Ảnh hưởng của tương tác đất nền lên hệ kết cấu khung phẳng có cô lập móng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA —— VÕ PHƯỚC THÀNH ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN LÊN HỆ KẾT CẤU KHUNG PHẲNG CĨ CƠ LẬP MĨNG Chun ngành : KT Xây Dụng cơng trình DD&CN Mã số ngành : 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG - TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trọng Phước Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Đỗ Kiến Quốc Cán chấm nhận xét 2: TS Châu Đình Thành Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Đảch Khoa, ĐHQG, TP HCM Ngày 22 tháng 07 năm 2016 Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Xuân Hùng PGS.TS Đỗ Kiến Quốc PGS TS Nguyễn Trung Kiên TS Châu Đình Thành TS Nguyễn Văn Hiếu Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên nghành sau khỉ luận văn sửa chữa (nếu cố) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG —oOo— ’ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ PHƯỚC THÀNH MSHV: 7140168 Ngày, tháng, năm sinh: 26/09/1991 Nơi sinh: Bình Dương Chuyền ngành: KTXD Cơng trình DD&CN Mã số: 60580208 TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN LÊN HỆ KẾT CẤU KHUNG PHẲNG CĨ CƠ LẬP MĨNG 1- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: > Tìm hiểu mơ hình gồm có kết cấu khung phẳng với bậc tự chuyển vị sàn tầng, thiết bị cách chấn gối cao su lõi chì (LRB) có xét ảnh hưởng tương tác kết cấu - đất nền, mơ tả mơ hình tham số đặc trung > Thiết lập tốn động lực học gồm mơ hình kết cấu chịu tác dụng gia tốc động đất ảnh hưởng tương tác đất nền, suy phương trình vi phân chuyển động hệ > Phân tích hiệu kháng chấn hệ kết cấu chịu động đất dựa chương trình tính tốn xây dựng ngơn ngữ lập trình MATLAB, đánh giá ảnh hưởng tham số đất lên phản ứng hệ kết cấu 2- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/01/2016 3- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 17/06/2016 4- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC Tp HCM, ngày tháng năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH TS Nguyễn Trọng Phước TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Trọng Phước Thầy ln tận tình hướng dẫn, giúp đỡ theo dõi để tơi hồn thành luận văn tốt đẹp Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM, Quý thầy cô khoa Kỹ thuật xây dựng đặc biệt thầy cô môn Sức bền Kết cấu truyền đạt cho kiến thức hữu ích kinh nghiệm quý báu tạo điều kiện giúp tơi hồn thành tốt luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân bạn bè, người ủng hộ, động viên nhắc nhở suốt trình học tập nghiên cứu Xin hân trọng cảm ơn Võ Phước Thành ii TÓM TẮT Luận văn phân tích ảnh hưởng tương tác đất lên hệ khung phẳng có lập móng chịu gia tốc động đất Mơ hình kết cấu gồm có khung phẳng với bậc tự chuyển vị sàn tầng, thiết bị cách chấn gối cao su lõi chì (LRB) có xét ảnh hưởng tương tác kết cấu - đất Đất mô hình hóa thành bậc tự theo phương ngang góc xoay Phương trình chuyển động hệ kết cấu thiết lập dựa nguyên lý cân động có xét ứng xử phi tuyến đất giải phương pháp số Newmark ửên tồn miền thời gian Một chương trình máy tính viết ngơn ngữ lập trình MATLAB để giải toán động lực học hệ khung phẳng gồm kết cấu bên hên, móng có gắn gối cao su lõi chì (LRB) đất chịu tác dụng gia tốc trận động đất Kết số thu chuyển vị, vận tốc, gia tốc lực cắt để khảo sát hiệu kháng chấn hệ kết cấu Ngồi ra, luận văn khảo sát ảnh hưởng thông số trọng lượng riêng đất, hệ số Poisson, vận tốc sóng cắt, độ cứng gối cao su lõi chì (LRB) đến phản ứng hệ kết cấu chịu động đất LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tơi thực hướng dẫn Thầy TS Nguyễn Trọng Phước Các kết ửong luận văn thực cách trung thực khách quan Các số liệu từ tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ TP Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 06 năm 2016 Võ Phước Thành MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii LỜI CAM ĐOAN iii MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ X DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU xiii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 CẤU TRÚC LUẬN VĂN .6 CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN 2.1 GIỚI THIỆU 2.2 HỆ CÔ LẬP MĨNG GỐI CAO SU LÕI CHÌ (LRB) 2.3 TƯƠNG TÁC KẾT CẤU - ĐẤT NỀN (SSI) .11 2.4 HỆ CƠ LẬP MĨNG CĨ XÉT TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN 16 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 17 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .18 3.1 GIỚI THIỆU 18 3.2 MƠ HÌNH BÀI TỐN 18 3.3 HỆ CƠ LẬP MĨNG GỐI CAO SU LÕI CHÌ (LRB) 19 3.4 TƯƠNG TÁC KẾT CẤU - ĐẤT NỀN (SSI) 21 V 3.4.1 Module kháng cắt động 23 3.4.2 Vận tốc sóng cắt .24 3.4.3 Hệ số Poisson 26 3.4.4 Khối lượng riêng 28 3.4.5 Các tham số động học đất 30 3.5 PHƯƠNG TRÌNH CHUYÊN ĐỘNG CỦA HỆ KẾT CẤU 33 3.5.1 Giả thuyết tính tốn 33 3.5.2 Thiết lập phương trình chuyển động 34 3.6 PHƯƠNG PHÁP GIẢI VÀ THUẬT TOÁN 43 3.6.1 Phương pháp giải 43 3.6.2 Thuật toán .44 3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 46 CHƯƠNG 4: ví DỤ SỐ .47 4.1 GIỚI THIỆU 47 4.2 SỐ LIỆU CÁC TRẬN ĐỘNG ĐẤT 47 4.3 KIÊM CHÚNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 51 4.3.1 Bài toán tần số dao động riêng 51 4.3.2 Bài tốn khung phẳng có gắn thiết bị cách chấn LRB 52 4.4 ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN CỦA KHUNG PHẰNG CÓ CƠ LẬP MĨNG .53 4.5 KHẢO SÁT GIA TỐC CÁC TRẬN ĐỘNG ĐẤT .59 4.6 KHẢO SÁT SỰ BIẾN THIÊN GIÁ TRỊ HỆ SỐ POISSON 64 4.7 KHẢO SÁT SỰ BIẾN THIÊN GIÁ TRỊ TRỌNG LƯỢNG RIÊNG 68 4.8 KHẢO SÁT SỰ BIẾN THIÊN GIÁ TRỊ VẬN TỐC SÓNG CẮT 73 4.9 KHẢO SÁT GỐI CAO SU LÕI CHÌ (LRB) 77 vi 4.10 KẾT LUẬN CHƯƠNG 83 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 84 5.1 KẾT LUẬN 84 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT FEM Finite Element Method - phương pháp phần tử hữu hạn FPS LRB Friction Pendulum System - g'-'i ma sát đơn Lead Rubber Bearing - gối cao su lõi chì NRB Natural Rubber Bearing - gÁi cao su tự nhiên SSI Soil Structure Interaction - tương tác kết cấu đất 64 KHẢO SÁT Sự BIẾN THIÊN GIÁ TRỊ HỆ SỐ POISSON 4.6 Xét mơ hình kết cấu tầng chịu gia tốc Hachinohe Hệ có khối lượng tầng mt =m = 5.0xl05 kg,mh =7.5xl05 kg, độ cứng tầng kỉ=k2=k3=k4=2k k5=k6=k2 =ks=k với k - 5.0 XÍO8 N/m, tỷ số cản £, = 5% Chiều cao tầng hị = h = 3.5 m Giả thuyết hệ kết cấu có 12 cột, sử dụng gối cách chấn cao su lõi chì loại LRB- SN 550/200-145 (PHỤ LỤC A) Đất có dung trọng Ỵ = 18 kN / m3, vận tốc sóng cắt Vs = 300 m/ s Hệ số Poisson có giá trị thay đổi khoảng 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 Đất ứng xử phi tuyến với độ cứng quy đổi k = k^ - k2u2 (N /m) Trường hợp xem đất ứng xử tuyến tính, độ cứng quy đổi số, ^h2 = kr2 = • Khảo sát dao động khung phẳng trường hợp: Khơng có hệ lập móng, liền kết chân cột liền kết ngàm - Có hệ lập móng, liên kết chân cột liên kết ngàm - Có hệ lập móng, xét ảnh hưởng đất với độ cứng quy đổi tuyến tính - Có hệ lập móng, xét ảnh hưởng đất với độ cứng quy đổi phi tuyến Kết chuyển vị lực cắt tầng theo thời gian trường hợp: 65 CWT1H V| ĨL«3WIC4 TƠT Iinx Àr iú3fcT.ũtii Hệ số Poisson V = 0.2 CHVTf s H lVWn BỂITint TÃSG I i.Vi'Ai 11 Mử tús> Hệ số Poisson V = 0.25 uA.-0.3 chênh lệch lực cắt tầng xét ứng xử phi tuyến tuyến tính xấp xĩ 5%, tùy thuộc vào yêu cầu tốn mà bỏ qua ứng xử phi tuyến đất để việc tính tốn đơn giản 67 Bảng 4.9 Chuyển vị tương đối tầng thay đổi hệ sổ Poisson Bảng 4.10 Lực cắt tầng khỉ thay đổi hệ sổ Poisson U a 68 Tẩng Hình 4.24 Chuyển vị tương đối tầng thay đồi hệ sổ Poisson Hình 4.25 Lực cắt tầng khỉ thay đồi hệ số Poisson 4.7 KHẢO SÁT Sự BIÉN THIÊN GIÁ TRỊ TRỌNG LƯỢNG RIÊNG Xét mơ hình kết cấu tầng chịu gia tốc Hachìnohe Hệ có khối lượng tàng m =m = 5.0xl05 kg,™^ = 7.5xl05 kg, độ cứng tầng =^2 =kj =k4 =2fc k5 =k6=k1=ki=k với k = 5.0x10?N/m, tỷ số cản ệ = 5% Chiều cao tầng ht=h = 3.5m Giả thuyết hệ kết cấu cố 12 cột, sử dụng gối cách chấn cao su lõi chì loại LRB- 69 SN 550/200-145 (PHỤ LỤC A) Đất có hệ số Poisson V = 0.3 , vận tốc sóng cắt Vs = 300 mỉ s Dung trọng Ỵ có giá tậ thay đổi khoảng 16,17,18,19, 20 w/m3 Đất ứng xử phi tuyến với độ cứng quy đổi k = kị - k2u2 (Nỉ nì) Trường hợp xem đất ứng xử tuyến tính, độ cứng quy đổi số, khỉ Khảo sát dao động khung phẳng trường hợp: - Khơng có hệ lập mống, liên kết chân cột liên kết ngàm - Cố hệ cô lập móng, liên kết chân cột liên kết ngàm - Có hệ lập mống, xét ảnh hưởng đất với độ cứng quy đổi tuyến tính - Có hệ lập mống, xét ảnh hưởng đất với độ cứng quy đổi phi tuyến Kết chuyển vị lực cắt tầng theo thời gian trường hợp: □UriHYlltiMrtaiCHiiftw CÁI iTku 1JUKI 70 IJV-: Ãc ìCMi IÃKÍ J \ 1 1 11 1 K-B T íắBp ■Ị=nkNlmz 11 n' r* n n TnuEKỈi rt TMJ1 Av.1 IJ_r 1AI TEHJ r A Híí ÌMM S In ISLV/ÍM Ỵ =19 kN/m* CHI -f I > I n I fv ; ixn IHOO T í UV:ÁỈ KirtìUiuũ rí.F TẾH ỵ = 2ồkN/m3 Hình 4.26 Chuyển vị tương đối lực cắt tầng thay đổi trọng lượng riêng 71 Khi tăng trọng lượng riêng từ 16 đến 20 kN Ị m3, giá trị độ cứng hệ số cản quy đổi đất tăng lên, chuyển vị giảm dần từ 6.84 - 9.14%, lực cắt giảm dần từ 6.84 - 19.63% Trường hợp đất tuyệt đối cứng, không phụ thuộc vào tham số học đất, giá tri chuyển vị lực cắt hệ cô lập mống không đổi Trường hợp xét ảnh hưởng đất lên hệ kết cấu, khỉ tăng giá trị trọng lượng riêng, ảnh hưởng ứng xử phi tuyến giảm dần, với giá trị trọng lượng riêng đủ lớn cố thể bỏ qua ảnh hưởng úng xử phi tuyến đất Chênh lệch chuyển vị tương đối tầng xét ứng xử phỉ tuyến so với ứng xử tuyến tính đất trường hợp Y=16fóVỉm3 5.73 - 7.81%, Ỵ=17 kN/m3 3.67 - 4.99%, Y=18jW/m3 2.70-3.62%, Y = 19fcV/m3 2.10 - 2.76% y = 20JW/m3 1.68 - 2.24% Chênh lệch lực cắt tầng xét ứng xử phi tuyến so với ứng xử tuyến tính đất trường hợp Y=16ĂẩV/m3 5.73 - 16.10%, Y=17W/m3 là3.67- 10.02%, Y=18W/m3 là2.70 - 7.55%, Y=19W/m3 là2.10- 5.98% y=20£V/m3 1.68 - 4.89% Bảng 4.1 ỉ Chuyển vị tương đổi tầng khỉ thay đổi giá trị trọng lượng riêng a ẽ òa 72 Bảng 4.12 Lực cắt tầng thay đổi giá trị trọng lượng riêng CHUYỂN VỊ TƯƠNG EKJ1 TỪNG TẦNG Hình 4.27 Chuyển vị tương đổi tầng thay đổi giá trị trọng lượng riêng 73 Hình 4.28 Lực cắt tầng thay đồi giá trị trọng lượng riêng 4.8 KHẢO SÁT Sự BIẾN THIÊN GIÁ TRỊ VẬN TÓC SÓNG CẮT Xét mơ hình kết cấu tầng chịu gia tốc Hachìnohe Hệ có khối lượng tầng = m = 5.0x105 kg,™* =7.5xl05 kg, độ cứng tầng ky = k2 = k$ = k4 = 2k k5 = k6=k7 = kÈ=k với £ = 5.0x10?Nỉm, tỷ số cản 2, = 5% Chiều cao tầng hị = h = 3.5 m Giả thuyết hệ kết cấu có 12 cột, sử dụng gối cách chấn cao su lõi chì loại LRB- SN 550/200-145 (PHỤ LỤC A) Đất có hệ số Poisson V = 0.3, dung trọng Ỵ = 18 kN ỉ m3 Vận tốc sóng cắt Vs cố giá trị thay đồi frong khoảng 200, 300, 400, 500, 600 m/s Đất ứng xử phi tuyến với độ cứng quy đổi k = ky - k2u2 (N Ị ni) Trường hợp xem đất ứng xử tuyến tính, độ cứng quy đồi số, Khảo sát dao động khung phẳng trường hợp: 74 - Khơng có hệ lập móng, liên kết chân cột liên kết ngàm - Cố hệ lập móng, liên kết chân cột liên kết ngàm - Có hệ lập mống, xét ảnh hưởng đất với độ cứng quy đổi tuyến tính - Có hệ lập mống, xét ảnh hưởng đất với độ cứng quy đổi phi tuyến Kết chuyển vị lực cắt tầng theo thời gian trường hợp: IU?I !• l*111 V = 300m/s ■IKYtSiVI rvewiisArt'FCTAiKJ LUl'L ii Itlv.i I.ÍMI ■ilud tim KiụXíKi 7"' ■s £ 1 V =400m/í 11 J Ll 1 75 I I.H'LAI ILirh IA Sri I Tii I ĨIẸ Vs=500m/s Of 1f V n n' SOFXH n ■ J, 5Ù- F I • *11 ■■■■• -.■■■ Vs = 600m/ J Hình 4.29 Chuyển vị tương đổi lực cắt tầng thay đổi vận tốc sống cắt Khỉ tăng vận tốc sóng cắt từ 200 đến 600 m! s, giá tộ độ cứng hệ số cản quỵ đổi đất tăng lên, chuyển vị giảm dần từ 35.66 - 49.53%, lục cắt giảm dần từ 35.66 132.15% Trường hợp đất tuyệt đối cứng, không phụ thuộc vào cấc tham số học đất, giá tri chuyển vị lực cắt hệ cô lập mống không đổi Trường hợp xét ảnh hưởng đất lên hệ kết cấu, khỉ tăng giá trị vận tốc sống cắt, ảnh hưởng ứng xử phi tuyến giảm dần, vối giá tộ vận tốc sóng cắt đủ lớn bỏ qua ảnh hưởng ứng xử phỉ tuyến đất Chênh lệch chuyển vị tương đối tầng xét ứng xử phi tuyến so với ứng xử tuyến tính đất trường hợp VJ=200m/s 7.57 - 10.42%, Vg =300m/s 0.42 - 0.56%, Vi=400m/í 0.07 - 0.10%, ỵ;=500m/í 0.02 - 0.03% ỵ^óOOm/s 0.01% Chênh lệch lực cắt tầng xét ứng xử phi tuyến so với ứng xử tuyến tính đất trường hợp Vs=2ồồm/s 7.57 - 20.20%, vs =300m/s 0.42 - 1.19%, Vs =400m/s 0.07 - 0.24%, Vs =500m/5 0.02 0.07% vs =600mỉs 0.01 - 0.02% 76 Bảng 4.13 Chuyển vị tương đối tầng khỉ thay đổi giá trị trọng lượng riêng Bảng 4.14 Lực cắt tầng thay đồi giá trị trọng lượng riêng 77 Hình 4.30 Chuyển vị tương đối tầng thay đồi giá trị vận tắc sồng cắt Hình 4.3ỉ Lực cắt tầng khỉ thay đổi giá trị vận tốc sóng cắt 4.9 KHẢO SẮT GỐI CAO su LÕI CHÌ (LRB) Xét mơ hình kết cấu tầng chịu gia tốc Hachinohe Hệ có khối lượng tàng = m = 5.0xl05 kg.iHi, = 7.5xl05 kg, độ cứng tầng hì =k2=k3=k4 = 2k k5=k6 = kj =k*=k với £ = 5.0x10?Ntỷ số cản ậ = 5% Chiều cao tầng hị = h = 3.5 m 78 Khảo sát loại gối LRB saư (phụ lục A): LRB-S 600/204-130, LRB-S 650/204140, LRB-SN 550/200-145, LRB-S 700/203-150 LRB-SN 600/204- 150 Đất có dung trọng y = 18W / m3, hệ số Poisson v=0.3, vận tốc sóng cắt vs = 300m/s Khảo sát dao động khung phẳng trường hợp: - Khơng cố hệ lập móng, liên kết chân cột liên kết ngàm - Cố hệ cô lập móng, liên kết chân cột liên kết ngàm - Có hệ lập mống, xét ảnh hưởng đất với độ cứng quy đổi tuyến tính - Có hệ lập mống, xét ảnh hưởng đất vởỉ độ cứng quy đổi phỉ tuyến Kết chuyển vị, gia tốc tầng đỉnh thu hình sau: nrrvĨM VỊ iLìỹ«i«ri lii i.vinsu iUiiai T.tóHi Iir.il lì 1 □- Ị' 1 1 - 11* 11 *1 ĩ_ TW> ÉÍIIK LRB-S 600/204-130 IHI’VÂM ¥| I !fthn rainì T-ÙR-I nhu 4IU It< i: rÀMi 111*11 LRB-S 650/204-140 fclfciM—ĩ ... xét hệ kết cấu khung phẳng tầng trường hợp: - Không cố hệ cô lập mống, liên kết chân cột liên kết ngàm - Cố hệ lập móng, liên kết chân cột liên kết ngàm - Cố hệ cô lập mống, xét ảnh hưởng đất. .. (LRB) có xét ảnh hưởng tương tác kết cấu - đất nền, mơ tả mơ hình tham số đặc trung > Thiết lập tốn động lực học gồm mơ hình kết cấu chịu tác dụng gia tốc động đất ảnh hưởng tương tác đất nền, ... cọc ảnh hưởng lớn đến phản ứng kết cấu 2.4 HỆ CƠ LẬP MĨNG CĨ XÉT TƯƠNG TÁC ĐẤT NÈN Một số đề tài nghiên cứu hệ cô lập móng có xét tương tác đất để mơ kết cấu gần với thực tế hơn, kể đến tác giả