Bai tap lon ĐỘNG ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN KHÁNG CHẤN

Xác định tác động động đất lên công trình theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương...13 2.2.1.. Xác định tác động động đất lên công trình theo phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng

Trang 1

MỤC LỤC

NỘI DUNG BÀI TẬP LỚN 2

Phần 1 3

CÁC SỐ LIỆU THIẾT KẾ VÀ SƠ ĐỒ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH 3

1.1 Tải trọng tác dụng 3

1.2 Kích thước hình học 3

1.3 Thông số động đất 3

1.4 Sơ đồ kết cấu công trình 3

Phần 2 6

TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH THEO PHƯƠNG PHÁP GẦN ĐÚNG 6

2.1 Xác định các đặc trưng động học của công trình 6

2.1.1 Bậc tự do của công trình 6

2.1.2 Ma trận khối lượng [M] 6

2.1.3 Ma trận độ cứng [K] 6

2.1.4 Xác định chu kỳ dao động T 8

2.1.5 Xác định dạng dao động 10

2.1.6 Xác định số dạng dao động được xét tới trong tính toán 12

Kết luận: 13

2.2 Xác định tác động động đất lên công trình theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương 13

2.2.1 Xác định phổ thiết kế S d (T) dùng cho phân tích đàn hồi 13

2.2.2 Xác định lực cắt đáy 15

2.2.3 Phân phối lực cắt đáy lên các tầng 15

2.3 Xác định tác động động đất lên công trình theo phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động - Theo phương pháp trực tiếp 16

2.4 So sánh kết quả 16

2.4.1 So sánh kết quả tính toán theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương với phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động theo phương pháp trực tiếp 16

2.4.2 Nhận xét 16

2.4.3 Kết luận 17

Phần 3 18

TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 18

3.1 Khai báo dữ liệu tính toán 18

3.1.1 Khai báo hệ lưới trục của công trình 18

3.1.2 Khai báo vật liệu 19

3.1.3 Khai báo dầm và cột 19

3.1.4 Mặt bằng, mặt đứng vào mô hình 3D công trình 21

3.1.5 Khai báo Rigid zone 22

3.1.6 Định nghĩa tải trọng đứng và nguồn khối lượng để phân tích động 24

3.1.7 Khai báo tải trọng 25

3.1.8 Khai báo sàn cứng trong mặt phẳng (Diaphrams) 26

3.1.9 Khai báo khối lượng công trình tham gia dao động 27

3.2 Tính toán chu kỳ và dạng dao động, tỷ số khối lượng tham gia của các dạng dao động (số dạng dao động được xét tới trong tính toán), các biên độ dao động 28

3.2.1 Các dạng dao động và chu kỳ các dạng dao động 28

3.2.2 Các biên độ dao động 29

3.3 Xác định tác động động đất ngang lên công trình theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương trong phương dọc X 30

3.3.1 Xác định phổ phản ứng theo phương dọc X 30

3.3.2 Xác định tác động động đất ngang lên công trình 30

3.3.2.1 Trường hợp không xét tới độ lệch tâm ngẫu nhiên 30

3.3.2.2 Trường hợp có xét tới độ lệch tâm ngẫu nhiên 34

Trang 2

Phần 4 39

KẾT LUẬN 39

4.1 So sánh kết quả tính toán theo cách tính gần đúng và phương pháp PTHH 39

4.1.1 So sánh kết quả tính toán lực ngang tác động lên tầng 39

4.1.2 So sánh kết quả tính toán chu kỳ dao động 39

4.2 Nhận xét và kết luận 39

4.2.1 Nhận xét kết quả tính toán 39

4.2.1.1 Nhận xét kết quả tính toán 39

4.2.1.2 Nhận xét kết quả tính toán theo các phương pháp giải tích 40

4.2.1.3 Nhận xét kết quả tính toán tác động động đất theo phương pháp giải tích và kết quả thu được từ phần mềm Etabs Version 9.7.4 40

4.2.2 Kết luận 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

Trang 3

Môn học:

ĐỘNG ĐẤT VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG

ĐẤT.

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Lê Ninh

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Số Bài tập lớn: N = 10

NỘI DUNG BÀI TẬP LỚN.

Cho một công trình nhà có hệ kết cấu khung chịu lực bằng BTCT liền khối với

sơ đồ mặt bằng và khung ngang như Hình 1 Các số liệu tính toán được cho trongcác bảng biểu theo Số bài tập lớn N

Yêu cầu:

1 Với giả thiết sàn các tầng và mái có độ cứng lớn vô cùng trong mặt phẳngcủa chúng, sử dụng tiêu chuẩn "Thiết kế công trình chịu động đất" (TCVN9386:2012), xác định tác động động đất lên công trình theo phương pháp tĩnh lựcngang tương đương và phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động(phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp)

2 Dùng phần mềm Etabs hoặc SAP2000, xác định tác động động đất lên côngtrình theo phương pháp phân tích lực ngang tương đương

3 So sánh và nhận xét các kết quả tính toán thực hiện theo yêu cầu 1 và 2 ởtrên

Hình 1: Sơ đồ kết cấu công trình.

Trang 4

1.4 Sơ đồ kết cấu công trình.

Công trình nhà có hệ kết cấu khung chịu lực bằng BTCT liền khối với sơ đồmặt bằng và khung ngang như hình 2, 3, 4 và hình 5:

Trang 5

Hình 2: Mặt bằng kết cấu tầng 1.

Trang 6

Hình 5: Mặt cắt khung theo trục Y.

Trang 7

Phần 2.

TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH THEO PHƯƠNG PHÁP GẦN ĐÚNG.

2.1 Xác định các đặc trưng động học của công trình.

2.1.1 Bậc tự do của công trình.

Công trình là một hệ khung không gian 3 tầng, 2 nhịp, 8 bước chịu tải trọngđộng đất Để đơn giản cho việc tính toán bằng tay ta giả thiết:

- Các kết cấu dầm và bản sàn là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó

- Khối lượng mỗi tầng tập trung tại cao trình sàn

- Bỏ qua biến dạng dọc trục và khối lượng cột

Kết cấu khung ngang được mô hình hóa dưới dạng mỗi tầng chỉ có 1 bậc tự dođộng, chính là chuyển vị ngang ukx (t) theo phương của lực tác động Kk (t)

Khi đó kết cấu khung ngang được xét có n = 3 bậc tự do

2.1.2 Ma trận khối lượng [M].

2 3

N - là số khung theo phương tác động của động đất, N = 9 (khung ngang)

Bảng 2.1: Nội lực của cấu kiện điển hình khi chịu chuyển vị đơn vị.

Vì giả thiết sàn các tầng và mái có độ cứng lớn vô cùng trong mặt phẳng củachúng nên ta có sơ đồ tính toán các rkj như hình

Sơ đồ tính xác định các phản lực liên kết rkj

Trang 8

Hình 6: Sơ đồ tính xác định các phản lực rk1 do chuyển vị 1 = 1 gây ra.

Độ cứng xét với 1 khung ngang (3 cột): Khi tính toán tải trọng động đất độcứng của cột giảm đi 50% Để kết quả tính toán chính xác theo sơ đồ kết cấu, tachọn chiều cao h của các tầng trừ đi chiều cao dầm dọc (coi như nút khung cứng) -

Vì tính toán tác động động đất theo phương dọc X Ta có:

h1 = 4.200 - 550 = 3,650 mm

h2 = 3.300 - 550 = 2,750 mm

h3 = 3.300 - 550 = 2,750 mm

Trang 10

Hình 8.1: Khai báo định thức ma trận trên phần mềm Matrix caculator.

Hình 8.2: Kết quả triển khai định thức ma trận trên phần mềm.

0 100.000.000

Trang 11

Hình 8.3: Phương pháp giải phương trình bậc 3.

k

b a

Trang 12

Thay lần lượt các α1; α2; α3 vào (2.5): ω1 = 10,6736 rad/s;

0 30.90

  

1,1 2,1 1 3,1

0, 4431 0,7902

Trang 13

Chọn 3,2 = 1, từ (2.9) => 2,2 = -0,6588; 1,2 = -1,0482

  

1,2 2,2 2

3,2

1,0482

0, 6588 1,0000

  

1,3 2,3 3 3,3

2, 2921 3,3874 1,0000

Biểu diễn các dạng dao động:

Hình 9: Các dạng dao động của công trình.

2.1.6 Xác định số dạng dao động được xét tới trong tính toán.

Ta có:

2 3

1

0,356 0, 254 0,305 0,915

Trang 14

2 3

1 1 1 11 2 21 3 31

1

2 3

0,356 1, 0482 0, 254 0,6588 0,305 1 0, 273 0,356 2, 292

mm

2 3

1

2 3

1

1 1

2 1

1 1

0,846 0,577

k k k eff

k k k

2

1 2

2 2

2 1

0,1011

0, 738

k k k eff

k k k

3

1 3

2 3

3 1

0,017 5,724

k k k eff

k k k

Tiêu chí 1:

2 ,

Trang 15

Tiêu chí 2:

2 , j

2.2.1 Xác định phổ thiết kế Sd(T) dùng cho phân tích đàn hồi.

Theo quan điểm thiết kế hiện đại, các hệ kết cấu được phép chịu tải trọng độngđất trong miền không đàn hồi Để tránh phải thực hiện tính toán trực tiếp các kết cấukhông đàn hồi, ta sử dụng phổ phản ứng Sd(T) - là phổ phản ứng đàn hồi thu nhỏ lạithông qua hệ số ứng xử q của hệ kết cấu

Trong đó: + T - chu kỳ dao động của hệ đàn hồi có một bậc tự do;

+ TB - giới hạn dưới của chu kỳ ứng với đoạn nằm ngang củaphản ứng gia tốc;

Trang 16

+ TC - giới hạn trên của chu kỳ ứng với đoạn nằm ngang củaphản ứng gia tốc;

+ TD - giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng chuyển

vị không đổi trong phổ phản ứng

+ q - hệ số ứng xử Theo tiêu chuẩn TCVN 9368:2012 - Thiết kếcông trình chịu động đất, có q = q0.kw ≥ 1,5

+ q0 - giá trị cơ bản của hệ số ứng xử; tính với nhà có cấp dẻocao DCM: Nhà hệ khung, hệ hỗn hợp, hệ tường kép có q0 = 3αu/α1;

+ Khung nhà nhiều tầng, nhiều nhịp, hoặc kết cấu hỗn hợp tươngđương có: αu/α1 = 1,3 => q0 =3x1,3= 3,9 Trong đó: αu/α1 là tỉ số biểuthị sự vượt độ bền của kết cấu do dư thừa liên kết (bậc siêu tĩnh)

+ kw - hệ số phản ánh dạng phá hoại thường gặp trong hệ kết cấu

có tường chịu lực, nhà hệ khung có kw = 1,00

+ - hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương ngang()

Hình 10: Định nghĩa hệ số α u và α1 trên cơ sở đồ thị lực cắt đáy - chuyển vị đỉnh

ag - gia tốc nền thiết kế trên nền loại D

Theo TCVN 9386: 2012 - Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

Lực cắt đáy Fb do động đất gây ra được xác định theo biểu thức sau:

( )

b d

F S T m

Trang 17

Trong đó: + Sd(T1); Sd(T2) - tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T1; T2

+ T2; T1 - chu kỳ dao động ngang cơ bản của công trình theohướng đang xét

+ m - Khối lượng toàn bộ phần nhà nằm trên móng hoặc ở trênđỉnh của phần cứng phía dưới;

+ λ - hệ số điều chỉnh được lấy như sau: λ = 0,85 nếu T ≤ 2TC vànhà có số tầng nhiều hơn 2, các trường hợp khác λ = 1,0 Ta có λ =0,85 do T1 = 0,588 s < 2TC =1,6 s; T1 = 0,209 s < 2TC =1,6 s

-> Lực cắt đáy theo dao động thứ nhất và thứ hai có chu kỳ T1 = 0,588 s T2= 0,209s

b b d d

2.2.3 Phân phối lực cắt đáy lên các tầng.

Lực cắt do động đất gây ra tác động ở chân công trình được phân phối lên cáctầng như sau:

Trong đó: + Fi - lực ngang tác động tại tầng thứ i;

+ si, sj - các chuyển vị ngang của khối lượng mi và mj trong dạngdao động cơ bản;

+ mi, mj - khối lượng của các tầng

Trang 18

Bảng 2.2: So sánh kết quả tính toán tác động động đất.

Tĩnh lực ngang tương đương (I)

Phổ phản ứng dạng dao động (trực tiếp) (II)

Phương pháp tính toán Dạng

dao động

Trang 19

có xét đến khối lượng hiệu dụng ứng với mỗi dạng dao động; ở dạng dao động đầutiên, khối lượng hiệu dụng này chiếm 91,90% khối lượng công trình.

2.4.3 Kết luận.

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương tính toán đơn giản, cho phép đánhgiá nhanh mức độ tác động của động đất cho kết quả tương đối chính xác nhưngcũng có những hạn chế:

- Áp dụng với công trình có chu kì dao động T < 2s;

- Không kể tới ảnh hưởng của độ cứng tới tác động động đất

- Chỉ xét tới 1 dạng dao động đầu tiên nên không áp dụng với công trình phứctạp có thể kể tới 2, 3 dạng dao động

Phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động tính toán phức tạp hơn nhưng

kể tới ảnh hưởng của nhiều yếu tố trong việc xác định động đất như: độ cứng, tầmquan trọng Tính toán kể tới ảnh hưởng của nhiều dạng dao động gây tác động độngđất Nên được sử dụng để tính toán thiết kế công trình chịu động đất cho nhiều loạicông trình

Trang 20

Phần 3.

TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN.

Ở đây, người tính sử dụng phần mềm ETABS Nonlinear Version 9.7.4 đểtính toán động đất cho công trình

3.1 Khai báo dữ liệu tính toán.

3.1.1 Khai báo hệ lưới trục của công trình.

Hình 11: Khai báo dữ liệu đầu vào

Hình 12: Hiệu chỉnh tên trục khung dọc, khung ngang.

Trang 21

3.1.2 Khai báo vật liệu.

Hình 13: Khai báo đặc trưng vật liệu.

3.1.3 Khai báo dầm và cột.

Hình 14: Khai báo tiết diện cột tầng 1 và các đặc tính tiết diện

(Khai báo độ cứng uốn của cột khung lấy bằng 50% độ cứng cột khi chưa

bị nứt và độ cứng xoắn của chúng được lấy bằng 10% khi chưa bị nứt).

Trang 22

Hình 17: Khai báo tiết diện dầm dọc Hình 18: Khai báo tiết diện dầm ngang

Trang 23

3.1.4 Mặt bằng, mặt đứng vào mô hình 3D công trình.

Hình 19: Mặt bằng tầng 1.

Trang 24

Hình 22: Mặt đứng dọc trục X.

Hình 23: Mặt đứng ngang trục Y.

Trang 26

Hình 27: Khai báo Rigid zone cho dầm dọc tầng 1, 2; tầng 3.

Hình 28: Kết quả khai báo Rigid zone cho dầm, cột.

3.1.6 Định nghĩa tải trọng đứng và nguồn khối lượng để phân tích động

Trang 27

Hình 29: Khai báo tải trọng đứng.

Hình 30: Khai báo nguồn khối lượng tham gia dao động.

3.1.7 Khai báo tải trọng.

Phân bố tải trọng Q1, Q2, Q3 của các tầng đều lên các đỉnh cột

Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ngang Dọc

Trang 28

Hình 32: Tải trọng tại các đỉnh cột tầng 2.

Hình 33: Tải trọng tại các đỉnh cột tầng 3.

Trang 30

Hình 37: Khai báo sàn cứng tầng 2.

Hình 36: Khai báo sàn cứng tầng 3.

3.1.9 Khai báo khối lượng công trình tham gia dao động.

Hình 37: Khai báo khối lượng công trình tham gia dao động.

Trang 31

3.2 Tính toán chu kỳ và dạng dao động, tỷ số khối lượng tham gia của các dạng dao động (số dạng dao động được xét tới trong tính toán), các biên độ dao động.

3.2.1 Các dạng dao động và chu kỳ các dạng dao động.

Hình 38: Dạng dao động 1.

Trang 32

Hình 41: Chu kỳ và tỷ số khối lượng tham gia của các dạng dao động.

Ta thấy, kết quả tính toán ứng với các dạng dao động 1, 2, 3 của các dạngdao động chính như trong bảng sau

Trang 33

Dạng

dao động

Dạng dao động ứng với kết quả trong ETABS V9.7.4

Chu kỳ dao động (s)

Tỷ số khối lượng tham gia của các dạng dao động theo phương X

3.2.2 Các biên độ dao động.

Hình 42: Biên độ dao động theo phương dọc X của dạng dao động 1.

Hình 43: Biên độ dao động theo phương dọc X của dạng dao động 2.

Hình 44: Biên độ dao động theo phương dọc X của dạng dao động 3 3.3 Xác định tác động động đất ngang lên công trình theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương trong phương dọc X.

3.3.1 Xác định phổ phản ứng theo phương dọc X.

Trang 34

Gia tốc nền khai báo: ag = 0,0959.g.1,3 = 0,12467.g

Hình 45: Phổ phản ứng thiết kế theo phương ngang.

3.3.2 Xác định tác động động đất ngang lên công trình.

3.3.2.1 Trường hợp không xét tới độ lệch tâm ngẫu nhiên.

Trang 35

Hình 46: Khai báo trong trường hợp không xét đến độ lệch tâm ngẫu nhiên.

Hình 47: Tác động động đất ngang lên công trình trong trường hợp không xét đến độ lệch tâm ngẫu nhiên.

a Hệ quả tác động động đất theo phương Y (EY) lên khung KA, KB, KC, KD…KI

Hình 48: Biểu đồ lực dọc trong các cột khung KA (EX).

Trang 36

Hình 49: Biểu đồ lực cắt trong các cột theo trục A-A (EY).

Hình 50: Biểu đồ mô men uốn trong các cột đối với trục A-A (EY).

Trang 37

b Hệ quả tác động động đất theo phương Y (EY) lên khung K1.

Hình 51: Biểu đồ lực cắt trong các cột theo trục 1-1 (EY).

Hình 52: Biểu đồ mô men uốn trong các cột đối với trục 1-1 (EX).

c Hệ quả tác động động đất theo phương Y (EX) lên khung K2.

Trang 38

Hình 53: Biểu đồ lực cắt trong các cột theo trục 2-2 (EX).

Hình 54: Biểu đồ mô men uốn trong các cột đối với trục 2-2 (EX).

3.3.2.2 Trường hợp có xét tới độ lệch tâm ngẫu nhiên.

Trang 39

Hình 55: Khai báo độ lệch tâm ngẫu nhiên khi xác định các hệ quả tác động

Trang 40

Hình 57: Biểu đồ lực dọc trong các cột khung KA (EY).

Hình 58: Biểu đồ lực cắt trong các cột theo trục A-A (EY).

Trang 41

Hình 59: Biểu đồ mô men uốn trong các cột đối với trục A-A (EY).

b Hệ quả tác động động đất theo phương Y (EY) lên khung K1.

Hình 60: Biểu đồ lực dọc trong các cột khung K1 (EY).

Trang 42

Hình 62: Biểu đồ mô men uốn trong các cột đối với trục 1-1 (EY).

c Hệ quả tác động động đất theo phương Y (EY) lên khung K2.

Trang 43

Hình 63: Biểu đồ lực dọc trong các cột khung K2 (EY).

Hình 65: Biểu đồ mô men uốn trong các cột đối với trục 2-2 (EY).

d Hệ quả tác động động đất theo phương Y (EY) lên khung K3.

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	4,13 MB