Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích tĩnh phi tuyến vật liệu của khung phẳng bê tông cốt thép có tường chèn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

WITH INFILLED WALL

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số ngành: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG TP HCM

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Châu Đình Thành PGS.TS Lê Anh Tuấn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 07/02/1990 Nơi sinh: Quảng Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 8580201

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài Thu thập dữ liệu thí nghiệm và dữ liệu mô phỏng khung bê tông cốt thép có tường xây chèn

2 Thiết lập công thức tính toán thanh chịu nén tương đương thay thế tường xây chèn cho trường hợp thanh chống đơn và ba thanh chống

3 Khảo sát mô hình khung phẳng so với kết quả thực nghiệm để chứng tỏ tính hiệu quả, độ tin cậy của phương pháp và công thức đề xuất Khảo sát trên mô hình không gian, đề xuất hướng tiếp cận trong thực tiễn thiết kế bằng mô hình thanh chống đơn, để đạt hiệu quả cao hơn trong phân tích và xem xét tính phù hợp trong thiết kế

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: tháng 02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: tháng 06/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Ngô Hữu Cường

TS Thái Sơn

TP.HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2023

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS Ngô Hữu Cường TS Thái Sơn

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS Ngô Hữu Cường

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời chân thành biết ơn đến Thầy PGS.TS Ngô Hữu Cường và Thầy TS Thái Sơn, những người đã hướng dẫn tận tình để tôi hoàn thành luận văn này Các Thầy luôn sẵn lòng chia sẻ, truyền đạt nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học của mình cho tôi, các Thầy đã động viên và nghiêm khắc khi cần thiết giúp tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin tỏ lòng biết ơn đến tất cả các Thầy Cô đã từng tham gia giảng dạy lớp cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng khoá 2021 Các Thầy Cô đã xây dựng, củng cố giúp tôi những nền tảng kiến thức để tôi có lộ trình cụ thể phát triển trên con đường nghiên cứu khoa học và nghề nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn đến sự động viên, chia sẻ, khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp để tôi luôn nỗ lực học tập và nghiên cứu

Luận văn này đã được hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân trong thời gian quy định, tuy vậy khó có thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi có thể hoàn thiện hơn

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn! Trân trọng

TP HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2023

Phan Thanh Vũ

TÓM TẮT

Luận văn này tập trung phát triển mô hình phân tích để mô phỏng ứng xử phi tuyến vật liệu cho khung chèn tường bằng phần mềm phần tử hữu hạn Nghiên cứu sử dụng kết quả thực nghiệm của tác giả Đ.L.K Quốc [55] có kiểm chứng bằng mô hình phần tử hữu hạn, dùng phương pháp simplified microscale modeling Kết quả nghiên cứu trong bài luận văn chỉ ra rằng ứng xử của mô hình ba thanh chống so với kết quả thực nghiệm chính xác hơn mô hình thanh chống đơn Tuy nhiên mô hình ba thanh chống phức tạp và cần nhiều thời gian tính toán phân tích, hầu như không thể tiếp cận được trong thực tiễn thiết kế, trong khi đó kết quả nội lực, chuyển vị mô hình thanh chống đơn theo mô hình đề xuất của bài luận văn không thay đổi đáng kể so với mô hình ba thanh chống (<8%) Do đó bài luận văn đề xuất sử dụng mô hình thanh chống đơn để áp dụng trong các bài toán thiết kế, hoặc khảo sát dự đoán tương tác giữa khung với tường xây chèn Điểm mới trong luận văn có xét đến góc nén hiệu quả, cường độ chịu nén của tường gạch xây và ổn định ngoài mặt phẳng của tường xây chèn, do đó có thể tổng quát hóa các trường hợp khác biệt về vật liệu ở yếu tố vùng miền, cho tất cả các loại gạch xây Các kết quả thu được trong nghiên cứu này là tiền đề để thực hiện các nghiên cứu khác, nhằm tính toán sự suy giảm độ cứng của mô hình thanh chống đơn trong khung chèn tường có lổ mở, đại diện cho cơ chế phá hoại tại tầng mềm (các khu vực không được xây tường chèn thường thấy ở tầng trệt), cũng như phát triển tính toán tỷ lệ góc mở 

(góc hợp bởi đường chéo tường chèn và trục dầm) nhằm xác định kích thước tường xây chèn hiệu quả

ABSTRACT

This thesis focuses on developing an analytical model to simulate the nonlinear behavior of materials in the wall-frame structure using finite element software The study utilizes experimental results from the work of author Đ.L.K.Quoc [55], which are validated through a finite element model employing the simplified microscale modeling method The research findings in this thesis indicate that the behavior of the three struts model is more accurate compared to the single strut model as per the experimental results However, the three struts model is complex and requires extensive computational analysis, making it impractical for design purposes Conversely, the internal force and displacement results of the single strut model proposed in this thesis do not significantly differ from the three struts model (<8%) Consequently, the thesis proposes the utilization of the single strut model for application in design problems or for investigating and predicting the interaction between the frame and the infill wall An innovative aspect of this thesis lies in the consideration of effective compression angles, compressive strength of the brick infill wall, and out-of-plane stability of the infill wall This allows for generalization across various cases of material differences in the local, encompassing all types of brick infill

The outcomes obtained in this study serve as a foundation for conducting further research to calculate the stiffness reduction of the single strut model in wall-frame structures with openings, representing the soft-story mechanism (often observed in areas where the infill wall is absent, typically at the ground level) Additionally, the study aims to develop calculations for the angle ratio  (angle formed by the diagonal of the infill wall and the beam axis) to determine the effective dimensions of the brick infill wall

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Phan Thanh Vũ, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, khóa 2021, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan rằng đây là luận văn do bản thân tự thực hiện Các số liệu, kết quả trong luận văn này hoàn toàn trung thực Việc tham khảo các nguồn thông tin, tài liệu trong luận văn này đã được trích dẫn và ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong luận văn của mình

TP HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2023

Phan Thanh Vũ

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN 23

2.1 Mô hình thanh chống đơn đàn hồi 23

2.2 Mô hình ba thanh chống sau đàn hồi 38

2.2.1 Phân tích phi tuyến và phi tuyến vật liệu khung tường chèn 41

2.2.2 Mô hình phi tuyến vật liệu thép, bê tông và tường chèn 43

2.2.3 Phương pháp mô hình hóa 46

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM CHỨNG 553.1 Kết quả thực nghiệm 55

3.2 Phương pháp mô hình 60

3.3 Thông số vật liệu của bê tông và cốt thép 62

3.4 Kiểm chứng với mô hình vi mô đơn giản 66

3.5 Kết quả khảo sát 68

CHƯƠNG 4: VÍ DỤ TÍNH TOÁN 71

4.1 Khảo sát mô hình khung phẳng chịu tải trọng ngang 71

4.1.1 Mô hình khung không thanh chống 71

4.1.2 Mô hình khung thanh chống đơn 73

4.1.3 Mô hình khung ba thanh chống 76

4.1.4 So sánh các mô hình và thực nghiệm 79

4.1.5 So sánh với các nghiên cứu trước 80

4.2 Khảo sát mô hình khung không gian chịu tải trọng ngang 82

4.2.1 Mô hình khung không thanh chống 84

4.2.2 Mô hình khung thanh chống đơn (theo mỗi hướng) 85

4.2.3 Mô hình khung ba thanh chống (theo mỗi hướng) 87

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Kết quả phân tích pushover cho khung K1 [3] 3

Hình 1.2 Mô hình nhiều thanh chống [5] 4

Hình 1.3 Các mô hình khác nhau được xem xét trong nghiên cứu [6] 5

Hình 1.4 Mô hình hóa tường xây [7] 6

Hình 1.5 Kết quả của khung tường chèn dưới tải trọng lặp [7] 6

Hình 1.6 Các dạng mô hình thanh chống [10] 7

Hình 1.7 Các kết cấu hệ khung mô phỏng [11] 8

Hình 1.8 Ảnh hưởng của khung dưới tải trọng đứng và ngang [13] 8

Hình 1.9 Biến dạng của khung chèn với kích thước lổ mở khác nhau [13] 9

Hình 1.10 Mô hình 3D với các bố trí tường chèn khác nhau [14] 9

Hình 1.11 Đường cong khả năng trong phân tích đẩy dần tĩnh phi tuyến [14] 10

Hình 1.12 Mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm FEAP [15] 11

Hình 1.13 Mô hình cho phần tử khung và tường chèn [16] 12

Hình 1.14 Tòa nhà nghiên cứu điển hình [16] 12

Hình 1.15 Sơ đồ mô hình số trong SAP 2000 [17] 13

Hình 1.16 Mô hình M2: Dạng nứt và phần trăm bê tông phá hoại [19] 14

Hình 1.17 Mô hình M3: Ứng suất cốt thép và phần trăm bê tông phá hoại [19] 14

Hình 1.18 Mô hình của khung RC với 2 nhịp và 6 phần tử/ bề rộng [20] 15

Hình 1.19 Kết quả chuyển vị của mô hình [21] 16

Hình 1.20 Kết quả tổng thể: a) Lực với chuyển vị; b) Lực với thời gian [21] 16

Hình 1.21 Mô hình thanh chống tương đương của tường chèn [22] 17

Hình 1.22 Khung – tường chèn dưới tải ngang và sơ đồ đơn giản hóa [22] 18

Hình 2.1 Tương tự dầm trên nền đàn hồi của tường chèn và khung [49], [50] 24

Hình 2.2 Bề rộng thanh chống tương đương [49], [50] 24

Hình 2.3 Mô hình khung tương đương thanh chống đơn 25

Hình 2.4 Kết cấu dầm và cột trên nền đàn hồi 26

Hình 2.5 Thanh vô hạn trên nền đàn hồi và tải trọng đặt tại gốc tọa độ [48] 28

Hình 2.6 Dầm nửa vô hạn trên nền đàn hồi và tải tại đầu dầm 30

Hình 2.7 Sơ đồ thanh chống đơn quy đổi 35

Hình 2.8 Sơ đồ đơn giản hóa thanh chống đơn 36

Hình 2.9 Sơ đồ ba thanh chống (thanh chống chính và hai thanh chống bổ sung) 39

Hình 2.10 Sơ đồ ba thanh chống quy đổi 39

Hình 2.11 Sơ đồ đơn giản hóa ba thanh chống 40

Hình 2.12 Phần tử thanh Bernoulli chia thớ tiết diện [52] 43

Hình 2.13 Quan hệ ứng suất – biến dạng của thép [53] 44

Hình 2.14 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông [54] 44

Hình 2.15 Quan hệ ứng suất (σ) – biến dạng (ε) của gạch xây AAC 45

Hình 2.16 Biểu đồ lực cắt đáy – chuyển vị từ phân tích Pushover [40] 47

Hình 2.17 Mô hình khớp dẻo cho khung 48

Hình 2.18 Mô hình khớp dẻo cho dầm [56] 48

Hình 2.19 Cách xác định đặc tính khớp dẻo [56] 49

Hình 2.20 Kết nối khớp dẻo đến nút [56] 49

Hình 2.21 Quan hệ lực - biến dạng của khớp dẻo theo FEMA 356 [46] 51

Hình 2.22 Ứng xử tại khớp dẻo theo FEMA 356 [46] 51

Hình 3.1 Sơ đồ lắp đặt khung thử nghiệm [3] 55

Hình 3.2 Chi tiết khung thử nghiệm 56

Hình 3.3 Ứng suất (σ) – biến dạng (ε) của gạch AAC 58

Hình 3.4 Kết quả thực nghiệm khung K1a-II [3] 59

Hình 3.5 Chuyển vị ngang tương đối của khung 60

Hình 3.6 Các phần tử khối trong Abaqus [64] 61

Hình 3.7 Phần tử thanh trong Abaqus [64] 61

Hình 3.8 Các kiểu tiếp cận mô hình tường xây [68] 61

Hình 3.9 Mô hình ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu nén [69] 62

Hình 3.10 Mô hình chỉ số phá hoại của bê tông khi chịu kéo và chịu nén [69] 64

Hình 3.11 Mặt chảy dẻo tuyến tính trong mô hình dẻo Drucker-Prager [64] 66

Hình 3.12 Mô hình hóa vi mô đơn giản tường xây chèn 69

Hình 3.13 Kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng khung K1a-II 70

Hình 4.1 Mô hình kết cấu khung không thanh chống 72

Hình 4.2 Các cấp độ khớp dẻo hình thành trong khung 72

Hình 4.4 Mô hình kết cấu khung thanh chống đơn 73

Hình 4.5 Các cấp độ khớp dẻo hình thành trong khung 75

Hình 4.6 Biểu đồ lực cắt đáy – chuyển vị đỉnh (đường cong khả năng) 75

Hình 4.7 Mô hình kết cấu khung ba thanh chống 76

Hình 4.8 Các cấp độ khớp dẻo hình thành trong khung 78

Hình 4.9 Biểu đồ lực cắt đáy – chuyển vị đỉnh (đường cong khả năng) 78

Hình 4.10 So sánh với các mô hình phân tích 79

Hình 4.11 So sánh với các nghiên cứu trước cho khung thanh chống đơn 81

Hình 4.12 So sánh với các nghiên cứu trước cho khung ba thanh chống 81

Hình 4.13 Mặt bằng kết cấu tầng 1 đến tầng 6 82

Hình 4.14 Chi tiết kết cấu cột, dầm sàn 83

Hình 4.15 Mặt cắt khung kết cấu vị trí có tường chèn 83

Hình 4.16 Mô hình kết cấu khung không thanh chống 85

Hình 4.17 Mô hình kết cấu khung thanh chống đơn (theo mỗi hướng) 86

Hình 4.18 Mô hình kết cấu khung ba thanh chống (theo mỗi hướng) 88

Hình 4.19 So sánh giá trị mô men (min) dầm tầng mái 90

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Kết quả khảo sát ứng xử phi tuyến (5 mô hình) [19] 14

Bảng 1.2 Kết quả khảo sát ứng xử phi tuyến (12 mô hình) [20] 15

Bảng 1.3 Mô hình nghiên cứu vi mô và mô hình một thanh chống 20

Bảng 1.4 Mô hình nghiên cứu nhiều thanh chống 21

Bảng 2.1 Thông số a, b, c cho dầm theo FEMA 356 [46] 52

Bảng 2.2 Thông số a, b, c cho cột theo FEMA 356 [46] 53

Bảng 3.1 Xác định mô đun đàn hồi 57

Bảng 3.2 Xác định mô đun đàn hồi 58

Bảng 3.3 Ghi nhận kết quả gia tải [55] 59

Bảng 3.4 Thông số vật liệu tường gạch 68

Bảng 4.1 So sánh giá trị lực cắt đáy và chuyển vị đỉnh 79

Bảng 4.2 Giá trị bề rộng thanh chống theo các nghiên cứu trước 80

Bảng 4.3 So sánh chuyển vị đỉnh tại nút giữa các mô hình 89

Bảng 4.4 Tổng hợp nội lực dầm và cột tầng mái (tầng 6) 90

Bảng 4.5 Tổng hợp nội lực dầm và cột tầng trệt (tầng 1) 92

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Tường chèn là một trong những kết cấu dễ bị ảnh hưởng nhất đối với công trình nhà theo giải pháp bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang, thường chiếm một phần lớn chi phí trong quá trình thi công và sữa chữa, cũng như tính phổ biến của nó trong các công trình xây dựng Một số thiết kế điển hình cho tường chèn gạch là tường chèn gạch đất sét nung và gạch không nung như tường gạch AAC, tường gạch block, tường Acotec,…Việc sử dụng các khung bê tông cốt thép có tường chèn gạch xây dự kiến sẽ tiếp tục ở nhiều quốc gia do hiệu quả về chi phí và tính linh hoạt của nó

Trong các thiết kế, tường chèn được xem là thành phần phi kết cấu, sự ảnh hưởng của nó không được xem xét trong thiết kế mà chỉ xem là tải trọng, mặc dù có một số tiêu chuẩn như Eurocode 6 [39], Eurocode 8 [40], FEMA 306 [45] cũng có đề cập đến, tuy nhiên không cung cấp nhiều hướng dẫn việc xác định cụ thể trong tính toán Tính phức tạp sự tương tác giữa khung và tường chèn liên quan đến nhiều tham số dẫn đến độ phức tạp trong tính toán là một trong những lý do mà các thiết kế chưa được xem xét Do đó, bên cạnh việc có thể gây lãng phí trong chi phí đầu tư xây dựng mà việc không xét đến ứng xử của tường chèn còn những hệ quả như nứt, thấm do công tác thi công tường chèn, gây tốn kém nhiều chi phí, thời gian, làm ảnh hưởng đến uy tín thương hiệu, lòng tin của chủ đầu tư và đối tác

Ứng xử tổng thể của khung bê tông cốt thép có tường chèn gạch chịu sự chi phối của hai thành phần là tường chèn và hệ khung với đặc tính và cơ chế phá hoại khác nhau Dưới tác dụng của tải trọng ngang, tường chèn bị nén theo phương đường chéo và khả năng tiếp nhận lực sớm do độ cứng lớn, tường chèn sớm chuyển sang giai đoạn sau đàn hồi Các tài liệu khoa học chuyên ngành trong gần 65 năm qua đã giới thiệu nhiều mô hình mô phỏng ứng xử của tường chèn trong hệ kết cấu khung bê tông cốt thép chịu tác động ngang trong giai đoạn đàn hồi Khi gia tăng tải trọng ngang, ứng xử của hệ kết cấu khung - tường chèn chuyển từ tuyến tính sang phi tuyến Nghiên cứu khởi đầu năm 1960 bởi Polyakov qua đề xuất thay thế tường xây chèn bằng một thanh chống tương đương Khi tiếp tục gia tăng tải trọng sau khi mặt tiếp xúc giữa khung và tường chèn bị nứt, do

khung và tường chèn có các biến dạng không tương đồng, chúng sẽ dần dần tách khỏi nhau ngoại trừ ở các góc tại đầu mút đường chéo bị nén

Qua xem xét nghiên cứu từ thiết kế và thực tiễn cho thấy việc thiết kế hiện nay vẫn chưa xem xét ứng xử tường chèn trong khung Mặc dù vai trò thực tế của tường chèn dưới tải trọng ngang của các tòa nhà đã được công nhận rộng rãi, nhưng cho đến nay chưa có công trình nghiên cứu nào đề xuất một mô hình hoàn chỉnh và tin cậy trong phân tích ứng xử phi tuyến khung có tường chèn Trong những năm gần đây, sự quan tâm ngày càng tăng đối với phân tích phi tuyến của kết cấu khi chịu tải trọng ngang (nổ, va chạm, động đất…) Do đó mục đích chính của đề tài này là xây dựng mô hình số để phát triển phần tử giằng là phần tử thanh chỉ chịu nén có ứng xử phi tuyến để giả lập ứng xử của tường chèn trong khung bê tông cốt thép, và phát triển chương trình để mô phỏng phi tuyến khung chèn tường thông qua mô hình bằng phần mềm phần tử hữu hạn

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Khung bê tông cốt thép được mô hình bằng phần tử hai chiều, tường chèn được thay thế bằng mô hình thanh chống Vì ngay cả những mô hình chi tiết nhất của tường chèn cũng gặp khó khăn trong việc dự đoán mô hình nứt của tường chèn, mặc dù có thể thử nghiệm trên hai bức tường tương tự (khối xây, hỗn hợp vữa, điều kiện tải trọng… tương tự) thông thường hai bức tường sẽ không có kiểu nứt giống hệt nhau do sự không hoàn hảo khác nhau của liên kết mạch vữa trong mỗi bức tường Do đó việc lập mô hình được trình bày kết hợp hai cấp độ: cấp độ vĩ mô cho tường chèn và cấp độ vi mô cho khung bê tông cốt thép

Phân tích vi mô không có khả năng dự đoán vết nứt tường chèn làm suy yếu khả năng chịu lực trên các mô hình xem xét tương tác của khung chèn, do vết nứt của tường chèn ảnh hưởng trực tiếp đến các vùng tiếp xúc Do đó để đơn giản và giảm thiểu thời gian tính toán, tường chèn được thay thế bằng thanh chống theo hướng gia tải

Sự hiện diện của tường chèn làm thay đổi đáng kể hiệu suất địa chấn về độ bền, độ cứng và sự tiêu tán năng lượng Đề tài đã được nghiên cứu rộng rãi trong và ngoài nước trãi dài qua nhiều thập kỷ, các nghiên cứu được đề cập sau làm nổi bật về mô phỏng và kết quả đạt được:

• Lý Trần Cường [1] đề xuất phương pháp xác định bề rộng dải chống trên cơ sở các thông số kích thước hình học, độ cứng của khung và tường chèn bằng gạch đất sét nung, ngoài ra có xét đến ứng suất nén trong tường chèn và hệ số nền Winkler của khối xây

• Đinh Lê Khánh Quốc và cộng sự [3] đề xuất mô hình phần tử vĩ mô sử dụng đa thanh chống trên mô hình SAP 2000 để phân tích ứng xử phi tuyến của khung được chèn khối xây (gạch khí chưng áp AAC) Tác giả đã đánh giá độ tin cậy của phương pháp bằng thực nghiệm dựa trên quy mô thí nghiệm lớn: có và không có tường chèn

Hình 1.1 Kết quả phân tích pushover cho khung K1 [3]

Mô hình nhiều thanh chống tương đương dự đoán tốt được ứng xử của hệ kết cấu, đặc biệt trong giai đoạn sau đàn hồi nhằm xác định lực tới hạn thường được dùng trong thiết kế

Ngoài nước:

• Crisafulli và Carr [5] sử dụng 2 thanh chống song song và lò xo cắt theo mỗi hướng để đại diện cho ứng xử nén và cắt của khối xây chèn bằng gạch, tác giả xem xét đến phá hoại do cắt dọc theo các mối nối vữa và phá hoại do kéo của tường chèn

Hình 1.2 Mô hình nhiều thanh chống [5]

Độ cứng của lò xo chịu cắt (ks) và độ cứng dọc trục của mỗi thanh chống (kai) được xác định:

msm2ss

(1.2) Trong đó: Amslà tổng diện tích của thanh chống tương đương (dựa trên thực nghiệm và phân tích của Crisafulli, 1997), Emlà mô đun đàn hồi của khối xây, Et là mô đun tiếp tuyến của khối xây, dmlà chiều dài đường chéo của khối xây, cos2

để biểu diễn độ cứng theo hướng nằm ngang,  là độ nghiêng đường chéo và phương ngang và s = 0.5 ÷ 0.75

Qua so sánh kết quả phân tích và thực nghiệm của tác giả cho thấy rằng ứng xử theo tải trọng lặp cho khung chèn tường cần được hiệu chỉnh nhiều trên mô hình và điều này cho thấy cách tiếp cận vẫn còn khó khăn trong việc dự đoán ứng xử thực

• Haldar, Singh và Paul [6] đã sử dụng phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu SAP 2000, các dầm và cột mô phỏng dưới dạng phần tử khung 3D và thanh chống tương đương thay thế tường chèn với 2 vấn đề được xem xét:

- Các dạng phá hoại xảy ra đối với tường chèn hình dạng khác nhau, bề dày, chất lượng tường xây (cường độ khối xây trong phạm vi từ 4MPa đến 7MPa)

- Mô hình tường chèn để mô phỏng các dạng phá hoại của khung RC trong các nghiên cứu và các trận động đất trước đây tại Ấn Độ

Với mô hình thanh chống đơn, thành phần nằm ngang của toàn bộ lực chống tác dụng lên cột, trong khi mô hình hai và ba thanh chống được phân bổ theo tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang, lực cắt tác dụng lên cột lần lượt là ½ và ¼ trong trường hợp thanh chống đơn Quá trình thi công thường tồn tại khoảng hở giữa phần đỉnh tường chèn và mặt đáy của dầm, mặt tiếp xúc này rất dễ bị trượt nên loại bỏ khả năng hình thành thanh chống tiếp xúc với dầm, sử dụng phần tử “gap” trong phân tích phi tuyến để hủy kích hoạt các thanh chống chịu kéo

Hình 1.3 Các mô hình khác nhau được xem xét trong nghiên cứu [6]

Kết quả phân tích cho thấy mô hình thanh chống đơn kết nối lệch tâm với cột dự đoán sự phá hủy do cắt của cột trong mọi trường hợp phù hợp với các quan sát thực nghiệm Trong khi đó mô hình hai và ba thanh chống không thể dự đoán ứng xử quan sát được bằng thực nghiệm trong tất cả trường hợp

• Asteris và cộng sự [7] đã tổng quan các phương pháp tiếp cận mô hình phần tử hữu hạn ở mức độ vi mô đối với tường chèn của các nghiên cứu trước Trên nền tảng đó, Butenweg và Marinković [8], Butenweg và cộng sự [9] xây dựng mô hình

vi mô xét đến ứng xử không đàn hồi của khung bê tông và khối xây chèn trên phần mềm Abaqus, tác giả mô hình hóa các mối nối gạch và vữa riêng biệt nhằm xét đến tính bất đẳng hướng của tường chèn chịu tác dụng của tải trọng nén và tải trọng ngang trong và ngoài mặt phẳng

Hình 1.4 Mô hình hóa tường xây [7]

Hình 1.5 Kết quả của khung tường chèn dưới tải trọng lặp [7]

Trong đó cường độ chịu nén của từng đơn vị gạch là cường độ trung bình của khối xây, cường độ chịu kéo giả định 10% cường độ chịu nén của nó Với mô hình số cho thấy đường cong trễ phản ánh khá tốt với so với kết quả từ thực nghiệm, cho thấy tường chèn tham gia đáng kể vào mức độ thiệt hại cả trong và ngoài mặt phẳng

• Nicola và cộng sự [10] đã tổng hợp và đánh giá trên nhiều mô hình của các nghiên cứu trước đó, theo đánh giá của tác giả chỉ có nhiều thanh chống lệch tâm (tương ứng hình b và hình d) mới có thể dự đoán chính xác sự cố cắt cột thường thấy xảy ra trong các tòa nhà cũ và gây ra bởi hiệu ứng cột ngắn do tương tác giữa cột và cột

Hình 1.6 Các dạng mô hình thanh chống [10]

Các dạng mô hình thanh chống, trong đó hình (a) theo Thiruvengadam (1985); Hình (b) theo Chrysostomou và cộng sự (2002), (Asteris và cộng sự 2011); Hình (c) El-Dakhakhni và cộng sự (2003) và hình (d) Crisafulli và Carr (2007) Với cả 3 cách tiếp cận mô hình vĩ mô, trung mô và vi mô, phương pháp mô hình hóa vi mô vẫn đơn giản và được lựa chọn phù hợp trong nghiên cứu và thực hành • Yuen và Kuang [11] đã mô phỏng sáu trường hợp khung có và không có tường chèn trên phần mềm Abaqus dưới tác dụng của địa chấn, kết quả nghiên cứu đánh giá với điểm nổi bật:

- Trường hợp không mất ổn định ngoài mặt phẳng, tường chèn nâng cao tổng thể sự ổn định và tiêu tán năng lượng của kết cấu khung;

- Cột ngắn trung tâm trong khung chèn có chiều cao 2/3 tầng bị hư hỏng nghiêm trọng hơn so với cột ngắn khu vực ngoài biên;

- Việc bố trí tường chèn không đều gây ra tập trung ứng suất và phá hoại cục bộ tại tầng mềm

Hình 1.7 Các kết cấu hệ khung mô phỏng [11]

Trong đó hình (a): Kết cấu khung trần; Hình (b): Khung chèn toàn bộ; Hình (c): Khung được chèn 2/3 chiều cao tầng; Hình (d): Tầng mềm thứ nhất T1; Hình (e): Khung chèn có cửa sổ và hình (f): Khung chèn có cửa mở bên trong

• Tiếp nối công trình nghiên cứu của Asteris và cộng sự [12], [13] đã nghiên cứu xét đến ảnh hưởng của tải trọng thẳng đứng đến độ cứng ngang của khung tường chèn có lổ mở chịu tác dụng của tải trọng ngang

Hình 1.8 Ảnh hưởng của khung dưới tải trọng đứng và ngang [13]

Trong khuôn khổ vật liệu đàn hồi tác giả đã mô phỏng kích thước lổ mở ảnh hưởng đến biến dạng của khung chèn Ảnh hưởng của tải trọng thẳng đứng lên bề rộng của thanh chống tương đương cho tường chèn không có lổ mở là đáng kể và

w = r.g g(k) (l / h) .g(λ )*.d (1.3) Trong đó: r là hệ số giảm 0 < r < 1 phụ thuộc vào kích thước lổ mở trong

tường chèn, biểu thức hàmg( )k g( / )l h g( có thể được xác định từ kết quả khảo sát *)phân tích số

Hình 1.9 Biến dạng của khung chèn với kích thước lổ mở khác nhau [13] • Dumaru và cộng sự [14] đã mô hình 3D cho kết cấu 3 tầng hiện hữu tại Nepal

bằng phần mềm phần tử hữu hạn SeismoStruct, mô phỏng có khả năng khảo sát được chuyển vị của khung không gian dưới tác dụng của tải trọng tĩnh hoặc động, có xét đến tính không đàn hồi của vật liệu và tính phi tuyến hình học, kết quả được hiệu chuẩn với dữ liệu thực nghiệm bằng búa Schmidt (để xác định đặc trưng của bê tông) và gia tốc kế ở các vị trí khác nhau (để thu được tần số cơ bản và kiểu rung động của kết cấu)

Hình 1.10 Mô hình 3D với các bố trí tường chèn khác nhau [14]

Trong đó hình (a): Mô hình không chèn tường tầng trệt (BF-W/O-GI); Hình (b): Mô hình không chèn tường bên trong (BF-W/O-Int) và hình (c): Mô hình có chèn tường đầy đủ (BF-W-I)

Hình 1.11 Đường cong khả năng trong phân tích đẩy dần tĩnh phi tuyến [14] Thông qua phân tích đường cong khả năng cho thấy rằng trong trường hợp khung có tường chèn sẽ cho khả năng đạt cường độ cao hơn khoảng bốn lần và đạt chuyển vị đỉnh thấp hơn so với khung không chèn tường

• Zhai và cộng sự [15] đã sử dụng phương pháp phần tử mở rộng XFEM để mô hình hóa ứng xử phi tuyến và sự phá hủy do nén của bê tông trong các cấu kiện khung và tường chèn ở mức độ vi mô Các mô hình phân tích dựa trên phần mềm FEAP được sử dụng để kiểm chứng lại khả năng ứng dụng của phương pháp Sử dụng các phần tử tứ giác bốn nút ứng suất phẳng hai chiều, các thanh cốt thép được mô phỏng bằng phần tử giàn một chiều, các mối nối vữa giữa các khối xây và mối nối vị trí tiếp xúc khung – tường chèn được mô tả bằng các phần tử tiếp xúc có bề rộng bằng không

Hình 1.12 Mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm FEAP [15]

Trong đó hình (a): Sơ đồ rời rạc; Hình (b): Thông tin chi tiết về phần tử tiếp xúc và hình (c): Sơ đồ rời rạc của khối xây Mặc dù kết quả chỉ ra đường cong tải trọng – chuyển vị được dự đoán bởi phương pháp được đề xuất đạt yêu cầu về độ chính xác, tuy nhiên sử dụng phương pháp XFEM để mô phỏng là một phương pháp phức tạp với nhiều tham số liên quan Do đó, nó có thể không phù hợp cho một số ứng dụng thực tế

• d’Aragona và cộng sự [16] khảo sát ảnh hưởng của các mô hình được áp dụng cho tường chèn xây gạch lên ứng xử tổng thể của khung bê tông cốt thép Các phân tích phi tuyến và phân tích lịch sử thời gian được xem xét, trong đó tường chèn được thay thế bằng phần tử giàn (truss) trên OpenSees Mô hình các dầm và cột bằng các phần tử đàn hồi dạng một chiều trong khi ứng xử dẻo tập trung ở các lò xo xoay với chiều dài bằng không ở hai đầu Độ cứng của các phần tử mô hình được hiệu chỉnh để tái hiện độ cứng thực Ứng xử phi đàn hồi của các lò xo xoay của dầm/cột được xác định thuận tiện bằng đường cong đa tuyến với các điểm đặc trưng ban đầu là hiện tượng nứt và uốn

Hình 1.13 Mô hình cho phần tử khung và tường chèn [16]

Hình 1.14 Tòa nhà nghiên cứu điển hình [16]

Nghiên cứu đã đưa ra những kết luận hữu ích về ảnh hưởng của mô hình vật liệu tường chèn đối với ứng xử của tòa nhà (chuyển vị lệch tầng, khả năng chịu lực…), đó là một thông tin quan trọng cho ngành xây dựng khi thiết kế, tuy nhiên phạm vi của nghiên cứu bị giới hạn chỉ cho những mô hình và kết quả cụ thể được sử dụng trong nghiên cứu chưa được kiểm chứng từ thực nghiệm, do đó không thể tổng quát hóa cho tất cả các trường hợp của tòa nhà có kết cấu bê tông cốt thép tường chèn Ngoài ra, nghiên cứu bị hạn chế bởi nguồn dữ liệu xác thực có thể gây ảnh hưởng đến kết quả của nghiên cứu

• Van, Lau và Nazri [17] đã đề xuất phương pháp mô hình hóa vĩ mô kết hợp khớp dẻo thớ với mô hình thanh chống tương đương dựa trên mô hình SAP 2000 Ứng

nghiệm (theo tỷ lệ 1:0.5) với tải trọng lặp trên khung không chèn tường (BF2) và hai khung chèn tường với tỷ lệ khung khác nhau (IF2 và IF4)

Hình 1.15 Sơ đồ mô hình số trong SAP 2000 [17]

Dựa trên ứng xử trễ từ thực nghiệm và mô phỏng tác giả đã đề xuất áp dụng khớp dẻo thớ, bổ sung khớp dẻo thớ được đặt tại vị trí giữa của thanh chống tương đương với chiều dài khớp dẻo là 10% thanh chống dẫn đến ứng xử theo tải lặp phù hợp và có khả năng dự đoán tiêu tán năng lượng của các khung chèn tường ở hai tỷ lệ khung khác nhau (IF2 và IF4)

• Brodsky và Huang [18], Brodsky và Bentz [19] thực hiện khảo sát dựa trên năm mô hình hai chiều khung bê tông cốt thép có và không có tường chèn Tác giả đã đề cập đến biến dạng cắt ngang của tường chèn bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang bằng phương pháp mô hình trên phần mềm phần tử hữu hạn VecTor2 và OpenSees, trong đó ảnh hưởng của cốt thép (dọc, ngang), diện tích mặt cắt ngang của khung và tỷ lệ chiều dài tiếp xúc với tường chèn (thông số α) lên ứng xử của khung được xem xét

Hình 1.16 Mô hình M2: Dạng nứt và phần trăm bê tông phá hoại [19]

Hình 1.17 Mô hình M3: Ứng suất cốt thép và phần trăm bê tông phá hoại [19] Kết quả khảo sát ghi lại ứng xử phi tuyến và cơ chế phá hoại khác nhau của khung chèn tương ứng với thuộc tính khung khác nhau

Bảng 1.1 Kết quả khảo sát ứng xử phi tuyến (5 mô hình) [19]

Mô hình Thông số α Bề dày khung

[mm] Cốt thép Độ cứng [kN/mm]

Khả năng [kN]

Bảng 1.2 Kết quả khảo sát ứng xử phi tuyến (12 mô hình) [20]

[kN/mm] 5.73 9.5 9.24 9.41 9.62 9.39 16.2 5 6.88 4.7 9.3 1.5 Khả năng

[kN] 122 179 177 193 196 198 305 91 135 88 191 32

Hình 1.18 Mô hình của khung RC với 2 nhịp và 6 phần tử/ bề rộng [20] Việc sử dụng các thanh chống ngoài đường chéo cho phép thể hiện các yêu cầu uốn và cắt bổ sung đối với khung chèn, nghiên cứu cho thấy có thể dự đoán được các dạng phá hoại khác nhau của khung

• Trapani và cộng sự [21] Mô phỏng 2D bằng SAP 2000 cho khung 10 tầng với giả thiết bị mất cột trung tâm (do tác động hoặc do nổ…) Trong đó khối xây chèn gạch đất sét rỗng có độ dày t = 30cm được mô hình hóa bằng thanh chống tương đương Tác giả xem xét ứng xử sụp đổ lũy tiến của bốn khung: khung thường có tường chèn (IFNS), khung thường không có tường chèn (BFNS), khung thiết kế kháng chấn có tường chèn (IFS) và khung thiết kế kháng chấn không có tường chèn (BFS)

Hình 1.19 Kết quả chuyển vị của mô hình [21]

Trong đó hình (a) Khung được thiết kế kháng chấn không chèn tường; Hình (b) Khung được thiết kế kháng chấn có chèn tường

Hình 1.20 Kết quả tổng thể: a) Lực với chuyển vị; b) Lực với thời gian [21] Từ kết quả phân tích, tường chèn có ảnh hưởng lớn trong trường hợp mất cột đột ngột, tường chèn có xu hướng ngăn chặn thiệt hại và phân phối lại nội lực của hệ thanh chống với kết cấu chính

• Panthi và cộng sự [22] đã quan sát hiện trường được thực hiện sau trận động đất Gorkha vào tháng 4/2015 và chỉ ra rằng các tòa nhà bị thiệt hại nặng do không có tường chèn Với mô phỏng bằng SAP 2000 tác giả đã thay thế tường chèn bằng thanh chống tương đương, hai đầu được liên kết khớp với khung bê tông cốt thép Kết quả chu kỳ dao động trong việc xem xét thiết kế kháng chấn tương đối chính xác cho các điều kiện cụ thể tại Nepal

Hình 1.21 Mô hình thanh chống tương đương của tường chèn [22]

Với dãi chiều rộng của thanh chống được áp dụng theo tiêu chuẩn Ấn Độ IS 1893:2016 [29] được xác định như sau:

E tsin2θα = h

Trong đó: Chiều dài thanh chống (Lds), chiều cao thông thủy của khối xây

gạch ( h ), mô đun đàn hồi của khối xây gạch (Em), chiều dày tường chèn (

t), góc nghiêng của thanh chống với phương ngang ( θ ), mô đun đàn hồi của

khung bê tông cốt thép (E ) và mô men quán tính của tiết diện cột (fIc)

• Cavaleri và cộng sự [23], Chrysostomou và cộng sự [24], Asteris và cộng sự [25], Abdelkareem và cộng sự [26], Trapani và cộng sự [27], Moretti [28], và Panthi và cộng sự [22] đã tổng hợp tham số bề rộng thanh chống tương đương w (là tham số cơ bản của mô hình) Các giá trị thu được cho chiều rộng thanh chống khác nhau dao động trong khoảng (1/ 3 1/10 d) , trong đó d là chiều dài đường chéo của tường chèn Một số nghiên cứu nổi bật được đề cập bên dưới

Hình 1.22 Khung – tường chèn dưới tải ngang và sơ đồ đơn giản hóa [22] Trên giả thiết sự tương tác khung – tường chèn tương tự như dầm trên nền đàn hồi, thông qua các thực nghiệm Holmes (1961) đề xuất bề rộng thanh chống

/ 3

w = d Các nghiên cứu sâu hơn của Stafford Smith và Carter (1969) đã đưa ra kết luận độ cứng uốn của cột ảnh hưởng đến độ cứng của tường chèn thông qua tham số  , và đối với dầm thì không ảnh hưởng Do đó đây cũng là cơ sở để giả định dầm dưới là cứng và đưa về sơ đồ tính toán với 2 vị trí chân cột là liên kết ngàm

t t4

c c

E t sin2θλ =

4E I h (1.5)

Tiếp nối công trình nghiên cứu của Mainstone (1971) đề xuất, Klinger và

Bertero (1978) đã kiểm chứng công thức tính bề rộng w phụ thuộc vào tham số

 Biểu thức được sử dụng trong FEMA 306 (1999) và ASCE (2007) chứng minh được tính phổ biến trong những năm qua

( )-0.4

w = 0.175 λh d (1.6) Phương trình này được chấp nhận phần lớn từ các nhà nghiên cứu như Sobaih và Abdin (1998), Fardis và Calvi (1994), Negro và Colombo (1997), Fardis và Panagiotakos (1997), Kodur và cộng sự (1998), Balendra và Huang (2003), …

Trong đó Et, tt, h, d lần lượt là mô đun đàn hồi, bề dày, chiều cao và chiều dài của tường chèn; Ec, h, Ic là mô đun đàn hồi, chiều cao từ tâm dầm và mô men quán tính của cột;  là góc hợp bởi chiều dài thanh chống tương đương và chiều dài tường chèn

Trên cơ sở nghiên cứu tham số phần tử hữu hạn cho khung một khung, một nhịp được chèn tường Tassios (1984) đã đề xuất bề rộng thanh chống trường hợp nứt trên đường chéo khung chèn

CCww

G A (1.7)

Liau và Kwan (1984) trên cơ sở phân tích đã đề xuất bề rộng thanh chống w

phụ thuộc vào thông số  với giả thiết góc 00

(0.130 +0.393 / λ)d, λ >7.85

 (1.9)

Khi khung chèn nứt:

(0.010 +0.707 / λ)d, λ 7.85w =

(0.040 +0.470 / λ)d, λ >7.85

 (1.10)

Paulay và Priestley (1992) đã đề xuất bề rộng cho thanh chống tương đương

với w = d / 4 với kỳ vọng khả năng chịu tải ngang của khung đạt 50% Sau khi

xảy ra sự phân tách giữa tường chèn và khung ở các góc biên, cần xem xét giảm bề rộng hiệu dụng của thanh chống Đối với tường chèn là khối tường gạch xây, CSA S340.1-04 (Anderson và Brev, 2009) đã đề cập tính toán w phụ thuộc vào chiều dài tiếp xúc giữa thanh chống với cột  và chiều dài tiếp xúc giữa thanh hchống với dầm  L

w = α + αh2L2 (1.11) Trong đó chiều dài tiếp xúc được xác định

Đối với tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn châu Âu là EN 1998-1 (CEN 2004) không đề cập đến thiết kế có tường chèn Còn đối một số quốc gia có đề cập như tiêu chuẩn kháng chấn Hy Lạp (KAN.EPE, 2013) với bề rộng thanh chống tương

đương w = 3d / 20 , và xác định w = d / 10 theo tiêu chuẩn của Ý (M.I.P, 1997)

Kết luận:

Nhìn chung các kết quả trước đây điển hình như nghiên cứu của Asteris và cộng sự [12], [13]; Crisafulli và Carr [5]; d’Aragona và cộng sự [16]; Van, Lau và Nazri [17]; Trapani và cộng sự [21]; Brodsky và Huang [18]; Brodsky và Bentz [19], [20] đã đề xuất các mô hình dựa trên các công thức thực nghiệm Crisafulli và Carr [5] cho thấy rằng ứng xử theo tải trọng lặp cho khung tường xây chèn cần được hiệu chỉnh nhiều trên mô hình, cách tiếp cận vẫn còn khó khăn cho việc dự đoán ứng xử thực, sự sai khác nhiều trên mô hình do trên mô hình không có sẵn phần tử thanh chống chỉ chịu lực nén

Haldar và cộng sự [6] đã bổ sung quan điểm cần thiết có thanh chống thứ hai để phù hợp với kết quả thực nghiệm, cũng như kết quả phá hoại do cắt của các cột được ghi nhận sau các trận động đất Tác giả cho rằng trong thi công luôn tồn tại khe hở giữa tường xây chèn tiếp xúc với cấu kiện dầm trên tường nên đã bỏ qua ảnh hưởng của nó Với cách tiếp cận này có thể chưa tổng quát hóa đối với trường hợp dầm sàn nhịp lớn, hoặc kết cấu sàn không dầm chịu uốn gây võng cao gây nứt tường chèn trong thực tế

Bảng 1.3 Mô hình nghiên cứu vi mô và mô hình một thanh chống

Asteris và cộng sự [7];

Butenweg và Marinković [8]; Butenweg và cộng sự [9]; Yuen và Kuang [11]; Zhai và cộng sự [15]

Khảo sát mô hình vi mô với từng đơn vị gạch, vữa

Cho thấy tổng thể các vùng tường chèn tập trung ứng suất khi chịu tải trọng ngang

Đinh Lê Khánh Quốc và cộng sự [3]

Thanh chống đơn với nhiều đoạn tiết diện thay đổi

Đường cong đẩy dần giảm tải đột ngột, giá trị chưa hội tụ về kết quả thí nghiệm

Asteris và cộng sự [12], [13]

Áp dụng mô hình thanh chống đơn có giảm độ cứng bởi lổ mở, bề rộng thanh chống theo thực

Ảnh hưởng của khung tường chèn có lổ mở

d’Aragona và cộng sự [16]; Van, Lau và Nazri [17]; Trapani và cộng sự [21]

Áp dụng bề rộng thanh chống theo thực nghiệm Polyakov (1960)

Mô phỏng ứng xử tổng thể khung tường chèn

Panthi và cộng sự [22] Áp dụng bề rộng thanh chống theo tiêu chuẩn IS1893 (Part 1):2016 [47]

Mô tả chu kỳ dao động trong thiết kế kháng chấn trong điều kiện cụ thể tại Nepal

Bảng 1.4 Mô hình nghiên cứu nhiều thanh chống

Crisafulli và Carr [5]

Đề xuất sử dụng 2 thanh chống song song và lò xo

Mô hình có thể giảm đáng kể công sức tính toán so với việc sử dụng mô hình vi mô

Đinh Lê Khánh Quốc và cộng sự [3]

Đề xuất mô hình ‘ n’ thanh

chống với bề rộng thanh chống tương đương mỗi

thanh là ‘ nw’

Ước tính lực cực đại trong khung

Haldar và cộng sự [6]; Nicola [10]

Đề xuất mô hình 2 thanh chống lệch tâm với cột

Bổ sung ứng xử phá hủy do cắt của cột và tường chèn

Dumaru và cộng sự [14]

Áp dụng mô hình số 2 thanh chống và lò xo cắt theo Crisafulli và Carr [5]

Mô phỏng dự đoán ảnh hưởng địa chấn cho công trình thực tại Nepal Brodsky và

Huang [18]; Brodsky và Bentz [19], [20]

Mô hình 3 thanh chống, các thuộc tính tường chèn lấy theo kết quả thí nghiệm của Markulak và cộng sự (2018)

Khảo sát trên mô hình so sánh các trường hợp ảnh hưởng bởi tiết diện, độ cứng, số nhịp khung, chiều dài tiếp xúc với tường chèn Đinh Lê Khánh Quốc và cộng sự [3] đề xuất một mô hình đa thanh chống trên toàn bộ bề rộng tường chèn phù hợp với phạm vi khảo sát tải trọng nhỏ và khung đơn giản Khi tường chèn chịu tải trọng ngang lớn, tường và khung bị kéo tách rời nhau tại các vùng phạm vi thanh chống “thứ cấp”, sự tồn tại của các thanh chống thứ cấp này làm tăng độ cứng rất lớn cho hệ khung trong mặt phẳng Do đó có thể sai khác nhiều so với ứng xử thực, đặc biệt sự phân bố lại nội lực kết cấu dầm và cột khung Một số nghiên cứu khác như Crisafulli và Carr [5]; Haldar và cộng sự [6]; Nicola [10]; Dumaru và cộng sự [14] đề xuất mô hình mô phỏng dựa trên bề rộng thanh chống thực nghiệm của các nghiên cứu trước đó, chưa so sánh cụ thể với thí nghiệm hoặc ghi nhận thực tiễn để có cơ sở rõ ràng

Tiếp nối các công trình nghiên cứu bên trên, trong luận văn này đề xuất công thức xác định bề rộng thanh chống tương đương cho mô hình thanh chống đơn và mô hình ba thanh chống dựa trên bề rộng truyền tải tương ứng, các mô hình này được so sánh với kết quả thực nghiệm và các nghiên cứu trong và ngoài nước trước đó Thông qua các kết quả, luận văn đề xuất mô hình thanh chống đơn nhằm đơn giản hóa trong tiếp cận tính toán phù hợp hơn trong việc áp dụng các bài toán thực tiễn

Chương 2 trình bày cơ sở tính toán tường xây chèn, với ứng xử của dầm đặt trên nền đàn hồi [48] là các tường xây chèn Dựa trên đề xuất tính toán bề rộng dải chống tương đương phụ thuộc vào chiều dài tiếp xúc của Stafford Smith [50] đề xuất, nghiên cứu này xây dựng thông số quan trọng nhất trong tính toán là bề rộng tường chèn cho mô hình thanh chống đơn và mô hình ba thanh chống

Chương 3 khảo sát số liệu thực nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của kết quả thực nghiệm

Chương 4 tổng quan các phần tử có liên quan trong phân tích phi tuyến và cách xây dựng mô hình phân tích bằng phần mềm phần tử hữu hạn So sánh kết quả phân tích với các kết quả phân tích số và thực nghiệm sẵn có trong và ngoài nước để đánh giá độ tin cậy của mô hình Qua đây, bài nghiên cứu đề xuất mô hình tổng thể thanh chống đơn nhằm đơn giản trong tính toán và lựa chọn phương pháp phân tích mô hình phù hợp với thực tiễn

Chương 5 nhận xét về kết quả tính toán và đưa ra các kết luận đối với phương pháp tính toán được phát triển, cũng như đánh giá khả năng phát triển tiếp nối của đề tài này

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN

Stafford Smith [50] lần đầu tiên đề xuất bề rộng dải chống tương đương của tường xây chèn phụ thuộc vào chiều dài tiếp xúc giữa thanh chống – cột ( )H và chiều dài tiếp xúc giữa thanh chống – dầm ( )L tương tự với dầm trên nền đàn hồi (hình 2.1) Theo đó cột của khung chèn tường có thể xem là một nửa của dầm trên nền đàn hồi dưới tải trọng tập trung P (hình 2.1a), tương tự cấu kiện dầm của khung chèn tường có thể được biểu diễn dưới dạng dầm trên nền đàn hồi chịu tải moment (hình 2.1b) Cùng cách tiếp cận trên, Đ.L.K Quốc [3] đã đề xuất bề rộng thanh chống với tiết diện thay đổi và đa thanh chống phức tạp, kết quả bề rộng thanh chống chiếm 0.68× 3×100 = 81.6%

2.5 so với với bề rộng tường chèn [3] Tỷ số này cũng không biến động đáng kể khi khảo sát trên các khung khác, dẫn đến độ cứng của khung tương đương lớn, với mô hình này chỉ phù hợp với một số kết cấu với tiết diện nhỏ chịu tải trọng thấp

Trên cơ sở các nghiên cứu trước đó, mục tiêu trong chương này phân tích kết cấu nhằm xác định bề rộng thanh chống đơn tương đương và mô hình ba thanh chống với điểm mới:

- Độ cứng của thanh chống phụ thuộc vào lực nén hiệu quả  của tường chèn; - Xem xét ổn định ngoài mặt phẳng tường;

- Bề rộng thanh chống đơn và bề rộng của ba thanh chống dựa trên diện tích truyền tải của dầm trên nền đàn hồi với tiết diện thanh không đổi

2.1 Mô hình thanh chống đơn đàn hồi

Giá trị cho chiều rộng hiệu dụng của thanh chống tương đương có thể thu được trên cơ sở dải nén được xác định bởi độ dài Hvà Lnhư trong hình 2.2 Sự phân bố ứng suất nén giữa hai điểm giới hạn sẽ không đồng đều và với giả định rằng nó có dạng tam giác với đường chéo cực đại Stafford Smith [50] đã chưa xem xét đến ảnh hưởng ngoài mặt phẳng của tường chèn khi chịu nén và ảnh hưởng của góc nén hiệu quả  của tường chèn dưới tác dụng tải trọng ngang Cũng như bê tông, mặc dù góc phá hoại của tường xây chèn sẽ khác nhau do phụ thuộc vào đặc tính vật liệu (thành phần xi măng, cát, tỷ

lệ pha trộn, chất phụ gia), chất lượng vật liệu và quá trình sản xuất, tuy nhiên ảnh hưởng của nó là đáng kể đến độ cứng của hệ chống tương đương

Hình 2.1 Tương tự dầm trên nền đàn hồi của tường chèn và khung [49], [50] Để áp dụng trong thực hành, Stafford Smith [50] đã đề xuất bề rộng dải chống tương đương bằng một nửa độ dài đường chéo cực đại trên (hình 2.2)

Hình 2.2 Bề rộng thanh chống tương đương [49], [50]

Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm khởi đầu bởi Polyakov (1960), khi tiếp tục gia tăng tải trọng sau khi mặt tiếp xúc giữa khung và tường chèn bị nứt, khung và tường chèn sẽ có các biến dạng không tương đồng do: Khung bê tông cốt thép độ cứng nhỏ hơn nhiều so với độ cứng trong mặt phẳng của tường chèn, mặc khác kết cấu khung có độ dẻo dai trong khi đó tường chèn có tính giòn, liên kết giữa 2 vật liệu này thông qua lớp vữa xây, tính bám dính rất nhỏ giữa gạch xây chèn và khung bê tông cốt thép Do

góc tại đầu mút đường chéo bị nén, hình thành một dải chống chịu nén tương đương (bỏ qua ảnh hưởng chịu kéo)

Hình 2.3 Mô hình khung tương đương thanh chống đơn

Trong hình 2.3 thể hiện một mô hình khung phẳng với chiều cao khung là H, bề rộng khung là L, chiều cao và bề rộng tương ứng của tường chèn gạch là h, l Khung chịu tác dụng của tải trọng ngang P tác dụng đơn chiều từ trái sang phải Thanh chống đại diện cho tường chèn, hướng của thanh chống lại tải trọng đặt tại nút dầm giao cột Trong mô hình cho kết cấu thực, tường chèn được mô tả bởi một cặp chống do tải trọng ngang tác dụng đa chiều

Hình 2.4 Kết cấu dầm và cột trên nền đàn hồi

Để cụ thể hóa trong tính toán, kết cấu dầm và cột trên nền đàn hồi được phân tích độc lập như hình 2.4 Trong đó chiều cao khung là H, bề rộng khung là L, khung chịu tác dụng của tải trọng ngang P tác dụng đơn chiều từ trái sang phải và phân thành giá trị lực P/ 2 tại mỗi đầu cột, đặt đại lượng lực cắt Q, mô men M0 tại mỗi đầu cột và các giá trị này tại các nút được cân bằng Độ cứng uốn của kết cấu dầm là EId, độ cứng uốn của kết cấu cột là EIc Mô men quán tính của dầm và cột lần lượt là Id, Ic

Trong một số ứng dụng một thanh chịu uốn có độ cứng uốn tương đối nhỏ được đặt trên một nền đàn hồi và tải được áp dụng lên thanh Tải trọng được chuyển qua thanh sang nền đàn hồi Thanh và nền đàn hồi phải được thiết kế để chống lại tải trọng mà không gây ra phá hoại Thường xảy ra hiện tượng phá hoại trong thanh trước khi xảy ra trong nền đàn hồi Do đó trong chương này, bài toán được giả định rằng nền đàn hồi có độ cứng đủ để ngăn chặn phá hoại của nó Mặc khác giả định rằng nền đàn hồi chống lại tải trọng được truyền qua thanh một cách đàn hồi tuyến tính; nghĩa là áp lực tại bất kỳ điểm nào giữa thanh và nền đàn hồi tỉ lệ thuận với độ lệch (chuyển vị) của thanh tại

điểm đó Loại ứng xử của nền đàn hồi này được gọi là nền đàn hồi Winkler hoặc mô hình Winkler

Ứng xử của dầm đặt trên nền đàn hồi là các tường xây chèn với tải trọng được mô tả bằng một phương trình vi phân đơn, tuân theo các điều kiện biên khác nhau đối với dầm, phụ thuộc vào cách dầm được gối ở hai đầu Ví dụ, xét một dầm vô hạn được gắn liền dọc theo chiều dài với một nền đàn hồi (Hình 2.5) Cho trục tọa độ (x, y, z) tại trọng tâm của tiết diện của dầm và để một tải trọng ngang tập trung P được áp dụng vào dầm tại gốc tọa độ của trục (x, y, z) Trục z trùng với trục của dầm, trục x vuông góc với hình (hướng tới người đọc), và trục y vuông góc với nền móng đàn hồi Tải trọng P

gây ra dầm uốn cong, từ đó làm dịch chuyển nền móng đàn hồi Kết quả, một lực phân bố được phát triển giữa dầm và nền móng Do đó, liên quan đến dầm, độ cứng của nền móng tạo ra một lực phân bố theo chiều ngang q (lực trên đơn vị độ dài) trên dầm Trong việc giải bài toán chịu uốn, chúng ta sẽ thấy rằng trong một số vùng độ uốn cong của dầm có thể là âm (hướng lên) Vì dầm được giả định được gắn liền với nền, nền có thể tạo ra một lực căng trên dầm ở một số vùng