Nghiên cứu phát triển phương pháp AEM (Applied Element Method) để phân tích ứng xử sụp đổ dây chuyền của khung bê tông cốt thép dưới tác động của các loại tải trọng bất thường

Bài viết trình bày các vấn đề tổng quan về sụp đổ dây chuyền các tòa nhà để giúp độc giả các những khái niệm tiếp cận ban đầu, đồng thời nắm được các nguyên lý cơ bản mà các nước trên thế giới áp dụng mà cụ thể ở đây là theo hướng dẫn của tổ chức GSA và DoD của Hoa Kỳ. Các tính toán phân tích cụ thể sẽ được trình bày trong các bài báo tiếp theo.

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP AEM (APPLIED ELEMENT METHOD) ĐỂ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ SỤP ĐỔ DÂY CHUYỀN CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC LOẠI TẢI TRỌNG BẤT THƯỜNG Phạm Phú Anh Huy Đặt vấn đề Phương pháp AEM (Applied Element Method) Các vấn đề nghiên cứu Hướng nghiên cứu dự kiến kết toán Đặt vấn đề Nhà cao tầng tòa nhà có tầm qua trọng cao việc đảm bảo cho tịa nhà vận hành an tồn khơng bị sụp đổ hồn tồn u cầu cấp thiết Bởi sụp đổ gây nên tổn thất lớn người Quá trình sụp đổ sụp đổ dây chuyền quan tâm từ sụp đổ nhà Ronan Point Apartement Building, London, Anh vào năm 1968, tiếp sau hàng loạt cơng trình sụp đổ nhiều ngun nhân khác Và đỉnh điểm vụ khủng bố tòa tháp đôi WTC (World Trade Center) NewYork vào ngày 11 tháng năm 2001 làm sụp đổ hoàn toàn cơng trình gây thiệt hại lớn người lẫn cải Sau thảm họa có nhiều nghiên cứu liên quan đến trình sụp đổ dây chuyền cơng trình từ cuối thập niên 70 đầu thập niên 80 Trong tiêu chuẩn Anh giới thiệu phương pháp thiết kế chống lại loại tải trọng bất thường vào năm 1970, năm 1975 tiêu chuẩn Canada đề xuất tính toán sụp đổ dây chuyền Tổ chức GSA (Mỹ) cơng bố tài liệu hướng dẫn phân tích thiết kế cơng trình chống lại sụp đổ dây chuyền vào năm 2000, tiếp sau tổ chức DoD (Mỹ) ban hành tài liệu hướng dẫn thiết kế tòa nhà chống lại sụp đổ dây chuyền vào năm 2005 Tuy nhiên, Việt Nam vấn đề hoàn toàn mẻ Việt Nam chưa xảy cố lớn sụp đổ nhà cao tầng cơng trình có tầm quan trọng cao, chưa có nhiều nghiên cứu lĩnh vực Việt Nam chưa có tiêu chuẩn hay tài liệu hướng dẫn vấn đề Vì báo trình bày vấn đề tổng quan sụp đổ dây chuyền tòa nhà để giúp độc giả khái niệm tiếp cận ban đầu, đồng thời nắm nguyên lý mà nước giới áp dụng mà cụ thể theo hướng dẫn tổ chức GSA DoD Hoa Kỳ Các tính tốn phân tích cụ thể trình bày báo Các thuật ngữ định nghĩa: Tổ chức GSA (General Services Administration) tổ chức “Dịch vụ quyền cơng” Hoa Kỳ Tổ chức thành lập vào 1949 nhằm mục đích quản lý hỗ trợ quyền liên bang mảng quản lý nhân viên làm việc cho quyền liên bang mảng xã hội Tổ chức DoD (Department of Defense) Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, thành lập vào năm 1949, phận hành pháp phủ liên bang Hoa Kỳ, điều phối giám sát tất quan chức phủ liên bang Bộ phận liên quan trực tiếp đến an ninh quốc gia lực lượng vũ trang Hoa Kỳ UFC (Unified Facilities Criteria) tiêu chuẩn xây dựng thống nhất, chương trình Bộ Quốc phòng biên soạn nhằm cung cấp tài liệu hướng dẫn việc lập kế hoạch, thiết kế, xây dựng, trì sống cho tất dự án DoD dự án dân khác Tải trọng bất thường (Abnormal load) loại tải trọng khác tải trọng thông thường (như tĩnh tải, hoạt tải sử dụng, gió, động đất ) tác động lên kết cấu Có thể phân loại tải trọng bất thường sau: - Thay đổi lớn áp suất không khí phá hoại bom, nổ hệ thống ga, khí đốt Các vụ nổ khác tồ nhà - Các tai nạn va chạm: va chạm loại phương tiện, va chạm thiết bị xây dựng, va chạm máy bay - Các lỗi thiết kế thi công: thiết kế lỗi, thi cơng lỗi, việc sử dụng sai mục đích người sử dụng nhà - Sự hư hỏng móng: tải trọng sử dụng khơng mong đợi, hư hỏng tường tầng hầm, xói lở, lũ lụt ảnh hưởng đến móng, hố móng đào lân cận Sụp đổ (Collapse) trạng thái cực hạn kết cấu tác dụng loại tải trọng đặc biệt động đất, cháy, nổ, bom, phương tiện va chạm vào kết cấu, lỗi thiết kế hay thi công kết cấu Sự sụp đổ phần yếu kết cấu sau lan rộng thành sụp đổ cục Quá trình sụp đổ dây chuyền (Progressive collapse) định nghĩa lan rộng trình sụp đổ cục từ phần tử đến phần tử khác, dẫn đến sụp đổ tồn cơng trình Khoảng cách khống chế (Standoff Distance): định nghĩa khoảng cách gần cơng trình chu vi khu vực gây nguy hiểm Asset: khu vực cơng trình (tài sản) Stand-off zone: khu vực khống chế Threat: nhân tố đe dọa (cháy, nổ, bom ) Hình 1: Khoảng cách khống chế Cấp bảo vệ cao (High Level Protection): hư hỏng nhỏ, sửa chữa Cơng trình vùng bảo vệ bị hư hỏng nhỏ tổng thể, cho phép hư hỏng lớn cục Người tồn nhà bị thương nhẹ, nhìn tổng thể thiệt hại nhỏ Cấp bảo vệ trung bình (Medium Level Protection): hư hỏng vừa phải, sửa chữa Cơng trình khu vực bảo vệ tồn mức độ hư hỏng lớn, đảm bảo kết cấu sử dụng Thương vong xảy tài sản bị hư hỏng Các phận chịu lực cơng trình cần thay thế, sửa chữa Có số phận chịu lực cơng trình khơng thể sửa chữa được, cần phá dỡ thay kết cấu Cấp bảo vệ thấp (Low Level Protection): hư hỏng lớn Cơng trình vùng bảo vệ xuất hư hỏng lơn không đươc sụp đổ dây chuyền Thương vong xảy tài sản bị hư hỏng, nhiên kết cấu cơng trình sửa chữa thay Hệ thống kết cấu có bề mặt khó gãy, vỡ (A Non-Frangible Facade System): đánh giá khả chịu uốn tĩnh lớn 1,0Psi (0,00689N/mm2) dựa tải trọng phân bố tác động hướng vào vật thể Hệ thống kết cấu có bề mặt dễ gãy, vỡ (A Non-Frangible Facade System): đánh giá khả chịu uốn tĩnh bé thua 1,0psi (0,00689N/mm2) dựa tải trọng phân bố tác động hướng vào vật thể Các cơng trình sụp đổ dây chuyền điển hình giới Tồ nhà Ronan Point Apartement Building, London, Anh sụp đổ vào năm 1968 Tồ nhà có 22 tầng, xây dựng bê tơng cốt thép lắp ghép Tồ nhà sụp đổ vụ nổ ga nhỏ tầng thứ 18 dẫn đến sụp đổ tường panel chịu lực, dẫn đến sụp đổ sàn tầng trên, sàn tầng sụp đổ đè sàn tầng dưởi sụp đổ theo hiệu ứng “domino” Sau thảm họa tiêu chuẩn Anh giới thiệu phương pháp thiết kế chống lại loại tải trọng bất thường Và năm 1975 tiêu chuẩn Canada đề xuất tính tốn sụp đổ dây chuyền Hình 2: Tồ nhà Ronan Point Apartement Building, London, Anh sụp đổ vào năm 1968 Hình 3: Tồ nhà Alfred P Murrah, Oklahoma, Mỹ sụp đổ vào năm 1995 Tòa nhà Alfred P Murrah thành phố Oklahoma bị sụp đổ dây chuyền vào năm 1995 xe tải bom nổ tầng Chiếc xe tải bom nổ làm ba cột tầng bị phá hoại, cột bị phá hoại dẫn đến dầm-sàn ba cột đỡ sụp đổ theo Các kết cấu cịn lại khơng đủ sức để truyền tải trọng dẫn đến sụp đổ dây chuyền tồn cơng trình Tịa nhà Sampoong Department Store, Hàn Quốc, bị sập đổ vào ngày 29 tháng 06 năm 1995 Tòa nhà sập đổ gây thiệt hại tính mạng 500 người bị sụp đổ hồn tồn Chủ tòa nhà thay đổi cấu trúc nguyên thủy mái tồ nhà để thay vào cầu thang hệ thống điều hịa khơng khí Kết cấu mái không thiết kế để chịu tải trọng lớn vậy bị sập đổ, kéo theo sàn tầng sập đổ theo, tạo thành hiệu ứng dây chuyền làm toàn nhà sụp đổ hoàn toàn Hình 3: Tồ nhà Sampoong Department Store, Hàn Quốc sụp đổ vào năm 1995 Hình 4: Tồ nhà tháp đơi WTC, Mỹ sụp đổ vào năm 2001 Tồn tháp đơi Word Trade Center, NewYork, Mỹ bị sụp đổ hồn tồn vào ngày 11 tháng năm 2001 Tịa nhà sụp đổ máy bay đâm vào gây cháy, nhiên q trình sụp đổ lại có liên quan đến sụp đổ dây chuyền làm tòa nhà sụp đổ hồn tồn Các phương pháp phân tích, tính tốn sụp đổ dây chuyền Đã có nhiều đề xuất để ngăn chặn giảm rủi ro cho tòa nhà cao tầng tránh sụp đổ hồn tồn Có cách tiếp cận kiểm sốt tình khơng để xảy loại tải trọng đặc biệt, phương pháp thiết kế gián tiếp trực tiếp Việc kiểm soát tình để khơng xảy loại tải trọng đặc biệt quốc gia tiến hành cách chặt chẽ nhiên khó kiểm sốt hồn tồn được, điển hình vụ đánh bom, máy bay đâm vào toàn nhà cao tầng thời gian gần Hơn nữa, kỹ sư thiết kế khó khăn để ước tính độ lớn loại tải trọng bất thường Ngồi sử dụng barie chặn xung quanh cột tầng hầm, tầng để xe để tránh phương tiện va chạm Sử dụng “ống phịng nổ” để giảm áp suất tồn nhà kín Địa điểm xây dựng tồ nhà cao tầng tránh khu vực đông đúc “Khoảng cách khống chế” (Standoff distance) phương án sử dung trường hợp Theo GSA “khoảng khống chế” xác định theo bảng Bảng 1: Khoảng cách khống chế theo GSA Loại kết cấu Bê tơng cốt thép Khung cứng với bề mặt khó gãy, vỡ Khung cứng với bề mặt dễ gãy, vỡ Sàn phẳng với bề mặt khó gãy, vỡ Sàn phẳng với bề mặt dễ gãy, vỡ Kết cấu vách cứng Kết cấu thép Khung cứng với bề mặt khó gãy, vỡ Khung cứng với bề mặt dễ gãy, vỡ Kết cấu thép nhẹ Thấp (ft) (m) Cấp bảo vệ yêu cầu Trung bình Cao (ft) (m) (ft) (m) 25 25 25 25 25 7,62 7,62 7,62 7,62 7,62 40 35 40 35 35 12,2 10,67 12,2 10,67 10,67 130 100 130 100 100 36,58 30,48 39,62 30,48 30,48 25 25 55 7,62 7,62 16,76 40 35 105 12,2 10,67 32,00 130 100 165 39,62 30,48 50,29 Phương pháp thiết kế gián tiếp dựa yêu cầu tối thiếu mặt cường độ, tính liên tục độ dẻo Phương pháp hướng đến việc thiết kế kết cấu hoàn chỉnh mà khong quan tâm đến tải trọng bất thường Phương pháp liên quan đến việc thiết kế liên kết liên tục băng qua nút tăng thêm độ dẻo dư thừa khả chịu lực cho kết cấu Một cách tiếp cận phổ biến cho phương pháp gọi “lực bó chặt” (tie forces) Phương pháp hướng tới việc thiết kế cho cấu kiện với khả chịu kéo tương ứng để chịu biến dạng lớn sau hư hỏng Đó kết hợp chặt chẽ mạng lưới liên kết ngang đứng thông qua nút kết cấu Phương pháp thiết kế trực tiếp dựa khả kết cấu để tiếp nhận hư hỏng cục khơng phá hủy tồn Phương pháp tiếp cận người thiết kế phải hướng đến sụp đổ dây chuyền Người thiết kế phải kể đến tải trọng bất thường thiết kế giả sử vài phận hư hỏng cục Có cách tiếp cận phương pháp đường truyền thay (Alternate Path Method) phương pháp ngăn chặn hư hỏng cục (Specific Local Resistance Method) Phương pháp “lực bó chặt” (tie force): Cách tiếp cận phương pháp tồn nhà bó chặt học với nhau, nâng cao tính liên tục, độ dẻo phát triển đường truyền tải trọng thay Lực bó chặt sinh cấu kiện nút liên kết tồn kết cấu để chịu loại tải trọng bất thường sinh kết cấu Những điều khoản tiêu chuẩn nước quan tâm đến lực bó chặt cho kết cấu bê tơng cốt thép lắp ghép tính liên tục cốt thép cho kết cấu bê tơng cốt thép tồn khối phần tử cơng trình tạo “chống lại tối thiếu” để tồn mà không bị phá hoại tải trọng bất thường xảy Phụ thuộc vào kết cấu bên trên, có số “lực bó chặt theo phương đứng” sử dụng lực bó chặt bên trong, chu vi, cột biên, cột góc tường “Lực bó chặt theo phương ngang” yêu cầu cột tường chịu lực Đường truyền tải trọng cho lực bó chặt chu vi phải liên tục quanh mặt nhà lực bó chặt bên đường truyền tải phải liên tục từ cột biên cột Peripheral Tie (dashed line): lực bó chặt chu vi (đường nét đứt) Vertical Tie: Lực bó chặt đứng Horizontal Tie to External Column or Wall: Lực bó chặt ngang cột ngồi vách Internal Ties (dooted lines): lực bó chặt bên (đường chấm đứt) Conner Column Ties: lực bó chặt cột góc Hình 5: Lực bó chặt Theo phương pháp yêu cầu: Cường độ bó chặt thiết kế=Rn  Cường độ bó chặt yêu cầu Trong  hệ số giảm cường độ Rn: Cường độ bó chặt danh nghĩa, tính tốn với tiêu chuẩn đặc biệt vật liệu, bao gồm hệ số vượt cường độ  Phương pháp đường truyền thay thế: phương pháp phần tử nguy hiểm giả sử hư hỏng loại bỏ khỏi kết cấu trước phân tích Tải trọng phần tử phân phối cho phần tử lân cận, trình phân tích tiếp tục tiếp tục có thêm phần tử hư hỏng bị loại bỏ khỏi kết cấu Đường truyền thay xem xét tính tốn cho khơng xảy q trình sụp đổ dây chuyền, khơng thực tế xem ngăn chặn tất phần tử tịa nhà khơng phá hoại tác dụng loiaj tải trọng không mong đợi Phương pháp đường truyền thay sử dụng hai tình sau: 1) Khi phần tử đứng khơng thể cung cấp cường độ bó chặt yêu cầu, người thiết kế sử dụng phương pháp đường truyền thay để tính tốn cho kết cấu vượt qua tình trạng thiếu phần tử sau bị số phần tử đoán trước 2) Kết cấu yêu cầu bảo vệ cấp độ trung bình cao Xét ví dụ hình sàn võng xuống mà cột bị Nhịp bằn ngang qua vị trí cột bị có biến dạng lớn (catenary action) Nếu có số sàn bên bị cột hình tải trọng sàn truyền lên cho sàn thông qua cột chịu kéo, giúp kết cấu truyền tải cho phần tử lân cận không bị hư hỏng Hình 6: Mơ tả đường truyền thay Theo phương pháp yêu cầu: Cường độ thiết kế=Rn  Cường độ yêu cầu Trong  hệ số giảm cường độ Rn: Cường độ danh nghĩa, tính toán với tiêu chuẩn đặc biệt vật liệu, bao gồm hệ số vượt cường độ  Đối với kết cấu có u cầu an tồn trung bình cao Việc loại bỏ cột để phân tích ứng xử kết cấu thực sau Loại bỏ cột ngoài: việc bỏ cột theo kịch chọn cột gần cạnh ngắn nhà, gần cạnh dài mặt nhà cột góc ngơi nhà hình vẽ Cũng loại bỏ cột vị trí có thay đổi lớn kích thước hình học kết cấu nơi có thay đổi kích thước nhịp Các kỹ sư kết cấu dùng kiến thức học để nhận vị trí Column removal locations: vị trí loại bỏ cột Similar short side columns: cột tương tự theo phương cạnh ngắn Similar long side columns: cột tương tự theo phương cạnh dài Plan view: mặt Hình 7: Hướng dẫn loại bỏ cột theo UFC Loại bỏ cột trong: với tịa nhà có gara tầng hầm khu vực công cộng tầng hầm không kiểm sốt ta loại bỏ cột gần cạnh ngắn, gần cạnh dài mặt ngơi nhà góc khu vực khơng kiểm soát Việc loại bỏ thực từ sàn tầng hầm nơi có gara để xe nơi cơng cộng khơng kiểm sốt tới sàn (có nghĩa tầng phải loại bỏ) Cũng loại bỏ số cột khác vùng khơng kiểm sốt theo đáng giá học kỹ sư Với vị trí mặt bằng, phân tích đường truyền thay thực cho cột tầng hầm sàn tầng để xe Public access spaces (hatched area): khu vực phương tiện công cộng đến gần (vùng gạch chéo) Interior column removal locations: vị trí loại bỏ cột Similar short side columns: cột tương tự theo phương cạnh ngắn Similar long side columns: cột tương tự theo phương cạnh dài Plan view: mặt Hình 8: Hướng dẫn loại bỏ cột theo UFC Original structural configuration: Hình dạng kết cấu ban đầu Correct approach to removing a column: cách tiếp cận để loại bỏ cột Incorrect approach to removing a column: cách tiếp cận sai để loại bỏ cột Hình 9: Hướng dẫn loại bỏ cột ngồi theo UFC Với phân tích tĩnh tuyến tính phi tuyến theo UFC quy định tải trọng dùng để phân tích là: 2,0[(0,9 1,2)D]+(0,5L 0,2S)+0,2W Với phân tích động phi tuyến theo UFC quy định tải trọng: (0,9 1,2)D+(0,5L 0,2S)+0,2W Trong đó: D: tĩnh tải; L: hoạt tải; S: tải trọng tuyết; W: tải trọng gió Phương pháp ngăn chặn hư hỏng cục bộ: cách tiếp cận phương pháp ngăn chặn hư hỏng phần tử chịu lực tác dụng tải trọng bất thường để ngăn chặn sụp đổ toàn Để ngăn chặn phá hoại phần tử chịu lực người thiết kế phải thiết kế đảm bảo cho phần tử dư thừa khả chịu lực Có thể tham khảo tiêu chuẩn Anh để đưa vào tải trọng bất thường dựa tính tốn xác suất: Tải trọng=(0,9 1,2)D+ Ak +0,5L+0,2W Ak: tải trọng bất thường nổ, phương tiện va chạm Một cách để ngăn chặn hư hỏng cục dùng sử dụng sợi thủy tinh sợi polyme để gia cố cho cột, dầm sàn để tăng cường khả chịu tải cho kết cấu Phương pháp AEM (Applied Element Method) Phương pháp phần tử ứng dụng (Applied Element Method - AEM) phương pháp số sử dụng để phân tích kết cấu liên tục khơng liên tục Mơ hình phương pháp phần tử ứng dụng (gọi tắt AEM) cho phép nghiên cứu từ giai đoạn kết cấu bắt đầu chịu lực kết cấu phá hủy hồn tồn thơng qua tất giai đoạn như: giai đoạn đàn hồi, giai đoạn xuất vết nứt, giai đoạn lan truyền vết nứt vùng kéo bê tông, giai đoạn chảy dẻo thép, giai đoạn ăn mòn Phương pháp AEM đặt móng nghiên cứu từ năm 1995 tiến sĩ Haterm Tagel Din Đại học Tokyo – Nhật Bản Nhưng năm 2000 báo “Applied element method for structural analysis – Theory and application for linear material” cơng bố, từ có nhiều nghiên cứu tồn giới để phát triển phương pháp Các nghiên cứu độ xác tính tốn phương pháp AEM phân tích đàn hồi, giai đoạn nứt vết nứt lan truyền phát triển, dự tính tải trọng phá hoại, phân tích làm việc kết cấu đưới tác dụng tải trọng lặp, ứng xử trước sau ổn định, có khả phân tích phi tuyến động cho kết cấu chịu loại tải trọng đặc biệt động đất, cháy, nổ , Cách chia phần tử phương pháp AEM Mơ hình đối tượng AEM tương tự phương pháp phầh tử hữu hạn Đối tượng đia chia thành nhiều phần tử liên kết với Vấn đề khác phương pháp việc kiên kết phần tử Trong AEM, mơ hình kết cấu liên tục chia thành nhiều phần tử liên kết với thơng qua liên kết lị xo phi tuyến, lò xo đại diện ứng xử vật liệu Mơ hình AEM có khả mơ xác ứng xử kết cấu bê tơng cốt thép thép Bởi liên kết lò xo đại diện biến dạng nén cắt, số loại liên kết lò xo sử dụng để tạo ứng xử tổng thể mơ hình kết cấu như: lị xo ma trận, lị xo thể thép bê tơng, lò xo liên kết Lò xo ma trận: lò xo liên kết phần tử lân cận thể cho vật liệu kết cấu Ví dụ phân tích kết cấu bê tơng cốt thép, lị xo đại diện cho phần bê tơng phân tích kết cấu thép lò xo đại diện cho lò xo thép Lị xo thể thép bê tơng: tất lõ xo đại diện cho thép hình vẽ Lị xo có thuộc tính vật liệu, vị trí, kích thước thép Tương tự lò xo ma trận, lò xo đặt nơi giao thép phần tử biên, lò xo pháp tuyến lấy theo hướng thép Lò xo liên kết: trường hợp ăn mịn kết nối phần tử có thuộc tính, lị xo lị xo pháp lò xo tiếp để giải vấn đề lò xo thêm vào điểm liên kết So sánh khả tính tốn phương pháp: phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) phương pháp phần tử ứng dụng (AEM) So sánh phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) phương pháp phần tử áp dụng (AEM) Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử áp dụng - Dựa học môi trường liên tục để - Có thể áp dụng cho phần tử liên tục phân tích số vấn đề khác phần tử không liên tục - Mặt phẳng thẳng giả định thường - Kết cấu tính tốn ghép nối sử dụng để rời rạc hóa kết cấu phần tử nhỏ - Các phần tử liên kết nút - Các phần tử liên kết dọc theo bề mặt - Các nút sử dụng để liên kết phần - Liên kết lò xo sử dụng để liên kết tử phần tử bề mặt - Nhiều loại phần tử hữu hạn dùng để tạo - Phần tử khối phần tử để tạo thành kết cấu thành kết cấu - Số bậc tự mơ hình phụ thuộc vào - phần tử liên kết với thông qua loại phần từ hữu hạn sử dụng dãy điểm liên kết Tại điểm liên kết mơ hình có liên kết lò xo (một liên kết lò xo chịu M, liên kết lò xo chịu cắt) cho phần tử chiều 10 - Phần tử chuyển tiếp cần chuyển từ - Không cần phần tử chuyển tiếp phần tử có kích thước lớn sang phần tử có kích thước bé phần tử liên kết nút với - Ma trận độ cứng tổng thể [K] tính - Ma trận độ cứng tổng thể [K] tính tốn dựa đóng góp phần tử tổng đóng góp liên kết lò xo Theo website http://www.appliedelementmethod.org thuận lợi sử dụng phương pháp AEM: FEM AEM Thời gian cần thiết để máy Nhanh tính xử lý Nhanh Bậc tự 16 cho phần tử cho phần tử Mơ hình phá hủy Sự phát triển vết nứt, vết nứt Sự phát triển vết nứt, tự vật lý (vết nứt bề mặt, vết động vết nứt vật lý nứt phải dự đoán trước) Phần tử nút (phần tử bề mặt) Không cần phần tử nút cần nơi vết nứt rộng để mô vật lý Vết nứt không mở rộng Vết nứt truyền dễ dàng từ phần tử đến phần tử phần tử biên theo hướng khác, làm kết cấu khong thể tách rời vị trí Vị trí nút bề mặt phần tử Khơng cần cho phần tử nút phải định nghĩa trước phân tích 11 Sự lan truyền vết nứt khơng thể Tất hướng phát triển vết dự đốn xác vùng nứt dự đốn vết nứt phá triển Thời gian xử lý Dài Ngắn Chi tiết vật liệu bê tơng Rất khó khăn tính tốn Tất thơng tin xác thuộc tính thép tính tốn dễ thép dàng Ví dụ: diện tích, lớp bê tơng bảo vệ đem vào tính tốn dễ dàng Trước phá hoại Độ xác cao Độ xác cao Trong sau phá hoại Không thể thực Độ xác cao Cơ sở lý thuyết phương pháp AEM Trong phương pháp AEM, kết cấu mô hình thành phần tử hình chữ nhật nhỏ Hai phần tử lân cận liên kết cặp liên kết lò xo, gọi liên kết lò xo pháp tuyến liên kết lò xo tiếp tuyến Ứng suất biến dạng cặp liên kết lị xo đại diện cho phân tố hình chữ nhật Cơng thức xác định độ cứng lị xo: EdT a GdT - Đối với lò xo tiếp tuyến: K s  a - Đối với lò xo pháp tuyến: K n  12 Hình: Rời rạc hóa kết cấu phương pháp AEM d: khoảng cách cặp lò xo liền kề T: bề dày phần tử a: chiều dài vùng diện tích đại diện (chiều dài phần tử hình chữ nhật) E,G: môđun đàn hồi môđun chống cắt vật liệu Ta có phương trình quan hệ: K G    F  K G : ma trận độ cứng tổng thể  : véc-tơ chuyển vị F : véc-tơ tải trọng tác dụng Ma trận độ cứng tổng thể xây dựng dựa đóng góp tất liên kết lò xo Ma trận độ cứng cặp liên kết lò xo 6x6 Hình: Liên kết xị lo Với biến dạng bé: phương trình động M U   C U  K U   f (t )  M UG  M  : ma trận khối lượng C  : ma trân cản nhớt K  : ma trận độ cứng phi tuyến (2) f (t ) : vectơ gia số tải trọng U  : Vectơ gia số chuyển vị U , U, U : véctơ gia số vận tốc, gia tốc gia tốc trọng trường G Giải phương trình (2) phương pháp số, sử dụng phương pháp Newmark Beta 13 To simply the dynamic problem and to reduce the size required for definition of mass matrix, the element mass and inertial are assumed lumped at the element centroid The mass matrix corresponding to an element, in case of square shaped element is:  M   D * t *    M   D * t *    2  M   D * t *  / 6.0   D is the element size t : the element thickness  : the density of the material considered M1 , M : are corresponding to the element mass M  : are corresponding to the element moment of inertia around the centroid Với biến dạng lớn Phân tích tĩnh với biến dạng lớn: KU  f  Rm  RG (3) K : Ma trận độ cứng phi tuyến U : vectơ gia số chuyển vị f : vectơ gia số tải trọng Rm : vectơ lực dư vết nứt khơng tương thích biến dạng ứng suất lò xo RG : vectơ lực dư thay đổi hình học kết cấu suốt trình chịu tải Các vấn đề nghiên cứu - Nghiên cứu ứng xử động phi tuyến khung phẳng bê tơng cốt thép có xét đến biến dạng lớn bị sụp đổ dây chuyền tác dụng tải trọng bất thường - Nghiên cứu ứng xử động phi tuyến khung phẳng bị sụp đổ dây chuyền tác dụng tải trọng bất thường phương pháp AEM Hướng nghiên cứu dự kiến kết tốn Sẽ trình bày cụ thể viết 14 Tài liệu tham khảo [1] ACI, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, ACI 318-02/318R-02, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2002 [2] AISC, LRFD Manual of Steel Construction, American Institute of Steel Construction, USA, 3rd Edition, 2001 [3] ASCE, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE 7-95, American Society of Civil Engineers, New York, 1996 [4] Department of Defense (DoD) (2004) “Design of Buildings to Resist Progressive Collapse.” Unified Facilities Criteria (UFC) 4-023-03, July 2004 [5] Department of Defense (DoD) (2009) “Design of Buildings to Resist Progressive Collapse.” Unified Facilities Criteria (UFC) 4-023-03, July 2009 [6] General Services Administration (GSA) (2003) “Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines.” General Services Administration, June 2003 [7] Kaewkulchai, G and Williamson, E.B., 2002, “Dynamic Progressive Collapse of Frame Structures,” The 15th Engineering Mechanics Division Conference, ASCE, New York 15 ... dạng lớn bị sụp đổ dây chuyền tác dụng tải trọng bất thường - Nghiên cứu ứng xử động phi tuyến khung phẳng bị sụp đổ dây chuyền tác dụng tải trọng bất thường phương pháp AEM Hướng nghiên cứu dự kiến... nghiên cứu tồn giới để phát triển phương pháp Các nghiên cứu độ xác tính tốn phương pháp AEM phân tích đàn hồi, giai đoạn nứt vết nứt lan truyền phát triển, dự tính tải trọng phá hoại, phân tích. .. khác Tải trọng bất thường (Abnormal load) loại tải trọng khác tải trọng thông thường (như tĩnh tải, hoạt tải sử dụng, gió, động đất ) tác động lên kết cấu Có thể phân loại tải trọng bất thường