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

BỘ 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 số: 9580201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội- Năm 2023


BỘ 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 số: 9580201

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Phạm Xuân Đạt
2. PGS. TS. Nguyễn Ngọc Tân

Hà Nội - Năm 2023


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được cơng bố. Các dữ liệu
tham khảo được trích dẫn đầy đủ.
Nghiên cứu sinh

Đỗ Kim Anh


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS. Phạm
Xuân Đạt và PGS.TS. Nguyễn Ngọc Tân đã tận tình hướng dẫn, thường xuyên động viên,
giúp đỡ tác giả trong suốt q trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn tập thể các Thầy, Cơ Bộ mơn Thí nghiệm và Kiểm định
cơng trình, Phịng thí nghiệm LAS-XD125, Bộ mơn Cơ học Kết cấu, Khoa Xây dựng Dân
dụng và Cơng nghiệp, Phịng Quản lý đào tạo đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian
tác giả nghiên cứu tại Bộ môn và Khoa.
Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thành viên trong gia đình
đã tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt q trình học tập, nghiên cứu và hoàn
thành luận án.
Nghiên cứu sinh: Đỗ Kim Anh


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................ii
MỤC LỤC................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT...................................................x
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ..............................................................xii
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu................................................................................2
2. Mục đích nghiên cứu............................................................................................3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..........................................................................3
4. Cơ sở khoa học của đề tài nghiên cứu....................................................................3
5. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................4
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu................................................4
7. Những đóng góp mới của luận án..........................................................................4
8. Nội dung và cấu trúc của luận án...........................................................................5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP.....................6
CHỊU BIẾN DẠNG LỚN..........................................................................................6
1.1. Khái niệm và phân loại sụp đổ lũy tiến................................................................6
1.1.1. Khái niệm sụp đổ lũy tiến cơng trình............................................................6
1.1.2. Phân loại sụp đổ lũy tiến cơng trình.............................................................6
1.2. Một số vụ sụp đổ lũy tiến điển hình.....................................................................7
1.2.1. Siêu thị Sampoong, Seoul, Hàn Quốc, năm 1995 [47]...................................7
1.2.2. Nhà đỗ xe Pipers Row, Wolverhampton, nước Anh, năm 1997 [32]................8
1.2.3. Chung cư Ronan Point, Luân Đôn, nước Anh, năm 1968 [53].......................8
1.2.4. Tòa nhà Alfred P. Murrah, Oklahoma, Hoa Kỳ, năm 1995 [40, 49]................9


1.2.5. Trung tâm thương mại thế giới, New York, Hoa Kỳ, năm 2001 [63].............10
1.2.6. Các trường hợp sụp đổ khác do phá hoại chọc thủng..................................11
1.3. Tổng quan về các nghiên cứu chống sụp đổ lũy tiến............................................11

1.3.1. Nghiên cứu thực nghiệm..........................................................................11
1.3.1.1. Wood (1961) [72].....................................................................................................................11
1.3.1.2. Park [50, 51, 52]........................................................................................................................12
1.3.1.3. Taylor [69]................................................................................................................................14
1.3.1.4.

Brotchie & Holley [16]..........................................................................................................14

1.3.1.5.

Guice & Rhomberg [27].......................................................................................................15

1.3.1.6. Foster [67]...............................................................................................................................16
1.3.1.7. Bailey [13,14,15].......................................................................................................................17
1.3.1.8. Gouverneur [22].......................................................................................................................18
1.3.1.9. Dat Pham [55 - 59]....................................................................................................................19
1.3.1.10.

Russell [62]......................................................................................................................21

1.3.1.11.

Qian và Li [34]..................................................................................................................21

1.3.1.12.

Cao Duy Khôi [3]...............................................................................................................22

1.3.1.13.

Hà Mạnh Hùng và cộng sự [2]............................................................................................22

1.3.1.14.

Trần Quốc Cường và cộng sự [1, 20]...................................................................................23

1.3.2. Nghiên cứu mô phỏng số..........................................................................25
1.3.2.1. Phạm Anh Tuấn và cộng sự [54].........................................................25
1.3.2.2. Lưu [37]...........................................................................................26
1.3.2.3. Olmati và cộng sự [42].......................................................................27
1.4. Tổng quan về tiêu chuẩn thiết kế chống sụp đổ lũy tiến.......................................27
1.4.1. Tiêu chuẩn Châu Âu và Anh.....................................................................29
1.4.2. Tiêu chuẩn Hoa Kỳ..................................................................................29
1.4.2.1. Phương pháp lực giằng.....................................................................30
1.4.2.2. Phương pháp kháng cục bộ đặc biệt...................................................31
1.4.2.3. Phương pháp đường truyền tải trọng thay thế......................................32
1.5. Tổng quan về ứng xử của sàn phẳng BTCT sau khi bị mất cột.............................33
1.5.1. Các hiệu ứng sau khi mất cột....................................................................34


1.5.2. Cơ chế chịu lực thứ cấp trong sàn phẳng BTCT sau khi bị mất cột................34
1.6. Những vấn đề còn tồn tại và nội dung nghiên cứu của luận án.............................38
1.7. Nhận xét chương 1..........................................................................................39
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA SÀN PHẲNG BÊ
TƠNG CỐT THÉP CĨ MŨ CỘT...........................................................................40
2.1. Mục tiêu của nghiên cứu thực nghiệm...............................................................40
2.2. Cơ sở xây dựng mơ hình thí nghiệm.................................................................40
2.2.1. Xác định tỉ lệ mơ hình thí nghiệm..............................................................42
2.2.2. Xác định bề rộng sàn mở rộng..................................................................43
2.2.3. Cơ sở để thiết kế liên kết khớp chân cột và chiều cao cột..............................43

2.3. Mơ hình thí nghiệm.........................................................................................44
2.4. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm........................................................................48
2.4.1. Vật liệu bê tơng.......................................................................................48
2.4.1.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông............................48
2.4.1.2. Thí nghiệm xác định mơđun đàn hồi của bê tơng.................................48
2.4.2. Vật liệu cốt thép.......................................................................................49
2.4.3. Thiết kế năm cột thép đỡ mẫu thí nghiệm....................................................50
2.4.3.1. Liên kết cứng tại đầu cột...................................................................52
2.4.3.2. Cấu tạo liên kết khớp tại chân cột.......................................................53
2.4.3.3. Cẩu lắp mẫu thí nghiệm....................................................................54
2.5. Tải trọng tác dụng...........................................................................................54
2.5.1. Dạng tải trọng và giá trị tải trọng..............................................................54
2.5.2. Biện pháp tạo tải trọng phân bố đều..........................................................55
2.6. Thiết bị và dụng cụ đo và quy trình thí nghiệm...................................................57
2.6.1. Các thiết bị và dụng cụ đo........................................................................57
2.6.2. Đo chuyển vị của sàn...............................................................................59
2.6.3. Đo biến dạng trong cốt thép sàn................................................................61


2.6.4. Đo biến dạng trong cột thép đỡ bản sàn.....................................................63
2.6.5. Quy trình thí nghiệm................................................................................63
2.6.6. Kiểm tra sự làm việc của liên kết giữa cột thép với bản sàn..........................64
2.7. Phân tích kết quả thí nghiệm.............................................................................65
2.7.1. Sự phát triển vết nứt và cơ chế phá hoại.....................................................65
2.7.1.1. Mẫu SPMC1....................................................................................65
2.7.1.2. Mẫu SPMC2....................................................................................66
2.7.2. Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị..........................................................67
2.7.2.1. Mẫu SPMC1....................................................................................67
2.7.2.2. Mẫu SPMC2....................................................................................69
2.7.2.3. So sánh hai mẫu SPMC1 và SPMC2..................................................71

a) Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị............................................................................................71
b) Tỉ lệ tải trọng truyền về cột.........................................................................................................72

2.7.3. Sự xuất hiện của cơ cấu màng căng trong sàn phẳng..................................73
2.7.3.1. Thời điểm cơ chế màng căng xuất hiện...............................................73
2.7.3.2. Chuyển vị ngang của hai đầu cột C1 và C5..........................................75
a)

Mẫu SPMC1........................................................................................75

b)

Mẫu SPMC2........................................................................................76

2.7.3.3. Chuyển vị LVDT 1 & 5 trên mẫu SPMC1 & SPMC2.........................77
2.7.4. Đánh giá hiệu quả cơ cấu màng căng với sức kháng sụp đổ của sàn.............79
2.7.5. Đánh giá vai trò của mũ cột......................................................................88
2.7.5.1. Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị....................................................88
a)

Cặp mẫu mất CBCG: SPMC1 và SP1....................................................88

b)

Cặp mẫu mất CBG: SPMC2 và SP3.......................................................89

2.7.5.2. Tỉ lệ tải trọng truyền về cột................................................................90
a)

Cặp mẫu mất CBCG: SPCM1 và SP1....................................................90

b)

Cặp mẫu mất CBG: SPMC2 và SP3.......................................................92

2.7.5.3. Biến dạng cốt thép............................................................................95
a)

Cặp mẫu mất CBCG: SPMC1 với SP1...................................................95


b)

Cặp mẫu mất CBG: SPMC2 với SP3......................................................96

c)

Cặp mẫu: SPMC2 và SPMC1................................................................97

2.8. Nhận xét chương 2..........................................................................................98
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU SÀN PHẲNG BTCT CĨ
MŨ CỘT BẰNG MƠ PHỎNG SỐ VÀ KHẢO SÁT THAM SỐ...........................100
3.1. Giới thiệu.....................................................................................................100
3.2. Xây dựng mơ hình số sàn phẳng có mũ cột SPMC1 và SPMC2........................101
3.2.1. Lựa chọn loại phần tử hữu hạn cho mơ hình.............................................101
3.2.1.1. Bê tơng.........................................................................................102
3.2.1.2. Cốt thép........................................................................................103
3.2.2. Mơ hình hóa sự liên kết giữa cốt thép và bê tông.........................................103
3.2.3. Điều kiện biên.........................................................................................104
3.2.3.1. Liên kết đầu cột với sàn..................................................................104

3.2.3.2. Liên kết khớp tại chân cột...............................................................105
3.2.4. Mô phỏng tải trọng phân bố đều................................................................106
3.2.5. Mơ hình vật liệu.......................................................................................106
3.2.5.1. Mơ hình vật liệu bê tơng.................................................................106
3.2.5.2. Mơ hình vật liệu cốt thép................................................................110
3.2.6. Kiểm tra các thơng số kỹ thuật của mơ hình số..........................................111
3.2.6.1. Kí hiệu và khai báo thông số đầu vào cho LS-DYNA.........................111
3.2.6.2. Kiểm tra độ hội tụ của lưới chia rời rạc phần tử hữu hạn.....................112
3.2.6.4. Hiệu ứng đồng hồ cát (hourglass effect).............................................114
3.3. Kiểm chứng độ tin cậy của mơ hình số bằng kết quả thực nghiệm......................115
3.3.1. Sàn phẳng không mũ bị mất CBCG (SP1) hoặc mất CBG (SP3).................117
3.3.1.1. Dạng phá hoại...............................................................................117
3.3.1.2. Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị.................................................117
3.3.1.3. Tỉ lệ tải trọng truyền vào cột............................................................118
3.3.1.4. Biến dạng cốt thép.........................................................................119


3.3.2. Sàn phẳng có mũ bị mất CBCG (SPMC1) hoặc mất CBG (SPMC2).............121
3.3.2.1. Dạng phá hoại...............................................................................121
3.3.2.2. Quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng.................................................122
3.3.2.3. Tỉ lệ tải trọng truyền vào cột............................................................123
3.3.2.4. Biến dạng cốt thép.........................................................................124
3.3.3. Kiểm chứng bằng phá hoại chọc thủng......................................................126
3.3.3.1 Sàn phẳng khơng có mũ cột.............................................................128
a) Mất CBCG........................................................................................128
b) Mất CBG...........................................................................................129
3.3.3.2. Sàn phẳng có mũ cột......................................................................130
a) Mất CBCG........................................................................................130
b) Mất CBG...........................................................................................130
3.3.4. Kiểm chứng bằng thực nghiệm của Genikomsou và Polak [25, 26].............131

3.4.Khảo sát ảnh hưởng của tham số đến sức kháng của sàn phẳng có mũ cột ……….133
3.4.1. Hàm lượng cốt thép sàn.........................................................................134
3.4.2. Cường độ chịu nén của bê tông...............................................................135
3.4.3. Vị trí mất cột.........................................................................................136
3.4.5. Chiều dày mũ cột...................................................................................139
3.4.6. Kích thước mũ cột..................................................................................140
3.5. Khảo sát vai trò của mũ cột............................................................................141
3.5.1. Tỉ lệ tải trọng của cột ở sàn không mũ hoặc có mũ, bị mất CBCG...............141
3.5.2. Tỉ lệ tải trọng của cột ở sàn không mũ, trước và sau mất CBCG.................142
3.5.3. Tỉ lệ tải trọng của cột ở sàn có mũ, trước và sau mất CBCG......................144
KẾT LUẬN............................................................................................................ 148
DANH MỤC BÀI BÁO VÀ CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ............149
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................150


PHỤ LỤC.............................................................................................................PL1
A. Thiết kế sàn ở cơng trình thực...........................................................................PL1
B. Kết quả thí nghiệm mẫu SPMC1......................................................................PL4
C. Kết quả thí nghiệm mẫu SPMC2......................................................................PL8
D. Kết quả tính từ mơ hình số LS-DYNA của mẫu SPMC1..................................PL11
E. Kết quả tính từ mơ hình số LS-DYNA của mẫu SPMC2..................................PL17


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
As

Diện tích tiết diện cắt ngang

ACI

American Concrete Institute - Viện bê tông Mỹ

ALP

Alternative load path - Đường truyền tải trọng thay thế

ASCE

American Society of Civil Engineers - Hội kỹ sư Mỹ

BTCT

Bê tông cốt thép

BSG

Bottom strain gauge - Thiết bị đo biến dạng gắn ở cốt thép lớp dưới

CBCG

Cột biên cận góc

CBG

Cột biên giữa

CCDC

Cơ cấu dây căng

CCMC

Cơ cấu màng căng

CCMN

Cơ cấu màng nén

CCU

Cơ cấu uốn

DoD

Department of Defense - Bộ quốc phòng

ĐTTTTT

Đường truyền tải trọng thay thế

Ec

Mô đun đàn hồi của bê tông

Es

Mô đun đàn hồi của cốt thép

FEM

Mô phỏng số

GSA

General Services Administration - Ủy ban dịch vụ cơng

Is

Mơ-men qn tính của cột thép tròn

LVDT

Linear variable differential transformer - Thiết bị đo chuyển vị

PHLT

Phá hủy lũy tiến

Pn

Tải trọng gây nứt

Pph

Tải trọng phá hoại

Pcp

Tải trọng cho phép

Φ

Hệ số giảm cường độ

TSG

Top strain gauge - Thiết bị đo biến dạng gắn ở cốt thép lớp trên

UFC

Unified Facilities Criteria - Tiêu chí cơ sở hợp nhất

WM

Đóng góp của mô-men dương cho sức kháng tải


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Tổ hợp tải trọng thiết kế SĐLT.....................................................................33
Bảng 1. 2. Một số hạn chế được cải tiến trong luận án...................................................38
Bảng 2. 1. Hàm lượng cốt thép thiết kế thực tế quy đổi sang thí nghiệm...........................45
Bảng 2. 2. Thơng tin chi tiết của hai mẫu thí nghiệm......................................................45
Bảng 2. 3. Cấp phối bê tông........................................................................................48
Bảng 2. 4. Đặc trưng cơ lý của cốt thép........................................................................50
Bảng 2. 5. Quy đổi thơng số cột vng BTCT sang cột thép trịn, rỗng.............................52
Bảng 2. 6. Thông số kỹ thuật của các thiết bị đo............................................................59
Bảng 2. 7. So sánh khả năng chịu lực và biến dạng của SPMC1 và SPMC2.....................72
Bảng 2. 8. So sánh một số thông số đặc trưng của mẫu SPMC1 với SPMC2....................77
Bảng 2. 9. Mômen uốn tới hạn của tiết diện..................................................................83
Bảng 2. 10. Thơng số hai cấu hình đường dẻo...............................................................84

Bảng 2. 11. Khả năng chịu lực theo hai cấu hình đường dẻo...........................................84
Bảng 2. 12. Lực dọc trong ba cột C1, C3, C5 đo từ thí nghiệm........................................84
Bảng 2. 13. Tính mơ-men đầu cột theo mô-men đo được tại tiết diện 1-1..........................84
Bảng 2. 14. Bảng tính mơ-men âm trong thực tế so với lý thuyết......................................85
Bảng 2. 15. Tải trọng và hệ số tăng sức kháng tải do CCMC..........................................86
Bảng 2. 16. Khả năng chịu lực theo lý thuyết và thực tế của SPMC1 và SPMC2...............86
Bảng 2. 17. Khả năng chịu lực thực tế và theo lý thuyết đường dẻo âm & dương của
SPMC1 & SPMC2.....................................................................................................86
Bảng 2. 18. So sánh mẫu SPMC1 với SP1 ở chuyển vị LVDT3 = 90mm..........................92
Bảng 2. 19. So sánh mẫu SPMC1 với SP1 ở cấp tải cuối cùng........................................92
Bảng 2. 20. So sánh mẫu SP3 với SPMC2 ở chuyển vị LVDT3 = 79 mm.........................94
Bảng 2. 21. So sánh mẫu SP3 và SPMC2 ở cấp tải cuối cùng.........................................94
Bảng 2. 22. So sánh vai trò của mũ cột giữa cặp mẫu mất CBCG và CBG.......................95
Bảng 3. 1. Thông số cần khai báo cho LS-DYNA.........................................................112
Bảng 3. 2. Thông tin chi tiết ba lưới chia rời rạc phần tử..............................................113
Bảng 3. 3. Tỉ lệ tải trọng của cột ở SPMC1 và SPMC2 từ thí nghiệm và FEM................124


Bảng 3. 4. Sức kháng sụp đổ của SPMC1 khi thay đổi cường độ nén của bê tông 136 Bảng
3. 5. Sức kháng sụp đổ của SPMC2 khi thay đổi cường độ nén của bê tông 136 Bảng 3. 6.
So sánh sức kháng tới hạn ứng với năm vị trí mất cột khác nhau

138

Bảng 3. 7. Tỉ lệ tải trọng của cột ở sàn khơng mũ hoặc có mũ, khi mất CBCG

142

Bảng 3. 8. Tỉ số tải trọng của cột ở sàn không mũ, trước và sau mất CBCG

144

Bảng 3. 9. Tỉ số tải trọng của cột ở sàn có mũ, trước và sau mất CBCG.........................146

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Sụp đổ dạng cờ Đơ-mi-nơ..............................................................................6
Hình 1. 2. Các loại sụp đổ lũy tiến [35]..........................................................................7
Hình 1. 3. Sụp đổ tịa nhà 2000 Commonwealth Avenue [68]...........................................7
Hình 1. 4. Siêu thị Sampoong trước và sau sụp đổ [47]....................................................7
Hình 1. 5. Sụp đổ nhà đỗ xe Pipers Row [32].................................................................8
Hình 1. 6. Sụp đổ tòa nhà Ronan Point (The Daily Telegraph, 1968)................................9
Hình 1. 7. Sụp đổ tịa nhà Alfred P. Murrah [40, 49].......................................................9
Hình 1. 8. Sụp đổ trung tâm thương mại thế giới [63]....................................................10
Hình 1. 9. Quan hệ tải trọng - độ võng quy ước [72]......................................................12
Hình 1. 10. Quan hệ tải trọng - độ võng [50]................................................................13
Hình 1. 11. Quan hệ tải trọng - độ võng [69]................................................................14
Hình 1. 12. Quan hệ lực - độ võng [16]........................................................................15
Hình 1. 13. Quan hệ tải trọng - chuyển vị [27]..............................................................16
Hình 1. 14. Sơ đồ gia tải trọng phân bố [67].................................................................17
Hình 1. 15. Cơ cấu màng căng trong sàn có biên kê tự do [13, 14, 15]............................17
Hình 1. 16. Hình ảnh phá hoại của sàn kê tự do............................................................17
Hình 1. 17. Hệ lực màng kéo và nén trong mặt phẳng [13, 14]......................................17
Hình 1. 18. Trạng thái giới hạn của sàn [13, 14]...........................................................17
Hình 1. 19. Sơ đồ thí nghiệm [22]................................................................................19
Hình 1. 20. Mơ hình thí nghiệm [55]............................................................................20
Hình 1. 21. Gia tải tĩnh bằng bao cát [62]....................................................................21
Hình 1. 22. Sơ đồ gia tải phân bố và tập trung [34].......................................................22


Hình 1. 23. Khả năng chịu lực của cơ cấu dây xích.......................................................23

Hình 1. 24. Sơ đồ đường dẻo của mẫu thí nghiệm [1]....................................................24
Hình 1. 25. Khả năng chịu lực ứng với vị trí mất cột khác nhau [54]...............................25
Hình 1. 26. Mặt bằng hệ kết cấu..................................................................................26
Hình 1. 27. Phương pháp lực giằng.............................................................................31
Hình 1. 28. Mơ hình loại bỏ cột theo phương pháp ĐTTTTT..........................................32
Hình 1. 29. Sự tăng nội lực trong dầm khi mất gối tựa giữa............................................34
Hình 1. 30. So sánh khả năng chịu lực của CCDC và CCU [57].....................................35
Hình 1. 31. Sự hình thành CCMC trong sàn mất CBCG [58].........................................37
Hình 1. 32. Sự mất ổn định cột góc do lực kéo của CCMC [58]......................................37
Hình 1. 33. ĐTTTTT khi CBG bị phá hoại [40].............................................................37
Hình 2. 1. Mơ hình kết cấu cơng trình trong thực tế.......................................................41
Hình 2. 2. Ơ sàn một tầng điển hình trong cơng trình.....................................................41
Hình 2. 3. Sự tương tự giữa ngun hình và mơ hình.....................................................42
Hình 2. 4. Kích thước hình học của mơ hình thí nghiệm.................................................43
Hình 2. 5. Kích thước hình học của cột trong mơ hình thí nghiệm...................................44
Hình 2. 6. Kích thước mẫu sàn thí nghiệm....................................................................44
Hình 2. 7. Cấu tạo cốt thép trong mẫu thí nghiệm SPMC1.............................................46
Hình 2. 8. Cấu tạo cốt thép trong mẫu thí nghiệm SPMC2.............................................47
Hình 2. 9. Quan hệ ứng suất - biến dạng trong bê tơngLỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác
định.
Hình 2. 10. Biểu đồ ứng suất - biến dạng Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định.
Hình 2. 11. Cấu tạo cột thép đỡ mẫu thí nghiệm............................................................51
Hình 2. 12. Cấu tạo liên kết cứng tại đầu cột.................................................................52
Hình 2. 13. Liên kết khớp tại chân cột..........................................................................53
Hình 2. 14. Hệ khung thép cẩu lắp mẫu thí nghiệm........................................................54
Hình 2. 15. Sơ đồ gia tải trên mẫu SPMC1...................................................................55
Hình 2. 16. Sơ đồ gia tải trên mẫu SPMC1 ở cấp tải trọng cuối cùng..............................56
Hình 2. 17. Sơ đồ gia tải trên mẫu SPMC2 ở cấp tải trọng cuối cùng..............................56

Hình 2. 18. Sơ đồ gia tải ở phần sàn mở rộng và cách tạo tải trọng.................................57
Hình 2. 19. Các thiết bị đo sử dụng trong thí nghiệm.....................................................57
Hình 2. 20. Sơ đồ bố trí thí nghiệm của mẫu SPMC1 và SPMC2....................................58
Hình 2. 21. Vị trí LVDT trên hai mẫu SPMC1 và SPMC2..............................................59
Hình 2. 22. Vị trí lắp LVDT trên mẫu SPMC1 và SPMC2..............................................60
Hình 2. 23. Vị trí gắn SG vào cốt thép sàn lớp dưới của mẫu SPMC1..............................61
Hình 2. 24. Vị trí gắn SG vào cốt thép sàn lớp trên của mẫu SPMC1...............................61
Hình 2. 25. Vị trí gắn SG trên mẫu SPMC2..................................................................62
Hình 2. 26. Bốn vị trí SG gắn trên cột thép....................................................................63
Hình 2. 27. Sự cân bằng giữa ngoại lực và nội lực.........................................................64
Hình 2. 28. Ứng xử của mẫu SPMC1...........................................................................65
Hình 2. 29. Ứng xử của mẫu SPMC2...........................................................................66
Hình 2. 30. Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của mẫu SPMC1..................................68
Hình 2. 31. Quan hệ tải trọng - chuyển vị của mẫu SPMC2............................................69
Hình 2. 32. Quan hệ tải trọng - chuyển vị của mẫu SPMC1 với SPMC2..........................71
Hình 2. 33. Tỉ lệ tải trọng truyền về cột của SPMC1 và SPMC2......................................72
Hình 2. 34. Biến dạng cốt thép BSG1 và TSG11 trên SPMC1.........................................74
Hình 2. 35. Biến dạng cốt thép BSG1 và TSG11 trên SPMC2.........................................74
Hình 2. 36. Biến dạng kéo trong cốt thép lớp trên TSG13 ở gần cột C3...........................75
Hình 2. 37. Chuyển vị ngang hai đầu cột C1 & C5 trong mẫu SPMC1............................75
Hình 2. 38. Chuyển vị ngang hai đầu cột C1 & C5 trong mẫu SPMC2............................76
Hình 2. 39. Chuyển vị đứng tại điểm giữa cạnh ngắn trên mẫu SPMC1...........................77
Hình 2. 40. Chuyển vị đứng tại điểm giữa cạnh ngắn trên mẫu SPMC2...........................78
Hình 2. 41. Hai cấu hình đường dẻo giả định trên vết nứt thí nghiệm...............................80
Hình 2. 42. Sự cân bằng đầu cột..................................................................................85
Hình 2. 43. Khả năng chịu lực của CCMC và CCU trong hệ có mũ cột...........................87
Hình 2. 44. So sánh quan hệ tải trọng - chuyển vị trong cặp mẫu mất CBCG...................88
Hình 2. 45. So sánh quan hệ tải trọng - chuyển vị trong cặp mẫu mất CBG......................90
Hình 2. 46. So sánh tỉ lệ tải trọng truyền về cột của mẫu SPMC1 với SP1........................91

Hình 2. 47. So sánh tỉ lệ tải trọng truyền về cột của mẫu SPMC2 với SP3........................93
Hình 2. 48. Biến dạng cốt thép trong hệ mất CBCG: SPMC1 với SP1.............................95
Hình 2. 49. Biến dạng cốt thép trong hệ mất CBG: SPMC2 với SP3................................96
Hình 2. 50. Biến dạng cốt thép trong mẫu SPMC2 với SPMC1.......................................97
Hình 3. 1. Các loại phần tử trong LS-DYNA [39]........................................................101
Hình 3. 2. Mơ hình phần tử bê tơng............................................................................102
Hình 3. 3. Mơ hình phần tử cốt thép...........................................................................103
Hình 3. 4. Mơ hình liên kết giữa cốt thép và bê tơng.....................................................103
Hình 3. 5. Mơ hình liên kết cứng giữa cột và sàn.........................................................105
Hình 3. 6. Mơ phỏng liên kết khớp tại chân cột với sàn thí nghiệm.................................105
Hình 3. 7. Quan hệ tải trọng - thời gian trong mơ hình số.............................................106
Hình 3. 8. Quan hệ ứng suất - biến dạng theo mô hình CSCM [42, 43, 44]....................107
Hình 3. 9. Đặc trưng cơ lý của mơ hình bê tơng CSCM [42, 43, 44]..............................108
Hình 3. 10. Hình ảnh phá hoại từ thí nghiệm và FEM khi thay đổi ε..............................109
Hình 3. 11. Quan hệ ứng suất - biến dạng trong cốt thép [29].......................................110
Hình 3. 12. Quan hệ ứng suất - biến dạng của mơ hình MAT_003 [29].........................110
Hình 3. 13. Mơ hình số hai mẫu sàn phẳng có mũ cột SPMC1 và SPMC2.....................111
Hình 3. 14. Kiểm tra độ hội tụ của lưới chia rời rạc phần tử.........................................112
Hình 3. 15. Quan hệ tỉ số (động năng/nội năng) - chuyển vị..........................................114
Hình 3. 16. Hiệu ứng đồng hồ cát trong mơ hình số LS-DYNA......................................114
Hình 3. 17. Lưới chia đều và lưới chia khơng đều........................................................115
Hình 3. 18. Sơ đồ thí nghiệm sàn phẳng khơng mũ của Trần Quốc Cường [1]...............116
Hình 3. 19. Hình ảnh phá hoại của thí nghiệm và FEM................................................117
Hình 3. 20. Quan hệ tải trọng - chuyển vị của thí nghiệm và FEM.................................118
Hình 3. 21. Tỉ lệ tải trọng truyền vào cột ở SP1 từ thí nghiệm và FEM...........................119
Hình 3. 22. Tỉ lệ tải trọng truyền vào cột ở SP3 từ thí nghiệm và FEM...........................119
Hình 3. 23. Vị trí đo biến dạng trên SP1 và SP3..........................................................120
Hình 3. 24. Quan hệ biến dạng - chuyển vị của hai mẫu từ thí nghiệm và FEM..............120
Hình 3. 25. Vết nứt số 2 trên SPMC2 từ thí nghiệm và FEM.........................................121

Hình 3. 26. Vết nứt số 5 SPMC2 thu được từ thực nghiệm và FEM...............................121
Hình 3. 27. Hình ảnh phá hoại của SPMC2 từ thực nghiệm và FEM.............................122
Hình 3. 28. Quan hệ tải trọng - chuyển vị ở hai mẫu từ thí nghiệm và FEM....................122
Hình 3. 29. Tỉ lệ tải trọng truyền vào cột ở SPMC1 từ thí nghiệm và FEM.....................123
Hình 3. 30. Tỉ lệ tải trọng truyền vào cột ở SPMC2 từ thí nghiệm và FEM.....................123
Hình 3. 31. Ba vị trí biến dạng cốt thép trên SPMC1 và SPMC2...................................124
Hình 3. 32. Quan hệ biến dạng - chuyển vị trên SPMC1 từ thí nghiệm và FEM..............125
Hình 3. 33. Quan hệ biến dạng - chuyển vị trên SPMC2 từ thí nghiệm và FEM..............125
Hình 3. 34. Cấu tạo vết nứt theo Muttoni [46].............................................................127
Hình 3. 35. Kiểm tra chọc thủng hệ sàn phẳng khơng mũ khi mất CBCG.......................128
Hình 3. 36. Kiểm tra chọc thủng hệ sàn phẳng khơng mũ khi mất CBG.........................129
Hình 3. 37. Kiểm tra chọc thủng hệ sàn phẳng có mũ khi mất CBCG............................130
Hình 3. 38. Kiểm tra chọc thủng hệ sàn phẳng có mũ khi mất CBG...............................131
Hình 3. 39. Dữ liệu thí nghiệm [25, 26] và FEM của mẫu theo LS-DYNA......................132
Hình 3. 40. Quan hệ lực - chuyển vị từ thực nghiệm và FEM........................................132
Hình 3. 41. Hình ảnh phá hoại từ thực nghiệm và FEM...............................................132
Hình 3. 42. Quan hệ tải trọng - chuyển vị khi thay đổi hàm lượng thép sàn.....................134
Hình 3. 43. Quan hệ tải trọng- chuyển vị khi thay đổi cường độ chịu nén bê tơng 135 Hình
3. 44. Quan hệ tải trọng - chuyển vị khi thay đổi vị trí mất cột.......................................137
Hình 3. 45. Quan hệ tải trọng - chuyển vị khi thay đổi hàm lượng thép mũ cột................139
Hình 3. 46. Quan hệ tải trọng - chuyển vị khi thay đổi chiều dày mũ cột.........................140
Hình 3. 47. Quan hệ tải trọng - chuyển vị khi thay đổi kích thước mũ cột........................141
Hình 3. 48. Sự thay đổi tỉ lệ tải trọng truyền vào cột do có thêm mũ cột..........................142
Hình 3. 49. Tỉ lệ tải trọng của cột ở sàn khơng mũ, trước và sau mất CBCG...................143
Hình 3. 50. Tỉ số tải trọng của cột ở sàn không mũ, trước và sau mất CBCG..................144
Hình 3. 51. Tỉ lệ tải trọng của cột ở sàn có mũ, trước và sau mất CBCG........................145
Hình 3. 52. Tỉ số tải trọng của cột ở sàn có mũ, trước và sau mất CBCG.......................145

1

MỞ ĐẦU
Trong khoảng năm thập kỉ vừa qua, thế giới đã chứng kiến một số vụ sụp đổ cơng
trình kinh hồng. Có thể kể đến như vụ sụp đổ chung cư Ronan Point năm 1968, vụ sụp đổ
tòa nhà Murrah Building ở thành phố Oklahoma nước Mỹ năm 1995 và vụ sụp đổ trung tâm
thương mại thế giới năm 2001. Đặc điểm chung của các vụ sụp đổ trên là xuất phát từ một
phá hoại có tính chất cục bộ, nhưng đã kích hoạt phá hoại lan truyền trên diện rộng và gây ra
tổn thất nghiêm trọng về con người và tài sản. Nguyên nhân ban đầu thường là những sự cố
không lường trước, chẳng hạn như: thiên tai, cháy nổ ga, va chạm hoặc tấn công khủng bố.
Khi sự cố bất ngờ xảy ra và làm cơng trình bị đổ, gãy một hoặc vài phần tử kết cấu chịu lực
chính. Sự sụp đổ cứ tiếp diễn như vậy mà khơng có điểm kết thúc nên dạng phá hoại này còn
được gọi là "sụp đổ lũy tiến" (SĐLT) hoặc sụp đổ dây chuyền.
Vì tính chất phức tạp và nghiêm trọng của sụp đổ lũy tiến nên việc phòng chống
SĐLT đã và đang thu hút được sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu ở nhiều quốc gia.
Một số nước như Mỹ, Châu Âu và Singapore đã ban hành các tiêu chuẩn mới để đảm bảo
rằng các cơng trình xây dựng mới hoặc cải tạo lại các cơng trình hiện có của chính phủ đều
đáp ứng được u cầu về phịng chống SĐLT. Ví dụ, tiêu chuẩn mới của GSA - Progressive
collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major
Modernization Projects-2003 [23] và UFC 4-023-03 (Design of Buildings to Resist
Progressive Collapse-2016) [21] đã được áp dụng ngay để cải tạo lại các cơng trình hiện có
của chính phủ Mỹ. Các tiêu chuẩn mới này không chỉ đưa ra các u cầu chặt chẽ về khả
năng bảo tồn hình dạng của cơng trình khi gặp sự cố dẫn đến mất phần tử chịu lực chính,
mà cịn liên tục cập nhật để đảm bảo tính hiệu quả và an tồn của các cơng trình xây dựng.
Để đảm bảo an tồn cho cơng trình, cần phải xác định được tình huống nguy hiểm
nhất có thể xảy ra và thử nghiệm sức chịu tải của cơng trình trong tình huống đó. Thơng
thường, tình huống mất cột chịu lực được coi là tình huống nguy hiểm nhất. Vì vậy, kịch bản
hệ sàn phẳng bị mất cột chịu lực thường được sử dụng để đánh giá sức kháng chống SĐLT
của cơng trình.

1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực
xây dựng dân dụng và công nghiệp, đặc biệt là siêu thị và khu vui chơi giải trí. Bên cạnh ưu
điểm chính là thời gian thi cơng nhanh và chiều cao tầng thông thủy lớn, kết cấu này cịn có
nhược điểm là trọng lượng bản thân lớn, do đó có nguy cơ cao xảy ra phá hoại chọc thủng
khu vực sàn ở đầu cột.
Từ những năm 1970, nghiên cứu về SĐLT đã được thực hiện, tập trung chủ yếu vào
hệ khung BTCT. Số nghiên cứu về hệ sàn phẳng tương đối hạn chế, chỉ có một số ít tác giả
như: Wood [72], Park [50, 51, 52], Taylor [69], Brotchie và Holley
[16] nghiên cứu giải tích và thực nghiệm về sàn phẳng chịu uốn. Guice và Rhomberg [27],
Foster [67] tập trung vào ứng xử của bản sàn BTCT trước và sau nứt. Bailey và cộng sự [13,
14, 15] có một số kết quả giải tích và thực nghiệm về sàn phẳng chịu biến dạng lớn. Gần đây
có Gouverneur [22], Pham Dat [55, 56, 57, 58, 59], Qian và Li [34], Hà Mạnh Hùng [2],
Trần Quốc Cường [1, 20] nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của sàn BTCT khi bị mất cột
chịu lực. Ngồi ra, cịn có một số tác giả Russell [62], Lưu [37], Olmati và cộng sự [48],
Phạm Anh Tuấn và cộng sự [54].
Hiện nay, kết cấu sàn phẳng có mũ cột hoặc khơng có mũ cột vẫn tiếp tục được sử
dụng rộng rãi. Loại kết cấu này vẫn luôn đi kèm với yếu điểm là dễ bị phá hoại chọc thủng.
Sự nguy hiểm của loại phá hoại này là xảy ra đột ngột mà không có dấu hiệu cảnh báo trước.
Trong khi đó, số lượng nghiên cứu về sức kháng SĐLT của loại kết cấu này rất hạn chế.
Nhìn chung, các kết quả nghiên cứu vẫn chưa làm rõ được vai trò và mức độ quan trọng của
cơ chế chịu lực thứ cấp khi hệ kết cấu sàn phẳng gặp sự cố và phải làm việc trong điều kiện
biến dạng lớn. Cơ chế chịu lực thứ cấp được kỳ vọng sẽ thay thế cho cơ chế uốn (CCU)
trước đó, nghĩa là tải trọng sẽ được phân phối lại theo một cách hợp lý hơn để tăng khả năng
chịu lực. Cơ chế chịu lực thứ cấp còn được gọi là đường truyền tải trọng thay thế (ĐTTTTT
là sơ đồ truyền lực trong sàn sau khi mất cột) hoặc cơ cấu chịu lực màng căng (CCMC).
Tuy nhiên, để ĐTTTTT phát huy hiệu quả, trong sàn phải không xảy ra phá hoại
chọc thủng. Nói một cách khác, phá hoại chọc thủng không được xảy ra sớm.