Mô phỏng giản đồ gia tốc nền chịu động đất từ phổ phản ứng đàn hồi
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (12.67 MB, 116 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐỒN THANH NHÃ
MƠ PHỎNG GIẢN ĐỒ GIA TỐC NỀN CHỊU ĐỘNG ĐẤT
TỪ PHỔ PHẢN ỨNG ĐÀN HỒI
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng và Cơng nghiệp
Mã số ngành:
60580208
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hồng Ân
Cán bộ chấm phản biện 1: PGS. TS. Chu Quốc Thắng
Cán bộ chấm phản biện 2: PGS. TS. Ngô Hữu Cường
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Hồ Chí
Minh, ngày …. tháng .... năm 2016
Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm
1. PGS. TS. Bùi Công Thành – Chủ tịch
2. PGS. TS. Chu Quốc Thắng – Phản biện 1
3. PGS. TS. Ngô Hữu Cường – Phản biện 2
4. TS. Lê Trung Kiên – Uỷ viên
5. TS. Đinh Thế Hưng – Thư ký
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG
i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: ĐOÀN THANH NHÃ
MSHV: 13210148
Ngày, tháng, năm sinh: 21/03/1984
Nơi sinh: Lâm Đồng
Chun ngành: Xây Dựng Cơng Trình DD & CN
Mã số: 60580208
TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG GIẢN ĐỒ GIA TỐC NỀN CHỊU ĐỘNG ĐẤT
TỪ PHỔ PHẢN ỨNG ĐÀN HỒI
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu các phương pháp mơ phỏng giản đồ gia tốc nền.
2. Thiết lập và giải quyết bài tốn mơ phỏng giản đồ gia tốc nền theo miền thời
gian bằng ngơn ngữ lập trình Matlab.
3. So sánh các phổ phản ứng từ các giản đồ gia tốc nền đã mô phỏng với phổ
phản ứng quy định trong tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.
4. Đánh giá kết quả mô phỏng cho các loại nền A, B, C, D, E và các đỉnh gia
tốc nền thiết kế 0.0800g, 0.1000g và 0.1893g.
I.
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
II. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
06/07/2015
17/06/2016
III. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN HỒNG ÂN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Tp. HCM, ngày …… tháng …… năm 2016
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH
TS. NGUYỄN HỒNG ÂN
PGS. TS. BÙI CÔNG THÀNH
TRƯỞNG KHOA KT XÂY DỰNG
LỜI CẢM ƠN
ii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ 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 các lĩnh vực liên quan. Đó là trách nhiệm và cũng 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 các cá nhân và tập thể. Tôi xin ghi nhận và bày tỏ
lòng biết ơn tới những sự giúp đỡ quý báu này.
Lời đầu tiên tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS.
Nguyễn Hồng Ân đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức bổ ích, cung
cấp nguồn tài liệu có giá trị và hướng dẫn tôi làm quen từ công việc nghiên cứu
khoa học đến việc hoàn thành một Luận văn Thạc sĩ. Trong q trình làm việc, tơi
cịn nhận được những lời động viên, sự nhiệt tình và những chỉ bảo từ Thầy, điều đó
đã giúp tơi rất nhiều khơng chỉ trong q trình học tập, nghiên cứu mà cịn trên
nhiều khía cạnh khác của cuộc sống.
Lời tiếp theo tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Xây
dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã truyền dạy những kiến thức
quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức quan trọng trên con đường nghiên cứu
khoa học và sự nghiệp của tôi sau này.
Lời cuối cùng, tác giả kính chúc tất cả quý thầy cơ, gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp ln dồi dào sức khỏe và gặt hái được nhiều thành công trong cuộc sống.
Luận văn Thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của
bản thân, tuy nhiên khơng thể khơng có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô
chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện hơn.
Trân trọng cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ...... tháng ...... năm 2016
Đồn Thanh Nhã
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn được thực hiện nhằm tìm ra một phương pháp mô phỏng giản đồ
gia tốc nền theo miền thời gian có dạng phổ phản ứng tương đồng với phổ phản ứng
đàn hồi được quy định theo Tiêu chuẩn Thiết kế động đất hiện hành của Việt Nam.
Công việc được bắt đầu với việc tìm một phương pháp đã được sử dụng trên
Thế Giới để áp dụng phù hợp với các đặc tính riêng của vùng Việt Nam, hoặc tìm ra
một phương pháp mới với đủ độ tin cậy để thực hiện nhiệm vụ được giao. Trong
quá trình nghiên cứu, luận văn đã tìm hiểu nhiều phương pháp cũng như phép biến
đổi khác nhau có thể mơ phỏng được giản đồ gia tốc nền theo miền thời gian. Sau
quá trình nghiên cứu và phân tích, luận văn đã lựa chọn mô phỏng giản đồ gia tốc
nền bằng phương pháp tổng các hàm dạng sóng sin. Phương pháp này được xuất
phát từ mơ hình phổ năng lượng đã được chuẩn hố, kết hợp với hàm dạng để mô
phỏng các giản đồ gia tốc nền theo miền thời gian. Khi đã xây dựng và kiểm chứng
được phương pháp mô phỏng, luận văn tiếp tục hiệu chỉnh các giá trị hệ số trong
mô hình phổ năng lượng nhằm mơ phỏng được giản đồ gia tốc nền có phổ phản ứng
bám theo phổ phản ứng đàn hồi quy định trong Tiêu chuẩn hiện hành tại Việt Nam.
Vì đây là phương pháp xuất phát từ các hàm dạng sóng sin với góc pha ngẫu nhiên,
nên kết quả sau mỗi lần phân tích đều khác nhau, tuy sự khác biệt này là hợp lý và
có sai số nhỏ, nhưng để đánh giá một kết quả thì luận văn đã lấy theo giá trị trung
bình của một số lượng mô phỏng đủ lớn. Cuối cùng, sau nhiều lần mơ phỏng và làm
các thay đổi có trình tự cho các thông số trong phương pháp, luận văn đã đề xuất
được các bộ số giúp mô phỏng các giản đồ gia tốc nền có phổ phản ứng đáp ứng
được yêu cầu của phổ phản ứng đàn hồi quy định trong Tiêu chuẩn Việt Nam quy
định.
LỜI CAM ĐOAN
iv
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng việc do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn
của Thầy TS. Nguyễn Hồng Ân.
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 ...... tháng ...... năm 2016
Đoàn Thanh Nhã
Mục lục
v
Mục lục
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ......................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ.......................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iv
Mục lục .......................................................................................................................v
Mục lục các hình vẽ ............................................................................................... viii
Mục lục các bảng biểu........................................................................................... xiv
Kí hiệu viết tắt .........................................................................................................xv
Chương 1: Tổng quan ...............................................................................................1
1.1
Giới thiệu ...................................................................................................1
1.2
Tình hình nghiên cứu trên Thế Giới ..........................................................2
1.3
Tình hình nghiên cứu trong nước ..............................................................3
Chương 2: Cơ sở lý thuyết........................................................................................4
2.1
Khái niệm một số thông số trong kỹ thuật động đất..................................4
2.1.1
Giản đồ gia tốc nền ....................................................................................4
2.1.2
Đỉnh gia tốc nền (PGA) .............................................................................4
2.1.3
Cường độ Arias (IA) ..................................................................................5
2.1.4
Khoảng thời gian hiệu dụng ......................................................................5
2.2
Phổ năng lượng (PSD) ...............................................................................5
2.2.1
Mơ hình phổ năng lượng Kanai ‒ Tajimi ..................................................6
2.2.2
Mơ hình phổ năng lượng Clough ‒ Penzien hiệu chỉnh ............................8
Mục lục
vi
2.3
Mối quan hệ giữa đỉnh gia tốc nền và cường độ nền.................................9
2.4
Hàm dạng của giản đồ gia tốc nền .............................................................9
2.4.1
Hàm dạng hình thang ...............................................................................10
2.4.2
Hàm dạng cong trơn Shinozuka Sato ...................................................10
2.4.3
Hàm dạng cong trơn Saragoni Hart ......................................................11
2.4.4
Hàm dạng kết hợp ....................................................................................12
2.4.5
Hàm dạng theo phổ phản ứng đàn hồi .....................................................13
2.4.6
Nhận xét về hàm dạng giản đồ gia tốc nền ..............................................14
2.5
Tiêu chuẩn Thiết kế cơng trình chịu động đất tại Việt Nam ...................14
2.5.1
Giá trị gia tốc nền thiết kế ag ...................................................................15
2.5.2
Phổ phản ứng đàn hồi ..............................................................................15
2.6
Dữ liệu tải trọng động đất trong phân tích động lực học .........................18
2.7
Mơ phỏng giản đồ gia tốc nền theo phương pháp tổng các hàm dạng sóng
sin .............................................................................................................19
2.7.1
Giới thiệu phương pháp ...........................................................................20
2.7.2
Ví dụ số ....................................................................................................20
2.8
Mơ phỏng giản đồ gia tốc nền theo phổ phản ứng đàn hồi quy định bởi
TCVN 9386:2012 [24].............................................................................26
Chương 3: Kết quả phân tích số ............................................................................27
3.1
Giới thiệu chương 3 .................................................................................27
3.2
Kiểm chứng thuật tốn.............................................................................27
3.3
Mơ phỏng giản đồ gia tốc nền với đích là PGA ......................................32
3.4
Mơ phỏng giản đồ gia tốc nền với đích là phổ phản ứng đàn hồi theo
TCVN 9386:2012 [24].............................................................................57
Mục lục
3.4.1
vii
Mô phỏng giản đồ gia tốc nền với tỉ số cản là 5%, PGA=0.10g cho nền
loại A theo TCVN 9386:2012 [24] ..........................................................60
3.4.2
Mô phỏng giản đồ gia tốc nền với tỉ số cản là 5%, PGA=0.1g cho nền
loại B theo TCVN 9386:2012 [24] ..........................................................64
3.4.3
Mô phỏng giản đồ gia tốc nền với tỉ số cản là 5%, PGA=0.10g cho nền
loại C theo TCVN 9386:2012 [24] ..........................................................68
3.4.4
Mô phỏng giản đồ gia tốc nền với tỉ số cản là 5%, PGA=0.10g cho nền
loại D theo TCVN 9386:2012 [24] ..........................................................71
3.4.5
Mô phỏng giản đồ gia tốc nền với tỉ số cản là 5%, PGA=0.10g cho nền
loại E theo TCVN 9386:2012 [24] ..........................................................75
3.4.6
Mô phỏng giản đồ gia tốc nền với tỉ số cản là 5%, PGA=0.08g cho nền
loại A, B, C, D, E theo TCVN 9386:2012 [24] .......................................79
3.4.7
Mô phỏng giản đồ gia tốc nền với tỉ số cản là 5%, PGA=0.1893g cho
nền loại A, B, C, D, E theo TCVN 9386:2012 [24] ................................83
3.5
Đề xuất hệ số và cơng thức ......................................................................86
3.5.1
Hệ số tính cường độ nền khi mơ phỏng giản đồ gia tốc nền theo đích
PGA..........................................................................................................86
3.5.2
Cơng thức và hệ số xây dựng hàm phổ năng lượng nền theo đích là phổ
phản ứng đàn hồi của tiêu chuẩn Việt Nam.............................................87
Chương 4: Kết luận và kiến nghị ...........................................................................90
4.1
Kết luận ....................................................................................................90
4.2
Kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo...................................................91
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................92
Phụ lục ......................................................................................................................97
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ....................................................................................98
Mục lục các hình vẽ
viii
Mục lục các hình vẽ
Hình 2.1. Phổ năng lượng phương ngang trên nền bồi tích [29] ................................6
Hình 2.2. Phổ năng lượng Kanai Tajimi cho chuyển động nền phương ngang ‒
bồi tích (alluvium), bồi tích trên đá (alluvium on rock) và đá (rock) .........................7
Hình 2.3. Phổ năng lượng Kanai Tajimi cho chuyển động nền phương đứng ‒ bồi
tích (alluvium), bồi tích trên đá (alluvium on rock) và đá (rock) ...............................8
Hình 2.4. Mơ hình phổ năng lượng Kanai ‒ Tajimi đề xuất và mơ hình phổ năng
lượng Clough ‒ Penzien hiệu chỉnh ............................................................................9
Hình 2.5. Hàm dạng hình thang với t1 3 s , t2 15 s , Tw 20 s ...........................10
Hình 2.6. Hàm dạng Shinozuka Sato ( B1 0.045 , B2 0.05 ) ........................11
Hình 2.7. Hàm dạng Saragoni Hart ( 0.2, 0.05 ) ........................................12
Hình 2.8. Hàm dạng kết hợp.....................................................................................13
Hình 2.9. Hàm dạng theo phổ phản ứng ...................................................................14
Hình 2.10. Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền từ A đến E (độ cản 5%) theo
TCVN 9386:2012 [24] ..............................................................................................18
Hình 2.11. Phổ gia tốc giả lập cho 2 bộ ghi chấn. (a) LA10/50 và (b) LA2/50 .......19
Hình 2.12. Lưu đồ giải thuật mô phỏng giản đồ gia tốc nền ....................................22
Hình 2.13. Biểu đồ pha ngẫu nhiên ..........................................................................23
Hình 2.14. Mơ hình phổ năng lượng do Clough và Penzien hiệu chỉnh với ............23
Hình 2.15. Biểu đồ biên độ A ...................................................................................24
Hình 2.16. Biểu đồ hàm khơng dừng a(t) .................................................................24
Hình 2.17. Hàm dạng Saragoni ‒ Hart [35] với 0.2, 0.05 [36] ....................25
Hình 2.18. Giản đồ gia tốc nền theo miền thời gian.................................................25
Hình 3.1. Các kết quả đích của kiểm chứng .............................................................28
Hình 3.2. Mơ hình phổ năng lượng Kanai ‒ Tajimi .................................................29
Hình 3.3. Mơ hình hàm dạng ....................................................................................29
Hình 3.4. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng ngẫu nhiên lần 1/5 ...................................29
Mục lục các hình vẽ
ix
Hình 3.5. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng ngẫu nhiên lần 2/5 ...................................30
Hình 3.6. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng ngẫu nhiên lần 3/5 ...................................30
Hình 3.7. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng ngẫu nhiên lần 4/5 ...................................30
Hình 3.8. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng ngẫu nhiên lần 5/5 ...................................31
Hình 3.9. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng với G0=1 m2/s3 số 01/20 ..........................34
Hình 3.10. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mô phỏng với
G0=1 m2/s3 số 01/20 ..................................................................................................34
Hình 3.11. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với G0=1 m2/s3 số 02/20 ........................35
Hình 3.12. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với
G0=1 m2/s3 số 02/20 ..................................................................................................35
Hình 3.13. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng với G0=1 m2/s3 số 03/20 ........................36
Hình 3.14. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mô phỏng với
G0=1 m2/s3 số 03/20 ..................................................................................................36
Hình 3.15. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với G0=1 m2/s3 số 04/20 ........................37
Hình 3.16. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mô phỏng với
G0=1 m2/s3 số 04/20 ..................................................................................................37
Hình 3.17. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với G0=1 m2/s3 số 05/20 ........................38
Hình 3.18. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với
G0=1 m2/s3 số 05/20 ..................................................................................................38
Hình 3.19. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng với G0=1 m2/s3 số 06/20 ........................39
Hình 3.20. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mô phỏng với
G0=1 m2/s3 số 06/20 ..................................................................................................39
Hình 3.21. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với G0=1 m2/s3 số 07/20 ........................40
Hình 3.22. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với
G0=1 m2/s3 số 07/20 ..................................................................................................40
Hình 3.23. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng với G0=1 m2/s3 số 08/20 ........................41
Hình 3.24. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mô phỏng với
G0=1 m2/s3 số 08/20 ..................................................................................................41
Hình 3.25. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng với G0=1 m2/s3 số 09/20 ........................42
Mục lục các hình vẽ
x
Hình 3.26. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với
G0=1 m2/s3 số 09/20 ..................................................................................................42
Hình 3.27. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng với G0=1 m2/s3 số 10/20 ........................43
Hình 3.28. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mô phỏng với
G0=1 m2/s3 số 10/20 ..................................................................................................43
Hình 3.29. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với G0=1 m2/s3 số 11/20 ........................44
Hình 3.30. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với
G0=1 m2/s3 số 11/20 ..................................................................................................44
Hình 3.31. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng với G0=1 m2/s3 số 12/20 ........................45
Hình 3.32. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mô phỏng với
G0=1 m2/s3 số 12/20 ..................................................................................................45
Hình 3.33. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với G0=1 m2/s3 số 13/20 ........................46
Hình 3.34. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với
G0=1 m2/s3 số 13/20 ..................................................................................................46
Hình 3.35. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng với G0=1 m2/s3 số 14/20 ........................47
Hình 3.36. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mô phỏng với
G0=1 m2/s3 số 14/20 ..................................................................................................47
Hình 3.37. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với G0=1 m2/s3 số 15/20 ........................48
Hình 3.38. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mô phỏng với
G0=1 m2/s3 số 15/20 ..................................................................................................48
Hình 3.39. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với G0=1 m2/s3 số 16/20 ........................49
Hình 3.40. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với
G0=1 m2/s3 số 16/20 ..................................................................................................49
Hình 3.41. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng với G0=1 m2/s3 số 17/20 ........................50
Hình 3.42. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mô phỏng với
G0=1 m2/s3 số 17/20 ..................................................................................................50
Hình 3.43. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với G0=1 m2/s3 số 18/20 ........................51
Hình 3.44. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với
G0=1 m2/s3 số 18/20 ..................................................................................................51
Hình 3.45. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng với G0=1 m2/s3 số 19/20 ........................52
Mục lục các hình vẽ
xi
Hình 3.46. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với
G0=1 m2/s3 số 19/20 ..................................................................................................52
Hình 3.47. Giản đồ gia tốc nền mô phỏng với G0=1 m2/s3 số 20/20 ........................53
Hình 3.48. Biểu đồ và giá trị cường độ Arias của giản đồ gia tốc nền mô phỏng với
G0=1 m2/s3 số 20/20 ..................................................................................................53
Hình 3.49. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với PGA=0.08g .....................................55
Hình 3.50. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với PGA=0.10g .....................................56
Hình 3.51. Giản đồ gia tốc nền mơ phỏng với PGA=0.32g .....................................56
Hình 3.52. Lưu đồ giải thuật mơ phỏng giản đồ gia tốc nền có phổ phản ứng đàn
hồi bám theo phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24]............59
Hình 3.53. Giản đồ gia tốc nền từ 01/20 đến 08/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại A của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ...................................................60
Hình 3.54. Giản đồ gia tốc nền từ 09/20 đến 16/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại A của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ...................................................61
Hình 3.55. Giản đồ gia tốc nền từ 17/20 đến 20/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại A của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ...................................................62
Hình 3.56. Phổ phản ứng trung bình của 20 trận động đất được mô phỏng so với
phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24] cho nền loại A .........62
Hình 3.57. Giản đồ gia tốc nền từ 01/20 đến 08/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại B của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ....................................................64
Hình 3.58. Giản đồ gia tốc nền từ 09/20 đến 16/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại B của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ....................................................65
Hình 3.59. Giản đồ gia tốc nền từ 17/20 đến 20/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại B của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ....................................................66
Hình 3.60. Phổ phản ứng trung bình của 20 trận động đất được mô phỏng so với
phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24] cho nền loại B .........66
Hình 3.61. Giản đồ gia tốc nền từ 01/20 đến 08/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại C của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ....................................................68
Hình 3.62. Giản đồ gia tốc nền từ 09/20 đến 16/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại C của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ....................................................69
Mục lục các hình vẽ
xii
Hình 3.63. Giản đồ gia tốc nền từ 17/20 đến 20/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại C của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ....................................................70
Hình 3.64. Phổ phản ứng trung bình của 20 trận động đất được mô phỏng so với
phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24] cho nền loại C .........70
Hình 3.65. Giản đồ gia tốc nền từ 01/20 đến 08/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại D của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ...................................................71
Hình 3.66. Giản đồ gia tốc nền từ 09/20 đến 16/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại D của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ...................................................72
Hình 3.67. Giản đồ gia tốc nền từ 17/20 đến 20/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại D của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ...................................................73
Hình 3.68. Phổ phản ứng trung bình của 20 trận động đất được mô phỏng so với
phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24] cho nền loại D .........73
Hình 3.69. Giản đồ gia tốc nền từ 01/20 đến 08/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại Ecủa TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g .....................................................75
Hình 3.70. Giản đồ gia tốc nền từ 09/20 đến 16/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại E của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ....................................................76
Hình 3.71. Giản đồ gia tốc nền từ 17/20 đến 20/20 mô phỏng với tỉ số cản 5%, nền
loại E của TCVN 9386:2012 [24] và PGA=0.10g ....................................................77
Hình 3.72. Phổ phản ứng trung bình của 20 trận động đất được mô phỏng so với
phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24] cho nền loại E .........77
Hình 3.73. Phổ phản ứng trung bình của 20 trận động đất được mô phỏng so với
phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24] cho nền loại A (hình
trên) – sai số 1.80% và loại B (hình dưới) – sai số 4.25% ........................................79
Hình 3.74. Phổ phản ứng trung bình của 20 trận động đất được mô phỏng so với
phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24] cho nền loại C (hình
trên) – sai số 4.63% và loại D (hình dưới) – sai số 1.93%........................................80
Hình 3.75. Phổ phản ứng trung bình của 20 trận động đất được mô phỏng so với
phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24] cho nền loại E – sai số
0.27%.........................................................................................................................81
Mục lục các hình vẽ
xiii
Hình 3.76. Phổ phản ứng trung bình của 20 trận động đất được mơ phỏng so với
phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24] cho nền loại A (hình
trên) – sai số 4.75% và loại B (hình dưới) – sai số 3.35% ........................................83
Hình 3.77. Phổ phản ứng trung bình của 20 trận động đất được mô phỏng so với
phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24] cho nền loại C (hình
trên) – sai số 2.37% và loại D (hình dưới) – sai số 4.25%........................................84
Hình 3.78. Phổ phản ứng trung bình của 20 trận động đất được mô phỏng so với
phổ phản ứng đàn hồi quy định trong TCVN 9386:2012 [24] cho nền loại E – sai số
1.94%.........................................................................................................................85
Hình 3.79. Biểu đồ phổ năng lượng luận văn đề xuất cho các nền loại A, B, C, D, E
theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [24], (PGA=0.08g) .............................................88
Hình 3.80. Biểu đồ phổ năng lượng luận văn đề xuất cho các nền loại A, B, C, D, E
theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [24], (PGA=0.10g) .............................................88
Hình 3.81. Biểu đồ phổ năng lượng luận văn đề xuất cho các nền loại A, B, C, D, E
theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [24], (PGA=0.1893g) .........................................89
Mục lục các bảng biểu
xiv
Mục lục các bảng biểu
Bảng 2.1. Các thơng số của mơ hình phổ năng lượng Kanai Tajimi ......................6
Bảng 2.2. Các loại nền theo TCVN 9386:2012 [24] ................................................16
Bảng 2.3. Giá trị của các tham số mô tả các phổ phản ứng đàn hồi theo TCVN
9386:2012 [24] ..........................................................................................................18
Bảng 3.1. Giá trị đỉnh gia tốc và cường độ Arias của 20 giản đồ gia tốc nền được
mô phỏng với G0=1 m2/s3..........................................................................................54
Bảng 3.2. Phân tích các kết quả của 20 giản đồ gia tốc nền được mô phỏng với ....54
Bảng 3.3. Các hệ số luận văn đề xuất cho mơ hình phổ năng lượng đối với nền loại
A, B và D theo TCVN 9386:2012 [24] .....................................................................87
Bảng 3.4. Các hệ số luận văn đề xuất cho mơ hình phổ năng lượng đối với nền loại
C và E theo TCVN 9386:2012 [24] ..........................................................................87
Kí hiệu viết tắt
xv
Kí hiệu viết tắt
PGA
Đỉnh gia tốc nền (peak ground acceleration)
s
Giây (second)
IA
Cường độ Arias (Arias intensity)
PSD
Phổ năng lượng (power spectral density)
I
Hệ số tầm quan trọng
ag
Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A
agR
Đỉnh gia tốc nền tham chiếu trên nền loại A
NSPT
Số nhát đập trong thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)
vs,30
Giá trị trung bình của vận tốc truyền sóng cắt trong 30m phía trên của
mặt cắt nền nơi có biến dạng cắt bằng hoặc thấp hơn 10-5.
Tỉ số cản nhớt của kết cấu
SDOF
Hệ một bậc tự do (single degree of freedom)
g
Gia tốc trọng trường (g=9.81 m/s2)
t5
Điểm thời gian chuyển động nền đạt 5% cường độ Arias
t45
Điểm thời gian chuyển động nền đạt 45% cường độ Arias
t95
Điểm thời gian chuyển động nền đạt 95% cường độ Arias
g
Tỷ số cản của nền
g
Tần số của nền
G0
Cường độ của nền
f, f
Tham số lọc nhiễu trong mơ hình phổ năng lượng Clough – Penzien
hiệu chỉnh
Tw, Tgt
Tổng thời gian của giản đồ gia tốc mơ phỏng
B1, B2
Tham số điều chỉnh hình dạng trong mơ hình hàm dạng Shinozuka
Sato
,
Tham số điều chỉnh hình dạng trong mơ hình hàm dạng Saragoni
Hart
Kí hiệu viết tắt
xvi
n
Pha ngẫu nhiên thứ n
n
Tần số vịng thứ n
Bước tần số
An
Biên độ thứ n
E t
Hàm dạng của giản đồ gia tốc nền
t
Độ dài gia tốc nền mô phỏng
t
Bước thời gian mô phỏng
N
Tổng bước thời gian mô phỏng
a t
Hàm không dừng
ag t
Giản đồ gia tốc nền
T
Chu kỳ
PGAG0 1
Đỉnh gia tốc nền mô phỏng với hàm phổ năng lượng xác định khi
G0 1
G
Hàm phổ năng lượng
Hệ số hiệu chỉnh
Tổng quan
1
Chương 1: Tổng quan
Chương này giới thiệu tổng quan về tầm quan trọng của việc mô phỏng giản
đồ gia tốc nền chịu động đất, tình hình nghiên cứu của các tác trong và ngồi nước
có liên quan đến luận văn cũng như mục tiêu và hướng nghiên cứu của đề tài.
1.1
Giới thiệu
Động đất hay địa chấn là sự rung chuyển của nền. Hầu hết mọi sự kiện động
đất xảy ra tại ranh giới của các mảng kiến tạo là phần thạch quyển Trái Đất. Động
đất xảy ra gây rất nhiều thiệt hại cho con người và các cơng trình xây dựng [1].
Trong q trình phân tích và thiết kế cơng trình chịu động đất, các kỹ sư ln
phải quan tâm tới các mục tiêu như cơng trình khơng bị hư hỏng khi nền rung lắc
nhẹ, giảm thiểu thiệt hại nghiêm trọng khi nền rung lắc mạnh, đảm bảo an tồn về
tính mạng con người, mơi trường tự nhiên, mơi trường nhân tạo, hạn chế các rủi ro
về xã hội và kinh tế theo các chuẩn được chấp thuận. Để đáp ứng tầm quan trọng
của công việc được giao, các kỹ sư cần có sự hiểu biết sâu về dữ liệu địa chấn, tiêu
chuẩn thiết kế, đặc trưng của kết cấu, phương pháp phân tích cũng như kiểm sốt
chất lượng trong q trình xây dựng.
Hiện nay, tính tốn cơng trình chịu động đất có 2 phương pháp chính là phân
tích tĩnh và phân tích động. Phân tích tĩnh thường được xây dựng trên mơ hình một
hoặc nhiều bậc tự do để giải quyết các bài tốn tuyến tính và phi tuyến. Tuy phân
tích tĩnh được xem là đơn giản và đã được áp dụng trong các tiêu chuẩn thiết kế của
các nước trên Thế Giới, nhưng độ chính xác của phương pháp vẫn còn là vấn đề cần
được nghiên cứu khi áp dụng cho cơng trình như: kết cấu cầu [2], kết cấu khung
thép [3], khung bê tông cốt thép [4]... Và trong nhiều trường hợp thì phân tích tĩnh
khơng đáp ứng hết các ứng xử của kết cấu [5]. Phân tích động có độ chính xác cao
hơn phân tích tĩnh, mơ hình có thể mơ phỏng bằng khung khơng gian. Trong phân
tích động, tải trọng thay đổi theo từng bước thời gian nên q trình mơ phỏng và
Tổng quan
2
tính tốn tăng lên rất nhiều lần so với phân tích tĩnh, đó cũng là bất lợi của phương
pháp này. Tuy nhiên, với sự phát triển của phương pháp tính và cơng nghệ máy tính,
đã có nhiều phần mềm thiết kế đáp ứng được các yêu cầu phân tích động phi tuyến
của kết cấu như OpenSees [6], Drain 2D [7], CSI Perform 3D [8]… Do đó, việc lựa
chọn tải trọng động cho đầu vào của q trình phân tích sẽ được các nhà chuyên
môn quan tâm đến nhiều hơn.
Không chỉ riêng ở nước ta mà tại các vùng khác trên Thế Giới, tải trọng động
đất biểu diễn bằng các ghi chấn gia tốc thực là một nguồn dữ liệu quan trọng nhưng
lại thường khơng đầy đủ khi phân tích cơng trình chịu động đất. Các ghi chấn đơi
khi cịn được u cầu riêng cho những cơng trình đặc biệt quan trọng như lò phản
ứng hạt nhân, đập, cầu, bồn chứa nhiên liệu... Trước yêu cầu đó, đã có nhiều nghiên
cứu đề xuất các phương pháp về lý thuyết hoặc thực nghiệm nhằm mô phỏng giản
đồ gia tốc khi xảy ra khi động đất. Để sự dự đoán này được chính xác, các phương
pháp mơ phỏng phải được xây dựng từ sự tương thích mơ hình và thực tế, các
nguồn dữ liệu đã có, các đặc trưng địa chấn hoặc các thông số về nền, cường độ
động đất lớn nhất có thể xảy ra tại khu vực ấn định trong các Tiêu chuẩn thiết kế.
Nhằm đáp ứng cho các yêu cầu phân tích bài tốn động theo miền thời gian,
luận văn này nhằm mục đích mơ phỏng các giản đồ gia tốc nền bằng phương pháp
lý thuyết. Cường độ của các giản đồ gia tốc mô phỏng được so sánh và đánh giá
dưới dạng phổ phản ứng của hệ một bậc tự do đàn hồi với cùng dạng phổ này được
quy định trong tiêu chuẩn thiết kế động đất hiện hành của Việt Nam.
1.2
Tình hình nghiên cứu trên Thế Giới
Mơ phỏng chuyển động nền khi xảy ra động đất đã được nhiều tác giả trên
Thế Giới đề xuất hoặc phát triển như: Mơ hình AS00 [9], phương pháp tổng các
hàm dạng sóng sin [10], phương pháp lọc nhiễu trắng [11], phương pháp mơ hình
mật độ quang phổ [12], mơ hình phần tử hữu hạn của hệ thống các vết gãy [13], mơ
hình dùng biến đổi Wavelet [14, 15] và Wavelet Packet [16], mơ hình biến đổi
Neural Networks [17, 18], mơ hình biến đổi Hilbert ‒ Huang [19]...
Tổng quan
1.3
3
Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, động đất thường xuất hiện nhiều ở miền Bắc với sự xuất hiện
của các vết đứt gãy dạng trượt (strike-slip faults), độ lớn của các trận động đất từ
5.0 đến 6.8 độ Richter bao gồm một số vị trí như động đất Điện Biên (năm 1935,
M=6.8 và 2001, M=5.3), trận động đất Lục Yên (1953, 1954, M=5.4), và trận động
đất Tuần Giáo (năm 1983, M=6.7). Năm 2005, một mạng lưới địa chấn gồm 24 máy
ghi địa chấn băng thông rộng đã được triển khai tại Việt Nam trong một nỗ lực hợp
tác giữa Viện Vật lý địa cầu Việt Nam (VIG) và Viện Khoa học Trái đất tại
Academia Sinica, Đài Loan (IESAS). Tuy vậy, Việt Nam vẫn được đánh giá là
không đủ dữ liệu cho các hồ sơ chuyển động nền theo lịch sử thời gian tại các địa
điểm cụ thể, việc này dẫn đến những khó khăn cho việc phân tích và thiết kế các kết
cấu như cầu [20], đập, bể chứa chất lỏng, lò phản ứng hạt nhân... dưới tác động của
tải trọng động đất.
Dự đoán chuyển động nền đã xuất hiện tại Việt Nam gần đây như: đề tài mơ
phỏng tải trọng động đất sử dụng mơ hình ngẫu nhiên trình bày trong luận văn cao
học của Đào Đình Nhân năm 2005 [21], Đinh Văn Thuật với bài báo về sử dụng
chuỗi Fourier tạo giản đồ gia tốc nền từ phổ phản ứng đàn hồi tương ứng với tiêu
chuẩn Việt Nam [22], Trần Thị Mỹ Thành với báo cáo mô phỏng trận động đất
Điện Biên M=5.3 [23]...
Thiết kế cơng trình chịu động đất tại Việt Nam đã được đưa vào tiêu chuẩn
quốc gia từ năm 2007 và hiện hành với tên gọi TCVN 9386:2012 ‒ Thiết kế cơng
trình chịu động đất [24] được biên soạn trên cơ sở chấp nhận Eurocode 8 [25] có bổ
sung hoặc thay thế các phần mang tính đặc thù Việt Nam. Theo các chỉ dẫn của
TCVN 9386:2012 [24], chúng ta có phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền từ A đến
E và các giá trị đỉnh gia tốc nền thiết kế cho từng khu vực cụ thể, đây cũng chính là
cơ sở để xây dựng các giản đồ gia tốc nền tương ứng cho các loại nền và đặc trưng
địa chất từng vùng mà tiêu chuẩn quy định. Đó cũng là hướng nghiên cứu và ứng
dụng của đề tài trong luận văn này.
Cơ sở lý thuyết
4
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương này trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết để sử dụng trong
phương pháp mô phỏng giản đồ gia tốc nền theo phương pháp tổng các hàm dạng
sóng sin.
2.1
Khái niệm một số thông số trong kỹ thuật động đất
Thơng số để dự đốn độ mạnh, thời gian kéo dài, hướng của các sóng...
khơng những là lớn về số lượng mà cịn mang tính ngẫu nhiên rất cao. Tuy vậy, đây
cũng chính là các "manh mối" để dự đốn một chuyển động nền có thể xảy ra tại
một khu vực xác định.
2.1.1 Giản đồ gia tốc nền
Giản đồ gia tốc nền là đồ thị biểu diễn các giá trị gia tốc của chuyển động
nền theo trục thời gian. Theo biểu diễn của giản đồ gia tốc nền các nhà nghiên cứu
sẽ có được các thơng số như thời gian tăng về cường độ, thời gian kéo dài về cường
độ và thời gian suy giảm về cường độ của một trận động đất, điểm thời gian mà tại
đó gia tốc nền đạt cực đại...
2.1.2 Đỉnh gia tốc nền (PGA)
Đỉnh gia tốc nền (PGA) là biên độ của gia tốc đỉnh lớn nhất ghi lại trên một
giản đồ gia tốc của quá trình chuyển động nền. PGA thường được sử dụng như một
tham số mô tả độ mạnh của chuyển động nền mặc dù nó chỉ có ý nghĩa trong một
khoảng thời gian phân tích ngắn của kết cấu ( T 0.3 giây) [26]. Trong hồ sơ của
một trận động đất có thể có các PGA theo phương đứng và phương ngang khác
nhau theo các hướng.
Cơ sở lý thuyết
5
2.1.3 Cường độ Arias (IA)
Nhằm xác định bản chất vật lý của năng lượng trong một quá trình chuyển
động nền, năm 1970 Arturo Arias [27], một kỹ sư người Chi Lê đã đưa ra một
thước đo để đánh giá độ mạnh của các trận động đất thông qua giản đồ gia tốc dạng
sóng của nền theo thời gian:
IA
tn
a(t ) dt m/s
2 g 0
2
(2.1)
Với g là gia tốc trọng trường, a t là sóng gia tốc theo thời gian, tn là tổng thời
gian hữu hiệu của sóng gia tốc.
2.1.4 Khoảng thời gian hiệu dụng
Năm 1975, Trifunac và Brady định nghĩa thêm các giá trị D5-95 là khoảng
thời gian xác định tại thời điểm chuyển động nền đạt được 5% và 95% giá trị năng
lượng IA, giá trị này thể hiện thời gian rung lắc mạnh của nền, một thông số quan
trọng trong q trình phân tích phi tuyến của kết cấu. Ngoài ra, giá trị tmid được đề
xuất thêm nhằm xác định khoảng giữa của giai đoạn rung lắc mạnh của nền, theo
những báo cáo của Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Động đất Thái Bình Dương thì
tmin được xác định tại thời điểm cường độ Arias đạt được 45% về giá trị [28]. Công
thức xác định cho các giá trị D5-95 và tmid như sau:
D595 t95 t5
(2.2)
tmid t45
(2.3)
Với t5, t45, t95 là các điểm thời gian chuyển động nền đạt được 5%, 45% và
95% giá trị năng lượng IA.
2.2
Phổ năng lượng (PSD)
Phổ năng lượng (PSD) của một q trình chuyển động nền có thể được mơ tả
bởi một hàm phức tạp biến thiên thiên theo miền tần số và chứa nhiều thông số như:
chu kỳ trội, bề rộng dải, tần số trung tâm, hệ số hình dạng... Trên Hình 2.1 biểu diễn
phổ năng lượng cho các ghi chấn nền bồi tích [29].
Cơ sở lý thuyết
6
Hình 2.1. Phổ năng lượng phương ngang trên nền bồi tích [29]
2.2.1 Mơ hình phổ năng lượng Kanai ‒ Tajimi
Nhằm chuẩn hố các mơ hình phổ năng lượng, Kanai [30] và Tajimi [31] đã
nghiên cứu và đề xuất mơ hình được xác định như sau:
GKT
1 4 g2 / g
1 /
g
2 2
2
2 /
g
g
2
G0 ,
(2.4)
trong đó: g , g , G0 lần lượt là tỉ số cản, tần số và cường độ nền. Trong Bảng 2.1
thể hiện các thông số do Kanai và Tajimi đề xuất cho mơ hình phổ năng lượng trên
các loại nền và phương chuyển động.
Bảng 2.1. Các thông số của mơ hình phổ năng lượng Kanai Tajimi
Tỉ số cản
Cường độ
Phương chuyển động và
Số ghi
Tần số
loại nền
chấn
nền f g (Hz)
nền g
- Bồi tích (Alluvium)
161
2.92
0.34
0.102
- Bồi tích trên đá (Alluvium
60
3.64
0.30
0.078
26
4.30
0.34
0.070
nền
G0 (1/Hz)
Phương ngang
on rock)
- Đá (Rock)
Cơ sở lý thuyết
7
Cường độ
Phương chuyển động và
Số ghi
Tần số
Tỉ số cản
loại nền
chấn
nền f g (Hz)
nền g
- Bồi tích (Alluvium)
78
4.17
0.46
0.080
- Bồi tích trên đá (Alluvium
29
4.63
0.46
0.072
13
6.18
0.46
0.053
nền
G0 (1/Hz)
Phương đứng
on rock)
- Đá (Rock)
Hình 2.2. Phổ năng lượng Kanai Tajimi cho chuyển động nền phương ngang
‒ bồi tích (alluvium), bồi tích trên đá (alluvium on rock) và đá (rock)
