Phân tích phi tuyến khung thép phẳng chịu địa chấn có xét đến biến dạng nền sử dụng phương pháp tĩnh MPA và CSM kết hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẶNG TRẦN HOÀI ÂN

PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG THÉP PHẲNG CHỊU

ĐỊA CHẤN CÓ XÉT ĐẾN BIẾN DẠNG NỀN SỬ DỤNG

PHƯƠNG PHÁP TĨNH MPA VÀ CSM KẾT HỢP

LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN

DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG THÉP PHẲNG

CHỊU ĐỊA CHẤN CÓ XÉT ĐẾN BIẾN DẠNG NỀN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP

TĨNH MPA VÀ CSM KẾT HỢP” là nghiên cứu của chính tôi.

Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi cam đoan rằng

toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được công bố hoặc được sử

dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.

Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận văn này mà

không được trích dẫn theo đúng quy định.

Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các trường đại học

hoặc cơ sở đào tạo khác.

Thành phố Hồ Chí Minh, Năm 2017

Tác giả

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến Thầy, TS.Nguyễn Hồng Ân, người đã

nhiệt tình giúp đỡ, động viên và có những định hướng tốt nhất để em hoàn thành luận văn.

Em xin chân thành cám ơn quý Thầy cô Khoa đào tạo Sau đại học, Đại học Mở

TP.HCM, cám ơn các bạn lớp CHXD 3 đã đồng hành và giúp đỡ em trong suốt quá trình

học tập tại trường.

Cuối cùng, em xin cám ơn ba mẹ và gia đình đã hỗ trợ và động viên trong quá trình

thực hiện luận văn cũng như trong suốt khóa học này!

Tp, Hồ Chí Minh, tháng năm 2017

Đặng Trần Hoài Ân

iii

TÓM TẮT

Đánh giá tác động của động đất đến công trình cũng như ứng xử của kết cấu khi chịu

động đất có thể được ước tính một cách chính xác dựa trên phương pháp phân tích phi

tuyến theo miền thời gian NL – RHA (Nonlinear Response History Analysis). Tuy

nhiên, phương pháp này có một số hạn chế: thời gian xây dựng mô hình tính toán, các

thông số đầu vào, việc tính toán và xử lý kết quả mất nhiều thời gian…làm cho việc sử

dụng phương pháp này trong tính toán thực tế có những khó khăn nhất định. Do đó, để

khắc phục những hạn chế này, các phương pháp và các mô hình tính toán đơn giản hơn

đã được đề xuất để ước tính tác động của động đất đến công trình.

Phân tích tĩnh phi tuyến đã được phát triển trong nhiều năm qua và đã trở thành

phương pháp được sử dụng phổ biến trong thiết kế và đánh giá công trình chịu động đất.

Nhiều công trình nghiên cứu khác nhau về phương pháp phân tích tĩnh đã được công bố:

phương pháp phổ khả năng CSM (Capacity Spectrum Method) (1996), phương pháp hệ

số chuyển vị DCM (Displacement Coefficient Method) (2000), và phương pháp phân

tích đẩy dần MPA (Modal Pushover Analysis), do Chopra và Goel đề xuất năm 2002.

Trong số các phương pháp tĩnh phi tuyến được đề xuất, phương pháp MPA là phương

pháp có nhiều ưu điểm vượt trội vì có xét đến dạng dao động cao hơn, chuyển vị mục

tiêu của hệ một bậc tự do được xác định bằng cách giải phương trình phi tuyến nên kết

quả dự báo rất tốt. Tuy nhiên, việc giải phương trình phi tuyến khá phức tạp và mất

nhiều thời gian, vì vậy, để giảm bớt những khó khăn trong việc thực hiện phương pháp

MPA, phương pháp MPA – CSM kết hợp được thực hiện trong luận văn này. Với ưu

điểm xác định nhanh chóng chuyển vị mục tiêu bằng đồ thị, phương pháp CSM được

thực hiện để xác định chuyển vị mục tiêu của hệ một bậc tự do trong tiến trình của

phương pháp MPA giúp đơn giản hóa qui trình thực hiện của phương pháp MPA.

Để đánh giá qui trình phân tích của phương pháp MPA – CSM, tác giả đề xuất 3 mô

hình khung thép phẳng có cùng bề rộng nhịp và có số tầng thay đổi lần lượt là 3,9,18

tầng tương ứng với nhóm công trình thấp tầng, trung tầng và cao tầng. Các thông số về

khối lượng tầng, độ cứng, chiều cao tầng…được thực hiện theo mô hình nghiên cứu của

Chintanapakdee và Chopra (2003).

iv

Bên cạnh đó, để đánh giá đầy đủ phản ứng của công trình dưới tác động của động đất,

mô hình tương tác giữa đất nền và kết cấu được xem xét. Trong luận văn này, mô hình

dầm trên nền phi tuyến Winkler - (BNWF – Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation)

được áp dụng nhằm mô phỏng ứng xử của hệ kết cấu và nền móng. Các thông số về độ

cứng, sức kháng cắt của nển đất theo phương ngang và phương đứng được mô phỏng

bằng các lò xo phi tuyến. Mô hình tương tác này được thực hiện với sự hỗ trợ của phần

mềm OPENSEES.

Ứng với mỗi hệ khung, việc phân tích sẽ được thực hiện với 20 trận động đất ở Los

Angeles được chia làm 2 bộ, mỗi bộ gồm 10 trận động đất với tần suất xảy ra là 2% và

10% trong 50 năm, nghĩa là chu kỳ xảy ra 1 lần trong 2475 năm và 475 năm tương ứng.

Kết quả phân tích về chuyển vị mục tiêu, chuyển vị tầng, độ trôi tầng của phương pháp

MPA – CSM có xét đến biến dạng nền được dự đoán bởi các phương pháp NL – RHA,

MPA, SPA (MPA mode 1), MPA – CSM (mode 1) sẽ được phân tích để so sánh, đánh

giá.

v

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan...............................................................................................................................i

Lời cám ơn .................................................................................................................................ii

Tóm tắt.....................................................................................................................................iii

Mục lục....................................................................................................................................... v

Danh mục hình ảnh và đồ thị ...................................................................................................vii

Danh mục bảng ......................................................................................................................... xi

Danh mục từ viết tắt................................................................................................................xiii

Danh mục ký hiệu .................................................................................................................... xv

Chương 1 : Tổng quan............................................................................................................. 1

1.1. Giới thiệu chung........................................................................................................... 1

1.2. Tương tác nền............................................................................................................... 7

1.2.1 Một số mô hình nền đất........................................................................................... 7

1.2.2. Giới thiệu mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler............................................. 9

1.3. Tình hình nghiên cứu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến .................................... 10

1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới....................................................................... 10

1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước......................................................................... 11

1.4. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................... 12

1.5. Phạm vi nghiên cứu.................................................................................................... 13

Chương 2: Cơ sở lý thuyết..................................................................................................... 14

2.1. Phương pháp phân tích phi tuyến theo miền thời gian .............................................. 15

2.2. Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến ....................................................................... 16

2.2.1. Phương pháp phổ khả năng CSM (Capacity Spectrum Method) ........................ 16

2.2.2. Phương pháp MPA (Modal Pushover Analysis).................................................. 17

2.2.3. Phương pháp phân tích MPA – CSM .................................................................. 19

vi

2.3. Mô hình tương tác SSI (Soil – Structure Interaction)................................................ 24

2.3.1. Đặc tính của mô hình BNWF (Beam on Nonlinier Winkler Foundation)........... 24

2.3.2. Mô tả mô hình BNWF ......................................................................................... 25

2.3.3. Các mô hình vật liệu ............................................................................................ 26

Chương 3: Mô hình – dữ liệu phân tích – áp dụng số - đánh giá kết quả ...................... 31

3.1. Mô hình – dữ liệu phân tích ....................................................................................... 31

3.1.1. Mô hình phân tích ................................................................................................. 31

3.1.1.1. Thông số mô hình khung thép ......................................................................... 32

3.1.1.2. Thông số nền – móng....................................................................................... 34

3.1.2. Dữ liệu phân tích................................................................................................... 35

3.2. Kiểm chứng mô hình.................................................................................................. 39

3.2.1. Mục tiêu .............................................................................................................. 39

3.2.2. Kết quả kiểm chứng ............................................................................................ 40

3.3. Áp dụng số, đánh giá kết quả..................................................................................... 42

3.3.1. Chuyển vị mục tiêu .............................................................................................. 43

3.3.2. Chuyển vị tầng ..................................................................................................... 55

3.3.3. Độ trôi tầng .......................................................................................................... 66

Chương 4: Kết luận và kiến nghị........................................................................................ 79

4.1. Kết luận .................................................................................................................... 79

4.2. Kiến nghị.................................................................................................................. 80

Tài liệu tham khảo ................................................................................................................. 81

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH – ĐỐ THỊ DÙNG TRONG LUẬN VĂN

Trang

Hình 1.1. Phi tuyến hình học .................................................................................................. 1

Hình 1.2. Mô hình khớp dẻo................................................................................................... 2

Hình 1.3. Bài toán phân tích phi tuyến theo miền thời gian................................................... 3

Hình 1.4. Chuyển vị mục tiêu xác định theo phương pháp CSM .......................................... 4

Hình 1.5. Phương pháp phân tích đẩy dần ............................................................................. 6

Hình 1.6. Quan hệ ứng suất – biến dạng của mô hình đàn hồi tuyến tính.. ........................... 8

Hình 1.7. Quan hệ ứng suất biến dạng của mô hình Mohr – Coulomb.................................. 8

Hình 1.8. Mô hình Winkler .................................................................................................... 9

Hình 1.9. Mô hình tương tác đặc trưng giữa cọc và đất....................................................... 10

Hình 2.1. Bài toán phân tích phi tuyến theo miền thời gian NL – RHA ............................. 15

Hình 2.2. Lý tưởng hóa đường cong đẩy dần thành đường song tuyến tính........................ 18

Hình 2.3. Mô hình và dữ liệu động đất phân tích................................................................. 19

Hình 2.4. Phổ thiết kế ........................................................................................................... 20

Hình 2.5. Phổ khả năng ........................................................................................................ 20

Hình 2.6. Xác định chuyển vị mục tiêu hệ 1 bậc tự do ........................................................ 21

Hình 2.7. Sơ đồ phương pháp phân tích MPA- CSM có xét tương tác nền........................ 23

Hình 2.8. Đặc tính của mô hình BNWF ............................................................................... 24

viii

Hình 2.9. Mô hình tương tác SSI trong phần mềm OPENSEES ......................................... 25

Hình 2.10. Phản ứng tuần hoàn của vật liệu QzSimple2...................................................... 26

Hình 2.11. Phản ứng tuần hoàn của vật liệu PySimple2 ...................................................... 28

Hình 2.12. Phản ứng tuần hoàn của vật liệu TzSimple2 ...................................................... 29

Hình 3.1. Mô hình phân tích................................................................................................. 31

Hình 3.2. Mô hình nền đất – móng đơn phân tích................................................................ 34

Hình 3.3. Gia tốc của 2 bộ dữ liệu động đất......................................................................... 37

Hình 3.4. Phổ gia tốc của 2 bộ dữ liệu động đất .................................................................. 38

Hình 3.5. Mô hình khung thép (Chintanapakdee và Chopra, 2003) .................................... 39

Hình 3.6. Ba dạng dao động đầu tiên của khung 3 tầng....................................................... 40

Hình 3.7. Ba dạng dao động đầu tiên của khung 9 tầng....................................................... 41

Hình 3.8. Ba dạng dao động đầu tiên của khung 18 tầng..................................................... 41

Hình 3.9. Đường cong Pushover của khung 3 tầng............................................................. 42

Hình 3.10a. Đường cong khả năng của hệ khung 3 tầng trong 2 trường hợp :

ngàm và SSI......................................................................................................................... 45

Hình 3.10b. Đường cong khả năng của hệ khung 9 tầng trong 2 trường hợp :

ngàm và SSI......................................................................................................................... 45

Hình 3.10c. Đường cong khả năng của hệ khung 18 tầng trong 2 trường hợp :

ngàm và SSI.......................................................................................................................... 46

ix

Hình 3.11a. Đường cong khả năng và chuyển vị mục tiêu của khung 3,9,18 tầng (ngàm)

ở dạng dao động đầu tiên khi chịu 2 bộ động đất................................................................. 47

Hình 3.11b. Đường cong khả năng và chuyển vị mục tiêu của khung 3,9,18 tầng (SSI) ở

dạng dao động đầu tiên khi chịu 2 bộ động đất.................................................................... 48

Hình 3.12a. Đường cong khả năng và chuyển vị mục tiêu trung bình của khung 3,9,18

tầng (ngàm) ở dạng dao động đầu tiên khi chịu 2 bộ động đất ............................................ 49

Hình 3.12b. Đường cong khả năng và chuyển vị mục tiêu trung bình của khung 3,9,18

tầng (SSI) ở dạng dao động đầu tiên khi chịu 2 bộ động đất ............................................... 50

Hình 3.13a. Tập hợp các điểm chuyển vị của hệ khung 3,9,18 tầng (ngàm) ứng với hai bộ

dữ liệu động đất .................................................................................................................... 52

Hình 3.13b. Tập hợp các điểm chuyển vị của hệ khung 3,9,18 tầng (SSI) ứng với hai bộ

dữ liệu động đất .................................................................................................................... 53

Hình 3.14a. Chuyển vị tầng trung bình của hệ khung (ngàm) khi chịu tác động của hai bộ

dữ liệu động đất .................................................................................................................... 56

Hình 3.14b. Tỷ số chuyển vị tầng trung bình của hệ khung (ngàm) khi chịu hai bộ dữ liệu

động đất so với nghiệm NL - RHA ...................................................................................... 57

Hình 3.15a. Chuyển vị tầng trung bình của hệ khung (SSI) khi chịu tác động của hai bộ

dữ liệu động đất .................................................................................................................... 58

Hình 3.15b. Tỷ số chuyển vị tầng trung bình của hệ khung (SSI) khi chịu hai bộ dữ liệu

động đất so với nghiệm NL – RHA...................................................................................... 59

Hình 3.16a. Sai số chuyển vị tầng trung bình (%) của các hệ khung (ngàm) ứng với hai

bộ dữ liệu động đất ............................................................................................................... 63

Hình 3.16b. Sai số chuyển vị tầng trung bình (%) của các hệ khung (SSI) ứng với hai bộ

dữ liệu động đất .................................................................................................................... 64