Ảnh hưởng của bề rộng tiết diện dầm giảm yếu đến phản ứng với động đất của một khung thép đặc biệt ba tầng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM



NGUYỄN VĂN THI

ẢNH HƢỞNG CỦA BỀ RỘNG
TIẾT DIỆN DẦM GIẢM YẾU ĐẾN PHẢN ỨNG
VỚI ĐỘNG ĐẤT CỦA MỘT KHUNG THÉP
ĐẶC BIỆT BA TẦNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KTXD Công trình Dân dụng và Công nghiệp
Mã ngành: 60 58 02 08

TP. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM



NGUYỄN VĂN THI

ẢNH HƢỞNGCỦA BỀ RỘNG
TIẾT DIỆN DẦM GIẢM YẾU ĐẾN PHẢN ỨNG
VỚI ĐỘNG ĐẤT CỦA MỘT KHUNG THÉP
ĐẶC BIỆT BA TẦNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KTXD Công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã ngành: 60 58 02 08

CÁN BỘ HDKH: TS. ĐÀO ĐÌNH NHÂN

TP. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2015


i

CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học:

TS. ĐÀO ĐÌNH NHÂN
Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghệ
TP.HCM ngày … tháng … năm 2015.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
Họ và tên

TT

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch

1

PGS.TS. Võ Phán

2

PGS.TS. Lƣơng Văn Hải

Phản biện 1

3

TS. Nguyễn Hồng Ân

Phản biện 2

4

PGS.TS. Nguyễn Xuân Hùng

Ủy viên

5

PGS.TS. Dƣơng Hồng Thẩm

Ủy viên, Thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn


ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN THI

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08/10/1989

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

MSHV: 1341870050

công trình dân dụng và công nghiệp
I. Tên đề tài
Ảnh hƣởngcủa bề rộng tiết diện dầm giảm yếu đến phản ứng với động đất
của một khung thép đặc biệt ba tầng
II. Nhiệm vụ và nội dung
1. Nhiệm vụ
Nghiên cứu phản ứng động đất của tòa nhà 3 tầng nhà có khung moment thép
đặc biệt (Special Moment Resisting Frame - SMRF) với dầm có nhiều trƣờng
hợp mặt cắt giảm yếu khác nhau (Reduced Beam Section – RBS).

2. Nội dung
1) Khảo sát mô hình bằng phƣơng pháp phân tích động, phạm vi khảo sát
cả trong và ngoài miền đàn hồi với tổng số lần khảo sát là 660 lần.
2) Từ các trƣờng hợp giảm yếu ta đi tìm các đặc trƣng dao động (gia tốc,
chuyển vị) của các tầng khác nhau ứng với từng tác động dao động nền
của các trận động đất khác nhau, đƣợc mô phỏng bằng phần mềm
chuyên dụng OpenSees từ đó đi đánh giá và phân tích.
3) Xác định và phân tích lực cắt tầng theo tuyến tính và phi tuyến sau đó
so sánh kết quả tính toán với tiêu chuẩn TCVN 9368:2012, ASCE 7-10
4) Tìm lực tới hạn của khung moment thép đặc biệt (Special Moment
Resisting Frame - SMRF) qua các lần giảm yếu mặt cắt dầm.


iii

5) Kết luận và kiến nghị trong giới hạn nghiên cứu.

III. Ngày giao nhiệm vụ:

17/3/2015

IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

17/9/2015

V. Cán bộ hƣớng dẫn:

Tiến sĩ Đào Đình Nhân

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác. Đồng thời, các thông tin trích dẫn trong Luận văn đƣợc tôn trọng và
đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả

NGUYỄN VĂN THI


v

LỜI CẢM ƠN
Công trình nghiên cứu này đƣợc thực hiện hơn mƣời tám tháng, trong quá
trình thực hiện đề tài, nếu không có sự giúp đỡ thầy Đào Đình Nhân và các bạn
trong nhóm thì không có kết quả này.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy trong Khoa xây dựng cũng
nhƣ các thầy đã dạy em những môn học vừa qua
Đặc biệt, luận văn này em xin chân thành cảm ơn thầy Đào Đình Nhân. Cảm
ơn thầy với lòng nhiệt huyết, thầy truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm bổ ích

để em hoàn thành bài viết này.
Em cũng rất mong sự góp ý chân thành đến từ Hội đồng khoa học để bài luận
này có thể đƣợc hiệu chỉnh hoàn thiện hơn.
NGUYỄN VĂN THI


vi

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài : Ảnh hưởng của bề rộng tiết diện dầm giảm yếu đến phản ứng với động
đất của một khung thép đặc biệt ba tầng
Từ khóa: Dầm giảm yếu tiết diện, động đất, khung mô men, phi tuyến
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu phản ứng động đất của tòa nhà 3 tầng nhà có khung mô men thép đặc
biệt có độ lệch tâm khối lƣợng 0,05 theo phƣơng cạnh dài. Phản ứng của kết cấu ứng
với nhiều trƣờng hợp giảm yếu tiết diện dầm khác nhau đƣợc khảo sát. Mô hình kết
cấu đƣợc phân tích bằng phƣơng pháp phân tích động trong miền thời gian, phạm vi
khảo sát cả trong và ngoài miền đàn hồi. Tổng số lần phân tích đáp ứng động của kết
cấu với các băng gia tốc 1320 lần.
Công trình dùng cho khảo sát đã đƣợc thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ. Mô hình 3D
của kết cấu đƣợc xây dựng trong phần mềm mô phỏng chuyên dụng cho ngành Kỹ
Thuật Động Đất, phần mềm OpenSees. Mô hình đƣợc phân tích cho 60 băng gia tốc
đại diện cho 3 cấp độ động đất khác nhau. Các đại lƣợng phản ứng đƣợc xem xét
gồm gia tốc sàn, chuyển vị tầng tƣơng đối và lực cắt tầng. Kết quả khảo sát cho thấy
việc giảm yếu bề rộng tiết diện dầm đến 50% không ảnh hƣởng đáng kể đến phản
ứng động của công trình trong tất cả các cấp động đất đã khảo sát. Cụ thể, trong đáp
ứng với cấp động đất có chu kỳ lặp 2475 năm, gia tốc sàn trung bình giảm 15%,
12.7% và 9% tại các sàn 2, 3 và mái; chuyển vị tầng tƣơng đối giảm ở tầng 1 là
14%, tăng dần ở tầng 2 và tầng 3 lần lƣợt là 7%, 2%. Khi tiết diện dầm giảm yếu
xuống 50%, cƣờng độ của công trình giảm xuống còn 80% so với khi không giảm

tiết diện. Kết quả khảo sát cho thấy khi giảm yếu tiết diện bé hơn 25%, cƣờng độ
kết cấu giảm khá chậm. Ngoài ra, một phần khảo sát của luận văn còn cho thấy


vii

công thức phân phối lực tĩnh ngang tƣơng đƣơng của động đất lên các sàn của tiêu
chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam phù hợp tốt với phản ứng động khi kết cấu làm
việc tuyến tính. Khi kết cấu làm việc phi tuyến, việc phân phối lực tĩnh ngang theo
tiêu chuẩn có phần sai lệch so với kết quả phản ứng động phân tích theo lịch sử thời
gian. Tuy nhiên, việc sai lệch của các tiêu chuẩn là thiên về an toàn.


viii

ABSTRACT
Thesis’s name: Effect of flange width of reduced beam section to the seismic
responses of a 3-story steel special moment frame building

Keywords: Reduced beam section, earthquake, moment frame, nonliear
Contents:
The seismic responses of a 3-story steel special moment frame building with 5%
mass eccentricity was studied. The structural responses corresponding to several
reduced flange width of the I-shape beam was investigated. Both linear and nonliear
responses of the structural model were dynamically analyzed in time domain. A total
number of 1320 trials was dynamically analyzed.
The analyzed building was code-designed per USA standards. The 3D model of
the building was developed in OpenSees, a software for earthquake engineering
simulation. 60 pairs of ground motions representing 3 earthquake levels was applied
to the model. The structural responses in consideration include floor acceleration,

story drift and story shear. The analysis results show that the reduction of flange
width of beams up to 50% does not significantly affect the structural responses.
Specifically, in the responses to 2475 years return period earthquakes, floor
acceleration decreases 15%, 12,7% and 9% at floors 2, 3 and roof, respectively. The
story drift decreases 14% at story 1, increases 7% and 2% at story 2 and 3. When the
flange width reduces to 50%, the lateral strength of the structure reduces to 80% of
the strength of the full beam section structure. It was observed that the lateral strength
reduces slowly when the reduction of beam width is smaller than 25%.
Another important part of the investigation was to compare the equivalent lateral
earthquake load distribution computed from codes to the effective lateral load
analyzed from time history responses of the model. The analysis indicates that the
equivalent lateral load distribution computed from Vietnamese code and the ASCE 7


ix

matches well with the effective earthquake load analyzed from the time history
response in the linear model. For the nonlinear model, the code’s distribution is
significantly different from the time history’s distribution. However, the code’s
distribution leans to the safer side.


x

MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... vi
ABSTRACT ............................................................................................................ viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ xii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................. xiv
CHƢƠNG 1 : MỞ ĐẦU ........................................................................................ - 1 1.1. GIỚI THIỆU ...............................................................................................- 1 1.2. MỤC TIÊU .................................................................................................- 5 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.......................................................................- 6 1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ KỸ THUẬT ÁP DỤNG ...............- 6 1.4.1. Phƣơng pháp giải quyết vấn đề ............................................................ - 6 1.4.2. Phần mềm áp dụng ............................................................................... - 6 1.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU .........................................................................- 7 1.6. ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................- 7 1.7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN...............................- 7 1.7.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................. - 7 1.7.2. Ý nghĩa thực tiễn .................................................................................. - 7 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU........................................ - 8 2.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NƢỚC NGOÀI .............................................- 8 2.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC ..........................................- 20 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................... - 21 3.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT ....- 21 3.1.1. Phƣơng pháp tĩnh lực ngang tƣơng đƣơng ......................................... - 21 3.1.2 Phƣơng pháp phân tích theo lịch sử thời gian ..................................... - 24 3.1.3 Phƣơng pháp chồng chất mode (phổ phản ứng) ................................. - 25 3.2. ĐÁNH GIÁ CÔNG TRÌNH THEO PHƢƠNG PHÁP (PUSHOVER) ...- 27 -

xi

CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHẢO SÁT .......................................... - 29 4.1. GIỚI THIỆU KẾT CẤU VÀ ĐẶC TRƢNG MÔ HÌNH .........................- 29 4.2. CÁCH XÂY DỰNG MÔ HÌNH ..............................................................- 31 4.3. KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH ......................................................................- 32 4.4. TẦN SUẤT ĐỘNG ĐẤT VÀ BĂNG GIA TỐC ....................................- 33 CHƢƠNG 5: ẢNH HƢỞNG CỦA TIẾT DIỆN DẦM GIẢM YẾU ĐẾN PHẢN
ỨNG CỦA HỆ KHUNG THÉP DƢỚI TẢI ĐỘNG ĐẤT ............. - 37 5.1. CÁC TRƢỜNG HỢP KHẢO SÁT ..........................................................- 37 5.2. CÁCH XỬ LÝ KẾT QUẢ ......................................................................- 39 5.2.1. Gia tốc .....................................................................................................- 39 5.1.2. Chuyển vị ........................................................................................... - 52 CHƢƠNG 6: ĐÁNH GIÁ LỰC CẮT TẦNG THEO PHƢƠNG PHÁP SỐ VÀ
LỰC TĨNH TƢƠNG ĐƢƠNG ........................................................ - 70 6.1. CÁC TRƢỜNG HỢP KHẢO SÁT ...........................................................- 70 6.2. XỬ LÝ SỐ LIỆU .......................................................................................- 71 6.2.1. Lực cắt tầng và lực quán tính theo phương pháp tích phân số trực tiếp
trong miền thời gian, thuật toán Newmark .................................................. - 71 CHƢƠNG 7: ẢNH HƢỞNG CỦA TIẾT DIỆN DẦM GIẢM YẾU ĐẾN CƢỜNG
ĐỘ CỦA HỆ KHUNG THÉP ĐẶC BIỆT THEO PHƢƠNG PHÁP
PUSHOVER .................................................................................... - 81 7.1. CÁC TRƢỜNG HỢP KHẢO SÁT ...........................................................- 81 7.2. XỬ LÝ SỐ LIỆU .......................................................................................- 81 7.3. KẾT LUẬN ................................................................................................- 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... - 87 -


xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Đặc trƣng hình học của mặt cắt dầm giảm yếu ............................................ - 17 Bảng 4.1: Các đặc trƣng mặt cắt dầm cột khung thép đặc biệt .................................... - 30 Bảng 4.2: Các đặc trƣng mặt cắt dầm cột khung trung gian ........................................ - 31 Bảng 4.3: Xác suất động đất xảy ra 50/50 năm, chu kỳ lặp lại là 72 năm ................... - 33 Bảng 4.4: Xác suất động đất xảy ra 10/50 năm, chu kỳ lặp lại là 475 năm ................. - 34 Bảng 4.5: Xác suất động đất xảy ra 2/50 năm, chu kỳ lặp lại là 2475 năm ................. - 35 Bảng 5.1: Bảng giá trị mặt cắt dầm giảm yếu .............................................................. - 37 Bảng 5.2: Bảng tính số lƣợng mẫu khảo sát ................................................................. - 38 Bảng 5.3: Bảng Chu kỳ của hệ sau các lần giảm yếu ................................................... - 38 Bảng 5.4: Bảng gia tốc tầng ứng với % tiết diện dầm giảm yếu (Gia tốc nền 50%) ... - 46 Bảng 5.5: Bảng gia tốc tầng ứng với % tiết diện dầm giảm yếu (Gia tốc nền 20%) ... - 47 Bảng 5.6: Bảng gia tốc tầng ứng với % tiết diện dầm giảm yếu (Gia tốc nền 2%) ..... - 48 Bảng 5.7: Bảng chuyển vị tầng tƣơng đối theo phƣơng X với % tiết diện dầm giảm
yếu (Gia tốc nền 50%) ................................................................................... - 59 Bảng 5.8: Bảng chuyển vị tầng tƣơng đối theo phƣơng X với % tiết diện dầm giảm
yếu (Gia tốc nền 20%) ................................................................................... - 59 Bảng 5.9: Bảng chuyển vị tầng tƣơng đối theo phƣơng X với % tiết diện dầm giảm
yếu (Gia tốc nền 2%) ..................................................................................... - 60 Bảng 5.10: Bảng chuyển vị tầng tƣơng đối theo phƣơng Y với % tiết diện dầm giảm
yếu (Gia tốc nền 50%) ................................................................................... - 64 Bảng 5.11: Bảng chuyển vị tầng tƣơng đối theo phƣơng Y với % tiết diện dầm giảm
yếu (Gia tốc nền 20%) ................................................................................... - 64 -


xiii

Bảng 5.12: Bảng chuyển vị tầng tƣơng đối theo phƣơng Y với % tiết diện dầm giảm
yếu (Gia tốc nền 2%) ..................................................................................... - 65 Bảng 6.1: Lực cắt và lực quán tính theo phƣơng X tính theo phƣơng pháp số ............ - 71 Bảng 6.2: Lực cắt và lực quán tính theo phƣơng Y tính theo phƣơng pháp số ............ - 72 Bảng 6.3: Khối lƣợng và chiều cao tầng tƣơng ứng ..................................................... - 73 Bảng 6.4: Lực cắt và lực quán tính theo phƣơng X tính theo phƣơng pháp tĩnh lực
trong TCVN ................................................................................................... - 73 Bảng 6.5: Lực cắt và tĩnh lực theo phƣơng Y tính theo phƣơng pháp tĩnh lực trong
TCVN ............................................................................................................. - 74 Bảng 6.7: Lực cắt và lực quán tính theo phƣơng X tính theo phƣơng pháp tĩnh lực
trong ASCE .................................................................................................... - 75 Bảng 6.8: Lực cắt và tĩnh lực theo phƣơng Y tính theo phƣơng pháp tĩnh lực trong

ASCE ............................................................................................................. - 75 Bảng 7.1: Mối quan hệ Lực – Tiết diện giảm yếu ........................................................ - 83 -


xiv

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Loại động đất (Marshak 2007) ...................................................................... - 2 Hình 1.2: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình Community Hospital Sylmar
(1971 ở San Fernando) ..................................................................................... - 3 Hình 1.3: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình San Fernado Valley Apartment
Damage (1971 ở San Fernando) ...................................................................... - 4 Hình 1.4: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình Health Clinic Damage (1971
Northridge - California) ................................................................................... - 4 Hình 2.1: Tòa nhà Home insurance tại Chicago (Nguồn NIST GCR 09-9173) ............ - 9 Hình 2.2: Liên kết các tấm thép với nhau bằng bản mã và đinh tán .............................. - 9 Hình 2.3: Liên kết tại các góc bằng mặt bích và Riveted ............................................. - 10 Hình 2.4: Sử dụng liên kết hàn và bulted đƣợc ứng dụng từ 1970-1994 ..................... - 10 Hình 2.5: Liên kết bị phá vỡ trong trận động đất Northridge earthquake ................... - 12 Hình 2.6: Formation of a single story frame mechanism,also termed a "weak story"
mechanism ..................................................................................................... - 13 Hình 2.7: Idealized sidesway mechanism intended forcolumns with strong-column
/ weak-beam design........................................................................................ - 13 Hình 2.8: Loại liên kết điển hình trƣớc khi trận động đất Northridge ......................... - 15 Hình 2.9: Loại liên kết giảm yếu của dầm sau trận động đất Northridge .................... - 15 Hình 2.10: Các loại mặt cắt giảm yếu .......................................................................... - 16 Hình 2.11: Bán kính cắt của dầm giảm yếu ................................................................. - 17 Hình 2.12: Mô hình dầm và cột tuyệt đối cứng với bề rộng dầm giảm yếu bị biến
dạng ................................................................................................................ - 18 -


xv

Hình 2.13: Dự đoán sự phân bố ứng suất từ mô hình fiber và phƣơng pháp phần tử
hữu hạn cho mặt cắt dầm giảm yếu ............................................................... - 18 Hình 2.14: Liên kết dầm và cột bằng liên kết hàn và bulon có khe hở ........................ - 19 Hình 3.1: Lực ngang tại mỗi tầng đƣợc sử dụng ELFM .............................................. - 21 Hình 3.2: Chuyển vị tầng theo ASCE7-10 ................................................................... - 24 Hình 3.3: Phổ phản ứng gia tốc - Phổ phẳng................................................................ - 27 Hình 3.4: Phổ phản ứng gia tốc - Phổ hyperbol ........................................................... - 27 Hình 4.1: Mô hình khung moment đặc biệt 3 tầng [34] ............................................... - 29 Hình 4.2: Mặt cắt giảm yếu của dầm ........................................................................... - 30 Hình 4.3: Các thông số giảm yếu trong mô hình ......................................................... - 32 Hình 5.1 Chu kỳ X, Y xoắn theo phƣơng z qua các lần giảm yếu tiết diện ................ - 39 Hình 5.2: Gia tốc của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất 72 năm với mặt cắt dầm giảm
yếu 5% ........................................................................................................... - 40 Hình 5.3: Gia tốc của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất 72 năm với mặt cắt dầm giảm
yếu 50% ......................................................................................................... - 41 Hình 5.4: Gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất
72 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 5% ........................................................... - 41 Hình 5.5: Gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất
72 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 50% ......................................................... - 42 Hình 5.6: Gia tốc của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất 475 năm với mặt cắt dầm
giảm yếu 5% .................................................................................................. - 43 Hình 5.7: Gia tốc của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất 475 năm với mặt cắt dầm
giảm yếu 50% ................................................................................................ - 43 Hình 5.8: Gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất
475 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 5% ......................................................... - 44 -


xvi

Hình 5.9: Gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất
475 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 50% ....................................................... - 44 Hình 5.10: Gia tốc của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất 2.475 năm với mặt cắt dầm
giảm yếu 5% .................................................................................................. - 45 Hình 5.11: Gia tốc của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất 2.475 năm với mặt cắt dầm
giảm yếu 50% ................................................................................................ - 45 Hình 5.12: Gia tốc trung bình và độ lêch chuẩn của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất
2.475 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 5% ...................................................... - 46 Hình 5.13: Gia tốc trung bình và độ lêch chuẩn của 20 trƣờng hợp chu kỳ động đất
2.475 năm với mặt cắt dầm giảm yếu 50% .................................................... - 46 Hình 5.14: Gia tốc trung bình của 10 lần giảm yếu tiết diện của băng gia tốc 72 năm - 48 Hình 5.15: Gia tốc trung bình của 10 lần giảm yếu tiết diện của băng gia tốc 475
năm ................................................................................................................. - 49 Hình 5.16: Gia tốc trung bình của 10 lần giảm yếu tiết diện của băng gia tốc 2.475
năm ................................................................................................................. - 49 Hình 5.17: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và gia tốc 72 năm qua các
tầng ................................................................................................................. - 50 Hình 5.18: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và gia tốc 475 năm qua
các tầng .......................................................................................................... - 50 Hình 5.19: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và gia tốc 2.475 năm qua
các tầng .......................................................................................................... - 51 Hình 5.20: Phổ phản ứng gia tốc trung bình ................................................................ - 52 Hình 5.21: Chuyển vị tầng theo phƣơng x của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 72 năm
với mặt cắt giảm yếu 5% ............................................................................... - 53 Hình 5.22: Chuyển vị tầng theo phƣơng x của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 72 năm
với mặt cắt giảm yếu 50% ............................................................................. - 53 -


xvii

Hình 5.23: Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của 20 băng gia tốc trƣờn hợp 72
năm với mặt cắt giảm yếu 5%........................................................................ - 54 Hình 5.24: Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 72
năm với mặt cắt giảm yếu 50%...................................................................... - 54 Hình 5.25: Chuyển vị tầng theo phƣơng x của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 475 năm
với mặt cắt giảm yếu 5% ............................................................................... - 55 Hình 5.26: Chuyển vị tầng theo phƣơng x của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 475 năm
với mặt cắt giảm yếu 50% ............................................................................. - 55 Hình 5.27: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 475
năm với mặt cắt giảm yếu 5%........................................................................ - 56 Hình 5.28: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 475
năm với mặt cắt giảm yếu 50%...................................................................... - 56 Hình 5.29: Chuyển vị tầng theo phƣơng x của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 2.475
năm với mặt cắt giảm yếu 5%........................................................................ - 57 Hình 5.30: Chuyển vị tầng theo phƣơng x của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 2.475
năm với mặt cắt giảm yếu 50%...................................................................... - 57 Hình 5.31: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 2.475
năm với mặt cắt giảm yếu 5%........................................................................ - 58 Hình 5.32: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 2.475
năm với mặt cắt giảm yếu 50%...................................................................... - 58 Hình 5.33: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 72 năm
với 10 lần giảm yếu theo phƣơng X .............................................................. - 61 Hình 5.34: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 475
năm với 10 lần giảm yếu theo phƣơng X....................................................... - 61 Hình 5.35: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 2.475

năm với 10 lần giảm yếu theo phƣơng X....................................................... - 62 -


xviii

Hình 5.36: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và chuyển vị với cấp độ
động đất 72 năm qua các tầng theo phƣơng X............................................... - 62 Hình 5.37: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và chuyển vị với cấp độ
động đất 475 năm qua các tầng theo phƣơng X............................................. - 63 Hình 5.38: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và chuyển vị với cấp độ
động đất 2.475 năm qua các tầng theo phƣơng X.......................................... - 63 Hình 5.39: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 72 năm
với 10 lần giảm yếu theo phƣơng Y .............................................................. - 66 Hình 5.40: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 475
năm với 10 lần giảm yếu theo phƣơng Y....................................................... - 66 Hình 5.41: Gía trị trung bình chuyển vị tầng của 20 băng gia tốc trƣờng hợp 2.475
năm với 10 lần giảm yếu theo phƣơng Y....................................................... - 67 Hình 5.42: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và gia tốc trƣờng hợp 72
năm qua các tầng theo phƣơng Y .................................................................. - 67 Hình 5.43: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và gia tốc trƣờng hợp 475
năm qua các tầng theo phƣơng Y .................................................................. - 68 Hình 5.44: Biểu đồ quan hệ phần trăm tiết diện giảm yếu và gia tốc trƣờng hợp
2.475 năm qua các tầng theo phƣơng Y ....................................................... - 68 Hình 6.1: Lực tĩnh theo phƣơng X tuyến tính .............................................................. - 76 Hình 6.2: Lực tĩnh theo phƣơng Y tuyến tính ............................................................. - 76 Hình 6.3: Lực tĩnh theo phƣơng X phi tuyến .............................................................. - 77 Hình 6.4: Lực tĩnh theo phƣơng Y phi tuyến .............................................................. - 77 Hình 6.5: Lực cắt tầng theo phƣơng X tuyến tính ........................................................ - 78 Hình 6.6: Lực cắt tầng theo phƣơng X phi tuyến ......................................................... - 79 Hình 6.6: Lực cắt tầng theo phƣơng Y tuyến tính ........................................................ - 79 -


xix

Hình 6.6: Lực cắt tầng theo phƣơng Y phi tuyến ........................................................ - 80 Hình 7.1: Lực và chuyển vị tƣơng đối tầng 1 ............................................................... - 82 Hình 7.2: Lực và chuyển vị tƣơng đối tầng 2 ............................................................... - 82 Hình 7.3: Lực và chuyển vị tƣơng đối tầng 3 ............................................................... - 83 Hình 7.4: Lực gây sụp đổ và tiết diện giảm yếu tầng 1 ................................................ - 84 -


-1-

CHƢƠNG 1 : MỞ ĐẦU
1.1. GIỚI THIỆU
Mặc dù động đất là một trong những loại thiên tai gây thiệt hại nặng nề nhất
cho nhân loại từ xa xƣa. Tuy nhiên, việc thiết kế chống động đất mới chỉ đƣợc đặt
nền tảng trong khoảng 150 năm trở lại đây (M. C. Richard, 2009). Đặc biệt, kể từ
khi những tiến bộ trong kỹ thuật chống động đất đƣợc tổng hợp lại bởi ATC

(Applied Technology Council, Mỹ), ngành kỹ thuật chống động đất mới bƣớc vào
giai đoạn phát triển rực rỡ. Kể từ đó, những biện pháp chống động đất hiệu quả lần
lƣợt đƣợc phát minh.
Trận động đất đầu tiên đƣợc ghi lại tại Hoa Kỳ xảy ra vào ngày 11 tháng 6
năm 1638. Sau 25 năm trận động đất năm 1663 đã gây ra sạt lở trên một diện tích
rộng 750.000 dặm. Đến cúi thế kỷ thứ XIX và đầu thế kỷ XX nhận thấy sự thiệt hại
nặng nề này các nhà nghiên cứu có một sự quan tâm hơn về động đất. Một số quy
định về thiết kế chịu động đất trong tiêu chuẩn đƣợc phát triển từ năm 1920 và
1930, lúc này tiêu chuẩn quy định áp dụng lực động đất xấp xỉ bằng 10% khối
lƣợng của công trình. Tuy nhiên, đến năm 1960 đã có sự hiểu biết hơn về gia tốc
nền từ đó áp dụng phản ứng động để thiết kế công trình chịu động đất. Đến năm
1974, Hội đồng Công nghệ ứng dụng (ATC) đã đƣa ra tiêu chuẩn thiết kế công trình
chịu động đất. Trong tiêu chuẩn này đã đƣa ra một số phƣơng pháp xác định gia tốc
nền tính toán lực địa chấn. Cho đến nay tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất
trên khắp thế giới đã đạt đến trình độ phát triển rất cao.
Nguyên nhân phổ biến nhất của động đất là sự di chuyển của lớp vỏ trái đất.
Tại ranh giới của những tấm vỏ, bằng những sự va chạm nhau gây nên đứt gãy hoặc
nứt trên bề mặt trái đất. Dƣới đây là một số loại va chạm của lớp vỏ trái đất:


-2-

Hình 1.1: Loại động đất (Marshak 2007)
Động đất có thể do thiên nhiên hoặc nhân tạo. Nguyên nhân phổ biến nhất của
động đất là sự di chuyển của lớp vỏ trái đất hay núi lửa phun trào. Bên cạnh đó, sự
sạt lỡ đất hoặc sự gây nổ dƣới lòng đất hay khai thác mỏ do con ngƣời tạo nên cũng
có thể gây ra động đất nhẹ… Theo Marshak (2007) thì có khoảng một triệu trận
động đất lớn nhỏ xảy ra hàng năm trên toàn thế giới trong đó có nhiều trận gây tổn
thất nặng nề. Đó cũng là nguyên nhân mà các nhà nghiên cứu đã đi sâu vào tìm hiểu
công trình chịu động đất để đảm bảo cuộc sống cho con ngƣời và tài sản cho xã hội

ngày càng phát triển mạnh trên toàn thế giới. Các báo cáo gần đây về thiệt hại do
động đất gây ra đã cho thấy rằng, sự làm việc không đồng bộ của các phần tử dầm,
cột tại những vị trí nút của khung là một trong những nguyên dẫn đến sự hƣ hỏng và
sụp đổ công trình.


-3-

Đã có nhiều nghiên cứu cho thấy rằng sự làm việc không đồng bộ này gây nên
sự phá hoại công trình, nhƣ là trận động đất năm 1971 ở San Fernando (Hart et al,
1975), năm 1985 ở Mexico (Rosenbleuth and Meli, 1986; Esteva, 1987), năm 1985
ở Loma Prieta (Mitchell et al, 1990), năm 1990 ở Philippines (Booth et al, 1991),
năm 1994 ở Northridge earthquake (Mitchell et al, 1995) và năm 1995 ở Kobe
(Mitchell et al, 1996). Những sự kiện này dẫn tới sự quan tâm đặc biệt trong nghiên
cứu về ảnh hƣởng của liên kết tại các nút khung đến phản ứng của hệ kết cấu khi có
động đất.

Hình 1.2: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình Community Hospital
Sylmar (1971 ở San Fernando)


-4-

Hình 1.3: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình San Fernado Valley
Apartment Damage (1971 ở San Fernando)

Hình 1.4: Thiệt hại do động đất gây ra tại công trình Health Clinic Damage
(1971 Northridge - California)
Từ những quan sát thực tế, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cơ chế sập tầng
mềm (solft story mechanism) là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự sụp đổ của toàn bộ