Nghiên cứu dao động của nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất có xét ảnh hưởng của điều kiện địa chất tại thành phố đà nẵng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ MINH TUẤN NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT... - Chính vì vậy, việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG

CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN

Phản biện 1: TS ĐẶNG CÔNG THUẬT

Phản biện 2: TS PHẠM MỸ

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp

thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 6 tháng 8 năm2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

 Trung tâm Học Liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

- Ở nước ta hiện nay, việc tính toán động đất cho những công trình xây dựng dân dụng chưa được quan tâm đúng mức Vì vậy, khi tính toán kết cấu nhà nhiều tầng, ngoài các loại tải trọng thông thường cần phải xét thêm tác dụng của tải trọng động đất gây ra

- Hiện nay, khi tính toán nhà nhiều tầng, người ta thường quan niệm khung ngàm cứng với móng và xem như đất nền có độ cứng vô hạn, điều này chưa phản ánh đúng với sự làm việc thực tế của công trình

- Chính vì vậy, việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu dao động của nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất có xét ảnh hưởng của điều kiện địa chất tại thành phố Đà Nẵng” là rất cần thiết, góp phần làm rõ ảnh hưởng của tải trọng động đất và ảnh hưởng của đất nền tác dụng lên công trình nhà nhiều tầng tại thành phố Đà Nẵng

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu sự làm việc đồng thời của công trình nhà nhiều tầng và nền móng có xét ảnh hưởng của điều kiện địa chất dưới tác dụng tải trọng động đất

3 Đối tượng và phạm vị nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu công trình Cục Hải quan thành phố Đà Nẵng

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu dao động của công trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất có xét ảnh hưởng của điều kiện địa chất tại thành phố Đà Nẵng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT

1.2.2 Tại Việt Nam

1.3 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

1.3.1 Tác động của động đất lên công trình

1.3.2 Khả năng chịu lực của nhà nhiều tầng chịu động đất 1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

hệ tầng Tân Lâm, hệ tầng Ngũ Hành Sơn và trầm tích Đệ tứ Trong

đó các hệ tầng A Vương, Long Đại, Tân Lâm có thành phần thạch học chủ yếu là đá phiến và cát kết Hệ tầng Ngũ Hành Sơn chủ yếu

là đá vôi hoa hóa màu xám trắng Trầm tích Đệ tứ bao gồm các thành

tạo sông, sông - biển, biển, biển - đầm lầy có tuổi từ Pleistocen sớm đến Holocen muộn, chủ yếu là cát, cuội, sỏi, cát pha, sét pha,

1.5.2 Một số dạng cấu trúc địa chất phổ biến tại khu vực thành phố Đà Nẵng

+ Lớp sét pha, sét trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng: bề dày 5-6m

có khi tới trên 20m

+ Đá phiến thạch anh, phiến mica, gặp ở độ sâu nông nhất từ 15m trở xuống

- Nước dưới đất tồn tại chủ yếu trong lớp đất rời, thuộc loại nước ngầm, nước dưới đất phong phú cách mặt đất chừng 1-3m, có quan

hệ với nước biển, nước dưới đất có tính xâm thực yếu đến trung bình

* Dạng cấu trúc khu vực 2:

- Nền đất gồm nhiều lớp đất rời và dính xen kẹp, cấu trúc nền đất

phức tạp Nhìn chung, địa tầng từ trên xuống như sau:

+ Lớp 1- Đất rời (cát hạt mịn – trung): Bề dày 25-30m;

+ Lớp 2- Sét, sét pha, trạng thái nửa cứng đến cứng: Bề dày 5 đến>10m;

+ Lớp 3- Cát trung đến thô lẫn sỏi, dạng thấu kính: Bề dày xấp xỉ 5m;

+ Lớp 4- Đá phiến: gặp ở độ sâu 35 đến 40m trở xuống

- Gặp ít nhất là hai tầng chứa nước Tầng chứa nước trên cùng là nước ngầm, có quan hệ với nước sông Hàn và biển Nước dưới đất khá phong phú và có quan hệ với nước biển và sông Hàn Tầng chứa

nước bên dưới có áp mực nước cách mặt đất chừng 4-5m Mức độ chứa nước phong phú, nước có tính xâm thực yếu

* Dạng cấu trúc khu vực 3:

- Lớp đất yếu phân bố ngay trên mặt đất Lớp bùn thường có bề

dày mỏng, chừng 1-4m Ngược lại, bùn sét pha có bề dày trên 10m Cấu trúc nền đặc trưng như sau:

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

- Động đất là một hiện tượng địa chất phức tạp, khó kiểm soát Khi động đất xảy ra, năng lượng được giải phóng ở chấn tâm và được truyền đi dưới dạng sóng đến công trình xây dựng

- Bên cạnh sự ảnh hưởng của động đất lên công trình thì ảnh hưởng của các lớp đất đá bên dưới công trình cũng tác động trực tiếp đến sự làm việc ổn định của công trình Biến dạng của nền sẽ làm cho móng bị lún và làm biến dạng công trình Như vậy nền – móng – công trình là một hệ thống liên quan chặt chẽ với nhau, tác dụng qua lại lẫn nhau

- Cấu trúc địa chất khu vực thành phố Đà Nẵng khá phức tạp Tuy nhiên, có 03 dạng cấu trúc được tìm thấy mang tính phổ biến nhất là cấu trúc nền tại khu vực 1, khu vực 2, khu vực 3

- Trong luận văn này, học viên tập trung phân tích dao động của nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất xét ảnh hưởng của đất nền có dạng cấu trúc tại khu vực 1, khu vực 2 và khu vực 3

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG

CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT 2.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG ĐẤT THEO TCXDVN 375-2006

2.1.1 Sơ lược các phương pháp tính tác động của tải trọng động đất

2.1.2 Phương pháp tính lực ngang tương đương

.4s : ( ) 2,5

T : Chu kỳ dao động của hệ tuyến tính một bậc tự do;

ag : Gia tốc nền thiết kế trên nền loại C;

η : Hệ số điều chỉnh độ cản với giá trị η=1 và giá trị cản nhớt là 5%

T : Giới hạn dưới của chu kỳ;

TC : Giới hạn trên của chu kỳ;

TD : Giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển không đổi trong phổ phản ứng;

S : Hệ số nền;

Giá trị của chu kỳ TB, TC, TD và hệ số nền S mô tả dạng phổ phản ứng đàn hồi phụ thuộc vào loại nền đất cho trong Bảng 2.1 (TCXDVN 375-2006)

Bảng 2.1 Hệ số nền và các giới hạn T B , T C ,T D , S ứng với các loại

nền đất Loại nền

2.1.4 Phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến

2.1.5 Phương pháp phân tích phi tuyến theo lược sử thời gian 2.1.6 Lựa chọn phương pháp tính toán

2.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NỀN K h

2.2.1 Phương pháp thí nghiệm hiện trường

2.2.2 Phương pháp thực hành

2.2.3 Phương pháp mô hình số

Trong luận văn này, tác giả ứng dụng chương trình Fb-Pier v3 để xác định hệ số nền Kh tại liên kết giữa khung và móng trong bài toán

Hình 2.3 Khai báo đặc trưng của cọc

Hình 2.4 Khai báo cấu trúc địa chất dọc thân cọc

- Phương pháp mô hình số là cơ sở để áp dụng phân tích xác định

hệ số nền dùng trong mô hình tương tác của kết cấu nhà nhiều tầng với nền đất

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH

NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT

TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 3.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

3.1.1 Khái quát công trình

- Công trình Cục Hải quan thành phố Đà Nẵng cao 60,03m bằng kết cấu khung - vách bêtông cốt thép

- Công trình được xây dựng tại phường Hòa Cường Nam, quận Hải Châu, thành phố Đà Nẵng

3.1.2 Bản vẽ kiến trúc công trình

Hình 3.1 Mặt đứng trục Y

Hình 3.2 Mặt đứng trục X

Hình 3.3 Mặt bằng tầng 1

y5 y6

3.2 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH

- Khi tính toán dao động của công trình có xét đến ảnh hưởng của điều kiện đất nền thì ta gán các liên kết đàn hồi (spring) với hệ số đàn hồi nền Kh theo phương ngang tại các vị trí liên kết công trình và móng Vì móng cọc chống lên lớp đá nên ta xem chuyển vị theo phương đứng là không đáng kể và bỏ qua

Hình 3.12 Các liên kết spring

Hình 3.13 Mô hình công trình trên Etabs v9.7.4

3.3.1 Nhận dạng điều kiện địa chất

3.3.2 Tính toán tải trọng động đất bằng phương pháp phổ phản ứng

Dựa vào cách tính toán phổ phản ứng theo tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006, ta có bảng giá trị phổ phản ứng đối với đất nền loại C

Bảng 3.3 Giá trị phổ phản ứng đàn hồi đối với đất nền loại C

T (s) Se (T)

Nền C T (s)

Se (T) Nền C

Hình 3.7 Xây dựng phổ phản ứng trên Etabs

3.4 TÍNH HỆ SỐ NỀN ĐẤT TẠI ĐỈNH CỌC

- Hệ số nền Kh là tỷ số giữa lực đơn vị và chuyển vị tương ứng

Do đó:

3.5 TỔNG HỢP KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

3.5.1 Tính toán theo cấu trúc địa chất tại khu vực 1

3.5.2 Tính toán theo cấu trúc địa chất tại khu vực 2

2,56.10 ( )

7,6.10 ( / ) 1,31.10 ( )

1,31.10

3,97.10 ( / ) 2,52.10

h h h

h h

h h

h h

m

m m

3.5.3 Tính toán theo cấu trúc địa chất tại khu vực 3

2

Kh

u vực

3

Khu vực

1

Khu vực

2

Khu vực

3

Khu vực

1

Khu vực

2

Khu vực

Q Q

2

Kh

u vực

3

Khu vực

1

Khu vực

2

Khu vực

3

Khu vực

1

Khu vực

2

Khu vực

Hình 3.27 Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt cột tại 03 khu vực

Hình 3.28 Biểu đồ so sánh chênh lệch moment cột tại 03 khu vực 3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

- Theo kết quả phân tích cho thấy sự ảnh hưởng của điều kiện đất

nền có cấu trúc tại khu vực 1, khu vực 2 và khu vực 3 đến dao động

của công trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất là đáng kể, đặc biệt với các tầng dưới đáy

- So sánh với trường hợp ngàm cứng thì khi xét ảnh hưởng của đất nền có cấu trúc tại khu vực 1 chênh lệch 80% về chuyển vị, 100% về lực cắt và 52,93% về moment

- Tương tự, tại khu vực 2: chênh lệch 75% về chuyển vị, 20,7%

về lực cắt và 27,53% về moment Tại khu vực 3: chênh lệch 80% về chuyển vị, 97,2% về lực cắt và 53,05% về moment

- Khu vực 2 có cấu trúc địa chất ảnh hưởng tới dao động của công trình nhà nhiều tầng ít hơn tại khu vực 1 và khu vực 3

KẾT LUẬN

- Luận văn đã nghiên cứu dao động của công trình nhà nhiều tầng chịu tác dụng tải trong động đất khi xét ảnh hưởng của điều kiện địa chất có cấu trúc đặc trưng là khu vực 1, khu vực 2 và khu vực 3 của thành phố Đà Nẵng

- Sử dụng phương pháp phổ phản ứng để phân tích ảnh hưởng của động đất đến công trình xây dựng theo TCXDVN 375-2006

- Qua kết quả nghiên cứu, so sánh trường hợp khi quan niệm là ngàm cứng tuyệt đối thì khi xét ảnh hưởng của đất nền, độ chênh lệch thể hiện rõ ở các tầng dưới đáy của công trình: Khu vực 1 chênh lệch 80% về chuyển vị, 100% về lực cắt và 52,93% về moment; Khu vực 2: chênh lệch 75% về chuyển vị, 20,7% về lực cắt và 27,53% về moment; Khu vực 3: chênh lệch 80% về chuyển vị, 97,2% về lực cắt

và 53,05% về moment