Đang tải... (xem toàn văn)
Transport and Communications Science Journal, Vol 75, Issue 8 (10/2022), 823 834 823 Transport and Communications Science Journal SEISMIC ANALYSIS OF LIQUID STORAGE TANK CONSIDERING SOIL STRUCTURE INT[.]
Transport and Communications Science Journal, Vol 75, Issue (10/2022), 823-834 Transport and Communications Science Journal SEISMIC ANALYSIS OF LIQUID-STORAGE TANK CONSIDERING SOIL-STRUCTURE INTERACTION WITH MACRO ELEMENT Huynh Van Quan*, Pham Ngoc Bay University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 08/02/2022 Revised: 22/03/2022 Accepted: 19/04/2022 Published online: 15/10/2022 https://doi.org/10.47869/tcsj.73.8.7 * Corresponding author Email: quanhv_ph@utc.edu.vn; Tel: +84986503205 Abstract Under earthquake ground shaking, the soil which supports the foundation will be deformed in order to comprise non-linearities of foundation and soil system: the uplift as the footing may get detached from the soil and/or soil yielding in the vicinity of the footing This paper improves the lumped parameter model of the API 650 specification by considering soil-structure interaction (SSI) In the proposed model, the entire foundation-soil system is replaced by a single element called a macro element, which would help with huge reductions in computational cost Seismic analysis of the liquid-storage tank system considering SSI is carried out with ground earthquake of El-Centro (1940) and intensities of TCVN 9386:2012 specification This paper results help to observe the responses progressing over time and greater than 10% errors; on the other hand, this approach may help considerably in showing the influence of SSI Keywords: liquid-storage tank, macro element, seismic loading, soil-structure interaction, Newmark’s method 2022 University of Transport and Communications 823 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 75, Số (10/2022), 823-834 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ BỂ CHỨA-CHẤT LỎNG DƯỚI TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN BIẾN DẠNG NỀN BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ Huỳnh Văn Quân*, Phạm Ngọc Bảy Trường Đại học Giao thông vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 08/02/2022 Ngày nhận sửa: 22/03/2022 Ngày chấp nhận đăng: 21/04/2022 Ngày xuất Online: 15/10/2022 https://doi.org/10.47869/tcsj.73.8.7 * Tác giả liên hệ Email: quanhv_ph@utc.edu.vn; Tel: +84986503205 Tóm tắt Dưới tác dụng lặp tải trọng động đất, phần đất xung quanh móng biến dạng, làm móng tách khỏi mặt tiếp xúc với đất (phi tuyến hình học) và/hoặc tính chất đất thay đổi dẫn đến xuất phi tuyến vật liệu Bài báo cải tiến mơ hình phân tích hệ bể chứa-chất lỏng dạng thông số tập trung tiêu chuẩn API 650 tải trọng động đất cách xét đến tương tác kết cấu-đất (SSI) giúp ứng xử hệ gần với thực tế Trong đó, hệ móng-đất thay mơ hình tiên tiến phần tử vĩ mơ (macro element) nên tốn đơn giản hóa đảm bảo tính xác Mơ hình đề xuất gồm chất lỏng, bể chứa, móng đất phân tích tải trọng động đất El-Centro (1940) với gia tốc đỉnh tra theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 Kết phân tích biểu diễn theo thời gian giúp quan sát diễn tiến phản ứng so với thu giá trị cực đại tiêu chuẩn API 650 độ lệch giá trị phản ứng cực đại hai phương pháp lớn 10% phần thể ảnh hưởng việc xét đến SSI Từ khóa: bể chứa-chất lỏng, phần tử vĩ mô, tải trọng động, tương tác kết cấu-đất nền, phương pháp Newmark 2022 Trường Đại học Giao thông vận tải 824 Transport and Communications Science Journal, Vol 75, Issue (10/2022), 823-834 ĐẶT VẤN ĐỀ Do đặc thù vận chuyển nên bể chứa chất lỏng (bể) xăng dầu, hóa chất, … thường đặt cảng biển ven bờ khu chế xuất với xung quanh cơng trình quan trọng Bất kỳ cố gây tác hại lớn đến môi trường thiệt hại kinh tế Dưới tác dụng tải trọng động đất, chất lỏng với tường bể chuyển động, làm phát sinh lực động gây hư hỏng chân bể, đỉnh bể phá hoại hoàn toàn [1-3] Nghiên cứu ứng xử động chất lỏng thành bể dạng thông số tập trung nhiều tác giả thực [4-9] Kết nghiên cứu tổng kết đưa vào quy trình tính tốn giản đơn của tiêu chuẩn quốc gia Mỹ-API 650 [1] Tiêu chuẩn [10] đề xuất áp dụng điều kiện Việt Nam theo phổ phản ứng đàn hồi TCVN 9386:2012 Tuy nhiên, mơ hình chưa xét đến biến dạng nên liên kết bể chứa đất có dạng Hình 1(a, b) (a) gắn cứng với [1] (b) cô lập với gối đàn hồi [4] (c) ứng xử tuyến tính (d) ứng xử phi tuyến Hình Các mơ hình liên kết bể chứa với đất Theo quan điểm kỹ sư kết cấu, giải pháp thiết kế, móng chơn vào đất nên độ cứng hệ móng-đất lớn; kết cấu có độ cứng bé nên xem mỏng hình 2(a) Theo quan điểm kỹ sư địa kỹ thuật, kết cấu chủ động chế tạo để đủ khả chịu lực nên có độ cứng lớn móng đặt đất nên xem gối mềm hình 2(b) Với quan điểm kết cấu xem mỏng 825 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 75, Số (10/2022), 823-834 móng gối mềm, kỹ sư tâm đến độ cứng phận cơng trình thiết kế Nếu chuyển động bé ảnh hưởng đến ứng xử mỏng số gia lực ảnh hưởng đến gối mềm [11] Chính vậy, phân tích toán SSI tải trọng động đất cần thiết (a) quan điểm kỹ sư kết cấu (b) quan điểm kỹ sư địa kỹ thuật Hình Quan điểm tương quan độ cứng kết cấu móng [11] Để xét đến ảnh hưởng biến dạng nền, số tác giả phân tích toán SSI cách xét đồng thời hệ chất lỏng-bể chứa-móng-đất Trong đó, móng đất thay lị xo làm việc tuyến tính Hình 1(c) [12-14] Với trận động đất có cường độ lớn, cơng trình bị rung lắc mạnh, làm đất bị biến dạng: phần diện tích móng tách khỏi đất (phi tuyến hình học) và/hoặc tính chất đất xung quanh móng bị thay đổi (phi tuyến vật liệu) Trong thực tế, móng bể có diện tích lớn neo vào đất nên khả xuất phi tuyến hình học thấp Như biết, với phương pháp phần tử hữu hạn, toán kể đến phi tuyến đất tiêu tốn nhiều công sức tính xác kết phân tích cịn phụ thuộc vào lực mơ hình Ngày nay, phương pháp lai (hybrid method) dùng để mơ hình tồn hệ móng-nền đất thành phần tử giản đơn gọi phần tử vĩ mô, giúp giảm đáng kể khối lượng tính tốn đảm bảo ứng xử hệ gần với điều kiện làm việc thực tế [11] Phần tử vĩ mơ áp dụng vào tốn phân tích bể chứa-chất lỏng có dạng Hình 1(d), nội dung mơ hình phần tử vĩ mơ [11] trình bày hồn chỉnh, báo trình bày cách ngắn gọn mục 2.1 Độ xác mơ hình phần tử vĩ mơ tác giả giới [15-18] nước [11,19] kiểm chứng lý thuyết thực nghiệm Do đó, báo ứng dụng mơ hình phần tử vĩ mơ tác giả vào mơ hình đề xuất mà không thực kiểm chứng lại Trong báo này, mơ hình tổng thể tốn SSI gồm chất lỏng-bể chứa-móng-đất chịu tác dụng tải trọng động đất khảo sát Trong đó, bể chứa có dạng hình trụ đứng, đặt mặt đất (bể nổi) mơ hình dạng thơng số tập trung tiêu chuẩn API 650; hệ móng (nơng)-đất mơ hình phần tử vĩ mơ với phi tuyến vật liệu đất nền; tải trọng tác dụng gia tốc động đất theo thời gian El-Centro (1940) Bên cạnh kết phân tích theo thời gian giá trị phản ứng cực đại từ mơ hình đề xuất so sánh với kết tính tốn theo tiêu chuẩn API 650 với gia tốc tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 để làm rõ ảnh hưởng biến dạng đến ứng xử hệ 826 Transport and Communications Science Journal, Vol 75, Issue (10/2022), 823-834 XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Mơ hình hệ đất nền-móng Phần tử vĩ mơ cho phép thay tồn hệ móng-đất phần tử đơn đặt chân kết cấu Đất móng phân chia thành hai vùng, hình 1(d): vùng gần phần diện tích đất lân cận móng, chứa ứng xử phi tuyến hình học vật liệu tương tác móngđất nền, vùng chưa xét đến tính cản nhớt đất nên mơ hình lị xo phi tuyến; vùng xa vùng có vị trí xa so với móng tính từ vị trí mà phi tuyến hệ móng-đất bỏ qua, ứng xử đất tuyến tính, mơ hình hệ lị xo thiết bị cản nhớt tuyến tính song song Phần tử vĩ mơ thay tồn hai vùng này, nên chứa ứng xử tuyến tính đất vùng xa ứng xử phi tuyến hệ móng-đất vùng gần Phần tử vĩ mơ có liên kết lị xo, vật cản nhớt chuyển vị Hình Như đề cập, để phù hợp với toán nghiên cứu, báo áp dụng mơ hình phần tử vĩ mơ xét đến phi tuyến tính chất vật liệu đất [17,19] } = { } ; Véc-tơ phản lực chuyển vị phần tử vĩ mô: = { đó, , lực theo phương thẳng đứng, phương ngang mô-men thu gọn; , chuyển vị theo phương đứng, ngang góc xoay móng Ma trận độ cứng ma trận cản nhớt phần tử vĩ mơ có dạng đường chéo chính: = diag , , = diag , , ; với ( , , ) ( , , ) giá trị độ cứng đàn hồi hệ số cản nhớt tương đương hệ móng-đất theo phương đứng, phương ngang góc xoay Với phản ứng tuyến tính, giá trị xác định theo [18,20] Tại thời điểm, tùy thuộc vào giá trị độ lớn véc-tơ phản lực mà ảnh hưởng phi tuyến vật liệu đến ma trận độ cứng xác định theo hai trường hợp sau [15]: ( ) < [ ( ) = ( ) < 0] phản ứng hệ tuyến tính, = ; ( ) ≥ ( ) ≥ chảy dẻo xuất hiện, đất phản ứng phi tuyến, bị triết giảm lượng = , đạo hàm riêng hàm dẻo quy tắc chảy; hàm dẻo ( ) = ℎ + − (1 − ) , quy tắc chảy ( ) = ℎ + + [16,17] Ký hiệu ℎ = / , = / , = / , phản lực cực đại theo phương đứng, đường kính móng; , , , , χ tham số, lấy theo [17] 2.2 Mơ hình hệ bể chứa-chất lỏng Theo tiêu chuẩn API 650 Mỹ [21], tác dụng tải trọng động đất, chất lỏng bể, khối lượng , chuyển động theo dạng: phần chất lỏng phía đỉnh thùng, khối lượng , với mặt tự chuyển động dạng đối lưu (convective mode); phần chất lỏng phía dưới, khối lượng , chuyển động dạng xung kích (impulsive mode); mơ hình dạng khối lượng tập trung chuyển động với tường bể, (Hình 3) Giá trị ℎ xác định theo công thức (1), tùy thuộc vào tỷ số đường kính bể chiều cao chất lỏng mà ℎ xác định theo (2) (3) Trong đó, , tương ứng đường kính, bán kính chiều cao chất lỏng bể Các thành phần khối lượng liên kết với tường bể lị xo có độ cứng hệ số cản nhớt tương đương: = , = = , =2 827 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 75, Số (10/2022), 823-834 Hình Mơ hình phân tích tổng thể hệ chất lỏng-bể chứa-móng-đất = 0,230 , (1) , ℎ = 1− Trường hợp / , , = ≥ 1,333 (bể rộng): , (2) , ℎ = 0,375 Trường hợp / < 1,333 (bể mảnh): = − 0,218 (3) ℎ = 0,5 − 0,094 2.3 Thành lập phương trình vi phân chuyển động cho mơ hình đề xuất Trên sở mơ hình hệ móng-đất phần tử vĩ mơ mơ hình hệ bể chứa-chất lỏng dạng thông số tập trung đề cập, báo đề xuất mơ hình phân tích tổng thể hệ chất lỏng-bể chứa-móng-đất tải trọng động đất Hình Mơ hình có năm bậc tự do: bậc tự chuyển động theo phương ngang ( , , ) khối lượng chất lỏng , khối lượng móng ; bậc tự chuyển động theo phương đứng ( ) bậc tự chuyển động góc xoay ( ) Áp dụng nguyên lý Đa-lam-be, hệ phương trình vi phân chuyển động chịu tác dụng gia tốc ̈ ̈ công thức (4)-(8), viết dạng véc-tơ thu gọn công thức (9) ̈ + ̈ +ℎ ̈ + ̈ + ̈ +ℎ ̈ + ̈ − ̇ +ℎ ̇ − ℎ )+ = ̈ ̇ +ℎ ̇ + ̇ +ℎ ̇ + ( ( +ℎ )= +ℎ )= ̇ +ℎ ̇ + ̇ − ( ̈ (4) ̈ +ℎ (5) )− ( + (6) 828 Transport and Communications Science Journal, Vol 75, Issue (10/2022), 823-834 ̈ − ℎ ̇ +ℎ ̇ − ℎ ℎ ( +ℎ )+ =0 ( { + + ̈+ ̇+ ) ̈+ + ̇ +ℎ ̇ + ̇− ℎ ( +ℎ )− (7) =( ̇+ + ) ̈ + (8) = (9) Trong đó: tổng mơ-men qn tính khối lượng hệ tâm phần tử vĩ mô, } , ] , = [0 ̈ =[ ⎡ ⎢ =⎢ ⎢ ⎣ ̈ 0 0 0 0 ( 0 − − ℎ + ) ̈ ] , + 0 0 0 − − ℎ ⎡ ⎢ =⎢ − ⎢− ℎ ⎣ + ℎ ℎ 0 0 ⎡ ⎢ =⎢ − ⎢− ℎ ⎢ ⎣ 0 ( ̈ + ⎤ ⎥ ⎥, ⎥ )⎦ ℎ ℎ (− ℎ − ℎ ) − ℎ − ℎ + 0 0 0 0 ℎ ℎ (− ℎ − (− ℎ − = 0 0 ⎤ ⎥ ⎥, ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎥ ℎ ) 0⎥ ℎ ) 0⎥ 0⎦ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Mơ tả tốn nghiên cứu Trong ví dụ này, yếu tố đặc trưng bể chứa chất lỏng tập hợp Bảng [2] Bể chứa: đặt mặt đất, hình trụ đứng, bán kính = 10 m, làm từ vật liệu thép, tổng chiều cao 9,6 m Chất lỏng: nước, chiều cao = m, khối lượng = 2,512 10 kg Tường bể: ghép từ phân đoạn với phân đoạn cao 2,4 m, bề dày trung bình 9,68 mm Bể chứa đặt móng nơng hình trụ trịn làm vật liệu bê tơng cốt thép, bán kính móng = + = 10 + = 11 m [22], chiều cao móng 1,0 m, khối lượng móng = 0,8 10 kg Địa chất đất có bề dày = 25 m đến tầng đá gốc, vận tốc sóng cắt = 255 m/s, hệ số Pốtxơng = 0,4, khối lượng đơn vị = 2,1 10 kg/m3 Khối lượng tường mái bể bé so với khối lượng chất lỏng móng nên chưa kể đến nghiên cứu Theo [18,20], thơng số tính cản, đàn hồi tương đương phần tử vĩ mô xác định sau: = 2,1 10 255 = 136,55 10 N/m2 = = + 0,5 = = + 1,3 = , , , , 1+ 1+ 829 , , = 9,16 10 N/m = 15,74 10 N/m Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 75, Số (10/2022), 823-834 = ( + 0,17 ) = = = = , ( 1+ , ) , = 7,18 10 Nm/rad = 2,1 10 255.3,14 11 = 0,2 10 Nsm , = , ( ) = , , , , , ( , ) = 0,37 10 Nsm = 11,11 10 Nsm/rad Bảng Các yếu tố đặc trưng bể chứa chất lỏng [2] / 0,8 (kg) (kg) (kg) (s) (s) 2,51.106 1,15.106 1,36.106 0,123 4,96 ℎ (m) ℎ (m) 3,23 4,66 3.2 So sánh kết với tiêu chuẩn API 650 Phương trình vi phân chuyển động (9) tích phân bước theo phương pháp Newmark có dạng phương trình (10) [11] Vì hệ nhiều bậc tự nên phương trình giải theo phương pháp gia tốc trung bình, = 1/2 = 1/4 [23] Để đảm bảo độ ổn định, tỷ số bước thời gian ∆ chu kỳ dao động có giới hạn ∆ / = 1/ ≤ 0,1, ví dụ thực với tải trọng động đất nên ∆ = 0,02 s [24] Tại bước tính tốn thứ , xảy phi tuyến tương tác hệ móng-đất nền, phương pháp Newton-Raphson hiệu chỉnh khởi động, chọn 100 bước vòng lặp ( = ÷ 100), hệ nhiều bậc tự nên giá trị chuyển vị chấp nhận thỏa mãn điều kiện ∆ ∆ ∆ ∆