Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích ứng xử kết cấu nằm trên nền dốc khi chịu tải trọng động đất

Dé tài này với mục đích lànghiên cứu phản ứng khi xảy ra động đất của những công trình dạng đặc biệt này vàtiền hành điều khiển phản ứng của kết cau băng các hệ cản, từ đó rút ra những k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAM VĂN LE CƯỜNG

PHAN TICH UNG XU KET CAU NAM TRENNEN DOC KHI CHIU TAI TRONG DONG DAT

Chuyên ngành: Xây dung công trình dân dung va công nghiệp

Mã số: 60-58-20

TP Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2014

TRƯỜNG 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 NGỌC

Cán bộ chấm nhận Xét 1 : - + SE Ss E191 E9 E128 8E EeEEEEEgkgkgkekrereesed

Cán bộ chấm nhận x€t 2 : - tt E5E5191 1E 9 51819128 3 E911 3 51811589 re

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai hoc Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM, ngày thang 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 văn thạc sĩ)

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHAM VAN LE CƯỜNG MSHV: 12214029

Ngày, tháng, năm sinh: 19/11/1987 Nơi sinh: Quảng Trị

Chuyên ngành: Xây dựng công trình DD&CN Mã số : 60-58-20I TEN DE TÀI: PHAN TÍCH UNG XU KET CẤU NAM TREN

NENDOC KHI CHIU TAI TRONG DONG DATIl NHIỆM VU VA NOI DUNG:

Xây dựng, khảo sát va phân tích ứng xử của các công trình trên nền dốckhi chịu tải trọng động đất với nhiều mô hình khác nhau

Bồ trí hệ cản nhằm giảm tác động gây bất lợi của động đất lên các môhình kết cau khác nhau

Ill NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :Tháng 01 năm 2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: Tháng 06 năm 2014Vv CÁN BỘ HUONG DAN 1: PGS.TS CHU QUOC THANG

CAN BO HUONG DAN 2: TS TRAN CAO THANH NGOC

Tp HCM, ngay thang năm 20 CAN BO HUONG DAN 1 CAN BO HUONG DAN 2 CN HOI DONG NGANH DAO TAO

(Ho tên và chữ ky) (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

PGS.TS CHU QUOC THANG TS.TRAN CAO THANH NGOC

TRUONG KHOA

(Ho tén va chit ky)

Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tậpthuyết minh LV

LOI CAM ON

Dé hoàn thành luận văn này, trước tiên em xin bày tỏ long biết ơn chânthành và sâu sắc đến thay PGS.TS CHU QUOC THANG, TS TRAN CAOTHANH NGOC và ThS VŨ XUAN BACH đã tận tình giúp đỡ em trong suốtquá trình thực hiện luận văn Nho có sự hướng dẫn của các thầy mà em đã cóthêm được nhiều kiến thức mới, cách nhận xét, tiếp cận vấn dé cũng như

phương pháp tu duy và làm việc khoa học.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành cam ơn các thay, cô giáo giảng day

khoa sau dai học ngành Xây dựng dan dung và công nghiệp Dai hoc Bách

Khoa thành phố Hồ Chi Minh đã trang bị những kiến thức khoa học nên tảngdé em thực hiện tốt luận văn Em xin gui lời cam on đến Khoa đào tao sau đạihoc đã tạo điều kiện thủ tục thuận lợi nhất cho học viên theo học Em xin cam

ơn the viện trường Dai học Bách Khoa, các thành viên “Nhóm tải bao” và cácbạn đã giúp em có được người tài liệu phong phú đa dạng và hữu ích.

Cuôi cùng, em xin chân thành cam ơn dén gia đình, thay cô và các bạn đãluôn gan bó, động viên và giúp đỗ em trong suốt quá trình học tập và nghiêncứu dé tài nay.

TÓM TAT LUẬN VAN

Luận văn tiễn hành phân tích ứng xử của công trình trên nền đất dốc khichịu tai động đất Xem xét hình khối của các công trình trên nên dốc trong thựctế và mô hình nghiên cứu Từ đó đưa ra những mô hình không gian đặc trưngpho biến nhất cho dạng công trình trên nền dốc Tiến hành phân tích mô hìnhcác công trình này dưới tác động của các trận động đất khác nhau với các giảnđồ gia tốc Xem xét sự khác biệt giữa công trình dạng này với các công trìnhtrên nền đất phang thông thường khác

Sau khi đánh giá sự khác biệt về ứng xử của công trình trên nên dốc, détiến hành giảm chan của công trình, luận văn mô phỏng phương án bố trí hệcản nhớt (Viscous fluid damper-VFD) Khao sát việc bố trí hệ cản với cácphương án cho các công trình khác nhau Từ đó rút ra phương án về hình dángcông trình và hiệu quả của hệ thống giảm chan

ABSTRACT

The study analyzed behaviors of building on sloping ground underearthquake excitation The thesis considers the shape of the structures on slopein fact and research model and group the most common types of buildingconfigurations After analyzing this types under different eathquakeacceleration thesis considers the difference building on sloping and plat ground.

After considering the differences between behaviors of these buildings, asolution to reduce earthquake damage is using Viscous fluid damper-VFD Thethesis simulated and surveyed different solutions and values of VFD Finally,the thesis made conclusion about the suitable configuration of building andeffective of damping system.

Tôi tên là Phạm Văn Lê Cường, học viên cao học chuyên ngành Xâydựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp, khóa 2012 trường Đại Học Bách

Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan rang đây là luận văn do chínhtôi tự thực hiện Các số liệu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưatừng được ai công bố, sử dụng để bảo vệ một học vị nào Các thông tin, tài liệutrích dẫn có trong 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

PHAM VĂN LE CƯỜNG

MỤC LỤCNHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ G + k S3 x13 cv vn cv vn cớọ ii

LOL CAM ƠN tt HH Hee iiiTOM TAT LUẬN VAN uccecccccccecececcsesescccscecevececscacscecscececececesessesavavavaracacacececees iv909.9090990 V

MỤC: LỤC - G1 nọ tì re vị

CHUONG 6101 - daŸaA l

GIỚI THIỆ UU - G6 691198 3 569111 1 5 96815191 3 911112113 11101212 1 xe |

05/1019) 60 0 —odaa 2

TONG QUAN NGHIÊN CỨU -G- + E162 EE 3912 EềEEvceg gvgvsereered 2

2.1 Tinh hình nghiên cứu ngoài ƯỚC 5555 1 93 1k, 2

2.2 Tình hình nghiên cứu trong NƯỚC: - «5 «1 1k eree 7

2.3 Đánh giá qua quá trình tìm hiểu dé tai trong và ngoài nước: 7

2.4 Mục tiêu, ý nghĩa nội dung nghiên cỨU << « «+ «s2 8

2A1 _ Mục tiêu nghiên CỨU Ăn ke 8

2.42 — Y nghĩa nghiên COU veces cscescsescscsessesescssssssssesessssseseseeeens 8

CHUONG LID 0 9

MO HINH PHAN TỬ HỮU HAN Qu ecccccccecesecesesesescececevevecececscecececececececsceeaseces 9

3.1 Mô hình vat lIỆU c1 199900101 re 9

3.1.1 Mo hình vật liệu bê tong -G SH re, 9

3.1.2 Mô hình vật liệu cốt thép - + 2 2+s+x+E+Ez£E£kreeterrsred 113.2 Mô hình phan tử hệ Can w.ceccccccccccscsssscsescscsssscscscssssssssesssssssseseseseess II3.2.1 Giới thiệu và cầu tạo hệ cẩn - sex £EsEsesvseseree 113.2.2 Cos lý thuyết hệ cản cho công trimh cccccceeseeeseeeeseseeeees 14

05i019)/65215 5 17

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG LUC HỌC - ¿5s 5<: 17

4.1 Cac phương pháp tinh toán ccceesssnececceesssneeeeeeesesnaeeeeeeeees 17

4.1.1 Phuong pháp tinh lực ngang tương đương - 17

4.1.2 Phuong pháp pho phản ứng - + 2 25s+s+£+£z sec 18

4.1.3 Phuong pháp phân tích dạng chính << << «<< <<++2 18

4.1.4 Phương pháp tích phân trực tiếp từ phương trình chuyển động 194.1.5 Phuong pháp tính toán day dan push-OVer - - 5: 20

4.1.6 _ Lựa chọn phương pháp tính toán 55555 <<s+s 22

4.2 Phương pháp lặp Newton-Raphson - << - s9 he ge 23

4.3 Phương pháp NewmarK - << + 99900 ng ngư 26

5.3.1 _ Chu kì dao động của công trình - -ss<<c<+<ssess 37

5.3.2 _ Chuyến vị đỉnh của công trình: -. - s52 s+s+cecscxee 405.3.3 Lực cắt trong các cột công trình -s + s+s+ecesceee 415.3.4 Moment xoắn doc trục trong công trình -ss 5+: 475.4 Mô hình các kiểu nhà trên nền dốc khi bố trí hệ cản (VFD) 51

5.5 Phân tích va đánh giá tác dụng của hệ Can - 5-5 5- <<<<<<<«2 54

5.6 Xét tong thé toàn bộ công trình + 2 5s+s+c£z£e+Eztseerrsrereee 685.7 Khảo sát tính hiệu quả bố trí Viscous Fluid Damper 705.7.1 Phuong án bố trí hệ cản trên S-] - c2 x+x+esesrsrree 70

5.7.2 Phuong án bố trí hệ cản trên S-]I - 2 2c c+czcz£srree 725.73 Phuong án bố trí hệ cản trên S-IIH - 2 2c sesso 755.74 Phuong án bố trí hệ cản trên S-[V - -ccscecsesrsrsrerees 78

CHƯNG V[ 5-52 S623 19 E1 121115151511 111115 1111101151101 01 01101010101 00 y0 81

KET LUẬN VA KIEN NGHI s31 E331 SE ng go 816.l KKẾt luận G1121 ST 11111111 11111111 g1 ng: 816.2 Hướng phat trién dé tai ccccsescsssesscsssesscsessesesesesesesesesseeees 8]TAI LIEU THAM KHHẢO G5 1xx 56919198 E9 318 1v vn neo 83DANH MỤC HÌNH V, - - tt 531191 1E 51119151 1 1111120 011111281 ng 85DANH MỤC BANG BIÊUU -G- G1391 8 E131 1E vn gi 90LY LICH TRÍCH NGANG G- G11 53919198 E113 91 111 121281 go 93

GIỚI THIEU

Trong quá trình thiết kế các công trình chéng động đất hay tác dung của tải gid,hình khối công trình thường đóng góp một vai trò quan trọng đến khả năng chịu lựccủa công trình Giải pháp đưa ra thường là sử dụng các hình khối đối xứng trục nhưhình vuông, chữ nhật hay hình tròn vì có khả năng chịu động đất tốt hơn các hìnhkhác Tuy vậy, do yêu cau kiến trúc và điều kiện mặt bằng nên giải pháp này không

phải lúc nào cũng được đáp ứng.

Quá trình đô thị hóa khiến cho tài nguyên đất bằng phăng dành cho xây dựngngày một khan hiếm Đặc điểm canh tác, phong tục tập quán sinh sống lâu đời của dâncư ở vùng đổi núi và việc khai thác vẽ đẹp cảnh quan phục vụ du lịch ở những địaphương có đôi núi men theo bờ biến vốn rat pho biến ở nước ta là những nguyên nhânchính tạo nên những ngôi nhà dựa trên những sườn đổi dốc Nhưng việc nghiên cứukhả năng chống động đất cho những loại hình công trình nảy thì ít được đề cập nghiên

cuu.

Qua các nghên cứu [1-4] đối với công trình trên nền đất dốc, có sự phản ứng

khác biệt so với công trình được xây dựng trên nên dat phăng Theo đó,nội lực phân

bố không đều từ dưới lên trên, xuất hiện sự xoắn trong kết cau ngay ở những modedao động cơ bản do tính không đối xứng của công trình Dé tài này với mục đích lànghiên cứu phản ứng khi xảy ra động đất của những công trình dạng đặc biệt này vàtiền hành điều khiển phản ứng của kết cau băng các hệ cản, từ đó rút ra những khuyếncáo khi thiết kế các công trình dạng này

TONG QUAN NGHIÊN CỨU

2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới đã có những công trình nghiên cứu dạng nhà trên sườn dốc tuy

nhiên sô lượng các bai báo không nhiêu có thê kê dén dưới day.

Y Singh, P Gade [2] Nghiên cứu những công trình ở sườn dốc, theo dõi phảnứng các công trình này trong trận động đất tại Sikkim và ngày 18 tháng 9 năm 2011

Sau quá trình nghiên cứu phân tích bài báo rút ra có sự phản ứng khác lạ của công

trình trên sườn dốc Khi so sánh với công trình trên nền đất phăng có sự khác biệt lớngiữa các tần số dao động cơ bản, chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng, lực cắt ởcác cột và sự hình thành các khớp dẻo Những tầng ở ngay trên cao độ mặt đườngthường dễ bị phá hoại hơn khi xảy ra động đất Nghiên cứu cũng được chứng minhhợp lý bằng thực tế trong trận động đất tại Sikkim Những công trình trên sườn dốcthường có hình dạng kết câu đặc biệt dựa vào địa hình, không liên tục và bất đối xứngcả về phương dọc lẫn phương ngang Khi bị tác động bởi tải theo phương ngang thìcông trình dễ xảy ra hiện tượng xoăn, hơn nữa các cột ngăn ở phía trên thì càng nguy

hiém boi lực cat.

Sau khi phân tích, bai báo đã trích dẫn các hình ảnh thực tế từ trận động đấtSikkim, Ấn Độ ngày 18 tháng 9 năm 2011 Qua quá trình quan sát, công trình bê tôngcốt thép kiểu S-I bị sụp một cách khác thường Các cột ở tầng thứ 6 bị sụp hoàn toàncòn các bộ phận ở các tang khác đều nguyên vẹn (Hình 1)

Kết luận của Y Singh, P Gade cho thay dạng phá hoại đặc biệt của kiểu côngtrình trên sườn dốc và đặc biệt khác với những kiểu nhà được xây trên nên đất phăng.Khi chịu tải phương ngang, kết câu dễ bị xoắn, những cột nào càng ngăn thì phải chịulực cắt càng lớn Tại những vi trí mà độ cứng thay đổi luôn tập trung nguy hiểm Từso sánh với thực tế công trình 10 tầng trong trận động đất Sikkim nhận thấy nhữngphân tích ở trên là khá phù hợp với phản ứng kết cầu dạng này trong thực tế.

B Birajdar & S Nalawade[1] Nghiên cứu 24 công trình bê tông cốt thép tại khuvực đổi núi vùng đông bắc An Độ với ba hình dạng co bản cao 15.72m -40.25m Minhchứng qua các trận động đất (Kangra (1905), Bihar- Nepal (1934 & 1980), Assam(1950), Tokachi-Oki-Japan (1968), Uttarkashi-India (1991)), những ngôi nhà như thé

nay đã bi phá hủy nghiêm trọng Nguyên nhan được phân tích là tam cứng không

trùng tâm khối lượng nên gây ra xoắn công trình Từ đó bài báo này rút ra lời khuyênsử dụng kiểu dáng nhà như thế nào là tốt nhất Ba kiểu nhà như trên (Hình 2, Hình 3,

Hình 4) sau:

vì 3.50 m

® 350m

D G.L.C > Length3 @7m 7, a(STEP 4) (STEPS)

Height Heighthơn rÊR 7@35m 8 @ 35mG.L G.L G.L.

A A A

G.L B 6.L 4 G.L

Length 3 @ 7m Cc D Length 3 @ 7m C D Length 3 @ 7m C D

(STEP 6) (STEP 7) (STEP 8)

i ‘ HeightH H 4

— pee 11 @ 3.5m

GL G.L G.L.

A "A r

h G.L B G.L B G.L

Length 3 @ 7m Cc D Length 3 @ 7m là D Lenath 3 @ 7m c D

(STEP 9) (STEP 10) (STEP 11)

Hình 2 Kiéu 1- STEP (step back buildings) 4-11 tang

Tum, 70m, 7m, 70m, 7m

ia aie’ Fae NT a@ kn

À 335m

ñ 35mC AinHigis@isn =o itm,lạnh 5m Sm

=a +o aon

Lag Ø2 ° kL lœ Lungfli7 2m tr [ie E | lạ.

FG G i H

Sướng cm? kowyssbidca os | i |

a | La 2 13 4 | BA

h Fi làtd# WO ASN b Hi 11 © 35m, lan erm ” , 4

Logs @ † r Lawn lem #

Lawh om Lena om

rip

Hinh 4 Kiéu 3-SET (set back buildings) 4-11 tang

Building Size of Column Size of BeamConfiguration

Step Back | for STEP 4&STEP5 230 mm x 500 mm

Buildings STEP6&STEP7 230 mm x650 mm 230 mm x 500 mm

STEP8&STEP9 300 mm x650 mmSTEP 10 & STEP 11 300 mm x 850 mmStep Back and STPSET 4to STPSET 11

Set Back building 230 mm x 500 mm 230 mm x 500 mmSet Back building SET 4to SET 11 230 mm x 500 mm.

230 mm x 500 mm

Bảng 1 Kích thước hình học các kiểu nhà.Các giả thiết tính toán đặt ra như sau: Vật liệu là đồng nhất và đăng hướng dàn

hồi: module đàn hồi 25000N/mmF; hệ số Poisson 0.2; bỏ qua ảnh hưởng P-A, sự co

ngót, từ biến Sử dung SI: 1893(1)-2002 với ving Zone (IID thu được các kết quả với

môi kiêu công trình như sau.

cùng với chiều cao, nhà càng nhiêu tang thì chu kỳ càng lớn, càng về phía phải thì lựccắt càng tăng dan, những cột bên phải chỉ chịu lực cắt khoảng từ 5-7% so với nhữngcột bên trái Theo phương ngang, ảnh hưởng của hình khối trở nên rõ hơn Momenxoăn tăng dan từ 4kNm đến 61kNm Chu kỳ dao động theo thương này cũng lớn hơn

phương dọc.

- Kiéu 2- STPSET (step back set back buildings): Theo phương dọc, chu ky daođộng thay đối từ 0.437s đến 0.499s khi tính theo pho phan ứng và 0.267-0.143s khi sửdụng phương pháp phân tích tĩnh Lực cắt ở các tầng ít chênh lệch nhau trên cùng mộttrục Lực cat lớn nhất tập trung ở cột ngoài cùng bên trái từ 86-103kKN Những cộtngoài cùng bên phải chịu ít lực cắt nhất; Theo phương ngang, lực cat theo phương naybé hơn, chu kỳ không phụ thuộc nhiều vào số tầng của tòa nhà Khi thiết kế kiểu nhànày cần chú ý đến tải tác dụng theo phương dọc vì chuyển vị phương này khá lớn, gấp3.8-4 lần phương ngang

- Kiéu 3-SET (step back set back buildings): Theo phương dọc, chu kỳ thay đổi0.745s-0.857s theo phương pháp phổ phản ứng và 0.1256s -0.2083s theo IS:1893(I)-2002, lực cat ở ngoài cùng bên trái và ngoài cùng bên phải là bé nhất; Theo phươngngang, theo IS:1893(1)-2002 không có sự thay đổi chu kỳ giữa 8 tòa nhà này Chuyểnvị đỉnh theo phương ngang gấp 3.5 lần chuyền vị đỉnh theo phương dọc

Sau khi phân tích ba kiểu nhà trên B Birajdar & S Nalawade đã tiến hành sosánh như sau Kiểu 1- STEP có lực cắt không đồng đều và momen xoăn lớn hon sovới kiểu 2- STPSET do bị lệch tâm cứng Kiểu 2 lực cắt chân cột và độ cứng theophương ngang lại lớn hơn so với kiểu 3 —SET

B Birajdar & S Nalawade đưa ra những kết luận sau:- Những công trình xây kiểu | thì dé bị phá hoại nhất Moment xoăn công trìnhkiểu | lớn hơn kiểu 2 vì vậy kiểu 2 có khả năng chịu động đất tốt hơn

- _ Ở công trình kiểu | và kiểu 3, những cột ngắn thường chịu momen lớn nhất

- Tuy công trình kiểu 3 ít bị phá hoại nhất nhưng cần phải có mặt bang tốt,không phù hợp với vùng đất dốc hoặc phải tốn kinh phí san lap mặt băng Vì vậy lựachọn kiểu 2 để xây dựng là phù hợp với thực tế.

Ngoài ra còn có một số bài báo khác nói về dạng công trình trên sườn dốc nhưcủa S.Kumar A & D K Paul[4] nghiên cứu về một phương pháp đơn giản để tínhcho những nhà trên sườn đốc, ưu điểm của bài báo này là xây dựng ma trận độ cứngvà ma trận khối lượng, với nha hai nhịp trở lên Tuy vay vẫn chưa nêu nỗi bật sự khácbiệt của công trình dạng sườn dốc so với công trình bình thường khác

A.Liu[3] Phân tích cho công trình gỗ trên nền dốc A Moghadam & W.Tso[5]sử dụng phương pháp đây dan dé phân tích kết cấu có độ cứng thay đối theochiều cao Phương pháp nay có thé áp dụng ngay cả với kết cau bị xoăn, chỉ phân tíchphi tuyến với một số phan tử can thiết được tính toán qua chuyền vị, cải thiện kết quảtính toán cho dạng nhà có độ cứng thay đối

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Ở Việt Nam, đặc biệt là cao học Ngành Xây dựng công trình Dân dụng và Côngnghiệp của đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh đã có nhiều luận văn về khả năng chịuđộng đất cho công trình cũng như nghiên cứu các thiết bị giảm chan cách chan[6-17].Các nghiên cứu này thường tập trung áp dụng cho các công trình có hình khối co bannhư hình chữ nhật, hình vuông được xây trên địa hình bang phang

2.3 Đánh giá qua quá trình tim hiểu đề tài trong và ngoài nước:Qua quá tình tìm hiểu, thu thập các tài liệu và bài báo của nước ngoài, học viênnhận thấy các bài báo nước ngoài đã có đề cập đến van dé đặc biệt của các công trìnhtrên đất dốc khi chịu tải động đất Xem xét đánh giá tính phức tạp khi công trình thayđổi đột ngột độ cứng Có một số dé xuất và giải pháp về hình dáng ngôi nhà sao chophù hợp với vùng sườn dốc này, tuy vậy lại giảm khả năng sáng tạo kiến trúc chocông trình [1, 3] Đối với các bài báo, luận văn trong nước thì chưa có nghiên cứu nào

đề cập tới kiêu công trình trên nên dat doc chịu tác động của động dat này.

thiết và hết sức có ý nghĩa đối với thực tế hiện nay Với những nhận định qua quá

trình tìm hiệu trên, học viên đặt ra mục tiêu nghiên cứu như sau.

2.4 Mục tiêu, ý nghĩa nội dung nghiên cứu2.4.1 Mục tiêu nghiên cứu

Với ứng xử khác biệt của dạng nhà trên sườn doc, học viên dat ra những mụctiêu nghiên cứu sau:

- Tong hợp, mô hình các công trình trên nền dốc với nhiều hình dạng khác nhau.- Xem xét và phân tích phản ứng của công trình trên đất dốc khi chịu tải trọngđộng đất

- Bố trí hệ can VED cho công trình ví dụ nhằm mục đích giam momen xoan valực cắt, tăng kha năng kháng chan cho công trình

- Rút ra những kiến nghị về bố trí hệ cản nhằm tăng khả năng kháng chan chocác dạng công trình trên sườn dốc

2.4.2 Y nghĩa nghiên cứu- Y nghĩa thực tiễn: Với kết quả và những kiến nghị có được từ nghiên cứu ta cóthé áp dụng kháng chan bang hệ cản hoặc đưa ra giải pháp giảm chan vào các côngtrình thực tế, vốn rất nhiều ở nước ta ở các vùng có đồi núi dốc (Các vùng núi TâyBắc, vùng núi ven biển như Vũng Tàu, Nha Trang )

- Y nghĩa khoa học: Hiểu thêm về phan ứng của công trình chịu trên sườn dốcchịu tải trọng động đất Tìm hiểu và áp dụng chương trình mô phỏng OPENSEES vàotính toán cho công trình chịu động đất

MO HINH PHAN TU HUU HAN

3.1 M6 hình vat liệu

3.1.1 Mô hình vật liệu bê tông

Nhiều nghiên cứu nhăm thiết lập quan hệ ứng suất biến dạng (—e) của mô hìnhbê tông bị ép ngang Một số mô hình tiên tiến cho các loại bê tông như cho bê tông

thường: Scott et al.,J ACI, January 1982; Sheikh et al., Structural Divison, ASCE,December 1982; Mander et al., J Structural Divison, ASCE, August 1988 Cho bétông nhẹ: Manrique et al., UCB/EERC Report 79/05, May 1979; Shah et al., j.Structure Division, ASCE, July 1983 Cho bê tong cường độ cao: Yung et al., J.Structural Division, ASCE, February 1988; Manrtinez et al., J ACI, September 1984;Bing et al.,Proceedings, Pacific Conference on Earthquake Enghineering, November

1991.Mô hình của Kent-Scott-Park(concrete01)[18]giam/tang tải tuyến tinh không xétđến khả năng chịu kéo của bê tông Trong bài này, mô hình bê tông được sử dụng chocột và dầm trong luận văn là mồ hình của Mohd Hisham Mohd Yassin(concrete02)[19]cho phân lõi (Core concrete) chịu ép ngang (confined) và phan bê tông bảo vệ

(Cover concrete) không chị ép ngang (unconfined) Mô hình này (concrete02) với ưu

điểm là có xét đến khả năng chịu kéo của bê tông.Với bê tông với các thông số

ƒ.'=4ksi =—27579.0KN !mˆ là độ bền nén bê tông: K,=13 làhệ số xét từ ép ngang

sang không ép ngang, K _=02 hệ số dư ứng suất lớn nhất;

ƒ#'„=K,,=—358500KN/m” ứng suất lớn nhất của bê tông bị ép ngang;

€,, =—0.00288 là biến dang ứng với ứng suất lớn nhất khi bê tông chịu ép ngang:%„„=K„„#„`=—Z7170.0KN | mÌ ứng suất cực hạn; ¢,,=20s, là biến dạng cực hạn;

^=0./ ƒ'=-0.14f, = 5019.0KN | nv? là ứng suất chịu kéo của bê tông;

E,=1.9x10° KN/m’* độ giảm cứng khi chịu kéo của bê tông.

cua Mohd Hisham Mohd Yassin

~ II

IN

Wa} ASna ae

Concrete Strain [ini r]

Hình 6 Typical Hysteretic Stress-Strain Relation of Concrete02 Model

a

p=]

0 | pg D> eee Fu+

0002 0.000 0002 0004 00% 0008 009 000 001 0016

Concrete Strain [in/in]

Hình 7 So sánh Hysteretic Stress-Stram giữa concreteOl và concrete02

3.1.2 Mô hình vật liệu cốt thépMô hình cốt thép được sử dụng cho bài toán động lực học là mô hình củaGiuffre-Menegotto-Pinto [20](steel02) ứng xử động học không tái bền đăng hướng.

Với ƒ, =66.8ksi =460569.8KN/m” là giới hạn chảy của thép, E, = 200KN x 10° KN / m?

Module đàn hồi ban đầu cốt thép; b=0.07 là hệ số tái bền và các hệ số chuyến tiếptừ tuyến tính sang phi tuyến tính R, = /8; c„, =0.925; cy, =0.15

100

Stress [ksi]

40

-£0 +-0.010 0000 0010 0020 0.030 0.040 0.050 0.060

Strain [in/in]

Hình 8 Ung xử động học không tái bên của cốt thép.3.2 Mô hình phan tử hệ can

3.2.1 Giới thiệu và cau tạo hệ can

a Giới thiệu hệ can

Hiện nay, có nhiều phương pháp giảm chấn cho công trình Các thiết bị cũngđược nghiên cứu và chế tạo đa dạng và thương mại hóa nhằm hạn chế tác động của tảitrọng động đất, tải gid, no, tai trọng di động Có thé kế tên một số thiết bị như hệ côlập dao động (BIS), hệ cản nhớt (VFD), hệ can ma sát (FD), hệ can điều chỉnh khốilượng (TMD), Hệ cản độ cứng biến thiên, hệ cản lưu biến từ (MR), hệ cản lưu biếnđiện (ER), hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD) V6i các phương pháp điều khiếnkết cau như: điều khiến bị động, điều khiến chủ dong, điều khiến bán chủ động hay hệ

điêu khiên hôn hợp Xét hệ cản nhớt có có những ưu và nhược điềm theo bảng sau

Hệ cản nhớtViscous Fluid

Hé can dan nhotViscoelastic Solid

Hệ cản kim loạiMeatallic Damper

Hệ cản ma sátFriction DamperDamper Damper

Câu tạocơ bản " =======' a

Ứng xử —Ý._động l ad

Lực hôi phục bé Cung cấp lực hồi Ít nhạy với nhiệt độ | mỗi chu kỳ.Mô phỏng đơn giản | phục môi trường xung -Ít ảnh hưởng bởikhi tuyến tính Mô phỏng đơn giản | quanh nhiệt độ môiHoạt động với khi tuyến tính Vật liệu và ứng xử | trường.nhiều khoảng tần quen thuộc với kỹ

số và không phụ sư thực hành.

thuộc vào nhiệt độ.Được sử dụng rộngrãi trong quân đội.

Khuyết Bị rò rỉ dâu (có thê | Giới hạn khả năng Thiết bị bị hư hỏng -Điêu kiện các mặtđiểm | khắc phục được) chuyển vị sau trận động đất, | trượt trong thay đối

Phụ thuộc vào tần | có thể phải thay theo thời gian.số và nhiệt độ thế - Phân tích phiBị rò rỉ dầu (có thể | Khó khăn khi phân | tuyến.

khắc phục được) tích phi tuyến -Chuyén vị không

hổi phục nếukhông cấp lực phụchồi.

Bảng 2 Đặc điểm của những hệ cản khác nhau

Luận van này áp dụng hệ cản nhớt (VFD) về những ưu điểm như: hoạt động khichuyển vị tương đối nhỏ, lực hồi phục nhỏ, đối với hệ cản nhớt tuyến tính thì quá trìnhmô phỏng cũng trở nên đơn giản hơn, áp dụng cho nhiều tần số khác nhau và khôngphụ thuộc vào nhiệt độ, được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực vũ trụ và sử dụng trongquân đội nhiều năm Ngoài ra được thương mại hóa cao, giá cả chấp nhận được nênthuận lợi áp dụng vào thực tế nước ta.

=:

{ent Z wil À tí |

SS ñ

PISTON HEAD CONTROL VALVEWITH ORIFICES

Hình 9 Cầu tạo hệ can chất lỏng nhớt của hãng Taylor DevicesThiết bị được làm từ thép không gỉ và làm được từ vật liệu siêu bền để đạt đượctuổi thọ ít nhất 40 năm Chất long silicon được sử dụng trong hệ cản có tính chốngcháy, không độc hại, ôn định nhiệt va không bị thoái hóa theo thời gian

Chất bịt kín của hệ cản sử dụng một công nghệ thiết kế đã được cấp băng sángchế, được đảm bảo tuyệt đối vì dựa trên các nghiên cứu trong vũ trụ và đã được kiểm

nghiệm qua 40 năm trong lĩnh vực quân sự.

Lực sinh ra trong VED được cho bởi công thức:Fury = Clu sign(u)

Với a =0.1+1.2 - Hệ số cản nhớtœ<7-Hệ cản nhớt phi tuyến thường cho hiệu quả cao với chan động mạnh

œ = 7-Hé cản nhớt tuyến tính.œ > 7-Ít gặp trong thực tế.

Hình 10 Một số hình ảnh áp dụng thực té của VFD3.2.2 Cơ sở lý thuyết hệ can cho công trình

a Hệ một bậc tự do có hệ cản nhớt tuyến tínhXét hệ một bậc tự do có gan thiết bi cản nhớt tuyến tính chiu chuyển vị điều hòatheo thời gian u=u,sinot với u,la biên độ chuyển vi và œ là tần số góc của kíchđộng Hệ cản nhớt tuyến tính sẽ cho lực can F,,,, = Cu (œ=7)với C là hệ số cản của

thiệt bi cản nhớt va z là vận tôc tương đôi của hệ.

2x/œ

Năng lượng W, tiêu tán bởi hệ cản W, =|[|F,„„du = [[|Củẩu = | ` Củ “dt =mCu,o

(3.2 1)

Gọi &, là tỉ sô cản do sự đóng góp của thiệt bị cản; K m và œ, lần lượt là độ

cứng, khôi lượng và tan sô tự nhiên (tần so riêng) của kêt cau; W, năng lượng biên

-tỈ”~ ⁄h

Hình 11.Dinh nghĩa W, vaW, của hệ Hình 12 Hệ nhiều bậc tự do có can

một bậc tự do có thiết bị can nhót nhớt

b Hệ nhiễu bậc tự do có cản nhớ tuyến tinhXét một hệ nhiều bậc tự do có gắn các hệ cản nhớt tuyến tính như Hình 12 Tỷsố cản hiệu quả é,, của hệ (kết cau và thiết bị cản nhớt) là š „ =š„+š„ với §,là tỷ số

can của riêng kêt cau và š, là tỷ sô can do sự đóng góp của các thiệt bị can nhớt.

Mở rộng quan điêm đôi với hệ một bậc tự do ở phân trên vào hệ nhiều bậc tự do,ta có:

(predominant mode) ứng với một tân sô mà phô đáp ứng sẽ có giá tri lớn nhat.

Gọi K, m, ®;¿ lần lượt là ma trận độ cứng, ma trận khối lượng thu gọn và modeshape chủ đạo của hệ; ọ; là chuyển vị của tang thứ i trong mode chủ dao; m, là khốilượng tầng thứ ¡ Gọi Uj Và Qj lần lượt là chuyén vị tương đối theo phương doc trục vaphương ngang của thiết bị cản nhớt thứ j (có góc nghiêng 0; so với phương ngang)

trong mode chủ đạo Ta có Wx và 3W, được xác định theo (3.2.6) va(3.2.7), suy ra

tỷ số cản hiệu quả của hệ nhiều bậc tự do có các thiết bị cản nhớt tuyến tính được xác

Tu (3.2.8) ta thay ro rang hé can nhot da lam tang ti số cản của kết cau từ Ey

thang š „.

CHƯƠNG IV

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN

DONG LUC HỌC

4.1 Cac phương pháp tính toán

Đề tính công trình chịu tác động của động đất có các phương pháp khác nhau

được phân loại thành những nhóm phương pháp tính sau:

- _ Tĩnh tuyến tính: Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương.- — Động tuyến tính: Phương pháp phổ phản ứng, phương pháp phân tíchdạng chính, phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động

- _ Tĩnh phi tuyến: Phương pháp tính toán đây dần “push-over”- —_ Động phi tuyến: Phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển

động.4.1.1 Phương pháp tinh lực ngang tương đương

Phương pháp này thay thế lực do động đất sinh ra băng lực tĩnh tương đương tác

động lên công trình theo phương ngang Phương pháp này được sử dụng rộng rãi

trong các công trình ngày nay Lực ngang do động đất sinh ra được giả thiết bằng tíchcủa hệ số địa chan C, và trọng lượng toàn bộ công trình Q Lực này gọi là lực cắt đáy

hoặc lực ở chân công trình được phân phối tại các vị trí có khối lượng tâp trung như

chiều cao sàn, tầng Theo các tiêu chuẩn Châu Âu (EN 1998-1:2004), Việt Nam

(TCXDVN 375:2006), Pháp (PS-92), Hiệp hội kỹ sư xây dựng công trình Mỹ (ASCE

7-02) thì lực cắt đáy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vùng hoạt động của động dat,điều kiện nền đất tại địa điểm xây dựng, tầm quan trọng công trình, hệ số làm việc củakết cau, giải pháp kết cau, phố thiết kế động dat, khối lượng công trình

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương có nhược điểm là không áp dụng được

cho các công trình không déu đặn theo mặt băng và chiêu cao vê độ cứng và khôi

lượng, không cung cấp day đủ phản ứng của công trình theo thời gian khi chịu tảiđộng dat dé tiến hành thiết kế an toàn và hiệu quả Đối với công trình lớn và phức tạpviệc sử dụng phương pháp tĩnh lực ngang thường không đủ độ chính xác can thiết.4.1.2 Phương pháp pho phản ứng

Tác động của động đất được cho dưới dạng phổ phản ứng hoặc gia tốc đồ củachuyển động địa chấn Trong các phương pháp động, phương pháp pho phản ứng làđơn giản nhất Theo tiêu chuẩn EN 1998-1:2004 và TCXDVN 375:2006 phương phápnày được gọi là phương pháp phân tích phố phản ứng dạng dao động

Tóm lược nội dung phương pháp phố phản ứng như sau Trước hết tính theocách thông thường xác định chu kỳ và dạng dao động cho mỗi dạng dao động chínhcủa hệ kết cấu Tiếp theo từ phố phản ứng động đất cho trước, xác định phổ gia tốccực đại ứng với các chu ky dao động và hệ số cản tới hạn của mỗi dạng dao độngchính Trên cơ sở này, băng kỹ thuật phân tích dạng xác định phản ứng lớn nhất ở cácdạng dao động chính Phan ứng toàn phan của hệ kết cau được xác định theo phươngpháp tô hợp thống kê các phản ứng lớn nhất ở các dạng dao động chính Ưu điểm củaphương pháp này là tính toán nhanh, đơn giản và cho kết quả ở độ chính xác chấp

nhận được Tuy vậy do dùng nguyên lý cộng tác dụng nên phương pháp này chỉ giới

hạn cho việc tính toán tuyến tính.Có thể xem phương pháp tĩnh lực ngang tương đương là một trường hợp riêngcủa phương pháp pho phản ứng Ly do phương pháp tĩnh lực ngang tương đương chixét đến dang dao động cơ bản trong khi đó phương pháp phô phản ứng xét đến nhiềudạng dao động của hệ kết cẫu

4.1.3 Phương pháp phân tích dạng chính

Tương tự phương pháp pho phản tng, trước hết dùng kĩ thuật phân tích dang détách phương trình chuyển động của hệ kết cấu n bậc tự do thành n phương trìnhchuyển động độc lập Mỗi phương trình ứng với một dạng dao động tự do của kết cấu.Đề giải phương trình này ta dùng gia tốc đồ thực Do đó phương pháp phân tích dạngchính sẽ cung cấp cho chúng ta phản ứng động của hệ kết cau theo lịch sử thời gian ở

các dang dao động chính Phan ứng toàn phần của hệ kết câu được xác định trên cơ sởlý thuyết tổ hợp phản ứng của các dạng dao động chính tương tự như phương pháppho phan ứng.

Phuong pháp pho phan ứng cũng có những nhược điểm sau:

- — Phụ thuộc vào việc tách một cách nhân tạo các dạng dao động.

- _ Phải tổ hợp các kết quả tính toán ở các dạng dao động lại theo nguyên lýcộng tác dụng nên chỉ giới hạn ở giai đoạn đàn hỏi của vật liệu

- — Không áp dụng cho một số kết cau không sử dụng được kỹ thuật phân

tích dạng.

- _ Không có các chỉ dẫn chính xác về sự hình thành khớp dẻo ở một số cau

kiện.

Như vậy phương pháp phố phản ứng ở trên có thể xem là trường hợp đặc biệt

của phương pháp phân tích dạng dao động chính.

4.1.4 Phương pháp tích phân trực tiếp từ phương trình chuyển độngTừ một gia tốc đồ địa chan là hàm liên tục biến thiên theo thời gian, ta có thé xácđịnh được lịch sử phản ứng của công trình trong thời gian bị động đất Đó chính là cácbiểu đồ nội lực và chuyển vị của hệ kết cầu tại mỗi khoảng thời gian định trước trongtoàn bộ lịch sử chuyển động địa chan Các chương trình tính toán được viết cho cảgiai đoạn đàn hôi tuyến tính lẫn không đàn hồi phi tuyến của vật liệu bằng phươngpháp tích phân từng bước một Đây là phương pháp tính toán tốt nhất và cung cấpđược nhiều thông tin nhất về trạng thái ứng suất và chuyên vị của các hệ kết cau chịulực dưới tác động của một chuyển động địa chan bat kỳ cho trước

Trong thực tế thiết kế rất ít dùng phương pháp tích phân trực tiếp dé tính toáncông trình trong giai đoạn làm việc đàn hồi tuyến tính, trừ trường hợp việc tách dạngkhông thể thực hiện được Nguyên nhân là do kỹ thuật phân tích dạng thường rẻ hơn,

dê hơn và kêt quả cũng gan như chính xác.

Việc tính toán phi tuyến 3 chiều được thực hiện bang cách tác động đồng thờilên công trình 3 giản đồ gia tốc theo ba phương vuông góc của cùng một trận độngđất Đây là phương pháp hoàn thiện nhất cho tới nay Phương pháp này cho phép tìmra khu vực yếu của kết cầu dé tăng cường trước cho nó hoặc cho phép sử dụng vật liệumột cách hợp lý hơn Việc tính toán phản ứng động cho thay kết cau bộc lộ nhiều vanđề mà phương pháp tĩnh không thể thấy được Ví dụ như một số tầng nhà có độ cứngngang thay đổi đột ngột, việc tính toán động cho thay ứng suất tập trung quá lớn ở mộtsố khu vực làm công trình dễ bị phá hoại cục bộ Từ kết quả tính toán, ta có thể ápdụng các biện pháp để giảm mức độ tập trung ứng suất cục bộ hoặc nâng cao khả năngchịu biến dạng của nhà ở các khu vực này.

4.1.5 Phương pháp tính toán day dan push-overLà quá trình biến dang phi tuyến của kết cau xảy ra dưới tác động gia tăng đềuđặn của tải trọng ngang trong khi tải trọng đứng giữ nguyên không đối Quá trình giatăng đều tải trọng ngang này được thực hiện cho tới khi nút kiểm tra có chuyển vịngang bang chuyển vị ngang “mục tiêu” định trước, hoặc cho tới khi đạt tới lực catđáy “mục tiêu” ứng với một cấp công năng định trước của nhà Biến dạng và nội lựckết cấu được giám sát một cách liên tục trong quá trình kết cấu chuyển vị ngang.Phương pháp tính toán này cho phép theo dõi quá trình chảy dẻo và phá hoại ở các caukiện thành phan lẫn toàn bộ hệ kết cấu Phương pháp này cũng cho phép xác định sựphân bồ chuyển vị ngang không dàn hôi theo chiều cao công trình và cách thức sụp đồcủa hệ kết cầu Khả năng chịu lực và độ dẻo cần thiết ở chuyển vị mục tiêu (hoặc lựccắt đáy mục tiêu) thường được dùng để kiểm tra tính đúng đăn của việc thiết kế kếtcau Đồ thị biểu diễn mỗi quan hệ giữa lực cat đáy và chuyển vị ngang kiểm tra ở caotrình mái được gọi là đường cong khả năng Đây là kết quả chủ yếu của phương pháptính toán đây dân bởi vì nó biểu thị công năng tổng thé của công trình

Sự phân bố giả định lực quán tính ngang trong phương pháp tĩnh phi tuyến đượcdựa trên giả thiết cho răng phản ứng của công trình được kiểm soát bởi một dạng daođộng duy nhất và hình dạng của dao động này giữ nguyên không đổi trong suốt thời

gian phản ứng Thông thường dạng dao động cơ bản được chọn là dạng phản ứng trội

của hệ có nhiều bậc tự do động, ảnh hưởng của các dạng dao động khác được xem lànhỏ và được bỏ qua Phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến với sơ dé phân bố tải trọngngang như vậy được gọi là phương pháp tinh toán tĩnh phi tuyến quy ước và thườngđược dùng dé tính toán phản ứng của các công trình có chiều cao thấp và trung bình.

Thực tế sơ đồ phân bó tải trọng ngang trên chiều cao công trình không phải batbiến như dạng dao động cơ bản mà còn chịu ảnh hưởng của các dạng dao động khác.Đề khắc phục hạn chế này của phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến quy ước, một sốnhà nghiên cứu đã tim cách điều chỉnh sơ đỗ phân bố lực quán tính ngang băng cáchxét tới các dang dao động khác ngoài dang dao động cơ bản Trong số nay có phươngpháp tính toán đây dan theo dạng chính (Modal Pushover Analysic - MPA) do Chopravà Goel đề xuất (2002) được xem là phương pháp tốt nhất hiện nay

MPA sử dụng lý thuyết động lực học công trình mà vẫn giữ được tính đơn giản

và thuận tiện trong tính toán của phương pháp tính toán tĩnh quy ước MPA tính toán

công trình theo hai giai đoạn: (i) thực hiện tính toán đây dần cho từng dạng dao độngkhác nhau của kết cấu có nhiều bậc tự do (ví dụ dạng dao động 1,2,3., ) để xác địnhphản ứng của các dạng tương ứng ở chuyển vị mục tiêu; (ii) xác định phản ứng toànphan của hệ kết cấu bằng cách tô hợp các phan ứng dạng thành phan theo một trongcác phương pháp tổ hợp các phản ứng lớn nhất của dạng chính, ví dụ tổ hợp dưới dạng

căn bậc hai của các tông bình phương

Phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến được xem là phương pháp hữu hiệu và tiệnlợi trong tính toán động Theo tiêu chuẩn Châu Âu EB 1998-1:2003 va 2004, phươngpháp tính toán này được quy định là một trong hai phương pháp tính toán phi tuyếnđược sử dụng dé kiểm tra công năng của các công trình mới va cũ Chương trình giảmnhẹ tai biến động đất quốc gia (National Earthquake Hazard Reduction Program-NEHRP) của Hoa Kỳ đã giới thiệu và kiến nghị sử dụng phương pháp này như mộtcông cụ để thiết kế và kiểm tra phục hồi kháng chan các công trình xây dựng hiện có

(2000) Phương pháp này cũng được Hiệp hội các kỹ sư công trình California

(SEAOC) Hoa Kỳ chấp nhận là phương pháp tính toán công trình và một số nước dự

định sé đưa vào tiêu chuan kháng chân.

4.1.6 Lựa chọn phương pháp tính toán

Việc lựa chọn phương pháp tính toán kết cau cho luận văn này dựa vào tiêu chí

theo mức độ phức tạp của kêt cầu và tính déu đặn của công trình:

Loại kết câu Phương pháp tính toánCác kết câu nhỏ, đơn giản 1 Tĩnh ngang tương đương

2 Phố phan ứngCác kết cau lớn và phức tạp dan 3 Phân tích dạng chính công trình

4 Tĩnh phi tuyến (Push-over)Các kết cầu lớn, phức tạp 5 Tích phân trực tiếp

6 Kết cau — nên dat phi tuyếnBảng 3 Phạm vị áp dụng các phương pháp tính toán theo mức độ phức tạp của kết

cáu.

Các công trình càng lớn, càng phức tạp thì phương pháp tính toán phức tạp và

hoàn thiện hơn Tuy vậy với sự phát triển các công cụ tính toán và máy tính cá nhân,các tính toán phức tạp được tiễn hành rộng rãi trong thiết kế hơn

Theo tiêu chuẩn kháng chan của Châu Au EN 1998-1:2004 và TCXDVN375:2006 vẻ khả năng được phép đơn giản hóa khi xây dựng mô hình tính toán kết cauvà phạm vi sử dụng các phương pháp tính toán dựa theo tính đều đặn của kết cau:

Tính đêu đặn Được phép đơn giản hóaTrong mặt băng | Trên chiêu cao | Mô hình Phân tích dàn hồi tuyên tínhCó Có Phăng Tĩnh lực ngang tương đươngCó Không Phăng Dạng dao động

Không Có Không gian | Tĩnh lực ngang tương đươngKhông Không Không gian | Dạng dao động

Bang 4 Quy định về việc xây dung mô hình và sử dụng phương pháp tính todn theo

tính đêu đặn của công trình.

Hình 13 Các quy định về tinh đều đặn của nhà có giật cấp trên chiều cao.Từ những phương pháp và quy định trên, nhận thấy công trình trên nền dốcmang đặc điểm phức tạp và lớn về quy mô, không đều đặt theo mặt bằng vào chiềucao nên phương pháp sử dụng cho các công trình điển hình dưới đây là phương pháptính phân trực tiếp từ phương trình chuyển động Sử dụng phương pháp lặp Newton-Raphson để giải bài toán.

4.2 Phương pháp lặp Newton-Raphson

Từ phương trình đại số tuyến tính trong từng bước thời gian ta có:

(K„„)Au =(AP,„) (4.2.1)Bước 1: Xác định số gia của chuyển vị Au” dựa vào ma trận độ cứng hiệu dụng

kK RK t A ye oA ~ r `

tiép tuyên (K,,) Chuyên vị tại thời diém sau uf? =u!? +Au® đã được xác định Từ

đây số gia tải trọng lần lặp đầu tiên Af 0 được tinh, khác với gia tri (AP, )

Bước 2: Tính độ chênh lệch của số gia tải trọng giữa giá trị đã biết và giá trị vừa

tính như sau:

AR” =(AP„)- Af” (4.2.2)Xác định tiếp số gia chuyền vị lần thứ 2 bởi biểu thức sau:

(K,, ) Au? = AR” (4.2.3)Số lần lặp được thực hiện cho đến khi độ chênh lệch số gia tải trọng AR”) ~0 vasố gia chuyên vị cuối cùng sé được tính theo biéu thức:

Au = Au” + Au”) + (4.2.4)

Đôi khi chênh lệch số gia tải trọng AR không thé triệt tiêu, do có sai số thì lầnlặp có thé được kết thúc khi số gia chuyển vị lần lặp cuối Au! nhỏ hơn nhiều so vớisố gia chuyên vị lần lặp đầu Au" như sau:

(@)

Quá trình tìm nghiệm tại thời điểm cuối bước thời gian i+7 bang các sử dungphép lặp Modified Newton Raphson cho trường hợp hệ một bậc tự do được thể hiệnchi tiết như trên hình vẽ

eff Af”

_ 2 Au?” r~

Ị=

u; U ¡

Hình 14 Lap theo Modified Newton Raphson

Thuật toán lặp của Modified Newton Raphson dé giải bài toán phi tuyến được

thê hiện như sau:

1 Các thông số đầu vào j =0

u°) =u, Chuyến vị tại đầu bước thời gian đã biết

AR" =(AP,„) Số gia tải trọng tải trọng đã biết

f° =f, luc đàn hôi tại đầu bước thời gian đã biết

Kỷ = K/ độ cứng cát tuyến bằng độ cứng tiếp tuyến

2 Trong từng bước lặp 7 = ï,2.3 Giải hệ phương trình K „Aut? = AR”

Tìm chuyến vị wu =u + Aut2

Tìm số gia lực đàn hồi Af’ =f) -£0 +(K¡ _K?)Au'?

Tìm số gia hiệu dụng AR“ = AR” — af3 Lap lại các bước 2 thay chỉ số j+l bởi Phương pháp Newton Raphson nguyên thủy dùng ý tưởng hiệu chỉnh độ cứng tiếptuyến liên tục trong mỗi bước lặp tuy nhiên phải thêm một bước tính nữa trong mỗilần lặp Tóm tắt quá trình lặp theo phương pháp Newton Raphson nguyên thủy đượcthé hiện trong hình sau:

u,,, =u, +(1—y) ¡+1 i Ati, + yAnii,,,

(4.3.2)

U,¡ =u, +U,At+ Ẹ — ) Af?u,+BAf”t,

Phương pháp Newmark được áp dụng để giải phương trình chuyên động của hệcó ứng xử phi tuyến được viết dưới dạng số gia như trong (4.3.1) Từ hai phương trìnhtrong (4.3.2), suy ra biểu thức của số gia giữa hai thời điểm i và i+l của gia tốc

Al, =ủ,,—ử, và vận toc Au, =ủ,,, —ú, theo các đại lượng còn lại như sau:

(Kos ) BAt? b BAt mm

(AP, ), = AP “M/F sa fre Za, (Zo),! 6At ` 2Ø 8 ' \2B (4.3.5)

Phuong trinh dau tién trong (4.3.5) cĩ đại lượng ma trận độ cứng cat tuyến K;chưa biết giá trị nhưng cĩ thé xấp xi băng độ cứng tiếp tuyến tai thời điểm i vớiK?=K; Giải hệ phương trình đại số tuyến tính (4.3.4) thu được giá tri của số ø1achuyền vị Au, Thay tiếp vào (4.3.3) sẽ tìm được vận tốc và gia tốc tại thời điểm cuỗibước thời gian Như vậy từ nghiệm đã biết tại thời điểm trước là ¡ nghiệm tại thờiđiểm i+1 được tìm

Cĩ thê thiết lập cơng thức của phương pháp Newmark giải bài tốn cĩ ứng xửphi tuyến theo dạng gia tốc bằng cách tìm số gia của chuyên vị và vận tốc theo số gia

của gia tơc và các đại lượng cịn lại như sau.

Từ (4.3.2) sơ gia vận toc và chuyên vi được suy ra là:

Au, =ủ, —U, = Afi, + yẬrAũ,

(4.3.6)

Au, =u,,, —u, =ủ A/+ 5 At*ti, + ØArˆÁ,

Thay vào phương trình số gia (4.3.1), kết quả thu được hệ phương trình đại sốtuyên tính với an số là số gia của gia tốc giữa hai thời điểm i và i+1, Au, có dang là:

tìm được van tôc và chuyên vi tại diém cuôi bước thời gian.

Thuật toán dé giải phương trình chuyên động trong bài toán động lực học kết caucó ứng xử phi tuyên theo phương pháp Newmark được mô tả như sau:

1 Thông số đâu vào:Khai báo ma trận khôi lượngM , ma trận cản C của hệ.Mô tả quan hệ lực đàn hôi và chuyén VỊ

Mô tả hàm tải trọng theo thời gian.

Khai báo điêu kiện ban dau u,,t,,ii, Chọn bước thời gian Az hệ số p

Roi rac hóa vector tai trọng theo thời gian.

Xác định ma trận độ cứng tiép tuyén taii=0O , Ki.2 Trong từng bước thời gian (theo dang gia tốc)

Áp dụng công thức K?=K; dé tính ma trận độ cứng cát tuyên giữa hai thờiđiểm ¡và i+1.

Xác định ma trận khối lượng hiệu dụng theo (4.3.8).Tính số gia véc tơ tải trọng hiệu dụng theo phương trình (4.3.8).Giải hệ phương trình dé tìm sé gia cua gia tốc Ali, theo (4.3.7).Tính các giá tri chuyén vị va vận tốc tại ¡+1 theo (4.3.6).Xác định ma trận độ cứng tiép tuyén tại thời điểm ¡+1 „K

3 Trong từng bước thời gian (theo dạng chuyền vi)

State University, University of California, San Diego, University of Washington và

Stanford University OPENSEES được viết chủ yếu bằng ngôn ngữ lập trình hướngđối tượng C++, kế thừa và phát triển các hàm mới như phan tử, vật liệu và các phươngpháp số viết trên các ngôn ngữ lập trình khác như C, Fortran

Ngoài những tinh năng tính toán cơ bản của một phần mém tính toán phan tửhữu hạn thông thường, Opensees sở hữu kho dữ liệu (database) đa dạng bao gồmnhiều mô hình vật liệu và mô hình phần tử đặc dụng trong phân tích động đất (Steel01material, fiber beam-column element, zero length element, ) OPENSEES hỗ trợ daclực trong mô phỏng tương tác giữa công trình với nên đất, các thuật toán giải lặpphương trình động lực học khác nhau phục vụ tính toán tác động động đất Với việc làphan mềm mã nguồn mở, OPENSEES đã tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu trênkhắp thế giới có điều kiện tiếp xúc sử dụng, có thé tiến hành thiết kế và phát triển

những mồ hình và thuật toán mới linh động và phong phú phục vụ cho mục đích

nghiên cứu cụ thể Hiện nay, OPENSEES đang phát triển giao diện đồ họa giữa ngườiva máy (GUI —graphical user interface) nham mang lai sự tiện lợi cho người su dụng

Mạng lưới kỹ thuật mô phỏng động đất NEES (Network for Earthquake

Engineering Simulation) được thành lập bởi National Science Foundation (NSF) hỗ

trợ tích hợp OPENSEES như là một phần của quá trình kiểm tra mô phỏng động đất.Điều này có nghĩa OPENSEES được thừa nhận như một công cụ tính toán bởi 14

trường đại học thành viên: Cornell University, Lehigh University, Oregon StateUniversity, Rensselaer Polytechnic Institute, University at Buffalo, SUNY ,Universityof California, Berkeley,University of California, Davis,University of California, LosAngeles, University of California, San Diego, University of California, Santa Barbara,University of Illinois, Urbana-Champaign, University of Minnesota, University ofNevada, Reno and University of Texas, Austin.

CHƯƠNG V

ÁP DỤNG NHIÊU KIEU CONG TRÌNH

TREN NEN DOC

5.1 Giới thiệu

Ở một số vùng trên sườn dốc ở nước ta cũng như trên thế giới, các kiểu và hìnhdáng của công trình rất phong phú và đa dạng với các vật liệu khác nhau như đá, gỗ,gach dat nung, thép và bê tông cốt thép hoặc các vật liệu có sẵn ở địa phương Sựphát triển kinh tế cùng với tốc độ đô thị hóa làm tăng mật độ xây dựng ở khu vực này.Khi xảy ra động đất gây sập công trình Vì địa hình dốc nên các công trình dễ đồ sập

(a) Vùng Gangtok, Sikkim, India (b) Solaria Hotel, Trentino-Nam

Tirol, Italia.

Hình 16 Các công trình trên nên dốc trên thé giới