Thiết kế trực tiếp khung thép chịu tải trọng động đất dùng phân tích theo lịch sử thời gi

Header Page of 145 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HUỲNH PHẠM NGỌC TRUNG THIẾT KẾ TRỰC TIẾP KHUNG THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT DÙNG PHÂN TÍCH THEO LỊCH SỬ THỜI GIAN Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng công nghiệp Mã số: 60.58.20 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2014 Footer Page of 145 Header Page of 145 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Hữu Cường Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quang Viên Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Xuân Toản Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 145 -1- Header Page of 145 PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Động đất tượng tự nhiên gây chuyển động mạnh đất làm sụp đổ nhà cửa gây thiệt hại người tài sản, làm ảnh hưởng lớn đến đời sống kinh tế xã hội Do có ưu điểm có cường độ độ dai cao, trọng lượng nhẹ, thi công nhanh, dễ gia cố sửa chữa, kết cấu thép sử dụng nhiều nhà cao tầng giới loại kết cấu kháng chấn tin cậy hiệu quả, khu vực có cường độ động đất mạnh Theo phương pháp thiết kế truyền thống, khung thép thường thiết kế dựa vào phân tích đàn hồi tuyến tính thiết kế kháng chấn tải động đất thường quy lực tĩnh ngang tương đương để đơn giản hóa việc tính toán Thiết kế kết cấu đại yêu cầu việc xác định ứng xử hệ kết cấu gần giống làm việc thực tế hệ chuyển động đất Với hỗ trợ phần mềm SAP2000 có khả phân tích phi tuyến hình học vật liệu theo phương pháp đẩy dần (pushover) theo lịch sử thời gian, phương pháp thiết kế trực tiếp cho kết phân tích tin cậy hơn, dẫn đến thiết kế có hiệu kinh tế hơn, cho phép người kỹ sư có nhìn sâu sắc ứng xử cấu phá hoại hệ kết cấu xảy thực tế Vì lý nêu trên, nhiệm vụ đặt cho Luận văn phân tích ứng xử khung thép chịu tải động đất dùng phân tích theo lịch sử thời gian theo mô hình phi tuyến vật liệu hình học dựa quy định Tiêu chuẩn Châu Âu Footer Page of 145 Header Page of 145 -2- Mục tiêu luận văn  Tìm hiểu tổng quan so sánh phương pháp tính toán tác động động đất lên hệ kết cấu; phân tích phi tuyến hình học vật liệu kết cấu khung thép  Nghiên cứu phần mềm phân tích phi tuyến tính toán kết cấu khung thép chịu tải động đất dùng phân tích theo lịch sử thời gian Ứng dụng kết cho tính toán kết cấu khung thép sở so sánh kết phân tích với toán mẫu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung xem xét, nghiên cứu phân tích kết cấu thép với phạm vi sau: - Khung thép phẳng chịu mômen (moment resisting frames) có liên kết dầm - cột cứng; - Cấu kiện có tiết diện hình chữ I thuộc lớp (Class 1) theo Tiêu chuẩn Châu Âu giằng đầy đủ theo phương mặt phẳng để hình thành khớp dẻo cho phép phân bố mômen nội lực lại hệ kết cấu; - Việc phân tích, thiết kế tuân theo quy định Tiêu chuẩn Châu Âu (EC8 EC3) Phương pháp nghiên cứu - Áp dụng phương pháp thiết kế theo khả xây dựng tiêu chuẩn Châu Âu EC8 - Sử dụng phần mềm SAP2000 phát triển hãng CSI (Computers structures Inc Berkeley, California, USA), công cụ phổ biến mạnh mẽ phân tích phi tuyến tĩnh đẩy dần động theo lịch sử thời gian Footer Page of 145 Header Page of 145 -3- Cấu trúc luận văn Nội dung luận văn gồm phần: Phần mở đầu 03 chương; Kết luận kiến nghị sau: Phần Mở đầu Chương 1: Tổng quan phân tích kết cấu khung thép chịu tải trọng động đất; Chương 2: Thiết kế khung thép chịu mômen theo tiêu chuẩn EN1998-1:2004 (EC8); Chương 3: Ví dụ phân tích thiết kế khung thép; Kết luận kiến nghị Footer Page of 145 -4- Header Page of 145 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU KHUNG THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 1.1 Phân tích cần thiết việc nghiên cứu khung thép chịu mômen 1.2 Nguồn gốc mức độ phân tích phi tuyến 1.2.1 Nguồn gốc phi tuyến Những ảnh hưởng phi tuyến vật liệu (biến dạng dẻo, ứng suất dư) phi tuyến hình học bao gồm nhiều yếu tố phạm vi đề tài xét đến biến dạng dẻo kết cấu khung thép (sự hình thành khớp dẻo) hiệu ứng bậc hai (P-, P-) phân tích hệ kết cấu 1.2.2 Các mức độ phân tích Khi phân tích kết cấu, khó để mô hình tất yếu tố phi tuyến liên quan đến ứng xử thật kết cấu thực tế cách chi tiết Các mức độ phân tích thông thường khung chia thành bốn loại, tùy thuộc vào yếu tố phi tuyến vật liệu phi tuyến hình học, bao gồm: (1) Phân tích đàn hồi bậc (first-order elastic analysis); (2) Phân tích đàn hồi bậc hai (second-order elastic analysis); (3) Phân tích phi đàn hồi bậc (first-order inelastic analysis); (4) Phân tích phi đàn hồi bậc hai (second-order inelastic analysis) 1.3 Phân tích kháng chấn theo tiêu chuẩn EC8 1.3.1 Phản ứng phi đàn hồi hệ kết cấu 1.3.2 Các mô hình ứng xử hệ kết cấu không đàn hồi 1.3.3 Độ dẻo hệ số ứng xử Độ dẻo định nghĩa khả kết cấu cấu kiện chịu biến dạng lớn vượt điểm chảy dẻo Footer Page of 145 Header Page of 145 -5- (thường qua nhiều chu kỳ) mà không bị gãy vỡ Khi thiết kế kết cấu có tính đến ứng xử phi tuyến, phương pháp đơn giản sử dụng rộng rãi sử dụng phương pháp phân tích tuyến tính, với trị số tải trọng động đất giảm xuống (so với quan niệm đàn hồi) thông qua sử dụng hệ số ứng xử q 1.3.4 Các phương pháp phân tích theo EN 1998-1:2004 a Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương Trong thực hành thiết kế kết cấu để đơn giản hoá, tải trọng động đất quy đổi thành tải trọng tĩnh tương đương tác dụng mức tầng sàn nhà b Phương pháp tĩnh phi tuyến (đẩy dần pushover) Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1998-1:2004 phương pháp tĩnh phi tuyến phương pháp phân tích thực điều kiện lực trọng trường không đổi tải trọng ngang tăng lên cách đơn điệu Phương pháp dùng để kiểm tra công kết cấu công trình hữu thiết kế với mục đích sau: a) Để kiểm tra đánh giá lại giá trị tỷ số vượt cường độ αu/α1; b) Để xác định cấu dẻo dự kiến phân bố hư hỏng; c) Để đánh giá công kết cấu công trình nhà hữu gia cố theo mục tiêu quy định tiêu chuẩn EN 1998-3 d) Sử dụng phương pháp thiết kế thay cho phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính sử dụng hệ số làm việc q c Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian Phương pháp phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian công cụ mạnh nghiên cứu phản ứng địa chấn kết cấu, Footer Page of 145 Header Page of 145 -6- phản ứng địa chấn kết cấu chịu động đất ước tính cách xác Trong tiêu chuẩn EN 1998-1:2004, phản ứng kết cấu theo lịch sử thời gian xác định cách tích phân trực tiếp phương trình vi phân chuyển động nó, sử dụng giản đồ gia tốc ghi giản đồ gia tốc mô biểu thị chuyển động Nếu phản ứng xác định từ phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian với chuyển động giản đồ gia tốc (nhân tạo, ghi mô phỏng) giá trị trung bình đại lượng phản ứng thu từ phân tích cần sử dụng giá trị thiết kế hệ tác động Ed kiểm tra điều kiện cường độ theo quy định tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn 1.4 Kết luận chương Các phương pháp dựa phân tích tuyến tính (hoặc phân tích dạng dao động phân tích lực tĩnh tương đương dựa dạng dao động rung lắc) rộng rãi sử dụng Trường hợp phi tuyến thường xử lý cách sử dụng phổ phản ứng dẻo hiệu chỉnh Một số phương pháp thay ứng xử phi tuyến (đặc biệt phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến phân tích động theo lịch sử thời gian) ngày sử dụng phổ biến phép áp dụng EC8 Footer Page of 145 Header Page of 145 -7- CHƯƠNG THIẾT KẾ KHUNG THÉP CHỊU MÔMEN THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EN1998-1:2004 (EC8) 2.1 Giới thiệu Cùng với việc thực hành thiết kế kháng chấn tại, kết cấu thép thiết kế theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1998-1:2004 (EC8) hai quan niệm: a) kết cấu có khả tiêu tán lượng thấp (quan niệm a) b) kết cấu có khả tiêu tán lượng (quan niệm b) 2.2 Quy trình thiết kế theo khả Theo quy trình thiết kế này, số cấu kiện hệ kết cấu chịu lực ngang lựa chọn, thiết kế cấu tạo cách phù hợp để tiêu tán lượng biến dạng cưỡng lớn Các vùng có khả tiêu tán lượng cấu kiện kết cấu, thường gọi khớp dẻo cấu tạo để chịu tác động uốn phi đàn hồi, phá hoại cắt ngăn chặn cách chênh lệch độ bền phù hợp Nguyên lý quan niệm thiết kế theo khả dựa quan niệm thiết kế cột khoẻ dầm yếu Các lực quán tính động đất tạo mức sàn truyền thông qua dầm cột khác xuống đất Sự phá huỷ cột ảnh hưởng đến ổn định toàn tòa nhà, phá huỷ dầm gây hiệu ứng cục Để đảm bảo cột khoẻ dầm khung chịu mômen, ngăn ngừa hình thành chế dẻo tầng mềm nhà nhiều tầng, cấu dẫn tới độ dẻo kết cấu cục mức cột tầng mềm, quy tắc chung cho tất loại khung đưa mục 4.4.2.3 EC8 Footer Page of 145 Header Page 10 of 145 -8- 2.3 Mô hình kết cấu hệ số ứng xử 2.3.1 Dạng kết cấu 2.3.2 Hệ số ứng xử q 2.4 Cấp dẻo quy định mặt cắt ngang Tiêu chuẩn EN 1998-1:2004 phân công trình xây dựng thành 03 cấp độ dẻo khác cụ thể DCL, DCM DCH đề cập từ khả tiêu tán lượng thấp, trung bình cao công trình Theo mục 2.5.5 EN1993-1:2004 quy định phân thành loại tiết diện 2.5 Các tiêu chí thiết kế theo khả Các khớp dẻo xuất dầm phải đảm bảo khả chịu mômen dẻo toàn phần khả xoay không bị giảm lực nén lực cắt Theo mục 6.6.3 EN 1998-1, cột phải kiểm tra chịu nén có xét đến tổ hợp tải trọng bất lợi lực dọc mômen uốn Ngoài ra, lực cắt cột xác định từ việc tính toán kết cấu từ tổ hợp tác động động đất phải 50% lực cắt tới hạn tiết diện (VEd / Vpl,Rd < 0.5) 2.5.1 Xem xét ổn định chuyển vị ngang tương đối Hai yêu cầu biến dạng liên quan đến, cụ thể “hiệu ứng bậc hai” “Chuyển vị ngang tương đối tầng”, quy định mục (4.4.2.2) ( 4.4.3.2) EN 1998-1 Vấn đề nêu trước kèm theo với trạng thái giới hạn tiêu chí sau điều kiện trạng thái giới hạn phá hoại (sử dụng) Hiệu ứng bậc hai (P-Δ) xác định thông qua hệ số nhạy chuyển vị ngang tương đối tầng (θ) Mất ổn định giả định vượt θ = 0,3 xem giới hạn Nếu θ ≤ 0,1, hiệu ứng bậc hai bỏ qua; 0,1 θ >0,1 tầng 3, hiệu ứng bậc hai cần xem xét phân tích Các tác động động đất điều chỉnh hệ số 1/(1- θ)= 1,14 (với θ = 0,119) 3.3.2 Kiểm tra thiết kế dầm Việc kiểm tra thiết kế dầm thực cho cấu kiện dầm 8,5 m 3,0 m tầng hai (cấu kiện thứ 16 17) Kết luận: Tất cấu kiện dầm đảm bảo điều kiện 3.3.3 Kiểm tra cột Cột cần kiểm tra khả thiết kế dựa cách tiếp cận dầm yếu/cột khỏe Ed  Ed ,Gk 0,3Qk  1,1 ov Ed , E ,  ov hệ số vượt cường độ giả định 1,25   min(M pl , Rd ,i / M Ed ,i )  603,35 / 411, 41  1, 47 (giá trị tối thiểu xảy dầm thứ 17) Ngoài việc kiểm tra cấu kiện, tất nút phải thỏa mãn điều kiện thiết kế dầm yếu/cột khoẻ Do tính chất khung đối xứng nên xét nút 7, 8, 9, 21 37 với kết nêu Bảng 3.9 Footer Page 13 of 145 Header Page 14 of 145 -12- Bảng 3.9 Kiểm tra điều kiện dầm yếu/cột khoẻ 1,3MRb Kết Nút MRc MRb 1271 766,4 996,32 Đạt 2x1271=2542 2x766,4 1992,64 Đạt 2x1271=2542 766,4+603,35 1780,68 Đạt 21 1271+1086 766,4 996,32 Đạt 37 1086 766,4 996,32 Đạt luận 3.3.4 Kiểm tra liên kết Theo Cl 6.6.3 (6) EC8, ô bụng liên kết dầm – cột cần thiết kế để chống lại lực phát triển cấu kiện tiêu tán lượng lân cận liên kết dầm 3.3.5 Giới hạn phá hoại Theo Cl 4.4.3.2 (1) trạng thái giới hạn phá hoại (sử dụng): dr v  0,01.h Chuyển vị ngang tương đối tầng lớn xảy tầng thứ ba: dr= 69,18 mm 69,18x 0,5 < 0,01 x 3500 34,59 mm