Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu nhà xây dựng trong vùng chịu ảnh hưởng động đất ở việt nam bằng phương pháp monte carlo cải tiến TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG VŨ TRỌNG HUY TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU NHÀ XÂY DỰNG TRONG VÙNG CHỊU ẢNH HƯỞNG ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE - CARLO CẢI TIẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021 i Luận án hoàn thành Viện Khoa học công nghệ xây dựng – Bộ Xây dựng Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Võ Thông Viện Khoa học công nghệ xây dựng GS.TS Nguyễn Văn Phó Trường Đại học Xây dựng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Viện Phịng họp – Viện Khoa học cơng nghệ xây dựng, Số 81 Trần Cung, Nghĩa Tân, Cầu Giấy, Hà Nội, vào hồi phút ngày tháng năm 2021 Có thể tìm luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghê Xây dựng - Thư viện Quốc Gia Việt Nam ii DANH MỤC CÁC BÀI BÁO CỦA TÁC GIẢ [1] Nguyễn Văn Phó, Vũ Trọng Huy, (2017) “Tính tốn cơng trình chịu tải trọng động đất phương pháp Monte – Carlo cải tiến” Tạp chí Kết cấu Cơng nghệ xây dựng số 24.2017 [2] Vũ Trọng Huy, Nguyễn Võ Thông, Nguyễn Văn Phó, (2019) “Đánh giá độ tin cậy cơng trình chịu động đất thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386:2012” Tuyển tập cơng trình, Hội nghị khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn lần thứ XIV, Thành phố Hồ Chí Minh [3] Nguyễn Văn Phó, Nguyễn Võ Thơng, Vũ Trọng Huy (2021) “Tính tốn cơng trình chịu động đất theo TCVN 9386:2012 có kể đến đặc trưng bất định tham số, cách số hóa tham số tiêu chuẩn thuật tốn Monte – Carlo cải tiến để phân tích.” Tạp chí Xây dựng, số 02.2021 [4] Nguyễn Văn Phó, Nguyễn Võ Thơng, Vũ Trọng Huy, (2021) “Số hóa tham số mờ tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 ứng dụng” Tạp chí Kết cấu Cơng nghệ xây dựng số 33.2021 iii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Động đất dạng thiên tai nguy hiểm người cơng trình Do yêu cầu thiết kế kháng chấn cho cơng trình xây dựng quan tâm nghiên cứu Mặc dù người có bước tiến đường ứng phó với động đất, song phải định trường hợp thiếu thông tin, dự báo chủ quan tượng động đất mang chất ngẫu nhiên, kể nguồn phát sinh, cường độ lan truyền chấn động Việt Nam không nằm vành đai lửa động đất giới, bị ảnh hưởng tồn nhiều đứt gãy đứt gãy Ðiện Biên - Mường Lay, đứt gãy Sông Mã - Tuần Giáo - Lai Châu… Đặc biệt biến đổi khí hậu việc xây dựng cơng trình thủy điện làm gia tăng mức độ nhạy cảm với động đất Việt Nam, nhiều trận động đất mạnh xảy Với tốn đầu vào mang tính ngẫu nhiên mờ qua thuật toán bất kỳ, đầu mang tính ngẫu nhiên mờ, tốn động đất Đó lý mà tiêu chuẩn thiết kế có điều nguyên tắc (bắt buộc phải theo) quy định (áp dụng theo nguyên tắc) Có nhiều điều tiêu chuẩn thiết kế quy định phạm vi lựa chọn quy định lời (ngơn ngữ) có tính chất định tính khơng định lượng, cịn giá trị cụ thể người thiết kế chọn, nên mang tính chủ quan Vậy cần thiết phải đưa cách để người thiết kế chọn cách hợp lý nhất, thỏa mãn tiêu chuẩn mức cao Hiện Việt Nam ban hành TCVN 9386:2012 “Thiết kế cơng trình chịu động đất” Song biến đổi khí hậu, điều kiện tự nhiên thay đổi bản, số liệu thiếu, số liệu cũ khơng đáng tin cậy địi hỏi số hóa tồn hoạt động, cần phải xem xét lại cách xác định tham số, liệu động đất, mơ hình tính tốn đáp ứng kết cấu nhà chịu tác động động đất Nghiên cứu tính tốn đáp ứng kết cấu nhà thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012, xét với yếu tố mờ tham số phải số hóa tham số mờ tiêu chuẩn Do luận án“Nghiên cứu làm việc kết cấu nhà xây dựng vùng chịu ảnh hưởng động đất Việt Nam phương pháp Monte - Carlo cải tiến” có ý nghĩa khoa học thực tiễn tình hình Mục tiêu nghiên cứu - Nhận diện, phân loại số hóa tham số mờ tiêu chuẩn thiết kế cơng trình chịu động đất TCVN 9386:2012, chuẩn bị đầu vào cho việc áp dụng phương pháp Monte – Carlo cải tiến - Nghiên cứu hoàn thiện áp dụng phương pháp Monte – Carlo cải tiến tính tốn kết cấu nhà chịu động đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 - Nghiên cứu khảo sát làm việc số kết cấu cơng trình nhà cao tầng thấp tầng chịu động đất phương pháp Monte – Carlo cải tiến phương pháp truyền thống từ so sánh, đánh giá rút nhận xét kiến nghị Đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: - Nhà cao tầng thấp tầng chịu động đất Việt Nam - Các quy định mờ TCVN 9386:2012 - Thuật toán Monte – Carlo cải tiến để tính kết cấu nhà chịu động đất b) Phạm vi nghiên cứu: - Số hóa tham số mờ TCVN 9386:2012 - Áp dụng thuật toán Monte – Carlo cải tiến để tính kết cấu chịu động đất - Khảo sát tính tốn nội lực chuyển vị hệ kết cấu chịu lực cho số cơng trình nhà cao tầng thấp tầng chịu động đất Việt Nam với tham số đầu vào mờ độc lập Phương pháp nghiên cứu - Dùng lý thuyết tập mờ để mờ hóa tham số mờ tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất - Dùng phương pháp Monte - Carlo cải tiến để tính tốn đáp ứng cơng trình nhà chịu động đất - Dùng thuật tốn đề xuất để tính tốn thử nghiệm máy tính số cơng trình hữu, để so sánh kiến nghị Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Số hóa tham số mờ tiêu chuẩn thiết kế chịu động đất TCVN 9386:2012 tính tốn đáp ứng kết cấu chịu lực cơng trình nhà chịu động đất theo phương pháp Monte – Carlo cải tiến tốn có ý nghĩa khoa học thực tiễn rõ rệt - Công cụ xác xuất thống kê khơng thể giải tốn có biến mờ tốn tính tốn kết cấu nhà chịu động đất, nên việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp Monte - Carlo cải tiến để giải tốn có đồng thời loại biến: tiền định, ngẫu nhiên mờ cần thiết, có ý nghĩa khoa học - Nhận diện, phân loại, số hóa tham số mờ tiêu chuẩn động đất cách xây dựng hàm thuộc sở kỹ thuật - Giảm thiểu bớt định chủ quan, không hợp lý người thiết kế góp phần tự động hóa thiết kế kết cấu chịu động đất Bố cục luận án Luận án gồm có chương Phần mở đầu Chương 1, Tổng quan nghiên cứu cơng trình nhà chịu động đất Chương 2, Phương pháp Monte - Carlo phương pháp Monte - Carlo cải tiến tính tốn kết cấu Chương 3, Phương pháp Monte - Carlo cải tiến tính tốn kết cấu cơng trình nhà chịu động đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 có kể đến tham số mờ tiêu chuẩn Chương 4, Nghiên cứu, khảo sát làm việc số kết cấu cơng trình nhà chịu động đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 phương pháp Monte -Carlo cải tiến phương pháp truyền thống, so sánh đánh giá, cụ thể là: Kết luận chung Tài liệu tham khảo Các kết luận án - Nhận diện, phân loại tham số mờ tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 - Số hóa tham số mờ cách mờ hóa biến đổi tương đương định lượng tham số mờ tham số khác - Bổ sung hoàn thiện thuật tốn phân tích mờ kết cấu để tính tốn kết cấu nhà chịu động đất có chứa loại tham số: tất định, ngẫu nhiên mờ - Tính tốn theo thuật toán đề nghị với thuật toán tất định truyền thống cho số cơng trình vùng khác Việt Nam để so sánh, đánh giá kiến nghị CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CƠNG TRÌNH NHÀ CHỊU ĐỘNG ĐẤT 1.1 Động đất tác động động đất lên cơng trình nhà Luận án trình bày động đất ảnh hưởng lên kết cấu, tác động động đất cơng trình nhà, ảnh hưởng trận động đất lên cơng trình nhà 1.2 Một số đại lượng đặc trưng động đất tính tốn cơng trình nhà Luận án trình bày số đại lượng đặc trưng quy định tính tốn cơng trình nhà chịu động đất, gồm: gia tốc cực đại, chuyển động đất xảy động đất, phổ phản ứng tính tốn động đất 1.3 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn giới Việt Nam, tham số tiêu chuẩn thiết kế 1.3.1 Tiêu chuẩn kháng chấn giới tham số tiêu chuẩn thiết kế nước Luận án trình bày tiêu chuẩn thiết kế động đất số nước: Nga, Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Châu Âu số nội dung liên quan khác, gồm: Quy trình phân tích kết cấu theo tiêu chuẩn kháng chấn; tham số tiêu chuẩn thiết kế nước xác định phổ đàn hồi thiết kế; yếu tố ảnh hưởng hàm phổ đàn hồi thiết kế, gồm: tham số đỉnh gia tốc nền, tham số dạng đất, tham số hệ số ứng xử hệ số khác quy định tiêu chuẩn nước 1.3.2 Tiêu chuẩn kháng chấn Việt Nam tham số thiết kế tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 Một số nội dung nêu luận án: Phương pháp phân tích kết cấu theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 9386:2012, gồm: Phân tích tĩnh lực ngang tương đương; Phân tích phổ phản ứng dạng dao động; Phân tích tĩnh phi tuyến; Phân tích phi tuyến theo thời gian (động) Phân tích phổ phản ứng đàn hồi: Chuyển động động đất điểm cho trước bề mặt biểu diễn phổ phản ứng gia tốc đàn hồi, gọi tắt “phổ phản ứng đàn hồi” Để tính tốn hệ kết cấu miền ứng xử phi tuyến, tiêu chuẩn cho phép thiết kế kết cấu với lực động đất bé so với lực ứng với phản ứng đàn hồi tuyến tính Khi đó, để tránh phải phân tích trực tiếp kết cấu không đàn hồi, người ta phân tích dựa phổ phản ứng chiết giảm từ phổ phản ứng đàn hồi, gọi “phổ thiết kế" Sự chiết giảm thực cách đưa vào hệ số ứng xử q Dựa chất tham số mờ, đối chiếu với quy định tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 ta nhận thấy tham số q, ag, S, TB, TC, TD xác định hàm phổ tham số mờ, hàm phổ thiết kế đại lượng mờ 1.4 Tổng quan phân tích mờ kết cấu Do đặc điểm tốn tính tốn kháng chấn có đủ yếu tố tất định, ngẫu nhiên mờ độ phức tạp kết cấu cơng trình xây dựng nên luận án lựa chọn phương pháp Monte – Carlo cải tiến để phân tích kết cấu thay cho phương pháp Monte – Carlo cổ điển (chỉ chứa biến tất định ngẫu nhiên) 1.4.1 Tình hình nghiên cứu nước Trong nghiên cứu nước ngoài, số tác giả dùng kỹ thuật mô Monte – Carlo để nhận số độ tin cậy theo phân bố khả (possibility distribution) số độ tin cậy Một số nghiên cứu dùng giả thiết chủ quan tham số không chắn học kết cấu để suy luận đánh giá, nhằm mở rộng phương pháp cổ điển lý thuyết xác suất gọi phương pháp Monte – Carlo cải tiến Có số cơng trình khác về: nghiên cứu khả ứng dụng lý thuyết tập mờ vào tính tốn kết cấu; phân tích mờ kết cấu; lý thuyết ngẫu nhiên mờ ứng dụng; phương pháp phần tử hữu hạn mờ …, song kết nghiên cứu bước đầu nội dung cịn phức tạp, chưa đáp ứng phân tích kết cấu cơng trình 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước Các cơng trình nghiên cứu Phương pháp Monte – Carlo: tác giả phân tích mờ kết cấu phương pháp phần tử hữu hạn với tham số mờ; phân tích động lực học cho mơ hình mờ Phần nhiều kết công bố toán học kết cấu, chưa đề cập đến tốn tính tốn theo tiêu chuẩn thiết kế Một số luận án tiến sỹ nước sử dụng lý thuyết tập mờ phương pháp Monte – Carlo phương pháp Monte – Carlo cải tiến: Các luận án giải số nội dung: Đánh giá độ tin cậy phần tử kết cấu trường hợp số liệu mờ Áp dụng phương pháp Monte Carlo cải tiến phân tích tính tốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn, Phân tích tĩnh động kết cấu hệ có tham số số mờ tam giác cân, ứng dụng đánh giá mức độ an toàn kết cấu.v.v… 1.4.3 Các kết đạt từ cơng trình nghiên cứu Các cơng trình nghiên cứu chủ yếu lý thuyết phép biến đổi mờ ngẫu nhiên, để tính chung sơ đồ tính có thuật tốn tính kết cấu, với đầu vào có chứa loại tham số: tất định, ngẫu nhiên mờ Phương pháp Monte - Carlo phương pháp Monte - Carlo cải tiến có nhiều ưu điểm tính tốn kết cấu Các nghiên cứu công bố chủ yếu đưa phân tích tính tốn tốn học kết cấu cho số kết cấu đơn lẻ Chưa có nghiên cứu ứng dụng vào tốn tính tốn tổng thể cơng trình với việc xây dựng số liệu đầu vào phân tích giải mờ số liệu thu tổng thể cơng trình theo tiêu chuẩn Một số nghiên cứu cơng bố có đề cập số liệu tham số biểu diễn tác động động đất, phân nhiều cách xác định cụ thể số trường hợp, song nghiên cứu dừng lại phân tích tham số cụ thể để nhận cách lựa chọn tham số động đất cho trường hợp cụ thể chưa thành phương pháp chung Tiêu chuẩn thiết kế cơng trình chịu động đất Việt Nam TCVN 9386:2012 tiêu chuẩn nước có quy định phương pháp tính động đất theo phổ thiết kế Đây phương pháp tính thơng dụng nay, tham số xác định hàm phổ thiết kế Sd(T) ag (1 agR), q, S, TB , TC , TD, cho dạng mô tả cận giá trị xác định để người thiết kế dựa vào lực mức độ hiểu biết mà lựa chọn giá trị khoảng xác định 1.4.4 Các vấn đề tiếp tục nghiên cứu luận án Nghiên cứu giá trị tham số biểu diễn tác động động đất tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 Nhận diện, phân loại, số hóa (tìm hàm thuộc) tham số mờ biến đổi tương đương định lượng tham số mờ với tham số khác để phục vụ tính tốn cơng trình xây dựng vùng động đất Nghiên cứu phương pháp Monte – Carlo phương pháp Monte – Carlo cải tiến ứng dụng vào toán tính tốn cơng trình chịu động đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012, để tính tốn kết hợp khách quan chủ quan người thiết kế, giải vấn đề tính tốn tốn có chứa tham số ngẫu nhiên mờ Đưa sơ đồ số tính kết cấu chịu động đất theo TCVN 9386:2012 có kể đến tham số mờ tiêu chuẩn phương pháp Monte – Carlo cải tiến Nghiên cứu, áp dụng phương pháp tính tốn theo thuật tốn đề xuất cho số hệ kết cấu cơng trình nhà thấp tầng cao tầng (trong khuôn khổ luận án, giới hạn khảo sát cho phạm vi nghiên cứu với nội lực, chuyển vị) Trên sở kết khảo sát số theo thuật toán đề nghị thuật toán tất định hành số dạng nhà, tiến hành phân tích, so sánh để đưa nhận xét kiến nghị 1.5 Nhận xét chương Đã trình bày vấn đề liên quan đến số đại lượng đặc trưng động đất như: gia tốc cực đại, chuyển động đất xảy động đất phổ phản ứng tính tốn động đất, qua cho thấy thực tế phải tính tốn, thiết kế kháng chấn điều kiện thiếu thông tin, số liệu đầu vào mang tính dự báo định tính chủ quan Với tốn đầu vào khơng xác định, qua thuật tốn đầu khơng xác định, vấn đề cần nghiên cứu làm sáng tỏ tiêu chuẩn kháng chấn đại Giới thiệu tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn giới Việt Nam tham số tiêu chuẩn thiết kế Các tham số động đất tính tốn kết cấu tạm thời chia thành loại: + Tham số tất định: Kích thước hình học, cường độ vật liệu.v.v… + Tham số ngẫu nhiên: Mô đun đàn hồi, tải trọng tĩnh động.v.v… + Tham số mờ: Gia tốc nền, hệ số ứng xử q, hệ số nền, giới hạn chu kỳ.v.v… Việc phân loại tất định, ngẫu nhiên mờ tương đối, phân loại theo cách khác Tổng quan phân tích mờ kết cấu, tác giả phân tích giải vấn đề bối cảnh biến đổi khí hậu với đặc điểm bất thường cực đoan, không dùng phương pháp Monte – Carlo cổ điển, bước đầu phải đưa số cải tiến chọn đầu vào theo mẫu toàn thể, xử lý thống kê có trọng số, hồn thiện thuật tốn phân tích mờ kết cấu CHƯƠNG II TÍNH TỐN KẾT CẤU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE – CARLO VÀ PHƯƠNG PHÁP MONTE – CARLO CẢI TIẾN 2.1 Tính tốn kết cấu phương pháp Monte – Carlo với tham số đầu vào ngẫu nhiên Phương pháp Monte – Carlo chuyển toán ngẫu nhiên tập toán tất định, cách thay đầu vào ngẫu nhiên tập đầu vào tất định Việc thay nhờ thuật tốn tìm số giả ngẫu nhiên Ta giả thiết toán thành lập có thuật tốn giải với tham số đầu vào tất định Khi tham số đầu vào ngẫu nhiên, ta dùng lời giải loạt toán tất định, để giải cho toán ngẫu nhiên theo sơ đồ sau: Bước Chuyển đầu vào ngẫu nhiên toán tập đầu vào tất định tương đương, số giả ngẫu nhiên Bước Thử nghiệm máy tính với đầu vào tất định, theo chương trình tính tốn kết cấu để có tập đầu tất định (đáp ứng kết cấu ) Bước Xử lý thống kê kết thu bước theo yêu cầu toán đặt ban đầu (giải mờ, tính chuyển vị, biến dạng, tải trọng ổn định…) Nhận xét phương pháp Monte – Carlo: Mỗi phép thử lần tính tốn riêng biệt, khơng tính lặp theo nghĩa lấy kết bước trước bước làm đầu vào bước sau, nên khơng có sai số tích lũy Khối lượng tính tốn lớn, phải thử nghiệm tính tốn nhiều lần máy tính Địi hỏi phải thỏa mãn số giả thiết toán học chặt chẽ, tập số liệu thu thực tế khó đáp ứng Phương pháp Monte – Carlo giải tốn có tham số ngẫu nhiên 2.2 Tính tốn kết cấu phương pháp Monte – Carlo cải tiến với biến đầu vào ngẫu nhiên mờ Phương pháp Monte - Carlo cải tiến có bước cải tiến bước bước bước phương pháp Monte - Carlo a Cải tiến bước (tìm đầu vào tất định) Không dùng mẫu số giả ngẫu nhiên, để tạo đầu vào tất định, mà tạo đầu vào tất định cách dùng “mẫu toàn thể” lý thuyết thống kê b Cải tiến bước (xử lý thống kê theo số liệu có trọng số) * Trọng số Cơ sở để xác định trọng số số lần xuất phép thử độc lập Để xác định trọng số giá trị rời rạc miền xác định, ta cần xác định trọng số giá trị: giá trị xuất lần có trọng số đơn vị, giá trị xuất m lần trọng số m * Trọng số giảm số lần thử nghiệm Thử nghiệm máy tính với đầu vào có trọng số đơn vị ta số liệu Khi thử nghiệm với đầu vào có trọng số Sk ta có Sk số hiệu giống Như số liệu mà ta có xử lý thống kê  S k Do đó, số liệu để xử lý thống kê tăng lên rõ rệt k 1 [xi, xi+1] hàm thuộc µ(x) tam giác, giá trị x lấy với điểm khoảng xác định song có hàm thuộc khác 3.1.2 Số hóa đại lượng mờ chứa tiêu chuẩn - Đại lượng tất định xác định giá trị coi số hóa - Đại lượng ngẫu nhiên có đặc trưng số (kỳ vọng, phương sai.v.v ) đưa vào tính tốn Chỉ cịn đại lượng mờ, ta phải số hóa đại lượng mờ Bước 1: Mờ hóa đại lượng mờ, tức tìm hàm thuộc (x) Bước 2: Thực phép biến đổi phù hợp định lượng để tính chung sơ đồ với đại lượng tất định ngẫu nhiên 3.1.2.1 Các cách số hóa Biểu diễn mờ đại lượng mờ hàm thuộc µ(x), tìm hàm thuộc hàm biến mờ (đại lượng mờ sơ cấp thứ cấp) 3.1.2.2 Xác định hàm thuộc (x) đại lượng mờ Dựa ý tưởng biểu diễn hàm mật độ xác suất f(x) đại lượng ngẫu nhiên, đưa hàm thuộc (x) đại lượng mờ: dạng tam giác, hình thang, hình chng, hình thang, bán vơ hạn,v.v… 3.1.2.3 Số hóa đại lượng mờ thứ cấp Khi tính tốn cơng trình theo tiêu chuẩn, thường gặp loại biến mờ, đại lượng mờ sơ cấp thứ cấp Đại lượng mờ thứ cấp hàm đại lượng mờ sơ cấp Số hóa đại lượng thứ cấp: Ý tưởng chung số hóa đại lượng mờ thứ cấp là: từ giá trị rời rạc biến sơ cấp, ta lập tập đầu vào cho biến thứ cấp, từ tính tốn để có tập đầu biến thứ cấp Căn theo tập số liệu thu được, ta có biểu đồ tần suất (hay tần số), giá trị gần hàm thuộc Khi có hàm thuộc trở thành biến sơ cấp, tham gia tính tốn tiếp tục bước sau trình biến sơ cấp khác 3.1.2.4 Biến đổi tương đương định lượng Phân tích kết cấu thường có loại đại lượng tất định, ngẫu nhiên mờ, đại lượng không tương đương định lượng, có tương tự định tính Để phù hợp với đại lượng ngẫu nhiên ta cần biến đổi hàm thuộc đại lượng mờ hàm, cho hàm biểu diễn tập số liệu đại lượng ngẫu nhiên Các tập số liệu đại lượng ngẫu nhiên tập số liệu biến đổi đại lượng mờ đưa vào tính tốn sơ đồ phương pháp Monte - Carlo cải tiến 10 3.1.2.5 Số hóa số trường hợp đặc biệt Theo quy định của tiêu chuẩn không đủ thông tin khoảng xác định giá trị tin tưởng, việc xây dựng hàm thuộc trường hợp gặp khó khăn xác định thông số đại lượng mờ, nghĩa phụ thuộc nhiều vào chủ quan người thiết kế, phải số hóa theo trường hợp riêng (Đó vấn đề cần nghiên cứu tiếp) 3.1.3 Xác định trọng số xử lý thống kê 3.1.3.1 Cơ sở khoa học việc xác định trọng số - Trong tượng ngẫu nhiên hay mờ có đại lượng quan trọng phải kể đến là: Giá trị xuất số lần xuất - Độ xác phương pháp Monte - Carlo phụ thuộc không vào số lượng phép thử, mà phụ thuộc vào mức độ đồng mẫu thử - Trọng số giá trị tham số đầu vào số lần xuất nó, phụ thuộc vào hàm mật độ xác xuất biến ngẫu nhiên hay phụ thuộc vào hàm thuộc biến mờ 3.1.3.2 Xác định trọng số Bước Rời rạc hóa khoảng xác định biến đầu vào số hữu hạn điểm Bước Xác định trọng số cho giá trị rời rạc: Từ hàm mật độ xác xuất f(x) hàm thuộc (đã biến đổi) *(x) ta xác định tung độ điểm rời rạc Trọng số điểm rời rạc xi số tròn tỷ số f ( xi ) , f0 trọng số f0 giá trị xuất lần (đầu cuối khoảng) Bước Xác định trọng số đầu vào - Trong đầu vào giá trị tham số tham gia lần - Trọng số đầu vào tích trọng số đại lượng có mặt đầu vào - Giá trị tất định có mặt đầu vào tất định với trọng số đơn vị 3.1.3.3 Xác định số lần thử số số liệu thu - Số lần thử số tổ hợp giá trị rời rạc - Số số liệu thu tổng trọng số đầu vào 3.2 Phân loại số hóa các đại lượng ngẫu nhiên mờ tiêu chuẩn thiết kế cơng trình chịu động đất TCVN 9386:2012 3.2.1 Phân loại mờ hóa đại lượng mờ tiêu chuẩn Loại 1: Đại lượng mờ x biết khoảng xác định [a, b], khơng có thơng tin thêm a ≤ x ≤ b, a, b số, số mờ hay đại lượng ngẫu nhiên Loại 2: Đại lượng mờ x, biết khoảng xác định [a, b] số thông tin khác, song không đủ để xác định giá trị a ≤ x ≤ b, a, b số hay 11 số mờ Ngồi cịn có số thông tin (quy định) khác để xác định giá trị tin tưởng x0 hình dạng (quy luật biến thiên) x Loại 3: Đại lượng mờ x, biết khoảng xác định khoảng bán vô hạn x ≥ a hay x ≤ b, khơng có thơng tin thêm Trong a, b số hay số mờ Loại 4: Đại lượng mờ x, biết khoảng xác định khoảng bán vô hạn x ≥ a hay x ≤ b, số thông tin thêm, song không đủ để xác định giá trị Loại 5: Đại lượng mờ x nhiều chiều (đại lượng thứ cấp), biết số thông tin vùng chung quanh, không đủ để xác định giá trị Trong tiêu chuẩn thiết kế, người ta thường dùng cách phân vùng đồ (bản đồ gió, động đất, tính chất đất v.v…) Loại 6: Đại lượng mờ biểu diễn ngơn ngữ, nói chung mờ hóa phức tạp, tùy theo ngữ nghĩa văn để thành lập hàm thuộc 3.2.2 Số hóa tham số mờ tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 Số hóa phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang: Số hóa ag, S, TC TD hệ số gia tốc nền, hệ số nền, giá trị giới hạn chu kỳ, hệ số ứng xử q Hệ số q phụ thuộc vào độ dẻo, độ dẻo quy định phần khác tiêu chuẩn, q phụ thuộc vào loại vật liệu, loại kết cấu, tầm quan trọng v.v  Số hóa tham số S, TB , TC TD Loại đất S TB (s) TC (s) TD (s) C 1,0≤ S ≤1,15 0,15≤ TB ≤0,20 0,5≤ TC ≤0,8 TD =2,0 Giá trị tin tưởng lấy giá trị theo tiêu chuẩn, ta có hàm thuộc S, TB, TC, TD  Số hóa hệ số ứng xử q Hệ số ứng xử q hệ số chiết giảm từ phổ phản ứng đàn hồi để xác lập phổ thiết kế Hệ số ứng xử q phụ thuộc vào độ dẻo, độ dẻo phụ thuộc vào vật liệu vào loại kết cấu, độ dẻo quy định phần tiêu chuẩn  Số hóa gia tốc agR theo địa danh hành phụ lục H (quy định) tiêu chuẩn TCVN 9386: 2012 Gia tốc agR chiếm địa vị quan trọng đặc biệt tính tốn cơng trình chịu động đất Việc quy định giá trị theo đơn vị hành (huyện, quận) đồng điểm đơn vị hành có giá trị agR Trong tiêu chuẩn đơn vị hành có chung giá trị tin tưởng x0 Ta thừa nhận agR biến thiên liên tục (trừ trường hợp đặc biệt, ghi riêng), nên giá trị max agR giá trị max đơn vị hành lân cận  Số hóa biến thứ cấp Sd(T) 12 Vì S d (T) hàm a g , S, T B , TC , T D q T xác định Người ta thừa nhận gần tham số ảnh hưởng đến dao động riêng khống chế được, nên chấp nhận T xác định T d theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 chọn T D =2.0 cho loại đất Vậy Sd(T) hàm biến mờ sơ cấp ag (hay agR, ag=.agR), S, TB, TC, q 3.2 Sơ đồ số tính kết cấu chịu động đất theo TCVN 9386:2012 có kể đến tham số mờ tiêu chuẩn phương pháp Monte – Carlo cải tiến Bước Xác định sơ đồ, tham số ngẫu nhiên (vật liệu, tải trọng tĩnh tải, hoạt tải), số liệu mơ hình Bước Phân loại số hóa đại lượng mờ sơ cấp thứ cấp tiêu chuẩn Bước Xác định phổ thiết kế Sd(Ti) theo phương x, y hàm phổ thiết kế trường hợp số hóa đại lượng mờ Bước Xác định lực động đất, tính tốn nội lực động đất gây số mờ Bước Bước Xác định giá trị tin tưởng phương pháp MonteCarlo cải tiến: Kỳ vọng, phương sai, hàm thuộc, giải mờ (có kể đến trọng số) Tổ hợp, tính tốn, kiểm tra kết cấu cơng trình nhà theo tiêu chí quy định (bền, ổn định, khả chịu lực, 3.3 Nhận xét chương Kết chương này: - Nhận diện, phân loại tham số mờ tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 - Số hóa tham số mờ cách mờ hóa biến đổi tương đương định lượng tham số mờ tham số khác - Áp dụng biện pháp trọng số để giảm khối lượng tính tốn, ứng dụng phương pháp xử lý số liệu vào tính tốn cơng trình chịu động đất - Đưa sơ đồ tính kết cấu chịu động đất theo TCVN 9386:2012 có kể đến tham số mờ tiêu chuẩn phương pháp Monte – Carlo cải tiến 13 CHƯƠNG IV NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA MỘT SỐ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH NHÀ CHỊU ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN TCVN 9386:2012 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE-CARLO CẢI TIẾN VÀ PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Khảo sát làm việc kết cấu cơng trình nhà thấp tầng chịu tải trọng động đất 4.1.1 Thiết lập mơ hình tính nhà thấp tầng  Mơ hình tính với nhà thấp tầng với mơ hình khung  Mơ hình tính với nhà thấp tầng với mơ hình khung có xét đến tường chèn (phần tử chịu nén) 4.1.2 Khảo sát làm việc kết cấu cơng trình nhà thấp tầng chịu tải trọng động đất hai phương pháp tính tốn truyền thống tính tốn theo Monte-Carlo cải tiến 4.1.2.1 Khảo sát làm việc nhà thấp tầng xây dựng vùng chịu động đất khác Khảo sát Công trình Nhà Văn hóa, có địa điểm xây dựng thị xã Mường Lay tỉnh Điện Biên; huyện Tuần Giáo tỉnh Điện Biên huyện Ba Vì thành phố Hà Nội Các liệu khảo sát làm việc nhà tương tự, xét đặc điểm có đỉnh gia tốc khác mức độ chênh lệch đỉnh gia tốc tin tưởng số liệu địa danh lân cận khác Mơ hình 3D cơng trình - Số liệu hệ kết cấu nhà: Nhà tầng, có khối thơng tầng Nhà Văn hóa, kèo thép nhịp 14,4m, phương án khung BTCT cấp dẻo trung bình - Biểu đồ số liệu so sánh, đánh sau: Tỷ lệ % lệch giá trị phản lực chân cơng trình trận động đất phương x theo TCVN MMC Tỷ lệ % lệch giá trị phản lực chân cơng trình trận động đất phương y theo TCVN MMC 14 Chuyển vị ngang theo phương x Nhà Văn hóa Chuyển vị ngang Ux tầng BASE đến KT theo TCVN MMC Tỷ lệ % lệch giá trị TCVN MMC Nhà Văn hóa ML-TG-BV Chuyển vị ngang theo phương y Nhà Văn hóa Chuyển vị ngang Uy tầng BASE đến KT theo TCVN MMC Tỷ lệ % lệch giá trị TCVN MMC Nhà Văn hóa ML-TG-BV 4.1.2.2 Khảo sát làm việc nhà thấp tầng xây dựng vùng chịu động đất Xét trường hợp địa điểm Mường Lay, Điện Biên với dạng cơng trình: Nhà Văn phịng mặt bằng, với dạng cơng trình có mặt đứng đặn, thay đổi số tầng cao từ tầng, tầng tầng: Mơ hình 3D cơng trình: 2.1a:Nhà tầng, tầng hầm 2.2a: Nhà tầng, tầng hầm 2.3a: Nhà tầng, tầng hầm 15 Biểu đồ số liệu so sánh đánh sau: Tỷ lệ % lệch giá trị phản lực chân cơng trình trận động đất phương x theo TCVN MMC Tỷ lệ % lệch giá trị phản lực chân cơng trình trận động đất phương x theo TCVN MMC Chuyển vị ngang theo phương x nhà đặn Chuyển vị ngang Ux tầng BASE đến KT theo TCVN MMC Tỷ lệ % lệch giá trị TCVN MMC Nhà 4T, 6T, 8T Chuyển vị ngang theo phương y nhà đặn: Chuyển vị ngang Uy tầng BASE đến KT theo TCVN MMC Tỷ lệ % lệch giá trị TCVN MMC Nhà 4T, 6T, 8T 4.2 Khảo sát làm việc kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất 4.2.1 Thiết lập mơ hình tính nhà cao tầng  Mơ hình tính với nhà cao tầng với mơ hình hệ khung  Mơ hình tính với nhà cao tầng với mơ hình hệ tường  Mơ hình tính với nhà cao tầng với mơ hình hệ hỗn hợp  Mơ hình tính với nhà cao tầng với mơ hình hệ hỗn hợp tương đương khung  Mơ hình tính với nhà cao tầng với mơ hình hệ hỗn hợp tương đương tường 16 4.2.2 Khảo sát làm việc kết cấu công trình nhà cao tầng chịu tải trọng động đất hai phương pháp tính tốn truyền thống tính tốn theo Monte-Carlo cải tiến 4.2.2.1 Khảo sát làm việc nhà cao tầng xây dựng vùng chịu động đất khác Khảo sát Cơng trình CT1, có địa điểm xây dựng huyện Gia Lâm, Hà Nội; Quận 10, TP Hồ Chí Minh, quận Ngũ Hành Sơn, Đà Nẵng quận Ngơ Quyền, Hải Phịng Cơng trình CT1 có quy mơ cơng trình: Nhà 20 tầng, tầng hầm, chiều cao cơng trình: 72,0m, diện tích xây dựng: 990 m2, tổng diện tích sàn xây dựng: 20.798 m2 Mơ hình 3D cơng trình Tỷ lệ % lệch giá trị phản lực chân cơng trình trận động đất phương x theo TCVN MMC Tỷ lệ % lệch giá trị phản lực chân cơng trình trận động đất phương x theo TCVN MMC Chuyển vị ngang theo phương x nhà CT1 Chuyển vị ngang Ux tầng BASE đến KT theo TCVN MMC 17 Tỷ lệ % lệch giá trị TCVN MMC CT1 GL-HN; Q10-HCM; NHSĐN; NQ-HP Chuyển vị ngang theo phương y nhà CT1 Chuyển vị ngang Uy tầng BASE đến KT theo TCVN MMC Tỷ lệ % lệch giá trị TCVN MMC CT1 GL-HN; Q10-HCM; NHSĐN; NQ-HP 4.2.2.2 Khảo sát làm việc kết cấu cơng trình nhà cao tầng vùng chịu động đất Xét trường hợp địa điểm Gia Lâm, Hà Nội với dạng công trình sau: a) Cơng trình cao tầng CT3, với dạng cơng trình có mặt đứng đặn, thay đổi số tầng cao 20 tầng, 30 tầng 40 tầng: Mơ hình 3D cơng trình 18 4.1a: Nhà CT3 20 tầng, hai tầng hầm 4.2a: Nhà CT3 30 tầng, hai tầng hầm Tỷ lệ % lệch giá trị phản lực chân cơng trình trận động đất phương x theo TCVN MMC 4.3a: Nhà CT3 40 tầng, hai tầng hầm Tỷ lệ % lệch giá trị phản lực chân cơng trình trận động đất phương x theo TCVN MMC Chuyển vị ngang theo phương x nhà CT3 20T, CT3 30T, CT3 40T Chuyển vị ngang Ux tầng BASE đến Rooftop theo TCVN MMC Tỷ lệ % lệch giá trị chuyển vị ngang Ux TCVN MMC Nhà CT3 20T, 30T, 40T 19 Chuyển vị ngang theo phương y nhà CT3 20T, CT3 30T, CT3 40T Tỷ lệ % lệch giá trị chuyển vị ngang Uy TCVN MMC Nhà CT3 20T, 30T, 40T b) Cơng trình cao tầng CT1, CT2, CT3, với dạng cơng trình khác có mặt đứng đặn, số tầng cao gần tương đương 20 tầng xây dựng vùng Mô hình 3D cơng trình: 4.1b: Nhà CT1 20 tầng, tầng hầm 4.2b: Nhà CT2 20 tầng, tầng hầm Tỷ lệ % lệch giá trị phản lực chân cơng trình trận động đất phương x theo TCVN MMC 4.3b: Nhà CT3 20 tầng, hai tầng hầm Tỷ lệ % lệch giá trị phản lực chân cơng trình trận động đất phương x theo TCVN MMC 20 Chuyển vị ngang theo phương x Nhà CT1, CT2, CT3 Chuyển vị ngang Ux tầng BASE đến Rooftop theo TCVN MMC Tỷ lệ % lệch giá trị chuyển vị ngang Ux TCVN MMC Nhà CT1, CT2, CT3 Chuyển vị ngang theo phương y Nhà CT1, CT2, CT3 Chuyển vị ngang Uy tầng BASE đến Rooftop theo TCVN MMC Tỷ lệ % lệch giá trị chuyển vị ngang Uy TCVN MMC Nhà CT1, CT2, CT3 21 4.3 Nhận xét chương Qua so sánh, đánh giá kết khảo sát số kết cấu cơng trình nhà chịu động đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 thuật toán đề nghị thuật toán tất định hành, cho thấy: - Tính theo thuật tốn đề nghị cho kết phù hợp với quy luật định tính sát với làm việc thực kết cấu - Trường hợp nhà cao tầng đỉnh gia tốc vùng xây dựng tiệm cận đỉnh gia tốc thấp vùng biên, kết tính tốn cho thấy giá trị nội lực, chuyển vị tính theo thuật tốn đề nghị lớn so với tính theo thuật toán tất định hành (Kết khảo sát so sánh nội lực, chuyển vị động đất có trường hợp >20%, kết khảo sát dạng nhà với 20 tầng, 30 tầng, 40 tầng xây dựng Gia Lâm, Hà Nội dạng nhà khác CT1 20 tầng, CT2 20 tầng, CT3 20 tầng, kết nội lực, chuyển vị có giá trị lệch từ 4,9% đến 22,7% phụ thuộc mơ hình tính miền trọng số trị tin tưởng hệ số ứng xử) - Trường hợp nhà cao tầng đỉnh gia tốc vùng xây dựng tương đương đỉnh gia tốc vùng biên giá trị tin tưởng tham số mờ thuật toán tiệm cận giá trị trung bình khoảng xác định tham số mờ, kết tính tốn cho thấy giá trị nội lực, chuyển vị tính theo thuật tốn đề nghị tính theo thuật tốn tất định hành tương đương - Trường hợp nhà cao tầng đỉnh gia tốc vùng xây dựng tiệm cận đỉnh gia tốc cao vùng biên giá trị tin tưởng tham số mờ thuật toán tiệm cận giá trị trung bình khoảng xác định tham số mờ, kết tính tốn cho thấy giá trị nội lực, chuyển vị tính theo thuật tốn đề nghị thấp so với tính theo thuật tốn tất định hành - Trường hợp nhà thấp tầng có dạng nhà với chiều cao khác nhau, xây dựng vùng có đỉnh gia tốc vùng xây dựng tiệm cận đỉnh gia tốc cao vùng biên: Khi giá trị tin tưởng hệ số ứng xử tiệm cận giá trị trung bình khoảng xác định tham số mờ hệ số ứng xử, kết tính tốn cho thấy giá trị nội lực, chuyển vị tính theo thuật tốn đề nghị tương đương với tính theo thuật tốn tất định hành (Kết so sánh nhà thấp tầng dạng nhà mặt đứng không đặn với tầng, tầng, tầng xây dựng Mường Lay, Điện Biên kết nội lực, chuyển vị gần tương đương giá trị lệch max ≤ 2,2%) Khi giá trị tin tưởng hệ số ứng xử tiệm cận giá trị cuối khoảng xác định tham số mờ hệ số ứng xử, kết tính tốn cho thấy giá trị nội lực, chuyển vị tính theo thuật tốn đề nghị lớn tính 22 theo thuật tốn tất định hành (Kết so sánh nhà thấp tầng dạng nhà mặt đứng không đặn với tầng, tầng, tầng xây dựng Mường Lay, Điện Biên kết nội lực, chuyển vị có giá trị lệch max đến 8,7%) - Khảo sát cơng trình thấp tầng theo giản đồ lịch sử thời gian đặc trưng xác định từ hàm phổ thiết kế mờ thuật toán (đáp ứng điều kiện xác định hàm phổ mờ) từ hàm phổ thiết kế phương pháp tất định hành so sánh dạng phân tích đàn hồi phân tích phi tuyến P-Delta có chuyển vị ngang Ux , Uy theo thời gian có dáng điệu tương tự nhau, song giá trị max tính theo thuật tốn đề nghị lớn tính theo thuật tốn tất định hành có chênh lệch dạng phân tích: + Phân tích phi tuyến P-Delta có giá trị chuyển vị nhỏ so với phân tích đàn hồi + Phân tích phi tuyến P-Delta mơ hình khung hỗn hợp BTCT có tường chèn có giá trị chuyển vị nhỏ so với phân tích phi tuyến P-Delta mơ hình hỗn hợp BTCT khơng xét đến tường chèn - Kết khảo sát giá trị nội lực, chuyển vị tính theo thuật tốn đề nghị tính theo thuật toán tất định hành cho thấy: Khi chọn tham số tiêu chuẩn nằm miền trọng số cao, sai số khơng lớn (20%) Số hóa góp phần giảm thiểu định chủ quan không hợp lý người thiết kế tiến tới tự động hóa thiết kế KẾT LUẬN Các kết đạt - Đã nhận diện, phân loại số hóa tham số mờ điển hình tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 cách mờ hóa tham số mờ biến đổi tương đương định lượng tham số mờ với tham số khác, để phục vụ tính tốn cơng trình xây dựng vùng động đất sơ đồ, gồm đại lượng: tất định, ngẫu nhiên mờ - Đã bổ sung hồn thiện thuật tốn phân tích mờ kết cấu phương pháp Monte – Carlo cải tiến để tính tác động động đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 lên cơng trình nhà, có kể đồng thời loại tham số: tất định, ngẫu nhiên mờ - Đã khảo sát số kết cấu cơng trình nhà chịu động đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 thuật toán đề nghị thuật toán tất định hành, 23 từ so sánh, đánh giá kết nêu số nhận xét có ý nghĩa lưu ý kỹ thuật Kết cho thấy tính tốn theo thuật toán đề nghị sai số so với kết tính tốn theo thuật tốn tất định hành chấp nhận được, phù hợp quy luật định tính làm việc thực kết cấu Độ tin cậy kết đạt Những để đánh giá độ tin cậy kết nghiên cứu phù hợp chấp nhận là: - Phương pháp Monte - Carlo cải tiến sử dụng luận án phương pháp ứng dụng số toán kết cấu đơn lẻ, số luận án cơng bố thức tốn phân tích tính tốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mòn phương pháp PTHH với số liệu tất định trường hợp thiếu số liệu tốn tính độ tin cậy số dạng kết cấu, phân tích độ tin cậy số tốn động lực học cơng trình dạng dầm, khung, có kể đến sai lệch ngẫu nhiên tham số vật liệu, hình học điều kiện đầu vào - Các kết luận án chuyên gia phản biện công bố Hội nghị khoa học nước quốc tế tổ chức Việt Nam, số kết đăng tuyển tập Hội nghị khoa học tồn quốc tạp chí chun ngành - Bài tốn tính với nhiều lần theo đầu vào tất định thuật tốn đề xuất phân tích, từ chuẩn bị đầu vào đến kết cuối thỏa mãn tiêu chuẩn dùng thuật toán quen thuộc, phần mềm phân tích phù hợp, thơng dụng - Chương trình ETABS-v18 có độ tin cậy dùng phổ biến giới nước ta - Đồ thị biểu diễn kết phù hợp với quy luật vật lý học, tức phù hợp mặt định tính kết cấu Hướng phát triển luận án - Nghiên cứu hồn thiện, số hóa tồn tiêu chuẩn thành chương trình dễ sử dụng tính tốn đánh giá kết cấu nhà xây dựng vùng động đất, giảm sai sót chủ quan - Nghiên cứu phương pháp góp phần hồn thiện việc tự động hóa tính tốn cơng trình chịu động đất theo tiêu chuẩn Việt Nam - Nghiên cứu phối hợp kịch rủi ro biến đổi khí hậu với động đất 24 ... Do luận án? ?Nghiên cứu làm việc kết cấu nhà xây dựng vùng chịu ảnh hưởng động đất Việt Nam phương pháp Monte - Carlo cải tiến? ?? có ý nghĩa khoa học thực tiễn tình hình Mục tiêu nghiên cứu - Nhận... mở đầu Chương 1, Tổng quan nghiên cứu cơng trình nhà chịu động đất Chương 2, Phương pháp Monte - Carlo phương pháp Monte - Carlo cải tiến tính tốn kết cấu Chương 3, Phương pháp Monte - Carlo cải. .. chuẩn phương pháp Monte – Carlo cải tiến 13 CHƯƠNG IV NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA MỘT SỐ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH NHÀ CHỊU ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN TCVN 9386:2012 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE- CARLO CẢI