Ebook Phân tích phi tuyến và thiết kế kháng chấn các công trình bê tông cốt thép

60 51 0
Ebook Phân tích phi tuyến và thiết kế kháng chấn các công trình bê tông cốt thép

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Cuốn sách Phân tích phi tuyến và thiết kế kháng chấn các công trình bê tông cốt thép trình bày khái niệm năng lượng và mô hình thiệt hại, ứng xử của nhà có kết cấu tường cứng. Hy vọng nội dung cuốn sách phục vụ hữu ích cho các bạn.

2 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN VÀ THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN CÁC CƠNG TRÌNH BÊ TƠNG CỐT THÉP Xuất bản bởi Peter Fajfar and Helmut Krawinkler Elsevier Applied Science (tên nhà cung cấp dịch vụ) Cũng có thể dùng như một quyển sách in Có thể thấy tiêu đề sách trong mã số sách tiêu chuẩn quốc tế (ISBN) Bộ sách này bao gồm các bài báo cơng bố tại Hội thảo về phân tích phi tuyến và thiết kế  kháng chấn các cơng trình bê tơng cốt thép, Bled, Slovenia, Nam Tư, từ 13­16 tháng 7 năm  1992 Tháng 7 năm 1992 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN VÀ THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN CÁC CƠNG TRÌNH BÊ TƠNG CỐT THÉP Xuất bản bởi PETER FAJFAR Trường đại học của Ljubljana, Slovenia And Helmut Krawinkler Trường đại học Stanford, Hoa kỳ Cung cấp bởi: ELSEVIER APPLIED SCIENCE LONDON VÀ NEW YORK Nhà xuất bản Elsevier Science LTD Crown House, Linton Road, Barking, Essex IG11 8JU, England Phiên bản này được công bố trên Taylor & Francis e­Library, 2005 "Để   mua         tài   liệu       bất   kỳ   tài   liệu       Taylor   &   Francis     Routledge của bộ sưu tập của hàng ngàn tài liệu vui lòng vào www.eBookstore.tandf.co.uk. " Nhà phân phối độc quyền tại Mỹ và Canada Nhà xuất bản Elsevier Science 655 Avenue of the Americas, New York, NY 10010, USA VỚI 21 bảng biểu và 215 hình ảnh minh họa Nhà xuất bản Elsevier Science, 1992 Thư viện Anh biên mục trong bản dữ liệu chung Phân tích phi tuyến và thiết kế kháng chấn các cơng trình bê tơng cốt thép I. Fajfar, Peter II. Krawinkler, Helmut 693.54 ISBN 0­203­21517­6 Master e­book ISBN ISBN 0­203­27153­X (Bản đọc điện tử) ISBN 1­85166­764­4 (Bản in) Thư viện dữ liệu hội nghị CIP Khơng chịu trách nhiệm bảo lãnh cho các nhà xuất bản với bất kỳ  sai sót hoặc thiệt hại nào  về người và tài sản như một vấn đề về trách nhiệm sản phẩm, do sơ suất hay khơng, hay từ  bất kỳ sử dụng các ứng dụng nào của các phương pháp, sản phẩm, hướng dẫn hoặc những ý  tưởng chứa trong các tài liệu này Quy định đặc biệt cho độc giả ở Mỹ Ấn   phẩm         đăng   ký   với   Copyright   Clearance   Center   Inc   (CCC),   Salem,   Massachusetts. Thơng tin có thể được thu nhận từ CCC về điều kiện sao chép các phần của ấn  phẩm này có thể  được thực hiện  ở Mỹ. Tất cả  câu hỏi về  bản quyền khác, bao gồm cả  sao  chép bên ngồi nước Mỹ, nên được chuyển đến các nhà xuất bản Tất cả quyền được bảo lưu. Khơng có phần nào của ấn phẩm này có thể  được sao chép, lưu  trữ trong hệ thống phục hồi, hoặc truyền dưới mọi hình thức hoặc bằng bất kỳ phương tiện,   điện tử, cơ khí, sao chép, ghi âm  mà khơng được trước sự  cho phép bằng văn bản của các  nhà xuất bản LỜI NĨI ĐẦU Chun khảo này là một bản tóm tắt các bài viết, tập trung vào hai chủ  đề  chính liên  quan đến việc kháng chấn các kết cấu bê tơng cốt thép: (a) Khái niệm năng lượng và mơ hình phá hoại trong phân tích và thiết kế kháng chấn (a) Phân tích và ứng xử của nhà với kết cấu tường cứng chịu tác dụng động đất Các bài viết này nhằm chuẩn bị cho một đánh giá trạng thái kiến thức và việc xác định   các nghiên cứu và thực hiện các nhu cầu trong tương lai về hai chủ đề  này. Chúng tạo thành   cơ sở cho các cuộc thảo luận sẽ diễn ra tại một hội thảo dự kiến  cho mùa hè năm 1992 và cho  các khuyến nghị để phát triển và thơng tin cho cộng đồng nghiên cứu và thiết kế theo dõi xuất   bản. Người ta hy vọng rằng cả chun khảo và hội thảo này sẽ đóng góp vào việc đạt được   các mục tiêu của Thập kỷ Quốc tế cho giảm nhẹ thiên tai (IDNDR) Hai chủ  đề  này đã được lựa chọn vì tầm quan trọng của chúng trong thiết kế  kháng  chấn và sự cần thiết cho việc đánh giá và phổ biến các tiến bộ gần đây trong các khu vực. Đã   từ  lâu cơng nhận rằng năng lượng đầu vào, năng lượng hấp thu và năng lượng tiêu tán là   những yếu tố  cơ  bản nhất kiểm sốt hoạt động địa chấn. Đã   cuối của tuổi ngũ tuần,   GWHousner đề xuất "một kiểu thiết kế giới hạn trong phân tích để đảm bảo rằng kết cấu có  khả  năng hấp thụ  năng lượng để  cung cấp cho một yếu tố  đủ  an tồn chống lại sự  sụp đổ  trong trường hợp chuyển động mặt đất cực kỳ mạnh". Năm 1960 John A.Blume, trong bài báo   kinh điển của ơng về  các kỹ  thuật dự  trữ  năng lượng (2WCEE), nói rằng "với các thủ  tục   được nêu, những bất thường của nhiều trận động đất lịch sử khó hiểu có thể  được giải thích  như thể khoảng cách giữa dữ liệu phổ đàn hồi và khả năng chống động đất ". Tuy nhiên ngày   nay, khái niệm năng lượng đã bị  bỏ  qua trong thiết kế  chống động đất vì sự  phức tạp trong  việc định lượng rõ ràng về  nhu cầu năng lượng cũng như  năng lực và sự  thực hiện đầy đủ  của họ trong q trình thiết kế. Các bài báo trình bày trong phần đầu tiên của chun khảo này  minh họa các dạng năng lượng cùng với các mơ hình tích lũy thiệt hại có thể được sử dụng để  cung cấp thơng tin định lượng hữu ích để đánh giá thiệt hại và thiết kế như thế nào. Người ta   hy vọng rằng một nghiên cứu của các bài báo này để  lại cho người đọc với một  ấn tượng   rằng thiết kế  dựa trên năng lượng là một khái niệm khả  thi, nhưng nó cũng thừa nhận rằng   còn nhiều việc cần phải được thực hiện để  đơn giản hóa thiết kế  dựa trên năng lượng đến  một mức độ có thể hữu ích cho thiết kế thực hành.  10 Ở  nhiều quốc gia, sử  dụng rộng rãi kết cấu tường cứng (tường chịu cắt) để  tăng sức  mạnh và độ cứng của hệ thống chịu tải trọng ngang. Mới đây các trận động đất thường cho   thấy khả  năng chịu lực tốt hơn của các tòa nhà cao tầng có chứa kết cấu tường cứng so với   các tòa nhà có hệ thống kết cấu thuần khung. Rõ ràng, sự  nhận xét này khơng thể  được khái   qt từ  những hoạt động kháng chấn bị   ảnh hưởng rất nhiều bởi sự bố trí, độ  cứng và cấu  tạo, cũng như bởi chế độ biến dạng chính của tường cứng (uốn hay cắt). Mặc dù tường cứng   có tầm quan trọng lớn trong hoạt động kháng chấn từ lâu đã được cơng nhận, nhưng mơ hình  tốn học của  ứng xử  tĩnh và động  phi tuyến của các kết cấu có chứa tường cứng chỉ  đang  trong giai đoạn phát triển. Phần thứ  hai của chun khảo này giải quyết các vấn đề  quan   trọng về  mơ hình và thiết kế cho kết cấu tường cứng và các tòa nhà có sự  tham gia của các   tường cứng trong kháng chấn. Các bài báo minh họa sự phức tạp của các vấn đề  nhưng cũng   đề  xuất các giải pháp kỹ  thuật nhằm mục đích đóng góp cho một dự đốn chính xác hơn về  ứng xử của các tòa nhà chứa kết cấu tường cứng chịu động đất Chun khảo này thảo luận về  lựa chọn các vấn đề  quan trọng trong thiết kế  kháng   chấn các cơng trình bê tơng cốt thép. Nó khơng u cầu đưa ra các giải pháp cuối cùng cho bất   kỳ vấn đề nào được nghiên cứu và có thể đề xuất câu hỏi nhiều hơn là trả  lời. Mục đích của   nó là để tạo cơ sở cho hội thảo khoa học nhà nước và nghiên cứu cũng như thực hiện các nhu   cầu. Độc giả  được khuyến khích trao đổi các ý kiến  của mình với các tác giả  hoặc biên tập  sách để  xem xét tại hội thảo cho các bài báo đã được viết và được lên kế  hoạch cho tháng 7   năm 1992 Chúng tơi biết  ơn sâu sắc đến các tác giả  đã viết bài và chuẩn bị  chu đáo cho chuyên   khảo này và đã thực hiện các  cam kết tham gia vào một hội thảo quốc tế  tại Bled gần   Ljubljana. Hội thảo này đã được lên kế  hoạch ban đầu cho tháng sáu năm 1991 nhưng đã bị  hỗn lại cho đến mùa hè năm 1992. Chúng tơi cũng cảm  ơn nhiều tới Nhà xuất bản Elsevier  Science Ltd đã đồng ý để  thực hiện các  ấn phẩm này giúp các bạn đọc có thể  quan tâm một  cách kịp thời Tài  trợ   cho hội  thảo  để    bài   báo  này   viết   cung cấp  bởi Quỹ  Mỹ­ Yugoslav phần Hợp tác khoa học và kỹ thuật trong liên kết với Mỹ. Quỹ Khoa học Quốc gia,   Mỹ. Viện Tiêu chuẩn và Cơng nghệ, Bộ Khoa học và Cơng nghệ  của Cộng hòa Slovenia, và  Học viện Khoa học và Nghệ thuật Slovenia 11 Peter Fajfar Giáo sư Kết cấu và kỹ thuật địa chấn, Đại học Ljubljana, Ljubljana, Slovenia Helmut Krawinkler Giáo sư Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Stanford, Stanford, California, Mỹ 47 Các nhu cầu địa chấn đại diện cho các u cầu áp đặt bởi các chuyển động trên mặt đất  trên các tham số biểu diễn kết cấu có liên quan. Trong một phạm vi cục bộ, điều này có thể là  nhu cầu về lực dọc trong một cột hay góc xoay của một khớp dẻo trong một dầm.v.v. Do đó,  các nhu cầu cục bộ phụ thuộc nhiều vào đặc tính ứng xử cục bộ và tổng thể của kết cấu, mà  nó khơng thể được xem xét trong một nghiên cứu liên quan đến một đánh giá tổng thể về các   nhu cầu địa chấn. Trong nghiên cứu này, chỉ  các hệ  SDOF và hệ  MDOF đơn giản được sử  dụng như  các mơ hình kết cấu. Giả sử  rằng các mơ hình này có một cường độ  dẻo xác định   hợp lý, các tham số nhu cầu địa chấn cơ bản dưới đây hất đóng một vai trò quan trọng trong   việc thực hiện q trình thiết kế. Một số thuật ngữ được sử dụng trong những định nghĩa này   được minh họa trong hình 2 Nhu cầu cường độ  đàn hồi, Fy,e. Tham số  này xác định cường độ  giới hạn chảy u  cầu của hệ  kết cấu để   ứng xử  đàn hồi đối với một chuyển động mặt đất. Đối với các hệ  SDOF, các phổ phản ứng đàn hồi cung cấp thông tin cần thiết về tham số này Nhu cầu độ dẻo, μ. Tham số này được định nghĩa là tỷ số của biến dạng lớn nhất trên   biến dạng đàn hồi giới hạn cho một hệ với một cường độ  giới hạn chảy nhỏ  hơn nhu cầu   cường độ đàn hồi Fy,e Nhu cầu cường độ  không đàn hồi, Fy(μ). Tham số  này xác định cường độ  giới hạn  chảy yêu cầu của một hệ không đàn hồi để hạn chế nhu cầu độ dẻo đến một giá trị của μ.  Hệ  số  suy giảm cường độ, Ry(μ). Tham số này xác định việc giảm cường độ  đàn hồi   mà sẽ  dẫn đến một nhu cầu độ  dẻo của μ. Do vậy, Ry(μ) = Fy,e / Fy(μ). Tham số này thường  được ký hiệu là R Năng lượng và các nhu cầu phá hủy tích lũy. Từ  các tham số  thiệt hại tích lũy được  thảo luận trong phần trước, chỉ có hai tham số được thảo luận ở đây: Năng lượng trễ, HE: Năng lượng tiêu tán trong kết cấu qua các biến dạng khơng đàn hồi Tổng năng lượng tiêu tán, TDE: TDE = HE + DE (TDE thường bằng với năng lượng đầu   vào lớn nhất IE, ngoại trừ các kết cấu có chu kỳ dao động ngắn và các kết cấu có xung vận  tốc rất lớn) Danh sách các tham số nhu cầu địa chấn được liệt kê   đây khơng có nghĩa là sẽ  hồn   thành. Nhưng đối với các nghiên cứu về khái niệm có thể học được nhiều từ các tham số này   Trong phần dưới đây những tham số này được đánh giá đối với các chu kỳ  gần nhau của hai   loại hệ kết cấu một bậc tự do nhằm cho phép biểu diễn dưới dạng phổ,  sử dụng một phạm  vi chu kỳ từ  0,1s đến 4,0s. Trong phần tiếp theo cường độ  và và u cầu độ  dẻo được đánh   giá đối với ba loại hệ MDOF, sử dụng sáu chu kỳ rời rạc trong phạm vi từ 0,22­2,05s 48 Hình 2: Các tham số nhu cầu địa chấn cơ bản Hình 3: Mơ hình suy giảm độ cứng SỐ LIỆU THỐNG KÊ VỀ CÁC NHU CẦU ĐỊA CHẤN HỆ MỘT BẬC TỰ DO ĐỐI VỚI CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐẤT NỀN CỨNG VÀ ĐÁ Các kết quả thảo luận  ở đây được lấy từ  một nghiên cứu thống kê có sử  dụng 15 bản  ghi nhận chuyển động mặt đất khu vực Tây nước Mỹ  từ  những trận động đất khác nhau, ở  cường độ từ 5,7­7,7. Tất cả các ghi nhận đều từ  các vị  trí tương ứng với loại đất nền S1 (đá  hoặc đất cứng). Phân tích lịch sử thời gian được thực hiện với mỗi bản ghi, sử dụng mơ hình   phi tuyến song tuyến tính (xem hình 2) và mơ hình suy giảm độ  cứng (xem hình 3) các hệ  SDOF trong đó các cấp chảy được điều chỉnh sao cho các tỷ lệ độ dẻo mục tiêu được xác định  49 trước rời rạc là 2, 3,4, 5, 6, và 8. Cản tới hạn 5% đã được sử  dụng trong tất cả các phân tích   và cứng hóa biến dạng là α = 0, 2%, và 10% đã được nghiên cứu tỉ mỉ Từ vấn đề của việc phóng đại các bản ghi nhận tới một mức độ nghiêm trọng chung là   một vấn đề chưa được giải quyết, tất cả các kết quả hiển thị ở đây được trình bày theo một   dạng mở rộng quy mơ khơng cần thiết. Điều này được thực hiện bằng cách tính tốn cho mỗi  bản ghi các tham số nhu cầu với các tỷ  lệ  độ  dẻo xác định và đơn giản hóa các tham số  nhu  cầu bằng số mà làm cho kết quả  khơng thứ  ngun. Việc đơn giản hóa thơng số  này sau đó  được đánh giá về mặt thống kê. Chỉ có các giá trị trung bình của mẫu được trình bày ở đây Phổ trung bình điển hình của năng lượng trễ thơng thường, NHE = HE / F yδy, cho hệ một  bậc tự  do song tuyến được thể  hiện trong hình 4. Các biểu đồ  hiển thị   ảnh hưởng đáng kể  của chu kỳ  hệ  thống trên tham số  này, đặc biệt là đối với các tỷ  lệ  độ  dẻo cao. Như  vậy,   hằng số NHE là một thước đo của phá hủy cân bằng, nó sẽ thận trọng để  hạn chế khả  năng   biến dạng dẻo cho các kết cấu có chu kỳ  dao động ngắn tới các giá trị  thấp hơn đáng kể  so   với các kết cấu có chu kỳ  dao động dài. Những gì khơng được hiển thị  trong phổ  trung bình   này là  ảnh hưởng của khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh trên NHE. Nó được cơng  nhận rằng,  ảnh hưởng này là rất lớn, nhưng khơng có thành cơng nào được báo cáo trong các   nỗ lực của chúng ta về tương quan giữa NHE và khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh,   ngay cả khi sử dụng một số các định nghĩa hiện nay về khoảng thời gian chuyển động mạnh Ảnh hưởng của các mơ hình trễ  khác nhau (mơ hình suy giảm độ  cứng so với mơ hình   song tuyến tính) trên NHE được minh họa trong hình 5. Nói chung, và đặc biệt là với các hệ có  chu kỳ  dao động ngắn, mơ hình suy giảm độ  cứng cần tiêu tán năng lượng trễ  nhiều hơn so   với mơ hình song tuyến tính. Lý do đơn giản là vì mơ hình suy giảm độ cứng thực hiện nhiều   vòng lặp nhỏ  khơng đàn hồi hơn so với mơ hình song tuyến tính mà trong đó nhiều vòng lặp  vẫn còn trong giới hạn đàn hồi. Sự  đóng góp của phần tiêu tán năng lượng trễ  đối với tổng  năng lượng tiêu tán TDE trong các hệ song tuyến tính được minh họa trong hình 6. Biểu đồ chỉ  có giá trị cho các hệ có độ cản 5%. Có thể thấy rằng tỷ lệ HE/TDE là rất khơng nhạy cảm đối  với tỷ lệ độ dẻo ngoại trừ các độ dẻo thấp. Người ta nhận thấy rằng tỷ lệ này là rất ổn định   cho tất cả các bản ghi chấn được sử dụng trong nghiên cứu này. Do đó, các số liệu hiện tại có   thể được sử dụng để đánh giá hiệu quả của cản nhớt so với tiêu tán năng lượng trễ trong việc   tiêu tán năng lượng truyền tới một kết cấu. Như hình 7 cho thấy, trong các hệ  suy giảm độ  cứng, một phần lớn hơn nhiều của TDE được tiêu tán qua các biến dạng khơng đàn hồi (năng   lượng trễ) so với hệ song tuyến tính, người ta chỉ ra rằng cản nhớt là kém hiệu quả hơn nhiều  trong các hệ suy giảm độ cứng Trong bối cảnh của quy trình thiết kế đúng, các nhu cầu năng lượng minh họa dưới đây   cung cấp thơng tin được sử dụng để thay đổi các khả năng biến dạng dẻo bằng trung bình của   các mơ hình thiệt hại tích lũy. Trong q trình thiết kế, u cầu là phải sống sót, sau đó xuất   phát từ  yêu cầu về  cường độ  để  mà giới hạn các yêu cầu độ  dẻo tới khả  năng độ  dẻo mục  tiêu. Những yêu cầu cường độ  này có thể  được biểu diễn bởi phổ  nhu cầu cường độ  khơng   đàn hồi hoặc ở dạng khơng thứ ngun, trong điều khoản của hệ số suy giảm cường độ R, đó  50 là tỷ  số  giữa u cầu cường độ  đàn hồi (Fy,e) trên u cầu cường độ  khơng đàn hồi đối với  một tỷ lệ độ dẻo mục tiêu cụ thể, Fy(μ). Một phân suy thối quy phi tuyến bậc hai được thực  hiện trên hệ số R, đầu tiên là sự  suy thối R đối với  μ cho một chu kỳ  cố định T, và sau đó   đánh giá  ảnh hưởng của chu kỳ dao động trong bước thứ  hai. Với các lý do thảo luận trong   Tài liệu tham khảo [2], dạng sau đây của quan hệ R­μ­T đã được sử dụng: Đối với tỷ  lệ  cứng hóa biến dạng khác nhau  α, các giá trị  sau đây đã thu được cho hai   tham số suy thối a và b: Với α = 0%:  a = 1,00  b = 0,42 Với α = 2%:  a = 1,00  b = 0,37 Với α = 10%:  a = 0,80  b = 0,29 Các đường cong suy thối với μ = 2, 3, 4, 5, 6, và 8 cho các hệ song tuyến tính với cứng   hóa biến dạng 10% được hiển thị trong hình 8 cùng với giá trị trung bình của các điểm dữ liệu   mà sự suy thối được dựa trên đó. Rõ ràng là các quan hệ R­μ­T là phi tuyến, đặc biệt là trong  giới hạn chu kỳ dao động ngắn. Đối với tất cả tỷ lệ độ  dẻo, hệ số R  tiến gần tới 1.0 khi  T   gần tới khơng, và chúng tiến tới μ khi T tiến tới vơ cùng Những mối quan hệ kiểu này cùng với phổ phản ứng đàn hồi trung bình hoặc làm nhẵn  có thể được sử dụng trong nhiều trường hợp để đánh giá u cầu độ bền khơng đàn hồi. Điều   này có thể được thực hiện tin cậy với các loại đất nền S1, mà các mối quan hệ này dựa trên  đó, và có lẽ cũng cho loại đất nền S2 khi các hệ số trung bình R được tìm thấy là khơng nhạy  cảm với sự thay đổi tương đối nhỏ trong các biểu đồ phổ phản ứng trung bình. Tuy nhiên, các   quan hệ  R­μ­T này khơng thể  được áp dụng cho những chuyển động trong nền đất yếu có  chứa dấu hiệu của vị trí cột. Nếu chúng ta sử dụng các quan hệ R­μ­T để  lấy được phổ  nhu   cầu cường độ  khơng đàn hồi từ  phổ  chuyển động mặt đất S1 ATC, kết quả  thể  hiện trong  hình 9are thu được. Khơng có gì ngạc nhiên, các nhu cầu cường độ  khơng đàn hồi là bất cứ  thứ gì nhưng khơng đổi đối với các chu kỳ dưới 0,5 giây, phạm vi trong đó phổ phản ứng đàn  hồi làm nhẵn có một bình ổn Những hệ số R được trình bày trong hình 8 cũng có thể được sử dụng với độ tin cậy cao  cho những hệ suy giảm độ cứng của kiểu được thể hiện trong hình 3.  51 Hình 4: Phổ trung bình của năng lượng trễ thơng thường, NHE (song tuyến tính,  =10%) Từ nghiên cứu thống kê nó đã được tìm thấy rằng loại suy giảm độ cứng này chỉ có ảnh   hưởng nhỏ  đến các nhu cầu cường độ  đối với tất cả  các chu kỳ  dao động và tỷ  lệ  độ  dẻo.  Điều này cũng khơng thể  nói về   ảnh hưởng của  suy giảm độ  cứng đến các nhu cầu năng  lượng, như là điều hiển nhiên từ các hình 5 và 7 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG DAO ĐỘNG BẬC CAO ĐẾN CÁC NHU CẦU CƯỜNG ĐỘ KHƠNG ĐÀN HỒI Các phần trước đó cung cấp thơng tin về các nhu cầu địa chấn cho các hệ một bậc tự do   khơng đàn hồi. Thơng tin này là có liên quan như số liệu cơ bản nhưng cần được sửa đổi để  có thể sử dụng trực tiếp cho thiết kế kết cấu thực, mà chúng chủ yếu là các hệ nhiều bậc tự  do (MDOF) chịu ảnh hưởng bởi một vài mode. Đối với các hệ nhiều bậc tự do khơng đàn hồi,  phương pháp chồng mode khơng thể  áp dụng với bất kỳ mức độ  tin cậy nào và các kỹ  thuật   52 khác nhau đã được sử dụng để dự đốn cường độ hoặc các nhu cầu về độ dẻo có thể được sử  dụng cho thiết kế Các nghiên cứu tóm tắt ở đây là nhằm cung cấp một số các câu trả lời cần thiết để đánh  giá nhu các nhu cầu cường độ cho các hệ nhiều bậc tự do khơng đàn hồi. Việc tập trung vào   một đánh giá thống kê của các hệ mà nó là thường xun từ quan điểm của ứng xử động lực   đàn hồi Như  vậy, các mode dao động gần nhau và các ảnh hưởng của hiệu ứng xoắn bị bỏ qua  và các kết cấu được mơ hình hóa hai chiều. Để thuận tiện trong phân tích máy tính, tất cả các  kết cấu   được mơ hình hóa như  những khung đơn nhịp mặc dù chúng đang dự  định để  đại  diện cho kết cấu  chung với ba kiểu khác biệt rõ rệt của ứng xử Hình 5: Hệ số NHE cho suy giảm độ cứng với các hệ song tuyến tính ( =0) Ba loại kết cấu này được minh họa trong hình 10. Loại đầu tiên được thiết kế  là "mơ  hình khớp trên dầm" (mơ hình cột khỏe – dầm yếu), từ đây gọi chung là mơ hình BH, và đại   diện cho các kết cấu được phát triển theo mơ hình tải trọng động đất theo UBC 1988 với một   chế  hồn chỉnh với các khớp dẻo trong tất cả  các dầm hình thành cùng một lúc như  thể  hiện trong hình 10. Loại thứ hai là được thiết kế là "mơ hình khớp dẻo trên cột" (mơ hình cột   yếu – dầm khỏe), hoặc mơ hình CH. Nó đại diện cho các kết cấu mà có cường độ  tương đối   của cột được điều chỉnh theo cách là cho tất cả các cột cùng lúc xuất hiện khớp dẻo dưới tác   dụng của tải trọng bên tương ứng với mơ hình tải trọng kháng chấn theo UBC 1988, kết quả  là "Sụp đổ" cơ chế thể hiện trong các bản phác thảo thứ hai của Hình 10. Loại thứ ba là "mơ  hình tầng yếu," hoặc mơ hình WS, trong đó phát triển một cơ chế tầng chỉ có ở tầng đầu tiên   dưới mơ hình tải trọng động đất theo UBC 1988, trong khi tất cả  những tầng khác là đủ  53 cường độ để  làm việc đàn hồi trong tất cả  các trận động đất. Loại kết cấu này có một gián   đoạn cường độ nhưng khơng gián đoạn độ cứng trong tầng đầu tiên Hình 6: Sự đóng góp của HE đối với tổng năng lượng tiêu tán, TDE (song tuyến tính,  =0) Các kết cấu với 2, 5, 10, 20, 30, và 40 tầng được xem xét cẩn thận, với các chu kỳ mode   đầu tiên là 0.22, 0.43, 0.73, 1.22, 1.65, và 2.05 giây, dựa trên một chiều cao tầng cố định là 12  ft và phương trình chu kỳ   T 0.02hn3 /  Cường độ  chịu cắt cơ bản V y  được thay đổi cho mỗi  một kết cấu và bản ghi chuyển động mặt đất theo cách mà nó là giống hệt nhau đối với nhu   cầu cường độ khơng đàn hồi Fy(μ) của chu kỳ mode đầu tiên tương ứng hệ SDOF cho các độ  dẻo mục tiêu hoặc là 1, 2, 3, 4, 5, 6, hoặc 8. Áp dụng các tiêu chí cường độ này cho phép đánh  giá trực tiếp của sự khác biệt giữa ứng xử của hệ SDOF và hệ MDOF cho mỗi chuyển động   mặt đất Tổng cộng có 5670 phân tích lịch sử thời gian phi tuyến đã được thực hiện, sử dụng 15   bản ghi chuyển động mặt đấtn S1, 3 loại kết cấu (BH, CH, và WS), 6 số  tầng khác nhau, 7  mức dẻo khác nhau (tương ứng với cường độ dẻo hệ một bậc tự do μ = 1, 2, 3, 4, 5, 6, và 8),   và 3 tỷ số cứng hóa biến dạng (α = 0, 2%, và 10%). Thơng số ứng xử thu được từ 15 bản ghi   nhận đã được đánh giá thống kê sử  dụng các phương tiện mẫu và sự  các biến. Các kết quả  của nghiên cứu này được thảo luận chi tiết trong tài liệu [2], và chỉ  có một vài dữ  liệu thích  hợp được tóm tắt dưới đây Hình 11 thể hiện kết quả điển hình của các giá trị  trung bình của tỷ lệ độ  dẻo tầng đối   với ba loại kết cấu. Các đồ  thị  áp dụng cho các kết cấu mà cường độ  chịu cắt gốc của nó  bằng với nhu cầu cường độ khơng đàn hồi hệ một bậc tự do cho một tỷ lệ độ dẻo mục tiêu là   8. Kết quả các tỷ lệ độ dẻo có thể là khơng thực tế, nhưng ví dụ này được chọn để  minh họa  rõ ràng xu hướng phù hợp và các kiểu 54   Hình 7: Tỷ số HE/TDE cho suy giảm độ cứng các hệ song tuyến tính ( =0) SỰ SUY GIẢM CÁC HỆ SỐ Hình 8: Hệ số suy giảm cường độ đối với các chuyển động trong đất nền S1 Nó được quan sát thấy rằng những u cầu độ  dẻo tầng cho các hệ  nhiều bậc tự  do là   lớn nhất trong tầng dưới (điều này đã được tìm thấy là đúng cho hầu hết các trường hợp,   55 nhưng khơng nhất thiết phải ln ln cho các tỷ lệ độ dẻo mục tiêu thấp hơn) và trong tầng  này là lớn hơn so với tỷ lệ độ dẻo mục tiêu hệ một bậc tự do là 8 do ảnh hưởng của các mode   cao hơn. Sự gia tăng trên tỷ lệ độ dẻo mục tiêu là nhỏ nhất cho các kết cấu BH và đến nay là  cao nhất cho các kết cấu WS. Quan sát này đã được tìm thấy để giữ đúng bất kể số lượng các  tầng, Tỷ  lệ độ dẻo mục tiêu, và tỷ  lệ  cứng hóa biến dạng, minh họa rõ tầm quan trọng  ảnh   hưởng của các mode dao động cao hơn và các kiểu cơ chế phá hoại vốn có trong hệ thống kết   cấu Hình 9: Phổ u cầu cường độ khơng đàn hồi dựa trên phổ ATC S1 Trong quy trình thiết kế  đúng mục tiêu là để  hạn chế  tỷ  lệ  độ  dẻo tầng với các giá trị  mục tiêu định trước. Các kết quả  được minh họa trong hình 11 cho thấy rõ ràng rằng cường   độ  kháng cắt cơ  bản nhận được từ   hệ  một bậc tự  do tương  ứng là khơng đủ  để  đạt được   mục tiêu này. Như vậy, nhu cầu cường độ khơng đàn hồi thu được cho các hệ một bậc tự do   phải được sửa đổi để có thể áp dụng với các hệ nhiều bậc tự do. Việc sửa đổi phụ thuộc vào  số tầng (chu kỳ dao động đầu tiên), tỷ lệ độ  dẻo mục tiêu, tỷ  lệ  cứng hóa biến dạng, và các  kiểu cơ  chế  phá hoại trong kết cấu. Trong ba loại kết cấu được nghiên cứu   đây, dữ  liệu   của các loại được trình bày trong hình 11 có thể  được tận dụng để  lấy được những thay đổi   cần thiết [2]. Ví dụ về các hệ số thay đổi nguồn gốc được trình bày trong hình 12 cho tỷ lệ độ  dẻo mục tiêu là 4 và 8. Việc điều chỉnh các hệ  số  xác định sự  gia tăng u cầu cường độ  kháng cắt Vy của kết cấu nhiều bậc tự do trên cơ sở nhu cầu cường độ khơng đàn hồi F y của  hệ  một bậc tự do tương  ứng với chu kỳ dao động đầu tiên nhằm hạn chế  tỷ  lệ  độ  dẻo đến   cùng một giá trị mục tiêu. Các đường cong nét đứt thể hiện trong bốn đồ thị  diễn tả cho việc   điều chỉnh các hệ  số  ngụ  ý bởi quy trình sử  dụng rộng rãi trong việc nâng 1 / T của phổ  chuyển động mặt đất tới 1 / T2/3 trong phổ thiết kế đàn hồi. Quy trình này được đầu tiên giới   thiệu trong tài liệu ATC 3­06 [6] và hiện đang áp dụng trong tiêu chuẩn xây dựng Mỹ.  Những quan sát sau đây có thể  được làm từ  hình 12 và tương tự  nhưng đồ  thị  tồn diện  hơn  được trình bày trong [2].  56 Các thay đổi cường độ  u cầu là nhỏ  nhất cho các hệ  kết cấu BH. Đối với những kết cấu   này việc điều chỉnh chủ yếu phù hợp với điều chỉnh ATC­3 với điều kiện là có cứng hóa biến   dạng (α = 10%). Đối với các kết cấu BH có chu kỳ dao động ngắn, u cầu cường độ  kháng  cắt cơ bản là nhất qn thấp hơn so với u cầu cường độ  hệ  SDOF tương ứng, chỉ  ra rằng  ảnh hưởng của hệ MDOF là khơng quan trọng trong giới hạn này Mơ hình khớp dẻo ở dầm (BH) Mơ hình khớp dẻo ở cột(CH) Mơ hình tầng yếu (WS) Hình 10: Các kiểu mơ hình sử dụng trong nghiên cứu hệ MDOF Các u cầu cường độ hệ nhiều bậc tự do cho các kết cấu CH cao hơn đối với các kết   cấu BH. Sự gia tăng các u cầu về cường độ so với các kết cấu BH là khoảng như nhau bất  kể chu kỳ dao động cơ bản 57 Việc thay đổi các yếu tố gia tăng với các tỷ lệ độ dẻo mục tiêu và giảm với cứng hóa  biến dạng. Những hệ mà khơng có cứng hóa biến dạng (α = 0%), và cường độ lớn nhất được   u cầu nhằm hạn chế sự sai lệch đến một tỷ lệ độ dẻo mục tiêu quy định Hình 11: Các u cầu độ dẻo tầng hệ MDOF đối với cường độ kháng cắt cơ bản tương  ứng với tỷ lệ độ dẻo mục tiêu hệ SDOFlà 8 ( =10%) Con số đó cho thấy rằng các kết cấu WS, tức là kết cấu với tầng đầu tiên là yếu, thực  sự là một vấn đề lớn. Các kết cấu như vậy đòi hỏi khả năng cường độ có thể lớn hơn hai lần   u cầu đó đối với kết cấu BH nhằm giới hạn chuyển dịch tầng tới cùng một tỷ  lệ  độ  dẻo   mục tiêu Các cuộc thảo luận nói trên tập trung vào một quy trình có thể  được sử  dụng để  đạt  được các u cầu cường độ  thiết kế cho các hệ  MDOF từ  phổ  u cầu cường độ  khơng đàn   58 hồi hệ SDOF. Các kết quả số được đưa ra chỉ áp dụng trong phạm vi hạn chế được xác định   trong phần này và khơng thể được tổng qt mà khơng có nhiều các nghiên cứu tham số tồn   diện hơn. Các thơng số cần được xem xét bao gồm các nội dung tần số của chuyển động mặt   đất (có thể  là bị   ảnh hưởng rất nhiều bởi điều kiện vị  trí xây dựng cụ  thể), các đặc tính trễ  của các mơ hình kết cấu (suy giảm độ cứng, suy giảm cường độ, vv), và các đặc tính động lực  của các hệ kết cấu MDOF (chu kỳ dao động, dạng dao động và khối lượng hữu hiệu của tất   cả các dạng quan trọng, cũng như sự gián đoạn về độ cứng và cường độ) TĨM TẮT Các nghiên cứu tóm tắt trong bài báo này là nhằm chứng minh rằng việc xem xét về  độ  dẻo và thiệt hại tích lũy có thể và nên được kết hợp một cách rõ ràngtrong q trình thiết kế.  Việc bảo vệ chống lại sự sụp đổ hàm ý rằng khả độ dẻo sẵn có nên vượt q u cầu gây ra   bởi các chuyển động mặt  đất với một dự trữ đủ độ an tồn. Khả năng biến dạng dẻo sẵn có   phụ thuộc vào số lượng và độ lớn của các dịch chuyển riêng khơng đàn hồi và cần phải được  điều chỉnh đối với u cầu dự đốn về các thơng số này. Các mơ hình thiệt hại tích lũy có thể  được sử  dụng để  thực hiện việc này. Tiêu tán năng lượng trễ  thơng thường được sử  dụng  như tham số thiệt hại tích lũy cơ bản vì nó có chứa các số như độ lớn của những dịch chuyển   khơng đàn hồi tích lũy. Do đó, nhu cầu về tiêu tán năng lượng trễ  phải được dự  đoán trước   Một khi điều này là thực hiện, khả  năng biến dạng dẻo được biết và mục tiêu thiết kế  trở  thành dự  đoán các cường độ  cần thiết để  đảm bảo rằng các nhu cầu độ  dẻo sẽ  khơng vượt   q khả  năng sẵn có. Thơng tin cơ  bản về cường độ  u cầu (nhu cầu cường độ  khơng đàn  hồi) có thể thu được từ nghiên cứu các hệ SDOF, nhưng phải được chỉnh sửa để sử dụng cho  ảnh hưởng của các dạng dao động bậc cao hơn trong các kết cấu thực.  Bài báo trình bày dữ liệu mà có thể được sử dụng để thực hiện các bước trong phần trên.  Các dữ  liệu cho thấy sự nhạy cảm của năng lượng trễ  và các nhu cầu cường độ  khơng đàn  hồi để đáp ứng với đặc điểm ứng xử của kết cấu cho các hệ SDOF, và tầm quan trọng to lớn  của ảnh hưởng các dạng dao động bậc cao trên cường độ kháng cắt cơ bản cần thiết để  hạn   chế tỷ lệ độ dẻo tầng trong các kết cấu cao tầng tới các giá trị mục tiêu quy định. Những ảnh  hưởng của các dạng dao động bậc cao đã tìm thấy phụ thuộc nhiều vào số lượng các tầng, tỷ  lệ độ dẻo mục tiêu và các cơ chế phá hoại của kết cấu    59 60 Hình 12: Điều chỉnh cường độ kháng cắt cơ bản cần thiết để giải thích cho ảnh hưởng  của các hệ nhiều bậc tự do 61 LỜI CẢM ƠN Các kết quả tóm tắt ở đây là một phần của một nghiên cứu tồn diện hơn về khả năng   phá hủy của những chuyển động mặt đất và tác động đối với thiết kế. Nghiên cứu này được   hỗ  trợ  bởi Viện Stanford / USGS cho nghiên cứu kỹ  thuật kháng chấn và Địa chấn học, các  trung tâm kỹ  thuật kháng chấn John A.Blume tại Stanford, và một khoản tài trợ  nghiên cứu  được cung cấp bởi Cơng ty Kajima và quản lý bởi CUREe (Các trường Đại học California  dành cho nghiên cứu về kỹ thuật kháng chấn). Các khoản hỗ trợ đi lại để trình bày các tài liệu   này được cung cấp bởi Quỹ Khoa học Quốc gia qua Grant INT­9.114.580. Sự hỗ trợ của các   tổ chức này được đánh giá cao THAM KHẢO  Osteraas,   J.D.,  and  Krawinkler,   H.,  Strength  and ductility  considerations  in  seismic  design   John   A.Blume   Earthquake   Engineering   Center   Report   No   90,   Department   of   Civil  Engineering, Stanford University, August 1990 2. Nassar, A.A., and Krawinkler, H., Seismic demands for SDOF and MDOF systems.  John A.Blume Earthquake Engineering Center Report No. 95, Department of Civil Engineering,  Stanford University, June 1991 3. Chung, Y.S., Meyer, C., and Shinozuka, M., Seismic damage assessment of reinforced  concrete   members   Report   NCEER­87–0022,   National   Center   for   Earthquake   Engineering  Research, State University of New York at Buffalo, October 1987   Park,   Y.­J.,   and   Ang,   A.H.­S.,   Mechanistic   seismic   damage   model   for   reinforced  concrete. Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.111, No. 4, April 1985, pp. 722–739 5. Krawinkler, H., and Zohrei, M., Cumulativedamage in steel structures subjected to earthquake ground motions. Journal on Computers and Structures, Vol. 16, No. 1– 4, 1983, pp.  531–541 6. Tentative provisions for the development of seismic regulations for buildings Applied Technology Council Report ATC 3–06, June 1978 ...  Mơ hình phần tử hữu hạn trong phân tích kết cấu bê tơng cốt thép F.B.Damjanić Phân tích kháng chấn phi tuyến cơng trình bê tơng cốt thép có kết cấu khung – vách   chịu lực H.Bachmann, T.Wenk và P.Linde Phân tích trạng thái tới hạn kết cấu khung – vách bê tơng cốt thép. ..  nhu cầu và những khó khăn trong việc thực hiện thiết kế kháng chấn phi tuyến (khơng đàn hồi). Sự khác biệt giữa thiết kế và phân tích được chỉ  ra, và vai trò của   phân tích phi tuyến trong q trình thiết kế. ..  khác nhau giữa phân tích và thiết kế,  giữa thiết kế và xây dựng. Một thiết kế kết cấu sơ bộ nên được tiến hành phân tích đàn hồi tuyến tính và phi tuyến (khơng đàn hồi)   với các mơ hình tổng thể

Ngày đăng: 11/02/2020, 15:02

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan