Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng nút khung tới phản ứng của khung bê tông cốt thép chịu động đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Võ Mạnh Tùng

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG
NÚT KHUNG TỚI PHẢN ỨNG
CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 9580201
LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội – năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG
NÚT KHUNG TỚI PHẢN ỨNG
CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 9580201

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS. NGUYỄN LÊ NINH

Hà Nội – năm 2018

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng
được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày 20 tháng 1 năm 2018
Tác giả luận án

Võ Mạnh Tùng


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
DANH MỤC KÝ HIỆU ......................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................x
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT
THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT VÀ NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN
CỨU ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC...............................................................................................6
1.1. SỰ PHÁ HOẠI CỦA NÚT KHUNG DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT ......6
1.2. PHÂN LOẠI CÁC NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ...........................7
1.2.1 Phân loại dựa theo dạng hình học và cách neo cốt thép dầm ..................7

1.2.2. Phân loại dựa theo ứng xử của kết cấu .....................................................8
1.2.3. Phân loại dựa theo cách thức cấu tạo .......................................................8
1.3. CÁC LỰC TÁC ĐỘNG LÊN NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ........9
1.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU CẮT NÚT KHUNG ..12
1.4.1. Tổng quan về các mô hình xác định khả năng chịu cắt của nút khung
...............................................................................................................................12
1.4.2. Mô hình của Paulay và Priestley (1978, 1992) [35] ................................14
1.4.3. Mô hình A. G. Tsonos (1999, 2001) [48] .................................................20
1.5. KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA CÁC NÚT KHUNG THEO CÁC TIÊU
CHUẨN THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN ...................................................................23
1.5.1 Tiêu chuẩn của Hoa Kỳ (ACI 318M-2011) [56] ......................................23
1.5.2 Tiêu chuẩn thiết kế của New Zealand NZS 3101 (2006) [60].................24
1.5.3 Tiêu chuẩn của Việt Nam [55] và châu Âu [63]. ....................................24
1.5.4. Tiêu chuẩn của Nhật Bản AIJ 1999 (1999) [59] .....................................26


iii

1.6 MỘT SỐ NHẬN XÉT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG
CHỊU CẮT CỦA NÚT KHUNG ............................................................................27
1.7. MÔ HÌNH NÚT KHUNG DÙNG TRONG PHÂN TÍCH PHI TUYẾN ....27
1.7.1 Các mô hình dựa trên các nghiên cứu thí nghiệm ..................................28
1.7.2 Các mô hình dựa trên nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm ....28
1.7.3 Nhận xét về các mô hình đã được đề xuất ...............................................33
1.8 NHẬN XÉT RÚT RA TỪ NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ............................33
CHƯƠNG 2 BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ..........35
2.1. BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP .........................35
2.2. CÁC THÀNH PHẦN BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG ............................35
2.3. CHUYỂN VỊ XOAY ĐẦU MÚT CỐ ĐỊNH ..................................................36
2.3.1. Khái niệm về chuyển vị xoay đầu mút cố định ......................................36

2.3.2. Chuyển vị xoay đầu mút cố định trước khi cốt thép dọc bắt đầu bị
chảy dẻo ...............................................................................................................38
2.3.3. Chuyển vị xoay đầu mút cố định từ lúc cốt thép dọc bắt đầu chảy dẻo
cho tới trước khi cấu kiện đạt trạng thái cực hạn ...........................................39
2.3.4. Lực bám dính giữa cốt thép và bê tông ở các nút khung ......................40
2.4. BIẾN DẠNG CẮT NÚT KHUNG ..................................................................45
2.4.1. Ứng suất cắt nút khung ............................................................................45
2.4.2. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về ứng suất cắt nút khung ........46
2.4.3. Ứng suất cắt nút khung trong tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại
...............................................................................................................................47
2.5 NHẬN XÉT VỀ BIẾN DẠNG NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP .....49
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT
THÉP ........................................................................................................................51
3.1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM .................................................51


iv

3.2. THIẾT KẾ CÁC MẪU THÍ NGHIỆM..........................................................52
3.2.1 Xuất xứ của các mẫu thí nghiệm ..............................................................52
3.2.2 Cấu tạo chi tiết các mẫu thí nghiệm ........................................................54
3.3. ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO MẪU THÍ NGHIỆM
...................................................................................................................................56
3.3.1. Vật liệu bê tông .........................................................................................56
3.3.2. Vật liệu cốt thép .......................................................................................57
3.4. SƠ ĐỒ VÀ QUY TRÌNH CHẤT TẢI CÁC MẪU THÍ NGHIỆM ............58
3.4.1 Sơ đồ chất tải .............................................................................................58
3.4.2. Định nghĩa hệ số độ dẻo chuyển vị của mẫu thí nghiệm ......................59
3.4.3 Quy trình chất tải các mẫu thí nghiệm ...................................................61
3.5. CÁC SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ SƠ ĐỒ BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ ĐO .63

3.5.1. Các số liệu thí nghiệm...............................................................................63
3.5.2. Các thiết bị đo ...........................................................................................64
3.5.3. Sơ đồ bố trí các thiết bị đo và cách sử dụng các dữ liệu thu được .......64
3.6. ỨNG XỬ CỦA CÁC MẪU THÍ NGHIỆM ...................................................67
3.6.1. Mẫu thí nghiệm NK1. ...............................................................................67
3.6.2. Mẫu thí nghiệm NK2 ................................................................................70
3.6.3. Mẫu thí nghiệm NK3 ................................................................................73
3.7. PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ..............................................76
3.7.1. Quan hệ lực cắt tầng – chuyển vị ngang .................................................76
3.7.2. Lực cắt tầng ...............................................................................................78
3.7.3. Ứng xử của các dầm quanh nút khung ...................................................80
3.7.4. Ứng xử của các cột quanh nút khung .....................................................87
3.7.5. Ứng xử của nút khung ..............................................................................89
3.7.6. Phân tích nguyên nhân phá hoại các nút khung ....................................95


v

3.7.7

Khả năng chịu cắt của các nút khung bê tông cốt thép ......................99

3.7.8. Độ cứng của các mẫu thí nghiệm...........................................................100
3.7.9. Năng lượng được phân tán ở các mẫu thí nghiệm ...............................102
3.7.10. Hệ số cản nhớt tương đương ................................................................103
3.8. NHẬN XÉT RÚT RA TỪ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM
.................................................................................................................................104
CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HÓA ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG DƯỚI TÁC
ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT ..............................................................................................106
4.1. BIẾN DẠNG CỦA NÚT KHUNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ TỚI ỨNG

XỬ TỔNG THỂ CỦA KHUNG ...........................................................................106
4.2. MÔ HÌNH HÓA BIẾN DẠNG CẮT CỦA NÚT KHUNG .........................107
4.2.1. Sự góp phần của biến dạng cắt nút khung tới chuyển vị ngang của
khung..................................................................................................................107
4.2.2. Mô hình hóa sự góp phần của biến dạng cắt nút khung tới chuyển vị
tầng .....................................................................................................................107
4.2.3. Xác định các đặc trưng của các lò xo mô phỏng biến dạng cắt nút ...109
4.2.4. Thiết lập mối quan hệ lý tưởng τjh - γj ..................................................112
4.2.5. Thiết lập quan hệ Vc - Δc và Mb- γj của nút khung .............................115
4.3 MÔ HÌNH HÓA TRƯỢT BÁM DÍNH CỦA NÚT KHUNG .....................118
4.4 HIỆU CHUẨN, ĐÁNH GIÁ CÁC MÔ HÌNH BIẾN DẠNG NÚT KHUNG.
.................................................................................................................................119
4.4.1 Nút khung trong NK1 ..............................................................................119
4.4.2 Nút khung ngoài J2 ..................................................................................122
4.5 NHẬN XÉT VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BIẾN DẠNG NÚT KHUNG ..125
CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN CÁC HỆ KẾT CẤU KHUNG CHỊU
ĐỘNG ĐẤT ...........................................................................................................127
5.1 GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................127


vi

5.2 CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ PHÂN TÍCH KẾT CẤU ..................................127
5.3 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MÔ HÌNH BIẾN DẠNG NÚT ...129
5.3.1. Các đặc trưng khớp dẻo của mô hình biến dạng cắt nút ....................129
5.3.2. Các đặc trưng khớp dẻo của mô hình trượt bám dính .......................132
5.4 PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ................134
5.4.1 Các trường hợp tính toán ........................................................................134
5.4.2. Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần (push-over) .....................................135
5.4.3 Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian ...........................................138

5.5 NHẬN XÉT VỀ VIỆC ÁP DỤNG MÔ HÌNH BIẾN DẠNG NÚT TRONG
PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ..........................142
KẾT LUẬN ............................................................................................................143
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BÓ ...........................................145
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................145
PHỤ LỤC A ......................................................................................................... PL1
PHỤ LỤC B ......................................................................................................... PL2
PHỤ LỤC C ......................................................................................................... PL4
PHỤ LỤC D ......................................................................................................... PL6
PHỤ LỤC E ......................................................................................................... PL8
PHỤ LỤC F ....................................................................................................... PL10


vii

DANH MỤC KÝ HIỆU

s

biến dạng dọc trục của thanh cốt thép

µ∆

hệ số độ dẻo chuyển vị của mẫu thí nghiệm

γj

biến dạng cắt của vùng lõi nút

θsl

chuyển vị xoay ở đầu mút cố định

θy,sl

chuyển vị xoay đầu mút cố định khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo

λ0

hệ số vượt độ bền do cốt thép bị biến cứng

σs

ứng suất kéo của thanh cốt thép

τ0

cường độ lực bám dính trung bình trong các thanh cốt thép ở mặt trên dầm

τjh

ứng suất cắt nút theo phương ngang

τjv

ứng suất cắt nút theo phương đứng

ϕ

độ cong của trục dầm

ϕu

độ cong của trục dầm ở trạng thái cực hạn

ϕy

độ cong của trục dầm khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo

Δ

chuyển vị ngang đỉnh cột của mẫu thí nghiệm

Ag

diện tích tiết diện ngang hiệu dụng của nút khung

As1

diện tích cốt thép thớ trên của dầm

As2

diện tích cốt thép thớ dưới của dầm

bb

bề rộng của tiết diện dầm

bc

bề rộng của tiết diện cột

bj

bề rộng hiệu dụng của nút khung

Cb1

hợp lực nén của bê tông ở mặt trên dầm bên trái của hệ nút

Cb2

hợp lực nén của bê tông ở mặt trên dầm bên phải của hệ nút

Csb1

lực nén trong cốt thép ở mặt trên dầm bên trái của hệ nút

Csb2

lực nén trong cốt thép ở mặt trên dầm bên phải của hệ nút

Ds

lực nén chéo trong cơ cấu giàn

Dc

lực nén chéo trong cơ cấu thanh chống

Ec

mô đun đàn hồi bê tông


viii

Es

mô đun đàn hồi cốt thép

fc

cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông

fy

cường độ chịu kéo của cốt thép dọc

fyt

cường độ chịu kéo của cốt thép đai

h

chiều cao mẫu thí nghiệm

hb

chiều cao của tiết diện dầm

hc

chiều cao của tiết diện cột

l

chiều dài của mẫu thí nghiệm

L’c

chiều cao cột dưới kể từ trục dầm;

L1

nhịp dầm bên trái của hệ nút

L1,cl

nhịp thông thủy dầm bên trái của hệ nút

L2

nhịp dầm bên phải của hệ nút

L2,cl

nhịp thông thủy dầm bên phải của hệ nút

Lb

chiều dài neo cốt thép

Lc

chiều cao cột trên kể từ trục dầm

Mub1

khả năng chịu uốn thiết kế của dầm trái

Mub2

khả năng chịu uốn thiết kế của dầm phải

N

lực nén tác động lên cột

Tsb1

lực kéo trong cốt thép ở đáy dầm bên trái của hệ nút

Tsb2

lực kéo trong cốt thép ở mặt trên dầm bên phải của hệ nút

V

lực ngang tác động vào đỉnh cột của mẫu thí nghiệm

Vc

lực cắt của cột.

Vch

khả năng chịu lực cắt ngang của cơ cấu thanh chống chéo

Vcv

khả năng chịu lực cắt đứng của cơ cấu thanh chống chéo

Vjh

lực cắt nút theo phương ngang

Vjv

lực cắt nút theo phương đứng

Vsh

khả năng chịu lực cắt ngang của cơ cấu giàn

Vsv

khả năng chịu lực cắt đứng của cơ cấu giàn

Vt

lực cắt nút theo phương ngang của mẫu thí nghiệm


ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Cấu tạo các mẫu thí nghiệm ....................................................................56
Bảng 3.2. Các đặc trưng cơ lý của bê tông ..............................................................56
Bảng 3.3 Các đặc trưng cơ lý của cốt thép...............................................................57
Bảng 3.4 Độ bền lý thuyết của dầm và cột các mẫu thí nghiệm ..............................57
Bảng 3.5 Các kết quả thí nghiệm thu được từ giai đoạn kiểm soát lực ..................62
Bảng 3.6 Chuyển vị lúc chảy dẻo, độ dẻo chuyển vị, cơ cấu phá hoại ...................76
Bảng 3.7 Các thông số liên quan tới lực cắt tầng lớn nhất các mẫu thí nghiệm .....79
Bảng 3.8. Thời điểm chảy dẻo của các loại cốt thép trong mẫu thí nghiệm .............82
Bảng 3.9. Lực cắt nút Vt lớn nhất và biến dạng cắt nút γ tương ứng ........................94
Bảng 3.10. Độ cứng cát tuyến Kt (kN/mm) chu kỳ đầu ứng với độ dẻo μΔ ............101
Bảng 3.11. Năng lượng phân tán mỗi chu kỳ (kN.mm) và hệ số cản tương đương
.................................................................................................................................102
Bảng 4.1. So sánh các kết quả phân tích ................................................................122
Bảng 4.2. So sánh các kết quả phân tích. ...............................................................125
Bảng 5.1. Các giá trị lực cắt đáy và chuyển vị ngang tại cao trình mái .................135
Bảng 5.2. Chuyển vị ngang của khung tại cao trình mái .......................................136
Bảng 5.3. Chuyển vị ngang cao trình mái và lực cắt đáy ở các đỉnh gia tốc nền ..140
Bảng 5.4. Nội lực ở các cột tầng 1 khi đạt gia tốc nền đạt đỉnh ............................141
Bảng B.1 Các tính năng cơ lý của cốt thép ........................................................... PL2
Bảng B.2. Mô men dẻo của mẫu J2 ...................................................................... PL2
Bảng B.3. Độ dẻo chuyển vị và dạng phá hoại của mẫu J2 .................................. PL2
Bảng D.1 Các thông số mô hình cho dầm bê tông cốt thép chịu uốn ................... PL6

Bảng D.2 Các thông số mô hình cho cột bê tông cốt thép chịu uốn ..................... PL7


x

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các dạng phá hoại chủ yếu ở các nút khung bê tông cốt thép ...................6
Hình 1.2. Nút khung bị phá hoại cắt ...........................................................................7
Hình 1.3. Phá hoại nút khung trong động đất ở Trung Java, 5/2006 .........................7
Hình 1.4. Các nút ngoài ..............................................................................................7
Hình 1.5. Các nút trong ..............................................................................................7
Hình 1.6 Cấu tạo nút khung giòn và dẻo ....................................................................9
Hình 1.7 Khảo sát một nút khung trong điển hình ....................................................9
Hình 1.8 Lực cắt tại nút khung trong ......................................................................10
Hình 1.9 Lực tác động lên nút khung trong .............................................................11
Hình 1.10 Sơ đồ phá hoại cắt tại nút khung ............................................................14
Hình 1.11. Các tác động lên một nút khung trong và cơ cấu chịu lực tương ứng....15
Hình 1.12 Các cơ cấu truyền lực cắt tại nút khung .................................................16
Hình 1.13 Lực bám dính của cốt thép ở mặt trên dầm ............................................18
Hình 1.14. Chi tiết các cơ cấu chịu cắt chính ở nút khung trong. ............................19
Hình 1.15 Các cơ cấu chịu lực của nút khung ngoài ................................................20
Hình 1.16. Nút khung ngoài và hai cơ cấu truyền lực cắt ........................................21
Hình 1.17. Các lực tác động lên lõi nút qua tiết diện I – I từ hai cơ cấu truyền lực.21
Hình 1.18. Trạng thái ứng suất của phần tử vùng đang xét và biểu diễn đường cong
cường độ nén xiên bê tông qua một đường parabol bậc ...........................................22
Hình 1.19 Trường ứng suất đồng nhất trong nút khung ...........................................25
Hình 1.20 Luật trễ Takeda .......................................................................................28
Hình 1.21. Hệ nút khung của Filipou .......................................................................29
Hình 1.22 Mô hình nút của Alath và Kunnath (1995)..............................................29
Hình 1.23 Mô hình các nút khung BTCT của Pampanin (2002) .............................30

Hình 1.24 Mô hình nút khung của Biddah và Ghobarah (1999) ..............................30
Hình 1.25 Mô hình nút khung của Elmorsi và những người khác (2000) ...............31
Hình 1.26 Mô hình nút khung của Youssef và Ghobarah (2001) ............................31
Hình 1.27 Mô hình nút khung của Lowes (2003) ....................................................31


xi

Hình 1.28 Mô hình Altoontash .................................................................................32
Hình 1.29 Mô hình nút khung của Shin và LaFave (2004) ......................................32
Hình 1.30 Mô hình của Burack ................................................................................33
Hình 1.31 Phần tử vùng pano trong PERFORM – 3D .............................................33
Hình 2.1. Biến dạng ngang toàn phần của một panô khung.....................................36
Hình 2.2. Biến dạng của nút khung ..........................................................................36
Hình 2.3. Các vòng trễ mối quan hệ mômen uốn M – chuyển vị xoay θsl ...............37
Hình 2.4. Chuyển vị xoay đầu mút cố định θsl do thanh cốt thép dọc bị kéo ra khỏi
vùng neo của nó trong nút khung. .............................................................................38
Hình 2.5 Sự phân bố ứng suất bám dính ở thí nghiệm kéo thanh cốt thép .............41
Hình 2.6. Các khe nứt dọc do phá hoại bám dính trong trường hợp cốt thép có gờ 41
Hình 2.7. Lực bám dính quanh (a) thanh cốt thép được neo đơn giản hoặc (b)
thanh cốt thép đi qua một nút khung trong. ..............................................................43
Hình 2.8 Quan hệ momen uốn – chuyển vị xoay do trượt bám dính được đề xuất 44
Hình 2.9. Giả thiết phân bố ứng suất biến dạng cốt thép dọc dầm...........................45
trong vùng nút khung. ...............................................................................................45
Hình 2.10 Ảnh hưởng của (a) hàm lượng cốt thép đai ρjh ; b) bản sàn và dầm ngang
ở cả hai cạnh nút nút khung trong tới cường độ chịu cắt của nút (phỏng theo
Kitayama et al. 1991) [17]. .......................................................................................46
Hình 3.1 Sơ đồ công trình được thiết kế\ .................................................................53
Hình 3.2. Vị trí, kích thước cơ bản mẫu thí nghiệm được trích xuất từ khung K5 ..54
Hình 3.3 Cấu tạo mẫu thí nghiệm NK1 ...................................................................55

Hình 3.4. Cấu tạo mẫu thí nghiệm NK2 ...................................................................55
Hình 3.5 Kích thước mẫu thí nghiệm NK3 .............................................................55
Hình 3.6. Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông các mẫu thí nghiệm ..............57
Hình 3.7 Các đặc trưng ứng suất- biến dạng của cốt thép .......................................57
Hình 3.8. Biến dạng của khung và mẫu thí nghiệm dưới tác động tải trọng ngang .58
Hình 3.9 Sơ đồ dựng lắp và chất tải các mẫu thí nghiệm ........................................59
Hình 3.10 Định nghĩa chuyển vị chảy và độ cứng của các mẫu thí nghiệm ...........59


xii

Hình 3.11 Sơ đồ xác định độ bền lý tưởng của mẫu thí nghiệm ............................61
Hình 3.12 Lịch sử quá trình chất tải ........................................................................62
Hình 3.13 Các thiết bị đo ..........................................................................................64
Hình 3.14 Sơ đồ bố trí các đầu LVDT đo biến dạng cắt của nút khung và dầm ....65
Hình 3.15. Vị trí các đầu đo LVDT dùng để đo chuyển vị xoay của dầm và cột ....65
Hình 3.16 Vị trí các phiến đo biến dạng cốt thép ....................................................66
Hình 3.17 Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK1 lúc kết thúc thí nghiệm - Chu kỳ 19 67
Hình 3.18. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK1 - Chu kỳ 4 ........................................69
Hình 3.19. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK1 - Chu kỳ 11 ......................................69
Hình 3.20. Hình ảnh các khe nứt mẫu NK2 khi kết thúc thí nghiệm - Chu kỳ 17 ..71
Hình 3.21. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK2 - Chu kỳ 4 .......................................72
Hình 3.22. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK2 - Chu kỳ 11 .....................................72
Hình 3.23. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK3 khi kết thúc thí nghiệm - Chu kỳ 14
...................................................................................................................................74
Hình 3.24. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK3 - Chu kỳ 4 .......................................75
Hình 3.25. Hình ảnh các khe nứt ở mẫu NK3 - Chu kỳ 11 .....................................75
Hình 3.26 Quan hệ lực cắt tầng V – chuyển vị ngang ∆ mẫu NK1 .........................77
Hình 3.27 Quan hệ lực cắt tầng V – chuyển vị ngang ∆ mẫu NK2 .........................77
Hình 3.28 Quan hệ lực cắt tầng V – chuyển vị ngang ∆ mẫu NK3 .........................77

Hình 3.29 Quan hệ lực cắt tầng Vtb – góc lệch tầng ∆tb/h của mẫu NK1 .................78
Hình 3.30 Quan hệ lực cắt tầng Vtb – góc lệch tầng ∆tb/h của mẫu NK2 .................78
Hình 3.31 Quan hệ lực cắt tầng Vtb – góc lệch tầng ∆tb/h của mẫu NK3 .................78
Hình 3.32. Đường bao biễu diễn quan hệ lực cắt tầng Vtb – góc lệch tầng ∆tb/h .....79
Hình 3.33. Đường bao biễu diễn quan hệ lực cắt tầng Vtb và độ dẻo chuyển vị ......79
Hình 3.34 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 50mm - mẫu NK1 .............81
Hình 3.35 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 50mm - mẫu NK2 .............81
Hình 3.36 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 50mm - mẫu NK3 .............81
Hình 3.37. Vị trí các phiến đo biến dạng ..................................................................83
Hình 3.38 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 300mm - mẫu NK1 ...........83


xiii

Hình 3.39 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 300mm - mẫu NK2 ...........83
Hình 3.40 Quan hệ M–θ tại tiết diện cách mặt cột phải 300mm - mẫu NK3 ...........83
Hình 3.41. Quan hệ chuyển vị xoay θ tại tiết diện dầm cách mặt cột phải 50 mm và
độ dẻo µ∆ của 3 mẫu thí nghiệm ...............................................................................84
Hình 3.42. Quan hệ chuyển vị xoay θ tại tiết diện dầm cách mặt cột trái 50mm và
độ dẻo µ∆ của 3 mẫu thí nghiệm ...............................................................................84
Hình 3.43. Biến dạng cắt ở đầu dầm phải mẫu NK1 ................................................85
Hình 3.44. Biến dạng cắt ở đầu dầm phải mẫu NK2 ................................................85
Hình 3.45. Biến dạng cắt ở đầu dầm phải mẫu NK3 ................................................85
Hình 3.46. Biến dạng cắt ở đầu dầm trái mẫu NK1 .................................................85
Hình 3.47. Biến dạng cắt ở đầu dầm trái mẫu NK2 .................................................85
Hình 3.48. Biến dạng cắt ở đầu dầm trái mẫu NK3 .................................................85
Hình 3.49 Quan hệ mômen uốn – chuyển vị xoay tại tiết diện cột cách mặt trên dầm
100mm ở mẫu NK1 ...................................................................................................88
Hình 3.50 Quan hệ mômen uốn – chuyển vị xoay tại tiết diện cột cách mặt trên dầm
100mm ở mẫu NK2 ...................................................................................................88

Hình 3.51 Quan hệ mômen uốn – chuyển vị xoay tại tiết diện cột cách mặt trên dầm
100mm ở mẫu NK3 ...................................................................................................88
Hình 3.52. Quan hệ chuyển vị xoay tại thiết diện cột cách mặt trên của dầm 100mm
và độ dẻo µ∆ của 3 mẫu thí nghiệm ...........................................................................88
Hình 3.53. Quan hệ lực cắt tầng – biến dạng cắt của nút khung mẫu NK1 .............90
Hình 3.54. Quan hệ lực cắt tầng – biến dạng cắt của nút khung mẫu NK2 .............90
Hình 3.55. Quan hệ lực cắt tầng – biến dạng cắt của nút khung mẫu NK3 .............90
Hình 3.56. Quan hệ biến dạng cắt γ của nút khung – góc lệch tầng Δ/h .................91
Hình 3.57 Quan hệ biến dạng cắt γ của nút khung – độ dẻo µ∆ ...............................92
Hình 3.58 Quan hệ giữa Vt – góc lệch tầng Δtb/h .....................................................94
Hình 3.59 Quan hệ lực cắt nút Vt - biến dạng cắt γ của nút khung ..........................94
Hình 3.60. Độ cứng cát tuyến Kt của các mẫu thí nghiệm ....................................100
Hình 3.61. So sánh độ cứng cát tuyến Kt của các mẫu thí nghiệm ........................101


xiv

Hình 3.62. Quan hệ giữa độ cứng cát tuyến Kt và độ dẻo chuyển vị μΔ ...............101
Hình 3.63 Quan hệ lượng năng lượng tích lũy Etl được phân tán và số chu kỳ của
các mẫu thí nghiệm .................................................................................................102
Hình 3.64 Quan hệ năng lượng tích lũy Etl được phân tán và độ dẻo chuyển vị μΔ
của các mẫu thí nghiệm ...........................................................................................103
Hình 3.65 Định nghĩa hệ số cản nhớt tương đương ……………….. …...

103

Hình 3.66 Quan hệ độ cản nhớt tương đương ξ – độ dẻo chuyển vị μΔ ................104
Hình 4.1. Dạng biến dạng điển hình của khung dưới tác động động đất ngang ....107
Hình 4.2. Sự góp phần của biến dạng cắt nút tới chuyển vị ngang của tầng .........108
Hình 4.3. Mô hình hóa biến dạng cắt của nút khung..............................................108

Hình 4.4. a),b) các lực tác động lên nút khung; c),d) sơ đồ chịu lực của hệ nút ....110
Hình 4.5. Sơ đồ khối xác định quan hệ Vc - Δcj và quan hệ Mb - γj: a) Nút khung
trong, b) Nút khung ngoài .......................................................................................112
Hình 4.6 Quan hệ giữa biến dạng cắt nút γj ...........................................................113
Hình 4.7. Quan hệ τjh -γj lý tưởng của nút khung. ..................................................113
Hình 4.8. Cấu tạo nút J2 của Biddah ......................................................................114
Hình 4.9 Quan hệ giữa biến dạng cắt nút γj ...........................................................115
Hình 4.10.(a) Mặt cắt dầm, (b) Biểu đồ biến dạng .................................................116
Hình 4.11 Biểu đồ Mb - Tsb của nút khung J2 (Biddah) ........................................116
Hình 4.12. Biểu đồ biểu diễn quan hệ a) Vc – Δc và b) Mb - γj ...............................117
Hình 4.13. Biểu đồ quan hệ Mb – θsl của mô hình trượt bám dính .........................118
Hình 4.14. Sơ đồ khớp dẻo bố trí ...........................................................................119
Hình 4.15. Quan hệ a) Vc – Δcj và b) Mb - γj của nút khung NK1 .........................120
Hình 4.16. Biểu đồ quan hệ Mb – θsl của mô hình trượt bám dính nút NK1 ..........120
Hình 4.17. Quá trình xuất hiện khớp dẻo ...............................................................121
Hình 4.18. So sánh quan hệ lực cắt tầng V và chuyển vị ngang Δ của nút NK1 ...121
Hình 4.19. Quan hệ a) Vc – Δcj và b) Mb - γj của nút khung J2 (Biddah) ..............123
Hình 4.20. Biểu đồ quan hệ Mb – θsl của mô hình trượt bám dính nút J2 ..............124
Hình 4.21. Hình thành khớp dẻo ............................................................................124


xv

Hình 4.22. So sánh quan hệ lực cắt tầng V và chuyển vị ngang Δ của nút J2 .......125
Hình 5.1. Sơ đồ mặt bằng và khung ngang nhà......................................................128
Hình 5.2. Cấu tạo thép cột và dầm .........................................................................128
Hình 5.3. Quan hệ τjh - γj của các nút khung K4 ....................................................130
Hình 5.4. Quan hệ Vc – Δcj của các nút khung K4 .................................................132
Hình 5.5. Quan hệ Mb - γj của các nút khung K4 ....................................................133
Hình 5.6. Đặc trưng các khớp dẻo mô hình biến dạng trượt bám dính của khung K4

.................................................................................................................................134
Hình 5.7. (a) Đường cong khả năng của công trình ...............................................135
Hình 5.8. Quá trình xuất hiện các khớp dẻo trong trường hợp nút cứng ...............136
Hình 5.9. Quá trình xuất hiện các khớp dẻo trong trường hợp nút mềm ...............137
Hình 5.10. Giản đồ gia tốc động đất Imperial Valley (El Centro - Mỹ) ................138
Hình 5.11. Sơ đồ các khớp dẻo trong trường hợp nút cứng ...................................138
Hình 5.12. Sơ đồ các khớp dẻo trong trường hợp nút mềm ...................................139
Hình 5.14. Biến thiên của chuyển vị ngang tại cao trình mái theo lịch sử thời gian
.................................................................................................................................140
Hình 5.15. Chuyển vị ngang của khung K4 ...........................................................141
Hình B.1 Sơ đồ thí nghiệm ................................................................................... PL2
Hình B.2 Quan hệ lực cắt tầng – góc lệch tầng ..................................................... PL3
Hình B.3 Quan hệ lực cắt nút – biến dạng cắt nút................................................. PL3
Hình B.4 Mômen uốn dầm – chuyển vị xoay cách mặt cột 330 mm .................... PL3
Hình C.1 Mô hình ứng suất – biến dạng bê tông bị bó của Kent và Park ............. PL4
Hình C.2 Cốt thép bó ngang cấu kiện ................................................................... PL4
Hình D.1 Quan hệ lực - chuyển vị tổng quát của các cấu kiện bê tông cốt thép .. PL6
Hình F.1. Định nghĩa Lmax và Lymax ..................................................................... PL10


1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nút khung hay còn gọi là nút liên kết dầm – cột trong hệ kết cấu khung bê
tông cốt thép (BTCT) là vùng được tạo thành từ sự giao nhau giữa dầm và cột. Để
hệ kết cấu có ứng xử tốt dưới tác động động đất, các nút khung phải có khả năng
truyền các lực cắt đứng và ngang giữa các dầm và cột, thậm chí trong các điều kiện
chất tải bất lợi nhất.
Dưới tác động động đất, các nút khung BTCT có một ứng xử hết sức phức tạp.

Rất nhiều trường hợp phá hoại nút khung dẫn tới sự sụp đổ của cả hệ kết cấu đã
được ghi nhận trong thực tế. Hình 1a và b cho một ví dụ điển hình về sự phá hoại
nút khung kéo theo sự sụp đổ toàn bộ công trình ở trận động đất năm 1999 tại Thổ
Nhĩ Kỳ [4]. Một ví dụ tương tự khác cũng được ghi nhận trong trận động đất năm
2004 ở Sumatra - Indonesia (Hình 1c và d) [4].

Hình 1. Các ví dụ về phá hoại nút khung dẫn tới sụp đổ công trình trong các
trận động đất: a) và b) ở Thổ Nhĩ Kỳ (1999); c) và d) ở Sumatra (2004).
Bắt đầu từ những năm 1960, các bài học rút ra sau các trận động đất mạnh xẩy
ra trên thế giới về ứng xử của các nút khung BTCT đã được các nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu. Trong hơn nửa thế kỷ qua, rất nhiều mô hình xác định độ bền cắt
cũng như mô hình mô phỏng ứng xử của các nút khung BTCT dưới tác động động
đất đã được đề xuất. Trong số đó, một số mô hình đã được đưa vào trong các tiêu
chuẩn thiết kế kháng chấn của nhiều nước. Tuy vậy, các mô hình này vẫn chưa nhận
được sự đồng thuận và được chấp nhận một cách rộng rãi. Đây là một vấn đề hết
sức phức tạp, chịu sự chi phối của rất nhiều yếu tố thuộc bản thân nút khung và các
yếu tố liên quan thuộc các bộ phận khác của khung như dầm và cột… Bên cạnh đó,


2

các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chưa có tính tổng quát, không
phản ánh được tính đa dạng về chủng loại các nút khung thường gặp trong thực tế
(về kích thước hình học, vật liệu và cấu tạo cốt thép…). Thậm chí hiện nay, mặc dù
có sự gia tăng số lượng các công trình nghiên cứu về ứng xử của các nút khung,
nhưng do tính phức tạp của các mô hình được đề xuất nên việc thiết kế kháng chấn
có xét tới bộ phận này vẫn gặp rất nhiều trở ngại về mặt nhận thức cũng như cách
thức thực hiện. Trong thực tế thiết kế thông thường, các nút khung vẫn tiếp tục
được xem là vùng cứng.
Hiện nay, việc thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng đã bước sang một

giai đoạn mới cùng với sự xuất hiện và đưa vào áp dụng quan niệm thiết kế hiện
đại, cho phép hệ kết cấu làm việc sau giới hạn đàn hồi. Đê bảo vệ sinh mạng con
người trong các trận động đất mạnh hoặc rất mạnh, dầm phải bị phá hoại trước cột
(cột khỏe – dầm yếu) và nút khung phải bị phá hoại sau cùng. Để cơ cấu phá hoại
dẻo này được hình thành và duy trì trong suốt thời gian xẩy ra động đất, các nút
khung phải có khả năng chịu các lực cắt rất lớn truyền vào từ dầm và cột để các bộ
phận này của khung có thể đạt trạng thái giới hạn cực hạn mong muốn.
Do đó, khác với trước đây, các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại đã có
các quy định khá cụ thể về các điều kiện bảo đảm độ bền cho nút khung. Đây là một
vấn đề rất quan trọng, nhưng vẫn còn có sự khác nhau trong các tiêu chuẩn thiết kế.
Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn thiết kế vẫn còn né tránh vấn đề biến dạng các nút
khung, một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng tới ứng xử phi tuyến của các hệ kết cấu
chịu động đất.
Ở Việt Nam hiện nay, chưa có các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm một cách nghiêm túc và quy mô về ứng xử của nút khung BTCT chịu động
đất. Các kỹ sư xây dựng (thiết kế và thi công) vẫn còn cho rằng nút khung là một
vùng cứng hiển nhiên và không ảnh hưởng tới phản ứng của hệ kết cấu khung chịu
tác động động đất cũng như trọng trường. Nếu quan niệm này có thể không gây
nguy hiểm nhiều cho các công trình chịu tải trong đứng làm việc trong giới hạn đàn
hồi, nhưng đối với các công trình được thiết kế để chịu động theo quan niệm mới


3

(TCVN 9386:2012) lại hết sức nguy hiểm. Do đó việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu
ảnh hưởng của biến dạng nút khung tới phản ứng của khung BTCT chịu động đất”
là hết sức cần thiết. Đề tài sẽ góp phần làm sáng tỏ một số vấn đề quan trọng sau:
Các nút khung BTCT hiện có ở Việt Nam có bị biến dạng không? Làm cách nào để
xét tới biến dạng của nút khung trong phân tích kết cấu? và ảnh hưởng của biến
dạng nút khung tới phản ứng của hệ kết cấu như thế nào?

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
a. Nghiên cứu tổng quan các mô hình xác định độ bền cắt và mô phỏng ứng
xử của các nút khung BTCT liền khối chịu động đất và những vấn đề đang đặt ra;
b. Nghiên cứu thí nghiệm các nút khung BTCT liền khối chịu động đất, được
thiết kế và cấu tạo theo các tiêu chuẩn thiết kế khác nhau hiện có ở Việt Nam nhằm
làm sáng tỏ một số vấn đề sau:
• Các nút khung có bị biến dạng không? Loại nút khung nào phù hợp để tạo ra
cơ cấu phá hoại dẻo ở khung theo quan điểm kháng chấn hiện đại?
• Ở trạng thái cực hạn chúng bị phá hoại như thế nào? Nguyên nhân nào gây ra
các phá hoại đó? Tiêu chí nào phù hợp nhất để đánh giá độ bền cắt của nút khung ở
Việt Nam theo theo quan niệm kháng chấn hiện đại?
c. Nghiên cứu mô hình hóa biến dạng các nút khung BTCT được thiết kế theo
TCVN 9386:2012 dùng trong phân tích phi tuyến hệ kết cấu khung BTCT.

3.

ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU, CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: sự làm việc của các các nút khung phẳng
BTCT liền khối chịu động đất được thiết kế và cấu tạo theo các tiêu chuẩn thiết kế
khác nhau đang và sẽ có ở Việt Nam, mô hình hóa biến dạng các nút được thiết kế
theo TCVN 9386:2012 dùng trong phân tích phi tuyến hệ kết cấu khung phẳng
BTCT.
Cơ sở khoa học và thực tiến của đề tài: các mô hình tính toán về cường độ
và các mô hình mô phỏng biến dạng nút khung đã được nghiên cứu trên thế giới,

4

các phương pháp thiết lập các mô hình này, các nút khung thực tế đã được thiết kế
theo các tiêu chuẩn khác nhau ở Việt Nam, các phương pháp phi tuyến phân tích
khung BTCT chịu động đất.
Phương pháp nghiên cứu: lý thuyết kết hợp với thí nghiệm. Nghiên cứu lý
thuyết về các mô hình tính toán về cường độ và các mô hình mô phỏng biến dạng
của nút khung BTCT toàn khối. Nghiên cứu thí nghiệm được tiến hành với 3 nút
khung trong được thiết kế theo các tiêu chuẩn khác nhau đang được sử dụng tại Việt
Nam. Sử dụng các mô hình lý thuyết và kết quả thực nghiệm để giải thích sự phá
hoại và tính chất biến dạng của nút khung, từ đó đề xuất các mô hình mô phỏng và
áp dụng trong phân tích phi tuyến khung chịu động đất.

4. ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN
a. Các kết quả nghiên cứu thí nghiệm cho thấy:
• Các loại nút khung BTCT hiện có ở Việt Nam đều bị biến dạng dưới tác
động động đất, kể cả loại nút khung được thiết kế theo quan điểm kháng chấn hiện
đại (TCVN 9386:2012).
• Nút khung được thiết kế theo TCVN 9386:2012 bị phá hoại dẻo, trong khi
các nút khung được thiết kế theo TCVN 5574:2012 và SP 14.13330.2011 đều bị phá
hoại giòn, không phù hợp để tạo ra cơ cấu phá hoại dẻo ở hệ kết cấu khung khi chịu
động đất. Cách thức ứng xử và phá hoại các nút khung chịu ảnh hưởng quyết định
bởi lượng cốt thép đai và cốt thép cột trung gian trong vùng nút khung. Do đó, điều
kiện để đảm bảo độ bền cắt của các nút khung BTCT được thiết kế ở Việt Nam
không phải là trị số ứng suất cắt nút mà là hàm lượng cốt thép đai trong vùng nút.
b. Dựa trên quan hệ ứng suất cắt nút – biến dạng cắt nút thu được từ thí
nghiệm và nghiên cứu lý thuyết, tác giả đề xuất ba mô hình mô phỏng các thành
phần biến dạng cắt nút và trượt bám dính của nút khung được thiết kế theo quan
niệm kháng chấn hiện đại. Các kết quả phân tích tĩnh và động phi tuyến một hệ
khung BTCT ba nhịp cao 9 tầng được thiết kế theo TCVN 9386:2012 với các mô

hình được đề xuất khá phù hợp với các nhận định lẫn đánh giá rút ra từ các kết quả
thí nghiệm và nghiên cứu lý thuyết do tác giả thực hiện. Biến dạng của nút khung


5

làm thay đổi phản ứng tổng thể của hệ kết cấu khung, làm gia tăng đáng kể chuyển
vị ngang của khung, làm giảm khả năng chịu cắt của khung, làm suy yếu độ cứng
của dầm, làm cột khung ở tầng một bị phá hoại sớm hơn… so với trường hợp không
xét tới biến dạng nút.
Việc thiết lập các mô hình biến dạng nút khung theo phương pháp của tác giả
khá dễ dàng và dễ cài đặt vào các phần mềm thương mại sẵn có hiện nay như
SAP2000, Etabs... Đây là đặc tính ưu việt của các mô hình của tác giả so với các mô
hình ứng xử nút khung được đề xuất trước đây.

5. CẤU TRÚC LUẬN ÁN: Luận án có 5 chương:
Chương 1. Tổng quan về ứng xử của nút khung bê tông cốt thép dưới tác
động động đất và các kết quả nghiên cứu đã đạt được. Chương này đề cập tới
việc phân loại nút khung, lực tác động lên nút khung, các mô hình xác định khả
năng chịu cắt và mô phỏng biến dạng của nút khung, các quy định về khả năng chịu
cắt của nút khung trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại.
Chương 2. Biến dạng của nút khung bê tông cốt thép. Chương này trình
bày các nghiên cứu đã thực hiện về các thành phần biến dạng nút khung và các yếu
tố ảnh hưởng tới chúng.
Chương 3. Nghiên cứu thí nghiệm nút khung bê tông cốt thép. Chương
này trình bày việc nghiên cứu thí nghiệm 3 nút khung trong tỷ lệ 1:1 được thiết kế
theo các tiêu chẩn khác nhau ở Việt Nam, từ cách thiết kế mẫu, quá trình thí nghiệm
đến phân tích các kết quả thu được theo các mục tiêu nghiên cứu đề ra.
Chương 4. Mô hình hóa ứng xử của nút khung dưới tác động động đất.
Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết và thực nghiệm dùng để thiết lập các mô

hình mô phỏng biến dạng cắt nút và biến dạng trượt bám dính cốt thép neo vào nút.
Chương 5. Phân tích phi tuyến các hệ kết cấu khung chịu động đất.
Chương này đề cập tới việc ứng dụng các mô hình biến dạng nút khung được đề
xuất vào phân tích phi tuyến đẩy dần và theo lịch sử thời gian một khung phẳng
BTCT cao 9 tầng được thiết kế theo TCVN 9386:2012.
Kết luận, Danh mục các công trình đã công bố; Tài liệu tham khảo; Phụ lục


6

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG BÊ TÔNG
CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT VÀ NHỮNG
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC
1.1. SỰ PHÁ HOẠI CỦA NÚT KHUNG DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT
Nút khung hay còn gọi là nút liên kết dầm – cột là vùng được tạo thành bởi sự
giao nhau giữa dầm và cột ở hệ kết cấu khung BTCT. Nút khung được xem là một
phần của cột trong chiều cao lớn nhất của tiết diện ngang các dầm ngàm vào cột
[56]. Yêu cầu chức năng của nút khung là tạo điều kiện để cho các cấu kiện kế cận
nó phát triển và duy trì được các khả năng chịu lực và biến dạng cực hạn của chúng
[35].
Có hai dạng phá hoại nút khung thường thấy sau các trận động đất: (a) phá
hoại cắt nút khung và (b) phá hoại neo cốt thép (Hình 1.1).

(a)Phá hoại cắt nút khung
b)Neo cốt thép không phù hợp
Hình 1.1. Các dạng phá hoại chủ yếu ở các nút khung bê tông cốt thép
Hình 1.1 cho thấy, sự phá hoại nút khung chủ yếu do cốt thép đai không phù
hợp và khả năng neo không đủ trong vùng nút khung [4]. Các Hình 1.2 là một ví dụ

khác về dạng phá hoại cắt nút khung xẩy ra ở trận động đất Kocaeli và Tây Sumatra
[4]. Đa số các phá hoại cắt nút khung xuất hiện do khả năng ứng xử giòn, hoặc do
thiếu cốt đai trong vùng nút khung. Hình 1.3 là các ví dụ tiếp theo về sự sụp đổ các
hệ kết cấu BTCT do nút khung bị phá hoại (trận động đất 27/5/2006 ở Trung Java).
Tất cả các ví dụ nêu trên về sự phá hoại các nút khung trong các trận động đất
đã xẩy ra gần đây cho thấy một cách rõ ràng tầm quan trọng của các nút khung đối


7

với sự an toàn tổng thể các công trình xây dựng.

Hình 1.2. Nút khung bị phá hoại cắt
a) động đất ở Kocaeli – Thổ Nhĩ Kỳ, 1999; b) động đất ở Tây Sumatra, 2007

Hình 1.3. Phá hoại nút khung trong động đất ở Trung Java, 5/2006
1.2. PHÂN LOẠI CÁC NÚT KHUNG BÊ
TÔNG CỐT THÉP
Các nút khung BTCT được sử dụng
trong các hệ kết cấu khung có thể được phân
loại theo dạng hình học và cách neo cốt thép
dầm, theo ứng xử kết cấu hoặc theo cách thức
Hình 1.4. Các nút ngoài

cấu tạo.
1.2.1 Phân loại dựa theo dạng hình học
và cách neo cốt thép dầm
Căn cứ vào những khác nhau cơ bản trong
cách thức neo các thanh cốt thép dầm, các nút
khung thường được phân thành nút khung trong

và nút khung ngoài.

Hình 1.5. Các nút trong

1. Các nút khung ngoài


8

Hình 1.4 cho các dạng khác nhau của nút khung ngoài. Trường hợp khung
phẳng, các nút góc nằm ở cao trình mái (Hình 1.4a) và ở sàn trung gian (Hình 1.4d)
thuộc loại nút khung ngoài. Trường hợp khung không gian, nút góc ở mái (Hình
1.4b), nút biên mái (Hình 1.4c), nút góc sàn trung gian (Hình 1.4e) và nút biên sàn
trung gian (Hình 1.4f) thuộc loại nút khung ngoài.
2. Các nút khung trong
Hình 1.5 cho các dạng khác nhau của các nút khung trong. Trường hợp khung
phẳng, các nút giữa ở mái (Hình 1.5a) và ở sàn trung gian (Hình 1.5b) thuộc loại nút
khung trong. Trường hợp khung không gian, nút giữa ở mái (Hình 1.5c) và ở sàn
trung gian (Hình 1.5d) thuộc loại nút khung trong.
1.2.2. Phân loại dựa theo ứng xử của kết cấu
Dựa trên sự lan truyền khe nứt trong vùng nút khung và cơ cấu phá hoại dưới
tác động tải trọng, các nút khung có thể được phân loại như sau:
1. Nút khung đàn hồi
Nút khung đàn hồi là các nút khung chỉ làm việc trong miền đàn hồi trong suốt
quá trình chịu lực. Trong trường hợp này, ở vùng nút khung thường không có cốt
đai hoặc có một lượng cốt đai nhỏ.
2. Nút khung không đàn hồi
Nút khung không đàn hồi là các nút khung được bố trí một lượng cốt thép chịu
cắt lớn nên có thể có biến dạng không đàn hồi dưới tác động động đất [4][35].
Nguyên nhân của hiện tượng này xuất phát từ sự lan sâu các biến dạng không đàn

hồi dọc theo các thanh cốt thép của dầm vào trong nút khung.
1.2.3. Phân loại dựa theo cách thức cấu tạo
Căn cứ vào cách cấu tạo cốt thép trong vùng nút khung, các nút khung khung
BTCT có thể được phân loại như sau:
a. Nút khung giòn
Các nút khung giòn là các nút khung mà ở đó cốt thép thường không có đủ
chiều dài neo, đoạn nối chồng ngắn, cốt thép không liên tục, không có cốt đai hoặc
khoảng cách cốt đai thưa, (Hình 1.6a)