Nghiên cứu ứng xử của hệ khung móng đất nền làm việc đồng thờ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o HOÀNG NGỌC TRIỀU NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KHUNG-MÓNG-ĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI STUDY ON INTERACTION BEHAVIOUR OF STRUCTURE-FOUNDATION-SOIL SYSTEM Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số : 60.58.02.11 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9/2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Bá Vinh Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Võ Phán Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Nguyễn Trọng Phước Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 09 tháng năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Tô Văn Lận TS Lê Trọng Nghĩa PGS.TS Võ Phán PGS.TS Nguyễn Trọng Phước Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau Luận văn sửa chửa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS.TS Tô Văn Lận PGS.TS Lê Anh Tuấn ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc  - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : HOÀNG NGỌC TRIỀU Ngày, tháng, năm sinh : 25/12/1995 Chuyên ngành MSHV : 1870349 Nơi sinh : Đà Lạt : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số : 60.58.02.11 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KHUNG – MÓNG – ĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mở đầu Chương 1: Tổng quan nghiên cứu nước ứng xử hệ khung – móng – đất làm việc đồng thời Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp phân tích tương tác đất nền-kết cấu hệ khung – móng – đất làm việc đồng thời Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng ứng xử hệ khung - móng - đất làm việc đồng thời Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng tương tác đất kết cấu (SSI) đến ứng xử hệ móng bè-cọc chịu tác động động đất Kết luận kiến nghị NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/02/2020 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/8/2020 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS LÊ BÁ VINH TP.HCM, ngày 01 tháng năm 2020 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS TS LÊ BÁ VINH PGS TS LÊ BÁ VINH LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ luận án cuối khóa, đầu kết học tập, nghiên cứu hai năm học Tác giả cố gắng nỗ lực thân nhận hướng dẫn, giúp đỡ từ Thầy cơ, gia đình, anh chị, bạn bè đồng nghiệp Đầu tiên tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS TS Lê Bá Vinh giúp đỡ cho hướng nghiên cứu, cách tiếp cận khoa học, tạo điều kiện máy móc thiết bị để thực luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể q Thầy Cơ Bộ mơn Địa cơ- Nền móng, người dạy dỗ, bảo kiến thức chia sẻ kinh nghiệm quý báu trình học tập, nghiên cứu Tác giả xin cảm ơn anh Nguyễn Văn Nhân anh Nguyễn Nhựt Nhứt anh chị, bạn bè khóa hỗ trợ trợ nhiệt tình chân thành suốt thời gian thực luận văn Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thân gia đình, người ln hỗ trợ tối đa mặt để tác giả hồn thành chặng đường gian khổ vừa qua Tác giả hy vọng luận văn tài liệu tham khảo hữu ích cho học viên kỹ sư xây dựng có hứng thú với hướng nghiên cứu Mặc dù cố gắng trình thực khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong muốn nhận góp ý thầy cơ, bạn bè, đồng nghiệp để hoàn thiện đề tài TP HCM, ngày 01 tháng năm 2020 Tác giả luận văn Hồng Ngọc Triều TĨM TẮT LUẬN VĂN Từ trước đến nay, cơng trình xây dựng thiết kế thường tách riêng thiết kế kết cấu bên thiết kế hệ móng-đất bên Phần mềm ETABS thường sử dụng để phân tích ứng xử thiết kế kết cấu bên với sơ đồ tính xem kết cấu ngàm chân cột, vách (FB) Sau đó, giá trị phản lực chân cột, vách sử dụng để phân tích thiết kế hệ móng-đất bên Quan điểm thiết kế không thực mô ứng xử thật cơng trình thực tế đất khơng hồn tồn cứng dẫn đến độ lún khơng đất Độ lún lệch dẫn đến giá trị nội lực khung có sai khác nhiều so với ứng xử thực tế cơng trình Sở dĩ cách tính riêng rẽ phần từ trước đến sử dụng việc giải tính tốn làm việc chung đồng thời kết cấu-móng- đất (SSI) cịn gặp nhiều khó khăn Ngày nay, với phát triển phần mềm phần tử hữu hạn ứng dụng xây dựng việc phân tích hệ kết cấu-móng-đất làm việc đồng thời đơn giản hóa, số phần mềm PLAXIS 3D Chính tác giả thực đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KHUNG-MÓNG-ĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI” nhằm xác định ưu nhược điểm hai phương pháp SSI FB Trong nghiên cứu này, phần mềm PLAXIS 3D sử dụng để phân tích ứng xử hệ kết cấu-móng-đất làm việc đồng thời cho cơng trình Messesturm Tower Frankfurt nước Đức Sau đó, ứng xử hệ kết cấu bên ứng xử hệ móngđất bên so sánh hai phương pháp phân tích SSI FB để thấy sai khác hai phương pháp Trong đó, ứng xử kết cấu bên gồm nội lực moment, lực cắt dầm cột so sánh hai phương pháp Kết phân tích nhận thấy kết moment lực cắt dầm cột có chênh lệch đáng kể phương pháp phân tích SSI FB Trong đó, phương pháp SSI cho kết lớn so với phương pháp FB với giá trị chênh lệch lớn lên đến 12 % tầng thấp lên tầng cao giá trị chênh lệch có xu hướng giảm dần đến khoảng nhỏ % Ứng xử hệ móng-đất bên gồm lực dọc, moment, lực cắt cọc moment bè so sánh hai phương pháp phân tích Kết phân tích nhận thấy phương pháp phân tích FB cho kết moment, lực cắt cọc moment dương bè có xu hướng lớn so với phương pháp SSI cách đáng kể, cịn giá trị lực dọc cọc có phân phối lại xét đến SSI so với phương pháp không xét đến SSI Nhận thấy mức độ ảnh hưởng lún lệch đến phát sinh nội lực kết cấu bên cần thiết việc hạn chế độ lún lệch thiết kế cơng trình Nghiên cứu tiến hành phân tích số giải pháp áp dụng để hạn chế độ lún lệch giải pháp hiệu tăng độ cứng bè thơng qua việc tăng chiều dày bè Để chọn chiều dày bè hợp lý nên mơ hệ móng bè-cọc đất phần mềm phần tử hữu hạn, sau thực thử dần chọn bề dày bè vừa thõa điều kiện độ lún lệch tương đối, vừa thõa điều kiện độ lún tổng tâm móng Ngồi ra, nghiên cứu cịn tiến hành phân tích ảnh hưởng động đất đến ứng xử hệ móng bè-cọc Để thực hiện, tác giả tiến hành mô tác động động đất lên công trình thơng qua lực cắt đáy tác dụng lên đài cọc Kết phân tích nhận thấy chịu tác động động đất giá trị moment cọc có gia tăng so với trường hợp chịu tải trọng tĩnh mức độ gia tăng giá trị moment phụ thuộc vào cường độ trận động đất Khi cường độ động đất tăng giá trị moment cọc tăng, đặc biệt phạm vi 15 m tính từ đầu cọc Tuy nhiên, cọc vị trí trung tâm đài bè có xu hướng chịu tác động nhiều cọc vị trí ngồi cọc có phần trăm gia tăng moment cọc gấp khoảng lần cọc ngồi Do đó, việc xét đến tác động động đất thiết kế hệ móng bè-cọc bên thực cần thiết tốn thiết kế, đặc biệt vùng có nguy chịu tác động động đất Một phương pháp áp dụng để xét đến tác động động đất đến ứng xử hệ móng bè-cọc phương pháp giả tĩnh, tác động động đất mô lực tĩnh ngang tương đương tác dụng lên đài cọc Nghiên cứu tiến hành phân tích tác động động đất đến hệ móng bè-cọc cơng trình thực tế Messturm Tower theo hai phương pháp: phương pháp phân tích hệ kết cấu – móng – đất làm việc đồng thời (SSI) phương pháp phân tích Ashutosh Kumar mơ hệ móng bè – cọc Trong giá trị moment phân tích theo phương pháp phân tích SSI có xu hướng nhỏ so với kết phân tích phương pháp mơ hệ móng bè-cọc So với phương pháp mô hệ bè-cọc phương pháp SSI khơng mơ ứng xử thực tế mà đem lại hiệu mặt kinh tế thiết kế với kết moment cọc nhỏ đáng kể lên đến 35 %, giúp tiết kiệm vật liệu làm cọc ABSTRACT Over the last few years, as a result of the rapid development of cities around the world, the demand for building especially high-rise building has increased not only in quantity but also in height Therefore, the design work is very important and also needs to constantly develop to not only ensure the safety for citizens but also aim to optimize the design works Up to now, the design works have been seperated from the design of superstructure and the foundation system The special structure softwares are often used to analyze the behaivour and design the struture above with the model which assumes that the supperstructure is fixed at the foot of the reinforced concrete columns and core walls After that, the reaction values at the base of the column are used to analyze and design the foundation system In this design concept, assuming the above structures fixed at the base means that the building is built on hard ground (without settlement) and does not really simulate the true behaviour of the building The reason is that the ground is not completely hard which results in irregular settlement of the ground This settlement between coulumns will lead to the increasing internal force values in the superstructure above The reason for the conventional concept has been used up to now is that it is difficult to model a whole system including supperstructure, foundation system and soil to ananlyze the soil-structure interaction However, today as a result of the development of finite element software, these problems can be solved In this study, PLAXIS 3D will be used to ananlyse the behaviours of the superstructure-foundation-soil system working together for Messesturm Tower After that, the results from this calculation which considering soil-structure interaction (SSI) will be compared with the results from fixed-base model about the behaviours of superstructure and foundation system By doing this, the difference between the two types of analysis will be examined which helps civil engineers to realize the important of soil-structure interaction and choose a suitable one for their study and design The effect of different settlement can lead to the increasing internal force values in the superstructure above Therefore, this study also analyzes some possible solutions to limi this settlement and the most effective measure is to increase the stiffness of raft by increasing the raft thickness However, this method is only effective when increasing to a certain thickness depending on the subsoil and the load of building because if the raft thickness is too large, the weight of it increases too much, which results in the increase in the settlement at the center of the foundation In order to select a suitable raft thickness, it is recommended to simulate the raft-pile foundation system and soil foundation in the finite element software, then perform a thickness changing examination until satisfying the condition of different settlement and total settlement at the center of the foundation In addition, this study also analyzes the impact of earthquakes on the behavior of the raft-pile foundation system To this, the author simulated the impact of earthquakes through the shear force acting on the pile caps The behavior of the pile foundation system after analysis including internal force in the pile which is compared with the static analysis results The analysis results show that when affected by the earthquake, the moment values in the pile increase compared to the case of static load only and the level of moment increase depends on the intensity of the earthquake As the intensity of the earthquake increases, the value of the moment in the pile increases, especially within 15 m of the pile head However, the piles at the center of the raft tend to be more affected than the piles in the outer position when these piles have a percentage increase in moment in the pile about times higher than the pile in the outer position One of the methods that can be applied to consider the impact of earthquakes on the raft-pile foundation system is the pseudo-static method, in which the impact of the earthquake is simulated as an equivalent static force acting on the pile caps This study analyzes the impact of earthquakes on the raft-pile foundation system of Messturm Tower by two methods: soil structure interaction method (SSI) and Ashutosh Kumar's analytical method only simulates the raft-pile foundation system In which, the value of moment under the SSI analysis method tends to be smaller than the results of the method simulating the raft-pile foundation system only Compared with the method of simulating piles-pile system, the SSI method not only simulates true behavior but also brings economic efficiency in design with significantly smaller moment results in piles up to 35 %, which saves pile’s materials LỜI CAM ĐOAN Luận văn hoàn thành hướng dẫn phê duyệt PGS TS Lê Bá Vinh Các kết Luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tơi hồn tồn chịu trác nhiệm vê đề tài thực TP HCM, ngày 01 tháng năm 2020 Tác giả luận văn Hoàng Ngọc Triều MỤC LỤC MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU HỆ KHUNG-MÓNG-ĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 1.1 Các nghiên cứu giới 1.2 Các nghiên cứu nước CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN – KẾT CẤU 2.1 Phương pháp tách riêng phần kết cấu bên móng để tính tốn 2.2 Các phương pháp phân tích ứng xử hệ kết cấu cơng trình – móng – đất làm việc đồng thời 2.2.1 Kết cấu bên bè hệ thống lò xo cọc .7 2.2.2 Kết cấu bên bè hệ thống lò xo cọc đất (không xét đến tương tác cọc với cọc cọc với bè) 2.2.3 Kết cấu bên bè hệ thống lò xo cọc đất (có xét đến tương tác cọc với cọc cọc với bè) 2.2.4 Kết cấu bên – bè – cọc hệ thống lò xo đất .10 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm chuyên dụng có mơ hình đất 11 2.4 Nhận xét chọn phương pháp phân tích ứng xử hệ kết cấu cơng trình – móng – đất làm việc đồng thời 13 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỨNG XỬ CỦA HỆ KHUNG-MÓNGĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 14 3.1 Đánh giá khả phân tích tương tác kết cấu – móng - đất làm việc đồng thời PLAXIS 3D 14 3.1.1 Cơng trình thực tế Messeturm Tower 14 3.1.2 Mơ cơng trình phần mềm PLAXIS 3D 18 3.1.3 So sánh kết độ lún theo thời gian 19 3.1.4 Kết độ lún ổn định 20 3.1.5 Kết phân chia tải bè cọc 20 3.2 Đánh giá khả phân tích ứng xử kết cấu PLAXIS 3D-2018 22 3.2.1 Thông số mô 22 PHỤ LỤC Kết nội lực cọc Inner Pile Hình 0.13: Kết lực dọc cọc Inner Pile xét đến SSI PLAXIS 3D Hình 0.14: Moment M2 cọc Inner Pile có xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.15: Moment M3 cọc Inner Pile có xét SSI PLAXIS 3D HVTH: HOÀNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang PHỤ LỤC Hình 0.16: Lực cắt Q12 cọc Inner Pile có xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.17: Lực cắt Q13 cọc Inner Pile có xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.18: Kết lực dọc cọc Inner Pile không xét đến SSI PLAXIS 3D HVTH: HOÀNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 10 PHỤ LỤC Hình 0.19: Moment M2 cọc Inner Pile không xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.20: Moment M3 cọc Inner Pile có khơng SSI PLAXIS 3D Hình 0.21: Lực cắt Q12 cọc Inner Pile không xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.22: Lực cắt Q13 cọc Inner Pile khơng xét SSI PLAXIS 3D HVTH: HỒNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 11 PHỤ LỤC Kết nội lực cọc Middle Pile Hình 0.23: Kết lực dọc cọc Middle Pile xét đến SSI PLAXIS 3D Hình 0.24: Moment M2 cọc Middle Pile có xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.25: Moment M3 cọc Middle Pile có xét SSI PLAXIS 3D HVTH: HOÀNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 12 PHỤ LỤC Hình 0.26: Lực cắt Q12 cọc Middle Pile có xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.27: Lực cắt Q13 cọc Middle Pile có xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.28: Kết lực dọc cọc Middle Pile không xét đến SSI PLAXIS 3D HVTH: HOÀNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 13 PHỤ LỤC Hình 0.29: Moment M2 cọc Middle Pile không xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.30: Moment M3 cọc Middle Pile có khơng SSI PLAXIS 3D Hình 0.31: Lực cắt Q12 cọc Middle Pile không xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.32: Lực cắt Q13 cọc Middle Pile khơng xét SSI PLAXIS 3D HVTH: HỒNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 14 PHỤ LỤC Kết nội lực cọc Outer Pile Hình 0.33: Kết lực dọc cọc Outer Pile xét đến SSI PLAXIS 3D Hình 0.34: Moment M2 cọc Outer Pile có xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.35: Moment M3 cọc Outer Pile có xét SSI PLAXIS 3D HVTH: HOÀNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 15 PHỤ LỤC Hình 0.36: Lực cắt Q12 cọc Outer Pile có xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.37: Lực cắt Q13 cọc Outer Pile có xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.38: Kết lực dọc cọc Outer Pile không xét đến SSI PLAXIS 3D HVTH: HOÀNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 16 PHỤ LỤC Hình 0.39: Moment M2 cọc Outer Pile không xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.40: Moment M3 cọc Outer Pile có khơng SSI PLAXIS 3D Hình 0.41: Lực cắt Q12 cọc Outer Pile không xét SSI PLAXIS 3D Hình 0.42: Lực cắt Q13 cọc Outer Pile khơng xét SSI PLAXIS 3D HVTH: HỒNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 17 PHỤ LỤC Kết độ lún bè phần mềm PLAXIS 3D Hình 0.43: Kết độ lún bè PLAXIS 3D Ebè = 34,5×103 MPa Hình 0.44: Kết độ lún bè PLAXIS 3D Ebè = 50×103 MPa HVTH: HOÀNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 18 PHỤ LỤC Hình 0.45: Kết độ lún bè PLAXIS 3D Ebè = 100×103 MPa Hình 0.46: Kết độ lún bè PLAXIS 3D Ebè = 200×103 MPa HVTH: HOÀNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 19 PHỤ LỤC Hình 0.47: Kết độ lún bè PLAXIS 3D Ekết cấu = 50×103 MPa Hình 0.48: Kết độ lún bè PLAXIS 3D Ekết cấu = 100×103 MPa HVTH: HỒNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 20 PHỤ LỤC Hình 0.49: Kết độ lún bè PLAXIS 3D Ekết cấu = 200×103 MPa Hình 0.50: Kết độ lún bè PLAXIS 3D Ekết cấu = 300×103 MPa HVTH: HỒNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 21 PHỤ LỤC Hình 0.51: Kết độ lún bè PLAXIS 3D Ekết cấu = 400×103 MPa Hình 0.52: Kết độ lún bè PLAXIS 3D chiều dày bè B = m HVTH: HOÀNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 22 PHỤ LỤC Hình 0.53: Kết độ lún bè PLAXIS 3D chiều dày bè B = m Hình 0.54: Kết độ lún bè PLAXIS 3D chiều dày bè B = m HVTH: HOÀNG NGỌC TRIỀU – MSHV: 1870349 Trang 23 ... ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KHUNG – MÓNG – ĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mở đầu Chương 1: Tổng quan nghiên cứu nước ứng xử hệ khung – móng – đất làm việc đồng thời Chương... tương tác đất nền- kết cấu hệ khung – móng – đất làm việc đồng thời Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng ứng xử hệ khung - móng - đất làm việc đồng thời Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng tương tác đất kết... hạn ứng dụng xây dựng việc phân tích hệ kết cấu -móng- đất làm việc đồng thời đơn giản hóa, số phần mềm PLAXIS 3D Chính tác giả thực đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KHUNG- MÓNG-ĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG