phương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.doc

phương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.docphương pháp phân tích ảnh hưởng của động đất đối với công trình cầu.doc.doc

Chơng Phơng pháp phân tích ảnh hởng động đất công trình cầu 4-1 Khái quát 4-1-1 ảnh hởng khái niệm động đất Các thông số động đất bao gồm: a- Chấn tiêu: tâm điểm địa chấn b- Chấn tâm: Hình chiếu theo phơng thẳng đứng từ chấn tiêu lên mặt đất Hình 4-1: Các tham số động đất c- Độ sâu chấn tiêu, khoảng cách chấn tiêu, khoảng cách chấn tâm: thể (hình 4-1) d- Sóng địa chấn: Khi xảy động đất lợng đợc giải phóng từ chấn tiêu truyền môi trờng xung quanh dới dạng sóng vật lý gọi sóng địa chấn Sóng địa chất truyền theo phơng dọc, phơng ngang, sóng mặt sóng khúc xạ 169 Sóng dọc: đợc truyền thay đổi thể tích môi trờng, gây biến dạng kéo, nén lòng đất Sóng dọc truyền theo phơng từ chấn tiêu đến điểm quan trắc với vận tèc lín nhÊt Vp = Km/s -8 Km/s Sãng ngang: có phơng vuông góc với sóng dọc có vận tèc nhá h¬n sãng däc chõng 4-5 Km/s Sãng ngang không làm thay đổi thể tích đất mà gây tác động xoắn, cắt Các sóng ngang đến sau sãng däc vµ chÝnh nhê sù chËm trƠ cđa mà nhà nghiên cứu xác định đợc khoảng cách từ chấn tiêu đến trạm quan trắc Sóng mặt: sóng dọc sóng ngang tới mặt đất chuyển thành sóng mặt gây chuyển vị động độ sâu nhỏ Sóng mặt hình thức mô tả nh dạng sóng biển, gây tác động kéo, nén cắt đất Vận tốc truyền sóng phụ thuộc vào tính chất lý đất mặt Nền đất cứng (vững chắc) tốc độ truyền sóng tăng từ 1,5 Km/s đến 15 Km/s Ngợc lại đất yếu, sình lầy tốc ®é truyÒn sãng nhá (0,5  1,5 ) Km/s Sãng mặt nguyên nhân gây dịch chuyển lớn gây h hỏng cho công trình mặt đất e Cấp động đất Thang MSK-64 đợc đặt từ Medevedev Sponheuer Karmik đợc Hội đồng địa chấn châu Âu thông qua năm 1964 Thang động đất đợc áp dụng phổ biến Liên xô (cũ) , nớc Châu Âu Việt nam từ năm 1964 Cấp động đất đại lợng biểu thị cờng độ chấn động mà trận động đất gây mặt đất đợc 170 đánh gia thông qua mức độ tác động công trình, nhà cửa, địa hình, ngời Cấp 1: động đất không cảm thấy Chỉ nhận biết đợc qua thiết bị ghi địa chấn Cấp : ®éng ®Êt Ýt c¶m thÊy Cã thĨ Ýt ngêi c¶m thấy vị trí cao Cấp 3: động đất yếu Có thể cảm thấy nh tác động xe tải nhẹ chạy qua gây đung đa nhẹ đồ vật Cấp 4: động đất cảm thấy rõ: động đất nhiều ngời cảm nhận đợc Mức độ tác động đợc đánh giá độ cảm nhận tơng đơng tác động xe tải nặng chạy qua Cấp 5: động đất thức tỉnh Mọi ngời cảm thấy, đồ vật đung đa mạnh, bị xê dịch Cấp : động đất sợ hãi Tất ngời cảm thấy, đồ đạc dịch chuyển, tạo tình trạng hoảng loạn, sợ hãi Tác động gây h hỏng nhẹ cho kết cấu nhà cửa, gây vết nứt nhỏ cho nhà cửa Cấp 7: h hại nhà Ngời bị tác động đứng không vững, gây hoảng loạn, ngời phơng tiện vận tải di chuyển nhận biết đợc Nhà cửa bị h hại lớn nứt rộng tới đơn vị cm, lún sụt Có thể gây sụt trợt sờn giốc, h hại mối nối đờng ống dẫn Mặt nớc nỉi sãng, khy bïn vÈn ®ơc CÊp 8: ®éng ®Êt phá hoại nhà cửa: Cảm giác sợ hãi khủng khiếp , đồ đạc bị xê dịch mạnh Dịch chuyển số công trình độc lập nh tợng đài, hàng rào Trợt sụt bờ dốc taluy đờng Xuất làm cạn hồ nớc 171 Cấp 9: động đất h hại hoàn toàn nhà cửa Mọi ngời cảm thấy khủng khiếp, súc vật nháo loạn H hỏng nhà cửa, đổ tợng đài, xê dịch đờng sắt đất nứt rộng 10 cm, cát bùn vùng ngập nớc Nhiều sờn dốc sụt trợt, đá lở tảng lớn Hồ nớc sóng Cấp 10: động đất phá hoại hoàn toàn nhà cửa Mọi ngời cảm thấy khủng khiếp Sụp đổ nhà cửa, h hại đê điều, h hỏng nặng công trình cầu, cong xê dịch đờng sắt Mặt đờng nhựa tạo sóng Nền đất nứt rộng có tới đơn vị mét Sụt lở mạnh, hình thành vết nứt gẫy, tạo hồ nớc Cấp 11 : động đất thảm hoạ Phá huỷ gây h hỏng loại công trình mặt đất Phá hoại công trình ngầm Mặt đất nứt nẻ, đứt gãy dịch chuyển theo phơng thẳng đứng nằm ngang, núi sụp đổ nhiều nơi Cấp 12 : động đất thay đổi địa hình Phá huỷ loại công trình mặt đất phạm vi bị ảnh hởng Thay đổi hẳn địa hình mặt đất, đất bị nứt lớn theo phơng thẳng đứng nằm ngang Núi bờ sông sụt lở diện tích lớn Xuất hồ nớc, thác nớc, thay đổi dòng sông g-Magnitude động đất ( cấp độ giải phóng lợng động đất) Magnitude đặc trng mức độ giải phóng lợng trân động đất dới dạng sóng đàn hồi 172 Đại lợng Magnitude Richter đa áp dụng lần vào năm 1935 địa chấn học việc phân chia mức độ động đất theo thang độ magnitude gọi độ Richter Tuỳ theo dạng sóng địa chấn đợc sử dụng có dạng magnitude sau đây: - Magnitude địa phơng (Local Magnitude) ML - Magnitude theo sóng mặt (Surface wave Magnitude) MS - Magnitude theo sãng khèi (Body wave Magnitude) MB + Magnitude địa phơng: thang magnitude đợc Richter đa lần vào năm 1935 theo c«ng thøc: ML lgA    L   (4-1) đó: A() - tổng véc -tơ biên độ cực đại thành phần dịch chuyển nằm ngang theo phơng (Đông - Tây) (Bắc -Nam) địa chấn kế Wood -Anderson ghi đợc - Khoảng cách đến chấn tâm (Km) L() - Đờng cong chế định đờng tắt dần theo khoảng cách tổng véc -tơ biên độ dịch chuyển cực đại theo phơng nằm ngang địa chấn kế ghi đợc ứng víi trËn ®éng ®Êt cã ML =0 Thang magnitude ML dùng cho động đất gần, khoảng cách đến chấn tâm không 800 Km + Magnitude theo sóng mặt MS: xác định theo công thức: MS lg (4-2) ®ã: 173 A()  S() T A() - biªn ®é dịch chuyển cực đại theo phơng nằm ngang sóng mặt (m) T - chu kỳ dao động tơng ứng (sec) S() - hàm chế định đờng cong tắt dần đại lợng động đất với MS=0, có dạng: S() = (1,66 lg  +3,3) (4-3) víi  - khoảng cách đến chấn tâm Đặc điểm thang MS áp dụng cho khoảng cách đến chấn tâm = (200 1600) Km độ sâu chấn tiêu nhỏ 50 Km + Magnitude theo sóng khối MB: xác định theo công thức: MB lg A()  b() T (4-4) ®ã: A()/T - vËn tèc dịch chuyển cực đại đất sóng khối T - khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm khảo sát b() - hàm chế định đờng cong tắt dần đại lợng động đất với MB=0, phụ thuộc vào độ sâu chấn tiêu h Có thể nhận xét thấy cấp độ Richter đợc phân phụ thuộc vào khoảng cách đến điểm khảo sát Mối tơng quan MB MS đợc Hội Vật lý địa cầu thống nhÊt nh sau: MB = 0,5 MS + 2,9 MS = 1,79 MB -5,18 (4-5) h- Các đặc trng dao ®éng cña ®éng ®Êt 174 Dao ®éng ®éng ®Êt gây phụ thuộc vào cấu động đất, độ sâu chấn tiêu, tính chất đất, vận tốc truyền sóng tần số + Gia tốc cực đại động đất: Gia tốc cực đại trận ®éng ®Êt lµ gia tèc lín nhÊt cđa chun ®éng trận động đất Gia tốc cực đại đợc dùng tất tiêu chuẩn kháng chấn Xác định xác gia tốc cực đại điểm dễ dàng cần có băng ghi xác gia tốc địa chấn Phơng pháp thờng dùng để xác định là: + Ghi lại đặc trng trận động đất xảy + Phân tích tơng đồng gia tốc cực đại trung bình đặc trng khác dễ ghi nhận trận động đất + Thời gian kéo dài động đất (tính sec): tính từ thời điểm bắt đầu ghi nhận đợc động đất tíi thêi ®iĨm kÕt thóc + CÊp ®éng ®Êt (t theo níc sư dơng) NÕu dïng thang ®é MKS gåm 12 cấp nh + Pha dao động động đất: biểu thị hình 4-2 (điểm đầu A, đoạn B đoạn tắt dần C ) Đặc trứng tắt dần dao động động đất biểu thị bëi hƯ thøc:  ln yn1 yn (4-6) ®ã: yn1 yn biên độ dao động kề + Chu kỳ (tần số) dao động động đất: đợc ghi lại địa chấn kế 175 + Phổ gia tốc, vận tốc chuyển vị động đất: đại lợng thể phân bố gia tốc, vận tốc chuyển vị theo độ lớn Do tính chất phức tạp trận động ®Êt, khã cã thĨ thiÕt lËp chÝnh x¸c biĨu thøc toán học phản ánh đặc tính động đất nên phải sử dụng phơng pháp mô tả gần Mỗi trận động đất mang tính ngẫu nhiên, trận động đất sau có đặc tính khác với trận động đất trớc Tuy nhiên đặc trng dao động động đất gây lại có qui luật nhờ mà sử dụng phơng pháp mô để thể đặc trng dao động ®éng ®Êt B C A 176 H×nh 4-2: Phỉ gia tốc, vận tốc chuyển vị động đất i - ảnh hởng động đất với công trình ảnh hởng động đất với công trình phức tạp phụ thuộc vào độ mạnh địa chấn, khoảng cách từ công trình đến chấn tâm, tính chất đất, cấu tạo móng, cấu tạo kháng chất công trình ảnh hởng động đất với công trình cầu gồm tác động chính: + Tác động trực tiếp lên công trình hay phận công trình Lực quán tính động đất gây chủ yếu sinh tác động ngang, tăng nội lực biến dạng gây h hỏng phần toàn công trình Tuỳ theo mức độ tác động tác dụng động đất gây ảnh hỏng nhỏ, gây h hỏng lớn hay phá hoại toàn công trình Mức độ ảnh hởng động đất phụ thuộc vào yếu tố: - Độ mạnh biến độ địa chấn - Khoảng cách từ công trình đến tâm chấn động (chấn tiêu) Các công trình cầu khung hay cầu dầm liên tục có độ cứng lớn nhiều điểm liên kết trụ mố chụi ảnh hởng động đất lớn Các dạng cầu treo, cầu dây văng có độ cứng nhỏ, chiều dài 177 nhịp lớn, điểm liên kết với mố trụ nên ảnh hởng động đất nhỏ + Tác động làm thay đổi trạng thái đất, khiến cho đất dới công trình "hoá lỏng" gây lún sụt phá hủy công trình 4-1-2 Nguyên lý phơng pháp tính toán ảnh hởng động đất công trình cầu Các phơng pháp tính toán công trình chịu tải trọng động đất đợc chia thành hai nhóm [14]: Nhóm phơng pháp tĩnh Nhóm phơng pháp động lực bao gồm: + Phơng pháp giải tích + Phơng pháp động lực dựa đờng cong phổ + Phơng pháp động lực dựa biểu đồ gia tốc trận động đất xảy + Phơng pháp ngẫu nhiên Việc nghiên cứu xây dựng tiêu chuẩn tính toán công trình xét đến ảnh hởng động đất đợc nhiều nớc giới quan tâm đặc biệt sau trận động đất Kanto (Nhật Bản) năm 1923 Theo phơng pháp tĩnh, lực động đất tác dụng lên phận công trình đợc xem nh lực ngang tÜnh, tû lƯ víi khèi lỵng cđa kÕt cÊu Tác dụng động lực đợc xét đến 178 Hình 4-4 Phổ động đất Tìm mối qua hệ phổ phản ứng với hiệu ứng phát sinh nguyên nhân động đất đợc phổ phản ứng động đất gồm: - Phổ chuyển vị tơng đối Sđ= X (t ) max - Phổ vận tốc tơng đối Sv= X (t ) max - Phổ gia tèc tut ®èi Sa= X (t ) max Sau có phổ động đất, lực động đất tác dụng lên công trình tích số khối lợng công trình với gia tốc [5], [6] Fmax (4-10) 183 2 m.S.v T ®ã: T - chu kỳ dao động riêng m - khối lợng phận kết cấu Sv- phổ động đất Mô hình dao ®éng cđa hƯ cã bËc tù phï hợp với mô hình thực tế công trình cầu Các trụ đợc coi nh công-xon ngàm bệ móng, kết cấu nhịp cầu thu nh khối lợng tập trung đặt đỉnh trụ (đầu công -xon) Đối với công trình nhà cao tầng cần xây dựng mô hình vói số bậc tự lớn b - Phơng pháp phổ sử dụng mô hình có bậc tự Nhiều công trình có khối lợng tập trung chủ yếu vào điểm, ví dụ kết cấu nhịp đặt trụ cầu, mố trụ dẻo trọng lợng cột trụ thờng nhỏ nhiều so với trọng lợng dầm mặt cầu nên bỏ qua Các công trình nh đa thẳng đứng không trọng lợng chịu uốn mang khối lợng tập trung đỉnh, nh biểu diễn công trình băng sơ đồ bậc tự mang khối lợng m (hình 4.3) Chuyển vị đầu ngàm động đất đợc biểu thị hàm (t) Khối lợng chuyển vị gia tốc V ngang đàn hồi chịu uốn 184 Hình 4-3 Khi động đất, đất có chuyển vị V0(t), khối lợng m có chuyển vị V(t) thể hình 4-4 Phơng trình dao động là: (4-11) đó:  (t)  V  (t) - lùc qu¸n tÝnh cđa khèi lỵng m mV C - hƯ sè cản nhớt đàn hồi k- hệ số độ cứng đàn hồi đặc trng cho phần tiêu hao phân tán lợng CV (t) - lực cản nhớt kV(t) - lực đàn hồi Các đại lợng m, C, k đặc trng công trình đợc coi số thời gian dao động Khi có động đất, khối lợng m tích luỹ động năng, đàn hồi có độ cứng k, tích lũy m (t) lực kích thích cung cấp lợng cho công trình Nếu đặt : k/ m C/ m (4-12) phơng trình (4 11) có dạng:  (t)   V (t)   2V(t)   V  (t) V (4-13) NghiƯm cđa phơng trình 4-13 tổng nghiệm riêng nghiệm tổng quát phơng trình tơng ứng; (t)  V  (t)   2V(t) 0 V (4-14) 185 Nghiệm tổng quát phơng trình 4.14 phụ thuộc vào nghiệm phơng trình đặc trng    0 NghiƯm cđa ph¬ng trình là: 1,2   NÕu    0 hay hệ số cản C đợc gọi hệ số cản tới hạn đợc ký hiệu lµ C0 C0  m 2m (4-15) Tû sè   C m    gäi yếu tố cản tới hạn, phụ thuộc vào C0 m dạng kết cấu vật liệu xây dựng, đợc xác định theo thực nghiệm V(t) V(t) m m c k c,k  (t) V  (t) V Hình - Nh biết lý thuyết dao động khi: C = C0( =1) C > C0( 1) hệ chuyển động tắt dần không dao ®éng 186  C < C0(