Phân tích ứng xử nút dầm - vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẰN HỮU ANH

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NÚT DẦM - VÁCH BÊ TÔNG
CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG NGANG
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2017


Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1:TS. TRẰN CAO THANH NGỌC
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. NGUYỄN MINH LONG

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. CAO VĂN VUI

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. LÊ TRUNG KIÊN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
Ngày 21 tháng 08 năm 2017.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. TRẦN VĂN MIỀN
2. TS. HÒ HỮU CHỈNH
3. TS. CAO VĂN VUI
4. TS. LÊ TRUNG KIÊN

5. TS. ĐINH THỂ HƯNG

Xảc nhận của Chủ tịch Hội đồng đảnh giá luận văn và Trường Khoa quản lý
chuyên ngành sau khỉ luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS. TRẦN VĂN MIỀN

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày tháng 06 năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN HỮU ANH
MSHV: 13210125
Ngày, tháng, năm sinh: 19-05-1989
Nơi sinh: Quảng Trị
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN
Mã số: 60 58 02 08
I. TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NÚT DẦM - VÁCH BÊ TÔNG CỐT

THÉP CHỊU TẢI TRỌNG NGANG
II. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Xây dựng mô hình dự đoán khả năng kháng cắt và khảo sát ảnh hưởng của hàm
lượng cốt thép đai trong phạm vi nút và lực dọc đến khả năng kháng cắt của nút
dầm - vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang bằng phương pháp giàn ảo.
- Mô phỏng và khảo sát ảnh hưởng của lực dọc đến khả năng chịu lực của nút dầm
-Vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16-01-2017

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHỆM VỤ: 18-06-2017

V.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: TS. TRẦN CAO THANH NGỌC

V.2 HỌ VÀ TÊN CÁN Bộ HƯỚNG DẪN 2: PGS.TS. NGUYỄN MINH LONG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

TS. TRẦN CAO THANH NGỌC

PGS.TS. NGUYỄN MINH LONG

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT
XÂY DỰNG

PGS.TS. BÙI CÔNG THÀNH

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin trân trọng gởi lời cảm ơn đến tất cả
các quý Thầy (Cô) Bộ môn Công Trình, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng trường ĐH Bách
Khoa TPHCM, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm hết
sức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường. Bằng tất cả tấm lòng, tôi cũng xin
gửi đến người thân trong gia đình, đến vợ, bạn bè, đồng nghiệp lời cám ơn và những tình
cảm chân thành nhất, những người đã khuyến khích, hỗ trợ, động viên, tạo điều kiện cho
tôi theo hết khóa học thạc sĩ và hoàn thành luận văn.
Xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến TS. Trần Cao Thanh Ngọc và PGS.TS. Nguyễn
Minh Long là những người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cám ơn!


BẢN TÓM TẮT
Luận văn này sử dụng phương pháp thanh chống giằng (còn gọi là giàn ảo) và
phương pháp Phần tử hữu hạn để phân tích, mô phỏng ứng xử nút dầm - vách bê tông
cốt thép (BTCT) chịu tải trọng ngang. Trong đó, mô hình thanh chống giằng có kể đến
sự tương thích về biến dạng giữa mô hình thanh chống và mô hình chống - giằng. Tác
giả so sánh kết quả giữa mô hình tính toán và thực nghiêm, sau đó thay đổi các yếu tố
để khảo sát sự ảnh hưởng của cốt thép đai trong phạm vi nút và lực dọc đến ứng xử của
nút dầm - vách. Nội dung luận văn bao gồm:
- Phần Mở đầu

(Giới thiệu lỷ do chọn đề tài, mục tiêu, phương pháp, đốỉ tượng và phạm vỉ nghiên
cứu, ỷ nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu)
- Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu
(Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng xử nút dầm - vách trên thế giới và trong
nước)
- Chương 2: Phương pháp mô hình giàn ảo
(Giới thiệu lỷ thuyết tính mô hình giàn ảo, xây dựng công thức xác định sức khảng
cẳt của nút dầm vách có kể đến sự tương thích biến dạng của mô hình thanh chống
và mô hình chống - giằng. So sảnh kết quả của công thức với kết quả thực nghiệm.
Khảo sát sự ảnh hưởng của thép đai trong phạm vỉ nút và lực dọc trục đến khả
năng khảng cẳt của nút bằng cách cung cấp các cấp lực dọc từ 0 đến 0.3.Ag.f’c.
Sử dụng mô hình giàn ảo đã xây dựng ở trên, áp dụng cho các nút dầm vách cỏ
cấu tạo tương tự, thay đổi tỷ lệ hai cạnh của vách)
- Chương 3: Phương pháp phần tử hữu hạn
ị Sử dụng phần mềm Abaqus để mô phòng nút dầm - vách bê tông cốt thép chịu tải
trọng ngang. Lập biểu đổ quan hệ lực - chuyển vị ngang của mô hình và thực
nghiệm để so sảnh. Khảo sát ảnh hưởng của lực dọc trục bằng cách cung cấp các
cấp lực dọc từ 0 đến 0.3.Ag.f’c. Sử dụng mô hình phần tủ hữu hạn đã xây dựng ở
trên, ảp dụng cho các nút dầm vách có cấu tạo tương tự, thay đoi tỷ lệ hai cạnh
của vách)
- Chương 4: Kết luận và kiến nghị


ABSTRACT
In this thesis, the author uses the strut and tie model method and the finite element
method to analyze and simulate the behavior of reinforced concrete beamwall joint
subjected to horizontal loading. In particular, the strut and tie model includes the
compatibility of deformation between the strut model and the struss model. The author
compares the results between caculation model to experimental model, then the author
changes some factors to investigate the impact of the transverse reinforcement in area

of joints and the axial forces to the behavior of the beam-wall joints. The content of the
thesis includes:
- Introduction
(Introduce reasons, purposes, methods, objects and the scope as well as s
cientific and research significance of the thesis)
- Chapter 1: Background of the thesis
(Literature review of the behavior of beam - wall joint In the world and in our
country)
- Chapter 2: The strut and tie model method
(Introduce the theory of strut and tie model, build the formula for determining the
beam-wall joint's shear strength resistance including the deformation
compatibility of the strut model and the struss model. Comparing the theoretical
results with experimental results. Investigating the effect of joint transverse
reinforcement and axial forces on the shear strength resistance of the joints by
providing vertical forces from 0 to 0.3. Ag.f’c. Using the struss and tie model
developed above, applied to similarly shaped beam-wall joint, varying the two
sides of the wall)
- Chapter 3: The finite element method
(Using Abaqus software to simulate reinforced concrete beam - wall joint
subjected to the horizontal loading. Making line charts to illustrate the correlation
between force - horizontal displacement of model and experiment in order to
compare. Investigating the effect of axial forces by providing vertical forces from


0 to 0.3.Ag.f’c. Using the finite element model developed above, applied to
similarly shaped beam-wall joint, varying the two sides of the wall)
- Chapter 4: Conclusions and recommendations


LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Trần Hữu Anh, xin cam đoan với HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN
VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA là công trình nghiên cứu khoa
học này do chính tôi thực hiện, sử dụng các tài liệu tham khảo có ghi trong phần tài liệu
tham khảo và với sự hướng dẫn của TS. Trần Cao Thanh Ngọc và PGS.TS. Nguyễn
Minh Long. Nếu có tác giả nào đứng ra tranh chấp đề tài nghiên cứu khoa học này, tôi
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước HỘI ĐỒNG.
Tp. HCM, ngày 22 tháng 06 năm 2017
Người cam đoan

Trần Hữu Anh


MỤC LỤC
GIỚI THIỆU ................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN NGHIÊN cứu ................................................................... 6
1.1.

Sơ lược nghiên cứu ứng xử nút dầm-cột ............................................................. ố

1.2.

Nghiên cứu ứng xử nút dầm - vách ..................................................................... 7

1.3.

Nghiên cứu ứng xử nút dầm - cột trong nước ................................................... 13

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH GIÀN ẢO .............................................................................. 18
2.1.

Lý thuyết giàn ảo cho nút .................................................................................. 18

2.1.1.

Phân tích lực tại nút ....................................................................................... 18

2.1.2.

Trình bày công thức tính ............................................................................... 19

2.1.3.

Mô hình chống - giằng .................................................................................. 19

2.1.4.

Mô hình thanh chống .................................................................................... 20

2.2.

Ví dụ kiểm chứng lý thuyết giàn ảo cho nút BTCT chịu tải ngang .................. 23

2.2.1.

Thông số đầu vào .......................................................................................... 23

2.2.2.

Kết quả tính toán ........................................................................................... 25

2.3.

Khảo sát các biến số .......................................................................................... 26

2.3.1.

Tải trọng đứng ............................................................................................... 26

2.3.2.

Hàm lượng thép đai ....................................................................................... 28

2.4.

Khảo sát mô hình giàn ảo cho các nút dầm - vách với tỷ lệ khác nhau ............ 28

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ............................................... 31
3.1. Mô hình phần tử, ràng buộc, điều kiện biên, điều kiện tải trọng, phi tuyến
vật liệu ......................................................................................................................... 31
3.1.1.

Phần tử khối .................................................................................................. 31

HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


3.1.2.

Phần tử thanh................................................................................................. 32

3.1.3.

Ràng bu ộc..................................................................................................... 32

3.1.4.

Điều kiện biên ............................................................................................... 34

3.1.5.

Điều kiện tải trọng ......................................................................................... 35

3.1.6.

Phi tuyến vật liệu ........................................................................................... 35

3.2. Mô hình vật liệu ................................................................................................... 36
3.2.1.

Mô hình phá hoại của bê tông ....................................................................... 36

3.2.2.

Bê tông .......................................................................................................... 38

3.2.3.

Cốt thép thanh ............................................................................................... 41

3.3.

Phương pháp giải ............................................................................................. 41

3.3.1.

Giải bài toán phi tuyến trong Abaqus ........................................................... 42

3.3.2.

Bước, bước tăng tải, và bước lặp (Steps, increments, and iterations) .......... 42

3.3.3.

Sự hội tụ (convergence) ................................................................................ 43

3.4. Mô phỏng số và kiểm chứng tính chính xác của kết quả mô phỏng với kết
quả thực nghiệm ......................................................................................................... 45
3.4.1.

Thông số hình học ........................................................................................ 46

3.4.2.

Thông số vật liệu .......................................................................................... 47

3.4.3.

Mô phỏng trong Abaqus 6.14.5.................................................................... 48

3.4.4.

So sánh kết quả.............................................................................................. 49

3.5.

Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng đứng đến ứng xử của nút ............................. 53

3.6.

Khảo sát mô hình PTHH cho các nút dầm - vách với tỷ lệ khác nhau ............ 56

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 59
4.1.

Kết luận ............................................................................................................ 59

HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


4.2.

Kiến nghị .......................................................................................................... 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 60

HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


DANH MỤC HÌNH
Hình 0.1: Công trình sụp đổ do động đất ở Kacaeli, Thổ Nhĩ Kỳ, 1999 ..................... 1

Hình 1.1: Chi tiết cấu tạo 4 mẫu thí nghiệm của Li, Wu và Pan năm 2002 [9] .......... 8
Hình 1.3: Chi tiết cấu tạo các mẫu thí nghiệm của Li, Pan và Tran năm 2009 [10] 10
Hình 1.4: Chi tiết cấu tạo các mẫu thí nghiệm của Li, Pan và Tran năm 2009 [3].. 12
Hình 1.5: Mô hình thí nghiêm và hàm tải trọng trong thí nghiệm của Li, Pan và
Tran năm 2009 [3] .......................................................................................................13
Hình 1.6: Sơ đồ và cẩu tạo của đối tượng thi nghiêm của Tran năm 2012 [11] .........14
Hình 1.7: Hệ thống gia tải đứng và ngang trong thi nghiêm của Tran năm 2012 [11] ..
.........

15

Hình 1.8: Mô hĩnh phân tích kết cẩu của Tran năm 2012 [12] ...................................16
Hình 2.1: Phân tích lực tại nút [9] ..............................................................................18
Hình 2.2: Cơ cấu truyền lực qua nút giữa dầm vách [9] ............................................18
Hình 2.3: Cơ cấu truyền lực qua nút giữa dầm vách ..................................................21
Hình 2.4: Bề rộng thanh chống trong mô hĩnh thanh chổng [16] ...............................22
Hình 2.5: Chi tiết cẩu tạo 2 mẫu thí nghiệm A2, M2

củaLi, Wu và Pan năm

2002[9] ........................................................................................................................ 25
Hình 2.6: Khảo sát ảnh hưởng lực dọc đến khả năng khảng cắt của mẫu A2 theo mô
hình giàn ảo .................................................................................................................27
Hình 2.7: Khảo sát ảnh hưởng lực dọc đến khả năng khảng cắt của mẫu M2 theo mô
hình giàn ảo .................................................................................................................27
Hình 2.8: Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng thép đai trong phạm vi nút đến khả năng
kháng cắt của mẫu M2 theo mô hình giàn ảo..............................................................28
Hình 3.1: Phần tửAbaqus sử dụng...............................................................................32
Hình 3.2: Ràng buộc trong Abaqus ............................................................................ 33
HVTH: Trần Hữu Anh_13210125

Hình 3.3: Điều kiện biên sử dụng trong Abaqus ....................................................... 35
Hình 3.4: Khai báo ứng xử nén của bê tông trong Abaqus ....................................... 36
Hình 3.5: Mặt phá hoại của bê tông theo mô hình của Lubliner và cọng sự
(1989)[17J ........ .. ..........: ..................................................................................... „..37
Hình 3.6: Quan hệ ứng suất-biển dạngbê
39

tông

khi

chịu

nén

Hình 3.7: Quan hệ ứng suất-biển dạngbê
40

tông

khi

chịu

kéo

Hình 3.8: Quan hệ ứng suất-biển dạng
41

Hình 3.9:

Ngoại lực và nội lực trên vậtthể
43

thép với ứng xử tái bềntuyến tính
(Abaqus,

2010)

[20]

Hình 3.10: Bước lặp đầu tiên (Abaqus, 2010) [20] ................................................... 44
Hình 3.11: Bước lặp thứ hai (Abaqus, 2010) [20] .................................................... 45
Hình 3.12: Chi tiết cấu tạo 2 mẫu thí nghiêm A2, M2 của Li, Wu và Pan năm 2002
[9]................................................................................................................................ 46
Hình 3.13: Mô hình thí nghiêm mẫu A2, M2 của Lỉ, Wu và Pan nãm 2002 [9] ......... 47
Hình 3.14: Mô hình PTHH mẫuA2, M2 trong Abaqus 6.14.5 .................................... 49
Hình 3.15: So sánh quan hệ Lực - chuyển vị ngang giữa thí nghiệm và mô hình
PTHH (mẫu A2) .......................................................................................................... 48
Hình 3.16: Kiểu phá hoại ở nút trong thí nghiệm và mô hình PTHH bằng Abaqus
(mẫuA2) ...................................................................................................................... 50
Hình 3.17: Hướng nứt của nút từ mô hình Abaqus (mẫu A2) ................................... 50
Hình 3.18: ửng suất trong cốt thép (mẫu A2) ............................................................. 51
Hình 3.19: So sánh quan hệ Lực - chuyển vị ngang giữa thí nghiệm và mô hình
PTHH (mẫu M2) ......................................................................................................... 52
Hình 3.20: Kiểu phá hoại ở nút trong thí nghiệm và mô hình PTHH bằng Abaqus
HVTH: Trần Hữu Anh_l3210125

(mẫu M2) .....................................................................................................................52
Hình 3.21: ửng suất trong cốt thép (mẫu M2) .............................................................53
Hình 3.22: Khảo sát ảnh hưởng của lực dọc (mẫu A2) ...............................................54
Hình 3.23: Khảo sát ảnh hưởng của lực dọc (mẫu M2) ..............................................54
Hình 3.24: Ảnh hưởng của lực dọc đến độ giảm chuyển vị ngang (mẫu A2) ..............55
Hình 3.25: Ảnh hưởng của lực dọc đến độ giảm chuyển vị ngang (mẫu M2) .............55
Hình 3.26: Kểt quả tính toán khả năng khảng cẳt các vách khảo sát mô hĩnh PTHH
không có cốt đai trong phạm vi nút ............................................................................57
Hình 3.27: Kểt quả tính toán khả năng khảng cẳt các vách khảo sát mô hĩnh PTHH có
cất đai trong phạm vi nút ............................................................................................58

HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các thông số cơ bản của đối tượng thỉ nghiệm ..........................................14
Bảng 2.1: Thông số vật liệu thép và bê tông hai mẫu thí nghiệm A2, M2 [1] ............ 23
Bảng 2.2: Kết quả tính toán hai mẫu thí nghiệm A2, M2 theo mô hĩnh giàn ảo 26
Bảng 2.3: So sánh kểt quả tính toán của hai mẫu thí nghiệm A2, M2 theo mô hĩnh giàn ảo và
thí nghiệm .................................................................................................................... 26
Bảng 2.4: Thông số các vách khảo sát mô hĩnh giàn ảo không có cốt đai trong phạm vi nút
.....................................................................................................................................29
Bảng 2.5: Kểt quả tính toán khả năng khảng cẳt các vách khảo sát mô hĩnh giàn ảo không có
cốt đai trong phạm vi nút ............................................................................................. 29
Bảng 2.6: Thông số các vách khảo sát mô hĩnh giàn ảo có cốt đai trong phạm vi nút 29
Bảng 2.7: Kết quả tính toán khả năng khảng cẳt các vách khảo sát mô hĩnh giàn ảo
có cổt đai trong phạm vi nút....................................................................................... 30
Bảng 3.1: Thông số vật liệu đầu vào Abaqus các mẫuA2, M2 ....................................47
Bảng 3.2: Thông số các vách khảo sát mô hình giàn ảo không có cốt đai trong phạm
vi nút ............................................................................................................................ 56

Bảng 3.3: Thông sổ các vách khảo sát mô hình giàn ảo có cốt đai trong phạm vi nút
....................... .. ...........................................................................................................57

HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


Luận văn thạc sĩ

GIỚI THIỆU
Theo thống kê, nước ta có trên dưới 30 khu vực có thể phát sinh động đất, nằm rải rác từ Bắc
đến Nam. Những công trình lớn, có tầm quan trọng cao như những tòa nhà cao tầng (có thể
kể đến Bitexco Tower, Landmark 81 ở TP HCM và tòa tháp KeangNam ở Hà Nội) thường
tập trung ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Hải Phòng... là những nơi có
đỉnh gia tốc nền khá cao, từ 0,07g đến 0,1334g (g=9,81m/s2: gia tốc trọng trường). Theo
TCVN 9386-2012 những nơi có giá trị gia tốc nền thiết kế > 0,08g đều phải bắt buộc thiết kế
kháng chấn [1], Ngoài ra, những công trình có chiều cao lớn thì tải trọng gió tác dụng theo
phương ngang ảnh hưởng rất lớn và thường xuyên đến kết cấu công trình. Tải trọng động đất
được mô phỏng theo dạng phổ, còn tải trọng gió được mô phỏng bằng lực theo phương ngang
tác dụng vào hệ kết cấu tòa nhà.
Trong các loại kết cấu chịu lực của công trình, hệ kết cấu khung bê tông cốt thép hay khung
kết hợp vách cứng được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự hư
hỏng của nút khung có thể dẫn đến sự sụp đổ của toàn công trình. Ví dụ sau hận động đất tại
Kacaeli (Thỗ Nhĩ Kỳ) năm 1999, người ta phát hiện hầu hết nút khung trong công trình bị phá
hoại.

HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


Luận vãn thạc sĩ

Hình 0.1: Công trình sụp đố do động đất ở Kacaeli, Thố Nhĩ Kỳ, 1999

HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


2
Luận vãn thạc sĩ
Những nghiên cứu về nút khung đã có từ khá lâu và nhiều tác giả đã nghiên cứu đặc điểm
ứng xử của nó. Năm 1978, Paulay, Park và Priestley [2] đã đề xuất các công thức tính toán
lực cắt và liên kết trong nút khung. Đến nay đã có hàng chục, thậm chí hàng trăm nghiên
cứu về ứng xử nút khung. Tuy nhiên đại đa số các nhà nghiên cứu chỉ xét nút dầm-cột, còn
số lượng nghiên cứu về nút dầm - vách ít hơn nhiều. Kết cấu dầm - vách khá phổ biến trong
các công trình do yêu cầu về thẩm mỹ. cấu kiện vách có đặc điểm khác so với cấu kiện dạng
cột thông thường là độ cứng theo 2 phương khác nhau nhiều. Do đó sự làm việc khi chịu tải
trọng ngang sẽ khác so với cấu kiện dạng cột thông thường.
Năm 2009, Li, Pan, Tran [3] đã tiến hành thí nghiệm cho ố mẫu nút khung dầm - vách bê tông
cốt thép chịu tải trọng ngang kể đến những ảnh hưởng của các yếu tố như hàm lượng cốt đai
và lực dọc trục đến khả năng kháng cắt của nút. Tuy nhiên, để có thể phân tích đầy đủ và kỹ
lưỡng những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của nút dầm- vách, việc nghiên cứu
thực nghiệm sẽ không đủ vì ứng xử phức tạp của nút dầm - vách và vấn đề kinh tế khi thực
hiện mô hình thí nghiệm. Do đó, đề tài áp dụng phương pháp giàn ảo và phương pháp phần
tử hữu hạn để mô phỏng và nghiên cứu ứng xử của nút dầm - vách dưới tác dụng của tải trọng
ngang.
Đối tượng nghiên cứu
Nút giữa khung dạng dầm - vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang theo phương cạnh dài
của vách.
Vách theo định nghĩa của Eurocode 2 [4] là cấu kiện thỏa mãn một trong hai điều kiện : tỷ
lệ hai cạnh dài và rộng vượt quá 4 hoặc tỷ lệ chiều cao làm việc và cạnh dài nhỏ hơn 3, được
sử dụng ttong luận văn này.
❖ Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu mối quan hệ giữa lực ngang, chuyển vị của nút; ứng suất và biến dạng của bê
tông, thép.
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép đai trong phạm vi nút, và tải trọng đứng đến khả
năng kháng cắt, chuyển vị của nút dầm - vách.
♦♦♦ Phuong pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


3
Luận vãn thạc sĩ
-

Mô hình giàn ảo:

Mô hình giàn ảo hay còn được gọi là mô hình thanh chống giằng là một trong những phương
pháp tính toán được sử dụng khá phổ biến cho kết cấu bê tông cốt thép để mô phỏng vùng
chịu lực có đặc tính không liên tục về hình học hoặc tĩnh học. Mô hình này đã được sử dụng
khá thành công để mô phỏng sự làm việc của một số cấu kiện cơ bản của bêtông cốt thép như
dầm cao, tay đỡ, các góc khung.. .dưới tác dụng của tĩnh tải.
-

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp có khả năng mô phỏng

khá chính xác sự làm việc của nút khung bê tông cốt thép khi chịu tải trọng ngang. Luận văn
sử dụng phần mềm Abaqus để phân tích ứng xử của nút dầm - vách bê tông cốt thép.
Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng mô hình dự đoán khả năng kháng cắt của nút dầm - vách dưới tác động của

tải trọng ngang bằng phương pháp giàn ảo và phương pháp phần tử hữu hạn.
- Phân tích ảnh hưởng của hàm lượng cốt đai trong phạm vi nút và tải trọng đứng tác
dụng vào cột đến ứng xử của nút dầm-vách dưới tác động của tải trọng ngang bằng
phương pháp giàn ảo và phương pháp phần tử hữu hạn.
❖ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

-

Ý nghĩa khoa học:
Cho đến thời điểm hiện tại, số lượng nghiên cứu về ứng xử của nút dầm-vách còn rất

hạn chế. Hiểu biết về vấn đề này còn nhiều vấn đề chưa sáng tỏ. Do đó, qua nghiên cứu này
sẽ góp phần làm sáng tỏ ứng xử của nút dầm - vách bê tông cốt thép chịu tải họng ngang.
Những nghiên cứu trước đây khi xây dựng mô hình giàn ảo cho nút khung bê tông cốt
thép, thường xem xét khả năng chịu cắt của nút thông qua 2 cơ cấu chống và cơ cấu chống giằng một cách độc lập rồi cộng tác dụng lại với nhau. Điều đó không thật sự chính xác. Do
đó, học viên sẽ xây dựng một mô hình thanh chống - giằng có kể đến sự tương thích biến
HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


4
Luận vãn thạc sĩ
dạng giữa 2 cơ cấu chống và cơ cấu chống - giằng cho nút dầm - vách bê tông cốt thép chịu
tải họng ngang.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Trước thực hạng các nghiên cứu về nút dầm-vách còn rất hạn chế, kết quả từ nghiên
cứu này sẽ cung cấp thêm những hiểu biết về sự làm việc của nút dầm-vách chịu tải họng
ngang với các yếu tố khác nhau. Từ đó làm sáng tỏ hơn những yếu tố giúp tăng khả năng chịu
lực của nút dầm vách. Điều đó thật sự có ý nghĩa cho kỹ sư trong việc thiết kế hay kiểm ưa
khả năng làm việc của nút dầm - vách bê tông cốt thép ưong công trình.
❖ Cấu trúc đề tài

Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đề xuất ở ưên, đề tài tiến hành thực hiện các
nội dung chính như sau:
■ Phân tích lực tại nút và xây dựng mô hình thanh chống-giằng dự đoán khả năng kháng
cắt của nút dầm-vách bê tông cốt thép.
■ Tìm hiểu mô hình vật liệu của bê tông, cốt thép; mô hình phần tử.
■ Thực hiện mô phỏng số (dùng phần mềm Abaqus) để phân tích ứng xử của nút dầmvách BTCT chịu tải ngang:
• Phân tích ứng xử của nút qua quan hệ lực ngang và chuyển vị của nút khung,
hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của nút.
• Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của giá trị lực dọc trục đến khả năng chịu
lực, chuyển vị của nút.
■ Sử dụng các kết quả thực nghiêm từ các nghiên cứu khác để đánh giá và kiểm chứng
tính chính xác của việc mô phỏng và xây dựng mô hình.

HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


5
Luận vãn thạc sĩ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1.

Sơ lược nghiên cứu ứng xử nút dầm-cột
ứng xử của nút dầm - cột bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải ngang đã được nghiên cứu rất

nhiều và đầy đủ, cả những nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiêm.
Có thể kể ra đây một số nghiên cứu tiêu biểu về nút dầm - cột như:
Năm 1978, T. Paulay, R. Park và M.J.N Priestley [2] đã phân tích những ứng xử của nút
khung bê tông cốt thép thông thường và đề xuất công thức tính lực cắt và ứng suất trong nút dầm cột bê tông cốt thép.
Năm 1985, Ehsani và Wight [5] tiến hành thí nghiệm với ố mẫu nút biên bê tông cốt thép chịu

tải họng ngang. Tham số chủ yếu trong nghiên cứu là tỉ số khả năng chịu uốn của cột so với dầm,
khả năng chịu lực cắt của nút. Tải họng tuần hoàn được sử dụng để mô phỏng tải họng động đất.
Năm 1989, Thomas Paulay [6] đã phân tích lực tác dụng tại nút dầm - cột và đưa ra công thức
xác định lực cắt tại nút dầm - cột. Đây là cơ sở để sau này có thể xây dựng mô hình giàn ảo để tính
toán khả năng kháng cắt của nút.
Năm 1999, Hwang và Lee [7] đã xây dựng mô hình giàn ảo mô phỏng ứng xử của nút dầm cột biên dựa vào các phương trình cân bằng, khả năng chịu tải của nút và các quy luật về vết nứt bê
tông cốt thép. Kết quả tính toán được cũng so sánh với kết quả thí nghiệm trước đó.
Năm 2001, M.Youssef và A.Ghobarah [8] cũng đã đề xuất một mô hình tính toán nút dầm cột bê tông cốt thép và so sánh kết quả của mô hình đề xuất và so sánh với thực nghiệm.

HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


6
Luận vãn thạc sĩ
Từ những nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp và đưa các công thức tính toán
khả năng chịu lực của nút vào trong các tiêu chuẩn như ACI, Eurocode, New Zealand...
So với nghiên cứu nút dầm - cột, số lượng nghiên cứu về nút dầm - vách còn ít hơn nhiều.
Gần đây chỉ có một vài nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện.
Nghiên cứu ứng xử nút dầm - vách

1.2.

Năm 2002, Li, Wu và Pan [9] tiến hành thí nghiệm với bốn mẫu nút dầm - vách bê tông cốt
thép chịu tải trọng ngang tuần hoàn, với các thông số khảo sát chính là khả năng chịu tải ngang, độ
cứng, độ lệch tầng, khả năng chịu lực cắt của nút, quá trình xuất hiện vết nứt, và biến dạng dẻo.
Bốn mẫu có kích thước hình học giống nhau, chỉ khác nhau ở hàm lượng cốt thép dọc của dầm và
có hay không có cốt đai ở trong phạm vi nút khung. Chi tiết cấu tạo các mẫu như sau:

a) Mẩu AI

ar
1

n

r

1

ỉ
A

Ẽ

f—ina

ITT JTTTIT
T *- n L F
R

E
1“ í
X.

KĨU

11 1
s 1 ....

Ế"

Xủ
Jí

tí=J

lỉ
b) Mau A2

HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


7
Luận vãn thạc sĩ

c) Mẩu MI

d) Mẩu M2

Hình 1.1: Chi tiết cấu tạo 4 mẫu thí nghiêm của Li, Wu và Pan năm 2002 [8]
WbkB Ktv. -TiMvMttựdteife
-lfFk. 4«. J#c Q. I I.K.

Ifl*.

t»r»

teíUMỂ (KtKiiaM MBI

iai

IB
<•31 £tav« «W4M barv> 4na

•r’.T *||»* ^■•wr
lh A 3M MJ Xi* Ml

te?

:dl

Hình 1.2; Kết quả thí nghiệm về mối quan hệ giữa lực cắt tầng và chuyển vị ngang trong
thí nghiêm của Li, Wu và Pan năm 2002 [9]
Dựa vào những kết quả thí nghiệm, Li và cộng sự rút ra được những kết luận sau: zJKhi gia
tăng tải trọng ngang, vết nứt xuất hiện ở dầm và vách trước, sau đó những vết nứt xiên xuất hiện
HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


8
Luận vãn thạc sĩ
trong nút, vết nứt xiên mở rộng dần và cuối cùng kết nối với những vết nứt dọc theo thanh thép chủ
của vách, xem như nút bị phá hoại tại thời điểm đó. ii) Độ cứng ban đầu của các mẫu AI và Ml (
không có cốt đai trong nút ) là 4.82 và 5.4 kN/mm, chỉ đạt 38% - 42% so với lý thuyết, với các mẫu
A2 và M2 là 10.98 và 12.44 kN/mm tương ứng 38% - 45 % so với lý thuyết. Việc suy giảm độ
cứng này là do sự xuất hiện khá sớm của các vết nứt xiên.ịịị] ứng suất cắt danh định xuất hiện trong
nút AI và MI là 0.84 hay 0.15f’c, trong nút A2 và M2 là 0.61 y'f'c hay 0.11 f’c. Các mẫu AI và A2
không có đặt cốt đai nên các thanh chống chéo bê tông có nhiệm vụ chống lại lực cắt xuất hiện tại
nút và mẫu bị phá hoại khi các thanh chống chéo này vượt quá khả năng chịu lực. Li và cộng sự đã
đưa ra công thức xác định tổng lực cắt trong nút như sau: Vjh = Vch + Vsh. Trong đo, Vjh là lực
cắt tổng cộng trong nút, Vch là lực được chịu bởi thanh chống chéo, Vsh là lực được gánh đỡ bởi

khả năng chịu cắt của bê tông cốt thép . Với mẫu Ml: Vch = 0.74Vjh ; Vsh = 0.26Vjh; mẫu M2:
Vch = 0.85Vjh ; Vsh = 0.15Vjh . Từ đó ta thấy rằng ít nhất 74% lực cắt tác dụng vào nút được chịu
bởi thanh chống chéo bê tông. Kết quả này cũng gần giống với kết quả của Dai và Park cho rằng
khoảng 60% lực cắt tác dụng vào nút được chịu bởi thanh chống chéo bê tông.
Thí nghiệm của Li và cộng sự đã cho thấy khá rõ sự làm việc của nút dầm vách khi chịu tải
ngang. Tuy nhiên, thí nghiệm chưa xét ảnh hưởng của tải ừọng đứng đến ứng xử của nút.
Năm 2009, Li, Pan và Tran [10] đã tiến hành thí nghiệm với sáu mẫu nút giữa khung bê tông
cốt thép dạng dầm - vách để nghiên cứu ứng xử của nút dưới tải ừọng động đất. Lực dọc trục được
tăng từ 0 đến giá trị lớn và tải ừọng tĩnh tuần hoàn mô phỏng tải ttọng động đất cũng được cung
cấp cho thí nghiệm. Các thông số khảo sát là khả năng chịu lực ngang, độ lệch tầng, độ cứng, khả
năng hấp thụ năng lượng của nút. Bên cạnh đó, thí nghiệm cũng nghiên cứu ảnh hưởng của lực dọc
trục cột đến ứng xử của

HVTH: Trần Hữu Anh_13210125


9
Luận vãn thạc sĩ
nút thông qua việc cung cấp ba cấp lực dọc khác nhau cho các mẫu. Ngoài ra, thí nghiêm cũng xem
xét ảnh hưởng của độ lệch tâm lực dọc đến ứng xử của nút giữa dầm - vách trong khung bê tông
cốt thép dưới tác dụng của tải trọng động đất. Ba mẫu ký hiệu El A, E1B, E1C có trục cột lệch tâm
so với trục dầm, trong đó mẫu E1A cung cấp lực dọc bằng 0, E1B cung cấp lực dọc bằng O.lfc.Ag
, E1C được cung cấp giá trị lực dọc là 0.35f c.Ag. Ba mẫu CIA, C1B, C1C có trục cột đúng tâm so
với trục dầm tương ứng với các cấp lực dọc như trên. Chi tiết cấu tạo các mẫu như sau:
-1 ® fr-

...................... ..... ...............................

b) Mẩu CIA, C1B, C1C
a) Mau E1A, E1B, E1C

Hình 1.3: Chi tiết cấu tạo các mẫu thí nghiêm của Li, Pan và Tran năm 2009 [10]
Dựa vào kết quả thí nghiệm, Li và cộng sự rút ra những kết luận sau: i) Ảnh hưởng của các
cấp độ lực dọc trục đối với cường độ kháng cắt của nút không đáng kể và giá trị y- hệ số cường độ
kháng cắt- giống nhau cho tất cả các mẫu. Điều đó cho thấy rằng sự ảnh hưởng của tỉ số cường độ
chịu uốn của cột và cường độ chịu uốn của dầm ừong kết cấu tổng thể giống như trong ứng xử cục
bộ tại nút của các mẫu. Tỉ lệ cường độ chịu uốn của cột với cường độ chịu uốn của dầm cho các
mẫu E1A ( CIA), E1B ( C1B), E1C ( C1C) lần lượt là 4.62, 5.23, 6.36. Sự phá hoại của dầm trong
trường hợp dầm yếu - cột mạnh có thể bỏ qua ảnh hưởng của lực dọc trục. Việc quan sát thấy những
vết nứt quá mức dọc theo dầm ừong thí nghiệm này chứng tỏ tính đúng đắn của giả thuyết này. ii)
Các mẫu E1A, E1B được cung cấp giá trị lực dọc lần lượt là 0 ; O.lfc.Ag và có biến dạng nén dọc
theo đường chéo là 0.007 và 0.0038. Trong khi mẫu E1C được cung cấp lực dọc là 0.35f c.Ag có
biến dạng nén dọc theo đường chéo là 0.0003. Điều đó cho thấy lực dọc trục giúp làm giảm lực gây
cắt cho thanh chống chéo và làm tăng khả năng chịu lực của thanh chống chéo, Ui) Lực dọc trục
cũng giúp làm giảm góc quay do xoắn đối với nút giữa dầm - vách bê tông cốt thép, iv) Ảnh hưởng
HVTH: Trần Hữu Anh_13210125