Nghiên cứu dao động của nhà cao tầng dưới tác động của tải trọng động đất

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu áp dụng phương pháp lịch sử thời gian và phương pháp phổ phản ứng vào phân tích kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất.. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ PHỔ PHẢN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Xuân Toản

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 09 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

Ở nước ta hiện nay, việc tính toán động đất cho những công trình xây dựng dân dụng chưa được quan tâm đúng mức Tuy nhiên với những thảm họa động đất đã xảy ra trên thế giới và ở Việt Nam đã cho thấy rằng, để giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản do động đất gây ra thì bản thân công trình xây dựng phải được thiết kế chịu được động đất

và mỗi quốc gia đều phải có biện pháp phù hợp cho vấn đề này

Do đó việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu dao động của nhà cao

tầng dưới tác động của tải trọng động đất” là rất cần thiết, góp phần

làm rõ ảnh hưởng của tải trọng động đất tác dụng lên công trình nhà cao tầng Từ đó sẽ có biện pháp phù hợp để hạn chế tác động của động đất lên các công trình xây dựng

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu áp dụng phương pháp lịch sử thời gian và phương pháp phổ phản ứng vào phân tích kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất

Phân tích, đánh giá kết quả và khuyến cáo áp dụng khi phân tích động đất tác dụng lên nhà cao tầng

3 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu dao động của nhà cao tầng

chịu tải trọng động đất

Phạm vi nghiên cứu: Dao động của nhà cao tầng bằng kết cấu

bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu dao động của nhà cao tầng dưới tác động của tải trọng động đất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu luận văn có thể sử dụng:

- Tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành Xây dựng tại các trường Đại học, cao đẳng

- Tài liệu tham khảo cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật xây dựng

5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Luận văn gồm những nội dung chính như sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu dao động của nhà cao

tầng chịu động đất

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán dao động của nhà cao tầng

dưới tác động của tải trọng động đất

Chương 3: Phân tích dao động của nhà cao tầng dưới tác động

của tải trọng động đất

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

6 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU

Động đất và phân tích công trình chịu tác động của động đất là một chủ đề được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu Kết quả nghiên cứu động đất được thể hiện trong các công trình

nghiên cứu của các tác giả ngoài nước như: “Dynamics of Structures:

Theory and Applications to Earthquake Engineering - Anil K Chopra (1995)”; “Earthquake-resistant concrete structures - Penelis, G.G and Kappos, A.J (1997)” Bên cạnh đó mỗi nước đều ban hành các Tiêu

chuẩn tính động đất riêng xuất phát từ chiến lược phát triển kinh tế xã hội cũng như cơ sở vật chất kỹ thuật của nước mình

Tại Việt Nam, nghiên cứu động đất được Viện Vật lý địa cầu thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia tiến hành

Hệ thống các thông số cơ bản của động đất, mục lục động đất ở Việt Nam, quy luật cơ bản về tính động đất đã được nghiên cứu và khái quát

trong các công trình: “Nghiên cứu dự báo động đất và dao động nền ở

Việt Nam”; “Động đất trên lãnh thổ Việt Nam – Nguyễn Đình Xuyên

năm 1985” Năm 2006, Bộ Xây dựng ban hành Tiêu chuẩn thiết kế

động đất TCXDVN 375:2006 trên cơ sở chấp nhận Eurocode 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT 1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG ĐẤT

1.1.1 Định nghĩa, nguyên nhân và đặc điểm

a Định nghĩa

Động đất là một sự rung chuyển hay chuyển động lung lay của mặt đất do sự lan tỏa năng lượng từ một điểm nhất định nằm sâu trong lòng đất Động đất thường là kết quả sự chuyển động của các phay

(geologic fault) hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ của Trái đất hoặc

các hành tinh cấu tạo chủ yếu từ chất rắn như đất đá, … [20]

ở chấn tâm rồi giảm dần theo khoảng cách chấn tâm, và phụ thuộc vào điểm quan sát [3]

thể trên cơ sở gia tốc nền (acceleration) do chấn động gây ra

Năm 1931, hai nhà địa chấn học H.O.Wood và F.Neumann xây

dựng Thang Mercalli hiệu chỉnh (Modified Mercalli Scale) phân chia

cường độ chấn động thành 12 cấp

Năm 1956, Richter hiệu chỉnh khoảng gia tốc cực đại của Thang Mercalli hiệu chỉnh thành thang cường độ chính thức áp dụng rộng rãi ngày nay

Năm 1964, ba nhà khoa học Medvedev, Sponhahure và Karnic

đề xuất thang MSK-64, đây là thang cường độ được UNESCO kiến nghị và được sử dụng rộng rãi tại các nước Châu Âu

c Thang độ lớn động đất

* Thang Richter (hay còn gọi là thang độ lớn địa phương)

Theo định nghĩa của Richter, độ lớn M của một trận động đất được xác định như sau: M = logA - logA0 (1.1)

Trong đó:

- A : Biên độ max của trận động đất đang xét do địa chấn kế

- A0: Biên độ max của trận động đất chuẩn có cùng chấn tâm

* Thang cường độ động đất theo đặc trưng của sóng

1.1.4 Đặc tính của chuyển động nền trong động đất

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐỐI VỚI CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

1.2.1 Tác động của động đất lên công trình

1.2.2 Ứng xử của kết cấu khung BTCT khi chịu động đất 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

2.1.4 Phân tích động đất trong thiết kế nhà cao tầng

a Phương pháp đơn phổ (phương pháp lực tĩnh ngang tương đương)

b Phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động

c Phương pháp lịch sử thời gian

2.2 PHƯƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG CỦA HỆ CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

2.2.1 Mô hình bài toán động

2.2.2 Hệ một bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất 2.2.3 Hệ nhiều bậc tự do (MDOF) chịu tác dụng của động đất

a Phương trình chuyển động của hệ MDOF chịu động đất

b Dao động tự do của hệ MDOF

c Mô hình cản trong hệ nhiều bậc tự do MDOF

d Dao động cưỡng bức của hệ MDOF chịu động đất

2.3 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ PHỔ PHẢN ỨNG ĐỘNG ĐẤT

Phổ phản ứng của một trận động đất là một đồ thị mà tung độ của nó biểu diễn biên độ lớn nhất của một trong các thông số phản ứng (chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc tương đối) của hệ kết cấu theo chu kỳ

dao động tự nhiên và độc lập với lịch sử chuyển động của kết cấu theo thời gian

2.3.1 Phổ phản ứng đàn hồi

a Các bước xác định phổ phản ứng đàn hồi

b Phổ phản ứng đàn hồi theo TCXDVN 375:2006

* Với các thành phần nằm ngang của tác động động đất

Phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang Se(T) được xác định

T : Chu kỳ dao động của hệ tuyến tính một bậc tự do;

ag : Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A (ag = I agR);

= 1 : Hệ số điều chỉnh độ cản (độ cản nhớt 5%);

TB:Giới hạn dưới của chu kỳ (đoạn nằm ngang của phổ phản ứng)

TC: Giới hạn trên của chu kỳ (đoạn nằm ngang của phổ phản ứng)

TD: Giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển không đổi trong phổ phản ứng;

Từ tích phân Duhamel ta dễ dàng xác định phổ phản ứng chuyển vị, phổ phản ứng vận tốc, phổ phản ứng gia tốc:

2 ax

a d m

S

u S ;

ax

a d m

b Đối với hệ nhiều bậc tự do và phương pháp đa phổ

Phương trình chuyển động của hệ nhiều bậc tự do (MDOF) chịu tác dụng của tải trọng động đất:

m u t c u t k u t m u t (2.7) Trong đó:

m c k là ma trận khối lượng, ma trận cản và ma trận độ cứng của hệ

( ) ; ( ) ; ( ) :

u t u t u t là ma trận gia tốc, ma trận vận tốc và ma trận chuyển vị của hệ

Phương trình vi phân tại dạng dao động thứ n trong hệ tọa độ chuẩn (n= 1, 2, …, N)

N

m mn m

m mn m

m

m

(2.50)

n n

c

m : Hệ số cản dao động của dạng dao động thứ n; Đây là phương trình vi phân tuyến tính tương tự đối với hệ một bậc tự do (SDOF) Phổ gia tốc của ( )Y t n sẽ được xác định:

1 ax

2 1

N

m mn m

m mn m

N

mn m mn m

m mn m

2 1

N

m mn m

n N

m mn m

m M

M ; Wn : Được gọi là khối lượng và trọng lượng hữu hiệu của

hệ tương ứng với dạng dao động thứ n

Do tính chất trực giao của các dạng dao động nên ta có khối lượng và trọng lượng toàn bộ hệ: *

* Cách 1: Tổ hợp tổng các giá trị tuyệt đối hay thường gọi là

phương pháp ABSSUM (the Absolute Sumofmodalconbination rule):

* Cách 2: Phương pháp lấy căn bậc hai các tổng bình phương

hay còn gọi là phương pháp SRSS (the Square-Root-of-Sum-of-Squares rules) sử dụng khi phản ứng của hai dạng dao động n và m độc lập với

2.4.2 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương (SEM)

a Cơ sở phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

b Cơ sở lý thuyết tính toán

c Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo TCXDVN 375:2006

2.4.3 Phương pháp phân tích động đất theo lịch sử thời gian

Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian cho phép xác định được toàn bộ quá trình phản ứng của hệ kết cấu dưới tác động của tải trọng động đất Phương pháp này dựa trên cơ sở các biểu đồ gia tốc nền động đất có sẵn theo hàm thời gian Có hai cách tính toán:

- Tích phân phương trình dao động của các dạng dao động

hay còn gọi là phương pháp tích phân dạng dao động (Modal)

- Tích phân trực tiếp phương trình dao động tổng thể

(Direct Integration)

a Phương pháp tích phân các dạng dao động (Madal)

Phương trình chuyển động tổng quát của hệ N tầng:

m u t c u t k u t m u t (2.75) Phương trình chuyển động của hệ N tầng trong hệ tọa độ chuẩn ứng với dạng dao động thứ n:

N T

1

t

t n

Lực ngang tác dụng tại từng tầng thứ j do dạng dao động thứ n gây ra:

2

( ) 0

t N

V t V t ; 0 0

1

N n n

ba giản đồ gia tốc tác động đồng thời Không sử dụng đồng thời cùng một giản đồ gia tốc cho cả hai phương nằm ngang

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Luận văn trình bày kết quả tính toán cho công trình bằng kết cấu BTCT cao 15 tầng tại Thành phố Đà Nẵng; có mặt bằng kết cấu tầng điển hình như Hình 3.1

Hình 3.1: Sơ đồ kết cấu tầng điển hình (tầng 1-15)

3.1.1 Số liệu phân tích

Vật liệu: Bêtông cốt thép; sử dụng bêtông cấp bền B25

Chiều cao mỗi tầng: ht= 3,3 (m); khoảng cách từ dầm móng (đà kiềng) đến mặt móng 1,5 (m)

a Tĩnh tải do trọng lượng bản thân kết cấu: Sàn, dầm, cột,

vách, … khai báo để phần mềm ETABS v9.2 tự tính

b Tĩnh tải các lớp cấu tạo sàn: gtt= 1,1 (kN/m2)

c Tĩnh tải do tường xây trên dầm: g t 11, 48 (kN/m)

d Hoạt tải sàn: S1 (ptt

= 2,4 kN/m2); S2 (ptt= 3,6 kN/m2)

3.1.2 Các trường hợp phân tích

a Trường hợp 1

Phân tích động đất theo phương pháp lịch sử thời gian và đánh

giá ảnh hưởng của các đặc trưng gia tốc nền đất: gia tốc đỉnh; thời gian

kéo dài rung động mạnh đến kết cấu công trình khi chịu động đất

b Trường hợp 2

Phân tích động đất theo phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động để đánh giá ảnh hưởng của các loại đất nền đến kết cấu công trình khi chịu động đất

3.2.1 Mô hình kết cấu trong Etabs v9.2.0

Hình 3.2: Mô hình kết cấu công trình trong ETABS v9.2

a Định nghĩa, khai báo (Define) các thuộc tính của hệ

b Gán (Assign) các thuộc tính cho hệ kết cấu

3.2.2 Trường hợp 1: Phân tích động đất theo phương pháp lịch

sử thời gian (Time History)

a Khai báo biểu đồ gia tốc nền

Hình 3.8: Biểu đồ gia tốc nền trận

động đất Elcentro (phương X)

Hình 3.9: Biểu đồ gia tốc nền trận động đất Altadena (phương X)

Hình 3.13: Khai báo động đất Elcentro2 (phương X)

c Phân tích và xem kết quả các trường hợp phân tích động đất đối với khung K6

3.2.3 Trường hợp 2: Phân tích động đất theo phương pháp phổ phản ứng (Response Spectrum) đối với các loại nền đất A, B, C, D, E theo TCXDVN 375:2006

a Khai báo đường phổ phản ứng đàn hồi

Xây dựng phổ phản ứng đàn hồi ứng với 5 loại đất nền A, B, C,

D, E theo TCXDVN 375:2006; gia tốc nền lấy bằng với gia tốc nền cực đại trận động đất Elcentro (agR = 0,3129.9,81= 3,0696 m/s2)

b Khai báo trường hợp phân tích (Analysic Cases)

c Phân tích và xem kết quả động đất tác dụng lên khung K6

Hình 3.23: Lực cắt tầng 1 khung K6 khi phân tích với các loại nền đất

Hình 3.24: Momen tầng 1 khung K6 khi phân tích với các loại nền đất

3.2.4 Trường hợp 3: Phân tích động đất theo phương pháp phổ đối với nền đất loại A ứng với các cấp động đất từ V đến IX (thang MSK-64)

a Khai báo đường phổ phản ứng đàn hồi

Xây dựng phổ phản ứng đàn hồi ứng với đất nền loại A theo TCXDVN 375:2006; với gia tốc nền thiết kế lấy ứng với cấp động đất

từ V đến IX (thang MSK-64)

b Khai báo trường hợp phân tích (Analysic Cases)

c Phân tích và xem kết quả các trường hợp phân tích động đất khung K6

Hình 3.29: Lực cắt tầng 1 khung K6 khi phân tích các cấp động đất từ V đến IX

Hình 3.30: Momen tầng 1 khung K6 khi phân tích các cấp động đất từ V đến IX

3.3 TỔNG HỢP KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

3.3.1 Trường hợp 1

a Tổ hợp chuyển vị khung K6 (theo phương X)

Hình 3.31: Chuyển vị khung K6 khi xét Elcentro1, Altadena và Elcentro2

b Tổ hợp nội lực cột khung K6 (theo phương X)

c Tổ hợp nội lực dầm khung K6 (theo phương X)

Hình 3.32: Lực cắt chân cột A khung K6

khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2

Hình 3.33: Momen chân cột A khung K6 khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2

Hình 3.34: Lực cắt gối dầm AB khung K6

khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2

Hình 3.35: Momen gối dầm AB khung K6 khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2

2 So sánh trường hợp Altadena và Elcentro2 có cùng gia tốc cực đại (agR= 438,913 cm/s2) nhận thấy hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu phụ thuộc rất lớn vào sự duy trì tần số và thời gian kéo dài của rung động mạnh

b Tổ hợp nội lực cột khung K6 (theo phương X)

2 Nền đất dưới đáy công trình có ảnh hưởng rất lớn đến tác động động đất lên công trình Hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu khi xét các loại đất nền khác nhau A, B, C, D, E theo TCXDVN 375:2006 có kết quả chênh lệch đến 170%

Hình 3.38: Lực cắt cột A khung K6 khi

phân tích động đất với các loại nền đất

Hình 3.39: Momen cột A khung K6 khi phân tích động đất với các loại nền đất

3.3.3 Trường hợp 3:

a Tổ hợp chuyển vị khung K6 (theo phương X)

Hình 3.41: Chuyển vị khung K6 khi phân tích động đất từ cấp V đến IX

b Tổ hợp nội lực cột khung K6 (theo phương X)

Hình 3.42: Lực cắt cột A khung K6 khi

phân tích động đất từ cấp V đến IX

Hình 3.43: Momen cột A khung K6 khi phân tích động đất từ cấp V đến IX

KẾT LUẬN

Luận văn đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp phổ phản ứng

và phương pháp lịch sử thời gian vào phân tích dao động của nhà cao tầng chịu tải trọng động đất có xét đến các đặc trưng của gia tốc nền (thời gian, gia tốc cực đại trận động đất khác nhau) và xét đến các loại đất nền khác nhau Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn ta có thể rút

ra một số kết luận như sau:

- Hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu phụ thuộc vào gia tốc cực đại (PGA) của trận động đất Khi gia tốc cực đại của trận động đất càng lớn (tăng 43%) thì hệ quả động đất tác động lên kết cấu càng tăng (chuyển vị, nội lực trận động đất Elcentro2 tăng 47% so với trận động đất Elcentro1)

- Hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu không những phụ thuộc vào giá trị gia tốc cực đại của trận động đất tại một thời điểm (PGA) mà còn phụ thuộc rất lớn vào thời gian kéo dài rung động mạnh của trận động đất đó Ta thấy thời gian kéo dài rung động mạnh của trận động đất Elcentro2 lớn hơn nhiều so với trận động đất Altadena nên kết quả phân tích hai trận động đất chênh lệch rất lớn (chuyển vị tăng 475%, nội lực tăng đến 320%)

- Nền đất dưới đáy công trình có ảnh hưởng rất lớn đến tác động của động đất lên kết cấu công trình Nền đất thuộc loại đá, đất rời trạng thái chặt, đất sét ở trạng thái cứng có chiều dày lớn sẽ chịu ảnh hưởng của động đất nhỏ hơn so với nền đất ở trạng thái xốp (chặt vừa) hoặc đất dính ở trạng thái mềm (chặt vừa) Hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu khi phân tích với các loại nền đất khác nhau cho kết quả chênh lệch đến 170%

- Kết quả phân tích động đất theo phương pháp lịch sử thời gian

và phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động trên nền đất loại A theo Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 có kết quả chênh lệch lớn nhất 15%