Nghiên cứu ứng dụng phương pháp Push-over để phân tích công trình nhà nhiều tầng không đối xứng chịu tải trọng động đất.PDF

Trong số các phương pháp thì phương pháp N2 khá đơn giản vì không cần quá trình lặp để đạt giá trị chuyển vị mục tiêu, trong đó sử dụng phổ phản ứng không đàn hồi và đường cong khả năng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐOÀN VĨNH PHÚC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PUSH-OVER ĐỂ PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH NHÀ NHIỀU TẦNG KHÔNG ĐỐI XỨNG CHỊU TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đặng Công Thuật

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách

khoa

 Thư viện Khoa Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp,

Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tuy vậy, đối với công trình cao và bất đối xứng, phương pháp push-over truyền thống cho kết quả có tính ước lượng dè dặt khi mà

sự ảnh hưởng của các dạng dao động bậc cao là đáng kể, phương pháp này không bắt kịp các tác động của dao động bậc cao cả theo chiều cao tầng và theo mặt bằng (tác động xoắn) Hơn nữa, phương pháp push-over cổ điển, ví dụ như ATC-40 và FEMA 356, đòi hỏi quá trình lặp để xác định các giá trị mục tiêu (target displacement) Rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm làm cho phương pháp push-over cổ điển cho kết quả tốt hơn nhưng vẫn giữ được sự đơn giản của nó [1-6] Tuy vậy, các phương pháp được đề xuất trước đây đều tốn thời gian và vẫn giả thiết ảnh hưởng của các bậc dao động bậc cao là đàn hồi Trong số các phương pháp thì phương pháp N2 khá đơn giản vì không cần quá trình lặp để đạt giá trị chuyển vị mục tiêu, trong đó sử dụng phổ phản ứng không đàn hồi và đường cong khả năng để xác định chuyển vị mục tiêu Ngoài ra, còn có phương pháp N2 cải tiến tương tự như phương pháp N2 cơ bản trong tính toán chuyển vị mục tiêu Sự cải tiến của phương pháp N2 cải tiến chính là sử dụng việc phân tích phổ phản ứng khi hiệu chỉnh các

hệ quả động đất với giả thiết rằng ảnh hưởng của các dạng dao động

bậc cao vẫn là đàn hồi Mặc dầu phương pháp N2 có tính đơn giản và được cải tiến, nhưng nó vẫn còn cho kết quả có tính ước lượng dè dặt trong việc xác định hệ số xoắn đối với các trận động đất lớn

Với những đặc điểm đã nêu trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp Push-over để phân tích công trình nhà nhiều tầng không đối xứng chịu tải trọng động đất” nhằm nghiên cứu ứng dụng phương pháp push-over sao cho phù hợp trong điều kiện

có ảnh hưởng của các dạng dao động bậc cao trong phân tích bằng phương pháp push-over

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH

1.2.1 Ý nghĩa của việc tính toán phản ứng không đàn hồi của

hệ kết cấu

Đối với các hệ kết cấu kháng chấn, điều quan trọng nhất là khả năng tích lũy một lượng thế năng lớn dưới dạng các biến dạng lớn trong miền không đàn hồi của vật liệu

Theo quan điểm này, nếu việc thiết kế kết cấu chỉ chú trọng tới điều kiện bền, thì trong thiết kế kháng chấn ngoài điều kiện bền, người ta cần chú ý tới độ cứng chống uốn của các cấu kiện chịu lực lẫn khả năng biến dạng và phân tán năng lượng của hệ kết cấu

1.2.2 Khả năng phân tán năng lượng và độ dẻo

Khả năng của hệ kết cấu có thể biến dạng dẻo được đặc trưng qua

độ dẻo của nó Vì nó cho phép người thiết kế có thể thiết kế các hệ kết cấu chịu một tác động nhỏ hơn nhiều so với khi quan niệm hệ kết cấu làm việc đàn hồi Đây là quan niệm chủ yếu mà các nhà khoa

học dựa vào đó để xây dựng nên nội dung của các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại

1.2.3 Hệ số giảm lực tác động và hệ số điều kiện làm việc của

hệ kết cấu

1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT

Mục tiêu của việc thiết kế kháng chấn công trình dần có những thay đổi cơ bản, chuyển từ việc bảo vệ công trình sang bảo vệ trực tiếp mạng sống con người và tài sản xã hội

Các phương pháp xác định tác động động đất chuyển từ giả thiết kết cấu làm việc trong miền đàn hồi sang giả thiết kết cấu làm việc trong miền không đàn hồi

1.4 QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI TRONG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Theo TCVN 9386:2012 - Thiết kế công trình chịu động đất đề nghị:

Các yêu cầu chính:

 Yêu cầu không sụp đổ

 Yêu cầu hạn chế hư hỏng

do sự phát triển và phổ biến của các phần mềm và máy tính tốc độ

cao Sự chính xác của một phương pháp luôn đi kèm với tính phức tạp và mức độ tiêu tốn thời gian thực hiện

Trong phạm vi đề tài này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu áp dụng các phương pháp push-over tĩnh, với mức độ đơn giản và độ chính xác ở mức chấp nhận được mà không cần mô hình hóa phức tạp, không cần tính toán công phu như tính toán động, đang được áp dụng rộng rãi trong các phòng thiết kế trên thế giới

Chương 2

CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 2.1 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP DÙNG TRONG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

2.1.1 Phân loại theo tính chất của tác động động đất lên công trình

2.1.2 Phân loại theo các đặc tính làm việc của hệ kết cấu chịu lực của công trình xây dựng

2.2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO TCVN 9386:2012

2.2.1 Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 2.2.2 Các bước xác định tải trọng động đất

a Xác định giá trị tỷ số a g R/g

b Nhận dạng điều kiện đất nền theo tác động động đất

c Mức độ và hệ số tầm quan trọng

d Xác định giá trị gia tốc đỉnh đất nền thiết kế

e Xác định hệ số ứng xử q của kết cấu bê tông cốt thép

f Xác định chu kỳ dao động riêng cơ bản T 1 của công trình 2.2.3 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

2.2.4 Phương pháp phổ phản ứng thiết kế

a Phạm vi áp dụng của phương pháp

Phương pháp phân tích phổ phản ứng là phương pháp có thể áp dụng cho tất cả các công trình xây dựng và phương pháp phân tích phổ phản ứng có thể áp dụng tính toán cho các công trình không thỏa

mãn điều kiện áp dụng phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương

đương

b Phổ thiết kế dùng trong phân tích đàn hồi

Theo quan điểm thiết kế hiện đại, các hệ kết cấu được phép chịu

tải trọng động đất trong miền không đàn hồi Để tránh phải thực hiện

việc tính toán trực tiếp các kết cấu không đàn hồi, người ta dùng phổ

thiết kế Sd (T) là phổ phản ứng đàn hồi được thu nhỏ lại thông qua hệ

số ứng xử q

c Số dạng dao động cần xem xét trong phương pháp phổ

phản ứng

Cần thỏa mãn:

- Tổng các trọng lượng hữu hiệu của các dạng dao động được

xem xét chiếm ít nhất 90% tổng trọng lượng kết cấu;

- Tất cả các dạng dao động có trọng lượng hữu hiệu lớn hơn

5% của tổng trọng lượng đều được xem xét đến

Nếu điều kiện tại trên không thỏa mãn (công trình có dạng dao

động xoắn góp phần đáng kể) thì số lượng tối thiểu các dạng dao

động k cần được xem xét đến khi phân tích không gian cần thỏa mãn

2 điều kiện sau:

n

s

T k0.2 (2.16) (2.16)

trong đó: k- số dạng dao động cần xem xét đến trong tính toán;

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

Tk- chu kỳ dao động tương ứng với dạng dao động k

d Trình tự tính toán tải trọng động đất theo phương pháp

phổ phản ứng

- Xác định các chu kỳ dao động riêng của công trình

- Xác định phổ thiết kế không thứ nguyên

- Xác định lực cắt tại chân công trình

- Phân phối tải trọng ngang lên các cao trình tầng

- Tổ hợp các dạng dao động cần xét

- Vị trí tác động của tải trọng động đất theo phương ngang:

- Tổ hợp các hệ quả các thành phần động đất

- Tổ hợp tác động động đất với các tác động khác (tác động ngang)

2.3 PHƯƠNG PHÁP PUSH-OVER TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

2.3.1 Phương pháp push-over dạng chính (MPA)

Push-over dạng chính kết hợp phân tích push-over với phân tích lịch sử phản ứng dạng chính Một vài dạng chủ đạo được sử dụng riêng rẽ như là dạng tải trọng ngang của phân tích push-over với chuyển vị đỉnh được định nghĩa từ kết quả phân tích lịch sử phản ứng dạng chính đối với hệ một bậc tự do đàn hồi dẻo [1,2] Phương pháp này cho kết quả tốt khi so sánh với phương pháp lịch sử thời gian nhưng lại là một phương pháp tiêu tốn nhiều thời gian vì cần phải chạy phân tích lịch sử phản ứng dạng chính để xác định chuyển vị mục tiêu đối với mỗi dạng dao động

2.3.2 Phương pháp push-over dạng chính hiệu chỉnh (MMPA)

Phương pháp phân tích push-over hiệu chỉnh (Modified Modal Push-over Analysis) xét đến ảnh hưởng của dao động bậc cao với giả thiết rằng ứng xử của dao động bậc cao vẫn còn nằm trong miền đàn hồi Bằng giả thiết này, phân tích dạng chính cổ điển đối với hệ tuyến tính được sử dụng để kể đến ảnh hưởng của dạng dao động bậc cao Do đó không cần phải thực hiện phân tích push-over đối với dao động bậc cao Phương pháp lịch sử thời gian được sử dụng để xác

định chuyển vị mục tiêu của dạng dao động thứ nhất đàn hồi dẻo mà

nó được sử dụng bằng phân tích push-over Phương pháp này đơn giản hơn phương pháp push-over dạng chính, nhưng lại cho kết quả

có sai số lớn hơn ở bậc đàn hồi dẻo lớn hơn [1]

2.3.3 Phương pháp push-over dạng chính thực hành (PMPA)

Tương tự với phương pháp push-over dạng chính hiệu chỉnh

và có sự đơn giản hơn để xác định chuyển vị mục tiêu của bậc dao động đàn hồi dẻo đầu tiên Chuyển vị mục tiêu của dạng dao động đàn hồi dẻo đầu tiên đạt được bằng cách nhân giá trị chuyển vị mục tiêu trung tuyến của hệ tuyến tính với tỷ số biến dạng đàn hồi dẻo [8] Phương pháp này đự đoán tốt các yêu cầu động đất và vẫn cho kết quả tương tự như phương pháp phân tích phổ phản ứng cho hệ tuyến tính, và không cần phải thực hiện phân tích lịch sử thời gian, nhưng vẫn cần lựa chọn dạng chuyển động đất nền và thực hiện nhiều phân tích động tuyến tính để tìm giá trị chuyển vị mục tiêu đàn hồi trung tuyến

2.3.4 Phương pháp tổ hợp dạng chính (MMC)

Phương pháp tổ hợp dạng chính cố gắng kết hợp một số dạng dao động bằng cách thêm vào hoặc giảm đi sự tham gia của các dạng dao động khác nhau trong việc xác định lực ngang Phương pháp này cho nhiều dạng tải trọng ngang thay thế và tốn khá nhiều thời gian [9]

2.3.5 Theo ATC_40

ATC-40 (ATC-40, 1996) còn được gọi là phương pháp phổ khả năng, sử dụng chuyển vị đỉnh ở mái để xác định sự làm việc của công trình theo chuyển động của đất nền Sự kết hợp giữa đường cong khả năng và phổ phản ứng yêu cầu với quá trình lặp được sử dụng để xác định điểm tính năng hoặc chuyển vị mục tiêu ATC - 40

yêu cầu dạng gia tốc - chuyển vị cho cả đường cong khả năng và phổ yêu cầu ATC - 40 yêu cầu dạng gia tốc - chuyển vị cho cả đường cong khả năng và phổ yêu cầu Các bước thực hiện của ATC - 40 được mô tả như sau:

- Chuyển đổi phổ phản ứng yêu cầu được xác định trong các tiêu chuẩn xây dựng từ dạng gia tốc phổ (Sa) - chu kỳ (T) sang dạng gia tốc - chuyển vị

- Thực hiện phân tích push-over và thiết lập quan hệ giữa chuyển vị đỉnh δ và lực cắt đáy V (đường cong khả năng push-over)

- Ước lượng độ cản và phổ phản ứng cản giảm 5%

Hình 2.5: Đường cong khả năng: (a) dạng V- δ; (b) dạng Sa - Sd

- Xác định điểm tính năng

Quy trình xác định điểm tính năng được mô tả như sau:

(a) Vẽ đường cong khả năng và phổ phản ứng ADRS với độ cản 5% trong cùng một biểu đồ

(b) Xác định điểm tính năng giả định Sapi, Sdpi Việc này được thực hiện bằng cách xấp xỉ chuyển vị bằng nhau

(c) Thực hiện việc xấp xỉ nhị tuyến của đường cong khả năng sao cho diện tích bên dưới đường cong khả năng và diện tích bên dưới đường nhị tuyến là bằng nhau

(d) Hệ số giảm SRA và SRV được tính toán để xác định phổ yêu cầu được giảm Phổ yêu cầu đã điều chỉnh giảm được vẽ cùng với phổ khả năng

(i) Nếu phổ yêu cầu đã điều chỉnh giảm mà giao với phổ khả năng tại Sapi, Sdpi hoặc nếu giao điểm Sdp ở lân cận 5% của Sdpi, thì điểm đó chính là điểm tính năng

(ii) Nếu giao điểm không nằm trong giới hạn sai số cho phép 5% thì chọn điểm khác và lặp lại các bước (c) và (d) Giao điểm xác định được ở bước (d) có thể được sử dụng như là khởi điểm cho vòng lặp kế tiếp

- Kiểm tra lại các giới hạn của phản ứng

Ngay sau khi xác định được điểm tính năng Sap, Sdp thì xác định lực cắt đáy (Vp) và chuyển vị đỉnh (δp) Sau đó, kiểm tra phản ứng cục bộ của cấu kiện và phản ứng tổng thể của công trình Phản ứng cục bộ của cấu kiện, xác định cấu kiện tới hạn và được kiểm tra như hướng dẫn chi tiết ở chương 11 của ATC - 40

2.3.6 Theo FEMA 356

FEMA 356 (FEMA 356, 2000) lần đầu tiên được thiết lập để gia cố (retrofit) các công trình đang tồn tại, nhưng quy trình thì hoàn toàn có thể áp dụng cho thiết kế công trình mới Chủ đầu tư quyết định tính năng mong muốn (của công trình, và sau đó kỹ sư sẽ thiết

kế một kết cấu mới hoặc gia cố kết cấu để đạt được mục tiêu tính năng mong muốn Tính năng làm việc được chia làm bốn mức là Sử dụng bình thường (Operational Performance), Tiếp tục sử dụng (Immediate Occupancy), An toàn sinh mạng (Life Safety), và Ngăn ngừa sụp đổ (Collapse Prevention) Giới hạn của mỗi mức được mô

tả như hình vẽ 2.9

Hình 2.10: Giới hạn các mức mục tiêu tính năng

FEMA 356, còn gọi là phương pháp hệ số, điều chỉnh phổ đàn hồi tuyến tính của hệ một bậc tự do tương đương bằng cách đưa

ra một loạt các hệ số từ C0 đến C3 để ước lượng giá trị chuyển vị tổng thể lớn nhất maximum global displacement (cả đàn hồi và không đàn hồi) mà nó được gọi là chuyển vị mục tiêu Chuyển vị mục tiêu có thể được tính toán theo công thức (2.42) dưới đây:

2.4.1 Theo phương pháp N2 cơ bản (Basic N2)

Phương pháp N2 tương tự như phương pháp phổ khả năng nhưng phương pháp này sử dụng phổ đàn hồi dẻo, trong khi phương pháp phổ khả năng truyền thống sử dụng phổ đàn hồi với chu kỳ và

độ cản tương Phương pháp N2 loại bỏ được hai điểm hạn chế của phương pháp phổ khả năng truyền thống (FEMA 356 và ATC - 40),

đó là cần quá trình lặp và phải sử dụng độ cản và chu kỳ tương đương

Phổ đàn hồi dẻo được dựa vào phân tích thống kê, trong đó loại chuyển động đất nền mạnh và gần vị trí đứt gãy không được xem xét Cần phải thận trọng đối với dải chu kỳ dài (chuyển động thường không đổi) và dải chu kỳ rất dài (chuyển vị phổ sẽ giảm tới mức chuyển vị đỉnh của đất nền)

2.4.2 Theo phương pháp N2 mở rộng (Extended N2 method)

Phương pháp N2 mở rộng kết hợp kết quả của phương pháp N2 cơ bản và phương pháp phân tích phổ Phương pháp phân tích phổ phản ứng là phân tích động tuyến tính, kết quả chuyển vị đỉnh của công trình theo phương pháp phân tích phổ phản ứng phải được điều chỉnh sao cho giống với phương pháp N2 cơ bản Giá trị được

sử dụng là giá trị lớn hơn trong hai phương pháp này Mục đích của việc xét phân tích phổ phản ứng là nhằm kể đến ảnh hưởng của dao động bậc cao khi công trình được giả thiết là ứng xử đàn hồi

Chương 3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PUSH-OVER CẢI TIẾN

ĐỂ PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH NHÀ NHIỀU TẦNG KHÔNG ĐỐI XỨNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 3.1 QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP N2 3.1.1 Lập dữ liệu công trình và phổ gia tốc đàn hồi

3.1.2 Chuyển đổi phổ phản ứng về dạng gia tốc - chuyển vị

và lập phổ đàn hồi dẻo

a Phổ đàn hồi

b Phổ đàn hồi dẻo đối với độ dẻo không đổi

Hình 3.2: Phổ phản ứng đàn hồi và đàn hồi dẻo đối với hệ có độ dẻo không

đổi [2]

3.1.3 Phân tích push-over

3.1.4 Hệ một bậc tự do tương đương và đường cong khả năng