Khảo sát khả năng chịu lực của tấm bê tông cốt thép chịu tải trọng nổ theo điều kiện liên kết

30 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª Khảo sát khả năng chịu lực của tấm bê tông cốt thép chịu tải trọng nổ theo điều kiện liên kết study on bearing capacity of reinforced concrete plates subjected to blast loading by restrain conditions Nguyễn Ngọc Phương, Ngô Quốc Trung Tóm tắt Bài báo trình bày việc khảo sát khả năng chịu lực của tấm bê tông cốt thép chịu tải trọng nổ khi thay đổi liên kết ở các cạnh của tấm theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ nhằm làm rõ sự làm việc của tấm, từ đó có các nhận xét và kiến nghị cho công tác thiết kế và với tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.. Từ khóa: tấm bê tông cốt thép, tải trọng nổ, liên kết Abstract The article represents a study on bearing capacity of reinforced concrete plates subjected to blast loading while restrains on edges varies based on US code, in order to clarify the responses of the plates. Moreover, the comments and recommends for design and current Vietnamese standards are given. Keywords: reinforced concrete plates, blast loading, restraint PGS.TS. Nguyễn Ngọc Phương Khoa Xây dựng, Trường Đại Học Kiến trúc Hà Nội Email: ThS. Ngô Quốc Trung Ban quản lý dự án đầu tư xây dựng Quận Hai Bà Trưng, Hà Nội Email: 1. Đặt vấn đề Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) tại Việt Nam hiện nay chủ yếu đề cập tới khả năng chịu các tải trọng thông thường như tĩnh tải, hoạt tải sử dụng, tải trọng gió, tải trọng động đất, tải trọng do cháy nổ còn chưa được để cập một cách rõ ràng. Ở một số nước tiên tiến trên thế giới như Hoa Kỳ, Anh, việc đề cập tới tải trọng nổ đã được quan tâm, nghiên cứu khá rõ ràng. Tại Việt Nam, mặc dù tải trọng nổ đã được đề cập đến ở một số công trình nhưng chủ yếu là trong lĩnh vực quân sự. Trong lĩnh vực dân sự thì chưa được quan tâm một cách thỏa đáng, do đó khi thiết kế kết cấu chịu tải trọng nổ còn chưa đánh giá khả năng chịu lực một cách rõ ràng và phù hợp để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Tải trọng nổ là môt loại tải trọng đặc biệt. Khả năng chịu lực của kết cấu BTCT phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nguồn nổ (vị trí, khoảng cách, độ lớn), vật liệu, điều kiện lên kết của tấm, Trong phần khảo sát của bài báo chỉ đề cập tới sự thay đổi về điều kiện liên kết. Thiết kế phòng chống cháy nổ là sự kết hợp chặt chẽ giữa quy hoạch kiến trúc, bố trí tổng mặt bằng, tính toán độ bền và cấu tạo các cấu kiện kết cấu, lựa chọn đặc trưng kỹ thuật của các thiết bị cơ điện v.v Một trong những giải pháp thường được cân nhắc là bố trí tường bê tông bảo vệ tại những vị trí trọng yếu của công trình. Tuy nhiên trong tiêu chuẩn Việt Nam, việc thiết kế kết cấu BTCT chịu tải trọng nổ chưa được đề cập rõ ràng. Vì vậy đánh giá khả năng chịu lực của tấm BTCT chịu tải trọng nổ là vấn đề cần thiết hiện nay. 2. Nguyên lý đánh giá khả năng chịu lực của tấm bê tông cốt thép chịu tải trọng nổ 2.1. Trạng thái phá hoại của cấu kiện BTCT chịu tải trọng nổ Việc xác định giới hạn phá hoại của kết cấu tùy thuộc vào mục đích thiết kế cũng như điều kiện làm việc của kết cấu, ví dụ như giới hạn phá hoại của kết cấu bao che sẽ khác so với kết cấu chịu lực chính hay giới hạn phá hoại của các kết cấu tại các vị trí thông thường sẽ thấp hơn với kết cấu tại các vị trí có thiết bị hoặc người sử dụng. Tiêu chuẩn AICE (Mỹ) đã đưa ra các mức độ phá hoại của cấu kiện thông qua việc đánh giá khả năng làm việc của cấu kiện sau khi chịu áp suất sóng nổ. Mức độ thiệt hại của công trình được thể hiện tại Bảng 1 [1]. Bảng 1: Mức độ thiệt hại của công trình Mức độ thiệt hại của công trình Tình trạng công trình 1. Thiệt hại nhỏ Công trình vẫn hoạt động bình thường và có thể chỉ phải thực hiện một vài sửa chữa nhỏ không đáng kể sau vụ nổ. 2. Thiệt hại trung bình Công trình bắt đầu xuất hiện biến dạng và phải tiến hành sửa chữa đáng kể sau vụ nổ. Có nguy cơ với người sử dụng công trình do các hư hại của công trình. 3. Thiệt hại nặng Công trình gần như sập đổ, không thể tiếp tục sử dụng. Người sử dụng công trình có nguy cơ thương vong cao. 4. Sập đổ Công trình bị sập đổ hoàn. Nguy cơ tử vong cao cho người sử dụng công trình. Từ các nghiên cứu thực nghiệm, AICE cũng đã đưa ra biến dạng của cấu kiện BTCT chịu tải trọng nổ tương ứng với từng mức độ thiệt hại như tại Bảng 2 [1]. Trong đó góc quay θ tại các gối (các vị trí xuất hiện khớp dẻo) xác định tại Hình 1. Từ đó có thể dễ dàng nhận thấy đối với các kết cấu của công trình được thiết kế để đảm bảo an toàn khi vụ nổ xảy ra, khuyến nghị lấy góc quay θ < 20. Với các cấu kiện được thiết kể nhằm đảm bảo không đổ, sập khi chịu tải trọng sóng nổ trực tiếp, 31 S¬ 27 - 2017 khi tính toán nên giới hạn góc quay θ ≤ 40. 2.2. Phương trình cân bằng động của tấm BTCT chịu tải trọng nổ: Nguyên tắc thiết kế cấu kiện BTCT với biến dạng uốn θ trong giới hạn cho phép là cấu kiện phải đạt được cường độ chịu uốn sao cho động năng gây ra bởi sóng nổ có thể được hấp thụ hoàn toàn bởi năng lượng biến dạng phát triển khi cấu kiện chuyển vị tức thời đến giá trị cực đại XM. Phương trình cân bằng động năng của kết cấu tấm chịu tải trọng động được biểu diễn như sau [2]: 2 . .( ) 2. . 2 u E u m E LM r Xi r X X K m = + − (1) Trong đó, i: Xung lực đơn vị gây ra bởi tải trọng nổ; KLM : Hệ số lực – khối; m: Khối lượng đơn vị; ru: Khả năng chịu lực đơn vị tới hạn; XE: Chuyển vị trong trạng thái đàn hồi; Xm: Chuyển vị tức thời cực đại. Từ (1), khả năng chịu xung lực đơn vị của tấm được biểu diễn như sau: 2 ( ) 2 E LM u M X I K mR X= − (2) 3. Khảo sát số 3.1. Mô hình của bài toán Đối tượng khảo sát là tấm BTCT sử dụng làm kết cấu bao che có kích thước: L x H = 5 x 4 (m) với chiều dày Tc = 150(mm), khoảng cách giữa hai lớp thép dc = 80(mm). Tấm tường sử dụng bêtông có cường độ chịu nén trên mẫu lập phương ở 28 ngày tuổi fcu = 30N/mm2, môđun đàn hồi Ec = 25000N/mm2, khối lượng riêng γc = 2400 kG/m3. Cốt thép sử dụng có giới hạn chảy fy = 300N/mm2, giới hạn bền fu = 400N/mm2, môđun đàn hồi Es = 200000N/mm2. Cường độ vật liệu chịu uốn khi chịu tải trọng động [2]: - Bê tông: ( )21,25 1,25 30 37,5 /dcu cuf f N mm= × = × = - Cốt thép: ( )21,20 1,20 300 360 /dy yf f N mm= × = × = ( )21,05 1,05 400 420 /du uf f N mm= × = × = Ta có: ( ) ( ) ( )2 0,25 360 0,25 420 360 375 / ds dy du dyf f f f N mm = + × − = + × − = Các giả thiết: - Nguồn nổ có vị trí đủ để sóng nổ bao trùm toàn bộ tấm BTCT và tạo ra xung lực vuông góc với tấm. - Tấm làm việc trong gian đoạn đàn - dẻo lý tưởng. - Tấm làm việc ở trạng thái thiệt hại nặng, tương ứng với góc xoay θ = 40. 3.2. Xác định khả năng chịu tải trọng nổ của tấm BTCT làm việc 1 phương: Tính toán khả năng chịu tải trọng nổ của tấm BTCT có kích thước hình học như hình 3, liên kết 2 đầu ngàm và các thông số về vật liệu như đã đưa ra tại mục 3.1. Xét một đoạn tấm rộng 1m (b = 1m), Giả thiết hàm lượng cốt thép chịu kéo và chịu nén là bằng nhau ρsc = ρst = ρs = 0,2% = 0,002. Mômen quán tính của tiết diện khi bị nứt: I = F.b.dc3 Với F = 0,0415 là hệ số xác định mômen quán tính của tiết diện đặt thép đối xứng với hệ số đàn hồi n = 0,8 [2] Ta có: I = 0,415 x 1 x 0,08 = 3,32.10-3(m4) Khả năng chịu uốn tới hạn: Bảng 2: Biến dạng giới hạn của cấu kiện BTCT khi kể đến mức độ phá hoại Mức độ thiệt hại Góc quay θ 1. Thiệt hại nhỏ 0° - l° 2. Thiệt hại trung bình 1° - 2° 3. Thiệt hại nặng 2° - 4° 4. Sập đổ >4° Hình 1. Biến dạng của dầm BTCT chịu tải trọng nổ Hình 2. Kích thước hình học tấm BTCT Hình 3. Sơ đồ tính toán tấm BTCT liên kết 2 cạnh ngàm đối diện chịu tải trọng nổ 32 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª 2. . . . . . 6 20, 002 375 10 0 8 2 s , 0 AsM M A f d f d f ds c c s cN P ds ds dd bc ρ= = = = = × × × = 4,8 x 103 (Nm/m) Khả năng chịu lực đơn vị tới hạn, xác định theo [2] : 3 2 2 3 2 33,32 10 3,32 10 8( ) 8 ( ) 5 3,07 10 ( / ) N p u M M r L N m − − + = × + = = × × × Độ cứng đàn hồi tương đương [2]: 10 3 4 2 6 2 307 370 2,5 10 3,32 10 5 3,26 10 ( / ) E EI K L N m −× × × × = = = × Chuyển vị đàn hồi tương đương [2]: 3 4 6 3,07 10 9,42 10 ( ) 3,26 10 u E E r X m K −×= = = × × Chuyển vị tức thời cực đại [2]: 0 0,05tan(4 ) 2 2 69927 0,1748( )M L X m== × = × Với bản làm việc 1 phương hai đầu ngàm tra trong [2] ta có hệ số lực khối KLM = 0,66 Khối lượng đơn vị: m = ρv.Tc = 2400 x 0,015 = 360 (Kg/m2) = 3530,394 (N/m2) Vậy, ta có tải trọng xung động với xung lực đơn vị tấm BTCT có thể chịu được với góc mở lớn nhất θ = 40: 4 3 2F 9,42 103530,394 3.07 10 0,1748 1579,8 2 ( ) 2 2 ( ) 2 (N) E E u M X i M r X i −× × × = − = × − = 3.3. Xác định khả năng chịu tải trọng nổ của tấm BTCT làm việc 2 phương: Sử dụng tấm BTCT như hình 2, thay đổi liên kết ở các cạnh là 3 và 4 cạnh ngàm. Xác định mômen chống uốn tại các vị trí hình thành khớp dẻo (hình 4) theo các giai đoạn và sử dụng các bảng tra trong [2]: - Khả năng chịu lực đơn vị tới hạn [2]: 2 5( )HN HP u M M r x + = - Với tỷ lệ L/H = 1,25, từ [2] ta có hệ số quy đổi lực khối : • Tấm liên kết 3 cạnh : 0,65 0,16 1 2LM L K H  = − −    • Tấm liên kết 4 cạnh : 0,61 0,16 1LM L K H  = − −    - Chuyển vị đàn hồi tương đương [2]: ( ) (1 ) (1 )ep epeE e ep p u u u r rr X X X X r r r = + − + − Trong đó: Xe, Xep: lần lượt là chuyển vị trong giai đoạn đoàn hồi và giai đoạn đàn - dẻo; re, rep: lần lượt là khả năng Hình 4. Sơ đồ tính toán tấm BTCT liên kết 3 và 4 cạnh ngàm Bảng 3: Khả năng chịu tải trọng nổ của tấm BTCT ngàm 3 và 4 cạnh x (m) Ru (N/m2) KLM XE (m) XM (m) i (N) 3 cạnh 2,7 6.584,36 0,59 0,015903 0,174817 2139,40 4 cạnh 2,225 9.695,75 0,65 0,001381 0,139854 2488,49 Bảng 4: Kết quả so sánh khả năng chịu tải trọng nổ của tấm BTCT θ Khả năng chịu lực i (N) Tỷ lệ so sánh (%) Ngàm 2 cạnh (1) Ngàm 3 cạnh (2) Ngàm 4 cạnh (3) (1) & (2) (1) & (3) 4° 1579,85 2139,40 2488,49 +35% +58% 33 S¬ 27 - 2017 chịu lực đơn vị trong giai đoạn đàn hồi và giai đoạn đàn - dẻo. - x là khoảng cách từ gối tựa đến vị trí hình thành khớp dẻo, được xác định theo phương pháp đẩy dần [2]. - Chuyển vị tức thời cực đại [2]: ( )tan 2M L X θ = Kết quả xác định khả năng chịu lực của tấm BTCT liên kết 3 và 4 cạnh ngàm chịu tải trọng nổ thể hiện ở Bảng 3. So sánh khả năng chịu lực của tấm BTCT chịu tải trọng nổ theo điều kiện liên kết được thể hiện ở Bảng 4. 4. Kết luận và kiến nghị Từ kết quả trên có thể thấy, điều kiện liên kết ảnh hưởng đáng kể tới khả năng chịu tải trọng nổ của tấm BTCT. Khi thay đổi liên kết của tấm BTCT từ 2 cạnh ngàm đối xứng (tấm làm việc 1 phương) thành 3 và 4 cạnh ngàm (tấm làm việc 2 phương), khả năng chịu tải trọng nổ của tấm tăng lần lượt là 35% và 58%. Như vậy, khi thiết kế tấm BTCT chịu tải trọng nổ cần cân nhắc việc lựa chọn điều kiện liên kết phù hợp để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Đồng thời đối với tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT của Việt Nam, cần có những chỉ dẫn cho việc thiết kế kết cấu chịu tải trọng nổ để hoàn thiện hơn./. Tài liệu tham khảo 1. AICE, Guildelines for Evaluating Process Plant Building for External Explosions and Fires, American Institute of Chemical Engineers, New York, 1996 2. TM5-1300, Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions, US Army Technical Manual, U.S. Department of the Army, 1991 2 2 0 1.2 80 1.3 20.28( ) 8 8 c q sq l M KNm γ × × = = = (3-6) 0 max 20.28 11.058( ) 1 1 0.834 M M KNm α = = = + + (3-7) Lực kéo Htt theo [2][5] cho bởi 22 1 2 8 2 4 3.14 11.2 2.308 10 0.02 949( ) 4 120 tt q sH E tl KN π γ ∆ =    = × × × × × = (3-8) Kiểm tra điều kiện bền theo ứng suất pháp theo (2-1) max max 2 5 5 2 11.058 6 949 0.020.02 2.133 10 2.1 10 ( / ) tt ttM H W A KN m σ × = + = + = × > × (3-9) Như vậy, sàn đảm bảo điều kiện độ võng nhưng không đảm bảo điều kiện bền về ứng suất pháp. Do đó thấy rằng với qc=80(KN/m2) >71 (KN/m2) như đã cho ở Bảng 2-1 thì không thể chọn sàn theo (2-8) được nữa, trường hợp ngược lại thì (2-8) sẽ có tác dụng đảm bảo cho sàn đạt yêu cầu cả về độ võng lẫn điều kiện bền về ứng suất pháp. Kết luận Mô men trong sàn không còn phân bố theo hàm đa thức bậc hai như trường hợp dầm đơn giản nữa mà phân bố theo quy luật phức tạp hơn. Khi qc nhỏ hơn giá trị cho trong Bảng 2-1 thì có điều kiện độ võng xảy ra trước điều kiện bền về ứng suất pháp. Với tải trọng thông dụng trong thực tế thường có qc≤60 KN/m2, nhỏ hơn giá trị cho trong Bảng 2-1 thì điều kiện độ bền về ứng suất pháp luôn xảy ra trước điều kiện về độ võng, vì vậy khi thiết kế sàn có thể bỏ qua kiểm tra điều kiện về độ bền về ứng suất pháp. Theo [5] thì sàn được thiết kế theo tỉ số ls/ts theo (2-8) để đảm bảo điều kiện độ võng chứ không phải xuất phát từ điều kiện bền về ứng suất pháp như đối với dầm là hợp lý với đa số phạm vi tải trọng.Tuy nhiên, với trường hợp tải trọng quá lớn vượt quá giá trị cho trong Bảng 2-1 thì cần phải thiết kế sàn theo điều kiện về độ bền về ứng suất pháp chứ không phải điều kiện về độ võnggiống như trường hợp đối với dầm (vì điều kiện bền về ứng suất pháp xảy ra trước điều kiện về độ võng). Trong trường hợp này, công thức (2-8) không còn có tác dụng để đảm bảo sàn đạt cả điều kiện bền về ứng suất pháp và độ võng nữa và vì thế không áp dụng được nữa./. Tài liệu tham khảo 1. TCVN 5575:2012, Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế. Nhà xuất bản Xây dựng, 2012. 2. Phạm Văn Hội (chủ biên). Kết cấu thép - Cấu kiện cơ bản. Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật,2006 3. S.P. Timoshenko, J.M. Gere. Ổn định đàn hồi. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1976. 4. S.P. Timoshenko, J.M. Gere. Lý thuyết tấm, vỏ. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1976. 5. Е. И. беленя. Металлические конструкции.Москва, 1986. Khảo sát điều kiện bền về ứng suất pháp... (tiếp theo trang 29)