Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích tĩnh phi tuyến khung thép phẳng chịu địa chấn có xét đến biến dạng nền sử dụng phương pháp MPA và CSM kết hợp

Chia sẻ: ViJiji ViJiji | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:97

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu luận văn là đề xuất qui trình phân tích tĩnh phi tuyết MPA – CSM kết hợp. Áp dụng qui trình phân tích tĩnh phi tuyết MPA – CSM kết hợp đề xuất để phân tích ứng sử phi tuyến của hệ khung thép có xét đến biến dạng nền chịu tác động của động đất.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích tĩnh phi tuyến khung thép phẳng chịu địa chấn có xét đến biến dạng nền sử dụng phương pháp MPA và CSM kết hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN ------------------------------------------------------------------------ TRƯƠNG TẤN THỰC PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN KHUNG THÉP PHẲNG CHỊU ĐỊA CHẤN CÓ XÉT ĐẾN BIẾN DẠNG NỀN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MPA VÀ CSM KẾT HỢP LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành:Kỹ thuật xây dựng Mã ngành: 8.58.02.01 Long An, năm 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN ------------------------------------------------------------------------ TRƯƠNG TẤN THỰC PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN KHUNG THÉP PHẲNG CHỊU ĐỊA CHẤN CÓ XÉT ĐẾN BIẾN DẠNG NỀN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MPA VÀ CSM KẾT HỢP LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã ngành: 8.58.02.01 Người hướng dẫn khoa học:TS. Nguyễn Hồng Ân Long An, năm 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các tạp chí khoa học và công trình nào khác. Các thông tin số liệu trong luận văn này đều có nguồn gốc và được ghi chú rõ ràng./. Tác giả Trương Tấn Trực
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 này. Em xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô đã trực tiếp giảng dạy lớp Cao học Xây dựng dân dụng và công nghiệp khóa học 2015-2017. Thầy và Cô đã truyền đạt những kiến thức hết sức quý giá trong suốt thời gian học tập, cám ơn các bạn đã đồng hành và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập tại trường. Lời cảm ơn cuối cùng em xin gửi đến các tác giả những người đi trước đã có những nghiên cứu, những đóng góp và những tài liệu có liên quan đến đề tài luận văn để học viên tham khảo trong quá trình thực hiện đề tài! Tác giả Trương Tấn Trực
iii NỘI DUNG TÓM TẮT Hiện nay, trong đánh giá động đất cho nhà cao tầng cũng như ứng xử của kết cấu khi chịu động đất. Ta 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. Chính vì lý do này, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp và các mô hình đơn giản hơn để ước tính tác động của động đất đến công trình. Các đề xuất đưa ra để khắc phục những hạn chế này, từ đó các phương pháp và các mô hình tính toán đơn giản hơn đã được đề xuất. 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.
iv ABSTRACT Currently, in assessing earthquakes for tall buildings as well as the behavior of structures when subjected to earthquakes. We can be accurately estimated based on the time domain nonlinear analysis method NL - RHA (Nonlinear Response History Analysis). However, this method has some limitations: the time to build the calculation model, the input parameters, the calculation and processing of the results take a long time ... making the use of this method in calculation Practical math has certain difficulties. For this reason, many researchers have proposed simpler methods and models to estimate the impact of earthquakes on buildings. Proposals are made to overcome these limitations, from which more simple methods and models of computation have been proposed. Among the proposed nonlinear static methods, the MPA method has many outstanding advantages because considering the higher vibration form, the target displacement of a degree of freedom system is determined by solving Nonlinear equations so the forecasting results are very good. However, solving nonlinear equations is quite complicated and takes a lot of time. Therefore, to reduce difficulties in implementing MPA method, the combined MPA - CSM method is implemented in this thesis.
v MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ vii DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ BẢN VẼ .............................................................................. viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮC TIẾNG VIỆT .................................................................. xi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮC TIẾNG ANH ................................................................. xii PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU/ ĐỀ TÀI ........................................... 4 1.1 Phi tuyến hình học ......................................................................................................... 6 1.2 Phi tuyến vật liệu .......................................................................................................... 6 1.3 Cơ cấu chảy dẻo mong muốn của khung chịu động đất ............................................... 7 1.4 Tương tác nền .............................................................................................................. 11 1.4.1 Một số mô hình nền đất ............................................................................................ 11 1.4.2 Mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler ................................................................ 12 1.5 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................... 13 1.6 Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 14 1.7 Các kết quả công bố ................................................................................................... 14 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT/LÝ LUẬN VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU .... 18 2.1Phương pháp phân tích phi tuyến theo miền thời gian ................................................. 18 2.2 Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến ......................................................................... 19 2.2.1 Phương pháp phổ khả năng CSM (Capacity Spectrum Method) ............................. 19 2.2.2 Phương pháp MPA (Modal Pushover Analysis) ...................................................... 20 2.2.3 Phương pháp phân tích MPA-CSM.......................................................................... 23 2.3 Phương pháp phân tích MPA-CSM............................................................................. 27 2.4Mô hình tương tác SSI ( Soil – Structure Interaction) ................................................. 27 2.4.1Đặc tính của mô hình BNWF (Beam on Nonlinier Winkler Foundation) ................ 28 2.4.2Mô tả mô hình BNWF ............................................................................................... 28 2.4.3 Các mô hình vật liệu ................................................................................................ 29 CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................ 34 3.1Mô hình phân tích ........................................................................................................ 34 3.1.1 Thông số mô hình khung thép ................................................................................. 35 3.1.2 Thông số nền – móng .............................................................................................. 36 3.2 Dữ liệu phân tích ........................................................................................................ 37
vi CHƯƠNG IV: XỬ LÝ DỮ LIỆU VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................ 41 4.1Kiểm chứng mô hình ................................................................................................... 41 4.1.1 Mục tiêu ................................................................................................................... 41 4.1.2 Kết quả kiểm chứng ................................................................................................. 42 4.2 Áp dụng số - đánh giá kết quả .................................................................................... 44 4.2.1 Chuyển vị mục tiêu .................................................................................................. 45 4.2.2 Chuyển vị tầng ......................................................................................................... 56 4.2.3 Độ trôi tầng ............................................................................................................... 67 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ....................................................... 80 5.1 Kết luận....................................................................................................................... 80 5.2 Kiến nghị .................................................................................................................... 81 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 82
vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1.Thông số của mô hình khung thép 3 tầng ............................................. 35 Bảng 3.2.Thông số của mô hình khung thép 9 tầng ............................................. 35 Bảng 3.3.Thông số của mô hình khung thép 18 tầng ........................................... 35 Bảng 3.4.Thông số móng đơn phân tích ............................................................... 36 Bảng 3.5. Giá trị chịu tải cực hạn của lò xo ......................................................... 37 Bảng 3.6. Dữ liệu 10 trận động đất tần suất xảy ra là 10% trong 50 năm ............ 38 Bảng 3.7. Dữ liệu 10 trận động đất tần suất xảy ra là 2% trong 50 năm .............. 38 Bảng 4.1. Sai số chu kỳ dao động ......................................................................... 42 Bảng 4.2.Thành phần khối lượng tham gia dao động. .......................................... 44 Bảng 4.3. Sai lệch chuyển vị tầng trung bình (%) của phương pháp SPA, MPA, MPA – CSM mode1, MPA – CSM, so với kết quả của phương pháp NL- RHA ở hệ khung 3,9,18 tầng chịu tác động của hai bộ động đất khi hệ liên kết cứng (ngàm) ...... 62 Bảng 4.4. Sai lệch chuyển vị tầng trung bình (%) của phương pháp SPA, MPA, MPA – CSM mode1, MPA – CSM, so với kết quả của phương pháp NL- RHA ở hệ khung 3,9,18 tầng chịu tác động của hai bộ động đất khi hệ liên kết cứng (SSI) ......... 63 Bảng 4.5. Sai lệch độ trôi tầng (%) của phương pháp SPA, MPA, MPA - CSM mode 1, MPA – CSM, so với kết quả của phương pháp NL-RHA ở các hệ khung 3,9,18 tầng chịu tác động của hai bộ động đất khi hệ liên kết cứng (ngàm) ................. 76 Bảng 4.6. Sai lệch độ trôi tầng (%) của phương pháp SPA, MPA, MPA - CSM mode 1, MPA – CSM, so với kết quả của phương pháp NL-RHA ở các hệ khung 3,9,18 tầng chịu tác động của hai bộ động đất khi hệ liên tương tác SSI ..................... 77
viii DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Hình 1.1. Phi tuyến hình học .................................................................................. 6 Hình 1.2. Mô hình khớp dẻo ................................................................................... 7 Hình 1.3a. Cột khỏe – dầm yếu ............................................................................ 7 Hình 1.3b. Cột yếu – dầm khỏe .............................................................................. 7 Hình 1.4. Bài toán phân tích phi tuyến theo miền thời gian ................................... 8 Hình 1.5. Chuyển vị mục tiêu xác định theo phương pháp CSM ........................... 9 Hình 1.6. Phương pháp phân tích đẩy dần ............................................................ 10 Hình 1.7. Mô hình đàn hồi tuyến tính ................................................................... 11 Hình 1.8. Mô hình Winkler ................................................................................... 12 Hình 1.9.Mô hình tương tác đặc trưng giữa cọc và đất ........................................ 13 Hình 2.1. Lý tưởng hóa đường cong đẩy dần thành đường song tuyến tính ........ 22 Hình 2.2. Mô hình và dữ liệu động đất phân tích ................................................. 23 Hình 2.3. Phổ thiết kế ........................................................................................... 24 Hình 2.4. Phổ khả năng ......................................................................................... 24 Hình 2.5. Xác định chuyển vị mục tiêu hệ 1 bậc tự do......................................... 24 Hình 2.6. Sơ đồ phương pháp phân tích MPA- CSM có xét tương tác nền ........ 26 Hình 2.7.Đặc tính của mô hình BNWF ................................................................ 28 Hình 2.8. Mô hình tương tác SSI trong phần mềm OPENSEES .......................... 28 Hình 2.9. Phản ứng tuần hoàn của vật liệu QzSimple2 ........................................ 29 Hình 2.10. Phản ứng tuần hoàn của vật liệu PySimple2 ...................................... 31 Hình 2.11. Phản ứng tuần hoàn của vật liệu TzSimple2 ...................................... 32 Hình 3.1. Mô hình phân tích ................................................................................. 34 Hình 3.2. Mô hình nền đất – móng đơn phân tích ................................................ 37 Hình 3.3. Gia tốc của 2 bộ dữ liệu động đất ......................................................... 39 Hình 3.4. Phổ gia tốc của 2 bộ dữ liệu động đất ................................................... 40 Hình 4.1. Mô hình kiểm chứng ............................................................................. 41 Hình 4.2. Ba dạng dao động đầu tiên của khung 3 tầng ....................................... 42 Hình 4.3. Ba dạng dao động đầu tiên của khung 9 tầng ....................................... 43 Hình 4.4. Ba dạng dao động đầu tiên của khung 18 tầng ..................................... 43 Hình 4.5. Đường cong Pushover của khung 3 tầng .............................................. 44
ix Hình 4.6a. Đường cong khả năng của hệ khung 3 tầng trong 2 trường hợp: ngàm và SSI ............................................................................................................................. 47 Hình 4.6b. Đường cong khả năng của hệ khung 9 tầng trong 2 trường hợp: ngàm và SSI ............................................................................................................................. 47 Hình 4.6c. Đường cong khả năng của hệ khung 18 tầng trong 2 trường hợp: ngàm và SSI ............................................................................................................................. 48 Hình 4.7a. 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 ............................................. 49 Hình 4.7b. 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 ................................................ 50 Hình 4.8a. 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 .......................... 51 Hình 4.8b. 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 ............................. 52 Hình 4.9a. Tập hợp các điểm chuyển vị của hệ khung 3,9,18 tầng (ngàm) ứng với hai bộ dữ liệu động đất .................................................................................................. 54 Hình 4.9b. Tập hợp các điểm chuyển vị của hệ khung 3,9,18 tầng (SSI) ứng với hai bộ dữ liệu động đất .................................................................................................. 55 Hình 4.10a. Chuyển vị tầng trung bình của hệ khung (ngàm) khi chịu tác động của hai bộ dữ liệu động đất ............................................................................................ 58 Hình 4.10b. Tỷ số chuyển vị tầng trung bình của hệ khung (ngàm) khi chịu hai bộ dữ liệu động đất so với nghiệm NL - RHA .............................................................. 59 Hình 4.11a. Chuyển vị tầng trung bình của hệ khung (SSI) khi chịu tác động của hai bộ dữ liệu động đất .................................................................................................. 60 Hình 4.11b. Tỷ số chuyển vị tầng trung bình của hệ khung (SSI) khi chịu hai bộ dữ liệu động đất so với nghiệm NL – RHA .................................................................. 61 Hình 4.12a. Sai số chuyển vị tầng trung bình (%) của các hệ khung (ngàm) ứng với hai bộ dữ liệu động đất ............................................................................................ 65 Hình 4.12b. Sai số chuyển vị tầng trung bình (%) của các hệ khung (SSI) ứng với hai bộ dữ liệu động đất .................................................................................................. 66 Hình 4.13a. Độ trôi tầng của các hệ khung (ngàm) ứng với hai bộ dữ liệu động đất…. ............................................................................................................................. 68
x Hình 4.13b. Độ trôi tầng của các hệ khung (SSI) ứng với hai bộ dữ liệu động đất........................................................................................................ ……69 Hình 4.14a. Tỷ số độ trôi tầng của các hệ khung (ngàm) ứng với hai bộ dữ liệu động đất ......................................................................................................................... 72 Hình 4.14b. Tỷ số độ trôi tầng của các hệ khung (SSI) ứng với hai bộ dữ liệu động đất ......................................................................................................................... 73 Hình 4.15a.Sai số độ trôi tầng (%) của các hệ khung (ngàm) ứng với hai bộ dữ liệu động đất ................................................................................................................ ..75 Hình 4.15b. Sai số độ trôi tầng (%) của các hệ khung (SSI) ứng với hai bộ dữ liệu động đất ......................................................................................................................... 76
xi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT TỪ VIẾT STT VIẾT ĐẦY ĐỦ TẮT 1. ADRS Phổ phản ứng gia tốc – chuyển vị BNWF 2. Mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler 3. CSM Phương pháp phổ khả năng 4. DCM Phương pháp hệ số chuyển vị 5. ESDOF Hệ một bậc tự do tương đương MPA Phân tích đẩy dần sử dụng lực ngang dựa trên dạng dao động có 6. xét đến đóng góp của các dạng dao động cao 7. MDOF Hệ nhiều bậc tự do 8. NL-RHA Phân tích phi tuyến theo miền thời gian 9. NSP Phân tích tĩnh phi tuyến 10. OPENSEES Chương trình mô phỏng động đất có mã nguồn mở 11. SPA Phân tích đẩy dần chuẩn 12. SSI Tương tác đất nền – kết cấu 13. SRSS Qui tắc căn bậc hai của tổng bình phương
xii DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH TỪ VIẾT STT VIẾT ĐẦY ĐỦ TẮT 1. ADRS Acceleration-Displacement Response Spectrum 2. BNWF Beam on-Nonlinear Winkler Foundation 3. CSM Capacity Spectrum Method 4. DCM Displacement Coefficient Method 5. ESDOF Equivalent Single Degree-Of-Freedom 6. MPA Modal Pushover Analysis 7. MDOF Multi-Degree-Of-Freedom 8. NL-RHA Nonlinear Response History Analysis 9. NSP Nonlinear Static Procedure 10. OPENSEES Open System for Earthquake Engineering Simulation 11. SPA Standard Pushover Analysis 12. SSI Soild- Structure Interaction 13. SRSS Square-Root-of-Sum-of-Squares
1 MỞ ĐẦU - Lý do lựa chọn đề tài: + Trong số các phương pháp được đề xuất có hai phương pháp tĩnh chín được nghiên cứu trong đề tài này là phương pháp MPA (phương pháp tĩnh sử dụng lực ngang có xét đến các dạng dao động cao hơn) và Phương pháp phổ khả năng CSM là một phương pháp được sử dụng phổ biến, là một công cụ đánh giá nhanh tác động của động đất cho công trình. . Phương pháp phổ khả năng CSM là một phương pháp được sử dụng phổ biến, là một công cụ đánh giá nhanh tác động của động đất cho công trình. Phương pháp CSM được sử dụng như một phương pháp thể hiện tương quan giữa những chuyển động của nền đất đối với kết cấu bị ảnh hưởng. Tiến trình của phương pháp là xây dựng đường cong khả năng của kết cấu và so sánh với phổ thiết kế, cả hai được vẽ trên cùng một đồ thị có tên gọi phổ phản ứng gia tốc - chuyển vị ADRS (Acceleration - Displacement Response Spectrum). Chuyển vị mục tiêu của hệ một bậc tự do là giao điểm của phổ khả năng (capacity spectrum) và phổ thiết kế (demand spectrum). Phổ thiết kế đại diện cho những chuyển động của đất nền. Phổ khả năng đại diện cho khả năng của kết cấu chống lại tác động của chuyển động này. Tuy nhiên phương pháp này dựa trên các mẫu tải bất biến nên độ chính xác không cao đối với công trình cao tầng. . Phương pháp phân tích đẩy dần MPA dựa trên thuyết động lực học công trình. Đầu tiên, quy trình được áp dụng cho các công trình đàn hồi tuyến tính giống như quy trình phân tích phổ phản ứng. Sau đó, quy trình được mở rộng để ước tính tác động của động đất lên kết cấu không đàn hồi bằng việc giả định và xấp xỉ những điều kiện ban đầu. Tác động của động đất lên khung 3,9,18 tầng trong dự án SAC do Chopra và Goel nghiên cứu được xác định bằng phương pháp MPA, phân tích động và phân tích đẩy dần dùng tải ngang phân phối đều và theo dạng dao động. Kết quả phương pháp MPA có độ chính xác tương đương với phân tích động trong đánh giá các kết quả về chuyển vị tầng, độ trôi tầng, góc chảy dẻo và vị trí xuất hiện khớp dẻo. Chintanapakdee và Chopra, đánh giá độ chính xác của phương pháp MPA cho các công trình chịu động đất trong dự án SAC. 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
2 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 và bù đắp sự hạng chế của Phương pháp phổ khả năng CSM, nên phương pháp MPA – CSM kết hợp được lựa chọn trong đề tài. - Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu: +Mục đích nghiên cứu của luận văn; Mục đích nghiên cứu luận văn là đề xuất qui trình phân tích tĩnh phi tuyết MPA – CSM kết hợp. Áp dụng qui trình phân tích tĩnh phi tuyết MPA – CSM kết hợp đề xuất để phân tích ứng sử phi tuyến của hệ khung thép có xét đến biến dạng nền chịu tác động của động đất. + Đối tượng, phạm vi, giới hạn nghiên cứu; Đối tượng nghiên cứu là phân tích 3 mô hình nhà khung phẳng với số tầng lần lượt là 3, 9, 18 tầng chịu động đất, nhà khung phẳng được mô hình theo cơ chế “ cột khỏe – dầm yếu”, khớp dẻo xuất hiện ở chân cột tầng trệt và đầu mút dầm, phần còn lại làm việc đàn hồi. Có xét tương tác nền – kết cấu sử dụng mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler. Dữ liệu phân tích là 2 bộ dữ liệu động đất tại Los Angeles với tần suất là 2% và 10% trong 50 năm để đánh giá tác động của động đất đối với hệ khung. -Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu; Ý nghĩa khoa học: Là đề tài đánh giá 1 qui trình phân tích tĩnh phi tuyết MPA – CSM kết hợp, để phân tích ứng sử phi tuyến của hệ khung thép có xét đến biến dạng nền chịu tác động của động đất đây là đề tài mang tính khoa học gốp phần phát triển các phương pháp tĩnh phi tuyến trong phản ứng địa chấn của công trình. Ý nghĩa thực tiễn: Gốp phần phát triển các phương pháp tĩnh phi tuyến trong phản ứng địa chấn của công trình. Phương pháp này giúp rút ngắn thời gian xác định 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. - Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả. + Hiện nay, trong đánh giá động đất cho nhà cao tầng cũng như ứng xử của kết cấu khi chịu động đất. Ta có thể được ước tính một cách chính xác dựa trên phương pháp phân
3 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. Chính vì lý do này, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp và các mô hình đơn giản hơn để ước tính tác động của động đất đến công trình. Các đề xuất đưa ra để khắc phục những hạn chế này, các phương pháp và các mô hình tính toán đơn giản hơn đã được đề xuất. 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.
4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU/ĐỀ TÀI - Tính cần thiết của đề tài: Trong số các phương pháp được đề xuất có hai phương pháp tĩnh chín được nghiên cứu trong đề tài này là phương pháp MPA (phương pháp tĩnh sử dụng lực ngang có xét đến các dạng dao động cao hơn) và Phương pháp phổ khả năng CSM là một phương pháp được sử dụng phổ biến, là một công cụ đánh giá nhanh tác động của động đất cho công trình. Phương pháp phổ khả năng CSM là một phương pháp được sử dụng phổ biến, là một công cụ đánh giá nhanh tác động của động đất cho công trình. Phương pháp CSM được sử dụng như một phương pháp thể hiện tương quan giữa những chuyển động của nền đất đối với kết cấu bị ảnh hưởng. Tiến trình của phương pháp là xây dựng đường cong khả năng của kết cấu và so sánh với phổ thiết kế, cả hai được vẽ trên cùng một đồ thị có tên gọi phổ phản ứng gia tốc - chuyển vị ADRS (Acceleration - Displacement Response Spectrum). Chuyển vị mục tiêu của hệ một bậc tự do là giao điểm của phổ khả năng (capacity spectrum) và phổ thiết kế (demand spectrum). Phổ thiết kế đại diện cho những chuyển động của đất nền. Phổ khả năng đại diện cho khả năng của kết cấu chống lại tác động của chuyển động này. Tuy nhiên phương pháp này dựa trên các mẫu tải bất biến nên độ chính xác không cao đối với công trình cao tầng. Phương pháp phân tích đẩy dần MPA dựa trên thuyết động lực học công trình. Đầu tiên, quy trình được áp dụng cho các công trình đàn hồi tuyến tính giống như quy trình phân tích phổ phản ứng. Sau đó, quy trình được mở rộng để ước tính tác động của động đất lên kết cấu không đàn hồi bằng việc giả định và xấp xỉ những điều kiện ban đầu. Tác động của động đất lên khung 3,9,18 tầng trong dự án SAC do Chopra và Goel nghiên cứu được xác định bằng phương pháp MPA, phân tích động và phân tích đẩy dần dùng tải ngang phân phối đều và theo dạng dao động. Kết quả phương pháp MPA có độ chính xác tương đương với phân tích động trong đánh giá các kết quả về chuyển vị tầng, độ trôi tầng, góc chảy dẻo và vị trí xuất hiện khớp dẻo. Chintanapakdee và Chopra, đánh giá độ chính xác của phương pháp MPA cho các công trình chịu động đất trong dự án SAC. 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
5 gian. vì vậy, để giảm bớt những khó khăn trong việc thực hiện phương pháp MPA và bù đắp sự hạng chế của Phương pháp phổ khả năng CSM, nên phương pháp MPA – CSM kết hợp được lựa chọn trong đề tài. - Mục tiêu nghiên cứu (Mục tiêu tổng quát và mục tiêu cụ thể) Mục đích nghiên cứu luận văn là đề xuất qui trình phân tích tĩnh phi tuyết MPA – CSM kết hợp. Áp dụng qui trình phân tích tĩnh phi tuyết MPA – CSM kết hợp đề xuất để phân tích ứng sử phi tuyến của hệ khung thép có xét đến biến dạng nền chịu tác động của động đất. - Đối tượng nghiên cứu (Đối tượng khảo sát, đối tượng phân tích) Đối tượng nghiên cứu là phân tích 3 mô hình nhà khung phẳng với số tầng lần lượt là 3, 9, 18 tầng chịu động đất, nhà khung phẳng được mô hình theo cơ chế “ cột khỏe – dầm yếu”, khớp dẻo xuất hiện ở chân cột tầng trệt và đầu mút dầm, phần còn lại làm việc đàn hồi. Có xét tương tác nền – kết cấu sử dụng mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler. Dữ liệu phân tích là 2 bộ dữ liệu động đất tại Los Angeles với tần suất là 2% và 10% trong 50 năm để đánh giá tác động của động đất đối với hệ khung. - Phân tích kết cấu thường giả định rằng độ cứng dọc trục và độ cứng chịu uốn không đổi và liên kết tại các nút khung được xem như là tuyệt đối cứng trong suốt quá trình chịu lực. Tuy nhiên trong thực tế, điều kiện lý tưởng như vậy ít khi xảy ra, đặc biệt khi kết cấu chịu tác động của động đất, vì ứng xử thật của vật liệu là ứng xử phi tuyến và liên kết cũng không là tuyệt đối cứng. Khi nội lực tăng lên, độ cứng dọc trục và độ cứng uốn giảm đi, cấu trúc hình học của vật liệu sẽ thay đổi liên tục khi chịu các lực khác nhau. Vì vậy, để đánh giá một cách chính xác phản ứng của công trình dưới tác dụng của các tải trọng, đặc biệt là tải trọng động đất, cần phải xét tới sự làm việc sau giai đoạn đàn hồi của kết cấu. Khác với phản ứng đàn hồi tuyến tính của các hệ kết cấu, quan hệ giữa ứng suất biến dạng của phản ứng phi tuyến không là hàm tuyến tính mà thay đổi phụ thuộc vào kích thước, hình dạng cấu kiện, thành phần vật liệu sử dụng, tính chất tải trọng tác dụng. Do đó, khi phân tích phi tuyến ta không chỉ xác định modun đàn hồi như đối với phân tích đàn hồi mà còn phải phân tích biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu.
6 1.1. Phi tuyến hình học Phân tích bậc nhất giả thiết rằng biến dạng tỉ lệ với lực tác dụng, vì vậy quan hệ giữa chuyển vị và lực tác dụng là tuyến tính. Điểm nổi bật của phương pháp này là sự phù hợp với nguyên lý cộng tác dụng trong những trường hợp tải trọng khác nhau. Tuy nhiên, cách phân tích này không cung cấp bất cứ thông tin nào về ổn định và khả năng chịu lực của kết cấu (Hình 1.1). Hình 1.1. Phi tuyến hình học Khác với phân tích đàn hồi tuyến tính, lời giải có thể tìm được một cách đơn giản và trực tiếp, phân tích phi tuyến hình học thường cần đến việc tính lặp trong cách gia tải từng bước do sự thay đổi hình học của kết cấu không được biết khi thiết lập phương trình cân bằng và quan hệ động học cho bước tính toán hiện tại. Phân tích này rất cần thiết khi ngày càng có nhiều kết cấu có độ mảnh lớn, làm bằng vật liệu nhẹ có cường độ cao. 1.2. Phi tuyến vật liệu Khung thép bị phá hủy phụ thuộc vào sự mất ổn định của hệ kết cấu do sự chảy dẻo khi tải trọng tác dụng. Phân tích phi tuyến vật liệu là phân tích có kể đến ứng xử không đàn hồi của vật liệu, khi đó quan hệ ứng suất và biến dạng không còn là hàm tuyến tính. Phương pháp chính trong phân tích phi tuyến vật liệu kết cấu thép thường dùng là phương pháp khớp dẻo. Với phương pháp này, phần tử được giả thiết vẫn còn hoàn toàn đàn hồi giữa các đầu mút của nó, một khi sự chảy dẻo của mặt cắt ngang được tìm thấy sẽ có một khớp dẻo tại đầu mút chảy dẻo.