I. Giới thiệu chung
Phân tích tĩnh phi tuyến khung thép chịu địa chấn với biến dạng nền là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng. Động đất là hiện tượng thiên nhiên gây thiệt hại lớn cho người và tài sản. Khi động đất xảy ra, sự dịch chuyển nền đất tạo ra tương tác giữa kết cấu và đất nền, gọi là SSI (soil-structure interaction). Nghiên cứu này sử dụng mô hình BNWF (Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) để phân tích kết cấu. Phương pháp SPA (Standard Pushover Analysis) và MPA (Modal Pushover Analysis) được áp dụng để so sánh với phương pháp NL_RHA (Nonlinear Response History Analysis). Phần mềm Opensees Navigator được sử dụng để mô phỏng và phân tích kết cấu.
1.1 Lý do chọn đề tài
Động đất ngày càng xảy ra nhiều hơn trên thế giới và tại Việt Nam. Từ năm 2005, số lượng trận động đất tăng đáng kể, với cường độ dao động từ 4.7 đến 5.3 độ Richter. Để đánh giá đầy đủ phản ứng của công trình dưới tác động động đất, mô hình tương tác giữa đất nền và kết cấu được xem xét. Nghiên cứu này nhằm phân tích tĩnh phi tuyến khung thép chịu địa chấn có xét biến dạng nền, góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế công trình chịu động đất.
1.2 Lợi ích của đề tài
Nghiên cứu mang lại lợi ích khoa học và thực tiễn. Về khoa học, đề tài phát triển phương pháp tĩnh phi tuyến để dự đoán phản ứng chịu địa chấn của công trình. Về thực tiễn, nghiên cứu góp phần thiết kế công trình an toàn hơn trước tác động động đất, đặc biệt là tại các khu vực có nguy cơ động đất cao.
II. Cơ sở lý thuyết
Nghiên cứu dựa trên các phương pháp phân tích kết cấu chịu động đất, bao gồm phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp phân tích theo phổ phản ứng, và phương pháp phân tích đẩy dần. Phương pháp NL_RHA được sử dụng để so sánh với SPA và MPA. Mô hình BNWF được áp dụng để mô phỏng tương tác giữa đất nền và kết cấu. Các mô hình vật liệu như QzSimple1, PySimple1, và TzSimple1 được sử dụng để mô phỏng phản ứng của đất nền.
2.1 Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến
Phương pháp SPA và MPA được sử dụng để phân tích kết cấu. SPA tập trung vào dạng dao động đầu tiên, trong khi MPA xét đến các dạng dao động bậc cao. Kết quả từ hai phương pháp này được so sánh với NL_RHA để đánh giá độ chính xác. Phương pháp NL_RHA được coi là phương pháp chính xác nhất trong phân tích động đất.
2.2 Mô hình BNWF
Mô hình BNWF được sử dụng để mô phỏng tương tác giữa đất nền và kết cấu. Mô hình này cho phép phân tích phi tuyến của đất nền, giúp dự đoán chính xác hơn phản ứng của kết cấu dưới tác động động đất. Các thông số của mô hình như độ cứng, khả năng chịu kéo, và khoảng cách giữa các lò xo được xác định để đảm bảo độ chính xác của mô phỏng.
III. Mô hình bài toán tương tác đất nền và kết cấu
Nghiên cứu sử dụng mô hình khung thép 3, 6, và 9 tầng để phân tích tương tác giữa đất nền và kết cấu. Mô hình được xây dựng và mô phỏng bằng phần mềm Opensees Navigator. Dữ liệu động đất được sử dụng bao gồm các trận động đất với xác suất 2% và 10% trong 50 năm. Kết quả phân tích bao gồm chu kỳ dao động, chuyển vị, độ trôi tầng, và nội lực của kết cấu.
3.1 Mô hình tính toán
Mô hình khung thép được xây dựng với các thông số kỹ thuật cụ thể. Mô hình bao gồm khung 3, 6, và 9 tầng, được phân tích với và không có xét tương tác SSI. Phần mềm Opensees Navigator được sử dụng để mô phỏng và phân tích kết cấu. Kết quả phân tích được so sánh giữa các phương pháp NL_RHA, SPA, và MPA.
3.2 Dữ liệu động đất
Dữ liệu động đất được sử dụng bao gồm các trận động đất với xác suất 2% và 10% trong 50 năm. Các trận động đất này được chọn để đảm bảo tính đa dạng và độ chính xác của kết quả phân tích. Gia tốc nền của các trận động đất được sử dụng để mô phỏng tác động động đất lên kết cấu.
IV. Đánh giá và phân tích kết quả
Kết quả phân tích cho thấy sự khác biệt giữa các phương pháp NL_RHA, SPA, và MPA. Phương pháp NL_RHA cho kết quả chính xác nhất, trong khi SPA và MPA có độ sai lệch nhất định. Tuy nhiên, MPA cho kết quả gần với NL_RHA hơn so với SPA. Kết quả cũng cho thấy tầm quan trọng của việc xét tương tác SSI trong phân tích kết cấu chịu động đất.
4.1 Chu kỳ dao động
Kết quả phân tích chu kỳ dao động cho thấy sự khác biệt giữa các mô hình có và không xét SSI. Mô hình có xét SSI có chu kỳ dao động dài hơn, phản ánh sự tương tác giữa đất nền và kết cấu. Kết quả này phù hợp với lý thuyết về tương tác SSI.
4.2 Chuyển vị và độ trôi tầng
Chuyển vị và độ trôi tầng của kết cấu được phân tích và so sánh giữa các phương pháp. Kết quả cho thấy MPA cho kết quả gần với NL_RHA hơn so với SPA. Điều này cho thấy MPA là phương pháp hiệu quả hơn trong việc dự đoán phản ứng của kết cấu dưới tác động động đất.
V. Kết luận và kiến nghị
Nghiên cứu đã chỉ ra tầm quan trọng của việc xét tương tác SSI trong phân tích kết cấu chịu động đất. Phương pháp MPA cho kết quả gần với NL_RHA hơn so với SPA, đặc biệt khi xét tương tác SSI. Nghiên cứu cũng khẳng định hiệu quả của mô hình BNWF trong việc mô phỏng tương tác giữa đất nền và kết cấu. Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ chính xác của các phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến.
5.1 Kết luận
Nghiên cứu đã đạt được mục tiêu đề ra, bao gồm việc so sánh độ chính xác của các phương pháp NL_RHA, SPA, và MPA. Kết quả cho thấy MPA là phương pháp hiệu quả hơn trong việc dự đoán phản ứng của kết cấu dưới tác động động đất, đặc biệt khi xét tương tác SSI.
5.2 Kiến nghị
Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ chính xác của các phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến. Ngoài ra, cần mở rộng nghiên cứu để áp dụng các phương pháp này cho các loại kết cấu khác nhau, bao gồm cả kết cấu bê tông và kết cấu hỗn hợp.
