - γj ..................................................112 4.2.5. Thiết lập quan hệ Vc - Δc và Mb- γj của nút khung .............................115 4.3 MÔ HÌNH HÓA TRƯỢT BÁM DÍNH CỦA NÚT KHUNG .....................118 4.4 HIỆU CHUẨN, ĐÁNH GIÁ CÁC MÔ HÌNH BIẾN DẠNG NÚT KHUNG. .................................................................................................................................119 4.4.1 Nút khung trong NK1 ..............................................................................119 4.4.2 Nút khung ngoài J2 ..................................................................................122 4.5 NHẬN XÉT VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BIẾN DẠNG NÚT KHUNG ..125 CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN CÁC HỆ KẾT CẤU KHUNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT ...........................................................................................................127 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................127 vi 5.2 CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ PHÂN TÍCH KẾT CẤU ..................................127 5.3 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MÔ HÌNH BIẾN DẠNG NÚT ...129 5.3.1. Các đặc trưng khớp dẻo của mô hình biến dạng cắt nút ....................129 5.3.2. Các đặc trưng khớp dẻo của mô hình trượt bám dính .......................132 5.4 PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ................134 5.4.1 Các trường hợp tính toán ........................................................................134 5.4.2. Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần (push-over) .....................................135 5.4.3 Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian ...........................................138 5.5 NHẬN XÉT VỀ VIỆC ÁP DỤNG MÔ HÌNH BIẾN DẠNG NÚT TRONG PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ..........................142 KẾT LUẬN ............................................................................................................143 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BÓ ...........................................145 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................145 PHỤ LỤC A ......................................................................................................... PL1 PHỤ LỤC B ......................................................................................................... PL2 PHỤ LỤC C ......................................................................................................... PL4 PHỤ LỤC D ......................................................................................................... PL6 PHỤ LỤC E ......................................................................................................... PL8 PHỤ LỤC F ....................................................................................................... PL10 vii DANH MỤC KÝ HIỆU s biến dạng dọc trục của thanh cốt thép µ∆ hệ số độ dẻo chuyển vị của mẫu thí nghiệm γj biến dạng cắt của vùng lõi nút θsl chuyển vị xoay ở đầu mút cố định θy,sl chuyển vị xoay đầu mút cố định khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo λ0 hệ số vượt độ bền do cốt thép bị biến cứng σs ứng suất kéo của thanh cốt thép τ0 cường độ lực bám dính trung bình trong các thanh cốt thép ở mặt trên dầm τjh ứng suất cắt nút theo phương ngang τjv ứng suất cắt nút theo phương đứng ϕ độ cong của trục dầm ϕu độ cong của trục dầm ở trạng thái cực hạn ϕy độ cong của trục dầm khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo Δ chuyển vị ngang đỉnh cột của mẫu thí nghiệm Ag diện tích tiết diện ngang hiệu dụng của nút khung As1 diện tích cốt thép thớ trên của dầm As2 diện tích cốt thép thớ dưới của dầm bb bề rộng của tiết diện dầm bc bề rộng của tiết diện cột bj bề rộng hiệu dụng của nút khung Cb1 hợp lực nén của bê tông ở mặt trên dầm bên trái của hệ nút Cb2 hợp lực nén của bê tông ở mặt trên dầm bên phải của hệ nút Csb1 lực nén trong cốt thép ở mặt trên dầm bên trái của hệ nút Csb2 lực nén trong cốt thép ở mặt trên dầm bên phải của hệ nút Ds lực nén chéo trong cơ cấu giàn Dc lực nén chéo trong cơ cấu thanh chống Ec mô đun đàn hồi bê tông viii Es mô đun đàn hồi cốt thép fc cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông fy cường độ chịu kéo của cốt thép dọc fyt cường độ chịu kéo của cốt thép đai h chiều cao mẫu thí nghiệm hb chiều cao của tiết diện dầm hc chiều cao của tiết diện cột l chiều dài của mẫu thí nghiệm L’c chiều cao cột dưới kể từ trục dầm; L1 nhịp dầm bên trái của hệ nút L1,cl nhịp thông thủy dầm bên trái của hệ nút L2 nhịp dầm bên phải của hệ nút L2,cl nhịp thông thủy dầm bên phải của hệ nút Lb chiều dài neo cốt thép Lc chiều cao cột trên kể từ trục dầm Mub1 khả năng chịu uốn thiết kế của dầm trái Mub2 khả năng chịu uốn thiết kế của dầm phải N lực nén tác động lên cột Tsb1 lực kéo trong cốt thép ở đáy dầm bên trái của hệ nút Tsb2 lực kéo trong cốt thép ở mặt trên dầm bên phải của hệ nút V lực ngang tác động vào đỉnh cột của mẫu thí nghiệm Vc lực cắt của cột. Vch khả năng chịu lực cắt ngang của cơ cấu thanh chống chéo Vcv khả năng chịu lực cắt đứng của cơ cấu thanh chống chéo Vjh lực cắt nút theo phương ngang Vjv lực cắt nút theo phương đứng Vsh khả năng chịu lực cắt ngang của cơ cấu giàn Vsv khả năng chịu lực cắt đứng của cơ cấu giàn Vt lực cắt nút theo phương ngang của mẫu thí nghiệm ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Cấu tạo các mẫu thí nghiệm ....................................................................56 Bảng 3.2. Các đặc trưng cơ lý của bê tông ..............................................................56 Bảng 3.3 Các đặc trưng cơ lý của cốt thép...............................................................57 Bảng 3.4 Độ bền lý thuyết của dầm và cột các mẫu thí nghiệm ..............................57 Bảng 3.5 Các kết quả thí nghiệm thu được từ giai đoạn kiểm soát lực ..................62 Bảng 3.6 Chuyển vị lúc chảy dẻo, độ dẻo chuyển vị, cơ cấu phá hoại ...................76 Bảng 3.7 Các thông số liên quan tới lực cắt tầng lớn nhất các mẫu thí nghiệm .....79 Bảng 3.8. Thời điểm chảy dẻo của các loại cốt thép trong mẫu thí nghiệm .............82 Bảng 3.9. Lực cắt nút Vt lớn nhất và biến dạng cắt nút γ tương ứng ........................94 Bảng 3.10. Độ cứng cát tuyến Kt (kN/mm) chu kỳ đầu ứng với độ dẻo μΔ ............101 Bảng 3.11. Năng lượng phân tán mỗi chu kỳ (kN.mm) và hệ số cản tương đương .................................................................................................................................102 Bảng 4.1. So sánh các kết quả phân tích ................................................................122 Bảng 4.2. So sánh các kết quả phân tích. ...............................................................125 Bảng 5.1. Các giá trị lực cắt đáy và chuyển vị ngang tại cao trình mái .................135 Bảng 5.2. Chuyển vị ngang của khung tại cao trình mái .......................................136 Bảng 5.3. Chuyển vị ngang cao trình mái và lực cắt đáy ở các đỉnh gia tốc nền ..140 Bảng 5.4. Nội lực ở các cột tầng 1 khi đạt gia tốc nền đạt đỉnh ............................141 Bảng B.1 Các tính năng cơ lý của cốt thép ........................................................... PL2 Bảng B.2. Mô men dẻo của mẫu J2 ...................................................................... PL2 Bảng B.3. Độ dẻo chuyển vị và dạng phá hoại của mẫu J2 .................................. PL2 Bảng D.1 Các thông số mô hình cho dầm bê tông cốt thép chịu uốn ................... PL6 Bảng D.2 Các thông số mô hình cho cột bê tông cốt thép chịu uốn ..................... PL7 x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các dạng phá hoại chủ yếu ở các nút khung bê tông cốt thép ...................6 Hình 1.2. Nút khung bị phá hoại cắt ...........................................................................7 Hình 1.3. Phá hoại nút khung trong động đất ở Trung Java, 5/2006 .........................7 Hình 1.4. Các nút ngoài ..............................................................................................7 Hình 1.5. Các nút trong ..............................................................................................7 Hình 1.6 Cấu tạo nút khung giòn và dẻo ....................................................................9 Hình 1.7 Khảo sát một nút khung trong điển hình ....................................................9 Hình 1.8 Lực cắt tại nút khung trong ......................................................................10 Hình 1.9 Lực tác động lên nút khung trong .............................................................11 Hình 1.10 Sơ đồ phá hoại cắt tại nút khung ............................................................14 Hình 1.11. Các tác động lên một nút khung trong và cơ cấu chịu lực tương ứng....15 Hình 1.12 Các cơ cấu truyền lực cắt tại nút khung .................................................16 Hình 1.13 Lực bám dính của cốt thép ở mặt trên dầm ............................................18 Hình 1.14. Chi tiết các cơ cấu chịu cắt chính ở nút khung trong. ............................19 Hình 1.15 Các cơ cấu chịu lực của nút khung ngoài ................................................20 Hình 1.16. Nút khung ngoài và hai cơ cấu truyền lực cắt ........................................21 Hình 1.17. Các lực tác động lên lõi nút qua tiết diện I – I từ hai cơ cấu truyền lực.21 Hình 1.18. Trạng thái ứng suất của phần tử vùng đang xét và biểu diễn đường cong cường độ nén xiên bê tông qua một đường parabol bậc ...........................................22 Hình 1.19 Trường ứng suất đồng nhất trong nút khung ...........................................25 Hình 1.20 Luật trễ Takeda .......................................................................................28 Hình 1.21. Hệ nút khung của Filipou .......................................................................29 Hình 1.22 Mô hình nút của Alath và Kunnath (1995)..............................................29 Hình 1.23 Mô hình các nút khung BTCT của Pampanin (2002) .............................30 Hình 1.24 Mô hình nút khung của Biddah và Ghobarah (1999) ..............................30 Hình 1.25 Mô hình nút khung của Elmorsi và những người khác (2000) ...............31 Hình 1.26 Mô hình nút khung của Youssef và Ghobarah (2001) ............................31 Hình 1.27 Mô hình nút khung của Lowes (2003) ....................................................31 xi Hình 1.28 Mô hình Altoontash .................................................................................32 Hình 1.29 Mô hình nút khung của Shin và LaFave (2004) ......................................32 Hình 1.30 Mô hình của Burack ................................................................................33 Hình 1.31 Phần tử vùng pano trong PERFORM – 3D .............................................33 Hình 2.1. Biến dạng ngang toàn phần của một panô khung.....................................36 Hình 2.2. Biến dạng của nút khung ..........................................................................36 Hình 2.3. Các vòng trễ mối quan hệ mômen uốn M – chuyển vị xoay θsl ...............37 Hình 2.4. Chuyển vị xoay đầu mút cố định θsl do thanh cốt thép dọc bị kéo ra khỏi vùng neo của nó trong nút khung. .............................................................................38 Hình 2.5 Sự phân bố ứng suất bám dính ở thí nghiệm kéo thanh cốt thép .............41 Hình 2.6. Các khe nứt dọc do phá hoại bám dính trong trường hợp cốt thép có gờ 41 Hình 2.7. Lực bám dính quanh (a) thanh cốt thép được neo đơn giản hoặc (b) thanh cốt thép đi qua một nút khung trong. ..............................................................43 Hình 2.8 Quan hệ momen uốn – chuyển vị xoay do trượt bám dính được đề xuất 44 Hình 2.9. Giả thiết phân bố ứng suất biến dạng cốt thép dọc dầm...........................45 trong vùng nút khung. ...............................................................................................45 Hình 2.10 Ảnh hưởng của (a) hàm lượng cốt thép đai ρjh ; b) bản sàn và dầm ngang ở cả hai cạnh nút nút khung trong tới cường độ chịu cắt của nút (phỏng theo Kitayama et al. 1991) [17]. .......................................................................................46 Hình 3.1 Sơ đồ công trình được thiết kế\ .................................................................53 Hình 3.2. Vị trí, kích thước cơ bản mẫu thí nghiệm được trích xuất từ khung K5 ..54 Hình 3.3 Cấu tạo mẫu thí nghiệm NK1 ...................................................................55 Hình 3.4. Cấu tạo mẫu thí nghiệm NK2 ...................................................................55 Hình 3.5 Kích thước mẫu thí nghiệm NK3 .............................................................55 Hình 3.6. Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông các mẫu thí nghiệm ..............57 Hình 3.7 Các đặc trưng ứng suất- biến dạng của cốt thép .......................................57 Hình 3.8. Biến dạng của khung và mẫu thí nghiệm dưới tác động tải trọng ngang .58 Hình 3.9 Sơ đồ dựng lắp và chất tải các mẫu thí nghiệm ........................................59 Hình 3.10 Định nghĩa chuyển vị chảy và độ cứng của các mẫu thí nghiệm ...........59 xii Hình 3.11 Sơ đồ xác định độ bền lý tưởng của mẫu thí nghiệm ............................61 Hình 3.12 Lịch sử quá trình chất tải ........................................................................62 Hình 3.13 Các thiết bị đo ..........................................................................................64 Hình 3.14 Sơ đồ bố trí các đầu LVDT đo biến dạng cắt của nút khung và dầm ....65 Hình 3.15. Vị trí các đầu đo LVDT dùng để đo chuyển vị xoay của dầm và cột ....65 Hình 3.16 Vị trí các phiến đo biến dạng cốt thép ....................................................66 Hình 3.17 Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK1 lúc kết thúc thí nghiệm - Chu kỳ 19 67 Hình 3.18. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK1 - Chu kỳ 4 ........................................69 Hình 3.19. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK1 - Chu kỳ 11 ......................................69 Hình 3.20. Hình ảnh các khe nứt mẫu NK2 khi kết thúc thí nghiệm - Chu kỳ 17 ..71 Hình 3.21. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK2 - Chu kỳ 4 .......................................72 Hình 3.22. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK2 - Chu kỳ 11 .....................................72 Hình 3.23. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK3 khi kết thúc thí nghiệm - Chu kỳ 14 ...................................................................................................................................74 Hình 3.24. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK3 - Chu kỳ 4 .......................................75 Hình 3.25. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK3 - Chu kỳ 11 .....................................75 Hình 3.26 Quan hệ lực cắt tầng V – chuyển vị ngang ∆ mẫu NK1 .........................77 Hình 3.27 Quan hệ lực cắt tầng V – chuyển vị ngang ∆ mẫu NK2 .........................77 Hình 3.28 Quan hệ lực cắt tầng V – chuyển vị ngang ∆ mẫu NK3 .........................77 Hình 3.29 Quan hệ lực cắt tầng Vtb – góc lệch tầng ∆tb/h của mẫu NK1 .................78 Hình 3.30 Quan hệ lực cắt tầng Vtb – góc lệch tầng ∆tb/h của mẫu NK2 .................78 Hình 3.31 Quan hệ lực cắt tầng Vtb – góc lệch tầng ∆tb/h của mẫu NK3 .................78 Hình 3.32. Đường bao biễu diễn quan hệ lực cắt tầng Vtb – góc lệch tầng ∆tb/h .....79 Hình 3.33. Đường bao biễu diễn quan hệ lực cắt tầng Vtb và độ dẻo chuyển vị ......79 Hình 3.34 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 50mm - mẫu NK1 .............81 Hình 3.35 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 50mm - mẫu NK2 .............81 Hình 3.36 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 50mm - mẫu NK3 .............81 Hình 3.37. Vị trí các phiến đo biến dạng ..................................................................83 Hình 3.38 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 300mm - mẫu NK1 ...........83 xiii Hình 3.39 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 300mm - mẫu NK2 ...........83 Hình 3.40 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 300mm - mẫu NK3 ...........83 Hình 3.41. Quan hệ chuyển vị xoay θ tại tiết diện dầm cách mặt cột phải 50 mm và độ dẻo µ∆ của 3 mẫu thí nghiệm ...............................................................................84 Hình 3.42. Quan hệ chuyển vị xoay θ tại tiết diện dầm cách mặt cột trái 50mm và độ dẻo µ∆ của 3 mẫu thí nghiệm ...............................................................................84 Hình 3.43. Biến dạng cắt ở đầu dầm phải mẫu NK1 ................................................85 Hình 3.44. Biến dạng cắt ở đầu dầm phải mẫu NK2 ................................................85 Hình 3.45. Biến dạng cắt ở đầu dầm phải mẫu NK3 ................................................85 Hình 3.46. Biến dạng cắt ở đầu dầm trái mẫu NK1 .................................................85 Hình 3.47. Biến dạng cắt ở đầu dầm trái mẫu NK2 .................................................85 Hình 3.48. Biến dạng cắt ở đầu dầm trái mẫu NK3 .................................................85 Hình 3.49 Quan hệ mômen uốn – chuyển vị xoay tại tiết diện cột cách mặt trên dầm 100mm ở mẫu NK1 ...................................................................................................88 Hình 3.50 Quan hệ mômen uốn – chuyển vị xoay tại tiết diện cột cách mặt trên dầm 100mm ở mẫu NK2 ...................................................................................................88 Hình 3.51 Quan hệ mômen uốn – chuyển vị xoay tại tiết diện cột cách mặt trên dầm 100mm ở mẫu NK3 ...................................................................................................88 Hình 3.52. Quan hệ chuyển vị xoay tại thiết diện cột cách mặt trên của dầm 100mm và độ dẻo µ∆ của 3 mẫu thí nghiệm ...........................................................................88 Hình 3.53. Quan hệ lực cắt tầng – biến dạng cắt của nút khung mẫu NK1 .............90 Hình 3.54. Quan hệ lực cắt tầng – biến dạng cắt của nút khung mẫu NK2 .............90 Hình 3.55. Quan hệ lực cắt tầng – biến dạng cắt của nút khung mẫu NK3 .............90 Hình 3.56. Quan hệ biến dạng cắt γ của nút khung – góc lệch tầng Δ/h .................91 Hình 3.57 Quan hệ biến dạng cắt γ của nút khung – độ dẻo µ∆ ...............................92 Hình 3.58 Quan hệ giữa Vt – góc lệch tầng Δtb/h .....................................................94 Hình 3.59 Quan hệ lực cắt nút Vt - biến dạng cắt γ của nút khung ..........................94 Hình 3.60. Độ cứng cát tuyến Kt của các mẫu thí nghiệm ....................................100 Hình 3.61. So sánh độ cứng cát tuyến Kt của các mẫu thí nghiệm ........................101 xiv Hình 3.62. Quan hệ giữa độ cứng cát tuyến Kt và độ dẻo chuyển vị μΔ ...............101 Hình 3.63 Quan hệ lượng năng lượng tích lũy Etl được phân tán và số chu kỳ của các mẫu thí nghiệm .................................................................................................102 Hình 3.64 Quan hệ năng lượng tích lũy Etl được phân tán và độ dẻo chuyển vị μΔ của các mẫu thí nghiệm ...........................................................................................103 Hình 3.65 Định nghĩa hệ số cản nhớt tương đương ……………….. …... 103 Hình 3.66 Quan hệ độ cản nhớt tương đương ξ – độ dẻo chuyển vị μΔ ................104 Hình 4.1. Dạng biến dạng điển hình của khung dưới tác động động đất ngang ....107 Hình 4.2. Sự góp phần của biến dạng cắt nút tới chuyển vị ngang của tầng .........108 Hình 4.3. Mô hình hóa biến dạng cắt của nút khung..............................................108 Hình 4.4. a),b) các lực tác động lên nút khung; c),d) sơ đồ chịu lực của hệ nút ....110 Hình 4.5. Sơ đồ khối xác định quan hệ Vc - Δcj và quan hệ Mb - γj: a) Nút khung trong, b) Nút khung ngoài .......................................................................................112 Hình 4.6 Quan hệ giữa biến dạng cắt nút γj ...........................................................113 Hình 4.7. Quan hệ τjh -γj lý tưởng của nút khung. ..................................................113 Hình 4.8. Cấu tạo nút J2 của Biddah ......................................................................114 Hình 4.9 Quan hệ giữa biến dạng cắt nút γj ...........................................................115 Hình 4.10.(a) Mặt cắt dầm, (b) Biểu đồ biến dạng .................................................116 Hình 4.11 Biểu đồ Mb - Tsb của nút khung J2 (Biddah) ........................................116 Hình 4.12. Biểu đồ biểu diễn quan hệ a) Vc – Δc và b) Mb - γj ...............................117 Hình 4.13. Biểu đồ quan hệ Mb – θsl của mô hình trượt bám dính .........................118 Hình 4.14. Sơ đồ khớp dẻo bố trí ...........................................................................119 Hình 4.15. Quan hệ a) Vc – Δcj và b) Mb - γj của nút khung NK1 .........................120 Hình 4.16. Biểu đồ quan hệ Mb – θsl của mô hình trượt bám dính nút NK1 ..........120 Hình 4.17. Quá trình xuất hiện khớp dẻo ...............................................................121 Hình 4.18. So sánh quan hệ lực cắt tầng V và chuyển vị ngang Δ của nút NK1 ...121 Hình 4.19. Quan hệ a) Vc – Δcj và b) Mb - γj của nút khung J2 (Biddah) ..............123 Hình 4.20. Biểu đồ quan hệ Mb – θsl của mô hình trượt bám dính nút J2 ..............124 Hình 4.21. Hình thành khớp dẻo ............................................................................124 xv Hình 4.22. So sánh quan hệ lực cắt tầng V và chuyển vị ngang Δ của nút J2 .......125 Hình 5.1. Sơ đồ mặt bằng và khung ngang nhà......................................................128 Hình 5.2. Cấu tạo thép cột và dầm .........................................................................128 Hình 5.3. Quan hệ τjh - γj của các nút khung K4 ....................................................130 Hình 5.4. Quan hệ Vc – Δcj của các nút khung K4 .................................................132 Hình 5.5. Quan hệ Mb - γj của các nút khung K4 ....................................................133 Hình 5.6. Đặc trưng các khớp dẻo mô hình biến dạng trượt bám dính của khung K4 .................................................................................................................................134 Hình 5.7. (a) Đường cong khả năng của công trình ...............................................135 Hình 5.8. Quá trình xuất hiện các khớp dẻo trong trường hợp nút cứng ...............136 Hình 5.9. Quá trình xuất hiện các khớp dẻo trong trường hợp nút mềm ...............137 Hình 5.10. Giản đồ gia tốc động đất Imperial Valley (El Centro - Mỹ) ................138 Hình 5.11. Sơ đồ các khớp dẻo trong trường hợp nút cứng ...................................138 Hình 5.12. Sơ đồ các khớp dẻo trong trường hợp nút mềm ...................................139 Hình 5.14. Biến thiên của chuyển vị ngang tại cao trình mái theo lịch sử thời gian .................................................................................................................................140 Hình 5.15. Chuyển vị ngang của khung K4 ...........................................................141 Hình B.1 Sơ đồ thí nghiệm ................................................................................... PL2 Hình B.2 Quan hệ lực cắt tầng – góc lệch tầng ..................................................... PL3 Hình B.3 Quan hệ lực cắt nút – biến dạng cắt nút................................................. PL3 Hình B.4 Mômen uốn dầm – chuyển vị xoay cách mặt cột 330 mm .................... PL3 Hình C.1 Mô hình ứng suất – biến dạng bê tông bị bó của Kent và Park ............. PL4 Hình C.2 Cốt thép bó ngang cấu kiện ................................................................... PL4 Hình D.1 Quan hệ lực - chuyển vị tổng quát của các cấu kiện bê tông cốt thép .. PL6 Hình F.1. Định nghĩa Lmax và Lymax ..................................................................... PL10 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nút khung hay còn gọi là nút liên kết dầm – cột trong hệ kết cấu khung bê tông cốt thép (BTCT) là vùng được tạo thành từ sự giao nhau giữa dầm và cột. Để hệ kết cấu có ứng xử tốt dưới tác động động đất, các nút khung phải có khả năng truyền các lực cắt đứng và ngang giữa các dầm và cột, thậm chí trong các điều kiện chất tải bất lợi nhất. Dưới tác động động đất, các nút khung BTCT có một ứng xử hết sức phức tạp. Rất nhiều trường hợp phá hoại nút khung dẫn tới sự sụp đổ của cả hệ kết cấu đã được ghi nhận trong thực tế. Hình 1a và b cho một ví dụ điển hình về sự phá hoại nút khung kéo theo sự sụp đổ toàn bộ công trình ở trận động đất năm 1999 tại Thổ Nhĩ Kỳ [4]. Một ví dụ tương tự khác cũng được ghi nhận trong trận động đất năm 2004 ở Sumatra - Indonesia (Hình 1c và d) [4]. Hình 1. Các ví dụ về phá hoại nút khung dẫn tới sụp đổ công trình trong các trận động đất: a) và b) ở Thổ Nhĩ Kỳ (1999); c) và d) ở Sumatra (2004). Bắt đầu từ những năm 1960, các bài học rút ra sau các trận động đất mạnh xẩy ra trên thế giới về ứng xử của các nút khung BTCT đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong hơn nửa thế kỷ qua, rất nhiều mô hình xác định độ bền cắt cũng như mô hình mô phỏng ứng xử của các nút khung BTCT dưới tác động động đất đã được đề xuất. Trong số đó, một số mô hình đã được đưa vào trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của nhiều nước. Tuy vậy, các mô hình này vẫn chưa nhận được sự đồng thuận và được chấp nhận một cách rộng rãi. Đây là một vấn đề hết sức phức tạp, chịu sự chi phối của rất nhiều yếu tố thuộc bản thân nút khung và các yếu tố liên quan thuộc các bộ phận khác của khung như dầm và cột… Bên cạnh đó, 2 các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chưa có tính tổng quát, không phản ánh được tính đa dạng về chủng loại các nút khung thường gặp trong thực tế (về kích thước hình học, vật liệu và cấu tạo cốt thép…). Thậm chí hiện nay, mặc dù có sự gia tăng số lượng các công trình nghiên cứu về ứng xử của các nút khung, nhưng do tính phức tạp của các mô hình được đề xuất nên việc thiết kế kháng chấn có xét tới bộ phận này vẫn gặp rất nhiều trở ngại về mặt nhận thức cũng như cách thức thực hiện. Trong thực tế thiết kế thông thường, các nút khung vẫn tiếp tục được xem là vùng cứng. Hiện nay, việc thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng đã bước sang một giai đoạn mới cùng với sự xuất hiện và đưa vào áp dụng quan niệm thiết kế hiện đại, cho phép hệ kết cấu làm việc sau giới hạn đàn hồi. Đê bảo vệ sinh mạng con người trong các trận động đất mạnh hoặc rất mạnh, dầm phải bị phá hoại trước cột (cột khỏe – dầm yếu) và nút khung phải bị phá hoại sau cùng. Để cơ cấu phá hoại dẻo này được hình thành và duy trì trong suốt thời gian xẩy ra động đất, các nút khung phải có khả năng chịu các lực cắt rất lớn truyền vào từ dầm và cột để các bộ phận này của khung có thể đạt trạng thái giới hạn cực hạn mong muốn. Do đó, khác với trước đây, các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại đã có các quy định khá cụ thể về các điều kiện bảo đảm độ bền cho nút khung. Đây là một vấn đề rất quan trọng, nhưng vẫn còn có sự khác nhau trong các tiêu chuẩn thiết kế. Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn thiết kế vẫn còn né tránh vấn đề biến dạng các nút khung, một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng tới ứng xử phi tuyến của các hệ kết cấu chịu động đất. Ở Việt Nam hiện nay, chưa có các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm một cách nghiêm túc và quy mô về ứng xử của nút khung BTCT chịu động đất. Các kỹ sư xây dựng (thiết kế và thi công) vẫn còn cho rằng nút khung là một vùng cứng hiển nhiên và không ảnh hưởng tới phản ứng của hệ kết cấu khung chịu tác động động đất cũng như trọng trường. Nếu quan niệm này có thể không gây nguy hiểm nhiều cho các công trình chịu tải trong đứng làm việc trong giới hạn đàn hồi, nhưng đối với các công trình được thiết kế để chịu động theo quan niệm mới 3 (TCVN 9386:2012) lại hết sức nguy hiểm. Do đó việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng nút khung tới phản ứng của khung BTCT chịu động đất” là hết sức cần thiết. Đề tài sẽ góp phần làm sáng tỏ một số vấn đề quan trọng sau: Các nút khung BTCT hiện có ở Việt Nam có bị biến dạng không? Làm cách nào để xét tới biến dạng của nút khung trong phân tích kết cấu? và ảnh hưởng của biến dạng nút khung tới phản ứng của hệ kết cấu như thế nào? 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Mục tiêu nghiên cứu của luận án: a. Nghiên cứu tổng quan các mô hình xác định độ bền cắt và mô phỏng ứng xử của các nút khung BTCT liền khối chịu động đất và những vấn đề đang đặt ra; b. Nghiên cứu thí nghiệm các nút khung BTCT liền khối chịu động đất, được thiết kế và cấu tạo theo các tiêu chuẩn thiết kế khác nhau hiện có ở Việt Nam nhằm làm sáng tỏ một số vấn đề sau: • Các nút khung có bị biến dạng không? Loại nút khung nào phù hợp để tạo ra cơ cấu phá hoại dẻo ở khung theo quan điểm kháng chấn hiện đại? • Ở trạng thái cực hạn chúng bị phá hoại như thế nào? Nguyên nhân nào gây ra các phá hoại đó? Tiêu chí nào phù hợp nhất để đánh giá độ bền cắt của nút khung ở Việt Nam theo theo quan niệm kháng chấn hiện đại? c. Nghiên cứu mô hình hóa biến dạng các nút khung BTCT được thiết kế theo TCVN 9386:2012 dùng trong phân tích phi tuyến hệ kết cấu khung BTCT. 3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU, CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: sự làm việc của các các nút khung phẳng BTCT liền khối chịu động đất được thiết kế và cấu tạo theo các tiêu chuẩn thiết kế khác nhau đang và sẽ có ở Việt Nam, mô hình hóa biến dạng các nút được thiết kế theo TCVN 9386:2012 dùng trong phân tích phi tuyến hệ kết cấu khung phẳng BTCT. Cơ sở khoa học và thực tiến của đề tài: các mô hình tính toán về cường độ và các mô hình mô phỏng biến dạng nút khung đã được nghiên cứu trên thế giới,