Lựa chọn tiết diện dầm móng hợp lý cho nhà nhiều tầng kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất

MÔ HÌNH VÀ TÍNH TOÁN DẦM MÓNG TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG KẾT CẤU MÓNG CỌC CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT...23 2.2.1.. Tóm tắt kết quả nghiên cứu: Nội dung của đề tài sẽ góp phần làm rõ ảnh hưởng của

VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

TT Họ và tên Đơn vị công tác và

lĩnh vực chuyên môn

Nội dung nghiên cứu cụ thể được giao

Email

1 ThS Lê Chí

Phát

Khoa KTXD – TrườngĐại học SPKT – 48 CaoThắng – TP Đà Nẵng

Thành viên chiphatxd@gmail.com

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1

2 Lý do chọn đề tài 2

3 Mục tiêu nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc đề tài 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DẦM MÓNG TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 3

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG ĐẤT 3

1.1.1 Định nghĩa, nguyên nhân và đặc điểm 3

1.1.2 Sóng địa chấn và sự truyền sóng 5

1.1.3 Cường độ động đất 6

1.1.4 Đặc tính của chuyển động nền trong động đất [4] 9

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐỐI VỚI CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 11

1.2.1 Tác động của động đất lên công trình [4, 16] 11

1.2.2 Ứng xử của kết cấu khung BTCT khi chịu động đất 12

1.3 TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN DẦM MÓNG 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM MÓNG TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 15

2.1 PHƯƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG CỦA HỆ CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 15

2.1.1 Mô hình bài toán động 15

2.1.2 Hệ một bậc tự do chịu tác động của tải trọng động đất 15

2.1.3 Hệ nhiều bậc tự do (MDOF) chịu tác động của động đất 17

2.2 MÔ HÌNH VÀ TÍNH TOÁN DẦM MÓNG TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG KẾT CẤU MÓNG CỌC CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 23

2.2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán dầm móng trên nền đàn hồi theo mô hình Winkler 23 2.2.2 Mô hình tính toán dầm móng trong nhà nhiều tầng kết cấu bê tông cốt thép móng cọc 27

2.2.3 Mô hình hóa dầm móng 29

2.3 NHẬN XÉT CHƯƠNG 2 30

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN DẦM MÓNG TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 31

3.1.1 Số liệu phân tích 32

3.1.2 Các trường hợp phân tích 35

3.2 PHÂN TÍCH ĐỘNG ĐẤT TÁC ĐỘNG LÊN CÔNG TRÌNH BẰNG PHẦN MỀM ETABS v9.2.0 36

3.2.1 Mô hình kết cấu [14] 36

3.2.2 Định nghĩa, khai báo (Define) các thuộc tính của hệ [14] 36

3.2.3 Gán (Assign) các thuộc tính cho hệ kết cấu [14] 39

3.2.4 Phân tích và xem kết quả phân tích động đất 43

3.3 TỔNG HỢP KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 45

3.3.1 Tổ hợp chuyển vị (theo phương X) 45

3.3.2 Tổ hợp nội lực dầm móng 45

3.3.3 Nhận xét: 46

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

MINH CHỨNG SẢN PHẨM ĐỀ TÀI 50

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Tĩnh tải do các lớp cấu tạo sàn 32

Bảng 3.2: Vị trí xây dựng công trình và gia tốc đỉnh 32

Bảng 3.3: Loại nền đất dưới đáy công trình 33

Bảng 3.4: Phổ phản ứng đàn hồi đất nền loại B tại Quận Hải Châu - ĐN 33

Bảng 3.5: Chuyển vị (mm) với các trường hợp phân tích 45

Bảng 3.6: Lực dọc (kN) dầm móng lớn nhất với các trường hợp phân tích 45

Bảng 3.7: Momen M33 (kN.m) dầm móng với các trường hợp phân tích 45

Bảng 3.7: Momen M22 (kN.m) dầm móng với các trường hợp phân tích 46

Bảng 3.7: Momen M22 (kN.m) dầm móng nhà 8 tầng với các tiết diện dầm móng 46

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu tạo Trái đất 3

Hình 1.2: Hướng và các loại dịch của của các phay (geologic fault) 4

Hình 1.3: Minh họa hình thức chuyển động sóng dọc (sóng P) 5

Hình 1.4: Minh họa hình thức chuyển động sóng ngang (sóng S) 6

Hình 1.5:Minh họa hình thức chuyển động sóng LOVE (sóng Q) 6

Hình 1.6: Minh họa hình thức chuyển động sóng Rayleigh (sóng R) 6

Hình 1.7: Gia tốc đồ của trận động đất Elcentro (19/5/1940) 9

Hình 1.8: Hậu quả của động đất tác dụng lên các công trình xây dựng 11

Hình 1.9: Ảnh hưởng của động đất tác dụng lên công trình 12

Hình 1.10: Ảnh hưởng của động đất theo chiều cao công trình 13

Hình 1.11: Sự đổi chiều của momen do động đất gây ra 13

Hình 2.1: Mô hình hoá bài toán động 15

Hình 2.2: Hệ một bậc tự do chịu tác dụng của động đất 16

Hình 2.3: Biểu đồ quan hệ giữa tần số dao động và hệ số cản Rayleigh 21

Hình 2.3: Sơ đồ tính dầm trên nền đàn hồi theo mô hình Winkler 24

Hình 2.3: Biểu đồ dầm trên nền đàn hồi chịu lực phân bố q 26

Hình 2.3: Mô hình cọc trong đài móng là các phần tử thanh 27

Hình 2.3: Mô hình cọc trong đài là các gối đàn hồi phương Z 28

Hình 2.3: Mô hình cọc trong đài là các gối đàn hồi phương ngang 28

Hình 2.3: Mô hình cọc là một gối đàn hồi và bỏ qua mô tả đài cọc 29

Hình 2.3: Mô hình hóa dầm móng 29

Hình 2.3: Mô hình tính toán móng cọc và dầm móng 30

Hình 3.1: Mặt bằng kết cấu tầng 1 31

Hình 3.2: Mặt bằng kết cấu điển hình tầng 2-8 31

Hình 3.4: Mô hình kết cấu công trình 36

Hình 3.5: Khai báo vật liệu BTCT (Bê tông B25) 36

Hình 3.6: Khai báo tiết diện sàn, dầm, cột 37

Hình 3.7: Khai báo sàn tuyệt đối cứng cho mỗi tầng 37

Hình 3.8: Khai báo trường hợp tải trọng tĩnh 37

Hình 3.9: Khai báo khối lượng tham gia dao động 38

Hình 3.10: Phổ phản ứng đàn hồi nền đất loại B (công trình tại Q Hải Châu – Đà Nẵng) 38

Hình 3.11: Khai báo trường hợp phân tích động đất 39

Hình 3.12: Kết quả gán liên kết đàn hồi vào móng và dầm móng 39

Hình 3.12: Kết quả gán tiết diện sàn, vách, dầm, cột tầng 2-mái 40

Hình 3.13: Kết quả gán sàn tuyệt đối cứng cho mỗi tầng 40

Hình 3.14: Kết quả gán tĩnh tải tác dụng lên sàn 41

Hình 3.15: Kết quả gán hoạt tải tác dụng lên sàn 41

Hình 3.16: Kết quả gán tĩnh tải tường tác dụng lên dầm 42

Hình 3.17: Chia tự động phần tử sàn, vách 42

Hình 3.19: Kết quả chuyển vị khung K2 với các trường hợp phân tích 43

Hình 3.19: Kết quả chuyển vị tầng 1 (dầm móng) với các trường hợp phân tích 44

Hình 3.20: Kết quả nội lực dầm móng trường hợp không xét đến động đất 44

Hình 3.21: Kết quả nội lực dầm móng trường hợp có xét đến động đất phương DX 44

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Lựa chọn tiết diện dầm móng hợp lý cho nhà nhiều tầng kết cấu bêtông cốt thép chịu tải trọng động đất

- Mã số: T2018-06-109

- Chủ nhiệm: ThS Lê Chí Phát

- Thành viên tham gia: ThS Trương Hoàng Lộc

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

- Thời gian thực hiện: Tháng 05/2018 đến tháng 04/2019

3 Tính mới và sáng tạo: Số liệu nghiên cứu và khảo sát là hoàn toàn mới chưa

được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào cho đến thời điểmhiện tại

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu: Nội dung của đề tài sẽ góp phần làm rõ ảnh hưởng

của tải trọng động đất đến sự làm việc của kết cấu dầm móng trong nhà nhiều tầng;

từ đó làm cơ sở cho việc lựa chọn tiết diện dầm móng hợp lý

5 Tên sản phẩm: Báo cáo tổng kết đề tài & 01 bài báo đăng trên Kỷ yếu Hội thảo

quốc gia CITA2018

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Đề tài có thể chuyển giao kết quả cho các tổ chức, cá nhân tại các đơn vị tư

vấn thiết kế có quan tâm đến tính toán công trình xây dựng chịu tải trọng động đất,

… và sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên chuyên ngành Xây dựngDân dụng tại các trường Đại học, Cao đẳng trong cả nước, …

7 Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính

Hình 1: Mô hình kết cấu công trình

a) Trường hợp không xét tải trọng động đất b) Trường hợp có xét tải trọng động đất

Hình 2: Kết quả chuyển vị khung K2 với các trường hợp phân tích

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

multi Proposing foundation beams section for multi-story buildingswith reinforced concrete structure of pile foundation subject toearthquake load

3 Creativeness and innovativeness: Research data and is completelynew survey has not been published in any scientific research untilthe present time

4 Research results: The content of the project will contribute toclarify the impact of earthquake load on the work of foundationbeam structure in multi-story buildings; From there, it is the basisfor selecting a foundation beam section

5 Products: Report on the topic and 01 article published in theProceedings of CITA2018 National Workshop

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: The topic

can transfer the results to organizations and individuals in the design consultantsinterested in building computational load Earthquake, and used as a reference forthe students majoring in Civil Engineering at the University, colleges in the country,

MỞ ĐẦU

Việc tính toán dầm móng đã được nhiều tác giả trên thế giới quan tâm nghiêncứu Tuy nhiên các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung về vấn đề mô hình vàphương pháp tính toán dầm móng Có thể kể đến công trình nghiên cứu của các tác

giả như sau: B Y Ting and E F Mockry, Beams on elastic foundation finite element J Strucr; HETENYI, M Beams on elastic foundation; M A Adin, D Z Yankclcvsky and M Eiscnbergcr, Analysis of beams on bi-moduli elastic foundation;

Tại nước ta, việc tính toán dầm móng ở nước ta chưa có Tiêu chuẩn, tài liệuhướng dẫn cụ thể Đặc biệt đối với công trình chịu tải trọng ngang nói chung và tảitrọng động đất nói riêng thì việc tính toán dầm móng còn gặp nhiều khó khăn Đã

có một số tài liệu của các tác giả ngoài nước viết về nội dung này; tuy nhiên do sựkhác nhau về Tiêu chuẩn thiết kế, yếu tố nền đất, … nên việc áp dụng các nội dungnày vào trong tính toán trong điều kiện nước ta hiện nay còn chưa đồng bộ và chủyếu dựa trên kinh nghiệm của người thiết kế Do đó đây là lĩnh vực nhận đượcnhiều sự quan tâm của các nhà khoa học

Có thể kể đến một số công trình nghiên cứu có liên quan đến việc mô hình và

tính toán dầm móng chịu tải trọng động đất ở nước ta như sau: Bộ Xây dựng (1996), TCVN 2737-1995 Tải trọng và tác động (soát xét lần 2); Tiêu chuẩn Quốc gia (2012), TCVN 9386:2012 Thiết kế công trình chịu động đất; Nguyễn Lê Ninh (2007), Động đất và thiết kế công trình chịu động đất, NXB Xây dựng;Viện KHCN Xây dựng (2009), Hướng dẫn thiết kế nhà cao tầng bằng bêtông cốt thép chịu động đất theo Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006; Phạm Hoàng Anh, Nguyễn Thành Luân (2014), Tính dầm trên nền Winkler theo phương pháp chuyển vị; Nguyễn Đông Chí (2017), Tính toán dầm trên nền đàn hồi; Vũ Công Ngữ (2006), Móng cọc – Phân tích và thiết kế.

Dầm móng là một bộ phận rất quan trọng trong công trình xây dựng nóichung và nhà nhiều tầng nói riêng Hiện nay việc mô hình và tính toán dầm móngcòn nhiều quan niệm khác nhau và chưa có tài liệu cũng như Tiêu chuẩn hướng dẫn

cụ thể Đặc biệt đối với kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất thì việc mô

hình và tính toán còn gặp nhiều khó khăn Do đó việc lựa chọn đề tài “Lựa chọn tiết diện dầm móng hợp lý cho nhà nhiều tầng kết cấu Bê tông cốt thép chịu tải

trọng động đất” là vấn đề rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn Nội dung

của đề tài sẽ góp phần xây dựng sơ đồ tính và chọn tiết diện dầm móng hợp lý chonhà nhiều tầng, móng cọc kết cấu Bê tông cốt thép có xét đến tải trọng động đất;

- Xây dựng mô hình tính toán dầm móng cho nhà nhiều tầng kết cấu BTCTmóng cọc chịu tải trọng động đất

- Đề xuất tiết diện dầm móng hợp lý cho nhà nhiều tầng kết cấu BTCT móngcọc chịu tải trọng động đất

Đối tượng nghiên cứu: dầm móng Bê tông cốt thép trong nhà nhiều tầng,

móng cọc chịu tải trọng động đất

Phạm vi nghiên cứu: Xét dầm móng nhà nhiều tầng, móng cọc với điều

kiện địa chất trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sử dụng làm: Tài liệu tham khảo chosinh viên chuyên ngành Xây dựng tại các trường Đại học, cao đẳng và các kỹ sư,cán bộ kỹ thuật Xây dựng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DẦM MÓNG TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG ĐẤT

1.1.1 Định nghĩa, nguyên nhân và đặc điểm

Hình 1.1: Cấu tạo Trái đất

Động đất là một sự rung chuyển hay chuyển động lung lay của mặt đất do sựlan tỏa năng lượng từ một điểm nhất định nằm sâu trong lòng đất Động đất thường

là kết quả sự chuyển động của các phay (geologic fault) hay những bộ phận đứt gãy

trên vỏ của Trái đất hoặc các hành tinh cấu tạo chủ yếu từ chất rắn như đất đá, …[4, 16].

b.Nguyên nhân

Có rất nhiều nguyên nhân xảy ra động đất như vận động phun trào núi lửa;các trượt lở đất đá khối lượng lớn; hoạt động đứt gãy; thiên thạch va chạm vào Tráiđất; hoạt động làm thay đổi ứng suất đá gần bề mặt hoặc áp suất chất lỏng, các vụthử hạt nhân dưới lòng đất, … nhưng nguyên nhân cơ bản là sự chuyển động tương

hỗ không ngừng của các khối vật chất nằm sâu trong lòng đất để thiết lập một thếcân bằng mới được gọi là vận động kiến tạo và động đất là hậu quả từ những vậnđộng kiến tạo đó [3, 4]

Hình 1.2: Hướng và các loại dịch của của các phay (geologic fault)

c. Đặc điểm

Động đất xảy ra hằng ngày trên trái đất, nhưng hầu hết không đáng chú ý vàkhông gây ra thiệt hại Trong rất nhiều trường hợp, có rất nhiều trận động đất nhỏhơn xảy ra trước hay sau lần động đất chính, những trận này được gọi là dư chấn.Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý thuyết,

được quy về một điểm gọi là chấn tiêu Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt trái đất gọi là chấn tâm Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm gọi là độ sâu chấn tiêu Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan trắc gọi là khoảng cách chấn tiêu (tiêu cự)

và từ chấn tâm đến điểm quan trắc gọi là khoảng cách chấn tâm (tâm cự).[3, 4]

1.1.2 Sóng địa chấn và sự truyền sóng

Năng lượng giải phóng từ chấn tiêu lan truyền tới bề mặt trái đất dưới dạngsóng Có hai dạng sóng địa chấn: sóng truyền từ chấn tiêu qua nền đá cứng ra môitrường bao quanh được gọi chung là sóng khối, còn loại chỉ lan truyền trong vùngsát mặt đất nên được gọi là sóng mặt

Khi động đất xảy ra có bốn loại sóng địa chấn được tạo ra cùng lúc, tuynhiên chúng có vận tốc khác nhau và có thể ghi nhận được theo thứ tự đi đến trạmthu như sau:

1 Sóng dọc: là sóng truyền đi nhờ sự thay đổi thể tích vật chất, gây ra biến

dạng kéo nén trong lòng đất Sóng dọc đến các điểm quan trắc trước nên còn gọi làsóng sơ cấp (Primary wave) kí hiệu là P Chuyển động của nó tương tự như làchuyển động của sóng âm trong chất lỏng Sóng P có vận tốc truyền nhanh nhất và

có thể truyền qua cả ba môi trường: rắn, lỏng, khí

Hình 1.3: Minh họa hình thức chuyển động sóng dọc (sóng P)

2 Sóng ngang: là sóng hướng chuyển động của các hạt vật chất vuông gócvới hướng đi của sóng Các sóng này gây ra hiện tượng xoắn và cắt mà không làmthay đổi thể tích của mô trường truyền sóng Vì vậy, sóng này còn có tên là sóngcắt Ở tại các điểm quan trắc, sóng ngang đến sau sóng dọc nên còn gọi là sóng thứcấp (Secondary wave), ký hiệu là S Ở mặt đất các sóng S có thể gây ra các chuyểnđộng theo phương đứng lẫn ngang

Hình 1.4: Minh họa hình thức chuyển động sóng ngang (sóng S)

3 Sóng Love hoặc sóng Q: Chuyển động của loại này về cơ bản là tương tựnhư của sóng S nhưng không có thành phần thẳng đứng Nó làm cho các phần tử vậtchất chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang song song với mặt đất, vuông gócvới hướng truyền sóng Các sóng này chỉ gây ra ứng suất cắt.

Hình 1.5:Minh họa hình thức chuyển động sóng LOVE (sóng Q)

4 Sóng Rayleigh hoặc sóng R: Đây là loại sóng làm cho các phần tử chuyểnđộng theo một quỹ đạo hình ellipse trong mặt phẳng thẳng đứng song song vớiphương truyền sóng Chuyển động này tương tự như là chuyển động của sóng biển,

có thể gây ra nén hoặc kéo và cắt trong nền đất

Hình 1.6: Minh họa hình thức chuyển động sóng Rayleigh (sóng R)

1.1.3 Cường độ động đất

a.Định nghĩa [4]

Cường độ động đất là thể hiện mức độ tàn phá mà động đất có thể gây ra ởmột khu vực nào đó Giá trị thông số này đạt giá trị cực đại ở chấn tâm rồi giảm dầntheo khoảng cách chấn tâm, và phụ thuộc vào điểm quan sát Cường độ động đấtđược đánh giá bằng cách so sánh hậu quả tàn phá quan sát được, đặc biệt là hậu quảphá hủy công trình xây dựng, được mô tả theo cấp độ chuẩn gọi là Thang cường độ

một thang độ có định lượng cụ thể trên cơ sở gia tốc nền (acceleration) do chấn

động gây ra Thang cường độ do Mercalli thành lập, được Sieberg công bố năm

1923 và là cơ sở để hai nhà địa chấn học H.O.Wood và F.Neumann xây dựng Thang

Mercalli hiệu chỉnh (Modified Mercalli Scale) công bố năm 1931 Năm 1956, thang

cường độ lại được Richter hiệu chỉnh chút ít thành thang cường độ chính thức ápdụng rộng rãi ngày nay với khoảng gia tốc cực đại được hiệu chỉnh ThangModified Mercalli phân chia cường độ chấn động thành 12 cấp dựa trên cơ sở tácđộng của động đất lên con người, công trình, đồ vật, súc vật và biến dạng mặt đất

Các nước Châu Âu thường sử dụng thang cường độ MSK-64 do ba nhà khoahọc Medvedev, Sponhahure và Karnic đề xuất năm 1964, là thang cường độ đượcUNESCO kiến nghị Thang cường độ MSK-64 được xây dựng dựa trên tập hợp cácbiểu hiện của tác động động đất lên con người và ngoại cảnh, lên công trình các loại

và lên hiện tượng tự nhiên Theo thang MSK-64 có 12 cấp động đất như sau:

Cấp I – Động đất không cảm thấy, chỉ có máy mới ghi nhận được.

Cấp II – Động đất ít cảm thấy (rất nhẹ) Trong những trường hợp riêng lẻ,

chỉ có người nào đang ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy được

Cấp III – Động đất yếu Ít người nhận biết được động đất Chấn động y như

tạo ra bởi một ôtô vận tải nhẹ chạy qua

Cấp IV – Động đất nhận thấy rõ Nhiều người nhận biết động đất, cửa kính

có thể kêu lạch cạch

Cấp V – Thức tỉnh Nhiều người ngủ bị tỉnh giấc, đồ vật treo đu đưa.

Cấp VI – Sợ hãi Đa số người cảm thấy động đất, nhà cửa bị hư hại nhẹ.

Cấp VII – Hư hại nhà cửa Đa số người sợ hãi, nhiều người khó đứng vững,

nứt lớp vữa, tường bị rạn nứt

Cấp VIII – Phá hoại nhà cửa Sợ hãi và khủng khiếp, ngay người lái ô tô

cũng lo ngại, tường nhà bị nứt lớn, mái hiên và ống khói bị rơi

Cấp IX – Hư hại hoàn toàn nhà cửa Khủng khiếp hoàn toàn, một số nhà bị

Cấp XII – Thay đổi địa hình Phá huỷ mọi công trình ở trên và dưới mặt đất,

thay đổi địa hình trên diện tích lớn, thay đổi cả dòng sông, …

c. Thang độ lớn động đất [4]

* Thang Richter hay còn gọi là thang độ lớn địa phương

Dựa vào thang cấp động đất theo cường độ động đất chúng ta chỉ có thể xácđịnh mức độ tác động của động đất lên bề mặt trái đất, mà chưa cho thông tin gì vềsức mạnh hay đúng hơn là năng lượng mà trận động đất phát ra và truyền vào môitrường xung quanh vùng chấn tiêu dưới dạng sóng đàn hồi Chính vì thế để nghiêncứu đặc trưng của từng trận động đất và nhất là khi phải so sánh các trận động đấtxảy ra ở các vùng khác nhau, vào năm 1935 nhà địa chấn C.F.Richter (Mỹ) đã đưa

ra khái niệm chấn cấp Chấn cấp là một thông số đo đạc của một trận động đất và nóđặc trưng cho độ lớn của động đất xét về năng lượng, còn gọi là độ Richter, ký hiệubằng M Ngày nay các nhà địa chấn sử dụng thang độ Richter để phân hạng độngđất về độ lớn

Theo định nghĩa của Richter, độ lớn M của một trận động đất là logarit cơ số

10 của biên độ lớn nhất của dao động nền đất đo bằng micron (một phần ngànmilimet) trên băng ghi của máy đo chuẩn đặt cách chấn tâm 100 km Trên thực tếđiều kiện đặt trạm cách chấn tâm 100 km không thể thoả mãn vì chúng ta chưa biếtđộng đất xảy ra tại đâu nên độ lớn động đất được xác định:

(1.1)

Trong đó:

- M: Độ lớn động đất theo thang độ richter.

- A : Biên độ lớn nhất của trận động đất đang xét do địa chấn kế.

- A 0 : Biên độ lớn nhất của trận động đất chuẩn có cùng chấn tâm

* Thang cường độ động đất theo đặc trưng của sóng

Thang độ Richter M đo biên độ phổ chuyển động nền đất với tần số dao động

từ 1 đến 5 Hz và không phân biệt được các loại sóng khác nhau Do đó, người tacòn dùng các thang độ lớn sau đây: thang độ lớn sóng mặt MS, thang độ lớn sóngkhối MB, thang độ lớn momen MW

Thang độ lớn sóng mặt M S thường được dùng đối với các trận động đất nông(có độ sâu chấn tiêu nhỏ hơn 70 km) và cách xa chấn tâm (trên 2000 km) có cường

1.1.4 Đặc tính của chuyển động nền trong động đất [4]

Khi động đất xảy ra, chuyển động của đất được thể hiện bằng lịch sử thờigian hoặc biểu đồ động đất dưới dạng gia tốc, vận tốc hay chuyển vị của một điểmnhất trong trận động đất Biểu đồ lịch sử thời gian bao gồm các thông tin đầy đủ về

sự dịch chuyển của đất theo ba phương x, y, z

Gia tốc thường được đo bằng gia tốc kế biên độ lớn, còn vận tốc và chuyển

vị thường được xác định bằng phương pháp tích phân liên tiếp gia tốc ghi được Cácgia tốc được ghi tại các vị trí mà có cùng khoảng cách so với chấn tâm thì có thể

khác nhau về thời gian, cường độ, tần số vì còn tuỳ thuộc vào tính chất của đất.

Hình 1.7: Gia tốc đồ của trận động đất Elcentro (19/5/1940)

(Nguồn: http://peer.berkeley.edu/)

Như vậy, nhìn từ quan điểm của kết cấu công trình thì các thông số quan

trọng nhất ảnh hưởng đến cường độ động đất bao gồm: gia tốc đỉnh của nền đất (Peak Ground Acceleration-PGA), sự duy trì tần số và thời gian kéo dài của rung động mạnh

a.Gia tốc đỉnh (PGA)

Gia tốc đỉnh là gia tốc cực đại, phản ảnh độ mạnh của sự dịch chuyển nềnđất, cũng chính là thể hiện cường độ của động đất Đỉnh gia tốc nền theo phươngngang thường được quan tâm hơn theo phương đứng do khả năng chịu tải trọngđứng của công trình đủ an toàn để chịu thêm tải trọng động đất theo phương đứng

Hiện nay, người ta thường dùng gia tốc đỉnh hơn là vận tốc đỉnh và chuyển

vị đỉnh vì nó có thể đo trực tiếp được, trong khi hai thông số trên phải qua tính toántích phân bổ sung Hơn nữa, gia tốc đỉnh có liên quan trực tiếp đến tải trọng độngđất, đặc biệt là các công trình có độ cứng lớn

b.Nội dung tần số

Nội dung tần số là số lần gia tốc bằng không trong mỗi giây Rõ ràng khi tần

số của lực kích thích bằng với tần số của dao động riêng của kết cấu (cộng hưởng),dao động của kết cấu tăng lên nhiều lần và hiệu ứng giảm chấn có thể trở nên khôngđáng kể Mặc dù chuyển động của đất nền không bao giờ là dạng hình sin (nghĩa làdao động không phải tuần hoàn), thế nhưng thường vẫn có một chu kỳ có ảnhhưởng lớn đến phản ứng của kết cấu

c. Thời gian kéo dài của rung động mạnh

Thời gian kéo dài của rung động mạnh là khoảng thời gian giữa đỉnh đầu vàđỉnh cuối, và giá trị này vượt qua một giá trị đủ lớn cho trước (nghĩa là khoảng thờigian kéo dài của rung động mạnh) Cách định nghĩa này còn gọi là phương pháptrực tiếp để xác định khoảng thời gian kéo dài của rung động mạnh

Năm 1978, R.Dobry, I.Idriss & E.Ng định nghĩa đó là thời gian cần thiết đểtích luỹ từ 5% - 95% năng lượng của gia tốc đồ biểu diễn qua số đo cường độ Aria:

2 0

( )

t A

I a t dt g



Trong đó: t là khoảng thời gian diễn ra động đất

Khoảng thời gian rung động mạnh của nền đất còn được hiểu là là khoảngthời gian cần để giải phóng năng lượng biến dạng tích lũy của đứt gãy Khoảng thờigian này tỉ lệ thuận với độ lớn của động đất Khi khoảng thời gian này càng dài thìnăng lượng ảnh hưởng đến kết cấu càng lớn

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐỐI VỚI CÁC CÔNG TRÌNH

XÂY DỰNG

Động đất gây ra hậu quả to lớn đối với các công trình xây dựng nói chung vàcông trình nhà cao tầng nói riêng Khi động đất xảy ra, nhà cao tầng bị sụp đổkhông chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến con người trong công trình mà còn ảnh hưởngđến con người và công trình của cả khu vực lân cận

Hình 1.8: Hậu quả của động đất tác dụng lên các công trình xây dựng

(Nguồn: EECR, University of California Berkeley)

1.2.1 Tác động của động đất lên công trình [4, 16]

Động đất gây ra sự dịch chuyển của nền đất, vì vậy công trình được xâydựng trên nền đất phải chịu sự dịch chuyển theo móng của nó Mặc dù móng dịchchuyển theo sự dịch chuyển của nền đất nhưng phần mái của ngôi nhà có khuynhhướng đứng yên tại vị trí gốc ban đầu của nó Do tường và cột liên kết phần móngvới phần mái công trình nên khi móng dịch chuyển sẽ kéo theo sự dịch chuyển của

b) Phá hoại toà nhà do trận động đất Michoacan tại Mexico vào 19/9/1985

a) Phá hoại tòa nhà do trận động đất

Izmit tại Turkey vào 17/8/1999

d) Phá hoại toà nhà do trận động đất Northridge tại California vào 17/1/1994

c) Phá hoại tòa nhà do trận động đất

Loma Prieta tại California vào

17/10/1989

mái Tuy nhiên trong nhà thường thì cột và tường có độ cứng hữu hiệu nên sự dịchchuyển của mái khác so với sự dịch chuyển của nền đất

Xét một công trình có phần mái gối lên cột (Hình 1 9); khi nền đất chuyểnđộng ngôi nhà bị giật lại về phía sau và mái chịu tác động của một lực quán tính:

Fqt= M.ag (M là khối lượng và ag là gia tốc nền đất tác dụng lên công trình) Lựcquán tính Fqt có phương ngược với phương chuyển động của gia tốc; rõ ràng khicông trình có khối lượng càng lớn thì lực quán tính càng lớn nên tác động của tảitrọng động đất lên công trình càng lớn Và ngược lại, khi công trình có khối lượngcàng bé thì ảnh hưởng của động đất lên công trình sẽ càng nhỏ

Hình 1.9: Ảnh hưởng của động đất tác dụng lên công trình

1.2.2 Ứng xử của kết cấu khung BTCT khi chịu động đất

Đối với công trình nhà nhiều tầng thì khối lượng tập trung tại cao trình cácmức sàn của mỗi tầng nên lực quán tính phát sinh tại cao trình các mức sàn

Hình 1.10: Ảnh hưởng của động đất theo chiều cao công trình

Lực động đất gây ra tăng dần theo độ giảm chiều cao công trình (tại đỉnhcông trình thì lực ngang nhỏ nhất và tại vị trí chân cột thì động đất sẽ đạt giá trị cựcđại).

Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng (Tĩnh tải, hoạt tải, ) làm cho dầm bịuốn và gây căng các thớ tại vị trí khác nhau (căng dưới tại nhịp và căng trên tại gối).Trong khi đó dưới tác dụng của tải trọng ngang (gió, động đất, ) làm cho dầm, cộtcăng thớ ngược lại so với tải trọng thẳng đứng

Tại gối dầm, độ lớn của momen do động đất gây ra có thể lớn hơn độ lớn củamomen do tải trọng thẳng đứng gây ra, dẫn đến dầm có thể bị căng dưới tại gối Do

đó trong kết cấu khung BTCT thì việc bố trí cốt thép và cấu tạo nút khung cần đặcbiệt quan tâm

a) Tải trọng thẳng đứng b) Momen do tải trọng ngang (động đất)

Hình 1.11: Sự đổi chiều của momen do động đất gây ra

Dầm móng thường đặt trực tiếp trên hoặc trong các nền đất, nền đá, nền nhântạo, Do các nền đều có tính đàn hồi nên người ta gọi tên chúng là dầm trên nền

đàn hồi Khi giải bài toán dầm trên nền đàn hồi người ta thường phải sử dụng cácgiả thuyết về nền Mỗi giả thuyết mô phỏng khái quát về các đặc tính chung củanền, từ đó đưa ra các lời giải tương ứng Cho đến nay đã có rất nhiều các giả thuyếtkhác nhau về mô hình nền như:

+ Mô hình nền biến dạng cục bộ (mô hình nền Winkler): giả thiết này xembiến dạng nền chỉ xảy ra tại vị trí đặt tải do đó có thể mô hình hóa nền gồm vô sốcác lò xo đặt thẳng đứng dưới dầm

+ Mô hình nền bán không gian đàn hồi: xem nền là nữa không gian biếndạng tuyến tính, độ lún nền không chỉ xảy ra tại vị trí đặt lực mà còn ở các vùng lâncận

+ Mô hình nền lớp không gian đàn hồi: tương tự mô hình bán không gianbiến dạng tuyến tính nhưng chỉ xét cho lớp đất có chiều dày hữu hạn

Mỗi mô hình đều có những ưu và nhược điểm nhất định Cho đến nay môhình dầm trên nền đàn hồi theo mô hình Winkler được sử dụng rộng rãi do đơngiản, tiện dụng trong tính toán và gần đúng với thực tế Trong nội dung nghiên cứunày nhóm tác giả sử dụng mô hình Winkler để tính toán dầm móng trên nền đànhồi

Tính chất biến dạng của nền đất được đặc trưng bởi mô đun biến dạng E và

hệ số nở hông µ của đất Trong đó E ảnh hưởng rất lớn đến độ lún của nền và mômen uốn trong kết cấu dầm móng nên cần xác định chính xác

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM MÓNG TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

2.1 PHƯƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG CỦA HỆ CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA

TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

2.1.1 Mô hình bài toán động

Các thông số cơ bản của bài toán động lực

- Khối lượng;

- Tính chất đàn hồi (mềm hoặc cứng);

- Cơ chế phân tán năng lượng hoặc cản;

- Nguồn ngoại lực tác động hoặc cản

Mô hình khối lượng - lò xo tương đương Hình 2 12(a) là mô hình đơn giảnnhất trong động lực học công trình Ở điều kiện lí tưởng nghĩa là không kể đến lựccản thì khi kết cấu chịu tác động của ngoại lực, khối lượng sẽ dao động xung quanh

vị trí cân bằng của nó mãi mãi,

Tuy nhiên ở kết cấu trong thực tế thì sau một khoảng thời gian, khối lượng sẽtrở về vị trí cân bằng, điều này được giải thích do hiện tượng cản Để biểu diễn hiệntưởng cản, trong mô hình phân tích động, người ta đưa vào mô hình cản nhớt khôngkhối lượng Hình 2 12(b)

p(t)

u k

(a)

p(t)

u k

(b)

m

c

(a) Hệ không cản (b) Hệ có cản

Hình 2.12: Mô hình hoá bài toán động

2.1.2 Hệ một bậc tự do chịu tác động của tải trọng động đất

Dưới tác dụng của động đất với gia tốc nền u t g( ) thì nền đất bị dịch chuyểnmột khoảng u tg( ) so với gối [7, 8, 10]

f t  mu t : Lực đàn hồi tác dụng lên khối lượng m.

Thay các giá trị vào phương trình ( 2 4) ta được:

m : Khối lượng tập trung

t : Biến thời gian

( )

u t ; u t( ); u t( ): Chuyển vị, vận tốc, gia tốc tương ứng theo phương

u tại điểm tập trung khối lượng m

2.1.3 Hệ nhiều bậc tự do (MDOF) chịu tác động của động đất

a.Phương trình chuyển động của hệ MDOF chịu động đất

Xét dao động của hệ N bậc tự do, theo nguyên lý d’Alembert hệ phươngtrình dao động của hệ MDOF có thể được biểu diễn dưới dạng ma trận như sau [7,

8, 10]:

  m   u t  ( )     1 u t g( )     c u t   ( )     k u t  ( )     0

Hay:   m u t   ( )     c u t   ( )     k u t  ( )     m   1 u t g( ) (2.9)Trong đó:

b.Dao động tự do của hệ (MDOF)

* Trường hợp hệ dao động tự do không có lực cản

Phương trình của hệ dao động tự do không có lực cản được rút ra từ phươngtrình ( 2 9) khi cho vế phải và   c bằng không [7, 8, 10]

Phương trình chuyển động:   m u t   ( )     k u t  ( )     0 (2.10)Trong đó:

  k ;   m là ma trận độ cứng & ma trận khối lượng vuông cấp N.

Phương trình có nghiệm:  u t ( )    u t ( ) sin(   t   ) (2.11)

trình này thu được N nghiệm dương 1  2  3   N khi đó ta có thể biểudiễn dưới dạng ma trận dao động riêng:

1 2

1 2

N

ω ω

ω

T N

Mỗi trị số riêng cụ thể (n, , T fn n) ứng với một dạng dao động của kết cấugọi là dạng riêng hay dạng chính Bởi vì dạng hình học của một dạng riêng trùngvới biểu đồ chuyển vị (biến dạng đàn hồi) gây ra bởi lực quán tính ứng với một sốtrị riêng nào đó nên các dạng riêng còn gọi là véctơ riêng Tập hợp một trị số riêng

và vectơ riêng tương ứng gọi là dạng dao động chính Một điểm quan trọng cần chú

ý là các vectơ riêng chỉ là hình dạng võng của hệ tương ứng với tần số tự nhiên chứkhông phải là độ lớn giá trị võng thực tế

Với hệ N bậc tự do; khi đó ta sẽ xác định được N dạng dao động; tập hợp Nvéctơ riêng thành một ma trận vuông cấp N:

   : Ma trận dạng dao động của hệ; xác định theo ( 2 16)

 Y t ( )  : Chuyển vị của hệ trong hệ tọa độ chuẩn.

Thế ( 2 20) vào ( 2 19) và nhân ma trận chuyển trí    Tvào hai vế:

       T m   Y t  ( )         T c   Y t  ( )         T k   Y t ( )     0 (2.21)Biến đổi các kí kiệu:

Mô hình cản “không cổ điển” (còn gọi là không đối xứng) thường chính xác khitính chất cản cơ học trong kết cấu khác nhau đáng kể Vì phần lớn kết cấu nhà caotầng thường được chế tạo bởi một loại vật liệu (ví dụ bêtông hoặc thép) nên mô hình

thường dùng là mô hình cản cổ điển, nghĩa là ma trận cản [C*] có dạng ma trậnchéo.

Từ ( 2 22), ta xét phương trình dạng dao động thứ n của hệ:

C M





* 2

*

n n n

K M

Khi năng lượng biến dạng trong kết cấu tỉ lệ với bình phương chuyển vị, ta

có thể tính toán đựơc năng lượng mất đi trong một chu kỳ dao động tự do của kếtcấu với nhiều hệ số cản khác nhau Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng hệ sốcản nhỏ hơn 5% thì cho kết quả khá chính xác

* Mô hình cản Rayleigh [7, 8, 10]

Sức cản của kết cấu liên quan đến năng lượng phân tán trong quá trìnhchuyển động Một phần năng lượng đó được giả thiết là mất mát do chuyển vị, vìvậy có thể nói rằng độ cản tỉ lệ với độ cứng của hệ Ngoài ra năng lượng còn mấtmát do khối lượng của kết cấu Trong mô hình cản Rayleigh, độ cản tỉ lệ với độcứng và khối lượng kết cấu: [ ] C  a M0[ ]  a K1[ ] (2.25)