tóm tắt: Nghiên cứu ảnh hưởng của cơ cấu màng tới cơ chế phá hủy của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép có mũ cột khi mất cột biên

luBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

Đỗ Kim Anh

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CƠ CẤU MÀNG
TỚI CƠ CHẾ PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU SÀN PHẲNG
BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ MŨ CỘT KHI MẤT CỘT BIÊN

Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng
Mã sớ: 9580201

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội – Năm 2023


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Xây dựng
Hà Nội.

Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. Phạm Xuân Đạt
PGS. TS. Nguyễn Ngọc Tân

Phản biện 1: TS. Nguyễn Đại Minh
Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Ngọc Phương
Phản biện 3: PGS. TS. Trần Thế Truyền

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ
cấp trường họp tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
vào hồi

giờ

, ngày

tháng

năm 2023.

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc Gia và thư viện
Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép phổ biến trong xây dựng dân
dụng và công nghiệp, đặc biệt là siêu thị và khu vui chơi giải trí.
Ngồi thời gian thi cơng nhanh và chiều cao tầng thông thủy lớn, kết
cấu này có trọng lượng lớn và có nguy cơ phá hoại chọc thủng khu
vực sàn ở đầu cột.
Kể từ những năm 1970, nghiên cứu về sụp đổ lũy tiến chủ yếu
trên hệ khung bê tơng cốt thép cịn trên hệ sàn phẳng tương đối hạn
chế. Có một số tác giả nghiên cứu bằng giải tích và thực nghiệm về
ứng xử của sàn phẳng trước và sau khi nứt. Gần đây, có thêm một số
nghiên cứu bằng thực nghiệm về ứng xử của sàn bê tông cốt thép khi
bị mất cột và đánh giá sức kháng sụp đổ của kết cấu sàn khi kể đến
hiệu ứng màng căng.
Nhìn chung, các kết quả nghiên cứu vẫn chưa làm rõ được vai trò
của cơ chế chịu lực thứ cấp khi hệ kết cấu sàn phẳng gặp sự cố mất

cột. Cơ chế này, được kỳ vọng thay thế cho cơ chế uốn, có khả năng
phân phối lại nội lực hợp lý hơn nên có khả năng chịu lực cao hơn cơ
chế uốn. Cơ chế chịu lực thứ cấp còn được gọi là đường truyền tải
trọng thay thế hoặc cơ cấu chịu lực màng căng.
Tuy nhiên, để đường truyền tải trọng thay thế phát huy hiệu quả,
việc phá hoại chọc thủng không được xảy ra sớm. Vì vậy, đối tượng
nghiên cứu của đề tài là sàn phẳng có mũ cột, nhằm hạn chế khả
năng xảy ra phá hoại chọc thủng trong kết cấu sàn. Đề tài nghiên cứu
là "Nghiên cứu ảnh hưởng của cơ cấu màng tới cơ chế phá hủy
của kết cấu sàn phẳng bê tơng cốt thép có mũ cột khi mất cột".
Mục đích của đề tài là xác định sức kháng còn lại của sàn sau khi
mất một cột, để có thể đưa ra giải pháp ngăn chặn hoặc hạn chế thiệt
hại của sụp đổ lũy tiến.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
- Nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào những khía cạnh sau: sự
phát triển vết nứt, sự phân bố tải trọng vào cột, và sự hình thành và
phát triển cơ cấu màng căng.
- Đánh giá sức kháng sụp đổ của cơ cấu màng căng trong kết cấu
sàn phẳng bê tông cốt thép có mũ cột, nghĩa là xác định tỉ số sức
kháng của cơ cấu màng căng so với cơ chế uốn.


2
- Nghiên cứu mô phỏng số để đánh giá sự ảnh hưởng của các tham
số đến sức kháng sụp đổ của hệ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Sàn phẳng BTCT có mũ cột, chế tạo bằng
bê tông thông thường, tuân thủ các quy định về thiết kế, cấu tạo cốt
thép theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu sự làm việc của sàn phẳng

BTCT có mũ cột với chiều dài nhịp theo hai phương bằng nhau, khi
mất cột biên cận góc hoặc mất cột biên giữa.
4. Cơ sở khoa học của đề tài nghiên cứu
Dựa trên các kết quả nghiên cứu về kết cấu sàn bê tông cốt thép
trong lĩnh vực phòng chống sụp đổ lũy tiến.
5. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp hai phương pháp: thực nghiệm và mô phỏng số.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Ý nghĩa khoa học:
- Làm rõ ứng xử của sàn phẳng BTCT có mũ từ lúc bắt đầu cho đến
khi sụp đổ hồn tồn, góp phần xây dựng các giải pháp giảm thiểu
hậu quả của SĐLT.
- Định tính và định lượng được hiệu ứng chịu lực thứ cấp, đánh giá
được mức độ ảnh hưởng của tham số đến hiệu ứng này. Kết quả
nghiên cứu là cơ sở dữ liệu cần thiết cho thiết kế sàn phẳng BTCT có
mũ cột chống SĐLT.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Việc đánh giá khả năng hạn chế sụp đổ của cơ cấu màng căng
trong kết cấu sàn phẳng bê tơng cốt thép có mũ cột bị biến dạng lớn
sẽ cho ra lời giải chính xác hơn, đồng thời giúp thiết kế cơng trình
hợp lý và hiệu quả hơn.
7. Những đóng góp mới của luận án
- Cung cấp một bộ số liệu thực nghiệm về ứng xử của sàn phẳng
BTCT có mũ cột bị mất một cột bao gồm: cơ chế phá hoại, sự hình
thành và phát triển vết nứt, quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị, quan
hệ giữa biến dạng và chuyển vị. Kết quả này có thể được sử dụng
làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu trong cùng lĩnh vực.
- Xác định được thời điểm xuất hiện CCMC và định lượng hiệu

3
quả của cơ chế chịu lực thứ cấp so với cơ chế uốn trong hệ sàn phẳng
có mũ cột.
- Xây dựng được mơ hình PTHH bằng phần mềm LS-DYNA cho
phép phân tích phi tuyến sự làm việc của sàn phẳng BTCT có mũ cột
khi mất CBG hoặc mất CBCG ở trạng thái biến dạng lớn. Thơng qua
mơ hình số, khảo sát sự ảnh hưởng của tham số đến sức kháng của
sàn để đưa ra kiến nghị và áp dụng.
8. Nội dung và cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm phần mở đầu, 3 chương và phần kết luận kiến nghị
với cấu trúc như sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về sàn phẳng bê tông cốt thép chịu biến dạng
lớn.
Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của sàn phẳng bê tơng
cốt thép có mũ cột.
Chương 3: Nghiên cứu ứng xử của kết cấu sàn phẳng bê tơng cốt
thép có mũ cột bằng mô phỏng số và khảo sát tham số.
Kết luận và kiến nghị
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT
THÉP CHỊU BIẾN DẠNG LỚN
1.1. Khái niệm về sụp đổ lũy tiến, một số dạng sụp đổ lũy tiến và một
sớ vụ sụp đổ lũy tiến điển hình

Hình 1.4. Siêu thị Sampoong trước và sau khi bị sụp đổ

Khái niệm sụp đổ lũy tiến
"Sụp đổ lũy tiến công trình là sự lan truyền phá hoại từ cấu kiện
này sang cấu kiện khác, xuất phát từ một sự cố cục bộ ban đầu và
cuối cùng dẫn tới sự sụp đổ của một phần lớn không tương xứng với

nguyên nhân ban đầu, hoặc thậm chí của tồn bộ kết cấu".


4
SĐLT được phân loại theo phương pháp hoại lan truyền, bao gồm
những loại sau đây: bánh kếp, dây kéo, Đô-mi-nô, mặt cắt, không ổn
định, hỗn hợp. Một số vụ sụp đổ lũy tiến điển hình (Hình 1.4 và 1.7).

Hình 1.7. Sụp đổ tòa nhà Alfred

1.2 . Tổng quan về các nghiên cứu chống sụp đổ lũy tiến
1.2.1.Nghiên cứu thực nghiệm
Dat
Pham
thực hiện nghiên
cứu trên sàn dầm
BTCT để đánh
giá sự hình thành
và phát triển của
cơ cấu màng
căng cho trường
hợp mất cột giữa
và cột biên cận
góc, như thể hiện
trên Hình 1.20.
Kết quả nghiên
cứu cho thấy có
sự hình thành cơ
cấu màng căng
đồng thời với cơ

Hình 1.20. Mơ hình thí nghiệm
cấu dây căng trong dầm biên phía trên cột bị phá hoại. Trong đó, nửa
vành cứng đóng vai trị quan trọng để đảm bảo cho kết cấu dầm - sàn
không bị phá hoại cho đến khi độ võng tại vị trí mất cột đạt 10%
chiều dài nhịp.
Qian và Li thực hiện nghiên cứu trên kết cấu sàn phẳng bị mất
cột giữa để xác định ĐTTTT. Kết quả cho thấy: đối với sàn dày, cơ


5
chế phá hoại cuối cùng là cắt. Nếu, sàn chịu tải tập trung tại vị trí mất
cột thì phá hoại cắt xảy ra tại điểm đặt lực, như được thể hiện trên
Hình 1.22. Nếu sàn chịu tải phân bố đều thì bị phá hoại cắt xảy ra tại
cột biên. Đối với sàn mỏng thì khả năng chịu lực của cơ cấu màng
nén và cơ cấu màng căng cao hơn đáng kể so với sàn dày.

Hình 1.22. Sơ đồ gia tải phân bố và tập trung của Qian và Li

1.2.2. Nghiên cứu mô phỏng số
Phạm Anh Tuấn và
cộng sự thực hiện nghiên
cứu bằng mơ phỏng số để
xác định rõ phần đóng góp
của cơ chế dây căng và
màng căng vào sức kháng
của hệ. Kết quả cho thấy:
- Trong kịch bản mất một
cột, hệ dầm và hệ dầm-sàn
có ứng xử khác nhau đối
Hình 1.25. Khả năng chịu lực ứng

với 5 vị trí mất cột
với hai phương pháp chất
tải về khả năng chịu lực và khả năng biến dạng của kết cấu.
- Hiệu ứng màng căng trong sàn phẳng ít nhạy cảm hơn với các
điều kiện biên so với hiệu ứng dây căng trong dầm.
- Hệ mất cột góc và chịu tải trọng phân bố cũng cho thấy sự hình
thành một phần của cả vành nén ở các cạnh của sàn và màng căng ở
giữa sàn.
- Khả năng chịu lực của hệ khi chịu tải trọng phân bố lớn hơn khi
chịu tải trọng tập trung vì nó trải qua giai đoạn tăng tải thứ hai do
hiệu ứng màng phát huy.
Hình 1.25 thể hiện khả năng chịu lực thấp nhất của trường hợp
mất cột cận góc trong năm vị trí mất cột khác nhau.


6
1.3. Tiêu chuẩn thiết kế chống sụp đổ lũy tiến của Hoa Kỳ.
Ba phương pháp chính được sử dụng để thiết kế chống sụp đổ lũy
tiến là: phương pháp kháng cục bộ đặc biệt, phương pháp lực giằng,
và phương pháp đường truyền tải trọng thay thế.
- Phương pháp kháng cục bộ đặc biệt: đảm bảo phần tử chịu lực
chính có đủ khả năng chịu tác động trực tiếp từ nguyên nhân.
- Phương pháp lực giằng: đảm bảo tính liên tục và toàn vẹn của kết
cấu sao cho khi một phần tử chịu lực chính bị phá hoại thì các phần
tử cịn lại vẫn liên kết với nhau, từ đó tải trọng đã phân phối lại hợp
lí hơn để tránh sự sụp đổ, như thể hiện trên Hình 1.27.
- Phương pháp đường truyền tải trọng thay thế: cho phép một hoặc
vài phần tử chịu lực chính bị phá hủy hồn tồn và phần kết cấu còn
lại phải thiết lập được “đường truyền lực mới”, Hình 1.28.

Hình 1.27. Phương pháp
lực giằng

Hình 1.28. Bỏ cột theo phương pháp
đường truyền tải trọng thay thế

1.4. Tổng quan về ứng xử của sàn phẳng BTCT sau khi mất cột
1.4.1. Hiệu ứng nhịp tăng gấp đơi

Hình 1.29. Sự tăng nội lực trong dầm khi mất gối tựa giữa


7
Nếu hệ bị mất một cột thì biểu đồ mơ-men uốn bị ảnh hưởng đáng
kể bởi hiệu ứng động và hiệu ứng gấp đôi nhịp, tương tự như một
dầm liên tục hai nhịp, bị mất gối tựa giữa, mô-men uốn trong dầm
trước và sau khi mất gối tựa B khác nhau hoàn toàn về độ lớn và dấu,
như được minh họa trên Hình 1.29.

Hình 1.31. Sự hình thành cơ cấu màng căng trong sàn BTCT

1.4.2. Cơ chế chịu lực thứ cấp
Hình 1.31 minh họa sự làm việc hai phương và sự hình thành cơ
cấu màng căng trong ơ sàn BTCT khi bị mất cột biên cận góc
(CBCG). Đây là giai đoạn hệ kết cấu làm việc ở trạng thái biến dạng
lớn. Tuy nhiên, để cơ cấu này phát huy hiệu quả thì điều kiện biên
phải có đủ độ bền và độ cứng để ngăn cản chuyển vị ngang tại hai
đầu cột.
1.5. Những hạn chế còn tồn tại và nội dung cần nghiên cứu
Mặc dù đã đạt được nhiều kết quả quan trọng trong lĩnh vực

nghiên cứu SĐLT với kịch bản hệ kết cấu mất cột chịu lực. Tuy
nhiên, lĩnh vực này tương đối mới mẻ so với lý thuyết tính toán kết
cấu BTCT ở trạng thái biến dạng nhỏ. Do đó, một số hạn chế cịn tồn
tại và sẽ được cải tiến hơn trong luận án này, thể hiện trên Bảng 1.2.
Nội dung cần nghiên cứu của luận án:
- Phần nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên hai mẫu sàn
phẳng bê tơng cốt thép có mũ cột để xác định:
• Định lượng sức kháng của cơ cấu màng căng.


8
• Sự hình thành và phát triển vết nứt, cơ chế phá hoại.
• Quan hệ tải trọng - chuyển vị, ứng suất - biến dạng.
- Phần nghiên cứu mô phỏng số gồm: khảo sát sự ảnh hưởng của
tham số đến ứng xử của hệ và đánh giá vai trò của mũ cột. Các
tham số được khảo sát là: Hàm lượng cốt thép sàn, cường độ chịu
nén của bê tông, vị trí mất cột và tham số về mũ cột.
Bảng 1.2. Một số hạn chế được cải tiến trong luận án
STT
1

2
3
4
5

Những hạn chế còn tồn tại
Tập trung chủ yếu vào kết cấu
dầm sàn BTCT, trong khi kết cấu
sàn phẳng BTCT rất hạn chế, đặc

biệt với kích thước lớn.
Mơ hình thực nghiệm và điều
kiện biên còn đơn giản.
Tạo tải trọng phân bố với số
lượng điểm tải hạn chế.
Bỏ qua ảnh hưởng của vùng lân
cận đến khu vực sàn nghiên cứu.
Phá hoại cắt thường xảy ra sớm
nên khó quan sát được sự phát
triển của cơ chế màng căng.

Được cải tiến trong luận án này
Sử dụng hai mẫu sàn phẳng
BTCT có kích thước mẫu tương
đối lớn, với tỉ lệ bằng 1/3 so với
kích thước thực tế.
Mô phỏng điều kiện biên bằng
cách tạo liên kết khớp chân cột.
Tạo tải trọng phân bố bằng 24
điểm đặt tải.
Xét đến ảnh hưởng của vùng lân
cận đến khu vực sàn nghiên cứu.
Khắc phục phá hoại cắt xảy ra
sớm bằng cách cấu tạo thêm mũ
vào đầu cột của hệ sàn phẳng.

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA
SÀN PHẲNG BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ MŨ CỘT
2.1. Mục tiêu của nghiên cứu thực nghiệm
- Nghiên cứu ứng xử của hệ khi bị mất CBCG hoặc mất cột biên

giữa (CBG).
- Đánh giá sức kháng sụp đổ của cơ cấu màng trong sàn phẳng có
mũ cột bê tơng cốt thép.
2.2. Cơ sở xây dựng mơ hình thí nghiệm
2.2.1. Tỉ lệ thu nhỏ và kích thước mẫu thí nghiệm
Từ cơng trình thực tế (Hình 2.1), giả thiết hai tình huống mất cột.
Xét một sàn điển hình và nghiên cứu chỉ tập trung vào khu vực có
cột bị mất, như thể hiện trên Hình 2.2. Kích thước khu vực này được
xác định theo biểu đồ nội lực trong cột và sàn, như được thể hiện trên
Hình 2.4 và Hình 2.5. Sau đó thu nhỏ khu vực này lại ba lần để làm
kích thước cho mẫu thí nghiệm.


9

Hình 2.1. Mơ hình kết cấu cơng trình trong thực tế

Hình 2.2. Ơ sàn một tầng điển hình trong cơng trình

Hình 2.4. Chiều dài và rộng của mơ hình thí nghiệm


10

Hình 2.5. Kích thước của cột trong mơ hình thí nghiệm

2.2.2. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm
Bảng 2.3. Cấp phối bê tơng
Xi măng
PCB40 (kg)

315

Cát vàng
(kg)
680

Đá dăm
1 × 2 (kg)
1240

Nước
(lít)
200

Cường độ chịu nén trung
bình 28 ngày (MPa)
21

Bảng 2.4. Đặc trưng cơ lý của cốt thép
Vật liệu

Đường kính
(mm)

Giới hạn
dẻo
(MPa)

Giới hạn
bền

(MPa)

Mơ đun
đàn hồi
(MPa)

Biến dạng
chảy
(%)

Cốt thép sàn
CB240

6

380

410

200000

22

2.2.3. Năm cột thép đỡ mẫu thí nghiệm
Mơ hình thí nghiệm có năm đầu cột hình vng tiết diện 200 mm
× 200 mm được đúc tồn khối với sàn, được liên kết cố định với năm
cột thép tròn, rỗng bằng liên kết cứng với sàn, như được thể hiện trên
Hình 2.12.

Hình 2.12. Cấu tạo liên kết cứng tại đầu cột

11
2.2.4. Biện pháp gia tải trọng phân bố
Tải trọng phân bố đều được tạo ra bằng 24 điểm đặt tải, thơng qua
8 giá đỡ, như được thể hiện trên Hình 2.16.

Hình 2.16. Sơ đồ gia tải trên mẫu SPMC1
ở cấp tải trọng cuối cùng

2.2.5. Kiểm tra sự làm việc của liên kết giữa cột thép với bản sàn
Tổng lực dọc trong năm cột thép (nội lực) và tải trọng của hai
mẫu được so sánh và thể hiện trên Hình 2.27. Đồ thị thể hiện ngoại
lực và nội lực tương đối bằng nhau trong suốt q trình thí nghiệm.
Trừ số ít ngoại lệ, có sự chênh lệch khơng q 5%. Có nghĩa là, công
tác nghiên cứu thực nghiệm trên hai mẫu sàn phẳng bê tông cốt thép
được tiến hành tốt, đạt độ tin cậy.

Hình 2.27. Sự cân bằng giữa ngoại lực và nội lực


12
2.3. Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm
2.3.1. Sự phát triển vết nứt và cơ chế phá hoại

Hình 2.28. Ứng xử của mẫu SPMC1

Hình 2.29. Ứng xử của mẫu SPMC2

Vết nứt dương số 1 xuất hiện đầu tiên ở mặt dưới mẫu. Tiếp đến, ở

mặt trên mẫu, hai vết nứt âm số 2 và 3 đồng thời xuất. Cuối cùng là
vết nứt âm số 4 và vết nứt dương số 5, như được thể hiện trên Hình
2.28 và 2.29. SPMC1 có vết nứt khơng đối xứng, đạt tải trọng cao
nhất 18 kN/m2 và mẫu bị phá hoại do đầu cột C1 bị kéo vào trong
nhịp. SPMC2 có vết nứt đối xứng, đạt tải trọng cao nhất 21,7 kN/m2
và mẫu bị phá hoại do một vết gãy lớn ở vị trí mép sàn gần cột C1
2.3.2. Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị
Quá trình biến dạng chia thành bốn giai đoạn tương ứng với độ
cứng quy ước khác nhau, như được thể hiện trên Hình 2.30 và 2.31.


13

Hình 2.30. Quan hệ tải trọng - chuyển vị của mẫu SPMC1

Hình 2.31. Quan hệ tải trọng - chuyển vị của mẫu SPMC2

Hình 2.32 so sánh quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của hai
mẫu SPMC1 và SPMC2, rút ra nhận xét sau: Sau giai đoạn đàn hồi,
độ cứng của mẫu SPMC1 giảm nhanh hơn mẫu SPMC2 là do tính
bất đối xứng, vì khả năng hạn chế chuyển vị ngang hai đầu cột C1 và
C5 nhỏ hơn mẫu SPMC2. Vùng biên ngồi của mẫu SPMC2 có tính
đối xứng nên khả năng hạn chế chuyển vị ngang hai đầu cột C1 và
C5 tốt hơn. Chính điều này đã dẫn đến mẫu SPMC2 có khả năng
chịu lực là 21,7 kN/m2 cao hơn 20% so với mẫu SPMC1 là 18 kN/m2,
trong khi đó khả năng chuyển vị của hai mẫu khác nhau không đáng
kể lần lượt là 175,9 mm và 173,4 mm.


14

Hình 2.32. Quan hệ tải trọng - chuyển vị của mẫu SPMC1 & SPMC2

2.3.3. Sự xuất hiện của cơ cấu màng căng

Hình 2.34. Biến dạng cốt thép BSG1 và TSG11 trên SPMC1

Hình 2.35. Biến dạng cốt thép BSG1 và TSG11 trên SPMC2

Thời điểm cơ cấu màng căng xuất hiện là lúc số đọc của TSG11
đổi dấu từ âm sang dương. Hình 2.34 và 2.35 thể hiện quan hệ biến
dạng - chuyển vị của cốt thép tại hai vị trí BSG1 và TSG11 trên hai
mẫu. BSG1 và TSG11 lần lượt được gắn vào cốt thép sàn lớp dưới
và lớp trên, ở vị trí gần sát cột C6 bị mất. BSG1 ln bị biến dạng
kéo vì nó được gắn ở cốt thép sàn lớp dưới. Cụ thể là, khi mẫu
SPMC1 đạt đến chuyển vị fmàng = 122 mm và mẫu SPMC2 đạt đến


15
chuyển vị fmàng = 95 mm, thì số đọc của TSG 11 chuyển dấu từ âm
sang dương và đây chính là thời điểm cơ cấu màng căng xuất hiện.
2.3.4. Hiệu quả của cơ cấu màng căng đến sức kháng của sàn
Hiệu quả của cơ cấu màng căng so với cơ cấu uốn trên hai mẫu
sàn phẳng có mũ cột mất CBCG hoặc CBG thông qua hai tỉ số: khả
năng chịu lực Pgiới hạn/Pyield và khả năng biến dạng fgiới hạn/fyield ,như
Hình 2.43.

Hình 2.43. Khả năng chịu lực của cơ cấu màng căng và
cơ cấu uốn trong sàn phẳng BTCT có mũ cột

16
2.3.5. Vai trò của mũ cột

- Cặp mẫu mất CBCG: SPMC1 và SP1, việc sử dụng mũ cột làm

tăng khả năng chịu lực lên 28,6% và chuyển vị lên 93% so với
mẫu khơng có mũ cột, như được thể hiện trên Hình 2.44.
- Cặp mẫu mất CBG: SPMC2 và SP3, mũ cột làm khả năng chịu
lực tăng thêm 20,5% và chuyển vị tăng thêm 122,6 % so với mẫu
khơng có mũ cột, như được thể hiện trên Hình 2.45.

Hình 2.44. So sánh quan hệ tải trọng - chuyển vị ở mẫu mất CBCG

Hình 2.45. So sánh quan hệ tải trọng - chuyển vị ở mẫu mất CBG


17
2.4. Nhận xét Chương 2

- Mẫu mất CBCG bị phá hoại là do gãy vành chịu nén bên ngồi vì
cột góc C1 bị kéo vào trong gây mất ổn định.

- Mẫu mất CBG bị phá hoại là do đứt màng căng nên sàn bị gãy
gập tại vị trí vết nứt lớn ở mép sàn.

- Việc cấu tạo thêm mũ cột cho hai sàn bị mất cột biên cận góc và

cột biên giữa không chỉ làm khả năng chịu lực tăng lần lượt lên
đến 26,3% và 20,5%, mà còn tăng khả năng chuyển vị lên đến

93% và 122,6%.
- Hiệu ứng chịu lực thứ cấp trong sàn phẳng bê tông cốt thép có mũ
cột khi mất cột biên cận góc hoặc cột biên giữa cho phép tăng khả
năng chịu lực thêm 12,7% hoặc 36% so với khả năng của cơ chế
chịu uốn.
- Tình huống mất cột biên cận góc bất lợi hơn so với mất cột biên
giữa vì khả năng chịu lực thấp hơn 20%.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU SÀN
PHẲNG BTCT CĨ MŨ CỘT BẰNG MƠ PHỎNG SỐ VÀ
KHẢO SÁT THAM SỐ
Để khái quát hóa được ứng xử của hệ sàn phẳng bê tơng cốt thép
có mũ cột khi chịu biến dạng lớn, cần phải thực hiện nghiên cứu trên
mơ hình số. Chương 3 tập trung vào việc xây dựng mơ hình số bằng
chương trình phần tử hữu hạn LS-DYNA cho hai mẫu sàn phẳng
BTCT có mũ cột bị mất cột biên cận góc hoặc cột biên giữa như đã
được trình bày ở chương 2. Sau đó, độ tin cậy của mơ hình số cần
được kiểm chứng. Cuối cùng, sử dụng mơ hình số đủ độ tin cậy để
khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến ứng xử của hệ sàn phẳng có
mũ cột.
3.1. Xây dựng mơ hình sớ sàn phẳng có mũ cột
3.1.1. Mơ hình hóa vật liệu bê tơng, cớt thép và lực bám dính
giữa cớt thép và bê tơng

- Mơ hình hóa cho bê tơng là phần tử có dạng hình hộp chữ nhật

sáu mặt, ứng suất trên mỗi mặt được mặc định là hằng số. Với chiều
dày của hai mẫu là 80 mm, mẫu được mơ hình hóa thành 8 lớp, mỗi
lớp dày 10 mm để hạn chế tối đa hiệu ứng đồng hồ cát. Do đo kích
thước phần tử được chọn là 40 mm × 40 mm × 10 mm.

18

- Phần tử thanh Hughes-Liu được mặc định có ứng suất và biến

dạng không đổi dọc theo trục phần tử chịu kéo hoặc nén, được chọn
để mô phỏng cốt thép.
- Lực bám dính giữa cốt thép và bê tơng được sử dụng theo bằng tùy
chọn “CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID” trong LSDYNA như được thể hiện trên Hình 3.4.

Hình 3.4. Mơ hình liên kết giữa cốt thép và bê tông

3.1.2. Mô phỏng điều kiện biên
Liên kết cứng đầu cột với sàn và liên kết khớp chân cột được tạo
ra bằng cách lần lượt sử dụng tùy chọn “DUPLICATE_NODES” và
“BOUNDARY_SPC_SET” trong LS-DYNA để điều khiển hai bộ
nút cột và hệ nút sàn chập vào nhau, và khai báo “Δx = 1, Δy = 1, Δz =
1 và φz = 1” để chuyển vị thẳng theo ba phương x, y, z và chuyển vị
xoay quanh trục z bị triệt tiêu, như thể hiện trên Hình 3.5 và 3.6.

Hình 3.5. Mơ hình liên kết cứng giữa cột và sàn

Hình 3.6. Mơ phỏng liên kết khớp tại chân cột với sàn thí nghiệm


19
3.1.3. Mơ phỏng tải trọng phân bớ đều

Hình 3.7. Quan hệ tải trọng - thời gian trong mơ hình số

Trọng lượng bản thân và tải trọng phân bố tạo ra bằng cách lần
lượt sử dụng tùy chọn “LOAD_BODY_Z” và “LOAD_NODE_SET”
trong LS-DYNA. Quan hệ của tải trọng theo thời gian được thể hiện
trên Hình 3.7 để đảm bảo tải trọng tăng theo từng cấp tương đương
với thực nghiệm. Tốc độ gia tải được kiểm sốt để khơng phát sinh
hiệu ứng qn tính và đáp ứng được điều kiện tĩnh của thí nghiệm.
3.2. Kiểm chứng độ tin cậy của mơ hình sớ
3.2.1. Hình dạng phá hoại

Hình 3.25. Vết nứt số 2 trên SPMC2 từ thí nghiệm và FEM

Hình 3.26. Vết nứt số 5 SPMC2 thu được từ thực nghiệm và FEM


20
Hình ảnh vết nứt mặt trên và mặt dưới của mẫu SPMC2 thu được
từ hai phương pháp khá tương đồng nhau, như thể hiện trên Hình
3.25, 3.26 và 3.27.

Hình 3.27. Hình ảnh phá hoại của SPMC2 từ thực nghiệm và FEM

3.2.2. Quan hệ tải trọng và chuyển vị

Hình 3.28. Quan hệ tải trọng - chuyển vị của mẫu ở thí nghiệm & FEM

Hình 3.28 thể hiện quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng thu
được từ thí nghiệm và mơ hình số của SPMC1 và SPMC2. Mỗi đồ
thị cho thấy, hai đường cong có sự tương đồng trong suốt quá trình
biến dạng. Điều này cho thấy mơ hình số phản ánh tương đối tốt thí
nghiệm trong giai đoạn biến dạng lớn.

3.2.3. Tỉ lệ tải trọng truyền vào cột
Hình 3.29 và 3.30 thể hiện tỉ lệ tải trọng truyền vào ba nhóm cột
của hai mẫu sàn phẳng có mũ cột SPMC1 và SPMC2, thu được từ
thực nghiệm và mơ hình số. Sáu đồ thị cho thấy có sự khác nhau
đáng kể trong ngắn hạn khi chuyển vị nhỏ. Khi chuyển vị tăng thì hai
phương pháp cho kết quả gần nhau hơn. Như vậy, mơ hình số phản
ánh tương đối phù hợp với ứng xử cơ học của hai mẫu sàn phẳng
BTCT có mũ cột.


21

Hình 3.29. Tỉ lệ tải trọng truyền
vào cột ở SPMC1 từ thí nghiệm &
FEM

Hình 3.30. Tỉ lệ tải trọng truyền
vào cột ở SPMC2 từ thí nghiệm &
FEM

3.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của tham sớ bằng mơ hình sớ
3.3.1. Tham số hàm lượng cốt thép sàn
Khảo sát ba hàm lượng cốt thép sàn khác nhau cho thấy khả năng
chịu lực của hệ mất CBG bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi tham số hàm
lượng cốt thép sàn so với hệ mất CBCG, như thể hiện trên Hình 3.42.


22

Hình 3.42. Quan hệ tải trọng - chuyển vị

khi thay đổi hàm lượng cốt thép sàn

3.3.2. Tham số cường độ chịu nén của bê tông
Khảo sát bốn giá trị cường độ chịu nén bê tơng khác nhau thì thấy
rằng tham số này ảnh hưởng đến sức kháng sụp đổ trong mẫu mất
CBG lớn hơn so với mẫu mất CBCG. Ngoài ra, tham số cường độ
chịu nén của bê tông ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của hệ mất
CBG tương đương với tham số hàm lượng cốt thép đến khả năng
chịu lực của hệ, như được thể hiện trên Hình 3.43.

Hình 3.43. Quan hệ tải trọng - chuyển vị khi thay đổi
cường độ chịu nén của bê tơng

3.3.3. Vị trí mất cột

Hình 3.44. Quan hệ tải trọng - chuyển vị khi thay đổi vị trí mất cột


23
Khảo sát năm vị trí mất cột khác nhau: cột góc, cột biên giữa, cột
biên cận góc, cột trong và cột trong cận góc, như thể hiện trên Hình
3.44. Kết quả cho thấy mất CTCG là nguy hiểm nhất đối vì có sức
kháng sụp đổ nhỏ nhất so với bốn vị trí cịn lại. Kế tiếp đến là vị trí
CBCG, như được thể hiện trên Bảng 3.6.
Bảng 3.6. So sánh sức kháng tới hạn của năm trường hợp mất cột

Cột trong cận góc (CTCG)

Sức kháng tới hạn (kN/m2)
tại chuyển vị tới hạn 150 mm

16,1

Sự chênh lệch
(%)
-31,2

Vị trí mất cột

CBCG

16,5

-29,5

Cột góc (CG)

21,3

-9,0

CBG

21,8

-6,8

Cột trong (CT)

23,4

0

3.3.4. Khảo sát vai trò của mũ cột
Tỉ lệ tải trọng trung bình truyền vào cột C1, C3 và C5 tương ứng
với sàn khơng mũ và có mũ, lần lượt là 20,2%; 40%; 23,5% và
22,4%; 40,5%; 25,3%, như Hình 3.48. Việc có thêm mũ cột dẫn đến
tỉ lệ tải trọng truyền vào cột C1 tăng thêm 10,9%, cột C5 tăng thêm
7,7%, và tăng thêm không đáng kể 1,25% vào cột C3. Như vậy, khi
có thêm mũ cột thì cột C1 bị ảnh hưởng nhiều nhất, sau đó là cột C5.

Hình 3.48. Sự thay đổi tỉ lệ tải trọng truyền vào cột do có thêm mũ cột

3.4. Nhận xét Chương 3

- Tham số hàm lượng cốt thép sàn và cường độ chịu nén của bê

tơng có ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của hệ bị mất cột biên giữa
nhiều hơn hệ bị mất cột biên cận góc. Ba tham số là hàm lượng cốt
thép trong mũ cột, chiều dày mũ cột, và kích thước mũ cột có ảnh
hưởng không đáng kể đến sức kháng sụp đổ của hệ.