Ứng xử động kết cấu khung chịu tải trọng động đất có xét đến ứng xử của móng cọc

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Phân tích kết cấu khung phẳng từ thấp đến cao tầng chịu tải trọng động đất có xét đến ứng xử của nền móng bao gồm móng nông và móng cọc trong môi trường nền đất đồ

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS CHU QUỐC THẮNG

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS ĐINH THẾ HƯNG

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS LÊ TRUNG KIÊN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 22 tháng 07 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ĐẶNG VĂN ÚT MSHV: 7170175

Ngày, tháng, năm sinh: 05/08/1985 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG XỬ ĐỘNG KẾT CẤU KHUNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ

XÉT ĐẾN ÚNG XỬ CỦA MÓNG CỌC

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Phân tích kết cấu khung phẳng từ thấp đến cao tầng chịu tải trọng động đất có xét đến ứng xử

của nền móng bao gồm móng nông và móng cọc trong môi trường nền đất đồng nhất và không đồng

nhất Từ đó, rút ra kết luận về ứng xử động của kết cấu khung phẳng chịu tải trọng động đất có xét đến

ứng xử của móng cọc

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2019

Tp HCM, ngày thảng năm 2019

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỤNG

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và thực hiện luận văn, được sự tận tình chỉ bảo, động viên của thầy cô

và các bạn bè để vượt qua những khó khăn, tác giả đã hoàn thành luận văn theo như quyết định của Phòng Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại Học Bách Khoa - Thành Phố Hồ Chí Minh

Tôi xin cảm an Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Tp HCM, phòng Đào tạo Sau Đại học và các thầy cô trực tiếp tham gia giảng dạy đã truyền đạt những kiến thức và phương pháp học tập, nghiên cứu

Bên cạnh đó, để có được những kiến thức quý báo, tôi xin chân thành cám ơn tất cả bạn bè,

thầy cô trong khoa đã giúp đỡ tôi khi học tập cũng như thực hiện luận văn này, đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn chính PGS.TS CHU QUỐC THẮNG và thầy hướng dẫn

Th.s PHẠM NHÂN HÒA người đã tận tình dẫn dắt và hướng dẫn tôi ngay từ bước đầu làm quen với

công việc nghiên cứu khoa học đến lúc hoàn thành một luận văn thạc sĩ và đã truyền đạt những kiến thức hết sức quý báu cho tôi

Tôi cũng chân thành cảm ơn các thầy cô trong thư viện trường ĐH Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi tìm tài liệu để thực hiện luận văn này và những bạn học cùng khóa luôn sát cánh bên tôi trong những ngày học tập khó khăn

Sau cùng, tôi xin cảm ơn gia đình tôi đã tạo điều kiện cho tôi học tập và động viên tôi những khi tôi gặp khó khăn

Chân thành cảm ơn tất cả!

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2019

rr

Trang 5

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn trình bày mô hình tính toán và thuật giải để phân tích ứng xử của kết cấu khi xét đến tương tác giữa kết cấu và nền móng (SSI: Soil - Structure Interaction) Kết cấu bên trên được mô hình như hệ nhiều bậc tự do chỉ xét chuyển vị ngang, đây là thành phần chuyển vị chủ yếu khi kết cấu chịu động đất Móng bên dưới có các phương pháp tính toán độ cứng (cũng như giảm chấn) động lực học của móng nông, móng cọc trong môi trường đất đồng nhất (SSI-1) hoặc đất không đồng nhất (SSI-M)

Phần ví dụ minh họa nêu ra trong luận văn là các ví dụ mẫu về kết cấu thép 1 tầng, 3 tầng, 9 tầng và 20 tầng nhằm so sánh đáp ứng động lực học của kết cấu từ thấp tầng đến cao tầng khi xét SSI

và không xét đến SSI (FBB: Fixed Base Building) Phương trình chuyển động của hệ được giải bằng phương pháp tích phân Newmark trên miền thời gian, được thể hiện trên ngôn ngữ lập trình MATLAB

Cuối cùng, các kết luận được rút ra về sự khác nhau giữa các mô hình nhằm cung cấp các thông tin hữu ích cho việc nghiên cứu và thiết kế các công trình kháng chấn

Trang 6

IV

ABSTRACT

Thesis presented computational models and algorithms to analyze the behavior of the structure when considering the interaction between structural and foundation (Soil - Structure Interaction) The superstructure is modeled as multidegree of freedom systems with only horizontal displacements, major displacements of structures subjeted to earthquake Dynamic stiffness calculation method of foundation, pile in homogeneous soil envhonment (SSI-1) or inhomogeneous soil envữonment (SSI-M)

Part illustrative examples set out in the thesis that the samples of the steel structure 1-story, story, 9-story, 20-story benchmark steel structures (low, mid, or high-rise buildings) with FBB analysis or allowing for SSI The equation of motion of the system is solved by Newmark integration numerical method in the time domain and with the help of MATLAB code

3-Finally, the conclusions to be drawn about the differences between models to provide useful information for the study and design of seismic-resistant buildings

Trang 8

vi

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Đặng Văn út, là học viên cao học chuyên ngành Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp, khoá 2017 trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan rằng, đây

là luận văn do chính tôi thực hiện Các số liệu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố, sử dụng để bảo vệ một học vị nào Các thông tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về kết quả nghiên cứu trong luận văn của mình

Học viên

ĐẶNG VĂN ÚT

Trang 9

7

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH VẼ X DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv

Chương 1 GIỚI THIỆU -1 -

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ - 1 -

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN - 2 -

Chương 2 TỔNG QUAN - 3 -

2.1 TÔNG QUAN VỀ SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ NỀN MÓNG- 3 - 2.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC - 5 -

2.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC - 6 -

2.4 NỘI DƯNG LUẬN VĂN - 7 -

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT - 9 -

3.1 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG - 9 -

3.1.1 Khung phẳng ngàm ở chân cột - FBB - 10 -

3.1.2 Khung phẳng có xét SSI -11-

3.2 ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC HỌC ĐỐI VỚI MÓNG NÔNG - 15 -

3.2.1 Trên nền đồng nhất (1 lớp đất) - 15 -

3.2.2 Trên nền không đồng nhất (nhiều lớp đất) - 16 -

3.3 ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC HỌC ĐỐI VỚI MÓNG CỌC - 20 -

3.3.1 Trên đất nền đồng nhất (1 lớp đất) - 20 -

3.3.2 Đất nền không đồng nhất (nhiều lớp đất) - 28 -

Trang 10

8

3.3.3 Ví dụ xác định k 0 ; c 0 cho cọc xuyên qua 2 lóp đất - 33 -

3.4 CÁC BƯỚC GIẢI BÀI TOÁN SSI VÀ SƠ ĐỒ KHỐI - 37 -

3.4.1 Các bước giải bài toán SSI - 37 -

3.4.2 Sơ đồ khối cho bài toán phân tích SSI - 38 -

Chương 4 VÍ DỤ TÍNH TOÁN - 39 -

4.1 KẾT CẤU 1 TẦNG MÓNG NÔNG - 39 -

4.1.1 Mô tả bài toán -39-

4.1.2 Tính toán thông số động lực học -41-

4.1.3 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi và hệ số poisson khi xét SSI - 43 -

4.2 KẾT CẤU 3 TẦNG MÓNG NÔNG - 46 -

4.2.1 Mô tả bài toán - 46 -

4.2.2 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi và hệ số poisson khi xét SSI - 48 -

4.3 KẾT CẤU 3 TẦNG MÓNG CỌC - 51 -

4.3.1 Mô tả bài toán -51-

4.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của bố trí cọc khi xét SSI - 53 -

4.3.3 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của mô đun đàn hồi đất nền, hệ số poisson và bố trí cọc trong phân tích SSI - 56 -

4.4.2 Tính toán ban đầu - 60 -

4.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của bố trí cọc trong phân tích SSI - 62 -

4.4.4 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của mô đun đàn hồi đất nền, hệ số poisson và bố trí cọc trong phân tích SSI - 67 -

4.5.2 Tính toán ban đầu -71-

4.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của bố trí cọc trong phân tích SSI - 73 -

Trang 11

9

4.5.4 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của mô đun đàn hồi đất nền, hệ số

poisson và bố trí cọc trong phân tích SSI - 77 -

4.6 KHẢO SÁT VỚI CÁC TRẬN ĐỘNG ĐẤT KHÁC - 79 -

4.6.1 Kết cấu 9 tầng - 79 -

4.6.2 Kết cấu 20 tầng - 80 -

4.6.3 Tổng hợp - 81 -

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN - 84 -

5.1 KẾT LUẬN - 84-

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN - 85 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 86 -

PHỤ LỤC i

Phụ lục 1: Tìm các hệ số động lực học i

Phụ lục 2: Tìm chiều dài, đường kính và số lượng cọc iii

Phụ lục 3: Bảng kết quả phân tích SSI 9 trường hợp vị trí móng cọc vii

Phụ lục 4: Mã nguồn chương trình Matlab xiv

DANH MỤC KÝ HIỆU xlii PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG xlvi

Trang 13

X

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2-1: Tương tác động (kinematic): (a) dao động theo phương đứng, (b) dao động theo

phương ngang, (c) dao động không liên tục, dao động lắc - 4 -

Hình 2-2: Tương tác quán tính (inertial) - 4 -

Hình 2-3: Sóng lan truyền - 4 -

Hình 3-1: (a) Mô hình đơn giản hóa bài toán; (b) Ngàm ở chân cột; (c) có xét đến chuyển vị ngang và xoay đồng thời của móng - 9 -

Hình 3-2: Các thông số móng đơn; (a): Móng trượt; (b): Móng xoay -15 -

Hình 3-3: Sự truyền dao động qua 2 lóp đất - 17 -

Hình 3-4: Sự truyền dao động trong đất tại mặt tiếp xúc - 18 -

Hình 3-5: Các thông số của móng cọc (nhóm cọc minh họa 2x6) - 20 -

Hình 3-6: Xác định s/2R (s2sp) và p đài có 2x3 cọc - 22 -

Hình 3-7: Giá trị theo [7] - 23 -

Hình 3-8: Xác định f zl theo theo L p ỉ r p và E p ị E? ile cho cọc chịu mũi - 25 -

Hình 3-9: Xác định f z2 theo L p ị r p và E p ; E? ile cho cọc chịu mũi - 26 -

Hình 3-10: Xác định f zl theo L p ịr p vằE p ỉE? ile cho cọc chịu ma sát - 26 -

Hình 3-11: Xác định f z2 theo L p ị r p và E p E^ le cho cọc chịu ma sát - 27 -

Hình 3-12: Mô phỏng cọc ttong nhiều lớp đất - 28 -

Hình 3-13: Hệ số chiều dài hoạt động của cọc cho trường hợp 2 lớp đất - 30 -

Hình 3-14: Hệ số ảnh hưởng của lớp đất đến độ cứng tĩnh - 30 -

Hình 3-15: Xác định hệ sốa' - 31-

Hình 3-16: Xác định ộl=2

E S 2 E,1

Trang 15

xi

Hình 3-18: Xác định S r „ - 33 -

Hình 3-19: Cọc xuyên qua 2 lóp đất, các thông số của cọc và đất - 33 -

Hình 3-20: Sơ đồ khối - 38 -

Hình 4-1 :(a) Sơ đồ kết cấu, (b) Sơ đồ tính FBB, (c) Sơ đồ tính SSI - 40 -

Hình 4-2: Gia tốc nền El Centro - 40 -

Hình 4-3: So sánh chu kỳ thứ nhất giữa FBB và SSI - 43 -

Hình 4-4: So sánh giữa 4 trường hợp có SSI với FBB; (a) chuyển vị đỉnh lớn nhất, (b) mô men chân cột lớn nhất, (c) gia tốc đỉnh lớn nhất, (d) lực cắt chân cột lớn nhất - 44 -

Hình 4-5: Đáp ứng chuyển vị đỉnh - 45 -

Hình 4-6: Đáp ứng gia tốc đỉnh - 45 -

Hình 4-7: Đáp ứng lực cắt chân cột - 45 -

Hình 4-8: Đáp ứng mô men chân cột - 45 -

Hình 4-9: (a) Sơ đồ kết cấu 3 tầng; (b) Sơ đồ tính FBB; (c) Sơ đồ tính SSI -47 -

Hình 4-16: Sơ đồ phân tích SSI kết cấu 3 tầng móng cọc - 52 -

Trang 16

xii

Hình 4-23: Chuyển vị, chuyển vị tương đối, lực cắt và mô men lớn nhất của cột qua các tầng - 56 -

Hình 4-24: (a) Sơ đồ kết cấu 9 tầng; (b) Sơ đồ tính FBB; (c) Sơ đồ tính SSI - 59 -

Hình 4-25: Bốn dạng dao động đầu của khung kết cấu 9 tầng FBB - 61 -

Hình 4-35: Đáp ứng lực cắt chân cột Hình 4-36: Đáp ứng mô men chân cột - 66 -

Hình 4-38: (a) Sơ đồ kết cấu 20 tầng; (b) Sơ đồ tính FBB; (c) Sơ đồ tính SSI70 - Hình 4-39: Bốn dạng dao động đầu của khung kết cấu 20 tầng không SSI - 72 -

Hình 4-41: So sánh giữa 9 trường hợp có SSI với FBB; (a) chuyển vị đỉnh lớn nhất, (b) mô men chân cột lớn nhất, (c) gia tốc đỉnh lớn nhất, (d) lực cắt chân cột lớn nhất, (e) chuyển vị đỉnh trung bình, (f) mô men chân cột trung bình - 74 -

-66-

Trang 17

xiii

Hình 4-46: Chuyển vị, chuyển vị tương đối, lực cắt và mô men lớn nhất của cột qua các tầng- 76 - Hình 4-47: Chuyển vị, chuyển vị tương đối, lực cắt và mô men trung bình của cột qua các tầng - 77 -

Hình 4-48: Gia tốc nền Hachinohe - 79 -

Hình 4-49: Gia tốc nền Northridge - 79 -

Hình 4-50: Biểu đồ khác biệt chuyển vị đỉnh theo ile - 80 -

Hình 4-51: Biểu đồ khác biệt lực cắt chân cột theo E'" ie - 80 -

Hình 4-52: Biểu đồ khác biệt mô men chân cột theo - 80 -

Hình 4-53: Biểu đồ khác biệt chuyển vị đỉnh theo E? lle - 81 -

Hình 4-54: Biểu đồ khác biệt lực cắt chân cột theo E? lle -81-

Hình 4-55: Biểu đồ khác biệt mô men chân cột theo E? iíe - 81 -

Hình 4-56: Phần trăm chuyển vị đỉnh SSI và FBB của 3 ttận động đất - 82 -

Trang 18

xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3-1: Các hệ số: Cxl; 5xl; Cl2; 5I 2; Cớl; Q2; 5Ớ1; 5,2theo [3], [4] - 16 -

Bảng 3-2: Hệ số độ cứng và giảm chấn /01; /02; /Ớ1; /ớ2; /o ớl; /0 ớ2 - 25 -

Bảng 4-1: Thông số của cột - 41 -

Bảng 4-2: Thông số loại đất được sử dụng phân tích - 41 -

Bảng 4-3: Thông số của móng nông - 41 -

Bảng 4-4: Độ cứng động lực học cho móng nông - 42 -

Bảng 4-5: Trường hợp khảo sát cho móng nông - 43 -

Bảng 4-6: Chu kỳ dao động SSI và FBB - 43 -

Bảng 4-7: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và mô men FBB với SSI -44 -

Bảng 4-8: Đặc trưng kết cấu của tiết diện - 46 -

Bảng 4-9: Thông số của móng nông - 47 -

Bảng 4-10: Độ cứng động lực học cho móng nông - 48 -

Bảng 4-12: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và mô men FBB với SSI - 50 -

Bảng 4-13: Thông số của đất (cọc qua 1 lớp đất) - 51-

Bảng 4-14: Thông số của đất (cọc qua 2 lớp đất) - 52 -

Bảng 4-15: Các trường hợp bố ttí cọc trong đài cọc - 52 -

Trang 19

xv

Bảng 4-16: Thông số của cọc và đài cọc cho 9 trường hợp bố trí cọc - 53 -

Bảng 4-17: Độ cứng động lực học cho móng cọc - 53 -

Bảng 4-21: Đặc trưng kết cấu của tiết diện - 58 -

Bảng 422: Các trường hợp bố ttí cọc trong đài cọc 60

-Bảng 4-23: Thông số của cọc và đài cọc cho 9 trường hợp bố trí cọc - 60 -

Bảng 4-24: Bảng so sánh chu kỳ dao động của SAP và Frame - 60 -

Bảng 4-25: Độ cứng động lực học móng cọc cho 9 trường hợp bố trí cọc - 61 -

Bảng 4-29: So sánh FBB với SSI trường hợp có khác biệt chuyển vị lớn - 68 -

Bảng 4-30: So sánh FBB với SSI trường hợp có khác biệt mô men lớn - 68-

Bảng 4-31: Đặc trưng kết cấu của tiết diện kết cấu 20 tầng - 69 -

Bảng 4-32: Thông số của móng cọc cho kết cấu 20 tầng - 71 -

Bảng 4-33: Bảng so sánh chu kỳ dao động của SAP và Frame - 71 -

Bảng 4-34: Giá trị của ko, Co, kfr Cff cho 9 trường hợp bố trí cọc - 72 -

Bảng 4-35: Chu kỳ dao động SSI và FBB - 73-

Bảng 4-37: So sánh các thành phần chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt, mô men - 77 -

Bảng 4-38: So sánh FBB với SSI trường hợp có khác biệt chuyển vị lớn - 78 -

Bảng 4-39: So sánh FBB với SSI trường hợp có khác biệt mô men trung bình - 78 -

Bảng 4-40: Tổng hợp các công trinh chịu tác dụng của các trận động đất - 83 -

Bảng 0-1: Tính lực ma sát lên thành cọc iv Bảng 0-2: Tính lực ma sát lên thành cọc V

Trang 20

XVI

Bảng 0-3: Tính lực ma sát lên thành cọc vi

Bảng 0-4: Kết quả phân tích khung 3 tầng cho 9 trường hợp vị trí móng cọc vii

Bảng 0-5: Kết quả phân tích khung 9 tầng cho 9 trường hợp vị trí móng cọc ix

Bảng 0-6: Kết quả phân tích khung 20 tầng cho 9 trường hợp vị trí móng cọc xi Bảng 0-7: Giá trị TB phân tích khung 20 tầng cho 9 trường hợp vị trí móng cọc., xiii

Trang 21

Chương l.Giới thiệu -1 -

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Động đất là một sự rung chuyển hay chuyển động của đất nền Kết quả này là nguyên nhân do bởi

sự trượt của các phay hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ của trái đất Trên thế giới động đất xảy ra hằng ngày nhưng hầu hết không đáng chú ý vì chúng không gây ra thiệt hại Tuy nhiên hằng năm thế giới cũng

đã ghi nhận nhiều trận động đất gây thiệt hại to lớn cho con người và công trình Việt Nam trong những năm gần đây tần suất xảy ra động đất ngày càng tăng nên nhiều công trình được quan tâm đến việc thiết

kế kháng chấn, đặc biệt là đối với các công trình nhà cao tầng

Đối với các công trình cao tầng đặc biệt là hệ móng và đài cọc của nó (chân công trình) phản ứng rất nhạy với các dao động do động đất nền gây ra Khi phân tích đáp ứng những kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động đất được xây dựng trên nền đất, sự thay đổi chuyển động ở chân công trình sẽ dẫn đến những thay đổi trong phản ứng động của kết cấu Những thay đổi đặc trưng động lực học đất sẽ ảnh hưởng đến đáp ứng kết cấu bên trên Sự tương tác qua lại giữa đất nền và kết cấu bên trên được gọi là tương tác đất nền - công trình (SSI: Soil - Structure Interaction)

Sự tương tác giữa đất và kết cấu là bài toán quan trọng trong giải pháp các vấn đề trong ngành địa

kỹ thuật Mô hình phân tích thông thường xem chân cột là ngàm (FBB: Fixed Base Building) không xét đến ứng xử phức tạp giữa cọc và đất nền Các ứng xử liên quan đến tính toán và thiết kế nền - móng cho công trình khi chịu tải trọng động đất là một trong những vấn đề rất quan trọng Việc lựa chọn sử dụng giải pháp móng cọc hay móng nông được quyết định chủ yếu bởi điều kiện đất nền và tải trọng bên trên công trình, kết quả là giải pháp móng này cũng ảnh hưởng ngược lên kết cấu bên trên Trong các loại móng của công trình nhà cao tầng, móng cọc là một giải pháp phổ biến và hợp lý vì có nhiều giá trị về kinh tế, kỹ thuật Tuy nhiên, việc nghiên cứu và thiết kế cọc chịu động đất là việc khó khăn vì sự không chắc chắn trong việc: xác định biến dạng của cọc, tương tác giữa cọc và đất nền; và ứng xử phức tạp của nhóm cọc

Qua những phân tích ở trên, việc xem xét SSI khi chịu động đất là một vấn đề thời sự, rất có ý nghĩa đối với thiết kế công trình chịu tải trọng động đất, và đặc biệt là các bài toán phân tích hiệu quả giảm chấn của các công trình được trang bị hệ cản bên trên

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Mục tiêu của luận văn là phân tích ứng xử động lực học của kết cấu chịu tác dụng của động đất có xét đến tương tác của kết cấu với nền móng Các nhiệu vụ cụ thể như sau:

Trang 22

Chương l.Giới thiệu -2 -

Trang 23

Chương 2 Tổng quan -3-

Chương 2 TỔNG QUAN

SSI liên quan đến nhiều lĩnh vực [14], Nó là sự tổng hợp của cơ học đất và cơ học kết cấu, động học đất và động lực học kết cấu, động đất, địa vật lý và địa cơ học, khoa học vật liệu, phuơng pháp tính, phương pháp số và các ngành kỹ thuật khác Nó bắt nguồn từ cuối thế kỷ 19, phát triển dần vào thế kỷ 20, 21 SSI phát triển nhanh chóng bởi nhu cầu xây dựng công trình có quy

mô ngày càng lớn với sự hổ trợ của các công cụ tính toán ngày càng hiện đại và mong muốn an toàn ngày càng cao

Từ những năm 1990 [14], Các nhà nghiên cứu đã có nhiều nỗ lực cho việc thay thế các phương pháp cổ điển của thiết kế bởi những khái niệm mới về thiết kế động đất Ngoài ra, sự cần thiết của việc kể đến SSI đã thu hút rất nhiều sự chú ý của cộng đồng kỹ thuật ở hầu hết các vùng địa chấn trên toàn thế giới

SSI là sự tương tác động học giữa đất với nền móng bao gồm hai tương tác [13] là tương tác động (kinematic) Hình 2-1 và tương tác quán tính (inertia) Hình 2-2 Tương tác động do sự khác biệt giữa độ cứng của kết cấu và đất nền, tương tác quán tính do bởi sự khác biệt khối lượng của kết cấu và đất nền

Khi xét đến SSI thì hệ kết cấu - nền móng “mềm” hơn khi xét FBB, chu kỳ SSI lớn hơn chu kỳ FBB, điều này sẽ thấy rõ ở trong phần ví dụ số trong Chương 4

SSI của móng nông [10] các sóng lan truyền và phản xạ qua lại giữa ranh giới cố định

và các bề mặt tự do Hình 2-3 Sự lan truyền này làm ảnh hưởng đến độ cứng động lực học của nền đất, điều này được trình bày trong mục 3.2

SSI của móng cọc [3], [8] không những phụ thuộc vào các đặc tính kết cấu bên ttền mà còn phụ thuộc rất lớn vào các thông số của đài cọc, cọc và cách bố trí nhóm cọc Cơ sở xác định SSI phụ thuộc vào móng cọc được thể hiện ttong mục 3.3

Trang 24

Hình 2-1: Tương tác động (kinematic): (a) dao động theo phương đứng, (b) dao động theo

phương ngang, (c) dao động không liên tục, dao động lắc

Hình 2-3: Sóng lan truyềnHình 2-2: Tương tác quán tính (inertial)

I 1 í \

Trang 25

Trên thế giới từ lâu đã có rất nhiều công trình nghiên cứu phân tích SSI, các phương pháp khác nhau đã được sử dụng như: mô hình nền Winkler với phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) [12], [13], [15], [20], [21] phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method - BEM), và các phương pháp FE-BE

Mô hình nền Winkler được dựa trên lý thuyết dầm trên nền đàn hồi, trong đó đất xung quanh được xem là một hệ lò xo Ưu điểm chính của phương pháp này là sự phi tuyến và ứng

xử không đồng nhất của đất được mô phỏng mà không đòi hỏi phải xem xét một bài toán khá lớn Tuy nhiên, phương pháp này có một khó khăn trong việc mô phỏng các hiệu ứng nhóm cọc khi mô hinhWinkler bỏ qua sự liên hệ giữa các cọc

Wolf và VonAix (1998) [22], [23] và Sanchez-Salinero (1982) thực hiện phân tích động của hệ thống cọc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)

T.K.Datta (2010) [13] dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích tương tác động học giữa đất với cọc bao gồm hai tương tác là tương tác động (kinematic) Hình 2-1 và tương tác quán tính (inertial) Hình 2-2 Tương tác động do sự khác biệt giữa độ cứng của kết cấu và đất nền, tương tác quán tính do bởi sự khác biệt khối lượng của kết cấu và đất nền

M Shadlou and s Bhattacharya (2014) “Dynamic stiffness of pile in a layered elastic continuum ” [8] phân tích tìm độ cứng động học của cọc qua nhiều lớp đất, nhưng chưa xét đến

ảnh hưởng của nhóm cọc

Amir M Kaynia (1991) “Dynamics of piles and pile groups in layered soil media” [16]

phân tích tìm độ cứng động học của cọc qua nhiều lớp đất, và xét đến ảnh hưởng của nhóm cọc,

nhưng chưa tìm được thành phần giảm chấn Co và c e trong độ cứng động lực học

George Gazetasl and Ricardo Dobry (1984), “Horizontal response of piles in layered soils” [17] phân tích độ cứng động lực học theo phương ngang của cọc trong môi trường nhiều

lớp đất, bài báo còn hạn chế về phân tích tương tác của các cọc trong nhóm

Hnokazu Takemiya And Yoshikazu Yamada (1981), ’’Layered, soil-pile- structure dynamic interaction” [18] bài báo phân tích SSI của nhóm cọc trong môi trường nhiều lớp đất

Nhưng bài báo phân tích phần khung là khung của cầu

Trevor G Davies, A M Rajan Sen (1985), “Dynamic behavior of pile groups in inhomogeneous soil” [19] bài báo trình bày phương pháp xác định độ cứng động học theo

Trang 26

phương ngang của cọc và nhóm cọc trong môi trường đất thay đổi liên tục, nhưng chưa xác định

độ cứng động học theo phương xoay của cọc và nhóm cọc

Braja M Das, G.v Ramana (2011) “Principles of Soil Dynamics” [3] tác giả trình bày

khá chi tiết về độ cứng động học của nền móng (móng nông, móng cọc) trong một lớp đất

Milos Novak (1974) “Dynamic Stiffness and Damping of Piles” [4] phân tích SSI của

móng cọc trong nền đồng nhất nhưng chưa phân tích móng trong nền nhiều lóp đất

Anil K Chopra And Jorge A Gutierrez (1974) “Earthquake response analysis of multistorey buildings including foundation interaction ” [2] phân tích SSI của móng nông môi

trường đồng nhất

Wolf ,J p, Deeks A.J (2004) “Foundation Vibration Analysis A Strength-of- Materials Approach” [10] phân tích SSI trên nền móng nông nhiều lớp đất

Những năm qua, trong nước có rất nhiều đề tài nghiên cứu về giảm chấn cho kết cấu khung chịu tải trọng động đất bằng hệ cản chất lỏng nhớt VFD [24], [29], [30] thế nhưng việc nghiên cứu

về đáp ứng động lực học kết cấu chịu tải trọng động đất xét đến cả SSI thì đang còn nhiều hạn chế

Ỏ Hà Nội các nghiên cứu của Trịnh Việt Bắc, Đinh Văn Toàn, Lại Hợp Phòng, Trần

Anh Vũ (2011) “Điều kiện nền đẩt ảnh hưởng bởi tác động động đất khu vực phía tây nội thành

Hà Nội” [31] bài báo này chỉ tập trung giới thiệu sự phân bố giá trị vận tốc truyền sóng trong

đất và phân loại nền dưới tác động động đất ở khu vực phía tây nội thành Hà Nội dựa trên kết quả thí nghiệm địa chấn để tính toán độ cản đặc trưng cho sự tương tác giữa móng và đất nền cũng như giữa cọc và đất

Đối với thành phố Hồ Chí Minh nói chung và luận văn cao học của trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, các nghiên cứu về SSI chịu tải trọng động đất thì chưa được tiến hành một cách đầy đủ, mới chỉ xét ảnh hưởng của đất lên cọc mà chưa xét tương tác qua lại giữa chúng Các nghiên cứu này có thể kể đến như:

Bài báo của Trần Thanh Cao Ngọc, Trần Đăng Khải, Vũ Xuân Bách, Chu Quốc Thắng,

“Đánh giá ảnh hưởng của độ cứng đẩt nền đổi với công trình nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất ”[32] tuy nhiên nghiên cứu chỉ dừng lại ở công trình có móng đơn, chưa giải quyết

được sự tương tác của móng cọc

Trang 27

Luận văn của tác giả Phan Thị Hương(2006) “ửng xử của đẩt nền và cọc cố xét đến gia tổc động đất”[33] tuy nhiên nghiên cứu này chỉ dừng lại ở mức sử dụng phần mềm Plaxis để

mô phỏng và khảo sát mà chưa đi sâu vào xem xét tương tác giữa đất và cọc

Luận văn của tác giả Lương Minh Sang (2014) “Phân tích động lực học kết cẩu chịu động đất có xét đến ảnh hưởng tương tác nền móng cọc ” [34] luận văn này nghiên cứu dừng

lại ở móng cọc trong nền đất đồng nhất mà không xét tương tác qua nhiều lớp đất, chưa xét đến SSI của móng nông

Trên cơ sở tìm hiểu các tài liệu, bài báo, và luận văn nghiên cứu trước đây, các nghiên cứu này chưa nghiên cứu đầy đủ về SSL Vì thế, luận văn nghiên cứu đầy đủ hơn SSI về móng nông, móng cọc trong mối trường một lớp đất và nền nhiều lớp đất

Nội dung luận văn bao gồm năm chương và phụ lục như sau:

Chương 1: Giới thiệu về tương tác giữa kết cấu và nền móng Chương 2: Tổng quan

Chương 3: Cơ sở lý thuyết về SSI móng nông, móng cọc trong môi trường một

lớp đất và nhiều lớp đất Chương 4: Ví dụ tính toán

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Tài liệu tham khảo

Phụ lục: Tính toán chi tiết và mã nguồn chương trình MATLAB

Trang 28

Chương 3 Cơ sở lý thuyết -8 -

Chương 3 cơ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 3-1: (a) Mô hình đơn giản hóa bài toán; (b) Ngàm ở chân cột; (c) có xét đến chuyển

vị ngang và xoay đồng thời của móng

Trang 29

Theo mô hình shear frame (khung với dầm, sàn tuyệt đối cứng), các tầng được xem là một

bậc tự do chuyển vị ngang; mang khối lượng mi với độ cứng chuyển vị ngang của cột kị Phương

trình vi phân chuyển động của kết cấu theo mô hình shear frame có dạng [1] Khi xét đến ảnh hưởng của chuyển vị xoay trong dầm độ cứng chuyển vị ngang của khung phẳng được quy đổi tương đương bằng mô hình general approach [1],

Trang 30

Css: được xác định bằng phương pháp Rayleigh và có đạng sau:

w0: Chuyển vị theo phương ngang (x) của móng

Trang 31

k 0 ; c 0 : Độ cứng và giảm chấn của móng theo phương ngang (x) k 0 ; c e:

Độ cứng và giảm chấn của móng theo xoay

Thay (3.1.7) vào phương trình (3.1.6) ta được phương trình sau

m i ù i + Cịùị + kịUị + nụig + mfyti = r i — m i ii g

Với i = 14-n Phương trình cân bằng lực động lực học theo phương ngang được viết như sau:

Mss’

(3.1.8)

(3.1.10)

Trang 32

Trang 33

Trang 34

Ma trận khối lượng M SSI được phân thành 4 phần như sau:

Đối với các số hạngfc0,c0 và k ữ ,c ữ trong độ cứng động lực học phụ thuộc vào loại móng và loại

đất, được xác định theo một ttong các trường hợp dưới đây

h T Mss

ma hận khối lượng chỉ ra tương tác giữa móng

rc '-'if 0 ■

K„ 0 Kssi “[o Kss

Trang 35

Hình 3-2: Các thông số móng đơn; (a): Móng trượt; (b): Móng xoay

k 0 ; cohệ số độ cứng động lực học phương ngang của móng theo [3], [9] được xác định như sau

k tì ; cỡhệ số độ cứng động lực học của móng theo phương chuyển động xoay của móng

G sd: Mô đun cắt của đất dưới móng

p sd : Khối lượng riêng của đất dưới móng r0 : Bán kính (mặt bằng) của móng hình tròn hoặc bán kính móng hình chữ nhật được quy đổi (3.2.3)

Trang 36

G s ; Mô đun cắt của đất chứa móng

p s : Khối lượng riêng của đất chứa móng

D f : Chiều sâu chôn móng

3.2.2 Trên nền không đồng nhất (nhiều lớp đất)

Độ cứng động của đất 5 (ty)theo [10] được xác định như sau

v 7 v 7 v 7

trong đó, p(ứ)): Tổng lực đặt vào móng = Po" (ft>) + Po"+1 (ft>)

Po" (ft>): Lực đặt vào đất ở lớp thứ n

p ô M = s ô (*0“o w ’ với “o («0 = 1 => P o" (n) = s ô (n)

Sg (a>): Hệ số độ cứng động được xác định trong mục 0 U Am (®):

(3.2.4)

Trang 37

»LW=1

/z(íp): Chuyển vị tổng hợp được xác định trong mục 3.2.2.1

Các hệ số độ cứng động lực học phụ thuộc vào dạng chuyển động của móng và được xác định trong mục 3.2.2.2

3.2.2.1 Xác định chuyển vị tổng hợp /ỉ (ty)

trong đó, f (ty): Phần dao động tới, g (ty): Phần dao động phản xạ

hịcửỴ Phần dao động đi qua mặt tiếp xúc thể hiện ưong Hình 3-3

Hình 3-3: Sự truyền dao động qua 2 lớp đấta(<y): Hệ số phản xạ

Trang 38

Móng dao động theo phưong ngang (H)

P = p<?

, -lì

+ icữ- c )

Trang 39

(3.2.13)

trong đó, d: Chiều dài của lớp đất A

c; c': Vận tốc sóng cắt ứng với lớp đất A và B (lớp đất trên và đưới qua mặt

(3.2.20)

Trang 40

Các trường hợp còn lại ịE C c '2G Ỉ - V

Định dạng
Số trang	101
Dung lượng	3,75 MB
File đính kèm	123.rar (11 MB)