Nghiên cứu tương tác kết cấu đất nền dưới tác dụng của tải trọng động đất bằng phần tử vĩ mô TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HUỲNH VĂN QUÂN NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số: 9520101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Giao thơng Vận tải Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Xuân Huy PGS TS Nguyễn Trung Kiên Phản biện 1: ……………………………………………… Phản biện ……………………………………………… Phản biện 3: ……………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi … ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Tính thời đề tài Trong tiêu chuẩn thiết kế cơng trình nay, phân tích ứng xử kết cấu có xét đến tương tác với đất chưa kể đến dạng khuyến nghị Nguyên nhân xét đồng thời hệ kết cấu phần trên-móng-đất (hệ kết cấu-đất nền) dẫn đến việc phân tích khó khăn Trong đó, tương tác đất móng phức tạp, đặc biệt trường hợp chịu tải trọng động đất Trong năm gần đây, số trận động đất Việt Nam Viện Vật lý địa cầu ghi nhận ngày nhiều Khu vực phía Bắc xảy động đất mạnh cấp VIII-cấp cơng trình bị phá hoại Tại Việt Nam, nghiên cứu tương tác hệ kết cấu-đất đa phần dạng phân tích lý thuyết với liên kết lị xo tuyến tính Trên giới, tương tác hệ kết cấu-đất mơ hình với phần tử vĩ mô xem giải pháp đại hiệu Bài tốn phân tích tương tác đồng thời đất kết cấu tải trọng động đất cần tiếp tục nghiên cứu nên nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tương tác kết cấu-đất tác dụng tải trọng động đất phần tử vĩ mô” để thực luận án Mục tiêu luận án Bằng lý thuyết thí nghiệm, luận án nghiên cứu tương tác hệ kết cấu-đất chịu tải trọng động đất Trong phân tích lý thuyết, tương tác phức tạp hệ móng-đất mơ hình phần tử vĩ mơ Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng luận án ứng xử hệ kết cấu-đất chịu tác dụng tải trọng động đất dạng chuyển vị gia tốc theo phương ngang Kết cấu mô hình dạng thơng số tập trung, phần tử vĩ mơ móng nơng đặt mặt đất cát chặt chưa xét đến cặp ứng xử chuyển vị-góc xoay Trong thí nghiệm, hộp đất dạng tường cứng gắn vào bàn rung, gia tốc kích thích theo phương cạnh dài theo thời gian, bỏ qua ảnh hưởng thay đổi tính chất đất trình thí nghiệm Các thơng số thí nghiệm đầu vào cho mơ hình tốn học mà chưa thể tương đương với cơng trình cụ thể Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án kết hợp hài hòa phương pháp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Phân tích tương tác hệ móng-đất tải trọng động đất với phần tử vĩ mơ giúp giải tốn đơn giản hóa Kết phân tích giúp kỹ sư thiết kế đưa giải pháp phù hợp Nghiên cứu thực nghiệm không giúp quan sát ứng xử thực hệ mà sở để kiểm chứng kết phân tích lý thuyết luận án đề xuất Bố cục luận án Bố cục luận án gồm phần mở đầu, chương phần kết luận Phần Mở đầu trình bày cần thiết đề tài, mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu bố cục luận án Chương trình bày tổng quan vấn đề đặt để nghiên cứu sinh tìm hiểu, từ định hướng nội dung luận án Chương trình bày nội dung nghiên cứu lý thuyết việc đề xuất phần tử vĩ mơ để thay cho hệ móng-đất phù hợp với phân tích động đất Thành lập hệ phương trình vi phân chuyển động hệ Chương trình bày nội dung nghiên cứu thực nghiệm bàn rung tương tác kết cấu-đất tải trọng động đất Chương trình bày kết phân tích ứng xử hệ kết cấu-đất tải trọng động đất hệ phương trình xây dựng Chương Kết phân tích lý thuyết so sánh với kết thí nghiệm Chương Phần Kết luận trình bày tóm tắt kết mà luận án thực hiện, đóng góp luận án, nêu số vấn đề chưa giải cần thực nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN 1.1 Khái quát tương tác kết cấu-đất Theo quan điểm kỹ sư kết cấu, móng chơn vào nên độ cứng hệ nền-móng lớn, kết cấu có độ cứng bé nên xem mỏng Theo quan điểm kỹ sư địa kỹ thuật, kết cấu có độ cứng lớn, móng đặt đất làm nhiệm vụ nâng đỡ kết cấu nên xem gối mềm (Hình 1.1) Với quan điểm kết cấu xem mỏng móng gối mềm, chuyển động bé ảnh hưởng đến ứng xử mỏng số gia lực ảnh hưởng đến gối mềm Do đó, việc xét ứng xử đồng thời hệ kết cấu, móng đất cần thiết Hình 1.1 Quan điểm tương quan độ cứng kết cấu móng (Grange, 2008) 1.2 Ứng xử phi tuyến hệ móng-đất tải trọng động đất Dưới tác dụng lực quán tính, mô men gây quay vượt khả chống quay gây chuyển vị góc xoay móng Kết quả, biến dạng lớn nên phần diện tích đáy móng có khả tách nhổ lên khỏi mặt tiếp xúc với đất (uplift), gọi phi tuyến hình học (geometrical non-linearity) Phi tuyến vật liệu (material non-linearity) bao gồm tất phi tuyến lại xuất hệ móng-đất (Cremer, 2001) Các phi tuyến tính dẻo đất, tượng tập trung ứng suất hay tính chất hóa lỏng đất bị rung lắc 1.3 Các phương pháp phân tích tương tác kết cấu-đất Về lý thuyết, có ba phương pháp phân tích tốn tương tác kết cấu-đất Phương pháp trực tiếp với nội dung phương pháp phần tử hữu hạn cổ điển với khối lượng tính tốn lớn Phương pháp kết cấu phụ xây dựng sở quy tắc cộng tác dụng giúp đơn giản hóa tốn có nhược điểm: coi hệ kết cấu-đất làm việc tuyến tính Phương pháp lai (hybrid method) kết hợp hai phương pháp nên có nhiều ưu điểm, nội dung phương pháp mô hình “macro-element” Macro-element phần tử tổng thể chứa đầy đủ yếu tố vi mô, tên gọi macro-element thành thông lệ quốc tế chưa có tên tiếng Việt Tại Việt Nam, nội dung luận án nghiên cứu công bố nên đề xuất đặt tên tiếng Việt cho macro-element “phần tử vĩ mô” 1.4 Nhận xét nội dung tổng quan đặt vấn đề nghiên cứu Một số nhận xét: Dưới tác dụng tải trọng động đất, ứng xử hệ móng-đất diễn phức tạp, địi hỏi khối lượng tính tốn lớn Giải pháp mơ hình phần tử vĩ mơ giúp thuận lợi cho q trình phân tích Đã có nhiều mơ hình phần tử vĩ mơ xây dựng ứng với tải trọng theo chu kỳ Nova (1991), Cremer (2001), Grange (2009), Chatzigogos (2009); hay với tải trọng động đất Paolucci (1997, 2008), Figini (2012) chưa hoàn chỉnh Tại Việt Nam, nội dung chưa tác giả đề cập nên cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu Kết nghiên cứu tác giả phương diện lý thuyết thí nghiệm dừng lại cơng bố độ lún (chuyển vị thẳng đứng) góc xoay hệ Vì vậy, vấn đề đặt luận án là: (i) Đề xuất phần tử vĩ mơ với cặp phi tuyến hình học vật liệu phù hợp với tốn phân tích hệ chịu tải trọng động đất (ii) Nghiên cứu thực nghiệm tương tác kết cấu-đất thực với hai trường hợp có khơng có kết cấu phần để phù hợp với mơ hình phần tử vĩ mơ, giúp kiểm tra khả ứng dụng mơ hình thực tế (iii) Luận án tập trung khảo sát chuyển vị gia tốc theo phương ngang kết cấu để bổ sung cho hệ thống liệu kết nghiên cứu phần tử vĩ mô nghiên cứu thực nghiệm tương tác kết cấu-đất CHƯƠNG MƠ HÌNH TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ 2.1 Các đặc trưng phần tử vĩ mơ +) Phần tử vĩ mơ khơng gian (Hình 2.1): Véc-tơ lực: 𝑭 = {𝐻𝑥 𝐻𝑦 𝑀𝑥 Véc-tơ chuyển vị: 𝒖 = {𝑢𝑥 𝑢𝑦 𝜃𝑥 𝑀𝑦 𝐻𝑧 }𝑇 (2.1) 𝜃𝑦 }𝑇 (2.2) 𝑢𝑧 Hình 2.1 Lực chuyển vị thu gọn phần tử vĩ mô không gian (Grange, 2009) Hình 2.2 Lực chuyển vị thu gọn phần tử vĩ mô phẳng (Chatzigogos, 2009) +) Phần tử vĩ mơ phẳng (Hình 2.2): Véc-tơ lực: 𝑸 = {𝑁 𝑀 𝑉 }𝑇 (2.3) Véc-tơ chuyển vị: 𝒒 = {𝑣 𝜃 𝑢 }𝑇 (2.4) 2.2 Hàm dẻo quy luật chảy Trong luận án này, kiến nghị hàm dẻo 𝑓(𝐹 𝐹 ) theo Nova (1991) quy luật chảy 𝑔(𝐹 𝐹 ) theo Cremer (2001) có dạng sau +) Hệ không gian: { 𝑓(𝐹 𝐹 ) = ℎ𝑥2 + ℎ𝑦2 + 𝑚𝑥2 + 𝑚𝑦2 − 𝜉 (1 − 𝜉)2𝛽 𝑔(𝐹 𝐹 ) = 𝜆2 (ℎ𝑥2 + ℎ𝑦2 ) + 𝜒 (𝑚𝑥2 + 𝑚𝑦2 ) + 𝜉 − (2.5) + Hệ phẳng: 𝑓(𝐹 𝐹 ) = ℎ2 + 𝑚2 − 𝜉 (1 − 𝜉)2𝛽 (2.6) 𝑔(𝐹 𝐹 ) = 𝜆2 ℎ2 + 𝜒 𝑚2 + 𝜉 − ℎ𝑥 = 𝐻𝑥 /𝜇𝑁𝑚𝑎𝑥 , ℎ𝑦 = 𝐻𝑦 /𝜇𝑁𝑚𝑎𝑥 , ℎ = 𝑉/𝜇𝑁𝑚𝑎𝑥 , 𝑚𝑥 = 𝑀𝑥 / 𝜓𝐵𝑥 𝑁𝑚𝑎𝑥 , 𝑚𝑦 = 𝑀𝑦 /𝜓𝐵𝑦 𝑁𝑚𝑎𝑥 , 𝑚 = 𝑀/𝜓𝐵𝑁𝑚𝑎𝑥 , 𝜉 = 𝑁 𝐹 /𝑁𝑚𝑎𝑥 𝐵 bề rộng móng; 𝐵𝑥 , 𝐵𝑦 bề rộng móng theo phương 𝑥, 𝑦 𝑁𝑚𝑎𝑥 = 𝑞𝑚𝑎𝑥 𝑆 khả chịu lực tĩnh cực đại theo phương đứng móng, 𝑆 diện tích móng, 𝑞𝑚𝑎𝑥 ứng suất chịu nén cực hạn đất tải trọng thẳng đứng 2.3 Ma trận độ cứng phần tử vĩ mô { Theo Paolucci (1997), q trình phân tích ứng xử hệ, véctơ phản lực 𝑭𝐹𝑛+1 bước tính tốn thứ 𝑛 + xác định công thức: 𝑭𝐹𝑛+1 = 𝑭𝐹𝑛 + 𝑲𝐹 (𝒙𝑛+1 − 𝒙𝑛 ) (2.7) Móng đặt mặt đất, chưa xét đến ảnh hưởng cặp ứng xử chuyển vị-góc xoay nên phần tử nằm ngồi đường chéo lấy khơng Khi chưa xuất phi tuyến, ma trận độ cứng đàn hồi 𝑲𝐹 = 𝑲𝐹0 có dạng (2.8) tốn khơng gian có dạng (2.9) toán phẳng 𝑘𝑥0 0 𝑘𝑦0 0 𝑘𝑟𝑥0 𝑲𝐹0 = 0 0 [ 0 𝑘0 𝑲𝐹0 = [ 𝑘𝑟 0 0 𝑘𝑟𝑦0 0 0] 𝑘𝑣 0 0 𝑘𝑧0 ] (2.8) (2.9) 𝑘𝑥0(𝑘0 ), 𝑘𝑦0 , 𝑘𝑧0 (𝑘𝑣 ) 𝑘𝑟𝑥0 , 𝑘𝑟𝑦0 (𝑘𝑟 ) độ cứng lò xo đàn hồi tương đương hệ móng-đất theo trục 𝑥, 𝑦, 𝑧 quay quanh trục 𝑥, 𝑦, xác định theo Gazetas (1991) Với móng có hình dạng (cạnh 2𝐵, 2𝐿, với 𝐿 > 𝐵) xác định theo (2.10) 𝐾𝑦0 = 2𝐺𝐿 2−𝑣 (2 + 2,050,85 ); 𝐾𝑥0 = 𝐾𝑦 − 𝐾𝑧0 = 𝐺 𝐿 0,25 0,75 {𝐾𝑟𝑥0 = 1−𝑣 𝐼𝑏𝑥 (𝐵) 2𝐺𝐿 1−𝑣 (0,73 + 1,54 𝐵 𝐵 (1 − ) 𝐿 0,75 ) (2,4 + 0,5 ) ; 𝐾𝑟𝑦0 = 𝐿 0,2𝐺𝐿 0,75−𝑣 𝐺 0,75 𝐼 1−𝑣 𝑏𝑦 (2.10) 𝐿 0,25 [3 ( ) 𝐵 ] Tại thời điểm, xét theo phương khảo sát, tính phi tuyến hình học thể bề rộng móng tiếp xúc với đất 𝐵′: 𝐵′ = 𝐵(1 − 𝛿) (2.11) Hệ số giảm 𝛿 có giới hạn ≤ 𝛿 < Thay (2.11) vào công thức xác định hệ số đàn hồi tương đương hệ móng-đất có sau (Paolucci, 2008): ′ 𝑘𝑥0(𝑦0) = 𝑘𝑥0(𝑦0) [0,74(1 − 𝛿)0,35 + 0,09 + 0,17(1 − 𝛿)] ′ (2.12) { 𝑘𝑟𝑥0(𝑦0) = 𝑘𝑟𝑥0(𝑦𝑜) [(1 − 0,2𝛿)(1 − 𝛿)2 ] ′ 𝑘𝑣0 = 𝑘𝑣0 [0,66(1 − 𝛿)0,25 + 0,34(1 − 𝛿)] 𝛿1 𝛿(𝜃 𝑝 ) = 1+ (2.13) 𝛿2 𝜃𝑝 Trong luận án này, tác giả đề xuất sử dụng số liệu: 𝛿1 =0,75, 𝛿2 =5000/rad phù hợp với kết thí nghiệm (Paolucci, 2008) 𝜃 𝑝 = ∑𝑛|∆𝜃𝑛 − ∆𝑀𝑛 /𝑘𝑟′ | (2.14) 𝐹 𝐹′ Khi đó, ma trận độ cứng đàn hồi 𝑲 trở thành 𝑲 : 𝑘′𝑥0 0 0 𝑘′𝑦0 0 𝐹′ 𝑘′𝑟𝑥0 0 𝑲 = (2.15) 0 𝑘′𝑟𝑦0 0 0 𝑘′𝑧0 ] [ Trường hợp toán phẳng: 11 𝑁𝑚𝑎𝑥 (kN) 𝜓 𝜆 2,45 × 105 0,43 𝜇 𝜉  0,682 0,95 Bảng 2.2 Sai số gia tốc chuyển vị cực đại theo phương ngang Chuyển vị (mm) Phần tử vĩ Phần mềm mô luận CyclicTP án đề xuất 13,32 12,35 Sai số (%) 7,85 Gia tốc (𝑚/𝑠 ) Phần tử vĩ mô Phần mềm luận án đề CyclicTP xuất 4,654 4,652 Sai số (%) 0,04 Kết luận Chương Những kết đạt chương này: - Đề xuất mơ hình phần tử vĩ mơ xét đến cặp phi tuyến hình học vật liệu phù hợp với tải trọng động đất - Ứng dụng phần tử vĩ mô đề xuất để xây dựng mơ hình phân tích tương tác hệ móng-đất hệ kết cấu phần trên-móng-đất - Xây dựng phương trình tích phân số theo phương pháp Newmark cho hai mơ hình phân tích tương tác kết cấu-đất nền, phương trình (2.22) (2.23) - Thực phân tích ví dụ cụ thể, sai số giá trị cực đại ứng xử dạng chuyển vị gia tốc theo phương ngang đỉnh móng hai phương pháp có giá trị tương ứng 7,85% 0,04% 12 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TƯƠNG TÁC HỆ KẾT CẤU-ĐẤT NỀN DƯỚI TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 3.1 Cơ sở thiết kế mơ hình thí nghiệm Kết cấu nguyên mẫu đề xuất để nghiên cứu thực nghiệm chương có dạng Hình 3.1: kết cấu nhịp có khối lượng 120 tấn, chiều cao có hiệu ℎ =12,5m, móng nơng hình vng cạnh 𝐵=5m cao 2m; đất cát chặt, khoảng cách theo điều kiện biên 5B=55m=25m (Anastasopoulos, 2012) 2,5B=2,55m=12,5m (Tabatabaiefar, 2016) Kiểm tra tỷ số mảnh: ℎ/𝐵 =12,5/5=2,5