Một công trình được định nghĩa là cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định. Tải trọng ngang có thể dưới dạng gió bão hoặc động đất. Mặc dù chưa có sự thống nhất chung nào về định nghĩa nhà cao tầng nhưng có một ranh giới được đa số các kỹ sư kết cấu chấp nhận, đó là từ nhà thấp tầng sang nhà cao tầng có sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân tích động học khi chịu tải trọng gió, động đất...
Trang 154
Chương 3 kết cấu Nhà cao tầng Bê Tông Cốt Thép có tầng cứng chịu
tác động động đất Các ví dụ tính toán 3.1 Các phương pháp tính toán tác động của động đất [8]
Các phương pháp tính toán phi tuyến:
- Phương pháp tĩnh phi tuyến (push over)
Trang 255
công trình Q Lực ngang này có tên gọi là Lực cắt đáy hoặc lực cắt ở chân công
trình, được phân phối trở lại trên chiều cao công trình tại các vị trí có khối lượng tập trung, thường là các mức sàn
Phương pháp này không áp dụng cho các công trình có hình dạng không đều
đặn, hoặc có sự phân bố khối lượng, độ cứng không đều trên mặt bằng cũng như theo chiều cao Ngoài ra, phương pháp này còn có hạn chế là không cung cấp được các thông tin về sự làm việc của công trình trong thời gian động đất để cho phép thiết kế các công trình vừa hiệu quả vừa an toàn
3.3 Phương pháp Phổ phản ứng [8]
Phương pháp phổ phản ứng được áp dụng đối với những công trình lớn và phức tạp, khi mà nếu sử dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương thì không đủ độ chính xác cần thiết Trong các phương pháp động, tác động động đất dược cho dưới dạng phổ phản ứng hoặc gia tốc đồ của chuyển động địa chấn Ta có phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động
Phổ phản ứng của một trận động đất là một đồ thị mà tung độ của nó biểu thị biên độ lớn nhất của một trong các thông số phản ứng (chuyển vị tương đối, tốc độ tương đối, gia tốc tuyệt đối) của hệ kết cấu theo chu kỳ dao động riêng tự nhiên của
nó và độc lập với lịch sử chuyển động của hệ kết cấu theo thời gian
Nội dung tóm lược: trước hết, xác định chu kỳ và các dạng dao động riêng của
Hệ kết cấu Sau đó, từ phổ phản ứng cho trước xác định các gia tốc cực đại ứng với các chu kỳ dao động và hệ số cản tới hạn của mỗi dạng dao động chính Phản ứng toàn phần của hệ kết cấu được xác định theo phương pháp tổ hợp thống kê các phản ứng lớn nhất ở các dạng dao động chính
Ưu điểm của phương pháp này là nhanh, đơn giản và cho kết quả tính toán với
độ chính xác chấp nhận được
3.4 Tiêu chuẩn TCXDVN 375: 2006 [14]
Với hầu hết những ứng dụng của tiêu chuẩn này, nguy cơ động đất được mô tả
dưới dạng một tham số là đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR trên nền loại A Các tham
số bổ sung cần thiết cho các dạng kết cấu cụ thể được cho trong các phần liên quan
Trang 356
của tiêu chuẩn này (Đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR trên nền loại A được lấy từ bản
đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam cho trong Phụ lục H, Phần 1 hoặc
được lấy từ bản đồ phân vùng nhỏ động đất của một số vùng lãnh thổ đã được cơ quan có thẩm quyền phê duyệt)
Trong tiêu chuẩn này, đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR trên lãnh thổ Việt Nam
được biểu thị bằng các đường đẳng trị Giá trị agR giữa hai đường đẳng trị được xác
định theo nguyên tắc nội suy tuyến tính Từ đỉnh gia tốc nền có thể chuyển đổi sang cấp động đất theo thang MSK-64 hoặc thang MM dựa vào bảng chuyển đổi cho
trong Phụ lục K, Phần 1
Đỉnh gia tốc nền tham chiếu do cơ quan Nhà nước có thẩm quyền lựa chọn cho
từng vùng động đất, tương ứng với chu kỳ lặp tham chiếu TNCR của tác động động
đất đối với yêu cầu không sụp đổ (hoặc một cách tương đương là xác suất tham
chiếu vượt quá trong 50 năm, PNCR) Hệ số tầm quan trọng γI bằng 1,0 được gán cho chu kỳ lặp tham chiếu Với chu kỳ lặp khác chu kỳ lặp tham chiếu (xem các mức độ
quan trọng trong 2.1(3)P và (4), TCXDVN 375: 2006), gia tốc nền thiết kế ag trên nền
loại A sẽ bằng agR nhân với hệ số tầm quan trọng γI
Đối với các thành phần nằm ngang của tác động động đất, phổ thiết kế Sd(T)
d D C
a
T
T q S a T S T T
T
.
5 , 2 :
d D
a
T
T T q S a T S
T
T
.
5 , 2
β
, trong đó:
Trang 457
ag Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A (ag = γI agR);
β Hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương nằm ngang, β = 0,2
Giá trị của chu kỳ TB, TC và TD và của hệ số nền S mô tả dạng phổ phản ứng đàn
hồi phụ thuộc vào loại nền đất Đối với 5 loại nền đất A, B, C, D, và E, giá trị các
tham số S, TB, TC và TD được cho trong bảng sau, các dạng phổ được chuẩn hoá theo
Trang 558
Hình 3.1 Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền đất từ A đến E (độ cản 5%) [14]
3.4.1 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương [17]
không chịu ảnh hưởng đáng kể bởi các dạng dao động bậc cao hơn dạng dao động cơ bản trong mỗi phương chính Thoả mãn nếu kết cấu nhà đáp ứng được cả hai điều kiện sau:
- Có các chu kỳ dao động cơ bản T1 theo hai hướng chính nhỏ hơn các giá trị
- Thoả mãn những tiêu chí về tính đều đặn theo mặt đứng
được xác định theo biểu thức sau:
Fb = Sd (T1) m λ, trong đó:
Sd (T1) Tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T1;
T1 Chu kỳ dao động cơ bản của nhà do chuyển động ngang theo phương đang xét;
m Tổng khối lượng của nhà ở trên móng hoặc ở trên đỉnh của phần cứng
Trang 659
Phương pháp phân tích này cần được áp dụng cho nhà không thoả mãn những
điều kiện đã nêu khi ứng dụng phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương Phải xét tới phản ứng của tất cả các dạng dao động góp phần đáng kể vào phản ứng tổng thể của nhà:
- Tổng các khối lượng hữu hiệu của các dạng dao động được xét chiếm ít nhất 90% tổng khối lượng của kết cấu;
- Tất cả các dạng dao động có khối lượng hữu hiệu lớn hơn 5% của tổng khối lượng đều được xét đến
Khi tất cả các dạng dao động cần thiết được xem là độc lập với nhau, thì giá trị
lớn nhất EE của hệ quả tác động động đất có thể lấy:
2
EE hệ quả tác động động đất đang xét (lực, chuyển vị, vv );
EEi giá trị của hệ quả tác động động đất này do dạng dao động thứ i gây ra
3.4.3 Tổ hợp các hệ quả của các thành phần tác động động đất [14]
Các hệ quả tác động do tổ hợp các thành phần nằm ngang của tác động động
đất có thể xác định bằng cách sử dụng cả hai tổ hợp sau:
Trang 760
- EEdx “+” 0,30 EEdy
- 0,30EEdx “+” EEdy, trong đó: “+” có nghĩa là “tổ hợp với”;
EEdx biểu thị các hệ quả tác động do đặt tác động động đất dọc theo trục nằm
ngang x được chọn của kết cấu;
EEdy biểu thị các hệ quả tác động do đặt tác động động đất dọc theo trục nằm
ngang y vuông góc của kết cấu
3.5 Tính toán Kết cấu Nhà cao tầng Bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tác
đất
Dao động của hệ kết cấu có tầng cứng thường là phức tạp nên việc tính toán
động lực của hệ này phải được tiến hành theo sơ đồ không gian và không nên sử dụng các mô hình đơn giản như đối với các hệ kết cấu cơ bản
Phương pháp để hạn chế chuyển vị ngang được đề cập trong Luận văn là bố trí các tầng cứng Trong Chương II, tác giả đã trình bày tính toán vị trí tối ưu của tầng cứng khi công trình chịu tải trọng ngang tĩnh (gió tĩnh), theo mục 2.4 Nhận xét Vấn đề đặt ra, vị trí tầng cứng tìm được theo bài toán tĩnh nếu áp dụng cho kết cấu chịu tác động động đất thì có phù hợp? Vì kết cấu chịu tải trọng tĩnh và tải trọng
động có sự làm việc khác nhau
Từ nhận định trên, tác giả áp dụng để tính toán kiểm tra lại công trình đã trình
bày ở Chương II, mục 2.3 Ví dụ tính toán khi công trình chịu tác động của động đất
Tính toán sử dụng mô hình không gian 3D, các mô hình tính toán gồm:
- MH9: Kết cấu nhà 40 tầng BTCT không có tầng cứng (Outrigger - OTR)
- MH10: Kết cấu nhà 40 tầng BTCT có 01 tầng cứng tại tầng 40
Trang 861
- MH11: Kết cấu nhà 40 tầng BTCT có 01 tầng cứng tại tầng 30
- MH12: Kết cấu nhà 40 tầng BTCT có 01 tầng cứng tại tầng 22 (tầng cứng cách đỉnh công trình đoạn x = 0,455.L = 0,455.40 = 18 tầng - dựa theo kết
quả tính toán ở Chương II)
đoạn x2 = 0,196.L tương đương 8 tầng và cách đỉnh 20 tầng - dựa theo kết
quả tính toán ở Chương II)
3.5.1 Tính toán mô hình MH9 chịu tác động động đất theo TCXDVN 375:
2006 [17]
Việc tính toán các Mô hình chịu động đất được tiến hành tương tự nhau, bắt
đầu bằng việc tính tải trọng, tính Chu kỳ dao động, số dạng dao động, khối lượng các bậc tự do; sau đó tính tải trọng động đất, tải trọng được khai báo vào phần mềm tính toán và xác định được chuyển vị ngang của công trình theo các tổ hợp tải trọng Việc tính toán được tiến hành và diễn dải đầy đủ cho Mô hình MH9, các mô hình còn lại được tính toán tương tự
Giá trị chuyển vị đỉnh công trình theo TCXDVN 375: 2006 được quy định là H/500 (H: chiều cao công trình) [12]; trường hợp này có H = 40*3,5 = 140 m Vậy chuyển vị tối đa cho phép là: 140/500 = 0,28 m = 280 mm
- Mô tả đặc điểm công trình: Công trình có kết cấu BTCT cao 40 tầng được mô tả trong mục 2.3.1, chương II (Hình 2.11) Công trình dạng văn phòng, có tường bao che bằng gạch, tường ngăn trong nhà chủ yếu dùng vách ngăn nhẹ
- Tải trọng tác dụng lên công trình:
Bao gồm Tĩnh tải và hoạt tải đứng, tải trọng động đất; còn phần tải gió tĩnh
được tính toán ở chương II; thành phần động của tải trọng gió tạm bỏ qua vì tính
Trang 962
toán cho thấy thành phần này khá nhỏ so với tải trọng động đất Trình tự tính toán
được thực hiện theo các bước sau
Tĩnh tải sàn (TT): tải trọng sàn được tính theo các lớp vật liệu hoàn thiện, trọng lượng bản thân kết cấu, Giá trị tính toán của tĩnh tải sàn là g = 554 kg/m2
Hình 3.2 Sơ đồ không gian mô hình MH9
Tĩnh tải tường, vách ngăn (TT): tường bao che xây gạch đặc dày 220mm trát hai mặt, có tải trọng tính toán là gt = 495 kg trên một mét vuông tường Tường ngăn xây gạch rỗng dày 110mm trát hai mặt, có tải trọng tính toán là gt = 248 kg trên một mét vuông tường
Trang 1063
Hoạt tải sàn (HT): được tính theo Tiêu chuẩn tải trọng và tác động TCVN 2737:
1995, phụ thuộc công năng từng phòng trên mặt bằng Tạm tính giá trị tính toán của hoạt tải sàn là p = 240 kg/m2
Tác động động đất (DD): công trình cao 40 tầng có chu kỳ dao động cơ bản lớn hơn 2 giây (T1>2 s) và kết cấu đều đặn theo mặt đứng, do đó tác động động đất
được tính toán theo phương pháp Phân tích phổ phản ứng dạng dao động
Mô hình tính toán được minh họa ở Hình 3.2; Các trang tiếp theo dưới đây (trang 65 đến 69) trình bày kết quả tính toán Chu kỳ dao động, giá trị chuyển vị của các dạng dao động, khối lượng các tầng của công trình (bao gồm toàn bộ tĩnh tải và 50% giá trị hoạt tải), biểu đồ thể hiện chuyển vị của các dạng dao động, biểu đồ Phổ phản ứng thiết kế, tải trọng động đất tính toán theo Phương X, phương Y
Từ trang 70 đến 75 thể hiện các Biểu đồ tính toán tác động động đất theo
phương X, phương Y cho các Mô hình MH9 (bảng 3.4.a và bảng 3.4.b), MH12
(bảng 3.5.a và bảng 3.5.b), MH17 (bảng 3.6.a và bảng 3.6.b)
Trang 76 là Bảng tổng hợp Các chu kỳ dao động (s) và khối lượng hữu hiệu
(Modal Participating Mass Ratios) khi tham gia dao động của các dạng tương ứng (bảng 3.7)
Trang 77, 78 trình bày kết quả tính chuyển vị ngang của các Mô hình khi chịu tải động đất, tổ hợp sử dụng là Combo3 (xem mục 5.13), chuyển vị của mô hình
trong đó: DDX là Tác động động đất lên công trình theo phương X
DDY là Tác động động đất lên công trình theo phương Y
Việc tổ hợp tải trọng, nội lực được thực hiện nhờ sự trợ giúp của các chương trình hỗ trợ tính toán kết cấu
Trang 1164
Để có sự so sánh chuyển vị ngang của các Mô hình trên với các Mô hình chịu
tải trọng gió (MH1, MH2, MH3, MH4, MH4A, MH5, MH6, MH7, MH8, MH8A)
đã trình bày ở chương II, ta chỉ xét chuyển vị theo các khung trục 2 đến 5 theo phương Y; Vì vậy tổ hợp tải trọng Combo3 được xét đến
3.5.2 Các kết quả tính toán và các bảng so sánh
Các kết quả tính toán được thể hiện từ trang 79 đến trang 82
Trang 79 trình bày Bảng so sánh chuyển vị đỉnh của các Mô hình khi chịu tải
trọng động đất, trường hợp có một tầng cứng và trường hợp có hai tầng cứng (bảng
3.10.a)
Trang 80 đến 82 trình bày bảng Các thông số động lực của Mô hình MH9,
MH12, MH17 khi tham gia dao động (bảng 3.11.a, b, c)
Trang 12Tầng K.lg tầng
Bảng 3.2 Chuyển vị đơn vị tại từng tầng theo các dạng dao động cơ bản
(Đơn vị : T, m)
Địa điểm xây dựng : Hà Nội Mô hình MH9
Trang 13Bảng 3.3 Biểu đồ chuyển vị ứng với các dạng dao động Mô hình MH9 Biểu đồ chuyển vị ứng với các dạng dao động theo phương X (MH9)
Biểu đồ chuyển vị ứng với các dạng dao động theo phương Y (MH9)
Trang 14Phổ thiết kế Sd(T) được xác định bằng các biểu thức sau:
Trường hợp: 0 =< T =< T B
Trường hợp: T B =< T =< T C
Trường hợp: TC =< T =< TD
Và Trường hợp: TD =< T
Và
Địa điểm xây dựng công trình:
Đỉnh gia tốc nền tham chiếu: agR = 0.1032
Q Cầu Giấy - Hà Nội
Phổ phản ứng thiết kế theo phương ngang
0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 1.100 1.200
=
3
2 5 , 2 3
2 ) (
q T
T S
a T S
B g
d
q S a T
S d ( ) = g . 2,5
T
T q S a T
T
T T q S a T
Trang 15Bảng tính tác động động đất lên công trình (theo TDXDVN 375:2006)
Mô hình MH9
Địa điểm xây dựng : Hà Nội
Đơn vị: kg, m
Tải trọng động đất tác dụng theo phương X
Tải trọng động đất tác dụng lên tầng thứ k theo dạng dao động thứ i.
F ki = F bk x ki m ki /(Sx kj m kj )
Trong đó:
F bk -Lực cắt đáy tác động theo phương của lực động đất.
F bk = S d (T k ).m kx
Trong đó : S d (T k ) Phổ phản ứng thiết kế ứng với chu kỳ T k
m kx = M.m kxo Khối lượng hữu hiệu ứng với dạng dao động k theo phương x
m kxo Phần trăm khối lượng hiệu dụng của dạng dao động k theo phương x
m kxo1 = 77.69 (%) (Lấy theo chương trình ETABS)
Trang 16Bảng tính tác động động đất lên công trình (theo TDXDVN 375:2006)
Mô hình MH9
Địa điểm xây dựng : Hà Nội
Đơn vị: kg, m
Tải trọng động đất tác dụng theo phương Y
Tải trọng động đất tác dụng lên tầng thứ k theo dạng dao động thứ i.
F ki = F bk y ki m ki /(Σy kj m kj )
Trong đó:
F bk -Lực cắt đáy tác động theo phương của lực động đất.
F bk = S d (T k ).m ky
Trong đó : S d (T k ) Phổ phản ứng thiết kế ứng với chu kỳ T k
m ky = M.m kyo Khối lượng hữu hiệu ứng với dạng dao động k theo phương y
m kyo Phần trăm khối lượng hiệu dụng của dạng dao động k theo phương y
mkyo1 = 69.57 (%) (Lấy theo chương trình ETABS)
m kyo2 = 13.86 (%)
mkyo3 = 5.43 (%)
M Khối lượng toàn bộ hệ kết cấu
Các giá trị ứng với các dạng dao động cơ bản như sau:
Trang 17Bảng 3.4.a Tác động động đất của nhà 40 tầng không có OTR
3.4.a Biểu đồ Tác động động đất (phương X),
MH9
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Trang 18Tầng Qy1 (T) Qy2 (T) Qy3 (T)
Bảng 3.4.b Tác động động đất của nhà 40 tầng không có OTR
3.4.b Biểu đồ Tác động động đất (phương Y),
MH9
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Trang 19Bảng 3.5.a Tác động động đất của nhà 40 tầng có 01 OTR tại tầng 22
3.5.a Biểu đồ Tác động động đất (phương X),
MH12
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Trang 20Tầng Qy1 (T) Qy2 (T) Qy3 (T)
Bảng 3.5.b Tác động động đất của nhà 40 tầng có 01 OTR tại tầng 22
3.5.b Biểu đồ Tác động động đất (phương Y),
MH12
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Trang 21Bảng 3.6.a Tác động động đất của nhà 40 tầng có 02 OTR tại tầng 20 và 28
3.6.a Biểu đồ Tác động động đất (phương X),
MH17
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Trang 22Tầng Qy1 (T) Qy2 (T) Qy3 (T)
Bảng 3.6.b Tác động động đất của nhà 40 tầng có 02 OTR tại tầng 20 và 28
3.6.b Biểu đồ Tác động động đất (phương Y),
MH17
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
![Bảng 3.1. Giá trị của các tham số mô tả các phổ phản ứng đàn hồi (Nguồn: [14]) - Tải trọng ngang trong nhà cao tầng](https://123doc.top/img.php?url=https%3A%2F%2F123docz.com%2Fimage%2Fdoc_normal.png)