Nghiêu cứu tương tác động giữa đất nền- Kết cấu dưới tác dụng động đất

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 181 NGHIÊU CỨU TƯƠNG TÁC ĐỘNG GIỮA ĐẤT NỀN- KẾT CẤU DƯỚI TÁC DỤNG ĐỘNG ĐẤT INVESTIGATION OF DYNAMIC SOIL- STRUCTURE INTERACTION ON SEISMIC RESPONSE SVTH: ĐOÀN VIỆT LÊ Sinh viênk khoa XDCĐ, Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng CBHD: ThS. NGUYỄN VĂN MỸ, KS. ĐỖ VIỆT HẢI Khoa XDCĐ, Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Tóm tắt Điều kiện nền đất có ảnh hưởng rất quan trọng đến sự phá hoại của công trình trong quá trình động đất. Đề tài phân tích tương tác động giữa đất nền- kết cấu do động đất tác dụng lên công trình cầu được đặt trên nhóm cọc. Tương tác giữa đất- cọc được mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler sử dụng lò xo và hệ cản song song nhau và sử dụng phương pháp phổ phản ứng. Từ đó, xác định được các hiệu ứng tải trọng do động đất gây ra. Abstract Soil conditions have a great deal to do with damage to structures during earthquakes. This paper presents the influence of dynamic soil- structure interaction (SSI) on the behavior of structures overlying pile groups. The soil- piles interaction is modeled as a beam on nonlinear Winkler foundation using continuously distributed hysteretic springs and viscous dashpots connected in parallel and response spectrum analysis. On the theories of the seismic, the load effects on bridge structure have been determined. 1. Đặt vấn đề Nguyên nhân chủ yếu gây ra sự hư hỏng hoặc sụp đổ các công trình xây dựng khi động đất xảy ra chính là sự phản ứng của chúng đối với chuyển động nền đất. Để xác định hiệu ứng tải trọng do động đất tác dụng lên công trình một cách chính xác thì cần xét đến tương tác của đất nền và kết cấu (SSI). Trong hầu hết các trường hợp, việc dùng phương pháp phổ phản ứng để thiết kế kết cấu chịu tải trọng động đất là đủ chính xác. 2. Phương pháp phổ phản ứng trong tính toán kết cấu Phương trình chuyển động của hệ dưới tác dụng của tải trọng động đất : [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ }{ }gM u C u K u M B u      (2.1) trong đó [ ]M , [ ]C , [ ]K , { }u , { }u , { }u tương ứng là ma trận khối lượng, ma trận độ cản, ma trận độ cứng, gia tốc, vận tốc và chuyển vị của kết cấu, { }gu là gia tốc chuyển động của nền đất, { }B bao gồm véctơ mang giá trị 0 và 1 do gia tốc đất nền { }gu ảnh hưởng đến bậc tự do động của kết cấu. Khi thiết kế kết cấu công trình chịu tác dụng lực động đất, ta không nhất thiết phải biết được lịch sử phản ứng của hệ kết cấu theo thời gian mà chỉ cần biết giá trị lớn nhất của biên độ vận tốc, gia tốc và chuyển vị của hiệu ứng lực trong quá trình chịu tác dụng động đất. Vì lý do này khái niệm phổ phản ứng đã được đề xuất. Phổ phản ứng của một trận động đất là một đồ thị mà các tung độ của nó biểu thị giá trị lớn nhất của một trong các thông số phản ứng (chuyển vị tương đối, vận tốc tương đối, gia tốc tuyệt đối ) của hệ kết cấu theo chu kỳ (tần số) dao động của nó và độc lập với lịch sử chuyển động của kết cấu theo thời gian. Trong tính toán kháng chấn công trình thường sử dụng 3 loại phổ phản ứng động đất là phổ chuyển vị Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 182 tương đối (chuyển vị phổ) PT(2.2), phổ tốc độ tương đối (tốc độ phổ) PT(2.3), phổ gia tốc tuyệt đối (tuyệt đối phổ) PT(2.4) : d max S = { }u (2.2) v max S = { }u (2.3) a max S = { } { }gu u  2.4) Giữa các phổ phản ứng có mối quan hệ sau: d 2max { } = S = v a S S u    (2.5) v dmax { } = S = Sa S u    (2.6) 2 a v dmax { } { } = S = S = Sgu u    (2.7) trong đó dS , vS aS tương ứng là chuyển vị phổ, tốc độ phổ, tuyệt đối phổ của công trình. Bằng cách dựa vào phổ thiết kế theo một tiêu chuẩn qui định, các phổ trên được tính toán nhằm phân tích phản ứng của kết cấu dưới tác dụng của động đất. 3. Mô hình tương tác giữa đất- cọc- kết cấu dưới tác dụng động đất Lực tương tác giữa đất và cọc được mô hình như dầm trên nền Winkler, sử dụng mô hình Kelvin- Voigt có các lò xo và các hệ cản đặt song song nhau như được mô tả ở hình 1. Công trình được đặt trên nền đá nên tại vị trí mũi cọc được coi như ngàm cứng vào nền đá. Các lò xo và hệ cản được đặt cách nhau 5m đủ để tạo phép tính chính xác. Hệ số độ cứng của lò xo được đề nghị tính toán theo tiêu chuẩn cầu đường bộ Nhật. Phương trình có dạng như sau: 0 1.2 30 sEk  (3.1) 3/4 0 30 r d k k  (3.2) s r fk k dd (3.3) trong đó 0k là hệ số sức kháng của đất, rk là hệ số sức kháng của đất trên mỗi đơn vị diện tích, sk là độ cứng của lò xo theo phương vuông góc với cọc, SG là modun cắt của đất, s là hệ số poisson của đất, sE là môđun đàn hồi của đất, d là đường kính của cọc. x F C K 50 0 10 50 0 Hình 1. Mô hình dầm trên nền đàn hồi Winkler Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 183 Thông số thứ hai ảnh hưởng quan trọng đến tương tác giữa móng và đất nền là độ cản. Có hai hiện tượng xảy ra liên quan đến nền đất là độ cản vật liệu và độ cản do bức xạ, nó tính toán năng lượng bị mất mát khi động đất xảy ra. Độ cản nhớt được xác định bởi : 1/4 06 2 s s s s s s s k c Q a V d     (3.4) trong đó: 2(1 ) S s s E G    (3.5) /s s sV G  (3.6) / 2s s fV d  (3.7) 0 /s sa d V (3.8) 3.4 2(1 ) (1 ) s s Q      (3.9) với Gs là mô đun cắt của kết cấu và Vs là vận tốc sóng cắt. 4. Áp dụng thiết kế động đất cho công trình cầu Trần Thị Lý Kết quả tính toán các đặc tính nền đất động của nền đất khu vực xây dựng cầu được thể hiện ở bảng 1. Bảng 1. Các đặc tính động của nền đất Tên đất Chiều dày sE 2( / )kg cm s 3/g cm  s sk kg/cm sV /m s sc kg.s/cm Cát hạt mịn 5.00 21.84 1.67 0.40 0.07 35831 30.25 3551 Cát pha dẻo 4.00 90.72 1.80 0.40 0.06 119070 59.48 6824 Sét pha dẻo 4.30 32.3 1.74 0.35 0.05 45573 35.41 3746 Sét nửa cứng 6.80 185.26 1.97 0.35 0.05 413360 79.63 11414 Sét nửa cứng 4.50 239.38 1.95 0.35 0.04 353458 91.05 10727 Đá phong hóa 24.80 1000 2.30 0.20 0.02 8137466 161.51 52431 Các hiệu ứng do động đất khi xét đến sự tương tác giữa đất nền và kết cấu được mô tả ở hình 2, hình 3 và bảng 2. Gia tốc chuyển động của cầu dưới tác dụng của tải trọng động đất được tính toán là Sa= 32 m/s 2 . Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 184 Momen Lực cắt Lực dọc Hình 2. Biểu đồ nội lực trong cọc và kết cấu dưới tác dụng động đất Hình 3. Phổ gia tốc thiết kế Bảng 2. Nội lực tại chân tháp Nội lực tại chân tháp P V2 M3 KN KN KN-m Có xét SSI 0 2025.3 197487.5 Không xét SSI 0 3010.5 280389.1 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 185 5. Kết luận Qua kết quả phân tích, ta thấy rằng khi xét đến yếu tố tương tác giữa đất nền và công trình (SSI) do động đất gây ra thì hiệu ứng lực tác dụng đến công trình được giảm đáng kể. Từ đó, khi tính toán cường độ chịu lực của kết cấu kháng chấn sẽ được giảm đáng kể. Kết quả tính toán động đất bằng phổ phản ứng là đủ tin cậy và được dùng trong việc thiết kế các công trình chịu tải trọng động đất. Hiệu ứng của tải trọng được dùng khi thiết kế kháng chấn cho công trình chịu tải trọng động đất chính là tại vị trí có lực cắt và momen lớn nhất tại chân công trình xây dựng; ví dụ chân tháp cầu, móng nhà, ... TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Gia Lộc (1985), Cơ sở của động đất và tính toán các công trình chịu tải trọng động đất, Nxb Xây dựng, Hà Nội. [2] Nguyễn Lê Ninh (2007), Động đất và thiết kế công trình chịu tải trọng động đất, Nxb Xây dựng, Hà Nội. [3] Bộ xây dựng (2006), TCXDVN 375: 2006- Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất. [4] Bộ GTVT (2005), Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 : 2005, NXB GTVT, Hà Nội. Tiếng Anh [5] Kenji Ishiharasoil (2003), Behaviour in earthquake geotechnics, Oxford University Press, New York. [6] D.Wilson (2003), Ph.d. Dissertation of soil-pile-superstructure interaction in liquefying sand and soft clay, University of California. [7] Wai-Fah Chen, Lian Duan (1988), Bridge Engineering Handbook, CRC PressBoca Raton London New York Washington, D. C.