BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGÔ THỊ PHƯƠNG THÚY TÍNH TOÁN HỆ KẾT CẤU KHUNG THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN MỸ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI,
Trang 1BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
NGÔ THỊ PHƯƠNG THÚY
TÍNH TOÁN HỆ KẾT CẤU KHUNG THÉP CHỊU
ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN MỸ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2017
Trang 2BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
NGÔ THỊ PHƯƠNG THÚY KHÓA: 2015 - 2017
TÍNH TOÁN HỆ KẾT CẤU KHUNG THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT
THEO TIÊU CHUẨN MỸ
Chuyên ngành: Xây dựng
LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS VŨ QUỐC ANH
HÀ NỘI, NĂM 2017
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo Trường Đại học Kiến Trúc, nhất
là các cán bộ, giảng viên Bộ môn thép gỗ - Trường Đại học Kiến Trúc, Khoa Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành bản luận văn này Đặc biệt tác giả xin trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn – PGS.TS Vũ Quốc Anh – Trưởng bộ môn thép – Đại học Kiến Trúc Thầy là người đã gợi mở những ý tưởng đầu tiên, đã hướng dẫn và hết lòng ủng hộ tác giả trong suốt thời gian thực hiện đề tài này
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô trong Hội đồng khoa học đã đóng góp những góp ý, những lời khuyên quý giá cho bản luận văn này
Xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ, chia sẻ khó khăn và động viên tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, tháng 03 năm 2017
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết qua nghiên cứu của Luận Văn là trung thực và
có nguồn gốc rõ ràng
Tác giả luận văn
Ngô Thi Phương Thúy
Trang 5MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
LỜI CAM ĐOAN ii
DANH MỤC BẢNG, BIỂU vii
DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ ix
DANH MỤC KÍ HIỆU xi
PHẦN MỞ ĐẦU 1
* Lý do chọn đề tài 1
* Mục đích nghiên cứu 2
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
* Phương pháp nghiên cứu 2
* Ý nghĩa khoa học 2
* Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2
* Cấu trúc của luận văn 2
NỘI DUNG 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘNG ĐẤT VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ KẾT CẤU KHUNG THÉP 5
1.1 Động đất và nguồn gốc của động đất 5
1.1.1 Nguyên nhân của động đất 5
1.1.2 Sự hình thành động đất 6
1.2 Đánh giá sức mạnh của động đất 8
1.2.1 Thang cường độ động đất 8
1.2.2 Thang độ lớn động đất 8
1.3 Biểu diễn tác động của động đất 9
Trang 61.3.1 Phổ phản ứng 9
1.3.2 Gia tốc đồ 13
1.4 Lịch sử phát triển và hình thành của các phương pháp phân tích động đất 15
1.5 Khung thép chịu động đất 20
1.5.1 Các quan niệm thiết kế khung thép chịu động đất 20
Các nhà thép chịu động đất cần được thiết kế theo một trong hai quan niệm sau: 20
1.5.2 Kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng 20
1.5.3 Các dạng kết cấu khung thép chịu động đất 22
CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN MỸ 27
2.1 Tính toán tải trọng động đất theo tiêu chuẩn UBC-97 (Uniform Building Code) 27
2.1.1 Tác động của động đất 27
2.1.2 Các phương pháp phân tích tính toán tải trọng động đất trong UBC-97 33 2.1.3 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương 33
2.1.4 Cơ sở phương pháp 33
2.1.5 Phạm vi áp dụng 33
2.1.6 Công thức xác định lực cắt thiết kế tại chân công trình 35
2.1.7 Phân phối lực động đất theo UBC-97 37
2.1.8 Phương pháp phân tích phổ phản ứng 39
2.1.9 b) Lý thuyết tính toán 40
2.1.10 Các tính toán kiểm tra 42
2.1.11 Hiệu ứng xoắn ngẫu nhiên 42
Trang 72.1.12 Giới hạn chuyển vị ngang (chuyển vị lệch tầng) 42
2.2 Tính toán tải trọng đông đất theo tiêu chuẩn IBC - 2006 (International Building Code - 2006) 43
2.2.1 Tác động động đất 43
2.2.1.1 Xác định chuyển động nền lớn nhất : 43
2.2.1.2 Nhóm phân loại và hệ số nhóm 43
2.2.1.3 Các tham số của phổ cực đại hiệu chỉnh 45
2.2.1.4 Các thông số tính toán phổ phản ứng : 46
2.2.1.5 Tính toán phổ phản ứng: 46
2.2.1.6 Chu kỳ dao động của kết cấu 48
Chương III: Ví dụ tính toán 52
3.1 Mô tả công trình 52
a) Số liệu về địa chất 55
3.2 Các bước lựa chọn thông số đầu vào công trình 55
3.2.1 Lựa chọn tiết diện dầm, cột 55
3.2.2 Kiểm tra điều kiện “cột khỏe – dầm yếu” (WBSC) 59
3.2.3 Cột phía trong, kiểm tra lực nén dọc trục 60
3.3 Tính toán tải trọng động đất bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương 61
3.3.1 Tính toán tải trọng động đất bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo TCVN9386-2012 61
3.3.2 Tính toán tải trọng động đất bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo UBC – 1997 66
3.3.3 So sánh lực động đất phương pháp tĩnh lực ngang tương đương giữa TCVN 9386-2012 và UBC-1997 63
Trang 83.4 Tính toán tải trọng động đất bằng phương pháp phổ phản ứng 65
3.4.1 Tính toán tải trọng động đất bằng phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động theo TCVN9386-2012 65
3.4.2 Tính toán tải trọng động đất bằng phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động theo UBC 1997 70
3.4.3 Tính toán tải trọng động đất (thông qua phần mềm etabs 9.7.4) bằng phương pháp phổ phản ứng theo IBC 73
3.4.4 So sánh lực động đất giữa theo phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động giữa 2 tiêu chuẩn TCVN9386-2012 và IBC 80
3.5 Tính toán nội lực công trình với lực động đất từ các phương pháp bằng phần mềm etbas 9.7.4 84
3.5.1 Ký hiệu tải trọng động đất khai báo trong etabs 9.7.4 84
3.5.2 Kết quả nội lực trong công trình tính toán bằng các tải trọng động đất từ các phương pháp 85
3.6 Chuyển vị lệch tầng 96
3.7 Hiệu ứng P-∆ 97
KẾT LUẬN 99
KIẾN NGHỊ 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO 101
Trang 9Bảng 2.4 Hệ số tầm quan trọng I trong UBC-97
Bảng 2.5 Hệ số điều chỉnh ứng xử kết cấu R trong UBC-97
Bảng 2.6 Khối lượng tham gia dao động trong UBC-97
Bảng 2.7 Giá trị V s ;Nsh;Su
Bảng 2.8 Giá trị của F a như hàm của đất nền và giá trị lớn nhất của gia tốc
nền theo bản đồ gia tốc (Bảng ASCE7-02 9.4.1.2.4)
Bảng 2.12 Hệ số cho giới hạn trên về chu kỳ (Bảng ASCE7-02 9.5.3.3.1)
Bảng 3.1 Đặc trưng tiết diện W18x76
Bảng 3.2 Đặc trưng tiết diện W18x97
Bảng 3.3 Các thông số dẫn xuất
Bảng 3.5 Lực cắt tầng theo phương X với chu kỳ 2.37s
Bảng 3.7 Khối lượng tham gia dao động
Trang 10Bảng 3.8 Lực cắt tầng theo phương X với chu kỳ 2.11s
Bảng 3.9 Lực cắt tầng theo phương X với chu kỳ 0.58s
Bảng 3.10 Lực cắt tầng theo phương X với chu kỳ 2.29s
Bảng 3.11 Lực cắt tầng theo phương X với chu kỳ 1.78s
Trang 11Hình 1.1 Chấn tiêu và chấn tâm của một trận động đất
Hình 1.2 Mô phỏng sự chuyển động tương đối giữa các mảng
Hình 1.3 Các loại đứt gãy và chuyển động đứt gãy
Hình 1.4 Phổ phản ứng đàn hồi
Hình 1.5 Gia tốc đồ theo hướng Bắc – Nam của trận động đất El Centro (Mỹ) ngày
18 tháng 5 năm 1940
Hình 1.6 Phổ phản ứng gia tốc nhân tạo trận động đất El Centro (Mỹ)
Hình 1.7 Khung chịu mô men (MRF)
Hình 1.8 Hình ảnh thực tế của khung chịu mô men (MRF)
Hình 1.9 Khung có hệ giằng chéo đúng tâm
Hình 1.10 Hình ảnh thực tế của khung có hệ giằng chéo đúng tâm
Hình 1.11
Khung có hệ giằng chữ V đúng tâm
(vùng tiêu tán năng lượng nằm trong các thanh chéo chịu kéo và chịu nén)
Hình 1.12 Khung có hệ giằng lệch tâm
Hình 1.13 Hình ảnh thực tế của khung có hệ giằng lệch tâm
Hình 1.14 Kết cấu kiểu con lắc ngược
Hình 1.15 Kết cấu với lõi bê tông hoặc vách bê tông, vách thép
Hình 1.16 Hình ảnh thực tế của kết cấu với lõi, vách bê tông hoặc thép
Trang 12Hình 1.17 Khung chịu mô men kết hợp với giằng đúng tâm
Hình 1.18 Khung chịu mô men kết hợp với tường chèn
Hình 2.1 Phổ phản ứng đàn hồi theo tiêu chuẩn UBC-97
Hình 3.3 Phối cảnh công trình trong ETABS
Hình 3.4 Phổ thiết kế theo phương ngang theo UBC-1997
Hình 3.5 Phổ thiết kế theo phương ngang theo IBC
Hình 3.6 Moment khung trục điển hình với tải trọng tính toán DDXVN
Hình 3.7 Moment khung trục điển hình với tải trọng tính toán DDXUBC
Hình 3.8 Moment khung trục điển hình với tải trọng tính toán DDYVN
Hình 3.9 Moment khung trục điển hình với tải trọng tính toán DDYUBC
Hình 3.10 Moment khung trục điển hình với tải trọng tính toán DDXV
Hình 3.11 oment khung trục điển hình với tải trọng tính toán DDXIBC
Hình 3.12 Moment khung trục điển hình với tải trọng tính toán DDYV
Hình 3.13 Moment khung trục điển hình với tải trọng tính toán DDYIBC
Trang 13Phổ phản ứng gia tốc nền đàn hồi theo phương nằm ngang còn gọi
là “phổ phản ứng đàn hồi" Khi T= 0, gia tốc phổ cho bởi phổ này bằng gia tốc nền thiết kế cho nền loại A nhân với hệ số đất nền S
Sve(T) Phổ phản ứng gia tốc nền đàn hồi theo phương thẳng đứng
SDe(T) Phổ phản ứng chuyển vị đàn hồi
Sd(T)
Phổ thiết kế (trong phân tích đàn hồi) Khi T = 0, gia tốc phổ cho bởi phổ này bằng gia tốc nền thiết kế trên nền loại A
nhân với hệ số S
T chu kỳ dao động của hệ tuyến tính một bậc tự do
TB giới hạn dưới của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ
phản ứng gia tốc
TC giới hạn trên của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản
ứng gia tốc
TD giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển
không đổi trong phổ phản ứng
q Hệ số ứng xử
R Hệ số kết cấu, kể đến mức độ cho phép biến dạng dẻo
W tổng trọng lượng của công trình được qui định để tính toán lực
động đất
Trang 14PHẦN MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài
Trong thời gian gần đâ, xu hướng xây dựng các công trình cao tầng đặc biệt tại các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh đã và đang rất phát triển Tuy nhiên, nhược điểm của các công trình này là nhạy cảm với các lực tác động theo phương ngang do động đất, gió bão gây ra Dưới tác dụng của các nguyên nhân này, công trình dao động với biên độ lớn, gây mất an toàn cho con người và thiết bị và công trình
Các công trình xây dựng ở Việt Nam hiện nay chủ yếu được thiết kế sử dụng vật liệu bê tông cốt thép truyền thống Do đó các bài toán phân tích và thiết kế kháng chấn cho kết cấu bê tông cốt thép đã được đề cập đến trong nhiều tài liệu hiện hành và các công trình nghiên cứu
Trong khi đó trên thế giới các công trình cao tầng bên cạnh việc sử dụng hệ kết cấu bê tông cốt thép đã và đang sử dụng các hệ kết cấu khung thép hoặc kết cấu liên hợp giữa thép và bê tông để tận dụng các ưu điểm về đặc trưng cơ lý của cả 2 loại vật liệu phổ biến thép và bê tông Kết cấu thép có khả năng kháng chấn tốt do có tính linh động cao,các cấu kiện thanh mảnh và dễ định hình chế tạo sẵn trong nhà máy làm tăng hiệu quả sử sụng, thời gian thi công ngắn, có khả năng tiêu tán năng lượng tốt và trọng lượng bản thân nhẹ, giảm được khối lượng tham gia dao động dẫn đến giảm đáng kể lực tác động lên công trình.Vì vậy hệ kết cấu khung thép trong nhà cao tầng sẽ là một
xu hướng phát triển ở Việt Nam
Thiết kế kết cấu thép nhà cao tầng chịu tải trọng ngang (gió, động đất) được xem là một trong những khâu quan trọng nhất Hiện nay ở Việt Nam việc thiết kế công trình chịu động nói chung và kết cấu thép nói riêng theo tiêu chuẩn “TCVN 9386-2012 thiết kế công trình chịu động đất” được biên soạn dựa theo tiêu chuẩn kháng chấn của châu Âu EN 1998-1:2004 (Eurocode 8) Vì vậy tác giả lựa chọn đề tài “Tính toán hệ kết cấu khung thép chịu động đất theo tiêu chuẩn Mỹ ” để tính toán hệ kết cấu khung thép chịu động đất nhằm đưa ra thêm một lựa chọn tính toán và so sánh với tiêu chuẩn hiện hành TCVN 9386-2012
Trang 15* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Hệ kết cấu khung thép nhà cao tầng
Hệ khung thép chịu tải trọng động đất
* Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu bằng lý thuyết và mô hình số thông qua phần mềm ETABS 9.7.4
để tính toán hệ kết cấu khung thép nhà cao tầng chịu động đất theo UBC-1997 thông qua một ví dụ tính toán với số liệu cụ thể Sau đó so sánh kết quả tính toán với kết quả tính toán theo tiêu chuẩn tính toán công trình động đất hiện hành TCVN 9386-2012
* Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Là một tài liệu tham khảo trong việc thực hành thiết kế thực tế cho các kỹ sư cũng như sinh viên và những người quan tâm
* Cấu trúc của luận văn
PHẦN MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài
Trang 16* Mục đích nghiên cứu
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
* Phương pháp nghiên cứu
1.3 Biểu diễn tác động của động đất
1.4 Lịch sử phát triển và hình thành của các phương pháp tính toán động đất
1.5 Khung thép chịu động đất
Chương 2: Các phương pháp tính toán động đất hệ kết cấu khung thép theo tiêu chuân Mỹ
2.1 Tính toán tải trọng động đất theo tiêu chuẩn UBC-97 (Uniform Building Code)
2.2 Tính toán tải trọng động đất theo tiêu chuẩn IBC - 2006 (International Building Code - 2006)
Chương 3: Ví dụ tính toán
3.1 Mô tả công trình
3.2 Các bước lựa chọn thông số đầu vào công trình
3.3 Tính toán tải trọng động đất bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương
3.4 Tính toán tải trọng động đất (thông qua phần mềm etabs 9.7.4) bằng phương pháp phổ phản ứng
Trang 173.5 Tính toán nội lực công trình với lực động đất từ các phương pháp bằng phần mềm Etabs 9.7.4
3.6 Tính toán tải trọng động đất (thông qua phần mềm etabs 9.7.4) bằng phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động theo TCVN9386-2012
Trang 18Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội
Email: digilib.hau@gmail.com
TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN
Trang 19KẾT LUẬN
Nội dung luận văn đã trình bày cơ sở lý thuyết của một só phương pháp tính kháng chất cho kết cấu khung thép chịu mô men (MRF) theo tiêu chuẩn Mỹ Kết quả cho thấy với phương pháp tĩnh lực ngang tương đương tính toán theo tiêu chuẩn UBC-1997 thì phân bố lực động đất lên các cao trình tầng thích hợp với ứng
xử của nhà cao tầng hơn so với tính theo TCVN Cụ thể tại khu vực phía trên 2/3 (hoặc 3/4) chiều cao công trình thì lực cắt tầng tính bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo UBC-1997 cho kết quả nhỏ hơn khi tính bằng TCVN9386-
2012 Nhưng tại khu vực phía dưới công trình từ 1/3 (hoặc 1/4) chiều cao trở xuống thì tính theo UBC-1997 lại cho kết quả lực cắt tầng lớn hơn tính theo TCVN9386-
2012
Với phương pháp Lực cắt tầng tính toán bằng phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động thì lực cắt tầng với chu kỳ dao động nhỏ ở cả 2 tiêu chuẩn (TCVN9386 và IBC) đều cho kết quả sát nhau (tại khu vực phía trên 2/3 (hoặc 3/4) chiều cao công trình thì lực cắt tầng theo TCVN lớn hơn so với IBC còn từ 1/3 (hoặc 1/4) chiều cao trở xuống thì ngược lại) Nhưng với chu kỳ dao động lớn thì kết quả lực cắt tầng ở 2 tiêu chuẩn khá chênh lệch nhau và theo IBC lực cắt tầng ở các tầng hầu như không thay đổi Như vậy với phương pháp này với công trình chu
kỳ dao động nhỏ đều có thể tính bằng cả 2 tiêu chuẩn vì kết quả tương đương nhau Còn công trình có chu kỳ dao động lớn thì lên tính toán phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động với IBC
Kết quả nội lực (moment tính toán) ở khung điển hình của công trình với tải trọng động đất theo phương pháp TLN tương đương ở cả 2 tiêu chuẩn là khá sát nhau chứng tỏ tải trọng động động tính toán với 2 tiêu chuẩn theo phương pháp TLN tương đương tương đối giống nhau với cùng điều kiện về đất nền và quy mô kết cấu công trình