Trong chương này, ứng xử của bốn mẫu tường chịu cắt bê tông cốt thép (BTCT) có lỗ mở được khảo sát. Khả năng chịu tải trọng ngang và góc trôi (chuyển vị/chiều dài) được đánh giá bằng phần mềm IDEA StatiCa và so sánh với dữ liệu thực nghiệm được báo cáo bởi Taleb et al. (2012).
Kết quả cũng được so sánh với khả năng chịu lực thiết kế được tính toán theo mô hình thanh chống - giằng (STM) trong ACI 318-19 (2019). Một trong các mẫu tường chịu cắt được thử nghiệm được chọn làm mô hình cơ sở để phân tích thêm bằng phần mềm ABAQUS (2023), trong đó góc trôi, phân bố ứng suất chính và hình thái vết nứt được tính toán và so sánh với các giá trị đo được trong thí nghiệm. Ngoài ra, mô hình giam giữ của Mander et al. (1988) được áp dụng để khảo sát chi tiết ảnh hưởng của bê tông giam giữ đến khả năng chịu lực của tường chịu cắt.
Nghiên cứu thực nghiệm
Để đánh giá hiệu năng kết cấu của tường chịu cắt có lỗ mở, bốn mẫu tường kết cấu BTCT một nhịp, được ký hiệu là N1, S1, M1 và L1, đã được nghiên cứu. Các mẫu này được chế tạo và thử nghiệm bởi Taleb et al. (2012) tại phòng thí nghiệm kết cấu của Đại học Kyoto dưới tải trọng chu kỳ đảo chiều theo phương ngang. Các tường được thu nhỏ theo tỷ lệ 40%, đại diện cho ba tầng dưới của một tòa nhà BTCT sáu tầng. Mục tiêu chính của các thí nghiệm này là phân tích ứng xử theo phương ngang và tìm hiểu ảnh hưởng của các kích thước và vị trí lỗ mở khác nhau đến sự phân bố vết nứt và khả năng chịu lực cắt của tường kết cấu BTCT. Cốt thép chủ được giữ nhất quán trên tất cả các mẫu, với sự thay đổi về tỷ lệ lỗ mở. Trong số các mẫu này, L1 được chọn làm mô hình cơ sở để phân tích thêm bằng phần mềm ABAQUS.
Thiết lập thí nghiệm
Chi tiết thiết lập thí nghiệm và hệ thống gia tải được thể hiện lần lượt trong Hình 3.1 và 3.2. Tải trọng ngang Q được tác dụng lên dầm gia tải bằng hai kích thủy lực 2 MN (449,6 kips), truyền tải trọng ngang chu kỳ đảo chiều đến các mẫu. Các tải trọng này được tác dụng theo cả hai chiều, mô phỏng điều kiện động đất thực tế. Ngoài tải trọng ngang, tải trọng dọc trục thẳng đứng được tác dụng lên các cột bằng hai kích thủy lực 1 MN (224,8 kips), tái tạo tải trọng tác dụng lên ba tầng dưới của tòa nhà BTCT sáu tầng. Mức tải trọng thẳng đứng được chọn để phản ánh tải trọng dọc trục dài hạn dự kiến trong kết cấu như vậy, với mỗi kích ban đầu tác dụng tải trọng 400 kN (89,9 kips) để đại diện cho trọng lượng các tầng trên.
Hai kích thủy lực thẳng đứng được điều chỉnh để tác dụng lực dọc trục, Nw và Ne, thay đổi theo tải trọng ngang Q, nhằm duy trì tỷ số nhịp cắt (M/Ql) bằng 1,0. Ở đây, M là mô men tại chân tường, Q là tải trọng ngang, và l là khoảng cách giữa tâm các cột bên. Thiết lập này đảm bảo rằng phá hoại do cắt sẽ xảy ra trước khi có bất kỳ sự chảy dẻo uốn nào của tường.
Ảnh hưởng của tải trọng dọc trục đến khả năng chịu cắt là không đáng kể vì các cột bên vẫn còn nguyên vẹn cho đến khi kết thúc thử nghiệm.
Hình 3.1, 3.2 Thiết lập thí nghiệm, Hệ thống gia tải
Mẫu thử nghiệm
Bốn mẫu tường bê tông cốt thép được chế tạo và thử nghiệm tại Đại học Kyoto. Như minh họa trong Hình 3.3, ba mẫu (S1, M1, L1) có lỗ mở lệch tâm, trong khi một mẫu (N1) không có lỗ mở. Các biến số chính cho các mẫu ba tầng có lỗ mở là tỷ lệ lỗ mở và vị trí của lỗ mở. Một trong những mục tiêu chính của các thử nghiệm thực nghiệm là đánh giá ảnh hưởng của các tỷ lệ lỗ mở khác nhau đến khả năng chịu lực cắt của tường kết cấu. Tỷ lệ lỗ mở của các mẫu S1, M1 và L1 lần lượt là 0,30; 0,34 và 0,46.
Hình 3.3: Cấu hình mẫu và bố trí cốt thép: a) chi tiết và kích thước mẫu N1 không có lỗ mở, và b) kích thước và chi tiết lỗ mở cho các mẫu S1, M1 và L1.
Phân tích IDEA StatiCa
Ứng xử của các mẫu tường chịu cắt bê tông cốt thép có lỗ mở, như được khảo sát trong Mục 3.3.1, được phân tích bằng IDEA StatiCa Detail. Nghiên cứu này mở rộng các nghiên cứu trước của Taleb et al. (2012) và tập trung vào các mẫu N1, S1, M1 và L1. Các mẫu này được chọn đặc biệt để khảo sát ảnh hưởng của các tỷ lệ và vị trí lỗ mở khác nhau đến hiệu năng kết cấu của chúng. Phương pháp mô hình hóa trong IDEA StatiCa Detail tích hợp cường độ chịu nén thực tế của bê tông và giới hạn chảy cũng như cường độ cực hạn của cốt thép, theo các thông số được nêu bởi Taleb et al. (2012).
Trong phân tích IDEA StatiCa, hệ số tải trọng 1,0 được sử dụng cho cả hai dạng tải trọng - trọng lượng bản thân và tải trọng ngang tác dụng - tập trung vào tổ hợp tải trọng theo trạng thái giới hạn cực hạn (ULS). Để đảm bảo độ chính xác của các mô phỏng và sự phù hợp với kết quả thực nghiệm, hệ số vật liệu cho bê tông (fc) và cốt thép (fs) trong IDEA StatiCa được đặt bằng 1,0.
Quá trình tính toán khả năng chịu lực trong IDEA StatiCa bao gồm việc tăng dần tải trọng ngang tác dụng tại giữa dầm đỉnh cho đến khi đạt một trong các điều kiện sau:
- Bê tông tại bất kỳ điểm nào trong mô hình đạt 100% khả năng chịu lực dưới tải trọng tác dụng.
- Cốt thép đạt 100% khả năng chịu lực dưới tải trọng tác dụng.
- Cốt thép neo đạt 100% khả năng chịu lực dưới tải trọng tác dụng.
Hình 3.5: Tường chịu cắt có lỗ mở L1 tại tải trọng ngang 1,82 kN/mm (10,4 kip/in.): a) mô hình IDEA StatiCa Detail với kết quả, b) đường đồng mức chuyển vị, c) ứng suất chính của bê tông (σc), và d) ứng suất trong cốt thép (σs).
Tính toán khả năng chịu lực theo mô hình thanh chống - giằng
Khả năng chịu lực của tất cả các tường chịu cắt có lỗ mở được xác định theo các quy định của mô hình thanh chống - giằng (STM) được nêu trong tiêu chuẩn Viện Bê tông Mỹ (ACI 318-19), được mô tả cụ thể trong Mục 2.2. Tùy thuộc vào vị trí của các vùng nút và thanh chống, hệ số hiệu chỉnh giam giữ nút và thanh chống (βc), hệ số thanh chống (βs), và hệ số vùng nút (βn) được lấy từ Bảng 2.1 đến 2.3 trong Chương 2. Cường độ chịu nén hiệu quả của bê tông (fce) trong thanh chống và vùng nút được tính toán theo Phương trình 2.4 và 2.9.
Nhiều mô hình thanh chống - giằng được phát triển để xác định mô hình tốt nhất cho phép đạt được khả năng chịu tải trọng ngang tối đa và vị trí phá hoại một cách chính xác nhất có thể. Để xây dựng các mô hình giàn (hoặc STM với các thanh chống là cấu kiện giàn chịu nén và các giằng là cấu kiện giàn chịu kéo), sơ đồ dòng ứng suất và đồ thị tối ưu hóa topo từ phân tích IDEA StatiCa được sử dụng cho tất cả các mẫu tường chịu cắt. Thể tích hiệu quả là 20% trong các đồ thị tối ưu hóa topo được tạo ra bởi IDEA StatiCa.
Việc phát triển mô hình giàn hoặc STM bao gồm việc tạo ra một biểu diễn đơn giản hóa của ứng xử kết cấu phức tạp bằng cách sử dụng các nguyên tắc cân bằng lực và phân bố ứng suất. Cách tiếp cận cụ thể để thiết kế mô hình giàn có thể thay đổi đáng kể, tùy thuộc vào nhận định, sở thích và chuyên môn của các kỹ sư kết cấu liên quan. Các kỹ sư lựa chọn từ nhiều phương pháp khác nhau để xây dựng mô hình giàn, với mục tiêu mô tả chính xác cách thức ứng suất và lực được truyền và phân bố trong kết cấu. Quá trình này nhằm đảm bảo rằng mô hình giàn phản ánh hiệu quả ứng xử vật lý tổng thể và tính toàn vẹn kết cấu, đồng thời nhất quán với các yêu cầu chịu tải của thiết kế.
Việc tuân thủ các yêu cầu được nêu trong các tiêu chuẩn và quy phạm, chẳng hạn như trong ACI 318-19 (đặc biệt là Chương 23), đặt ra một số thách thức trong việc phát triển mô hình giàn hoặc STM. Các tiêu chuẩn này quy định các yếu tố quan trọng bao gồm kích thước cấu kiện, kết nối và đường truyền tải để đảm bảo tính toàn vẹn kết cấu và an toàn dưới các điều kiện tải trọng khác nhau. Các yêu cầu cụ thể bao gồm đảm bảo tất cả các nút ở trạng thái cân bằng, cân bằng lực thẳng đứng và nằm ngang trên các thanh chống nghiêng tại các vùng nút, và ngăn các thanh chống và giằng giao nhau. Ngoài ra, các thanh chống phải duy trì góc nghiêng tối thiểu 25 độ, và cả thanh chống lẫn vùng nút phải được định cỡ đầy đủ để chịu tải trọng tác dụng. Kích thước của thanh chống và vùng nút được xác định dựa trên cường độ bê tông hiệu quả được định nghĩa trong Mục 2.3 và 2.4 của Chương 2.
Dựa trên đồ thị tối ưu hóa topo và sơ đồ dòng ứng suất được xác định từ phân tích IDEA StatiCa cho mẫu tường chịu cắt N1, một số mô hình giàn đã được phát triển. Sau đó, các giàn này được phân tích bằng phần mềm SAP2000 (2024). Quá trình này tập trung vào hai mục tiêu chính: (a) xác định các thanh chống, giằng và vùng nút tới hạn (sử dụng đồ thị dòng ứng suất từ phân tích IDEA StatiCa), và (b) đánh giá khả năng chịu tải của mỗi mô hình (sử dụng lực trong cấu kiện giàn và phản lực từ phân tích SAP2000). Sau nhiều lần lặp, kết quả từ STM cuối cùng được báo cáo và so sánh với dữ liệu thử nghiệm đo được.
Hình 3.269: Mô hình thanh chống - giằng cho mẫu N1: a) STM với dòng ứng suất, b) STM trong SAP2000, và c) lực dọc trục trong các cấu kiện STM được tính toán trong SAP2000.
Phát triển và phân tích mô hình ABAQUS
Trong mục này, mẫu L1, đã được mô hình hóa và phân tích trong Mục 3.5.1, được mô hình hóa lại bằng phần mềm ABAQUS (2023) để phân tích phần tử hữu hạn (FE). Kết quả sau đó được so sánh với kết quả thu được từ IDEA StatiCa. Do sự phức tạp của kết cấu, mô hình CAD, bao gồm bê tông và cốt thép, được vẽ trong phần mềm Rhino (McNeel, 2020) và sau đó được xuất sang ABAQUS dưới dạng tệp STEP. Phiên bản Rhino được sử dụng sẽ được đưa vào phần Tài liệu tham khảo. Tương tự như mô hình IDEA StatiCa, trong ABAQUS, ngoài trọng lượng bản thân (tức là Tải 1), hai tải trọng thẳng đứng (tức là Tải 2 và 3), mỗi tải 400 kN, được tác dụng lên hai bản chịu lực có chiều dày 4 in., như thể hiện trong Hình 3.34. Do tải trọng phân bố đều chỉ có thể được sử dụng cho các phần tử dầm trong ABAQUS, để mô phỏng tải trọng ngang tác dụng lên kết cấu trong thử nghiệm thực nghiệm và IDEA StatiCa, một lực ngang (tức là Tải 4) được tác dụng lên một điểm tham chiếu được xác định (tức là RF2) được liên kết với các cạnh của dầm đỉnh để mô phỏng tải trọng phân bố đều.
Hình 3.34: Thiết lập mô hình trong ABAQUS thể hiện vị trí và chi tiết của tải trọng tác dụng và điều kiện biên.
Hai bản gối đỡ bên dưới kết cấu được cố định để hạn chế chuyển vị thẳng đứng và ngang (xem Hình 3.34). Để nắm bắt chính xác sự khởi phát và phát triển vết nứt, kích thước phần tử được chọn là 20 mm, dẫn đến tổng số 396.505 phần tử trong mô hình (xem Hình 3.35). Loại phần tử khối tuyến tính 8 nút tích phân giảm ứng suất 3D (tức là C3D8R) được chọn cho bê tông, trong khi phần tử thanh được chọn cho cốt thép.
Hình 3.35: Mật độ lưới với kích thước phần tử 20 mm.
Trong ABAQUS, mô hình cấu thành Bê tông Dẻo Hư hỏng (CDP) được sử dụng. Các thông số cần thiết để mô tả mô hình này được thu thập sau khi hiệu chỉnh từ nhiều nguồn khác nhau (Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang, 2006, và Watanabe et al., 2004) vì chúng không được chỉ định rõ ràng trong Taleb et al. (2012). Đối với cốt thép, ứng xử vật liệu được mô hình hóa bằng tính dẻo tuyến tính hai đoạn. Các thông số khác, bao gồm khối lượng riêng, mô đun đàn hồi và hệ số Poisson, được lấy chính xác từ thư viện vật liệu của IDEA StatiCa. Mô phỏng số được thực hiện trên máy ảo với 16 bộ xử lý (Intel Xeon® Gold Processor 6430 @2,10GHz) và mất khoảng 185 phút để hoàn thành, trong khi IDEA StatiCa hoàn thành tính toán trong chưa đầy hai phút.
Tóm tắt
Kết luận, khả năng chịu lực của tường chịu cắt bê tông cốt thép có lỗ mở được đánh giá bằng IDEA StatiCa Detail, so sánh mô hình thanh chống - giằng từ ACI 318-19, ABAQUS, Phương pháp trường ứng suất tương thích (CSFM) và dữ liệu thực nghiệm. Nghiên cứu cho thấy STM đánh giá thấp đáng kể khả năng chịu tải do các giả định thiết kế bảo thủ. Ngược lại, cả CSFM và ABAQUS đều cho kết quả phù hợp chặt chẽ với khả năng chịu lực đo được, đặc biệt trong điều kiện tải trọng dương. Ngoài ra, phân tích xem xét ảnh hưởng của vật liệu bê tông giam giữ so với không giam giữ đến cường độ và ứng xử góc trôi. Kết quả cho thấy giam giữ nhìn chung cải thiện khả năng chịu lực của tường chịu cắt, mặc dù ảnh hưởng đến góc trôi thay đổi giữa các mẫu. Nhìn chung, các phát hiện nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn phương pháp dự đoán phù hợp, với CSFM và ABAQUS thể hiện độ chính xác vượt trội so với STM và nhấn mạnh sự cần thiết phải xem xét cẩn thận các hiệu ứng giam giữ trong thiết kế và phân tích.
Hình 3.39: So sánh phương của ứng suất chính giữa IDEA StatiCa và ABAQUS.
Hình 3.41: So sánh ứng suất trong cốt thép giữa a) IDEA StatiCa, và b) ABAQUS.
