Báo cáo nghiên cứu khoa học: "MỘT CÁCH TIẾP CẬN ĐỂ TÍNH TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ PHẢN ỨNG THEO TCXDVN 375 : 2006"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Halinh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

66
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đặt vấn đề Phương pháp phân tích phổ phản ứng (RSM) được áp dụng khá hiệu quả để phân tích nội lực và biến dạng của kết cấu dưới tác dụng của động đất. Đặc biệt trong trường hợp công trình có khối lượng hay độ cứng thay đổi theo chiều cao, hay có sự đóng góp đáng kể của dạng dao động bậc cao.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: "MỘT CÁCH TIẾP CẬN ĐỂ TÍNH TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ PHẢN ỨNG THEO TCXDVN 375 : 2006"

MỘT CÁCH TIẾP CẬN ĐỂ TÍNH TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ PHẢN ỨNG THEO TCXDVN 375 : 2006 KS. LÊ XUÂN TÙNG Trường Đại học Phương Đông 1. Đặt vấn đề Phư ơng pháp phân tích phổ ph ản ứ ng (RSM) đư ợc áp d ụng khá hiệ u qu ả để phân tích n ội l ực và bi ến dạ ng c ủa kết cấ u dư ới tác d ụng c ủa đ ộng đất. Đặc bi ệt trong tr ư ờng h ợp công trình có khối lư ợ ng hay độ cứ ng thay đ ổi theo chi ều cao, hay có sự đóng góp đáng kể của dạ ng dao đ ộng b ậc cao. Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 quy đị nh việ c cầ n thiế t áp d ụng phư ơng pháp phân tích phổ p hả n ứ ng đố i vớ i hầu hết các tr ư ờ ng hợ p kết cấu nhà có chu k ỳ dao đ ộng riêng bậ c mộ t l ớ n hơn 2 giây. Bài báo này đư a ra m ột cách tiế p cậ n TCXDVN 375 : 2 006 đ ể tính tải trọng đ ộng đấ t bằ ng ph ư ơ ng pháp phân tích phổ ph ả n ứ ng theo quy trình giả n lư ợc. 2. Trình tự xác định tải trọng động đất bằng phương pháp phân tích phổ phản ứng theo TCXDVN 375 : 2006 Bướ c 1: X ác đị nh các đ ặc trư ng dao độ ng riêng c ủa hệ kết cấu: chu k ỳ dao đ ộng riêng Tk và chuyể n vị  k ,i của tầng thứ i ứ ng vớ i d ạng dao đ ộng thứ k. Ngày nay, công c ụ tính toán khá m ạnh, do đó nên dùng mô hình không gian vớ i gi ả t hi ết các bản sàn tuyệt đ ối cứ ng trong mặt phẳ ng c ủa chúng. Các đ ặc trư ng này có thể đư ợc xác đị nh theo chư ơ ng trình phân tích kết cấ u như Sap 2000, Etabs... Bướ c 2: Xác đị nh ph ổ gia tố c thi ết k ế S d (T ) v ới hệ s ố cả n nhớt h = 5% cho vị trí xây dự ng công trình, phụ t huộc vào các thông s ố: đỉ nh gia tốc nề n quy ư ớ c trên nề n đá cứ ng (loại A) a gR , loại n ền đất, hệ s ố tầm quan tr ọng  1 của công trình và hệ s ố ứ ng xử q c ủa kết cấ u [1]. Bướ c 3: Xác đị nh l ực cắt tại chân công trình ứ ng vớ i d ạng dao đ ộng thứ k ( Fbk ) [1]. T heo m ỗ i hư ớng đ ư ợ c phân tích, ứ ng vớ i mỗi d ạng dao đ ộng, lực cắt đáy đ ộng đất Fbk p hải đư ợc xác đị nh theo bi ể u thức sau: Fbk  S d (Tk ) * mk (1) Trong đó: Sd(Tk) - tung độ c ủa ph ổ t hi ết kế tại chu k ỳ T k; Tk - chu k ỳ d ao đ ộng thứ k c ủ a nhà và công trình; mk - kh ối lư ợng hiệ u dụ ng củ a nhà và công trình ở t rên móng hoặc ở trên đỉ nh củ a phần cứ ng phía dư ới, đư ợc tính theo công th ức: 2 n    mi .i ,k  mk   n  i 1 (2)  mi .i2,k i Trong đó: mi - kh ối l ư ợng phần công trình đặt t ại điể m thứ i; i ,k - chuy ển vị ngang tỉ đ ối c ủ a trọ ng tâm ph ần công trình thứ i ứng với dạ ng dao độ ng thứ k (lấy ra từ kết quả p hân tích dao độ ng bằng phầ n m ề m Sap 2000, Etabs...). Bướ c 4: Phân b ố l ực độ ng đ ất theo phư ơng ngang ( Fk ,i ). Tác độ ng củ a đ ộng đất phải đư ợ c xác đị nh bằ ng cách đặt các lực ngang Fk,i vào t ất cả c ác tầ ng ở hai mô hình ph ẳng [1]. si * m i Fik  Fbk * ( 3) sj *mj Trong đó: Fi,k - l ực ngang tác d ụng tại tầ ng th ứ i ứng v ới dao đ ộng thứ k; Fb - l ực cắt đáy đ ộng đất tí nh theo (1); si ; sj - lần lư ợ t là chuyể n vị c ủa các kh ối lư ợ ng mi ; mj trong các dạ ng dao đ ộng; mi ; mj - kh ối lư ợ ng củ a các tầ ng.
Bướ c 5: Ki ể m tra các yêu cầ u trong ph ư ơng pháp phân tích phổ ph ản ứ ng dao độ ng, tứ c là ph ải xét t ới phản ứ ng của tất cả các dạ ng dao đ ộng góp phầ n đáng kể v ào ph ả n ứ ng tổng thể của nhà [1]. Đi ều này đư ợc thực hi ệ n nế u tho ả mãn mộ t trong hai đi ề u ki ệ n sau: - T ổng khối lư ợ ng hữ u hi ệ u của các dạng dao độ ng đư ợc xét chi ếm ít n hất 90% t ổng khố i lư ợ ng kết cấ u; - T ất cả các dạ ng dao đ ộng có kh ối lư ợ ng hữ u hi ệ u l ớ n hơ n 5% t ổng khối lư ợng đ ều đư ợc xét đế n. Bướ c 6: Xác đị nh n ội lực và chuyể n vị trong h ệ kết cấu dư ới tác dụ ng của các lự c phân bố Fi ,k cho từ ng dạ ng dao độ ng, chẳ ng hạn sử d ụng ch ư ơ ng trình S ap 2000, Etabs... Bướ c 7: C huy ển vị hay nộ i lự c trong hệ kết c ấ u đư ợ c xác đị nh theo phư ơng pháp RSS. n 2 E Ei  (4) i ,k k 1 3. Một cách tiếp cận theo TCXDVN 375 : 2006 3.1. Ứng xử củ a nhà cao t ầng chị u động đất Phư ơng trì nh vi phâ n dao độ ng c ủa hệ kết cấ u nhà n tầ ng có cản nh ớt dư ớ i tác d ụng c ủa gia t ốc dị ch chuyể n nề n 0 (t ) là: y M (t)  Cyt   Kyt   M 10 t   y y (5) Trong đó: [M] - m a trận kh ối lư ợ ng; [C] - m a trậ n độ cả n; [K] - m a trậ n đ ộ cứ ng. Từ phư ơ ng trình (5) ta tìm đư ợc n phư ơng trình vi phân độc lập ứ ng v ới từ ng dạng giao đ ộng [2] nh ư sau: k (t )  2hk .k . pk (t )  k2 . pk (t )   k .0 (t ) (6)  p y V ới k = 1, 2,..., n. n  m . i i,k i 1 k  (7) n 2  m . i i,k i 1  k - hệ s ố t ham gia của giao độ ng thứ k.  k  k  - véc t ơ t ham gia c ủ a giao độ ng thứ k có tính ch ất sau [ 2]: n n   k . k   1 hoặc  .i ,k  1 ( 8) k k 1 k 1 Từ công thứ c tính toán kh ối lư ợng hữ u hi ệu mk (2) ta chứ ng minh đư ợc tổ ng kh ối lư ợng hữ u hiệ u đối v ới tất cả c ác dao đ ộng theo mộ t phư ơng b ằng khố i l ư ợng kết cấu: n ( mi .i ,k ) 2 n ( 2) n  mk   i 1  n 2  m . k 1 k 1 i i ,k i 1 n    mi .i,k n  n  m . . i1     i i ,k n    mi .i2,k k 1 i 1     i 1 n n n n (8 ) n    mi .i ,k . k .   mi   k .i ,k   mi k 1 i 1 i 1 k 1 i 1 Xét phần tră m gi ữa mk v ới tổng kh ối lượ ng kết cấu:
mk k  *100% (9) n m i i 1  k đư ợc gọ i là phầ n trăm tham gia củ a dao độ ng thứ k vào dao độ ng t ổng thể c ủa công trình m   100% ). Giá trị  k (Individual Mode - percent) đư ợc th ể hi ệ n khá rõ trong quá trình phân tích ( k k 1 dao độ ng riêng c ủa kết cấ u bằ ng các chư ơng trình nh ư Sap 2000, Etabs... T ừ c ông thứ c (9) suy ra: n mk   k . mi (10) i 1 3.2. Các b ướ c xác đị nh t ải trọng động đất theo quy trình gi ản l ược Bướ c 1: Xác đị nh các đặc trư ng dao động riêng của hệ kết cấu. N ội dung của bư ớc này giố ng như bư ớc 1 m ụ c 2. Như ng ta xác đị nh thêm phầ n trăm tham gia c ủa dao độ ng thứ k vào dao độ ng tổng thể của công trình (giá trị của  k - Individual Mode). Dao động nào có   0,05 (tứ c 5%) đều phải đư ợc xét đến. Bướ c 2: Xác định ph ổ gia t ốc thiết kế S d (T ) . Nội dung c ủa bư ớc này giố ng như bư ớc 2 mục 2. Bướ c 3: Xác đị nh l ực cắt tại chân công trình ứ ng v ới dạ ng dao độ ng thứ k ( Fbk ): Lự c cắt đáy tính theo công thứ c (1), như ng trong đó giá tr ị mk đư ợc tính theo công thứ c (10). Bướ c 4: P hân b ố lự c độ ng đất theo phư ơ ng ngang ( Fk ,i ). N ội dung của bư ớc này giống như bư ớc 4 m ục 2. Đến đây chúng ta không c ần thự c hiện bư ớc ki ểm tra (bư ớc 5 mục 2) vì đã biết sự đóng góp của nhữ ng dao đ ộng đư ợc chọn trong phản ứng tổng thể của công trình (bư ớc 1 m ục 3). Bướ c 5: N ội dung gi ốn g bư ớ c 6 m ục 2. Bướ c 6: N ội dung gi ống bư ớ c 7 m ục 2. Nh ư v ậy theo quy trình tính toán nêu trên chúng ta đã rút ngắ n đư ợc các bư ớc tính toán (b ỏ q ua bư ớc 5 m ục 2). Sau đây là ví dụ cụ thể về tính tải tr ọng đ ộng đ ất theo quy tr ình gi ản lư ợc đã nêu ở trên. 4. Ví dụ M ô tả: Công trình có 20 tầ ng cao 66 m, kích thư ớc hai c ạ nh là 20 m x 20m. Lự a chọ n vật liệ u kết cấu khung, giằ ng bằ ng kết cấu thép và sàn bằ ng bêtông c ốt thép. Công trình đư ợc xây dự ng ở qu ận Cầ u Gi ấ y – T p. Hà N ội. Sau đây là các bư ớc xác đ ịnh tải trọ ng đ ộng đ ất: Bướ c 1: Xác đị nh các đặc trư ng dao đ ộng riêng. Sau khi phân tích hệ k ết cấu dao độ ng tự d o (bằng phầ n m ềm Etabs), ta thấ y nh ữ ng mode góp ph ần đáng kể v ào phả n ứ ng t ổng thể c ủa công trình. a. T heo phươ ng Y - Y:
Dạng dao Chu kỳ T Phầ n tră m tham động (s) gia  1  79,66% Bậc nhất 3,2  2  11,50% Bậc hai 1,04  3  4,04% Bậc ba 0,58 b. Theo phươ ng X – X Dạng dao Chu kỳ T Phầ n tră m tham động (s) gia  1  78,40% Bậc nhất 2,70  2  12,03% Bậc hai 0,87  3  4,01% Bậc ba 0,48 Căn cứ t heo phầ n trăm tham gia c ủa các dao đ ộng ta thấ y rằng: - T heo phư ơ ng Y: hai dao đ ộng đầ u tiên chi ế m 91,2% > 90%. - T heo phư ơ ng X: hai dao đ ộng đầ u tiê n chi ế m 90,4% > 90%. Nên có thể b ỏ q ua ảnh hư ở ng của dao động thứ ba. Bướ c 2: X ác đị nh phổ gia tốc thiết kế S d (T ) Công trình đư ợ c xây d ự ng ở p hư ờng Quan Hoa - quậ n C ầ u Giấ y, nề n đất xây dự ng thu ộc lo ại C. Giá trị của phổ p hả n ứ ng mô t ả đàn h ồi đối v ới n ề n đất loại C: S = 1,15 ; TB(s) = 0,15 ; TC(s) = 0,6; TD(s) = 2,0. a. Giá trị gia t ốc nề n trên n ền lo ại A Giá trị đỉ nh gia tốc nề n tham chiế u trên nề n loại A là a gR  0,1032 * g ( m / s 2 ) . Công trình có chức nă ng làm vă n phòng, cao 20 tầ ng, thư ờ ng xuyên đ ông ngư ời, lắp đặt thiết bị có giá tr ị kinh tế cao, nên thuộ c mứ c đ ộ q uan tr ọng cấ p II có hệ s ố tầm quan tr ọng  1  1,00 . Giá trị đỉ nh gia t ốc nền thi ết kế là: ag   1.agR  1,00* 0.1032* 9,81 1,0124m / s 2 . b. Hệ số ứ ng xử c ủa k ết c ấ u C ông trình có hệ kết cấu thép đều đặ n theo mặt đứ ng, khung đ ư ợ c gia c ư ờng bằ ng các thanh gi ằ ng đồ ng tâm, h ệ s ố ứ ng xử q  4 . c. Xác đị nh ph ổ gia tốc thi ết kế S d (T ) của các d ạng dao đ ộng theo phươ ng Y Các dao động theo Các dao động theo phương Y phương X S d (T ) S d (T ) Các dạ ng Các dạ ng dao động dao động 2 (m/s2) (m/s ) Bậc nhất Bậc nhất 0,202 0,202 Bậc hai Bậc hai 0,42 0,502 Bướ c 3 và 4: L ậ p b ảng tính lự c cắt đáy và lự c ngang tác dụ ng t ại tầng thứ i ứ ng vớ i dao độ ng th ứ k. Theo phươ ng Y - Y: + Đ ối vớ i dạng dao đ ộng thứ nh ất, T  3,2 s . Kết quả tính theo Kết quả tính theo quy trình giả n quy trình đầ y đủ Thông số tính toán lược trong TCXDVN 375:2006 S d (Tk ) Fk ,i (T) Fk ,i (T)  i (m) k mi (tấn) m k (tấn) Tầ ng (m / s 2 ) 1 0.202 36.19 0.0029 0,7966 5.77E+02 0.512 0.512 0,7966 2 0.202 36.19 0.0063 5.77E+02 1.11 1.11
0,7966 3 0.202 36.19 0.0097 5.77E+02 1.70 1.70 0,7966 4 0.202 36.19 0.0133 5.77E+02 2.34 2.34 0,7966 5 0.202 36.19 0.0169 5.77E+02 2.97 2.97 0,7966 6 0.202 36.19 0.0206 5.77E+02 3.62 3.62 0,7966 7 0.202 36.19 0.0242 5.77E+02 4.25 4.25 0,7966 8 0.202 36.21 0.0278 5.77E+02 4.89 4.89 9 0.202 36.19 0.0313 0,7966 5.77E+02 5.50 5.50 10 0.202 36.28 0.0346 0,7966 5.77E+02 6.10 6.10 11 0.202 36.28 0.0363 0,7966 5.77E+02 6.40 6.40 12 0.202 36.19 0.0394 0,7966 5.77E+02 6.93 6.93 13 0.202 36.21 0.0423 0,7966 5.77E+02 7.44 7.44 14 0.202 36.19 0.045 0,7966 5.77E+02 7.91 7.91 15 0.202 36.19 0.0475 0,7966 5.77E+02 8.35 8.35 16 0.202 36.19 0.0498 0,7966 5.77E+02 8.75 8.75 17 0.202 36.19 0.0518 0,7966 5.77E+02 9.10 9.10 18 0.202 36.19 0.0535 0,7966 5.77E+02 9.40 9.40 19 0.202 36.33 0.055 0,7966 5.77E+02 9.70 9.70 20 0.202 35.64 0.0558 0,7966 5.77E+02 9.66 9.66 + Đ ối vớ i các dao đ ộng còn l ại đư ợ c tính tư ơng t ự . Sau khi xác đị nh đ ư ợc tải trọ ng đ ộng đất, ta thự c hi ệ n các bư ớ c 5 và 6 (m ục 3) để x ác đị nh thông s ố đầ u ra c ủa k ết cấ u. 5. Kết luận T heo quy trình tính toán giả n lư ợc nêu ở m ụ c 3 c ho kết quả tính toán đúng nh ư t ính theo quy trình đầ y đủ trong TCXDVN 375 : 2006. Vi ệc sử dụ ng quy trình gi ả n lư ợc này giúp các kỹ sư gi ả n hoá đư ợc tính toán và nhận bi ết dao độ ng nào góp phầ n đáng kể trong phả n ứ ng t ổng thể củ a công trình ngay từ giai đ oạ n phân tích đ ặc trưng dao đ ộng riêng c ủ a kết cấ u. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TCXDVN 375 - 2006. Thiết kế công trình chịu động đất – Tiêu chuẩ n thiết kế. NXB Xây dựng, Hà Nội, 2006. 2. ĐẶNG DANH THU ẬT. Phương pháp phân tích phổ phả n ứng trong thiết kế kháng chấ n nhà cao t ầng. Tạp chí Xây dựng, số 8/2007. Ngày nhận bài: 31/7/2008.