Nghiên cứu hợp lý hoá phản ứng của kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất ở khu vực Hà Nội

Nghiên cứu hợp lý hoá phản ứng của kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất ở khu vực Hà Nội

Luận án sẽ được bảo vệ tại: Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước, họp tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng

Vào hồi 8 giờ 30 phút, ngày 28 tháng 12 năm 2003

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia

- Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng

Giới thiệu luận án 1.Tính khoa học và thực tiễn của đề tài luận án

Trong 5 năm gần đây, hàng loạt các khu nhà ở, khách sạn, siêu thị nhiều tầng đã và đang được xây dựng ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số địa phương khác Các công trình từ 11 tầng trở lên trong các dự án xây dựng mới trở thành phổ biến

Riêng ở Hà Nội, hàng chục dự án nhà ở và hàng trăm ngôi nhà cao tầng

được xây dựng ở nhiều địa điểm: Linh Đàm, Định Công, Đại Kim, Kim Liên ở phía nam Hà Nội, Dịch Vọng, Trung Hoà - Nhân Chính, Mỹ Đình, Bắc Thăng Long ở phía tây và bắc Hà Nội…

Việc xây dựng mới hàng loạt các nhà cao tầng đặt ra cho những nhà thiết

kế, thi công hàng loạt vấn đề mới về tính toán và công nghệ xây dựng phải nghiên cứu và giải quyết nhằm đảm bảo chất lượng sử dụng lâu dài của công trình

Riêng về thiết kế kết cấu, những vấn đề hệ trọng nhất trong xây dựng công trình cao tầng ở Hà Nội, đòi hỏi các kỹ sư thiết kế phải nghiên cứu và giải quyết những vấn đề chủ yếu sau:

- Chu kỳ dao động cơ bản của công trình phải nằm ngoài vùng chu kỳ có

ảnh hưởng mạnh của hiệu ứng khuyếch đại

- Chu kỳ dao động riêng cơ bản tốt nhất là nằm trong vùng chu kỳ mà hệ

số động đất có giá trị nhỏ để giảm tác động động đất

- Giải pháp kết cấu để điều khiển chu kỳ dao động cơ bản đến khoảng biến thiên thích hợp

Luận án “Nghiên cứu hợp lý hoá phản ứng của kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất ở khu vực Hà Nội” đặt ra mục tiêu nghiên cứu và góp phần giải quyết các vấn đề nêu trên trong phạm vi phân tích động kết cấu nhà cao tầng xây dựng ở khu vực Hà Nội nhằm đáp ứng yêu cầu cần thiết của thực tế xây dựng ở thủ đô hiện nay

2 Mục đích và nội dung của luận án

Các công trình cao tầng đã và đang được xây dựng ở thủ đô Hà Nội đều dùng giải pháp khung bê tông cốt thép được tăng cường độ cứng chịu tải ngang bằng các vách cứng và lõi cứng bê tông cốt thép Hệ kết cấu được đặt hoặc chôn sâu vào lòng đất dưới dạng tầng hầm và các cọc khoan nhồi bê tông cốt thép

đến tận độ sâu tương đương với chiều cao nhô trên mặt đất Công trình thường

có kích thước mặt bằng nhỏ hơn chiều cao nhà

Như vậy việc chọn sơ đồ tính toán không thể bỏ qua các yếu tố thực tế trong tính toán kết cấu:

- Tính chất không gian của kết câu: sơ đồ tính không gian

- Sự làm việc đồng thời giữa kết cấu và nền móng: sơ đồ tính tương tác

- Phân tích phản ứng động lực của kết cấu chịu tải trọng động đất và tải trọng gió

- Chương trình phân tích kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)

để thực hiện tính toán trên máy tính điện tử (MTĐT)

Luận án đã chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu hợp lý hoá phản ứng của kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất ở khu vực Hà Nội” với mục đích tìm tòi và kiến nghị:

- Khoảng biến thiên thích hợp của chu kỳ dao động riêng đối với nhà cao tầng xây dựng tại khu vực Hà Nội

- Một vài giải pháp kết cấu để điều khiển chu kỳ dao động riêng của nhà cao tầng đến khoảng biến thiên thích hợp nhằm tránh ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại và giảm tác động động đất

- Tổng lực cắt tại mặt móng và chuyển vị ngang tại đỉnh công trình có giá trị hợp lý

Để thực hiện mục đích đó, luận án được nghiên cứu với các nội dung:

- Khảo sát hệ số khuếch đại cường độ động đất ở vùng trũng Hà Nội, trên cơ

sở đó xác định khoảng biến thiên chu kỳ tương ứng với vùng có hệ số khuếch

đại lớn nhất (chương 2)

- Xây dựng đường cong hệ số động đất cho các loại nền khu vực Hà Nội, trên cơ sở đó nhận xét về hiệu ứng tắt nhanh phổ gia tốc động đất và khoảng biến thiên thích hợp của chu kỳ dao động cơ bản (chương 3)

- Hợp lý hoá phản ứng kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất bằng cách can thiệp vào giải pháp kết cấu nhằm điều khiển phản ứng công trình đến trạng thái hợp lý (chương 4)

Cả 3 nội dung trên đều phục vụ cho mục đích hợp lý hoá được phản ứng của kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất được xây dựng ở khu vực Hà Nội

đường cong hệ số động đất

- Dùng phương pháp thử nghiệm số để chọn giải pháp kết cấu hợp lý theo giả thiết tính tương tác và không tương tác giữa kết cấu và nền Chọn SAP 2000 làm công cụ tính toán thực nghiệm số theo mô hình tính chọn phù hợp với khả năng của chương trình

4 Độ tin cậy của kết quả đạt được

Những căn cứ để đánh giá độ tin cậy của kết quả:

- Các tài liệu, số liệu về động đất và cấu tạo địa chất được lấy từ các cơ quan

có thẩm quyền và tài liệu được công bố chính thức {4, 12, 13}

- Các kết quả trong luận án đã được lần lượt báo cáo tại các hội nghị khoa học trong và ngoài nước và đăng trên các tuyển tập của Hội nghị {2, 5} hoặc các tạp chí chuyên ngành {6, 7}

- Chương trình SAP 2000 có độ tin cậy cao và được dùng khá phổ biến trên thế giới và ở nước ta

- Đồ thị biểu diễn kết quả phù hợp với qui luật vật lý của bài toán cơ học, tức

là phù hợp về mặt định tính của kết cấu

5 Những kết quả chính đạt được của luận án

- Xây dựng được đồ thị hệ số khuếch đại cường độ động đất với các đặc trưng cơ lý của vùng trũng Hà Nội, đã khảo sát ảnh hưởng của độ dày lớp trong mặt cắt cấu tạo nền đất Hà Nội đến hệ số khuếch đại Dựa trên kết quả nghiên cứu hiệu ứng khuếch đại cường độ động đất, đã kiến nghị nhà và công trình xây dựng ở vùng trũng Hà Nội nên có chu kỳ dao động cơ bản lơn hơn 1,5s

- Đã thiết lập được phương pháp và các bước tiến hành để xây dựng đường cong hệ số động đất khi biết phổ phản ứng gia tốc, đã xây dựng được đường cong hệ số động đất cho 17 loại nền khu vực Hà Nội

- Đã chứng tỏ rằng ở khu vực Hà Nội tồn tại hiệu ứng tắt nhanh phổ phản ứng gia tốc động đất, trên cơ sở đó đã kiến nghị nhà và công trình xây dựng ở khu vực Hà Nội nên thiết kế sao cho có chu kỳ dao động riêng cơ bản lớn hơn 1,5s

- Xây dựng được mô hình tính tương tác công trình – nền chịu tải trọng động

đất phù hợp với chương trình phân tích kết cấu thông dụng mà vẫn phản ánh

được điều kiện làm việc thực tế của kết cấu Bằng cách thực nghiệm tính toán trên các số liệu thay đổi được giả thiết trước theo một thuật toán thống nhất (thuật toán PTHH), đã tìm được qui luật biến đổi về mặt định tính cũng như

định lượng của phản ứng công trình chịu các tác động động đất để chọn lựa

được giải pháp hợp lý

- Đã đề xuất giải pháp kết cấu dùng tầng cứng thêm vào nhà cao tầng để

điều khiển chu kỳ dao động riêng của nhà cao tầng đến khoảng biến thiên thích hợp, qua đó điểu khiển phản ứng của công trình chịu tải trọng động đất Cường

độ vật liệu và kích thước móng cũng được xem là những yếu tố có ảnh hưởng

đến đối xử kháng chấn của công trình

- Tính toán theo mô hình tính toán không gian, tương tác giữa kết cấu và nền cho kết quả phù hợp với bản chất vật lý của công trình hơn so với mô hình tính không tương tác và mô hình tính tương tác – phẳng Kết quả tính toán chu kỳ dao động riêng và lực cắt đáy phù hợp với công thức thực nghiệm cho trong {75}

6 Cấu trúc của luận án

Luận án chính gồm 4 chương và phần mở đầu, kết luận, một danh mục tài liệu tham khảo gồm 103 tài liệu trong đó có 7 tài liệu do tác giả viết và tham gia viết có liên quan đến nội dung luận án Luận án dầy 102 trang A4 gồm hình vẽ

và đồ thị, bảng và các biểu thức giải tích Phần phụ lục dầy 138 trang A4 trình bầy các kết quả tính toán bằng số phục vụ cho các chương 2, 3 và 4

Nội dung chính của luận án Chương 1

Về các vấn đề liên quan đến hợp lý hoá phản ứng công trình chịu tải trong động đất

Nghiên cứu hợp lý hoá phản ứng công trình chịu tải trọng động đất có liên quan đến các lĩnh vực: lý thuyết sóng, địa vật lý, động lực học công trình, sự tương tác kết cấu…Dưới đây trình bày tóm lược các vấn đề liên quan đến nội dung luận án

1.1 Vấn đề khuếch đại cường độ động đất đối với các vùng trầm tích

1.1.1 Cấu trúc nghiệm của phương trình sóng một chiều {101}

Ta xét trường hợp đơn giản nhất của sự truyền sóng, đó là sóng phẳng Chuyển động sóng được đặc trưng bằng vectơ dịch chuyển u≡(u1,u2,u3), chỉ khác

là các thành phần u1 với i=1, 2, 3 là hàm chỉ của biến z và t

Giả thiết rằng lực cắt khối bằng không và nguyên nhân gây nên chuyển

động sóng trong miền vô hạn là điều kiện đầu Phương trình dịch chuyển đối với bài toán một chiều được xét có dạng:

2 3 2 2

3 2 2 2 2 2

2 2 2 1 2 2

1

2

, ,

u t

u z

u t

u z

Thông thường gọi dịch chuyển u1 là sóng dọc đàn hồi, dịch chuyển u2, u3

là sóng ngang đàn hồi Gọi tên sóng dọc có nghĩa là hướng truyền sóng trùng với hướng dịch chuyển Gọi tên sóng ngang có nghĩa là hướng truyền sóng vuông góc với hướng dịch chuyển

, exp

C

z t j A

C

z t j A

31

C

z t j A

C

z t j A

1.1.2 Sóng ngang điều hoà trong môi trường phân lớp {78}

Sóng ngang truyền thẳng đứng theo hướng trục z đi qua môi trường phân lớp sẽ chỉ gây ra dịch chuyển ngang u=u(z, t) (1.9)

Dịch chuyển này thoả mãn phương trình sóng:

, 2

3 2

2 2

2

t x

u v z

u t

u

∂

∂

∂ +

1 ( 2

1 )

1 ( 2

1

h jk m m h

jk m m

, )

1 ( 2

1 )

1 ( 2

1

h jk m m h

jk m m

trong đó: e m( ω ), f m( ω )gọi là hàm truyền

Một hàm truyền khác dễ dàng thu được từ e m( ω ),f m( ω ) đó là hàm truyền

m

n

A, bằng tỉ số dịch chuyển ở đỉnh lớp n và lớp m:

) ( ) (

) ( ) ( ) 0 (

) 0 ( ) (

ω ω

ω

m n

m m

n

m m

n

f e

f e

z u

z u A

ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại

- Nghiên cứu hiệu ứng khuếch đại cường độ động đất với vùng trũng Hà Nội phải xem xét cường độ động đất đối với 2 trường hợp:

+ Môi trường được xét có một lớp đặt trên bán không gian đàn hồi

+ Môi trường được xét có ba lớp đặt trên không gian đàn hồi

Dựa vào cường độ động đất đã được xem xét trong hai trường hợp nói trên có thể xác định cường độ động đất trong trường hợp nào lớn hơn bằng so sánh tỉ số, tức là tìm được hệ số khuếch đại

1.2 Vấn đề xây dựng đường cong hệ số động hay phổ thiết kế đàn hồi

1.2.1 Gia tốc hiệu dụng

Theo AFPS 90-1990 {36}, gia tốc hiệu dụng của chuyển

động động đất là giá trị thu được bằng cách lấy tung độ trung bình trong vùng biên độ lớn nhất của phổ phản ứng gia tốc với hệ số cản 5% chia cho 2,5 Gia tốc hiệu dụng thay cho gia tốc lớn nhất của đất nền khi nghiên cứu phổ thiết kế,

nhìn chung gia tốc hiệu dụng rất gần với gia tốc lớn nhất của đất nền, sai khác chỉ vài phần trăm, song gia tốc hiệu dụng là tung độ trong vùng biên độ lớn nhất của phổ phản ứng nên nó là đại lượng được chuẩn hoá và mang ý nghĩa vật

lý rõ ràng hơn

1.2.2 Phổ thiết kế đàn hồi và phổ phản ứng gia tốc

Theo AFPS 90- 1990{36}, diện tích của phổ phản ứng gia tốc với hệ số cản 5% phải ít nhất bằng diện tích tương ứng của phổ thiết kế đàn hồi, không có tung độ nào của phổ phản ứng gia tốc nhỏ hơn quá 5% so với tung độ tương ứng của phổ thiết kế đàn hồi

1.2.3 Nhận xét

- Dựa vào khái niệm gia tốc hiệu dụng, có thể tìm được gia tốc hiệu dụng

và chu kỳ đặc trưng T , B T C (xem hình 1.2) từ phổ phản ứng gia tốc đã biết

- Dựa vào nguyên tắc tương đương về diện tích tương ứng giữa phổ phản ứng gia tốc và phổ thiết kế đàn hồi có thể tìm được dạng đường cong của phổ thiết kế đàn hồi và các tham số còn lại

1.3 Vấn đề tính toán động đất có kể đến sự làm việc đồng thời giữa nền – công trình

1.3.1 Một số nghiên cứu về sự làm việc tương tác nền – công trình chịu tác động của tải trọng tĩnh

1.3.2 Một số nghiên cứu về sự làm việc tương tác nền – công trình dưới tác dụng của tải trọng đất

1.3.3 Tương tác nền – công trình trong các tiêu chuẩn động đất

Trong tính toán theo phổ phản ứng NEHRP công nhận rằng chỉ nên xem xét bài toán tương tác đối với dạng dao động cơ bản của kết cấu Phương pháp NEHRP được mô tả dưới đây

Lực ngang do động đất tại đáy công trình, Vư, được tính toán bằng hiệu số giữa phản lực V của kết cấu khi đáy móng là ngàm và lượng ∆V do tương tác nền – công trình,

, 05

,

4 , 0

V V W C

, 1

1

2 2

=

θ

k

h k k

k T

để tránh hiện tượng cộng hưởng Chu kỳ ngắn quá sẽ dẫn đến khuyếch đại hiệu ứng động đất làm hao phí thêm nhiều vật liệu cần thiết cho kết cấu thân làm tăng giá thành công trình, mặt khác tải trọng trọng lượng bản thân kết cấu làm tăng sức chịu tải đối với móng cọc ở vùng đất yếu rất bất lợi Chu kỳ dài quá vừa làm cho nội lực do động đất của công trình nhỏ đi, hạ thấp tính an toàn của kết cấu, vừa có thể làm cho chuyển vị tương đối giữa các tầng và đỉnh của công trình quá lớn, ảnh hưởng đến hoạt động bình thường trong sử dụng kết cấu

1.5 Những kết luận rút ra cho nội dung luận án

- Dựa vào việc xác định gia tốc hiệu dụng và nguyên tắc tương đương về diện tích tương ứng giữa phổ phản ứng gia tốc và phổ thiết kế đàn hồi, có thể xây dựng được đường cong hệ số động đất cho các loại nền ở khu vực Hà Nội khi biết các phổ phản ứng gia tốc tương ứng

- Qua tính toán thực nghiệm bài toán tương tác công trình – nền, có thể chọn được giải pháp kết cấu để điều khiển chu kỳ dao động riêng đến giá trị thích hợp nhằm hợp lý hoá phản ứng công trình nhà cao tầng chịu tác động

động đất xây dựng ở khu vực Hà Nội

được vượt qua 0,1g, song thực tế gia tốc đất nền đo được ở Mexico đã đạt đến 0,4g Khuếch đại cường độ động đất cũng thấy ở Đài Loan trong trận động đất Chi-chi 1999 Trong điều kiện bình thường với độ mạnh 7,3 độ Richter và ở khoảng cách 200km so với Đài Bắc, thì cấp động đất ở Đài Bắc không vượt quá cấp 6, song dao động động đất ở đây thuộc loại chu kỳ dài và cường độ động

đất đạt đến cấp 8

Hiện tượng này còn thấy ở vùng trũng Hà Nội trong trận động đất Tuần Giáo 1983 Trong điều kiện bình thường với độ mạnh 6,7 độ Richter và ở xa 200km so với Hà Nội, thì cấp động đất ở Hà Nội chỉ là cấp 4, song thực tế xảy

ra là cấp 6 (thang MSK)

2.1.1Hiệu ứng khuếch đại cường độ động đất khi không tính đến hấp thụ năng lượng

2.2.1 Mặt cắt địa chất – mô hình môi trường tính toán

Xét tính chất cơ lý của các lớp đất trầm tích có thể chia nền ở khu vực vùng trũng Hà Nội thành 3 lớp, lớp trên là lớp trầm tích đệ tứ bở rời bao gồm lớp cuội sỏi, các trầm tích Q; lớp giữa là lớp trầm tích đệ tam và lớp dưới là lớp Neogen; dưới Neogen là đá cứng với tuổi trước Cenozoic Đặc trưng cơ lý cấu tạo của các lớp đất xem hình 2.1

ở đây pi,,Ci (i= 0, 1, 2, 3) là mật độ và vận tốc truyền sóng ngang trong lớp đất thứ i

Theo số liệu địa vật lý, mật độ và tốc độ truyền sóng ngang địa chấn trong nửa không gian và các lớp là {4}:

đứng gây nên chỉ dịch chuyển ngang W i dịch chuyển này thoả mãn phương trình sóng:

2

2 2 2

2

z

W C t

i i

2

1 i i

Chỉ số i= 0, 1, 2, 3 để chỉ sóng trong nửa không gian, trong lớp thứ nhất, lớp thứ hai, lớp thứ ba Chỉ số 1, 2 trong W i1,W i2 chỉ dịch chuyển ngang do sóng gây ra khúc xạ qua giới hạn dưới và sóng phản xạ qua giới hạn trên của lớp

2.2.3 Tỉ số dịch chuyển giữa hai điểm trên mặt đất và trên biên của nửa không gian đối với môi trường hai lớp, một lớp

- Đối với mô trường hai lớp

Tỉ số dịch chuyển W02 giữa hai điểm trên mặt đất và trên biên của nửa không gian có thể suy ra từ (2.16) và (2.2.) khi cho H3 = 0:

2 2

1 1 0 0 02

4

jq P

C C W

3 3

3 0

0

0 0 01

sin cos

2

C

H jC

C

H P

C

P C W

ω ρ

số khuếch đại W13 có thể tìm được theo công thức:

3 3

3

3 2 2 3

2 3 3

3 2 0 2 0 2 2 1 1

01

03

13

sin cos

4

q p

C

H C

C

H C

C C

ω ρ

ρ ρ

, (2.27) trong đó p3, q3 tính theo công thức (2.16)

Sự phụ thuộc của W13 vào chu kỳ đặc trưng tính theo (2.27) được cho trên đồ thị Hình 2

- Nhận xét đồ thị:

+ Hệ số khuếch đại của môi trường ba lớp đối với môi trường một lớp dao động xung quanh giá trị 2.0 Hệ số khuếch đại có giá trị lớn nằm trong khoảng 0,40s – 0,95s có giá trị trung bình và cực đại bằng 2,0 và 3,26

+ Hệ số khuếch đại của môi trường ba lớp đối với môi trường hai lớp dao động xung quanh giá trị 1,0 Hệ số khuếch đại có giá trị lớn nằm trong khoảng 0,76s – 1,32s có giá trị trung bình và cực đại bằng 1,0 và 1,57 Trong trường hợp này

hệ số khuếch đại biểu hiện không rõ rệt

+ Trong thiết kế xây dựng nhà và công trình, nên lựa chọn giá trị chu kỳ dao

động cơ bản một cách tối ưu để tránh ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại cường

độ động đất tại địa điểm xây dựng Với vùng trũng Hà Nội, nhà và công trình nên có chu kỳ dao động cơ bản trong khoảng 1s – 2s Trong khoảng này hệ số khuếch đại nằm trong khoảng 1,0 – 1,6

2.25 ảnh hưởng của độ dày lớp đến hệ số khuếch đại

Để khảo sát ảnh hưởng của độ dày lớp đất đến hệ số khuếch đại, ta khảo sát sự truyền sóng ngang trong môi trường ba lớp đặt trên bán không gian đàn hồi có độ dày khác nhau, đó là nền đất II-A-2 thuộc khu vực Hà Nội ở đây chỉ dẫn ra chỉ tiêu cơ lý của nền đất II-A-2:

Dựa vào công thức (2.27) ta vẽ được đồ thị W13 của các loại nền nói trên

Đồ thị hệ số khuếch đại của nền đất II-A-2 cho trên Hình 2

-Nhận xét đồ thị:

+ Hệ số khuếch đại của môi trường ba lớp đối với môi trường một lớp trong nền đất II-A-2 bằng 10,32 lớn hơn hệ số khuếch đại trong nền đất I-A-2 bằng 6,34 hệ số khuếch đại nằm trong khoảng 1,0ữ1,6 khi T>1,69s đối với nền đất II-A-2 và khi T>1,32s đối với nền đất I-A-2

+Nguyên nhân hệ số khuếch đại trong nền đất II-A-2 lớn hơn trong nền đất I-A-2 Điều này chứng tỏ độ dày của các lớp trong nền đất có ảnh hưởng nhạy cảm đến hệ số khuếch đại

- Đồ thị W13 khi tính đến hấp thụ năng lượng với cách xem vận tốc phức

có dạng (2.29) thì đồng dạng với đồ thị W13 khi không tính đến hấp thụ năng lượng

- Với cách đặt và giải bài toán B, hoàn toàn có thể tìm lời giải trong trường hợp không dùng đến hai giả thiết đơn giản hoá (2.32) và (2.39), kho đó cần biết

hệ số hấp thụ κ1 trong lớp i với i=1, 2, 3

2.3 Kết luận

- Đã thành lập được công thức giải tích để tính hệ số khuếch đại của môi trường ba lớp đối với môi trường một lớp và hai lớp trong hai trường hợp không tính đến và có tính đến hấp thụ năng lượng