Đánh giá tổn thương địa chấn cho công trình có kết cấu tường gạch chịu lực sử dụng gối cách chấn đáy đàn hồi cốt sợi dạng liên kết

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong nghiên cứu này, đánh giá tổn thương địa chấn của nhà kết cấu tường gạch chịu lực sử dụng gối cách chấn đáy đàn hồi cốt sợi dạng liên kết bằng đồ thị trạng thái phá hủy được khảo sát. Kết quả cho thấy công trình sử dụng gối cách chấn đàn hồi cốt sợi giảm hư hỏng đáng kể so với công trình móng cứng khi động đất xảy ra.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đánh giá tổn thương địa chấn cho công trình có kết cấu tường gạch chịu lực sử dụng gối cách chấn đáy đàn hồi cốt sợi dạng liên kết

BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÁNH GIÁ TỔN THƯƠNG ĐỊA CHẤN CHO CÔNG TRÌNH CÓ KẾT CẤU TƯỜNG GẠCH CHỊU LỰC SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN ĐÁY ĐÀN HỒI CỐT SỢI DẠNG LIÊN KẾT Ngô Văn Thuyết1 Tóm tắt: Nhà kết cấu tường gạch chịu lực thường bị hư hỏng khi động đất xảy ra. Gối cách chấn đàn hồi cốt sợi là một loại gối cách chấn đa lớp mới được kỳ vọng sử dụng cho công trình dân dụng trung và thấp tầng để giảm hư hỏng cho công trình chịu động đất. Gối cách chấn đàn hồi cốt sợi đang được phát triển theo hai dạng: dạng liên kết và không liên kết. Trong nghiên cứu này, đánh giá tổn thương địa chấn của nhà kết cấu tường gạch chịu lực sử dụng gối cách chấn đáy đàn hồi cốt sợi dạng liên kết bằng đồ thị trạng thái phá hủy được khảo sát. Kết quả cho thấy công trình sử dụng gối cách chấn đàn hồi cốt sợi giảm hư hỏng đáng kể so với công trình móng cứng khi động đất xảy ra. Từ khóa: Nhà kết cấu tường gạch chịu lực, gối cách chấn đàn hồi cốt sợi, đồ thị trạng thái phá hủy, đánh giá tổn thương địa chấn, trạng thái phá hủy. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Gối FREI đang được nghiên cứu, phát triển theo Nhà kết cấu tường gạch chịu lực là dạng kết hai dạng: gối cách chấn đàn hồi cốt sợi dạng liên cấu dễ bị hư hỏng theo các trạng thái phá hủy kết (bonded fiber reinforced elastomeric isolator, khác nhau khi động đất xảy ra. Đồ thị trạng thái gọi tắt là gối B-FREI) và gối cách chấn đàn hồi phá hủy kết cấu là một công cụ hữu hiệu để đánh cốt sợi dạng không liên kết (unbonded fiber giá tổn thương địa chấn cho công trình. Đánh giá reinforced elastomeric isolator, gọi tắt là gối U- tổn thương địa chấn cho nhà thấp tầng kết cấu FREI). Các gối B-FREI và U-FREI khác nhau ở tường gạch chịu động đất bằng đồ thị trạng thái cách thức liên kết gối cách chấn với công trình: phá hủy đã được khảo sát trong nghiên cứu của gối B-FREI có hai tấm đế thép dày ở đáy và đỉnh (Ngô Văn Thuyết, 2021a). Vậy nên việc đề xuất gối để liên kết với phần đài móng và phần thân một biện pháp để giảm thiểu hư hỏng cho công công trình thông qua các bu lông; gối U-FREI trình kết cấu tường gạch chịu lực chịu động đất là được đặt trực tiếp lên bề mặt đài móng và dưới một việc làm cần thiết. phần thân công trình mà không cần bất kỳ liên kết Gối cách chấn đàn hồi cốt sợi (fiber reinforced vật lý nào. elastomeric isolator, gọi tắt là gối FREI) là một Hiệu quả cách chấn của công trình cách chấn loại gối cách chấn đa lớp mới, được kỳ vọng là đáy sử dụng gối cách chấn đàn hồi cốt sợi chịu biện pháp giảm hư hỏng cho công trình trung và động đất đã được nghiên cứu trong vài năm trở lại thấp tầng chịu động đất. Trong công trình cách đây như nghiên cứu của (Ngô Văn Thuyết và chấn đáy, gối cách chấn thường được đặt ở bên Nguyễn Văn Thắng, 2018), (Ngô Văn Thuyết, trên phần đài móng và bên dưới phần thân công 2021b). Các nghiên cứu này đều khảo sát hiệu quả trình. Gối FREI được cấu tạo từ các lớp cao su cách chấn của công trình cách chấn đáy chịu động xen kẹp và gắn kết với các lớp/tấm sợi gia cường. đất bằng phương pháp phân tích mô hình số sử dụng phân tích động theo thời gian. Có rất ít 1 Bộ môn Kết cấu công trình, Trường Đại học Thủy lợi nghiên cứu về đánh giá tổn thương địa chấn cho KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 75 (9/2021) 9
1 2 3 4 công trình có kết cấu tường gạch chịu lực sử dụng gối cách chấn đáy đàn hồi cốt sợi bằng đồ thị A trạng thái phá hủy. Mới chỉ có nghiên cứu của (Thuyet et al., 2018) về đánh giá tổn thương địa chấn của công trình tường gạch chịu lực sử dụng gối cách chấn đàn hồi cốt sợi dạng không liên kết. B Nghiên cứu này đã khảo sát đánh giá tổn thương địa chấn cho công trình có kết cấu tường gạch chịu lực sử dụng gối cách chấn đáy đàn hồi Hình 1. Mặt bằng tầng điển hình của công trình cốt sợi dạng liên kết (B-FREI) bằng đồ thị trạng thái phá hủy. Ngoài ra, tổn thương địa chấn của Các gối cách chấn có kích thước 250x250x100 công trình có gối cách chấn đáy được so sánh với mm. Mỗi gối được cấu tạo từ 18 lớp cao su tổng công trình móng cứng để thấy được hiệu quả giảm hợp xen kẹp và gắn kết với 17 lớp sợi cacbon hai hư hỏng cho công trình khi động đất xảy ra. hướng (00/900). Mỗi lớp cao su và sợi cacbon dày 2. MÔ TẢ VỀ CÔNG TRÌNH CÁCH tương ứng là 5 mm và 0,55 mm. Tổng chiều dày CHẤN ĐÁY lớp cao su là tr = 90 mm. Mô-đun cắt của cao su là Một công trình nhà kết cấu tường gạch chịu lực G = 0,90 N/mm2. Hệ số hình dạng của các gối với các thông số về kích thước và vật liệu giả định cách chấn là S = 12,5. được lựa chọn nghiên cứu. Công trình gồm ba 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÔNG TRÌNH tầng có các tường gạch đôi chịu lực dày 220 mm VÀ TẢI TRỌNG và sàn bê tông cốt thép dày 120 mm (bê tông cấp Công trình được xây dựng theo mô hình không độ bền B15). Tường gạch được xây bởi gạch đất gian bằng phần mềm SAP2000 v15. Tường gạch sét nung mác M75 và vữa vôi mác M2,5. Chiều (khối xây) được mô phỏng bằng phần tử tấm phi cao mỗi tầng là 3,2 m. Phần mái công trình có kết tuyến nhiều lớp. Sàn bê tông cốt thép được mô cấu vì kèo đỡ và lợp mái ngói. Mặt bằng tầng điển phỏng bằng phần tử tấm. Các sàn từng tầng được hình của công trình được thể hiện trong Hình 1. khai báo sàn tuyệt đối cứng. Phần mái có kết cấu vì Công trình cách chấn đáy sử dụng tổng cộng 8 kèo đỡ mái ngói nên trong mô phỏng quy đổi thành gối cách chấn đàn hồi cốt sợi dạng liên kết (B- tải trọng phân phối đặt lên tường chịu lực. Gối cách FREI). Vị trí đặt gối cách chấn trên mặt bằng chấn được mô phỏng bằng phần tử liên kết (link) được thể hiện trong Hình 2. Các gối cách chấn này dạng rubber isolator. Đối với công trình móng cứng, đều có kích thước như nhau và được đặt bên trên tất cả các nút ở chân tường tầng 1 để liên kết ngàm. đài móng, bên dưới hệ dầm đỡ toàn bộ tường chịu Thông số đặc tính cơ học của các phần tử khối xây lực như Hình 3. và gối cách chấn được trình bày dưới đây. 1 2 3 4 A B Hình 3. Vị trí đặt gối cách chấn Hình 2. Mặt bằng bố trí gối cách chấn trong công trình 10 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 75 (9/2021)
3.1. Thông số đầu vào của khối xây (Kaushik et al., 2007), (Akhaveissy và Milani, Trong mô hình số, phần tử tấm phi tuyến nhiều 2013). Trong nghiên cứu này, tường gạch được lớp với các thông số ứng xử đứng (S11), ứng xử xây bởi gạch đất sét nung mác M75 và vữa vôi ngang (S22) và ứng xử cắt (S12) được dùng để mô mác M2,5. Các đặc tính cơ học của khối xây cho phỏng khối xây. Các ứng xử này được xác định trong Bảng 1, ứng xử kéo-nén và cắt của khối xây dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm của được thể hiện trong các Hình 4 và 5. 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 Hình 4. Ứng xử kéo-nén của khối xây Hình 5. Ứng xử cắt của khối xây 3.2. Thông số đầu vào của gối cách chấn phương đứng của gối cách chấn đa lớp được tính Gối cách chấn được mô hình bằng phần tử liên theo công thức sau: kết dạng rubber isolator. Các đặc tính cơ học của Ec A (1) KV  tr gối cách chấn về ứng xử ngang theo hai phương nằm ngang (X và Y) và ứng xử đứng theo phương trong đó, A là diện tích mặt cắt ngang gối; Ec là Z đều được sử dụng để khai báo. Ứng xử ngang mô-đun chịu nén tức thời của hỗn hợp cao su - sợi của gối cách chấn được mô hình bằng mô hình cacbon, đối với gối cách chấn có mặt cắt ngang vòng lặp trễ song tuyến với 4 thông số sau: Độ hình vuông thì Ec = 6,73GS2. Trong nghiên cứu cứng ngang hiệu dụng Keff, độ cứng ban đầu K1, này Ec = 6,73x0,90x12,52 = 946,41 (MPa). Vậy: lực cắt ngang ở vị trí chảy Fy và tỷ số độ cứng n = Kv = 946,41x62500/90 = 657229,2 (kN/m). K2/K1. Ứng xử đứng được khai báo thông qua độ 3.3. Tải trọng cứng theo phương đứng Kv. Công trình được phân tích tĩnh phi tuyến Ứng xử ngang của gối B-FREI chịu tải trọng trong hai trường hợp: sử dụng gối cách chấn B- đứng thiết kế và chuyển vị ngang tăng dần từ 0 FREI và móng cứng. Tải trọng tác dụng lên mm đến 135 mm (1,50tr) đã được khảo sát trong công trình trong các trường hợp là như nhau, nghiên cứu của (Thuyet et al., 2017) và có đường bao gồm tải trọng bản thân, tĩnh tải các lớp cấu quan hệ lực cắt - chuyển vị ngang như thể hiện tạo sàn và hoạt tải. Mô hình không gian công trong Hình 6. trình cách chấn đáy (đã chia phần tử) được thể Theo (Naeim và Kelly, 1999), độ cứng theo hiện trong Hình 7. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 75 (9/2021) 11
Hình 6. Đường quan hệ lực cắt - chuyển vị ngang của gối B-FREI Hình 7. Mô hình công trình cách chấn đáy bằng phần mềm SAP2000 4. NHẬN BIẾT CÁC TRẠNG THÁI PHÁ Đối với công trình cách chấn đáy, ngoài 4 trạng HỦY CỦA CÔNG TRÌNH thái phá hủy trên còn kể thêm một trạng thái phá Đối với công trình nhà kết cấu tường gạch chịu hủy nữa của gối cách chấn (DS5). Gối cách chấn lực, các trạng thái phá hủy được nhận biết thông đa lớp nói chung được thiết kế làm việc đến qua chuyển vị tương đối từng tầng (Calvi, 1999), chuyển vị ngang giới hạn là 1,50tr. được chia thành 4 trạng thái sau: trạng thái không 5. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ BÌNH LUẬN phá hủy và phá hủy nhỏ (Damage State 1, gọi tắt Phân tích tĩnh phi tuyến công trình trong 2 là trạng thái DS1), trạng thái phá hủy vừa (DS2), trường hợp: móng cứng và sử dụng gối B-FREI trạng thái phá hủy lớn (DS3) và trạng thái phá hủy được thực hiện. Đường cong khả năng của công hoàn toàn (DS4); trong đó, ngưỡng chuyển vị trình (thể hiện mối quan hệ giữa lực cắt ngang và tương đối từng tầng được sử dụng để giới hạn các chuyển vị mái) tương ứng với phương dao động trạng thái phá hủy (Limit State - LS). Vị trí các riêng thứ nhất của công trình (phương X) được trạng thái phá hủy được xác định trên đường cong khảo sát. Kết quả nhận biết vị trí giới hạn các khả năng của công trình như thể hiện trong Hình trạng thái phá hủy trên đường cong khả năng và 8. đường cong mối quan hệ giữa phổ gia tốc với phổ chuyển vị của công trình trong hai trường hợp trên được thể hiện trong các Hình 9 và 10. Hình 8. Vị trí các trạng thái phá hủy trên đường Hình 9. Đường cong khả năng và vị trí giới hạn cong khả năng của công trình các trạng thái phá hủy của công trình 12 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 75 (9/2021)
trình cách chấn đáy đạt đến ngưỡng LS4 thì lúc này chuyển vị ngang của gối cách chấn là 50 mm. Theo FEMA (2003), đồ thị trạng thái phá hủy được xác định thông qua hàm phân phối chuẩn của phổ chuyển vị cho bởi công thức sau:  1  Sd  P[ DS S d ]    ln   (2)   DS  S d , DS    Hình 10. Quan hệ giữa phổ gia tốc - phổ chuyển trong đó, Ф[.] là một hàm phân phối chuẩn; Sd,DS vị và vị trí các trạng thái phá hủy của công trình là giá trị của ngưỡng phổ chuyển vị tại một trạng thái phá hủy nhất định; DS là độ lệch chuẩn của Từ các hình vẽ thấy rằng giá trị lực cắt ngang logarit tự nhiên của phổ chuyển vị ứng với trạng thái của công trình cách chấn đáy luôn lớn hơn giá trị phá hủy đó. Ở đây, Sd,DS được xác định trên Hình 10; lực cắt ngang của công trình móng cứng (Hình 9); giá trị DS được lấy theo (FEMA, 2003) cho công giá trị phổ gia tốc của công trình cách chấn đáy trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực: DS luôn nhỏ hơn giá trị tương ứng của công trình = 0,65 cho tất cả các trạng thái phá hủy. Đồ thị trạng móng cứng (Hình 10) ở từng giới hạn trạng thái thái phá hủy của công trình trong cả hai trường hợp phá hủy của công trình. Công trình cách chấn đáy phân tích được thể hiện trong Hình 11. chưa bị phá hủy gối cách chấn (DS5), khi công (a) Công trình móng cứng (b) Công trình cách chấn đáy Hình 11. Đồ thị trạng thái phá hủy của công trình Từ Hình 11 thấy rằng xác suất để công trình suất để công trình cách chấn đáy bị hư hỏng ở bị hư hỏng ở các trạng thái phá hủy lớn, phá hủy các trạng thái phá hủy DS1, DS2, DS3 và DS4 hoàn toàn của công trình cách chấn đáy giảm lần lượt là 76,6%, 14,8%, 5,5% và 3,1%. Như đáng kể so với công trình móng cứng. Chẳng vậy, công trình móng cứng chủ yếu bị hư hỏng ở hạn như khi có một trận động đất xảy ra với phổ các trạng thái phá hủy lớn và phá hủy hoàn toàn, chuyển vị lớn nhất là 20 mm, xác suất để công trong khi đó công trình cách chấn đáy chỉ bị hư trình móng cứng bị hư hỏng ở trạng thái DS1 là hỏng ở các trạng thái phá hủy nhỏ. Điều đó 0,5%, ở trạng thái DS2 là 15,7%, ở trạng thái chứng tỏ rằng công trình cách chấn đáy giảm hư DS3 là 25,0% và ở trạng thái DS4 là 58,8% hỏng đáng kể, an toàn hơn so với công trình (được xác định trên Hình 12); trong khi đó, xác móng cứng khi động đất xảy ra. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 75 (9/2021) 13
dạng liên kết bằng đồ thị trạng thái phá hủy. Tổn thương địa chấn của công trình cách chấn đáy được so sánh với tổn thương địa chấn của công trình móng cứng để thấy được hiệu quả giảm hư hỏng cho công trình khi động đất xảy ra. Công trình móng cứng và công trình cách chấn đáy được phân tích tĩnh phi tuyến bằng phần mềm SAP2000 v.15. Kết quả phân tích cho thấy ở cùng Hình 12. Phân phối xác suất theo các trạng thái một giá trị phổ chuyển vị, công trình móng cứng phá hủy của công trình trong các trường hợp chủ yếu bị hư hỏng ở các trạng thái phá hủy lớn và ứng với giá trị phổ chuyển vị là Sd = 20 mm phá hủy hoàn toàn, trong khi công trình cách chấn đáy chỉ bị hư hỏng ở các trạng thái phá hủy nhỏ. 6. KẾT LUẬN Như vậy, công trình cách chấn đáy giảm hư hỏng Nghiên cứu này trình bày đánh giá tổn thương đáng kể, an toàn hơn so với công trình móng cứng địa chấn cho công trình có kết cấu tường gạch khi động đất xảy ra. chịu lực sử dụng gối cách chấn đáy đàn hồi cốt sợi TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngô Văn Thuyết, Nguyễn Văn Thắng (2018), “Hiệu quả cách chấn của nhà khung bê tông cốt thép sử dụng gối cách chấn đàn hồi cốt sợi FREI chịu động đất”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, 606, tr. 150-153. Ngô Văn Thuyết (2021a), “Đánh giá tổn thương địa chấn của nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực bằng đồ thị trạng thái phá hủy”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Mội trường, 73(1), tr. 25-32. Ngô Văn Thuyết (2021b), “So sánh hiệu quả cách chấn của nhà khung bê tông cốt thép thấp tầng sử dụng gối cách chấn đàn hồi cốt sợi dạng liên kết và không liên kết chịu động đất”, Tạp chí Người Xây dựng, 353-354, tr. 68-73. 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. 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. Naeim F., Kelly J.M. (1999), “Design of Seismic Isolated Structures: From Theory to Practice”, John Wiley & Sons Inc., New York, USA. Thuyet Van Ngo, Dutta A., Deb S.K. (2017), “Evaluation of horizontal stiffness of fibre reinforced elastomeric isolators”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 46(11), 1747-1767. 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. 14 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 75 (9/2021)
Abstract: SEISMIC VULNERABILITY ASSESSMENT OF A BASE-ISOLATED MASONRY BUILDING USING BONDED FIBER REINFORCED ELASTOMERIC ISOLATORS Un-reinforced masonry buildings are often susceptible to damage when they are subjected to ground motion of earthquakes. Fiber reinforced elastomeric isolator (FREI) is a new laminated elastomeric isolator which is expected to use for medium and low-rise buildings to reduce the damage of the buildings under earthquakes. FREIs are primarily of two types: bonded fiber reinforced elastomeric isolator (B-FREI) and unbonded fiber reinforced elastomeric isolator (U-FREI). In this paper, seismic vulnerability assessment of a base-isolated masonry building using B-FREIs by fragility curves is investigated. Results show that the seismic vulnerability of the base-isolated building using B-FREIs is significantly reduced as compared to corressponding fixed-base building under earthquakes. Keywords: Un-reinforced masonry building, fiber reinforced elastomeric isolator, fragility curves, seismic vulnerability assessment, damage states. Ngày nhận bài: 12/7/2021 Ngày chấp nhận đăng: 18/8/2021 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 75 (9/2021) 15