Phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong hệ khung thép đặc biệt ba tầng

Phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong hệ khung thép đặc biệt ba tầng Phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong hệ khung thép đặc biệt ba tầng luận văn tốt nghiệp thạc sĩ



NGUYỄN THU THIÊN

PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY CỦA PHẢN ỨNG ĐỘNG ĐẤT VỚI ĐỘ LỆCH TÂM KHỐI LƢỢNG TRONG HỆ KHUNG THÉP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM



NGUYỄN THU THIÊN

PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY CỦA PHẢN ỨNG ĐỘNG ĐẤT VỚI ĐỘ LỆCH TÂM KHỐI LƯỢNG TRONG HỆ KHUNG THÉP

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TP HỒ CHÍ MINH

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THU THIÊN Giới tính: nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/02/1975 Nơi sinh: Quảng Ngãi

công trình dân dụng và công nghiệp

Nhiệm vụ của đề tài “Phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm

khối lượng trong hệ khung thép đặc biệt ba tầng” là tìm hiểu phản ứng của tòa nhà 3

tầng nhà có khung thép đặc biệt (Special Moment Resisting Frame - SMRF), dầm có mặt cắt giảm yếu (Reduced Beam Section – RBS) với các độ lệch tâm e khác nhau theo cả phương X và Y, chịu tác động các cấp độ địa chấn khác nhau cũng theo cả hai phương X và Y

Luận văn là đánh giá phản ứng của hệ được khảo sát trong cả hai trường hợp vật liệu làm việc đàn hồi và phi tuyến khi chịu động đất Bên cạnh đó bài viết còn trình bày việc thực hiện phân tích ứng xử của hệ theo độ lệch tâm khối lượng, đồng thời tính toán độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong hệ kết cấu này

Các phân tích đánh giá trong phạm vi luận văn này gồm:

 Phân tích phản ứng gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt tầng khi hệ kết cấu chịu lần lượt 3 cấp độ động đất, xét trường hợp vật liệu hệ làm việc tuyến tính

 Phân tích phản ứng gia tốc trung bình, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt tầng khi hệ kết cấu chịu lần lượt 3 cấp độ động đất, xét trường hợp vật liệu

hệ làm việc phi tuyến

 Đánh giá phản ứng gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt tầng theo độ lệch tâm khối lượng của hệ kết cấu chịu động đất

 Phân tích độ nhạy của gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt tầng theo

độ lệch tâm khối lượng của hệ kết cấu chịu động đất

2 Nội dung

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả thực hiện các khảo sát mô hình gồm: (1) khảo sát tuyến tính mô hình khung moment đặc biệt với độ lệch tâm ngẫu nhiên

là 5% (theo tiêu chuẩn); (2) khảo sát phi tuyến mô hình với độ lệch tâm ngẫu nhiên

là 5%; (3) khảo sát phi tuyến hệ kết cấu với độ lệch tâm khối lượng theo hai phương tuân theo luật phân phối chuẩn với 60 giá trị tạo ngẫu nhiên từ máy tính và 1 giá trị đúng tâm Tất cả các khảo sát này đều được thực hiện ở ba cấp độ động đất, mỗi cấp

độ được đại diện bởi 20 băng gia tốc nền

Các dữ liệu phản ứng thu được từ khảo sát bằng phương pháp tích phân số trong miền thời gian, sẽ được phân tích bằng phương pháp toán học, mô tả thống kê, và phân tích độ nhạy đối với giá trị biến đầu vào là độ lệch tâm e Từ đó rút ra những kết luận cần thiết (nếu có) về phản ứng của công trình chịu động đất trong phạm vi nghiên cứu này

Các công việc cụ thể của đề tài gồm:

- Xác định vấn đề: mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Tổng thuật tài liệu: Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của

các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến đề tài; nêu những vấn đề còn tồn tại; chỉ ra những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu, giải quyết

- Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình kết cấu: Trình bày các giả thiết xây

dựng mô hình kết cấu, phương pháp giải, xác định các dữ liệu đầu vào

- Phân tích ứng xử của hệ khung thép đặc biệt chịu động đất có xét đến làm việc phi tuyến của vật liệu: so sánh các phản ứng, quy luật của gia tốc, chuyển

vị tầng và lực cắt tầng của toà nhà khi chịu động đất trong trường hợp giả thiết hệ làm việc tuyến tính và phi tuyến

- Phân tích ảnh hưởng của độ lệch tâm khối lượng trong hệ khung thép đặc biệt ba tầng đến phản ứng của nó: phân tích các phản ứng gia tốc, chuyển vị

tầng và lực cắt tầng và độ nhạy của các phản ứng này với độ lệch tâm của hệ kết cấu khi chịu động đất

- Kết luận: Trình bày những kết quả mới của Luận văn

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Tiến sĩ Đào Đình Nhân

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Đồng thời, các thông tin trích dẫn trong Luận văn được tôn trọng

và đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

NGUYỄN THU THIÊN

LỜI CẢM ƠN

Đề tài này đã được thực hiện trong hơn một năm qua Trong quá trình xây dựng, khảo sát mô hình và phân tích dữ liệu, nếu không có sự giúp đỡ trực tiếp hoặc gián tiếp của các thầy, các bạn trong trường thì không thể có được kết quả này Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy dạy các môn của lớp 13SXD21, nhờ các thầy đã trang bị cho kiến thức nền đã giúp em thuận lợi hơn cho việc thực hiện đề tài Thạc sĩ

Rất cảm ơn các bạn cùng lớp đã chia sẻ, trao đổi, phản biện trong quá trình làm bài, nhờ đó giúp cho nội dung phân tích được tốt hơn

Đặc biệt, luận văn này không thể thực hiện được nếu thiếu sự hướng dẫn trực tiếp của Tiến sĩ Đào Đình Nhân Cảm ơn thầy với lòng nhiệt tình, đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm bổ ích để em hoàn thành bài luận này

Tác giả cũng rất mong sự góp ý chân thành của các thành viên Hội đồng khoa học để Luận văn này có thể được hiệu chỉnh hoàn thiện hơn

NGUYỄN THU THIÊN

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

* Tên đề tài:

Phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong hệ khung thép đặc biệt ba tầng

* Từ khoá:

Khung moment đặc biệt, phản ứng động đất, phân tích phi tuyến, phân tích

lịch sử thời gian, độ nhạy, độ lệch tâm khối lượng

* Tóm tắt:

Đề tài phân tích ứng xử của các mô hình toà nhà khung moment đặc biệt ba tầng chịu động đất Có hai nội dung chính Thứ nhất, đánh giá ứng xử của hệ khung thép đặc biệt chịu động đất có xét đến làm việc phi tuyến của vật liệu Nội dung này

sẽ khảo sát 2 mô hình làm việc tuyến tính và phi tuyến của khung thép đặc biệt có

độ lệch tâm khối lượng 5% (theo yêu cầu xoắn ngẫu nhiên trong Tiêu chuẩn) Thứ hai, phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong hệ khung thép đặc biệt ba tầng Phần này sẽ phân tích 61 mô hình tương ứng với 60 độ lệch tâm khối lượng được giả định tuân theo phân phối chuẩn và 1 mô hình đúng tâm Phản ứng của hệ được phân tích bao gồm gia tốc, chuyển vị tầng tương đối, chuyển vị xoắn, lực cắt tầng và lực quán tính

Mô hình là một tòa nhà ba tầng, được xây dựng bằng phần mềm máy tính OpenSees Phản ứng với động đất của mô hình được phân tích bằng phương pháp tích phân số trực tiếp trong miền thời gian, thuật toán Newmark Mô hình được phân tích với ba cấp độ động đất khác nhau Mỗi cấp độ động đất được đại diện bằng 20 băng gia tốc nền

Kết quả khảo sát cho thấy rằng, thứ nhất, trong trường hợp phân tích phi tuyến

và tuyến tính, các phản ứng gia tốc, chuyển vị tầng, xoắn và lực tĩnh đều tăng theo chiều cao tầng và theo cấp độ động đất Trong khi đó, lực cắt tăng tỷ lệ thuận với độ

mạnh địa chấn nhưng tỷ lệ nghịch với chiều cao hệ Thứ hai, với cấp độ động đất

50/50, các ứng xử của hệ ở trường hợp tuyến tính và phi tuyến không khác biệt Tuy nhiên, phản ứng của hệ trường hợp vật liệu làm việc đàn hồi lớn hơn một ít so với

phi tuyến khi chịu động đất chu kỳ 475 năm và 2.745 năm Thứ ba, độ lệch chuẩn

của các tập dữ liệu phản ứng trong trường hợp phi tuyến luôn nhỏ hơn so với tuyến tính Kết quả này nói lên tập dữ liệu phản ứng trong trường hợp phi tuyến hội tụ hơn

ở trường hợp đàn hồi, có nghĩa là các phản ứng thu được trong trường hợp phi tuyến dưới tác động của các băng chuyển động nền có sự tương đồng cao và biến động nhỏ; ngược lại, có sự phân tán lớn, rải rác và biến động lớn trong không gian giá trị

ở trường hợp tuyến tính Điều này chỉ ra rằng, để có độ chính xác cao hơn, nên chọn

số mẫu gia tốc nền lớn khi xác định phổ phản ứng trung bình để thiết kế theo lý

thuyết đàn hồi Thứ tư, độ nhạy các phản ứng của hệ kết cấu đối với độ lệch tâm

khối lượng không chỉ phụ thuộc vào cấp độ động đất, mà còn cũng thay đổi theo

từng chuyển động nền Thứ năm, dù chịu bất kỳ cấp độ động đất nào, gia tốc đỉnh

trung bình của sàn và chuyển vị ngang không tăng đơn điệu, mà nó biến thiên trong miền độ lệch tâm khối lượng của tòa nhà được khảo sát Trong khảo sát này, gia tốc

và chuyển vị ngang tăng lên khi độ lệch tâm khối lượng đạt mức khoảng 15% Sau

đó thì các đại lượng này gần như không thay đổi và từ từ giảm xuống khi giá trị lệch

tâm khối lượng lớn hơn 25% Thứ sáu, khi độ lệch tâm khối lượng nhỏ hơn 10%,

chuyển vị ngang và gia tốc sàn trở nên nhạy hơn với độ lệch tâm khối lượng khi hệ chịu động đất mạnh Độ nhạy của chuyển vị ngang với độ lệch tâm khối lượng nhỏ

hơn so với gia tốc sàn Thứ bảy, chuyển vị xoắn trong phân tích này đồng biến khi

độ lệch tâm khối lượng trong khoảng từ 0 - 30%, và rất nhạy trong khoảng dưới

15% Ngoài khoảng này, chuyển vị xoắn không thay đổi Thứ tám, lực cắt tầng

trong tất cả các trường hợp động đất không tăng theo độ tăng của độ lệch tâm khối lượng Ngược lại, giá trị này giảm nhẹ trong suốt miền giá trị độ lệch tâm khảo sát Trong khi đó, lực quán tính tăng theo chiều cao công trình, nhưng có cùng xu hướng với lực cắt khi xét tương tác với độ lệch tâm Điều này cho thấy lực cắt tầng

và lực quán tính kém nhạy so với độ lệch tâm khối lượng

This thesis aims to analyze the effect of mass eccentricity to seismic response

of a 3-story steel special moment resisting frame building The investigating pocess were divided into two phases Firstly, the nonlinear and linear responses of the building with 5% mass eccentricity to three earthquake events were compared Secondly the sensitivity of seismic structural response of a steel special moment resisting frame building to its mass eccentricity was investigated

The numerical model of the structure was developed in OpenSees software Sixty pairs of ground motions, representing three earthquake events were considered The seismic response of the model was dynamically analyzed using Newmark-beta method

The comparison shows that floor acceleration and displacement and shear force of the linear model are similar to those of the nonliear model in the 72 years return period earthquake event In the 475 years event, the responses of the linear model are significantly larger than the responses of the nonlinear model The difference is largest in the 2.745 years earthquake event The standard deviation of responses indicates that the dispersion of the linear response data is larger than that

of the nonlinear response data The difference is smallest in the 72 years earthquake event and largest in the 2.475 years earthquake event

In addition, the results showed that the sensitivity of responses to mass eccentricity not only depends on earthquake level but also varies from motion to motion When the eccentricity is small, structural responses are more sensitive to

mass eccentricity in a stronger earthquake event than in a weaker event Peak story drift is less sensitive to mass eccentricity than peak floor acceleration Peak floor acceleration, peak story drift and torsional drift are very sensitive to mass eccentricity when the eccentricity is less than 15% Beyond this value, the responses become less sensitive The story shear forces in all earthquake events do not rise when mass eccentricity value gets up Otherwise, this response slightly declines or

is constant throughout the mass eccentricity range So this implies the story shear force is not sensitive to the structural system's mass eccentricity

MỤC LỤC

trang

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN vii

ABSTRACT ix

DANH MỤC CÁC BẢNG xiv

DANH MỤC CÁC HÌNH xvi

Chương 1 Giới thiệu chung 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Mục tiêu, nội dung nghiên cứu 3

1.2.1 Mục tiêu của đề tài 3

1.2.1.1 Mục tiêu tổng quát 3

1.2.1.2 Mục tiêu cụ thể 3

1.2.2 Nội dung nghiên cứu 5

1.3 Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật áp dụng 6

1.3.1 Phương pháp giải quyết vấn đề 6

1.3.2 Phần mềm và kỹ thuật áp dụng 6

1.4 Phạm vi nghiên cứu 6

1.5 Đóng góp của đề tài 6

Chương 2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 7

2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 7

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 10

Chương 3 Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình kết cấu 12

3.1 Giả thuyết xây dựng mô hình 12

3.2 Xây dựng mô hình 15

3.3 Kiểm chứng mô hình 16

3.4 Tần suất động đất và băng gia tốc 16

3.5 Phương pháp tích phân số trực tiếp trong miền thời gian, thuật toán Newmark - Beta 21

Chương 4 Phân tích ứng xử của hệ khung thép đặc biệt chịu động đất có xét đến làm việc phi tuyến của vật liệu 23

4.1 Giới thiệu 23

4.2 Dữ liệu đầu vào 23

4.3 Kết quả khảo sát và bàn luận 24

4.3.1 Gia tốc 24

4.3.2 Chuyển vị tầng tương đối (story drift) 31

4.3.3 Chuyển vị xoắn (torsional drift) 41

4.3.4 Lực cắt tầng 46

4.4 Kết luận chương 55

Chương 5 Ảnh hưởng của độ lệch tâm khối lượng đến phản ứng của hệ khung thép đặc biệt ba tầng 56

5.1 Giới thiệu 56

5.2 Độ lệch tâm khối lượng và chu kỳ của mô hình 56

5.3 Kết quả khảo sát và bàn luận 61

5.3.1 Gia tốc 61

5.3.2 Chuyển vị tầng tương đối (story drift) 76

5.3.3 Chuyển vị xoắn (torsional drift) 86

5.3.4 Lực cắt tầng 94

5.4 Kết luận chương 105

Chương 6 Kết luận 106

6.1 Kết luận 106

6.2 Hạn chế của đề tài và hướng nghiên cứu tiếp theo 108

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

PHẦN PHỤ LỤC I PHỤ LỤC 1 MÃ LẬP TRÌNH TCL - OPENSEES:

XÂY DỰNG VÀ KHẢO SÁT MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU II

PL1.1 Mã chương trình chính - Main IIPL1.2 Mã chương trình tạo các thủ tục tiện ích - Procedure XPL1.3 Mã ctrình tạo toạ độ nút phần tử - Nodes XVPL1.4 Mã chương trình tạo mặt cắt phần tử - Section XVIPL1.5 Mã chương trình tạo vật liệu - Material XVIIPL1.6 Mã chương trình tạo phần tử kết cấu - Element XVIIPL1.7 Mã chương trình ràng buộc điều kiện biên - Boundary XXIPL1.8 Mã chương trình gán tải trọng XXII

PHỤ LỤC 2 MÃ LẬP TRÌNH MATLAB:

XỬ LÝ SỐ LIỆU GIA TỐC, CHUYỂN VỊ, LỰC CẮT XXIII

PL2.1 Mã chương trình xử lý số liệu gia tốc XXIIIPL2.2 Mã chương trình xử lý số liệu chuyển vị XXVIPL2.3 Mã chương trình xử lý số liệu lực cắt XXVIII

PHỤ LỤC 3 MÃ LẬP TRÌNH MATLAB:

VẼ BIỂU ĐỒ GIA TỐC, CHUYỂN VỊ, LỰC CẮT XXXII

PL3.1 Mã chương trình vẽ biểu đồ gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn XXXIIPL3.2 Mã chương trình vẽ biểu đồ chuyển vị trung bình

và độ lệch chuẩn XXXIVPL3.3 Mã chương trình vẽ biểu đồ lực cắt và lực tĩnh XXXIXPL3.4 Mã chương trình vẽ quan hệ gia tốc và độ lệch tâm khối lượng XLPL3.5 Mã chương trình vẽ quan hệ chuyển vị và độ lệch tâm khối lượng XLPL3.6 Mã chương trình vẽ quan hệ lực cắt và độ lệch tâm khối lượng XLI

DANH MỤC CÁC BẢNG

trang

Bảng 3.1: Các đặc trưng mặt cắt dầm cột khung 13

Bảng 3.2: Xác suất động đất xảy ra 50/50 năm, chu kỳ lặp lại là 72 năm 18

Bảng 3.3: Xác suất động đất xảy ra 10/50 năm, chu kỳ lặp lại là 475 năm 19

Bảng 3.4: Xác suất động đất xảy ra 2/50 năm, chu kỳ lặp lại là 2475 năm 20

Bảng 4.1: Gia tốc đỉnh tại các tầng, chu kỳ động đất lặp lại là 72 năm 25

Bảng 4.2: Gia tốc đỉnh tại các tầng, chu kỳ động đất lặp lại là 475 năm 25

Bảng 4.3: Gia tốc đỉnh tại các tầng, chu kỳ động đất lặp lại là 2.475 năm 26

Bảng 4.4: Bảng tổng hợp gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn 27

Bảng 4.5: Chuyển vị tầng cực đại theo phương X, chu kỳ 72 năm 31

Bảng 4.6: Chuyển vị tầng cực đại theo phương X, chu kỳ 475 năm 32

Bảng 4.7: Chuyển vị tầng cực đại theo phương X, chu kỳ 2.475 năm 33

Bảng 4.8: Chuyển vị tầng cực đại theo phương Y, chu kỳ 72 năm 34

Bảng 4.9: Chuyển vị tầng cực đại theo phương Y, chu kỳ 475 năm 34

Bảng 4.10: Chuyển vị tầng cực đại theo phương Y, chu kỳ 2.475 năm 35

Bảng 4.11: Bảng tổng hợp chuyển vị tầng trung bình và độ lệch chuẩn 37

Bảng 4.12: Xoắn cực đại theo phương Z, chu kỳ 72 năm 41

Bảng 4.13: Xoắn cực đại theo phương Z, chu kỳ 475 năm 42

Bảng 4.14: Xoắn cực đại theo phương Z, chu kỳ 2.475 năm 43

Bảng 4.15: Bảng tổng hợp xoắn trung bình và độ lệch chuẩn 44

Bảng 4.16: Lực cắt tầng theo phương X, chu kỳ 72 năm 47

Bảng 4.17: Lực cắt tầng theo phương X, chu kỳ 475 năm 47

Bảng 4.18: Lực cắt tầng theo phương X, chu kỳ 2.475 năm 48

Bảng 4.19: Lực cắt tầng theo phương Y, chu kỳ 72 năm 49

Bảng 4.20: Lực cắt tầng theo phương Y, chu kỳ 475 năm 50

Bảng 4.21: Lực cắt tầng theo phương Y, chu kỳ 2.475 năm 51

Bảng 4.22: Bảng tổng hợp lực cắt trung bình theo phương X 53

Bảng 4.23: Bảng tổng hợp lực cắt trung bình theo phương Y 53

Bảng 5.1: Độ lệch tâm theo phân phối chuẩn và chu kỳ tương ứng 58

Bảng 5.2: Gia tốc trung bình tại các tầng ứng với chu kỳ 72 năm, gia tốc nền trung bình là 0.32 g 62

Bảng 5.3: Gia tốc trung bình tại các tầng ứng với chu kỳ 475 năm, gia tốc nền trung bình là 0.64 g 64

Bảng 5.4: Gia tốc trung bình tại các tầng ứng với chu kỳ 2.475 năm, gia tốc nền trung bình là 0.98 g 67

Bảng 5.5: Hệ số tỉ lệ gia tốc max/min 76

Bảng 5.6: Chuyển vị ngang trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm 76

Bảng 5.7: Chuyển vị ngang trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm 79

Bảng 5.8: Chuyển vị ngang trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm 81

Bảng 5.9: Hệ số tỉ lệ chuyển vị ngang max/min 85

Bảng 5.10: Chuyển vị xoắn trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm 86

Bảng 5.11: Chuyển vị xoắn trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm 88

Bảng 5.12: Chuyển vị xoắn trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm 90

Bảng 5.13: Lực cắt tầng trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm 94

Bảng 5.14: Lực cắt tầng trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm 96

Bảng 5.15: Lực cắt tầng trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm 99

Bảng 5.16: Hệ số tỉ lệ lực cắt tầng max/min 104

DANH MỤC CÁC HÌNH

trang Hình 1.1: Nhà đậu xe bị sụp đổ do động đất tại Northridge - California,

năm 1994 1

Hình 1.2: Minh họa chuyển động nền tác động vào hệ 4

Hình 1.3: Minh họa phản ứng của hệ dưới tác động địa chấn 4

Hình 2.1: Tòa nhà bị sụp đổ do động đất ngày 25/4/2015 ở Kathmandu, Nepal (Nguồn: AP photo) 7

Hình 3.1: Mô hình khung moment đặc biệt 3 tầng 13

Hình 3.2: Mặt cắt giảm yếu dầm 14

Hình 3.3: Phồ phản ứng trung bình của 20 băng gia tốc với xác suất động đất trường hợp (a) 72, (b) 475, (c) 2.475 năm 17

Hình 4.1: Gia tốc trung bình trường hợp chu kỳ động đất là 72 năm 28

Hình 4.2: Gia tốc trung bình trường hợp chu kỳ động đất là 475 năm 29

Hình 4.3: Gia tốc trung bình trường hợp chu kỳ động đất là 2.475 năm 29

Hình 4.4: Phổ phản ứng gia tốc trung bình 30

Hình 4.5: Chuyển vị tầng theo (a) phương X và (b) phương Y trường hợp 72 năm 38

Hình 4.6: Chuyển vị tầng theo (a) phương X và (b) phương Y trường hợp 475 năm 39

Hình 4.7: Chuyển vị tầng theo (a) phương X và (b) phương Y trường hợp 2.475 năm 40

Hình 4.8: Xoắn quanh trục Z trường hợp 72 năm 45

Hình 4.9: Xoắn quanh trục Z trường hợp 475 năm 45

Hình 4.10: Xoắn quanh trục Z trường hợp 2475 năm 46

Hình 4.11: Lực cắt tầng và tĩnh lực theo phương X 54

Hình 4.12: Lực cắt tầng và lực tĩnh theo phương Y 54

Hình 5.1: Độ lệch tâm khối lượng CM ex theo phương X và ey theo phương Y so với tâm cứng CR 57

Hình 5.2: Biểu đồ giá trị lệch tâm khối lượng theo phân phối chuẩn 57

Hình 5.3: Quan hệ giữa tần số mode tịnh tiến đầu tiên và độ lệch tâm 60

Hình 5.4: Gia tốc tầng 1, cấp độ động đất chu kỳ 72 năm 69

Hình 5.5: Gia tốc tầng 2, cấp độ động đất chu kỳ 72 năm 70

Hình 5.6: Gia tốc tầng mái, cấp độ động đất chu kỳ 72 năm 70

Hình 5.7: Gia tốc tầng 1, cấp độ động đất chu kỳ 475 năm 71

Hình 5.8: Gia tốc tầng 2, cấp độ động đất chu kỳ 475 năm 71

Hình 5.9: Gia tốc tầng mái, cấp độ động đất chu kỳ 475 năm 72

Hình 5.10: Gia tốc tầng 1, cấp độ động đất chu kỳ 2.475 năm 72

Hình 5.11: Gia tốc tầng 2, cấp độ động đất chu kỳ 2.475 năm 73

Hình 5.12: Gia tốc tầng mái, cấp độ động đất chu kỳ 2.475 năm 73

Hình 5.13: Quan hệ gia tốc trung bình - độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm 74

Hình 5.14: Quan hệ gia tốc trung bình - độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm 75

Hình 5.15: Quan hệ gia tốc trung bình - độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm 75

Hình 5.16: Quan hệ chuyển vị ngang trung bình - độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm 84

Hình 5.17: Quan hệ chuyển vị ngang trung bình - độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm 84

Hình 5.18: Quan hệ chuyển vị ngang trung bình - độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm 85

Hình 5.19: Quan hệ chuyển vị xoắn - độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm 92

Hình 5.20: Quan hệ chuyển vị xoắn - độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm 93

Hình 5.21: Quan hệ chuyển vị xoắn - độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm 93

Hình 5.22: Quan hệ lực cắt tầng - độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm 101

Hình 5.23: Quan hệ lực cắt tầng - độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm 102

Hình 5.24: Quan hệ lực cắt tầng - độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm 102

Hình 5.25: Quan hệ lực quán tính - độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm 103Hình 5.26: Quan hệ lực quán tính - độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm 103Hình 5.27: Quan hệ lực quán tính - độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm 104

Chương 1 Giới thiệu chung

1.1 Giới thiệu

Động đất là một trong những hiểm họa thiên nhiên gây tác hại to lớn, đe dọa cuộc sống con người Các báo cáo về thiệt hại do động đất gây ra đã cho thấy rằng chuyển vị ngang, chuyển vị xoắn và lực cắt là các tác nhân quan trọng ảnh hưởng đến sự phá hoại của tòa nhà và dẫn đến sụp đổ (Seong-Hoon J, Elnashai AS [1]) Bên cạnh đó, gia tốc sàn cũng được xem là một đại lượng có ảnh hưởng đến sự hư hỏng của vật dụng và sự an toàn của con người (Hình 1.1)

Hình 1.1: Nhà đậu xe bị sụp đổ do động đất tại Northridge - California, năm 1994

(Nguồn: Courtesy of U.S Geological Survey)

Do vậy, đã có nhiều nghiên cứu về giải pháp giảm thiểu thiệt hại của tác động của động đất thông qua việc thiết kế những công trình chịu đựng được địa chấn Những nghiên cứu trước đây tập trung vào việc tìm hiểu phản ứng của hệ kết cấu làm việc trong giới hạn đàn hồi (Freeman, S A., Nicoletti, J P., and Tyrell [2]) Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp thực tế kết cấu làm việc vượt quá trạng thái đàn hồi Điều này dẫn tới, để hiểu đúng hơn ứng xử của hệ nhằm đưa ra giải pháp tối ưu trong thiết kế, các nhà nghiên cứu sau đó tập trung vào phản ứng phi tuyến của hệ một tầng (Goel RK, Chopra AK [3], Tso WK, Ying H [4]) và nhiều tầng (De La Llera JC, Chopra AK [5]) với những đặc trưng khác nhau dưới ảnh hưởng của địa chấn

Bên cạnh những bài phân tích ứng xử tuyến tính và phi tuyến của hệ kết cấu dưới tác động địa chấn như: gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn, lực cắt thì có nhiều nghiên cứu tập trung đào sâu vào các phản ứng do độ lệch tâm gây ra Những nghiên cứu trong vài thập niên qua về ảnh hưởng của động đất cho thấy rằng những tòa nhà có độ lệch giữa tâm cứng (Center of Rigid) và tâm khối lượng (Center of Mass) không chỉ gây ra chuyển động tịnh tiến mà còn gây xoắn ở tấm sàn ngay cả khi động đất kích động là đẳng hướng (Kuo, 1974 [6]; Chandler & Hutchinson,

1986 [7]; Cruz & Chopra, 1986 [8]; Hejal & Chopra, 1989 [9])

Phân tích phản ứng xoắn ngoài miền đàn hồi của hệ có tâm khối lượng và tâm cứng không trùng nhau là rất phức tạp Hiện đang được nghiên cứu ở giai đoạn thăm dò, và nói chung, chưa thu được kết luận chung nào từ các nghiên cứu (Tanabashi, 1960 [10]; Koh et al., 1969 [11]; Fajfar et al., 2005 [12])

Trong các phương án thiết kế chịu động đất thì việc sử dụng khung thép chịu uốn đặc biệt (Special Moment Resisting Frame - SMRF) là một trong những lựa chọn tốt nhất (Stavroula Koukleri [13]) Hiện nay, trong tiêu chuẩn thiết của Mỹ cho phép sử dụng phương án này áp dụng những tòa nhà cao vượt quá 48m (160ft) Hơn nữa, sau trận động đất tại Northridge năm 1994 và the tại Kobe năm 1995, hàng loạt tòa nhà khung thép đặc biệt được khảo sát bị sụp đổ do bị phá hoại tại liên kết dầm - cột Từ thời điểm này, rất nhiều nhà nghiên cứu tập trung tìm hiểu các phản ứng của khung moment đặc biệt chịu tác động địa chấn, khung thép này có mặt cắt dầm giảm yếu (Reduced Beam Section) trong dầm để tăng độ dẻo dai (ductility), tăng khả năng chịu động đất (Anil K.Chopra [14])

Việc tìm hiểu những phản ứng của toà nhà dưới tác động địa chấn đóng vai trò rất quan trọng trong công tác thiết kế chịu động đất Mặc dù có một số nghiên cứu

về phản ứng động đất của công trình liên quan đến hệ số hình dạng  (aspect ratio,

 = a/b, trong đó a, b lần lượt là kích thước theo phương cạnh dài và cạnh ngắn của công trình), tần số chuẩn hóa của tòa nhà  (normalized frequency, là tỷ số tần số của mode xoắn đầu tiên và mode tịnh tiến đầu tiên) [15] Tuy nhiên việc khảo sát

độ nhạy các phản ứng của hệ kết cấu, đặc biệt là phản ứng phi tuyến, với độ lệch tâm chưa được nghiên cứu đầy đủ Xác định vùng ảnh hưởng của độ lệch tâm này giúp dự đoán được phản ứng (gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn, lực cắt) của hệ khung thép đặc biệt dưới tác động địa chấn, từ đó có thể giúp các nhà thiết kế lựa chọn phương án tối ưu cho công trình chịu động đất, nhằm hạn chế hư hại của kết cấu cũng như tăng khả năng chịu động đất

Trong phạm vi luận văn này, tác giả sẽ trình bày ứng xử của hệ khung thép đặc biệt ba tầng trong cả hai trường hợp vật liệu làm việc đàn hồi và phi tuyến Đồng thời, bài viết cũng thể hiện phần phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong hệ kết cấu nêu trên Độ lệch tâm được giả định tuân theo phân phối chuẩn Các khảo sát được thực hiện ở ba cấp độ động đất tác động vào hệ kết cấu

1.2 Mục tiêu, nội dung nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu của đề tài

1.2.1.1 Mục tiêu tổng quát

Nội dung đề tài “Phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm

khối lượng trong hệ khung thép đặc biệt ba tầng” là tìm hiểu phản ứng của tòa nhà

3 tầng nhà có khung thép đặc biệt (Special Moment Resisting Frame - SMRF), dầm

có mặt cắt giảm yếu (Reduced Beam Section – RBS) với các độ lệch tâm e khác nhau theo cả phương X và Y, chịu tác động các cấp độ địa chấn khác nhau cũng theo cả hai phương X và Y

Mục tiêu đề tài là đánh giá phản ứng của hệ được khảo sát trong cả hai trường hợp vật liệu làm việc đàn hồi và phi tuyến khi chịu động đất Bên cạnh đó bài viết còn trình bày việc thực hiện phân tích ứng xử của hệ theo độ lệch tâm khối lượng, đồng thời tính toán độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong

hệ kết cấu này

1.2.1.2 Mục tiêu cụ thể

1 Phân tích phản ứng gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt tầng khi hệ kết cấu chịu 60 băng gia tốc nền đại diện cho 3 cấp độ động đất Phản ứng xét cả trường hợp vật liệu hệ làm việc tuyến tính và phi tuyến

Hình 1.2: Minh họa chuyển động nền tác động vào hệ

2 Phân tích phản ứng gia tốc trung bình, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt tầng khi hệ kết cấu chịu lần lượt 3 cấp độ động đất, xét trường hợp vật liệu

hệ làm việc phi tuyến

Hình 1.3: Minh họa phản ứng của hệ dưới tác động địa chấn

3 Đánh giá phản ứng gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt tầng theo độ lệch tâm khối lượng của hệ kết cấu chịu khi chịu động đất

4 Phân tích độ nhạy của gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt tầng theo

độ lệch tâm khối lượng của hệ kết cấu chịu khi chịu động đất

1.2.2 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả thực hiện các khảo sát mô hình gồm: (1) khảo sát tuyến tính mô hình khung moment đặc biệt với độ lệch tâm ngẫu nhiên

là 5% (theo tiêu chuẩn); (2) khảo sát phi tuyến mô hình với độ lệch tâm ngẫu nhiên

là 5%; (3) khảo sát phi tuyến hệ kết cấu với độ lệch tâm khối lượng theo hai phương tuân theo luật phân phối chuẩn với 60 giá trị tạo ngẫu nhiên từ máy tính và 1 giá trị đúng tâm Tất cả các khảo sát này đều được thực hiện ở ba cấp độ động đất, mỗi cấp

độ được đại diện bởi 20 băng gia tốc nền

Các dữ liệu phản ứng thu được từ khảo sát bằng phương pháp tích phân số trong miền thời gian, sẽ được phân tích bằng phương pháp toán học, mô tả thống kê, và phân tích ảnh hưởng của độ lệch tâm e đến phản ứng của kết cấu Từ đó rút ra những kết luận cần thiết (nếu có) cho công tác thiết kế công trình chịu động đất trong phạm

vi nghiên cứu này

Các công việc cụ thể của đề tài gồm:

- Xác định vấn đề: mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Tổng thuật tài liệu: Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của

các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến đề tài; nêu những vấn đề còn tồn tại; chỉ ra những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu, giải quyết

- Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình kết cấu: Trình bày các giả thiết xây

dựng mô hình kết cấu, phương pháp giải, xác định các dữ liệu đầu vào

- Phân tích ứng xử của hệ khung thép đặc biệt chịu động đất có xét đến làm việc phi tuyến của vật liệu: so sánh các phản ứng, quy luật của gia tốc, chuyển

vị tầng và lực cắt tầng của toà nhà khi chịu động đất trong trường hợp giả thiết hệ làm việc tuyến tính và phi tuyến

- Phân tích ảnh hưởng của độ lệch tâm khối lượng trong hệ khung thép đặc biệt ba tầng đến phản ứng của nó: phân tích các phản ứng gia tốc, chuyển vị

tầng và lực cắt tầng và độ nhạy của các phản ứng này với độ lệch tâm của toà hệ kết cấu khi chịu động đất

- Kết luận: Trình bày những kết quả mới của Luận văn

1.3 Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật áp dụng

1.3.1 Phương pháp giải quyết vấn đề

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài này là phân tích mô hình

số và tổng hợp số liệu theo nguyên tắc thống kê

1.3.2 Phần mềm và kỹ thuật áp dụng

- Kỹ thuật mô phỏng và khảo sát mô hình bằng phần mềm OpenSees;

- Kỹ thuật phân tích độ nhạy

- Kỹ thuật tính toán xử lý số liệu, xử lý thống kê, xử lý đồ hoạ bằng phần mềm Matlab

Chương 2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Trong nhiều hệ kết cấu của tòa nhà, vị trí tâm khối lượng (Center of Mass) và

vị trí tâm cứng (Center of Rigid) không trùng nhau Dưới tác động của động đất, sự xuất hiện độ lệch tâm khối lượng này trong hệ là nguyên nhân của gây ra những tác động nguy hiểm cho kết cấu, nó không những tạo ra các chuyển vị tịnh tiến lớn mà còn sinh ra phản ứng xoắn gây nên bất lợi cho công trình Hậu quả là hệ phải chịu nội lực rất lớn trong suốt quá trình chịu ảnh hưởng địa chấn Các báo cáo về thiệt hại do động đất gây ra đã cho thấy rằng, ngoài ảnh hưởng của nội lực, chuyển vị tương đối và xoắn của các cấu kiện chịu lực công trình là nguyên nhân chủ yếu ảnh hưởng đến sự hư hỏng của tòa nhà và dẫn đến sự sụp đổ của công trình

Hình 2.1: Tòa nhà bị sụp đổ do động đất ngày 25/4/2015

ở Kathmandu, Nepal (Nguồn: AP photo)

Có nhiều báo cáo cho thấy chuyển động này gây ra sự phá hoại của công trình, như là trận động đất năm 1971 ở San Fernando (Jennings, P.C (Ed) [16]), năm 1985

ở Mexico (Esteva [17]), năm 1985 ở Loma Prieta ([18]), năm 1994 ở Northridge earthquake (Douglas Dreger [19]), và năm 1995 ở Kobe (Furumura, T and K Koketsu [20]) Những sự kiện như thế này dẫn tới sự quan tâm đặc biệt trong nghiên cứu về ảnh hưởng của độ lệch tâm đến phản ứng của kết cấu công trình khi chịu động đất, làm cho các nhà nghiên cứu kỹ thuật động đất chú ý

Vì độ lệch tâm khối lượng có thể gây bất lợi cho các tòa nhà, nên nó làm cho các nhà nghiên cứu kỹ thuật động đất chú ý Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng độ lệch tâm khối lượng gây ra phản ứng xoắn của một tòa nhà ngay cả khi chịu tác động chuyển động nền đẳng hướng (Kuo Pao-Tsin [6], Chandler và Hutchinson [7], Hejal và Chopra [9], Kan CL và Chopra [21]) Tải động tác động vào hệ kết cấu trong suốt quá trình động đất có quan hệ với lực quán tính và lực này tác động vào tâm khối lượng của hệ Lực quán tính bị chống lại bởi lực đàn hồi được sinh ra trong các cấu kiện chịu lực và hợp lực này đi qua tâm cứng Nếu kết cấu có tâm cứng (CR) và tâm khối lượng (CM) không trùng nhau, cặp lực này là nguyên nhân gây ra chuyển động xoắn trong hệ Hệ kết cấu có CR và CM không trùng nhau là hệ bất đối xứng, và chuyển động xoắn gây ra trong hệ này được gọi là xoắn tự nhiên (natural torsion) (Praveen Kumar, [15])

Chuyển động xoắn cũng còn có thể do các nguyên nhân khác Trong một hệ đối xứng trên danh nghĩa (nominally sysmectric), nhưng do sự tính toán không chắc chắn (uncertainty) của CR và CM cũng là nguyên nhân gây ra xoắn Ví dụ, sự phân phối khối lượng thực tế của hệ có thể sẽ khác với giả định trong thiết kế Sự tính toán độ cứng của các cấu kiện chịu lực có thể không chính xác vì sự thiếu chính xác của dữ liệu về mudule đàn hồi, sự mở rộng vết nứt của bê tông, sự không chính xác của việc tính toán các kích thước… Nói đúng ra, xoắn do hệ không đối xứng phụ thuộc vào loại xoắn tự nhiên (natural torsion) nhưng độ lớn của nó không thể được xác định bằng lý thuyết định trước mà chỉ có thể được tính toán trong trạng thái tĩnh Một yếu tố khác gây ra xoắn là sự xoay quanh trục đứng của chuyển động nền Không thể đo lường chuyển động xoay của nền, và do đó ảnh hưởng của nó chỉ có thể được tính toán bằng cách gián tiếp Chuyển động xoắn do hai nguyên nhân trên được gọi là xoắn ngẫu nhiên (accidental torsion) (Praveen Kumar, [15])

Khảo sát ban đầu về phản ứng xoắn do động đất của tòa nhà đã được thực hiện

chủ yếu trên các cấu trúc đàn hồi [22, 23] Các phân tích sau đó mở rộng hơn sang xem xét ứng xử phi tuyến của của tòa nhà một tầng [24-26] và các tòa nhà nhiều tầng [27-29]

Kết luận chung là chuyển vị tầng (story drift) phi tuyến không vượt quá so với chuyển vị tầng trường hợp tuyến tính; và độ dẻo dai của hệ tăng theo cường độ động đất [12, 29] Gần đây, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào phản ứng xoắn của tòa nhà có độ lệch tâm khối lượng phải chịu gia tốc nền kích thích hai phương, ba phương [30-33] Dựa trên phân tích các phản ứng phi tuyến của kết cấu chịu cho cả hai kích thích một chiều và hai chiều, một số nghiên cứu đã nhấn mạnh tầm quan trọng của phân tích phi tuyến

Kết quả nghiên cứu các mô hình với độ lệch tâm khác nhau cho thấy phản ứng xoắn trường hợp phi tuyến và đàn hồi là khác nhau [30] Chuyển vị xoắn của sàn được xem như là thông số chính của chuyển vị xoắn của tòa nhà, phản ứng phi tuyến có giá trị trung bình tăng từ 30-60% so với hệ có vật liệu làm việc tuyến tính Nếu xét thêm hiệu ứng P-Delta trong khi phân tích hệ, giá trị này tăng lên từ 70-100% so với xoắn trường hợp đàn hồi Điều này cho thấy rằng, trước đây, chuyển vị xoắn của hệ kết cấu có vật liệu làm việc phi tuyến bị đánh giá thấp hơn khi phân tích động tuyến tính, đặc biệt khi hệ có độ lệch tâm lớn và chịu cường độ động đất mạnh

Các nhà nghiên cứu cũng đã tìm ra cơ chế khác mà có thể là nguyên nhân gây xoắn trong hệ đối xứng cũng như trong hệ bất đối xứng Cơ chế này có quan hệ phi tuyến tính giữa cặp chuyển động xoắn và tịnh tiến Cặp chuyển động này là nguyên nhân bởi đặc điểm quan hệ phi tuyến lực - chuyển vị của mặt phẳng chịu lực ngang của kết cấu Khi chuyển động ngang được kích động bởi chuyển động nền - ngang, những chuyển động xoắn được sinh ra từ cặp chuyển động ngang Trong cấu trúc đối xứng, tỷ số giữa tần số xoắn (torsional frequency) và tần số ngang (lateral frequency) riêng, R, là yếu tố chủ yếu Phản ứng xoắn được kích động với các giá trị của R sẽ phụ thuộc vào đặc điểm quan hệ lực - chuyển vị của các cấu kiện chịu lực và đặc điểm của kích động nền

Tuy nhiên, các kết luận và khuyến nghị của các nhà nghiên cứu liên quan đến phản ứng xoắn do ảnh hưởng của độ lệch tâm khối lượng thì không nhất quán [34]

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tình hình nghiên cứu trong nước về ảnh hưởng của động đất đến công trình xây dựng nói chung chưa có nhiều Tuy nhiên, đã có sự quan tâm rất lớn của cơ quan quản lý nhà nước về vấn đề này Chẳng hạn, văn bản 1915/BXD-GĐ của Bộ Xây dựng ngày 22 tháng 9 năm 2008 về việc "Chủ động phòng chống động đất và hạn chế các thiệt hại gây ra cho người và các công trình xây dựng", văn bản này ra đời để thực hiện ý kiến chỉ đạo của Thủ tướng Chính phủ tại công văn số 3989/VPCP-KTN ngày 18/6/2008 của Văn phòng Chính phủ về việc giao Bộ Xây dựng rà soát các quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến phòng và chống động đất; hướng dẫn, kiểm tra việc tuân thủ các quy định của Quy chuẩn và Tiêu chuẩn kỹ thuật, đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng, đặc biệt là các dự án công trình công cộng

Theo văn bản 1915/BXD-GĐ, từ nhiều năm nay, vấn đề xây dựng nhà, công trình trong vùng động đất đã được nghiên cứu và được sự quan tâm Đề tài cấp Nhà nước về “Nghiên cứu dự báo động đất và dao động nền ở Việt Nam” (2004), Viện Vật lý địa cầu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã hình thành bản đồ nguồn các vùng phát sinh động đất ở Việt Nam Theo đó, bản đồ phân vùng gia tốc nền chu kỳ lặp lại 500 năm trên lãnh thổ Việt Nam cũng được thiết lập và đã được đưa vào Phụ lục của tiêu chuẩn xây dựng “Thiết kế công trình chịu động đất” Đây

là dữ liệu cơ sở cho việc tính toán và thiết kế các công trình xây dựng trong vùng động đất ở Việt Nam

Việc ban hành văn bản quy phạm pháp luật, quy chuẩn kỹ thuật về phòng chống động đất cho các công trình xây dựng nhằm hạn chế các thiệt hại gây ra cho người và các công trình xây dựng, đã có các văn bản trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, ví dụ như: Hướng dẫn xây dựng chống động đất cho vùng Điện Biên; Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 "Thiết kế công trình chịu động đất" và hiện nay được thay thế bới Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 Các tiêu chuẩn sửa chữa, ban hành trong thời gian sau này đều quan tâm đến việc thiết kế công trình chịu kháng chấn như một điều kiện quan trọng, ví dụ như tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 "Móng cọc - Tiêu chuẩn Thiết kế", mục 12 - Đặc điểm thiết kế móng cọc trong vùng có động đất

Nói thêm về việc ban hành Quy chuẩn - Tiêu chuẩn, bài báo "Một số đánh giá

về hệ thống Quy chuẩn - Tiêu chuẩn về động đất và khả năng chống động đất của nhà và công trình xây dựng ở Việt Nam hiện nay" của nhóm tác giả PGS TS Nguyễn Xuân Chính, TS Trịnh Việt Cường, TS Nguyễn Đại Minh, TS Vũ Thị Ngọc Vân - Viện KHCN Xây dựng - đã trình bày một số thông tin tổng quan về tác động của động đất trên thế giới và tại Việt Nam, hệ thống tài liệu kỹ thuật hiện có của Việt Nam về lĩnh vực kháng chấn, tình hình thiết kế kháng chấn và khả năng chịu động đất của các công trình xây dựng, đề xuất một số tiêu chí để đánh giá mức

độ nguy hiểm của nhà và công trình và một số kết luận - kiến nghị phục vụ quản lý nhà nước Kết luận của nghiên cứu này là "Quy định cấp công trình phải thiết kế kháng chấn, số liệu tự nhiên về động đất, tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn kết cấu đã

có tương đối đủ"

Mặt khác, bài báo này đã kiến nghị: Kiện toàn hệ thống Quy chuẩn – Tiêu chuẩn, xây dựng thêm hướng dẫn kỹ thuật; Tuyên truyền nhân dân ý thức xây dựng, phổ biến các giải pháp xây dựng nhà và công trình chịu động đất; hướng dẫn nhân dân về việc chủ động tự vệ cho mình như trú ẩn, thoát nạn, cứu nạn khi có động đất xảy ra; Đưa vào chương trình đào tạo tại các trường đại học, tập huấn phổ biến cho các kỹ sư các giải pháp cấu tạo kháng chấn; Tiếp tục cập nhật số liệu về động đất, nghiên cứu, chuyển giao và phát triển các công nghệ xây dựng hiệu quả phòng chống động đất cho công trình ở Việt Nam

Qua đó, thấy rằng, hiện nay tuy có nhiều tiêu chuẩn được ban hành hướng dẫn thiết kế kết cấu khung chịu lực chính của công trình, hệ móng cọc trong điều kiện chịu động đất nhưng hầu như chưa thấy nhiều các công trình nghiên cứu về ứng

xử của công trình xây dựng với động đất Đặc biệt trong phạm vi nghiên cứu, tác giả cũng chưa tìm được thông tin liên quan lĩnh vực này, không chỉ từ các Cơ quan nghiên cứu, quản lý nhà nước như Trung tâm Báo tin Động đất và Cảnh báo Sóng thần, Viện Vật lý Địa cầu, Viện Hàn lâm và Khoa học Công nghệ Việt Nam mà còn ở các Học viện, Trường Đại học như Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh

Chương 3

Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình kết cấu

Đề tài mô hình hóa một công trình hiện hữu, 3 tầng, có sử dụng khung moment đặc biệt (Special Moment Resisting Frame) [35, 36], tọa lạc tại khu vực có khả năng động đất mạnh là thành phố Los Angeles, California Hệ kết cấu này được thiết kế bởi Forell/Elsesser Engineers Inc., bằng phương pháp lực tĩnh tương đương (Equivalent Lateral Force) theo tiêu chuẩn IBC 2006, ASCE 7-05 and AISC 341-05 [37] Phản ứng với động đất của mô hình được phân tích bằng phương pháp tích phân số trực tiếp trong miền thời gian, phương pháp Newmark Mô hình được phân tích với ba cấp độ động đất khác nhau Mỗi cấp độ động đất được đại diện bằng 20 băng gia tốc nền được lựa chọn theo điều kiện địa chấn của khu vực xây dựng Nội dung chương này trình bày lý thuyết về phân tích bằng phương pháp tích phân số trực tiếp trong miền thời gian, thuật toán Newmark - Beta (Anil K Chopra, [38]) Bên cạnh đó, tác giả cũng trình bày giả thiết và cách thức xây dựng, kiểm chứng mô hình lý thuyết Đồng thời cũng nêu rõ chi tiết các băng gia tốc nền đầu vào theo từng sự kiện động đất để kích thích cho hệ

3.1 Giả thuyết xây dựng mô hình

Giả thiết mô hình nghiên cứu là một tòa nhà thép 3 tầng, có khung moment đặc biệt (Special Moment Resisting Frame - SMRF) [35, 36] (Hình 4.1), có cường

độ chảy của thép fy = 70 ksi, có độ dai cao với mặt cắt dầm giảm yếu (Reduced

Beam Section - RBS) Công trình tọa lạc trên nền đất mềm (đất loại D, vận tốc sóng

cắt là 180 - 360 m/s), tại khu vực có khả năng động đất mạnh là thành phố Los

Angeles, California Hệ kết cấu này được thiết kế bởi Forell/Elsesser Engineers

Inc., bằng phương pháp lực tĩnh tương đương (Equivalent Lateral Force) theo tiêu chuẩn IBC 2006, ASCE 7-05 and AISC 341-05 [37]

Mô hình là một tòa nhà ba tầng có sơ đồ như Hình 4.1 Kích thước theo cạnh dài

(phương X) là 55 m (180 ft) và phương ngắn (phương Y ) 36,6 m (120 ft); chiều cao mỗi tầng là 4,57 m (15 ft); khoảng cách giữa các cột là 9,15 m (30 ft) theo cả hai phương

Hình 3.1: Mô hình khung moment đặc biệt 3 tầng [34, 35]

Khung moment chống lại lực ngang gồm hai khung 5 nhịp bố trí theo phương X; hai khung 3 nhịp và hai khung 2 nhịp theo phương Y, phần còn lại bố trí khung chịu trọng lực Các nhịp khung moment được thể hiện bằng nét đậm ở Hình 3.1 và các đặc trưng dầm cột của hai loại khung được mô tả ở Bảng 3.1

Bảng 3.1: Các đặc trưng mặt cắt dầm cột khung

phương Y

Dầm theo phương X

Khung Tầng Cột Dầm theo

phương Y

Dầm theo phương X

Moment

Các dầm của khung moment được giảm yếu tiết diện (Hình 3.2) Mặt cắt giảm

yếu của dầm khung moment được vát giảm mỗi bên 50,8 mm (2 inch) bố trí ở 2 đầu dầm, có chiều dài phần giảm là 508 mm (20 inch) và cách vị trí liên kết với cột 177,8 mm (7 inch) đối với dầm tầng 1 và 2; ở tầng mái, các số liệu tương ứng là vát 40,6 mm, dài 381 mm (15 inch) và cách cột 152,4 mm (6 inch) Do trọng tâm của

luận văn không nghiên cứu mặt cắt giảm yếu nên không trình bày cách tính toán tiết diện này, các giá trị mặt cắt trên được lấy theo mô hình thiết kế sẵn có của công ty Forell/Elsesser Engineers Inc

5/8 27 5/8 27

21/16 30

21/16 30

3/4 10 0 30

10 0 30

PL 27x10x5/8

1/2 21 0 30

Hình 3.2: Mặt cắt giảm yếu dầm

Mặt giảm tiết diện này làm giảm khả năng chịu lực và do đó góp phần bảo vệ liên kết tại cột và dầm, đồng thời nó cũng góp phần ngăn chặn hiện tượng cơ cấu tầng mềm xuất hiện và làm tăng độ dẻo của kết cấu

Sàn có kết cấu liên hợp bê tông nhẹ, ở mặt trên dày 82,5mm (3,25 inch) đổ trên tấm thép lượn sóng ở phía dưới cao 50,8 mm (2 inch) Trọng lượng của mỗi tầng được tính toán là 8.561 kN (1.924 kips), 8.532 kN (1.918 kips) và 8.922 kN (2.005 kips) lần lượt tại tầng 1, tầng 2 và tầng mái

3.2 Xây dựng mô hình

Mô hình được xây dựng bằng phần mềm OpenSees [39] theo các thông số nêu trên (mã lập trình xem tại Phụ lục 1) Các tấm sàn và mái xem như cứng tuyệt đối trong mặt phẳng của nó Các thanh dầm và cột xem như được nối đúng tâm Tất cả các phần tử thanh của các khung mô men đều sử dụng tiết diện dạng chia thớ (fiber) Để phản ánh đúng sự làm việc phi tuyến vật liệu của kết cấu, mỗi thanh cột được mô hình thành 3 phần tử thanh phi tuyến theo mô hình tương thích, trong đó các phần tử ở hai đầu thanh có chiều dài bằng với chiều cao tiết diện cột (tương ứng với chiều dài khớp dẻo đo được từ nhiều thí nghiệm) Mỗi thanh dầm được mô hình thành 5 hoặc 7 phần tử thanh phi tuyến theo mô hình tương thích Các tiết diện giảm yếu của dầm được kể đến trong mô hình Mô hình vật liệu được sử dụng để mô tả

sự làm việc của thép là vật liệu đàn hồi - dẻo tái bền động học Tâm khối lượng được giả định lệch so với tâm hình học một giá trị là e Giá trị e là 5% (giá trị lệch tâm này được lấy theo đề nghị của tiêu chuẩn để kể đến trường hợp xoắn ngẫu nhiên) đối với trường hợp khảo sát đánh giá hệ làm việc tuyến tính và phi tuyến, và

e được giả định là tuân theo phân phối chuẩn đối với trường hợp khảo sát độ nhạy Giá trị lệch tâm được bố trí theo cả 2 phương X và Y Khi tải động tác động vào hệ kết cấu trong suốt quá trình động đất có quan hệ với lực quán tính và hợp lực này tác động vào tâm khối lượng của hệ Lực quán tính bị chống lại bởi lực đàn hồi được sinh ra trong các cấu kiện chịu lực và hợp lực này đi qua tâm cứng Nếu kết cấu có tâm cứng (CR) và tâm khối lượng (CM) không trùng nhau, cặp lực này là nguyên nhân gây ra chuyển động xoắn trong hệ

Độ lệch tâm e theo phương X và phương Y được xác định theo công thức sau:

Hệ được giả định có cản tỉ lệ với độ cứng, với tỷ số cản là  = 2,5% tại chu kỳ

T = 0,75 s Tỷ số cản được khai báo trong mô hình sử dụng bằng phần mềm

OpenSees Bên cạnh đó, hiệu ứng P-Delta cũng được xét trong mô hình Như vậy,

mô hình vừa mô phỏng hệ vừa làm việc phi tuyến vật liệu và cả phi tuyến hình học Phản ứng với động đất của mô hình được phân tích bằng phương pháp tích phân số trực tiếp trong miền thời gian, phương pháp Newmark Mô hình được phân tích với ba cấp độ động đất khác nhau Mỗi cấp độ động đất được đại diện bằng 20 băng gia tốc nền được lựa chọn theo điều kiện địa chấn của khu vực xây dựng Các phản ứng của kết cấu được xem xét gồm gia tốc ngang của sàn, chuyển vị ngang tương đối và xoắn của hệ

3.3 Kiểm chứng mô hình

Để kiểm tra độ tin cậy của mô hình, chu kỳ dao động tự nhiên của ba dạng dao động đầu tiên đã được sử dụng để so sánh với các kết quả từ một nghiên cứu đã được công bố [35] Theo kết quả đã công bố, chu kỳ của ba dạng đầu tiên lần lượt là 0,75 s (dao động theo phương X), 0,73 s (dao động theo phương Y) và 0,5 s (dao động xoắn) Các chu kỳ trong mô hình của nghiên cứu này tương ứng là: 0,75 s; 0,73 s và 0,49 s Kết quả so sánh cho thấy các chu kỳ của mô hình này khá gần với các chu kỳ của nghiên cứu trước, cho thấy sự tin cậy của mô hình được sử dụng trong nghiên cứu này

3.4 Tần suất động đất và băng gia tốc

Trong nghiên cứu này chọn ba cấp độ động đất để khảo sát: (1) động đất có xác suất xảy ra trong 50 năm là 50% (50/50); (2) động đất có xác suất xảy ra trong

50 năm là 10% (10/50) và (3) động đất có xác suất xảy ra trong 50 năm là 2%

(2/50) Chu kỳ lặp tương ứng với ba cấp độ động đất nói trên là 72 năm, 475 năm và 2.475 năm

Hình 3.3: Phồ phản ứng trung bình của 20 băng gia tốc với xác suất động đất trường hợp (a) 72, (b) 475, (c) 2.475 năm (nguồn [36])

Mỗi kịch bản động đất được đại diện bởi 20 cặp băng gia tốc nền Những chuyển động nền này được lựa chọn dựa trên các hoạt động địa chấn trong khu vực

và được liệt kê trong các nghiên cứu trước đây [33, 34] Thông tin chi tiết của gia tốc nền được trình bày trên Bảng 3.2, 3.3 và 3.4 hoặc có thể xem thông tin chi tiết thư viện dữ liệu tại website của Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật động đất Thái Bình Dương PEER [40] Phổ phản ứng trung bình của các chuyển động nền được thể hiện ở Hình 3.3

Giá trị thiết kế Giá trị trung bình Giá trị thiết kế

Giá trị trung bình

Bảng 3.2: Xác suất động đất xảy ra 50/50 năm, chu kỳ lặp lại là 72 năm

Độ lớn (moment)

K/cách (km)

11 NGA0728 Superstition Hills, USA, 1987 6.54 13.03

TT Tên chuyển

Độ lớn (moment)

K/cách (km)

Bảng 3.3: Xác suất động đất xảy ra 10/50 năm, chu kỳ lặp lại là 475 năm

Độ lớn (moment)

K/cách (km)

TT Tên chuyển

Độ lớn (moment)

K/cách (km)

Bảng 3.4: Xác suất động đất xảy ra 2/50 năm, chu kỳ lặp lại là 2475 năm

Độ lớn (moment)

K/cách (km)