Nghiên cứu dao động của nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất có xét ảnh hưởng của điều kiện địa chất tại thành phố đà nẵng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ MINH TUẤN NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số : 60.58.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2016 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN Phản biện 1: TS ĐẶNG CÔNG THUẬT Phản biện 2: TS PHẠM MỸ Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng  Trung tâm Học Liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài - Ở nƣớc ta nay, việc tính tốn động đất cho cơng trình xây dựng dân dụng chƣa đƣợc quan tâm mức Vì vậy, tính tốn kết cấu nhà nhiều tầng, ngồi loại tải trọng thơng thƣờng cần phải xét thêm tác dụng tải trọng động đất gây - Hiện nay, tính tốn nhà nhiều tầng, ngƣời ta thƣờng quan niệm khung ngàm cứng với móng xem nhƣ đất có độ cứng vô hạn, điều chƣa phản ánh với làm việc thực tế cơng trình - Chính vậy, việc thực đề tài: “Nghiên cứu dao động nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất có xét ảnh hƣởng điều kiện địa chất thành phố Đà Nẵng” cần thiết, góp phần làm rõ ảnh hƣởng tải trọng động đất ảnh hƣởng đất tác dụng lên cơng trình nhà nhiều tầng thành phố Đà Nẵng Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu làm việc đồng thời cơng trình nhà nhiều tầng móng có xét ảnh hƣởng điều kiện địa chất dƣới tác dụng tải trọng động đất Đối tƣợng phạm vị nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Kết cấu cơng trình Cục Hải quan thành phố Đà Nẵng - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu dao động cơng trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất có xét ảnh hƣởng điều kiện địa chất thành phố Đà Nẵng Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết 2 Bố cục luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN DAO ĐỘNG CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CHƢƠNG TÍNH TỐN DAO ĐỘNG CỦA CƠNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 3 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 1.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG ĐẤT 1.1.1 Định nghĩa, nguyên nhân đặc điểm 1.1.2 Sóng địa chất chất tâm 1.1.3 Cƣờng độ quy mô động đất 1.2 HIỆN TRẠNG ĐỘNG ĐẤT 1.2.1 Trên giới 1.2.2 Tại Việt Nam 1.3 ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐỐI VỚI CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG 1.3.1 Tác động động đất lên cơng trình 1.3.2 Khả chịu lực nhà nhiều tầng chịu động đất 1.4 ẢNH HƢỞNG CỦA CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT ĐỐI VỚI CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG 1.4.1 Khái niệm 1.4.2 Thiết kế móng cơng trình 1.5 CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT ĐẶC TRƢNG CỦA KHU VỰC THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 1.5.1 Đặc trƣng cấu trúc địa chất khu vực thành phố Đà Nẵng - Cấu trúc địa chất khu vực Đà Nẵng gồm có năm đơn vị địa tầng chủ yếu, lần lƣợt từ dƣới lên là: hệ tầng A Vƣơng, hệ tầng Long Đại, hệ tầng Tân Lâm, hệ tầng Ngũ Hành Sơn trầm tích Đệ tứ Trong hệ tầng A Vƣơng, Long Đại, Tân Lâm có thành phần thạch học chủ yếu đá phiến cát kết Hệ tầng Ngũ Hành Sơn chủ yếu đá vôi hoa hóa màu xám trắng Trầm tích Đệ tứ bao gồm thành tạo sông, sông - biển, biển, biển - đầm lầy có tuổi từ Pleistocen sớm đến Holocen muộn, chủ yếu cát, cuội, sỏi, cát pha, sét pha, 1.5.2 Một số dạng cấu trúc địa chất phổ biến khu vực thành phố Đà Nẵng * Dạng cấu trúc khu vực 1: - Nền đất thƣờng gồm lớp, có cấu tạo từ xuống dƣới nhƣ sau: + Lớp đất rời (Cát mịn-trung): bề dày trung bình từ 3-5m; 5-10m >20m + Lớp sét pha, sét trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng: bề dày 5-6m có tới 20m + Đá phiến thạch anh, phiến mica, gặp độ sâu nông từ 15m trở xuống - Nƣớc dƣới đất tồn chủ yếu lớp đất rời, thuộc loại nƣớc ngầm, nƣớc dƣới đất phong phú cách mặt đất chừng 1-3m, có quan hệ với nƣớc biển, nƣớc dƣới đất có tính xâm thực yếu đến trung bình * Dạng cấu trúc khu vực 2: - Nền đất gồm nhiều lớp đất rời dính xen kẹp, cấu trúc đất phức tạp Nhìn chung, địa tầng từ xuống nhƣ sau: + Lớp 1- Đất rời (cát hạt mịn – trung): Bề dày 25-30m; + Lớp 2- Sét, sét pha, trạng thái nửa cứng đến cứng: Bề dày đến>10m; + Lớp 3- Cát trung đến thô lẫn sỏi, dạng thấu kính: Bề dày xấp xỉ 5m; + Lớp 4- Đá phiến: gặp độ sâu 35 đến 40m trở xuống - Gặp hai tầng chứa nƣớc Tầng chứa nƣớc nƣớc ngầm, có quan hệ với nƣớc sơng Hàn biển Nƣớc dƣới đất phong phú có quan hệ với nƣớc biển sông Hàn Tầng chứa nƣớc bên dƣới có áp mực nƣớc cách mặt đất chừng 4-5m Mức độ chứa nƣớc phong phú, nƣớc có tính xâm thực yếu * Dạng cấu trúc khu vực 3: - Lớp đất yếu phân bố mặt đất Lớp bùn thƣờng có bề dày mỏng, chừng 1-4m Ngƣợc lại, bùn sét pha có bề dày 10m Cấu trúc đặc trƣng nhƣ sau: + Lớp – đất lấp: dày trung bình 1-2m; + Lớp – bùn sét pha, dày 4m >10m; + Lớp – cát mịn, chặt vừa dày 3-5m; + Lớp – sét pha lẫn sạn dăm, sét-sét pha, dẻo cứng đến cứng, dày 3-5 đến >20m; + Lớp – đá phiến - Địa hình phụ kiểu thƣờng thấp Nƣớc dƣới đất nƣớc ngầm, tàng trữ chủ yếu lớp cát Mực nƣớc cách mặt đất không sâu khoảng 1,0 – 1,5m Nƣớc có tính xâm thực yếu Có thể tồn nƣớc thổ nhƣỡng nằm lớp đất lấp, ảnh hƣởng đến thi cơng hố móng 1.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG - Động đất tƣợng địa chất phức tạp, khó kiểm sốt Khi động đất xảy ra, lƣợng đƣợc giải phóng chấn tâm đƣợc truyền dƣới dạng sóng đến cơng trình xây dựng - Bên cạnh ảnh hƣởng động đất lên cơng trình ảnh hƣởng lớp đất đá bên dƣới cơng trình tác động trực tiếp đến làm việc ổn định cơng trình Biến dạng làm cho móng bị lún làm biến dạng cơng trình Nhƣ – móng – cơng trình hệ thống liên quan chặt chẽ với nhau, tác dụng qua lại lẫn 6 - Cấu trúc địa chất khu vực thành phố Đà Nẵng phức tạp Tuy nhiên, có 03 dạng cấu trúc đƣợc tìm thấy mang tính phổ biến cấu trúc khu vực 1, khu vực 2, khu vực - Trong luận văn này, học viên tập trung phân tích dao động nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất xét ảnh hƣởng đất có dạng cấu trúc khu vực 1, khu vực khu vực 7 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN DAO ĐỘNG CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT 2.1 PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘNG ĐẤT THEO TCXDVN 375-2006 2.1.1 Sơ lƣợc phƣơng pháp tính tác động tải trọng động đất 2.1.2 Phƣơng pháp tính lực ngang tƣơng đƣơng 2.1.3 Phƣơng pháp phổ phản ứng * Thành phần nằm ngang tác động động đất Theo TCXDVN 375-2006, phổ phản ứng đàn hồi theo phƣơng ngang Se(T) đƣợc xác định nhƣ sau:   T  T  TB : Se (T )  a g S 1  (.2,5  1)   TB  TB  T  TC : Se (T )  a g S  2,5 T TC  T  TD : Se (T )  a g S  2,5 C T T T TD  T  4s : Se (T )  ag S .2,5 C D T2 Trong đó: Se(T) : Ký hiệu phổ phản ứng đàn hồi; T : Chu kỳ dao động hệ tuyến tính bậc tự do; ag : Gia tốc thiết kế loại C; η : Hệ số điều chỉnh độ cản với giá trị η=1 giá trị cản nhớt 5% TB : Giới hạn dƣới chu kỳ; TC : Giới hạn chu kỳ; TD : Giá trị xác định điểm bắt đầu phần phản ứng dịch chuyển không đổi phổ phản ứng; S : Hệ số nền; Giá trị chu kỳ TB, TC, TD hệ số S mô tả dạng phổ phản ứng đàn hồi phụ thuộc vào loại đất cho Bảng 2.1 (TCXDVN 375-2006) Bảng 2.1 Hệ số giới hạn TB, TC,TD , S ứng với loại đất Loại S TB (s) TC (s) TD (s) A 1,0 0,15 0,4 2,0 B 1,2 0,15 0,5 2,0 C 1,15 0,2 0,8 2,0 D 1,35 0,2 0,8 2,0 E 1,4 0,15 0,5 2,0 đất 2.1.4 Phƣơng pháp tính tốn tĩnh phi tuyến 2.1.5 Phƣơng pháp phân tích phi tuyến theo lƣợc sử thời gian 2.1.6 Lựa chọn phƣơng pháp tính tốn 2.2 PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NỀN Kh 2.2.1 Phƣơng pháp thí nghiệm trƣờng 2.2.2 Phƣơng pháp thực hành 2.2.3 Phƣơng pháp mơ hình số Trong luận văn này, tác giả ứng dụng chƣơng trình Fb-Pier v3 để xác định hệ số Kh liên kết khung móng tốn có tƣơng tác đất Các bƣớc tính tốn chuyển vị nút chƣơng trình Fb-Pier - Bƣớc 1: Khai báo cọc + Cọc khoan nhồi loại cọc đợn; + Kích thƣớc, cƣờng độ cọc; - Bƣớc 2: Khai báo lớp đất dọc thân cọc - Bƣớc 3: Đặt lực tác dụng lên đầu cọc - Bƣớc 4: Phân tích Hình 2.3 Khai báo đặc trƣng cọc Hình 2.4 Khai báo cấu trúc địa chất dọc thân cọc 10 2.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG - Nội dung Chƣơng trình bày phƣơng pháp tính tốn tải trọng động đất theo TCXDVN 375-2006 - Phƣơng pháp phổ phản ứng sở để áp dụng vào tính tốn dao động nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất có xét ảnh hƣởng điều kiện địa chất thành phố Đà Nẵng - Phƣơng pháp mơ hình số sở để áp dụng phân tích xác định hệ số dùng mơ hình tƣơng tác kết cấu nhà nhiều tầng với đất 11 CHƢƠNG TÍNH TỐN DAO ĐỘNG CỦA CƠNG TRÌNH NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 3.1 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 3.1.1 Khái quát công trình - Cơng trình Cục Hải quan thành phố Đà Nẵng cao 60,03m kết cấu khung - vách bêtông cốt thép - Cơng trình đƣợc xây dựng phƣờng Hòa Cƣờng Nam, quận Hải Châu, thành phố Đà Nẵng 3.1.2 Bản vẽ kiến trúc cơng trình Hình 3.1 Mặt đứng trục Y 12 Hình 3.2 Mặt đứng trục X Hình 3.3 Mặt tầng 13 y6 y6 y5 600 2000 1600 110 1600 2520 2030 920 y5 5330 tn 3530 900 680 t4 1200 2400 5030 470 960 2700 2700 y4 4350 1200 900 y4 1980 1370 1800 1370 6230 4800 2000 y3 y3 y2 y2 y1 Hình 3.4 Mặt tầng y6 y6 y5 y5 y4 y4 y3 y3 y2 y2 Hình 3.5 Mặt tầng 14 3.2 TÍNH TỐN TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CƠNG TRÌNH 3.2.1 Tính tốn tĩnh tải 3.2.2 Hoạt tải sử dụng 3.3 TÍNH TỐN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT - Khi tính tốn dao động cơng trình khơng xét đến ảnh hƣởng điều kiện đất quan niệm liên kết khung móng liên kết ngàm cứng tuyệt đối - Khi tính tốn dao động cơng trình có xét đến ảnh hƣởng điều kiện đất ta gán liên kết đàn hồi (spring) với hệ số đàn hồi Kh theo phƣơng ngang vị trí liên kết cơng trình móng Vì móng cọc chống lên lớp đá nên ta xem chuyển vị theo phƣơng đứng không đáng kể bỏ qua Hình 3.12 Các liên kết spring 15 Hình 3.13 Mơ hình cơng trình Etabs v9.7.4 3.3.1 Nhận dạng điều kiện địa chất 3.3.2 Tính tốn tải trọng động đất phƣơng pháp phổ phản ứng Dựa vào cách tính tốn phổ phản ứng theo tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006, ta có bảng giá trị phổ phản ứng đất loại C 16 Bảng 3.3 Giá trị phổ phản ứng đàn hồi đất loại C T (s) Se (T) Nền C T (s) Se (T) Nền C 1,4187 2,1280 0,05 1,9507 1,25 1,7024 0,1 2,4827 1,5 1,4187 0,15 3,0147 1,75 1,2160 0,2 3,5467 1,0640 0,3 3,5467 2,5 0,6810 0,4 3,5467 0,4729 0,5 3,5467 3,5 0,3474 0,6 3,5467 0,2660 0,8 2,6600 Hình 3.6 Phổ phản ứng loại đất C Xây dựng phổ phản ứng đàn hồi đất loại C phần mềm Etabs V9.7.4 nhƣ hình 3.7 17 Hình 3.7 Xây dựng phổ phản ứng Etabs 3.4 TÍNH HỆ SỐ NỀN ĐẤT TẠI ĐỈNH CỌC - Hệ số Kh tỷ số lực đơn vị chuyển vị tƣơng ứng Do đó:  1  3,91.104 (kN / m)  Kh   5  h 2,56.10   2,56.105 (m)    h   5  7,6.104 (kN / m)  h  1,31.10 ( m)   K h   5  1,31.10 h   5  h  2,52.10 ( m)  1   3,97.104 (kN / m)  K h3    h 2,52.105 3.5 TỔNG HỢP KẾT QUẢ TÍNH TỐN 3.5.1 Tính tốn theo cấu trúc địa chất khu vực 3.5.2 Tính tốn theo cấu trúc địa chất khu vực 18 3.5.3 Tính tốn theo cấu trúc địa chất khu vực 3.5.4 So sánh kết tính tốn - So sánh kết tính tốn việc xét ảnh hƣởng đất quan niệm ngàm cứng tuyệt đối, công thức tính tốn: Y Y Y   100% Y2 Q  Q1 Q   100% Q2 M  M1 M   100% M2 Trong đó: Y1 , Q1 , M1 : Chuyển vị theo phƣơng Y, lực cắt, moment quan niệm ngàm cứng tuyệt đối Y2 , Q2 , M2 : Chuyển vị theo phƣơng Y, lực cắt, moment có xét ảnh hƣởng đất - Từ công thức trên, ta có kết so sánh sau: Bảng 3.13 Bảng tổng hợp kết so sánh có xét ảnh hƣởng đất quan niệm ngàm cứng tuyệt đối ΔY (%) Kh Kh u u vực vực Tần g Kh u vực 1 80,0 75,0 71,4 ΔQ (%) ΔM (%) Khu vực Khu vực Khu vực Khu vực Khu vực Khu vực 80,0 100 20,7 97,2 52,9 27,5 53,0 66,7 71,4 33,5 28,9 33,3 10,3 9,04 10,3 55,6 50,0 55,6 25,2 25,6 25,2 0,32 0,27 0,31 50,0 44,4 50,0 1,4 1,2 1,4 0,30 0,22 0,30 35,7 30,8 35,7 0,8 0,7 0,7 0,08 0,05 0,61 30,8 25,0 30,8 0,3 0,3 0,3 0,01 0,01 1,40 19 ΔY (%) Kh Kh u u vực vực Tần g Kh u vực 33,3 28,6 29,4 ΔQ (%) ΔM (%) Khu vực Khu vực Khu vực Khu vực Khu vực Khu vực 33,3 0,1 0,1 0,1 0,01 0,01 0,61 25,0 29,4 0,1 0,1 1,0 0,02 0,01 1,58 22,2 17,6 22,2 0,1 0,0 1,8 0,02 0,01 1,64 10 25,0 21,1 25,0 0,0 0,0 1,6 0,02 0,01 1,56 11 19,0 15,0 19,0 0,2 0,2 1,2 0,01 0,01 1,44 12 21,7 18,2 21,7 0,4 0,4 1,1 0,01 0,01 1,29 13 20,8 17,4 20,8 0,6 0,5 0,8 0,01 0,01 1,13 14 16,0 12,5 16,0 0,5 0,5 0,9 0,01 0,01 0,01 15 15,4 12,0 15,4 0,5 0,5 0,6 0,01 0,00 0,01 16 18,5 15,4 18,5 0,4 0,3 3,0 0,01 0,01 0,01 17 14,8 14,8 14,8 0,3 0,3 2,4 0,02 0,01 0,02 Hình 3.26 Biểu đồ so sánh chênh lệch chuyển vị 03 khu vực 20 Hình 3.27 Biểu đồ so sánh chênh lệch lực cắt cột 03 khu vực Hình 3.28 Biểu đồ so sánh chênh lệch moment cột 03 khu vực 3.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG - Theo kết phân tích cho thấy ảnh hƣởng điều kiện đất có cấu trúc khu vực 1, khu vực khu vực đến dao động 21 cơng trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất đáng kể, đặc biệt với tầng dƣới đáy - So sánh với trƣờng hợp ngàm cứng xét ảnh hƣởng đất có cấu trúc khu vực chênh lệch 80% chuyển vị, 100% lực cắt 52,93% moment - Tƣơng tự, khu vực 2: chênh lệch 75% chuyển vị, 20,7% lực cắt 27,53% moment Tại khu vực 3: chênh lệch 80% chuyển vị, 97,2% lực cắt 53,05% moment - Khu vực có cấu trúc địa chất ảnh hƣởng tới dao động cơng trình nhà nhiều tầng khu vực khu vực 22 KẾT LUẬN - Luận văn nghiên cứu dao động cơng trình nhà nhiều tầng chịu tác dụng tải động đất xét ảnh hƣởng điều kiện địa chất có cấu trúc đặc trƣng khu vực 1, khu vực khu vực thành phố Đà Nẵng - Sử dụng phƣơng pháp phổ phản ứng để phân tích ảnh hƣởng động đất đến cơng trình xây dựng theo TCXDVN 375-2006 - Qua kết nghiên cứu, so sánh trƣờng hợp quan niệm ngàm cứng tuyệt đối xét ảnh hƣởng đất nền, độ chênh lệch thể rõ tầng dƣới đáy cơng trình: Khu vực chênh lệch 80% chuyển vị, 100% lực cắt 52,93% moment; Khu vực 2: chênh lệch 75% chuyển vị, 20,7% lực cắt 27,53% moment; Khu vực 3: chênh lệch 80% chuyển vị, 97,2% lực cắt 53,05% moment  ... - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu dao động công trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất có xét ảnh hƣởng điều kiện địa chất thành phố Đà Nẵng Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu... tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu làm việc đồng thời cơng trình nhà nhiều tầng móng có xét ảnh hƣởng điều kiện địa chất dƣới tác dụng tải trọng động đất Đối tƣợng phạm vị nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên. .. moment - Khu vực có cấu trúc địa chất ảnh hƣởng tới dao động cơng trình nhà nhiều tầng khu vực khu vực 22 KẾT LUẬN - Luận văn nghiên cứu dao động cơng trình nhà nhiều tầng chịu tác dụng tải