Tài liệu Phân tích tĩnh phi tuyến phản ứng địa chấn của khung thép không gian

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ---------------- VÕ HOÀNG DIỆU PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN PHẢN ỨNG ĐỊA CHẤN CỦA KHUNG THÉP KHÔNG GIAN Chuyên ngành: KTXD CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Mã số ngành : 60580208 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA- ĐHQG TP.HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hồng Ân Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS. Ngô Hữu Cƣờng Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Trọng Phƣớc Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại Học Bách Khoa- Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 02 năm 2018. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ bao gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ) 1. PGS.TS. Bùi Công Thành – Chủ tịch 2. PGS.TS. Ngô Hữu Cƣờng – Phản biện 1 3. PGS.TS. Nguyễn Trọng Phƣớc – Phản biện 2 4. PGS.TS. Nguyễn Văn Hiếu – Ủy viên 5. PGS.TS. Lƣơng Văn Hải – Thƣ ký Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ và Trƣởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi Luận văn đƣợc sửa chữa: CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS.TS. BÙI CÔNG THÀNH PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: VÕ HOÀNG DIỆU MSHV: 1570133 Ngày, tháng, năm sinh: 21/05/1992 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: KTXD Công Trình DD & CN Mã số: 60580208 TÊN ĐỀ TÀI: “PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN PHẢN ỨNG ĐỊA CHẤN CỦA KHUNG THÉP KHÔNG GIAN” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Xác định nội lực, chuyển vị, độ trôi tầng của các mô hình khung thép 9 tầng, 20 tầng đối xứng và bất đối xứng bằng phƣơng pháp phân tích phi tuyến đẩy dần chuẩn SPA và phƣơng pháp MPA. 2. So sánh kết quả phân tích của hai phƣơng pháp trên với phƣơng pháp phân tích phi tuyến theo miền thời gian NL-RHA. 3. Từ đó đánh giá đóng góp của phƣơng pháp MPA trong thiết kế cũng nhƣ đánh giá khả năng chịu động đất kết cấu thép. I. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2017 II. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/02/2018 III. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. NGUYỄN HỒNG ÂN Nhiệm vụ và nội dung Luận văn thạc sĩ đã đƣợc hội đồng chuyên ngành thông qua. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN TS. NGUYỄN HỒNG ÂN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH PGS.TS. BÙI CÔNG THÀNH TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LỜI CẢM ƠN PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hƣớng dẫn TS. Nguyễn Hồng Ân, thầy đã tận tình hƣớng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Với cá nhân tôi, sự tận tâm chỉ bảo của thầy là hình ảnh ngƣời thầy đáng kính trong sự nghiệp giáo dục. Tôi xin gửi lời cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng đại học Bách khoa Tp.HCM, các thầy cô Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng đã truyền đạt những kiến thức và phƣơng pháp học tập cũng nhƣ niềm đam mê nghiên cứu khoa học, tâm huyết với nghề. Đó là những kiến thức, động lực không thể thiếu trên con đƣờng nghiên cứu khoa học và công việc của tôi sau này. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp, các anh chị học viên khoá 2015 và các khóa trƣớc. Tôi muốn tỏ lòng biết ơn đến gia đình, ngƣời thân đã luôn động viên tinh thần, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn. Luận văn Thạc sĩ đã hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện hơn. Lời cuối cùng, tôi kính chúc tất cả quý thầy cô, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp luôn dồi dào sức khỏe và gặt hái đƣợc nhiều thành công trong cuộc sống. Trân trọng cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2018. Võ Hoàng Diệu iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong phân tích phản ứng địa chấn công trình, phƣơng pháp phân tích theo miền thời gian NL-RHA đƣợc xem là phƣơng pháp đánh giá chính xác nhất. Tuy nhiên, nó chỉ đƣợc thực hiện bởi những kỹ sƣ có trình độ cao, cần nhiều thời gian và tốn tài nguyên cho việc thiết kế kết cấu và đánh giá các dự án. Do đó, các phƣơng pháp phân tích tĩnh phi tuyến (NSPs) hoặc phân tích đẩy dần thật sự trở thành phƣơng pháp phổ biến để đánh giá phản ứng địa chấn của các công trình có xét đến phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học. Trong nghiên cứu này áp dụng qui trình “Phân tích đẩy dần sử dụng lực ngang có xét đến các dạng dao động cao” MPA cho kết cấu thép không gian. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là cải thiện cơ sở lý thuyết về ứng xử phản ứng địa chấn MPA cho các kết cấu thép không gian 9 tầng, 20 tầng với hệ khung đối xứng và bất đối xứng ở Los Angeles thuộc dự án SAC. Sử dụng hai bộ dao động nền với cƣờng độ, xác suất khác nhau để đánh giá trị chuyển vị đỉnh, chuyển vị tầng và độ trôi tầng của công trình. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, phƣơng pháp MPA đủ chuẩn xác để ứng dụng thực hành vào thiết kế và đánh giá phản ứng địa chấn cho kết cấu thép không gian. iv ABSTRACT In seismic response analysis, nonlinear response history analysis NL-RHA is considered is the most accurate assessment method. However, it can only be undertaken by highly qualified engineers, may be too time-consuming and resources for structural design and evaluation projects. So, nonlinear static procedures (NSPs) or pushover analysis, thus become a popular method to estimate building responses considering material nonlinearity and geometric nonlinearity. This research aims to use the nonlinear static procedure “Modal Pushover Analysis” MPA for threedimensional steel structures. The objective of this research is to improve the theoretical basis for seismic response MPA for three-dimensional steel structures 9 stories, 20 stories with symmetric and unsymmetric-plan building in Los Angeles as a part of the SAC steel research project. Using two sets of background vibration amplifiers with varying intensity and probability to estimate about roof displacement, floor displacement, and story drift. The result from this research demonstrates that MPA method is enough accurate for practical application in seismic design and assessment of threedimensional steel structures. v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, ngoại trừ các số liệu kết quả tham khảo từ các công trình nghiên cứu khác đã ghi rõ trong luận văn, đây là công việc do cá nhân tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Nguyễn Hồng Ân. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố ở các nghiên cứu khác. Tác giả luận văn Võ Hoàng Diệu vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ iii ABSTRACT .............................................................................................................. iv LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... v MỤC LỤC ................................................................................................................. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................ xii DANH MỤC KÝ HIỆU .......................................................................................... xiii Chƣơng 1: GIỚI THIỆU............................................................................................. 1 1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1 1.2 Giới thiệu chung ............................................................................................... 3 1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ..................................................................... 5 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 5 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 6 1.3.3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ....................................................................... 6 1.4 Cấu trúc luận văn .............................................................................................. 7 Chƣơng 2: TỔNG QUAN .......................................................................................... 8 2.1 Phƣơng pháp tĩnh phi tuyến.............................................................................. 8 2.1.1 Dự đoán biến dạng của hệ một bậc tự do không đàn hồi .......................... 8 2.1.2 Phƣơng pháp tĩnh phi tuyến cho kết cấu đối xứng .................................. 10 2.1.3 Phƣơng pháp tĩnh phi tuyến cho kết cấu bất đối xứng ............................ 12 2.1.4 Chuyển vị mục tiêu .................................................................................. 14 vii 2.1.5 Phi tuyến hình học ................................................................................... 15 2.1.6 Phi tuyến vật liệu ..................................................................................... 16 2.2 Tình hình nghiên cứu của đề tài ..................................................................... 17 2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .......................................................... 17 2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ............................................................ 19 Chƣơng 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 21 3.1 Phƣơng pháp phân tích phi tuyến theo thời gian (NL-RHA) ......................... 21 3.1.1 Kết cấu đàn hồi ........................................................................................ 21 3.1.2 Kết cấu không đàn hồi ............................................................................. 23 3.2 Phƣơng pháp phân tích tĩnh sử dụng lực ngang có xét đến các dạng dao động cao (MPA) ............................................................................................................ 24 3.3 Phƣơng pháp tĩnh đẩy dần chuẩn (SPA) ........................................................ 29 Chƣơng 4: NGHIÊN CỨU SỐ ................................................................................. 31 4.1 Kiểm chứng độ tin cậy phƣơng pháp NL-RHA ............................................. 31 4.1.1 Mục tiêu ................................................................................................... 31 4.1.2 Thực hiện kiểm chứng ............................................................................. 31 4.1.3 Kết quả kiểm chứng................................................................................. 32 4.2 Mô hình tính toán ........................................................................................... 34 4.2.1 Giới thiệu mô hình ................................................................................... 34 4.2.2 Thiết lập mô hình tính toán ..................................................................... 36 4.2.3 Các thông số và tải trọng ......................................................................... 38 4.2.4 Dao động nền tính toán............................................................................ 40 4.3 Kết quả áp dụng số ......................................................................................... 44 4.3.1 Dạng dao động tham gia tính toán ........................................................... 44 4.3.2 Đƣờng cong đẩy dần, giá trị chuyển vị đỉnh ........................................... 48 4.3.3 Chuyển vị tầng ......................................................................................... 52 viii 4.3.4 Độ trôi tầng .............................................................................................. 62 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 75 5.1 Kết luận........................................................................................................... 75 5.2 Kiến nghị ........................................................................................................ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 77 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 81 A. Kết quả chuyển vị tầng .................................................................................... 81 B. Kết quả độ trôi tầng ........................................................................................ 86 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ...................................................................................... 91 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1- Nhóm độ cứng của khung 3 tầng Chopra & Chintanapakdee ................. 32 Bảng 4.2- Nhóm mômen dẻo của khung 3 tầng Chopra & Chintanapakdee ........... 32 Bảng 4.3- Dữ liệu động đất cho khung 3 tầng Chopra & Chintanapakdee ............. 32 Bảng 4.4- So sánh chu kỳ dao động ......................................................................... 32 Bảng 4.5- Tiết diện khung 9 tầng ............................................................................. 36 Bảng 4.6- Các thông số tính toán khung 9 tầng ....................................................... 36 Bảng 4.7- Tiết diện khung 20 tầng ........................................................................... 37 Bảng 4.8- Các thông số tính toán khung 20 tầng ..................................................... 38 Bảng 4.9- Hệ số cản khối lƣợng và độ cứng theo hệ cản Rayleigh ......................... 40 Bảng 4.10- Dữ liệu 10 trận động đất xảy ra 10% trong 50 năm LA10IN50 (Somerville N, Punyamurthula S, Sun J, 1997) ............................................... 41 Bảng 4.11- Dữ liệu 10 trận động đất xảy ra 2% trong 50 năm LA2IN50 (Somerville N, Punyamurthula S, Sun J, 1997) ................................................................... 41 Bảng 4.12- Chu kỳ dao động tự nhiên ..................................................................... 44 Bảng 4.13- Thành phần khối lƣợng tham gia cho từng phƣơng, từng khung .......... 45 Bảng 4.14- Sai số chuyển vị tầng của phƣơng pháp MPA, SPA so với phƣơng pháp NL-RHA khung 9 tầng đối xứng. .................................................................... 59 Bảng 4.15- Sai số chuyển vị tầng của phƣơng pháp MPA, SPA so với phƣơng pháp NL-RHA khung 9 tầng bất đối xứng. .............................................................. 59 Bảng 4.16- Sai số chuyển vị tầng của phƣơng pháp MPA, SPA so với phƣơng pháp NL-RHA khung 20 tầng đối xứng. .................................................................. 60 Bảng 4.17- Sai số chuyển vị tầng của phƣơng pháp MPA, SPA so với phƣơng pháp NL-RHA khung 20 tầng bất đối xứng. ............................................................ 60 Bảng 4.18- Sai số độ trôi tầng trung bình của phƣơng pháp MPA, SPA so với phƣơng pháp NL-RHA khung 9 tầng đối xứng ............................................... 70 Bảng 4.20- Sai số độ trôi tầng trung bình của phƣơng pháp MPA, SPA so với phƣơng pháp NL-RHA khung 20 tầng đối xứng ............................................. 71 Bảng 4.21- Sai số độ trôi tầng trung bình của phƣơng pháp MPA, SPA so với phƣơng pháp NL-RHA khung 20 tầng bất đối xứng ....................................... 72 x DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 - Động đất ở Kobe, Nhật Bản (1995) .......................................................... 2 Hình 1.2 - Động đất ở Christchurch, New Zealand (2011) ....................................... 2 Hình 2.1-Mô hình phân phối lực theo FEMA-356 cho công trình 9 tầng tại Los Angeles: (a) dạng dao động đầu tiên, (b) tải ngang tƣơng đƣơng ELF, (c) tải theo phổ phản ứng RSA, (d) tải phân phối đều. .............................................. 11 Hình 2.2- Phân phối lực với n=1,2 và 3 dạng dao động của tòa nhà 9 tầng tại Los Angeles. ........................................................................................................... 12 Hình 2.3 – Điểm chuyển vị mục tiêu cho kết cấu nhà ............................................. 15 Hình 2.4 - Mô hình vật liệu đàn – dẻo tái bền tuyến tính ........................................ 16 Hình 3.1- Giải thích khái niệm không thích hợp RHA của hệ SDOF không đàn hồi .......................................................................................................................... 27 Hình 3.2-Hệ SDOF không đàn hồi từ đƣờng cong đẩy dần. (a) Lý tƣởng hóa đƣờng cong đẩy dần, (b) Quan hệ lực-chuyển vị của hệ SDOF ................................. 27 Hình 4.1- Mô hình khung thép 1 nhịp 3 tầng của Chopra & Chintanapakdee (2003) .......................................................................................................................... 31 Hình 4.2- So sánh dạng dao động ............................................................................ 33 Hình 4.3- So sánh đƣờng cong đẩy dần của mode 1 ............................................... 33 Hình 4.4- So sánh chuyển vị đỉnh khung thép 1 nhịp 3 tầng ................................... 33 Hình 4.5 – Mặt bằng khung 9 tầng đối xứng và bất đối xứng ................................. 34 Hình 4.6- Mặt bằng khung 20 tầng đối xứng và bất đối xứng ................................. 35 Hình 4.7 - Mặt đứng khung 9, 20 tầng..................................................................... 35 Hình 4.8- Ý nghĩa vật lý của hệ số cản  m   k .................................................... 39 Hình 4.9 – Biểu đồ gia tốc của hai bộ gia tốc động đất LA10IN50 và LA2IN50 ... 42 Hình 4.10 – Phổ gia tốc của bộ động đất LA10IN50,   0.05 .............................. 43 Hình 4.11 – Phổ gia tốc của bộ động đất LA2IN50,   0.05 ................................ 43 Hình 4.12 – Dạng dao động khung 9 tầng đối xứng ................................................ 45 Hình 4.13 – Dạng dao động khung 9 tầng bất đối xứng .......................................... 46 Hình 4.14 – Dạng dao động khung 20 tầng đối xứng phƣơng X ............................ 46 Hình 4.15 – Dạng dao động khung 20 tầng đối xứng phƣơng Y ............................ 47 Hình 4.16 – Dạng dao động khung 20 tầng bất đối xứng phƣơng X ....................... 47 xi Hình 4.17 – Dạng dao động khung 20 tầng bất đối xứng phƣơng Y ....................... 48 Hình 4.18 – Đƣờng cong đẩy dần khung 9 tầng đối xứng ....................................... 49 Hình 4.19 – Đƣờng cong đẩy dần khung 9 tầng bất đối xứng ................................. 49 Hình 4.20 – Đƣờng cong đẩy dần khung 20 tầng đối xứng ..................................... 50 Hình 4.21 – Đƣờng cong đẩy dần khung 20 tầng bất đối xứng ............................... 51 Hình 4.22 - Chuyển vị trung bình của hệ khung 9 tầng đối xứng bằng phƣơng pháp NL-RHA, MPA, SPA chịu hai bộ động đất LA10IN50 và LA2IN50............. 52 Hình 4.23 - Chuyển vị trung bình của hệ khung 9 tầng bất đối xứng bằng phƣơng pháp NL-RHA, MPA, SPA chịu hai bộ động đất LA10IN50 và LA2IN50. .. 53 Hình 4.24 - Chuyển vị trung bình của hệ khung 20 tầng đối xứng bằng phƣơng pháp NL-RHA, MPA, SPA chịu hai bộ động đất LA10IN50 và LA2IN50. .. 54 Hình 4.25 - Chuyển vị trung bình của hệ khung 20 tầng bất đối xứng bằng phƣơng pháp NL-RHA, MPA, SPA chịu hai bộ động đất LA10IN50 và LA2IN50. .. 54 Hình 4.26 – Tâp hợp chuyển vị đỉnh của hệ khung 9 tầng đối xứng ....................... 56 Hình 4.27 – Tâp hợp chuyển vị đỉnh của hệ khung 9 tầng bất đối xứng ................. 56 Hình 4.28 – Tâp hợp chuyển vị đỉnh của hệ khung 20 tầng đối xứng ..................... 57 Hình 4.29 – Tâp hợp chuyển vị đỉnh của hệ khung 20 tầng bất đối xứng ............... 58 Hình 4.30 – Độ trôi tầng trung bình khung 9 tầng đối xứng ................................... 63 Hình 4.31 – Độ trôi tầng trung bình khung 9 tầng bất đối xứng ............................. 63 Hình 4.32 – Hệ số độ trôi tầng trung bình khung 9 tầng đối xứng .......................... 64 Hình 4.33 – Hệ số độ trôi tầng trung bình khung 9 tầng bất đối xứng .................... 64 Hình 4.34 – Độ trôi tầng trung bình khung 20 tầng đối xứng ................................. 65 Hình 4.35 – Độ trôi tầng trung bình khung 20 tầng bất đối xứng ........................... 65 Hình 4.36 – Hệ số độ trôi tầng trung bình khung 20 tầng đối xứng ........................ 66 Hình 4.37 – Hệ số độ trôi tầng trung bình khung 20 tầng đối xứng ........................ 66 Hình 4.38 – Tập hợp độ trôi tầng của khung 9 tầng đối xứng ................................. 67 Hình 4.39 – Tập hợp độ trôi tầng của khung 9 tầng bất đối xứng ........................... 68 Hình 4.40 – Tập hợp độ trôi tầng của khung 20 tầng đối xứng ............................... 69 Hình 4.41 – Tập hợp độ trôi tầng của khung 20 tầng bất đối xứng ......................... 69 xii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 3D Three dimension: Không gian ba chiều CDD Capacity Demand Diagram: Biểu đồ yêu cầu khả năng CQC Complete Quadratic combination: Qui tắc hoàn thành căn bậc hai kết hợp CSM Capacity Spectrum Method: Phƣơng pháp phổ khả năng DCM Displacement Coefficient Method: Phƣơng pháp hệ số chuyển vị ELF Equivalent Lateral Force: Tải ngang tƣơng đƣơng LP Load pattern: Mẫu tải MDOF Multi-Degree-Of-Freedom: Hệ nhiều bậc tự do MPA Modal Pushover Analysis: Phân tích đẩy dần sử dụng lực ngang có xét đến các dao động cao NL-RHA Nonlinear Response History Analysis: Phân tích phi tuyến theo miền thời gian SPA Standard Pushover Analysis: Phân tích đẩy dần chuẩn NSPs Nonlinear Static Procedures: Phân tích tĩnh phi tuyến RSA Response spectrum analysis: Phân tích phổ phản ứng SDOF Single-Degree-Of-Freedom: Hệ một bậc tự do SRSS Square-Root-of-Sum-of-Square: Qui tắc căn bậc hai của tổng bình phƣơng xiii DANH MỤC KÝ HIỆU I Mômen quán tính n Hệ số tham gia hiệu chỉnh  Hệ số cản ι Véctơ ảnh hƣởng đơn vị u Chuyển vị tầng u* Hệ số chuyển vị tầng  Độ trôi tầng * Hệ số độ trôi tầng n Dạng dao động tự nhiên thứ n rn Giá trị tại đỉnh của dạng dao động tự nhiên thứ n n Tần số dao động c Ma trận cản Dn Giá trị đỉnh của biến dạng hệ một bậc tự do g Gia tốc trọng trƣờng k Ma trận độ cứng m Ma trận khối lƣợng p eff Véctơ lực động đất qn Hiệu chỉnh kết hợp s*n Sự phân phối lực của dạng dao động thứ n xiv Tn Chu kỳ dao động tự nhiên thứ n u Véctơ chuyển vị ur Chuyển vị mục tiêu urno Chuyển vị đỉnh của dạng dao động thứ n của hệ nhiều bậc tự do Vb Lực cắt đáy Vby Lực cắt đáy tại điểm chảy dẻo 1 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Động đất là một hiện tƣợng thiên nhiên gây ra rất nhiều thảm họa cho con ngƣời mà đặc biệt là thiệt hại gắn liền với các công trình xây dựng. Trong suốt chiều dài lịch sử phát triển của xã hội, con ngƣời đã tìm hiểu, nghiên cứu về động đất, tìm cách hạn chế tác động của động đất lên cuộc sống cũng nhƣ các công trình xây dựng. Với trình độ khoa học- kỹ thuật hiện tại, con ngƣời chƣa có khả năng dự báo chính xác động đất sẽ xảy ra lúc nào, ở đâu với cƣờng độ bao nhiêu. Do đó, con ngƣời đã thay đổi biện pháp, phƣơng châm nghiên cứu với chiến lƣợc: ƣu tiên phòng chống động đất thay cho nghiên cứu phát triển các phƣơng pháp dự báo động đất. Trên thế giới có nhiều trận động đất lớn xảy ra đã gây nhiều thiệt hại: + Trận động đất tại Northridge, Mỹ năm 1994 làm 60 ngƣời chết, 7.000 ngƣời bị thƣơng và thiệt hại về kinh tế 44 tỷ USD. + Trận động đất tại Kobe, Nhận Bản năm 1995 làm 5.502 ngƣời chết, thiệt hại về kinh tế 100 tỷ USD. Nhật Bản mất 2.5% GDP vào thởi điểm đó. + Trận động đất tại đáy Ấn Độ Dƣơng (2004), trận động đất này đƣợc coi nhƣ khủng khiếp nhất trong 50 năm qua với cƣờng độ lên tới 9,1 độ richte và giết chết 227.898 ngƣời, thiệt hại 10 tỷ USD. Trận động đất này gây ra nhiều chết chóc nhất trong lịch sử nhân loại. 1,7 triệu ngƣời tại 14 nƣớc tại châu Á, Đông Phi đã phải tháo chạy sóng thần cao tới 100 feet. + Trận động tại Christchurch, New Zealand (2011), Đƣợc coi nhƣ dƣ chấn của trận động đất tại Canterburry năm 2010, trận động đất tại New Zealand vào ngày 22/02/2011 mang tính phá hủy tồi tệ hơn rất nhiều so với trận động đất năm 2010 bởi nó xảy ra ở khu vực đông dân cƣ của Christchurch. Số lƣợng ngƣời chết vì trận động đất này lên tới 166, dù đến cuối cùng ngƣời ta ƣớc tính con số lên trên mức 200. (Nguồn: http://cafef.vn/tai-chinh-quoc-te/5-tran-dong-dat-gay-thiet-hai-tai-chinh- lon-nhat-trong-lich-su-nhan-loai-20110316085431840.chn) 2 Hình 1.1 - Động đất ở Kobe, Nhật Bản (1995) (Nguồn: https://news.zing.vn/toan-canh-dong-dat-nam-1995-lam-6400-nguoi-nhatthiet-mang-post503640.html) Hình 1.2 - Động đất ở Christchurch, New Zealand (2011) (Nguồn: https://news.zing.vn/new-zealand-mot-nam-sau-tran-dong-dat-lich-supost237006.html) 3 Hoạt động động đất có khuynh hƣớng ngày càng tăng cao gây ra nhiều thiệt hại về ngƣời và tài sản. Những năm gần đây tần suất xảy ra động đất càng cao, tỷ lệ thuận với đó là mức độ tàn phá khủng khiếp khi động đất kết hợp với sóng thần. Vì thế việc dự đoán khả năng phá hoại của động đất đến công trình xây dựng là một việc làm cần thiết. Hiện nay các việc thiết kế công trình chống đƣợc động đất là bắt buộc ở nhiều nƣớc trên thế giới với phƣơng châm là: bảo vệ tính mạng con ngƣời, và công trình không sụp đổ khi có động đất xảy ra. 1.2 Giới thiệu chung Phân tích phản ứng phi tuyến theo miền thời gian Nonlinear Response History Analysis (NL-RHA) cho đến nay đƣợc xem là phƣơng pháp đánh giá động đất nghiêm ngặt nhất, chính xác nhất. Phƣơng pháp NL-RHA đƣợc sử dụng để đánh giá mức độ an toàn của kết cấu, xác định phản ứng không đàn hồi của kết cấu khi công trình phải chịu động đất theo từng bƣớc thời gian. Phƣơng pháp này là một công cụ mạnh đồng thời là thƣớc đo để đánh giá phản ứng thực tế đáp ứng của kết cấu khi chịu động đất. Mặc dù tính chính xác và hiệu quả trong việc phân tích tác động của động đất đến công trình nhƣng phƣơng pháp NL-RHA không đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tiễn vì độ phức tạp của nó về: chuẩn bị đầu vào, thời gian mô hình, đặc biệt là thời gian tính toán và việc giải thích kết quả làm cho việc sử dụng phƣơng pháp này không thực tế. Phƣơng pháp NL-RHA đòi hỏi tính chính xác của mô hình kết cấu cũng nhƣ khối lƣợng tính toán quá lớn, vì vậy khó áp dụng vào công việc thiết kế hằng ngày, phƣơng pháp này chỉ nên đƣợc sử dụng để kiểm tra độ an toàn cũng nhƣ sức chịu đựng của kết cấu sau khi đã hoàn thành công việc thiết kế kết cấu. Để khắc phục nhƣợc điểm trên, nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới phát triển các phƣơng pháp phân tích hợp lý hơn để có thể đạt đƣợc sự cân bằng thỏa đáng giữa độ tin cậy và tính ứng dụng cho công việc thiết kế hàng ngày. Do đó, các phƣơng pháp tĩnh phi tuyến (NSPs) bắt nguồn từ lý thuyết động lực học công trình là các phƣơng pháp gần đúng, đã đƣợc phát triển nhƣ là một sự lựa chọn thay thế cho phƣơng pháp chính xác NL-RHA. Với các phƣơng pháp phân tích tĩnh phi tuyến đƣợc phát triển từ lý thuyết động lực học công trình có lợi thế là đơn giản và đƣợc áp dụng thực tế hơn so với 4 phƣơng pháp NL-RHA trong thiết kế kết cấu. Những cách tiếp cận này đƣợc chứng minh cung cấp các kết quả hợp lý hơn trong ƣớc tính phản ứng địa chấn cho công trình. Nhiều công trình nghiên cứu đã đƣợc công bố nhƣ: Phƣơng pháp hệ số chuyển vị DCM (Displacement Coefficient Method) đƣợc mô tả trong FEMA-356 (ASCE, 2000) và phƣơng pháp phổ khả năng CSM (Capacity Spectrum Method) trong ATC-40 (ATC, 1996) là hai phƣơng pháp nổi bật nhất đã đƣợc xây dựng thành các quy chuẩn tính toán. Với các phƣơng pháp này, địa chấn của công trình đƣợc đánh giá theo qui luật của kết cấu chịu tác dụng từ một hệ lực ngang tƣơng đƣơng tăng dần cho đến khi chuyển vị đỉnh đạt giá trị chuyển vị mục tiêu đã xác định trƣớc. Chuyển vị mục tiêu đƣợc xác định từ sự biến dạng của hệ một bậc tự do tƣơng đƣơng (SDOF). Tuy nhiên, các phƣơng pháp trên có những nhƣợc điểm dẫn đến độ chính xác của phƣơng pháp không đƣợc cao khi so sánh với kết quả của phƣơng pháp phân tích phản ứng phi tuyến theo miền thời gian (NL-RHA). Nhƣợc điểm của phƣơng pháp phổ khả năng CSM (Capacity Spectrum Method) đƣợc giới thiệu trong tiêu chuẩn ATC-40 là xác định chuyển vị mục tiêu. Chuyển vị mục tiêu của phƣơng pháp CSM đƣợc xác định dựa vào giao điểm của đƣờng cong khả năng (Capacity Curve) và phổ thiết kế (Pseudo Acceleration Spectrum). Nhƣợc điểm của phƣơng pháp CSM đã đƣợc chứng minh là trong vài trƣờng hợp không thể tìm đƣợc giao điểm hoặc tồn tại nhiều hơn một giao điểm (Chopra and Goel, 1999). Cùng thời điểm đó, phƣơng pháp hệ số chuyển vị DCM (Displacement Coefficient Method) đƣợc trình bày trong tiêu chuẩn FEMA-356 cũng có nhƣợc điểm tƣơng tự là xác định chuyển vị mục tiêu. Chuyển vị mục tiêu của phƣơng pháp DCM đƣợc xác định dựa vào các hệ số đƣợc đề xuất trong FEMA-356. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chuyển vị mục tiêu dự đoán của phƣơng pháp DCM có sự chênh lệch lớn với phƣơng pháp NL-RHA do sự thiếu hụt bảng hệ số cho các dạng công trình khác nhau, trong đó đặc biệt là hệ số C1 (Chopra and Goel, 2000). Hơn nữa, các phƣơng pháp tĩnh phi tuyến đƣợc đề xuất trong FEMA-356 và ATC-40 chỉ dự đoán tốt phản ứng địa chấn của các công trình thấp tầng, với dạng dao động đầu tiên là chủ đạo.