NGHIÊN cứu QUÁ TRÌNH PHÁ hủy dây CHUYỀN của KHUNG NHIỀU TẦNG bê TÔNG cốt THÉP LIỀN KHỐI BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘNG PHI TUYẾN

Tạp chí KHCN Xây dựng số 2/2013 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÁ HỦY DÂY CHUYỀN CỦA KHUNG NHIỀU TẦNG BÊ TƠNG CỐT THÉP LIỀN KHỐI BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘNG PHI TUYẾN TS CAO DUY KHÔI Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Khi kết cấu chịu tác động đặc biệt dẫn đến sụp đổ (phá hủy) dây chuyền, hiệu ứng động đóng vai trò quan trọng, chưa nghiên cứu chi tiết khung nhiều tầng Đối tượng nghiên cứu báo hệ khung nhiều tầng bê tông cốt thép (BTCT) liền khối có cột tầng bị phá hủy đột ngột Để đánh giá hiệu ứng động, giá trị hệ số động Kdv tính tốn phương pháp động phi tuyến cho khung với số tầng thay đổi Giới thiệu Sụp đổ (phá hủy) dây chuyền tượng một vài cấu kiện chịu lực bị phá hủy, dẫn tới cấu kiện lại bị tải tiếp tục bị phá hủy, kết tồn phần cơng trình (với quy mô lớn so với hư hại ban đầu) sụp đổ Theo tài liệu hướng dẫn thiết kế chống sụp đổ dây chuyền Mỹ Nga [6,7,14,15], dạng hư hỏng phổ biến tính toán chống phá hủy dây chuyền cột chịu lực tầng bị phá hủy đột ngột, làm phát sinh tải trọng động khung chịu lực nhà Các chuyển vị biến dạng kết cấu lớn, vậy, phương pháp thông thường học kết cấu dựa giả thiết “biến dạng nhỏ” khơng thích hợp để áp dụng Về ngun tắc, cần giải tốn động có kể đến phi tuyến hình học phi tuyến vật liệu Đối với khung tầng, [3,4] giải toán đưa lời giải đơn giản để áp dụng thực tế Tuy nhiên, khung nhiều tầng ứng xử khác khung tầng Trong báo trước tác giả [12] trình bày số kết nghiên cứu động lực học tuyến tính q trình phá hủy dây chuyền khung nhiều tầng Trên sở kết đó, báo tác giả mở rộng toán cho trường hợp động phi tuyến, có kể đến khả hình thành khớp dẻo phân bố lại nội lực kết cấu bê tông cốt thép Các giả thiết liệu đầu vào a Tải trọng Khả chống phá hủy dây chuyền khung đánh giá tính tốn tổ hợp tải trọng đặc biệt, bao gồm tải trọng thường xuyên tải trọng tạm thời dài hạn với hệ số vượt tải [6,7,10]: q0 = γ f (qTT + ψ q HTDH ) (1) Trong đó: qTT , q HTDH - giá trị tiêu chuẩn tải trọng thường xuyên tải trọng tạm thời dài hạn; γf – hệ số vượt tải, γf = 1; ψ – hệ số cho tải trọng dài hạn tổ hợp đặc biệt, ψ = 0,95 Giá trị tải trọng thường xuyên tạm thời dài hạn lấy theo Tiêu chuẩn “Tải trọng tác động” [8], có kể đến hiệu chỉnh nhà cao tầng liệt kê [1] Tải trọng coi chất cách đột ngột với toàn giá trị lên dầm khung [2,3,14,15] Như vậy, xem tải trọng động Để đánh giá ảnh hưởng tải trọng động, dùng hệ số động cho tải trọng Kdv=qt/qđ, qt qđ giá trị tải trọng tĩnh t ải trọng động gây chuyển vị (trong trường hợp chuyển vị tính tốn điểm A hình 1) cho kết cấu Như trình bày nghiên cứu [12], xét tốn tuyến tính, hệ số động Kdv = 2, nghĩa cần tải trọng tĩnh có độ lớn gấp lần tải trọng động để gây chuyển vị Sự xuất biến dạng dẻo làm giảm ảnh hưởng hiệu ứng động tiêu tán lượng, thể qua việc hệ số Kdv nhỏ b Mơ hình tính tốn Mục đích nghiên cứu tìm hiểu ứng xử khung BTCT liền khối chịu tải trọng động dẫn đến phá hủy dây chuyền, xem xét ảnh hưởng biến dạng dẻo đến tiêu tán lượng động, từ có lưu ý v ề khác biệt khung nhiều tầng khung tầng chịu phá hủy dây chuyền Với mục tiêu đó, khung phẳng nhịp BTCT đối tượng nghiên cứu có nhiều lợi tính đơn giản, thực tính tốn động phi tuyến chương trình tính tốn phổ biến, bậc thang để bước lên nghiên cứu chuyên sâu Để mơ q trình phá hủy dây chuyền, tác giả sử dụng biện pháp đề nghị hướng dẫn thiết kế nghiên cứu giới phá hủy dây chuyền [1-4, 6, 7, 10, 13-15]: cột chịu lực khung (có thể cột biên, cột giữa, cột tầng tầng ) xem đột ngột bị cắt bỏ Trong trường hợp khung phẳng nhịp, tác giả xem xét trường hợp bỏ cột tầng (hình 1) A Hình Mơ hình tính tốn Với triết lý thiết kế thông thường “cột khỏe dầm”, khớp dẻo hình thành đầu dầm xảy tượng phân phối lại nội lực c Vật liệu Ngoài việc áp dụng hệ số bền động 1,25 trình bày [12], xem xét toán động phi tuyến kết cấu BTCT, tác giả áp dụng giả thiết sau Đối với kết cấu chịu uốn chủ yếu, áp dụng biểu đồ quan hệ lực-chuyển vị có dạng tương tự biểu đồ Prandelli (hình 2) M Mu,d B A O Ψel Ψpl Ψ Hình Biểu đồ quan hệ mơ men uốn góc mở vết nứt khớp dẻo ψ Trong hình 2, đường OA giai đoạn làm việc đàn hồi cấu kiện Độ cứng cấu kiện có kể đến nứt giai đoạn tính tốn theo [5] Đường AB tương ứng với giai đoạn làm việc dẻo cấu kiện Khi hình thành tất khớp dẻo có thể, cấu kiện trở thành hệ biến hình, gồm đĩa cứng nối với khớp dẻo Trạng thái giới hạn xét đến nghiên cứu tất cấu kiện dầm khung trở thành hệ biến hình biến dạng bê tông vùng chịu nén đạt đến giá trị giới hạn εb,ult = 0,0035 [theo 4, 5] Tuy nhiên, không thuận tiện sử dụng trực tiếp giá trị biến dạng giới hạn này, [3, 4, 5] tác giả đề nghị sử dụng góc mở vết nứt khớp dẻo ψ pl Giá trị giới hạn góc mở tính tốn theo công thức nêu [5], chấp nhận giá trị có sẵn [14] Giá trị mơ men giới hạn hình thành khớp dẻo Mu,d tính theo công thức nêu [4]: M u ,d = α m Rbd bh02 (2) đó: α m = ξ (1 − 0,5ξ ) ; ξ = Rsd As Rbd bh0 Để khơng xảy phá hoại giòn, cần đảm bảo điều kiện sau: ε < ε R ;α m < α R đó: εR = 0,8 1+ ε b ,el ε b ,ult ; α R = ε R (1 − 0,5ε R ) ; ε e,el = Rs Es Tác giả thực mô làm việc khung nhiều tầng hình chương trình SAP 2000 ver.12 [2], từ tính tốn chuyển vị, biến dạng, nội lực phát sinh khung hình cho trường hợp số tầng khác Các kết trình bày phân tích Phân tích kết Theo [12], xét tốn tuyến tính động lực học phá hủy dây chuyền, ta có lời giải đơn giản: giải toán tĩnh nhân kết với Tuy nhiên, hao phí thiết kế cấu kiện theo phương pháp tuyến tính Để tốn gần với thực tế hơn, cần xem xét làm việc cấu kiện trạng thái sau giới hạn Sự phát triển biến dạng dẻo kết cấu BTCT liền khối cho phép giảm đáng kể ảnh hưởng tải trọng động (nghĩa hệ số Kdv