Nghiên cứu dao động nhà cao tầng chịu tải trọng động đất có xét tương tác với nền đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THÀNH DŨNG NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT TƯƠNG TÁC VỚI NỀN ĐẤT 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 2015 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN Phản biện 1: TS TRẦN QUANG HƯNG Phản biện 2: TS ĐẶNG CÔNG THUẬT Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 22 tháng 08 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với phát triển khoa học cơng nghệ, nhiều nhà nghiên cứu tìm biện pháp phòng chống động đất để giảm thiệt hại kinh tế, bảo vệ tài sản tính mạng người Dù có nhiều bước tiến lĩnh vực này, loài người chưa ngăn ngừa triệt để tác hại động đất gây Công trình xây dựng, đặc biệt kết cấu nhà cao tầng nhạy cảm với tác động động đất Vì tính tốn kết cấu nhà cao tầng, ngồi loại tải trọng thơng thường cần phải xét kỹ thêm tác dụng tải trọng động đất gây Hiện nay, tính tốn nhà cao tầng người ta thường quan niệm khung ngàm cứng với móng xem đất có độ cứng lớn, điều chưa phản ánh với làm việc thực tế cơng trình Ví dụ móng cọc, tác dụng tải trọng cọc bị lún xuống, kéo theo chuyển vị đài cọc, tác dụng không tải trọng lên đầu cọc, đài cọc có chuyển vị xoay Như vậy, mơ hình làm việc đồng thời với đất, giả thiết liên kết ngàm chân cột khơng với thực tế, đặc biệt móng sâu (móng cọc) Hơn nữa, yêu cầu ngày cao ngành xây dựng, vấn đề thiết kế an tồn vấn đề kinh tế, tiết kiệm, đưa giải pháp hợp lý không phần quan trọng Hiện nay, cơng cụ tính tốn đại phát triển, việc nghiên cứu trở nên thuận lợi Vì lý trên, học viên thực đề tài: “Nghiên cứu dao động nhà cao tầng chịu tải trọng động đất có xét tương tác với đất” cho luận văn thạc sĩ Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài nghiên cứu ứng dụng lý thuyết tính tốn động đất cơng trình để phân tích dao động hệ kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất, có xét đến tương tác với đất Từ đó, phân tích đánh giá kết rút nhận xét Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: nhà cao tầng - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu dao động nhà cao tầng chịu tải trọng động đất có xét đến tương tác với đất Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết tính tốn động đất cơng trình xây dựng, mơ hình tương tác đất móng cọc, từ ứng dụng vào phân tích dao động cho hệ kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất có xét đến tương tác với đất - Phân tích tổng hợp kết rút nhận xét, kết luận, kiến nghị Bố cục đề tài Cấu trúc nội dung gồm chương sau: - Chương 1: Tổng quan động đất cơng trình chịu động đất - Chương 2: Dao động cơng trình có kể đến tương tác đất - Chương 3: Ví dụ tính tốn dao động nhà cao tầng có tương tác với đất Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Tác hại động đất đến cơng trình xây dựng nói chung cơng trình nhà cao tầng nói riêng nghiêm trọng Khi động đất xẩy ra, nguy nhà cao tầng bị sụp đổ gây thiệt hại người tài sản lớn.Việc nghiên cứu dao động nhà cao tầng chịu tải trọng động đất để tìm biện pháp khắc phục phòng ngừa rủi ro cần thiết Vì vậy, đề tài “ dao động nhà cao tầng chịu tải trọng động đất có xét tương tác với đất” có ý nghĩa khoa học thực tiễn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT 1.1.1 Động đất Sự dao động bề mặt đất sóng truyền đến từ nguồn gây lòng đất gọi động đất (earthquake/seismic) Hình 1.1 Mô tả trận động đất [7] 1.1.2 Nguồn gốc động đất a Động đất có nguồn gốc từ đứt gãy kiến tạo Hình 1.2 Các loại đứt gãy chuyển động đứt gãy[7] Động đất xảy tạo thành đứt gãy kiến tạo, động đất xảy hoạt động đứt gãy Giải thích chế này, nhà khoa học Mỹ H.F.Reid (1911) đưa thuyết bật đàn hồi (Elastic- Rebound Theory) b Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo mảng Hình 1.4 Quan hệ gờ mở rộng, vùng hút chìm chuyển động trượt ngang bờ mảng[7] c Động đất phát sinh từ nguồn gốc khác 1.1.3 Sóng động đất Sóng động đất (seismic waves) phát từ tâm động đất theo hướng giảm dần xa tâm động đất Sóng động đất bao gồm sóng vật thể (body waves) sóng bề mặt (surface waves) 1.1.4 Các thang đánh giá cường độ động đất Hiện để đánh giá cường độ trận động đất, dựa vào hậu lượng gây trận động đất 1.2 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ĐỘNG ĐẤT 1.2.1 Q trình phát triển phương pháp tính tốn động đất 1.2.2 Các phương pháp tính tốn kết cấu chịu tác dụng động đất Để tính tốn tải trọng động đất tác dụng lên cơng trình người ta dùng phương pháp tính tốn sau: a Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương (quasi-static method) b Phương pháp phổ phản ứng (response spectrum analysis) c Phương pháp phân tích dạng (modal analysis) d Phương pháp tính tốn tĩnh phi tuyến ( phương pháp đẩy dần- push over analysis) e Phương pháp phân tích theo lược sử thời gian (time history analysis) 1.3 DAO ĐỘNG NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 1.3.1 Dao động hệ kết cấu chịu tải trọng a Mơ hình tính tốn b Phương trình chuyển động 1.3.2 Dao động hệ kết cấu chịu tải trọng động đất a Mơ hình tính tốn b Phương trình chuyển động 1.3.3 Chu kỳ dạng dao động hệ kết cấu Để xác định chu kỳ dạng dao động hệ kết cấu, ta xét trường hợp hệ dao động tự khơng có lực cản  M x   K x  (1.48) KẾT LUẬN CHƯƠNG Động đất tượng địa chấn phức tạp, khó kiểm sốt Khi động đất xảy lượng giải phóng chấn tâm truyền dạng sóng đến cơng trình xây dựng Người ta phân loại trận động đất theo mức độ phá hủy phân loại theo cường độ Richter dựa vào lượng giải phóng chấn tâm Hiện có nhiều phương pháp nghiên cứu để tính tốn cơng trình chịu tải trọng động đất: tĩnh lực ngang tương đương, phổ phản ứng, tĩnh phi tuyến, lược sử thời gian Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng Tùy mục đích thiết kế loại cơng trình mà lựa chọn phương pháp tính tốn phù hợp Khi biết thơng số chuyển động đất dao động tự hệ kết cấu tính tốn cơng trình chịu tải trọng động đất phương pháp động lực học CHƯƠNG DAO ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI CÓ KỂ ĐẾN SỰ TƯƠNG TÁC VỚI NỀN ĐẤT 2.1 ỨNG XỬ CỦA CƠNG TRÌNH CĨ KỂ ĐẾN SỰ LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI CỦA NỀN ĐẤT a Mô hình tính tốn b Các thơng số khơng thứ ngun (Dimensionless Parameters) 2.2 NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC GIỮA CỌC VÀ NỀN ĐẤT 2.2.1 Mơ hình dầm phi tuyến Winkler (BNWF: Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) Theo mơ hình đất xung quanh cọc thay loạt lò xo khơng đàn hồi theo phương độc lập biến dạng nơi có tải trọng, khu vực lân cận khơng bị biến dạng hình 2.5 Hình 2.5 Mơ hình cọc –nền đất bi ểu đồ ứng xử cọc[2] a Đường cong p-y b Đường cong t-z 10 CHƯƠNG TÍNH TỐN DAO ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI CÓ KỂ ĐẾN SỰ TƯƠNG TÁC VỚI NỀN ĐẤT 3.1 ĐỐI TƯỢNG TÍNH TỐN 3.1.1 Mơ tả cơng trình Mơ hình mơ tả khung phẳng nhịp (6.5m, 6.5m, 6.5m) Mỗi tầng cao 3,3m, tầng cao 4,5m Khi xét đến SSI, móng cơng trình dùng móng cọc khoan nhồi đường kính 1m, cọc xuyên qua lớp đất ( lớp 1: sét yếu :8m, lớp 2: cát chặt vừa : 15m, lớp cát chặt : 7m, đặc tính lớp đất cho bảng 3.1) ngàm vào lớp đá cứng, mực nước ngầm độ sâu -1m Cột có kích thước 800x800, dầm có kích thước 250x700 Bảng 3.1 Đặc tính loại đất SSI1, SSI2, SSI3 Loại đất SSI1 SSI2 SSI3 Lớp Lớp Lớp Sét yếu: 8m Cát chặt vừa:15m Cát chặt:7m =5,3kN/m , =17kN/m , =19kN/m3, 3 su=4,33+1,01z =32 =40 Sét yếu: 8m Cát chặt vừa:15m Cát chặt:7m =5,8kN/m3, =18kN/m3, =20kN/m3, su=6,08+1,03z =34 =40 Sét yếu: 8m Cát chặt vừa:15m Cát chặt:7m =6,5kN/m3, =19kN/m3, =21kN/m3, su=7,03+1,21z =36 =40 11 3.1.2 Tải trọng tác dụng lên cơng trình theo TCXDVN 2737-1995 3.2 MƠ HÌNH TƯƠNG TÁC GIỮA ĐẤT NỀN VÀ KẾT CẤU 3.2.1 Mơ hình lý thuyết tính tốn Đề tài dùng mơ hình dầm phi tuyến Winkler ( Beam on Nonlinear Foudation) để xét đến tương tác cọc – đất 3.2.2 Xây dựng đường cong quan hệ tải trọng chuyển vị lò xo khơng đàn hồi Đất chia làm nhiều lớp lớp có chiều dày 0,5m Các lớp tương tác với cọc thơng qua lò xo khơng đàn hồi đặt trung điểm lớp Các lò xo có độ sâu 0,25m, 0,75m, 1,25m 29,75m Hình 3.1a Tương tác cọc-đất thơng qua lò xo phi tuyến Dưới trình bày đường cong độ sâu nên 12 Mơ hình SSI1 Từ đất nền, loại cọc, lý thuyết mơ hình Matlock (1970), Reese,và O’neil (1988), API (1993) ta tính tốn vẽ đường cong p-y, t-z, q-z sau:  Đường cong p-y Hình 3.1 Đường cong p-y từ độ sâu 0,25m đến 29,75m  Đường cong t-z Hình 3.2 Đường cong t-z từ độ sâu 0,25m đến 29,75m 13 3.2.3 Mô lo xo đất phần tử Link/Support Sap2000v16.0.0 3.3 SO SÁNH KẾT QUẢ GIỮA CÁC MƠ HÌNH FB, SSI1, SSI2, SSI3 3.3.1 Chu kỳ dao động (sử dụng phần mềm Sap2000v16.0.0) T- chu kỳ dao động không xét đến SSI ( FB-Fix base) ~ T - chu kỳ dao động xét SSI a Sự thay đổi chu kỳ tăng độ cứng đất Thay đổi độ cứng đất theo thứ tự tăng dần SSI1, SSI2, SSI3 mà giữ nguyên độ cứng kết cấu bên Ta có kết chu kỳ dao động sau: Bảng 3.3 So sánh chu kỳ mơ hình FB SSI thay đổi độ cứng đất ~ T (s) ~ T T T(s) SSI1 SSI2 SSI3 FB SSI1 SSI2 SSI3 6,17 4,72 4,02 2,87 2,15 1,64 1,40 14 Hình 3.10 Đồ thị thể thay đổi chu kỳ ứng với mơ hình b Sự thay đổi chu kỳ tăng độ cứng kết cấu bên Để không ảnh hưởng đến ma trận khối lượng làm thay đổi chu kỳ đề tài tăng độ cứng cách tăng mô đun đàn hồi giữ nguyên tiết diện +Lần : tăng E lên lần +Lần 2: tăng E lên lần Kết phân tích bảng 3.4 Bảng 3.4 So sánh chu kỳ mơ hình FB SSI thay đổi độ cứng kết cấu bên ~ T (s) Lần tăng ~ T T T(s) độ cứng SSI1 SSI2 SSI3 FB SSI1 SSI2 SSI3 Lần 5,99 4,43 3,51 2,03 2,95 2,18 1,73 Lần 5,94 4,33 3,2 1,65 3,60 2,62 1,94 15 Hình 3.12 Đồ thị thể tỉ lệ chu kỳ thay đổi độ cứng kết cấu bên Hình 3.13 Đồ thị thể tốc độ thay đổi chu kỳ tăng độ cứng kết cấu bên 16 c Nhận xét Với số liệu đầu vào mô tả mục 3.1 Từ kết phân tích chu kỳ dao động tác giả có số nhận xét sau: Khi xét tương tác đất kết cấu vào mô hình tính tốn chu kì dao động hệ kết cấu tăng lên đáng kể, tỉ lệ tăng chu kỳ từ 1,4 đến 2,15 lần - Hình 3.10a,3.10b,3.11 Khi thay đổi độ cứng đất theo chiều tăng dần giữ nguyên độ cứng kết cấu bên chu kỳ dao động giảm dần (giảm từ 1,31 đến 1,53 lần) hay độ cứng đất tỷ lệ nghịch với chu kỳ dao động - Hình 3.10a Khi tăng độ cứng kết cấu bên tỉ lệ T T lớn nghĩa độ cứng kết cấu bên lớn ảnh hưởng đất đến chu kỳ dao động đáng kể - Hình 3.12 Khi thay đổi độ cứng kết cấu bên thay đổi chu kỳ mơ hình FB nhanh so với mơ hình SSI (độ dốc đường FB lớn nhất) - Hình 3.13 3.3.2 Lực cắt đáy tải trọng động đất a Tính tốn lực cắt đáy phương pháp phổ phản ứng theo tiêu chuẩn TCVN 375-2006 Bảng 3.10 So sánh lực cắt đáy mơ hình FB SSI Mơ hình Lực cắt đáy(kN) SSI1 390 SSI2 681 SSI3 773 FB 788 17 Hình 3.17 Đồ thị lực cắt đáy tương ứng với mơ hình b Nhận xét Với số liệu đầu vào mô tả mục 3.1 Từ kết phân tích lực cắt đáy tác dụng lên cơng trình tác giả có số nhận xét sau: Theo phương pháp phổ phản ứng lực cắt đáy ứng với dạng dao động thứ i tác dụng lên cơng trình tính theo cơng thức Fbi  M td ,i Sd (Ti ) Với cơng trình có chu kỳ nhỏ 4s phản ứng động đất xây dựng phổ gia tốc, chu kỳ cao 4s xây dựng dựa phổ chuyển vị cho phụ lục tham khảo A TCXDVN 375-2006 Lực cắt đáy tác dụng lên cơng trình với mơ hình SSI nhỏ mơ hình FB (giảm từ 1,02 đến 2,02 lần) Khi tăng độ cứng đất lực cắt đáy tăng lên - Hình 3.17 18 3.3.3 Chuyển vị a Chuyển vị dao động tự Dựa vào kết phân tích dao động tự từ phần mềm Sap2000v16.0.0 ta có kết sau: Hình 3.18 Dạng dao động thứ (Mode 1) chưa chuẩn hóa 19 Hình 3.19 Dạng dao động thứ (Mode 1) chập theo chuyển vị đỉnh lớn b Chuyển vị đỉnh tải động đất u- chuyển vị đỉnh không xét đến SSI ( FB-Fix base) u - chuyển vị đỉnh xét SSI Kết phân tích Bảng 3.12 20 Bảng 3.12 So sánh chuyển vị đỉnh mơ hình u(mm) u u (mm) u SSI1 267 SSI2 144 SSI3 115 FB SSI1 70 3.81 SSI2 2.05 SSI3 1.64 Hình 3.22 Đồ thị chuyển vị đỉnh tải trọng động đất gây Hình 3.23 Đồ thị thể ũ/u tăng độ cứng đất 21 Hình 3.24 Chuyển vị tầng tải trọng động đất Hình 3.25 Chuyển vị tầng tải trọng động đất chập chuyển vị theo chuyển vị đỉn lớn 22 c Nhận xét Với số liệu đầu vào mô tả mục 3.1 Từ kết phân tích chuyển vị tầng dao động tự chuyển vị đỉnh lực động đất tác dụng lên cơng trình tác giả có số nhận xét sau: Khi dao động tự hệ kết cấu xét đến tương tác với đất chuyển vị tầng tăng lên, chuyển vị tầng lại giảm xuống Khi tăng dần độ cứng đất chuyển vị tầng giảm di tầng tăng lên (độ cứng đất tỉ lệ nghịch với chuyển vị tầng tỉ lệ thuận với chuyển vị tầng dạng dao động đầu tiên) - Hình 3.18 Khi xét đến tương tác với đất chuyển vị đỉnh tải trọng động đất gây tăng lên đáng kể so với mơ hình ngàm (tăng từ 1,64 đến 3,81 lần) - Hình 3.22, 3.23 Tuy nhiên chuyển vị tương đối tầng bé (độ dốc đường FB bé nhất) - Hình 3.24, 3.25 Khi tăng độ cứng đất chuyển vị đỉnh tải trọng động đất gây giảm dần (giảm từ 1,86 đến 2,32 lần) hay chuyển vị đỉnh tỉ lệ nghịch với độ cứng đất - Hình 3.22 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Vấn đề tương tác đất kết cấu (SSI) vấn đề phức tạp chưa nghiên cứu hoàn chỉnh Để thể tương tác đất – cọc đề tài dùng mơ hình dầm phi tuyến Winkler (BNWF), tương tác đất – cọc mô qua lò xo khơng đàn hồi với trợ giúp từ phần mềm Sap2000 Các đường cong quan hệ tải trọng chuyển vị lò xo khơng đàn hồi xây dựng dựa nghiên cứu thực nghiệm đáng tin cậy từ nhà khoa học Với số liệu đầu vào mục 3.1, dựa mơ hình BNWF với trợ giúp từ phần mềm Sap2000, đề tài tiến hành phân tích mơ hình kết cấu không tương tác với đất (ngàm-FB) mơ hình kết cấu tương tác với đất (SSI) chịu tải trọng động đất Từ kết phân tích thấy xét tương tác với đất đặc tính hệ thay đổi đáng kể: chu kỳ tăng, chuyển vị đỉnh tải trọng động đất gây tăng, tải trọng động đất chuyển vị tương đối tầng giảm Trong thay đổi độ cứng đất độ cứng kết cấu bên đưa vào phân tích Kiến nghị Từ kết phân tích ta thấy so với mơ hình truyền thống (ngàm cứng) mơ hình SSI có kết thay đổi đáng kể, thay đổi phụ thuộc nhiều vào thông số đầu vào đất Mơ hình SSI phản ánh xác làm việc thực tế kết cấu cần nghiên cứu hoàn thiện 24 Đề tài dừng lại mơ hình khung phẳng cần mở động cho tốn khung khơng gian Cần xét thêm thay đổi gia tốc cưỡng lên móng từ gia tốc tính tốn động đất cho cơng trình ... nhận xét Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: nhà cao tầng - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu dao động nhà cao tầng chịu tải trọng động đất có xét đến tương tác với đất Phương pháp nghiên cứu. .. “ dao động nhà cao tầng chịu tải trọng động đất có xét tương tác với đất có ý nghĩa khoa học thực tiễn 4 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG... analysis) 1.3 DAO ĐỘNG NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 1.3.1 Dao động hệ kết cấu chịu tải trọng a Mơ hình tính tốn b Phương trình chuyển động 1.3.2 Dao động hệ kết cấu chịu tải trọng động đất a