Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích sự thay đổi độ cứng động lực học của móng cọc khi chịu tải động đất

PENS RRA PIA TST lý PY AA RP AN TERE A VN OYSF PAYS TREATS § SLA fA SRSA S 8 2 2A Luận văn trình bay tính toán dé phân tích sự thay đôi độ cứng động lực hoc của móng cọc khi chịu tai độn

NGUYEN VĂN HIẾN

PHAN TÍCH SỰ THAY DOI ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC HỌC

CUA MONG COC KHI CHIU TAI ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dung Công Trình Dan Dung Và Công Nghiệp

Mã số : 60.58.02.08

TP.HO CHI MINH, tháng 09 „năm 2018

Cán bộ hướng dẫn khoa hoc: PGS TS CHU QUOC THẮNG - 2 555552

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS TRAN TUẦN KIỆTT s5 + £eEsxsxzxe

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS HO DUC DUY - 5-2 56k EsEsE£E+E£E£eEseserxei

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai hoc Bach Khoa, DHQG Tp HCMngày 21 tháng 08 năm 2018.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 PGS.TS NGUYEN MINH LONG

2.TS TRAN TUAN KIET3 PGS.TS HO DUC DUY4.TS LE TRUNG KIÊN5 TS NGUYEN THÁI BINHXác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quan lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

KY THUẬT XÂY DUNG

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨHọ tên học viên: NGUYEN VĂN HIỂN MSHV: 1670089

Ngày, tháng, năm sinh: 16.10.1993 - Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp

Mã số: 60.58.02.08I TÊN DE TÀI: PHAN TICH SỰ THAY DOI ĐỘ CỨNG DONG LUC

HOC CUA MONG COC KHI CHIU TAI DONG DATIl NHIEM VU VA NOI DUNG:

Phan tich su thay đối độ cứng động lực học cho hệ lò xo khi chịu tải độngđất Sau đó, phân tích ứng xử động của kết cau công trình móng cọc chịu tải độngđất bang cách quy đất nền về hệ lò xo tương đương Rút ra kết luận về sự tương tacđất nên và kết cau khi chịu tai động đất

Ill NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18/12/2017IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 18/06/2018v CÁN BỘ HƯỚNG DAN: PGS TS CHU QUOC THẮNG

Tp HCM, ngày tháng năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ TỊCH HỘI ĐỎNG NGÀNH

PGS TS CHU QUOC THANG

TRUONG KHOA KY THUAT XAY DUNG

Sau thời gian học tập và thực hiện luận văn, được sự tận tình chỉ bảo, động

viên của thầy cô và các bạn bè để vượt qua những khó khăn, tác giả đã hoàn thànhluận văn theo như quyết định của Phòng Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại HọcBách Khoa — Thành Phố Hồ Chí Minh

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa TP HCM, phòng

Đào tạo Sau Đại học và các thầy cô trực tiếp tham gia giảng dạy đã truyền đạtnhững kiến thức và phương pháp học tập, nghiên cứu

Bên cạnh đó, để có được những kiến thức quý báo, tôi xin chân thành cảm ơntat cả bạn bè, thầy cô trong Khoa đã giúp đỡ tôi khi học tập cũng như thực hiện luậnvăn nay, đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Thay hướng dẫn chínhPGS.TS CHU QUOC THANG và Thay: ThS.NCS PHAM NHÂN HÒA ngườiđã tận tinh dẫn dat và hướng dan tôi ngay từ bước dau làm quen với công việcnghiên cứu khoa học đến lúc hoàn thành một luận văn Thạc sĩ và đã truyền đạtnhững kiến thức hết sức quý báu cho tôi

Tôi cũng chân thành cảm ơn các Thầy và Cô trong thư viện Trường Đại họcBách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi tìm tài liệu để thực

hiện luận văn này và những bạn học cùng khóa luôn sát cánh bên tôi trong những

ngày học tập khó khăn.

Sau cùng, tôi xin cảm ơn gia đình tôi đã tạo điều kiện cho tôi học tập và động

viên tôi những khi tôi gặp khó khăn.

Chân thành cảm ơn tất cả!

a ` ~.

PENS RRA PIA TST lý PY AA RP AN TERE A VN OYSF PAYS TREATS § SLA fA SRSA S 8

2 2A

Luận văn trình bay tính toán dé phân tích sự thay đôi độ cứng động lực hoc

của móng cọc khi chịu tai động đất Kết cau bên trên được mô hình bằng phươngpháp phần tử hữu hạn Móng bên dưới có phương pháp tính toán độ cứng (cũng nhưgiảm chan) động lực học cua mong cọc trong môi trường đất

Phần ví dụ minh họa nêu ra trong luận văn là các ví dụ mẫu về kết cầu thép 9tầng và 20 tầng nhằm so sánh đáp ứng động lực học của kết khi xét SSI và khôngxét đến SSI (FBB: Fixed Base Building) Phương trình chuyển động của hệ đượcgiải băng phương pháp Newmark’s trên miền thời gian, được thé hiện trên ngôn ngữ

lập trình Matlab

Cuôi cùng, các ket luận được rút ra về sự khác nhau giữa các mô hình nhăm

cung cap các thông tin hữu ích cho việc nghiên cứu và thiệt kê các công trình kháng

chan.

al7054waa7⁄ SSvs

The thesis presents calculations to analyze the dynamic stiffness change of

pile foundation under seismic load.The upper structure is modeled by finite element

method The foundation below measures the stiffness (as well as damping) of the

pile foundation in the soil environment

Part illustrative examples set out in the thesis that the samples of the steel

structure 9-story, 20-story benchmark steel structures with FBB analysis or

allowing for SSI The equation of motion of the system is solved by Newmark’s

method in the time domain and with the help of Matlab code.

Finally, the conclusions to be drawn about the differences between models to

provide useful information for the study and design of seismic-resistant buildings.

2 sựPeeS„/litle, ‘ongN

ais28ent Su,EAfit,

Tôi tên Nguyễn Văn Hién- Học viên cao học Ngành: Ki Thuật Xây Dung

Công Trình Dân Dụng và Công Nghiệp- Khoá 2016-Trường Đại học Bách Khoa

Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan rằng, đây là luận văn do chính tôi thựchiện Các số liệu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa từng được aicông bố, sử dụng để bảo vệ một học vị nào Các thông tin, tài liệu trích dẫn trongluận văn này đã được ghi rõ nguồn sốc Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về kết

quả nghiên cứu trong luận văn của mình.

Học viên

NGUYEN VĂN HIẾN

TOM TAT LUẬN VAN THAC SĨ 2 5° ° s29 se se sessese ii

CHUONG 1 GIỚI 'THIÍ”UU << << £ 5 55sE5 + EeEeEeEesesesese 1

L.L.DAT VAN Đ TT T ng HT T HT HT TT ng ng |

1.2.MỤC TIEU CUA LUẬN VĂN G1121 ST 1121211 g1 reo 2

CHƯƠNG 2 TONG QUAN o-5 5° 5< s2 S9 S2SE3 E219 385515 5958515050515 058052 3

2.1.TÔNG QUAN VỀ SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KET CẤU VA NEN MONG 3

2.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC c cc+ccccrsrreerree 5

2.3 TINH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC -c++cccccsrrcervee 6

2.4.NOI DUNG LUẬN VAN -G- G12 TH TY TH TH ng ng rưcọ 8

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LY THUUY ẾTT 5< s<eseseeksserkseerkseerkserkssee 93.1.ĐỘ CỨNG CUA M NG CỌCC -G G11 E111 111 E11 1151 511 xe ree 9

3.1.1 Độ cứng cọc theo phương ngØang - .- - - c1 reg 9

3.1.2 Độ cứng cọc theo phương đứng - - - - 5G 5S 1 ke 12

3.1.3 Độ cứng cọc theo phương XOAV -G G0 n ng, 13

3.2.ĐỘ CỨNG CUA M NG COC THAY DO] - 5 2 + 2 sEsesxsesecee 18

3.2.1 Độ cứng cọc theo phương ngang theo thời gIan -««««<- 21

3.2.2 Độ cứng cọc theo phương đứng theo thời glan << ««+ 22

3.2.3 Độ cứng cọc theo phương xoay theo thời ø1an << «««««2 23

3.3.PHƯƠNG TRÌNH VI PHAN CHUYEN DONG - 5 5 ss+xss s2 24

3.3.1 Khung phăng ngàm ở chân cột( FBB) - 2 2 5+s+cz£s+xszscx2 25

3.3.2 Khung phăng gắn lò xo ở chân cột( SSIsta, SSlayn) 5-5- 5-55: 27

3.3.3 Phương pháp NewmarK”S - << - ng ke 29

3.3.4 Nội lực trong thanh - << 000 00H re 31

3.4.CAC BUGC GIẢI BÀI TOÁN SSI VÀ SƠ ĐỎ KHÔI 32

3.4.1 Các bước giải bài toán SSÌ ¿- 5-52 SE SE E2 2E 12 1211 11x cerkd 32

3.4.2 Sơ dé khối cho bài toán phân tích SSI - + +2 2+s+s+escee: 33

CHƯƠNG 4 VI DỤ TÍNH 'TO ÁN << s 5° 5s s2 sesssesssscseessssscse 344.1.KẾT CAU 9 TANG MONG CỌCC - - - 11v 1212111111 EEEEEsEsrrerkeered 34

4.1.1 Mô tả bài tOán - - Set 1 S3 1511111121111 1111 1101111110111 11 11 1111 y0 34

4.1.2 Tính 0k OY 0 0 H11 HH HH HH HH HH HH ng ng vế 37

A.2.KET CAU 20 TANG MONG CỌCC - - tt 12v 1 1E ekrrekrkekred 52

4.2.1 Mô tả bài tOán - Set S1 1511111121111 111111 011211110111 01 11.1111 y0 52

TÀI LIEU THAM KH ÁOO 2 5° << S2 S2 95s se zsessssese 81

Phu luc 1: Chiéu dai, duong kinh va số lượng CỌC cv, I

Phuc luc 2: Ma nguon chương trình Matlab 0.0.0 ccc cccccssssscceeceeeeeeeeeeeseeeeeeseaes IV

DANH MỤC KI HIỆU VA VIET 'TẮTT -5- 5° 2 s2 s2 sesszsesss XXX

PHAN LY LICH TRÍCH NGAING - 2-5 5s 2s 2s sssssessssssse xxxiii

`TYAN EY WU SINE ANESSA PY SS AERTS | SS SASS A SS

Hình 2.1: Tương tác động (kinematic): (a) dao động theo phương đứng, (b) dao

động theo phương ngang, (c) dao động không liên tục, dao động lắc 4

Hình 2.2: Tương tác quán tính (inertial) - << + 119999011 1 1 re 4

Hình 2.3: Sóng lan truyên ¿+ 256292 SE2E9 2121511232111 1121111111111 tk 4

Hình 3.1: Thông số của móng - ¿2 5£ ©E+E+E£+E£E#EEEE£EEEEEEEEEEEEEEEEErrkrrrrrrrrree 9

Hình 3.2: Xác định S/2R( S2Rp )Và [| oe eeeeesssecccceessssneeeeceeesssneeeeeeessesnaeeceseeeeeeeeaeees 11

Hinh 3.3: Xac dinh O11) theo [7] 00 ố II

Hình 3.4: Hệ số tương tác Or (Poulos, 1968) - - - cv 13

Hình 3.5: Xác định f;¡ theo theo Lp/rp va Ep/GsP!° cho cọc chịu mũi l6

Hình 3.7: Xác định f,1 theo Lp/rp và Ep/G,P“° cho cọc chịu ma sát - 17

Hình 3.9: Sự chuyển lớp đất - ¿6E S1 1211151211 1111 1111111110111 11.1.1111 re 19Hinh 3.10: Khung phang xét (a): FBB, (b): SSD ooo cccccccsssseeeccecceeeecceeeeeeeseeceeeeeees 24Hình 3.11: Gia tốc tuyến tính theo toc.ccccccccccsssssscsscsssessesesessesssessesesessesssessesessseesesen 29

Hình 3.12: Nội lực trong thanh 0003000101 ng ke 31

Hinh K8 E04 0000017 33

Hình 4.1: Sơ đỗ bồ trí cọc kết cầu 9 tầng 5-5252 S223 1 1222111121111 11 1E cxe, 35Hình 4.2: Gia tốc anản(m/s2) theo thời 52000107 36Hình 4.3: Sơ đỗ kết cầu 9 tang, 5 nhịp ( xét FBB) + 25252 S22xccseszrrereee 37Hình 4.4: Sơ đỗ kết cau 9 tang, 5 nhịp ( xét SSÌ]) - 5-5252 S2Se2xctsesrrrereee 38Hình 4.5: Kết cau được đánh số và rời rac hóaa sex sEsESEEvEeEseserees 38Hình 4.6: Gia tốc, vận tốc, chuyền vị theo thời gian ở h=0(m) -. - +: 39Hình 4.7: Gia tốc, vận tốc, chuyền vị theo thời gian ở h=21.5(m) 39Hình 4.8: Ứng suất theo thời gian - ¿6-2-5222 SE 3E 121212111121 11 1xx cxee 40Hình 4.9: Biến dạng theo thời Qian ẨS) - - «s9 ng 40Hình 4.10: Ứng suất với biến dạng - ¿2 52 SE2EE2E E21 2E Ekrrrreee 41

Hình 4.11: Ung suất và biến dang với khoảng thời gian - 2555: 41Hình 4.12: Quan hệ Modulus cắt theo thời 0= 42Hình 4.13: Quan hệ giữa hệ số Possion’s theo thời ØIATN cv eesee 42Hình 4.14: Quan hệ S„¡và Sx theo thời gian - 2 s+x+x++E+ESEEEEkeEkerkerkere 43Hình 4.15: Quan hệ K sta, Csta theo thời gian t(s): 0 đến 10.69(S) -c-ccsc: 44Hình 4.16: Quan hệ Kayn, Cayn theo thời gian t: 10.69(s) đến 15($) 45

Hình 4.17: Quan hệ k, c theo thời 8Ø1an - << - - S999 ve 45

Hình 4.18: Kết câu được đánh số và rời rac hóa SSÌ 6s s£ sex seEseseeees 46Hình 4.19: Đáp ứng chuyển vị đỉnhh ¿- + + 6 ++52SE+E+E E‡ESEEEEEEErkrkerrrkrrrreee 48Hình 4.20: Dap ứng gia tốc dink c.ccccccccesscscsessesesessesessssssessesesessesssesseseseeseseseseeseeen 48Hình 4.21: Dap ứng lực cắt chân cột - + ¿66222 E23 E+ESEEEEEEEEEEEErErkrkrree 49

Hình 4.22: Đáp ứng moment chân CỘI - - 5 +1 +31 1 +95 1 E1 kees 49

Hình 4.23: Sơ đô bố trí cọc kết câu 20 tầng + ¿5252522 E22 2E rrxrkrree 53Hình 4.24: Sơ đồ kết cau 20 tang, 5 nhịp ( Xét FBB) ¿-5- 52 2c czcs+sccee 55Hình 4.25: Sơ đồ kết cau 20 tang, 5 nhịp( Xét SSÌ) - ¿252 55cc+csczcsceccee 56Hình 4.26: Gia tốc anèn(m/s2) theo thời QIAN ÍẤS)) Q9 re 57Hình 4.27: Kết câu được đánh số và rời rac hóa ¿-c- + + xxx EeEseseeees 58Hình 4.28: Gia tốc, vận tốc, chuyển vị theo thời gian ở h=0(m) -: 59Hình 4.29: Gia tốc, vận tốc, chuyển vị theo thời gian ở h=29(m) -. : 59Hình 4.30: Quan hệ ứng suất theo thời gian . ¿555552 e+ccc+cevrerererrees 60Hình 4.31: Biến dang theo thời gian - ¿6 +52 2E+E+E+£E‡ESEEEEEEeEkrkrkrrkrererreee 60Hình 4.32: Ứng suất với biến dạng - ¿56 52t E2 E211 1E creee 61Hình 4.33: Ứng suất và biến dang với khoảng thời gian - - + 555552: 61Hình 4.34: Quan hệ Modulus cắt theo thời 0= 62Hình 4.35: Quan hệ giữa hệ số Possion’s theo thời 20 62Hình 4 36: Quan hệ Su và Sx2theo thời 2107 63Hình 4.37: Quan hệ Ksta, Csta theo thời gian t(s): 0 đến 11.63(S) ¿-ccscscss¿ 64Hình 4.38: Quan hệ Kayn, Cayn theo thời gian t: 11.63(s) đến 15($) 65

Hình 4.39: Quan hệ k, c theo thời Qian Ẳ - << « s s0 HH ve 65

Hình 4.40: Kết cau được đánh số và rời rac hóa SSÌ - 5 se xe £eEseserees 66

Hình 4.41:Đáp ứng chuyền vị đỉnh - + 5 52522 SE‡ESEEEEEeErkrkrkrrererreee 68Hình 4.42: Dap ứng gia tốc dink c.ccccceccsessssesessesessssssessescsessesssesscsssesseseseeesseseseeseeen 68Hình 4.43: Dap ứng lực cắt chân cột - + ¿6 +2 SE 2E E32 E12 E1 1 E21 rree 69

Hình 4.44: Đáp ứng moment chân CO - - 556 <1 11133518 39551 E31 ke 69

Hình 4.45: Gia tốc nền Kobe theo thời gian - ¿2522552 e+Ezecevrerererreee 72Hình 4.46: Đáp ứng chuyển vị đỉnhh ¿- - ¿65252 E22 2E EEEEErkrkerrrkrkrreee 73Hình 4.47: Đáp ứng gia tốc đỉnhh - ¿6 52 SE 2x3 E232 121511212111 21 2111 73Hình 4.48: Đáp ứng lực cắt chân cột - + ¿2+2 E23 E32 E1 EEEExrkrree 74

Hình 4.49: Đáp ứng moment chân CO - - - - 556 + 113518 395511 311k rre 74

Hình 4.50: Đáp ứng chuyển vị đỉnhh + + 5+52 SE 2E 2E EE2EErkrkerrrkrkrreee 76Hình 4.51: Đáp ứng gia tốc đỉnhh - ¿6 52 Sz 2x3 E232 121511212111 21 2111 76Hình 4.52: Đáp ứng lực cắt chân CỘCK c-c +1 k St S 19151911 51118151111 11x rrei 77

Hình 4.53: Dap ứng Moment chân CO - - - - 55 +1 E335 1E 395511 E311 rre 77

Bảng 3.1: Giá trị Si ,Sa 55 5c ST EEE11211111211 111111111111 1111111111111 grk 13Bảng 3.2: Hệ số độ cứng và giảm chan Ti; Đại fos fe"; f” ¬ 15

Bảng 3.3: Giá trị Sar, Š:2 222C 1 1 12T 12 1211211121121 1111011111111 11111 111tr 20Bảng 4.1:Thông số động lực học của đất - c-.ccc S222 se 34Bảng 4.2: Thông số của cọc, dai cọc và bố tri CỌC - sex SkEeEsEsEeksesersesed 34Bảng 4.3: Đặc trưng kết cau của tiết điện - + 252 S22 3 E2 2E 2E Errrkrree 36Bảng 4.4: Độ cứng động lực học móng cọc không đối theo t(S) c-s-«: 43Bảng 4.5: Độ cứng động lực học móng cọc thay đổi theo t(S) c-cccccc¿ 44Bảng 4.6: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và moment FBB với SSI 47Bang 4.7:Thông số của đất - 52c 212121 2121211211111 2111111110111 01 111g cry 52Bảng 4.8: Thông số của cọc, dai cọc và bố tri CỌC - sex eEsEsEeksesersesed 52Bang 4.9: Đặc trưng kết cau của tiết diện 5-5-5252 S2 SE E2 2E E21 1E rxrkrree 53Bảng 4.10: Độ cứng động lực học móng cọc không đối theo t(S) -. cscss¿ 63Bảng 4.11: Độ cứng động lực học móng cọc thay đối theo †(S) c-ccccscse¿ 64Bang 4.12: So sánh chuyền vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và moment FBB với SSI 67Bang 4.13: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt va moment FBB với SSI 72Bảng 4.14: So sánh chuyền vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và moment FBB với SSI 75

1.1 DAT VAN DE

Động dat là một sự rung chuyển hay chuyển động của đất nên Kết quả này là

nguyên nhân do bởi sự trượt của các phay hay những bộ phận đứt gấy trên vỏ của

trái đất Trên thé giới động đất xảy ra hăng ngày nhưng hau hết không đáng chú ý vichúng không gây ra thiệt hại Tuy nhiên hằng năm thế giới cũng đã ghi nhận nhiềutrận động đất gây thiệt hại to lớn cho con người và công trình Việt Nam trongnhững năm gan đây tần suất xảy ra động đất ngày càng tăng nên nhiều công trìnhđược quan tâm đến việc thiết kế kháng chan, đặc biệt là đối với các công trình nhà

cao tâng.

Đối với các công trình cao tầng, đặc biệt là hệ móng và đài cọc phản ứng rấtnhạy với các dao động do động đất nền gây ra Khi phân tích dap ứng những kết caudưới tác dung của tải trọng động đất được xây dựng trên nên đất, sự thay đổi chuyểnđộng ở chân công trình sẽ dẫn đến những thay đổi trong phản ứng động của kết cấu.Những thay đôi đặc trưng động lực học đất sẽ ảnh hưởng đến đáp ứng kết cầu bêntrên Sự tương tác qua lại giữa đất nền và kết cau bên trên được gọi là tương tác đấtnền — công trình (SSI: Soil - Structure Interaction)

Sự tương tác giữa dat và kết cau là bài toán quan trọng trong giải pháp cácvan dé trong ngành địa kỹ thuật Mô hình phân tích thông thường xem chân cột làngam (FBB: Fixed Base Building) không xét đến ứng xử phức tạp giữa cọc va đấtnên Các ứng xử liên quan đến tính toán và thiết kế nền - móng cho công trình khichịu tai trọng động đất là một trong những vấn đề rất quan trọng Việc lựa chọn sửdụng giải pháp móng coc được quyết định chủ yếu bởi điều kiện đất nền và tải trongbên trên công trình, kết quả là giải pháp móng này cũng ảnh hưởng ngược lên kếtcau bên trên Trong các loại móng của công trình nhà cao tang, móng cọc là mộtgiải pháp pho biến và hợp lý Tuy nhiên, việc nghiên cứu và thiết kế cọc chịu độngđất là việc khó khăn vì sự không chac chan trong việc: xác định biến dạng của cọc,

tương tác giữa coc va dat nên và ứng xử phức tạp của nhóm cọc.

1.2 MỤC TIỂU CUA LUẬN VAN

Trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu liên quan, mục tiêu nghiên cứu của dé tài

được dé ra như sau:

Phân tích sự thay đôi độ cứng động lực học cho hệ móng khi chịu tảiđộng đất

Phân tích ứng xử động lực học của công trình kết câu móng cọc chịu tảitrọng động đất theo mô hình thu gọn bang cách quy đối đất nên về hệ lò xo tươngđương Phương pháp sử dụng cho việc phân tích là phương pháp phân tử hữu hạn

Phân tích số bài toán.Rút ra kết luận về sự tương tác đất nền và kết cau khi chịu tải động đấtTên dé tài: “Phân tích sự thay đổi độ cứng động lực học của móng cọc khichịu tai động đất”?

2.1 TONG QUAN VE SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KET CÂU VA NEN MONG

SSI liên quan đến nhiều lĩnh vực Nó là sự tong hop cua co hoc dat va co hockết cau, dong hoc dat va động lực học kết cau, động đất, địa vật lý và địa cơ học,khoa học vật liệu, phương pháp tính, phương pháp số và các ngành kỹ thuật khác.Nó bắt nguồn từ cuối thế ky XIX, phát triển dần vào thé ky XX, XXI SSI phát triểnnhanh chóng bởi nhu cầu xây dựng công trình có quy mô ngày càng lớn với sự hỗtrợ của các công cụ tính toán ngày càng hiện đại và mong muốn an toàn ngày càng

cao.

Từ những năm 199013], các nhà nghiên cứu đã có nhiều nỗ lực cho việc thaythé các phương pháp cổ điển của thiết kế bởi những khái niệm mới về thiết kế độngđất Ngoài ra, sự cần thiết của việc kế đến SSI đã thu hút rất nhiều sự chú ý củacộng đồng kỹ thuật ở hau hết các vùng địa chan trên toàn thế giới

SSI là sự tương tác động học giữa đất với nền móng bao gồm hai tương tác

[12] là tương tác động (kinematic) Hình 2.1 và tương tác quán tinh (inertia) Hình

2.2 Tương tác động do sự khác biệt giữa độ cứng của kết câu va đất nên, tương tácquán tính do bởi sự khác biệt khối lượng của kết cu và đất nên

Khi xét đến SSI thì hệ kết cấu - nền móng “mềm” hơn khi xét FBB, chu kỳ

SSI lớn hơn chu kỳ FBB

SSI của móng cọc [3] [8] không những phụ thuộc vào các đặc tính kết cầu bêntrên mà còn phụ thuộc vào các thông số của dai cọc, cọc và cách bố trí nhóm cọc vàquan trọng nhất là độ cứng của đất Cơ sở xác định SSI phụ thuộc vào móng cọcđược thể hiện trong mục 3.1

/ / Jy \ \

/ 20 / / \ `/ \ \

\ | / /

/ // /

Hình 2.3: Sóng lan truyền

phương pháp khác nhau đã được sử dụng như: mô hình nền Winkler với phươngpháp phan tử hữu han (Finite Element Method - FEM) [11] [12] [14] [18] phươngpháp phan tử biên (Boundary Element Method - BEM), va các phương pháp FE-

BE.

Mô hình nền Winkler được dựa trên ly thuyết dầm trên nền đàn hồi, trong đóđất xung quanh được xem là một hệ lò xo Ưu điểm chính của phương pháp này làsự phi tuyến và ứng xử không đồng nhất của đất được mô phỏng mà không đòi hỏi

phải xem xét một bài toán khá lớn Tuy nhiên, phương pháp này có một khó khăn

trong việc mồ phỏng các hiệu ứng nhóm cọc khi mồ hình Winkler bỏ qua sự liên hệ

giữa các cọc.

Milos Novak (1974) “Dynamic Stiffness and Damping of Piles” [4| phan tích

SSI của móng cọc trong nên đồng nhất nhưng chưa phân tích móng trong nên nhiềulớp đất

Hirokazu Takemiya And Yoshikazu Yamada (1981), “Layered

soil-pHe-structure dynamic interaction’’|16| bai báo phan tích SSI cua nhóm cọc trong môi

trường nhiều lớp đất Nhung bai báo phân tích phần khung là khung của cau

George GŒazetas[ and Ricardo Dobry (1984), “Horizontal response of piles in

layered soils [I5] phan tích độ cứng động luc học theo phương ngang cua cọc

trong môi trường nhiều lớp đất, bài báo còn hạn chế về phân tích tương tác của các

cọc trong nhóm.

Trevor G Davies, A M Rajan Sen (1985), “Dynamic behavior of pile groups

in inhomogeneous soil” [17] bai báo trình bày phương pháp xác định độ cứng động

học theo phương ngang của cọc và nhóm cọc trong môi trường đất thay đổi liên tục,

nhưng chưa xác định độ cứng động học theo phương xoay của cọc và nhóm cọc.

T.K.Datta (2010) [12] dùng phương pháp phan tử hữu han dé phân tích tươngtác động học giữa đất với cọc bao gém hai tương tác là tương tác động (kinematic)

Hình 2.1 và tương tac quán tính (inertial) Hình 2.2 Tương tác động do sự khác biệt

giữa độ cứng của kết cau va đất nền, tương tác quán tính do bởi sự khác biệt khối

lượng của kêt câu và đât nên.

Braja M Das, G.V Ramana (2011) “Principles of Soil Dynamics "[3] tác gia

trình bày khá chi tiết về độ cứng động học của nên móng (móng nông, móng coc)trong một lớp đất

M Shadlou and S Bhattacharya (2014) “Dynamic stiffness of pile in a layered

elastic confinuwm ”[8]| phan tích tim độ cứng động học của cọc qua nhiều lớp đất,

nhưng chưa xét đền ảnh hưởng của nhóm cọc.

2.3 TINH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

Những năm qua, trong nước có rất nhiều dé tài nghiên cứu về giảm chan chokết cau khung chịu tải trọng động đất bang hé can chat long nhớt VFD [21] [24][25] thé nhưng việc nghiên cứu về đáp ứng động lực học kết cau chịu tải trọng độngđất xét đến cả SSI thì đang còn nhiều hạn chế

Ở Hà Nội các nghiên cứu của Trịnh Việt Bac, Dinh Văn Toàn, Lại HợpPhòng, Trần Anh Vũ (2011) “Điều kiện nên đất ảnh hưởng bởi tác động động đất

khu vực phía Tây nội thành Hà Nói” [26] bài báo nay chỉ tập trung giới thiệu sự

phân bố giá trị vận tốc truyền sóng trong đất và phân loại nền dưới tác động độngđất ở khu vực phía Tây nội thành Hà Nội dựa trên kết qua thí nghiệm địa chan détính toán độ cản đặc trưng cho sự tương tác giữa móng và đất nên cũng như giữa

cọc va dat.

Đối với thành phố Hồ Chí Minh nói chung và luận văn cao học của trường Đạihoc Bách Khoa thành phố Hỗ Chí Minh nói riêng, các nghiên cứu về SSI chịu tải

đên như:

Bài báo của Trần Thanh Cao Ngọc, Trần Đăng Khải, Vũ Xuân Bách, ChuQuốc Thang, “Đánh giá ảnh hưởng của độ cứng đất nên doi với công trình nhà caotang dưới tác dụng của động đất” [27] tuy nhiên nghiên cứu chỉ dừng lại ở công

trình có móng đơn, chưa giải quyêt được sự tương tac của móng cọc.

Luận văn của tác giả Phan Thị Hương(2006) “Ứng xử của đất nên và cọc cóxét đến gia tốc động dat” [28] tuy nhiên nghiên cứu này chỉ dừng lại ở mức sử dụngphan mềm Plaxis dé mô phỏng và khảo sát mà chưa đi sâu vào xem xét tương tác

giữa đât và cọc.

Luận văn của tác giả Lương Minh Sang (2014) “Phán tích động lực học kếtcầu chịu động đất có xét đến ảnh hưởng tương tác nên móng cọc” [29] luận vănnày nghiên cứu dừng lại ở móng cọc trong nên đất đồng nhất mà không xét tươngtác qua nhiều lớp đất

Luận văn của tác giả Đặng Văn Ut (2016): “Ung xử động kết cầu khung chịutai trọng động đất có xét đến ung xứ của móng cọc ”[30] luận văn nghiên cứu SSIvề móng nông, móng coc trong một và nhiêu lớp đất, chưa xét chuyển động phương

đứng

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 4: Ví dụ tính toán

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Tài liệu tham khảo

Phụ lục: Tính toán chi tiết và mã nguồn chương trình Matlab

Danh mục kí hiệu

3.1 ĐỘ CỨNG CUA MONG COC

| |Ỳ | cap Gs"? ps’?

Hình 3.1: Thông số của móng

3.1.1 Độ cứng cọc theo phuong ngang.

Khi móng dao động theo phương ngang [3], [4] [6] và [9]

kạ;: Cp, hệ sô độ cứng, giảm chân theo phương ngang của một cọc:

EIko = 3 = fo,

E,: Mô dun dan hôi vật liệu làm cọc.

r,: Bán kính của cọc tròn (hoặc được quy đôi từ cọc có tiệt diện chữ nhật

r, = v(a, x b, )/ 7 ; với ap, bp là chiều dài chiều rộng tiết diện cọc hình chữ nhật)

I: Mô men quan tinh của tiet diện ngang cua cọc.

oP: Khôi lượng riêng của dat chứa cọc.

f2:fœ„: Thông số độ cứng và hệ số giảm chấn dao động theo phương ngang

phụ thuộc vào hệ số poisson v của đất, ti số E,/G, và trong điều kiện (L/ R> 25)được thé hiện ở Bang 3.2

Olin)! Hé sé tương tac nhóm cọc theo được xác định từ [7] được xác định Hình

3.3

kệ: Hệ số độ cứng theo phương ngang cho nhóm cọc

ci: Hệ sô giảm chân phương ngang cho nhóm cọc.

f”: Bán kính (mặt băng) của đài cọc hình tròn (hoặc bán kính đài hình chữ

nw Ae cap ° re ` oA Ne oA ^ xe

nhật được quy đôi 1"? = \(%., Dep) / TM ; VỚI 8cap, Deap là chiêu dài chiêu rộng dai cọc

hình chữ nhật).

G-?: Mô đun cat của dat chứa dai cọc.

DƑ”: Chiêu sâu chôn đài cọc.

Cai Sui Cyo Sua: Các hệ số theo được tinh theo [4]

Trong Hình 3.3 thông số S/2R(S là khoảng cách giữa 2 tim cọc là góc hợp5 8 2Rp 8 5

bởi phương ngang va vi trí của cọc đang xét Hình 3.2

3.1.2 Độ cứng cọc theo phương ding

Khi móng dao động theo phương đứng, theo [3], [4], [6] và [9]

k,;c, hệ số độ cứng, giảm chấn tĩnh theo phương đứng của | móng cọc

EAkK — +f,

0 2.7 6.70.25 2.7 6.70.4 2.7 6.7

3.1.3 Độ cứng coc theo phuwong xoay

Khi mong chuyén động xoay, theo [3], [4], [6] và [9]

Kạ;; cạ,: hệ sô độ cứng, giảm chan tinh chuyên động xoay cua một coc

E IKoy =—— fo,

I

E ICy =——fo,

Co

kệ; cả : hệ sô độ cứng, giảm chân tĩnh chuyên động xoay của một nhóm cọc

kỹ =3 | ky +k, x7 + kạy Z2—22, kết |: (3.1.10)

Npg 2 2 01Cọ a Yo + C„¡ Xx, + Coy Ze 27 Co |

1

Trong do:

f,,;f,,: Thông số độ cứng va hệ số giảm chan dao động xoay phụ thuộc vào

hệ số poisson v của đất, tỉ số E,/G, và trong điều kiện (L/ R> 25) được thé hiện

ở Bảng 3.2

kệ: Hệ số độ cứng xoay cho nhóm cọc

cš: Hệ số giảm chan xoay cho nhóm cọc

np: Giống như trong công thức (3.1.2)

kạ;: Hệ số độ cứng cho 1 cọc theo phương ngang xác định ở (3.1.1)

Cy: Hệ số giảm chấn cho 1 cọc theo phương ngang xác định ở (3.1.1)

k_,: Hệ số độ cứng cho | cọc theo phương đứng xác định ở (3.1.11)

c,,: Hệ số giảm chan cho | cọc theo phương đứng xác định ở (3.1.11)

ks': Hệ số độ cứng cho | cọc tương quang giữa phương ngang và xoay được

xác định ở (3.1.11)

c,': Hệ số giảm chan cho 1 cọc tương quang giữa phương ngang và xoay được

xác định ở (3.1.11)

X, : Khoảng cách từ tam dai cọc đến cọc ngoải cùng theo phương x Hình 3.1

z, : Khoảng cách từ tâm đài cọc đến mép dưới của đài theo phương z Hình 3.1

EAk — — z2 CH

f”":f?? : Thông số độ cứng và giảm chan tương quan giữa dao động trượt và

dao động xoay, được xác định từ Bảng 3.2

f

các biểu đồ Hình 3.5, Hình 3.6, Hình 3.7, Hình 3.8 theo [6]

wit Thông số độ cứng và giảm chan dao động đứng, được xác định trong

Bảng 3.2: Hệ số độ cứng và giảm chan Ti: Tớ: Đại; lạ; fe"; fo?

Hệ số Poisson v | E, / GP° ty tụ fo, f,, ft f.°

10000 | 0.0042 0.0107 | 0.2135 0.1577 | -0.0217 | -0.03332500 | 0.0119 | 0.0297 | 0.2998 0.2152 | -0.0429 | -0.06460.25 1000 | 0.0236 ; 0.0579 | 0.3741 : 0.2598 | -0.0668 | -0.0985

500 0.0395 | 0.0953 | 0.4411 ; 0.2953 | -0.0929 | -0.1337250 0.0659 | 0.1556 | 0.5186 0.3299 | -0.1281 | -0.178610000 | 0.0047 ; 0.0119 | 0.2207 ; 0.1634 | -0.0232 | -0.03582500 | 0.0132 ; 0.0329 | 0.3097 0.2224 | -0.0459 | -0.06920.40 1000 | 0.0261 | 0.0641 | 0.3860 0.2677 | -0.0714 | -0.1052

500 0.0436 | 0.1054 | 0.4547 0.3034 | -0.0991 | -0.1425250 0.0726 | 0.1717 | 0.5336 ; 0.3377 | -0.1365 | -0.1896

Hình 3.6: Xác định fzz theo Ly/rp và Ep/G;P!* cho cọc chịu mũi

0.06

Ge 250

⁄ m8 TAT m=.

Lp,

Hình 3.8: Xác định f,2 theo L;/rp và Ep/Gs"© cho cọc chịu ma sat

k§ ”;c¿" hệ sô độ cứng, giảm chân theo phương xoay của đài cọc

cai cai cai 2 cap | @ So, Z ° Z €

3.2 ĐỘ CỨNG CUA MONG COC THAY DOI

Khi công trình chịu động đất thì độ cứng móng cọc thay đổi chính là do:Môđun cắt của dat Gs, hệ số Possion’s v của đất và S_,, S „ thay đổi theo thời gian t

Theo [5] gia tốc, vận tốc và chuyển vị của trận động đất khi đặt gia tốc kế ở độ saubăng 0

V.=Vg F(a, +a,)

2 (3.2.1)h

X,= Xạ+hxvụ + (2a, +ai)

Trong đó:

ao, Vo, Xo là giá tri gia toc, van tôc và chuyên vi tại thời điểm t

ai, V1, Xi là gia toc, van toc, chuyên vi dat nên tại thời diém (t+h)

h: là khoảng thời gian sao cho gia tốc nền là hàm tuyến tinh của thời gian

trong khoảng (t, t+h)

Sau đó lặp lại công thức này cho mỗi bước thời gian tiếp theo

Tiếp tục ứng gia tốc, tìm vận tốc và sự dịch chuyển của trận động đất khi đặt gia tốckế ở độ sâu khác 0

Zi, Zi+1 là chiêu sâu ở V1 trí i, i+]

1 +1 lân lượt là các nút; Az¡ là bê dày lớp dat cần xét

địn; disin lần lượt là sự dịch chuyển tại điểm ¡ ,i+l và n=l

Theo [2] ứng suất cat được tính: Tịn = Sâu, x AZ, XP,

Trong do:

p1: là khối lượng riêng của lớp đất

Theo [2] biến dạng trượt của đất là: Yin = cia cia

Đề quan sát rõ nhất hiện tượng mô đun cat Gs thay đổi theo thời gian t, theo [2] chianhững khoảng thời gian từ 1.0 đến 2.1 s

Theo [2] quan hệ giữa G; và v

Trong do:

Es là mô dun dan hồi Young của đất

v: là hệ số Poisson của đất và có giá tri [0, 0.4]

Theo [3], các giá trị Sx1, Sx2 được đánh giá bởi Beredugo va Novak:

Bang 3.3: Giá trị Sur, Sx2Hệ số Poisson’s V Thông số0 Su =3.6; Sx2 =8.200.25 Su =4.0; Sx2 =9.100.4 Su =4.1; Sx = 10.6Lúc đó, ta được Gs(t), v(t) va Su(t), Sx2(t) để tìm được sự thay đổi độ cứng của

móng cọc theo 3 phương ngang, đứng và xoay:

3.2.1 Độ cứng coc theo phương ngang theo thời gian

Khi móng dao động theo phương ngang [3], [4], [6] và [9]

Hệ số độ cứng động, giảm chan theo phương ngang của một cọc theo thời gian t:

k,(9)=k;()+kỹ(9)

Cy (t) =c8 (t)+c5” (t) (3.2.11)

3.2.2 Độ cứng cọc theo phương dứng theo thời gian

Khi móng dao động theo phương đứng, theo [3], [4], [6] và [9]

Hệ số độ cứng, giảm chấn theo phương đứng của một cọc theo thời gian t

Hệ số độ cứng, giảm chấn theo phương đứng của đải cọc theo thời gian t

3.2.3 Độ cứng coc theo phương xoay theo thời gian

Khi móng dao động theo phương xoay, theo [3], [4], [6] và [9]

Hệ số độ cứng, giảm chấn theo phương xoay của một cọc theo thời gian t

Hệ số độ cứng, giảm chấn theo phương xoay của móng cọc theo thời gian t

Tang n

Tang 2

i Tang 1

ko,Co k „8쬆 0,Co =

tí, nak’ nak’ RA

: _ (b) ; ;

Hinh 3.10: Khung phang xét (a): FBB, (b): SSI

3.3.1 Khung phẳng ngàm ở chân cét( FBB)

Xét khung phẳng n tâng như Hình 3.10

Tronơ do:

h, (i=1 n): Chiêu cao theo phương đứng của tang thứ 1 đến tang thứ n

Ú,: gia tốc theo phương ngang (x=0) của đất nên

Phương trình vi phân chuyền động kết câu có dạng:

M,.Ug, + CÚ + Kssuss — Hs —— Ms xÌx u, (3.2.21)

Trong do:

P.s=[ Pị Pa PaJ'=[ 0 0 OJ : ngoại lực ngang tác dụng vào mỗi sàn

I=[11 1f

Mss( dâm), Css, Kss( cột+ dâm): là ma trận khôi lượng, cản, độ cứng của cả

hệ kết câu, bỏ qua khôi lượng cột

Css=aoxMss + aixKss: su dụng công thức Reighley

" 2x@,@„ 2Với a ,=é —~ vaa =Š

O, +0, 0, +0,

€: là tỉ sô cản phụ thuộc vào vat liệu cua kêt cau

@, „@„ : là tân sô góc dao động riêng cua kêt câu

Kss: được tìm băng cách chông chât các ma trận k°

Mss: được tìm băng cach chông chat các ma trận m*

EA 0 0

L

12EI 6EIin Lv6El 4EI0 : 7

_0 -13L -3L7

700

0140

0

0

0 054 -13L

13L -3I7

0 0156 -22L

-22L 4L |

(3.2.23)

là ma trận khôi lượng thu gon của phân tử ở toa độ dia phương( có xét va dùng dé

tính toán sau này)

Tronơ do:

m, L lân lượt là khối lượng phân bố đều trên dâm và chiêu dài phân tử

dam

Ghi chu:

Trong hé nay cac phan tử ở toa độ dia phương trùng với tọa độ tong thé

3.3.2 Khung phang gan lò xo ở chân cét( SSI sta, SSTayn)

Theo [3], xét khung phang n tang như Hình 3.10

Tronơ do:

h, (i = 1 n) : Chiêu cao theo phương đứng của tang thứ 1 đến tang thứ n

Ú,: gia tốc theo phương ngang (x=0) của đất nên

Phương trình vi phân chuyền động kết câu có dạng:

Mog Ugg, + Cgc Ugg + Kseuss = Fe — Ms; x 1x u, (3.2.25)

Trong do: