Khi công trình chịu tải trọng động đất, tương tác giữa đất nền và kết cấu SSI - soil-structure interaction có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính dao động và phản ứng động của hệ kết cấu.. Kh
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Trang 2CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1 : PGS.TS CHU QUỐC THẮNG
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2 : TS TRẦN CAO THANH NGỌC
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày … tháng … năm ……
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1
2
3
4
5
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KT XÂY DỰNG
Trang 3ĐẠI 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 tên học viên: TRẦN ĐĂNG KHẢI MSHV: 12214059 Ngày, tháng, năm sinh: 12/09/1989 Nơi sinh: TPHCM
Chuyên ngành: Xây dựng công trình DD&CN Mã số : 60-58-20
I TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG ĐẤT NỀN ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Xây dựng các mô hình tính toán có xét đến ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu
Các mô hình sẽ được khảo sát khi chỉ chịu tải trọng động đất theo phương ngang
Các mô hình sẽ được khảo sát khi chịu tải trọng động đất theo phương ngang và phương đứng
Phân tích ứng xử của kết cấu trong mô hình tính toán có xét đến ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/01/2014
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014
V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: PGS.TS CHU QUỐC THẮNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: TS TRẦN CAO THANH NGỌC
(Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Tôi xin dành lời nói đầu tiên để gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy:
Thầy CHU QUỐC THẮNG
Thầy TRẦN CAO THANH NGỌC
Thầy VŨ XUÂN BÁCH
Tôi có thể hoàn thành được luận văn này là nhờ những sự chỉ dẫn tận tình, nhiệt huyết của các thầy Các thầy luôn khuyên bảo cho tôi những điều đúng đắn nhất trong các vấn đề liên quan đến đề tài Các thầy luôn động viên, giúp
đỡ cho tôi rất nhiều mỗi khi tôi gặp khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn Nhờ những sự giảng dạy kĩ càng của các thầy, tôi cảm thấy mình đã mở rộng nhận thức và tầm hiểu biết nhiều hơn
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM, các thầy cô đã trực tiếp tham gia giảng dạy cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến sự giúp đỡ của các bạn bè, anh chị học viên cao học khóa 2012
Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến bà nội, bố mẹ, em gái đã luôn bên cạnh động viên tinh thần, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này
TPHCM, tháng 06 năm 2014
Trần Đăng Khải
Trang 5TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tóm tắt: Công trình nhà cao tầng phản ứng rất nhạy với sự rung chuyển
của đất nền Khi công trình chịu tải trọng động đất, tương tác giữa đất nền và kết cấu (SSI - soil-structure interaction) có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính dao động và phản ứng động của hệ kết cấu Mục đích chính của đề tài là phân tích ứng xử của kết cấu trong mô hình tính toán có xét đến SSI Tải trọng động đất theo phương ngang và phương đứng được xét đến theo phương pháp phân tích lược sử thời gian Việc mô phỏng móng đơn trong không gian 2D sử dụng mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler (BNWF – Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) So với các phần mềm thông thường khác, phần mềm mã nguồn
mở OPENSEES (Open System For Earthquake Engineering Simulation) đa dạng hơn về loại vật liệu và loại phần tử nên nó có thể giải quyết được bài toán SSI một cách hiệu quả Chu kì dao động cơ bản, chuyển vị đỉnh của công trình
và nội lực của cột là những yếu tố thay đổi đáng kể và cần được xem xét cụ thể trong quá trình phân tích
Abstract: Buildings are vulnerable to shaking of soil During seismic
excitation, soil-structure interaction (SSI) effects a considerable change of vibration characteristics and dynamic responses of structure system This paper’s goal is to analyse the behaviors of structure in SSI model Lateral and vertical seismic load is applied to model in time history analysis The 2-dimensional conception of shallow foundation is based on Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation (BNWF) model Compared with other programs, OPENSEES (Open System For Earthquake Engineering Simulation) is more diverse in material and element types; therefore, it can solve the SSI problem effectively Vibration period, top displacement and force of column are significantly changeable, all of which need inspecting in process of studying
Trang 6LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Trần Đăng Khải, học viên cao học chuyên ngành Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp, khóa 2012 Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM Tôi xin cam đoan rằng đây là luận văn do chính tôi tự 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 có 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
TRẦN ĐĂNG KHẢI
Trang 7MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iv
LỜI CAM ĐOAN v
DANH MỤC BẢNG BIỂU xi
DANH MỤC HÌNH VẼ xiii
DANH MỤC KÍ HIỆU xv
CHƯƠNG I 1
GIỚI THIỆU 1
CHƯƠNG II 3
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 3
2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 3
2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 13
2.3 Nhận xét 14
CHƯƠNG III 16
MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 16
3.1 Mục tiêu nghiên cứu 16
3.2 Ý nghĩa khoa học 17
3.3 Ý nghĩa thực tiễn 17
3.4 Nội dung nghiên cứu 18
CHƯƠNG IV 19
MÔ HÌNH DẦM TRÊN NỀN PHI TUYẾN WINKLER 19
4.1 Giới thiệu 19
4.2 Mô tả mô hình BNWF 19
Trang 84.3 Đặc tính của mô hình BNWF 20
4.4 Các mô hình vật liệu 22
4.4.1 Mô hình vật liệu QzSimple1 22
4.4.2 Mô hình vật liệu PySimple1 26
4.4.3 Mô hình vật liệu TzSimple1 27
4.5 Các thông số của mô hình BNWF 28
4.5.1 Khả năng chịu lực cực hạn của lò xo theo phương đứng và phương ngang 28
4.5.2 Độ cứng của móng theo phương ngang và phương đứng (Kv và Kh) 32 4.5.3 Khả năng chịu kéo (TP – tension capacity) 33
4.5.4 Tỷ số chiều dài Re 33
4.5.5 Tỷ số cường độ cứng Rk 34
4.5.6 Khoảng cách giữa các lò xo 35
4.6 Kết luận 36
CHƯƠNG V 37
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT 37
5.1 Phương pháp phân tích tựa tĩnh (quasi-static method) 37
5.2 Phương pháp phân tích theo phổ phản ứng (response spectrum analysis) 38 5.3 Phương pháp phân tích đẩy dần (push over analysis) 39
5.4 Phương pháp phân tích dạng chính (modal analysis) 40 5.5 Phương pháp phân tích theo lược sử thời gian (time history analysis) 40
Trang 95.6 Phân loại các phương pháp tính toán 41
5.6.1 Phân loại theo tính chất của tải trọng động đất 41
5.6.2 Phân loại theo đặc tính làm việc của hệ kết cấu 42
5.7 Kết luận 42
CHƯƠNG VI 43
PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN TRỰC TIẾP PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG 43
(PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO LƯỢC SỬ THỜI GIAN) 43
6.1 Phương trình sai phân chuyển động 43
6.2 Thuật toán Newmark – Beta 46
6.3 Giải phương trình sai phân chuyển động 46
6.3.1 Phương pháp lặp NEWTON – RAPHSON hiệu chỉnh 47
6.3.2 Phương pháp lặp NEWTON – RAPHSON 49
6.4 Giới thiệu về phần mềm mã nguồn mở OPENSEES 50
CHƯƠNG VII 51
MÔ HÌNH BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC GIỮA ĐẤT NỀN VÀ KẾT CẤU 51
7.1 Mô tả mô hình 51
7.2 Mô hình tương tác giữa đất nền và kết cấu 56
7.3 Kết quả đạt được khi các mô hình chỉ chịu thành phần theo phương ngang của tải trọng động đất 57
7.3.1 Chu kì dao động của mô hình 58
7.3.2 Chuyển vị đỉnh của mô hình theo phương ngang 61
7.3.3 Nội lực lớn nhất của cột 64
Trang 107.4 Kết quả đạt được khi các mô hình chịu cả thành phần theo
phương ngang và thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất 70
7.4.1 Chuyển vị đỉnh của mô hình 71
7.4.2 Nội lực lớn nhất của cột 73
CHƯƠNG VIII 82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82
8.1 Kết luận 82
8.1.1 Mô hình tính toán có xét đến ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu với những điểm mạnh 82
8.1.2 Khi xét đến quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu vào mô hình tính toán chỉ chịu tải trọng động đất theo phương ngang 82
8.1.3 Khi xét đến thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất vào các mô hình tính toán 83
8.1.4 Khi xét đến quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu vào mô hình tính toán chịu tải trọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng 84
8.2 Kiến nghị 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO 85
PHỤ LỤC 88
A CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH MÔ HÌNH KHI CHƯA CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 88
B CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH MÔ HÌNH KHI CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 101
C CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH MÔ HÌNH CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG DO TƯƠNG TÁC GIỮA ĐẤT NỀN VÀ KẾT CẤU KHI CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 108
Trang 11D CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH MÔ HÌNH CÓ XÉT ĐẾN THÀNH PHẦN THEO PHƯƠNG ĐỨNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 117
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 118
Trang 12DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Kết quả của mô hình 5 tầng theo Vardanega [2] 4
Bảng 2.2 Kết quả của mô hình 10 tầng theo Vardanega [2] 4
Bảng 2.3 Kết quả của mô hình 15 tầng theo Vardanega [2] 4
Bảng 2.4 Bảng xác định giá trị độ cứng và hệ số cản [6] 6
Bảng 2.5 Bảng kết quả chu kì dao động theo phương đứng ứng với sự thay đổi biên độ gia tốc nền theo phương đứng [11] 9
Bảng 2.6 Ảnh hưởng của tải trọng động đất theo phương đứng đến lực dọc của cột khung bê tông cốt thép (Koulkeri) [13] 12
Bảng 4.1 Bảng xác định độ cứng móng nông theo Gazetas được tóm tắt trong ATC-40 32
Bảng 7.1 Kích thước của các cấu kiện bê tông cốt thép trong mô hình 54
Bảng 7.2 Chu kì dao động của mô hình 58
Bảng 7.3 Kích thước của các kết cấu bên trên sau khi được tăng lên lần thứ 1 59
Bảng 7.4 Kích thước của các kết cấu bên trên sau khi được tăng lên lần thứ 2 59
Bảng 7.5 Chu kì dao động của mô hình khi độ cứng K của kết cấu bên trên được tăng lên lần thứ 1 60
Bảng 7.6 Chu kì dao động của mô hình khi độ cứng K của kết cấu bên trên được tăng lên lần thứ 2 60
Bảng 7.7 Chuyển vị đỉnh lớn nhất theo phương ngang của các mô hình (m) 63
Bảng 7.8 Moment lớn nhất chân cột góc (kN.m) 64
Bảng 7.9 Lực cắt lớn nhất chân cột góc (kN) 66
Bảng 7.10 Lực dọc lớn nhất chân cột góc (kN) 67
Trang 13Bảng 7.11 Moment lớn nhất chân cột giữa (kN.m) 68Bảng 7.12 Lực cắt lớn nhất chân cột giữa (kN) 69Bảng 7.13 Lực dọc lớn nhất chân cột giữa (kN) 70Bảng 7.14 Chuyển vị đỉnh lớn nhất theo phương đứng của các mô hình khi chịu tải trọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (m) 72Bảng 7.15 Moment lớn nhất chân cột góc của các mô hình khi chịu tải trọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (kN.m) 73Bảng 7.16 Lực cắt lớn nhất chân cột góc của các mô hình khi chịu tải trọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (kN) 75Bảng 7.17 Lực dọc lớn nhất chân cột góc của các mô hình khi chịu tải trọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (kN) 76Bảng 7.18 Moment lớn nhất chân cột giữa của các mô hình khi chịu tải trọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (kN.m) 78Bảng 7.19 Lực cắt lớn nhất chân cột giữa của các mô hình khi chịu tải trọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (kN) 79Bảng 7.20 Lực dọc lớn nhất chân cột giữa của các mô hình khi chịu tải trọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (kN) 80
Trang 14DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Công trình bị phá hủy bởi tác động của động đất 2
Hình 2.1 Mô hình nút tương tác đặc trưng giữa đất nền và kết cấu [6] 6
Hình 2.2 Phổ phản ứng theo phương đứng với hệ số cản 5% [12] 10
Hình 2.3 Phổ phản ứng theo phương ngang với hệ số cản 5% [12] 11
Hình 2.4 Tỷ số phổ phản ứng theo phương đứng/ phương ngang (V/H) [12] 11
Hình 2.5 Biểu đồ tương quan giữa khả năng chịu lực cắt của cột và lực cắt mà cột phải chịu [13] 13
Hình 2.6 Mô hình tương tác cọc-đất phi tuyến [14] 14
Hình 4.1 Mô hình tương tác đặc trưng giữa cọc-đất [5] 20
Hình 4.2 Khả năng của mô hình BNWF trong việc mô phỏng các phản ứng: moment-góc xoay, biến dạng-góc xoay, lực cắt-trượt, biến dạng-trượt [5] 21
Hình 4.3 Mô hình BNWF với độ cứng thay đổi theo chiều dài của kết cấu móng (Harden và các cộng sự - 2005) [5] 22
Hình 4.4 Mô hình vật liệu QzSimple1, PySimple1 và TzSimple1 được sử dụng trong liên kết với phần tử “zeroLength Element” [5] 24
Hình 4.5 Đường cong chính của vật liệu QzSimple1 [5] 24
Hình 4.6 Phản ứng tuần hoàn của vật liệu QzSimple1 [5] 26
Hình 4.7 Phản ứng tuần hoàn của vật liệu PySimple1 [5] 27
Hình 4.8 Phản ứng tuần hoàn của vật liệu TzSimple1 [5] 28
Hình 4.9 Mô hình nền Winkler cho móng hình chữ nhật theo ATC-40 [16] 34
Hình 4.10 Tỷ số cường độ cứng Rk với móng có tỷ số B/L [17] 35
Trang 15Hình 4.11 Ảnh hưởng của thông số Se đến ứng xử của kết cấu móng [5] 36Hình 6.1 Mô hình tính toán phi tuyến hệ kết cấu có nhiều bậc tự do [19] 44Hình 6.2 Lặp theo Newton – Raphson hiệu chỉnh 48Hình 6.3 Lặp theo Newton – Raphson 49Hình 7.1 Biểu đồ gia tốc nền: (a) Chalfant Valley, (b) Imperial Valley, (c) Coalinga, (d) Loma Prieta 53Hình 7.2 (a) Mô hình 8 tầng (không xét SSI) (b) Mô hình 8 tầng (có xét SSI) 54Hình 7.3 (a) Quan hệ ứng suất-biến dạng đặc trưng của vật liệu Concrete01, (b) Quan hệ ứng suất-biến dạng đặc trưng của vật liệu Steel01 không xét đến sự tăng bền đẳng hướng, (c) Phần bê tông trong cột có xét đến nén ngang 55Hình 7.4 Mô hình tương tác giữa đất nền và kết cấu dựa trên mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler 57Hình 7.5 Tỷ số chu kì dao động T T/ : (a) Mô hình 4 tầng, (b) Mô hình 8 tầng 61Hình 7.6 Chuyển vị đỉnh của mô hình 12 tầng theo phương ngang (m) - Imperial Valley: (a) FB, (b) SSI1, (c) SSI2, (d) SSI3 62
Trang 18SSI3: mô hình có xét đến SSI và được đặt trên đất nền loại 3 (SSI3 – structure interaction, soil type 3)
soil-T: chu kì dao động của mô hình không xét đến SSI
T: chu kì dao động của mô hình có xét đến SSI
/
T T: tỷ số chu kì dao động
Trang 19CHƯƠNG I GIỚI THIỆU
Động đất là sự rung chuyển hay chuyển động của mặt đất, được xem là một thiên tai nguy hiểm và rất khó để dự đoán trước Những trận động đất xuất hiện ngày càng nhiều và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến những khu vực và công trình gần tâm chấn Công trình nhà cao tầng phản ứng rất nhạy với sự rung chuyển của đất nền Khi công trình chịu tải trọng động đất, tương tác giữa đất nền và kết cấu (SSI – soil-structure interaction) có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính dao động và phản ứng động của hệ kết cấu Việc tính toán công trình chịu tải trọng động đất thường bỏ qua ảnh hưởng do SSI và thường dựa trên giả định rằng nền móng như một khối cứng và chịu toàn bộ gia tốc ngang một chiều Giả định này có giá trị nếu hệ kết cấu được đặt trên nền đất tốt vì khi đó chuyển vị ở chân công trình giống với trường chuyển vị của động đất Tuy nhiên, khi đất nền là yếu thì sẽ có sự khác biệt đáng kể Do những ảnh hưởng như trên thì việc kể đến vai trò của đất nền trong mô hình SSI khi phân tích công trình chịu động đất là điều cần thiết
Bài toán tương tác giữa đất nền và kết cấu đang được quan tâm nhiều trong những năm gần đây bởi tính chính xác và hợp lý khi được đưa vào mô hình phân tích Nó mô phỏng được hệ làm việc đồng thời của kết cấu và đất nền trong quá trình chịu tải trọng động đất Nhờ vậy, các mô hình tính toán có xét đến ảnh hưởng do SSI có sơ đồ làm việc rất sát với thực tế
Thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất thường được bỏ qua khi thiết kế công trình chịu động đất Trên thực tế, tải trọng động đất theo phương đứng có những ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng của hệ kết cấu Do
đó, các mô hình sẽ được xem xét, phân tích cụ thể khi chỉ chịu tải trọng động
Trang 20đất theo phương ngang và khi vừa chịu tải trọng động đất theo phương ngang lẫn phương đứng
Độ cứng của đất nền là một thông số khá quan trọng, ảnh hưởng khá nhiều đến kết quả bài toán Với mô hình có xét đến ảnh hưởng do SSI, nó đã có thể được xem xét cụ thể và rõ ràng
Hình 1.1 Công trình bị phá hủy bởi tác động của động đất
Trang 21CHƯƠNG II TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Ohbta [1] đề xuất chu kì dao động tự nhiên của kết cấu là một hàm theo độ cao và đã được sử dụng phổ biến trong thực hành tính toán kết cấu Tác giả có những kết luận về ảnh hưởng của độ cứng đất nền đến chu kì dao động tự nhiên của kết cấu Kết quả thí nghiệm độ xuyên tiêu chuẩn được sử dụng để tính toán
độ cứng của đất nền Tác giả kết luận rằng khi chiều cao công trình tăng hoặc
độ cứng của đất nền giảm thì chu kì dao động tự nhiên tăng lên Bỏ qua sự thay đổi cường độ gia tốc nền do sự xuất hiện của kết cấu và xem như phổ phản ứng thu được từ các trường chuyển vị tự do và từ các kết cấu bên dưới là như nhau
Từ đó, có thể khẳng định quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu là quan trọng như thế nào
Vardanega [2] phân tích phản ứng của hệ kết cấu khi xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu vào mô hình tính toán Tác giả có những kết luận như sau: ảnh hưởng chính của tương tác giữa đất nền và kết cấu là làm gia tăng chu kì dao động tự nhiên của hệ kết cấu, tăng sức cản hiệu quả do sự hao hụt năng lượng khi lan truyền và thay đổi ứng xử do sự xuất hiện của những góc xoay tại chân công trình Các bảng I, II, III chỉ ra kết quả của các mô hình 5 tầng, 10 tầng, 15 tầng riêng biệt:
Trang 22Bảng 2.1 Kết quả của mô hình 5 tầng theo Vardanega [2]
Bảng 2.2 Kết quả của mô hình 10 tầng theo Vardanega [2]
Bảng 2.3 Kết quả của mô hình 15 tầng theo Vardanega [2]
Trang 23Kết quả cho thấy rằng độ gia tăng chu kì dao động cơ bản của công trình là rất lớn đối với tòa nhà 5 tầng trên nền đất yếu (loại 1), hệ số gia tăng vào khoảng 3 lần Ảnh hưởng này sẽ giảm dần khi chiều cao công trình tăng lên và khi độ cứng của đất nền tăng lên Đây là một điều đáng quan tâm.Tuy nhiên, ảnh hưởng này vẫn còn đáng kể đối với tòa nhà 15 tầng trên loại đất số 3 Quá trình tăng sức cản do sự lan truyền rất nhỏ trong mọi trường hợp do kích thước của chân móng Sự thay đổi nội lực dường như là thất thường và không có một phương hướng rõ ràng Đối với tòa nhà 15 tầng thì chu kì dao động cơ bản trên loại đất số 2 và loại đất số 3 bằng nhau nhưng vẫn có một chút khác biệt Đó là chu kì dao động của dạng dao động thứ 2
Stewart và các cộng sự [3] chỉ ra rằng có một sự tương quan cao giữa việc tăng tỷ số chu kì dao động của kết cấu T T/ và tỷ số độ cứng của kết cấu/đất nền 1/ h/V T s Trong đó: T và T: chu kì dao động của kết cấu khi có xét
và không xét SSI h: chiều cao hiệu quả của công trình và bằng 2 / 3H H: chiều cao của công trình được tính từ kết cấu móng đến mái V s: vận tốc hiệu quả của đất nền khi lan truyền sóng Những ảnh hưởng do tương tác đặc trưng giữa đất nền và kết cấu sẽ đáng kể khi tỷ số độ cứng 1/ vào khoảng 0.1 – 0.3 Khi đó, tỷ số chu kì dao động của kết cấu bằng khoảng 1.1 – 1.5 Đặc biệt, có trường hợp tỷ số độ cứng 1/ bằng 1.5 sẽ làm tăng tỷ số chu kì lên 4 Một thống kê chung cho thấy khi kết cấu bên trên cứng và đất nền yếu thì ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ đặc biệt quan trọng Mặt khác, nếu chu kì của kết cấu tăng và độ cứng của đất nền phía dưới tăng thì quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ giảm phần quan trọng
Ahmed và Hamdy [6] chọn lọc những ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền
và kết cấu đến công trình chịu những sự rung chuyển mạnh của mặt đất nhằm kiểm soát được sự phá hoại và tăng mức độ an toàn cho công trình Tác giả sử dụng quá trình phân tích tải trọng lặp bằng cách sử dụng phần mềm SAP2000
và chỉ ra kết quả theo những phân tích lược sử thời gian của mô hình công trình
Trang 24gồm cả kết cấu bên trên, kết cấu móng và đất nền khi chịu tải trọng động đất khá lớn Kết quả cho thấy rằng nếu xem xét quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ cho những ảnh hưởng bất lợi đối với hình dáng biến dạng của công trình và chuyển vị đỉnh của công trình sẽ tăng lên Mặt khác, tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ làm giảm nội lực của các kết cấu bên trên khi so sánh với mô hình công trình có chân được ngàm
Hình 2.1 Mô hình nút tương tác đặc trưng giữa đất nền và kết cấu [6]
Bảng 2.4 Bảng xác định giá trị độ cứng và hệ số cản [6]
Nếu kể đến quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu trong mô hình phân tích thì kết quả về chuyển vị đỉnh của công trình sẽ tăng lên Điều này phụ thuộc phần lớn vào chiều cao công trình Công trình thấp thì sẽ có tỷ lệ chênh lệch chuyển vị đỉnh nhiều nhất khi so sánh giữa mô hình có xét đến SSI và không xét đến SSI
Mô hình không xét đến SSI sẽ cho ra tần số đặc trưng cao Tuy nhiên, tần
số dao động cơ bản sẽ giảm đi ứng với mô hình có xét đến SSI và công trình được đặt trên đất nền có độ cứng không cao
Trang 25Quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu cũng xảy ra khi đất phản ứng lại các vùng có tường hầm chịu lực xung quanh công trình Điều đó chứng minh được khả năng và ảnh hưởng của tường hầm trong việc điều khiển và giảm chuyển vị đỉnh lớn nhất của công trình và cải thiện tốt hơn hình dáng biến dạng của công trình khi chịu động đất
Quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu làm giảm lực cắt ở chân cột từ 70% đến 30% cho công trình từ cao đến thấp khi so sánh với mô hình chân ngàm cổ điển
Đối với những tòa nhà nhỏ và nhẹ (từ 3 đến 6 tầng), quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu làm giảm lực dọc trong cột nhưng không đáng kể khi so sánh với mô hình chân ngàm Nó sẽ có tác dụng đáng kể đối với các tòa nhà cao và nặng (12 tầng) vì khi đó lực dọc có thể giảm tới 20% nếu công trình chịu lực kích thích động đất tương đối lớn Ngoài ra, quá trình tương tác còn làm giảm moment chân cột đến 70% khi so sánh với mô hình chân ngàm và điều này càng thấy rõ hơn đối với các công trình càng cao
Ghosh và Masabhushi sử dụng thí nghiệm li tâm động ở những lớp đất để phát hiện ra sự lan truyền gia tốc xuyên qua những lớp đất Tác giả chỉ ra rằng nhìn chung có sự khuếch đại lớn hơn ở những lớp đất chặt và áp lực nước lỗ rỗng thấp Nhưng phản ứng của kết cấu thì bị ảnh hưởng lớn bởi sự phân lớp và đường dẫn mềm ẩn trong lớp đất chặt có thể nguy hiểm nếu nó không được phát hiện bởi những thí nghiệm thông thường Khi đó, lực cắt ở chân công trình
có thể cao hơn 1.5 lần so với khi nó được thiết kế [6]
Martin và Lam [8] minh họa một ví dụ kết cấu giả định bao gồm tường chịu cắt được kết nối với hệ khung sẽ cho ra những kết quả khác biệt đáng kể khi phân tích phản ứng không đàn hồi của đất được xem xét hoặc bỏ qua Với phản ứng không đàn hồi (bao gồm hiện tượng trồi lên của đất) thì tường chịu cắt và một số cột của hệ khung bị truyền tải vào phải được gia cường chắc chắn
Trang 26El Ganainy và El Naggar [9] đã có những kết luận sau đây:
Tập hợp khớp xoay moment, khớp chịu cắt được kết nối thành chuỗi với những thành phần kết cấu đàn hồi có thể mô phỏng được phản ứng theo phương ngang và rung lắc của móng nông dưới tác dụng của tải trọng tuần hoàn với độ chính xác cao
Mô phỏng chính xác hiện tượng đất bị nén khi phân tích phản ứng của móng nông chịu sự rung lắc tuần hoàn là điều khá quan trọng Nó ảnh hưởng lớn đến kết quả biến dạng dư do sự cản từ phản ứng xoay moment Ảnh hưởng của hiện tượng này có thể mô tả bằng mô hình được gán hệ số giảm năng lượng thích hợp Sự so sánh với kết quả thực nghiệm để xác định sự biến thiên của hệ
số này với những tham số khác trong mô hình đất nền chịu lực là một điều cần thiết
Makan và các cộng sự [10] phân tích ảnh hưởng của tải trọng động đất theo phương đứng đến ứng xử của kết cấu có xét đến hiện tượng trồi lên của đất Tác giả kết luận rằng nếu bỏ qua tải trọng động đất theo phương đứng trong mô hình tính toán thì kết quả đạt được sẽ không dự báo được đúng đắn mức độ nguy hiểm mà trận động đất đem lại Nếu xét đến hiện tượng trồi lên của đất thì lực cắt và moment trong cột sẽ giảm đi Biên độ gia tốc nền theo phương đứng không phải lúc nào cũng nhỏ hơn theo phương ngang Nếu chỉ xét tải trọng động đất theo phương ngang thì sự đẩy trồi của đất sẽ làm giảm moment uốn trong bản sàn Nếu xét tải trọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng thì sự đẩy trồi của đất sẽ làm tăng moment uốn trong bản sàn Những ảnh hưởng đó cho thấy việc xét đến tải trọng động đất theo phương đứng vào mô hình tính toán là điều cần thiết
Collier và Elnashai [11] xây dựng một chương trình tính toán đơn giản để đánh giá ảnh hưởng của tải trọng động đất theo phương đứng đến ứng xử của kết cấu Tác giả nhận định rằng tỷ số biên độ gia tốc nền phương đứng/ phương ngang (V/H) là một thông số khá quan trọng Ảnh hưởng làm sai khác biên độ
Trang 27gia tốc nền theo phương đứng được đánh giá bằng cách so sánh chu kì dao động theo phương đứng thu được bằng phân tích eigenvalue với kết quả từ dữ liệu thu thập gốc Kết quả chỉ ra rằng có một sự gia tăng đáng kể gia tốc nền tại đỉnh công trình nếu chu kì dao động gia tăng nhiều Tần số dao động đầu vào của trận động đất Coalinga là 10Hz (0.1s), nhưng chu kì dao động cơ bản theo phương đứng của kết cấu là 0.088s Thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất có những ảnh hưởng đáng kể và nên được xem xét trong quá trình phân tích khi kết cấu trong phạm vi 25km từ tâm chấn Khoảng thời gian giữa lúc xảy ra đỉnh gia tốc nền theo phương đứng và theo phương ngang bằng
0 trong bán kính 5km từ tâm chấn Tỷ số V/H khoảng >1 trong bán kính 5km
từ tâm chấn, khoảng >2/3 trong bán kính 25km từ tâm chấn Điều này trùng khớp với một số nghiên cứu trước đây Việc phân tích động kết cấu không đàn hồi đã xác nhận ý nghĩa quan trọng của biên độ gia tốc nền theo phương đứng
và phương ngang đến chu kì dao động theo phương đứng Nó cũng cho thấy ảnh hưởng của gia tốc theo phương ngang như một hàm theo biến số là khoảng thời gian giữa lúc xảy ra đỉnh gia tốc nền theo phương đứng và phương ngang
Bảng 2.5 Bảng kết quả chu kì dao động theo phương đứng ứng với sự
thay đổi biên độ gia tốc nền theo phương đứng [11]
Trang 28Bozorgnia và các cộng sự [12] tóm tắt những phản ứng theo phương đứng của kết cấu thu được từ trận động đất Northridge Các kết cấu được chọn bao gồm các tòa nhà từ 2 đến 14 tầng, có khoảng cách từ 8 đến 71 km từ tâm trận động đất Northridge Chúng bao gồm 4 tòa nhà bằng thép, 5 tòa nhà bằng bê tông cốt thép, 3 tòa nhà có bố trí hệ cản Gia tốc theo phương đứng ở đỉnh công trình thu được lớn hơn từ 1.1 đến 6.4 lần khi so với ở chân công trình Thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất có thể xác định bằng cách cách nhân độ lớn của thành phần theo phương ngang với hệ số 2/3 (Tiêu chuẩn UBC-94 mục 1629) Trong một số trường hợp thì việc làm này không còn hợp
lý nữa bởi vì hệ số này rất nhạy và bị ảnh hưởng bởi chu kì dao động và khoảng cách từ công trình đến tâm chấn Như vậy, thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất nên được định nghĩa riêng hoặc quan hệ với thành phần theo phương ngang bởi hệ số đặc trưng phụ thuộc vào chu kì dao động và và khoảng cách từ công trình đến tâm chấn Tác giả có xây dựng một chương trình tính gần đúng để xác định phổ phản ứng theo phương đứng từ phổ phản ứng theo phương ngang và có những kết quả như sau:
Hình 2.2 Phổ phản ứng theo phương đứng với hệ số cản 5% [12]
Trang 29Hình 2.3 Phổ phản ứng theo phương ngang với hệ số cản 5% [12]
Hình 2.4 Tỷ số phổ phản ứng theo phương đứng/ phương ngang (V/H) [12]
Trang 30Shrestha [13] cho rằng việc thiết kế kết cấu chịu tải trọng động đất mà không xét đến thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất có thể gây nguy hiểm cho kết cấu Ảnh hưởng chính khi xét đến tải trọng động đất theo phương đứng là lực dọc của các cấu kiện theo phương đứng sẽ tăng lên đáng
kể Ảnh hưởng này ở các tầng trên cao sẽ nhiều hơn ở các tầng phía dưới
Bảng 2.6 Ảnh hưởng của tải trọng động đất theo phương đứng đến
lực dọc của cột khung bê tông cốt thép (Koulkeri) [13]
Tác giả cho rằng khả năng chịu lực cắt của cột phụ thuộc vào lực dọc của cột Nếu xét đến tải trọng động đất theo phương đứng thì lực dọc của cột sẽ tăng lên Điều này dẫn đến khả năng chịu lực cắt của cột cũng sẽ tăng lên và có lợi cho ứng xử động của cột Tuy nhiên, khi đưa tải trọng động đất theo phương đứng vào mô hình tính toán thì cột có khả năng bị kéo trong một khoảng thời gian ngắn Do đó, khả năng chịu lực cắt của cột có thể sẽ giảm đi rất nhiều trong một khoảng thời gian ngắn Điều này có thể dẫn đến việc kết cấu bị phá hủy bởi lực cắt
Trang 31Hình 2.5 Biểu đồ tương quan giữa khả năng chịu lực cắt của cột và lực
cắt mà cột phải chịu [13]
2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Vấn đề nghiên cứu tương tác giữa đất nền và kết cấu khi công trình chịu tác động của tải trọng động đất hiện vẫn còn rất ít và hạn chế
Trang 32Phạm Ngọc Thạch [14] phân tích mô hình móng cọc chịu tải trọng ngang
và thiết lập mô hình cọc – đất phi tuyến bằng phần mềm SAP2000
Hình 2.6 Mô hình tương tác cọc-đất phi tuyến [14]
Ưu điểm của nghiên cứu này là mô tả được ứng xử phi tuyến giữa cọc và đất, triển khai được công thức tính Mmax, pmax và y0 theo dạng gọn hơn, sử dụng phần mềm SAP2000 quen thuộc với các kỹ sư
Nhược điểm của nghiên cứu là chỉ mô hình đơn lẻ một móng và chưa liên kết với các kết cấu khác để phân tích ứng xử của toàn bộ hệ kết cấu là như thế nào Vấn đề so sánh kết quả giữa mô hình có xét và không xét tương tác giữa đất nền và kết cấu chưa có Độ cứng của đất nền là một thông số quan trọng, ảnh hưởng nhiều đến kết quả của bài toán nhưng nó lại không được xem xét cụ thể trong nghiên cứu Mô hình chưa đề cập đến ứng xử của kết cấu khi chịu tác động của tải trọng động đất
Ngoài ra, một số ít nghiên cứu vấn đề tương tác cọc-đất trong các công trình cầu nhưng cũng chỉ hạn chế ở việc mô phỏng các kết cấu đơn lẻ, chưa xét đến ảnh hưởng của tải trọng động đất Đối với các công trình dân dụng thì hầu như chưa có nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề này
2.3 Nhận xét
Các nghiên cứu ngoài nước đã có những phân tích, nhìn nhận cụ thể về ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu đến ứng xử của kết cấu Một số nghiên cứu chỉ mô phỏng kết cấu đơn lẻ, không đánh giá được ứng xử của toàn
Trang 33bộ hệ kết cấu là như thế nào Một số nghiên cứu phân tích sâu và kĩ về ảnh hưởng của tương tác giữa đất nền và kết cấu đến chu kì dao động và tần số dao động của mô hình nhưng chưa xem xét ảnh hưởng của nó đến nội lực của kết cấu Một số ít nghiên cứu mô phỏng toàn bộ hệ kết cấu để phân tích ứng xử của kết cấu sẽ thay đổi như thế nào nếu xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu
Mô hình tính của các nghiên cứu này còn khá đơn giản do hạn chế về công cụ
hỗ trợ tính toán Độ cứng của đất nền là một thông số quan trọng, ảnh hưởng nhiều đến kết quả bài toán nhưng đa số các nghiên cứu đều không phân tích ảnh hưởng của thông số này
Các nghiên cứu ngoài nước đã đưa vào mô hình tính toán công trình chịu tải trọng động đất một tác động thường hay bị bỏ qua Đó chính là thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất Đa số các nghiên cứu này chỉ đi sâu vào các công trình cầu và rất ít nghiên cứu đề cập đến các công trình dân dụng Các nghiên cứu trong nước về ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu đến ứng xử của kết cấu là rất ít Các nghiên cứu chỉ mô phỏng kết cấu đơn
lẻ là 1 cọc chịu tải trọng ngang, không xét đến tải trọng động đất nên việc nhìn nhận một cách tổng quan ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu là hạn chế
Các nghiên cứu trong nước chưa đề cập đến ứng xử của kết cấu sẽ thay đổi như thế nào nếu xét thêm thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất vào mô hình tính toán
Trang 34
CHƯƠNG III MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU
3.1 Mục tiêu nghiên cứu
Trong phần tổng quan nghiên cứu, ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu đến ứng xử của toàn bộ hệ kết cấu đã được một số tác giả tìm hiểu và nghiên cứu tuy nhiên số lượng công trình nghiên cứu còn khá ít Các nghiên cứu này còn hạn chế về mô hình tính toán, không xét đến thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất Ngoài ra, một số ít nghiên cứu có đề cập đến thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất vào mô hình tính toán nhưng chỉ phân tích đối với các công trình cầu và không xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu Độ cứng của đất nền là một thông số quan trọng và quyết định đến kết quả bài toán nhưng các nghiên cứu trước đây lại không xem xét và phân tích kĩ ảnh hưởng của thông số này
Do đó, đề tài được tiến hành với 3 mục tiêu chính như sau:
Đánh giá ảnh hưởng do quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu đến ứng xử của hệ kết cấu
Vai trò của thông số đầu vào độ cứng đất nền sẽ được xem xét cụ thể và
rõ ràng Sự thay đổi độ cứng của đất nền có ảnh hưởng như thế nào đến kết quả bài toán cũng là một vấn đề được quan tâm trong đề tài
Đánh giá ảnh hưởng của thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất đến ứng xử của hệ kết cấu khi có xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu
Trang 353.2 Ý nghĩa khoa học
Việc tính toán công trình chịu tải trọng động đất thường không xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu vì tính chất phức tạp của nó khi được đưa vào
mô hình tính Vai trò của đất nền và kết cấu móng thường không được xem xét
cụ thể trong quá trình phân tích Điều này cho thấy sự không hợp lý trong mô hình tính toán không xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu Kết cấu móng
có kích thước càng lớn thì sức cản do móng đem lại cũng lớn Độ cứng của đất nền càng lớn thì sức cản đối với hệ kết cấu cũng lớn Mô hình tính toán có xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu ra đời đã đề cập đến vai trò của kết cấu móng, độ cứng đất nền Với mô hình này, chân công trình trở nên linh hoạt hơn, có thể xuất hiện những góc xoay, vì vậy mà ứng xử của kết cấu sẽ có những khác biệt đáng kể Thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất
có thể gây ra những nguy hiểm rất lớn cho cột Do đó, việc thiết kế công trình chịu tải trọng động đất cần phải xét thêm tương tác giữa đất nền và kết cấu, thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất là điều cần thiết
3.3 Ý nghĩa thực tiễn
Các trận động đất đã xảy ra nhiều hơn trong những năm gần đây Ảnh hưởng của nó đến các công trình là rất nguy hiểm và có sức phá hủy trên một phạm vi rộng lớn Chi phí để xây dựng các công trình chịu được các trận động đất cường độ cao là rất lớn Điều này một phần do phương pháp tính và mô hình tính đã cũ và chưa có cải tiến nào đáng kể Mô hình cổ điển chân ngàm không mô phỏng được đúng đắn bản chất làm việc của hệ kết cấu Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay, một phương pháp tính mới có hiệu quả hơn ra đời và có khả năng thay thế cho phương pháp cũ là điều chắc chắn phải xảy ra Nhiệm vụ này càng khả thi hơn khi các chương trình máy tính
hỗ trợ tính toán không ngừng phát triển, không ngừng tiến bộ hơn Nhờ vậy, công việc tính toán đòi hỏi mức độ khó và phức tạp luôn có một sự hỗ trợ rất tích cực và đáng kể từ các phần mềm chuyên dụng Tuy mô hình có xét đến
Trang 36tương tác giữa đất nền và kết cấu có những phức tạp nhất định nhưng nó đã phản ánh được hệ làm việc đồng thời của kết cấu bên trên, kết cấu móng và đất nền Điều này cho thấy rõ mô hình tính toán này khá mạnh và rất sát với điều kiện làm việc thực tế của hệ kết cấu
3.4 Nội dung nghiên cứu
Để đạt được những mục tiêu nghiên cứu đã đề xuất ở trên, đề tài tiến hành thực hiện các nội dung nghiên cứu như sau:
Mô hình 3 khung phẳng bê tông cốt thép không xét tương tác giữa đất nền và kết cấu: 4 tầng, 8 tầng, 12 tầng
Mô hình 3 khung phẳng bê tông cốt thép có xét tương tác giữa đất nền và kết cấu: 4 tầng, 8 tầng, 12 tầng Các mô hình được đặt trên đất nền loại 1
Mô hình 3 khung phẳng bê tông cốt thép có xét tương tác giữa đất nền và kết cấu: 4 tầng, 8 tầng, 12 tầng Các mô hình được đặt trên đất nền loại 2
Mô hình 3 khung phẳng bê tông cốt thép có xét tương tác giữa đất nền và kết cấu: 4 tầng, 8 tầng, 12 tầng Các mô hình được đặt trên đất nền loại 3 Đất nền loại 1, loại 2, loại 3 theo thứ tự có độ cứng tăng dần
Các mô hình trên sẽ chịu tải trọng động đất chỉ theo phương ngang, theo cả phương ngang và phương đứng
Với các kết quả và số liệu thu thập được từ việc lập các mô hình tính toán,
đề tài sẽ có những nhận định, so sánh cụ thể về sự thay đổi ứng xử của kết cấu khi xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu, khi xét đến thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất
Trang 374.2 Mô tả mô hình BNWF
Kết cấu móng đơn trong không gian 2D được xem như 1 phần tử dầm đàn hồi và được khai báo bằng phần tử “elasticBeamColumn” trong phần mềm OPENSEES Mỗi nút của phần tử có 3 bậc tự do đại diện cho tải trọng và biến dạng theo phương ngang, phương đứng, góc xoay Phần tử này được chống đỡ bởi các lò xo phi tuyến riêng biệt Các lò xo được khai báo bằng phần tử
“zeroLength Element” Đối với bài toán tương tác giữa cọc và đất, Boulanger
đã đề xuất mô hình các vật liệu QzSimple1, PySimple1, TzSimple1 nhằm mô phỏng phản ứng của đất nền tác dụng lên cọc trong quá trình chịu lực Các vật liệu này được gán vào phần tử lò xo nhằm tạo nên ứng xử phi tuyến của lò xo Raychowdhury [5] đã đề xuất mô hình các vật liệu QzSimple2, PySimple2, TzSimple2 được hiệu chỉnh từ mô hình các vật liệu QzSimple1, PySimple1, TzSimple1 thông qua kết quả thí nghiệm thực tế Sự hiệu chỉnh này nhằm mục đích tạo nên phản ứng của đất nền tác dụng lên kết cấu móng nông một cách chính xác trong quá trình chịu lực
Trang 38Mô hình vật liệu QzSimple2 mô phỏng phản ứng của đất nền tác dụng lên móng đơn khi chịu tải trọng theo phương đứng Mô hình vật liệu PySimple2
mô phỏng phản ứng của đất nền tác dụng lên móng đơn theo phương ngang do
áp lực bị động của đất nền gây ra Mô hình vật liệu TzSimple2 mô phỏng phản ứng của đất nền tác dụng lên móng đơn theo phương ngang do ma sát giữa đất nền và đáy móng gây ra
Những đường cong chính từ mô hình vật liệu gốc ban đầu đã được kiểm định thông qua các thí nghiệm đối với cọc (Matlock, 1970; Vijayvergiya, 1977; Mosher, 1984; API, 1987; Reese và ÓNneill) Vì vậy mà những mô hình vật liệu này được thiết lập ban đầu để chuyên cho việc mô phỏng phản ứng của cọc theo phương dọc và phương ngang cọc Tên gọi Qz, Py, Tz của các vật liệu được gán vào lò xo dựa trên hệ trục tọa độ của cọc
Hình 4.1 Mô hình tương tác đặc trưng giữa cọc-đất [5]
4.3 Đặc tính của mô hình BNWF
Mô hình BNWF có thể mô phỏng ứng xử của hệ kết cấu móng – đất nền thông qua ứng xử không đàn hồi của đất nền (phi tuyến vật liệu) và hiện tượng đẩy trồi của đất nền (phi tuyến hình học) Một sự khác biệt được làm rõ ở đây
là giữa phi tuyến vật liệu và ứng xử không đàn hồi Phi tuyến vật liệu ở đây là
Trang 39vật liệu có thể tuân theo đường cong phi tuyến thể hiện mối liên hệ giữa chuyển
vị và tải trọng, việc nó không thể quay ngược lại theo đường cong ấy là ứng xử không đàn hồi của vật liệu Loại vật liệu được sử dụng trong mô hình BNWF đại diện cho đất nền vừa phi tuyến vừa không đàn hồi Nhờ đó, mô hình có thể
mô phỏng được sự rung lắc, sự trượt và biến dạng của kết cấu móng đơn
Hình 4.2 Khả năng của mô hình BNWF trong việc mô phỏng các phản ứng: moment-góc xoay, biến dạng-góc xoay, lực cắt-trượt, biến dạng-trượt [5]
Sự phân bố độ cứng thay đổi dọc theo chiều dài của móng trong mô hình nhằm mục đích tính toán phản ứng theo phương đứng có thể phát triển mạnh hơn ở khu vực gần mép ngoài của móng Mô hình BNWF có khả năng thực hiện điều này
Trang 40Hình 4.3 Mô hình BNWF với độ cứng thay đổi theo chiều dài của kết cấu
móng (Harden và các cộng sự - 2005) [5]
Để áp dụng mô hình, các yếu tố sau phải làm việc tốt để đảm bảo tính ổn định của bài toán: (i) phương pháp biến đổi cho lời giải điều kiện ràng buộc, (ii) thuật toán Newton-Raphson được hiệu chỉnh với số vòng lặp tối đa là 40 Phương pháp biến đổi dùng để biến đổi ma trận độ cứng bằng cách cô đọng các bậc tự do bị ràng buộc Phương pháp này giảm đáng kể kích cỡ của hệ thống những ràng buộc (OPENSEES)
4.4 Các mô hình vật liệu
OPENSEES cung cấp rất đa dạng các mô hình vật liệu để đại diện cho ứng
xử của lò xo Phương pháp đơn giản nhất là mô hình vật liệu đàn hồi Tuy nhiên giả định mô hình vật liệu đàn hồi không thực tế khi kết cấu chịu các trận động đất cường độ cao và một số nghiên cứu trước đây về móng đơn cũng đã khẳng định điều này Những kết quả thí nghiệm của Gajan (2006) đã chứng tỏ đất nền dưới móng có sự thay đổi đáng kể khi chịu tải trọng cường độ cao và ứng xử của đất nền là dẻo và phi tuyến
4.4.1 Mô hình vật liệu QzSimple1
Vật liệu QzSimple1 có phản ứng trễ và không đối xứng trục Đường cong chính của mô hình được khai báo bằng tải trọng cực hạn trên vùng nén và độ giảm cường độ khi chịu kéo để tính toán cường độ của đất nền khi chịu kéo Vật liệu đàn hồi đạt được ứng xử “far-field” và vật liệu dẻo đạt được ứng xử
“near-field” Những lò xo chịu kéo (drag spring) và lò xo khép kín (closure spring) được mắc song song với nhau và được thêm vào chuỗi các cấu kiện dẻo (plastic components) để mô phỏng ứng xử đẩy trồi của đất nền Đường cong chính của mô hình được đặc trưng bởi một phần đàn hồi và một phần không đàn hồi