TÓM tắt LUẬN văn phân tích ứng xử nhà nhiều tầng sử dụng gối cách chấn có xét đến tương tác với nền đất

Trước tình hình trên, tác giả muốn tìm hiểu rõ hơn về việc thiết kế giảm chấn cho công trình đồng thời đánh giá ứng xử của công trình nhà nhiều tầng khi sử dụng gối cách chấn chịu tải tr

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 1: TS Đặng Công Thuật

Phản biện 2: PGS.TS Hoàng Phương Hoa

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn

tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công

nghiệp họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng 08 năm 2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

Ở ẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA Ề TÀI

Ở Việt Nam trong những năm gần đây cũng xảy ra một số trận động đất, ví dụ trận động đất 5,3 độ Richter xảy ra ở Lai Châu vào ngày 19/02/2001 hay các trận dư chấn mạnh 5 độ Richter do trận động đất tại Tứ Xuyên (Trung Quốc) gây ra vào năm 2008 gây thiệt hại không nhỏ cho về tài sản và gây hư hỏng cho hàng loạt các công trình xây dựng Các kết quả nghiên cứu về công trình chịu tác động của động đất thường bỏ qua ảnh hưởng điều kiện đất nền đến khả năng chịu lực của công trình và giả thiết công trình ngàm cứng tại vị trí ranh giới giữa công trình và nền đất Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu gần đây chỉ ra sự cần thiết của việc nghiên cứu của điều kiện đất nền đến sự ổn định của kết cấu do hiệu ứng SSI có xu hướng kéo dài chu kỳ tự nhiên của hệ đất nền- kết cấu và ảnh hưởng trực tiếp đến nội lực cũng như chuyển vị của kết cấu Vì vậy, yếu tố tương tác giữa đất nền và kết cấu cần phải được nghiên cứu một cách

kỹ lưỡng hơn trong việc phân tích kết cấu chịu tác động của động đất

Trước tình hình trên, tác giả muốn tìm hiểu rõ hơn về việc thiết kế giảm chấn cho công trình đồng thời đánh giá ứng xử của công trình nhà nhiều tầng khi sử dụng gối cách chấn chịu tải trọng

động đất và có xét đến tương tác với nền đất

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Thiết kế gối cách chấn dùng cho công trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất

Mô phỏng và đánh giá ứng xử của công trình có sử dụng gối

cách chấn khi chịu tải trọng động đất và có xét đến sự tương tác với nền đất

3 ỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

ối tượng nghiên cứu: Nhà nhiều tầng BTCT chịu tải trọng

động đất Phạm vi nghiên cứu: Công trình sử dụng gối cách chấn

đàn hồi có xét đến tương tác đồng thời giữa kết cấu và nền đất

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết: Thu thập và biên dịch các tài liệu về

tính toán thiết kế công trình chịu động đất, tính toán thiết kế gối cách chấn đàn hồi và các mô hình tính toán công trình có xét đến tương tác giữa kết cấu và nền đất

Mô phỏng : Sử dụng phần mềm Matlab, Midas để phân tích

ứng xử của công trình theo lịch sử thời gian

5 BỐ CỤC Ề TÀI

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận và kiến nghị, luận văn còn có các chương sau:

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán và mô phỏng phản ứng của công trình có sử dụng gối cách chấn đàn hồi dưới tác dụng của động đất xét đến tương tác với nền đất

Chương 3: Ví dụ phân tích ứng xử nhà nhiều tầng sử dụng gối

cách chấn không xét và có xét đến tương tác với nền đất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM CHẤN 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ GỐI CÁCH CHẤN ÀN HỒI

1.2.1 Tình hình nghiên cứu về giải pháp cách chấn đáy trên thế giới

1.2.2 Tình hình nghiên cứu về giải pháp cách chấn đáy trong nước

1.3 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC ỒNG THỜI KẾT CẤU VÀ NỀN ẤT

1.3.1 Tương tác giữa nền đất- kết cấu 1.3.2 Tình hình nghiên cứu về tương tác nền đất- kết cấu 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Thiết kế công trình chống động đất là một nhiệm vụ và là một thử thách lớn cho các nhà thiết kế kết cấu xây dựng Thiết kế kháng chấn phải đảm bảo các mục đích: công trình xây dựng đảm bảo đủ khả năng chịu lực, không chịu hư hại về kết cấu cũng như hư hỏng

về thiết bị đồ đạc sử dụng trong công trình, tồn tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động đất

Việc sử dụng gối cách chấn đàn hồi cho công trình là một trong những biện pháp mang lại hiệu quả trong việc giảm tác động của động đất lên công trình Tính tới nay, đã có nhiều công trình trên thế giới đã sử dụng loại gối này trong thiết kế kháng chấn

Hiệu ứng tương tác nền đất- kết cấu là một hiệu ứng quan trọng Nó ảnh hưởng đến ứng xử của công trình nhà nhiều tầng khi

chịu tại trọng động đất Việc xem xét hiệu ứng này khi phân tích thiết kế là điều cần thiết, cần được xem xét, đặc biệt là đối với các công trình nhà nhiều tầng có sử dụng gối cách chấn khi chịu tải trọng động đất

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT, MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

VÀ MÔ PHỎNG PHẢN ỨNG CỦA CÔNG TRÌNH

CÓ SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN DƯỚİ TÁC DỤNG CỦA ỘNG ẤT XÉT ẾN TƯƠNG TÁC VỚİ NỀN ẤT

2.1 GỐI CÁCH CHẤN ÀN HỒI 2.1.1 Cấu tạo gối cách chấn đàn hồi 2.1.2 Nguyên lý làm việc của gối đàn hồi

Gối đàn hồi được đặt giữa hai mặt cách chấn (dưới kết cấu bên trên và trên kết cấu móng), chịu lực theo phương thẳng đứng

và có tác dụng ngăn cách tải trọng động đất tác dụng trực tiếp ngay tại thời điểm truyền tới công trình Dịch chuyển của nền đất làm cho gối đàn hồi bị biến dạng, nhờ có ma sát trong các lớp cấu tạo mà một phần năng lượng của động đất bị hấp thụ và tác động vào công trình sẽ nhỏ đi

2.1.3 Tính toán thiết kế gối cách chấn [32]

2.1.4 Mô hình ứng xử của gối đàn hồi chịu kích động động đất

Thiết bị cách chấn nghiên cứu trong chương này là một loại gối đàn hồi dạng trụ với đặc trưng cơ học của vật liệu là phi tuyến theo mô hình phi tuyến Bouc-Wen

Hình 2.1 Mô hình ứng xử trễ của gối cách chấn

11

2.1.5 Mô hình tính toán hệ kết cấu có gắn gối cách chấn đàn hồi

2.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU CHỊU TẢI TRỌNG ỘNG ẤT THEO LỊCH SỬ THỜI GIAN

2.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP SỐ CHO NGHIÊN CỨU 2.3.1 Phương pháp Newmark

2.3.2 Phương pháp Runge-Kutta 2.4 MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC GIỮA NỀN ẤT - KẾT CẤU 2.4.1 Trường hợp móng cứng

Hình 2.3 Mô hình tương tác kết cấu- nền đất theo Gazetas Trên hình 2-7, độ cứng ngang, độ cứng đứng và độ cứng xoay của trường hợp móng chìm trong đất (embedded foundation) được tính toán theo công thức cho bởi Gazetas G (1991) :

0.4 0.5

y emb y y

hA D

Trong đó: Ky, Kz và Krx là độ cứng ngang, độ cứng đứng và độ cứng xoay của trường hợp móng không chìm trong đất (surface foundation) D: Chiều sâu chôn móng d: chiều sâu tiếp xúc giữa móng và đất h=D-0,5d B,L: một nửa bề rộng và chiều dài móng Ibx: Momen quán tính của tiết diện đáy móng đối với trục x A: diện tích mặt bên tiếp xúc với đất của móng Ab: diện tích đáy móng a0=

B/Vs Với : tần số góc của sóng động đất Vs: vật tốc truyền sóng cắt của đất ky : là hệ số độ cứng động theo phương ngang Được tra theo a0 và tỉ số B/L kz: là hệ số độ cứng động theo phương đứng

Được tra theo a0 , và tỉ số B/L

Độ cản ngang, độ cản đứng và độ cản xoay của trường hợp móng chìm trong đất (embedded foundation) được tính toán theo công thức cho bởi Gazetas G (1991) như sau:

2.4.2 Trường hợp móng mềm

Hình 2.4 Mô hình tương tác nền đất- kết cấu theo Harden và

Hutchinson Trên hình 2.14, độ cứng lò xo và độ cản nhớt đơn vị được xác định theo (2.49):

, ,

4

z emb i

z emb

K K

BL

, ;

4

z emb i

z emb

C C

Rkrx: Hệ số điều chỉnh độ cứng cho trường hợp móng mềm

e 3

,

3 e

3

(1 R ) 4

1 (1 R )

rx emb i

z emb krx

34

rx emb i

z emb crx

rx emb

C

R R

Sau khi tìm hiểu và nghiên cứu về các mô hình mô phỏng ứng

xử của gối cách chấn đàn hồi cũng như các mô hình mô phỏng hiệu ứng tương tác giữa nền đất- kết cấu, ta đã có cơ sở để chọn một mô hình phù hợp để mô phỏng phản ứng của công trình nhà nhiều tầng

sử dụng gối cách chấn chịu tải trọng động đất Đồng thời, với sự hỗ trợ của máy tính và phương pháp số, ta có thể dễ dàng giải được các phương trình vi phân chuyển động phức tạp Từ đó có thể tính toán

và biết được ứng xử cụ thể của công trình tải một thời điểm nhất định trong quá trình xảy ra động đất

Công trình: Số tầng: n= 9 tầng Chiều cao tầng: h = 3,9m

Chiều cao nhà: H=35,1 m Nhịp: 3 nhịp x7m =21m Bước: 12 bước

có độ cản cao (HDBR: High- Damping rubber bearing) tiết diện tròn

Gối được đặt ở mỗi chân cột, ngay trên mặt móng

- Số lượng gối dùng cho mỗi khung nb= 4 gối

- Số lượng toàn bộ gối dùng cho công trình: nb= 52 gối

Sau khi tính toán ta chọn được gối HDBR có các kích thước

∑tr (m) H (m) N(lớp) HDBR: High- Damping

Rubber Bearing 52 0.7 0.044 0.3 0.364 7 Các thông số cơ học của gối khi phân thích theo mô hình ứng

xử Bouc-Wen:

Độ cứng ngang của gối trong giai đoạn dẻo:

p r

p e

K

MN K

a Đối với trường hợp ngàm cứng

b Đối với trường hợp hệ có gối cách chấn

3.2.2 Kết quả phân tích

a Chuyển vị của các tầng

Hình 3.2 Chuyển vị tương đối của các tầng

b Chuyển vị tương đối giữa các tầng

Hình 3.3 Chuyển vị tương đối giữa các tầng

3.3 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN BẰNG MÔ HÌNH KẾT CẤU THỰC

Khối lượng quy về các nút giữa và các nút biên của các tầng:

- Nút giữa: mg 49 kN.s /m 2

mb24,5 kN.s /m

3.3.2 Kết quả phân tích

a Chuyển vị của các tầng

Hình 3.6 Chuyển vị tương đối của các tầng

b Gia tốc tuyệt đối của các tầng

Hình 3.9 Lực cắt tầng (cột giữa)

- Chuyển vị đỉnh của công trình giảm khoảng 1,5%

- Lực cắt tầng (đối với cột giữa) giảm từ 6,5% đến 44

%

- Gia tốc tuyệt đối của các tầng giảm từ 35% đến 55%

Khi so sánh kết quả phân tích giữa hai mô hình đơn giản (mục 3.2) và mô hình kết cấu thực, ta thấy kết quả là có sai lệch Điều này

là do khi phân tích theo mô hình kết cấu thực thì các biến dạng của

dọc cột, biến dạng của dầm được kể đến Vì vậy các kết quả khi phân tích theo mô hình này là chính xác hơn

3.4 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ỘNG ẤT CÓ SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN CÓ XÉT ẾN TƯƠNG TÁC VỚI NỀN ẤT

3.4.1 Mô hình phân tích

a) b)

Hình 3.8 Mô hình phân tích kết cấu có xét tương tác với nền đất

a) Mô hình lý thuyết b) Mô hình phân tích trong MIDAS

Vì công trình sử dụng móng bè nên tác giả chọn mô hình tương tác kết cấu-đất nền để phân tích là là mô hình dùng cho móng mềm của Harden và Hutchison [34] như hình (3.12)

Phân tích cho các trường hợp nền đất khác nhau như sau:

- Trường hợp 1: Nền đất loại B (có vận tốc truyền sóng cắt Vs=500m/s)

Trường hợp 2: Nền đất loại C (có vận tốc truyền sóng

b Gia tốc tuyệt đối của các tầng

Hình 3.10 Gia tốc tuyệt đối của các tầng

c Lực cắt tầng (cột giữa)

Hình 3.11 Lực cắt tầng

d Nhận xét

Khi xét tới hiệu ứng tương tác nền đất-kết cấu, chuyển vị đỉnh của công trình nhà nhiều tầng khi chịu tải trọng động đất giảm từ 0,7% đối với nền đất tốt (loại B) đến 8,5% đối với nền đất yếu (loại E) Gia tốc tuyệt đối tại một số vị trí của công trình có thể thay đổi, tăng đến 40% và giảm đến 22% Lực cắt tầng (đối với cột giữa) cũng biến thiên khoảng 20% khi có xét đến tương tác nền đất-kết cấu Sự biến thiên này là lớn nhất là trong trường hợp nền đất là nền đất yếu (loại E)

- Khi xét tới hiệu ứng tương tác nền đất-kết cấu, ứng xử của công trình nhà nhiều tầng khi chịu động đất có sự thay đổi đáng kể

Chuyển vị đỉnh của công trình nhà nhiều tầng khi chịu tải trọng động đất có xu hướng giảm, cụ thể là giảm từ 0,7% đối với nền đất tốt (loại B) đến 8,5% đối với nền đất yếu (loại E) Tại một số vị trí của công trình, gia tốc tuyệt đối có thể tăng tới gần 40% và lực cắt tầng (đối với cột giữa) có thể tăng tới hơn 20% gây bất lợi về yêu cầu sử dụng cũng như khả năng chịu lực của công trình Vì vậy, việc xem xét hiệu ứng tương tác nền đất-kết cấu khi thiết kế công trình nhà cao tầng chịu động đất là cần thiết, đặc biệt khi công trình được xây dựng trên nền đất yếu

2 Kiến nghị

Trên thực tế, còn nhiều loại gối cách chấn và nhiều giải pháp giảm chấn khác đang được sử dụng Vì vậy, cần phải có thêm nhiều

nghiên cứu để tìm ra giải pháp giảm chấn thích hợp nhất dùng cho công trình nhà nhiều tầng

Khi xét đến hiệu ứng tương tác giữa nền đất-kết cấu Tác giả chỉ mới sử dụng một mô hình để mô phỏng Vì vậy, có thể nghiên cứu và dùng thêm nhiều mô hình khác nữa để phân tích và so sánh

Phạm vi nghiên cứu của tác giả chỉ dừng lại ở kết cấu khung BTCT có chín tầng Vì vậy, cần nghiên cứu thêm các trường hợp công trình có dạng kết cấu khác cũng như có số tầng thay đổi để có kết luận cụ thể và chính xác hơn