Ứng xử động kết cấu khung chịu tải trọng động đất có xét đến ứng xử của móng cọc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG VĂN ÚT ỨNG XỬ ĐỘNG KẾT CẮU KHUNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ỨNG XỬ CỦA MÓNG CỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH 07-2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS CHU QUỐC THẮNG Cán chấm nhận xét 1: TS ĐINH THẾ HƯNG Cán chấm nhận xét 2: TS LÊ TRUNG KIÊN Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 22 tháng 07 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH - Chủ tịch TS ĐINH THẾ HƯNG - Phản biện TS LÊ TRUNG KIÊN - Phản biện TS TRẦN VÀN PHÚC - Thành viên PGS TS NGÔ HỮU CƯỜNG - Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐẶNG VĂN ÚT MSHV: 7170175 Ngày, tháng, năm sinh: 05/08/1985 Nơi sinh: Tiền Giang Chun ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp Mã số: 60.58.02.08 I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG XỬ ĐỘNG KẾT CẤU KHUNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ÚNG XỬ CỦA MĨNG CỌC II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Phân tích kết cấu khung phẳng từ thấp đến cao tầng chịu tải trọng động đất có xét đến ứng xử móng bao gồm móng nơng móng cọc môi trường đất đồng không đồng Từ đó, rút kết luận ứng xử động kết cấu khung phẳng chịu tải trọng động đất có xét đến ứng xử móng cọc III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 17/08/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS CHU QUỐC THẮNG Tp HCM, ngày thảng năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH PGS TS CHU QUỐC THẮNG PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỤNG LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập thực luận văn, tận tình bảo, động viên thầy bạn bè để vượt qua khó khăn, tác giả hoàn thành luận văn theo định Phòng Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại Học Bách Khoa - Thành Phố Hồ Chí Minh Tơi xin cảm an Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Tp HCM, phòng Đào tạo Sau Đại học thầy cô trực tiếp tham gia giảng dạy truyền đạt kiến thức phương pháp học tập, nghiên cứu Bên cạnh đó, để có kiến thức quý báo, xin chân thành cám ơn tất bạn bè, thầy cô khoa giúp đỡ học tập thực luận văn này, đặc biệt xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS.TS CHU QUỐC THẮNG thầy hướng dẫn Th.s PHẠM NHÂN HỊA người tận tình dẫn dắt hướng dẫn từ bước đầu làm quen với công việc nghiên cứu khoa học đến lúc hoàn thành luận văn thạc sĩ truyền đạt kiến thức quý báu cho Tôi chân thành cảm ơn thầy cô thư viện trường ĐH Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho tơi tìm tài liệu để thực luận văn bạn học khóa ln sát cánh bên tơi ngày học tập khó khăn Sau cùng, tơi xin cảm ơn gia đình tơi tạo điều kiện cho tơi học tập động viên tôi gặp khó khăn Chân thành cảm ơn tất cả! Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2019 rr TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn trình bày mơ hình tính tốn thuật giải để phân tích ứng xử kết cấu xét đến tương tác kết cấu móng (SSI: Soil - Structure Interaction) Kết cấu bên mơ hệ nhiều bậc tự xét chuyển vị ngang, thành phần chuyển vị chủ yếu kết cấu chịu động đất Móng bên có phương pháp tính tốn độ cứng (cũng giảm chấn) động lực học móng nơng, móng cọc mơi trường đất đồng (SSI-1) đất khơng đồng (SSIM) Phần ví dụ minh họa nêu luận văn ví dụ mẫu kết cấu thép tầng, tầng, tầng 20 tầng nhằm so sánh đáp ứng động lực học kết cấu từ thấp tầng đến cao tầng xét SSI không xét đến SSI (FBB: Fixed Base Building) Phương trình chuyển động hệ giải phương pháp tích phân Newmark miền thời gian, thể ngơn ngữ lập trình MATLAB Cuối cùng, kết luận rút khác mơ hình nhằm cung cấp thơng tin hữu ích cho việc nghiên cứu thiết kế cơng trình kháng chấn iii ABSTRACT Thesis presented computational models and algorithms to analyze the behavior of the structure when considering the interaction between structural and foundation (Soil - Structure Interaction) The superstructure is modeled as multidegree of freedom systems with only horizontal displacements, major displacements of structures subjeted to earthquake Dynamic stiffness calculation method of foundation, pile in homogeneous soil envhonment (SSI-1) or inhomogeneous soil envữonment (SSIM) Part illustrative examples set out in the thesis that the samples of the steel structure 1-story, 3story, 9-story, 20-story benchmark steel structures (low, mid, or high-rise buildings) with FBB analysis or allowing for SSI The equation of motion of the system is solved by Newmark integration numerical method in the time domain and with the help of MATLAB code Finally, the conclusions to be drawn about the differences between models to provide useful information for the study and design of seismic-resistant buildings IV LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Đặng Văn út, học viên cao học chuyên ngành Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp, khố 2017 trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Tơi xin cam đoan rằng, luận văn tơi thực Các số liệu luận văn hoàn tồn trung thực chưa cơng bố, sử dụng để bảo vệ học vị Các thơng tin, tài liệu trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn kết nghiên cứu luận văn Học viên ĐẶNG VĂN ÚT vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii ABSTRACT iv MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH VẼ X DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv Chương GIỚI THIỆU -1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ - 1- 1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN - 2- Chương TỔNG QUAN - 3- 2.1 TÔNG QUAN VỀ SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ NỀN MĨNG- 2.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC - 2.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC - 2.4 NỘI DƯNG LUẬN VĂN - Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT - 3.1 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG - 3.1.1 Khung phẳng ngàm chân cột - FBB - 10 - 3.1.2 Khung phẳng có xét SSI -11- 3.2 ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC HỌC ĐỐI VỚI MĨNG NƠNG - 15 3.2.1 Trên đồng (1 lớp đất) - 15 3.2.2 Trên không đồng (nhiều lớp đất) - 16 - 3.3 ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC HỌC ĐỐI VỚI MÓNG CỌC - 20 3.3.1 Trên đất đồng (1 lớp đất) - 20 - 3.3.2 Đất không đồng (nhiều lớp đất) - 28 - 3.3.3 Ví dụ xác định k0; c0 cho cọc xuyên qua lóp đất - 33 - 3.4 CÁC BƯỚC GIẢI BÀI TOÁN SSI VÀ SƠ ĐỒ KHỐI - 37 3.4.1 Các bước giải toán SSI - 37 - 3.4.2 Sơ đồ khối cho tốn phân tích SSI - 38 - Chương VÍ DỤ TÍNH TOÁN - 39 4.1 KẾT CẤU TẦNG MĨNG NƠNG - 39 4.1.1 Mơ tả tốn -39- 4.1.2 Tính tốn thơng số động lực học -41- 4.1.3 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi hệ số poisson xét SSI - 43 - 4.2 KẾT CẤU TẦNG MĨNG NƠNG - 46 4.2.1 Mơ tả tốn - 46 - 4.2.2 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi hệ số poisson xét SSI - 48 - 4.3 KẾT CẤU TẦNG MÓNG CỌC - 51 4.3.1 Mơ tả tốn -51- 4.3.2 Khảo sát ảnh hưởng bố trí cọc xét SSI - 53 - 4.3.3 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời mô đun đàn hồi đất nền, hệ số poisson bố trí cọc phân tích SSI - 56 - 4.4 KẾT CẤU TẦNG MÓNG CỌC - 58 4.4.1 Mơ tả tốn .- 58 4.4.2 Tính toán ban đầu - 60 - 4.4.3 Khảo sát ảnh hưởng bố trí cọc phân tích SSI - 62 - 4.4.4 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời mô đun đàn hồi đất nền, hệ số poisson bố trí cọc phân tích SSI - 67 - 4.5 KẾT CẤU 20 TẦNG MÓNG CỌC - 69 4.5.1 Mô tả toán .- 69 - 4.5.2 Tính tốn ban đầu -71- 4.5.3 Khảo sát ảnh hưởng bố trí cọc phân tích SSI - 73 - Bảng 4-28: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt mô men FBB với SSI Thành phần sTT So Sánh FBB SAP SSI Frame Xmax (cm) X-min (cm) 3.80 3.79 ^max (Ỗ) ^min (Ỗ) 0.89 0.91 Vmax (kN) Vmin (kN) Mmax (kNm) Mmin (kNm) 4.4.4 3.37 3.37 SSI-l 3.79 0.2 12.2 12.6 3.94 3.93 0.1 3.8 3.6 0.89 0.91 0.67 0.61 0.65 0.62 0.1 -0.2 -24.3 -32.6 -26.1 -31.6 21.55 21.55 26.80 23.20 0.0 24.4 7.6 469.63 470.64 667.74 640.74 -0.2 41.9 1817.80 1813.00 1742.40 1738.80 -0.2 -0.1 40.7 31.6 1289.10 1291.90 1376.40 1377.90 3.78 SSI_M % Khác biệt SAP SSI-l SSI_M Frame Frame Frame 36.1 34.9 26.2 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời mô đun đàn hồi đất nền, hệ số poisson bố trí cọc phân tích SSI Phân tích tốn với tải trọng động đất El Centro cho trường hợp FBB SSI móng cọc mơi trường lớp đất từ loại đất thứ (đất yếu) đến loại đất thứ (đất cứng) Bảng 4-13 với khảo sát trường hợp bố trí cọc đài theo Bảng 4-22 Vậy tổng cộng có 36 trường hợp cần khảo sát Sau khảo sát 36 trường họp tìm trường hợp thứ 24 (với thành phần loại đất thứ 3: E?ile = 70 (MPa), = 0.25; np=6 cọc, S2Rp=8 lần đường kính cọc) có chuyển vị đỉnh lớn 4.23 cm, khác biệt 25.5%; Trường hợp thứ 35 (với thành phần E?iIe = 90(MPa), vl’Lie -0.2; np=9 cọc, S2Rp=5 lần đường kính cọc) có mơ men chân cột lớn 1854.6 kNm, khác biệt 41.4%, Chương Ví dụ tính toán -67 - Bảng 4-29: So sánh FBB với SSI trường hợp có khác biệt chuyển vị lớn FBB SSI % Khác biệt Thành phần sTT SAP SSI-l SSI_M So Sánh SAP Frame SSI-l SSI_M Frame Frame Frame Xmax (cm) 3.37 3.37 4.23 4.19 0.2 25.5 24.4 Xmin (cm) 3.80 3.79 4.20 4.19 0.1 10.8 10.4 ^max (Ỗ) 0.89 0.89 0.70 0.69 0.1 -20.7 -22.2 ^min (Ỗ) 0.91 0.91 0.72 0.72 -0.2 -21.0 -20.7 Vmax (kN) Vmin (kN) 21.55 469.63 21.55 470.64 0.0 -0.2 24.4 7.6 7.6 5.8 M-max (kNm) 1289.10 1291.90 1405.50 1377.60 -0.2 8.8 6.6 Mmin (kNm) 1406.20 1382.70 -0.1 2.1 0.3 1376.40 1377.90 26.80 23.20 506.52 498.06 Bảng 4-30: So sánh FBB với SSI trường hợp có khác biệt mô men lớn FBB So Sánh SAP SSI Frame SSI-l SSI_M % Khác biệt SAP SSI-l SSI_M Frame Frame Frame Xmax (cm) 3.37 3.37 3.93 3.93 0.2 16.6 16.7 Xmin (cm) ^max (Ỗ) 3.80 0.89 3.79 0.89 3.94 0.68 3.93 0.67 0.1 0.1 3.9 -22.9 3.7 -24.8 ^min (Ỗ) 0.91 0.91 0.63 0.64 -0.2 -31.2 -30.1 Vmax (kN) 21.55 21.55 26.80 23.20 0.0 24.4 7.6 Vmin (kN) 469.63 470.64 667.40 644.69 -0.2 41.8 37.0 Mmax (kNm) 1289.10 1291.90 1826.50 1760.00 -0.2 41.4 36.2 Mmin (kNm) 1376.40 1377.90 1854.60 1789.00 -0.1 34.6 29.8 Nhận xét: Ỏ kết cấu tầng, chuyển vị lớn trường hợp khoảng cách cọc lớn điều kiện đất Ỏ kết cấu tầng, mô men lớn trường hợp khoảng cách cọc trung bình điều kiện đất Ỏ kết cấu tầng, khảo sát đồng thời loại đất cách bố trí cọc khác biệt nội lực chân cột đáng kể đất có mơ đun đàn hồi lớn nhất, số cọc lớn nhất, khoảng cách cọc trung bình (E^ữe =90(MPữ), vf -0.2; np=9 cọc, S2Rp=5 lần đường kính cọc) Trong trường hợp bố trí đài cọc có cọc khoảng cách cọc 5Dp cách bố trí phổ biến thiết kế móng cọc, xét đến SSI cọc chuyển vị đỉnh khác biệt khơng Chương Ví dụ tính tốn -68 - lớn nội lực tăng đáng kể (41.8% lực cẳt; 41.4% mô men) Trường hợp nguy hiểm cho cơng trình 4.5 KẾT CẤU 20 TẰNG MĨNG cọc 4.5.1 Mơ tả toán Kết cấu khảo sát khung nhà 20 tầng mẫu [11], Khung làm thép có E = 200GPa; đặc trưng kết cấu tiết diện, khối lượng độ cứng tầng Bảng 431 Chịu tải trọng động đất, bước thời gian phân tích = 0.00125$ Kết cấu sử dụng móng cọc bê tơng M350có Ep=30GPa [24], đường kính 0.4m; đài cọc có Pcap = 25oo(fcg/m3), Hình 4-38 Nền đất có thông số theo Bảng 4-13 Bảng 4-14, thông số đài cọc cọc theo Bảng 4-32 Phân tích tốn khung nhà 20 tầng có xét SSI FBB móng cọc Bảng 4-31: Đặc trưng kết cấu tiết diện kết cấu 20 tầng Tầng Li (m) Tiết diện cột mt Ic (m4) (kNj 5.49 W24x335 0.004953 2-4 3.96 W24x335 0.004953 l, kị fxio3——] 143679 (xio3^) k m J 3017.254 563 382846 8039.764 552 246110 5-10 3.96 W24x229 0.003184 5168.304 552 11-13 3.96 W24X192 0.002606 201433 4230.088 552 14-16 3.96 W24X131 0.001673 129316 2715.632 552 17-18 3.96 W24X117 0.001473 113857 2390.990 552 19 3.96 W24x84 0.000986 76214 20 3.96 W24x84 0.000986 76214 1600.486 552 1600.486 584 TỔNG KHỐI LƯỢNG 11083 : Theo công thức (4.1.1) kị =kc'* ncc với ncc = 42: số chân cột tầng theo [11], : Khối lượng tầng theo [11], Chương Ví dụ tính tốn -69 - 1—