Phân tích tĩnh phi tuyến khung thép chịu địa chấn có xét biến dạng nền

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Tô Hồng Biển học viên cao học chun ngành kỹ thuật Xây dựng Cơng
trình Dân dụng và Cơng nghiệp, khóa 2015-2017 Trường Đại học kinh tế công nghiệp
Long An.Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do chính tơi thực hiện trên cơ sở
lý thuyết và áp dụng kết quả của các nghiên cứu có liên quan qua các bài báo khoa học
dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Hồng Ân. Các số liệu, mơ hình và kết
quả tính tốn trong luận văn này là hoàn toàn trung thực.
Long An, tháng 04 năm
2019
Tác giả

Tô Hồng Biển


ii

LỜI CẢM ƠN
Qua hai năm học tập tại trường Đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long An đã giúp
cho em học hỏi những kiến thức vô cùng quý báo để hồn thiện kiến thức cho bản thân
mình khi thực hiện xong Luận Văn Tốt Nghiệp .
Trước tiên em chân thành gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Hồng Ân, người Thầy
đã hướng dẫn, truyền đạt nhiều kiến thức trong quá trình học viên thực hiện luận văn
tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô đã trực tiếp giảng dạy lớp Cao học Xây
dựng dân dụng và công nghiệp khóa học 2015-2017. Thầy và Cơ đã truyền đạt những
kiến thức hết sức quý giá trong suốt thời gian học tập.
Lời cảm ơn cuối cùng em xin gửi đến các tác giả những người đi trước đã có
những nghiên cứu , những đóng góp và những tài liệu có liên quan đến đề tài luận văn
để học viên tham khảo trong quá trình thực hiện đề tài.

Xin chân thành cám ơn!
Tác giả

Tô Hồng Biển


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Động đất là hiện tượng thiên nhiên gây thiệt hại cho người và tài sản . Khi động đất xảy

ra làm dịch chuyển nền đất ở đáy móng, sự dịch chuyển này cũng tạo ra sự trao đổi năng
lượng và tương tác giữa kết cấu bên trên với đất nền bên dưới gọi là SSI (soil-structure
interaction).

Việc mô phỏng tính tốn kết cấu nền làm việc đồng thời sử dụng mơ hình dầm
trên nền phi tuyến Winkler (BNWF – Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) để
phân tích kết cấu . Phân tích tĩnh sử dụng phân tích tĩnh phi tuyến cho dạng dao động
đầu tiên SPA và dao động bậc cao MPA để phân tích kết cấu so sánh với phương pháp
phân tích chính xác theo miền thời gian NL_RHA . Phân tích tĩnh & động cho kết cấu
sử dụng , phần mềm mã nguồn mở Opensees Navigator (Open System For Earthquake
Engineering Simulation) dạng giao diện đồ họa . Phần mềm Opensees Navigator rất đa
dạng về loại vật liệu và loại phần tử nên nó có thể giải quyết được bài tốn SSI một
cách hiệu quả .
Mục đích của đề tài luận văn thạc sĩ này là so sánh độ chính xác và sai lệch của
phương pháp phân tích đẩy dần SPA , MPA với phương pháp phân tích chính xác theo
miền thời gian NL_RHA khi xét hai trường hợp có và khơng xét sự làm việc đồng thời
của nền và kết cấu . Việc đánh giá ảnh hưởng khi so sánh sự sai lệch và độ chính xác
được thực hiện bằng cách so sánh các kết quả về chu kỳ dao động , chuyển vị , độ trôi
tầng và nội lực của kết cấu .

iv

ABSTRACT
Earthquakes are natural phenomena causing damage to people and property.
When an earthquake occurs shifts the ground at the base of the nail, this shift also
creates the energy exchange and interaction with structures above the ground below
called SSI (soil-structure interaction).
The simulation calculations of infrastructure work simultaneously using modelbased nonlinear beam Winkler (BNWF - Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) for
structural analysis. Static analysis using nonlinear static analysis for the first mode of
vibration of higher oscillation SPA and MPA for structural analysis comparing with
accurate analytical methods NL_RHA time domain. Static &Dynamic Analysis for
structural use, open source software Opensees Navigator (Earthquake Engineering
Simulation For Open System) graphical interface format. Software Opensees
Navigator diverse material and element type, it can resolve the problem effectively
SSI.
The purpose of the master's thesis was to compare the accuracy and bias of the
analytical method gradually push SPA, MPA with accurate analytical methods
NL_RHA time domain when considering two cases with and without consideration the
work and the background and texture. The evaluation compared the influence of bias
and precision is done by comparing the results of periodic oscillations, displacements,
internal forces and drift layer of texture.
v

MỤC LỤ
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
TĨM TẮT LUẬN VĂN
MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC BẢNG BIỂU
BẢNG TỪ TIẾNG ANH VIẾT TẮT
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN


1.1 GIỚI THIỆU
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.2.1

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.2.2

Tình hình nghiên cứu trong nước

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
1.4 Phạm vi nghiên cứu cho đề tài
CHƯƠNG II :
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các phương pháp phân tích kết cấu chịu động đất
2.1.1

Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tư

2.1.2

Phương pháp phân tích theo phổ phản ứ

2.1.3

Phương pháp phân tích đẩy dần (push o

2.1.4

Phương pháp phân tích theo lược sử thờ

2.1.5

Phân loại các phương pháp tính tốn

2.1.6

Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến ch

2.1.8

Phương pháp phân tích phi tuyến theo m

2.1.9

Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần chuẩn (

2.1.10 Phương pháp phân tích tĩnh sử dụng lực ngang có xét đến các dạng dao động
cao (MPA)
2.2 Các mơ hình nền
2.2.1

Mơ hình nền đàn hồi tuyến tính

2.2.2

Mơ hình nền đàn hồi phi tuyến


vi
2.2.3

Mơ hình nền đàn hồi – dẻo lý tưởng

2.2.4

Mơ hình nền tổng hợp ( cường độ và bi

2.2.5

Lựa chọn mô hình

2.2.6

Mơ hình nền Winkler

2.2.6.1 Mơ tả mơ hình BNWF
2.2.6.2 Đặc tính của mơ hình BNWF
2.2.6.3 Các mơ hình vật liệu BNWF
2.2.6.4 Mơ hình vật liệu QzSimple1
2.2.6.5 Mơ hình vật liệu PySimple1
2.2.6.6 Mơ hình vật liệu TzSimple1
2.2.6.7 Các thơng số mơ hình BNWF

2.2.6.8 Khả năng chịu kéo (TP-tension capacity)
2.2.6.9 Tỷ số chiều dài Re
2.2.6.10 Tỷ số độ cứng Rk
2.2.6.11 Khoảng cách giữa các lị xo
2.2.6.12 Kết luận
CHƯƠNG III :
MƠ HÌNH BÀI TỐN TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN VÀ KẾT CẤU
3.1 Mơ hình tính tốn
3.2 Mơ hình tương tác giữa đất nền và kết cấu
3.4 Dữ liệu trận động đất
CHƯƠNG IV:
ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
4.1 Giới thiệu
4.2 Kiểm chứng phần mềm
4.3 Kết quả tính tốn
4.3.1

Chu kỳ dao động của mơ hình

4.3.2

Phảnứng chuyển vịđỉnh

4.3.3

Độ trôi tầng

4.3.4

Nội lực khung

CHƯƠNG V:
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ


Kết luận
TÀI LIỆU THAM KHẢO


viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
CHƯƠNG I
Hình 1.1 Hình ảnh trận động đất gây ra sóng thần ở Nhật Bản ngày 11/3/2011................1
Hình 1.2 Hình ảnh các tịa nhà đỗ sập trận động đất KoBe ở Nhật Bản năm 1995..........2
Hình 1.3. Mơ hình tương tác cọc-đất phi tuyến.............................................................................. 5
Hình 1.4 Mơ hình tương tác cọc – đất nền phi tuyến................................................................... 7
Hình 1.5 Mơ hình cọc chịu tải ngang và nền làm việc đồng thời............................................ 8
CHƯƠNG II
Hình 2.1 Mơ hình phân phối lực FEMA-356 khung 9 tầng tại Los Angeles13
*

Hình 2.2 Phân phối lực sn với n = 1, 2 và 3 dạng dao động của tịa nhà 9 tầng tại Los
Angeles 14
Hình 2.3 Giải thích khái niệm khơng kết hợp RHA của hệ MDOF khơng đàn hồi 21
Hình 2.4 Hệ SDOF khơng đàn hồi từ đường cong đẩy dần..................................................... 22
Hình 2.5 Quan hệ ứng suất – biến dạng nền đàn hồi tuyến tính............................................ 24
Hình 2.6 Quan hệ ứng suất – biến dạng nền đàn hồi phi tuyến.............................................. 24
Hình 2.7 Quan hệ ứng suất – biến dạng nền đàn hồi – dẽo lý tưởng25
Hình 2.8 Mơ hình Winkler26

Hình 2.9 Mơ hình tương tác đặc trưng giữa cọc - đất................................................................ 27
Hình 2.10 Khả năng của mơ hình BNWF trong việc mơ phỏng các phản ứng :
moment-góc xoay, biến dạng-góc xoay, lực cắt - trượt, biến dạng - trượt.........................28
Hình 2.11 Mơ hình BNWF với độ cứng thay đổi theo chiều dài của kết cấu móng
(Harden và các cộng sự - 2005).......................................................................................................... 29
Hình 2.12 Mơ hình vật liệu QzSimple1, PySimple1 và TzSimple1 được sử dụng trong
liên kết với phần tử “zeroLength Element”................................................................................... 30
Hình 2.13 Đường cong chính của vật liệu QzSimple1.............................................................. 31
Hình 2.14 Phản ứng tuần hồn của vật liệu QzSimple1............................................................ 32
Hình 2.15 Phản ứng tuần hồn của vật liệu PySimple1............................................................ 33
Hình 2.16 Phản ứng tuần hồn của vật liệu TzSimple1............................................................ 34
Hình 2.17 Mơ hình nền Winkler cho móng hình chữ nhật theo ATC-40............................ 38
Hình 2.18 Mơ hình nền Winkler cho móng hình chữ nhật theo ATC-40............................ 39
Hình 2.19 Ảnh hưởng của thơng số Se đến ứng xử của kết cấu móng................................ 40


ix
CHƯƠNG III
Hình 3.1 Mặt đứng khung 3 tầng....................................................................................................... 41
Hình 3.2 Mặt đứng khung 3 tầng có xét SSI................................................................................. 41
Hình 3.3 Mặt đứng khung 6 tầng....................................................................................................... 42
Hình 3.4 Mặt đứng khung 6 tầng có xét SSI................................................................................. 43
Hình 3.5 Mặt đứng khung 9 tầng....................................................................................................... 44
Hình 3.6 Mặt đứng khung 9 tầng có xét SSI................................................................................. 45
Hình 3.7 Mặt bằng sàn khung thép 9 tầng...................................................................................... 47
Hình 3.8 Mơ hình vật liệu thép Steel 01......................................................................................... 48
Hình 3.9. Mơ hình tương tác giữa đất nền và kết cấu dựa trên mơ hình dầm trên nền
phi tuyến Winkler..................................................................................................................................... 49
Hình 3.10 (a) Hệ số cản theo khối lượng; (b) Hệ số cản theo độ cứng............................... 51
Hình 3.11 Gia tốc nền của các trận động đất................................................................................. 53

CHƯƠNG IV
Hình 4.1 Chu kỳ dao động của khung 9 tầng Chopra và chu kỳ dao động của luận án
mô phỏng bằng Opensees..................................................................................................................... 55
Hình 4.2 Chu kỳ dao động của khung 9 tầng khi có và khơng xét SSI............................... 56
Hình 4.3 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 3 tầng với các trận
động đất LA10IN50 & LA2IN50...................................................................................................... 59
Hình 4.4 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 3 tầng với các trận
động đất LA10IN50 & LA2IN50 khi có xét tương tác SSI..................................................... 59
Hình 4.5 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 6 tầng với các trận
động đất LA10IN50 & LA2IN50...................................................................................................... 60
Hình 4.6 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 6 tầng với các trận
động đất LA10IN50 & LA2IN50 khi có xét tương tác SSI..................................................... 60
Hình 4.7 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 6 tầng với các trận
động đất LA10IN50 & LA2IN50...................................................................................................... 61
Hình 4.8 Đường cong đẩy dần dạng dao động đầu tiên hệ khung 6 tầng với các trận
động đất LA10IN50 & LA2IN50 khi có xét tương tác SSI..................................................... 61
Hình 4.9 Mơ hình nút khung 9 tầng khi chưa xét SSI................................................................ 62
Hình 4.10 Mơ hình nút khung 9 tầng khi có xét SSI.................................................................. 62
Hình 4.11 Chuyển vị đỉnh nút 11 khung 9 tầng có và khơng có xét SSI


x
Chịu các trận động đất LA10IN50.................................................................................................... 63
Hình 4.12 Chuyển vị đỉnh nút 11 khung 9 tầng có và khơng có xét SSI
Chịu các trận động đất LA2IN50....................................................................................................... 64
Hình 4.13 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 3 tầng bằng phương pháp NL_RHA,
SPA và MPA chịu các trận động đất LA10IN50.......................................................................... 67
Hình 4.14 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 3 tầng bằng phương pháp NL_RHA,
SPA và MPA chịu các trận động đất LA2IN50............................................................................. 67
Hình 4.15 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 6 tầng bằng phương pháp NL_RHA,

SPA và MPA chịu các trận động đất LA10IN50.......................................................................... 68
Hình 4.16 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 6 tầng bằng phương pháp NL_RHA,
SPA và MPA chịu các trận động đất LA2IN50............................................................................. 68
Hình 4.17 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 6 tầng bằng phương pháp NL_RHA,
SPA và MPA chịu các trận động đất LA10IN50.......................................................................... 69
Hình 4.18 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 9 tầng bằng phương pháp NL_RHA,
SPA và MPA chịu các trận động đất LA2IN50............................................................................. 69
Hình 4.19 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 9 tầng bằng phương pháp NL_RHA,
SPA và MPA chịu các trận động đất LA10IN50 khi có xét SSI............................................. 70
Hình 4.20 Chuyển vị trung bình của các hệ khung 9 tầng bằng phương pháp NL_RHA,
SPA và MPA chịu các trận động đất LA2IN50 khi có xét SSI............................................... 70
Hình 4.21 Độ trơi tầng trung bình của các hệ khung

3 tầng chịu các trận động đất

LA10IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA........................................................... 72
Hình 4.22 Độ trơi tầng trung bình của các hệ khung

3 tầng chịu các trận động đất

LA2IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA............................................................. 72
Hình 4.23 Độ trơi tầng trung bình của các hệ khung

6 tầng chịu các trận động đất

LA10IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA........................................................... 73
Hình 4.24 Độ trơi tầng trung bình của các hệ khung

6 tầng chịu các trận động đất

LA2IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA............................................................. 73
Hình 4.25 Độ trơi tầng trung bình của các hệ khung

6 tầng chịu các trận động đất

LA10IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA........................................................... 74
Hình 4.26 Độ trơi tầng trung bình của các hệ khung

6 tầng chịu các trận động đất

LA2IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA............................................................. 74


xi
Hình 4.27 Độ trơi tầng trung bình của các hệ khung

9 tầng chịu các trận động đất

LA10IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA khi có xét SSI.............................. 75
Hình 4.28 Độ trơi tầng trung bình của các hệ khung

9 tầng chịu các trận động đất

LA2IN50 bằng phương pháp NL_RHA, SPA và MPA MPA khi có xét SSI.....................75


xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
CHƯƠNG I

Bảng 1.1. Kết quả của mô hình 5 tầng theo Vardanega............................................................... 3
Bảng 1.2. Kết quả của mơ hình 10 tầng theo Vardanega............................................................. 4
Bảng 1.3. Kết quả của mơ hình 15 tầng theo Vardanega............................................................. 4
Bảng 1.4. Bảng xác định giá trị độ cứng và hệ số cản................................................................. 6
CHƯƠNG II
Bảng 2.1. Bảng độ cứng móng nơng theo Gazetas tóm tắt trong ATC-40 37
CHƯƠNG III
Bảng 3.1 Tiết diện khung 3 tầng........................................................................................................ 42
Bảng 3.2 Tiết diện khung 6 tầng........................................................................................................ 43
Bảng 3.3 Tiết diện khung 9 tầng........................................................................................................ 46
Bảng 3.4 Giá trị hệ số cản tham khảo.............................................................................................. 50
Bảng 3.5Dữ liệu động đất..................................................................................................................... 52
CHƯƠNG IV
Bảng 4.1 Chu kì dao động tự nhiên của khung 3,6,9 tầng có và khơng xét SSI..............56
Bảng 4.2. Bảng tiết diện khung 3 tầng khi tăng tiết diện.......................................................... 57
Bảng 4.3. Bảng tiết diện khung 6 tầng khi tăng tiết diện.......................................................... 57
Bảng 4.4. Bảng tiết diện khung 9 tầng khi tăng tiết diện.......................................................... 57
Bảng 4.5. Chu kì dao động tự nhiên của hệ khung khi đã thay đổi tiết diện.....................58
Bảng 4.6 Giá trị độ sai lệch chuyển vị đỉnh mái (%)giữa phương pháp SPA và MPA so
với phương pháp NL_RHA khung 3 tầng khi chưa xét SSI.................................................... 65
Bảng 4.7 Giá trị độ sai lệch chuyển vị đỉnh mái (%)giữa phương pháp SPA và MPA so
với phương pháp NL_RHA khung 6 tầng khi chưa xét SSI.................................................... 65
Bảng 4.8 Giá trị độ sai lệch chuyển vị đỉnh mái (%)giữa phương pháp SPA và MPA so
với phương pháp NL_RHA khung 9 tầng khi chưa xét SSI.................................................... 66
Bảng 4.9 So sánh sự chênh lệch nội lực khung 9 tầng có xét và khơng có xét SSI........76


xiii

BẢNG TỪ TIẾNG ANH VIẾT TẮT

CDD:

Capacity Demand Diagram: biểu đồ yêu cầu khả năng

CSM:

Capacity Spectrum Method: phương pháp phổ khả năng

DCM:

Displacement Coefficient Method: phương pháp hệ số chuyển vị

ELF:

Equivalent Lateral Force: tải ngang tương đương

MDOF:

Multi-Degree-Of-Freedom: hệ nhiều bậc tự do

MPA: Modal Pushover Analysis: phân tích đẩy dần sử dụng lực ngang có xét đến các
dao động cao
NL_RHA: Nonlinear Response History Analysis: phân tích phi tuyến theo miền thời
gian
NSP:

Nonlinear Static Procedure: phân tích tĩnh phi tuyến

RSA:

Response Spectrum Analysis: Phân tích phổ phảnứng

SDOF:

Single-Degree-of-Freedom: hệ một bậc tự do

SPA:

Standard Pushover Analysis: phân tích đẩy dần chuẩn

SRSS:

Square-Root-of-Sum-of-Squares: qui tắc căn bậc hai của tổng bình phương


1

MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu chung:
Động đất là hiện tượng thiên nhiên gây thiệt hại cho người và tài sản . Khi động
đất xảy ra làm dịch chuyển nền đất ở đáy móng, sự dịch chuyển này cũng tạo ra sự
trao đổi năng lượng và tương tác giữa kết cấu bên trên với đất nền bên dưới gọi là SSI
(soil-structure interaction).
Việc mơ phỏng tính tốn kết cấu nền làm việc đồng thời sử dụng mơ hình dầm
trên nền phi tuyến Winkler (BNWF – Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) để
phân tích kết cấu . Phân tích tĩnh sử dụng phân tích tĩnh phi tuyến cho dạng dao động
đầu tiên SPA và dao động bậc cao MPA để phân tích kết cấu so sánh với phương pháp
phân tích chính xác theo miền thời gian NL_RHA . Phân tích tĩnh & động cho kết cấu
sử dụng , phần mềm mã nguồn mở Opensees Navigator (Open System For Earthquake
Engineering Simulation) dạng giao diện đồ họa . Phần mềm Opensees Navigator rất đa

dạng về loại vật liệu và loại phần tử nên nó có thể giải quyết được bài tốn SSI một
cách hiệu quả.
2.Lý do chọn đề tài :
- Những năm gần đây, động đất ngày càng xảy ra nhiều hơn thới giới nói chung

việt nam nói riêng Việt Nam.Từ năm 2005 trở lại đây, có vẻ ngày càng xuất hiện nhiều
trận động đất hơn, có năm nhiều hơn đến 10 trận.Cịn về cường độ thì cũng gần như
nhau, khơng có sự tăng giảm mạnh. Ví dụ, năm 2007 ở ngồi khơi Vũng Tàu-Phan
Thiết có động đất 5,3 độ Richter; Năm 2010, có động đất lớn nhất 5 độ Richter. Cịn
những trận nhỏ hơn thì xảy ra trên hàng loạt đứt gãy như Mường Lay - Bắc Yên, Cao
Bằng-Tiên Yên, đứt gãy sông Mã, Sông Cả; đầu năm 2011 cũng xảy ra một trận với
cường độ 4,7 độ Richter.
- Để đánh giá đầy đủ phản ứng của cơng trình dưới tác động của động đất, mơ

hình tương tác giữa đất nền và kết cấu được xem xét. Do đó học viên quyết định chọn
đề tài " Phân tích tĩnh phi tuyến khung thép chịu địa chấn có xét biến dạng nền"
3. Lợi ích của đề tài:
3.1. Lợi ích khoa học:
- Đề tài đưa ra và phân tích quy trình tĩnh phi tuyến để dự đoán phản ứng chịu địa

chấn của cơng trình có xét tới biến dạng nền. Đây là một đề tài mang tính khoa học


2
góp phần phát triển các phương pháp tĩnh phi tuyến trong phân tích phản ứng địa chấn
của cơng trình
3.2. Lợi ích thực tiễn:
- Đây là một đề tài mang tính thực tiển góp phần phát triển các phương pháp

tĩnh phi tuyến trong phân tích phản ứng địa chấn của cơng trình

4. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Sử dụng các phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến bao gồm phương pháp phân

tích đẩy dần dạng chuẩn (SPA) và phương pháp MPA để đánh giá yêu cầu về chu kỳ
dao động , chuyển vị , độ trôi tầng và nội lực của kết cấu khung thép phẳng chịu địa
chấn khi có và khơng xét ảnh hưởng tương tác với đất nền SSI.
- Hai phương pháp này được so sánh với phương pháp NL-RHA từ đó đánh

giá sự đóng góp của các phương pháp này trong thiết kết cấu khung thép chịu động
đất.
-

Mỗi cơng trình được phân tích với 2 bộ gia tốc nền khác nhau, với xác suất

là 2% và 10% trong 50 năm để phân tích phản ứng địa chấn cho kết cấu khung thép.
2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Phân tích khung thép phẳng với số tầng là 3, 6 và 9 tầng.
- Khung thép phẳng khơng có & có xét tương tác giữa đất nền và kết cấu .
- Dùng ba phương pháp NL_RHA, SPA và MPA để phân tích và so sánh các kết

quả với nhau.
- Các mơ hình khung thép chỉ chịu tải trọng động đất theo phương


3

CHƯƠNG I :
TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU
- Động đất là một hiện tượng thiên nhiên gây ra thiệt hại rất lớn cho người và tài sản .

Mặc dù trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu đáng kể nhưng vẫn chưa thể dự đốn
được chính xác được thời điểm và địa điểm xảy ra . Do đó vẫn chưa có biện pháp
phòng ngừa chủ động khi động đất xảy ra.
- Phân tích tĩnh phi tuyến (phân tích đẩy dần) đã được phát triển trong nhiều năm qua

và đã trở thành một quy trình phân tích được sử dụng phổ biến trong thiết kế và đánh
giá động đất. Nhiều cơng trình nghiên cứu khác nhau về các phương pháp phân tích
của các tác giả đã được công bố : phương pháp phổ khả năng-CSM Capacity Spectrum
Metho ) được trình bày trong ATC-40 (Applied Technology Council, 1996) [1],
phương pháp hệ số chuyển vị-DCM (Displacement Coefficient Method) được trình
bày trong FEMA-356 (Federal Emergency Management Agency) [2] và phương pháp
phân tích đẩy dần MPA (Modal Pushover Analysis) [3], [4] Chopra và Goel đề xuất.
- Các nghiên cứu trước chủ yếu tập trung vào sự phá hoại của cơng trình mà chưa kể

đến ứng xử của đất nền khi chịu tác trọng của tải trọng (soil-structure interaction, viết
tắt là SSI) . Thực tế, kết cấu bên trên và đất nền bên dưới sẽ làm việc đồng thời và có
sự tương tác giữa đất nền và kết cấu có xu hướng kéo dài chu kỳ dao động tự nhiên
của hệ và ảnh hưởng trực tiếp đến nội lực cũng như chuyển vị của kết
cấu. Hình ảnh một số trận động đất trên thế giới


4

Hình 1.1 Hình ảnh trận động đất gây ra sóng thần ở Nhật Bản ngày 11/3/2011
Trận động đất 8,5 độ Richter gây nên sóng thần ở Nhật Bản đã làm 15.884 người thiệt
mạng, 6.148 người bị thương và 2.633 người mất tích, 127.290 ngơi nhà bị tàn phá .

Hình 1.2 Hình ảnh khói bốc lên từ các tịa nhà đỗ sập trong trận động đất KoBe ở Nhật
Bản năm 1995

Trận động đất 6,8 độ Richter xảy ra ở phía nam tỉnh Hyogo, Nhật Bản, gây tàn
phá trên diện rộng và cướp sinh mạng của ít nhất 6.400 người.
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1. Chopra và Goel(2002) [3] , [4] đã phát triển một quy trình phân tích đẩy dần

được gọi là phương pháp phân tích đẩy dần MPA dựa trên thuyết động lực học cơng
trình. Đầu tiên, quy trình được áp dụng cho các cơng trình đàn hồi tuyến tính giống
như quy trình phân tích phổ phản ứng. Sau đó, quy trình được mở rộng để ước tính tác
động của động đất lên kết cấu không đàn hồi bằng việc giả định và xấp xỉ những điều
kiện ban đầu.
Tác động của động đất lên khung 9 tầng trong dự án SAC do Chopra và Goel
nghiên cứu được xác định bằng phương pháp MPA , phân tích động và phân tích đẩy
dần dùng mơ hình tải phân phối đều và theo dạng dao động. Kết quả phương pháp
MPA có độ chính xác tương đương với phân tích động về ước tính chuyển vị tầng, độ


5

trơi tầng, góc xoay chảy dẻo và vị trí xuất hiện khớp dẻo. Kết quả của MPA cũng phụ
thuộc nhiều vào cường độ của trận động đất.
2. An Hong Nguyen, Chatpan Chintanapakdee, and Toshiro Hayashikawa
(2010) [5] Dùng phương pháp tĩnh phi tuyến (NSPs) để dự đoán các yêu cầu địa chấn
trong thiết kế và sự đánh giá các tòa nhà. Kiểm tra tương đối sự dịch chuyển và độ
chính xác của mơ hình. Các dự đốn NPS được so sánh với kết quả từ NL-RHA về
chuyển vị mục tiêu, chuyển vi mái và độ trôi tầng.
3. Chintanapakdee và Chopra (2003) [6] đánh giá độ chính xác của phương

pháp MPA cho các cơng trình chịu động đất trong dự án SAC. Hệ khung 1 nhịp 3, 6, 9,
12, 15 và 18 tầng với 5 hệ số tương ứng với độ dai của hệ một bậc tự do SDOF là 1,

1.5, 2, 4 và 6. Mỗi khung chịu 20 trận động đất từ dữ liệu động đất ở California . Giá
trị trung bình độ trồi tầng từ MPA và phân tích động được tính tốn và so sánh với
nhau. Nếu xét ảnh hưởng của những dạng dao động cao hơn (2 hay 3 dạng dao động)
thì MPA dự đốn khá chính xác với phân tích động phi tuyến. Sai lệch và phân tán của
MPA trong dự đoán tác động của động đất gia tăng đối với những hệ khung có chu kỳ
dài hơn và độ dẻo của hệ SDOF lớn hơn. Điều này được thể hiện khi sai lệch và độ
phân tán của hệ khung không đàn hồi lớn hơn khung đàn hồi.
4. Vardanega (1980) [7] phân tích phản ứng của hệ kết cấu khi xét đến tương tác

giữa đất nền và kết cấu vào mơ hình tính tốn. Tác giả có những kết luận như sau: ảnh
hưởng chính của tương tác giữa đất nền và kết cấu là làm gia tăng chu kì dao động tự
nhiên của hệ kết cấu, tăng sức cản hiệu quả do sự hao hụt năng lượng khi lan truyền và
thay đổi ứng xử do sự xuất hiện của những góc xoay tại chân cơng trình. Các bảng I,
II, III chỉ ra kết quả của các mô hình 5 tầng, 10 tầng, 15 tầng riêng biệt :
Bảng 1.1. Kết quả của mơ hình 5 tầng theo Vardanega [6].

Chu kỳ dao động tự nhiên
Hệ số cản
Chuyển vị đỉnh
Chuyển vị gốc
Lực cắt đáy (kips)
Momen chân cột ( kp x ft )


6
Bảng 1.2. Kết quả của mơ hình 10 tầng theo Vardanega [6].

Chu kỳ dao động tự nhiên
Hệ số cản
Chuyển vị đỉnh

Chuyển vị gốc
Lực cắt đáy (kips)
Momen chân cột ( kp x ft )

Bảng 1.3. Kết quả của mơ hình 15 tầng theo Vardanega [6].

Chu kỳ dao động tự nhiên
Hệ số cản
Chuyển vị đỉnh
Chuyển vị gốc
Lực cắt đáy (kips)
Momen chân cột ( kp x ft )

Kết quả cho thấy rằng độ gia tăng chu kì dao động cơ bản của cơng trình là rất
lớn đối với tịa nhà 5 tầng trên nền đất yếu (loại 1), hệ số gia tăng vào khoảng 3 lần.
Ảnh hưởng này sẽ giảm dần khi chiều cao cơng trình tăng lên và khi độ cứng của đất
nền tăng lên. Đây là một điều đáng quan tâm. Tuy nhiên, ảnh hưởng này vẫn còn đáng
kể đối với tòa nhà 15 tầng trên loại đất số 3. Quá trình tăng sức cản do sự lan truyền rất
nhỏ trong mọi trường hợp do kích thước của chân móng. Sự thay đổi nội lực dường
như là thất thường và không có một phương hướng rõ ràng. Đối với tịa nhà 15 tầng thì
chu kì dao động cơ bản trên loại đất số 2 và loại đất số 3 bằng nhau nhưng vẫn có một
chút khác biệt. Đó là chu kì dao động của dạng dao động thứ 2.


7
5. Stewart và các cộng sự[8] chỉ ra rằng có một sự tương quan cao giữa việc tăng

tỷ số chu kì dao động của kết cấu T ssi/ T và tỷ số độ cứng của kết cấu / đất nền. Trong
đó : Tssi và T : chu kì dao động của kết cấu khi có xét và khơng xét SSI.
Những ảnh hưởng do tương tác đặc trưng giữa đất nền và kết cấu sẽ đáng kể khi tỷ

số độ cứng 1/6 vào khoảng 0.1 – 0.3. Khi đó, tỷ số chu kì dao động của kết cấu bằng
khoảng 1.1 – 1.5. Đặc biệt, có trường hợp tỷ số độ cứng 1/ϭ bằng 1.5 sẽ làm tăng tỷ số
chu kì lên 4. Một thống kê chung cho thấy khi kết cấu bên trên cứng và đất nền yếu thì
ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ đặc biệt quan trọng. Mặt khác, nếu
chu kì của kết cấu tăng và độ cứng của đất nền phía dưới tăng thì quá trình tương tác
giữa đất nền và kết cấu sẽ giảm phần quan trọng.
6. Ahmed và Hamdy[9] chọn lọc những ảnh hưởng do tương tác giữa đất nền và

kết cấu đến cơng trình chịu những sự rung chuyển mạnh của mặt đất nhằm kiểm soát
được sự phá hoại và tăng mức độ an tồn cho cơng trình. Tác giả sử dụng q trình
phân tích tải trọng lặp bằng cách sử dụng phần mềm SAP2000 và chỉ ra kết quả theo
những phân tích lược sử thời gian của mơ hình cơng trình gồm cả kết cấu bên trên, kết
cấu móng và đất nền khi chịu tải trọng động đất khá lớn. Kết quả cho thấy rằng nếu
xem xét quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ cho những ảnh hưởng bất lợi
đối với hình dáng biến dạng của cơng trình và chuyển vị đỉnh của cơng trình sẽ tăng
lên. Mặt khác, tương tác giữa đất nền và kết cấu sẽ làm giảm nội lực của các kết cấu
bên trên khi so sánh với mơ hình cơng trình có chân được ngàm.

Kx

Kx

Fo undatio ns

Foundations
Cx

Cx

Cy

Ky
Cz

Kz

Plan

Hình 1.3 Mơ hình nút tương tác đặc trưng giữa đất nền và kết cấu.


8
Bảng 1.4 Bảng xác định giá trị độ cứng và hệ số cản [8].
Phương
Đứng
Ngang

Nếu kể đến quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu trong mơ hình phân tích
thì kết quả về chuyển vị đỉnh của cơng trình sẽ tăng lên. Điều này phụ thuộc phần lớn
vào chiều cao cơng trình. Cơng trình thấp thì sẽ có tỷ lệ chênh lệch chuyển vị đỉnh
nhiều nhất khi so sánh giữa mơ hình có xét đến SSI và khơng xét đến SSI.
Mơ hình khơng xét đến SSI sẽ cho ra tần số đặc trưng cao. Tuy nhiên, tần số dao
động cơ bản sẽ giảm đi ứng với mơ hình có xét đến SSI và cơng trình được đặt trên đất
nền có độ cứng khơng cao.
Q trình tương tác giữa đất nền và kết cấu cũng xảy ra khi đất phản ứng lại các
vùng có tường hầm chịu lực xung quanh cơng trình. Điều đó chứng minh được khả
năng và ảnh hưởng của tường hầm trong việc điều khiển và giảm chuyển vị đỉnh lớn
nhất của cơng trình và cải thiện tốt hơn hình dáng biến dạng của cơng trình khi chịu
động đất.
Quá trình tương tác giữa đất nền và kết cấu làm giảm lực cắt ở chân cột từ 70%

đến 30% cho cơng trình từ cao đến thấp khi so sánh với mơ hình chân ngàm cổ điển.
Đối với những tòa nhà nhỏ và nhẹ (từ 3 đến 6 tầng), quá trình tương tác giữa đất
nền và kết cấu làm giảm lực dọc trong cột nhưng không đáng kể khi so sánh với mơ
hình chân ngàm. Nó sẽ có tác dụng đáng kể đối với các tòa nhà cao và nặng (12 tầng)
vì khi đó lực dọc có thể giảm tới 20% nếu cơng trình chịu lực kích thích động đất
tương đối lớn. Ngồi ra, q trình tương tác cịn làm giảm moment chân cột đến 70%
khi so sánh với mơ hình chân ngàm và điều này càng thấy rõ hơn đối với các cơng
trình càng cao.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, các phương pháp tính tốn động đất còn khá mới mẻ , tiêu chuẩn

thiết kế mới được ban hành TCXD 375-2006 dựa theo tiêu chuẩn Erocode 8 có bổ
sung và thay đổi cho phù hợp với điều kiện ở Việt Nam , các nghiên cứu thực nghiệm
và lý thuyết về ảnh hưởng của SSI đối với ứng xử động của kết cấu còn rất hạn chế


9
1. Nguyễn Hồng Ân , Đỗ Trọng Nghĩa ( 08/2012) [10] phân tích tĩnh phi tuyến phản

ứng địa chấn khung thép phẳng SMRF .
Tác giả đã kết luận rằng đối với hệ khung thấp tầng ( 3 tầng ) thì các giá trị về
chuyển vị đỉnh , độ trôi tầng là như nhau sai số không đáng kể khi đố ta chỉ cần phân
tích theo phương pháp SPA (mode 1) là đủ tin cậy . Nhưng đối với hệ khung càng cao
( 9 tầng trở lên ) thì sai số đáng kể nên tác giả thấy rằng sự đóng góp dạng cao động
cao hơn là đáng kể các đường cong của các phương pháp SPA và MPA tách rời nhau
và đường cong MPA nằm gần với đường cong NL_RHA .
2.

Phạm Ngọc Thạch (11/2011) [11] phân tích mơ hình móng cọc chịu tải trọng
ngang và thiết lập mơ hình cọc – đất phi tuyến bằng phần mềm SAP2000.

2

y

6

Hình 1.4 Mơ hình tương tác cọc-đất phi tuyến.

Ưu điểm : mô tả được ứng xử phi tuyến giữa cọc và đất, triển khai được cơng
thức tính Mmax, pmax và y0 theo dạng gọn hơn, sử dụng phần mềm SAP2000 quen thuộc
với các kỹ sư.
Nhược điểm : mơ hình đơn lẻ một móng và chưa liên kết với các kết cấu khác để
phân tích ứng xử của toàn bộ hệ kết cấu là như thế nào. Vấn đề so sánh kết quả giữa
mơ hình có xét và khơng xét tương tác giữa đất nền và kết cấu chưa có. Độ cứng của
đất nền là một thông số quan trọng, ảnh hưởng nhiều đến kết quả của bài tốn nhưng
nó lại khơng được xem xét cụ thể trong nghiên cứu. Mơ hình chưa đề cập đến ứng xử
của kết cấu khi chịu tác động của tải trọng động đất.
3. Nguyễn Anh Dân (03/2014)[12]Tính tốn cọc chịu tải trọng ngang làm việc đồng

thời với nền đất


10

Hình 1.5 Mơ hình cọc chịu tải ngang và nền làm việc đồng thời.
4. Đỗ Kiến Quốc, Thân Tấn Thành (12/2010) [13] phân tích ứng xử động của kết

cấu chịu tải trọng động đất có xét đến biến dạng nền.
5. Đồn Ngọc Tịnh Nghiêm ( 2010 ) [14] phân tích phi tuyến khung thép phẳng chịu

tác dụng động đất.
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Sử dụng phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến bằng phương pháp phân tích đẩy

dần dạng chuẩn(SPA) và phương pháp MPA để đánh giá yêu cầu về chu kỳ dao động ,
chuyển vị , độ trôi tầng và nội lực của kết cấu khung thép phẳng chịu địa chấn khi có
và khơng xét ảnh hưởng tương tác với đất nền SSI.
- Hai phương pháp này được so sánh với phương pháp NL-RHA từ đó đánh giá sự

đóng góp của các phương pháp này trong thiết kết cấu khung thép chịu động đất.
-

Mỗi địa điểm sử dụng 3 kiểu gia tốc nền khác nhau, với xác suất là 2% và 10%

trong 50 năm trong 2 bộ để phân tích phản ứng địa chấn cho kết cấu khung thép.
1.4 Phạm vi nghiên cứu cho đề tài
- Phân tích khung thép phẳng với số tầng là 3, 6 và 9 tầng.
- Khung thép phẳng khơng có & có xét tương tác giữa đất nền và kết cấu .
- Dùng ba phương pháp NL_RHA, SPA và MPA để phân tích và so sánh các kết quả

với nhau.
- Các mơ hình khung thép chỉ chịu tải trọng động đất theo phương ngang .


11

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các phương pháp phân tích kết cấu chịu động đất
Các phương pháp tính toán động đất thường được sử dụng :
Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương (quasi-static method)

Phương pháp phân tích phổ phản ứng (response spectrum analysis)
Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến (push over analysis)
Phương pháp phân tích theo lược sử thời gian (time history analysis)
2.1.1 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương(quasi-static method)
Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương là phương pháp tính tốn
đơn giản nhất trong số các phương pháp được dùng để xác định phản ứng của kết cấu
chịu tác động động đất. Lực quán tính do động đất sinh ra được quy thành các lực
ngang tương đương . Lực ngang do động đất sinh ra tác động lên chân cơng trình được
giả thiết bằng tích số của hệ số địa chấn Cs và trọng lượng tồn bộ cơng trình Q , lực
ngang này là Lực cắt đáy .
Phương pháp tĩnh lực tương đương khơng áp dụng cho các cơng trình khơng đều
đặn hoặc có sự phân bố khối lượng và độ cứng không đều trong mặt bằng cũng như
trên chiều cao . Bên cạnh đó phương pháp nay khơng cung cấp thông tin về sự làm
việc của kết cấu trong thời gian động đất nên không thể đem lại một thiết kế tối ưu.
2.1.2 Phương pháp phân tích theo phổ phản ứng (response spectrum analysis)
Phương pháp phân tích theo phổ phản ứng áp dụng đối với các cơng trình có quy
mơ lớn và hình dạng phức tạp, phương pháp tĩnh lực ngang tương đương trong thiết kế
kháng chấn cho kết quả khơng đủ độ chính xác nên cần phải dùng các phương pháp
phân tích động để xác định ứng xử của kết cấu. Trong các phương pháp phân tích động
, phương pháp phân tích theo phổ phản ứng là đơn giản nhất. Trong một số tiêu chuẩn

thiết kế kháng chấn, như là tiêu chuẩn EN 1998-1:2004 và TCXDVN 375:2006,
phương pháp này có tên là phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động.
Phương pháp phân tích theo phổ phản ứng đòi hỏi nhiều dạng dao động cơ bản
của hệ kết cấu. Từ phổ phản ứng động đất cho trước, xác định các phổ gia tốc cực đại
ứng với các chu kì dao động và hệ số cản tới hạn của mỗi dạng dao động chính. Phản
ứng tồn phần của hệ kết cấu được xác định theo phương pháp tổ hợp thống kê các
phản ứng lớn nhất ở các dạng dao động chính. Ưu điểm chính của phương pháp này là
tính toán nhanh, đơn giản và cho kết quả với độ chính xác chấp nhận được. Do phải

12

dùng nguyên lý cộng tác dụng nên phương pháp này chỉ giới hạn cho việc tính tốn
tuyến tính. Phương pháp này xác định được phản ứng lớn nhất của hệ kết cấu dao động
bất kì nhưng nó khơng cho biết thời gian xảy ra các phản ứng đó. Các phổ phản ứng
thường được thiết lập trên cơ sở giả thiết hệ hết cấu làm việc trong giới hạn đàn hồi.
Dưới tác dụng của các trận động đất cường độ cao, các cơng trình thường có biến dạng
vượt ngồi giới hạn đàn hồi. Do đó, phổ phản ứng khơng đàn hồi được Newmark đề
xuất bằng cách điều chỉnh phổ phản ứng đàn hồi thông qua hệ số giảm tải K. Tuy
nhiên, kết quả cũng sẽ có sai lệch nhất định. Đây cũng là một hạn chế của phương
pháp này.
Phương pháp phân tích theo phổ phản ứng và phương pháp phân tích tựa tĩnh
được xem là các phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính. Sự khác biệt chính ở đây là
phương pháp phân tích tựa tĩnh chỉ xét đến dạng dao động cơ bản, cịn phương pháp
phân tích theo phổ phản ứng xét đến nhiều dạng dao động hơn khi xác định phản ứng
toàn phần của hệ kết cấu.
2.1.3 Phương pháp phân tích đẩy dần (push over analysis)
Phương pháp phân tích đẩy dần hay cịn gọi là phương pháp phân tích tĩnh phi
tuyến. Tải trọng theo phương ngang sẽ được gia tăng đều đặn trong khi tải trọng đứng
được giữ nguyên khơng đổi. Q trình tăng tải này sẽ diễn ra đến khi cơ cấu phá hủy
của hệ bắt đầu hình thành. Như vậy, quá trình biến dạng phi tuyến của kết cấu sẽ diễn
ra. Biến dạng, nội lực của kết cấu sẽ được giám sát liên tục trong suốt quá trình tăng tải
này. Phương pháp này cho phép theo dõi quá trình chảy dẻo và phá hoại ở các cấu kiện
thành phần lẫn toàn bộ hệ kết cấu. Phương pháp này lựa chọn một dạng dao động duy
nhất và hình dạng của dạng dao động này giữ nguyên không đổi trong suốt quá trình
phản ứng. Tuy nhiên, trong thực tế sơ đồ phân bố tải trọng ngang trên chiều cao cơng
trình khơng phải có dạng bất biến như dạng dao động cơ bản mà còn chịu ảnh hưởng
của các dạng dao động khác. Điều này cho thấy mặt hạn chế của phương pháp phân
tích đẩy dần. Chopra và Goel đã đề xuất phương pháp phân tích đẩy dần theo dạng

chính (Modal Pushover Analysis – MPA) để điềuchỉnh sơ đồ phân bố lực quán tính
ngang bằng cách xét đến các dạng dao động khác ngoài dạng dao động cơ bản.
Phương pháp này khơng địi hỏi mơ hình hóa phức tạp và tính tốn cơng phu như
phương pháp phân tích động. Kết quả đạt được của phương pháp này với độ chính xác
chấp nhận được. Với đặc tính đơn giản, dễ dàng thực hiện, phương pháp này đã được