Ảnh hưởng của dao động bậc cao đến khả năng kháng chấn của kết cấu khung nhà cao tầng ở thành phố Hồ Chí Minh

Nội dung text: Ảnh hưởng của dao động bậc cao đến khả năng kháng chấn của kết cấu khung nhà cao tầng ở thành phố Hồ Chí Minh

1. 1 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG ẢNH HƯỞNG CỦA DAO ĐỘNG BẬC CAO ĐẾN KHẢ NĂNG KHÁNG CHẤN CỦA KẾT CẤU KHUNG NHÀ CAO TẦNG Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ThS. Nguyễn Văn Hiệp Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Tóm tắt: Phương pháp phân tích đẩy dần có sự đóng góp của các dạng dao động bậc cao (MPA) là một trong những phương pháp ước tính địa chấn để đáp ứng yêu cầu về thiết kế và đánh giá độ an toàn của kết cấu khung các công trình cao tầng nói chung và kết cấu khung nhà cao tầng ở khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh nói riêng. Phương pháp này tập trung vào nghiên cứu ứng xử của các công trình kết cấu bê tông cốt thép có cao trình khác nhau (5 tầng; 10 tầng và 15 tầng) thuộc Thành Phố Hồ Chí Minh cùng chịu các trận động đất mẫu El-CENTROL với cường độ thay đổi. Chuyển vị đỉnh, chuyển vị tầng và độ trôi tầng được xác định bởi phương pháp MPA được so sánh với phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian (RHA) cho ta kết luận rằng phương pháp MPA có đủ độ chính xác để ứng dụng thực hành vào trong thiết kế và đánh giá địa chấn cho các công trình nhà cao tầng ở Thành Phố Hồ Chí Minh. 1. Giới thiệu các công trình cao tầng hơn so với phương Với nhu cầu tính toán động đất cho những pháp tĩnh phi tuyến thông thường. Chopra và những công trình cao tầng kết cấu bê tông cốt Goel đã phát triển một quy trình phân tích đẩy thép, khi sự đóng góp của những dao động dần được gọi là phương pháp phân tích đẩy phức tạp là đáng kể thì phương pháp CSM [1] dần MPA dựa trên thuyết động lực học công không còn chính xác. Để khắc phục hạn chế trình. Đây là phương pháp đạt được những yêu này, năm 2002 Chopra và Goel đã đề xuất cầu đưa ra. Phương pháp MPA đã được raatd một phương pháp cải tiến phương pháp tĩnh nhiều tác giả trong và ngoài nước vậ dụng vào phi tuyến, được gọi là phương pháp phân tích nghiên cứu của họ và cho được các kết quả tĩnh sử dụng lực ngang dựa trên dạng dao động đáng tin cậy [2,3,4]; [11,12,13]. Bài báo này có xét đến đóng góp của các dạng dao động đã ứng dụng phương pháp MPA để đánh giá cao MPA (phương pháp phân tích đẩy dần khả năng kháng chấn của kết cấu khung theo dạng chính) [6] [7], Phương pháp MPA (BTCT) công trình cao tầng ở Thành Phố Hồ đã được Chintanapakdee [10] chứng minh có Chí Minh và được so sánh với phương pháp độ chính xác cao hơn trong đánh giá địa chấn phân tích phi tuyến theo miền thời gian.
2. 2 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 2. Phương pháp nghiên cứu. DA /2 Ở đây n n n ; Dn, An là các giá trị 2.1. Phương pháp phân tích phi tuyến theo có sẵn (hoặc thiết kế) quang phổ. miền thời gian Năm 2006 Chopra và Goel đề xuất các Phương trình vi phân của một tòa nhà bước thực hiện phương pháp : Gồm 9 bước cao tầng chịu tác động ngang của một trận Bước 1: Tính các tần số tự nhiên và các dạng dao động (mode shape), của các công trình đàn động đất utg ()như sau: hồi tuyến tính. mu cu ku miug () t Bước 2: Đối với dạng dao động thứ n, xây (1) (1) dựng đường cong pushover biểu diễn mối Trong đó: u là vector của chuyển vị; m và c là quan hệ giữa lực cắt đáy- chuyển vị mái bằng ma trận khối lượng và ma trận cản của hệ; ι là phân tích tĩnh phi tuyến của công trình, dùng vector ảnh hưởng mà mỗi phần tử bằng một * đơn vị. s lực phân phối: n (18) 2.2 Phương pháp MPA. Bước 3: Lý tưởng hóa đường cong pushover Để phát triển một quy trình phân tích pushover đường cong song tuyến tính (Hình 1a). phù hợp với RSA, chúng tôi nhận thấy rằng phân tích tĩnh của kết cấu chịu lực ngang: f  m A no n n n (2) r Sẽ cung cấp cùng giá trị của no , được xác định : r rst A no n n (3) Hình 2. 1 Hệ SDF không đàn hồi từ đường Ngoài ra, giá trị phản ứng này có thể thu được cong đẩy dần: Lý tưởng hóa đường cong đẩy bằng cách phân tích tĩnh của kết cấu chịu lực dần. ngang phân bố trên chiều cao công trình : Sm*  nn (4) Với cơ cấu đẩy đến việc đạt chuyển vị mái, u rno , ứng với mode n tương ứng: uD  rno n rn n (5)
3. 3 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG r Bước 9: Xác định phản ứng tổng, MPA , bằng cách kết hợp phản ứng của nhiều dạng dao động theo tổ hợp SRSS: j 2 rrMPA  no n 1 (23) 2.3 Tính chất phi tuyến của các thành phần trong kết cấu bê tông cốt thép. Hình 2. 2 Hệ SDF không đàn hồi từ đường cong đẩy dần: Quan hệ giữa lực-chuyển vị của Ứng xử không đàn hồi của kết cấu khung hệ SDF. nhà cao tầng bê tông cốt thép khá phức tạp do Bước 4: Chuyển đổi đường cong lý tưởng thuộc tính phi tuyến nứt và nén vỡ của bê tông pushover qua mối quan hệ lực - biến dạng kết hợp với tính chất đàn hồi-dẻo của cốt thép. FD/L Mô phỏng một cách chính xác ứng xử của kết sn n n của hệ một bậc tự do tương cấu ở giai đoạn sau khi xuất hiện vết nứt là đương cho dạng dao động thứ n không đàn hồi một trong những nhiệm vụ phức tạp của các (Hình 2.2) bởi công thức: nhà nguyên cứu và kỹ sư thiết kế. Tuy nhiên, Lsn V bn u rn ;Dn xác định ứng xử của chúng trong giai đoạn LM*   n n n rn (6) trên là điều rất cần thiết cho thiết kế kết cấu Bước 5: Tính biến dạng đỉnh khung. D maxDt ( ) nn của hệ một bậc tự do không Tính chất phi tuyến của các cấu kiện trong đàn hồi tương đương do lực kích thích nền kết cấu được thể hiện thông qua mối quan hệ bằng cách phương trình phi tuyến. ứng suất-biến dạng. Tính phi tuyến của các cấu Bước 6: Tính toán chuyển vị đỉnh của hệ một kiện bê tông cốt thép phụ thuộc vào: khả năng bậc tự do ứng với mode thứ n hệ không đàn chịu lực, đặc điểm chịu lực (lực cắt. lực dọc, u chịu uốn, ). Tính chất phi tuyến của các hồi từ công thức : rno (5) thành phần kết cấu khung được thể hiện như Bước 7: Rút ra kết quả phản ứng mong muốn, sau: r no , dữ liệu pushover khi chuyển vị mái bằng Tính chất phi tuyến của cấu kiện BTCT u ảnh hưởng lực dọc trục chuyển vị rno Bước 8: Lặp lại bước 2 đến bước 7 cho nhiều dạng công trình.
4. 4 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG . Độ dốc giữa hai điểm B và C được lấy là 10% khả năng biến dạng cực đại của cốt thép (Total strain hardening for steel); . Tổng lực cắt của cấu kiện được xác đinh: V 2 A f' f A d y s c y sv Hình 2. 3 Tính chất phi tuyến cấu kiện ảnh . Điểm C,D và E được dựa vào bảng 9.12 hưởng lực dọc của tiêu chuẩn ATC 40. Trong đó: . Cường độ chịu kéo cốt thép: Fy =As*fy Tính chất phi tuyến của cấu kiện BTCT . Lp chiều dài khớp dẻo của cấu kiện; ảnh hưởng lực dọc và monent uốn hai phương . Cường độ chịu nén của bê tông: (P-M-M) Pc= 0.85*Ac* f’c ; . Độ dốc giữa hai điểm B và C được lấy như 10% của tổng khả năng chịu kéo của cốt thép; . Tọa độ của các điểm B, C, D và E được xác định dựa vào bằng 5.8 trong FEMA 273, cường độ chịu kéo cốt đai; . Tung độ điểm B’=C’= Pc; Hình 2. 5 Tính chất phi tuyến cấu kiện ảnh hưởng lực dọc và moment . Tung độ điểm D’=E’= Ftrucking. Với Tính chất phi tuyến của cấu kiện BTCT . Độ dốc từ điểm B đến điểm C được lấy ảnh hưởng lực cắt 10% cường độ chịu kéo cốt thép (Total strain hardening for steel); . Góc xoay được giả định bằng 0 (không ảnh hưởng đến tính chất phi tuyến của cấu kiện); . My khả năng chịu uốn được dựa trên hàm lượng nhỏ nhất cốt thép tại mặt cắt Hình 2. 4 Tính chất phi tuyến cấu kiện ảnh ngang của cấu kiện; hưởng lực cắt Trong đó:
5. 5 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG . Đường cong P-M-M là được xác định Bước 3: Chạy kết quả lần 2 phân tích đẩy dựa vào đường cong khả năng của cấu dần và vẽ được đường cong khả năng. kiện. Bước 4: Chạy kết quả lần 3 xác định được chuyển vị và độ lệch tầng từ phương 2.4 Trận động đất mẫu EL-CENTROL và pháp RHA. Với việc sử dụng trận động đất phần mềm hỗ trợ. mẫu El-centrol với cường độ tăng dần 0.25, Ở đây ta sử dụng các trận động đất EL- 0.5, 0.75, 0.85, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0,4.0, 5.0. CENTROL với cường độ tăng dần: 0.25EL; 0.5EL; 0.75EL; 0.85EL; 1EL; 1.5EL; 2EL; 3EL; 4EL; 5EL. Để thuận tiện và đạt được kết quả cần thiết, chúng tôi sẽ sử dụng những lợi ích của 2 chương trình phân tích cấu trúc trong nghiên cứu này: Etabs 2015 & BISPEC 2.20. 2.5 Phân tích với Etabs 2015. Các bước thực hiện phân tích bằng etabs 2015 Bước 1: Xây dựng mô hình: khai báo vật liệu; khai báo tiết diện dầm, cột, vách. Khai báo khớp dẻo cho dầm, cột (etabs 2015 có chức năng khai báo phi tuyến cho dầm và cột rất rõ ràng và cụ thể); Gán thuộc tính khớp dẻo. Gán tải trọng cho mô hình ; khai báo khối lượng; khai báo lực; gán tải trọng. Bước 2: Chạy kết quả lần 1 xác định các thông số của công trình như chu kì, khối lượng, các dạng dao động theo 2 phương. Ở đây ta chỉ chọn các mode chỉ làm việc theo 2 phương X,Y.
6. 6 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Mô hình các công trình được phân tích: Hình 2.6 Mặt bằng và mặt đứng mô hình công trình 5;10;15 tầng. Hình 2.7 Mode làm việc theo hai phương X;Y
7. 7 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Khai báo phi tuyến cho vật liệu dấm và cột. Define – section- properties – Define Frame/Wall Hinge Properties Hình 2.10 Khai báo tính chất phi tuyến của kết cấu chịu ảnh hưởng của Moment. Hình 2.8 Khai báo tính chất phi tuyến của kết cấu chịu ảnh hưởng của lực dọc Hình 2.11 Đường cong Pushower 2.12 Phân tích với Bispec 2.20. Ở đây ta sử dụng các trận động đất EL- CENTROL với cường độ tăng dần: 0.25EL; 0.5EL; 0.75EL; 0.85EL; 1EL; 1.5EL; 2EL; 3EL; 4EL; 5EL. Hình 2.9 Khai báo tính chất phi tuyến của kết cấu chịu ảnh hưởng của lực cắt Hình 2.12 Giao diện chính của Bispec 2.20 Hình 2.13 Khai báo trận động đất mẫu el- centrol
8. 8 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Độ lệch tầng: khi trận động đất ở 0.25EL- 0.85EL thì sự sai khác của 2 phương pháp là khá nhỏ. Từ 1EL->2EL giá trị này có s tăng lên nhưng không đáng kể, khi cường độ lớn hơn 3EL sự ổn định bắt đầu trở lại. Công trình 10 tầng: Chuyển vị: Ở thời điểm 0.25EL-0.85EL sự Hình 2.14 Lịch sử Gia tốc nền, vận tốc và sai khác của hai phương pháp này ở mức độ ổn chuyển vị của trận động đất mẫu El-centrol định. Giá trị này tăng dần khi tăng cường độ 3. Kết quả nghiên cứu. trận động đất. So sánh giữa các kết quả của MPA và RHA Độ lệch tầng: từ 0.25EL-0.85EL sự sai khi tăng cường độ trận động đất: khác nằm ở mức ổn định. Từ 1EL-3EL giá trị Để so sánh hai phương pháp MPA và RHA ta này tăng lên và khi lớn hơn 4EL bắt đầu ổn sử dụng dữ liệu ( bảng biểu, hình ảnh) từ việc định lại. phân tích 3 công trình . Công trình 15 tầng: Công trình 5 tầng: Chuyển vị: từ 0.25EL-1.5EL sự sai khác ổn Chuyển vị : Ở thời điểm 0.25EL-Centro định, từ 2EL-5EL sự sai khác tăng dần nhưng công trình vẫn còn tuyến tính và sự sai khác là không đáng kể. khá lớn. Khi trận động đất cường độ lớn hơn Độ lệch tầng: giá trị % độ lệch tầng có sự thay hoặc bằng 0.5El-Centro, công trình bắt đầu phi đổi rõ khi có sự đóng góp của nhiều dạng dao tuyến và sự sai khác là khá nhỏ. Từ 3el-centro động. trở đi sự sai khác tăng lên đáng kể. 3.1 Quan hệ giữa chuyển vị đỉnh và lực cắt đáy. Hình 3.1 Biểu đồ mối quan hệ giữa chuyển vị đỉnh và lực cắt đáy xác định bằng RHA(Bispec) - MPA(Etabs) mode 1- công trình 5;10;15 tầng
9. 9 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 3.2 Chuyển vị tầng và độ trôi tầng. Hình 3. 2 Chuyển vị tầng – RHA & MPA (1mode - 2mode - 3mode) 0.25el-centrol - công trình 5;10;15 tầng Độ trôi tầng (0.25el- 18 centrol) 16 1 14 mode 12 2 10 mode 8 Floor 3 6 mode 4 RHA 2 0 0 0.00001 0.00002 Story driff ratio (%) Hình 3. 3 Độ lệch tầng – RHA & MPA (1mode - 2mode - 3mode) 0.25el-centrol- công trình 5;10;15 tầng
10. 10 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Bảng 3. 1 Bảng so sánh 2 phương pháp MPA-RHA (5-story-building ) Bảng 3. 2 Bảng so sánh 2 phương pháp MPA-RHA (10-story-building ) (%) (Floor Displacement)  j No 0.25EL 0.5EL 0.75EL 0.85EL 1EL 1.5EL 2EL 3EL 4EL 5EL Mode 1 0.16824 0.21825 0.17651 0.14142 0.18900 0.50893 0.77100 0.60487 0.77523 1.09658 2 0.09086 0.22761 0.12842 0.10442 0.14047 0.37517 0.53729 0.48347 0.52793 0.75089 3 0.09092 0.24228 0.13424 0.09978 0.14473 0.36162 0.52637 0.48141 0.52095 0.74050 (%)(Story Drift) No 0.25EL 0.5EL 0.75EL 0.85EL 1EL 1.5EL 2EL 3EL 4EL 5EL Mode 1 0.46725 0.49035 0.48812 0.31795 0.53450 0.53310 0.84715 1.41739 0.65889 0.63092 2 0.46646 0.43074 0.44417 0.16954 0.35621 0.54676 0.39420 0.40606 0.77129 0.73180 3 0.46646 0.43074 0.44417 0.16954 0.35621 0.54676 0.39420 0.40606 0.77129 0.73180 Bảng 3. 3 Bảng so sánh 2 phương pháp MPA-RHA (15-story-building ) (Floor Displacement)  j No 0.25EL 0.5EL 0.75EL 0.85EL 1EL 1.5EL 2EL 3EL 4EL 5EL Mode 1 0.42531 0.35575 0.32369 0.31767 0.30138 0.30884 0.29790 0.32049 0.31365 0.30955 2 0.43069 0.36284 0.33245 0.32652 0.31185 0.31745 0.30899 0.32996 0.32338 0.32006 3 0.41500 0.35393 0.32451 0.31789 0.36772 0.31348 0.30497 0.32232 0.31898 0.31582 (Story Drift) No 0.25EL 0.5EL 0.75EL 0.85EL 1EL 1.5EL 2EL 3EL 4EL 5EL Mode 1 1.72463 1.79743 1.76899 1.77281 1.75744 1.76279 1.74691 1.76404 1.75480 1.75529 2 0.90082 0.92453 0.89437 0.88291 0.87081 0.87732 0.86625 0.89446 0.86872 0.87229 3 0.74689 0.74590 0.72328 0.71475 0.70197 0.69797 0.68960 0.70881 0.69409 0.69959
11. 11 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 4. Kết luận. việc đánh giá khả năng kháng chấn của công 4.1 Kết quả nhận được trình nhà cao tầng. Phương pháp tích Pushover (MPA) đã 5. Tài liệu tham khảo. được áp dụng cho 3 loại công trình: xây dựng [1] TCXDVN 9386 - 2012 Thiết kế công trình thấp (5 tầng), xây dựng trung bình (10 tầng) và chịu động đất. xây dựng cao (15 tầng). Trận động đất tác động [2] Đỗ Trọng Nghĩa, Nguyễn Hồng Ân và lên các tòa nhà là trận động đất quen thuộc mà Nguyễn Khánh Hùng. “Phân tích tĩnh phi chúng ta đã được biết đến như EL-Centro với tuyến của khung thép phẳng SMRF chịu động cường độ ngày càng tăng của EL-Centro: 0.25, đất”,tạp chí khoa học,2013. 0.5, 0.75, 0.85, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0xEL- [3] ThS. Trần Thanh Tuấn- TS. Nguyễn Hồng Centro để kiểm tra. Thu được kết quả sau: Ân “Phân tích ứng xử nhà cao tầng chịu động - Đối với hệ thống đàn hồi hai phương pháp đất bằng phương pháp tĩnh phi tuyến dự trên phân tích đẩy dần và phương pháp phân tích phổ khả năng”,Tạp chí KHCN Xây dựng - số lịch sử thời gian là như nhau. 1/2014. - Với hệ không đàn hồi thì thì phương pháp [4] Ks. Trần Thanh Tuấn- Ts. Nguyễn Hồng đẩy dần cũng cho kết quả phân tích tương Ân-Ks. Nguyễn Khánh Hùng “ Đánh giá đương với phương pháp RHA. chuyển vị mục tiêu cho nhà cao tầng chịu động - Khi áp dụng phân tích đẩy dần cho công đất bằng các phương pháp tĩnh phi tuyến’’,Tạp trình thấp tầng ta chỉ cần xét với dạng dao động chí khoa học công nghệ xây dựng số 4/2012. đầu tiên cũng đủ cho ta kết quả tốt nhất. Với [6] Chopra AK, Goel RK. “A modal pushover công trình cao tầng để đạt được giá trị mong analysis procedure for estimating seismic muốn hội tụ với kết quả của phương pháp tin demands for buildings.” Earthquake cậy như Respones History Analysis (RHA) thì Engineering Structural Dynamics, 2002, 31(3): ta phải xét đến sự đóng góp của các dạng dao 561-582. động bậc cao hơn. [7] Chopra AK, Goel RK. “A modal pushover 4.2 Kết luận analysis procedure to estimate seismic Từ việc áp dụng phân tích và có sự so demands for unsymmetric -plan buildings ” sánh đối với 3 công trình thấp tầng (5 tầng); 2003-08 trung bình (10 tầng) và cao tầng (15 tầng) ta [8] ATC-40, Seismic Evaluation and Retrofit kết luận rằng sự đóng góp của các dạng dao of Concrete Buildings, Redwood City, động bậc cao cho chúng ta kết quả tốt hơn về California, 1996.
12. 12 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG [9] FEMA-356, Prestandard and Commentary [13]. Chopra A.K. and Goel R.K., A Modal for the Rehabilitation of Buildings, 2000. Pushover Analysis Procedure to Estimating [10]. Chintanapakdee C. and Chopra A.K., Seismic Demands for Buildings: Theory and 2003, Evaluation of Modal Pushover Analysis Preliminary Evaluation, PERR Report Using Generic Frames, Earthquake 2001/03,Pacific Earthquake Engineering Engineering and Structural Dynamics, Vol. 32, Research Center, University of California, 417-442. Berkeley. [11]. Chopra A.K., 1995, Dynamics of Structures-Theory and Application to Earthquake Engineering, Prentice Hall, New Jersey. [12]. Chopra A.K. and Goel R.K., Capacity – Demand Diagram Methods for Estimating Seismic Deformation of Inelastic Structures: SDOF Systems , PEER Report 1999/02,Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley. 134 Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Xác nhân của giáo viên hướng dẫn Tác giả thực hiện (Kí và ghi rõ họ tên) ( Kí và ghi rõ họ tên)
13. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ