PHÂN TÍCH PHI TUYẾN VÀ THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN CÁC CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP

2 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN VÀ THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN CÁC CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP Xuất Peter Fajfar and Helmut Krawinkler Elsevier Applied Science (tên nhà cung cấp dịch vụ) Cũng dùng sách in Có thể thấy tiêu đề sách mã số sách tiêu chuẩn quốc tế (ISBN) Bộ sách bao gồm báo công bố Hội thảo phân tích phi tuyến thiết kế kháng chấn công trình bê tông cốt thép, Bled, Slovenia, Nam Tư, từ 13-16 tháng năm 1992 Tháng năm 1992 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN VÀ THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN CÁC CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP Xuất PETER FAJFAR Trường đại học Ljubljana, Slovenia And Helmut Krawinkler Trường đại học Stanford, Hoa kỳ Cung cấp bởi: ELSEVIER APPLIED SCIENCE LONDON VÀ NEW YORK Nhà xuất Elsevier Science LTD Crown House, Linton Road, Barking, Essex IG11 8JU, England Phiên công bố Taylor & Francis e-Library, 2005 "Để mua tài liệu tài liệu Taylor & Francis Routledge sưu tập hàng ngàn tài liệu vui lòng vào www.eBookstore.tandf.co.uk " Nhà phân phối độc quyền Mỹ Canada Nhà xuất Elsevier Science 655 Avenue of the Americas, New York, NY 10010, USA VỚI 21 bảng biểu 215 hình ảnh minh họa Nhà xuất Elsevier Science, 1992 Thư viện Anh biên mục liệu chung Phân tích phi tuyến thiết kế kháng chấn công trình bê tông cốt thép I Fajfar, Peter II Krawinkler, Helmut 693.54 ISBN 0-203-21517-6 Master e-book ISBN ISBN 0-203-27153-X (Bản đọc điện tử) ISBN 1-85166-764-4 (Bản in) Thư viện liệu hội nghị CIP Không chịu trách nhiệm bảo lãnh cho nhà xuất với sai sót thiệt hại người tài sản vấn đề trách nhiệm sản phẩm, sơ suất hay không, hay từ sử dụng ứng dụng phương pháp, sản phẩm, hướng dẫn ý tưởng chứa tài liệu Quy định đặc biệt cho độc giả Mỹ Ấn phẩm đăng ký với Copyright Clearance Center Inc (CCC), Salem, Massachusetts Thông tin thu nhận từ CCC điều kiện chép phần ấn phẩm thực Mỹ Tất câu hỏi quyền khác, bao gồm chép bên nước Mỹ, nên chuyển đến nhà xuất Tất quyền bảo lưu Không có phần ấn phẩm chép, lưu trữ hệ thống phục hồi, truyền hình thức phương tiện, điện tử, khí, chép, ghi âm mà không trước cho phép văn nhà xuất LỜI NÓI ĐẦU Chuyên khảo tóm tắt viết, tập trung vào hai chủ đề liên quan đến việc kháng chấn kết cấu bê tông cốt thép: (a) Khái niệm lượng mô hình phá hoại phân tích thiết kế kháng chấn (a) Phân tích ứng xử nhà với kết cấu tường cứng chịu tác dụng động đất Các viết nhằm chuẩn bị cho đánh giá trạng thái kiến thức việc xác định nghiên cứu thực nhu cầu tương lai hai chủ đề Chúng tạo thành sở cho thảo luận diễn hội thảo dự kiến cho mùa hè năm 1992 cho khuyến nghị để phát triển thông tin cho cộng đồng nghiên cứu thiết kế theo dõi xuất Người ta hy vọng chuyên khảo hội thảo đóng góp vào việc đạt mục tiêu Thập kỷ Quốc tế cho giảm nhẹ thiên tai (IDNDR) Hai chủ đề lựa chọn tầm quan trọng chúng thiết kế kháng chấn cần thiết cho việc đánh giá phổ biến tiến gần khu vực Đã từ lâu công nhận lượng đầu vào, lượng hấp thu lượng tiêu tán yếu tố kiểm soát hoạt động địa chấn Đã cuối tuổi ngũ tuần, GWHousner đề xuất "một kiểu thiết kế giới hạn phân tích để đảm bảo kết cấu có khả hấp thụ lượng để cung cấp cho yếu tố đủ an toàn chống lại sụp đổ trường hợp chuyển động mặt đất mạnh" Năm 1960 John A.Blume, báo kinh điển ông kỹ thuật dự trữ lượng (2WCEE), nói "với thủ tục nêu, bất thường nhiều trận động đất lịch sử khó hiểu giải thích thể khoảng cách liệu phổ đàn hồi khả chống động đất " Tuy nhiên ngày nay, khái niệm lượng bị bỏ qua thiết kế chống động đất phức tạp việc định lượng rõ ràng nhu cầu lượng lực thực đầy đủ họ trình thiết kế Các báo trình bày phần chuyên khảo minh họa dạng lượng với mô hình tích lũy thiệt hại sử dụng để cung cấp thông tin định lượng hữu ích để đánh giá thiệt hại thiết kế Người ta hy vọng nghiên cứu báo để lại cho người đọc với ấn tượng thiết kế dựa lượng khái niệm khả thi, thừa nhận nhiều việc cần phải thực để đơn giản hóa thiết kế dựa lượng đến mức độ hữu ích cho thiết kế thực hành Ở nhiều quốc gia, sử dụng rộng rãi kết cấu tường cứng (tường chịu cắt) để tăng sức mạnh độ cứng hệ thống chịu tải trọng ngang Mới trận động đất thường cho thấy khả chịu lực tốt tòa nhà cao tầng có chứa kết cấu tường cứng so với tòa nhà có hệ thống kết cấu khung Rõ ràng, nhận xét khái quát từ hoạt động kháng chấn bị ảnh hưởng nhiều bố trí, độ cứng cấu tạo, chế độ biến dạng tường cứng (uốn hay cắt) Mặc dù tường cứng có tầm quan trọng lớn hoạt động kháng chấn từ lâu công nhận, mô hình toán học ứng xử tĩnh động phi tuyến kết cấu có chứa tường cứng giai đoạn phát triển Phần thứ hai chuyên khảo giải vấn đề quan trọng mô hình thiết kế cho kết cấu tường cứng tòa nhà có tham gia tường cứng kháng chấn Các báo minh họa phức tạp vấn đề đề xuất giải pháp kỹ thuật nhằm mục đích đóng góp cho dự đoán xác ứng xử tòa nhà chứa kết cấu tường cứng chịu động đất Chuyên khảo thảo luận lựa chọn vấn đề quan trọng thiết kế kháng chấn công trình bê tông cốt thép Nó không yêu cầu đưa giải pháp cuối cho vấn đề nghiên cứu đề xuất câu hỏi nhiều trả lời Mục đích để tạo sở cho hội thảo khoa học nhà nước nghiên cứu thực nhu cầu Độc giả khuyến khích trao đổi ý kiến với tác giả biên tập sách để xem xét hội thảo cho báo viết lên kế hoạch cho tháng năm 1992 Chúng biết ơn sâu sắc đến tác giả viết chuẩn bị chu đáo cho chuyên khảo thực cam kết tham gia vào hội thảo quốc tế Bled gần Ljubljana Hội thảo lên kế hoạch ban đầu cho tháng sáu năm 1991 bị hoãn lại mùa hè năm 1992 Chúng cảm ơn nhiều tới Nhà xuất Elsevier Science Ltd đồng ý để thực ấn phẩm giúp bạn đọc quan tâm cách kịp thời Tài trợ cho hội thảo để báo viết cung cấp Quỹ Mỹ-Yugoslav phần Hợp tác khoa học kỹ thuật liên kết với Mỹ Quỹ Khoa học Quốc gia, Mỹ Viện Tiêu chuẩn Công nghệ, Bộ Khoa học Công nghệ Cộng hòa Slovenia, Học viện Khoa học Nghệ thuật Slovenia Peter Fajfar Giáo sư Kết cấu kỹ thuật địa chấn, Đại học Ljubljana, Ljubljana, Slovenia Helmut Krawinkler Giáo sư Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Stanford, Stanford, California, Mỹ NỘI DUNG Lời nói đầu Khái niệm lượng mô hình thiệt hại Các vấn đề định hướng tương lai việc sử dụng phương pháp lượng cho thiết kế kháng chấn công trình V.V.Bertero Chia-Ming Uang Thiết kế kháng chấn dựa độ dẻo, Yêu cầu khả tích lũy thiệt hại H.Krawinkler A.A.Nassar Theo nhu cầu dự trữ lượng hệ SDOF P.Fajfar, T.Vidic M.Fischinger Thiết kế kháng chấn kết cấu theo kiểm soát thiệt hại A.M.Reinhorn, S.K.Kunnath JB.Mander Phân tích kháng chấn mô hình khái niệm hàm thiệt hại E.Cosenza G.Manfredi Yêu cầu lượng kháng chấn nhà khung bê tông cốt thép đàn dẻo T.J.Zhu, Wai K Tso A.C.Heidebrecht Ứng xử khung bê tông cốt thép tác dụng động đất mạnh H.Akiyama M.Takahashi Mô hình phá hủy dựa nguyên lý lượng để phân tích động lực học đàn dẻo khung bê tông cốt thép C.Meyer Khả phá hủy công trình có kết cấu tường cứng bê tông cốt thép chịu động đất K.Meskouris, WB.Krätzig U.Hanskötter So sánh giới hạn phá hoại dùng cho thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn C.A.Zeris Ứng xử nhà có kết cấu tường cứng Thiết kế kết cấu tường cứng BTCT: Cân độ dẻo độ cứng S.L.Wood Những tiến thiết kế kết cấu tường cứng BTCT chịu cắt tác dụng tải trọng động đất E.Keintzel Cường độ kháng cắt cần thiết tường cứng BTCT chịu cắt tác dụng động đất S.K.Ghosh Mô hình vĩ mô dùng cho phân tích phi tuyến kết cấu tường bê tông cốt thép A.Vulcano Phân tích kháng chấn phi tuyến kết cấu tường cứng sử dụng mô hình nhiều phần tử thẳng đứng M.Fischinger, T.Vidic P.Fajfar Mô hình phân tích mặt cắt cho ứng xử phi tuyến cấu kiện BTCT tác dụng tải trọng lặp v 27 48 72 89 113 126 137 148 160 174 186 200 211 226 241 A.S.Elnashai K.Pilakoutas Phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến hai chiều ba chiều kết cấu tường cứng M.D.Kotsovos, M.N.Pavlovićand I.D.Lefas Mô hình phần tử hữu hạn phân tích kết cấu bê tông cốt thép F.B.Damjanić Phân tích kháng chấn phi tuyến công trình bê tông cốt thép có kết cấu khung – vách chịu lực H.Bachmann, T.Wenk P.Linde Phân tích trạng thái tới hạn kết cấu khung – vách bê tông cốt thép J.Banovec Ứng xử tuyến tính phi tuyến hệ kết cấu đúc sẵn (khung – tường cao chịu cắt) chịu động đất M.Čaušević Thí nghiệm phòng mô hình toán học hệ thống tường đôi chịu cắt BTCT dự báo ứng xử phi tuyến tĩnh động với tải trọng thay đổi quanh trục lần xem xét B.Simeonov D.Ristić Ứng xử phi tuyến kết cấu xây dựng không đối xứng quy định kháng chấn: Xem xét tiến A.Rutenberg Bảng dẫn cộng tác viên Khái niệm lượng mô hình thiệt hại 256 272 284 296 306 316 328 357 10 CÁC VẤN ĐỀ VÀ ĐỊNH HƯỚNG TƯƠNG LAI TRONG VIỆC SỬ DỤNG MỘT PHƯƠNG PHÁP NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN CÔNG TRÌNH VITELMO V.BERTERO Giáo sư Kết cấu, 783 Davis Hall, Đại học California, Berkeley, CA 94720 Giáo sư thỉnh giảng Đại học Stanford, Palo Alto, CA CHIA-MING UANG Trợ lý Giáo sư, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Northeastern, Boston, MA 02115 TÓM TẮT Bài viết trình bày kiến thức tiến tiến việc sử dụng khái niệm lượng thiết kế kháng chấn công trình nhấn mạnh vấn đề định hướng tương lai việc sử dụng nhiều khái niệm làm sở đắn thiết kế chống động đất Sau đánh giá ngắn gọn chất vấn đề động đất, trình bày nhu cầu cải tiến thiết kế kháng chấn kết cấu cải tạo phù hợp công trình nguy hiểm Điều nhấn mạnh nhu cầu khó khăn việc thực thiết kế kháng chấn phi tuyến (không đàn hồi) Sự khác biệt thiết kế phân tích ra, vai trò phân tích phi tuyến trình thiết kế bàn luận Tóm tắt kiến thức tiến tiến việc sử dụng khái niệm lượng thiết kế kháng chấn kết cấu đặc biệt việc lựa chọn cải tạo kháng chấn thích hợp (hiệu quả) công trình nguy hiểm Tầm quan trọng việc dự báo đáng tin cậy lượng đầu vào trận động đất xảy vị trí xây dựng kết cấu để lựa chọn chuyển động tới hạn (ví dụ, để thiết lập trận động đất thiết kế phù hợp) nhấn mạnh Các thông số kỹ thuật khác cần thiết để thiết lập phù hợp trận động đất thiết kế bàn luận, kết luận lượng đầu vào, E 1, thông số đáng tin cậy để lựa chọn động đất thiết kế, không đủ để thiết kế phù hợp kết cấu Đối với kích thước chi tiết cụ thể kết cấu, cần thiết để xác định phổ phản ứng không đàn hồi nhẵn lịch sử thời gian lượng tiêu tán Việc kiến nghị cho nghiên cứu phát triển cần phải cải thiện việc sử dụng khái niệm lượng xây dựng kháng chấn đưa GIỚI THIỆU PHẦN TRÌNH BÀY VỀ CÁC VẤN ĐỀ Chúng ta thừa nhận hầu hết thương tích người thiệt hại kinh tế trận động đất vừa mạnh thiếu khả công trình dân dụng (đặc biệt tòa nhà), nhiều số cho thiết kế xây dựng để chống lại hiểm họa tự nhiên Điều khẳng định cách đáng kể động đất gần giới (động đất năm 1988 Armenia, 1989 Loma Prieta, 1990 Iran, năm 1990 Philippines) Vì vậy, cách hiệu để giảm thiểu tác hại động đất cải tiến phương pháp / phát triển phương pháp thiết kế tốt hơn, xây dựng, bảo trì kết cấu sửa chữa, nâng cấp công trình nguy hiểm tại, đặc biệt tòa nhà 11 Mặc dù viết trình bày vấn đề liên quan đến thiết kế kháng chấn kết cấu, cần lưu ý rằng, thiết kế nói cần thiết, điều không đủ để bảo đảm kết cấu chống động đất thỏa đáng Phản ứng địa chấn kết cấu phụ thuộc vào trạng thái tương tác tổng thể đất – móng – kết cấu phần thân hệ thống thành phần phi kết cấu động đất xảy ra, tức là, phản ứng không phụ thuộc vào kết cấu thiết kế xây dựng nào, làm trì thời gian xảy động đất Một thiết kế có hiệu mô hình thiết kế xây dựng trì Mặc dù tầm quan trọng xây dựng bảo trì việc thực kháng chấn kết cấu công nhận, nỗ lực thực không đủ để cải thiện thực hành (ví dụ, giám sát kiểm tra) [1] Trong nỗ lực để thực cải tiến đề cập trên, tác giả cộng nghiên cứu thực loạt nghiên cứu kiểm tra vấn đề gặp phải việc cải thiện thiết kế kháng chấn kết cấu phát triển phương pháp tin cậy cải tạo kháng chấn công trình nguy hiểm có Bởi liệu chuyển động động đất cần thiết để kiểm soát tin cậy chỗ yếu đánh giá kết cấu công trình sau để phát triển chiến lược hiệu cho cải tạo kháng chấn kết cấu nguy hiểm giống yêu cầu cho thiết kế kháng chấn kết cấu mới, có trường hợp cuối thảo luận tài liệu với nhấn mạnh đặc biệt kết cấu nhà Các tri thức tiên tiến lý thuyết thực hành thiết kế kháng chấn xây dựng tòa nhà xem xét loạt ấn phẩm gần tác giả đồng nghiệp ông [Refs 2-4] Tầm quan trọng số vấn đề mà nghiên cứu đề cập đến đánh giá gần xác nhận bởi: chuyển động mặt đất ghi nhận hai động đất năm 1985 (03 tháng Chile 19 tháng Mexico) Trận động đất Loma Prieta năm 1989; kết thu từ việc xử lý hồ sơ này; hiệu hoạt động kết cấu, đặc biệt tòa nhà trong thời gian trước trận động đất gần khác; kết phân tích tổng hợp nghiên cứu thực nghiệm tiến hành gần Để nhận tầm quan trọng khó khăn liên quan đến việc giải vấn đề chung (Vấn đề) gặp phải thiết kế kháng chấn kết cấu, thuận tiện để xem xét ngắn gọn vấn đề Tổng quan vấn đề đặc biệt thường gặp thiết kế kháng chấn kết cấu Để tiến hành hiệu thiết kế kháng chấn công trình (ví dụ, tòa nhà), cần phải dự đoán đáng tin cậy ứng xử động lực học hệ thống đất – móng – kết cấu phần thân thành phần phi kết cấu hệ thống tòa nhà Các vấn đề chung liên quan đến việc dự đoán phản ứng địa chấn tòa nhà định nghĩa tượng trưng minh họa sơ đồ hình Vấn đề để ước lượng xác chuyển động mặt đất móng tòa nhà, X3 Đối với trận động đất cường độ định, M L, khoảng cách chấn tâm, R 1, thực phân tích để ước lượng chuyển động mặt đất vị trí xây dựng tòa nhà, X1, biết [X1 = f (R1, ML)] Dự đoán X3, nhiên, phải giải thích cho ảnh hưởng lớp đất bên / xung quanh tòa nhà Các hiệu ứng phân loại theo hai nhóm: Một liên quan đến ảnh hưởng đặc tính động lực học lớp đất khác đường truyền X1 đến mặt đất tự do, hình hệ số suy giảm 37 chuyển tăng thêm Sự phá hủy gây dịch chuyển đàn hồi thường nhỏ không đáng kể bối cảnh ứng xử địa chấn Như vậy, có dịch chuyển không đàn hồi cần phải xem xét, dịch chuyển lớn gây thiệt hại nhiều đáng kể so với dịch chuyển nhỏ (tuy nhiên, chuyển dịch nhỏ thường xuyên nhiều) Nhiều mô hình phá hủy tích lũy đề xuất tài liệu, số tương ứng với vật liệu phần tử cụ thể, mô hình không thích hợp ý tưởng Không có mô hình đề xuất ứng dụng trường đại học Một tóm tắt toàn diện mô hình sử dụng rộng rãi đưa tài liệu [3] Chỉ có hai số mô hình tóm tắt đây, mô hình phát triển cụ thể cho phần tử kết cấu bê tông cốt thép, mô hình thứ hai phát triển chủ yếu cho phần tử kết cấu thép Các số phá hủy đề xuất Park Ang [4] cho phần tử bê tông cốt thép thể kết hợp tuyến tính biến dạng lớn thông thường lượng trễ thông thường sau Trong D = số phá hủy (D> cho thấy thiệt hại mức sụp đổ) δm = biến dạng lớn tác dụng động đất δu = khả biến dạng cuối tác dụng tải trọng tĩnh Fy = cường độ dẻo tính toán dE = số gia lượng trễ β = tham số tính đến ảnh hưởng tải trọng lặp Park Ang [4] thử nghiệm mô hình 403 mẫu vật phát khả phá hủy D có phân phối hợp lý phân phối logarit, mà liệu phân tán đáng kể (cov = 0,54), mà để mong đợi cho phần tử bê tông cốt thép Đây mô hình đơn giản để áp dụng sử dụng rộng rãi cho đánh giá thiệt hại kết cấu bê tông cốt thép Mô hình thiệt hại tích lũy đề xuất Krawinkler Zohrei [5] trình bày theo dạng sau đây: (2) Trong D = số phá hủy (D> cho thấy thiệt hại mức sụp đổ) Δδpi= giới hạn biến dạng dẻo dịch chuyển i (xem hình 2) δy = biến dạng dẻo N = số lượng dịch chuyển không đàn hồi thí nghiệm động đất C, c = tham số biểu diễn kết cấu Mô hình thử nghiệm tìm thấy cho kết tốt cho số mô hình không tương thích phần tử kết cấu thép [5] Trong thử nghiệm này, số c tìm thấy khoảng từ 1,5 đến 2.0, giá trị hệ số C rộng phụ thuộc 38 nhiều vào đặc tính hoạt động phần tử kết cấu Các mô hình không thử nghiệm phần tử bê tông cốt thép Hai mô hình xuất khác nhau, thực tế, chúng giống điều kiện cụ thể Cả hai chứa hai tham số biểu diễn kết cấu δ u, β mô hình Park / Ang C, c mô hình Krawinkler / Zohrei Cả hai chứa, rõ ràng ẩn, tiêu hao lượng trễ thông thường tham số phá hủy tích lũy ban đầu Điều hiển nhiên mô hình Park / Ang, tiêu tán lượng trễ chu kỳ bình thường Fyδu Trong mô hình Krawinkler / Zohrei, tiêu tán lượng trễ chứa số hạng ∑ (∆δ pi / δ y ) , mà hệ kết cấu đàn – dẻo với tiêu hao lượng trễ bình thường hóa Fyδy Nó thể cho ta thấy rằng, mối quan hệ gần xác cho hệ biến cứng song tuyến tính loại minh họa hình Như vậy, tiêu hao lượng trễ, HE, giá trị bình thường nó, NHE= HE / F yδy, cho tham số thiệt hại tích lũy quan trọng Rõ ràng nhu cầu lượng trễ phụ thuộc lớn vào khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh, nội dung tần số chuyển động mặt đất, chu kỳ cấp dẻo kết cấu, tất chúng ảnh hưởng đến số lượng độ lớn chuyển dịch không đàn hồi, mà xác định thiệt hại tích lũy thực nghiệm kết cấu Hơn nữa, tiêu hao lượng trễ số hạng liên quan đến việc cân lượng kết cấu, nhu cầu lượng trễ áp đặt chuyển động mặt đất phụ thuộc vào số hạng lượng khác (ví dụ, lượng cản DE, động ăng KE, lượng biến dạng phục hồi RSE), chúng tạo nên lượng đầu vào, IE, truyền cho kết cấu chuyển động mặt đất Thảo luận tóm tắt mô hình thiệt hại tích lũy dự kiến thể mà thiệt hại nhu cầu lượng có liên quan chặt chẽ với Đánh giá nhu cầu lượng quan trọng thiết kế kháng chấn hai lý Thứ nhất, phổ nhu cầu lượng đầu vào, bao gồm tất thành phần lượng (RSE, KE, DE, HE), cung cấp tranh rõ ràng khả gây thiệt hại tích lũy chuyển động mặt đất, nhiều nhiều so với phổ phản ứng đàn hồi Thứ hai, phổ nhu cầu lượng trễ, tạo thành phần quan trọng tổng phổ nhu cầu lượng đầu vào, phục vụ để cung cấp thông tin cần thiết để sửa đổi khả biến dạng dẻo phù hợp với mô hình thiệt hại tích lũy thích hợp loại thảo luận phần Vì vậy, có lý tốt để đánh giá phổ nhu cầu lượng cộng với phổ nhu cầu khác thảo luận phần CÁC THAM SỐ NHU CẦU ĐỊA CHẤN CẦN CHO THIẾT KẾ Các nhu cầu địa chấn đại diện cho yêu cầu áp đặt chuyển động mặt đất tham số biểu diễn kết cấu có liên quan Trong phạm vi cục bộ, điều nhu cầu lực dọc cột hay góc xoay khớp dẻo dầm.v.v Do đó, nhu cầu cục phụ thuộc nhiều vào đặc tính ứng xử cục tổng thể kết cấu, mà xem xét nghiên cứu liên quan đến đánh giá tổng thể nhu cầu địa chấn Trong nghiên cứu này, hệ SDOF hệ MDOF đơn giản sử dụng mô hình kết cấu Giả sử mô hình có cường độ dẻo xác định hợp lý, tham số nhu cầu 39 địa chấn hất đóng vai trò quan trọng việc thực trình thiết kế Một số thuật ngữ sử dụng định nghĩa minh họa hình Nhu cầu cường độ đàn hồi, Fy,e Tham số xác định cường độ giới hạn chảy yêu cầu hệ kết cấu để ứng xử đàn hồi chuyển động mặt đất Đối với hệ SDOF, phổ phản ứng đàn hồi cung cấp thông tin cần thiết tham số Nhu cầu độ dẻo, μ Tham số định nghĩa tỷ số biến dạng lớn biến dạng đàn hồi giới hạn cho hệ với cường độ giới hạn chảy nhỏ nhu cầu cường độ đàn hồi Fy,e Nhu cầu cường độ không đàn hồi, Fy(μ) Tham số xác định cường độ giới hạn chảy yêu cầu hệ không đàn hồi để hạn chế nhu cầu độ dẻo đến giá trị μ Hệ số suy giảm cường độ, Ry(μ) Tham số xác định việc giảm cường độ đàn hồi mà dẫn đến nhu cầu độ dẻo μ Do vậy, Ry(μ) = Fy,e / Fy(μ) Tham số thường ký hiệu R Năng lượng nhu cầu phá hủy tích lũy Từ tham số thiệt hại tích lũy thảo luận phần trước, có hai tham số thảo luận đây: Năng lượng trễ, HE: Năng lượng tiêu tán kết cấu qua biến dạng không đàn hồi Tổng lượng tiêu tán, TDE: TDE = HE + DE (TDE thường với lượng đầu vào lớn IE, ngoại trừ kết cấu có chu kỳ dao động ngắn kết cấu có xung vận tốc lớn) Danh sách tham số nhu cầu địa chấn liệt kê nghĩa hoàn thành Nhưng nghiên cứu khái niệm học nhiều từ tham số Trong phần tham số đánh giá chu kỳ gần hai loại hệ kết cấu bậc tự nhằm cho phép biểu diễn dạng phổ, sử dụng phạm vi chu kỳ từ 0,1s đến 4,0s Trong phần cường độ và yêu cầu độ dẻo đánh giá ba loại hệ MDOF, sử dụng sáu chu kỳ rời rạc phạm vi từ 0,22-2,05s Hình 2: Các tham số nhu cầu địa chấn 40 Hình 3: Mô hình suy giảm độ cứng SỐ LIỆU THỐNG KÊ VỀ CÁC NHU CẦU ĐỊA CHẤN HỆ MỘT BẬC TỰ DO ĐỐI VỚI CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐẤT NỀN CỨNG VÀ ĐÁ Các kết thảo luận lấy từ nghiên cứu thống kê có sử dụng 15 ghi nhận chuyển động mặt đất khu vực Tây nước Mỹ từ trận động đất khác nhau, cường độ từ 5,7-7,7 Tất ghi nhận từ vị trí tương ứng với loại đất S (đá đất cứng) Phân tích lịch sử thời gian thực với ghi, sử dụng mô hình phi tuyến song tuyến tính (xem hình 2) mô hình suy giảm độ cứng (xem hình 3) hệ SDOF cấp chảy điều chỉnh cho tỷ lệ độ dẻo mục tiêu xác định trước rời rạc 2, 3,4, 5, 6, Cản tới hạn 5% sử dụng tất phân tích cứng hóa biến dạng α = 0, 2%, 10% nghiên cứu tỉ mỉ Từ vấn đề việc phóng đại ghi nhận tới mức độ nghiêm trọng chung vấn đề chưa giải quyết, tất kết hiển thị trình bày theo dạng mở rộng quy mô không cần thiết Điều thực cách tính toán cho ghi tham số nhu cầu với tỷ lệ độ dẻo xác định đơn giản hóa tham số nhu cầu số mà làm cho kết không thứ nguyên Việc đơn giản hóa thông số sau đánh giá mặt thống kê Chỉ có giá trị trung bình mẫu trình bày Phổ trung bình điển hình lượng trễ thông thường, NHE = HE / F yδy, cho hệ bậc tự song tuyến thể hình Các biểu đồ hiển thị ảnh hưởng đáng kể chu kỳ hệ thống tham số này, đặc biệt tỷ lệ độ dẻo cao Như vậy, số NHE thước đo phá hủy cân bằng, thận trọng để hạn chế khả biến dạng dẻo cho kết cấu có chu kỳ dao động ngắn tới giá trị thấp đáng kể so với kết cấu có chu kỳ dao động dài Những không hiển thị phổ trung bình ảnh hưởng khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh NHE Nó công nhận rằng, ảnh hưởng lớn, thành công báo cáo nỗ lực tương quan 41 NHE khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh, sử dụng số định nghĩa khoảng thời gian chuyển động mạnh Ảnh hưởng mô hình trễ khác (mô hình suy giảm độ cứng so với mô hình song tuyến tính) NHE minh họa hình Nói chung, đặc biệt với hệ có chu kỳ dao động ngắn, mô hình suy giảm độ cứng cần tiêu tán lượng trễ nhiều so với mô hình song tuyến tính Lý đơn giản mô hình suy giảm độ cứng thực nhiều vòng lặp nhỏ không đàn hồi so với mô hình song tuyến tính mà nhiều vòng lặp giới hạn đàn hồi Sự đóng góp phần tiêu tán lượng trễ tổng lượng tiêu tán TDE hệ song tuyến tính minh họa hình Biểu đồ có giá trị cho hệ có độ cản 5% Có thể thấy tỷ lệ HE/TDE không nhạy cảm tỷ lệ độ dẻo ngoại trừ độ dẻo thấp Người ta nhận thấy tỷ lệ ổn định cho tất ghi chấn sử dụng nghiên cứu Do đó, số liệu sử dụng để đánh giá hiệu cản nhớt so với tiêu tán lượng trễ việc tiêu tán lượng truyền tới kết cấu Như hình cho thấy, hệ suy giảm độ cứng, phần lớn nhiều TDE tiêu tán qua biến dạng không đàn hồi (năng lượng trễ) so với hệ song tuyến tính, người ta cản nhớt hiệu nhiều hệ suy giảm độ cứng Trong bối cảnh quy trình thiết kế đúng, nhu cầu lượng minh họa cung cấp thông tin sử dụng để thay đổi khả biến dạng dẻo trung bình mô hình thiệt hại tích lũy Trong trình thiết kế, yêu cầu phải sống sót, sau xuất phát từ yêu cầu cường độ giới hạn yêu cầu độ dẻo tới khả độ dẻo mục tiêu Những yêu cầu cường độ biểu diễn phổ nhu cầu cường độ không đàn hồi dạng không thứ nguyên, điều khoản hệ số suy giảm cường độ R, tỷ số yêu cầu cường độ đàn hồi (Fy,e) yêu cầu cường độ không đàn hồi tỷ lệ độ dẻo mục tiêu cụ thể, Fy(μ) Một phân suy thoái quy phi tuyến bậc hai thực hệ số R, suy thoái R μ cho chu kỳ cố định T, sau đánh giá ảnh hưởng chu kỳ dao động bước thứ hai Với lý thảo luận Tài liệu tham khảo [2], dạng sau quan hệ R-μ-T sử dụng: Đối với tỷ lệ cứng hóa biến dạng khác α, giá trị sau thu cho hai tham số suy thoái a b: Với α = 0%: a = 1,00 b = 0,42 Với α = 2%: a = 1,00 b = 0,37 Với α = 10%: a = 0,80 b = 0,29 Các đường cong suy thoái với μ = 2, 3, 4, 5, 6, cho hệ song tuyến tính với cứng hóa biến dạng 10% hiển thị hình với giá trị trung bình điểm liệu mà suy thoái dựa Rõ ràng quan hệ R-μ-T phi tuyến, đặc biệt giới hạn chu kỳ dao động ngắn Đối với tất tỷ lệ độ dẻo, hệ số R tiến gần tới 1.0 T gần tới không, chúng tiến tới μ T tiến tới vô Những mối quan hệ kiểu với phổ phản ứng đàn hồi trung bình làm nhẵn sử dụng nhiều trường hợp để đánh giá yêu cầu độ bền không đàn hồi Điều có 42 thể thực tin cậy với loại đất S 1, mà mối quan hệ dựa đó, có lẽ cho loại đất S2 hệ số trung bình R tìm thấy không nhạy cảm với thay đổi tương đối nhỏ biểu đồ phổ phản ứng trung bình Tuy nhiên, quan hệ R-μ-T áp dụng cho chuyển động đất yếu có chứa dấu hiệu vị trí cột Nếu sử dụng quan hệ R-μ-T để lấy phổ nhu cầu cường độ không đàn hồi từ phổ chuyển động mặt đất S1 ATC, kết thể hình 9are thu Không có ngạc nhiên, nhu cầu cường độ không đàn hồi thứ không đổi chu kỳ 0,5 giây, phạm vi phổ phản ứng đàn hồi làm nhẵn có bình ổn Những hệ số R trình bày hình sử dụng với độ tin cậy cao cho hệ suy giảm độ cứng kiểu thể hình Hình 4: Phổ trung bình lượng trễ thông thường, NHE (song tuyến tính, α=10%) Từ nghiên cứu thống kê tìm thấy loại suy giảm độ cứng có ảnh hưởng nhỏ đến nhu cầu cường độ tất chu kỳ dao động tỷ lệ độ dẻo Điều nói ảnh hưởng suy giảm độ cứng đến nhu cầu lượng, điều hiển nhiên từ hình ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG DAO ĐỘNG BẬC CAO ĐẾN CÁC NHU CẦU 43 CƯỜNG ĐỘ KHÔNG ĐÀN HỒI Các phần trước cung cấp thông tin nhu cầu địa chấn cho hệ bậc tự không đàn hồi Thông tin có liên quan số liệu cần sửa đổi để sử dụng trực tiếp cho thiết kế kết cấu thực, mà chúng chủ yếu hệ nhiều bậc tự (MDOF) chịu ảnh hưởng vài mode Đối với hệ nhiều bậc tự không đàn hồi, phương pháp chồng mode áp dụng với mức độ tin cậy kỹ thuật khác sử dụng để dự đoán cường độ nhu cầu độ dẻo sử dụng cho thiết kế Các nghiên cứu tóm tắt nhằm cung cấp số câu trả lời cần thiết để đánh giá nhu nhu cầu cường độ cho hệ nhiều bậc tự không đàn hồi Việc tập trung vào đánh giá thống kê hệ mà thường xuyên từ quan điểm ứng xử động lực đàn hồi Như vậy, mode dao động gần ảnh hưởng hiệu ứng xoắn bị bỏ qua kết cấu mô hình hóa hai chiều Để thuận tiện phân tích máy tính, tất kết cấu mô hình hóa khung đơn nhịp chúng dự định để đại diện cho kết cấu chung với ba kiểu khác biệt rõ rệt ứng xử Hình 5: Hệ số NHE cho suy giảm độ cứng với hệ song tuyến tính (α=0) Ba loại kết cấu minh họa hình 10 Loại thiết kế "mô hình khớp dầm" (mô hình cột khỏe – dầm yếu), từ gọi chung mô hình BH, đại diện cho kết cấu phát triển theo mô hình tải trọng động đất theo UBC 1988 với chế hoàn chỉnh với khớp dẻo tất dầm hình thành lúc thể hình 10 Loại thứ hai thiết kế "mô hình khớp dẻo cột" (mô hình cột yếu – dầm khỏe), mô hình CH Nó đại diện cho kết cấu mà có cường độ tương đối cột điều chỉnh theo cách cho tất cột lúc xuất khớp dẻo tác dụng tải trọng bên tương ứng 44 với mô hình tải trọng kháng chấn theo UBC 1988, kết "Sụp đổ" chế thể phác thảo thứ hai Hình 10 Loại thứ ba "mô hình tầng yếu," mô hình WS, phát triển chế tầng có tầng mô hình tải trọng động đất theo UBC 1988, tất tầng khác đủ cường độ để làm việc đàn hồi tất trận động đất Loại kết cấu có gián đoạn cường độ không gián đoạn độ cứng tầng Hình 6: Sự đóng góp HE tổng lượng tiêu tán, TDE (song tuyến tính, α=0) Các kết cấu với 2, 5, 10, 20, 30, 40 tầng xem xét cẩn thận, với chu kỳ mode 0.22, 0.43, 0.73, 1.22, 1.65, 2.05 giây, dựa chiều cao tầng cố định 12 ft phương trình chu kỳ T = 0.02hn3 / Cường độ chịu cắt V y thay đổi cho kết cấu ghi chuyển động mặt đất theo cách mà giống hệt nhu cầu cường độ không đàn hồi Fy(μ) chu kỳ mode tương ứng hệ SDOF cho độ dẻo mục tiêu 1, 2, 3, 4, 5, 6, Áp dụng tiêu chí cường độ cho phép đánh giá trực tiếp khác biệt ứng xử hệ SDOF hệ MDOF cho chuyển động mặt đất Tổng cộng có 5670 phân tích lịch sử thời gian phi tuyến thực hiện, sử dụng 15 ghi chuyển động mặt đấtn S1, loại kết cấu (BH, CH, WS), số tầng khác nhau, mức dẻo khác (tương ứng với cường độ dẻo hệ bậc tự μ = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8), tỷ số cứng hóa biến dạng (α = 0, 2%, 10%) Thông số ứng xử thu từ 15 ghi nhận đánh giá thống kê sử dụng phương tiện mẫu biến Các kết nghiên cứu thảo luận chi tiết tài liệu [2], có vài liệu thích hợp tóm tắt Hình 11 thể kết điển hình giá trị trung bình tỷ lệ độ dẻo tầng ba loại kết cấu Các đồ thị áp dụng cho kết cấu mà cường độ chịu cắt gốc với nhu cầu cường độ không đàn hồi hệ bậc tự cho tỷ lệ độ dẻo mục tiêu Kết tỷ lệ độ dẻo không thực tế, ví dụ chọn để minh họa rõ ràng xu hướng phù hợp kiểu 45 Hình 7: Tỷ số HE/TDE cho suy giảm độ cứng hệ song tuyến tính (α=0) SỰ SUY GIẢM CÁC HỆ SỐ Hình 8: Hệ số suy giảm cường độ chuyển động đất S1 Nó quan sát thấy yêu cầu độ dẻo tầng cho hệ nhiều bậc tự lớn tầng (điều tìm thấy cho hầu hết trường hợp, không thiết phải luôn cho tỷ lệ độ dẻo mục tiêu thấp hơn) tầng lớn 46 so với tỷ lệ độ dẻo mục tiêu hệ bậc tự ảnh hưởng mode cao Sự gia tăng tỷ lệ độ dẻo mục tiêu nhỏ cho kết cấu BH đến cao cho kết cấu WS Quan sát tìm thấy để giữ số lượng tầng, Tỷ lệ độ dẻo mục tiêu, tỷ lệ cứng hóa biến dạng, minh họa rõ tầm quan trọng ảnh hưởng mode dao động cao kiểu chế phá hoại vốn có hệ thống kết cấu Hình 9: Phổ yêu cầu cường độ không đàn hồi dựa phổ ATC S1 Trong quy trình thiết kế mục tiêu để hạn chế tỷ lệ độ dẻo tầng với giá trị mục tiêu định trước Các kết minh họa hình 11 cho thấy rõ ràng cường độ kháng cắt nhận từ hệ bậc tự tương ứng không đủ để đạt mục tiêu Như vậy, nhu cầu cường độ không đàn hồi thu cho hệ bậc tự phải sửa đổi để áp dụng với hệ nhiều bậc tự Việc sửa đổi phụ thuộc vào số tầng (chu kỳ dao động đầu tiên), tỷ lệ độ dẻo mục tiêu, tỷ lệ cứng hóa biến dạng, kiểu chế phá hoại kết cấu Trong ba loại kết cấu nghiên cứu đây, liệu loại trình bày hình 11 tận dụng để lấy thay đổi cần thiết [2] Ví dụ hệ số thay đổi nguồn gốc trình bày hình 12 cho tỷ lệ độ dẻo mục tiêu Việc điều chỉnh hệ số xác định gia tăng yêu cầu cường độ kháng cắt Vy kết cấu nhiều bậc tự sở nhu cầu cường độ không đàn hồi F y hệ bậc tự tương ứng với chu kỳ dao động nhằm hạn chế tỷ lệ độ dẻo đến giá trị mục tiêu Các đường cong nét đứt thể bốn đồ thị diễn tả cho việc điều chỉnh hệ số ngụ ý quy trình sử dụng rộng rãi việc nâng / T phổ chuyển động mặt đất tới / T 2/3 phổ thiết kế đàn hồi Quy trình giới thiệu tài liệu ATC 3-06 [6] áp dụng tiêu chuẩn xây dựng Mỹ Những quan sát sau làm từ hình 12 tương tự đồ thị toàn diện trình bày [2] Các thay đổi cường độ yêu cầu nhỏ cho hệ kết cấu BH Đối với kết cấu việc điều chỉnh chủ yếu phù hợp với điều chỉnh ATC-3 với điều kiện có cứng hóa biến dạng (α = 10%) Đối với kết cấu BH có chu kỳ dao động ngắn, yêu cầu cường độ kháng cắt 47 quán thấp so với yêu cầu cường độ hệ SDOF tương ứng, ảnh hưởng hệ MDOF không quan trọng giới hạn Mô hình khớp dẻo dầm (BH) Mô hình khớp dẻo cột(CH) Mô hình tầng yếu (WS) Hình 10: Các kiểu mô hình sử dụng nghiên cứu hệ MDOF Các yêu cầu cường độ hệ nhiều bậc tự cho kết cấu CH cao kết cấu BH Sự gia tăng yêu cầu cường độ so với kết cấu BH khoảng chu kỳ dao động Việc thay đổi yếu tố gia tăng với tỷ lệ độ dẻo mục tiêu giảm với cứng hóa biến dạng Những hệ mà cứng hóa biến dạng (α = 0%), cường độ lớn yêu cầu nhằm hạn chế sai lệch đến tỷ lệ độ dẻo mục tiêu quy định 48 Hình 11: Các yêu cầu độ dẻo tầng hệ MDOF cường độ kháng cắt tương ứng với tỷ lệ độ dẻo mục tiêu hệ SDOFlà (α=10%) Con số cho thấy kết cấu WS, tức kết cấu với tầng yếu, thực vấn đề lớn Các kết cấu đòi hỏi khả cường độ lớn hai lần yêu cầu kết cấu BH nhằm giới hạn chuyển dịch tầng tới tỷ lệ độ dẻo mục tiêu Các thảo luận nói tập trung vào quy trình sử dụng để đạt yêu cầu cường độ thiết kế cho hệ MDOF từ phổ yêu cầu cường độ không đàn hồi hệ SDOF Các kết số đưa áp dụng phạm vi hạn chế xác định phần tổng quát mà nhiều nghiên cứu tham số toàn diện Các thông số cần xem xét bao gồm nội dung tần số chuyển động mặt đất (có thể bị ảnh hưởng nhiều điều kiện vị trí xây dựng cụ thể), đặc tính trễ mô hình kết cấu (suy giảm độ cứng, suy giảm cường độ, vv), đặc tính động lực hệ kết cấu MDOF 49 (chu kỳ dao động, dạng dao động khối lượng hữu hiệu tất dạng quan trọng, gián đoạn độ cứng cường độ) TÓM TẮT Các nghiên cứu tóm tắt báo nhằm chứng minh việc xem xét độ dẻo thiệt hại tích lũy nên kết hợp cách rõ ràngtrong trình thiết kế Việc bảo vệ chống lại sụp đổ hàm ý khả độ dẻo sẵn có nên vượt yêu cầu gây chuyển động mặt đất với dự trữ đủ độ an toàn Khả biến dạng dẻo sẵn có phụ thuộc vào số lượng độ lớn dịch chuyển riêng không đàn hồi cần phải điều chỉnh yêu cầu dự đoán thông số Các mô hình thiệt hại tích lũy sử dụng để thực việc Tiêu tán lượng trễ thông thường sử dụng tham số thiệt hại tích lũy có chứa số độ lớn dịch chuyển không đàn hồi tích lũy Do đó, nhu cầu tiêu tán lượng trễ phải dự đoán trước Một điều thực hiện, khả biến dạng dẻo biết mục tiêu thiết kế trở thành dự đoán cường độ cần thiết để đảm bảo nhu cầu độ dẻo không vượt khả sẵn có Thông tin cường độ yêu cầu (nhu cầu cường độ không đàn hồi) thu từ nghiên cứu hệ SDOF, phải chỉnh sửa để sử dụng cho ảnh hưởng dạng dao động bậc cao kết cấu thực Bài báo trình bày liệu mà sử dụng để thực bước phần Các liệu cho thấy nhạy cảm lượng trễ nhu cầu cường độ không đàn hồi để đáp ứng với đặc điểm ứng xử kết cấu cho hệ SDOF, tầm quan trọng to lớn ảnh hưởng dạng dao động bậc cao cường độ kháng cắt cần thiết để hạn chế tỷ lệ độ dẻo tầng kết cấu cao tầng tới giá trị mục tiêu quy định Những ảnh hưởng dạng dao động bậc cao tìm thấy phụ thuộc nhiều vào số lượng tầng, tỷ lệ độ dẻo mục tiêu chế phá hoại kết cấu 50 Hình 12: Điều chỉnh cường độ kháng cắt cần thiết để giải thích cho ảnh hưởng hệ nhiều bậc tự 51 LỜI CẢM ƠN Các kết tóm tắt phần nghiên cứu toàn diện khả phá hủy chuyển động mặt đất tác động thiết kế Nghiên cứu hỗ trợ Viện Stanford / USGS cho nghiên cứu kỹ thuật kháng chấn Địa chấn học, trung tâm kỹ thuật kháng chấn John A.Blume Stanford, khoản tài trợ nghiên cứu cung cấp Công ty Kajima quản lý CUREe (Các trường Đại học California dành cho nghiên cứu kỹ thuật kháng chấn) Các khoản hỗ trợ lại để trình bày tài liệu cung cấp Quỹ Khoa học Quốc gia qua Grant INT-9.114.580 Sự hỗ trợ tổ chức đánh giá cao THAM KHẢO Osteraas, J.D., and Krawinkler, H., Strength and ductility considerations in seismic design John A.Blume Earthquake Engineering Center Report No 90, Department of Civil Engineering, Stanford University, August 1990 Nassar, A.A., and Krawinkler, H., Seismic demands for SDOF and MDOF systems John A.Blume Earthquake Engineering Center Report No 95, Department of Civil Engineering, Stanford University, June 1991 Chung, Y.S., Meyer, C., and Shinozuka, M., Seismic damage assessment of reinforced concrete members Report NCEER-87–0022, National Center for Earthquake Engineering Research, State University of New York at Buffalo, October 1987 Park, Y.-J., and Ang, A.H.-S., Mechanistic seismic damage model for reinforced concrete Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.111, No 4, April 1985, pp 722–739 Krawinkler, H., and Zohrei, M., Cumulativedamage in steel structures subjected to earthquake ground motions Journal on Computers and Structures, Vol 16, No 1– 4, 1983, pp 531–541 Tentative provisions for the development of seismic regulations for buildings Applied Technology Council Report ATC 3–06, June 1978