Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế phá hủy của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Trần Quốc Cường NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CƠ CHẾ PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI MẤT CỘT BIÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - Năm 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn cán hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày luận án hồn tồn trung thực chưa cơng bố Các liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2021 Trần Quốc Cường iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU 1.Lý chọ 2.Mục tiêu 3.Đối tượn 4.Cơ sở kh 5.Phương 6.Ý nghĩa k 7.Những đ 8.Cấu trúc CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN PHẲNG 1.1 Sụp đổ lũy tiến (SĐLT) hệ kết cấu công trình BTCT 1.1.1 Khái niệm sụp đổ lũy tiến (SĐLT) 1.1.2 Một số vụ sụp đổ điển hình 1.1.3 Cơ chế SĐLT kết cấu BTCT cột chịu lực 1.1.3.1 H 1.2 Ứng xử kết cấu BTCT chịu uốn biến dạng lớn chế chịu lực 1.3 Sự làm việc dạng phá hoại kết cấu sàn phẳng BTCT 1.4 Một số phương pháp thiết kế phòng chống SĐLT giới 1.5 Nghiên cứu kết cấu BTCT cột chịu lực 1.6 Tóm tắt kết luận chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH SÀN PHẲNG 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu thực nghiệm 2.1.1Mục 2.1.2Nội d 2.2 Cơ sở xây dựng mơ hình thí nghiệm 2.2.1Kết c thí ng 2.2.2Cơ s 2.2.3Lựa 2.2.4Mơ h 2.3 Mơ hình thí nghiệm vật liệu chế tạo 2.3.1Mơ h 2.3.2Thí n 2.3.2 2.4Tải trọng thí nghiệm tĩnh 2.4.1Dạng 2.4.2Giá t 2.4.3Sơ đ 2.4.4Biện 2.4.5Quy 2.5Tải trọng thí nghiệm động 2.5.1Tình 2.5.2Cách 2.6Thiết bị dụng cụ đo 2.7Quy trình thí nghiệm 2.8 Kết luận chương CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Phân tích kết thí nghiệm tĩnh với mẫu SP1 SP3 3.2 Phân tích đánh giá kết thí nghiệm động với mẫu SP2 vii 3.2.4 Xác định hệ số động theo số liệu thực nghiệm 110 3.2.5 Sự phát triển vết nứt chế phá hủy mẫu SP2 110 3.3 Kết luận chương 112 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG 4.1Các giả thiết tính tốn phương phá 4.2Đánh giá hiệu ứng động 4.3Sức kháng SĐLT kết cấu sàn phẳn 4.4Tải trọng cực hạn Wult hệ kết cấu 4.5Hệ số độ dẻo chuyển vị µ∆ 4.6So sánh với kết thực nghiệm 4.7Ví dụ áp dụng 4.8Điều kiện áp dụng phương pháp đơn 4.9Kết luận chương KẾT LUẬN CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO 142 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong khoảng ba thập kỷ gần đây, giới chứng kiến nhiều vụ sụp đổ cơng trình có qui mơ thiệt hại lớn người Có thể kể đến vụ sụp đổ tòa nhà Murrah Building (Thành phố Oklahoma, Mỹ, năm 1995) bom xe làm chết 168 người, sụp đổ tòa nhà Sampoong Department Store (Thành phố Seoul, Hàn Quốc) làm chết bị thương gần 500 người, hay vụ công khủng bố Tháp đôi trung tâm thương mại giới WTC (Thành phố New York, Mỹ, năm 2001) làm chết gần 3000 người Các nghiên cứu trường vụ sụp đổ cơng trình có đặc điểm chung bắt đầu phá hoại vài cấu kiện chịu lực mang tính cục áp lực vụ nổ bom hay khí ga, sau lan truyền từ cấu kiện sang cấu kiện khác, cuối dẫn đến sụp đổ phần lớn toàn kết cấu cơng trình Đây định nghĩa sụp đổ lũy tiến (SĐLT) cơng trình Do hậu nghiêm trọng mà gây ra, việc phịng chống SĐLT thu hút nhiều quan tâm cộng đồng nghiên cứu quốc tế nhà lập pháp nhiều quốc gia Trong ba thập kỷ vừa qua, nhiều nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết mô số thực nhằm hiểu rõ chế SĐLT cơng trình nhà dân dụng, đặc biệt kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) Mặc dù nhiều điểm chưa thống nhất, đa số nghiên cứu rằng, ứng xử cận sụp đổ sụp đổ cơng trình BTCT phức tạp có mặt yếu tố sau: (i) Tính phi tuyến vật liệu bê tông bao gồm phát triển vết nứt nén vỡ, (ii) Tính phi tuyến hình học trạng thái biến dạng lớn, (iii) Hiệu ứng động cấu kiện chịu lực cột BTCT bị đánh sập đột ngột Song song với nỗ lực nghiên cứu cộng đồng quốc tế, yêu cầu nhằm hạn chế thiệt hại SĐLT gây nhà lập pháp đưa vào tiêu chuẩn thiết kế thi công hành nhiều nước giới Mỹ, Châu Âu, Singapore Nhiều tài liệu hướng dẫn thiết kế phòng chống SĐLT ban hành hướng dẫn thiết kế cải tạo cơng trình phủ Mỹ (GSA - Progressive collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Projects-2003) [23] UFC 4-023-03 (Design of Buildings to Resist Progressive Collapse-2016) [16] Nhìn chung, sức kháng sụp đổ cơng trình thường đánh giá thơng qua tình giả định cột chịu lực bị đột ngột tác động bom, khí ga, đâm xe hay sụt lún móng Mặc dù nhiều điểm hạn chế qui trình tính tốn thiết kế cấu tạo BTCT, việc ban hành tài liệu hướng dẫn giới chuyên môn ủng hộ thể vai trị quan trọng cơng tác phịng chống SĐLT cơng trình nước tiên tiến giới Đáng ý nội dung tài liệu cập nhật liên tục hàng năm dựa kết nghiên cứu quan trọng cộng đồng khoa học quốc tế Kết cấu sàn phẳng sử dụng nhiều cho mục đích dân dụng cơng nghiệp, đặc biệt siêu thị khu vui chơi giải trí So với kết cấu dầm sàn truyền thống, ưu điểm kết cấu sàn phẳng thời gian thi cơng nhanh chóng, chiều cao tầng lưu khơng lớn Tuy nhiên, nhược điểm trọng lượng thân lớn khu vực sàn đầu cột dễ bị phá hoại cục chọc thủng Khi phá hoại xảy vị trí cục việc ngăn chặn lan truyền phá hoại điều cần thiết để tránh SĐLT xảy Cần nhấn mạnh tình giả định cột đột ngột hoàn toàn tương thích phản ánh phá hoại chọc thủng đầu cột Đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm chế phá hủy kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép cột biên” lựa chọn nhằm làm rõ ứng xử sàn cột, qua ngăn chặn hạn chế thiệt hại sụp đổ dây chuyền Mục tiêu nghiên cứu • Xây dựng mơ hình thực nghiệm phù hợp đủ để mơ tả ứng xử sụp đổ kết cấu sàn phẳng BTCT điều kiện cột biên Mơ hình thực nghiệm cần phải thiết kế đảm bảo vấn đề sau Thứ nhất, hệ gia tải trọng cần phải đảm bảo phân bố mặt mẫu thí nghiệm suốt trình thí nghiệm, đặc biệt biến dạng lớn Thứ hai, cấu cột đột ngột cần phải đủ nhanh để mơ xác ứng xử thực tế xảy Thứ ba, phân bố nội lực, dạng phá hoại trình sụp đổ cần phải đo đạc ghi lại Thứ tư, mơ hình thực nghiệm chế tạo tuân theo dẫn lý thuyết tương tự • Nghiên cứu làm việc kết cấu sàn phẳng BTCT không mũ bị cột tác dụng tải trọng đến xảy sụp đổ hoàn tồn Q trình có bao gồm phát triển vết nứt, phân bố tải trọng cột xung quanh cột bị mất, sức kháng tải trọng kết cấu sau bị cột dạng sụp đổ hồn tồn Quan sát thực nghiệm hình thành phát triển hiệu ứng màng, vốn chế chịu lực thứ cấp sàn phẳng chịu trạng thái biến dạng lớn • Đánh giá hiệu ứng động đến ứng xử kết cấu sàn phẳng BTCT khơng mũ cột tình cột chịu lực bị phá hoại đột ngột Khi cột chịu lực bị đánh sập đột ngột bom nổ hay nổ khí ga, phá hoại diễn vài phần nghìn giây [16] Trong trường hợp này, ứng xử công trình động nên dẫn đến tải trọng tác dụng, chuyển vị nội lực kết cấu bị khuếch đại hệ số động định Do đó, việc đánh giá hiệu ứng động thơng qua chương trình thực nghiệm cần thiết để hiểu rõ chế sụp đổ kết cấu cơng trình • Xây dựng cơng thức bán thực nghiệm nhằm tính toán sức kháng sụp đổ kết cấu sàn BTCT không mũ cột Dựa kết thực nghiệm thu kết hợp với kết lý thuyết công bố trước đây, nghiên cứu xây dựng cơng thức bán thực nghiệm giúp cho kỹ sư thiết kế tính tốn nhanh sức kháng sụp đổ kết cấu sàn phẳng BTCT Đối tượng phạm vi nghiên cứu Theo phát triển nhu cầu sử dụng cơng cơng trình dân dụng công nghiệp, hệ kết cấu sàn phẳng BTCT tương đối đa dạng, phân thành ba loại chính, bao gồm: Kết tóm tắt thí nghiệm mẫu SP1 Test Title Step 518 519 963 998 999 1000 1001 1117 1341 2240 2478 2641 2929 3151 3765 4321 4558 4658 4837 4838 4839 4840 4841 4842 4843 4844 4845 4846 4847 4907 10260 10261 10262 10263 14983 14984 14985 19996 19997 19998 19999 20000 20001 29998 29999 30000 30001 30002 39999 40000 40001 47749 47749 47786 47829 47872 47915 BD3 ｵ 7 9 15 14 12 17 20 25 26 27 21 24 24 20 21 22 18 17 21 22 24 34 390 388 390 388 421 421 423 439 440 439 441 440 440 463 464 462 467 463 471 473 472 923 923 946 968 992 1139 BD4 ｵ 14 12 11 15 19 23 25 37 55 61 73 124 395 757 1209 1391 1391 1399 1404 1406 1417 1418 1421 1428 1431 1441 1575 1923 1921 1925 1922 1961 1959 1963 1997 1991 1987 1990 1998 1990 2044 2046 2043 2046 2045 2077 2078 2075 2401 2401 2421 2435 2456 2597 Kết tóm tắt thí nghiệm mẫu SP2 TIME 11:57:30 AM 11:57:31 AM 11:57:32 AM 11:57:33 AM 11:57:34 AM 11:57:35 AM 11:57:36 AM 11:57:37 AM 11:57:38 AM 11:57:39 AM 11:57:40 AM 11:57:41 AM 11:57:42 AM 11:57:43 AM 11:57:44 AM 11:57:45 AM 11:57:46 AM 11:57:47 AM 11:57:48 AM 11:57:49 AM 11:57:50 AM 11:57:51 AM 11:57:52 AM 11:57:53 AM 11:57:54 AM 11:57:55 AM 11:57:56 AM 11:57:57 AM 11:57:58 AM 11:57:59 AM 11:58:00 AM 11:58:01 AM 11:58:02 AM 11:58:03 AM 11:58:04 AM 11:58:05 AM 11:58:06 AM 11:58:07 AM 11:58:08 AM 11:58:09 AM 11:58:10 AM 11:58:11 AM 11:58:12 AM 11:58:13 AM 11:58:14 AM 11:58:15 AM 11:58:16 AM 11:58:17 AM 11:58:18 AM 11:58:19 AM 11:58:20 AM 11:58:21 AM BD5 (µε) BD6 (µε) 63.9 63.9 57.51 55.38 46.86 55.38 42.6 42.6 46.86 38.34 48.99 42.6 38.34 31.95 23.43 44.73 34.08 38.34 51.12 44.73 48.99 46.86 46.86 57.51 55.38 59.64 55.38 55.38 55.38 72.42 57.51 63.9 55.38 48.99 51.12 46.86 48.99 51.12 42.6 44.73 42.6 42.6 44.73 40.47 38.34 38.34 40.47 42.6 25.56 25.56 34.08 36.21 Test Title Kết tóm tắt thí nghiệm mẫu SP3 Step date / time 06/29/2017 09:01:27 10 06/29/2017 09:07:42 11 06/29/2017 09:08:00 12 06/29/2017 09:08:01 13 06/29/2017 09:08:02 14 06/29/2017 09:08:04 15 06/29/2017 09:08:05 16 06/29/2017 09:08:06 17 06/29/2017 09:08:08 2202 06/29/2017 09:59:09 2203 06/29/2017 09:59:10 2204 06/29/2017 09:59:12 2205 06/29/2017 09:59:13 2206 06/29/2017 09:59:14 2207 06/29/2017 09:59:16 2208 06/29/2017 09:59:17 2209 06/29/2017 09:59:19 3218 06/29/2017 10:22:51 3219 06/29/2017 10:22:53 3220 06/29/2017 10:22:54 3221 06/29/2017 10:22:56 3222 06/29/2017 10:22:57 3223 06/29/2017 10:22:58 3224 06/29/2017 10:23:00 3996 06/29/2017 10:41:01 3997 06/29/2017 10:41:02 3998 06/29/2017 10:41:04 3999 06/29/2017 10:41:05 4000 06/29/2017 10:41:06 4001 06/29/2017 10:41:08 4002 06/29/2017 10:41:09 4003 06/29/2017 10:41:11 4004 06/29/2017 10:41:12 4005 06/29/2017 10:41:13 4006 06/29/2017 10:41:15 5131 06/29/2017 11:07:30 5132 06/29/2017 11:07:31 5133 06/29/2017 11:07:33 6693 06/29/2017 11:43:58 6694 06/29/2017 11:43:59 6695 06/29/2017 11:44:01 6696 06/29/2017 11:44:02 6697 06/29/2017 11:44:04 6698 06/29/2017 11:44:05 6699 06/29/2017 11:44:06 6700 06/29/2017 11:44:08 6701 06/29/2017 11:44:09 6702 06/29/2017 11:44:11 6703 06/29/2017 11:44:12 6704 06/29/2017 11:44:13 6705 06/29/2017 11:44:15 6706 06/29/2017 11:44:16 6707 06/29/2017 11:44:18 6708 06/29/2017 11:44:19 6709 06/29/2017 11:44:20 6710 06/29/2017 11:44:22 6711 06/29/2017 11:44:23 BD3 ｵ BD4 ｵ 6 16 16 12 17 14 15 15 17 43 43 42 46 45 46 44 55 56 54 54 59 56 56 59 58 55 55 75 74 79 1381 1367 1363 1355 1355 1344 1346 1345 1342 1341 1338 1338 1334 1335 1334 1333 1329 1328 1325 BD5 ｵ Sức kháng SĐLT theo d, L/d d=80, L/d=25 Kđộng y Wmax 1.09 0.92 d=70, L/d=28,6 1.09 0.92 d=60, L/d=33,33 1.09 0.92 50, L/d=40 1.09 0.91 Sức kháng SĐLT biến dạng theo chiều dài khớp dẻo lp lp=1,6d Kđộng 1.06 0.94 lp=1,4d 1.07 0.93 lp=1,2d 1.08 0.93 lp=1d 1.09 0.92 y Wmax Phụ lục tính tốn sức kháng tải theo phương pháp đơn giản D6 28.26mm2 As (mm2) fy (Mpa) 0.2355 momen âm ds 380 m'x(Nmm/mm) 4952.124366 = β 0.85 Es(Mpa) Ɛc 200000 22.524 1.025 0.292 muphi= mudelta= Wmax= MWm= Wtma= 16.521 5.920 11.802 5.463KN/m 6.845 SP1 8.065 SP3 tính delta y= 0.0158931 m 0.016 I= 0.000025 tính delta m= 0.094 L/d L/d 30 x (muphi) 10 20 30 40 y (mudelta) x (muphi) 0.735973597 3.376237624 6.01650165 8.656765677 11.2970297 Kết tóm tắt thí nghiệm mẫu SP1 Test Title Step 518 519 963 998 999 1000 1001 1117 1341 2240 2478 2641 2929 3151 3765 4321 4558 4658 4837 4838 4839 4840 4841 4842 4843 4844 4845 4846 4847 4907 10260 10261 10262 10263 14983 14984 14985 19996 19997 19998 19999 20000 20001 29998 29999 30000 30001 30002 39999 40000 40001 47749 47749 47786 47829 47872 47915 BD3 ｵ 7 9 15 14 12 17 20 25 26 27 21 24 24 20 21 22 18 17 21 22 24 34 390 388 390 388 421 421 423 439 440 439 441 440 440 463 464 462 467 463 471 473 472 923 923 946 968 992 1139 BD4 ｵ 14 12 11 15 19 23 25 37 55 61 73 124 395 757 1209 1391 1391 1399 1404 1406 1417 1418 1421 1428 1431 1441 1575 1923 1921 1925 1922 1961 1959 1963 1997 1991 1987 1990 1998 1990 2044 2046 2043 2046 2045 2077 2078 2075 2401 2401 2421 2435 2456 2597 Kết tóm tắt thí nghiệm mẫu SP2 TIME 11:57:30 AM 11:57:31 AM 11:57:32 AM 11:57:33 AM 11:57:34 AM 11:57:35 AM 11:57:36 AM 11:57:37 AM 11:57:38 AM 11:57:39 AM 11:57:40 AM 11:57:41 AM 11:57:42 AM 11:57:43 AM 11:57:44 AM 11:57:45 AM 11:57:46 AM 11:57:47 AM 11:57:48 AM 11:57:49 AM 11:57:50 AM 11:57:51 AM 11:57:52 AM 11:57:53 AM 11:57:54 AM 11:57:55 AM 11:57:56 AM 11:57:57 AM 11:57:58 AM 11:57:59 AM 11:58:00 AM 11:58:01 AM 11:58:02 AM 11:58:03 AM 11:58:04 AM 11:58:05 AM 11:58:06 AM 11:58:07 AM 11:58:08 AM 11:58:09 AM 11:58:10 AM 11:58:11 AM 11:58:12 AM 11:58:13 AM 11:58:14 AM 11:58:15 AM 11:58:16 AM 11:58:17 AM 11:58:18 AM 11:58:19 AM 11:58:20 AM 11:58:21 AM BD5 (µε) BD6 (µε) 63.9 63.9 57.51 55.38 46.86 55.38 42.6 42.6 46.86 38.34 48.99 42.6 38.34 31.95 23.43 44.73 34.08 38.34 51.12 44.73 48.99 46.86 46.86 57.51 55.38 59.64 55.38 55.38 55.38 72.42 57.51 63.9 55.38 48.99 51.12 46.86 48.99 51.12 42.6 44.73 42.6 42.6 44.73 40.47 38.34 38.34 40.47 42.6 25.56 25.56 34.08 36.21 Test Title Kết tóm tắt thí nghiệm mẫu SP3 Step date / time 906/29/2017 09:01:27 10 06/29/2017 09:07:42 11 06/29/2017 09:08:00 12 06/29/2017 09:08:01 1306/29/2017 09:08:02 1406/29/2017 09:08:04 1506/29/2017 09:08:05 16 06/29/2017 09:08:06 17 06/29/2017 09:08:08 220206/29/2017 09:59:09 220306/29/2017 09:59:10 220406/29/2017 09:59:12 220506/29/2017 09:59:13 220606/29/2017 09:59:14 220706/29/2017 09:59:16 220806/29/2017 09:59:17 220906/29/2017 09:59:19 3218 06/29/2017 10:22:51 3219 06/29/2017 10:22:53 3220 06/29/2017 10:22:54 3221 06/29/2017 10:22:56 3222 06/29/2017 10:22:57 3223 06/29/2017 10:22:58 3224 06/29/2017 10:23:00 3996 06/29/2017 10:41:01 3997 06/29/2017 10:41:02 3998 06/29/2017 10:41:04 3999 06/29/2017 10:41:05 4000 06/29/2017 10:41:06 400106/29/2017 10:41:08 4002 06/29/2017 10:41:09 400306/29/2017 10:41:11 400406/29/2017 10:41:12 400506/29/2017 10:41:13 4006 06/29/2017 10:41:15 513106/29/2017 11:07:30 5132 06/29/2017 11:07:31 513306/29/2017 11:07:33 669306/29/2017 11:43:58 669406/29/2017 11:43:59 669506/29/2017 11:44:01 6696 06/29/2017 11:44:02 6697 06/29/2017 11:44:04 669806/29/2017 11:44:05 669906/29/2017 11:44:06 6700 06/29/2017 11:44:08 670106/29/2017 11:44:09 670206/29/2017 11:44:11 670306/29/2017 11:44:12 670406/29/2017 11:44:13 670506/29/2017 11:44:15 6706 06/29/2017 11:44:16 670706/29/2017 11:44:18 670806/29/2017 11:44:19 670906/29/2017 11:44:20 6710 06/29/2017 11:44:22 671106/29/2017 11:44:23 BD3 ｵ BD4 ｵ 6 16 16 12 17 14 15 15 17 43 43 42 46 45 46 44 55 56 54 54 59 56 56 59 58 55 55 75 74 79 1381 1367 1363 1355 1355 1344 1346 1345 1342 1341 1338 1338 1334 1335 1334 1333 1329 1328 1325 BD5 ｵ ... phản ánh phá hoại chọc thủng đầu cột Đề tài: ? ?Nghiên cứu thực nghiệm chế phá hủy kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép cột biên? ?? lựa chọn nhằm làm rõ ứng xử sàn cột, qua ngăn chặn hạn chế thiệt... rãi nghiên cứu giới đánh giá nguy SĐLT cơng trình 1.5 Nghiên cứu kết cấu BTCT cột chịu lực giới nước 1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm Các nghiên cứu thực nghiệm phịng chống SĐLT cơng trình BTCT thực. .. không mũ cột Kết luận : Bao gồm kết luận nhận xét rút từ nghiên cứu, khuyến nghị đề xuất 8 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN PHẲNG BTCT KHI BỊ MẤT CỘT ĐỠ Kết cấu sàn phẳng BTCT