4.1. Sự phá hoại các mẫu thí nghiệm
Bảng 1. Cấu tạo các mẫu thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm NK1 NK2 NK3
Cốt thép dọc của dầm As=A’s (nhóm AII) 3Φ16 3Φ16 3Φ16
Hàm lượng cốt thép dầm ρd 0.52% 0.52% 0.52%
Cốt thép dọc của cột(nhóm AII) 8Φ16 4Φ16 4Ф18
Hàm lượng cốt thép cột ρc 1.48% 0.74% 0.94%
Cốt đai dầm ρđd (nhóm AI) Φ6a125; a240 Φ6a140; a270 Φ6a140; a270
Hàm lượng cốt đai dầm 0.18%; 0.09% 0.16%; 0.08% 0.16%; 0.08%
Cốt đai cột ρđc (nhóm AI) Φ6a75,a177; Φ6a100,a187 Φ6a160; a240 Φ6a160, a240-
Hàm lượng cốt đai cột 0.37%;0.16%; 0.28%;0.15% 0.1%; 0.07% 0.1%; 0.07%
Cốt đai nút khung ρđn 6Φ6a75(D1); 6Φ6a75(D2) 3Φ6a160 3Φ6a160
Hàm lượng cốt đai nút khung 0.37% 0.1% 0.1%
Bảng 2. Các đặc trưng cơ lý của bê tông và cốt thép
Bê tông Cốt thép
Mẫu thí nghiệm NK1 NK2 NK3 Ф18 Ф16 Ф6
fc lúc 28 ngày (MPa) 30 29 31 fy (MPa) 310 320 235
Tuổi lúc thí nghiệm (ngày) 83 90 80 fu (MPa) 480 510 400
fc lúc thí nghiệm (MPa) 31.5 32 31.7 Es(MPa) 2.1x105
εc 0.0025 0.0025 0.0025
Ec (MPa) 30000 30000 30000
- Mẫu NK1: theo TCVN 9386:2012
- Mẫu NK2: lực tác động xác định theo TCVN 9386:2012, nhưng tính toán và cấu tạo cốt thép theo TCVN 5574:2012 - Mẫu NK3: theo SP 14.13330.2014 của Liên Bang Nga
Hình 1. Cấu tạo các mẫu thí nghiệm
(c) mẫu NK2
(b) mẫu NK3
Mẫu thí nghiệm NK1 được thiết kế theo TCVN 9386:2012, dựa trên sơ đồ phá hoại dẻo của khung: các khớp dẻo xuất hiện trước hết ở dầm, phá hoại cắt xẩy ra sau phá hoại uốn và nút khung là bộ phận bị phá hoại cuối cùng. Với nguyên tắc thiết kế này, tỷ số giữa mômen chảy dẻo lý thuyết của cột và dầm ở mẫu NK1: Myi,c/Myi,d=1.29.Hình 6 là hình ảnh các khe nứt ở cuối chu kỳ 19 lúc kết thúc thí nghiệm.
Hình ảnh các khe nứt cho thấy:
• Các dầm hai bên mặt cột bị phá hoại uốn với các khe nứt thẳng góc hoặc gần thẳng góc với trục dầm, phân bố tương đối đều trên một đoạn chiều dài gần bằng 2hd (hd - chiều cao tiết diện dầm). Khi tác động đổi chiều, các khe nứt nối với nhau tạo nên các khe nứt thẳng góc chạy suốt chiều cao dầm.
• Các vùng cột trên và dưới nút khung, cũng xuất hiện các khe nứt uốn vuông góc với trục cột ở khoảng cách gần bằng nhau ở hai bên mặt cột do tác động đổi chiều. So với dầm, các khe nứt này có số lượng ít hơn, với bề rộng không lớn, nằm rải rác trên một đoạn chiều dài cột bằng 1.5hc (hc - chiều cao tiết diện cột).
• Vùng nút khung có một mạng lưới các khe nứt xiên
khoảng cách gần bằng nhau. Dưới tác động đổi chiều, các khe nứt này giao nhau phân chia mặt nút khung thành các ô hình quả trám.
4.1.2. Mẫu thí nghiệm NK2
Mẫu thí nghiệm NK2 được thiết kế và cấu tạotheo TCVN 5574: 2012.Tỷ số Myi,c/Myi,d=1.02. Cốt đai vùng nút khung tương tự như cốt đai đầu mút cột liền kề, với hàm lượng cốt thép đai trong vùng nút khung ρwn=0.1%.Trong điều kiện này, nguy cơ xẩy ra phá hoại (uốn và cắt), giữa dầm, cột và nút khung là hoàn toàn giống nhau.Hình 7 là hình ảnh các khe nứt ở chu kỳ 17 lúc kết thúc thí nghiệm.Các hình này cho thấy sự phá hoại ở vùng nút khung và xung quanh nút khung của mẫu NK2 hoàn toàn khác với mẫu NK1, với các đặc điểm cơ bản sau:
• So với mẫu NK1, các khe nứt uốn ở các dầm hai bên nút khung xuất hiện ít hơn, trên một đoạn chiều dài nhỏ hơn (gần bằng 1.5hd) và phần lớn không kéo dài để nối với các khe nứt ở mặt đối diện. Bên cạnh đó xuất hiện nhiều khe nứt xiên ở cả trên và dưới dầm.
• Các khe nứt uốn ở cột trên và dưới nút xuất hiện rất ít và rất nhỏ, chiều dài không lớn và hầu như không mở rộng
Hình 2. Sơ đồ dựng lắp và chất tải các mẫu thí nghiệm
Hình 3. Lịch sử quá trình chất tải Hình 4. Sơ đồ bố trí LVDT để đo biến dạng cắt của nút khung và của dầm
a)b)c) Mẫu NK1 d) Mẫu NK2,3
• Ở bốn góc của panô nút có nhiều khe nứt vuông góc và song song với phương đường chéo. Các khe nứt này giao nhau thành các ô dạng hình thoi, tập trung chủ yếu ở hai cạnh nút khung kế cận đầu mút dầm và không lan sâu vào vùng giữa nút. Do đó, một vùng rộng lớn hình quả trám nằm giữa nút hầu như còn nguyên vẹn, trong khi ở vùng mép của nút lại bị bóc tách rất mạnh thành hai dải bê thông thẳng đứng dọc theo cốt thép cột, chạy hết toàn bộ chiều cao nút và lan một phần sang cột.
4.1.3. Mẫu thí nghiệm NK3
Mẫu thí nghiệm NK3 được thiết kế và cấu tạo hoàn toàn theo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Nga SP14.13330-2014 [5].Tỷ số: Myi,c/ Myi,d=1.12. Hình 8 là hình ảnh các khe nứt khi kết thúc thí nghiệm ở chu kỳ14.Sơ đồ các khe nứt ở cả hai mẫu NK3 và NK2 nhìn chung tương đối giống nhau, với một số điểm khác biệtsau đây:
• Trong vùng nút khung của mẫu NK3, các khe nứt xiên ở cả hai phương lan sâu vào vùng lõi nút hơn nên diện tích vùng lõi nút có dạng hình quả trám không bị biến dạng nhỏ hơn mẫu NK2. Tuy các khe nứt xiên ở hai bên nút tập trung nhiều ở vùng kết cận đầu mút dầm như ở mẫu NK2, nhưng mẫu NK3 không bị chẻ dọc hai bên nút khung như mẫu NK2.
• Các khe nứt uốn ở dầm và cột quanh nút khung xuất hiện nhiều hơn và mở rộng hơn so với mẫu NK2. Ở hai đầu dầm, nhiều khe nứt xiên xuất hiện ở mặt trên và dưới dầm như ở mẫu NK2.
4.2. Nguyên nhân phá hoại các mẫu thí nghiệm
Vùng nút khung chịu hai loại tác động được kết hợp lại dưới một tên chung gọi là lực cắt nút:
• Nén uốn bê tông do các dầm và cột gây ra tại các góc đối diện của nút (hình 9b);
• Dòng lực cắt chạy dọc theo chu vi nút khung do các thanh cốt thép dọc dầm và cột gây ra thông qua các lực bám dính (hình 9c).
Do đó,cơ cấu chịu lực của nút khung bao gồm dải chéo bê tông chịu nén bị giới hạn bởi các trục trung hòa ở các tiết diện đầu mút các dầm và cột (hình 9d)và cơ cấu dàn được tạo thành từ các cốt đai ngang, các thanh cốt thép trung gian của cột và các dải bê tông bị nén nằm giữa các khe nứt xiên (hình 9e).
Như vậy, sự phá hoại nút khung có thể xảy ra do một hoặc nhiều “cơ cấu phụ” ở các hình 9d, e và f mất khả năng chịu lực. Hệ quả là có ba nguồn gây ra phá hoại nút khác nhau: phá hoại dải chéo bị nén,phá hoại do mất khả năng bám dính của cốt thép dọc theo các cạnh biên của nút và phá hoại do không có khả năng phát triển cơ cấu dàn có thể chịu kéo theo phương chéo do các thanh cốt thép dọc đi qua vùng lõi nút bị chảy dẻo quá sớm.
Sự phá hoại các nút khung mẫu NK2 và NK3 chưa được ghi nhận trong các tài liệu chuyên ngành, là sự kết hợp của ba nguồn phá hoại trên. Trên cơ sở các cơ cấu truyền lực và chịu lực trong vùng nút khung đã được đề cấp tới ở trên, nguyên nhân phá hoại các nút khung như sau: a) Sự huy động cơ cấu dàn vào chịu lực cắt nút phụ thuộc vào lực bám dính của cốt thép trong vùng nút khung. Để ngăn phá hoại sớm lực bám dính dưới tác động đổi chiều, bó bê tông vùng lõi nút là một biện pháp vô cùng quan trọng. Hiệu ứng bó bê tông vùng lõi nút được tạo ra qua các cốt đai và cốt thép cột trung gian. Mẫu NK1 có hiệu ứng bó bê tông lớn hơn nhiều so với hai mẫu còn lại. Điều này được chứng minh qua phân tích các số liệu về chuyển vị xoay các tiết diện dầm, cột và biến dạng chảy dẻo cốt thép của ba mẫu thí nghiệm.
Mối quan hệ lực cắt tầng V – chuyển vị ngang ∆ của các mẫu thí nghiệm được thể hiện trong các hình 10a,b và c cho thấy các vòng trễ của cả 3 mẫu thí nghiệm theo hai chiều chất tải có dạng gần đối xứng. Tất cả các đường cong trễ đều thể hiện một sự bó hẹp với các mức độ khác nhau ở các mẫu thí nghiệm. Mẫu NK1 có sự bó hẹp nhỏ và ngắn nhất, còn mẫu NK3 bị bó hẹp nhiều nhất. Vùng bó hẹp này bắt đầu xuất hiện khi độ dẻo µΔ=2 ở mẫu NK1, còn ở các mẫu NK2 và NK3 xuất hiện
Hình 6. Hình ảnh mẫu NK1 lúc kết thúc thí nghiệm - Chu kỳ 19 Hình 7. Hình ảnh mẫu NK2 khi kết thúc thí nghiệm - Chu kỳ 17 Hình 8. Hình ảnh mẫu NK3 khi kết thúc thí nghiệm - Chu kỳ 14
vòng trễ là do trượt và chảy dẻo cốt thép dọc trong dầm. Điều này cho thấy cốt thép dọc của dầm ở các mẫu NK2 và NK3 bị mất lực bám dính sớm hơn và bị chuyển vị trượt lớn hơn.
(i) Biến dạng của các dầm quanh nút khung.
Các hình 11a, b và c biểu diễn mối quan hệ giữa mômen uốn của dầm tại mặt cột và chuyển vị xoay tiết diện dầm ở khoảng cách 50 mm kể từ mặt cột bên phải. Các biểu đồ này cho thấy, ở các chu kỳ chất tải cuối cùng trước khi kết thúc thí nghiệm, chuyển vị xoay θb của dầm thuộc mẫu NK1 có một sự gia tăng rất lớn (hình 11a). Nguyên nhân là hiệu ứng bó bê tông đã làm cho cốt thép dọc dầm đi qua vùng nút khung của mẫu NK1 bị bó chặt, không mất lực bám dính và trượt nên đã có thể phát triển biến dạng chảy một cách đầy đủ, trong khi đó ở các mẫu NK2 và NK3 cốt thép dọc không thể phát triển biến dạng chảy đầy đủ do bị mất lực bám dính sớm và bị trượt. Các phiến đo biến dạng gắn trên cốt thép dầm cũng cho thấy, ở mẫu NK1 cốt thép dọc dầm bắt đầu chảy dẻo ở chu kỳ 3 tại các vị trí gần mặt cột, riêng tại vị trí ngang trục cột không bị chảy hoặc bị chảy muộn hơn ở chu kỳ 9 (chiều âm), 11 (chiều dương), trong khi ở các mẫu NK2 và NK3 cốt thép dọc dầm bắt đầu chảy dẻo ở chu kỳ 3 tại các vị trí gần mặt cột, nhưng tại vị trí ngang trục cột bị chảy dẻo khá sớm ở chu kỳ 3 và 6 (NK2) và ở chu kỳ 5 và 3 (NK3).
(ii) Biến dạng của các cột quanh nút khung.
Các phiến đo biến dạng gắn trên cốt thép cột cho thấy: cốt thép ở mặt phải cột mẫu NK1 bắt đầu chảy dẻo ở chu kỳ 8, riêng tại vị trí ngang trục dầm ở chu kỳ 12, còn ở mẫu NK2 và NK3 bắt đầu chảy dẻo khá sớm ở chu kỳ 5, riêng tại vị trí ngang trục dầm không bị chảy dẻo. Điều này chứng tỏ rằng cốt thép cột mẫu NK1 đã phát triển được biến dạng dẻo khá tốt, trong khi ở các mẫu NK2 và NK3 chỉ phát triển được biến dạng dẻo ở vị trí chân cột, ngang mép trên và dưới dầm.
Ứng xử này của cốt thép cột trong vùng nút khung đã được phản ánh lại ở hình dạng các đường cong trong hình 12. Ở mẫu NK1, chuyển vị xoay θc của cột nhỏ và ổn định gần như tuyến tính cho tới khi cốt thép cột tại vị trí ngang cốt thép dọc dầm bắt đầu bị chảy dẻo ở cấp dẻo μΔ=3 (chu kỳ 8). Sau đó, chuyển vị xoay θc gia tăng phi tuyến nhưng nhỏ hơn nhiều hai mẫu còn lại. Đối với các mẫu NK2 và NK3, cho tới khi cốt thép cột tại vị trí ngang cốt thép dầm bị chảy dẻo ở cấp dẻo μΔ=2 (chu kỳ 5), chuyển vị xoay θc của cột có độ lớn tương tự như ở mẫu NK1,sau đó gia tăng phi tuyến. Như vậy, các cốt thép cột ở mẫu NK2 và NK3 không thể phát triển được biến dạng dẻo một cách đầy đủ như ở mẫu NK1. Điều này cho thấy, chuyển vị xoay của các cột ở các mẫu NK2 và NK3 không phải là một chuyển vị xoay dẻo hoàn toàn như ở
Hình 12. Quan hệ CV xoay tại tiết diện cột cách mặt
trên dầm 100 mmvà độ dẻo µ∆ Hình 13. Bố trí LVDT đo biến dạng cắt
a) Mẫu NK1 a) Mẫu NK1 b) Mẫu NK2 b) Mẫu NK2 c) Mẫu NK3 c) Mẫu NK3
Hình 10. Quan hệ lực cắt tầng V – chuyển vị ngang ∆
mẫu NK1 mà là một dạng tổng hợp gồm chảy dẻo cốt thép, biến dạng kéo - nén bê tông và dãn dài cốt thép tương tự như trường hợp biến dạng dầm.
Như vậy có thể thấy rằng nút khung của mẫu NK1 có khả năng khởi động được cơ cấu dàn trong khi các nút khung mẫu NK2 và NK3 không có khả năng này. Các khe nứt xiên do kéo trong vùng nút khung của hai mẫu NK2 và NK3 không thể hình thành, thay vào đó chúng vẫn tiếp tục bị nén ở các góc do chuyển vị xoay ở đầu các mút dầm và cột gây ra (hình 7và hình 8).
b) Khi gia tăng các chu kỳ chất tải không đàn hồi,vai trò của dải nén chéo (hình 9d) bị suy giảmvà làm tăng sự góp phần của cơ cấu dàn (hình 9e) vào việc truyền lực cắt nút ngang. Cho tới chu kỳ 4, hình ảnh khe nứt của cả ba mẫu thí nghiệm rất giống nhau, biểu thị cùng một loại ứng xử đó là ứng xử nén uốn của các dầm và cột vào nút khung ở các chu kỳ không đàn hồi đầu tiên, trước khi bắt đầu huy động cơ cấu dàn. Khi gia tăng các chu kỳ chất tải trong miền không đàn hồi, nút khung NK1 bị nén uốn ở mức độ nhỏ hơn, do dầm và sau đó là cột bị biến dạng dẻo uốn, trong khi các nút khung mẫu NK2 và NK3 chịu nén cục bộ gia tăng từ các dầm và cột bị chuyển vị xoay lớn do cốt thép bị mất lực bám dính và do bê tông nút bị bó yếu không đủ khả năng truyền lực nén chéo vào sâu vào trong lõi nút.
c)Sự bóc tách các mảng bê tông lớn chạy dọc theo cốt thép cột ở hai bên nút khung của mẫu NK2 (hình 7) là sự kết hợp của ba tác động: sự mở rộng khe nứt tại tiết diện tiếp xúc giữa dầm và cột do dầm bị chuyển vị xoay khi cốt thép dầm bị chảy dẻo và mất lực bám dính, các vùng biên của panô nút khung bị chuyển vị xoay của cột và đặc biệt là dầm quanh nút ép vỡ cục bộ, cốt thép cột đi qua nút khung bị uốn cục bộ (bị oằn) ra ngoài nút do mất lực bám dính và do khoảng cách giữa các cốt đai quá lớn không đủ tạo ra hiệu ứng bó cốt thép cột.