Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Đánh giá ảnh hưởng của độ cứng đất nền đối với công trình nhà cao tầng dưới tác dụng của động vật

NHIEM VU VÀ NOI DUNG:e Xây dựng các mô hình tính toán có xét đến ảnh hưởng do tương tac giữa đất nền và kết cau.e Các mô hình sẽ được khảo sát khi chỉ chịu tải trọng động đất theo CÁN BO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRAN ĐĂNG KHÁI

ĐÁNH GIÁ ANH HUONG CUA ĐỘ CỨNG DAT NENDOI VOI CONG TRINH NHÀ CAO TANG DƯỚI TAC

DUNG CUA DONG DAT

Chuyên ngành : Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60-58-20

TP HO CHI MINH, tháng 06 năm 2014

CONG TRINH DUOC HOAN THANH TAITRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA — DHQG-HCMCán bộ hướng dẫn khoa hoc 1 : PGS.TS CHU QUOC THANG

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2 : TS TRAN CAO THANH NGOC

Cán bộ chấm nhận Xét Ï : (G2 + E2 EE9E SE EeESEEESESEEEsererees

Cán bộ chấm nhận Xét 2 : -G + 2 E2 E9E 939128 E111 3E Eckei

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Dai học Bách Khoa, DHQGTp HCM, ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi của Hội đông cham bảo vệ luận vanthạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lýchuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HOI DONG TRƯỞNG KHOA KT XÂY DỰNG

ĐẠI HOC QUOC GIA TP.HCM CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAMTRUONG DAI HOC BACH KHOA Độc lập - Tự do - Hanh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRAN ĐĂNG KHÁI MSHV: 12214059

Ngày, tháng, năm sinh: 12/09/1989 Nơi sinh: TPHCM

Chuyên ngành: Xây dựng công trình DD&CN Mã số : 60-58-20I TÊN DE TÀI: ĐÁNH GIÁ ANH HUONG CUA ĐỘ CỨNG DAT NEN

DOI VỚI CONG TRINH NHÀ CAO TANG DƯỚI TAC DUNG CUADONG DAT

Il NHIEM VU VÀ NOI DUNG:e Xây dựng các mô hình tính toán có xét đến ảnh hưởng do tương tac giữa

đất nền và kết cau.e Các mô hình sẽ được khảo sát khi chỉ chịu tải trọng động đất theo

CÁN BO HUONG DAN 2: TS TRAN CAO THANH NGOC

Tp HCM, ngày thang năm 2014

CB HUONG DAN 1 CB HƯỚNG DÂN 2 CN HỘI DONG NGANH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS CHU QUOC THÁNG TS TRAN CAO THANH NGỌC

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

LOI CAM ONTôi xin dành lời nói dau tiên dé gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thay:

Thay CHU QUOC THANGThay TRAN CAO THANH NGOCThay VU XUAN BACH

Tôi có thé hoàn thành được luận văn này là nhờ những sự chỉ dẫn tận tình,nhiệt huyết của các thay Các thay luôn khuyên bảo cho tôi những điều đúngdan nhất trong các van đề liên quan đến đề tài Các thầy luôn động viên, giúpđỡ cho tôi rất nhiều mỗi khi tôi gặp khó khăn trong quá trình thực hiện luậnvăn Nhờ những sự giảng dạy kĩ càng của các thầy, tôi cảm thấy mình đã mở

rộng nhận thức và tâm hiệu biệt nhiêu hon.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Truong Dai học Bách Khoa —ĐHQG TPHCM, các thây cô đã trực tiếp tham gia giảng dạy cho tôi trong suốt

quá trình học tập và nghiên cứu tại trường.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đền sự giúp đỡ của các bạn bè, anh chị họcviên cao học khóa 2012.

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đên bà nội, bô mẹ, em gái đã luôn bêncạnh động viên tính thân, tạo mọi điêu kiện tôt nhât cho tôi trong suôt quá trìnhthực hiện luận văn này.

TPHCM, tháng 06 năm 2014

Trần Đăng Khải

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tóm tắt: Công trình nhà cao tầng phản ứng rất nhạy với sự rung chuyểncủa đất nên Khi công trình chịu tải trọng động đất, tương tác giữa đất nền vàkết câu (SSI - soil-structure interaction) có ảnh hưởng đáng kế đến đặc tính daođộng và phản ứng động của hệ kết câu Mục đích chính của đề tài là phân tíchứng xử của kết cau trong mô hình tính toán có xét đến SSI Tải trọng động dattheo phương ngang và phương đứng được xét đến theo phương pháp phân tích

lược sử thời gian Việc mô phỏng móng đơn trong không gian 2D sử dụng mô

hình dầm trên nên phi tuyến Winkler (BNWF — Foundation) So với các phần mềm thông thường khác, phan mềm mã nguồn

Beam-on-Nonlinear-Winkler-mở OPENSEES (Open System For Earthquake Engineering Simulation) đa

dạng hơn về loại vật liệu va loại phan tử nên nó có thé giải quyết được bài toánSSI một cách hiệu quả Chu kì dao động cơ bản, chuyên vị đỉnh của công trìnhvà nội lực của cột là những yếu tố thay đôi đáng kể và cần được xem xét cụ thé

trong quá trình phân tích.

Abstract: Buildings are vulnerable to shaking of soil During seismicexcitation, soil-structure interaction (SSI) effects a considerable change ofvibration characteristics and dynamic responses of structure system Thispaper’s goal is to analyse the behaviors of structure in SSI model Lateral andvertical seismic load is applied to model in time history analysis The 2-dimensional conception of shallow foundation is based on Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation (BNWF) model Compared with other programs,OPENSEES (Open System For Earthquake Engineering Simulation) is morediverse in material and element types; therefore, it can solve the SSI problemeffectively Vibration period, top displacement and force of column aresignificantly changeable, all of which need inspecting in process of studying.

LOI CAM DOANTôi tên là Trần Dang Khải, học viên cao hoc chuyên ngành Xây dựng

Công trình Dân dụng và Công nghiệp, khóa 2012 Trường Đại học Bách Khoa —

ĐHQG TPHCM Tôi xin cam đoan răng đây là luận văn do chính tôi tự 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 cótrong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn

toàn vê kêt quả nghiên cứu trong luận văn của mình.

Học viên

TRAN ĐĂNG KHAI

MỤC LỤC

LOI CẢM ON 5< S1 1 1 1 1111111111111 011111111101 01 01.01110111 1d iiiTOM TAT LUẬN VAN THAC SĨ 6666 EEeEeEeEeEsereserered ivLOI CAM ĐOAN 5-5-2: 1 1 121121 111121111 1111112111 110101 21.11111111 Hy VDANH MỤC BANG BIÊU G- + E12 E12 EEsESEeEekEeEsesvseree xiDANH MỤC HINH V - tt S 11112111 E111 511 1111 ererrei xiiiDANH MỤC KI HIEU oie ccccceccccesecscecescssecscscecessevecscecsssevevaceceeeesevavees XV

©:i9)9 171 |

69)00 202 |

CHƯNG TI 5-5562 EE9EE E23 E9 E1 1E 1511511111515 1111115111 cxe 3

TONG QUAN NGHIÊN CỨPU -G-G + E612 E‡ESESEEESEEEEeEsEeeekrereed 3

2.1 Tinh hình nghiên cứu ngoài nước «« «<< «2 3

2.2 Tinh hình nghiên cứu trong nƯỚC « «s5 eeess 13

2.3 Nhận X6t cc ccescscscsscsessscsssscsessscsescsessssssssssestssseseseeteess 14

CHƯNG lÍ 5-52 S626 SE2EE SE E9EEEE E3 1211515 2111111 11111131111 xe l6

MỤC TIỂU, Y NGHĨA VA NỘI DUNG NGHIÊN CUU l6

3.1 Mục tiêu nghiÊn CỨU << S 0 He 16

3.2 Ý nghĩa khoa hoc ceccccscscscsscssssescssssssescsessssssesesssssssseseseeceeees 173.3 Ý nghĩa thực tiễn ¿c5 + S* SE E2 E Errrrrryt 17

3.4 Nội dung nghiên CỨU -GĂ Ăn ng 18

CHUONG IV oieccccccccccscscscscscssescscscscsssscscsssssssscscscsssscsescssssessscssssseseseess 19

MO HINH DAM TREN NEN PHI TUYẾN WINKLER 19

AL Giới thiGUe.ccccccccccccesescscscssesescscscsssscsessssssesescsssssssssssessseeees 19

4.2 Mô tả mô hình BNWE ee eeeeeeeeeceessssceeeceeessseeeeeeeeseees 19

4.3 Dac tính cua mô hình BNWE ceseseecceeeeeeeeeeeeeeeeees 20

4A Các mô hình vật lIỆU - (S9 ng ke 22

44.1 Mô hình vật liệu QzSimple] << << <<<<sssssss 22

44.2 Mo hình vật liệu PySimplel -<<<<<ccsssssss 26

44.3 Mô hình vật liệu TzSŠimpleÏ «555553 27

4.5 _ Các thông số của mô hình BNWE - - 2 5 c+cccecesrsced 28

4.5.1 Khả năng chịu lực cực hạn của lò xo theo phương đứng vàphương nØanØ - - - cọ 28

4.5.2 Do cứng cua móng theo phương ngang và phương đứng (K,và Ky) 32

4.5.3 Khả năng chịu kéo (TP — tension capacity) - 33

4.5.4 Tỷ số chiều dài R, 5-52 SE Sex E2 2E 2E Erkrkrree 334.5.5 Tỷ số cường độ cứng Reece 34

4.5.6 Khoảng cách giữa các 10 XO ch 35

4.6 KẾT luận ch 11T 11g TH ng, 36

05/1019) 6011 5 13 - 37

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHAN TÍCH CÔNG TRINH CHIU ĐỘNG ĐẤT

5.1 Phuong pháp phân tích tựa tinh (quasi-static method}) 37

52 Phuong pháp phân tích theo phố phản ứng (response spectrum

analysis) 38

5.3 Phương pháp phân tích day dan (push over analysis) 39

5.4 Phương pháp phân tích dạng chính (modal analysis) 40

5.5 Phương pháp phân tích theo lược sử thời gian (time historyanalysis) 40

5.6 Phan loại các phương pháp tính toán -««««<<<<+2 4

5.6.1 Phân loại theo tính chất của tải trọng động đất 41

5.6.2 Phân loại theo đặc tính làm việc của hệ kết cấu 42

5/7 KẾt luận S.cccnCS1 HT H11 TT ng ng rkg 42CHƯNG VI - S252 E9 SE SE 15151511 11111151111 111515 111111111111 cxe 43PHƯƠNG PHÁP TICH PHAN TRUC TIẾP PHƯƠNG TRINHCHUYỂN ĐỘNG G11 1211 191915111 1110101111 11111011 ng ng 43(PHƯƠNG PHÁP PHAN TÍCH THEO LƯỢC SỬ THỜI GIAN) 43

6.1 Phuong trình sai phân chuyển động - ee c2 255552 436.2 Thuật toán Newmark — BPeta -ccc << <2 466.3 _ Giải phương trình sai phân chuyển động - 46

6.3.1 Phuong pháp lặp NEWTON — RAPHSON hiệu chỉnh 47

6.3.2 Phương pháp lặp NEWTON — RAPHSON 49

6.4 _ Giới thiệu về phan mềm mã nguồn mở OPENSEES 50

05/019) 6A19101— -+53 5 51

MO HINH BAI TOAN TUONG TAC GIUA DAT NEN VA KET CAU¬ 51

TL M6 tả mô hình - - << S011 ng, 517.2 Mô hình tương tác giữa dat nền và kết cấu - 56

7.3 Kết qua đạt được khi các mô hình chỉ chịu thành phan theophương ngang của tải trọng động đất + + 25 c2 cecectseerrxrerree 577.3.1 Chu kì dao động của mô hình s«<<<<<<s «2 587.3.2 Chuyến vị đỉnh của mô hình theo phương ngang 617.3.3 Nội lực lớn nhất của COt sc cccccccsessscscecesesecsscscecessecesessceseees 64

74 Kết qua đạt được khi các mô hình chịu cả thành phan theophương ngang và thành phan theo phương đứng của tải trọng động đất 70

74.1 Chuyến vị đỉnh của mô hình - 2-2 5- 2c scs+szs+2 71TA2 Nội lực lớn nhất của COt sce cccccccccsssccecessssesscsccessecesecsceceees 73

CHƯNG VIT ¿2E SE SESE£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEE1115115 1111115511 xeE 82

KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, SE SE EeEsEsEeEekrereesees 828.I KẾt luận SG CS HT H112 TT ng ng 828.1.1 Mô hình tính toán có xét đến ảnh hưởng do tương tác giữađất nền và kết cau với những điểm mạnh - 25-5 2 2 s+s+sz5+2 328.1.2 Khi xét đến quá trình tương tác giữa đất nên và kết cầu vàomô hình tính toán chỉ chịu tải trọng động đất theo phương ngang 828.1.3 Khi xét đến thành phan theo phương đứng của tải trọng độngđất vào các mô hình tính toán + ©s++cxccxertrsrerrertrrrrrrrrrries 838.1.4 Khi xét đến quá trình tương tác giữa đất nền và kết cầu vàomô hình tính toán chịu tải trọng động đất theo cả phương ngang và

phương đứng - - - << 9.00 84

8.2 Kiến nghivcccccccccccecscscscsesssssssscsescsssssscsessssssssesesssesseseseeeees 84TAI LIEU THAM KHẢO - s6 s33 EEsESEEEeEEkEeEseeerereesed 85

PHU LLỤCC - - :- - E2 S121 1915 1112111111111 1111151511 1101115111111 1 88

A CHƯƠNG TRÌNH PHAN TICH MÔ HÌNH KHI CHUA CHIUTAI TRỌNG DONG DAT G1112 1E 51115151 1 E11 errred 88B CHƯƠNG TRINH PHAN TÍCH MÔ HÌNH KHI CHIU TAITRONG ĐỘNG DAT - G11 1 E11 91112111 0 111111111 1g 101

C CHƯƠNG TRINH PHAN TÍCH MO HINH CÓ XÉT ANHHUGNG DO TƯƠNG TAC GIỮA DAT NEN VA KET CÂU KHI CHIUTAI TRONG DONG DAT x31 1E 1111121 E1 rvrerei 108

D CHƯƠNG TRINH PHAN TÍCH MÔ HINH CÓ XÉT DENTHÀNH PHAN THEO PHƯƠNG ĐỨNG CUA TAI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

DANH MỤC BANG BIEUBảng 2.1 Kết quả của mô hình 5 tầng theo Vardanega [2] - 4Bang 2.2 Kết quả của mô hình 10 tang theo Vardanega [2] 4Bang 2.3 Kết quả của mô hình 15 tầng theo Vardanega [2] 4Bảng 2.4 Bảng xác định giá trị độ cứng và hệ số cản [6] 5s: 6Bảng 2.5 Bảng kết quả chu kì dao động theo phương đứng ứng với sựthay đối biên độ gia tốc nền theo phương đứng [ Ï Ï] - - 5-52 55555: 9Bang 2.6 Ảnh hưởng của tải trong động dat theo phương đứng đến lựcdọc của cột khung bê tông cốt thép (KoulkerI) [ L3 ] -««<<<++++ 12Bảng 4.1 Bảng xác định độ cứng móng nông theo Gazetas được tóm tắt

trong AT C-AO ooo — 32

Bảng 7.1 Kích thước của các cau kiện bê tông cốt thép trong mô hình 54

Bang 7.2 Chu kì dao động của mô hình .- «5 +<< << <+++ssess 58

Bảng 7.3 Kích thước của các kết cau bên trên sau khi được tăng lên lầnBang 7.4 Kích thước của các kết cau bên trên sau khi được tăng lên lần

000 59

Bảng 7.5 Chu kì dao động của mô hình khi độ cứng K của kết cau bêntrên được tăng lên lần thứ ¿-¿- - + 2 2 +E+E+E2EEEEEE£EEEEEEEEEEEEEErrkrkrkrree 60Bảng 7.6 Chu kì dao động của mô hình khi độ cứng K của kết cau bêntrên được tăng lên lần thứ 2 . ¿-¿-©- + 2 2+2 2E E2E5EEEEEEEEEE 1212111 E1 cke, 60Bảng 7.7 Chuyển vị đỉnh lớn nhất theo phương ngang của các mô hình

(111) cececececsesececsesecscsesucsesesucscsesusacsesucscssussesusucatscacatssasatsesasaesusassnssatsesteacaesteaeaee 63

Bang 7.8 Moment lớn nhất chân cột góc (KN.m) «2 64Bảng 7.9 Lực cat lớn nhất chân cột góc (KN) -ccccccsc: 66Bang 7.10 Lực dọc lớn nhất chân cột góc (KN) AASS se 67

Bang 7.11 Moment lớn nhất chân cột giữa (KN.m) «<< «<2 68Bang 7.12 Luc cat lớn nhất chân cột giữa (KN) veces 69Bang 7.13 Luc dọc lớn nhất chân cột giữa (KN) se 70Bảng 7.14 Chuyển vị đỉnh lớn nhất theo phương đứng của các mô hìnhkhi chịu tải trọng động dat theo cả phương ngang và phương đứng (m) 72Bảng 7.15 Moment lớn nhất chân cột góc của các mô hình khi chịu tảitrọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (KN.m) 73Bảng 7.16 Lực cắt lớn nhất chân cột góc của các mô hình khi chịu tảitrọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (KN) 75Bang 7.17 Luc dọc lớn nhất chân cột góc của các mô hình khi chịu tảitrọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (KN) 76Bảng 7.18 Moment lớn nhất chân cột giữa của các mô hình khi chịu tảitrọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (KN.m) 78Bang 7.19 Lực cat lớn nhất chân cột giữa của các mô hình khi chịu tảitrọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (KN) 79Bảng 7.20 Lực dọc lớn nhất chân cột giữa của các mô hình khi chịu tảitrọng động đất theo cả phương ngang và phương đứng (KN) S0

DANH MUC HINH VE

Hình 1.1 Công trình bị phá hủy bởi tac động của động đất 2

Hình 2.1 Mô hình nút tương tác đặc trưng giữa đất nền và kết cau [6] 6

Hình 2.2 Phố phản ứng theo phương đứng với hệ số cản 5% [12] 10

Hình 2.3 Phố phan ứng theo phương ngang với hệ số cản 5% [12] L1Hình 2.4 Tỷ số phố phản ứng theo phương đứng/ phương ngang (V/H)[Í2] - 5252222 SE E51 521515E1E1515112115110151111 111111151111 151111 1151101201111 0 1111 rrk 11Hinh 2.5 Biéu dé tuong quan gitra kha nang chiu luc cat của cột va lựccắt mà cột phải chịu [13] -¿-¿-¿- 52 2 SE2E+E+E2EEEE£E£ESEEEEEEEEEEEEEErkrkrrrrrrered 13Hình 2.6 Mô hình tương tác cọc-đất phi tuyến [14] - 14

Hình 4.1 Mô hình tương tác đặc trưng giữa cọc-đất [5] 20

Hình 4.2 Khả năng của mồ hình BNWE trong việc mồ phỏng các phanứng: moment-góc xoay, bién dạng-góc xoay, lực cat-truot, biến dạng-trượt [5].Hình 4.3 Mô hình BNWE với độ cứng thay đối theo chiều dài của kết caumóng (Harden và các cộng sự - 2005) [5 ] - <1 eeeee 22Hình 4.4 Mô hình vật liệu QzSimplel, PySimplel và TzSimplel được sửdụng trong liên kết với phan tử “zeroLength Element” [5] . - 24

Hình 4.5 Đường cong chính cua vật liệu QzSimplel [Š] 24

Hình 4.6 Phản ứng tuần hoàn của vật liệu QzSimplel [Š5] 26

Hình 4.7 Phản ứng tuân hoàn của vật liệu PySimplel [5] 27

Hình 4.8 Phản ứng tuân hoàn của vật liệu TzSimplel [5] 28

Hình 4.9 Mô hình nền Winkler cho móng hình chữ nhật theo ATC-40[LO] 34

Hình 4.10 Ty số cường độ cứng Ry với móng có tỷ số B/L [17] 35

Hình 4.11 Ảnh hưởng của thông số S, đến ứng xử của kết câu móng [5].

- 3O 44

Hình 6.2 Lap theo Newton — Raphson hiệu chỉnh . - 48

Hình 6.3 Lap theo Newton — Raphson -c ca 49

Hình 7.1 Biéu đô gia tốc nên: (a) Chalfant Valley, (b) Imperial Valley,

(c) Coalinga, (d) Loma Prieta - 2 + 1231111113111 1111555 111111152 53

Hình 7.2 (a) Mô hình 8 tâng (không xét SSI) (b) Mô hình 8 tang (có xét

Hình 7.3 (a) Quan hệ ứng suất-biễn dạng đặc trưng của vật liệuConcreteO1, (b) Quan hệ ứng suat-bién dạng đặc trưng cua vật liệu Steel01không xét đến sự tăng bên đăng hướng, (c) Phân bê tông trong cột có xét đến

¡1308:12:1152000501707Ẽ7 = e 55

Hình 7.4 Mô hình tương tác giữa đất nên và kết câu dựa trên mô hìnhdâm trên nên phi tuyến WinkÌeT G- 6 S3 E3 EềE SE cEeEvgeEskekeeeskeeesesed 57Hình 7.5 Tỷ số chu kì dao động 7/7: (a) Mô hình 4 tâng, (b) Mô hình 8Hình 7.6 Chuyến vị đỉnh của mô hình 12 tang theo phương ngang (m) -

Imperial Valley: (a) FB, (b) SSI1, (c) SSI2, (d) SSÌ2 c e 62

DANH MUC KI HIEU

k,„: độ cứng dan hồi ban đầu

q: tải trọng tức thời

z: chuyển vị tức thờiq,: tải trọng tại vi trí chuyển sang vùng dẻoC_: thong số quyết định tam hoạt động của vùng đàn hồi

4„„: tài trọng cực han

Zep: chuyén vi tai VỊ trí tải trọng băng 50% tải trọng cực hạnZ! chuyén VỊ tại VỊ trí tải trong q,

c,n: hệ số điều chỉnh hình dáng vùng dẻo của đường cong chính

”: lực kéo trên lò xo khép kin

C,: tỷ số lực kéo tối đa (khả năng chịu lực kéo) trên khả năng chịu lực cực hạn

của vật liệu q-z

c: lực dính trong đấty: trọng lượng riêng của đấtD,: chiều sâu chôn móngB: bề rộng của móngNN VN: hệ số khả năng chịu lựcđu hệ số khả năng chịu lực theo hình dáng của móngcs? qs?

PFPe hệ sô khả năng chịu lực theo chiêu sâu chôn móng

F.,F.,F : hệ số khả năng chịu lực theo độ nghiêng của tải trọng

p„,: ấp lực đất bị động trên mỗi đơn vị diện tích móngK,: hệ số áp lực đất bị động được tính dựa theo Coulombt_,: sức khang do ma sát trên mỗi đơn vị diện tích đáy móngW : trọng lượng cua kết cau bên trên tác dụng lên móng5: góc ma sát giữa móng và đất

ý: góc ma sát của đất nềnA,: diện tích mặt day của móng tiếp xúc với đất nền

L.„: chiêu dai đoạn gân mép móng có độ cứng của lò xo gia tangen

L,: chiêu dài cua ket cau mong

k„ ,: độ cứng của lò xo ở khu vực mép móngend k s

k: độ cứng cua lò xo ở khu vực giữa móngmid k s

|: khoảng cách giữa 2 lò xo kê nhau

F,,(t): lực quán tinh tác động lên khôi lượng k ở thời điểm t khi hệ kết cauchuyển động

F (1): lực phục hỏi phi tuyến tong cộng tác động lên khối lượng k ở thời điểmAk

t

F (r) : lực cản phi tuyến tong cộng tác động lên khối lượng k ở thời điểm tCk

FB: mô hình không xét đến SSI (FB — fixed base)SSI1: mô hình có xét đến SSI và được đặt trên đất nền loại 1 (SSI — soil-

structure interaction, soil type 1)

SSI2: mô hình có xét đến SSI và được đặt trên đất nền loại 2 (SSI2 —

soil-structure interaction, soil type 2)

SSI3: mô hình có xét đến SSI và được đặt trên đất nên loại 3 (SSI3 —

soil-structure interaction, soil type 3)

T : chu ki dao động của mô hình không xét đến SSI7 : chu kì đao động của mô hình có xét đến SSIT/T : tỷ sô chu kì dao động

GIOI THIEU

Dong đất là sự rung chuyển hay chuyển động của mặt đất, được xem làmột thiên tai nguy hiểm và rất khó để dự đoán trước Những trận động đất xuấthiện ngày càng nhiều và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến những khu vực vàcông trình gần tâm chắn Công trình nhà cao tầng phản ứng rất nhạy với sựrung chuyển của đất nền Khi công trình chịu tải trọng động dat, tương tác giữađất nên và kết cau (SSI — soil-structure interaction) có ảnh hưởng đáng kế đếnđặc tính dao động và phản ứng động của hệ kết cấu Việc tính toán công trìnhchịu tải trọng động đất thường bỏ qua ảnh hưởng do SSI và thường dựa trên giảđịnh rằng nền móng như một khối cứng và chịu toàn bộ gia tốc ngang mộtchiều Giả định này có giá trỊ nếu hệ kết câu được đặt trên nền dat tốt vì khi đóchuyển vị ở chân công trình giống với trường chuyển vi của động đất Tuynhiên, khi đất nên là yếu thì sẽ có sự khác biệt đáng ké Do những ảnh hưởngnhư trên thì việc kế đến vai trò của đất nền trong mô hình SSI khi phân tíchcông trình chịu động đất là điều cần thiết

Bài toán tương tác giữa đất nền và kết cau đang được quan tâm nhiềutrong những năm gần đây bởi tính chính xác và hợp lý khi được đưa vào môhình phân tích Nó mô phỏng được hệ làm việc đông thời của kết cấu và đấtnên trong quá trình chịu tải trọng động đất Nhờ vậy, các mô hình tính toán cóxét đến ảnh hưởng do SSI có sơ dé làm việc rất sát với thực tế

Thành phân theo phương đứng của tải trọng động đất thường được bỏ quakhi thiết kế công trình chịu động đất Trên thực tế, tải trọng động đất theophương đứng có những ảnh hưởng đáng kế đến phan ứng của hệ kết cau Dođó, các mô hình sẽ được xem xét, phân tích cụ thể khi chỉ chịu tải trọng động

đất theo phương ngang và khi vừa chịu tải trọng động đất theo phương ngang

lẫn phương đứng

Độ cứng của đất nên là một thông số khá quan trọng, ảnh hưởng khánhiều đến kết qua bài toán Với mô hình có xét đến ảnh hưởng do SSI, nó đã có

thê được xem xét cụ thê và rõ ràng.

Hình 1.1 Công trình bị phá hủy bởi tác động của động dat

TONG QUAN NGHIEN CUU

2.1 Tinh hình nghiên cứu ngoài nước

Ohbta [1] đề xuất chu ki dao dong tu nhién cua kết cầu là một hàm theo độcao và đã được sử dụng pho biến trong thực hành tính toán kết cau Tác giả cónhững kết luận về anh hưởng của độ cứng đất nền đến chu kì dao động tự nhiêncủa kết cầu Kết quả thí nghiệm độ xuyên tiêu chuẩn được sử dụng để tính toánđộ cứng của đất nền Tác giả kết luận rằng khi chiều cao công trình tăng hoặcđộ cứng của đất nền giảm thì chu kì dao động tự nhiên tăng lên Bỏ qua sự thayđổi cường độ gia tốc nền do sự xuất hiện của kết cầu và xem như pho phản ứngthu được từ các trường chuyển vị tự do và từ các kết câu bên dưới là như nhau.Từ do, có thể khang định quá trình tương tác giữa đất nên và kết cau là quantrọng như thế nào

Vardanega [2] phân tích phản ứng của hệ kết cau khi xét đến tương tác giữađất nên và kết cau vào mô hình tính toán Tác giả có những kết luận như sau:ảnh hưởng chính của tương tác giữa đất nền và kết cau là làm gia tăng chu kidao động tự nhiên của hệ kết cấu, tăng sức can hiệu qua do sự hao hụt nănglượng khi lan truyền và thay d6i ứng xử do sự xuất hiện của những góc xoay tạichân công trình Các bảng I, II, III chỉ ra kết quả của các mô hình 5 tang, 10tầng, 15 tầng riêng biệt:

Rigid Soil Soil SoilBase Type 1 Type 2 Type 3

Natural period (sec) 0.16 0.45 0.26 0.23

Effective Damping 0.050 0.053 0.054 0.054Top Displacement (ft) 0.017 0.139 0.056 0.037Base Displacement 0 0.008 0.003 0.001

Base Shear (kips) 352 373 471 409Base Moment (kp x ft) 11226 12336 14733 12385

Bang 2.1 Kết quả của mô hình 5 tang theo Vardanega [2]

TABLE IL

10 Story Building - Rigid Diaphragms

Rigid Soil Soil SoilBase Type l Type 2 Type 3

Natural Period 0.55 1.02 0.68 0.63Damping 0.05 0.051 0.051 0.051Top Displacement 0.173 0.35 0.24 0.22Base Displacement 0 0.07 0.002 0,001Base Shear 565 375 507 555

Base Moment 34000 20000 30000 31000

Bang 2.2 Kết quả của mô hình 10 tang theo Vardanega [2]

TABLE III15 Story Building - Rigid Diaphragms

Rigid Soil Soil SoilBase Type l1 Type 2 Type 3Natural Period 1.17 2.05 1.37 1.37Damping 0.05 0.05 0.05 0.05

Top Displacement 0.577 0.607 0.797 0.574Base Displacement 0 0.003 0.003 0.001Base Shear 485 699 588Base Moment 26000 55000 44000

Bang 2.3 Kết quả của mô hình 15 tang theo Vardanega [2]

rất lớn đối với tòa nhà 5 tầng trên nền đất yếu (loại 1), hệ số gia tang vàokhoảng 3 lần Anh hưởng này sé giảm dan khi chiều cao công trình tăng lên vàkhi độ cứng của đất nền tăng lên Đây là một điều đáng quan tâm.Tuy nhiên,ảnh hưởng này vẫn còn đáng kế đối với tòa nhà 15 tang trên loại đất số 3 Quátrình tăng sức cản do sự lan truyền rất nhỏ trong mọi trường hợp do kích thướccủa chân móng Sự thay đổi nội lực dường như là thất thường và không có mộtphương hướng rõ ràng Đối với tòa nhà 15 tầng thì chu kì dao động cơ bản trênloại đất số 2 và loại đất số 3 băng 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 [3] chỉ ra rằng có một sự tương quan cao giữa việctăng ty số chu kì dao động của kết cau T/T và tỷ số độ cứng của kết cau/datnên 1/o =h/(V,T) Trong đó: 7 và 7: chu kì dao động của kết câu khi có xétvà không xét SSI h: chiều cao hiệu quả của công trình và bằng 2/3H H:chiều cao của công trình được tính từ kết cầu móng đến mái Vi: vận tốc hiệuquả của đất nên khi lan truyền sóng Những ảnh hưởng do tương tác đặc trưnggiữa đất nên và kết cau sẽ đáng ké khi tỷ số độ cứng 1/ơ vào khoảng 0.1 — 0.3.Khi đó, tỷ số chu ki dao động của kết cau bằng khoảng 1.1 — 1.5 Đặc biệt, cótrường hợp tỷ số độ cứng 1/o bang 1.5 sẽ làm tăng tỷ số chu kì lên 4 Mộtthống kê chung cho thấy khi kết cấu bên trên cứng và đất nền yếu thi ảnhhưởng do tương tác giữa đất nền và kết cầu sẽ đặc biệt quan trọng Mặt khác,nếu chu ki của kết cau tăng và độ cứng của đất nền phía dưới tăng thì quá trình

tương tác giữa dat nên va kêt cầu sẽ giảm phan quan trọng.

Ahmed và Hamdy [6] chọn lọc những ảnh hưởng do tương tác giữa đất nềnvà kết câu đến công trình chịu những sự rung chuyển mạnh của mặt đất nhằmkiểm soát được sự phá hoại và tăng mức độ an toàn cho công trình Tác giả sửdung quá trình phân tích tải trọng lặp bang cách sử dụng phần mềm SAP2000và chỉ ra kết quả theo những phân tích lược sử thời gian của mô hình công trình

gdm cả kết cấu bên trên, kết cầu móng và đất nên khi chịu tải trọng động đấtkhá lớn Kết quả cho thay răng néu xem xét quá trình tương tác giữa đất nền vàkết cau sẽ cho những ảnh hưởng bat lợi đối với hình dáng bién dạng của côngtrình và chuyền vị đỉnh của công trình sẽ tăng lên Mặt khác, tương tác giữa đấtnên và kết cau sẽ làm giảm nội lực của các kết câu bên trên khi so sánh với mô

hình công trình có chân được ngàm.

Point intersection of diffrent elements —K (shell to shell - frame to frame - frame to

X shell) “=

‘e | Wý{íÿ

Kz Cx | "Dashpot / = _\\Visco-elastic interface

=)\ Spring :Elevation

Hình 2.1 Mô hình nút tương tác đặc trưng giữa đất nên và kết cầu [6]

Table 3 Values of Stiffness and Damping Coefficient of Soild

Bang 2.4 Bang xác định giá trị độ cứng và hệ số cản [6].Nếu kế đến quá trình tương tác giữa đất nền và kết cau trong mô hình phântích thì kết quả về chuyển vị đỉnh của công trình sẽ tăng lên Điều này phụthuộc phan lớn vào chiều cao công trình Công trình thấp thi sẽ có tỷ lệ chênhlệch chuyển vị đỉnh nhiều nhất khi so sánh giữa mô hình có xét đến SSI vàkhông xét đến SSI

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

Quá trình tương tác giữa đất nền và kết cau cũng xảy ra khi đất phan ứnglai các vùng có tường ham chịu lực xung quanh công trình Điều đó chứngminh được khả năng va ảnh hưởng của tường ham trong việc điều khiến vàgiảm chuyên vị đỉnh lớn nhất của công trình và cải thiện tốt hơn hình dáng biếndạng của công trình khi chịu động đất.

Quá trình tương tác giữa đất nên và kết cấu làm giảm lực cắt ở chân cột từ70% đến 30% cho công trình từ cao đến thấp khi so sánh với mô hình chânngàm cô điển

Đối với những tòa nhà nhỏ và nhẹ (từ 3 đến 6 tầng), quá trình tương tácgiữa đất nền và kết cau làm giảm lực dọc trong cột nhưng không đáng kế khi sosánh với mô hình chân ngàm Nó sẽ có tác dụng đáng kế đối với các tòa nhàcao và nang (12 tầng) vì khi đó lực dọc có thé giảm tới 20% nếu công trìnhchịu lực kích thích động đất tương đối lớn Ngoài ra, quá trình tương tác cònlàm giảm moment chân cột đến 70% khi so sánh với mô hình chân ngàm và

điêu này càng thây rõ hơn đôi với các công trình càng cao.

Ghosh và Masabhushi sử dụng thí nghiệm li tâm động ở những lớp đất déphát hiện ra sự lan truyền gia tốc xuyên qua những lớp đất Tác giả chỉ ra rằngnhìn chung có sự khuếch đại lớn hơn ở những lớp đất chặt và áp lực nước lỗrỗng thấp Nhưng phản ứng của kết cấu thì bị ảnh hưởng lớn bởi sự phân lớp vàđường dẫn mém ấn trong lớp đất chặt có thể nguy hiểm nếu nó không đượcphát hiện bởi những thí nghiệm thông thường Khi đó, lực cắt ở chân công trìnhcó thé cao hơn 1.5 lần so với khi nó được thiết kế [6]

Martin và Lam [8] minh họa một ví dụ kết cấu giả định bao gdm tuongchịu cắt được kết nối với hệ khung sẽ cho ra những kết quả khác biệt đáng kếkhi phân tích phan ứng không dan hỏi của đất được xem xét hoặc bỏ qua Vớiphản ứng không đàn hồi (bao gồm hiện tượng tréi lên của đất) thì tường chịucắt và một số cột của hệ khung bị truyền tải vào phải được gia cường chắc

chăn.

El Ganainy va El Naggar [9] đã có những kết luận sau đây:Tập hợp khớp xoay moment, khớp chịu cắt được kết nối thành chuỗi vớinhững thành phan kết cấu đàn hồi có thể mô phỏng được phản ứng theophương ngang và rung lắc của móng nông dưới tác dụng của tải trọng tuần

hoàn với độ chính xác cao.

Mô phỏng chính xác hiện tượng đất bị nén khi phân tích phản ứng củamóng nông chịu sự rung lắc tuần hoàn là điều khá quan trọng Nó ảnh hưởnglớn đến kết quả biến dạng dư do sự cản từ phản ứng xoay moment Ảnh hưởngcủa hiện tượng này có thé mô tả băng mô hình được gan hệ số giảm năng lượngthích hợp Sự so sánh với kết quả thực nghiệm để xác định sự biến thiên của hệSỐ này với những tham số khác trong mồ hình đất nền chịu lực là một điều cầnthiết

Makan và các cộng sự [10] phân tích ảnh hưởng của tải trọng động đất theophương đứng đến ứng xử của kết cau có xét đến hiện tượng trôi lên của đất.Tác giả kết luận rằng nếu bỏ qua tải trọng động đất theo phương đứng trong môhình tính toán thì kết quả đạt được sẽ không dự báo được đúng đắn mức độnguy hiểm mà trận động đất đem lại Nếu xét đến hiện tượng trồi lên của đất thìlực cắt và moment trong cột sẽ giảm đi Biên độ gia tốc nền theo phương đứngkhông phải lúc nào cũng nhỏ hơn theo phương ngang Nếu chỉ xét tải trọngđộng đất theo phương ngang thì sự day trồi của đất sẽ làm giảm moment uốntrong bản sàn Nếu xét tải trọng động đất theo cả phương ngang và phươngđứng thì sự đây trồi của đất sẽ làm tăng moment uốn trong bản sàn Những ảnhhưởng đó cho thấy việc xét đến tải trọng động đất theo phương đứng vào môhình tính toán là điều cần thiết

Collier và Elnashai [11] xây dựng một chương trình tính toán đơn giản đểđánh giá ảnh hưởng của tải trọng động đất theo phương đứng đến ứng xử củakết cau Tác giả nhận định rang tỷ số biên độ gia tốc nền phương đứng/ phươngngang (V/H) là một thông số khá quan trọng Ảnh hưởng làm sai khác biên độ

gia tốc nên theo phương đứng được đánh giá bằng cách so sánh chu kì daođộng theo phương đứng thu được bằng phân tích eigenvalue với kết quả từ dữliệu thu thập gốc Kết quả chỉ ra rang có một sự gia tăng đáng ké gia tốc nên tạiđỉnh công trình nếu chu kì dao động gia tăng nhiều Tan số dao động đầu vàocủa trận động đất Coalinga là 10Hz (0.1s), nhưng chu kì dao động cơ bản theophương đứng của kết cấu là 0.088s Thành phân theo phương đứng của tảitrọng động đất có những ảnh hưởng đáng kể và nên được xem xét trong quátrình phân tích khi kết cấu trong phạm vi 25km từ tâm chan Khoảng thời giangiữa lúc xảy ra đỉnh gia tốc nền theo phương đứng và theo phương ngang bằng0 trong bán kính 5km từ tâm chan Tỷ số V/H khoảng >1 trong bán kính 5kmtừ tâm chấn, khoảng >2/3 trong bán kính 25km từ tâm chấn Điều này trùngkhớp với một số nghiên cứu trước đây Việc phân tích động kết cấu không đànhồi đã xác nhận ý nghĩa quan trọng của biên độ gia tốc nền theo phương đứngvà phương ngang đến chu kì dao động theo phương đứng Nó cũng cho thấyảnh hưởng của gia tốc theo phương ngang như một hàm theo biến số là khoảngthời gian giữa lúc xảy ra đỉnh gia tốc nền theo phương đứng và phương ngang.

Table 1 Main vertical periods of vibration for varying amplitudes of verticalacceleration (missing items indicate difficulties in identifying a reliable periodin the Fourier amplitude spectrum).

Vertical Vertical Amplitude

thay đổi biên độ gia tốc nên theo phương đứng [ 11]

Bozorgnia và các cộng sự [12] tóm tắt những phản ứng theo phương đứng

của kết cấu thu được từ trận động đất Northridge Các kết cầu được chọn bao

gôm các tòa nhà từ 2 đến 14 tầng, có khoảng cách từ 8 đến 71 km từ tâm trậnđộng đất Northridge Chúng bao gồm 4 tòa nhà băng thép, 5 tòa nhà bang bêtông cốt thép, 3 tòa nhà có bồ trí hệ cản Gia tốc theo phương đứng ở đỉnh côngtrình thu được lớn hơn từ 1.1 đến 6.4 lần khi so với ở chân công trình Thànhphân theo phương đứng của tải trọng động đất có thể xác định bang cách cáchnhân độ lớn của thành phần theo phương ngang với hệ số 2/3 (Tiêu chuẩnUBC-94 mục 1629) Trong một số trường hợp thì việc làm này không còn hợplý nữa bởi vì hệ số này rất nhạy và bị ảnh hưởng bởi chu kì dao động và khoảngcách từ công trình đến tâm chan Như vậy, thành phan theo phương đứng củatải trọng động đất nên được định nghĩa riêng hoặc quan hệ với thành phân theophương ngang bởi hệ số đặc trưng phụ thuộc vào chu kì dao động và và khoảngcách từ công trình đến tâm chấn Tác giả có xây dựng một chương trình tínhgan đúng để xác định phố phan ứng theo phương đứng từ pho phản ứng theophương ngang và có những kết quả như sau:

Median Vertical Response Spectra

0.0

Hình 2.2 Phố phan ứng theo phương đứng với hệ số can 5% [12]

Median Horizontal Response Spectra

-0.01 0.10 1.00 10.00

Period (sec)

Hình 2.4 Tỷ số pho phan ứng theo phương đứng/ phương ngang (V/H) [12]

Shrestha [I3| cho rằng việc thiết kế kết cau chịu tải trọng động đất màkhông xét đến thành phan theo phương đứng của tải trọng động đất có thé gâynguy hiểm cho kết cau Ảnh hưởng chính khi xét đến tải trọng động đất theophương đứng là lực dọc của các cau kiện theo phương đứng sẽ tăng lên đáng

kê Anh hưởng nay ở các tang trên cao sẽ nhiêu hơn ở các tang phía dưới.

Compressive Compressive Contribution of

force (KN) force (KN) vertical motion toColumn H H+V total axial force (%)

Ist storey exterior 1500 1750 14

4th storey exterior 750 1250 40

8th storey exterior 125 350 64Ist storey interior 1450 2500 424th storey interior 800 2525 68

đứng vào mô hình tính toán thì cột có khả năng bị kéo trong một khoảng thời

gian ngan Do do, kha nang chiu luc cắt của cột có thé sẽ giảm di rất nhiều

trong một khoảng thời gian ngắn Điều này có thể dẫn đến việc kết câu bị pháhủy bởi lực cắt

Tinh hình nghiên cứu trong nước

động của tải trọng động đât hiện vân còn rât ít và hạn chê.

time: seconds

Phạm Ngọc Thạch [14] phân tích mô hình móng cọc chịu tải trọng ngang

và thiết lập mô hình cọc — dat phi tuyến bang phần mềm SAP2000

Nhược điểm của nghiên cứu là chỉ mô hình đơn lẻ một móng và chưa liênkết với các kết cầu khác để phân tích ứng xử của toàn bộ hệ kết câu là như thếnào Van dé so sánh kết quả giữa mô hình có xét và không xét tương tác giữađất nên và kết cau chưa có Độ cứng của đất nên là một thông số quan trọng,ảnh hưởng nhiều đến kết quả của bài toán nhưng nó lại không được xem xét cụthé trong nghiên cứu Mô hình chưa đề cập đến ứng xử của kết cau khi chịu tácđộng của tải trọng động đất

Ngoài ra, một sô ít nghiên cứu vân đê tương tác cọc-đât trong các côngtrình cau nhưng cũng chi hạn chê ở việc mồ phỏng các kêt câu đơn lẻ, chưa xétđền ảnh hưởng cua tải trọng động dat Đôi với các công trình dân dụng thì hầunhư chưa có nghiên cứu nào dé cập đên van đề này.

bộ hệ kết cau là như thế nào Một số nghiên cứu phân tích sâu và kĩ về ảnhhưởng của tương tác giữa đất nền và kết cau đến chu kì dao động và tần số daođộng của mô hình nhưng chưa xem xét ảnh hưởng của nó đến nội lực của kếtcau Một số ít nghiên cứu mô phỏng toàn bộ hệ kết cau dé phân tích ứng xử củakết cấu sẽ thay đối như thé nào nếu xét đến tương tác giữa đất nên và kết cấu.Mô hình tính của các nghiên cứu này còn khá đơn giản do hạn chế về công cụhỗ trợ tính toán Độ cứng của đất nền là một thông số quan trọng, ảnh hưởngnhiều đến kết quả bài toán nhưng đa số các nghiên cứu đều không phân tích

ảnh hưởng của thông sô này.

Các nghiên cứu ngoài nước đã đưa vào mô hình tính toán công trình chịu

tải trọng động đất một tác động thường hay bị bỏ qua Đó chính là thành phầntheo phương đứng của tải trọng động đất Da số các nghiên cứu này chi đi sâu

vào các công trình câu và rat ít nghiên cứu dé cập đên các công trình dân dụng.

Các nghiên cứu trong nước về ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kếtcau đến ứng xử của kết cấu là rat ít Các nghiên cứu chỉ mô phỏng kết cau đơnlẻ là 1 cọc chịu tải trọng ngang, không xét đến tải trọng động đất nên việc nhìnnhận một cách tổng quan ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cau làhạn chế

Các nghiên cứu trong nước chưa dé cập đến ứng xử của kết cau sẽ thay đốinhư thế nào nếu xét thêm thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất

vào mo hình tính toán.

Do đó, đề tài được tiễn hành với 3 mục tiêu chính như sau:e Đánh giá ảnh hưởng do quá trình tương tác giữa đất nền và kết cau đếnứng xử của hệ kết cấu.

e Vai trò của thông số đầu vào độ cứng đất nền sẽ được xem xét cụ thể vàrõ ràng Sự thay đôi độ cứng của đất nên có ảnh hưởng như thé nào đến kết quabài toán cũng là một van dé được quan tâm trong dé tài

e Đánh giá ảnh hưởng của thành phân theo phương đứng của tải trọng động

dat đên ứng xử của hệ ket câu khi có xét đền tương tác giữa dat nên va ket câu.

3.2 Y nghĩa khoa họcViệc tính toán công trình chịu tải trọng động đất thường không xét đếntương tác giữa đất nén và kết cau vì tính chất phức tạp của nó khi được đưa vàomô hình tính Vai trò của đất nền và kết cau móng thường không được xem xétcụ thể trong quá trình phân tích Điều này cho thấy sự không hợp lý trong môhình tính toán không xét đến tương tác giữa đất nên và kết câu Kết cầu móngcó kích thước càng lớn thì sức cản do móng đem lại cũng lớn Độ cứng của đấtnên càng lớn thì sức cản đối với hệ kết cấu cũng lớn Mô hình tính toán có xétđến tương tác giữa đất nền và kết cau ra đời đã dé cập đến vai trò của kết caumóng, độ cứng đất nên Với mô hình này, chân công trình trở nên linh hoạthơn, có thể xuất hiện những góc xoay, vì vậy mà ứng xử của kết cau sẽ cónhững khác biệt đáng kể Thanh phan theo phương đứng của tải trọng động đấtcó thể gây ra những nguy hiểm rất lớn cho cột Do đó, việc thiết kế công trìnhchịu tải trọng động đất cần phải xét thêm tương tác giữa đất nền và kết cấu,thành phần theo phương đứng của tải trọng động đất là điều cần thiết.

3.3 Y nghĩa thực tiễnCác trận động đất đã xảy ra nhiều hơn trong những năm gan đây Ảnhhưởng của nó đến các công trình là rất nguy hiểm và có sức phá hủy trên mộtphạm vi rộng lớn Chi phí để xây dựng các công trình chịu được các trận độngđất cường độ cao là rất lớn Điều này một phần do phương pháp tính và môhình tính đã cũ và chưa có cải tiến nào đáng kế Mô hình cổ điển chân ngàmkhông mô phỏng được đúng đắn bản chất làm việc của hệ kết cấu Với sự pháttriển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay, một phương pháp tính mới cóhiệu quả hơn ra đời và có khả năng thay thế cho phương pháp cũ là điều chắcchắn phải xảy ra Nhiệm vụ này càng khả thi hơn khi các chương trình máy tínhhỗ trợ tính toán không ngừng phát triển, không ngừng tiễn bộ hơn Nhờ vậy,công việc tính toán đòi hỏi mức độ khó và phức tạp luôn có một sự hỗ trợ rất

tích cực va đáng kê từ các phan mêm chuyên dụng Tuy mô hình có xét đên

tương tác giữa dat nên và kêt cau có những phức tạp nhât định nhưng nó đãphản ánh được hệ làm việc đồng thời của kêt câu bên trên, kêt câu móng và đâtnên Điêu nay cho thay rõ mô hình tính toán nay khá mạnh và rat sát với điêukiện làm việc thực tê của hệ kêt cầu.

3.4 Noi dung nghiên cứu

Dé đạt được những mục tiêu nghiên cứu đã đê xuât ở trên, dé tài tiên hànhthực hiện các nội dung nghiên cứu như sau:

e Mô hình 3 khung phăng bê tông cốt thép không xét tương tác giữa đấtnên và kết cau: 4 tang, 8 tang, 12 tang

e Mô hình 3 khung phang bê tông cốt thép có xét tương tác giữa dat nền va

kết câu: 4 tầng, S tầng, 12 tang Các mô hình được đặt trên đất nên loại 1

e Mô hình 3 khung phang bê tông cốt thép có xét tương tác giữa đất nền và

kết câu: 4 tầng, S tầng, 12 tang Các mô hình được đặt trên đất nên loại 2

e Mô hình 3 khung phang bê tông cốt thép có xét tương tác giữa đất nền và

kết cau: 4 tầng, 8 tang, 12 tang Các mô hình được đặt trên đất nên loại 3

Đất nên loại 1, loại 2, loại 3 theo thứ tự có độ cứng tăng dan.Các mô hình trên sẽ chịu tải trọng động đất chi theo phương ngang, theo cả

phương ngang và phương đứng.

Với các kết quả và số liệu thu thập được từ việc lập các mô hình tính toán,dé tài sẽ có những nhận định, so sánh cụ thể về sự thay đối ứng xử của kết cầukhi xét đến tương tác giữa đất nên và kết cau, khi xét đến thành phan theophương đứng của tải trọng động đất

được bàn luận rõ trong chương này.

4.2 Mô tá mô hình BNWEKết cau móng đơn trong không gian 2D được xem như 1 phan tử dam đànhoi và được khai báo bằng phan tử “elasticBeamColumn” trong phần mềmOPENSEES Mỗi nút của phan tử có 3 bậc tự do đại diện cho tải trọng và biếndạng theo phương ngang, phương đứng, góc xoay Phan tử nay được chống đỡbởi các lò xo phi tuyến riêng biệt Các lò xo được khai báo bang phan tử“zeroLength Element” Đối với bài toán tương tác giữa cọc và dat, Boulangerđã đề xuất mô hình các vật liệu QzSimplel, PySimplel, TzSimplel nhăm môphỏng phản ứng của đất nền tác dụng lên cọc trong quá trình chịu lực Các vậtliệu này được gán vào phan tử lò xo nhằm tạo nên ứng xử phi tuyến của lò xo.Raychowdhury [5] đã đề xuất mô hình các vật liệu QzSimple2, PySimple2,

TzSimple2 được hiệu chỉnh từ mô hình các vật liệu QzSimplel, PySimplel,

TzSimplel thông qua kết quả thí nghiệm thực tế Sự hiệu chỉnh này nhằm mụcđích tạo nên phản ứng của đất nên tác dụng lên kết cầu móng nông một cách

chính xác trong quá trình chịu lực.

Mô hình vật liệu QzSimple2 mô phỏng phan ứng của đất nên tác dụng lên

móng đơn khi chịu tải trọng theo phương đứng Mô hình vật liệu PySimple2

mô phỏng phản ứng của đất nên tác dụng lên móng đơn theo phương ngang doáp lực bị động của đất nền gây ra Mô hình vật liệu TzSimple2 mô phỏng phảnứng của đất nền tác dụng lên móng đơn theo phương ngang do ma sát giữa đất

nên và đáy móng gây ra.

Những đường cong chính từ mô hình vật liệu sốc ban đầu đã được kiểmđịnh thông qua các thí nghiệm đối với cọc (Matlock, 1970; Vijayvergiya, 1977;

Mosher, 1984; API, 1987; Reese va ONneill) Vì vay ma những mồ hình vật

liệu này được thiết lập ban đầu để chuyên cho việc mô phỏng phản ứng của cọc

theo phương doc và phương ngang cọc Tên gọi Qz, Py, Tz của các vật liệuđược gán vào lò xo dựa trên hệ trục tọa độ của cọc.

Hình 4.1 Mô hình tương tác đặc trưng giữa coc-dat [5].4.3 Dac tính cua mô hình BNWF

Mô hình BNWF có thé mô phỏng ứng xử của hệ kết cau móng — đất nềnthông qua ứng xử không đàn hồi của đất nên (phi tuyến vật liệu) và hiện tượngđây trồi của đất nền (phi tuyến hình học) Một sự khác biệt được làm rõ ở đâylà giữa phi tuyến vật liệu và ứng xử không đàn hồi Phi tuyến vật liệu ở đây là

vật liệu có thé tuân theo đường cong phi tuyến thé hiện mối liên hệ giữa chuyềnvị và tải trọng, việc nó không thể quay ngược lại theo đường cong ấy là ứng xửkhông đàn hồi của vật liệu Loại vật liệu được sử dụng trong mô hình BNWFđại diện cho đất nền vừa phi tuyến vừa không đàn hồi Nhờ đó, mô hình có thé

mô phỏng được sự rung lac, sự trượt và biên dạng của kêt cầu móng đơn.

0 0E E+= -100 = -100

E =

S -200 E -200 ——— T—

5 -300 % -300 : —=—_

ư) ”-400 -400

-0.06 -0.04 -002 0 002 0.04 0.06 40 -20 0 20 40 6C

Rotation (rad) Sliding (mm)

Hình 4.2 Kha năng cua mô hình BNWF trong việc mô phỏng các phan ung:

moment-goc xoay, bién dạng-góc xoay, luc cat-truot, bién dang-truot [5].Sự phân bố độ cứng thay đối dọc theo chiều dài của móng trong mô hìnhnhằm mục dich tính toán phản ứng theo phương đứng có thé phát triển mạnhhơn ở khu vực gần mép ngoài của móng Mô hình BNWE có khả năng thực

hiện điêu này.

Lạng Lmia LạngP P i, >4 >

[tft † † t = Stiffness intensity ratio, Ry= Keng/Kmig

a 1 x LẺ 2 " End length ratio, Re= Leng/L

) Kmia _ * Spring spacing = |,/L

Vertical stifness

_—— harm

Hình 4.3 Mô hình BNWF với độ cứng thay đổi theo chiêu dài của kết cấu

móng (Harden và các cộng sự - 2005) [5].

Để áp dụng mô hình, các yếu tố sau phải làm việc tốt dé đảm bảo tính 6nđịnh của bài toán: (i) phương pháp biến đổi cho lời giải điều kiện ràng buộc,(1) thuật toán Newton-Raphson được hiệu chỉnh với SỐ vòng lặp tối đa là 40.Phương pháp biến đôi dùng để biến đôi ma trận độ cứng bằng cách cô đọng cácbậc tự do bị ràng buộc Phương pháp này giảm đáng kể kích cỡ của hệ thông

những ràng buộc (OPENSEES).

4.4 Cac mô hình vật liệuOPENSEES cung cấp rất đa dạng các mô hình vật liệu để đại diện cho ứngxử của lò xo Phương pháp đơn giản nhất là mô hình vật liệu dan hồi Tuynhiên giả định mô hình vật liệu đàn hồi không thực tế khi kết câu chịu các trậnđộng đất cường độ cao và một số nghiên cứu trước đây về móng đơn cũng đãkhăng định điều này Những kết quả thí nghiệm của Gajan (2006) đã chứng tỏđất nền dưới móng có sự thay đổi đáng kể khi chịu tải trọng cường độ cao vàứng xử của đất nên là dẻo và phi tuyến

4.4.1 Mô hình vật liệu QzSimplel

Vật liệu QzSimplel có phản ứng trễ và không đối xứng trục Đường congchính của mô hình được khai báo băng tải trọng cực hạn trên vùng nén và độgiảm cường độ khi chịu kéo để tính toán cường độ của đất nền khi chịu kéo.Vật liệu đàn hồi đạt được ứng xử “far-field” và vật liệu dẻo đạt được ứng xử

“near-field” Những lò xo chịu kéo (drag spring) và lò xo khép kín (closure

spring) được mắc song song với nhau và được thêm vào chuỗi các cau kiện dẻo(plastic components) dé mô phỏng ứng xử day trồi của đất nền Đường congchính của mô hình được đặc trưng bởi một phần đàn hồi và một phân không

đàn hoi.