Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tương tác kết cấu-đất nền dưới tác dụng của tải trọng động đất bằng phần tử vĩ mô

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án: Bằng lý thuyết và thí nghiệm, luận án nghiên cứu tương tác hệ kết cấu-đất nền chịu tác dụng của tải trọng động đất. Trong phân tích lý thuyết, tương tác phức tạp của hệ móng-đất nền được mô hình bằng phần tử vĩ mô để việc tính toán được dễ dàng nhưng vẫn đảm bảo tính chính xác các ứng xử của hệ. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tương tác kết cấu-đất nền dưới tác dụng của tải trọng động đất bằng phần tử vĩ mô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HUỲNH VĂN QUÂN NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HUỲNH VĂN QUÂN NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ Ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS. TS. Nguyễn Xuân Huy 2: PGS. TS. Nguyễn Trung Kiên HÀ NỘI - 2021
i LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cám ơn đến hai cán bộ hướng dẫn khoa học PGS. TS. Nguyễn Xuân Huy và PGS. TS. Nguyễn Trung Kiên đã tận tình hướng dẫn khoa học, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đến sự quan tâm của Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Sức bền vật liệu, Bộ môn Cơ lý thuyết, Phân hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải tại TP. HCM đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, ủng hộ tôi trong thời gian qua.
ii LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình. Các số liệu, kết quả được đưa ra trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Huỳnh Văn Quân
iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN .......................5 1.1 Lý thuyết tương tác kết cấu-đất nền .......................................................................5 1.1.1 Khái niệm .........................................................................................................5 1.1.2 Tương tác động và tương tác quán tính dưới tải trọng động đất .....................8 1.1.3 Ứng xử phi tuyến hệ móng-đất nền dưới tải trọng động đất ...........................9 1.2 Các phương pháp phân tích tương tác kết cấu-đất nền ........................................11 1.2.1 Phương pháp trực tiếp ....................................................................................11 1.2.2 Phương pháp kết cấu phụ...............................................................................13 1.2.3 Phương pháp lai .............................................................................................14 1.3 Phần tử vĩ mô trong phân tích tương tác kết cấu-đất nền ....................................14 1.3.1 Khái niệm phần tử vĩ mô ...............................................................................14 1.3.2 Một số mô hình phần tử vĩ mô.......................................................................16 1.4 Các nghiên cứu thực nghiệm về tương tác kết cấu-đất nền chịu động đất ..........31 1.4.1 Mô hình móng-đất nền...................................................................................32 1.4.2 Mô hình hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền .................................................37 1.5 Một số nhận xét và đặt vấn đề nghiên cứu ...........................................................40 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ .......................................................................42 2.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................42 2.2 Các đặc trưng cơ bản của phần tử vĩ mô ..............................................................42 2.2.1 Véc-tơ lực và véc-tơ chuyển vị ......................................................................42 2.2.2 Ứng suất chịu nén cực hạn của đất dưới đáy móng .......................................44 2.2.3 Hàm dẻo và quy luật chảy .............................................................................45 2.2.4 Ma trận độ cứng của phần tử vĩ mô ...............................................................46 2.3 Mô hình tương tác kết cấu-đất nền bằng phần tử vĩ mô ......................................51 2.3.1 Hệ móng-đất nền............................................................................................51 2.3.2 Hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền ...............................................................53 2.4 Tích phân số các phương trình vi phân chuyển động của hệ ...............................55 2.5 Ví dụ áp dụng .......................................................................................................56 Kết luận Chương 2 .....................................................................................................60 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TƯƠNG TÁC HỆ KẾT CẤU-ĐẤT NỀN DƯỚI TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT .......................................................................61
iv 3.1 Cơ sở thiết kế mô hình thí nghiệm .......................................................................61 3.2 Thiết lập mô hình thí nghiệm ...............................................................................64 3.2.1 Xác định kích thước mô hình ........................................................................64 3.2.2 Vật liệu của mô hình ......................................................................................67 3.2.3 Tải trọng .........................................................................................................69 3.2.4 Các thiết bị đo đạc .........................................................................................71 3.3 Quá trình tiến hành thí nghiệm ............................................................................73 3.4 Kết quả thí nghiệm ...............................................................................................74 3.4.1 Hệ móng-đất nền............................................................................................74 3.4.2 Hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền ...............................................................78 Kết luận Chương 3 .....................................................................................................88 CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ .....................................................................................................................89 4.1 Giới thiệu..............................................................................................................89 4.2 Ứng xử chịu động đất của hệ móng-đất nền ........................................................90 4.2.1 Các thông số tương đương của mô hình thí nghiệm ......................................90 4.2.2 So sánh kết quả phân tích lý thuyết với thí nghiệm .......................................90 4.3 Ứng xử chịu động đất của hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền ...........................95 4.3.1 Các thông số tương đương của mô hình thí nghiệm ......................................95 4.3.2 So sánh kết quả phân tích lý thuyết với thí nghiệm .......................................96 4.3. Phân tích sự ảnh hưởng của độ cứng 𝑲𝑺 đến ứng xử của kết cấu phần trên ....103 4.3.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................103 4.3.2 Ảnh hưởng của độ cứng 𝑲𝑺 đến gia tốc kết cấu phần trên .........................105 4.3.3 Ảnh hưởng của độ cứng 𝑲𝑺 đến chuyển vị kết cấu phần trên ....................106 Kết luận Chương 4 ...................................................................................................109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................110 I. Kết luận .................................................................................................................110 II. Kiến nghị .............................................................................................................111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ...........................................................112 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................113
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 𝐵 Bề rộng móng 𝑪 Ma trận cản 𝑐 Sức chống cắt của đất 𝐷𝑓 Chiều sâu chôn móng 𝑓 Tần số cơ bản của kết cấu khi coi liên kết cứng với nền 𝐻𝑥 Lực thu gọn theo phương 𝑥 𝐻𝑦 Lực thu gọn theo phương 𝑦 𝐻𝑧 Lực thu gọn theo phương 𝑧 𝑲 Ma trận độ cứng ℎ Chiều cao kết cấu 𝑰 Véc-tơ hệ số ảnh hưởng LPM Mô hình thông số tập trung 𝑘𝑣 Hệ số đàn hồi tương đương của đất theo phương đứng 𝑘0 Hệ số đàn hồi tương đương của đất theo phương ngang 𝑘𝑟 Hệ số đàn hồi tương đương của đất theo góc xoay 𝑴 Ma trận khối lượng 𝑀 Mô men thu gọn 𝑀𝑥 Mô men thu gọn quanh trục 𝑥 𝑀𝑦 Mô men thu gọn quanh trục 𝑦 𝑁 Phản lực theo phương đứng 𝑛 Số tầng của tòa nhà PsDT Tải trọng động giả QST Tải trọng tĩnh tương đương 𝑞𝑚𝑎𝑥 Ứng suất chịu nén tới hạn của đất dưới tải trọng đúng tâm thẳng đứng 𝑟 Bán kính quán tính
vi SSI Tương tác đất-kết cấu STT Thí nghiệm bàn rung 𝒖 Véc-tơ chuyển vị tương đối 𝒖̈ 𝑔 Gia tốc của đất 𝑢𝑥 Chuyển vị thu gọn theo phương 𝑥 𝑢𝑦 Chuyển vị thu gọn theo phương 𝑦 𝑢𝑧 Chuyển vị thu gọn theo phương 𝑧 𝑢 Chuyển vị tịnh tiến theo phương ngang 𝑉𝑠 Vận tốc sóng cắt 𝑉 Phản lực theo phương ngang 𝜈 Chuyển vị tịnh tiến theo phương đứng 𝛽 Hệ số điều chỉnh vị trí của tải trọng cực đại theo phương ngang 𝛾 Khối lượng đơn vị của đất 𝛿 Hệ số cản lan truyền 𝜆𝑠 Tỷ số mảnh của kết cấu λ Hệ số tỷ lệ hình học 𝜇 Hệ số ma sát đất-móng 𝜓 Hệ số không thứ nguyên 𝜃𝑥 Góc xoay thu gọn quanh trục 𝑥 𝜃𝑦 Góc xoay thu gọn quanh trục 𝑦 𝜃 Góc xoay 𝜌𝑐 Hàm lịch sử của hệ 𝜌𝑔 Hệ số tỷ lệ
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các thông số cơ bản của cát thí nghiệm trong phân tích SSI (Cyclic1D) ....47 Bảng 2.2. Các thông số của địa chất đất nền .................................................................56 Bảng 2.3. Các thông số tương đương của hệ móng-đất nền..........................................57 Bảng 2.4. Sai số gia tốc và chuyển vị cực đại theo phương ngang giữa hai phương pháp phân tích .......................................................................................................58 Bảng 3.1. Hệ số tỷ lệ của các biến xác định theo 𝜆 (Meymand, 1998) .........................65 Bảng 3.2. Kích thước dự kiến của mô hình thí nghiệm theo các hệ số tỷ lệ .................65 Bảng 3.3. Lựa chọn kích thước hộp đất.........................................................................66 Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật của bàn rung R202(UTC) ..........................................71 Bảng 3.5. Ký hiệu các trường hợp gia tải với mô hình móng-đất nền ..........................73 Bảng 3.6. Ký hiệu các trường hợp gia tải với mô hình kết cấu phần trên-móng-đất nền ......................................................................................................................73 Bảng 3.7. Gia tốc cực đại của đỉnh móng T12 ..............................................................74 Bảng 3.8. Gia tốc cực đại của đỉnh móng T13 ..............................................................75 Bảng 3.9. Gia tốc cực đại của đỉnh móng T14 ..............................................................76 Bảng 3.10. Gia tốc cực đại của đỉnh móng T15 ............................................................77 Bảng 3.11. Tổng hợp chênh lệch gia tốc cực đại trong thí nghiệm móng-đất nền........77 Bảng 3.12. Chuyển vị và gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T21 ............................78 Bảng 3.13. Chuyển vị và gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T22 ............................80 Bảng 3.14. Chuyển vị và gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T23 ............................80 Bảng 3.15. Chuyển vị và gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T24 ............................83 Bảng 3.16. Gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T25 ..................................................84 Bảng 3.17. Gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T26 ..................................................86
viii Bảng 3.18. Tổng hợp kết quả chuyển vị cực đại trong thí nghiệm hệ kết cấu phần trên- móng-đất nền................................................................................................87 Bảng 3.19. Tổng hợp kết quả gia tốc cực đại trong thí nghiệm hệ kết cấu phần trên- móng-đất nền................................................................................................87 Bảng 4.1. Các thông số tương đương của mô hình thí nghiệm hệ móng-đất nền .........90 Bảng 4.2. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T12-00 ........91 Bảng 4.3. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết với thí nghiệm T13-00 .......92 Bảng 4.4. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T14-00 ........93 Bảng 4.5. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T15-00 ........94 Bảng 4.6. Tổng hợp sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm hệ móng-đất nền................................................................................................94 Bảng 4.7. Các thông số tương đương của kết cấu phần trên .........................................96 Bảng 4.8. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T21-00 ........97 Bảng 4.9. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T22-00 ........98 Bảng 4.10. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T23-00 ......99 Bảng 4.11. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T24-00 ....100 Bảng 4.12. Sai số của giá trị cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T25-00 ................100 Bảng 4.13. Sai số của giá trị cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T26-00 ................102 Bảng 4.14. Tổng hợp sai số của giá trị cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền .............................................................................102
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Quan điểm về tương quan giữa độ cứng kết cấu và móng (Grange, 2008): (a) quan điểm của kỹ sư kết cấu, (b) quan điểm của kỹ sư địa kỹ thuật .............5 Hình 1.2. Hai hình thức kết cấu liên kết với đất (Kotronis, 2013): (a) liên kết cứng, (b) liên kết đàn hồi ...............................................................................................6 Hình 1.3. Minh họa ảnh hưởng của việc xét và không xét SSI đến sự xuất hiện vết nứt của hệ (NIST, 2012): (a) trên tường, (b) trên khung (vị trí khoanh tròn) ......7 Hình 1.4. Các tương tác kết cấu-đất nền (Kausel, 1978): (a) mô hình phân tích, (b) tương tác động, (c) tương tác quán tính ...................................................................8 Hình 1.5. Một số tương tác động của móng bè với đất (Datta, 2010): (a) dịch chuyển theo phương đứng, (b) dịch chuyển theo phương ngang, (c) ngăn cản dịch chuyển của đất, (d) chuyển động xoay...........................................................9 Hình 1.6. Quá trình hình thành các phi tuyến trong tương tác móng-đất nền (Anastasopoulos 2012, Paolucci 2008): (a) trạng thái ban đầu, (b) bắt đầu xuất hiện phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu rất bé, (c) phi tuyến hình học đã xuất hiện, phi tuyến vật liệu tăng dần, (d) phi tuyến hình học và vật liệu xuất hiện đồng thời.......................................................................................10 Hình 1.7. Phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán SSI (Datta, 2010) .....................12 Hình 1.8. Ba bước giải bài toán SSI theo phương pháp kết cấu phụ (Chatzigogos 2008, Mylonakis 2006) ..........................................................................................13 Hình 1.9. Hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền và khái niệm phần tử vĩ mô (Chatzigogos, 2009) ............................................................................................................14 Hình 1.10. Mô hình đàn dẻo của Nova (1991) ..............................................................16 Hình 1.11. Cầu Viaduc de l'Arc-Pháp ...........................................................................19 Hình 1.12. Kết quả phân tích (Cremer, 2002): (a) Độ lún, (b) góc xoay ......................19 Hình 1.13. Mô hình bài toán và kết quả phân tích của Paolucci (1997) .......................21
x Hình 1.14. Kết quả phân tích của mô hình thí nghiệm 2-2 (Paolucci, 2008) ................22 Hình 1.15. Phần tử vĩ mô không gian đối với móng tròn (Grange, 2009b): (a) lực thu gọn, (b) chuyển vị thu gọn ...........................................................................23 Hình 1.16. Mô hình thí nghiệm và kết quả phân tích dự án Camus IV (Grange, 2009) ......................................................................................................................25 Hình 1.17. Mô hình và kết quả phân tích của Chatzigogos (2009) ...............................28 Hình 1.18. Kết quả phân tích của Figini (2012): (a) dự án Camus IV, (b) dự án TRISEE- 1, (c) dự án TRISEE-2 .................................................................................31 Hình 1.19. Mô hình thí nghiệm của Maugeri (2000) ....................................................32 Hình 1.20. Móng sau khi kết thúc thí nghiệm (Maugeri, 2000) ....................................33 Hình 1.21. Thí nghiệm 1 (Tsukamoto, 2012): (a) hình chiếu bằng, (b) hình chiếu đứng ......................................................................................................................33 Hình 1.22. Thí nghiệm 2 (Tsukamoto, 2012): (a) hình chiếu bằng, (b) hình chiếu đứng ......................................................................................................................34 Hình 1.23. Mô hình móng tròn (Tsukamoto, 2012) ......................................................34 Hình 1.24. Mô hình móng giếng chìm (Ibsen, 2015) ....................................................34 Hình 1.25. Mô hình thí nghiệm móng xa bờ (Barari, 2017) .........................................35 Hình 1.26. Kích thước mặt cắt ngang thí nghiệm ly tâm (Adamidis, 2018) .................35 Hình 1.27. Mặt cắt ngang mô hình thí nghiệm ly tâm (Zeybek, 2017 và 2020) ...........36 Hình 1.28. Lê Văn Tuân (2016) thí nghiệm với công trình ngầm có mặt cắt hình chữ nhật: (a) hộp đất, (b) mô hình thí nghiệm ....................................................36 Hình 1.29. Trần Thu Hằng (2019) thí nghiệm với công trình ngầm có mặt cắt hình tròn: (a) phương cạnh dài, (b) phương cạnh ngắn, (c) đặt mẫu vào thùng cát .....37 Hình 1.30. Hình dạng hộp đất và mẫu thí nghiệm dự án PWRI ...................................38 Hình 1.31. Mô hình thí nghiệm với trụ đơn (Anastasopoulos, 2012) ...........................38 Hình 1.32. Mô hình thí nghiệm với hệ khung (Anastasopoulos, 2012) ........................39
xi Hình 1.33. Hộp cát và sơ đồ bố trí thí nghiệm (Qin, 2013)...........................................39 Hình 2.1. Lực và chuyển vị thu gọn của phần tử vĩ mô không gian .............................43 Hình 2.2. Lực và chuyển vị thu gọn của phần tử vĩ mô phẳng .....................................43 Hình 2.3. Định nghĩa chiều sâu 𝐷𝑓 theo Terzaghi ........................................................44 Hình 2.4. Tương tác kết cấu-đất nền: cặp phi tuyến hình học và vật liệu .....................48 Hình 2.5. Sơ đồ khối xác định ma trận độ cứng phần tử vĩ mô.....................................51 Hình 2.6. Mô hình phân tích hệ móng-đất nền: (a) bài toán phân tích, (b) phần tử vĩ mô trong mặt phẳng (x, z) ..................................................................................52 Hình 2.7. Mô hình phân tích hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền: (a) bài toán phân tích, (b) mô hình với phần tử vĩ mô .....................................................................53 Hình 2.8. Các kích thước cơ bản hệ móng-đất nền .......................................................56 Hình 2.9. Gia tốc động đất El-centro (1940) .................................................................56 Hình 2.10. Giao diện phần mềm CyclicTP (V.0.3.0) ....................................................58 Hình 2.11. Ứng xử đỉnh tim móng theo phương ngang được phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp lai: (a) gia tốc, (b) chuyển vị ..................59 Hình 3.1. Bố trí chung cầu Sanguinneti, ngoại ô Sonora, California, Hoa Kỳ (Deng, 2014): (a) phương dọc cầu, (b) phương ngang cầu ......................................61 Hình 3.2. Mô hình nguyên mẫu theo phương ngang cầu: (a) mô hình của Drosos (2012), (b) mô hình của Anastasopoulos (2013), (c) mô hình của Anastasopoulos (2012, 2014) và Tsatsis (2015) ....................................................................62 Hình 3.3. Kích thước cơ bản của công trình cầu nguyên mẫu ......................................62 Hình 3.4. Dự kiến mô hình thí nghiệm hệ móng-đất nền ..............................................63 Hình 3.5. Dự kiến mô hình thí nghiệm hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền .................64 Hình 3.6. Yêu cầu kích thước tối thiểu của hộp đất so với móng .................................66 Hình 3.7. Kích thước thực tế của hộp đất sau khi chế tạo .............................................67 Hình 3.8. Hộp đất sau được cố định vào bàn rung ........................................................67
xii Hình 3.9. Biểu đồ thành phần hạt của đất thí nghiệm ...................................................68 Hình 3.10. Hình dạng và kích thước móng thí nghiệm .................................................68 Hình 3.11. Hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền được đặt vào hộp đất ..........................69 Hình 3.12. Gia tốc động đất Tolmezzo..........................................................................71 Hình 3.13. Hệ móng-đất nền: bố trí thiết bị đo gia tốc..................................................72 Hình 3.14. Hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền: vị trí xác định chuyển vị và gia tốc ...72 Hình 3.15. Thiết bị thu nhận tín hiệu đo........................................................................72 Hình 3.16. Các trường hợp ngàm móng khi thí nghiệm................................................73 Hình 3.17. Gia tốc đỉnh móng T12 ................................................................................74 Hình 3.18. Gia tốc đỉnh móng T13 ................................................................................75 Hình 3.19 Gia tốc đỉnh móng T14 .................................................................................76 Hình 3.20. Gia tốc đỉnh móng T15 ................................................................................77 Hình 3.21. Phản ứng của đỉnh kết cấu phần trên T21: (a) chuyển vị, (b) gia tốc .........79 Hình 3.22. Phản ứng của đỉnh kết cấu phần trên T22: (a) chuyển vị, (b) gia tốc .........80 Hình 3.23. Phản ứng của đỉnh kết cấu phần trên T23: (a) chuyển vị, (b) gia tốc .........81 Hình 3.24. Sau khi kết thúc thí nghiệm T24-00 ............................................................82 Hình 3.25. Phản ứng của đỉnh kết cấu phần trên T24: (a) chuyển vị, (b) gia tốc .........83 Hình 3.26. Phản ứng của đỉnh kết cấu phần trên T25: (a) chuyển vị, (b) gia tốc .........84 Hình 3.27. Sau khi kết thúc thí nghiệm T26: (a) móng đặt trên mặt đất, (b) móng chôn 50% chiều cao, (c) móng chôn 100% chiều cao ..........................................85 Hình 3.28. Phản ứng đỉnh kết cấu phần trên T26: (a) chuyển vị, (b) gia tốc ................86 Hình 4.1. Biểu đồ gia tốc T12-00 ..................................................................................91 Hình 4.2. Trích biểu đồ gia tốc T12-00 .........................................................................91 Hình 4.3. Biểu đồ gia tốc T13-00 ..................................................................................92 Hình 4.4. Trích biểu đồ gia tốc T13-00 .........................................................................92
xiii Hình 4.5. Biểu đồ gia tốc T14-00 ..................................................................................93 Hình 4.6. Trích biểu đồ gia tốc T14-00 .........................................................................93 Hình 4.7. Biểu đồ gia tốc T15-00 ..................................................................................94 Hình 4.8. Trích biểu đồ gia tốc T15-00 .........................................................................94 Hình 4.9. Thí nghiệm T21-00: (a) chuyển vị, (b) gia tốc ..............................................97 Hình 4.10. Thí nghiệm T22-00: (a) chuyển vị, (b) gia tốc ............................................98 Hình 4.11. Thí nghiệm T23-00: (a) chuyển vị, (b) gia tốc ............................................99 Hình 4.12. Thí nghiệm T24-00: (a) chuyển vị, (b) gia tốc ..........................................100 Hình 4.13. Thí nghiệm T25-00: (a) chuyển vị, (b) gia tốc ..........................................101 Hình 4.14. Thí nghiệm T26-00: (a) chuyển vị, (b) gia tốc ..........................................102 Hình 4.15. Gia tốc kết cấu phần trên giữa mô hình đề xuất, Paolucci và thí nghiệm: (a) T21-00, (b) T24-00 ....................................................................................106 Hình 4.16. Chuyển vị kết cấu phần trên giữa mô hình đề xuất, Paolucci và thí nghiệm: (a) T21-00, (b) T24-00 ...............................................................................107 Hình 4.17. Ảnh hưởng của độ cứng 𝑘1 đến chuyển vị của kết cấu phần trên (thí nghiệm T21-00): (a) 1%𝑘1, (b) 5%𝑘1, (c) 10%𝑘1, (d) 50%𝑘1 .............................108
1 MỞ ĐẦU Tính thời sự của đề tài Trong các tiêu chuẩn thiết kế công trình hiện nay như tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017, tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD của Hoa Kỳ, tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất TCVN 9386:2012, tiêu chuẩn tiết kế kết cấu chịu động đất EN 1998 Eurocode 8, ... việc phân tích ứng xử của kết cấu có xét đến tương tác với đất nền hầu như chưa được kể đến hoặc chỉ ở dạng khuyến nghị cần nên xem xét. Trình tự thiết kế một công trình trong thực tế được thực hiện qua các bước: (1) kỹ sư kết cấu phân tích kết cấu phần trên; coi hệ liên kết với đất nền bằng các gối cố định hoặc ngàm cứng; kết quả phân tích được chuyển cho kỹ sư thiết kế nền móng dưới dạng mô men, lực cắt, … tại chân công trình; (2) bằng các thí nghiệm trong phòng và hiện trường, nhóm kỹ sư khác xác định khả năng chịu lực cho phép và các chỉ số cần thiết của đất nền; (3) từ hai nguồn kết quả trên, kỹ sư phụ trách phần móng sẽ thiết kế ra phương án đảm bảo khả năng chịu lực. Trong khi đó, quá trình này đòi hỏi kỹ sư kết cấu cũng như kỹ sư nền móng cần biết chi tiết về nhau để công trình thiết kế được an toàn về mặt kỹ thuật và hiệu quả về tính kinh tế. Nguyên nhân chính dẫn đến quá trình thiết kế được chia tách như trên là do nếu xét đồng thời hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền (hệ kết cấu-đất nền) dẫn đến việc phân tích rất khó khăn. Trong đó, tương tác giữa đất nền và móng diễn ra rất phức tạp, đặc biệt trong trường hợp kết cấu chịu tải trọng động đất. Việc phân tích tổng thể hệ kết cấu-đất nền dưới tải trọng động đất trong thực thế chỉ được thực hiện cho các công trình có tầm quan trọng lớn. Trong những năm gần đây, số trận động đất tại Việt Nam đã được Viện Vật lý địa cầu ghi nhận và thống kê ngày càng nhiều như: các trận động đất liên quan đến dự án thủy điện Sông Tranh; các trận động đất nằm trên địa bàn các tỉnh phía Bắc như Điện Biên, Hòa Bình, Sơn La; các trận động đất ngoài khơi biển Vũng Tàu. Khu vực phía Bắc của nước ta có thể xảy ra động đất mạnh cấp VIII (thang MSK-1964), tương ứng với cấp động đất này, công trình có thể bị phá hoại.
2 Tại Việt Nam, các nghiên cứu về tương tác hệ kết cấu-đất nền đa phần đều được các tác giả thực hiện dưới dạng phân tích lý thuyết với mô hình có liên kết giữa đất nền và móng là các lò xo tuyến tính (Lê Văn Tuân 2016, Đào Văn Hưng 2017, Vũ Minh Ngọc 2019). Trên thế giới, tương tác phức tạp của hệ kết cấu-đất nền được mô hình với phần tử vĩ mô được xem như một giải pháp hiện đại và hiệu quả. Tuy nhiên, nội dung bài toán phân tích tương tác đồng thời giữa đất nền và kết cấu dưới tải trọng động đất cần được tiếp tục nghiên cứu để hiểu rõ hơn về ứng xử chung của hệ, để quá trình phân tích được thực hiện một cách dễ dàng nhưng vẫn đảm bảo kết quả gần với điều kiện làm việc thực tế. Chính vì vậy, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tương tác kết cấu-đất nền dưới tác dụng của tải trọng động đất bằng phần tử vĩ mô” để thực hiện luận án này. Mục tiêu của luận án Bằng lý thuyết và thí nghiệm, luận án nghiên cứu tương tác hệ kết cấu-đất nền chịu tác dụng của tải trọng động đất. Trong phân tích lý thuyết, tương tác phức tạp của hệ móng-đất nền được mô hình bằng phần tử vĩ mô để việc tính toán được dễ dàng nhưng vẫn đảm bảo tính chính xác các ứng xử của hệ. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng chính của luận án, như đã nói ở trên, là ứng xử của hệ kết cấu-đất nền chịu tác dụng của tải trọng động đất dưới dạng chuyển vị và gia tốc theo phương ngang bằng lý thuyết và thí nghiệm. Trong phân tích: kết cấu được mô hình dưới dạng thông số tập trung (Lumped-Parameter Model), trụ là phần tử dầm tuyến tính, sử dụng tích phân số Newmark thông qua phần mềm Matlab để giải hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ được khảo sát, phần tử vĩ mô được nghiên cứu đối với trường hợp móng nông đặt trên mặt đất là cát chặt và chưa xét đến cặp ứng xử chuyển vị-góc xoay. Trong thí nghiệm, hộp đất dạng tường cứng được gắn vào bàn rung, gia tốc kích thích theo phương cạnh dài dưới dạng thời gian, bỏ qua ảnh hưởng do sự thay đổi tính chất của đất trong quá trình thí nghiệm trước đến thí nghiệm tiếp theo. Các thông số trong mô hình thí nghiệm như đất nền, móng, trụ, kết cấu phần trên, gia tốc bàn rung được giả thiết là thông số đầu vào cho mô hình bài toán cơ học mà chưa thể tương đương với một công trình cụ thể nào trong thực tế.
3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu trong luận án là sự kết hợp hài hòa giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng vừa để kiểm chứng các kết quả lý thuyết và cũng để lấy số liệu đầu vào cho bài toán phân tích tương tác kết cấu-đất nền. Tích phân số phương trình vi phân chuyển động của hệ kết cấu-đất nền dưới tải trọng động đất được thực hiện qua phương pháp Newmark. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Việc đề xuất công cụ phân tích tương tác hệ móng-đất nền dưới tải trọng động đất với phần tử vĩ mô giúp giải bài toán được đơn giản hóa nhưng xét đến đầy đủ các phi tuyến của hệ. Kết quả phân tích ứng xử hệ gần với điều kiện làm việc thực tế giúp các kỹ sư thiết kế đưa ra các giải pháp phù hợp hơn. Nghiên cứu thực nghiệm bàn rung tương tác kết cấu-đất nền với mô hình thu nhỏ không chỉ giúp quan sát được ứng xử thực của hệ mà còn là cơ sở để kiểm chứng kết quả phân tích từ mô hình lý thuyết do luận án đề xuất. Bố cục của luận án Bố cục của luận án gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận. Phần Mở đầu trình bày sự cần thiết của đề tài, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và bố cục luận án. Chương 1 trình bày tổng quan về các vấn đề cơ bản được đặt ra để nghiên cứu sinh tìm hiểu, từ đó định hướng nội dung thực hiện luận án. Chương này trình bày tổng quan về tương tác kết cấu-đất nền dưới tải trọng động đất, về các phương pháp phân tích tương tác kết cấu-đất nền, về phần tử vĩ mô của phương pháp lai và về thực nghiệm nghiên cứu tương tác kết cấu-đất nền. Chương 2 trình bày nội dung nghiên cứu lý thuyết về việc đề xuất phần tử vĩ mô để thay thế cho hệ móng-đất nền phù hợp với phân tích tải trọng động đất. Thành lập hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ móng-đất nền và kết cấu phần trên-móng-đất nền.
4 Chương 3 trình bày nội dung nghiên cứu thực nghiệm bàn rung tương tác kết cấu- đất nền dưới tải trọng động đất với trường hợp có và không có kết cấu phần trên. Chương 4 trình bày kết quả phân tích ứng xử của hệ kết cấu-đất nền dưới tải trọng động đất bằng hệ phương trình đã được xây dựng trong Chương 2. Kết quả phân tích lý thuyết được so sánh với kết quả thí nghiệm trong Chương 3. Phần Kết luận trình bày tóm tắt kết quả chính mà luận án đã thực hiện, các đóng góp mới của luận án. Đồng thời cũng nêu ra một số vấn đề chưa được giải quyết và cần thực hiện ở các nghiên cứu tiếp theo.
5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN 1.1 Lý thuyết tương tác kết cấu-đất nền 1.1.1 Khái niệm Theo quan điểm của các kỹ sư kết cấu, bằng các giải pháp thiết kế, móng được chôn vào nền nên độ cứng hệ nền-móng rất lớn; trong khi kết cấu có độ cứng rất bé nên được xem như một lá mỏng (Hình 1.1(a)). Theo quan điểm của các kỹ sư địa kỹ thuật, kết cấu được chủ động chế tạo để đủ khả năng chịu lực nên có độ cứng rất lớn, trong khi móng đặt trên nền đất làm nhiệm vụ nâng đỡ kết cấu nên được xem như một gối mềm (Hình 1.1(b)). (a) (b) Hình 1.1. Quan điểm về tương quan giữa độ cứng kết cấu và móng (Grange, 2008): (a) quan điểm của kỹ sư kết cấu, (b) quan điểm của kỹ sư địa kỹ thuật Với quan điểm kết cấu được xem như lá mỏng hoặc móng như một gối mềm, các kỹ sư kết cấu và địa kỹ thuật đã chú tâm đến ý nghĩa của độ cứng từng bộ phận công trình được thiết kế. Nếu một chuyển động rất bé cũng ảnh hưởng đến ứng xử của lá mỏng hoặc một số gia về lực cũng ảnh hưởng đến gối mềm. Do đó, việc xét ứng xử đồng thời hệ kết cấu, móng và đất nền là hết sức cần thiết. Hình 1.2(a) là mô hình kết cấu được phân tích với giả thiết liên kết cứng với nền mà chưa xét đến chuyển vị ngang, chuyển vị đứng và góc xoay của móng. Giả thiết này chỉ phù hợp trong trường hợp kết cấu có móng ngàm trong nền đá cứng hoặc khi độ cứng tương đối của hệ móng-đất nền là rất cao so với kết cấu phần trên.