Chức năng chính của tường chịu cắt là chịu các tải trọng ngang phát sinh trong quá trình động đất, bão gió hoặc các sự kiện động lực học khác. Bằng cách truyền lực xuống móng công trình, tường chịu cắt giúp giảm thiểu thiệt hại kết cấu và duy trì tính toàn vẹn của kết cấu. Tường chịu cắt được bố trí chiến lược trong mặt bằng tầng của công trình để đảm bảo phân phối hiệu quả các tải trọng ngang. Chúng thường được đặt tại chu vi công trình hoặc gần lõi công trình. Trong các tòa nhà cao tầng, tường chịu cắt thường được bố trí xung quanh các giếng thang máy và cầu thang bộ để tăng thêm độ cứng và ổn định. Tường chịu cắt mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tăng ổn định kết cấu, cải thiện khả năng chịu tải trọng ngang và nâng cao an toàn tổng thể trong các sự kiện động đất. Ngoài ra, tường chịu cắt có thể đóng góp vào thiết kế kiến trúc bằng cách tạo cơ hội cho sự sáng tạo trong khi vẫn thực hiện chức năng kết cấu của chúng.
Mô tả mô hình
Bốn mô hình kiểm chứng đã được thiết lập để đánh giá kết quả. Hai trong số các mô hình này xét đến các thuộc tính vật liệu đặc trưng, trong khi hai mô hình còn lại dựa trên các giá trị thiết kế theo Eurocode 1992-1-1[3]. Các mô hình kiểm chứng này dựa trên Lý thuyết trường ứng suất tương thích (CSFM)[1] và Mô hình dẻo Drucker-Prager[2].
Vui lòng lưu ý các ký hiệu nhận dạng mô hình được cung cấp sau đây để hiểu rõ hơn:
- Detail – Đặc trưng
- Detail – Thiết kế
- ABAQUS – Đặc trưng
- ABAQUS – Thiết kế
Hình học và vật liệu
Mô hình thử nghiệm đã được thu nhỏ theo tỷ lệ 1:4 so với kích thước thực tế. Móng của kết cấu có kích thước 1750 mm x 400 mm x 350 mm, trong khi các tường có kích thước 1250 mm x 2600 mm x 80 mm. Các tường được chia thành bốn tầng với các lỗ mở so le, mỗi lỗ có kích thước 250 mm x 500 mm. Bê tông sử dụng là loại C35/45 và được gia cường bằng cốt thép B500B đường kính 6 mm. Tải trọng được truyền qua các bản thép bổ sung làm từ thép kết cấu S235.
Hình 1) Hình học
Phương pháp trường ứng suất tương thích
Giả thiết
CSFM xét đến ứng suất chính lớn nhất của bê tông khi chịu nén (σc2r) và ứng suất cốt thép (σsr) tại các vết nứt trong khi bỏ qua cường độ chịu kéo của bê tông (σc1r = 0), ngoại trừ hiệu ứng tăng cứng của nó đối với cốt thép. Việc xét đến tăng cứng do kéo cho phép mô phỏng biến dạng trung bình của cốt thép (εm). Thông tin thêm về lý thuyết có thể tìm thấy trong Cơ sở lý thuyết.
Hình 2) Phương pháp trường ứng suất tương thích – Giả thiết
Mô hình dẻo Drucker-Prager (DPPM)
Giả thiết
Mô hình dẻo phá hoại bê tông (sau đây gọi là CDP) dựa trên điều kiện dẻo Drucker-Prager. Mô hình này phù hợp cho các vật liệu có ma sát nội, như đất hoặc bê tông. Cường độ chịu kéo nhỏ hơn cường độ chịu nén và phần thủy tĩnh của ten-xơ ứng suất đóng vai trò trong sự phát triển của mặt dẻo. Dưới trạng thái ứng suất tổng quát, điều kiện dẻo có dạng mặt nón quay. Mô hình vật liệu cho ứng suất nén và kéo cũng xét đến ứng xử sau giai đoạn tới hạn, được kiểm soát bởi các tham số phá hoại, nhận giá trị từ không đến một (đối với độ cứng đàn hồi gần bằng không của bê tông khi chịu nén hoặc kéo trong trạng thái sau tới hạn). Tham số phá hoại càng lớn thì phần tử càng bị vi phạm và không đóng góp vào độ cứng.
Mô hình vật liệu một trục khi chịu nén và kéo đối với bê tông dựa trên lý thuyết của Thorenfeldt[4]. Tất cả các đầu vào là các giá trị thiết kế tuân theo phương pháp độ tin cậy của EN 1992-1-1[3]. Mô hình vật liệu của cốt thép B500B được xét đến với tăng cứng do kéo. Thông tin thêm về lý thuyết.
Hình 3) Mô hình vật liệu khi chịu nén (trái), mặt dẻo Drucker-Prager (giữa), mô hình vật liệu khi chịu kéo (phải)
Các mô hình số
Phương pháp trường ứng suất tương thích – IDEA StatiCa Detail
Mô hình số được cấu thành từ các phần tử phẳng bê tông 2D và các thanh cốt thép 1D được liên kết với nhau thông qua các phần tử MPC và liên kết dính với các phần bê tông. Mô hình tích hợp hai thiết bị chịu lực dưới dạng các bản thép. Bản trên, có kích thước 350 x 80 x 20 mm, chịu tải trọng đứng 50 kN là bước đầu tiên của quá trình gia tải. Bản thứ hai, có kích thước 350 x 80 x 50 mm, được sử dụng là bước thứ hai để gia tải ngang trong mặt phẳng tường, đảm bảo phân phối đều lực tập trung trong quá trình gia tải tường. Mô hình được ngàm cứng, hạn chế các bậc tự do Tx, Tz và Ry, và giả thiết điều kiện ứng suất phẳng 2D.
Hình 4) Mô hình số trong IDEA StatiCa Detail (quá trình gia tải)
Mô hình dẻo Drucker-Prager
Mô hình số bao gồm các phần tử lục diện 3D được gia cường bằng các thanh được ràng buộc cứng trong vùng bê tông chủ. Bê tông và cốt thép dự ứng lực bao gồm các phần tử T3D2 chỉ truyền các hiệu ứng dọc trục. Sự trượt giữa các cấu kiện bê tông và cốt thép bị hạn chế hoàn toàn bởi các ràng buộc cứng. Sự trượt được mô phỏng thông qua mềm hóa kéo trong bê tông, dẫn đến xóa phần tử khi đạt 70% phá hoại trong trạng thái sau tới hạn. Cách tiếp cận này, ở một mức độ nhất định, tính đến mô hình lực dính hoặc hiệu ứng chốt. Các thuộc tính mô hình cho mô hình và bản thép phù hợp chính xác với các giả thiết của CSFM.
Hình 5) Mô hình số trong ABAQUS (quá trình gia tải)
Phân tích
Quá trình gia tải bao gồm việc tăng dần biến dạng theo phương ngang như một phần của quá trình gia tải đơn điệu. Tải trọng chu kỳ không được xét đến trong phân tích này.
Các phương pháp số có sự khác biệt nhỏ giữa các giải pháp từ góc độ phân tích. CSFM sử dụng lý thuyết biến dạng nhỏ và tích hợp phân tích phi tuyến vật liệu. Ngược lại, mô hình Drucker-Prager và ABAQUS sử dụng phân tích phi tuyến hình học và vật liệu, cung cấp giải pháp chính xác hơn khi xử lý các biến dạng lớn.
Độ nhạy lưới
Phân tích độ nhạy cung cấp cái nhìn sâu sắc về các sai lệch phát sinh từ việc rời rạc hóa. Cấu hình mặc định cho CSFM liên quan đến hệ số nhân lưới bằng một, tuân theo quy tắc tích hợp tối thiểu bốn phần tử trên cạnh nhỏ nhất trong mô hình. Sau đó, toàn bộ mô hình được chia lưới theo quy tắc này. Chiến lược tương tự đã được áp dụng cho mô hình trong ABAQUS.
Phương pháp trường ứng suất tương thích – IDEA StatiCa Detail
Dữ liệu cho thấy sai số trung bình giữa các hệ số nhân lưới 0,5 và 2,0 là 7%. Điều này dẫn đến một phương pháp số có độ nhạy thấp.
Hình 6) Độ nhạy lưới IDEA StatiCa Detail
Mô hình dẻo Drucker-Prager
Việc sử dụng các phần tử lục diện 3D cho kết quả lực lớn nhất gần như giống hệt nhau khi sử dụng hệ số nhân lưới 1,0 và 2,0. Sai lệch về lực lớn nhất cho phép là 1,3%, cho thấy giải pháp không nhạy với lưới. Mô hình xét đến góc giãn nở 30 độ cho mục đích phân tích.
Hình 7) Độ nhạy lưới ABAQUS
Kết quả
Cần lưu ý các thông tin sau: Các giá trị được cung cấp, như ứng suất chính khi chịu nén, biến dạng, ứng suất lớn nhất khi chịu nén và kéo trên thanh cốt thép, và vị trí phá hoại, được minh họa trong các hình tiếp theo. Tất cả các giá trị được trình bày với hệ số nhân lưới 1,0, được sử dụng làm tham số kiểm chứng trong CSFM[1] và sau đó được áp dụng cho giải pháp Drucker-Prager trong ABAQUS[2]. Góc giãn nở sử dụng trên mặt dẻo Drucker-Prager được đặt ở 30 độ. Kết quả sẽ được trình bày cho các thuộc tính vật liệu đặc trưng và thiết kế được đánh giá dựa trên Eurocode 1992-1[3].
Ứng suất chính khi chịu nén
Sự khác biệt chính giữa giải pháp CSFM và giải pháp Drucker-Prager liên quan đến cách xử lý ứng suất. Giải pháp Drucker-Prager tích hợp áp lực giam giữ, có khả năng nâng cao đáng kể ứng suất chính nhỏ nhất khi chịu nén, từ đó cho phép vật liệu chịu được mức ứng suất cao. Ngược lại, giải pháp CSFM xác định cường độ một trục đặc trưng hoặc thiết kế lớn nhất của vật liệu, tạo điều kiện so sánh dễ dàng với các thư viện vật liệu tiêu chuẩn. Phân bố ứng suất giữa các giải pháp thể hiện sự biến đổi đáng kể ở các vùng mà hiệu ứng giam giữ rõ rệt.
Hình 8) a) Ứng suất chính khi chịu nén – đặc trưng (ABAQUS); b) Ứng suất chính khi chịu nén – đặc trưng (IDEA StatiCa); c) Ứng suất chính khi chịu nén – thiết kế (ABAQUS); d) Ứng suất chính khi chịu nén – thiết kế (IDEA StatiCa)
Ứng suất trong cốt thép
Ứng suất trong các thanh cốt thép cung cấp thông tin có giá trị về tính nhất quán của kết quả và các vùng cụ thể nơi ứng suất cao tập trung.
Hình 9) a) Ứng suất trong thanh – đặc trưng (ABAQUS); b) Ứng suất trong thanh – đặc trưng (IDEA StatiCa); c) Ứng suất trong thanh – thiết kế (ABAQUS); d) Ứng suất trong thanh – thiết kế (IDEA StatiCa)
Biến dạng
Các biến dạng là bằng chứng cho thấy phi tuyến hình học có ảnh hưởng không đáng kể, do tính nhất quán được đảm bảo bởi giải pháp CSFM và phân tích phi tuyến vật liệu. Điều này cho thấy rằng, đối với mẫu tường cụ thể đang xét, hiệu ứng bậc hai sẽ không ảnh hưởng đến ứng xử kết cấu.
Hình 10) a) Biến dạng tổng – đặc trưng (ABAQUS); b) Biến dạng tổng – đặc trưng (IDEA StatiCa); c) Biến dạng tổng – thiết kế (ABAQUS); d) Biến dạng tổng – thiết kế (IDEA StatiCa)
Biểu đồ lực - biến dạng
Biểu diễn đồ thị làm rõ một cách hiệu quả phản ứng phức tạp của tường đối với tải trọng ngang. Giải pháp CSFM cho thấy sự giảm khả năng chịu lực khoảng 16% đối với các thuộc tính vật liệu đặc trưng và 7% đối với các thuộc tính vật liệu thiết kế. Những sai lệch này xuất phát từ việc tích hợp ứng xử kéo của bê tông trong Mô hình dẻo Drucker-Prager. Các sai lệch 16% và 7% quan sát được trong giải pháp CSFM nằm trong biên độ an toàn chấp nhận được.
Hình 11) Biểu đồ lực - biến dạng
Kết luận
Nghiên cứu nhấn mạnh vai trò quan trọng của tường chịu cắt trong việc chịu các tải trọng ngang từ các sự kiện động lực học như động đất và bão gió, từ đó đảm bảo ổn định và an toàn kết cấu. Tường chịu cắt, được bố trí chiến lược trong thiết kế công trình, giúp phân phối các lực ngang, đặc biệt trong các kết cấu cao tầng, thường được đặt xung quanh các giếng thang máy và cầu thang bộ.
Phân tích sử dụng bốn mô hình kiểm chứng dựa trên cả giá trị đặc trưng và thiết kế theo Eurocode 1992-1-1, áp dụng Phương pháp trường ứng suất tương thích (CSFM)[1] và Mô hình dẻo Drucker-Prager (DPPM)[2]. Nghiên cứu liên quan đến các mô hình thu nhỏ và các thông số hình học và vật liệu chi tiết, với các giả thiết được điều chỉnh cho từng phương pháp phân tích.
CSFM tập trung vào ứng suất chính lớn nhất của bê tông và ứng suất cốt thép, bỏ qua cường độ chịu kéo của bê tông ngoại trừ hiệu ứng tăng cứng do kéo. Ngược lại, DPPM xét đến ma sát nội, cường độ chịu kéo và nén, và ứng xử sau tới hạn thông qua các tham số phá hoại. Các mô hình số cho cả hai phương pháp đã được tạo ra, với các cách tiếp cận khác nhau về gia tải và ràng buộc.
Phân tích độ nhạy lưới cho thấy độ nhạy thấp đối với cả hai phương pháp, với các sai lệch nhỏ quan sát được trong phân bố ứng suất và biến dạng. Kết quả làm nổi bật sự khác biệt trong xử lý ứng suất, đặc biệt với áp lực giam giữ trong DPPM, và cho thấy phi tuyến hình học có ảnh hưởng không đáng kể đến biến dạng.
Nhìn chung, các biểu đồ lực - biến dạng thể hiện phản ứng của tường đối với tải trọng ngang, với các giải pháp CSFM cho thấy các sai lệch chấp nhận được so với DPPM, khẳng định tính vững chắc của cả hai phương pháp trong việc đảm bảo tính toàn vẹn kết cấu dưới tác dụng của lực ngang.
Tài liệu tham khảo
[1] IDEA StatiCa. (n.d.). Cơ sở lý thuyết cho IDEA StatiCa Detail. Truy cập ngày 30 tháng 5 năm 2024, từ https://www.ideastatica.com/support-center/theoretical-background-for-idea-statica-detail
[2] Hướng dẫn sử dụng phân tích Abaqus. Hướng dẫn sử dụng phân tích Abaqus [trực tuyến] www: https://classes.engineering.wustl.edu/2009/spring/mase5513/abaqus/docs/v6.6/books/usb/default.htm?startat=pt05ch18s05abm36.html
[3] EN 1992-1-1 Eurocode 2: Thiết kế kết cấu bê tông—Phần I: Quy tắc chung và quy tắc cho nhà. Ủy ban Tiêu chuẩn hóa Châu Âu, 2002.
[4] Massone, L. M.; và cộng sự. Shear-Flexure Interaction for Structural Walls, 2006. ResearchGate. https://www.researchgate.net/publication/284079633_Shear-flexure_interaction_for_structural_walls (truy cập ngày 01 tháng 1 năm 2006).