Nghiên cứu sụp đổ lũy tiến của khung bê tông cốt thép toàn khối chịu tác dụng nổ và đề xuất một số giải pháp kháng sập

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ========o O o======== PHAN THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU SỤP ĐỔ LŨY TIẾN CỦA KHUNG BÊ TƠNG CỐT THÉP TỒN KHỐI CHỊU TÁC DỤNG NỔ VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHÁNG SẬP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ========o O o======== Phan Thành Trung NGHIÊN CỨU SỤP ĐỔ LŨY TIẾN CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP TOÀN KHỐI CHỊU TÁC DỤNG NỔ VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHÁNG SẬP Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình đặc biệt Mã số: LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.GS TSKH Nguyễn Văn Hợi 2.GS.TS Nguyễn Quốc Bảo Hà Nội - 2021 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Phan Thành Trung iii LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành thầy giáo tận tình hướng dẫn, giúp đỡ đề xuất nhiều ý tưởng khoa học có giá trị giúp cho tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu Tác giả trân trọng động viên, khuyến khích kiến thức khoa học chuyên môn mà Giáo sư chia sẻ cho tác giả nhiều năm qua giúp cho tác giả nâng cao lực khoa học củng cố lòng yêu nghề Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể mơn Xây dựng Cơng trình Quốc phịng, Viện Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt, phịng Sau đại học Học viện Kỹ thuật Quân tạo điều kiện giúp đỡ tác giả q trình nghiên cứu hồn thành luận án Cuối tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn người thân gia đình thơng cảm, động viên chia sẻ khó khăn với tác giả suốt thời gian làm luận án Tác giả Phan Thành Trung MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Các kết cấu công trình ngành xây dựng dân dụng - cơng nghiệp ngành xây dựng cơng trình Quốc phịng đa số kết cấu khung làm vật liệu thép, bê tông cốt thép Các vật liệu có tính dẻo rõ rệt Dưới tác dụng loại tải trọng, đặc biệt tải trọng động nổ bom đạn, biến dạng tiết diện phần tử (PT) khung với vật liệu đàn - dẻo đạt đến trạng thái chảy dẻo, tạo khớp dẻo kết cấu Sự xuất liên tiếp khớp dẻo làm cho độ cứng hệ kết cấu dần bị giảm xuống so với kết cấu ban đầu có phân phối lại nội lực hệ kết cấu Khi số khớp dẻo khung đạt đến số lượng kết cấu biến hình (kết cấu biến thành cấu) kết cấu hết khả chịu lực, dẫn đến sập đổ Trạng thái kết cấu tương ứng với trạng thái trước thời điểm xuất khớp dẻo cuối làm cho kết cấu sập đổ gọi trạng thái giới hạn Phương pháp tính tốn - thiết kế kết cấu khung đàn - dẻo có kể đến xuất khớp dẻo (hoặc có kể đến tính dẻo vật liệu) quy ước gọi phương pháp tính tốn - thiết kế truyền thống Lưu ý rằng, với phương pháp này, khớp dẻo sau xuất coi không bị phá hoại biến dạng (chuyển vị) dẻo tiết diện tiếp tục phát triển Trong thực tế, chuyển vị dẻo tiết diện đạt đến giá trị giới hạn (gọi giá trị cực hạn) khớp dẻo bị phá hoại (gọi phá hoại dẻo) Các phương pháp tính tốn - thiết kế kết cấu khung đàn - dẻo kể đến phá hoại khớp dẻo (hay phá hoại dẻo) coi phương pháp tính tốn - thiết kế đại Khi khớp dẻo bị phá hoại tiết diện bị đứt tách khỏi nút khung PT có đầu bị đứt PT tách khỏi kết cấu rơi xuống, lúc PT coi bị phá hoại Sự phá hoại dẻo xảy từ PT đến PT khác kết cấu lan truyền phản ứng dây chuyền Hiện tượng gọi phá hoại lũy tiến (PHLT) hay sụp đổ lũy tiến (SĐLT) Như trình bày trên, khớp dẻo xuất độ cứng kết cấu giảm xuống, kể thêm PHLT khớp PT độ cứng kết cấu suy giảm nhanh hơn, dẫn đến thời gian kết cấu bị phá hoại diễn nhanh so với thời gian tính tốn - thiết kế theo quan điểm truyền thống (không kể đến phá hoại dẻo khớp dẻo) Ngày nay, thuật ngữ “phá hoại lũy tiến” hay “sụp đổ lũy tiến” dùng với ý nghĩa tổng quát - phá hoại dây chuyền kết cấu có PT hệ bị phá hoại đột ngột, không lường trước Sự phá hoại đột ngột PT - gọi phá hoại ban đầu - gây tác động bất thường khác nhau, va chạm máy bay khơng tặc vào tịa nhà cao tầng, va chạm phương tiện xe cộ lên cơng trình mặt đất, nổ bom đạn hay hỗn hợp khí, động đất, bão, lũ lụt, lốc xoáy, hỏa hoạn, lỗi xây dựng (không đảm bảo độ bền khâu thiết kế thi công),… Đa số phương pháp nghiên cứu, tính tốn - thiết kế phá hoại lũy tiến kết cấu thường xuất phát từ phá hoại đột ngột ban đầu PT hệ không cần quan tâm đến nguyên nhân gây phá hoại thuộc loại tác động Cho đến nay, cơng trình nghiên cứu phương pháp phân tích động lực học kết cấu khung đàn dẻo chịu tác dụng nổ chủ yếu theo quan điểm truyền thống, cịn cơng trình theo quan điểm tiên tiến đại, có kể đến phá hoại lũy tiến kết cấu Đặc biệt Việt Nam, tốn đề cập đến Do đó, hướng đề tài luận án chọn “Nghiên cứu sụp đổ lũy tiến khung bê tơng cốt thép tồn khối chịu tác dụng nổ đề xuất số giải pháp kháng sập” Mục đích nghiên cứu luận án - Nghiên cứu sở lý thuyết để phân tích lựa chọn: Mơ hình vật liệu, mơ hình tính hệ (từ thuốc nổ, vật liệt bê tông, cốt thép ) mô số phần mềm ABAQUS để phân tích phá hoại lũy tiến kết cấu bê tông cốt thép toàn khối chịu tác dụng nổ - Nghiên cứu thực nghiệm phịng thí nghiệm để đưa tham số mơ hình vật liệu thực nghiệm ngồi trường để xác nhận mơ hình vật liệu hiệu chỉnh mơ hình tính phục vụ cho việc mơ số phân tích sụp đổ lũy tiến của kết cấu bê tơng cốt thép tồn khối chịu tác dụng nổ - Từ mơ hình vật liệu mơ hình tính trên, tiến hành nghiên cứu sụp đổ lũy tiến khung không gian bê tông cốt thép toàn khối chịu tác dụng nổ đưa nhận xét định lượng ảnh hưởng nhân tố đến phá hoại lũy tiến kết cấu, đồng thời đề xuất số giải pháp kháng sập lũy tiến cho cơng trình Phạm vi nghiên cứu luận án - Chọn loại cơng trình đặc biệt liên quan đến lĩnh vực an ninh - Quốc phịng sở huy, cơng trình phịng thủ dân dạng kết cấu khung sàn làm vật liệu bê tơng cốt thép (BTCT) tồn khối - Kết cấu khung, sàn bê tơng cốt thép tồn khối làm việc theo mơ hình tốn khơng gian Phần tử nghiên cứu phần tử khối vật liệu bê tông (BT) phần tử cốt thép - Tải trọng tác dụng lên kết cấu bao gồm: Tải trọng thiết kế (trọng lượng thân kết cấu, hoạt tải sử dụng theo tiêu chuẩn Việt Nam hành tải trọng nổ) tải trọng bất thường (tải trọng nổ) gây phá hoại đột ngột kết cấu dẫn đến sụp đổ lũy tiến hệ Chưa xét tải trọng nhiệt cháy, tải trọng va chạm giải phóng làm rơi cấu kiện trình sụp đổ lũy tiến Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết kết hợp với mơ số máy tính có tiến hành thí nghiệm phịng thí nghiệm thử nghiệm trường Cụ thể, tiến hành thí nghiệm xác định tham số mơ hình vật liệu, xác nhận mơ hình thơng qua mơ số phần mềm ABAQUS với thực nghiệm thực trường Từ sở sử dụng phần mềm ABAQUS phân tích sụp đổ lũy tiến kết cấu chịu tác dụng tải trọng nổ đưa nhận xét định lượng ảnh hưởng nhân tố đến phá hoại lũy tiến kết cấu, đồng thời đề xuất giải pháp kháng sập lũy tiến cho cơng trình Nội dung cấu trúc luận án Luận án gồm phần mở đầu, chương phần kết luận, danh mục tài liệu tham khảo phụ lục Phần mở đầu: Nêu tính cấp thiết đề tài nghiên cứu, mục đích, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, nội dung cấu trúc luận án Chương 1: Tổng quan Tổng quan tài liệu nghiên cứu sụp đổ lũy tiến cơng trình xây dựng, phương pháp thiết kế kháng sập lũy tiến, tiêu chuẩn quy phạm thiết kế kháng sập lũy tiến, phương pháp phân tích sụp đổ lũy tiến phần mềm tính tốn thương mại liên quan đến sụp đổ lũy tiến kết cấu, từ lựa chọn đề tài, mục đích, nội dung, phạm vi phương pháp nghiên cứu luận án Chương 2: Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình vật liệu, mơ hình tính mơ số phân tích sụp đổ lũy tiến kết cấu chịu tác dụng nổ Trình bày sở lý thuyết để xây dựng mơ hình vật liệu, mơ hình tính mơ số phần mềm ABAQUS để phân tích sụp đổ lũy tiến kết cấu khung khơng gian bê tơng cốt thép tồn khối chịu tác dụng nổ Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định tham số mơ hình vật liệu hiệu chỉnh mơ hình tính phân tích sụp đổ lũy tiến cơng trình chịu tải trọng nổ Tiến hành thực nghiệm phịng thí nghiệm để đưa tham số mơ hình vật liệu thực nghiệm ngồi trường để xác nhận mơ hình vật liệu hiệu chỉnh mơ hình tính, đưa tham số mơ hình vật liệu phục vụ cho việc mơ số phân tích sụp đổ lũy tiến của kết cấu khung không gian bê tông cốt thép toàn khối chịu tác dụng nổ Chương 4: Nghiên cứu sụp đổ lũy tiến khung bê tông cốt thép toàn khối chịu tác dụng nổ đề xuất số giải pháp kháng sập Sử dụng mô hình vật liệu mơ hình tính phân tích sụp đổ lũy tiến kết cấu khung không gian bê tơng cốt thép tồn khối chịu tác dụng nổ phần mềm ABAQUS trường hợp sau: - Trường hợp 1: Sự sụp đổ lũy tiến khung bê tơng cốt thép tồn khối chịu tác dụng nổ tiếp xúc với kết cấu đưa nhận xét định lượng ảnh hưởng nhân tố đến phá hoại lũy tiến kết cấu, đồng thời đề xuất giải pháp kháng sập lũy tiến cho cơng trình; - Trường hợp 2: Sự sụp đổ lũy tiến khung bê tơng cốt thép tồn khối chịu tác dụng nổ gần với kết cấu đưa nhận xét định lượng ảnh hưởng nhân tố đến phá hoại lũy tiến kết cấu, đồng thời đề xuất giải pháp kháng sập lũy tiến cho cơng trình Phần kết luận chung: Đưa kết luận án, phương hướng nghiên cứu Phần phụ lục: Giới thiệu văn mã nguồn toán lập luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan sụp đổ lũy tiến cơng trình Sự sụp đổ lũy tiến nhiều xẩy cơng trình nhà cửa cơng trình cầu Dưới kiện điển hình 1.1.1 Sụp đổ lũy tiến cơng trình nhà cửa Các kiện sập đổ khứ góp phần đáng kể vào phát triển thiết kế kiến trúc đại, đặc biệt độ an tồn tính vững Dưới số kiện mang tính bước ngoặt SĐLT kết cấu - Sự sập đổ mái bãi đậu xe kho lưu trữ thực phẩm Saveon-Foods Canada, vào ngày 23 tháng năm 1988 Tại phần mái bị rơi xuống gian hàng với 20 xe tơ (hình 1.1) Thiết kế khơng đảm bảo kỹ thuật ngun nhân dẫn đến cố kết cấu Sự cố sập đổ chủ yếu sai sót thiết kế mà đó, trọng lượng thân hệ dầm cột chống mái nhà không tính đến, dẫn đến cố ổn định dầm giằng [13,14] Hình 1.1 Sập đổ thiết kế kho lưu trữ thực phẩm Save-on-Foods, Canada, 1988 - Sự cố sập đổ mái Sân vận động Đại học Husky, Washington vào ngày 25 tháng năm 1987 (hình 1.2) Ngun nhân q trình thi cơng, sáu số chín cột chống tạm bị dỡ bỏ sớm quy định khiến 250 khung thép bị nghiêng cuối sập đổ Hình 1.2 Sập đổ sân vận động Husky, Mỹ thi công năm 1987 Các nguyên nhân khác, chẳng hạn vật liệu q trình vận hành, góp phần gây cố cơng trình Trong thiết kế dùng vật liệu mới, đại, lỗi trình sản xuất, chế tạo tồn kết cấu thép bê tông cốt thép Các lỗi vật liệu thường khơng phát xem xét q trình thiết kế giai đoạn thi công Hầu hết vấn đề vật liệu người gây ra, thiếu hiểu biết vật liệu sử dụng vật liệu khơng tương thích Ngồi lỗi vận hành, cố cơng trình xảy chủ đầu tư hay người sử dụng lạm dụng, khơng bảo trì đầy đủ - Sự sập đổ phần tòa nhà Ronan Point (22 tầng) xảy ngày 16/05/1968 nổ khí ga xảy tầng 18 Vụ nổ thổi bay tường chịu lực bê tông đúc sẵn tầng 18, làm tường đỡ sập đổ, dẫn đến sàn sập đổ theo Sự sập đổ phát triển lũy tiến đến tầng ngầm sàn sập đổ va chạm vào sàn phía (hình 1.3) mô tả sập đổ “trị chơi xếp hình” [15] Báo cáo điều tra thức nhanh chóng xác định rằng, vật liệu đồng không đạt tiêu chuẩn để sử dụng kết nối ống khí đốt cho bếp nguyên nhân vụ rị rỉ khí ga [16] Sự sụp đổ dây chuyền sàn nhà cố cho thiếu liên tục việc gia cố liên kết sàn - tường tường - tường ... đề cập đến Do đó, hướng đề tài luận án chọn ? ?Nghiên cứu sụp đổ lũy tiến khung bê tơng cốt thép tồn khối chịu tác dụng nổ đề xuất số giải pháp kháng sập? ?? Mục đích nghiên cứu luận án - Nghiên cứu. .. cốt thép tồn khối chịu tác dụng nổ đề xuất số giải pháp kháng sập Sử dụng mơ hình vật liệu mơ hình tính phân tích sụp đổ lũy tiến kết cấu khung không gian bê tơng cốt thép tồn khối chịu tác dụng. .. tố đến phá hoại lũy tiến kết cấu, đồng thời đề xuất giải pháp kháng sập lũy tiến cho cơng trình; - Trường hợp 2: Sự sụp đổ lũy tiến khung bê tông cốt thép toàn khối chịu tác dụng nổ gần với kết