Nghiên cứu dao động của nhà cao tầng dưới tác động của tải trọng động đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ CHÍ PHÁT NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.20 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Xuân Toản Phản biện 1 : TS. Huỳnh Minh Sơn Phản biện 2 : TS. Trần Quang Hưng Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 09 năm 2013. Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng. Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Động đất là tai họa thiên nhiên vô cùng khủng khiếp bởi vì chỉ trong vài giây đồng hồ cả một thành phố lớn có thể bị sụp đổ hoàn toàn, cả một khu vực có thể bị sụt lún và đôi khi những dòng sông cũng bị đổi dòng do hậu quả của những trận động đất mạnh. Điều đáng sợ hơn là cho đến nay khoa học và kỹ thuật đương đại vẫn chưa dự báo chính xác thời điểm và địa điểm động đất sẽ xảy ra. Do đó, con người chưa có biện pháp phòng chống chủ động đối với từng trận động đất. Và như một hệ lụy tất yếu, khi động đất xảy ra gây thiệt hại rất to lớn về người và tài sản. Ở nước ta hiện nay, việc tính toán động đất cho những công trình xây dựng dân dụng chưa được quan tâm đúng mức. Tuy nhiên với những thảm họa động đất đã xảy ra trên thế giới và ở Việt Nam đã cho thấy rằng, để giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản do động đất gây ra thì bản thân công trình xây dựng phải được thiết kế chịu được động đất và mỗi quốc gia đều phải có biện pháp phù hợp cho vấn đề này. Do đó việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu dao động của nhà cao tầng dưới tác động của tải trọng động đất” là rất cần thiết, góp phần làm rõ ảnh hưởng của tải trọng động đất tác dụng lên công trình nhà cao tầng. Từ đó sẽ có biện pháp phù hợp để hạn chế tác động của động đất lên các công trình xây dựng. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu áp dụng phương pháp lịch sử thời gian và phương pháp phổ phản ứng vào phân tích kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất. Phân tích, đánh giá kết quả và khuyến cáo áp dụng khi phân tích động đất tác dụng lên nhà cao tầng. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu dao động của nhà cao tầng chịu tải trọng động đất. Phạm vi nghiên cứu: Dao động của nhà cao tầng bằng kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất. 2 4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu dao động của nhà cao tầng dưới tác động của tải trọng động đất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Kết quả nghiên cứu luận văn có thể sử dụng: - Tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành Xây dựng tại các trường Đại học, cao đẳng. - Tài liệu tham khảo cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật xây dựng. 5. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Luận văn gồm những nội dung chính như sau: Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan về nghiên cứu dao động của nhà cao tầng chịu động đất. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết tính toán dao động của nhà cao tầng dưới tác động của tải trọng động đất. Chƣơng 3: Phân tích dao động của nhà cao tầng dưới tác động của tải trọng động đất. Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo 6. TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU Động đất và phân tích công trình chịu tác động của động đất là một chủ đề được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu động đất được thể hiện trong các công trình nghiên cứu của các tác giả ngoài nước như: “Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering - Anil K. Chopra (1995)”; “Earthquake-resistant concrete structures - Penelis, G.G. and Kappos, A.J (1997)”. Bên cạnh đó mỗi nước đều ban hành các Tiêu chuẩn tính động đất riêng xuất phát từ chiến lược phát triển kinh tế xã hội cũng như cơ sở vật chất kỹ thuật của nước mình. Tại Việt Nam, nghiên cứu động đất được Viện Vật lý địa cầu thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia tiến hành. Hệ thống các thông số cơ bản của động đất, mục lục động đất ở Việt Nam, quy luật cơ bản về tính động đất đã được nghiên cứu và khái quát trong các công trình: “Nghiên cứu dự báo động đất và dao động nền ở Việt Nam”; “Động đất trên lãnh thổ Việt Nam – Nguyễn Đình Xuyên năm 1985”. Năm 2006, Bộ Xây dựng ban hành Tiêu chuẩn thiết kế động đất TCXDVN 375:2006 trên cơ sở chấp nhận Eurocode 8. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG ĐẤT 1.1.1. Định nghĩa, nguyên nhân và đặc điểm a. Định nghĩa Động đất là một sự rung chuyển hay chuyển động lung lay của mặt đất do sự lan tỏa năng lượng từ một điểm nhất định nằm sâu trong lòng đất. Động đất thường là kết quả sự chuyển động của các phay (geologic fault) hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ của Trái đất hoặc các hành tinh cấu tạo chủ yếu từ chất rắn như đất đá, … [20] b. Nguyên nhân c. Đặc điểm 1.1.2. Sóng địa chấn và sự truyền sóng 1.1.3. Cƣờng độ động đất a. Định nghĩa Cường độ động đất là thể hiện mức độ tàn phá mà động đất có thể gây ra ở một khu vực nào đó. Giá trị thông số này đạt giá trị cực đại ở chấn tâm rồi giảm dần theo khoảng cách chấn tâm, và phụ thuộc vào điểm quan sát [3]. b. Thang cường độ động đất Thang cường độ động đất (hay cấp động đất) phụ thuộc vào khả năng nhận thức của con người về mức độ phá hoại công trình xây dựng do động đất gây ra. Năm 1878, thang cường độ động đất được Rossi thành lập. Năm 1904, Cancani đã đưa ra một thang độ có định lượng cụ thể trên cơ sở gia tốc nền (acceleration) do chấn động gây ra. Năm 1931, hai nhà địa chấn học H.O.Wood và F.Neumann xây dựng Thang Mercalli hiệu chỉnh (Modified Mercalli Scale) phân chia cường độ chấn động thành 12 cấp. 4 Năm 1956, Richter hiệu chỉnh khoảng gia tốc cực đại của Thang Mercalli hiệu chỉnh thành thang cường độ chính thức áp dụng rộng rãi ngày nay. Năm 1964, ba nhà khoa học Medvedev, Sponhahure và Karnic đề xuất thang MSK-64, đây là thang cường độ được UNESCO kiến nghị và được sử dụng rộng rãi tại các nước Châu Âu. c. Thang độ lớn động đất * Thang Richter (hay còn gọi là thang độ lớn địa phương) Theo định nghĩa của Richter, độ lớn M của một trận động đất được xác định như sau: M = logA - logA 0 (1.1) Trong đó: - A : Biên độ max của trận động đất đang xét do địa chấn kế. - A 0 : Biên độ max của trận động đất chuẩn có cùng chấn tâm. * Thang cƣờng độ động đất theo đặc trƣng của sóng 1.1.4. Đặc tính của chuyển động nền trong động đất 1.2. ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐỐI VỚI CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 1.2.1. Tác động của động đất lên công trình 1.2.2. Ứng xử của kết cấu khung BTCT khi chịu động đất 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 1.3.1. 1.3.2. Phƣơng pháp động lực học 1.4. NGHIÊN CỨU ĐỘNG ĐẤT VÀ THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT 1.4.1. Tình hình nghiên cứu động đất tại các nƣớc trên thế giới 1.4.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 5 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG 2.1.1. Phân tích tĩnh và động 2.1.2. Các loại tải trọng động a. Tải trọng ngẫu nhiên b. Tải trọng xác định 2.1.3. Bậc tự do động Số tọa độ độc lập tối thiểu cần để xác định vị trí tất cả các điểm khối lượng của hệ tại thời điểm bất kỳ nào được gọi là số bậc tự do động (BTDĐ). Thông thường số bậc tự do động bằng số chuyển vị độc lập của hệ đang xét. 2.1.4. Phân tích động đất trong thiết kế nhà cao tầng a. Phương pháp đơn phổ (phương pháp lực tĩnh ngang tương đương) b. Phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động c. Phương pháp lịch sử thời gian 2.2. PHƢƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG CỦA HỆ CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 2.2.1. Mô hình bài toán động 2.2.2. Hệ một bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất 2.2.3. Hệ nhiều bậc tự do (MDOF) chịu tác dụng của động đất a. Phương trình chuyển động của hệ MDOF chịu động đất b. Dao động tự do của hệ MDOF c. Mô hình cản trong hệ nhiều bậc tự do MDOF d. Dao động cưỡng bức của hệ MDOF chịu động đất 2.3. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ PHỔ PHẢN ỨNG ĐỘNG ĐẤT Phổ phản ứng của một trận động đất là một đồ thị mà tung độ của nó biểu diễn biên độ lớn nhất của một trong các thông số phản ứng (chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc tương đối) của hệ kết cấu theo chu kỳ 6 dao động tự nhiên và độc lập với lịch sử chuyển động của kết cấu theo thời gian. 2.3.1. Phổ phản ứng đàn hồi a. Các bước xác định phổ phản ứng đàn hồi b. Phổ phản ứng đàn hồi theo TCXDVN 375:2006 * Với các thành phần nằm ngang của tác động động đất Phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang S e (T) được xác định như sau [6]: 0 : ( ) . . 1 .( .2,5 1) B e g B T T T S T a S T (2.32) : ( ) . . .2,5 B C e g T T T S T a S (2.33) : 2,5 C C D e g T T T T S T a S T (2.34) 2 . 4 : 2,5 CD D e g TT T T s S T a S T (2.35) Trong đó: T : Chu kỳ dao động của hệ tuyến tính một bậc tự do; a g : Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A (a g = I . a gR ); = 1 : Hệ số điều chỉnh độ cản (độ cản nhớt 5%); T B : Giới hạn dưới của chu kỳ (đoạn nằm ngang của phổ phản ứng) T C : Giới hạn trên của chu kỳ (đoạn nằm ngang của phổ phản ứng) T D : Giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển không đổi trong phổ phản ứng; S : Hệ số nền. * Đối với thành phần thẳng đứng của tác động động đất 2.3.2. Phổ thiết kế đàn hồi 2.4. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT 2.4.1. Phƣơng pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động tính toán động đất công trình nhà cao tầng 7 a. Đối với hệ 1 bậc tự do Phương trình chuyển động của hệ một bậc tự do (SDOF) chịu tác dụng của tải trọng động đất: 2 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) g u t u t u t u t (2.4) Nghiệm của phương trình là tích phân Duhamel: () 0 1 ( ) ( ) sin ( ) D t t gD D u t u e t d (2.5) Với: 2 1 D (2.6): là tần số dao động riêng có xét đến ảnh hưởng của lực cản. Do thường nhỏ khi tính động đất ( 5% ) nên D : () 0 1 ( ) ( ) sin ( ) t t g u t u e t d (2.44) Lực động đất tác dụng lên khối lượng m tại thời điểm t sẽ là: () b F m u t ; Trong đó 2 2 () du ut dt (2.45) Tập hợp các giá trị axm u tương ứng với (hoặc T) chính là đường cong phổ phản ứng gia tốc () a S (hoặc () a ST ) Hình 2.7: Đồ thị minh họa phổ phản ứng gia tốc của kết cấu 8 Từ tích phân Duhamel ta dễ dàng xác định phổ phản ứng chuyển vị, phổ phản ứng vận tốc, phổ phản ứng gia tốc: 2 ax a d m S uS ; ax a d m S uS ; 2 ax da m u S S (2.46) Lực động đất lớn nhất tác dụng lên kết cấu sẽ là: 2 ( ) ax 0 ax 2 W1 ( ) sin ( ) WW t t bg m m b d a F m u u e t d g F S S gg (2.47) Trong đó: g: Gia tốc trọng trường; W: Trọng lượng kết cấu; 2 ( ) 0 ax 1 ( ) sin ( ) t t ag m S u e t d : Phổ gia tốc. b. Đối với hệ nhiều bậc tự do và phương pháp đa phổ Phương trình chuyển động của hệ nhiều bậc tự do (MDOF) chịu tác dụng của tải trọng động đất: ( ) ( ) ( ) 1 ( ) g m u t c u t k u t m u t (2.7) Trong đó: ; ; :m c k là ma trận khối lượng, ma trận cản và ma trận độ cứng của hệ. ( ) ; ( ) ; ( ) :u t u t u t là ma trận gia tốc, ma trận vận tốc và ma trận chuyển vị của hệ. Phương trình vi phân tại dạng dao động thứ n trong hệ tọa độ chuẩn (n= 1, 2, …, N) * * * ( ) ( ) ( ) 1 ( ) T n n n n n n g n M Y t C Y t K Y t m u t Hay: 2 1 2 1 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) N m mn m n n n n n n g N m mn m m Y t Y t Y t u t m (2.50)