CHƯƠNG 2. ĐẶC TÍNH KHỚP DẺO CỦA TIẾT DIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐẨY DẦN TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU
2.1. XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH KHỚP DẺO CỦA TIẾT DIỆN
Khớp dẻo xuất hiện trong kết cấu bê tông cốt thép khi tại đó, ứng suất trong cốt thép vượt quá giới hạn chảy. Đối với tiết diện dầm, khớp dẻo hình thành do momen tại tiết diện trong dầm vượt quá momen dẻo My. Đối với tiết diện cột, do sự tham gia của lực dọc nên My còn phụ thuộc vào lực dọc P. Do đó đường đặc tính khớp dẻo của tiết diện phụ thuộc tiết diện đó là dạng xuất hiện tại dầm hay tại cột.
Khả năng biến dạng của dầm, cột được xác định bởi góc xoay dẻo θ. Ba cấp độ làm việc được xác định theo TCVN 9386:2012 gồm: Hạn chế hư hỏng (IO), hư hỏng đáng kể tuy nhiên vẫn còn an toàn (LS), gần sụp đổ (CP).
2.1.1. Cấp độ làm việc IO
Việc kiểm tra được thực hiện trong điều kiện so sánh giữa biến dạng yêu cầu với khả năng tương ứng của góc xoay dẻo đầu tiên yở phương trình:
bl yk
v v
y y
v ck
L a z h d f
0,0013(1 1,5 ) 0,13
3 L f
(2.1)
y: Độ cong chảy dẻo tại đầu mút tiết diện.
Lv=M/V: Tỉ số momen/lực cắt tại đầu mút tiết diện.
a zv : Biên độ chịu kéo của biểu đồ momen uốn, được xác định:
av= 1, nếu MyLv.VR,c; av= 0, nếu My<Lv.VR,c
z: Chiều dài cánh tay đòn; z = d – d’ cho dầm và cột.
dbl: Đường kính cốt thép chịu kéo.
2.1.2. Cấp độ làm việc LS
Góc xoay dẻo khả năng tương ứng cho hư hỏng đáng kể SDđược xác định bằng 75% góc xoay dẻo cuối cùng um.
2.1.3. Cấp độ làm việc CP
Giá trị của toàn bộ góc xoay dẻo cực hạn khả năng của các cấu kiện có thể được tính từ biểu thức sau đây:
pl
um y u y pl
el v
1 0,5L
( )L (1 )
L
(2.2)
Trong đó:
el= 1,5 cho cấu kiện kháng chấn chính; el= 1 cho cấu kiện kháng chấn kháng chấn phụ.
u: Độ cong cực hạn tại tiết diện đầu mút.
Lpl: Chiều dài khớp dẻo, được xác định:
bl yk v
pl
ck
L d .f
L 0, 2h 0,11.
30 f
(2.3)
Ba cấp độ làm việc này của khớp dẻo được thể hiện bởi quan hệ lực – biến dạng ở Hình 8, đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa momen xuất hiện tại tiết diện là chuyển vị xoay θ tại tiết diện đó
Hình 2.1. Đường đặc tính khớp dẻo trong dầm Điểm A: Tương ứng điều kiện dỡ tải.
Điểm B: Cường độ tại tiết diện cân bằng với cường độ chảy dẻo danh nghĩa của thép.
Độ dốc từ B đến C: Thường được lấy từ 0 đến 10% độ dốc ban đầu và bỏ qua ảnh hưởng của tải trọng đứng đến dịch chuyển ngang.
Điểm C: Cường độ tại tiết diện cân bằng với cường độ danh nghĩa.
Đường CD: Tương ứng với sự phá hoại ban đầu của các cấu kiện. Sự phá hoại này có thể liên quan đến các hiện tượng như: sự phá hủy của cốt thép chịu uốn, nứt bê tông hoặc phá hoại cắt.
Đường DE: Đặc trưng cho độ bền còn lại của cấu kiện. Trong một số trường hợp độ bền còn lại có thể khác không nhưng thực tế thường bằng không.
A
B IO LS
C (CP)
D E
1.0 1.1
0.2
M/My
θ (rad) IO: Immediate occupancy
(Hạn chế hư hỏng) LS: Life safety
(Hư hỏng đáng kể tuy nhiên vẫn còn an toàn) CP: Collapse prevention
(Gần sụp đổ)
Điểm E: Tương ứng với trạng thái giới hạn biến dạng. Tuy nhiên, thông thường sự phá hoại ban đầu sẽ xảy ra tại điểm C, được xác định là trạng thái giới hạn biến dạng và trong trường hợp này, điểm E là một điểm có biến dạng tương đương điểm C và khả năng chịu tải bằng không.
- Hai cấp độ làm việc trong TCVN 9386:2012 được trình bày: “Hạn chế hư hỏng” (IO) thường liên quan tới một trận động đất có xác suất 50% trong 50 năm và
“Hư hỏng đáng kể” (LS) thường liên quan tới một trận động đất có xác suất 10% trong 50 năm. Độ bền cơ bản của hệ kết cấu không được xác định dựa trên tiêu chí “Hư hỏng đáng kể” như hầu hết các phương pháp trong các tiêu chuẩn hiện nay, mà dựa trên tiêu chí “Hạn chế hư hỏng”. Cấp độ làm việc thứ ba: “Gần sụp đổ” (CP) thường liên quan tới một trận động đất có xác suất 2% trong 50 năm được tính toán trong thiết kế và cấu tạo chịu cắt cho các cấu kiện, mặc dù không có phân tích riêng biệt được thực hiện cho cấp độ này.
- Sự làm việc phi đàn hồi được xem xét một cách tường minh trong phân tích nhưng chỉ giới hạn cho những cấu kiện được lựa chọn là vùng tiêu tán năng lượng động đất (khớp dẻo) của người thiết kế, việc lựa chọn các vùng đó tuân theo nguyên tắc thiết kế theo khả năng.
- Chi tiết cấu tạo cho các cấu kiện để sự hạn chế nở ngang, được kiểm soát bởi các yêu cầu biến dạng sau chảy dẻo từ phân tích phi đàn hồi.
Phần mềm Response-2000 được sử dụng để xây dựng đường đặc tính khớp dẻo của tiết diện khi chịu M đồng thời có xét đến sự tham gia của lực dọc và lực cắt.
Xét ví dụ: tiết diện có dạng hình chữ nhật, kích thước 250x500, bằng bê tông B30. Bố trớ cốt thộp đối xứng, mỗi bờn (trờn, dưới) dựng 3ỉ20, cốt thộp nhúm AIII.
Bằng việc phân tích tiết diện theo phương pháp miền nén cải tiến, phần mềm Response-2000 cho kết quả đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa momen và chuyển vị xoay như sau:
Hình 2.2. Đường đặc tính khớp dẻo tiết diện không chịu lực dọc
Từ đồ thị có thể đọc được giá trị My = 150,8 kN.m và giá trị momen cực hạn (CP) mà tiết diện có thể chịu được là MCP = 204,6 kN.m
Cũng với tiết diện tương tự như trên, nhưng cho chịu tác dụng của một lực nén P = 300kN, ta được đồ thị như sau:
Hình 2.3. Đường đặc tính khớp dẻo tiết diện có sự tham gia của lực dọc
Từ đồ thị có thể đọc được giá trị My = 202,9 kN.m và giá trị momen cực hạn (CP) mà tiết diện có thể chịu được là MCP = 232,7 kN.m. Do có thêm lực dọc gây nén, nên để ứng suất trong cốt thép đạt đến giới hạn chảy cần một momen có giá trị lớn hơn trường hợp chịu uốn thuần túy.
Bằng việc khai báo các thông số của tiết diện, diện tích cốt thép, giá trị nội lực (lực dọc và lực cắt), phần mềm Response-2000 sẽ cho ta được đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa momen và chuyển vị xoay tại tiết diện, từ đó sẽ nhận định được sự làm việc của tiết diện là đàn hồi, trong vùng an toàn, hay ngoài vùng an toàn.