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
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ
Hà Nội – Năm 2018
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Lê Ninh
Phản biện 1 : GS.TS Nguyễn Tiến Chương
Phản biện 2 : PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương
Phản biện 3 : TS Nguyễn Đại Minh
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường
họp tại Trường Đại học Xây Dựng vào hồi
tháng
giờ
ngày
năm 2018
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc Gia và Thư viện Trường
Đại học Xây dựng.
1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Nút khung là vùng giao nhau giữa dầm và cột. Dưới tác động
động đất, các nút khung BTCT có ứng xử hết sức phức tạp và sự
phá hoại của chúng thường dẫn tới sự sụp đổ của cả hệ kết cấu.
Nhiều mô hình xác định độ bền cắt và mô phỏng ứng xử của nút
khung BTCT đã được đề xuất. Tuy vậy, các mô hình tính toán
này chưa có tính tổng quát và có sự đồng thuận rộng rãi. Trong
thiết kế, các nút khung vẫn được xem là vùng tuyệt đối cứng.
Hiện nay, theo quan niệm thiết kế kháng chấn hiện đại, các
nút khung phải có đủ độ bền để đảm bảo cho các dầm và cột
quanh nó phát triển được cơ cấu phá hoại dẻo mong muốn. Để
giải quyết vấn đề này, các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đưa ra
các yêu cấu tính toán và cấu tạo nút khung rất chặt chẽ, nhưng lại
né tránh vấn đề biến dạng của chúng, một yếu tố rất quan trọng
ảnh hưởng tới ứng xử của cả hệ kết cấu khi chịu động đất.
Ở Việt Nam, hiện chưa có các công trình nghiên cứuvề ứng
xử của các nút khung BTCT dưới tác động các loại tải trọng.
Vùng nút khung được xem là vùng cứng hiển nhiên. Do đó, việc
“Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng nút khung tới phản ứng
của khung BTCT chịu động đất” là hết sức cần thiết.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
a. Nghiên cứu tổng quan các mô hình xác định độ bền và mô
phỏng ứng xử của các nút khung BTCT liền khối chịu động đất;
b. Nghiên cứu thí nghiệm các loại nút khung BTCT liền khối
chịu động đất ở Việt Nam nhằm làm sáng tỏ các vấn đề: khả
năng bị biến dạng và chịu lực, tiêu chí đánh giá độ bền cắt, loại
nút khung phù hợp yêu cầu tạo ra cơ cấu phá hoại dẻo ở khung.
c. Nghiên cứu mô hình tính toán phi tuyến có xét tới biến
dạng nút khung BTCT được thiết kế theo TCVN 9386:2012.
3. ĐỐI TƯỢNGVÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: các nút khung BTCT liền khối chịu
động đất hiện có trong thực tế xây dựng ở ViệtNam.
Phương pháp nghiên cứu: lý thuyết kết hợp với thí nghiệm.
4. CÁC KẾT QUẢ CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
a. Các thí nghiệm cho thấy: các loại nút khung BTCT hiện có
2
ở Việt Nam đều bị biến dạng khi chịu động đất; nút khung được
thiết kế theo TCVN 9386:2012 bị phá hoại dẻo, còn theo TCVN
5574:2012 và SP 14.13330.2011 (LB Nga) đều bị phá hoại giòn,
không phù hợp để tạo ra cơ cấu phá hoại dẻo cho hệ kết cấu
khung. Xác định được các yếu tố chính ảnh hưởng tớiứng xử của
nút khung và điều kiện để đảm bảo độ bền cắt của các nút khung
được thiết kế ở Việt Nam.
b. Đề xuất 3 mô hình mô phỏng các thành phần biến dạng cắt
và trượt bám dính của nút khung. Việc sử dụng các mô hình này
trong phân tích tĩnh và động phi tuyến hệ khung BTCT được
thiết kế theo TCVN 9386:2012 cho thấy biến dạng của nút khung
làm thay đổi đáng kể phản ứng tổng thể của hệ kết cấu.
5. CẤU TRÚC LUẬN ÁN
Luận án gồm Phần mở đầu, 5 chương, Kết luận và kiến nghị,
Phần Phụ lục, Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến
Luận án và Tài liệu tham khảo.
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG
BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT
VÀ NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC
1.1 SỰ PHÁ HOẠI NÚT KHUNG DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT
Có hai dạng phá hoại thường quan sát thấy sau các trận động
đất: (a) phá hoại cắt nút và (b) phá hoại neo cốt thép. Nguyên
nhân do thiếu cốt đai và neo cốt thép không đủ trong vùng nút.
1.2 PHÂN LOẠI CÁC NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Các nút khung được phân loại theo: (a) dạng hình học và cách
neo cốt thép dầm (ngoài, trong), (b) ứng xử của nút (đàn hồi,
không đàn hồi), (c) cấu tạo nút (giòn, dẻo).
1.3 CÁC LỰC TÁC ĐỘNG LÊN NÚT KHUNG BTCT
Xét một nút khung trong, chịu các lực tác động từ dầm và cột
truyền vào (Hình 1.9a) gây ra các thành phần nội lực như trong
Hình 1.9b. Cân bằng các nội lực này sẽ được lực cắt nút theo
phương ngang Vjh:
Vjh = Cb1 +Csb1 +Tsb 2 -Vc (1.1) hoặc Vjh = Tsb1 +Tsb 2 -Vc (1.2)
Do đó Vjh = (A s1 +A s 2 )0 f y -Vc (1.3) trong đó Cb1- lực nén trong
bê tông, Tsb1, Tsb2 và Csb1- lực kéo và nén trong cốt thép dầm, Vc-
3
lực cắt cột trên và dưới nút, As1 và As2 tiết
ết diện cốt thép dầm, λ0
và fy – hệ số vượt độ bền và ứng suất chịu kéo của cốt thép dầm.
Hình 1.9
Lực
ực tác
động
ộng llên
nút
khung
trong
Ứng suất cắt nút theo phương ngang τjh và đứng τjv:
V
V
jh = jh = jv jv (1.5) trong đó bj, hcvà hb tương ứng
b j hc b j hb
là bề rộng hiệu dụng của nút, chiều cao tiết diện cộtt và ddầm
Đối với nút khung ngoài ngoài: Vjh = A s10f y - Vc (1.7)
1.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
ỊNH KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA NÚT
1.4.1.Các mô hình xác định khả năng chịu cắt của nút
Có rất nhiều mô hình tính toán đã được đề xuất và được
ợc phân
loại theo 4 cách. Sau đây là 2 mô hình tính toán thông dụng
ụng nhất.
1.4.2. Mô hình của Paulay và Priestley
Hình 1.12 Các cơ ccấu
truyền lực cắt: a) dải
bê tông nén chéo; b)
giàn;
Theo Paulay và
Priestley, khảả năng
chịu lực cắt của nút khung là sự kết hợp của cơ cấu
ấu dải bbê tông
nén chéo (Strut mechanism) và cơ cấu giàn (Truss mechanism)
mechanism).
Cơ cấu thứ nhất góp phần chịu cắt nút theo phương ngang Vchvà
đứng Vcv nhở lực nén chéo Dc (Hình 1.12a), còn cơ cấu th
thứ hai
góp phần chịu cắt nút theo phương ngang Vsh và đứng Vsv nh
nhờ lực
nén chéo Ds được tạo ra qua lực bám dính của các
ác thanh cốt đai
và cốt thép dọc của cột và dầm trong vùng nút (Hình 1.12b).
4
Với mô hình ứng xử này, Paulay và Priestley đã thiết lập
được các biểu thức tính toán khả năng chịu cắt của nút (trong và
ngoài) theo phương ngang Vjh và đứng Vjv.
1.4.3 Mô hình A. G. Tsonos(1999, 2001)
Khả năng chịu lực cắt của nút theo Tsonos cũng gồm hai cơ
cấu chịu lực như đề xuất của Paulay và Priestley, nhưng Tsonos
cho rằng các cơ cấu này tạo ra một trường ứng suất đều. Từ đó
Tsonos thiết lập được mối quan hệ giữa ứng suất nén đứng σ và
ứng suất cắt τ trong vùng nút và hệ quả là khả năng chịu cắt của
nút theo phương ngang: Vjh = hc b j (1.45)
1.5 KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA CÁC NÚT KHUNG THEO CÁC TIÊU
CHUẨN THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN
Phần này đề cập tới việc xác định khả năng chịu cắt nút trong
các tiêu chuẩn thiết kế ACI 318M-2011, NZS 3101 (2016),
TCVN 9386:2012, EN 1998-1-1:2004 và AIJ 1999.
1.6 NHẬN XÉT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG
CHỊU CẮT CỦA NÚT KHUNG
Cơ sở lý luận dùng để xác định độ bền cắt nút khung Vjhcó sự
khác nhau rất rõ rệt trong cáctiêu chuẩn thiết kế kháng chấn. Các
tiêu chuẩn của Hoa Kỳ chú trọng tới các kích thước hình học nút
khung và cường độ fc. Các tiêu chuẩn Việt Nam và châu Âu chú
trọng tới lượng cốt thép đai trong vùng nút và lực dọc cột Nc.
1.7 CÁC MÔ HÌNH NÚT DÙNG TRONG PHÂN TÍCH PHI TUYẾN
Có rất nhiều mô hình mô phỏng biến dạng của nút khung
BTCT đã được đề xuất trong hơn 60 năm qua. Sau đây là các mô
hình tính toán nổi bật, được nhắc tới nhiều nhất.
• Mô hình dựa trên các nghiên cứu thí nghiệm của Townsed
và Hanson (1973), Anderson và Towsend (1977).
• Mô hình dựa trên nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí
nghiệm:Mô hình khớp dẻo xoay của Otani (1974), Banon et all
(1981), Fillipou et al. (1983, 1988), El-Metwally (1988),Alath và
Kunnath (1995), Pampanin (2002); Mô hình đa lò xo củaBiddah
và Ghobarah (1999), Elmorsi et al. (2000), Lowes et al. (2003),
Altoontash (2004), Shin và LaFave (2004), Unal và Burak
(2010).
Nhận xét về các mô hình: các mô hình dựa trên thực nghiệm
5
không có tính điển hình và khách quan, các mô hìnhđa
đa llò xo
phản ánh được ứng xử thực tế của nút hơn các mô hình
ình lò xo
xoay nhưng để sử dụng cần các phần mềm đặc thù, khối
ối llượng
tính toán lớn.
1.8 NHẬN XÉT RÚT RA TỪ NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1. Dưới tác động động đất, trong vùng nút khung xuất
ất hiện các
lực cắt đứng và ngang lớn hơn nhiều
ều so với các lực cắt tác động.
2. Hiện vẫn chưa có mô hình mô phỏng hợp lý cơ cấu
ấu chịu cắt
nút được nhất trí thừa nhận,tiêu chí đánh giá độộ bền cắt nút trong
các tiêu chuẩn còn khác nhau đáng kể. Mô hình của
ủa Paulay vvà
Priestley cho phép diễn dải một cách hợp lý nhất cơ cấu
ấu chịu lực
của nút khung và được đưa vào nhiều tiêu chuẩn
ẩn trong đó có
Viêt. Nam
3. Mô hình đa lò xo xuất hiện gần đây được xem là mô ph
phỏng
sát thực nhất ứng xử của nút khung nhưng tính ứng dụng bị hạn
chế do cần các phần mềm đặc thù và khối lượng
ợng tính toán
lớn.Hiện nay ở Việt Nam chưa có các nghiên cứu
ứu về ứng xử các
nút khung BTCT dưới tác động động đất.
CHƯƠNG 2. BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNGBTCT
TCT
2.1 BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BTCT
Dưới tác động động đất, vùng nút khung chịu
ịu các lực cắt rất
lớn nên sẽ bị biến dạng.
2.2 CÁC THÀNH PHẦN BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BTCT
Biến dạng của nút khung gồm hai thành phần:
ần: biến dạng cắt γj
ở vùng lõi nút và chuyển
huyển vị
xoay θsl ở đầu mút cố định
(Hình 2.2)
Hình 2.2. Biến dạng của nút
a) Biến dạng cắt, b) Chuyển vị
xoay đầu mút cố định
2.3 CHUYỂN VỊ XOAY ĐẦU MÚT CỐ ĐỊNH
Cốt thép dọc dầm thường đi qua hoặc neo vào
ào nút khung.
Chúng có xu hướng bị kéo ra khỏi vùng neo khi chịu
ịu lực gây ra
chuyển vị xoay θsl ở đầu mút dầm (chuyển
ển vị xoay đầu mút cố
định). Gọi s là chuyển vị trượt của thanh cốt thép (Hình
ình 2.4):
6
s
(2.1) trong đó: ξ –
(1 )
chiều cao tương đối của trục trung
hòa đối với chiều cao hiệu dụng d
Khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo,
chuyển vị xoay đầu mút cố định :
y db f y
Hình 2.4. Chuyển vị xoay
=
(2.5) trong đó ϕy,
y
,
sl
đầu mút cố định θsl
8 fc
db, fy và fc tương ứng độ cong trục dầm, đường kính cốt thép,
cường độ chịu kéo của cốt thép và cường độ chịu nén của bê tông
khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo.
Cùng với sự gia tăng lực tác động, biến dạng chảy cốt thép
lan sâu vào trong nút. Đoạn chiều dài chảy dẻo lan sâu ly,p gây ra
chuyển vị trượt bổ sung s ly,p cũng như chuyển vị xoay đầu mút
cố định bổ sung khi đạt trạng thái cực hạn: Δθu,sl= ϕuly,p (2.6) với
u - độ cong cực hạn tại đầu mút dầm.Theo Fardis Δθu,sl= 5,5dbϕu
(2.8) khi tải trọng đổi chiều.
Lực bám dính giữa cốt thép và bê tông trong vùng nút là yếu
tố quyết định độ lớn của chuyển
vị xoay θsl. Cường độ lực bám
dính trong vùng nút phụ thuộc
nhiều yếu tố: bó bê tông, đường
kính cốt thép db, cường độ nén
bê tông fc, dạng bề mặt cốt thép
…Các mô hình trượt bám dính
đã được nhiều tác giả đề xuất,
Hình 2.8 Quan hệ M - θsl
trong đó đáng chú ý là môhình
của Biddah (Hình 2.8). Dựa trên các kết quả thí nghiệm của
Morita và Kaku, Biddah xác định được chuyển vị trượt s của
thanh cốt thép cũng như độ dốc K1 và K2 của mô hình.
sl =
2.4 BIẾN DẠNG CẮT NÚT KHUNG
Biến dạng cắt γ của nút khung gây ra ứng suất cắt τ xác định
theo (1.5) chủ yếu do lực bám dính dọc theo các thanh cốt thép
dầm và cột đi qua lõi nút. Ứng suất cắt nút là yếu tố quan trọng
7
ảnh hưởng đến độ bền lẫn độ cứng của nút khung. Các tiêu chuẩn
ACI 318M-11, NZS 3101 (2006), TCVN 9386:2012 và EN
1998-1-1:2004 đều đánh giá khả năng chịu cắt của nút khung
như một hàm của cường độ chịu nén fc bê tông, không xét tới
hàm lượng cốt thép đai.
2.5 NHẬN XÉT VỀ BIẾN DẠNG NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
1. Biến dạng nút khung gồm: chuyển vị xoay θsl ở đầu mút
dầm và biến dạng cắt γj ở vùng lõi nút.
2. Độ lớn của θsl là hệ quả của việc cốt thép dầm bị mất lực
bám dính và bị chảy dẻo. Độ lớn lực bám dính phụ thuộc nhiều
yếu tố, trong đó hiệu ứng bó bê tông vùng lõi nút là quan trọng
nhất.
3. Độ lớn của γj được xác định gián tiếp qua ứng suất cắt nút
τjh từ thí nghiệm. Để hạn chế biến dạng cắt nút,các tiêu chuẩn
thiết kế đưa ra giới hạn trị số τjh rất khác nhau.
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM
NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
3.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM
1. Đánh giá sự làm việc của các nút khung BTCT liền khối chịu
động đất được thiết kế theo 3 phương án: (1) theo TCVN
9386:2012, (2) lực tác động theo TCVN 9386:2012, tính toán và
cấu tạo theo TCVN 5574:2012 và (3) theo SP 14.13330.2011.
2. Xác định biến dạng của nút khung và các yếu tố ảnh hưởng.
3. Đánh giá phản ứng và phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới ứng
xử của các loại nút khung BTCT hiện có ở Việt Nam dưới tác
động động đất; thiết lập các mô hình ứng xử của nút khung được
thiết kế theo TCVN 9386:2012 dùng trong phân tích phi tuyến.
3.2 THIẾT KẾ CÁC MẪU THÍ NGHIỆM
Các mẫu thí nghiệm là nút khung trong tỷ lệ 1:1 theo phương
ngang, được trích xuất từ một hệ kết cấu khung không gian 3
tầng xây dựng ở quận Thanh Xuân – Hà Nội, được thiết kế theo
3 phương án ở trên.Cấu tạo chi tiết các mẫu thí nghiệm được cho
trong các Hình 3.3 (NK1 theo TCVN 9386:2012), Hình 3.4(NK2
theo TCVN 9386:2012 và TCVN 5574:2012) và Hình 3.5 (NK3
theo SP 14.13330.2011).
8
Hình 3.3. Cấu tạo mẫu NK1
Hình 3.4. Cấu tạo mẫu NK2
3.3 ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ VẬT
LIỆU CHẾ TẠO MẪU THÍ
NGHIỆM
Các đặc trưng cơ lý của
vật liệu bê tông và cốt thép
được cho tương ứng trong
các Bảng 3.2 và 3.3. Các
mẫu thí nghiệm và các đặc
Hình 3.5 Cấu tạo mẫu NK3
trưng cơ lý của vật liệu được
xác định tại Phòng thí nghiệm và kiểm định công trình Trường
ĐH Xây dựng.
Bảng 3.2. Các đặc trưng cơ lý của bê tông
Mẫu thí nghiệm
NK1
NK2
NK3
Tuổi lúc TN (ngày)
83
90
80
fc lúc thí nghiệm (MPa)
31.5
32
31.7
εc
0.002
0.002
0.002
Ec (MPa)
30000
30000
30000
Bảng 3.3 Các đặc trưng cơ lý của cốt thép
Thanh cốt thép
Ф18 – AII
Ф16 - AII
Ф6 - AI
fy (MPa)
310
320
235
fu (MPa)
480
510
400
Es (MPa)
210000
210000
210000
3.4 SƠ ĐỒ VÀ QUY TRÌNH CHẤT TẢI CÁC MẪU THÍ NGHIỆM
Sơ đồ dựng lắp và chất tải các mẫu thí nghiệm được cho trong
Hình 3.9 với liên kết khớp cố định tại đầu cột dưới và khớp di
động tại hai đầu dầm, còn đầu trên của cột tự do chịu tác động
9
của thẳng đứng P = 300 kN và tác động ngang đổi chiều.
Hình 3.9 Sơ đồ dựng lắp và chất tải các mẫu thí nghiệm
Quy trình chất tải các mẫu thí nghiệm gồmhai giai đoạn: kiểm
soát lực và kiểm soát
chuyển vị (Hình
3.12). Ở giai đoạn
kiểm soát chuyển vị,
chuyển vị chảy dẻo
∆y của các mẫu thí
nghiệm đượcxác định
a) Phản ứng lý tưởng b) Phản ứng thực tế
gần đúng như trong
Hình 3.10 Định nghĩa chuyển vị chảy
Hình 3.10b.
dẻo và độ cứng của các mẫu thí nghiệm
3.5 SỐ LIỆU THÍ
NGHIỆM VÀ SƠ ĐỒ BỐ TRÍ CÁC
THIẾT BỊ ĐO
Các số liệu sau đã được thu
thập khi thí nghiệm:lực tác động
và chuyển vị ngang ở đầu mút
cột, biến dạng cắt của nút
khung, biến dạng cắt và uốn của
dầm, chuyển vị xoay của dầm
Hình 3.12 Lịch sử chất tải
và cột, biến dạng của bê tông và
cốt thép tại các vùng tới hạn của dầm, cột và trong nút khung,
quá trình phát triển các khe nứt.
Các thiết bị đo được sử dụng là đầu đo LVDT,phiến đo biến
dạng,thiết bị đo chuyển vị ngang, máy TDS 530 và máy tính ghi
10
dữ liệu, các thiết bị kiểm soát kích thủy lực.
3.6.ỨNG XỬ CỦA CÁC MẪU THÍ NGHIỆM
Ở chu kỳ 19 (cuối cùng), mẫu
NK1 bị phá hoại dẻo với các
khớp dẻo uốn xuất hiện tại các
đầu mút cột và dầm sát mặt nút.
Biến dạng vùng nút khung tương
đối đều (Hình 3.17).
Hình 3.17 Phá hoại NK1
Mẫu NK2bị phá hoại giòn ở chu
kỳ 17, các đầu mút cột và dầm
không bị biến dạng uốn. Vùng
quanh lõi nút bị phá hoại nén
cục bộ, còn vùng trung tâm còn
nguyên vẹn (Hình 3.20).
Hình 3.20. Phá hoại NK2
Mẫu NK3 bị phá hoại giòn ở
chu kỳ 14 tương tự mẫu NK2
(Hình 3.23). Phá hoại nén cục
bộ vùng nút khung tập trung ở
các góc. Các đầu mút cột và
dầm sát mặt nút bị biến dạng
do uốn và cắt.
Hình 3.23. Phá hoại NK3
3.7 PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ THÍ
NGHIỆM
3.7.1 Quan hệ lực cắt tầng –
chuyển vị ngang
Các đường cong trễ biểu diễn
quan hệ lực cắt tầng V – chuyển
vị ngang Δcủa cả 3 mẫu thí
nghiệm đều đối xứng và bị bó hẹp
Hình 3.26 mẫu NK1
ở các mức độ khác nhau do cốt
thép dầm bị trượt và chảy dẻo, đặc biệt ở mẫu NK3 (Hình 3.26).
11
3.7.2 Lực cắt tầng
Kết quả thí nghiệm cho thấy, lực cắt tầng lớn nhấtt Vtb,max
của mẫu NK1 xuất hiện ở cấp dẻo lớn hơn, ở các chu kỳỳ muộn
hơn và dẻo hơn so với các mẫu NK2 và NK3 (Bảng 3.7).
Bảng 3.7 Các thông số liên quan tới lực cắt tầng lớn nhất
ất
Các thông số
NK1
NK2
NK3
μΔ
4
3
3
Chu kỳ
11 và 12
8 và 9
8 và 9
Vtb,max (kN)
+76,7; -64
+75,3; - 62,0
+69,0; --68,0
Δtb (mm)
69
54
81
Δtb/h (%)
2,3
1,8
2,7
3.7.3. Ứng xử của các dầm quanh nút khung
Cốt thép dọc
ọc dầm mẫu NK1
không bịị mất lực bám dính,
không bị trượt,
ợt, có thể phát triển
được
ợc biến dạng dẻo đầy đủ
đủ, trái
ngược vớicác mẫu NK2 vàà NK3.
Nguyên nhân là do vùng nút
vùng mẫu
ẫu NK1 có cốt thép dọc
Hình 3.41 Quan hệ θ-μΔ tại
cột
trung
gian và hàm lượng
ợng cốt
tiết diện cách mặt cột phải
đai
lớn
hơn
3,7
lần
ần
so
với
các
50mm (nhánh dương)
mẫu NK2 và NK3. Chuy
Chuyển vị
xoay θ của tiết diện dầmsát mặt cột của mẫu NK1 cũng phát tri
triển
ổn định và tuyến tính hơn so với các mẫu NK2 và NK3 (Hình
3.41). Biến
ến dạng dầm thuộc các
mẫu NK2 và NK3 bịị ảnh hhưởng
của biến dạng cắt, khảả năng phân
tán năng lượng thấp.
3.7.4 Ứng xử của các cột quanh
nút khung
Cốt
ốt thép cột mẫu NK1 phát
Hình 3.52 Quan hệ θ-μΔ tại
ợc biến dạng dẻo tốt hhơn
tiết diện cách mặt trên dầm triển được
so
với
các
mẫu NK2 vàà NK3. Do
100mm
đó, chuyển vị xoay θc ccủa cột
12
mẫu NK1 có tính tuyến tính trái ngược các mẫu NK2 vàà NK3.
3.7.5 Ứng xử của nút khung
Hình 3.56. Quan hệ γ - Δ/h
Hình 3.57. Quan hệ γ - μΔ
1. Biến dạng cắt của nút khung
Các biểu đồ (3.56) và (3.57) cho thấy, nút khung NK1 có bi
biến
dạng cắt γ nhỏ nhất và gia tăng gần tuyến tính,trái ngược
ợc với các
nút khung NK2 và NK3. Biến
ến dạng của nút khung NK1 có tính
dẻo, các nút còn lại có tính giòn. Cốt thép đai trong vùng
ùng nút
khung có ảnh hưởng
ởng quyết định tới đặc tính biến dạng của nút.
2.Lực cắt nút. Lực
ực cắt nútVt
biểu
ểu thị khả năng chịu cắt của bbê
tông và cốt thép trong vùng
ùng nút
Vt =Vjh = (A s1 +A s 2 )f s - Vc (3.14)
Nút khung NK1 có khảả năng
Hình 3.59 Lực cắt nút Vt chịu cắt lớn hơn mẫu
ẫu NK2 vvà
biến dạng cắt γ của nút
NK3 (Hình 3.59)
3.7.6 Phân tích nguyên nhân phá hoại các nút khung
Sự khác nhau trong cách thiết kế và cấu tạo cốt thép ở vùng
nút, cột và dầm dẫn tới sự phá hoại khác nhau ở các m
mẫu thí
nghiệm (xem các Hình 3.17, 3.20 và 3.23).
a) Nút khung NK1 có khả năng khởi động được cơ cấấu giàn
(Chương 1) trong khi các nút khung NK2 và NK3 không có kh
khả
năng này.
b) Khi gia tăng các chu kỳ chất tải trong miềnn không đàn
hồi, nút khung NK1 bị nén uốn ở mức độ nhỏ hơn do dầm
m và cột
bị biến dạng dẻo uốn, còn các nút NK2 và NK3 chịuu nén ccục bộ
lớndo các dầm và cột bị chuyển vị xoay lớn khi cốtt thép dọc bị
mất lực bám dính và bê tông nút bị bó yếu không đủ kh
khả năng
13
truyền lực nén chéo vào sâu vào trong lõi nút như ở mẫu NK1.
c) Nguyên nhân của sự bóc tách các mảng bê tông lớn chạy
dọc theo cốt thép cột ở hai bên nút khung của mẫu NK2 (Hình
3.20) là do sự mở rộng khe nứt ở mép dầmkhicốt thép bị chảy
dẻo và mất lực bám dính, do vùng mép panô nút khung bị ép vỡ
cục bộvà do cốt thép cột đi qua vùng nút khung bị uốn cục bộ
(thiếu cốt đai nên hiệu ứng bó yếu). Nút khung NK3 bị bóc tách
ít hơn (Hình 3.23) do có cốt thép trung gian ở cột.
Ở mẫu NK1, dầm bị biến dẻo trước cột và cuối cùng là nút
khung, tuân theo nguyên tắc thiết kế cột khỏe – dầm yếu. Ở các
mẫu NK2 và NK3 nguy cơ phá hoại dầm, cột và nút ngang nhau.
3.7.7 Khả năng chịu cắt của các nút khung BTCT
Việc tính toán ứng suất cắt nút khung τjh của mẫu NK1 theo
TCVN 9386:2012 cho giá trị (7,49 MPa) lớn hơn giá trị tính theo
ACI 318M-2011 (6,73 MPa) và NZS 3101 (2006) (6,3 MPa).
Hàm lượng cốt đai trong vùng nút khung mẫu NK1 lớn hơn hàm
lượng cốt đai tối thiểu xác định theo ACI 318M-2011 là 2,5 lần,
còn ở các mẫu NK2 và NK3 lại nhỏ thua 1,5 lần. Trong khi đó
ứng suất cắt nút τjh lớn nhất của cả 3 mẫu thí nghiệm (3,1 MPa;
2,93 MPa và 3,01 MPa) đều nhỏ thua một nửa giá trị τjh giới hạn
xác định theo 3 tiêu chuẩn ở trên, nhưng ứng xử của các nút
khung mẫu NK2 và NK3 lại hoàn toàn không thể chấp nhận
được. Như vậy, đối với các nút khung thiết kế ở Việt Nam giới
hạn hàm lượng thép đai trong vùng nút khung quan trọng hơn
giới hạn ứng suất cắt. Do đó cần nghiên cứu bổ sung các điều
kiện đảm bảo độ cứng và độ bền trong TCVN 9396:2012.
3.7.8 Độ cứng của các mẫu thí nghiệm
Độ cứng cát tuyến của tất cả các nút khung thí nghiệm đều bị
suy giảm trong quá trình chịu tải. Mẫu NK1 bị suy giảm thấp
nhất, mẫu NK2 bị suy giảm nhanh nhất, còn mẫu NK3 có độ
cứng nhỏ nhất.
3.7.9 Năng lượng được phân tán ở các mẫu thí nghiệm
Năng lượng được phân tán biểu thị qua diện tích vòng trễ lực
– chuyển vị ở mỗi chu kỳ. Các mẫu NK1 và NK2 có lượng năng
14
lượng tích lũy được phân tán gần bằng nhau ở 14 chu kỳ chất tải
đầu tiên, còn ở mẫu NK3 là lớn nhất.
3.7.10 Hệ số cản nhớt tương đương
Hệ số cản nhớt tương đương ξ được xác định bằng cách cân
bằng năng lượng phân tán trong mỗi chu kỳ ở hệ phi tuyến với hệ
tuyến tính tương đương. Sau khi chảy dẻo, hệ số ξ của mẫu NK1
lớn hơn nhiều so với các mẫu NK2 và NK3. Đồng thời sự phân
tán năng lượng của mẫu NK1 cũng ổn định hơn các mẫu khác.
Quan hệ ξ - μΔ của các mẫu NK2 và NK3 cho thấy,hệ số ξ bị suy
giảm mạnh ở cấp dẻo cao.
3.8. NHẬN XÉTVỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM
1. Khi chịu tác động động đất, nút khung mẫu NK1 được thiết
kế theo TCVN 9386:2012 bị phá hoại dẻo, còn các nút khung
Mẫu NK2 và NK3 bị phá hoại giòn.
2. Các hệ kết cấu khung BTCT được thiết kế theo SP
14.13330.2011 và theo TCVN 5574:2012 hoàn toàn không phù
hợp để phát triển cơ cấu phá hoại dẻo.
3. Đối với các khung thuộc cấp dẻo trung bình (DCM), hàm
lượng cốt thép đai trong vùng nút khung là điều kiện rất quan
trọng để đảm bảo hiệu ứng bó bê tông chứ không phải là ứng
suất cắt nút như quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện đại.
4. Dưới tác động động đất, các nút khung sẽ bị biến dạng cắt,
kể cả khi được thiết kế theo các quy định của tiêu chuẩn thiết kế
kháng chấn hiện đại. Do đó cần xét tới biến dạng cắt nút khung.
CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH HÓA ỨNG XỬ
CỦANÚT KHUNG DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT
4.1 BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ TỚI
ỨNG XỬ TỔNG THỂ CỦA KHUNG
Biến dạng của nút khung ảnh hưởng tới ứng xử của hệ kết
cấu. Do đó cần phải mô hình hóa được biến dạng cắt nút và trượt
bám dính của cốt thép dưới tác động động đấtdùng trong phân
tích phi tuyến.
4.2 MÔ HÌNH HÓA BIẾN DẠNG CẮT CỦA NÚT KHUNG
4.2.1 Sự góp phần của biến dạng cắt nút khung tới chuyển vị
ngang của khung
15
Hình 4.2. Sự góp phần BD cắt
nút tới chuyển vị ngang tầng
Hình 4.2 cho thấy ảnh
hưởng của biến dạng cắt
nút j (γj) tới chuyển vị
ngang của tầng i (Δi) ở nút
khung ngoài và trong. Biến
dạng cắt nút γjlàm cho cột
có chuyển vị cắt tương đối
Δci= γjhbvà dầm có chuyển
thẳng đầu mút Δbj= γjLb.
Hình 4.3. Mô hình hóa
biến dạng cắt của nút
4.2.2 Mô hình hóa sự góp phần
của biến dạng cắt nút khung tới
chuyển vị tầng
Để xét tới ảnh hưởng của biến
dạng cắt nút tới ứng xử của
khung, sử dụng mô hình trong đó
các lò xo cắt trong cột và các lò
xoxoay trong dầm tại vùng nút
khung được dùng để biểu thị các
biến dạng cắt do nút gây ra (Hình
4.3).Về mặt vật lý, đối với lò xo
cắt là quan hệ lực cắt nút Vjhvà
chuyển vị cắt cột Δcj = γjhb, đối
với lò xo xoay là quan hệ mômen
uốn Mb và biến dạng cắt nút γj.
4.2.3 Xác định các đặc trưng của
các lò xo mô phỏng biến dạng
cắt nút
Theo các kết quả nghiên cứu lý
thuyết ở Chương 1, theo (1.1) lực
cắt cột ở nút khung trong:
Vc=(Csb1+Cb1+Tsb2) – Vjh = A Vjh(4.2a), còn ở nút khung
ngoài:Vc=Tsb2-Vjh(4.2b). Từ (1.5),
xác định lực cắt nút theo phương
ngang Vjhtừ các giá trị τjh. Như
Hình 4.5
16
vậy, để xác định Vc và tương ứng là Vjh phải thực hiện quy trình
tính toán đúng dần theo sơ đồ khối ở Hình 4.5. Kết quả tính toán
sẽ là các quan hệ Vc – Δcj và Mb – γj nếu biết quan hệ τjh – γj của
nút khung.
4.2.4 Thiết lập mối quan
hệ lý tưởng τjh– γ
a)Nút khung trong:
Từ các kết quả thí
nghiệm ở Hình 3.59, thiết
Hình 4.6 Quan hệ giữa biến dạng lập mối quan hệ τjhcắt nút γjvàa) Vjh; b) τjh mẫu NK1
γj(Hình 4.6b) và lý tưởng
hóa dưới dạng một
đường cong gồm 4 đoạn thẳng (Hình 4.7). Điểm B có tọa độ τjh,y
= 2,8MPa và γj,y = 0,0004rad
tương ứng với trạng thái cốt
thép dọc dầm bắt đầu chảy dẻo,
còn điểm C có tọa độ τjh,u =
3,1MPa và γj,u = 0,0025rad.
Theo ASCE 41-13, giả thiết độ
bền dư τjh,D =0,2 τjh,y, còn biến
Hình 4.7. QH τjh-γj lý tưởng
dạng cắt tại điểm D và E tương
ứng bằng γj,D = 0,02 rad và γj,E = 0,025 rad (Hình 4.7).
b)Nút khung ngoài
Trên cơ sở thí nghiệm của
Biddah trên nút khung ngoài J2
(Hình 4.8), việc thiết lập mối
quan hệ τjh - γj lý tưởng cũng
được thực hiện tương tự như
nút khung trong.Theo Hình
4.9b, điểm B có tọa độ
τjh,y=1,8MPa;
γj,y=0,0008rad,
còn điểm C có tọa độ τjh,u =
Hình 4.8. Nút J2 của Biddah
2,0MPa và γj,u= 0,003rad. Các
điểm D và E tương tự Hình 4.7
17
4.2.5. Thiết lập quan hệ Vc - Δc và Mb- γj của nút khung
4.2.5.1. Quan hệ giữa Mb - A và Mb - Tsb
Đểể thiết lập quan hệ
hệVc Δc và Mb- γj theo các sơ đđồ ở
Hình 4.5, cần
ần xác định quan
hệ Mb– Avà Mb- Tsb,, trong
đó A = Cbs1+Cb1+Tsb2 trong
trong (4.2). Với
ới các giả thiết
Hình 4.9 Quan hệ γj và a)Vjh;
được
ợc sử dụng, quan hệ Mb-A
b) τjhở mẫu J2 của Biddah
của
ủa nút khung
NK1 và MbTsbcủa
ủa nút khung
J2đượccho
ợccho trong
Hình 4.10 và
4.11.
Hình 4.10
Hình 4.11
4.2.5.2 Quan hệ giữa Vc – Δc và Mb - γj
Hình 4.12. Vc – Δcvà Mb - γj
Trên cơ sở
ở các kết
quả đã thực
ực hiện,
đường cong biểu
ểu diễn
quan hệVc–Δ
ΔcvàMbγjcho các lò xo ccắt và
uốn dùng
ùng trong phân
tích phi tuy
tuyến có
dạng như trong Hình 4.12.
4.3 MÔ HÌNH HÓA TRƯỢT BÁM DÍNH CỦA NÚT KHUNG
Trên cơ sở các nghiên cứu
ứu lý thuyết
và thực nghiệm ở Chương
hương 2, mô hhình
trượt
ợt bám dính của cốt thép trong nút
khung biểu thị quan hệệ chuyển vị xoay
do trượt bám dính θsl và mômen uuốn
đầu mút dầm Mbcó dạng như
ư trong
Hình 4.13Mb–θsl
Hình 4.13.Các giá trị θy,sl và θu,slđược
xác định tương ứng theo các biểu thức
(2.5) và (2.8) ở Chương 2.
18
4.4 HIỆU CHUẨN, ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH BIẾN
ẾN DẠNG NÚT KHUNG.
4.4.1 Nút khung trong NK1
Việc hiệu chuẩn được thực hiện cho trường hợpnút cứ
ứng (bỏ
qua biến dạng cắt và trượt bám dính) và nút mềm (xét tớ
ới biến
dạng cắt và trượt bám dính)(Hình 4.14).
Hình 4.14.. Sơ đđồ
các khớp dẻoo cho
trường hợp:a)
:a) nút
cứng;
ứng; b)nút mềm
Với các kết quả thí nghiệm thu được, các quan hệ Vc-Δcj, Mb-γj
và Mb-θsl được cho trong Hình 4.15 và 4.16.Phân
Phân tích phi tuy
tuyến
mẫu NK1 theo phương pháp đẩy
ẩy dần bằng SAP2000 cho các
Hình 4.15
Hình 4.16
đường
ờng cong khả năng nh
như
trong Hình 4.18. Tr
Trường
hợp nút mềm, kết
ết quả thí
nghiệm hoàn
àn toàn phù hhợp
với
ới kết quả phân tích. Các
mô hình tính toán đđề xuất
phản
ản ánh khá chính xác ứng
Hình 4.18. So sánh V-Δ nút NK1 xử
ử thực tế của nút khung.
4.4.2 Nút khung ngoài J2
J2.
Việc hiệu chuẩn các mô
hình tính toán đềề xuất cũng
được thực hiện tương
ương ttự như
mẫu NK1.Hình
Hình 4.22 là các
đường cong khả năng thu
được từ phân tích.. So sánh
Hình 4.22. So sánh V-Δ nút J2
với kết quả thí nghiệệm, các
mô hình tính toán đề xuất phản ánh khá chính xác ứng xử thực tế
- Xem thêm -
.PDF 
27 
110 
57 
