Nghiên cứu đề xuất quy trình thiết kế kháng chấn theo tính năng cho công trình xây dựng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ THU NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN THEO TÍNH NĂNG CHO CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ THU NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN THEO TÍNH NĂNG CHO CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số: 8580201 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN ANH DŨNG HÀ NỘI, 2022 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn với hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định Tác giả Luận văn Nguyễn Thị Thu i LỜI CẢM ƠN Được phân cơng Khoa Cơng trình, trường Đại học Thủy lợi đồng ý giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Anh Dũng, thực đề tài: “Nghiên cứu đề xuất quy trình thiết kế kháng chấn theo tính cho cơng trình xây dựng" Để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này, em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy Lợi thầy cô thành viên hội đồng xét duyệt bảo vệ tạo điều kiện để em thực đề tài nghiên cứu tâm huyết để cung cấp ý kiến có giá trị để nghiên cứu trở nên hồn thiện Em gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô Giảng viên Bộ môn Xây dựng dân dụng cơng nghiệp, Khoa cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi có ý kiến đóng góp, cung cấp tài liệu tham khảo giúp đỡ để em hồn thành nghiên cứu Với lịng biết ơn sâu sắc mình, em xin cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Anh Dũng tận tình bảo, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn nâng cao lực nghiên cứu khoa học Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Thị Thu ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan động đất 1.1.1 Sự hình thành động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo 1.1.2 Cường độ động đất 1.1.3 Thang cường độ động đất 16 1.1.4 Động đất lãnh thổ Việt Nam 18 1.2 Phương pháp thiết kế kết cấu chịu tải trọng động đất 20 1.2.1 Phương pháp thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn hành 20 1.2.2 Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính (performance-based seismic design) 22 1.2.3 Thực trạng tính tốn thiết kế theo phương pháp kháng chấn theo tính Việt Nam 25 Kết luận chương 28 CHƯƠNG CƠ SỞ THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN DỰA THEO TÍNH NĂNG .29 2.1 Xác định mục tiêu tính cơng trình 29 2.1.1 Mức nguy động đất 29 2.1.2 Mức tính cơng trình 29 2.1.3 Xác định mức tính cơng trình .30 2.1.4 Mục tiêu tính 30 2.2 Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến 31 2.2.1 Phương pháp N2 31 2.2.2 Phương pháp phổ khả 34 2.2.3 Phương pháp hệ số chuyển vị 37 2.2.4 Quan hệ lực – chuyển vị phân tích phi tuyến kết cấu bê tơng cốt thép .41 2.3 Quy trình thiết kế kháng chấn dựa theo tính 42 2.3.1 Các bước quy trình thiết kế 43 2.3.2 Đánh giá mục tiêu tính mức sử dụng 44 2.3.3 Lựa chọn động đất đầu vào 44 iii 2.3.4 Phương pháp phân tích 45 2.3.5 Đánh giá tính 45 2.4 Đánh giá mục tiêu tính mức ngăn ngừa sụp đổ 45 2.4.1 Lựa chọn động đất đầu vào 45 2.4.2 Phương pháp phân tích 46 2.4.3 Đánh giá tính 46 2.5 Tiêu chí chấp thuận cấu kiện bê tơng cốt thép 47 Kết luận chương 50 CHƯƠNG 3: VÍ DỤ MƠ HÌNH SỐ THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 51 3.1 Tổng quan cơng trình khung bê tơng cốt thép 51 3.1.1 Phân tích khung bê tơng cốt thép theo phương pháp khổ khả với cơng trình sau 51 3.1.2.Tính tải trọng động đất theo TCVN 9386-2012 51 3.1.3 Lập mơ hình phân tích khung bê tơng cốt thép 56 3.2 Tính tốn tải trọng động đất tác động lên cơng trình 64 3.2.1 Tính tốn lực động đất phân bố lên tầng theo phương X theo phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương 64 3.2.2 Tính tốn lực động đất phân bố lên tầng theo phương ngang theo phổ phản ứng đàn hồi 74 Kết luận chương 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Các mảng kiến tạo thạch Hình Sơ đồ trượt chìm mảng sống núi đại dương mảng lục địa biểu thị khối nhơ tách dãn sống núi, đới hút chìm, biên đứt gãy trượt ngang cung núi lửa rìa lục địa Hình Sơ đồ đụng độ đối đầu mảng Ấn-Úc Á-Âu .6 Hình 4.a, Biên mảng trượt nhìn nghiêng; B, Biên mảng trượt ngang Hình a, Đứt gãy thuận; b, Đứt gẫy nghịch Hình Trượt trái trượt phải Hình Một số hình ảnh hậu động đất gây Việt Nam 19 Hình Sơ đồ tuyến tính hóa theo phương pháp N2 32 Hình 2 Xác định chuyển vị mục tiêu cho hệ bậc tự tương đương 33 Hình Sơ đồ tuyến tính hóa theo phương pháp phổ khả 35 Hình Sơ đồ tuyến tính hóa theo phương pháp chuyển vị 37 Hình Quan hệ lực – biến dạng cấu kiện bê tông cốt thép theo [12] 42 Hình Quy trình thiết kế kháng chấn theo tính [11,17] 43 Hình Dạng phổ phản ứng đàn hồi 54 Hình Phổ phản ứng đàn hồi cho loại đất từ A-E ( độ cản 5%) .55 Hình 3 Lập mơ hình 2D khung BTCT 57 Hình Kích thước khung 57 Hình Gán liên kết ngàm cho khung .58 Hình Khung mơ hình 58 Hình Khai báo vật liệu bê tông B25 59 Hình Khai báo vật liệu thép CB240(AI) 60 Hình Khai báo vật liệu thép CB400 (AIII) 60 Hình 10 Khai báo tiết diện dầm kích thước 300x650 61 Hình 11 Khai báo tiết diện cột 400x400 61 Hình 12 Khai báo tải trọng .62 Hình 13 Khung gán tiết diện 62 Hình 14 Hình ảnh gán cấu tạo sàn 63 v Hình 15 Hình ảnh khai báo tải trọng tham gia giao động 63 Hình 16 Hình ảnh phổ ngang thiết kế file *txt 65 Hình 17 Tạo phổ ngang thiết kế 66 Hình 18 Biểu diễn gán phổ ngang thiết kế 66 Hình 19 Tổ hợp lực theo phổ ngang thiết kế 67 Hình 20 Tổ hợp tải trọng tĩnh tải 68 Hình 21 Tổ hợp tải trọng 69 Hình 22 Tổ hợp tải trọng 69 Hình 23 Lực dọc khung TH1 70 Hình 24 Momen khung TH1 70 Hình 25 Lực dọc khung TH2 71 Hình 26 Momen khung TH2 71 Hình 27 Gán cốt thép cho cột khung 73 Hình 28 Gán cốt thép cho dầm khung 74 Hình 29 Hình ảnh phổ ngang đàn hồi file *txt 76 Hình 30 Khai báo phổ ngang đàn hồi 76 Hình 31 Biểu diễn gán phổ ngang đàn hồi vào khung 77 Hình 32 Khai báo Pushover X 77 Hình 33 Khai báo khớp dẻo M3 cho dầm 78 Hình 34 Khai báo khớp dẻo M3 cho dầm 78 Hình 35 Khai báo khớp dẻo PMM cho cột 79 Hình 36 Khai báo khớp dẻo PMM cho cột 79 Hình 37 Gán khớp dẻo cho toàn dầm cột 80 Hình 38 Gán khớp dẻo cho toàn dầm cột 80 Hình 39 Thông số khớp dẻo dầm 81 Hình 40 Thông số khớp dẻo cột 81 Hình 41 Đường cong khả khung BTCT tầng 82 Hình 42 Đường cong hệ số chuyển vị theo FEMA 356 82 Hình 43 Ứng xử khung Bước đẩy dần thứ 29 điểm tính 83 Hình 44 Ứng xử khung Bước đẩy dần thứ 30 điểm tính 83 vi Hình 28 Gán cốt thép cho dầm khung Làm tương tự với D30x65 T3-4, D30x65 MAI 3.2.2 Tính tốn lực động đất phân bố lên tầng theo phương ngang theo phổ phản ứng đàn hồi * Đặc điểm cơng trình - Địa điểm xây dựng: Tỉnh, thành: Bắc Ninh Quận, huyện: Thành phố Bắc Ninh Loại đất: D - Hệ số tầm quan trọng: 1 = - Đặc điểm kết cấu: + Loại kết cấu: Hệ khung 74 + Cấp dẻo: DCM + Đều đặn theo mặt đứng: Yes Bảng Các thông số dẫn xuất phổ ngang đàn hồi Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị - Gia tốc agR 0,1192 m/s2 - Gia tốc thiết kế ag 0,1192 m/s2 - Thông số xác định phổ với đất S 1,35 TB 0,2 s TC 0,8 s TD s - Hệ số ứng xử q 3,9 - Hệ số xác định cận  0,2 - Hệ số phản ánh dạng phá hoại kw loại C Phổ thiết kế Sd (T) xác định biểu thức sau:  T   T  TB → Sd(T)=ag.S 1 +  ( 2,5 − 1)  TB  TB  T  TC → Sd(T)=ag.S ( 2,5 )  TC  TC  T  TD → Sd(T)=ag.S (2,5 )    Sd(T)    ag T   TC TD  TD < T → Sd(T)=ag.S ( 2,5 )     Sd(T)    ag T T  75 Chuyển bảng giá trị phổ thiết kế tải trọng động đất theo phương ngang vào file *.txt, nội dung file sau: Hình 29 Hình ảnh phổ ngang đàn hồi file *txt Khai báo phổ phản ứng vào mơ hình Sap 2000 theo bước sau: Bước 1: Chọn Define/ Functions/ Respense Spectrum cửa sổ Define Response Spectrum Functions xuất sau: Hình 30 Khai báo phổ ngang đàn hồi Trong mục Values are, chọn Period vs Value, click Browe để chọn file Sau chọn file, click Display Graph để Sap đọc biếu diễn phổ phản ứng 76 Hình 31 Biểu diễn gán phổ ngang đàn hồi vào khung Bước 2: Khai báo Pushover X - Chọn Define/ Load Cases/ Xuất cửa sổ Define Load Cases - Chọn Add New Load Case Hình 32 Khai báo Pushover X 77 Bước 3: - Chọn tất dầm vào Asign/ Frame/ Hinges…/ Add Hinge sau: Hình 33 Khai báo khớp dẻo M3 cho dầm Hình 34 Khai báo khớp dẻo M3 cho dầm 78 - Chọn tất cột vào Asign/ Frame/ Hinges…/ Add Hinge sau: Hình 35 Khai báo khớp dẻo PMM cho cột Hình 36 Khai báo khớp dẻo PMM cho cột Bước 4: Chọn tất khung vào Asign/ Frame/ Hinge Overwrites… - Xuất cửa sổ Assign Frame Hinge Overwrites 79 Hình 37 Gán khớp dẻo cho toàn dầm và cột Hình 38 Gán khớp dẻo cho toàn dầm và cột 80 Hình 39 Thơng số khớp dẻo dầm Hình 40 Thông số khớp dẻo cột 81 Bước 5: Chạy mơ hình kết Hình 41 Đường cong khả khung BTCT tầng Hình 42 Đường cong hệ số chuyển vị theo FEMA 356 Điểm tính theo phương pháp hệ số chuyển vị theo FEMA 356 có lực cắt đáy 563.078 kN chuyển vị đỉnh 0.200m Tỷ số chuyển vị chiều cao D/H = 0.200/17.5 = 0.0114 < 0.02 => Mức tính ‘Kiểm sốt phá hoại – DC’ 82 Hình 43 Ứng xử khung Bước đẩy dần thứ 29 điểm tính Hình 44 Ứng xử khung Bước đẩy dần thứ 30 điểm tính 83 Bảng Xác định tỷ số chuyển vị lệch tầng so với chiều cao tầng Tầng Chuyển vị Chuyển vị lệch Chuyền cao bước 30 tầng (m) Tỷ số Drift/h Base 3.5 0.0277 0.0277 3.5 0.0079 0.0732 0.0455 3.5 0.013 0.1241 0.0509 3.5 0.0145 0.1701 0.046 3.5 0.013 0.2040 0.0339 3.5 0.0096 Tỷ số Drift/h lớn => Mức tính ‘Kiểm sốt phá hoại – DC’ 84 0.0145 Kết luận chương - Mô hình số khung bê tơng cốt thép địa điểm tỉnh Bắc Ninh Trình bày bước khai báo thơng số ban đầu toán động đất - Dựa vào tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 tính tốn lực động đất phân bố lên tầng theo phương X theo phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương, tính tốn lực động đất phân bố lên tầng theo phương ngang theo phổ phản ứng đàn hồi khai báo khớp dẻo cho dầm gán vào mơ hình khung Sap 2000 - Từ kết chạy mơ hình trạng thái hư hỏng kiểm tra theo tính sau : + Dựa theo đường cong hệ số chuyển vị xác điểm tính theo phương pháp hệ số chuyển vị theo FEMA 356 đánh giá khung mức tính ‘Kiểm sốt phá hoại – DC’ theo bảng giới hạn chuyển vị mức tính theo ATC 40 [7] + Dựa theo ứng xử khung theo bước đẩy dần xác định chuyển vị lệch tầng tầng so với chiều cao tầng đánh giá khung tính ‘Kiểm soát phá hoại – DC’ theo bảng giới hạn chuyển vị mức tính theo ATC 40 [7] 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa tính phương pháp thực tế nghiên cứu Việt Nam hạn chế Trong tiêu chuẩn TCVN 9386-2012 chưa đề cập cụ thể, rõ ràng Phương pháp PBSD phân tích kết cấu làm việc ngồi miền đàn hồi dựa mục tiêu tính định trước Do đó, kỹ thuật phân tích nói chung phức tạp, khó khăn kỹ sư thiết kế Trong trình nghiên cứu hệ thống lý thuyết quy trình thiết kế phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính Ngồi ra, mơ hình số thiết kế đánh giá phương pháp dựa theo tính Việc đưa phương pháp thiết kế theo tính vào thực hành thiết kế giúp nâng cao độ tin cậy, cơng cụ hữu ích thiết kế kháng chấn cơng trình nói chung Kiến nghị Mặc dù luận văn đạt số kết định trên, cần nhiều nghiên cứu thêm tương lai, vài kiến nghị tác giả: • Quy trình đánh giá cho cơng trình có cấp độ dẻo khác cấp dẻo thấp DCL, cấp dẻo trung bình DCM cấp dẻo cao DCH • Quy trình đánh giá cho cấu kiện phi kết cấu khác như: Tường xây gạch, Panel… • Thực phân tích đánh giá cho hệ kết cấu khung khơng gian có chiều cao tầng khác nhau, dạng hình học bất đối xứng, dạng đặc biệt • Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần cho kết cấu khung BTCT có xét đến ảnh hưởng tường gạch xây chèn hay vật liệu phi kết cấu hoàn thiện khác • Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần cho kết cấu BTCT cao tầng có kết cấu vách, lõi cứng để xem xét phân phối lực cắt đáy đưởng cong đẩy dần lực cắt đáy – chuyển vị đỉnh mái • Xem xét nghiên cứu phương pháp gia cường hạn chế hư hỏng cơng trình hữu (cũ) 86 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Nguyễn Anh Dũng, sở thiết kế cơng trình chịu động đất, NXB Bách Khoa Hà Nội [2] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 9386:2012 Thiết kế cơng trình chịu động đất, NXB Xây dựng [3] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 2737:1995 Tải trọng tác động, NXB Xây dựng [4] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 229:1999 Chỉ dẫn tính tốn thành phần động tải trọng gió theo tiêu chuẩn 2737:1995, NXB Xây dựng [5] PGS.TS Nguyễn Tiến Chương, phân tích kết cấu nhà nhiều tầng, NXB Đại học Thủy Lợi [6] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 5574:2018 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép, NXB Xây dựng [7] ATC-40, "Seismic Evaluation and Retrofit of Reinforced Concrete Buildings," in Applied Technology Council, Redwood City (CA), 1996 [8] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 9362:2012 Tiêu chuẩn thiết kế nhà cơng trình, NXB Xây dựng [9] ACI, "Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318M - 08) and Commentary," 2008 [10] CSI SAP2000 V-21, "Integrated finite element analysis and design of structures basic analysis reference manual," Computers and Structures Inc, Berkeley (CA, USA), 2021 [11] FEMA 273, "NEHRP guidelines for the seismic rehabilitation of buildings," in Federal Emergency Management Agency, Washington (DC), 1996 [12] FEMA-356, "Pre-standard and commentary for seismic rehabilitation of buildings," in Federal Emergency Management Agency, Washington (DC), 2000 87 [13] FEMA-440, "Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedures," in Federal Emergency Management Agency, Washington (DC), 2005 [14] FEMA P-58, "Seismic Performance Assessment of Buildings," Federal Emergency Management Agency, 2012 [15] FEMA - P58, "Seismic Performance Assessment of Buildings," Federal Emergency Management Agency, 2018 [16] Eurocode 8, "Design of structures for earthquake resistance," The European Unio, 1998 [17] Nguyễn Hồng Hải Nghiên cứu làm việc nhà cao tầng bê tơng cốt thép có tầng cứng chịu tác động động đất Việt Nam Luận án tiến sĩ, Viện Khoa học công nghệ xây dựng năm 2015 88