Nghiên Cứu Tác Động Của Sự Tương Tác Cọc Và Nền Đến Phản Ứng Động Của Kết Cấu Nhà Nhiều Tầng

Việc xem xét tương tác cọc nền là rất quan trọng. Điều này đặc biệt đúng với các công trình có yêu cầu thiết kế đặc biệt, nơi ảnh hưởng của tương tác nền móng cần được xem xét cẩn thận và đầy đủ. Nghiên cứu này nhằm cung cấp một cái nhìn hoàn chỉnh hơn về ứng xử của toàn bộ hệ thống kết cấu khi chịu động đất, một vấn đề đã được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới nhưng vẫn cần được phân tích sâu hơn ở Việt Nam. Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của sự tương tác cọc và nền lên phản ứng của kết cấu nhà nhiều tầng chịu động đất, nhằm mục tiêu thiết kế kháng chấn tốt hơn.

Khi động đất xảy ra, sóng địa chấn làm công trình rung lắc và gây ra sự dịch chuyển ở đáy móng. Điều này có thể thay đổi đặc trưng của kết cấu, đặc biệt nếu động đất mạnh (Lương Minh Sang, 2014). Bài toán đặt ra là: liệu kết cấu thượng tầng và hệ nền móng có làm việc đồng thời và tương tác lẫn nhau trong quá trình chịu tải, đặc biệt là tải trọng động? Sự dao động của kết cấu dưới tác nhân động học tạo ra dịch chuyển ở đáy móng, dẫn đến trao đổi năng lượng và tương tác giữa kết cấu và hệ nền móng.

Có nhiều phương pháp mô hình hóa tương tác cọc nền, từ các phương pháp đơn giản như sử dụng lò xo để mô phỏng độ cứng của đất đến các phương pháp phức tạp hơn như sử dụng mô hình phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng chi tiết ứng xử của đất và cọc. Lựa chọn phương pháp nào phụ thuộc vào độ chính xác yêu cầu, nguồn lực tính toán và mức độ hiểu biết về đặc tính của đất.

Độ tin cậy của các mô hình tính toán tương tác cọc nền phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ chính xác của các thông số đầu vào (ví dụ: đặc tính của đất, đặc tính của vật liệu), khả năng của mô hình trong việc mô phỏng ứng xử thực tế của hệ thống, và kinh nghiệm của người sử dụng mô hình. Việc kiểm chứng mô hình bằng các kết quả thí nghiệm hoặc số liệu thực tế là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của kết quả tính toán.

Để đơn giản hóa bài toán, nền đất và cọc được mô hình hóa bằng các lò xo có độ cứng tương đương. Độ cứng của các lò xo được xác định dựa trên các công thức lý thuyết và các thông số địa kỹ thuật của nền đất. Mô hình này cho phép xét đến ảnh hưởng của độ cứng đất và ứng xử của cọc đến ứng xử tổng thể của kết cấu.

Bài toán động lực học được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn và rời rạc hóa theo miền thời gian bởi phương pháp tích phân từng bước Newmark, được tích hợp trong mô đun phân tích động của phần mềm SAP2000. Phương pháp này cho phép xác định ứng xử của kết cấu theo thời gian dưới tác dụng của gia tốc nền động đất.

Khi công trình chịu động đất có liên kết nút thì chu kì có tăng lên với sự khác biệt lớn nhất có thể lên tới 42%; chuyển vị đỉnh của kết cấu có thể tăng lên, một số trường hợp có thể tăng tới 2 lần. Kết quả cho thấy sự khác biệt lớn về chu kỳ dao động và chuyển vị đỉnh giữa mô hình có và không có xét đến tương tác.

Lực cắt và mô men tại chân cột có sự chênh lệch rất lớn, sự chênh lệch này lên tới vài lần khi xét đến tương tác. Điều này cho thấy tương tác có thể ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất và biến dạng trong kết cấu, đặc biệt là tại các vị trí quan trọng như chân cột.

Hướng phát triển của nghiên cứu này bao gồm việc sử dụng các mô hình phức tạp hơn cho nền đất, xét đến ứng xử phi tuyến của vật liệu, và thực hiện các thí nghiệm để kiểm chứng các kết quả tính toán. Ngoài ra, cần nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của tương tác cọc nền đến tuổi thọ công trình và các giải pháp thiết kế để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của tương tác.

Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong thiết kế kháng chấn để tối ưu hóa kích thước cọc, bố trí cọc và độ cứng của kết cấu, nhằm đảm bảo an toàn và ổn định của công trình khi chịu động đất. Cần có các tiêu chuẩn và quy trình thiết kế rõ ràng để hướng dẫn các kỹ sư trong việc xem xét tương tác cọc nền trong thiết kế.