Tổng quan nghiên cứu

Động đất là hiện tượng thiên nhiên gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản trên toàn cầu, trong đó Việt Nam cũng không nằm ngoài vùng ảnh hưởng. Từ năm 2005 đến nay, số trận động đất tại Việt Nam có xu hướng gia tăng, với khoảng 10 trận mỗi năm, trong đó có những trận động đất có cường độ lên đến 5,3 độ Richter như trận động đất ngoài khơi Vũng Tàu-Phan Thiết năm 2007. Động đất gây ra sự dịch chuyển nền đất ở đáy móng công trình, tạo ra sự tương tác phức tạp giữa kết cấu và đất nền gọi là tương tác đất-kết cấu (SSI - soil-structure interaction). Việc mô phỏng và phân tích chính xác phản ứng của kết cấu chịu động đất có xét đến SSI là rất cần thiết để nâng cao độ an toàn và hiệu quả thiết kế công trình.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là so sánh độ chính xác và sai lệch của hai phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần chuẩn (SPA) và phân tích đẩy dần sử dụng lực ngang có xét đến các dạng dao động cao (MPA) với phương pháp phân tích phi tuyến chính xác theo miền thời gian (NL_RHA). Nghiên cứu tập trung vào các kết quả về chu kỳ dao động, chuyển vị đỉnh, độ trôi tầng và nội lực của kết cấu khung thép phẳng chịu địa chấn, trong hai trường hợp có và không xét đến tương tác SSI. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các khung thép phẳng 3, 6 và 9 tầng, sử dụng dữ liệu gia tốc nền động đất với xác suất xuất hiện 2% và 10% trong 50 năm, phân tích bằng phần mềm mã nguồn mở Opensees Navigator.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển và đánh giá các phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến trong thiết kế kết cấu chịu động đất có xét đến biến dạng nền. Về thực tiễn, kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ chính xác trong dự báo phản ứng địa chấn của công trình, từ đó cải thiện an toàn và tối ưu hóa thiết kế kết cấu khung thép tại Việt Nam và các vùng có nguy cơ động đất tương tự.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình phân tích kết cấu chịu động đất sau:

  • Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần chuẩn (SPA): Phương pháp này sử dụng tải trọng ngang tăng dần theo dạng dao động cơ bản của kết cấu để xác định mối quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị đỉnh. SPA chỉ xét dạng dao động đầu tiên, phù hợp với các công trình thấp tầng nhưng có hạn chế khi áp dụng cho công trình cao tầng do không xét đến các dạng dao động cao hơn.

  • Phương pháp phân tích đẩy dần sử dụng lực ngang có xét đến các dạng dao động cao (MPA): Được phát triển bởi Chopra và Goel, MPA mở rộng SPA bằng cách kết hợp các dạng dao động cao hơn trong phân tích, giúp cải thiện độ chính xác trong dự đoán phản ứng địa chấn của các công trình nhiều tầng. MPA vẫn giữ ưu điểm đơn giản, dễ thực hiện nhưng cho kết quả gần với phân tích phi tuyến theo miền thời gian.

  • Phương pháp phân tích phi tuyến theo miền thời gian (NL_RHA): Đây là phương pháp phân tích động học chính xác nhất, sử dụng dữ liệu gia tốc động đất theo thời gian để tính toán phản ứng không đàn hồi của kết cấu. NL_RHA cung cấp thông tin chi tiết về nội lực, chuyển vị và biến dạng trong suốt quá trình động đất, tuy nhiên yêu cầu tính toán cao.

  • Mô hình tương tác đất-kết cấu (SSI) với mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler (BNWF): Mô hình BNWF mô phỏng đất nền bằng các lò xo phi tuyến không đàn hồi theo phương ngang và phương đứng, phản ánh ứng xử phi tuyến và không đàn hồi của đất nền. Mô hình này cho phép mô phỏng chính xác sự tương tác giữa kết cấu móng và đất nền, ảnh hưởng đến chu kỳ dao động và nội lực của kết cấu.

Các khái niệm chính bao gồm: chu kỳ dao động tự nhiên, chuyển vị đỉnh, độ trôi tầng, nội lực khung, SSI, mô hình vật liệu QzSimple1, PySimple1, TzSimple1 trong mô hình BNWF.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được sử dụng là các bộ gia tốc nền động đất thực tế với xác suất xuất hiện 2% và 10% trong 50 năm, lấy từ các trận động đất tại California và Việt Nam. Các mô hình kết cấu khung thép phẳng 3, 6 và 9 tầng được xây dựng trong phần mềm Opensees Navigator, một phần mềm mã nguồn mở chuyên dụng cho phân tích động đất kết cấu.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần chuẩn (SPA) và phân tích đẩy dần theo dạng dao động cao (MPA) để xác định phản ứng kết cấu dưới tải trọng động đất giả định.

  • Phân tích phi tuyến theo miền thời gian (NL_RHA) để làm chuẩn so sánh, tính toán phản ứng động đất chính xác nhất.

  • So sánh kết quả chu kỳ dao động, chuyển vị đỉnh, độ trôi tầng và nội lực giữa các phương pháp, trong hai trường hợp có và không xét đến tương tác SSI.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm ba mô hình khung thép với số tầng khác nhau, mỗi mô hình được phân tích với hai bộ gia tốc nền động đất. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng số học dựa trên dữ liệu thực nghiệm và mô hình vật liệu đã được kiểm chứng. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian khóa học cao học 2015-2017, với các bước xây dựng mô hình, phân tích và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của SSI đến chu kỳ dao động: Chu kỳ dao động tự nhiên của các khung thép tăng đáng kể khi xét đến tương tác SSI, đặc biệt với công trình thấp tầng. Ví dụ, khung 3 tầng có chu kỳ dao động tăng khoảng 30-40% khi xét SSI, trong khi khung 9 tầng tăng khoảng 10-15%. Điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Vardanega và Stewart, cho thấy SSI làm kéo dài chu kỳ dao động do đất nền yếu làm giảm độ cứng tổng thể của hệ.

  2. So sánh chuyển vị đỉnh giữa các phương pháp: Phương pháp MPA cho kết quả chuyển vị đỉnh gần với phương pháp NL_RHA hơn so với SPA. Sai số chuyển vị đỉnh giữa MPA và NL_RHA trong các khung 3, 6 và 9 tầng dao động trong khoảng 5-12%, trong khi sai số của SPA có thể lên đến 20-25%, đặc biệt khi không xét SSI. Khi xét SSI, sai số của SPA giảm nhưng vẫn lớn hơn MPA.

  3. Độ trôi tầng và nội lực khung: Độ trôi tầng trung bình và nội lực khung giảm khi xét đến SSI, với mức giảm nội lực chân cột lên đến 30-70% tùy chiều cao công trình. Đặc biệt, các công trình cao tầng có sự giảm moment chân cột rõ rệt khi xét SSI, giúp giảm nguy cơ phá hoại móng và tăng độ bền kết cấu.

  4. Ảnh hưởng của dạng dao động cao trong MPA: Việc xét đến các dạng dao động cao hơn trong MPA giúp cải thiện độ chính xác trong dự đoán phản ứng động đất, đặc biệt với các công trình cao tầng có chu kỳ dao động dài. MPA cho phép mô phỏng chính xác hơn sự phân bố biến dạng và nội lực so với SPA chỉ xét dạng dao động đầu tiên.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng chu kỳ dao động khi xét SSI là do đất nền yếu làm giảm độ cứng tổng thể của hệ kết cấu, kéo dài thời gian dao động và làm thay đổi phân bố nội lực. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và trong nước, khẳng định tầm quan trọng của việc xét SSI trong phân tích động đất.

Sự khác biệt về chuyển vị đỉnh giữa các phương pháp phản ánh hạn chế của SPA trong việc mô phỏng phản ứng phi tuyến phức tạp của kết cấu, đặc biệt khi không xét đến các dạng dao động cao. MPA với việc kết hợp nhiều dạng dao động giúp mô phỏng chính xác hơn, gần với kết quả phân tích phi tuyến theo miền thời gian NL_RHA, vốn được xem là chuẩn vàng.

Việc giảm nội lực và độ trôi tầng khi xét SSI cho thấy tương tác đất-kết cấu có thể làm giảm áp lực lên kết cấu móng và các phần tử chịu lực, từ đó nâng cao độ bền và an toàn của công trình. Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc thiết kế móng và kết cấu cần được điều chỉnh phù hợp để tận dụng hiệu quả tương tác này.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh chu kỳ dao động, chuyển vị đỉnh và độ trôi tầng giữa các phương pháp với và không xét SSI, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của SSI và độ chính xác của từng phương pháp phân tích.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp MPA trong thiết kế kết cấu chịu động đất: Khuyến nghị sử dụng phương pháp phân tích đẩy dần có xét đến các dạng dao động cao (MPA) để đánh giá phản ứng địa chấn của các công trình khung thép từ 3 đến 9 tầng, nhằm nâng cao độ chính xác và an toàn thiết kế. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án thiết kế hiện tại và tương lai.

  2. Xem xét tương tác đất-kết cấu (SSI) trong phân tích và thiết kế móng: SSI ảnh hưởng đáng kể đến chu kỳ dao động và nội lực kết cấu, do đó cần được tích hợp trong quy trình thiết kế móng và kết cấu để tối ưu hóa vật liệu và đảm bảo an toàn. Chủ thể thực hiện: các kỹ sư thiết kế và tư vấn kết cấu.

  3. Sử dụng phần mềm mã nguồn mở Opensees Navigator cho phân tích động đất: Phần mềm này hỗ trợ đa dạng mô hình vật liệu và phần tử, phù hợp để giải quyết bài toán SSI phức tạp với chi phí thấp. Khuyến nghị đào tạo và áp dụng rộng rãi trong các trung tâm nghiên cứu và công ty tư vấn xây dựng.

  4. Nâng cao năng lực tính toán và nghiên cứu về SSI tại Việt Nam: Đề xuất tăng cường nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng SSI phù hợp với điều kiện đất đai và công trình Việt Nam, đồng thời cập nhật tiêu chuẩn thiết kế để phản ánh chính xác hơn ảnh hưởng của SSI. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học và cơ quan quản lý xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và móng: Luận văn cung cấp phương pháp và dữ liệu thực tiễn để cải thiện thiết kế kết cấu chịu động đất, đặc biệt là trong việc xét đến tương tác đất-kết cấu, giúp tối ưu hóa vật liệu và nâng cao an toàn.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng: Tài liệu chi tiết về các phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến và mô hình vật liệu đất nền cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để phát triển nghiên cứu sâu hơn về động đất và SSI.

  3. Cơ quan quản lý xây dựng và tiêu chuẩn: Kết quả nghiên cứu giúp cập nhật và hoàn thiện các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, đặc biệt là tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006, nhằm phù hợp với điều kiện thực tế và nâng cao hiệu quả phòng chống động đất.

  4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp phân tích kết cấu chịu động đất, mô hình SSI và ứng dụng phần mềm Opensees, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp phân tích đẩy dần chuẩn (SPA) và MPA khác nhau như thế nào?
    SPA chỉ xét dạng dao động đầu tiên của kết cấu, trong khi MPA kết hợp nhiều dạng dao động cao hơn, giúp mô phỏng chính xác hơn phản ứng động đất của công trình cao tầng. Ví dụ, MPA giảm sai số chuyển vị đỉnh so với SPA từ khoảng 20% xuống còn dưới 12%.

  2. Tại sao cần xét đến tương tác đất-kết cấu (SSI) trong phân tích động đất?
    SSI ảnh hưởng đến chu kỳ dao động, chuyển vị và nội lực của kết cấu. Không xét SSI có thể dẫn đến đánh giá sai lệch, làm giảm độ an toàn hoặc gây lãng phí vật liệu. Ví dụ, SSI làm tăng chu kỳ dao động lên đến 40% với công trình thấp tầng.

  3. Phần mềm Opensees Navigator có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Opensees Navigator là phần mềm mã nguồn mở, hỗ trợ đa dạng mô hình vật liệu và phần tử, đặc biệt phù hợp để mô phỏng SSI với mô hình BNWF. Nó giúp giải quyết bài toán phức tạp với chi phí thấp và giao diện đồ họa thân thiện.

  4. Phân tích phi tuyến theo miền thời gian (NL_RHA) có ưu điểm gì?
    NL_RHA cung cấp kết quả chính xác nhất về phản ứng động đất, bao gồm chuyển vị, nội lực và biến dạng theo thời gian thực, giúp phát hiện điểm yếu của kết cấu. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu tính toán phức tạp và thời gian xử lý lâu hơn.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho loại công trình nào?
    Nghiên cứu tập trung vào khung thép phẳng từ 3 đến 9 tầng chịu tải trọng động đất theo phương ngang, phù hợp với các công trình dân dụng và công nghiệp vừa và nhỏ tại các vùng có nguy cơ động đất trung bình đến cao.

Kết luận

  • Luận văn đã so sánh thành công độ chính xác của phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến SPA và MPA với phương pháp phân tích phi tuyến theo miền thời gian NL_RHA trong phân tích khung thép chịu động đất có xét đến SSI.
  • Kết quả cho thấy MPA có độ chính xác cao hơn SPA, đặc biệt với công trình nhiều tầng và khi xét đến tương tác đất-kết cấu.
  • Tương tác SSI làm tăng chu kỳ dao động, giảm nội lực và độ trôi tầng, ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế kết cấu và móng.
  • Phần mềm Opensees Navigator là công cụ hiệu quả để mô phỏng SSI và phân tích động đất phi tuyến.
  • Đề xuất áp dụng MPA và xét SSI trong thiết kế kết cấu chịu động đất tại Việt Nam, đồng thời phát triển nghiên cứu và cập nhật tiêu chuẩn thiết kế phù hợp.

Next steps: Triển khai áp dụng phương pháp MPA và mô hình SSI trong các dự án thiết kế thực tế, đào tạo kỹ sư sử dụng phần mềm Opensees, và tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các loại kết cấu khác.

Call-to-action: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao độ an toàn và hiệu quả thiết kế kết cấu chịu động đất, đồng thời đóng góp ý kiến để hoàn thiện tiêu chuẩn xây dựng trong tương lai.