tóm tắt luận án hệ số ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép dùng trong tính toán tác động động đất lên công trình xây dựng

1
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 các
vùng này, công trình xây dựng phải đợc thiết kế để chịu đợc động đất. Khác với quan
niệm thiết kế truyền thống, tác động động đất lên các công trình thiết kế theo TCXDVN
375:2006 đợc giảm xuống q lần (q > 1,0) so với khi thiết kế công trình đó nhng giả thiết
làm việc đàn hồi. Điều kiện để áp dụng cách thức thiết kế này, là công trình phải có khả
năng biến dạng dẻo. Hệ số q đợc gọi là hệ số ứng xử và việc quy định các giá trị của nó
cũng nh các biện pháp thiết kế kèm theo để có đợc hệ số này là nội dung chủ yếu của
TCXDVN 375:2006.
Đề tài nghiên cứu góp phần làm rõ cơ sở khoa học của các giá trị hệ số ứng xử q dùng
trong TCXDVN 375:2006; ý nghĩa và vai trò của hệ số này trong thiết kế công trình chịu
động đất theo quan niệm mới, cũng nh mối quan hệ giữa TCXDVN 375:2006 với các tiêu
chuẩn thiết kế khác, 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, 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.
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 các giá trị hệ số ứng xử q sử dụng trong
TCXDVN 375:2006;
c) Làm rõ mối quan hệ giữa các tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam (TCXDVN 375:2006,
TCXDVN 356:2005) với tiêu chuẩn châu Âu (EN 1992-1-1:2004), 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
Các cấu kiện và kết cấu bê tông cốt thép đợc thiết kế để chịu động đất ở Việt Nam.
4. Phơng pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm sự làm việc của các cấu kiện và kết cấu
BTCT dới tác động của tải trọng lắp lại đổi chiều có chu kỳ.

5. Nội dung và cấu trúc của luận án.
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, bản Luận án có 4 chơng:
Chơng I: Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu
động đất
Chơng II: Độ dẻo của các kết cấu bê tông cốt thép và các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo.
Chơng III: Hệ số ứng xử của các kết cấu bê tông cốt thép.
Chơng IV: Thí nghiệm xác định độ dẻo và các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo của dầm bê
tông cốt thép
Phần tài liệu tham khảo giới thiệu 68 tài liệu bằng tiếng nớc ngoài (Anh, Pháp, Nga)
và tiếng Việt.
6. Những đóng góp khoa học chính của luận án.
2
a) Làm rõ ý nghĩa, vai trò của hệ số ứng xử q trong thiết kế kháng chấn, 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 làm rõ cơ sở khoa học của các giá trị hệ số ứng xử q trong TCXDVN
375:2006.
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 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.
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

. Trớc đây, sinh mạng con ngời và của cải vật chất xã

hội đợc bảo vệ gián tiếp thông qua bảo vệ công trình; các công trình đợc thiết kế để làm
việc trong miền đàn hồi và với tác động đất lớn nhất dự kiến sẽ xẩy ra. Hiện nay theo quan
niệm thiết kế kháng chấn mới, sinh mạng con ngời và của cải vật chất xã hội đợc bảo vệ
trực tiếp; công trình đợc phép làm việc sau giai đoạn đàn hồi, nhng không đợc sụp đổ.
Khác với trớc đây, vấn đề mấu chốt trong thiết kế kháng chấn không phải là khả năng
chịu lực mà là khả năng phân tán năng lợng (biến dạng dẻo) của nó.
1.1.2 Các mục tiêu thiết kế và cách thức đạt đợc mục tiêu thiết kế


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.
Các công trình xây dựng có thể đợc thiết kế để chịu động đất theo một trong hai cách sau:
- Bằng khả năng chịu một lực F
e
rất lớn nhng phải làm việc hoàn toàn đàn hồi (Hình
1.1a), hoặc
-
Bằng khả năng chịu một lực tác động F
y
<< F
e
nhng phải có khả năng biến dạng
dẻo kèm theo (Hình 1.1b).

3
Hiện nay các tiêu chuẩn thiết kế của các nớc trên thế giới, trong đó có TCXDVN
375 :2006 đều chọn cách thứ hai (theo quan niệm mới) khi thiết kế kháng chấn các công
trình xây dựng. Cách thứ nhất (theo quan niệm cũ) chỉ thích hợp cho việc thiết kế các công
trình xây dựng trong các vùng động đất rất yếu, vì không an toàn và không kinh tế.
1.1.3 Các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế các công trình chịu động đất theo
quan niệm mới.
Theo quan niệm mới, các công trình đợc thiết kế chịu động đất trên cơ sở các trạng
thái giới hạn sau:
a) Trạng thái giới hạn làm việc : Công trình chịu đợc các trận động đất yếu mà không
bị h hỏng, hệ kết cấu phải làm việc trong giới hạn đàn hồi.
b) Trạng thái giới hạn cuối cùng hoặc trạng thái giới hạn kiểm soát h hỏng: Công trình
chịu đợc các trận động đất trung bình với các h hỏng rất nhẹ có thể sửa chữa đợc.
c) Trạng thái giới hạn sụp đổ hoặc trạng thái giới hạn tồn tại : Công trình chịu đợc các

trận động đất mạnh hoặc rất mạnh, bị h hỏng nặng ở hệ kết cấu nhng không sụp đổ.
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.
Trong TCXDVN 375:2006, các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế kháng chấn công
trình đợc thể hiện dới dạng hai yêu cầu cơ bản và hai tiêu chí tơng hợp kèm theo.
1.1.4.1 Các yêu cầu cơ bản.
a. Yêu cầu không sụp đổ nhằm bảo vệ sinh mạng con ngời dới tác động động đất
mạnh (chu kỳ lặp 475 năm), hệ kết cấu có thể bị h hỏng nghiêm trọng nhng vẫn giữ
đợc khả năng chịu tải trọng đứng.
b. Yêu cầu hạn chế h hỏng. Công trình đợc thiết kế để chịu các trận động đất yếu
hơn (chu kỳ lặp 95 năm) mà không bị h hỏng cản trở chức năng sử dụng của nó.
1.1.4.2. Các tiêu chí tơng hợp kèm theo.
Các trạng thái giới hạn sau cần đợc kiểm tra :
1. Các trạng thái giới hạn cực hạn. Tiêu chí kiểm tra dựa trên cơ sở khả năng chịu lực,
phân tán năng lợng và ổn định
2. Các trạng thái hạn chế h hỏng. Tiêu chí kiểm tra dựa trên cơ sở biến dạng
1.1.4.3 Các biện pháp cụ thể riêng.
Liên quan tới các quy định về: thiết kế, móng và kế hoạch đảm bảo chất lợng công
trình xây dựng để hạn chế những điều cha đợc xét tới trong tiêu chuẩn.
1.2 Hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất
1.2.1 Định nghĩa hệ số ứng xử và các khái niệm cơ bản
Khi thiết kế theo cách thứ hai, lực động đất tác động lên công trình đợc giảm xuống K
lần so với khi thiết kế cho chính công trình đó nhng với giả thiết làm việc đàn hồiâicchs thứ
nhất). Hệ số K biểu thị tỷ số giữa lực F
e
tác động lên hệ kết cấu đợc thiết kế theo cách thứ
nhất (làm việc đàn hồi - hình 1.1a) và lực F
2u
biểu thị khả năng chịu lực của hệ kết cấu
đợc thiết kế theo cách thứ hai (làm việc đàn hồi dẻo - hình 1.1b):

u
e
F
F
K
2
=
(1.1)
4
Trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của châu Âu (EN:1998-1-1:2004) và Việt
Nam (TCXDVN 375:2006) hệ số K đợc gọi là hệ số ứng xử, ký hiệu là q; còn trong các
tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nớc Bắc Mỹ (Hoa kỳ, Canada) và nhiều nớc
khác hệ số này đợc gọi là hệ số giảm lực tác động hoặc hệ số điều chỉnh phản ứng, ký
hiệu là R
Điều kiện để có thể dùng hệ số ứng xử q (hoặc R) trong thiết kế các công trình chịu
động đất là hệ kết cấu đợc thiết kế phải có khả năng biến dạng dẻo. Vì vậy, việc quyết
định giá trị hệ số ứng xử bằng bao nhiêu cho một hệ kết cấu nào đó và các biện pháp thiết
kế kèm theo bao gồm các quy định về vật liệu, hệ kết cấu, quy trình thiết kế, phơng pháp
tính toán, chi tiết cấu tạo các bộ phận kết cấu để bảo đảm cho hệ kết cấu đợc thiết kế
có đợc khả năng biến dạng dẻo tơng ứng với hệ số q đã chọn là nội dung chủ yếu của
các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại.
Hệ số ứng xử q và các biện pháp thiết kế để có đợc hệ số ứng xử này, có ý nghĩa
quyết định tới mức độ an toàn và kinh tế của công trình đợc thiết kế
1.2.2 Hệ số ứng xử của các kết cấu BTCT trong các tiêu chuẩn thiết kế công trình
chịu động đất trên thế giới.
1.2.2.1 Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất của Việt Nam (TCXDVN 375:
2006) và của Châu Âu (EN 1998-1-1:2004).
q = q
0

k
W
1,5 (1.2)
với: q
0
- giá trị cơ bản của hệ số ứng xử, phụ thuộc vào loại kết cấu sử dụng, tính đều
đặn trên chiều cao và cấp dẻo của công trình. Đối với các nhà đều đặn trên chiều cao,
giá trị q
0
thay đổi trong giới hạn từ 1,5 đến 5,85


k
W
- hệ số phản ánh dạng phá hoại chiếm u thế trong hệ kết cấu có tờng chịu lực
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
Hệ số ứng xử q dao động trong phạm vi từ 1,5 đến 5
1.2.2.3 Tiêu chuẩn thiết kế nhà của Mỹ - UBC 1997 (Uniform Building Code)
Hệ số ứng xử đợc gọi là hệ số giảm lực tác động R = 2,2 đến 8,5
1.2.2.4 Các Tiêu chuẩn thiết kế nhà của Hoa Kỳ ASCE 7-2002, IBC 2003 và
NFPA 5000.
Hệ số ứng xử đợc gọi là hệ số điều chỉnh phản ứng R = 1,5 đến 8,0
1.2.2.5 Tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế nhà của Canada (CNBC 1995)
Hệ số ứng xử đợc gọi là hệ số giảm tải R thay đổi trong phạm vi từ 1,5 đến 4,0
1.2.2.6 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Indonesia - (SNI-1276)
Hệ số ứng xử đợc gọi là hệ số giảm tải R thay đổi trong phạm vi từ 1,6 đến 8,5
1.2.2.7 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Israel (Israel StandardIC 413 1994)
Hệ số ứng xử đợc gọi là hệ số giảm lực tác động K = 4,37 đến 8,75
1.2.2.8 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Argentina (INPRES-CRSOC 103-1991)

Hệ số ứng xử đợc gọi là hệ số giảm tải R thay đổi trong phạm vi từ 1,0 đến 6,0
1.2.2.9 Tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất của Mexico (1993)
Hệ số ứng xử đợc gọi là hệ số giảm tải Q - thay đổi trong phạm vi từ 2 đến 4
1.3. Kết luận Chơng I
5
1. Hiện nay các công trình xây dựng trong các vùng động đất mạnh đều đợc thiết kế
theo quan điểm mới. Quan niệm thiết kế thay đổi dẫn tới thay đổi yêu cầu và nội dung thiết
kế

2. Khi thiết kế kháng chấn theo quan điểm mới, tác động động đất đợc giảm xuống q
lần so với khi thiết kế để công trình làm việc đàn hồi. Trong TCXDVN 375:2006, q đợc gọi
là hệ số ứng xử. Việc xác định tác động động đất theo hệ số q và thiết kế công trình để có
đợc hệ số q là nội dung cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại.
Chơng II : Độ dẻo của các kết cấu bêtông cốt thép
và các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo
2.1. Khái niệm về độ dẻo
2.1.1. Định nghĩa độ dẻo
Độ dẻo biểu thị khả năng phân tán năng lợng của hệ kết cấu và đợc định nghĩa một
cách tổng quát là khả năng hấp thụ năng lợng của kết cấu thông qua sự làm việc không
đàn hồi mà không làm cho cờng độ và độ cứng bị suy giảm đáng kể dới tác dụng của tải
trọng lặp lại đổi chiều. Về mặt giải tích, độ dẻo đợc xác định dới dạng biểu thức sau:



1>


=
y
u

à

(2.1)
trong đó:
u

là chuyển vị ngay trớc khi phá hoại và
y

là chuyển vị lúc bắt đầu chảy dẻo.
Đối với các kết cấu chịu tác động đổi chiều, độ dẻo
à
có thể xác định theo biểu thức :

+
+
+
+
=
yy
maxmax
à
(2.2)

với
+

max
và

max
tơng ứng là biến dạng cực hạn dơng và âm;
+

y
và


y
tơng ứng
với biến dạng lúc chảy dẻo.
2.1.2. Các loại độ dẻo
2.1.2.1. Độ dẻo biến dạng

y
u


à

= (2.6)
với
u

là biến dạng cực hạn,
y

là biến dạng chảy của vật liệu.
2.1.2.2. Độ dẻo uốn

y
u


à

=
(2.7)
với
u

là độ cong cực hạn còn
y

là độ cong lúc bắt đầu chảy dẻo của cấu kiện.
2.1.2.3. Độ dẻo chuyển vị xoay

y
u


à

= (2.8)
với
u

- chuyển vị xoay cực hạn và
y

- chuyển vị xoay chảy ở đầu mút cấu kiện.
2.1.2.4. Độ dẻo chuyển vị thẳng
6
Độ dẻo chuyển vị thẳng đợc định nghĩa theo (2.1), thờng đợc dùng để đánh giá độ
dẻo của hệ kết cấu.
2.2. Độ dẻo của các cấu kiện bêtông cốt thép
2.2.1. Độ dẻo của dầm
2.2.1.1 Các giai đoạn làm việc của cấu kiện chịu uốn (hình 2.5)

u
0
M
M
y
M
n
M

u

y

n
giai đoạn 3
giai đoạn 2
giai đoạn 1


Hình 2.5 Đồ thị M tam tuyến tính của dầm BTCT

- Giai đoạn 1: bê tông làm việc đàn hồi, quan hệ giữa độ cong và mômen uốn M:

IE
M
r
c
==
1
(2.10)
với r - bán kính cong của trục dầm; E
c
I - độ cứng chống uốn của tiết diện.
- Giai đoạn 2: bêtông bắt đầu bị nứt, độ cứng E
c
I bị giảm một cách đáng kể.
- Giai đoạn 3: bêtông ở vùng nén bị biến dạng dẻo, đạt tới giá trị giới hạn
cu
(Hình 2.6).
Ngay trớc khi cấu kiện bắt đầu xuất hiện biến dạng chảy đầu tiên (hình 2.6c):

y
c
y
x

= (2.11) hoặc:
y
sy

y
xh
=
0

(2.12)
Định nghĩa các thông số trong các biểu thức trên cho ở hình 2.6c
h
M
h
b
A
sc
A
s
a '
a
0
a) b) c) d)
x


su

cu
u
u
F
c
F

sc
F
s
e)
x


sy

c

sc
y
y

Hình 2.6. Sơ đồ xác định độ dẻo độ cong của dầm
Sử dụng điều kiện cân bằng lực dọc (Hình 2.6e) và giả thiết tiết diện phẳng, ta có thể
thiết lập đợc biểu thức xác định chiều cao tơng đối
0
hx
=

của miền bê tông bị nén:

( ) ( )
212
0
1
2
21

2
2

+









+++=
n
h
a
nn
(2.21)
trong đó:
1

và
2

tơng ứng là hàm lợng cốt thép chịu kéo A
s
và chịu nén A
sc
;

bs
EEn
=

7
Từ (2.12) ta đợc độ cong chảy:

( )
y
sy
y
sy
y
h
Ef
xh



=

=
1
/
00
(2.22)
trong đó
y
f - giới hạn chảy của cốt thép và
0

hx
yy
=

xác định theo (2.21).
Từ hình 2.6d ta đợc độ cong cực hạn:
u
su
u
cu
u
xhx
==
0

(2.23)
2.2.1.2. Xác định độ cong
u

theo tiêu chuẩn EN 1992-1-1:2004.
Theo EN 1992-1-1:2004, quan hệ ứng suất - biến dạng của BT chịu nén có dạng ở
hình 2.7, còn sơ đồ phân bố ứng suất trên tiết diện thẳng góc đợc cho ở hình 2.8. Từ điều
kiện cân bằng lực trên tiết diện thẳng góc ta đợc chiều cao vùng bê tông chịu nén:

(
)
cd
yscs
u
bf

fAA
x


= (2.31)
Từ (2.23) ta có:

( )
yscs
cd
cuu
fAA
bf

=
8,0
2

cho trờng hợp f
ck
50 MPa (2.34)
với f
ck
và f
cd
- tơng ứng là cờng độ đặc trng và tính toán của bê tông bị nén (hình 2.7)

ck

c

f
cd
f
0

c

cu2

c2

A
c
h
x
A
s
s

cu


x

f
cd
F
c
F
s

u
0
u

Hình 2.7 Đồ thị ứng suất biến

Hình 2.8 Sơ đồ phân bố ứng suất trên


dạng của bê tông bị nén tiết diện thẳng góc

Do đó, từ biểu thức (2.7) ta có thể xác định đợc độ dẻo uốn cho trờng hợp f
ck
50 MPa:

(
)
( )
)1(
)(
8,08,0
1
21
2
2
2
0
y
y
scucd

yscs
cd
cu
y
ys
f
Ef
fAA
bf
f
hE





à



=


=
(2.36)
2.2.1.3. Xác định độ cong
u

theo các tiêu chuẩn thiết kế Kết cấu BT và BTCT
của Việt Nam TCXDVN 356:2005 và Kết cấu BT và BTCT không ứng lực trớc của

Nga 52 -101 - 2003.
Theo 52 -101 - 2003, đồ thị quan hệ ứng suất - biến dạng của BT bị nén đợc cho
ở hình 2.9, trong đó biến dạng đặc trng của BT tơng tự nh EN 1992-1-1:2004:
b0
=
c2
=
0,002 và
b2
=
cu2
= 0,0035. Sơ đồ phân bố ứng suất trên tiết diện thẳng góc theo TCXDVN
356:2005 đợc cho ở hình 2.10; từ đó xác định đợc chiều cao miền BT bị nén:

(
)
b
sscs
Ru
bR
RAA
xx

== (2.49)
8
Theo (2.23)
( )
sscs
b
bu

RAA
bR

=
2

(2.50)
Do đó
(
)
( )
)1(
)(
1
21
2
2
2
0
y
s
sbb
sscs
b
b
y
ys
R
ER
RAA

bR
f
hE





à



=


= (2.51)


b

b0
=
b2
b
=R

b1
b1

b0

b2
arctgE
b

b


b
=
b0
=
b2
b
=R
b1

b0

b2
arctgE
b,req

b
a)
b)

b1

Hình 2.9 Đồ thị ứng suất biến dạng của bêtông bị nén theo

52 -101 - 2003
R
sc sc
A
R
b b
A
R
s s
A
R
b
a'
sc
A
b
A
s
A
M
h
x
u
b
a
s
A
sc
A

Hình 2.10 Sơ đồ phân bố ứng suất trong miền bê tông bị nén
Trờng hợp cốt thép A
sc
không đạt tới giới hạn chảy, dùng biểu thức của Park và Paulay :

1
12
2
1
2
0
2
12
7,106,17,1
)1(8,0

+









=
cd
yscu
cd
scu
cd
yscu
yycus
f
fE
f
E
h
a
f
fE
fE

à

(2.53)
2.2.2. Độ dẻo uốn của cột
Độ dẻo uốn của cột BTCT cho ở hình 2.11 đợc xác định nh sau:

yy
ucu
y
u
x
x
/
/




à

== (2.64) hoặc
syc
sucu


à

+

+
=
(2.65)
Sử dụng các giả thiết của EN 1992-1-1:2004 khi f
ck
50 MPa:

( )
cu
c
y
y
s
f
f
f
E


à

+
= 1
6,0
35,1
21
(2.67)
Sử dụng các giả thiết của 52 -101 - 2003 kết hợp với TCXDVN 356:2005:
9

( )
2
21
1
6,0
35,1
b
b
s
s
s
R
R
R
E

à














+
= (2.69)
Trong các biểu thức trên,

= N/A
c
f
c
- chỉ số lực dọc trong cột và =
s2
/f
y

h
h

x


sy

c
b
A
S2
A
S1

sc
a '
a
0
y
y
a) b)
c)
d)
x


su

cu
u
u
F

c
F
S2
F
S1
e)
A
S2
A
S1
M
N
N
A
b

Hình 2.11. Sơ đồ ứng suất trong cột chịu nén
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
2.2.3.1. Khái niệm về bó bê tông
Cốt thép đai cản trở biến dạng ngang của BT, làm gia tăng độ bền cũng nh tính biến dạng
của BT. Phần BT chịu ảnh hởng có lợi này của cốt đai đợc gọi là phần bê tông bị bó.

2.2.3.2. Các thông số ảnh hởng tới việc bó bê tông
1. Hàm lợng cốt thép đai (
w
): tăng
w
cả cờng độ lẫn độ dẻo của BT đều tăng.
2. Cờng độ chảy của cốt thép đai (f

yw
): tăng f
yw
áp lực bó của cốt thép đai lên BT càng lớn.
3. Cờng độ chịu nén của bê tông (f
c
): f
c
càng thấp tính dẻo và hiệu quả bó càng cao.
4. Khoảng cách giữa các lớp cốt thép đai (s): hiệu qủa bó BT càng cao khi s càng nhỏ.
5. Cách thức cấu tạo cốt thép đai: việc bố trí thêm cốt đai phụ làm tăng hiệu ứng bó bêtông
6. Cốt thép dọc: đờng kính và hàm lợng cốt thép dọc càng lớn, hiệu ứng bó BT càng lớn.
2.2.3.3. Các mô hình tính toán
1. Trờng hợp bó bê tông bằng khung cốt đai kín chữ nhật hoặc vuông.
a) Mô hình tính toán của Park, Priestley và Gill (1982) (hình 2.15).



c

c
cc
f
c
=Kf
0,002K

cc
0,2f

cc20


c

c

cc1

cc2

cc85
cc
0,3f
cc
f
=K f
s
cp
0,85f
cc
cp
f
c
=0,85f

Hình 2.15 Mô hình tính toán bê tông bị bó Hình 2.16 Mô hình tính toán bê tông bị bó
của Park, Priestley và Gill (1982) của Sheikh và Uzumeri (1982)
ứng suất nén lớn nhất f
cc

và biến dạng nén lớn nhất tơng ứng
cc1
của BT bị bó đợc xác
định qua chỉ số bó K:
10

c
yw
w
f
f
K

+=1
(2.71)
b) Mô hình tính toán của Sheikh và Uzumeri (1982) (hình 2.16).
Tong tự nh mô hình của Park, Priestley và Gill nhng với chỉ số bó K nh sau:

yww
i
cc
f
b
s
b
nb
P
b
K

+=
2
0
2
0

2
0
2
0
2
1
5,5
1
140
1
(2.73)
với b
0
- cạnh của lõi BT bị bó; b
i
- chiều dài của n phần bằng nhau của chu vi lõi đợc xác
định bởi vị trí các thanh cốt thép, s - bớc cốt đai, - f
yw
là cờng độ chảy của cốt thép đai
(theo MPa), còn )(85,0
2
0 sccc
AbfP = (kN), với A
s
- tổng diện tích tiết diện cốt thép dọc.


c) Mô hình tính toán của Kappos (1991) [16] (hình 2.17).
Chỉ số bó bê tông:
b

w
K

+=1 (2.75)
với và b là các hệ số thực nghiệm, còn
w
là tỷ số cơ học của cốt đai

c

c
cc
f
c
f
c
0,85f
cc
uf
1

cu

cc25
cc
0,25f

c1

cc1

không bị bó
=0)
(
w
bị bó
>0)
(
w

0
D

t
yw
f
sw
A
yw
f
sw
A

Hình 2.17 Mô hình tính toán bê tông bị bó Hình 2.18 ứng suất bó trong cốt đai lò xo
của Kappos (1991)

2. Trờng hợp bó bê tông bằng cốt đai lò xo.
Cờng độ của bê tông nằm trong cốt đai:

tccc
ff

+=
(2.80)
với - hệ số thực nghiệm,
t
- áp lực của cốt đai bó (hình 2.18)
Hoặc xác định theo mô hình tính toán của Shah, Fatifis và Arnold (1983):

t
c
ccc
f
ff









++=
21
15,1 (2.87)
2.3. Các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo
2.3.1. Các đặc tính của vật liệu
Độ dẻo của vật liệu BT

à

= 1 khi chịu kéo và bằng 1,5 ữ 2,0 khi chịu nén. Thép mềm
có

à
= 15 ữ 20 và có thể đạt tới giá trị 60 ữ 80 ngay trớc khi bị kéo đứt.
2.3.2. Các đặc tính của tiết diện cấu kiện
11
1. Biến dạng nén cực hạn của bê tông
cu

. à

tăng khi
cu

tăng. Sự gia tăng
cu

phụ thuộc
vào hàm lợng cốt thép đai, giới hạn cờng độ chảy của cốt thép đai, bớc cốt đai, cách
thức cấu tạo cốt đai.
2. Cờng độ chịu nén của bê tông
c
f
. Độ dẻo à

tăng khi
c
f
tăng, nhng do hiệu quả bó

BT cờng độ cao kém hơn so với BT cờng độ thấp nên việc sử dụng BT cờng độ cao sẽ
làm cho độ dẻo của cấu kiện BTCT bị giảm.
3. Cờng độ chảy của cốt thép
y
f
. Độ dẻo à

giảm khi sử dụng cốt thép cờng độ cao.
4. Tỷ số cờng độ
ysu
ff
/ của cốt thép. Độ dẻo à

tăng khi tỷ số
ysu
ff
/ tăng.
5. Tỷ số giữa diện tích tiết diện cốt thép
ssc
AA /
. Độ dẻo
à

tăng khi gia tăng tỷ số
ssc
AA /
.
6. Chỉ số lực dọc

= N/A

c
f
c
. Độ dẻo uốn

à
giảm khi tăng lực nén dọc N.
2.3.3. Các đặc tính của cấu kiện.
Chuyển vị xoay dẻo của cấu kiện phụ thuộc vào chiều dài khớp dẻo tơng đơng (l
p
).
Chiều dài này có thể xác định theo công thức của Paulay và Priestley sau:

ybp
fdll 022,008,0
+= (2.97)
với l - chiều dài cấu kiện, d
b
- đờng kính cốt thép dọc, f
y
- cờng độ chảy của cốt thép.
2.3.4. Các đặc tính của liên kết.
1. ảnh hởng của liên kết cột dầm.
2. ảnh hởng liên kết giữa hệ kết cấu với móng.
2.3.5. Các đặc tính của hệ kết cấu
Quan hệ giữa độ dẻo chuyển vị và độ dẻo uốn có dạng

+=
l
l
0,51
l
l
1)3(à1à
pp


(2.104)
2.4. Kết luận chơng 2
1. Độ dẻo biểu thị khả năng phân tán năng lợng của hệ kết cấu và đợc đánh giá ở
mức độ vật liệu, tiết diện cấu kiện, cấu kiện và hệ kết cấu. Các biểu thức xác định độ dẻo
của dầm và cột BTCT đợc thiết lập trên cơ sở các giả thiết và tính năng vật liệu của EN
1002-1-1:2004 và của TCXDVN 356:2005 kết hợp với

52 -101 - 2003 là hoàn toàn
tơng đồng.
2. Độ dẻo của các cấu kiện BTCT phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, từ cấp độ vi
mô: biến dạng nén cực hạn

cu
, cờng độ chịu nén f
c

, cờng độ chảy f
y
, tỷ số f
su
/f
y
của cốt
thép, tỷ số A
s
/A
s
, chỉ số lực dọc

= N/A
c
f
c
tới cấp độ vĩ mô: các đặc tính của vật liệu, tiết
diện cấu kiện, cấu kiện, liên kết, và hệ kết cấu. Yếu tố có ý nghĩa quyết định tới giá trị độ
dẻo là biến dạng nén cực hạn

cu
của BT. Độ lớn của

cu
phụ thuộc vào cách thức bó bê
tông biểu thị qua hàm lợng của cốt thép đai, cờng độ chảy của cốt thép đai, cờng độ
chịu nén của bê tông, bớc cốt thép đai, cách thức cấu tạo cốt thép đai

Chơng III: Hệ số ứng xử của kết cấu Bê tông cốt thép
3.2. Mối quan hệ giữa hệ số ứng xử và độ dẻo của kết cấu
1. Đối với các hệ kết cấu có chu kỳ dao động dài: giả thiết cân bằng chuyển vị (hình 3.1a):
12

à
=


==
y
u
y
e
F
F
K
1
(3.4)

Hình 3.1 Quan hệ giữa phản ứng đàn hồi và đàn hồi dẻo
của kết cấu có 1 bậc tự do

2. Đối với các hệ kết cấu có chu kỳ dao động trung bình: giả thiết cân bằng năng lợng
(hình 3.1b):

12
2
==
à

y
e
F
F
K
(3.5)
3. Đối với các kết cấu có chu kỳ ngắn (T < 0,5s): kết cấu tuyệt đối cứng K =
à
=1
Giới hạn của hệ số ứng xử q:
àà
<< ),(12
21
KKq
(3.7)
3.3. Hệ số ứng xử của các hệ kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép
.
3.3.1. Hệ số ứng xử q của khung bê tông cốt thép.

F
n
n
i
i-1
2
1
A B
C
0
i

F
F
i-1
F
2
F
1
l
l
h
t
h
t
h
t
h
t
h
t
h
t

A
0
1
2
A
n
n

h
t
2

h
t
1

h
t
h
t
M'
CA
1
CA
1
,y
CA
2
,y

CA
n
,y
CA
n
,y
,
CA

2
,y
,
CA
1
,y
,
M'
CA
2
M'
CA
n
M
CA
n
M
CA
2
M
CA
1
0
1
2
n
i i

Hình 3.2. Khung BTCT chịu tải trọng đứng và ngang Hình 3.3. Các biểu đồ mômen uốn và độ
cong của của cột trục A

Xét khung BTCT cho ở hình 3.2. Hình 3.3 là biểu đồ mômen uốn và độ cong của cột
trục A. Hình 3.6 là sơ đồ phá hoại dẻo của khung. Với sơ đồ phá hoại này ta xác định đợc
góc xoay khớp dẻo ở chân cột

pc

nh sau:

t
ynun
pcycAucApc
nh
l
,,
,1,1
)(

==

(3.18)
13
với
ucA
,1

và
ycA
,1

- tơng ứng độ cong tại chân cột A khi khung bị phá hoại và lức bắt đầu
chảy dẻo, l
pc
- chiều dài khớp dẻo tơng đơng,

n,u
và

n,y
- chuyển vị ở cao trình n khi
khung bị phá hoại và lúc bắt đầu chảy dẻo, n - số tầng và h
t
- chiều cao tầng.
Độ dẻo chuyển vị của khung
yn
pct
yn
un
nh
,,
,
1

+=

=

à
(3.20)

l

l
pc
0
pc

2
1
+
pd


pd
i
n
-
d
l


Hình 3.6 Sơ đồ phá hoại
dẻo của khung BTCT
chuyển vị

à
theo (3.24) cho các khung có số tầng bất kỳ, ví dụ n = 5, 10 và 20 theo các giả
thiết và tính năng vật liệu của TCXDVN 356:2005 và EN 1992-1-1:2004. Từ kết quả tính
toán ta đợc hệ số ứng xử q bằng giá trị trung bình cộng của
à
và 12
à
(biểu thức 3.7).
3. Một số các nhận xét và kết luận rút ra từ các kết quả tính toán thu đợc
- Hệ số ứng xử q tăng khi biến dạng nén cực hạn

cu
của bê tông tăng.
- Hệ số ứng xử q giảm khi giới hạn chảy f
y
của cốt thép lớn.
- Hệ số ứng xử q thay đổi không đáng kể khi tăng số tầng n.
- Hệ số ứng xử q giảm khi tăng cấp độ bền B của bê tông.
- Hệ số ứng xử q xác định theo TCXDVN 356:2005 (q = 1,82
ữ
4,17) lớn hơn hệ số ứng xử
q xác định theo EN 1992-1-1:2004 (q = 1,78
ữ
4,10).
3.3.2. Hệ số ứng xử của tờng chịu lực bê tông cốt thép.
(i) ở trạng thái khi bắt đầu xuất hiện biến dạng chảy đầu tiên trong cốt thép chịu kéo
Cho tờng BTCT ở hình 3.11. Tại tiết diện ở chân tờng ta có độ cong đàn hồi:

wc
w

wc
e
IE
pH
IE
M
2
2
==

(3.32)
với I
w
- mômen quán tính của tiết diện tờng, E
c
- môđun đàn hồi của bê tông.
Khi cốt thép dọc chịu kéo bắt đầu chảy dẻo, ta có chuyển vị ngang bổ sung ở đỉnh tờng:

e
e
y
e
y
wc
w
ybsu
kkk
IE
kpH

=

= )1(
5,1
)3(
)1(
5,1
3
8
4
,





(3.36)
với
e
- chuyển vị ngang đàn hồi ở đỉnh tờng, k - chiều cao vùng tờng bị biến dạng dẻo,

y
- độ cong tờng lúc bắt đầu biến dạng chảy.
Giả thiết chiều dài khớp dẻo tơng đơng l
pc
0,08h
t
(xem
2.97), ta đợc:

13
)1(72,0
1
1


+=
n
n
A

à
à
(3.24)
với n - số tầng của khung và
à

A1
- độ dẻo uốn
tại chân cột A
xác định theo (2.65) với
0,1
)( h
sycycA

+=
(3.25) và
0,1
)( h

sucuucA

+=
(3.26), trong đó

c
-
biến dạng của BT
khi ứng suất bằng f
c
;

y
-
biến dạng của cốt thép khi đạt ứng
suất chảy;

cu
và

su
-
tơng ứng là biến dạng của BT và cốt
thép ngay trớc khi phá hoại.
Từ độ dẻo uốn
à
A1
ta có thể xác định đợc độ dẻo
14

I
bsu,y


J
F
H -
3
kH
N
p
M
w
w
y
w
w
w
e

I
H
kH


u
a
1

y
H
w
a
1
-
2
H
w
k.H
w
e

Hình 3.11 Trạng thái khi bắt đầu xuất hiện Hình 3.13 Sơ đồ độ cong của tờng
biến dạng chảy đầu tiên trong cốt thép chịu kéo. tại tiết diện có khớp dẻo
Giả thiết
wcee
L

2
=
và
wsycy
L9,0)(

+=
ta đợc tỷ số sau:

ce
syc

ce
syc
e
y
x






8,19,02
+
=
+
=
(3.41)
với

ce
- biến dạng đàn hồi của bê tông khi
cc
f6,0


, các thông số khác xem (2.65).
ii) ở trạng thái chịu lực cực hạn ngay trớc khi tờng bị phá hoại dẻo.
Chuyển vị cực hạn
u
ở đỉnh tờng ngay trớc khi bị phá hoại dẻo (hình 3.13):

)45,0()(
2
9,0
2
www
e
y
e
u
wc
wu
yu
LHL
IE
Hp
+=




(3.44)
trong đó

u
đợc xác định theo biểu thức (3.26), tơng tự nh ở cột BTCT.
Để làm rõ ảnh hởng của

cu
và

su
tới độ dẻo của tờng, xét ba trờng hợp sau:
(i)

cu
= 0,35% và

su
= 0,28% độ cong

u
= 6,3.10
-3
/0,9L
w
= 7.10
-3
/L
w

(ii)

cu
= 0,40% và

su
= 0,32% độ cong

u

= 7,2.10
-3
/0,9L
w
= 8.10
-3
/L
w

(iii)

cu
= 0,45% và

su
= 0,36% độ cong

u
= 8,1.10
-3
/0,9L
w
= 9.10
-3
/L
w

Xét các trờng hợp khác nhau của độ mảnh của tờng:

= H

w
/L
w
= 6, 10 và 15 ta có:
(i) khi

= 6:
e
e
y
e
u
y
e
y
e
u
wc
wu
yu
IE
Hp
+=+= )(555,0)(
8
555,0
4

(3.45)
(ii) khi

= 10:
e
e
y
e
u
yu
+= )(344,0




(3.48)
(iii) khi

= 15:
e
e
y
e
u
yu
+= )(233,0

(3.51)
Từ các chuyển vị ngang ở đỉnh tờng

u
và

y
ta xác định độ dẻo chuyển vị tờng theo
(2.1) với các đặc tính vật liệu BT và cốt thép cho trong các tiêu chuẩn EN 1992-1-1:2004
và TCXDVN 356:2005. Từ các kết quả tính toán thu đợc, xác định hệ số ứng xử q của
tờng là giá trị trung bình cộng của
à
và 12
à
( biểu thức 3.7).
Một số nhận xét và kết luận rút ra từ kết quả tính toán thu đợc
- Hệ số ứng xử q của tờng BTCT tăng khi biến dạng nén cực hạn

cu
tăng;
- Hệ số ứng xử q tăng khi chiều cao vùng biến dạng k nhỏ.
- Hệ số ứng xử q giảm khi gia tăng độ mảnh

của tờng.
15
- Hệ số ứng xử q xác định theo TCXDVN 356:2005 (q = 1,38

ữ
3,27) có giá trị lớn hơn so
với EN 1992-1-1:2004 (q = 1,34
ữ
3,21).
3.4. Kết luận Chơng 3
1. Hệ số ứng xử q phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nh vật liệu, loại hệ kết cấu
và cấp độ dẻo của nó. Kết quả tính toán hệ số ứng xử q cho các kết cấu khung và tờng
chịu lực cho thấy:
- các loại vật liệu BT và cốt thép quy định trong TCXDVN 356:2005 có các tính năng
cơ lý hoàn toàn tơng đồng với các loại vật liệu BT và cốt thép quy định trong EN-1992-1-
1:2004.
- các hệ số ứng xử q xác định theo TCXDVN 356:2005 đều lớn hơn các giá trị xác định
theo EN 1992-1-1:2004
Các kết luận này đã góp phần xây dựng cơ sở khoa học cho việc chuyển đổi các giá trị
hệ số ứng xử q từ tiêu chuẩn EN 1998-1-1:2004 sang TCXDVN 375:2006.
2. Kết quả tính toán hệ số q cho thấy, hệ số này phụ thuộc vào nhiều yếu tố rất khác
nhau, do đó cần phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định thiết kế cho trong tiêu chuẩn.
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.
Mục đích nghiên cứu thí nghiệm nhằm khảo sát một số vấn đề chủ yếu sau:
-
Quá trình biến dạng dẻo và cách thức phá hoại,
-
Khả năng phân tán năng lợng,
-
Sự suy giảm độ cứng theo chu kỳ chất tải
do ảnh hởng của cốt thép đai và cốt thép dọc đợc bố trí trong cấu kiện dạng dầm.
4.2. Thiết kế các cấu kiện thí nghiệm

a100
2
A
25
25
25
25
5010010020010010050
150
200
150
150 2525
100 50
250
250
200
25
25
1350
501300
5050
50
50
650
250
1550
50
A
700

250
250
200
a100
200x100x6
150x100x6
1350
6
1
126
6
6
5
4
3
6
126
1
6
6
55
126
4
1
126

a100
2
A
25

25
25
25
5010010020010010050
150
200
150
150 2525
100 50
250
250
200
25
25
1350
501300
5050
50
50
650
250
1550
50
A
700
250
250
200
a100
200x100x6

150x100x6
1350
6
1
126
6
6
5
4
3
6
126
1
6
6
55
126
4
1
126
a50
200
2'
6

Hình 4.2. Nhóm mô hình thí nghiệm MH1

Hình 4.3.

Nhóm mô hình thí nghiệm MH2

16
Các mô hình thí nghiệm đợc thiết kế cho hai trờng hợp: thay đổi hàm lợng cốt thép
đai và hàm lợng cốt thép dọc trong vùng tới hạn trong khi các thông số khác giữ nguyên
không thay đổi. Hình dạng và cấu tạo các mô hình thí nghiệm đợc cho trong các hình 4.2,
4.3 và 4.4. Có ba nhóm mô hình

ký hiệu MH1, MH2 và MH3, mỗi nhóm mô hình có 3 mô
hình thí nghiệm.
50
250
200
150
300 1050
250
2
7

B-B
a100
2
A
25
25
25
5010010020010010050
150
200
150
A-A
150 2525

100 50
250
250
200
25
25
1350
501300
50
50
50
50
650
250
1550
50
A
700
250
250
200
a100
200x100x6
150x100x6
1350
6
1
126
6
6

5
4
3
6
126
1
6
6
55
126
4
1
126
300
25
122
B B

Hình 4.4.

Nhóm mô hình thí nghiệm MH3

4.3. Các đặc trng cơ lý của vật liệu mô hình thí nghiệm
1. Vật liệu bê tông: thí nghiệm 9 mẫu khối vuông 150x150x150mm cho cờng độ chịu
nén giới hạn trung bình R
bn
= 26,2 MPa và 3 mẫu thử lăng trụ 150x150x600mm cho môđun
đàn hồi trung bình E
b
= 27800 MPa.
2. Vật liệu cốt thép: thí nghiệm kéo phá huỷ 6 mẫu thép

12 - AIII dài 600 mm cho các
giá trị trung bình sau:

y
= 469,4 MPa,

y
= 0,15% và E
s

= 313215,2 MPa.
4.4 Đo lờng Giá trị các tham số khảo sát
Hình 4.5. Sơ đồ bố trí các thiết bị đo và
gia tải trên mô hình thí nghiệm

1. Mẫu thí nghiệm
2. Tờng phản lực
3. Sàn bê tông dày 1,5m
4. Kích thủy lực
5. Dầm thép hộp
6. Bulon neo
7. Thiết bị đo chuyển vị chuyên dùng
DCP-50.
8. Đầu đo chuyển vị LVDT
9. Đầu đo chuyển vị DCP-50

1500
1500
500
500
200
1350
700
250
200
100
200
6
6
1

5
8
7
2
4
2
5
5
7
3
8
1
9
9
17
A
250
250
50
1550
B1
25
300
200
B
A4
B2
B3
A A
B4

B6
B5
200
250
700
1350
200
A3
A1
A2
B
1. Các thiết bị đo sử dụng.
Đầu đo chuyển vị ngang LVDT của Waycon; thiết bị đo chuyển vị ngang chuyên dùng
CDP-50; phiến đo biến dạng trong bê tông và cốt thép; máy DTS 10 kênh đợc gắn với các
phiến đo và máy tính ghi dữ liệu; các thiết bị kiểm soát hoạt động của kích thủy lực.
2. Sơ đồ bố trí các thiết bị đo trên mô hình thí nghiệm (hình 4.5 và 4.6)











Hình 4.9 Trong phòng thí nghiệm

4.6. Quy trình tác dụng tải trọng trên các mô hình thí nghiệm.
Quy trình tác dụng tải trọng lên các mô hình thí nghiệm đợc cho ở hình 4.8.









4.8. Biểu diễn và đánh giá các kết quả thí nghiệm.
4.8.1. Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình thí nghiệm.











Hình 4.10. Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình nhóm MH1
Hình 4.6.
Vị trí gắn
các phiến
đo biến
dạng trên mô hình

thí nghiệm
A
-
Phiến đo trên cốt
thép
B -
Phiến đo trên bê
tông


Chuyển vị

(mm)

Lực F (N)

3000
5000
7000
9000
15000
10
5
15000
13000
11000
9000
7000
5000
3000

15
20
11000
13000
15
20
25
30
35
40
45
50
10
Chu kỳ
Cấp chất tải

3
5
7
9
11
13
15
-3
-5
-7
-9
-11
-13
-15

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
0
Hình 4.8.

Qui trình chất tải lên mô hình
thí nghiệm

18
Hình 4.10, 4.11 và 4.14 là các đờng cong trễ biểu diễn mối quan hệ giữa lực tác động
F và chuyển vị ngang

ở đầu mút công xôn của các mô hình thí nghiệm.

Hình 4.11. Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình nhóm MH2












Hình 4.12. Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình nhóm MH3
4.8.2. Độ dẻo chuyển vị của các mô hình thí nghiệm.
Độ dẻo chuyển vị đợc xác định theo (2.1).

Quan hệ giữa độ dẻo chuyển vị và chu kỳ
chất tải theo chiều tác động tải trọng đợc cho trong các hình 4.12 và 4.13.

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1
2
3
4
5
MH3
MH2
MH1
6
7
0

MH3
MH2
MH1
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1
2
3

4
5
6
7
0
8

Hình 4.13.

Quan hệ độ dẻo chuyển vị - chu kỳ Hình 4.14. Quan hệ độ dẻo chuyển vị chu
chất tải của các mô hình thí nghiệm khi lực tác động kỳ chất tải của các mô hình thí nghiệm
theo theo chiều dơng (trái sang) khi lực tác động theo chiều âm (phải sang)
Chuyển vị

(mm)

3000
5000
7000
9000
15000
11000
13000
15000
13000
11000
9000
7000
5000
3000

55
10
5
15
20
15
20
25
30
35
40
45
50
10
Lực
F (N)

Độ dẻo

à

Lực F (N)

Chuyển vị

(mm)

3000
5000
7000

9000
15000
15000
13000
11000
9000
7000
5000
3000
11000
13000
10
5
15
20
15
20
25
30
10
Độ dẻo

à

Chu kỳ

Chu kỳ

19

MH3
MH2
MH1
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1
2
3
4
5
6
7
0

Hình 4.15 Biến thiên độ dẻo chuyển vị theo chu kỳ
Chất tải của các mô hình thí nghiệm
4.8.3. Sự phân tán năng lợng (Hình 4.16)

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Số chu kỳ
MH3
MH2

MH1
1,03
1,20
1,17
1,22
1,42
1,43
1,41
1,60
1,70
1,64
1,80
2,04
1,93
2,06
2,50
2,13
2,43
3,2
3,19
3,38
3,83
3,95
4,47
5,83
4,73
5,11
6,29
5,89
7,20

3000
500
1000
1500
2000
2500
3500
4000
4500
0
Năng lợng phân tán (1000 N.mm)

Hình 4.16.

Quan hệ giữa năng lợng đợc phân tán và số chu kỳ chất tải
của các mô hình thí nghiệm
4.8.4. Sự suy giảm độ cứng.
Độ cứng các mô hình thí nghiệm đợc xác định theo biểu thức K = F/

(4.1). Hình 4.17
và 4.18 biểu diễn sự biến thiên độ cứng cát tuyến theo các chu kỳ chất tải.


200
400
600
800
1000
1200
MH3

MH2
MH1
3
4
5
6
1
2
0

3 4 5 61 2 7 8
200
400
600
800
1000
1200
1400
MH3
MH2
MH1
0

Hình 4.17.

Quan hệ giữa độ cứng cát tuyến Hình 4.18.

Quan hệ giữa độ cứng cát tuyến
và độ dẻo chuyển vị của các nhóm mô hình và độ dẻo chuyển vị của các nhóm mô hình thí
thí nghiệm theo chiều dơng của tác động. nghiệm theo chiều âm của tác động.

4.8.5. Quá trình xuất hiện các khe nứt và cách thức phá hoại các MH thí nghiệm
a) Nhóm mô hình thứ nhất MH1.


Năng lợng phân tán (1000 N.mm)

Đ
ộ cứng cát tuyến

(N/mm)

Đ
ộ cứng cát
tuyến

(N/mm)

Đ
ộ dẻo chuyển vị theo chu kỳ
chất tải đợc xác định theo (2.2).
Kết
quả tính toán đợc cho trong hình
4.15.

Độ dẻo

à

Chu kỳ

Độ dẻo

à

Độ dẻo

à

20

Hình 4.19.

Hình dạng và vị trí các khe nứt xuất hiện trên các mô hình MH1
Khe nứt đầu tiên xuất hiện tại tiết diện sát mép gối, chạy lan sâu vào trong gối tạo nên
một góc 20
0
- 30
0
so với phơng vuông góc với trục dầm. Khe nứt thứ hai xuất hiện cách
mép gối 150mm và khe nứt thứ ba cách mép gối khoảng 250mm. Các khe nứt này chạy
nghiêng góc so với trục dầm, khoảng 60
0
(hình 4.19)
b) Nhóm mô hình thứ hai MH2.
Ngoài khe nứt đầu tiên có hình dạng và vị trí giống nh ở các mô hình MH1, còn có
thêm 3 khe nứt khác tại các vị trí sau so với mép gối tựa: khe nứt thứ hai khoảng 120mm,
khe nứt thứ ba khoảng 220mm và khe nứt thứ t khoảng 280mm (hình 4.20).


Hình 4.20. Hình dạng và vị trí các khe nứt xuất hiện ở các mô hình MH2

c) Nhóm mô hình thứ ba MH3.


Hình 4.21
.
Hình dạng và vị trí các khe nứt xuất hiện ở các mô hình MH3
Khe nứt đầu tiên xuất hiện cách mép gối tựa khoảng 100mm, nơi giao nhau của hai
thanh cốt thép dọc đợc uốn xiên tại trục dầm. Khe nứt thứ hai xuất hiện cách mép gối tựa
21
khoảng 200mm và có bề rộng bé hơn khe nứt thứ nhất. Khe nứt thứ ba ở tại vị trí cách mép
gối khoảng 280mm nh MH2 (hình 4.21).

4.9. Phân tích các kết quả thí nghiệm
4.9.1. ảnh hởng của cốt thép đai tới biến dạng dẻo của cấu kiện.
So sánh các kết quả thí nghiệm thu đợc từ các nhóm mô hình MH1 và MH2 cho thấy,
sự gia tăng hàm lợng cốt thép đai trong vùng tới hạn lên 2 lần dẫn tới các hệ quả sau:
i) Độ dẻo chuyển vị tăng trung bình khoảng 1,1 lần và kéo dài thời gian biến dạng dẻo;
ii) Gia tăng khả năng phân tán năng lợng, trung bình khoảng 1,4 lần;
iii) Gia tăng độ cứng ngang trung bình khoảng 1,25 lần và tốc độ suy giảm độ cứng chậm
hơn khi gia tăng các chu kỳ chất - dỡ tải;
iv) Tăng khả năng chống cắt của cấu kiện, giảm nguy cơ bị phá hoại giòn.
4.9.2. Độ dẻo chuyển vị của các mô hình đợc cấu tạo theo TCXDVN 356:2005
Các kết quả thí nghiệm cho thấy, các mô hình MH1 đợc cấu tạo theo TCXDVN
356:2005 có độ dẻo khá lớn (hình 4.13, 4.14, 4.15). Độ dẻo của MH1 bằng khoảng 0,9 độ
dẻo của MH2 đợc cấu tạo theo TCXDVN 375:2006 (bảng 4.11)


Bảng 4.11. Độ dẻo chuyển vị của các mô hình MH1 và MH2
Chu kỳ 5 6 7 8 9 10 11 12 13
à

MH1
1,03

1,22

1,41

1,64

1,93

2,13

3,19

3,95

4,73

à
MH2

1,20

1,42

1,60

1,80

2,06

2,43

3,38

4,47

5,11

à
MH1
/
à
MH2

0,86

0,86

0,88

0,91

0,94

0,88

0,94

0,88

0,93

Điều này cho thấy, các công trình đợc thiết kế theo TCXDVN 356:2005 có thể đáp
ứng các quy định của quan niệm thiết kế kháng chấn mới và giá trị hệ số ứng xử q

1,5
quy định trong TCXDVN 375:2006 cho các kết cấu BTCT đợc thiết kế theo TCXDVN
356:2005 là không phù hợp. Giá trị hệ số q kiến nghị cho trong bảng 4.12

Bảng 4.12. Hệ số ứng xử q kiến nghị dùng để thiết kế khung BTCT cấp dẻo DCM
Loại hệ kết cấu Thiết kế theo
TCXDVN 375:2006
Thiết kế theo
TCXDVN 356:2005
Hệ khung, hệ hỗn hợp
3,0

u
/

1
2,4

u
/

1

4.9.3. ảnh hởng của hàm lợng cốt thép dọc và lực cắt và tới biến dạng dẻo của
các dầm bê tông cốt thép
Việc cấu tạo cốt thép dọc một cách đặc biệt nh trong MH3 (hình 4.4), nhằm mục đích:
a) Giảm hàm lợng cốt thép dọc của dầm tại vùng tới hạn từ 2,53% xuống còn 1,68%;
b) Giảm lực cắt tác động lên vùng tới hạn của dầm.
Các kết quả thí nghiệm thu đợc cho phép rút ra các kết luận sau:
(i) Độ dẻo chuyển vị của MH3 lớn hơn MH1 và MH2 (hình 4.13, 4.14 và 4.15);
(ii) Khả năng phân tán năng lợng của MH3 gần bằng MH2 và lớn hơn MH1, thời gian
phân tán năng lợng kéo dài và bằng MH2 (hình 4.16).
(iii) Chiều dài vùng biến dạng dẻo ở MH3 bằng MH2 (280mm) và lớn hơn MH1 (250mm);
(iv) Độ cứng của MH3 nhỏ hơn, suy giảm nhanh hơn MH1 và MH2 (hình 4.17 và 4.18).
4.9.4. Một số các vấn đề khác cần đợc nghiên cứu tiếp tục
1. Về chiều dài vùng khớp dẻo tơng đơng
22
Xem chiều dài vùng khớp dẻo tơng đơng là khoảng cách giữa các vết nứt lớn trên
mô hình thí nghiệm. So sánh các kết quả thí nghiệm với các kết quả tính toán theo các
công thức của Corley, Mattock, Sawye và của Paulay và Priestley (2.97) (bảng 4.13) cho
thấy: chiều dài vùng khớp dẻo tơng đơng chịu ảnh hởng của bớc cốt đai và lực cắt
trong vùng tới hạn.
Bảng 4.13 Chiều dài khớp dẻo l
p
của các mô hình thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm Paulay và Priestley Chiều dài
khớp dẻo
MH1 MH2 MH3

Sawyer


Corley

Mattock
MH1 MH2 MH3
l
p
(mm) 250 280 280 126,25 200,89 162,5 236,67

241,18 229,03
Kết hợp các kết quả nghiên cứu của Paulay và Priestley (2.97), kiến nghị đa yếu tố
ảnh hởng của cốt thép đai vào biểu thức xác định chiêù dài khớp dẻo tơng đơng:

s
Cfll
w
Lyp

++=
40
022,008,0
(4.5)
trong đó
w
và s - tơng ứng là đờng kính và bớc cốt đai, còn C
4
- hệ số thực nghiệm.
2. Về độ dẻo uốn của các mô hình thí nghiệm.
Quá trình thí nghiệm cho thấy chuyển vị dẻo chịu ảnh hởng của biến dạng cắt và biến
dạng trợt do mất lực dính kết của cốt thép dọc trong vùng nút khung hoặc gối tựa. Để xét
tới các biến dạng này (làm suy giảm độ cứng của nút khung hoặc gối tựa), kiến nghị đa hệ
số K

0
<1,0 vào trong biểu thức (2.104):









+=
l
l
0,51
l
l
1)(à3K1à
pp
0

(4.6)
Kết quả thí nghiệm cho giá trị hệ số K
0
= 0,7 - 0,8
4.10 Kết luận chơng IV
1. Việc gia tăng hàm lợng cốt thép đai tại vùng tới hạn làm gia tăng độ dẻo và kéo dài
thời gian biến dạng dẻo, gia tăng khả năng phân tán năng lợng, gia tăng độ cứng ngang
và làm giảm tốc độ suy giảm độ cứng ngang khi gia tăng các chu kỳ chất tải.
2.

Lực cắt làm giảm độ dẻo cũng nh hệ số ứng xử q. Việc uốn xiên một số thanh cốt
thép dọc có tác dụng: giảm bớt tác động có hại của lực cắt, gia tăng khả năng biến dạng
dẻo, giảm bớt hàm lợng cốt thép dọc, kiểm soát đợc vị trí xuất hiện khớp dẻo.
Việc giảm hàm lợng cốt thép dọc sẽ làm giảm ứng suất nén trong bê tông, giảm tốc
độ suy giảm khả năng phân tán năng lợng.
3.

Có thể dùng TCXDVN 356:2005 thay thế cho tiêu chuẩn EN 1992-1-1:2004 trong
các nội dung liên quan tới tiêu chuẩn này quy định trong TCXDVN 375:2006. Các công
trình đợc thiết kế theo TCXDVN 356:2005 hoàn toàn có thể đáp ứng đợc các quy định
của quan niệm thiết kế kháng chấn mới và giá trị hệ số ứng xử q 1,5 quy định trong
TCXDVN 375:2006 cho các kết cấu BTCT đợc thiết kế theo TCXDVN 356:2005 là không
phù hợp.
4.

Việc bố trí cốt thép dọc đợc uốn chéo giao nhau trong vùng tới hạn của dầm là biện
pháp hữu ích để bảo vệ các cấu kiện BTCT chống lại lực cắt đổi chiều theo chu kỳ và làm
gia tăng khả năng biến dạng dẻo của chúng.
23
5. Chiều dài vùng khớp dẻo tơng đơng chịu ảnh hởng của cốt thép đai và lực cắt.
Biến dạng cắt và biến dạng trợt do cốt thép dọc bị mất lực dính kết trong vùng nút có ảnh
hởng tới chuyển vị dẻo.
Kết luận và kiến nghị
A. kết luận
1.

Quan niệm thiết kế kháng chấn mới cho phép các công trình xây dựng làm việc sau
giai đoạn đàn hồi. So với cách thiết kế để công trình làm việc đàn hồi, giá trị của lực động
đất đợc giảm xuống q lần. Trong TCXDVN 375:2006 q đợc gọi là hệ số ứng xử. Việc tính

toán tác động động đất theo hệ số ứng xử q và áp dụng các biện pháp thiết kế để có đợc
hệ số này quyết định độ an toàn và kinh tế của công trình đợc thiết kế.
Hệ số ứng xử phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau, từ vật liệu, cách thức cấu
tạo chi tiết các cấu kiện đến hệ kết cấu. Trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các
nớc trên thế giới, giá trị của chúng rất khác nhau, phản ánh tính đa dạng của các loại vật
liệu xây dựng, các hệ kết cấu đợc sử dụng, các giả thiết tính toán dùng trong thiết kế ,
cũng nh trình độ phát triển khoa học - công nghệ xây dựng trong mỗi nớc.
Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và tính toán độ dẻo cũng nh hệ số ứng xử q của các
cấu kiện (dầm, cột) và các kết cấu khung lẫn tờng BTCT theo các tiêu chuẩn EN 1992-1-
1:2004 và TCXDVN 356:2005 kết hợp với 52 -101 - 2003 cho thấy:
- Các loại BT và cốt thép quy định trong TCXDVN 356:2005 hoàn toàn tơng đồng với
các loại BT và cốt thép quy định trong EN 1992-1-1:2004;
- Các giá trị hệ số ứng xử q của các hệ kết cấu khung lẫn tờng xác định theo
TCXDVN 356:2005 đều lớn hơn so với kết quả xác định theo EN 1992-1-1:2004.
Các nhận xét trên đã góp phần vào việc xây dựng cơ sở khoa học cho quyết định sử
dụng các giá trị hệ số ứng xử q quy định trong EN 1998-1-1:2004 vào thiết kế kháng chấn
các công trình xây dựng theo TCXDVN 375:2006.
2.

Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm thực hiện ở Viện IBST đã làm rõ đợc một số
vấn đề quan trọng sau:
a) Sự gia tăng hàm lợng cốt thép đai tại vùng tới hạn làm gia tăng độ dẻo và kéo dài
thời gian biến dạng dẻo, gia tăng khả năng phân tán năng lợng, gia tăng độ cứng ngang
và làm giảm tốc độ suy giảm độ cứng ngang khi gia tăng các chu kỳ chất tải, gia tăng khả
năng chống cắt của cấu kiện và làm giảm nguy cơ bị phá hoại giòn.
b) Hàm lợng cốt thép dọc và lực cắt có ảnh hởng tới biến dạng dẻo của các cấu kiện
BTCT. Lực cắt và hàm lợng cốt thép dọc giảm sẽ làm tăng độ dẻo cũng nh hệ số ứng xử
q của các cấu kiện và hệ kết cấu, giảm tốc độ suy giảm khả năng phân tán năng lợng.
c) Việc bố trí cốt thép dọc đợc uốn chéo giao nhau trong vùng tới hạn của dầm là
biện pháp hữu ích để bảo vệ các cấu kiện BTCT chống lại lực cắt đổi chiều theo chu kỳ và

làm gia tăng khả năng biến dạng dẻo của chúng; cho phép kiểm soát đợc vị trí xuất hiện
khớp dẻo.
d) Các cấu kiện BTCT đợc cấu tạo theo TCXDVN 356:2005 có độ dẻo chuyển vị khá
lớn, bằng khoảng 80% độ dẻo của cấu kiện cấu tạo TCXDVN 375:2006.
e) Cốt thép đai (hàm lợng, khoảng cách giữa các lớp, đờng kính) trong vùng tới hạn
có ảnh hởng tới chiều dài vùng khớp dẻo tơng đơng;
24
f) Quá trình biến dạng dẻo tại các vùng tới hạn nằm sát các mép gối tựa làm suy giảm
độ cứng của vùng liên kết (vùng gối tựa), ảnh hởng tới biến dạng dẻo của kết cấu BTCT.
Kết hợp các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho phép rút ra kết luận sau:
- Có thể dùng TCXDVN 356:2005 để thay thế tiêu chuẩn EN 1992-1-1:2004 trong các nội
dung liên quan tới tiêu chuẩn thiết kế này quy định trong tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006.
- Có thể sử dụng tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 kết hợp với TCXDVN 375:2006 trong thiết
kế các công trình chịu động đất. Quy định về giá trị hệ số q 1,5 của TCXDVN 375:2006
cho các kết cấu BTCT đợc tính toán và cấu tạo theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT
không kháng chấn là hoàn toàn không có cơ sở đối với TCXDVN 356:2005.
B. kiến nghị
1.

Để bảo đảm tính pháp lý cũng nh tính thực tiễn của việc áp dụng tiêu chuẩn
TCXDVN 375:2006, kiến nghị cho phép sử dụng TCXDVN 356:2005 thay cho EN 1992-1-
1:2004, trong các nội dung liên quan tới tiêu chuẩn này trong TCXDVN 375:2006.
Kiến nghị tiếp tục nghiên cứu xác định hệ số ứng xử q cho các công trình đợc thiết kế
theo TCXDVN 356:2005 để mang lại các hiệu quả về tính an toàn và kinh tế cho các công
trình đợc xây dựng trong các vùng động đất ở nớc ta.
2. Để tạo cơ sở pháp lý cho sự đồng bộ hoá TCXDVN 375:2006 với các tiêu chuẩn
thiết kế khác cần bổ sung hoặc thay thế TCXDVN 356:2005 bằng 52 -101 - 2003 hoặc
EN 1992-1-1:2004.
3.

Trong vùng tới hạn của dầm nên uốn xiên một số thanh cốt thép dọc ở mặt trên và
dới một góc 45
0
, giao nhau tại trục dọc của dầm.
4. Tiếp tục nghiên cứu thêm ảnh hởng của cốt thép đai tới chiều dài vùng khớp dẻo
tơng đơng và ảnh hởng của biến dạng cắt lẫn biến dạng trợt của sự mất lực dính kết
cốt thép dọc trong vùng liên kết (nút khung, gối tựa) tới biến dạng dẻo của các kết cấu
BTCT.