Ứng xử động kết cấu khung chịu tải trọng động đất có xét đến ứng xử của móng cọc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------------

ĐẶNG VĂN ÚT

ỨNG XỬ ĐỘNG KẾT CẤU KHUNG CHỊU TẢI TRỌNG
ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ỨNG XỬ CỦA MĨNG CỌC

CHUN NGÀNH : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG
VÀ CÔNG NGHIỆP
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH 07-2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. CHU QUỐC THẮNG .................................

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. ĐINH THẾ HƯNG ......................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. LÊ TRUNG KIÊN .......................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 22 tháng 07 năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. BÙI CÔNG THÀNH

 Chủ tịch

2. TS. ĐINH THẾ HƯNG

 Phản biện 1

3. TS. LÊ TRUNG KIÊN

 Phản biện 2

4. TS. TRẦN VĂN PHÚC

 Thành viên

5. PGS. TS. NGÔ HỮU CƯỜNG

 Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ĐẶNG VĂN ÚT ............................... MSHV: 7140175 ....................
Ngày, tháng, năm sinh: 05/08/1985 .............................. Nơi sinh: Tiền Giang ............
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng Và Cơng Nghiệp .....
Mã số: 60.58.02.08
I. TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG XỬ ĐỘNG KẾT CẤU KHUNG CHỊU TẢI TRỌNG
ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ỨNG XỬ CỦA MĨNG CỌC
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Phân tích kết cấu khung phẳng từ thấp đến cao tầng chịu tải trọng động đất
có xét đến ứng xử của nền móng bao gồm móng nơng và móng cọc trong mơi
trƣờng nền đất đồng nhất và khơng đồng nhất. Từ đó, rút ra kết luận về ứng xử động
của kết cấu khung phẳng chịu tải trọng động đất có xét đến ứng xử của móng cọc.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

17/08/2015

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

17/06/2016

V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS. TS. CHU QUỐC THẮNG
Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . .. năm 2016
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH

PGS. TS. CHU QUỐC THẮNG

PGS.TS. BÙI CÔNG THÀNH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

i


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và thực hiện luận văn, đƣợc sự tận tình chỉ bảo, động
viên của thầy cô và các bạn bè để vƣợt qua những khó khăn, tác giả đã hồn thành
luận văn theo nhƣ quyết định của Phòng Đào Tạo Sau Đại Học Trƣờng Đại Học
Bách Khoa – Thành Phố Hồ Chí Minh.
Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Bách khoa Tp. HCM, phòng
Đào tạo Sau Đại học và các thầy cô trực tiếp tham gia giảng dạy đã truyền đạt
những kiến thức và phƣơng pháp học tập, nghiên cứu.
Bên cạnh đó, để có đƣợc những kiến thức q báo, tơi xin chân thành cám ơn
tất cả bạn bè, thầy cô trong khoa đã giúp đỡ tôi khi học tập cũng nhƣ thực hiện luận
văn này, đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn chính
PGS.TS CHU QUỐC THẮNG và thầy hƣớng dẫn Th.S PHẠM NHÂN HỊA
ngƣời đã tận tình dẫn dắt và hƣớng dẫn tơi ngay từ bƣớc đầu làm quen với công
việc nghiên cứu khoa học đến lúc hoàn thành một luận văn thạc sĩ và đã truyền đạt
những kiến thức hết sức quý báu cho tôi.
Tôi cũng chân thành cảm ơn các thầy cô trong thƣ viện trƣờng ĐH Bách
Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tơi tìm tài liệu để thực hiện luận
văn này và những bạn học cùng khóa ln sát cánh bên tơi trong những ngày học
tập khó khăn.
Sau cùng, tơi xin cảm ơn gia đình tôi đã tạo điều kiện cho tôi học tập và động

viên tơi những khi tơi gặp khó khăn.
Chân thành cảm ơn tất cả!

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016

ii


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn trình bày mơ hình tính tốn và thuật giải để phân tích ứng xử của
kết cấu khi xét đến tƣơng tác giữa kết cấu và nền móng (SSI: Soil - Structure
Interaction). Kết cấu bên trên đƣợc mơ hình nhƣ hệ nhiều bậc tự do chỉ xét chuyển
vị ngang, đây là thành phần chuyển vị chủ yếu khi kết cấu chịu động đất. Móng bên
dƣới có các phƣơng pháp tính tốn độ cứng (cũng nhƣ giảm chấn) động lực học của
móng nơng, móng cọc trong môi trƣờng đất đồng nhất (SSI-1) hoặc đất không đồng
nhất (SSI-M).
Phần ví dụ minh họa nêu ra trong luận văn là các ví dụ mẫu về kết cấu thép 1
tầng, 3 tầng, 9 tầng và 20 tầng nhằm so sánh đáp ứng động lực học của kết cấu từ
thấp tầng đến cao tầng khi xét SSI và không xét đến SSI (FBB: Fixed Base
Building). Phƣơng trình chuyển động của hệ đƣợc giải bằng phƣơng pháp tích phân
Newmark trên miền thời gian, đƣợc thể hiện trên ngơn ngữ lập trình MATLAB.
Cuối cùng, các kết luận đƣợc rút ra về sự khác nhau giữa các mơ hình nhằm
cung cấp các thơng tin hữu ích cho việc nghiên cứu và thiết kế các cơng trình kháng
chấn.

iii


ABSTRACT
Thesis presented computational models and algorithms to analyze the

behavior of the structure when considering the interaction between structural and
foundation (Soil - Structure Interaction). The superstructure is modeled as multidegree of freedom systems with only horizontal displacements, major displacements
of structures subjeted to earthquake. Dynamic stiffness calculation method of
foundation, pile in homogeneous soil environment (SSI-1) or inhomogeneous soil
environment (SSI-M).
Part illustrative examples set out in the thesis that the samples of the steel
structure 1-story, 3-story, 9-story, 20-story benchmark steel structures (low, mid, or
high-rise buildings) with FBB analysis or allowing for SSI. The equation of motion
of the system is solved by Newmark integration numerical method in the time
domain and with the help of MATLAB code.
Finally, the conclusions to be drawn about the differences between models to
provide useful information for the study and design of seismic-resistant buildings.

iv


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Đặng Văn Út, là học viên cao học chuyên ngành Xây Dựng Dân
Dụng và Công Nghiệp, khoá 2014 trƣờng Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí
Minh. Tơi xin cam đoan rằng, đây là luận văn do chính tơi thực hiện. Các số liệu
trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố, sử dụng để
bảo vệ một học vị nào. Các thơng tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn này đã đƣợc
ghi rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về kết quả nghiên cứu trong
luận văn của mình.
Học viên

ĐẶNG VĂN ÚT

vi

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ......................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ......................................................................... iii
ABSTRACT ........................................................................................................... iv
MỤC LỤC

.......................................................................................................... vii

DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................x
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... xiv
Chƣơng 1.

GIỚI THIỆU ................................................................................. - 1 -

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................. - 1 1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN .................................................................. - 2 Chƣơng 2.

TỔNG QUAN ............................................................................... - 3 -

2.1 TỔNG QUAN VỀ SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ NỀN MĨNG- 3 2.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGỒI NƢỚC. ........................................... - 5 2.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC ........................................... - 6 2.4 NỘI DUNG LUẬN VĂN ........................................................................... - 7 Chƣơng 3.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................... - 9 -

3.1 PHƢƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG ....................................... - 9 3.1.1 Khung phẳng ngàm ở chân cột - FBB .............................................. - 10 3.1.2 Khung phẳng có xét SSI ................................................................... - 11 3.2 ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC HỌC ĐỐI VỚI MĨNG NƠNG ....................... - 15 3.2.1 Trên nền đồng nhất (1 lớp đất) ......................................................... - 15 3.2.2 Trên nền không đồng nhất (nhiều lớp đất) ....................................... - 16 3.3 ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC HỌC ĐỐI VỚI MÓNG CỌC .......................... - 20 3.3.1 Trên đất nền đồng nhất (1 lớp đất) ................................................... - 20 vii


3.3.2 Đất nền không đồng nhất (nhiều lớp đất) ......................................... - 28 3.3.3 Ví dụ xác định k0 ; c0 cho cọc xuyên qua 2 lớp đất .......................... - 33 3.4 CÁC BƢỚC GIẢI BÀI TOÁN SSI VÀ SƠ ĐỒ KHỐI ........................... - 37 3.4.1 Các bƣớc giải bài toán SSI ............................................................... - 37 3.4.2 Sơ đồ khối cho bài tốn phân tích SSI ............................................. - 38 Chƣơng 4.

VÍ DỤ TÍNH TỐN ................................................................... - 39 -

4.1 KẾT CẤU 1 TẦNG MĨNG NƠNG ......................................................... - 39 4.1.1 Mơ tả bài tốn ................................................................................... - 39 4.1.2 Tính tốn thơng số động lực học ...................................................... - 41 4.1.3 Ảnh hƣởng của mô đun đàn hồi và hệ số poisson khi xét SSI ......... - 43 4.2 KẾT CẤU 3 TẦNG MĨNG NƠNG ......................................................... - 46 4.2.1 Mơ tả bài tốn ................................................................................... - 46 4.2.2 Ảnh hƣởng của mô đun đàn hồi và hệ số poisson khi xét SSI ......... - 48 4.3 KẾT CẤU 3 TẦNG MĨNG CỌC ............................................................ - 51 4.3.1 Mơ tả bài toán ................................................................................... - 51 4.3.2 Khảo sát ảnh hƣởng của bố trí cọc khi xét SSI ................................ - 53 4.3.3 Khảo sát ảnh hƣởng đồng thời của mô đun đàn hồi đất nền, hệ số
poisson và bố trí cọc trong phân tích SSI ......................................... - 56 4.4 KẾT CẤU 9 TẦNG MĨNG CỌC ............................................................ - 58 4.4.1 Mơ tả bài tốn ................................................................................... - 58 4.4.2 Tính tốn ban đầu ............................................................................. - 60 4.4.3 Khảo sát ảnh hƣởng của bố trí cọc trong phân tích SSI ................... - 62 4.4.4 Khảo sát ảnh hƣởng đồng thời của mô đun đàn hồi đất nền, hệ số
poisson và bố trí cọc trong phân tích SSI ......................................... - 67 4.5 KẾT CẤU 20 TẦNG MĨNG CỌC .......................................................... - 69 4.5.1 Mơ tả bài toán ................................................................................... - 69 viii


4.5.2 Tính tốn ban đầu ............................................................................. - 71 4.5.3 Khảo sát ảnh hƣởng của bố trí cọc trong phân tích SSI ................... - 73 4.5.4 Khảo sát ảnh hƣởng đồng thời của mô đun đàn hồi đất nền, hệ số
poisson và bố trí cọc trong phân tích SSI ......................................... - 77 4.6 KHẢO SÁT VỚI CÁC TRẬN ĐỘNG ĐẤT KHÁC ............................... - 79 4.6.1 Kết cấu 9 tầng ................................................................................... - 79 4.6.2 Kết cấu 20 tầng ................................................................................. - 80 4.6.3 Tổng hợp........................................................................................... - 81 Chƣơng 5.

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................ - 84 -

5.1 KẾT LUẬN ............................................................................................... - 84 5.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................ - 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. - 86 PHỤ LỤC

............................................................................................................. i

Phụ lục 1: Tìm các hệ số động lực học. ................................................................... i
Phụ lục 2: Tìm chiều dài, đƣờng kính và số lƣợng cọc. ...................................... iii
Phụ lục 3: Bảng kết quả phân tích SSI 9 trƣờng hợp vị trí móng cọc. .................vii
Phụ lục 4: Mã nguồn chƣơng trình Matlab. ......................................................... xiv
DANH MỤC KÝ HIỆU ........................................................................................ xlii
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................... xlvi

ix


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2-1: Tƣơng tác động (kinematic): (a) dao động theo phƣơng đứng, (b) dao
động theo phƣơng ngang, (c) dao động không liên tục, dao động lắc ................... - 4 Hình 2-2: Tƣơng tác qn tính (inertial) ................................................................ - 4 Hình 2-3: Sóng lan truyền ...................................................................................... - 4 Hình 3-1: (a) Mơ hình đơn giản hóa bài tốn; (b) Ngàm ở chân cột; (c) có xét đến
chuyển vị ngang và xoay đồng thời của móng ....................................................... - 9 Hình 3-2: Các thơng số móng đơn; (a): Móng trƣợt; (b): Móng xoay ................. - 15 Hình 3-3: Sự truyền dao động qua 2 lớp đất ........................................................ - 17 Hình 3-4: Sự truyền dao động trong đất tại mặt tiếp xúc ..................................... - 18 Hình 3-5: Các thơng số của móng cọc (nhóm cọc minh họa 2x6) ....................... - 20 -





Hình 3-6: Xác định S 2 R S2 Rp và  đài có 2x3 cọc ...................................... - 22 Hình 3-7: Giá trị  L  r  theo [7] ............................................................................. - 23 Hình 3-8: Xác định f z1 theo theo Lp rp và E p Espile cho cọc chịu mũi ............ - 25 Hình 3-9: Xác định f z 2 theo Lp rp và E p Espile cho cọc chịu mũi ...................... - 26 Hình 3-10: Xác định f z1 theo Lp rp và E p Espile cho cọc chịu ma sát ................ - 26 Hình 3-11: Xác định f z 2 theo Lp rp và E p Espile cho cọc chịu ma sát ................ - 27 Hình 3-12: Mơ phỏng cọc trong nhiều lớp đất ..................................................... - 28 Hình 3-13: Hệ số chiều dài hoạt động của cọc cho trƣờng hợp 2 lớp đất............ - 30 Hình 3-14: Hệ số ảnh hƣởng của lớp đất đến độ cứng tĩnh ................................. - 30 Hình 3-15: Xác định hệ số  s .............................................................................. - 31 H E
E
a 
Hình 3-16: Xác định f  s1 , s 2 , 0  với s 2 =2............................................ - 32  Lac1 Es1 a0 r 
E s1



x


H E
E
a 
Hình 3-17: Xác định f  s1 , s 2 , 0  với s 2 =5............................................ - 32  Lac1 Es1 a0 r 
E s1



Hình 3-18: Xác định S x 2  ............................................................................... - 33 Hình 3-19: Cọc xuyên qua 2 lớp đất, các thông số của cọc và đất ...................... - 33 Hình 3-20: Sơ đồ khối .......................................................................................... - 38 Hình 4-1:(a) Sơ đồ kết cấu, (b) Sơ đồ tính FBB, (c) Sơ đồ tính SSI ................... - 40 Hình 4-2: Gia tốc nền El Centro .......................................................................... - 40 Hình 4-3: So sánh chu kỳ thứ nhất giữa FBB và SSI........................................... - 43 Hình 4-4: So sánh giữa 4 trƣờng hợp có SSI với FBB; (a) chuyển vị đỉnh lớn nhất,
(b) mô men chân cột lớn nhất, (c) gia tốc đỉnh lớn nhất, (d) lực cắt chân cột lớn
nhất. ...................................................................................................................... - 44 Hình 4-5: Đáp ứng chuyển vị đỉnh ....................................................................... - 45 Hình 4-6: Đáp ứng gia tốc đỉnh............................................................................ - 45 Hình 4-7: Đáp ứng lực cắt chân cột ..................................................................... - 45 Hình 4-8: Đáp ứng mơ men chân cột ................................................................... - 45 Hình 4-9: (a) Sơ đồ kết cấu 3 tầng; (b) Sơ đồ tính FBB; (c) Sơ đồ tính SSI ....... - 47 Hình 4-10: So sánh chu kỳ thứ nhất giữa FBB và SSI......................................... - 48 Hình 4-11: So sánh giữa 4 trƣờng hợp có SSI với FBB; (a) chuyển vị đỉnh lớn nhất,
(b) mô men chân cột lớn nhất, (c) gia tốc đỉnh lớn nhất, (d) lực cắt chân cột lớn
nhất. ...................................................................................................................... - 49 Hình 4-12: Đáp ứng chuyển vị đỉnh ..................................................................... - 49 Hình 4-13: Đáp ứng gia tốc đỉnh.......................................................................... - 50 Hình 4-14: Đáp ứng lực cắt chân cột ................................................................... - 50 Hình 4-15: Đáp ứng mơ men chân cột ................................................................. - 50 Hình 4-16: Sơ đồ phân tích SSI kết cấu 3 tầng móng cọc ................................... - 52 Hình 4-17: So sánh chu kỳ thứ nhất giữa FBB và SSI......................................... - 54 -

xi

Hình 4-18: So sánh giữa 9 trƣờng hợp có SSI với FBB; (a) chuyển vị đỉnh lớn nhất,
(b) mô men chân cột lớn nhất, (c) gia tốc đỉnh lớn nhất, (d) lực cắt chân cột lớn
nhất. ...................................................................................................................... - 54 Hình 4-19: Đáp ứng chuyển vị đỉnh ..................................................................... - 55 Hình 4-20: Đáp ứng gia tốc đỉnh.......................................................................... - 55 Hình 4-21: Đáp ứng lực cắt chân cột ................................................................... - 55 Hình 4-22: Đáp ứng mô men chân cột ................................................................. - 55 Hình 4-23: Chuyển vị, chuyển vị tƣơng đối, lực cắt và mô men lớn nhất của cột qua
các tầng ................................................................................................................. - 56 Hình 4-24: (a) Sơ đồ kết cấu 9 tầng; (b) Sơ đồ tính FBB; (c) Sơ đồ tính SSI ..... - 59 Hình 4-25: Bốn dạng dao động đầu của khung kết cấu 9 tầng FBB .................... - 61 Hình 4-26: So sánh chu kỳ thứ nhất giữa FBB và SSI......................................... - 62 Hình 4-27: So sánh giữa 9 trƣờng hợp có SSI với FBB; (a) chuyển vị đỉnh lớn nhất,
(b) mô men chân cột lớn nhất, (c) gia tốc đỉnh lớn nhất, (d) lực cắt chân cột lớn
nhất. ...................................................................................................................... - 63 Hình 4-28: Đáp ứng chuyển vị đỉnh ..................................................................... - 64 Hình 4-29: Đáp ứng gia tốc đỉnh.......................................................................... - 64 Hình 4-30: Đáp ứng lực cắt chân cột ................................................................... - 64 Hình 4-31: Đáp ứng mơ men chân cột ................................................................. - 64 Hình 4-32: Chuyển vị, chuyển vị tƣơng đối, lực cắt và mô men lớn nhất của cột qua
các tầng ................................................................................................................. - 65 Hình 4-33: Đáp ứng chuyển vị đỉnh ..................................................................... - 65 Hình 4-34: Đáp ứng gia tốc đỉnh.......................................................................... - 65 Hình 4-35: Đáp ứng lực cắt chân cột ................................................................... - 66 Hình 4-36: Đáp ứng mơ men chân cột ................................................................. - 66 Hình 4-37: Chuyển vị, chuyển vị tƣơng đối, lực cắt và mô men lớn nhất của cột qua
các tầng ................................................................................................................. - 66 xii


Hình 4-38: (a) Sơ đồ kết cấu 20 tầng; (b) Sơ đồ tính FBB; (c) Sơ đồ tính SSI ... - 70 Hình 4-39: Bốn dạng dao động đầu của khung kết cấu 20 tầng không SSI ........ - 72 Hình 4-40: So sánh chu kỳ thứ nhất giữa FBB và SSI......................................... - 73 Hình 4-41: So sánh giữa 9 trƣờng hợp có SSI với FBB; (a) chuyển vị đỉnh lớn nhất,
(b) mô men chân cột lớn nhất, (c) gia tốc đỉnh lớn nhất, (d) lực cắt chân cột lớn
nhất, (e) chuyển vị đỉnh trung bình, (f) mơ men chân cột trung bình. ................. - 74 Hình 4-42: Đáp ứng chuyển vị đỉnh ..................................................................... - 75 Hình 4-43: Đáp ứng gia tốc đỉnh.......................................................................... - 75 Hình 4-44: Đáp ứng lực cắt chân cột ................................................................... - 75 Hình 4-45: Đáp ứng mơ men chân cột ................................................................. - 75 Hình 4-46: Chuyển vị, chuyển vị tƣơng đối, lực cắt và mô men lớn nhất của cột qua
các tầng ................................................................................................................. - 76 Hình 4-47: Chuyển vị, chuyển vị tƣơng đối, lực cắt và mơ men trung bình của cột
qua các tầng .......................................................................................................... - 77 Hình 4-48: Gia tốc nền Hachinohe....................................................................... - 79 Hình 4-49: Gia tốc nền Northridge ...................................................................... - 79 Hình 4-50: Biểu đồ khác biệt chuyển vị đỉnh theo Espile ...................................... - 80 Hình 4-51: Biểu đồ khác biệt lực cắt chân cột theo Espile .................................... - 80 Hình 4-52: Biểu đồ khác biệt mô men chân cột theo Espile .................................. - 80 Hình 4-53: Biểu đồ khác biệt chuyển vị đỉnh theo Espile ..................................... - 81 Hình 4-54: Biểu đồ khác biệt lực cắt chân cột theo Espile .................................... - 81 Hình 4-55: Biểu đồ khác biệt mơ men chân cột theo Espile .................................. - 81 Hình 4-56: Phần trăm chuyển vị đỉnh SSI và FBB của 3 trận động đất .............. - 82 -

xiii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3-1: Các hệ số: Cx1 ; S x1 ; Cx 2 ; S x 2 ; C 1 ; C 2 ; S 1 ; S 2 theo [3], [4] .................. - 16 Bảng 3-2: Hệ số độ cứng và giảm chấn f01 ; f 02 ; f 1 ; f 2 ; f 0 1; f 0 2 .................... - 25 Bảng 4-1: Thông số của cột ................................................................................. - 41 Bảng 4-2: Thông số loại đất đƣợc sử dụng phân tích .......................................... - 41 Bảng 4-3: Thơng số của móng nơng .................................................................... - 41 Bảng 4-4: Độ cứng động lực học cho móng nơng ............................................... - 42 Bảng 4-5: Trƣờng hợp khảo sát cho móng nông ................................................. - 43 Bảng 4-6: Chu kỳ dao động SSI và FBB ............................................................. - 43 Bảng 4-7: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và mô men FBB với SSI ..... - 44 Bảng 4-8: Đặc trƣng kết cấu của tiết diện ............................................................ - 46 Bảng 4-9: Thơng số của móng nơng .................................................................... - 47 Bảng 4-10: Độ cứng động lực học cho móng nơng ............................................. - 48 Bảng 4-11: Chu kỳ dao động SSI và FBB ........................................................... - 48 Bảng 4-12: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và mô men FBB với SSI ... - 50 Bảng 4-13: Thông số của đất (cọc qua 1 lớp đất) ................................................ - 51 Bảng 4-14: Thông số của đất (cọc qua 2 lớp đất) ................................................ - 52 Bảng 4-15: Các trƣờng hợp bố trí cọc trong đài cọc ............................................ - 52 Bảng 4-16: Thông số của cọc và đài cọc cho 9 trƣờng hợp bố trí cọc................. - 53 Bảng 4-17: Độ cứng động lực học cho móng cọc ................................................ - 53 Bảng 4-18: Chu kỳ dao động SSI và FBB ........................................................... - 53 Bảng 4-19: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và mô men FBB với SSI ... - 56 Bảng 4-20: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và mô men FBB với SSI ... - 57 Bảng 4-21: Đặc trƣng kết cấu của tiết diện .......................................................... - 58 Bảng 4-22: Các trƣờng hợp bố trí cọc trong đài cọc ............................................ - 60 xiv


Bảng 4-23: Thông số của cọc và đài cọc cho 9 trƣờng hợp bố trí cọc................. - 60 Bảng 4-24: Bảng so sánh chu kỳ dao động của SAP và Frame ........................... - 60 Bảng 4-25: Độ cứng động lực học móng cọc cho 9 trƣờng hợp bố trí cọc.......... - 61 Bảng 4-26: Chu kỳ dao động SSI và FBB ........................................................... - 62 Bảng 4-27: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và mô men FBB với SSI ... - 63 Bảng 4-28: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và mô men FBB với SSI ... - 67 Bảng 4-29: So sánh FBB với SSI trƣờng hợp có khác biệt chuyển vị lớn .......... - 68 Bảng 4-30: So sánh FBB với SSI trƣờng hợp có khác biệt mơ men lớn ............. - 68 Bảng 4-31: Đặc trƣng kết cấu của tiết diện kết cấu 20 tầng ................................ - 69 Bảng 4-32: Thông số của móng cọc cho kết cấu 20 tầng .................................... - 71 Bảng 4-33: Bảng so sánh chu kỳ dao động của SAP và Frame ........................... - 71 Bảng 4-34: Giá trị của k0, c0, kθ, cθ cho 9 trƣờng hợp bố trí cọc .......................... - 72 Bảng 4-35: Chu kỳ dao động SSI và FBB ........................................................... - 73 Bảng 4-36: So sánh chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt và mô men FBB với SSI ... - 76 Bảng 4-37: So sánh các thành phần chuyển vị, gia tốc đỉnh, lực cắt, mô men .... - 77 Bảng 4-38: So sánh FBB với SSI trƣờng hợp có khác biệt chuyển vị lớn .......... - 78 Bảng 4-39: So sánh FBB với SSI trƣờng hợp có khác biệt mơ men trung bình .. - 78 Bảng 4-40: Tổng hợp các cơng trình chịu tác dụng của các trận động đất .......... - 83 Bảng 0-1: Tính lực ma sát lên thành cọc................................................................... iv
Bảng 0-2: Tính lực ma sát lên thành cọc.....................................................................v
Bảng 0-3: Tính lực ma sát lên thành cọc................................................................... vi
Bảng 0-4: Kết quả phân tích khung 3 tầng cho 9 trƣờng hợp vị trí móng cọc ........ vii
Bảng 0-5: Kết quả phân tích khung 9 tầng cho 9 trƣờng hợp vị trí móng cọc ......... ix

Bảng 0-6: Kết quả phân tích khung 20 tầng cho 9 trƣờng hợp vị trí móng cọc ....... xi
Bảng 0-7: Giá trị TB phân tích khung 20 tầng cho 9 trƣờng hợp vị trí móng cọc.. xiii

xv


Chƣơng 1. GIỚI THIỆU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Động đất là một sự rung chuyển hay chuyển động của đất nền. Kết quả này
là nguyên nhân do bởi sự trƣợt của các phay hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ của
trái đất. Trên thế giới động đất xảy ra hằng ngày nhƣng hầu hết khơng đáng chú ý vì
chúng khơng gây ra thiệt hại. Tuy nhiên hằng năm thế giới cũng đã ghi nhận nhiều
trận động đất gây thiệt hại to lớn cho con ngƣời và cơng trình. Việt Nam trong
những năm gần đây tần suất xảy ra động đất ngày càng tăng nên nhiều cơng trình
đƣợc quan tâm đến việc thiết kế kháng chấn, đặc biệt là đối với các cơng trình nhà
cao tầng.
Đối với các cơng trình cao tầng đặc biệt là hệ móng và đài cọc của nó (chân
cơng trình) phản ứng rất nhạy với các dao động do động đất nền gây ra. Khi phân
tích đáp ứng những kết cấu dƣới tác dụng của tải trọng động đất đƣợc xây dựng trên
nền đất, sự thay đổi chuyển động ở chân cơng trình sẽ dẫn đến những thay đổi trong
phản ứng động của kết cấu. Những thay đổi đặc trƣng động lực học đất sẽ ảnh
hƣởng đến đáp ứng kết cấu bên trên. Sự tƣơng tác qua lại giữa đất nền và kết cấu
bên trên đƣợc gọi là tƣơng tác đất nền – cơng trình (SSI: Soil - Structure
Interaction).
Sự tƣơng tác giữa đất và kết cấu là bài toán quan trọng trong giải pháp các
vấn đề trong ngành địa kỹ thuật. Mơ hình phân tích thơng thƣờng xem chân cột là
ngàm (FBB: Fixed Base Building) không xét đến ứng xử phức tạp giữa cọc và đất
nền. Các ứng xử liên quan đến tính tốn và thiết kế nền - móng cho cơng trình khi
chịu tải trọng động đất là một trong những vấn đề rất quan trọng. Việc lựa chọn sử
dụng giải pháp móng cọc hay móng nơng đƣợc quyết định chủ yếu bởi điều kiện đất

nền và tải trọng bên trên cơng trình, kết quả là giải pháp móng này cũng ảnh hƣởng
ngƣợc lên kết cấu bên trên. Trong các loại móng của cơng trình nhà cao tầng, móng
cọc là một giải pháp phổ biến và hợp lý vì có nhiều giá trị về kinh tế, kỹ thuật. Tuy
nhiên, việc nghiên cứu và thiết kế cọc chịu động đất là việc khó khăn vì sự khơng
chắc chắn trong việc: xác định biến dạng của cọc, tƣơng tác giữa cọc và đất nền; và
ứng xử phức tạp của nhóm cọc.
Chương 1.Giới thiệu

-1-


Qua những phân tích ở trên, việc xem xét SSI khi chịu động đất là một vấn đề thời
sự, rất có ý nghĩa đối với thiết kế cơng trình chịu tải trọng động đất, và đặc biệt là
các bài toán phân tích hiệu quả giảm chấn của các cơng trình đƣợc trang bị hệ cản
bên trên.
1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN
Mục tiêu của luận văn là phân tích ứng xử động lực học của kết cấu chịu tác dụng
của động đất có xét đến tƣơng tác của kết cấu với nền móng. Các nhiệu vụ cụ thể
nhƣ sau:
Xác định hệ số độ cứng động lực học của khung và nền móng.
Phân tích động lực học kết cấu chịu tác dụng của gia tốc nền động đất khi xét
FBB và xét SSI.
Nhận xét sự khác nhau của FBB và SSI. Đồng thời cũng xác định các thông
số nào ảnh hƣởng đến sự khác nhau đó, nhằm cung cấp cho việc thiết kế và nghiên
cứu nhà cao tầng khi nào cần xét đến SSI và trƣờng hợp nào thì khơng cần xét SSI.

Chương 1.Giới thiệu

-2-

Chƣơng 2. TỔNG QUAN
2.1 TỔNG QUAN VỀ SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ NỀN MÓNG
SSI liên quan đến nhiều lĩnh vực [14]. Nó là sự tổng hợp của cơ học đất và cơ học
kết cấu, động học đất và động lực học kết cấu, động đất, địa vật lý và địa cơ học,
khoa học vật liệu, phƣơng pháp tính, phƣơng pháp số và các ngành kỹ thuật khác.
Nó bắt nguồn từ cuối thế kỷ 19, phát triển dần vào thế kỷ 20, 21. SSI phát triển
nhanh chóng bởi nhu cầu xây dựng cơng trình có quy mơ ngày càng lớn với sự hổ
trợ của các cơng cụ tính tốn ngày càng hiện đại và mong muốn an toàn ngày càng
cao.
Từ những năm 1990 [14], Các nhà nghiên cứu đã có nhiều nỗ lực cho việc
thay thế các phƣơng pháp cổ điển của thiết kế bởi những khái niệm mới về thiết kế
động đất. Ngoài ra, sự cần thiết của việc kể đến SSI đã thu hút rất nhiều sự chú ý
của cộng đồng kỹ thuật ở hầu hết các vùng địa chấn trên toàn thế giới.
SSI là sự tƣơng tác động học giữa đất với nền móng bao gồm hai tƣơng tác
[13] là tƣơng tác động (kinematic) Hình 2-1 và tƣơng tác qn tính (inertia) Hình
2-2. Tƣơng tác động do sự khác biệt giữa độ cứng của kết cấu và đất nền, tƣơng tác
quán tính do bởi sự khác biệt khối lƣợng của kết cấu và đất nền.
Khi xét đến SSI thì hệ kết cấu - nền móng “mềm” hơn khi xét FBB, chu kỳ
SSI lớn hơn chu kỳ FBB, điều này sẽ thấy rõ ở trong phần ví dụ số trong Chƣơng 4.
SSI của móng nơng [10] các sóng lan truyền và phản xạ qua lại giữa ranh
giới cố định và các bề mặt tự do Hình 2-3. Sự lan truyền này làm ảnh hƣởng đến độ
cứng động lực học của nền đất, điều này đƣợc trình bày trong mục 3.2.
SSI của móng cọc [3], [8] khơng những phụ thuộc vào các đặc tính kết cấu
bên trên mà cịn phụ thuộc rất lớn vào các thơng số của đài cọc, cọc và cách bố trí
nhóm cọc. Cơ sở xác định SSI phụ thuộc vào móng cọc đƣợc thể hiện trong mục
3.3.

Chương 2.Tổng quan

-3-


Hình 2-1: Tƣơng tác động (kinematic): (a) dao động theo phƣơng đứng, (b) dao động theo
phƣơng ngang, (c) dao động khơng liên tục, dao động lắc

Hình 2-2: Tƣơng tác qn tính (inertial)

Hình 2-3: Sóng lan truyền

Chương 2.Tổng quan

-4-


2.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGỒI NƢỚC.
Trên thế giới từ lâu đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu phân tích SSI, các phƣơng
pháp khác nhau đã đƣợc sử dụng nhƣ: mơ hình nền Winkler với phƣơng pháp phần
tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) [12], [13], [15], [20], [21] phƣơng pháp
phần tử biên (Boundary Element Method - BEM), và các phƣơng pháp FE-BE.
Mơ hình nền Winkler đƣợc dựa trên lý thuyết dầm trên nền đàn hồi, trong đó
đất xung quanh đƣợc xem là một hệ lò xo. Ƣu điểm chính của phƣơng pháp này là
sự phi tuyến và ứng xử không đồng nhất của đất đƣợc mô phỏng mà khơng địi hỏi
phải xem xét một bài tốn khá lớn. Tuy nhiên, phƣơng pháp này có một khó khăn
trong việc mơ phỏng các hiệu ứng nhóm cọc khi mơ hìnhWinkler bỏ qua sự liên hệ
giữa các cọc.
Wolf và VonAix (1998) [22], [23] và Sanchez-Salinero (1982) thực hiện
phân tích động của hệ thống cọc sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH).
T.K.Datta (2010) [13] dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để phân tích
tƣơng tác động học giữa đất với cọc bao gồm hai tƣơng tác là tƣơng tác động

(kinematic) Hình 2-1 và tƣơng tác qn tính (inertial) Hình 2-2. Tƣơng tác động do
sự khác biệt giữa độ cứng của kết cấu và đất nền, tƣơng tác quán tính do bởi sự
khác biệt khối lƣợng của kết cấu và đất nền.
M. Shadlou and S. Bhattacharya (2014) “Dynamic stiffness of pile in a
layered elastic continuum” [8] phân tích tìm độ cứng động học của cọc qua nhiều
lớp đất, nhƣng chƣa xét đến ảnh hƣởng của nhóm cọc.
Amir M. Kaynia (1991)“Dynamics of piles and pile groups in layered soil
media” [16] phân tích tìm độ cứng động học của cọc qua nhiều lớp đất, và xét đến
ảnh hƣởng của nhóm cọc, nhƣng chƣa tìm đƣợc thành phần giảm chấn c0 và cθ trong
độ cứng động lực học.
George Gazetas1 and Ricardo Dobry (1984), “Horizontal response of piles
in layered soils” [17] phân tích độ cứng động lực học theo phƣơng ngang của cọc
trong môi trƣờng nhiều lớp đất, bài báo còn hạn chế về phân tích tƣơng tác của các
cọc trong nhóm.

Chương 2.Tổng quan

-5-


Hirokazu Takemiya And Yoshikazu Yamada (1981), ”Layered soil-pilestructure dynamic interaction” [18] bài báo phân tích SSI của nhóm cọc trong mơi
trƣờng nhiều lớp đất. Nhƣng bài báo phân tích phần khung là khung của cầu.
Trevor G. Davies, A. M. Rajan Sen (1985), “Dynamic behavior of pile
groups in inhomogeneous soil” [19] bài báo trình bày phƣơng pháp xác định độ
cứng động học theo phƣơng ngang của cọc và nhóm cọc trong môi trƣờng đất thay
đổi liên tục, nhƣng chƣa xác định độ cứng động học theo phƣơng xoay của cọc và
nhóm cọc.
Braja M. Das, G.V. Ramana (2011)“Principles of Soil Dynamics” [3] tác giả
trình bày khá chi tiết về độ cứng động học của nền móng (móng nơng, móng cọc)
trong một lớp đất.

Milos Novak (1974) “Dynamic Stiffness and Damping of Piles” [4] phân
tích SSI của móng cọc trong nền đồng nhất nhƣng chƣa phân tích móng trong nền
nhiều lớp đất.
Anil K. Chopra And Jorge A. Gutierrez (1974) “Earthquake response
analysis of multistorey buildings including foundation interaction” [2] phân tích
SSI của móng nơng mơi trƣờng đồng nhất.
Wolf .J. P, Deeks. A.J (2004) “Foundation Vibration Analysis A Strength-ofMaterials Approach” [10] phân tích SSI trên nền móng nơng nhiều lớp đất.
2.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC
Những năm qua, trong nƣớc có rất nhiều đề tài nghiên cứu về giảm chấn cho kết
cấu khung chịu tải trọng động đất bằng hệ cản chất lỏng nhớt VFD [24], [29], [30]
thế nhƣng việc nghiên cứu về đáp ứng động lực học kết cấu chịu tải trọng động đất
xét đến cả SSI thì đang cịn nhiều hạn chế.
Ở Hà Nội các nghiên cứu của Trịnh Việt Bắc, Đinh Văn Tồn, Lại Hợp
Phịng, Trần Anh Vũ (2011) “Điều kiện nền đất ảnh hưởng bởi tác động động đất
khu vực phía tây nội thành Hà Nội” [31] bài báo này chỉ tập trung giới thiệu sự
phân bố giá trị vận tốc truyền sóng trong đất và phân loại nền dƣới tác động động
đất ở khu vực phía tây nội thành Hà Nội dựa trên kết quả thí nghiệm địa chấn để

Chương 2.Tổng quan

-6-


tính tốn độ cản đặc trƣng cho sự tƣơng tác giữa móng và đất nền cũng nhƣ giữa
cọc và đất.
Đối với thành phố Hồ Chí Minh nói chung và luận văn cao học của trƣờng
Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, các nghiên cứu về SSI chịu
tải trọng động đất thì chƣa đƣợc tiến hành một cách đầy đủ, mới chỉ xét ảnh hƣởng
của đất lên cọc mà chƣa xét tƣơng tác qua lại giữa chúng. Các nghiên cứu này có
thể kể đến nhƣ:

Bài báo của Trần Thanh Cao Ngọc, Trần Đăng Khải, Vũ Xuân Bách, Chu
Quốc Thắng, “Đánh giá ảnh hưởng của độ cứng đất nền đối với cơng trình nhà cao
tầng dưới tác dụng của động đất”[32] tuy nhiên nghiên cứu chỉ dừng lại ở cơng
trình có móng đơn, chƣa giải quyết đƣợc sự tƣơng tác của móng cọc.
Luận văn của tác giả Phan Thị Hƣơng(2006) “Ứng xử của đất nền và cọc có
xét đến gia tốc động đất”[33] tuy nhiên nghiên cứu này chỉ dừng lại ở mức sử dụng
phần mềm Plaxis để mô phỏng và khảo sát mà chƣa đi sâu vào xem xét tƣơng tác
giữa đất và cọc.
Luận văn của tác giả Lƣơng Minh Sang (2014) “Phân tích động lực học kết
cấu chịu động đất có xét đến ảnh hưởng tương tác nền móng cọc” [34] luận văn
này nghiên cứu dừng lại ở móng cọc trong nền đất đồng nhất mà không xét tƣơng
tác qua nhiều lớp đất, chƣa xét đến SSI của móng nơng.
Trên cơ sở tìm hiểu các tài liệu, bài báo, và luận văn nghiên cứu trƣớc đây, các
nghiên cứu này chƣa nghiên cứu đầy đủ về SSI. Vì thế, luận văn nghiên cứu đầy đủ
hơn SSI về móng nơng, móng cọc trong mối trƣờng một lớp đất và nền nhiều lớp
đất.
2.4 NỘI DUNG LUẬN VĂN
Nội dung luận văn bao gồm năm chƣơng và phụ lục nhƣ sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu về tƣơng tác giữa kết cấu và nền móng
Chƣơng 2: Tổng quan
Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết về SSI móng nơng, móng cọc trong mơi
trƣờng một lớp đất và nhiều lớp đất

Chương 2.Tổng quan

-7-


Chƣơng 4: Ví dụ tính tốn
Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng phát triển

Tài liệu tham khảo
Phụ lục: Tính tốn chi tiết và mã nguồn chƣơng trình MATLAB.

Chương 2.Tổng quan

-8-


Chƣơng 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 PHƢƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG
z

z

mn

un

Pi+1

mi+1

ui+1

mi+1

Pi

mi

ui

mi

P1

m1

mn

hi+1

hn

Pn

m1

h1

hi

u1

x

x

ug

(a)

z

(b)

z'

hn

mn
un

hi+ 1
ui+ 1
hi 
ui
h1

mi+ 1

mi

m1
u1

m0 O

c0

u0
ug
(c)

x



Tâ
m cũ
, mớ
i

k0

O'
c

x'
k

Chuyển vịcủa kếtcấu
Vịtrí ban đầu
Vịtrí mới

Hình 3-1: (a) Mơ hình đơn giản hóa bài tốn; (b) Ngàm ở chân cột; (c) có xét đến chuyển
vị ngang và xoay đồng thời của móng
Chương 3.Cơ sở lý thuyết

-9-