Ảnh hưởng của bề rộng tiết diện dầm giảm yếu đến phản ứng với động đất của một khung thép đặc biệt ba tầng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM  NGUYỄN VĂN THI ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ RỘNG TIẾT DIỆN DẦM GIẢM YẾU ĐẾN PHẢN ỨNG VỚI ĐỘNG ĐẤT CỦA MỘT KHUNG THÉP... BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM



NGUYỄN VĂN THI

ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ RỘNG TIẾT DIỆN DẦM GIẢM YẾU ĐẾN PHẢN ỨNG VỚI ĐỘNG ĐẤT CỦA MỘT KHUNG THÉP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM



NGUYỄN VĂN THI

ẢNH HƯỞNGCỦA BỀ RỘNG TIẾT DIỆN DẦM GIẢM YẾU ĐẾN PHẢN ỨNG VỚI ĐỘNG ĐẤT CỦA MỘT KHUNG THÉP

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

5 PGS.TS Dương Hồng Thẩm Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN THI Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08/10/1989 Nơi sinh: Bình Định

công trình dân dụng và công nghiệp

I Tên đề tài

Ảnh hưởngcủa bề rộng tiết diện dầm giảm yếu đến phản ứng với động đất

của một khung thép đặc biệt ba tầng

II Nhiệm vụ và nội dung

1 Nhiệm vụ

Nghiên cứu phản ứng động đất của tòa nhà 3 tầng nhà có khung moment thép đặc biệt (Special Moment Resisting Frame - SMRF) với dầm có nhiều trường hợp mặt cắt giảm yếu khác nhau (Reduced Beam Section – RBS)

2 Nội dung

1) Khảo sát mô hình bằng phương pháp phân tích động, phạm vi khảo sát

cả trong và ngoài miền đàn hồi với tổng số lần khảo sát là 660 lần

2) Từ các trường hợp giảm yếu ta đi tìm các đặc trưng dao động (gia tốc, chuyển vị) của các tầng khác nhau ứng với từng tác động dao động nền của các trận động đất khác nhau, được mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng OpenSees từ đó đi đánh giá và phân tích

3) Xác định và phân tích lực cắt tầng theo tuyến tính và phi tuyến sau đó

so sánh kết quả tính toán với tiêu chuẩn TCVN 9368:2012, ASCE 7-10 4) Tìm lực tới hạn của khung moment thép đặc biệt (Special Moment Resisting Frame - SMRF) qua các lần giảm yếu mặt cắt dầm

5) Kết luận và kiến nghị trong giới hạn nghiên cứu

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Đồng thời, các thông tin trích dẫn trong Luận văn đƣợc tôn trọng và

đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

NGUYỄN VĂN THI

LỜI CẢM ƠN

Công trình nghiên cứu này được thực hiện hơn mười tám tháng, trong quá trình thực hiện đề tài, nếu không có sự giúp đỡ thầy Đào Đình Nhân và các bạn trong nhóm thì không có kết quả này

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy trong Khoa xây dựng cũng như các thầy đã dạy em những môn học vừa qua

Đặc biệt, luận văn này em xin chân thành cảm ơn thầy Đào Đình Nhân Cảm

ơn thầy với lòng nhiệt huyết, thầy truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm bổ ích

để em hoàn thành bài viết này

Em cũng rất mong sự góp ý chân thành đến từ Hội đồng khoa học để bài luận này có thể được hiệu chỉnh hoàn thiện hơn

NGUYỄN VĂN THI

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài : Ảnh hưởng của bề rộng tiết diện dầm giảm yếu đến phản ứng với động

đất của một khung thép đặc biệt ba tầng

Từ khóa: Dầm giảm yếu tiết diện, động đất, khung mô men, phi tuyến

Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu phản ứng động đất của tòa nhà 3 tầng nhà có khung mô men thép đặc biệt có độ lệch tâm khối lượng 0,05 theo phương cạnh dài Phản ứng của kết cấu ứng với nhiều trường hợp giảm yếu tiết diện dầm khác nhau được khảo sát Mô hình kết cấu được phân tích bằng phương pháp phân tích động trong miền thời gian, phạm vi khảo sát cả trong và ngoài miền đàn hồi Tổng số lần phân tích đáp ứng động của kết cấu với các băng gia tốc 1320 lần

Công trình dùng cho khảo sát đã được thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ Mô hình 3D của kết cấu được xây dựng trong phần mềm mô phỏng chuyên dụng cho ngành Kỹ Thuật Động Đất, phần mềm OpenSees Mô hình được phân tích cho 60 băng gia tốc đại diện cho 3 cấp độ động đất khác nhau Các đại lượng phản ứng được xem xét gồm gia tốc sàn, chuyển vị tầng tương đối và lực cắt tầng Kết quả khảo sát cho thấy việc giảm yếu bề rộng tiết diện dầm đến 50% không ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng động của công trình trong tất cả các cấp động đất đã khảo sát Cụ thể, trong đáp ứng với cấp động đất có chu kỳ lặp 2475 năm, gia tốc sàn trung bình giảm 15%, 12.7% và 9% tại các sàn 2, 3 và mái; chuyển vị tầng tương đối giảm ở tầng 1 là 14%, tăng dần ở tầng 2 và tầng 3 lần lượt là 7%, 2% Khi tiết diện dầm giảm yếu xuống 50%, cường độ của công trình giảm xuống còn 80% so với khi không giảm tiết diện Kết quả khảo sát cho thấy khi giảm yếu tiết diện bé hơn 25%, cường độ kết cấu giảm khá chậm Ngoài ra, một phần khảo sát của luận văn còn cho thấy

công thức phân phối lực tĩnh ngang tương đương của động đất lên các sàn của tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam phù hợp tốt với phản ứng động khi kết cấu làm việc tuyến tính Khi kết cấu làm việc phi tuyến, việc phân phối lực tĩnh ngang theo tiêu chuẩn có phần sai lệch so với kết quả phản ứng động phân tích theo lịch sử thời gian Tuy nhiên, việc sai lệch của các tiêu chuẩn là thiên về an toàn

responses of a 3-story steel special moment frame building

Keywords: Reduced beam section, earthquake, moment frame, nonliear

Contents:

The seismic responses of a 3-story steel special moment frame building with 5% mass eccentricity was studied The structural responses corresponding to several reduced flange width of the I-shape beam was investigated Both linear and nonliear responses of the structural model were dynamically analyzed in time domain A total number of 1320 trials was dynamically analyzed

The analyzed building was code-designed per USA standards The 3D model of the building was developed in OpenSees, a software for earthquake engineering simulation 60 pairs of ground motions representing 3 earthquake levels was applied

to the model The structural responses in consideration include floor acceleration, story drift and story shear The analysis results show that the reduction of flange width of beams up to 50% does not significantly affect the structural responses Specifically, in the responses to 2475 years return period earthquakes, floor acceleration decreases 15%, 12,7% and 9% at floors 2, 3 and roof, respectively The story drift decreases 14% at story 1, increases 7% and 2% at story 2 and 3 When the flange width reduces to 50%, the lateral strength of the structure reduces to 80% of the strength of the full beam section structure It was observed that the lateral strength reduces slowly when the reduction of beam width is smaller than 25%

Another important part of the investigation was to compare the equivalent lateral earthquake load distribution computed from codes to the effective lateral load analyzed from time history responses of the model The analysis indicates that the equivalent lateral load distribution computed from Vietnamese code and the ASCE 7

matches well with the effective earthquake load analyzed from the time history response in the linear model For the nonlinear model, the code’s distribution is significantly different from the time history’s distribution However, the code’s distribution leans to the safer side

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN vi

ABSTRACT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xiv

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU 1

-1.1 GIỚI THIỆU 1

-1.2 MỤC TIÊU 5

-1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 6

-1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ KỸ THUẬT ÁP DỤNG 6

1.4.1 Phương pháp giải quyết vấn đề 6

1.4.2 Phần mềm áp dụng 6

-1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7

-1.6 ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI 7

-1.7 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN 7

1.7.1 Ý nghĩa khoa học 7

1.7.2 Ý nghĩa thực tiễn 7

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 8

2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NƯỚC NGOÀI 8

2.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 20

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21

-3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT 21

3.1.1 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương 21

3.1.2 Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian 24

3.1.3 Phương pháp chồng chất mode (phổ phản ứng) 25

-3.2 ĐÁNH GIÁ CÔNG TRÌNH THEO PHƯƠNG PHÁP (PUSHOVER) 27

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHẢO SÁT 29

-4.1 GIỚI THIỆU KẾT CẤU VÀ ĐẶC TRƯNG MÔ HÌNH 29

-4.2 CÁCH XÂY DỰNG MÔ HÌNH 31

-4.3 KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH 32

-4.4 TẦN SUẤT ĐỘNG ĐẤT VÀ BĂNG GIA TỐC 33

-CHƯƠNG 5: ẢNH HƯỞNG CỦA TIẾT DIỆN DẦM GIẢM YẾU ĐẾN PHẢN ỨNG CỦA HỆ KHUNG THÉP DƯỚI TẢI ĐỘNG ĐẤT 37

-5.1 CÁC TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT 37

-5.2 CÁCH XỬ LÝ KẾT QUẢ 39

5.2.1 Gia tốc 39

5.1.2 Chuyển vị 52

-CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ LỰC CẮT TẦNG THEO PHƯƠNG PHÁP SỐ VÀ LỰC TĨNH TƯƠNG ĐƯƠNG 70

6.1 CÁC TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT 70

6.2 XỬ LÝ SỐ LIỆU 71

-6.2.1 Lực cắt tầng và lực quán tính theo phương pháp tích phân số trực tiếp trong miền thời gian, thuật toán Newmark 71

-CHƯƠNG 7: ẢNH HƯỞNG CỦA TIẾT DIỆN DẦM GIẢM YẾU ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CỦA HỆ KHUNG THÉP ĐẶC BIỆT THEO PHƯƠNG PHÁP PUSHOVER 81

7.1 CÁC TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT 81

7.2 XỬ LÝ SỐ LIỆU 81

7.3 KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

-DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Đặc trưng hình học của mặt cắt dầm giảm yếu 17

Bảng 4.1: Các đặc trưng mặt cắt dầm cột khung thép đặc biệt 30

Bảng 4.2: Các đặc trưng mặt cắt dầm cột khung trung gian 31

Bảng 4.3: Xác suất động đất xảy ra 50/50 năm, chu kỳ lặp lại là 72 năm 33

Bảng 4.4: Xác suất động đất xảy ra 10/50 năm, chu kỳ lặp lại là 475 năm 34

Bảng 4.5: Xác suất động đất xảy ra 2/50 năm, chu kỳ lặp lại là 2475 năm 35

Bảng 5.1: Bảng giá trị mặt cắt dầm giảm yếu 37

Bảng 5.2: Bảng tính số lượng mẫu khảo sát 38

Bảng 5.3: Bảng Chu kỳ của hệ sau các lần giảm yếu 38

Bảng 5.4: Bảng gia tốc tầng ứng với % tiết diện dầm giảm yếu (Gia tốc nền 50%) 46

Bảng 5.5: Bảng gia tốc tầng ứng với % tiết diện dầm giảm yếu (Gia tốc nền 20%) 47

Bảng 5.6: Bảng gia tốc tầng ứng với % tiết diện dầm giảm yếu (Gia tốc nền 2%) 48

-Bảng 5.7: -Bảng chuyển vị tầng tương đối theo phương X với % tiết diện dầm giảm yếu (Gia tốc nền 50%) 59

-Bảng 5.8: -Bảng chuyển vị tầng tương đối theo phương X với % tiết diện dầm giảm yếu (Gia tốc nền 20%) 59

-Bảng 5.9: -Bảng chuyển vị tầng tương đối theo phương X với % tiết diện dầm giảm yếu (Gia tốc nền 2%) 60

-Bảng 5.10: -Bảng chuyển vị tầng tương đối theo phương Y với % tiết diện dầm giảm yếu (Gia tốc nền 50%) 64

-Bảng 5.11: -Bảng chuyển vị tầng tương đối theo phương Y với % tiết diện dầm giảm yếu (Gia tốc nền 20%) 64

-Bảng 5.12: -Bảng chuyển vị tầng tương đối theo phương Y với % tiết diện dầm giảm

yếu (Gia tốc nền 2%) 65

Bảng 6.1: Lực cắt và lực quán tính theo phương X tính theo phương pháp số 71

Bảng 6.2: Lực cắt và lực quán tính theo phương Y tính theo phương pháp số 72

Bảng 6.3: Khối lượng và chiều cao tầng tương ứng 73

-Bảng 6.4: Lực cắt và lực quán tính theo phương X tính theo phương pháp tĩnh lực trong TCVN 73

-Bảng 6.5: Lực cắt và tĩnh lực theo phương Y tính theo phương pháp tĩnh lực trong TCVN 74

-Bảng 6.7: Lực cắt và lực quán tính theo phương X tính theo phương pháp tĩnh lực trong ASCE 75

-Bảng 6.8: Lực cắt và tĩnh lực theo phương Y tính theo phương pháp tĩnh lực trong ASCE 75

Bảng 7.1: Mối quan hệ Lực – Tiết diện giảm yếu 83

-DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Loại động đất (Marshak 2007) 2

-Hình 1.2: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình Community Hospital Sylmar (1971 ở San Fernando) 3

-Hình 1.3: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình San Fernado Valley Apartment Damage (1971 ở San Fernando) 4

-Hình 1.4: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình Health Clinic Damage (1971 Northridge California) 4

Hình 2.1: Tòa nhà Home insurance tại Chicago (Nguồn NIST GCR 099173) 9

Hình 2.2: Liên kết các tấm thép với nhau bằng bản mã và đinh tán 9

Hình 2.3: Liên kết tại các góc bằng mặt bích và Riveted 10

Hình 2.4: Sử dụng liên kết hàn và bulted được ứng dụng từ 19701994 10

Hình 2.5: Liên kết bị phá vỡ trong trận động đất Northridge earthquake 12

-Hình 2.6: Formation of a single story frame mechanism,also termed a "weak story" mechanism 13

-Hình 2.7: Idealized sidesway mechanism intended forcolumns with strong-column / weakbeam design 13

Hình 2.8: Loại liên kết điển hình trước khi trận động đất Northridge 15

Hình 2.9: Loại liên kết giảm yếu của dầm sau trận động đất Northridge 15

Hình 2.10: Các loại mặt cắt giảm yếu 16

Hình 2.11: Bán kính cắt của dầm giảm yếu 17

-Hình 2.12: Mô hình dầm và cột tuyệt đối cứng với bề rộng dầm giảm yếu bị biến dạng 18

-Hình 2.13: Dự đoán sự phân bố ứng suất từ mô hình fiber và phương pháp phần tử

hữu hạn cho mặt cắt dầm giảm yếu 18

Hình 2.14: Liên kết dầm và cột bằng liên kết hàn và bulon có khe hở 19

Hình 3.1: Lực ngang tại mỗi tầng được sử dụng ELFM 21

Hình 3.2: Chuyển vị tầng theo ASCE710 24

Hình 3.3: Phổ phản ứng gia tốc Phổ phẳng 27

Hình 3.4: Phổ phản ứng gia tốc Phổ hyperbol 27

Hình 4.1: Mô hình khung moment đặc biệt 3 tầng [34] 29

Hình 4.2: Mặt cắt giảm yếu của dầm 30

Hình 4.3: Các thông số giảm yếu trong mô hình 32

Hình 5.1 Chu kỳ X, Y xoắn theo phương z qua các lần giảm yếu tiết diện 39

-Hình 5.2: Gia tốc của 20 trường hợp chu kỳ động đất 72 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 5% 40

-Hình 5.3: Gia tốc của 20 trường hợp chu kỳ động đất 72 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 50% 41

-Hình 5.4: Gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn của 20 trường hợp chu kỳ động đất 72 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 5% 41

-Hình 5.5: Gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn của 20 trường hợp chu kỳ động đất 72 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 50% 42

-Hình 5.6: Gia tốc của 20 trường hợp chu kỳ động đất 475 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 5% 43

-Hình 5.7: Gia tốc của 20 trường hợp chu kỳ động đất 475 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 50% 43

-Hình 5.8: Gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn của 20 trường hợp chu kỳ động đất 475 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 5% 44

-Hình 5.9: Gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn của 20 trường hợp chu kỳ động đất

475 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 50% 44

-Hình 5.10: Gia tốc của 20 trường hợp chu kỳ động đất 2.475 năm với mặt cắt dầm

giảm yếu 5% 45

-Hình 5.11: Gia tốc của 20 trường hợp chu kỳ động đất 2.475 năm với mặt cắt dầm

giảm yếu 50% 45

-Hình 5.12: Gia tốc trung bình và độ lêch chuẩn của 20 trường hợp chu kỳ động đất

2.475 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 5% 46

-Hình 5.13: Gia tốc trung bình và độ lêch chuẩn của 20 trường hợp chu kỳ động đất

2.475 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 50% 46

Hình 5.14: Gia tốc trung bình của 10 lần giảm yếu tiết diện của băng gia tốc 72 năm 48 Hình 5.15: Gia tốc trung bình của 10 lần giảm yếu tiết diện của băng gia tốc 475

với mặt cắt giảm yếu 5% 53

-Hình 5.22: Chuyển vị tầng theo phương x của 20 băng gia tốc trường hợp 72 năm

với mặt cắt giảm yếu 50% 53

-Hình 5.23: Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của 20 băng gia tốc trườn hợp 72

năm với mặt cắt giảm yếu 5% 54

-Hình 5.24: Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của 20 băng gia tốc trường hợp 72

năm với mặt cắt giảm yếu 50% 54

-Hình 5.25: Chuyển vị tầng theo phương x của 20 băng gia tốc trường hợp 475 năm

với mặt cắt giảm yếu 5% 55

-Hình 5.26: Chuyển vị tầng theo phương x của 20 băng gia tốc trường hợp 475 năm

với mặt cắt giảm yếu 50% 55

-Hình 5.27: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trường hợp 475

năm với mặt cắt giảm yếu 5% 56

-Hình 5.28: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trường hợp 475

năm với mặt cắt giảm yếu 50% 56

-Hình 5.29: Chuyển vị tầng theo phương x của 20 băng gia tốc trường hợp 2.475

năm với mặt cắt giảm yếu 5% 57

-Hình 5.30: Chuyển vị tầng theo phương x của 20 băng gia tốc trường hợp 2.475

năm với mặt cắt giảm yếu 50% 57

-Hình 5.31: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trường hợp 2.475

năm với mặt cắt giảm yếu 5% 58

-Hình 5.32: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trường hợp 2.475

năm với mặt cắt giảm yếu 50% 58

-Hình 5.33: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trường hợp 72 năm

với 10 lần giảm yếu theo phương X 61

-Hình 5.34: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trường hợp 475

năm với 10 lần giảm yếu theo phương X 61

-Hình 5.35: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trường hợp 2.475

năm với 10 lần giảm yếu theo phương X 62

-Hình 5.36: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và chuyển vị với cấp độ

động đất 72 năm qua các tầng theo phương X 62

-Hình 5.37: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và chuyển vị với cấp độ động đất 475 năm qua các tầng theo phương X 63

-Hình 5.38: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và chuyển vị với cấp độ động đất 2.475 năm qua các tầng theo phương X 63

-Hình 5.39: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trường hợp 72 năm với 10 lần giảm yếu theo phương Y 66

-Hình 5.40: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trường hợp 475 năm với 10 lần giảm yếu theo phương Y 66

-Hình 5.41: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trường hợp 2.475 năm với 10 lần giảm yếu theo phương Y 67

-Hình 5.42: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và gia tốc trường hợp 72 năm qua các tầng theo phương Y 67

-Hình 5.43: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và gia tốc trường hợp 475 năm qua các tầng theo phương Y 68

-Hình 5.44: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và gia tốc trường hợp 2.475 năm qua các tầng theo phương Y 68

Hình 6.1: Lực tĩnh theo phương X tuyến tính 76

Hình 6.2: Lực tĩnh theo phương Y tuyến tính 76

Hình 6.3: Lực tĩnh theo phương X phi tuyến 77

Hình 6.4: Lực tĩnh theo phương Y phi tuyến 77

Hình 6.5: Lực cắt tầng theo phương X tuyến tính 78

Hình 6.6: Lực cắt tầng theo phương X phi tuyến 79

Hình 6.6: Lực cắt tầng theo phương Y tuyến tính 79

Hình 6.6: Lực cắt tầng theo phương Y phi tuyến 80

Hình 7.1: Lực và chuyển vị tương đối tầng 1 82

Hình 7.2: Lực và chuyển vị tương đối tầng 2 82

Hình 7.3: Lực và chuyển vị tương đối tầng 3 83

Hình 7.4: Lực gây sụp đổ và tiết diện giảm yếu tầng 1 84

-CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU

1.1 GIỚI THIỆU

Mặc dù động đất là một trong những loại thiên tai gây thiệt hại nặng nề nhất cho nhân loại từ xa xưa Tuy nhiên, việc thiết kế chống động đất mới chỉ được đặt nền tảng trong khoảng 150 năm trở lại đây (M C Richard, 2009) Đặc biệt, kể từ khi những tiến bộ trong kỹ thuật chống động đất được tổng hợp lại bởi ATC (Applied Technology Council, Mỹ), ngành kỹ thuật chống động đất mới bước vào giai đoạn phát triển rực rỡ Kể từ đó, những biện pháp chống động đất hiệu quả lần lượt được phát minh

Trận động đất đầu tiên được ghi lại tại Hoa Kỳ xảy ra vào ngày 11 tháng 6 năm 1638 Sau 25 năm trận động đất năm 1663 đã gây ra sạt lở trên một diện tích rộng 750.000 dặm Đến cúi thế kỷ thứ XIX và đầu thế kỷ XX nhận thấy sự thiệt hại nặng nề này các nhà nghiên cứu có một sự quan tâm hơn về động đất Một số quy định về thiết kế chịu động đất trong tiêu chuẩn được phát triển từ năm 1920 và

1930, lúc này tiêu chuẩn quy định áp dụng lực động đất xấp xỉ bằng 10% khối lượng của công trình Tuy nhiên, đến năm 1960 đã có sự hiểu biết hơn về gia tốc nền từ đó áp dụng phản ứng động để thiết kế công trình chịu động đất Đến năm

1974, Hội đồng Công nghệ ứng dụng (ATC) đã đưa ra tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất Trong tiêu chuẩn này đã đưa ra một số phương pháp xác định gia tốc nền tính toán lực địa chấn Cho đến nay tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất trên khắp thế giới đã đạt đến trình độ phát triển rất cao

Nguyên nhân phổ biến nhất của động đất là sự di chuyển của lớp vỏ trái đất Tại ranh giới của những tấm vỏ, bằng những sự va chạm nhau gây nên đứt gãy hoặc nứt trên bề mặt trái đất Dưới đây là một số loại va chạm của lớp vỏ trái đất:

Hình 1.1: Loại động đất (Marshak 2007)

Động đất có thể do thiên nhiên hoặc nhân tạo Nguyên nhân phổ biến nhất của động đất là sự di chuyển của lớp vỏ trái đất hay núi lửa phun trào Bên cạnh đó, sự sạt lỡ đất hoặc sự gây nổ dưới lòng đất hay khai thác mỏ do con người tạo nên cũng

có thể gây ra động đất nhẹ… Theo Marshak (2007) thì có khoảng một triệu trận động đất lớn nhỏ xảy ra hàng năm trên toàn thế giới trong đó có nhiều trận gây tổn thất nặng nề Đó cũng là nguyên nhân mà các nhà nghiên cứu đã đi sâu vào tìm hiểu công trình chịu động đất để đảm bảo cuộc sống cho con người và tài sản cho xã hội ngày càng phát triển mạnh trên toàn thế giới Các báo cáo gần đây về thiệt hại do động đất gây ra đã cho thấy rằng, sự làm việc không đồng bộ của các phần tử dầm, cột tại những vị trí nút của khung là một trong những nguyên dẫn đến sự hư hỏng và sụp đổ công trình

Đã có nhiều nghiên cứu cho thấy rằng sự làm việc không đồng bộ này gây nên

sự phá hoại công trình, như là trận động đất năm 1971 ở San Fernando (Hart et al, 1975), năm 1985 ở Mexico (Rosenbleuth and Meli, 1986; Esteva, 1987), năm 1985

ở Loma Prieta (Mitchell et al, 1990), năm 1990 ở Philippines (Booth et al, 1991), năm 1994 ở Northridge earthquake (Mitchell et al, 1995) và năm 1995 ở Kobe (Mitchell et al, 1996) Những sự kiện này dẫn tới sự quan tâm đặc biệt trong nghiên cứu về ảnh hưởng của liên kết tại các nút khung đến phản ứng của hệ kết cấu khi có động đất

Hình 1.2: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình Community Hospital

Sylmar (1971 ở San Fernando)

Hình 1.3: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình San Fernado Valley

Apartment Damage (1971 ở San Fernando)

Hình 1.4: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình Health Clinic Damage

(1971 Northridge - California)

Từ những quan sát thực tế, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cơ chế sập tầng

mềm (solft story mechanism) là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự sụp đổ của toàn bộ

công trình Để đánh giá nghiêm túc hiện tượng này, nhiều nghiên cứu chi tiết về liên kết giữa dầm và cột đã được thực hiện Qua nhiều lần thí nghiệm người ta nhận thấy rằng để tránh được hiện tượng sụp tầng mềm và đảm bảo được liên kết tại các nút thì việc sử dụng khung thép chịu uốn đặc biệt (Special Moment Resisting Frame - SMRF) là một trong những lựa chọn tốt nhất (Ronald O Hamburger, 2009) Sau trận động đất tại Northridge năm 1994 và tại Kobe năm 1995, hàng loạt tòa nhà khung thép đã bị sụp đổ do bị phá hoại giòn tại liên kết dầm - cột Từ đó liên kết dầm cột được quan tâm đặc biệt hơn Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng việc sử dụng dầm giảm yếu tiết diện (reduced beam section, RBS) đã bảo vệ được liên kết giữa dầm và cột, từ đó làm tăng độ dai (ductility) cho khung thép đặc biệt (Lee,

C and Kim, J., 2007)

Hiện nay nhiều tiêu chuẩn thiết kế tiên tiến cho phép giảm bề rộng tiết diện dầm tối đa đến 50% Tuy nhiên, nhiều kỹ sư khi thiết kế thực tế đã không sử dụng hết độ giảm này vì lo sợ sẽ ảnh hưởng đến phản ứng động cũng như độ an toàn của

công trình Đề tài “Ảnh hưởng của bề rộng tiết diện dầm giảm yếu đến phản

ứng với động đất của một khung thép đặc biệt ba tầng’’ này ra đời nhằm khảo

sát ảnh hưởng của việc giảm bề rộng tiết diện dầm đến phản ứng động cũng như cường độ của một công trình cụ thể nhằm giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn, phục vụ cho việc thiết kế kháng chấn một cách có hiệu quả

1.2 MỤC TIÊU

Mục tiêu chung của việc nghiên cứu đề tài là tìm hiểu phản ứng của khung thép đặc biệt 3 tầng (Special Moment Resisting Frame - SMRF),có mặt cắt dầm giảm yếu (Reduced Beam Section – RBS) với các mức độ giảm yếu khác nhau

Các dữ liệu phản ứng thu được từ khảo sát sẽ được đưa vào Matlab xử lý Từ đó rút ra những kết luận cần thiết cho công tác thiết kế công trình chịu động đất trong phạm vi nghiên cứu này

Những nội dung khảo sát chính gồm:

- Xác định chuyển vị của hệ khung theo các phương chính khi chịu tác động

của các cấp độ động đất khác ứng với từng trường hợp mặt cắt dầm giảm yếu

- Xác định gia tốc của hệ khung ứng với cấp độ động đất và số lần mặt cắt dầm giảm yếu

- Đánh giá lực cắt tầng của hệ khung thép đặc biệt chịu động đất theo kết quả phân tích đáp ứng theo thời gian và phương pháp lực tĩnh tương đương

- Xác định ngưỡng giới hạn của hệ khung moment thép đặc biệt theo phương pháp Pushover

Từ các kết quả ghi nhận được sẽ phân tích ảnh hưởng của mặt cắt dầm giảm yếu đến phản ứng và cường độ của khung mô men thép đặc biệt 3 tầng

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Các nội dung và hoạt động nghiên cứu để giải quyết bài toán trong luận văn này bao gồm:

- Tổng quan tài liệu, các khái niệm, cơ sở lý thuyết

- Giả thiết mô hình nghiên cứu và cách xây dựng mô hình

- Khảo sát mô hình ứng với từng mặt cắt dầm giảm tiết diện

- Phân tích dữ liệu cho từng trường hợp dầm giảm yếu và từng cấp độ động đất

- Thảo luận và kết luận

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ KỸ THUẬT ÁP DỤNG

1.4.1 Phương pháp giải quyết vấn đề

Đề tài nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở phân tích mô hình số của một kết cấu cụ thể Mô hình kết cấu được xây dựng trong một phần mềm chuyên dụng cho ngành kỹ thuật động đất Các kết quả số được tổng hợp, đánh giá bằng chương trình Matlab

1.4.2 Phần mềm áp dụng

Các phần mềm ứng dụng để mô phỏng, tính toán xử lý số liệu, đồ họa, phân tích

thống kê như Openseess, Matlab hoặc phần mềm tương đương

1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Phạm vi nghiên là khảo sát mô hình khung thép đặc biệt 03 tầng chịu động đất, dùng phương pháp phân tích động, hệ làm việc cả trong và ngoài miền đàn hồi

1.6 ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI

Đánh giá tác động của mặt cắt dầm giảm đến ứng xử của công trình Từ đó đưa

ra các kiến nghị liên quan đến việc giảm bề rộng của tiết diện dầm Việc phân tích chi tiết kết quả phản ứng của công trình được khảo sát sẽ giúp cho các kỹ sư thiết kế kháng chấn có thể lựa chọn phương án tối ưu cho công trình góp phần giảm thiệt hại

về kinh tế cũng như con người khi xảy ra động đất

1.7 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Khung mô men thép đã được sử dụng làm kết cấu cho các công trình chịu động đất hơn 100 năm nay Kể từ khi nó được đưa vào sử dụng, nhiều phát kiến, cải tiến để nâng cao khả năng chịu động đất của khung mô men đã được thực hiện Sau trận động đất Northridge 1994, người ta nhận thấy nguyên nhân chủ yếu gây nên sự sụp đổ của các khung mô men là do các liên kết giữa dầm và cột bị phá hoại Từ đó các nghiên cứu về chi tiết liên kết tại nút khung được quan tâm đặc biệt Sau nhiều nghiên cứu và thí nghiệm chi tiết, người ta đã cho ra đời một loại khung thép đặc biệt có độ dai cao trên cơ sở bảo vệ cột và các nút khung Khung mô men đặc biệt với tiết diện dầm giảm yếu được ra đời từ đó

2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NƯỚC NGOÀI

Tòa nhà đầu tiên được xây dựng bằng khung nhà thép là tòa nhà Home Insurance tại Chicago với kết cấu 10 tầng được xây dựng từ năm 1984 với chiều cao

138 ft và là tòa nhà cao tầng đầu tiên của thế giới (Hình 2.1) Kể từ đó, các khung thép bắt đầu được phổ biến cho các công trình Khung thép ở thế hệ đầu tiên này được bao bọc bởi bê tông, gạch hoặc một vật liệu đặc trưng để đáp ứng khả năng chống cháy

Hình 2.1: Tòa nhà Home insurance tại Chicago (Nguồn NIST GCR 09-9173)

Nguyên lý thiết kế này phổ biến cho xây dựng nhà cao tầng đến năm 1930 Cấu tạo của khung ở thời điểm này là các cấu kiện hình chữ H đƣợc cấu tạo từ các bản thép liên kết với nhau tại công trình (Hình 2.2)

Hình 2.2: Liên kết các tấm thép với nhau bằng bản mã và đinh tán

Sau chiến tranh thế giới thứ hai thì liên kết nhƣ trên không còn kinh tế và thẩm mỹ Lúc này các kỹ sƣ không thiết kế liên kết bằng bản mã và đinh tán mà bắt đầu đƣa ra liên kết bằng mặt bích (Hình 2.3)

Hình 2.3: Liên kết tại các góc bằng mặt bích và Riveted

Đến năm 1950 thì liên kết hàn bắt đầu đưa vào việc xây dựng công trình Tại những vị trí góc hoặc mép thay thế các bản bích bằng liên kết hàn Đến năm 1960 thì liên kết đinh tán không còn được đưa vào sử dụng nữa và thay thế bằng các đường hàn cường độ cao (Hình 2.4)

Hình 2.4: Sử dụng liên kết hàn và bulted được ứng dụng từ 1970-1994

Trong những năm 1960 và 1970 giáo sư Egor Popov tại Đại học California ở Berkeley và các nhà nghiên cứu khác bắt đầu thực hiện thí nghiệm và phát hiện ra rằng kết cấu với liên kết như trên không làm việc phi tuyến khi có động đất xảy ra Trong suốt những năm 1970 và 1980 đã có một số đề nghị thiết kế liên kết đặc biệt cho kết cấu khung tại những vùng có nguy cơ động đất cao Đến năm 1988 thì khung momen đặc biệt đã được đưa vào trong tiêu chuẩn xây dựng dựa trên những nghiên cứu trước đó

Ban đầu các tiêu chuẩn quy định tại các vị trí liên kết cần phải được gia cường để tăng khả năng chịu lực Trong tiêu chuẩn ACSE 7, §12.8 thì công thức thiết kế công trình chịu động đất thêm và hệ số “R” để phản ánh được mức độ làm việc phi tuyến của kết cấu phụ thuộc vào cấp độ động đất thiết kế Ngoài khả năng chịu động đất, khung momen thép đặc biệt còn cho phép vượt nhip lớn Để hạn chế

cơ cấu sụp tầng mềm, một số nghiên cứu đã đề xuất nguyên tắc thiết kế dầm yếu cột khỏe (strong columns weak beams) Bằng các cấu tạo phù hợp thì một số kết quả nghiên cứu đã đưa ra giá trị R = 8 với ý nghĩa cường độ thiết kế phi tuyến bằng 1/8 cường độ của thiết kế đàn hồi

Các yêu cầu cần thiết của khung mô men đặc biệt theo tiêu chuẩn AISC 341

để đáp ứng được khả năng làm việc phi tuyến của kết cấu thì phải đáp ứng được 3 tiêu chí sau:

- Phải đạt được cột khỏe/dầm yếu thì phản ứng ngoài miền đàn hồi cao hơn

- Tránh sự mất ổn định do hiệu ứng P-delta theo tải trọng đứng và tải trọng ngang do động đất gây ra

- Các chi tiết thiết kế cho phép tại những vị trí có ứng suất tập trung phải biến dạng dẻo

Sau trận động đất Northridge năm 1994 tại khu vực Los Angeles thì các nhà nghiên cứu thấy rằng tại các vị trí liên kết hàn dầm và cột có xuất hiện khe nứt (Hình 2.5)

Hình 2.5: Liên kết bị phá vỡ trong trận động đất Northridge earthquake

Và các hiện tượng tương tự cũng được phát hiện trong trận động đất Kobe năm 1995 tại Nhật Bản Từ đó một số nhà nghiên cứu tìm hiểu nguyên nhân của sự phá hoại giòn Trong số đó các nghiên cứu này thì nghiên cứu được SAC tài trợ với

12 triệu USD thực hiện trong vòng 8 năm là nghiên cứu có quy mô lớn nhất Kết quả của nghiên cứu này đã được đưa vào tiêu chuẩn AISC 341, AISC 358, và AWS D1.8 với các nội dung chủ yếu như sau:

Để tránh được sự mất ổn đinh P-delta trong kết cấu nhà cao tầng thì điều quan trọng đầu tiên là phải tránh trường hợp sập tầng đơn do phản ứng không đàn hồi tại các vị trí đỉnh cột và chân cột (Hình 2.6) Khi cơ cấu sụp tầng mềm xảy ra các bộ phận của công trình trôi dạt về một bên lúc này hiện tượng P-delta rất lớn

Hình 2.6: Formation of a single story frame mechanism,also termed a "weak

Hình 2.7: Idealized sidesway mechanism intended forcolumns with

strong-column / weak-beam design

Phương trình thể hiện mối quan hệ dầm khỏe cột yếu E3-1 tại vị trí liên kết dầm và cột:

*

pc pb

độ cứng ngang của dầm và bảo vệ nút khung nhưng vẫn cho phép nó chảy dẻo trong trường hợp cần thiết, các liên kết kiểu mới đã được ra đời [2],[3] Các liên kết nhìn chung đều tập trung vào hai đặc điểm chính đó là tăng cường liên kết bằng cách tăng cường bản mã, sườn ngang hoặc giảm bản cánh tiết diện dầm tại vị trí cách mặt bên cột một khoảng cách ngắn mục đích nhằm để đảm bảo liên kết tại các vị trí nút khung

Hình 2.8: Loại liên kết điển hình trước khi trận động đất Northridge

Hình 2.9: Loại liên kết giảm yếu của dầm sau trận động đất Northridge

Khái niệm về sự giảm yếu đƣợc đề xuất bởi Plumier [4],[5] Nhiều mặt cắt giảm yếu đƣợc các nhà nghiên cứu phân tích và thử nghiệm nhƣ trên Hình 2.10

CJP weld

BeamShear tabColumn

Weld accesshole

Continuityplate

Column

CJP weld Reduced flange geometry Shear tab

Beam

Weld access hole

Continuity

plate

Hình 2.10: Các loại mặt cắt giảm yếu

- Vát thẳng như (Hình 2.10a) đã được thí nghiệm thì khả năng chịu lực không tốt khi tăng ứng suất tập trung tại góc vát [4], [8]

- Với phương án khoét lỗ ngẫu nhiên và theo một đường thẳng như (Hình 2.10b,c) được đưa vào thí nghiệm thì các phát hiện ra rằng với sự giảm yếu (RBS) ngẫu nhiên thì khả năng biến dạng dẻo cao hơn so với kiểu khoét lỗ trên đường thẳng, điều này cho thấy rằng các ứng suất tập trung tại bản cánh của dầm [9],[10]

- Phương án vát hình nấm do Shen et al (1996), Iwankiw và Carter (1996)

và Zekioglu et al( 1997a, 1997b) thực hiện thí nghiệm đã cho thấy rằng ứng suất tập trung tại vị trí lõm cuối dẫn đến đứt gãy tại vị trí giảm yếu [11],[16]

- Tiếp theo đà phát triển thì Engelhardt et al (1996, 1997) [17], Popov et al (1998), Tremblay et al (1997), Plumier (1990, 1997), và Uang (1998,199) đã kiểm tra thí nghiệm giảm yếu tiết diện hình bán nguyệt (Hình 2.10e) Trong thí nghiệm một dầm và một cột, sau khi thí nghiệm thì thấy ứng suất nhỏ hơn nhưng vẫn xuất hiện vết nứt tại vị trí liên kết nút dầm và cột Để cải tiến điều này Engellhardt and Venti (1999) và Fry et al (1999) đã tiến hành kiểm tra tại

RBS with straight cut a)

b)

c)

d)

e) RBS with drilled cut

RBS with drilled cut

RBS with taper cut

RBS with radius cut

hai mặt liên kết dầm và cột thì xuất hiện khớp dẻo trong mặt liên kết tại những điểm liên kết dầm và cột [18],[19]

Từ năm 1994 thì liên kết dầm giảm yếu đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi tại Mỹ và Nhật Một số nghiên cứu lớn đƣợc thực hiện nhằm nghiên cứu các đặc tính khác nhau của sự giảm yếu (RBS) và đã đƣa ra một số chi tiết thiết kế mặt giảm yếu nhƣ sau [22],[25],[26]:

Hình 2.11: Bán kính cắt của dầm giảm yếu Bảng 2.1: Đặc trưng hình học của mặt cắt dầm giảm yếu

FEMA350-2000 OMF (Ordinary

Đến năm 2000, (Scott LJONES, Gary T FRY And Michael D ENGELHARDT)

sử dụng khung moment có tiết diện dầm giảm yếu liên kết hàn để phân tích và kiểm tra liên kết tại vị trí nút khung bằng mô hình phần tử đàn hồi dẻo của mặt cắt dầm

giảm yếu cho một tầng đơn và kiểm tra bằng thí nghiệm đã xác định đƣợc khoảng cách cần giảm yếu trong dầm tính từ nút khung [21]

Hình 2.12: Mô hình dầm và cột tuyệt đối cứng với bề rộng dầm giảm yếu bị

biến dạng

Hình 2.13: Dự đoán sự phân bố ứng suất từ mô hình fiber và phương pháp

phần tử hữu hạn cho mặt cắt dầm giảm yếu

x 0 -d c /2+a

Column Tip Load, P Column Tip Displacement, ?

Deformable RBS Rigid Beam

Rigid Column Rigid Beam

Roller Support Roller Support

Trên đà phát triển đó, năm 2003 Cheol-Ho Lee and Jae – Hoon Kim [29] đã tiến hành thí nghiệm dầm thép có tiết diện giảm yếu liên kết bằng bu lông và hàn kết hợp đã đưa ra lời khuyên không nên dùng liên kết hàn và bu lông suốt chiều dài liên kết, và đề xuất ra phương án tạo khe hở tại liên kết dầm và cột để tăng khả năng chịu xoắn cho cấu kiện

Hình 2.14: Liên kết dầm và cột bằng liên kết hàn và bulon có khe hở

Năm 2013 Kulkarni Swati Ajay, Vesmawala Gauran nguyên cứu của sự giảm yếu về hình dáng của mặt giảm yếu khác nhau bằng phương pháp phần tử hữa hạn

đã cho thấy rằng a) Lực cắt tại các panel zone giảm, b) Cột khỏe dầm yếu là sự cần thiết trong thiết kế khung thép chịu động đất nhưng để tận dụng hết khả năng làm việc thì cần phải có một thiết kế hài hòa c), với sự giảm yếu 5% thì tất cả các hình dạng cắt không ảnh hưởng đến ứng suất [30]

Năm 2010 Scott M Adan nghiên cứu liên kết của khung moments đặc biệt thông qua hiện tượng cột khỏe dầm yếu bằng mô hình khung phẳng 3 tầng thông qua các hệ số giảm yếu trong tiêu chuẩn ANSI/AISC 358 đã kết luận rằng a) cần phải tăng cường “doubler plates” để kiểm soát biến dạng của cột b) cần phải kiểm tra mối hàn tại các vị trí tập trung ứng suất tập trung hoặc tại các mặt phẳng dễ bị uốn cong như tại liên kết bản cánh và bản bụng