Bài viết trình bày việc khảo sát khả năng chịu lực của tấm bê tông cốt thép chịu tải trọng nổ khi thay đổi liên kết ở các cạnh của tấm theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ nhằm làm rõ sự làm việc của tấm, từ đó có các nhận xét và kiến nghị cho công tác thiết kế và với tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.
KHOA HC & CôNG NGHê Kho sỏt kh nng chu lực bê tông cốt thép chịu tải trọng nổ theo điều kiện liên kết study on bearing capacity of reinforced concrete plates subjected to blast loading by restrain conditions Nguyễn Ngọc Phương, Ngơ Quốc Trung Tóm tắt Bài báo trình bày việc khảo sát khả chịu lực bê tông cốt thép chịu tải trọng nổ thay đổi liên kết cạnh theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ nhằm làm rõ làm việc tấm, từ có nhận xét kiến nghị cho công tác thiết kế với tiêu chuẩn Việt Nam hành Từ khóa: bê tơng cốt thép, tải trọng nổ, liên kết Abstract The article represents a study on bearing capacity of reinforced concrete plates subjected to blast loading while restrains on edges varies based on US code, in order to clarify the responses of the plates Moreover, the comments and recommends for design and current Vietnamese standards are given Keywords: reinforced concrete plates, blast loading, restraint PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương Khoa Xây dựng, Trường Đại Học Kiến trúc Hà Nội Email: ThS Ngô Quốc Trung Ban quản lý dự án đầu tư xây dựng Quận Hai Bà Trưng, Hà Nội Email: Đặt vấn đề Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) Việt Nam chủ yếu đề cập tới khả chịu tải trọng thông thường tĩnh tải, hoạt tải sử dụng, tải trọng gió, tải trọng động đất, tải trọng cháy nổ chưa để cập cách rõ ràng Ở số nước tiên tiến giới Hoa Kỳ, Anh…, việc đề cập tới tải trọng nổ quan tâm, nghiên cứu rõ ràng Tại Việt Nam, tải trọng nổ đề cập đến số cơng trình chủ yếu lĩnh vực quân Trong lĩnh vực dân chưa quan tâm cách thỏa đáng, thiết kế kết cấu chịu tải trọng nổ chưa đánh giá khả chịu lực cách rõ ràng phù hợp để đảm bảo an toàn hiệu kinh tế Tải trọng nổ môt loại tải trọng đặc biệt Khả chịu lực kết cấu BTCT phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nguồn nổ (vị trí, khoảng cách, độ lớn…), vật liệu, điều kiện lên kết tấm,… Trong phần khảo sát báo đề cập tới thay đổi điều kiện liên kết Thiết kế phòng chống cháy nổ kết hợp chặt chẽ quy hoạch kiến trúc, bố trí tổng mặt bằng, tính tốn độ bền cấu tạo cấu kiện kết cấu, lựa chọn đặc trưng kỹ thuật thiết bị điện v.v… Một giải pháp thường cân nhắc bố trí tường bê tơng bảo vệ vị trí trọng yếu cơng trình Tuy nhiên tiêu chuẩn Việt Nam, việc thiết kế kết cấu BTCT chịu tải trọng nổ chưa đề cập rõ ràng Vì đánh giá khả chịu lực BTCT chịu tải trọng nổ vấn đề cần thiết Nguyên lý đánh giá khả chịu lực bê tông cốt thép chịu tải trọng nổ 2.1 Trạng thái phá hoại cấu kiện BTCT chịu tải trọng nổ Việc xác định giới hạn phá hoại kết cấu tùy thuộc vào mục đích thiết kế điều kiện làm việc kết cấu, ví dụ giới hạn phá hoại kết cấu bao che khác so với kết cấu chịu lực hay giới hạn phá hoại kết cấu vị trí thơng thường thấu uốn chịu tải trọng động [2]: - Bê tông: f dcu = 1, 25 × f cu = 1, 25 × 30 = 37,5 ( N / mm ) - Cốt thép: f dy = 1, 20 × f y = 1, 20 × 300 = 360 ( N / mm ) f du = 1,05 × f u = 1,05 × 400 = 420 ( N / mm ) Ta có: - Nguồn nổ có vị trí đủ để sóng nổ bao trùm tồn BTCT tạo xung lực vng góc với - Tấm làm việc gian đoạn đàn - dẻo lý tưởng - Tấm làm việc trạng thái thiệt hại nặng, tương ứng với góc xoay θ = 40 3.2 Xác định khả chịu tải trọng nổ BTCT làm việc phương: Tính tốn khả chịu tải trọng nổ BTCT có kích thước hình học hình 3, liên kết đầu ngàm thông số vật liệu đưa mục 3.1 Xét đoạn rộng 1m (b = 1m), Giả thiết hàm lượng cốt thép chịu kéo chịu nén ρsc = ρst = ρs = 0,2% = 0,002 Mơmen qn tính tiết diện bị nứt: I = F.b.dc3 Với F = 0,0415 hệ số xác định mơmen qn tính tiết diện đặt thép đối xứng với hệ số đàn hồi n = 0,8 [2] f ds = f dy + 0, 25 × ( f du − f dy ) =360 + 0, 25 × ( 420 − 360 ) =375 ( N / mm Hình Sơ đồ tính tốn BTCT liên kết cạnh ngàm đối diện chịu tải trọng nổ ) Ta có: I = 0,415 x x 0,08 = 3,32.10-3(m4) Khả chịu uốn tới hạn: Các giả thiết: S¬ 27 - 2017 31 KHOA HC & CôNG NGHê Hỡnh S đồ tính tốn BTCT liên kết cạnh ngàm Vậy, ta có tải trọng xung động với xung lực đơn vị As 2 d c M= fds d= = ρ s fds d c BTCT chịu với góc mở lớn θ = : c N M P As fds= d c b X i M E ru ( X M − E ) = 2 = 0, 002 × 375 × 10 × 0, 08 9, 42 × 10−4 = 4,8 x 103 (Nm/m) i2F = × 3530,394 × 3.07 × 103 (0,1748 − ) Khả chịu lực đơn vị tới hạn, xác định theo [2] : = 1579,8 (N) 8( M N + M p ) ru = 3.3 Xác định khả chịu tải trọng nổ BTCT làm L2 việc phương: × (3,32 × 10−3 + 3,32 × 10−3 ) = Sử dụng BTCT hình 2, thay đổi liên kết 52 cạnh cạnh ngàm Xác định mômen chống uốn = 3,07 × 103 ( N / m ) vị trí hình thành khớp dẻo (hình 4) theo giai đoạn sử dụng bảng tra [2]: Độ cứng đàn hồi tương đương [2]: - Khả chịu lực đơn vị tới hạn [2]: 307 EI 370 × 2,5 × 1010 × 3,32 × 10−3 = L4 52 = 3, 26 × 106 ( N / m ) = KE ru = 5( M HN + M HP ) x2 - Với tỷ lệ L/H = 1,25, từ [2] ta có hệ số quy đổi lực khối : Chuyển vị đàn hồi tương đương [2]: L • Tấm liên kết cạnh : K − 1 0,65 − 0,16 LM = ru 3,07 × 103 X= = = 9, 42 × 10−4 (m) E K E 3, 26 × 106 2H L • Tấm liên kết cạnh : K 0,61 − 0,16 − 1 LM = Chuyển vị tức thời cực đại [2]: H L XM = × tan(40 ) = × 0,069927 = 0,1748(m) 2 - Chuyển vị đàn hồi tương đương [2]: Với làm việc phương hai đầu ngàm tra [2] ta có hệ số lực khối KLM = 0,66 Khối lượng đơn vị: m = ρv.Tc = 2400 x 0,015 = 360 (Kg/m2) = 3530,394 (N/m2) X= Xe( E rep ru ) + X ep (1 − r re ) + X p (1 − ep ) ru ru Trong đó: Xe, Xep: chuyển vị giai đoạn đoàn hồi giai đoạn đàn - dẻo; re, rep: khả Bảng 3: Khả chịu tải trọng nổ BTCT ngàm cạnh x Ru KLM XE XM i (m) (N/m ) (m) (m) (N) cạnh 2,7 6.584,36 0,59 0,015903 0,174817 2139,40 cạnh 2,225 9.695,75 0,65 0,001381 0,139854 2488,49 Bảng 4: Kết so sánh khả chịu tải trọng nổ BTCT θ 4° 32 Khả chịu lực i (N) Tỷ lệ so sánh (%) Ngàm cạnh (1) Ngàm cạnh (2) Ngàm cạnh (3) (1) & (2) (1) & (3) 1579,85 2139,40 2488,49 +35% +58% T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG chu lc đơn vị giai đoạn đàn hồi giai đoạn đàn - dẻo - x khoảng cách từ gối tựa đến vị trí hình thành khớp dẻo, xác định theo phương pháp đẩy dần [2] - Chuyển vị tức thời cực đại [2]: XM = L tan (θ ) phương), khả chịu tải trọng nổ tăng 35% 58% Như vậy, thiết kế BTCT chịu tải trọng nổ cần cân nhắc việc lựa chọn điều kiện liên kết phù hợp để đảm bảo an toàn hiệu Đồng thời tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT Việt Nam, cần có dẫn cho việc thiết kế kết cấu chịu tải trọng nổ để hoàn thiện hơn./ Kết xác định khả chịu lực BTCT liên kết cạnh ngàm chịu tải trọng nổ thể Bảng So sánh khả chịu lực BTCT chịu tải trọng nổ theo điều kiện liên kết thể Bảng 4 Kết luận kiến nghị Từ kết thấy, điều kiện liên kết ảnh hưởng đáng kể tới khả chịu tải trọng nổ BTCT Khi thay đổi liên kết BTCT từ cạnh ngàm đối xứng (tấm làm việc phương) thành cạnh ngàm (tấm làm việc Tài liệu tham khảo AICE, Guildelines for Evaluating Process Plant Building for External Explosions and Fires, American Institute of Chemical Engineers, New York, 1996 TM5-1300, Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions, US Army Technical Manual, U.S Department of the Army, 1991 Khảo sát điều kiện bền ứng suất pháp (tiếp theo trang 29) = M0 γ q q c ls2 = 1.2 × 80 × 1.32 = 20.28( KNm) (3-6) M0 20.28 = = 11.058( KNm) + α + 0.834 M= max (3-7) tt Lực kéo H theo [2][5] cho H tt = γ q = 1.2 × π2 ∆ E1ts l 3.142 × × 2.308 × 108 × 0.02 = 949( KN ) 1202 (3-8) Kiểm tra điều kiện bền theo ứng suất pháp theo (2-1) tt M max H tt 11.058 × 949 + = + W A 0.02 0.022 5 = 2.133 × 10 > 2.1× 10 ( KN / m ) σ max = (3-9) Như vậy, sàn đảm bảo điều kiện độ võng không đảm bảo điều kiện bền ứng suất pháp Do thấy với qc=80(KN/m2) >71 (KN/m2) cho Bảng 2-1 khơng thể chọn sàn theo (2-8) nữa, trường hợp ngược lại (2-8) có tác dụng đảm bảo cho sàn đạt yêu cầu độ võng lẫn điều kiện bền ứng suất pháp Kết luận Mô men sàn khơng phân bố theo hàm đa thức bậc hai trường hợp dầm đơn giản mà phân bố theo quy luật phức tạp Khi qc nhỏ giá trị cho Bảng 2-1 có điều kiện độ võng xảy trước điều kiện bền ứng suất pháp Với tải trọng thông dụng thực tế thường có qc≤60 KN/m2, nhỏ giá trị cho Bảng 2-1 điều kiện độ bền ứng suất pháp xảy trước điều kiện độ võng, thiết kế sàn bỏ qua kiểm tra điều kiện độ bền ứng suất pháp Theo [5] sàn thiết kế theo tỉ số ls/ts theo (2-8) để đảm bảo điều kiện độ võng xuất phát từ điều kiện bền ứng suất pháp dầm hợp lý với đa số phạm vi tải trọng.Tuy nhiên, với trường hợp tải trọng lớn vượt giá trị cho Bảng 2-1 cần phải thiết kế sàn theo điều kiện độ bền ứng suất pháp điều kiện độ võnggiống trường hợp dầm (vì điều kiện bền ứng suất pháp xảy trước điều kiện độ võng) Trong trường hợp này, cơng thức (2-8) khơng có tác dụng để đảm bảo sàn đạt điều kiện bền ứng suất pháp độ võng khơng áp dụng nữa./ Tài liệu tham khảo TCVN 5575:2012, Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế Nhà xuất Xây dựng, 2012 Phạm Văn Hội (chủ biên) Kết cấu thép - Cấu kiện Nhà xuất Khoa học kỹ thuật,2006 S.P Timoshenko, J.M Gere Ổn định đàn hồi Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1976 S.P Timoshenko, J.M Gere Lý thuyết tấm, vỏ Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1976 Е И беленя Металлические конструкции.Москва, 1986 S¬ 27 - 2017 33 ... khả chịu lực BTCT liên kết cạnh ngàm chịu tải trọng nổ thể Bảng So sánh khả chịu lực BTCT chịu tải trọng nổ theo điều kiện liên kết thể Bảng 4 Kết luận kiến nghị Từ kết thấy, điều kiện liên kết. .. lựa chọn điều kiện liên kết phù hợp để đảm bảo an toàn hiệu Đồng thời tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT Việt Nam, cần có dẫn cho việc thiết kế kết cấu chịu tải trọng nổ để hoàn thiện hơn./ Kết xác... kết ảnh hưởng đáng kể tới khả chịu tải trọng nổ BTCT Khi thay đổi liên kết BTCT từ cạnh ngàm đối xứng (tấm làm việc phương) thành cạnh ngàm (tấm làm việc Tài liệu tham khảo AICE, Guildelines for