Ảnh hưởng của liên kết tới khả năng chịu tải trọng nổ của tấm bê tông cốt thép (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀOTẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGÔ QUỐC TRUNG

ẢNH HƯỞNG CỦA LIÊN KẾT TỚI KHẢ NĂNG CHỊU
TẢI TRỌNG NỔ CỦA TẤM BÊ TÔNG CỐT THÉP

LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP


Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀOTẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGÔ QUỐC TRUNG
KHÓA: 2015 - 2017

ẢNH HƯỞNG CỦA LIÊN KẾT TỚI KHẢ NĂNG CHỊU
TẢI TRỌNG NỔ CỦA TẤM BÊ TÔNG CỐT THÉP
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD và CN
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa đào tạo sau đại học, Khoa xây dựng dân dụng và
công nghệp – Trường đại học Kiến trúc Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi
hoàn thành luận văn này.
Xin đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương - Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã
động viên, hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Mặc dù tôi đã hoàn thành luận văn với nỗ lực lớn của bản thân nhưng do hạn chế về
thời gian và kiến thức nên luận văn không tránh khỏi những khuyết điểm, thiếu sót,
rất mong nhận được sự đóng góp của ý kiến của các thầy cô và đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

Ngô Quốc Trung

năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu độc lập của tôi. Các đoạn
trích dẫn và số liệu sử dụng trong luận văn đều được dẫn nguồn và có độ chính xác

cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi.
Tác giả

Ngô Quốc Trung


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
* Lý do chọn đề tài .................................................................................................. 1
* Mục đích nghiên cứu. ........................................................................................... 1
* Mục tiêu. .............................................................................................................. 2
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ........................................................................ 2
* Phương pháp nghiên cứu. ..................................................................................... 2
* Cơ sở khoa học và thực tiễn. ................................................................................. 2
* Kết quả đã đạt được và vấn đề còn tồn tại ............................................................. 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TẢI TRỌNG NỔ .................................................. 4
1.1. Nguy cơ và hậu quả khi công trình chịu tải trọng nổ ......................................... 4
1.1.1. Nguy cơ xuất hiện tải trọng nổ................................................................. 4
1.1.2. Hậu quả khi công trình chịu tải trọng nổ .................................................. 6
1.2. Khái niệm và các đặc trưng của bản của tải trọng nổ......................................... 9
1.2.1. Bản chất của tải trọng nổ ......................................................................... 9
1.2.2. Vụ nổ và diễn biến vụ nổ ......................................................................... 9
1.2.3. Ảnh hưởng của tải trọng nổ tới công trình. ............................................ 10
1.2.4. Đặc điểm chung của tải nổ, các đặc trưng cơ bản của tải nổ................... 13

1.2.5. Cách xác định các đặc trưng cơ bản của tải trọng nổ. ............................. 16
CHƯƠNG 2 ỨNG XỬ VÀ NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT CHỊU TẢI
TRỌNG NỔ ........................................................................................................... 27
2.1. Ứng xử của kết cấu BTCT chịu tải trọng nổ .................................................... 27
2.1.1. Phương pháp mô hình hệ 1 bậc tự do ..................................................... 27
2.1.2. Phương pháp mô hình hệ nhiều bậc tự do .............................................. 34
2.2. Nguyễn lý thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu tác dụng của tải trọng nổ ...... 34
2.2.1. Cường độ cửa vật liệu khi chịu tải trọng động ....................................... 38
2.2.2. Khả năng chịu lực đợn vị tới hạn ru ....................................................... 39
2.2.3. Trạng thái phá hoại của cấu kiện BTCT chịu tải trọng nổ ...................... 47
2.2.4. Chuyển vị tới hạn XM ............................................................................ 48
2.2.5. Xác định khả năng của cấu kiện trong gian đoạn đàn hồi re và đàn hồi dẻo
rep của cấu kiện ................................................................................................ 51
2.2.6. Hệ số quy đổi độ cứng và chuyển vị của hệ ........................................... 53
2.2.7. Mômen quán tính trung bình Ia .............................................................. 55
2.2.8. Chuyển vị tương đương XE .................................................................... 56
2.2.9. Hệ số quy đổi lực khối KLM của cấu kiện BTCT chịu tải trọng nổ.......... 56
CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI VỀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC KHI
THAY ĐỔI LIÊN KẾT TRONG THIẾT KẾ TẤM BTCT CHỊU TẢI TRỌNG NỔ
.............................................................................................................................. 68
3.1. Ví dụ tính toán ................................................................................................ 68
3.2. Xác định khả năng chịu xung lực của tấm BTCT làm việc 1 phương: ............. 70
3.3. Xác định khả năng chịu xung lực của tấm BTCT làm việc 2 phương liên kết 4
cạnh ngàm ............................................................................................................. 72


3.4. Xác định khả năng chịu xung lực của tấm BTCT làm việc 2 phương liên kết 3
cạnh ngàm, 1 cạnh tự do: ....................................................................................... 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 87
1. Kết luận ............................................................................................................. 87
2. Kiến nghị ........................................................................................................... 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO


CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

b

Khoảng cách từ tường chắn tới công trình.

BTCT

Bê tông cốt thép

Ds

Khoảng cách từ tâm nổ tới công trình.

Dw

Khoảng cách từ tâm nổ tới tường chắn.

Hs

Chiều cao công trình.

Hw

Chiều cao tường chắn.

Ir

Công của áp lực phản xạ.

Iso

Công của áp lực nổ trong pha đẩy trong.

Lw

Bước sóng nổ.

Pr

Giá trị lớn nhất của áp lực phản xạ.

Pso

Giá trị lớn nhất của áp lực nổ trong pha đẩy.

qo

Giá trị lớn nhất của áp lực động (dynamic over pressure) .

td

Khoảng thời gian của pha đẩy.

tr

Khoảng thời gian pha đẩygiả định của áp lực phản xạ,

Us

Vận tốc mặt sóng nổ.


DANH MỤC HÌNH VẼ
STT

Nội dung

Trang

Hình 1.1.

Tâm vụ nổ ở cao phía trên công trình [11]

11

Hình 1.2.

Vụ nổ bề mặt

12

Hình 1.3.

Góc nghiêng của sóng tới [11]

12

Hình 1.4.

Quá trình hình thành sóng kết hợp [12]

13

Hình 1.5.

Sự thay đổi của giá trị lớn nhất của áp lực với khoảng cách
từ tâm nổ tại một thời điểm nhất định [11]

14

Hình 1.6.

Sự thay đổi của áp lực theo khoảng cách theo biến thiên
thời gian [11]

14

Hình 1.7.

Sự thay đổi của áp lực tới và áp lực động theo thời gian tại
một điểm nhất định [11]

15

Hình 1.8.

Giá trị lớn nhất của áp lực tới theo khoảng cách quy đổi: so
sánh giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm [12]

22

Hình 1.9.

Sự thay đổi của hệ số phản xạ theo góc tới [16]

24

Hình 1.10.

Các thông số của tải nổ theo TM5-1300 chuyển đổi sang hệ
đơn vị SI của Remennikov (2002) [16]

25

Hình 2.1.

Sơ đồ mô hình một bậc tự do tương đương

27

Hình 2.2.

Hệ một bậc tự do tương đương [11]

28

Hình 2.3.

Ứng xử điển hình của hệ SDOF [6]

33

Hình 2.4.

Ứng xử của kết cấu BTCT khi chịu tải trọng nổ [11]

35

Hình 2.5.

Chuyển vị của dầm đơn giản chịu tải trọng nổ

36

Hình 2.6.

Các trạng thái làm việc của cấu kiện BTCT chịu tải trọng
nổ

37

Hình 2.7.

Sơ đồ Lực – Chuyển vị tương đương

38

Hình 2.8.

Vị trí đường chảy déo trong mốt số cấu kiện làm việc 2
phương

43


Hình 2.9.

Vị trí đường chảy dẻo đối với bản làm việc 2 phương liên
kết ngàm 3 cạnh, 1 cạnh tự do [16]

45

Hình 2.10

Vị trí đường chảy dẻo đối với bản làm việc 2 phương liên
kết ngàm 4 cạnh [16]

46

Hình 2.11.

Biến dạng của dầm BTCT chịu tải trọng nổ [12]

48

Hình 2.12.

Biến dạng của hệ khung BTCT chịu tải trọng nổ [12]

48

Hình 2.13.

Quan hệ lực – chuyển vị trong giới hạn chuyện vị Xm [16]

54

Hình 2.14.

Hệ số Momen và hệ số chuyển vị bản ngàm 3 cạnh, 1 cạnh
tự do chịu tải trọng phân bố [16]

58

Hình 2.15.

Hệ số Momen và hệ số chuyển vị của bản ngàm 1 cạnh, 2
cạnh khớp, 1 cạnh tự do chịu tải trọng phân bố [16]

59

Hình 2.16.

Hệ số Momen và hệ số chuyển vị của bản ngàm 3 cạnh
khớp, 1 cạnh tự do chịu tải trọng phân bố [16]

60

Hình 2.17.

Hệ số Momen và hệ số chuyển vị của bản ngàm 4 cạnh
chịu tải trọng phân bố [16]

61

Hình 2.18.

Hệ số Momen và hệ số chuyển vị của bản ngàm 2 cạnh, 2
cạnh khớp chịu tải trọng phân bố [16]

62

Hình 2.19.

Hệ số Momen và hệ số chuyển vị của bản 4 cạnh khớp chịu
tải trọng phân bố [16]

63

Hình 2.20.

Hệ số xác định mômen quán tính khi xuất hiện vết nứt [16]

64


DANH MỤC BẢNG
STT

Nội dung

Trang

Bảng 1.1.

Ví dụ về khối lượng TNT tương đương của một số loại
thuốc nổ mạnh [11]

17

Bảng 2.1.

Hệ số DIF cho bê tông và cốt thép được đề xuất Smith và
Hetherington [11]

39

Bảng 2.2.

Khả năng chịu lực đơn vị tới hạn ru [16]

42

Bảng 2.3.

Khả năng chịu lực đơn vị tới hạn ru của cấu kiện làm việc 2
phương [16]

44

Bảng 2.4.

Giới hạn biến dạng theo mức độ bảo vệ [12]

47

Bảng 2.5.

Mức độ thiệt hại của công trình [14]

49

Bảng 2.6.

Biến dạng giới hạn của cấu kiện BTCT khi kể đến mức độ
phá hoại [14]

49

Bảng 2.7.

Chuyển vị cực hạn và chuyển tới hạn của cấu kiện làm việc
1 phương [16]

50

Bảng 2.8.

Chuyển vị cực hạn và chuyển tới hạn của cấu kiện làm việc
2 phương [16]

51

Bảng 2.9.

Khả năng chịu lực đơn vị trong gian đoạn đàn hồi và đàn
hồi – dẻo của cấu kiện làm việc 1 phương [16]

52

Bảng 2.10.

Độ cừng giai đoạn dẻo, đàn – dẻo và độ cứng tương đương
của cấu kiện làm việc 1 phương [16]

65

Bảng 2.11.

Hệ sô quy đổi KL, KM , KLM cho bản làm việc 1 phương
[16]

66

Bảng 2.12.

Hệ sô quy đổi KL, KM , KLM cho bản làm việc 2 phương
[16]

67

Bảng 3.1.

Tổng hợp số liệu tính toán khẳ năng chịu tải trọng nổ của
tấm BTCT

85

Bảng 3.2.

So sánh khả năng chịu tải trọng nổ của tấm BTCT liên kết
ngàm 2 cạnh và tấm BTCT ngàm 4 cạnh

85

Bảng 3.3.

So sánh khả năng chịu tải trọng nổ của tấm BTCT liên kết
ngàm 2 cạnh và tấm BTCT ngàm 4 cạnh

85

1

MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài
Những năm gần đây, trên cả nước liên tiếp xảy ra nhiều vụ nổ kinh hoàng, gây thiệt
hại lớn về người và của. Không chỉ khiến dư luận bàng hoàng, đau xót, hậu quả của
nó còn gióng lên hồi chuông báo động đối với công tác phòng chống cháy nổ, đặc
biệt tại các khu đông dân cư. Bên cạnh đó tại các nước trên thế giới, đã và đang xảy
ra tình trạng các tổ chức khủng bố lên tiếng đe dọa các công trình của chính phủ và
tự nhân. Do vậy, tại các nước phát triển, các nước trong khu vực nói chung và Việt
Nam nói riêng, các tổ chức chính phủ, phi chính phủ, doanh nghiệp và các nhà đầu
tư trong và ngoài nước khi đầu tư xây dựng công trình có thể yêu cầu người thiết kế
cân nhắc phương án đưa ra giải pháp thiết kế phòng chống chảy nổ.
Cho đến nay, phàn lớn các công trình dân sự tại Việt Nam thường chỉ được thiết kế
chịu tác động của tĩnh tải, hoạt tải, gió và động đất mà chưa có nhiều nghiên cứu
cũng như quy chuẩn và tiêu chuẩn cho công trình có thiết kế phòng chống cháy, nổ
nói chung và công trình chịu tải trọng nổ nói riêng. Thiết kế phòng chống cháy nổ là
sự kết hợp chặt chẽ giữa quy hoạch kiến trúc, bố trí tổng mặt bằng, tính toán độ bền
và cấu tạo các cấu kiện kết cấu, lựa chọn đặc trưng kỹ thuật của các thiết bị cơ điện
v.v… Một trong những giải pháp thường được cân nhắc là bố trí tường bê tông bảo
vệ tại những vị trí trọng yếu của công trình.
Từ những phân tích nêu trên: Đề tài “ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN LIÊN
KẾT TỚI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI TRỌNG NỔ CỦA TẤM BTCT” có tính cấp
thiết và tính thực tiễn cao.
* Mục đích nghiên cứu.
- Tìm hiểu về tải trọng nổ trong thiết kế kết cấu BTCT.
- Tìm hiểu về ứng xử của tấm BTCT chịu tải trọng nổ.


2

- So sánh khả năng chịu lực của tấm bê tông cốt thép chịu tải trọng nổ trong các
điều kiện liên kết khác nhau.
* Mục tiêu.
Đánh giá được hiệu quả kháng sóng nổ khi thay đổi liên kết của tấm BTCT từ một
phương thành hai phương.
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Đối tượng nghiên cứu.
Tấm BTCT chịu tại trọng nổ.
- Phạm vi nghiên cứu.
+ Nghiên cứu về tải trọng nổ: nguyên lý hình thành và cách xác định các đặc trưng
của tải trọng nổ.
+ Nghiên cứu ứng xử kết cấu dưới tác dụng của tải trọng nổ.
+ Nghiên cứu khả năng chịu lực của tấm bê tông cốt thép chịu tải trọng nổ trong các
điều kiện liên kết khác nhau (tấm BTCT làm việc một phương và hai phương).
* Phương pháp nghiên cứu.
Sử dụng lý thuyết tính toán.
* Cơ sở khoa học và thực tiễn.
Do tính thời sự, nguy cơ nổ ngày càng được chú ý và ngày càng trở thành nguyên
nhân quan trọng gây thiệt hại cho công trình. Tuy nhiên các tiêu chuẩn thiết kế hiện
hành chưa có hướng dẫn tính toán thiết kế công trình chịu tải trọng nổ gây khó khăn
cho các kỹ sư khi thiết kế các công trình nằm gần nguồn nổ.


3

* Kết quả đã đạt được và vấn đề còn tồn tại
- Kết quả dự kiến đạt được
+ Phân tích tác động của tải trọng nổ và ứng xử của tấm BTCT chiu tải trọng nổ.
+ Đánh giá được vai trò của liên kết đến khả năng chịu tại trọng nổ của tấm BTCT:

tấm BTCT làm việc 2 phương có khả năng chịu tải trọng nổ tăng đáng kể so với bản
một phương.
- Vấn đề còn tồn tại
Do hạn chế về thời gian nên trong phạm vị luân văn tác giả chỉ khảo sát giới hạn các
thông số: khối lượng thuốc nổ, kích thước tấm BTCT có giá trị không đổi, tấm
BTCT liên kết ngàm hai cạnh đối diện, liên kết ngàm 3 cạnh và liên kết ngàm 4
cạnh. Chưa đánh giá, so sánh được khả năng chịu lực của tấm BTCT có liên kết hai
cạnh vuông góc cũng như sự thay đổi về cường độ vật liệu và các điều kiện khác
nhau của nguồn nổ.


THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội.
Email:

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN


87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Thông qua nghiên cứu lý thuyết và thực hiện khảo sát về ảnh hưởng của liên kết tới
khả năng chịu tải trọng nổ của tấm BTCT, luận văn đã đạt được những kết quả sau:
- Tìm hiểu về tải trọng nổ và ứng xử của tấm BTCT khi chịu tải trọng nổ trên cơ sở
sử dụng tiêu chuẩn TM5-1300.

- Thiết kế cốt thép cho tấm BTCT chịu tải trọng nổ ở dạng xung.
- Từ kế quả tính toán nhận thấy điều kiện liên kết có ảnh hưởng đáng kể đối với khả
năng chịu tải trọng nổ của tấm BTCT:
+ Khi thay đổi liên kết của tấm BTCT từ 2 cạnh ngàm đối xứng (tấm làm việc 1
phương) thành 3 cạnh ngàm (tấm làm việc 2 phương) khă năng chịu tải trọng nổ của
tấm tăng 35%.
+ Khi thay đổi liên kết của tấm BTCT từ 2 cạnh ngàm đối xứng (tấm làm việc 1
phương) thành 4 cạnh ngàm (tấm làm việc 2 phương) khă năng chịu tải trọng nổ của
tấm tăng 58%.
2. Kiến nghị
- Luận văn có thể là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư kết cấu thiết kế tấm BTCT
chịu tải trọng nổ, đồng thời đặt ra vấn đề trong nghiên cứu về tải trọng nổ cũng như
sự làm việc của tấm BTCT với Tiêu chuẩn Việt Nam
- Để đánh giá chính xác hơn cần có các nghiên cứu thực nghiệm và khảo sát thêm 1
số yếu tổ ảnh hưởng khác như: cường độ vật liệu, hàm lượng cốt thép cũng như cấu
tạo cốt thép theo các phương và kích thước của tấm BTCT.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Phan Quang Minh, Ngô Phế Phong, Nguyễn Đình Cống (2006), “Kết cấu
bêtông cốt thép (phần cấu kiện cơ bản)”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.
2. Đỗ Kiến Quốc, Lê Đức Tuấn (2007). “Ứng xử động lực học kết cấu bê tông cốt
thép dưới tác dụng của tải trọng nổ”. Tạp chí Khảo sát thiết kế, 3, 2007
3. TCVN 2737 : 1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.
4. TCVN 5574 : 2012: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
Tiếng Anh
5. Biggs, J. M. (1964). Introduction to Structural Dynamics. New York, McGrawHill.
6. Brode, H. L. (1955). "Numerical Solutions of Spherical Blast Waves.” Journal
of Applied Physics. 26(6): 766-775.

7. Department of the Army (1990), "Structures to resist the effects of accidental
explosions", TM5-1300, Washington, D.C.
8. Henrych, J. (1979). The Dynamics of Explosion and its Use. Amsterdam,
Elsevier.
9. John Crawford. (2006). An introduction to explosion, design for blast and
design of antiram barriers. Advanced Protective Technologies for Egineering
Structures (APTES) Group.
10. Kingery, C. N. and Bulmash, G. (1984). Airblast Parameters from TNT
Spherical Air Burst and Hemispherical Surface Burst. Technical Report
ARBRL-TR-02555, U. S. Army Armament Research and Development Center.
11. Smith, P. D. and Hetherington, J. G. (1994). Blast and Ballistic Loading of
Structures. Oxford, Butterworth Heinemann.
12. Smith, P.D. and G.C. Mays, Eds. (1995). Blash Effects on Buildings. London,
Thomas Telford.


13. T. Ngo, N. Nguyen, P. Mendis (2004). “An investigation on the effectiveness of
blast walls and blast-structure interaction”, Department of Civil &
Environmental Engineering, The University of Melbourne, Australia.
14. AICE (1996). Guildelines for Evaluating Process Plant Building for External
Explosions and Fires. New York, American Institute of Chemical Engineers.
15. ASCE (1975). A Comparative Study of Structural Response to Explosioninduced ground motions. New York, ASCE.
16. TM5-1300 (1991). Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions. US
Army Technical Manual. U.S. Department of the Army.
17. Weidlinger, R (1994), "Civilian structures: taking the defensive", Civil
engineering, McGraw- Hill Book Co., Inc., N-Y.