Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu này phản ánh chính xác tính phi tuyến vật liệu của khung không gian bê tông cốt thép bằng phương pháp phi tuyến tĩnh với quan hệ ứng suất - biến dạng bê tông sử dụng mô hình FA-STM (Mô hình tăng cường giai đoạn mềm hóa với góc xoay không đổi) và thép sử dụng mô hình do Sargin đề xuất. Toàn bộ các dữ liệu phân tích sử dụng phần mềm thương mại ETABS version16.0
TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Nguyễn Trần Trung tgk ÁP DỤNG ĐƯỜNG CONG VẬT LIỆU FA-STM PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG BÊ TƠNG CỐT THÉP APPLICATION IN CURVE OF FA-STM MATERIALS TO ANALYZE NONLINEAR OF REINFORCED CONCRETE FRAME NGUYỄN TRẦN TRUNG NGUYỄN PHÚ CƯỜNG TÓM TẮT: Nghiên cứu phản ánh xác tính phi tuyến vật liệu khung không gian bê tông cốt thép phương pháp phi tuyến tĩnh với quan hệ ứng suất - biến dạng bê tông sử dụng mô hình FA-STM (Mơ hình tăng cường giai đoạn mềm hóa với góc xoay khơng đổi) thép sử dụng mơ hình Sargin đề xuất Tồn liệu phân tích sử dụng phần mềm thương mại ETABS version16.0 Từ khóa: khung bê tơng cốt thép; tải trọng động đất; mơ hình phi tuyến vật liệu; phương pháp phổ phản ứng; phân tích phi tuyến tĩnh ABSTRACTS: This study accurately reflects the influence of the nonlinear properties of concrete and steel bar used in space reinforced concrete frames structures subjected seismic loading Nonlinear materials will be analyzed by Static Pushover Analysis Method (SPAM), the relationship between stress and strain of concrete used FA-STM Model (The fixed-angle softened-truss model) and steel bar used Sargin’s proposed model All the data are calculated from the proposed models, using the commercial ETABS version16.0 software Key words: reinforced concrete frames; earthquake load; nonlinear material models; respond spectrum method; nonlinear static procedure phương pháp phân tích thực khơng dễ dàng tính tốn thực tế Vì thế, phương pháp chấp nhận rộng rãi lĩnh vực kỹ thuật dự đoán địa chấn cho cơng trình chịu tải trọng động đất thơng tin hữu ích mang lại có giá trị tin cậy - phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh (Nonlinear Static Procedure-NSP) Mặt khác, phương pháp thực tế sử dụng cho kết tốt ĐẶT VẤN ĐỀ Từ lâu, ứng xử không đàn hồi hầu hết kết cấu chịu tải trọng động đất tiến hành phân tích phi tuyến dựa liệu chọn lọc xác, từ cho ứng xử cụ thể kết cấu bị phân phối chuyển dịch động đất, vấn đề phụ thuộc vào cơng cụ phân tích tính tốn để giải tốn phân tích động phi tuyến, ThS Trường Đại học Văn Lang, nguyentrantrung@vanlanguni.edu.vn TS Trường Đại học Mở, cuong.pn@ou.edu.vn, Mã số: TCKH12-04-2018 20 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Số 12, Tháng 11 - 2018 việc đánh giá khả tiêu tán lượng hệ thống kết cấu [2] sử dụng phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian, việc phân tích phức tạp phụ thuộc vào nhiều điều kiện nội quốc gia, tiêu chuẩn [3] [4] khuyến khích sử dụng phương pháp NSP, quy trình phương pháp dựa việc tăng tải trọng xác định trước đạt chuyển vị mong muốn Quan trọng phương pháp NSP bước mơ hình hóa Trong mơ hình, phải xem xét ứng xử phi tuyến cấu kiện hệ thống kết cấu khả cường độ khả biến dạng Lý tưởng hóa khớp dẻo phương pháp thường sử dụng mơ hình có khả ước tính biến dạng kết cấu Ứng xử dẻo thực cấu kiện chịu tác động tải trọng động đất ứng xử theo chu kỳ sau lần tăng tải dỡ tải, đặc tính cường độ độ cứng thể qua đường cong quan hệ Do việc phân tích NSP tải áp dụng không theo chu kỳ tăng dần theo hướng định, việc đề xuất số loại mơ hình cần thiết, giúp đánh giá gần ứng xử trễ cấu kiện hệ thống kết cấu Cũng nên xem xét ảnh hưởng suy giảm cường độ độ cứng Để đạt mục đích này, đường cong ứng xử trễ thực tế lý tưởng hóa thành đường cong thể Hình Các thông số kỹ thuật đường cong lý tưởng hóa giải thích số tiêu chuẩn trước tiêu chuẩn, cụ thể [4] Hình 1a Đường cong ứng xử trễ Hình 1b Đường cong lý tưởng hóa Trong nghiên cứu này, tính chất phi tuyến vật liệu bê tông cốt thép sử dụng đề xuất [5] Phương pháp phân tích NSP, sử dụng phần mềm thương mại ETABS version16.0 Tải trọng ngang tác dụng lên cơng trình chủ yếu tải trọng động đất, tính tốn theo phương pháp phân tích phổ phản ứng [6] Các kết chuyển vị, độ lệch tầng, mô men góc xoay cột so sánh với vật liệu làm việc giai đoạn đàn hồi Kết giúp phản ánh xác khả phân tán lượng kết cấu khung bê tông cốt thép chịu tác động tải trọng động đất với vật liệu bê tông cốt thép làm việc miền đàn hồi PHƯƠNG PHÁP PHI TUYẾN TĨNH Phân tích tĩnh phi tuyến dựa nguyên tắc ứng xử kết cấu mơ hệ bậc tự Dựa lý thuyết này, ứng xử hệ liên quan đến dao động hình dạng 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Nguyễn Trần Trung tgk khơng thay đổi q trình phân tích Mục đích phân tích phi tuyến tĩnh đánh giá dự đoán ứng xử hệ thống kết cấu cách ước tính khả kháng chấn, chuyển vị cơng trình tác động động đất thiết kế so sánh yêu cầu khả có chọn Phân tích phi tuyến tĩnh phương pháp ước tính giá trị lực cần thiết chuyển vị tương ứng nó, cách phân phối lại nội lực cấu kiệu hệ thống kết cấu so với giới hạn đàn hồi chúng Thiết lập đường cong quan hệ lực chuyển kết quan trọng 2.1 Vật liệu bê tông cốt thép sử dụng mô hình Nghiên cứu này, mơ hình tăng cường giai đoạn mềm hóa bê tơng với góc xoay khơng đổi (Fixed-Angle Softened-Truss Model), gọi tắt FA-STM [7] đề xuất ưu điểm phân tích số, cụ thể: 1) Có xét đến ảnh hưởng mềm hóa vùng nén bê tông; 2) Tăng độ cứng vùng kéo bê tơng; 3) Có xét đến quan hệ ứng suất – biến dạng cốt thép phân tán bê tông; 4) Đặc biệt có kể đến hiệu ứng góc xoay tượng cắt bê tơng Mơ hình tính tốn theo cơng thức trình bày rõ ràng hai vùng bê tông Đặc biệt nghiên cứu này, tác giả sử dụng vật liệu theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) áp dụng cho mơ hình FA-STM sau: 2.1.1 Vùng nén bê tông Đường cong quan hệ ứng suất biến dạng vùng nén bê tông [8], [9] tính tốn từ cơng thức (2.1) (2.2), với thông số sử dụng bê tông B30 thể Hình 2 f c' 2 f c' 1 4 (1) (2) ' Trong đó: f c cường độ nén đặc trưng bê tông quy đổi phù hợp với TCVN [1]; biến dạng tương ứng với cường độ nén lớn nhất, 0.002 ; hệ số mềm hóa; hệ số cơng thức (2.2) thay cho hệ số mô hình FA-STM trước nghiên cứu [8], [10], [11] Hình Quan hệ σ - ε vùng nén bê tơng mơ hình FA-STM với đặc trưng lý bê tông B30 TCVN Hệ số mềm hóa xác định theo cơng thức (2.3), (2.4) 5.8 f ' c 0.9 4001 1 ' y f yy y x f xy x (2.3) (2.4) ' Trong đó: f c tính tốn với thứ nguyên (MPa); x , y hệ số cốt thép theo phương x, y; f xx , f xy ứng suất chảy dẻo cốt thép theo phương x, y Ký hiệu 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG ' Số 12, Tháng 11 - 2018 Để thể ưu điểm mơ hình này, tác giả tiến hành so sánh với mơ hình bê tông [14] vùng nén vùng kéo thể Hình 4, Hình cơng thức (2.3) thể thông qua hệ số công thức (2.4) giới hạn khoảng (0.2 1), giá trị ứng suất tối thiểu đường cong quan hệ nhánh giảm dần công thức (2.2) 0.2 f c ' 2.1.2 Vùng kéo bê tông Đường cong quan hệ σ – ε phần kéo bê tông [8] đến [12] thể Hình với đặc trưng lý bê tơng có cấp độ bền B30 theo TCVN, với nhánh tăng nhánh giảm tính tốn từ cơng thức (2.5), (2.6) (2.5) 1 Ec 1 cr f cr cr 1 Hình Quan hệ σ - ε mơ hình FA-STM so với mơ hình [14] vùng nén thiết lập với thông số đặc trưng bê tông cấp độ bền B30 theo TCVN 0.4 1 cr (2.6) Với Ec mô đun đàn hồi bê tông, f cr ứng suất nứt bê tông cr biến dạng tương ứng với ứng suất f cr Hình Quan hệ σ - ε mơ hình FA-STM so với mơ hình vùng kéo [7] [15] thiết lập với thông số đặc trưng bê tông cấp độ bền B30 theo TCVN 2.1.4 Mơ hình cốt thép Tài liệu [16] đề xuất mơ hình đường cong giai đoạn: giai đoạn đàn hồi, giai đoạn chảy dẻo giai đoạn tăng bền đến phá hoại Giai đoạn cuối biểu diễn dạng đường cong parabol Hình 5, dạng đường cong thể ứng xử thật cốt thép tính tốn từ cơng thức (2.8) đến (2.10): f s Es s ;0 s y (2.8) Hình Quan hệ σ - ε vùng kéo bê tông FA-STM với đặc trưng lý bê tông B30 theo TCVN 2.1.3 Bê tông vùng cắt Quan hệ σ - ε bê tông vùng chịu cắt [13] xét thêm góc xoay lực cắt gây giá trị mô đun cắt xác định theo công thức (2.7) 2 (2.7) G12 2(1 ) f s f y ; y s sh 23 (2.9) TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Nguyễn Trần Trung tgk ngang, xác định mức độ suy giảm độ cứng việc giảm diện tích giới hạn vòng trễ Suy giảm cường độ đại diện , tỷ số ứng xử hư hỏng lớn E ( ) fs f y Esh ( s sh ) 1 sh s sh ; s sh (2.10) f su fy Trong đó, f s s giá trị ứng suất biến dạng thép, ký hiệu y nhất, d m / u lượng trễ dE / u Py , chảy dẻo, sh biến dạng tăng bền u ứng suất cực đại hay tới hạn Các thơng số mơ hình Es , Esh , sh , f y , f su xác định thể công thức (2.11) d m / u d m (2.11) dE / ( u Py ) dE / Py từ đặc trưng lý thép nghiên cứu dùng nhóm thép AIII theo TCVN Hiện tượng thắt lại (Pinching behavior) đại diện Theo Hình 8, cách hạ thấp điểm tối đa đến mức Py , xác định cách hạ đường thẳng vng góc từ điểm giao đường dỡ tải với trục hồnh, từ tiếp tục tăng tải, điểm giao biến dạng xuất vết nứt Hiện tượng thắt lại làm giảm độ dốc vòng trễ, gián tiếp làm tổn hao lượng Bằng cách sử dụng mơ hình thơng số, mơ hình trễ tái chế [18] khơng có thơng số cường độ giảm độ cứng hay mơ hình [19] có kể đến ảnh hưởng suy giảm độ cứng giảm cường độ sử dụng nghiên cứu Hình Quan hệ σ - ε theo mơ hình [16] với đặc trưng lý nhóm thép AIII theo TCVN 2.2 Mơ hình ứng xử trễ Mơ hình trễ sử dụng để thể ứng xử phi tuyến cấu kiện hệ thống kết cấu với mơ hình tham số liên quan đến suy giảm độ cứng, cường độ tượng thắt lại [17] Đường cong quan hệ lực chuyển vị hiển thị đường cong gấp khúc đoạn Hình Trên đường cong thể đầy đủ điểm nứt, điểm chảy dẻo điểm tới hạn Các thông số , sử dụng với ý nghĩa tương ứng độ cứng, cường độ tượng thắt lại Khái niệm ảnh hưởng thông số thể Hình Suy giảm độ cứng đại diện , hệ số thiết lập cách kéo dài điểm giao đường dỡ tải với trục Hình Đường cong đoạn thẳng [17] 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Số 12, Tháng 11 - 2018 Hình 9b Mơ hình 3D cơng trình 3.2 Vật liệu sử dụng Vật liệu bê tơng cốt thép tồn cơng trình cho nghiên cứu quy định bê tông cấp độ bền B30, cốt thép sử dụng nhóm AI (thép sàn) AIII (thép cột, dầm) 3.3 Các thành phần tải trọng tác động lên cơng trình Tải trọng tác dụng lên cơng trình gồm thành phần, tải trọng theo phương đứng tải trọng theo phương ngang Tải trọng theo phương đứng bao gồm tĩnh tải hoạt tải, với trọng lượng thân cấu kiện khai báo tự động; cụ thể tĩnh tải: (kN/m2), hoạt tải: (kN/m 2) Tải trọng ngang nghiên cứu phân tích tải trọng tác động động đất, tính tốn theo dẫn [20], sử dụng phương pháp phổ để phân tích tải trọng động đất Từ thông số trên, ta thiết lập phổ thiết kế Hình 10 Hình Ba mơ hình thơng số trễ [17] NGHIÊN CỨU BẰNG SỐ 3.1 Mơ tả cơng trình nghiên cứu Khung bê tơng cốt thép, tọa lạc số 200 Hồng Kiếm, quận Hai Bà Trưng, thành phố Hà Nội Quy mô cơng trình gồm tầng Mặt tầng điển hình cơng trình thể mơ hình 3D cơng trình Hình Hình Phổ thiết kế với cơng trình quận Hai Bà Trưng Hình 9a Mặt tầng điển hình 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Nguyễn Trần Trung tgk THẢO LUẬN Việc lựa chọn mơ hình vật liệu phân tích phi tuyến việc cần thiết, qua đường cong quan hệ cho nhận định khách quan vai trò quan trọng mơ hình đề xuất việc hình thành biến dạng dẻo Cụ thể Hình 14, quan hệ mơ men góc xoay có biến dạng dẻo hình thành, rõ ràng sử dụng phân tích phổ khơng thể rõ góc xoay, lúc hệ kết cấu làm việc miền đàn hồi Vì thế, đường cong quan hệ vật liệu ảnh hưởng mạnh tốn phân tích phi tuyến kết cấu nói chung kết cấu bê tơng cốt thép nói riêng Các kết trình bày thơng qua giá trị chuyển vị đỉnh, độ lệch tầng, quan hệ phổ chuyển vị gia tốc mô men góc xoay cột, thể cụ thể thơng qua hình từ Hình 11 đến Hình 14 Hình 13 Mơ hình vật liệu việc đánh giá độ lệch tầng Hình 14 Quan hệ mơmen góc xoay hình thành khớp dẻo KẾT LUẬN Qua kết thể hiện, phân tích phi tuyến khung bê tông cốt thép, đường cong quan hệ vật liệu ảnh hưởng nhiều đến kết phân tích mặt nội lực biến dạng hệ kết cấu Mơ hình đề xuất FA-STM cho kết phân tích trùng khớp nhiều với mơ hình mặc định ETABS Từ kết trên, đường cong quan hệ vật liệu giúp cho việc xác định lại hệ số ứng xử phân tích cơng trình chịu tải trọng ngang tác động động đất Hình 11 Quan hệ chuyển vị đỉnh lực cắt đáy mơ hình vật liệu FA-STM Hình 12 Các mơ hình vật liệu quan hệ phổ chuyển vị phổ gia tốc 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Số 12, Tháng 11 - 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Dai Minh (2014), Đánh giá cường độ theo cấp độ bền mác bê tơng, Tạp chí khoa học cơng nghệ [2] Eshghi S, Zare M, and Mahdavifar MR (2002), Preliminary Report of IIEES Reconnaissance Team, The Changureh (Avaj) Earthquake of June 22, 2002 (Mw: 6.4), International Institute of Earthquake Engineering and Seismology (IIEES), Tehran, Iran [3] ATC (1996), Seismic evaluation and retrofit of concrete buildings, Applied Technology Council [4] FEMA-356 (2000), Commentary for the seismic rehabilitation of buildings, report FEMA356, Washington DC, SAC Joint Venture for the Federal Emergency Management Agency [5] Kachlakev Damian, et al (2001), Finite element modeling of concrete structures strengthened with FRP laminates, 316 Final report, SPR [6] Avramidis Ioannis, et al (2016), Design of R/C Buildings to EC8-1: A Critical Overview, in Eurocode-Compliant Seismic Analysis and Design of R/C Buildings, Springer [7] Wang Taijun and Hsu Thomas T C (2001), Nonlinear finite element analysis of concrete structures using new constitutive models, 79 (32), Computers & Structures [8] Hsu Thomas TC (1992), Unified theory of reinforced concrete, 5, CRC press [9] Belarbi Abdeldjelil and Hsu Thomas TC (1994), Constitutive laws of concrete in tension and reinforcing bars stiffened by concrete, 91 (4), Structural Journal [10] Pang Xiao Bo David and Hsu Thomas TC (1995), Behavior of reinforced concrete membrane elements in shear, 92 (6), ACI structural Journal [11] Zhang Li Xin and Hsu Thomas TC (1998), Behavior and analysis of 100 MPa concrete membrane elements, 124 (1), Journal of Structural Engineering [12] Hsu Thomas TC and Zhang L-X (1996), Tension stiffening in reinforced concrete membrane elements, 93 (1), ACI Structural Journal [13] Zhu Ronnie RH, Hsu Thomas TC, and Lee Jung Yoon (2001), Rational shear modulus for smeared-crack analysis of reinforced concrete, 98 (4), Structural Journal [14] Wee TH, Chin MS, and Mansur MA (1996), Stress-strain relationship of highstrength concrete in compression, (2), Journal of Materials in Civil Engineering [15] Internationaldu Comite Euro (1993), CEB-FIP model code 1990: design code, 214 No 213 [16] Sargin Muharrem (1971), Stress-strain relationships for concrete and the analysis of structural concrete sections, 4, Solid Mechanics Division, University of Waterloo Waterloo, ON, Canada [17] Priestley MJN and Park R (1987), Strength and ductility of concrete bridge columns under seismic loading, 84 (1), Structural Journal [18] Clough W Ray, Benuska KL, and Wilson EL (1965), Inelastic earthquake response of tall buildings, in Proceedings of Third World Conference on Earthquake Engineering, New Zealand [19] Takeda Toshikazu, Sozen Mete Avni, and Nielsen N Norby (1970), Reinforced concrete response to simulated earthquakes, 96 (12), Journal of the Structural Division [20] Pinto Paolo Emilio (2005), The Eurocode 8-Part 3: the new European Code for the seismic assessment of existing structures, (5), Asian J Civil Eng (Building and Housing) Ngày nhận bài: 10-7-2018 Ngày biên tập xong: 18-10-2018 Duyệt đăng: 28-11-2018 27 ... xác khả phân tán lượng kết cấu khung bê tông cốt thép chịu tác động tải trọng động đất với vật liệu bê tông cốt thép làm việc miền đàn hồi PHƯƠNG PHÁP PHI TUYẾN TĨNH Phân tích tĩnh phi tuyến dựa... cong ứng xử trễ Hình 1b Đường cong lý tưởng hóa Trong nghiên cứu này, tính chất phi tuyến vật liệu bê tông cốt thép sử dụng đề xuất [5] Phương pháp phân tích NSP, sử dụng phần mềm thương mại... hình vật liệu việc đánh giá độ lệch tầng Hình 14 Quan hệ mơmen góc xoay hình thành khớp dẻo KẾT LUẬN Qua kết thể hiện, phân tích phi tuyến khung bê tông cốt thép, đường cong quan hệ vật liệu