Header Page of 145 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI HO HỌC VÀ C NG NGH CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU M PHỎNG GI TỐC NỀN CỦ TRẬN ĐỘNG ĐẤT XÉT ĐẾN YẾU TỐ IẾN TẠO NỀN ĐẤT VÀ ỨNG DỤNG VÀO VI C THIẾT LẬP ĐỒ THỊ TRẠNG THÁI PHÁ HỦY ẾT CẤU Mã số: Đ2015-02-135 Chủ nhiệm đề tài: TS Đặng Công Thuật Footer Page of 145 Đ N ng Th ng 05/2016 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page of 145 MỞ ĐẦU 1) Tổng quan tình hình nghiên cứu nước Gia tốc trận động đất sử dụng liệu đầu vào cần thiết cho phân tích kết cấu động phi tuyến theo thời gian trường hợp thiếu liệu ghi chép động đất Các gia tốc tạo giả cách điều chỉnh trực tiếp băng gia tốc thực ghi chép vị trí có đặc trưng đất gần giống với vị trí xây dựng cơng trình, chẳng hạn có loại đất qui định tiêu chuẩn thiết kế lại khác độ lớn tác động động đất Có thể nói phương pháp đơn giản phần đảm bảo số đặc trưng sóng động đất so với yêu cầu thiết kế; đảm bảo lúc số đặc trưng quan trọng sóng động đất Phương pháp thứ hai thực cách tạo gia tốc với biên độ phổ phản ứng đàn hồi góc pha dao động tuân theo qui luật Trong trường hợp vị trí khảo sát có sẵn liệu thực tế ta sử dụng phổ phản ứng sóng động đất thực góc pha dao động biến đổi, sử dụng phổ góc pha dao động sóng động đất thực biên độ phổ phản ứng lấy theo qui định tiêu chuẩn thiết kế Ngồi ra, gia tốc cịn tạo cách mô chế phát sinh động đất đường truyền sóng động đất đến địa điểm xây dựng khảo sát Tuy nhiên phương pháp phức tạp khó khăn, đặc biệt kỹ sư xây dựng liên quan đến nhiều yếu tố mơ hình hoá sử dụng nhiều khái niệm lĩnh vực địa chấn học Hiện nay, phương pháp số nhà nghiên cứu Nhật Bản, Mỹ… quan tâm để mô trận động đất mạnh xảy tương lai Footer Page of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page of 145 Trong phạm vi đề tài, sử dụng phương pháp mô kết hợp với yếu tố đất địa điểm xây dựng để tạo gia tốc Kết hợp với gia tốc mô trên, đề tài tập trung nghiên cứu phát triển đồ thị trạng thái phá hủy cho số kết cấu công trình tương ứng với khu vực địa hình cụ thể Thật vậy, phá huỷ kết cấu cơng trình tải trọng động đất mức độ nhẹ, trung bình, nặng hồn tồn biểu diễn dạng hàm phân bố chuẩn logarit Đồ thị hàm này, thường gọi đồ thị trạng thái phá huỷ (seismic fragility curve), biểu diễn mối tương quan xác suất cơng trình rơi vào trạng thái phá huỷ nêu thông số chuyển động Nó cơng cụ hữu ích việc dự báo, phòng chống can thiệp xử lý kết cấu có trận động đất xảy ra, nhà khoa học giới tập trung nghiên cứu 2) Tính cấp thiết đề tài Động đất tượng thiên nhiên gây nhiều thảm họa cho người cơng trình xây dựng Với trình độ khoa học cơng nghệ nay, người chưa có khả dự báo cách xác động đất xảy lúc nào? Ở đâu? Và mạnh đến mức nào? Điều đặt cho người trước thách thức vơ quan trọng Vì vậy, năm gần đây, nhà khoa học thay đổi cách thức tiếp cận: từ nghiên cứu hoàn thiện phương pháp dự báo khả xảy động đất chuyển sang tìm biện pháp tích cực để sống chung với Vì vậy, mục đích việc thiết kế kháng chấn phải thay đổi vấn đề quan tâm phòng chống động đất làm để hạn chế mức thấp thiệt hại động đất gây Thật vậy, mục đích việc thiết kế kháng chấn nhằm tạo cơng trình có khả chịu cấp độ chấn Footer Page of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page of 145 động mà khơng bị hư hỏng mức sụp đổ Cấp độ chấn động biểu thị qua chuyển động đất thiết kế Trong nghiên cứu địa chấn, đại lượng thường biểu thị dạng ba thông số: gia tốc A, vận tốc V, hay dịch chuyển D Trong đó, gia tốc đóng vai trị quan trọng thực tiễn, chúng sử dụng làm liệu đầu vào cho tính tốn đánh giá rủi ro động đất (chẳng hạn việc tính tải trọng động đất lên cơng trình xây dựng, xây dựng quy phạm thiết kế kháng chấn, ước lượng thiệt hại yếu tố chịu rủi ro, bảo hiểm, v.v…) Tuy nhiên việc xác định tham số vấn đề khó khăn quan trọng địa chấn học công trình Việt Nam xác định nằm vùng có hoạt động động đất trung bình yếu Vì vậy, số liệu địa chấn ghi lại từ trận động đất xảy khứ không đầy đủ cho việc sử dụng để nghiên cứu tính tốn động đất Trong bối cảnh này, việc phát triển mơ hình tạo gia tốc u cầu cấp thiết q trình tính toán nguy động đất nhằm đánh giá cách định lượng chấn động gây cho kết cấu cơng trình cho khu vực địa hình cụ thể Việt Nam 3) Mục tiêu đề tài Mục tiêu thứ thiết lập mơ hình tạo gia tốc đặc trưng cho trận động đất phương pháp mơ hình hóa ngẫu nhiên kết kợp điều kiện đất vùng Thế giới, quy luật tắt dần chấn động sóng động đất đề cập Mục tiêu thứ hai xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu (fragility curve) tương ứng với thơng số chuyển động nền, từ đánh giá mức độ thiệt hại động đất gây cho số kết cấu đặc trưng Footer Page of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page of 145 4) Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu + Cách tiếp cận  Dựa kết nghiên cứu địa chấn học, chủ nhiệm đề tài tổng hợp lý thuyết, phương pháp luận việc tính tốn kháng chấn cho cơng trình;  Áp dụng phương pháp mơ để tạo gia tốc  Sử dụng lý thuyết độ tin cậy để tính tốn đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu + Phương pháp nghiên cứu  Sử dụng phương pháp phân tích giải tích để xây dựng lý thuyết mô ngẫu nhiên;  Xây dựng mơ hình số theo phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu ứng xử kết cấu chịu tải trọng động đất 5) Nội dung nghiên cứu Gồm phần mở đầu, kết luận bốn chương Chương tổng quan Tổng quan động đất chuyển động đất Chương hai phần lí thuyết Phương pháp mơ tạo gia tốc Chương ba phần Tính tốn kết cấu chịu tác động động đất Chương bốn phần ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu Chương KHÁI QUÁT TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT 1.1 Tổng quan động đất 1.1.1 Động đất gì? Sự dao động bề mặt đất sóng truyền đến từ nguồn gây lòng đất gọi động đất (earthquake/ seismic) Footer Page of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page of 145 Trung tâm chuyển động địa chấn, nơi phát lượng mặt lý thuyết, quy điểm gọi chấn tiêu (Focus) Hình chiếu chấn tiêu lên bề mặt đất gọi chấn tâm (Epicentri) Khoảng cách từ chấn tâm đến chấn tiêu gọi độ sâu chấn tiêu (Focal depth) Khoảng cách từ chấn tâm đến điểm quan trắc gọi tâm cự khoảng cách chấn tâm (Epicentral distance) Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan trắc gọi tiêu cự khoảng cách chấn tiêu (Focal distance) 1.1.2 Nguồn gốc động đất a.Động đất có nguồn gốc từ đứt gãy kiến tạo b Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo mảng c Động đất phát sinh từ nguồn gốc khác 1.2 Các đặc trưng chuyển động đất 1.2.1 Sóng động đất Sóng động đất (seismis waves) phát từ tâm động đất theo hướng giảm dần xa tâm động đất Sóng động đất bao gồm sóng vật thể (body waves) sóng bề mặt (surface waves) 1.2.2 Các thang đánh giá cường độ động đất Hiện để đánh giá cường độ trận động đất, dựa vào hậu lượng gây trận động đất Trên sở bổ sung thang đo cường độ động đất M.S.Rosi F.A.Forel đề ( 1883) gồm 10 cấp, năm 1902 nhà địa chấn học người Italia G.Mercalli đề thang đo cường độ động đất gồm 12 cấp Đến năm 1931 Wood Newmann bổ sung nhiều ý kiến quan trọng cho thang 12 cấp mang tên Thang Mercalli cải tiến (Modified Mercalli – MM) Thang MM đánh giá độ mạnh động đất dự hoàn Năm 1935 Ch Richter ( Mỹ) đề thang đo độ lớn động đất cách đánh giá gần lượng giải phóng chấn tâm Footer Page of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page of 145 Theo định nghĩa, độ lớn M ( Magnitud) trận động đất logarit thập phân biên độ cực đại A (micromet) ghi điểm cách chấn tâm 100 km máy đo địa chấn có chu kỳ dao động riêng 0,8s Năm 1964 X.V Medvedev V.Sponheuer Karnic đề Thang đo cường độ động đất MSK – 64 Thực chất MSK – 64 bước hoàn thiện thang MM Trước hết thang MSK – 64 phân loại tác dụng phá hoại động đất đến cơng trình xây dựng ( chi tiết cho loại công trình so với thang MM), sau cường độ động đất đánh giá qua hàm chuyển dời cực đại lắc tiêu chuẩn có chu kỳ dao động riêng T = 0,25s 1.3 Nguy động đất Việt Nam phương pháp giảm thiểu tác động động đất 1.3.1 Nguy động đất Việt Nam Tình hình gia tăng động đất thời gian qua Việt Nam nói chung khu vực Miền Trung nói riêng nguy hiểm cần nghiên cứu cách nghiêm túc Nếu động đất gia tăng cấp độ mạnh gây nguy hiểm cho không cơng trình xây dựng mà cịn ảnh hưởng tới đời sống dân cư, tình hình an ninh trật tự kinh tế xã hội địa bàn toàn khu vực 1.3.2 Các phương pháp giảm thiểu tác động động đất Dự báo xác khu vực xảy động đất, thời điểm xảy động đất biện pháp tích cực làm giảm thiểu tác động động đất Hiện nay, giới có nhiều phương pháp để dự đốn ước lượng rủi ro động đất gây Nhiều phương pháp dự đoán đưa với mức độ thành công khác nhau: a Phân vùng dự báo nguy xảy động đất b Dự báo thời điểm xuất động đất Footer Page of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page of 145 1.3.3 Dự báo thiệt hại (mức độ phá hủy) cơng trình xây dựng Phá hủy động đất gây nhà cửa công trình xây dựng phân thành loại: phá hủy có cấu trúc phá hủy khơng cấu trúc Phá hủy có cấu trúc phá hủy thành phần nối kết tòa nhà, gọi hệ thống kháng tải trọng lực trượt tường, cột chịu lực, hệ thống xà dầm hay sàn nhà… Phá hủy không cấu trúc phá hủy thành phần không nối kết tòa nhà hệ thống kỹ thuật(cơ điện), cửa sổ, trần giả,… Trong loại phá hủy nêu trên, phá hủy có cấu trúc thường gây thiệt hại nghiêm trọng nhiều so với phá hủy không cấu trúc (làm đổ nhà, gây thương vong người, hậu địi hỏi chi phí tái thiết lớn thời gian phục hồi lâu hơn) Thông thường, mức độ phá hủy động đất gây cơng trình xây dựng thể qua trạng thái: không bị phá hủy, bị phá hủy nhẹ, bị phá hủy trung bình, bị phá hủy nặng bị phá hủy hoàn toàn Để đánh giá khả (xác suất) phá hủy tương ứng với trạng thái phá hủy cơng trình xây dựng, công cụ sử dụng đồ thị xác suất phá hủy kết cấu (fragility curve) Hình 1-1 Đồ thị biểu diễn trạng thái phá hủy cơng trình xây dựng Footer Page of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page of 145 Chương MÔ PHỎNG GIA TỐC NỀN TRẬN ĐỘNG ĐẤT 2.1 Gia tốc trận động đất cách thức xác định 2.1.1 Các đặc trưng chuyển động đất Khi động đất xảy ra, chuyển động hạt vật chất quỹ đạo phức tạp ba chiều với gia tốc, vận tốc chuyển vị thay đổi nhanh chóng giải tập hợp tần số mở rộng Chuyển động đất mạnh đo ghi lại dạng đồ thị loại địa chấn kế có biên độ lớn Hình 2-1 Gia tốc, vận tốc chuyển vị theo hướng Đông- Tây Gilroy California(1989) Footer Page of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 10 of 145 Trong số thông số đặc trưng chuyển động động đất xảy ra, đặc trưng sau có ý nghĩa quan trọng tính tốn kháng chấn cơng trình: + Biên độ lớn chuyển động đất + Nội dung tần số + Khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh Cách thức xác định gia tốc trận động đất a Dựa vào đồ phân vùng gia tốc theo lãnh thổ b Sử dụng chuỗi Fourier tạo băng gia tốc từ phổ phản ứng gia tốc đàn hồi 2.2 Sự phát triển biểu thức dự đoán chuyển động mạnh đất Việc thiết kế kháng chấn cơng trình xây dựng địi hỏi phải đánh giá mức độ chuyển động đất xảy địa điểm xây dựng Do mức độ chuyển động đất biểu thị qua thông số chuyển động đất nên nhiều phương pháp đánh giá thông số chuyển động đề xuất Các phương pháp đánh giá thông số chuyển động đất cho biểu thức dự đốn, biểu thị thơng số chuyển động đất qua yếu tố ảnh hưởng mạnh tới chuyển động đất Kết nghiên cứu cho thấy, chuyển động đất thời gian kéo dài địa điểm đó, chịu ảnh hưởng yếu tố chủ yếu sau: Độ lớn động đất M vùng chân tâm; Khoảng cách R từ nơi giải phóng lượng (khoảng cách chấn tiêu khoảng cách từ đứt gãy gây động - đất): Footer Page 10 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 14 of 145 Hình 2-4 Phổ chuyển động cho trường hợp M=7 R = (km) 2.1 Kết mô trận động đất dựa vào mơ hình Boore Từ phổ Y(M0,R,f) này, tác giả Boore sử dụng phương pháp mô ngẫu nhiên để tạo gia tốc tương ứng Theo đó, chuyển động đất cơng trình phân bố ngẫu nhiên phụ thuộc vào độ lớn trận động đất (M) khoảng cách truyền sóng (R) Hình 2-5 Gia tốc trận động đất với M=7 R = km Tính chất ngẫu nhiên mơ hình đặt trưng Footer Page 14 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 15 of 145 trình ngẫu nhiên dừng Gauss thể qua mật độ phổ công suất (Power Spectral Density - PSD) Hàm mật độ PSD xem liệu đầu vào Nó bao gồm 2192 điểm (với trường hợp M=7 R=9 km), điểm biến ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố chuẩn Chương TÍNH TỐN KẾT CẤU CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT 3.1 Các phương pháp tính tốn kết cấu chịu tác động động đất Để tính tốn tải trọng động đất tác dụng lên cơng trình người ta dùng nhóm phương pháp tính tốn sau: + Tĩnh tuyến tính: phương pháp tĩnh lực ngang tương đương + Động tuyến tính: phương pháp phân tích dạng chính, phương pháp phân tích trực tiếp phương trình chuyển động + Tĩnh phi tuyến: phương pháp tính tốn đẩy dần “push-over “ + Động phi tuyến: phương pháp phân tích trực tiếp phương trình chuyển động Các phương pháp đầu có ưu nhược điểm riêng 3.1 Phương pháp phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian cịn gọi phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động Phản ứng hệ kết cấu chịu tác động động đất xác định cách tích phân trực tiếp phương trình chuyển động theo thời gian Trực tiếp hiểu thực không cần thay đổi biến đổi phương trình chuyển động sang hệ có nhiều bậc tự phương pháp phân tích dạng dao động Footer Page 15 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 16 of 145 Đối với hệ kết cấu có nhiều bậc tự chịu tác động động đất, phương trình lượng gia chuyển dộng có dạng tương tự sau:        M   x(t )  C (t )  x(t )   K(t )  x(t )    M 1  x0 (t ) Trong đó,[M], [C(t)] [K(t)] ma trận khối lượng, ma trận lượng gia cản tiếp tuyến ma trận lượng gia độ cứng tiếp tuyến hệ kết cấu Các ma trận độ cản độ cứng thay đổi theo bước thời gian nhiều cấu kiện chuyển từ trạng thái làm việc đàn hồi sang không đàn hồi ngược lại Có nhiều phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động, ví dụ: phương pháp sai phân trung tâm, phương pháp Houbolt, phương pháp Newmark dựa phương pháp sai phân hữu hạn…Các bước tính tốn lịch sử phản ứng hệ kết cấu phi tuyến có nhiều bậc tự chịu tác động động đất sau: + Bước 1: Thiết lập phương trình lượng gia chuyển động hệ kết cấu + Bước 2: Tích phân phương trình lượng gia chuyển động phương pháp phân tích số + Bước 3: Xác định lượng gia chuyển vị, vận tốc gia tốc bước thời gian xét + Bước 4: Xác định chuyển vị, vận tốc gia tốc cuối bước thời gian xét từ điều kiện ban đầu tốn từ kết tính tốn thu bước thời gian trước + Bước 5: Xác định trạng thái ứng suất ứng với chuyển vị toàn phần cuối bước thời gian + Bước 6: Từ vectơ chuyển vị tốc độ cuối bước thời gian xác định lại ma trận độ cứng tiếp tuyến [K(t)] cản tiếp tuyến [C(t)] trường hợp cần thiết Footer Page 16 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 17 of 145 + Bước 7: Lặp lại q trình tính tốn cho tất bước tính tốn Các bước tính tốn cho thấy bước thời gian phải điều chỉnh lại(xác định lại) ma trận [K(t)], [C(t)] Đây khâu tính tốn địi hỏi nhiều thời gian, đặc biệt hệ kết cấu lớn Chương XÂY DỰNG ĐỒ THỊ TRẠNG THÁI PHÁ HỦY KẾT CẤU 4.1 Độ tin cậy kết cấu chịu tải trọng động ngẫu nhiên Bước việc tính tốn độ tin cậy hay xác suất phá hủy kết cấu chọn tiêu chuẩn an toàn hay phá hoại phần tử kết cấu xem xét cụ thể, tham số tải trọng hay sức bền thích hợp, gọi biến Xi, quan hệ chức chúng phù hợp với tiêu chuẩn áp dụng Về mặt tốn học, hàm cơng cho mối quan hệ mơ tả bởi: M =g(X1, X2,…., Xn) Trong X1, X2,…., Xn đại lượng ngẫu nhiên ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái kết cấu Mặt phá hoại hay trạng thái giới hạn xác định M = Từ phương trình trên, ta thấy phá hoại xảy M < Vì xác suất phá hoại pf biểu diễn tổng quát sau: p f    f x ( x1 , x2 , , xn )dx1dx2 dxn g (.)0 Trong fx (x1, x2,…, xn) hàm mật độ xác suất đồng thời biến X1, X2,…., Xn phép tích phân thực miền khơng an tồn, nghĩa g(.) < Nếu biến ngẫu nhiên độc lập thống kê, lúc hàm mật độ xác suất đồng thời Footer Page 145 thay 17 bởioftích hàm mật độ xác suất biến Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 18 of 145 Từ phương trình (4.1), ta xét trường hợp đơn giản gồm hai biến ngẫu nhiên độc lập thống kê có phân phối chuẩn: S hiệu ứng tải trọng tác dụng lên kết cấu (ứng suất, biến dạng, chuyển vị…) có giá trị trung bình μS độ lệch chuẩn σS; R khả chịu lực vật liệu (giới hạn tỉ lệ, giới hạn chảy…) có giá trị trung bình μ R độ lệch chuẩn σS Các đặc trưng chúng thành lập sở số liệu thí nghiệm, quan sát đo đạc M=R–S Trong đó: M miền an toàn (safety margin) hay quãng an toàn Điều kiện an toàn xác định kết cấu M = g(R,S) > xảy phá hoại M = g(R,S) < Hình 4-1 Các trạng thái kết cấu Xác suất an tồn có dạng: ps = P(R > S) = P(M > 0) Xác suất khơng an tồn hay xác suất phá hoại xác định: pf = 1- ps = P(R < S) = P(M < 0) 4.2 Tính tốn xác suất phá hủy kết cấu phương pháp mô Monte Carlo Phương pháp mô Monte Carlo phương pháp phân tích độ tin cậy phổ biến Phương pháp dựa kết đánh giá hàm trạng thái giới hạn mẫu liệu Ưu điểm phương pháp đơn giản dễ thực Footer Page 18 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 19 of 145 đòi hỏi số lượng mẫu lớn để đảm bảo độ xác Phương pháp mơ tả sau: Giả sử ta có N mẫu đánh giá ngẫu nhiên hàm trạng thái giới hạn theo biến ngẫu nhiên Khi xác suất phá hủy kết cấu sử dụng phương pháp mô Monte Carlo xác định theo công thức: Pf  n 100 N (4.11) Trong đó:  N tổng số mẫu đánh giá hàm trạng thái giới hạn theo biến ngẫu nhiên thực  n số mẫu đánh giá N mẫu có hàm trạng thái giới hạn g(x) < 4.3 Đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu - Các phương pháp thiết lập 4.3.1 Định nghĩa đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu Gọi A số đặc trưng cho cường độ địa chấn trận động đất, A đỉnh gia tốc (Peak Ground Acceleration – PGA), đỉnh vận tốc (PGV), đỉnh chuyển vị (Peak Ground Displacement – PGD), phổ gia tốc (Pseudo Spectrum Acceler – PSA) Khi đó, đồ thị trạng thái phá hủy Fr(a) định nghĩa xác suất có điều kiện phá hủy ( trạng thái thiệt hại) tương ứng với giá trị cường độ địa chấn A=a Fr (a)  P  X  x0 / A  a  Trong đó, phá hủy (hay trạng thái thiệt hại cụ thể) đặc trưng đáp ứng kết cấu X vượt giới hạn (critical limit) x0 Tính chất ngẫu nhiên đáp ứng X giới hạn tới hạn x0 không chắn tải trọng tác dụng, tính Footer Page 19 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 20 of 145 chất vật liệu, kích thước vậy, phá hủy (hay trạng thái thiệt hại cụ thể) xem xét cách tổng quát trường hợp nhu cầu địa chấn ( seismic demand – D) vượt khả địa chấn ( seismic capacity – C) kết cấu Khi đồ thị trạng thái phá hủy trở thành: Fr (a)  P  D  C / A  a  4.3.2 Cách thức xây dựng Đồ thị trạng thái phá hủy biểu diễn mối quan hệ xác suất phá hủy đại lượng đặc trưng cho cường độ địa chấn động đất, thiết lập thơng qua phương pháp sau: + Thông qua thực nghiệm từ số liệu đo đạc thiệt hại kết cấu sau trận động đất thực tế + Dựa kinh nghiệm chuyên gia lĩnh vực kháng chấn + Dựa mô số Đối với việc số liệu đo đạc thiệt hại kết cấu sau trận động đất tốn nhiều thời gian, chi phí cơng sức để thu thập phân loại Hiện chưa có nhiều chuyên gia có kinh nghiệm xây dựng kháng chấn nước thường xuyên xảy động đất có nhiều năm đầu tư nghiên cứu kháng chấn cho cơng trình xây dựng Vì với phạm vi nghiên cứu đề tài phương pháp mô số xem khả thi Hiện nay, giới tồn ba phương pháp mô số phổ biến: + Phương pháp co giãn cường độ địa chấn theo tỷ lệ xích ( SSI – Scale Seismic Intensity) + Phương pháp ước lượng khả tối đa ( MLE –Maximum Likeihood Footer Page 20Estimation) of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 21 of 145 + Phương pháp dựa mô hình nhu cầu khả địa chấn (PSDM/PSCM Probabilistic Seismic Demand Model/Probabilistic Seismic Capacity Model) 4.4 Các ví dụ áp dụng 4.4.1 Đặt vấn đề Như mô tả mục trên, nhận thấy để tiến hành xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu tồn 03 phương pháp phổ biến (i) phương pháp co giản cường độ địa chấn theo tỷ lệ xích (SSI - Scaled Seismic Intensity), (ii) phương pháp ước lượng khả tối đa (MLE - Maximum Likelihood Estimation) (iii) phương pháp dựa mơ hình nhu cầu khả địa chấn (PSDM/PSCM - Probabilistic Seismic Demand Model/Probabilistic Seismic Capacity Model) Các phương pháp song song tồn tại, với tác giả khác họ chọn phương pháp để tiếp cận khác Hiện chưa có nhiều nghiên cứu để khẳng định phương pháp tốt Điểm chung 03 phương pháp tiến hành thiết lập đồ thị trạng thái phá hủy sử dụng giả thuyết “đồ thị trạng thái phá hủy tuân theo quy luật phấn phối xác suất log-normal”, nhiệm vụ xác định tham số (parameters) phân phối giá trị trung vị độ lệch chuẩn (phương sai) Tuy nhiên mức độ phụ thuộc phương pháp lại khác 4.4.2 Quy trình so sánh a Tiêu chí so sánh Để so sánh hiệu phương pháp nghiên cứu số này, việc đề xuất số tiêu chí so sánh cần thiết Sử dụng kết phương pháp mô Monte Carlo phương pháp tham chiếu, tiêu chí dựa vào khoảng cách đồ thị ba phương pháp với kết phương pháp Monte Carlo Footer Page 21 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 22 of 145 Tiêu chí gọi sai số bình phương trung bình (Mean Square Error - MSE) định nghĩa là: MSE  Ns Ns   F  a   F  a  i 1 X r i MCS r i (4.24) Trong FrX  a  đồ thị trạng thái phá hủy ba phương pháp SSI, MLE PSDM/PSCM Đối với phương pháp có MSE lớn đồ thị thu xa kết Monte Carlo, đồng nghĩa với việc xác Tiêu chí thứ hai liên quan đến việc sử dụng đồ thị trạng thái phá hủy cho việc ước lượng xác suất phá hủy Đó sai số tương đối (Relative Error - RER) xác suất phá hủy ba phương pháp p Xf kết ước tính theo phương pháp Monte Carlo : p MCS f RER  p Xf  p MCS f p MCS f 100% (4.25) Ở đây, p Xf thu từ FrX  a  hàm mật độ xác suất p A  a  PGA:  p Xf   FrX (a) p A (a)da  (4.26) b Trình tự phân tích Sự so sánh thực nhiều loại kết cấu khác với gia tốc giống Đồ thị trạng thái phá hủy xác suất phá hủy thu từ phương pháp SSI, MLE PSDM/PSCM so sánh với kết mô Monte Carlo theo hai tiêu chí trình bày Khi đó, Phương pháp cho giá trị MSE RER thấp phương pháp chất lượng Footer Page 22 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 23 of 145 δ0 = H/300 δ0 = H/200 δ0 = H/100 Hình 4-2 Đồ thị trạng thái phá hủy khung thép cho ba trường hợp δ0 Bảng 4-1 Kết so sánh trường hợp khung thép Kết cấu Khung thép δ0, [cm] SSI MLE PSDM/PSCM MSEx10-3 RERx100% MSEx10-3 RERx100% MSEx10-3 RERx100% H/30 28.79 7.18 0.44 0.13 1.81 7.28 H/20 14.37 14.74 0.08 1.18 0.10 15.83 H/10 3.02 154.03 0.04 19.78 0.11 59.38 Hình 4-3 Kết so sánh MES RER kết cấu khung phẳng Footer Page 23 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 24 of 145 4.4.3 Thảo luận Từ kết thu được, nhận thấy rõ ràng rằng, có khác biệt lớn đồ thị thu từ phương pháp khác Các đồ thị phương pháp SSI tách xa đồ thị phương pháp MLE PSDM/PSCM sai khác nhiều với kết phương pháp MCS Hơn nữa, giá trị MSE RER lớn hầu hết trường hợp Điều cho thấy phương pháp SSI phương pháp tốt cho việc xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy Phương pháp PSDM/phương pháp cho kết tốt phương pháp MLE trường hợp dao động hệ bậc tự do, ngược lại kết cấu khung phẳng Mặt khác, để tiến hành phương pháp PSDM/PSCM, bên cạnh giả thuyết log-normal đồ thị trạng thái phá hủy người ta đưa thêm vào giả thuyết nhu cầu địa chấn (seismic demand), phương pháp đảm bảo tương quan mạnh nhu cầu địa chấn cường độ động đất, ngược lại điểm yếu phương pháp Phương pháp MLE cho kết đồ thị trạng thái phá hủy gần sát với kết phương pháp MCS giá trị SME RER thấp so với phương pháp khác, đặc biệt trường hợp khung phẳng Vì vậy, phương pháp MLE khuyến nghị nên sử dụng để xây dựng đồ thị phương pháp số Kết luận phù hợp với ý kiến báo khác gần Một lưu ý độ xác phương pháp MLE giảm ngưỡng phá hủy (giới hạn tới hạn) tăng, tức số lượng kiện thất bại trở nên Vấn đề ý tưởng nghiên cứu tác giả để cải thiện tính xác phương pháp MLE Footer Page 24 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 25 of 145 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài tiến hành xây dựng mơ hình số để tạo gia tốc trận động đất dựa vào phương pháp mô ngẫu nhiên Với gia tốc tạo tương ứng với độ lớn magnitude (M) khoảng cách chấn tâm (R) xét điều kiện địa hình đặc trưng cho phép xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu xây dựng khu vực Đây cơng việc có ý nghĩa Thật vậy, đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu cơng cụ hữu hiệu để định lượng tổn thương địa chấn kết cấu Nó áp dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng động đất đến phá hủy kết cấu giai đoạn thiết kế, xảy động đất sau động đất qua Chính vậy, công cụ nghiên cứu phát triển giới Căn vào mục tiêu đề phần đầu, tác giả hoàn thành đầy đủ yêu cầu đề đề tài như: (i) Cung cấp phương pháp luận để tính tốn, định lượng rủi ro kháng chấn; (ii) Mô tả cách thức tạo gia tốc trận động đất phương pháp mô số có xét đến yếu tố kiến tạo nền; (iii) Tính tốn đáp ứng động học kết cấu theo phương pháp lịch sử thời gian; (iv) Đánh giá độ tin cậy kết cấu phương pháp mô Monte Carlo; (v) Xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu tải trọng động đất phương pháp khác Dựa vào kết tính tốn áp dụng cho ví dụ cụ thể như: hệ kết cấu: kết cấu bậc tự tuyến tính phi tuyến; khung phẳng bê tơng cốt thép hai tầng Trong phần ví dụ áp dụng này, ba phương pháp để xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu động đất trình bày so sánh Chất lượng đồ thị thu so sánh với sở kết tham chiếu đạt từ phương pháp MCS, hai tiêu chí so sánh, sai số bình phương trung bình (MSE) sai số tương đối (RER) đề xuất Cuối cùng, Footer Page 25 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 26 of 145 phương pháp ước lượng hợp lý cực đại (MLE) khuyến nghị nên sử dụng để xây dựng đồ thị bẳng phương pháp số Tuy nhiên, giới hạn đề tài, tác giả quan tâm đến việc tạo gia tốc có xét đến kiến tạo đất khu vực xảy động đất mạnh, trường hợp tham số đất tác giả sử dụng lại nghiên cứu khác Vì vậy, áp dụng Việt Nam cần phải làm hợp lý tham số Bên cạnh đó, xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu, ngưỡng thiệt hại kết cấu tác giả giả định Nhưng áp dụng vào kết cấu cụ thể, cần phải có tốn để xác định ngưỡng phá hủy để áp dụng vào thực tế thiết kế động đất Đó hướng nghiên cứu nhóm tác giả đề tài Footer Page 26 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 27 of 145 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 1KHÁI QUÁT TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT 1.1 Tổng quan động đất 1.1.1 Động đất gì? 1.1.2 Nguồn gốc động đất 1.2 Các đặc trưng chuyển động đất 1.2.1 Sóng động đất 1.2.2 Các thang đánh giá cường độ động đất 1.3 Nguy động đất Việt Nam phương pháp giảm thiểu tác động động đất 1.3.1 Nguy động đất Việt Nam 1.3.2 Các phương pháp giảm thiểu tác động động đất 1.3.3 Dự báo thiệt hại (mức độ phá hủy) cơng trình xây dựng Chương 2MÔ PHỎNG GIA TỐC NỀN TRẬN ĐỘNG ĐẤT 2.1 Gia tốc trận động đất cách thức xác định 2.1.1 Các đặc trưng chuyển động đất 2.2 Sự phát triển biểu thức dự đoán chuyển động mạnh đất 2.3 Xây dựng mơ hình phổ trận động đất 10 Chương TÍNH TỐN KẾT CẤU CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT 14 3.1 Các phương pháp tính tốn kết cấu chịu tác động động đất 14 3.1 Phương pháp phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian 14 Chương XÂY DỰNG ĐỒ THỊ TRẠNG THÁI PHÁ HỦY KẾT CẤU 16 Footer Page 27 of 145 Đề tài KHCN cấp ĐHĐN Header Page 28 of 145 4.1 Độ tin cậy kết cấu chịu tải trọng động ngẫu nhiên Hình 4-1 Các trạng thái kết cấu 16 17 4.2 Tính tốn xác suất phá hủy kết cấu phương pháp mô Monte Carlo 17 4.3 Đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu - Các phương pháp thiết lập 18 4.3.1 Định nghĩa đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu 18 4.3.2 Cách thức xây dựng 19 4.4 Các ví dụ áp dụng 20 4.4.1 Đặt vấn đề 20 4.4.2 Quy trình so sánh 20 4.4.3 Thảo luận 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 24 Footer Page 28 of 145 ... Khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh Cách thức xác định gia tốc trận động đất a Dựa vào đồ phân vùng gia tốc theo lãnh thổ b Sử dụng chuỗi Fourier tạo băng gia tốc từ phổ phản ứng gia tốc đàn... trình lượng gia chuyển động hệ kết cấu + Bước 2: Tích phân phương trình lượng gia chuyển động phương pháp phân tích số + Bước 3: Xác định lượng gia chuyển vị, vận tốc gia tốc bước thời gian xét... pháp nghiên cứu + Cách tiếp cận  Dựa kết nghiên cứu địa chấn học, chủ nhiệm đề tài tổng hợp lý thuyết, phương pháp luận việc tính tốn kháng chấn cho cơng trình;  Áp dụng phương pháp mô để tạo gia