Phân tích động lực học kết cấu chịu động đất có xét đến ảnh hưởng tương tác nền móng cọc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜANG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - LƢƠNG MINH SANG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƢỞNG TƢƠNG TÁC NỀN MĨNG CỌC Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng công nghiệp Mã số ngành : 605820 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2014 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trọng Phƣớc Cán chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Sỹ Lâm (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Lê Văn Cảnh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc só bảo vệ tại: Trường Đại Học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 08 năm 2014 Thành phần Hợi đờng đánh giá ḷn văn thạc sĩ gờm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hợi đờng chấm bảo vệ ḷn văn thạc sĩ) PGS.TS Nguyễn Xuân Hùng TS Nguyễn Sỹ Lâm TS Nguyễn Trọng Phƣớc TS Lƣơng Văn Hải PGS.TS Lê Văn Cảnh Xác nhận của chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Nguyễn Xuân Hùng TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG TS.Nguyễn Minh Tâm i LỜI CẢM ƠN i đầu tiên t i xin ch n thành cảm n Thầy hư ng d n, TS Nguyễn Trọng Phư c, ngư i đã tận tình d n dắt và hư ng d n t i từ bư c đầu làm quen v i c ng việc nghiên c u khoa học đến l c hoàn thành một luận văn thạc sĩ Thầy đã khuyên bảo t i rất nhi u v cách nhận định đ ng đắn các vấn đ nghiên c u của đ tài và đã hư ng d n tận tình Thầy đã có những l i khuyên quý báu, những k làm việc hiệu quả suốt quá trình th c luận văn này Thầy đã cho t i những kiến th c b ch và gi p t i có những k cần thiết Thầy ch nh là bài học v s thành c ng T i xin cảm n an iám hiệu Trư ng Đại học ách khoa Tp H , ph ng Đào tạo Sau Đại học và các thầy c tr c tiếp tham gia giảng dạy đã truy n đạt những kiến th c và phư ng pháp học tập, nghiên c u m i T i xin ch n thành cảm n trư ng Đại học X y d ng i n Trung, khoa x y d ng và các quý thầy c đồng nghiệp đã tạo u kiện tối đa, hỗ trợ c ng việc giảng dạy, động viên tinh thần và chia những kinh nghiệm quý báu của quý thầy c việc nghiên c u khoa học ảm n các bạn bè, anh chị học viên khoá 2012 đã gi p đỡ t i suốt th i gian hoàn thành luận văn Tôi chân thành cảm n đến các tác giả đã có rất nhi u cống hiến việc nghiên c u và viết nhi u bài báo khoa học, nhi u sách tham khảo có giá trị Đó ch nh là s hỗ trợ rất nhi u v mặt kiến th c để t i có thể hoàn thành luận văn này Sau cùng, t i muốn gởi l i cảm n ch n thành đến gia đình, cha mẹ, các anh chị đã lu n bên cạnh và gi p đỡ t i rất nhi u suốt th i gian th c luận văn Tp Hồ h inh, tháng 06 năm 2014 Lƣơng Minh Sang ii TÓM T T uận văn này ph n t ch ng xử động l c học của kết cấu chịu tác d ng của gia tốc n n động đất có x t đến tư ng tác của kết cấu bên v i n n móng cọc bên dư i.Kết cấu bên được m hệ nhi u bậc t động l c học x t chuyển vị ngang, đ y là thành phần chuyển vị chủ yếu kết cấu chịu động đất.S tư ng tác giữa kết cấu và móng nh m phản ánh ch nh xác h n (kể đến s làm việc đồng th i giữa các kết cấu) th ng qua n n móng cọc có th ng số hữu hạn gồm có các l xo có độ c ng và các thiết bị tiêu tán có hệ số cản ác đặc t nh động l c học của móng được xác định d a các m hình của Novak Dobry.Phư ng trình chuyển đợng của hệ được thiết lập và giải b ng phư ng pháp t ch ph n Newmarktrên toàn mi n th i gian ngôn ngữ lập trình T ợt chư ng trình máy t nh d a được viết để ph n t ch ng xử động l c học của kết cấu có x t đến s tư ng tác này ác v d số được th c th ng qua các th ng số m tả ng xử chu k dao động, chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh kết cấu và l c cắt ch n cột kết cấu chịu động đất cho thấy ảnh hưởng phần nào của s tư ng tác này Ngoài ra, một số khảo sát được th c thêm để xem x t đặc t nh của n n móng số lượng cọc thay đ i, khoảng cách cọc thay đ i, th ng số tần số tư ng đối của n n và so sánh v i m hình n n Topbase được khảo sát TĨ TẮT iii MỤC LỤC TĨM T T DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƢƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đ 1.2 c tiêu luận văn 1.3Nội dung luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN 2.1 S lượt v s tư ng tác giữa kết cấu và n n 2.2 Tình hình nghiên c u gi i 12 2.3 Tình hình nghiên c u nư c 14 2.4 Kết luận 16 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 i i thiệu chư ng 18 3.2 i i thiệu mơ hình 18 3.3Th ng số độ c ng và cản của nhóm cọc mô hình 19 3.4 Ph n t ch ng xử kết cấu m hình 30 3.5Thuật toán giải 36 3.6Kết luận 39 Ụ Ụ iv CHƢƠNG KẾT QUẢ SỐ 4.1 i i thiệu chư ng 40 4.2Kiểm ch ng chư ng trình t nh 40 4.3Khảo sát m hình v i các th ng số ảnh hưởng 51 4.4 Khảo sát mô hình v i các trận đợng đất khác 61 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận 67 5.2 Hư ng phát triển 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Ụ Ụ v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Ảnh hưởng của tư ng tác động Hình 2.2 Sóng cắt ngang truy n theo phư ng y bên dư i móng c ng Hình 2.3 Quan hệ giữa  α Hình 2.4 Dao đợng của c ng trình Hình 3.1 S đờ t nh tư ng tác của hệ kết cấu n tầng và n n móng cọc 17 Hình 3.2 hình cọc tư ng tác đất 21 Hình 3.3 hình cọc được khảo sát 22 Hình 3.4 Hệ số đợ c ng và đợ cản động nhóm cọc x theo phư ng đ ng 24 Hình 3.5 Hệ số đợ c ng và độ cản động nhóm cọc x3 theo phư ng đ ng 24 Hình 3.6 Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc x2 theo phư ng xoay 26 Hình 3.7 Hệ số đợ c ng và độ cản động nhóm cọc x3 theo phư ng xoay 27 Hình 3.8 Hệ số đợ c ng và độ cản động nhóm cọc x2 theo phư ng ngang 28 Hình 3.9 Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc x3 theo phư ng ngang 28 Hình 3.10 S đờ hệ N bậc t chịu động đất x t tư ng tác n n móng cọc 31 Hình 3.11 S đờ khối của chư ng trình 37 Hình 4.1 Đờ thị gia tốc n n trận động đất l entro (1940) 41 Hình 4.2 S đồ khung liên kết ngàm 10 tầng chịu tải đợng đất 42 Hình 4.3 ác dạng mode dao động c bản của hệ 10 tầng 43 Hình 4.4 Đồ thị so sánh chuyển vị đỉnh giữa S P2000 và uận văn 44 Hình 4.5 Đờ thị so sánh vận tốc đỉnh giữa S P2000 và uận văn 44 Hình 4.6 Đờ thị so sánh gia tốc đỉnh giữa S P2000 và uận văn 45 D NH Ụ HÌNH VẼ vi Hình 4.7 hình nhóm cọc x3 47 Hình 4.8 ấu tạo l p Top ase gia cư ng n n 48 Hình 4.9 huyển vị đỉnh trư ng hợp ngàm, n n móng cọc, n n Topbase 49 Hình 4.10 Vận tốc đỉnh trư ng hợp ngàm, n n móng cọc, n n Topbase 49 Hình 4.11 ia tốc đỉnh trư ng hợp ngàm, n n móng cọc, n n Topbase 50 Hình 4.12 So sánh chuyển vị đỉnh l n nhất v i số tầng thay đ i 52 Hình 4.13 So sánh chuyển vị đỉnh nhỏ nhất v i số tầng thay đ i 52 Hình 4.14 So sánh chu k dao đợng mode đầu tiên v i số tầng thay đ i 53 Hình 4.15 hình nhóm cọc 2x2 và 3x3 54 Hình 4.16 huyển vị đỉnh theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 và 2x2 55 Hình 4.17.Vận tốc đỉnh theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 và 2x2 55 Hình 4.18 ia tốc đỉnh theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 và 2x2 56 Hình 4.19 c cắt ch n cột theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 2x2 56 Hình 4.20 ode dao đợng kết cấu 30 tầng trư ng hợp ngàm 58 Hình 4.11 huyển vị đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 59 Hình 4.22 Vận tốc đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 59 Hình 4.33 ia tốc đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 60 Hình 4.44 c cắt ch n cợt đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 60 Hình 4.25 Đờ thị gia tốc n n trận động đất Nothrigde 1994 62 Hình 4.26 Đờ thị gia tốc n n trận động đất rpinia 1980 62 Hình 4.27 Đờ thị gia tốc n n trận động đất oalinga 1983 63 Hình 4.28 huyển vị đỉnh c ng trình dư i trận đợng đất Nothridge 1994 64 Hình 4.29 huyển vị đỉnh c ng trình dư i trận đợng đất rpinia 1980 65 Hình 4.30 huyển vị đỉnh c ng trình dư i trận đợng đất oalinga 1983 66 D NH Ụ HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ảng 3.1 Giá trị của f z1 , f z theo Novak (1974) 19 ảng 3.2 Giá trị của f x1 , f x , f , f theo Novak (1974) 19 ảng 4.1 So sánh chu k dao động giữa S P2000 và uận văn cho bài toán liên kết ngàm 43 ảng 4.2 So sánh chuyển vị, vận tốc, gia tốc max/min giữa S P2000 và uận văn cho bài toán liên kết ngàm 45 ảng 4.3 Dữ liệu đất n n có gia cư ng l p Top ase 47 ảng 4.4 So sánh chuyển vị đỉnh, vận tốc đỉnh, gia tốc đỉnh và l c cắt đáy móng giữa các m hình liên kết 50 ảng 4.5 So sánh chuyển vị, vận tốc, gia tốc và l c cắt max/min khoảng cách cọc thay đ i 57 ảng 4.6 So sánh chu k dao động số lượng cọc thay đ i 57 ảng 4.7 Kết quả ph n t ch v i khoảng cách cọc thay đ i 61 ảng 4.8 Kết quả ph n t ch v i trận động đất 63 ảng Dữ liệu kết cấu 80 ảng Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng đ ng nhóm cọc 2x2 81 ảng Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng đ ng nhóm cọc 3x3 81 ảng Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng xoay nhóm cọc 2x2 82 ảng Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng xoay nhóm cọc 3x3 82 ảng Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng ngang nhóm cọc 2x2 82 ảng Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng ngang nhóm cọc 3x3 83 D NH Ụ ẢN ỂU 70 [14] John P Wolf, Soil - Structure-Interaction Analysis in Time Domain, Prentice – Hall, Inc, 1988 [15] J E Luco and R A Westmann, Dynamic response of rigid footing bonded to an elastic half-space, Journal of Applied Mechanics 39 (2), 1972, pp.527–534 [16] G W Housner, Interaction of building and ground during an earthquake, Bulletin of the Seismological Society of America, 47 (3), 1957, pp 179–186 [17] Kaynia, A M & Kausel, E (1982a) Dynamic behaviourof pile groups 2nd Inter Co& Numer Meth.Offshore Piling, Austin, Texas, 509-532 [18] Kaynia, A M & Kausel, E (1982b) Dynamic stiflnessand seismic response of pile groups Research ReportR82-03, Massachusetts Institute of Technology [19] Kagawa, T (1983) Dynamic lateral pile-group effects J.Geotech Emma Div Am Sot Cio Enars 109 1267-1285 [20] ng Văn Hải, Phạm Ngọc T n, P ân tíc động lực ọc kết cấu c ịu tải trọng động có xét tương tác với đất gia cư ng Top Base, 2012 [21] M A Ghannad and et al, A study on the frequency and damping of soil – structure systems using a simplified model, Journal Structural Construction Engineer 475, 1998 [22] M A Ghannad and Mofid Nakhaei, The effect of soil – structure interaction on damage index of buildings, Engineering Structure 30, 2008, pp.1491-1499 [23] N M Newmark, Torsion of symmetrical buildings, Proceedings of the Fourth World Conference on Earthquake Engineering, Santiago, Chile, 1969 [24] Newmark N M, A method of computation for structural dynamics, J Eng Mech Div ASCE 85 (EM3), 1959, pp 67-94 [25] Nogami, T (1980) Dynamic stiffness and damping ofpile groups in inhomogeneous soil Dynamicresponse of pile foundation (eds R.Dobry) ASCE Special Technical Publication NewYork: ASCE TÀ ỆU TH KHẢO O’Neill and 71 [26] Nogami, T (1983) Dynamic group effect in axialresponses of grouped piles J Geotech Engng Dio.Am Sot Cio Engrs 109,225-243 [27] Novak, M (1974) Dynamic stiffness and damping ofpiles Can Geotech J 11, No [28] Poulos, H G (1971) Behavior of laterally-loaded pilesII: pile groups J Soil Mech Fdns Div Am Sot Ciu.engrs 97, SM5, 733-751 [29] Ray W Clough and Joseph Penzien, Dynamics of Structures, 3th edition, Computers & Structures, Inc, 2003 [30] Reissner, Stationary, axisymmetric, with a mass shaking excited oscillation of a homogeneous elastic half-space, Engineering Archives VII (6), 1936, pp 381-396 [31] Sen, R., Davies, T G & Banerjee, P K (1985).Dynamic analysis of piles and pile groups embeddedin- homogenedus soil Earthquake engineering and struct Dyn 13, 53-65 [32] T K Datta, Seismic Analysis of Structurals, John Wiley & Sons, Ltd, 2010 [33] Wang Qiang, Real time dynamic Hybrid testing for soil-structure interaction analysis, 2008, pp 1-16 [34] Wolf, J P & Von Arx, A (1978) Impedance functionof a group of vertical piles Proc ASCE SpecialtyConf Soil Dyn Earthquake Engng 2,1024-1041 TÀ ỆU TH KHẢO 72 PHỤ LỤC A CHƢƠNG TRÌNH TÍNH Chƣơng trình clear all format short clc n=input('Nhap so tang n='); gama=0.5; beta=0.25; dt=0.02; a0=1/(beta*dt*dt); a1=gama/(beta*dt); a2=1/(beta*dt); a3=1/(2*beta)-1; a4=gama/beta-1; a5=dt*(gama/beta-2)/2; a6=dt*(1-gama); a7=gama*dt; [m,k,h,J]=readdata(n);%doc file lay m, k, h, J o dang vecto tu file data voi du lieu dau vao la n [M,K,C,V,T]=tinhmkc(m,k,n);%tinh ma tran khoi luong, cung, can phi=V; [Q,V,A]=newmark(K,M,C,m,a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,dt); %chuyen vi q=Q(n,:); qc=q'; %van toc v=V(n,:); vn=v'; %gia toc a=A(n,:); n1=length(q); t=0.02:dt:15; tim_max_min_lkngam(Q,V,A,t,n) mf=input('nhap khoi luong mf='); %mf=2743; [kh,kdelta,mhi,ch,cdelta,Jdelta]=hamcandat(m,h,mf); [MI,KI,CI,m1,TSSI]=tinhSSI(m,h,J,M,K,C,kh,kdelta,mhi,ch,cdelta,mf,Jdelta ); [QI,VI,AI]=newmark(KI,MI,CI,m1,a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,dt); [Ke]=tinhchuky(M,K,n,h,kh,kdelta); tgm=sum(m)+mf; %chuyen vi qi=QI(n+2,:); %van toc vi=VI(n+2,:); %gia toc ai=AI(n+2,:); PHỤ Ụ 73 %vt=vi'; %at=ai'; qd=qi+QI(1,:)+h(n)*QI(2,:); qdc=qd'; %qt=qd'; n2=length(qi); Vd=a*tgm*1; %luc cat day ngam Vdi=ai*tgm*1; %luc cat day tuong tac nen mong coc if CI(1,1)==0 figure(1) plot(t,q,'k-','lineWidth',1.4);hold on plot(t,qd,'r-','lineWidth',1.5),legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc'); legend('Nen mong coc','Nen Top Base'); ve_do_thi; grid on; xlabel('Thoi gian (s)'); ylabel('Chuyen vi (m)'); % figure(2) plot(t,vn,'k-','lineWidth',1.4);hold on plot(t,vi,'r-','lineWidth',1.5),%legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc'), legend('Nen mong coc','Nen Top Base');hold all ve_do_thi; grid on; xlabel('Thoi gian (s)'); ylabel('Van toc (m/s)'); % -figure(3) plot(t,a,'k-','lineWidth',1.4);hold on plot(t,ai,'r-','lineWidth',1.5),%legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc'), legend('Nen mong coc','Nen Top Base');hold off ve_do_thi; grid on; xlabel('Thoi gian (s)'); ylabel('Gia toc (m/s^2)'); % -figure(4) plot(t,Vd,'b ','lineWidth',1.4);hold on plot(t,Vdi,'r-','lineWidth',1.5),%legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc'), legend('Nen mong coc','Nen Top Base');hold off grid on; xlabel('Thoi gian (s)'); ylabel('Luc cat day (kN)'); end if CI(1,1)==ch figure(1) plot(t,qd,'g-','lineWidth',1.5);hold on plot(t,q,'r-','lineWidth',1.5);hold on legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc'); %legend('Nhom coc 3x3','Nhom coc 2x2'); %ve_do_thi,legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc','Tuong tac nen Top Base'), PHỤ Ụ 74 hold off; grid on; xlabel('Thoi gian (s)'); ylabel('Chuyen vi (m)'); % figure(2) plot(t,v,'b ','lineWidth',1.45);hold on plot(t,vi,'k-','lineWidth',1.5); legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc'); %legend('Nhom coc 3x3','Nhom coc 2x2'); %ve_do_thi,legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc','Tuong tac nen Top Base'), hold off; grid on; xlabel('Thoi gian (s)'); ylabel('Van toc (m/s)'); % -figure(3) plot(t,a,'b ','lineWidth',1.45);hold on plot(t,ai,'k-','lineWidth',1.5); legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc'); %legend('Nhom coc 3x3','Nhom coc 2x2'); %ve_do_thi,legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc','Tuong tac nen Top Base'), hold off grid on; xlabel('Thoi gian (s)'); ylabel('Gia toc (m/s^2)'); % -figure(4) plot(t,Vd,'b ','lineWidth',1.45);hold on plot(t,Vdi,'k-','lineWidth',1.5); legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc'); %legend('Nhom coc 3x3','Nhom coc 2x2'); %ve_do_thi,legend('Lien ket ngam','Tuong tac nen mong coc','Tuong tac nen Top Base'), hold off grid on; xlabel('Thoi gian (s)'); ylabel('Luc cat day (kN)'); end Chương trình  Hàm đọc liệu function [m,k,h,J]=readdata(n) fid=fopen('data-30.txt','r');%doc file du lieu dac trung ket cau j=0; %m=zeros(n,1); %k=zeros(n,1); %h=zeros(n,1); %J=zeros(n,1); PHỤ Ụ 75 while j