Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu tương tác kết cấu đất nền dưới tác dụng của tải trọng động đất sử dụng phần tử vĩ mô

• Tác giả: Huỳnh Văn Quân
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Xuân Huy
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
• Đề tài: Nghiên Cứu Tương Tác Kết Cấu-Đất Nền Dưới Tác Dụng Của Tải Trọng Động Đất Bằng Phần Tử Vĩ Mô
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CÁM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN
• 1.1.1. Lý thuyết tương tác kết cấu-đất nền
• 1.1.2. Tương tác động và tương tác quán tính dưới tải trọng động đất
• 1.1.3. Ứng xử phi tuyến hệ móng-đất nền dưới tải trọng động đất
• 1.2. Các phương pháp phân tích tương tác kết cấu-đất nền
• 1.2.1. Phương pháp trực tiếp
• 1.2.2. Phương pháp kết cấu phụ
• 1.2.3. Phương pháp lai
• 1.3. Phần tử vĩ mô trong phân tích tương tác kết cấu-đất nền
• 1.3.1. Khái niệm phần tử vĩ mô
• 1.3.2. Một số mô hình phần tử vĩ mô
• 1.4. Các nghiên cứu thực nghiệm về tương tác kết cấu-đất nền chịu động đất
• 1.4.1. Mô hình móng-đất nền
• 1.4.2. Mô hình hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền
• 1.5. Một số nhận xét và đặt vấn đề nghiên cứu
• 2. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ
• 2.1. Các đặc trưng cơ bản của phần tử vĩ mô
• 2.1.1. Véc-tơ lực và véc-tơ chuyển vị
• 2.1.2. Ứng suất chịu nén cực hạn của đất dưới đáy móng
• 2.1.3. Hàm dẻo và quy luật chảy
• 2.1.4. Ma trận độ cứng của phần tử vĩ mô
• 2.2. Mô hình tương tác kết cấu-đất nền bằng phần tử vĩ mô
• 2.2.1. Hệ móng-đất nền
• 2.2.2. Hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền
• 2.3. Tích phân số các phương trình vi phân chuyển động của hệ
• 2.4. Kết luận Chương 2
• 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TƯƠNG TÁC HỆ KẾT CẤU-ĐẤT NỀN DƯỚI TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
• 3.1. Cơ sở thiết kế mô hình thí nghiệm
• 3.2. Thiết lập mô hình thí nghiệm
• 3.2.1. Xác định kích thước mô hình
• 3.2.2. Vật liệu của mô hình
• 3.3. Các thiết bị đo đạc
• 3.4. Quá trình tiến hành thí nghiệm
• 3.5. Kết quả thí nghiệm
• 3.5.1. Hệ móng-đất nền
• 3.5.2. Hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền
• 3.6. Kết luận Chương 3
• 4. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ
• 4.1. Ứng xử chịu động đất của hệ móng-đất nền
• 4.1.1. Các thông số tương đương của mô hình thí nghiệm
• 4.1.2. So sánh kết quả phân tích lý thuyết với thí nghiệm
• 4.2. Ứng xử chịu động đất của hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền
• 4.2.1. Các thông số tương đương của mô hình thí nghiệm
• 4.2.2. So sánh kết quả phân tích lý thuyết với thí nghiệm
• 4.3. Phân tích sự ảnh hưởng của độ cứng 𝑲𝑺 đến ứng xử của kết cấu phần trên
• 4.3.1. Ảnh hưởng của độ cứng 𝑲𝑺 đến gia tốc kết cấu phần trên
• 4.3.2. Ảnh hưởng của độ cứng 𝑲𝑺 đến chuyển vị kết cấu phần trên
• 4.4. Kết luận Chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. MỞ ĐẦU

Nghiên cứu tương tác kết cấu-đất nền dưới tải trọng động đất là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật xây dựng. Đề tài này không chỉ có tính thời sự mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao. Trong bối cảnh Việt Nam, nơi có nhiều trận động đất xảy ra, việc phân tích ứng xử của hệ kết cấu-đất nền là cần thiết. Các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay chưa đề cập đầy đủ đến vấn đề này. Việc nghiên cứu nhằm mục tiêu phát triển các phương pháp phân tích hiệu quả hơn, giúp kỹ sư thiết kế có thể đưa ra các giải pháp an toàn và kinh tế cho công trình. Đặc biệt, việc sử dụng phần tử vĩ mô trong phân tích tương tác kết cấu-đất nền sẽ giúp đơn giản hóa quá trình tính toán mà vẫn đảm bảo tính chính xác.

II. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC KẾT CẤU ĐẤT NỀN

Chương này trình bày lý thuyết về tương tác kết cấu-đất nền, bao gồm các khái niệm cơ bản và các phương pháp phân tích hiện có. Tương tác động và tương tác quán tính dưới tải trọng động đất là hai khía cạnh quan trọng cần được xem xét. Việc ứng xử phi tuyến của hệ móng-đất nền dưới tải trọng động đất cũng được phân tích. Các phương pháp phân tích như phương pháp trực tiếp, phương pháp kết cấu phụ và phương pháp lai được giới thiệu. Đặc biệt, phần tử vĩ mô được xem như một công cụ hữu ích trong việc mô hình hóa tương tác này.

2.1 Lý thuyết tương tác kết cấu đất nền

Lý thuyết tương tác kết cấu-đất nền cung cấp nền tảng cho việc hiểu rõ hơn về cách mà các lực tác động lên kết cấu và đất nền tương tác với nhau. Các yếu tố như độ cứng của đất, loại móng và tải trọng động đất đều ảnh hưởng đến ứng xử của hệ thống. Việc phân tích lý thuyết giúp xác định các thông số quan trọng cho thiết kế công trình.

2.2 Các phương pháp phân tích tương tác kết cấu đất nền

Các phương pháp phân tích tương tác kết cấu-đất nền bao gồm phương pháp trực tiếp, phương pháp kết cấu phụ và phương pháp lai. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp trực tiếp cho phép phân tích chi tiết nhưng tốn thời gian, trong khi phương pháp lai giúp đơn giản hóa nhưng có thể bỏ qua một số yếu tố quan trọng.

III. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Chương này tập trung vào việc phân tích ứng xử của hệ kết cấu-đất nền dưới tải trọng động đất. Các thông số tương đương của mô hình thí nghiệm được xác định và so sánh với kết quả phân tích lý thuyết. Việc phân tích sự ảnh hưởng của độ cứng đến ứng xử của kết cấu phần trên là rất quan trọng. Kết quả cho thấy rằng độ cứng của đất nền có ảnh hưởng lớn đến gia tốc và chuyển vị của kết cấu. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét tương tác giữa đất nền và kết cấu trong thiết kế công trình.

3.1 Ứng xử chịu động đất của hệ móng đất nền

Ứng xử của hệ móng-đất nền dưới tải trọng động đất được phân tích thông qua các thông số tương đương. Kết quả cho thấy rằng sự tương tác giữa móng và đất nền có thể dẫn đến các hiện tượng như lún và nghiêng, ảnh hưởng đến tính ổn định của công trình.

3.2 Ảnh hưởng của độ cứng đến ứng xử của kết cấu

Độ cứng của đất nền có ảnh hưởng lớn đến gia tốc và chuyển vị của kết cấu phần trên. Phân tích cho thấy rằng khi độ cứng tăng, gia tốc và chuyển vị giảm, điều này cho thấy rằng việc lựa chọn loại đất nền phù hợp là rất quan trọng trong thiết kế.

IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc phân tích tương tác kết cấu-đất nền dưới tải trọng động đất là cần thiết và có giá trị thực tiễn cao. Việc sử dụng phần tử vĩ mô giúp đơn giản hóa quá trình tính toán mà vẫn đảm bảo tính chính xác. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thực tế để cải thiện thiết kế công trình, đặc biệt là trong các khu vực có nguy cơ động đất cao. Các kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc mở rộng mô hình để xem xét các yếu tố khác như ảnh hưởng của thời gian và điều kiện địa chất cụ thể.