THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT CHỊU ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT HƯ HẠI PHẠM HOÀNG QUANG VINH Trường Đại Học Bách Khoa Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh quangvinh2611@yahoo com CAO VĂN VUI Trường Đ[.]
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 11 (1) 2016 THIẾT KẾKẾT CẤU BTCT CHỊU ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT HƯ HẠI PHẠM HOÀNG QUANG VINH Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh - quangvinh2611@yahoo.com CAO VĂN VUI Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh - cvvui@hcmut.edu.vn (Ngày nhận: 9/9/2016; Ngày nhận lại: 04/11/16; Ngày duyệt đăng: 14/11/2016) TĨM TẮT Kết cấu bê tơng cốt thép (BTCT) thường bị hư hại động đất xảy Kiểm sốt hư hại thiết kế cơng trình chịu động đất cách tiếp cận thiết kế kháng chấn Để kiểm sốt hư hại cơng trình BTCT, số hư hại (damage index) có giá trị từ (không hư) đến (sập) sử dụng cho việc định lượng mức độ hư hại loại kết cấu Trong báo này, sơ đồ thiết kế kết cấu BTCT phương pháp kiểm soát hư hại thông qua số hư hại kiến nghị ví dụ trình bày Kết cho thấy tính ưu việt phương pháp thiết kế mức độ hư hại kiểm sốt số hư hại phân bố hư hại kết cấu Tuy nhiên, số vấn đề mà tác giả cịn phải nghiên cứu hồn thiện Từ khóa: Kiểm sốt hư hại; động đất; khung BTCT; số phá hoại Seismic design of reinforced concrete structures with damage control ABSTRACT Reinforced concrete (RC) structures often suffer damage when subjected to earthquakes Seismic design RC structures with damage control can be an appropriate method To control the damage of structures, the damage index, which varies from (no damage) to (collapse), is used to quantify the damage levels In this paper, a procedure of the seismic design of RC structures with damage control is proposed and a case study is presented This design method shows its advantages as the damage of structures is controlled by the damage index and the distribution of damage in structures However, further study is needed to improve the method Keywords: Damage control; Earthquake; RC frame; Damage index Giới thiệu Khi động đất xảy ra, cơng trình thường chịu mức độ hư hại khác Trong thiết kế cơng trình chịu động đất, mức độ hư hại khống chế số tiêu chí khác Các tiêu chuẩn hành UBC (1997), IBC (2003), Eurocode (2004) sử dụng tiêu chí độ lệch tầng (story drift) để đánh giá mức độ hư hỏng chưa đầy đủ (Nguyễn Hồng Hà, Nguyễn Hồng Hải, Vũ Xuân Thương, 2013) Mặt khác, dùng phương pháp phân tích đàn hồi đôi với việc sử dụng hệ số giảm (hệ số R UBC, IBC; hệ số ứng xử q Eurocode 8) áp dụng cho toàn hệ kết cấu tổng thể khó phản ánh cách đáng tin cậy ứng xử công TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 11 (1) 2016 trình giai đoạn đàn dẻo, đặc biệt hệ kết cấu gồm nhiều dạng (khung lẫn vách) sử dụng vật liệu khác (bê tông lẫn thép) (Nguyễn Hồng Hà, Nguyễn Hồng Hải, Vũ Xuân Thương, 2013) Hơn nữa, bên cạnh việc đưa hạn chế chiều cao hay tính đặn, tiêu chuẩn nói khơng có điều khoản thích hợp cho nhiều dạng kết cấu (ví dụ kết cấu có tầng cứng) áp dụng giải pháp kỹ thuật tiên tiến Do đó, việc áp dụng tiêu chuẩn hành thiết kế kháng chấn bộc lộ hạn chế (Recommendations for the Seismic Design of High-rise Buildings, CTBUH, 2008) (Outrigger Design for High-Rise Buildings, CTBUH, 2012) Bài báo phân tích ưu nhược điểm phương pháp thiết kế hành Đồng thời, đề xuất phương pháp – phương pháp thiết kế kết cấu BTCT chịu động đất cách kiểm soát hư hại Trong phương pháp thiết kế này, mức độ hư hại cơng trình chịu động đất khống chế số hư hại – damage index (DI) Các phương pháp thiết kế kháng chấn có 2.1 Các phương pháp phân tích kết cấu Trong năm gần đây, số lượng phương pháp tính tốn kết cấu chịu động đất sử dụng nghiên cứu thiết kế sản xuất tăng lên nhanh chóng, phát triển phổ biến rộng rãi phần mềm máy tính có tốc độ cao Dựa theo tính chất tác động động đất lên cơng trình, ta chia phương pháp tính tốn thành hai loại sau: • Các phương pháp tính tốn tĩnh: + Phương pháp tĩnh lực tương đương + Phương pháp tính tốn đẩy dần (phương pháp pushover) • Các phương pháp tính tốn động: + Phương pháp phổ phản ứng + Phương pháp phân tích dạng + Phương pháp phân tích trực tiếp phương trình chuyển động + Phương pháp tính tốn đẩy dần động Các phương pháp tính tốn thường có thỏa hiệp mức độ xác độ phức tạp Đối với người sử dụng, lẽ dĩ nhiên muốn chọn phương pháp đơn giản cho thơng tin mong muốn có độ xác chấp nhận Phương pháp phân tích trực tiếp phương trình chuyển động hệ kết cấu phi tuyến phương pháp xác thực tế xét tới tính chất phi tuyến vật liệu lẫn tính phi tuyến hình học Tuy vậy, phương pháp lại phức tạp tiêu tốn nhiều thời gian thực Ngược lại phương pháp tĩnh lực tương đương lại đơn giản mức độ xác lại nên dùng cho trường hợp động đất nhỏ, kết cấu đặn chu kỳ ngắn, cấu kiện kết cấu làm việc giai đoạn đàn hồi Không với phương pháp phân tích thiết kế đàn hồi tuyến tính sử dụng từ lâu, kỹ thuật phân tích phi tuyến ứng dụng thiết kế giai đoạn phát triển yêu cầu nhiều kỹ kỹ sư thiết kế Việc phân tích phi tuyến yêu cầu tư ứng xử miền đàn hồi trạng thái giới hạn (phụ thuộc vào biến dạng lực) người kỹ sư Trong phân tích này, cần phải định nghĩa mơ hình ứng xử cấu kiện để phản ánh mối quan hệ lực - biến dạng cấu kiện dựa vào đặc trưng cường độ độ cứng kỳ vọng biến dạng lớn Tùy thuộc vào loại hình kết cấu, kết phân tích phi tuyến nhạy cảm với thông số giả thuyết đầu vào mô hình ứng xử sử dụng Chính vậy, kỹ sư cần có khả phán đốn tốt vị trí hay phận kết cấu kỳ vọng trải qua biến dạng phi tuyến Phân tích để xác nhận vị trí làm việc phi tuyến biểu thị biến dạng cấu kiện chảy dẻo lực cấu kiện chưa chảy dẻo Hiện nay, phương pháp tính tốn tĩnh phi tuyến đẩy dần (nonlinear static pushover analysis) hay phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian (nonlinear time history analysis) áp dụng rộng rãi thiết kế nước ngồi phân tích kết cấu chịu tác động động đất Trong với phần lớn trường hợp phương pháp phân tích đẩy dần xem cơng cụ có tính áp dụng thực tiễn cao đơn giản so với phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian Khái niệm thiết kế kiểm soát hư hỏng giúp đảm bảo kiểm soát hư hỏng kết cấu cách đáng tin cậy Phân tích phi tuyến, lý thuyết, dùng để theo dõi ứng xử kết cấu tới điểm bắt đầu phá hoại Phân tích cần mơ hình ứng xử phức tạp kiểm chứng thơng qua thí nghiệm, để bắt ứng xử phi tuyến lớn kết cấu tiến tới trạng thái phá hoại Do tính biến động tính tốn lực biến dạng giới hạn tăng lên kết cấu vào vùng biến dạng dẻo, nên thiết kế cần có giới hạn để biến dạng nằm vùng ứng xử dự báo được, để không xảy suy giảm đột ngột cường độ độ cứng giai đoạn III trạng thái ứng suất - biến dạng cấu kiện chịu uốn làm sở tính tốn 2.2 Các phương pháp thiết kế Các giả thiết tính tốn sau: 2.2.1 Phương pháp thiết kế BTCT theo ứng suất - Bê tông vật liệu đàn hồi dẻo: sơ đồ ứng suất cho phép nén bê tơng có dạng hình chữ nhật Thiết kế theo ứng suất cho phép dùng phân tích kỹ thuật kết cấu cách - Ứng suất nén bê tông đạt đến cường độ giới hạn Rb 150 năm Các phương pháp tính tốn tải trọng lớn áp dụng mơ hình lý - Ứng suất cốt thép chịu kéo đạt đến cường độ giới hạn Rs thuyết đàn hồi tuyến tính mơn sức bền vật liệu để tính ứng suất kết cấu thép hay - Bê tông chịu kéo không tham gia chịu lực ứng suất bê tông cốt thép kết cấu Công thức tổng quát: M ≤ [M] = MP k BTCT (Võ Bá Tầm, 2015) Trong đó: M, [M], Mp nội lực tải Cơ sở thiết kế dựa giả thuyết trọng, nội lực cho phép, nội lực phá hoại sau: vật liệu - Vật liệu bê tông làm việc giai đoạn đàn k > hệ số an toàn hồi, quan hệ ứng suất – biến dạng tuân theo 2.2.3 Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn định luật Hooke Lấy giai đoạn trạng Phương pháp thiết kế thường dùng thái ứng suất – biến dạng cấu kiện chịu uốn thiết kế kết cấu BTCT kết cấu thép làm sở tính tốn Phương pháp xem bê tông vật liệu - Sơ đồ ứng suất bê tơng chịu nén có dạng đàn hồi dẻo, sử dụng giả thiết tính hình tam giác tốn phương pháp tính theo nội lực phá - Bê tông chịu kéo không tham gia chịu lực hoại (Võ Bá Tầm, 2015) - Toàn ứng suất kéo cốt thép chịu Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới - Qui đổi vật liệu BTCT không đồng thành hạn hợp lý phương pháp thiết kế theo vật liệu đồng chất bê tông ứng suất cho phép Độ tin cậy tải trọng Ứng suất cấu kiện tải trọng tác xét đến phương pháp thể dụng yêu cầu phải nhỏ ứng suất cho phép việc sử dụng hệ số tải trọng tổ vật liệu hợp tải Các hệ phá hoại xét R [ ] ≤ = đến trực tiếp thông qua sử dụng hệ số giảm sức bền (Ф dựa phương pháp thống kê điều – hệ số an toàn vật liệu kiện đo lường phản ánh thay Phương pháp thiết kế theo ứng suất cho đổi tăng/giảm hợp lý tải trọng tác dụng từ phép có số khiếm khuyết đáng kể: giá trị tải trọng trung bình tính tốn Sau đó, - Khơng xét đến thay đổi tải trọng (tĩnh áp dụng lý thuyết đàn hồi tuyến tính cho tải tải hoạt tải) tính tốn để tính nội lực thành phần kết - Ứng suất thành phần kết cấu cung cấu Sức chịu tải thành phần tính cấp thơng tin khả chịu tải toán với giả thuyết tiết diện kết cấu làm cấu kiện hay tồn kết cấu việc khơng đàn hồi (inelastic behavior) - Độ tin cậy thiết kế (hay hệ số an tồn) Phương pháp chia làm nhóm: khơng biết a) Nhóm trạng thái giới hạn thứ (TTGH1): 2.2.2 Phương pháp thiết kế BTCT theo nội lực phá tính theo độ bền hoại Các kết cấu cơng trình phải đủ khả Phương pháp xem vật liệu bê tông vật liệu đàn hồi - dẻo (Võ Bá Tầm, 2015) Lấy chịu lực suốt q trình sử dụng kiểu phá hoại khơng mong muốn khác cơng trình Tính theo TTGH1 nhằm đảm Thiết kế theo sức kháng đề xuất đầu bảo cho kết cấu: tiên Blume, Newmark, Corning, Sozen Khơng bị phá hoại dịn, dẻo biến (1961) vào cuối thập niên 1950 phát dạng phá hoại khác triển nhiều chuyên gia kỹ thuật New Không bị ổn định mặt hình dạng Zealand từ thập niên 1970 vị trí 2.2.5 Phương pháp thiết kế dẻo Không bị phá hoại mỏi Phương pháp thiết kế dẻo đơn Tính tốn độ bền (khả chịu lực) thiết kế sức bền sử dụng phân tích chảy dẻo theo điều kiện: S ≤ Sgh khơng dùng phân tích đàn hồi tuyến tính Trong đó: S – nội lực bất lợi tải trọng để tính thành phần nội lực Vu, Mu Thiết gây kế dẻo thường xem xét với phương pháp Sgh – khả chịu lực kết cấu đường chảy dẻo hệ sàn BTCT Nguyên tắc làm việc TTGH1 phân tích chảy dẻo cấu phá hủy b) Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH2): đề xuất khớp dẻo thiết kế biến dạng chi tiết cho đáp ứng phi tuyến Dùng phương Việc tính toán nhằm đảm bảo làm việc pháp thiết kế theo sức bền, ta tính sức bình thường kết cấu cho: bền kết cấu ФMn, sau dùng phương - Khơng có biến dạng vượt q giới hạn cho pháp thiết kế theo khả để ngăn ngừa phép (độ võng, góc xoay…) kiểu phá hoại khơng mong muốn - Khơng cho hình thành mở rộng khe nứt 2.2.6 Phương pháp thiết kế dựa chuyển vị mức cho phép (Displacement-based design - DBD) Thập Điều kiện biến dạng là: f ≤ fgh niên 1990 xuất đổi đáng kể Trong đó: f biến dạng kết cấu kỹ thuật thực hành chống động đất tải trọng tiêu chuẩn gây Các phương pháp thiết kế theo lực fgh biến dạng cho phép để đảm bảo điều chiếm vị trí độc tơn gần 80 năm bắt đầu kiện làm việc bình thường nhường chỗ cho phương pháp thiết kế Điều kiện hình thành mở rộng khe nứt theo chuyển vị cơng trình (độ lệch tầng là: acrc ≤ [acrc] - story drift) đến chảy dẻo sụp đổ Trong đó: acrc bề rộng khe nứt tải phát triển dựa nguyên lý đề xuất trọng tiêu chuẩn gây Sozen, [acrc] bề rộng khe nứt cho phép để đảm Moehle (1992) tác giả khác hai bảo điều kiện làm việc bình thường thập niên 1970-1980 2.2.4 Phương pháp thiết kế theo sức kháng Thiết kế Các tiêu chuẩn thiết kế chống động đất theo sức kháng dùng để ngăn cản thừa nhận từ lâu cơng trình nhà cấu phá hủy khơng mong muốn, ví cầu trải qua biến dạng phi tuyến đáng kể dụ dầm bị phá hủy cắt (kiểu phá hủy trước sụp đổ Nhờ kiến thức hiểu biết dòn) xảy trước phá hủy uốn hư hỏng cơng trình liên quan trực (kiểu phá hủy dẻo), hay cột khung bị phá hủy tiếp đến biến dạng lực, uốn xảy trước dầm khung phá hủy kỹ sư chuyên ngành kết cấu ngày có uốn khuynh hướng phân tích, thiết kế, đánh Dùng phương pháp thiết kế theo sức giá làm việc BTCT dựa tính kháng, ta cân đối kích thước cấu kiện theo tốn chuyển vị cấu phá hủy khơng mong muốn bố trí thép Thực thiết kế dựa chuyển vị khơng cho ứng xử dẻo Sau đó, ta xác định sức bền thể sử dụng công cụ thiết kế độc lớn nhất: Mp ≥ Mu = ФMn Từ xác định tải lập Đúng phải cung cấp trước độ trọng áp dụng Vp gây Mp Cuối thiết bền tối thiểu ứng với điều kiện tải trọng kế thành phần cịn lại kết cấu để tránh bình thường (service load) Tuy nhiên, thiết kế dựa chuyển vị chấp nhận rộng rãi từ 10 năm trước phương pháp sở tài liệu hướng dẫn kỹ thuật FEMA 273 274 nhằm thiết kế hay cải tạo kết cấu cơng trình chống động đất Thiết kế kết cấu phương pháp kiểm soát hư hại Phương pháp thiết kế kiểm soát hư hại phương pháp thiết kế nghiên cứu Trong tiêu chuẩn xây dựng quốc tế Việt Nam (TCVN 9386:2012, 2012) có đề cập đến phần yêu cầu tính lựa chọn hợp lý để đánh giá trạng thái hư hại kết cấu chịu động đất Banon H Veneziano D (1982) sử dụng mơ hình đơn giản góc xoay tích lũy chuẩn hóa mức độ hư hại (DI), thể tỷ lệ tổng góc xoay miền đàn hồi chu kỳ Vài năm sau, Park Ang (1985) đề xuất mơ hình phân tích mức độ hư hại (DI) kết hợp hai yếu tố biến dạng lượng trễ cơng thức (3) tiêu chí hạn chế hư ( =� hỏng cần tuân theo ) ���� hạn chế Trong nghiên cứu này, số phá hoại có giá trị từ Trong um (không hư) đến chuyển vị tối đa (sập) sử dụng hệ bậc tự để thiết kế BTCT (SDOF) chịu động 3.1 Lựa chọn đất, uu chuyển vị mơ hình tới hạn tải đơn phân tích điệu, Eh mức độ hư lượng trễ bị tiêu tán hại hệ bậc tự Mơ hình hư hại do, Fy lực dẻo chia làm hai β hệ số ảnh hưởng loại sau: tải chu kỳ khơng tích lũy Park Ang tích lũy Lựa chọn (1985) phân loại mơ hình phân tích trạng thái thiệt hư hại tích lũy hại vào năm cấp độ sau: DI < 0.1 0.1 ≤ DI < 0.25 0.25 ≤ DI < 0.40 0.4 ≤ DI < 1.00 DI ≥ 1.00 Tabeshpour et al (2004) đề xuất DI ≥ Khơng có hư hỏng không xuất vết nứt nhỏ Hư hỏng nhỏ: vết nứt nhỏ xuất Hư hỏng vừa: vết nứt nghiêm trọng, nứt cục Hư hỏng lớn: bê tông nát, cốt thép lộ Sụp đổ 0.8 thể sụp đổ Park Ang (1985) đề xuất mức độ hư hại cho tầng cho tồn cơng trình, sử dụng hệ số trọng lượng dựa số lượng hấp thụ phần tử phận (1992), người sử dụng ứng xử mô men – độ cong để thay cho biến dạng đề xuất Park Ang (1985) tính tốn thể cơng thức (4) = − ( ) � �� � � − � � � � � � � Mơ hình Park Ang (1985) biết đến nhiều sử dụng rộng rãi nhất, phần lớn cách áp dụng chung định nghĩa rõ ràng mức độ hư hại khác Tuy nhiên, có số hạn chế sau đây: DI > thành phần cơng trình nằm giai đoạn đàn hồi, DI > cơng trình bị sập đổ khơng có giới hạn mức Do hạn chế mà khái niệm Park Ang (1985) sửa đổi nhà nghiên cứu Bozorgnia Bertero (2001) Tuy nhiên, việc sửa đổi quan trọng lại thuộc Kunnath cộng Trong đó, θm góc xoay tối đa q trình chịu tải, θu góc xoay tới hạn, θr góc xoay hồi phục dỡ tải My momen dẻo Năng lượng hấp thụ kết cấu liên quan chặt chẽ với mức độ hư hại Do đó, mức độ hư hại thể tỷ số nhu cầu lượng Eh, với khả hấp thụ lượng kết cấu tải trọng đơn Eh,u Tuy nhiên đề xuất mức độ hư hại lại khơng có giới hạn cụ thể để xác định trạng thái hư hại công trình Ghi nhận vấn đề Cao Van Vui cộng (2014) đề xuất mơ hình mức độ hư hại mà sau sửa đổi tác công thức (5), (6) (7) 𝐷I = [ �ℎ ]𝛼(N−i) �ℎ � 𝑒� (5) 𝛼 hệ số điều chỉnh kể đến ảnh hưởng số lượng lần lặp Chỉ số hư hại Park Ang (1985) gặp phải số nhược điểm việc mức độ hư Nℎ,�𝑜𝑙𝑙𝑎𝑝𝑠𝑒 = � (6 ) = 𝛾�ℎ,1�𝑜𝑙𝑙𝑎𝑝𝑠 hại DI > cơng trình bị sập đổ 𝑒 �ℎ,1� �ℎ, 1� (7) i = �ℎ � ℎ, 1� Trong đó, Eh,1collapse Eh,1y lượng trễ cho chu kỳ tới hạn lượng trễ cho chu kỳ dẻo N số lượng tương đương chu kỳ dẻo sụp đổ, i số lượng tương đương chu kỳ dẻo ứng với thời điểm tải tác dụng (i ≤ N) γ thông số tính đến khác biệt Eh,1collapse lý thuyết Eh,collapse thực tế Để đơn giản hóa, γ = sử dụng nghiên cứu Việc sử dụng γ = dẫn đến đánh giá thấp đánh giá cao Eh,collapse cho điều kiện tải điển hình DI >0.1 bắt đầu hư hại Sau đề xuất mức độ hư hại Kunnath cộng (1992) có nhược điểm tương tự Park Ang (1985) Với đề xuất mức độ hư hại Cao Van Vui cộng (2014) sát với thực tế hư hại tác giả trình bày rõ phần đề xuất mức độ hư hại Chính vậy, việc phân tích mức độ hư hại báo sử dụng mức độ hư hại theo đề xuất Cao Van Vui cộng (2014) 3.2 Thiết kế BTCT chịu động đất phương pháp kiểm soát hư hại Thiết kế kết cấu BTCT phương pháp kiểm sốt hư hại sơ đồ hóa Hình Bắt đầu Lựa chọn băng gia tốc đại diện cho khu vực thiết kế Thiết kế sơ Thiết lập mức độ hư hỏng giới hạn giới hạn [DI] Điều chỉnh thiết kế Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian Tính tốn số phá hoại DI Không thỏa Không hợp lý DI ≤ [DI] Thỏa Đánh giá mức độ hợp lý số phá hoại Hợp lý Kết thúc Hình Quy trình thiết kế BTCT chịu động đất theo phương pháp kiểm soát hư hại Thiết lập mức độ hư hỏng giới hạn: Kỹ sư kết cấu thảo luận với chủ đầu tư quan nhà nước có thẩm quyền mức độ hư hỏng Bảng Các cấp độ hư hỏng giới hạn [DI] ứng với cường độ động đất thiết kế theo Bảng Chỉ số phá hoại giới hạn tảng chấp nhận cho thiết kế sở Ký hiệ u Chỉ số phá hoại - 0.05 + 0.05 0.25 0.25 0.50 0.50 0.75 0.75 1.00 x ▲ ● Thiết kế sơ bộ: Các phân tích động lực học sử dụng để xác nhận việc thiết kế cơng trình đáp ứng mức độ hư hỏng đề DI ≤ [DI] Để thực phân tích có ý nghĩa, kỹ sư thiết kế phải xác định phân bố độ cứng, cường độ, khối lượng tính trễ yếu tố chúng trải qua trận động đất phát sinh biến dạng phi tuyến Điều chỉnh thiết kế: thay đổi kích thước, vật liệu cấu kiện, thay đổi số lượng Miêu tả Khơng có hư hỏng hư hỏng nhỏ Hư hỏng nhẹ Hư hỏng vừa Hư hỏng nặng Sụp đổ đường kính cốt thép Mục đích bước làm giảm mức độ hư hại cho phần tử có độ hư hại lớn phân tích trước Đánh giá mức độ hư hỏng: đánh giá phân bố hư hỏng cột, dầm có hợp lý hay khơng, có cần thay đổi để tối ưu độ hư hại phân bố kết cấu Ví dụ Ta xét lại thí nghiệm Bracci (1992): khung bê tông cốt thép ba tầng chịu trọng lượng thân thể Hình Hình Mơ hình khung tầng (Bracci J R., 1995) Bước 1: Thiết kế sơ Kích thước (tính inch) chi tiết cốt thép thể Bảng Giá trị trung bình mơ đun đàn hồi bê tơng Ec = 24.200 MPa cường độ trung bình fc' = 27,2 MPa (dao động từ 20,2-34,2 MPa) Bảng cho thấy bốn loại cốt thép tính chất chúng sử dụng cho khung Tổng trọng lượng tầng khoảng 120 kN, gồm trọng lượng thân dầm, cột, trọng lượng gắn thêm vào mơ Hình Thơng tin chi tiết mơ hình xem Bracci (1992) Bracci et al (1995) Thí nghiệm sử dụng thành phần gia tốc N21E trận động đất Taft, xảy vào ngày 21 tháng năm 1952 khu vực Lincoln School Tunnel bang California có gia tốc (PGA) 0.30g Bảng Các tính chất cốt thép C Đườ ố n t g t k h í é n p h ( m m ) D D 1 ga 7 11 ga Cườn g đ ộ d ẻ o ( M P a ) Cường Mô đ đ ộ u t n đ i h n h n ồi ( ( M M P P a a) ) 46 50 8.8 3.3 4 26 37 2.0 2.3 1 39 44 9.9 1.2 6 38 48 6.1 2.6 5 Ứn g su ất tớ i hạ n Hình Kích thước bố trí cốt thép mơ hình khung ba tầng (Bracci et al., 1995) Bước 2: Thiết lập mức độ hư hỏng giới hạn cho phép [DI] Trong ví dụ này, khung thí nghiệm chịu trận động đất mạnh nên ta chọn mức độ hư hỏng nặng [DI] = 0.75 Bước 3: Phân tích phi tuyến lịch sử thời gian chịu tải Bước ta thực khai báo SAP2000 Bảng cho thấy tải dọc trục cột giả định không đổi trận động đất Các đường cong momen lên đến ứng suất nén tới hạn bê tơng có cách sử dụng mơ hình thớ, mặt cắt ngang rời rạc hóa thành nhiều thớ Sự phân bố biến dạng giả định tuyến tính ứng suất thớ dựa mơ hình vật liệu, với biến dạng xác định trọng tâm thớ Các vòng lặp phân phối biến dạng dừng lại điều kiện cân đạt Áp dụng hướng dẫn FEMA 356 (ASCE, 2000) để có ứng xử tiền tới hạn trước sụp đổ Bằng cách sử dụng kỹ thuật khớp dẻo, ta thu đường cong momen – góc xoay dùng để phân tích phi tuyến Sheikh Khoury (1993) đề xuất chiều dài khớp dẻo Lp = h dựa quan sát từ hư hỏng thực nghiệm khung áp dụng trường hợp nghiên cứu Hiệu ứng hạn chế nở hông cốt đai (confinement) tính cho cột bỏ qua cho dầm nghiên cứu Tương tác lực dọc mơ men có xét phân tích Ngồi bỏ qua ổn định cốt thép dọc Các phần tử LINK liên kết phi tuyến tuân theo mơ hình trễ Takeda (1970) SAP2000 sử dụng để mơ hình kết cấu Hình Các tần số kết cấu xác định 1,70, 5,30 9,03 Hz Hình Mơ hình khung tầng với phần tử LINK Bước 4: Tính tốn số hư hỏng DI Mơ hình hư hỏng sử dụng để xác định vị trí định lượng hư hỏng kết cấu trận động đất Hình cho thấy trạng thái hư hỏng cho trận động đất Taft ứng với PGA 0.30g Chú ý trạng thái hư hỏng biểu thị cho cấp số phá hoại khác Bảng Các số phá hoại 0.005 bỏ qua, khơng thể hình Ký hiệu Chỉ số phá hoại Miêu tả - 0.05 Khơng có hư hỏng hư hỏng nhỏ + 0.05 - 0.25 Hư hỏng nhẹ x 0.25 - 0.50 Hư hỏng vừa ▲ 0.50 - 0.75 Hư hỏng nặng ● 0.75 - 1.00 Sụp đổ Hình Phân tích hư hỏng khung chịu trận động đất Taft có gia tốc đỉnh 0.30g Bước 5: Đánh giá mức độ hư hỏng Với kết mức độ hư hỏng cột dầm khung, ta thấy phân bố hư hỏng chưa hợp lý Cụ thể, hai cột tầng bị hư hại nhiều so với cột biên tầng Do đó, cột nên thiết kế lại để giảm độ hư hại cho không khác nhiều so với độ hư hại cột biên Theo phương pháp thiết kế cách kiểm soát mức độ hư hại kiến nghị báo này, thiết kế phải điều chỉnh lại Thiết kế điều chỉnh thông qua bước sau: Bước 6: Điều chỉnh thiết kế: bước thực cách tăng thêm diện tích cốt thép tăng tiết diện cột hai Trong ví dụ này, thiết kế điều chỉnh cách tăng lượng cốt thép hai cột lên thêm 15% so với lượng cốt thép ban đầu Sau thực lặp lại bước đến Bước (lặp): Ta thực lại phân tích phi tuyến lịch sử thời gian Bước (lặp): Kết phân tích lại bước sử dụng để tính tốn lại chỉ số hư hại DI Kết Hình Ký hiệu Chỉ số phá hoại Miêu tả - 0.05 Khơng có hư hỏng hư hỏng nhỏ + 0.05 - 0.25 Hư hỏng nhẹ x 0.25 - 0.50 Hư hỏng vừa ▲ 0.50 - 0.75 Hư hỏng nặng ● 0.75 - 1.00 Sụp đổ Hình Phân tích hư hỏn g khu ng điều h thiết kế chịu trận độn g đất Taft có gia tốc đỉn h nề n 0.3 0g Bước (lặp): Đánh giá mức độ hư hỏng: Chỉ số hư hại hai cột điều chỉnh thiết kế tầng giảm Sự phân bố hư hại khung hợp lý so với ban đầu Kết luận Bài báo trình bày minh họa phương pháp thiết kế kết cấu BTCT chịu động đất cách kiểm sốt hư hại Một quy trình thiết kế theo phương pháp kiến nghị Trong đó, cơng trình chịu động đất phân tích phi tuyến theo thời gian Sau đó, mơ hình độ hư hại áp dụng để tính tốn mức độ hư hại kết cấu Mức độ hư hại so sánh với mức độ hư hại cho phép Phân tích cụ thể cho kết cấu khung tiến hành Kết cho thấy mức độ hư hại kiểm sốt số hư hại Tính ưu việt phương pháp thiết kế phân bố hư hại kết cấu điều chỉnh lại cho hợp lý Tuy nhiên, số vấn đề mà tác giả phải nghiên cứu hoàn thiện� Tài liệu tham khảo Banon H Veneziano D (1982) Seismic safety of reinforced members and structures Earthquake Engineering & Structural Dynamics Bozorgnia Bertero (2001) Evaluation of damage potential of recorded earthquake ground motion Seismological Research Letters, 72(2), 233 Bracci, J (1992) Experimental and analytical study of seismic damage and retrofit of lightly reinforced concrete structures in low seismicity zones, State University of New York at Buffalo Bracci, J R (1995) Seismic retrofit of reinforced concrete buildings designed for gravity loads: performance of structural system ACI Structural Journal, 92(5) Comite Europeen de Normalisation (2004) Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance Part 1: General Rules, Seismic Actions and Rules for Building IBC (2003) International Building Code, International Code Council J.P.Moehle (1992) Displacement based design or RC structures Kunnath, S.K., Reinhorn, A.M., and Lobo, R.F (1992) IDARC Version 3.0: A Program for the Inelastic Damage Analysis of Reinforced Concrete Structures Report No NCEER-92-0022, National Center for Earthquake Engineering Research, State University of N Nathan M Newmark, a L (1961) Design of Multistory Reinforced Concrete Nguyễn Hồng Hà, Nguyễn Hồng Hải, Vũ Xuân Thương (2013) Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính cho nhà cao tầng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, 3+4 Outrigger Design for High-Rise Buildings, CTBUH (2012) Park, Y.-J., and Ang, A.H.-S (1985) Mechanistic seismic damage model for reinforced concrete Journal of Structural Engineering, 111(4), 722-739 Recommendations for the Seismic Design of High-rise Buildings, CTBUH (2008) Sheikh, S.A., and Khoury, S.S (1993) Confined concrete columns with stubs ACI Structural Journal, 90(4), 414431 Tabeshpour, M.R., Bakhshi, A., and Golafshani, A.A (2004) Vulnerability and damage analyses of existing buildings 13th World Conference on Earthquake Engineering, 1261 Takeda, T S (1970) Reinforced concrete response to simulated earthquakes Journal of the Structural Division, 96, 2557-2573 TCVN 9386:2012 (2012) Thiết kế cơng trình chịu động đất UBC (1997) Uniform Building Code International Council of Building Officials, Võ Bá Tầm (2015) Kết cấu bê tông cốt thép - Tập (phần cấu kiện bản) TPHCM: Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TPHCM Vui Van Cao, H R (2014) A new damage index for reinforced concrete atructures Journal of Earthquakes and Structures, 6, 581-609 ... tích ưu nhược điểm phương pháp thiết kế hành Đồng thời, đề xuất phương pháp – phương pháp thiết kế kết cấu BTCT chịu động đất cách kiểm soát hư hại Trong phương pháp thiết kế này, mức độ hư hại cơng... kế hay cải tạo kết cấu cơng trình chống động đất Thiết kế kết cấu phương pháp kiểm soát hư hại Phương pháp thiết kế kiểm soát hư hại phương pháp thiết kế nghiên cứu Trong tiêu chuẩn xây dựng... độ hư hại Chính vậy, việc phân tích mức độ hư hại báo sử dụng mức độ hư hại theo đề xuất Cao Van Vui cộng (2014) 3.2 Thiết kế BTCT chịu động đất phương pháp kiểm soát hư hại Thiết kế kết cấu BTCT