Kết cấu công trình 2: Kiến trúc chịu tải động đất (Bài thu hoạch)

Tìm hiểu về các giải pháp kết cấu cho chịu tải trọng động đất. Phân tích đánh giá các giải pháp đó về ưu, nhược điểm cũng như phạm vi ứng dụng.1. Các giải pháp thiết kế xem xét đến việc phân tán năng lượng ........................................................ 8 1.1. Giải pháp cách chấn (seismic isolated structure) ............................................................. 8 1.2. Giải pháp giảm chấn (damped structure) ........................................................................ 11 1.2.1. Giảm chấn điều khiển bị động (passive control) ..................................................... 11 1.2.2. Giảm chấn điều khiển chủ động (active control) .................................................... 14 1.3. Cách chấn có điều khiển (super-active base isolation) ................................................... 15 2. Các giải pháp kết cấu nhà cao tầng chịu động đất ...................................................................... 17 2.1. Những yêu cầu chung ............................................................................................................. 17 2.2. Các giải pháp kết cấu cho nhà cao tầng chịu động đất ......................................................... 18 2.2.1. Công nghệ Piston cho các tòa tháp ......................................................................... 18 2.2.2. Công nghệ “Con lắc thép khổng lồ” ....................................................................... 18 2.2.3. Công nghệ bồn nước ................................................................................................ 19 2.2.4. Hệ thống giảm xóc bằng hơi .................................................................................... 20 2.2.5. Giải pháp gia tăng độ cứng ngang .......................................................................... 21 2.2.6. Giải pháp sử dụng hệ thống giảm chấn ma sát ....................................................... 21 2.2.7. Giải pháp kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng cứng .............................. 22 D. KẾT LUẬN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HCM

TP.HCM, ngày 13 tháng 7 năm 2021

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP HỒ CHÍ MÌNH

BÀI THU HOẠCH MÔN: KẾT CẤU CÔNG TRÌNH 2

Họ và tên sinh viên:………

Họ tên và chữ ký của cán bộ chấm thi thứ 1

Họ tên và chữ ký của cán bộ chấm thi thứ 2

Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày…… tháng……năm 2021

Sinh viên nộp bài

Ký tên

2

MỤC LỤC

A MỞ ĐẦU 4

đề 4

2 Mục đích nghiên cứu 4

sát 21

2.2.7 Giải pháp kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng

cứng 22

D KẾT LUẬN 23

E TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

3

A MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Động đất là hiện tượng tự nhiên gây ra dao động của đất nền, trong đó động đất do sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo vỏ trái đất là loại động đất mạnh, gây chết người, làm sụp đổ nhà cửa, phá hoại các công trình xây dựng, ảnh hưởng lớn đến đời sống kinh tế xã hội Khác với bão, hiện nay chưa đủ phương tiện kỹ thuật tin cậy để dự báo động đất nên việc cảnh báo, sơ tán người dân ra khỏi các công trình động đất gây nguyhiểm không thể thực hiện được

Mặc dù động đất ở Việt Nam thường không xảy ra nhiều và không có cường độ lớn, tuy nhiên đây là vấn đề mà chúng ta phải hết sức quan tâm trong bối cảnh khí hậu môitrường biến động Bộ Xây dựng rất quan tâm đến việc nghiên cứu xây dựng tiêu chuẩn quốc tế công trình kháng chấn vì liên quan trực tiếp đến an toàn cho người và tài sản, tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế công trình động đất

Việc phân tích các giải pháp kết cấu cho chịu tải trọng động đất là rất cần thiết nhằm lựa chọn giải pháp kết cấu hợp lý và đáp ứng các yêu cầu của TCVN 9386:2012 Bài làm này phân tích và cụ thể hóa một số giải pháp kết cấu chống động đất đã được đề xuất và phân tích đánh giá các giải pháp đó về ưu, nhược điểm cũng như phạm vi ứng dụng

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: các giải pháp kết cấu cho chịu tải trọng động đất

- Phạm vi nghiên cứu về không gian: kiến trúc Việt Nam và nước ngoài

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích và tổng hợp: thu thập thông tin, bài nghiên cứu, phân tích bằng

dữ liệu, hình ảnh,…

5 Đóng góp của đề tài

- Bằng những phân tích, hình ảnh, Bài làm đã trình bày một cách trực quan sinh động

và có hệ thống nhằm giúp người đọc có thể dễ dàng thu nhận thông tin về các giải pháp kết cấu cho chịu tải trọng động đất đã được áp dụng trong kiến trúc Việt Nam và nước ngoài

- Tài liệu có thể sử dụng để phục vụ cho nhu cầu học tập và nghiên cứu của sinh viênlĩnh vực kiến trúc, xây dựng Cung cấp một đề cương sơ bộ, có thể phát triển nghiên cứu sâu hơn thành một đề tài nghiên cứu khoa học.

4

có thể xảy ra động đất yếu và rất yếu (yếu – tương ứng với gia tốc nền (ag) 0,04g) ag <

0,08g (tương đương với động đất cấp VI đến VII thang MSK-1964), rất yếu –

tương ứng với ag < 0,04g (tương đương với động đất dưới cấp VI)

Trong những năm vừa qua, Việt Nam đã từng ghi nhận 2 trận động đất lớn là trận động đất ở Điện Biên (1935) với cường độ 6,9 độ Richter xảy ra trên đới đứt gẫy sông

Mã Trận thứ hai là động đất ở Tuần Giáo (1983) với cường độ 6,8 độ Richter xảy ra trên đới đứng gẫy Sơn La Những năm gần đây, tần suất xảy ra động đất ở nước ta ngày càng nhiều tuy nhiên các trận động đất thường không lớn, không gây ra nhiều thiệt hại nhưng làm ảnh hưởng đến tâm lý và cuộc sống của người dân ở những địa điểm xảy ra động đất

Tại Việt Nam, thiết kế công trình chịu tải trọng động đất là yêu cầu bắt buộc

trong thiết kế công trình Tính toán tải trọng động đất là bài toán quan trọng

1.2 Các công trình bắt buộc phải thiết kế chịu tải trọng động đất

Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam 1997 quy định các yêu cầu kỹ thuật tối thiểu bắt buộc phải tuân thủ trong mọi hoạt động xây dựng ở Việt Nam yêu cầu kháng chấn đối với các công trình xây dựng như sau:

a Tại Điều 3.6 – Chống động đất quy định:

- Công trình cấp I - công trình đặc biệt quan trọng không cho phép hư hỏng cục bộ: ápdụng biện pháp kháng chấn theo cấp động đất cực đại với mọi tần suất;

- Công trình cấp II – công trình cho phép hư hỏng cấu kiện riêng lẻ, nhưng phải đảmbảo an toàn cho người và thiết bị: phải thiết kế kháng chấn với cấp động đất lựa chọntrong từng trường hợp cụ thể;

- Công trình cấp III – công trình khi bị phá hủy do động đất ít có khả năng chết ngườihoặc thiệt hại lớn về kinh tế: không có yêu cầu phải thiết kế kháng chấn

b Tại điều 8.4 – Phân cấp các công trình dân dụng, công nghiệp nêu rõ:

- Công trình cấp I là công trình có tuổi thọ trên 100 năm, chất lượng sử dụng cao;

- Công trình cấp II là công trình có tuổi thọ 50 - 100 năm, chất lượng sử dụng khá;

- Công trình cấp III là công trình có tuổi thọ 20 - 50 năm, chất lượng sử dụng trungbình.

5

Chất lượng sử dụng của ngôi nhà ở thì đa số các chung cư đã xây dựng có phòng ngủ, sinh hoạt, bếp, vệ sinh riêng biệt trong từng căn hộ là nhà cấp II, phải thiết kế kháng chấn Các công trình dân dụng khác, các công trình công nghiệp nếu có niên hạn sử dụng trên 50 năm thì phải thiết kế kháng chấn.

1.3 Quy trình tính toán, phân tích kết cấu

2 Tổng quan về thiết kế kháng chấn:

2.1 Định nghĩa

Thiết kế kháng chấn là một thuật ngữ trong lĩnh vực thiết kế xây dựng, được hiểu nhưviệc đưa ra giải pháp thiết kế sao cho công trình xây dựng đảm bảo đủ khả năng chịu lực, không chịu hư hại về kết cấu cũng như hư hỏng về thiết bị đồ đạc sử dụng trong công trình, tồn tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động đất

2.2 Quan niệm thiết kế kháng chấn hiện đại

Theo quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại, việc thiết kế kháng chấn một công trìnhxây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau:

- Bảo đảm kết cấu có khả năng chiu lực lớn trong miền đàn hồi

- Bảo đảm cho kết cấu có khả năng phân tán năng lượng do động đất truyền vào, thông qua sự biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc các thiết bị hấp thu năng lượng

Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại làtạo cho kết cấu công trình một độ bền đủ lớn và một độ cứng thích hợp.

- Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả năng chịu lực của kết cấu

6

- Độ cứng thích hợp nhằm giúp công trình có sự cân bằng hài hòa về mặt động lực học Bởi tác dụng rung lắc của động đất làm phát sinh chuyển vị và gia tốc trong công trình Nếu công trình có độ cứng quá lớn thì gia tốc sinh ra sẽ vô cùng lớn, gây rơi vãi đồ đạc thiết bị bên trong nhà dẫn đến thiệt hại về mặt kinh tế Ngược lại,nếu công trình quá mềm thì chuyển vị tương đối giữa các tầng quá lớn, gây biến dạng đáng kể cho cả công trình, làm hư hại các nút liên kết của khung chịu lực, nứt tường, vênh cửa…, ngoài ra dao động của công trình cũng phát sinh đáng kể gâyảnh hưởng đến tâm lý của người sinh sống và làm việc trong tòa nhà.

Như vậy, quan niệm thiết kế hiện đại đã lưu ý thêm phương diện năng lượng do độngđất truyền vào công trình Việc thiết kế và tính toán sao cho kết cấu có khả năng phântán phần năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp công trình làm việc hiệu quả nhất khi có động đất xảy ra

Kết cấu được xem là làm việc tốt nếu đảm bảo được khả năng hấp thụ và phân tán đều năng lượng do động đất truyền vào

2.3 Một vài điểm lưu ý khi thiết kế công trình chịu động đất

− Quy định về tính toán tỉ số nén của cột vách:

Đối với cấp dẻo trung bình (DCM)-cấp dẻo được tính toán phổ biến nhất trong tiêu chuẩn tính toán kháng chấn đối với các công trình xây dựng, tính toán tỉ số nén cột vách là quy trình bắt buộc với giá trị tỉ số nén dọc do động đất phải nhỏ hơn 0.65 và0.4 lần lượt đối với cấu kiện cột và vách Việc đảm bảo tỉ số nén này nhằm hạn chế tácđộng đến kết cấu do lớp bê tông bảo vệ bị nứt vỡ khi chịu tác động của tải trọng động đất Tuy nhiên để đảm bảo được tỉ số nén của cột vách trong giới hạn yêu cầu sẽ kéo theo việc tiết diện cột vách sẽ khá lớn không thể thỏa mãn được yêu cầu của kiến trúc

vì ảnh hưởng rất nhiều đến không gian cũng như yếu tố thẩm mỹ của công trình

− Yêu cầu về cốt thép tại vùng tới hạn:

Trong tính toán kháng chấn cho công trình, các vùng tới hạn là những vị trí sẽ hình thành “khớp dẻo” khi động đất xảy ra Đó là các vị trí hai đầu dầm, các nút khung cũng như vị trí tiếp giáp giữa cột vách và móng Các “khớp dẻo” này giúp công trình chịu được biến dạng và chuyển vị lớn hơn cũng như khả năng phân tán năng lượng tốthơn Để cấu tạo được những “khớp dẻo” này, yêu cầu quan trọng nhất là tính toán và

bố trí thép đai cho dầm, cột, vách và khi khớp dẻo được hình thành, kết cấu sẽ tránh được các dạng phá hoại giòn xảy ra.

7

− Yêu cầu về tính toán kiểm tra điều kiện cột khỏe – dầm yếu:

Hệ kết cấu áp dụng cho các công trình như trường học thường là kết cấu khung chịu lực Đối với hệ kết cấu khung và hệ tương đương khung, thiết kế theo nguyên tắc cộtkhỏe/dầm yếu là yêu cầu bắt buộc với cấp dẻo trung bình (DCM) Để thỏa mãn yêu cầu này, khả năng chịu mô men của các cột quy tụ vào nút khung (Mrc) phải lớn hơn1.3 lần tổng khả năng của các dầm cùng quy tụ vào nút khung đó theo tất cả các phương (Mrb)

C NỘI DUNGPhân tích các giải pháp kết cấu cho chịu tải trọng động đất

1 Các giải pháp thiết kế xem xét đến việc phân tán năng lượng

Để tránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại công trình như trên, một số giảipháp thiết kế được đưa ra nhằm hấp thụ bớt và phân tán đều năng lượng động đất chotoàn bộ công trình

(a)-Đơn thuần; (b)-Cách chấn; (c)-Giảm chấn

1.1 Giải pháp cách chấn (seismic isolated structure)

Do chấn động lan truyền trong đất nền nên phương pháp hay nhất để hạn chế tác độngcủa động đất là tách rời hẳn công trình khỏi đất nền Tuy nhiên, do không thể tách rờihoàn toàn, người ta bố trí lớp thiết bị đặc biệt giữa công trình và đất nền gọi là thiết bịcách chấn (isolator) Thiết bị này có độ cứng thấp nên khi nền đất dao động, thiết bị cóbiến dạng lớn, kết cấu phía trên nhờ có quán tính lớn nên chỉ chịu một dao động nhỏ

Hư hại kết cấu và thiết bị trong công trình do đó được giảm thiểu

8

Hiệu quả của giải pháp cách chấn so với kết cấu thông thường.

Biến dạng của kết cấu đơn thuần. Khi cách chấn, năng lượng động đất

được hấp thụ và tiêu tán, dao động củakết cấu phía trên cũng được giảm đáng kể

Phương pháp cách chấn này không chỉ áp dụng để tách rời toàn bộ công trình khỏi đấtnền, mà còn có thể áp dụng theo nhiều cách khác như tách rời một phần thân, đỉnh hoặc mái khỏi phần kết cấu phía dưới, tùy thuộc đặc điểm từng công trình

➢ Đánh giá ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của giải pháp:

- Phạm vi ứng dụng: Phù hợp cho nhiều thể loại công trình có số tầng vừa phải

và cải tạo công trình cũ Được áp dụng phổ biến trong thực tế thiết kế

- Ưu điểm chung: khả năng dịch chuyển ngang lớn và thích nghi được nhiều cấp

động đất khác nhau

- Ưu, nhược điểm của một số loại thiết bị cách chấn thường gặp:

Elastomeric Năng lực khai thác hạn chế

Biến dạng cắt làm giảm công suấtKém linh hoạt

Không có bộ đệm

Phạm vi độ cứng, độ giảm xóc hẹpKhông có bộ đệm

Không có bộ đệmNăng lực khai thác hạn chế

Flat sliders Kết cấu đơn giản Gia tốc cấu trúc cao

9

Mức độ giảm chấn cao Độ cứng ban đầu cao

Curved Phạm vi giảm xóc tương đối Thay đổi hệ số ma sát

sliders

Rollers Tính linh hoạt theo chiều Không có bộ đệm

Hysteretic Độ cứng và giảm xóc tốt

dampers Phạm vi giảm chấn rộng

Phổ biến rộng rãi

Đại học Công nghệ Tokyo (Tokyo Institute of Technology) tòa nhà J2 tại SuzukakedaiCampus, kết cấu thép, áp dụng phương pháp cách chấn nền (base isolation)

Toàn cảnh tòa nhà J2, độ cao 20 tầng, kích thướcnhịp 15,8 m và bước cột 6,6 m

Mô hình lớp cách chấn cho thấy toàn bộ các cộtđược tách rời khỏi hệ móng và được đặt lên hệ thống gối đỡ cách chấn hay gọi tắt là gối đệm

Khi động đất xảy ra, tòa nhà sẽ dao động êm hơn vì được các gối đỡ và hấp thụ bớtnăng lượng.

10

➢ Bệnh viện Chữ thập đỏ Ishinomaki (Công nghệ “Con nhún”)

Toàn bộ tòa nhà chính của Bệnh viện được đặt trên một hệ thống gồm 126 thiết bị chống độngđất, gọi là thiết bị cách ly động đất, do Tập đoàn Nikkei Seikei xây dựng Thiết bị này giống như những “con nhún” đặt dưới móng của tòa nhà

Khi động đất xảy ra, toàn bộ tòa nhà cao bảy tầng, rộng 9.455m2 này sẽ được 126

“con nhún” đẩy đưa “nhún” lên xuống và qua lại trên nền móng vững chãi của tòa nhà.Chính nhờ có thiết bị chống động đất như vậy, trong khi những tòa nhà lớn nhỏ xung quanh ngả nghiêng theo trận động đất 9 độ richter ngoài khơi vùng Tohoku và đo đượctại Ishinomaki 6 độ richter ngày 11/3/2011, tòa nhà chính của Bệnh viện vẫn không hề

hư hại gì

Thiết bị cách ly động đất nằm dưới móng Bệnh viện Chữ thập đỏ Ishinomaki

Bệnh viện Chữ thập đỏ Ishinomaki cũng được xem là mô hình kiểu mẫu về thiết kế chống động đất với hệ thống điện nước được đảm bảo dự trữ đủ cho ba ngày bị cúp điện, cúp nước Với thiết kế của Nikkei Seikei, trong trường hợp bị cúp cả điện lẫn nước do động đất xảy ra, hệ thống điện tự sạc sẽ tự động kích hoạt cũng như hệ thốngnước dự trữ có thể sử dụng ngay khi có sự cố

1.2 Giải pháp giảm chấn (damped structure)

Trong trường hợp năng lượng dao động truyền trực tiếp vào công trình do không đượctách rời, người ta có thể gia tăng độ cản (damping) của bản thân công trình để giải phóng năng lượng dao động này bằng cách lắp đặt các thiết bị giảm chấn (damper) vào công trình Có nhiều hình thức giảm chấn: thụ động, chủ động hay nửa chủ động

1.2.1 Giảm chấn điều khiển bị động (passive control)

Đây là hình thức giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của các thiết bị giảm chấn được lấy từ chính năng lượng dao động của bản thân công trình Năng lượng cóthể được tiêu tán dưới dạng nhiệt năng của hiện tượng ma sát (friction damper), biếndạng dẻo của kim loại (buckling restrained brace, stiffened shear panel), tính cản nhớt(viscous/visco-elastic damper) hoặc độ cản thủy lực (oil damper)

11

Các hình thức lắp đặt thiết bị “damper” trong giảm chấn không điều khiển (passive control).

Hệ thống “tường/khung cứng chân khớp” (rocking wall/frame)cũng có khả năng giảm chấn và phân tán lực cho công trình

➢ Đánh giá ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của giải pháp:

- Phạm vi ứng dụng: Phù hợp cho nhiều thể loại công trình có số tầng vừa phải.

Được áp dụng phổ biến trong thực tế thiết kế

- Ưu điểm chung:

Là một trong những biện pháp hiệu quả nhất và chi phí tương đối thấp

Không cần nguồn điện để hoạt động

Yêu cầu bảo trì thấp

Là giải pháp đáng tin cậy, kinh tế và dễ thực hiện để nâng cao tính an toàn củakết cấu, cho phép bảo vệ không chỉ các phần tử kết cấu và phi kết cấu mà còn bảo

vệ công trình trước những trận động đất lớn

- Ưu, nhược điểm của một số loại thiết bị giảm chấn bị động thường gặp:

- Thuộc tính phần lớn không phụ

Viscous thuộc vào tần số và nhiệt độ.

trong các ứng dụng quân sự

12

- Khả năng biến dạng có giới

gãy và rách vật liệu

- Ổn định, bền lâu

thuộc với kỹ sư hành nghề

trường

đạt

số

Đại học Công nghệ Tokyo (Tokyo Institute of Technology) tòa nhà G3 (Suzukakedai Campus)

Thay vì để một tầng bị phá hoại do sự suy yếu cục bộ của công trình, người ta khống chế sao cho chuyển vị ngang của các tầng lànhư nhau, nhờ đó lực tác động của động đấtvào các tầng được phân bố hài hòa hơn, biến dạng và phá hoại của công trình đượcgiảm thiểu

13

Người ta gắn vào cả tòa nhà một dạng tường cứng có khả năng chuyển vị tương đối

Vì tường ngăn theo phương cạnh ngắn giúp tòa nhà cứng hơn theo phương này Do đó,chỉ cần gia cố thêm theo phương cạnh dài

Vì cần phải tiêu tán bớt năng lượng do động đất truyền vào công trình, chi tiết cấu tạonút khớp ở dưới đáy giúp hệ tường có thể “nhún nhảy” Đây là điểm khác biệt lớn nhất

so với tường cứng thông thường Nút khớp này có thể chịu cắt nhưng giải phóng đượcmomen

Đại học Công nghệ Tokyo (Tokyo Institute of Technology), tòa nhà M1 (Ookayama Campus)

Để gia cố tòa nhà này, người ta sử dụng các thanh giằng có khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượng do động đất truyền vào, nhờ cấu tạo đặc biệt có thể nén giãn đúng tâm (buckling-restrained brace)

Công trình cải tạo tòa nhà M1 này được phối hợp thực hiện bởi các giáo sư của khoa

Kiến Trúc, và đã vinh dự được trao giải thưởng Kiến Trúc xuất sắc của Nhật Bản năm

2006

1.2.2 Giảm chấn điều khiển chủ động (active control)

Các thiết bị dạng này hoạt động được nhờ vào các nguồn năng lượng từ bên ngoài

(điện, khí nén…) Thông qua các cảm biến, thông tin về tải trọng, về dao động của

công trình được đưa về bộ xử lý trung tâm Bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý tín

hiệu và phát lệnh cho bộ phận thi hành để thực hiện việc tăng độ cản hay phát lực

điều khiển chống lại dao động, chẳng hạn như các hệ thống TMD (Tuned Mass

Damper), LTD (Liquid Tuned Damper)…

➢ Đánh giá ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của giải