ảnh hưởng của động đất tới sự hình thành vết nứt của đập bê tông trọng lực

30 CHƯƠNG 3: LẬP BÀI TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU HÌNH THÀNH VÊT NỨT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC CHỊU TÁC DỤNG CỦA LỰC ĐỘNG ĐẤT .... Học viên chọn đề tài: “Ảnh hưởng của động đất đến sự đến sự

LỜI CẢM ƠN

Luận văn “Ảnh hưởng của động đất đến sự hình thành vết nứt của đập

bê tông trọng lực” được hoàn thành ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tác giả

còn được sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cô, cơ quan, bạn bè và gia đình

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quang Hùng, TS Vũ Hoàng Hưng, TS Trịnh Quốc Công đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau đại học, khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này

Để hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ thường xuyên và giúp đỡ về nhiều mặt của gia đình và bạn bè

Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2012

Tác giả luận văn

ĐINH QUANG THỊNH

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 8

LỜI CAM KẾT 9

MỞ ĐẦU 10

1 Tính cấp thiết của đề tài 10

2 Mục đích của đề tài 11

3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu: 11

4 Kết quả dự kiến đạt được: 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 12

1.1.Tình hình động đất trên thế giới và ở Việt Nam 12

1.1.1 Tình hình động đất trên thế giới 12

1.1.2 Tình hình động đất ở Việt Nam 13

1.2 Tính hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở nước ta và trên thế giới 16

1.2.1 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới: 16

1.2.2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam 17

1.3 Tổng quan về động đất 19

1.3.1 Nguyên nhân gây ra động đất 19

1.3.2 Một số khái niệm về động đất 19

1.4 Kết luận chương 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ĐỘNG 23

2.1 Phương trình động lực học cơ bản trong bài toán động và các phương pháp giải 23

2.1.1 Xác định lực quán tính: 24

2.1.2 Xác định lực đàn hồi: 24

2.1.4 Dao động của hệ kết cấu chịu tác động của động đất 26

2.1.5 Lời giải phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất bằng phương pháp lịch sử thời gian: 27

2.2 Kết luận chương 30

CHƯƠNG 3: LẬP BÀI TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU HÌNH THÀNH VÊT NỨT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC CHỊU TÁC DỤNG CỦA LỰC ĐỘNG ĐẤT 31

3.1.Lựa chọn mô hình tính toán 31

3.1.1 Tổng quan về công trình “ Thủy điện Suối Sập 3” 31

3.1.2 Xây dựng mô hình tính toán từ công trình thực tế 34

3.2 Các thông số cơ bản của mô hình 35

3.3 Các lực tác dụng và tổ hợp lực 35

3.3.1 Xác định các tải trọng tĩnh: 36

3.3.2 Xây dựng biểu đồ gia tốc nền tại vị trí xây dập với các cấp động đất: 41

3.3.3 Xác định áp lực nước động khi có động đất và tổ hợp tính toán 47

3.4 Phân tích ảnh hưởng của các cấp động đất tới sự hình thành vết nứt trong đập bê tông trọng lực 51

3.4.1 Trình tự và kết quả tính toán đập bê tông trọng lực chịu tác dụng của động đất ứng với các cấp động đất 7, 8, 9 51

3.4.2 Nhận xét, đánh giá kết quả tính toán 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

1 Kết luận 78

2 Kiến nghị 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới (1900-2000) 17

Hình 2.1: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do 23

Hình 2.2: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do 25

Hình 2.3: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do chịu tác động của động đất 26

Hình 3.1: Mô hình của sở đồ tính xây dựng trong Autocad 34

Hình 3.2: Mô hình của sơ đồ tính gần vị trí đập dâng 34

Hình 3.3: Chia lưới phần tử trong phần mềm Ansys 34

Hình 3.4: Chia lưới phần tử gần vị trí đập dâng 34

Hình 3.5 Mô hình tính 3 chiều toàn bộ đập 38

Hình 3.6 Mô hình tính 3 chiều đoạn đập dâng 38

Hình 3.7: Chuyển vị tổng mô hình tính 3 chiều toàn bộ đập 38

Hình 3.8: Chuyển vị tổng mô hình tính 3 chiều đoạn đập dâng 38

Hình 3.9: Chuyển vị Ux mô hình tính 3 chiều toàn bộ đập 38

Hình 3.10: Chuyển vị Ux mô hình tính 3 đoạn đập dâng 38

Hình 3.11: Chuyển vị Uy mô hình tính 3 chiều toàn bộ đập 39

Hình 3.12: Chuyển vị Uy mô hình tính 3 chiều đoạn đập dâng 39

Hình 3.13: Ứng suất Sx mô hình tính 3 chiều toàn bộ 39

Hình 3.14: Ứng suất Sx mô hình tính 3 chiều đoạn đập dâng 39

Hình 3.15: Ứng suất Sy mô hình tính 3 chiều toàn bộ đập 39

Hình 3.16: Ứng suất Sy mô hình tính 3 chiều đoạn đập dâng 39

Hình 3.17: Ứng suất S1 mô hình tính 3 chiều đoạn đập dâng 40

Hình 3.18: Ứng suất S1 mô hình tính 3 chiều đoạn đập dâng 40

Hình 3.19: Ứng suất S3 mô hình tính 3 chiều toàn bộ đập 40

Hình 3.20: Ứng suất S3 mô hình tính 3 chiều đoạn đập dâng 40

Hình 3.21: Chuyển vị Uz mô hình tính 3 chiều toàn bộ 40

Hình 3.22: Ứng suất Sz mô hình tính 3 chiều toàn bộ 40

Hình 3.23: Phổ phản ứng theo phương ngang ứng với động đất cấp 7 44 Hình 3.24 Phổ gia tốc nền nhân tạo theo phương ngang ứng động đất cấp 7 44

Hình 3.26 Phổ gia tốc nền nhân tạo theo phương ngang ứng động đất cấp 8 45

Hình 3.27: Phổ phản ứng theo phương ngang ứng với động đất cấp 9 46

Hình 3.28 Phổ gia tốc nền nhân tạo theo phương ngang ứng động đất cấp 9 46 Hình 3.29: Vùng áp lực nước tác dụng lên mặt đập 47

Hình 3.30: Chia lưới phần tử mặt thượng lưu đập 48

Hình 3.31: Biểu đồ tải trọng Mass tại nút biên 50

Hình 3.32: Biểu đồ tải trọng Mass tại nút giữa 50

Hình 3.33: Quá trình chuyển vị theo phương X tại nút 180 trên đỉnh đập 53

Hình 3.34: Quá trình chuyển vị theo phương X tại nút 180 trên đỉnh đập 54

Hình 3.35: Quá trình chuyển vị theo phương X tại nút 180 trên đỉnh đập 54

Hình 3.36: Đồ thị ứng suất theo phương X tại nút 280 của đáy đập thượng lưu55 Hình 3.37: Đồ thị ứng suất theo phương X tại nút 280 của đáy đập thượng lưu55 Hình 3.38: Đồ thị ứng suất theo phương X tại nút 280 của đáy đập thượng lưu56 Hình 3.39: Đồ thị ứng suất theo phương Y tại nút 280 của đáy đập thượng lưu56 Hình 3.40: Đồ thị ứng suất theo phương Y tại nút 280 của đáy đập thượng lưu57 Hình 3.41: Đồ thị ứng suất theo phương Y tại nút 280 của đáy đập thượng lưu57 Hình 3.42: Đồ thị ứng suất theo phương X tại nút 244 của đáy hạ lưu đập 58

Hình 3.43: Đồ thị ứng suất theo phương X tại nút 244 của đáy hạ lưu đập 58

Hình 3.44: Đồ thị ứng suất theo phương X tại nút 244 của đáy hạ lưu đập 59

Hình 3.45: Đồ thị ứng suất theo phương Y tại nút 244 của đáy hạ lưu đập 59

Hình 3.46: Đồ thị ứng suất theo phương Y tại nút 244 của đáy hạ lưu đập 60

Hình 3.47: Đồ thị ứng suất theo phương Y tại nút 244 của đáy hạ lưu đập 60

Hình 3.48: Phổ chuyển vị lớn nhất theo phương X tại đỉnh đập nút 180 ứng với động đất cấp 7 61

Hình 3.49: Phổ chuyển vị lớn nhất theo phương X tại đỉnh đập nút 180 ứng với động đất cấp 8 61

Hình 3.50: Phổ chuyển vị lớn nhất theo phương X tại đỉnh đập nút 180 ứng với động đất cấp 9 61

đập nút 180 ứng với động đất cấp 7 61

Hình 3.51: Phổ ứng suất lớn nhất theo phương X tại đáy đập thượng lưu nút 280 ứng với động đất cấp 7 61

nút 180 ứng với động đất cấp 8 61 Hình 3.52: Phổ ứng suất lớn nhất theo phương X tại đáy đập thượng lưu nút 280 ứng với động đất cấp 8 61Hình 3.53: Phổ ứng suất lớn nhất theo phương X tại đáy đập thượng lưu nút 280 ứng với động đất cấp 9 61 Hình 3.56: Phổ ứng suất lớn nhất theo phương Y tại đáy đập thượng lưu nút 280 ứng với động đất cấp 9 62 Hình 3.54: Phổ ứng suất lớn nhất theo phương Y tại đáy đập thượng lưu nút 280 ứng với động đất cấp 7 62Hình 3.55: Phổ ứng suất lớn nhất theo phương Y tại đáy đập thượng lưu nút 280 ứng với động đất cấp 8 62Hình 3.57: Hình dạng, xu hướng phát triển vết nứt khi xảy ra động đất tại 4,32s ứng với động đất cấp 9 thượng lưu nút 280 ứng với động đất cấp 7 63 đập nút 180 ứng với động đất cấp 7 63Hình 3.58: Ứng suât theo phương Y của đập tại 4,32s ứng với động đất cấp 9 thượng lưu nút 280 ứng với động đất cấp nút 180 ứng với động đất cấp 8 63 Hình 3.59: Vị trí những điểm điển hình 63Hình 3.60: Biểu đồ chuyển vị Ux của các điểm B,D,A theo phương đứng với các cấp động đất khác nhau 65Hình 3.61: Biểu đồ chuyển vị Ux của các điểm B,D,A theo phương đứng với các cấp động đất khác nhau 66 Hình 3.62: Biểu đồ chuyển vị Ux của các điểm B,D,C theo phương ngang với các cấp động đất khác nhau 67 Hình 3.63: Biểu đồ chuyển vị Ux của các điểm B,D,C theo phương ngang với các cấp động đất khác nhau 67Hình 3.64: Biểu đồ chuyển vị Uy của các điểm B,D,A theo phương đứng với các cấp động đất khác nhau 68Hình 3.65: Biểu đồ chuyển vị Uy của các điểm B,D,A theo phương đứng với các cấp động đất khác nhau 68 Hình 3.66: Biểu đồ chuyển vị Uy của các điểm B,D,C theo phương ngang với các cấp động đất khác nhau 69

Hình 3.67: Biểu đồ chuyển vị Uy của các điểm B,D,C theo phương ngang với các cấp động đất khác nhau 69 Hình 3.68: Biểu đồ ứng suất S1 của các điểm B,D,A theo phương đứng với các cấp động đất khác nhau 70 Hình 3.69: Biểu đồ ứng suất S1 của các điểm B,D,A theo phương đứng với các cấp động đất khác nhau 70Hình 3.70: Biểu đồ ứng suất S1 của các điểm B,D,C theo phương ngang với các cấp động đất khác nhau 71Hình 3.71: Biểu đồ ứng suất S1 của các điểm B,D,C theo phương ngang với các cấp động đất khác nhau 71 Hình 3.72: Biểu đồ ứng suất S3 của các điểm B,D,A theo phương đứng với các cấp động đất khác nhau 72 Hình 3.73: Biểu đồ ứng suất S3 của các điểm B,D,A theo phương đứng với các cấp động đất khác nhau 72Hình 3.74: Biểu đồ ứng suất S3 của các điểm B,D,C theo phương ngang với các cấp động đất khác nhau 73 Hình 3.75: Biểu đồ ứng suất S3 của các điểm B,D,C theo phương ngang với các cấp động đất khác nhau 73 Hình 3.76: Đồ thị ứng suất S1 của các điểm B – nút 280 tại vị trí chân thượng lưu đập ứng với động đất cấp 8 75

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Một số trận động đất gây thiệt hại về người 13

Bảng 1.2 Thống kê số lượng đập của các châu lục 16

Bảng 1.3 Thống kê một số đập bê tông được xây dựng ở Việt Nam 18

Bảng 1-4: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất 21

Bảng 1-5: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất 22

Bảng 3.1:Các thông số chính của công trình 32

Bảng 3.2: Đặc trưng vật liệu làm Đập và Nền 35

Bảng 3.3: Địa điểm cấp động đất nghiên cứu 43

Bảng 3.4: Áp lực nước động dồn về nút dạng tải trọng Mass nằm ngang 49

Bảng 3.5: Tổng hợp kết quả tính toán ứng với các cấp động đất khác nhau 52

Bảng 3.6: Tổng hợp kết quả tính toán đập không động đất 53

Bảng 3.9: Quan hệ [σ]kvà thời gian xảy ra nứt khi chịu tải trọng động đất 76

Tác giả

ĐINH QUANG THỊNH

M Ở ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của đề tài

Đất nước ta nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất tương đối mạnh Theo Viện Vật Lý Địa Cầu, đất nước ta có bốn vùng động đất chính Vùng động đất thứ nhất là miền núi tây bắc bao gồm các tỉnh Sơn La, Lai Châu với cường

độ động đất M=6.8, vùng thứ hai đồng bằng châu thổ sông Hồng với cường độ động đất M = 6.2, vùng động đất thứ ba là vùng miền núi Đông Bắc bao gồm các tỉnh Bắc Giang, Lạng Sơn, Cao Bằng, với cường độ động đất M= 6.0, vùng động đất cuối cùng là vùng phía nam của đất nước ta với cường độ động đất M= 5.5

Nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước nên nhu cầu điện, nước cho công nghiêp, nông nghiệp, sinh hoạt ngày càng tăng Điều đó đã đặt ra nhiều cấp thiết về năng lượng, hồ chứa nước cho đất nước Chính vì vậy mà các công trình trạm thủy điện, hồ chứa được xây dựng ngày một nhiều Đập bê tông trọng lực là một bộ phận quan trọng trong công trình thủy điện, hồ chứa Đập bê tông trọng lực là một kết cấu hình khối lớn, hình dạng khá phức tạp về cả cấu trúc

và hình dạng Toàn dạng đập nói chung và từng phần nói riêng phải đảm bảo đủ ổn định và đủ độ bền dưới tác động của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh và tải trọng động trong các giai đoạn xây dựng, vận hành

Hiện nay khi phân tích ổn định và độ bền đập chịu tải trọng động đất thường

sử dụng phương pháp mô phỏng tĩnh, có một số công ty thiết kế dùng phương pháp phổ phản ứng Tuy nhiên phương pháp mô phỏng tĩnh cũng như phương pháp phổ phản ứng không phản ánh được sự ứng xử của kết cấu trong suốt thời gian xảy ra động đất Phương pháp lịch sử thời gian (Response history analysis) sử dụng biểu

đồ gia tốc nền u (t )để tính toán nội lực, ứng suất, chuyển vị của kết cấu theo tại mọi thời điểm của trận động đất Phương pháp này phản ánh quá trình làm việc của kết cấu trong một trận động đất cụ thể

Chính vì các yếu tố phân tích trên nên việc phân tích bền và ổn định, sự hình thành vết nứt của đập bê tộng trọng lực chịu tác dụng của lực động đất theo phương

pháp lịch sử thời gian là rất cần thiết Học viên chọn đề tài: “Ảnh hưởng của động đất đến sự đến sự hình thành vết nứt của đập bê tông trọng lực” sẽ góp một phần

vào công nghệ thiết kế, phân tích kết cấu và ổn định, sự hình thành vết nứt trong đập bê tông trọng lực chịu tải trọng động đất, từ đó lựa chọn được kích thước kết cấu hợp lý, lựa chọn hình thức, cấu tạo kháng trấn cho đập bê tông trọng lực đảm bảo đập làm việc an toàn với mọi tổ hợp tải trọng trong thực tế vận hành

2 M ục đích của đề tài

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, mô hình toán trong phân tích kết cấu, ổn định, quá trình hình thành vết nứt của đập bê tông trọng lực chịu tác dụng của tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian

3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Đập bê tông trọng lực

Phạm vi nghiên cứu: Các đập bê tông trọng lực có chiều cao 30÷100m

Phương pháp nghiên cứu:

+ Tổng hợp các nghiên cứu khoa học, các số liệu thí nghiệm, lực chọn

Phương pháp tính toán

+ Sử dụng các phần mềm trong phân tích ổn định, ứng suất trong đập

Bê tông trọng lực

4 Kết quả dự kiến đạt được:

Thấy rõ phản ứng của hệ kết cấu dưới tác động của động đất theo thời gian Tính toán được thời điểm xuất hiện vết nứt, xu thế và vị trí xuất hiện vết nứt dưới tác động của động đất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT

VÀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Tình hình động đất trên thế giới và ở Việt Nam

Đặc biệt ở Nhật bản ngày 11/3/2011 đã xảy ra trận động đất kinh hoàng 8,9

độ richte tại phía đông bắc Nhật Bản, trước đó ngày 10/3/2011 đã có liên tiếp 3 trận động đất có cường độ từ 6,2 đến 6,6 độ richter Những trận động đất có cường độ 9

độ richte từng xảy ra trên thế giới chỉ đếm trên đầu ngón tay Từ năm 1900 đến này chỉ có 4 trận động đất được thống kê với cường độ trên 9,0 độ Richter như động đất

ở Chile năm 1960 (9,5 độ richte), ở Alaska năm 1964 (9,2 độ richte), ở Sumatra năm 2004 (9,1 độ richte) và ở Kamchatka năm 1952 (9,0 độ richte)

B ảng 1-1: Một số trận động đất gây thiệt hại về người

Nước bị động đất Magnitude Ngày Số người chết Colombia

Turkey

Taiwan

Indonexia

India Afghanistan

25-1-1999 17-8-1999 20-9-1999 4-6-2000 26-1-2001 25-3-2002 21-5-2003 26-12-2004 28-3-2005 11-3-2011

Trong lịch sử, từ năm 114 đến tới năm 2003 Việt Nam đã ghi nhận được

1645 trận động đất mạnh từ 3,5 độ Richter trở lên Đó là trận động đất cấp 8 xảy ra vào năm 114 ở bắc Đồng Hới, các trận động đất cấp 7, cấp 8 xảy ra ở Hà Nội vào các năm 1277, 1278, 1285; động đất cấp 8 ở khu vực Yên Định- Vĩnh Lộc- Nho Quan vào năm 1635; động đất cấp 8 vào năm 1821 ở Nghệ An, cấp 7 ở Phan Thiết vào các năm 1882, 1887… Trận động đất lớn nhất ở Việt Nam trong vòng 100 năm qua là trận động đất 6,8 đọ Richter ở Tây Nam Điện Biên Phủ năm 1935 với cấp động đất bề mặt là 8-9 Tiếp theo là trận động đất 6,7 độ Richter ở Tuần Giáo năm

1983 làm nhiều nhà sập đổ

Đáng lưu ý, qua nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát hiện Thủ đô Hà Nội nằm trong vùng đứt gãy sông Hồng – sông Chảy, nơi đã xảy ra các trận động đất mạnh 5,1-5,5 độ Richter Chu kỳ lặp lại động đất mạnh 5,4 độ Richter ở Hà Nội là

1100 năm và trận động đất mạnh cuối cùng xảy ra cách đây đã hơn 700 năm (1285) Hiện Hà Nội đang trong thời kỳ yên tĩnh nhưng trong tương lai hoạt động động đất

có thể tăng lên và động đất mạnh có thể xảy ra Ngoài ra, Hà Nội còn phải chịu tác

động của động đất mạnh xảy ra ở những vùng đứt gãy lân cận như đứt gãy sông Lô, Đông Triều, Sơn La

a) Kiểu động đất ở Việt Nam

Động đất Việt Nam tiếp nhận năng lượng từ vận động dồn mảng giữa mảng

Ấn Độ Dương ( có phần đại dương và phần tiểu lục địa Ấn Độ) xô vào mảng châu

Á Các nhà địa chấn theo học thuyết “kiến tạo mảng” đã chứng minh rằng hầu hết biến động của lục địa châu Á ngày nay có liên quan đến hành vi của đới ranh giới giữa hai mảng thạch quyển nói trên Đới này có hình vòng cung, từ nơi tiếp giáp giữa tiểu lục địa Ấn Độ với dãy Himalaya, vòng xuống vùng biển phía tây bán đảo

Mã Lai rồi chạy xuống vùng biển phía tây nam các đảo Sumatra và Java của Inđônêxia, là nơi xảy ra động đất Aceh tạo ra thảm họa sóng thần ở Ấn Độ Dương vừa qua Vì mối liên hệ này, các biến vị nội lục địa ở châu Á luôn gắn liền nhưng xảy ra muộn hơn các biến vị của đới ranh giới mảng nói trên Nên sau động đất Aceh, đã xảy ra dồn dập các động đất yếu hơn, muộn hơn và phân tán trên lãnh thổ Việt Nam Thời gian lan truyền và giải tỏa năng lượng này còn tiếp diễn và động đất còn có thể xuất hiện ở nước ta trong thời gian tới

Nghiên cứu địa chấn và địa vật lý cho thấy ở Việt Nam có 23 đứt gãy sâu có tiềm năng động đất lớn nhất, 22 trong số đó nằm trên đất liền, 1 nằm ở ngoài biển, tạo ra sườn lục địa của Biển Đông Trên mặt địa hình, các đứt gãy sâu này có dạng tuyến thẳng, trùng với các dải thung lũng phân chia các dãy núi cao và thường có các dòng sông Vì vậy phần lớn các đứt gãy sinh động đất ở Việt Nam đều mang tên sông như đới động đất sông Hồng, sông Chảy, sông Mã, Sơn La, sông Đà, Hà Tĩnh

và một số đới ở Miền Nam

Vùng Tây bắc là nơi xảy ra động đất nhiều nhất ở Việt Nam

Đứt gãy Điện Biên – Lai Châu và Điện Biên – Sơn La có thể gây ra động đất nguy hiểm nhất Việt Nam Sau đó là đứt gãy Sông Mã có thể gây ra động đất cấp 9, đứt gãy sông Hồng có thể gây động đất cấp 8 Các đứt gãy khác có thể gây ra động đất cấp 7 trở xuống Miền Nam nước ta là nơi có động đất yếu và ít gây hại

b) Ảnh hưởng của động đất đến công trình xây dựng

Từ những thiệt hại do động đất gây ra có thể rút ra hai dạng phá hủy chính của

- Do ảnh hưởng của sóng địa chấn, nền đất phải chịu các lực kéo, xoắn, nén Kết quả, nền đất có thể bị lún, sụt và hóa lỏng.Các công trình đặt trên nền đất cũng

bị phá hoại theo

- Do ảnh hưởng của sóng địa chấn, nếu nền chưa bị mất ổn định thì công trình đặt trên nền sẽ xuất hiện các phản ứng ( chuyển vị, vận tốc, gia tốc) Khi đó nội lực, chuyển vị của công trình sẽ vượt quá các trị số nội lực, chuyển vị tĩnh trước lúc xảy ra động đất, nếu công trình không được tính toán đầy đủ về kháng chấn thì đây là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự phá hoại các công trình nằm trong vùng động đất

c) Các biện pháp giảm thiểu thiệt hại do động đất

Mặc dù lịch sử hơn 100 năm qua đã ghi nhận ở nước ta có tới 5 - 6 trận động đất lớn (chủ yếu ở các tỉnh miền núi phía bắc), nhưng không ít nhà quản lý, đặc biệt

là người dân vẫn cho rằng nước ta không xảy ra động đất Tuy nhiên, thực tế và những nghiên cứu gần đây cho thấy, Hà Nội và một số địa phương phía bắc, động đất được dự báo ở cấp 7, cấp 8 Bởi thế, việc phòng, chống (chủ yếu là phòng) các

hệ lụy từ động đất, nhất là trong lĩnh vực xây dựng các công trình dân dụng, các công trình quốc kế dân sinh phải được đặt đúng tầm nghiêm trọng của nó

Lý tưởng nhất là quy hoạch phát triển cho phù hợp Trong đới nguy cơ động đất, các công trình xây dựng phải được kháng chấn phù hợp với cấp động đất cao nhất Tránh xây dựng các công trình gây nguy hiểm nếu bị sự cố như đập nước lớn, nhà máy điện hạt nhân, nhà máy và kho hóa chất độc hại… đối với các công trình xây dựng dân dụng như nhà dân mọi người nên xem bản đồ phân vùng động đất của từng khu vực trước khi xây dựng để có thể kháng chấn phù hợp cho công trình Mật

độ các công trình phải thưa thoáng Tuy nhiên các biện pháp này hay bị bỏ qua ở những vùng dân cư đông đúc và thiếu khả năng tài chính cho kháng chấn Tập dượt nhằm tạo thói quen ứng xử của cộng đồng khi động đất xảy ra ( như chạy ra chỗ trống, tránh xa các tòa nhà và dây điện, ngừng lái xe, nếu trong công sở thì chui ngay xuống gầm bàn, tập dượt cứu thương chữa cháy, cứu sập…) nhưng biện pháp này chỉ phù hợp với những nơi hay có động đất như ở Nhật Bản Nâng cao hiểu biết của người dân về ứng xử động đất để họ tự thích ứng cũng là một giải pháp hiệu quả

Các chương trình dự phòng, chuẩn bị khi động đất xảy ra - phương tiện y tế thuốc men, kho dự trữ thực phẩm, phương tiện trú ẩn, hệ thống điện nước, hệ thống phòng cháy chữa cháy cho một số lượng hàng triệu cư dân trong điều kiện thiên tai xảy ra Đào tạo chuyên viên hoặc kết hợp hay thuê mướn các cơ quan nhiều kinh nghiệm làm các công tác nghiên cứu Cổ địa chấn để đưa đến kết quả xác suất, thống

kê về khả năng xuất hiện cùng cường độ của địa chấn trong vùng Việt Nam, để có được một kết quả thuyết phục và thống nhất

Đặt các trạm quan trắc trên toàn quốc Mặc dù Việt Nam có 26 trạm đo động đất nằm rải rác khắp lãnh thổ ( do miền Bắc thường xảy ra động đất mạnh hơn nên

có 23 trạm) nhưng chỉ 8 trạm có thể truyền trực tiếp thông tin về Viện Vật Lý Địa Cầu, thông tin của các trạm còn lại được ghi vào đĩa mềm và gửi về qua đường bưu điện, với thực trạng này khó có thể dò động đất và xác định tâm chấn một cách chính xác Ở các nước tiên tiến tất cả các trạm đo địa chấn đều truyền dữ liệu về trung tâm qua vệ tinh hoặc đường điện thoại và số lượng trạm quan trắc cũng rất lớn Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam chỉ xác định được vị trí và cường

độ động đất xảy ra, còn dự báo thời gian động đất xảy ra thì vẫn còn là vấn đề nan giải của thế giới

1.2 Tính hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở nước ta và trên thế giới

1.2 1 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới:

Cách đây 4000 năm ở Trung Quốc, Ai Cập đã bắt đầu xuất hiện công trình thủy lợi Đập đươc xây dựng đầu tiên là đập xây trên sông Nile cao 15m, dài 450m

có cốt là đá đổ và đất sét

Theo con số thống kê của Hội đập cao thế giới (ICOLD) tính đến năm

2000 trên thế giới có 45.000 đập lớn Theo cách phân loại của ICOLD thì đập có chiều cao H=10÷15m và có các điều kiện: chiều dài L ≥ 500 m, Qx ≥ 2000 m3/s, hồ

có dung tích W ≥ 1.000.000 m3nước được xếp là loại đập cao

B ảng 1.2 Thống kê số lượng đập của các châu lục

Bảng thống kê số lượng đập của các châu lục Châu Á (1) 31.340 Chiếm 69.60%

Bắc+Trung Mỹ (2) 8.010 Chiếm 17.80%

Tây Âu (3) 4.227 Chiếm 9.40%

Đông Âu (4) 1.203 Chiếm 2.70%

Châu Phi (5) 1.200 Chiếm 2.60%

Nước có nhiều đập nhất trên thế giới là Trung Quốc với 22.000 đập chiếm 48% số đập trên thế giới Đứng thứ hai là Mỹ có 6.575 đập Đứng hàng thứ ba là Ấn

Độ có 4.291 đập, sau đó là Nhật Bản với 2.675 đập, tiếp đến là Tây Ban Nha có 1.196 đập Việt Nam có gần 500 đập đứng thứ 16 trong các nước có nhiều đập cao trên thế giới

Tốc độ xây dựng đập cao trên thế giới cũng không đều Thống kê đập xây dựng từ năm 1900 đến năm 2000 ta thấy thời kỳ xây dựng nhiều là những năm

1950 Đỉnh cao là năm 1970 Tình hình này cũng xảy ra tương tự ở vùng xây dựng nhiều đập như ở Châu Á, Bắc Mỹ, Tây Âu

Theo có số thống kê đập ở 44 nước của ICOLD-1997, số đập cao 15÷30m chiếm 56.2%, đập cao hơn 30m chiếm 23.8%, đập cao hơn 150m chỉ có 0.1%

Hình 1.1 Bi ểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới (1900-2000)

1.2 2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam

Thời kì trước năm 30 của thế kỷ 20, ở nước ta đã xuất hiện một số đập

bê tông trọng lực nhưng mới chỉ là những đập thấp có chiều cao khoảng 5m đến 10m, chưa có những đập lớn Các đập có kết cấu đơn giản, thi công nhanh bằng thủ công, kỹ thuật không phức tạp ngoại trừ đập Đồng Cam, tỉnh Phú Yên do đặc điểm thủy văn của sông Đà Rằng Phần lớn công việc từ thiết kế, chỉ đạo thi công là do các kỹ sư Pháp thực hiện, xi măng nhập từ châu Âu, cấp phối bê tông chủ yếu dựa

vào các kết quả nghiên cứu của nước ngoài, chưa có những giải pháp và công nghệ phù hợp với Việt Nam

Giai đoạn từ năm 1930 đến 1945 người Pháp tiếp tục xây dựng ở nước ta một só đập bê tông trọng lực như đập dâng Đô Lương, Nghệ An làm nhiệm vụ cấp nước tưới, đập Đáy ở Hà Tây có nhiệm vụ phân lũ, một số đập dâng nhỏ khác như đập dâng An Trạch ở Quảng Nam, đập dâng Cẩm Ly ở Quảng Bình…

B ảng 1.3 Thống kê một số đập bê tông được xây dựng ở Việt Nam

Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam

(Giai đoạn trước năm 1945)

4 Thác Huống Sông Cầu- Thái Nguyên 1922-1929

Giai đoạn từ 1945 đến 1975, đất nước có chiến tranh nên xây dựng thủy lợi

bị hạn chế, nhưng cũng xây dựng được một số tràn thấp như tràn thủy điện Thác Bà, đập tràn thủy điện Cấm Sơn, Đa Nhim…

Từ năm 1975 đến nay, nước ta bước vào sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa nên các công trình thủy lợi, thủy điện được xây dựng khắp cả nước, và đập bê tông cũng trở nên khá phổ biến với quy mô và hình thức ngày càng phong phú Đầu mối các công trình thủy lợi, thủy điện như: PleiKrong, Sê San 3 và Sê San 4, Bản

vẽ, Thạch Nham, Tân Giang, Lòng Sông… Và đập tràn ở các đầu mối thủy điện Hòa Bình, Tuyên Quang, Sơn La… là những đập bê tông với khối lượng hàng triệu

m3bê tông, chiều cao từ 70-138m Việt nam đã và đang sử dụng thành công kĩ thuật

và công nghệ hiện đại để xây dựng các đập bê tông trọng lực có quy mô cả về chiều cao và khối lượng bê tông ngày một lớn hơn

1.3 Tổng quan về động đất

1.3 1 Nguyên nhân gây ra động đất

Động đất hay địa chấn là sự rung động mạnh mẽ của vỏ quả đất dưới dạng các dao động đàn hồi Động đất có nhiều nguyên nhân: nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh

- Nội sinh: liên quan đến vận động phun trào núi lửa, do sập đổ trần các hang động ngầm, do sự cọ xát của các mảng thạch quyển đại dương đang bị hút chìm xuống dưới một mảng khác, do hoạt động đứt gãy địa chấn bên trong các mảng lục địa

- Ngoại sinh: do thiên thạch va chạm vào trái đất, các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn

- Nhân sinh: do các vụ thử hạt nhân ngầm dưới đất, các hoạt động xây dựng hồ chứa làm mất cân bằng trọng lực môi trường, do bơm hút nước ngầm khí đốt gây sụp đổ ngầm dưới đất

Động đất ở Việt Nam thuộc kiểu do hoạt động của đứt gãy tạo ra, đều có chấn tiêu ( tâm phát sinh động đất) nông, thường ít sâu quá 20km Nước ta không có núi lửa đang hoạt động, nằm rất xa các đới hút chìm và đới dồn mảng nên không có kiểu động đất liên quan đến cấu trúc này như ở Nhật Bản, Philipin, Inđônêxia, hay vùng núi Himalaya

Khoảng cách chấn tâm của một điểm là khoảng cách từ điểm đó đến chấn tâm ( còn gọi là tâm cự, ký hiệu là D)

- Chấn tiêu ở độ sâu 300-700Km gọi là chấn tiêu sâu, chấn tiêu trung bình 300Km, chấn tiêu bình thường <60Km, chấn tiêu nông <15Km Chấn tiêu sâu nhất đo được là 720Km ở Florida (Mỹ) Động đất có sức tàn phá lớn nhất là động đất chấn tiêu nông, toàn bộ năng lượng được giải phóng là 75% năng lượng đàn hồi tích lũy

60-b) Biểu đồ động đất

Biểu đồ ghi lại chuyển động nền theo thời gian được gọi là biểu đồ động đất bao gồm các loại biểu đồ: chuyển vị (mm), gia tốc (m2

/s), vận tốc (m/s) Biểu đồ động đất là các tài liệu quan trọng để đánh giá tính chất của một trận động đất đồng thời là số liệu để suy ra các thông số quan trọng trong thiết kế kháng chấn

c) Thang động đất và cấp động đất

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thang động đất, nhưng phổ biến nhất vẫn

là các thang đo cơ bản sau:

Thang Richter: đo độ lớn hay mức năng lượng mà động đất phát ra, được tính bằng Magnitude (M) Một Magnitude bằng một độ Richter

Cường độ động đất được đặc trưng bởi trị số gia tốc địa chấn a, mô tả động đất hiện tượng động đất thông qua chuyển vị, gia tốc, vận tốc của mặt đất khi động đất đi qua, xác định theo cấp động đất đại diện là các thang: MMI ( 12 cấp), MSK (

12 cấp), JMA (8 cấp)

Theo thang quốc tế MSK con người không thể nhận biết chấn động cấp 1-2, cấp 3-4 sẽ gây rung động nhẹ và cấp 6-7 làm chao đảo mặt đất, chấn động cấp 7 trở lên sẽ gây thiệt hại lớn

B ảng 1-4: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất

1.0 1.00 1.67 2.33 3.00 3.67 4.33 5.00 5.67 6.33 7.00 7.00

d) Gia tốc cực đại

Gia tốc cực đại của một trận động đất là gia tốc lớn nhất của chuyển động nền đất trong trận động đất đó Gia tốc cực đại là đại lượng rất quan trọng, được dùng trong tất cả các tiêu chuẩn kháng chấn hiện nay

Xác định chính xác gia tốc cực đại ở một điểm nào đó là điều không dễ dàng

vì thiếu biểu đồ gia tốc động đất mạnh và vì tính đa dạng của dao động địa chấn Vì vậy người ta thường sử dụng các băng ghi gia tốc dao động nền đất đã có để thiết lập mối tương quan thống kê giữa các gia tốc cực đại trung bình và các đặc trưng khác của động đất

B ảng 1-5: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất

- Thấy được ưu nhược điểm và các vấn đề cần quan tâm nghiên cứu khi xây dựng đập BTTL đó là: tốc độ thi công nhanh, hiệu ích kinh tế cao tuy nhiên vấn đề liên kết giữa các khối đổ bê tông không tốt, mật độ chặt của kết cấu bê tông và tính năng chống thấm của khe nối tiếp mặt của các lớp tương đối kém, cần khống chế nhiệt trong khối đổ

- Tổng quan nguyên nhân gây ra động đất, các khái niệm về động đất Tóm tắt tình hình động đất ở nước ta và trên thế giới Những hiểm họa về động đất gây ra là không lường trước được nên cần có những biện pháp giảm thiểu những tác hại do động đất gây ra như cảnh báo về nguy cơ xảy ra động đất, lắp đặt các trạm quan trắc, nâng cao ý thức và hiểu biết của người dân về động đất

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ĐỘNG

2.1 Phương trình động lực học cơ bản trong bài toán động và các phương pháp giải

Khi tính toán phản ứng động ta không thể mô hình hóa tất cả các hệ kết cấu dưới dạng hệ có một số bậc dao động tự do Đại đa số các hệ kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng thường có mô hình tính toán gồm một số bậc tự do lơn hơn một Đó là các hệ kết cấu mà khối lượng của chúng có thể tập trung về một số bộ phận nào đó sao cho sự làm việc thực của chúng về cơ bản không bị ảnh hưởng Nhưng hệ như vậy có tên gọi là hệ có khối lượng tập trung, hoặc hệ có khối lượng rời rạc, hoặc thông dụng hơn, hệ có nhiều bậc tự do

Hình 2.1: Mô hình tính toán c ủa hệ kết cấu có nhiều bậc tự do

Đối với các công trình xây dựng nhiều tầng chịu tải trọng động bất kỳ, ta có thể

mô hình hóa chúng dưới dạng hệ dao động có một số hữu hạn bậc tự do bằng cách tập trung khối lượng ở mỗi tầng về trọng tâm các bản sàn Trong phạm vi mỗi tầng, áp dụng nguyên tắc xây dựng mô hình tính toán của hệ có một bật tự do với giả thiết:

Bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó

Các cột hoặc các bộ phận thẳng đứng chịu lực không có khối lượng nhưng có tổng độ cứng là r và biến dạng dọc của chúng được xem là không đáng kể

Cơ cấu phân tán năng lượng được biểu diễn bằng bộ phận giảm chấn thủy lực Với các giả thiết trên, mỗi tầng của công trình được mô hình hóa với ba bậc

tự do, gồm hai chuyển vị ngang và một chuyển vị xoay quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm sàn Nếu hệ kết cấu trên được đưa về hệ phẳng, mỗi tầng chỉ có một

bậc tự do là chuyển vị theo phương ngang Hình 2.1.b mô hình tính toán phẳng của một công trình xây dựng nhiều tầng chịu một tải trọng động bất kỳ được thiết lập theo nguyên tắc trên Để đơn giản, có thể dùng sơ đồ tính ở hình 2.1.c thay cho mô hình ở hình 2.1.b

Để xây dựng phương trình chuyển động của hệ kết cấu ta có thể dùng phương pháp lực ( phương pháp ma trận độ mềm) hoặc phương pháp chuyển vị (phương pháp ma trận độ cứng) Sau đây ta sẽ dùng phương pháp chuyển vị để thiết lập phương trình chuyển động cho hệ kết cấu có mô hình tính toán như hình 2.1 Dưới tác động của ngoại lực động Fk(t) các khối lượng mk của hệ kết cấu sẽ

có các chuyển vị ngang xk(t) (k=1,2, ,k,…,n) Trên cơ sở của nguyên lý d’Alembert, các chuyển vị này được xác định từ phương trình cân bằng động sau tại mỗi khối lượng mk:

F t +F t +F t =F t (k=1,2,…,n) (2.0) Trong đó:

FQ,k(t) – Lực quán tính tác động lên khối lượng mk;

FC,k(t) – Lực cản tác động lên khối lượng mk;

FH,k(t) – Lực đàn hồi tác động lên khối lượng mk;

2.1.1 Xác định lực quán tính:

Lực quán tính tỷ lệ thuận với gia tốc

Lực quán tính tác động lên khối lượng mk được xác định từ phương trình sau:

,

F t = − m x t (k=1,2,…,n) (2.1) Trong đó: mk – khối lượng tập trung lại nút k

x tk( )- gia tốc tại nút k tại thời điểm t

2.1.2 Xác định lực đàn hồi:

Để xác định lực đàn hồi FH,k(t) tác động lên khối lượng mk ta giả thiết rằng tất cả các bậc tự do của hệ kết cấu đều bị chốt lại (hình 2.1.b), sau đó lần lượt cho mỗi bậc tự do một chuyển vị cưỡng bức x1(t), x2(t), … xk(t)… xn(t) Trong điều kiện này tại mỗi bậc tự do sẽ phát sinh ra lực đàn hồi Bằng cách tháo chốt lần lượt

các bậc tự do và bắt chúng phải chịu chuyển vị cưỡng bức đúng bằng chuyển vị ngang của hệ cho ở hình 2.1.a ta sẽ được các lực đàn hồi sau tại mỗi bậc tự do:

rk,j là hệ số độ cứng hoặc phản lực đơn vị sinh ra khi chất tải liên tục hệ kết cấu với các chuyển vị bằng đơn vị (hình 2.1.c)

2.1.3 Xác định lực cản:

Để xác định lực cản FC,k(t) tác động lên khối lượng mk, như phần trên đã trình bày, ta xem lực cản trong trường hợp này là lực cản nhớt tỷ lệ thuận với tốc độ chuyển động của hệ kết cấu Do đó, tương tự như cách xác định lực đàn hồi FH,k(t) ,

ta xem mỗi hệ số cản bất kỳ cjk biểu diễn lực xuất hiện theo hướng bậc tự do j khi khối lượng mk có tốc độ chuyển vị bằng đơn vị trong khi các khối lượng khác có tốc

độ bằng không (bị chốt lại), có nghĩa là xk =1,xj =0(j≠k)

Hình 2.2: Mô hình tính toán c ủa hệ kết cấu có nhiều bậc tự do

Trong trường hợp này lực cản được xác định theo công thức sau:

2.1.4 Dao động của hệ kết cấu chịu tác động của động đất

Tương tự như trường hợp hệ kết cấu có nhiều bậc tự do chịu tải trọng động bất kỳ, mô hình tính toán của hệ phẳng chịu tác động động đất được thể hiện ở hình 2.2 Dưới tác động của địa chấn, móng của công trình được xem là tuyệt đối cứng chịu một chuyển vị cưỡng bức theo phương ngang x0(t) Như vậy tại bất kỳ thời điểm nào của chuyển động, mỗi khối lượng của hệ kết cấu sẽ thực hiện một chuyển động tịnh tiến sang ngang x0(t) và một chuyển động ngang tương đối x(t) Chuyển động tuyệt đối của hệ kết cấu sẽ bằng: x0(t)+x(t)

Hình 2.3: Mô hình tính toán c ủa hệ kết cấu có nhiều bậc tự do chịu tác động của

Các lực khác tác động lên khối lượng k như lực đàn hồi, lực cản được xác định hoàn toàn giống như trường hợp trước bởi vì chúng chỉ phụ thuộc vào các chuyển vị tương đối xj(t) Chuyển vị nền x0(t) không làm thay đổi các lực trên bởi vì chuyển động tịnh tiến không làm cho hệ kết cấu biến dạng

Áp dụng nguyên lý d’Alembert ta được phương trình cân bằng động theo hướng bậc tự do k như sau:

F t +F t +F t = (k=1,2,…n) Thay các biểu thức trên vào ta được phương trình chuyển động sau:

- Các phương pháp tính toán tĩnh:

+ Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương;

+ Phương pháp tĩnh phi tuyến (phương pháp tính toán đẩy dần “push-over”)

- Các phương pháp tính toán động:

+ Phương pháp phổ phản ứng;

+ Phương pháp phân tích dạng chính;

+ Phương pháp tích phân trực tiếp từ phương trình chuyển động;

2.1.5.2 Tính toán động đất bằng phương pháp “Lịch sử thời gian”

Phương pháp tính toán theo lịch sử thời gian cho phép xác định được toàn

bộ quá trình phản ứng của hệ kết cấu dưới tác động của tải trọng Có hai cách tính toán: Áp dụng kỹ thuật phân tích dạng chính hoặc tích phân trực tiếp từ phương trình chuyển động Trong cả hai cách trên, lịch sử thời gian tác động của tải trọng lên hệ kết cấu được chia thành các bước rất nhỏ Trong mỗi bước thời gian, hệ phương trình vi phân được thay bằng hệ phương trình đại số với ẩn số là chuyển vị

của hệ kết cấu Các số hạng biết trước của hệ kết cấu được xác định từ một số giả thiết về điều kiện biến thiên của tải trọng tác động hoặc gia tốc nền trong khoảng thời gian mỗi bước Phản ứng toàn phần của hệ kết cấu xác định được ở cuối một bước thời gian sẽ trở thành điều kiện ban đầu để tính toán phản ứng của hệ kết cấu ở bước tiếp theo Quá trình tính toán được lặp lại cho tất cả các bước thời gian được xét tới Thủ thuật tính toán này có ên gọi là phương pháp tích phân từng bước một Trong luận văn này tác giả sử dụng thuật toán Newmark cho phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất theo lịch sử thời gian

Nội dung thuật toán Newmark

Phương trình chuyển động của cơ hệ dưới tác dụng của lực động đất của hệ nhiều bậc tự do [2.8]:

t u m t p ku u c u

m + + = =− g (2.8) Trong đó:

m: ma trận khối lượng của hệ kết cấu

k: ma trận độ cứng của cơ hệ c: ma trận hệ số cản của cơ hệ u: vector chuyển vị nút của cơ hệ

t

u g : giá trị gia tốc nền tại thời điểm tính toán t

Việc giải phương trình vi phân trên theo phương pháp giải tích thông thường

là không thể thực hiên được đặc biệt là đối với hệ có nhiều bậc tự do và chịu lực tác dụng của lực động đất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian Do đó phương trình trên chỉ có thể được giải bằng phương pháp gần đúng (Phương pháp số) Hiện nay, tồn tại một số phương pháp giải phương trình trên tuỳ thuộc vào cách lấy sai phân các biến Trong luận văn này tác giả giới thiệu phương pháp Newmark

.

) ( )

2

Các hệ sốγ,β xác định giá trị thay đổi của gia tốc trong bước thời gian ∆t

và được xác định đảm bảo độ chính xác cũng như tính ổn định của phương pháp

1, + , +

+ i i

i u u

u từ các giá trị tương ứng đã biết ở bước thứ i Tuy nhiên để tìm

ra lời giải của hệ phương trình này ta cần dùng phương pháp giải lặp vi biến 1

+

i u

xuất hiện ở vế phải của phương trình ( 2.9 ) và ( 2.10)

Đối với hệ tuyến tính, ta có thể biến đổi công thức Newmark để tìm ra lời giải mà không cần sử dụng phương pháp lặp Trình tự làm như sau:

Đặt u i u i u i u i u i u i u i u i u i

1

1

2

)(2

)()

2

2

1 1

) (

1

ββ

i

t u

.

γβ

γ

(2.17) Thay (2.16 ) và (2.17) vào (2.13) sau khi rút gọn ta được

i

u k

Trong đó:

t

c t k

^

) (

1

∆

+

∆ +

=

ββ

γ

i i

i

t p

11

∆ hoàn toàn được xác định

Từ phương trình (2.18) giải ra được các giá trị ∆ ui và từ phương trình (

2.16) và (2.17) lần lượt giải ra được u i

1

, , + +

CHƯƠNG 3: LẬP BÀI TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU

CHỊU TÁC DỤNG CỦA LỰC ĐỘNG ĐẤT

Mô hình tính toán tác giả lựa chọn mô hình tính toán 3D cho 1 đoạn đập dâng Cụ thể tác giả lựa chọn tính toán cho 1 đoạn đập của công trình thủy điện Suối Sập 3

3 1.1 Tổng quan về công trình “ Thủy điện Suối Sập 3”

Công trình thủy điện Suối Sập 3 được dự kiến xây dựng trên suối Sập, là nhánh suối cấp 1 của Sông Đà Đập dâng nước xây dựng tại bản Mòn, xã Phiêng Ban, huyện Bắc Yên, tỉnh Sơn La, cách đường quốc lộ 37 từ Phù Yên đi Sơn La khoảng 1 Km về phía Đông Nam, có tọa độ khoảng 21013' 30" vĩ độ Bắc, 1040

29' 30" kinh độ Đông

Vị trí xây dựng nhà máy gần bản Đung, xã Hồng Ngãi, huyện Bắc Yên, tỉnh Sơn La, cách quốc lộ 37 khoảng 4 Km về phía Đông Nam

B ảng 3.1:Các thông số chính của công trình

1 Diện tích lưu vực FLV km2 252.7

2 Dòng chảy trung bình năm Qo m3/s 9.99

3 Tổng lượng dòng chảy năm Wo 109m3 0.315

Lưu lượng lớn nhất qua nhà máy m3/s 22.25

Cột nước lớn nhất Hmax m 85.80 Cột nước nhỏ nhất Hmin m 73.79 Cột nước tính toán Htt m 73.79 Cột nước trung bình Htb m 75.53

V Chỉ tiêu năng lượng

1 Công suất đảm bảo Nđb MW 2.30

2 Công suất lắp máy NLM MW 14.0

3 Điện lượng trung bình nhiều năm Eo 106kWh 50.185

4 Số giờ sử dụng NLM h giờ 3.585

VIII Chỉ tiêu kinh tế

Giá điện mùa mưa/mùa khô UScent/Kwh 5.0/5.7

đầu tư chiếm 30%, còn lại vốn vay

ngân hàng trong nước với lãi suất

11,5%/năm Giá bán điện 6,0

3.1.2 Xây dựng mô hình tính toán từ công trình thực tế

Việc xây dựng mô hình 3D của kết cấu đập được thực hiện trong phần mềm AUTOCAD sau đó chuyển sang phần mềm tính toán kết cấu ANSYS 10.0 để tính toán kết cấu đập

Đập dâng, đập tràn và nền cùng làm việc đồng thời và được mô hình hoá bằng phần tử solid concret 65

Hình 3.1: Mô hình c ủa sở đồ tính xây

3.2 Các thông số cơ bản của mô hình

Mô hình được xây dựng trong Ansys với phần tử solid concret 65

B ảng 3.2: Đặc trưng vật liệu làm Đập và Nền

3.3 Các lực tác dụng và tổ hợp lực

Các lực tác dụng lên đập gồm có:

- Trọng lượng bản thân công trình

- Áp lực nước thượng lưu

- Lực do động đất gây ra

Ở đây tác giả bỏ qua tác dụng của lực thấm

3 3.1 Xác định các tải trọng tĩnh:

3 3.1.1 Trọng lượng bản thân:

Trong Ansys lấy phương thức lực quán tính để gán trọng lực, vì vậy khi nhập gia tốc, phương hướng của nó với phương thực tế là tương phản Khi phân tích kết cấu, mô phỏng trọng lượng bản thân kết cấu và trọng lượng của các thiết bị liên quan ta cần khai báo:

1 Nhập khối lượng riêng (density) trong tính chất vật liệu, nếu không nhập khối lượng riêng thì không thể sản sinh hiệu quả trọng lực

2 Nếu có thiết bị ở trên kết cấu thì có thể dùng phần tử Mass21 để mô phỏng Trọng lượng của thiết bị có thể thông qua hằng số thực phần tử đưa vào Trọng lượng bản thân trong mô hình tính toán này chỉ gồm có khối lượng của đập Trọng lượng của nước đã quy đổi thành áp lực nước phân bố lên bề mặt kết cấu Do đó trong mô hình tính toán chỉ cần khai báo khối lượng riêng của đập, và khai báo thêm gia tốc trọng trường, Ansys sẽ tự động tính toán trọng lượng riêng của từng phần tử đập Một phần tử bất kỳ thuộc đập hay nền thì công thức chung để tính toán trọng lượng bản thân của một phần tử hữu hạn là: G i = γi.V i = ρi .g V i

Trong đó: ρi- khối lượng riêng phần tử i

n

i i i

Công thức để xác định áp lực thủy tĩnh như sau:

2

1 2

P = γ H (3.2) Trong đó: γ −n Trọng nước riêng của nước

Hi – Chiều cao cột nước từ mực nước thượng lưu đến điểm tính toán

Pi – Áp lực nước tại điểm tính toán

b) Cách thức đưa áp lực thủy tĩnh vào mô hình trong phần mềm Ansys:

Để đưa áp lực nói chung và áp lực thủy tĩnh nói riêng thì trong Ansys có nhiều cách thức để đưa vào mô hình kể cả đó là đưa vào đường hay vào mặt Có thể

kể ra một số cách đưa áp lực vào mặt như sau:

* Theo phương pháp dùng menu:

- Solution->Define Loads->Apply->Structural->Pressure->On Areas

- Preprocessor->Load->Define Loads->Apply->Structural->Pressure->On Areas

- Đưa áp lực vào theo hàm theo các bước:

+ Bước 1 – tạo hàm: Solution->Define Loads->Apply->Functions->Define/Edit + Bước 2 – ghi hàm: Solution->Define Loads->Apply->Functions->Read File + Bước 3 – áp tải: Solution->Define Loads->Apply->Structural->Pressure->On Areas Sau đó chọn SFA là Existing table tiếp tục chọn hàm vừa đã tao

* Theo phương pháp dùng lệnh: SF; SFL…

Như vậy có rất nhiều cách để đưa áp lực nói chung và áp lực thủy tĩnh nói riêng vào mô hình tính toán

3.3.1.3 K ết quả tính toán tổ hợp cơ bản:

Với các tải trọng tĩnh như trên tác giả đã có tính toán và xây dựng mô hình

1 đoạn đập dâng cũng như toàn bộ đập Kết quả tính toán tổ hợp cơ bản như sau:

Hình 3.5 Mô hình tính 3 chi ều toàn bộ đập Hình 3.6 Mô hình tính 3 chi ều đoạn đập dâng