Hệ số ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép dùng trong tính toán tác động động đất lên công trình xây dựng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.52 MB, 148 trang )
Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO Bộ XÂY DựNG
VIệN KHOA HOC CÔNG NGHệ XÂY DựNG VIệT NAM
Lê trung phong
Hệ Số ứNG Xử CủA KếT CấU Bê Tông Cốt
Thép DùNG TRONG TíNH TOáN TáC ĐộNG
ĐộNG ĐấT LÊN CÔNG TRìNH XÂY DựNG
LUậN áN TIếN Sỹ Kỹ THUậT
Hà nội - 2011
Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO Bộ XÂY DựNG
VIệN KHOA HOC CÔNG NGHệ XÂY DựNG VIệT NAM
***
Lê trung phong
Hệ Số ứNG Xử CủA KếT CấU Bê Tông Cốt Thép
DùNG TRONG TíNH TOáN TáC ĐộNG ĐộNG ĐấT
LÊN CÔNG TRìNH XÂY DựNG
Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp
M số: 62.58.20.01
LUậN áN TIếN Sỹ Kỹ THUậT
NGƯờI HƯớNG DẫN KHOA HọC
1. PGS. TS. Nguyễn Lê Ninh - Trờng Đại học xây dựng Hà nội
2. PGS. TS. Nguyễn Xuân Chính - Viện khoa học công nghệ xây dựng
Hà nội - 2011
LờI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Lê Trung Phong
Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nghiên cứu trong luận án là trung thực và cha đợc công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Hà nội, ngày 12 tháng 3 năm 2011
Ngời cam đoan
NCS. Lê Trung Phong
LờI CảM ƠN
Luận án này đợc thực hiện tại Viện khoa học công nghệ xây dựng - Bộ
xây dựng với sự hớng dẫn của PSG. TS. Nguyễn Lê Ninh và PSG. TS. Nguyễn
Xuân Chính.
Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã đợc giúp đỡ tận tình của các giáo
viên hớng dẫn, sự động viên, tạo điều kiện giúp đỡ của Phòng thí nghiệm công
trình, Phòng động đất - Viện chuyên ngành kết cấu xây dựng, Phòng đào tạo và
thông tin, Phòng tổ chức cán bộ - Viện KHCN Xây dựng, Trờng ĐHXD và nhiều
tập thể, cá nhân khác nữa. Nhân dịp này tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn chân
thành và sâu sắc tới các thầy, các cô, lãnh đạo viện KHCN xây dựng và phòng
thí nghiệm công trình, phòng động đất, các bạn đồng nghiệp và đặc biệt là gia
đình tôi đã đóng góp cho sự thành công của luận án.
NCS. Lê Trung Phong
Mục lục
Mục lục
Trang
Trang phụ bìa
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt
1
Danh mục các hình vẽ, đồ thị trong luận án
6
Danh mục các bảng trong luận án
9
Mở đầu
1 Tính cần thiết của đề tài nghiên cứu
11
2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
12
3 Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
13
4 Phơng pháp nghiên cứu
13
5 Nội dung và cấu trúc của luận án
13
6 Những đóng góp khoa học chính của luận án
Chơng I
Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử trong
tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất
14
1.1
Quan niệm mới trong thiết kế công trình chịu động
đất
15
1.1.1 Đặt vấn đề
15
1.1.2 Các mục tiêu thiết kế và cách thức đạt đợc mục tiêu thiết kế
16
1.1.3 Các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế công trình chịu động
đất theo quan niệm mới
18
1.1.4 Quan niệm thiết kế mới và các nguyên tắc cơ bản của việc
thiết kế công trình chịu động đất theo tiêu chuẩn TCXDVN
375:2006 [16]
19
1.1.4.1
Các yêu cầu cơ bản
20
1.1.4.2
Các tiêu chí tơng hợp kèm theo
21
1.1.4.3
Các biện pháp cụ thể riêng
21
1.2
Hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình
chịu động đất
22
1.2.1
Định nghĩa hệ số ứng xử và các khái niệm cơ bản
22
1.2.2 Hệ số ứng xử của các kết cấu BTCT trong các tiêu chuẩn thiết
kế các công trình chịu động đất trên thế giới
23
1.2.2.1
Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất của Việt nam
(TCXDVN 375: 2006) [16] và của Châu Âu (EN 1998-1-
1:2004)[34]
24
1.2.2.2
Tiêu chuẩn thiết kế công trình chống động đất (PS-92) và Kiến
nghị của Hiệp hội xây dựng công trình chống động đất (AFPS
90) của Pháp [56][58]
25
1.2.2.3
Tiêu chuẩn thiết kế nhà của Mỹ - UBC 1997 (1997 Uniform
Building Code) [54]
26
1.2.2.4
Các Tiêu chuẩn thiết kế nhà của Hoa Kỳ ASCE 7-2002, IBC
2003 và NFPA 5000. [44] [55]
27
Mục lục
1.2.2.5
Tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế nhà của Canada (Code
national du bâtiment du Canada - CNBC 1995) [38]
28
1.2.2.6
Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Indonesia - (SNI-1276)
(Seismic Resistant Design Standard for Building
Structures)[38]
29
1.2.2.7
Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Israel (Israel Standard
IC 413 1994)[38]
30
1.2.2.8
Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Argentina
(INPRES - CRSOC 103 1991)[38]
31
1.2.2.9
Tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất của Mexico
(Reglamento de construcciones para el Distrito Federal 1993
và Norma Técnicas Complementarias para Diseno por Sismo
1989). [38]
31
1.3
Kết luận Chơng I
32
Chơng II
Độ dẻo của các kết cấu bê tông cốt thép
và các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo
2.1
Khái niệm về độ dẻo
34
2.1.1 Định nghĩa độ dẻo
34
2.1.2 Các loại độ dẻo
36
2.1.2.1
Độ dẻo biến dạng
37
2.1.2.2
Độ dẻo uốn
37
2.1.2.3
Độ dẻo chuyển vị xoay
37
2.1.2.4
Độ dẻo chuyển vị thẳng
38
2.2
Độ dẻo của các cấu kiện bê tông cốt thép
40
2.2.1 Độ dẻo của dầm
40
2.2.1.1
Các giai đoạn làm việc của cấu kiện chịu uốn
40
2.2.1.2
Xác định độ cong
u
theo tiêu chuẩn EN 1992-1-1:2004 [33]
44
2.2.1.3
Xác định độ cong
u
theo các tiêu chuẩn thiết kế Kết cấu bê
tông và bê tông cốt thép của Việt nam TCXDVN 356:2005
[17] và Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép không ứng lực
trớc của Nga 52 -101 - 2003
46
2.2.2 Độ dẻo uốn của cột
50
2.2.3 Mối quan hệ giữa việc hạn chế biến dạng ngang của bê
tông và tính dẻo của các cấu kiện bê tông cốt thép
53
2.2.3.1
Khái niệm về bó bê tông
53
2.2.3.2
Các thông số ảnh hởng tới việc bó bê tông
54
2.2.3.3
Các mô hình tính toán bê tông bị bó
55
2.2.3.4
Tính toán hiệu quả của việc bó bê tông theo các quy định của
tiêu chuẩn thiết kế
60
2.3
Các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo
62
2.3.1 Các đặc tính của vật liệu
62
2.3.2 Các đặc tính của tiết diện cấu kiện
63
2.3.3 Các đặc tính của cấu kiện
65
Mục lục
2.3.4 Các đặc tính của liên kết
67
2.3.5 Các đặc tính của hệ kết cấu
69
2.4
Kết luận chơng 2
71
Chơng III
Hệ số ứng xử của kết cấu Bê tông cốt thép
3.1
Phần Mở đầu
73
3.2
Mối quan hệ giữa hệ số ứng xử và độ dẻo của kết
cấu
74
3.3
Hệ số ứng xử của các hệ kết cấu chịu lực bằng bê
tông cốt thép
77
3.3.1 Hệ số ứng xử q của khung bê tông cốt thép
77
3.3.1.1
Độ dẻo chuyển vị của khung bê tông cốt thép
77
3.3.1.2
Hệ số ứng xử q của khung bê tông cốt thép
81
3.3.1.3
Một số các nhận xét và kết luận
85
3.3.2 Hệ số ứng xử của tờng chịu lực bê tông cốt thép
86
3.3.2.1
Độ dẻo chuyển vị của tờng chịu lực bê tông cốt thép
86
3.3.2.2
Hệ số ứng xử q của các tờng chịu lực bằng bê tông cốt thép
92
3.3.2.3
Một số nhận xét và kết luận
93
3.4
Kết luận Chơng 3
95
Chơng IV
Thí nghiệm xác định độ dẻo và các yếu tố ảnh
hởng tới độ dẻo của dầm BêTông Cốt Thép
4.1
Mục đích nghiên cứu thí nghiệm
96
4.2
Thiết kế các cấu kiện thí nghiệm
96
4.3
Các đặc trng cơ lý của vật liệu mô hình thí nghiệm
99
4.4
Đo lờng Giá trị các tham số khảo sát
101
4.4.1 Các thiết bị đo sử dụng
101
4.4.2 Sơ đồ bố trí các thiết bị đo trên mô hình thí nghiệm
101
4.5
Dựng lắp các mô hình thí nghiệm và dụng cụ đo
103
4.6
trình tác dụng tải trọng trên các mô hình thí
nghiệm
104
4.7
Tiến hành thí nghiệm
105
4.8
Biểu diễn và đánh giá các kết quả thí nghiệm
106
4.8.1 Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình thí nghiệm
106
4.8.2 Độ dẻo chuyển vị của các mô hình thí nghiệm
107
4.8.3 Sự phân tán năng lợng
111
4.8.4 Sự suy giảm độ cứng
112
4.8.5 Quá trình xuất hiện các khe nứt và cách thức phá hoại các mô
hình thí nghiệm
114
4.8.5
.1
Nhóm mô hình MH1
114
4.8.5.2
Nhóm mô hình MH2
115
4.8.5.3
Nhóm mô hình MH3
115
Mục lục
4.9
Phân tích các kết quả thí nghiệm
116
4.9.1
ảnh hởng của cốt thép đai tới biến dạng dẻo của cấu kiện 116
4.9.2 Độ dẻo chuyển vị của các mô hình thí nghiệm đợc cấu tạo
theo TCXDVN 356:2005
117
4.9.3 ảnh hởng của hàm lợng cốt thép dọc và lực cắt tới biến
dạng dẻo của các dầm bê tông cốt thép
118
4.9.4 Một số vấn đề khác cần đợc nghiên cứu tiếp tục
121
4.10
Kết luận chơng IV
124
Kết luận và kiến nghị
126
Tài liệu tham khảo
130
Phần Phụ lục
135
Danh mục các chữ viết tắt
1
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt
Chơng I & II
BTDĐ Bậc tự do động
)(
0
tx
&&
Gia tốc nền
e
Chuyển vị của hệ làm việc đàn hồi
F
y
Lực làm xuất hiện biến dạng chảy của hệ kết cấu
F
e
Lực tác quán tính lớn nhất tác động lên hệ đàn hồi
TCXDVN
Tiêu chuẩn xây dựng Việt nam
P
NCR
Xác suất vợt quá quy ớc ứng với yêu cầu không sụp đổ
T
NCR
Chu kỳ lặp quy ớc trung bình ứng với yêu cầu không sụp đổ
P
DLR
Xác suất vợt quá ứng với yêu cầu hạn chế h hỏng
T
DLR
Chu kỳ lặp trung bình ứng với yêu cầu hạn chế h hỏng
a
gR
Đỉnh gia tốc nền quy ớc trên nền đá gốc
I
Hệ số tầm quan trọng của công trình
a
g
Gia tốc nền thiết kế
Hệ số chiết giảm
F Lực tác động
Chuyển vị
MBTD Một bậc tự do
q Hệ số ứng xử
R Hệ số giảm tải hoặc điều chỉnh phản ứng
u
Chuyển vị lớn nhất ngay trớc khi phá hoại
y
Chuyển vị chảy đầu tiên trong hệ kết cấu làm việc đàn hồi - dẻo
à
Độ dẻo chuyển vị
BTCT Bê tông cốt thép
S Hệ số nền
à
Hệ số độ dẻo
+
max
Biến dạng cực hạn dơng
max
Biến dạng cực hạn âm
+
y
Biến dạng lúc chảy dẻo dơng
y
Biến dạng lúc chảy dẻo âm
E
E
Năng lợng đàn hồi
Danh mục các chữ viết tắt
2
E
t,H
Năng lợng trễ toàn phần đợc phân tán
à
Độ dẻo biến dạng
u
Biến dạng cực hạn
y
Biến dạng chảy của vật liệu
à
Độ dẻo độ cong hoặc độ dẻo uốn
u
Độ cong cực hạn
y
Độ cong lúc bắt đầu chảy
à
Độ dẻo chuyển vị xoay hoặc độ dẻo cấu kiện
u
Chuyển vị xoay cực hạn ở đầu mút cấu kiện
y
Chuyển vị xoay chảy ở đầu mút cấu kiện
p
Chuyển vị dẻo tại đỉnh công xôn
F
b
Lực cắt đáy
F
bmax
Lực cắt đáy lớn nhất
A
sc
Diện tích tiết diện cốt thép đặt ở vùng chịu nén
A
s
Diện tích cốt thép đặt ở vùng chịu kéo
B Độ cứng chống uốn của dầm
E
c
Môđun đàn hồi của bêtông
I
Mômen quan tính của tiết diện
Độ cong của trục dầm
r Bán kính cong của trục dầm
M Mômen uốn
M
u
Mômen uốn cực hạn
c
Biến dạng (nén) của bê tông tại thớ bị nén
x
y
Chiều cao của của miền bê tông bị nén lúc bắt đầu chảy dẻo
sy
Biến dạng của cốt thép chịu kéo lúc bắt đầu chảy dẻo
h
0
Chiều cao làm việc của tiết diện
h Chiều cao của tiết diện
c
s
E
E
n =
Tỷ số giữa các môđun đàn hồi của cốt thép và bê tông
Chiều cao tơng đối của miền bê tông bị nén
1
Hàm lợng cốt thép chịu kéo
2
Hàm lợng cốt thép chịu nén
s
ứng suất trong cốt thép chịu kéo
sc
ứng suất trong cốt thép chịu nén
Danh mục các chữ viết tắt
3
y
f
Giới hạn chảy của cốt thép
F
1u
Khả năng chịu lực của hệ làm việc đàn hồi
F
2u
Khả năng chịu lực của hệ làm việc đàn hồi - dẻo
cu
Biến dạng nén cực hạn của bê tông
su
Biến dạng kéo cực hạn của cốt thép
x
u
Chiều cao miền bê tông bị nén ngay trớc khi phá hoại
c2
Biến dạng của bê tông khi ứng suất nén đạt tới giá trị lớn nhất
f
ck
Cờng độ chịu nén đặc trng của bêtông (MPa)
f
cd
Cờng độ chịu nén tính toán của bê tông (MPa)
c
hệ số độ tin cậy của bê tông
cc
Hệ số xét tới các hệ quả tác động dài hạn lên cờng độ chịu nén
và các hệ quả bất lợi do cách thức tác động tải trọng gây ra
Hệ số xác định chiều cao hiệu dụng của miền bêtông bị nén
Hệ số xác định giá trị cờng độ chịu nén hiệu dụng của bê tông
b
ứng suất nén trong bê tông
E
b
Môdun đàn hồi của bê tông
b
Biến dạng nén tơng đối của bê tông
R
b
Cờng chịu nén tính toán của bê tông
b,ult
Biến dạng của bê tông khi ứng suất trong bê tông đạt giá trị R
b
N Lực dọc
f
c
Cờng độ chịu nén tính toán của bêtông
w
Hàm lợng cốt thép đai
f
yw
Cờng độ chảy của cốt thép đai
s Khoảng cách giữa các lớp cốt thép đai (bớc cốt đai)
f
cc
ứng suất nén lớn nhất của bê tông bị bó
cc1
Biến dạng nén lớn nhất của bê tông bị bó
K Chỉ số bó
b
0
Cạnh của lõi bê tông bị bó
D
0
Đờng kính của lõi bê tông bị bó
A
sw
Diện tích tiết diện của cốt đai
t
áp lực của cốt đai bó lên bê tông
w
Tỷ số cơ học của cốt đai lò xo
Hệ số thực nghiệm
wd
Tỷ số thể tích cơ học của của cốt đai bó bê tông trong vùng tới
hạn theo TCXDVN 375:2006
b
i
Khoảng cách giữa các thanh cốt thép dọc
Danh mục các chữ viết tắt
4
p
Chuyển vị xoay dẻo
p
Độ cong dẻo
l Chiều dài cấu kiện
d
b
Đờng kính cốt thép dọc
l
p
Chiều dài khớp dẻo tơng đơng
l
w
Chiều dài tiết diện ngang của tờng
h
w
Chiều cao tờng
H
c
Tổng chiều cao các tầng trong cơ cấu phá hoại
Chỉ số lực dọc
K Hệ số giảm tải
q Hệ số làm việc hoặc ứng xử
R Hệ số giảm lực tác động hoặc hệ số điều chỉnh phản ứng
T Chu kỳ dao động của kết cấu
Chơng III
u
Chuyển vị cực hạn
e
Chuyển vị đàn hồi
h
t
Chiều cao tầng
l
Nhịp dầm
cAi,y
Độ cong đàn hồi tại tiết diện ở chân cột A tầng i
cAi,y
Độ cong đàn hồi tại tiết diện ở đỉnh cột A tầng i
M
cAi
Mômen uốn tại tiết diện ở chân cột A tầng i
M
cAi
Mômen uốn tại tiết diện ở đỉnh cột A tầng i
EI
cAi
Độ cứng chống uốn của cột trục A ở tầng i
pc
Góc xoay của khớp dẻo ở chân cột
pd
Góc xoay của khớp dẻo ở dầm
cA1,u
Độ cong tại tiết diện chân cột A tầng i khi khung bị phá hoại dẻo
l
pc
Chiều dài vùng khớp dẻo tơng đơng tại chân cột
E
s
Môđun đàn hồi của cốt thép
h
0
Chiều cao làm việc của tiết diện
cu
Biến dạng cực hạn của bê tông
su
Biến dạng cực hạn của cốt thép
B
Cấp độ bền của bê tông
n Số tầng khung
L
w
Chiều dài tiết diện ngang của tờng
p Cờng độ tải trọng ngang phân bố đều trên tờng
Danh mục các chữ viết tắt
5
V Lực cắt
I
w
Mômen quán tính của tiết diện ở chân tờng
Độ mảnh của tờng
k
Chiều cao miền phát triển biến dạng dẻo ở tờng
q
0
Giá trị cơ bản của hệ số ứng xử
k
W
Hệ số phản ánh dạng phá hoại chiếm u thế trong hệ kết cấu có
tờng chịu lực
h
wi
chiều cao tờng thứ i
l
wi
chiều dài tiết diện tờng thứ i
1
/
u
Hệ số thể hiện sự vợt độ bền của hệ kết cấu do d thừa liên kết
S
ik
Lực động đất tính toán ngang theo tiêu chuẩn Nga
K
1
hệ số xét tới mức độ h hỏng cho phép của nhà và công trình
K
2
hệ số xét tới giải pháp kết cấu của nhà và công trình
S
0ik
trị số lực động đất ngang ở dạng dao động thứ i
n
V
Tải trọng động đất tác động lên kệ kết cấu làm việc đàn hồi dẻo
V
e
Lực động đất thiết kế tác động lên hệ kết cấu làm việc hoàn toàn
đàn hồi
à
Độ dẻo chuyển vị
f
1
Hệ số vợt tải của vật liệu và tải trọng theo tiêu chuẩn Indonesia
Q hệ số giảm tải theo tiêu chuẩn Mexico
Chơng IV
K
Độ cứng của cấu kiện
F Lực tác động
Chuyển vị tơng đối
w
Hàm lợng cốt thép đai
V
c
Thể tích vùng bê tông bị bó nằm giữa hai lớp cốt thép đai kề
nhau
V
w
Thể tích của một lớp cốt thép đai
K
0
Hệ số xét tới độ mềm của gối tựa
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
6
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Chơng I
Hình 1.1
Phản ứng của các hệ kết cấu có một BTDĐ chịu tác động động đất
Hình 1.2
Các quan niệm thiết kế công trình chịu động đất
Chơng II
Hình 2.1
Quan hệ lực - chuyển vị ở các cấu kiện
Hình 2.2
Định nghĩa độ dẻo uốn
Hình 2.3
Định nghĩa chuyển vị chảy
Hình 2.4
Định nghĩa chuyển vị cực hạn
Hình 2.5
Đồ thị M tam tuyến tính của dầm BTCT
Hình 2.6
Sơ đồ xác định độ dẻo độ cong của dầm
Hình 2.7
Đồ thị ứng suất biến dạng parabol chữ nhật của bê tông bị nén
Hình 2.8
Sơ đồ phân bố ứng suất trên tiết diện thẳng góc
Hình 2.9
Đồ thị ứng suất biến dạng của bêtông bị nén theo 52 -101 - 2003
Hình 2.10
Sơ đồ phân bố ứng suất trong miền bê tông bị nén
Hình 2.11
Sơ đồ ứng suất trong cột chịu nén
Hình 2.12
Các đồ thị ứng suất biến dạng của bê tông với các kiểu bị bó khác
nhau
Hình 2.13
Các hình thức bó bê tông thờng gặp
Hình 2.14
Các dạng bó bê tông
Hình 2.15
Mô hình tính toán bê tông bị bó của Park, Priestley và Gill (1982)
Hình 2.16
Mô hình tính toán bê tông bị bó của Sheikh và Uzumeri (1982)
Hình 2.17
Mô hình tính toán bê tông bị bó của Kappos (1991)
Hình 2.18
ứng suất bó trong cốt đai lò xo
Hình 2.19
Đồ thị ứng suất, biến dạng của bê tông bị bó bằng cốt đai lò xo
(Shah, Fatifis và Arnold)
Hình 2.20
Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông bị bó
Hình 2.21
Bó lõi bê tông
Hình 2.22
Mối quan hệ giữa độ dẻo uốn, lực dọc và cốt thép đai ở cột (theo thí
nghiệm ca Blume)
Hình 2.23
Biến dạng đàn hồi và dẻo của công xôn bê tông cốt thép
Hình 2.24
Các cơ cấu phá hoại dẻo điển hình ở hệ khung
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
7
Chơng III
Hình 3.1
Quan hệ giữa phản ứng đàn hồi và đàn hồi dẻo của kết cấu có 1 bậc
tự do
Hình 3.2
Khung BTCT chịu tải trọng đứng và ngang
Hình 3.3
Các biểu đồ mômen uốn và độ cong của cột trục A
Hình 3.4
Sơ đồ độ cong của cột trục A tại tầng thứ i
Hình 3.5
Vị trí các khớp dẻo ở dầm khung
Hình 3.6
Sơ đồ phá hoại dẻo của khung BTCT
Hình 3.7
Sơ đồ biến dạng của tiết diện cấu kiện khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo
Hình 3.8
Quan hệ giữa hệ số ứng xử q và biến dạng nén cực hạn của bê tông
(B25, n = 10)
Hình 3.9
Quan hệ giữa hệ số ứng xử q và số tầng n của khung
(B25,
cu
= 0,70%,
su
= 1,5%)
Hình 3.10
Quan hệ giữa hệ số ứng xử q và cấp độ bền B của bê tông
(n = 10,
cu
= 0,70%,
su
= 1,5%)
Hình 3.11
Trạng thái khi bắt đầu xuất hiện biến dạng chảy đầu tiên trong cốt thép
chịu kéo
Hình 3.12
Biểu đồ bao mômen uốn của tờng
Hình 3.13
Sơ đồ độ cong của tờng tại tiết diện có khớp dẻo
Hình 3.14
Biến dạng tại tiết diện có khớp dẻo ngay trớc khi phá hoại
Hình 3.15
Quan hệ giữa hệ số ứng xử q và biến dạng nén cực hạn của bê tông
(B25, cốt thép A-III, = 10, k = 0,4)
Hình 3.16
Quan hệ giữa hệ số ứng xử q và chiều cao miền phát triển biến dạng
dẻo k (B25, cốt thép A-III, = 10,
cu
= 0,4%,
su
= 0,32%
)
Hình 3.17
Quan hệ giữa hệ số ứng xử q và độ mảnh
của tờng
(B25, cốt thép A-III, k = 0,4,
cu
= 0,4%,
su
= 0,32%
)
Hình 3.18
Quan hệ giữa hệ số ứng xử q và cấp độ
bền B của bê tông tờng
(Cốt thép A-III, k = 0,4, = 10,
cu
= 0,4%,
su
= 0,32%
)
Chơng IV
Hình 4.1
Hình dạng các mô hình thí nghiệm
Hình 4.2
Nhóm mô hình thí nghiệm MH1
Hình 4.3
Nhóm mô hình thí nghiệm MH2
Hình 4.4
Nhóm mô hình thí nghiệm MH3
Hình 4.5
Sơ đồ bố trí các thiết bị đo và gia tải trên mô hình thí nghiệm
Hình 4.6
Vị trí gắn các phiến đo biến dạng trên mô hình thí nghiệm
Hình 4.7
Sơ đồ dựng lắp các mô hình thí nghiệm và thiết bị đo
Hình 4.8
Qui trình tác dụng tải trọng lên mô hình thí nghiệm
Hình 4.9
Trong phòng thí nghiệm
Hình 4.10
Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình nhóm MH1
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
8
Hình 4.11
Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình nhóm hai MH2
Hình 4.12
Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình nhóm ba MH3
Hình 4.13
Quan hệ độ dẻo chuyển vị - chu kỳ chất tải của các mô hình thí
nghiệm khi lực tác động theo chiều dơng (trái sang)
Hình 4.14
Quan hệ độ dẻo chuyển vị - chu kỳ chất tải của mô hình thí nghiệm khi
lực tác động theo chiều âm (phải sang)
Hình 4.15
Biến thiên độ dẻo chuyển vị theo chu kỳ của các mô hình thí nghiệm
Hình 4.16
Quan hệ giữa năng lợng đợc phân tán và số chu kỳ chất tải của các
mô hình thí nghiệm
Hình 4.17
Quan hệ giữa độ cứng cát tuyến và độ dẻo chuyển vị của các nhóm
mô hình thí nghiệm theo chiều dơng của tác động
Hình 4.18
Quan hệ giữa độ cứng cát tuyến và độ dẻo chuyển vị của các nhóm
mô hình thí nghiệm theo chiều âm của tác động
Hình 4.19
Hình dạng và vị trí các khe nứt xuất hiện trên các mô hình MH1
Hình 4.20
Hình dạng và vị trí các khe nứt xuất hiện trên các mô hình MH2
Hình 4.21
Hình dạng và vị trí các khe nứt xuất hiện trên các mô hình MH3
Hình 4.22
Sơ đồ lực trong cốt thép xiên ở vùng tới hạn
Danh mục các bảng
9
Danh mục bảng
Chơng I
Bảng 1.1
Các yêu cầu thiết kế công trình chịu động đất
Bảng 1.2
Các giá trị cơ bản của hệ số ứng xử q
0
đối với các hệ kết cấu BTCT
đều đặn trên chiều cao
Bảng 1.3
Hệ số ứng xử q theo tiêu chuẩn PS-92 và kiến nghị của AFPS 90
Bảng 1.4
Hệ số giảm lực tác động R của các hệ kết cấu BTCT (UBC 1997)
Bảng 1.5
Hệ số điều chỉnh phản ứng R của các hệ kết cấu BTCT theo ASCE7
2002, IBC-2003 và NFPA 5000
Bảng 1.6
Hệ số giảm tải R của các kết cấu BTCT theo tiêu chẩn CNBC 1995
của Canada
Bảng 1.7
Các giá trị của
à
, R và K
Bảng 1.8
Giá trị độ dẻo
à
m
của các bộ phận kết cấu chịu lực thờng gặp
Bảng 1.9
Hệ số giảm tải K đối với các hệ kết cấu BTCT (IC 413 1994)
Bảng 1.10
Các giá trị của độ dẻo tổng thể (à) của các hệ kết cấu BTCT đều
đặn trên chiều cao (theo INPRES - CRSOC 103 1991)
Chơng II
Bảng 2.1
ảnh hởng của các thông số thiết kế khác nhau tới độ dẻo uốn của
cấu kiện BTCT
Chơng III
Bảng 3.1
Quan hệ giữa
à
, K
1
và K
2
Bảng 3.2
Các giá trị biến dạng của bê tông khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo
Bảng 3.3
Các giá trị độ dẻo uốn tại tiết diện ở chân cột
Bảng 3.4
Các giá trị tỷ số
y
/
e
Bảng 3.5
Các giá trị của chuyển vị tờng khi bắt đầu chảy dẻo
Chơng IV
Bảng 4.1
Tổng hợp cấu tạo các mô hình thí nghiệm
Bảng 4.2
Cờng độ nén giới hạn của các mẫu thử bê tông
Bảng 4.3
Giá trị môđun đàn hồi E
b
của các mẫu thử bê tông
Bảng 4.4
Các đặc trng cơ lý của cốt thép dọc
Bảng 4.5
Cách thức tác dụng tải trọng lên mô hình thí nghiệm
Bảng 4.6
Độ dẻo chuyển vị của các mô hình thí nghiệm theo chiều dơng (tải
trọng tác động từ trái sang phải)
Bảng 4.7
Độ dẻo chuyển vị của các mô hình thí nghiệm theo chiều âm (tải
trọng tác động từ phải sang trái)
Bảng 4.8
Độ dẻo chuyển vị theo chu kỳ của các mô hình thí nghiệm
Bảng 4.9
Độ cứng cát tuyến của các mô hình thí nghiệm theo chiều dơng
Danh mục các bảng
10
của tác động
Bảng 4.10
Độ cứng cát tuyến của các mô hình thí nghiệm theo chiều âm của
tác động
Bảng 4.11
Độ dẻo chuyển vị của các mô hình MH1 và MH2
Bảng 4.12
Hệ số ứng xử q kiến nghị dùng trong thiết kế khung BTCT có cấp
dẻo trung bình (DCM)
Bảng 4.13
Chiều dài khớp dẻo l
p
của các mô hình thí nghiệm
Chơng. Mở đầu
11
Mở đầu
1. Tính cần thiết của đề tài nghiên cứu.
Trên lãnh thổ Việt nam, nhiều vùng đợc xác định là có hoạt động động
đất, trong đó có các khu đô thị lớn nh Hà Nội, Hải Phòng, Vinh, Đà Nẵng, Hồ
Chí Minh Theo thống kê, từ trớc đến nay đã xẩy ra trên 1000 trận động đất
có cờng độ khác nhau ở Việt Nam, trong đó có hai trận động đất cấp VIII, 11
trận động đất cấp VII và 60 trận động đất cấp VI (theo thang MSK-64). Để
hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn thiết kế kỹ thuật trong lĩnh vực xây dựng công
trình, cuối tháng 9 năm 2006 Bộ Xây dựng đã có quyết định số 28/2006/QĐ-
BXD ban hành Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 Thiết kế công trình chịu động
đất. Nh vậy sau nhiều năm sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế nớc ngoài, lần
đầu tiên ở nớc ta đã có một tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn riêng, đáp ứng
các yêu cầu cấp thiết của việc thiết kế và thi công các công trình xây dựng
đang ngày càng phát triển. Tiêu chuẩn thiết kế mới này đợc biên soạn trên
cơ sở tiêu chuẩn thiết kế của châu Âu EN 1998-1-1:2004. Nó đợc đánh giá
là một tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn tiên tiến nhất hiện nay, phản ánh các
kết quả thu đợc từ nhiều chơng trình nghiên cứu rộng lớn đợc thực hiện
trong những thập niên gần đây ở châu Âu và trên thế giới trong lĩnh vực kháng
chấn công trình.
Theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006, mục đích của việc thiết kế các công
trình chịu động đất đã có một sự thay đổi quan trọng, chuyển từ việc bảo vệ
công trình sang bảo vệ trực tiếp sinh mạng con ngời và của cải vật chất xã
hội. Với mục đích này, khác với quan niệm thiết kế truyền thống quen thuộc
lâu nay, các công trình đợc thiết kế theo TCXDVN 375:2006 đợc phép làm
việc sau giai đoạn đàn hồi. Quan niệm thiết kế mới này, vừa đảm bảo cho
công trình đợc an toàn trong bối cảnh không dự báo đợc chính xác các trận
động đất sẽ xẩy ra, vừa bảo đảm đợc các yêu cầu kinh tế. Khi thiết kế theo
tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006, tác động động đất lên công trình đợc giảm
xuống q lần (q > 1,0) so với tác động động đất lên chính công trình đó nhng
giả thiết làm việc hoàn toàn đàn hồi (cách thức thiết kế truyền thống trớc
đây). Điều kiện kèm theo để thực hiện đợc điều này, có nghĩa là giảm lực tác
Chơng. Mở đầu
12
động động đất xuống q lần là công trình đợc thiết kế phải có khả năng biến
dạng dẻo. Hệ số q đợc gọi là hệ số ứng xử, phụ thuộc vào rất nhiều các yếu
tố khác nhau, từ vĩ mô nh vật liệu, hệ kết cấu, khả năng biến dạng dẻo của
kết cấu tới vi mô nh cách cấu tạo cốt thép trong cấu kiện, hình dạng tiết
diện cấu kiện, biến dạng của vật liệu
Nh vậy vấn đề quan trọng nhất khi soạn thảo TCXDVN 375:2006, ngoài
việc các dữ liệu về thông số hoạt động động đất trên lãnh thổ Việt Nam (gia
tốc nền, điều kiện địa chất - địa hình ), là các giá trị hệ số ứng xử q dùng để
xác định tác động động đất thiết kế lên công trình xây dựng và các điều kiện
kèm theo để có đợc hệ số ứng xử đó. Việc quy định giá trị hệ số ứng xử q
không phù hợp với các yếu tố về vật liệu, hệ kết cấu, khả năng biến dạng dẻo
sẽ dẫn tới hai thái cực không mong muốn đó là tính không kinh tế và không
an toàn của công trình đợc thiết kế.
Đây là một vấn đề rất quan trọng và có ý nghĩa sống còn trong thiết kế
kháng chấn các công trình xây dựng hiện nay. Đề tài nghiên cứu này sẽ góp
phần làm rõ cơ sở quyết định các giá trị hệ số ứng xử q dùng trong TCXDVN
375:2006, đồng thời qua đó cũng làm rõ ý nghĩa và vai trò của hệ số này
trong thiết kế công trình chịu động đất theo quan niệm mới.
Đề tài nghiên cứu này cũng sẽ làm rõ mối quan hệ giữa TCXDVN
375:2006 với Tiêu chuẩn Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép -
TCXDVN 356:2005, góp phần vào việc đồng bộ hoá các tiêu chuẩn thiết kế,
thúc đẩy việc áp dụng tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 vào thực tế sản xuất,
cũng nh làm gia tăng tính hiệu quả kinh tế và an toàn khi thiết kế các công
trình chịu động đất ở nớc ta.
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài.
Đề tài có các mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu sau:
a) Làm rõ ý nghĩa, vai trò và các yếu tố ảnh hởng quyết định tới hệ số
ứng xử q sử dụng trong thiết kế kháng chấn;
b) Góp phần làm rõ cơ sở khoa học của quyết định đa các giá trị hệ số
ứng xử q trong tiêu chuẩn Thiết kế các công trình chịu động đất EN
1998-1-1:2004 của châu Âu vào sử dụng trong tiêu chuẩn Thiết kế
công trình chịu động đất TCXDVN 375:2006 của Việt Nam;
c) Làm rõ mối quan hệ giữa các tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 375:2006
và TCXDVN 356:2005, cho phép dùng TCXDVN 356:2005 thay cho
tiêu chuẩn Thiết kế kết cấu bê tông EN 1992-1-1:2004 của châu Âu
trong một số nội dung của tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 liên quan tới
Chơng. Mở đầu
13
tiêu chuẩn này, góp phần vào việc đồng bộ hoá các tiêu chuẩn thiết
kế xây dựng ở nớc ta, làm cho việc sử dụng TCXDVN 375:2006 đợc
dễ dàng và thuận lợi.
3. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tợng và phạm vi nghiên cứu là các cấu kiện và kết cấu bêtông cốt
thép đợc thiết kế để chịu động đất ở Việt Nam.
4. Phơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sự làm việc của cấu kiện và kết cấu
BTCT dới tác động của tải trọng lặp lại đổi chiều có chu kỳ.
Để nghiên cứu khả năng biến dạng dẻo của các cấu kiện và kết cấu
BTCT, nhiều kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả đã đợc tổng hợp và phân
tích một cách toàn diện, đợc tính toán một cách cụ thể dựa trên các giả thiết
của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành trong nớc và ngoài nớc. Từ các
nghiên cứu l ý thuyết, rút ra các yếu tố cơ bản nhất và kiểm tra lại thông qua
các thí nghiệm cụ thể.
Về các các giá trị của hệ số ứng xử q sử dụng trong thiết kế, ngoài các
nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đợc thực hiện, nhiều tiêu chuẩn thiết kế
công trình chịu động đất của nhiều nớc trong các khu vực khác nhau trên thế
giới đã đợc trích dẫn cụ thể.
5. Nội dung và cấu trúc của luận án.
Bản luận án ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, có 4 chơng và
phần phụ lục. Nội dung chủ yếu của các chơng nh sau:
- Chơng I: Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết
kế các công trình chịu động đất. Chơng này đề cập tới các nguyên tắc cơ
bản của việc thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng theo quan niệm
mới, ý nghĩa và vai trò của hệ số ứng xử q trong thiết kế kháng chấn. Tính
phức tạp và đa dạng của hệ số ứng xử q cũng đợc thể hiện thông qua việc
giới thiệu các hệ số ứng xử trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn theo
quan niệm mới của nhiều nớc trên thế giới.
- Chơng II: Độ dẻo của các kết cấu bê tông cốt thép và các yếu tố ảnh
hởng tới độ dẻo. Nội dung chơng này trình bày định nghĩa và phân loại độ
dẻo; cách thức xác định độ dẻo ở các cấu kiện BTCT theo các tiêu chuẩn
thiết kế khác nhau và các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo. Các nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm cho thấy vai trò quan trọng của cốt đai trong việc tạo
ra khả năng biến dạng dẻo cao ở kết cấu BTCT.
Chơng. Mở đầu
14
- Chơng III: Hệ số ứng xử của các kết cấu bêtông cốt thép. Nội dung
chơng này đề cập tới mối quan hệ giữa hệ số ứng xử q và độ dẻo. Các yếu
tố ảnh hởng tới hệ số ứng xử q đã đợc làm rõ thông qua việc tính toán độ
dẻo cũng nh hệ số ứng xử q cho hệ kết cấu khung và tờng chịu lực BTCT
dựa trên cơ sở các giả thiết và các đặc tính vật liệu quy định trong các tiêu
chuẩn thiết kế TCXDVN 356:2005 và EN 1992-1-1:2004.
- Chơng IV: Thí nghiệm xác định độ dẻo và các yếu tố ảnh hởng tới độ
dẻo của dầm bêtông cốt thép. Chơng này trình bày các thí nghiệm trên một
loạt các mô hình dầm BTCT đợc thực hiện tại Viện khoa học công nghệ Xây
dựng (IBST) - Bộ Xây dựng. Các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hởng của
cốt thép đai, hàm lợng cốt thép dọc, lực cắt, cách thức cấu tạo cốt thép tới
độ dẻo, độ cứng, khả năng phân tán năng lợng của các cấu kiện BTCT.
Phần Kết luận và Kiến nghị. Nội dung phần này trình bày tóm tắt các kết
quả thu đợc từ các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mà tác giả đã thực
hiện. Trên cơ sở này một số các kiến nghị đã đợc đề xuất để áp dụng vào
thực tế hoặc để tiếp tục nghiên cứu thêm trong thời gian tới.
6. Những đóng góp khoa học chính của luận án.
a) Làm rõ ý nghĩa, vai trò của hệ số ứng xử q trong thiết kế kháng chấn
theo quan niệm mới, các yếu tố ảnh hởng quyết định tới hệ số ứng xử q đặc
biệt là về các vấn đề liên quan đến hàm lợng cốt thép đai, hàm lợng cốt
thép dọc và lực cắt trong vùng tới hạn.
b) Góp phần vào việc làm rõ cơ sở khoa học của quyết định đa các giá
trị hệ số ứng xử q trong tiêu chuẩn EN 1998-1-1:2004 của châu Âu vào
TCXDVN 375:2006 của Việt Nam trên cơ sở nghiên cứu tính toán độ dẻo và
hệ số ứng xử q của các kết cấu BTCT sử dụng các giả thiết cơ bản và các
đặc tính của vật liệu (bê tông và cốt thép) quy định trong các tiêu chuẩn thiết
kế EN 1992-1-1:2004 và TCXDVN 356:2006.
c) Làm rõ tính tơng đồng giữa các tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 356:2005
và EN 1992-1-1:2004. Trên cơ sở này cho phép đề xuất kiến nghị sử dụng
TCXDVN 356:2005 thay cho tiêu chuẩn EN 1992-1-1:2004 quy định ở một số
nội dung liên quan tới tiêu chuẩn này trong TCXDVN 375:2006, góp phần vào
việc đồng bộ hoá các tiêu chuẩn thiết kế xây dựng ở nớc ta, làm cho việc sử
dụng TCXDVN 375:2006 đợc dễ dàng và thuận lợi vào thực tiễn sản xuất.
Chơng I. Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất
15
Chơng I
Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử trong
tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất
1.1 Quan niệm mới trong thiết kế công trình chịu động đất
1.1.1 Đặt vấn đề
Mục tiêu cơ bản của việc thiết kế các công trình chịu động đất là bảo vệ
sinh mạng con ngời và của cải vật chất xã hội. Con ngời sống và làm việc
trong các công trình xây dựng; của cải vật chất xã hội chính là bản thân các
công trình xây dựng và các tài sản khác nằm trong các công trình xây dựng.
Do vậy theo quan niệm trớc đây, để thực hiện đợc mục tiêu trên các công
trình xây dựng không đợc phép bị phá hoại khi động đất xẩy ra. Nh vậy
theo cách thiết kế này, sinh mạng con ngời và của cải vật chất xã hội đợc
bảo vệ gián tiếp thông qua việc bảo vệ công trình xây dựng. Các công trình
xây dựng đợc thiết kế với tác động đất lớn nhất dự kiến sẽ xẩy ra tại địa điểm
xây dựng và làm việc hoàn toàn trong miền đàn hồi.
Khi thiết kế các công trình chịu động đất, độ lớn tác động động đất là một
yếu tố có độ tin cậy rất thấp. Giá trị lớn nhất của tác động động đất dự kiến sẽ
xẩy ra trong thời gian sử dụng công trình chủ yếu đợc xác định trên cơ sở
các số liệu rất hạn chế và những thông tin rất đáng ngờ thu thập đợc từ lịch
sử địa chấn trong vùng đang xét. Nh vậy tính xác thực của nó phụ thuộc độ
tin cậy của các kết quả nghiên cứu dự báo động đất sẽ xẩy ra tại địa điểm xây
dựng. Sau nhiều trăm năm nỗ lực nghiên cứu, con ngời đã phải tạm thời
chấp nhận thất bại trong việc dự báo động đất, đặc biệt trong các vấn đề về
dự báo thời gian, địa điểm và độ lớn các trận động đất sẽ xẩy ra. Các kết quả
thống kê cho thấy, các thiệt hại về sinh mạng con ngời và kinh tế do động
đất gây ra trên thế giới trong các năm nửa cuối thế kỷ XX vô cùng lớn và tăng
lên một cách nhanh chóng [22][55]. Mặt khác, qua quan sát và nghiên cứu hệ
quả của tác động động đất lên các công trình xây dựng các nhà khoa học
Chơng I. Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất
16
nhận thấy rằng có rất nhiều công trình đợc thiết kế theo các tiêu chuẩn thiết
kế hiện hành không bị sụp đổ, thậm chí không bị các h hại nghiêm trọng khi
chịu các tác động động đất lớn hơn rất nhiều so với dự kiến [30][13][2]. Các
nhà khoa học đã tìm ra lời giải thích từ các yếu tố cha đợc xét tới trong các
phơng pháp xác định tác động động đất cũng nh tính toán kháng chấn
công trình, đó là khả năng xuất hiện biến dạng dẻo và phân tán năng lợng
trong hệ kết cấu chịu lực lẫn không chịu lực của công trình. Nh vậy, việc thiết
kế các công trình chịu động đất chỉ làm việc trong giai đoạn đàn hồi theo
quan niệm trên cho thấy hoàn toàn không hợp l ý và không kinh tế.
Để ngăn ngừa và giảm thiểu đến mức tối đa các tác hại do động đất gây
ra, trong những thập niên cuối cùng của thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI cách
thức thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng đã có một sự thay đổi cơ
bản. Theo đó, mục tiêu của việc thiết kế kháng chấn công trình đợc chuyển
từ việc bảo vệ công trình sang bảo vệ trực tiếp sinh mạng con ngời và của
cải vật chất xã hội. Với mục tiêu này, khi động đất xẩy ra các công trình xây
dựng không nhất thiết chỉ làm việc đàn hồi mà có thể làm việc sau giới hạn
đàn hồi miễn là không bị sụp đổ. Sụp đổ ở đây đợc hiểu theo nghĩa là trạng
thái khi những ngời sống trong nhà không thể chạy thoát ra ngoài do một sự
cố nghiêm trọng ở hệ kết cấu chịu lực chính.
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của của khoa học kỹ thuật, các kết
quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong lĩnh vực xây dựng công trình
ngày càng cho thấy một cách rõ ràng rằng vấn đề mấu chốt trong việc thiết
kế các công trình chịu động đất là giải quyết bài toán năng lợng. Để cho
công trình có thể làm việc tốt dới tác động động đất, nó phải có khả năng
hấp thụ và phân tán lợng năng lợng động đất đợc chuyển đến cho nó. Sự
hiểu biết một cách đầy đủ nguyên lý cân bằng năng lợng đơn giản này chính
là chìa khoá để giải quyết vấn đề thiết kế có hiệu quả các công trình xây dựng
chịu động đất.
1.1.2 Các mục tiêu thiết kế và cách thức đạt đợc mục tiêu thiết kế
Để làm rõ cách thức thiết kế theo quan niệm mới, ta xét ví dụ đơn giản
sau [36][2].
Một hệ kết cấu có một bậc tự do động (BTDĐ) với khối lợng m và độ
cứng k, dao động tự do không lực cản dới tác động động đất biểu thị qua gia
tốc nền )(
0
tx
&&
(hình 1.1). Giả thiết rằng hệ kết cấu đợc thiết kế để có khả
năng chịu lực F
1u
và phản ứng một cách hoàn toàn đàn hồi dới tác động
động đất với đồ thị lực - chuyển vị nh trong hình 1.1a. Lúc động đất xẩy ra,
Chơng I. Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất
17
lực quán tính lớn nhất tác động lên khối lợng m của hệ kết cấu có giá trị F
e
<
F
1u
. Khi khối lợng của hệ kết cấu đạt chuyển vị
e
, thế năng tích luỹ trong hệ
kết cấu dới dạng năng lợng biến dạng đợc biểu thị qua diện tích tam giác
OBF đúng bằng động năng của nó. Lúc này, do tốc độ chuyển động bằng
không nên lực phục hồi này sẽ làm cho hệ kết cấu chuyển động về phía
hớng ngợc lại, gây ra dao động với biên độ không đổi.
B
t
F
F
0
x (t)
t
E
Khớp dẻo
G
F
1u
k
A
D
a)
b)
0
m
F
e
e
-F
e
m
F
0
F
1u
F
e
y
u
F
2u
F
y
=
k
x (t)
0
Hình 1.1 Phản ứng của các hệ kết cấu có một BTDĐ chịu tác động động đất:
a) Phản ứng đàn hồi; b) Phản ứng đàn hồi - dẻo.
Nếu giả thiết hệ kết cấu đợc thiết kế với một khả năng chịu lực F
2u
nhỏ
hơn nhiều so với F
1u
, khi lực tác động đạt tới giá trị F
y
= F
2u
< F
e
ở chân của hệ
kết cấu sẽ hình thành một khớp dẻo (bị phá hoại theo quan niệm của cách
thiết kế thông thờng) (hình 1.1b). Tại điểm A, khi nội lực đạt tới giá trị F
2u
kết
cấu không thể chịu lực thêm nữa nhng có thể tiếp tục biến dạng dới tác
động của lực F
y
theo đờng AD và đạt tới giá trị lớn nhất
u
tại điểm D (
u
đợc giả thiết nhỏ thua khả năng biến dạng của khớp dẻo). Trong trờng hợp
này, thế năng lớn nhất tích luỹ trong hệ kết cấu khi đạt tới chuyển vị ngang
u
đợc biểu thị qua diện tích hình thang OADE. Khi trở lại vị trí cân bằng ban
đầu, phần năng lợng chuyển thành động năng đợc biểu thị qua diện tích
hình tam giác DEG, trong khi phần năng lợng biểu diễn qua diện tích hình
bình hành OADG đợc phân tán qua khớp dẻo dới dạng nhiệt, ma sát và các
dạng năng lợng khác không thu hồi đợc.
