Bài báo cung cấp kết quả đo đạc biến dạng và ứng xử của liên kết chân cột thép từ thí nghiệm rung lắc của một công trình kết cấu tỉ lệ thực. Thông qua đó, bài báo đề xuất hai loại mô hình đơn tuyến tính và đa tuyến tính cho việc mô phỏng ứng xử động của liên kết này trong tính toán phân tích kết cấu. Mời các bạn cùng tham khảo!
MƠ HÌNH ỨNG XỬ PHI TUYẾN CỦA LIÊN KẾT CHÂN CỘT THÉP (Non-linear Behavior Rule for Steel Column Base Connection) Trần Tuấn Nam Khoa Xây dựng, trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh (HUTECH) TĨM TẮT Một vấn đề cần quan tâm tính tốn kết cấu thép liên kết Sự biến dạng liên kết thường ảnh hưởng lớn đến biến dạng tồn kết cấu góp phần đáng kể đến phân phối nội lực kết cấu Do vậy, có nhiều đề tài nghiên cứu ứng xử liên kết, chẳng hạn liên kết nút giao dầm–cột, liên kết nối dầm, liên kết dầm–sàn Tuy nhiên, ứng xử liên kết chân cột, đặc biệt cơng trình chịu tác dụng tải trọng động đất, số vấn đề cần làm rõ Bài báo cung cấp kết đo đạc biến dạng ứng xử liên kết chân cột thép từ thí nghiệm rung lắc cơng trình kết cấu tỉ lệ thực Thơng qua đó, báo đề xuất hai loại mơ hình đơn tuyến tính đa tuyến tính cho việc mô ứng xử động liên kết tính tốn phân tích kết cấu Từ khóa: Kết cấu thép, chân cột, đế, bu lông neo, ứng xử phi tuyến GIỚI THIỆU Ở khu vực quốc gia thường xuyên xảy động đất, việc thiết kế kết cấu ln cần phải xét đến ứng xử vật liệu chi tiết liên kết chịu tác dụng tải trọng động Trong đó, liên kết chân cột cần xem xét khảo sát Với tác dụng tải trọng động, độ cứng liên kết chân cột có thay đổi theo thời gian ảnh hưởng lớn đến kết phân tích khung, đặc biệt chuyển vị ngang khung nội lực chân cột Việc xác định độ cứng có ý nghĩa quan trọng việc mơ phân tích ứng xử kết cấu trình chịu tác dụng tải trọng động đất Từ số liệu dựa kết thí nghiệm rung lắc kết cấu thép tầng tỷ lệ thực thiết bị bàn rung EDefense, Nhật Bản [1], liệu ứng xử liên kết chân cột nguồn tư liệu hữu ích nhằm đo đạc kiểm nghiệm ứng xử động lực học cấu kiện Bài báo cung cấp kết đo đạc từ thí nghiệm trên, qua kiểm nghiệm đánh giá cơng thức tính tốn sơ độ cứng liên kết chân cột đề xuất tiêu chuẩn thiết kế (chẳng hạn tiêu chuẩn Nhật Bản [2]), nhằm khuyến nghị giá trị thích hợp cho cơng việc lập mơ hình phân tích mơ THÍ NGHIỆM RUNG LẮC KẾT CẤU THÉP TẦNG 2.1 Mơ hình thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm khung nhà thép tầng tỉ lệ thực với chiều cao 14 m (Hình 1-a) Bộ gia tốc đất sử dụng thí nghiệm lấy từ địa điểm Takatori trận động đất 1995 thành phố Kobe, Nhật Bản, truyền vào khung kết cấu với độ lớn tăng dần nhằm khiến kết cấu hồn tồn sụp đổ Cơng trình thiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản dẫn ban hành sau trận động đất Kobe 1995 Kết thí nghiệm [3] cho thấy cơng trình có ứng xử đàn hồi chịu mức tải trọng động đất 20% gia tốc gốc Khi tải trọng tăng lên mức 40% 60%, ứng xử phi tuyến dần xuất cấu kiện liên kết, có chân cột, dẫn đến cơng trình có độ dẻo định Sau cùng, tác dụng 487 mức tải trọng 100% cơng trình hồn tồn sụp đổ Bộ liệu thí nghiệm phản ánh ứng xử kết cấu nói chung cấu kiện nói riêng từ giai đoạn đàn hồi đến phi tuyến phá hoại 2.2 Thiết bị đo đạc biến dạng xoay chân cột Mặt cơng trình gồm cột, đánh số A1, A2, A3, B1, B2, B3 (Hình 1-b) Ghi nhận từ thí nghiệm, cơng trình bị rung lắc chủ yếu theo hướng Tây Nam – Đông Bắc Do đó, cột A1 góc Tây Nam chịu ảnh hưởng lớn trình biến dạng kết cấu Cột B3 phía Đơng Bắc chịu ảnh hưởng lớn theo chiều hướng đối nghịch nên chọn Tuy nhiên liệu thí nghiệm sensor cho cột B3 có nhiều lỗi sai, nên cột B2 chọn thay để phân tích báo Để xác định ứng xử liên kết chân cột, hệ thống gồm 24 chuyển vị kế lắp đặt khu vực đế Mỗi đế chân cột gắn chuyển vị kế góc (Hình 1-c) Bằng cách xác định hiệu số chuyển vị điểm đo, ta tính độ nâng (uplift) góc xoay (rotation) đế cạnh, theo đường xiên 45º, từ so sánh mối tương quan với momen chân cột để lập đường cong ứng xử liên kết chân cột (a) Mơ hình thí nghiệm (b) Mặt cột (c) Sensor đo biến dạng chân cột Hình Mơ tả mơ hình thí nghiệm cách đo biến dạng chân cột Hình Đường cong tương quan momen biến dạng xoay chân cột ỨNG XỬ CỦA CHÂN CỘT TRONG THÍ NGHIỆM 3.1 Đường cong ứng xử lý thuyết Để khảo sát ứng xử liên kết chân cột, cần phải xác định mối liên hệ momen chân cột M góc xoay chân cột θ Hình biểu diễn đường cong ứng xử điển hình liên kết chân cột, ta chia thành ba giai đoạn: - Giai đoạn 1: Là giai đoạn đàn hồi đế chưa bị tách rời, độ cứng (k1) giai đoạn lớn, cột xem liên kết ngàm 488 - Giai đoạn 2: Là giai đoạn song tuyến đế có tượng tách rời khỏi chân cột, đồng thời lực nén cột giảm xuống cột chịu nhổ Độ cứng giai đoạn (k2) có giá trị nhỏ nhiều so với k1, chân cột xem có liên kết lị xo với móng - Giai đoạn 3: Tương tự giai đoạn 2, ứng với trường hợp âm (đảo chiều momen), đồng thời lực nén cột tăng lên cột chịu nén Độ cứng k3 nhỏ nhiều so với độ cứng k1, nhiên lớn độ cứng k2 Với liệu thí nghiệm, ta khảo sát ứng xử thực tế chân cột so sánh với lý thuyết, qua có sở lựa chọn xác định độ cứng thích hợp cho chân cột tốn phân tích động lực học kết cấu 3.2 Ứng xử thực tế thí nghiệm Bảng Độ cứng xoay chân cột xác định từ thí nghiệm (cấp tải 20%) Cột k1 (kNm/rad) k2 (kNm/rad) k3 (kNm/rad) k2/k1 k3/k1 A1 500.000 150.000 256.000 0,30 0,51 B2 575.000 345.000 160.000 0,60 0,28 Hình Tương quan momen góc xoay chân cột (cấp tải 20%) Hình thể đường cong ứng xử chân cột A1 B2 cấp tải 20% Dựa vào biểu đồ này, độ cứng k1, k2, k3 tương ứng với ba giai đoạn xác định thể Bảng Ngoài bảng thể tỉ số k2/k1, k3/k1 Các trường hợp tải 40% 60% thể Hình & Bảng & Bảng Độ cứng xoay chân cột xác định từ thí nghiệm (cấp tải 40%) 489 Cột k1 (kNm/rad) k2 (kNm/rad) k3 (kNm/rad) k2/k1 k3/k1 A1 400.000 85.000 160.000 0,21 0,40 B2 375.000 115.000 90.000 0,31 0,24 Hình Tương quan momen góc xoay chân cột (cấp tải 40%) Bảng Độ cứng xoay chân cột xác định từ thí nghiệm (cấp tải 60%) Cột k1 (kNm/rad) k2 (kNm/rad) k3 (kNm/rad) k2/k1 k3/k1 A1 125.000 75.000 95.000 0,60 0,76 B2 169.000 105.000 105.000 0,62 0,62 Hình Tương quan momen góc xoay chân cột (cấp tải 60%) Hình Tổng hợp đường cong ứng xử chân cột qua nhiều cấp tải 3.3 Nhận xét Theo Bảng 1, cột A1 cấp tải 20% có tỉ số k2/k1 = 0,3; cịn cột B2 có tỉ số k2/k1 = 0,6 Sở dĩ có khác biệt kết cấu biến dạng phía Đông Bắc, cột A1 chịu nhổ lớn nên lực nén cột nhỏ nhất, dẫn đến đế bị nới lỏng đáng kể Điều khiến cho độ cứng chân cột giảm xuống 0,3 lần độ cứng ban đầu Ngược lại, cột B2 chịu nén, nên chân cột bị nới lỏng so với cột A1 Vì thế, tỉ số k2/k1 cột B2 0,6, lớn gấp đôi so với cột A1 490 Thí nghiệm cho kết trái ngược kết cấu biến dạng phía Tây Nam Lúc này, cột A1 chịu nén, cột B2 chịu nhổ Ở cấp tải 20%, tỉ số k3/k1 cột A1 0,51, gần gấp đôi so với tỉ số 0,28 cột B2 (Bảng 1) Điều nhận diện rõ cấp tải tiếp sau Để có nhìn tổng quan, Hình biểu diễn chồng chập đường cong tương quan qua tất cấp tải, cho cột A1 B2 theo thứ tự tương ứng Thí nghiệm cho thấy, ứng xử hai cột giống giai đoạn đàn hồi (độ cứng k1), giai đoạn sau đế bị nới lỏng độ cứng có xu hướng sau: – Cột góc,chịu ảnh hưởng kéo nén mạnh (ví dụ: A1): k2 ≈ 0,3k1; k3 ≈ 0,5k1 – Cột giữa,chịu ảnh hưởng kéo nén yếu (ví dụ: B2): k2 ≈ k3 ≈ 0,4k1 Đây sở quan trọng để gán độ cứng xoay thích hợp cho mơ hình chân cột tốn phân tích động lực học Trong đó, cần ý hai yếu tố chính: vị trí cột mặt giai đoạn sau đế bị nới lỏng 3.4 Nhận xét Dựa Hình – 5, ta xác định độ cứng xoay trung bình phương pháp xấp xỉ tuyến tính Các độ cứng thể đường thẳng gạch đứt hình Thí nghiệm cho thấy, cấp tải nhẹ (20%) độ cứng xoay trung bình cột lớn, khoảng đến lần Kbs – độ cứng xác định theo lý thuyết Khi cấp tải tăng dần, đế có xu hướng nới lỏng ra, khiến độ cứng trung bình giảm xuống Tuy nhiên, cấp tải động đất mạnh (60%) độ cứng trung bình lớn gấp đơi so với độ cứng lý thuyết Kbs Điều giải thích cơng thức áp dụng cho đế móng bê tơng cốt thép, có xét đến biến dạng nén bê tơng Cịn với chân cột mơ hình thí nghiệm bàn rung, đế móng làm thép Suy ra, việc mơ hình hóa khung thí nghiệm bàn rung, cơng thức nên nhân thêm hệ số 2, nhằm phản ánh xác ứng xử kết cấu tác dụng động đất với cường độ trung bình trở lên Hình Mơ hình đề xuất cho đường ứng xử liên kết chân cột KẾT LUẬN Từ nhận xét trên, ta rút hai phương pháp mơ hình hóa ứng xử liên kết chân cột sau (Hình 7): - Mơ hình đa tuyến tính: Có thể xem K1 lớn, khoảng 10 lần giá trị Kbs, sau gán độ cứng K K tùy vào tính chất chân cột Mơ hình áp dụng cho việc phân tích xác ứng xử chân cột mức tải trọng động đất nhẹ, với biến dạng nhỏ - Mơ hình tuyến tính: Gán độ cứng trung bình Ktb cho chân cột, với độ lớn lần giá trị Kbs Mơ hình áp dụng cho việc phân tích kết cấu chịu cấp động đất từ trung bình trở lên, với biến dạng lớn 491 LỜI CẢM ƠN Tác giả gửi lời cảm ơn trân trọng đến Giáo sư Kasai Kazuhiko (Tokyo Institute of Technology) với vai trị cố vấn học thuật chủ nhiệm thí nghiệm, cảm ơn trường Đại học Công nghệ Tp HCM hỗ trợ kinh phí thực đề tài, cảm ơn học viên cao học Nguyễn Thị Mỹ Xương hỗ trợ vẽ hình minh họa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nam TT, Kasai K, Ohtsuka T, Motoyui S (2016) Full-Scale Building Collapse Test and Analysis Considering Two-Directional Column Deteriorations Journal of Structural Engineering 62B:411424 [2] JSCE (2007) Standard specifications for Steel and Composite Structures [3] Kasai K, Nam TT, Maison BF (2016) Structural collapse correlative analysis using phenomenological fiber hinge elements to simulate two‐directional column deteriorations Earthquake Engineering & Structural Dynamics 45(10):1581-1601 492 ... xoay chân cột ỨNG XỬ CỦA CHÂN CỘT TRONG THÍ NGHIỆM 3.1 Đường cong ứng xử lý thuyết Để khảo sát ứng xử liên kết chân cột, cần phải xác định mối liên hệ momen chân cột M góc xoay chân cột θ Hình. .. với momen chân cột để lập đường cong ứng xử liên kết chân cột (a) Mơ hình thí nghiệm (b) Mặt cột (c) Sensor đo biến dạng chân cột Hình Mơ tả mơ hình thí nghiệm cách đo biến dạng chân cột Hình Đường... Mơ hình đề xuất cho đường ứng xử liên kết chân cột KẾT LUẬN Từ nhận xét trên, ta rút hai phương pháp mơ hình hóa ứng xử liên kết chân cột sau (Hình 7): - Mơ hình đa tuyến tính: Có thể xem K1