Nghiên cứu ảnh hưởng độ lệch tim trục cột đến phản ứng phi tuyến nhà cao tầng chịu động đất luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ LỆCH TIM TRỤC CỘT ĐẾN PHẢN ỨNG PHI TUYẾN NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG Đồng Nai, năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ LỆCH TIM TRỤC CỘT ĐẾN PHẢN ỨNG PHI TUYẾN NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG Đồng Nai, năm 2020 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơng trình với đề tài “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ LỆCH TIM TRỤC CỘT ĐẾN PHẢN ỨNG PHI TUYẾN NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT” kết cuả trình cố gắng không ngừng thân giúp đỡ, động viên khích lệ q thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp, người thân giúp đỡ thời gian học tập – nghiên cứu vừa qua Qua trang viết tơi xin tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc Thầy hướng dẫn TS trực tiếp tận tình hướng dẫn, dạy bảo để tơi hoàn thành luận văn cách suất sắc Một lần nữa, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại Học Lạc Hồng, Khoa Sau Đại Học, Khoa Kỹ Thuật Cơng Trình, tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu khoa học Đồng Nai, ngày 07 tháng 12 năm 2020 Tác giả LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết luận văn trung thực chưa cơng bố tạp chí khoa học cơng trình khác Các thơng tin số liệu luận văn có nguồn gốc ghi rõ ràng./ Đồng Nai, ngày 07 tháng 12 năm 2020 Tác giả TÓM TẮT LUẬN VĂN Nghiên cứu ảnh hưởng độ lệch tim trục cột đến phản ứng phi tuyến nhà cao tầng chịu động đất theo tiêu chuẩn thiết kế hành, từ đưa nhận định cụ thể việc đánh giá mức độ ảnh hưởng độ lệch tim trục cột đến khả chịu động đất cơng trình Đề tài xây dựng hai mơ hình cột chịu lực tim trục cột lệch tim trục chịu động đất, sử dụng phần mềm SAP 2000 xây dựng tính tốn giá trị chuyển vị, độ lệch tầng, nội lực sinh cột, hình thành khớp dẻo cho hai trường hợp - Kết phân tích cho thấy chênh lệch chuyển vị ngang độ lệch tầng tầng 02 trường hợp mô cột tâm lệch tâm gần không đáng kể giá trị chênh lệch khoảng 5% - Moment cột biên Trục 5-D 02 trường hợp có khác biệt vị trí đỉnh cột tầng 5, 10 chân cột tầng 6, 11 Khu vực này, trường hợp lệch tâm, moment cột có bước nhảy, lớn trường hợp tâm có giá trị chênh lệch từ 200% đến 500% - Sự khác trường hợp có khơng kể đến độ lệch tim trục cột ảnh hưởng đến phản ứng phi tuyến nhà cao tầng chịu động đất Kết phân tích cho thấy, vị trí cột bị lệch tim có mơ có xuất vị trí khớp dẻo nhiều so với mơ hình tâm MỤC LỤC Trang Trang bìa Lời cảm ơn Lời cam đoan Tóm tắt luận văn Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Vài nét xây dựng nhà cao tầng 1.1.1 Định nghĩa .4 1.1.2 Tải trọng tác dụng lên nhà cao tầng .8 1.1.2.1 Tải trọng thường xuyên 1.1.2.2 Tải trọng tạm thời 1.1.2.3 Tải trọng lắp ghép 1.1.2.4 Tải trọng gió 1.1.2.5 Tải trọng động đất 10 1.1.3 Hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng 11 1.1.3.1 Hệ khung 12 1.1.3.2 Hệ vách (Tường cứng chịu lực) 13 1.1.3.3 Hệ lõi chịu lực 14 1.2 Động đất tác động động đất lên nhà cao tầng 15 1.2.1 Khái niệm 15 1.2.2 Tác động động đất lên nhà cao tầng 16 1.2.2.1 Giản đồ gia tốc 17 1.2.2.2 Đỉnh gia tốc (PGA) 17 1.2.2.3 Cường độ Arias (IA) 17 1.2.2.4 Khoảng thời gian hiệu dụng 17 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19 2.1 Giới thiệu 19 2.2 Phân tích phi tuyến 19 2.2.1 Phương pháp phân tích phi tuyến hình học (hiệu ứng P -) 19 2.2.2 Phương pháp phân tích phi tuyến theo vật liệu 23 2.3 Quy trình tính tốn tải trọng động đất theo TCVN 9386 2012 24 2.3.1 Xác định giá trị agR 24 2.3.2 Xác định giá trị gia tốc đỉnh đất thiết kế 25 3.3 Xác định chu kỳ dao động riêng cơng trình 25 2.4 Phương pháp phổ phản ứng 26 2.4.1 Phổ phản ứng đàn hồi theo phương nằm ngang 27 2.4.2 Phổ phản ứng đàn hồi theo phương thẳng đứng 29 2.4.3 Phổ phản ứng thiết kế dùng cho phân tích đàn hồi 30 2.5 Tính tốn tải trọng động đất theo phương pháp động theo miền thời gian 31 2.6 Phân chia khu vực 34 CHƯƠNG XÂY DỰNG VÀ PHÂN TÍCH BÀI TỐN 37 3.1 Giới thiệu toán 37 3.2 Khai báo liệu tính tốn 41 3.3 Kết phân tích 44 3.4 Phân tích nội lực kết cấu dầm, cột 48 3.4.1 Nội lực dầm 48 3.4.2 Nội lực cột 50 3.5 Biểu đồ moment theo thời gian 60 3.5.1 Biểu đồ moment cột Trục 1-A theo thời gian 60 3.5.2 Biểu đồ moment cột Trục 6-D theo thời gian 73 3.5.3 Biểu đồ moment cột Trục 5-D theo thời gian 76 3.6 Sự hình thành phát triển khớp dẻo kết cấu 97 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG BIỂU BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 2.3 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 3.7 Bảng 3.8 Bảng 3.9 Bảng 3.10 Bảng 3.11 Bảng 3.12 TÊN BẢNG BIỂU Giá trị tham số mô tả phổ phản ứng đàn hồi Giá trị tham số mô tả phản ứng đàn hồi theo phương pháp thẳng đứng Các loại đất theo TCVN 9386 - 2012 Bảng tổng hợp chuyển vị ngang tầng 02 trường hợp Bảng tổng hợp moment cột Trục 1-A (0-Min) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 1-A (0-Max) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 1-A (1-Min) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 1-A (1-Max) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 2-A (0-Min) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 2-A (0-Max) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 2-A (1-Min) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 2-A (1-Max) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 6-D (0-Min) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 6-D (0-Max) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 6-D (1-Min) TRANG 28 30 35 47 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 02 trường hợp phân tích Bảng 3.13 Bảng 3.14 Bảng 3.15 Bảng 3.16 Bảng 3.17 Bảng tổng hợp moment cột Trục 6-D (1-Max) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 5-D (0-Min) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 5-D (0-Max) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 5-D (1-Min) 02 trường hợp phân tích Bảng tổng hợp moment cột Trục 5-D (1-Max) 02 trường hợp phân tích 91 92 93 94 95 DANH MỤC HÌNH VẼ HÌNH VẼ TÊN HÌNH VẼ TRANG Hình 1.1 Nhà cao tầng cao giới Hình 1.2 Nhà cao tầng điển hình Việt Nam Hình 1.3 Sơ đồ tổ hợp hệ chịu lực nhà cao tầng 12 Hình 1.4 Hệ kết cấu khung 13 Hình 1.5 Hình dạng hệ kết cấu vách 14 Hình 1.6 Lõi kín lõi hở 15 Hình 1.7 Vị trí phát sinh động đất 16 Hình 2.1 Sự khác phân tích tĩnh phi tuyến phân tích P - 21 Hình 2.2 Biến dạng khung tác dụng tải trọng 21 Hình 2.3 Sơ đồ tính tốn 22 Hình 2.4 Quan hệ lực biến dạng khớp dẻo kết cấu bê tơng cốt thép 24 Hình 2.5 Dạng phổ phản ứng đàn hồi 28 Hình 2.6 Phổ phản ứng đàn hồi cho loại đất từ A đến E 29 Hình 3.1 Mơ hình khơng gian kết cấu cơng trình 37 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Khung kết cấu chịu lực cơng trình (Mơ hình tâm) Khung kết cấu chịu lực cơng trình (Mơ hình lệch tâm) Vị trí thay đổi tiết diện cột biên Hiệu chỉnh hệ số đặc trưng tiết diện dầm tuyệt đối cứng 38 39 40 40 Hình 3.6 Gia tốc đồ trận động đất Kobe – 1995 41 Hình 3.7 Khai báo plastic hinge cho cột (1) 41 Hình 3.8 Khai báo plastic hinge cho cột (2) 42 Hình 3.9 Khai báo plastic hinge cho cột (3) 42 Hình 3.10 Khai báo plastic hinge cho dầm (1) 43 95 Cột tâm Cột lệch tâm Story20 17.76 21.79 22.73 Story19 33.25 34.66 4.23 Story18 49.14 51.12 4.03 Story17 58.72 61.60 4.91 Story16 63.65 68.99 8.39 Story15 79.09 85.03 7.51 Story14 76.27 90.80 19.04 Story13 80.35 85.98 7.01 Story12 80.06 94.32 17.81 Story11 80.05 87.87 9.77 Story10 119.47 120.22 0.64 Story9 135.51 157.68 16.36 Story8 148.79 145.06 -2.51 Story7 173.45 183.02 5.52 Story6 233.10 329.54 41.37 Story5 288.82 275.27 -4.69 Story4 272.01 501.89 84.51 Story3 255.29 249.43 -2.29 Story2 255.96 239.88 -6.28 Story1 300.83 290.10 -3.57 (Nguồn Tác giả tự thực chương trình Excel) (Nguồn Tác giả tự thực chương trình Excel) Hình 3.104 Biểu đồ moment cột tầng Trục 5-D (1-Max) 02 trường hợp Nhận xét Qua tổng hợp số liệu cho thấy, Moment cột biên Trục 5-D 02 trường hợp có khác biệt vị trí đỉnh cột tầng 5, 10 chân cột tầng 6, 11 Khu vực này, trường hợp lệch tâm, moment cột có bước nhảy, lớn trường hợp tâm từ 96 200% đến 500% 3.6 Sự hình thành phát triển khớp dẻo kết cấu 97 (Nguồn Tác giả tự thực chương trình SAP 2000) Hình 3.105 Sự phát triển khớp dẻo khung trục A (Mơ hình tâm) Kết cấu khung trục A (Mơ hình tâm) hình thành phát triển khớp dẻo tập trung khu vực tầng bên Khớp dẻo bị phá hoại (>CP Collapse Prevention), với cột có vị trí, dầm có 38 vị trí Các vị trí cịn lại khu vực mức độ hư hỏng vừa nhẹ (IO Immediate Occupancy LS Life Safety) Sự biến dạng phá hoại cột đồng 98 (Nguồn Tác giả tự thực chương trình SAP 2000) Hình 3.106 Sự phát triển khớp dẻo khung trục A (Mơ hình lệch tâm) Kết cấu khung trục A (Mơ hình lệch tâm) hình thành phát triển khớp dẻo tập trung khu vực từ tầng đến tầng 10 Khớp dẻo bị phá hoại (>CP Collapse Prevention), với cột có 10 vị trí, dầm có 53 vị trí Các vị trí cịn lại khu vực mức độ hư hỏng vừa nhẹ (IO Immediate Occupancy LS Life Safety) Vị trí cột biên trục 6, tầng đến tầng bị biến dạng phình rõ rệt kéo theo phá hoại dầm cột quanh khu vực 99 (Nguồn Tác giả tự thực chương trình SAP 2000) Hình 3.107 Sự phát triển khớp dẻo khung trục B (Mô hình tâm) Kết cấu khung trục B (Mơ hình tâm) hình thành phát triển khớp dẻo tập trung khu vực Tầng bên Khớp dẻo bị phá hoại (>CP Collapse Prevention), với cột có vị trí, dầm có 69 vị trí Các vị trí lại khu vực mức độ hư hỏng vừa nhẹ (IO Immediate Occupancy LS Life Safety) Sự biến dạng phá hoại cột đồng 100 (Nguồn Tác giả tự thực chương trình SAP 2000) Hình 3.108 Sự phát triển khớp dẻo khung trục B (Mơ hình lệch tâm) Kết cấu khung trục B (Mơ hình lệch tâm) hình thành phát triển khớp dẻo tập trung khu vực từ tầng trở xuống Khớp dẻo bị phá hoại (>CP Collapse Prevention), với cột có 21 vị trí, dầm có 62 vị trí Các vị trí cịn lại khu vực mức độ hư hỏng vừa nhẹ (IO Immediate Occupancy LS Life Safety) Vị trí cột biên trục 1, tầng đến tầng 5, cột trục 4, 5, từ tầng đến tầng bị biến dạng cục rõ rệt kéo theo phá hoại dầm cột xung quanh 101 Hình 3.109 Sự phát triển khớp dẻo khung trục C (Mơ hình tâm) (Nguồn Tác giả tự thực chương trình SAP 2000) Kết cấu khung trục C (Mơ hình tâm) hình thành phát triển khớp dẻo tập trung khu vực Tầng bên Khớp dẻo bị phá hoại (>CP Collapse Prevention), với cột có vị trí, dầm có 64 vị trí Các vị trí cịn lại khu vực mức độ hư hỏng vừa nhẹ (IO Immediate Occupancy LS Life Safety) Sự biến dạng phá hoại cột đồng 102 (Nguồn Tác giả tự thực chương trình SAP 2000) Hình 3.110 Sự phát triển khớp dẻo khung trục C (Mô hình lệch tâm) Kết cấu khung trục C (Mơ hình lệch tâm) hình thành phát triển khớp dẻo tập trung khu vực từ tầng trở xuống Khớp dẻo bị phá hoại (>CP Collapse Prevention), với cột có 23 vị trí, dầm có 55 vị trí Các vị trí cịn lại khu vực mức độ hư hỏng vừa nhẹ (IO Immediate Occupancy LS Life Safety) Kiểu biến dạng cục phá hoại tương tự trục B vị trí cột biên trục 1, tầng đến tầng 5, cột trục 4, 5, từ tầng đến tầng 103 (Nguồn Tác giả tự thực chương trình SAP 2000) Hình 3.111 Sự phát triển khớp dẻo khung trục D (Mơ hình tâm) Kết cấu khung trục D (Mơ hình tâm) hình thành phát triển khớp dẻo tập trung khu vực Tầng bên Khớp dẻo bị phá hoại (>CP Collapse Prevention), với cột có 10 vị trí, dầm có 77 vị trí Các vị trí cịn lại khu vực mức độ hư hỏng vừa nhẹ (IO Immediate Occupancy LS Life Safety) Sự biến dạng phá hoại cột đồng 104 (Nguồn Tác giả tự thực chương trình SAP 2000) Hình 3.112 Sự phát triển khớp dẻo khung trục D (Mơ hình lệch tâm) Kết cấu khung trục D (Mơ hình lệch tâm) hình thành phát triển khớp dẻo tập trung khu vực từ tầng trở xuống Khớp dẻo bị phá hoại (>CP Collapse Prevention), với cột có 23 vị trí, dầm có 64 vị trí Các vị trí lại khu vực mức độ hư hỏng vừa nhẹ (IO Immediate Occupancy LS Life Safety) Kiểu biến dạng cục phá hoại tương tự trục B, C vị trí cột biên trục 1, tầng đến tầng 5, cột trục 4, 5, từ tầng đến tầng 105 (Nguồn Tác giả tự thực chương trình SAP 2000) Hình 3.113 Sự phát triển khớp dẻo khung trục E (Mơ hình tâm) Kết cấu khung trục E (Mơ hình tâm) hình thành phát triển khớp dẻo tập trung khu vực tầng bên Khớp dẻo bị phá hoại (>CP Collapse Prevention), với cột có vị trí, dầm có 38 vị trí Các vị trí cịn lại khu vực mức độ hư hỏng vừa nhẹ (IO Immediate Occupancy LS Life Safety) Sự biến dạng phá hoại cột đồng 106 (Nguồn Tác giả tự thực chương trình SAP 2000) Hình 3.114 Sự phát triển khớp dẻo khung trục E (Mơ hình lệch tâm) Kết cấu khung trục E (Mơ hình lệch tâm) hình thành phát triển khớp dẻo tập trung khu vực từ tầng đến tầng 10 (Tương tự trục A) Khớp dẻo bị phá hoại (>CP Collapse Prevention), với cột có vị trí, dầm có 54 vị trí Các vị trí cịn lại khu vực mức độ hư hỏng vừa nhẹ (IO Immediate Occupancy LS Life Safety) Vị trí cột biên trục 6, tầng đến tầng bị biến dạng phình rõ rệt kéo theo phá hoại dầm cột quanh khu vực KẾT LUẬN Qua tốn phân tích, ta thấy khác trường hợp có khơng kể đến độ lệch tim trục cột ảnh hưởng đến phản ứng phi tuyến nhà cao tầng chịu động đất Kết phân tích cho thấy, vị trí cột bị lệch tim có mơ có xuất vị trí khớp dẻo nhiều so với mơ hình tâm 107 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Qua tốn phân tích, ta thấy khác trường hợp có khơng kể đến độ lệch tim trục cột ảnh hưởng đến phản ứng phi tuyến nhà cao tầng chịu động đất Kết phân tích cho thấy, vị trí cột bị lệch tim, moment xuất bước nhảy với giá trị lớn 200% đến 300% so với bình thường Biến dạng cục xảy vị trí làm ảnh hưởng đến dầm, cột quanh khu vực Theo kết thống kê, với mơ hình sát với thực tế kể đến lệch tim cột, công trình chịu động đất, số lượng khớp dẻo cột hình thành phát triển đến phá hoại nhiều gấp lần mơ hình cột tâm, tập trung khu vực quanh cột lệch tim vị trí tầng Điều cho thấy, cơng trình cao, tải trọng nặng, ảnh hưởng cột lệch tim lớn đặc biệt với khu vực tầng bên cơng trình Chuyển vị độ lệch tầng không thay đổi nhiều xét lệch tim cột, chênh lệch trường hợp khoảng 5% KIẾM NGHỊ Do thời gian có hạn chế nên đề tài chưa thể xét đến dạng nhà cao tầng có chiều cao khác cơng trình có kết cấu thép, chưa thực kiểm tra nhiều trường hợp động đất khu vực khác Kiến nghị đề tài nghiêm cứu sau tiếp tục thực điểm cịn thiếu xót đề tài này, nhằm hỗ trợ bổ sung thêm kho tài liệu thiết kế cơng trình 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Bá Tầm (2012), Nhà cao tầng bê tông – cốt thép, Nhà xuất ĐHQG TpHCM [2] Bộ Xây dựng (1996), TCXDVN 2737-1995, Tải trọng tác động, NXB Xây dựng, Hà Nội [3] Huỳnh Quốc Hùng (2012), Giáo trình kết cấu nhà cao tầng bê tơng cốt thép [4] Phạm Phú Anh Huy (2010), Giáo trình kết cấu nhà cao tầng [5] Nguyễn Lê Ninh (2011), Cơ sở lý thuyết tính tốn cơng trình chịu động đất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [6] Yousaf Dinar, Samiul Karim, Ayan Barua, Ashraf Uddin (2013), “PDelta effect in reinforced concrete structures of rigid joint”, IOSR Journal of mechanical and civil engineering, e-ISSN 2778-1684,p-ISSN 2320-334X, Volume 10, Issue 4, Nov.-De 2013 [7] Federal Emergency Management Agency FEMA - 356 (2000), prestanderd and commentary for the seismic rehabilitation of buildings, American Society of Civil Engineers (ASCE) [8] Bộ Xây dựng (2012), TCVN 9386 2012 Thiết kế cơng trình chịu động đất, NXB Xây dựng, Hà Nội [9] Nguyễn Lê Ninh (2011), Cơ sở lý thuyết tính tốn cơng trình chịu động đất, NXB khoa học kỹ thuật 109 ... HỒNG *** NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ LỆCH TIM TRỤC CỘT ĐẾN PHẢN ỨNG PHI TUYẾN NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG Đồng Nai, năm 2020 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơng... PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng Nghiên cứu ảnh hưởng độ lệch tim trục cột đến phản ứng phi tuyến nhà cao tầng chịu động đất; Phạm vi - Tác động động đất lên công trình nhà cao tầng có cột tim cột theo... LUẬN VĂN Nghiên cứu ảnh hưởng độ lệch tim trục cột đến phản ứng phi tuyến nhà cao tầng chịu động đất theo tiêu chuẩn thiết kế hành, từ đưa nhận định cụ thể việc đánh giá mức độ ảnh hưởng độ lệch