Đánh giá hiệu quả của hệ cô lập móng trong việc bảo vệ vật dụng trượt trong công trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM   PHẠM TUẤN ANH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ CƠ LẬP MĨNG TRONG VIỆC BẢO VỆ VẬT DỤNG TRƯỢT TRONG CƠNG TRÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ Chun ngành: KTXD Cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã ngành: 60 58 02 08 TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM   PHẠM TUẤN ANH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ CƠ LẬP MĨNG TRONG VIỆC BẢO VỆ VẬT DỤNG TRƯỢT TRONG CƠNG TRÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ Chun ngành: KTXD Cơng trình Dân dụng Công nghiệp Mã ngành: 60 58 02 08 CÁN BỘ HDKH: TS ĐÀO ĐÌNH NHÂN TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO ĐÌNH NHÂN TS ĐÀO ĐÌNH NHÂN Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.HCM ngày … tháng … năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: T T C h ứ T Ch ủ t T P h ả PG P h S ả PG Ủy v S n T Ủ y Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM TUẤN ANH Ngày, tháng, năm sinh: 25/01/1990 Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Giới tính: nam Nơi sinh: Hải Dương MSHV: 1341870031 I Tên đề tài Đánh giá hiệu hệ lập móng việc bảo vệ vật dụng trượt cơng trình II Nhiệm vụ nội dung Nhiệm vụ Nhiệm vụ đề tài “Đánh giá hiệu hệ lập móng việc bảo vệ vật dụng trượt cơng trình” - Nắm vững lý thuyết Cơ lập móng phân tích thiết kế cơng trình chịu động đất - Đánh giá hiệu hệ lập móng việc giảm đáp ứng vật dụng trượt cơng trình có động đất xảy Khảo sát ảnh hưởng vài thơng số gối lập móng đến đáp ứng vật dụng trượt Từ có khuyến nghị thiết thực cho việc thiết kế Nội dung - Tổng quan tài liệu, khái niệm, sở lý thuyết Cơ lập móng (Isolation System) vật dụng trượt - Gỉa thuyết mơ hình nghiên cứu cách xây dựng mơ hình - Khảo sát mơ hình ứng với trường hợp móng ngàm - Phân tích liệu cho trường hợp Cơ lập móng cấp độ động đất - Thảo luận kết luận III Ngày giao nhiệm vụ: …/ …/2016 IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ: …/ …/2016 V Cán hướng dẫn: Tiến sĩ Đào Đình Nhân CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Tiến sĩ Đào Đình Nhân KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Đào Đình Nhân Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Đồng thời, thơng tin trích dẫn Luận văn tôn trọng rõ nguồn gốc Tác giả PHẠM TUẤN ANH ii LỜI CẢM ƠN Đề cương Luận văn thạc sĩ Xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp nằm hệ thống luận cuối khóa nhằm trang bị cho Học viên cao học khả tự nghiên cứu, biết cách giải vấn đề cụ thể đặt thực tế xây dựng… Đó trách nhiệm niềm tự hào học viên cao học Để hoàn thành đề cương luận văn này, cố gắng nỗ lực thân, nhận nhiều giúp đỡ tập thể cá nhân Tôi xin tỏ lòng biết ơn đến tập thể cá nhân dành cho giúp đỡ quý báu Đầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Đào Đình Nhân Thầy đưa gợi ý để hình thành nên ý tưởng đề tài Thầy góp ý cho nhiều cách nhận định đắn vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu Xin cám ơn Thầy TS Phan Tá Lệ làm mạnh dạn tiếp cận với hướng nghiên cứu móng, lĩnh vực nhiều điều mẻ Đồng thời, Thầy người tận tụy giúp tơi hệ thống hóa lại kiến thức lý thuyết móng q trình nghiên cứu luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô thuộc Ban đào tạo Sau đại học, Khoa Xây dựng trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học nghiên cứu khoa học Tôi xin gửi lời cảm ơn đến ThS Nguyễn Thu Thiên, ThS Nguyễn Văn Thi giúp đỡ nhiều trình thực luận văn Đề cương Luận văn thạc sĩ hoàn thành thời gian quy định với nỗ lực thân, nhiên khơng thể khơng có thiếu sót Kính mong Q Thầy Cô dẫn thêm để bổ sung kiến thức hồn thiện thân Xin trân trọng cảm ơn PHẠM TUẤN ANH TÓM TẮT * Tên đ ề tài: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ CƠ LẬP MĨNG TRONG VIỆC BẢO VỆ VẬT DỤNG TRƯỢT TRONG CƠNG TRÌNH * Từ khố: Hệ lập móng, phản ứng động đất, trượt vật dụng… * Tóm tắ t: Luận văn khảo sát hiệu hệ cách chấn đáy việc bảo vệ vật dụng trượt cơng trình chịu động đất Đáp ứng chuyển vị vật dụng trượt cơng trình bê tơng cốt thép tầng chịu động đất phân tích Cơng trình giả định xây dựng Los Angles, khu vực có hoạt động động đất mạnh giới, thiết kế cho hai trường hợp: ngàm móng cách chấn đáy Cường độ khung bê tông cốt thép đặc trưng hệ cách chấn thiết kế theo tiêu chuẩn ASCE – 10 Việc phân tích đáp ứng động đất mơ hình phi tuyến kết cấu thực OpenSees 30 băng gia tốc đại diện cho cấp độ động đất sử dụng để làm liệu đầu vào cho tốn phân tích phi tuyến miền thời gian Kết khảo sát phân tích cho thấy hệ cách chấn đáy hiệu việc bảo vệ vật dụng trượt Kết phân tích cho thấy chu kỳ hữu hiệu gối cách chấn vượt 3,5 giây chuyển vị trượt vật dụng phụ thuộc bé vào tỉ số cản hữu hiệu chu kỳ hữu hiệu hệ cách chấn đáy ABSTRACT * Subject: The effectiveness of seismic base isolation system in protecting buildings’ sliding contents * Keywords: Isolation Base, earthquake responses, sliding contents… * Abstract: The effectiveness of seismic base isolation system in protecting buildings’ sliding contents was investigated in this thesis The responses of sliding contents of a 5-story reinforced concrete structure building under earthquakes was investigated in the two configurations: fixed base configuration and base isolated configuration The building was assumed to locate in Los Angles, a high seismicity area in the world The strength of the superstructure and the bearings’ properties were designed per ASCE – 10 The dynamic analysis of nonlinear model of the structure was performed in OpenSees simulation software Thirty ground motions representing three earthquake levels was applied to the model The comparison of the analysis results shows that the isolation system is very efficient in protecting the sliding contents The results also show that when the effective period of the isolation system exceeds 3,5 s, the peak sliding of contents is almost independent on the effective damping ratio and the effective period of the isolation system MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH .vii Chương GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Phương pháp nghiên cứu kỹ thuật áp dụng 1.3.1Phương pháp giải vấn đề 1.3.2Phần mềm kỹ thuật áp dụng 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Đóng góp đề tài Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 2.2 Tình hình nghiên cứu nước 19 Chương THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH KẾT CẤU 22 3.1 Kết cấu khảo sát 22 3.2 Phổ phản ứng thiết kế 23 3.3 Thiết kế kết cấu cho cơng trình ngàm 23 3.4 Thiết kế kết cấu cho cơng trình cách chấn 25 3.5 Thiết kế thông số gối cách chấn 27 3.6 Xây dựng mơ hình kết cấu 34 3.7 Mơ hình vật dụng trượt 36 3.8 Các băng gia tốc 36 Chương KẾT QUẢ KHẢO SÁT 38 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Khối lượng tầng cơng trình khảo sát 22 Bảng 3.2 Lực tĩnh ngang tương đương lực cắt tương ứng tầng 25 Bảng 3.3 Lực cắt đáy thiết kế cho cơng trình cách chấn đáy (kN) 26 Bảng 3.4 Độ cứng đàn hồi hệ cách chấn đáy khảo sát (kN/cm) 33 Bảng 3.5 Độ cứng tái bền hệ cách chấn đáy khảo sát (kN/cm) 33 Bảng 3.6 Chuyển vị chảy hệ cách chấn đáy khảo sát (mm) 34 chấn giảm Nói cách khác, hiệu bảo vệ vật dụng trượt tầng cao hệ cách chấn có chu kỳ hữu hiệu bé khơng vượt trội so với cơng trình ngàm làm việc phi tuyến Để thấy rõ điều này, ta xét hiệu bảo vệ vật dụng trượt hệ cách chấn đáy có chu kỳ hữu hiệu khác cách khảo sát chuyển vị trượt lớn vật dụng hệ Các biểu đồ Hình 4.3 cho thấy ảnh hưởng chu kỳ hữu hiệu tỉ số cản hữu hiệu đến chuyển vị trượt vật dụng sàn lầu ứng với cấp độ động đất khác Mỗi điểm biểu đồ giá trị trung bình chuyển vị trượt lớn vật dụng tầng chịu tác động 10 băng gia tốc đại diện cho cấp độ động đất Để xây dựng biểu đồ này, ta phân tích đáp ứng hệ 35 hệ cách chấn đáy thiết kế Chương chịu tác động 30 băng gia tốc đại diện cho cấp độ động đất (10 băng cho cấp độ) Từ lịch sử chuyển vị trượt vật dụng tầng ứng với băng gia tốc, ta xác định chuyển vị trượt lớn Khi ứng với cấp độ động đất ta có 10 chuyển vị lớn (cho vật dụng tầng hệ cách chấn) Lấy trung bình 10 chuyển vị lớn ta điểm biểu đồ Hình 4.3 Tập hợp 35 điểm 35 hệ cách chấn ta biểu đồ số 15 biểu đồ hình Các biểu đồ Hình 4.3 cho thấy ứng với chu kỳ xác định, nhìn chung chuyển vị trượt vật dụng giảm tỉ số cản hữu hiệu tăng lên Điều giải thích tỉ số cản tăng lên khả tiêu tán hệ tăng lên, chuyển vị trượt vật dụng giảm xuống Các đồ thị cho thấy chuyển vị trượt vật dụng giảm nhanh theo tăng chu kỳ hữu hiệu chu kỳ hữu hiệu bé 3,5 giây Khi chu kỳ hữu hiệu lớn 3,5 giây, chuyển vị trượt vật dụng gần không thay đổi theo chu kỳ tỉ số cản hữu hiệu Như để bảo vệ hiệu vật dụng trượt, ta không cần thiết phải tăng chu kỳ hữu hiệu hệ lên 3,5 giây Hình 4.4 biểu diễn giá trị trung bình chuyển vị trượt lớn vật dụng cơng trình ngàm móng cơng trình cách chấn đáy ứng với cấp độ động đất khác Chu kỳ hữu hiệu tỉ số cản hữu hiệu của hệ cách chấn đáy trường hợp Biểu đồ hình cho thấy hiệu rõ rệt hệ cách chấn đáy việc bảo vệ vật dụng trượt Cấp độ 50/50 Cấp độ 10/50 Cấp độ 2/50 0.02 0.2 0.005 0.01 0.1 Trung binh cua chuyen vi truot lon nhat, maxtb (m) u 0.01 0.01 Lầu 5 0.005 0.01 ef f = 0,15 0.02 0.02 0.02 4 Lầu 0.2 Lầu 3 0.2 0.1 0.2 Lầu 0.1 0 5 Chu ky huu hieu cua goi cach chan, Teff (s)  ef f = 0,175 0.1 0.01 0.2 0.1 0.01 0.005 0.01 0.005 0.01 0.01 0.005 0.01 0.02  ef f = 0,2  ef f = 0,225 Lầu  ef f = 0,25 Hình 4.3 Ảnh hưởng chu kỳ hữu hiệu tỉ số cản hữu hiệu đến chuyển vị trượt trung bình vật dụng sàn lầu ứng với cấp độ động đất khác Cong trinh ngam Cong trinh cach chan San lau 4 3 2 1 0 0.02 0 0.04 0.05 0.1 Trung binh chuyen vi truot lon nhat, umaxtb (m) 0.1 0.2 Hình 4.4 Chuyển vị trượt trung bình vật dụng sàn lầu ứng với cấp độ động đất khác Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn khảo sát hiệu hệ cách chấn đáy việc bảo vệ vật dụng trượt cơng trình chịu động đất thơng qua việc khảo sát đáp ứng trượt vật dụng cơng trình giả định tầng Cơng trình tầng thiết kế cho hai trường hợp: ngàm móng cách chấn đáy Trong trường hợp sử dụng hệ cách chấn đáy, cơng trình thiết kế cho tổng cộng 35 hệ cách chấn đáy ứng với chu kỳ hữu hiệu tỉ số cản hữu hiệu khác Chu kỳ hữu hiệu sử dụng luận văn thay đổi từ giây đến giây với bước nhảy 0,5 giây (tổng cộng có chu kỳ) Tỉ số cản hữu hiệu thay đổi từ 0,15 đến 0,25 với bước nhảy 0,025 (tổng cộng có tỉ số cản) Mơ hình kết cấu hệ lý tưởng hóa thành dạng khung chịu biến dạng cắt (shear frame) mơ hình phần mềm mơ OpenSees Có 30 băng gia tốc đại diện cho ba cấp độ động đất sử dụng làm liệu đầu vào cho việc phân tích Các cấp độ động đất quan tâm là: cấp độ động đất có xác suất vượt 50% 50 năm (ứng với chu kỳ lặp 72 năm), cấp độ động đất có xác suất vượt 10% 50 năm (ứng với chu kỳ lặp 475 năm) cấp độ động đất có xác suất vượt 2% 50 năm (ứng với chu kỳ lặp 2475 năm) Từ kết khảo sát, ta rút kết luận quan trọng sau: Hiệu bảo vệ vật dụng trượt hệ cách chấn phụ thuộc vào chu kỳ hữu hiệu tỉ số cản hữu hiệu Chu kỳ hữu hiệu tỉ số cản hữu hiệu tăng chuyển vị trượt giảm Khi chu kỳ hữu hiệu bé 3,5 giây chuyển vị trượt vật dụng giảm nhanh tăng chu kỳ hữu hiệu đồng thời chuyển vị trượt phụ thuộc mạnh vào tỉ số cản hữu hiệu Khi chu kỳ hữu hiệu hệ cách chấn lớn 3,5 giây chuyển vị trượt phụ thuộc vào chu kỳ tỉ số cản Với cơng trình khảo sát sử dụng hệ cách chấn có chu kỳ hữu hiệu 3,5 giây vật dụng gần khơng bị trượt tác dụng ba cấp độ động đất khảo sát Các kết luận cho mơ hình khảo sát Để có kết luận đáng tin cậy nhằm rút quy luật tổng quát cần khảo sát cho nhiều hệ sử dụng mơ hình kết cấu chi tiết Trong mơ hình chi tiết cần phải kể đến: Sự làm việc không gian kết cấu hệ cách chấn Mô tường minh dầm cột cơng trình với mơ hình vật liệu phần tử hợp lý Khảo sát loại vật dụng với hệ số ma sát khác TÀI LIỆU THAM KHẢO R English, G.A Macrae anh R.P Dhakal, Hysteretic Influence on Earthquake Induced Sliding Damage of Contents, 2012 S.L Lin, G.A MacRae, R.P Dhakal & T.Z Yeow, Building Contents Sliding during Earthquakes, 2013 H Riley-Smith, E.S Cain, T Z Yeow, G A MacRae & R.Dhakal, Building content sliding demand – Analytical studies of contents in elastic, MDOF structures, 2014 N Kani, M Takayam and A Wada, Performance of seismically osolated Buidings in Japan, 2006 M Nakashima, A partial view of Japanese Post-Kobe seimic design contruction practices S.R Damodarasamy S Kavitha, Structural dynamics and Aseicmic desing, 2009 N P Hiền, Đánh giá chuyển động trượt vật dụng cơng trình thép theo đặc trưng dao động sàn tác động động đất – ĐHKT, 2015 N V Giang, Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống lập móng – BIS - ĐHBK, 2002 L D Bình, Khảo sát khả giảm chấn cơng trình hệ lập móng kết hợp với hệ cản có độ cứng biến thiên – ĐHBK, 2009 N.V Nam, Nghiên cứu giảm chấn cho cơng trình chịu động đất thiết bị lập dao động có mặt lõm ma sát – ĐHBK, 2008 ASCE, Mininum design loads for buildings and other structures (ASCE 7-10), ASCE Standard, 2010 F Naeim and J M Kelly, Design of seismic isolated structures: from theory to practice, John Wiley and Sons, Inc., 1999 A.K Chopra, Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering, 4th Edition, Prentice Hall, 2012 T A Morgan and S A Mahin, The use of innovative base isolation systems to achieve complex seismic performance objectives, PEER report, 2011 N A Phúc, Ảnh hưởng chuyển vị ban đầu đến úng xử gối cách chấn ma sát lắc đơn, Luận văn thạc sĩ Đại học Bách Khoa TPHCM, 2014 P.G Somerville, Development of ground motion time histories for phase of the FEMA/SAC Steel project, Sacramento, CA: SAC Joint Venture, 1997 PHẦN PHỤ LỤC PHỤ LỤC MÃ LẬP TRÌNH TCL - OPENSEES: XÂY DỰNG VÀ KHẢO SÁT MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU Mơ hình kết cấu ngàm: # UNIT: [F] = kN, [L] = m, [M] = kg; [T] = s wipe; # Xoa tat ca nhung mo hinh bo nho (neu co) # Nhap du lieu dau vao set HStory 3.6; # Khai bao chieu cao tang set NFloor 5.; # Khai bao so tang bang set g 9.81; # Gia toc truong set w [expr 15*10*1.5e4]; # Khai bao luong moi tang (N) set m [expr $w/$g]; # Khai bao khoi luong moi tang (kg) set mf 1.; # Khoi luong vat dung set mu 0.3; # He so ma sat set kH 4.4e8; # Do cung vat lieu theo phuong ngang set kV [expr 100.*$kH]; # Do cung vat lieu theo phuong thang dung set unit 1e-2; set fys1 2613384.; set fys2 [expr $fys1*14./15]; set fys3 [expr $fys1*12./15]; set fys4 [expr $fys1*9./15]; set fys5 [expr $fys1*5./15]; # set Event 3; #Event # set GMX "la41.acc la43.acc la45.acc la47.acc la49.acc la51.acc la53.acc la55.acc la57.acc la59.acc"; # set dt "0.010 0.020 0.010 0.020 0.020 0.020 0.020 0.020 0.020 0.020"; #Event # set GMX "la01.acc la03.acc la05.acc la07.acc la09.acc la11.acc la13.acc la15.acc la17.acc la19.acc"; # set dt "0.020 0.010 0.010 0.020 0.020 0.020 0.020 0.005 0.020 0.020"; #Event set GMX "la21.acc la23.acc la25.acc la27.acc la29.acc la31.acc la33.acc la35.acc la37.acc la39.acc"; set dt "0.020 0.005 0.010 0.020 0.020 0.010 # Define loops to analyze for {set iGM 0} {$iGM < [llength $GMX]} {incr iGM} { set chan [open [lindex $GMX $iGM] "r"]; set nSteps 0; # Number of analysis steps to perform while {[gets $chan line] > 0} { set nSteps [expr $nSteps+1]; 0.010 0.010 0.020 0.020"; }; # initialize the model model BasicBuilder -ndm - ndf 6; # Xay dung mo hinh # Khai bao cac nut - Define nodes for {set iFloor 1} {$iFloor 1} { set SubNodeID [expr $iFloor*10 + 1]; # Khai bao ten nut phu (tu 11, 21, ) node $SubNodeID $XCoord $YCoord $ZCoord;# Khai bao toa cua cac nut phu } } # Gan khoi luong tai cac nut [#mass $nodeTag (ndf $massValues)] for {set iFloor 2} {$iFloor 0} { set nSteps [expr $nSteps+1]; }; # initialize the model model BasicBuilder -ndm - ndf 6; # Xay dung mo hinh # Khai bao cac nut - Define nodes for {set iFloor 1} {$iFloor