Bài giảng Công trình thủy nâng cao: Chương 5 - PGS.TS. Nguyễn Thống

Bài giảng Công trình thủy nâng cao - Chương 5: Phân tích ứng suất trong dập bê tông khi xẩy ra động đất cung cấp cho người học các kiến thức về tính hình động đất tại Việt Nam, phương pháp chuyển động của hệ 1 bậc tự do, phương trình chuyển động của hệ nhiều bậc tự do,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM CơNG TRìNH THủY NâNG CAO Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng - BM KTTNN PGS TS NGUYỄN THỐNG Mail: nguyenthong@hcmut.edu.vn or nthong56@yahoo.fr Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong Tél (08) 38 640 979 - 098 99 66 719 NỘI DUNG MƠN HỌC Chương 1: Thấm qua cơng trình Chương 2: Áp lực khe rỗng Chương 3: ðập vật liệu địa phương Chương 3a: Mơ Monte Carlo áp dụng ñánh giá ổn ñịnh mái dốc Chương 4: ðập bê tông trọng lực Chương 4a: ðập bê tông đầm lăng (RCC) CơNG TRìNH THủY NâNG CAO NỘI DUNG MƠN HỌC Chương 4b: Bài tốn toả nhiệt 3D Chương 5: Phân tích ứng suất đập bê tơng xảy ñộng ñất Chương 6: ðường hầm thủy cơng Giếng điều áp Chương 7: ðường ống áp lực – Nước va ñường ống PGS Dr Nguy?n Th?ng CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO NỘI DUNG THỰC HÀNH Hướng dẫn sử dụng phần mềm tính nước va ñường ống áp lực WaterHammer_BK Hướng dẫn sử dụng phần mềm tính khuếch tán nhiệt 3D bê tơng thủy công Hướng dẫn sử dụng phần mềm mô Monte Carlo ứng dụng tính ổn định mái dốc ñập vật liệu ñịa phương PGS Dr Nguy?n Th?ng CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình Công trình thủy Giáo trình Cơ học đất Phần mềm SIGM Phần mềm SLOPE Phần mềm SEEP Phần mềm CRYSTAL BALL CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất TÌNH HÌNH ĐỘNG ĐẤT TẠI VIỆT NAM PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Tên vùng Sơn La Đông Triều Sông Cả-Khe Bố Đ/đất cực đại (độ Richter) Tên vùng 6,8 Sông MãFumâytun 6,0 Sông HồngSông Chảy Đ/đấtcực đại (độ Richter) 6,5 6,0 Rào Nạy 5,5 Cao Bằng-Tiên Yên 5,5 Đông Bắc trũng Hà Nội 5,5 Cẩm Phả 5,5 Sông Lô 5,5 PGS Dr Nguyễn Thống Tên vùng Phong ThổThan Uyên Đ/đất cực đại (độ Richter) Tên vùng Đ/đấtcực đại (độ Richter) 5.5 Sông Đà 5.5 5,5 Hạ lưu sông Mã 5,5 Sông Hiếu 5,5 Khe GiữaVónh Linh 5,5 Trà Bồng 5,5 Đà Nẵng 5,5 Mường Nhé PGS Dr Nguyễn Thống Huế Tam KỳPhước Sơn 5,5 5,5 CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Tên vùng Sông Pô Cô Ba Tơ - Củng Sơn Đ/đất cực đại (độ Richter) Tên vùng Đ/đấtcực đại (độ Richter) 5,5 Sông Ba 5,5 5,5 5,5 Kinh tuyến 109,5 Tuy Hoà - Củ Chi 5,5 Thuận HảiMinh Hải 5,5 Vũng Tàu-Tôn Lê Sáp 5,5 Sông Hậu 5,5 Phú Quý 5,5 Phú Quý 5,5 PGS Dr Nguyễn Thống Động đất cực đại động đất lớn xảy Độngđất mạnh 5,5 độ Richter gây chấn động cấp 7, làm hư hại nhẹ nhà cửa Động đất 6,0 độ Richter gây chấn động cấp 8, làm hư hại nặng nhà cửa Động đất 6,8 độ Richter gây chấn động cấp 8-9, làm hư hại nhà cửa nặng cấp PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Khi công trình chịu tác động động đất, tải trọng động đất tác dụng thành phần lực quán tính Lực quán tính phát sinh thân công trình áp lực thuỷ động công trình chịu ảnh hưởng nước PGS Dr Nguyễn Thống Khi phân tích ứng suất, biến dạng công trình chịu ảnh hưởng động đất theo mode dao động Tại vị trí, lực quán tính mode dao động không xuất phương PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất LỰC QUÁN TÍNH TRONG CÁC MODE DAO ĐỘNG PGS Dr Nguyễn Thống TIÊU CHUẨN TÍNH ĐỘNG ĐẤT Tải trọng động đất nước tính toán theo cá công thức khác Tuy nhiên tác dụng động đất đề cập đến lý thuyết động lực học, hay nói khác theo phương pháp phổ (khác với lý thuyết tónh không ý đến biến dạng công trình) Hiện nay, việc tính toán tải trọng động đất thường xác định theo số tiêu chuẩn chính: Tiêu chuẩn SNIP (Nga), tiêu chuẩn UBC (Mỹ) Mỗi tiêu chuẩn có đặc thù riêng biệt PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất TIÊU CHUẨN SNIP TIÊU CHUẨN SNIP Về tiêu chuẩn SNIP Nga dựa tổng hợp (SRSS) dạng dao động Và Bộ Xây dựng cho phép áp dụng tiêu chuẩn phải tính với dạng dao động Khi tính toán theo SNIP thấy thân tải trọng động đất tính tổng hợp theo quy tắc bậc hai tổng bình phương toán tónh dạng dao động riêng biệt Vì thế, chưa sát với phản ứng thực công trình Bản chất tải trọng động đất lực quán tính tác dụng vào công trình PGS Dr Nguyễn Thống PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Trong lực quán tính gia tốc yếu tố quan trọng Trong đó, SNIP lại không đề cập đến yếu tố Bởi vậy, mặt động học SNIP không tốt Khi tính tải trọng động đất vị trí đặt lực phải đặt vào tâm khối lượng công trình Đối với kết cấu có hình dạng phức tạp việc xác định tâm khối lượng vấn đề không đơn giản PGS Dr Nguyễn Thống PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất SNIP thực phương pháp tựa tónh Việc lựa chọn dạng dao động để đưa vào tính toán động đất theo SNIP ảnh hưởng lớn đến giá trị tải trọng động đất PGS Dr Nguyễn Thống TIÊU CHUẨN UBC Về tiêu chuẩn UBC Mỹ tính tải trọng động đất lực cắt chân công trình phân bố cho vị trí công trình Điểm đặc biệt quan trọng tiêu chuẩn UBC cho phép sử dụng phổ phản ứng (Response spectra) PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Phổ sử dụng nước Mỹ nhiều nước giới Để có phổ phải qua nhiều thời gian thực nghiệm sử dụng cho loại đất khác Khi tính toán thấy SAP có chức tính tải trọng động đất theo spectrum (phổ) Nhờ mà phân tích kết cấu góc độ động học cách hoàn hảo PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ BẬC TỰ DO PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Một hệ thống động lực học định nghóa thống có khối lượng thành phần có khả chuyển động tương Bậc tự định nghóa số toạ độ cần thiết để xác định hình dạng hay vị trí hệ thống thời điểm bất kỳ, mô tả toàn chuyển động hệ thống số toạ độ cần theo dõi thành phần khối lượng gộp tạo nên hệ thống MÔ PHỎNG HỆ DAO ĐỘNG BẬC TỰ DO PGS Dr Nguyễn Thống m: khối lượng, k tính đàn hồi (độ cứng) c chế lượng tắt dần fi: lực quán tính, fk lực đàn hồi fc lực tắt dần, p(t) ngoại lực PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất CHUYỂN VỊ HỆ q Từ sơ đồ, trạng thái cân hệ: fi + fc + fk = p(t) Trong đó: Lực đàn hồi fk xác định theo định luật Hooke: fk = k q(t) Với q(t) chuyển vị Lực tắt dần fc xác định theo tỷ lệ vận tốc: PGS Dr Nguyễn Thống f c = c d [q( t )] = c.q′( t ) dt Lực quán tính fi tỷ lệ với gia tốc: f i = m d2 [q( t )] = m.q′′(t ) dt PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất ĐƯA VÀO P/T CÂN BẰNG LỰC Phương trình cân hệ dao động có bậc tự do: m.q′′( t ) + c.q′( t ) + k.q ( t ) = p( t ) Với đặc trưng hệ thống: m khối lượng, c chế tắt dần, k cứng q(t) chuyển vị, p(t) ngoại lực PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO độ PGS Dr Nguyễn Thống PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất HỆ DAO ĐỘNG NHIỀU BẬC TỰ DO PGS Dr Nguyễn Thống Thành lập phương trình chuyển động hệ nhiều bậc tự trình phân tích bậc tự hệ thống Đưa điều kiện cân động lực học ứng với bậc tự Kết xác định hệ phương trình với N phương trình dao động ứng với N bậc tự hệ thống PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất fi,1 + fc,1 + fk,1 = p1(t) fi,i + fc,i + fk,i = pi(t) fi,N + fc,N + fk,N = pN(t) N: bậc tự fi,i , fc,i , fk,i: lực tương ứng với bậc tự Để thuận tiện trình tính toán, lực tác dụng biểu diễn hệ số ảnh hưởng: hệ số ảnh hưởng độ cứng kii, hệ số ảnh hưởng tắt dần cii, hệ số ảnh hưởng khối lượng mii PGS Dr Nguyễn Thống PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất f LỰC ðÀN HỒI TRONG HỆ DAO ðỘNG NHIỀU BẬC TỰ DO k ,1 N ∑ = k q i ( t ) 1i i = f k ,i N ∑ = k ii i = q i ( t ) f PGS Dr Nguyễn Thống N ∑ = k , N k i = PGS Dr Nguyễn Thống N i q i ( t ) CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất f LỰC TẮT DẦN TRONG HỆ DAO ðỘNG NHIỀU BẬC TỰ DO c ,1 = i=1 f c ,i PGS Dr Nguyễn Thống PGS Dr Nguyễn Thống c ,N c 1iq i ( t ) = N ∑ i=1 f N ∑ c ii q i(t) = N ∑ i=1 c Ni q i(t) COÂNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất f LỰC QUÁN TÍNH TRONG HỆ DAO ðỘNG NHIỀU BẬC TỰ DO i ,1 = i ,i f PGS Dr Nguyễn Thống i,N m 1i q i(t) = N ∑ m i=1 PGS Dr Nguyễn Thống ∑ i=1 f N ii q i(t) = N ∑ i=1 m Ni q i(t) CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Với giả thiết ứng xử tuyến tính, phương pháp giải toán theo nguyên lý nghiệm chồng Hệ phương trình viết dạng ma trận: [M ].q′′( t ) + [C].q′( t ) + [K ].q( t ) = [p( t )] Đây hệ phương trình cân hệ dao động nhiều bậc tự với [M], [C], [K] ma trận khối lượng, ma trận tắt dần ma trận độ cứng hệ thống PGS Dr Nguyễn Thống PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO VIẾT TRONG HỆ TỌA ĐỘ MODE DAO ĐỘNG PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Phân tích tần số dao động hình dạng mode dao động Trong trình phân tích, giả thiết trạng thái dao động hệ dao động điều hoà với: Với hệ dao động nhiều bậc tự do, giả thiết hệ dao động tự do: lực tắt dần ngoại lực tác dụng Khi phương trình chuyển động viết dạng: [M ].q′′( t ) + [K ].q( t ) = PGS Dr Nguyễn Thống [1] [q( t )] = [q ]sin(ωt + ϕ ) [q '' (t)] = −ω [q ]sin(ωt + ϕ ) Với [q ]mô tả hình dạng dao động hệ thống hay biên độ dao động ω tần số góc, θ pha góc dao động PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Thay vào (1) ta có: Kết thu từ phương pháp thay tần số phương trình (1) đồng nhất, dao động ωi phụ thuộc tuyến tính vô định {} K − ω M q = K − ω M = (2) (2) xác định N giá trị (ω ω12, ω22, , ωN2) tương ứng với N bậc tự Đây phương trình tần số dao động hệ nhiều bậc tự PGS Dr Nguyễn Thống PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Các phương pháp giải gồm: phương pháp chuẩn hoá véc tơ phương pháp quy giá trị tương đương với véc tơ mode dao động PGS Dr Nguyễn Thống Phương pháp thuận tiện trình trình diễn tả trạng thái mode dao động phương pháp chuẩn hoá đưa hệ đại lượng không thứ nguyên cách phân chia tất thành phần thành phần liên quan PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Véc tơ kết gọi trạng thái mode thứ n φn Ma trận [φ φ] tập hợp tất trạng thái mode dao động cột gọi ma trận trạng thái mode dao ñoäng  φ11 φ12 φ φ [Φ ] =  21 22  φN φN PGS Dr Nguyễn Thống φ1N  φ2 N    φNN  ĐIỀU KIỆN TRỰC GIAO Véc tơ hình dạng mode dao động tự có tính chất đặc biệt gọi đặc tính trực giao Đặc tính có ích trình phân tích kết cấu động lực học PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất TÍNH TRỰC GIAO MA TRẬN KHỐI LƯNG Trong phương trình cân động lực học (2-15) ta viết với mode dao động thứ n mode thứ m sau: [K].φ φn = ωn2.[M].φ φn (2-18) [K].φ φm = ωm2.[M].φ φm (2-19) Nhân thêm vào (2-18) ma trận chuyển vị φmT ta được: φmT.[K].φ φn = ωn2.φ φmT.[M].φ φn (2-20) Biến đổi (2-19) ta thấy ma trận [M] [K] đối xứng nên [M] = [M]T, [K] = [K]T Khi đó: φmT [K] = ωm2.φ φmT.[M] (2-21) T T ⇔ φm [K].φ φn= ωm φ φm [M].φ φn (2-22) ⇔ ωm2.φ φmT.[M].φ φn = ωn2.φ φmT.[M].φ φn PGS Dr Nguyễn Thống PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Chương 5: Ứng suất đập bêtông động đất Thế (2-21) vào (2-20) ta : (ω ωn2 - ωm2).φ φmT.[M].φ φn = (2-23) Với m ≠ n, tần số dao động riêng khác nhau: ωn2 ≠ ωm2 φmT.[M].φ φn = (2-24) Điều kiện mode trạng thái dao động (2-24) gọi tính trực giao ma trận khối lượng PGS Dr Nguyễn Thống HẾT CHƯƠNG PGS Dr Nguyễn Thống ... Richter) 5. 5 Sông Đà 5. 5 5, 5 Hạ lưu sông Mã 5, 5 Sông Hiếu 5, 5 Khe GiữaVónh Linh 5, 5 Trà Bồng 5, 5 Đà Nẵng 5, 5 Mường Nhé PGS Dr Nguyễn Thống Huế Tam KỳPhước Sơn 5, 5 5, 5 CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH... đại (độ Richter) 5, 5 Sông Ba 5, 5 5, 5 5, 5 Kinh tuyến 109 ,5 Tuy Hoà - Củ Chi 5, 5 Thuận HảiMinh Hải 5, 5 Vũng Tàu-Tôn Lê Sáp 5, 5 Sông Hậu 5, 5 Phú Quý 5, 5 Phú Quý 5, 5 PGS Dr Nguyễn Thống Động đất cực... ứng thực công trình Bản chất tải trọng động đất lực quán tính tác dụng vào công trình PGS Dr Nguyễn Thống PGS Dr Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Chương 5: Ứng suất