NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG CHÈN TỚI HỆ KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG đất được THIẾT KẾ THEO QUAN NIỆM HIỆN đại

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG MIỀN TRUNG SẢN PHẨM ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ MÃ SỐ: RD 36-18 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG CHÈN TỚI HỆ KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT ĐƯỢC THIẾT KẾ THEO QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI Chủ nhiệm đề tài: TS Phan Văn Huệ Thư kí đề tài: PGS.TS Nguyễn Lê Ninh Hà Nội, năm 2020 BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG MIỀN TRUNG SẢN PHẨM KHOA HỌC ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ MÃ SỐ: RD 36-18 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG CHÈN TỚI HỆ KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT ĐƯỢC THIẾT KẾ THEO QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI CÁC BÀI BÁO CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI TRÊN CÁC TẠP CHÍ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH Phan Văn Huệ, Nguyễn Lê Ninh (2018), “Ảnh hưởng tường chèn tới phản ứng cục cột khung bê tông cốt thép thiết kế theo quan niệm kháng chấn đại”, Tạp chí Kết cấu Cơng nghệ xây dựng, Hội Kết cấu Công nghệ xây dựng Việt Nam, ISSN 1859-3194, số 27, trang 105-116 Phan Văn Huệ (2019), “Ảnh hưởng tường chèn tới việc kiểm soát cấu phá hoại khung bê tông cốt thép chịu động đất”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, ISSN 2615-9058, tập 13 (số 4V, 9-2019) trang 58-72 Phan Văn Huệ (2019), “Một phương pháp thiết kế cột khung bê tông cốt thép chịu cắt có xét tới tương tác với tường chèn theo quan niệm kháng chấn đại”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, ISSN 0866-8762, số 618 (tháng năm 2019), trang 66-72 Hà Nội, năm 2020 KẾT CẤU VÀ CÔNG NGHỆ MỚI Quy trình lắp dựng an tồn cho kết cấu khung thép nhà cao tầng dựa tiêu chuẩn Anh 05 Vũ Quốc Anh, Nguyễn Hải Quang KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG Luận bàn phát triển bền vững ngành Xây dựng 17 Trần Chủng, Đỗ Đình Đức, Phạm Anh Tuấn Phát triển kỹ thuật cải tạo đất yếu, thân thiện với môi trường cách tái chế tro bay hàm lượng canxi cao Việt Nam 24 Hà Minh, Dương Trọng Vĩnh, Hoàng Văn Thiều, Đỗ Như Đức, Lê Nguyên Giáp, Nguyễn Hồng Thái, Min Kyong Nam Độ tin cậy chữ nhật trực hướng theo điều kiện ổn định 34 Chu Thanh Bình, Đặng Xuân Hùng, Trần Đại Hào Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng tro bay tới cường độ hỗn hợp CFG 44 Bùi Phú Doanh, Ngô Việt Đức, Vũ Ngọc Trụ Nghiên cứu thực nghiệm mô ứng xử nút khung liên hợp 64 Lê Đăng Dũng, Nguyễn Hoàng Quân, Nguyễn Xuân Huy Ảnh hưởng đá bazan cát mịn đến cường độ nén hàm lượng CA(OH)2 xi măng pc lăng hỗn hợp 73 Vũ Đình Đấu Một số phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông tự lèn 90 Trần Đức Trung Ảnh hưởng tường chèn tới phản ứng cục cột khung bê tông cốt thép thiết kế theo quan niệm kháng chấn đại 105 Phan Văn Huệ, Nguyễn Lê Ninh 10 Nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến độ cứng sàn bê tông cốt thép chịu xoắn 117 Nguyễn Mai Chí Trung, Hồng Cơng Vũ, Trần Bá Cảnh 11 Xây dựng công thức dự báo biến dạng co ngót bê tơng điều kiện khí hậu thủ đô Viêng Chăn (Lào) theo tiêu chuẩn Nga GOST 24544-81 Sengaloun Keoalounxay - Nguyễn Thị Thu Hiền 129 STRUCTURES AND NEW TECHNOLOGY Safety procedure for high building's steel structure based on English standards 05 Vu Quoc Anh, Nguyen Hai Quang RESEARCH AND APPLICATION Discussion on sustainable development in the building industry 17 Tran Chung, Do Dinh Duc, Pham Anh Tuan Develop the eco-friendly soft ground improvement technique for the Vietnam high calcium fly ash recycling 24 Ha Minh, Duong Trong Vinh, Hoang Van Thieu, Do Nhu Duc, Le Nguyen Giap, Nguyen Hong Thai, Min Kyong Nam Reliability of straight target rectangular sheet under stable conditions 34 Chu Thanh Binh, Dang Xuan Hung, Tran Dai Hao Investigate impact of flying-ash content on strength of cement flying - ash gravel piles in foundation in Vietnam 44 Bui Phu Doanh, Ngo Viet Duc, Vu Ngoc Tru Experimental and numerical study on the behaviour of hybrid beam column joint 64 Le Dang Dung, Nguyen Hoang Quan, Nguyen Xuan Huy Basalt stone and fine sand’s effect to compressive strength and Ca(OH)2 content of portland blended cement (PCB) 73 Vu Dinh Dau Several mix design methods for self - compacting concrete 90 Tran Duc Trung The effect of masonry infills on the seismic local response in columns of reinforced concrete frame structures according to modern conception 105 Phan Van Hue, Nguyen Le Ninh 10 Parametric study influences stiffness of reinforced concrete slabs under torsion 117 Nguyen Mai Chi Trung, Hoang Cong Vu, Tran Ba Canh 11 Constructing the forecast formulas concrete's deformation in climate condition of the Vientiane (Laos) by Russian standard GOST 24544-81 Sengaloun Keoalounxay - Nguyen Thi Thu Hien 129 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG CHÈN TỚI PHẢN ỨNG CỤC BỘ CỦA CỘT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC THIẾT KẾ THEO QUAN NIỆM KHÁNG CHẤN HIỆN ĐẠI THE EFFECT OF MASONRY INFILLS ON THE SEISMIC LOCAL RESPONSE IN COLUMNS OF REINFORCED CONCRETE FRAME STRUCTURES ACCORDING TO MODERN CONCEPTION Phan Văn Huệ Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Nguyễn Lê Ninh Trường Đại học Xây dựng Tóm tắt: Sự tương tác cục tường chèn cấu kiện khung bê tông cốt thép (BTCT) tác động động đất thường có khả gây cấu phá hoại giòn cấu kiện khung bao quanh (cột nút khung) Tuy vậy, tiêu chuẩn kháng chấn đại, vấn đề chưa đề cập tới cách cụ thể, đặc biệt cho phép hệ kết cấu làm việc sau đàn hồi Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu ảnh hưởng tường chèn tới phản ứng cục cột khung BTCT thiết kế theo quan niệm kháng chấn đại Kết phân tích cho thấy, tác động cục tường chèn làm phát sinh lực cắt đáng kể, gây nguy phá hoại giòn sớm cột khung làm hiệu lực thiết kế kháng chấn Từ khóa: phá hoại cắt, tác động cục bộ, khung bê tông cốt thép, tường chèn, tương tác Summary: The local interaction between masonry infills and reinforced concrete (RC) frame elements under seismic action can potentially lead to brittle failure mechanisms in surrounding elements such as columns or beam-column joints However, in the modern seismic standards, this issue has not been specifically addressed, especially when the structures are allowed to work beyond the elastic limit This paper represents results of infills’ effects on the seismic local response of columns in RC frame structures designed according to modern conception The analytical results indicate that the local effect of infills develops the significantly large shear demand and causes pre-emptive brittle failure of columns and invalidates the seismic design of the structures Keywords: shear failure, local effect, reinforced concrete frame, masonry infills, interaction Giới thiệu Hệ kết cấu khung bê tông cốt thép (BTCT) với tường chèn khối xây số hệ kết cấu sử dụng rộng rãi giới, có Việt Nam Sự có mặt tường chèn có ảnh hưởng lớn tới phản ứng hệ khung bao quanh tác động động đất Đây kết luận thừa nhận sau nỗ lực nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết nhiều nhà khoa học vòng gần 70 năm qua [1,5,9,13] Hiện nay, mục tiêu thiết kế hệ kết cấu nói chung kết cấu khung BTCT nói riêng tác động động đất có thay đổi bản, chuyển từ việc bảo vệ TẠP CHÍ KẾT CẤU & CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG - SỐ 27 105 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG cơng trình sang bảo vệ trực tiếp sinh mạng người Theo đó, cơng trình xây dựng làm việc sau giới hạn đàn hồi không phép sụp đổ đột ngột Trong điều kiện này, việc nghiên cứu tương tác khung với tường chèn hệ mà gây cấu kiện thành phần khung lại quan trọng Các kết phân tích tĩnh phi tuyến dựa mơ hình ứng xử tường chèn cho thấy tường chèn làm thay đổi hoàn toàn ý đồ người thiết kế [16,17] Cơ cấu phá hoại dẻo dự kiến khung tác động động đất biến thành cấu phá hoại giòn xét tới tương tác với tường chèn, tình nguy hiểm theo quan điểm kháng chấn đại Quy trình thiết kế kiểm sốt cấu cách thức phá hoại hệ kết cấu khung (còn gọi quy trình thiết kế theo khả năng) có nguy bị vơ hiệu hóa trường hợp có mặt tường chèn Bên cạnh đó, kết nghiên cứu lý thuyết [1,5,10] khảo sát trường gần hệ trận động đất L’Aquila (4/2009) [18] Emilia (5/2012) [6,12] cho thấy nhiều trường hợp tường chèn nguyên nhân gây phá hoại phận khung cột nút (Hình 1) Điều cho thấy việc nghiên cứu ảnh hưởng tường chèn tới phản ứng cục hệ khung cần thiết a) Trận động đất L’Aquila (4/2009) b) Trận động đất Emilia (5/2012) Hình 1: Hệ tương tác cục khung - tường chèn tác động động đất Phần sau giới thiệu số kết nghiên cứu liên quan tới khả phá hoại cắt cột khung BTCT thiết kế theo quan niệm đại xét tới tương tác với tường chèn ảnh hưởng tới quy trình thiết kế theo khả quy định TCVN 9386:2012 TẠP CHÍ 106 KẾT CẤU & CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG - SỐ 27 Quan niệm thiết kế kháng chấn đại vấn đề kiểm soát phá hoại cột khung bê tông cốt thép Theo quan niệm kháng chấn đại, cơng trình xây dựng phải có khả chịu trận động đất nhỏ vừa xuất KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG ngẫu nhiên đời chúng mà không bị hư hỏng, gặp trận động đất mạnh mạnh cơng trình khơng bị sụp đổ cách đột ngột Đối với hệ kết cấu khung BTCT, để không bị sụp đổ đột ngột, sơ đồ phá hoại thường lựa chọn thiết kế sơ đồ phá hoại dẻo với khớp dẻo uốn xuất trước hết dầm sau tới cột phá hoại cắt phải xảy sau phá hoại uốn Với sơ đồ phá hoại này, hệ kết cấu huy động tối đa khả chịu lực phận kết cấu lượng lượng đáng kể truyền đến cơng trình động đất xảy phân tán qua biến dạng dẻo vùng khớp dẻo (còn gọi vùng tới hạn) [14,15] Như vậy, để phá hoại theo sơ đồ dẻo (hoặc cịn gọi sơ đồ phá hoại dầm) nguyên tắc thiết kế hệ kết cấu khung BTCT chịu động đất hiện cột khỏe - dầm yếu Bên cạnh đó, để phá hoại cắt không xảy trước phá hoại uốn, phải thiết kế cho cấu kiện khung có độ bền cắt lớn lực cắt tương ứng với tác động gây chảy dẻo uốn cấu kiện Để thực điều này, tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đại có TCVN 9386:2012, cung cấp công cụ đặc biệt gọi phương pháp (quy trình) thiết kế theo khả [3, 8] Đây phương pháp thiết kế “tinh tế” cho phép người thiết kế kiểm sốt được phản ứng khơng đàn hồi hệ kết cấu chịu động đất, cụ thể kiểm soát sơ đồ phá hoại cách thức phá hoại hệ kết cấu tác động động đất mạnh đề cập tới Theo phương pháp thiết kế theo khả năng, khớp dẻo uốn xuất trước hết dầm, nội lực dùng để thiết kế cột khơng phải lấy từ phân tích kết cấu tình động đất mà xác định từ khả chịu uốn dầm khớp dẻo liền kề với cột xét từ điều kiện sau [15]: ∑M Rc ≥ 1,3∑ M Rb (1) đó: ΣMRc – tổng khả chịu uốn thiết kế cột có xét lới lực dọc N ΣMRb - tổng khả chịu uốn thiết kế dầm quy tụ vào nút xét Điều kiện (1) cần thỏa mãn tất nút khung hai mặt phẳng uốn thẳng đứng vng góc với cho hai chiều tác động động đất Bên cạnh đó, để đảm bảo cột khơng bị phá hoại cắt trước phá hoại uốn, cần phải xác định lực cắt thiết kế theo khả dùng để thiết kế cột Cách thức đơn giản để xác định lực cắt giả định hai đầu mút cột hình thành khớp dẻo với mơmen uốn ngược chiều (+ -) lực cắt cột xác định từ điều kiện cân cột chị̣u tác động mômen uốn vượt độ bền Mid đầu mút [15]: ⎛ ∑ M Rb ⎞ M id = γ Rd M Rc ,i ⎜ ⎜ ∑ M Rc ⎟⎟ ⎝ ⎠i (2) đó: γRd - hệ số vượt độ bền lấy 1,1 cho cột có cấp dẻo trung bình (DCM) 1,3 cho cột có cấp dẻo cao (DCH); MRci - khả chịu uốn thiết kế đầu mút cột i (i = 1, 2) theo chiều mômen uốn động đất theo phương xét tác động động đất (∑ M Rb / ∑ M Rc ) i ≤ tỷ số ∑MRb - tổng khả chịu uốn thiết kế tiết diện dầm mặt đối diện nút i ∑MRc - tổng khả chịu uốn thiết kế tiết diện cột nút i TẠP CHÍ KẾT CẤU & CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG - SỐ 27 107 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG Với mômen uốn vượt độ bền Mid trên, lực cắt thiết kế theo khả tác động tiết diện đầ̀u mút cột xác định theo biểu thức sau: VEd,c = ⎡ ⎛ M γ Rd ⎢ M Rc ,1 ⎜ ∑ Rb ⎜ ∑ M Rc ⎝ ⎣⎢ ⎞ ⎛ ∑ M Rb ⎞ ⎤ ⎟⎟ + M Rc ,2 ⎜⎜ ⎟⎟ ⎥ ⎠1 ⎝ ∑ M Rc ⎠ ⎦⎥ lcl ,c (3) lcl,c chiều dài thơng thủy cột mặt phẳng uốn (bằng khoảng cách mặt dầm chân cột mặt dầ̀m đỉnh cột) Ảnh hưởng tường chèn tới phản ứng cục khung bê tông cốt thép 3.1 Sự tương tác khung với tường chèn Các kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, tác động tải trọng ngang tường chèn tách khỏi khung bao quanh góc khơng bị nén (Hình 2) Sự làm việc cho nhà nghiên cứu ý tưởng biểu thị vai trò tường chèn khung dạng dải chéo bị nén tương đương có bề rộng wm Hình Chiều dài vùng tiếp xúc zh zl panô chèn với cấu kiện khung định bề rộng dải chéo tương đương Các chiều dài vùng tiếp xúc thay đổi trình gia tải làm bề rộng dải chéo tương đương wm thay đổi theo Hình 2: Mơ hình dải chéo tương đương Trên sở ý tưởng này, Nguyễn Lê Ninh (1980) đề xuất biểu thức xác định bề rộng dải chéo tương đương sau [13,14]: wm = e m (1− n ) wm TẠP CHÍ dm ( λh h + λll + k ) (5) biểu thức trên, λh λl thơng (4) wm0 bề rộng sở dải chéo tương đương thời điểm tường chèn khơng cịn đủ độ bền độ cứng để tham gia chịu lực với hệ khung bao quanh: 108 wm = KẾT CẤU & CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG - SỐ 27 số chiều dài vùng tiếp xúc cột dầm: λh = E m tm lm λ l = E c I c hm2 E m tm hm E c I b l m2 (6) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG đó: Em, Ec - tương ứng mô đun đàn hồi tường chèn bê tông khung; l h tương ứng chiều dài dầm cột tính đến trục; lm, hm, dm tm - tương ứng chiều dài, chiều cao, chiều dài đường chéo bề dày panô chèn (trong thiết kế thường lấy lm = lcl,b hm = lcl,c - tương ứng chiều dài thông thủy dầm cột); Ib, Ic - tương ứng mơmen qn tính dầm cột; m, k - hệ số phụ thuộc vào đặc tính tường chèn (m = 2; k = 3,5 cho tường chèn gạch đất sét nung loại m = 3,6; k = 20 cho tường chèn gạch xây bê tông chưng áp); n = V/Vmu - tỷ số lực ngang tác dụng lực ngang gây nứt tường chèn Hình 3: Sự phân bố lực tương tác tường chèn khung Chiều dài vùng tiếp xúc thời điểm khác trình chịu lực ngang xác định theo biểu thức sau (Hình 3): zh = βπ βπ zl = 2λl 2λh (7) với d m e m(1−n ) β= wmk ( λh h + λl l + k ) (8) đó: β - hệ số biến thiên bề rộng dải chéo tương đương; wmk - bề rộng đặc trưng dải chéo tương đương xác định theo điều kiện hình học tương ứng với chiều dài tiếp xúc đặc trưng zhk = π / 2λh zlk = π / 2λl Tiếp tục phát triển kết nghiên cứu trên, Nguyễn Lê Ninh Phan Văn Huệ (2017) thiết lập mơ hình ứng xử phi tuyến tường chèn Hình sử dụng mơ hình để đánh giá ảnh hưởng tường chèn tới phản ứng tổng thể hệ khung BTCT thiết kế theo quan niệm kháng chấn đại [16,17] Kết phân tích theo phương pháp tĩnh phi tuyến cho thấy tường chèn khung làm thay đổi hoàn toàn ý đồ người thiết kế Đây tình nguy hiểm cơng trình thiết kế để chịu động đất theo quan niệm đại Hình 4: Mơ hình ứng xử phi tuyến tường chèn Dọc theo vùng tiếp xúc zh zl xuất ứng suất tương tác (cắt nén) panô chèn cấu kiện khung Để đơn giản, giả thiết ứng suất nén pháp tuyến qh ql lên cấu kiện khung biến thiên tuyến tính có dạng tam giác (Hình 3), cịn ứng suất cắt ma TẠP CHÍ KẾT CẤU & CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG - SỐ 27 109 ... (5/2012) Hình 1: Hệ tương tác cục khung - tường chèn tác động động đất Phần sau giới thiệu số kết nghiên cứu liên quan tới khả phá hoại cắt cột khung BTCT thiết kế theo quan niệm đại xét tới tương... thiết kế theo khả quy định TCVN 9386:2012 TẠP CHÍ 106 KẾT CẤU & CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG - SỐ 27 Quan niệm thiết kế kháng chấn đại vấn đề kiểm soát phá hoại cột khung bê tông cốt thép Theo quan niệm... tường chèn tới phản ứng tổng thể hệ khung BTCT thiết kế theo quan niệm kháng chấn đại [16,17] Kết phân tích theo phương pháp tĩnh phi tuyến cho thấy tường chèn khung làm thay đổi hoàn toàn ý đồ