Phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong hệ khung thép đặc biệt ba tầng

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

NGUYỄN THU THIÊN

PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY CỦA
PHẢN ỨNG ĐỘNG ĐẤT VỚI ĐỘ LỆCH TÂM
KHỐI LƯỢNG TRONG HỆ 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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

NGUYỄN THU THIÊN

PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY CỦA
PHẢN ỨNG ĐỘNG ĐẤT VỚI ĐỘ LỆCH TÂM
KHỐI LƯỢNG TRONG HỆ 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 ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. ĐÀO ĐÌNH NHÂN

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ
TP.HCM ngày … tháng … năm 2015.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT

Họ và tên

Chức danh
Hội đồng

1

Chủ tịch

2

Phản biện 1

3

Phản biện 2

4

Ủy viên

5

Ủy viên, Thư ký

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


- ii -


- ii TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

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

Giới tính: nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/02/1975

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
công trình dân dụng và công nghiệp

MSHV: 1341870051

I. Tên đề tài
Phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong
hệ khung thép đặc biệt ba tầng.
II. Nhiệm vụ và nội dung
1. Nhiệm vụ
Nhiệm vụ của đề tài “Phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch
tâm khối lượng trong hệ khung thép đặc biệt ba tầng” là tìm hiểu phản ứng của tòa
nhà 3 tầng nhà có khung thép đặc biệt (Special Moment Resisting Frame - SMRF),
dầm có mặt cắt giảm yếu (Reduced Beam Section – RBS) với các độ lệch tâm e
khác nhau theo cả phương X và Y, chịu tác động các cấp độ địa chấn khác nhau cũng
theo cả hai phương X và Y.
Luận văn là đánh giá phản ứng của hệ được khảo sát trong cả hai trường hợp
vật liệu làm việc đàn hồi và phi tuyến khi chịu động đất. Bên cạnh đó bài viết còn
trình bày việc thực hiện phân tích ứng xử của hệ theo độ lệch tâm khối lượng, đồng
thời tính toán độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong hệ
kết cấu này.
Các phân tích đánh giá trong phạm vi luận văn này gồm:
Phân tích phản ứng gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt tầng khi hệ
kết cấu chịu lần lượt 3 cấp độ động đất, xét trường hợp vật liệu hệ làm

việc tuyến tính.


-3-

Phân tích phản ứng gia tốc trung bình, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt
tầng khi hệ kết cấu chịu lần lượt 3 cấp độ động đất, xét trường hợp vật liệu
hệ làm việc phi tuyến.
Đánh giá phản ứng gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt tầng theo độ
lệch tâm khối lượng của hệ kết cấu chịu động đất.
Phân tích độ nhạy của gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn và lực cắt tầng theo
độ lệch tâm khối lượng của hệ kết cấu chịu động đất.
2. Nội dung
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả thực hiện các khảo sát mô hình gồm:
(1) khảo sát tuyến tính mô hình khung moment đặc biệt với độ lệch tâm ngẫu nhiên
là 5% (theo tiêu chuẩn); (2) khảo sát phi tuyến mô hình với độ lệch tâm ngẫu nhiên
là 5%; (3) khảo sát phi tuyến hệ kết cấu với độ lệch tâm khối lượng theo hai phương
tuân theo luật phân phối chuẩn với 60 giá trị tạo ngẫu nhiên từ máy tính và 1 giá trị
đúng tâm. Tất cả các khảo sát này đều được thực hiện ở ba cấp độ động đất, mỗi cấp
độ được đại diện bởi 20 băng gia tốc nền.
Các dữ liệu phản ứng thu được từ khảo sát bằng phương pháp tích phân số
trong miền thời gian, sẽ được phân tích bằng phương pháp toán học, mô tả thống kê,
và phân tích độ nhạy đối với giá trị biến đầu vào là độ lệch tâm e. Từ đó rút ra
những kết luận cần thiết (nếu có) về phản ứng của công trình chịu động đất trong
phạm vi nghiên cứu này.
Các công việc cụ thể của đề tài gồm:
- Xác định vấn đề: mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
- Tổng thuật tài liệu: Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của
các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến đề tài; nêu những vấn đề còn tồn tại;
chỉ ra những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.

- Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình kết cấu: Trình bày các giả thiết xây
dựng mô hình kết cấu, phương pháp giải, xác định các dữ liệu đầu vào.
- Phân tích ứng xử của hệ khung thép đặc biệt chịu động đất có xét đến
làm việc phi tuyến của vật liệu: so sánh các phản ứng, quy luật của gia tốc, chuyển
vị tầng và lực cắt tầng của toà nhà khi chịu động đất trong trường hợp giả thiết hệ
làm việc tuyến tính và phi tuyến.


-4-

- Phân tích ảnh hưởng của độ lệch tâm khối lượng trong hệ khung thép
đặc biệt ba tầng đến phản ứng của nó: phân tích các phản ứng gia tốc, chuyển vị
tầng và lực cắt tầng và độ nhạy của các phản ứng này với độ lệch tâm của hệ kết cấu
khi chịu động đất.
- Kết luận: Trình bày những kết quả mới của Luận văn.
III. Ngày giao nhiệm vụ:

17/3/2015

IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

17/9/2015

V. Cán bộ hướng dẫn:

Tiến sĩ Đào Đình Nhân


-5C
Á

N
B
Ộ
H
Ư
Ớ
N
G
D
Ẫ
N

T
i
ế
n
s
ĩ
Đ
à
o
Đ
ì
n
h
N
h
â
n

KHOA
QUẢN
LÝ
CHUYÊ
N
NGÀNH


-6-

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 chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác. Đồng thời, các thông tin trích dẫn trong Luận văn được tôn trọng
và đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả

NGUYỄN THU THIÊN


-7-

LỜI CẢM ƠN
Đề tài này đã được thực hiện trong hơn một năm qua. Trong quá trình xây
dựng, khảo sát mô hình và phân tích dữ liệu, nếu không có sự giúp đỡ trực tiếp hoặc
gián tiếp của các thầy, các bạn trong trường thì không thể có được kết quả này.
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy dạy các môn của lớp 13SXD21,
nhờ các thầy đã trang bị cho kiến thức nền đã giúp em thuận lợi hơn cho việc thực
hiện đề tài Thạc sĩ.

Rất cảm ơn các bạn cùng lớp đã chia sẻ, trao đổi, phản biện trong quá trình
làm bài, nhờ đó giúp cho nội dung phân tích được tốt hơn.
Đặc biệt, luận văn này không thể thực hiện được nếu thiếu sự hướng dẫn trực
tiếp của Tiến sĩ Đào Đình Nhân. Cảm ơn thầy với lòng nhiệt tình, đã truyền đạt
những kiến thức và kinh nghiệm bổ ích để em hoàn thành bài luận này.
Tác giả cũng rất mong sự góp ý chân thành của các thành viên Hội đồng khoa
học để Luận văn này có thể được hiệu chỉnh hoàn thiện hơn.

NGUYỄN THU THIÊN


-8-

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
* Tên đề tài:
Phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong hệ
khung thép đặc biệt ba tầng.
* Từ khoá:
Khung moment đặc biệt, phản ứng động đất, phân tích phi tuyến, phân tích
lịch sử thời gian, độ nhạy, độ lệch tâm khối lượng
* Tóm tắt:
Đề tài phân tích ứng xử của các mô hình toà nhà khung moment đặc biệt ba
tầng chịu động đất. Có hai nội dung chính. Thứ nhất, đánh giá ứng xử của hệ khung
thép đặc biệt chịu động đất có xét đến làm việc phi tuyến của vật liệu. Nội dung này
sẽ khảo sát 2 mô hình làm việc tuyến tính và phi tuyến của khung thép đặc biệt có
độ lệch tâm khối lượng 5% (theo yêu cầu xoắn ngẫu nhiên trong Tiêu chuẩn). Thứ
hai, phân tích độ nhạy của phản ứng động đất với độ lệch tâm khối lượng trong hệ
khung thép đặc biệt ba tầng. Phần này sẽ phân tích 61 mô hình tương ứng với 60 độ
lệch tâm khối lượng được giả định tuân theo phân phối chuẩn và 1 mô hình đúng
tâm. Phản ứng của hệ được phân tích bao gồm gia tốc, chuyển vị tầng tương đối,

chuyển vị xoắn, lực cắt tầng và lực quán tính.
Mô hình là một tòa nhà ba tầng, được xây dựng bằng phần mềm máy tính
OpenSees. Phản ứng với động đất của mô hình được phân tích bằng phương pháp
tích phân số trực tiếp trong miền thời gian, thuật toán Newmark. Mô hình được
phân tích với ba cấp độ động đất khác nhau. Mỗi cấp độ động đất được đại diện
bằng 20 băng gia tốc nền.
Kết quả khảo sát cho thấy rằng, thứ nhất, trong trường hợp phân tích phi tuyến
và tuyến tính, các phản ứng gia tốc, chuyển vị tầng, xoắn và lực tĩnh đều tăng theo
chiều cao tầng và theo cấp độ động đất. Trong khi đó, lực cắt tăng tỷ lệ thuận với độ
mạnh địa chấn nhưng tỷ lệ nghịch với chiều cao hệ. Thứ hai, với cấp độ động đất
50/50, các ứng xử của hệ ở trường hợp tuyến tính và phi tuyến không khác biệt. Tuy
nhiên, phản ứng của hệ trường hợp vật liệu làm việc đàn hồi lớn hơn một ít so với
phi tuyến khi chịu động đất chu kỳ 475 năm và 2.745 năm. Thứ ba, độ lệch chuẩn


-9-

của các tập dữ liệu phản ứng trong trường hợp phi tuyến luôn nhỏ hơn so với tuyến
tính. Kết quả này nói lên tập dữ liệu phản ứng trong trường hợp phi tuyến hội tụ hơn
ở trường hợp đàn hồi, có nghĩa là các phản ứng thu được trong trường hợp phi tuyến
dưới tác động của các băng chuyển động nền có sự tương đồng cao và biến động
nhỏ; ngược lại, có sự phân tán lớn, rải rác và biến động lớn trong không gian giá trị
ở trường hợp tuyến tính. Điều này chỉ ra rằng, để có độ chính xác cao hơn, nên chọn
số mẫu gia tốc nền lớn khi xác định phổ phản ứng trung bình để thiết kế theo lý
thuyết đàn hồi. Thứ tư, độ nhạy các phản ứng của hệ kết cấu đối với độ lệch tâm
khối lượng không chỉ phụ thuộc vào cấp độ động đất, mà còn cũng thay đổi theo
từng chuyển động nền. Thứ năm, dù chịu bất kỳ cấp độ động đất nào, gia tốc đỉnh
trung bình của sàn và chuyển vị ngang không tăng đơn điệu, mà nó biến thiên trong
miền độ lệch tâm khối lượng của tòa nhà được khảo sát. Trong khảo sát này, gia tốc
và chuyển vị ngang tăng lên khi độ lệch tâm khối lượng đạt mức khoảng 15%. Sau

đó thì các đại lượng này gần như không thay đổi và từ từ giảm xuống khi giá trị lệch
tâm khối lượng lớn hơn 25%. Thứ sáu, khi độ lệch tâm khối lượng nhỏ hơn 10%,
chuyển vị ngang và gia tốc sàn trở nên nhạy hơn với độ lệch tâm khối lượng khi hệ
chịu động đất mạnh. Độ nhạy của chuyển vị ngang với độ lệch tâm khối lượng nhỏ
hơn so với gia tốc sàn. Thứ bảy, chuyển vị xoắn trong phân tích này đồng biến khi
độ lệch tâm khối lượng trong khoảng từ 0 - 30%, và rất nhạy trong khoảng dưới
15%. Ngoài khoảng này, chuyển vị xoắn không thay đổi. Thứ tám, lực cắt tầng
trong tất cả các trường hợp động đất không tăng theo độ tăng của độ lệch tâm khối
lượng. Ngược lại, giá trị này giảm nhẹ trong suốt miền giá trị độ lệch tâm khảo sát.
Trong khi đó, lực quán tính tăng theo chiều cao công trình, nhưng có cùng xu
hướng với lực cắt khi xét tương tác với độ lệch tâm. Điều này cho thấy lực cắt tầng
và lực quán tính kém nhạy so với độ lệch tâm khối lượng.


- 10 -

ABSTRACT
* Subject:
Sensitivity analysis of nonlinear responses of a three-story special moment
resisting frame building to its mass eccentricity during earthquakes
* Keywords:
Special moment resisting frame, earthquake responses, nonlinear structural
analysis, time historic analysis, sensitivity, mass eccentricity.
* Abstract:
This thesis aims to analyze the effect of mass eccentricity to seismic response
of a 3-story steel special moment resisting frame building. The investigating pocess
were divided into two phases. Firstly, the nonlinear and linear responses of the
building with 5% mass eccentricity to three earthquake events were compared.
Secondly the sensitivity of seismic structural response of a steel special moment
resisting frame building to its mass eccentricity was investigated.

The numerical model of the structure was developed in OpenSees software.
Sixty pairs of ground motions, representing three earthquake events were
considered. The seismic response of the model was dynamically analyzed using
Newmark-beta method.
The comparison shows that floor acceleration and displacement and shear
force of the linear model are similar to those of the nonliear model in the 72 years
return period earthquake event. In the 475 years event, the responses of the linear
model are significantly larger than the responses of the nonlinear model. The
difference is largest in the 2.745 years earthquake event. The standard deviation of
responses indicates that the dispersion of the linear response data is larger than that
of the nonlinear response data. The difference is smallest in the 72 years earthquake
event and largest in the 2.475 years earthquake event.
In addition, the results showed that the sensitivity of responses to mass
eccentricity not only depends on earthquake level but also varies from motion to
motion. When the eccentricity is small, structural responses are more sensitive to


- 11 -

mass eccentricity in a stronger earthquake event than in a weaker event. Peak story
drift is less sensitive to mass eccentricity than peak floor acceleration. Peak floor
acceleration, peak story drift and torsional drift are very sensitive to mass
eccentricity when the eccentricity is less than 15%. Beyond this value, the responses
become less sensitive. The story shear forces in all earthquake events do not rise
when mass eccentricity value gets up. Otherwise, this response slightly declines or
is constant throughout the mass eccentricity range. So this implies the story shear
force is not sensitive to the structural system's mass eccentricity.


- 12 -

MỤC LỤC
trang
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN.................................................................... vii
ABSTRACT ............................................................................................................. ix
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... xiv
DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................... xvi
Chương 1

Giới thiệu chung ................................................................................1

1.1. Giới thiệu..........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu ........................................................................3
1.2.1. Mục tiêu của đề tài ....................................................................................3
1.2.1.1. Mục tiêu tổng quát .............................................................................3
1.2.1.2. Mục tiêu cụ thể...................................................................................3
1.2.2. Nội dung nghiên cứu .................................................................................5
1.3. Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật áp dụng .................................................6
1.3.1. Phương pháp giải quyết vấn đề .................................................................6
1.3.2. Phần mềm và kỹ thuật áp dụng .................................................................6
1.4. Phạm vi nghiên cứu..........................................................................................6
1.5. Đóng góp của đề tài..........................................................................................6
Chương 2

Tổng quan vấn đề nghiên cứu ..........................................................7

2.1. Tình hình nghiên cứu nước ngoài ....................................................................7
2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước...................................................................10
Chương 3

Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình kết cấu ..............................12

3.1. Giả thuyết xây dựng mô hình .........................................................................12
3.2. Xây dựng mô hình..........................................................................................15


- 13 -

3.3. Kiểm chứng mô hình......................................................................................16
3.4. Tần suất động đất và băng gia tốc ..................................................................16
3.5. Phương pháp tích phân số trực tiếp trong miền thời gian,
thuật toán Newmark - Beta ............................................................................21
Chương 4

Phân tích ứng xử của hệ khung thép đặc biệt chịu động đất
có xét đến làm việc phi tuyến của vật liệu .....................................23

4.1. Giới thiệu........................................................................................................23
4.2. Dữ liệu đầu vào ..............................................................................................23
4.3. Kết quả khảo sát và bàn luận .........................................................................24
4.3.1. Gia tốc .....................................................................................................24
4.3.2. Chuyển vị tầng tương đối (story drift) ....................................................31
4.3.3. Chuyển vị xoắn (torsional drift) ..............................................................41
4.3.4. Lực cắt tầng .............................................................................................46
4.4. Kết luận chương .............................................................................................55
Chương 5

Ảnh hưởng của độ lệch tâm khối lượng đến phản ứng
của hệ khung thép đặc biệt ba tầng ...............................................56

5.1. Giới thiệu........................................................................................................56
5.2. Độ lệch tâm khối lượng và chu kỳ của mô hình ............................................56
5.3. Kết quả khảo sát và bàn luận .........................................................................61
5.3.1. Gia tốc .....................................................................................................61
5.3.2. Chuyển vị tầng tương đối (story drift) ....................................................76
5.3.3. Chuyển vị xoắn (torsional drift) ..............................................................86
5.3.4. Lực cắt tầng .............................................................................................94
5.4. Kết luận chương ...........................................................................................105
Chương 6

Kết luận ..........................................................................................106

6.1. Kết luận ........................................................................................................106
6.2. Hạn chế của đề tài và hướng nghiên cứu tiếp theo ......................................108
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.....................................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................110


- 14 -

PHẦN PHỤ LỤC....................................................................................................... I
PHỤ LỤC 1 MÃ LẬP TRÌNH TCL - OPENSEES:
XÂY DỰNG VÀ KHẢO SÁT MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ..........
II PL1.1. Mã chương trình chính - Main ...............................................................
II PL1.2. Mã chương trình tạo các thủ tục tiện ích - Procedure
............................X PL1.3. Mã ctrình tạo toạ độ nút phần tử - Nodes
............................................ XV PL1.4. Mã chương trình tạo mặt cắt phần tử Section ................................. XVI PL1.5. Mã chương trình tạo vật liệu Material ........................................... XVII PL1.6. Mã chương trình tạo phần tử
kết cấu - Element ............................... XVII PL1.7. Mã chương trình ràng buộc
điều kiện biên - Boundary .................... XXI PL1.8. Mã chương trình gán tải
trọng .......................................................... XXII

PHỤ LỤC 2 MÃ LẬP TRÌNH MATLAB:
XỬ LÝ SỐ LIỆU GIA TỐC, CHUYỂN VỊ, LỰC CẮT........
XXIII PL2.1. Mã chương trình xử lý số liệu gia tốc .............................................
XXIII

PL2.2.

Mã

chương

trình

xử

lý

số

liệu

chuyển

vị.........................................XXVI PL2.3. Mã chương trình xử lý số liệu lực cắt
.......................................... XXVIII
PHỤ LỤC 3 MÃ LẬP TRÌNH MATLAB:
VẼ BIỂU ĐỒ GIA TỐC, CHUYỂN VỊ, LỰC CẮT ............ XXXII
PL3.1. Mã chương trình vẽ biểu đồ gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn . XXXII
PL3.2. Mã chương trình vẽ biểu đồ chuyển vị trung bình
và độ lệch chuẩn...........................................................................XXXIV

PL3.3. Mã chương trình vẽ biểu đồ lực cắt và lực tĩnh............................XXXIX
PL3.4. Mã chương trình vẽ quan hệ gia tốc và độ lệch tâm khối lượng .........
XL PL3.5. Mã chương trình vẽ quan hệ chuyển vị và độ lệch tâm khối lượng
.... XL PL3.6. Mã chương trình vẽ quan hệ lực cắt và độ lệch tâm khối lượng
........ XLI


- 15 -

DANH MỤC CÁC BẢNG
trang
Bảng 3.1:

Các đặc trưng mặt cắt dầm cột khung ...............................................13

Bảng 3.2:

Xác suất động đất xảy ra 50/50 năm, chu kỳ lặp lại là 72 năm ........18

Bảng 3.3:

Xác suất động đất xảy ra 10/50 năm, chu kỳ lặp lại là 475 năm ......19

Bảng 3.4:

Xác suất động đất xảy ra 2/50 năm, chu kỳ lặp lại là 2475 năm ......20

Bảng 4.1:

Gia tốc đỉnh tại các tầng, chu kỳ động đất lặp lại là 72 năm ............25

Bảng 4.2:

Gia tốc đỉnh tại các tầng, chu kỳ động đất lặp lại là 475 năm ..........25

Bảng 4.3:

Gia tốc đỉnh tại các tầng, chu kỳ động đất lặp lại là 2.475 năm .......26

Bảng 4.4:

Bảng tổng hợp gia tốc trung bình và độ lệch chuẩn..........................27

Bảng 4.5:

Chuyển vị tầng cực đại theo phương X, chu kỳ 72 năm ...................31

Bảng 4.6:

Chuyển vị tầng cực đại theo phương X, chu kỳ 475 năm .................32

Bảng 4.7:

Chuyển vị tầng cực đại theo phương X, chu kỳ 2.475 năm ..............33

Bảng 4.8:

Chuyển vị tầng cực đại theo phương Y, chu kỳ 72 năm ...................34

Bảng 4.9:

Chuyển vị tầng cực đại theo phương Y, chu kỳ 475 năm .................34

Bảng 4.10:

Chuyển vị tầng cực đại theo phương Y, chu kỳ 2.475 năm ..............35

Bảng 4.11:

Bảng tổng hợp chuyển vị tầng trung bình và độ lệch chuẩn .............37

Bảng 4.12:

Xoắn cực đại theo phương Z, chu kỳ 72 năm ...................................41

Bảng 4.13:

Xoắn cực đại theo phương Z, chu kỳ 475 năm .................................42

Bảng 4.14:

Xoắn cực đại theo phương Z, chu kỳ 2.475 năm ..............................43

Bảng 4.15:

Bảng tổng hợp xoắn trung bình và độ lệch chuẩn.............................44

Bảng 4.16:

Lực cắt tầng theo phương X, chu kỳ 72 năm ....................................47

Bảng 4.17:

Lực cắt tầng theo phương X, chu kỳ 475 năm ..................................47

Bảng 4.18:

Lực cắt tầng theo phương X, chu kỳ 2.475 năm ...............................48

Bảng 4.19:

Lực cắt tầng theo phương Y, chu kỳ 72 năm ....................................49

Bảng 4.20:

Lực cắt tầng theo phương Y, chu kỳ 475 năm ..................................50


- 16 -

Bảng 4.21:

Lực cắt tầng theo phương Y, chu kỳ 2.475 năm ...............................51

Bảng 4.22:

Bảng tổng hợp lực cắt trung bình theo phương X.............................53

Bảng 4.23:

Bảng tổng hợp lực cắt trung bình theo phương Y.............................53

Bảng 5.1:

Độ lệch tâm theo phân phối chuẩn và chu kỳ tương ứng..................58

Bảng 5.2:

Gia tốc trung bình tại các tầng ứng với chu kỳ 72 năm,
gia tốc nền trung bình là 0.32 g.........................................................62

Bảng 5.3:

Gia tốc trung bình tại các tầng ứng với chu kỳ 475 năm,
gia tốc nền trung bình là 0.64 g.........................................................64

Bảng 5.4:

Gia tốc trung bình tại các tầng ứng với chu kỳ 2.475 năm,
gia tốc nền trung bình là 0.98 g.........................................................67

Bảng 5.5:

Hệ số tỉ lệ gia tốc max/min ...............................................................76

Bảng 5.6:

Chuyển vị ngang trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm,
chu kỳ 72 năm ...................................................................................76

Bảng 5.7:

Chuyển vị ngang trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm,
chu kỳ 475 năm .................................................................................79

Bảng 5.8:

Chuyển vị ngang trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm,
chu kỳ 2.475 năm ..............................................................................81

Bảng 5.9:

Hệ số tỉ lệ chuyển vị ngang max/min................................................85

Bảng 5.10:

Chuyển vị xoắn trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm,
chu kỳ 72 năm ...................................................................................86

Bảng 5.11:

Chuyển vị xoắn trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm,
chu kỳ 475 năm .................................................................................88

Bảng 5.12:

Chuyển vị xoắn trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm,
chu kỳ 2.475 năm ..............................................................................90

Bảng 5.13:

Lực cắt tầng trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm,
chu kỳ 72 năm ...................................................................................94

Bảng 5.14:

Lực cắt tầng trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm,
chu kỳ 475 năm .................................................................................96

Bảng 5.15:

Lực cắt tầng trung bình tại sàn tương ứng với độ lệch tâm,
chu kỳ 2.475 năm ..............................................................................99

Bảng 5.16:

Hệ số tỉ lệ lực cắt tầng max/min......................................................104


- 17 -

DANH MỤC CÁC HÌNH


- 18 trang
Hình 1.1:

Nhà đậu xe bị sụp đổ do động đất tại Northridge - California,
năm 1994 .............................................................................................1

Hình 1.2:

Minh họa chuyển động nền tác động vào hệ.......................................4

Hình 1.3:

Minh họa phản ứng của hệ dưới tác động địa chấn ............................4

Hình 2.1:

Tòa nhà bị sụp đổ do động đất ngày 25/4/2015
ở Kathmandu, Nepal (Nguồn: AP photo) ...........................................7

Hình 3.1:

Mô hình khung moment đặc biệt 3 tầng ...........................................13

Hình 3.2:

Mặt cắt giảm yếu dầm .......................................................................14

Hình 3.3:

Phồ phản ứng trung bình của 20 băng gia tốc với xác suất
động đất trường hợp (a) 72, (b) 475, (c) 2.475 năm .........................17

Hình 4.1:

Gia tốc trung bình trường hợp chu kỳ động đất là 72 năm ...............28

Hình 4.2:

Gia tốc trung bình trường hợp chu kỳ động đất là 475 năm .............29

Hình 4.3:

Gia tốc trung bình trường hợp chu kỳ động đất là 2.475 năm ..........29

Hình 4.4:

Phổ phản ứng gia tốc trung bình .......................................................30

Hình 4.5:

Chuyển vị tầng theo (a) phương X và (b) phương Y
trường hợp 72 năm ............................................................................38

Hình 4.6:

Chuyển vị tầng theo (a) phương X và (b) phương Y
trường hợp 475 năm ..........................................................................39

Hình 4.7:

Chuyển vị tầng theo (a) phương X và (b) phương Y
trường hợp 2.475 năm .......................................................................40

Hình 4.8:

Xoắn quanh trục Z trường hợp 72 năm .............................................45

Hình 4.9:

Xoắn quanh trục Z trường hợp 475 năm ...........................................45

Hình 4.10:

Xoắn quanh trục Z trường hợp 2475 năm .........................................46

Hình 4.11:

Lực cắt tầng và tĩnh lực theo phương X...........................................54


Hình 4.12:

Lực cắt tầng và lực tĩnh theo phương Y............................................54

Hình 5.1:

Độ lệch tâm khối lượng CM ex theo phương X và ey theo
phương Y so với tâm cứng CR .........................................................57

Hình 5.2:

Biểu đồ giá trị lệch tâm khối lượng theo phân phối chuẩn ...............57

Hình 5.3:

Quan hệ giữa tần số mode tịnh tiến đầu tiên và độ lệch tâm ............60

Hình 5.4:

Gia tốc tầng 1, cấp độ động đất chu kỳ 72 năm ................................69

Hình 5.5:

Gia tốc tầng 2, cấp độ động đất chu kỳ 72 năm ................................70

Hình 5.6:

Gia tốc tầng mái, cấp độ động đất chu kỳ 72 năm ............................70

Hình 5.7:

Gia tốc tầng 1, cấp độ động đất chu kỳ 475 năm ..............................71

Hình 5.8:

Gia tốc tầng 2, cấp độ động đất chu kỳ 475 năm ..............................71

Hình 5.9:

Gia tốc tầng mái, cấp độ động đất chu kỳ 475 năm ..........................72

Hình 5.10:

Gia tốc tầng 1, cấp độ động đất chu kỳ 2.475 năm ...........................72

Hình 5.11:

Gia tốc tầng 2, cấp độ động đất chu kỳ 2.475 năm ...........................73

Hình 5.12:

Gia tốc tầng mái, cấp độ động đất chu kỳ 2.475 năm .......................73

Hình 5.13:

Quan hệ gia tốc trung bình - độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm ................74

Hình 5.14:

Quan hệ gia tốc trung bình - độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm ..............75

Hình 5.15:

Quan hệ gia tốc trung bình - độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm ...........75

Hình 5.16:

Quan hệ chuyển vị ngang trung bình - độ lệch tâm,
chu kỳ 72 năm ...................................................................................84

Hình 5.17:

Quan hệ chuyển vị ngang trung bình - độ lệch tâm,
chu kỳ 475 năm .................................................................................84

Hình 5.18:

Quan hệ chuyển vị ngang trung bình - độ lệch tâm,
chu kỳ 2.475 năm ..............................................................................85

Hình 5.19:

Quan hệ chuyển vị xoắn - độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm ....................92

Hình 5.20:

Quan hệ chuyển vị xoắn - độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm ..................93

Hình 5.21:

Quan hệ chuyển vị xoắn - độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm ...............93

Hình 5.22:

Quan hệ lực cắt tầng - độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm ........................101

Hình 5.23:

Quan hệ lực cắt tầng - độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm ......................102

Hình 5.24:

Quan hệ lực cắt tầng - độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm ...................102


Hình 5.25:

Quan hệ lực quán tính - độ lệch tâm, chu kỳ 72 năm .....................103

Hình 5.26:

Quan hệ lực quán tính - độ lệch tâm, chu kỳ 475 năm ...................103

Hình 5.27:

Quan hệ lực quán tính - độ lệch tâm, chu kỳ 2.475 năm ................104


Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Động đất là một trong những hiểm họa thiên nhiên gây tác hại to lớn, đe dọa
cuộc sống con người. Các báo cáo về thiệt hại do động đất gây ra đã cho thấy rằng
chuyển vị ngang, chuyển vị xoắn và lực cắt là các tác nhân quan trọng ảnh hưởng
đến sự phá hoại của tòa nhà và dẫn đến sụp đổ (Seong-Hoon J, Elnashai AS [1]).
Bên cạnh đó, gia tốc sàn cũng được xem là một đại lượng có ảnh hưởng đến sự hư
hỏng của vật dụng và sự an toàn của con người (Hình 1.1).

Hình 1.1: Nhà đậu xe bị sụp đổ do động đất tại Northridge - California, năm
1994
(Nguồn: Courtesy of U.S. Geological Survey)


-2-

Do vậy, đã có nhiều nghiên cứu về giải pháp giảm thiểu thiệt hại của tác động

của động đất thông qua việc thiết kế những công trình chịu đựng được địa chấn.
Những nghiên cứu trước đây tập trung vào việc tìm hiểu phản ứng của hệ kết cấu
làm việc trong giới hạn đàn hồi (Freeman, S. A., Nicoletti, J. P., and Tyrell [2]).
Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp thực tế kết cấu làm việc vượt quá trạng thái đàn
hồi. Điều này dẫn tới, để hiểu đúng hơn ứng xử của hệ nhằm đưa ra giải pháp tối ưu
trong thiết kế, các nhà nghiên cứu sau đó tập trung vào phản ứng phi tuyến của hệ
một tầng (Goel RK, Chopra AK [3], Tso WK, Ying H [4]) và nhiều tầng (De La
Llera JC, Chopra AK [5]) với những đặc trưng khác nhau dưới ảnh hưởng của địa
chấn.
Bên cạnh những bài phân tích ứng xử tuyến tính và phi tuyến của hệ kết cấu
dưới tác động địa chấn như: gia tốc, chuyển vị ngang, xoắn, lực cắt... thì có nhiều
nghiên cứu tập trung đào sâu vào các phản ứng do độ lệch tâm gây ra. Những
nghiên cứu trong vài thập niên qua về ảnh hưởng của động đất cho thấy rằng những
tòa nhà có độ lệch giữa tâm cứng (Center of Rigid) và tâm khối lượng (Center of
Mass) không chỉ gây ra chuyển động tịnh tiến mà còn gây xoắn ở tấm sàn ngay cả
khi động đất kích động là đẳng hướng (Kuo, 1974 [6]; Chandler & Hutchinson,
1986 [7]; Cruz & Chopra, 1986 [8]; Hejal & Chopra, 1989 [9]).
Phân tích phản ứng xoắn ngoài miền đàn hồi của hệ có tâm khối lượng và tâm
cứng không trùng nhau là rất phức tạp. Hiện đang được nghiên cứu ở giai đoạn
thăm dò, và nói chung, chưa thu được kết luận chung nào từ các nghiên cứu
(Tanabashi, 1960 [10]; Koh et al., 1969 [11]; Fajfar et al., 2005 [12]).
Trong các phương án thiết kế chịu động đất thì việc sử dụng khung thép chịu
uốn đặc biệt (Special Moment Resisting Frame - SMRF) là một trong những lựa
chọn tốt nhất (Stavroula Koukleri [13]). Hiện nay, trong tiêu chuẩn thiết của Mỹ
cho phép sử dụng phương án này áp dụng những tòa nhà cao vượt quá 48m (160ft).
Hơn nữa, sau trận động đất tại Northridge năm 1994 và the tại Kobe năm 1995,
hàng loạt tòa nhà khung thép đặc biệt được khảo sát bị sụp đổ do bị phá hoại tại liên
kết dầm - cột. Từ thời điểm này, rất nhiều nhà nghiên cứu tập trung tìm hiểu các
phản ứng của khung moment đặc biệt chịu tác động địa chấn, khung thép này có
mặt cắt dầm giảm yếu (Reduced Beam Section) trong dầm để tăng độ dẻo dai

(ductility), tăng khả năng chịu động đất (Anil K.Chopra [14]).
Việc tìm hiểu những phản ứng của toà nhà dưới tác động địa chấn đóng vai trò
rất quan trọng trong công tác thiết kế chịu động đất. Mặc dù có một số nghiên cứu
về phản ứng động đất của công trình liên quan đến hệ số hình dạng  (aspect ratio,