Phân tích bài toán tương tác tấm mindlin trên nền đàn nhớt được gia cường top base chịu tải trọng di động

Phân tích ứng xử động lực học kết cấu tấm Mindlin trên nền có tải trọng tĩnh và động tác dụng khi có xét/không xét đến nền có gia cường Top Base.. ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn n

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn 1: TS Lương Văn Hải

Cán bộ hướng dẫn 2: PGS.TS Nguyễn Thời Trung

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Đỗ Kiến Quốc

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Trọng Phước

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM vào ngày 30 tháng 08 năm 2014

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

1 TS Nguyễn Sỹ Lâm - Chủ tịch Hội đồng

2 PGS.TS Nguyễn Xuân Hùng - Thư ký

3 PGS.TS Đỗ Kiến Quốc - Ủy viên (Phản biện 1)

4 TS Nguyễn Trọng Phước - Ủy viên (Phản biện 2)

5 TS Lương Văn Hải - Ủy viên

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS Nguyễn Sỹ Lâm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: LÊ ĐỖ PHƯƠNG AN MSHV: 11210228

Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1982 Nơi sinh: Bình Thuận

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 605820

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích bài toán tấm Mindlin trên nền đàn nhớt được gia

cường Top Base chịu tải trọng di động

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Tìm hiểu công nghệ xử lý nền bằng Top Base và hiệu quả của việc sử dụng của

công nghệ này

2 Phân tích ứng xử động lực học kết cấu tấm Mindlin trên nền có tải trọng tĩnh và

động tác dụng khi có xét/không xét đến nền có gia cường Top Base

3 Phát triển thuật toán, xây dựng chương trình tính bằng ngôn ngữ lập trình Matlab

để giải phương trình động lực học của tấm So sánh ứng xử của tấm khi có xét và

không xét ảnh hưởng của nền có gia cường Top Base

4 Khảo sát các ví dụ số minh họa ảnh hưởng nền có gia cường Top Base đến ứng

xử của tấm khi thay đổi đặc trưng của tấm (độ cứng, kích thước, chiều dày, ),

vận tốc tải, số lớp Top Base gia cường, và đặc tính đất nền tự nhiên

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/02/2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 20/06/2014

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Lương Văn Hải

PGS.TS Nguyễn Thời Trung

Tp HCM, ngày tháng năm 2014

TS Lương Văn Hải PGS.TS Nguyễn Thời Trung

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Lương Văn Hải và Thầy PGS.TS Nguyễn Thời Trung đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức bổ ích, cung cấp nguồn tài liệu có giá trị và hướng dẫn tôi làm quen từ công việc nghiên cứu khoa học đến việc hoàn thành một Luận văn Thạc

sĩ Hai Thầy đã cho tôi những lời khuyên quý báu và hướng dẫn tôi rất nhiều trong cách nhận định đúng đắn các vấn đề trong việc nghiên cứu đề tài Luận văn Ngoài

ra, tôi còn học hỏi được ở hai Thầy những kỹ năng cần thiết trong cuộc sống, những bài học về sự thành công trong công việc cũng như trong cuộc sống Hai Thầy đã để lại trong tôi những hình ảnh tốt đẹp về một người Thầy luôn tận tụy, nhiệt tình và đáng kính

Tôi chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy, truyền đạt và bổ sung kiến thức cho tôi trong suốt khóa Cao học vừa qua

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Phùng Văn Phúc, CN Đặng Trung Hậu đã có nhiều đóng góp trao đổi giúp tôi hiểu rõ hơn về bản chất đề tài

Tôi chân thành cảm ơn đến các tác giả đã có rất nhiều cống hiến trong việc nghiên cứu và viết nhiều bài báo khoa học, nhiều sách tham khảo có giá trị, đó chính là sự hỗ trợ rất nhiều về mặt kiến thức để tôi có thể hoàn thành Luận văn này

Trong quá trình nghiên cứu bản thân tôi đã có cố gắng trau dồi và cập nhật kiến thức, tuy nhiên vẫn không thể không có những thiếu sót nhất định Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để Luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô

Tp HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2014

Lê Đỗ Phương An

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn nhằm phân tích động lực học kết cấu tấm Mindlin chịu tác dụng của tải trọng di động có xét đến tương tác với đất nền được gia cường lớp Top Base Việc phân tích ứng xử của tấm Mindlin chịu tải trọng của tác dụng tĩnh và tải trọng xe di chuyển với vận tốc không đổi theo thời gian được thực hiện bằng phần tử tam giác Minlin 3 nút được làm trơn CS-MIN3 Tấm Mindlin được giả sử

đặt trực tiếp trên nền với các lò xo có độ cứng K s và độ cản C s Sau khi phương trình chuyển động của hệ được thiết lập bằng phương trình Lagrange, phương pháp tích phân Newmark được sử dụng để giải bài toán động lực học kết cấu theo thời gian Luận văn sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để xây dựng chương trình tính toán và phân tích kết quả

Các ví dụ số được trình bày nhằm phân tích động lực học kết cấu tấm Mindlin trên nền chịu tải trọng di động, trong đó đất nền được khảo sát với hai trường hợp có gia cường Top Base và không có gia cường Top Base Ngoài ra, ảnh hưởng của bề dày tấm, độ cứng tấm, vận tốc xe di chuyển đến ứng xử của tấm cũng được khảo sát trong Luận văn này Các kết quả trong Luận văn sẽ cho thấy

sự tin cậy và chính xác của phương pháp CS-MIN3 khi so sánh với các kết quả đã được công bố trước đó Ngoài ra, các kết quả cũng cho thấy sự hiệu quả của việc gia cường Top Base khi khảo sát ảnh hưởng tương tác giữa kết cấu tấm Mindlin và đất nền, và xu hướng ứng xử đúng đắn của tấm trên nền khi khảo sát sự thay đổi của các hệ số khác nhau tác động lên ứng xử động lực học của tấm Mindlin

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS Lương Văn Hải và Thầy PGS.TS Nguyễn Thời Trung

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Tp HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2014

Lê Đỗ Phương An

iv

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 1

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tổng quan về phương pháp Top Base 2

1.2.1 Cấu tạo 2

1.2.2 Tính ưu việt của phương pháp Top Base 3

1.2.3 Phạm vi ứng dụng của phương pháp Top Base 3

1.3 Sơ lược về sự tương tác giữa kết cấu tấm và nền 8

1.4 Tình hình nghiên cứu 8

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 8

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 11

1.5 Mục tiêu và hướng nghiên cứu 11

1.6 Luận văn 12

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TOP BASE 14

2.1 Giới thiệu chung về Top Base 14

2.1.1 Tóm tắt về phương pháp Top Base 14

2.1.2 Đặc điểm của Top Base 14

2.1.3 Đặc điểm cơ lý của phương pháp Top Base 16

2.2 Tính toán khả năng chịu lực của Top Base 19

2.3 Tính toán độ lún Top Base 22

2.4 Phương pháp thi công Top Base 23

v

2.5 Phân tích ảnh hưởng của nền đàn nhớt có gia cường Top Base đối với

kết cấu chịu tải trọng động 27

2.5.1 Hệ số Poisson của đất s 28

2.5.2 Nền với nhiều lớp đất khác nhau 28

2.5.3 Hệ số độ cứng đàn hồi của nền K s 32

2.5.4 Hệ số cản của nền C s 33

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẤM MINDLIN 34

3.1 Phương trình dạng yếu của tấm Reissner Mindlin trên nền đàn nhớt 34

3.2 Thiết lập phương trình phần tử hữu hạn cho tấm Reissner Mindlin trên nền đàn nhớt 36

3.3 Thiết lập ma trận độ cứng của phần tử CS-MIN3 cho tấm Reissner Mindlin trên nền đàn nhớt 38

3.3.1 Thiết lập ma trận độ cứng của phần tử MIN3 cho tấm Reissner Mindlin trên nền đàn nhớt 38

3.3.2 Thiết lập ma trận độ cứng của phần tử CS-MIN3 cho tấm Reissner Mindlin trên nền đàn nhớt 41

3.4 Qui tải di động thành tải đặt tại các nút và phân tích động lực học 45

3.4.1 Qui tải trọng xe thành tải tập trung tại bốn bánh xe 45

3.4.2 Qui tải tập trung tại bánh xe thành tải tại các nút của phần tử 47

3.5 Phương pháp tích phân Newmark 48

3.6 Thuật toán sử dụng trong Luận văn 48

3.7 Lập trình và qui trình tính toán 50

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ 52

4.1 Kiểm chứng chương trình tính 54

4.1.1 Ví dụ 1: Phân tích dao động tự do của tấm trên nền đàn hồi 54

4.1.2 Ví dụ 2: Phân tích bài toán tấm chịu tác dụng tải tĩnh trên nền đàn hồi 58

4.2 Phân tích ứng xử động lực học của tấm trên nền đàn nhớt chịu tải trọng di chuyển 61

vi

4.2.1 Ví dụ 3: Khảo sát ứng xử động lực học của tấm khi tải trọng

của xe được quy về một tải trọng tập trung tại trọng tâm của xe và bốn tải

tập trung tại bốn bánh xe 62

4.2.2 Ví dụ 4: Khảo sát ứng xử động lực học của tấm trên nền đàn nhớt chịu tải trọng di động khi hệ số độ cứng K s thay đổi 67

4.2.3 Ví dụ 5: Khảo sát ứng xử động lực học của tấm trên nền đàn nhớt chịu tải trọng di động khi hệ số cản C s thay đổi 68

4.2.4 Ví dụ 6: Khảo sát ứng xử động lực học của tấm trên nền đàn nhớt chịu tải trọng di động khi hệ số cản v thay đổi 70

4.3 Phân tích ứng xử động lực học của tấm trên nền đàn nhớt có gia cường Top Base chịu tải trọng của xe di chuyển 71

4.3.1 Ví dụ 7: Khảo sát ứng xử động lực học của tấm đặt trên nền không gia cường và có gia cường 1 lớp Top Base chịu tải trọng xe di chuyển với vận tốc không đổi 73

4.3.2 Ví dụ 8: Khảo sát ứng xử động lực học của tấm trên nền đàn nhớt có gia cường 1 lớp Top Base khi chiều dày tấm thay đổi 75

4.3.3 Ví dụ 9: Khảo sát ứng xử động lực học của tấm trên nền đàn nhớt có gia cường số lớp Top Base khác nhau chịu tải trọng xe di chuyển với vận tốc không đổi 76

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

5.1 Kết luận 80

5.2 Kiến nghị 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 87

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 95

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Top block bê tông đúc sẵn 2

Hình 1.2 Cấu tạo nền Top Base 2

Hình 1.3 Công trình High Palace Officetel, Seoul 5

Hình 1.4 Công trình Jeongeon Skyvil Aparterment, Seoul 5

Hình 1.5 Công trình Ssangyoung Park-Regency Bldg Daejeon 5

Hình 1.6 Toà nhà South Building, 60 Trường Sơn, Tp.HCM 6

Hình 1.7 Nhà ở Xã hội Hưng Lộc, Vinh, Nghệ An 7

Hình 1.8 Khách sạn 5 sao An Thịnh, Hòa Bình 7

Hình 1.9 Hình ảnh những trận động đất ở Chibahien, Nhật Bản 9

Hình 2.1 Top block bê tông 14

Hình 2.2 Mặt cắt Top Base 15

Hình 2.3 Mặt bằng Top Base 15

Hình 2.4 Bánh xích dạng Top shape của máy ủi 16

Hình 2.6 Phân bố ứng suất của các loại móng khác nhau sau khi lún dài hạn 18

Hình 2.7 Phân bố ứng suất trong đất yếu 18

Hình 2.8 Phân bố ứng suất trong đất trung bình 18

Hình 2.9 Xác định hệ số phân bố ứng suất 20

Hình 2.10 Phương pháp lựa chọn hệ số K2 20

Hình 2.11 Đào các hố móng để đặt Top Base 23

Hình 2.12 Liên kết các Top block 24

Hình 2.13 Đổ bê tông tại chỗ cho các Top block 25

Hình 2.14 Chèn đá dăm và tiến hành đằm chặt 26

Hình 2.15 Liên kết khóa đỉnh bằng các thanh thép trên 27

Hình 2.16 Đổ bê tông lót bảo vệ lớp thép trên của Top Base 27

Hình 2.17 Nền với nhiều lớp đất khác nhau không gia cường Top Base 29

Hình 2.18 Nền với nhiều lớp khác nhau có gia cường Top Base 29

viii

Hình 2.19 Quy đổi từ mô hình 3D sang mô hình 2D của Top block 30

Hình 3.1 Mô hình tấm Reissner Mindlin trên nền đàn nhớt 34

Hình 3.2 Qui ước chiều dương của chuyển vị w và hai chuyển vị xoay β x , β y của tấm Reissner Mindlin trên nền đàn nhớt 35

Hình 3.3 Tọa độ địa phương và tọa độ tự nhiên cho phần tử tấm tam giác 3 nút MIN3 40

Hình 3.5 Mặt cắt dọc phân bố tải trọng của xe xuống bốn bánh xe 45

Hình 3.6 Mặt cắt ngang phân bố tải trọng của xe xuống bốn bánh xe 46

Hình 3.7 Tọa độ của khối lượng di chuyển qua các phần tử tam giác 47

Hình 3.8 Mặt cắt dọc của Top Base 50

Hình 3.9 Qui trình tính toán 51

Hình 4.1 Đặc trưng đất nền qua các lớp địa chất khác nhau 52

Hình 4.4 Hình dạng 5 mode dao động đầu tiên của tấm trên nền đàn hồi 58

Hình 4.5 Tấm trên nền đàn hồi có tải tập trung tại trọng tâm tấm 59

Hình 4.6 Phân bố chuyển vị chính giữa tấm  2 wwD PB trong Luận văn 60

Hình 4.7 Phân bố chuyển vị chính giữa tấm  2 wwD PB của Huang và Thambiratnam (2001) [45] 60

Hình 4.8 Tấm trên nền đàn nhớt có tải xe di chuyển giữa tấm dọc theo phương x 62

Hình 4.9 Chuyển vị của tấm khi xe di chuyển đến vị trí 1/4 tấm 63

Hình 4.10 Chuyển vị của tấm khi xe di chuyển đến vị trí 1/2 tấm 63

Hình 4.11 Chuyển vị của tấm khi xe di chuyển đến vị trí 3/4 tấm 64

Hình 4.12 Hình dạng chuyển vị của tấm khi xe di chuyển đến vị trí 1/4 tấm; (a) ứng với tải đặt tại trọng tâm xe; (b) ứng với tải đặt tại bốn bánh xe 65

Hình 4.13 Hình dạng chuyển vị của tấm khi xe di chuyển đến vị trí 1/2 tấm; (a) ứng với tải đặt tại trọng tâm xe; (b) ứng với tải đặt tại bốn bánh xe 66

ix

Hình 4.14 Hình dạng chuyển vị của tấm khi xe di chuyển đến vị trí 3/4 tấm;

(a) ứng với tải đặt tại trọng tâm xe; (b) ứng với tải đặt tại bốn bánh xe 67Hình 4.15 Chuyển vị tại vị trí các bánh xe theo phương dọc tấm khi hệ số

độ cứng của nền thay đổi 68Hình 4.16 Chuyển vị tại vị trí các bánh xe theo phương dọc tấm khi hệ số

cản của nền thay đổi 69Hình 4.17 Chuyển vị tại vị trí các bánh xe dọc theo chiều dài tấm khi vận

tốc xe thay đổi 70Hình 4.18 Tấm trên nền đàn nhớt có gia cường Top Base chịu tải xe di

chuyển giữa tấm dọc theo phương x 72

Hình 4.19 Cấu tạo lớp Top Base gia cường nền 73Hình 4.21 Hình dạng chuyển vị của tấm khi xe di chuyển đến vị trí giữa tấm

cho cả hai trường hợp: (a) Không gia cường Top Base; (b) Có gia cường Top Base 74Hình 4.23 So sánh chuyển vị tại vị trí các bánh xe khi xe di chuyển đến vị

trí giữa tấm với nền không gia cường và nền có gia cường 1 lớp,

2 lớp và 3 lớp Top Base 77Hình 4.24 Biểu đồ so sánh chuyển vị của tấm Mindlin tương ứng với vị trí

các bánh xe khi số lớp Top Base thay đổi 78

x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Hệ số khả năng chịu tải trọng của nền đất tự nhiên và nền có gia

cường Top Base 21

Bảng 2.2 Hệ số Poisson ứng với từng loại đất 28

Bảng 3.1 Cấu hình nút ban đầu (không chịu ràng buộc cắt) và cấu hình nút lúc sau (đã chịu ràng buộc cắt) trong phần tử tấm MIN3 39

Bảng 3.2 Thông số xe 50

Bảng 3.3 Thông số tấm và nền 50

Bảng 3.4 Thông số Top Base 50

Bảng 4.1 Thông số xe tải 53

Bảng 4.2 Thông số tấm Mindlin 53

Bảng 4.3 Thông số đất nền 53

Bảng 4.5 So sánh độ chênh lệch giữa Luận văn và Huang và Thambiratnam (2001) [45] 60

Bảng 4.6 So sánh chuyển vị của tấm khi hệ số độ cứng của nền thay đổi 68

Bảng 4.7 So sánh chuyển vị của tấm khi hệ số cản của nền thay đổi 69

Bảng 4.8 So sánh chuyển vị của tấm khi vận tốc xe thay đổi 71

Bảng 4.9 So sánh chuyển vị giữa SSI không gia cường và có gia cường 1 lớp Top Base 74

Bảng 4.10 So sánh chuyển vị tại vị trí các bánh xe khi xe di chuyển đến vị trí giữa tấm (x = 10m) với chiều dày tấm thay đổi khi nền có gia cường 1 lớp Top Base 76

Bảng B.1 Dữ liệu đất nền chưa gia cường Top Base 92

Bảng B.2 Hệ số độ cứng của nền thay đổi khi đất nền không gia cường Top Base 92

Bảng B.3 Hệ số độ cản của nền thay đổi khi đất nền không gia cường Top Base 92

Bảng B.4 Các thông số của lớp Top Base tương đương 92

xi

Bảng B.5 Dữ liệu đất nền có gia cường 1 lớp Top Base 93Bảng B.6 Hệ số độ cứng và hệ số độ cản nền khi gia cường 1 lớp Top Base 93Bảng B.7 Dữ liệu đất nền có gia cường 2 lớp Top Base 93Bảng B.8 Hệ số độ cứng và hệ số độ cản nền khi gia cường 2 lớp Top Base 94Bảng B.9 Dữ liệu đất nền có gia cường 3 lớp Top Base 94Bảng B.10 Hệ số độ cứng và hệ số độ cản nền khi gia cường 3 lớp Top Base 94

xii

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt

FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

CS-MIN3 Cell-based smoothed Mindlin three nodes plate element

DOF Bậc tự do (Degree of Freedom)

SSI Tương tác giữa kết cấu bên trên và đất nền bên dưới (Soil-Structure

Interaction) DSSI Tương tác động giữa kết cấu và đất nền (Dynamic Soil-Structure

Db Ma trận vật liệu liên quan đến biến dạng uốn

Ds Ma trận vật liệu liên quan đến biến dạng cắt

 Ma trận biến dang cắt

e

κ Ma trận biến dạng uốn trơn của phần tử CS-MIN3

γe Ma trận biến dạng cắt trơn của phần tử CS-MIN3

Ke Ma trận độ cứng phần tử CS-MIN3

K Ma trận độ cứng tổng thể trơn khi sử dụng phần tử CS-MIN3

xử lý nền truyền thống Chính vì vậy, hướng nghiên cứu về ứng xử của kết cấu đặt trên nền được gia cường Top Base đã và đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới

Công nghệ nền Top Base được sử dụng khá rộng rãi ở các công trình xây dựng

ở Nhật Bản và Hàn Quốc Tuy nhiên, ở Việt Nam công nghệ này chỉ mới bước đầu được chuyển giao và triển khai thực hiện cho một số công trình nhỏ Vì vậy, vẫn chưa có các tiêu chuẩn thiết kế dành riêng cho loại móng này, và do đó cũng góp phần làm hạn chế việc phổ biến rộng rãi phương pháp xử lý nền này Một số ưu điểm nổi bật của phương pháp Top Base có thể kể đến như: (1) đảm bảo an toàn cho công trình trên nền đất yếu; (2) thi công thuận lợi; (3) thời gian thi công ngắn và chi phí thấp,…v.v Đây là những yếu tố mà các nhà đầu tư đặc biệt quan tâm trong tình hình kinh tế khó khăn hiện nay Thực tế nhiều công trình ở Nhật Bản, Hàn Quốc và Việt Nam có sử dụng phương pháp móng Top Base đã cho thấy tính hiệu quả và kinh tế cao

Hình 1.1 Top block bê tông đúc sẵn

Hình 1.2 Cấu tạo nền Top Base

Tổng quan 3

Các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm của Banseok (2007) [1] cho thấy phương pháp Top Base làm cho độ lún cố kết giảm từ 1/2 ÷ 1/3 hoặc nhiều hơn, đồng thời làm tăng khả năng chịu tải của nền từ 50% - 100% hoặc nhiều hơn so với nền đất ban đầu chưa được xử lý

Phương pháp này sử dụng rất nhiều trong kết cấu móng nông trên nền đất yếu, phương pháp này có tác dụng tăng cường khả năng chịu tải và giảm độ lún, vì vậy

có thể coi đây là một trong những phương pháp cải tạo nền đất có hiệu quả cao Công nghệ Top Base vốn được coi là một bước đột phá về công nghệ xây dựng,

đã được hoàn thiện và áp dụng thành công trên nền đất yếu hơn 20 năm qua ở Nhật Bản và Hàn Quốc Có hai phương pháp thi công Top Base, đó là thi công chủ yếu tại nhà máy (Công nghệ Nhật Bản) và thi công đổ bê tông tại chỗ (Công nghệ Hàn

Quốc)

1.2.2 Tính ưu việt của phương pháp Top Base

 Đảm bảo an toàn cho tải trọng đặt trên nền đất yếu

 Giảm độ lún tổng thể và lún lệch của công trình, đồng thời tăng khả năng chịu tải của nền ban đầu

 Khả năng chống động đất tốt với khả năng hấp thu rung động và chống rung hiệu quả

 Hoàn toàn loại bỏ được ảnh hưởng xấu đến việc xây dựng do tiếng ồn và chấn động gây ra

 Có khả năng thi công ở nơi chật hẹp ngay cả trong công trình đã xây dựng

 Thi công tiện lợi không cần thiết bị đặc biệt

 Giảm thời gian thi công và giá thành xây dựng

 Thân thiện với môi trường

1.2.3 Phạm vi ứng dụng của phương pháp Top Base

Phương pháp Top Base được áp dụng rộng rãi để xử lý nền cho các công trình dân dụng và công nghiệp, các công trình giao thông vận tải và thông tin liên lạc như:

 Công trình liên quan đến bảo vệ môi trường: bãi san lấp chất thải, nơi xử lý chất thải

 Nhà dân dụng bao gồm nhà thấp tầng và nhà nhiều tầng

Tổng quan 4

 Nhà công nghiệp

 Bể chứa, bồn chứa và các công trình xử lý nước thải

 Các công trình giao thông và thông tin liên lạc như: đường và các công trình liên quan,…

Tổng quan 5

 Một số công trình thực tế ở nước ngoài:

Một số công trình thực tế đã được thi công ở nước ngoài, ví dụ như: công trình High Palace Officetel, Seoul (Hình 1.3); công trình Jeongeon Skyvil Aparterment, Seoul (Hình 1.4); công trình Ssangyoung Park-Regency Bldg Daejeon (Hình 1.5); …v.v

Hình 1.3 Công trình High Palace Officetel, Seoul

Hình 1.4 Công trình Jeongeon Skyvil Aparterment, Seoul

Hình 1.5 Công trình Ssangyoung Park-Regency Bldg Daejeon

Tổng quan 6

 Một số công trình thực tế ở Việt Nam:

Ở Việt Nam cũng đã ứng dụng công nghệ gia cố nền bằng Top Base vào các công trình thực tế như: toà nhà South Building, 60 Trường Sơn, Tp.HCM (Hình 1.6); nhà

ở Xã hội Hưng Lộc, Vinh, Nghệ An (Hình 1.7); khách sạn 5 sao An Thịnh, Hòa Bình (Hình 1.8); …v.v

Hình 1.6 Toà nhà South Building, 60 Trường Sơn, Tp.HCM

Tổng quan 7

Hình 1.7 Nhà ở Xã hội Hƣng Lộc, Vinh, Nghệ An

Hình 1.8 Khách sạn 5 sao An Thịnh, Hòa Bình

Tổng quan 8

1.3 Sơ lược về sự tương tác giữa kết cấu tấm và nền

Trong nhiều thiết kế liên quan đến kết cấu khung, phần kết cấu khung bên trên và phần nền bên dưới (móng) sẽ được tính toán riêng Các kỹ sư sẽ phân tích ứng xử của kết cấu khung bên trên và tính toán nội lực tại chân kết cấu bên trên, sau đó truyền lực xuống và tính cho phần nền bên dưới Nhưng đối với kết cấu tấm đặt trên nền thì việc phân tích thiết kế thường được xem xét đồng thời giữa cả tấm và móng trên nền, do chúng có sự tương tác lẫn nhau Khi các kết cấu tấm dao động dưới các tác nhân của ngoại lực, sẽ làm phát sinh dịch chuyển ở đáy móng đặt trên nền, sự dịch chuyển này tạo ra sự trao đổi năng lượng và tương tác giữa kết cấu bên trên và

phần nền bên dưới (Soil-Structure Interaction, viết tắt là SSI) Ngoài ra, tương tác

giữa kết cấu tấm bên trên và nền bên dưới không chỉ phụ thuộc vào độ cứng của nền bên dưới mà còn phụ thuộc vào độ cứng và khối lượng của kết cấu tấm bên trên Như vậy, để việc phân tích ứng xử của kết cấu tấm trên nền được chính xác hơn, đòi hỏi người thiết kế phải sử dụng các phương pháp phân tích phù hợp, và xem xét

cả kết cấu tấm và móng trên nền là một hệ duy nhất

1.4 Tình hình nghiên cứu

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Phương pháp Top Base được sử dụng lần đầu tiên tại Nhật Bản vào những năm 80 của thế kỷ XX Tuy nhiên, trong thời gian đó phương pháp này chưa được quan tâm nghiên cứu và phát triển

Sau những trận động đất lớn ở Chibahien vào năm 1987 (Hình 1.9), người Nhật mới nhận thấy sự bền vững của những công trình được gia cố nền bằng phương pháp Top Base Từ đó họ bắt đầu tập trung nghiên cứu và phát triển chúng Nhờ vậy, ngày nay phương pháp này trở nên phổ biến trên toàn thế giới

Tổng quan 9

Hình 1.9 Hình ảnh những trận động đất ở Chibahien, Nhật Bản

Ban đầu, người Nhật chế tạo hàng loạt những Top block bằng bê tông trong nhà máy, sau đó vận chuyển đến công trường để thi công Tuy nhiên, mỗi Top block nặng khoảng 75kg nên công việc vận chuyển gặp nhiều khó khăn và đòi hỏi những thiết bị thi công lớn

Do những ưu việt của phương pháp Top Base, các kỹ sư Hàn Quốc sau đó cũng

đã tham gia nghiên cứu, ứng dụng và cải tiến mạnh mẽ công nghệ này Thay vì đúc sẵn tại nhà máy, các Top block được đổ ngay tại công trường bằng các khuôn nhựa được làm từ rác thải tái chế Những cải tiến này đã góp phần làm giảm giá thành cũng như thời gian thi công, đồng thời xử lý được một phần chất thải rắn khó phân hủy

H.Nagase và cộng sự (1992) [2] đã tiến hành thí nghiệm bàn rung để nghiên cứu

độ lún của móng có gia cường nền bằng Top block khi nền cát dưới đáy móng bị hóa lỏng Thí nghiệm bàn rung còn được thực hiện với các loại móng có hình dáng khác nhau như hình chữ T, hình cone, hình Top-shaped để khảo sát hiệu ứng giảm

độ lún Kết quả chỉ ra rằng, độ lún của móng sử dụng khối bê tông hình Top-shaped

Tổng quan 10

là nhỏ nhất, và là loại móng hữu hiệu nhất trong việc kiểm soát độ lún trong cát rời khi động đất xảy ra Arai và cộng sự (2008) [3], Kim và cộng sự (2008) [4] đã tiến hành nhiều thí nghiệm để xác định khả năng chịu tải và độ lún của phương pháp Top Base Họ còn nghiên cứu về hiệu quả của sự thay đổi kích thước khối móng, hiệu ứng khi các khối liên kết với nhau, trong các lớp đất khác nhau, từ đó đưa ra các phương pháp thực hành thiết kế và ứng dụng của Top Base

Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng đất nền và kết cấu bên trên được xem như một hệ khi phân tích động (Qiang (2008) [5]) Lý thuyết về ảnh hưởng của SSI bắt đầu từ Eric Reissner (1936) [6], khi xem xét ứng xử của móng tròn trên nền đàn hồi chịu tác dụng của tải điều hòa theo phương đứng Vào những thập niên

1950 và 1960, vấn đề tương tác động giữa kết cấu và đất nền (Dynamic

Soil-Structure Interaction, viết tắt là DSSI) đã thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà

khoa học như Quinlan (1953) [7], Sung (1953) [8], Thomson và Kobori (1963) [9],

v.v Tương tác động (Kinematic interaction) lần đầu tiên được xem xét bởi

Housner (1957) [10], bằng cách quan sát sự gián đoạn của sóng truyền trong lòng đất Các tác giả đã nhận thấy rằng, độ cứng của móng sẽ làm những bước sóng nhỏ hơn kích thước móng bị cản trở và tạo ra tương tác giữa móng và đất nền Newmark (1969) [11] đã xem xét ứng xử xoắn của những kết cấu không đối xứng và nhận thấy rằng sóng bị trễ khi truyền từ bên này sang bên kia của móng và gọi là hiệu ứng

 (Tau effect), hiệu ứng này cũng được gọi là tương tác động Robert Scanlan (1976)

[12] và sau đó Iguchi (1982) [13] đã đưa ra công thức xấp xỉ để xác định độ cứng của móng theo độ chôn sâu Veletsos và Wei (1972) [14], Luco và Westmann (1972) [15] đã cung cấp lời giải chính xác cho bài toán móng tròn đặt trên nền bán không gian đàn hồi chịu tác dụng của tải động, với các tần số và hệ số Poisson khác nhau trong khoảng rộng Lời giải này sau đó đã được ứng dụng và bổ sung để phù hợp với yêu cầu xây dựng nhà máy điện hạt nhân và các công trình ngoài khơi Một

số tác giả đã đánh giá đặc trưng động của đất để xem xét ảnh hưởng của DSSI như Hardin và Richart, Teaghi và Peck, Seed và Idriss, Ohsaki và Iwasaki, Hardin và Drnevich trong Chowdhury (2009) [16]; Kausel (2010) [17]

Tổng quan 11

Những năm gần đây, việc xem xét ảnh hưởng của DSSI đến ứng xử động của kết

cấu bằng thí nghiệm bàn rung (Shaking-table tests) cũng bắt đầu được thực hiện

(Qiang, (2008) [5]) đã sử dụng phương pháp phân tích cùng lúc cả kết cấu bên trên

và miền đất nền hữu hạn bên dưới Các đặc trưng đất nền được mô phỏng trên máy tính bằng các mô hình số Cả hệ thống sẽ được kết nối với máy tính và các ứng xử của kết cấu sẽ được ghi lại và phân tích bằng các phần mềm

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Năm 2007, công ty cổ phần kết cấu không gian TADITS đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ Top Base từ công ty TBS (Hàn Quốc) Từ năm 2008, công ty đã thiết kế

và thi công nền Top Base cho một số công trình tại Hà Nội, Hải Phòng, Thanh Hóa, TPHCM, các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, v.v và đa số đều đạt hiệu quả tốt

Ở Việt Nam, các phương pháp tính toán trong lĩnh vực xây dựng hầu hết là sử dụng phần mềm để thiết kế Do đó, các nghiên cứu về ảnh hưởng SSI đối với ứng

xử động học của kết cấu vẫn còn hạn chế Quốc và Nguyên (2008) [18] đã nghiên cứu sự hóa lỏng của đất nền đến công trình chịu tải trọng động đất Quốc và Thành (2010) [19] đã phân tích ứng xử động của kết cấu chịu động đất có xét đến biến dạng nền Hải và cộng sự (2012) [20] đã phân tích động lực học kết cấu chịu tác dụng tải trọng động có xét đến tương tác với đất nền được gia cường Top Base Các tác giả đã rút ra được các kết luận quan trọng như chuyển vị của hệ kết cấu – đất phụ thuộc vào các đặc trưng của các kết cấu, đặc trưng của móng và đặc trưng của đất nền

Mặc dù có khá nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước đã đề cập tới ảnh hưởng của Top Base đến ứng xử của đất nền, tuy nhiên việc nghiên cứu bài toán giữa kết cấu tấm Mindlin bên trên và đất nền bên dưới có gia cường Top Base chịu tải trọng di chuyển thì chưa được thực hiện

1.5 Mục tiêu và hướng nghiên cứu

Mục tiêu chính của Luận văn là phân tích ứng xử động của tấm Mindlin chịu tải trọng xe di chuyển có xét đến sự tương tác với đất nền được gia cường Top Base Ứng xử của kết cấu tấm Mindlin được phân tích dựa trên phần tử tấm Mindlin ba nút được làm trơn CS-MIN3 (Cell-based smoothed Mindlin three nodes plate

Tổng quan 12

element) Nền có gia cường Top Base được mô hình bằng các lò xo có độ cứng Ks

và hệ số cản Cs Các vấn đề nghiên cứu trong Luận văn này bao gồm:

 Tìm hiểu các đặc trưng của đất nền, công nghệ xử lý nền bằng Top Base và hiệu quả sử dụng của công nghệ này Tìm hiểu các mô hình và công thức tính toán hệ số

độ cứng, hệ số cản của nền được gia cường bằng Top Base

 Lập trình Matlab để phân tích ứng xử động lực học kết cấu tấm Mindlin trên nền đàn nhớt có gia cường Top Base chịu tải trọng di chuyển bằng phần tử tấm Mindlin CS-MIN3 Tải trọng xem xét bao gồm một tải tập trung (tải trọng được qui về trọng tâm xe) và bốn tải tập trung di chuyển (tương ứng với các vị trí của bốn bánh xe)

 Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau như kích thước tấm, vận tốc xe, độ cứng và độ cản đất nền… đến ứng xử động lực học kết cấu tấm Mindlin

Nội dung trong Luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về lịch sử và xu hướng phát triển của Top Base cũng như tình hình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước

Chương 2: Trình bày phương pháp Top Base và phương pháp xác định hệ số

độ cứng nền Ks và hệ số độ cản nền Cs

Chương 3: Trình bày các cơ sở lý thuyết tấm Mindlin và các phương pháp số

để giải quyết bài toán

Tổng quan 13

Chương 4: Trình bày kết quả phương pháp số tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, xem xét đánh giá ảnh hưởng của các thông số và đại lượng có ảnh hưởng đến ứng xử của tấm Mindlin

Chương 5: Đưa ra kết luận quan trọng đạt được trong Luận văn và kiến nghị hướng phát triển của đề tài trong tương lai

Tài liệu tham khảo: trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài

Phần phụ lục, gồm mã nguồn của chương trình tính toán được viết theo ngôn ngữ Matlab và các dữ liệu của ví dụ số

Phương pháp Top Base 14

CHƯƠNG 2

PHƯƠNG PHÁP TOP BASE

2.1 Giới thiệu chung về Top Base

2.1.1 Tóm tắt về phương pháp Top Base

Top Base là phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cách xếp các khối bê tông hình phễu (hay còn gọi là Top block) lên bề mặt của nền đất nguyên dạng, sau đó chèn và đằm đá dăm lấp đầy vào khe trống giữa các Top block tạo thành kết cấu nền cho móng như trong Hình 2.1

Hình 2.1 Top block bê tông

Phương pháp này sử dụng khá nhiều trong kết cấu móng nông trên nền đất yếu

và có tác dụng tăng cường khả năng chịu tải và giảm độ lún cho đất nền, vì vậy có

thể xem đây là một trong những phương pháp cải tạo nền đất có hiệu quả cao 2.1.2 Đặc điểm của Top Base

Theo Hình 2.2 và Hình 2.3, Top Base có những đặc điểm như sau: phần trụ nón và phần cọc của Top Base được đặt trong lớp vật liệu rời (cát và đá dăm) nằm trên nền đất yếu, phần cốt thép phía trên và phía dưới có tác dụng nối các Top block thành nhóm Vì vậy khối Top Base trở thành hệ kết cấu cứng linh hoạt

 Phần hình nón có tác dụng phân tán ứng suất

Phương pháp Top Base 15

 Phần mũi cọc có tác dụng ngăn cản chuyển vị theo phương ngang

 Lưới thép trên và dưới có tác dụng kết nối các Top block lại với nhau thành một khối cứng để giảm độ lún và độ lún được phân bố đồng đều

Hình 2.2 Mặt cắt Top Base

Hình 2.3 Mặt bằng Top Base

Phương pháp Top Base 16

2.1.3 Đặc điểm cơ lý của phương pháp Top Base

Phần hình nón:

 Góc giữa phần trụ nón của Top block và phần đất (vật liệu rời rạc) tiếp xúc là

45o, hình dạng tương tự như bánh xích xe ủi đất (Hình 2.4) Cấu tạo này cho phép tải trọng thẳng đứng tác dụng lên Top Base được chia làm hai thành phần: lực thẳng đứng (Pv) và lực theo phương ngang (PH) (Dankook, (2007) [35])

 Bề mặt tiếp xúc tăng lên 1.4 lần, do đó khả năng chịu tải cũng tăng lên

 Thành phần lực ngang triệt tiêu lẫn nhau

Phần mũi cọc:

 Có hiệu ứng gia tăng chiều sâu chôn cọc trong đất và phân tán ứng suất tại mũi cọc

 Hiệu ứng giảm chuyển vị ngang

Hình 2.4 Bánh xích dạng Top shape của máy ủi

Phương pháp Top Base 17

Hình 2.5 Đặc tính của Top Base

Tóm lại, phương pháp Top Base là phương pháp cải thiện đất nền, làm tăng khả năng chịu tải của đất nền và giảm độ lún do sự phân phối lại ứng suất, đồng thời ngăn cản biến dạng ngang thông qua việc thiết lập nên hệ kết cấu được cấu tạo bởi lớp đá dăm và hình dạng của phần trụ nón

Các Hình 2.6, Hình 2.7 và Hình 2.8 thể hiện biểu đồ phân bố ứng suất móng cho các loại nền khác nhau Ta thấy móng bê tông và móng đá dăm có đường phân bố ứng suất không đều, trong khi móng trên nền Top Base cho đường ứng suất phân bố ứng suất đồng đều hơn Điều này cho thấy móng trên nền Top Base ổn định hơn

Top Base không chỉ có tác dụng phân bố đều tải trọng, ổn định lún mà còn giảm tải cường độ tải trọng truyền qua lớp Top Base do sự phân phối lại ứng suất, vì vậy tải trọng tác dụng sẽ không gây ảnh hưởng tới lớp đất sâu bên dưới (Kim, (2008) [4]) Do đó, việc tạo ra kết cấu nền bằng cách đằm chặt đá dăm vào giữa các khối Top block có tác dụng truyền tải đều xuống đất yếu và giảm tập trung ứng suất Do

sử dụng kết cấu nền Top Base nên sự phân bố ứng suất trong nền đất đều hơn và chống lại ma sát xuất hiện trong đá dăm Phần cọc của Top Base có tác dụng ngăn cản biến dạng ngang của nền xung quanh

Phương pháp Top Base 18

Hình 2.6 Phân bố ứng suất của các loại nền khác nhau sau khi lún dài hạn

Hình 2.7 Phân bố ứng suất trong đất yếu

Hình 2.8 Phân bố ứng suất trong đất trung bình

Phương pháp Top Base 19

2.2 Tính toán khả năng chịu lực của Top Base

Khả năng chịu lực cho phép của Top Base q ka tính được bằng công thức sau (Jacky,

q ka : khả năng chịu lực cho phép (tf/m2)

F s : hệ số an toàn (thông thường lấy bằng 3, nếu có động đất lấy bằng 2)

K 1 : hệ số xác định hiệu ứng phân bố ứng suất của Top Base tính từ công thức sau:

B, L : mặt bên ngắn và dài của móng (m)

B’, L’ : mặt bên ngắn và dài giữa độ rộng tác dụng tải hiệu quả của kết cấu có

B K , LK : mặt bên ngắn và dài của lớp Top Base gia cường (m)

B K’ , L K’: mặt bên ngắn và dài giữa độ rộng tác dụng tải hiệu quả của móng Top Base có xét đến độ lệch tâm (m)

K 2 : hệ số tăng khả năng chịu lực cho phép khi không cần xét đến áp lực phân bố tiếp xúc với nền đất của móng cứng được tính từ Hình 2.10

Phương pháp Top Base 20

p o : tải trọng thường xuyên với p o 2D f (tf/m2)

γ 1 : trọng lượng thể tích của đất phía dưới mũi cọc Top Base (tf/m3)

γ 2 : trọng lượng thể tích của đất phía trên mũi cọc Top Base (tf/m3)

Phương pháp Top Base 21

Bảng 2.1 Hệ số khả năng chịu tải trọng của nền đất tự nhiên và nền có gia cường

Phương pháp Top Base 22

ε zi : độ lún theo chiều thẳng đứng của lớp thứ i

E : modul đàn hồi của đất bên dưới lớp Top Base

 : hệ số Poison

K 0 : kệ số áp lực đất tĩnh

∆б zi : mức áp suất gia tăng trung bình của lớp thứ i

Module đàn hồi của đất E được tính với công thức

với m v là hệ số nén đạt được từ dữ liệu thí nghiệm độ cố kết tiêu chuẩn

Độ lún của lớp S i sử dụng công thức sau:

i zi

với H là chiều dày của lớp đất thứ i

Phương pháp Top Base 23

2.4 Phương pháp thi công Top Base

 Bước 1: Công tác đào đất

Đất sẽ được đào đến độ sâu thiết kế, nếu hố đào sâu trên 1m phải dự kiến đến biện pháp bảo vệ thành hố đào và thoát nước hố đào để đảm bảo điều kiện thi công (Hình 2.11)

Trường hợp đáy hố đào ở trên mực nước ngầm (không bị ngập nước) và là lớp đất rời rạc, cần tiến hành làm ẩm và đầm nén làm chặt lớp đất đáy hố móng, trải vải địa kỹ thuật trước khi lắp đặt phễu nhựa hoặc Top block đúc sẵn

Trường hợp đáy hố móng khô ráo và là đất dính có R>0,5kg/cm2 thì chỉ cần làm phẳng đáy hố móng, rải lớp vải địa kỹ thuật rồi lắp đặt phễu nhựa hoặc Top block đúc sẵn

Nếu đất tại đáy hố móng quá yếu ( R< 0,3 kg/cm2 ) phải trải lớp đá dăm dày tối thiểu 100mm trên diện tích bố trí Top Base trước khi tiến hành lắp đặt

Hình 2.11 Đào các hố móng để đặt Top Base