Luận án tiến sĩ: Sự sụp đổ lũy tiến khung bê tông cốt thép toàn khối chịu nổ - Phan Thành Trung

Sụp đổ lũy tiến kết cấu xảy ra khi hư hại cục bộ kích hoạt chuỗi sụp đổ dây chuyền. Sự cố thường bắt đầu từ việc mất khả năng chịu tải của một hoặc vài cột chịu lực. Năng lượng nổ giải phóng tạo ra áp suất đỉnh cao đột ngột. Cột bê tông cốt thép bị gãy vỡ do tác dụng cắt và nén uốn đồng thời. Khi đó, tải trọng bản thân và tải trọng sử dụng phía trên dồn sang các nhịp dầm lân cận. Nếu dầm và sàn không đủ khả năng chịu lực dự phòng, toàn bộ tầng sẽ sụp xuống. Hiệu ứng va đập động của các tầng trên rơi xuống làm gia tăng tải trọng theo cấp số nhân. Quá trình này dẫn đến thảm họa sụp đổ toàn phần trong vài giây. Do đó, việc xác định rõ cơ chế truyền tải là yêu cầu bắt buộc trong thiết kế kháng sập.

Hướng dẫn chống sụp đổ GSA của Cơ quan Quản lý Dịch vụ Công Hoa Kỳ đưa ra các quy tắc đánh giá nghiêm ngặt. Tiêu chuẩn này phân loại công trình theo cấp độ bảo vệ và mức độ rủi ro. Mục tiêu chính là hạn chế phạm vi sụp đổ khi một cột chịu lực bị loại bỏ bất ngờ. Tiêu chuẩn quốc tế yêu cầu kiểm tra khả năng tái phân phối lực qua các nhịp dầm liền kề. Khung kết cấu cần có đủ độ dẻo và tính liên tục để phân tán ứng suất thừa. Các tiêu chí kiểm tra chuyển vị đỉnh, góc xoay khớp dẻo và năng lượng hấp thụ được quy định chi tiết. Việc tuân thủ hướng dẫn GSA giúp ngăn ngừa nguy cơ sụp đổ toàn bộ cho các tòa nhà công cộng và trụ sở quan trọng.

Phương pháp đường truyền tải thay thế (ALP) là công cụ chủ đạo để phân tích an toàn kết cấu. Phương pháp này giả định một cột chịu lực bị phá hủy tức thời do nổ. Kỹ sư phân tích phản ứng của kết cấu còn lại mà không cần mô phỏng chi tiết nguồn nổ. Hệ khung phải tự tạo ra các đường truyền tải mới để đưa lực xuống móng an toàn. Phương pháp đường truyền tải thay thế (ALP) cho phép đánh giá chính xác khả năng chịu tải dự phòng của dầm, sàn và các cột lân cận. Quy trình tính toán bao gồm phân tích tĩnh phi tuyến, động tuyến tính hoặc phân tích động lực học phi tuyến toàn diện. Đây là giải pháp tiêu chuẩn giúp tối ưu hóa thiết kế kháng chấn và chống nổ cho công trình hiện đại.

Hiệu ứng vòm nén (Compressive Arch Action) xuất hiện ở giai đoạn biến dạng nhỏ đến trung bình. Khi cột bị loại bỏ, dầm bị uốn cong và có xu hướng giãn dài ra hai bên. Sự cản trở dịch chuyển ngang từ các cột biên tạo ra lực nén dọc trục rất lớn trong dầm. Lực nén này hình thành một vòm bê tông chịu nén bên trong tiết diện dầm. Nhờ đó, mô men kháng uốn của dầm tăng cao vượt xa khả năng tính toán theo lý thuyết uốn thông thường. Hiệu ứng vòm nén (Compressive Arch Action) giúp dầm chịu được tải trọng thẳng đứng lớn gấp nhiều lần trước khi hình thành khớp dẻo. Tuy nhiên, hiệu ứng này sẽ suy giảm nhanh khi bê tông vùng nén bị nghiền nát ở độ võng lớn.

Hiệu ứng màng căng giằng treo (Catenary Action) phát triển khi độ võng của dầm vượt quá chiều cao tiết diện. Ở giai đoạn này, bê tông vùng nén đã bị phá hủy hoàn toàn. Toàn bộ tải trọng thẳng đứng được gánh bởi cốt thép dọc làm việc ở trạng thái kéo thuần túy. Cốt thép dọc đóng vai trò như các sợi cáp treo giữ lại dầm và sàn phía trên. Hiệu ứng màng căng giằng treo (Catenary Action) cung cấp tuyến phòng thủ cuối cùng để ngăn chặn sụp đổ toàn phần. Để cơ chế này phát huy tác dụng, cốt thép phải có độ dẻo cao và được neo chắc chắn vào các nút khung biên. Sự đứt gãy cốt thép tại vị trí nút sẽ dẫn đến sự phá hủy sụp đổ ngay lập tức.

Vị trí cột bị phá hủy ảnh hưởng quyết định đến cơ chế chịu lực của khung bê tông cốt thép. Khi cột giữa bị mất, kết cấu có điều kiện biên đối xứng và độ cứng chống dịch chuyển ngang cao. Cả hai hiệu ứng vòm nén và màng giằng đều phát triển thuận lợi. Ngược lại, khi mất cột góc hoặc cột biên, độ cứng ngàm ngang bị suy giảm nghiêm trọng. Cột biên dễ bị uốn lệch ngoài mặt phẳng và mất ổn định. Kết cấu hầu như không phát huy được hiệu ứng vòm nén do thiếu điểm tì phản lực ngang. Khả năng kháng sập của khung lúc này phụ thuộc chủ yếu vào độ dẻo của dầm liên tục và khả năng làm việc không gian hai chiều của bản sàn.

Mô hình vật liệu bê tông phi tuyến dưới tốc độ biến dạng cao đòi hỏi tích hợp hệ số tăng cường động (DIF). Cường độ chịu nén động của bê tông có thể tăng từ 1.5 đến 2 lần dưới tác dụng của sóng nổ. Cường độ chịu kéo động thậm chí có thể tăng gấp 3 lần so với thí nghiệm tĩnh. Dưới áp suất nén thủy tĩnh cực cao gần tâm nổ, bê tông bị nén chặt và tăng đáng kể độ dẻo. Tuy nhiên, khi sóng ứng suất phản xạ từ bề mặt tự do, ứng suất kéo xuất hiện gây ra hiện tượng nứt vỡ bề mặt sau. Các mô hình tổn thương liên tục như CDP hoặc CSCM được áp dụng để mô tả đồng thời quá trình rạn nứt và suy giảm độ cứng của bê tông.

Cốt thép trong kết cấu chịu nổ phải làm việc trong miền biến dạng dẻo lớn. Mô hình vật liệu thép Johnson-Cook hoặc Cowper-Symonds thường được sử dụng để mô tả ứng xử đàn dẻo phụ thuộc tốc độ biến dạng. Giới hạn chảy và giới hạn bền của thép tăng theo logarit của tốc độ biến dạng. Khi biến dạng dẻo tích lũy vượt quá ngưỡng phá hủy, phần tử thép sẽ bị xóa khỏi mô hình tính toán. Bên cạnh đó, tương tác dính kết giữa bê tông và cốt thép đóng vai trò rất quan trọng. Ứng suất trượt cục bộ tại bề mặt tiếp xúc có thể làm tuột cốt thép khỏi bê tông. Việc mô phỏng chính xác độ dính kết giúp đánh giá đúng khả năng neo giữ của cốt thép tại các nút khung.

Mô phỏng bài toán nổ đòi hỏi kết hợp linh hoạt nhiều phương pháp số khác nhau. Phương pháp lưới Lagrange phù hợp nhất để mô hình hóa kết cấu bê tông cốt thép. Lưới biến dạng cùng với vật liệu, giúp theo dõi chính xác các bề mặt nứt vỡ và chuyển vị. Đối với vùng không khí và thuốc nổ TNT, phương pháp lưới Euler được sử dụng để tránh méo lưới khi chất khí giãn nở cực mạnh. Kỹ thuật tương tác chất lưu - kết cấu hoặc ALE giúp truyền tải áp lực sóng nổ từ môi trường Euler sang kết cấu Lagrange. Ngoài ra, phương pháp hạt không lưới SPH được ứng dụng hiệu quả để mô phỏng hiện tượng bê tông văng mảnh và nổ tiếp xúc gần.

Kỹ thuật mô phỏng phá hủy nổ LS-DYNA cho phép xây dựng mô hình phần tử hữu hạn chi tiết của khung bê tông cốt thép. Các thuật toán xóa phần tử được kích hoạt khi biến dạng hoặc ứng suất đạt tiêu chí phá hủy. Nhờ đó, mô hình tái hiện trực quan quá trình nứt vỡ bê tông, uốn cong và đứt gãy thanh thép. Thuật toán tích phân tường minh giúp giải quyết trơn tru các bài toán biến dạng cực lớn và tải trọng thay đổi nhanh. Phần mềm Abaqus Explicit cũng được sử dụng song song để kiểm chứng ứng xử phi tuyến của kết cấu. Việc lựa chọn kích thước lưới thích hợp đảm bảo độ chính xác cao và tối ưu hóa thời gian tính toán của máy tính.

Kết quả thử nghiệm nổ tại hiện trường là dữ liệu quý giá để hiệu chỉnh mô hình tính toán số. Các thí nghiệm nổ thật cung cấp thông tin về áp suất sóng nổ, gia tốc rung động và độ võng dư của cấu kiện. Cảm biến áp suất và camera tốc độ cao ghi lại chính xác thời điểm xuất hiện vết nứt và cơ chế phá hoại của cột. Các tham số mô hình vật liệu bê tông và thuốc nổ TNT được điều chỉnh cho đến khi kết quả số trùng khớp với thực nghiệm. Sau khi được kiểm chứng độ tin cậy, mô hình số được mở rộng để phân tích các kịch bản nổ phức tạp trên toàn bộ khung nhà nhiều tầng.

Phân tích động lực học phi tuyến giúp khảo sát độ nhạy của kết cấu đối với các thông số nổ khác nhau. Khối lượng thuốc nổ TNT tương đương và khoảng cách nổ quyết định mức độ tổn thương của cột. Nổ tiếp xúc trực tiếp gây phá hủy cắt cục bộ và phá vỡ lõi bê tông ngay lập tức. Trong khi đó, nổ ở khoảng cách xa tạo ra tải trọng phân bố tác động lên toàn bộ mặt phẳng khung. Tỷ lệ cốt thép đai và cốt thép dọc quyết định khả năng duy trì liên kết của nút khung sau nổ. Các biểu đồ quan hệ giữa độ võng đỉnh, lực nén dọc và xung lượng nổ giúp kỹ sư xác định ngưỡng giới hạn an toàn của công trình.

Tiêu chuẩn UFC 4-023-03 quy định các cấp độ bảo vệ từ thấp đến cao cho từng loại công trình. Phương pháp thiết kế gián tiếp yêu cầu đảm bảo lực giằng liên kết tối thiểu theo các phương dọc, ngang và đứng. Phương pháp thiết kế trực tiếp áp dụng phương pháp đường truyền tải thay thế (ALP) để kiểm tra độ an toàn khi mất cột. Tiêu chuẩn cũng giới hạn nghiêm ngặt góc xoay dẻo tại các đầu dầm và cột. Cấu kiện bê tông cốt thép phải được chi tiết hóa theo các yêu cầu kháng chấn đặc biệt. Sự kết hợp giữa khả năng chịu cắt cao và độ dẻo lớn giúp khung hấp thụ tối đa năng lượng sóng nổ.

Bố trí cốt thép hợp lý tại nút khung là biện pháp cốt lõi để ngăn ngừa sụp đổ lũy tiến. Cốt thép dọc lớp dưới của dầm phải chạy liên tục qua nút cột và được neo chắc chắn ở hai đầu biên. Chiều dài nối chồng và neo thép phải tính toán cho trạng thái chịu kéo hoàn toàn khi xuất hiện hiệu ứng màng giằng. Tăng cường cốt thép đai kín với bước đai dày tại vùng đầu dầm và chân cột giúp hạn chế phá hủy giòn do cắt. Cốt đai dày cũng có tác dụng giữ chặt bê tông lõi, tăng cường độ nén và độ dẻo của cấu kiện. Nút khung có cấu tạo dẻo dai giúp phân phối lại nội lực sang các cấu kiện lân cận một cách êm thuận.

Tăng cường khả năng dự phòng đòi hỏi sự phối hợp đồng bộ giữa hệ khung, dầm và bản sàn bê tông cốt thép. Việc thiết kế sàn làm việc hai phương tạo ra đĩa cứng truyền lực hiệu quả khi dầm chính bị hư hỏng. Bố trí các dầm chuyển hoặc hệ giằng đỉnh tầng mái giúp treo giữ các tầng dưới khi cột tầng trệt bị phá hủy. Ngoài ra, việc bọc sợi composite FRP hoặc bổ sung vỏ thép ngoài cột là giải pháp gia cường hiệu quả đối với các công trình hiện hữu. Các giải pháp kỹ thuật này nâng cao khả năng kháng sập lũy tiến của kết cấu, đảm bảo sự ổn định tổng thể của công trình dưới mọi tình huống nổ bất lợi.