Đang tải... (xem toàn văn)
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