Luận án tiến sĩ: Cơ chế phá hủy sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên - Nghiên cứu thực nghiệm

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 luan an 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Phạm Xuân Đạt 2. TS Nguyễn Trung Hiếu Hà Nội - Năm 2021 luan an i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, các kết quả trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố.

Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2021 Trần Quốc Cường luan an ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành Luận án, Nghiên cứu sinh đã nhận được sự định hướng, giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời động viên của các nhà khoa học, các thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia đình. Trước hết, Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn tới các thày PGS.TS Phạm Xuân Đạt, PGS.TS Nguyễn Trung Hiếu đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh cũng bày tỏ lòng cảm ơn tới các giảng viên, cán bộ kỹ thuật Phòng thí nghiệm và kiểm định công trình LAS-XD125, đã có nhiều nhận xét cùng sáng kiến cần thiết cho nghiên cứu thực nghiệm.

Cho phép Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các thày cô giáo, các nhà khoa học của Đại học Xây dựng đã có các góp ý quý báu cho Nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án này. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Học viện Cán bộ quản lý xây dựng và đô thị đã tạo điều kiện thuận lợi để Nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu. Cuối cùng Nghiên cứu sinh cũng bày tỏ lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ Nghiên cứu sinh vượt qua khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu trong Luận án này. NCS Trần Quốc Cường luan an iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC BẢNG vii MỞ ĐẦU 1 1.

Lý do chọn đề tài. Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Cơ sở khoa học của đề tài.

Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Những đóng góp mới của luận án. Cấu trúc của luận án.

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN PHẲNG BTCT KHI BỊ MẤT CỘT ĐỠ 8 1.1 Sụp đổ lũy tiến (SĐLT) hệ kết cấu công trình BTCT .1 Khái niệm sụp đổ lũy tiến (SĐLT) .2 Một số vụ sụp đổ điển hình .3 Cơ chế SĐLT của kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực .1 Hiệu ứng gấp đôi nhịp. 12 luan an iv 1.2 Hiệu ứng động .2 Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn khi biến dạng lớn và cơ chế chịu lực 14 1.1 Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn khi biến dạng lớn .2 Các cơ chế chịu lực thứ cấp của kết cấu BTCT khi biến dạng lớn 15 1.1 Cơ chế chịu lực vòm nén (CCVN) .2 Cơ chế chịu lực dây căng (CCDC) .3 Cơ chế màng (CCM) trong cấu kiện dầm sàn BTCT .3 Sự làm việc và dạng phá hoại của kết cấu sàn phẳng BTCT .1 Sự làm việc của kết cấu sàn phẳng .2 Các cơ chế phá hoại của sàn phẳng .3 Ứng xử của sàn phẳng BTCT ở trạng thái biến dạng lớn và các cơ chế chịu lực thứ cấp .1 Ứng xử của sàn phẳng ở trạng thái biến dạng lớn .2 Hiệu ứng màng nén bản sàn bị hạn chế chuyển vị ngang 20 1.3 Hiệu ứng màng căng bản sàn hạn chế chuyển vị ngang 21 1.4 Hiệu ứng màng với bản sàn tự do chuyển vị ngang .4 Một số phương pháp thiết kế phòng chống SĐLT trên thế giới .1 Phương pháp lực giằng .2 Phương pháp kháng cục bộ đặc biệt .3 Phương pháp Đường tải trọng thay thế .5 Nghiên cứu kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực .1 Nghiên cứu thực nghiệm .1 Sự phát triển CCDC và CCVN trong khung phẳng .2 Sự hình thành và phát triển CCM trong kết cấu sàn .2 Phương pháp bán thực nghiệm tính toán sức kháng sụp đổ .3 Những vấn đề còn tồn tại .6 Tóm tắt và kết luận chương. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH SÀN PHẲNG BTCT KHI MẤT CỘT BIÊN 44 2.1 Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu thực nghiệm .1 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm .2 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm .2 Cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm .1 Kết cấu công trình thực tế sử dụng cho việc xây dựng mô hình thí nghiệm .2 Cơ sở lý thuyết mô hình hóa .1 Số tỷ lệ cơ bản .2 Số tỷ lệ dẫn xuất .3 Lựa chọn các số tỷ lệ cơ bản .4 Mô hình hóa kết cấu chịu tác động do mất cột đột ngột .3 Mô hình thí nghiệm và vật liệu chế tạo .1 Mô hình thí nghiệm .1 Cấu tạo bản sàn BTCT .2 Cột đỡ sàn phẳng BTCT thí nghiệm .3 Liên kết cột với mẫu sàn thí nghiệm .4 Liên kết cột với sàn phòng thí nghiệm .2 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý vật liệu chế tạo .1 Vật liệu bê tông .2 Cốt thép sử dụng cho bê tông .3 Vật liệu chế tạo cột thép .4 Vật liệu bu lông .4 Tải trọng thí nghiệm tĩnh .1 Dạng tải trọng thí nghiệm tĩnh .2 Giá trị tải trọng tĩnh .3 Sơ đồ tác dụng tải trọng .4 Biện pháp tạo tải trọng phân bố đều .5 Quy trình tác dụng tải trọng tĩnh .5 Tải trọng thí nghiệm động .1 Tình huống mất cột đột ngột .2 Cách thức tạo trường hợp mất cột đột ngột. 69 luan an vi 2.3 Quy trình thí nghiệm động .6 Thiết bị và dụng cụ đo .1 Thiết bị và dụng cụ đo chuyển vị LVDT .1 Đo chuyển vị đứng .2 Đo chuyển vị ngang .2 Thiết bị và dụng cụ đo biến dạng thép .1 Loại phiến điện trở (strain gauges) sử dụng .2 Mục đích sử dụng phiến điện trở (strain gauge) .3 Cơ sở chọn vị trí dán .4 Xác định nội lực trong cột .3 Đo gia tốc dao động .4 Thiết bị ghi dữ liệu .7 Quy trình thí nghiệm .1 Lắp dựng mẫu thí nghiệm .2 Quy trình thực hiện thí nghiệm .8 Kết luận chương.

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 81 3.1 Phân tích kết quả thí nghiệm tĩnh với mẫu SP1 và SP3 .1 Sự phân bố vết nứt, dạng và cơ chế phá hoại của mẫu thí nghiệm 81 3.2 Quan hệ tải trọng – chuyển vị .3 Biến dạng của cốt thép .4 Sự phân bố tải trọng về các chân cột .5 Hiệu ứng màng-ứng xử của sàn phẳng khi biến dạng lớn .2 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm động với mẫu SP2 .1 Sự làm việc của cơ cấu cột chống thép .2 Quan hệ tải trọng – chuyển vị .3 Ứng xử động của kết cấu bản sàn .1 Quan hệ chuyển vị theo thời gian .2 Biến dạng của cốt thép .3 Sự gia tăng nội lực trong cột. 109 luan an vii 3.4 Xác định hệ số động theo số liệu thực nghiệm .5 Sự phát triển vết nứt và cơ chế phá hủy của mẫu SP2 .3 Kết luận chương. PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG SĐLT CỦA SÀN PHẲNG BTCT 114 4.1 Các giả thiết tính toán của phương pháp đơn giản .2 Đánh giá hiệu ứng động .3 Sức kháng SĐLT của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép .4 Tải trọng cực hạn Wult của hệ kết cấu sàn phẳng .1 Tải trọng cực hạn Wult khi mất cột biên giữa (CBG) .2 Tải trọng cực hạn Wult khi mất cột biên cận góc (CBCG) .5 Hệ số độ dẻo chuyển vị µ∆ .1 Lựa chọn khớp dẻo xoay .2 Xác định chuyển vị dẻo ∆y theo độ cong dẻo ϕy .3 Xác định chuyển vị chảy dẻo ∆p theo độ cong chảy dẻo ϕp .4 Xác định hệ số chuyển vị dẻo µ∆ theo hệ số dẻo xoay µϕ .5 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến sức kháng SĐLT .6 So sánh với kết quả thực nghiệm .1 Mẫu thí nghiệm sàn phẳng .2 Áp dụng phương pháp đơn giản cho mẫu thí nghiệm SP1 .8 Điều kiện áp dụng phương pháp đơn giản .9 Kết luận chương. 137 KẾT LUẬN 138 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 142 luan an viii PHỤ LỤC P1 PHỤ LỤC A.

CÁC QUY TRÌNH TÍNH TOÁN P1 A.1 Áp dụng phương pháp đơn giản .2 Thiết kế bản sàn công trình thực .3 Các bảng tính theo phương pháp đơn giản. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM P6 B.1 Các số liệu thí nghiệm (data logger) .2 Các kết quả Etab .3 Số liệu Etab của sàn phẳng trước và sau khi mất cột. P6 luan an x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PHLT Phá hủy lũy tiến. SĐLT Sụp đổ lũy tiến.

BTCT Bê tông cốt thép. CCU Cơ cấu uốn CCVN Cơ cấu vòm nén CCM Cơ cấu màng CCDC Cơ cấu dây căng CBG Cột biên giữa CBCG Cột biên cận góc CGCG Cột giữa cận góc ALP Alternative load path ĐTT Đường truyền tải trọng thay thế GSA General Services Administration UFC Unified Facilities Criteria DOD Department of Defense ASCE American Society of Civil Engineers ACI American Concrete Institute LVDT Linear variable differential transformer BSG Bottem strain gauge TSG Top strain gauge Es Modul đàn hồi của cốt thép. Ec Modul đàn hồi của bê tông. As Diện tích tiết diện cắt ngang.

Is Mô men quán tính của cột thép tròn. Rs Bán kính ngoài của cột thép tròn. ϵ Biến dạng dọc trục của thép. Lx(y) Nhịp kết cấu phương X và Y.

mx(y) Moment uốn dương đơn vị phương X và Y. luan an xi m′x(y) Moment uốn âm đơn vị phương X và Y. As Tiết diện cốt thép chịu kéo đơn vị trong sàn phẳng. ds chiều cao tính kết cấu trong sàn phẳng.

fc′ Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông. fy Giới hạn chảy dẻo của cốt thép. wyield Tải trọng gây chảy dẻo đơn vị của sàn phẳng. Wyield Tải trọng giới hạn chảy dẻo của sàn phẳng.

WM Đóng góp của moment dương cho sức kháng tải. WT M A Đóng góp của hiệu ứng màng cho sức kháng tải.