Khảo sát sự thay đổi của các đáp ứng dao động cho nhà cao tầng khi chịu động đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI CỦA CÁC ĐÁP ỨNG DAO ĐỘNG CHO NHÀ CAO TẦNG KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã số ngành: 60580208 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS HỒ ĐỨC DUY Cán chấm nhận xét 1: TS NGUYỄN HỒNG ÂN Cán chấm nhận xét 2: PGS TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh ngày 30 tháng 12 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Hồ Thu Hiền - Chủ tịch TS Nguyễn Hồng Ân - Phản biện PGS TS Nguyễn Trọng Phước - Phản biện TS Nguyễn Tấn Cường - Ủy viên TS Thái Sơn - Thư ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG TS Hồ Thu Hiền PGS TS Lê Anh Tuấn i 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: NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG MSHV: 1670570 Ngày/tháng/năm sinh: 13/4/1984 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã số ngành: 60580208 I II III IV V TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI CỦA CÁC ĐÁP ỨNG DAO ĐỘNG CHO NHÀ CAO TẦNG KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mô kết cấu nhà cao tầng theo phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm SAP2000 Phân tích dao động tự phân tích dao động nhà cao tầng chịu tác động sóng động đất khác Từ đáp ứng gia tốc cơng trình, áp dụng phương pháp Phân tích miền tần số (FDD) để xác định đáp ứng dao động: tần số tự nhiên dạng dao động công trình chịu động đất So sánh, đánh giá kết phân tích dao động tự với dao động chịu sóng động đất khác NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/02/2020 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/10/2020 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS HỒ ĐỨC DUY CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TP HCM, ngày 21 tháng 12 năm 2020 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.TS Hồ Đức Duy PGS.TS Lương Văn Hải TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành từ tận đáy lịng đến tồn thể cán giảng viên Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến quý Thầy, Cô thuộc Khoa Kỹ thuật xây dựng Trường truyền đạt kiến thức quý báu cho em, người bạn gia đình bên em suốt chặng đường học tập, nghiên cứu khoa học Đặc biệt hết người thầy mà em kính mến - PGS.TS HỒ ĐỨC DUY, người tận tâm hướng dẫn em hoàn thành luận văn thạc sĩ Thầy giúp em khơi gợi niềm đam mê hướng nghiên cứu để hình thành nên đề tài luận văn hồn thiện qua ngày, kiến thức khơng thể quên trình nghiên cứu khoa học nghiệp sau Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp luận cuối khóa học nhằm trang bị cho học viên cao học khả tự nghiên cứu, giải vấn đề cụ thể thực tế đặt lĩnh vực xây dựng Với nỗ lực thân, luận văn thạc sĩ hoàn thành thời gian quy định, nhiên khó tránh khỏi sai sót, hạn chế, kính mong q thầy góp ý kiến thêm để em bổ sung kiến thức hồn thiện thân Kính chúc quý Thầy, Cô hạnh phúc dồi sức khỏe để tiếp tục người lái đò đưa nguồn tri thức đến với hệ sau Trân trọng cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 12 năm 2020 HỌC VIÊN CAO HỌC Nguyễn Thị Thu Hương iii TÓM TẮT KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI CỦA CÁC ĐÁP ỨNG DAO ĐỘNG CHO NHÀ CAO TẦNG KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT Các cơng trình cao tầng xây dựng có ý nghĩa to lớn việc giải diện tích sử dụng cho thành phố Hơn nữa, nhà cao tầng yếu tố hình thành điểm nhấn cho khơng gian thị nói chung tạo dựng hình ảnh thị, thị đại khơng thể thiếu hình ảnh tịa nhà cao tầng Với tiến không ngừng khoa học cơng nghệ, cơng trình xây dựng giới nói chung Việt Nam nói riêng phát triển với cấp tiến chiều cao độ phức tạp Đặc trưng chủ yếu nhà cao tầng số tầng nhiều, độ cao lớn, trọng lượng nặng, chịu tác động tải trọng đứng tải trọng ngang Khi chiều cao cơng trình tăng mức độ phức tạp tính tốn thiết kế gia tăng theo, đặc biệt việc xác định đáp ứng cơng trình trước yếu tố tác động điều kiện bên tải trọng gió, động đất Do đó, phân tích dao động kết cấu nhà cao tầng tác động tải trọng động đất vấn đề cần trọng cần thiết nghiên cứu Trong nghiên cứu này, đặc trưng dao động cơng trình nhà cao tầng thực tế phân tích dao động tự dao động gây sóng động đất khác Đầu tiên, kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép mô phần mềm phân tích kết cấu chuyên dụng SAP2000 Sau đó, dao động cơng trình phân tích chịu tác động trận động đất có sẵn khứ Các đáp ứng dao động khảo sát đáp ứng gia tốc trích xuất từ điểm khảo sát dọc theo chiều cao công trình Phương pháp phân tích miền tần số (FDD) lựa chọn để xác định đặc trưng dao động kết cấu (tần số tự nhiên, dạng dao động) cách phân tích liệu đầu đáp ứng dao động (gia tốc) gây động đất Cuối cùng, kết đặc trưng dao động xác định từ phân tích dao động chịu tải trọng sóng động đất so sánh, đánh giá tương ứng với phân tích dao động tự iv ABSTRACT ANALYSIS OF DYNAMIC RESPONSES FOR TALL BUILDING STRUCTURES UNDER VARIOUS EARTHQUAKES The tall buildings construction means great work in deciding using the city Moreover, tall buildings are the elements that form the focal points for the urban space in general and create an urban image, in modern cities, it is indispensable for the image of tall buildings With the continuous progress of science and technology, the construction works in the world in general and in Vietnam in particular are developing with the progress of height as well as complicated magazines The special factors of a tall building are the number of stories, the height, the weight, and the impact of load and the level of importance As the height of the building increases, the complexity of the calculated design also increases, especially the work of determining the answer of the building to external factors such as wind load, earthquake Therefore, the positive fluctuation of tall buildings under the impact of soil load is an issue that needs attention and necessary research In this section, the characteristic oscillation of a performing tall building is analyzed for vibrations and vibrations produced by different waves First, the structure of a reinforced concrete building is simulated in specialized structural analysis software SAP2000 Then, the structure's oscillation is analyzed when it is affected by earthquakes in the past The investigated vibration responses are the acceleration responses extracted from the survey points along the building height The frequency domain analysis (FDD) method has been chosen to determine the structural vibration characteristics (natural frequency, mode shape) by analyzing the output data of the vibration response (acceleration) caused by earthquakes Finally, the vibration characteristic results determined from the vibration analysis under the earthquake wave load are compared and evaluated corresponding to the free vibration analysis v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng tác luận văn thạc sĩ Tôi thực hướng dẫn PGS.TS Hồ Đức Duy Các kết luận văn hoàn tồn với thật chưa cơng bố nghiên cứu khác, ngoại trừ kết tham khảo liên quan đến luận văn Tôi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cơng việc thực mình./ TP Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 12 năm 2020 HỌC VIÊN CAO HỌC Nguyễn Thị Thu Hương vi MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii LỜI CAM ĐOAN v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH xii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xvii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xviii CHƯƠNG GIỚI THIỆU .1 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu .4 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.2 Nội dung nghiên cứu 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Tính cần thiết ý nghĩa thực tiễn nghiên cứu 1.5 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 2.1 Tình hình nghiên cứu nước 2.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 13 2.3 Tổng kết 15 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 3.1 Lý thuyết dao động kết cấu 16 vii 3.2 Phương pháp biến đổi Fourier 17 3.2.1 Biến đổi Fourier rời rạc dãy tuần hồn có chu kỳ N 18 3.2.2 Biến đổi Fourier rời rạc dãy khơng tuần hồn có chiều dài hữu hạn N 19 3.2.3 Bộ lọc số theo phương pháp cửa sổ hình chữ nhật 20 3.3 Ước tính phổ lượng (Power Spectral Estimation) 21 3.3.1 Ước tính phổ lượng theo phương pháp Bartlett (1948) 21 3.3.2 Ước tính phổ lượng theo phương pháp Welch (1967) 22 3.3.3 Định lý lấy mẫu Nyquist-Shannon 24 3.4 Ma trận phổ lượng chéo (Cross Power Spectral Density Matrix) 24 3.5 Cơ sở lý thuyết phương pháp Phân tích miền tần số (Frequency Domain Decomposition - FDD) 25 3.6 Thuật tốn Phân tích giá trị đơn (Singular Value Decomposition) 28 3.7 Phương pháp Phân tích miền tần số (Frequency Domain Decomposition) 29 3.8 Mơ hình kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn .35 3.8.1 Lựa chọn loại phần tử mơ mơ hình .35 3.8.2 Tải trọng động đất tác động lên mơ hình 37 3.9 Các phương pháp đánh giá từ kết phân tích dao động 40 3.9.1 Sự thay đổi tần số tự nhiên 40 3.9.2 Sự thay đổi dạng dao động 41 CHƯƠNG CÁC BÀI TOÁN KHẢO SÁT .43 4.1 Giới thiệu cơng trình 43 4.1.1 Thông tin cơng trình 43 4.1.2 Thông số kỹ thuật cơng trình 43 4.1.3 Thông số kỹ thuật kết cấu 44 viii 4.2 Bài tốn 1: Mơ cơng trình phần mềm PTHH SAP2000 .46 4.2.1 Mơ hình kết cấu giả thiết 46 4.2.2 Các thơng số vật liệu kích thước cấu kiện 47 4.2.3 Mô cơng trình .49 4.2.4 Phân tích dao động tự 50 4.2.5 Chọn điểm khảo sát thân cơng trình 56 4.2.6 Phân tích dao động chịu tác động sóng động đất 57 4.3 Bài tốn 2: Phân tích đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất El Centro (1940) 60 4.3.1 Đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất El Centro theo phương trục X 60 4.3.2 Đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất El Centro (1940) theo phương trục Y 70 4.4 Bài tốn 3: Phân tích đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất Kobe (1995) 76 4.4.1 Đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất Kobe (1995) theo phương trục X 76 4.4.2 Đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất Kobe (1995) theo phương trục Y 84 4.5 Bài toán 4: Phân tích đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất Loma Prieta (1989) .89 4.5.1 Đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất Loma Prieta theo phương trục X 89 4.5.2 Đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất Loma Prieta theo phương trục Y 97 112 [38] Yang, Y.B and Chen, Y.J (2009), “A new direct method for updating structural models based on measured modal data”, Engineering Structure, Volume 31, Issue 1, January 2009, Pages 32-42 [39] Yi, J.H., and Yun, C.B (2004), “Comparative study on modal identification methods using outputonly information”, Structural Engineering and Mechanics, Volume 17, Number 3, March 2004, 445-466 [40] Zhang, Q.W., Chang, C.C and Chang, T.Y.P (2000), “Finite element model updating for structures with parametric constrains”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol 29, No 7, 927 - 944 113 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG THƠNG TIN CÁ NHÂN Họ tên: NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG Ngày/tháng/năm sinh: 13/4/1984 Nơi sinh: Bến Tre Địa liên lạc: Số 03 Cách mạng Tháng 8, Phường An Hội, thành phố Bến Tre, tỉnh Bến Tre Điện thoại: 0989 899 135 Email: huongcivileng2007@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2002-2007: Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Sinh viên đại học Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp 2016-2020: Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Học viên cao học Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình Dân dụng Công nghiệp ... dao động chịu tác động sóng động đất 57 4.3 Bài tốn 2: Phân tích đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất El Centro (1940) 60 4.3.1 Đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất. .. tháng 12 năm 2020 HỌC VIÊN CAO HỌC Nguyễn Thị Thu Hương iii TÓM TẮT KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI CỦA CÁC ĐÁP ỨNG DAO ĐỘNG CHO NHÀ CAO TẦNG KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT Các cơng trình cao tầng xây dựng có ý nghĩa... tích đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất Loma Prieta (1989) .89 4.5.1 Đáp ứng dao động nhà cao tầng chịu động đất Loma Prieta theo phương trục X 89 4.5.2 Đáp ứng dao