CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Việc đánh giá kết cấu chịu địa chấn có xét phân tích phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu được xem là một trong những phân tích quan trọng cũng như là đánh giá mức độ an toàn của kết cấu. Hiện nay có rất nhiều phương pháp để phân tích phi tuyến kết cấu chịu địa chấn trong đó phương pháp phân tích phản ứng phi tuyến theo miền thời gian NL-RHA (Nonlinear Respone History Analysis) được xem như là một công cụ để đánh giá đáp ứng của kết cấu một cách chính xác. Tuy nhiên, phương pháp này rất phức tạp, tốn nhiều tài nguyên… vì vậy, khó áp dụng trong thực tế tính toán. Để khắc phục nhược điểm trên, nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đang cố gắng phát triển nhiều phương pháp phân tích hợp lý hơn để có thể đạt được sự cân bằng thỏa đáng giữa độ tin cậy và tính ứng dụng cho việc sử dụng thiết kế hàng ngày.
Do đó, các phương pháp gần đúng, gọi là phương pháp tĩnh phi tuyến (NSPs) được bắt nguồn từ lý thuyết động học công trình đã được phát triển như là một sự lựa chọn thay thế cho phương pháp chính xác NL-RHA. Một số các phương pháp tĩnh phi tuyến được tiêu chuẩn trong FEMA-356 (ASCE, 2000) và ATC-40 (ATC, 1996) bằng cách mô phỏng kết cấu chịu tải ngang theo chiều cao tăng dần cho đến khi đạt được chuyển vị mục tiêu đã xác định trước. Chuyển vị mục tiêu được xác định từ sự biến dạng của hệ một bậc tự do (SDF) tương đương. Tuy nhiên, các phương pháp NSPs dựa trên các mẫu tải bất biến cho ta đánh giá phản ứng địa chấn chính xác chỉ cho các công trình khung thấp và trung tầng, nơi đóng góp của các phản ứng của các dạng dao động cao hơn là không đáng kể và có thể bỏ qua.
Để khắc phục hạn chế này, một phương pháp cải tiến phương pháp tĩnh phi tuyến, được gọi là phương pháp phân tích tĩnh sử dụng lực ngang dựa trên dạng dao động có xét đến đóng góp của các dạng dao động cao MPA (phương pháp phân tích đẩy dần theo dạng dao động), được đề xuất bởi Chopra và Goel (2001) [1]. 1 Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp MPA (Modal pushover analysis) là phương pháp tĩnh sử dụng các lực ngang tương đương và có xét đến các dạng dao động bậc cao và phương pháp phân tích phản ứng phi tuyến theo miền thời gian NL-RHA (Nonlinear Respone History Analysis) để so sánh, đánh giá kết quả khung bê tông cốt thép chịu địa chấn.1 Phi tuyến hình học Khi kết cấu làm việc trong miền phi tuyến thì ứng xử của nó hoàn toàn khác với kết cấu làm việc trong miền đàn hồi. Vì khi đó ma trận độ cứng thu được khác với ma trận độ cứng ban đầu do có thêm các ẩn số chuyển vị. Khác với phân tích tuyến tính, phân tích phi tuyến hình học thường cần đến một thủ tục lặp trong cách gia tải từng bước do sự thay đổi hình học của kết cấu không được biết khi thành lập phương trình cân bằng và quan hệ động học cho bước tính toán hiện tại.
Rõ ràng, việc phân tích này rất cần thiết khi càng ngày càng có nhiều kết cấu có độ mảnh lớn, làm bằng vật liệu nhẹ có cường độ cao. Phân tích phi tuyến hình học thường được thực hiện theo hai phương pháp: phương pháp dầm - cột dùng hàm ổn định và phương pháp phần tử hữu hạn dùng khái niệm năng lượng.2 Phi tuyến vật liệu Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về ứng xử không đàn hồi của khung thép. Theo đó khung thép bị phá hoại phụ thuộc vào sự mất ổn định của toàn kết cấu và các cấu kiện cấu thành hệ khung bị chảy dẻo khi chịu tải tác dụng. Phân tích phi tuyến vật liệu là phân tích có kể đến ứng xử không đàn hồi của vật liệu, khi đó quan hệ ứng suất và biến dạng không còn là hàm tuyến tính.
Có nhiều phương pháp khác nhau chủ yếu dựa vào hai phương pháp chính trong phân tích kết cấu không đàn hồi là phương pháp khớp dẻo và phương pháp vùng dẻo. Trong phương pháp khớp dẻo đơn giản, phần tử được giả thuyết vẫn còn đàn hồi giữa các đầu mút của nó. Khi sự chảy dẻo của mặt cắt ngang được tìm thấy sẽ có một khớp dẻo được đặt tại đầu múc chảy dẻo. Những khớp dẻo này được xem là khớp lý tưởng trong thuật toán gia tăng với moment uốn không đổi trong bước tải kế tiếp.
Khác với phương pháp khớp dẻo, phương pháp vùng dẻo được biết đến với sự chính xác và tính phức tạp của nó. 2 Phương pháp vùng dẻo chia mặt cắt ngang của phần tử thành nhiều thớ để mô hình hóa sự chảy dẻo qua mặt cắt ngang, trong khi đó nhiều phần tử hữu hạn được sử dụng dọc theo chiều dài mỗi cấu kiện khung để giả lập sự chảy dẻo dọc theo chiều dài. Mô hình vật liệu phân tích dùng trong nghiên cứu được biểu diễn ở Hình 1.1 Mô hình vật liệu đàn - dẻo tái bền tuyến tính.2 Tình hình nghiên cứu của đề tài 1.1 Tình hình nghiên cứu của thế giới STT TÊN ĐỀ TÀI NỘI DUNG TÁC GIẢ NĂM 1 A fiber beam- Đề xuất mô hình phần tử Fabio F. 1991 column element hữu hạn dầm-cột cho các Taucer và for seismic phần tử bê tông dưới điều Enrico response analysis kiện tải tuần hoàn trong đó Spacone và of reinforced bao gồm uốn 2 trục và lực Filip C.
concrete structure dọc trục. Các phần tử được Filippou [2] chia thành các thớ bê tông và thép được gán với quan hệ ứng suất - biến dạng của từng mặt cắt tương ứng cuả từng thớ. 3 2 Dynamic analysis Sử dụng mô hình song E.Lui 1997 and response of tuyến tính có xét đến độ and semi-rigid frames mềm liên kết, phi tuyến A.Lopes [3] hình học và phi tuyến vật liệu bằng phương pháp Runge- Kutta bậc 4. Tác giả nhận thấy phi tuyến liên kết và phi tuyến hình học làm gia tăng chu kỳ dao động của khung trong phương pháp phổ phản ứng.
3 A modal pushover Mô phỏng quá trình phân Anil K. 2001 analysis procedure tích đẩy dần dựa trên lý Chopra và for estimating thuyết động lực học bằng Rakesh K. seismic demands cách phân bố lực quán tính Goel [1] for buildings theo từng mode dao động. Và kết quả phảnứng không đàn hồi đỉnh của phân tích này được so sánh với kết quả của phân tích phi tuyến theo miền thời gian.
4 Distributed Dùng mô hình dẻo phân bố Philip 2000 plasticity analysis dưới dạng phần tử shell Avery, of steel frame bằng phần mềm ABAQUS Maher structures để so sánh với các phương Mahendran comprising non- pháp phân tích nâng cao [4] compact sections khác có xét đến phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu và mất ổn định cục bộ. 4 5 Evaluation of The Sử dụng phương pháp đẩy Chatpan 2003 Modal Pushover dần cho việc phân tích có Chintanapa Analysis đến các mode dao động bậc kdee Procedure Using cao của nhà nhiều tầng từ và Vertically hệ một bậc tự do. Và kết Anil K. “Regular” and quả độ trôi tầng của phương Chopra [5] Irregular Generic pháp này được so sánh với Frames phương pháp phân tích theo miền thời gian.
6 Nonlinear analysis Đề xuất phương pháp khớp Cuong Ngo- 2007 of space steel thớ dùng hàm ổn định phân Huu, Seung frames using fiber tích ma trận độ cứng kết – Eoch plastic hinge cấu để giải quyết bài toán Kim, Junny- concept khung không đàn hồi, xét Ryul Oh [6] phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu (vật liệu đàn dẻo lý tưởng). 7 Assessment of Dùng phương pháp modal Chatpan 2009 modal pushover pushover analysis(MPA) để Chintanapa analysis procedure phân tích khung chịu kdee, An for seismic moment. Kết quả được so Hong evaluation of sánh với phương pháp non- Nguyen and buckling– linear response history Toshiro restrained braced analysis (NL-RHA). Dùng Hayashikaw frames phương pháp MPA để tìm ab [7] chuyển vị mái và độ trôi tầng của khung.
8 Assessment of Dùng phương pháp tĩnh phi An Hong 2010 current nonlinear tuyến (NSPs) để dự đoán Nguyen, static procedures các yêu cầu địa chấn trong Chatpan for seismic thiết kế và sự đánh giá các Chintanapa 5 evaluation of tòa nhà. Kiểm tra tương đối kdee, and BRBF buildings sự dịch chuyển và độ chính Toshiro xác của mô hình. Các dự Hayashikaw đoán NPS được so sánh với a [8] kết quả từ NL-RHA về chuyển vị mục tiêu, chuyển vi mái và độ trôi tầng.2 Tình hình nhiên cứu ở Việt Nam STT TÊN ĐỀ TÀI NỘI DUNG TÁC GIẢ NĂM 1 Phân tích vùng dẻo Xét đến độ mềm liên kết Ngô Hữu 2003 phi tuyến hình học bằng cách hiệu chỉnh lại ma Cường [9] cho khung thép trân độ cứng phần tử. Dùng phẳng bằng phương phương pháp phần tử hữu pháp phần tử hữu hạn để giải quyết bài toán hạn có kể đến phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu.
2 Phân tích phản ứng Sử dụng hàm ổn định để Bùi Lâm 2004 động đất khung mô phỏng sự thay đổi độ [10] nhiều tầng liên kết cứng phần tử, dùng phương nửa cứng pháp tĩnh lực ngang tương đương để gán tải động đất và dùng phương pháp Runge-cutta bậc 4 để giải phương trình động lực học. 3 Ảnh hưởng liên kết Sử dụng mô hình liên kết Phạm Quốc 2005 nửa cứng đến ứng xử nửa cứng của Kishi-Chen Lâm [11] động lực học của và xét khung chịu tải gió khung thép tĩnh và động. 4 Phân tích động lực Dùng mô hình ba thông số Nguyễn 2008 học khung thép liên của Kishi – Chen và Ngọc 6 kết nửa cứng dùng phương pháp hệ số ngàm Dương [12] hàm dạng siêu việt. liên kết, dùng hàm dạng siêu việt để thiết lập ma trận độ cứng phần tử.
5 Phân tích phi tuyến Thiết lập một phần tử hữu Đoàn Ngọc 2010 khung thép phẳng hạn không đàn hồi có khả Tịnh chịu tác dụng động năng mô phỏng sự lan Nghiêm đất. truyền dẻo qua mặt cắt [13] ngang và dọc theo chiều dài cấu kiện ứng suất dư, phi tuyến hình học. Sử dụng thuật toán Newmark-β để giải hệ phương trình động học. 6 Phân tích phi tuyến Áp dụng lý thuyết phần tử Trương Thị 2011 khung thép phẳng hữu hạn xây dựng ma trận Mỹ Hạnh bằng phương pháp độ cứng mô phỏng ứng xử [14] hiệu chỉnh trực tiếp phi tuyến hình học, phi ma trận độ cứng tuyến vật liệu, ứng suất dư, sai lệch hình học, và ảnh hưởng củabiến dạng trượt cho một phần tử hữu hạn.
Đồng thời xây dựng ma trận độ cứng có độ cứng giảm dần qua từng bước gia tăng tải thông qua các hệ số suy giảm chịu ảnh hưởng trực tiếp từ moment, lực dọc, và lực cắt.
