Nghiên cứu ứng xử của kết cấu nhà cao tầng có tầng yếu (soft story) chịu tải trọng động có xét đến tương tác kết cấu đất nền

Đề tài nghiên cứu ứng xử của kết cấu nhà cao tầng có tầng yếu soft story chịu tải trọng động có xét đến tương tác kết cấu – đất nền đánh giá được sự làm việc của tầng yếu và kết cấu SSI

* * *

MAI PHÚ HỘ

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG YẾU (SOFT STORY) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC

KẾT CẤU – ĐẤT NỀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐỒNG NAI, NĂM 2023

* * *

MAI PHÚ HỘ

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG YẾU (SOFT STORY) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC

Qua hai năm học tập tại trường Đại học Lạc Hồng đã giúp cho em học hỏi những kiến thức vô cùng quý báo để hoàn thiện kiến thức cho bản thân mình khi thực hiện xong luận văn tốt nghiệp

Trước tiên em chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Hồng Ân, người Thầy

đã hướng dẫn, truyền đạt nhiều kiến thức trong quá trình học viên thực hiện luận văn tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô đã trực tiếp giảng dạy lớp Cao học Xây dựng dân dụng và công nghiệp Thầy và Cô đã truyền đạt những kiến thức hết sức quý giá trong suốt thời gian học tập

Lời cảm ơn cuối cùng em xin gửi đến các tác giả những người đi trước đã có những nghiên cứu, những đóng góp và những tài liệu có liên quan đến đề tài luận văn

để học viên tham khảo trong quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cám ơn!

Đồng Nai, ngày tháng năm 2023

Tác giả

Mai Phú Hộ

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình dưới sự hướng

dẫn của TS Nguyễn Hồng Ân Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn

là trung thực, các kết quả nghiên cứu, tổng hợp được trích dẫn đầy đủ

Đồng Nai, ngày tháng năm 2023

Tác giả

Mai Phú Hộ

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Điều kiện nền đất có ảnh hưởng rất quan trọng đến sự phá hoại của công trình trong quá trình động đất Đề tài nghiên cứu ứng xử của kết cấu nhà cao tầng có tầng yếu (soft story) chịu tải trọng động có xét đến tương tác kết cấu – đất nền đánh giá được sự làm việc của tầng yếu và kết cấu SSI so với kết cấu ngàm cứng Tương tác giữa kết cấu – đất nền được mô phỏng bằng mô hình hệ thống các lò xo kết hợp với các cản nhớt song song nhau và sử dụng phương pháp phân tích theo lược sử thời gian (time history analysis) Bên cạnh đó, luận văn còn phân tích thêm yếu tố tầng yếu (soft story) để xác định được ứng xử của kết cấu tại vị trí chân công trình, tại vị trí có lực cắt và momen lớn nhất Từ đó, xác định được các hiệu ứng tải trọng do động đất gây ra

Tầng yếu, hay tầng không đủ cứng để chịu tải trọng động, là một vấn đề quan trọng trong thiết kế nhà cao tầng Đặc biệt, trong các tòa nhà có hình dạng không đều hoặc có sự chênh lệch giữa các tầng, tầng yếu có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng về độ an toàn của tòa nhà Luận văn đề xuất một phương pháp phân tích và thiết

kế tầng yếu để chịu tải trọng động Phương pháp này bao gồm việc sử dụng mô hình tính toán tương tác kết cấu - đất nền để đánh giá hiệu ứng của tầng yếu đối với độ cứng và sự chịu tải của toàn bộ tòa nhà

Việc xét đến tương tác kết cấu - đất nền trong phân tích và thiết kế là cần thiết

để đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của kết quả Thông qua việc mô phỏng và

mô hình hóa tương tác này, luận văn tìm hiểu và đánh giá tải trọng động mà tầng yếu phải chịu, nhằm đảm bảo tính an toàn và ổn định của toàn bộ tòa nhà

Kết quả của luận văn này sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho các kỹ sư và nhà thiết kế trong việc hiểu và giải quyết vấn đề tầng yếu trong các tòa nhà cao tầng Bằng cách áp dụng phương pháp phân tích và thiết kế đề xuất, họ có thể tăng tính an toàn

và độ cứng cho tầng yếu, từ đó đảm bảo tính ổn định và độ bền của toàn bộ tòa nhà

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Chương 1 : TỔNG QUAN NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG YẾU (SOFT STORY) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC KẾT CẤU – ĐẤT NỀN 4

1.1 Tầng yếu 4

1.1.1 Cột tầng yếu 6

1.1.2 Tường xây kín 7

1.1.3 Tầng yếu trong điểm dừng xe buýt 7

1.2 Giới thiệu 8

1.3 Tình hình nghiên cứu của đề tài 9

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 9

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 15

1.4 Mô hình phi tuyến 17

1.4.1 Phi tuyến hình học 17

1.4.2 Phi tuyến vật liệu 18

1.5 Cơ cấu chảy dẻo mong muốn của khung chịu động đất 18

1.5.1 Phương pháp phân tích phi tuyến theo miền thời gian (NL –RHA ) 19

1.5.2 Phương pháp phổ khả năng CSM ( Capacity Spectrum Method) 20

1.5.3 Phương pháp hệ số chuyển vị DCM (Displacement Coefficient Method) 21

1.5.4 Phương pháp MPA (Modal Pushover Analysis) 22

1.5.5 Phương pháp MPA – CSM 23

1.6.2 Mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler 25

Tóm tắt chương 1 26

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG YẾU (SOFT STORY) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC KẾT CẤU – ĐẤT NỀN 27

2.1 Giải pháp thiết kế làm giảm ảnh hưởng của tầng yếu lên công trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất 27

2.1.1 Công trình xây mới 27

2.1.2 Công trình đang sử dụng 33

2.2 Phương pháp phân tích theo lược sử thời gian (time history analysis) 34

2.2.1 Kết cấu đàn hồi 35

2.2.2 Kết cấu không đàn hồi 36

2.3 Các mô hình nền 38

2.3.1 Mô hình nền đàn hồi tuyến tính 38

2.3.2 Mô hình nền đàn hồi phi tuyến 39

2.3.3 Mô hình nền Winkler 39

2.3.4 Mô tả mô hình BNWF 41

2.3.5 Đặc tính của mô hình BNWF 42

2.3.6 Mô hình vật liệu QzSimple1 44

2.3.7 Khả năng chịu lực cực hạn của lò xo theo phương đứng và phương ngang 48

Kết luận chương 2 56

Chương 3: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG YẾU (SOFT STORY) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC KẾT CẤU – ĐẤT NỀN 57

3.1 Mô hình và trường hợp phân tích 57

3.2 Phương pháp mô phỏng 59

3.2.1 Mô phỏng SSI 59

3.2.2 Dữ liệu trận động đất 60

3.3.2 Chuyển vị tầng 69

3.3.3 Chuyển vị lệch tầng 74

3.4 Nội lực tác dụng lên từng tầng 76

3.4.1 Lực cắt lên từng tầng 76

3.4.2 Moment xoắn từng tầng 79

3.4.3 Moment từng tầng 82

3.4.4 Lực cắt đáy 85

Kết luận chương 3 86

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Bảng 1.1 Kết quả của mô hình 5 tầng theo Vardanega 11

Bảng 1.2 Kết quả của mô hình 10 tầng theo Vardanega 11

Bảng 1.3 Kết quả của mô hình 15 tầng theo Vardanega 12

Bảng 1.4 Bảng xác định giá trị độ cứng và hệ số cản 14

Bảng 2.1 Bảng xác định độ cứng móng nông theo Gazetas trong ATC-40 51

Bảng 3.1 Các đặc trưng của SSI 60

Bảng 3.2 So sánh chu kỳ các dạng dao động (s) 61

Hình 1.2 Hư hỏng tầng yếu 5

Hình 1.3 Cột tầng yếu 6

Hình 1.4 Điểm dừng xe buýt 7

Hình 1.5 Hình ảnh trận động đất gây ra sóng thần ở Nhật Bản ngày 11/3/2011 8

Hình 1.6 Hình ảnh khói bốc lên từ các tòa nhà đỗ sập trong trận động đất KoBe ở Nhật Bản năm 1995 9

Hình 1.7 Mô hình nút tương tác đặc trưng giữa đất nền và kết cấu 13

Hình 1.8 Mô hình tương tác cọc-đất phi tuyến 16

Hình 1.9 Mô hình cọc chịu tải ngang và nền làm việc đồng thời 16

Hình 1.10 Phi tuyến hình học 17

Hình 1.11 Mô hình khớp dẻo 18

Hình 1.12a Cột khỏe – dầm yếu Hình 1.12b Cột yếu – dầm khỏe 19

Hình 1.13 Bài toán phân tích phi tuyến theo miền thời gian 20

Hình 1.14 Chuyển vị mục tiêu xác định theo phương pháp CSM 21

Hình 1.15 Phương pháp phân tích đẩy dần 22

Hình 1.16 Mô hình đàn hồi tuyến tính 24

Hình 1.17 Mô hình Winkler 25

Hình 1.18 Mô hình tương tác đặc trưng giữa cọc và đất 26

Hình 2.1 Công trình có hình dáng đều đặn 27

Hình 2.2 Kết cấu dạng dầm chuyển ở khối đế 28

Hình 2.3 Các dạng kết cấu chuyển tiếp 30

Hình 2.4 Mô hình giằng khối xây đế 31

Hình 2.5 Mô hình cột có độ ngắn không đều 32

Hình 2.6 Giải pháo tăng độ cứng cho tầng yếu 33

Hình 2.7 Kết cấu thanh giằng - điểm tựa 34

Hình 2.8 Quan hệ ứng suất – biến dạng nền đàn hồi tuyến tính 38

Hình 2.9 Quan hệ ứng suất – biến dạng nền đàn hồi phi tuyến 39

Hình 2.10 Mô hình Winkler 40

Hình 2.11 Mô hình tương tác đặc trưng giữa cọc-đất 42

Hình 2.13 Mô hình BNWF với độ cứng thay đổi theo chiều dài của kết cấu móng

(Harden và các cộng sự - 2005) 44

Hình 2.14 Mô hình vật liệu QzSimple1, PySimple1 và TzSimple1 được sử dụng trong liên kết với phần tử “zeroLength Element” 45

Hình 2.15 Đường cong chính của vật liệu QzSimple1 46

Hình 2.16 Phản ứng tuần hoàn của vật liệu QzSimple1 48

Hình 2.17 Mô hình nền Winkler cho móng hình chữ nhật theo ATC-40 53

Hình 2.18 Tỷ số cường độ cứng Rk với móng có tỷ số B/L 55

Hình 2.19 Ảnh hưởng của thông số Se đến ứng xử của kết cấu móng 56

Hình 3.1 Mặt bằng mô hình phân tích 57

Hình 3.2 Mô hình 3D kết cấu công trình trường hợp điển hình 58

Hình 3.3 Mô hình kết cấu công trình trong 3 trường hợp phân tích 58

Hình 3.4 Khai báo gia tốc nền động đất vào trong mô hình 61

Hình 3.5 Chu kỳ dao động của công trình trong 3 trường hợp 62

Hình 3.6 Các dạng dao động của mô hình không xét tầng yếu và tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 63

Hình 3.7 Các dạng dao động của mô hình không xét tầng yếu và tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 64

Hình 3.8 Các dạng dao động của mô hình có xét tầng yếu và không tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 65

Hình 3.9 Các dạng dao động của mô hình có xét tầng yếu và không tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 66

Hình 3.10 Các dạng dao động của mô hình có xét tầng yếu và tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 67

Hình 3.11 Các dạng dao động của mô hình có xét tầng yếu và tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 68

Hình 3.12 Chuyển vị tầng theo phương X trong 3 trường hợp phân tích 69

Hình 3.13 Chuyển vị tầng 1 theo thời gian trường hợp không xét tầng yếu và tương tác kết cấu –đất nền (SSI) 70

Hình 3.15 Chuyển vị tầng 1 theo thời gian trường hợp có xét tầng yếu và không

tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 71

Hình 3.16 Chuyển vị tầng 20 theo thời gian trường hợp có xét tầng yếu và không tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 71

Hình 3.17 Chuyển vị tầng 20 theo thời gian trường hợp có xét tầng yếu và tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 72

Hình 3.18 Chuyển vị tầng 20 theo thời gian trường hợp có xét tầng yếu và tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 72

Hình 3.19 Chuyển vị lệch tầng theo phương X trong 3 trường hợp phân tích 74

Hình 3.20 Lực cắt lên từng tầng theo phương X trong 3 trường hợp phân tích 76

Hình 3.21 Lực cắt lên từng tầng theo phương Y trong 3 trường hợp phân tích 77

Hình 3.22 Moment xoắn lên từng tầng theo phương X trong 3 trường hợp phân tích 79

Hình 3.23 Moment xoắn lên từng tầng theo phương Y trong 3 trường hợp phân tích 80

Hình 3.24 Moment lên từng tầng theo phương X trong 3 trường hợp phân tích 82

Hình 3.25 Moment lên từng tầng theo phương Y trong 3 trường hợp phân tích 83

Hình 3.26 Lực cắt đáy theo thời gian trường hợp không xét tầng yếu và tương tác kết cấu –đất nền (SSI) 85

Hình 3.27 Lực cắt đáy theo theo thời gian trường hợp có xét tầng yếu và không tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 85

Hình 3.28 Lực cắt đáy theo thời gian trường hợp có xét tầng yếu và tương tác kết cấu – đất nền (SSI) 86

Ký hiệu Diễn giải ký hiệu, viết tắt

BTCT Bê tông cốt thép

Soft Story Tầng yếu

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

analysis Phương pháp phân tích theo lược sử thời gian

DK Phá hoại nứt theo phương chéo

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Động đất là một trong những thảm hoạ thiên nhiên khủng khiếp nhất đối với nhân loại mà cho đến nay khoa học, kỹ thuật đương đại vẫn chưa dự báo chính xác thời điểm và địa điểm xảy ra nó Khác với các loại tải trọng động tác dụng lên công trình như tải trọng gió, tải trọng xe chạy trên cầu, tải trọng cầu trục, … Động đất gây

ra chuyển động ở phần móng công trình, do đó nền đất và các thông số cơ học của đất nền bên dưới công trình có ảnh hưởng rất lớn đến ứng xử của kết cấu khi chịu tải trọng động đất Luận văn góp phần làm rõ ảnh hưởng nền đất đến ứng xử của kết cấu công trình bê tông cốt thép, giải pháp móng chịu tải trọng động đất Ảnh hưởng của nền đất được đề cập đến trong luận văn là sự ảnh hưởng đến phản ứng gia tốc và mô hình tính toán kết cấu công trình chịu tải trọng động đất có xét đến sự tương tác của nền đất với móng công trình

Động đất và tính toán công trình chịu tải trọng động đất là chủ đề được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu Kết quả nghiên cứu động đất được thể hiện trong các công trình nghiên cứu của một số tác giả trong và ngoài nước Bên cạnh đó mỗi nước đều ban hành các Tiêu chuẩn tính động đất riêng xuất phát từ chiến lược phát triển kinh tế xã hội cũng như cơ sở vật chất kỹ thuật của nước mình Tuy nhiên, chưa có tài liệu nào đánh giá đầy đủ mức độ ảnh hưởng của nền đất đến kết cấu công trình xây dựng khi chịu tải trọng động đất

Trong vài thập kỷ qua, vấn đề tương tác giữa đất nền và kết cấu (soil-structure interaction (SSI)) đã được quan tâm hơn bởi cộng đồng khoa học Jarernprasert và cộng sự phân tích tương tác SSI của hệ một bậc tự do chịu động đất Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng với ứng xử trễ phi tuyến của kết cấu, chuyển vị của kết cấu có xét SSI lớn hơn chuyển vị của kết cấu ngàm cứng (bỏ qua SSI) Shakib and Fuladgar phân tích động kết cấu nhà không gian (3D) bất đối xứng chịu động đất có xét tương tác SSI và kết luận rằng SSI làm giảm chuyển vị xoắn của kết cấu bất đối xứng Nakhaei and Ali Ghannad đánh giá ảnh hưởng của SSI đến chỉ số hư hại của kết cấu

nhà được mô hình hóa bằng hệ một bậc tự do chịu tác dụng của động đất Kết quả cho thấy rằng SSI làm tăng chỉ số hư hại khi tần số của kết cấu nhỏ hơn một tần số ngưỡng Tần số ngưỡng này có liên quan đến tần số trội của băng gia tốc nền Ngoài

ra, SSI làm tăng đáng kể chỉ số hư hại của kết cấu có tần số thấp đặt trên nền đất yếu Pitilakis và cộng sự mô phỏng tương tác SSI trong thí nghiệm bằng rung Một hệ gồm kết cấu – đất nền được đặc trong trong lớp cát khô thiết kế cho thùng chứa đất trong thí nghiệm bàn rung Kết quả mô hình có thể sử dụng cho trong thiết kế công trình có xét đến SSI

Trong các tiêu chuẩn 7–10, ảnh hưởng của SSI được bỏ qua hoặc được xét đến bằng cách giảm lực cắt đáy thiết kế của kết cấu ngàm Điều này cho thấy quan điểm SSI là có lợi đã được áp dụng trong tiêu chuẩn Quan điểm bỏ qua tương tác SSI có thể sẽ giúp đơn giản công tác thiết kế Tuy nhiên, khi động đất xảy ra, tương tác này

là đương nhiên vì đất nền không tuyệt đối cứng

Nhiều trường hợp kết cấu vẫn không đáp ứng được kỳ vọng trong thiết kế Do

đó, đề tài “nghiên cứu ứng xử của kết cấu nhà cao tầng có tầng yếu (soft story) chịu

tả trọng động có xét đến tương tác kết cấu – đất nền” được học viên lựa chọn thực hiện trong luận văn

2 Mục đích và nhiệm vụ của luận văn

Đánh giá ứng xử của kết cấu nhà cao tầng có tầng yếu (soft story) chịu tải trọng động có xét đến tương tác kết cấu – đất nền thông qua:

+ Xét ảnh hưởng của kết cấu có tầng yếu

+ Không xét tương tác nền (ngàm cứng tại chân cột)

+ Xét đến tương tác nền – kết cấu (tương tác SSI)

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

Đối tượng : Nhà cao tầng và ảnh hưởng của kết cấu nhà cao tầng có tầng yếu (soft story) chịu tải trọng động có xét đến tương tác kết cấu – đất nền

Phạm vi: Tác động của tải trọng động đất theo phương pháp miền thời gian lên nhà cao tầng có tầng yếu và có xét đến tương tác kết cấu – đất nền

4 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu của luận văn

Nghiên cứu lý thuyết: dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

đã được công bố của các tác giả trong và ngoài nước;

Phân tích mô phỏng số: xác định và kiểm chứng các kết quả nghiên cứu thu được thông qua mô phỏng công trình chịu động đất bằng phân mềm Etabs

5 Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của luận văn

Nghiên cứu ứng xử của kết cấu nhà cao tầng có tầng yếu (soft story) chịu tải trọng động có xét đến tương tác kết cấu – đất nền phù hợp với đối tượng lẫn mục tiêu nghiên cứu và sử dụng mô hình này để xác định ứng xử của hệ kết cấu khung chịu động đất Nghiên cứu có thể làm tài liệu thiết kế cho các kỹ sư thiết kế, các cán bộ giáo viên cũng như sinh viên chuyên nghành xây dựng có nhu cầu nghiên cứu và học hỏi

6 Bố cục của luận văn

Chương 1: Tổng quan nhà cao tầng có tầng yếu (soft story) chịu tải trọng động

có xét đến tương tác kết cấu – đất nền

Chương 2: Cơ sở lý thuyết nhà cao tầng có tầng yếu (soft story) chịu tải trọng động có xét đến tương tác kết cấu – đất nền

Chương 3: Nghiên cứu ứng xử của kết cấu nhà cao tầng có tầng yếu (soft story)

chịu tải trọng động có xét đến tương tác kết cấu – đất nền

Chương 1 TỔNG QUAN NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG YẾU

(SOFT STORY) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC

KẾT CẤU – ĐẤT NỀN 1.1 Tầng yếu

Tầng trệt của một tòa nhà bao gồm không gian mở, không gian để đậu xe được gọi là nhà sàn và tầng này với không gian mở được gọi là tầng yếu hoặc Soft-Storey Khi một sự thay đổi đột ngột của độ cứng diễn ra dọc theo chiều cao công trình, tầng có sự thay đổi và giảm mạnh của độ cứng được gọi là tầng yếu Theo IS - 1893:2002 (phần I) Một Soft Storey là một tầng trong đó các độ cứng tầng dưới ít hơn 70 phần trăm so với tầng trên hoặc dưới 80 phần trăm của mặt bên có độ cứng trung bình của ba tầng trên

 Tầng cực yếu : Tầng cực yếu là một kết cấu trong đó độ cứng bên nhỏ hơn 60 phần trăm so với độ cứng ở tầng trên hoặc dưới 70 phần trăm độ cứng trung bình của ba tầng ở trên

 Đề xuất tầng yếu: Thiếu quỹ đất ở khu vực đô thị hóa đã khiến các kỹ sư xây dựng tầng một của tòa nhà với không gian mở cho đỗ xe, v.v Yêu cầu cường

độ trên cột trong tầng đầu tiên của tòa nhà này cũng lớn, nhưng tuy nhiên ở các tầng trên, lực trong các cột được giảm hiệu quả do sự hiện diện của gạch những bức tường tham gia vào khả năng chịu lực của kết cấu Nếu độ cứng của sàn ở tầng 1 kém bền hơn hoặc biến dạng đáng kể, một phần lớn độ võng tổng thể của công trình có xu hướng tập trung ở tầng yếu Sự hiện diện của các bức tường trong kết cấu phía trên làm cho chúng có độ cứng hơn nhiều so với tầng trệt của tòa nhà, nơi có tầng yếu

Nguồn : Syed Gousepak, Prof Vishwanath B Patil, ‘’A Review On Stability Analysis Of A Multi-Storey Building WithUnderneath Satellite Bus Stop Having

Top Soft Storey And Floating Columns ‘’

1.1.1 Cột tầng yếu

Một cột được coi cột tầng yếu là cấu kiện chịu lực dọc bắt đầu liên kết từ móng đến tầng trên và phân bố tải trọng của công trình bên trên phân tán xuống mặt đất Thuật ngữ cột tầng yếu cũng là một cột chịu lực nằm ở tầng trệt (do thiết kế kiến trúc/địa điểm tình huống) ở cấp độ thấp hơn (Cấp độ chấm dứt) dựa trên một dầm là một kết cấu nằm ngang Các dầm sàn lần lượt chuyển tải trọng đến các cột khác bên dưới nó Cột như vậy trong đó tải trọng được coi là tải trọng chính của kết cấu

Về mặt lý thuyết các cấu trúc như vậy có thể được phân tích và được thiết kế Trong thực tế, các cột thực bên dưới cấp độ kết thúc (thường là cấp độ sàn) không được xây dựng cẩn thận và dễ bị hỏng hóc hơn

Nguồn : Syed Gousepak, Prof Vishwanath B Patil, ‘’A Review On Stability Analysis Of A Multi-Storey Building WithUnderneath Satellite Bus Stop Having

Top Soft Storey And Floating Columns ‘’

Hình 1.3 Cột tầng yếu

Có nhiều công trình sử dụng cột trong tầng yếu làm kết cấu chịu lực, đặc biệt là

ở tầng trệt, nơi chuyển giao dầm được sử dụng, để có nhiều không gian mở hơn ở tầng trệt

1.1.2 Tường xây kín

Khối xây thường bao gồm gạch hoặc bê tông đúc sẵn toàn khối, được xây dựng giữa các cột và dầm của một khung bê tông cốt thép Những khối xây này thường không được xem xét chịu lực trong quá trình thiết kế và được coi là các thành phần phi kết cấu, kết cấu bao che

Sự hiện diện của các bức tường xây có tác động đáng kể đến phản ứng địa chấn của tòa nhà khung bê tông cốt thép, tăng độ bền và độ cứng của kết cấu

1.1.3 Tầng yếu trong điểm dừng xe buýt

Các tòa nhà nhiều tầng với mặt bằng mở ở tầng trệt được sử dụng cho bến xe buýt, thường được gọi là trạm xe buýt Những loại công trình này không có tường bao bằng gạch xây ở tầng trệt Chiều cao của tầng yếu gấp đôi chiều cao thông thường của tầng tầng lầu Ở Ấn Độ có rất nhiều điểm dừng xe buýt được xây dựng

Nguồn : Syed Gousepak, Prof Vishwanath B Patil, ‘’A Review On Stability Analysis Of A Multi-Storey Building WithUnderneath Satellite Bus Stop Having

Top Soft Storey And Floating Columns ‘’

Hình 1.4 Điểm dừng xe buýt

1.2 Giới thiệu

- Động đất là một hiện tượng thiên nhiên gây ra thiệt hại rất lớn cho người và tài sản Mặc dù trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu đáng kể nhưng vẫn chưa thể dự đoán được chính xác được thời điểm và địa điểm xảy ra Do đó vẫn chưa có biện pháp phòng ngừa chủ động khi động đất xảy ra

- Phân tích tĩnh phi tuyến (phân tích đẩy dần) đã được phát triển trong nhiều năm qua và đã trở thành một quy trình phân tích được sử dụng phổ biến trong thiết

kế và đánh giá động đất Nhiều công trình nghiên cứu khác nhau về các phương pháp phân tích của các tác giả đã được công bố : phương pháp phổ khả năng-CSM Capacity Spectrum Metho ) được trình bày trong ATC-40 (Applied Technology Council, 1996), phương pháp hệ số chuyển vị-DCM (Displacement Coefficient Method) được trình bày trong FEMA-356 (Federal Emergency Management Agency) và phương pháp phân tích đẩy dần MPA (Modal Pushover Analysis) Chopra và Goel đề xuất

Hình 1.5 Hình ảnh trận động đất gây ra sóng thần ở Nhật Bản ngày 11/3/2011 Trận động đất 8,5 độ Richter gây nên sóng thần ở Nhật Bản đã làm 15.884 người thiệt mạng, 6.148 người bị thương và 2.633 người mất tích, 127.290 ngôi nhà bị tàn phá

Hình 1.6 Hình ảnh khói bốc lên từ các tòa nhà đỗ sập trong trận động đất KoBe ở

Nhật Bản năm 1995 Trận động đất 6,8 độ Richter xảy ra ở phía nam tỉnh Hyogo, Nhật Bản, gây tàn

phá trên diện rộng và cướp sinh mạng của ít nhất 6.400 người

- Các nghiên cứu trước chủ yếu tập trung vào sự phá hoại của công trình mà

chưa kể đến ứng xử của đất nền khi chịu tác trọng của tải trọng (soil-structure interaction, viết tắt là SSI) Thực tế, kết cấu bên trên và đất nền bên dưới sẽ làm việc

đồng thời và có sự tương tác giữa đất nền và kết cấu có xu hướng kéo dài chu kỳ dao động tự nhiên của hệ và ảnh hưởng trực tiếp đến nội lực cũng như chuyển vị của kết cấu

1.3 Tình hình nghiên cứu của đề tài

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Chopra và Goel (2002) đã phát triển một quy trình phân tích đẩy dần được gọi

là phương pháp phân tích đẩy dần MPA dựa trên thuyết động lực học công trình Đầu tiên, quy trình được áp dụng cho các công trình đàn hồi tuyến tính giống như quy trình phân tích phổ phản ứng Sau đó, quy trình được mở rộng để ước tính tác động

của động đất lên kết cấu không đàn hồi bằng việc giả định và xấp xỉ những điều kiện ban đầu

Tác động của động đất lên khung 9 tầng trong dự án SAC do Chopra và Goel nghiên cứu được xác định bằng phương pháp MPA , phân tích động và phân tích đẩy dần dùng mô hình tải phân phối đều và theo dạng dao động Kết quả phương pháp MPA có độ chính xác tương đương với phân tích động về ước tính chuyển vị tầng,

độ trôi tầng, góc xoay chảy dẻo và vị trí xuất hiện khớp dẻo Kết quả của MPA cũng phụ thuộc nhiều vào cường độ của trận động đất

An Hong Nguyen, Chatpan Chintanapakdee, and Toshiro Hayashikawa

(2010) Dùng phương pháp tĩnh phi tuyến (NSPs) để dự đoán các yêu cầu địa chấn trong thiết kế và sự đánh giá các tòa nhà Kiểm tra tương đối sự dịch chuyển và độ chính xác của mô hình Các dự đoán NPS được so sánh với kết quả từ NL-RHA về chuyển vị mục tiêu, chuyển vi mái và độ trôi tầng

Chintanapakdee và Chopra (2003) đánh giá độ chính xác của phương pháp

MPA cho các công trình chịu động đất trong dự án SAC Hệ khung 1 nhịp 3, 6, 9,

12, 15 và 18 tầng với 5 hệ số tương ứng với độ dai của hệ một bậc tự do SDOF là 1, 1.5, 2, 4 và 6 Mỗi khung chịu 20 trận động đất từ dữ liệu động đất ở California Giá trị trung bình độ trồi tầng từ MPA và phân tích động được tính toán và so sánh với nhau Nếu xét ảnh hưởng của những dạng dao động cao hơn (2 hay 3 dạng dao động) thì MPA dự đoán khá chính xác với phân tích động phi tuyến Sai lệch và phân tán của MPA trong dự đoán tác động của động đất gia tăng đối với những hệ khung có chu kỳ dài hơn và độ dẻo của hệ SDOF lớn hơn Điều này được thể hiện khi sai lệch

và độ phân tán của hệ khung không đàn hồi lớn hơn khung đàn hồi

Vardanega (1980) phân tích phản ứng của hệ kết cấu khi xét đến tương tác giữa

đất nền và kết cấu vào mô hình tính toán Tác giả có những kết luận như sau: ảnh hưởng chính của tương tác giữa đất nền và kết cấu là làm gia tăng chu kì dao động tự nhiên của hệ kết cấu, tăng sức cản hiệu quả do sự hao hụt năng lượng khi lan truyền

và thay đổi ứng xử do sự xuất hiện của những góc xoay tại chân công trình Các bảng

I, II, III chỉ ra kết quả của các mô hình 5 tầng, 10 tầng, 15 tầng riêng biệt:

Bảng 1.1 Kết quả của mô hình 5 tầng theo Vardanega

Nguồn: Chintanapakdee, C and A.K Chopra, "Evaluation of Modal Pushover

Analysis Using Generic Frames,"

Bảng 1.2 Kết quả của mô hình 10 tầng theo Vardanega

Nguồn: Chintanapakdee, C and A.K Chopra, "Evaluation of Modal Pushover

Analysis Using Generic Frames,"

Bảng 1.3 Kết quả của mô hình 15 tầng theo Vardanega

Nguồn: Chintanapakdee, C and A.K Chopra, "Evaluation of Modal Pushover

Analysis Using Generic Frames,"

Kết quả cho thấy rằng độ gia tăng chu kì dao động cơ bản của công trình là rất lớn đối với tòa nhà 5 tầng trên nền đất yếu (loại 1), hệ số gia tăng vào khoảng 3 lần Ảnh hưởng này sẽ giảm dần khi chiều cao công trình tăng lên và khi độ cứng của đất nền tăng lên Đây là một điều đáng quan tâm Tuy nhiên, ảnh hưởng này vẫn còn đáng kể đối với tòa nhà 15 tầng trên loại đất số 3 Quá trình tăng sức cản do sự lan truyền rất nhỏ trong mọi trường hợp do kích thước của chân móng Sự thay đổi nội lực dường như là thất thường và không có một phương hướng rõ ràng Đối với tòa nhà 15 tầng thì chu kì dao động cơ bản trên loại đất số 2 và loại đất số 3 bằng nhau nhưng vẫn có một chút khác biệt Đó là chu kì dao động của dạng dao động thứ 2

Stewart và các cộng sự chỉ ra rằng có một sự tương quan cao giữa việc tăng tỷ

số chu kì dao động của kết cấu Tssi/ T và tỷ số độ cứng của kết cấu / đất nền Trong

đó : Tssi và T : chu kì dao động của kết cấu khi có xét và không xét SSI

Những ảnh hưởng do tương tác đặc trưng giữa đất nền và kết cấu sẽ đáng kể khi

tỷ số độ cứng 1/6 vào khoảng 0.1 – 0.3 Khi đó, tỷ số chu kì dao động của kết cấu bằng khoảng 1.1 – 1.5 Đặc biệt, có trường hợp tỷ số độ cứng 1/ϭ bằng 1.5 sẽ làm

tăng tỷ số chu kì lên 4 Một thống kê chung cho thấy khi kết cấu bên trên cứng và đất nền yếu thì ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ đặc biệt quan trọng Mặt khác, nếu chu kì của kết cấu tăng và độ cứng của đất nền phía dưới tăng thì quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ giảm phần quan trọng

Ahmed và Hamdy chọn lọc những ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết

cấu đến công trình chịu những sự rung chuyển mạnh của mặt đất nhằm kiểm soát được sự phá hoại và tăng mức độ an toàn cho công trình Tác giả sử dụng quá trình phân tích tải trọng lặp bằng cách sử dụng phần mềm SAP2000 và chỉ ra kết quả theo những phân tích lược sử thời gian của mô hình công trình gồm cả kết cấu bên trên, kết cấu móng và đất nền khi chịu tải trọng động đất khá lớn Kết quả cho thấy rằng nếu xem xét quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ cho những ảnh hưởng bất lợi đối với hình dáng biến dạng của công trình và chuyển vị đỉnh của công trình sẽ tăng lên Mặt khác, tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ làm giảm nội lực của các kết cấu bên trên khi so sánh với mô hình công trình có chân được ngàm

Nguồn: Ahmed, A F and Hamdy, H A (2013) “Contribution of soil-structure

interaction to seismic response of buildings.”

Hình 1.7 Mô hình nút tương tác đặc trưng giữa đất nền và kết cấu

Bảng 1.4 Bảng xác định giá trị độ cứng và hệ số cản

Phương Độ cứng Hệ số cản Khối lượng Đứng

Ngang

Nguồn: Stewart, J P., Seed, R B., and Fenves, G L (1999) “Seismic

soil-structure interaction in buildings II: Emprical findings.”

Nếu kể đến quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu trong mô hình phân tích thì kết quả về chuyển vị đỉnh của công trình sẽ tăng lên Điều này phụ thuộc phần lớn vào chiều cao công trình Công trình thấp thì sẽ có tỷ lệ chênh lệch chuyển vị đỉnh nhiều nhất khi so sánh giữa mô hình có xét đến SSI và không xét đến SSI

Mô hình không xét đến SSI sẽ cho ra tần số đặc trưng cao Tuy nhiên, tần số dao động cơ bản sẽ giảm đi ứng với mô hình có xét đến SSI và công trình được đặt trên đất nền có độ cứng không cao

Quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu cũng xảy ra khi đất phản ứng lại các vùng có tường hầm chịu lực xung quanh công trình Điều đó chứng minh được khả năng và ảnh hưởng của tường hầm trong việc điều khiển và giảm chuyển vị đỉnh lớn nhất của công trình và cải thiện tốt hơn hình dáng biến dạng của công trình khi chịu động đất

Quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu làm giảm lực cắt ở chân cột từ 70% đến 30% cho công trình từ cao đến thấp khi so sánh với mô hình chân ngàm cổ điển Đối với những tòa nhà nhỏ và nhẹ (từ 3 đến 6 tầng), quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu làm giảm lực dọc trong cột nhưng không đáng kể khi so sánh với

mô hình chân ngàm Nó sẽ có tác dụng đáng kể đối với các tòa nhà cao và nặng (12 tầng) vì khi đó lực dọc có thể giảm tới 20% nếu công trình chịu lực kích thích động đất tương đối lớn Ngoài ra, quá trình tương tác còn làm giảm moment chân cột đến

70% khi so sánh với mô hình chân ngàm và điều này càng thấy rõ hơn đối với các công trình càng cao

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, các phương pháp tính toán động đất còn khá mới mẻ , tiêu chuẩn thiết kế mới được ban hành TCVN 9396-2012 dựa theo tiêu chuẩn Erocode 8 có bổ sung và thay đổi cho phù hợp với điều kiện ở Việt Nam , các nghiên cứu thực nghiệm

và lý thuyết về ảnh hưởng của SSI đối với ứng xử động của kết cấu còn rất hạn chế

Nguyễn Hồng Ân , Đỗ Trọng Nghĩa ( 08/2012) phân tích tĩnh phi tuyến phản

ứng địa chấn khung thép phẳng SMRF

Tác giả đã kết luận rằng đối với hệ khung thấp tầng ( 3 tầng ) thì các giá trị về chuyển vị đỉnh , độ trôi tầng là như nhau sai số không đáng kể khi đố ta chỉ cần phân tích theo phương pháp SPA (mode 1) là đủ tin cậy Nhưng đối với hệ khung càng cao ( 9 tầng trở lên ) thì sai số đáng kể nên tác giả thấy rằng sự đóng góp dạng cao động cao hơn là đáng kể các đường cong của các phương pháp SPA và MPA tách rời nhau và đường cong MPA nằm gần với đường cong NL_RHA

Phạm Ngọc Thạch (11/2011) phân tích mô hình móng cọc chịu tải trọng ngang

và thiết lập mô hình cọc – đất phi tuyến bằng phần mềm SAP2000

Ưu điểm : mô tả được ứng xử phi tuyến giữa cọc và đất, triển khai được công thức tính Mmax, pmax và y0 theo dạng gọn hơn, sử dụng phần mềm SAP2000 quen thuộc với các kỹ sư

Nhược điểm : mô hình đơn lẻ một móng và chưa liên kết với các kết cấu khác

để phân tích ứng xử của toàn bộ hệ kết cấu là như thế nào Vấn đề so sánh kết quả giữa mô hình có xét và không xét tương tác giữa đất nền và kết cấu chưa có Độ cứng của đất nền là một thông số quan trọng, ảnh hưởng nhiều đến kết quả của bài toán nhưng nó lại không được xem xét cụ thể trong nghiên cứu Mô hình chưa đề cập đến ứng xử của kết cấu khi chịu tác động của tải trọng động đất

Nguồn: Phạm Ngọc Thạch (2011) “Phân tích móng cọc chịu tải trọng ngang và kỹ

thuật lập mô hình tương tác cọc-đất phi tuyến.”

Hình 1.8 Mô hình tương tác cọc-đất phi tuyến

Nguyễn Anh Dân (03/2014) Tính toán cọc chịu tải trọng ngang làm việc đồng

thời với nền đất

Nguồn: Nguyễn Anh Dân (2014) “ Tính toán cọc chịu tải ngang làm việc đồng thời

với nền đất “ Hình 1.9 Mô hình cọc chịu tải ngang và nền làm việc đồng thời

P

y

1 2

3

4 5

6

Đỗ Kiến Quốc, Thân Tấn Thành (12/2010) phân tích ứng xử động của kết cấu

chịu tải trọng động đất có xét đến biến dạng nền

Đoàn Ngọc Tịnh Nghiêm ( 2010 ) phân tích phi tuyến khung thép phẳng chịu

tác dụng động đất

1.4 Mô hình phi tuyến

1.4.1 Phi tuyến hình học

Phân tích bậc nhất giả thiết rằng biến dạng tỉ lệ với lực tác dụng, vì vậy quan

hệ giữa chuyển vị và lực tác dụng là tuyến tính Điểm nổi bật của phương pháp này

là sự phù hợp với nguyên lý cộng tác dụng trong những trường hợp tải trọng khác nhau Tuy nhiên, cách phân tích này không cung cấp bất cứ thông tin nào về ổn

định và khả năng chịu lực của kết cấu (Hình 1.10)

Nguồn: http://opensees.berkeley.edu/wiki/index.php/OpenSees User

Hình 1.10 Phi tuyến hình học Khác với phân tích đàn hồi tuyến tính, lời giải có thể tìm được một cách đơn giản và trực tiếp, phân tích phi tuyến hình học thường cần đến việc tính lặp trong cách gia tải từng bước do sự thay đổi hình học của kết cấu không được biết khi thiết lập phương trình cân bằng và quan hệ động học cho bước tính toán hiện tại Phân tích này rất cần thiết khi ngày càng có nhiều kết cấu có độ mảnh lớn, làm bằng vật liệu nhẹ có cường độ cao

1.4.2 Phi tuyến vật liệu

Khung thép bị phá hủy phụ thuộc vào sự mất ổn định của hệ kết cấu do sự chảy dẻo khi tải trọng tác dụng Phân tích phi tuyến vật liệu là phân tích có kể đến ứng xử không đàn hồi của vật liệu, khi đó quan hệ ứng suất và biến dạng không còn là hàm tuyến tính Phương pháp chính trong phân tích phi tuyến vật liệu kết cấu thép thường dùng là phương pháp khớp dẻo Với phương pháp này, phần tử được giả thiết vẫn còn hoàn toàn đàn hồi giữa các đầu mút của nó, một khi sự chảy dẻo của mặt cắt ngang được tìm thấy sẽ có một khớp dẻo tại đầu mút chảy dẻo

Nguồn: http://opensees.berkeley.edu/wiki/index.php/OpenSees User

Hình 1.11 Mô hình khớp dẻo

1.5 Cơ cấu chảy dẻo mong muốn của khung chịu động đất

Đối với công trình chịu động đất, yếu tố an toàn là cho phép thiệt hại ở một mức

độ nào đó mà không sụp đổ, yếu tố này phụ thuộc rất lớn vào các chuyển vị tầng và đặc biệt là thông số độ trôi tầng

Nguồn: Chopra AK, Goel RK (2002), “A modal pushover analysis procedure for

estimating seismic demands for buildings”

Hình 1.12a Cột khỏe – dầm yếu Hình 1.12b Cột yếu – dầm khỏe

Với mong muốn ban đầu của người thiết kế nhằm dễ kiểm soát và đánh giá thiệt hại mô hình khung được xây dựng theo tính chất: “dầm yếu – cột khỏe” (Hình 1.12a) , điểm xuất hiện chảy dẻo và phá hoại chỉ xuất hiện tại vị trí chân cột tầng 1 (nơi có nội lực lớn nhất, lực cắt chân móng lớn nhất, nguy hiểm nhất) và tại các vị trí đầu dầm (nơi có môment lớn nhất) Khi đó, nguy cơ xuất hiện tầng mềm sẽ bị loại trừ (Hình 1.12b), sự nguy hiểm của tải trọng động đất sẽ phân bố đều cho các tầng và sự

hư hại của dầm chỉ làm hư hỏng một số tầng mà không làm sụp đổ hay phá hoại cả công trình

Ngày nay, với nhiều công trình nghiên cứu và sự phát triển của kỹ thuật tính toán, việc phân tích phi tuyến công trình chịu động đất có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau:

1.5.1 Phương pháp phân tích phi tuyến theo miền thời gian (NL –RHA )

Đây là công cụ phân tích chính xác tác động của động đất lên công trình, tải trọng động đất được phân tích trực tiếp lên công trình thông qua phương trình phi tuyến Tuy nhiên phương pháp này tốn khá nhiều thời gian và chi phí lập trình tính toán

a.Gia tốc nền b Mô hình tính toán

Nguồn: Chopra AK, Goel RK (2002), “A modal pushover analysis procedure for

estimating seismic demands for buildings”

Hình 1.13 Bài toán phân tích phi tuyến theo miền thời gian

1.5.2 Phương pháp phổ khả năng CSM ( Capacity Spectrum Method)

Phương pháp phổ khả năng CSM trình bày trong ATC – 40 (Applied Technology Council, 1996) được phát triển bởi Freeman Đây là phương pháp phổ biến được sử dụng nhằm đánh giá nhanh ảnh hưởng của động đất lên công trình Với phương pháp này, chuyển vị mục tiêu được xác định là giao điểm của phổ khả năng (Capacity spectrum) và phổ thiết kế (Demand spectrum) trên đồ thị gia tốc – chuyển

vị ADRS (Acceleration-Displacement Response Spectrum) (Hình 1.14) Tuy nhiên phương pháp này dựa trên các mẫu tải bất biến nên độ chính xác không cao đối với công trình cao tầng

Nguồn: ATC Seismic evaluation and retrofit of concrete building: volumes 1 and 2 Redwood City (California): ATC-40, Applied Technology Council; 1996 Hình 1.14 Chuyển vị mục tiêu xác định theo phương pháp CSM

1.5.3 Phương pháp hệ số chuyển vị DCM (Displacement Coefficient

Method)

Phương pháp hệ số chuyển vị DCM trình bày trong FEMA-356 (Federal Emergency Management Agency, 2000) là một phương pháp xấp xỉ dựa trên hệ số hiệu chỉnh chuyển vị Chuyển vị của hệ nhiều bậc tự do được hiệu chỉnh thành chuyển

vị của hệ một bậc tự do tương đương bằng một số các hệ số:

C0: hệ số hiệu chỉnh dựa trên phổ chuyển vị của hệ SDOF tương đương với chuyển vị đỉnh của hệ MDOF

C1: hệ số tương quan giữa biến dạng cực đại của hệ không đàn hồi và biến dạng của hệ đàn hồi tuyến tính

C2: hệ số có kể đến ảnh hưởng của vòng lặp trễ (pinch), sự suy biến độ cứng và

sự giảm độ bền trên đáp ứng chuyển vị cực đại và hệ số hiệu chỉnh

C3: hệ số kể đến hiệu ứng P-∆, bỏ qua hệ số độ cứng (post-yeild)

1.5.4 Phương pháp MPA (Modal Pushover Analysis)

Nhằm khắc phục hạn chế của những phương pháp trên, phương pháp tĩnh lực ngang tương đương dựa trên dạng dao động có xét đến đóng góp của các dạng dao động cao - Phương pháp MPA (Modal Pushover Analysis) , được đề xuất bởi Chopra

và Goel (2002) Phương pháp này dựa trên phương pháp đẩy dần SPA được thực hiện bằng cách cho lực ngang tăng lên đều đặn, đẩy dần dạng dao động cơ bản đến một giá trị chuyển vị mục tiêu trong khi tải trọng đứng không thay đổi

Nguồn: Chopra AK, Goel RK (2002), “A modal pushover analysis procedure for

estimating seismic demands for buildings”

Hình 1.15 Phương pháp phân tích đẩy dần

Phương pháp này có độ chính xác cao trong đánh giá tác động của động đất đối với công trình do tải trọng được xác định dựa trên dạng dao động thực tế và độ cứng của công trình, đồng thời, dạng dao động cao của công trình được xem xét Đáp ứng tổng của hệ được thực hiện bằng cách tổ hợp các dạng dao động

1.5.5 Phương pháp MPA – CSM

Đây là phương pháp kết hợp giữa phương pháp MPA và phương pháp CSM,

trong đó qui trình tính toán được thực hiện dựa trên phương pháp MPA, chuyển vị mục tiêu được xác định theo phương pháp CSM Vì vậy, phương pháp này cho phép xác định chuyển vị mục tiêu nhanh chóng mà không cần phải giải phương trình động học phi tuyến như trong tuyến trình của phương pháp MPA

1.6 Tương tác nền

Các kết quả nghiên cứu về công trình chịu tác động của động đất trước đây thường bỏ qua ảnh hưởng của đất nền đối với công trình và xem như là ngàm cứng tại chân công trình và chịu toàn bộ gia tốc ngang một chiều Giả thiết này có thể chấp nhận được khi nền đất dưới chân công trình là đất tốt vì khi đó chuyển vị ở chân công trình giống với trường chuyển vị của động đất Tuy nhiên, đất là hệ cấu trúc phước tạp (hạt đất, lỗ rỗng, nước) và tồn tại ở những trạng thái khác nhau: khi toàn bộ các

lỗ rỗng chứa không khí, ta gọi đó là đất khô hoàn toàn, ngược lại nếu toàn bộ các lỗ rỗng được lấp đầy nước, ta gọi đó là đất bão hòa Phần lớn đất tồn tại ở trạng thái các

lỗ rỗng vừa có không khí và nước

Ở trạng thái bình thường, các hạt đất tiếp xúc ổn định với nhau, đất giữ được sức chịu tải bình thường Khi xảy ra động đất, dưới tác dụng của rung lắc, các hạt đất bắt đầu chuyển động hỗn độn, khe hỡ giữa các hạt đất, áp lực nước thay đổi liên tục, lúc này, nền đất sẽ mất đi sự liên kết, mất tính ổn định và tác động trực tiếp đến công trình bên trên

Với những ảnh hưởng như trên, việc kể đến vai trò của đất nền trong mô hình SSI là điều cần thiết vì nó mô phỏng được sự làm việc đồng thời của hệ kết cấu và đất nền trong quá trình chịu tải trọng động đất

1.6.1 Một số mô hình nền đất

Mô hình đàn hồi tuyến tính : quan hệ giữa ứng suất biến dạng là tuyến tính và tuân theo định luật Hooke : σ = E.ε , trong đó ε là biến dạng tương đối dọc trục

Nguồn: Raychowdhury, “Nonlinear Winkler-based shallow foundation model for

performance assessment of seismically loaded structures.”

Hình 1.16 Mô hình đàn hồi tuyến tính

Mô hình Morh – Coulomb : Mô hình đàn hồi tuyến tính đem lại kết quả cao

trong tính toán kết cấu, tuy nhiên, việc áp dụng mô hình này vào tính toán địa kỹ thuật còn gặp những khó khăn vì thực tế biến dạng của nền đất ngoài biến dạng đàn hồi còn có biến dạng dẻo nên quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng sẽ còn không hợp lý

Ở giai đoạn đàn hồi tuyến tính, ứng xử của đất nền giống như mô hình đàn hồi tuyến tính Tuy nhiên, ở giai đoạn dẻo tuyệt đối, ứng suất không tăng nhưng biến dạng tăng

Mô hình Winkler : là mô hình biến dạng cục bộ (Hình 1.17b), hay nói cách

khác, nền chỉ biến dạng ở nơi có tải trọng, khu vực lân cận xem như không biến dạng Tuy nhiên, dưới tác dụng của tải trọng thực, vùng lân cận cũng biến dạng khá nhiều

( Hình 1.17a)

Nguồn: Raychowdhury, “Nonlinear Winkler-based shallow foundation model for

performance assessment of seismically loaded structures.”

Hình 1.17 Mô hình Winkler

Trong mô hình này, đất nền đàn hồi được mô phỏng bằng các lò xo (Hình 1.17c)

Với : K: thông số nền, P: tải trọng ; S: độ lún của nền dưới tác dụng của tải trọng

P

1.6.2 Mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler

Do chỉ xét đến tương tác nền – kết cấu mà không đi sâu vào phân tích nền móng,

đề tài lựa chọn kết cấu móng nông và đất nền áp dụng trong không gian 2D Mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler (BNWF – Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) được sử dụng để phân tích

Trong phần mềm Opensees, kết cấu móng nông trong không gian 2D được xem như phần tử dầm đàn hồi và được khai báo bằng phần tử “elasticBeamColumn” Tại

vị trí mỗi nút phần tử có 3 bậc tự do đại diện cho tải trọng, biến dạng theo phương ngang, phương đứng, góc xoay và được chống đỡ bởi các lò xo phi tuyến riêng biệt Các lò xo này được khai báo bằng phần tử “zeroLength Element” Để mô phỏng phản ứng phi tuyến của lò xo và phản ứng của đất nền tác dụng lên kết cấu móng nông một cách chính xác trong quá trình chịu lực, mô hình vật liệu QzSimple2, PySimple2, TzSimple2 được gán vào các phần tử lò xo Các mô hình này được phát triển từ các

mô hình vật liệu ban đầu: QzSimple1, PySimple1, TzSimple1 thông qua kết quả thí nghiệm thực tế của Raychowdhury, P (2008)

Nguồn: Raychowdhury, “Nonlinear Winkler-based shallow foundation model for

performance assessment of seismically loaded structures.”

Hình 1.18 Mô hình tương tác đặc trưng giữa cọc và đất

Vì những mô hình vật liệu này được thiết lập ban đầu để chuyên cho việc mô

phỏng phản ứng của cọc theo phương dọc và phương ngang cọc (Hình 1.9) nên tên

gọi Qz, Py, Tz của các vật liệu được gán vào lò xo dựa trên hệ trục tọa độ của cọc

Mô hình vật liệu QzSimple2 mô phỏng phản ứng của đất nền tác dụng lên móng đơn khi chịu tải trọng theo phương đứng Mô hình vật liệu PySimple2 mô phỏng phản ứng của đất nền tác dụng lên móng đơn theo phương ngang do áp lực bị động của đất nền gây ra Mô hình vật liệu TzSimple2 mô phỏng phản ứng của đất nền tác dụng lên móng đơn theo phương ngang do ma sát giữa đất nền và đáy móng gây ra

Tóm tắt chương 1

Trong chương 1 đã trình bày tổng quan về tầng yếu và tình hình động đất xảy

ra trong nhà cao tầng ở Việt Nam và một số nước trên thế giới Bên cạnh đó cũng trình bày sự phá hoại của tầng yếu chịu tải trọng động đất Vị trí tầng yếu nằm ở tầng thứ nhất là tầng chịu các tải trọng đứng lớn nhất, khi chịu chuyển vị lớn dưới tác dụng của tải trọng động đất gây nên hiện tượng tập trung ứng suất cục bộ tại tầng này Bên cạnh tầng yếu, yếu tố tương tác nền – kết cấu cũng được nghiên cứu kỹ dựa trên tình hình các đề tài đã được công bố trong và ngoài nước để làm cơ sở cho kết quả của luận văn

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG YẾU (SOFT STORY) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC

KẾT CẤU – ĐẤT NỀN 2.1 Giải pháp thiết kế làm giảm ảnh hưởng của tầng yếu lên công trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất

2.1.1 Công trình xây mới

Nhu cầu trong sử dụng công trình là nguyên nhân phát sinh các dạng kết cấu, chúng ta có thể có các cách xử lý sau khi thiết kế các công trình:

Nguồn: Tạp chí khoa học kiến trúc – xây dựng, Nguyễn Thị Thanh Hoà

Hình 2.1 Công trình có hình dáng đều đặn a) Loại trừ hoàn toàn nó: Không thiết kế các mặt bằng kiến trúc có nguy cơ tạo nên sự thay đổi đột ngột về độ cứng trên chiều cao

Bố trí các chức năng cho công trình tránh để ảnh hưởng đến tính liên tục của kết cấu, nếu có thì cũng chỉ tồn tại trên các tầng ít chịu ảnh hưởng như tầng trên cùng (sử dụng làm phòng họp, nhà hàng đòi hỏi không gian lớn dẫn đến giảm tường, giảm cột) Có thể dùng các thủ pháp về kiến trúc để tạo ra các tầng yếu giả để che cho một kết cấu đều đặn trên chiều cao như hình 2.1