Mô hình ứng xử phi tuyến của liên kết chân cột thép

Bài báo cung cấp kết quả đo đạc biến dạng và ứng xử của liên kết chân cột thép từ thí nghiệm rung lắc của một công trình kết cấu tỉ lệ thực. Thông qua đó, bài báo đề xuất hai loại mô hình đơn tuyến tính và đa tuyến tính cho việc mô phỏng ứng xử động của liên kết này trong tính toán phân tích kết cấu. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô hình ứng xử phi tuyến của liên kết chân cột thép MÔ HÌNH ỨNG XỬ PHI TUYẾN CỦA LIÊN KẾT CHÂN CỘT THÉP (Non-linear Behavior Rule for Steel Column Base Connection) Trần Tuấn Nam Khoa Xây dựng, trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH)TÓM TẮTMột trong những vấn đề cần quan tâm trong tính toán kết cấu thép là liên kết. Sự biến dạng của liên kếtthường ảnh hưởng lớn đến sự biến dạng của toàn kết cấu và góp phần đáng kể đến sự phân phối nội lựctrong kết cấu. Do vậy, có khá nhiều đề tài nghiên cứu về ứng xử của liên kết, chẳng hạn như liên kết nútgiao dầm–cột, liên kết nối dầm, liên kết dầm–sàn... Tuy nhiên, ứng xử của liên kết chân cột, đặc biệt đốivới công trình chịu tác dụng của tải trọng động đất, còn một số vấn đề cần làm rõ. Bài báo cung cấp kếtquả đo đạc biến dạng và ứng xử của liên kết chân cột thép từ thí nghiệm rung lắc của một công trình kếtcấu tỉ lệ thực. Thông qua đó, bài báo đề xuất hai loại mô hình đơn tuyến tính và đa tuyến tính cho việc môphỏng ứng xử động của liên kết này trong tính toán phân tích kết cấu.Từ khóa: Kết cấu thép, chân cột, bản đế, bu lông neo, ứng xử phi tuyến.1. GIỚI THIỆUỞ các khu vực hoặc quốc gia thường xuyên xảy ra động đất, thì việc thiết kế kết cấu luôn cần phải xét đếnứng xử của vật liệu và của các chi tiết liên kết khi chịu tác dụng tải trọng động. Trong đó, liên kết chân cộtcũng cần được xem xét và khảo sát. Với tác dụng của tải trọng động, độ cứng liên kết chân cột có sự thayđổi theo thời gian ảnh hưởng khá lớn đến kết quả phân tích khung, đặc biệt đối với chuyển vị ngang củakhung và nội lực chân cột. Việc xác định độ cứng này có ý nghĩa quan trọng trong việc mô phỏng và phântích ứng xử của kết cấu trong quá trình chịu tác dụng của tải trọng động đất.Từ các số liệu dựa trên kết quả thí nghiệm rung lắc kết cấu thép 4 tầng tỷ lệ thực tại thiết bị bàn rung E-Defense, Nhật Bản [1], dữ liệu về ứng xử liên kết chân cột là nguồn tư liệu hữu ích nhằm đo đạc kiểmnghiệm ứng xử động lực học của cấu kiện này. Bài báo cung cấp kết quả đo đạc từ thí nghiệm trên, qua đókiểm nghiệm và đánh giá công thức tính toán sơ bộ độ cứng liên kết chân cột đã được đề xuất trong tiêuchuẩn thiết kế (chẳng hạn như tiêu chuẩn Nhật Bản [2]), nhằm khuyến nghị giá trị thích hợp cho công việclập mô hình phân tích mô phỏng.2. THÍ NGHIỆM RUNG LẮC KẾT CẤU THÉP 4 TẦNG2.1. Mô hình thí nghiệmMô hình thí nghiệm là khung nhà thép 4 tầng tỉ lệ thực với chiều cao 14 m (Hình 1-a). Bộ gia tốc đất nềnsử dụng trong thí nghiệm lấy từ địa điểm Takatori trong trận động đất 1995 tại thành phố Kobe, Nhật Bản,được truyền vào khung kết cấu với độ lớn tăng dần nhằm khiến kết cấu hoàn toàn sụp đổ. Công trình đượcthiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản và các chỉ dẫn ban hành sau trận động đất Kobe 1995.Kết quả thí nghiệm [3] cho thấy công trình có ứng xử đàn hồi khi chịu mức tải trọng động đất dưới 20%bộ gia tốc gốc. Khi tải trọng tăng lên mức 40% và 60%, ứng xử phi tuyến dần xuất hiện trong các cấu kiệnvà liên kết, trong đó có chân cột, dẫn đến công trình có độ dẻo nhất định. Sau cùng, dưới tác dụng của487mức tải trọng 100% thì công trình hoàn toàn sụp đổ. Bộ dữ liệu thí nghiệm này phản ánh ứng xử của kếtcấu nói chung và các cấu kiện nói riêng từ giai đoạn đàn hồi đến phi tuyến và phá hoại.2.2. Thiết bị đo đạc biến dạng xoay của chân cộtMặt bằng công trình gồm 6 cột, được đánh số lần lượt A1, A2, A3, B1, B2, B3 (Hình 1-b). Ghi nhận từ thínghiệm, công trình bị rung lắc chủ yếu theo hướng Tây Nam – Đông Bắc. Do đó, cột A1 ở góc Tây Namchịu ảnh hưởng lớn nhất trong quá trình biến dạng của kết cấu. Cột B3 ở phía Đông Bắc chịu ảnh hưởnglớn nhất theo chiều hướng đối nghịch cũng nên được chọn. Tuy nhiên dữ liệu thí nghiệm của các sensorcho cột B3 có nhiều lỗi sai, nên cột B2 được chọn thay thế để phân tích trong bài báo này.Để xác định ứng xử của liên kết chân cột, một hệ thống gồm 24 chuyển vị kế được lắp đặt ở khu vực bảnđế. Mỗi bản đế tại một chân cột được gắn 4 chuyển vị kế ở 4 góc (Hình 1-c). Bằng cách xác định hiệu sốchuyển vị giữa các điểm đo, ta có thể tính được độ nâng (uplift) và góc xoay (rotation) của bản đế trêntừng cạnh, hoặc theo đường xiên 45º, từ đó so sánh mối tương quan với momen chân cột để lập đườngcong ứng xử của liên kết chân cột. (a) Mô hình thí nghiệm (b) Mặt bằng cột (c) Sensor đo biến dạng chân cột Hình 1. Mô tả mô hình thí nghiệm và cách đo biến dạng của chân cột Hình 2. Đường cong tương quan momen và biến dạng xoay của chân cột3. ỨNG XỬ CỦA CHÂN CỘT TRONG THÍ NGHIỆM3.1. Đường cong ứng xử lý thuyếtĐể khảo sát ứng xử của liên kết chân cột, cần phải xác định mối liên hệ giữa momen chân cột M và gócxoay tại chân cột θ. Hình 2 biểu diễn đường cong ứng xử điển hình của một liên kết chân cột, trong đó ...