Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế phá hủy của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

Trần Quốc Cường

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CƠ CHẾ PHÁ HỦY
CỦA KẾT CẤU SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
KHI MẤT CỘT BIÊN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
Mã số: 9580201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - Năm 2021


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là cơng trình nghiên
cứu của tơi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, các
kết quả trình bày trong luận án hồn tồn trung thực và chưa được cơng bố.
Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.
Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2021

Trần Quốc Cường


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM

ĐOAN

LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC BẢNG
MỞ ĐẦU

1.Lý do chọ
2.Mục tiêu

3.Đối tượn

4.Cơ sở kh
5.Phương

6.Ý nghĩa k

7.Những đ
8.Cấu trúc
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN
PHẲNG
1.1 Sụp đổ lũy tiến (SĐLT) hệ kết cấu cơng trình BTCT . . . . . . . . . . .
1.1.1 Khái niệm sụp đổ lũy tiến (SĐLT) . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2 Một số vụ sụp đổ điển hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1.3 Cơ chế SĐLT của kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực . . . . . .

1.1.3.1 H


1.2 Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn khi biến dạng lớn và cơ chế chịu lực

1.3 Sự làm việc và dạng phá hoại của kết cấu sàn phẳng BTCT . . . . . . .

1.4 Một số phương pháp thiết kế phòng chống SĐLT trên thế giới . . . . .

1.5 Nghiên cứu kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực . . . . . . . . . . . . . .

1.6 Tóm tắt và kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH SÀN PHẲNG
2.1 Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu thực nghiệm . . . . . . . . . . . .


2.1.1Mục

2.1.2Nội d
2.2 Cơ sở xây dựng mơ hình thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1Kết c

thí ng

2.2.2Cơ s

2.2.3Lựa

2.2.4Mơ h
2.3 Mơ hình thí nghiệm và vật liệu chế tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1Mơ h

2.3.2Thí n

2.3.2
2.4Tải trọng thí nghiệm tĩnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.1Dạng

2.4.2Giá t

2.4.3Sơ đ
2.4.4Biện
2.4.5Quy

2.5Tải trọng thí nghiệm động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1Tình

2.5.2Cách


2.6Thiết bị và dụng cụ đo . . . . . . . . . . .

2.7Quy trình thí nghiệm . . . . . . . . . . . . .

2.8 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
3.1 Phân tích kết quả thí nghiệm tĩnh với mẫu SP1 và SP3 . . . . . . . . . .

3.2 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm động với mẫu SP2 . . . . . . .


vii
3.2.4 Xác định hệ số động theo số liệu thực nghiệm . . . . . . . . . . 110
3.2.5 Sự phát triển vết nứt và cơ chế phá hủy của mẫu SP2 . . . . . . 110

3.3 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
CHƯƠNG 4. PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG

4.1Các giả thiết tính tốn của phương phá
4.2Đánh giá hiệu ứng động . . . . . . . . . .

4.3Sức kháng SĐLT của kết cấu sàn phẳn
4.4Tải trọng cực hạn Wult của hệ kết cấu

4.5Hệ số độ dẻo chuyển vị µ∆ . . . . . . . .

4.6So sánh với kết quả thực nghiệm . . .

4.7Ví dụ áp dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8Điều kiện áp dụng phương pháp đơn
4.9Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . .
KẾT LUẬN
CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO

142


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong khoảng hơn ba thập kỷ gần đây, thế giới đã chứng kiến nhiều vụ sụp đổ cơng
trình có qui mơ thiệt hại lớn về người và của. Có thể kể đến vụ sụp đổ tòa nhà
Murrah Building (Thành phố Oklahoma, Mỹ, năm 1995) do bom xe làm chết 168
người, sụp đổ tòa nhà Sampoong Department Store (Thành phố Seoul, Hàn Quốc)
làm chết và bị thương gần 500 người, hay vụ tấn công khủng bố Tháp đôi trung tâm
thương mại thế giới WTC (Thành phố New York, Mỹ, năm 2001) làm chết gần 3000
người. Các nghiên cứu hiện trường đã chỉ ra rằng các vụ sụp đổ cơng trình có đặc
điểm chung là được bắt đầu bởi sự phá hoại của một vài cấu kiện chịu lực mang tính
cục bộ do áp lực của vụ nổ bom hay khí ga, sau đó lan truyền từ cấu kiện này sang
cấu kiện khác, cuối cùng dẫn đến sụp đổ phần lớn hoặc toàn bộ kết cấu cơng trình.
Đây được định nghĩa là sụp đổ lũy tiến (SĐLT) cơng trình. Do hậu quả nghiêm trọng
mà nó gây ra, việc phòng chống SĐLT đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm
của cộng đồng nghiên cứu quốc tế cũng như các nhà lập pháp ở nhiều quốc gia.
Trong hơn ba thập kỷ vừa qua, nhiều nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết mô phỏng
số đã được thực hiện nhằm hiểu rõ cơ chế SĐLT của cơng trình nhà dân dụng, đặc
biệt là kết cấu bê tông cốt thép (BTCT). Mặc dù còn nhiều điểm chưa thống nhất, đa
số các nghiên cứu đều chỉ ra rằng, ứng xử cận sụp đổ và sụp đổ của cơng trình
BTCT là rất phức tạp bởi sự có mặt của các yếu tố sau: (i) Tính phi tuyến của vật
liệu bê tơng bao gồm sự phát triển vết nứt và nén vỡ, (ii) Tính phi tuyến hình học ở
trạng thái biến dạng lớn, và (iii) Hiệu ứng động khi cấu kiện chịu lực như cột BTCT bị
đánh sập đột ngột. Song song với các nỗ lực nghiên cứu của cộng đồng quốc tế, các
yêu cầu nhằm hạn chế thiệt hại do SĐLT gây ra cũng đã được các nhà lập pháp đưa
vào trong các tiêu chuẩn thiết kế và thi công hiện hành tại nhiều nước trên thế giới

như Mỹ, Châu Âu, Singapore. Nhiều tài liệu hướng dẫn thiết kế phòng chống SĐLT
cũng đã được ban hành như hướng dẫn thiết kế cải tạo các cơng trình của


2
chính phủ Mỹ (GSA - Progressive collapse Analysis and Design Guidelines for
New Federal Office Buildings and Major Modernization Projects-2003) [23] và
UFC 4-023-03 (Design of Buildings to Resist Progressive Collapse-2016) [16].
Nhìn chung, sức kháng sụp đổ của cơng trình thường được đánh giá thơng qua
tình huống giả định là một cột chịu lực bị mất đột ngột dưới tác động của bom,
khí ga, đâm xe hay sụt lún nền và móng. Mặc dù còn nhiều điểm hạn chế trong
cả các qui trình tính tốn thiết kế cũng như cấu tạo BTCT, việc ban hành các tài
liệu hướng dẫn này đã được giới chuyên môn ủng hộ và cũng đã thể hiện vai trị
quan trọng của cơng tác phịng chống SĐLT cơng trình ở các nước tiên tiến trên
thế giới. Đáng chú ý là nội dung các tài liệu này được cập nhật liên tục hàng năm
dựa trên các kết quả nghiên cứu quan trọng của cộng đồng khoa học quốc tế.
Kết cấu sàn phẳng được sử dụng nhiều cho các mục đích dân dụng và cơng
nghiệp, đặc biệt là siêu thị và các khu vui chơi giải trí. So với kết cấu dầm sàn
truyền thống, ưu điểm của kết cấu sàn phẳng là thời gian thi cơng nhanh chóng,
chiều cao tầng lưu khơng lớn. Tuy nhiên, nhược điểm chính là trọng lượng bản
thân rất lớn trong khi khu vực sàn đầu cột dễ bị phá hoại cục bộ do chọc thủng.
Khi phá hoại này xảy ra tại một vị trí cục bộ nào đó thì việc ngăn chặn sự lan
truyền phá hoại này là điều rất cần thiết để tránh SĐLT có thể xảy ra. Cần nhấn
mạnh là tình huống giả định mất cột đột ngột hồn tồn tương thích và phản ánh
được sự phá hoại chọc thủng tại đầu cột này. Đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm

cơ chế phá hủy của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất
cột biên” được lựa chọn nhằm làm rõ ứng xử của bản sàn khi mất cột,
qua đó ngăn chặn hoặc hạn chế thiệt hại của sụp đổ dây chuyền.
2. Mục tiêu nghiên cứu

•

Xây dựng một mơ hình thực nghiệm phù hợp đủ để có thể mơ tả

ứng xử sụp đổ của kết cấu sàn phẳng BTCT trong điều kiện mất cột
biên.
Mơ hình thực nghiệm cần phải được thiết kế đảm bảo các vấn đề sau. Thứ
nhất, hệ gia tải trọng cần phải đảm bảo được sự phân bố đều trên mặt mẫu
thí nghiệm trong suốt q trình thí nghiệm, đặc biệt là khi biến dạng rất lớn.


3
Thứ hai, cơ cấu mất cột đột ngột cần phải đủ nhanh để có thể mơ phỏng
chính xác ứng xử trong thực tế xảy ra. Thứ ba, sự phân bố nội lực, dạng phá
hoại trong quá trình sụp đổ cần phải được đo đạc và ghi lại. Thứ tư, mô hình
thực nghiệm được chế tạo tuân theo chỉ dẫn của lý thuyết tương tự.

•

Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu sàn phẳng BTCT không mũ

bị mất cột dưới tác dụng của tải trọng đến khi xảy ra sụp đổ hồn tồn.
Q trình này có bao gồm sự phát triển vết nứt, sự phân bố tải trọng
về các cột xung quanh cột bị mất, sức kháng tải trọng của kết cấu sau
khi bị mất cột và dạng sụp đổ hoàn tồn. Quan sát thực nghiệm sự
hình thành và phát triển của hiệu ứng màng, vốn là cơ chế chịu lực
thứ cấp của sàn phẳng khi chịu trạng thái biến dạng lớn.

•

Đánh giá hiệu ứng động đến ứng xử của kết cấu sàn phẳng

BTCT khơng mũ cột trong tình huống cột chịu lực bị phá hoại đột
ngột.
Khi cột chịu lực bị đánh sập đột ngột bởi bom nổ hay nổ khí ga, sự phá
hoại chỉ diễn ra trong vài phần nghìn giây [16]. Trong trường hợp này,
ứng xử của cơng trình là động nên dẫn đến tải trọng tác dụng, chuyển vị
và nội lực của kết cấu bị khuếch đại bởi một hệ số động nhất định. Do đó,
việc đánh giá hiệu ứng động thơng qua chương trình thực nghiệm là hết
sức cần thiết để hiểu rõ hơn cơ chế sụp đổ của kết cấu cơng trình.

•

Xây dựng cơng thức bán thực nghiệm nhằm tính tốn sức

kháng sụp đổ của kết cấu sàn BTCT không mũ cột.
Dựa trên kết quả thực nghiệm thu được kết hợp với các kết quả lý
thuyết đã được công bố trước đây, nghiên cứu sẽ xây dựng một
cơng thức bán thực nghiệm có thể giúp cho kỹ sư thiết kế tính tốn
nhanh sức kháng sụp đổ của kết cấu sàn phẳng BTCT.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Theo sự phát triển của nhu cầu sử dụng và cơng năng của cơng trình
dân dụng và cơng nghiệp, hệ kết cấu sàn phẳng BTCT là tương đối đa
dạng, có thể được phân thành ba loại chính, bao gồm:


4
•

Sàn phẳng thơng thường có chiều dày sàn khơng thay đổi

theo cả hai phương ngang;
•

Sàn phẳng được tăng cứng tại khu vực xung quanh đầu cột

chịu lực, còn gọi là sàn phẳng có mũ cột;
•

Sàn phẳng được gia cường bằng hệ cáp dự ứng lực.

Trong luận án này, đối tượng nghiên cứu được lựa chọn là sàn phẳng
thơng thường vì các nghiên cứu trong lĩnh vực biến dạng lớn của dạng
kết cấu này còn nhiều vấn đề chưa sáng tỏ. Ứng xử sụp đổ của sàn
phẳng được nghiên cứu với hai tình huống phá hoại cục bộ, đó là khi cột
biên giữa hoặc cột biên cận góc bị phá hoại do các tác động bất thường.

4. Cơ sở khoa học của đề tài
•

Các kết quả nghiên cứu về kết cấu bản sàn BTCT trong 3 thập

kỷ qua, đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu phòng chống SĐLT. Nghiên
cứu sự làm việc của bản sàn BTCT dưới tác dụng của tải trọng tác
dụng thẳng đứng với dạng phá hoại đặc trưng là chọc thủng tại đầu
cột.
•

Các nghiên cứu sự làm việc của kết cấu bản sàn BTCT ở trạng

thái biến dạng lớn. Trong giai đoạn này ứng xử của kết cấu còn phụ
thuộc vào các hiệu ứng chịu lực thứ cấp như: Hiệu ứng màng, hiệu ứng
dây căng và hiệu ứng động. Các hiệu ứng này đã được các nghiên cứu
chứng tỏ có vai trị nhất định trong việc tham gia vào khả năng chịu tải
của bản sàn.
•

Căn cứ theo kích thước và tỉ lệ của đối tượng nghiên cứu, phương pháp

thực nghiệm có thể được thực hiện trên kết cấu cơng trình thực với tỉ lệ 1:1,
hoặc trên kết cấu mơ hình với một tỉ lệ thu nhỏ nhất định. Nghiên cứu trên cơng
trình thực tất nhiên sẽ phản ánh được đầy đủ ứng xử kết cấu, nhưng thường
không được lựa chọn do chi phí rất lớn và chỉ có thể thực hiện với các biến số
nhất định. Trong khi đó, nghiên cứu trên kết cấu mơ hình thu nhỏ cho phép thực


hiện trên dải biến số rộng hơn với mức chi phí phù hợp và có thể được thực
hiện trong phịng thí nghiệm. Tuy nhiên, để kết cấu mơ hình có thể


5
phản ảnh chính xác được ứng xử sụp đổ thực tế diễn ra thì chương
trình thí nghiệm bao gồm mơ hình thí nghiệm, phương pháp tạo tải
trọng thí nghiệm, quy trình thí nghiệm và điều kiện biên của mẫu thí
nghiệm cần phải được thiết kế một cách chi tiết, đầy đủ và phù hợp.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án lựa chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên ba kết
cấu thí nghiệm với kích thước hình học được thu nhỏ (tỉ lệ 1:3) so với
đối tượng kết cấu thực. Hai trong số ba mẫu thí nghiệm này được tiến
hành theo phương thức gia tải tĩnh. Mẫu thí nghiệm cịn lại được sử

dụng để quan sát ứng xử động của kết cấu khi cột bị phá hoại đột ngột.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Mất một cột đỡ là trường hợp mà sàn phẳng BTCT chịu một tác động vốn chưa
được kể đến trong tính tốn thiết kế ban đầu. Dưới tác động này, kết hợp với tải
trọng sử dụng tác động lên bản sàn, sẽ dẫn đến sự làm việc của bản sàn nằm
ngoài những trạng thái giới hạn (TTGH) về chịu lực, về biến dạng (TTGH 1 và
TTGH 2) được sử dụng làm cơ sở trong giai đoạn thiết kế. Ứng xử của sàn
phẳng BTCT sau khi mất cột sẽ gắn liến với trạng thái biến dạng lớn với các hiệu
ứng chịu lực thứ cấp như hiệu ứng màng căng, hiệu ứng vòm... cũng như sức
kháng sụp đổ của bản sàn. Việc nghiên cứu sự làm việc của sàn phẳng BTCT,
cũng như đóng góp của các hiệu ứng chịu lực thứ cấp đến sức kháng sụp đổ sẽ
làm sáng tỏ ứng xử của bản sàn BTCT trường hợp mất một cột chịu lực.

Phương pháp đơn giản nhằm đánh giá sức kháng SĐLT hệ kết cấu BTCT đã
được công bố trên thế giới cho thấy đây là phương pháp hiệu quả có thể áp
dụng với mọi cơng trình với chi phí thấp, nhưng hiện nay phương pháp này
chủ yếu cho hệ dầm sàn. Phát triển phương pháp đơn giản để có thể áp dụng
được cho hệ sàn phẳng BTCT là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
7. Những đóng góp mới của luận án


6
•

Xây dựng được mơ hình thí nghiệm động và tĩnh phù hợp có

thể áp dụng với nhiều nghiên cứu khác một cách hiệu quả;
•

Nghiên cứu đã làm rõ và định lượng hiệu ứng màng trong sức

kháng tải của sàn phẳng. Hiệu quả của hiệu ứng màng căng làm tăng
1,14 và 1,34 lần tải trọng giới hạn tính theo phương pháp đường dẻo;

•

Xác định bằng thực nghiệm các hệ số động đặc trưng cho sự

làm việc động của sàn phẳng BTCT khi mất 01 cột đỡ đột ngột,
trong đó hệ số động của biến dạng của cốt thép bằng 1,12, của
chuyển vị đứng bằng 1,09 và của lực dọc đỡ cột bằng 1,28;
•

Thiết lập được cơng thức đơn giản nhằm dự báo sức kháng

SĐLT của sàn phẳng dựa trên cơ sở đường chảy dẻo;
•

Cung cấp 1 bộ số liệu thí nghiệm vê sự làm việc của sàn phẳng

BTCT ở hai trạng thái chịu tác dụng của tải trọng phân bố tĩnh và chịu tải
trọng động do mất cột đột ngột. Các số liệu thí nghiệm này có thể được
sử dụng làm dữ liệu tham khảo cho các nghiên cứu trong cùng lĩnh vực.

8. Cấu trúc của luận án
Phần Mở đầu : Chương này sẽ làm rõ sự cần thiết của nghiên cứu, giới hạn
phạm vi, đối tượng, phương pháp nghiên cứu và các mục tiêu của Luận án.

Chương 1 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU, phần này trình bày lịch sử nghiên
cứu về kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực đặc biệt là các nghiên cứu

liên quan đến kết cấu sàn phẳng BTCT không mũ cột.
Chương 2 : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH SÀN PHẲNG BTCT KHI
MẤT CỘT BIÊN, chương này giới thiệu các bước, cơ sở khoa học để xây

dựng mơ hình thí nghiệm, các quy trình thí nghiệm cũng như các giả thiết
ban đầu để thực hiện chương trình thực nghiệm.

Chương 3 : PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM, phần này trình
bày các kết quả thu được từ thực nghiệm như dạng phá hoại, quan hệ tải trọng
chuyển vị, biến dạng cốt thép, cơ chế chịu lực màng và các ứng xử động.

Chương 4 : PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG SĐLT CỦA SÀN


7
PHẲNG BTCT, giới thiệu phương pháp đơn giản đánh giá sức kháng SĐLT

của hệ kết cấu sàn phẳng BTCT không mũ cột.

Kết luận : Bao gồm các kết luận và nhận xét chính rút ra từ nghiên
cứu, các khuyến nghị cũng được đề xuất.


8

CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN PHẲNG BTCT KHI BỊ MẤT CỘT ĐỠ
Kết cấu sàn phẳng BTCT không mũ cột khi một cột bị phá hủy do khủng bố,
đâm xe, sụt lún nền móng, phá dỡ hay lỗi thiết kế, thi cơng là một bài tốn thực tế
đặt ra hiện nay. Khi đó kết cấu tại vị trí mất cột (dầm, sàn) sẽ biến dạng lớn hoặc

sụp đổ và dẫn đến kích hoạt sự phá hủy dây chuyền của cơng trình. Sự sụp đổ
này cịn được gọi là sụp đổ lũy tiến (SĐLT). Làm rõ ứng xử cận sụp đổ của kết
cấu khi mất cột là mục tiêu của cộng đồng nghiên cứu bởi nó sẽ hạn chế được
thiệt hại do SĐLT gây ra. Trong chương này sẽ trình bày những nội dung về SĐLT
cơng trình do kết cấu mất một cột chịu lực, các cơ chế làm việc của kết cấu khi ở
miền biến dạng lớn và các nghiên cứu liên quan được cập nhật trên thế giới cũng
như ở Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu đã đạt được cũng như những tồn tại sẽ
được đánh giá, qua đó làm rõ hướng phát triển của Luận án.

1.1. Sụp đổ lũy tiến (SĐLT) hệ kết cấu cơng trình BTCT
1.1.1. Khái niệm sụp đổ lũy tiến (SĐLT)
Sụp Đổ Lũy Tiến (SĐLT) thường được bắt đầu bởi sự phá hoại cục bộ của một cấu
kiện chịu lực, lan truyền từ cấu kiện này sang cấu kiện khác, cuối cùng dẫn đến sụp
đổ phần lớn hoặc toàn bộ kết cấu cơng trình. Thiệt hại về người và của do SĐLT gây
ra thường lớn hơn rất nhiều so với nguyên nhân ban đầu gây ra nó. Lịch sử sụp đổ
các cơng trình dân dụng đã cho thấy, ngun nhân phá hoại cục bộ ban đầu thường
là một cột chịu lực bị gãy do tác động của tải trọng bất thường (ví dụ: Sụp đổ tịa nhà
Murrah Building, Mỹ, năm 1995) hoặc do phá hoại chọc thủng tại một đầu cột (ví dụ:
Sụp đổ tịa nhà Sampoong Store Department, Hàn Quốc, năm 1995).


9
1.1.2. Một số vụ sụp đổ điển hình
Sụp đổ của tòa nhà Murrah Building (1995) Vụ sụp đổ này gây chấn động thế
giới và nó thúc đẩy mạnh mẽ nhu cầu nghiên cứu về SĐLT. Murrah Building là một tòa
nhà 9 tầng có kết cấu bê tơng cốt thép được xây dựng từ những năm 1970 [21] (Hình
1.1). Mặt bằng của tịa nhà có chiều dài khoảng 61 (m) và có chiều rộng là 21.4

(m). Kết cấu của tịa nhà bao gồm lưới cột 6, 1(m) × 10, 7(m) đỡ hệ thống dầm
sàn một phương như được thể hiện trong Hình 1.1(a). Chiều dày của bản sàn

là 152 (mm) được đỡ bởi hệ thống dầm bẹt có kích thước b × h = 508(mm) ×
1220(mm). Một trong các cấu kiện chịu lực chính của kết cấu là hệ thống dầm

chuyển ở tầng 3 dọc theo trục G với chiều dài nhịp (từ cột đến cột) là 12,2 (m)
Hình 1.1(b). Dầm chuyển này đỡ hệ thống cột biên từ tầng 3 lên đến mái.

(a) Mặt bằng kết cấu

(b) Hệ cột và dầm chuyển trục G

(c) Vị trí nổ bom gần cột G20

(d) Tịa nhà sau vụ nổ (photo Reuters)

Hình 1.1: Tịa nhà Murrah building trước và sau khi bị SĐLT [21]
Ngày 19 tháng 4 năm 1995, một xe bom với lượng thuốc nổ tương đương với khoảng


10
1800 (kg) TNT đã được kích hoạt trước sảnh của tòa nhà, cách cột G20
khoảng 4 (m). Vụ nổ đã làm sụp đổ 1/2 tòa nhà và cướp đi sinh mạng của
168 người trong đó có 19 trẻ em. Hình 1.1(c) minh họa vị trí của vụ nổ và
Hình 1.1(d) thể hiện phần còn lại của tòa nhà sau khi vụ nổ xảy ra. Cộng
đồng kỹ sư kết cấu và các nhà chun mơn đều thừa nhận rằng:
•

Áp lực trực tiếp của bom xe chỉ có thể phá hoại được cột G20 và một

phần nhỏ diện tích sàn, trong khi hai cột lân cận G24 và G16 gần như nguyên
vẹn;

•

Một phần sàn tầng 3 có thể bị vồng lên dưới áp lực nổ;

•

Sự mất khả năng chịu lực của dầm chuyển ở tầng ba do cột G20 bị phá hoại

là nguyên nhân chính gây ra sự sụp đổ của 1/2 tòa nhà. Các nghiên cứu hiện
trường cũng chỉ ra sức phá hủy của vụ nổ chỉ làm hỏng cột G20, nhưng khi mất
cột đường truyền tải trọng thay thế không đáp ứng được nên dẫn đến SĐLT.

W.Gene Corley [15] cho rằng nếu cột G20 không bị phá hoại do áp lực nổ
thì thiệt hại có thể giảm xuống chỉ ở mức 15%. Trong khi nếu cột G20 bị phá
hoại nhưng cơ cấu khớp dẻo có thể được hình thành trong dầm chuyển có
chiều dài nhịp tính tốn từ cột G16 đến cột G24 thì phạm vi thiệt hại có thể
giảm được tối đa là 50%. Sự hình thành khớp dẻo sẽ tạo một đường truyền
tải trọng mới khi mất cột và có thể sẽ giảm thiệt hại của sụp đổ cơng trình.
Siêu thị Sampoong Store (Hàn Quốc)[53]
Siêu thị Sampoong Store là tòa nhà 5 tầng nổi và 2 tầng hầm sử dụng kết cấu sàn
phẳng bê tông cốt thép được xây dựng từ năm 1989 tại Seoul, Hàn Quốc. Mặt bằng
kết cấu được thể hiện ở Hình 1.2(a) với lưới cột có bước cột 9 (m) theo trục Y và 10.8
(m) theo trục X. Bản sàn bê tông cốt thép dày 300 (mm) kết hợp với mũ cột dày
450
(mm). Theo thiết kế ban đầu, cột chịu lực điển hình có đường kính 800 (mm). Tuy nhiên
trong q trình thi cơng, đường kính cột bị giảm xuống cịn 600 (mm) do tiêu chuẩn về
sức kháng SĐLT chưa được tính ở thời điểm đó. Sự việc dẫn đến sàn tầng 5 bị phá hoại
chọc thủng (cắt) tại đầu cột sau này. Ngày 29/6/1995, tòa nhà đang trong thời gian vận
hành đã bất ngờ sụp đổ, phá hủy hoàn toàn 5 tầng nổi làm chết 502

11

(a) Thay đổi kích thước cột trong khi xây dựng

(b) Hình ảnh trước và sau SĐLT

Hình 1.2: Tịa nhà Sampoong Store có kết cấu sàn phẳng BTCT bị SĐLT [53]

người và làm bị thương 937 người. Thiệt hại về kinh tế lên tới hơn 100 tỉ
won. Hình 1.2(b) là hình ảnh tòa nhà trước và sau sụp đổ.
Trung tâm thương mại WTC [47]
Trong các sự kiện sụp đổ cơng trình nhà cao tầng, không thể không nhắc đến
sự sụp đổ tịa tháp đơi Trung tâm thương mại thế giới WTC (Hình 1.3(a)) vào ngày
11 tháng 9 năm 2001 tại NewYork-Mỹ. Các điều tra hiện trường có chung nhận
định rằng, vụ đâm và nổ máy bay vào các tầng phía trên của tòa nhà chỉ gây mất
khả năng chịu lực của một số cột thép ở một phía của tịa nhà ở tại các tầng cao,
và nguyên nhân gây ra sụp đổ hồn tồn tịa tháp đơi này vẫn là SĐLT.

(a) Tịa tháp đơi WTC bị tấn cơng năm 2001 [47] (b) Sập nhà trẻ Vườn Xanh, Hà Nội (2017)

Hình 1.3: SĐLT của các cơng trình trên thế giới và ở Việt Nam
Ở Việt nam cũng đã xảy ra một số sự kiện sụp đổ kết cấu xây dựng gây thiệt hại lớn
về người và của như sụp đổ cầu dẫn cầu Cần Thơ (2007) hay gần đây nhất là vụ sập


12
cơng trình nhà trẻ Vườn Xanh tại Nam Từ Liêm, Hà Nội, khi đang trong q trình thi
cơng xem Hình 1.3(b). Các vụ sụp đổ này có điểm chung là bắt nguồn từ những phá

hoại nhỏ, mang tính cục bộ, lan truyền tới những cấu kiện xung quanh và hậu quả
cuối cùng thường có qui mơ vượt xa so với những phá hoại cục bộ ban đầu.

1.1.3. Cơ chế SĐLT của kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực
Mất một cột chịu lực là kịch bản phổ biến nhất khi thiết kế cơng trình cũng như
khi nghiên cứu trong lĩnh vực phịng chống SĐLT. Bởi trường hợp này dễ có nguy
cơ xảy ra trong thực tế như khủng bố, sụt lún nền móng. Khi đó cơng trình sẽ ở
trạng thái biến dạng lớn và có nguy cơ SĐLT bởi các hiệu ứng như sau.

1.1.3.1. Hiệu ứng gấp đôi nhịp
Sự gia tăng nội lực trong kết cấu dầm sàn dẫn đến lan truyền sụp đổ do
nhóm nguyên nhân này có thể được hình dung bằng sự mất gối tựa của
một hệ dầm phẳng hai nhịp với chiều dài mỗi nhịp là L và được thiết kế để
chịu tải trọng phân bố đều q cho trong Hình 1.4 dưới đây.

Hình 1.4: Sự gia tăng nội lực trong dầm phẳng hai nhịp bị mất gối tựa giữa [45]

Sau khi mất gối tựa B, mơ men uốn trong dầm có độ gia tăng rất lớn so với
giá trị thiết kế ban đầu trước khi mất gối tựa. Tại gối tựa bên trái và bên
phải, mô men âm tăng lên bốn lần trong khi tại gối tựa B, dấu của mô men
bị đảo chiều từ âm sang dương với giá trị tuyệt đối tăng gấp hai lần.


13
1.1.3.2. Hiệu ứng động
Khi cấu kiện cột chịu lực bị phá hoại đột ngột do áp lực nổ bom, khí ga hay va chạm xe
cộ, nội lực trong kết cấu dầm sàn còn bị khuếch đại thêm do ứng xử động của hệ dầm
sàn và có thể được minh họa bằng dao động của con lắc lị xo có độ cứng R và có khối
lượng vật nặng M sau khi được thả tự do tại vị trí biến dạng (Hình 1.5).

Hình 1.5: Mơ hình hóa ứng xử động của hệ kết cấu khi bị mất cột đột ngột [44]

Hệ số động Ω kể đến sự khuếch đại tải trọng (trọng lực Mg) do tình huống
mất cột. Fd là tải trọng động tương ứng tác dụng lên hệ và gây ra chuyển vị
∆m. Ở trạng thái cân bằng, hệ số động được biễu diễn bởi phương trình (1.1).

Ω=
Có thể thấy rằng khi ứng xử của con lắc trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính với ∆ <
∆y, thì hệ số động Ω đạt tới 2.0 [20]. Với giá trị này thì tĩnh tải q bị khuyếch đại lên

2.0 lần và mô men uốn trong kết cấu dầm-sàn (Hình 1.4), phía trên cột bị mất khả
năng chịu tải, có thể tăng lên đến 8 lần. Tuy nhiên, nếu kết cấu dầm sàn có khả
năng biến dạng lớn vào miền phi tuyến ( ∆y < ∆ < ∆m) thì hệ số động giảm đi đáng
kể. Lúc này, độ lớn của hệ số động tỉ lệ nghịch với độ “dẻo” (structural ductility), là
đặc trưng cho khả năng biến dạng của hệ dầm sàn BTCT. Kết cấu được coi là phá
hoại khi biến dạng vượt quá giá trị cực hạn ∆m (xem Hình 1.5).


14

1.2. Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn ở trạng thái biến dạng lớn

và các cơ chế chịu lực thứ cấp
1.2.1. Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn ở trạng thái biến dạng lớn
Khi xảy ra sự phá hủy cục bộ như phá hoại cột hay chọc thủng đầu cột, cơ cấu uốn
trong dầm và sàn sẽ bị phá hoại do sự tăng đột biến về nội lực mơ men uốn trong kết
cấu cơng trình (như đã trình bày trong Hình 1.4) vượt quá độ bền thiết kế của cấu
kiện. Khi đó cấu kiện sẽ chuyển sang trạng thái làm việc mới - trạng thái biến dạng
lớn. Sự phá hoại của cơ cấu uốn bắt đầu với biểu hiện đặc trưng là sự phá hoại nén
vỡ của bê tông vùng thớ nén và vết nứt tại vùng kéo của cấu kiện. SĐLT sẽ không

xảy ra ngay lập tức nếu cơ cấu chịu lực thứ cấp xuất hiện thay thế cơ cấu uốn ở trạng
thái biến dạng lớn, bao gồm cơ cấu vòm nén (compressive arch action) và cơ cấu dây
căng (tensile catenary action). Do sự có mặt tiếp ngay sau sự phá hoại của cơ cấu
uốn trong cấu kiện dầm sàn, cơ cấu chịu lực thứ cấp còn được gọi là đường truyền
tải trọng thay thế. Khi đó, quan hệ tải trọng-biến dạng của cấu kiện dầm sàn (với điều
kiện biên hạn chế chuyển vị ngang) bao gồm ba giai đoạn chịu lực: cơ cấu uốn (CCU)
trong miền biến dạng nhỏ, cơ cấu vòm nén (CCVN) tương ứng miền biến dạng tương
đối lớn và cơ cấu dây căng (CCDC) trong miền biến dạng rất lớn. Các cơ chế chịu lực
thứ cấp được minh họa trong Hình 1.6.

Hình 1.6: Cơ cấu uốn (CCU), vòm nén (CCVN) và cơ cấu dây căng (CCDC) [37]


15
Trong điều kiện lý tưởng về tỉ lệ chiều cao dầm trên chiều dài nhịp và độ cứng của liên kết
chống chuyển vị ngang tại gối tựa, cơ cấu vòm nén có sức kháng tải trọng cao hơn từ 2-3
lần [37] so với cơ cấu uốn thuần túy. Sau CCVN là trạng thái mất ổn định (snap-through),
sức kháng tải trọng giảm xuống bằng CCU. Nếu điều kiện về sự liên tục của cốt thép dọc
và độ cứng của liên kết chống chuyển vị ngang vẫn được đáp ứng, CCDC sẽ là trạng thái
chịu lực cuối cùng cho đến khi công trình sụp đổ hồn tồn. Sư hình thành và phát triển
của CCVN và CCDC ở trạng thái biến dạng lớn là chủ đề chính trong các nghiên cứu
thuộc lĩnh vực phịng chống SĐLT và sẽ được trình bày cụ thể trong mục 1.5 ở chương
này. Phần tiếp theo trình bày chi tiết CCVN và CCDC.

1.2.2. Các cơ chế chịu lực thứ cấp của kết cấu BTCT ở trạng thái biến dạng lớn

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra các cơ chế chịu lực thứ cấp khi kết cấu biến
dạng lớn, chúng được kỳ vọng là đường truyền tải trọng thay thế tăng sức kháng
SĐLT. Các nghiên cứu đã được thực hiện chủ yếu với hệ kết cấu dầm sàn BTCT.

1.2.2.1. Cơ chế chịu lực vòm nén (CCVN)
Xem xét một dầm BTCT được ngàm ở hai đầu và chịu tải trọng phân bố
đều q như trong Hình 1.7(a).

Hình 1.7: Cơ cấu chịu lực vòm nén (CCVN) [43]

Khi biến dạng là nhỏ, dầm được thiết kế chịu tải trọng bằng cơ cấu uốn thông thường
với một thớ chịu kéo và một thớ chịu nén ở phía đối diện tại một tiết diện dầm bất kỳ.


16
Do sức kháng kéo của vật liệu bê tông chỉ bằng 1/10 sức kháng nén, biến dạng kéo của
dầm thường lớn hơn nhiều so với biến dạng nén, dẫn đến dầm có xu hướng dãn ra trong
q trình chịu lực. Vì điều kiện biên là ngàm ở hai đầu dầm, chuyển vị dãn dài này bị
khống chế, dẫn đến sự xuất hiện lực nén dọc theo trục dầm. Lực nén này sẽ làm gia tăng
độ bền uốn của dầm như được minh họa trong Hình 1.7(b). Các nghiên cứu trước đây đã
chỉ ra rằng, cơ cấu vòm nén này chỉ có thể phát huy đối với cấu kiện dầm có chiều cao
tiết diện không nhỏ hơn 1/20 chiều dài nhịp, cùng điều kiện chuyển vị ngang phải được
khống chế hoàn toàn. Trong trường hợp điều kiện biên tại đầu dầm không đủ cứng, sức
kháng tải trọng của cấu kiện không được cải thiện đáng kể.

1.2.2.2. Cơ chế chịu lực dây căng (CCDC)
Xem xét dầm/bản BTCT chịu tải trọng phân bố đều W với điều kiện biên
ngăn cản chuyển vị ngang tại tiết diện hai đầu như trong Hình 1.8.

Hình 1.8: So sánh khả năng chịu lực của cơ chế dây căng và cơ chế uốn [43]

Ở trạng thái biến dạng nhỏ, Hình 1.8(a), dầm chịu tải trọng bằng cơ cấu uốn với lực

kéo trong cốt thép T ở thớ kéo cân bằng với lực nén C ở thớ nén tại tiết diện giữa

dầm. Khi biến dạng nén của bê tông tăng lên đến giá trị giới hạn, lực nén C giảm dần
về 0 do sự nén vỡ của bê tông vùng nén và sự dãn dài quá mức của cốt thép vùng
kéo Hình 1.8(b). Ở trạng thái này, dầm chịu tải trọng theo cơ cấu dây căng với sức
chịu tải tỉ lệ thuận với hàm lượng cốt thép chịu kéo và độ võng của dầm. Hiệu quả của
cơ cấu dây căng được minh họa bằng cơng thức trong Hình 1.8(b).


17
1.2.2.3. Cơ chế màng (CCM) trong cấu kiện dầm sàn BTCT
Các nghiên cứu trước đây của Pham X.D và Tan K.H (2010), [42] đã chỉ
ra rằng đường truyền tải trọng thay thế CCVN và CCDC đòi hỏi cao đối với
độ cứng và độ bền liên kết chống chuyển vị ngang tại hai đầu của cấu kiện
dầm/sàn. Đòi hỏi này chỉ có thể đáp ứng khi cột bị phá hoại ở vị trí biên giữa
của mặt bằng kết cấu cơng trình, như được trình bày trong Hình 1.9.

Hình 1.9: Đường truyền tải trọng thay thế khi cột biên giữa (CBG) bị phá hoại [42]

Khi cấu kiện sàn phía trên cột bị phá hoại biến dạng lớn, các ô sàn ở các nhịp lân cận
hình thành một tấm cứng (diaphragm) giữ ổn định cho các cột xung quanh cột bị phá
hoại. Tuy nhiên, khi Cột Biên Cận Góc (CBCG) bị phá hoại, miếng cứng khơng được hình
thành theo cách đối xứng trong các ô sàn lân cận, lực kéo ngang từ CCDC ở sàn các
tầng có thể làm mất ổn định cột góc tại tầng 1 và làm thúc đẩy nhanh quá trình SĐLT. Sụp
đổ cơng trình tiếp theo có thể được minh họa như trong Hình 1.10. Hình 1.11(a) minh họa
sự hình thành cơ cấu màng (CCM) trong các ơ sàn BTCT được đỡ bởi cột biên cận góc.
Sự hình thành vành cứng được giải thích như sau, tại trạng thái cực hạn của cơ cấu uốn,
ơ sàn này sẽ hình thành ba tấm cứng riêng biệt, liên kết nhau thông qua hai đường dẻo
mơ men dương chéo xiên từ góc sàn. Ở trạng thái biến dạng lớn, CCM sẽ hình thành ở
vùng trung tâm. Lực kéo CCM sẽ làm cho các tấm cứng dịch lại gần nhau, tạo thành một
nửa vành cứng phía ngồi vùng chịu kéo trung tâm
[44]. Trong những điều kiện nhất định, nửa vành cứng này sẽ góp phần giữ ổn định

cho cột góc, nhằm hạn chế sự gãy đổ của cột góc như đã trình bày trong Hình 1.10.