Bài giảng Kết cấu nhà cao tầng: Chương 6

21/11/2014

BÀI 6

TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT

Khái quát

Động đất là hiện tượng rung động mạnh đột ngột của vỏ trái đất do nhiều nguyên nhân gây ra: chuyển động trượt tương đối của các khối đá, các hang động bị sập, các mảnh thiên thạch va vào trái đất, các vụ thử bom hạt nhân... phổ biến nhất là động đất do chuyển động trượt tương đối của các khối đá.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 74

21/11/2014

Mercalli-Cancani-Sieberg's (MCS) scale Mercalli-Cancani-Sieberg's 12-graded scale has come into general use in Europe. Besides the description of the occurrences (the effects on the buildings from the 6th grade) there are measurable acceleration-intervals, which are given in mms-2 assigned to each degree.

Medvegyev-Sponhauer-Karnik (MSK) scale

In the socialist countries, the MSK-64 scale was accepted. The individual grades' - which number are also 12 - characterisation is extended to the phenomena of nature, to the buildings and to the senses and the environment of people. Strongest earthquake in Hungary until now, had the grade of 8-9.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 75

21/11/2014

5-6 độ Richter

1-2 độ Richter 3-4 độ Richter

7-8 độ Richter

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 76

21/11/2014

Một số số liệu tính toán theo TCXDVN 375:2006

1. Đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR

2. Hệ số tầm quan trọng γγγγf

Hệ số có liên quan đến những hậu quả của việc hư hỏng kết cấu.

3. Đỉnh gia tốc nền thiết kế ag

ag = agRγγγγf

• động đất mạnh ag ≥ 0.08g (cid:1) tính toán và cấu tạo kháng chấn theo TCXDVN 375:2006 • động đất yếu 0.04g ≤ ag < 0.08g (cid:1) với một số loại kết cấu, ví dụ nhà thuộc cấp quan

trọng II, III và IV, có thể áp dụng các quy định thiết kế kháng chấn được giảm nhẹ hoặc đơn giản hơn so với các quy định của TCXDVN 375:2006 • động đất rất yếu ag < 0.04g (cid:1) không cần thiết kế kháng chấn

Vậy theo TCXDVN 375 việc thiết kế kháng chấn cho các công trình xây dựng theo các quy định đề cập trong tiêu chuẩn chỉ áp dụng cho công trình trong vùng chịu động đất mạnh có gia tốc nền ag ≥ 0.08g, tương đương với động đất cấp VII theo thang MSK

A

i ạ o l n ề n n ê r t

R g a u ế i h c m a h t n ề n c ố t a i g h n ỉ Đ

(Còn tiếp, xem TCXDVN 375:2006)

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 77

21/11/2014

f γγγγ

g n ọ r t n a u q m ầ t ố s ệ H

f γγγγ g n ọ r t n a u q m ầ t ố s ệ H

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 78

21/11/2014

6 0 0 2 : 5 7 3 N V D X C T

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 79

21/11/2014

(Còn tiếp, xem TCXDVN 375:2006)

4. Phân loại nền đất

6 0 0 2 : 5 7 3 N V D X C T

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 80

21/11/2014

5. Phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang

6 0 0 2 : 5 7 3 N V D X C T

_ phổ phản ứng đàn hồi _ gia tốc nền thiết kế trên nền loại A

Se(T) ag TB, TC, TD _ các giới hạn của chu kỳ S _ hệ số nền _hệ số phụ thuộc tỷ số cản ξ, lấy η=1 khi ξ= 5% η

Phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang

6 0 0 2 : 5 7 3 N V D X C T

ξ ≥ 0,55

10 5 (cid:16) 100

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 81

21/11/2014

Phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang

Se / ag

6 0 0 2 : 5 7 3 N V D X C T

T (s)

6. Phổ phản ứng đàn hồi theo phương thẳng đứng

Thành phần thẳng đứng của tác động động đất được thể hiện bằng phổ phản ứng đàn hồi Sve(T)

6 0 0 2 : 5 7 3 N V D X C T

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 82

21/11/2014

5. Phổ thiết kế dùng cho phân tích đàn hồi

• TCXDVN 375:2006 đã chọn phổ phản ứng đàn hồi loại I kiến nghị

trong EN 1998-1:2004 để sử dụng. Phổ thiết kế dùng trong phân tích đàn hồi cũng được xác định theo các biểu thức cho trong EN 1998- 1:2004.

• Kết cấu ứng xử phi tuyến, có khả năng tiêu tán năng lượng (cid:1) có thể giảm lực động đất nếu vẫn phân tích kết cấu đàn hồi.

6 0 0 2 : 5 7 3 N V D X C T

• Vậy, phổ thiết kế Sd dùng cho phân tích đàn hồi được lấy bằng cách “chiết giảm” phổ phản ứng đàn hồi Se thông qua hệ số ứng xử q.

Structural response

Phổ thiết kế dùng cho phân tích đàn hồi Sd

6 0 0 2 : 5 7 3 N V D X C T

Các thông số ag, S, TB, TC và TD lấy như đối với phổ phản ứng đàn hồi. β= 0,2 là hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương ngang.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 83

21/11/2014

7. Hệ số ứng xử q đối với tác động động đất theo phương ngang

Hệ số ứng xử được sử dụng cho mục đích thiết kế để giảm độ lớn của lực thu được từ phân tích tuyến tính, nhằm xét đến phản ứng phi tuyến của kết cấu, liên quan đến vật liệu, hệ kết cấu và quy trình thiết kế

QUY ĐỊNH CHO KẾT CẤU BTCT

6 0 0 2 : 5 7 3 N V D X C T

Hệ số ứng xử q đối với tác động động đất theo phương ngang

QUY ĐỊNH CHO KẾT CẤU BTCT

αu / α1 = ?

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 84

21/11/2014

Hệ số ứng xử q đối với tác động động đất theo phương ngang

QUY ĐỊNH CHO KẾT CẤU BTCT

kw = ?

8. Hiệu ứng xoắn ngẫu nhiên

• •

tính thiếu tin cậy của vị trí các khối lượng sự thay đổi trong không gian của chuyển động động đất

Khối tâm mỗi sàn được xem như chuyển dịch khỏi vị trí danh nghĩa của nó trong mỗi phương với đô lệch tâm ngẫu nhiên ea

eai = ± 0,05 Li

với Li là kích thước sàn theo phương vuông góc với phương tác động động đất

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 85

21/11/2014

Phương pháp lực ngang tĩnh tương đương

1. Lực cắt đáy (base shear)

Fb = Sd(T1) × m × λ

Sd(T1) _tung độ phổ gia tốc nền thiết kế tại chu kỳ T1 m _ tổng khối lượng của nhà ở trên móng λ= 0,85 nếu T1 ≤ 2Tc với nhà có trên 2 tầng, hoặc λ= 1 với các trường hợp khác

Phương pháp lực ngang tĩnh tương đương

2. Phân bố lực ngang tĩnh tương đương theo chiều cao nhà

Lực ngang tĩnh Fi tác dụng vào khối lượng mi = Wi /g :

hoặc

w; (cid:20) wx

:; (cid:13); ∑ :b (cid:13)b

ℎ; (cid:13); ∑ ℎb (cid:13)b

w; = wx

si _ chuyển vị của khối lượng mi trong dạng dao động cơ bản hi _ độ cao của khối lượng mi tính từ đáy công trình (mặt móng).

3. Phạm vi sử dụng của PP lực ngang tĩnh

T1 ≤ z

4(cid:30)(cid:17) 2,0 :

Công trình có mặt đứng đều đặn: hệ KC chịu lực ngang phải liên tục từ móng đến mái; độ cứng ngang và khối lượng tầng không đổi hoặc có thể giảm từ từ theo chiều cao. Quy định về tính đều đặn của nhà có giật cấp: xem 4.2.3.3, TCXDVN 356

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 86

21/11/2014

Phương pháp phân tích phổ phản ứng

Phạm vi sử dụng PP phân tích phổ phản ứng

•

(i) Cho nhà không thỏa mãn điều kiện sử dụng PP tĩnh lực ngang tương đương.

•

(ii) Phải xét sự đóng góp của nhiều dạng dao động vào phản ứng tổng:

(cid:2) tổng khối lượng hữu hiệu của các dạng dao động được xét chiếm ít nhất

90% tổng khối lượng nhà, hoặc

(cid:2) xét mọi dạng dao động có khối lượng hữu hiệu lớn hơn 5% tổng khối

lượng nhà

• Nếu (ii) không được thỏa, ví dụ trong nhà mà dao động xoắn góp phần đáng

kể, cần xét tối thiểu k dạng dao động khi phân tích không gian thỏa:

≥ 3 7 Pà (cid:30)(cid:19) ≤ 0,20 :

(cid:19)

n là số tầng ở trên móng và Tk là chu kỳ dao động của dạng thứ k

Phương pháp phân tích phổ phản ứng

Bước 1: xác định các chu kỳ và dạng dao động tự nhiên

Bước 2: đọc giá trị phổ phản ứng

Sd(T1)

Sd(T2)

Sd(T3)

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 87

21/11/2014

Phương pháp phân tích phổ phản ứng

Bước 3: phản ứng trong từng mode

)

Ty ( n

Phổ chuyển vị có thể được tính tính từ phổ gia tốc

( ω d n 2 ω n

Chuyển vị lớn nhất của kết cấu ứng với mode n

un = y(Tn) φφφφn

φφφφn là mode shape thứ n. Có chuyển vị thì có thể tính được nội lực như bài toán tĩnh thông thường.

Phương pháp phân tích phổ phản ứng

Bước 4: Tổ hợp phản ứng từ các mode (modal combination)

Kết hợp các phản ứng từ các mode để ước lượng được phản ứng cực đại của kết cấu (cid:4) Phương pháp CQC (Complete Quadratic Combination)

(PP căn bậc hai đầy đủ)

ρ nm

∑∑=

n m

2/3

)

rr ) 2 4 ξ

−

2 8 ξ ) 22

( 1

r = ωn / ωm là tỷ số tần số dao động tự nhiên của mode n và m. Các hệ số r đều dương và nhỏ hơn hoặc bằng 1.0 fn F

là phản ứng trong mode thứ n. là phản ứng tổng.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 88

21/11/2014

Phương pháp phân tích phổ phản ứng

(cid:4) Cũng có thể tổ hợp modal response bằng phương pháp SRSS

Nếu các dạng dao động là độc lập với nhau (Tj ≤ 0,9 Ti)

2 nf

∑=

Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian

2.5

1.5

0.5

) 2 s / m

(

-0.5

n e n c o t a i G

-1

-1.5

-2

-2.5

-3

Lịch sử thời gian các thành phần năng lượng

Thoi gian t (s)

Gia tốc nền động đất Northridge

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 89

21/11/2014

Thành phần thẳng đứng của tác động động đất

(cid:4) (i) Nếu avg > 0,25g (2,5 m/s2) cần xét thành phần đứng của động đất cho:

- Các cấu kiện nằm ngang có nhịp ≥ 20m; - Các cấu kiện công-xon nằm ngang dài hơn 5 m; - Các cấu kiện ứng lực trước nằm ngang; - Các dầm đỡ cột; - Các kết cấu có cách chấn đáy

(cid:4) (ii) Có thể phân tích trên mô hình không đầy đủ của kết cấu, gồm các cấu kiện chịu thành phần thẳng đứng của động đất (i) có kể đến độ cứng của các cấu kiện liền kề

(cid:4) (iii) Có thể chỉ đưa vào tính toán hệ quả của động đất đứng đối với cấu kiện

đang xét (i) và các cấu kiện đỡ hoặc liên quan trực tiếp với nó.

Tổ hợp phản ứng từ các phương khác nhau

(cid:4) Nói chung, các thành phần ngang của động đất có thể được xem là tác dụng đồng thời. Phản ứng tổng có thể được xác định bằng cách tổ hợp phản ứng theo từng phương riêng rẻ.