Đánh giá hư hại của khung bê tông cốt thép chịu động đất có xét dư chấn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MAI XUÂN VĨNH

ĐÁNH GIÁ HƯ HẠI CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
CHỊU ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT DƯ CHẤN
••

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, 12-2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUÓC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Cán bộ hướng dẫn: TS. Cao Văn Vui
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày ...... tháng ...... năm .......
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1 ........................................ - Chủ tịch Hội đồng
2 ............................................... -

Thư ký

3 ............................................... -

ủy viên (Phản biện 1)

4 ............................................... -

ủy viên (Phản biện 2)

5 ............................................... CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

ủy viên
TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DựNG


1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIÊM VU LUÂN VĂN THAC sĩ
••••

Họ và tên học viên: MAI XUÂN VĨNH

MSHV: 1670065

Ngày, tháng, năm sinh: 06/02/1993

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã
số: 60580208
I.

TÊN ĐÈ TÀI: ĐÁNH GIÁ Hư HẠI CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG
ĐẤT CÓ XÉT Dư CHẤN.

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
o Nghiên cứu về băng gia tốc động đất có xét đến du chấn.
o Phân tích quan hệ phi tuyến moment - độ cong của tiết diện bê tông cốt thép theo mô hình
vật liệu.
o Mô hình hóa khung bê tông cốt thép bằng phần tử LINK phi tuyến, o Xây
dựng băng gia tốc có xét đến du chấn.
o Phân tích phi tuyến theo thời gian cho khung bê tông cốt thép chịu động đất có và không có
xét du chấn.
o Phân tích hu hại của khung bê tông cốt thép có và không có xét du chấn, o Đánh giá ảnh
huởng của du chấn đến mức độ hu hại của khung bê tông cốt thép.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V.

CÁN Bộ HƯỚNG DẪN:

29/01/2018
10/12/2018
TS. CAO VĂN VUI


11

Tp. HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2018
CÁN Bộ HƯỚNG DẪN

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TS. Cao Văn Vui

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DựNG
(Họ tên và chữ ký)


Ill

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống bài luận
cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những

vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng. Đó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên
cao học.
Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp
đõ nhiều từ tập thể và các cá nhân. Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết on tới tập thể và các cá nhân đã
dành cho tôi sự giúp đõ quý báu đó.
Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết on sâu sắc đến thầy Cao Văn Vui. Thầy đã đưa ra gợi ý đầu
tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong
những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả.
Tôi xin chân thành cảm on quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa
Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức không thể
thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này.
Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên
không thể không có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những
kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hon.
Xin trân trọng cảm on.

Tp. HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2018

Mai Xuân Vĩnh


IV

TÓM TẮT LUÂN VĂN THAC sĩ
••

Nghiên cứu về ảnh hưởng của động đất đến công trình đã đạt được những thành tựu đáng kể.
Tuy nhiên, những công trình nghiên cứu động đất trước đây chỉ tập trung vào ảnh hưởng của dao
động nền chính, mà bỏ qua những dao động nền đến sau, nhỏ hon được gọi là dư chấn. Theo những
ghi nhận thực tế, sau dao động nền chính kết cấu đã hư hại ở một mức độ nhất định, nhưng sau đó

lại bị hư hại nặng hon hoặc sụp đổ bởi những dư chấn. Điều đó cho thấy dư chấn có ảnh hưởng lớn
đến hư hại của công trình. Hon nữa, trong các vùng động đất mạnh, dư chấn xảy ra khá thường
xuyên. Do đó, không xét đến ảnh hưởng của dư chấn đến mức độ hư hại của công trình theo các
tiêu chuẩn hiện hành là chưa phù hợp.
Luận văn đã phân tích và đánh giá ảnh hưởng của dư chấn đến mức độ hư hại của khung BTCT
chịu các trận động đất với cường độ khác nhau. Khung BTCT 4 tầng 3 nhịp và khung BTCT 8 tầng
3 nhịp được chọn và mô hình hóa sử dụng các phần tử phi tuyến ứng xử trễ để phân tích phi tuyến
theo lịch sử thời gian dưới tác dụng của các trận động đất với cường độ khác nhau có và không có
xét đến dư chấn. Thực hiện phân tích đẩy dần cho khung và đường cong đẩy dần được so sánh với
đường cong đẩy dần của nghiên cứu trước đây. Kết quả cho thấy sự xấp xỉ rất tốt. Sau đó, phân tích
phi tuyến theo lịch sử thời gian được thực hiện vói các cường độ động đất khác nhau có và không
có xét đến dư chấn. Tiếp theo, sử dụng mô hình hư hại để đánh giá mức độ hư hại cho khung.
Ket quả cho thấy rằng khi xét đến dư chấn thì mức độ hư hại của khung tăng lên một cấp hư
hại. Với cùng một cường độ động đất chính, cường độ của dư chấn tăng sẽ làm cho mức độ hư hại
của khung tăng. Đối vói những động đất có cường độ mạnh, ảnh hưởng của dư chấn đến hư hại của
kết cấu là đáng kể và không thể bỏ qua. Vì vậy ảnh hưởng của dư chấn cần được xét đến trong tính
toán công trình chịu động đất.


V

ABSTRACT
Investigations on structures subjected to earthquakes has shown remarkable achievements.
However, investigations have focused manily on effects of mainshocks while those of aftershocks
have been neglected. In past earthquakes, structures experienced a certain level of damage during
the mainshock; however, they were then severely damaged or collapsed in aftershocks. Therefore,
aftershocks are of significance to the damage of structures. Furthermore, in strong seismic regions,
aftershocks following maishocks are quite common. Therefore, it is inppropriate to neglecte effects
of aftershocks on the damage of structures in current seismic design codes.

The current thesis analysed and evaluated effects of aftershocks on the potential damage of
reinforced concrete structures subjected to different earthquake intensities. Two reinforced concrete
frames were selected including a eight-storey with three spans and a four-storey with three spans
and modelled using nonlinear histeretic elements. The models were verified by comparing the
obtained pushover curve with the pushover curve conducted by other researchers. After veryfying,
time history analyses of these frames subjected to different earthquakes were then performed. The
results from time history analyses were then used for damage analyses using a damage model. The
obtained damage indices were used to assess the damage state of frames.
The results indicated that aftershocks significantly increases the damage levels of frames.
For a similar seismic intensity of mainshocks, the damage index of structures increases with the
increase of aftershcok intensity. For strong earthquakes, effects of aftershock are increasingly
significant and thus, can not be ignored. Therefore, the effects of aftershocks should be considered
in seismic deisgn of structures.


VI

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy Cao
Văn Vui.
Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.
Tp. HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2018

Mai Xuân Vĩnh


iv

MUC LUC

••

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................iii
TÓM TÁT LUẬN VĂN THẠC sĩ ................................................................................ iv
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU ................................................................................... xi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TÁT ................................................... xi
CHUƠNG1. MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1
1.1

Lý do thực hiện đề tài ........................................................................................... 1

1.2

Mục đích nghiên cứu ............................................................................................ 2

1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2

1.4

Ý nghĩa nghiên cứu............................................................................................... 2

1.4.1 Ý nghĩa khoa học .................................................................................................. 2
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn .................................................................................................. 2
1.5

Cấu trúc luận văn .................................................................................................. 2

CHUƠNG 2. TỒNG QUAN ............................................................................................ 4
2.1

Tổng quan về dư chấn .......................................................................................... 4

2.2

Tống quan về cách xây dựng băng gia tốc có dư chấn ......................................... 6

2.3

Tống quan về ảnh hưởng của dư chấn đến kết cấu ............................................. 11

CHUƠNG 3. Cơ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 15
3.1

Quan hệ ứng suất-biến dạng của các loại vật liệu .............................................. 15

3.2

Mối quan hệ giữa moment - góc xoay ................................................................ 18

3.3

ứng xử trễ của cấu kiện bê tông cốt thép ............................................................ 18

3.4

Mô hình phân tích phi tuyến cho khung BTCT .................................................. 19

3.5

Mô hình đánh giá hư hại của khung BTCT ........................................................ 20


V

CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH .........................................................................25
4.1

Khung BTCT 3 tầng ........................................................................................... 25

4.1.1

Mô tả khung BTCT 3 tầng .................................................................................25

4.1.2

Mô hình và kiểm tra............................................................................................ 27

4.2

Khung BTCT 4 tầng ........................................................................................... 29

4.2.1

Mô tả khung 4 tầng ............................................................................................29

4.2.2

Mô hình 4 tầng ...................................................................................................30

4.2.3

Phân tích đẩy dần (pushover) khung 4 tầng........................................................ 32

4.2.4

Lựa chọn băng gia tốc phân tích cho khung 4 tầng ............................................33

4.3

Khung BTCT 8 tầng ........................................................................................... 35

4.3.1

Mô tả khung 8 tầng ............................................................................................35

4.3.2

Mô hình 8 tầng ...................................................................................................36

4.3.3

Phân tích đẩy dần (pushover) khung 8 tầng........................................................ 37

4.3.4

Lựa chọn băng gia tốc phân tích cho khung 8 tầng ............................................38

CHƯƠNG 5. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ .........................................................................41
5.1

Khung BTCT 4 tầng ........................................................................................... 41

5.1.1

Chỉ số hu hại DI trung bình của khung ............................................................... 41

5.1.2

ứng xử trễ của các phần từ LINK ......................................................................47

5.1.3

Chỉ số hu hại của phần tử LINK theo thời gian ..................................................49

5.2

Khung BTCT 8 tầng ........................................................................................... 52

5.2.1

Chỉ số hu hại DI trung bĩnh của khung ............................................................... 52

5.2.2

ứng xử trễ của các phần tử LINK ......................................................................59

5.2.3

Chỉ số hu hại của phần tử LINK theo thời gian .................................................64

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................69
6.1

Kết luận

69


vi
6.2

Kiến nghị ............................................................................................................69

CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ............................................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 72
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................................................ 76


Vll

DANH MUC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Gia tốc đất nền trận động đất ở Niigata (trái), Western Honshu (phải) [1].... 4
Hình 2.2 Dao động nền có dư chấn gây nguy hiểm nhất cho khung 2 tầng [1] ............... 8
Hình 2.3 Dao động nền có dư chấn được xây dựng theo mô hình thống kê [10] ............. 9
Hình 3.1 Mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng của Hognestad [19] ............................ 15
Hình 3.2 Mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông [20] ................................. 16

Hình 3.3 Mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông, Park và cộng sự[21].. 16
Hình 3.4 Mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng của thép theo Eurocode 2 [22] ........... 17
Hình 3.5 Mô hình ứng xử trễ của Takeda [25] ............................................................... 19
Hình 3.6 Mô hình hóa dầm, cột trong khung .................................................................. 20
Hình 3.7 Phần tử LINK phi tuyến .................................................................................. 20
Hình 3.7 Kết cấu hoàn tất ứng xử trễ dựa trên mô hình Takeda [25] ............................. 23
Hình 4.1 Khung BTCT 3 tầng [32] ................................................................................. 26
Hình 4.2 Kích thước và cấu tạo của khung 3 tầng [32] .................................................. 26
Hình 4.3 Mô hình khung 3 tầng với phần tử LINK phi tuyến ........................................ 27
Hình 4.4. Hư hại của khung BTCT chịu trận động đất Taft có PGA =0.30g ................29
Hình 4.5 Khung BTCT 4 tầng và mặt cắt điển hình [33] ............................................... 30
Hình 4.6 Mô hình khung 4 tầng sử dụng phần tử LINK phi tuyến ................................ 31
Hĩnh 4.7 Mode dao động đầu tiên của khung 4 tầng ...................................................... 31
Hĩnh 4.8 So sánh đường cong đẩy dần của khung 4 tầng ............................................... 32
Hĩnh 4.9 Ví dụ của một kết quả tỷ lệ .............................................................................33
Hĩnh 4.10 Băng gia tốc nền có xét đến dư chấn ............................................................. 34
Hĩnh 4.11 Khung BTCT 8 tầng và mặt cắt điển hình [36] ............................................. 36
Hĩnh 4.12 Mô hĩnh khung 8 tầng sử dụng phần tử LINK phi tuyến .............................37
Hĩnh 4.13 Mode dao động đầu tiên của khung 8 tầng .................................................... 37
Hĩnh 4.14 So sánh đường cong đẩy dần khung 8 tầng ................................................... 38
Hĩnh 4.15 Ví dụ của một kết quả tỷ lệ

39


Vlll

Hình 4.16 Băng gia tốc nền có xét đến dư chấn ............................................................ 40
Hình 5.1 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất chính 0.25g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 42

Hình 5.2 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng với cường độ động đất chính 0.25g có
và không có xét dư chấn ................................................................................................ 42
Hình 5.3 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất chính 0.3g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 43
Hình 5.4 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng với cường độ động đất chính 0.3g có
và không có xét dư chấn ................................................................................................ 43
Hình 5.5 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất chính 0.35g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 44
Hình 5.6 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng với cường độ động đất chính 0.35g có
và không có xét dư chấn ................................................................................................ 44
Hình 5.7 Chỉ số hư hại của khung có và không có xét đến dư chấn ............................. 46
Hình 5.8 ứng xử trễ của phần tử LINK số 2 với cường độ động đất chính 0.25g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 48
Hình 5.9 ứng xử trễ của phần tử LINK số 2 với cường độ động đất chính 0.3g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 48
Hình 5.10 ứng xử trễ của phần tử LINK số 2 với cường độ động đất chính 0.35g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 49
Hĩnh 5.11 Chỉ số hư hại DI theo thời gian của phần tử LINK số 2 với cường độ động
đất chính 0.25g có và không có xét dư chấn .................................................................. 50
Hĩnh 5.12 Chỉ số hư hại DI theo thời gian của phần tử LINK số 2 với cường độ động
đất chính 0.3g có và không có xét dư chấn .................................................................... 50
Hĩnh 5.13 Chỉ số hư hại DI theo thời gian của phần tử LINK số 2 với cường độ động
đất chính 0.35g có và không có xét dư chấn .................................................................. 51
Hĩnh 5.14 Mức độ hư hại của khung 8 tầng với cường độ động đất chính 0.4g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 53
Hĩnh 5.15 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng với cường độ động đất chính 0.4g có và
không có xét dư chấn .............................................................................................. 53


IX

Hình 5.16 Mức độ hư hại của khung 8 tầng với cường độ động đất chính 0.5g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 54
Hình 5.17 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng với cường độ động đất chính 0.5g có
và không có xét dư chấn ................................................................................................ 55
Hình 5.18 Mức độ hư hại của khung 8 tầng với cường độ động đất chính 0.6g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 56
Hình 5.19 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng với cường độ động đất chính 0.6g có
và không có xét dư chấn ................................................................................................ 56
Hình 5.20 Chỉ số hư hại của khung có và không có xét đến dư chấn ........................... 58
Hình 5.21 ứng xử trễ của phần tử LINK số 2 với cường độ động đất chính 0.4g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 60
Hình 5.22 ứng xử trễ của phần tử LINK số 2 với cường độ động đất chính 0.5g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 61
Hình 5.23 ứng xử trễ của phần tử LINK số 2 với cường độ động đất chính 0.6g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 62
Hình 5.24 ứng xử trễ của phần tử LINK số 58 với cường độ động đất chính 0.4g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 63
Hình 5.25 ứng xử trễ của phần tử LINK số 58 với cường độ động đất chính 0.5g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 63
Hình 5.26 ứng xử trễ của phần tử LINK số 58 với cường độ động đất chính 0.6g có và
không có xét dư chấn ..................................................................................................... 64
Hĩnh 5.27 Chỉ số hư hại DI theo thời gian của phần tử LINK số 2 với cường độ động
đất chính 0.4g có và không có xét dư chấn .................................................................... 64
Hĩnh 5.28 Chỉ số hư hại DI theo thời gian của phần tử LINK số 2 với cường độ động
đất chính 0.5g có và không có xét dư chấn .................................................................... 65
Hĩnh 5.29 Chỉ số hư hại DI theo thời gian của phần tử LINK số 2 với cường độ động
đất chính 0.6g có và không có xét dư chấn .................................................................... 65
Hĩnh 5.30 Chỉ số hư hại DI theo thời gian của phần tử LINK số 58 với cường độ động đất
chính 0.4g có và không có xét dư chấn................................................................... 66

X

Hình 5.31 Chỉ số hư hại DI theo thời gian của phần tử LINK số 58 với cường độ động
đất chính 0.5g có và không có xét dư chấn ....................................................................66
Hình 5.32 Chỉ số hư hại DI theo thời gian của phần tử LINK số 58 với cường độ động đất
chính 0.6g có và không có xét dư chấn..........................................................................67


XI

DANH MUC CÁC BẢNG BIỂU
•

Bảng 2.1 Băng gia tốc động đất có xét đến dư chấn của Lee và Foutch. [9].................... 7
Bảng 2.2 Băng gia tốc động đất có xét đến dư chấn của Li và Ellingwood. [10] ............ 7
Bảng 2.3 Băng gia tốc động đất có xét đến dư chấn của Hatzigeorgiou và cộng sự
[12] ........................................................................................................................10
Bảng 2.4 Băng gia tốc dao động đất nền trong nghiên cứu của Zhang [14] .................. 11
Bảng 3.1 Mức độ hư hại [31] .......................................................................................... 23
Bảng 4.1 Đặc trưng của các loại cốt thép [32] ............................................................... 25
Bảng 4.2. Lực dọc trong các cột ..................................................................................... 27
Bảng 4.3 Tần số

dao dộng của khung ....................................................................... 28

Bảng 4.4. So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm [32] ..............................................28
Bảng 4.5 Chi tiết cốt thép của khung 4 tầng [33] ........................................................... 29
Bảng 4.6 Lực dọc tác dụng xuống cột của khung 4 tầng ................................................ 30

Bảng 4.7 Chu kỳ dao động T (s) ..................................................................................... 31
Bảng 4.8. Các băng gia tốc và hệ số tỷ lệ cho cường độ 0.25g, 0.3g và 0.35g .............. 34
Bảng 4.9 Chi tiết cốt thép khung 8 tầng [35] .................................................................. 36
Bảng 4.10 Lực dọc tác dụng xuống cột của khung 8 tầng .............................................36
Bảng 4.11. Các băng gia tốc và hệ số tỷ lệ tương ứng với cường độ 0.4g, 0.5g và
0.6g ......................................................................................................................... 39
Bảng 5.1 Mức độ hư

hại [31] ....................................................................................... 41

Bảng 5.2 Chỉ số hư hại lớn nhất của khung 4 tầng có và không có xét đến dư chấn.. 45
Bảng 5.3 Sự tăng chỉ số hư hại của khung có và không có xét đến dư chấn .................. 46
Bảng 5.4 Độ gia tăng chỉ số hư hại của phần tử

LINK số 2 khi xét đến dư chấn ......51

Bảng 5.5 Chỉ số hư hại lớn nhất của khung 8 tầng có và không có xét đến dư chấn.. 58 Bảng
5.6 Sự tăng chỉ số hư hại của khung 8 tầng có và không có xét đến dư chấn.... 59
Bảng 5.7 Độ gia tăng chỉ số hư hại của phần tử

LINK số 2 khi xét đến dư chấn ......67

Bảng 5.8 Độ gia tăng chỉ số hư hại của phần tử

LINK số 58 khi xét đến dư chấn ....68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT


Xll

Chữ viết tắt
BTCT Bê tông cốt thép
DI Chỉ số hư hại (Damage index)
PGA Gia tốc đỉnh
SDOF Hệ một bậc tự do
NGA# Số hiệu trận động đất
MAX Giá trị lớn nhất (Maximum)
MIN Giá trị nhỏ nhất (Minimum)
Kỷ hiệu
ps Tỷ số thể tích của thép đai với thể tích lõi bê tông
K Hệ số tăng cường độ do bê tông được cốt đai bao bọc
/' ứng suất của bê tông lớn nhất, MPa
z Độ dốc đường quan hệ
/ h Cường độ chảy dẻo của thép đai, MPa
b Be rộng của lõi bê tông tính từ mép ngoài của cốt đai, mm
sh Bước cốt đai, mm
fy ứng suất chảy dẻo, MPa
fu ứng suất cực hạn của thép, MPa
8 Biến dạng chảy dẻo của thép, mm/mm
e Biến dạng cực hạn của thép, mm/mm
Es, Esh Mô đun đàn hồi của thép, MPa
Ef Mô đun đàn hồi của FRP, MPa
ff ứng suất cực hạn của FRP, MPa
£

fr

Biến dạng cực hạn của FRP, mm/mm

Xlll

£suh Biến dạng cực hạn của cốt đai, mm/mm um
Chuyển vị lớn nhất của hệ một bậc tự do (SDOF) U

u

Chuyển vị cực hạn duới tải đon, mm F Lực chảy dẻo,
N
p Tham số bao gồm ảnh huởng của tải tuần hoàn.
6m Góc xoay lớn nhất trong thời gian chịu tải, rad
6U Góc xoay tới hạn, rad
6r Góc xoay phục hồi khi dở tải, rad
M Moment dẻo, Nmm
Eh'Uollapse Năng lượng trễ của một chu kỳ giới hạn
Ehi Năng luợng trễ của một chu kỳ chảy dẻo
Eh Năng luợng vòng trễ tích lũy
Erec Năng luợng trễ đuợc phục hồi

N Số chu kỳ chảy dẻo để hiện tuợng sụp đổ xảy ra i Số
chu kỳ chảy dẻo trong thời gian hiện tại (i < N), a Hệ
số điều chỉnh ỉ Chiều dài khớp dẻo, mm


1

CHƯƠNG 1.

MỞ ĐẦU

1.1 Lỷ do thực hiện đề tài
Động đất đã gây ra những thiệt hại lớn về người và tài sản. Sự sụp đổ hoặc hư hỏng
nặng của các tòa nhà trong các trận động đất gần đây như Iburi Hokkaido ở Nhật Bản
(2018), Nepal (2015), Chi-Chi (1999), Kobe (1995),... là những minh chứng. Nghiên cứu
về ảnh hưởng của động đất đến công trĩnh đã đạt được những thành tựu đáng kể. Tuy
nhiên, những công trĩnh nghiên cứu động đất trước đây chỉ tập trung vào ảnh hưởng của
dao động nền chính, mà bỏ qua những dao động nền đến sau, nhỏ hơn được gọi là dư
chấn. Theo những ghi nhận thực tế, sau dao động nền chính, kết cấu đã hư hại ở mức độ
nhất định, nhưng sau đó lại bị hư hại nặng hơn hoặc sụp đổ bởi những dư chấn. Điều đó
cho thấy dư chấn có ảnh hưởng lớn đến hư hại của công trĩnh. Hơn nữa, trong các vùng
động đất mạnh, dư chấn xảy ra khá thường xuyên. Do đó, không xét đến ảnh hưởng của
dư chấn đến mức độ hư hại của công trĩnh theo các tiêu chuẩn hiện hành là chưa phù họp.
Ảnh hưởng của dư chấn đến kết cấu đã được nhiều tác giả nghiên cứu và công bố như
được trĩnh bày trong phần tổng quan. Những nghiên cứu này đều khẳng định dư chấn có
ảnh hưởng đáng kể đến hư hại của kết cấu. Trong các nghiên cứu ảnh hưởng của dư chấn
đến kết cấu, hầu hết các tác giả chỉ dừng lại ở việc đánh giá ảnh hưởng của dư chấn thông
qua chuyển vị, độ lệch tầng, hệ số giảm cường độ, mức độ dễ hư hại của kết cấu hoặc chỉ
khảo sát trên hệ một bậc tự do. Việc đánh giá mức độ hư hại khung bê tông cốt thép
(BTCT) chịu động đất có xét đến dư chấn vẫn là vấn đề cần được nghiên cứu.
Đe tài “Đánh giá hư hại của khung bê tông cốt thép chịu động đất có xét dư chấn”
này nhằm đánh giá ảnh hưởng của dư chấn đến mức độ hự hại của kết cấu. Từ kết quả
phân tích số cho khung BTCT, một số kết luận và kiến nghị được nêu ra.


2
1.2 Mục đích nghiên cứu
Trong thực tế, động đất thường kèm theo dư chấn. Do đó, chỉ xét dao động nền chính
trong phân tích và đánh giá kết cấu là chưa phù hợp với thực tế. Mục đích của nghiên
cứu này tập trung vào việc đánh giá mức độ hư hại của kết cấu khung bê tông cốt thép

chịu động đất có xét đến dư chấn so với trường họp không có xét đến dư chấn.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là đánh giá hư hại của khung bê tông cốt thép 4
tầng và 8 tầng chịu động đất có xét dư chấn.
1.4 Ý nghĩa nghiên cứu
1.4.1 Ỷ nghĩa khoa học
Theo những ghi nhận thực tế, sau dao động nền chính, kết cấu đã hư hại ở mức độ
nhất định, nhưng sau đó lại bị hư hại nặng hơn hoặc sụp đổ bởi những dư chấn. Điều đó
cho thấy dư chấn có ảnh hưởng lớn đến hư hại của công trĩnh. Hơn nữa, trong các vùng
động đất mạnh, dư chấn xảy ra khá thường xuyên. Do đó, đề tài này góp phần làm rõ ảnh
hưởng của dư chấn đến mức độ hư hại của các công trình được tính toán, thiết kế chịu
động đất theo các tiêu chuẩn hiện hành.
1.4.2 Ỷ nghĩa thực tiễn
Trong bối cảnh ngày nay, các công trình xây dựng ngày càng nhiều, đa số các công
trình đều phải tính toán chịu động đất theo các tiêu chuẩn hiện hành và bỏ qua ảnh hưởng
của dư chấn. Do đó, khả năng hư hại của công trình trong thực tế sẽ lớn hơn so với phân
tích dự đoán vĩ không xét đến dư chấn. Đe tài góp phần làm rõ mức độ tăng hư hại của
khung BTCT chịu động đất có xét đến dư chấn.
1.5 Cấu trúc luận văn

Luận văn gổm 6 chương:


3
Chương 1 là chương mở đầu trong đó giới thiệu chung về đề tài, mục tiêu, đối tượng
và ý nghĩa nghiên cứu.
Chương 2 là chương tổng quan trong đó giới thiệu về dư chấn, cách xây dụng các
băng gia tốc có dư chấn và các nghiên cứu về hư hại của kết cấu có xét đến dư chấn.
Chương 3 là chương cơ sở lý thuyết sẽ trình bày chi tiết lý thuyết tính toán để xác
định quan hệ moment - độ cong của vật liệu BTCT. Mô hĩnh hư hại tích lũy cũng được

trình bày trong chương này.
Chương 4 là chương mô hĩnh phân tích sẽ trĩnh bày về mô hĩnh khung 3 tầng, 4 tầng
và 8 tầng dùng trong phân tích số và kiểm tra tính đúng đắn của phương pháp. Trong đó
khung BTCT 3 tầng được dùng để kiểm chứng mô hĩnh phân tích với kết quả thí nghiệm,
khung BTCT 4 tầng và 8 tầng dùng để phân tích, đánh giá mức độ hư hại của kết cấu khi
có xét đến dư chấn.
Chương 5 là chương phân tích kết quả sẽ trình bày kết quả phân tích của khung 4
tầng và 8 tầng. Thông qua chỉ số hư hại DI để đánh giá hư hại của khung BTCT khi có
xét đến và không xét đến dư chấn.
Chương 6 là chương kết luận và kiến nghị sẽ đưa ra những kết luận và kiến nghị dựa
trên cơ sở những kết quả phân tích thu được.


4

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về dư chấn
Những trận động đất trong quá khứ đã ghi nhận được một chuỗi những dư chấn theo
sau một trận động đất mạnh. Điều này đã được ghi nhận ở những vùng có động đất nhiều
như Ý, Mexico, Nhật Bản, Mỹ, ... Hình 2.1 là ví dụ mình họa về động đất có xảy ra dư
chấn. Động đất ở Niigata (23/10/2004) với cường độ Mw= 6.5, được ghi nhận ở trạm đo
Niigata-ken Chuetsu ở khoảng cách 28.7 km so với nguồn (theo K-Net 2009) có tới 2
dao động của đất nền xảy ra liên tiếp. Theo hồ sơ ghi nhận, mỗi dao động đất nền kéo
dài trong 30s, khoảng thời gian giữa 2 dao động đất nền liên tiếp là 400s, gia tốc nền đỉnh
(PGA) là 0.89g và 0.72g, lần lượt theo các hướng Bắc-Nam (NS), Đông- Tây (EW). Một
ví dụ khác nữa về dư chấn, động đất ở Western Honshu (15/04/2007) với cường độ 5.4,
được ghi nhận ở trạm đo Kohga-SIG012 ở khoảng cách 21 km so với nguồn, thời gian

diễn ra toàn bộ dao động nền đất khoảng 100s, gia tốc nền đỉnh (PGA) là 0.26g, 1.1 lg
và 0.05g lần lượt theo các hướng Đông-Tây (EW), Bắc-Nam (NS), phương thẳng đứng
(UD).

Hĩnh 2.1 Gia tốc đất nền trận động đất ở Niigata (trái), Western Honshu (phải) [1] Dao
động đất nền bao gồm cả dư chấn thực chất là sự lặp lại của nhiều trận đống đất có cường độ
từ trung bĩnh đến mạnh và diễn ra trong thời gian ngắn. Dư chấn


5
(afftershocks) là các trận động đất có quy mô nhỏ hơn xuất hiện ở những khu vực vừa
xảy ra động đất chính (mainshocks). Sau khi một trận động đất kết thúc, cấu trúc lớp vỏ
Trái Đất tại khu vực chấn tâm chua đạt trạng thái cân bằng ứng suất. Những đứt gãy kế
tiếp có quy mô nhỏ hơn tiếp tục diễn ra, tạo ra du chấn, kéo dài trong khoảng thời gian
từ vài phút đến vài ngày sau, tùy theo cuờng độ của động đất chính. Dựa vào thống kê về
dao động đất nền có du chấn xảy ra ở các vùng khác nhau trên thế giới, có 3 thang đo du
chấn về tần suất (frequency) và cuờng độ (magnitudes) đuợc đề sử dụng.
Omori's law [2] đua ra biểu thức thực nghiệm về tần xuất của du chan (frequency of
aftershocks). Công thức kinh nghiệm (2.1) đuợc đua ra bởi Fusakichi Omori [2] vào năm
1894. Sau đó Utsu [2] hiệu chỉnh công thức của Omori’s law nhu phuơng trình (2.2) và
đuợc dùng phổ biến.
n(0“/ \
(c + <)
n { t ) = —— u (*+0'

(2.1)
(2.2)

trong đó: k và c là các hằng số (phụ thuộc vào khoảng thời gian giữa 2 trận động đất liên
tiếp), p là hằng số thứ 3, thể hiện sự hiệu chỉnh về giảm tần suất của du chấn, đứt gãy đặc

trung (typically falls), p=0.7-1.5. Các hằng số đuợc xác định thông qua các dữ liệu sau
khi động chính xảy ra, nên không thể hiện đuợc đặc trung vật lý của du chấn. Theo biểu
thức ở trên, tần suất của du chấn giảm rất nhanh theo thời gian, tỷ lệ nghịch với thời gian
(tính từ thời điếm đã kết thúc động đất chính) và có thế dùng đế uớc tính xác suất xảy ra
của du chấn trong tuơng lai. Tuy nhiên, trong thục tế số luợng, thời gian xảy ra và vị trí
của du chấn là sụ ngẫu nhiên.
Bath's law [2] đua ra biểu thức về cuông độ của du chấn. Sụ khác nhau về cuông độ
của động đất chính (mainshocks) và du chấn lớn nhất (largest aftershock) xấp xỉ là hằng
số: Mm - Ma = const , thông thuờng const= 1.1-1.2 trong thang đo cuông độ moment.
Gutenberg-Richter law [2] đua ra thang đo đế tính toán số luợng của du chấn xảy ra
sau động đất chính nhu phuơng trình (2.3). Theo Gutenberg-Richter law số luợng


6
động đất và cường độ động đất có mối quan hệ với nhau, đặc trưng theo vùng và chu kỳ.
Biểu thức của Gutenberg-Richter law:
N = \Qa~bM

(2.3)

trong đó: N: số lượng động đất xảy ra, có cường độ lơn hơn hoặc bằng M.
M là cường độ động đất; a, b là các hằng số.
Những trận động đất có dư chấn đã được ghi nhận nhiều trong quá khứ [3] [4]. Kết
cấu đã bị hư hại khi chịu trận động đất chính. Khi có dư chấn thi kết cấu sẽ bị hư hại
nhiều hơn do tính chất tích lũy hư hại. Hiện tượng phá hoại cộng dồn do sự tác động của
nhiều trận động đất xảy ra liên tiếp đã được xác nhận thông qua sự khảo sát thực tế sự
phá hoại của động đất [5] [6]. Do đó việc đánh giá hư hại của kết cấu khi chịu dao động
của đất nền có xét đến dư chấn cần được xem xét để phù hợp với thực tế.
2.2 Tổng quan về cách xây dựng băng gia tốc có dư chấn
Trong nghiên cứu có 3 cách hay dùng để xây dựng băng gia tốc dao động đất nền có

dư chấn. Đó là, sử dụng băng gia tốc dao động đất nền thực tế có ghi nhận dư chấn, lập
lại băng gia tốc nền chính để tạo băng gia tốc dư chấn và tự xây dựng băng gia tốc dao
động đất nền có dư chấn.
Amadio và cộng sự [7] xây dựng băng gia tốc dao động đất nền có dư chấn bằng cách
sử dụng băng gia tốc động đất thực tế (không có dư chấn) làm động đất chính và lặp lại
băng gia tốc động đất chính đế tạo ra dư chấn, khoảng thời gian lặp lại giữa 2 băng gia
tốc là 40s. Băng gia tốc động đất thực tế được Amadio và cộng sự [7] dùng trong nghiên
cứu của mình là: băng gia tốc SOOE El Centro 40 và 2 băng gia tốc khác với tên Gl, G2.
Các băng gia tốc động đất này tuân theo phố thiết kế động đất trong Eurocode 8 [8]. Gia
tốc nền đỉnh của SOOE El Centro 40, GI và G2, được chuẩn hóa theo gia tốc nền đỉnh
của băng gia tốc động đất El Centro 40, với tỷ lệ gia tốc nền đỉnh lần lượt là 1 lần, 2 lần
và 3 lần. Theo Amadio và cộng sự [7], lý do mà không xem xét những băng gia tốc động
đất có dư chấn trong thực tế là vĩ những băng gia tốc động đất ở thực tế chỉ phụ thuộc
vào loại đất nền nơi mà băng gia tốc động đất đó được ghi nhận, đồng thời chúng thế hiện
những đặc điếm khác nhau, làm cho việc nghiên cứu phức tạp


7
và phải sử dụng cách tiếp cận thống kê để giải quyết vấn đề. Tuy nhiên theo cách xây
dựng này thì động đất chính và du chấn có cùng phổ động đất (power spectrum density),
điều này là không thực tế.
Bảng 2.1 Băng gia tốc động đất có xét đến du chấn của Lee và Foutch. [9]
STT
1
2
3
4
5
6

Băng gia tốc có xét Động đất chính (mainshock)
đến du chấn
Băng gia tốc 1
2% trong 50 năm (2/50)
Băng gia tốc 2
10% trong 50 năm (10/50)
Băng gia tốc 3
50% trong 50 năm (50/50)
Băng gia tốc 4
2% trong 50 năm (2/50)
Băng gia tốc 5
2% trong 50 năm (2/50)
Băng gia tốc 6
10% trong 50 năm (10/50)

Du chấn (aftershock)
2% trong 50 năm (2/50)
10% trong 50 năm (10/50)
50% trong 50 năm (50/50)
10% trong 50 năm (10/50)
50% trong 50 năm (50/50)
50% trong 50 năm (50/50)

Lee và Foutch [9] xây dựng băng gia tốc dao động của đất nền có xét đến du chấn
bằng cách dựa vào xác suất xảy ra động đất trong 50 năm đối với công trình đang xét
(2%, 10%, 50%) để đua ra các băng gia tốc động đất tác dụng lên công trình: băng gia
tốc 2/50, băng gia tốc 10/50 và băng gia tốc 50/50. Bằng việc tổ hợp 2 trong số 3 băng
gia tốc động đất trên để có đuợc băng gia tốc dao động của đất nền có xét đến du chấn.
Chi tiết đuợc thể hiện trong Bảng 2.1.
Bảng 2.2 Băng gia tốc động đất có xét đến du chấn của Li và Ellingwood. [10]

Mm

6.8 (Ia01-la20)

7.0 (Ia21-la30)

Ma

Seismic hazard

Scale factor

6.2
6.4

37/50
23/50
15/50

0.68
0.80
0.90

10/50
12/50
7/50
3/50
2/50

1.0

0.67
0.78
0.91

6.6
6.8
6.3
6.5
6.8
7.0

1.0

Li và Ellingwood [10] xây dụng băng gia tốc dao động của đất nền có xét đến du chấn
bằng cách tụ xây dụng dựa trên lý thuyết xác suất thống kê đuợc thế hiện trong Bảng 2.2
, băng gia tốc động đất trong lịch sử của vùng đang nghiên cứu và hệ số tỷ lệ. Động đất
chính đuợc xây dụng từ việc thống kê của 30 băng gia tốc động động đất trong lịch sử
với cuông độ M=7 và M=6.8 với xác suất xảy ra 2% trong 50 năm và 10% trong