Ảnh hưởng của kích thước tiết diện cột, dầm đến cơ cấu phá hủy của kết cấu nhà cao tầng chịu động đất luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN CỘT, DẦM ĐẾN CƠ CẤU PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐỒNG NAI, NĂM 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN CỘT, DẦM ĐẾN CƠ CẤU PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ NGÀNH: 8580201 ĐỒNG NAI, NĂM 2021 LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu để hoàn thành đề tài nghiên cứu cách thuận lợi, tác giả nhận giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình Thầy/Cơ giáo trường Đại Học Lạc Hồng Với tình cảm chân thành, tác giả bày tỏ lòng biết ơn trực tiếp đến Thầy TS , phịng Sau Đại Học, Khoa Kỹ Thuật Cơng Trình – Trường Đại Học Lạc Hồng Thầy/Cơ giáo tham gia quản lý, giảng dạy giúp đỡ cho tác giả suốt trình học tập nghiên cứu Mặc dù có nhiều cố gắng suốt q trình thực đề tài, song cịn có mặt hạn chế, thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp dẫn thầy cô giáo bạn đồng nghiệp Sau xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể cán cơng nhân viên chức Trường Đại Học Lạc Hồng Kính chúc Thầy Cô tràn đầy hạnh phúc, thành đạt dồi sức khỏe để tiếp tục người chèo đò đưa nguồn tri thức đến với hệ sinh viên Trân trọng cảm ơn! Đồng Nai, ngày … tháng … năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu với đề tài ‘‘Ảnh hưởng kích thước tiết diện cột, dầm đến cấu phá hủy kết cấu nhà cao tầng chịu động đất” cơng trình nghiên cứu riêng tác giả Các số liệu, kết nêu trong luận văn trung Các thơng tin trích dẫn nguồn gốc rõ ràng Kết tính tốn dựa tiêu chuẩn xây dựng hành Nếu không điều nêu trên, tác giả xin hoàn tồn chịu trách nhiệm đề tài Đồng Nai, ngày … tháng … năm 2021 Tác giả TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn tiến hành đánh giá cấu phá hủy kết cầu nhà cao tầng chịu động đất có xét đến thay độ cứng dầm cột Tổng cộng tỉ lệ độ cứng dầm với cột (SL) khác bao gồm 1.0, 0.1, 3.0, 3.5 7.0 khảo sát phân tích kết cấu có quy mơ 20 tầng Kết nghiên cứu nội lực chuyển vị kết cấu phụ thuộc nhiều vào tỉ lệ độ cứng dầm với cột Đặc biệt, tỉ lệ độ cứng khác dẫn đến chế vị trí hình thành khớp dẻo khác Khớp dẻo hình thành dầm trước cột tìm thấy SL = 3.7 SL = 7.0 Ngược lại, khớp dẻo hình thành cột trước dầm SL = 3.0 SL = 0.1 Trong đó, SL = 1.0 khớp dẻo hình thành lúc dầm cột MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ PHẦN MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘNG ĐẤT 1.1 Mở đầu 1.2 Kết cấu nhà cao tầng xu hướng phát triển 1.3 Tổng quan nút khung BTCT 1.3.1 Khung bê tông cốt thép 1.3.2 Dạng hình học chế truyền lực nút khung BTCT 1.3.3 Các dạng phá hoại nút khung BTCT 13 1.4 Các phương pháp thiết kế kháng chấn cho cơng trình 13 1.5 Hệ kết cấu chịu lực 15 1.5.1 Phân tích dạng kết cấu khung 15 1.5.2 Lựa chọn phương án kết cấu khung 17 1.5.3 Kích thước sơ kết cấu 18 1.6 Kết luận chương 19 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CƠ CẤU PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT .20 2.1 Lý thuyết tương tự mối quan hệ tham số tỷ lệ tương tự 20 2.1.1 Cơ sở lý luận lý thuyết tương tự 20 2.1.2 Mối quan hệ số tỷ lệ tương tự 21 2.2 Độ cứng cấu kiện tính chất liên kết 23 2.2.1 Độ cứng cấu kiện 23 2.2.2 Tính chất liên kết .25 2.3 Độ cứng tính tốn cơng trình chịu tải trọng động 26 2.4 Mơ hình phi tuyến bê tông 33 2.4.1 Cường độ chịu nén bê tông 33 2.4.2 Cường độ chịu kéo bê tông 33 2.4.3 Mơ hình Mander quan hệ ứng suất - biến dạng bê tông bị ép ngang 34 2.4.4 Ảnh hưởng thép đai đến áp lực nén ngang bê tông tiết diện chữ nhật 35 2.4.5 Cường độ bê tông bị ép ngang 36 2.5 Phân tích phi tuyến theo miền thời gian NL-RHA 37 2.6 Tính chất kết cấu dầm cột 39 2.6.1 Hệ số độ dẻo (μ) 39 2.6.2 Hệ số độ cứng (α) 40 2.6.3 Tính chất đặc biệt hệ khung 41 2.7 Kết luận chương 42 Chương PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN CỘT, DẦM ĐẾN CƠ CẤU PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT 43 3.1 Số liệu tính tốn mơ hình 43 3.2 Kết phân tích 45 3.2.1 Tần số 45 3.2.2 Chuyển vị tầng 47 3.2.3 Chuyển vị lệch tầng 51 3.2.4 Vận tốc trung bình 55 3.2.5 Gia tốc trung bình 59 3.3 Cơ chế phá hủy dầm, cột 63 3.3.1 Trường hợp (SL=7) 63 3.3.2 Trường hợp (SL=3.5) .68 3.3.3 Trường hợp (SL=3) 73 3.3.4 Trường hợp (SL=0.1) .78 3.3.5 Trường hợp (SL=1) 83 3.4 Kết luận chương 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Mối quan hệ tham số tỷ lệ tương tự 22 Bảng 3.1 Thơng số tỉ lệ hình học dầm/cột trường hợp khảo sát 43 Bảng 3.2 Tần số dao động trường hợp khảo sát .45 Bảng 3.3 Chuyển vị tầng theo phương X 47 Bảng 3.4 Chuyển vị tầng theo phương Y 49 Bảng 3.5 Chuyển vị lệch tầng theo phương X .51 Bảng 3.6 Chuyển vị lệch tầng theo phương Y 53 Bảng 3.7 Vận tốc trung bình theo phương X 55 Bảng 3.8 Vận tốc trung bình theo phương Y 57 Bảng 3.9 Gia tốc trung bình theo phương X 59 Bảng 3.10 Gia tốc trung bình theo phương Y 61 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cơ chế hình thành khớp dẻo khung Hình 1.2 Phá hoại khung động đất Hình 1.3 Dạng hình học nút khung điển hình 10 Hình 1.4 Cơ chế làm việc xử nút khung biên 11 Hình 1.5 Các thành phần lực tác dụng nút khung biên 12 Hình 2.1 Ảnh hưởng tỉ lệ độ cứng dầm cột tới độ cứng tổng thể hệ kết cấu 24 Hình 2.2 Ảnh hưởng phân bố độ cứng cấu kiện tới độ cứng tổng thể hệ kết cấu 24 Hình 2.3 Mơ hình tính tốn hệ kết cấu có bậc tự động chịu tải trọng 27 Hình 2.4 Mối quan hệ chu kỳ dao động riêng độ cứng .28 Hình 2.5 Mơ hình tính tốn hệ kế cấu có nhiều bậc tự động 29 Hình 2.6 Sơ đồ xác định phản lực đàn hồi hệ kết cấu có nhiều bậc tự động 31 Hình 2.7 Quan hệ ứng suất - biến dạng bê tơng 33 Hình 2.8 Mối quan hệ ứng suất kéo – biến dạng bê tơng 3233 .33 Hình 2.9 Mơ hình Mander quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông bị ép ngang 34 Hình 2.10 Diện tích ảnh hưởng lõi bê tông bị ép ngang 35 Hình 2.11 Mối quan hệ tỷ số ép ngang cường độ bê tông ép ngang 37 Hình 1.12 Đường cong khả cấu kiện 40 Hình 2.13 Đường cong khả (F-u) hệ số độ cứng μ 41 Hình 2.14 Mơ hình hệ khung (Beam – hinge) 42 Hình 3.1 Mơ hình 3D cơng trình .44 Hình 3.2 Mặt cơng trình .44 Hình 3.3 Gia tốc đồ trận động đất El centro (Gia tốc A, Thời gian T) 45 78 Tại giây thứ 60s, kết thúc trận động đất tất điểm dầm cột hình thành khớp dẻo tất khớp dẻo chưa bị phá hoại 3.3.4 Trường hợp (SL=0.1) Như với cơng trình 20 tầng với tỉ lệ dầm cột (SL=0.1) chịu trận động đất El centro thì: Khớp dẻo bắt đầu hình thành dầm giây thứ 2.0s, vị trí khớp dẻo xuất từ tầng 15, thời điểm chuyển vị đỉnh cơng trình 0.0098m theo phương X Moment dầm B36 M3 = 7.3704 (T.m) Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.34 Khớp dẻo bắt đầu hình thành dầm 79 Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.35 Mơ hình khớp dẻo M3 dầm B34 Khớp dẻo bắt đầu hình thành cột giây thứ 1.6s, vị trí xuất khớp dẻo xuất tầng Base đến tầng 2, thời điểm chuyển vị đỉnh công trình 0.041m theo phương X Moment cột C3 thời điểm xuất khớp dẻo M3= -18.4302 (T.m), M2= -0.0472 (T.m) lực dọc P= 57.2307(T) 80 Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.36 Khớp dẻo bắt đầu hình thành cột 81 Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.37 Mơ hình khớp dẻo M3 cột C3 Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.38 Mơ hình khớp dẻo M2 cột C3 82 Hình 3.39 Mơ hình khớp dẻo P cột C3 Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.40 Khớp dẻo dầm cột giây thứ 60s 83 Tại giây thứ 60s, kết thúc trận động đất tất điểm dầm cột hình thành khớp dẻo tất khớp dẻo chưa bị phá hoại 3.3.5 Trường hợp (SL=1) Như với cơng trình 20 tầng với tỉ lệ dầm cột (SL=7) chịu trận động đất El centro thì: Khớp dẻo bắt đầu hình thành dầm giây thứ 1.8s, vị trí khớp dẻo xuất từ tầng đến tầng 8, thời điểm chuyển vị đỉnh cơng trình 0.0389m theo phương X Moment dầm B31 M3 = 3.7688 (T.m) Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.41 Khớp dẻo bắt đầu hình thành dầm 84 Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.42 Mơ hình khớp dẻo M3 dầm B34 Khớp dẻo bắt đầu hình thành cột giây thứ 1.8s, vị trí xuất khớp dẻo xuất tầng Base, thời điểm chuyển vị đỉnh cơng trình 0.0389m theo phương X Moment cột C22 thời điểm xuất khớp dẻo M3= 13.107 (T.m), M2= 0.0038 (T.m) lực dọc P= 53.3539(T) 85 Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.43 Khớp dẻo bắt đầu hình thành cột 86 Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.44 Mơ hình khớp dẻo M3 cột C3 Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.45 Mơ hình khớp dẻo M2 cột C3 87 Hình 3.46 Mơ hình khớp dẻo P cột C3 Nguồn: Tác giả khảo sát từ phần mềm Etabs Hình 3.47 Khớp dẻo dầm cột giây thứ 60s 88 Tại giây thứ 60s, kết thúc trận động đất tất điểm dầm cột hình thành khớp dẻo tất khớp dẻo chưa bị phá hoại 3.4 Kết luận chương Qua việc phân tích PTHH phần mềm mơ Etabs cho thấy, kích thước tỉ lệ dầm cột ảnh hưởng đến hình thành khớp dẻo cột dầm chịu tải trọng động đất Kết chương cho thấy thay đổi nội lực mơ hình khung nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất thông qua việc tính tốn với số tỷ lệ kích thước hình học khác nhau, mơ hình mơ tỉ lệ độ cứng khác mơ hình tốn có tỉ lệ độ cứng dầm cột Kết nghiên cứu với tỷ lệ kích thước khác cấu kiện chịu lực khung nhà nhiều tầng (cột, dầm) cho thấy khác biệt nội lực, thời gian hình thành khớp dẻo, thứ tự khớp dẻo hình thành dầm cột mơ hình KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Tần số dao động công trình thay đổi kích thước tiết diện cột, dầm trường hợp có (SL=7), (SL=3.5) lớn trường hợp có (SL=1) trường hợp có (SL=3), (SL=0.1) nhỏ trường hợp có (SL=1) Chuyển vị đỉnh cơng trình theo phương X, Y thay đổi kích thước tiết diện cột, dầm trường hợp có (SL=7), (SL=3.5), (SL=3) lớn trường hợp có (SL=1) trường hợp có (SL=0.1) nhỏ trường hợp có (SL=1) Gía trị chuyển vị lệch tầng trường hợp (SL=1) nhỏ trường hợp (SL=7) (SL=3.5) 1/3 tầng 1/3 tầng cơng trình Trường hợp (SL=3) gía trị chuyển vị lệch tầng trường hợp (SL=1) lớn Trường hợp (SL=0.1) gía trị chuyển vị lệch tầng trường hợp (SL=1) lớn 1/3 tầng cơng trình Cơ chế vị trí hình thành khớp dẻo phát khác tùy theo tỉ lệ độ cứng dầm cột, cụ thể sau: • Khi tỉ lệ dầm cột (SL=3.5) (SL=7) khớp dẻo hình thành dầm trước, sau xuất cột Với tỉ lệ (SL=3.5) khớp dẻo xuất dầm từ tầng đến tầng 7, cột tầng Base Với tỉ lệ (SL=7) vị trí khớp dẻo xuất tầng 2, cột tầng Base • Khi tỉ lệ dầm cột (SL=3) (SL=0.1) khớp dẻo hình thành cột trước, sau xuất dầm Với tỉ lệ (SL=3) khớp dẻo xuất dầm từ tầng đến tầng 9, cột tầng Base Với tỉ lệ (SL=0.1) vị trí khớp dẻo xuất tầng 15, cột tầng Base đến tầng • Khi tỉ lệ dầm cột (SL=1) khớp dẻo hình thành đồng thời lúc dầm cột Khớp dẻo xuất dầm từ tầng đến tầng cột tầng Base • Kết thúc trận động đất tất điểm dầm cột hình thành khớp dẻo tất khớp dẻo chưa bị phá hoại KIẾN NGHỊ Kết phân tích bước đầu phục vụ xây dựng ngân hàng liệu tỉ lệ độ cứng dầm cột phục vụ cho việc chuẩn đoán lựa chọn tiết diện kết cấu, xác định độ cứng thực tế đoạn kết cấu thông qua phương pháp mơ hình tính tốn Bên cạnh với kết bước đầu hướng tới việc sử dụng hiệu kết kiểm định trọng động đất vào cơng trình Cần có nhiều ví dụ khảo sát tỉ lệ dầm cột SL khác để phân tích bật ảnh hưởng thơng số đến chế hình thành khớp dẻo Thêm để tạo nên tập hợp tỉ lệ dầm cột khác nhằm để phân biệt chế phá hoại loại dầm khác dầm bẹt hay dầm cao Cần nghiên cứu thêm ảnh hưởng kích thước tiết diện cột dạng dầm bê tông ứng suất trước để biết cấu phá hủy loại dầm tải trọng động đất Cần đánh giá yếu tố khác ảnh hưởng tới cấu phá hoại kết cấu loại vật liệu, loại kết cấu, số tầng… TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đặng Văn Phi, Nguyễn Văn Mạnh, Bùi Văn Đức, Phạm Thị Nhàn, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 59, Kỳ (2018) 92-98, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam [2] Huỳnh Quốc Hùng (2012), Giáo trình “Kết cấu nhà cao tầng bê tơng cốt thép”, Trường Đại học xây dựng Miền Trung [3] Lê Thanh Huấn (2007), Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép, Nhà xuất xây dựng, Hà Nội [4] Phạm Phú Anh Huy (2010), Giáo trình mơn học kết cấu nhà cao tầng, ĐH Duy Tân [5] Ngô Minh Đức (2006), Hướng dẫn sử dụng ETABS phần mềm chuyên dụng tính tốn nhà cao tầng, NXB Xây dựng, Hà Nội [6] Nguyễn Lê Ninh (2011), Cơ sở lý thuyết tính tốn cơng trình chịu động đất NXB khoa học kỹ thuật [7] Nguyễn Lê Ninh (2006), Động đất thiết kế cơng trình chịu động đất NXB xây dựng, Hà Nội [8] TCVN 2737 :1995, Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế [9] TCVN 9386:2012: Thiết kế cơng trình chịu động đất [10] Võ Bá Tầm (2012), Nhà cao tầng bêtông – cốt thép, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Tiếng Anh [11] Paulay, ThomasPriestley, MJ Nigel (1992), "Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings" [12] Saatcioglu, M (2001), "Cracking in concrete structures during the August 17, 1999 earthquake in Turkey", Special Publication 204, 261-276 [13] Faison, HEIDI, Comartin, CDElwood, K (2004), "Reinforced concrete moment frame building without seismic details", Earthquake Engineering Research Institute (EERI) and International Association for Earthquake Engineering (IAEE) Housing Report 111 [14] Pampanin, Stefano, Magenes, GuidoCarr, Athol J (2003), "Modelling of shear hinge mechanism in poorly detailed RC beam-column joints" [15] Hakuto, Shigeru, Park, RobertTanaka, Hitoshi (2000), "Seismic load tests on interior and exterior beam-column joints with substandard reinforcing details", Structural Journal 97(1), 11-25 [16] Faison, HEIDI, Comartin, CDElwood, K (2004), "Reinforced concrete moment frame building without seismic details", Earthquake Engineering Research Institute (EERI) and International Association for Earthquake Engineering (IAEE) Housing Report 111 [17] J.B Mander, M.J.N Priestley, R.Park, Theoretical Stress – Strain Model for Confined Concrete, Journal of structure Engineering, ASCE 114(1998) 1804 – 1826 [18] H Krawinkler, Seneviratna, G.D.P.K, Pros and cons of a pushover analysis of seismic performance evaluation Engineering structures 20(1998) 452-464 [19] A.K Chopra, R.K Goel A modal pushover analysis procedure for estimating seismic demands for buildings Earthquake engineering and structural dynamic 31(3)(2002) 561-582 [20] T Takeda, M.A Sozen, N Nielson, Reinforced Concrete Response to Simulated Earthquakes, Journal of Structural Division, ASCE 96 (1970) 2557-2573 [21] F.K Ibrahim, A.H Zubydan, Geometrical and Material Nonlinear Analysis of R.C Frame, Ain Shams University, Faculty of Engineering, Scientific Bulletin, vol.37, Cairo, 2002, pp 61-74 [22] O.A Kandil, Nolinear Analysis of Reinforce Concrete structure, Ms.c Thesis, Department of Civil Engineering, Suez Canal University, Port Said, Egypt, 2006 [23] S.B Renata, Stramandinoli, L Henriette, La Rovere, An Efficient Tension – Stiffening Model for Nonlinear Analysis of Reinforced Concrete Member, Journal of Structural Engineering ASCE 30 (1969) 2069- 2080 ... dạng kết cấu, vật liệu… Để cung cấp thông tin ảnh hưởng độ cứng cột dầm đến ứng xử kết cấu chịu tải động đất, học viên thực đề tài: “ Ảnh hưởng kích thước tiết diện cột, dầm đến cấu phá hủy kết cấu. .. 42 Chương PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN CỘT, DẦM ĐẾN CƠ CẤU PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT 43 3.1 Số liệu tính tốn mơ hình 43 3.2 Kết phân tích ... cơng trình nghiên cứu với đề tài ‘? ?Ảnh hưởng kích thước tiết diện cột, dầm đến cấu phá hủy kết cấu nhà cao tầng chịu động đất? ?? cơng trình nghiên cứu riêng tác giả Các số liệu, kết nêu trong luận