Chương 1 trình bày tổng quan về các vấn đề cơ bản được đặt ra để nghiên cứu sinh tìm hiểu, từ đó định hướng nội dung thực hiện luận án. Chương này trình bày tổng quan về tương tác kết cấu-đất nền dưới tải trọng động đất, về các phương pháp phân tích tương tác kết cấu-đất nền, về phần tử vĩ mô của phương pháp lai và về thực nghiệm nghiên cứu tương tác kết cấu-đất nền. Chương 2 trình bày nội dung nghiên cứu lý thuyết về việc đề xuất phần tử vĩ mô để thay thế cho hệ móng-đất nền phù hợp với phân tích tải trọng động đất. Thành lập hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ móng-đất nền và kết cấu phần trên-móng-đất nền.
4 Chương 3 trình bày nội dung nghiên cứu thực nghiệm bàn rung tương tác kết cấu- đất nền dưới tải trọng động đất với trường hợp có và không có kết cấu phần trên. Chương 4 trình bày kết quả phân tích ứng xử của hệ kết cấu-đất nền dưới tải trọng động đất bằng hệ phương trình đã được xây dựng trong Chương 2. Kết quả phân tích lý thuyết được so sánh với kết quả thí nghiệm trong Chương 3. Phần Kết luận trình bày tóm tắt kết quả chính mà luận án đã thực hiện, các đóng góp mới của luận án.
Đồng thời cũng nêu ra một số vấn đề chưa được giải quyết và cần thực hiện ở các nghiên cứu tiếp theo. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN 1.1 Lý thuyết tương tác kết cấu-đất nền 1.1 Khái niệm Theo quan điểm của các kỹ sư kết cấu, bằng các giải pháp thiết kế, móng được chôn vào nền nên độ cứng hệ nền-móng rất lớn; trong khi kết cấu có độ cứng rất bé nên được xem như một lá mỏng (Hình 1. Theo quan điểm của các kỹ sư địa kỹ thuật, kết cấu được chủ động chế tạo để đủ khả năng chịu lực nên có độ cứng rất lớn, trong khi móng đặt trên nền đất làm nhiệm vụ nâng đỡ kết cấu nên được xem như một gối mềm (Hình 1. Quan điểm về tương quan giữa độ cứng kết cấu và móng (Grange, 2008): (a) quan điểm của kỹ sư kết cấu, (b) quan điểm của kỹ sư địa kỹ thuật Với quan điểm kết cấu được xem như lá mỏng hoặc móng như một gối mềm, các kỹ sư kết cấu và địa kỹ thuật đã chú tâm đến ý nghĩa của độ cứng từng bộ phận công trình được thiết kế.
Nếu một chuyển động rất bé cũng ảnh hưởng đến ứng xử của lá mỏng hoặc một số gia về lực cũng ảnh hưởng đến gối mềm. Do đó, việc xét ứng xử đồng thời hệ kết cấu, móng và đất nền là hết sức cần thiết.2(a) là mô hình kết cấu được phân tích với giả thiết liên kết cứng với nền mà chưa xét đến chuyển vị ngang, chuyển vị đứng và góc xoay của móng. Giả thiết này chỉ phù hợp trong trường hợp kết cấu có móng ngàm trong nền đá cứng hoặc khi độ cứng tương đối của hệ móng-đất nền là rất cao so với kết cấu phần trên. 6 Dưới tác dụng của tải trọng động đất, lực quán tính trong kết cấu sinh ra lực cắt và mô men tại mặt tiếp xúc móng-đất nền.
Nếu hệ móng-đất nền không phải là cứng tuyệt đối, lực quán tính này gây ra chuyển vị và góc xoay tại chân kết cấu. Với kết cấu có độ mềm cao như tháp mảnh, chuyển vị và góc xoay của móng rất bé so với kết cấu phần trên nên có thể bỏ qua. Ngược lại, với kết cấu có độ cứng lớn như tường chịu cắt, dịch chuyển của móng ảnh hưởng đáng kể đến độ mềm của hệ. Do đó, bỏ qua các ảnh hưởng này sẽ dẫn đến sai số lớn khi đánh giá ứng xử của hệ dưới tải trọng động đất.
Hai hình thức kết cấu liên kết với đất (Kotronis, 2013): (a) liên kết cứng, (b) liên kết đàn hồi Trong thực tế, hầu hết hệ móng-đất nền là không cứng tuyệt đối nên gây ra hai nguồn ảnh hưởng lên phản ứng của hệ: thứ nhất, làm thay đổi chuyển động của chân kết cấu so với mặt đất tự do; thứ hai, ảnh hưởng ngược lại từ phản ứng động của kết cấu truyền vào đất. Yếu tố thứ nhất tạo nên tương tác động mà kết quả bị chi phối phần nhiều từ độ cứng kết cấu, yếu tố thứ hai tạo nên tương tác quán tính do ảnh hưởng của khối lượng công trình, gộp chung cả hai yếu tố trên sẽ tạo thành tương tác kết cấu-đất nền. Theo NIST (2012), thuật ngữ tương tác kết cấu-đất nền (Soil-Structure-Interaction: SSI) hoặc tương tác kết cấu-móng-đất nền (Soil-Foundation-Structure-Interaction: SFSI) đều được sử dụng để mô tả ảnh hưởng này. Để minh họa cho ảnh hưởng của tương tác kết cấu-đất nền, tiến hành khảo sát một ví dụ giản đơn gồm một tường trọng lực liên kết với hệ khung như Hình 1.3(a), kết cấu liên kết cứng với đất nền nên bỏ qua tương tác kết cấu-đất nền.
Dưới tác dụng của động đất, chỉ có vết nứt (đường gạch) xuất hiện trên 7 tường. Trong khi đó, với Hình 1.3(b), hệ đặt trên nền đàn hồi nên xét đến tương tác kết cấu-đất nền. Chuyển vị góc xoay của tường làm phát sinh lực trong hệ khung do chuyển vị lớn gây ra; tường không xuất hiện bất kỳ hư hỏng gì nhưng hệ khung xuất hiện vết nứt tại các vị trí được khoanh tròn. Minh họa ảnh hưởng của việc xét và không xét SSI đến sự xuất hiện vết nứt của hệ (NIST, 2012): (a) trên tường, (b) trên khung (vị trí khoanh tròn) Trong kỹ thuật công trình, bài toán SSI chỉ được xét đến khi điều kiện ở công thức (1.
Trong đó, 𝑉𝑠 là vận tốc sóng cắt, 𝑓 là tần số cơ bản của kết cấu khi coi liên kết cứng với nền, ℎ là chiều cao kết cấu.1) 𝑓ℎ Với các công trình dân dụng dạng khung có chân là liên kết cứng, chu kỳ dao động 1 thường có dạng 𝑇 = = 0,1𝑛, 𝑛 là số tầng của tòa nhà.1) viết lại thành: 𝑓 𝑉𝑠 𝑛 ≤ 200 (1.2) ℎ Trong thực tế, tỷ số tầng (storey ratio) thường lấy ℎ⁄𝑛 = 3 ÷ 3,3 mét. Trường hợp ℎ⁄𝑛 = 3 mét, ta có 𝑉𝑠 ≤ 600 m/s (1.3) Với các công trình có dạng công-xon như trụ cầu, tháp nước, ống khói, trụ tua-bin điện gió, … có mặt cắt ngang đồng chất, chu kỳ cơ bản 𝑇 được xác định bằng công thức (1. Khi đó, công thức (1.2) được viết lại dưới dạng (1.5), 𝑚 là khối lượng trên một đơn vị chiều dài, 𝐸𝐼 là độ cứng chịu uốn của hệ.5) 𝑓ℎ ℎ ℎ ℎ 𝑚 Thực tế thường lấy 𝑉𝑠 ≤ 57580/𝜆𝑠 đối với kết cấu thép và 𝑉𝑠 ≤ 123970/𝜆𝑠 đối với kết cấu bê tông, 𝜆𝑠 = ℎ/𝑟 là tỷ số mảnh của kết cấu, 𝑟 là bán kính quán tính (Chowdhury, 2009).2 Tương tác động và tương tác quán tính dưới tải trọng động đất Khái niệm tương tác động biểu thị cho đặc tính đầu vào của tải trọng động đất mà chưa xét đến sự có mặt của kết cấu nên còn được gọi là chuyển động của đất tự do, Hình 1. Tương tác động là hiện tượng khuếch tán đặc biệt, dẫn đến sự chuyển tiếp về truyền động giữa kết cấu móng và môi trường đất xung quanh.
Trong thực tế, độ cứng của móng khác xa so với độ cứng của đất xung quanh nên dẫn đến sự phản xạ và khúc xạ của sóng tới động đất (incoming seismic wave) khi các sóng này tiếp cận đến mặt tiếp xúc móng-đất nền. Độ lớn ảnh hưởng của hiện tượng này phụ thuộc vào đặc trưng hình học của kết cấu, kích thước móng, độ sâu chôn móng, độ nghiêng của mặt đất tự do và góc tới của sóng động đất. Các tương tác kết cấu-đất nền (Kausel, 1978): (a) mô hình phân tích, (b) tương tác động, (c) tương tác quán tính Để minh họa cho tương tác động, khảo sát trường hợp móng bè như Hình 1. Móng chưa xét đến khối lượng, bị ngăn cản dịch chuyển theo phương đứng do độ cứng đàn hồi của đất, dẫn đến dịch chuyển của móng khác so với dịch chuyển của mặt đất tự do.
Ngoài ra, chuyển động của đất trong khu vực xung quanh và bên dưới móng đều 9 khác so với chuyển động của mặt đất tự do. Sự khác nhau trong chuyển động giữa đất nền và móng so với mặt đất tự do được gọi là tương tác động giữa đất và móng. Tương tự, Hình 1.5(b) là trường hợp sóng cắt lan truyền theo phương đứng bị cản trở bởi phần móng vùi; trong Hình 1.5(c), độ cứng dọc tấm ngăn cản sự dịch chuyển của đất rời bên dưới móng do sóng cắt lan truyền theo phương đứng gây ra; tương tác động cũng bao gồm chuyển vị xoay của móng như Hình 1. Một số tương tác động của móng bè với đất (Datta, 2010): (a) dịch chuyển theo phương đứng, (b) dịch chuyển theo phương ngang, (c) ngăn cản dịch chuyển của đất, (d) chuyển động xoay Hiện tượng tương tác quán tính xuất hiện khi kết cấu đặt trên môi trường đất được kích thích bởi tương tác động.
Tương tác quán tính là kết quả của cặp tương tác động giữa kết cấu và đất nền, Hình 1. Biến dạng của đất làm tăng bậc tự do động của kết cấu. Ngoài ra, đất có thể tiêu tán năng lượng dao động thông qua tính cản lan truyền của sóng động đất khi còn ở xa kết cấu và thông qua biến dạng không đàn hồi. Nếu kể đến tính biến dạng và khả năng tiêu tán năng lượng của đất nền, phản ứng của kết cấu sẽ khác xa so với trường hợp kết cấu có liên kết cứng với đất nền.
Mức độ sai khác này phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa độ cứng của hệ kết cấu và độ cứng của đất nền.3 Ứng xử phi tuyến hệ móng-đất nền dưới tải trọng động đất Trong thực tế tính toán, bên cạnh mô hình kết cấu liên kết cứng với đất nền (Hình 1. Điều này dẫn đến sự khiếm khuyết của mô hình phân tích SSI khi bỏ qua ứng xử phi tuyến của hệ móng-đất nền. Khảo sát hệ kết cấu-đất nền giản đơn như Hình 1.6(a), khi mô men gây quay vượt quá khả năng 10 chống quay sẽ gây ra chuyển vị góc xoay của móng. Kết quả, do biến dạng lớn nên một phần diện tích đáy móng có khả năng tách ra và nhổ lên khỏi mặt tiếp xúc với đất (uplift).
Hiện tượng này được gọi là phi tuyến hình học (geometrical non-linearity), Hình 1. Thực tế đã quan sát được hiện tường này trong các trận động đất đối với trụ tháp, bồn chứa dầu tại Arvin Tehachapi năm 1952, Alaska năm 1964, Imperial Valley năm 1979 (Psycharis, 1983).
