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 TƠNG CỐT THÉP
CHỊU ĐỘNG ĐẤT CĨ XÉT DƯ CHẤN
Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số ngành: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, 12 – 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC 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. …………………………… -

Ủy viên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


i
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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: MAI XUÂN VĨNH

MSHV: 1670065

Ngày, tháng, năm sinh: 06/02/1993

Nơi sinh: Bình Định

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

.

Mã số: 60580208

I. TÊN ĐỀ 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 dư chấn.
o Phân tích quan hệ phi tuyến moment – độ cong của tiết diện bê tông cốt thép theo
mơ hình vật liệu.
o Mơ hình hóa khung bê tông cốt thép bằng phần tử LINK phi tuyến.
o Xây dựng băng gia tốc có xét đến dư chấn.
o Phân tích phi tuyến theo thời gian cho khung bê tơng cốt thép chịu động đất có và
khơng có xét dư chấn.
o Phân tích hư hại của khung bê tơng cốt thép có và khơng có xét dư chấn.
o Đánh giá ảnh hưởng của dư chấn đến mức độ hư hại của khung bê tông cốt thép.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

29/01/2018

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

10/12/2018

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. CAO VĂN VUI


ii
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)


iii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ Xây dựng cơng 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 đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân. Tơi xin ghi nhận và tỏ lịng biết ơn tới tập thể
và các cá nhân đã dành cho tơi sự giúp đỡ q báu đó.
Đầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn 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 ơn 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
khơng 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 khơng thể khơng có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi
bổ sung những kiến thức và hồn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.

Tp. HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2018

Mai Xuân Vĩnh


iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu về ảnh hưởng của động đất đến cơng trình đã đạt được những thành tựu
đáng kể. Tuy nhiên, những cơng 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 hơn

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 hơn hoặc sụp đổ bởi
những dư chấn. Điều đó cho thấy dư chấn có ảnh hưởng lớn đến hư hại của cơng trình.
Hơn nữa, trong các vùng động đất mạnh, dư chấn xảy ra khá thường xun. Do đó,
khơng xét đến ảnh hưởng của dư chấn đến mức độ hư hại của cơng 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 mơ 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 khơng 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 với các cường độ động đất khác nhau có và
khơng có xét đến dư chấn. Tiếp theo, sử dụng mơ hình hư hại để đánh giá mức độ hư
hại cho khung.
Kết 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 với những động đất có cường độ mạnh, ảnh
hưởng của dư chấn đến hư hại của kết cấu là đáng kể và khơng thể bỏ qua. Vì vậy ảnh
hưởng của dư chấn cần được xét đến trong tính tốn cơng 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 tơi 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

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................ iv
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................. xi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. xi
CHƯƠNG 1.

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

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN .................................................................................. 4

2.1

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

2.2

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

2.3

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

CHƯƠNG 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

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

3.5

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


v
CHƯƠNG 4.
4.1

MƠ HÌNH PHÂN TÍCH................................................................. 25

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

4.1.1 Mơ tả khung BTCT 3 tầng ............................................................................ 25

4.1.2 Mơ hình và kiểm tra ...................................................................................... 27
4.2

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

4.2.1 Mô tả khung 4 tầng ....................................................................................... 29
4.2.2 Mơ 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 Mơ 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.
5.1

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ................................................................. 41

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

5.1.1 Chỉ số hư hại DI trung bình của khung .......................................................... 41
5.1.2 Ứng xử trễ của các phần từ LINK ................................................................. 47
5.1.3 Chỉ số hư hại của phần tử LINK theo thời gian ............................................. 49
5.2

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

5.2.1 Chỉ số hư hại DI trung bình của khung .......................................................... 52
5.2.2 Ứng xử trễ của các phần tử LINK ................................................................. 59
5.2.3 Chỉ số hư hại của phần tử LINK theo thời gian ............................................. 64
CHƯƠNG 6.
6.1

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 69

Kết luận ........................................................................................................ 69


vi
6.2

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

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


vii

DANH MỤC 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 mơ hình thống kê [10].......... 9
Hình 3.1 Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng của Hognestad [19] ........................ 15
Hình 3.2 Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tơng [20] ............................. 16

Hình 3.3 Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tơng, Park và cộng sự [21] .. 16
Hình 3.4 Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng của thép theo Eurocode 2 [22] ....... 17
Hình 3.5 Mơ hình ứng xử trễ của Takeda [25] .......................................................... 19
Hình 3.6 Mơ hình hóa dầm, cột trong khung ............................................................. 20
Hình 3.7 Phần tử LINK phi tuyến. ............................................................................ 20
Hình 3.7 Kết cấu hồn tất ứng xử trễ dựa trên mơ 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 Mơ 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 Mơ hình khung 4 tầng sử dụng phần tử LINK phi tuyến............................. 31
Hình 4.7 Mode dao động đầu tiên của khung 4 tầng ................................................ 31
Hình 4.8 So sánh đường cong đẩy dần của khung 4 tầng. ........................................ 32
Hình 4.9 Ví dụ của một kết quả tỷ lệ......................................................................... 33
Hình 4.10 Băng gia tốc nền có xét đến dư chấn. ....................................................... 34
Hình 4.11 Khung BTCT 8 tầng và mặt cắt điển hình [36]. ........................................ 36
Hình 4.12 Mơ hình khung 8 tầng sử dụng phần tử LINK phi tuyến. .......................... 37
Hình 4.13 Mode dao động đầu tiên của khung 8 tầng................................................ 37
Hình 4.14 So sánh đường cong đẩy dần khung 8 tầng. .............................................. 38
Hình 4.15 Ví dụ của một kết quả tỷ lệ. ...................................................................... 39


viii
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
khơng 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 khơng 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

khơng 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 khơng 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
khơng 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 khơng có xét dư chấn. .......................................................................................... 44
Hình 5.7 Chỉ số hư hại của khung có và khơng 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
khơng 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
khơng 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
khơng có xét dư chấn. ............................................................................................... 49
Hình 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 khơng có xét dư chấn. ............................................................. 50
Hình 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 khơng có xét dư chấn................................................................ 50
Hình 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 khơng có xét dư chấn. ............................................................. 51
Hình 5.14 Mức độ hư hại của khung 8 tầng với cường độ động đất chính 0.4g có và
khơng có xét dư chấn. ............................................................................................... 53
Hình 5.15 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng với cường độ động đất chính 0.4g có
và khơng 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
khơng 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 khơng 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
khơng 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 khơng có xét dư chấn. .......................................................................................... 56
Hình 5.20 Chỉ số hư hại của khung có và khơng 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
khơng 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
khơng 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
khơng 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
khơng 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
khơng 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
khơng có xét dư chấn. ............................................................................................... 64
Hình 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 khơng có xét dư chấn................................................................ 64
Hình 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 khơng có xét dư chấn................................................................ 65
Hình 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 khơng có xét dư chấn................................................................ 65
Hình 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 khơng 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 khơng 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 khơng có xét dư chấn................................................................ 67


xi

DANH MỤC 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 khơng có xét đến dư chấn. . 45
Bảng 5.3 Sự tăng chỉ số hư hại của khung có và khơng 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 khơng có xét đến dư chấn. . 58
Bảng 5.6 Sự tăng chỉ số hư hại của khung 8 tầng có và khơng 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


xii
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)

Ký hiệu
ρs

Tỷ số thể tích của thép đai với thể tích lõi bê tơng

K

Hệ số tăng cường độ do bê tông được cốt đai bao bọc

f c'

Z

Ứng suất của bê tông lớn nhất, MPa
Độ dốc đường quan hệ

f yh

Cường độ chảy dẻo của thép đai, MPa

b"

Bề rộng của lõi bê tơng tính từ mép ngồi của cốt đai, mm

sh

Bước cốt đai, mm

fy

Ứng suất chảy dẻo, MPa

fu

Ứng suất cực hạn của thép, MPa

y

Biến dạng chảy dẻo của thép, mm/mm

 su Biến dạng cực hạn của thép, mm/mm
E s , Esh Mô đun đàn hồi của thép, MPa
Ef

Mô đun đàn hồi của FRP, MPa

f fr

Ứng suất cực hạn của FRP, MPa

 fr

Biến dạng cực hạn của FRP, mm/mm


xiii
 suh Biến dạng cực hạn của cốt đai, mm/mm
um

Chuyển vị lớn nhất của hệ một bậc tự do (SDOF)

uu

Chuyển vị cực hạn dưới tải đơn, mm

Fy

Lực chảy dẻo, N



Tham số bao gồm ảnh hưởng của tải tuần hoàn.

 m Góc xoay lớn nhất trong thời gian chịu tải, rad
u

Góc xoay tới hạn, rad

r

Góc xoay phục hồi khi dở tải, rad

My

Moment dẻo, Nmm

E h ,1collapse Năng lượng trễ của một chu kỳ giới hạn
E h ,1 y Năng lượng trễ của một chu kỳ chảy dẻo

Eh

Năng lượng vịng trễ tích lũy

Erec

Năng lượng trễ được phục hồi

N

Số chu kỳ chảy dẻo để hiện tượng sụp đổ xảy ra

i

Số chu kỳ chảy dẻo trong thời gian hiện tại (i ≤ N),



Hệ số điều chỉnh

lp

Chiều dài khớp dẻo, mm


1

CHƯƠNG 1.

MỞ ĐẦU

1.1 Lý 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 cơng trình đã đạt được những thành tựu đáng kể.
Tuy nhiên, những cơng 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 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 cơng trình. Hơn nữa, trong các
vùng động đất mạnh, dư chấn xảy ra khá thường xun. Do đó, khơng xét đến ảnh
hưởng của dư chấn đến mức độ hư hại của cơng trình theo các tiêu chuẩn hiện hành là
chưa phù hợp.
Ảnh hưởng của dư chấn đến kết cấu đã được nhiều tác giả nghiên cứu và cơng bố
như được trình 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.
Đề tài “Đánh giá hư hại của khung bê tơng 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 hợp khơng 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 Ý 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 cơng trình. 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 cơng trình được tính tốn, thiết kế
chịu động đất theo các tiêu chuẩn hiện hành.
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Trong bối cảnh ngày nay, các cơng trình xây dựng ngày càng nhiều, đa số các cơng
trình đều phải tính tốn chịu động đất theo các tiêu chuẩn hiện hành và bỏ qua ảnh
hưởng của dư chấn. Do đó, khả năng hư hại của cơng trình trong thực tế sẽ lớn hơn so
với phân tích dự đốn vì khơng xét đến dư chấn. Đề 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 gồm 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 dựng 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 tốn để xác
định quan hệ moment – độ cong của vật liệu BTCT. Mơ hình hư hại tích lũy cũng được
trình bày trong chương này.
Chương 4 là chương mơ hình phân tích sẽ trình bày về mơ hình 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 mơ hình 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 khơng 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), ĐơngTây (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, 1.11g và 0.05g lần lượt theo các hướng Đơng-Tây (EW), Bắc-Nam (NS),
phương thẳng đứng (UD).

Hình 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 bình đến mạnh và diễn ra trong thời gian ngắn. Dư chấn


5
(afftershocks) là các trận động đất có quy mơ 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 chưa đạt trạng thái cân bằng ứng suất. Những đứt gãy kế
tiếp có quy mơ nhỏ hơn tiếp tục diễn ra, tạo ra dư chấn, kéo dài trong khoảng thời gian
từ vài phút đến vài ngày sau, tùy theo cường độ của động đất chính. Dựa vào thống kê
về dao động đất nền có dư chấn xảy ra ở các vùng khác nhau trên thế giới, có 3 thang
đo dư chấn về tần suất (frequency) và cường độ (magnitudes) được đề sử dụng.
Omori's law [2] đưa ra biểu thức thực nghiệm về tần xuất của dư chấn (frequency of
aftershocks). Công thức kinh nghiệm (2.1) được đưa ra bởi Fusakichi Omori [2] vào
năm 1894. Sau đó Utsu [2] hiệu chỉnh cơng thức của Omori’s law như phương trình
(2.2) và được dùng phổ biến.
n t  

k
c  t 

n t  

k

c  t 

(2.1)

p

(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 dư chấn, đứt
gãy đặc trưng (typically falls), p=0.7-1.5. Các hằng số được xác định thông qua các dữ
liệu sau khi động chính xảy ra, nên khơng thể hiện được đặc trưng vật lý của dư chấn.
Theo biểu thức ở trên, tần suất của dư chấn giảm rất nhanh theo thời gian, tỷ lệ nghịch
với thời gian (tính từ thời điểm đã kết thúc động đất chính) và có thể dùng để ước tính
xác suất xảy ra của dư chấn trong tương lai. Tuy nhiên, trong thực tế số lượng, thời gian
xảy ra và vị trí của dư chấn là sự ngẫu nhiên.
Bath's law [2] đưa ra biểu thức về cường độ của dư chấn. Sự khác nhau về cường độ
của động đất chính (mainshocks) và dư chấn lớn nhất (largest aftershock) xấp xỉ là hằng
số: M wm  M wa  const , thông thường const=1.1-1.2 trong thang đo cường độ moment.
Gutenberg–Richter law [2] đưa ra thang đo để tính tốn số lượng của dư chấn xảy
ra sau động đất chính như phương trình (2.3). Theo Gutenberg–Richter law số lượng


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  10a 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 thì 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 (khơng có dư chấn) làm động đất chính và
lặp lại băng gia tốc động đất chính để 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 G1, G2. Các băng gia tốc động đất này tuân theo phổ thiết kế động đất trong
Eurocode 8 [8]. Gia tốc nền đỉnh của SOOE El Centro 40, G1và 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 vì 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 thể hiện những đặc điểm 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 dư 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 dư chấn của Lee và Foutch. [9]
STT
1
2
3
4
5
6

Băng gia tốc có
xét đến dư chấn
Băng gia tốc 1
Băng gia tốc 2
Băng gia tốc 3
Băng gia tốc 4
Băng gia tốc 5
Băng gia tốc 6

Động đất chính
(mainshock)

Dư chấn
(aftershock)

2% trong 50 năm (2/50)
10% trong 50 năm (10/50)
50% trong 50 năm (50/50)
2% trong 50 năm (2/50)

2% trong 50 năm (2/50)
10% trong 50 năm (10/50)

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 dư chấn
bằng cách dựa vào xác suất xảy ra động đất trong 50 năm đối với cơng trình đang xét
(2%, 10%, 50%) để đưa ra các băng gia tốc động đất tác dụng lên cơng 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 được băng gia tốc dao động của đất nền có xét đến dư chấn.
Chi tiết được thể hiện trong Bảng 2.1.
Bảng 2.2 Băng gia tốc động đất có xét đến dư chấn của Li và Ellingwood. [10]
Mm
6.8 (la01-la20)

7.0 (la21-la30)

Ma
6.2
6.4
6.6
6.8
6.3
6.5
6.8

7.0

Seismic hazard
37/50
23/50
15/50
10/50
12/50
7/50
3/50
2/50

Scale factor
0.68
0.80
0.90
1.0
0.67
0.78
0.91
1.0

Li và Ellingwood [10] xây dựng băng gia tốc dao động của đất nền có xét đến dư
chấn bằng cách tự xây dựng dựa trên lý thuyết xác suất thống kê được thể 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 được xây dựng từ việc thống kê của 30 băng gia tốc động động đất trong
lịch sử với cường độ M=7 và M=6.8 với xác suất xảy ra 2% trong 50 năm và 10% trong