Thông tin tài liệu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG DƯƠNG THANH HUYÊN PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NHÀ NHIỀU TẦNG SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC VỚI NỀN ĐẤT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD CN Mã số: 60.58.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2016 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN Phản biện 1: TS Đặng Công Thuật Phản biện 2: PGS.TS Hoàng Phương Hoa Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng 08 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng Ở ẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA Ề TÀI Ở Việt Nam năm gần xảy số trận động đất, ví dụ trận động đất 5,3 độ Richter xảy Lai Châu vào ngày 19/02/2001 hay trận dư chấn mạnh độ Richter trận động đất Tứ Xuyên (Trung Quốc) gây vào năm 2008 gây thiệt hại không nhỏ cho tài sản gây hư hỏng cho hàng loạt cơng trình xây dựng Các kết nghiên cứu cơng trình chịu tác động động đất thường bỏ qua ảnh hưởng điều kiện đất đến khả chịu lực cơng trình giả thiết cơng trình ngàm cứng vị trí ranh giới cơng trình đất Tuy nhiên, kết nghiên cứu gần cần thiết việc nghiên cứu điều kiện đất đến ổn định kết cấu hiệu ứng SSI có xu hướng kéo dài chu kỳ tự nhiên hệ đất nền- kết cấu ảnh hưởng trực tiếp đến nội lực chuyển vị kết cấu Vì vậy, yếu tố tương tác đất kết cấu cần phải nghiên cứu cách kỹ lưỡng việc phân tích kết cấu chịu tác động động đất Trước tình hình trên, tác giả muốn tìm hiểu rõ việc thiết kế giảm chấn cho cơng trình đồng thời đánh giá ứng xử cơng trình nhà nhiều tầng sử dụng gối cách chấn chịu tải trọng động đất có xét đến tương tác với đất MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Thiết kế gối cách chấn dùng cho cơng trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất Mô đánh giá ứng xử cơng trình có sử dụng gối cách chấn chịu tải trọng động đất có xét đến tương tác với đất ỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ối tƣợng nghiên cứu: Nhà nhiều tầng BTCT chịu tải trọng động đất Phạm vi nghiên cứu: Cơng trình sử dụng gối cách chấn đàn hồi có xét đến tương tác đồng thời kết cấu đất PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết: Thu thập biên dịch tài liệu tính tốn thiết kế cơng trình chịu động đất, tính tốn thiết kế gối cách chấn đàn hồi mơ hình tính tốn cơng trình có xét đến tương tác kết cấu đất Mô : Sử dụng phần mềm Matlab, Midas để phân tích ứng xử cơng trình theo lịch sử thời gian BỐ CỤC Ề TÀI Ngoài phần mở đầu phần kết luận kiến nghị, luận văn cịn có chương sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết, mơ hình tính tốn mơ phản ứng cơng trình có sử dụng gối cách chấn đàn hồi tác dụng động đất xét đến tương tác với đất Chương 3: Ví dụ phân tích ứng xử nhà nhiều tầng sử dụng gối cách chấn không xét có xét đến tương tác với đất CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM CHẤN 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ GỐI CÁCH CHẤN ÀN HỒI 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giải pháp cách chấn đáy giới 1.2.2 Tình hình nghiên cứu giải pháp cách chấn đáy nƣớc 1.3 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TƢƠNG TÁC ỒNG THỜI KẾT CẤU VÀ NỀN ẤT 1.3.1 Tƣơng tác đất- kết cấu 1.3.2 Tình hình nghiên cứu tƣơng tác đất- kết cấu 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Thiết kế cơng trình chống động đất nhiệm vụ thử thách lớn cho nhà thiết kế kết cấu xây dựng Thiết kế kháng chấn phải đảm bảo mục đích: cơng trình xây dựng đảm bảo đủ khả chịu lực, không chịu hư hại kết cấu hư hỏng thiết bị đồ đạc sử dụng cơng trình, tồn đứng vững tác dụng tải trọng động đất Việc sử dụng gối cách chấn đàn hồi cho cơng trình biện pháp mang lại hiệu việc giảm tác động động đất lên cơng trình Tính tới nay, có nhiều cơng trình giới sử dụng loại gối thiết kế kháng chấn Hiệu ứng tương tác đất- kết cấu hiệu ứng quan trọng Nó ảnh hưởng đến ứng xử cơng trình nhà nhiều tầng chịu trọng động đất Việc xem xét hiệu ứng phân tích thiết kế điều cần thiết, cần xem xét, đặc biệt cơng trình nhà nhiều tầng có sử dụng gối cách chấn chịu tải trọng động đất 5 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT, MƠ HÌNH TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG PHẢN ỨNG CỦA CƠNG TRÌNH CĨ SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN DƢỚİ TÁC DỤNG CỦA ỘNG ẤT XÉT ẾN TƢƠNG TÁC VỚİ NỀN ẤT 2.1 GỐI CÁCH CHẤN ÀN HỒI 2.1.1 Cấu tạo gối cách chấn đàn hồi 2.1.2 Nguyên lý làm việc gối đàn hồi Gối đàn hồi đặt hai mặt cách chấn (dưới kết cấu bên kết cấu móng), chịu lực theo phương thẳng đứng có tác dụng ngăn cách tải trọng động đất tác dụng trực tiếp thời điểm truyền tới cơng trình Dịch chuyển đất làm cho gối đàn hồi bị biến dạng, nhờ có ma sát lớp cấu tạo mà phần lượng động đất bị hấp thụ tác động vào cơng trình nhỏ 2.1.3 Tính tốn thiết kế gối cách chấn [32] 2.1.4 Mơ hình ứng xử gối đàn hồi chịu kích động động đất Thiết bị cách chấn nghiên cứu chương loại gối đàn hồi dạng trụ với đặc trưng học vật liệu phi tuyến theo mơ hình phi tuyến Bouc-Wen 6 c f(t)=ma(t) m ag Hình 2.1 Mơ hình ứng xử trễ gối cách chấn Cơng thức tốn học: Lực phục hồi: P(t ) Keusb (t ) (1 ) Ke Dy Z (t ) (2.1) Trong đó: : tỉ số độ cứng sau chảy dẻo (K2) trước chảy dẻo (Ke); Dy: biến dạng tương ứng thời điểm chảy dẻo; usb(t): biến dạng gối; Z: hệ số chuyển vị trễ xác định theo công thức sau, với điều kiện ban đầu Z (0) Z (t ) n 1 n ( usb (t ) Z (t ) Z (t ) usb (t ) Z (t ) usb (t )) Dy Với: tham số hình dạng vịng trễ Fy Qd Ke Keff Kp Hình 2.2 Mơ hình trễ Bouc-Wen ( = =0.5) (2.2) 2.1.5 Mơ hình tính tốn hệ kết cấu có gắn gối cách chấn đàn hồi 2.2 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU CHỊU TẢI TRỌNG ỘNG ẤT THEO LỊCH SỬ THỜI GIAN 2.3 LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP SỐ CHO NGHIÊN CỨU 2.3.1 Phƣơng pháp Newmark 2.3.2 Phƣơng pháp Runge-Kutta 2.4 MƠ HÌNH TƢƠNG TÁC GIỮA NỀN ẤT - KẾT CẤU 2.4.1 Trƣờng hợp móng cứng z Ky,emb y Krx,emb Cy,embCrx,emb Kz,emb Cz,emb mf Hình 2.3 Mơ hình tương tác kết cấu- đất theo Gazetas Trên hình 2-7, độ cứng ngang, độ cứng đứng độ cứng xoay trường hợp móng chìm đất (embedded foundation) tính tốn theo cơng thức cho Gazetas G (1991) : 0.4 0.5 hA D K y ,emb k y K y 1 0.15 1 0.52 2 B BL K rx ,emb K z ,emb 0.2 0.5 d d d B 1 0.2a0 K rx 1 1.26 1 B B D L 0.75 A D B D k z 1 0.09 a0 K z 1 1,3 0, 21B L B A b (2.3) (2.4) (2.5) Trong đó: Ky, Kz Krx độ cứng ngang, độ cứng đứng độ cứng xoay trường hợp móng khơng chìm đất (surface foundation) D: Chiều sâu chơn móng d: chiều sâu tiếp xúc móng đất h=D-0,5d B,L: nửa bề rộng chiều dài móng Ibx: Momen qn tính tiết diện đáy móng trục x A: diện tích mặt bên tiếp xúc với đất móng Ab: diện tích đáy móng a0= B/Vs Với : tần số góc sóng động đất Vs: vật tốc truyền sóng cắt đất k y : hệ số độ cứng động theo phương ngang Được tra theo a0 tỉ số B/L k z : hệ số độ cứng động theo phương đứng Được tra theo a0 , tỉ số B/L Độ cản ngang, độ cản đứng độ cản xoay trường hợp móng chìm đất (embedded foundation) tính tốn theo cơng thức cho Gazetas G (1991) sau: Cy ,emb Cy 4.Vs B.d 4.VLa L.d (2.6) Cz ,emb Cz .Vs Aw (2.7) d2 d B d Crx ,emb Crx I bx VLa 3Vs Vs 1 B L B B a d 0.25 0.65 a0 D D 4 B (2.8) Trong đó: Cy , C z Crx độ cản ngang độ cản đứng độ cứng xoay trường hợp móng khơng chìm đất (surface foundation) c y , cz crx hệ số điều chỉnh độ cản móng khơng chìm đất (surface foundation) Được tra theo a0 tỉ số L/B 9 2.4.2 Trƣờng hợp móng mềm x y y Re.L Re.L x z L Ky,emb y mf Cy,emb Rkrx.Kiz,emb Rkrx.Kiz,emb Kiz,emb Hình 2.4 Mơ hình tương tác đất- kết cấu theo Harden Hutchinson Trên hình 2.14, độ cứng lò xo độ cản nhớt đơn vị xác định theo (2.49): K zi ,emb K z ,emb BL ; Czi ,emb Cz ,emb BL (2.9) K z ,emb : Độ cứng theo phương đứng trường hợp móng chìm đất (embedded foundation) xác định theo công thức Gazetas G (1991) Rkrx: Hệ số điều chỉnh độ cứng cho trường hợp móng mềm 10 Rkrx 3K rx ,emb (1 R e )3 i K z ,emb BL (1 R e ) (2.10) Rcrx: Hệ số điều chỉnh độ cản cho trường hợp móng mềm Rcrx 3Crx ,emb 4Czi ,emb BL3 Rrx ,emb 1 (1 R e ) (1 R e ) (2.11) Với: Re hệ số chiều dài vùng biên Lấy khoảng 0,3-0,5 chiều dài dải móng 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG Sau tìm hiểu nghiên cứu mơ hình mơ ứng xử gối cách chấn đàn hồi mơ hình mơ hiệu ứng tương tác đất- kết cấu, ta có sở để chọn mơ hình phù hợp để mơ phản ứng cơng trình nhà nhiều tầng sử dụng gối cách chấn chịu tải trọng động đất Đồng thời, với hỗ trợ máy tính phương pháp số, ta dễ dàng giải phương trình vi phân chuyển động phức tạp Từ tính tốn biết ứng xử cụ thể cơng trình tải thời điểm định q trình xảy động đất 11 CHƢƠNG VÍ DỤ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NHÀ NHIỀU TẦNG SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN KHI KHƠNG XÉT VÀ CĨ XÉT ẾN TƢƠNG TÁC VỚI NỀN ẤT Áp dụng phân tích ứng xử cho cơng trình nhà nhiều tầng BTCT có sử dụng gối cách chấn chịu động động đất theo số 35100 3900 3900 3900 3900 3900 3900 3900 3900 3900 liệu sau: 7000 7000 7000 ag Cơng trình: Số tầng: n= tầng Chiều cao tầng: h = 3,9m Chiều cao nhà: H=35,1 m Nhịp: nhịp x7m =21m Bước: 12 bước x7m =84m Kết cấu: BT cấp bền B25 Cột: bxh= 70x70 cm Dầm: bxh= 30x60 cm Sàn: s =150 mm Móng bè: d=350mm Gia tốc nền: Tính tốn với trận động đất: Sylmar Northridge -Los Angeles , 1994 3.1 THIẾT KẾ GỐI CÁCH CHẤN Loại gối cách chấn đàn hồi chọn loại gối cao su 12 có độ cản cao (HDBR: High- Damping rubber bearing) tiết diện tròn Gối đặt chân cột, mặt móng - Số lượng gối dùng cho khung nb= gối - Số lượng tồn gối dùng cho cơng trình: nb= 52 gối Sau tính tốn ta chọn gối HDBR có kích thước hình học sau: Bảng 3.1 Kích thước hình học gối HDBR Loại gối Số Đường Lượng kính 52 0.7 HDBR: High- Damping Rubber Bearing t (m) 0.044 ∑tr (m) H (m) N(lớp) 0.3 0.364 Các thông số học gối phân thích theo mơ hình ứng xử Bouc-Wen: Độ cứng ngang gối giai đoạn dẻo: Kp GA 5,1313 ( MN ) m tr Độ cứng ngang gối giai đoạn đàn hồi: Ke Kp 5,13 51,3 ( MN ) m 0,1 Chuyển vị tương ứng với thời điểm chảy dẻo cao su: Dy 0.05 tr 0.05 0.3 0.015 (m) 3.2 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CƠNG TRÌNH SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN BẰNG Ơ HÌNH ƠN GIẢN 3.2.1 Mơ hình phân tích a Đối với trường hợp ngàm cứng b Đối với trường hợp hệ có gối cách chấn 13 3.2.2 Kết phân tích a Chuyển vị tầng Hình 3.2 Chuyển vị tương đối tầng b Chuyển vị tương đối tầng Hình 3.3 Chuyển vị tương đối tầng 14 c Lực cắt tầng Hình 3.4 Lực cắt tầng d Ứng xử gối cách chấn e Nhận xét Qua phân tích, ta thấy việc sử dụng gối cách chấn đàn hồi HDBR giúp giảm đáng kể chuyển vị đỉnh lực cắt tầng cơng trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất Cụ thể chuyển vị đỉnh trường hợp phân tích nhà chín tầng, kết cấu khung BTCT giảm 16,5% lực cắt tầng giảm gần 70% 15 3.3 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CƠNG TRÌNH SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN BẰNG MƠ HÌNH KẾT CẤU THỰC 3.3.1 Mơ hình phân tích a) b) Hình 3.5 Mơ hình phân tích a) Trường hợp ngàm cứng b) Trường hợp có sử dụng gối cách chấn Mơ hình phân tích Midas mơ hình với kích thước thực cơng trình với khối lượng quy nút khung Độ cứng gối cách chấn độ cứng gối cách chấn tính tốn mục 3.1 Khối lượng quy nút nút biên tầng: - Nút giữa: mg 49 kN.s2 /m - Nút giữa: mb 24,5 kN.s2 /m 16 3.3.2 Kết phân tích a Chuyển vị tầng Hình 3.6 Chuyển vị tương đối tầng b Gia tốc tuyệt đối tầng Hình 3.9 Lực cắt tầng (cột giữa) 17 c Lực cắt tầng (cột giữa) Hình 3.7 Lực cắt tầng (cột giữa) d Ứng xử gối cách chấn e Nhận xét Qua phân tích phần mềm MIDAS với mơ hình kết cấu khung cơng trình nhà nhiều tầng sử dụng gối cách chấn đàn hồi HDBR chịu tải trọng động đất Ta thấy: - Chuyển vị đỉnh cơng trình giảm khoảng 1,5% - Lực cắt tầng (đối với cột giữa) giảm từ 6,5% đến 44 % - Gia tốc tuyệt đối tầng giảm từ 35% đến 55% Khi so sánh kết phân tích hai mơ hình đơn giản (mục 3.2) mơ hình kết cấu thực, ta thấy kết có sai lệch Điều phân tích theo mơ hình kết cấu thực biến dạng 18 dọc cột, biến dạng dầm kể đến Vì kết phân tích theo mơ hình xác 3.4 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CƠNG TRÌNH CHỊU TẢI ỘNG TRỌNG ẤT CĨ SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN CÓ XÉT ẾN TƢƠNG TÁC VỚI NỀN ẤT 3.4.1 Mơ hình phân tích a) b) Hình 3.8 Mơ hình phân tích kết cấu có xét tương tác với đất a) Mơ hình lý thuyết b) Mơ hình phân tích MIDAS Vì cơng trình sử dụng móng bè nên tác giả chọn mơ hình tương tác kết cấu-đất để phân tích là mơ hình dùng cho móng mềm Harden Hutchison [34] hình (3.12) Phân tích cho trường hợp đất khác sau: - Trường hợp 1: Nền đất loại B (có vận tốc truyền sóng cắt Vs=500m/s) - Trường hợp 2: Nền đất loại C (có vận tốc truyền sóng 19 cắt Vs=250m/s) - Trường hợp 3: Nền đất loại D (có vận tốc truyền sóng cắt Vs=170m/s) - Trường hợp 4: Nền đất loại E (có vận tốc truyền sóng cắt Vs=100m/s) 3.4.2 Kết phân tích a Chuyển vị tầng Hình 3.9 Chuyển vị tương đối tầng 20 b Gia tốc tuyệt đối tầng Hình 3.10 Gia tốc tuyệt đối tầng c Lực cắt tầng (cột giữa) Hình 3.11 Lực cắt tầng 21 d Nhận xét Khi xét tới hiệu ứng tương tác đất-kết cấu, chuyển vị đỉnh cơng trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất giảm từ 0,7% đất tốt (loại B) đến 8,5% đất yếu (loại E) Gia tốc tuyệt đối số vị trí cơng trình thay đổi, tăng đến 40% giảm đến 22% Lực cắt tầng (đối với cột giữa) biến thiên khoảng 20% có xét đến tương tác đất-kết cấu Sự biến thiên lớn trường hợp đất đất yếu (loại E) 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua phân tích ứng xử cơng trình nhà BTCT chín tầng chịu tải trọng động đất sử dụng gối cách chấn HDBR không xét có xét đến tương tác với đất, tác giả rút số kết luận sau: - Gối cách chấn có hiệu cao việc giảm tác động động đất cơng trình nhà nhiều tầng Lực cắt tầng (đối với cột giữa) giảm từ 6,5% đến 44% Gia tốc tuyệt đối tầng giảm đáng kể từ 35% đến 55% Điều có ý nghĩa quan trọng cơng trình có chứa thiết bị quan trọng, nhạy cảm gia tốc chịu động đất Ví dụ: nhà máy điện hạt nhân, bệnh viện, viện bảo tàng… - Khi xét tới hiệu ứng tương tác đất-kết cấu, ứng xử cơng trình nhà nhiều tầng chịu động đất có thay đổi đáng kể Chuyển vị đỉnh cơng trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất có xu hướng giảm, cụ thể giảm từ 0,7% đất tốt (loại B) đến 8,5% đất yếu (loại E) Tại số vị trí cơng trình, gia tốc tuyệt đối tăng tới gần 40% lực cắt tầng (đối với cột giữa) tăng tới 20% gây bất lợi yêu cầu sử dụng khả chịu lực cơng trình Vì vậy, việc xem xét hiệu ứng tương tác đất-kết cấu thiết kế cơng trình nhà cao tầng chịu động đất cần thiết, đặc biệt cơng trình xây dựng đất yếu Kiến nghị Trên thực tế, nhiều loại gối cách chấn nhiều giải pháp giảm chấn khác sử dụng Vì vậy, cần phải có thêm nhiều 23 nghiên cứu để tìm giải pháp giảm chấn thích hợp dùng cho cơng trình nhà nhiều tầng Khi xét đến hiệu ứng tương tác đất-kết cấu Tác giả sử dụng mơ hình để mơ Vì vậy, nghiên cứu dùng thêm nhiều mơ hình khác để phân tích so sánh Phạm vi nghiên cứu tác giả dừng lại kết cấu khung BTCT có chín tầng Vì vậy, cần nghiên cứu thêm trường hợp cơng trình có dạng kết cấu khác có số tầng thay đổi để có kết luận cụ thể xác
Ngày đăng: 22/05/2021, 23:45
Xem thêm:
