Luận án TS Kỹ thuật: Ứng xử phi tuyến vách bê tông cốt thép nhà cao tầng - Giang Văn Khiêm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG GIANG VĂN KHIÊM NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ PHI TUYẾN CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG LẶP ĐẢO CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT HÀ NỘI - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG GIANG VĂN KHIÊM NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ PHI TUYẾN CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG LẶP ĐẢO CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ: 9580201 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. NGHIÊM MẠNH HIẾN 2. NGUYỄN TIẾN CHƯƠNG HÀ NỘI - 2023 ii LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với tập thể hướng dẫn PGS. TS Nghiêm Mạnh Hiến, GS.

Nguyễn Tiến Chương đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị nhằm giúp cho nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này, cũng như năng cao năng lực khoa học, phương pháp nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học công nghệ xây dựng, Viện Chuyên ngành kết cấu công trình xây dựng, Viện Thông tin, đào tạo và tiêu chuẩn hóa đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn các Cán bộ Phòng thí nghiệm và Kiểm định công trình, trường Đại học Xây dựng; Phòng thí nghiệm công trình, Trung tâm Khoa học Công nghệ GTVT, trường Đại học Giao thông vận tải đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong việc thực hiện các thí nghiệm của luận án. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Bộ môn Kết cấu bê tông cốt thép - gạch đá trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Lãnh đạo và anh chị em Phòng Thanh tra, Khảo thí &ĐBCL trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án này.

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Viện Khoa học công nghệ xây dựng đã tận tình chia sẻ, trao đổi kiến thức, động viên và giúp đỡ nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã thông cảm, động viên và chia sẻ những khó khăn với nghiên cứu sinh trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Giang Văn Khiêm iii LỜI CAM ĐOAN Tôi là Giang Văn Khiêm xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào.

Các nguồn thông tin và số liệu sử dụng trong luận án được trích dẫn rõ ràng. Nghiên cứu sinh Giang Văn Khiêm iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. iii LỜI CAM ĐOAN .iv MỤC LỤC .v DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .ix DANH MỤC BẢNG BIỂU. xiii CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .xiv MỞ ĐẦU.

Lý do chọn đề tài, lĩnh vực nghiên cứu. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu của đề tài.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. Những điểm mới khoa học. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.

Giới thiệu chung về vách bê tông cốt thép. Khái niệm vách cứng BTCT. Phân loại vách cứng. Sự phá hoại của vách cứng.

Thiết kế vách bê tông cốt thép theo một số tiêu chuẩn. Các mô hình phân tích vách bê tông cốt thép. Mô hình dầm tương đương. Mô hình dạng Giàn.

Mô hình tổ hợp. Mô hình thớ. Mô hình vi mô. Mô hình vật liệu trong phân tích phi tuyến kết cấu.

Mô hình cơ bản của bê tông. Mô hình cơ bản của cốt thép. Nghiên cứu thực nghiệm vách bê tông cốt thép chịu tải trọng lặp. Nhận xét chương 1.

XÂY DỰNG PHẦN TỬ HỖN HỢP BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN. Ứng suất và biến dạng. Thành phần ứng suất. Thành phần biến dạng.

Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng. Ứng xử đàn hồi dẻo của vật liệu. Thuật toán xác định ứng suất trên mặt chảy dẻo. Mô hình vật liệu bê tông.

Thí nghiệm nén và kéo lặp mẫu bê tông. Xây dựng mô hình phi tuyến vật liệu bê tông .3 Mô hình vật liệu cốt thép. Phương pháp phần tử hữu hạn. Phương trình phần tử hữu hạn.

Phần tử tấm tứ giác đẳng tham số. Phần tử cốt thép. Phần tử hỗn hợp bê tông cốt thép. Giải hệ phương trình cân bằng.

Phương pháp giải lặp phi tuyến. Phương pháp giải bài toán động lực học. Nhận xét chương 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG LẶP ĐẢO CHIỀU.

Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm. Mẫu thí nghiệm và vật liệu chế tạo. Mẫu thí nghiệm. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm.

Tính toán khả năng chịu lực của mẫu thí nghiệm. Chế tạo mẫu thí nghiệm. Sơ đồ tác dụng tải trọng và quy trình gia tải trong thí nghiệm. Sơ đồ tác dụng tải trọng.

Quy trình gia tải thí nghiệm. Sơ đồ thí nghiệm và sơ đồ bố trí thiết bị dụng cụ đo. Sơ đồ bố trí thiết bị đo, dụng cụ đo. Phân tích và đánh giá ứng xử của các mẫu thí nghiệm.

Kiểm soát thí nghiệm. Sự phá hoại của các mẫu thí nghiệm. Quan hệ giữa tải trọng ngang và chuyển vị ngang đỉnh mẫu. Phân bố độ cong theo chiều cao vách.

Quan hệ tải trọng ngang – góc xoay tại chân vách. Quan hệ giữa tải trọng ngang - biến dạng cắt. Mối quan hệ giữa năng lượng biến dạng và độ dẻo. Mối quan hệ giữa tải trọng ngang và biến dạng trong cốt thép dọc ở vùng biên.

Sự suy giảm độ cứng của vách. Hệ số cản nhớt tương đương. Biến dạng của bê tông trên tiết diện ngang của vách. Nhận xét rút ra từ các kết quả nghiên cứu thí nghiệm.

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ PHI TUYẾN VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP. Chương trình phân tích ứng xử phi tuyến vách bê tông cốt thép CSW. Giới thiệu chương trình CSW. Sơ đồ khối của chương trình CSW.

Sơ đồ hình học của vách. Dữ liệu tải trọng. Các đặc trưng về vật liệu. Phân tích ứng xử phi tuyến vách bê tông cốt thép đã thí nghiệm trong Chương 3 bằng chương trình CSW.

Phân tích vách bê tông cốt thép trong thí nghiệm của Thosen và Wallace bằng chương trình CSW. Nhận xét chương 4. 135 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CÓ Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN .136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.138 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 139 PHẦN PHỤ LỤC.

Xác định khả năng chịu lực của mẫu vách. Cấu tạo các chi tiết hỗ trợ thí nghiệm. Chế tạo mẫu thí nghiệm. Hình ảnh thí nghiệm vật liệu bê tông, cốt thép.

Code chương trình CSW viii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1. Các loại tiết diện ngang vách chịu cắt 4 Hình 1. Phân loại vách theo chiều cao 5 Hình 1. Phân chia vách để tính theo ứng suất đàn hồi 7 Hình 1.

Biểu đồ tương tác 8 Hình 1. Phân chia vách để tính theo phương pháp vùng biên chịu mô men 9 Hình 1. Quan hệ ứng suất - biến dạng bê tông 20 Hình 1. Mô hình vật liệu bê tông theo Kent và Park (1973) [58] 21 Hình 1.

Mô hình quan hệ ứng suất- biến dạng của bê tông khi chịu kéo 23 Hình 1. Đường bao, cong, nén của mô hình bê tông đơn giản hóa 24 Chang-Mander [61a] Hình 1. Đường cong chịu nén của các mô hình bê tông đơn giản hóa 24 Chang-Mander [61a] Hình 1. Các quy tắc hysteretic (trễ) cho mô hình bê tông [61a] 25 Hình 1.

Các quy tắc hysteretic (trễ) cho mô hình Bê tông Chang- Mander đơn giản hóa được đề xuất bởi Waugh [147] trong năm 2009 25 [61a] Hình 1. Hiệu ứng mềm hóa vùng chịu nén [61a] 25 Hình 1. Quan hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép [51],[61] 26 Hình 1. Quan hệ ứng suất - biến dạng của thanh thép nằm trong bê 27 tông và thanh thép độc lập [72]re Hình 1.

Mô hình cơ bản cho mô hình các thanh thép nằm trong bê 27 tông [2] Hình 1. Mô hình cơ bản cho mô hình Menegotto và Pinto Steel [61a] 28 Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm của Lefas và cộng sự [33] 30 Hình 1. Vách thí nghiệm bởi Thosen và Wallace [34] 31 Hình 1.

Vách thí nghiệm bởi Thosen và Wallace [34] 31 Hình 1. Sơ đồ gia tải ngang [34] 33 Hình 1. Chi tiết vách thí nghiệm [13] 34 Hình 1. Sơ đồ lắp đặt mẫu thí nghiệm [13] 35 Hình 1.

Chi tiết vách thí nghiệm [94a] 36 Hình 1. Lắp đặt thiết bị và vách cho thí nghiệm [94a] 36 Hình 1. Một số hình ảnh phá hoại vách trong quá trình thí nghiệm 38 [94a] ix Hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1. Chi tiết cốt thép vách thử nghiệm [54a] 38 Hình 1.

Sự thay đổi biến dạng theo thời gian của cốt dọc vách W4 39 [54a] Hình 1. Lắp đặt vách trong thí nghiệm [5a] 40 Hình 1. Lịch sử gia tải theo thời gian [5a] 41 Hình 2. Xác định ứng suất trên mặt chảy dẻo 46 Hình 2.

CPA và CPPM 49 Hình 2. Các thí nghiệm nén lặp 51 Hình 2. Thí nghiệm kéo lặp của Reinhardt và Cornelissen [29a] 53 Hình 2. Đường bao phá hoại, dỡ tải và gia tải của vật liệu bê tông 57 Hình 2.

So sánh đường bao phá hoại 59 Hình 2. Đường cong ứng suất biến dạng động của cốt thép 62 Hình 2. Phần tử tấm tứ giác 4 nút trong hệ tọa độ tổng thể và địa 65 phương Hình 2. Phần tử tấm tứ giác 8 nút trong hệ tọa độ tổng thể và địa 66 phương Hình 2.

Phần tử cốt thép 68 Hình 2. Lực nút và nội lực 69 Hình 2. Phần tử hỗn hợp bê tông cốt thép 70 Hình 2. Phương pháp Newton-Raphson (a) và Newton-Raphson cải 73 tiến (b) Hình 2.

Sơ đồ tính toán của phương pháp Newmark  75 Hình 3. Cấu tạo mẫu vách V1 79 Hình 3. Cấu tạo mẫu vách V2 80 Hình 3. Chế tạo mẫu bê tông 81 Hình 3.