Hệ số ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép dùng trong tính toán tác động động đất lên công trình xây dựng

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO Bộ XÂY DựNG VIệN KHOA HOC CÔNG NGHệ XÂY DựNG VIệT NAM Lê trung phong Hệ Số ứNG Xử CủA KếT CấU Bê Tông Cốt Thép DùNG TRONG TíNH TOáN TáC ĐộNG ĐộNG ĐấT LÊN CÔNG TRìNH XÂY DựNG LUậN áN TIếN Sỹ Kỹ THUậT Hà nội - 2011 Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO Bộ XÂY DựNG VIệN KHOA HOC CÔNG NGHệ XÂY DựNG VIệT NAM -*** - Lê trung phong Hệ Số ứNG Xử CủA KếT CấU Bê Tông Cốt Thép DùNG TRONG TíNH TOáN TáC ĐộNG ĐộNG ĐấT LÊN CÔNG TRìNH XÂY DựNG Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng công nghiệp M số: 62.58.20.01 LUậN áN TIếN Sỹ Kỹ THUậT NGƯờI HƯớNG DẫN KHOA HọC PGS TS Nguyễn Lê Ninh PGS TS Nguyễn Xuân Chính - Trờng Đại học xây dựng Hà nội - Viện khoa học công nghệ xây dựng Hà nội - 2011 LờI CAM ĐOAN Tên là: Lê Trung Phong Tôi xin cam đoan luận án công trình nghiên cứu riêng Các kết nghiên cứu luận án trung thực cha đợc công bố công trình khác Hà nội, ngày 12 tháng năm 2011 Ngời cam đoan NCS Lê Trung Phong LờI CảM ƠN Luận án đợc thực Viện khoa học công nghệ xây dựng - Bộ xây dựng với hớng dẫn PSG TS Nguyễn Lê Ninh PSG TS Nguyễn Xuân Chính Trong trình thực luận án, đợc giúp đỡ tận tình giáo viên hớng dẫn, động viên, tạo điều kiện giúp đỡ Phòng thí nghiệm công trình, Phòng động đất - Viện chuyên ngành kết cấu xây dựng, Phòng đào tạo thông tin, Phòng tổ chức cán - Viện KHCN Xây dựng, Trờng ĐHXD nhiều tập thể, cá nhân khác Nhân dịp muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy, cô, lãnh đạo viện KHCN xây dựng phòng thí nghiệm công trình, phòng động đất, bạn đồng nghiệp đặc biệt gia đình đóng góp cho thành công luận án NCS Lê Trung Phong Chơng I Quan niệm thiết kế hệ số ứng xử tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất Chơng I Quan niệm thiết kế hệ số ứng xử tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất 1.1 Quan niệm thiết kế công trình chịu động đất 1.1.1 Đặt vấn đề Mục tiêu việc thiết kế công trình chịu động đất bảo vệ sinh mạng ngời cải vật chất xã hội Con ngời sống làm việc công trình xây dựng; cải vật chất xã hội thân công trình xây dựng tài sản khác nằm công trình xây dựng Do theo quan niệm trớc đây, để thực đợc mục tiêu công trình xây dựng không đợc phép bị phá hoại động đất xẩy Nh theo cách thiết kế này, sinh mạng ngời cải vật chất xã hội đợc bảo vệ gián tiếp thông qua việc bảo vệ công trình xây dựng Các công trình xây dựng đợc thiết kế với tác động đất lớn dự kiến xẩy địa điểm xây dựng làm việc hoàn toàn miền đàn hồi Khi thiết kế công trình chịu động đất, độ lớn tác động động đất yếu tố có độ tin cậy thấp Giá trị lớn tác động động đất dự kiến xẩy thời gian sử dụng công trình chủ yếu đợc xác định sở số liệu hạn chế thông tin đáng ngờ thu thập đợc từ lịch sử địa chấn vùng xét Nh tính xác thực phụ thuộc độ tin cậy kết nghiên cứu dự báo động đất xẩy địa điểm xây dựng Sau nhiều trăm năm nỗ lực nghiên cứu, ngời phải tạm thời chấp nhận thất bại việc dự báo động đất, đặc biệt vấn đề dự báo thời gian, địa điểm độ lớn trận động đất xẩy Các kết thống kê cho thấy, thiệt hại sinh mạng ngời kinh tế động đất gây giới năm nửa cuối kỷ XX vô lớn tăng lên cách nhanh chóng [22][55] Mặt khác, qua quan sát nghiên cứu hệ tác động động đất lên công trình xây dựng nhà khoa học 15 Chơng I Quan niệm thiết kế hệ số ứng xử tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất nhận thấy có nhiều công trình đợc thiết kế theo tiêu chuẩn thiết kế hành không bị sụp đổ, chí không bị h hại nghiêm trọng chịu tác động động đất lớn nhiều so với dự kiến [30][13][2] Các nhà khoa học tìm lời giải thích từ yếu tố cha đợc xét tới phơng pháp xác định tác động động đất nh tính toán kháng chấn công trình, khả xuất biến dạng dẻo phân tán lợng hệ kết cấu chịu lực lẫn không chịu lực công trình Nh vậy, việc thiết kế công trình chịu động đất làm việc giai đoạn đàn hồi theo quan niệm cho thấy hoàn toàn không hợp lý không kinh tế Để ngăn ngừa giảm thiểu đến mức tối đa tác hại động đất gây ra, thập niên cuối kỷ XX đầu kỷ XXI cách thức thiết kế kháng chấn công trình xây dựng có thay đổi Theo đó, mục tiêu việc thiết kế kháng chấn công trình đợc chuyển từ việc bảo vệ công trình sang bảo vệ trực tiếp sinh mạng ngời cải vật chất xã hội Với mục tiêu này, động đất xẩy công trình xây dựng không thiết làm việc đàn hồi mà làm việc sau giới hạn đàn hồi miễn không bị sụp đổ Sụp đổ đợc hiểu theo nghĩa trạng thái ngời sống nhà chạy thoát cố nghiêm trọng hệ kết cấu chịu lực Cùng với phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm lĩnh vực xây dựng công trình ngày cho thấy cách rõ ràng vấn đề mấu chốt việc thiết kế công trình chịu động đất giải toán lợng Để cho công trình làm việc tốt dới tác động động đất, phải có khả hấp thụ phân tán lợng lợng động đất đợc chuyển đến cho Sự hiểu biết cách đầy đủ nguyên lý cân lợng đơn giản chìa khoá để giải vấn đề thiết kế có hiệu công trình xây dựng chịu động đất 1.1.2 Các mục tiêu thiết kế cách thức đạt đợc mục tiêu thiết kế Để làm rõ cách thức thiết kế theo quan niệm mới, ta xét ví dụ đơn giản sau [36][2] Một hệ kết cấu có bậc tự động (BTDĐ) với khối lợng m độ cứng k, dao động tự không lực cản dới tác động động đất biểu thị qua gia tốc &x&0 (t ) (hình 1.1) Giả thiết hệ kết cấu đợc thiết kế để có khả chịu lực F1u phản ứng cách hoàn toàn đàn hồi dới tác động động đất với đồ thị lực - chuyển vị nh hình 1.1a Lúc động đất xẩy ra, 16 Chơng I Quan niệm thiết kế hệ số ứng xử tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất lực quán tính lớn tác động lên khối lợng m hệ kết cấu có giá trị Fe < F1u Khi khối lợng hệ kết cấu đạt chuyển vị e, tích luỹ hệ kết cấu dới dạng lợng biến dạng đợc biểu thị qua diện tích tam giác OBF động Lúc này, tốc độ chuyển động không nên lực phục hồi làm cho hệ kết cấu chuyển động phía hớng ngợc lại, gây dao động với biên độ không đổi F m x (t) F1u B Fe k F t e a) -Fe F m x (t) F1u Fe k Khớp dẻo Hình 1.1 b) A Fy = F2u t G y D E u Phản ứng hệ kết cấu có BTDĐ chịu tác động động đất: a) Phản ứng đàn hồi; b) Phản ứng đàn hồi - dẻo Nếu giả thiết hệ kết cấu đợc thiết kế với khả chịu lực F2u nhỏ nhiều so với F1u, lực tác động đạt tới giá trị Fy = F2u < Fe chân hệ kết cấu hình thành khớp dẻo (bị phá hoại theo quan niệm cách thiết kế thông thờng) (hình 1.1b) Tại điểm A, nội lực đạt tới giá trị F2u kết cấu chịu lực thêm nhng tiếp tục biến dạng dới tác động lực Fy theo đờng AD đạt tới giá trị lớn u điểm D (u đợc giả thiết nhỏ thua khả biến dạng khớp dẻo) Trong trờng hợp này, lớn tích luỹ hệ kết cấu đạt tới chuyển vị ngang u đợc biểu thị qua diện tích hình thang OADE Khi trở lại vị trí cân ban đầu, phần lợng chuyển thành động đợc biểu thị qua diện tích hình tam giác DEG, phần lợng biểu diễn qua diện tích hình bình hành OADG đợc phân tán qua khớp dẻo dới dạng nhiệt, ma sát dạng lợng khác không thu hồi đợc 17 Chơng I Quan niệm thiết kế hệ số ứng xử tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất Nh vậy, từ chu kỳ sang chu kỳ khác hệ kết cấu đàn hồi (hình 1.1a) có liên tục chuyển đổi qua lại động năng, hệ kết cấu đàn hồi dẻo (hình 1.1b) phần đợc chuyển thành động năng, phần lớn lợng đợc tiêu tán qua biến dạng dẻo Qua ví dụ ta thấy hệ kết cấu chịu tác động động đất theo hai cách sau: - Cách thứ nhất: khả chịu lực tác động lớn (Fe) nhng phải làm việc giới hạn đàn hồi, hoặc: - Cách thứ hai: khả chịu lực tác động bé (Fy< Fe) nhng phải có khả biến dạng dẻo kèm theo Cách thứ cách thiết kế theo quan niệm trớc đây, đáp ứng yêu cầu bảo vệ công trình, cách thứ hai cách thiết kế theo quan niệm mới, đáp ứng yêu cầu bảo vệ trực tiếp sinh mạng ngời cải vật chất xã hội Nh vậy, khác với cách thiết kế thứ nhất, công trình xây dựng đợc thiết kế theo cách thứ hai làm việc sau giai đoạn đàn hồi, chấp nhận biến dạng lớn (nhng không sụp đổ) hệ kết cấu chịu lực chịu trận động đất mạnh mạnh Hiện tiêu chuẩn thiết kế nớc giới, có tiêu chuẩn TCXDVN 375 :2006 [16][38] chọn cách thứ hai thiết kế công trình xây dựng vùng động đất từ trung bình trở lên Cách thứ thích hợp cho việc thiết kế công trình xây dựng vùng động đất yếu Chúng ta thiết kế công trình chịu đợc trận động đất mạnh mạnh mà không bị h hỏng (cách thứ nhất), nhng đa số trờng hợp việc thiết kế nh làm cho cấu kiện có kích thớc lớn xác suất xuất trận động đất mạnh thờng thấp 1.1.3 Các nguyên tắc việc thiết kế công trình chịu động đất theo quan niệm Các nguyên tắc việc thiết kế công trình chịu động đất theo quan niệm (theo cách thứ hai) tóm lợc dới dạng yêu cầu sau thông qua trạng thái giới hạn chúng [22][7]: a) Trạng thái giới hạn làm việc : Công trình phải chịu đợc trận động đất yếu thờng hay xẩy mà không bị h hỏng kết cấu chịu lực lẫn không chịu lực Công trình hoạt động bình thờng, kể thiết bị bên công trình Điều có nghĩa là, thời gian động đất yếu tất phận kết cấu tạo nên công trình phải làm việc giới hạn đàn hồi 18 Chơng I Quan niệm thiết kế hệ số ứng xử tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất b) Trạng thái giới hạn cuối trạng thái giới hạn kiểm soát h hỏng: Công trình phải chịu đợc trận động đất có độ mạnh trung bình với h hỏng nhẹ sửa chữa đợc phận kết cấu chịu lực, nh phận không chịu lực c) Trạng thái giới hạn sụp đổ trạng thái giới hạn tồn Đối với đại đa số công trình xây dựng, xẩy động đất mạnh mạnh cho phép xuất h hỏng lớn hệ kết cấu chịu lực thiết bị bên Trong số trờng hợp, h hỏng không sửa chữa đợc nhng công trình không đợc phép sụp đổ Các công trình đợc thiết kế theo nguyên tắc phải có độ cứng, độ bền độ dẻo thích hợp nhằm đảm bảo trờng hợp động đất xẩy sinh mạng ngời đợc bảo vệ, h hỏng đợc hạn chế công trình quan trọng có chức bảo vệ c dân (bệnh viện, trạm cứu hoả, cảnh sát ) trì hoạt động Trong trờng hợp trận động đất yếu, kết cấu cần phải đảm bảo đủ độ cứng phần kiến trúc công trình bị h hỏng Đối với trận động đất trung bình, độ bền cho phép giới hạn h hỏng hệ kết cấu chịu lực Cuối kết cấu chịu tác động trận động đất mạnh mạnh, độ dẻo cho phép công trình có chuyển vị không đàn hồi lớn nhng không bị sụp đổ, đảm bảo cho ngời sống nhà thoát Các nguyên tắc thiết kế theo quan điểm trình bày đợc tóm lợc bảng 1.1 [22] Bảng 1.1 Trạng thái giới hạn Làm việc bình thờng Kiểm soát h hỏng Ngăn ngừa sụp đổ Đặc tính kết cấu Độ cứng Độ bền Độ dẻo Các yêu cầu thiết kế công trình chịu động đất Trạng tháI kết cấu H hỏng không đáng kể H hỏng sửa chữa đợc Không sụp đổ Trạng thái kinh tế - xã hội Hoạt động không gián đoạn Thiệt hại kinh tế hạn chế Sinh mạng ngời đợc bảo vệ Phản ứng kết cấu Nguy động đất Nguy Chu kỳ lặp (năm) Phản ứng Thờng ~ 75 ữ 200 đàn hồi hay xẩy ~ 400 ữ Phản ứng Thỉnh đàn hồi thoảng 500 dẻo hạn chế xẩy Phản ứng Rất ~ 2000 ữ đàn hồi dẻo xẩy 2500 lớn 1.1.4 Quan niệm thiết kế nguyên tắc việc thiết kế công trình chịu động đất theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 [16] Trong tiêu chuẩn Việt Nam Thiết kế công trình chịu động đất TCXDVN 375:2006 [16], quan niệm thiết kế nh nguyên tắc 19 Chơng I Quan niệm thiết kế hệ số ứng xử tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất việc thiết kế công trình chịu động đất trình bày đợc thể dới dạng hai yêu cầu hai tiêu chí tơng hợp kèm theo 1.1.4.1 Các yêu cầu Theo TCXDVN 375 :2006, việc thiết kế công trình xây dựng chịu động đất Việt Nam đợc thực theo hai cấp với mục tiêu công (yêu cầu) sau: Yêu cầu không sụp đổ Yêu cầu không sụp đổ nhằm bảo vệ sinh mạng ngời dới tác động động đất xẩy (động đất mạnh mạnh) Để thực đợc yêu cầu này, công trình xây dựng phải đợc thiết kế thi công để chịu đợc tác động động đất thiết kế mà không bị sụp đổ toàn phần, đồng thời giữ đợc tính nguyên vẹn phần khả chịu tải sau động đất xẩy Điều có nghĩa kết cấu bị h hỏng nghiêm trọng có biến dạng d vừa phải nhng giữ đợc khả chịu tải trọng đứng đủ độ bền ngang độ cứng để bảo vệ sinh mạng ngời, chí có d chấn mạnh Việc sửa chữa công trình trờng hợp không kinh tế Yêu cầu hạn chế h hỏng Yêu cầu hạn chế h hỏng nhằm giảm thiểu thiệt hại tài sản thông qua việc hạn chế h hỏng phận kết cấu chịu lực không chịu lực trận động đất thờng hay xẩy (động đất yếu trung bình) Để thực đợc yêu cầu này, công trình xây dựng phải đợc thiết kế thi công để chịu đợc tác động động đất có xác suất xẩy lớn so với tác động động đất thiết kế mà không bị h hỏng hạn chế sử dụng kèm theo với chi phí khắc phục lớn cách bất hợp lý so với giá thành thân công trình Bản thân kết cấu nh cấu kiện thành phần biến dạng ngang d, độ cứng độ bền chúng đợc bảo toàn gần nh hoàn toàn Các cấu kiện không chịu tải bị số h hỏng nhng sửa chữa dễ dàng kinh tế sau động đất Nh vậy, kèm theo hai cấp công (hai trạng thái giới hạn hai yêu cầu) hai cấp tác động động đất Tác động động đất cho cấp ngăn ngừa sụp đổ đợc gọi tác động động đất thiết kế, cho cấp hạn chế h hỏng thờng đợc gọi tác động động đất làm việc (i) Tác động động đất thiết kế tác động động đất có xác suất vợt quy ớc PNCR = 10% 50 năm, chu kỳ lặp quy ớc trung bình TNCR = 475 năm 20 data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... TạO Bộ XÂY DựNG VIệN KHOA HOC CÔNG NGHệ XÂY DựNG VIệT NAM -*** - Lê trung phong Hệ Số ứNG Xử CủA KếT CấU Bê Tông Cốt Thép DùNG TRONG TíNH TOáN TáC ĐộNG ĐộNG ĐấT LÊN CÔNG TRìNH XÂY DựNG Chuyên... nghiên cứu hệ tác động động đất lên công trình xây dựng nhà khoa học 15 Chơng I Quan niệm thiết kế hệ số ứng xử tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất nhận thấy có nhiều công trình đợc thiết... kế công trình chịu động đất bảo vệ sinh mạng ngời cải vật chất xã hội Con ngời sống làm việc công trình xây dựng; cải vật chất xã hội thân công trình xây dựng tài sản khác nằm công trình xây dựng