Tài liệu Luận văn phân tích tĩnh phi tuyến khung thép chịu địa chấn có xét biến dạng nền

i LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Tô Hồng Biển học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp, khóa 2015-2017 Trường Đại học kinh tế công nghiệp Long An.Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do chính tôi thực hiện trên cơ sở lý thuyết và áp dụng kết quả của các nghiên cứu có liên quan qua các bài báo khoa học dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Hồng Ân. Các số liệu, mô hình và kết quả tính toán trong luận văn này là hoàn toàn trung thực. Long An, tháng 04 năm 2019 Tác giả Tô Hồng Biển ii LỜI CẢM ƠN Qua hai năm học tập tại trường Đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long An đã giúp cho em học hỏi những kiến thức vô cùng quý báo để hoàn thiện kiến thức cho bản thân mình khi thực hiện xong Luận Văn Tốt Nghiệp . Trước tiên em chân thành gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Hồng Ân, người Thầy đã hướng dẫn, truyền đạt nhiều kiến thức trong quá trình học viên thực hiện luận văn tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô đã trực tiếp giảng dạy lớp Cao học Xây dựng dân dụng và công nghiệp khóa học 2015-2017. Thầy và Cô đã truyền đạt những kiến thức hết sức quý giá trong suốt thời gian học tập. Lời cảm ơn cuối cùng em xin gửi đến các tác giả những người đi trước đã có những nghiên cứu , những đóng góp và những tài liệu có liên quan đến đề tài luận văn để học viên tham khảo trong quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cám ơn! Tác giả Tô Hồng Biển iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Động đất là hiện tượng thiên nhiên gây thiệt hại cho người và tài sản . Khi động đất xảy ra làm dịch chuyển nền đất ở đáy móng, sự dịch chuyển này cũng tạo ra sự trao đổi năng lượng và tương tác giữa kết cấu bên trên với đất nền bên dưới gọi là SSI (soil-structure interaction). Việc mô phỏng tính toán kết cấu nền làm việc đồng thời sử dụng mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler (BNWF – Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) để phân tích kết cấu . Phân tích tĩnh sử dụng phân tích tĩnh phi tuyến cho dạng dao động đầu tiên SPA và dao động bậc cao MPA để phân tích kết cấu so sánh với phương pháp phân tích chính xác theo miền thời gian NL_RHA . Phân tích tĩnh & động cho kết cấu sử dụng , phần mềm mã nguồn mở Opensees Navigator (Open System For Earthquake Engineering Simulation) dạng giao diện đồ họa . Phần mềm Opensees Navigator rất đa dạng về loại vật liệu và loại phần tử nên nó có thể giải quyết được bài toán SSI một cách hiệu quả . Mục đích của đề tài luận văn thạc sĩ này là so sánh độ chính xác và sai lệch của phương pháp phân tích đẩy dần SPA , MPA với phương pháp phân tích chính xác theo miền thời gian NL_RHA khi xét hai trường hợp có và không xét sự làm việc đồng thời của nền và kết cấu . Việc đánh giá ảnh hưởng khi so sánh sự sai lệch và độ chính xác được thực hiện bằng cách so sánh các kết quả về chu kỳ dao động , chuyển vị , độ trôi tầng và nội lực của kết cấu . iv ABSTRACT Earthquakes are natural phenomena causing damage to people and property. When an earthquake occurs shifts the ground at the base of the nail, this shift also creates the energy exchange and interaction with structures above the ground below called SSI (soil-structure interaction). The simulation calculations of infrastructure work simultaneously using modelbased nonlinear beam Winkler (BNWF - Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) for structural analysis. Static analysis using nonlinear static analysis for the first mode of vibration of higher oscillation SPA and MPA for structural analysis comparing with accurate analytical methods NL_RHA time domain. Static &Dynamic Analysis for structural use, open source software Opensees Navigator (Earthquake Engineering Simulation For Open System) graphical interface format. Software Opensees Navigator diverse material and element type, it can resolve the problem effectively SSI. The purpose of the master's thesis was to compare the accuracy and bias of the analytical method gradually push SPA, MPA with accurate analytical methods NL_RHA time domain when considering two cases with and without consideration the work and the background and texture. The evaluation compared the influence of bias and precision is done by comparing the results of periodic oscillations, displacements, internal forces and drift layer of texture. v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC II III I V DANH MỤC HÌNH ẢNH VII DANH MỤC BẢNG BIỂU XII BẢNG TỪ TIẾNG ANH VIẾT TẮT XIII CHƯƠNG I: 3 TỔNG QUAN 3 1.1 GIỚI THIỆU 3 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 4 1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 4 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 8 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 10 1.4 Phạm vi nghiên cứu cho đề tài 10 CHƯƠNG II : 11 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Các phương pháp phân tích kết cấu chịu động đất 11 2.1.1 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương(quasi-staticmethod) 11 2.1.2 Phương pháp phân tích theo phổ phản ứng (response spectrum analysis) 11 2.1.3 Phương pháp phân tích đẩy dần (push over analysis) 12 2.1.4 Phương pháp phân tích theo lược sử thời gian (time history analysis) 13 2.1.5 Phân loại các phương pháp tính toán 13 2.1.6 Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến cho kết cấu đối xứng 14 2.1.8 Phương pháp phân tích phi tuyến theo miền thời gian (NL_RHA) 19 2.1.9 Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần chuẩn (SPA) 21 2.1.10 Phương pháp phân tích tĩnh sử dụng lực ngang có xét đến các dạng dao động cao (MPA) 2.2 Các mô hình nền 22 27 2.2.1 Mô hình nền đàn hồi tuyến tính 27 2.2.2 Mô hình nền đàn hồi phi tuyến 28 vi 2.2.3 Mô hình nền đàn hồi – dẻo lý tưởng 28 2.2.4 Mô hình nền tổng hợp ( cường độ và biến dạng ) 29 2.2.5 Lựa chọn mô hình 29 2.2.6 Mô hình nền Winkler 29 2.2.6.1 Mô tả mô hình BNWF 30 2.2.6.2 Đặc tính của mô hình BNWF 31 2.2.6.3 Các mô hình vật liệu BNWF 33 2.2.6.4 Mô hình vật liệu QzSimple1 33 2.2.6.5 Mô hình vật liệu PySimple1 36 2.2.6.6 Mô hình vật liệu TzSimple1 37 2.2.6.7 Các thông số mô hình BNWF 37 2.2.6.8 Khả năng chịu kéo (TP-tension capacity) 41 2.2.6.9 Tỷ số chiều dài Re 41 2.2.6.10 Tỷ số độ cứng Rk 42 2.2.6.11 Khoảng cách giữa các lò xo 43 2.2.6.12 Kết luận 44 CHƯƠNG III : 45 MÔ HÌNH BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN VÀ KẾT CẤU 45 3.1 Mô hình tính toán 45 3.2 Mô hình tương tác giữa đất nền và kết cấu 52 3.4 Dữ liệu trận động đất 56 CHƯƠNG IV: 58 ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 58 4.1 Giới thiệu 58 4.2 Kiểm chứng phần mềm 59 4.3 Kết quả tính toán 60 4.3.1 Chu kỳ dao động của mô hình 60 4.3.2 Phảnứng chuyển vịđỉnh 62 4.3.3 Độ trôi tầng 75 4.3.4 Nội lực khung 80 CHƯƠNG V: 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 vii Kết luận 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG I Hình 1.1 Hình ảnh trận động đất gây ra sóng thần ở Nhật Bản ngày 11/3/2011 ............ 1 Hình 1.2 Hình ảnh các tòa nhà đỗ sập trận động đất KoBe ở Nhật Bản năm 1995 ........ 2 Hình 1.3. Mô hình tương tác cọc-đất phi tuyến .............................................................. 5 Hình 1.4 Mô hình tương tác cọc – đất nền phi tuyến .................................................... 7 Hình 1.5 Mô hình cọc chịu tải ngang và nền làm việc đồng thời ................................. 8 CHƯƠNG II Hình 2.1 Mô hình phân phối lực FEMA-356 khung 9 tầng tại Los Angeles13 Hình 2.2 Phân phối lực sn* với n = 1, 2 và 3 dạng dao động của tòa nhà 9 tầng tại Los Angeles 14 Hình 2.3 Giải thích khái niệm không kết hợp RHA của hệ MDOF không đàn hồi 21 Hình 2.4 Hệ SDOF không đàn hồi từ đường cong đẩy dần .......................................... 22 Hình 2.5 Quan hệ ứng suất – biến dạng nền đàn hồi tuyến tính ................................... 24 Hình 2.6 Quan hệ ứng suất – biến dạng nền đàn hồi phi tuyến..................................... 24 Hình 2.7 Quan hệ ứng suất – biến dạng nền đàn hồi – dẽo lý tưởng25 Hình 2.8 Mô hình Winkler26 Hình 2.9 Mô hình tương tác đặc trưng giữa cọc - đất ................................................. 27 Hình 2.10 Khả năng của mô hình BNWF trong việc mô phỏng các phản ứng : moment-góc xoay, biến dạng-góc xoay, lực cắt - trượt, biến dạng - trượt.................... 28 Hình 2.11 Mô hình BNWF với độ cứng thay đổi theo chiều dài của kết cấu móng (Harden và các cộng sự - 2005) .................................................................................... 29 Hình 2.12 Mô hình vật liệu QzSimple1, PySimple1 và TzSimple1 được sử dụng trong liên kết với phần tử “zeroLength Element” .................................................................. 30 Hình 2.13 Đường cong chính của vật liệu QzSimple1 ................................................ 31 Hình 2.14 Phản ứng tuần hoàn của vật liệu QzSimple1 .............................................. 32 Hình 2.15 Phản ứng tuần hoàn của vật liệu PySimple1 .............................................. 33 Hình 2.16 Phản ứng tuần hoàn của vật liệu TzSimple1 ................................................ 34 Hình 2.17 Mô hình nền Winkler cho móng hình chữ nhật theo ATC-40 .................... 38 Hình 2.18 Mô hình nền Winkler cho móng hình chữ nhật theo ATC-40 .................... 39 Hình 2.19 Ảnh hưởng của thông số Se đến ứng xử của kết cấu móng .......................... 40 ix CHƯƠNG III Hình 3.1 Mặt đứng khung 3 tầng ................................................................................... 41 Hình 3.2 Mặt đứng khung 3 tầng có xét SSI ................................................................. 41 Hình 3.3 Mặt đứng khung 6 tầng ................................................................................... 42 Hình 3.4 Mặt đứng khung 6 tầng có xét SSI ................................................................. 43 Hình 3.5 Mặt đứng khung 9 tầng ................................................................................... 44 Hình 3.6 Mặt đứng khung 9 tầng có xét SSI ................................................................. 45 Hình 3.7 Mặt bằng sàn khung thép 9 tầng ..................................................................... 47 Hình 3.8 Mô hình vật liệu thép Steel 01 ........................................................................ 48 Hình 3.9. Mô hình tương tác giữa đất nền và kết cấu dựa trên mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler. ......................................................................................................... 49 Hình 3.10 (a) Hệ số cản theo khối lượng; (b) Hệ số cản theo độ cứng ......................... 51 Hình 3.11 Gia tốc nền của các trận động đất ................................................................. 53 CHƯƠNG IV Hình 4.1 Chu kỳ dao động của khung 9 tầng Chopra và chu kỳ dao động của luận án mô phỏng bằng Opensees ............................................................................................. 55 Hình 4.2 Chu kỳ dao động của khung 9 tầng khi có và không xét SSI ......................... 56 Hình 4.3 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 3 tầng với các trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 ................................................................................. 59 Hình 4.4 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 3 tầng với các trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 khi có xét tương tác SSI ........................................ 59 Hình 4.5 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 6 tầng với các trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 ................................................................................ 60 Hình 4.6 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 6 tầng với các trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 khi có xét tương tác SSI ........................................ 60 Hình 4.7 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 6 tầng với các trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 ............................................................................... 61 Hình 4.8 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 6 tầng với các trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 khi có xét tương tác SSI .......................................... 61 Hình 4.9 Mô hình nút khung 9 tầng khi chưa xét SSI ................................................... 62 Hình 4.10 Mô hình nút khung 9 tầng khi có xét SSI ..................................................... 62 Hình 4.11 Chuyển vị đỉnh nút 11 khung 9 tầng có và không có xét SSI x Chịu các trận động đất LA10IN50 ................................................................................ 63 Hình 4.12 Chuyển vị đỉnh nút 11 khung 9 tầng có và không có xét SSI Chịu các trận động đất LA2IN50 ................................................................................ 64 Hình 4.13 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 3 tầng bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA chịu các trận động đất LA10IN50 .......................................................... 67 Hình 4.14 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 3 tầng bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA chịu các trận động đất LA2IN50 .......................................................... 67 Hình 4.15 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 6 tầng bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA chịu các trận động đất LA10IN50 ........................................................ 68 Hình 4.16 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 6 tầng bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA chịu các trận động đất LA2IN50 ......................................................... 68 Hình 4.17 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 6 tầng bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA chịu các trận động đất LA10IN50 .......................................................... 69 Hình 4.18 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 9 tầng bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA chịu các trận động đất LA2IN50 ......................................................... 69 Hình 4.19 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 9 tầng bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA chịu các trận động đất LA10IN50 khi có xét SSI ................................... 70 Hình 4.20 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 9 tầng bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA chịu các trận động đất LA2IN50 khi có xét SSI ..................................... 70 Hình 4.21 Độ trôi tầng trung bình của các hệ khung 3 tầng chịu các trận động đất LA10IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA ............................................ 72 Hình 4.22 Độ trôi tầng trung bình của các hệ khung 3 tầng chịu các trận động đất LA2IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA ................................................ 72 Hình 4.23 Độ trôi tầng trung bình của các hệ khung 6 tầng chịu các trận động đất LA10IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA ............................................ 73 Hình 4.24 Độ trôi tầng trung bình của các hệ khung 6 tầng chịu các trận động đất LA2IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA ................................................ 73 Hình 4.25 Độ trôi tầng trung bình của các hệ khung 6 tầng chịu các trận động đất LA10IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA ........................................... 74 Hình 4.26 Độ trôi tầng trung bình của các hệ khung 6 tầng chịu các trận động đất LA2IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA ............................................. 74 xi Hình 4.27 Độ trôi tầng trung bình của các hệ khung 9 tầng chịu các trận động đất LA10IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA khi có xét SSI ..................... 75 Hình 4.28 Độ trôi tầng trung bình của các hệ khung 9 tầng chịu các trận động đất LA2IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA MPA khi có xét SSI .............. 75 xii DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG I Bảng 1.1. Kết quả của mô hình 5 tầng theo Vardanega ................................................. 3 Bảng 1.2. Kết quả của mô hình 10 tầng theo Vardanega ............................................... 4 Bảng 1.3. Kết quả của mô hình 15 tầng theo Vardanega ............................................... 4 Bảng 1.4. Bảng xác định giá trị độ cứng và hệ số cản ................................................... 6 CHƯƠNG II Bảng 2.1. Bảng độ cứng móng nông theo Gazetas tóm tắt trong ATC-40 37 CHƯƠNG III Bảng 3.1 Tiết diện khung 3 tầng ................................................................................... 42 Bảng 3.2 Tiết diện khung 6 tầng ................................................................................... 43 Bảng 3.3 Tiết diện khung 9 tầng .................................................................................. 46 Bảng 3.4 Giá trị hệ số cản tham khảo ............................................................................ 50 Bảng 3.5Dữ liệu động đất ............................................................................................. 52 CHƯƠNG IV Bảng 4.1 Chu kì dao động tự nhiên của khung 3,6,9 tầng có và không xét SSI ........... 56 Bảng 4.2. Bảng tiết diện khung 3 tầng khi tăng tiết diện .............................................. 57 Bảng 4.3. Bảng tiết diện khung 6 tầng khi tăng tiết diện .............................................. 57 Bảng 4.4. Bảng tiết diện khung 9 tầng khi tăng tiết diện .............................................. 57 Bảng 4.5. Chu kì dao động tự nhiên của hệ khung khi đã thay đổi tiết diện................. 58 Bảng 4.6 Giá trị độ sai lệch chuyển vị đỉnh mái (%)giữa phương pháp SPA và MPA so với phương pháp NL_RHA khung 3 tầng khi chưa xét SSI.......................................... 65 Bảng 4.7 Giá trị độ sai lệch chuyển vị đỉnh mái (%)giữa phương pháp SPA và MPA so với phương pháp NL_RHA khung 6 tầng khi chưa xét SSI.......................................... 65 Bảng 4.8 Giá trị độ sai lệch chuyển vị đỉnh mái (%)giữa phương pháp SPA và MPA so với phương pháp NL_RHA khung 9 tầng khi chưa xét SSI.......................................... 66 Bảng 4.9 So sánh sự chênh lệch nội lực khung 9 tầng có xét và không có xét SSI .... 76 xiii BẢNG TỪ TIẾNG ANH VIẾT TẮT CDD: Capacity Demand Diagram: biểu đồ yêu cầu khả năng CSM: Capacity Spectrum Method: phương pháp phổ khả năng DCM: Displacement Coefficient Method: phương pháp hệ số chuyển vị ELF: Equivalent Lateral Force: tải ngang tương đương MDOF: Multi-Degree-Of-Freedom: hệ nhiều bậc tự do MPA: Modal Pushover Analysis: phân tích đẩy dần sử dụng lực ngang có xét đến các dao động cao NL_RHA: Nonlinear Response History Analysis: phân tích phi tuyến theo miền thời gian NSP: Nonlinear Static Procedure: phân tích tĩnh phi tuyến RSA: Response Spectrum Analysis: Phân tích phổ phảnứng SDOF: Single-Degree-of-Freedom: hệ một bậc tự do SPA: Standard Pushover Analysis: phân tích đẩy dần chuẩn SRSS: Square-Root-of-Sum-of-Squares: qui tắc căn bậc hai của tổng bình phương 1 MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu chung: Động đất là hiện tượng thiên nhiên gây thiệt hại cho người và tài sản . Khi động đất xảy ra làm dịch chuyển nền đất ở đáy móng, sự dịch chuyển này cũng tạo ra sự trao đổi năng lượng và tương tác giữa kết cấu bên trên với đất nền bên dưới gọi là SSI (soil-structure interaction). Việc mô phỏng tính toán kết cấu nền làm việc đồng thời sử dụng mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler (BNWF – Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) để phân tích kết cấu . Phân tích tĩnh sử dụng phân tích tĩnh phi tuyến cho dạng dao động đầu tiên SPA và dao động bậc cao MPA để phân tích kết cấu so sánh với phương pháp phân tích chính xác theo miền thời gian NL_RHA . Phân tích tĩnh & động cho kết cấu sử dụng , phần mềm mã nguồn mở Opensees Navigator (Open System For Earthquake Engineering Simulation) dạng giao diện đồ họa . Phần mềm Opensees Navigator rất đa dạng về loại vật liệu và loại phần tử nên nó có thể giải quyết được bài toán SSI một cách hiệu quả. 2.Lý do chọn đề tài : - Những năm gần đây, động đất ngày càng xảy ra nhiều hơn thới giới nói chung việt nam nói riêng Việt Nam.Từ năm 2005 trở lại đây, có vẻ ngày càng xuất hiện nhiều trận động đất hơn, có năm nhiều hơn đến 10 trận.Còn về cường độ thì cũng gần như nhau, không có sự tăng giảm mạnh. Ví dụ, năm 2007 ở ngoài khơi Vũng Tàu-Phan Thiết có động đất 5,3 độ Richter; Năm 2010, có động đất lớn nhất 5 độ Richter. Còn những trận nhỏ hơn thì xảy ra trên hàng loạt đứt gãy như Mường Lay - Bắc Yên, Cao Bằng-Tiên Yên, đứt gãy sông Mã, Sông Cả; đầu năm 2011 cũng xảy ra một trận với cường độ 4,7 độ Richter. - Để đánh giá đầy đủ phản ứng của công trình dưới tác động của động đất, mô hình tương tác giữa đất nền và kết cấu được xem xét. Do đó học viên quyết định chọn đề tài " Phân tích tĩnh phi tuyến khung thép chịu địa chấn có xét biến dạng nền" 3. Lợi ích của đề tài: 3.1. Lợi ích khoa học: - Đề tài đưa ra và phân tích quy trình tĩnh phi tuyến để dự đoán phản ứng chịu địa chấn của công trình có xét tới biến dạng nền. Đây là một đề tài mang tính khoa học 2 góp phần phát triển các phương pháp tĩnh phi tuyến trong phân tích phản ứng địa chấn của công trình 3.2. Lợi ích thực tiễn: - Đây là một đề tài mang tính thực tiển góp phần phát triển các phương pháp tĩnh phi tuyến trong phân tích phản ứng địa chấn của công trình 4. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Sử dụng các phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến bao gồm phương pháp phân tích đẩy dần dạng chuẩn (SPA) và phương pháp MPA để đánh giá yêu cầu về chu kỳ dao động , chuyển vị , độ trôi tầng và nội lực của kết cấu khung thép phẳng chịu địa chấn khi có và không xét ảnh hưởng tương tác với đất nền SSI. - Hai phương pháp này được so sánh với phương pháp NL-RHA từ đó đánh giá sự đóng góp của các phương pháp này trong thiết kết cấu khung thép chịu động đất. - Mỗi công trình được phân tích với 2 bộ gia tốc nền khác nhau, với xác suất là 2% và 10% trong 50 năm để phân tích phản ứng địa chấn cho kết cấu khung thép. 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Phân tích khung thép phẳng với số tầng là 3, 6 và 9 tầng. - Khung thép phẳng không có & có xét tương tác giữa đất nền và kết cấu . - Dùng ba phương pháp NL_RHA, SPA và MPA để phân tích và so sánh các kết quả với nhau. - Các mô hình khung thép chỉ chịu tải trọng động đất theo phương 3 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU - Động đất là một hiện tượng thiên nhiên gây ra thiệt hại rất lớn cho người và tài sản . Mặc dù trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu đáng kể nhưng vẫn chưa thể dự đoán được chính xác được thời điểm và địa điểm xảy ra . Do đó vẫn chưa có biện pháp phòng ngừa chủ động khi động đất xảy ra. - Phân tích tĩnh phi tuyến (phân tích đẩy dần) đã được phát triển trong nhiều năm qua và đã trở thành một quy trình phân tích được sử dụng phổ biến trong thiết kế và đánh giá động đất. Nhiều công trình nghiên cứu khác nhau về các phương pháp phân tích của các tác giả đã được công bố : phương pháp phổ khả năng-CSM Capacity Spectrum Metho ) được trình bày trong ATC-40 (Applied Technology Council, 1996) [1], phương pháp hệ số chuyển vị-DCM (Displacement Coefficient Method) được trình bày trong FEMA-356 (Federal Emergency Management Agency) [2] và phương pháp phân tích đẩy dần MPA (Modal Pushover Analysis) [3], [4] Chopra và Goel đề xuất. - Các nghiên cứu trước chủ yếu tập trung vào sự phá hoại của công trình mà chưa kể đến ứng xử của đất nền khi chịu tác trọng của tải trọng (soil-structure interaction, viết tắt là SSI) . Thực tế, kết cấu bên trên và đất nền bên dưới sẽ làm việc đồng thời và có sự tương tác giữa đất nền và kết cấu có xu hướng kéo dài chu kỳ dao động tự nhiên của hệ và ảnh hưởng trực tiếp đến nội lực cũng như chuyển vị của kết cấu. Hình ảnh một số trận động đất trên thế giới 4 Hình 1.1 Hình ảnh trận động đất gây ra sóng thần ở Nhật Bản ngày 11/3/2011 Trận động đất 8,5 độ Richter gây nên sóng thần ở Nhật Bản đã làm 15.884 người thiệt mạng, 6.148 người bị thương và 2.633 người mất tích, 127.290 ngôi nhà bị tàn phá . Hình 1.2 Hình ảnh khói bốc lên từ các tòa nhà đỗ sập trong trận động đất KoBe ở Nhật Bản năm 1995 Trận động đất 6,8 độ Richter xảy ra ở phía nam tỉnh Hyogo, Nhật Bản, gây tàn phá trên diện rộng và cướp sinh mạng của ít nhất 6.400 người. 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1. Chopra và Goel(2002) [3] , [4] đã phát triển một quy trình phân tích đẩy dần được gọi là phương pháp phân tích đẩy dần MPA dựa trên thuyết động lực học công trình. Đầu tiên, quy trình được áp dụng cho các công trình đàn hồi tuyến tính giống như quy trình phân tích phổ phản ứng. Sau đó, quy trình được mở rộng để ước tính tác động của động đất lên kết cấu không đàn hồi bằng việc giả định và xấp xỉ những điều kiện ban đầu. Tác động của động đất lên khung 9 tầng trong dự án SAC do Chopra và Goel nghiên cứu được xác định bằng phương pháp MPA , phân tích động và phân tích đẩy dần dùng mô hình tải phân phối đều và theo dạng dao động. Kết quả phương pháp MPA có độ chính xác tương đương với phân tích động về ước tính chuyển vị tầng, độ 5 trôi tầng, góc xoay chảy dẻo và vị trí xuất hiện khớp dẻo. Kết quả của MPA cũng phụ thuộc nhiều vào cường độ của trận động đất. 2. An Hong Nguyen, Chatpan Chintanapakdee, and Toshiro Hayashikawa (2010) [5] Dùng phương pháp tĩnh phi tuyến (NSPs) để dự đoán các yêu cầu địa chấn trong thiết kế và sự đánh giá các tòa nhà. Kiểm tra tương đối sự dịch chuyển và độ chính xác của mô hình. Các dự đoán NPS được so sánh với kết quả từ NL-RHA về chuyển vị mục tiêu, chuyển vi mái và độ trôi tầng. 3. Chintanapakdee và Chopra (2003) [6] đánh giá độ chính xác của phương pháp MPA cho các công trình chịu động đất trong dự án SAC. Hệ khung 1 nhịp 3, 6, 9, 12, 15 và 18 tầng với 5 hệ số tương ứng với độ dai của hệ một bậc tự do SDOF là 1, 1.5, 2, 4 và 6. Mỗi khung chịu 20 trận động đất từ dữ liệu động đất ở California . Giá trị trung bình độ trồi tầng từ MPA và phân tích động được tính toán và so sánh với nhau. Nếu xét ảnh hưởng của những dạng dao động cao hơn (2 hay 3 dạng dao động) thì MPA dự đoán khá chính xác với phân tích động phi tuyến. Sai lệch và phân tán của MPA trong dự đoán tác động của động đất gia tăng đối với những hệ khung có chu kỳ dài hơn và độ dẻo của hệ SDOF lớn hơn. Điều này được thể hiện khi sai lệch và độ phân tán của hệ khung không đàn hồi lớn hơn khung đàn hồi. 4. Vardanega (1980) [7] phân tích phản ứng của hệ kết cấu khi xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu vào mô hình tính toán. Tác giả có những kết luận như sau: ảnh hưởng chính của tương tác giữa đất nền và kết cấu là làm gia tăng chu kì dao động tự nhiên của hệ kết cấu, tăng sức cản hiệu quả do sự hao hụt năng lượng khi lan truyền và thay đổi ứng xử do sự xuất hiện của những góc xoay tại chân công trình. Các bảng I, II, III chỉ ra kết quả của các mô hình 5 tầng, 10 tầng, 15 tầng riêng biệt : Bảng 1.1. Kết quả của mô hình 5 tầng theo Vardanega [6]. Liên kết Đất nền loại Đất nền loại Đất nền loại cứng 1 2 3 Chu kỳ dao động tự nhiên 0.16 0.45 0.26 0.23 Hệ số cản 0.05 0.053 0.054 0.054 Chuyển vị đỉnh 0.017 0.139 0.056 0.037 Chuyển vị gốc 0 0.008 0.003 0.001 352 373 471 409 11.226 12.336 14.733 12.385 Lực cắt đáy (kips) Momen chân cột ( kp x ft ) 6 Bảng 1.2. Kết quả của mô hình 10 tầng theo Vardanega [6]. Liên kết Đất nền loại Đất nền loại Đất nền loại cứng 1 2 3 Chu kỳ dao động tự nhiên 0.55 1.02 0.68 0.63 Hệ số cản 0.05 0.051 0.051 0.051 Chuyển vị đỉnh 0.173 0.35 0.24 0.22 Chuyển vị gốc 0 0.07 0.002 0.001 565 375 507 555 34000 20000 30000 31000 Lực cắt đáy (kips) Momen chân cột ( kp x ft ) Bảng 1.3. Kết quả của mô hình 15 tầng theo Vardanega [6]. Liên kết Đất nền loại Đất nền loại Đất nền loại cứng 1 2 3 Chu kỳ dao động tự nhiên 1.17 2.05 1.37 1.37 Hệ số cản 0.05 0.05 0.05 0.05 Chuyển vị đỉnh 0.577 0.607 0.797 0.574 Chuyển vị gốc 0 0.003 0.003 0.001 485 699 588 26000 55000 44000 Lực cắt đáy (kips) Momen chân cột ( kp x ft ) Kết quả cho thấy rằng độ gia tăng chu kì dao động cơ bản của công trình là rất lớn đối với tòa nhà 5 tầng trên nền đất yếu (loại 1), hệ số gia tăng vào khoảng 3 lần. Ảnh hưởng này sẽ giảm dần khi chiều cao công trình tăng lên và khi độ cứng của đất nền tăng lên. Đây là một điều đáng quan tâm. Tuy nhiên, ảnh hưởng này vẫn còn đáng kể đối với tòa nhà 15 tầng trên loại đất số 3. Quá trình tăng sức cản do sự lan truyền rất nhỏ trong mọi trường hợp do kích thước của chân móng. Sự thay đổi nội lực dường như là thất thường và không có một phương hướng rõ ràng. Đối với tòa nhà 15 tầng thì chu kì dao động cơ bản trên loại đất số 2 và loại đất số 3 bằng nhau nhưng vẫn có một chút khác biệt. Đó là chu kì dao động của dạng dao động thứ 2. 7 5. Stewart và các cộng sự[8] chỉ ra rằng có một sự tương quan cao giữa việc tăng tỷ số chu kì dao động của kết cấu Tssi/ T và tỷ số độ cứng của kết cấu / đất nền. Trong đó : Tssi và T : chu kì dao động của kết cấu khi có xét và không xét SSI. Những ảnh hưởng do tương tác đặc trưng giữa đất nền và kết cấu sẽ đáng kể khi tỷ số độ cứng 1/6 vào khoảng 0.1 – 0.3. Khi đó, tỷ số chu kì dao động của kết cấu bằng khoảng 1.1 – 1.5. Đặc biệt, có trường hợp tỷ số độ cứng 1/ϭ bằng 1.5 sẽ làm tăng tỷ số chu kì lên 4. Một thống kê chung cho thấy khi kết cấu bên trên cứng và đất nền yếu thì ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ đặc biệt quan trọng. Mặt khác, nếu chu kì của kết cấu tăng và độ cứng của đất nền phía dưới tăng thì quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ giảm phần quan trọng. 6. Ahmed và Hamdy[9] chọn lọc những ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu đến công trình chịu những sự rung chuyển mạnh của mặt đất nhằm kiểm soát được sự phá hoại và tăng mức độ an toàn cho công trình. Tác giả sử dụng quá trình phân tích tải trọng lặp bằng cách sử dụng phần mềm SAP2000 và chỉ ra kết quả theo những phân tích lược sử thời gian của mô hình công trình gồm cả kết cấu bên trên, kết cấu móng và đất nền khi chịu tải trọng động đất khá lớn. Kết quả cho thấy rằng nếu xem xét quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ cho những ảnh hưởng bất lợi đối với hình dáng biến dạng của công trình và chuyển vị đỉnh của công trình sẽ tăng lên. Mặt khác, tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ làm giảm nội lực của các kết cấu Foundations bên trên khi so sánh với mô hình công trình có chân được ngàm. Kx Kx Foundations Cx Cy Ky Plan Cx Cz Kz Elavation Hình 1.3 Mô hình nút tương tác đặc trưng giữa đất nền và kết cấu.