Phân tích động lực học kết cấu chịu động đất có xét đến ảnh hưởng tương tác nền móng cọc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

TRƯỜANG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------

LƢƠNG MINH SANG

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT
CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƢỞNG TƢƠNG TÁC NỀN MĨNG CỌC

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành : 605820

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2014


Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Tp.
Hồ Chí Minh
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Trọng Phƣớc

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Sỹ Lâm
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Lê Văn Cảnh
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc só được bảo vệ tại: Trường Đại Học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp. Hồ
Chí Minh, ngày 30 tháng 08 năm 2014
Thành phần Hợi đờng đánh giá ḷn văn thạc sĩ gờm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hợi đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS Nguyễn Xuân Hùng
2. TS. Nguyễn Sỹ Lâm
3. TS. Nguyễn Trọng Phƣớc
4. TS. Lƣơng Văn Hải
5. PGS.TS Lê Văn Cảnh

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

PGS.TS. Nguyễn Xuân Hùng

TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS.Nguyễn Minh Tâm



i

LỜI CẢM ƠN
i đầu tiên t i xin ch n thành cảm n Thầy hư ng d n, TS. Nguyễn Trọng Phư c,
ngư i đã tận tình d n dắt và hư ng d n t i ngay từ bư c đầu làm quen v i c ng việc
nghiên c u khoa học đến l c hoàn thành một luận văn thạc sĩ. Thầy đã khuyên bảo t i rất
nhi u v cách nhận định đ ng đắn các vấn đ nghiên c u của đ tài và đã hư ng d n tận
tình. Thầy đã có những l i khuyên quý báu, những k năng làm việc hiệu quả trong suốt
quá trình th c hiện luận văn này. Thầy đã cho t i những kiến th c b

ch và gi p t i có

những k năng cần thiết. Thầy ch nh là bài học v s thành c ng.
T i xin cảm n an

iám hiệu Trư ng Đại học ách khoa Tp. H

, ph ng Đào

tạo Sau Đại học và các thầy c tr c tiếp tham gia giảng dạy đã truy n đạt những kiến th c
và phư ng pháp học tập, nghiên c u m i.
T i xin ch n thành cảm n trư ng Đại học X y d ng

i n Trung, khoa x y d ng

và các quý thầy c đồng nghiệp đã tạo đi u kiện tối đa, hỗ trợ c ng việc giảng dạy, động
viên tinh thần và chia sẽ những kinh nghiệm quý báu của quý thầy c trong việc nghiên
c u khoa học. ảm n các bạn bè, anh chị học viên khoá 2012 đã gi p đỡ t i trong suốt
th i gian hoàn thành luận văn.
Tôi chân thành cảm n đến các tác giả đã có rất nhi u cống hiến trong việc nghiên
c u và viết nhi u bài báo khoa học, nhi u sách tham khảo có giá trị. Đó ch nh là s hỗ trợ
rất nhi u v mặt kiến th c để t i có thể hoàn thành luận văn này.
Sau cùng, t i muốn gởi l i cảm n ch n thành đến gia đình, cha mẹ, các anh chị đã
lu n bên cạnh và gi p đỡ t i rất nhi u trong suốt th i gian th c hiện luận văn.
Tp. Hồ h

inh, tháng 06 năm 2014

Lƣơng Minh Sang

ii

TÓM T T
uận văn này ph n t ch ng xử động l c học của kết cấu chịu tác d ng của
gia tốc n n động đất có x t đến tư ng tác của kết cấu bên trên v i n n móng cọc
bên dư i.Kết cấu bên trên được m hình như hệ nhi u bậc t do động l c học chỉ
x t chuyển vị ngang, đ y là thành phần chuyển vị chủ yếu khi kết cấu chịu động
đất.S tư ng tác giữa kết cấu và móng nh m phản ánh ch nh xác h n (kể đến s
làm việc đồng th i giữa các kết cấu) th ng qua n n móng cọc có th ng số hữu hạn
gồm có các l xo có độ c ng và các thiết bị tiêu tán có hệ số cản.

ác đặc t nh

động l c học của móng được xác định d a trên các m hình của Novak và
Dobry.Phư ng trình chuyển đợng của hệ được thiết lập và giải b ng phư ng pháp
t ch ph n Newmarktrên toàn mi n th i gian.
ngôn ngữ lập trình

T

ợt chư ng trình máy t nh d a trên

được viết để ph n t ch ng xử động l c học của kết

cấu có x t đến s tư ng tác này. ác v d số được th c hiện th ng qua các th ng
số m tả ng xử như chu k dao động, chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh kết cấu
và l c cắt ch n cột khi kết cấu chịu động đất cho thấy ảnh hưởng phần nào của s
tư ng tác này. Ngoài ra, một số khảo sát cũng được th c hiện thêm để xem x t đặc
t nh của n n móng như số lượng cọc thay đ i, khoảng cách cọc thay đ i, th ng số
tần số tư ng đối của n n và so sánh v i m hình n n Topbase cũng được khảo sát.

TĨ

TẮT


iii

MỤC LỤC
TĨM T T
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đ .......................................................................................................... 1
1.2

c tiêu luận văn .............................................................................................. 2

1.3Nội dung luận văn............................................................................................... 3
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN
2.1 S lượt v s tư ng tác giữa kết cấu và n n ...................................................... 5
2.2 Tình hình nghiên c u trên thế gi i .................................................................... 12
2.3 Tình hình nghiên c u trong nư c ...................................................................... 14
2.4 Kết luận.............................................................................................................. 16
CHƢƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 i i thiệu chư ng .............................................................................................. 18
3.2 i i thiệu mơ hình ............................................................................................. 18
3.3Th ng số độ c ng và cản của nhóm cọc trong mô hình ..................................... 19
3.4 Ph n t ch ng xử kết cấu trong m hình ............................................................ 30
3.5Thuật toán giải .................................................................................................... 36

3.6Kết luận ............................................................................................................................. 39

Ụ

Ụ


iv

CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ SỐ
4.1 i i thiệu chư ng .............................................................................................. 40
4.2Kiểm ch ng chư ng trình t nh............................................................................ 40
4.3Khảo sát m hình v i các th ng số ảnh hưởng .................................................. 51
4.4 Khảo sát mơ hình v i các trận động đất khác nhau ........................................... 61
CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
5.1 Kết luận.............................................................................................................. 67
5.2 Hư ng phát triển ................................................................................................ 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

Ụ

Ụ


v

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Ảnh hưởng của tư ng tác đợng ............................................................................... 6

Hình 2.2 Sóng cắt ngang truy n theo phư ng y bên dư i móng c ng .................................. 7
Hình 2.3 Quan hệ giữa  và α ............................................................................................... 8
Hình 2.4 Dao đợng của c ng trình ......................................................................................... 9
Hình 3.1 S đồ t nh tư ng tác của hệ kết cấu n tầng và n n móng cọc ................................ 17
Hình 3.2

hình cọc tư ng tác trong đất ............................................................................. 21

Hình 3.3

hình cọc được khảo sát ..................................................................................... 22

Hình 3.4. Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 2 x 2 theo phư ng đ ng ....................... 24
Hình 3.5. Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 3 x3 theo phư ng đ ng ........................ 24
Hình 3.6. Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 2 x2 theo phư ng xoay ........................ 26
Hình 3.7. Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 3 x3 theo phư ng xoay ........................ 27
Hình 3.8. Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 2 x2 theo phư ng ngang ...................... 28
Hình 3.9. Hệ số độ c ng và độ cản động nhóm cọc 3 x3 theo phư ng ngang ...................... 28
Hình 3.10. S đồ hệ N 2 bậc t do chịu động đất x t tư ng tác n n móng cọc ................... 31
Hình 3.11. S đờ khối của chư ng trình ................................................................................ 37
Hình 4.1. Đờ thị gia tốc n n trận đợng đất l entro (1940)................................................. 41
Hình 4.2. S đờ khung liên kết ngàm 10 tầng chịu tải động đất ............................................ 42
Hình 4.3. ác dạng mode dao đợng c bản của hệ 10 tầng ................................................... 43
Hình 4.4. Đờ thị so sánh chuyển vị đỉnh giữa S P2000 và uận văn................................... 44
Hình 4.5. Đờ thị so sánh vận tốc đỉnh giữa S P2000 và ̣n văn....................................... 44
Hình 4.6. Đờ thị so sánh gia tốc đỉnh giữa S P2000 và uận văn ....................................... 45

D NH

Ụ HÌNH VẼ

vi

Hình 4.7.

hình nhóm cọc 3 x3 ......................................................................................... 47

Hình 4.8. ấu tạo l p Top ase gia cư ng n n .................................................................... 48
Hình 4.9. huyển vị đỉnh trư ng hợp ngàm, n n móng cọc, n n Topbase ........................... 49
Hình 4.10. Vận tốc đỉnh trư ng hợp ngàm, n n móng cọc, n n Topbase ............................. 49
Hình 4.11. ia tốc đỉnh trư ng hợp ngàm, n n móng cọc, n n Topbase .............................. 50
Hình 4.12. So sánh chuyển vị đỉnh l n nhất v i số tầng thay đ i ......................................... 52
Hình 4.13. So sánh chuyển vị đỉnh nhỏ nhất v i số tầng thay đ i ......................................... 52
Hình 4.14. So sánh chu k dao động mode đầu tiên v i số tầng thay đ i ............................. 53
Hình 4.15.

hình nhóm cọc 2x2 và 3x3 ............................................................................ 54

Hình 4.16. huyển vị đỉnh theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 và 2x2 ............................... 55
Hình 4.17.Vận tốc đỉnh theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 và 2x2 ................................... 55
Hình 4.18. ia tốc đỉnh theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 và 2x2 ................................... 56
Hình 4.19

c cắt ch n cột theo th i gian đối v i nhóm cọc 3x3 và 2x2 ............................. 56

Hình 4.20.

ode dao đợng kết cấu 30 tầng trư ng hợp ngàm .............................................. 58

Hình 4.11. huyển vị đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 ................................ 59
Hình 4.22. Vận tốc đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 .................................... 59
Hình 4.33.

ia tốc đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 .................................... 60

Hình 4.44.

c cắt ch n cột đỉnh theo th i gian v i S/d=2, S/d=5 và S/d=10 ...................... 60

Hình 4.25 Đờ thị gia tốc n n trận đợng đất Nothrigde 1994 ................................................. 62
Hình 4.26. Đồ thị gia tốc n n trận động đất rpinia 1980 ...................................................... 62
Hình 4.27. Đờ thị gia tốc n n trận đợng đất oalinga 1983 .................................................. 63
Hình 4.28. huyển vị đỉnh c ng trình dư i trận đợng đất Nothridge 1994 ........................... 64
Hình 4.29. huyển vị đỉnh c ng trình dư i trận đợng đất rpinia 1980 ................................ 65
Hình 4.30. huyển vị đỉnh c ng trình dư i trận đợng đất oalinga 1983 ............................ 66

D NH

Ụ HÌNH VẼ


vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

ảng 3.1. Giá trị của f z1 , f z 2 theo Novak (1974)................................................................... 19
ảng 3.2 Giá trị của f x1 , f x 2 , f 2 , f 2 theo Novak (1974) ...................................................... 19
ảng 4.1. So sánh chu k dao động giữa S P2000 và uận văn cho bài toán liên kết
ngàm ...................................................................................................................................... 43

ảng 4.2. So sánh chuyển vị, vận tốc, gia tốc max/min giữa S P2000 và uận văn cho
bài toán liên kết ngàm ............................................................................................................ 45
ảng 4.3. Dữ liệu đất n n có gia cư ng 3 l p Top ase ....................................................... 47
ảng 4.4. So sánh chuyển vị đỉnh, vận tốc đỉnh, gia tốc đỉnh và l c cắt đáy móng giữa
các m hình liên kết ............................................................................................................... 50
ảng 4.5. So sánh chuyển vị, vận tốc, gia tốc và l c cắt max/min khi khoảng cách cọc
thay đ i .................................................................................................................................. 57
ảng 4.6. So sánh chu k dao động khi số lượng cọc thay đ i ............................................ 57
ảng 4.7. Kết quả ph n t ch v i khoảng cách cọc thay đ i ................................................... 61
ảng 4.8. Kết quả ph n t ch v i 3 trận động đất ................................................................... 63
ảng .1. Dữ liệu kết cấu ...................................................................................................... 80
ảng .2 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng đ ng nhóm cọc 2x2............ 81
ảng .3 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng đ ng nhóm cọc 3x3............ 81
ảng .4 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng xoay nhóm cọc 2x2 ............ 82
ảng .5 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng xoay nhóm cọc 3x3 ............ 82
ảng .6 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng ngang nhóm cọc 2x2 .......... 82
ảng .7 Dữ liệu tỉ số độ c ng và cản nhóm cọc theo phư ng ngang nhóm cọc 3x3 .......... 83

D NH

Ụ

ẢN

ỂU


1

CHƢƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
ài toán ph n t ch ng xử động l c học của kết cấu chịu động đất là hư ng
nghiên c u có ý nghĩa cả v lý thuyết và th c tiễn. Động đất l n đã xảy ra trong
quá kh tại khá nhi u quốc gia trên toàn thế gi i và được d báo là hoàn toàn có
thể xảy ra trong tư ng lai. Động đất l n có thể tàn phá các c ng trình x y d ng và
g y ra thiệt hại l n v nhận mạng và ti n của. Ngay cả ở Việt nam, động đất cũng
đã xảy ra tuy chưa thiệt hại gì nhi u nhưng theo những d báo của các nhà khoa
học thì hoàn toàn có khả năng xảy ra trong tư ng lai và có thể g y thiệt hại trên
nhi u phư ng diện trong đó có ảnh hưởng đến các c ng trình x y d ng. Tiêu
chuẩn ngành liên quan đến thiết kế c ng trình x y d ng được ban hành. V i kết
cấu nhà có số tầng tư ng đối thì phư ng án móng chủ yếu trong đi u kiện địa chất
ở Việt Nam là móng cọc. S hiệu quả của móng cọc là đi u đã được xác nhận từ
th c tiễn trên rất nhi u góc đợ.
Nhi u c ng trình x y d ng từ chung cư, cao ốc, cầu, ... dùng phư ng án
móng cọc thư ng là cọc đ c sẵn để p xuống hay khoan nhồi để đ bê t ng tr c
tiếp trong hố khoan. Việc thiết kế các kết cấu dạng này chịu tất cả các loại tải
trọng thư ng là được tách r i, phần thượng tầng kết cấu thiết kế riêng xem như cột
hay vách ngàm vào móng và ph n t ch kết cấu theo s đồ liên kết ngàm. Sau đó
lấy nội l c tác động xuống móng và thiết kế tiếp phần n n và móng. Trình t như
vậy có những ưu điểm nhất định như s đ n giản hóa h n trong quá trình thiết kế
và có thể th c hiện được th ng qua các c ng c sẵn có; và có độ tin cậy đáng kể
trong th c tiễn hiện nay.Đã có những sản phẩm hoàn chỉnh từ qui trình thiết kế
hay ph n t ch theo s đồ này.
làm việc tốt.
HƯƠN 1:

Ớ TH ỆU

ần như các kết cấu được thiết kế đ u đã và đang


2

Tuy nhiên, th c tế kết cấu thượng tầng bên trên và hệ n n móng bên dư i có
làm việc đồng th i và có s tư ng tác l n nhau hay kh ng trong quá trình chịu tải
trọng đặc biệt là tải trọng động.

ó thể thấy r ng s tư ng tác là có và nhất là

trong bài toán kết cấu chịu động đất. Khi kết cấu dao đợng dư i các tác nh n đợng
học thì sẽ làm phát sinh dịch chuyển ở đáy móng,dịch chuyển này cũng tạo ra s
trao đ i năng lượng và tư ng tác giữa kết cấu bên trên và hệ n n móng bên dư i.
h nh ảnh hưởng này làm cho kết cấu “dẻo” h n và làm cho tỉ số cản của kết cấu
l n thêm so v i khi kh ng x t đến ảnh hưởng của tư ng tác n n móng.Khi đợng
đất xảy ra thì ảnh hưởng của sóng động đất làm cho c ng trình bị rung lắc và kèm
theo s dịch chuyển đáy móng, thậm ch có thể thay đ i đặc trưng của đất nếu
động đất l n. S tư ng tác phần n n móng và kết cấu là có ảnh hưởng đến ng xử
t ng thể của kết cấu dù t hay nhi u. Vì vậy, để có cách nhìn hoàn chỉnh h n v
ng xử của toàn bộ hệ khi chịu động đất, s tư ng tác này nên được xem x t.Và
v i những c ng trình có yêu cầu thiết kế đặc biệt thì ảnh hưởng của tư ng tác n n
móng là quan trọng và cần được xem x t một cách cẩn thận và đầy đủ.
Qua những ph n t ch ở trên, có thể thấy r ng việc xem x t s tư ng tác của
hệ kết cấu và n n móng cọc khi chịu động đất là một vấn đ rất có ý nghĩa, mang
t nh th i s . Trên thế gi i vấn đ này đã được nghiên c u rất nhi u và rộng rãi và
ở Việt Nam cũng có một số nghiên c u liên quan nhưng chưa thật s đầy đủ và
chắc chắn cần được quan t m h n. Đ y cũng ch nh là lý do t i chọn đ tài uận
văn là ph n t ch s tư ng tác giữa kết cấu và n n móng cọc khi hệ chịu động đất.

1.2 MỤC TIÊU LUẬN VĂN
1.2.1 Mục tiêu luận văn
c tiêu của uận văn này là ph n t ch ng xử động l c học của kết cấu
chịu tác d ng của gia tốc n n của động đất có x t đến tư ng tác của kết cấu v i
móng cọc bên dư i. ác nhiệm v c thể như sau:

HƯƠN 1:

Ớ TH ỆU


3

 Tìm hiểu m hình của n n móng cọc được các tác giả khác đ xuất và l a
chọn m hình phù hợp nhất v i m c tiêu là ph n t ch động l c học kết
cấu chịu động đất.
 Xác định các th ng số như hệ số độ c ng và hệ số cản của n n móng cọc
như là những l xo và thiết bị giảm chấn theo m hình đã l a chọn.
 Ph n t ch động l c họckết cấu chịu tác d ng gia tốc n n động đất ở cả
hai trư ng hợp: khi liên kết c ng và khi x t đến ảnh hưởng của tư ng tác
n n móng cọc &kết cấu bên trên.


ác v d số để minh họa cho ảnh hưởng của n n móng cọc đến ng xử
của kết cấu khi các đặc trưng của kết cấu (số tầng, khối lượng và độ c ng
tầng) thay đ i, khi th ng số tần số của n n móng cọc thay đ i, số lượng
cọc thay đ i và khoảng cách cọc thay đ i.

 Các nhận x t và đánh giá s tư ng tác của n n móng cọc và kết cấu đến
ng xử t ng thể của kết cấu.

1.2.2 Phạm vi luận văn
Đối tượng nghiên c u của đ tài là các móng cọc khoan nhồi có số lượng cọc
thay đ i được đặt trong m i trư ng địa chất đồng nhất và t a nhà cao từ 18 tầng
đến 30 tầng. Trong ph n t ch, hệ chịu l c được đưa v khối lượng tập trung tại mỗi
tầng và chỉ xem x t chuyển vị ngang. Th c ra việc m hình này phần nào m tả
được bản chất tác động của động đất chủ yếu là g y ra l c quán t nh theo phư ng
ngang nên bậc t do động l c học được chọn là các chuyển vị ngang của các sàn
tầng. Hệ kết cấu sẽ được ph n t ch dao động khi chịu gia tốc n n của động đất
trong khoảng th i gian xác định.
hồi.
1.3 NỘI DUNG LUẬN VĂN

HƯƠN 1:

Ớ TH ỆU

ng xử của vật liệu làm kết cấu hoàn toàn đàn


4

uận văn ph n t ch ng xử động của hệ kết cấu chịu động đất có x t tư ng tác
n n, cấu tr c của uận văn gồm có các chư ng như sau. Sau chư ng này,chư ng 2
sẽ gi i thiệu s lược v đặt vấn đ , m c tiêu nghiên c u; Trình bày t ng quan v
tình hình nghiên c u liên quan đến đ tài gờm có mợt số m hình ph n t ch và kết
quả đạt được của các tác giả khác.

sở lý thuyết của uận văn gồm có chọn lọc

m hình kết cấu, n n móng cọc và thiết lập phư ng trình chuyển đợng của hệ chịu

đợng đất và thuật toán giải phư ng trình cũng được đ cập trong chư ng 3.
hư ng 4 trình bày kết quả số của uận văn bao gồm kiểm ch ng đợ ch nh xác
của chư ng trình máy t nh đã được viết và khảo sát các th ng số nghiên c u ảnh
hưởng của s tư ng tác đến ng xử động l c học và các kết quả số khác cũng
được nêu trong chư ng này.

uối cùng, phần kết luận và hư ng phát triển được

nêu trong chư ng 5 của uận văn.

ác tài liệu tham khảo và mã ng̀n chư ng

trình máy t nh được trình bày ở cuối uận văn.

HƯƠN 1:

Ớ TH ỆU


5

CHƢƠNG 2

TỔNG QUAN

2.1 SƠ LƢỢT VỀ SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ NỀN
Hầu hết trong các thiết kế, ngư i k sư thư ng t nh toán riêng phần th n và
phần móng. K sư kết cấu sẽ ph n t ch ng xử của kết cấu bên trên và t nh toán
nội l c tại ch n cột hay vách (L c dọc, l c cắt và moment).Sau đó, chuyển nội l c
này xuống để t nh toán thiết kế phần móng, phần hầm (Chowdhury, 2009)[5].

Th c tế, kết cấu bên trên và đất n n bên dư i sẽ làm việc đồng th i và có s tư ng
tác l n nhau. Khi kết cấu dao động dư i các tác nh n đợng học thì sẽ làm phát sinh
dịch chuyển ở đáy móng,dịch chuyển này cũng tạo ra s trao đ i năng lượng và
tư ng tác giữa kết cấu bên trên và đất n n bên dư i (Soil-Structure Interaction,
viết tắt là SS ). h nh ảnh hưởng SS này làm cho kết cấu “dẻo” h n và làm cho
chu kì dao đợng và tỉ số cản của kết cấu l n thêm so v i khi kh ng x t đến ảnh
hưởng của SS (Chowdhury, 2009) [9].
Khi đợng đất xảy ra thì ảnh hưởng của sóng đợng đất làm cho c ng trình bị
rung lắc và kèm theo s dịch chuyển đáy móng. Tuy nhiên, các thiết kế th ng
thư ng thì để đ n giản trong t nh toán thư ng sử d ng các hệ số an toàn để bỏ qua
ảnh hưởng của SS . Nhưng đối v i những c ng trình đặc biệt như nhà máy điện
hạt nh n hay những c ng trình có yêu cầu thiết kế đặc biệt thì ảnh hưởng của SS
là v cùng quan trọng và cần được xem x t một cách cẩn thận và đầy đủ.
Tư ng tác giữa kết cấu và n n kh ng chỉ ph thuộc vào độ c ng của đất n n
mà c n ph thuộc vào độ c ng và khối lượng của kết cấu bên trên.

ó 2 dạng

tư ng tác là: Tư ng tác động (Dynamics interaction) và Tư ng tác quán t nh
(Inertial interaction)( lough và Penzien, 2003) [29].

HƯƠN 2: TỔN QU N


6

2.1.1Tƣơng tác động
Tư ng tác giữa móng v i chuyển động n n đất gọi là tư ng tác động. Tư ng
tác động g y ra bởi độ c ng của móng hay phần ngầm của c ng trình, do đó bỏ
qua khối lượng khi x t đến tư ng tác này. h nh độ c ng kháng uốn của móng hay

phần ngầm này làm cho quá trình truy n sóng, đặc biệt là sóng cắt trong đất bên
dư i và l n cận móng bị ảnh hưởng. Hình2.1a: sóng truy n theo phư ng ngang bị
thay đ i; Hình2.1b: sóng truy n theo phư ng dọc bị thay đ i bởi phần ngầm của
cơng trình; Hình2.1c: m i trư ng truy n sóng bên dư i c ng trình bị thay đ i;Hình
21d: dịch chuyển xoay trong đất( lough và Penzien, 2003) [29].

n

Ản

ưởng của tương tác động

Theo lough và Penzien thì hiệu ng  ( effect) là cách khác giải th ch v
tư ng tác động. Sóng cắt truy n theo phư ng dọc (Phư ng y) làm phát sinh dịch
chuyển theo phư ng ngang. Do độ c ng của móng làm cản trở dịch chuyển theo
phư ng ngang.

HƯƠN 2: TỔN QU N


7

n

Sóng cắt ngang truyền t eo p ương y bên dưới móng cứng

Hiệu ng  được t nh toán theo tỉ số giữa chuyển vị ngang của móng c ng
và bư c sóng của sóng cắt



1





trong đó:    

2 Va



2 1- cos  

D
Va



2 D

  

(2.1)

(2.2)

là bư c sóng của sóng cắt, Dlà chi u dày của móng theo

phư ng y, Va là vận tốc sóng theo phư ng y.
D a vào phư ng trình(2.1) và(2.2)chothấy  1nếu   0 (khi    ),

  0 khi   2 (khi đó   D ). Đi u đó có nghĩa là nếu chi u dày của móng rất
nhỏ so v i bư c sóng trong n n đất thì bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ng  . Ngược
lại nếu chi u dày móng đủ l n so v i bư c sóng trong n n thì phải kể đến ảnh
hưởng của hiệu ng này.

HƯƠN 2: TỔN QU N


8

n 2.3. Quan ệ giữa và α
2.1.2 Tƣơng tác quán tính
Tư ng tác này do l c quán t nh tạo ra bởi khối lượng tập trung của kết cấu
g y ra trong quá trình dao đợng.

c quán t nh truy n tải động xuống móng, nếu

n n tuyệt đối c ngthì chuyển vị của móng sẽ kh ng xảy ra d n đến kh ng x t đến
tư ng tác này, c n nếu n n có độ c ng hữu hạn thì phải kể đến tư ng tác này.
Th c tế, chuyển vị tại đáy móng là t ng chuyển vị bản th n của n n, chuyển vị g y
ra do tư ng tác động và do tư ng tác quán t nh. Năng lượng hấp thu do tư ng tác
quán t nh này sẽ tiêu tán trong đất nh vào cản do tán xạ (Radiation damping)
(Betbeder, 2003) [11].
Nghiên c u mợt c ng trình được dao động từ vị tr c n b ng của nó như
trong Hình2.4. Đặt l c ngang tĩnh

sau đó dừng đợt ngợt để c ng trình dao đợng

t do. Dao đợng của c ng trình sẽ làm phát sinh sóng vào n n đất và những đợt
sóng này truy n từ móng c ng trình ra xa v cùng, ch ng mang theo 1 phần năng
lượng biến dạng đã t ch lũy. Hiệu ng chuyển năng lượng này tư ng đư ng v i
hiệu ng giảm xóc và d n đến giảm 1 phần biên độ dao động ngay cả khi ở đó
kh ng có cản nội bộ (Độ nh t của đất, ma sát mặt bên giữa móng-đất).
HƯƠN 2: TỔN QU N

ột hiệu


9

ng tư ng t mà ta có thể quan sát thấy r là vật thể n i trên mặt nư c khi dao
động sẽ tạo ra 1 hệ thống các gợn sóng khác nhau trên mặt nư c.

n

ao động của c ng tr n

Trong hầu hết móng của kết cấu thì ảnh hưởng của tư ng tác đợng là kh ng
đáng kể và có thể bỏ qua trong t nh toán. Do đó, tư ng tác giữa kết cấu và n n chỉ
c n là tư ng tác quán t nh (Datta, 2010) [32].
2.1.3 Ảnh hƣởng tƣơng tác nền đến ứng xử của kết cấu
S ảnh hưởng tư ng tác của kết cấu – đất n n làm cho kết cấu “dẻo” h n và
làm cho chu kì dao đợng và tỉ số cản của kết cấu l n thêm so v i khi không xét
đến ảnh hưởng của tư ng tác.

ác nghiên c u đã cho thấy được đi u này và sẽ

được chỉ d n sau đ y.
a. Hệ một bậc tự do
Chu kỳ và độ cứng hiệu chỉnh
hu k dao động của kết cấu tăng khi độ c ng của kết cấu giảm.D a vào
hiện tượng này thì Valetsos và Meek (1974) đ nghị c ng th c t nh gần đ ng.Công

HƯƠN 2: TỔN QU N


10

th c này cũng được

sử d ng trong thiết kế s bộ khi xem kết cấu chịu s

tư ng tác của phản l c n n, th ng qua dịch chuyển ngang và xoay.

k  kx h2 
T  T 1  1 

kx 
k 

(2.3)

trong đó: T là chu k hiệu chỉnh của kết cấu khi x t đến ảnh hưởng của SS , T là
chu k của kết cấu khi xem liên kết c ng ở đáy móng, k là độ c ng của kết cấu
khi xem liên kết c ng ở đáy móng, h là chi u cao hay khoảng cách từ khối lượng
tập trung đến đáy móng, k x , k - hệ số độ c ng đàn hồi của n n theo phư ng
ngang và xoay.

ình phư ng phư ng trình (2.3) và xem T  2

4 2

2
trong đó   k

 được

4 2  4 2 m 4 2 mh 2 
 2 1  2 

  T kx
T 2 k 

(2.4)

m - tần số góc của kết cấu.

R t gọn phư ng trình (2.4) được

m mh 2

 
 2  2 kh k

(2.5)

1 1 1 h2
  

k k k x k

(2.6)

1

1

hay

trong đó: k - độ c ng tư ng đư ng khi x t đến ảnh hưởng của SS

HƯƠN 2: TỔN QU N


11

Tỉ số cản hiệu chỉnh
Theo Kramer (2004) tỉ số cản khi x t đến ảnh hưởng của tư ng tác n n được
t nh bởi:



 
 2  h2  2
2

 x 

(2.7)

trong đó:  là tỉ số cản tư ng đư ng khi x t ảnh hưởng của SS ,  là tỉ số cản khi
kết cấu liên kết c ng ở đáy móng,  x ,   là tỉ số cản ngang và xoay của đất.
huyển phư ng trình (2.7) sang khối lượng đợ c ng được

m m m h mh2 



k
k
kx
k

(2.8)

R t gọn phư ng trình (2.8) được

   x h 2  
 k  

k 
 k kx

(2.9)

 Dễ thấy r ng khi k x , k   thì k  k và   

b. Hệ nhiều bậc tự do
Ma trận độ cứng hiệu chỉnh

Chowdhury và Dasgupta (2009) [9] đã mở rợng phư ng trình (2.6) sang hệ
nhi u bậc t do như sau

1 1
1
h2
 

K K K x K

HƯƠN 2: TỔN QU N

(2.10)


12

trong đó: 1 là ma trận ch o đ n vị, K là ma trận độ c ng hiệu chỉnh khi x t ảnh
hưởng của SS , K là ma trận độ c ng khi xem kết cấu liên kết c ng ở đáy móng,

K x , K  là ma trận ch o của độ c ng ngang và xoay của n n xung quanh toàn bợ
móng, h là ma trận ch o của chi u cao từ t m của khối lư ng tập trung t i đáy
móng.
Viết lại phư ng trình (2.10) sang ma trận đợ m m :
F  F  Fx  F

(2.11)

Ma trận tỉ số cản hiệu chỉnh
ở rợng phư ng trình (2.8) sang hệ nhi u bậc t do, ta có



ζM
.
ζM ζ x M ζ Mh 2



K
Kx
K
K

(2.12)

ζ  K ζF  ζ xFx  ζ F 

(2.13)

trong đó: ζ là ma trận tỉ số cản tư ng đư ng khi x t đến ảnh hưởng của SS .
2.2TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI
Các nhà nghiên c u nhận ra r ng đất n n và kết cấu bên trên được xem
nhưmột hệ khi ph n t ch động (Qiang, 2008) [33]. ý thuyết v ảnh hưởng của SS
bắt đầu từ ric Reissner (1936) [30], khi xem x t ng xử của móng tr n trên n n
đàn hồi chịu tác d ng của tải đi u h a theo phư ng đ ng. Vào những thập niên
1950 và 1960 thì vấn đ tư ng tác động giữa kết cấu và đất n n (Dynamic SoilStructure Interaction, viết tắt là DSS ) đã thu h t s quan t m của rất nhi u nhà
khoa học.
Tư ng tác động (Dynamics interaction) lần đầu tiên được xem x t bởi
Housner (1957) [16]b ng cách quan sát s gián đoạn của sóng truy n trong l ng

HƯƠN 2: TỔN QU N


13

đất. Do độ c ng của móng nên những bư c sóng nhỏ h n k ch thư c móng sẽ bị
cản trở và g y nên tư ng tác này. Newmark (1969) [23] đã xem x t ng xử xoắn
của những kết cấu kh ng đối x ng khi sóng bị trễ do truy n từ bên này qua bên kia
của móng và gọi là hiệu ng  (Tau effect), hiệu ng này cũng được gọi là tư ng
tác động.
Veletsos và Wei (1971) [2], Luco và Westmann (1972) [15]đã cung cấp l i
giải ch nh xác cho bài toán móng tr n đặt trên bán kh ng gian đàn hồi chịu tác
d ng của tải động, v i các tần số và hệ số Poisson khác nhau trong khoảng rộng.
i giải này sau đó đã được ng d ng và b sung để phù hợp v i yêu cầu của việc
x y d ng nhà máy điện hạt nh n và các c ng trình ngoài kh i.
ợt số tác giả đã đánh giá đặc trưng động của đất để xem x t ảnh hưởng của
DSS như: Hardin và Richart, Terzaghi và Peck, Seed và Idriss, Ohsaki và
Iwasaki, Hardin và Drnevich (Chowdhury, 2009) [5], (Kausel, 2010) [8].
Những năm gần đ y, xem x t ảnh hưởng của DSS b ng th nghiệm bàn rung
(Shaking-table tests) được th c hiện. Phư ng pháp này th c hiện theo cách tư ng
t như phư ng pháp ph n t ch tr c tiếp v i mi n đất n n hữu hạn được m hình
cùng v i kết cấu bên trên (Qiang, 2008) [33]. ác đặc trưng của đất n n được m
phỏng trên máy t nh b ng các m hình số.

ả hệ thống sẽ được kết nối v i máy

t nh và các ng xử của kết cấu sẽ được ghi lại và ph n t ch b ng các phần m m.
Đối v i n n móng cọc. Việc xác định ng xử động của cọc đ n hay nhóm
cọc d a vào m hình đ n giản, dầm trên n n đàn hời Winkler (m hình DW ) và
d a vào phư ng pháp ch nh xác b ng hàm

reen. Nhi u m hình khác được đưa

ra và kết quả đ u được so sánh v i l i giải ch nh xác này.

ột số nghiên c u v

m hình n n móng cọc được trình bày sau đ y
Ngư i tiên phong trong việc ph n t ch chuyển vị của nhóm cọc là (Poulos,
1971) [28], ng đã gi i thiệu hệ số tư ng tác nhóm cọc và chỉ ra r ng nhóm cọc có
ảnh hưởng tư ng tác v i nhau khi khảo sát chỉ v i hai cọc. Những năm sau đó, hệ
HƯƠN 2: TỔN QU N


14

số tư ng tác nhóm cọc được xác định b ng phư ng trình t ch ph n, c ng th c phần
tử hữu hạn, cũng như các phư ng pháp đ n giản có l i giải xấp xỉ.
Nghiên c u của Novak, 1974 [27] đã đưa ra cách xác định hệ số tư ng tác
tĩnh của nhóm cọc. Tuy nhiên, hệ số tư ng tác này chỉ phù hợp v i những dao
động có tần số thấp. V i những dao động có tần số cao nó sẽ bị lỗi và khơng cịn
phù hợp. Sau đó, nghiên c u đầu tiên Wolf and Van Arx, 1978 [34] chỉ ra r ng
ảnh hưởng tư ng tác động của nhóm cọc cho kết quả l n h n nhi u so v i ảnh
hưởng tư ng tác tĩnh. Kết quả này được kiểm ch ng cũng giống v i kết quả của
các nghiên c u tiếp theo(Nogami, 1980 và 1983) [25,26],(Kaynia & Kausel, 1982a
và b) [17,18],(Kagawa, 1983) [19],(Sen, Davies & Banerjee, 1985) [31] và các
nghiên c u khác.Và nghiên c u của eorge

azetas & cộng s , 1992 [ ] đã đưa ra

phư ng pháp chungđể ph n t ch tư ng tác của n n móng cọc. Phư ng pháp đã chỉ
ra cách xác định hệ số độ c ng và hệ số cản của nhóm cọc v i số lượng l n.
2.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC
Ở Việt Nam, các phư ng pháp t nh toán trong lĩnh v c x y d ng hiện chưa
được quan t m và phát triển đ ng m c, hầu hết là sử d ng phần m m để thiết kế.
Do đó, các nghiên c u th c nghiệm và lý thuyết v ảnh hưởng của SS đối v i ng
xử động của kết cấu c n rất hạn chế.Tuy nhiên, vấn đ này cũng thu h t s quan
t m của nhi u ngư i. Điển hình là mợt số c ng trình nghiên c u liên quan như sau:
Đỗ Kiến Quốc và Hu nh Hữu Thảo Nguyên (2008)[5]đã nghiên c u ảnh
hưởng s hóa lỏng của đất đến c ng trình chịu tải trọng đợng đất.Nghiên c u đã
bước đầu ứng dụng hiện tượng hóa lỏng trong việc phân tích động lực học
cơng trình. Các kết quả được rút ra: Sự hóa lỏng của đất có ảnh hưởng rất
nhiều đến ứng xử chuyển vị, vận tốc và gia tốc theo thời gian. Các kết quả khi
khảo sát hóa lỏng cho kết quả cao hơn so với mơ hình liên kết ngàm. Nên khi
khảo sát cần xét đến mô hình hóa lỏng của đất sẽ thiên về an tồn hơn. Độ
chặc tương đối của đất R D có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của cơng trình.
HƯƠN 2: TỔN QU N


15

Chuyển vị ngang tại các nút kết cấu tăng lên rất nhanh khi mực nước ngầm ở
gần mặt đất. Ứng xử phi tuyến của đất làm gia tăng đáng kể phản ứng của
cơng trình khi gia tốc nền càng lớn. Tỷ số cản  càng lớn thì đáp ứng cơng
trình càng giảm.
Đỗ Kiến Quốc và Th n Tấn Thành (2010) [6] đã ph n t ch ng xử động của
kết cấu chịu động đất có x t đến biến dạng n n. Nghiên c u tìm hiểu ứng xử
động của đất nền khi chịu động đất với cơng trình bằng cách xác định độ cứng
và độ cản theo cả 2 phương ngang và xoay. Thiết lập phương trình tính tốn
xét đến sự tương tác của đất nền với kết cấu bằng cách xét đến biến dạng

ngang và xoay của móng. Xây dựng chương trình tính so sánh ứng xử của kết
cấu khi xét và không xét đến biến dạng của nền. Các kết quả được rút ra: Ứng
xử động của hệ kết cấu – đất không chỉ phụ thuộc vào đặc trưng của kết cấu
mà còn phụ thuộc vào đặc trưng của móng và đặc trưng của nền. Trong đó vận
tốc sóng cắt là nhân tố vơ cùng quan trọng quyết định đến ứng xử của toàn bộ
hệ. Chuyển vị của kết cấu khi xét đến SSI luôn lớn hơn chuyển vị khi xét kết
cấu liên kết ngàm. Do đó tần số dao động của kết cấu khi xét ảnh hưởng SSI sẽ
lớn hơn.
ư ng Văn Hải và Phạm Ngọc T n (2012) [20] đã ph n t ch động l c học
kết cấu chịu tải trọng động có x t tư ng tác v i đất n n được gia cư ng Top ase.
Nghiên c u đã đưa ra m hình và c ng th c t nh hệ số độ c ng, hệ số cản của n n
được gia cư ng b ng Top ase. Ph n t ch động l c học kết cấu chịu động đất ở 2
trư ng hợp liên kết c ng và tư ng tác kết cấu – n n Top ase. Khảo sát ng xử
của kết cấu khi các đặc trưng của kết cấu thay đ i, số l p Top ase gia cư ng n n
thay đ i và đặc t nh đất n n thay đ i. ác kết quả được r t ra: Khi n n được gia
cư ng Top ase thì đợ c ng và đợ cản của hệ kết cấu – n n Top ase được tăng
lên. Từ đó chu k dao động và chuyển vị đỉnh của c ng trình giảm đàng kể so v i
khi chưa gia cư ng Top ase. Số l p Top ase càng nhi u thì n n sẽ càng c ng.
Tuy nhiên, tác d ng tăng lên kh ng đáng kể khi tăng từ 1 l p lên 2 l p và 3 l p.
HƯƠN 2: TỔN QU N