Đang tải... (xem toàn văn)
Hệ số ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép dùng trong tính toán tác động động đất lên công trình xây dựng
Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO Bộ XÂY DựNG VIệN KHOA HOC CÔNG NGHệ XÂY DựNG VIệT NAM Lê trung phong Hệ Số ứNG Xử CủA KếT CấU Bê Tông Cốt Thép DùNG TRONG TíNH TOáN TáC ĐộNG ĐộNG ĐấT LÊN CÔNG TRìNH XÂY DựNG LUậN áN TIếN Sỹ Kỹ THUậT Hà nội - 2011 Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO Bộ XÂY DựNG VIệN KHOA HOC CÔNG NGHệ XÂY DựNG VIệT NAM *** Lê trung phong Hệ Số ứNG Xử CủA KếT CấU Bê Tông Cốt Thép DùNG TRONG TíNH TOáN TáC ĐộNG ĐộNG ĐấT LÊN CÔNG TRìNH XÂY DựNG Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp M số: 62.58.20.01 LUậN áN TIếN Sỹ Kỹ THUậT NGƯờI HƯớNG DẫN KHOA HọC 1. PGS. TS. Nguyễn Lê Ninh - Trờng Đại học xây dựng Hà nội 2. PGS. TS. Nguyễn Xuân Chính - Viện khoa học công nghệ xây dựng Hà nội - 2011 LờI CAM ĐOAN Tên tôi là: Lê Trung Phong Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và cha đợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà nội, ngày 12 tháng 3 năm 2011 Ngời cam đoan NCS. Lê Trung Phong LờI CảM ƠN Luận án này đợc thực hiện tại Viện khoa học công nghệ xây dựng - Bộ xây dựng với sự hớng dẫn của PSG. TS. Nguyễn Lê Ninh và PSG. TS. Nguyễn Xuân Chính. Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã đợc giúp đỡ tận tình của các giáo viên hớng dẫn, sự động viên, tạo điều kiện giúp đỡ của Phòng thí nghiệm công trình, Phòng động đất - Viện chuyên ngành kết cấu xây dựng, Phòng đào tạo và thông tin, Phòng tổ chức cán bộ - Viện KHCN Xây dựng, Trờng ĐHXD và nhiều tập thể, cá nhân khác nữa. Nhân dịp này tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy, các cô, lãnh đạo viện KHCN xây dựng và phòng thí nghiệm công trình, phòng động đất, các bạn đồng nghiệp và đặc biệt là gia đình tôi đã đóng góp cho sự thành công của luận án. NCS. Lê Trung Phong Mục lục Mục lục Trang Trang phụ bìa Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt 1 Danh mục các hình vẽ, đồ thị trong luận án 6 Danh mục các bảng trong luận án 9 Mở đầu 1 Tính cần thiết của đề tài nghiên cứu 11 2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 12 3 Đối tợng và phạm vi nghiên cứu 13 4 Phơng pháp nghiên cứu 13 5 Nội dung và cấu trúc của luận án 13 6 Những đóng góp khoa học chính của luận án Chơng I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất 14 1.1 Quan niệm mới trong thiết kế công trình chịu động đất 15 1.1.1 Đặt vấn đề 15 1.1.2 Các mục tiêu thiết kế và cách thức đạt đợc mục tiêu thiết kế 16 1.1.3 Các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế công trình chịu động đất theo quan niệm mới 18 1.1.4 Quan niệm thiết kế mới và các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế công trình chịu động đất theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 [16] 19 1.1.4.1 Các yêu cầu cơ bản 20 1.1.4.2 Các tiêu chí tơng hợp kèm theo 21 1.1.4.3 Các biện pháp cụ thể riêng 21 1.2 Hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất 22 1.2.1 Định nghĩa hệ số ứng xử và các khái niệm cơ bản 22 1.2.2 Hệ số ứng xử của các kết cấu BTCT trong các tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất trên thế giới 23 1.2.2.1 Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất của Việt nam (TCXDVN 375: 2006) [16] và của Châu Âu (EN 1998-1- 1:2004)[34] 24 1.2.2.2 Tiêu chuẩn thiết kế công trình chống động đất (PS-92) và Kiến nghị của Hiệp hội xây dựng công trình chống động đất (AFPS 90) của Pháp [56][58] 25 1.2.2.3 Tiêu chuẩn thiết kế nhà của Mỹ - UBC 1997 (1997 Uniform Building Code) [54] 26 1.2.2.4 Các Tiêu chuẩn thiết kế nhà của Hoa Kỳ ASCE 7-2002, IBC 2003 và NFPA 5000. [44] [55] 27 Mục lục 1.2.2.5 Tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế nhà của Canada (Code national du bâtiment du Canada - CNBC 1995) [38] 28 1.2.2.6 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Indonesia - (SNI-1276) (Seismic Resistant Design Standard for Building Structures)[38] 29 1.2.2.7 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Israel (Israel Standard IC 413 1994)[38] 30 1.2.2.8 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Argentina (INPRES - CRSOC 103 1991)[38] 31 1.2.2.9 Tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất của Mexico (Reglamento de construcciones para el Distrito Federal 1993 và Norma Técnicas Complementarias para Diseno por Sismo 1989). [38] 31 1.3 Kết luận Chơng I 32 Chơng II Độ dẻo của các kết cấu bê tông cốt thép và các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo 2.1 Khái niệm về độ dẻo 34 2.1.1 Định nghĩa độ dẻo 34 2.1.2 Các loại độ dẻo 36 2.1.2.1 Độ dẻo biến dạng 37 2.1.2.2 Độ dẻo uốn 37 2.1.2.3 Độ dẻo chuyển vị xoay 37 2.1.2.4 Độ dẻo chuyển vị thẳng 38 2.2 Độ dẻo của các cấu kiện bê tông cốt thép 40 2.2.1 Độ dẻo của dầm 40 2.2.1.1 Các giai đoạn làm việc của cấu kiện chịu uốn 40 2.2.1.2 Xác định độ cong u theo tiêu chuẩn EN 1992-1-1:2004 [33] 44 2.2.1.3 Xác định độ cong u theo các tiêu chuẩn thiết kế Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép của Việt nam TCXDVN 356:2005 [17] và Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép không ứng lực trớc của Nga 52 -101 - 2003 46 2.2.2 Độ dẻo uốn của cột 50 2.2.3 Mối quan hệ giữa việc hạn chế biến dạng ngang của bê tông và tính dẻo của các cấu kiện bê tông cốt thép 53 2.2.3.1 Khái niệm về bó bê tông 53 2.2.3.2 Các thông số ảnh hởng tới việc bó bê tông 54 2.2.3.3 Các mô hình tính toán bê tông bị bó 55 2.2.3.4 Tính toán hiệu quả của việc bó bê tông theo các quy định của tiêu chuẩn thiết kế 60 2.3 Các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo 62 2.3.1 Các đặc tính của vật liệu 62 2.3.2 Các đặc tính của tiết diện cấu kiện 63 2.3.3 Các đặc tính của cấu kiện 65 Mục lục 2.3.4 Các đặc tính của liên kết 67 2.3.5 Các đặc tính của hệ kết cấu 69 2.4 Kết luận chơng 2 71 Chơng III Hệ số ứng xử của kết cấu Bê tông cốt thép 3.1 Phần Mở đầu 73 3.2 Mối quan hệ giữa hệ số ứng xử và độ dẻo của kết cấu 74 3.3 Hệ số ứng xử của các hệ kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép 77 3.3.1 Hệ số ứng xử q của khung bê tông cốt thép 77 3.3.1.1 Độ dẻo chuyển vị của khung bê tông cốt thép 77 3.3.1.2 Hệ số ứng xử q của khung bê tông cốt thép 81 3.3.1.3 Một số các nhận xét và kết luận 85 3.3.2 Hệ số ứng xử của tờng chịu lực bê tông cốt thép 86 3.3.2.1 Độ dẻo chuyển vị của tờng chịu lực bê tông cốt thép 86 3.3.2.2 Hệ số ứng xử q của các tờng chịu lực bằng bê tông cốt thép 92 3.3.2.3 Một số nhận xét và kết luận 93 3.4 Kết luận Chơng 3 95 Chơng IV Thí nghiệm xác định độ dẻo và các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo của dầm BêTông Cốt Thép 4.1 Mục đích nghiên cứu thí nghiệm 96 4.2 Thiết kế các cấu kiện thí nghiệm 96 4.3 Các đặc trng cơ lý của vật liệu mô hình thí nghiệm 99 4.4 Đo lờng Giá trị các tham số khảo sát 101 4.4.1 Các thiết bị đo sử dụng 101 4.4.2 Sơ đồ bố trí các thiết bị đo trên mô hình thí nghiệm 101 4.5 Dựng lắp các mô hình thí nghiệm và dụng cụ đo 103 4.6 trình tác dụng tải trọng trên các mô hình thí nghiệm 104 4.7 Tiến hành thí nghiệm 105 4.8 Biểu diễn và đánh giá các kết quả thí nghiệm 106 4.8.1 Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình thí nghiệm 106 4.8.2 Độ dẻo chuyển vị của các mô hình thí nghiệm 107 4.8.3 Sự phân tán năng lợng 111 4.8.4 Sự suy giảm độ cứng 112 4.8.5 Quá trình xuất hiện các khe nứt và cách thức phá hoại các mô hình thí nghiệm 114 4.8.5 .1 Nhóm mô hình MH1 114 4.8.5.2 Nhóm mô hình MH2 115 4.8.5.3 Nhóm mô hình MH3 115 Mục lục 4.9 Phân tích các kết quả thí nghiệm 116 4.9.1 ảnh hởng của cốt thép đai tới biến dạng dẻo của cấu kiện 116 4.9.2 Độ dẻo chuyển vị của các mô hình thí nghiệm đợc cấu tạo theo TCXDVN 356:2005 117 4.9.3 ảnh hởng của hàm lợng cốt thép dọc và lực cắt tới biến dạng dẻo của các dầm bê tông cốt thép 118 4.9.4 Một số vấn đề khác cần đợc nghiên cứu tiếp tục 121 4.10 Kết luận chơng IV 124 Kết luận và kiến nghị 126 Tài liệu tham khảo 130 Phần Phụ lục 135 Danh mục các chữ viết tắt 1 Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt Chơng I & II BTDĐ Bậc tự do động )( 0 tx && Gia tốc nền e Chuyển vị của hệ làm việc đàn hồi F y Lực làm xuất hiện biến dạng chảy của hệ kết cấu F e Lực tác quán tính lớn nhất tác động lên hệ đàn hồi TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt nam P NCR Xác suất vợt quá quy ớc ứng với yêu cầu không sụp đổ T NCR Chu kỳ lặp quy ớc trung bình ứng với yêu cầu không sụp đổ P DLR Xác suất vợt quá ứng với yêu cầu hạn chế h hỏng T DLR Chu kỳ lặp trung bình ứng với yêu cầu hạn chế h hỏng a gR Đỉnh gia tốc nền quy ớc trên nền đá gốc I Hệ số tầm quan trọng của công trình a g Gia tốc nền thiết kế Hệ số chiết giảm F Lực tác động Chuyển vị MBTD Một bậc tự do q Hệ số ứng xử R Hệ số giảm tải hoặc điều chỉnh phản ứng u Chuyển vị lớn nhất ngay trớc khi phá hoại y Chuyển vị chảy đầu tiên trong hệ kết cấu làm việc đàn hồi - dẻo à Độ dẻo chuyển vị BTCT Bê tông cốt thép S Hệ số nền à Hệ số độ dẻo + max Biến dạng cực hạn dơng max Biến dạng cực hạn âm + y Biến dạng lúc chảy dẻo dơng y Biến dạng lúc chảy dẻo âm E E Năng lợng đàn hồi Danh mục các chữ viết tắt 2 E t,H Năng lợng trễ toàn phần đợc phân tán à Độ dẻo biến dạng u Biến dạng cực hạn y Biến dạng chảy của vật liệu à Độ dẻo độ cong hoặc độ dẻo uốn u Độ cong cực hạn y Độ cong lúc bắt đầu chảy à Độ dẻo chuyển vị xoay hoặc độ dẻo cấu kiện u Chuyển vị xoay cực hạn ở đầu mút cấu kiện y Chuyển vị xoay chảy ở đầu mút cấu kiện p Chuyển vị dẻo tại đỉnh công xôn F b Lực cắt đáy F bmax Lực cắt đáy lớn nhất A sc Diện tích tiết diện cốt thép đặt ở vùng chịu nén A s Diện tích cốt thép đặt ở vùng chịu kéo B Độ cứng chống uốn của dầm E c Môđun đàn hồi của bêtông I Mômen quan tính của tiết diện Độ cong của trục dầm r Bán kính cong của trục dầm M Mômen uốn M u Mômen uốn cực hạn c Biến dạng (nén) của bê tông tại thớ bị nén x y Chiều cao của của miền bê tông bị nén lúc bắt đầu chảy dẻo sy Biến dạng của cốt thép chịu kéo lúc bắt đầu chảy dẻo h 0 Chiều cao làm việc của tiết diện h Chiều cao của tiết diện c s E E n = Tỷ số giữa các môđun đàn hồi của cốt thép và bê tông Chiều cao tơng đối của miền bê tông bị nén 1 Hàm lợng cốt thép chịu kéo 2 Hàm lợng cốt thép chịu nén s ứng suất trong cốt thép chịu kéo sc ứng suất trong cốt thép chịu nén [...]... hiện sự vợt độ bền của hệ kết cấu do d thừa liên kết Sik Lực động đất tính toán ngang theo tiêu chuẩn Nga K1 hệ số xét tới mức độ h hỏng cho phép của nh v công trình K2 hệ số xét tới giải pháp kết cấu của nh v công trình S0ik trị số lực động đất ngang ở dạng dao động thứ i Vn Tải trọng động đất tác động lên kệ kết cấu l m việc đ n hồi dẻo Ve Lực động đất thiết kế tác động lên hệ kết cấu l m việc ho n... (MPa) hệ số độ tin cậy của bê tông cc Hệ số xét tới các hệ quả tác động d i hạn lên cờng độ chịu nén v các hệ quả bất lợi do cách thức tác động tải trọng gây ra Hệ số xác định chiều cao hiệu dụng của miền b tông bị nén Hệ số xác định giá trị cờng độ chịu nén hiệu dụng của bê tông b ứng suất nén trong bê tông Eb Môdun đ n hồi của bê tông b Biến dạng nén tơng đối của bê tông Rb Cờng chịu nén tính toán của. .. kế công trình chịu động đất Bảng 1.2 Bảng 1.3 Các giá trị cơ bản của hệ số ứng xử q0 đối với các hệ kết cấu BTCT đều đặn trên chiều cao Hệ số ứng xử q theo tiêu chuẩn PS-92 và kiến nghị của AFPS 90 Bảng 1.4 Hệ số giảm lực tác động R của các hệ kết cấu BTCT (UBC 1997) Bảng 1.5 Hệ số điều chỉnh phản ứng R của các hệ kết cấu BTCT theo ASCE7 2002, IBC-2003 và NFPA 5000 Hệ số giảm tải R của các kết cấu. .. niệm thiết kế mới v hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất Điều kiện để có thể dùng hệ số ứng xử q (hoặc R) trong thiết kế các công trình chịu động đất l hệ kết cấu đợc thiết kế phải có khả năng biến dạng dẻo kèm theo (đờng AD ở hình 1.1b) Do đó hệ số n y còn biểu thị khả năng hấp thụ v tiêu tán năng lợng của hệ kết cấu khi chịu tác động động đất Hệ số số ứng xử q, hoặc giảm tải... của bê tông b,ult Biến dạng của bê tông khi ứng suất trong bê tông đạt giá trị Rb N Lực dọc fc w Cờng độ chịu nén tính toán của b tông H m lợng cốt thép đai fyw Cờng độ chảy của cốt thép đai s Khoảng cách giữa các lớp cốt thép đai (bớc cốt đai) fcc ứng suất nén lớn nhất của bê tông bị bó cc1 Biến dạng nén lớn nhất của bê tông bị bó K Chỉ số bó b0 Cạnh của lõi bê tông bị bó D0 Đờng kính của lõi bê tông. .. của các hệ kết cấu bằng BTCT đợc cho trong bảng 1.4 Bảng 1.4 Hệ số giảm lực tác động R của các hệ kết cấu BTCT (UBC 1997) [54] Hệ kết cấu cơ bản 1 Hệ tờng chịu lực 2 Hệ kết cấu giằng (khung không gian chỉ chịu tải trọng ứng) Mô tả hệ kết cấu chịu tải trọng ngang 2 Tờng chịu cắt a Bê tông cốt thép 4 Giằng với các khung chỉ chịu tải trọng ứng b Bê tông cốt thép 3 Tờng chịu cắt a Bê tông cốt thép 4 Khung... hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất Chơng I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất 1.1 Quan niệm mới trong thiết kế công trình chịu động đất 1.1.1 Đặt vấn đề Mục tiêu cơ bản của việc thiết kế các công trình chịu động đất l bảo vệ sinh mạng con ngời v của cải vật chất xã hội Con ngời sống v l m việc trong các công trình xây. .. F1u v phản ứng một cách ho n to n đ n hồi dới tác động động đất với đồ thị lực - chuyển vị nh trong hình 1.1a Lúc động đất xẩy ra, 16 Chơng I Quan niệm thiết kế mới v hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất lực quán tính lớn nhất tác động lên khối lợng m của hệ kết cấu có giá trị Fe < F1u Khi khối lợng của hệ kết cấu đạt chuyển vị e, thế năng tích luỹ trong hệ kết cấu dới dạng... hội xây dựng công trình chống động đất (AFPS 90) của Pháp, hệ số ứng xử q đợc định nghĩa l tỷ số giữa lực m kết cấu l m việc ho n to n đ n hồi có thể chịu v lực m hệ kết cấu thực chịu đối với cùng một biến dạng Các giá trị cơ sở của hệ số ứng xử q đợc cho trong bảng 1.3 Các giá 25 Chơng I Quan niệm thiết kế mới v hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất trị trong bảng 1.3 dùng cho... l tác động động đất thiết kế, còn cho cấp hạn chế h hỏng thờng đợc gọi l tác động động đất làm việc (i) Tác động động đất thiết kế l tác động động đất có xác suất vợt quá quy ớc PNCR = 10% trong 50 năm, hoặc một chu kỳ lặp quy ớc trung bình TNCR = 475 năm 20 Chơng I Quan niệm thiết kế mới v hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất (ii) Tác động động đất l m việc l tác động động . Bộ XÂY DựNG VIệN KHOA HOC CÔNG NGHệ XÂY DựNG VIệT NAM Lê trung phong Hệ Số ứNG Xử CủA KếT CấU Bê Tông Cốt Thép DùNG TRONG TíNH TOáN TáC ĐộNG ĐộNG ĐấT LÊN CÔNG TRìNH XÂY. phong Hệ Số ứNG Xử CủA KếT CấU Bê Tông Cốt Thép DùNG TRONG TíNH TOáN TáC ĐộNG ĐộNG ĐấT LÊN CÔNG TRìNH XÂY DựNG Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp M số: 62.58.20.01. xử của các hệ kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép 77 3.3.1 Hệ số ứng xử q của khung bê tông cốt thép 77 3.3.1.1 Độ dẻo chuyển vị của khung bê tông cốt thép 77 3.3.1.2 Hệ số ứng