Phân tích độ tin cậy của khung thép phẳng có kể đến ảnh hưởng biến dạng nút khung
PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG
CÓ KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG BIẾN DẠNG NÚT KHUNG
CONFIDENCE LEVEL ANALYSIS
OF PLANE STEEL FRAMES CONSIDERING PANEL ZONE DEFORMATIONS
KS. Trần Xuân Hà, TS. Lê Trung Kiên
stories are modeled using Opensees "Open System for
TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, biến dạng của các nút
khung được kể đến trong quá trình phân tích khung thép
phẳng chịu moment SMRF (Steel Moment Resisting
Frames) khi chịu động đất. Kết quả phân tích từ các trận
động đất được sử dụng để xem xét độ trôi tầng lớn nhất
(C) mà kết cấu chịu được và độ trôi tầng yêu cầu (D), từ
đó sẽ đưa ra tham số về độ tin cậy của công trình. Khi có
kể đến ảnh hưởng biến dạng của nút khung, độ tin cậy của
công trình thấp hơn so với trường hợp giả định nút khung
là cứng tuyệt đối. Vì vậy, để phân tích một cách cụ thể hơn
về ảnh hưởng biến dạng của nút khung đối với công trình,
các khung thép với số tầng khác nhau được được đưa vào
phân tích và đánh giá .
Earthquake Engineering Simulation” program.
Drift demands and drift capacities of the building
are determined using NTHA (Nonlinear Times History
Analysis) and IDA (Incremental Dynamic Analysis)
respectively. A set of ten LA 2/50 ground motions (2%
probabilities of exceedance in 50 years at Los Angeles) are
used for dynamic analyses.
Keywords: Nonlinear time history analysis,
incremental dynamic analysis, steel moment resisting
frames, confidence level.
KS. Trần Xuân Hà
Học viên cao học, Khoa Xây Dựng, Trương Đại Học
̀
Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Email: [email protected]
Điện thoại: 0985.959.239
TS. Lê Trung Kiên
Hai khung thép phẳng gồm 3 tầng và 9 tầng được
mô hình và phân tích sử dụng phần mềm OpenSees “Open
System for Earthquake Engineering Simulation”. Độ trôi
tầng yêu cầu (D), độ trôi tầng lớn nhất (C) dưới tác dụng
của một bộ gồm 10 trận động đất LA 2/50 (2% xác suất
xảy ra trong 50 năm tại Los Angles) được xác định thông
qua phân tích động phi tuyến (NTHA) và phân tích động
đẩy dần (IDA). Sau đó, độ tin cậy của công trình được xác
định dựa theo hướng dẫn trong FEMA – 350. Từ kết quả
nghiên cứu, một số nhận xét hữu ích được rút ra.
Từ khóa: Phân tích động phi tuyến theo lịch sử thời
gian, phân tích động đẩy dần, khung thép chịu mômen, độ
tin cậy
Giảng viên, Khoa Xây Dựng, Trương Đại Học Sư
̀
Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Email: [email protected]
Điêṇ thoaị: 0902.927.890
1. Giới thiệu
Động đất là quá trình chuyển dịch của lớp vỏ trái
đất tạo ra các ứng suất hoặc tích tụ năng lượng tại các khu
vực yếu của lớp vỏ trái đất, làm biến dạng lớp đất đá vỏ bề
mặt. Khi các áp lực này vượt quá ngưỡng chịu lực của lớp
đất đá, lớp đất đá sẽ bị đứt gãy và trượt theo chuyển động
của các đường đứt gãy. Năng lượng tích tụ tại khu vực này
đột ngột được giải phóng sẽ gây ra động đất. Quá trình này
tạo ra sóng địa chấn, lan ra từ điểm đứt gãy ban đầu, giống
như những gợn sóng trên hồ. Những sóng này có thể di
chuyển rất xa theo tất cả các hướng, gây chấn động mặt
đất.
ABSTRACT
In this study, beam - column joint deformations are
considered in analyzing SMRFS (Steel Moment Resisting
Frames) subjected to earthquake excitations. The
confidence level (CL) of buildings are then deterimed and
evaluated in both cases with and without panel zone
deformations. Two type of SMRFS buildings with 3 and 9
Trang 1
Ở Việt Nam, các trận động đất mạnh xảy ra trong
lịch sử thường tập trung ở các tỉnh miền núi và trung du
phía Bắc [1], như đã từng ghi nhận 2 trận động đất rất lớn
là động đất Điện Biên (năm 1935) với cường độ 6,75 độ
Richter xảy ra trên đới đứt gẫy sông Mã; trận thứ hai là
động đất Tuần Giáo (năm 1983), với cường độ 6,8 độ
Richter, xảy ra trên đới đứt gãy Sơn La. Ngoài ra, vùng
ngoài khơi Nam Trung Bộ, năm 1923 cũng có 1 trận động
đất 6,1 độ Richter (thuộc ở vùng biển vũng Tàu).
2. Cơ sở lý thuyết và mô hình công trình
2.1 Mô hình nút khung
2.2.1 Mô hình của Foutch và Yun (2002) (Nonlinear
models with panel zones).
Trong mô hình của Foutch và Yun [3], cột được xem
là phần tử đàn hồi, dầm được mô hình gồm 3 phần: 1 phần
tử đàn hồi, hai lò xo mô phỏng biến dạng dẻo ở hai đầu
dầm. Lò xo xoay trong dầm được xem là cứng dẻo lý
tưởng và độ cứng của lò xo được gán thêm một hệ số α =
0.03 biểu diễn cho độ dốc của giai đoạn tái bền. Vùng biến
dạng nút được mô phỏng bởi hai lò xo có thể mô tả được
ứng xử 3 đoạn của nút khung (Hình 2).
Ở nước ngoài [2], các nơi thường chịu ảnh hưởng
của động đất như: Chile, Nhật Bản, Mỹ nằm trên đường
đường nứt gãy Bắc Anatolia; Thủ đô Manila, Philippines
được xây dựng trên rãnh Philippines nằm trong Vành đai
lửa Thái Bình Dương. Một số trận động đất đã xảy ra
trong lịch sử với mức độ thiệt hại vô cùng lớn.
Người ta đã quan sát được rằng, trong nhiều trận
động đất, khi công trình bị phá hoại và sụp đổ thì một số vị
trí nút khung của công trình bị phá hoại (Hình 1). Do đó,
trong bài báo này, ảnh hưởng của nút khung được khảo sát
thông qua đánh giá độ tin cậy của công trình.
Một số mô hình về nút khung được nghiên cứu bởi
Douglas A. Foutch & Seung-Yul Yun [3]; S. O. Degertekin
& M. S. Hayalioglu [4]; Nguyễn Tiến Chương và Nguyễn
Quốc Hùng [5].
Khung thép chịu mô-men là kết cấu, trong đó nút
khung thường được xem là nút cứng có khả năng chịu và
truyền được mô-men. Trong thực tế, việc đảm bảo nút
khung là nút cứng là tương đối khó khăn.
Hình 2 Quan hệ lực cắt – biến dạng nút khung
Quan hệ giữa lực cắt trong nút và biến dạng nút
như sau:
Fy
y
; p 4y
(1)
(2)
3G
3.bc .t2
y
cf
Vy 0,55 fy .dc .t; Vp V 1
db.dc .t
trong đó:
giới hạn chảy dẻo của vật liệu thép
fy :
G = E/2(1+ν): mô-đun chịu cắt của vật liệu thép
dc : bề rộng của tiết diện cột
Hình 1 Hình ảnh biến dạng nút khung ở Northridge
năm 1994 [7]
t : chiều dày của bản bụng cột
Vấn đề được đặt ra là khi các nút khung được xem
là nút cứng tuyệt đối hoặc khớp lý tưởng thì trong nhiều
trường hợp, việc tính toán thiết kế kết cấu sẽ cho kết quả
sai khác đáng kể so với thực tế.
db :
chiều rộng của tiết diện dầm
.
Trang 2
2.2.2 Mô hình nút khung sử dụng
3bctc2f
Vy=0,55Fy.dc.t
Vy = Vy(1+
)
Mô hình trong luận văn về cơ bản giống mô hình của
Foutch và Yun [3] , biến dạng của nút khung được mô
phỏng chỉ bởi một lò xo (Hình 3). Dầm được mô phỏng với
dạng phần tử có thể mô phỏng được khớp dẻo ở hai đầu.
dbdct
Mp=
My = Vy.db =0,55.Fy.dc.t.db
3bctc2f
Vy(1+
).db
dbdct
M y
Độ cứng của lò xo:
y
Trong phần mềm Opensees (Hình 5), việc gán độ
Hình 3: Mô hình khớp dẻo trên dầm
cứng cho mỗi nút khung với các giá trị tương ứng e1p=
,
y
e2p= p , e3p=0.9 p ; S1p= My, S2p= Mp, S3p=0.9.Mp . Tuy
nhiên do độ cứng nút khung phụ thuộc vào kích thước, tiết
diện của dầm và cột nên tại vị trí có kích thước tiết diện
của dầm, cột thay đổi sẽ cho một độ cứng (
) của nút
khung trong mô hình.
Hình 4 Sơ đồ ảnh hưởng biến dạng nút
Cạnh của vùng nút được mô phỏng bởi bốn thanh
cứng tuyệt đối với mô-đun đàn hồi E rất (Exy5 ÷ Exy12
)
(Hình 4). Ba lò xo ở ba góc thể hiện liên kết khớp giữa các
thanh cứng có độ cứng rất nhỏ (
0) tương ứng với
mô đun đàn hồi E rất nhỏ (Exy2-Exy4).
Hình 5 Cửa sổ khai báo trong phần mềm Opensees
2.2 Phân tích động phi tuyến theo lịch sử thời gian
(NTHA)
Là phương pháp phân tích phi tuyến có kể đến các
hiệu ứng động theo các bước thời gian của tải trọng tác
động. Phương pháp này cho phép phân tích với độ chính
xác cao sự làm việc của kết cấu công trình, cả trong giai
đoạn đàn hồi tuyến tính và phân tích giai đoạn ngoài miền
đàn hồi, do đó nó được khuyến khích áp dụng trong nhiều
tiêu chuẩn của các nước trên thế giới như Mỹ [8], Canada
[9], Châu Âu [10]. Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu
động đất hiện hành của Việt Nam [11] cũng khuyến khích
áp dụng phương pháp này.
Fy
=
p 4 y
y
y
3G
Trang 3
2.3 Phân tích động đẩy dần IDA (Incremental Dynamic
Analysis)
Phân tích động tăng dần IDA liên quan đến việc thực hiện
nhiều phân tích NTHA cho một công trình chịu một bộ gia
tốc nền với các tỷ lệ khác nhau. Các mức tỷ lệ được lựa
chọn phù hợp để kiểm soát toàn bộ ứng xử của kết cấu từ
giai đoạn đàn hồi đến chảy dẻo và cuối cùng là mất ổn định,
sụp đổ. Kết quả cuối cùng được biểu diễn bằng đường cong
IDA (Hình 6).
Hình 6 Sơ đồ phân tích động đẩy dần [12]
2.4 Độ tin cậy CL (Confidence Level)
Về giá trị về độ trôi tầng lớn nhất (C) mà kết cấu chịu
được xác định theo các bước sau:
Độ tin cậy của khung thép phẳng chịu môment
SMRF được xác định thông qua việc đánh giá tỷ lệ giữa
nhu cầu và khả năng chịu đựng thông qua phương trình về
tham số độ tin cậy
1. Chọn một bộ gồm mười đến hai mươi trận động đất
(bộ gia tốc nền) để thực hiện phân tích.
2. Với mỗi trận động đất, ta thực hiện phân tích đàn
hồi theo lịch sử thời gian cho kết cấu. Xác định một tỷ lệ
trận động đất sao cho công trình làm việc trong giai đoạn
đàn hồi. Trên biểu đồ với một độ trôi tầng lớn nhất và
PGA (Peak Ground Acceleration) tương ứng, vẽ một
đường thẳng từ gốc của trục tọa độ đến điểm này. Độ dốc
của đường này được gọi là độ dốc đàn hồi, Se
.
.C
a.D
( 1)
Trong đó:
D: Độ trôi tầng yêu cầu được xác định được từ phân tích
NTHA.
C: Độ trôi tầng lớn nhất kết cấu chịu được xác định từ
phân tích IDA.
3. Tăng tỷ lệ gia tốc của trận động đất, thực hiện
phân tích NTHA cho gia tốc của trận động đất với tỷ lệ này,
xác định độ trôi tầng lớn nhất. Vẽ điểm này trên đồ thị, gọi
là ∆1.
Hệ số kể đến đặc tính của mô hình kết cấu và
đặc tính động đất khi xác định D (Bảng 4.9 trong FEMA
[12].
4. Tiếp tục tăng tỷ lệ gia tốc của trận động đất một và
lặp lại bước 3, xác định được điểm tiếp theo là ∆2. Vẽ một
:
Hệ số không chắc chắn trong phân tích để đánh giá độ
a
trôi tầng yêu cầu khi xác định D (Bảng 4.8 trong FEMA
[12]).
đường thẳng giữa các điểm ∆1 và ∆2.
5. Lặp lại Bước 4 cho đến khi độ dốc đường thẳng
giữa các điểm liên tiếp ∆i và ∆i + 1, nhỏ hơn 0,2 Se. Khi đạt
được điều kiện này, ∆i + 1 là độ độ trôi tầng lớn nhất (C) mà
kết cấu chịu được của trận động đất này. Nếu ∆i + 1> 0.10
thì độ trôi tầng lớn nhất (C) mà kết cấu chịu được lấy là
0.10.
: Hệ số tính đến độ không chắc chắn và tính biến
thiên khi xác định C tra Bảng 4.10 trong FEMA [12].
: Tham số về độ tin cậy, tra Bảng 4.6 trong FEMA[12] để
xác định đượcđộ tin cậycủa công trình .
2.5 Giới thiệu phần mềm OpenSees (Open System for
Earthquake Engineering Simulation)
6. Lặp lại các bước từ 2 đến 5 cho mỗi trận động đất
trong bộ được chọn, xác định độ trôi tầng lớn nhất (C) lớn
nhất mà kết cấu chịu được cho mỗi trận động đất.
Là phần mềm được phát triển bởi Trung tâm Nghiên
cứu Kỹ thuật Động đất Thái Bình Dương – Hoa Kỳ
(PEER) từ năm 1997.
Cấu trúc của OpenSees bao gồm nhiều mô-đun khác
nhau. Cũng giống như các phần mềm thương mại phổ biến
hiện nay, OpenSees sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để
mô phỏng đối tượng tính toán.
Trang 4
OpenSees có hai ưu điểm nổi bật là miễn phí và mã
nguồn mở (open-source), tuy nhiên nó có nhược điểm là
một phần mềm không có giao diện đồ họa, vì vậy gây khó
khăn cho những người dùng thông thường, hiện nay có
một số phần mềm đã được viết như OpenSeesNavigator,
TclBuilder hoặc toolbox trong Matlab như OpenSees Pre-
and Post- Processing để xuất và nhập kết quả.
và mô hình công trình được thể hiện ở Bảng 1, Bảng 2 và
các Hình 7-13.
Bảng 1 Tiết diện hệ khung thép 3 tầng, 4 nhịp
Dầm
Tiết diện
Cột
Tiết diện
STT
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
STT
(a)
W33x118
W30x116
W24x68
W18x35
W16x26
W14x257
W14x311
W14x68
(b)
(c)
Nhìn chung, OpenSees là phần mềm được phát
triển dành cho người dùng trong công tác nghiên cứu và
phát triển trong khi những phần mềm thương mại thường
chỉ được áp dụng trong tính toán và thiết kế thông thường.
2.3 Giới thiệu mô hình
Hai khung thép 3 tầng và 9 tầng [14] chịu các loại
tải là tải tam giác (triangular) và tải động đất LA10/50
được tính toán và khảo sát .
Hinh 9 Mô hình khung M3A (nút cứng)
̀
Hinh 10 Mô hình khung M3B (nút nửa cứng)
̀
2.3.2 Khung 9 tầng, 5 nhịp
5
5
5
4
5
4
5
4
4
4
Hinh 7 Mặt bằng khung 3, 6, 9 tầng tại Los Angeles
̀
2.3.1 Khung 3 tầng, 4 nhịp
9150
9150
9150
9150
A
B
C
D
E
9150
9150
9150
9150
9150
A
B
C
D
E
F
Hinh 8 Mặt đứng khung thép 3 tầng, 5 nhịp
̀
Hinh 11 Mặt đứng khung thép 9 tầng, 5 nhịp
̀
Các cột và dầm sử dụng thép hình thép hình A572Gr50 chữ I có
cường độ tương đương 370 MPa và 300MPa, hệ sàn là sàn
composite liên kết cứng theo phương ngang. Khối lượng dao
động được tính toán với nhiều thành phần như trọng lượng bản
thân khung thép, hệ sàn, trần và mái. Tổng khối lượng tầng 1 và
2 là 957T và tầng 3 là 1040T [15]. Các thông số về tiết diện
Các cột và dầm sử dụng thép hình A572Gr50 chữ I cường
độ tương đương 370Mpa và 270Mpa. Về mặt tổng thể,
khối lượng mỗi tầng là 1060T, riêng tầng 9 là 1360T [15].
Trang 5
Bảng 2 Tiết diện hệ khung 9 tầng, 5 nhịp
Dầm Cột
Tiết diện Tiết diện
Chu kỳ dao động riêng của khung M3Aso với Dario Pietra và
FEMA 440 có độ lệch là không đáng kể (0.02%, 0.7%, 1.1%),
(1.1%, 0.6%, 4.7%).
STT
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
STT
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
W36x160
W36x135
W30x99
W27x84
W24x68
W14x370
W14x283
W14x257
W14x233
W14x500
W14x455
Bang 4 So sánh chu kì dao động M3B
̉
Mô
hình
M3B
Dario
Pietra
[15]
FEMA
400
Sai số
với
Sai số
với
Mode
[14]
[15]
[14]
T1(s)
T2(s)
T3(s)
1.03 1.0187
1,02
0.60%
0,6%
0.28
0.33
0,33 16.10% 16,1%
0,17 28.30% 27.2%
0.124
0.173
Chu kỳ dao động riêng của khung M3B so với khung tham
chiếu của Dario Pietra và FEMA 400 là không đáng kể (0,6%
và 16,1% - tương ứng với 2 mode đầu tiên). Tuy nhiên, ở chu
kỳ ở mode 3 chênh lệch tương đối nhiều (28.3% và 27,2% ),
điều này có thể do mô hình khung M3B có kể tới ứng xử của
nút khung.
Đối với khung nhà thấp tầng, dạng dao động đầu tiên thường
đóng góp chính vào ứng xử của công trình. Sự chênh lệch chu
kỳ ở dạng dao động đầu tiên là rất nhỏ (0,6%), nên việc mô
hình hệ khung M3B trong phần mềm Opensees trong luận văn
là đáng tin cậy.
Hinh 12 Mô hình khung M9A (nút cứng)
̀
Bang 5 So sánh chu kì dao động M9A
̉
Mô
hình
M9A
Dario
Pietra
[15]
FEMA
440
Sai số
với
Sai số
với
Mode
[14]
[15]
[14]
T1(s)
T2(s)
T3(s)
2.27
2.24
0.847
0.484
2.34
0.87
0.5
3.3%
9.8%
8.1%
2.9%
9.1%
10%
0.79
0.45
Hinh 13 Mô hình khung M9B (nút nửa cứng)
̀
Chu kỳ dao động riêng của khung M9Aso với khung tham chiếu
của [11] và [12] ở mode đầu tiên là nhỏ (3.3%, 2.9% - mode
01) và hơi lớn ở hai chu kỳ sau (0.8%,9.1% và 8.1%, 10,0% -
mode 2 và 3). Tuy nhiên, trong tính toán thường quan tâm đến
chu kỳ đầu (mode 1) nên kết quả chấp nhận được
2.4 Kiểm chứng mô hình
2.4.1 Chu kỳ dao động riêng
Phân tích dạng dao động được thực hiện, dao động
riêng được tính toán so sánh với các tác giả khác được thể
hiện ở các Bảng 3-6.
Bang 6 So sánh chu kì dao động M9B
̉
Bang 3 So sánh chu kì dao động M3A
̉
Mô
hình
M9B
Dario
Pietra
[15]
FEMA
440
Sai số
với
Sai số
với
Mô
hình
M3A
Dario
Pietra
[15]
FEMA
440
Sai số
với
Sai số
với
Mode
Mode
[14]
[15]
[14]
[14]
[15]
[14]
T1(s)
T2(s)
T3(s)
2.19
2.25
0.85
0.48
2.34
0.87
0.5
2.5%
3.8%
T1(s)
T2(s)
T3(s)
1.0189 1.0187
1.03
0.33
0.17
0.02%
0.7%
1.5%
1.1%
0.6%
4.7%
0.77
0.44
8.7% 11.5%
9.9% 12%
0.328
0.178
0.33
0.173
Trang 6
Nhận xét với chênh lệch của 3 mode dao động so với
[11], [12] là (2.5%, 8.7%, 9.9%), (3.8%; 11.5%; 12%).
Dao động đầu tiên chênh lệch là 2.5% và 3.8% là nhỏ,
các dao động bậc 2 và 3 hơi lớn, tuy nhiên trong tính
toán ta thường quan tâm đến chu kỳ dao động đầu tiên
nên kết quả chấp nhận và tiến hành phân tích các bước
tiếp theo.
Do trong phân tích đẩy dần dùng phương pháp điều
khiển lực nên không mô phỏng được độ dốc âm và trong quá
trình phân tích không xét đến tải trọng sàn truyền vào nên ảnh
hưởng hiệu ứng P- là không đáng kể, do đó tại vị trí 1% <
D ≤4% lực tác dụng không giảm tuy chuyển vị tăng.
Khi kể đến biến dạng nút khung, khả năng chịu lực
ngang của công trình giảm đáng kể (33%).
Qua đó, cho thấy tính đúng đắn của mô hình trong nghiên
cứu.
2.5.2 Đường cong đẩy dần
Như vậy, trong trường hợp khung 9 tầng, biến dạng của
nút khung ảnh hưởng nhiều đến ứng xử tĩnh của công trình.
3. Kết quả nghiên cứu
Thực hiện phân tích đẩy dần (SPA) với 04 mô hình
(M3A, M3B. M9A, M9b). Đường cong đẩy dần biểu hiện
mối quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị đỉnh ứng với tải
trọng ngang (tải tam giác) tác dụng vào mô hình khung
thép phẳng SMRF được trình bày ở Hình 14-15.
3.1 Dữ liệu các trận động đất
Dữ liệu các trận động đất sử dụng trong nghiên cứu
này là một tập gồm 10 trận động đất có tần suất 2% trong
vòng 50 năm tại Los Angeles, California (LA2/50) được
liệt kê trong Bảng 7.
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
Bảng 7 Dữ liệu các trận động đất LA2/50
0.10
0.05
0.00
M3A
M3B
FEMA 400
Dario Pietra
PGA
(cm/s2
)
Ký
hiệu
Cường
độ
0
1
2
3
4
Trận động đất, vị trí
Chuyển vị đỉnh/chiều cao tầng(%) (D)
Hinh 14 Đường cong khả năng M3A, M3B, Dario
LA21 1940 Imperial Valley, EI Centro
LA22 1940 Imperial Valley, EI Centro
LA23 1979 Imperial Valley, Array #05
LA24 1979 Imperial Valley, Array #05
LA25 1979 Imperial Valley, Array #06
LA26 1979 Imperial Valley, Array #06
LA27 1992 Landers, Barstow
6.9
6.9
6.5
6.5
6.5
6.5
7.3
7.3
7.3
7.3
495
355
161
182
335
364
357
513
312
383
̀
Pietra và FEMA 400
Tại vị trí D = 0.5%, có độ sai lệch giữa M3A, Dario
Pietra, FEMA 440 và M3B. Điều này cho thấy biến dạng
nút khung có ảnh hưởng đến ứng xử công trình, tuy nhiên
với độ sai lệch không đáng kể.
Tại các vị trí có D = 1.0%, 2.0% và 3.0%, độ sai lệch
giữa M3A, Dario Pietra, FEMA 440 và M3B cũng không
đáng kể.
LA28 1992 Landers, Barstow
LA29 1992 Landers, Yermo
Như vậy, đối với khung nhà 3 tầng đang xét, biến dạng
nút khung không ảnh hưởng nhiều đến ứng xử tĩnh của công
trình.
LA30 1992 Landers, Yermo
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
3.2 Độ trôi tầng yêu cầu (D)
Phương pháp phân tích NTHA được thực hiện cho bộ
gồm 10 trận động đất nêu trên, các trận động đất được
nhân với hệ số tỉ lệ 0.83 để tương đương với phổ thiết kế
(với tỷ số cản là 5%). Ứng với mỗi trận động đất, một giá
trị độ trôi tầng lớn nhất được xác định. Giá trị trung bình
vị trí (median) được xác định từ 10 trận động đất sẽ là độ
trôi tầng yêu cầu (D) cần xác định.
'M9A
M9B
0.06
0.04
0.02
0.00
FEMA 440
Dario Pitra
0
1
2
3
4
Chuyển vị đỉnh/Chiều cao tầng(%) (D)
Hinh 15 Đường cong khả năng M9A, M9B, Dario
̀
Pietra và FEMA 400
Tại các vị trí D = (0% đến 0,7%) M9A, M9B và
FEMA 440 [13] và M9B tương đối giống nhau, điều này
cho thấy biến dạng nút khung không ảnh hưởng nhiều đến
ứng xử công trình trong giai đoạn đàn hồi.
3.2.1 Khung thép 3 tầng
Kết quả phân tích các khung 3 tầng được thể hiện ở
Hình 16 và Bảng 8. Thông thường, khi chịu tải trọng
ngang tĩnh độ trôi tầng lớn nhất xảy ra ở tầng 1. Khi chịu
tải trọng động, sự phân bố độ trôi tầng lớn nhất phân tán
phụ thuộc vào từng trận động đất.
Tại vị trí D = 1% , M9B bắt đầu chảy dẻo trong khi
M9A và [13] vẫn trong giai đoạn đàn hồi điều này cho thấy
biến dạng nút khung có ảnh hưởng đến ứng xử công trình.
Trang 7
LA21NM
La24NM
La22NM
La27NM
La29NM
La23NM
La25NM
La26NM
La28NM
La30NM
LA21NC
La23NC
La25NC
La27NC
La29NC
La22NC
La24NC
La26NC
La28NC
La30NC
Bảng 9 Độ trôi tầng yêu cầu của khung M3A và M3B
La21 La22 La23
La24
2.86
10.02
La25 La26
4
3
2
1
4
3
2
1
M9A
M9B
3.73 3.65
5.67 3.78
1.99
4.51
2.85
5.85
Dm
4.24
6.60
La27 La28 La29 La30
4.47
1.83
3.19 2.83
1.81 2.33
1.35
2.97
0.30
0.53
2.98
3.94
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
Độ trôi tầng (%)
Độ trôi tầng (%)
Độ trôi tầng yêu cầu yêu cầu lớn nhất (D) của khung
M9B cao hơn độ trôi tầng yêu cầu lớn nhất của khung
M9A là 32%.
Hình 16 Độ trôi tầng yêu cầu (D) của khung M3A và M3B
Mặc dù khung thép M3B có kể đến biến dạng nút
khung, nhưng trong một số trường hợp độ trôi tầng nhỏ
hơn khung M3A với cùng một trận động đất.
3.3 Độ trôi tầng lớn nhất (C)
3.3.1 Khung M3A và M3B
Kết quả phân tích của các khung 3 tầng được thể hiện
Bảng 8 Độ trôi tầng yêu cầu (D) của khung M3A và M3B
ở Hình 18 và Bảng 10.
La21 La22 La23 La24 La25 La26
4
4
3.5
3
La21NC
La22NC
La23NC
La24NC
La25NC
La26NC
La27NC
La28NC
La29NC
La30NC
La21NM
La22NM
La23NM
La24NM
La25NM
La26NM
La27NM
La28NM
La29NM
La30NM
3.5
3
M3A
M3B
3.20
0.48
4.19
0.36
3.20
0.80
4.83
0.31
4.34
4.29
Dm
2.03
5.90
2.5
2
2.5
2
1.5
1
1.5
1
La27 La28 La29 La30
0.5
0
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3.71
5.08
1.57
1.37
1.71
0.28
1.85
1.79
0.38
0.63
2.90
2.12
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Max story drift (%)
Max story drift (%)
Hình 18 Kết quả từ IDA của các khung 3 tầng
Bảng 10 Độ trôi tầng lớn nhất của khung M3A và M3B
Khung M3B có độ trôi tầng yêu cầu lớn nhất (D)
thấp hơn độ trôi tầng yêu cầu lớn nhất khung M3A là 27%.
3.2.1 Khung 9 tầng
La21
6.52
1.03
La28
4.23
3.83
La22 La23 La24 La25 La26
M3A
M3B
La27
6.85
4.42
2.36
6.18
7.55
8.38
7.94
9.36
4.26
Cm
7.13
7.50
Kết quả phân tích các khung 9 tầng được thể hiện ở
Hình 17 và Bảng 9.
La29 La30
LA28NM
LA30NM
LA23NM
LA29NM
La25NM
LA27NM
LA24NM
LA21NM
LA22NM
La26NM
6.14
7.71
9.21
3.32
0.25
0.48
6.62
4.84
LA28NC
LA26NC
LA24NC
LA22NC
LA29NC
LA27NC
LA25NC
LA23NC
LA21NC
LA30NC
8.86
11
10
9
11
10
9
Giá trị độ trôi tầng lớn nhất (C) của khung M3B thấp hơn
khung M3A là 26%.
8
8
7
7
3.3.2 Khung M9A và M9B
6
6
5
5
Kết quả phân tích động đẩy dần của các khung 9 tầng
4
4
được thể hiện ở Hình 19 và Bảng 11.
3
3
6.5
2
LA22,NC
6.5
LA22,nm
LA21,NM
LA23,NM
LA24,NM
LA25,NM
LA26,NM
LA27,NM
LA28,NM
LA29,NM
LA30,NM
2
6
5.5
5
LA21,NC
LA23,NC
LA24,NC
LA25,NC
LA26,NC
LA27,NC
LA28,NC
LA29,NC
LA30,NC
6
5.5
5
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
4.5
4
Độ trôi tầng (%)
4.5
4
Độ trôi tầng (%)
3.5
3
3.5
3
2.5
2
2.5
2
Hình 17 Độ trôi tầng yêu cầu (D) của khung M9A và M9B
Đối với khung M9A, độ trôi tầng lớn nhất tập trung ở
tầng cuối cùng trong tất cả các trường hợp. Tuy nhiên, khi
kể đến ảnh hưởng biến dạng của nút khung, vị trí xảy ra độ
trôi tầng lớn nhất yêu cầu tương đối phân tán tùy thuộc
vào tính chất của các trận động đất.
1.5
1
1.5
1
0.5
0
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Max story drift (%)
Max story drift (%)
Hình 19 Kết quả từ IDA của các khung 9 tầng
Giá trị độ trôi tầng lớn nhất (C) của kết cấu đối với
khung M9B nhỏ hơn khung M9A là 32%. Điều này chứng
Trang 8
tỏ khi kể đến ảnh hưởng biến dạng của nút khung, khả
năng chịu biến dạng của công trình bị giảm đáng kể.
các tầng khác nhau trên công trình, phụ thuộc vào các trận
động đất).
.
Bảng 11 Độ trôi tầng lớn nhất (C) của M9A và M9B
2. Biến dạng nút khung làm giảm đáng kể độ trôi tầng lớn
nhất công trình chịu được (độ trôi tầng của khung M3B
giảm 26% so với khung M3A, độ trôi tầng của khung
M9B giảm 32% so với khung M9A).
La21 La22 La23 La24 La25 La26
M9A
M9B
6.14 9.90
5.72 5.77
9.57
7.73 10.22
9.71
8.54 9.27
9.84 8.86
3. Đối với khung 3 tầng, nút khung không có ảnh hưởng
đáng kể đến ứng xử công trình (độ tin cậy của khung M3A
và M3B tương ứng là 98% và 97%).
La27 La28 La29 La30
cm
9.14
4.23
9.05 8.60
2.19 5.01
8.51
4.91
0.12 8.78
0.39 5.97
4. Đối với khung 9 tầng, biến dạng của nút khung ảnh
hưởng không nhỏ đến độ tin cậy của công trình (khi kể
đến ảnh hưởng biến dạng của nút khung, độ tin cậy của
khung 9 tầng giảm từ 99% xuống 68% - nhỏ hơn mức yêu
cầu là 90% theo FEMA 350). Do đó trong thiết kế công
trình chịu động đất, ảnh hưởng biến dạng của nút khung
nên được kể đến trong việc phân tích ứng xử của công
trình.
3.4. Độ tin cậy công trình (CL)
3.4.1 Khung M3A và M3B
Giá trị độ tin cậy của công trình thu được từ phân
tích lịch sử thời của M3A là 98% và M3B là 97% đều lớn
hơn 90% (Bảng 12). Điều này chứng tỏ đối với công trình
thấp tầng thì nút khung không ảnh hưởng nhiều đến ứng
xử công trình.
Bảng 12 Kết quả độ tin cậy của công trình (M3A, M3B)
5. Việc sử dụng phần mềm Opensees trong tính toán kết
cấu có độ chính xác cao. Tuy nhiên, việc xây dựng mô
hình có mô phỏng phần nút khung (M3B, M9B) được thiết
lập với nhiều phần tử bằng thủ công, cách ứng xử của từng
loại phần tử..... do đó tốn nhiều thời gian để xây dựng và
kiểm chứng mô hình.
C
D
a
C. L
M3A 0.066 0.91
0.029 1.06
1.33 98%
1.33 97%
M3B 0.048 0.91 0.0212 1.06
3.4.2 Khung M9A và M9B
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Theo kết quả ở Bảng 13, nếu nút khung xem là cứng
tuyệt đối thì độ tin cậy đạt 98% và thỏa mãn yêu cầu của
FEMA-350. Tuy nhiên khi kể đến biến dạng nút khung, độ
tin cậy giảm còn 68% nhỏ hơn yêu cầu tối thiểu.
[1] Nguyễn Hồng Phương, Phạm Thế Truyền ”Tập bản
đồ xác suất nguy hiểm động đất Việt nam và biển
đông”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển, Tập 15,
Số 1, 77-90, 2015.
Bảng 13 Độ tin cậy của công trình (M9A, M9B)
[2] Theo thống kê của cục khảo sát Hòa kỳ
(USGS), 2012.
C. L.
98%
68%
C
D
a
[3] Douglas A. Foutch
&
Seung-Yul
M9A 0.0878 0.84 0.0298 1.06 1.33
M9B 0.0597 0.84 0.0394 1.06 1.33
Yun ”Modeling of steel moment frames for
seismic loads ”, Journal of Constructional Steel
Research (58), 529–564, 2002.
Như vậy đối với công trình 9 tầng, nếu không xét đến
biến dạng nút khung thì sẽ không đảm bảo an toàn trong
[4] S. O. Degertekin and M. S. Hayalioglu,
“Design of non-linear semi-rigid steel frames with
semi-rigid column bases”, Electronic Journal of
Structural Engineering, (4), 2004.
thiết kế.
KẾT LUẬN
1. Biến dạng nút khung ảnh hưởng đến vị trí xảy ra độ trôi
tầng lớn nhất của công trình (đối với khung M3A và M9A,
độ trôi tầng lớn nhất thường xảy ra ở tầng 1. Tuy nhiên,
đối với khung M3B và M9B độ trôi tầng lớn nhất xảy ra ở
[5] Nguyễn Tiến Chương và Nguyễn Quốc Hùng
"Phương pháp tĩnh đẩy dần và lặp đẩy dần - áp
dụng tính toán kết cấu khung thép có liên kết nửa
Trang 9
cứng," Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên
năm 2013, 79-80, 2013.
Tp.HCM, ngày 22 tháng 8 năm 2019
Học viên
Giảng viên hướng dẫn
[6] Nguyễn Tiến Chương và ThS. Nguyễn Quốc
Hùng “Sự làm việc của khung thép siêu tĩnh có
lien kết nửa cứng chịu tải trọng ngang thay đổi
lặp”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, (1),
217-214, 2016.
TS. Lê Trung Kiên
KS. Trần Xuân Hà
[7] M. Tuna and C. Topkaya, "Panel zone
deformation demands in steel moment resisting
frames”, Journal of Constructional Steel Research,
110, 65-75, 2015.
[8] I. C. Council, "International Building Code
2009," Washington, D.C, 2009.
[9] Canadian Commission on Building and Fire
Codes. "The National Building Code of Canada",
National Research Council, Ottawa, 2010.
[10] E. S. E. 1.-1. "Eurocode 8: Design of
structures for earthquake resistance, Part 1,
General rules, seismic actions and rules for
buildings"
European
Committee
for
Standardization (CEN), Brussels, Belgium, 2004.
[11] TCVN 9386:201. “Thiết kế công trình chịu
động đất”, Nhà xuất bản Xây dựng, 2012.
[12] Federal Emergency Management Agency,
“FEMA-350-Recommended Seismic Design
Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings”,
June, 2000.
[13] Trần Tiến Đạt, Nguyễn Đức Phúc và Trần
Anh Bình, "Ứng dụng phần mềm mã nguồn mở
OpenSees trong lập trình mô phỏng cầu chịu động
đất", Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (4),
12-20, 2015.
[14] Federal Emergency Management Agency,
“FEMA-440 Improvement of Nonlinear Static
Seismic Analysis Procedures”, June, 2005.
[15] Dario Pietra, ”Evaluation of pushover
procedures for the seismic design of buildings”,
Ms. Thesis, 2008.
Trang 10
10 trang
12/01/2024
18640
Free
Bạn đang xem tài liệu "Phân tích độ tin cậy của khung thép phẳng có kể đến ảnh hưởng biến dạng nút khung", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- phan_tich_do_tin_cay_cua_khung_thep_phang_co_ke_den_anh_huon.pdf
