Thực hành tính toán tải trọng động đất tác động lên công trình

Thực hành tính toán tải trọng động đất tác động lên công trình

THỰC HÀNH TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT TÁC ĐỘNG

LÊN CÔNG TRÌNH

1 Giới thiệu

Tại các nước phát triển, việc xây dựng công trình có khả năng chịu tải trọng động đất là yêu cầu bắt buộc nhằm bảo đảm sinh mạng cho con người và giảm thiểu tổn thất kinh tế do hậu quả động đất Ở Việt Nam, sau khi bộ xây dựng ban hành TCXDVN 375:2006 – Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất, có thể nói việc thiết kế kháng chấn cho công trình

là một trong những bắt buộc và chuẩn mực trong công tác thiết kế hiện nay

Bài báo cáo này trình bày các cách tính tải trọng động đất theo các quy phạm Việt Nam,

và các điều cần quan tâm trong việc thiết kế công trình hiện nay

2 Nội dung báo cáo

Bài báo cáo này gồm những nội dung chính sau: Khái quát các phương pháp tính tải trọng động đất Cách tính động đất theo TCXDVN 375:2006 thông qua các ví dụ tính toán cụ thể Và trong bài báo cáo cũng trình bày cách ứng dụng chương trình máy tính Etabs hỗ trợ cho việc tính toán kháng chấn

1

A Khái quát phương pháp tính toán tải trọng động đất

Tính toán tải trọng động đất có thể được chia thành 2 nhóm: Phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính và phương pháp phi tuyến

1 Phương pháp đàn hồi tuyến tính (Linear analysis) Những hệ quả của tác động động

đất và những hệ quả của các tác động khác kể đến trong thiết kế chịu động đất có thể xác định trên cơ sở ứng xử đàn hồi – tuyến tính của kết cấu

Tùy thuộc vào đặc trưng kết cấu nhà, có thể sử dụng một trong hai phương pháp phân tích đàn hồi – tuyến tính sau:

- Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương: Chỉ áp dụng cho nhà thỏa mãn các điều kiện nhất định về cấu tạo

- Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động: Có thể áp dụng cho mọi loại nhà

2 Phương pháp phi tuyến (Nonliner analysis)

Dần dần được chấp nhận trong công đồng thiết kế chuyên nghiệp như là một phương pháp có thể phát triển để đánh giá sự làm việc của công trình hiện hữu

Hai loại phân tích phi tuyến là:

- Phân tích phi tuyến tĩnh – NSP (Nonlinear Static Procedure, Pushover Procedure)

- Phân tích phi tuyến động – NDP (Linear Dynamic Procedure)

Cả hai phương pháp phân tích phi tuyến này đòi hỏi sự chuẩn bị các mô hình toán phi tuyến của khung nhà Như vậy các vị trí có thể ứng xử phi tuyến (thường gọi là khớp dẻo) trong khung phải được xác định trong mô hình toán Các quan hệ phi tuyến lực – biến dạng phải được lập trước cho từng thành phần khung nhà có khả năng ứng xử phi tuyến

Trong phạm vi báo cáo này, chỉ trình bày cách tính toán thực hành theo nhóm phương pháp đàn hồi – tuyến tính và so sánh giữa các phương pháp đó.

2

B Thực hành tính toán tải trọng động đất tác dụng lên công trình

Sau đây trình bày hai cách phân tích tĩnh lực ngang tương đương và phổn phản ứng dạng dao động cho cùng một bài toán Từ đó đưa ra các nhận xét về kết quả tính

1 Bài toán

Xét bài toán này có mô hình kết cấu thỏa các điều kiện để phân tích bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

- Các chu kì dao động cơ bản T1 theo hai hai hướng nhỏ hơn các giá trị sau:









s

T

0 ,

2

.

4

1

- Thõa mãn nhưng tiêu chí về tình đều đặn theo mặt đứng

3

a Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

Các bảng sau là kết quả tính phân tích chu kì dao động, khối lượng và chuyển vị tầng

Bảng 1 Các chu kì dao động cơ bản

Chu kì dao động

cơ bản (s)

Bảng 2 Khối lượng và chuyển vị tầng theo dao dao động cơ bản

Giả sử cĩ số liệu tính động đất cho cơng trình như sau

1

LOẠI ĐẤT

Gia tốc nền tham

4

Story displacements

Từ đĩ xây dựng phổ phản ứng dạng dao động thiết kế cho cơng trình như sau:

Phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang

0 0.25

0.5

0.75

1 1.25

1.5

1.75

2 2.25

T

Tính lực cắt đáy mĩng thiết kế theo cơng thức sau:





(1)

trong đĩ:

Sd (T1, ) Tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T1;

T1 Chu kỳ dao động cơ bản do chuyển động ngang theo phương đang xét;

 Hệ số hiệu chỉnh, lấy như sau:

  = 0,85 nếu T1  2TC với nhà > 2 tầng;  = 1,0 với các trường hợp

khác

M Tổng khối lượng nhà ở trên mĩng để tính lực cắt đ áy mĩngFb, xác định bằng:















1

i Ei ki 1

j kj

Q G

5

Gk,j - tĩnh tải tính toán thứ j ; Qk,i - hoạt tải tính toán thứ i;

E,i - hệ số tổ hợp tải trọng đối với tác động thay đổi thứ i;

Hoạt tải đặt lên nhà 2  E =  x2

Loại A: Khu vực nhà ở, gia đình 0,3 0,8 0,24

Loại B: Khu vực văn phòng 0,3 0,8 0,24

Loại C: Khu vực hội họp 0,6 0,8 0,48

Loại D: Khu vực mua bán 0,6 1,0 0,6

Loại E: Khu vực kho lưu trữ 0,8 1,0 0,8

Theo phương X

Từ chu kì dao động cơ bản theo phương X: T1x = 1.109, tính được S d(T1X,  )  1 0783 Lực cắt đáy móng:

) ( 7617983 1

7064809 0783

.

Phân phối lực cắt đáy cho các tầng theo công thức sau:

b j j

k k

m s

m s



(3)

Trong đó:

F k lực ngang tác dụng tại tầng thứ k

F b lực cắt đáy do động đất tính theo (1)

s k , s j chuyển vị của các khối lượng mk , mj trong dạng dao động cơ bản

m k , m j khối lượng của các tầng

Từ công thức (2)

và số liệu trong bảng 2, tính được lực ngang phân phối lên tầng như sau:

Bảng 3 Phân phối tải ngang theo phương X lên từng tầng

6

Theo phương Y

Từ chu kì dao động cơ bản theo phương Y: T1Y = 1.509, tính được S d(T1Y,  )  0 7925 Lực cắt đáy móng:

) ( 5598861 1

7064809 7925

.

Bảng 4 Phân phối tải ngang theo phương Y lên từng tầng

7

b Phương pháp phân tích phổ dạng dao động

Theo phương pháp này, phải xét đến tất cả dạng dao động góp phần đáng kể vào phản ứng tổng thể của nhà, trong tính toán thực hành, có thể sử dụng các điều kiện sau:











s 2 , 0

T

n 3

k

k

(4)

trong đó:

k số dạng dao động được xét tới trong tính toán;

n số tầng ở trên móng hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới;

Tk chu kỳ dao động của dạng thứ k (chu kỳ dao động bé nhất được xét đến tính

toán)

Nhà 15 tầng  k  3 15  11 6, chọn k  12 Phân tích với 12 dạng dao động đầu tiên

Bảng 5 Chu kì dao động

Perio

d 1.510 1.297 1.110 0.436 0.375 0.248 0.212 0.189 0.126 0.121 0.110 0.088

Có thể thấy dạng dao động thứ 12 có chu kì 0.008s < 0.2s

Bảng 6 Tải trọng ngang theo phương X lên từng tầng

8

FbX = 5903.8 KN Stoty FkX

TẢI NGANG TƯƠNG ĐƯƠNG PHƯƠNG X

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

KN

Bảng 7 Tải trọng ngang theo phương Y lên từng tầng

9

FbY = 4599.1 KN Stoty

TẢI NGANG TƯƠNG ĐƯƠNG PHƯƠNG Y

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

KN

c So sánh kết quả từ 2 phương pháp

10

TẢI NGANG THEO PHƯƠNG X

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

KN

TĨNH TƯƠNG ĐƯƠNG PHỔ DAO ĐỘNG

TẢI NGANG THEO PHƯƠNG Y

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

KN

TĨNH TƯƠNG ĐƯƠNG PHỔ DAO ĐỘNG

2 Một số nhận xét

11

Từ kết quả phân tích trên cụ thể cho công trình trên, có một số nhận xét như sau:

- Có sự sai khác về kết quả tính theo 2 phương pháp trên

Bảng 8 So sánh lực cắt đáy

FbX 7618.0 5903.8 22.5

FbY 5598.9 4599.1 17.9

Phương pháp

- Quy luật phân phối tải ngang lên từng tầng theo hai phương pháp là rất khác nhau, theo phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương, tải ngang phân bố lên từng tầng có dạng tăng gần tuyến tính, còn theo phương pháp phân tích phổ dao động thì không

TÀI LIỆU THAM KHẢO

12

1 Hồ Hữu Chỉnh Bài giảng môn kết cấu bê-tông nâng cao, chương trình cao học XDDDCN ĐHBK TP Hồ Chí Minh

2 TCXDVN 375 -2006 Thiết kế công trình chịu động đất

13

14

15

PHỤ LỤC

Các số liệu về chu kì dao động, khối lượng công trình, chuyển vị tầng ứng với các dạo dao động, lực cắt tầng trong tính toán trên lấy từ kết quả xuất ra của chương trình Etabs.

16