Đánh giá tổn thương địa chấn của nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực bằng đồ thị trạng thái phá hủy

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này đánh giá tổn thương địa chấn cho công trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực bằng đồ thị trạng thái phá hủy được khảo sát bằng phân tích mô hình số. Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo chi tiết bài viết này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đánh giá tổn thương địa chấn của nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực bằng đồ thị trạng thái phá hủy

BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÁNH GIÁ TỔN THƯƠNG ĐỊA CHẤN CỦA NHÀ THẤP TẦNG KẾT CẤU TƯỜNG GẠCH CHỊU LỰC BẰNG ĐỒ THỊ TRẠNG THÁI PHÁ HỦY Ngô Văn Thuyết1 Tóm tắt: Nhà kết cấu tường gạch chịu lực là một dạng kết cấu phổ biến của công trình dân dụng thấp tầng. Các công trình này thường bị hư hỏng khi chịu tải trọng ngang của các trận động đất. Hư hỏng của công trình ở các trạng thái phá hủy khác nhau phụ thuộc vào độ lớn của các trận động đất. Đồ thị trạng thái phá hủy là một công cụ hữu hiệu để đánh giá tổn thương cho kết cấu công trình chịu tác động động đất. Phương pháp sử dụng đồ thị trạng thái phá hủy để đánh giá hư hỏng cho công trình chịu động đất đã được thực hiện trong nhiều nghiên cứu trên thế giới, nhưng ở Việt Nam có rất ít nghiên cứu về đồ thị trạng thái phá hủy. Trong nghiên cứu này, đánh giá tổn thương địa chấn cho công trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực bằng đồ thị trạng thái phá hủy được khảo sát bằng phân tích mô hình số. Từ khóa: Nhà kết cấu tường gạch chịu lực, đồ thị trạng thái phá hủy, đánh giá tổn thương địa chấn, trạng thái phá hủy. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * phá hủy cho một dạng kết cấu công trình là đồ thị Nhà kết cấu tường gạch chịu lực là một dạng biểu diễn đường xác suất để đánh giá hư hỏng của kết cấu phổ biến của các công trình dân dụng thấp công trình có vượt qua một trạng thái phá hủy cụ tầng ở các nước đang phát triển. Các công trình thể hay không, ứng với một thông số của động đất này có ưu điểm là xây dựng nhanh, chi phí rẻ do (có thể là phổ gia tốc, Sa hoặc phổ chuyển vị, Sd). sử dụng công nghệ thi công đơn giản, truyền Hàm phân phối chuẩn thường được sử dụng để thống và tận dụng được vật liệu địa phương sẵn xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy cho một kết có. Về mặt kết cấu, công trình có thể chịu được tải cấu. Đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu thường trọng theo phương đứng lớn do kết cấu tường được xây dựng theo phương pháp phân tích mô gạch chịu nén tốt, nhưng chúng thường xuất hiện phỏng số thông qua các phần mềm kết cấu. các vết nứt, hư hỏng khi chịu tải trọng ngang do Đánh giá tổn thương công trình chịu động đất kết cấu tường gạch có khả năng chịu kéo và cắt bằng đồ thị trạng thái phá hủy cho một số dạng kết thấp. Khi động đất xảy ra, các công trình kết cấu cấu công trình đã được nghiên cứu trên thế giới tường gạch chịu lực thường bị hư hỏng ở các trạng hơn hai chục năm qua. Phần lớn các nghiên cứu thái phá hủy khác nhau phụ thuộc vào độ lớn của đều đánh giá tổn thương địa chấn cho nhà bê tông các trận động đất. Đánh giá hư hỏng cho nhà thấp cốt thép. Vài năm trở lại đây, một số tác giả đã tầng kết cấu tường gạch chịu lực là một việc làm nghiên cứu đánh giá tổn thương địa chấn cho công cần thiết trong phân tích, đánh giá tổn thương trình nhà kết cấu tường gạch chịu lực ở một số công trình chịu tác động động đất. vùng trên thế giới như (Park et al., 2009), (Thuyet Đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu là một công et al., 2018),.... Tuy nhiên, ở Việt Nam đồ thị cụ hữu hiệu để đánh giá tổn thương địa chấn cho công trình. Theo (FEMA, 2003), đồ thị trạng thái trạng thái phá hủy kết cấu là một khái niệm tương đối mới. Có rất ít nghiên cứu ở Việt Nam về xây 1 Bộ môn Kết cấu công trình, Trường Đại học Thủy lợi dựng đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu để đánh giá KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 25
tổn thương địa chấn cho công trình dân dụng, đặc 2. MÔ TẢ VỀ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU biệt là nhà thấp tầng kết cấu tường chịu lực. Một công trình nhà thấp tầng kết cấu tường Trong nghiên cứu này, đánh giá tổn thương địa gạch chịu lực với các thông số về kích thước và chấn cho một công trình nhà thấp tầng kết cấu vật liệu giả định được lựa chọn nghiên cứu. Công tường gạch chịu lực sử dụng đồ thị trạng thái phá trình gồm ba tầng có các tường gạch đôi chịu lực hủy được khảo sát bằng phân tích mô phỏng số dày 220 mm và sàn bê tông cốt thép dày 120 thông qua phần mềm SAP2000. Các trạng thái phá mm. Chiều cao mỗi tầng là 3,0 m. Mỗi tầng có hủy của công trình được xác định thông qua một cửa ra vào kích thước 1,0 x 2,0 m và một ngưỡng chuyển vị tương đối từng tầng dựa trên cửa sổ kích thước 1,0 x 1,5 m. Phần mái công phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu. Từ đó, đồ thị trình có kết cấu vì kèo đỡ và lợp mái ngói. Thông trạng thái phá hủy được xây dựng để đánh giá tổn số kích thước hình học của công trình được thể thương địa chấn cho công trình. hiện trong Hình 1. 1 2 3 4 A B C A B C a) Mặt bằng tầng điển hình b) Mặt cắt A-A Hình 1. Thông số hình học của công trình 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÔNG TRÌNH cứu thực nghiệm của các nghiên cứu trước. Phần Công trình được xây dựng mô phỏng không mái công trình có kết cấu vì kèo đỡ nên trong mô gian bằng phần mềm SAP2000 v15. Tường gạch phỏng quy đổi thành tải trọng phân phối đặt lên (khối xây) được xây từ gạch đất sét nung và vữa tường chịu lực. vôi. Trong mô phỏng số, khối xây được mô phỏng Các nghiên cứu thực nghiệm trước đây hầu bằng phần tử tấm phi tuyến nhiều lớp thông qua hết đều đi xác định ứng xử nén-kéo của kết ứng xử ứng xử đứng (S11), ứng xử ngang (S22) và cấu tường gạch theo phương vuông góc với ứng xử cắt (S12) như Hình 2 (Bilgin, Korini, chiều đặt viên gạch (S 11 ), rất ít nghiên cứu xác 2012). Các ứng xử này là đặc tính cơ học chung định ứng xử theo phương dọc viên gạch (S 22 ). của khối xây và được xác định dựa trên các nghiên Khả năng chịu nén của khối xây theo phương 26 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021)
(S 22) sẽ cao hơn phương (S 11 ) vì diện chịu tải hàng. Tuy vậy, để tính toán một cách gần của gạch theo phương này nhiều hơn, trong đúng, trong nghiên cứu này lấy ứng xử của khi đó, khả năng chịu cắt của khối xây theo khối xây theo hai phương (S 11 ) và (S22 ) là như phương (S 22 ) sẽ không tốt bằng phương (S 11) nhau (tương tự như trong nghiên cứu của do các mạch vữa giữa các hàng gạch là thẳng (Bilgin, Korini, 2012)). a) Ứng suất trong phân b) Ứng xử đứng S11 và ngang S22 trong khối xây tố của phần tử tấm Hình 2. Ứng suất trong phân tố phần tử tấm của khối xây 3.1. Ứng xử nén-kéo của khối xây nén thực nghiệm trong nghiên cứu của (Kaushik et Ứng xử phi tuyến về nén và kéo của khối xây al., 2007) và đường ứng xử kéo dựa trên đề xuất (Hình 3) được xác định theo đường cong ứng xử của (Akhaveissy, Milani, 2013). (a) Ứng xử nén (b) Ứng xử kéo Hình 3. Mô hình ứng xử nén - kéo của khối xây đề xuất Phần đường cong ứng xử nén ứng với biến biến dạng của khối xây, ε’m biến dạng tương ứng dạng từ 0 đến ε’m được tính theo công thức: với cường độ đỉnh f’m, fb và fj lần lượt là cường độ 2 fm    chịu nén của gạch và vữa riêng biệt. Vượt qua giá 2 m  m  (1) f 'm  ' m   'm  trị biến dạng ε’m đường quan hệ giữa cường độ với f 'm  0, 63 fb0,49 f j0,32 (2) biến dạng là tuyến tính. Giá trị biến dạng ε’m được tính như sau: Em  550 f 'm ; Gm  0, 4 Em ; (3) f 'm trong đó, fm là cường độ chịu nén của khối xây,  'm  C ' j  (4) E m0,7 f’m là đỉnh cường độ chịu nén của khối xây, εm là KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 27
0, 27 nén là fj = 2,5 MPa (tương đương vữa vôi mác C 'j  (5) f j0,25 M2,5 trong TCVN 4314:2003). Áp dụng các mô hình ứng xử đề xuất ở trên, các đặc tính cơ học Trong nghiên cứu này, tường gạch được xây của khối xây được tính toán và cho giá trị trong dựng từ gạch đất sét nung có cường độ chịu nén là Bảng 1 và ứng xử kéo-nén của khối xây được thể fb = 7,5 MPa (tương đương gạch mác M75 trong hiện trong Hình 4. TCVN 1450:2009) và vữa vôi có cường độ chịu Bảng 1. Đặc tính cơ học của khối xây Mô đun đàn hồi Mô đun cắt Cường độ nén Cường độ kéo Em (MPa) Gm (MPa) f ’m (MPa) ft (MPa) 1247 499 2,27 0,10 có thể bỏ qua. Theo (Akhaveissy, Milani, 2013), hệ số dính (c) cho khối xây thông thường lấy từ 0,05 MPa đến 0,25 MPa. Với số liệu giả định của công trình trong nghiên cứu này, hệ số dính lấy bằng 0,1 MPa. Ứng xử cắt của khối xây thể hiện trong Hình 5. 3.3. Điều kiện biên và tải trọng Tất cả các nút ở chân tường gạch tầng 1 được Hình 4. Ứng xử kéo-nén của khối xây coi là ngàm. Tải trọng lên sàn bao gồm tải trọng bản thân, tĩnh tải các lớp cấu tạo sàn và hoạt tải. 3.2. Ứng xử cắt của khối xây Kết quả phân tích tĩnh phi tuyến mô hình công Ứng xử cắt của khối xây được mô hình thông trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực qua hệ số dính (c) và ma sát giữa gạch và vữa bởi bằng phần mềm SAP2000 với kết quả nghiên cứu công thức Morh-Coulomb sau: thực nghiệm đã được kiểm chứng trong nghiên   c    tan  (6) cứu của (Ngô Văn Thuyết và Nguyễn Thu Nga, trong đó, σ là ứng suất nén và tanφ đại diện cho 2020). Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hoàn toàn có thể ma sát giữa gạch và vữa. sử dụng phương pháp phân tích mô hình số bằng phần mềm SAP2000 để phân tích công trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực. 4. NHẬN BIẾT CÁC TRẠNG THÁI PHÁ HỦY CỦA CÔNG TRÌNH Để đánh giá tổn thương địa chấn cho công trình, các trạng thái phá hủy cần được định nghĩa và nhận biết. Có nhiều phương pháp gần đúng để nhận biết các trạng thái phá hủy cho công trình nhà kết cấu tường gạch chịu lực, tuy nhiên ngưỡng biến dạng được xem là chỉ số để nhận biết Hình 5. Ứng xử cắt của khối xây các trạng thái phá hủy tối ưu nhất. (Calvi, 1999) đã đề xuất các ngưỡng biến dạng thông qua Theo (Bilgin, Korini, 2012), trong mô hình ứng chuyển vị tương đối từng tầng để nhận biết các xử cắt của khối xây, lực ma sát giữa gạch và vữa trạng thái phá hủy khác nhau cho công trình, bao 28 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021)
gồm bốn trạng thái phá hủy: trạng thái không phá 5. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ TRẠNG THÁI hủy và phá hủy nhỏ (Damage State 1, gọi tắt là PHÁ HỦY CHO CÔNG TRÌNH trạng thái DS1), trạng thái phá hủy vừa (DS2), 5.1. Kết quả phân tích tĩnh phi tuyến trạng thái phá hủy lớn (DS3) và trạng thái phá hủy công trình hoàn toàn (DS4); trong đó, ngưỡng chuyển vị Đường cong khả năng (thể hiện mối quan hệ tương đối từng tầng được sử dụng để giới hạn các giữa lực cắt ngang và chuyển vị mái) tương trạng thái phá hủy (Limit State - LS). Các trạng thái phá hủy được xác định trên đường cong khả ứng với phương dao động riêng thứ nhất của năng của công trình như thể hiện trong Hình 6. công trình được khảo sát. Ở công trình này, phương X là phương của dao động riêng thứ nhất. Do đó, các kết quả tiếp theo dưới đây chỉ xét theo phương X. Nhận biết vị trí các trạng thái phá hủy trên đường cong khả năng của công trình trong phân tích tĩnh phi tuyến được thể hiện trong các Hình 7 và 8. Phần mềm SAP2000 có thể chuyển đổi từ đường cong khả năng ra mối quan hệ giữa phổ gia tốc với phổ chuyển vị của công trình. Mối quan hệ giữa phổ gia tốc với phổ chuyển vị và vị trí giới hạn các trạng thái phá hủy của công trình đang Hình 6. Các trạng thái phá hủy trên đường cong nghiên cứu được thể hiện trong Hình 9. khả năng của công trình Hình 7. Chuyển vị tương đối từng tầng và vị trí Hình 8. Đường cong khả năng và vị trí giới hạn giới hạn các trạng thái phá hủy các trạng thái phá hủy Hình 9. Quan hệ giữa phổ gia tốc và phổ chuyển vị của công trình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 29
5.2. Xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy trạng thái phá hủy nhất định;  DS là độ lệch chuẩn Theo (FEMA, 2003), đồ thị trạng thái phá hủy của logarit tự nhiên của phổ chuyển vị ứng với được xác định thông qua hàm phân phối chuẩn trạng thái phá hủy đó. Ở đây, Sd,DS được xác định của phổ chuyển vị cho bởi công thức sau: trên Hình 9; giá trị  DS được lấy theo (FEMA,  1  Sd  2003) cho công trình nhà thấp tầng kết cấu tường P[ DS S d ]    ln   (7)   DS  S d , DS gạch chịu lực:  DS = 0,65 cho tất cả các trạng thái    trong đó, Ф[.] là một hàm phân phối chuẩn; phá hủy. Đồ thị trạng thái phá hủy của công trình Sd,DS là giá trị của ngưỡng phổ chuyển vị tại một được thể hiện trong Hình 10. chấn cho công trình. Giả sử có một trận động đất xảy ra với phổ chuyển vị lớn nhất là 5 mm, xác suất để công trình phá hủy ở trạng thái DS1 là 28,4% (được xác định trên Hình 10), ở trạng thái DS2 là 55,6%, ở trạng thái DS3 là 12,0% và ở trạng thái DS4 là 4,0%. Phân phối xác suất theo mỗi trạng thái phá hủy được thể hiện trong Hình 11(a). Tương tự như vậy, phân phối xác suất theo các trạng thái phá hủy của công trình Hình 10. Đồ thị trạng thái phá hủy của công trình khi phổ chuyển vị của trận động đất có giá trị lớn nhất 15 mm được thể hiện trong Hình 11(b). 6. ĐÁNH GIÁ TỔN THƯƠNG ĐỊA CHẤN Xác suất để công trình phá hủy ở trạng thái CHO CÔNG TRÌNH DS1, DS2, DS3 và DS4 trong trường hợp này Các đường đồ thị trạng thái phá hủy trên lần lượt là 1,2%, 23,1%, 28,1% và 47,6%. Hình 10 là cơ sở để đánh giá tổn thương địa (a) Sd = 5 mm (b) Sd = 15 mm Hình 11. Phân phối xác suất theo các trạng thái phá hủy của công trình ứng với các giá trị khác nhau của phổ chuyển vị Từ Hình 11 cho thấy khi giá trị phổ chuyển vị tăng lên. Điều đó chứng tỏ rằng khi giá trị phổ tăng lên, xác suất để công trình phá hủy ở các chuyển vị càng tăng lên thì công trình càng dễ bị trạng thái DS1 và DS2 giảm đi, nhưng xác suất để phá hủy và tiến tới trạng thái phá hủy hoàn toàn. công trình phá hủy ở các trạng thái DS3 và DS4 Điều này hoàn toàn phù hợp trong đánh giá tổn 30 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021)
thương địa chấn của công trình ngoài thực tế. cho công trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch Thông thường trong thực tế, công trình được đánh chịu lực bằng đồ thị trạng thái phá hủy. Công trình giá tổn thương địa chấn một cách định tính thông được phân tích tĩnh phi tuyến thông qua phần qua thống kê các hư hỏng của công trình và cảm mềm SAP2000 v.15. Đồ thị trạng thái phá hủy kết giác của con người có mặt trên công trình. Trong cấu được xây dựng trên một hàm phân phối chuẩn khi đó, nghiên cứu này cung cấp một phương pháp của phổ chuyển vị công trình. Kết quả cho thấy đánh giá tổn thương địa chấn công trình một cách khi giá trị phổ chuyển vị tăng lên, xác suất để định lượng thông qua đồ thị trạng thái phá hủy kết công trình bị phá hủy ở các trạng thái phá hủy nhỏ cấu. Đây là tiền đề để các nhà thiết kế phân là giảm đi, xác suất để công trình bị phá hủy ở các tích/đánh giá một cách định lượng về tổn thương trạng thái phá hủy lớn và phá hủy hoàn toàn là địa chấn cho công trình, từ đó đề ra các biện pháp tăng lên. Đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu là một gia cường phù hợp cho công trình. công cụ hữu hiệu để đánh giá về mặt định lượng 7. KẾT LUẬN tổn thương địa chấn cho công trình ở các trạng Nghiên cứu này đánh giá tổn thương địa chấn thái phá hủy khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngô Văn Thuyết, Nguyễn Thu Nga (2020), “Xác định đường cong khả năng của nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực bằng phần mềm SAP2000”, Tuyển tập Hội nghị KHTN Trường Đại học Thủy lợi, tháng 11/2020, tr. 120-122. Akhaveissy A.H., Milani G. (2013), “Pushover analysis of large scale un-reinforced masonry structures by means of a fully 2D non-linear model”, Construction and Building Materials, 41, 276-295. Bilgin H., Korini O. (2012), “Seismic capacity evaluation of un-reinforced masonry residential buildings in Albania”, Natural Hazards and Earth System Sciences, 12, 3753-3764. Calvi G.M. (1999), “A displacement-based approach for vulnerability evaluation of classes of buildings”, Journal of Earthquake Engineering, 3(3), 411-438. FEMA (2003), “HAZUS-MH MR4: Multi-hazard loss estimation methodology earthquake model”, Technical manual, Federal Emergency Management Agency, National Institute of Building Science, Washington DC, USA. Kaushik H.B., Rai D.C., Jain S.K. (2007), “Stress-Strain characteristics of clay brick masonry under uniaxial compression”, Journal of Materials in Civil Engineering, 19(9), 728-739. Park J., Towashiraporn P., Craig J.I., Goodno B.J. (2009), “Seismic fragility analysis of low-rise un- reinforced masonry structures”, Engineering Structures, 31, 125-137. Thuyet Van Ngo, Dutta A., Deb S.K. (2018), “Vulneability assessment of a low-rise masonry building supported on un-bonded fiber reinforced elastomeric isolators”, Journal of Performance of Constructed Facilities, 32(2), 04017136. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 31
Abstract: SEISMIC VULNERABILITY ASSESSMENT OF A LOW-RISE UN-REINFORCED MASONRY BUILDING BY FRAGILITY CURVES Masonry building is one of the commonly adopted structural types of low-rise civil buildings. The buildings are often susceptible to damage when they are subjected to ground motions of earthquakes. Damage of the buildings is in different damage states due to magnitude of earthquakes. Fragility curves provide a powerful solution tool for seismic vulnerability assessment of such structures. The use of fragility curves to evaluate the seismic vulnerability assessment of a structure was presented in some article researches in the world, however, it was few researches in Vietnam related the vulnerability assessment of a structure using fragility curves. In this paper, seismic vulnerability assessment of a low- rise un-reinforced masonry building using fragility curves is investigated by finite element analysis. Keywords: Un-reinforced masonry building, fragility curves, seismic vulnerability assessment, damage states. Ngày nhận bài: 26/01/2021 Ngày chấp nhận đăng: 10/3/2021 32 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021)