Phân tích động lực học kết cấu khung không gian có xét đến sự tương tác giữa móng và đất nền

TÊN ĐỀ TÀI: “PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU KHUNG KHÔNG GIAN CÓ XÉT ĐẾN SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA MÓNG VÀ ĐẤT NỀN” II.. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Phân tích kết cấu khung không gian chịu tải trọng độ

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN HOÀNG SƠN MSHV: 1570653 Ngày, tháng, năm sinh: 25/02/1987 Nơi sinh: TP.Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

I TÊN ĐỀ TÀI:

“PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU KHUNG KHÔNG GIAN

CÓ XÉT ĐẾN SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA MÓNG VÀ ĐẤT NỀN”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Phân tích kết cấu khung không gian chịu tải trọng động đất có xét đến sự tương tác giữa móng cọc và đất nền Từ đó, rút ra kết luận về ứng xử động của kết cấu khung không gian chịu tải trọng động đất có xét đến ứng xử của móng cọc

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 17/08/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS CHU QUỐC THẮNG

Trang 2

i

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập và thực hiện luận văn, được sự tận tình chỉ bảo của thầy

cô, sự động viên của gia đình và các bạn bè, tác giả đã hoàn thành Luận văn Thạc sĩ

Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Đó là kết quả sau một quá trình học tập và nghiên cứu, đánh dấu sự hoàn thành khóa học tại trường Đại học Bách Khoa TP.HCM

Để hoàn thành Luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ tập thể và các cá nhân Tôi xin tỏ lòng biết ơn đến tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu ấy

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa TP HCM, phòng Đào tạo Sau Đại học và quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật xây dựng với tri thức và tâm huyết, đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn chính PGS.TS Chu Quốc Thắng và thầy hướng dẫn Th.S Phạm Nhân Hòa người đã đưa ra gợi ý đầu tiên để tôi hình thành nên ý tưởng của đề tài đến lúc hoàn thành Luận văn Thạc sĩ Trong suốt quá trình thực hiện Luận văn, Thầy luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cho tôi rất nhiều những nhận định đúng đắn trong nghiên cứu, cũng như cách tiếp cận, giải quyết vấn đề một cách hiệu quả Đó là nền tảng vô cùng quan trọng để tôi hoàn thành được Luận văn này

Tôi cũng chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong thư viện trường ĐH Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi tìm tài liệu để thực hiện luận văn và những bạn học cùng khóa luôn sát cánh bên tôi trong những ngày học tập

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn những công lao to lớn của Cha Mẹ cùng gia đình tôi Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cơ quan, đồng nghiệp và bạn bè đã tạo điều kiện và giúp đỡ cho tôi hoàn thành khóa học này

Tôi xin trân trọng cảm ơn

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2018

Trang 3

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn trình bày mô hình tính toán và thuật giải để phân tích ứng xử của kết cấu khi xét đến tương tác giữa móng và đất nền (SSI: Soil - Structure Interaction) Kết cấu bên trên được mô hình bằng khung không gian có nhiều bậc tự do với nhiều thành phần chuyển vị khác nhau Trong đó, chuyển vị ngang là thành phần chuyển vị chủ yếu khi kết cấu chịu động đất Bên dưới là kết cấu móng cọc được liên kết với đất xung quanh bằng các lò xo động theo ba phương thẳng và ba phương xoay Phần ví dụ minh họa nêu ra trong luận văn là ví dụ mẫu về kết cấu thép 9 tầng chịu tải trọng động đất ElCentro nhằm so sánh đáp ứng động lực học của kết cấu khi xét và không xét tương tác đất nền Phương trình chuyển động của hệ được giải bằng phương pháp tích phân Newmark trên miền thời gian, được thực hiện trên ngôn ngữ lập trình MATLAB

Cuối cùng, các kết luận được rút ra về sự khác nhau giữa các mô hình nhằm cung cấp các thông tin hữu ích cho việc nghiên cứu và thiết kế các công trình kháng chấn

Trang 4

iii

ABSTRACT Thesis presented computational models and algorithms to analyze the behavior

of the structure when considering the interaction between foundation and soil (Soil - Structure Interaction) The superstructure is modeled as multi-degree of freedom systems with different displacements in multiple direction, in which horizontal displacement is major displacements of structures subjeted to earthquake The pile foundations are restrained with the soil environment by dynamic springs in three translationals and three rotationals

Numerical example is a 9-story steel structure as a benchmark problem accompanied with its pile foundation subjected to ElCentro loading in purpose of comparison with dynamic responses of a non-SSI structure The equation of motion

of the system is solved by Newmark integration numerical method in the time domain and with the help of MATLAB code

Finally, the conclusions to be drawn about the differences between models to provide useful information for the study and design of seismic-resistant buildings

Trang 5

vi

LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Nguyễn Hoàng Sơn, là học viên cao học chuyên ngành Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng và Công Nghiệp, khoá 2015 trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan rằng, đây là luận văn do chính tôi thực hiện Các số liệu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công

bố hay sử dụng để bảo vệ một học vị nào Các thông tin, tài liệu trích dẫn 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

Học viên

NGUYỄN HOÀNG SƠN

Trang 6

vii

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

ABSTRACT iii MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH VẼ ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

-1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

-1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN 1

-Chương 2 TỔNG QUAN 3

-2.1 TỔNG QUAN VỀ SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA MÓNG VÀ ĐẤT NỀN 3

-2.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC 7

-2.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 8

-2.4 NỘI DUNG LUẬN VĂN 9

-Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

-3.1 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG 11

-3.1.1 Khung không gian ngàm ở chân cột – FBB 11

-3.1.2 Khung không gian có xét SSI 14

-3.2 ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC HỌC ĐỐI VỚI MÓNG CỌC 17

-3.2.1 Trên đất nền đồng nhất 17

-3.2.2 Ví dụ xác định k( )T ;c( )T cho cọc xuyên qua 1 lớp đất 34

-3.3 CÁC BƯỚC GIẢI BÀI TOÁN SSI VÀ SƠ ĐỒ KHỐI 38

-3.3.1 Các bước giải bài toán SSI 38

Trang 7

-viii

3.3.2 Sơ đồ khối cho bài toán phân tích SSI 40

-Chương 4 VÍ DỤ TÍNH TOÁN 41

-4.1 KẾT CẤU 9 TẦNG MÓNG CỌC 41

-4.1.1 Mô tả bài toán 41

-4.1.2 Tính toán ban đầu 44

-4.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của bố trí cọc trong phân tích SSI 44

-4.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của mô đun đàn hồi đất nền và hệ số poisson trong phân tích SSI 69

-4.1.5 Khảo sát tính đồng nhất của đất nền trong phân tích SSI 82

-Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 89

-5.1 KẾT LUẬN 89

-5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

-PHỤ LỤC i Phụ lục 1: Tìm chiều dài, đường kính và số lượng cọc i

Phụ lục 2: Bảng kết quả phân tích SSI với các trường hợp bố trí cọc và các trường hợp đất nền v

Phụ lục 3: Mã nguồn chương trình Matlab x

DANH MỤC KÝ HIỆU xxxi

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG xxxiv

Trang 8

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 21: Tháp Messeturm tại Frankfurt – Đức [39] 3

Hình 22: Tháp Deutsche Bank – Đức [39] 4

Hình 23: Tòa nhà Skyscraper Brazil [40] 4

Hình 24: Tòa nhà Salesforce Tower San Francisco [41] 5

-Hình 2-5: Tương tác động (kinematic): (a) dao động theo phương đứng, (b) dao động theo phương ngang, (c) dao động không liên tục, dao động lắc 6

Hình 26: Tương tác quán tính (inertial) 6

Hình 27: Sóng lan truyền 6

Hình 31: Mô hình khung không gian ngàm ở chân cột 11

Hình 32: Phần tử mẫu khung không gian tổng quát 11

Hình 33: Mô hình khung không gian có xét SSI 14

Hình 34: Mô hình khung không gian xét SSI 17

-Hình 3-5: a) Dao động theo phương ngang của móng; b) Dao động theo phương xoay của móng 18

Hình 36: Dao động xoắn quanh trục z của móng 18

Hình 37: Các thông số của móng cọc 19

-Hình 3-8: Giá trị L r theo [7] 22

-Hình 3-9: Xác định S R S2  2Rp và  đài có 3x3 cọc 22

-Hình 3-10: Xác định f theo theo z1 Lp rp vàE Ep spile cho cọc chịu mũi 25

-Hình 3-11: Xác định fz2 theoLp rp vàE Ep spilecho cọc chịu mũi 26

-Hình 3-12: Xác định f theo z1 Lp rp vàE Ep spilecho cọc chịu ma sát 26

-Hình 3-13: Xác định fz2 theoLp rp vàE Ep spilecho cọc chịu ma sát 27

Hình 314: Dao động xoắn của cọc trong đất 28

Trang 9

-x

Hình 3-15: Giá trị của f cho cọc BTCT - 30 -1

Hình 3-16: Giá trị của f phụ thuộc vào 2

p

G

E ,

L

R, tan  (cọc BTCT) , tần số 0 không thứ nguyên a - 31 -0

Hình 3-17: Hệ số chiều dài hoạt động của cọc  32

Hình 318: Đài cọc xoắn quanh trục z 34

-Hình 3-19: Các thông số của cọc và đài cọc trường hợp cọc xuyên qua một lớp đất - 35 Hình 320: Sơ đồ khối cho bài toán phân tích SSI 40

Hình 41: Mô hình kết cấu khung không gian 9 tầng 42

Hình 42: Mặt bằng (tầng điển hình) kết cấu khung không gian 9 tầng 43

-Hình 4-3: Mặt bằng bố trí cọc với np= 9 cọc (3x3 cọc), S2Rp = 5 và S2Rp = 3 45

-Hình 4-4: Mặt bằng bố trí cọc với np= 4 cọc (2x2 cọc), S2Rp = 5 và S2Rp = 3 45

Hình 45: Gia tốc nền của trận động đất El Centro 46

Hình 46: Đáp ứng chuyển vị đỉnh theo phương trục x (BTD 2155) 47

Hình 47: Đáp ứng gia tốc đỉnh theo phương X (BTD 2155) 47

Hình 48: Đáp ứng lực cắt chân cột tầng 1 theo phương X 48

Hình 49: Đáp ứng mô men chân cột tầng 1 theo phương X 48

Hình 410: Đáp ứng chuyển vị các tầng theo phương X 48

Hình 411: Đáp ứng lực cắt và mô men lớn nhất các tầng theo phương X 49

Hình 412: Đáp ứng chuyển vị đỉnh theo phương Y (BTD 2157) 49

Hình 413: Đáp ứng gia tốc đỉnh theo phương Y (BTD 2157) 49

Hình 414: Đáp ứng lực cắt chân cột tầng 1 theo phương Y 50

Hình 415: Đáp ứng mô men chân cột tầng 1 theo phương Y 50

Hình 416: Đáp ứng chuyển vị đỉnh theo phương X (BTD 2155) 51

Hình 417: Đáp ứng gia tốc đỉnh theo phương X (Bậc tự do 2155) 51

Trang 10

-xi

Hình 418: Đáp ứng lực cắt chân cột tầng 1 theo phương X (Chân cột trục 2C) 51

Hình 428: Đáp ứng lực cắt chân cột tầng 1 theo phương X (Chân cột trục 2C) 58 -Hình 4-29: Đáp ứng mômen chân cột tầng 1 theo phương X (Chân cột trục 2C)- 58 Hình 430: Đáp ứng chuyển vị các tầng theo phương X 58

Hình 436: Đáp ứng chuyển vị các tầng theo phương Y 60

Hình 437: Đáp ứng lực cắt và mô men lớn nhất các tầng theo phương Y 61

Trang 11

-xii

Hình 448: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng theo phương Y 65

Hình 449: Đáp ứng lực cắt và mô men lớn nhất các tầng theo phương Y 65

-Hình 4-50: Chênh lệch đáp ứng chuyển vị lớn nhất và trung bình (Root mean square) giữa FBB và SSI theo phương X; Chênh lệch đáp ứng gia tốc lớn nhất và trung bình (Root mean square) giữa FBB và SSI theo phương X 66

-Hình 4-51: Chênh lệch đáp ứng lực cắt lớn nhất và trung bình giữa (FBB) và (SSI); Chênh lệch đáp ứng mô men lớn nhất và trung bình giữa (FBB) và (SSI) theo phương X 67

-Hình 4-52: Chênh lệnh đáp ứng chuyển vị lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI; Chênh lệch đáp ứng gia tốc lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI theo phương X 68

-Hình 4-53: Chênh lệch đáp ứng lực cắt lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI ; Chênh lệch đáp ứng mô men lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI 69

Hình 458: Chuyển vị lớn nhất các tầng theo phương X 72

Hình 459: Chuyển vị tương đối các tầng theo phương X 72

Hình 460: Đáp ứng lực cắt lớn nhất các tầng theo phương X 73

Hình 461: Đáp ứng mô men lớn nhất các tầng theo phương X 73

Trang 12

-xiii

Hình 463: Đáp ứng gia tốc đỉnh theo phương Y 74

Hình 466: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng theo phương Y 75

Hình 467: Chuyển vị tương đối các tầng theo phương Y 76

Hình 468: Đáp ứng lực cắt lớn nhất các tầng theo phương Y 76

Hình 469: Đáp ứng mô men lớn nhất các tầng theo phương Y 77

-Hình 4-70: Chênh lệch đáp ứng chuyển vị lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI theo phương X 80

-Hình 4-71: Chênh lệch đáp ứng gia tốc lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI theo phương X 80

-Hình 4-72: Chênh lệch đáp ứng lực cắt lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI theo phương X 81

-Hình 4-73: Chênh lệch đáp ứng mô men lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI theo phương X 81

Hình 474: Móng cọc trong môi trường đất cứng và đất vừa (SSI1) 83

Hình 475: Móng cọc trong môi trường đất cứng và đất mềm (SSI2) 83

Hình 479: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng theo phương X 86

-Hình 4-81: Chênh lệch đáp ứng chuyển vị lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI; Chênh lệch đáp ứng gia tốc lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI 87

-Hình 4-82: Chênh lệch đáp ứng lực cắt lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI; Chênh lệch đáp ứng mô men lớn nhất và trung bình giữa FBB và SSI 88

Trang 13

-xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3-1: Các hệ số:C S C S C Cx1; x1; x2; x2; 1; 2;S S1; 2theo [3], [4] 21

-Bảng 3-2: Hệ số độ cứng và giảm chấn 1 2 01 ; 02 ; 1 ; 2 ; 0 ; 0 f f f f f f 25

Bảng 41: Thông số của đất (cọc qua 1 lớp đất) 42

Bảng 42: Đặc trưng kết cấu của tiết diện 43

Bảng 43: Các trường hợp bố trí cọc trong đài cọc 44

Bảng 44: Thông số của cọc và đài cọc cho 4 trường hợp bố trí cọc 44

Bảng 45: Bảng so sánh chu kỳ dao động giữa ETABS và MATLAB 44

Bảng 46: Độ cứng động lực học của móng cọc với 4 trường hợp bố trí cọc 46

-Bảng 4-7: So sánh chu kỳ dao động giữa FBB và SSI với 4 trường hợp bố trí cọc -

47 -Bảng 4-8: So sánh đáp ứng chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh, lực cắt và mô men chân cột 55

Bảng 49: So sánh chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh, lực cắt và mô men chân cột 55

-Bảng 4-10: So sánh chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh tầng 9, lực cắt và mô men chân cột tầng 1 theo phương X và phương Y giữa FBB và SSI_1; FBB và SSI_2 với tải trọng động đất xiên XY 66

-Bảng 4-11: So sánh chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh tầng 9, lực cắt và mô men chân cột tầng 1 theo phương X và phương Y giữa FBB và SSI_3, FBB và SSI_4 với tải trọng động đất xiên XY 67

Bảng 412: Độ cứng động lực học của móng cọc với 4 loại đất nền 70

-Bảng 4-13: -Bảng so sánh đáp ứng chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh tầng 9 và nội lực chân cột tầng 1 giữa FBB và SSI_Soil1; FBB và SSI_Soil2 77

-Bảng 4-14: -Bảng so sánh đáp ứng chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh tầng 9 và nội lực chân cột tầng 1 giữa FBB và SSI_Soil3; FBB và SSI_Soil4 78

-Bảng 4-15: -Bảng so sánh đáp ứng chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh, lực cắt chân cột tầng 1 và mô men chân cột giữa các loại đất 79

Trang 14

-xv

Bảng 416: Thông số của cọc và đài cọc cho cả 2 trường hợp 84 Bảng 4-17: Các hệ số độ cứng và hệ số cản động lực học cho 2 trường hợp phân tích - 84 -Bảng 4-18: Đáp ứng gia tốc đỉnh theo phương X - 85 -Bảng 4-19: So sánh đáp ứng chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh tầng 9, nội lực chân cột tầng 1 giữa FBB và SSI1; FBB và SSI2 trong môi trường đất không đồng nhất - 86 -Bảng 0-1: Tính lực ma sát lên thành cọc iiiBảng 0-2: Kết quả theo phương X cho 2 trường hợp bố trí cọc (SSI_1, SSI_2) vBảng 0-3: Kết quả theo phương X cho 2 trường hợp bố trí cọc (SSI_3, SSI_4) vBảng 0-4: Kết quả theo phương Xiên cho 2 trường hợp bố trí cọc (SSI_1, SSI_2) viBảng 0-5: Kết quả theo phương Xiên cho 2 trường hợp bố trí cọc (SSI_3, SSI_4) viBảng 0-6: Kết quả theo phương Xiên cho 2 trường hợp đất nền (Soil1, Soil2) viiBảng 0-7: Kết quả theo phương Xiên cho 2 trường hợp đất nền (Soil3, Soil4) viiiBảng 0-8: Kết quả chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh và nội lực chân cột của 4 loại đất nền viiiBảng 0-9: Kết quả theo phương Xiên cho trường hợp đất nền không đồng nhất ix

Trang 15

-Chương 1.Giới thiệu - 1 -

Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Động đất là một trong những thảm họa khóc liệt của tự nhiên Những thảm họa động đất xảy ra gần đây cảnh báo kỹ sư cần quan tâm nhiều đến thiết kế kháng chấn cho công trình

Mô hình phân tích thông thường xem chân cột là ngàm (FBB: Fixed Base Building) không xét đến ứng xử phức tạp giữa móng và đất nền

Trong các loại móng của nhà nhiều tầng, móng cọc là một giải pháp phổ biến

và hợp lý Hệ móng cọc có phản ứng rất nhạy với các dao động do động đất gây ra Khi công trình chịu tải trọng động đất, tương tác giữa đất nền và kết cấu móng (Soil-Structure Interaction –SSI) có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính dao động và phản ứng động của hệ kết cấu Vì vậy, việc xác định sự tương tác giữa móng với đất nền; ứng

xử phức tạp của nhóm cọc với đất nền là rất cần thiết

Để có được hiểu biết chính xác hơn về đáp ứng động lực học của kết cấu do tải trọng động đất gây ra, kết cấu khung không gian bên trên và kết cấu móng cọc bên dưới phải được xét đến đồng thời Đối với bài toán khung không gian 3D, có xét đến ảnh hưởng của mode dao động xoắn của công trình bên trên, độ cứng xoắn của SSI, tính đồng nhất của đất nền và cho phép phân tích với tải trọng động đất theo phương bất kỳ hoặc đồng thời cả hai phương Đây là cũng là một điểm mới so với bài toán 2D

Qua những phân tích ở trên, việc xem xét SSI khi chịu động đất là một vấn đề rất có ý nghĩa đối với thiết kế công trình chịu tải trọng động đất, đặc biệt là các bài toán cần phân tích khung không gian có hệ móng cọc

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Mục tiêu của luận văn là phân tích ứng xử động lực học của kết cấu khung không gian chịu tác dụng của động đất có xét đến tương tác giữa kết cấu với nền móng Các nhiệu vụ cụ thể như sau:

- Xác định hệ số độ cứng động lực học của kết cấu bên trên

Trang 16

Chương 1.Giới thiệu - 2 -

- Xác định hệ số độ cứng động lực học của nền móng

- Phân tích động lực học kết cấu chịu tác dụng của gia tốc nền động đất khi xét FBB và xét SSI

- Nhận xét sự khác nhau của FBB và SSI Đồng thời cũng xác định các thông

số nào ảnh hưởng đến sự khác nhau đó, nhằm cung cấp cho việc thiết kế và nghiên cứu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất khi xét đến SSI

Trang 17

Chương 2.Tổng quan - 3 -

Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 TỔNG QUAN VỀ SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA MÓNG VÀ ĐẤT NỀN

SSI liên quan đến nhiều lĩnh vực [14] Nó là sự tổng hợp của cơ học đất và cơ học kết cấu, động học đất, động lực học kết cấu, động đất, địa vật lý và địa cơ học, khoa học vật liệu, phương pháp tính, phương pháp số và các ngành kỹ thuật khác Nó bắt nguồn từ cuối thế kỷ 19, phát triển dần vào thế kỷ 20, 21 SSI phát triển nhanh chóng bởi nhu cầu xây dựng công trình có quy mô ngày càng lớn với sự hổ trợ của các công cụ tính toán ngày càng hiện đại và mong muốn an toàn ngày càng cao

Từ những năm 1990, Các nhà nghiên cứu đã có nhiều nỗ lực cho việc thay thế các phương pháp cổ điển của thiết kế bởi những khái niệm mới về thiết kế động đất Ngoài ra, sự cần thiết của việc kể đến SSI trong thiết kế đã thu hút rất nhiều sự chú ý của cộng đồng kỹ thuật ở hầu hết các vùng địa chấn trên toàn thế giới

Một số công trình thực tế có xét SSI theo [39], [40], [41]

Hình 2-1: Tháp Messeturm tại Frankfurt – Đức [39]

Trang 18

Hình 2-2: Tháp Deutsche Bank – Đức [39]

Hình 2-3: Tòa nhà Skyscraper - Brazil [40]

Trang 19

Hình 2-4: Tòa nhà Salesforce Tower - San Francisco [41]

SSI là sự tương tác động học giữa đất với nền móng theo [13] bao gồm hai tương tác là tương tác động (kinematic) Hình 2-5 và tương tác quán tính (inertia) Hình 2-6 Tương tác động do sự khác biệt giữa độ cứng của kết cấu và đất nền, tương tác quán tính do sự khác biệt khối lượng của kết cấu và đất nền

Khi xét đến SSI thì hệ kết cấu - nền móng “mềm” hơn khi xét FBB, chu kỳ SSI lớn hơn chu kỳ FBB, điều này sẽ thấy rõ ở trong phần ví dụ số trong Chương 4 SSI của móng cọc [3], [8] không những phụ thuộc vào các đặc tính kết cấu bên trên mà còn phụ thuộc rất lớn vào các thông số của đài cọc, cọc và cách bố trí nhóm cọc Cơ sở xác định SSI cho móng cọc được thể hiện trong mục 3.2

Trang 20

Hình 2-5: Tương tác động (kinematic): (a) dao động theo phương đứng, (b) dao động theo

phương ngang, (c) dao động không liên tục, dao động lắc

Hình 2-6: Tương tác quán tính (inertial)

Hình 2-7: Sóng lan truyền

z0zFixedFree

13

Trang 21

2.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC

Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu phân tích SSI, các phương pháp khác nhau đã được sử dụng như: Mô hình nền Winkler với phương pháp phần

tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) [12], [13], [15], [20], [21]phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method - BEM), phương pháp trực tiếp (Direct Method), hay sử dụng mô hình thu gọn (Lump parameter model) [3]

Mô hình nền Winkler được dựa trên lý thuyết dầm trên nền đàn hồi, trong đó đất xung quanh được xem là một hệ lò xo Ưu điểm chính của phương pháp này là sự phi tuyến và ứng xử không đồng nhất của đất được mô phỏng mà không đòi hỏi phải xem xét một bài toán khá lớn Tuy nhiên, phương pháp này có một khó khăn trong việc mô phỏng các hiệu ứng nhóm cọc khi mô hình Winkler bỏ qua sự tương tác giữa các cọc

Milos Novak (1974) “Dynamic Stiffness and Damping of Piles” [5] phân tích SSI của móng cọc trong môi trường đất đồng nhất

Anil K Chopra And Jorge A Gutierrez (1974) “Earthquake response analysis

of multistorey buildings including foundation interaction” [2] phân tích SSI của móng nông trong môi trường đất đồng nhất

Hirokazu Takemiya And Yoshikazu Yamada (1981), ”Layered structure dynamic interaction” [18] bài báo phân tích SSI của nhóm cọc trong môi trường nhiều lớp đất Phần khung bên trên là khung của cầu

soil-pile-George Gazetas1 and Ricardo Dobry (1984), “Horizontal response of piles in layered soils” [17] phân tích độ cứng động lực học theo phương ngang của cọc trong môi trường nhiều lớp đất, bài báo còn hạn chế về phân tích tương tác của các cọc trong nhóm cọc

Trevor G Davies, A M Rajan Sen (1985), “Dynamic behavior of pile groups

in inhomogeneous soil” [19] bài báo trình bày phương pháp xác định độ cứng động học theo phương ngang của cọc và nhóm cọc trong môi trường đất thay đổi liên tục, nhưng chưa xác định độ cứng động lực học theo phương xoay và xoắn của cọc và nhóm cọc

Trang 22

Amir M Kaynia (1991)“Dynamics of piles and pile groups in layered soil media” [16] phân tích tìm độ cứng động học của cọc qua nhiều lớp đất, và xét đến ảnh hưởng của nhóm cọc, nhưng chưa tìm được thành phần giảm chấn c0 và cθ trong

độ cứng của kết cấu và đất nền, tương tác quán tính do bởi sự khác biệt khối lượng của kết cấu và đất nền

Braja M Das, G.V Ramana (2011)“Principles of Soil Dynamics” [3] tác giả trình bày khá chi tiết về độ cứng động học của nền móng (móng nông, móng cọc) trong một lớp đất

M Shadlou and S Bhattacharya (2014) “Dynamic stiffness of pile in a layered elastic continuum” [8] phân tích tìm độ cứng động học của cọc qua nhiều lớp đất, nhưng chưa xét đến ảnh hưởng của nhóm cọc

2.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

Những năm qua, trong nước có rất nhiều đề tài nghiên cứu về giảm chấn cho kết cấu khung chịu tải trọng động đất bằng hệ cản chất lỏng nhớt VFD [32], [33], thế nhưng việc nghiên cứu về đáp ứng động lực học kết cấu chịu tải trọng động đất xét đến cả SSI thì đang còn nhiều hạn chế

Ở Hà Nội các nghiên cứu của Trịnh Việt Bắc, Đinh Văn Toàn, Lại Hợp Phòng, Trần Anh Vũ (2011) “Điều kiện nền đất ảnh hưởng bởi tác động động đất khu vực phía tây nội thành Hà Nội” [34] bài báo này chỉ tập trung giới thiệu sự phân bố giá trị vận tốc truyền sóng trong đất và phân loại nền dưới tác động động đất ở khu vực phía tây nội thành Hà Nội dựa trên kết quả thí nghiệm địa chấn để tính toán độ cản đặc trưng cho sự tương tác giữa móng và đất nền cũng như giữa cọc và đất

Trang 23

Đối với thành phố Hồ Chí Minh nói chung và luận văn cao học của trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, các nghiên cứu về SSI chịu tải trọng động đất thì chưa được tiến hành một cách đầy đủ, mới chỉ xét ảnh hưởng của đất lên cọc mà chưa xét tương tác qua lại giữa chúng Các nghiên cứu này có thể kể đến như:

Bài báo của Trần Thanh Cao Ngọc, Trần Đăng Khải, Vũ Xuân Bách, Chu Quốc Thắng, “Đánh giá ảnh hưởng của độ cứng đất nền đối với công trình nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất”[35] tuy nhiên nghiên cứu chỉ dừng lại ở công trình

có móng đơn, chưa giải quyết được sự tương tác của móng cọc

Luận văn của tác giả Phan Thị Hương(2006) “Ứng xử của đất nền và cọc có xét đến gia tốc động đất”[36] tuy nhiên nghiên cứu này chỉ dừng lại ở mức sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng và khảo sát mà chưa đi sâu vào xem xét tương tác giữa đất và cọc

Luận văn của tác giả Lương Minh Sang (2014) “Phân tích động lực học kết cấu chịu động đất có xét đến ảnh hưởng tương tác nền móng cọc” [37] Luận văn này chỉ xét đến móng cọc trong nền đất đồng nhất mà không xét tương tác qua nhiều lớp đất, chưa xét đến SSI của móng nông

Luận văn của tác giả Đặng Văn Út (2016) “Phân tích ứng xử động kết cấu khung phẳng chịu tải trọng đất có xét đến ứng xử của móng cọc” [38] Luận văn này nghiên cứu độ cứng động lực học theo phương ngang và phương xoay cũng như độ cứng theo phương đứng của nhóm cọc mà chưa nghiên cứu đến độ cứng xoắn của cọc và đài cọc Hơn nữa, đối với kết cấu bên trên, nghiên cứu chỉ xét đến mô hình shear frame (xem mỗi tầng là một bậc tự do)

Trên cơ sở tìm hiểu các tài liệu, bài báo và luận văn nghiên cứu trước đây, luận văn này nghiên cứu một cách đầy đủ hơn về SSI đó là tính toán độ cứng động lực học theo phương xoắn của móng cọc và sử dụng mô hình khung không gian để có thể xét đến ảnh hưởng của SSI lên kết cấu bên trên theo các phương

2.4 NỘI DUNG LUẬN VĂN

Nội dung luận văn bao gồm năm chương và phụ lục như sau:

Chương 1: Giới thiệu về tương tác giữa kết cấu và nền móng

Chương 2: Tổng quan

Trang 24

Chương 3: Cơ sở lý thuyết về SSI móng cọc trong môi trường một lớp đất Chương 4: Ví dụ tính toán

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Tài liệu tham khảo

Phụ lục: Tính toán chi tiết và mã nguồn chương trình MATLAB

Trang 25

Chương 3.Cơ sở lý thuyết - 11 -

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG

3.1.1 Khung không gian ngàm ở chân cột – FBB

Hình 3-1: Mô hình khung không gian ngàm ở chân cột Theo phương pháp phần tử hữu hạn [27] áp dụng cho khung không gian, một phần tử mẫu có dạng như sau:

Hình 3-2: Phần tử mẫu khung không gian tổng quát Xét phần tử dầm không gian với hệ trục địa phương xyz (x: Trục dầm, y và z là 2 trục chính của mặt cắt ngang)

z

L1y

Trang 26

Ma trận cứng phần tử của phần tử khung không gian [27] có dạng:

EJ L

Trong đó: E: Mô đun đàn hồi của vật liệu

F: Diện tích tiết diện ngang của phần tử

Trang 27

Ma trận khối lượng tương thích (Consistent mass matrix) của phần tử [27] có dạng:

JFL

L ,J : Chiều dài và mô men quán tính xoắn của phần tử xSau khi ghép nối các phần tử dầm và cột thành các ma trận khối lượng và ma trận độ cứng tổng thể, phương trình vi phân chuyển động dạng ma trận của kết cấu chịu tải trọng động đất có dạng:

Trong đó:

M: Ma trận khối lượng tổng thể của khung với chân cột ngàm

K: Độ cứng tổng thể của khung với chân cột ngàm

Trang 28

C: Ma trận cản của kết cấu được xác định theo phương pháp Rayleigh [1] như sau: Ca0Ma1K , với 1 2



 ddt

u : Véc tơ gia tốc nền của tải trọng động đất

3.1.2 Khung không gian có xét SSI

Hình 3-3: Mô hình khung không gian có xét SSI

mi

x y

z

Trang 29

- Ma trận độ cứng phần tử lò xo áp dụng cho khung không gian có dạng:

z

x y

k

kkk

Trang 30

01 01 01 02 02 02 01

12 12

01 01 02 02 02

mmmmmm

2

   

  Sau khi ghép nối các phần tử dầm, cột và lò xo vào ma trận khối lượng tổng thể, phương trình vi phân chuyển động của kết cấu chịu tải trọng động đất có dạng:

SSI SSI SSI  SSI g

Trang 31

 : là tỉ số cản và phụ thuộc vào vật liệu của kết cấu

1 và 2 lần luợt là tần số dao động riêng của kết cấu ở mode 1 và mode 2;



 ddt

mi

x y

z

Trang 32

Các dạng dao động của móng theo các phương theo [3], [4], [6] và [9] như sau:

Hình 3-5: a) Dao động theo phương ngang của móng; b) Dao động theo phương xoay của

x

Trang 33

Hình 3-7: Các thông số của móng cọc

Hệ số độ cứng động lực học theo phương ngang của móng cọc

- Hệ số độ cứng động lực học phương ngang của một nhóm cọc theo [3], [4], [6] và [9] được xác định như sau:

 

01 1 0

1

01 1 0

1

n g

n

L r r n g

n

L r r

kk

cc

Trang 34

L r : Hệ số tương tác nhóm cọc theo [7] được xác định từ Hình 3-8

- Hệ số độ cứng động lực học theo phương ngang của đài cọc theo [3], [4], [6] và [9] được xác định như sau:

 

0 2

s x pile cap x

s

cap cap cap

s s x pile pile cap x

Trang 35

pile

s : Khối lượng riêng của đất chứa cọc

np: Số cọc trong nhóm cọc (số cọc nằm trong một đài cọc)

0

ca p

r : Bán kính (mặt bằng) của đài cọc hình tròn (hoặc bán kính đài hình chữ

nhật được quy đổi 0

g cap 0

Trang 36

Hình 3-8: Giá trị L r  theo [7]

Trong đó:

Thông số S R S2  2Rp là khoảng cách giữa 2 tim cọc Hình 3-9

 là góc hợp bởi phương ngang và vị trí của cọc đang xét Hình 3-9

Trang 37

Hệ số độ cứng động lực học theo phương xoay (quanh trục x , y) của móng cọc

Hệ số độ cứng động lực học chuyển động xoay của một nhóm cọc theo [3], [4], [6]

và [9] được xác định như sau:

p p

n g

f f : Thông số độ cứng và hệ số giảm chấn dao động xoay phụ thuộc vào

hệ số poisson - ν của đất, tỉ số Ep /Gs và trong điều kiện

Trang 38

1 0



k , 1 0

f f : Thông số độ cứng và giảm chấn tương quan giữa dao động trượt và

dao động xoay, được xác định từ Bảng 3-2

Trang 39

1; 2

z z

f f : Thông số độ cứng và giảm chấn dao động theo phương đứng, được

xác định trong các biểu đồ Hình 3-10, Hình 3-11, Hình 3-12, Hình 3-13 theo [6]

Trang 40

Hình 3-11: Xác định fz2 theoLp rp vàE Ep spilecho cọc chịu mũi

Hình 3-12: Xác định fz1 theo Lp rp vàE Ep spilecho cọc chịu ma sát

Tiêu đề	Phân tích động lực học kết cấu khung không gian có xét đến sự tương tác giữa móng và đất nền
Tác giả	Nguyễn Hoàng Sơn
Người hướng dẫn	PGS. TS. Chu Quốc Thắng, PGS. TS. Bùi Công Thành
Trường học	Đại học Bách Khoa TP.HCM
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	139
Dung lượng	13,32 MB