luận văn thạc sĩ tính toán kết cấu chịu tác động của động đất

1 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 8 2. MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 8 3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 9 Chương I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT 1.1 Một số khái niệm cơ bản về động đất 10 1.2 Đánh giá sức mạnh động đất 17 1.2.1 Thang cường độ động đất 17 1.2.1.1 Thang Mercalli cải tiến 17 1.2.1.2 Thang MSK-64 19 1.2.2 Thang độ lớn động đất 23 1.3 Các đặc trưng chuyển động của nền đất 25 1.4 Đánh giá các thông số của chuyển động nền đất 26 1.5 Bản đồ phân vùng động đất 29 1.6 Khái quát về tính toán công trình chịu động đất 32 1.6.1 Lực tổng động đất và hệ số động đất 33 1.6.2 Các phương pháp tính toán công trình chịu tác dụng của 37 động đất 1.7 Kết luận chương I 38 Chương II. CÁC PHƯƠNG PHÁP QUY PHẠM TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 2.1 Các phương pháp quy phạm xác định lực động đất 40 2.1.1 Phương pháp tĩnh lực học (giải tích tĩnh học tương đương) 41 2.1.2 Phương pháp động lực học 44 2 2.2 Các giới hạn áp dụng của phương pháp tính 54 2.3 Các quy phạm của một số nước trên thế giới 58 2.3.1 Nam Tư (cũ) 58 2.3.2 Ru ma ni (1988) 60 2.3.3 Ý (1985) 61 2.3.4 Đức (DIN) 63 2.3.5 KGST 64 2.3.6 Kiến nghị của ENSZ- EGB khi thiết kế 65 2.3.7 Nga (CH И∏ II-7-81*) 66 2.3.8 Adifeli 69 2.3.9 Nhật Bản 71 2.3.10 Ấn độ 72 2.3.11 Iran 73 2.3.12 Thổ Nhĩ Kỳ 74 2.3.13 Mỹ 74 2.3.14 Trung Quốc (tiêu chuẩn GB 50011 – XX) 80 2.3.15 Nhận xét và đánh giá 81 2.4 Kết luận chương II 81 Chương III. PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC TỔNG QUÁT 3.1 Xác định các hàm phản ứng của các dao động nền tức thời 83 3.1.1 Đặt bài toán 83 3.1.2 Trường hợp chỉ có một xung tức thời 86 3.1.3 Lời giải tổng quát 89 3.2 Xác định các đặc trưng thiết kế bằng lý thuyết phổ 93 3.2.1 Khái niệm về phổ phản ứng công trình 93 3.2.2 Xác định các đặc trưng thiết kế theo lý thuyết phổ 97 3.3 Kết luận chương III 99 3 Chương IV. QUY TRÌNH TÍNH TOÁN TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH THEO TCXDVN 375:2006 VÀ VÍ DỤ TÍNH TOÁN 4.1 Quy trình tính toán tác động động đất tác dụng lên công trình theo 101 TCXDVN 375:2006 (phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương và phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động) 4.1.1 Xác định giá trị tỉ số (a gR /g) 101 4.1.2 Nhận dạng điều kiện đất nền theo tác động động đất 101 4.1.3 Mức độ và hệ số tầm quan trọng 101 4.1.4 Xác định giá trị gia tốc đỉnh đất nền thiết kế 102 4.1.5 Xác định hệ số ứng xử (q) của kết cấu bê tông cốt thép 102 4.1.6 Xác định chu kỳ dao động riêng cơ bản (T 1 ) của công trình 102 4.1.7 Phổ thiết kế không thứ nguyên dùng cho phân tích đàn hồi 103 4.1.8 Điều kiện áp dụng mô hình phẳng khi tính toán 105 4.1.9 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương 106 (phương pháp tĩnh lực học) 4.1.10 Phương pháp phân tích phổ phản ứng 108 4.1.11 Tính toán theo phương Y (trên mặt bằng công trình) 112 4.1.12 Tổ hợp đặc biệt có tác động động đất 112 4.2 Ví dụ tính toán 113 4.2.1 Tính toán tải trọng động đất theo TCXDVN 375:2006 114 4.2.2 Tính toán tải trọng động đất theo CH И∏ II-7-81* 120 4.2.3 Tính toán tải trọng động đất theo quy phạm Ấn Độ, Iran 123 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số TT Tên hình vẽ Trang Hình 1.1 Vị trí phát sinh động đất 11 Hình 1.2 Sự khúc xạ và phản xạ của sóng địa chấn 16 Hình 1.3 Quan hệ giữa các thang cường độ động đất và 23 gia tốc nền cực đại Hình 1.4 Bản đồ các vùng phát sinh động đất mạnh 30 trên lãnh thổ Việt Nam Hình 1.5 Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam 31 chu kỳ lặp lại 500 năm, nền loại A Hình 1.6 Mô hình tính 33 Hình 1.7 Quan hệ lực – chuyển vị 35 Hình 1.8 Giả thiết cần bằng năng lượng 35 Hình 2.1 Mô hình tính toán 41 Hình 2.2 Mô hình dạng dao động hệ n bậc tự do 46 Hình 2.3 Mô hình tính và biểu đồ nội lực 49 Hình 2.4 Mô hình tính và biểu đồ nội lực 49 Hình 2.5 Mô hình thay thế tương đương 51 Hình 2.6 Mô hình tính 55 Hình 2.7 Dạng dao động, lực quán tính thay thế và 56 biểu đồ nội lực Hình 2.8 Mô hình khung 56 Hình 2.9 Các dạng dao động 57 Hình 3.1 Mô hình tính toán 84 Hình 3.2 Mô hình tính toán 87 Hình 3.3 Mô hình tính toán 89 Hình 3.4 Phổ gia tốc của trận động đất El - Centro 96 5 Hình 3.5 Các phổ vận tốc và gia tốc trung bình 97 Hình 4.1 Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền đất 105 từ A đến E (độ cản 5%) Hình 4.2 Sơ đồ khung 114 Hình 4.3 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 117 phương pháp phổ ứng với dạng dao động thứ nhất Hình 4.4 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 118 phương pháp phổ ứng với dạng dao động thứ hai Hình 4.5 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 118 phương pháp phổ ứng với dạng dao động thứ ba Hình 4.6 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 119 phương pháp phổ xét đến ảnh hưởng của 3 dạng dao động Hình 4.7 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 119 phương pháp tĩnh lực ngang tương đương Hình 4.8 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 123 phương pháp phổ (CHИ∏ II-7-81*) Hình 4.9 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra 125 theo quy phạm Ấn Độ Hình 4.10 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra 125 theo quy phạm Iran 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số TT Tên bảng biểu Trang Bảng 1.1 Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi (MM) 18 Bảng 1.2 Thang cường độ động đất MSK-64 19 Bảng 1.3 Đặc trưng cấp cường độ động đất theo thang MSK-64 21 Bảng 1.4 Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất 23 Bảng 1.5 Quan hệ giữa năng lượng E và độ lớn M 25 Bảng 2.1 Giá trị của Z và cường độ động đất 59 Bảng 2.2 Hệ số xác định khả năng chịu tải 60 Bảng 2.3 Giá trị của hệ số phụ thuộc vào cường độ động đất 60 Bảng 2.4 Giá trị của hệ số giảm tải theo loại tải trọng 64 Bảng 2.5 Giá trị của các hệ số nhân với ứng suất cho phép 64 để xác định khả năng chịu tải Bảng 2.6 Giá trị của các hệ số biểu diễn mức độ quan trọng 65 của công trình Bảng 2.7 Giá trị của hệ số tính đến mức độ hư hại cho phép 67 của công trình Bảng 2.8 Giá trị của hệ số tính đến các giải pháp kết cấu 68 nhà và công trình Bảng 2.9 Giá trị của hệ số tính đến đặc điểm kết cấu 69 của nhà và công trình Bảng 2.10 Giá trị của hệ số phụ thuộc vào cường độ động đất 70 Bảng 2.11 Giá trị của hệ số phụ thuộc mô hình nền và đất nền 71 Bảng 2.12 Tải trọng ích lợi 73 Bảng 2.13 Giá trị lấy theo các đặc trưng của đất nền 75 Bảng 2.14 Các giá trị của R và C d phụ thuộc vào 76 kết cấu của công trình 7 Bảng 2.15 Chuyển vị cho phép 78 Bảng 2.16 Vùng động đất trên nước Mỹ 80 Bảng 4.1 Giá trị của các tham số S, T B , T C và T D 104 Bảng 4.2 Các giá trị Ψ 2,i cho công trình 113 Bảng 4.3 Giá trị của φ để tính toán ψ E,i 113 Bảng 4.4 Các chu kỳ và dạng dao động riêng 115 Bảng 4.5 Kết quả tính toán lực động đất tác dụng lên các tầng 116 theo TCXDVN 375:2006 (phương pháp phổ) Bảng 4.6 Kết quả tính toán lực động đất tác dụng lên các tầng 116 theo TCXDVN 375:2006 (phương pháp tĩnh lực ngang tương đương) Bảng 4.7 Kết quả tính toán lực động đất tác dụng lên các tầng 123 theo quy phạm Ấn Độ Bảng 4.8 Kết quả tính toán lực động đất tác dụng lên các tầng 124 theo quy phạm Iran. 8 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong lịch sử tồn tại và phát triển, nhân loại phải đương đầu với các tai họa thiên nhiên như lũ lụt, hạn hán, bảo tố, động đất, núi lửa, sóng thần Trong đó động đất là một hiện tượng thiên nhiên gây ra những thảm họa kinh khủng nhất cho con người và các công trình xây dựng. Để bảo vệ sinh mạng của mình và các tài sản vật chất xả hội, con người đã có rất nhiều nỗ lực trong việc nghiên cứu phòng chống động đất. Tuy đã có những bước tiến rất ngoạn mục trong lĩnh vực này nhưng cho đến nay con người vẫn không ngăn được những thảm họa do động đất gây ra. Các trận động đất xảy ra trong những năm gần đây tại Nhật Bản (1995), Thổ Nhĩ Kỳ (1999), HyLạp (1999), Đài Loan (1999), Ấn Độ (2001), Apganistan (2002), Iran (2004), Inđônêsia (2004), Haiti (2010), Chile (2010), Trung Quốc (2010), Inđônêsia (2010) đã chứng minh điều đó. Với trình độ khoa học- công nghệ hiện nay, con người chưa có khả năng dự báo một cách chính xác động đất sẽ xảy ra lúc nào, ở đâu, con người chưa có biện pháp phòng chống động đất chủ động như phòng chống bão hay lũ lụt. Trong hoàn cảnh đó con người ngoài việc phải nghiên cứu các phương pháp nhằm hoàn thiện hơn nữa khả năng dự báo về động đất, chúng ta cũng phải tiếp tục nghiên cứu các phương pháp tính toán xây dựng các kết cấu công trình chịu tác dụng của động đất. Trên thế giới và Việt Nam có nhiều nghiên cứu và các phương pháp tính kết cấu chịu động đất khác nhau. Nhưng tính toán động đất luôn là vấn đề phức tạp, vì vậy việc hệ thống, so sánh các phương pháp tính trên cơ sở đó rút ra các kết luận, đánh giá luôn luôn có ý nghĩa thực tế nhằm phục vụ cho công tác thiết kế công trình. 2. MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: 9 Thu thập tài liệu, nghiên cứu và phân tích để trình bày: - Trình bày một cách có hệ thống quá trình phát triển của các phương pháp tính kết cấu chịu tác dụng của động đất; - Phân tích bản chất của phương pháp quy phạm: phương pháp tĩnh, phương pháp động lực học. Phân tích ưu nhược điểm và giới hạn áp dụng của từng phương pháp; - Nghiên cứu phương pháp động lực học tổng quát, kết hợp phương pháp phổ; - Thực hiện một số tính toán số để rút ra các kết luận cần thiết khi tính kết cấu chịu động đất 3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tính các kết cấu chịu tác dụng của tải trọng động đất. Khảo sát các phương pháp tính toán kết cấu chịu tác dụng của động đất bao gồm: phương pháp tĩnh, phương pháp động lực học tổng quát. Tổng hợp, phân tích các phương pháp đó 10 Chương I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT. 1.1 Một số khái niệm cơ bản về động đất. Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn năng lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự nứt rạn đột ngột trong phần vỏ hoặc phần áo trên của quả đất. - Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý thuyết được quy vể một điểm gọi là chấn tiêu. - Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt quả đất gọi là chấn tâm. - Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm được gọi là độ sâu chấn tiêu (H). - Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan trắc được gọi là tiêu cự hoặc khoảng cách chấn tiêu (R). - Khoảng cách từ chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi là tâm cự hoặc khoảng cách chấn tâm (L). Tùy theo độ sâu của chấn tiêu H mà động đất có thể phân thành các loại sau. [2] - Động đất nông : H<70 km. - Động đất trung bình : H= 70 -:- 300 km - Động đất sâu : H>300 km. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh năng lượng gây ra động đất như : Sự va chạm của các mảnh thiên thạch vào vỏ trái đất, các vụ thử bom hạt nhân ngầm dưới lòng đất, các hang động trong lòng đất bị sập, các hoạt động xây dựng hồ chứa làm mất cân bằng trọng lực của môi trường, nhưng nguyên nhân cơ bản là sự chuyển động tương hỗ không ngừng của các khối vật chất nằm sâu dưới lòng đất để thiết lập một thế cân bằng mới được gọi là [...]...11 hot ng kin to Theo thng kờ 95% cỏc trn ng t xy ra trờn th gii cú liờn quan trc tip n s vn ng kin to [1,3] Mặt đất Chấn tâm Khoả n g cá ch ch ấn tâ m (L) (R ) tiê u ấn ch ch cá g ản Kh o Độ sâu chấn tiêu (H) Điểm nghiên cứu Chấn tiêu Hỡnh 1.1 V trớ phỏt sinh ng t Cỏc thnh tu khoa hc k thut, c bit l mng li a chn . NGHIÊN CỨU Tính các kết cấu chịu tác dụng của tải trọng động đất. Khảo sát các phương pháp tính toán kết cấu chịu tác dụng của động đất bao gồm: phương pháp tĩnh, phương pháp động lực học. Kết luận chương III 99 3 Chương IV. QUY TRÌNH TÍNH TOÁN TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH THEO TCXDVN 375:2006 VÀ VÍ DỤ TÍNH TOÁN 4.1 Quy trình tính toán tác động động đất tác. có tác động động đất 112 4.2 Ví dụ tính toán 113 4.2.1 Tính toán tải trọng động đất theo TCXDVN 375:2006 114 4.2.2 Tính toán tải trọng động đất theo CH И∏ II-7-81* 120 4.2.3 Tính toán