Biến dạng của nút khung bê tông cốt thép chịu động đất

Trong các bộ phận này, nút khung đóng vai trò rất quan trọng trong việc truyền lực giữa các cấu kiện khung và về nguyên tắc chúng không được phá hoại trước dầm và cột [1][6[r]

KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

18 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017

BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT

ThS VÕ MẠNH TÙNG, PGS.TS NGUYỄN LÊ NINH Trường Đại học Xây dựng

Tóm tắt: Bài báo giới thiệu số kết nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết biến dạng của nút khung bê tông cốt thép thiết kế cấu tạo theo phương án khác tồn thực tế xây dựng Việt Nam, góp phần làm sáng tỏ một số vấn đề ứng xử nút khung tác động động đất

Abstract: The paper presents some experimental results and the theory of deformation of beam-column joint of reinforced concrete frame, which is designed and constructed according to different methods exist in construction reality in Vietnam, contributing to clarify the behavior of joint under the impact of earthquakes

1 Đặt vấn đề

Trong xây dựng, hệ kết cấu khung bê tông cốt thép (BTCT) chịu mômen sử dụng phổ biến Hệ kết cấu tạo thành từ cấu kiện dầm cột liên kết với nút Ứng xử khung BTCT tác động động đất phụ thuộc vào độ cứng, độ bền độ dẻo phận: dầm, cột nút Trong phận này, nút khung đóng vai trị quan trọng việc truyền lực cấu kiện khung nguyên tắc chúng không phá hoại trước dầm cột [1][6]

Hiện nay, khung BTCT thiết kế để có phản ứng khơng đàn hồi tác động động đất Các kết nghiên cứu cho thấy, lực cắt tác động lên nút khung có giá trị lớn nhiều so với dầm cột bao quanh, gây biến dạng cắt đáng kể cho vùng nút [7][9] Vấn đề nhà khoa học quan tâm nghiên cứu vài thập niên gần đây, hiểu biết chung cấu chịu lực biến dạng nút khung chưa thật đầy đủ đạt đồng thuận cần thiết [1][3][4][9].Tuy vậy, nhiều mơ hình tính tốn độ

bền độ cứng nút khung BTCT đề xuất, góp phần đáng kể vào việc đảm bảo tính hiệu an tồn cho cơng trình xây dựng vùng có động đất

Nội dung báo giới thiệu số kết nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết biến dạng nút khung BTCT thiết kế cấu tạo theo phương án khác tồn thực tế xây dựng Việt Nam, góp phần làm sáng tỏ số vấn đề ứng xử nút khung tác động động đất Các nghiên cứu thực nghiệm thực Phịng thí nghiệm Nghiên cứu Động đất – Viện Khoa học công nghệ xây dựng (IBST) – Bộ Xây dựng

2 Nghiên cứu thí nghiệm biến dạng nút khung

2.1 Thiết kế mẫu thí nghiệm

KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 19 (a) Mẫu NK1 (b) Mẫu NK2

(c) Mẫu NK3

Hình Chi tiết mẫu thí nghiệm

Để phản ánh sơ đồ biến dạng khung tác động ngang, mẫu thí nghiệm dựng lắp chất tải hình 2a Các mẫu thí nghiệm liên kết khớp cố định đầu cột khớp di động hai đầu dầm Đầu cột tự do, chịu tác động đồng thời lực ngang đổi chiều theo chu kỳ lực thẳng đứng không đổi 300 kN tạo qua kích thủy lực thông tâm

Lịch sử trình chất tải ngang cho hình 2b, gồm hai giai đoạn: giai đoạn kiểm soát lực giai đoạn kiểm soát chuyển vị Giai đoạn kiểm soát lực gồm hai chu kỳ nhằm xác định chuyển vị

chảy dẻo ∆y độ cứng thực tế Kt.nghiệm mẫu thí nghiệm Ở giai đoạn kiểm sốt chuyển vị, mẫu thí nghiệm chịu chuyển vị khơng đàn hồi với độ dẻo chuyển vị µ∆ gia tăng dần nhằm mục đích xác định cách gần độ dẻo yêu cầu cho phép quan sát ứng xử mẫu trước sau xuất phá hoại mẫu thí nghiệm Các chu kỳ nhỏ trung gian với độ dẻo cưỡng µ∆= 0.75 đưa vào nhằm mẫu thí nghiệm thiết bị đo ổn định trở lại sau chu kỳ khơng đàn hồi lớn xảy trước

Bảng Cấu tạo cốt thép mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm NK1 NK2 NK3

Cốt thép dọc dầm As=A’s (nhóm AII) 3Φ16 3Φ16 3Φ16

Hàm lượng cốt thép dầm ρd 0.52% 0.52% 0.52%

Cốt thép dọc cột (nhóm AII) 8Φ16 4Φ16 4Ф18 Hàm lượng cốt thép cột ρc 1.48% 0.74% 0.94%

Cốt đai dầm ρđd (nhóm AI) Φ6a125;a240 Φ6a140; a270 Φ6a140; a270 Hàm lượng cốt đai dầm 0.18%;0.09% 0.16%;0.08% 0.16%;0.08% Cốt đai cột ρđc (nhóm AI) Φ6a75,a177,

Φ6a100,a187 Φ6a160,a240 Φ6a160,a240

Hàm lượng cốt đai cột 0.37%;0.16%

0.28%;0.15% 0.1%;0.07% 0.1%;0.07% Cốt đai nút khung ρđn 6Φ6a75(D1);

KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

20 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 Các thiết bị đo lắp đặt để đo phản

ứng tổng thể cục mẫu thí nghiệm Ba loại thiết bị đo sau sử dụng: cảm biến đo lực (load cell), đầu đo LVDT (Linear Variable

Differential Transformers) phiến đo biến dạng (electrical strain gauges) có độ giãn dài cao Sơ đồ bố trí thiết bị đo thể hình

Bảng Các đặc trưng lý bê tông cốt thép

Bê tơng Cốt thép

Mẫu thí nghiệm NK1 NK2 NK3 Ф18 Ф16 Ф6

fc lúc 28 ngày (MPa) 30 29 31 fy (MPa) 310 320 235

Tuổi lúc thí nghiệm (ngày) 83 90 80 fu (MPa) 480 510 400

fc lúc thí nghiệm (MPa) 31.5 32 31.7 Es(MPa) 2.1x105

εc 0.0025 0.0025 0.0025

Ec (MPa) 30000 30000 30000

(a) (b)

Hình Sơ đồ dựng lắp lịch sử chất tải ngang mẫu thí nghiệm

Hình Sơ đồ bốtrí LVDT để đo biến dạng cắt nút khung dầm

a) b) c) Mẫu NK1 d) Mẫu NK2,3

Hình Vị trí LVDT đo chuyển vị xoay dầm, cột phiến đo biến dạng cốt thép 2.3 Biến dạng cắt của nút khung

Dưới tác động ngang, lực cắt dầm cột làm nút khung bị biến dạng cắt Biến dạng cắt biểu thị độ cứng nút khung đo

KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 21

Hình Quan hệ biến dạng cắt γ

nút khung – độ dẻo µ∆

 

2 sin

2

D

  

 (1)

trong đó: Δ1 Δ2 – biến thiên chiều dài đường chéo, D – chiều dài đường chéo (khoảng cách đầu đo LVDT) θ – góc đường chéo phương ngang

a) Bố trí LVDT đo biến dạng cắt b) Mẫu NK1

c) Mẫu NK2 d) Mẫu NK3

Hình Bốtrí LVDT đo biến dạng cắt quan hệ lực cắt tầng V – biến dạng cắt nútγ

Các hình 5b, c d đường cong biểu diễn mối quan hệ lực cắt tầng V biến dạng cắt γ ba mẫu thí nghiệm.Các hình cho thấy, biến dạng cắt γ mẫu NK1 nhỏ, biến thiên ổn định, trái ngược với mẫu NK2 NK3 Các hình 5c d cho thấy, nút khung mẫu NK2 NK3, vài chu kỳ đầu tiên, có biến dạng cắt γ nhỏ, sau có gia tăng đột biến độ lớn Quan hệ biến dạng cắt γ nút khung độ dẻo chuyển vị μΔ hình 6, cho thấy điều Theo TCVN 9386:2012, nút khung phải thiết kế để không bị phá hoại trước cột dầm, theo tiêu chuẩn SP 14.13330.2014 TCVN 5574:2012 nguy phá hoại ngang Các kết thí nghiệm ba mẫu cho thấy rõ điều Biến dạng cắt nút khung mẫu NK1 nhỏ có dạng gần tuyến tính, phá hoại nút xảy sau phá hoại dầm cột, cácmẫu NK2 NK3 biến dạng cắt lại lớn có tính phi tuyến mạnh (Hình 6) Sự phá hoại nút khung mẫu NK2 NK3 xảy gần đồng thời với phá hoại (cắt uốn) dầm cột bao quanh

2.4 Lực cắt nút khung

Lực cắt nút khung xác định theo biểu thức sau [7]:

Vjh(As1As2)fsVc (2) đó:Vjh – lực cắt nút khung theo phương

ngang; As1 As2– diện tích cốt thép dọc mặt

và dầm; fs - ứng suất trung bình cốt thép

dọc dầm (lấy phiến đo ứng suất cốt thép dầm); Vc - lực cắt cột

KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

22 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 mẫu thí nghiệm chiều (gia tải) dương Bảng

tổng hợp giá trị lực cắt nút Vjh lớn biến

dạng cắt nút γ tương ứng ba mẫu thí nghiệm chiều dương lẫn âm Các kết tính tốn đo đạc cho thấy, nút khung NK1 có lực cắt nút Vjh lớn

hơn so với mẫu NK2 NK3 Biến dạng cắt nút

γ thời điểm lực cắt nút Vjh đạt giá trị lớn

nút khung NK1 nửa so với nút khung NK2 khoảng phần bốn so với nút khung NK3 chiều dương Khả chịu cắt Vjh nút

khung NK1 gần không bị suy giảm kết thúc thí nghiệm

Các thơng số NK1 NK2 NK3

Vjh,max(kN) Dương 372,7 333,5 368,3 Âm 380,2 357,1 369 γ (rad)tương

ứng Vjh,max

Dương 0,002 0,004 0,0075 Âm 0,003 0,004 0,012 γ (rad)

kết thúc TN

Dương 0,005 0,013 0,0096 Âm 0,0025 0,009 0,0155

Hình Quan hệ Vjh– γ chiều dương Bảng 3. Lực cắt nút Vjh lớn biến dạng cắt nút γ

Việc phân tích cách tồn diện ứng xử mẫu thí nghiệm tác động ngang đứng (biến dạng uốn cắt đầu mút dầm cột quanh nút khung, biến dạng cắt nút khung, biến dạng loại cốt thép vùng nút) cho thấy ứng xử nút khung bị chi phối tương tác phức tạp cấu cắt, bám dính bó xảy vùng có diện tích hạn chế Các kết thí nghiệm cho thấy, biến dạng cắt nút khung phụ thuộc chủ yếu vào cách cấu tạo nút, đặc biệt vai trò cốt thép đai cốt thép dọc trung gian cột qua vùng nút khung Mức độ biến dạng thấp nút khung mẫu NK1 quy cho độ lớn hàm lượng cốt thép đai (lớn 3,7 lần so với mẫu NK2 NK3 – bảng 1) vai trò cốt thép dọc trung gian cột Điểm khác biệt hai mẫu NK2 NK3 đường kính cốt thép dọc cột làm cho tỷ số độ bền uốn cực hạn cột dầm Myi,c/Myi,d mẫu NK2 1,02<1,12 so với mẫu NK3 Như vậy, việc gia tăng tỷ số Myi,c/Myi,d mẫu NK3 điều kiện làm gia tăng biến dạng nút nút khơng cấu tạo bó cách phù hợp

3 Ứng suất cắt nút khung

Ứng suất cắt nút khung yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới độ bền lẫn độ cứng nút khung Trên sở lực cắt nút theo phương ngang Vjh (Biểu

thức 2), ứng suất cắt nút theo phương ngang xác định theo biểu thức sau [7]:

c j

jh jh

h b

V



 (3)

trong hc là chiều cao tiết diện cột, bj bề

rộng hiệu dụng nút khung:

 

min , 0,5

j c b c

b  b b  h bc ≥ bb

 

min , 0, 5

j b b c

b  b b  h bc< bb với bc bb tương ứng bề rộng tiết diện cột dầm [2][5][13][7]

Các kết thí nghiệm thu (hình bảng 3) cho thấy, ứng suất cắt nút τjh,max lớn

của mẫu NK1 3,1 MPa, mẫu NK2 NK3 đạt giá trị tương ứng 2,92MPa 3,01MPa

Trong tiêu chuẩn thiết kế, ứng suất cắt nút khung biểu thị qua ứng suất cắt tiêu chuẩn Các tiêu chuẩn thiết kế thường giới hạn ứng suất cắt tiêu chuẩn nút khung phải nhỏ giá trị biểu thị theo cường độ chịu nén fc bê

tông Sau quy định ứng suất cắt nút khung BTCT số tiêu chuẩn thiết kế điển hình:

(i) Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 9386:2012)[13] châu Âu (EN 1998-1:2004) [14] giới hạn ứng suất cắt tiêu chuẩn τjh của nút khung nhà có

cấp dẻo cao (DCH) phải nhỏ trị số ứng suất xác định theo biểu thức sau:

jh fcd 1 



KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 23

trong 

       250 1 6 .

0 fck

 - hệ số xét tới giảm

cường độ chịu nén bê tông biến dạng kéo theo phương ngang, fcd và fck – tương ứng cường

độ chịu nén thiết kế cường độ chịu nén đặc trưng bê tông, ν = N/(bchcfcd)– số lực dọc cột

Đối với nhà có cấp dẻo trung bình (DCM) nút khung bố trí cốt thép chịu cắt cột liền kề

(ii) Tiêu chuẩn ACI 318M-2011 [2] quy định: • Đối với khung chịu mômen trung gian (trong vùng động đất 2), nút khung phải có lượng cốt thép đai khơng trị số sau:

,min

0,35

0, 062 b b

v c

yt yt

b s b s

A f

f f

  (5)

• Đối với khung chịu mơmen đặc biệt (trong vùng động đất 4), ứng suất cắt tiêu chuẩn τjh nút khung phải nằm giới hạn sau:

c jh 1,7 f

 có dầm mặt nút,

1,2 jh fc

  có dầm mặt nút mặt đối diện jh 1,0 fccho trường hợp khác Ngoài ra, cốt thép ngang vùng nút khung phải thỏa mãn biểu thức (5)

Trong biểu thức trên, fc và fyt – tương ứng

cường độ chịu nén đặc trưng bê tông cường độ đặc trưng cốt thép đai, s – bước cốt đai, bb –

bề rộng dầm

(iii) Tiêu chuẩn NZS 3101 (2006) [5] New Zealand xét tới góp phần cấu dải nén chéo lẫn cấu giàn kiến nghị giá trị giới hạn ứng suất cắt tiêu chuẩn nút khung τjh≤ 0,2fc

cho cấu dải nén chéo, khơng xét tới hiệu ứng bó tạo từ cấu kiện quy tụ vào nút tiêu chuẩn Hoa Kỳ, fc cường độ chịu nén đặc

trưng bê tông

Với thí nghiệm thực hiện, kết tính toán với fc (ACI) =fc (NZS)=fck(EC)=31.5 MPa (bảng 2) mẫu NK1: ACI 318M-11 chojh1,2 fc = 6,73 MPa, NZS3101-1:2006 cho jh=0,2fc = 6,3MPa

TCVN 9386:2012 cho τjh = 7,49MPa Các kết

này cho thấy, TCVN 9386:2012 cho trị số giới hạn τjh lớn nhất, phù hợp với số kết nghiên cứu

gần [4] Cần lưu ý rằng, vùng động đất lớn quy định TCVN 9386:2012 tương đương với vùng động đất 2A quy định UBC – 97 [15], nghĩa khung thiết kế Việt Nam theo DCM DCH tương ứng với loại khung chịu

mômen trung gian theo tiêu chuẩn ACI 318M-2011, loại khung chịu mômen đặc biệt

Hàm lượng cốt thép đai tối thiểu vùng nút khung chịu mômen trung gian xác định theo biểu thức (5) ACI 318M-2011 cho mẫu NK1, ρđ,min= 0,15% So sánh với trị số này, hàm lượng cốt đai vùng nút mẫu NK1 lớn 2,5 lần, mẫu NK2 NK3 nhỏ thua 1,5 lần (bảng 1) Trong đó, ứng suất cắt τjh lớn

mẫu thí nghiệm nhỏ thua nửa trị số τjh giới

hạn tính tốn theo ba tiêu chuẩn trên, ứng xử nút khung mẫu NK2 NK3 lại hồn tồn khơng phù hợp với cấu dẻo Điều chứng tỏ rằng, khung BTCT thiết kế Việt Nam, giới hạn hàm lượng cốt thép đai vùng nút khung quan trọng giới hạn ứng suất cắt

4 Kết luận

Trên sở kết nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết biến dạng nút khung BTCT, rút kết luận sau:

(i) Các nút khung thiết kế theo tiêu chuẩn khác bị biến dạng đáng kể, thiết kế theo quan niệm kháng chấn đại (TCVN 9386:2012)

(ii) Các cốt thép đai cốt thép cột trung gian vùng nút khung có vai trị quan trọng việc bảo đảm độ bền độ cứng cho vùng nút khung Đối với khung thuộc cấp dẻo trung bình (DCM), hàm lượng cốt thép đai vùng nút khung điều kiện quan trọng để đảm bảo hiệu ứng bó bê tơng khơng phải ứng suất cắt nút khung theo phương ngang Do đó, cần phải nghiên cứu điều chỉnh bổ sung điều kiện đảm bảo độ cứng độ bền nút khung cho nhà có cấp dẻo trung bình (DCM) lẫn cao (DCH) TCVN 9386:2012 cho phù hợp

(iii) Các nút khung thiết kế theo tiêu chuẩn Nga (SP 14.13330.2014) Việt Nam (TCVN 5574:2012) hồn tồn khơng phù hợp để phát triển cấu phá hoại dẻo hệ kết cấu khung BTCT chịu động đất

KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

24 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017

Lời cảm ơn

Các tác giả bày tỏ lòng cảm ơn tới cán Phòng thí nghiệm kiểm định cơng trình – Trường đại học Xây Dựng (NUCE) Phịng nghiên cứu thí nghiệm Động đất - Viện Chuyên ngành kết cấu Cơng trình Xây dựng - Viện Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (IBST) giúp đỡ thực cơng tác nghiên cứu thí nghiệm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 A.K Kaliluthin, S Kothandaraman, T.S Suhail Ahamed, A Review on behavior of reinforced concrete beam-column joint, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, 2014

2 ACI 318M-11, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary – American Concrete Institut - Sep 2011

3 Beckingsale C.W Post-Elastic Behavior of Reinforced Concrete Beam-Column Joints, Research Report 80-20, Department of Civil Engineering, University of Canterbury, Christchurch, New Zealand, August 1980 Jaehong Kim, James M LaFave Joint Shear Behavior of Reinforced Concrete Beam-Column Connections subjected to Seismic Lateral Loading, Department of Civil and Environmental Engineering University of Illinois, 2009

5 New Zealand Standard Code of Practice for the Design of Concrete Structures, NZS 3101: Part 1, 1982

6 Nguyễn Lê Ninh (2007): Động đất thiết kế cơng trình chịu động đất, Nhà xuất Xây dựng

7 Nguyên Lê Ninh, Võ Mạnh Tùng Một số vấn đề việc thiết kế nút khung bê tơng cốt thép tồn khối chịu động đất, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng sô 25, 5-2015

8 Nilanjan Mitra (2007) An analytical study of reinforced concrete beam-column joint behavior under seismic loading University of Washington, USA

9 Paulay T., Priestley M.J.N (1992) “Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings”, John Wiley.

10 Sangjoon Park, Khalid M (2012) Mosalam, Experimental and Analytical Studies on Reinforced Concrete Buildings with Seismically Vulnerable Beam- Column Joints, Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER)

11 SP 14.13330.2011 -СТРОИТЕЛЬСТВО В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ

12 TCVN 5574:2012(2012), “Kết cấu bê tông bê tông cốt thép”, Nhà Xuất Xây dựng, Hà Nội

13 TCVN 9386:2012(2012), “Thiết kế cơng trình chịu động đất”, Nhà Xuất Xây dựng, Hà Nội

14 EN 1998-1:2004,“Design ofstructures forearthquake resistance”, 2004

15 UBC97, Uniform Building Code, 1997

Ngày nhận bài: 17/10/2017