Đánh giá hư hại của khung bê tông cốt thép chịu động đất có xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN HÙNG

ĐÁNH GIÁ HƯ HẠI CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
CHỊU ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC GIỮA ĐẤT
NỀN VÀ KẾT CẤU

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2018


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: 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 2018.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. .......................................................................................
2. .......................................................................................
3. .......................................................................................
4. .......................................................................................
5. .......................................................................................

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


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:

LÊ VĂN HÙNG

MSHV: 1570159

Ngày, tháng, năm sinh: 28/08/1987

Nơi sinh: Hà Tĩnh

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

Mã số: 60 58 02 08

I. TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá hư hại của khung bê tông cốt thép chịu động đất có xét đến

tương tác giữa đất nền và kết cấu.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu các mơ hình tương tác giữa kết cấu và đất nền - Soil Structure
Interaction models - SSI). Từ đó, lựa chọn mơ hình để sử dụng trong luận
văn.
2. Nghiên cứu các mơ hình đánh giá mức độ hư hại của khung bê tơng cốt thép
(BTCT).
3. Mơ hình khung BTCT có sử dụng phần tử phi tuyến ứng xử trễ.
4. Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian của khung BTCT chịu động đất, có
và khơng có xét SSI.
5. Từ kết quả phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian, chỉ số hư hại (Damage
Index –DI) được tính tốn cho khung BTCT có và khơng có SSI chịu các
trận động đất trên.
6. Ảnh hưởng của SSI được đánh giá bằng cách so sánh chỉ số DI của khung
BTCT có xét SSI và chỉ số DI của khung BTCT khơng có SSI.
V. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04 - 09- 2017
VI. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18 – 06 - 2018


VII. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Cao Văn Vui

Tp. HCM, ngày... tháng... năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ và tên và chữ ký)

(Họ và tên và chữ ký)

TS. Cao Văn Vui

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


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 đến 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 TS. Cao Văn Vui. Thầy đã
đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài và Thầy góp ý cho tơi rất
nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cũng như 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 q giá cho tơi, đó cũng là
những kiến thức khơng thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của
tơi sau này.
Luận văn thạc sĩ đã hồn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản
thân, tuy nhiên khơng thể khơng có những thiếu sót. Kính mong q Thầy Cơ chỉ dẫn
thêm để tơi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.
Tp. HCM, ngày 18 tháng 06 năm 2018

Lê Văn Hùng

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trong tiêu chuẩn thiết kế động đất hiện nay, tương tác đất nền và kết cấu (Soil
Structure Interaction – SSI) thường bỏ qua vì SSI được xem là có lợi. Tuy nhiên, bỏ
qua ảnh hưởng của SSI sẽ khơng phản ánh sát q trình làm việc thực tế của kết cấu
chịu động đất. Mục đích của nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của SSI đến
mức độ hư hại của khung bê tông cốt thép (BTCT) chịu động đất với các cường độ
khác nhau. Để đạt được mục đích này, khung BTCT 4 tầng và 8 tầng có và khơng có
SSI được mơ hình hóa sử dụng phần tử phi tuyến ứng xữ trễ. Mơ hình của các khung
này được kiểm chứng bằng cách so sánh với kết quả phân tích của các tác giả khác.
Sau khi kiểm chứng phân tích lịch sử thời gian của các khung chịu động đất với các
cường độ động đất khác nhau. Kết quả phân tích lịch sử thời gian được sử dụng để tính
chỉ số hư hại (Damage Index - DI). Kết quả phân tích hư hại của khung có SSI được so
sánh với khung khơng có SSI. Kết quả so sánh cho thấy rằng khi xét đến SSI thì mức
độ hư hại của khung tăng lên so với khung khơng xét đến SSI, SSI có hiệu ứng bất lợi
cho kết cấu. Do vậy, khi đánh giá 1 cơng trình cũ hay thiết kế một cơng trình mới nên
cân nhắc đưa SSI vào phân tích kết cấu. Kết quả nghiên cứu còn cho thấy ảnh hưởng
của SSI giảm khi vận tốc sóng cắt (Vs ) tăng.


ABSTRACT
In current seismic design codes, the effect of soil – structure interaction (SSI) is
neglected because the effect of SSI is conceptually beneficial. However, neglecting the
effect of SSI may lead to inaccurate response of structures under seismic excitations.
This study aims at assessing the effect of SSI on the damage of reinforced concrete
structures subjected to different seismic intensities. To achieve this goal, 4-storey and
8-storey reinforced concrete frames with and without SSI are modeled using hysteretic
nonlinear elements. Models of these frames are compared with the results conducted
by other researchers, showing good approximations. After verifying, time history
analyses of these frames subjected to different earthquake intensities are conducted.

The data of time history analyses are then used for damage analyses, using a damage
model. The damage states of these frames with and without SSI are compared. The
results of comparisons show that the effect of SSI increases the damage of these
frames, showing the detrimental effect of SSI. Thus, the effect of SSI should be
considered in evaluating existing structures or designing new structures. The results
also show that the effect of SSI decreases with increase of shear velocity Vs.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn
của thầy TS. 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 18 tháng 06 năm 2018

Lê Văn Hùng


Mục lục
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ..................................................................................... 1
1.1 Lý do chọn đề tài.......................................................................................... 1
1.2 Mục đích nghiên cứu ................................................................................... 1
1.3 Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 1
1.4 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 1
1.5 Ý nghĩa nghiên cứu ...................................................................................... 2
1.6 Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................. 2
1.7 Cấu trúc luận văn ........................................................................................ 2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ............................................................................. 4

2.1 Sơ lược về động đất ..................................................................................... 4
2.2 Tương tác giữa đất nền và kết cấu (SSI) .................................................... 6
2.3 Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới ..................................................... 8
2.4 Các cơng trình nghiên cứu trong nước ..................................................... 17
2.5 Kết luận chương ........................................................................................ 19
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................ 20
3.1 Mơ hình SSI ............................................................................................... 20
3.2 Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu ............................................... 25
3.2.1 Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông .......................................... 25
3.2.2 Quan hệ ứng suất biến dạng của thép............................................... 28
3.3 Mối quan hệ giữa mơ men - góc xoay, ứng xử trễ và phân tích phi
tuyến. ....................................................................................................... 29
3.3.1 Quan hệ giữa mơ men - góc xoay .................................................... 29
3.3.2 Ứng xử trễ của cấu kiện BTCT ......................................................... 30
3.4 Mơ hình phân tích phi tuyến. .................................................................... 31
3.5 Mơ hình hư hại .......................................................................................... 32


CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH HƯ HẠI CỦA KHUNG BTCT.......................... 38
4.1 Khung 4 tầng ............................................................................................. 38
4.1.1 Mô tả khung 4 tầng ................................................................................... 38
4.1.2 Mơ hình kết cấu ........................................................................................ 39
4.1.3 Mơ hình SSI .............................................................................................. 41
4.1.4 Kiểm chứng mơ hình ................................................................................. 42
4.1.5 Phân tích phi tuyến theo thời gian ............................................................ 45
4.1.6 Phân tích hư hại ....................................................................................... 47
4.1.7 Kết quả và thảo luận................................................................................. 47
4.2 Khung 8 tầng .............................................................................................. 64
4.2.1 Mô tả khung 8 tầng ................................................................................... 64
4.2.2 Mơ hình kết cấu ........................................................................................ 65

4.2.3 Mơ hình SSI ............................................................................................. 68
4.2.4 Kiểm chứng mơ hình sử dụng phân tích đẩy dần (pushover) .................... 68
4.2.5 Phân tích phi tuyến theo thời gian ............................................................ 69
4.2.6 Phân tích hư hại ....................................................................................... 71
4.2.6 Kết quả và thảo luận................................................................................. 86
4.2.7 Phân tích hư hại của khung với vận tốc sóng cắt khác nhau ..................... 89
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................ 100
5.1 Kết luận .................................................................................................... 100
5.2 Kiến nghị .................................................................................................. 100
CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ............................................................................ 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 108
PHỤ LỤC……………………………………………………………………...116


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2. 1 Sự vận động của trái đất. .............................................................................. 4
Hình 2. 2 Sơ đồ các mảng kiến tạo. ............................................................................. 4
Hình 2. 3 Đường ở Saitama bị đứt gãy (Kobe 1995). ................................................... 5
Hình 2. 4 Nhà cữa bị phá hủy (Kobe 1995).................................................................. 5
Hình 2. 5 Cao tốc Hanshin năm 1995 (Trận Động đất Kobe) [3]. ................................ 7
Hình 2. 6 Thành phố Yashinsky, Trận động đất Loma năm 1989 [3]. .......................... 8
Hình 2. 7 Hệ thống kết cấu - đất [5]. ............................................................................ 9
Hình 2. 8 Cấu hình sơ bộ của nền - đất - hệ thống kết cấu MDOF [8]. ....................... 10
Hình 2. 9 Lý tưởng hóa mơ hình 3D [9]. .................................................................... 11
Hình 2. 10 Ảnh hưởng của sự tương tác của kết cấu với đất đối với chu kỳ tự nhiên cơ
bản và sự giảm chấn hiệu quả của kết cấu trên nền móng [12]. .................................. 13
Hình 2. 11 Mơ hình SSI một bậc tự do [16]. .............................................................. 14
Hình 2. 12 Độ cứng lị xo tương đương [3]. ............................................................... 15
Hình 2. 13 Sự sắp xếp lý tưởng hóa tại một dải móng hình vng điển hình và điểm
nối lị xo tương đương [19]. ....................................................................................... 17

Hình 2. 14 Mơ hình dầm trên nền đàn hồi Winkler .................................................... 18
Hình

3.

1

Mơ

hình

SSI

một

bậc

tự

do

[16]…………………………………………….20
Hình 3. 2 Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng của Hognestad [26]. ....................... 25
Hình 3. 3 Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tơng: ................................... 26
Hình 3. 4 Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông, Park và cộng sự [28]. . 27
Hình 3. 5 Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng của thép Park và Paulay [27] ......... 28
Hình 3. 6 Mơ hình ứng xử trễ của Takeda [29] .......................................................... 31
Hình 3. 7 Vị trí phần tử LINK phi tuyến của dầm và cột [31] .................................... 32
Hình 3. 8 Kết cấu hồn tất ứng xử trễ dựa trên mơ hình Takeda [29] ......................... 37

Hình

4.

1

Chi

tiết

cốt

thép

và

kích

thước

của

khung

(đơn

vị

mm)……………………………………………………………………………………39

Hình 4. 2 Hình dạng tần dao động của Mơ hình ......................................................... 40
Hình 4. 3 Mơ hình khung 4 tầng với phần tử LINK ................................................... 40
Hình 4. 4 Vị trí chân cột có xét đến hiệu ứng SSI ...................................................... 41
Hình 4. 5 Phân tích dao động. .................................................................................... 43
Hình 4. 6 So sánh đường cong đẩy dần của khung 4 tầng. ......................................... 45
Hình 4. 7 Băng gia tốc được thiết lập với cường độ 0.2g. .......................................... 46
Hình 4. 8 Băng gia tốc được thiết lập với cường độ 0.3g. .......................................... 46
Hình 4. 9 Băng gia tốc được thiết lập với cường độ 0.4g. .......................................... 46
Hình 4. 10 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.2g. .................. 48
Hình 4. 11 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận Iwate với cường độ động đất
0.2g. .......................................................................................................................... 48
Hình 4. 12 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.2g. .................. 49
Hình 4. 13 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận 3537E với cường độ động
đất 0.2g...................................................................................................................... 49
Hình 4. 14 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.2g. .................. 50
Hình 4. 15 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận 1488E với cường độ động
đất 0.2g...................................................................................................................... 50
Hình 4. 16 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.2g. .................. 51
Hình 4. 17 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận 1494E với cường độ động
đất 0.2g...................................................................................................................... 51
Hình 4. 18 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.3g. .................. 52
Hình 4. 19 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận Iwate với cường độ động đất
0.3g. .......................................................................................................................... 52
Hình 4. 20 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.3g................... 53
Hình 4. 21 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận 3537E với cường độ động
đất 0.3g...................................................................................................................... 53
Hình 4. 22 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.3g................... 54


Hình 4. 23 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận 1488E với cường độ động

đất 0.3g...................................................................................................................... 54
Hình 4. 24 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.3g................... 55
Hình 4. 25 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận 1494E với cường độ động
đất 0.3g...................................................................................................................... 55
Hình 4. 26 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.4g................... 56
Hình 4. 27 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận Iwate với cường độ động đất
0.4g. .......................................................................................................................... 56
Hình 4. 28 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.4g................... 57
Hình 4. 29 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận 3537E với cường độ động
đất 0.4g...................................................................................................................... 57
Hình 4. 30 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.4g................... 58
Hình 4. 31 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận 1488E với cường độ động
đất 0.4g...................................................................................................................... 58
Hình 4. 32 Mức độ hư hại của khung 4 tầng với cường độ động đất 0.4g................... 59
Hình 4. 33 Sự phân bố chỉ số hư hại của các tầng của trận 1494E với cường độ động
đất 0.4g...................................................................................................................... 59
Hình 4. 34 Chỉ số hư hại lớn nhất của khung khơng xét đến SSI và khung có xét đến
SSI với cường độ 0.2g. .............................................................................................. 61
Hình 4. 35 Chỉ số hư hại lớn nhất của khung không xét đến SSI và khung có xét đến
SSI với cường độ 0.3g. .............................................................................................. 62
Hình 4. 36 Chỉ số hư hại lớn nhất của khung khơng xét đến SSI và khung có xét đến
SSI với cường độ 0.4g. .............................................................................................. 63
Hình 4. 37 Khung 8 tầng [47]. ................................................................................... 64
Hình 4. 38 Mơ hình khung 8 tầng sử dụng phần tử LINK phi tuyến........................... 66
Hình 4. 39 Chu kỳ của khung 8 tầng với mode 1. ...................................................... 67
Hình 4. 40 So sánh đường cong đẩy dần khung 8 tầng. .............................................. 69
Hình 4. 41 Băng gia tốc được thiết lập với cường độ 0.3g. ........................................ 70
Hình 4. 42 Băng gia tốc được thiết lập với cường độ 0.45g........................................ 70

Hình 4. 43 Băng gia tốc được thiết lập với cường độ 0.6g. ........................................ 71
Hình 4. 44 Khung 8 tầng khơng xét và xét SSI .......................................................... 71
Hình 4. 45 Chu kỳ của 2 mơ hình khơng xét và có xét SSI ........................................ 73
Hình 4. 46 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.3g. ............................ 74
Hình 4. 47 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.3g với các trận
động đất 1488E.......................................................................................................... 74
Hình 4. 48 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.3g. ............................ 75
Hình 4. 49 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.3g với các trận
động đất 1494E.......................................................................................................... 75
Hình 4. 50 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.3g. ............................ 76
Hình 4. 51 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.3g với các trận
động đất 1497E.......................................................................................................... 76
Hình 4. 52 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.3g. ............................ 77
Hình 4. 53 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.3g với các trận
động đất 1243N. ........................................................................................................ 77
Hình 4. 54 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.45g. .......................... 78
Hình 4. 55 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.45g với các trận
động đất 1488E.......................................................................................................... 78
Hình 4. 56 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.45g. .......................... 79
Hình 4. 57 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.45g với các trận
động đất 1494E.......................................................................................................... 79
Hình 4. 58 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.45g. .......................... 80
Hình 4. 59 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.45g với các trận
động đất 1497E.......................................................................................................... 80
Hình 4. 60 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.45g. .......................... 81
Hình 4. 61 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.45g với các trận
động đất 1243N. ........................................................................................................ 81
Hình 4. 62 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.6g. ............................ 82

Hình 4. 63 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.45g với các trận
động đất 1488E.......................................................................................................... 82
Hình 4. 64 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.6g. ............................ 83
Hình 4. 65 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.45g với các trận
động đất 1494E.......................................................................................................... 83
Hình 4. 66 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.6g. ............................ 84
Hình 4. 67 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.45g với các trận
động đất 1497E.......................................................................................................... 84
Hình 4. 68 Sự hư hại của khung 8 tầng với cường độ PGA = 0.6g. ............................ 85
Hình 4. 69 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.6g với các trận
động đất 1243N. ........................................................................................................ 85
Hình 4. 70 Chỉ số hư hại DI lớn nhất của khung không xét SSI và khung xét SSI với
cường độ PGA = 0.3g. ............................................................................................... 87
Hình 4. 71 Chỉ số hư hại DI lớn nhất của khung không xét SSI và khung xét SSI với
cường độ PGA = 0.45g. ............................................................................................. 88
Hình 4. 72 Chỉ số hư hại DI lớn nhất của khung không xét SSI và khung xét SSI với
cường độ PGA = 0.6g. ............................................................................................... 89
Hình 4. 73 Chu kỳ của 2 khung phân tích khi thay đổi vận tốc sóng cắt. .................... 90
Hình 4. 74 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.3g với các trận
động đất 1488E khi thay đổi vận tốc sóng cắt . .......................................................... 91
Hình 4. 75 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.3g với các trận
động đất 1494E khi thay đổi vận tốc sóng cắt. ........................................................... 91
Hình 4. 76 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.3g với các trận
động đất 1497E khi thay đổi vận tốc sóng cắt. ........................................................... 92
Hình 4. 77 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.3g với các trận
động đất 1243N khi thay đổi vận tốc sóng cắt............................................................ 92
Hình 4. 78 Chỉ số hư DI lớn nhất của khung không xét SSI và khung xét SSI với
cường độ PGA = 0.3g khi thay đổi vận tốc sóng cắt. ................................................. 93

Hình 4. 79 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.45g với các trận
động đất 1488E khi thay đổi vận tốc sóng cắt. ........................................................... 94
Hình 4. 80 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.45g với các trận
động đất 1494E khi thay đổi vận tốc sóng cắt. ........................................................... 94
Hình 4. 81 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.45g với các trận
động đất 1497E.......................................................................................................... 95
Hình 4. 82 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.45g với các trận
động đất 1243N khi thay đổi vận tốc sóng cắt............................................................ 95
Hình 4. 83 Chỉ số hư DI lớn nhất của khung không xét SSI và khung xét SSI với
cường độ PGA = 0.45g khi thay đổi vận tốc sóng cắt. ............................................... 96
Hình 4. 84 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.6g với các trận
động đất 1488E khi thay đổi vận tốc sóng cắt. .......................................................... 97
Hình 4. 85 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.6g với các trận
động đất 1494E khi thay đổi vận tốc sóng cắt. ........................................................... 97
Hình 4. 86 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.6g với các trận
động đất 1497E khi thay đổi vận tốc sóng cắt. ........................................................... 98
Hình 4. 87 Sự phân bố chỉ số hư hại ở các tầng với cường độ PGA = 0.6g với các trận
động đất 1243N khi thay đổi vận tốc sóng cắt............................................................ 98
Hình 4. 88 Chỉ số hư DI lớn nhất của khung không xét SSI và khung xét SSI với
cường độ PGA = 0.6g khi thay đổi vận tốc sóng cắt. ................................................. 99


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 1 Mức độ hư hại. .......................................................................................... 37
Bảng

4.

1

Chi

tiết

cốt

thép

của

khung

4

tầng

[40]…………………………………………………………………………………….39
Bảng 4. 2 Chu kỳ dao động T(s). ............................................................................... 44
Bảng 4. 3 Số liệu các trận động đất với hệ số tỷ lệ của 0.2g; 0.3g; 0.4g. .................... 45
Bảng 4. 4 Chỉ số DI của 2 khung với cường độ 0.2g. ................................................. 61
Bảng 4. 5 Chỉ số DI của 2 khung với cường độ 0.3g. ................................................. 62
Bảng 4. 6 Chỉ số DI của 2 khung với cường độ 0.4g. ................................................. 63
Bảng 4. 7 Chi tiết cốt thép khung 8 tầng. ................................................................... 65
Bảng 4. 8 Lực dọc tác dụng xuống cột của khung 8 tầng. .......................................... 67
Bảng 4. 9 Số liệu các trận động đất với hệ số tỷ lệ của 0.3g, 0.45g và 0.6g. ............... 70
Bảng 4. 10 Chỉ số DI của 2 khung với cường độ 0.3g. ............................................... 87
Bảng 4. 11 Chỉ số DI của 2 khung với cường độ 0.45g. ............................................. 88
Bảng 4. 12 Chỉ số DI của 2 khung với cường độ 0.6g. ............................................... 89

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
+ SSI (Soil Structure interation): Tương tác đất nền và kết cấu.
+ MDOF: Kết cấu đa bậc tự do.
+ ESDOF: Kết cấu một bậc tự do.
+ Vs = Vận tốc sóng cắt.
+ TF: Hàm chuyển.
+ PBSD: Phương pháp thiết kế dựa theo tính năng.
+ BTCT: Bê tông cốt thép.
+ SFSI: (Soil Foundation Structure Interation): Tương tác đất - nền móng và kết
cấu.
+ SSSI: Sự tương tác giữa kết cấu - đất – kết cấu.
+ DSSI: Sự tương tác động không đàn hồi giữa kết cấu - đất nền.
+ PBSD: Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng (Performance
based seismic design).
+ DI: Chỉ số hư hại (Damage index).
+ PGA: Gia tốc đỉnh.
+ 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.

fc' : Ứng suất của bê tông lớn nhất, MPa.
Z : Độ dốc đường quan hệ.

fyh : Cường độ chảy dẻo của thép đai, MPa.
b"

: Bề rộng của lõi bê tơng tính từ mép ngoài của cốt đai (mm).

sh : Bước cốt đai (mm).
f y , : Ứng suất chảy dẻo, MPa.

fu : Ứng suất cực hạn của thép, MPa.

ε y : Biến dạng chảy dẻo của thép, mm/mm.

εsu : Biến dạng cực hạn của thép, mm/mm.
Es , Esh : Mô đun đàn hồi của thép, MPa.

ε 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.
Fy : Lực chảy dẻo, N.
β

: Tham số bao gồm ảnh hưởng của tải tuần hồn.

θm : Góc xoay lớn nhất trong thời gian chịu tải.
θ u : Góc xoay tới hạn.


θ r : Góc xoay phục hồi khi dở tải.
M y : Mô men dẻo, Nmm.

Eh,1collapse :Năng lượng trễ của một chu kỳ giới hạn.
Eh,1y : 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).

α : Hệ số điều chỉnh.
l p Chiều dài khớp dẻo, mm.


1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài
Khi động đất xảy ra, tất cả các cơng trình đều có thể bị hư hỏng ở các mức độ
khác nhau hoặc sụp đổ. Vấn đề đặt ra là sinh mạng con người cần được bảo vệ, các hư
hỏng được hạn chế, những cơng trình quan trọng vẫn có thể duy trì hoạt động. Trong
tính tốn kết cấu chịu động đất, tương tác giữa đất nền và kết cấu - Soil Structure
Interaction (SSI) thường bỏ qua. Kết cấu phần trên ngàm với móng được xem là quy
ước phổ biến trong phân tích kết cấu. Tuy nhiên, gần đây có nhiều tác giả nghiên cứu
cho rằng SSI có thể ảnh hưởng đến kết cấu và cần được xem xét khi đánh giá hay thiết
kế cơng trình. Tương tác giữa đất nền và kết cấu là có lợi hay có hại vẫn cịn là vấn đề
đang tranh cải. Đó là lý do tác giả chọn đề tài: “Đánh giá hư hại của khung bê tơng cốt
thép chịu động đất có xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu”.
1.2 Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài này là đánh giá ảnh hưởng của SSI đến mức độ hư hại của
kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) chịu động đất.
1.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu kết cấu khung BTCT khơng xét và có xét đến SSI khi chịu tải động
đất.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
• Nghiên cứu các mơ hình SSI (soil structure interaction models) để lựa chọn mơ
hình sử dụng trong luận văn.
• Nghiên cứu các mơ hình đánh giá mức độ hư hại của khung BTCT.
• Mơ hình khung BTCT có sử dụng phần tử phi tuyến ứng xử trễ.
• Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian của khung BTCT chịu động đất, có
xét và khơng xét đến SSI.


• Từ kết quả phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian, chỉ số hư hại được tính
tốn cho khung BTCT có xét và khơng xét đến SSI chịu các trận động đất trên.
• Ảnh hưởng của SSI được đánh giá bằng cách so sánh chỉ số hư hại của khung
BTCT có xét SSI và chỉ số hư hại của khung BTCT không xét đến SSI.
1.5 Ý nghĩa nghiên cứu
Hiện nay, thiết kế cơng trình đang xem liên kết chân cột là ngàm, chưa xét tới
tương tác giữa chân cột với đất nền xung quanh, các tiêu chuẩn thiết kế chưa đề cập tới
tương tác đất nền trong tính tốn thiết kế cơng trình. Việc đánh giá hay thiết kế một
cơng trình khơng bao gồm SSI sẽ là đánh giá hay thiết kế chưa phản ánh sát với những
gì xảy ra trong thực tế của cơng trình khi động đất. Để xem xét ảnh hưởng của SSI đến
cơng trình khi chịu động đất, đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của SSI đến mức độ hư hại
của kết cấu khi xảy ra động đất” nhằm giúp làm rõ vấn đề trên.
1.6 Tính cấp thiết của đề tài
Luận văn phân tích hư hại của kết cấu khung BTCT chịu tải động đất không xét
đến SSI và khung xét đến SSI. Từ kết quả thu được cho phép ta đánh giá ảnh hưởng
của SSI đến sự hư hại của khung BTCT chịu động đất.
1.7 Cấu trúc luận văn
Nội dung trong luận văn được trình bày qua 5 chương. Chương 1 là mở đầu nêu
lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu,

ý nghĩa nghiên cứu, tính cấp thiết của đề tài và cấu trúc của luận văn. Chương 2 trình
bày tổng quan về động đất, tổng quan về SSI qua các cơng trình nghiên cứu trên thế
giới và các cơng trình nghiên cứu trong nước. Trong chương 2 nêu lên các mơ hình
nghiên cứu từ đó lựa chọn mơ hình phù hợp cho luận văn. Chương 3 nêu cơ sở lý
thuyết chính của luận văn bao gồm mơ hình SSI sử dụng trong luận văn, quan hệ ứng
suất biến dạng của bê tông, quan hệ ứng suất biến dạng của cốt thép, mối quan hệ giữa
mơ men - góc xoay, ứng xử trễ của cấu kiện BTCT, mơ hình phân tích phi tuyến và mô


hình hư hại. Chương 4 trình bày phân tích số gồm phân tích ứng xử động của khung
BTCT 4 tầng và khung BTCT 8 tầng chịu tải động đất có xét đến SSI và không xét đến
SSI và khung BTCT 8 tầng chịu tải động đất có xét SSI với yếu tố vận tốc sóng cắt Vs
khác nhau và thảo luận các kết quả đạt được. Chương 5 nêu lên kết luận về những kết
quả đạt được và kiến nghị những hướng nghiên cứu mới trong tương lai. Tài liệu tham
khảo: trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài.


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1 Sơ lược về động đất
Động đất là sự rung chuyển của mặt đất do kết quả của sự giải phóng năng
lượng bất ngờ ở lớp vỏ Trái Đất. Các lớp vỏ và trong lòng Trái Đất vẫn ln chuyển
động rất chậm (Hình 2.1). Khi ứng suất cao hơn sức chịu đựng của thể chất Trái Đất
thì sự đứt gãy xảy ra, giải phóng năng lượng và xảy ra động đất.

Hình 2. 1 Sự vận động của trái đất.
Hầu hết mọi trận động đất tự nhiên xảy ra tại các đường ranh giới của các mảng
kiến tạo như Hình 2.2.

Hình 2. 2 Sơ đồ các mảng kiến tạo.
Tác động của động đất gồm: Tác động trực tiếp là rung cuộn mặt đất. Các rung

động này có biên độ lớn, vượt giới hạn đàn hồi của môi trường đất đá hay cơng trình


và gây nứt vỡ (Hình 2.3, Hình 2.4). Tác động thứ cấp của động đất gây ra lở đất, lở
tuyết, sóng thần, nước triều giả, vỡ đê. Sau cùng là hỏa hoạn do các hệ thống cung cấp
năng lượng (điện, gaz) bị hư hại. Các trận động đất xảy ra dưới đáy biển có thể gây ra
lở đất hay biến dạng đáy biển, làm phát sinh sóng thần.

Hình 2. 3 Đường ở Saitama bị đứt gãy (Kobe 1995).

Hình 2. 4 Nhà cữa bị phá hủy (Kobe 1995).
Dự báo động đất được nhiều thế hệ nhà địa chấn học hướng đến thực hiện,
nhằm dự báo thời gian, địa điểm, cường độ và các tình trạng khác. Mục đích của dự