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 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Xây dựng Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Lê Ninh Phản biện : GS.TS Nguyễn Tiến Chương Phản biện : PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương Phản biện : TS Nguyễn Đại Minh Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp Trường Đại học Xây Dựng vào hồi tháng ngày năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án thư viện Quốc Gia Thư viện Trường Đại học Xây dựng PHẦN MỞ ĐẦU TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Nút khung vùng giao dầm cột Dưới tác động động đất, nút khung BTCT có ứng xử phức tạp phá hoại chúng thường dẫn tới sụp đổ hệ kết cấu Nhiều mơ hình xác định độ bền cắt mô ứng xử nút khung BTCT đề xuất Tuy vậy, mơ hình tính tốn chưa có tính tổng qt có đồng thuận rộng rãi Trong thiết kế, nút khung xem vùng tuyệt đối cứng Hiện nay, theo quan niệm thiết kế kháng chấn đại, nút khung phải có đủ độ bền để đảm bảo cho dầm cột quanh phát triển cấu phá hoại dẻo mong muốn Để giải vấn đề này, tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đưa u cấu tính tốn cấu tạo nút khung chặt chẽ, lại né tránh vấn đề biến dạng chúng, yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới ứng xử hệ kết cấu chịu động đất Ở Việt Nam, chưa có cơng trình nghiên cứuvề ứng xử nút khung BTCT tác động loại tải trọng Vùng nút khung xem vùng cứng hiển nhiên Do đó, việc “Nghiên cứu ảnh hưởng biến dạng nút khung tới phản ứng khung BTCT chịu động đất” cần thiết MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN a Nghiên cứu tổng quan mơ hình xác định độ bền mơ ứng xử nút khung BTCT liền khối chịu động đất; b Nghiên cứu thí nghiệm loại nút khung BTCT liền khối chịu động đất Việt Nam nhằm làm sáng tỏ vấn đề: khả bị biến dạng chịu lực, tiêu chí đánh giá độ bền cắt, loại nút khung phù hợp yêu cầu tạo cấu phá hoại dẻo khung c Nghiên cứu mơ hình tính tốn phi tuyến có xét tới biến dạng nút khung BTCT thiết kế theo TCVN 9386:2012 ĐỐI TƯỢNGVÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: nút khung BTCT liền khối chịu động đất có thực tế xây dựng ViệtNam Phương pháp nghiên cứu: lý thuyết kết hợp với thí nghiệm CÁC KẾT QUẢ CHÍNH CỦA LUẬN ÁN a Các thí nghiệm cho thấy: loại nút khung BTCT có Việt Nam bị biến dạng chịu động đất; nút khung thiết kế theo TCVN 9386:2012 bị phá hoại dẻo, theo TCVN 5574:2012 SP 14.13330.2011 (LB Nga) bị phá hoại giòn, khơng phù hợp để tạo cấu phá hoại dẻo cho hệ kết cấu khung Xác định yếu tố ảnh hưởng tớiứng xử nút khung điều kiện để đảm bảo độ bền cắt nút khung thiết kế Việt Nam b Đề xuất mơ hình mơ thành phần biến dạng cắt trượt bám dính nút khung Việc sử dụng mơ hình phân tích tĩnh động phi tuyến hệ khung BTCT thiết kế theo TCVN 9386:2012 cho thấy biến dạng nút khung làm thay đổi đáng kể phản ứng tổng thể hệ kết cấu CẤU TRÚC LUẬN ÁN Luận án gồm Phần mở đầu, chương, Kết luận kiến nghị, Phần Phụ lục, Danh mục cơng trình công bố liên quan đến Luận án 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 trận động đất: (a) phá hoại cắt nút (b) phá hoại neo cốt thép Nguyên nhân thiếu cốt đai neo cốt thép không đủ vùng nút 1.2 PHÂN LOẠI CÁC NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Các nút khung phân loại theo: (a) dạng hình học cách neo cốt thép dầm (ngồi, trong), (b) ứng xử nút (đàn hồi, không đàn hồi), (c) cấu tạo nút (giòn, dẻo) 1.3 CÁC LỰC TÁC ĐỘNG LÊN NÚT KHUNG BTCT Xét nút khung trong, chịu lực tác động từ dầm cột truyền vào (Hình 1.9a) gây thành phần nội lực Hình 1.9b Cân nội lực lực cắt nút theo phương ngang Vjh: Vjh = Cb1 +Csb1 +Tsb -Vc (1.1) Vjh = Tsb1 +Tsb -Vc (1.2) Do Vjh = (A s1 +A s )0 f y -Vc (1.3) Cb1- lực nén bê tơng, Tsb1, Tsb2 Csb1- lực kéo nén cốt thép dầm, Vc- lực cắt cột nút, As1 As2 tiết ết diện cốt thép dầm, λ0 fy – hệ số vượt độ bền ứng suất chịu kéo cốt thép dầm Hình 1.9 Lực ực tác động ộng llên nút khung Ứng suất cắt nút theo phương ngang τjh đứng τjv: V V  jh = jh = jv   jv (1.5) bj, hcvà hb tương ứng b j hc b j hb bề rộng hiệu dụng nút, chiều cao tiết diện cộtt ddầm Đối với nút khung ngoài: Vjh = A s10f y - Vc (1.7) 1.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ỊNH KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA NÚT 1.4.1.Các mơ hình xác định khả chịu cắt nút Có nhiều mơ hình tính tốn đề xuất ợc phân loại theo cách Sau mơ hình tính tốn thơng dụng ụng 1.4.2 Mơ hình Paulay Priestley Hình 1.12 Các ccấu truyền lực cắt: a) dải bê tông nén chéo; b) giàn; Theo Paulay Priestley, khảả chịu lực cắt nút khung kết hợp cấu ấu dải bbê tông nén chéo (Strut mechanism) cấu giàn (Truss mechanism) mechanism) Cơ cấu thứ góp phần chịu cắt nút theo phương ngang Vchvà đứng Vcv nhở lực nén chéo Dc (Hình 1.12a), cấu th thứ hai góp phần chịu cắt nút theo phương ngang Vsh đứng Vsv nh nhờ lực nén chéo Ds tạo qua lực bám dính ác cốt đai cốt thép dọc cột dầm vùng nút (Hình 1.12b) Với mơ hình ứng xử này, Paulay Priestley thiết lập biểu thức tính tốn khả chịu cắt nút (trong ngoài) theo phương ngang Vjh đứng Vjv 1.4.3 Mơ hình A G Tsonos(1999, 2001) Khả chịu lực cắt nút theo Tsonos gồm hai cấu chịu lực đề xuất Paulay Priestley, Tsonos cho cấu tạo trường ứng suất Từ Tsonos thiết lập mối quan hệ ứng suất nén đứng σ ứng suất cắt τ vùng nút hệ khả chịu cắt 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 đề cập tới việc xác định khả chịu cắt nút tiêu chuẩn thiết kế ACI 318M-2011, NZS 3101 (2016), TCVN 9386:2012, EN 1998-1-1:2004 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 khác rõ rệt cáctiêu chuẩn thiết kế kháng chấn Các tiêu chuẩn Hoa Kỳ trọng tới kích thước hình học nút khung cường độ fc Các tiêu chuẩn Việt Nam châu Âu trọng tới lượng cốt thép đai vùng nút lực dọc cột Nc 1.7 CÁC MƠ HÌNH NÚT DÙNG TRONG PHÂN TÍCH PHI TUYẾN Có nhiều mơ hình mơ biến dạng nút khung BTCT đề xuất 60 năm qua Sau mơ hình tính tốn bật, nhắc tới nhiều • Mơ hình dựa nghiên cứu thí nghiệm Townsed Hanson (1973), Anderson Towsend (1977) • Mơ hình dựa nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm:Mơ hình khớp dẻo xoay Otani (1974), Banon et all (1981), Fillipou et al (1983, 1988), El-Metwally (1988),Alath Kunnath (1995), Pampanin (2002); Mơ hình đa lò xo củaBiddah Ghobarah (1999), Elmorsi et al (2000), Lowes et al (2003), Altoontash (2004), Shin LaFave (2004), Unal Burak (2010) Nhận xét mơ hình: mơ hình dựa thực nghiệm khơng có tính điển hình khách quan, mơ hìnhđa đa llò xo phản ánh ứng xử thực tế nút mơ hình ình lò xo xoay để sử dụng cần phần mềm đặc thù, khối ối llượng tính tốn lớn 1.8 NHẬN XÉT RÚT RA TỪ NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Dưới tác động động đất, vùng nút khung xuất ất lực cắt đứng ngang lớn nhiều ều so với lực cắt tác động Hiện chưa có mơ hình mô hợp lý cấu ấu chịu cắt nút trí thừa nhận,tiêu chí đánh giá độộ bền cắt nút tiêu chuẩn khác đáng kể Mơ hình Paulay vvà Priestley cho phép diễn dải cách hợp lý cấu ấu chịu lực nút khung đưa vào nhiều tiêu chuẩn ẩn có Viêt Nam Mơ hình đa lò xo xuất gần xem mô ph sát thực ứng xử nút khung tính ứng dụng bị hạn chế cần phần mềm đặc thù khối lượng ợng tính tốn lớn.Hiện Việt Nam chưa có nghiên cứu ứu ứng xử nút khung BTCT tác động động đất CHƯƠNG BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNGBTCT TCT 2.1 BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BTCT Dưới tác động động đất, vùng nút khung chịu ịu lực cắt lớn nên bị biến dạng 2.2 CÁC THÀNH PHẦN BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BTCT Biến dạng nút khung gồm hai thành phần: ần: biến dạng cắt γj vùng lõi nút chuyển huyển vị xoay θsl đầu mút cố định (Hình 2.2) Hình 2.2 Biến dạng 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 qua neo vào nút khung Chúng có xu hướng bị kéo khỏi vùng neo chịu ịu lực gây chuyển vị xoay θsl đầu mút dầm (chuyển ển vị xoay đầu mút cố định) Gọi s chuyển vị trượt cốt thép (Hình ình 2.4): s (2.1) đó: ξ – (1   ) chiều cao tương đối trục trung hòa 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) ϕy, y , sl đầu mút cố định θsl fc db, fy fc tương ứng độ cong trục dầm, đường kính cốt thép, cường độ chịu kéo cốt thép cường độ chịu nén bê tông cốt thép bắt đầu chảy dẻo Cùng với gia tăng lực tác động, biến dạng chảy cốt thép lan sâu vào nút Đoạn chiều dài chảy dẻo lan sâu ly,p gây chuyển vị trượt bổ sung  s ly,p chuyển vị xoay đầu mút cố định bổ sung đạt trạng thái cực hạn: Δθu,sl= ϕuly,p (2.6) với u - độ cong cực hạn đầu mút dầm.Theo Fardis Δθu,sl= 5,5dbϕu (2.8) tải trọng đổi chiều Lực bám dính cốt thép bê tông vùng nút yếu tố định độ lớn chuyển vị xoay θsl Cường độ lực bám dính vùng nút phụ thuộc nhiều yếu tố: bó bê tơng, đường kính cốt thép db, cường độ nén bê tông fc, dạng bề mặt cốt thép …Các mơ hình trượt bám dính nhiều tác giả đề xuất, Hình 2.8 Quan hệ M - θsl đáng ý mơhình Biddah (Hình 2.8) Dựa kết thí nghiệm Morita Kaku, Biddah xác định chuyển vị trượt s cốt thép độ dốc K1 K2 mơ hình  sl = 2.4 BIẾN DẠNG CẮT NÚT KHUNG Biến dạng cắt γ nút khung gây ứng suất cắt τ xác định theo (1.5) chủ yếu lực bám dính dọc theo cốt thép dầm cột qua lõi nút Ứng suất cắt nút yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền lẫn độ cứng nút khung Các tiêu chuẩn ACI 318M-11, NZS 3101 (2006), TCVN 9386:2012 EN 1998-1-1:2004 đánh giá khả chịu cắt nút khung hàm 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 Biến dạng nút khung gồm: chuyển vị xoay θsl đầu mút dầm biến dạng cắt γj vùng lõi nút Độ lớn θsl hệ việc cốt thép dầm bị lực bám dính bị chảy dẻo Độ lớn lực bám dính phụ thuộc nhiều yếu tố, hiệu ứng bó bê tơng vùng lõi nút quan trọng Độ lớn γj 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 giới hạn trị số τjh khác CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM NÚT KHUNG BÊ TƠNG CỐT THÉP 3.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM Đánh giá làm việc nút khung BTCT liền khối chịu động đất thiết kế theo phương án: (1) theo TCVN 9386:2012, (2) lực tác động theo TCVN 9386:2012, tính tốn cấu tạo theo TCVN 5574:2012 (3) theo SP 14.13330.2011 Xác định biến dạng nút khung yếu tố ảnh hưởng Đánh giá phản ứng phân tích yếu tố ảnh hưởng tới ứng xử loại nút khung BTCT có Việt Nam tác động động đất; thiết lập mơ hình ứng xử nút khung thiết kế theo TCVN 9386:2012 dùng phân tích phi tuyến 3.2 THIẾT KẾ CÁC MẪU THÍ NGHIỆM Các mẫu thí nghiệm nút khung tỷ lệ 1:1 theo phương ngang, trích xuất từ hệ kết cấu khung không gian tầng xây dựng quận Thanh Xuân – Hà Nội, thiết kế theo phương án trên.Cấu tạo chi tiết mẫu thí nghiệm cho Hình 3.3 (NK1 theo TCVN 9386:2012), Hình 3.4(NK2 theo TCVN 9386:2012 TCVN 5574:2012) Hình 3.5 (NK3 theo SP 14.13330.2011) 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 lý vật liệu bê tông cốt thép cho tương ứng Bảng 3.2 3.3 Các mẫu thí nghiệm đặc Hình 3.5 Cấu tạo mẫu NK3 trưng lý vật liệu xác định Phòng thí nghiệm kiểm định cơng trình Trường ĐH Xây dựng Bảng 3.2 Các đặc trưng lý bê tơng 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 lý 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 chất tải mẫu thí nghiệm cho Hình 3.9 với liên kết khớp cố định đầu cột khớp di động hai đầu dầm, đầu cột tự chịu tác động 11 3.7.2 Lực cắt tầng Kết thí nghiệm cho thấy, lực cắt tầng lớn nhấtt Vtb,max mẫu NK1 xuất cấp dẻo lớn hơn, chu kỳỳ muộn dẻo so với mẫu NK2 NK3 (Bảng 3.7) Bảng 3.7 Các thông số liên quan tới lực cắt tầng lớn ất Các thông số NK1 NK2 NK3 μΔ 3 Chu kỳ 11 12 và 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 dầm quanh nút khung Cốt thép dọc ọc dầm mẫu NK1 khơng bịị lực bám dính, khơng bị trượt, ợt, phát triển ợc biến dạng dẻo đầy đủ đủ, trái ngược vớicác mẫu NK2 vàà NK3 Nguyên nhân vùng nút vùng mẫu ẫu NK1 có cốt thép dọc Hình 3.41 Quan hệ θ-μΔ cột trung gian hàm lượng ợng cốt tiết diện cách mặt cột phải đai lớn 3,7 lần ần so với 50mm (nhánh dương) mẫu NK2 NK3 Chuy Chuyển vị xoay θ tiết diện dầmsát mặt cột mẫu NK1 phát tri triển ổn định tuyến tính so với mẫu NK2 NK3 (Hình 3.41) Biến ến dạng dầm thuộc mẫu NK2 NK3 bịị ảnh hhưởng biến dạng cắt, khảả phân tán lượng thấp 3.7.4 Ứng xử cột quanh nút khung Cốt ốt thép cột mẫu NK1 phát Hình 3.52 Quan hệ θ-μΔ ợc biến dạng dẻo tốt hhơn tiết diện cách mặt dầm triển so với mẫu NK2 vàà NK3 Do 100mm đó, chuyển vị xoay θc ccủa cột 12 mẫu NK1 có tính tuyến tính trái ngược mẫu NK2 vàà NK3 3.7.5 Ứng xử nút khung Hình 3.56 Quan hệ γ - Δ/h Hình 3.57 Quan hệ γ - μΔ Biến dạng cắt nút khung Các biểu đồ (3.56) (3.57) cho thấy, nút khung NK1 có bi biến dạng cắt γ nhỏ gia tăng gần tuyến tính,trái ngược ợc với nút khung NK2 NK3 Biến ến dạng nút khung NK1 có tính dẻo, nút lại có tính giòn Cốt thép đai vùng ùng nút khung có ảnh hưởng ởng định tới đặc tính biến dạng nút 2.Lực cắt nút Lực ực cắt nútVt biểu ểu thị khả chịu cắt bbê tông cốt thép vùng ùng nút Vt =Vjh = (A s1 +A s )f s - Vc (3.14) Nút khung NK1 có khảả Hình 3.59 Lực cắt nút Vt chịu cắt lớn mẫu ẫu NK2 vvà biến dạng cắt γ nút NK3 (Hình 3.59) 3.7.6 Phân tích nguyên nhân phá hoại nút khung Sự khác cách thiết kế cấu tạo cốt thép vùng nút, cột dầm dẫn tới phá hoại khác m mẫu thí nghiệm (xem Hình 3.17, 3.20 3.23) a) Nút khung NK1 có khả khởi động cấấu giàn (Chương 1) nút khung NK2 NK3 khơng có kh khả b) Khi gia tăng chu kỳ chất tải miềnn không đàn hồi, nút khung NK1 bị nén uốn mức độ nhỏ dầm m cột bị biến dạng dẻo uốn, nút NK2 NK3 chịuu nén ccục lớndo dầm cột bị chuyển vị xoay lớn cốtt thép dọc bị lực bám dính bê tơng nút bị bó yếu khơng đủ kh khả 13 truyền lực nén chéo vào sâu vào lõi nút mẫu NK1 c) Ngun nhân bóc tách mảng bê tơng lớn chạy dọc theo cốt thép cột hai bên nút khung mẫu NK2 (Hình 3.20) mở rộng khe nứt mép dầmkhicốt thép bị chảy dẻo lực bám dính, vùng mép panơ nút khung bị ép vỡ cục bộvà cốt thép cột qua vùng nút khung bị uốn cục (thiếu cốt đai nên hiệu ứng bó yếu) Nút khung NK3 bị bóc tách (Hình 3.23) có cốt thép trung gian cột Ở mẫu NK1, dầm bị biến dẻo trước cột cuối nút khung, tuân theo nguyên tắc thiết kế cột khỏe – dầm yếu Ở mẫu NK2 NK3 nguy phá hoại dầm, cột nút ngang 3.7.7 Khả chịu cắt nút khung BTCT Việc tính toán ứng suất cắt nút khung τjh mẫu NK1 theo TCVN 9386:2012 cho giá trị (7,49 MPa) lớn giá trị tính theo ACI 318M-2011 (6,73 MPa) NZS 3101 (2006) (6,3 MPa) Hàm lượng cốt đai vùng nút khung mẫu NK1 lớn hàm lượng cốt đai tối thiểu xác định theo ACI 318M-2011 2,5 lần, mẫu NK2 NK3 lại nhỏ thua 1,5 lần Trong ứng suất cắt nút τjh lớn mẫu thí nghiệm (3,1 MPa; 2,93 MPa 3,01 MPa) nhỏ thua nửa giá trị τjh giới hạn xác định theo tiêu chuẩn trên, ứng xử nút khung mẫu NK2 NK3 lại hồn tồn khơng thể chấp nhận Như vậy, nút khung thiết kế Việt Nam giới hạn hàm lượng thép đai vùng nút khung quan trọng giới hạn ứng suất cắt Do cần nghiên cứu bổ sung điều kiện đảm bảo độ cứng độ bền TCVN 9396:2012 3.7.8 Độ cứng mẫu thí nghiệm Độ cứng cát tuyến tất nút khung thí nghiệm bị suy giảm q trình chịu tải Mẫu NK1 bị suy giảm thấp nhất, mẫu NK2 bị suy giảm nhanh nhất, mẫu NK3 có độ cứng nhỏ 3.7.9 Năng lượng phân tán mẫu thí nghiệm Năng lượng phân tán biểu thị qua diện tích vòng trễ lực – chuyển vị chu kỳ Các mẫu NK1 NK2 có lượng 14 lượng tích lũy phân tán gần 14 chu kỳ chất tải đầu tiên, mẫu NK3 lớn 3.7.10 Hệ số cản nhớt tương đương Hệ số cản nhớt tương đương ξ xác định cách cân lượng phân tán chu kỳ hệ phi tuyến với hệ tuyến tính tương đương Sau chảy dẻo, hệ số ξ mẫu NK1 lớn nhiều so với mẫu NK2 NK3 Đồng thời phân tán lượng mẫu NK1 ổn định mẫu khác Quan hệ ξ - μΔ mẫu NK2 NK3 cho thấy,hệ số ξ bị suy giảm mạnh cấp dẻo cao 3.8 NHẬN XÉTVỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM Khi chịu tác động động đất, nút khung mẫu NK1 thiết kế theo TCVN 9386:2012 bị phá hoại dẻo, nút khung Mẫu NK2 NK3 bị phá hoại giòn Các hệ kết cấu khung BTCT thiết kế theo SP 14.13330.2011 theo TCVN 5574:2012 hồn tồn khơng phù hợp để phát triển cấu phá hoại dẻo Đối với khung thuộc cấp dẻo trung bình (DCM), hàm lượng cốt thép đai vùng nút khung điều kiện quan trọng để đảm bảo hiệu ứng bó bê tơng khơng phải ứng suất cắt nút quy định tiêu chuẩn thiết kế đại Dưới tác động động đất, nút khung bị biến dạng cắt, kể thiết kế theo quy định tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đại Do cần xét tới biến dạng cắt nút khung CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA 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 nút khung ảnh hưởng tới ứng xử hệ kết cấu Do cần phải mơ hình hóa biến dạng cắt nút trượt bám dính cốt thép tác động động đấtdùng phân tích phi tuyến 4.2 MƠ HÌNH HĨA BIẾN DẠNG CẮT CỦA NÚT KHUNG 4.2.1 Sự góp phần biến dạng cắt nút khung tới chuyển vị ngang khung 15 Hình 4.2 Sự góp phần BD cắt nút tới chuyển vị ngang tầng Hình 4.2 cho thấy ảnh hưởng biến dạng cắt nút j (γj) tới chuyển vị ngang tầng i (Δi) nút khung 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 Mơ hình hóa biến dạng cắt nút 4.2.2 Mơ hình hóa góp phần biến dạng cắt nút khung tới chuyển vị tầng Để xét tới ảnh hưởng biến dạng cắt nút tới ứng xử khung, sử dụng mơ hình lò xo cắt cột lò xoxoay dầm vùng nút khung dùng để biểu thị biến dạng cắt nút gây (Hình 4.3).Về mặt vật lý, lò xo cắt quan hệ lực cắt nút Vjhvà chuyển vị cắt cột Δcj = γjhb, lò xo xoay quan hệ mơmen uốn Mb biến dạng cắt nút γj 4.2.3 Xác định đặc trưng lò xo mơ biến dạng cắt nút Theo kết nghiên cứu lý thuyết Chương 1, theo (1.1) lực cắt cột nút khung trong: Vc=(Csb1+Cb1+Tsb2) – Vjh = A Vjh(4.2a), nút khung ngồi:Vc=Tsb2-Vjh(4.2b) Từ (1.5), xác định lực cắt nút theo phương ngang Vjhtừ giá trị τjh Như Hình 4.5 16 vậy, để xác định Vc tương ứng Vjh phải thực quy trình tính tốn dần theo sơ đồ khối Hình 4.5 Kết tính tốn quan hệ Vc – Δcj Mb – γj biết quan hệ τjh – γj nút khung 4.2.4 Thiết lập mối quan hệ lý tưởng τjh– γ a)Nút khung trong: Từ kết thí nghiệm Hình 3.59, thiết Hình 4.6 Quan hệ biến dạng lập mối quan hệ τjhcắt nút γjvàa) Vjh; b) τjh mẫu NK1 γj(Hình 4.6b) lý tưởng hóa dạng đường cong gồm đoạn thẳng (Hình 4.7) Điểm B có tọa độ τjh,y = 2,8MPa γj,y = 0,0004rad tương ứng với trạng thái cốt thép dọc dầm bắt đầu chảy dẻo, điểm C có tọa độ τjh,u = 3,1MPa γj,u = 0,0025rad Theo ASCE 41-13, giả thiết độ bền dư τjh,D =0,2 τjh,y, biến Hình 4.7 QH τjh-γj lý tưởng dạng cắt điểm D E tương ứng γj,D = 0,02 rad γj,E = 0,025 rad (Hình 4.7) b)Nút khung ngồi Trên sở thí nghiệm Biddah nút khung ngồi J2 (Hình 4.8), việc thiết lập mối quan hệ τjh - γj lý tưởng thực tương tự nút khung trong.Theo Hình 4.9b, điểm B có tọa độ τjh,y=1,8MPa; γj,y=0,0008rad, điểm C có tọa độ τjh,u = Hình 4.8 Nút J2 Biddah 2,0MPa γj,u= 0,003rad Các điểm D E tương tự Hình 4.7 17 4.2.5 Thiết lập quan hệ Vc - Δc Mb- γj nút khung 4.2.5.1 Quan hệ Mb - A Mb - Tsb Đểể thiết lập quan hệ hệVc Δc Mb- γj theo sơ đđồ Hình 4.5, cần ần xác định quan hệ Mb– Avà Mb- Tsb,, A = Cbs1+Cb1+Tsb2 trong (4.2) Với ới giả thiết Hình 4.9 Quan hệ γj a)Vjh; ợc sử dụng, quan hệ Mb-A b) τjhở mẫu J2 Biddah nút khung NK1 MbTsbcủa nút khung J2đượccho ợccho Hình 4.10 4.11 Hình 4.10 Hình 4.11 4.2.5.2 Quan hệ Vc – Δc Mb - γj Hình 4.12 Vc – Δcvà Mb - γj Trên sở kết thực ực hiện, đường cong biểu ểu diễn quan hệVc–Δ ΔcvàMbγjcho lò xo ccắt uốn dùng ùng phân tích phi tuyến có dạng Hình 4.12 4.3 MƠ HÌNH HĨA TRƯỢT BÁM DÍNH CỦA NÚT KHUNG Trên sở nghiên cứu ứu lý thuyết thực nghiệm Chương hương 2, mơ hhình trượt ợt bám dính cốt thép nút khung biểu thị quan hệệ chuyển vị xoay trượt bám dính θsl mơmen uuốn đầu mút dầm Mbcó dạng Hình 4.13Mb–θsl Hình 4.13.Các giá trị θy,sl θu,slđược xác định tương ứng theo biểu thức (2.5) (2.8) Chương 18 4.4 HIỆU CHUẨN, ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH BIẾN ẾN DẠNG NÚT KHUNG 4.4.1 Nút khung NK1 Việc hiệu chuẩn thực cho trường hợpnút ứng (bỏ qua biến dạng cắt trượt bám dính) nút mềm (xét tớ ới biến dạng cắt trượt bám dính)(Hình 4.14) Hình 4.14 Sơ đđồ khớp dẻoo cho trường hợp:a) :a) nút cứng; ứng; b)nút mềm Với kết thí nghiệm thu được, quan hệ Vc-Δcj, Mb-γj Mb-θsl cho Hình 4.15 4.16.Phân Phân tích phi tuyến mẫu NK1 theo phương pháp đẩy ẩy dần SAP2000 cho Hình 4.15 Hình 4.16 đường ờng cong khả nh Hình 4.18 Tr Trường hợp nút mềm, kết ết thí nghiệm hồn àn tồn phù hhợp với ới kết phân tích Các mơ hình tính tốn đđề xuất phản ản ánh xác ứng Hình 4.18 So sánh V-Δ nút NK1 xử thực tế nút khung 4.4.2 Nút khung ngồi J2 J2 Việc hiệu chuẩn mơ hình tính toán đềề xuất thực tương ương ttự mẫu NK1.Hình Hình 4.22 đường cong khả thu từ phân tích So sánh Hình 4.22 So sánh V-Δ nút J2 với kết thí nghiệệm, mơ hình tính tốn đề xuất phản ánh xác ứng xử thực tế 19 nút khung ngồi 4.5 NHẬN XÉT VỀ CÁC MƠ HÌNH ĐƯỢC ĐỀ XUẤT •Các mơ hình tính tốn đề xuất đơn giản, dễ thiết lập dễ áp dụng với phần mềm phân tích kết cấu thơng dụng so với mơ hình tính tốn đề xuất trước •Kết phân tích sử dụng mơ hình tính toán đề xuất phù hợp với kết nghiên cứu thực nghiệm •Việc xét tới biến dạng nút khung phân tích hệ kết cấu khung BTCT chịu động đất cần thiết CHƯƠNG 5PHÂN TÍCH PHI TUYẾN CÁC HỆ KẾT CẤU KHUNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG Hiện thiết kế thực tế,nút khung xem vùng cứng Nhằm đánh giáphản ứng thực tế hệ kết cấu khung BTCT thiết kế theo TCVN 9386:2012 có xét tới biến dạng nút,các mơ hình tính tốn đề xuất sử dụng phân tích tĩnh động phi tuyến 5.2 CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ PHÂN TÍCH KẾT CẤU Việc phân tích thực khung phẳng K4 thuộc hệ kết cấu cho Hình 5.1 Hệ kết cấu có cấp dẻo trung bình DCM,chịu gia tốc agR=0,1097g thiết kế cấu tạo hoàn toàn theo TCVN 9386:2012 5.3 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MƠ HÌNH BIẾN DẠNG NÚT Để thiết lập mơ hình tính tốn xét tới biến dạng nút dùng phân tích phi tuyến, thơng số khung K4 kích thước hình học, cấu tạo cốt thép, tính lý vật liệu … thành phần khung sử dụng để thiết lập quan hệ lý tưởng τjh-γj,Vc-Δcj, Mb-γj Mb-θslj cho nút khung Các Hình 5.4, 5.5 5.6 tương ứng đường cong biểu diễn quan hệ Vc – Δcj, Mb - γj Mb - θslj nút khung thuộc tầng 1–5 khung K4 Các mơ hình tính tốn cho nút khung thuộc tầng 6–9 xác định 20 Hình 5.1 Sơ đồ mặt khung ngang nhà Hình 5.4 Vc – Δcj nút khung tầng - Hình 5.5 Mb –γj nút khung ngồi tầng -5 5.4 PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU KHUNG BÊ TƠNG CỐT THÉP 5.4.1 Các trường hợp tính tốn : (i) nút cứng (khơng xét tới biến dạng nút); (ii) nút mềm (có xét tới biến dạng nút) Khi phân tích kết cấu, ngồi mơ hình biến dạng Hình 5.6 Mơ hình trượt nút thiết lập trên, mơ hình bám dính khung K4 tính tốn kết cấu mơ hình với khớp dẻo uốn tập trung đầu mút cột dầm có đặc trưng cho ASCE 41-13 21 5.4.2 Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần (push-over) Kết phân tích theo SAP2000 cho đường cong khả chuyển vị ngang tầng (Hình 5.7) Quá trình phân tích cho thấy, hai trường hợp khớp dẻo dầm xuất trước cột Trường hợp nút mềm, biến dạng nút xuất sớm làm suy yếu nghiêm trọng độ cứng dầm khung,khả chịu cắt khung bị sụt giảm sớm, khớp dẻo chân cột tầng xuất sớm so với trường hợp nút cứng;sự chênh lệch chuyển vị ngang cao trình mái có gia tăng đáng kể Hình 5.7 (a) Đường cong khả cơng trình; (b) Sơ đồ biến dạng tương ứng với lực cắt đáy 750kN 5.4.3 Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian Khung K4 chịu tác động động đất dạng giản đồ gia tốc có biên độ phù hợp với độ lớn trận động đất xẩy Việt Nam Giản đồ gia tốc lựa chọn gia tốc đo trạm El Centro trận động đất Imperial Valley năm 1979, hướng 1400 vùng California – Hoa Kỳ (Hình 5.10) có ag,max = 0,08g; 0,15g 0,25g tương ứng với trận động đất nhẹ, trung bình mạnh Hình 5.10 Giản đồ gia tốc Việc phân tích thực phần mềm SAP2000 cho trường hợp xét không xét biến dạng nút với mơ hình ứng xử nút thiết lập trên, mơ hình ứng xử khớp dẻo uốn tập trung đầu mút cột dầm lấy theo ASCE 41-13 phân tích đẩy dần 22 Hình 5.14 biểu ểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang cao trình mái khung K4 theo thời gian cho hai trường hợp đư ược xét Kết tính tốn cho thấy: lực cắt đáy trường ờng hợp nút cứng lớn trường hợp nút mềm(chênh lệch làà 8,3%, 7,3% 15%) giảm chậm theo thời gian Chuyển ển vị ngang cao trình mái trường hợp nút mềm lớn hơntrường hợp ợp nút cứng (là 4%; 4,1% 5%) suy giảm nhanh theo th thời gian.Trường hợp động đất yếu, khớp ớp dẻo không xuất hai trường hợp Khi xét tới biến dạng nút, trường ờng hợp động đất trung bình, cột tầng bị phá hoại kh khớp dẻo dầm lan tới tầng 6, cò trường ờng hợp động đất mạnh cột bị phá hoại khớp dẻo dầm lan tới tầng ag,max=0.08g ag,max=0 =0.15g ag,max =0,25g Hình 5.14 Biến thiên chuyển vị ngang cao trình ình má mái NHẬN XÉT VỀ VIỆC ÁP DỤNG MƠ HÌNH BIẾN ẾN DẠNG NÚT 5.5 KHUNG TRONG PHÂN TÍCH PHI TUYẾN Các mơ hình biến dạng nút thiết lập đơn giảnn dễ cài đặt vào phần mềm thương mại Các kết phân tích phù hợp với nhận xét rút từ kết thí nghiệm nghiên cứu lý thuyết, chứng ng ttỏ mơ hình biến dạng nút đề xuất có độ tin cậy Biến dạng nút khung làm gia tăng đáng kểể chuyển vị ngang khung, làm giảm khả chịu cắt khung, làm àm suy yyếu 23 độ cứng dầm, làm cột khung tầng bị phá hoại sớm so với trường hợp nút cứng Đây vấn đề cần lưu ý thiết kế để làm cho hệ kết cấu có độ an tồn tin cậy cao tác động động đất mạnh KẾT LUẬN KẾT LUẬN Các loại nút khung BTCT có Việt Nam bị biến dạng tác động động đất, kể loại nút khung thiết kế theo quan điểm kháng chấn đại (TCVN 9386:2012) Nút khung thiết kế theo TCVN 9386:2012 bị phá hoại dẻo, nút khung thiết kế theo TCVN 5574:2012 SP 14.13330.2011 bị phá hoại giòn, khơng phù hợp để tạo cấu phá hoại dẻo hệ kết cấu khung chịu động đất Cách thức ứng xử phá hoại nút khung chịu ảnh hưởng định lượng cốt thép đai cốt thép cột trung gian vùng nút khung Do đó, điều kiện để đảm bảo độ bền cắt nút khung BTCT thiết kế Việt Nam hàm lượng cốt thép đai vùng nút quan trọng trị số ứng suất cắt nút Vì vậy, cần nghiên cứu điều chỉnh bổ sung điều kiện quy định độ bền cắt nút khung dựa tiêu chí giới hạn trị số ứng suất cắt nút quy định TCVN 9386:2012 cho phù hợp Ba mơ hình mơ biến dạng cắt nút trượt bám dính nút khung tác giả đề xuất dựa quan hệ ứng suất cắt nút – biến dạng cắt nút thu từ thí nghiệm nghiên cứu lý thuyết nhằm xét tới ảnh hưởng biến dạng nút khung tới phản ứng tổng thể hệ kết cấu khung thiết kế theo quan niệm kháng chấn đại cho thấy: a) Các đường cong khả thu từ phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần (push-over) xét tới biến dạng nút khung mơ hình đề xuất cho kết phù hợp với kết nghiên cứu thực nghiệm b) Các kết phân tích tĩnh động phi tuyến hệ khung BTCT ba nhịp cao tầng thiết kế theo TCVN 9386:2012 với mơ hình đề xuất phù hợp với nhận định lẫn 24 đánh giá rút từ kết thí nghiệm nghiên cứu lý thuyết tác giả thực Biến dạng nút khung làm thay đổi phản ứng tổng thể hệ kết cấu khung, làm gia tăng đáng kể chuyển vị ngang khung, làm giảm khả chịu cắt khung, làm suy yếu độ cứng dầm, làm cột khung tầng bị phá hoại sớm hơn… so với trường hợp không xét tới biến dạng nút c) Việc thiết lập mơ hình biến dạng nút khung theo phương pháp tác giả dễ dàng dễ cài đặt vào phần mềm thương mại sẵn có SAP2000, Etabs Đây đặc tính ưu việt mơ hình tác giả so với mơ hình ứng xử nút khung đề xuất trước KIẾN NGHỊ Để mơ hình biến dạng nút khung BTCT đề xuất có độ tin cậy cao, cần tiến hành thêm nghiên cứu thực nghiệm nút khung lẫn Các kết thu từ nghiên cứu tác giả xem kinh nghiệm quý giá cho thí nghiệm thực tương lai mơ hình ứng xử nút khung đề xuất hướng đắn Các nút khung không thiết kế theo TCVN 9386:2012 không phù hợp để chịu tác động động đất, không làm cho cấu kiện khung (dầm cột) phát triển khả biến dạng chịu lực tối đa chúng Do cần tránh nút khung loại thiết kế thi cơng cơng trình xây dựng vùng động đất mạnh Việt Nam Để bảo đảm an toàn cho khung BTCT chịu động đất Việt Nam, cần phải xét tới biến dạng nút khung thiết kế cần có quy định cấu tạo nút khung cụ thể hơn, đặc biệt giới hạn hàm lượng cốt thép đai tối thiểu vùng nút khung DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Nguyễn Lê Ninh; Võ Mạnh Tùng ” Một số vấn đề việc thiết kế nút khung bê tơng cốt thép tồn khối chịu động đất “, Tạp chí Khoa học Cơng Nghệ Xây dựng số 25, 9/2015, Trường Đại Học Xây Dựng Nguyễn Lê Ninh; Võ Mạnh Tùng ”Ảnh hưởng khe nứt đến phản ứng khung bê tông cốt thép chịu động đất “, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng số 2/2016, Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng Nguyễn Lê Ninh; Võ Mạnh Tùng ” Nghiên cứu thực nghiệm phá hoại biến dạng nút khung bê tông cốt thép chịu động đất “, Tạp chí Khoa học Kiến trúc Xây dựng số 28, 10/2017 Nguyễn Lê Ninh; Võ Mạnh Tùng ”Experimental study on the failure and deformation of beam-column joints under seismic loads “, Tạp chí Khoa học Cơng Nghệ Xây Dựng số 6, 11/2017, Trường Đại Học Xây Dựng Nguyễn Lê Ninh; Võ Mạnh Tùng ”Biến dạng nút khung bê tơng cốt thép chịu động đất “, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng số 4/2017, Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng Nguyễn Lê Ninh; Võ Mạnh Tùng ”Modeling of nonlinear behavior of reinforced concrete beam-column joint under seismic load “, Tạp chí Kết cấu Công nghệ Xây dựng số 1/2018 ... 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 nút khung ảnh hưởng tới ứng xử hệ kết cấu Do cần phải mơ hình hóa biến dạng cắt nút trượt... Việt Nam chưa có nghiên cứu ứu ứng xử nút khung BTCT tác động động đất CHƯƠNG BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNGBTCT TCT 2.1 BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BTCT Dưới tác động động đất, vùng nút khung chịu ịu lực cắt... khung xem vùng cứng hiển nhiên Do đó, việc Nghiên cứu ảnh hưởng biến dạng nút khung tới phản ứng khung BTCT chịu động đất cần thiết MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN a Nghiên cứu tổng quan mơ