Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu động đất bằng phương pháp kiểm soát hư hại

Nội dung text: Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu động đất bằng phương pháp kiểm soát hư hại

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 37 THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT CHỊU ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT HƯ HẠI PHẠM HOÀNG QUANG VINH Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh - quangvinh2611@yahoo.com CAO VĂN VUI Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh - cvvui@hcmut.edu.vn (Ngày nhận: 9/9/2016; Ngày nhận lại: 04/11/16; Ngày duyệt đăng: 14/11/2016) TÓM TẮT Kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thường bị hư hại khi động đất xảy ra. Kiểm soát hư hại trong thiết kế công trình chịu động đất là một cách tiếp cận mới trong thiết kế kháng chấn. Để kiểm soát hư hại của công trình BTCT, chỉ số hư hại (damage index) có giá trị từ 0 (không hư) đến 1 (sập) được sử dụng cho việc định lượng mức độ hư hại của loại kết cấu này. Trong bài báo này, sơ đồ thiết kế kết cấu BTCT bằng phương pháp kiểm soát hư hại thông qua chỉ số hư hại được kiến nghị và một ví dụ được trình bày. Kết quả cho thấy tính ưu việt của phương pháp thiết kế vì mức độ hư hại được kiểm soát bằng chính chỉ số hư hại và sự phân bố hư hại trong kết cấu. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề mà tác giả còn phải nghiên cứu và hoàn thiện. Từ khóa: Kiểm soát hư hại; động đất; khung BTCT; chỉ số phá hoại. Seismic design of reinforced concrete structures with damage control ABSTRACT Reinforced concrete (RC) structures often suffer damage when subjected to earthquakes. Seismic design RC structures with damage control can be an appropriate method. To control the damage of structures, the damage index, which varies from 0 (no damage) to 1 (collapse), is used to quantify the damage levels. In this paper, a procedure of the seismic design of RC structures with damage control is proposed and a case study is presented. This design method shows its advantages as the damage of structures is controlled by the damage index and the distribution of damage in structures. However, further study is needed to improve the method. Keywords: Damage control; Earthquake; RC frame; Damage index. 1. Giới thiệu trình trong giai đoạn đàn dẻo, đặc biệt là đối Khi động đất xảy ra, công trình thường với hệ kết cấu gồm nhiều dạng (khung lẫn chịu những mức độ hư hại khác nhau. Trong vách) hoặc sử dụng vật liệu khác nhau (bê thiết kế công trình chịu động đất, mức độ hư tông lẫn thép) (Nguyễn Hồng Hà, Nguyễn hại này được khống chế bằng một số tiêu chí Hồng Hải, Vũ Xuân Thương, 2013). Hơn nữa, khác nhau. Các tiêu chuẩn hiện hành như bên cạnh việc đưa ra các hạn chế như chiều UBC (1997), IBC (2003), Eurocode 8 (2004) cao hay tính đều đặn, các tiêu chuẩn nói trên sử dụng tiêu chí độ lệch tầng (story drift) để không có điều khoản thích hợp cho nhiều đánh giá mức độ hư hỏng là chưa đầy đủ dạng kết cấu (ví dụ kết cấu có tầng cứng) hoặc (Nguyễn Hồng Hà, Nguyễn Hồng Hải, Vũ áp dụng các giải pháp kỹ thuật tiên tiến. Do Xuân Thương, 2013). Mặt khác, dùng phương đó, việc áp dụng các tiêu chuẩn hiện hành pháp phân tích đàn hồi đi đôi với việc sử dụng trong thiết kế kháng chấn còn bộc lộ những một hệ số giảm (hệ số R trong UBC, IBC; hệ hạn chế (Recommendations for the Seismic số ứng xử q trong Eurocode 8) áp dụng cho Design of High-rise Buildings, CTBUH, toàn hệ kết cấu tổng thể là khó có thể phản 2008) (Outrigger Design for High-Rise ánh một cách đáng tin cậy ứng xử của công Buildings, CTBUH, 2012).
2. 38 KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ Bài báo này phân tích những ưu nhược thiết kế đàn hồi tuyến tính đã được sử dụng từ điểm của các phương pháp thiết kế hiện hành. lâu, kỹ thuật phân tích phi tuyến và ứng dụng Đồng thời, đề xuất một phương pháp mới – của nó trong thiết kế vẫn còn trong giai đoạn phương pháp thiết kế kết cấu BTCT chịu động phát triển và yêu cầu nhiều kỹ năng mới ở kỹ đất bằng cách kiểm soát hư hại. Trong phương sư thiết kế. Việc phân tích phi tuyến yêu cầu pháp thiết kế mới này, mức độ hư hại của một tư duy về ứng xử ngoài miền đàn hồi và công trình chịu động đất được khống chế bằng các trạng thái giới hạn (phụ thuộc vào biến chỉ số hư hại – damage index (DI). dạng cũng như lực) đối với người kỹ sư. 2. Các phương pháp thiết kế kháng Trong phân tích này, cần phải định nghĩa các chấn đã có mô hình ứng xử của cấu kiện để có thể phản 2.1. Các phương pháp phân tích kết cấu ánh mối quan hệ lực - biến dạng của cấu kiện Trong những năm gần đây, số lượng các dựa vào đặc trưng cường độ và độ cứng kỳ phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất vọng và biến dạng lớn. Tùy thuộc vào loại được sử dụng trong nghiên cứu và trong thiết hình kết cấu, kết quả phân tích phi tuyến có kế sản xuất đã tăng lên nhanh chóng, do sự phát thể rất nhạy cảm với các thông số giả thuyết triển và phổ biến rộng rãi các phần mềm và đầu vào và các mô hình ứng xử được sử dụng. máy tính có tốc độ cao. Dựa theo tính chất của Chính vì vậy, kỹ sư cần có khả năng phán tác động động đất lên công trình, ta chia các đoán tốt về vị trí hay bộ phận kết cấu được kỳ phương pháp tính toán thành hai loại như sau: vọng là sẽ trải qua biến dạng phi tuyến. Phân Các phương pháp tính toán tĩnh: tích là để xác nhận các vị trí làm việc phi Phương pháp tĩnh lực tương đương. tuyến và biểu thị biến dạng đối với cấu kiện Phương pháp tính toán đẩy dần chảy dẻo và lực đối với cấu kiện chưa chảy (phương pháp pushover). dẻo. Các phương pháp tính toán động: Hiện nay, phương pháp tính toán tĩnh phi Phương pháp phổ phản ứng. tuyến đẩy dần (nonlinear static pushover Phương pháp phân tích dạng. analysis) hay phân tích phi tuyến theo lịch sử Phương pháp phân tích trực tiếp thời gian (nonlinear time history analysis) phương trình chuyển động. đang được áp dụng rộng rãi trong các thiết kế Phương pháp tính toán đẩy dần động. ở nước ngoài khi phân tích kết cấu khi chịu Các phương pháp tính toán thường có tác động của động đất. Trong đó với phần lớn một sự thỏa hiệp giữa mức độ chính xác và độ trường hợp phương pháp phân tích đẩy dần phức tạp. Đối với người sử dụng, lẽ dĩ nhiên được xem là công cụ có tính áp dụng thực tiễn là muốn chọn một phương pháp đơn giản nhất cao hơn bởi sự đơn giản của nó so với phương có thể cho các thông tin mong muốn có độ pháp phân tích theo lịch sử thời gian. chính xác chấp nhận được. Khái niệm thiết kế kiểm soát hư hỏng Phương pháp phân tích trực tiếp phương giúp đảm bảo kiểm soát hư hỏng của kết cấu trình chuyển động hệ kết cấu phi tuyến là một cách đáng tin cậy. Phân tích phi tuyến, về phương pháp chính xác và đúng thực tế nhất lý thuyết, có thể được dùng để theo dõi ứng vì nó xét tới tính chất phi tuyến của vật liệu xử của kết cấu tới điểm bắt đầu phá hoại. lẫn tính phi tuyến hình học. Tuy vậy, phương Phân tích này cần các mô hình ứng xử phức pháp này lại rất phức tạp và tiêu tốn nhiều tạp đã được kiểm chứng thông qua thí thời gian thực hiện. Ngược lại phương pháp nghiệm, để bắt được ứng xử phi tuyến lớn khi tĩnh lực tương đương lại rất đơn giản nhưng kết cấu tiến tới trạng thái phá hoại. Do bởi mức độ chính xác lại kém nên nó chỉ dùng tính biến động trong các tính toán về lực và cho trường hợp động đất nhỏ, kết cấu đều đặn biến dạng giới hạn tăng lên khi kết cấu càng và chu kỳ ngắn, khi đó các cấu kiện kết cấu về đi vào vùng biến dạng dẻo, nên khi thiết kế cơ bản vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi. cần có giới hạn để biến dạng nằm trong vùng Không như với phương pháp phân tích và ứng xử có thể dự báo được, để không xảy ra
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 39 sự suy giảm đột ngột về cường độ và độ cứng. giai đoạn III của trạng thái ứng suất - biến 2.2. Các phương pháp thiết kế dạng cấu kiện chịu uốn làm cơ sở tính toán. 2.2.1. Phương pháp thiết kế BTCT theo Các giả thiết tính toán như sau: ứng suất cho phép - Bê tông là vật liệu đàn hồi dẻo: sơ đồ ứng Thiết kế theo ứng suất cho phép đã được suất nén của bê tông có dạng hình chữ nhật. dùng trong phân tích kỹ thuật kết cấu cách - Ứng suất nén của bê tông đạt đến cường đây hơn 150 năm. Các phương pháp tính toán độ giới hạn Rb. về tải trọng lớn nhất đều áp dụng mô hình lý - Ứng suất trong cốt thép chịu kéo đạt đến thuyết đàn hồi tuyến tính của môn sức bền vật cường độ giới hạn Rs. liệu để tính ứng suất của các kết cấu thép hay - Bê tông chịu kéo không tham gia chịu lực. ứng suất trong bê tông và cốt thép của kết cấu Công thức tổng quát: [ ] BTCT (Võ Bá Tầm, 2015). Trong đó: M, [M], M là nội lực do tải Cơ sở của thiết kế dựa trên các giả thuyết p trọng, nội lực cho phép, nội lực phá hoại của sau: vật liệu. - Vật liệu bê tông làm việc trong giai k > 1 là hệ số an toàn. đoạn đàn hồi, quan hệ ứng suất – biến dạng 2.2.3. Phương pháp thiết kế theo trạng tuân theo định luật Hooke. Lấy giai đoạn 1 thái giới hạn của trạng thái ứng suất – biến dạng cấu kiện Phương pháp thiết kế này thường dùng chịu uốn làm cơ sở tính toán. trong thiết kế kết cấu BTCT và kết cấu thép. - Sơ đồ ứng suất của bê tông chịu nén có Phương pháp này vẫn xem bê tông là vật liệu dạng hình tam giác. đàn hồi dẻo, vẫn sử dụng các giả thiết tính - Bê tông chịu kéo không tham gia chịu lực. toán như phương pháp tính theo nội lực phá - Toàn bộ ứng suất kéo do cốt thép chịu. hoại (Võ Bá Tầm, 2015). - Qui đổi vật liệu BTCT không đồng nhất Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới thành vật liệu đồng chất là bê tông. hạn là hợp lý hơn phương pháp thiết kế theo Ứng suất trong cấu kiện do tải trọng tác ứng suất cho phép. Độ tin cậy của tải trọng dụng yêu cầu phải nhỏ hơn ứng suất cho phép được xét đến trong phương pháp này thể hiện của vật liệu bằng việc sử dụng các hệ số tải trọng và các tổ [ ] hợp tải. Các hệ quả phá hoại cũng được xét đến trực tiếp hơn thông qua sử dụng các hệ số Trong đó: giảm sức bền (Ф 1 tính toán, ở đây các hệ số tải trọng xác định – hệ số an toàn vật liệu. dựa trên phương pháp thống kê của các điều Phương pháp thiết kế theo ứng suất cho kiện đo lường và như vậy phản ánh các thay phép có một số khiếm khuyết đáng kể: đổi tăng/giảm hợp lý của tải trọng tác dụng từ - Không xét đến sự thay đổi của tải trọng giá trị tải trọng trung bình tính toán. Sau đó, (tĩnh tải và hoạt tải). áp dụng lý thuyết đàn hồi tuyến tính cho tải - Ứng suất trong các thành phần kết cấu tính toán để tính nội lực các thành phần kết cung cấp thông tin rất ít về khả năng chịu tải cấu. Sức chịu tải của các thành phần được tính của cấu kiện hay toàn bộ kết cấu. toán với giả thuyết rằng tiết diện kết cấu làm - Độ tin cậy của thiết kế (hay hệ số an việc không đàn hồi (inelastic behavior). toàn) là không biết. Phương pháp này chia làm 2 nhóm: 2.2.2. Phương pháp thiết kế BTCT theo a) Nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất nội lực phá hoại (TTGH1): tính theo độ bền Phương pháp này xem vật liệu bê tông là Các kết cấu của công trình phải đủ khả vật liệu đàn hồi - dẻo (Võ Bá Tầm, 2015). Lấy
4. 40 KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ năng chịu lực trong suốt quá trình sử dụng các kiểu phá hoại không mong muốn khác. công trình đó. Tính theo TTGH1 nhằm đảm Thiết kế theo sức kháng được đề xuất đầu bảo cho kết cấu: tiên bởi Blume, Newmark, Corning, và Sozen Không bị phá hoại dòn, dẻo hoặc biến (1961) vào cuối thập niên 1950 và được phát dạng phá hoại khác. triển bởi nhiều chuyên gia kỹ thuật New Không bị mất ổn định về mặt hình dạng Zealand từ thập niên 1970. hoặc về vị trí. 2.2.5. Phương pháp thiết kế dẻo Không bị phá hoại mỏi. Phương pháp thiết kế dẻo đơn thuần là Tính toán về độ bền (khả năng chịu lực) thiết kế sức bền sử dụng phân tích chảy dẻo theo điều kiện: S ≤ Sgh chứ không dùng phân tích đàn hồi tuyến tính Trong đó: S – nội lực bất lợi do tải trọng để tính các thành phần nội lực Vu, Mu. Thiết gây ra. kế dẻo thường được xem xét với phương pháp Sgh – khả năng chịu lực của kết cấu khi đường chảy dẻo của hệ sàn BTCT. Nguyên tắc làm việc ở TTGH1. của phân tích chảy dẻo là một cơ cấu phá hủy b) Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai sẽ được đề xuất và các khớp dẻo được thiết kế (TTGH2): về biến dạng chi tiết cho đáp ứng phi tuyến. Dùng phương Việc tính toán nhằm đảm bảo sự làm việc pháp thiết kế theo sức bền, ta tính được sức bình thường của kết cấu sao cho: bền của kết cấu ФMn, sau đó dùng phương - Không có biến dạng vượt quá giới hạn pháp thiết kế theo khả năng để ngăn ngừa các cho phép (độ võng, góc xoay ) kiểu phá hoại không mong muốn. - Không cho hình thành và mở rộng khe 2.2.6. Phương pháp thiết kế dựa trên nứt quá mức cho phép. chuyển vị (Displacement-based design - DBD) Điều kiện về biến dạng là: f ≤ fgh Thập niên 1990 xuất hiện sự đổi mới Trong đó: f là biến dạng của kết cấu do đáng kể trong kỹ thuật thực hành chống động tải trọng tiêu chuẩn gây ra. đất. Các phương pháp thiết kế theo lực hầu fgh là biến dạng cho phép để đảm bảo điều như chiếm vị trí độc tôn gần 80 năm nay bắt kiện làm việc bình thường. đầu nhường chỗ cho các phương pháp thiết kế Điều kiện hình thành và mở rộng khe nứt theo chuyển vị của công trình (độ lệch tầng - là: acrc ≤ [acrc] story drift) đến khi chảy dẻo sụp đổ được phát Trong đó: acrc là bề rộng khe nứt do tải triển dựa trên nguyên lý đề xuất bởi Sozen, trọng tiêu chuẩn gây ra. Moehle (1992) và các tác giả khác trong hai [acrc] là bề rộng khe nứt cho phép để đảm thập niên 1970-1980. bảo điều kiện làm việc bình thường. Các tiêu chuẩn thiết kế chống động đất 2.2.4. Phương pháp thiết kế theo sức kháng đã thừa nhận từ lâu rằng công trình nhà và Thiết kế theo sức kháng được dùng để cầu sẽ trải qua biến dạng phi tuyến đáng kể ngăn cản các cơ cấu phá hủy không mong trước khi sụp đổ. Nhờ kiến thức hiểu biết này muốn, ví dụ dầm bị phá hủy do cắt (kiểu phá rằng sự hư hỏng công trình liên quan trực hủy dòn) xảy ra trước khi phá hủy do uốn tiếp đến biến dạng chứ không phải lực, các (kiểu phá hủy dẻo), hay cột khung bị phá hủy kỹ sư chuyên ngành kết cấu ngày nay có do uốn xảy ra trước khi dầm khung phá hủy khuynh hướng phân tích, thiết kế, và đánh do uốn. giá sự làm việc của BTCT dựa trên các tính Dùng phương pháp thiết kế theo sức toán chuyển vị. kháng, ta cân đối kích thước cấu kiện theo cơ Thực ra thiết kế dựa trên chuyển vị không cấu phá hủy không mong muốn và bố trí thép thể sử dụng như là một công cụ thiết kế độc cho ứng xử dẻo. Sau đó, ta xác định sức bền lập. Đúng hơn là phải cung cấp trước một độ lớn nhất: Mp ≥ Mu = ФMn. Từ đó xác định tải bền tối thiểu ứng với các điều kiện tải trọng trọng áp dụng Vp gây ra Mp. Cuối cùng thiết bình thường (service load). Tuy nhiên, thiết kế kế các thành phần còn lại của kết cấu để tránh dựa trên chuyển vị đã được chấp nhận rộng rãi
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 41 từ 10 năm trước đây và phương pháp này bây lựa chọn hợp lý hơn để đánh giá trạng thái hư giờ là cơ sở của các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật hại của kết cấu chịu động đất. Banon H và FEMA 273 và 274 nhằm thiết kế mới hay cải Veneziano D. (1982) đã sử dụng mô hình đơn tạo các kết cấu công trình chống động đất. giản là góc xoay tích lũy chuẩn hóa như là 3. Thiết kế kết cấu bằng phương pháp một mức độ hư hại (DI), nó được thể hiện kiểm soát hư hại bằng tỷ lệ của tổng các góc xoay ngoài miền Phương pháp thiết kế kiểm soát hư hại là đàn hồi trong nữa chu kỳ. Vài năm sau, Park phương pháp thiết kế mới đang được nghiên và Ang (1985) đã đề xuất một mô hình phân cứu. Trong các tiêu chuẩn xây dựng quốc tế tích mức độ hư hại (DI) kết hợp cả hai yếu tố và Việt Nam (TCVN 9386:2012, 2012) đều biến dạng và năng lượng trễ như trong công có đề cập đến phần yêu cầu về tính năng và thức (3). tiêu chí hạn chế hư hỏng cần tuân theo nhưng (3) còn rất hạn chế. Trong nghiên cứu này, chỉ số phá hoại có giá trị từ 0 (không hư) đến 1 (sập) Trong đó um là chuyển vị tối đa của hệ một được sử dụng để thiết kế BTCT. bậc tự do (SDOF) chịu động đất, uu là chuyển 3.1. Lựa chọn mô hình phân tích mức vị tới hạn dưới tải đơn điệu, Eh là năng lượng độ hư hại trễ bị tiêu tán bởi hệ một bậc tự do, Fy là lực Mô hình hư hại có thể chia làm hai loại dẻo và β là hệ số ảnh hưởng của tải chu kỳ. cơ bản sau: không tích lũy và tích lũy. Lựa Park và Ang (1985) đã phân loại các chọn mô hình phân tích hư hại tích lũy là một trạng thái thiệt hại vào năm cấp độ sau: DI 0 khi một thành phần công mức độ hư hại có thể được thể hiện bằng tỷ số trình nằm trong giai đoạn đàn hồi, DI > 1 thì nhu cầu năng lượng Eh, với khả năng hấp thụ công trình bị sập đổ và không có giới hạn trên năng lượng của kết cấu dưới tải trọng đơn mức này. Do những hạn chế này mà khái Eh,u. Tuy nhiên đề xuất mức độ hư hại này lại niệm của Park và Ang (1985) đã được sửa đổi không có giới hạn cụ thể để xác định trạng bởi các nhà nghiên cứu như Bozorgnia và thái hư hại công trình. Ghi nhận của vấn đề Bertero (2001). Tuy nhiên, việc sửa đổi quan trên Cao Van Vui và cộng sự (2014) đã đề trọng nhất lại thuộc về Kunnath và cộng sự xuất một mô hình mức độ hư hại mà sau đó
6. 42 KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ được sửa đổi bởi tác giả như trong công thức α là hệ số điều chỉnh kể đến ảnh hưởng của số (5), (6) và (7). lượng lần lặp. Chỉ số hư hại của Park và Ang (1985) gặp [ ] (5) phải một số nhược điểm như việc mức độ hư hại DI > 1 thì công trình mới bị sập đổ hoặc (6) DI >0.1 thì mới bắt đầu hư hại. Sau đó là đề xuất mức độ hư hại của Kunnath và cộng sự (7) (1992) cũng có những nhược điểm tương tự của Park và Ang (1985). Với đề xuất mức độ Trong đó, E và E lần lượt là h,1collapse h,1y hư hại của Cao Van Vui và cộng sự (2014) thì năng lượng trễ cho một chu kỳ tới hạn và sát với thực tế hư hại cũng như được tác giả đã năng lượng trễ cho một chu kỳ dẻo. N là số trình bày rõ trong phần đề xuất mức độ hư hại. lượng tương đương chu kỳ dẻo khi sụp đổ, Chính vì vậy, việc phân tích mức độ hư hại còn i là số lượng tương đương chu kỳ dẻo ứng của bài báo này sẽ sử dụng mức độ hư hại theo với thời điểm hiện tại của tải tác dụng (i ≤ N). đề xuất của Cao Van Vui và cộng sự (2014). γ là thông số tính đến sự khác biệt giữa 3.2. Thiết kế BTCT chịu động đất bằng E lý thuyết và E thực tế. Để đơn h,1collapse h,collapse phương pháp kiểm soát hư hại giản hóa, γ = 1 được sử dụng trong nghiên Thiết kế kết cấu BTCT bằng phương cứu này. Việc sử dụng γ = 1 có thể dẫn đến pháp kiểm soát hư hại có thể sơ đồ hóa như một đánh giá thấp hoặc đánh giá quá cao Hình 1. Eh,collapse cho các điều kiện tải điển hình ở trên. Bắt đầu Lựa chọn băng gia tốc đại diện cho khu vực thiết kế Thiết kế sơ bộ Thiết lập mức độ hư hỏng giới hạn giới hạn [DI] Điều chỉnh thiết kế Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian Tính toán chỉ số phá hoại DI Không thỏa DI ≤ [DI] Thỏa Không hợp lý Đánh giá mức độ hợp lý của chỉ số phá hoại Hợp lý Kết thúc Hình 1. Quy trình thiết kế BTCT chịu động đất theo phương pháp kiểm soát hư hại
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 43 Thiết lập mức độ hư hỏng giới hạn: Kỹ sư giới hạn [DI] ứng với cường độ động đất thiết kết cấu thảo luận với chủ đầu tư và cơ quan kế theo Bảng 1. Chỉ số phá hoại giới hạn là nhà nước có thẩm quyền về mức độ hư hỏng nền tảng chấp nhận cho thiết kế cơ sở. Bảng 1 Các cấp độ hư hỏng Ký hiệu Chỉ số phá hoại Miêu tả . 0 - 0.05 Không có hư hỏng hoặc hư hỏng nhỏ + 0.05 - 0.25 Hư hỏng nhẹ x 0.25 - 0.50 Hư hỏng vừa ▲ 0.50 - 0.75 Hư hỏng nặng ● 0.75 - 1.00 Sụp đổ Thiết kế sơ bộ: Các phân tích động lực đường kính cốt thép Mục đích của bước này học được sử dụng để xác nhận rằng việc thiết là làm giảm mức độ hư hại cho phần tử có độ kế công trình đáp ứng các mức độ hư hỏng đề hư hại lớn trong phân tích trước. ra DI ≤ [DI]. Để thực hiện một phân tích có ý Đánh giá mức độ hư hỏng: đánh giá sự nghĩa, kỹ sư thiết kế phải xác định sự phân bố phân bố hư hỏng trong cột, dầm có hợp lý hay của độ cứng, cường độ, khối lượng cũng như không, có cần thay đổi để tối ưu độ hư hại các tính trễ của các yếu tố đó khi chúng trải phân bố trong kết cấu. qua một trận động đất và phát sinh biến dạng 4. Ví dụ phi tuyến. Ta xét lại thí nghiệm được bởi Bracci Điều chỉnh thiết kế: thay đổi kích thước, (1992): một khung bê tông cốt thép ba tầng chỉ vật liệu của cấu kiện, thay đổi số lượng và chịu trọng lượng bản thân thể hiện trong Hình 2. Hình 2. Mô hình khung 3 tầng (Bracci J. R., 1995) Bước 1: Thiết kế sơ bộ động từ 20,2-34,2 MPa). Bảng 4 cho thấy bốn Kích thước (tính bằng inch) và chi tiết cốt loại cốt thép và tính chất của chúng được sử thép được thể hiện trong Bảng 2. Giá trị trung dụng cho khung. bình mô đun đàn hồi bê tông Ec = 24.200 MPa Tổng trọng lượng của mỗi tầng khoảng và cường độ trung bình fc' = 27,2 MPa (dao 120 kN, gồm trọng lượng bản thân dầm, cột,
8. 44 KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ tấm và các trọng lượng gắn thêm vào mô hình tốc nền N21E của trận động đất Taft, xảy ra như trong Hình 2. Thông tin chi tiết của mô vào ngày 21 tháng 7 năm 1952 tại khu vực hình xem ở Bracci (1992) và Bracci et al. Lincoln School Tunnel bang California có gia (1995). Thí nghiệm sử dụng thành phần gia tốc nền (PGA) là 0.30g. Bảng 2 Các tính chất của cốt thép Cốt Đường kính Cường độ dẻo Cường độ tới hạn Mô đun đàn hồi Ứng suất thép (mm) (MPa) (MPa) (MPa) tới hạn D4 5.715 468.86 503.34 214089.8 0.15 D5 6.401 262.01 372.33 214089.8 0.15 12 ga. 2.770 399.91 441.28 206160.5 0.13 11 ga. 3.048 386.12 482.65 205471 0.13 Hình 3. Kích thước và bố trí cốt thép của mô hình khung ba tầng (Bracci et al., 1995) Bước 2: Thiết lập mức độ hư hỏng giới Bước 3: Phân tích phi tuyến lịch sử thời hạn cho phép [DI]. Trong ví dụ này, khung thí gian chịu tải. Bước này ta thực hiện khai báo nghiệm chịu một trận động đất mạnh nên ta trong SAP2000. Bảng 5 cho thấy tải dọc trục chọn mức độ hư hỏng nặng [DI] = 0.75. trong các cột được giả định là không đổi
9. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 45 trong trận động đất. Các đường cong momen được sử dụng để mô hình kết cấu như trong lên đến ứng suất nén tới hạn của bê tông có Hình 4. Các tần số kết cấu được xác định là được bằng cách sử dụng một mô hình thớ, 1,70, 5,30 và 9,03 Hz. trong đó mặt cắt ngang được rời rạc hóa thành nhiều thớ. Sự phân bố biến dạng được giả định tuyến tính và ứng suất trên mỗi thớ được dựa trên mô hình vật liệu, với biến dạng được xác định tại trọng tâm của thớ. Các vòng lặp của phân phối biến dạng sẽ dừng lại khi điều kiện cân bằng đạt được. Áp dụng các hướng dẫn của FEMA 356 (ASCE, 2000) để có được những ứng xử tiền tới hạn trước sụp đổ. Bằng cách sử dụng kỹ thuật khớp dẻo, ta thu được đường cong momen – góc xoay dùng để phân tích phi tuyến. Sheikh và Hình 4. Mô hình khung 3 tầng với các phần tử LINK Khoury (1993) đề xuất chiều dài khớp dẻo Lp = h và dựa trên quan sát từ những hư hỏng Bước 4: Tính toán chỉ số hư hỏng DI thực nghiệm của khung áp dụng trong trường Mô hình hư hỏng được sử dụng để xác hợp nghiên cứu này. Hiệu ứng hạn chế nở định vị trí và định lượng các hư hỏng của kết hông của cốt đai (confinement) được tính cho cấu trong các trận động đất. Hình 5 cho thấy các cột trong khi nó được bỏ qua cho dầm các trạng thái hư hỏng cho trận động đất Taft trong nghiên cứu này. Tương tác giữa lực dọc ứng với PGA là 0.30g. Chú ý rằng các trạng và mô men có xét trong phân tích. Ngoài ra thái hư hỏng biểu thị cho các cấp chỉ số phá còn bỏ qua mất ổn định của cốt thép dọc. Các hoại khác nhau trong Bảng 1. Các chỉ số phá phần tử LINK liên kết phi tuyến tuân theo mô hoại ít hơn 0.005 được bỏ qua, không thể hiện hình trễ của Takeda (1970) trong SAP2000 trong hình. Ký Chỉ số phá Miêu tả hiệu hoại Không có hư hỏng . 0 - 0.05 hoặc hư hỏng nhỏ + 0.05 - 0.25 Hư hỏng nhẹ x 0.25 - 0.50 Hư hỏng vừa ▲ 0.50 - 0.75 Hư hỏng nặng ● 0.75 - 1.00 Sụp đổ Hình 5. Phân tích hư hỏng của khung chịu trận động đất Taft có gia tốc đỉnh nền 0.30g Bước 5: Đánh giá mức độ hư hỏng kế lại để giảm độ hư hại sao cho không khác Với các kết quả mức độ hư hỏng tại cột nhiều so với độ hư hại của các cột biên. và dầm trong khung, ta thấy sự phân bố hư Theo phương pháp thiết kế bằng cách hỏng là chưa hợp lý. Cụ thể, hai cột giữa của kiểm soát mức độ hư hại kiến nghị trong bài tầng 1 bị hư hại nhiều hơn so với các cột biên báo này, thiết kế phải được điều chỉnh lại. trong tầng. Do đó, các cột này nên được thiết Thiết kế được điều chỉnh thông qua các
10. 46 KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ bước sau: ban đầu. Sau đó thực hiện lặp lại các bước 4 Bước 6: Điều chỉnh thiết kế: bước này có đến 5. thể thực hiện bằng cách tăng thêm diện tích Bước 3 (lặp): Ta thực hiện lại phân tích cốt thép hoặc tăng tiết diện cột hoặc cả hai. phi tuyến lịch sử thời gian. Trong ví dụ này, thiết kế được điều chỉnh Bước 4 (lặp): Kết quả phân tích lại trong bằng cách tăng lượng cốt thép trong hai cột bước 3 ở trên được sử dụng để tính toán lại giữa này lên thêm 15% so với lượng cốt thép chỉ chỉ số hư hại DI. Kết quả như Hình 6. Ký Chỉ số phá Miêu tả hiệu hoại Không có hư hỏng . 0 - 0.05 hoặc hư hỏng nhỏ + 0.05 - 0.25 Hư hỏng nhẹ x 0.25 - 0.50 Hư hỏng vừa ▲ 0.50 - 0.75 Hư hỏng nặng ● 0.75 - 1.00 Sụp đổ Hình 6. Phân tích hư hỏng của khung điều chỉnh thiết kế chịu trận động đất Taft có gia tốc đỉnh nền 0.30g Bước 5 (lặp): Đánh giá mức độ hư hỏng: hình độ hư hại được áp dụng để tính toán mức Chỉ số hư hại của hai cột giữa đã điều chỉnh độ hư hại của kết cấu. Mức độ hư hại này thiết kế của tầng 1 đã giảm. Sự phân bố hư hại được so sánh với mức độ hư hại cho phép. trong khung là hợp lý hơn so với ban đầu. Phân tích cụ thể cho kết cấu khung được tiến 5. Kết luận hành. Kết quả cho thấy mức độ hư hại được Bài báo trình bày và minh họa phương kiểm soát bằng chính chỉ số hư hại. Tính ưu pháp thiết kế kết cấu BTCT chịu động đất việt của phương pháp thiết kế này là sự phân bằng cách kiểm soát hư hại. Một quy trình bố hư hại trong kết cấu được điều chỉnh lại thiết kế theo phương pháp này được kiến cho hợp lý. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề nghị. Trong đó, công trình chịu động đất được mà tác giả còn phải nghiên cứu và hoàn phân tích phi tuyến theo thời gian. Sau đó, mô thiện Tài liệu tham khảo Banon H và Veneziano D. (1982). Seismic safety of reinforced members and structures. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. Bozorgnia và Bertero. (2001). Evaluation of damage potential of recorded earthquake ground motion. Seismological Research Letters, 72(2), 233. Bracci, J. (1992). Experimental and analytical study of seismic damage and retrofit of lightly reinforced concrete structures in low seismicity zones, State University of New York at Buffalo. Bracci, J. R. (1995). Seismic retrofit of reinforced concrete buildings designed for gravity loads: performance of structural system. ACI Structural Journal, 92(5). Comite Europeen de Normalisation. (2004). Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance. Part 1: General Rules, Seismic Actions and Rules for Building.
11. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 47 IBC. (2003). International Building Code, International Code Council. J.P.Moehle. (1992). Displacement based design or RC structures. Kunnath, S.K., Reinhorn, A.M., and Lobo, R.F. (1992). IDARC Version 3.0: A Program for the Inelastic Damage Analysis of Reinforced Concrete Structures. Report No. NCEER-92-0022, National Center for Earthquake Engineering Research, State University of N. Nathan M. Newmark, a. L. (1961). Design of Multistory Reinforced Concrete. Nguyễn Hồng Hà, Nguyễn Hồng Hải, Vũ Xuân Thương. (2013). Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng cho nhà cao tầng. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, 3+4. Outrigger Design for High-Rise Buildings, CTBUH. (2012). Park, Y.-J., and Ang, A.H.-S. (1985). Mechanistic seismic damage model for reinforced concrete. Journal of Structural Engineering, 111(4), 722-739. Recommendations for the Seismic Design of High-rise Buildings, CTBUH. (2008). Sheikh, S.A., and Khoury, S.S. (1993). Confined concrete columns with stubs. ACI Structural Journal, 90(4), 414-431. Tabeshpour, M.R., Bakhshi, A., and Golafshani, A.A. (2004). Vulnerability and damage analyses of existing buildings. 13th World Conference on Earthquake Engineering, 1261. Takeda, T. S. (1970). Reinforced concrete response to simulated earthquakes. Journal of the Structural Division, 96, 2557-2573. TCVN 9386:2012. (2012). Thiết kế công trình chịu động đất. UBC. (1997). Uniform Building Code. International Council of Building Officials, 2. Võ Bá Tầm (2015). Kết cấu bê tông cốt thép - Tập 1 (phần cấu kiện cơ bản). TPHCM: Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TPHCM. Vui Van Cao, H. R. (2014). A new damage index for reinforced concrete atructures. Journal of Earthquakes and Structures, 6, 581-609.