PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NHÀ NHIỀU TẦNG SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC VỚI NỀN ĐẤT

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ở Việt Nam trong những năm gần đây cũng xảy ra một số trận động đất, ví dụ trận động đất 5,3 độ Richter xảy ra ở Lai Châu vào ngày 19/02/2001 hay các trận dư chấn mạnh 5 độ Richter do trận động đất tại Tứ Xuyên (Trung Quốc) gây ra vào năm 2008 gây thiệt hại không nhỏ cho về tài sản và gây hư hỏng cho hàng loạt các công trình xây dựng. Các kết quả nghiên cứu về công trình chịu tác động của động đất thường bỏ qua ảnh hưởng điều kiện đất nền đến khả năng chịu lực của công trình và giả thiết công trình ngàm cứng tại vị trí ranh giới giữa công trình và nền đất. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu gần đây chỉ ra sự cần thiết của việc nghiên cứu của điều kiện đất nền đến sự ổn định của kết cấu do hiệu ứng SSI có xu hướng kéo dài chu kỳ tự nhiên của hệ đất nền- kết cấu và ảnh hưởng trực tiếp đến nội lực cũng như chuyển vị của kết cấu. Vì vậy, yếu tố tương tác giữa đất nền và kết cấu cần phải được nghiên cứu một cách kỹ lưỡng hơn trong việc phân tích kết cấu chịu tác động của động đất.

Trước tình hình trên, tác giả muốn tìm hiểu rõ hơn về việc thiết kế giảm chấn cho công trình đồng thời đánh giá ứng xử của công trình nhà nhiều tầng khi sử dụng gối cách chấn chịu tải trọng động đất và có xét đến tương tác với nền đất.

1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Thiết kế gối cách chấn dùng cho công trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất

Mô phỏng và đánh giá ứng xử của công trình có sử dụng gối cách chấn khi chịu tải trọng động đất và có xét đến sự tương tác với nền đất .

1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Nhà nhiều tầng BTCT chịu tải trọng động đất. Phạm vi nghiên cứu: Công trình sử dụng gối cách chấn đàn hồi có xét đến tương tác đồng thời giữa kết cấu và nền đất.

1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết: Thu thập và biên dịch các tài liệu về tính toán thiết kế công trình chịu động đất, tính toán thiết kế gối cách chấn đàn hồi và các mô hình tính toán công trình có xét đến tương tác giữa kết cấu và nền đất .

Mô phỏng : Sử dụng phần mềm Matlab, Midas để phân tích ứng xử của công trình theo lịch sử thời gian.

1. BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận và kiến nghị, luận văn còn có các chương sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán và mô phỏng phản ứng của công trình có sử dụng gối cách chấn đàn hồi dưới tác dụng của động đất xét đến tương tác với nền đất.

Chương 3: Ví dụ phân tích ứng xử nhà nhiều tầng sử dụng gối cách chấn không xét và có xét đến tương tác với nền đất

TỔNG QUAN

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM CHẤN

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ GỐI CÁCH CHẤN ĐÀN HỒI

Tình hình nghiên cứu về giải pháp cách chấn đáy trên thế giới

Tình hình nghiên cứu về giải pháp cách chấn đáy trong nước

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC ĐỒNG THỜI KẾT CẤU VÀ NỀN ĐẤT

Tương tác giữa nền đất- kết cấu

Tình hình nghiên cứu về tương tác nền đất- kết cấu

1. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Thiết kế công trình chống động đất là một nhiệm vụ và là một thử thách lớn cho các nhà thiết kế kết cấu xây dựng. Thiết kế kháng chấn phải đảm bảo các mục đích: công trình xây dựng đảm bảo đủ khả năng chịu lực, không chịu hư hại về kết cấu cũng như hư hỏng về thiết bị đồ đạc sử dụng trong công trình, tồn tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động đất.

Việc sử dụng gối cách chấn đàn hồi cho công trình là một trong những biện pháp mang lại hiệu quả trong việc giảm tác động của động đất lên công trình. Tính tới nay, đã có nhiều công trình trên thế giới đã sử dụng loại gối này trong thiết kế kháng chấn.

Hiệu ứng tương tác nền đất- kết cấu là một hiệu ứng quan trọng. Nó ảnh hưởng đến ứng xử của công trình nhà nhiều tầng khi chịu tại trọng động đất. Việc xem xét hiệu ứng này khi phân tích thiết kế là điều cần thiết, cần được xem xét, đặc biệt là đối với các công trình nhà nhiều tầng có sử dụng gối cách chấn khi chịu tải trọng động đất.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT, MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
VÀ MÔ PHỎNG PHẢN ỨNG CỦA CÔNG TRÌNH
CÓ SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN DƯỚİ TÁC DỤNG
CỦA ĐỘNG ĐẤT XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC VỚİ NỀN ĐẤT

GỐI CÁCH CHẤN ĐÀN HỒI

Cấu tạo gối cách chấn đàn hồi

Nguyên lý làm việc của gối đàn hồi

Gối đàn hồi được đặt giữa hai mặt cách chấn (dưới kết cấu bên trên và trên kết cấu móng), chịu lực theo phương thẳng đứng và có tác dụng ngăn cách tải trọng động đất tác dụng trực tiếp ngay tại thời điểm truyền tới công trình. Dịch chuyển của nền đất làm cho gối đàn hồi bị biến dạng, nhờ có ma sát trong các lớp cấu tạo mà một phần năng lượng của động đất bị hấp thụ và tác động vào công trình sẽ nhỏ đi.

Tính toán thiết kế gối cách chấn [32]

Mô hình ứng xử của gối đàn hồi chịu kích động động đất

Thiết bị cách chấn nghiên cứu trong chương này là một loại gối đàn hồi dạng trụ với đặc trưng cơ học của vật liệu là phi tuyến theo mô hình phi tuyến Bouc-Wen.

Hình 2.1. Mô hình ứng xử trễ của gối cách chấn

Công thức toán học:

Lực phục hồi:

Trong đó: ε: là tỉ số giữa độ cứng sau chảy dẻo (K₂) và trước chảy dẻo (K_e); D_y: biến dạng tương ứng tại thời điểm chảy dẻo; u_sb(t): biến dạng của gối; Z: hệ số chuyển vị trễ xác định theo công thức sau, với điều kiện ban đầu là .

Với: γ và β và các tham số hình dạng của vòng trễ.

Hình 2.2. Mô hình trễ Bouc-Wen (γ = β=0.5)

Mô hình tính toán hệ kết cấu có gắn gối cách chấn đàn hồi

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO LỊCH SỬ THỜI GIAN.

LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP SỐ CHO NGHIÊN CỨU

Phương pháp Newmark

Phương pháp Runge-Kutta

MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC GIỮA NỀN ĐẤT – KẾT CẤU

Trường hợp móng cứng

Hình 2.3. Mô hình tương tác kết cấu- nền đất theo Gazetas

Trên hình 2-7, độ cứng ngang, độ cứng đứng và độ cứng xoay của trường hợp móng chìm trong đất (embedded foundation) được tính toán theo công thức cho bởi Gazetas G. (1991) :

Trong đó: K_y, K_z và K_rx là độ cứng ngang, độ cứng đứng và độ cứng xoay của trường hợp móng không chìm trong đất (surface foundation). D: Chiều sâu chôn móng. d: chiều sâu tiếp xúc giữa móng và đất. h=D-0,5d B,L: một nửa bề rộng và chiều dài móng. I_bx: Momen quán tính của tiết diện đáy móng đối với trục x. A_: diện tích mặt bên tiếp xúc với đất của móng. A_b: diện tích đáy móng. a₀= B/Vs. Với : tần số góc của sóng động đất. V_s: vật tốc truyền sóng cắt của đất. : là hệ số độ cứng động theo phương ngang. Được tra theo a₀ và tỉ số B/L. : là hệ số độ cứng động theo phương đứng. Được tra theo a₀ ,υ và tỉ số B/L.

Độ cản ngang, độ cản đứng và độ cản xoay của trường hợp móng chìm trong đất (embedded foundation) được tính toán theo công thức cho bởi Gazetas G. (1991) như sau:

Trong đó: C_y ,và C_rxlà độ cản ngang độ cản đứng và độ cứng xoay của trường hợp móng không chìm trong đất (surface foundation). ,và là hệ số điều chỉnh độ cản của móng không chìm trong đất (surface foundation). Được tra theo a₀ và tỉ số L/B.

Trường hợp móng mềm

Hình 2.4. Mô hình tương tác nền đất- kết cấu theo Harden và Hutchinson

Trên hình 2.14, độ cứng lò xo và độ cản nhớt đơn vị được xác định theo (2.49):

: Độ cứng theo phương đứng trường hợp móng chìm trong đất (embedded foundation) xác định theo công thức của Gazetas G (1991).

R_krx: Hệ số điều chỉnh độ cứng cho trường hợp móng mềm.

R_crx: Hệ số điều chỉnh độ cản cho trường hợp móng mềm.

Với: Re là hệ số chiều dài vùng biên. Lấy khoảng 0,3-0,5 chiều dài dải móng.

KẾT LUẬN CHƯƠNG

Sau khi tìm hiểu và nghiên cứu về các mô hình mô phỏng ứng xử của gối cách chấn đàn hồi cũng như các mô hình mô phỏng hiệu ứng tương tác giữa nền đất- kết cấu, ta đã có cơ sở để chọn một mô hình phù hợp để mô phỏng phản ứng của công trình nhà nhiều tầng sử dụng gối cách chấn chịu tải trọng động đất. Đồng thời, với sự hỗ trợ của máy tính và phương pháp số, ta có thể dễ dàng giải được các phương trình vi phân chuyển động phức tạp. Từ đó có thể tính toán và biết được ứng xử cụ thể của công trình tải một thời điểm nhất định trong quá trình xảy ra động đất.

VÍ DỤ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NHÀ NHIỀU TẦNG
SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN KHI KHÔNG XÉT VÀ CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC VỚI NỀN ĐẤT

Áp dụng phân tích ứng xử cho công trình nhà nhiều tầng BTCT có sử dụng gối cách chấn chịu động của động đất theo các số liệu như sau:

Công trình: Số tầng: n= 9 tầng. Chiều cao tầng: h = 3,9m. Chiều cao nhà: H=35,1 m. Nhịp: 3 nhịp x7m =21m. Bước: 12 bước x7m =84m. Kết cấu: BT cấp bền B25. Cột: bxh= 70×70 cm. Dầm: bxh= 30×60 cm. Sàn: s =150 mm. Móng bè: d=350mm. Gia tốc nền: Tính toán với trận động đất: Sylmar Northridge -Los Angeles , 1994.

Hình 3.1. Các kích thước chính của công trình

THIẾT KẾ GỐI CÁCH CHẤN

Loại gối cách chấn đàn hồi được chọn ở đây là loại gối cao su có độ cản cao (HDBR: High- Damping rubber bearing) tiết diện tròn. Gối được đặt ở mỗi chân cột, ngay trên mặt móng.

• Số lượng gối dùng cho mỗi khung. n_b= 4 gối.
• Số lượng toàn bộ gối dùng cho công trình: ∑n_b= 52 gối.

Sau khi tính toán ta chọn được gối HDBR có các kích thước hình học như sau:

Bảng 3.1. Kích thước hình học của gối HDBR

Các thông số cơ học của gối khi phân thích theo mô hình ứng xử Bouc-Wen:

Độ cứng ngang của gối trong giai đoạn dẻo:

Độ cứng ngang của gối trong giai đoạn đàn hồi:

Chuyển vị tương ứng với thời điểm chảy dẻo của cao su:

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN BẰNG MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN

Mô hình phân tích

Đối với trường hợp ngàm cứng

Đối với trường hợp hệ có gối cách chấn

Kết quả phân tích

Chuyển vị của các tầng

Hình 3.2. Chuyển vị tương đối của các tầng

Chuyển vị tương đối giữa các tầng

Hình 3.3. Chuyển vị tương đối giữa các tầng

Lực cắt tầng

Hình 3.4. Lực cắt tầng

Ứng xử của gối cách chấn

Nhận xét

Qua phân tích, ta thấy việc sử dụng gối cách chấn đàn hồi HDBR giúp giảm đáng kể chuyển vị đỉnh và lực cắt tầng của công trình nhà nhiều tầng khi chịu tải trọng động đất. Cụ thể là chuyển vị đỉnh trong trường hợp phân tích đối với nhà chín tầng, kết cấu khung BTCT giảm 16,5% và lực cắt tầng giảm gần 70%.

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN BẰNG MÔ HÌNH KẾT CẤU THỰC

Mô hình phân tích

1. b)

Hình 3.5. Mô hình phân tích

a) Trường hợp ngàm cứng. b) Trường hợp có sử dụng gối cách chấn.

Mô hình phân tích trong Midas là mô hình với kích thước thực của công trình với khối lượng quy về các nút khung. Độ cứng của gối cách chấn là độ cứng của mỗi gối cách chấn đã tính toán ở mục 3.1.

Khối lượng quy về các nút giữa và các nút biên của các tầng:

• Nút giữa: .
• Nút giữa: .

Kết quả phân tích

Chuyển vị của các tầng

Hình 3.6. Chuyển vị tương đối của các tầng

Gia tốc tuyệt đối của các tầng

Hình 3.9. Lực cắt tầng (cột giữa)

Lực cắt tầng (cột giữa)

Hình 3.7. Lực cắt tầng (cột giữa)

Ứng xử của gối cách chấn

Nhận xét

Qua phân tích bằng phần mềm MIDAS với mô hình kết cấu khung của công trình nhà nhiều tầng sử dụng gối cách chấn đàn hồi HDBR chịu tải trọng động đất. Ta thấy:

• Chuyển vị đỉnh của công trình giảm khoảng 1,5%.
• Lực cắt tầng (đối với cột giữa) giảm từ 6,5% đến 44 %.
• Gia tốc tuyệt đối của các tầng giảm từ 35% đến 55%.

Khi so sánh kết quả phân tích giữa hai mô hình đơn giản (mục 3.2) và mô hình kết cấu thực, ta thấy kết quả là có sai lệch. Điều này là do khi phân tích theo mô hình kết cấu thực thì các biến dạng của dọc cột, biến dạng của dầm được kể đến. Vì vậy các kết quả khi phân tích theo mô hình này là chính xác hơn.

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC VỚI NỀN ĐẤT

Mô hình phân tích

a) b)

Hình 3.8. Mô hình phân tích kết cấu có xét tương tác với nền đất

a) Mô hình lý thuyết b) Mô hình phân tích trong MIDAS

Vì công trình sử dụng móng bè nên tác giả chọn mô hình tương tác kết cấu-đất nền để phân tích là là mô hình dùng cho móng mềm của Harden và Hutchison [34] như hình (3.12).

Phân tích cho các trường hợp nền đất khác nhau như sau:

• Trường hợp 1: Nền đất loại B (có vận tốc truyền sóng cắt Vs=500m/s)
• Trường hợp 2: Nền đất loại C (có vận tốc truyền sóng cắt Vs=250m/s)
• Trường hợp 3: Nền đất loại D (có vận tốc truyền sóng cắt Vs=170m/s)
• Trường hợp 4: Nền đất loại E (có vận tốc truyền sóng cắt Vs=100m/s)

Kết quả phân tích

Chuyển vị của các tầng

Hình 3.9. Chuyển vị tương đối của các tầng

Gia tốc tuyệt đối của các tầng

Hình 3.10. Gia tốc tuyệt đối của các tầng

Lực cắt tầng (cột giữa)

Hình 3.11. Lực cắt tầng

Nhận xét

Khi xét tới hiệu ứng tương tác nền đất-kết cấu, chuyển vị đỉnh của công trình nhà nhiều tầng khi chịu tải trọng động đất giảm từ 0,7% đối với nền đất tốt (loại B) đến 8,5% đối với nền đất yếu (loại E). Gia tốc tuyệt đối tại một số vị trí của công trình có thể thay đổi, tăng đến 40% và giảm đến 22%. Lực cắt tầng (đối với cột giữa) cũng biến thiên khoảng 20% khi có xét đến tương tác nền đất-kết cấu. Sự biến thiên này là lớn nhất là trong trường hợp nền đất là nền đất yếu (loại E).

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận

Qua phân tích ứng xử công trình đối với nhà BTCT chín tầng chịu tải trọng động đất sử dụng gối cách chấn HDBR khi không xét và có xét đến tương tác với nền đất, tác giả rút ra một số kết luận như sau:

• Gối cách chấn có hiệu quả cao trong việc giảm tác động của động đất đối với công trình nhà nhiều tầng. Lực cắt tầng (đối với cột giữa) giảm từ 6,5% đến 44%. Gia tốc tuyệt đối của các tầng giảm đáng kể từ 35% đến 55%. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với các công trình có chứa các thiết bị quan trọng, nhạy cảm gia tốc khi chịu động đất. Ví dụ: các nhà máy điện hạt nhân, bệnh viện, viện bảo tàng…
• Khi xét tới hiệu ứng tương tác nền đất-kết cấu, ứng xử của công trình nhà nhiều tầng khi chịu động đất có sự thay đổi đáng kể. Chuyển vị đỉnh của công trình nhà nhiều tầng khi chịu tải trọng động đất có xu hướng giảm, cụ thể là giảm từ 0,7% đối với nền đất tốt (loại B) đến 8,5% đối với nền đất yếu (loại E). Tại một số vị trí của công trình, gia tốc tuyệt đối có thể tăng tới gần 40% và lực cắt tầng (đối với cột giữa) có thể tăng tới hơn 20% gây bất lợi về yêu cầu sử dụng cũng như khả năng chịu lực của công trình. Vì vậy, việc xem xét hiệu ứng tương tác nền đất-kết cấu khi thiết kế công trình nhà cao tầng chịu động đất là cần thiết, đặc biệt khi công trình được xây dựng trên nền đất yếu.

2. Kiến nghị

Trên thực tế, còn nhiều loại gối cách chấn và nhiều giải pháp giảm chấn khác đang được sử dụng. Vì vậy, cần phải có thêm nhiều nghiên cứu để tìm ra giải pháp giảm chấn thích hợp nhất dùng cho công trình nhà nhiều tầng.

Khi xét đến hiệu ứng tương tác giữa nền đất-kết cấu. Tác giả chỉ mới sử dụng một mô hình để mô phỏng. Vì vậy, có thể nghiên cứu và dùng thêm nhiều mô hình khác nữa để phân tích và so sánh.

Phạm vi nghiên cứu của tác giả chỉ dừng lại ở kết cấu khung BTCT có chín tầng. Vì vậy, cần nghiên cứu thêm các trường hợp công trình có dạng kết cấu khác cũng như có số tầng thay đổi để có kết luận cụ thể và chính xác hơn.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LY LUAN VA PHUONG PHAP DẠY HOC VAT LY\XAY DUNG CONG TRINH DD&DN\DUONG THANH HUYEN