Phân tích ứng xử động hệ kết cấu chịu tải trọng nổ có xét biến dạng nền

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -[ \ - NGUYỄN THỊ TỐ LAN PHÂN TÍCH ỨNG XỬ ĐỘNG HỆ KẾT CẤU CHỊU TẢI TRỌNG NỔ CÓ XÉT BIẾN DẠNG NỀN CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG – CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ NGÀNH: 60.58.20 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM KHOA XÂY DỰNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ TỐ LAN Giới tính : Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 21 – 07 – 1985 Nơi sinh : Đồng Tháp Chuyên ngành : Xây Dựng Dân Dụng – Công Nghiệp MSHV : 09210907 Khoá: 2009 1- TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ ĐỘNG HỆ KẾT CẤU CHỊU TẢI TRỌNG NỔ CÓ XÉT BIẾN DẠNG NỀN 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ¾ Tìm hiểu ứng xử động đất cơng trình chịu tải trọng nổ Mơ hình chuyển động móng theo phương: hai phương ngang phương xoay ¾ Thiết lập ma trận tính chất kết cấu đất ¾ Xây dựng chương trình tính tốn ngơn ngữ lập trình Matlab để so sánh ứng xử kết cấu xét không xét đến biến dạng nền, có khơng có hiệu ứng P – Delta ¾ Phân tích ứng xử động lực học với thủ tục phân tích bước thời gian ¾ Từ kết phân tích, đưa kết luận kiến nghị 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14 – 02 – 2011 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01 – 07 – 2011 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) KHOA QL NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Qua hai năm học tập trường Đại học Bách khoa TPHCM, luận văn thạc sĩ kết thúc trình nổ lực phấn đấu Tuy nhiên, khởi đầu cho trải nghiệm đường nghiên cứu khoa học Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC Những lời động viên, nhiệt tình hướng dẫn cộng với bảo thầy không hỗ trợ kiến thức mà cịn hình thành tác phong làm việc cách khoa học Những lời cảm ơn chân tình xin gửi tới bạn học viên cao học K2009, chuyên ngành xây dựng dân dụng, trường đại học Bách Khoa TPHCM, người bạn gắn bó, động viên giúp đỡ suốt hai năm qua Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới anh chị đồng nghiệp Trường Đại Học Kiến Trúc TPHCM đóng góp ý kiến tạo điều kiện thuận lợi thời gian để tác giả tham gia học tập nâng cao kiến thức Lời cảm ơn cuối xin gửi tới cha mẹ anh chị gia đình tạo điều kiện tốt mặt có khích lệ tinh thần lúc để tác giả hồn thành luận văn Vì thời gian hồn thành luận văn có hạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót Mọi góp ý tác giả xin ghi nhận cập nhật thời gian sớm để đề tài hoàn chỉnh Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2011 Nguyễn Thị Tố Lan LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN THỊ TỐ LAN Ngày, tháng, năm sinh: 21 – 07 – 1985 Nơi sinh: Đồng Tháp Địa liên lạc: 2/19 Điện Cao Thế, Tân Sơn Nhì, Tân Phú, TP HCM Điện thoại: 0917.95.86.00 hay 0936.79.69.11 Email: tolan.nguyen217@yahoo.com.vn Q TRÌNH ĐÀO TẠO VÀ CƠNG TÁC Từ năm 2003 đến 2008: Sinh viên Trường Đại Học Kiến Trúc TP.HCM Từ năm 2008 đến nay: Cán giảng dạy Trường Đại Học Kiến Trúc TP.HCM công tác công ty CP Đầu Tư Xây Dựng Thiên Nam Từ năm 2009 đến nay: Học viên cao học Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM TÓM TẮT Trong năm gần đây, đề tài nghiên cứu thu hút quan tâm nhà khoa học tốn phân tích hệ kết cấu chịu tải trọng nổ Tác nhân gây nổ vụ nổ không nổ ngầm lịng đất Do tính chất phức tạp việc mô vụ nổ nên tác giả nhận định tốn cịn nhiều khía cạnh để nghiên cứu Cụ thể luận văn này, tác giả theo hướng phân tích ứng xử động hệ khung chịu tác động vụ nổ khơng khí Đồng thời tác giả đào sâu vào khía cạnh khảo sát ảnh hưởng biến dạng đến phản ứng hệ khung lúc Trong nghiên cứu, phương trình vi phân dao động đất thiết lập với phương trình vi phân dao động hệ kết cấu khung tạo thành thể thống từ móng đến đỉnh cơng trình, làm cho tốn mang tính tổng qt Yếu tố phi tuyến hình học xét đến để sát với thực tế Các kết luận nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực cho việc xét hay không xét ảnh hưởng biến dạng đến hệ kết cấu chịu tải trọng nổ MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.2.1 Các phương pháp phân tích 1.2.2 Các xu hướng nghiên cứu vụ nổ 1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG SĨNG NỔ - MƠ PHỎNG TẢI TRỌNG NỔ 2.1 SĨNG NỔ TRONG KHƠNG KHÍ 2.1.1 Sự tương tác sóng nổ kết cấu 2.1.2 Các thơng số mặt đầu sóng 2.1.3 Áp suất sóng nổ 11 2.1.4 Hệ số phản xạ Cr 13 2.2 MÔ PHỎNG TẢI TRỌNG NỔ 14 2.2.1 Các giả thiết hạn chế mô tải trọng nổ 14 2.2.2 Cách xác định tải trọng nổ tác dụng lên khung phẳng 14 CHƯƠNG ĐẶC TRƯNG ĐẤT NỀN – TƯƠNG TÁC SSI 19 3.1 ĐẶC TRƯNG ĐỘNG CỦA ĐẤT NỀN 19 3.1.1 Module kháng cắt động G 19 3.1.2 Hệ số Poisson ν 22 3.1.3 Trọng lượng riêng đất γ 22 3.2 TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN – KẾT CẤU (SSI) 23 3.2.1 Tương tác động 23 3.2.2 Tương tác tĩnh 23 3.2.3 Điều kiện xét đến ảnh hưởng SSI 23 3.3 DAO ĐỘNG ĐẤT NỀN – CÁC HỆ SỐ 24 3.3.1 Dao động đất 24 3.3.2 Hệ số độ cứng đàn hồi 25 3.3.3 Khối lượng momen khối lượng quán tính 28 3.3.4 Hệ số cản 29 CHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KHUNG PHẲNG CHỊU TẢI NỔ CÓ XÉT BIẾN DẠNG NỀN 31 4.1 CÁC GIẢ THIẾT TRONG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC 31 4.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG 32 4.3 XÁC ĐỊNH MA TRẬN TÍNH CHẤT KẾT CẤU KHUNG 33 4.3.1 Ma trận độ cứng phần tử khung phẳng 33 4.3.2 Ma trận khối lượng tương thích 34 4.3.3 Ma trận cản 34 4.4 XÁC ĐỊNH MA TRẬN TÍNH CHẤT ĐẤT NỀN 35 4.5 PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN NEWMARK 38 4.5.1 Tổng quan phương pháp giải 38 4.5.2 Phương pháp tích phân Newmark 39 4.6 CÁC BƯỚC GIẢI VÀ SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN 41 4.6.1 Các bước giải 41 4.6.2 Sơ đồ thuật toán 42 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH BLASTANAL 43 5.1 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH 43 5.1.1 Phần nhập liệu 43 5.1.2 Phần phân tích tốn 44 5.1.3 Phần xuất kết 45 5.2 PHẠM VI SỬ DỤNG 45 5.3 GIAO DIỆN SỬ DỤNG 46 CHƯƠNG CÁC VÍ DỤ MINH HỌA 50 6.1 KIỂM CHỨNG CHƯƠNG TRÌNH BLASTANAL 1.1 51 6.1.1 Kiểm chứng toán khung dao động tự – liên kết ngàm 51 6.1.2 Kiểm chứng toán khung chịu tải trọng nổ – liên kết ngàm 53 6.1.3 Kiểm chứng toán khung dao động tự xét SSI 56 6.1.4 Kiểm chứng toán khung chịu tải trọng nổ xét SSI 58 6.2 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ ĐẤT NỀN 61 6.2.1 Ảnh hưởng vận tốc sóng cắt VS 61 6.2.2 Ảnh hưởng trọng lượng riêng γ đất 70 6.2.3 Ảnh hưởng loại đất 80 6.3 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ TẦNG 86 6.4 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG NỔ 91 6.4.1 Ảnh hưởng chiều cao tác nhân gây nổ hnổ 91 6.4.2 Ảnh hưởng bán kính tác nhân gây nổ Ro 96 6.4.3 Ảnh hưởng khối lượng thuốc nổ W tương đương TNT 100 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 7.1 KẾT LUẬN 105 7.2 KIẾN NGHỊ 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 Chương 1: Tổng quan CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Tình hình trị giới ngày khốc liệt, vừa trải qua công đẫm máu tốn nhiều tiền thương vong Mỹ Irac gần mâu thuẫn Triều Tiên Hàn Quốc leo thang Chưa hết, khu vực Trung Đơng, tình hình khơng tranh chấp Afghanistan nước láng giềng Khơng có sở cho thấy Việt Nam hoàn toàn miễn dịch với biến động mãi Chúng ta có bất đồng với Trung Quốc quyền sở hữu Quần đảo Trường Sa hay gần vụ đặt bom không thành công bọn phản loạn trước đài tưởng niệm vào ngày Quốc Lễ 30/04 Vì vấn đề mà tác giả quan tâm nghĩ cần cho Việt Nam lĩnh vực quốc phòng Với cương vị kỹ sư, câu hỏi đặt ra, điều làm để bảo vệ tình trạng ngun vẹn kết cấu từ vụ nổ với thiệt hại người tài sản thấp nhất? Chính câu hỏi thơi thúc tác giả vào hướng nghiên cứu ứng xử hệ kết cấu với vụ nổ luận văn Một vụ nổ thường liền với loại vũ khí định hệ thống vũ khí: vũ khí hạt nhân, vũ khí sinh học, vũ khí truyền thống, vũ khí hóa học Vũ khí hạt nhân hệ thống vũ khí mạnh lịch sử nhân loại có hình thức Bom A (bom ngun tử) Bom H (bom khinh khí bom hydro) Vũ khí sinh học gây bệnh tật cách phát tán vi khuẩn loại vi rút, ví dụ vi rút gây bệnh than Vũ khí hóa học hóa chất sử dụng trực tiếp vụ cơng việc dùng khí mù tạc sử dụng chiến tranh giới thứ nhất, chất độc màu da cam đioxin chiến tranh Việt Nam Vũ khí truyền thống chia thành loại phóng trực tiếp gián tiếp, có khơng có vụ nổ kèm theo Ở tác giả đề cập đến việc nghiên cứu vũ khí truyền thống phóng trực tiếp có nổ kèm theo lựu đạn, bom, ngư lơi, tên lửa…Sự phá hủy cơng trình từ loại vũ khí khơng Trang Chương 1: Tổng quan lượng động lực học ban đầu thuốc nổ mà cịn sóng va chạm gây từ vụ nổ Trong năm gần đây, thiết bị gây nổ trở thành vũ khí chọn lựa cho nhiều công khủng bố Trong hầu hết trường hợp, phá hủy kết cấu mối nguy hiểm từ kính vỡ nhân tố quan trọng gây thương vong lớn Sau kiện ngày 11 tháng 09 năm 2001, “tòa nhà thần tượng” nhận thấy mục tiêu hấp dẫn cho vụ cơng khủng bố Từ u cầu nghiên cứu phương pháp bảo vệ cơng trình nảy sinh Hình 1.1 Mơ sóng nổ vụ công khủng bố Các kỹ sư kết cấu ngày cần hướng dẫn cách thức thiết kế kết cấu chịu hình thức khủng bố khác Các bước thực sau: xác định đe dọa, tính tốn tải trọng thiết kế ứng với đe dọa xác định, phân tích ứng xử lựa chọn hệ thống kết cấu, thiết kế thành phần kết cấu gia cường kết cấu hữu Bê tông cốt thép thường dùng kết cấu bảo vệ, kết cấu lớn đồ sộ Mối đe dọa lớn loại kết cấu loại vũ khí quân sự, kể vũ khí truyền thống vũ khí hạt nhân Do thực tế kết cấu bảo vệ phải chịu tải trọng gây tải trọng đặc biệt tải trọng nổ Khi vụ nổ xảy ra, kết cấu không chịu tác động nổ (sóng va chạm) mà cịn chịu tác động mãnh vỡ từ vụ nổ Tùy Trang Phụ Lục: Mã Nguồn Chương Trình Blastanal Tanso; %Function phan tich tan so va mode dao dong Omega1=Omega(1); %Tan so co ban cua khung theo thoi gian Matrancan; %Function xac dinh ma tran can tong the khung TichphanNewmark; %Function giai he phuong trinh vi phan dong %luc hoc bang phuong phap tich phan so Newmark ut=double(ut); vt=double(vt); at=double(at); %****XAC DINH VECTO CHUYEN VI NUT TONG THE TAI THOI DIEM Ti**** for j=1:3*sonut q(j)=0; end dem=0; for j=1:sonut if Ux(j)~=0 %Bac tu duoc phep chuyen vi dem = dem+1; q(3*j-2)=ut(3*dem-2); q(3*j-1)=ut(3*dem-1); q(3*j)=ut(3*dem); end end Uxdinh(it)=q(3*(sotang+1)-2);%Chuyen vi theo phuong x cua nut dinh theo thoi gian if abs(Uxdinh(it))>abs(Uxdinhmax) Uxdinhmax=Uxdinh(it); itdinhmax=it; %Vong lap ung voi chuyen vi dinh lon nhat end Uxchan(it)=q(1); if abs(Uxchan(it))>abs(Uxchanmax) Uxchanmax=Uxchan(it); itchanmax=it; end Uxh(it)=q(3*(max(1,round(hno/H))+1)-2);%Chuyen vi theo phuong x cua %nut tai cao dat thuoc no %theo thoi gian if abs(Uxh(it))>abs(Uxhmax) Uxhmax=Uxh(it); Phụ Lục - 22 Phụ Lục: Mã Nguồn Chương Trình Blastanal ithno=it; %Vong lap ung voi chuyen vi cao hno lon nhat end %**XAC DINH MOMEN TAI VI TRI NUT DAU VA NUT CUOI MOI PHAN TU*** Mo=zeros(sophtu,2); qe=zeros(sophtu,6); for i=1:sophtu qe(i,1)=q(3*iFra(i)-2); qe(i,2)=q(3*iFra(i)-1); qe(i,3)=q(3*iFra(i)); qe(i,4)=q(3*jFra(i)-2); qe(i,5)=q(3*jFra(i)-1); qe(i,6)=q(3*jFra(i)); Matrantinhmomen; %Function xay dung ma tran tinh mo men tu %vecto chuyen vi phan tu Mo(i,1)=Se(1,:)*qe(i,:).'; Mo(i,2)=Se(2,:)*qe(i,:).'; end Mo1t(it)=Mo(1,1); if abs(Mo1t(it))>abs(Mo1tmax) Mo1tmax=Mo1t(it); itmomax=it; %Vong lap ung voi chuyen vi dinh lon nhat end Moht(it)=Mo(fix(hno/H)+1,round(hno/H)-fix(hno/H)+1); if abs(Moht(it))>abs(Mohtmax) Mohtmax=Moht(it); itmohmax=it; %Vong lap ung voi chuyen vi dinh lon nhat end %*********************TINH LUC CAT***************************** for i=1:sophtu Q(i,1)=(Mo(i,2)-Mo(i,1))/L(i)-PnQ(i,1)-Pnq(i,1); Q(i,2)=(Mo(i,2)-Mo(i,1))/L(i)+PnQ(i,2)+Pnq(i,2); end Q1t(it)=Q(1,1); if abs(Q1t(it))>abs(Q1tmax) Q1tmax=Q1t(it); itQ1tmax=it; %Vong lap ung voi chuyen vi dinh lon nhat end Qht(it)=Q(fix(hno/H)+1,round(hno/H)-fix(hno/H)+1); if abs(Qht(it))>abs(Qhtmax) Qhtmax=Qht(it); itQhtmax=it; %Vong lap ung voi chuyen vi dinh lon nhat end Phụ Lục - 23 Phụ Lục: Mã Nguồn Chương Trình Blastanal %*****************XAC DINH LUC DOC COT********************* idau=1; icuoi=1; for i=1:socot N0=0; if iFra(i+1)~=jFra(i) %Chuyen truc cot, tu truc sang 2,3 icuoi=i; %Phan tu cuoi tren truc cot dang xet for ii=icuoi:-1:idau N1=0; N2=0; for m=socot+1:sophtu if jFra(ii)==jFra(m) N1=Q(m,2); elseif jFra(ii)==iFra(m) N2=-Q(m,1); break end end N(ii,2)=N1+N2+N0+(Pn(3*jFra(ii)-1)); N(ii,1)=N(ii,2); N0=N(ii,1); end idau=icuoi+1; i=idau; end end %****************XAC DINH LUC DOC DAM******************** N0=0; for i=socot+1:sophtu Q1=0; Q2=0; for k=1:socot if jFra(k)==iFra(i) Q1=Q(k,2); elseif iFra(k)==iFra(i) Q2=-Q(k,1); break end end N(i,1)=Q1+Q2+N0+(-Pn(3*iFra(i)-2)); N(i,2)=N(i,1); N0=N(i,2); Q1=0; Q2=0; if i==sophtu break elseif iFra(i+1)~=jFra(i) N0=0; end end if abs(N(1,1))>abs(Phanlucmax) Phanlucmax=N(1,1); itPhanluc=it; Phụ Lục - 24 Phụ Lục: Mã Nguồn Chương Trình Blastanal end %Kiem tra su hoi tu cua luc doc N cho bai toan phi tuyen hinh hoc %Neu thoa thi vong lap while se ket thuc GiasoN=abs(N-Ns); %Xac dinh gia so N giua vong lap ke tiep dem=0; %Gan bien dem for i=1:sophtu for j=1:2 if(GiasoN(i,j)-MtDungsai(i,j))