Phân tích tĩnh phi tuyến khung thép chịu địa chấn có xét biến dạng nền

i LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Tô Hồng Biển học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng Cơng nghiệp, khóa 2015-2017 Trường Đại học kinh tế công nghiệp Long An.Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp tơi thực sở lý thuyết áp dụng kết nghiên cứu có liên quan qua báo khoa học hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Hồng Ân Các số liệu, mơ hình kết tính tốn luận văn hoàn toàn trung thực Long An, tháng 04 năm 2019 Tác giả Tô Hồng Biển ii LỜI CẢM ƠN Qua hai năm học tập trường Đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long An giúp cho em học hỏi kiến thức vơ q báo để hồn thiện kiến thức cho thân thực xong Luận Văn Tốt Nghiệp Trước tiên em chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Hồng Ân, người Thầy hướng dẫn, truyền đạt nhiều kiến thức trình học viên thực luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô trực tiếp giảng dạy lớp Cao học Xây dựng dân dụng cơng nghiệp khóa học 2015-2017 Thầy Cơ truyền đạt kiến thức quý giá suốt thời gian học tập Lời cảm ơn cuối em xin gửi đến tác giả người trước có nghiên cứu , đóng góp tài liệu có liên quan đến đề tài luận văn để học viên tham khảo trình thực đề tài Xin chân thành cám ơn! Tác giả Tơ Hồng Biển iii TĨM TẮT LUẬN VĂN Động đất tượng thiên nhiên gây thiệt hại cho người tài sản Khi động đất xảy làm dịch chuyển đất đáy móng, dịch chuyển tạo trao đổi lượng tương tác kết cấu bên với đất bên gọi SSI (soil-structure interaction) Việc mơ tính tốn kết cấu làm việc đồng thời sử dụng mơ hình dầm phi tuyến Winkler (BNWF – Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) để phân tích kết cấu Phân tích tĩnh sử dụng phân tích tĩnh phi tuyến cho dạng dao động SPA dao động bậc cao MPA để phân tích kết cấu so sánh với phương pháp phân tích xác theo miền thời gian NL_RHA Phân tích tĩnh & động cho kết cấu sử dụng , phần mềm mã nguồn mở Opensees Navigator (Open System For Earthquake Engineering Simulation) dạng giao diện đồ họa Phần mềm Opensees Navigator đa dạng loại vật liệu loại phần tử nên giải tốn SSI cách hiệu Mục đích đề tài luận văn thạc sĩ so sánh độ xác sai lệch phương pháp phân tích đẩy dần SPA , MPA với phương pháp phân tích xác theo miền thời gian NL_RHA xét hai trường hợp có không xét làm việc đồng thời kết cấu Việc đánh giá ảnh hưởng so sánh sai lệch độ xác thực cách so sánh kết chu kỳ dao động , chuyển vị , độ trôi tầng nội lực kết cấu iv ABSTRACT Earthquakes are natural phenomena causing damage to people and property When an earthquake occurs shifts the ground at the base of the nail, this shift also creates the energy exchange and interaction with structures above the ground below called SSI (soil-structure interaction) The simulation calculations of infrastructure work simultaneously using modelbased nonlinear beam Winkler (BNWF - Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) for structural analysis Static analysis using nonlinear static analysis for the first mode of vibration of higher oscillation SPA and MPA for structural analysis comparing with accurate analytical methods NL_RHA time domain Static &Dynamic Analysis for structural use, open source software Opensees Navigator (Earthquake Engineering Simulation For Open System) graphical interface format Software Opensees Navigator diverse material and element type, it can resolve the problem effectively SSI The purpose of the master's thesis was to compare the accuracy and bias of the analytical method gradually push SPA, MPA with accurate analytical methods NL_RHA time domain when considering two cases with and without consideration the work and the background and texture The evaluation compared the influence of bias and precision is done by comparing the results of periodic oscillations, displacements, internal forces and drift layer of texture v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC II III I V DANH MỤC HÌNH ẢNH VII DANH MỤC BẢNG BIỂU XII BẢNG TỪ TIẾNG ANH VIẾT TẮT XIII CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 10 1.4 Phạm vi nghiên cứu cho đề tài 10 CHƯƠNG II : 11 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Các phương pháp phân tích kết cấu chịu động đất 11 2.1.1 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương(quasi-staticmethod) 11 2.1.2 Phương pháp phân tích theo phổ phản ứng (response spectrum analysis) 11 2.1.3 Phương pháp phân tích đẩy dần (push over analysis) 12 2.1.4 Phương pháp phân tích theo lược sử thời gian (time history analysis) 13 2.1.5 Phân loại phương pháp tính tốn 13 2.1.6 Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến cho kết cấu đối xứng 14 2.1.8 Phương pháp phân tích phi tuyến theo miền thời gian (NL_RHA) 19 2.1.9 Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần chuẩn (SPA) 21 2.1.10 Phương pháp phân tích tĩnh sử dụng lực ngang có xét đến dạng dao động cao (MPA) 2.2 Các mơ hình 22 27 2.2.1 Mơ hình đàn hồi tuyến tính 27 2.2.2 Mơ hình đàn hồi phi tuyến 28 vi 2.2.3 Mơ hình đàn hồi – dẻo lý tưởng 28 2.2.4 Mơ hình tổng hợp ( cường độ biến dạng ) 29 2.2.5 Lựa chọn mơ hình 29 2.2.6 Mơ hình Winkler 29 2.2.6.1 Mơ tả mơ hình BNWF 30 2.2.6.2 Đặc tính mơ hình BNWF 31 2.2.6.3 Các mơ hình vật liệu BNWF 33 2.2.6.4 Mơ hình vật liệu QzSimple1 33 2.2.6.5 Mơ hình vật liệu PySimple1 36 2.2.6.6 Mơ hình vật liệu TzSimple1 37 2.2.6.7 Các thơng số mơ hình BNWF 37 2.2.6.8 Khả chịu kéo (TP-tension capacity) 41 2.2.6.9 Tỷ số chiều dài Re 41 2.2.6.10 Tỷ số độ cứng Rk 42 2.2.6.11 Khoảng cách lò xo 43 2.2.6.12 Kết luận 44 CHƯƠNG III : 45 MƠ HÌNH BÀI TỐN TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN VÀ KẾT CẤU 45 3.1 Mơ hình tính tốn 45 3.2 Mơ hình tương tác đất kết cấu 52 3.4 Dữ liệu trận động đất 56 CHƯƠNG IV: 58 ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 58 4.1 Giới thiệu 58 4.2 Kiểm chứng phần mềm 59 4.3 Kết tính tốn 60 4.3.1 Chu kỳ dao động mơ hình 60 4.3.2 Phảnứng chuyển vịđỉnh 62 4.3.3 Độ trôi tầng 75 4.3.4 Nội lực khung 80 CHƯƠNG V: 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 vii Kết luận 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG I Hình 1.1 Hình ảnh trận động đất gây sóng thần Nhật Bản ngày 11/3/2011 Hình 1.2 Hình ảnh tịa nhà đỗ sập trận động đất KoBe Nhật Bản năm 1995 Hình 1.3 Mơ hình tương tác cọc-đất phi tuyến Hình 1.4 Mơ hình tương tác cọc – đất phi tuyến Hình 1.5 Mơ hình cọc chịu tải ngang làm việc đồng thời CHƯƠNG II Hình 2.1 Mơ hình phân phối lực FEMA-356 khung tầng Los Angeles13 Hình 2.2 Phân phối lực sn* với n = 1, dạng dao động tòa nhà tầng Los Angeles 14 Hình 2.3 Giải thích khái niệm khơng kết hợp RHA hệ MDOF khơng đàn hồi 21 Hình 2.4 Hệ SDOF không đàn hồi từ đường cong đẩy dần 22 Hình 2.5 Quan hệ ứng suất – biến dạng đàn hồi tuyến tính 24 Hình 2.6 Quan hệ ứng suất – biến dạng đàn hồi phi tuyến 24 Hình 2.7 Quan hệ ứng suất – biến dạng đàn hồi – dẽo lý tưởng25 Hình 2.8 Mơ hình Winkler26 Hình 2.9 Mơ hình tương tác đặc trưng cọc - đất 27 Hình 2.10 Khả mơ hình BNWF việc mơ phản ứng : moment-góc xoay, biến dạng-góc xoay, lực cắt - trượt, biến dạng - trượt 28 Hình 2.11 Mơ hình BNWF với độ cứng thay đổi theo chiều dài kết cấu móng (Harden cộng - 2005) 29 Hình 2.12 Mơ hình vật liệu QzSimple1, PySimple1 TzSimple1 sử dụng liên kết với phần tử “zeroLength Element” 30 Hình 2.13 Đường cong vật liệu QzSimple1 31 Hình 2.14 Phản ứng tuần hồn vật liệu QzSimple1 32 Hình 2.15 Phản ứng tuần hoàn vật liệu PySimple1 33 Hình 2.16 Phản ứng tuần hoàn vật liệu TzSimple1 34 Hình 2.17 Mơ hình Winkler cho móng hình chữ nhật theo ATC-40 38 Hình 2.18 Mơ hình Winkler cho móng hình chữ nhật theo ATC-40 39 Hình 2.19 Ảnh hưởng thơng số Se đến ứng xử kết cấu móng 40 ix CHƯƠNG III Hình 3.1 Mặt đứng khung tầng 41 Hình 3.2 Mặt đứng khung tầng có xét SSI 41 Hình 3.3 Mặt đứng khung tầng 42 Hình 3.4 Mặt đứng khung tầng có xét SSI 43 Hình 3.5 Mặt đứng khung tầng 44 Hình 3.6 Mặt đứng khung tầng có xét SSI 45 Hình 3.7 Mặt sàn khung thép tầng 47 Hình 3.8 Mơ hình vật liệu thép Steel 01 48 Hình 3.9 Mơ hình tương tác đất kết cấu dựa mơ hình dầm phi tuyến Winkler 49 Hình 3.10 (a) Hệ số cản theo khối lượng; (b) Hệ số cản theo độ cứng 51 Hình 3.11 Gia tốc trận động đất 53 CHƯƠNG IV Hình 4.1 Chu kỳ dao động khung tầng Chopra chu kỳ dao động luận án mô Opensees 55 Hình 4.2 Chu kỳ dao động khung tầng có khơng xét SSI 56 Hình 4.3 Đường cong đẩy dần dạng dao động hệ khung tầng với trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 59 Hình 4.4 Đường cong đẩy dần dạng dao động hệ khung tầng với trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 có xét tương tác SSI 59 Hình 4.5 Đường cong đẩy dần dạng dao động hệ khung tầng với trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 60 Hình 4.6 Đường cong đẩy dần dạng dao động hệ khung tầng với trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 có xét tương tác SSI 60 Hình 4.7 Đường cong đẩy dần dạng dao động hệ khung tầng với trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 61 Hình 4.8 Đường cong đẩy dần dạng dao động hệ khung tầng với trận động đất LA10IN50 & LA2IN50 có xét tương tác SSI 61 Hình 4.9 Mơ hình nút khung tầng chưa xét SSI 62 Hình 4.10 Mơ hình nút khung tầng có xét SSI 62 Hình 4.11 Chuyển vị đỉnh nút 11 khung tầng có khơng có xét SSI x Chịu trận động đất LA10IN50 63 Hình 4.12 Chuyển vị đỉnh nút 11 khung tầng có khơng có xét SSI Chịu trận động đất LA2IN50 64 Hình 4.13 Chuyển vị trung bình hệ khung tầng phương pháp NL_RHA, SPA MPA chịu trận động đất LA10IN50 67 Hình 4.14 Chuyển vị trung bình hệ khung tầng phương pháp NL_RHA, SPA MPA chịu trận động đất LA2IN50 67 Hình 4.15 Chuyển vị trung bình hệ khung tầng phương pháp NL_RHA, SPA MPA chịu trận động đất LA10IN50 68 Hình 4.16 Chuyển vị trung bình hệ khung tầng phương pháp NL_RHA, SPA MPA chịu trận động đất LA2IN50 68 Hình 4.17 Chuyển vị trung bình hệ khung tầng phương pháp NL_RHA, SPA MPA chịu trận động đất LA10IN50 69 Hình 4.18 Chuyển vị trung bình hệ khung tầng phương pháp NL_RHA, SPA MPA chịu trận động đất LA2IN50 69 Hình 4.19 Chuyển vị trung bình hệ khung tầng phương pháp NL_RHA, SPA MPA chịu trận động đất LA10IN50 có xét SSI 70 Hình 4.20 Chuyển vị trung bình hệ khung tầng phương pháp NL_RHA, SPA MPA chịu trận động đất LA2IN50 có xét SSI 70 Hình 4.21 Độ trơi tầng trung bình hệ khung tầng chịu trận động đất LA10IN50 phương pháp NL_RHA, SPA MPA 72 Hình 4.22 Độ trơi tầng trung bình hệ khung tầng chịu trận động đất LA2IN50 phương pháp NL_RHA, SPA MPA 72 Hình 4.23 Độ trơi tầng trung bình hệ khung tầng chịu trận động đất LA10IN50 phương pháp NL_RHA, SPA MPA 73 Hình 4.24 Độ trơi tầng trung bình hệ khung tầng chịu trận động đất LA2IN50 phương pháp NL_RHA, SPA MPA 73 Hình 4.25 Độ trơi tầng trung bình hệ khung tầng chịu trận động đất LA10IN50 phương pháp NL_RHA, SPA MPA 74 Hình 4.26 Độ trơi tầng trung bình hệ khung tầng chịu trận động đất LA2IN50 phương pháp NL_RHA, SPA MPA 74 90 B4 : Gán nút chủ cho chuyển vị sàn tầng B5 : Gán khối lượng tham gia dao động nút trọng lượng quy nút chia cho gia tốc trọng trường B6 : Định nghĩa vật liệu thép Steel , Phần tử dùng cho cột có Fy = 50ksi , dầm Fy = 36 ksi 91 B7 : Định nghĩa tiết diện dầm cột B8 : Gán tiết dầm cột cho cấu kiện 92 B9 : Định nghĩa trường hợp tải trọng phân tích bao gồm EQ : tải trọng động đất Pushover : tải trọng tĩnh đẩy dần Eigen : phân tích modeshape B10 : Gán tải trọng cho trường hợp tải B11 : Định nghĩa tải trọng động đất 93 B12 : Ghi lại kết xuất liệu B13 : Định nghĩa thuật toán , điều kiện phân tích 94 B14 : Định nghĩa tải phân tích B15 : Write opensees 95 B16: Running Opensees B17 : Xuất kết 96 e B18 : Xuất kết gia tốc động đất B19 : Xuất kết chuyển vị nút 97 98 CÁC THÔNG SỐ ĐẤT NỀN ᵞ= 1.6 t/m3 trọng lượng riêng đất c = 0.5 lực dính đất Df = 2.0 m chiều sâu chơn móng B = 5.0 m bề rộng móng L = 45 m chiều dài móng ᵠ = 10 o góc ma sát đất Khả chịu lực cực hạn lò xo QzSimple2 theo phương đứng Theo Meyerhof : qult = c Nc Fcs Fcd Fci + ᵞ Df Nq Fqs Fqd Fqi + 0,5 ᵞ B Nᵞ Fᵞs Fᵞd Fᵞi Nc , Nq , Nᵞ : hệ số khả chịu lực Nc = 9.6 Nq = 2.7 Nᵞ = 1.2 Fcs , Fqs , Fᵞs : hệ số khả chịu lực theo hình dáng móng Fcs = + 0.2 (B/L) tan2 ( 450 + ᵠ/2 ) Fcs = 1.02 Fqs = Fᵞs =1 + 0.1 (B/L)tan2 ( 450 + ᵠ/2 ) Fqs = 1.01 Fcd , Fqd , Fᵞd : hệ số khả chịu lực theo chiều sâu móng Fcd = + 0.2 (Df/L) tan2 ( 450 + ᵠ/2 ) Fcd = 1.01 Fqd = Fᵞd =1 + 0.1 (Df/L)tan2 ( 450 + ᵠ/2 ) Fqd = 1.0 Fci , Fqi , Fᵞi : hệ số khả chịu lực theo độ nghiêng tải trọng Fci , Fqi , Fᵞi = Khả chịu lực cực hạn lò xo QzSimple2 = 18.4737 Khả chịu lực cực hạn lò xo PySimple2 theo phương ngang Khả chịu áp lực bị động đất Pult = 0.5 ᵞ Kp Df Kp = 0.7 , ᵞ = 1.6 /m3 99 Áp lực bị động đất PySimple2 đơn vị diện tích móng Pult = 2.2531 Khả chịu lực cực hạn lị xo TzSimple2 theo phương ngang tính khả chóng trượt theo phương ngang ma sát đáy móng đất tult = Wg tan ρ + Af c Wg = 900 Af = 112.5 Khả chịu lực cực hạn lò xo TzSimple2 tult = 191.24 100 PHỤ LỤC : CÁC CHƯƠNG TRÌNH VIẾT BẰNG MATLAB CODE CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH % clc; clear all; format long; node=66; MonitoringPoint=66; Dim=1; Direc='LA10IN50'; recordno=1; SF=1/100; Damping=0.05; History=0; dtRun=0.001; L2=dlmread('mass.txt','\t'); ndof=node*3; m=zeros(ndof,ndof); k=1; for i=1:node for j=2:4 m(k,k)=L2(i,j); k=k+1; end end m; L3=dlmread('dispmode.txt','\t'); phi=zeros(ndof,1); k=1; for i=1:node for j=2:4 phi(k,1)=L3(i,j); k=k+1; end 101 end phi; phirn=phi((MonitoringPoint*3+Dim-3)) iota=ones(ndof,1); Ln=phi'*m*iota; Mn=phi'*m*phi; GamaHoa=Ln/Mn Mnstar=Ln*GamaHoa; LoadPattern=m*phi; PushoverCurve=dlmread('pushovercurve.txt','\t'); n=size(PushoverCurve,1); ur=PushoverCurve(:,1); Vb=PushoverCurve(:,2); ut=PushoverCurve(n,1); Vbt=PushoverCurve(n,2); if abs( (Vb(n)-Vb(n-1))/(ur(n)-ur(n-1)) / ((Vb(2)-Vb(1))/(ur(2)-ur(1))) -1 )