Luận văn 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 - logA0 (1.1) Trong đó: - A : Biên độ max của trận động đất đang xét do địa chấn kế. - A0: 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 Se(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) : ( ) . . .2,5B C e gT T T S T a S (2.33) : 2,5 CC D e g T T T T S T a S T (2.34) 2 . 4 : 2,5 C DD e g T T 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; ag : Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A (ag = I. agR); = 1 : Hệ số điều chỉnh độ cản (độ cản nhớt 5%); TB: Giới hạn dưới của chu kỳ (đoạn nằm ngang của phổ phản ứng) TC: Giới hạn trên của chu kỳ (đoạn nằm ngang của phổ phản ứng) TD: 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 ( ) ( ) ( )gu t u t u t u t (2.4) Nghiệm của phương trình là tích phân Duhamel: ( ) 0 1 ( ) ( ) sin ( )D t t g D D u t u e t d (2.5) Với: 21D (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 gu t u e t d (2.44) Lực động đất tác dụng lên khối lượng m tại thời điểm t sẽ là: ( )bF m u t ; Trong đó 2 2 ( ) d u u t dt (2.45) Tập hợp các giá trị axmu tương ứng với (hoặc T) chính là đường cong phổ phản ứng gia tốc ( )aS (hoặc ( )aS T ) 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: 2ax a dm S u S ; ax a dm S u S ; 2 ax d am u S S (2.46) Lực động đất lớn nhất tác dụng lên kết cấu sẽ là: 2 ( ) ax 0 ax 2 W 1 ( ) sin ( ) W W t t b gm m b d a F m u u e t d g F S S g g (2.47) Trong đó: g: Gia tốc trọng trường; W: Trọng lượng kết cấu; 2 ( ) 0 ax 1 ( ) sin ( ) t t a g 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 ( )gm 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 gn 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 gN m mn m m Y t Y t Y t u t m (2.50) 9 Trong đó: n1 n2 nNΦ Φ ... Φ T n : Véctơ dạng dao động thứ n của hệ; 1 2 Nm m ... m T m : Véctơ khối lượng tại các tầng; 2 mn n n n c m : Hệ số cản dao động của dạng dao động thứ n; Đây là phương trình vi phân tuyến tính tương tự đối với hệ một bậc tự do (SDOF). Phổ gia tốc của ( )nY t sẽ được xác định: 1 ax 2 1 ( ) N m mn m n a nNm m mn m m Y S m (2.52) → 1 ax ax 2 1 ( ) N mn m mn m mn mn n a nNm m m mn m m u Y S m (2.57) Lực động đất tại cao trình điểm m của dao động thứ n: 1 ax 2 1 ( ) N mn m mn m mn m mn m a nNm m mn m m F m u m S m (2.58) Dựa vào công thức (2.58), tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 viết công thức tính toán động đất như sau: * 1 1 ( ) m mn m mnmn a n n bnN N m mn m mn m m m m F S M F m m ; với 2 1* 2 1 N m mn m n N m mn m m M m Với * ( )( ) W ( )Wa nbn a n n n a n n S F S M S g (2.62) 10 Trong đó: ( )a nS : Phổ gia tốc không thứ nguyên theo gia tốc trọng trường; bnF : Lực cắt đáy ứng với dao động thứ n; * nM ; Wn : Được gọi là khối lượng và trọng lượng hữu hiệu của hệ tương ứng với dạng dao động thứ n. Do tính chất trực giao của các dạng dao động nên ta có khối lượng và trọng lượng toàn bộ hệ: * n 1 1 M= M ; W= W N N n n n (2.63) c. Các qui tắc tổ hợp dạng chính * Cách 1: Tổ hợp tổng các giá trị tuyệt đối hay thường gọi là phương pháp ABSSUM (the Absolute Sumofmodalconbination rule): ax max 1 N m n n E E (2.64) * Cách 2: Phương pháp lấy căn bậc hai các tổng bình phương hay còn gọi là phương pháp SRSS (the Square-Root-of-Sum-of-Squares rules) sử dụng khi phản ứng của hai dạng dao động n và m độc lập với nhau [3]: 2 ax 1 N m n n E E (2.65) Phản ứng của hai dạng dao động n và m là phụ thuộc lẫn nhau [3]; thì sử dụng phương pháp tổ hợp bình phương đầy đủ CQC (the Complete Quadratic Combination): 1 1 N N E ij i j i j E E E (2.67) Trong đó: 3/2 2 2 2 2 2 2 8 1 4 1 4 i j i j ij i j i j r r r r r r ;i j : Hệ số cản nhớt lấy bằng 0,05 (5%); i j r . d. Quy trình tính toán động đất nhà cao tầng sử dụng phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động theo TCXDVN 375:2006 11 2.4.2. Phƣơng pháp tĩnh lực ngang tƣơng đƣơng (SEM) a. Cơ sở phương pháp tĩnh lực ngang tương đương b. Cơ sở lý thuyết tính toán c. Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo TCXDVN 375:2006 2.4.3. Phƣơng pháp phân tích động đất theo lịch sử thời gian Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian cho phép xác định được toàn bộ quá trình phản ứng của hệ kết cấu dưới tác động của tải trọng động đất. Phương pháp này dựa trên cơ sở các biểu đồ gia tốc nền động đất có sẵn theo hàm thời gian. Có hai cách tính toán: - Tích phân phƣơng trình dao động của các dạng dao động hay còn gọi là phương pháp tích phân dạng dao động (Modal). - Tích phân trực tiếp phƣơng trình dao động tổng thể (Direct Integration) a. Phương pháp tích phân các dạng dao động (Madal) Phương trình chuyển động tổng quát của hệ N tầng: ( ) ( ) ( ) 1 ( )gm u t c u t k u t m u t (2.75) Phương trình chuyển động của hệ N tầng trong hệ tọa độ chuẩn ứng với dạng dao động thứ n: 2( ) 2 ( ) ( ) ( )nn n n n n g n L Y t Y t Y t u t M (2.76) Với 1 1 N T n n j jn j L m m Lời giải chuyển vị trong hệ tọa độ chuẩn: ( ) 0 1 ( ) ( ) sin ( )n t tn n g nD n nD L Y t u e t d M (2.77) Chuyển vị tại tầng thứ j được xác định trong hệ tọa độ thực: ( ) ( )jn jn nu t Y t ; với j= 1, 2, ..., N (2.78) 2( ) ( ) ( ) ( )n n n n n n nf t k u t k Y t m Y t (2.81) 12 Lực ngang tác dụng tại từng tầng thứ j do dạng dao động thứ n gây ra: 2 ( ) 0 ( ) ( ) sin ( )n t tn n jn j jn g nD n nD L f t m u e t d M (2.83) Lực cắt và momen tại móng do dao động thứ n gây ra: 2 ( ) 0 1 0 ( ) ( ) ( ) sin ( )n tN tn n n jn g nD j n nD L V t f t u e t d M (2.84) 2 ( ) 0 1 1 0 ( ) ( ) ( ) sin ( )n tN N tn n n j jn j j jn g nD j jn nD L M t h f t h m u e t d M (2.85) Ứng xử tổng thể của kết cấu được xác định bằng cách kết hợp ứng xử của tất cả các dạng dao động: 1 ( ) ( ) N n n r t r t (2.86) Chuyển vị, tại tầng thứ j: 1 ( ) ( ) N j jn n u t u t Lực cắt đáy, momen đáy: 0 0 1 ( ) ( ) N n n V t V t ; 0 0 1 ( ) ( ) N n n M t M t b. Tích phân trực tiếp phương trình dao động tổng thể (Direct Integration) Theo cách thức này, phương pháp tích phân từng bước một được áp dụng để xác định nghiệm của phương trình chuyển động cho trường hợp hệ kết cấu chịu tải trọng động đất. Khi tính toán động đất theo mô hình bài toán không gian, chuyển động động đất phải bao gồm ba giản đồ gia tốc tác động đồng thời. Không sử dụng đồng thời cùng một giản đồ gia tốc cho cả hai phương nằm ngang. 2.4.4. Tổ hợp hệ quả các thành phần tác động động đất a. Thành phần nằm ngang của tác động động đất b. Thành phần thẳng đứng của tác động động đất 2.4.5. Lựa chọn phƣơng pháp phân tích 13 CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG Luận văn trình bày kết quả tính toán cho công trình bằng kết cấu BTCT cao 15 tầng tại Thành phố Đà Nẵng; có mặt bằng kết cấu tầng điển hình như Hình 3.1. Hình 3.1: Sơ đồ kết cấu tầng điển hình (tầng 1-15) 3.1.1. Số liệu phân tích Vật liệu: Bêtông cốt thép; sử dụng bêtông cấp bền B25. Chiều cao mỗi tầng: ht= 3,3 (m); khoảng cách từ dầm móng (đà kiềng) đến mặt móng 1,5 (m). Tiết diện: Sàn S1 (120 mm), S2 (100 mm); Lõi dày δ= 250 mm; Dầm D1,2,3 (250x400) mm, D4 (250x550) mm; Cột C1 (300x600) mm, Cột C2 (300x700) mm. Tải trọng: a. Tĩnh tải do trọng lượng bản thân kết cấu: Sàn, dầm, cột, vách, khai báo để phần mềm ETABS v9.2 tự tính. b. Tĩnh tải các lớp cấu tạo sàn: gtt= 1,1 (kN/m2) c. Tĩnh tải do tường xây trên dầm: 11,48tg (kN/m) d. Hoạt tải sàn: S1 (ptt= 2,4 kN/m2); S2 (ptt= 3,6 kN/m2) 14 3.1.2. Các trƣờng hợp phân tích a. Trường hợp 1 Phân tích động đất theo phương pháp lịch sử thời gian và đánh giá ảnh hưởng của các đặc trưng gia tốc nền đất: gia tốc đỉnh; thời gian kéo dài rung động mạnh đến kết cấu công trình khi chịu động đất. b. Trường hợp 2 Phân tích động đất theo phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động để đánh giá ảnh hưởng của các loại đất nền đến kết cấu công trình khi chịu động đất. c. Trường hợp 3 Phân tích động đất tác dụng lên công trình theo phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động ứng với các cấp động đất từ V đến IX theo thang MSK-64. 3.2. PHÂN TÍCH ĐỘNG ĐẤT TÁC ĐỘNG LÊN CÔNG TRÌNH BẰNG PHẦN MỀM ETABS v9.2.0 3.2.1. Mô hình kết cấu trong Etabs v9.2.0 Hình 3.2: Mô hình kết cấu công trình trong ETABS v9.2 a. Định nghĩa, khai báo (Define) các thuộc tính của hệ b. Gán (Assign) các thuộc tính cho hệ kết cấu 15 3.2.2. Trƣờng hợp 1: Phân tích động đất theo phƣơng pháp lịch sử thời gian (Time History) a. Khai báo biểu đồ gia tốc nền * Nhận xét: - Elcentro: agR= 0,3129 (g) tại t = 2,15s và thời gian kéo dài của rung động mạnh khá dài. - Altadena: agR= 438,913 cm/s 2 tại thời điểm t= 2,84s: và thời gian kéo dài của rung động mạnh ngắn. b. Khai báo trường hợp phân tích (Analysic Cases) Hình 3.11: Khai báo động đất Elcentro1 (Phương X) Hình 3.12: Khai báo động đất Altadena (phương X) Hình 3.8: Biểu đồ gia tốc nền trận động đất Elcentro (phương X) Hình 3.9: Biểu đồ gia tốc nền trận động đất Altadena (phương X) 16 Hình 3.13: Khai báo động đất Elcentro2 (phương X) c. Phân tích và xem kết quả các trường hợp phân tích động đất đối với khung K6 a) Trận động đất Elcentro1 b) Trận động đất Altadena Hình 3.14: Chuyển vị nút 1 (tầng 15) khung K6 theo lịch sử thời gian a) Trận động đất Elcentro1 b) Trận động đất Altadane Hình 3.15: Lực cắt cột trục A (tầng 15) khung K6 theo lịch sử thời gian a) Trận động đất Elcentro1 b) Trận động đất Altadane Hình 3.16: Momen cột trục A (tầng 15) khung K6 theo lịch sử thời gian 17 3.2.3. Trƣờng hợp 2: Phân tích động đất theo phƣơng pháp phổ phản ứng (Response Spectrum) đối với các loại nền đất A, B, C, D, E theo TCXDVN 375:2006 a. Khai báo đường phổ phản ứng đàn hồi Xây dựng phổ phản ứng đàn hồi ứng với 5 loại đất nền A, B, C, D, E theo TCXDVN 375:2006; gia tốc nền lấy bằng với gia tốc nền cực đại trận động đất Elcentro (agR = 0,3129.9,81= 3,0696 m/s 2 ) b. Khai báo trường hợp phân tích (Analysic Cases) c. Phân tích và xem kết quả động đất tác dụng lên khung K6 Hình 3.23: Lực cắt tầng 1 khung K6 khi phân tích với các loại nền đất Hình 3.24: Momen tầng 1 khung K6 khi phân tích với các loại nền đất 18 3.2.4. Trƣờng hợp 3: Phân tích động đất theo phƣơng pháp phổ đối với nền đất loại A ứng với các cấp động đất từ V đến IX (thang MSK-64) a. Khai báo đường phổ phản ứng đàn hồi Xây dựng phổ phản ứng đàn hồi ứng với đất nền loại A theo TCXDVN 375:2006; với gia tốc nền thiết kế lấy ứng với cấp động đất từ V đến IX (thang MSK-64) b. Khai báo trường hợp phân tích (Analysic Cases) c. Phân tích và xem kết quả các trường hợp phân tích động đất khung K6 Hình 3.29: Lực cắt tầng 1 khung K6 khi phân tích các cấp động đất từ V đến IX Hình 3.30: Momen tầng 1 khung K6 khi phân tích các cấp động đất từ V đến IX 19 3.3. TỔNG HỢP KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 3.3.1. Trƣờng hợp 1 a. Tổ hợp chuyển vị khung K6 (theo phương X) Hình 3.31: Chuyển vị khung K6 khi xét Elcentro1, Altadena và Elcentro2 b. Tổ hợp nội lực cột khung K6 (theo phương X) c. Tổ hợp nội lực dầm khung K6 (theo phương X) Hình 3.32: Lực cắt chân cột A khung K6 khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2 Hình 3.33: Momen chân cột A khung K6 khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2 Hình 3.34: Lực cắt gối dầm AB khung K6 khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2 Hình 3.35: Momen gối dầm AB khung K6 khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2 20 Hình 3.36: Hệ quả động đất lớn nhất do Elcentro1; Altadena; Elcentro2 d. Nhận xét: 1. So sánh trường hợp Elcentro1 và Elcentro2 nhận thấy hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu phụ thuộc vào gia tốc cực đại của trận động đất đó. Khi gia tốc cực đại của trận động đất càng lớn (khuếch đại trận động đất Elcentro1 lên 1,43 lần) thì hệ quả động đất của kết cấu càng lớn (nội lực tăng 43%, chuyển vị tăng 47%). 2. So sánh trường hợp Altadena và Elcentro2 có cùng gia tốc cực đại (agR= 438,913 cm/s 2 ) nhận thấy hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu phụ thuộc rất lớn vào sự duy trì tần số và thời gian kéo dài của rung động mạnh. 3.3.2. Trƣờng hợp 2: a. Tổ hợp chuyển vị khung K6 (theo phương X) Hình 3.37: Chuyển vị khung K6 khi phân tích động đất với các loại nền đất 21 b. Tổ hợp nội lực cột khung K6 (theo phương X) Hình 3.40: Hệ quả động đất lớn nhất khi phân tích với các loại nền đất c. Nhận xét kết quả: 1. Kết quả phân tích động đất theo phương pháp lịch sử thời gian và phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động trên nền đất loại A theo TCXDVN 375:2006 có kết quả chênh lệch lớn nhất 15%. 2. Nền đất dưới đáy công trình có ảnh hưởng rất lớn đến tác động động đất lên công trình. Hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu khi xét các loại đất nền khác nhau A, B, C, D, E theo TCXDVN 375:2006 có kết quả chênh lệch đến 170%. Hình 3.38: Lực cắt cột A khung K6 khi phân tích động đất với các loại nền đất Hình 3.39: Momen cột A khung K6 khi phân tích động đất với các loại nền đất 22 3.3.3. Trƣờng hợp 3: a. Tổ hợp chuyển vị khung K6 (theo phương X) Hình 3.41: Chuyển vị khung K6 khi phân tích động đất từ cấp V đến IX b. Tổ hợp nội lực cột khung K6 (theo phương X) Hình 3.44: Hệ quả lớn nhất của động đất ứng với các cấp động đất c. Nhận xét kết quả: - Khi ta tăng dần cường độ động đất ứng với các cấp động đất khác nhau thì hệ quả động đất của kết cấu cũng tăng dần. Kết quả phân tích chuyển vị cho thấy công trình có thể chịu được động đất cấp VII. Hình 3.42: Lực cắt cột A khung K6 khi phân tích động đất từ cấp V đến IX Hình 3.43: Momen cột A khung K6 khi phân tích động đất từ cấp V đến IX 23 KẾT LUẬN Luận văn đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp phổ phản ứng và phương pháp lịch sử thời gian vào phân tích dao động của nhà cao tầng chịu tải trọng động đất có xét đến các đặc trưng của gia tốc nền (thời gian, gia tốc cực đại trận động đất khác nhau) và xét đến các loại đất nền khác nhau. Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn ta có thể rút ra một số kết luận như sau: - Hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu phụ thuộc vào gia tốc cực đại (PGA) của trận động đất. Khi gia tốc cực đại của trận động đất càng lớn (tăng 43%) thì hệ quả động đất tác động lên kết cấu càng tăng (chuyển vị, nội lực trận động đất Elcentro2 tăng 47% so với trận động đất Elcentro1). - Hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu không những phụ thuộc vào giá trị gia tốc cực đại của trận động đất tại một thời điểm (PGA) mà còn phụ thuộc rất lớn vào thời gian kéo dài rung động mạnh của trận động đất đó. Ta thấy thời gian kéo dài rung động mạnh của trận động đất Elcentro2 lớn hơn nhiều so với trận động đất Altadena nên kết quả phân tích hai trận động đất chênh lệch rất lớn (chuyển vị tăng 475%, nội lực tăng đến 320%). - Nền đất dưới đáy công trình có ảnh hưởng rất lớn đến tác động của động đất lên kết cấu công trình. Nền đất thuộc loại đá, đất rời trạng thái chặt, đất sét ở trạng thái cứng có chiều dày lớn sẽ chịu ảnh hưởng của động đất nhỏ hơn so với nền đất ở trạng thái xốp (chặt vừa) hoặc đất dính ở trạng thái mềm (chặt vừa). Hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu khi phân tích với các loại nền đất khác nhau cho kết quả chênh lệch đến 170%. - Kết quả phân tích động đất theo phương pháp lịch sử thời gian và phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động trên nền đất loại A theo Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 có kết quả chênh lệch lớn nhất 15%. 24 - Khi ta tăng dần cường độ động đất ứng với các cấp động đất khác nhau (có gia tốc nền tăng gấp đôi) thì hệ quả động đất của kết cấu cũng sẽ tăng gấp đôi. Kết quả phân tích chuyển vị cho thấy công trình có thể chịu được động đất cấp VII. Điều này hoàn toàn phù hợp với TCXDVN 375:2006: “Công trình từ cấp VII trở lên cần có giải pháp kháng chấn”. Những tồn tại cần nghiên cứu tiếp theo Nghiên cứu ảnh hưởng của động đất tác dụng lên công trình sử dụng vật liệu có hệ số cản khác nhau; vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi, Nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp tính toán động đất, cũng như có xét đến sự tương tác qua lại giữa đất nền và kết cấu công trình khi chịu động đất; Xây dựng được các mô hình kháng chấn, giảm chấn để hạn chế tác động có hại của động đất lên công trình.