Kết quả cho thấy tính ưu việt của phương pháp thiết kế vì mức độ hư hại được kiểm soát bằng chính chỉ số hư hại và sự phân bố hư hại trong kết cấu.. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề mà[r]
(1)THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT CHỊU ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT HƯ HẠI
PHẠM HOÀNG QUANG VINH
Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh - quangvinh2611@yahoo.com CAO VĂN VUI
Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh - cvvui@hcmut.edu.vn
(Ngày nhận: 9/9/2016; Ngày nhận lại: 04/11/16; Ngày duyệt đăng: 14/11/2016)
TÓM TẮT
Kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thường bị hư hại động đất xảy Kiểm sốt hư hại thiết kế cơng trình chịu động đất cách tiếp cận thiết kế kháng chấn Để kiểm sốt hư hại cơng trình BTCT, số hư hại (damage index) có giá trị từ (không hư) đến (sập) sử dụng cho việc định lượng mức độ hư hại loại kết cấu Trong báo này, sơ đồ thiết kế kết cấu BTCT phương pháp kiểm soát hư hại thông qua số hư hại kiến nghị ví dụ trình bày Kết cho thấy tính ưu việt phương pháp thiết kế mức độ hư hại kiểm sốt số hư hại phân bố hư hại kết cấu Tuy nhiên, số vấn đề mà tác giả cịn phải nghiên cứu hồn thiện
Từ khóa: Kiểm sốt hư hại; động đất; khung BTCT; số phá hoại
Seismic design of reinforced concrete structures with damage control
ABSTRACT
Reinforced concrete (RC) structures often suffer damage when subjected to earthquakes Seismic design RC structures with damage control can be an appropriate method To control the damage of structures, the damage index, which varies from (no damage) to (collapse), is used to quantify the damage levels In this paper, a procedure of the seismic design of RC structures with damage control is proposed and a case study is presented This design method shows its advantages as the damage of structures is controlled by the damage index and the distribution of damage in structures However, further study is needed to improve the method
Keywords: Damage control; Earthquake; RC frame; Damage index
1 Giới thiệu
Khi động đất xảy ra, cơng trình thường chịu mức độ hư hại khác Trong thiết kế cơng trình chịu động đất, mức độ hư hại khống chế số tiêu chí khác Các tiêu chuẩn hành UBC (1997), IBC (2003), Eurocode (2004) sử dụng tiêu chí độ lệch tầng (story drift) để đánh giá mức độ hư hỏng chưa đầy đủ (Nguyễn Hồng Hà, Nguyễn Hồng Hải, Vũ Xuân Thương, 2013) Mặt khác, dùng phương pháp phân tích đàn hồi đôi với việc sử dụng hệ số giảm (hệ số R UBC, IBC; hệ số ứng xử q Eurocode 8) áp dụng cho toàn hệ kết cấu tổng thể khó phản ánh cách đáng tin cậy ứng xử công
(2)Bài báo phân tích ưu nhược điểm phương pháp thiết kế hành Đồng thời, đề xuất phương pháp – phương pháp thiết kế kết cấu BTCT chịu động đất cách kiểm soát hư hại Trong phương pháp thiết kế này, mức độ hư hại cơng trình chịu động đất khống chế số hư hại – damage index (DI)
2 Các phương pháp thiết kế kháng chấn có
2.1 Các phương pháp phân tích kết cấu
Trong năm gần đây, số lượng phương pháp tính tốn kết cấu chịu động đất sử dụng nghiên cứu thiết kế sản xuất tăng lên nhanh chóng, phát triển phổ biến rộng rãi phần mềm máy tính có tốc độ cao Dựa theo tính chất tác động động đất lên cơng trình, ta chia phương pháp tính tốn thành hai loại sau:
Các phương pháp tính toán tĩnh:
Phương pháp tĩnh lực tương đương
Phương pháp tính tốn đẩy dần (phương pháp pushover)
Các phương pháp tính tốn động:
Phương pháp phổ phản ứng
Phương pháp phân tích dạng
Phương pháp phân tích trực tiếp phương trình chuyển động
Phương pháp tính tốn đẩy dần động Các phương pháp tính tốn thường có thỏa hiệp mức độ xác độ phức tạp Đối với người sử dụng, lẽ dĩ nhiên muốn chọn phương pháp đơn giản cho thơng tin mong muốn có độ xác chấp nhận
Phương pháp phân tích trực tiếp phương trình chuyển động hệ kết cấu phi tuyến phương pháp xác thực tế xét tới tính chất phi tuyến vật liệu lẫn tính phi tuyến hình học Tuy vậy, phương pháp lại phức tạp tiêu tốn nhiều thời gian thực Ngược lại phương pháp tĩnh lực tương đương lại đơn giản mức độ xác lại nên dùng cho trường hợp động đất nhỏ, kết cấu đặn chu kỳ ngắn, cấu kiện kết cấu làm việc giai đoạn đàn hồi
Không với phương pháp phân tích
thiết kế đàn hồi tuyến tính sử dụng từ lâu, kỹ thuật phân tích phi tuyến ứng dụng thiết kế giai đoạn phát triển yêu cầu nhiều kỹ kỹ sư thiết kế Việc phân tích phi tuyến yêu cầu tư ứng xử miền đàn hồi trạng thái giới hạn (phụ thuộc vào biến dạng lực) người kỹ sư Trong phân tích này, cần phải định nghĩa mơ hình ứng xử cấu kiện để phản ánh mối quan hệ lực - biến dạng cấu kiện dựa vào đặc trưng cường độ độ cứng kỳ vọng biến dạng lớn Tùy thuộc vào loại hình kết cấu, kết phân tích phi tuyến nhạy cảm với thơng số giả thuyết đầu vào mơ hình ứng xử sử dụng Chính vậy, kỹ sư cần có khả phán đốn tốt vị trí hay phận kết cấu kỳ vọng trải qua biến dạng phi tuyến Phân tích để xác nhận vị trí làm việc phi tuyến biểu thị biến dạng cấu kiện chảy dẻo lực cấu kiện chưa chảy dẻo
Hiện nay, phương pháp tính tốn tĩnh phi tuyến đẩy dần (nonlinear static pushover analysis) hay phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian (nonlinear time history analysis) áp dụng rộng rãi thiết kế nước ngồi phân tích kết cấu chịu tác động động đất Trong với phần lớn trường hợp phương pháp phân tích đẩy dần xem cơng cụ có tính áp dụng thực tiễn cao đơn giản so với phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian
(3)sự suy giảm đột ngột cường độ độ cứng
2.2 Các phương pháp thiết kế
2.2.1 Phương pháp thiết kế BTCT theo ứng suất cho phép
Thiết kế theo ứng suất cho phép dùng phân tích kỹ thuật kết cấu cách 150 năm Các phương pháp tính tốn tải trọng lớn áp dụng mơ hình lý thuyết đàn hồi tuyến tính mơn sức bền vật liệu để tính ứng suất kết cấu thép hay ứng suất bê tông cốt thép kết cấu BTCT (Võ Bá Tầm, 2015)
Cơ sở thiết kế dựa giả thuyết sau:
-Vật liệu bê tông làm việc giai đoạn đàn hồi, quan hệ ứng suất – biến dạng tuân theo định luật Hooke Lấy giai đoạn trạng thái ứng suất – biến dạng cấu kiện chịu uốn làm sở tính tốn
-Sơ đồ ứng suất bê tơng chịu nén có dạng hình tam giác
-Bê tơng chịu kéo khơng tham gia chịu lực -Toàn ứng suất kéo cốt thép chịu -Qui đổi vật liệu BTCT không đồng thành vật liệu đồng chất bê tông
Ứng suất cấu kiện tải trọng tác dụng yêu cầu phải nhỏ ứng suất cho phép vật liệu
[ ]
Trong đó:
ϭ , [ϭ] - ứng suất tải trọng, ứng suất cho phép vật liệu
R – cường độ giới hạn vật liệu k > – hệ số an toàn vật liệu
Phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép có số khiếm khuyết đáng kể:
-Không xét đến thay đổi tải trọng (tĩnh tải hoạt tải)
-Ứng suất thành phần kết cấu cung cấp thơng tin khả chịu tải cấu kiện hay toàn kết cấu
-Độ tin cậy thiết kế (hay hệ số an toàn)
2.2.2 Phương pháp thiết kế BTCT theo nội lực phá hoại
Phương pháp xem vật liệu bê tông vật liệu đàn hồi - dẻo (Võ Bá Tầm, 2015) Lấy
giai đoạn III trạng thái ứng suất - biến dạng cấu kiện chịu uốn làm sở tính tốn Các giả thiết tính tốn sau:
-Bê tơng vật liệu đàn hồi dẻo: sơ đồ ứng suất nén bê tơng có dạng hình chữ nhật
-Ứng suất nén bê tông đạt đến cường độ giới hạn Rb
-Ứng suất cốt thép chịu kéo đạt đến cường độ giới hạn Rs
-Bê tông chịu kéo không tham gia chịu lực Công thức tổng quát: [ ]
Trong đó: M, [M], Mp nội lực tải
trọng, nội lực cho phép, nội lực phá hoại vật liệu
k > hệ số an toàn
2.2.3 Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn
Phương pháp thiết kế thường dùng thiết kế kết cấu BTCT kết cấu thép Phương pháp xem bê tông vật liệu đàn hồi dẻo, sử dụng giả thiết tính tốn phương pháp tính theo nội lực phá hoại (Võ Bá Tầm, 2015)
Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn hợp lý phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép Độ tin cậy tải trọng xét đến phương pháp thể việc sử dụng hệ số tải trọng tổ hợp tải Các hệ phá hoại xét đến trực tiếp thông qua sử dụng hệ số giảm sức bền (Ф<1) quy cho kiểu phá hoại không mong muốn Tải tiêu chuẩn nhân với hệ số tải trọng để chuyển thành tải tính tốn, hệ số tải trọng xác định dựa phương pháp thống kê điều kiện đo lường phản ánh thay đổi tăng/giảm hợp lý tải trọng tác dụng từ giá trị tải trọng trung bình tính tốn Sau đó, áp dụng lý thuyết đàn hồi tuyến tính cho tải tính tốn để tính nội lực thành phần kết cấu Sức chịu tải thành phần tính tốn với giả thuyết tiết diện kết cấu làm việc không đàn hồi (inelastic behavior)
Phương pháp chia làm nhóm:
a) Nhóm trạng thái giới hạn thứ (TTGH1): tính theo độ bền
(4)năng chịu lực suốt q trình sử dụng cơng trình Tính theo TTGH1 nhằm đảm bảo cho kết cấu:
Không bị phá hoại dòn, dẻo biến dạng phá hoại khác
Khơng bị ổn định mặt hình dạng vị trí
Khơng bị phá hoại mỏi
Tính tốn độ bền (khả chịu lực) theo điều kiện: S ≤ Sgh
Trong đó: S – nội lực bất lợi tải trọng gây
Sgh – khả chịu lực kết cấu
làm việc TTGH1
b) Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH2): biến dạng
Việc tính tốn nhằm đảm bảo làm việc bình thường kết cấu cho:
-Khơng có biến dạng vượt giới hạn cho phép (độ võng, góc xoay…)
-Khơng cho hình thành mở rộng khe nứt mức cho phép
Điều kiện biến dạng là: f ≤ fgh
Trong đó: f biến dạng kết cấu tải trọng tiêu chuẩn gây
fgh biến dạng cho phép để đảm bảo điều
kiện làm việc bình thường
Điều kiện hình thành mở rộng khe nứt là: acrc ≤ [acrc]
Trong đó: acrc bề rộng khe nứt tải
trọng tiêu chuẩn gây
[acrc] bề rộng khe nứt cho phép để đảm
bảo điều kiện làm việc bình thường
2.2.4 Phương pháp thiết kế theo sức kháng
Thiết kế theo sức kháng dùng để ngăn cản cấu phá hủy không mong muốn, ví dụ dầm bị phá hủy cắt (kiểu phá hủy dòn) xảy trước phá hủy uốn (kiểu phá hủy dẻo), hay cột khung bị phá hủy uốn xảy trước dầm khung phá hủy uốn
Dùng phương pháp thiết kế theo sức kháng, ta cân đối kích thước cấu kiện theo cấu phá hủy không mong muốn bố trí thép cho ứng xử dẻo Sau đó, ta xác định sức bền lớn nhất: Mp ≥ Mu = ФMn Từ xác định tải
trọng áp dụng Vp gây Mp Cuối thiết
kế thành phần lại kết cấu để tránh
các kiểu phá hoại không mong muốn khác Thiết kế theo sức kháng đề xuất Blume, Newmark, Corning, Sozen (1961) vào cuối thập niên 1950 phát triển nhiều chuyên gia kỹ thuật New Zealand từ thập niên 1970
2.2.5 Phương pháp thiết kế dẻo
Phương pháp thiết kế dẻo đơn thiết kế sức bền sử dụng phân tích chảy dẻo khơng dùng phân tích đàn hồi tuyến tính để tính thành phần nội lực Vu, Mu Thiết
kế dẻo thường xem xét với phương pháp đường chảy dẻo hệ sàn BTCT Nguyên tắc phân tích chảy dẻo cấu phá hủy đề xuất khớp dẻo thiết kế chi tiết cho đáp ứng phi tuyến Dùng phương pháp thiết kế theo sức bền, ta tính sức bền kết cấu ФMn, sau dùng phương
pháp thiết kế theo khả để ngăn ngừa kiểu phá hoại không mong muốn
2.2.6 Phương pháp thiết kế dựa chuyển vị (Displacement-based design - DBD)
Thập niên 1990 xuất đổi đáng kể kỹ thuật thực hành chống động đất Các phương pháp thiết kế theo lực chiếm vị trí độc tơn gần 80 năm bắt đầu nhường chỗ cho phương pháp thiết kế theo chuyển vị cơng trình (độ lệch tầng -
story drift) đến chảy dẻo sụp đổ phát triển dựa nguyên lý đề xuất Sozen, Moehle (1992) tác giả khác hai thập niên 1970-1980
Các tiêu chuẩn thiết kế chống động đất thừa nhận từ lâu cơng trình nhà cầu trải qua biến dạng phi tuyến đáng kể trước sụp đổ Nhờ kiến thức hiểu biết hư hỏng cơng trình liên quan trực tiếp đến biến dạng lực, kỹ sư chuyên ngành kết cấu ngày có khuynh hướng phân tích, thiết kế, đánh giá làm việc BTCT dựa tính tốn chuyển vị
(5)từ 10 năm trước phương pháp sở tài liệu hướng dẫn kỹ thuật FEMA 273 274 nhằm thiết kế hay cải tạo kết cấu cơng trình chống động đất
3 Thiết kế kết cấu phương pháp kiểm soát hư hại
Phương pháp thiết kế kiểm soát hư hại phương pháp thiết kế nghiên cứu Trong tiêu chuẩn xây dựng quốc tế Việt Nam (TCVN 9386:2012, 2012) có đề cập đến phần yêu cầu tính tiêu chí hạn chế hư hỏng cần tn theo cịn hạn chế Trong nghiên cứu này, số phá hoại có giá trị từ (khơng hư) đến (sập) sử dụng để thiết kế BTCT
3.1 Lựa chọn mơ hình phân tích mức độ hư hại
Mơ hình hư hại chia làm hai loại sau: khơng tích lũy tích lũy Lựa chọn mơ hình phân tích hư hại tích lũy
lựa chọn hợp lý để đánh giá trạng thái hư hại kết cấu chịu động đất Banon H Veneziano D (1982) sử dụng mơ hình đơn giản góc xoay tích lũy chuẩn hóa mức độ hư hại (DI), thể tỷ lệ tổng góc xoay ngồi miền đàn hồi chu kỳ Vài năm sau, Park Ang (1985) đề xuất mơ hình phân tích mức độ hư hại (DI) kết hợp hai yếu tố biến dạng lượng trễ công thức (3)
(3)
Trong um chuyển vị tối đa hệ
bậc tự (SDOF) chịu động đất, uu chuyển
vị tới hạn tải đơn điệu, Eh lượng
trễ bị tiêu tán hệ bậc tự do, Fy lực
dẻo β hệ số ảnh hưởng tải chu kỳ Park Ang (1985) phân loại trạng thái thiệt hại vào năm cấp độ sau:
DI < 0.1 Khơng có hư hỏng không xuất vết nứt nhỏ 0.1 ≤ DI < 0.25 Hư hỏng nhỏ: vết nứt nhỏ xuất
0.25 ≤ DI < 0.40 Hư hỏng vừa: vết nứt nghiêm trọng, nứt cục 0.4 ≤ DI < 1.00 Hư hỏng lớn: bê tông nát, cốt thép lộ
DI ≥ 1.00 Sụp đổ
Tabeshpour et al (2004) đề xuất DI ≥ 0.8 thể sụp đổ Park Ang (1985) đề xuất mức độ hư hại cho tầng cho tồn cơng trình, sử dụng hệ số trọng lượng dựa số lượng hấp thụ phần tử phận
Mơ hình Park Ang (1985) biết đến nhiều sử dụng rộng rãi nhất, phần lớn cách áp dụng chung định nghĩa rõ ràng mức độ hư hại khác Tuy nhiên, có số hạn chế sau đây: DI > thành phần cơng trình nằm giai đoạn đàn hồi, DI > cơng trình bị sập đổ khơng có giới hạn mức Do hạn chế mà khái niệm Park Ang (1985) sửa đổi nhà nghiên cứu Bozorgnia Bertero (2001) Tuy nhiên, việc sửa đổi quan trọng lại thuộc Kunnath cộng
(1992), người sử dụng ứng xử mô men – độ cong để thay cho biến dạng đề xuất Park Ang (1985) tính tốn thể công thức (4)
(4)
Trong đó, θm góc xoay tối đa q
trình chịu tải, θu góc xoay tới hạn, θr góc
xoay hồi phục dỡ tải My momen dẻo
Năng lượng hấp thụ kết cấu liên quan chặt chẽ với mức độ hư hại Do đó, mức độ hư hại thể tỷ số nhu cầu lượng Eh, với khả hấp thụ
(6)được sửa đổi tác công thức (5), (6) (7)
[
]
(5)
(6)
(7)
Trong đó, Eh,1collapse Eh,1y
năng lượng trễ cho chu kỳ tới hạn lượng trễ cho chu kỳ dẻo N số lượng tương đương chu kỳ dẻo sụp đổ, i số lượng tương đương chu kỳ dẻo ứng với thời điểm tải tác dụng (i ≤ N) γ thông số tính đến khác biệt Eh,1collapse lý thuyết Eh,collapse thực tế Để đơn
giản hóa, γ = sử dụng nghiên cứu Việc sử dụng γ = dẫn đến đánh giá thấp đánh giá cao Eh,collapse cho điều kiện tải điển hình
α hệ số điều chỉnh kể đến ảnh hưởng số lượng lần lặp
Chỉ số hư hại Park Ang (1985) gặp phải số nhược điểm việc mức độ hư hại DI > cơng trình bị sập đổ DI >0.1 bắt đầu hư hại Sau đề xuất mức độ hư hại Kunnath cộng (1992) có nhược điểm tương tự Park Ang (1985) Với đề xuất mức độ hư hại Cao Van Vui cộng (2014) sát với thực tế hư hại tác giả trình bày rõ phần đề xuất mức độ hư hại Chính vậy, việc phân tích mức độ hư hại báo sử dụng mức độ hư hại theo đề xuất Cao Van Vui cộng (2014)
3.2 Thiết kế BTCT chịu động đất phương pháp kiểm soát hư hại
Thiết kế kết cấu BTCT phương pháp kiểm sốt hư hại sơ đồ hóa Hình
Hình Quy trình thiết kế BTCT chịu động đất theo phương pháp kiểm soát hư hại
Không hợp lý
Hợp lý Thỏa
Điều chỉnh thiết kế
Thiết lập mức độ hư hỏng giới hạn giới hạn [DI]
Thiết kế sơ
Bắt đầu
Lựa chọn băng gia tốc đại diện cho khu vực thiết kế
Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian
Tính tốn số phá hoại DI
Đánh giá mức độ hợp lý số phá hoại
Kết thúc DI ≤ [DI]
(7)Thiết lập mức độ hư hỏng giới hạn: Kỹ sư kết cấu thảo luận với chủ đầu tư quan nhà nước có thẩm quyền mức độ hư hỏng
giới hạn [DI] ứng với cường độ động đất thiết kế theo Bảng Chỉ số phá hoại giới hạn tảng chấp nhận cho thiết kế sở
Bảng 1
Các cấp độ hư hỏng
Ký hiệu Chỉ số phá hoại Miêu tả
- 0.05 Khơng có hư hỏng hư hỏng nhỏ
+ 0.05 - 0.25 Hư hỏng nhẹ
x 0.25 - 0.50 Hư hỏng vừa
▲ 0.50 - 0.75 Hư hỏng nặng
● 0.75 - 1.00 Sụp đổ
Thiết kế sơ bộ: Các phân tích động lực học sử dụng để xác nhận việc thiết kế cơng trình đáp ứng mức độ hư hỏng đề DI ≤ [DI] Để thực phân tích có ý nghĩa, kỹ sư thiết kế phải xác định phân bố độ cứng, cường độ, khối lượng tính trễ yếu tố chúng trải qua trận động đất phát sinh biến dạng phi tuyến
Điều chỉnh thiết kế: thay đổi kích thước, vật liệu cấu kiện, thay đổi số lượng
đường kính cốt thép Mục đích bước làm giảm mức độ hư hại cho phần tử có độ hư hại lớn phân tích trước
Đánh giá mức độ hư hỏng: đánh giá phân bố hư hỏng cột, dầm có hợp lý hay khơng, có cần thay đổi để tối ưu độ hư hại phân bố kết cấu
4 Ví dụ
Ta xét lại thí nghiệm Bracci (1992): khung bê tông cốt thép ba tầng chịu trọng lượng thân thể Hình
Hình Mơ hình khung tầng (Bracci J R., 1995) Bước 1: Thiết kế sơ
Kích thước (tính inch) chi tiết cốt thép thể Bảng Giá trị trung bình mơ đun đàn hồi bê tông Ec = 24.200 MPa
và cường độ trung bình fc' = 27,2 MPa (dao
động từ 20,2-34,2 MPa) Bảng cho thấy bốn loại cốt thép tính chất chúng sử dụng cho khung