NGHIÊN cứu TÍNH TOÁN kết cấu CAO TẦNG bê TÔNG cốt THÉP CHỊU tác ĐỘNG ĐỘNG đất THEO TIÊU CHUẨN mỹ ASCE 7 05IBC 2006

Tr­êng ®¹i häc x©y dùng 17 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN TRUNG NGHỊ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KẾT CẤU CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN MỸ ASCE 7 05IBC 2006 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2013 17 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN TRUNG NGHỊ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KẾT CẤU CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN MỸ ASCE 7 05IBC 2006 Chuyên ngành Xây dựng công trình dân dụng và công nghi.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGUYỄN TRUNG NGHỊ

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KẾT CẤU CAO TẦNG

BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN MỸ ASCE 7-05/IBC-2006

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGUYỄN TRUNG NGHỊ

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KẾT CẤU CAO TẦNG

BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN MỸ ASCE 7-05/IBC-2006

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, các Thầy Cô giáo trường Đại Học Xây dựng.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Tiến sỹ

- Nguyễn Đại Minh, người thầy kính yêu đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo và hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn lớp CHXD2/2010 cùng các đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn.

Mặc dù tác giả đã rất cố gắng để hoàn thiện luận văn, nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn

Tác giả

Nguyễn Trung Nghị

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 12

1 Đặt vấn đề 12

2 Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết của luận văn 13

3 Mục đích nghiên cứu của đề tài 13

4 Nội dung nghiên cứu của luận văn 13

5 Giới hạn nghiên cứu 14

6 Đối tượng nghiên cứu 14

7 Phương pháp nghiên cứu 14

8 Kết cấu của luận văn 14 CHƯƠNG I: NH À CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ SỰ CẦN T HIẾT PHẢI TÍNH TOÁN ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM 16

1.1 Tổng quan về nhà cao tầng 16

1.1.1 Một số khái niệm cơ bản về nhà cao tầng 16 1.1.2 Sơ lược về lịch sử phát triển và một số đặc điểm nhà cao tầng 16 1.1.3 Tình hình xây dựng nhà cao tầng ở Việt Nam trong những năm gần đây 17 1.2 Sự cần thiết phải tính toán tải trọng động đất cho nhà cao tầng ở Việt Nam 24

1.2.1 Tải trọng động đất theo tiêu chuẩn qui định .24

1.2.2 Tình hình áp dụng tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn ở Việt Nam .26

1.3 Về áp dụng tiêu chuẩn IBC 2006/ASCE7-05 cho tính toán động đất Nhà cao tầng ở Việt Nam .26

CHƯƠNG 2: SÁNH TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT TÁC DỤNG LÊN SO KẾT CẤU CHỊU LỰC THEO TCXDVN 375:2006 VÀ ASCE/SEI 7-05 .28

2.1 Các phương pháp tính toán kết cấu chịu tải trọng động đất 28

2.1.1 Những khái niệm cơ bản 28

2.1.2 Các yêu cầu cơ bản khi thiết kế công trình chịu động đất 37

2.2 Tiêu chuẩn TCXDVN 375 :2006 38

2.2.2 Phương pháp tính theo tĩnh lực ngang tương đương 48

2.2.3 Phương pháp phổ phản ứng 49

2.2.4 Phương pháp tĩnh phi tuyến (đẩy dần) 52

2.2.5 Phương pháp tích phân theo lịch sử thời gian 54

2.3 Tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-05/IBC 2006 56

2.3.1 Một số định nghĩa 56

2.3 2 Phương pháp tính theo tĩnh lực ngang tương đương 60

2.3.3 Phương pháp phổ phản ứng 64

2.4 Kết luận Chương 2 66

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN KẾT CẤU CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO ASCE/SEI 7-05 68

3.1 Chuyển đổi đỉnh gia tốc nền PGA của Việt Nam sang gia tốc cực đại động đất MCE của ASCE/SEI 7-05 68

3.1.1 Bản đồ phân vùng động đất chu kỳ lặp 500 năm trên lãnh thổ Việt Nam 68

3.1 2 Giá trị đỉnh gia tốc nền PGA ( 500 năm ) đối với các địa danh hành chính 69

3.1 3 Chuyển đổi đỉnh gia tốc nền aGR chu kỳ lặp 500 năm sang chu kỳ lặp 2 500 năm 69

3.2 Phổ phản ứng thiết kế trong ASCE/SEI 7-05 (IBC 2006) 69

3.3 Xác định SS và S1 trong ASCE/SEI 7-05 (IBC 2006) 72

3.4 Ví dụ tính toán 74

3.4.1 Ví dụ 1: Tính toán động đất Nhà 15 tầng 77

3.4.2 Ví dụ 2: Tính toán động đất Nhà 25 tầng 90

3.4.3 Ví dụ 3: Tính toán động đất Nhà 35 tầng 108

3.4.4 Ví dụ 4: Tính toán động đất Nhà 45 tầng 128

3.5 Biểu đồ mô-men, lực cắt 140

3.5.1 Biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng – Nhà 15 tầng 140

3.5.2 Biểu đồ mô men, lực cắt nhà 15 tầng 141

3.5.3 Biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng – Nhà 25 tầng 143

3.5.4 Biểu đồ mô men, lực cắt nhà 25 tầng 144

3.5.5 Biểu đồ mô men, lực cắt nhà 35 tầng 1463.5.6 Biểu đồ mô men, lực cắt nhà 45 tầng 1463.6 Kết luận chương 3 147CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1504.1 Kết luận 1504.2 Kiến nghị 150

TÀI LIỆU THAM KHẢO 152

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

PGA: Đỉnh gia tốc nền

MCE: Động đất cực đại

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Danh sách 10 công trình nhà cao tầng cao nhất thế giới hiện nay

17 Bảng 2.1: Phân loại nền đất (TCXDVN 375:2006) 40

Bảng 2.2: Giá trị giới hạn trên của hệ số ứng xử q cho hệ kết cấu thông thường 44

Bảng 2.3 Giá trị của các tham số S, TB, TC và TD 46

Bảng 2.4: Các giá trị 2,i cho công trình 47

Bảng 2.5: Giá trị của  để tính toán Ei 48

Bảng 2.6: Phân loại nền (Bảng 20.3-1 ASCE/SEI 7-05) 57

Bảng 2.7: Hệ số tầm quan trọng (Bảng 11.5-1 ASCE/SEI 7-05) 57

Bảng 2.8: Hệ số nền Fa (Bảng 11.4-1 ASCE/SEI 7-05) 58

Bảng 2.9: Hệ số nền Fv (Bảng 11.4-2 ASCE/SEI 7-05) 58

Bảng 2.10: Hệ số giới hạn trên của chu kỳ tính toán 62

Bảng 2.11: Giá trị của các hệ số của chu kỳ cơ bản gần đúng 62

Bảng 3.1 Chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang vùng động đất 70

Bảng 3.2: Hệ số động đất Ca trong UBC 1997 (Bảng 16-Q, UBC 1997) 7 1 Bảng 3.3: Hệ số động đất Cv trong UBC 1997 (Bảng 16-R, UBC 1997) 7 1 Bảng 3.4: Hệ số nền Fa (Bảng 11.4-1 ASCE/SEI 7-05) 73

Bảng 3.5: Hệ số nền Fv (Bảng 11.4-2 ASCE/SEI 7-05) 74

Bảng 3.6: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt , mô men lên các tầng (phương pháp lực tĩnh tương đương TCXDVN 375 :2006) 77

Bảng 3.7: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 1 : (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 79

Bảng 3.8: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 2 : (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 79

Bảng 3.9: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 3 : (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 80

Bảng 3.10: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 4 : (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 8 1Bảng 3.11: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 5 : (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 8 1Bảng 3.12: Lực cắt nhà 15 tầng (PP phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 82Bảng 3.13: Mô men nhà 15 tầng (PP phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 83Bảng 3.14: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng (phương pháp lực tĩnh tương đương ASCE/SEI 7-05) 84Bảng 3.15: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 1 : (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 86Bảng 3.16: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 2 : (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 86Bảng 3.17: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 3 : (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 87Bảng 3.18: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 4 : (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 87Bảng 3.19: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 5 : (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 88Bảng 3.20: Lực cắt nhà 15 tầng (PP phổ phản ứng theo ASCE/SEI7-05) 89Bảng 3.21: Mô men nhà 15 tầng (PP phổ phản ứng theo ASCE/SEI7-05) 89Bảng 3.22: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt , mô men lên các tầng (phương pháp lực tĩnh tương đương TCXDVN 375 :2006) 9 1Bảng 3.23: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 1 : (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 92Bảng 3.24: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 2 : (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 93Bảng 3.25: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 3 : (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 94

Bảng 3.26: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 4 : (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 95Bảng 3.27: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 5 : (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 96Bảng 3.28: Lực cắt nhà 25 tầng (PP phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 97Bảng 3.29: Mô men nhà 25 tầng (PP phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 98Bảng 3.30: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng (phương pháp lực tĩnh tương đương ASCE/SEI 7-05) 99Bảng 3.31: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 1 : (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 102Bảng 3.32: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 2 : (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 103Bảng 3.33: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 3 : (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 104Bảng 3.34: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 4 : (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 105Bảng 3.35: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 5 : (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 106Bảng 3.36: Lực cắt nhà 25 tầng (PP phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 107Bảng 3.37: Mô men nhà 25 tầng (PP phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 108Bảng 3.38: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 1: (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 109Bảng 3.39: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 2: (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 110Bảng 3.40: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 3: (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 112Bảng 3.41: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 4: (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 113

Bảng 3.42: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 5: (phương pháp phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 114Bảng 3.43: Lực cắt lên các tầng (PP phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 116Bảng 3.44: Mô men lên các tầng (PP phổ phản ứng theo TCXDVN 375 :2006) 117Bảng 3.45: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 1: (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 119Bảng 3.46: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 2: (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 120Bảng 3.47: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 3: (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 122Bảng 3.48: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 4: (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 123Bảng 3.49: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 5: (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 124Bảng 3.50: Lực cắt nhà 35 tầng (PP phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 126Bảng 3.51: Mô men nhà 35 tầng (PP phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 127Bảng 3.52: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 1: (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 129Bảng 3.53: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 2: (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 131Bảng 3.54: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 3: (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 132Bảng 3.55: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 4: (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 134Bảng 3.56: Phân phối tải trọng động đất, lực cắt, mô men lên các tầng ứng với dao động dạng 5: (phương pháp phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 136Bảng 3.57: Lực cắt nhà 45 tầng (PP phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05) 137Bảng 3.58: Mô men nhà 45 tầng (PP phổ phản ứng theo ASCE/SEI 7-05)…………138

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Keangnam Hanoi Landmark Tower 20

Hình 1.2 The Financial Tower 2 1 Hình 1.3 Hanoi City Complex Tower 2 1 Hình 1.4 Saigon Time Square 22

Hình 1.5 BIDV Tower 22

Hình 1.6 Saigon Pearl 23

Hình 1.7 VBC - Bonday - Benthanh Tower 23

Hình 1.8 Saigon Trade Center 24

Hình 2.1: Dao động của hệ 1 bậc tự do dưới tác dụng của gia tốc nền u 0 (t) 30

Hình 2.2: Đồ thị minh họa về phổ phản ứng gia tốc của kết cấu 32

Hình 2.3: Hệ n bậc tự do 33

Hình 2.4: Biểu đồ quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị đỉnh 53

Hình 2.5: Đường quan hệ lực – biến dạng đối với khớp dẻo 54

Hình 3.1: Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam chu kỳ lặp 500 năm, nền loại A (TCXDVN 375:2006) 68

Hình 3.2: Phổ phản ứng thiết kế (ASCE/SEI 7-05 hình 11.4-1) 69

Hình 3 3 : Phổ phản ứng thiết kế (UBC 97 hình 16.3) 70

Hình 3 4 : Dạng của phổ phản ứng đàn hồi theo TCXDVN 375:2006 72

Hình 3 5 : Sơ đồ tính 75 Hình 3 6 : Nhà 15 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo PP tĩnh 141 Hình 3 7 : Nhà 15 tầng: (a) mô-men tại các tầng, (b) lực cắt tại các tầng (Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương) 141 Hình 3 8 : Nhà 15 tầng: (a) mô-men tại các tầng, (b) lực cắt tại các tầng (Phương pháp phổ phản ứng) 142 Hình 3 9 : Nhà 15 tầng: (a) mô-men tại các tầng, (b) mô-men tại các tầng (Phương pháp tĩnh – phương pháp phổ phản ứng) 142 Hình 3.1 0 : Nhà 15 tầng: (a) lực cắt tại các tầng, (b) lực cắt tại các tầng

(Phương pháp tĩnh – phương pháp phổ phản ứng) 143Hình 3.1 1 : Nhà 25 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo PP tĩnh 143Hình 3.1 2 : Nhà 25 tầng: (a) mô-men tại các tầng, (b) lực cắt tại các tầng (Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương) 144Hình 3.1 3 : Nhà 25 tầng: (a) mô-men tại các tầng, (b) lực cắt tại các tầng (Phương pháp phổ phản ứng) 145Hình 3.1 4 : Nhà 25 tầng: (a) mô-men tại các tầng, (b) mô-men tại các tầng (Phương pháp tĩnh – phương pháp phổ phản ứng) 145Hình 3.1 5 : Nhà 25 tầng: (a) lực cắt tại các tầng, (b) lực cắt tại các tầng (Phương pháp tĩnh – phương pháp phổ phản ứng) 146Hình 3.1 6 : Nhà 35 tầng: (a) mô-men tại các tầng, (b) lực cắt tại các tầng (Phương pháp phổ phản ứng) 146Hình 3.17: Nhà 45 tầng: (a) mô-men tại các tầng, (b) lực cắt tại các tầng

147

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Động đất là tác động tự nhiên ảnh hưởng lớn đến nhà cửa, các công trình xâydựng và các kết cấu hạ tầng kỹ thuật v.v Đây là một trong những thiên tai để lại hậuquả nặng nề nhất cả về con người lẫn kinh tế ở nhiều nước trên thế giới Đối với cáckhu vực đô thị lớn đông dân, động đất lớn sinh ra sẽ gây thiệt hại nhiều về người,của cải và cơ sở hạ tầng kỹ thuật Theo quá trình phát triển của xã hội, trong cácthập niên gần đây, ở nước ta ngày càng có nhiều công trình cao tầng xây dựng vớiquy mô và tầm quan trọng lớn Vì vậy, việc tính toán thiết kế cho các công trìnhchịu tác động động đất là cần thiết

Theo quyết định số 09/2005/QĐ-BXD ngày 07 tháng 4 năm 2005 của BộXây dựng [1], việc thiết kế chịu động đất cho các công trình xây dựng ở Việt Nam

có thể thực hiện theo tiêu chuẩn nước ngoài Thực tế cho thấy các tiêu chuẩn thiết

kế kháng chấn thường được sử dụng ở nước ta là tiêu chuẩn SNIP II-7-81* [2] củaLiên Xô (cũ) hay Liên bang Nga ngày nay, tiêu chuẩn UBC 1997 [3] thay thế bằngtiêu chuẩn IBC 2006 (ASCE7-05) [4, 5] của Hoa Kỳ, và gần đây là tiêu chuẩnTCXDVN 375:2006 [6] được chuyển dịch trên cơ sở tiêu chuẩn EN 1998-1:2005[7] Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 là tiêu chuẩn chính thống của nước ta áp dụngtrên phạm vi cả nước về thiết kế kết cấu chịu động đất

Tuy nhiên, đối với các công trình cao trên 40 tầng có chu kỳ dao động riêng

cơ bản lớn hơn 4s, việc lựa chọn tiêu chuẩn và tính toán tác động động đất lên côngtrình hiện nay còn gặp nhiều khó khăn Tiêu chuẩn SNIP II7-81* của Nga áp dụngcho công trình cao dưới 75m, đối với các công trình có chiều cao lớn hơn 75m thìtính toán rất phức tạp Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 áp dụng cho các công trình

có chu kỳ dao động < 4s, còn trên 4s thì phải xây dựng phổ chuyển vị rất khó khăn.Tiêu chuẩn UBC 1997 cho phép tính toán công trình có chu kỳ dao động đến 10s,tuy nhiên tiêu chuẩn này hiện không được dùng ở Mỹ và được thay thế bằng IBC

2006 Do đó, tiêu chuẩn IBC 2006/ASCE7-05 được lựa chọn do có thể tính toáncho công trình có chu kỳ dao động lên đến 10s (nhà từ 60 đến 100 tầng) Song, tiêuchuẩn IBC 2006 / ASCE-7-05 được biên soạn và áp dụng ở Mỹ nên có những đặctrưng khác với Việt Nam Đặc biệt là đầu vào để xác định tải trọng động đất Tiêuchuẩn TCXDVN 375:2006 sử dụng đầu vào là đỉnh gia tốc nền tham chiếu chu kỳlặp 500 năm trên nền loại A Trong khi đó IBC 2006/ASCE7-05 sử dụng phân vùngđộng đất với các phổ gia tốc chu kỳ ngắn 0,2s và chu kỳ dài 1s trên nền đá loại B(phân loại theo tiêu chuẩn Mỹ) Chính vì thế, mục tiêu của luận văn này là việc tínhtoán nhà cao tầng chịu động đất theo TCXDVN 375:2006 và IBC 2006/ASCE7-05như thế nào khi áp dụng đầu vào động đất là đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR củaViệt Nam Mục tiêu này có ý nghĩa thực tiễn khi thiết kế các kết cấu cao tầng có chu

kỳ dao động riêng cơ bản lớn hơn 4s (cao hơn 40 tầng)

2 Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết của luận văn

Rõ ràng, việc tính toán tác động của tải trọng động đất lênnhà cao tầng là cần thiết Song tính toán theo tiêu chuẩn Việt NamTCXDVN 375:2006 cho công trình có chu kỳ dao động lớn hơn 4scòn gặp nhiều khó khăn Hầu hết các quy trình tính toán đangđược áp dụng đều do các kỹ sư tự tìm hiểu và nghiên cứu trongcác tiêu chuẩn nước ngoài như tiêu chuẩn Hoa Kỳ UBC 1997 (trướcđây) và tiêu chuẩn IBC 2006/ASCE7-05 (cập nhật hơn) Do đó việctính toán nhà cao tầng chịu động đất theo IBC 2006/ASCE7-05 như thế nào và sốliệu đầu vào lấy theo TCXDVN 375:2006 hay QCVN 02:2009/BXD ra sao là hếtsức cần thiết

3 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích của đề tài là nghiên cứu, tính toán tác động (lực) động đất theo tiêuchuẩn IBC 2006/ASCE7-05 cho một số công trình bê tông cốt thép (BTCT) cụ thể cóchu kỳ dao động từ 1.5s đến lớn hơn 4s (cao 15 tầng đến 45 tầng), từ đó rút ra nhữngnhận xét và kiến nghị khi tính toán động đất theo IBC 2006/ASCE7-05 đối với nhà

và công trình xây dựng ở Việt Nam trong trường hợp cần thiết phải áp dụng tiêuchuẩn này.

4 Nội dung nghiên cứu của luận văn

Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm

- So sánh phương pháp tính toán động đất trong TCXDVN 375:2006 vàASCE7-05

+ So sánh số liệu đầu vào của hai tiêu chuẩn

- Xây dựng đường cong phổ theo tiêu chuẩn ASCE7-05

- Cách phân bố lực động đất theo chiều cao và giới hạn của phương pháp lựctĩnh ngang tương đương

- Tính toán các ví dụ

- Các kết luận và kiến nghị

5 Giới hạn nghiên cứu

Luận văn chỉ nghiên cứu phương pháp tính toán tải trọng động đất đối với kếtcấu cao tầng theo tiêu chuẩn IBC 2006/ASCE7-05

6 Đối tượng nghiên cứu

- Các kết cấu nhà cao tầng chịu tác động động đất

7 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết để hiểu rõ bản chất của phương pháp tính động đất theoASCE 7-05, từ đó có thể áp dụng đúng ở Việt Nam

- Nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình số, phương pháp phần tử hữu hạn

- Áp dụng tính toán một số công trình cụ thể

8 Kết cấu của luận văn

Trên cơ sở mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu, ngoài phần mở đầu, phần kếtluận và tài liệu tham khảo, luận văn sẽ được bố trí thành 4 chương Cụ thể như sau:

Chương I: Nhà cao tầng và siêu cao tầng bê tông cốt thép và sự cần thiết

phải tính toán động đất ở Việt Nam.

Chương II: So sánh phương pháp tính toán kết cấu chịu tải trọng động đất

CHƯƠNG I

NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ SỰ CẦN THIẾT PHẢI

TÍNH TOÁN ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM

1.1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG

1.1.1 Một số khái niệm cơ bản về nhà cao tầng

Theo khái niệm cơ bản được quy định trong TCVN 323-2004 [8], nhà cao tầng

là công trình (nhà) có chiều cao từ 9 đến 40 tầng Hiện tại ở Việt Nam đã và đangxây dựng các công trình có chiều cao trên 40 tầng Trên thế giới mỗi quốc gia cócách định nghĩa về khái niệm nhà cao tầng của riêng mình Với sự phân loại hiệnnay của nhiều nước thì nhà cao tầng được chia theo số tầng cao đạt được theo cáccấp 9 -15 tầng, 15 - 25 tầng, 25 - 40 tầng và trên 40 tầng thì được gọi là nhà chọctrời (nhà siêu cao tầng) Theo sự phân loại trên thì ở Việt Nam đã có nhà chọc trời(tòa tháp Keangnam ở Hà Nội, tháp Bitexco Tower ở TP Hồ Chí Minh…)

1.1.2 Sơ lược về lịch sử phát triển và một số đặc điểm nhà cao tầng

Nhà cao tầng là hình ảnh tượng trưng của trào lưu kiến trúc hiện đại, là thànhphần chủ đạo trong cơ cấu của một đô thị hiện nay Việc phát triển đô thị đòi hỏiquỹ đất dành cho xây dựng là rất lớn Khi mà tốc độ đô thị hoá tăng nhanh, cư dânthành thị và giá đất tăng một cách chóng mặt thì xu hướng phát triển không gian đôthị theo chiều thẳng đứng là không thể tránh khỏi Nhà cao tầng ra đời trước tiênxuất phát từ nhu cầu nhằm đáp ứng đủ không gian sống và làm việc trong khônggian đô thị ngày càng chật hẹp

Toà nhà cao tầng đầu tiên xuất hiện vào những năm cuối thế kỉ 19 ở NewYork Giai đoạn này cũng là giai đoạn xuất hiện những nhà cao tầng đầu tiên trênthế giới, tập trung ở hai thành phố lớn của Mỹ là New York và Chicago [9] Sự pháttriển bước ngoặt của nhà cao tầng gắn liền với sự phát nhảy vọt của khoa học kỹthuật và công nghệ Các yếu tố ảnh hưởng nhiều đến sự phát triển nhà cao tầng cóthể kể đến công nghệ về vật liệu như thép, kính, bê tông cốt thép,… Ngoài ra còn

phải kể đến các công nghệ khác như máy bơm nước, đặc bịêt là thang máy để giảiquyết vấn đề giao thông theo phương thẳng đứng, điều hoà không khí, cũng nhưcông nghệ thi công xây lắp.

Bảng 1.1 Danh sách 10 công trình nhà cao tầng cao nhất thế giới hiện nay

Thứ

tự Tòa nhà Thành Phố Lãnh thổ Chiều cao tầng Số

Năm hoàn thành

5 Tháp Trung tâm Tài chính Thế giới Thượng Hải Thượng Hải Trung Quốc 492 m 101 2008

10 Two International Finance Centre Hồng Kông Hồng Công 415 m 88 2003

1.1.3 Tình hình xây dựng nhà cao tầng ở Việt Nam trong những năm gần đây

Cùng với sự phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa củađất nước, diện tích đất nông nghiệp liên tục bị thu hẹp lại, dân sốngày càng tăng nên nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, kháchsạn … cũng ngày một nhiều hơn Những năm qua, tại Hà Nội và TP

Hồ Chí Minh và nhiều thành phố khác trong phạm vi toàn quốc đãxây dựng rất nhiều các chung cư, cao ốc, văn phòng với số tầngkhá lớn, nhất là từ cuối những năm 90 Điển hình ở Hà Nội, tại cáckhu đô thị mới như Linh Đàm, Mỹ Đình, Mễ Trì, Nam Trung Yên,Định Công …, việc xây dựng các chung cư từ 11 - 18 tầng là phổbiến

Để thấy rõ hơn quá trình phát triển xây dựng nhà cao tầng cóthiết kế kháng chấn, cần thiết điểm qua một số giai đoạn điển hình

Nhà cao tầng mới chỉ xây dựng nhiều vào khoảng 10 năm trởlại đây Về tổng quát, có thể phân quá trình phát triển nhà caotầng ở Việt Nam theo 4 giai đoạn sau:

- Giai đoạn xây dựng từ thời kỳ 1954 - 1976

Giai đoạn này các công trình nhà thường là thấp tầng, từ 1tầng đến 5 tầng Kết cấu chịu lực của nhà thường là tường xâygạch đặc hoặc bê tông cốt thép, sàn panen hay đổ bê tông cốtthép toàn khối Những năm 1960 đến 1976 xuất hiện thêm cácnhà có giải pháp kết cấu lắp ghép: tấm nhỏ, tấm lớn và cả khunglắp ghép, nhưng chỉ có loại nhà lắp ghép tấm lớn là phổ biến nhất.Kết cấu tấm lắp ghép lúc đầu là bê tông xỉ, dùng cho nhà 1 đến 2tầng Sau đó là bằng bê tông cốt thép, dùng cho nhà cao từ 4 đến

5 tầng Với giải pháp kết cấu nhà lắp ghép tấm lớn đã hình thànhnên các khu chung cư An Dương, Phúc Xá, Bờ Sông (1-2 tầng); KimLiên, Nguyễn Công Trứ (4-5 tầng); Yên Lãng, Trương Định (2 tầng);Trung Tự, Khương Thượng, Giảng Võ, Vĩnh Hồ (4-5 tầng) Giai đoạnnày hầu hết các nhà đều là thấp tầng và không được thiết kếkháng chấn

- Giai đoạn xây dựng thời kỳ 1976 – 1986

Từ những năm 1976 – 1986, ở Hà Nội, Hải Phòng, Vinh, PhúcYên, Việt Trì và một số thành phố, thị xã ở Miền Bắc xây dựng phổbiến loại nhà lắp ghép tấm lớn Chính trong một số loại nhà lắpghép tấm lớn này đã được tính toán để chịu được động đất Điểnhình cho các loại nhà đã được tính toán để chịu động đất trong giaiđoạn này là mẫu nhà lắp ghép tấm lớn IW của Đạo Tú do Đức thiết

kế và mẫu nhà lắp ghép tấm lớn LV của Xuân Mai do Liên Xô thiếtkế

- Giai đoạn xây dựng thời kỳ 1986 - 1997

Đây là giai đoạn đầu của thời kỳ đổi mới Một số dự án đầu tưnước ngoài được đầu tư ở Việt Nam Làn sóng đầu tư lần thứ nhấtcủa nước ngoài vào những năm 90 đã tạo điều kiện thúc đẩy côngnghiệp xây dựng ở Việt Nam phát triển Nhiều công nghệ xây dựngmới đã được đưa vào áp dụng, như công nghệ cọc khoan nhồi, bêtông thương phẩm, đổ bê tông bằng bơm phun, sàn dự ứng lực(DƯL) … tạo điều kiện cho xây dựng nhà cao tầng phát triển Nhàcao tầng được xây dựng ngày càng nhiều nhất là ở TP Hồ Chí Minhvà Hà Nội Các nhà cao tầng ở thời kỳ này chủ yếu sử dụng giảipháp kết cấu chịu lực là khung – vách bằng bê tông cốt thép đổ tạichỗ Chiều cao công trình phần nhiều là dưới 20 tầng.

- Giai đoạn xây dựng thời kỳ 1997 đến nay

Đây là giai đoạn nhà cao tầng phát triển mạnh Nhiều giảipháp, công nghệ thi công tiên tiến được áp dụng như: công nghệthi công TOP – DOWN, công nghệ thi công cọc Barret; tường vây;cốp pha trượt (lõi cứng) kết hợp với lắp ghép (cột, sàn); kết hợp đổtại chỗ với lắp ghép cấu kiện DWL … Với các công nghệ xuất hiện,ngày càng nhiều các công trình cao tầng trên 20 tầng Đã cónhững công trình nhà cao tầng 33, 34 tầng được đưa vào sử dụng.Các công trình nhà cao tầng được xây dựng ở Hà Nội trong giaiđoạn này hầu hết đều được thiết kế kháng chấn chịu động đất cấpVII (thang MSK-1964) Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn được ápdụng chủ yếu là tiêu chuẩn SNIP II - 7 – 81* của Liên Xô (cũ) vàtiêu chuẩn UBC của Hoa Kỳ

Ở TP Hồ Chí Minh trước đây quan niệm rằng, các công trìnhđược xây dựng ở khu vực này không cần phải tính toán với tảitrọng động đất Nhưng do ảnh hưởng của các chấn động do độngđất ở ngoài khơi biển Vũng Tàu năm 2005 làm các nhà cao tầng ở

nhà cao tầng đã được quan tâm hơn Một số Chủ đầu tư đã yêucầu thiết kế công trình phải chịu được động đất Môt trong các đơn

vị đó là Công ty Đầu tư và Xây dựng Hoàng Quân Công ty này mớiđây đã thiết kế các chung cư cao tầng do họ đầu tư chịu đượcđộng đất cấp 7

Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn trong các nhà cao tầng đãđược yêu cầu bắt buộc khoảng từ 15 năm trở lại đây Những côngtrình nào không đáp ứng được sẽ không được cấp phép Tuy nhiênkhông phải tất các các công trình cao tầng đó đều được thiết kếkháng chấn Vấn đề hiện nay là chúng ta có quá nhiều chung cư

đã xuống cấp được xây dựng từ trước những năm 90 nên thiết kếkháng chấn chưa trở thành yêu cầu bắt buộc Thậm chí các chung

cư này được xây dựng theo phương án lắp ghép theo blog, gồmcác tấm bê tông cốt thép có sẵn, sau đó được lắp ghép vào vớinhau kèm với các chốt Chưa thể nói cách xây dựng này khiến tòanhà sập ngay nếu có động đất nhưng việc “đeo ba lô” do ngườidân ở các chung cư cũ cơi nới thêm diện tích sẽ khiến mức độnguy hiểm cao hơn Khi động đất xảy ra, các “ba lô” này sẽ rơixuống đầu tiên và hậu quả sẽ không lường hết được

Có thể kể đến rất nhiều công trình, dự án nhà cao tầng đangthực thi ở Hà Nội cũng như TP Hồ Chí Minh như:

- Keangnam Hanoi Landmark Tower (Hình 1.1) cao 70 tầng do công tyKeangnam (Hàn Quốc) đầu tư tại đường Phạm Hùng - Hà Nội Với tổng diện tíchxây dựng 578.957 m2, Keangnam Hanoi Landmark Tower gồm 3 tòa nhàtrong đó có một cao ốc 70 tầng và 2 cao ốc chung cư cao 47 tầng

Dự kiến với chiều cao 336m, đây sẽ là tòa nhà cao nhất của ViệtNam và đứng thứ 17 trong danh sách những tòa nhà cao nhất thếgiới Hiện tòa nhà đã hoàn thành và đưa vào sử dụng

Hình 1.1 Keangnam Hanoi Landmark Tower

- Financial Tower (Hình 1.2) cao 68 tầng do Bitexco làm chủ đầu tư xây dựnggồm 7 tầng ngầm sâu 30m, 1 tầng trệt và 60 tầng lầu được thiết kế bằng dầm thép

và kính Trên sân thượng tòa nhà có sân đáp trực thăng Theo thiết kế của các kiếntrúc sư người Mỹ, The Financial Tower cao 300m tính từ mặt đất với diện tích6.000 m2 tại trung tâm quận 1 – TP Hồ Chí Minh Với ý tưởng lấy hìnhảnh bông sen, vốn quen thuộc với người Việt Nam làm ý tưởngchính nên nhìn từ bên ngoài, tòa nhà có dáng vẻ thanh thoát, nhẹnhàng Tòa nhà được xem là biểu tượng năng động của TP Hồ ChíMinh trong thời kỳ hội nhập kinh tế Phần lớn diện tích của tòa nhà

sẽ được các doanh nghiệp tài chính hàng đầu trong nước và thếgiới thuê làm văn phòng Đây cũng là Trung tâm thương mại, giảitrí lớn

Hình 1.2 The Financial Tower

- Hanoi City Complex Tower (Hình 1.3) được xây dựng bởi công tyCoralis SA với 100% vốn đầu tư của Luxembourg, gồm 65 tầng,cao 195m, là một tổ hợp cao cấp khu văn phòng, căn hộ cho thuê,trung tâm thương mại hiện đại, các khu dịch vụ tổng hợp nhưphòng khám bệnh, bãi đỗ xe, rạp chiếu phim

Hình 1.3 Hanoi City Complex Tower

- Saigon Time Square (Hình 1.4) là một công trình qui mô gồm 43tầng với hơn 120 căn hộ bán hoặc cho thuê, một khách sạn 5 saovà nhiều nhà hàng do ông Alfred Chu, người Hồng Công làm chủđầu tư

Hình 1.4 Saigon Time Square

- BIDV Tower (Hình 1.5) cao 40 tầng dự kiến được xây dựng tại khu đất

117-119 Nguyễn Huệ, Diện tích khuôn viên gần 2.735 m2, cao 152m

Hình 1.5 BIDV Tower

- Saigon Pearl (Hình 1.6) là khu phức hợp gồm 8 cao ốc căn hộ cao 37 tầngvới 2.112 căn hộ, 162 biệt thự, 2 cao ốc văn phòng, một khu trung tâm thương mạirộng 40.000 m2, trường học, công viên, bãi đậu xe, rạp chiếu phim Diện tích củatoàn dự án là 13,3 ha do 2 công ty Vietnam Land (Hồng Công) và công ty CP xâydựng địa ốc SSG liên doanh thực hiện

Hình 1.6 Saigon Pearl

- VBC - Bonday - Benthanh Tower (Hình 1.7) đặt tại số 5 công trường MêLinh, quận 1, TP HCM Cao ốc 35 tầng, tổng diện tích trên 77.000 m2 Cao ốc nàyđược sử dụng cho thuê văn phòng, nhà hàng, cửa hàng bán lẻ, bãi đậu xe và cácdịch vụ khác.

Hình 1.7 VBC - Bonday - Benthanh Tower

- Saigon Trade Center (Hình 1.8) gồm 34 tầng nổi và 1 tầng hầm để xe, diệntích 54.028 m2

Hình 1.8 Saigon Trade Center

1.2 SỰ CẦN THIẾT PHẢI TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CHO NHÀ CAO TẦNG Ở VIỆT NAM

1.2.1 Tải trọng động đất theo tiêu chuẩn qui định

Theo tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng TCXD 198:1997, đối với những côngtrình nhà cao tầng (theo qui định từ 9 tầng trở lên) trong thiết kế xây dựng, nhà thầungoài việc tính toán tải trọng tĩnh tải, hoạt tải (tải trọng đứng) còn phải tính toán 2loại tải trọng rất cùng quan trọng là tải trọng gió và tải trọng động đất (tải trọngngang) vì đối với kết cấu cao tầng thì ảnh hưởng của tải trọng ngang được xem lànổi trội hơn so với tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng.

Đây được xem như là một trong những yêu cầu bắt buộc khi thiết kế cáccông trình cao tầng Do đó, bất kỳ công trình xây dựng nào nằm ở vùng có phânvùng tác động gió thì phải tính toán tải trọng gió, phân vùng về động đất thì phảitính toán tải trọng động đất

Trong hội thảo về nguy cơ động đất tại Việt Nam ngày 12/3/2009 tổ chức tại

Hà Nội đã nêu rõ, lãnh thổ Việt Nam thuộc vị trí địa lý có kiến tạo địa chất phứctạp, tuy không nằm trên các vành đai động đất – núi lửa hoạt động nhưng tiềm ẩnnhiều nguy cơ động đất cao và trên thực tế động đất vẫn thường xuyên xẩy ra tạiViệt Nam

Theo đó các vùng có nguy cơ xẩy ra động đất từ 6,0 – 7,0 độ Richter ở ViệtNam gồm: đới đứt gãy trên hệ thống sông Hồng, sông Chảy; đới đứt gãy Lai Châu,Điện Biên; đới sông Mã, Sơn La, sông Đà; đới Cao Bằng, Tiên Yên; đới Rào Nậy –sông Cả; đới Ddarkrong – Huế; đới Trường Sơn; đới sông Ba; đới ven biển miềnTrung … Ngoài những vùng này, trên lãnh thổ Việt Nam còn có khoảng 30 khu vực

có nguy cơ động đất với cường độ xấp xỉ 5,0 độ Richter

Hà Nội và TP Hồ Chí Minh trong vài năm trở lại đây cũng đã bị ảnh hưởng

dư chấn rõ rệt do động đất ở Trung Quốc và ngoài biển Đông gây ra

Riêng Hà Nội, Viện KH-CN & Kinh tế Xây dựng đã thực hiện đề tài phânnhỏ vùng động đất cho từng khu vực, trong đó có việc lập bản đồ trên cơ sở phântích các trận động đất tiêu biểu, lập tần suất lặp lại ở các vùng khác nhau trên địabàn Hà Nội và lân cận Dự đoán Hà Nội có thể xẩy ra động đất mạnh tới cấp 6,1 –6,5 độ Richter, ở độ sâu 15 – 20 km, liên quan đến hoạt động của các đứt gãy sông

Hồng, sông Chảy Các tài liệu lịch sử cho thấy, động đất mạnh cấp 7 – 8 đã từngxảy ra tại Hà Nội và các năm 1276, 1278, 1285.

Theo bản đồ phân vùng nhỏ động đất, địa bàn Hà Nội được chia thành 3 khuvực tương ứng với 3 loại nền đất Khu vực có khả năng động đất cấp 7 (thang MSK64) phân bố rải rác ở địa phận huyện Đông Anh, phần lớn khu vực Đông Bắc huyện

Từ Liêm, Thủ Lệ, Liễu Giai, Vạn Phúc (quận Ba Đình), Thịnh Hào (quận ĐốngĐa) Khu vực có khả năng động đất cấp 8 chiếm phần lớn địa bàn Hà Nội, gồm cáchuyện Đông Anh, phía Nam huyện Từ Liêm, một phần huyện Thanh Trì, các quậnHoàn Kiếm, Hai Bà Trưng, phía Nam quận Đống Đa, Nam sông Hồng và Đông Bắc

Hồ Tây Khu vực có khả năng động đất cấp 8-9 ở phía Nam thành phố thuộc huyệnThanh Trì

Chống động đất (kháng chấn) là một trong những yếu tố rất quan trọng vàđược yêu cầu bắt buộc trước khi xây dựng các công trình cao tầng Tùy từng loạicông trình để phân cấp từng mức độ kháng chấn khác nhau

Với kết quả nghiên cứu này đã khẳng định: thiết kế kháng chấn cho các côngtrình nằm trong vùng chịu ảnh hưởng động đất ở Việt Nam là cần thiết

1.2.2 Tình hình áp dụng tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn ở Việt Nam

Sự cần thiết phải thiết kế kháng chấn cho các công trình ở Việt Nam đã đượcđặt ra từ lâu, nhưng do hệ thống tiêu chuẩn chưa đồng bộ, nên trước đây, thiết kếkháng chấn chỉ đặt ra đối với các công trình quan trọng hoặc có ý nghĩa về mặt lịch

sử như: Nhà máy thủy điện Thác Bà, Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh, cầu Thăng Long,nhà máy thủy điện Hòa Bình… Hầu hết các công trình được thiết kế kháng chấnđều ở khu vực miền Bắc Ở miền Nam, phần lớn các công trình được xây dựngtrước đây đều ít quan tâm đến vấn đề kháng chấn Việc tính toán thiết kế khángchấn cho công trình ở Việt Nam trước đây chủ yếu dựa vào các tiêu chuẩn của nướcngoài như: tiêu chuẩn SNIP II – 7 – 81* của Liên Xô, Qui chuẩn động đất của Mỹ(UBC – 85, UBC – 88, UBC – 91 và UBC – 97) Do tiêu chuẩn thiết kế kháng chấnSNIP II – 7 – 81* phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn thiết kế hiện hành của Việt Namnên thường được các nhà thiết kế dùng nhiều Các nội dung chính của tiêu chuẩn

SNIP II – 7 – 81* cũng đã được đưa vào phần thiết kế kháng chấn trong Tiêu chuẩnthiết kế nhà cao tầng TCXD 198 : 1997.

Trước yêu cầu cần phải có một tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đồng bộ trêntoàn lãnh thổ Việt Nam, Bộ xây dựng đã chỉ đạo cho Viện KHCN Xây dựng biênsoạn và cho ban hành tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006

1.3 VỀ ÁP DỤNG TIÊU CHUẨN IBC 2006/ASCE7-05 CHO TÍNH TOÁN ĐỘNG ĐẤT NHÀ CAO TẦNG Ở VIỆT NAM

Từ những văn bản pháp qui và hệ thống tiêu chuẩn kháng chấn đang được ápdụng tại Việt Nam có thể rút ra một số nhận xét sau:

- Tiêu chuẩn SNIP II-7-81* (trước đây) cũng như SNIP II-7-81* (hiện nay) củaNga áp dụng cho thiết kế kháng chấn công trình cao dưới 75m, đối với các côngtrình có chiều cao lớn hơn 75m chưa có qui định trong tiêu chuẩn này

- Tiêu chuẩn UBC 1997: Với phương pháp phổ phản ứng có thể tính toán chonhà có chu kỳ dao động lên đến 10s (tương đương nhà 100 tầng) Tuy nhiên, tiêuchuẩn này hiện nay đã không còn được sử dụng ở Mỹ và đã thay thế bằng tiêuchuẩn mới IBC-2006

- Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 áp dụng cho các công trình có chu kỳ daođộng < 4s (dưới 40 tầng), còn trên 4s thì phải xây dựng phổ chuyển vị rất phức tạp.Như vậy, với các công trình lớn hơn 40 tầng tính theo TCXDVN 375:2006 là rấtkhó nên cần phải sử dụng tiêu chuẩn khác hiện đại hơn

- Tiêu chuẩn IBC 2006/ASCE7-05 là tiêu chuẩn mới của Mỹ ápdụng tính toán cho các công trình có chu kỳ giao động lên đến 10svà được sử dụng trên nhiều quốc gia trên thế giới Song, tiêu chuẩnIBC 2006/ASCE7-05 được biên soạn và áp dụng ở Mỹ nên có những đặc trưngkhác với Việt Nam, đặc biệt là đầu vào để xác định tải trọng động đất Tiêu chuẩnTCXDVN 375:2006 sử dụng đầu vào là đỉnh gia tốc nền tham chiếu chu kỳ lặp 500năm trên nền loại A Trong khi đó IBC 2006/ASCE7-05 sử dụng phân vùng độngđất với các phổ gia tốc chu kỳ ngắn 0,2s và chu kỳ dài 1s trên nền đá loại B Chính

TCXDVN 375:2006 và IBC 2006/ASCE7-05 như thế nào khi áp dụng đầu vàođộng đất là đỉnh gia tốc nền agR của Việt Nam.

CHƯƠNG 2

SO SÁNH TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT TÁC DỤNG LÊN KẾT CẤU CHỊU THEO TCXDVN 375:2006 VÀ ASCE/SEI 7-05

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

2.1.1 Những khái niệm cơ bản

- Tác động động đất

Nguyên nhân gây ra động đất (ở đây chỉ xét đến động đấtkiến tạo) là do hiện tượng giao động rất mạnh nền đất gây ra bởimột sự giải phóng năng lượng đột ngột trong vỏ quả đất, gây nênnhững chấn động của nền đất Các chấn động này tạo nên các lựcđộng đất hay còn gọi là tác động động đất [8]

Tải trọng động đất tác dụng lên kết cấu thường được xác địnhbằng các phương pháp tính toán qui định trong các tiêu chuẩn/quyphạm thiết kế/xây dựng trong vùng có ảnh hưởng của động đất(hay còn gọi là tiêu chuẩn kháng chấn)

Mỗi tiêu chuẩn kháng chấn có những quy định riêng vềphương pháp tính toán, thiết kế kết cấu chịu động đất với các hệ số,tham số khác nhau áp dụng khác nhau Một số phương pháp được

áp dụng trong các tiêu chuẩn kháng chấn là: (i) phương pháp tĩnhlực ngang tương đương, (ii) phương pháp phổ phản ứng nhiều dạngdao động (gọi tắt là phương pháp phổ phản ứng), (iii) phương phápphân tích tĩnh phi tuyến (phương pháp đẩy dần), (iv) phương phápphân tích theo thời gian (tích phân theo giản đồ gia tốc)

- Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương có thể áp dụng chocác nhà và công trình mà phản ứng của nó ít bị ảnh hưởng đáng kể

bởi các dạng dao động bậc cao hơn dạng dao động cơ bản trongmỗi hướng chính.

TCXDVN 375:2006 và EN 1998-1:2004 quy định phương phápnày chỉ áp dụng cho nhà cao tầng có chu kỳ dao động riêng cơ bản

T1 nhỏ hơn 2 s (đối với đất nền loại B, C, D, E theo phân loại đấtnền theo động đất) hay nhỏ hơn 1.6 s (đối với đất nền loại A),tương đương với nhà cao từ 20 tầng trở xuống Tiêu chuẩnUBC:1997 cũng quy định phương pháp phân tích tĩnh lực ngangtương đương áp dụng cho các nhà cao tầng cao dưới 240 ft (73.15

m, khoảng 20 tầng)

Tải trọng động đất là tải trọng tác dụng động thay thế bằngphương pháp tĩnh: sử dụng lực cắt đáy bằng tổng của lực quán tínhlớn nhất tại các điểm tập trung khối lượng  m  x 0 , max (m – khối lượng

tập trung của tầng, x0 , max – gia tốc lớn nhất khi động đất xảy ratruyền từ đá gốc lên các lớp đất, và kết cấu bên trên, xác định theođường cong phổ thiết kế)

Phương pháp này chỉ tính toán với một dạng dao động, coicông trình là một thanh conson có độ cứng cố định, khối lượngtầng được đặt ở mức sàn, tải trọng động đất được phân vào từngtầng với giá trị độ lớn tỉ lệ theo khối lượng

- Phương pháp phổ phản ứng

Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 và tiêu chuẩn EN 1998-1:2004đều khẳng định phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động(hay còn gọi là phương pháp phổ phản ứng) có thể áp dụng cho tất

cả các loại kết cấu khi thiết kế kháng chấn Như vậy, với nhà cao

từ 20 tầng trở lên, theo quy định của TCXDVN 375:2006, khi tínhtoán động đất phải áp dụng phương pháp phổ phản ứng nhiềudạng dao động Các tiêu chuẩn Mỹ UBC:1997 (trước đây) và tiêuchuẩn Nga SNiP II-7-81* cũng áp dụng phương pháp này khi thiết

kế kháng chấn đối với các kết cấu cao tầng Tiêu chuẩn SNiP quy

định đối với công trình có chu kỳ dao động riêng cơ bản T1 > 0.4 s(tương đương từ 5 tầng trở lên), phải xét đến ít nhất 3 dạng daođộng khi tính toán động đất Khác với tiêu chuẩn Mỹ, là tiêu chuẩncoi phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương là phươngpháp tham chiếu (reference method) trong thiết kế kháng chấn,tiêu chuẩn Eurocode 8 xem phương pháp phổ phản ứng nhiềudạng dao động là phương pháp tham chiếu Vì vậy, phương phápnày được khuyến nghị áp dụng cho mọi loại kết cấu Ngoài ra,trong tính toán kết cấu chịu tác động động đất, EN 1998-1:2004còn khuyến khích áp dụng phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng

dao động có xét đến ảnh hưởng của các dạng dao động bậc cao

không gian theo cả 3 phương: ngang nhà, dọc nhà và xoắn theophương chiều cao nhà

1 bậc tự do

Hình 2.1: Dao động của hệ 1 bậc tự do dưới tác dụng của gia tốc nền

) (

0 t u

Xét hệ 1 bậc tự do chịu tác dụng của chuyển động đất nền cho ởhình 1 Theo nguyên lý Dalambert, phương trình dao động của hệ

một bậc tự do theo phương x (hay u) được viết như sau [9]:

m – khối lượng tập trung, t – biến thời gian;

u, uvà u – dịch chuyển, vận tốc và gia tốc tương ứng theo

phương ngang u tại điểm tập trung khối lượng m;

0

u - gia tốc đất nền (giản đồ gia tốc nền a g (t));

c – hệ số cản nhớt, k – độ cứng kết cấu;

tần số riêng (tần số vòng)   m k (chú thích: quan hệ giữa

của hệ là:  

2

T

 và T  1f );

 - hệ số cản nhớt không thứ nguyên, xác định như sau:

t

d t

1 )

2

) (

t d

u d t

u  , u(t) xác định theo công thức (2.4).

Khi tính toán thiết kế, cần thiết phải quan tâm đến lực động đất

lớn nhất tác dụng lên khối lượng m do hàm gia tốc nền u0(t) gây

ra Với hàm u0(t) cho trước, giá trị gia tốc lớn nhất (đỉnh gia tốc hay phổ) u maxtương ứng với tần số riêng  (hoặc chu kỳ dao động

riêng T ) được xác định căn cứ vào giá trị max của tích phân

Duhamel Tập hợp các giá trị u maxtương ứng với các chu kỳ dao

động riêng T chính là đường cong phổ phản ứng gia tốc S a () (hay

S a (T)) đối với gia tốc nền u 0 cho trước Minh họa về phổ phản ứng

gia tốc S a cho ở hình 2.1 [7, 9, 13, 14]

Hình 2.2: Đồ thị minh họa về phổ phản ứng gia tốc của kết cấu [14]

Từ công thức (2.4), có thể xác định được phổ phản ứng dịchchuyển, phổ phản ứng vận tốc và phổ phản ứng gia tốc (từ đây gọilà phổ gia tốc), xấp xỉ như sau:

2 max d a

S S

t e

u g

) ( sin )

( 1

max 0

) ( 0

Xét dao động của hệ n bậc tự do cho ở hình 2.4 Theo nguyên lý

Dalambert, hệ phương trình dao động của hệ nhiều bậc tự do dướitác dụng của gia tốc nền u0(t) theo phương x (hay u) được biểu

diễn như sau [9]:

Hình 2.3: Hệ n bậc tự do

 M     u  u0  c u  k u 0 (2.8)hay  M  u  c  u  k  u   M  u0 (2.9)

trong đó:  T  n

u u

u1 2



u u

t d

u d t

i 

[M] – ma trận khối lượng, [c] – ma trận cản vận tốc, [k] – ma

trận độ cứng, xác định như sau:

m i – tập trung khối lượng tại tầng thứ i, i = 1, 2, , n.

Biến hệ phương trình vi phân (2.9) thành hệ n phương trình vi phân độc lập, dùng phép biến đổi modal (phép biến đổi dạng dao

động), véc-tơ biến {u} sẽ thay thế bằng véc-tơ các biến mới {Y},

cụ thể là:

 u    Y (2.10)Thế (2.10) vào (2.9), hệ phương trình (2.9) trở thành:

  M  Y   c  Y    k  Y    M u 0 (2.11)Nhân cả 2 vế của hệ phương trình (2.11) với  T

Do tính chất trực giao của ma trận dạng dao động riêng và các ma

trận [M], [c] và [k] là các ma trận đối xứng dương nên các ma trận

     T M  ,     T c  và      kT  chỉ là các ma trận đường chéo Ví

0 0 0

0

0 0

0 0 0

0 0 0

2 1

i m m

1

2

 , i = 1, 2, , n.

Hệ phương trình vi phân (2.12) sẽ bao gồm n phương trình vi phân

độc lập như sau:

   

i

T i i

i i i i i

m

u Y

ii i

và i – tần số riêng thứ i của hệ.

Phương trình (2.14), tương ứng với dạng dao động thứ i, có thể viết

dưới dạng sau:

0 1

2

1 2

m

m Y

Y

j

ij j

n j

j ij i

i i i i

Phương trình (2.15) tương ứng với dạng dao động riêng thứ i, giống

như phương trình (2.3) đối với hệ 1 bậc tự do Đây là phương trình

vi phân tuyến tính nên phổ gia tốc của Yi (t) sẽ là:

1

i a n

l

il l

n

l

l il

S m

ij Y

Thay (2.16) vào (2.20), dẫn đến:

)(1

2

1 max

l

il l

n

l

l il ij i

ij

m

m Y

n

l

l il ij

m m

1 2

Lực động đất F ij, xác định theo công thức (2.19), còn được viết dướidạng sau:

Theo dạng công thức sử dụng trong TCXDVN 375:2006 hay

n l

l il n

l

l il

ij j i a ij

m

m m

m S

F

1 2

2

1

1

)(

ij j i

ij j bi n

l

l il

ij j i i a ij

m

m F

m

m M

S F

1 1

n l

l il i

m

m M

1 2

động thứ i, F bi là lực cắt đáy ứng với dạng dao động thứ i Do tính

chất trực giao của các dạng dao động nên: 



 n

i i

M M

W W

1

,

trong đó M và W là khối lượng và trọng lượng của hệ

Lực cắt đáy F bi xác định theo công thức (2.23) cũng dựa trên phổphản ứng của hệ 1 bậc tự do nhưng ứng với chu kì dao động riêng

T i

Sau khi biết các lực động đất F ij tác dụng lên cao trình thứ j của dạng dao động thứ i, hệ quả tác động động đất E i (nội lực: mô-ment, lực dọc, lực cắt trong các cấu kiện, chuyển vị, độ võng v.v.)

có thể xác định theo các phương pháp của cơ học kết cấu đối vớibài toán tĩnh học thông thường