Phân tích động lực học kết cấu chịu động đất có xét đến ảnh hưởng tương tác nền móng cọc

HCM TRƯỜANG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------ LƯƠNG MINH SANG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC NỀN MĨNG CỌC Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜANG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

LƯƠNG MINH SANG

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT

CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC NỀN MĨNG CỌC

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số ngành : 605820

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2014

Hồ Chí Minh

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trọng Phước

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Sỹ Lâm

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Lê Văn Cảnh

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: Trường Đại Học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp Hồ

Chí Minh, ngày 30 tháng 08 năm 2014

Thành phần Hợi đờng đánh giá luận văn thạc sĩ gờm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hợi đờng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS Nguyễn Xuân Hùng TS.Nguyễn Minh Tâm

LỜI CẢM ƠN

i đầu tiên t i xin ch n thành cảm n Thầy hư ng d n, TS Nguyễn Trọng Phư c, ngư i đã tận tình d n dắt và hư ng d n t i ngay từ bư c đầu làm quen v i c ng việc nghiên c u khoa học đến l c hoàn thành một luận văn thạc sĩ Thầy đã khuyên bảo t i rất nhi u v cách nhận định đ ng đắn các vấn đ nghiên c u của đ tài và đã hư ng d n tận tình Thầy đã có những l i khuyên quý báu, những k năng làm việc hiệu quả trong suốt quá trình th c hiện luận văn này Thầy đã cho t i những kiến th c b ch và gi p t i có những k năng cần thiết Thầy ch nh là bài học v s thành c ng

T i xin cảm n an iám hiệu Trư ng Đại học ách khoa Tp H , ph ng Đào tạo Sau Đại học và các thầy c tr c tiếp tham gia giảng dạy đã truy n đạt những kiến th c và phư ng pháp học tập, nghiên c u m i

T i xin ch n thành cảm n trư ng Đại học X y d ng i n Trung, khoa x y d ng và các quý thầy c đồng nghiệp đã tạo đi u kiện tối đa, hỗ trợ c ng việc giảng dạy, động viên tinh thần và chia sẽ những kinh nghiệm quý báu của quý thầy c trong việc nghiên

c u khoa học ảm n các bạn bè, anh chị học viên khoá 2012 đã gi p đỡ t i trong suốt

th i gian hoàn thành luận văn

Tôi chân thành cảm n đến các tác giả đã có rất nhi u cống hiến trong việc nghiên

c u và viết nhi u bài báo khoa học, nhi u sách tham khảo có giá trị Đó ch nh là s hỗ trợ rất nhi u v mặt kiến th c để t i có thể hoàn thành luận văn này

Sau cùng, t i muốn gởi l i cảm n ch n thành đến gia đình, cha mẹ, các anh chị đã

lu n bên cạnh và gi p đỡ t i rất nhi u trong suốt th i gian th c hiện luận văn

Tp Hồ h inh, tháng 06 năm 2014

Lương Minh Sang

TÓ TẮT

TÓM T T

uận văn này ph n t ch ng xử động l c học của kết cấu chịu tác d ng của gia tốc n n động đất có x t đến tư ng tác của kết cấu bên trên v i n n móng cọc bên dư i.Kết cấu bên trên được m hình như hệ nhi u bậc t do động l c học chỉ

x t chuyển vị ngang, đ y là thành phần chuyển vị chủ yếu khi kết cấu chịu động đất.S tư ng tác giữa kết cấu và móng nh m phản ánh ch nh xác h n (kể đến s làm việc đồng th i giữa các kết cấu) th ng qua n n móng cọc có th ng số hữu hạn gồm có các l xo có độ c ng và các thiết bị tiêu tán có hệ số cản ác đặc t nh

động l c học của móng được xác định d a trên các m hình của Novak và Dobry.Phư ng trình chuyển động của hệ được thiết lập và giải b ng phư ng pháp

t ch ph n Newmarktrên toàn mi n th i gian ột chư ng trình máy t nh d a trên

ngôn ngữ lập trình T được viết để ph n t ch ng xử động l c học của kết cấu có x t đến s tư ng tác này ác v d số được th c hiện th ng qua các th ng

số m tả ng xử như chu k dao động, chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh kết cấu và l c cắt ch n cột khi kết cấu chịu động đất cho thấy ảnh hưởng phần nào của s

tư ng tác này Ngoài ra, một số khảo sát cũng được th c hiện thêm để xem x t đặc

t nh của n n móng như số lượng cọc thay đ i, khoảng cách cọc thay đ i, th ng số tần số tư ng đối của n n và so sánh v i m hình n n Topbase cũng được khảo sát

Ụ Ụ

MỤC LỤC TÓM T T

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đ 1

1.2 c tiêu luận văn 2

1.3Nội dung luận văn 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 S lượt v s tư ng tác giữa kết cấu và n n 5

2.2 Tình hình nghiên c u trên thế gi i 12

2.3 Tình hình nghiên c u trong nư c 14

2.4 Kết luận 16

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 i i thiệu chư ng 18

3.2 i i thiệu mô hình 18

3.3Th ng số độ c ng và cản của nhóm cọc trong mô hình 19

3.4 Ph n t ch ng xử kết cấu trong m hình 30

3.5Thuật toán giải 36

3.6Kết luận 39

Ụ Ụ

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ SỐ

4.1 i i thiệu chư ng 40

4.2Kiểm ch ng chư ng trình t nh 40

4.3Khảo sát m hình v i các th ng số ảnh hưởng 51

4.4 Khảo sát mô hình v i các trận động đất khác nhau 61

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận 67

5.2 Hư ng phát triển 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

D NH Ụ HÌNH VẼ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Ảnh hưởng của tư ng tác động 6

Hình 2.2 Sóng cắt ngang truy n theo phư ng y bên dư i móng c ng 7

Hình 2.3 Quan hệ giữa  và α 8

Hình 2.4 Dao động của c ng trình 9

Hình 3.1 S đồ t nh tư ng tác của hệ kết cấu n tầng và n n móng cọc 17

Hình 3.2 hình cọc tư ng tác trong đất 21

Hình 3.3 hình cọc được khảo sát 22

Hình 3.4 Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 2 x 2 theo phư ng đ ng 24

Hình 3.5 Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 3 x3 theo phư ng đ ng 24

Hình 3.6 Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 2 x2 theo phư ng xoay 26

Hình 3.7 Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 3 x3 theo phư ng xoay 27

Hình 3.8 Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 2 x2 theo phư ng ngang 28

Hình 3.9 Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 3 x3 theo phư ng ngang 28

Hình 3.10 S đồ hệ N 2 bậc t do chịu động đất x t tư ng tác n n móng cọc 31

Hình 3.11 S đồ khối của chư ng trình 37

Hình 4.1 Đồ thị gia tốc n n trận động đất l entro (1940) 41

Hình 4.2 S đồ khung liên kết ngàm 10 tầng chịu tải động đất 42

Hình 4.3 ác dạng mode dao động c bản của hệ 10 tầng 43

Hình 4.4 Đồ thị so sánh chuyển vị đỉnh giữa S P2000 và uận văn 44

Hình 4.5 Đồ thị so sánh vận tốc đỉnh giữa S P2000 và uận văn 44

Hình 4.6 Đồ thị so sánh gia tốc đỉnh giữa S P2000 và uận văn 45

D NH Ụ HÌNH VẼ

Hình 4.7 hình nhóm cọc 3 x3 47

Hình 4.8 ấu tạo l p Top ase gia cư ng n n 48

Hình 4.9 huyển vị đỉnh trư ng hợp ngàm, n n móng cọc, n n Topbase 49

Hình 4.10 Vận tốc đỉnh trư ng hợp ngàm, n n móng cọc, n n Topbase 49

Hình 4.11 ia tốc đỉnh trư ng hợp ngàm, n n móng cọc, n n Topbase 50

Hình 4.12 So sánh chuyển vị đỉnh l n nhất v i số tầng thay đ i 52

Hình 4.13 So sánh chuyển vị đỉnh nhỏ nhất v i số tầng thay đ i 52

Hình 4.14 So sánh chu k dao động mode đầu tiên v i số tầng thay đ i 53

Hình 4.15 hình nhóm cọc 2x2 và 3x3 54

Hình 4.16 huyển vị đỉnh theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 và 2x2 55

Hình 4.17.Vận tốc đỉnh theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 và 2x2 55

Hình 4.18 ia tốc đỉnh theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 và 2x2 56

Hình 4.19 c cắt ch n cột theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 và 2x2 56

Hình 4.20 ode dao động kết cấu 30 tầng trư ng hợp ngàm 58

Hình 4.11 huyển vị đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 59

Hình 4.22 Vận tốc đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 59

Hình 4.33 ia tốc đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 60

Hình 4.44 c cắt ch n cột đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 60

Hình 4.25 Đồ thị gia tốc n n trận động đất Nothrigde 1994 62

Hình 4.26 Đồ thị gia tốc n n trận động đất rpinia 1980 62

Hình 4.27 Đồ thị gia tốc n n trận động đất oalinga 1983 63

Hình 4.28 huyển vị đỉnh c ng trình dư i trận động đất Nothridge 1994 64

Hình 4.29 huyển vị đỉnh c ng trình dư i trận động đất rpinia 1980 65

Hình 4.30 huyển vị đỉnh c ng trình dư i trận động đất oalinga 1983 66

D NH Ụ ẢN ỂU

DANH MỤC BẢNG BIỂU

ảng 3.1 Giá trị của f z1, f theo Novak (1974) 19 z2

ảng 3.2 Giá trị của f x1, f x2, f2, f2 theo Novak (1974) 19

ảng 4.1 So sánh chu k dao động giữa S P2000 và uận văn cho bài toán liên kết ngàm 43

ảng 4.2 So sánh chuyển vị, vận tốc, gia tốc max/min giữa S P2000 và uận văn cho bài toán liên kết ngàm 45

ảng 4.3 Dữ liệu đất n n có gia cư ng 3 l p Top ase 47

ảng 4.4 So sánh chuyển vị đỉnh, vận tốc đỉnh, gia tốc đỉnh và l c cắt đáy móng giữa các m hình liên kết 50

ảng 4.5 So sánh chuyển vị, vận tốc, gia tốc và l c cắt max/min khi khoảng cách cọc thay đ i 57

ảng 4.6 So sánh chu k dao động khi số lượng cọc thay đ i 57

ảng 4.7 Kết quả ph n t ch v i khoảng cách cọc thay đ i 61

ảng 4.8 Kết quả ph n t ch v i 3 trận động đất 63

ảng 1 Dữ liệu kết cấu 80

ảng 2 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng đ ng nhóm cọc 2x2 81

ảng 3 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng đ ng nhóm cọc 3x3 81

ảng 4 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng xoay nhóm cọc 2x2 82

ảng 5 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng xoay nhóm cọc 3x3 82

ảng 6 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng ngang nhóm cọc 2x2 82

ảng 7 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng ngang nhóm cọc 3x3 83

HƯƠN 1: Ớ TH ỆU

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

ài toán ph n t ch ng xử động l c học của kết cấu chịu động đất là hư ng nghiên c u có ý nghĩa cả v lý thuyết và th c tiễn Động đất l n đã xảy ra trong quá kh tại khá nhi u quốc gia trên toàn thế gi i và được d báo là hoàn toàn có thể xảy ra trong tư ng lai Động đất l n có thể tàn phá các c ng trình x y d ng và

g y ra thiệt hại l n v nhận mạng và ti n của Ngay cả ở Việt nam, động đất cũng đã xảy ra tuy chưa thiệt hại gì nhi u nhưng theo những d báo của các nhà khoa học thì hoàn toàn có khả năng xảy ra trong tư ng lai và có thể g y thiệt hại trên nhi u phư ng diện trong đó có ảnh hưởng đến các c ng trình x y d ng Tiêu chuẩn ngành liên quan đến thiết kế c ng trình x y d ng được ban hành V i kết cấu nhà có số tầng tư ng đối thì phư ng án móng chủ yếu trong đi u kiện địa chất ở Việt Nam là móng cọc S hiệu quả của móng cọc là đi u đã được xác nhận từ

th c tiễn trên rất nhi u góc độ

Nhi u c ng trình x y d ng từ chung cư, cao ốc, cầu, dùng phư ng án móng cọc thư ng là cọc đ c sẵn để p xuống hay khoan nhồi để đ bê t ng tr c tiếp trong hố khoan Việc thiết kế các kết cấu dạng này chịu tất cả các loại tải trọng thư ng là được tách r i, phần thượng tầng kết cấu thiết kế riêng xem như cột hay vách ngàm vào móng và ph n t ch kết cấu theo s đồ liên kết ngàm Sau đó lấy nội l c tác động xuống móng và thiết kế tiếp phần n n và móng Trình t như vậy có những ưu điểm nhất định như s đ n giản hóa h n trong quá trình thiết kế và có thể th c hiện được th ng qua các c ng c sẵn có; và có độ tin cậy đáng kể trong th c tiễn hiện nay.Đã có những sản phẩm hoàn chỉnh từ qui trình thiết kế hay ph n t ch theo s đồ này ần như các kết cấu được thiết kế đ u đã và đang làm việc tốt

HƯƠN 1: Ớ TH ỆU

Tuy nhiên, th c tế kết cấu thượng tầng bên trên và hệ n n móng bên dư i có làm việc đồng th i và có s tư ng tác l n nhau hay kh ng trong quá trình chịu tải trọng đặc biệt là tải trọng động ó thể thấy r ng s tư ng tác là có và nhất là trong bài toán kết cấu chịu động đất Khi kết cấu dao động dư i các tác nh n động học thì sẽ làm phát sinh dịch chuyển ở đáy móng,dịch chuyển này cũng tạo ra s trao đ i năng lượng và tư ng tác giữa kết cấu bên trên và hệ n n móng bên dư i

h nh ảnh hưởng này làm cho kết cấu “dẻo” h n và làm cho tỉ số cản của kết cấu

l n thêm so v i khi kh ng x t đến ảnh hưởng của tư ng tác n n móng.Khi động đất xảy ra thì ảnh hưởng của sóng động đất làm cho c ng trình bị rung lắc và kèm theo s dịch chuyển đáy móng, thậm ch có thể thay đ i đặc trưng của đất nếu động đất l n S tư ng tác phần n n móng và kết cấu là có ảnh hưởng đến ng xử

t ng thể của kết cấu dù t hay nhi u Vì vậy, để có cách nhìn hoàn chỉnh h n v

ng xử của toàn bộ hệ khi chịu động đất, s tư ng tác này nên được xem x t.Và

v i những c ng trình có yêu cầu thiết kế đặc biệt thì ảnh hưởng của tư ng tác n n móng là quan trọng và cần được xem x t một cách cẩn thận và đầy đủ

Qua những ph n t ch ở trên, có thể thấy r ng việc xem x t s tư ng tác của

hệ kết cấu và n n móng cọc khi chịu động đất là một vấn đ rất có ý nghĩa, mang

t nh th i s Trên thế gi i vấn đ này đã được nghiên c u rất nhi u và rộng rãi và ở Việt Nam cũng có một số nghiên c u liên quan nhưng chưa thật s đầy đủ và chắc chắn cần được quan t m h n Đ y cũng ch nh là lý do t i chọn đ tài uận văn là ph n t ch s tư ng tác giữa kết cấu và n n móng cọc khi hệ chịu động đất

1.2 MỤC TIÊU LUẬN VĂN

1.2.1 Mục tiêu luận văn

c tiêu của uận văn này là ph n t ch ng xử động l c học của kết cấu chịu tác d ng của gia tốc n n của động đất có x t đến tư ng tác của kết cấu v i móng cọc bên dư i ác nhiệm v c thể như sau:

HƯƠN 1: Ớ TH ỆU

 Tìm hiểu m hình của n n móng cọc được các tác giả khác đ xuất và l a chọn m hình phù hợp nhất v i m c tiêu là ph n t ch động l c học kết cấu chịu động đất

 Xác định các th ng số như hệ số độ c ng và hệ số cản của n n móng cọc như là những l xo và thiết bị giảm chấn theo m hình đã l a chọn

 Ph n t ch động l c họckết cấu chịu tác d ng gia tốc n n động đất ở cả hai trư ng hợp: khi liên kết c ng và khi x t đến ảnh hưởng của tư ng tác

n n móng cọc &kết cấu bên trên

 ác v d số để minh họa cho ảnh hưởng của n n móng cọc đến ng xử của kết cấu khi các đặc trưng của kết cấu (số tầng, khối lượng và độ c ng tầng) thay đ i, khi th ng số tần số của n n móng cọc thay đ i, số lượng cọc thay đ i và khoảng cách cọc thay đ i

 Các nhận x t và đánh giá s tư ng tác của n n móng cọc và kết cấu đến

ng xử t ng thể của kết cấu

1.2.2 Phạm vi luận văn

Đối tượng nghiên c u của đ tài là các móng cọc khoan nhồi có số lượng cọc thay đ i được đặt trong m i trư ng địa chất đồng nhất và t a nhà cao từ 18 tầng đến 30 tầng Trong ph n t ch, hệ chịu l c được đưa v khối lượng tập trung tại mỗi tầng và chỉ xem x t chuyển vị ngang Th c ra việc m hình này phần nào m tả được bản chất tác động của động đất chủ yếu là g y ra l c quán t nh theo phư ng ngang nên bậc t do động l c học được chọn là các chuyển vị ngang của các sàn tầng Hệ kết cấu sẽ được ph n t ch dao động khi chịu gia tốc n n của động đất trong khoảng th i gian xác định ng xử của vật liệu làm kết cấu hoàn toàn đàn

hồi

1.3 NỘI DUNG LUẬN VĂN

HƯƠN 1: Ớ TH ỆU

uận văn ph n t ch ng xử động của hệ kết cấu chịu động đất có x t tư ng tác

n n, cấu tr c của uận văn gồm có các chư ng như sau Sau chư ng này,chư ng 2

sẽ gi i thiệu s lược v đặt vấn đ , m c tiêu nghiên c u; Trình bày t ng quan v tình hình nghiên c u liên quan đến đ tài gồm có một số m hình ph n t ch và kết quả đạt được của các tác giả khác sở lý thuyết của uận văn gồm có chọn lọc

m hình kết cấu, n n móng cọc và thiết lập phư ng trình chuyển động của hệ chịu động đất và thuật toán giải phư ng trình cũng được đ cập trong chư ng 3

hư ng 4 trình bày kết quả số của uận văn bao gồm kiểm ch ng độ ch nh xác của chư ng trình máy t nh đã được viết và khảo sát các th ng số nghiên c u ảnh hưởng của s tư ng tác đến ng xử động l c học và các kết quả số khác cũng được nêu trong chư ng này uối cùng, phần kết luận và hư ng phát triển được nêu trong chư ng 5 của uận văn ác tài liệu tham khảo và mã nguồn chư ng trình máy t nh được trình bày ở cuối uận văn

HƯƠN 2: TỔN QU N

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 SƠ LƯỢT VỀ SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ NỀN

Hầu hết trong các thiết kế, ngư i k sư thư ng t nh toán riêng phần th n và phần móng K sư kết cấu sẽ ph n t ch ng xử của kết cấu bên trên và t nh toán nội l c tại ch n cột hay vách (L c dọc, l c cắt và moment).Sau đó, chuyển nội l c này xuống để t nh toán thiết kế phần móng, phần hầm (Chowdhury, 2009)[5]

Th c tế, kết cấu bên trên và đất n n bên dư i sẽ làm việc đồng th i và có s tư ng tác l n nhau Khi kết cấu dao động dư i các tác nh n động học thì sẽ làm phát sinh dịch chuyển ở đáy móng,dịch chuyển này cũng tạo ra s trao đ i năng lượng và

tư ng tác giữa kết cấu bên trên và đất n n bên dư i (Soil-Structure Interaction,

viết tắt là SS ) h nh ảnh hưởng SS này làm cho kết cấu “dẻo” h n và làm cho chu kì dao động và tỉ số cản của kết cấu l n thêm so v i khi kh ng x t đến ảnh hưởng của SS (Chowdhury, 2009) [9]

Khi động đất xảy ra thì ảnh hưởng của sóng động đất làm cho c ng trình bị rung lắc và kèm theo s dịch chuyển đáy móng Tuy nhiên, các thiết kế th ng thư ng thì để đ n giản trong t nh toán thư ng sử d ng các hệ số an toàn để bỏ qua ảnh hưởng của SS Nhưng đối v i những c ng trình đặc biệt như nhà máy điện hạt nh n hay những c ng trình có yêu cầu thiết kế đặc biệt thì ảnh hưởng của SS là v cùng quan trọng và cần được xem x t một cách cẩn thận và đầy đủ

Tư ng tác giữa kết cấu và n n kh ng chỉ ph thuộc vào độ c ng của đất n n mà c n ph thuộc vào độ c ng và khối lượng của kết cấu bên trên ó 2 dạng

tư ng tác là: Tư ng tác động (Dynamics interaction) và Tư ng tác quán t nh (Inertial interaction)( lough và Penzien, 2003) [29]

HƯƠN 2: TỔN QU N

2.1.1Tương tác động

Tư ng tác giữa móng v i chuyển động n n đất gọi là tư ng tác động Tư ng tác động g y ra bởi độ c ng của móng hay phần ngầm của c ng trình, do đó bỏ qua khối lượng khi x t đến tư ng tác này h nh độ c ng kháng uốn của móng hay phần ngầm này làm cho quá trình truy n sóng, đặc biệt là sóng cắt trong đất bên

dư i và l n cận móng bị ảnh hưởng Hình2.1a: sóng truy n theo phư ng ngang bị thay đ i; Hình2.1b: sóng truy n theo phư ng dọc bị thay đ i bởi phần ngầm của công trình; Hình2.1c: m i trư ng truy n sóng bên dư i c ng trình bị thay đ i;Hình

21d: dịch chuyển xoay trong đất( lough và Penzien, 2003) [29]

n Ản ưởng của tương tác động

Theo lough và Penzien thì hiệu ng  (effect) là cách khác giải th ch v

tư ng tác động Sóng cắt truy n theo phư ng dọc (Phư ng y) làm phát sinh dịch chuyển theo phư ng ngang Do độ c ng của móng làm cản trở dịch chuyển theo phư ng ngang

HƯƠN 2: TỔN QU N

n Sóng cắt ngang truyền t eo p ương y bên dưới móng cứng

Hiệu ng  được t nh toán theo tỉ số giữa chuyển vị ngang của móng c ng và bư c sóng của sóng cắt

 là bư c sóng của sóng cắt, Dlà chi u dày của móng theo

phư ng y, V alà vận tốc sóng theo phư ng y

D a vào phư ng trình(2.1) và(2.2)chothấy 1nếu  0(khi  ),

0

  khi 2(khi đóD) Đi u đó có nghĩa là nếu chi u dày của móng rất nhỏ so v i bư c sóng trong n n đất thì bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ng  Ngược lại nếu chi u dày móng đủ l n so v i bư c sóng trong n n thì phải kể đến ảnh hưởng của hiệu ng này

HƯƠN 2: TỔN QU N

n 2.3 Quan ệ giữa và α

2.1.2 Tương tác quán tính

Tư ng tác này do l c quán t nh tạo ra bởi khối lượng tập trung của kết cấu

g y ra trong quá trình dao động c quán t nh truy n tải động xuống móng, nếu

n n tuyệt đối c ngthì chuyển vị của móng sẽ kh ng xảy ra d n đến kh ng x t đến

tư ng tác này, c n nếu n n có độ c ng hữu hạn thì phải kể đến tư ng tác này

Th c tế, chuyển vị tại đáy móng là t ng chuyển vị bản th n của n n, chuyển vị g y

ra do tư ng tác động và do tư ng tác quán t nh Năng lượng hấp thu do tư ng tác

quán t nh này sẽ tiêu tán trong đất nh vào cản do tán xạ (Radiation damping)

kh ng có cản nội bộ (Độ nh t của đất, ma sát mặt bên giữa móng-đất) ột hiệu

c n là tư ng tác quán t nh (Datta, 2010) [32]

2.1.3 Ảnh hưởng tương tác nền đến ứng xử của kết cấu

S ảnh hưởng tư ng tác của kết cấu – đất n n làm cho kết cấu “dẻo” h n và làm cho chu kì dao động và tỉ số cản của kết cấu l n thêm so v i khi không xét đến ảnh hưởng của tư ng tác ác nghiên c u đã cho thấy được đi u này và sẽ

HƯƠN 2: TỔN QU N

th c này cũng được sử d ng trong thiết kế s bộ khi xem kết cấu chịu s

tư ng tác của phản l c n n, th ng qua dịch chuyển ngang và xoay

2

x

k h k

trong đó: Tlà chu k hiệu chỉnh của kết cấu khi x t đến ảnh hưởng của SS , T là

chu k của kết cấu khi xem liên kết c ng ở đáy móng, k là độ c ng của kết cấu khi xem liên kết c ng ở đáy móng, h là chi u cao hay khoảng cách từ khối lượng

tập trung đến đáy móng, k x, k - hệ số độ c ng đàn hồi của n n theo phư ng ngang và xoay

ình phư ng phư ng trình (2.3) và xem T 2

HƯƠN 2: TỔN QU N

trong đó: 1là ma trận ch o đ n vị, Klà ma trận độ c ng hiệu chỉnh khi x t ảnh hưởng của SS ,Klà ma trận độ c ng khi xem kết cấu liên kết c ng ở đáy móng,,

K K là ma trận ch o của độ c ng ngang và xoay của n n xung quanh toàn bộ

móng, hlà ma trận ch o của chi u cao từ t m của khối lư ng tập trung t i đáy móng

Viết lại phư ng trình (2.10) sang ma trận độ m m :

trong đó:ζ là ma trận tỉ số cản tư ng đư ng khi x t đến ảnh hưởng của SS

2.2TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI

Các nhà nghiên c u nhận ra r ng đất n n và kết cấu bên trên được xem nhưmột hệ khi ph n t ch động (Qiang, 2008) [33] ý thuyết v ảnh hưởng của SS bắt đầu từ ric Reissner (1936) [30], khi xem x t ng xử của móng tr n trên n n đàn hồi chịu tác d ng của tải đi u h a theo phư ng đ ng Vào những thập niên

1950 và 1960 thì vấn đ tư ng tác động giữa kết cấu và đất n n (Dynamic Structure Interaction, viết tắt là DSS ) đã thu h t s quan t m của rất nhi u nhà

Soil-khoa học

Tư ng tác động (Dynamics interaction) lần đầu tiên được xem x t bởi

Housner (1957) [16]b ng cách quan sát s gián đoạn của sóng truy n trong l ng

HƯƠN 2: TỔN QU N

đất Do độ c ng của móng nên những bư c sóng nhỏ h n k ch thư c móng sẽ bị cản trở và g y nên tư ng tác này Newmark (1969) [23] đã xem x t ng xử xoắn của những kết cấu kh ng đối x ng khi sóng bị trễ do truy n từ bên này qua bên kia của móng và gọi là hiệu ng (Tau effect), hiệu ng này cũng được gọi là tư ng

tác động

Veletsos và Wei (1971) [2], Luco và Westmann (1972) [15]đã cung cấp l i giải ch nh xác cho bài toán móng tr n đặt trên bán kh ng gian đàn hồi chịu tác

d ng của tải động, v i các tần số và hệ số Poisson khác nhau trong khoảng rộng

i giải này sau đó đã được ng d ng và b sung để phù hợp v i yêu cầu của việc

x y d ng nhà máy điện hạt nh n và các c ng trình ngoài kh i

ột số tác giả đã đánh giá đặc trưng động của đất để xem x t ảnh hưởng của DSS như: Hardin và Richart, Terzaghi và Peck, Seed và Idriss, Ohsaki và Iwasaki, Hardin và Drnevich (Chowdhury, 2009) [5], (Kausel, 2010) [8]

Những năm gần đ y, xem x t ảnh hưởng của DSS b ng th nghiệm bàn rung

(Shaking-table tests) được th c hiện Phư ng pháp này th c hiện theo cách tư ng

t như phư ng pháp ph n t ch tr c tiếp v i mi n đất n n hữu hạn được m hình cùng v i kết cấu bên trên (Qiang, 2008) [33] ác đặc trưng của đất n n được m phỏng trên máy t nh b ng các m hình số ả hệ thống sẽ được kết nối v i máy

t nh và các ng xử của kết cấu sẽ được ghi lại và ph n t ch b ng các phần m m Đối v i n n móng cọc Việc xác định ng xử động của cọc đ n hay nhóm cọc d a vào m hình đ n giản, dầm trên n n đàn hồi Winkler (m hình DW ) và

d a vào phư ng pháp ch nh xác b ng hàm reen Nhi u m hình khác được đưa

ra và kết quả đ u được so sánh v i l i giải ch nh xác này ột số nghiên c u v

m hình n n móng cọc được trình bày sau đ y

Ngư i tiên phong trong việc ph n t ch chuyển vị của nhóm cọc là (Poulos, 1971) [28], ng đã gi i thiệu hệ số tư ng tác nhóm cọc và chỉ ra r ng nhóm cọc có ảnh hưởng tư ng tác v i nhau khi khảo sát chỉ v i hai cọc Những năm sau đó, hệ

và b) [17,18],(Kagawa, 1983) [19],(Sen, Davies & Banerjee, 1985) [31] và các nghiên c u khác.Và nghiên c u của eorge azetas & cộng s , 1992 [ ] đã đưa ra phư ng pháp chungđể ph n t ch tư ng tác của n n móng cọc Phư ng pháp đã chỉ

ra cách xác định hệ số độ c ng và hệ số cản của nhóm cọc v i số lượng l n

2.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

Ở Việt Nam, các phư ng pháp t nh toán trong lĩnh v c x y d ng hiện chưa được quan t m và phát triển đ ng m c, hầu hết là sử d ng phần m m để thiết kế

Do đó, các nghiên c u th c nghiệm và lý thuyết v ảnh hưởng của SS đối v i ng xử động của kết cấu c n rất hạn chế.Tuy nhiên, vấn đ này cũng thu h t s quan

t m của nhi u ngư i Điển hình là một số c ng trình nghiên c u liên quan như sau:

Đỗ Kiến Quốc và Hu nh Hữu Thảo Nguyên (2008)[5]đã nghiên c u ảnh hưởng s hóa lỏng của đất đến c ng trình chịu tải trọng động đất.Nghiên c u đã bước đầu ứng dụng hiện tượng hóa lỏng trong việc phân tích động lực học công trình Các kết quả được rút ra: Sự hóa lỏng của đất có ảnh hưởng rất nhiều đến ứng xử chuyển vị, vận tốc và gia tốc theo thời gian Các kết quả khi khảo sát hóa lỏng cho kết quả cao hơn so với mô hình liên kết ngàm Nên khi khảo sát cần xét đến mô hình hóa lỏng của đất sẽ thiên về an toàn hơn Độ chặc tương đối của đất R D có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của công trình

HƯƠN 2: TỔN QU N

Chuyển vị ngang tại các nút kết cấu tăng lên rất nhanh khi mực nước ngầm ở gần mặt đất Ứng xử phi tuyến của đất làm gia tăng đáng kể phản ứng của công trình khi gia tốc nền càng lớn Tỷ số cản  càng lớn thì đáp ứng công trình càng giảm

Đỗ Kiến Quốc và Th n Tấn Thành (2010) [6] đã ph n t ch ng xử động của kết cấu chịu động đất có x t đến biến dạng n n Nghiên c u tìm hiểu ứng xử động của đất nền khi chịu động đất với công trình bằng cách xác định độ cứng

và độ cản theo cả 2 phương ngang và xoay Thiết lập phương trình tính toán xét đến sự tương tác của đất nền với kết cấu bằng cách xét đến biến dạng ngang và xoay của móng Xây dựng chương trình tính so sánh ứng xử của kết cấu khi xét và không xét đến biến dạng của nền Các kết quả được rút ra: Ứng

xử động của hệ kết cấu – đất không chỉ phụ thuộc vào đặc trưng của kết cấu

mà còn phụ thuộc vào đặc trưng của móng và đặc trưng của nền Trong đó vận tốc sóng cắt là nhân tố vô cùng quan trọng quyết định đến ứng xử của toàn bộ

hệ Chuyển vị của kết cấu khi xét đến SSI luôn lớn hơn chuyển vị khi xét kết cấu liên kết ngàm Do đó tần số dao động của kết cấu khi xét ảnh hưởng SSI sẽ lớn hơn

ư ng Văn Hải và Phạm Ngọc T n (2012) [20] đã ph n t ch động l c học kết cấu chịu tải trọng động có x t tư ng tác v i đất n n được gia cư ng Top ase Nghiên c u đã đưa ra m hình và c ng th c t nh hệ số độ c ng, hệ số cản của n n được gia cư ng b ng Top ase Ph n t ch động l c học kết cấu chịu động đất ở 2 trư ng hợp liên kết c ng và tư ng tác kết cấu – n n Top ase Khảo sát ng xử của kết cấu khi các đặc trưng của kết cấu thay đ i, số l p Top ase gia cư ng n n thay đ i và đặc t nh đất n n thay đ i ác kết quả được r t ra: Khi n n được gia

cư ng Top ase thì độ c ng và độ cản của hệ kết cấu – n n Top ase được tăng lên Từ đó chu k dao động và chuyển vị đỉnh của c ng trình giảm đàng kể so v i khi chưa gia cư ng Top ase Số l p Top ase càng nhi u thì n n sẽ càng c ng Tuy nhiên, tác d ng tăng lên kh ng đáng kể khi tăng từ 1 l p lên 2 l p và 3 l p

2.4 KẾT LUẬN

Qua những nghiên c u trên thì đ tài nghiên c u:“P ân tíc động lực ọc kết cấu c ịu động đất có xét đến ản ưởng tương tác nền móng cọc’’ là một đ tài

hoàn toàn m i mẻ và có ý nghĩa th c tiễn cao Việc nghiên c u này được d a trên

n n tảng của các nghiên c u trư c phát triển lênvà ph n t ch ở nhi u kh a cạnh khác của vấn đ Từ đó sẽ có hư ng thiết kế kết cấu gần v i m hình làm việc th c

tế và cho kết quả ch nh xác h n sở lý thuyết của việc t nh toán m hình này như thế nào sẽ được trình bày trong chư ng sau

HƯƠN 2: TỔN QU N

uận văn này được chia làm 2 phần:

 Phần 1: P ần t uyết min , gồm 5 c ương:

hư ng 1: Ớ TH ỆU

hư ng 2: TỔN QU N

hư ng 3: Ơ SỞ Ý THUYẾT

hư ng 4: KẾT QUẢ SỐ

hư ng 5: KẾT UẬN VÀ HƯỚN PHÁT TR ỂN

 Phần 2: P ần p ụ lục, gồm mã nguồn của c ương tr n tín toán được

viết t eo ng n ngữ Matlab v các dữ liệu của kết quả s

HƯƠN 3: Ơ SỞ Ý THUYẾT

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Trong chư ng này sẽ gi i thiệu m hình động l c học của hệ kết cấu chịu động đất khi x t đến ảnh hưởng tư ng tác v i n n móng cọc Xác định các th ng

số trong mô hình, phân tích mô hình và thuật toán giải

3.2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH

n 3 Sơ đồ tín tương tác của ệ kết cấu N tầng v nền móng cọc

2

n n-1

1 h h

h h

h

2

n n-1

d

S

HƯƠN 3: Ơ SỞ Ý THUYẾT

iả thuyết khi chịu động đất, c ng trình bị rung lắc và tác động xuống n n móng cọc Do th i gian tác động ngắn nên xem n n móng cọc v n ng xử như vật liệu đàn hồi Dùng l xo đàn hồi kết hợp v i một giảm chấn theo phư ng đ ng, ngang và xoay để đặc trưng cho ng xử đó (Hình 3.1)

ỗi cọc đ n đặc trưng bởi một l xo và một giảm chấn tư ng ng Nhưng khi xét ảnh hưởng tư ng tác của hệ kết cấu v in n móng cọc, cả nhóm cọc sẽ làm việc đồng th i và có s tư ng tác l n nhau, được đặt trưng bởi hệ số độ c ng và hệ

số cảncủa nhóm cọc

ác hệ số độ c ng theo các phư ng gồm: phư ng đ ng k z, phư ng ngangk x

vàphư ng xoay k Các hệ số cản theo các phư ng gồm: phư ng đ ng c z, phư ng ngang c xvà phư ng xoay c Việc xác định các hệ số này sẽ được trình bày c thể

HƯƠN 3: Ơ SỞ Ý THUYẾT

Bảng 3.1Giá trị của f z1, f z2 theo Novak (1974)

Độ mảnh của cọc

20

2 1

2.0928 2

3.75( / ) 0.05( / ) 0.050115.345( / )

2 2

6.25( / ) 0.05( / ) 0.019915.345 10( / ) 1.5( / ) 0.012

2

3.75( / ) 0.45( / ) 0.00611.4( / ) 0.0083

trong đó V S và V c là vận tốc sóng cắt của đất và vận tốc sóng cắt của cọc

Theo phư ng ngang và xoay

Bảng 3.2 Giá trị của f x1, f x2,f2,f2 theo Novak (1974)

HƯƠN 3: Ơ SỞ Ý THUYẾT

0.25

2 1

2 2

2 1

2 2

7.25( / ) 0.38( / ) 0.0013 17( / ) 0.915( / ) 0.0032 55( / ) 9.3( / ) 0.1075 38.75( / ) 6.55( / ) 0.0734

2 2

2 1

2 2

7.875( / ) 0.43( / ) 0.0015 18.75( / ) 1.02( / ) 0.0037 57.5( / ) 9.65( / ) 0.1113 41.25( / ) 6.85( / ) 0.0746

Khi x t tư ng tác động giữa các cọc trong nhóm thì việc xác định hệ số

tư ng tác động này v cùng khó khăn và ph c tạp ó nhi u phư ng pháp được nghiên c u Tuy nhiên,phư ng pháp đ n giản, phù hợp v i việc t nh toán nhanh,

dễ dàngđó là phư ng pháp được nghiên c u bởi Dobry & Gazetas (1988) [4] Trong luận văn này sẽ trình bày phư ng pháp trên

iả sử m hình cọc tư ng tác trong đất như Hình 3.2

HƯƠN 3: Ơ SỞ Ý THUYẾT

Hình 3.2 M n cọc tương tác trong đất (a) Giả sử n óm cọc trong đất tương tác gi ng sóng n trụ

(b) Sự p ân b biên độ c uyển vị cùng trục của một dao động của cọc

c ủ động v cọc bị động được giả t iết n dạng gi ng n au

(c) Biến dạng đầu cọc v ứng xử k i xoay

(d) Giả địn vận t c biểu kiến của sóng p át ra từ một dao động ngang

Hồ s cọc được khảo sát trong luận văn như Hình 3.3:

HƯƠN 3: Ơ SỞ í THUYẾT

Hỡnh 3.3 ồ sơ cọc được k ảo sỏt

a Chuyển động theo phương đứng

X t 2 cọc giống hệt nhau p và q , khoản cách giữa 2 tr c là S Ảnh hưởng

rung đụ̣ng của cọc p lờn phản ng của cọc q được thể hiện th ng qua hệ số tư ng tác đụ̣ng V như sau

chuyển vị của cọc dưới tải trọng của nó

v i r là khoản cách t nh từ tr c của cọc p đến vị tr tư ng tác, A A z( )

mụ̣t h ng số biờn đụ̣

Tại tr c của cọc q , khoản cách r=S, phư ng trỡnh (3.6) trở thành

(haykhoảng cách cọc) Đi u này cũng được thể hiện th ng qua 2 hình vẽ này

HƯƠN 3: Ơ SỞ Ý THUYẾT

Đối v i dao động theo phư ng ngang hệ số độ c ng và cản nhóm cọc ph thuộc vào hệ số tư ng tác h Đối v i tần số cho trư c  thì h kh ng chỉ ph thuộc vào khoảng cách cọc S mà c n ph thuộc vào góc  hợp bởi đư ng thẳng nối 2 cọc và phư ng ngang của l c tác d ng Tuy nhiên, h chỉ cần t nh v i góc

Hình 3.2(d) Theo Dobry & Gazetas, 1988 [4] Ta có:

trong đó: V La  3.4V s /(1 ) là vận tốc sóng ysmer

Hệ số tư ng tác giữa các cọc ch o có thể được m tả theo phư ng trình (3.9) như sau:

Khảo sát nhóm cọc 2x2: ối liên hệ giữa chuyển vị ngang của cọc là u và

l c tác d ng lên mỗi cọc là P h được thể hiện b ng hàm cản động của cọc đ n theo phư ng ngang như sau:

HƯƠN 3: Ơ SỞ Ý THUYẾT

Hình 3.7 ệ s độ cứng v độ cản động n óm cọc 3 x3t eo p ương ngang

c Chuyển động theo phương xoay

Nghiên c u nhóm cọc 2 x 2 Đài cọc xoay một góc là G chịu tác d ng của 2 cặp l c theo phư ng đ ng là F1exp(i t ) và F1exp (i  t ) và các mô men

V S

HƯƠN 3: Ơ SỞ Ý THUYẾT

3.4PHÂN TÍCH MÔ HÌNH

3.4.1 Giả thiết tính toán

Để đ n giản trong t nh toán và có thể so sánh s khác biệt giữa x t và kh ng

x t đến ảnh hưởng của tư ng tác n n móng cọc thì một số giả thiết t nh toán được đưa ra:

 N n móng cọc được xem là bán kh ng gian v hạn đàn hồi tuyến t nh và đồng nhất, được đặc trưng b ng độ c ng đàn hồi và cản theo phư ng ngang k c x, x và xoay k c,  Do c ng trình đã đưa vào sử d ng và n định nên khi x t c ng trình chịu động đất, ta chỉ kể đến độ c ng theo phư ng ngang và phư ng xoay, và bỏ qua ảnh hưởng của biến dạng theo phư ng đ ng và xoắn

 óng được xem là c ng tuyệt đối so v i n n và kh ng biến dạng trong quá trình dao động

 ỏ qua ảnh hưởng của tư ng tác động, và chỉ kể đến ảnh hưởng của

tư ng tác quán tính trong tính toán

3.4.2 Phương trình chuyển động

Dùng phư ng trình Lagrange v i nguyên lý năng lượng trong mi n th i gian (Time domain) để thiết lập phư ng trình t nh toán kết cấu chịu tải trọng động đất có x t đến ảnh hưởng SS (Thành, 2010) [6] Phư ng trình Larange áp d ng cho

hệ N 2 bậc t do (Hình3.10) cho các chuyển vị và vận tốc theo phư ng ngang và xoay được r t gọn lại như sau