Phân tích ứng xử của nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng

Tuy nhiên, đối với hệ kết cấu có tầng cứng khi chịu tải trọng ngang, lõi có xu hướng xoay lúc này các cột phía ngoài liên kết với tầng cứng được thiết kế như một hệ dầm ngang rất cứng kế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

LÊ VĂN CHUẪN

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 1: PGS TS Trần Quang Hưng

Phản biện 2: PGS TS Phạm Thanh Tùng

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày

11 tháng 3 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng & Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, nhà cao tầng, siêu cao tầng đang phát triển mạnh mẽ Do quỹ đất đô thị hạn hẹp, mật độ dân số cao nên việc phát triển những dự án cao tầng và siêu cao tầng đang là sự lựa chọn tất yếu

Kết quả của sự phát triển đó dẫn đến việc các tòa nhà nhạy cảm với các kích thích động học của tải trọng gió và động đất Công nghệ xây dựng phát triển cũng tạo ra nhiều thách thức cho môn khoa học kết cấu công trình và việc sử dụng tầng cứng cho nhà cao tầng ngày càng phổ biến hơn Tuy nhiên, đối với hệ kết cấu có tầng cứng khi chịu tải trọng ngang, lõi có xu hướng xoay lúc này các cột phía ngoài liên kết với tầng cứng (được thiết kế như một hệ dầm ngang rất cứng kết nối lõi với hệ cột phía ngoài) có thể ngăn cản sự xoay của lõi làm giảm đáng kể chuyển vị đỉnh của công trình Khuynh hướng này làm xuất hiện chuyển động thẳng đứng trái chiều giữa các cột biên và phần cuối của tầng cứng, dẫn đến sàn liên kết giữa vách và cột biên sẽ bị uốn cong gấp đôi Vấn đề cần thiết đặt ra là tìm cách để tiêu tán đi năng lượng do chuyển động trái chiều đó tại vị trí tầng cứng, do đó hệ cản nhớt được bố trí thẳng đứng tại vị trí cuối tầng cứng liên kết với cột Đây là lý do để thực hiện nghiên cứu đề tài

nghiên cứu “Phân tích ứng xử của nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ cản chất lỏng nhớt (fluid viscous damper)

- Đánh giá hiệu quả kháng chấn của phương án sử dụng hệ

cản chất lỏng nhớt cho hệ tầng cứng trong nhà cao tầng khi chịu tải trọng động đất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng

- Phạm vi nghiên cứu: Nhà cao tầng bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất

4 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa theo các tài liệu, các tiêu chuẩn trong và ngoài nước về tính toán hệ kết cấu có gắn hệ cản chất lỏng nhớt

- Sử dụng phần mềm phân tích kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (ETABS ) để thực hiện mô hình hóa nhà cao tầng trong hai trường hợp không sử dụng thiết bị cản nhớt và có sử dụng thiết bị cản nhớt cho tầng cứng

5 Bố cục luận văn

Luận văn bao gồm những nội dung cơ bản như sau:

Chương 1: Tổng quan về nhà cao tầng và hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt

Chương 2: Phân tích động lực học cho nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt

Chương 3: Mô hình hóa và phân tích nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ

HỆ TẦNG CỨNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT 1.1 Tổng quan về nhà cao tầng

1.1.1 Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng

a Định nghĩa

Nhà cao tầng là loại công trình xây dựng lớn và phức tạp Không giống như các công trình thấp tầng khi chịu tác dụng chủ yếu của tải trọng

đứng thì nhà cao tầng với chiều cao lớn, sự làm việc của nó như một console có độ mảnh lớn khi chịu tác dụng của tải trọng ngang (do gió, do động đất) thì làm cho chuyển vị ngang của công trình lớn ảnh hưởng đến tâm lý sử dụng cũng như gây ra nội lực lớn trong hệ kết cấu

- Phân loại theo chiều cao nhà:

- Về mặt kết cấu, 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 bao gồm tải trọng gió, động đất,

1.1.2 Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển

Kết cấu nhà cao tầng bắt đầu thịnh hành tại Mỹ từ những năm 60-70 của thế kỷ trước, tập trung tại một số thành phố lớn như Chicago, Los Angeles và New York Loại hình kết cấu phổ biến ban đầu là khung và khung-vách Hệ kết cấu khung, làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép, có ưu điểm vượt trội so với kết cấu khối xây sử dụng cho các công trình nhiều tầng trước đó Kết cấu đơn giản, hình thành bởi các cột và dầm liên tục với các nút chịu mô men, có đặc điểm là tương đối nhẹ giúp giảm ảnh hưởng của động đất lên công trình

Kết cấu khung - vách là sự kết hợp giữa hai loại hình kết cấu vách và khung cùng chịu tải trọng ngang Hệ kết cấu này có ưu điểm

so với kết cấu khung bởi tương tác giữa hai hình thái biến dạng dạng cắt (của khung) và biến dạng dạng uốn (của vách) làm tăng độ cứng của hệ Loại kết cấu này thích hợp với công trình khoảng từ 10 đến

50 tầng và có thể cao hơn Nếu sử dụng dầm mở rộng nách, hệ kết cấu này có thể áp dụng cho công trình đạt tới 70 hoặc 80 tầng Tuy

nhiên, việc lựa chọn hệ kết cấu này cho công trình cao hơn 50 tầng

sẽ dẫn đến nhiều vấn đề như khoảng cách giữa các cột gần nhau, dầm

có chiều cao lớn, tường có nhiều lỗ mở, dẫn đến làm việc giống khung, sự làm việc tương tác khung - vách sẽ bị hạn chế [1]

Kết cấu lõi thường được cấu thành bởi các vách thang máy

và thang bộ Do là kết cấu không gian, nên hệ lõi có thể chịu được tải trọng Kết cấu có tầng cứng dựa trên một nguyên lý vật lý đơn giản để chuyển hóa lực cắt tầng từ lõi trung tâm thành lực dọc trong cột nằm ở biên công trình khi chịu tải trọng ngang, thông qua một hoặc nhiều dầm cứng bố trí tại các vị trí hợp lý theo chiều cao, giúp tăng đáng kể độ cứng ngang của công trình [1] Nguyên lý này có thể

sử dụng cho một số hình thái kết cấu như đai biên cho phép huy động toàn bộ các cột biên tham gia chống mômen lật, hoặc siêu khung khi mô men lật được chịu bởi một số cặp cột lớn Hơn nữa, hệ kết cấu tầng cứng còn có ưu điểm là hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng chênh lệch biến dạng co ngắn giữa cột ngoài và lõi do lực dọc gây ra Hiện nay, hệ kết cấu này được áp dụng rất nhiều.Theo báo cáo tại hội nghị Quốc tế về nhà cao tầng tại Thượng Hải 2010, từ năm 2000 đến 2010 có 73% kết cấu nhà cao tầng sử dụng hệ kết cấu lõi cứng - tầng cứng, trong đó 50% là kết cấu bê tông cốt thép Với

ưu thế về khả năng làm việc, hệ kết cấu lõi - tầng cứng có thể cao tới

150 tầng

Ngày nay do sự phát triển của công nghệ các hệ thống cản bị động được ưu tiên sử dụng, nó vừa có tác dụng làm tăng khả năng cản của kết cấu (có thể lên đến 5-10%) vừa không quá tốn kém Điển hình các hệ thống cản dạng con lắc ở tòa nhà Taipei 101, cản nhớt được đặt vào vị trí liên kết giữa tầng cứng và cột tại tòa nhà St Francis Shanri-La Place, Philipine cao 210m

1.2 Kết cấu hệ tầng cứng trong nhà cao tầng

1.2.1 Khái quát về hệ kết cấu có tầng cứng

Một kết cấu tầng cứng cao tầng bao gồm một lõi chính bằng

bê tông cốt thép hoặc khung giằng bằng thép kết nối với các cột ngoài bởi các console ngang có độ cứng uốn lớn Lõi có thể được đặc giữa các hàng cột với các tầng cứng được mở rộng ra hai bên hoặc

nó có thể nằm ở một bên của tòa nhà với console kết nối với các cột phía bên kia (Hình 1.6)

Hình 1.6 Hệ kết cấu được bố trí tầng cứng

Khi có tải trọng ngang tác dụng vào công trình, các cột được liên kết với tầng cứng có thể ngăn cản góc xoay của lõi làm giảm đáng kể chuyển vị ngang trên đỉnh của lõi so với trường hợp lõi đứng

tự do Nguyên lý làm việc của hệ thống này là sử dụng lõi để chịu hầu hết tải trọng ngang, đồng thời phân khả năng chịu cắt theo phương đứng từ lõi ra cột ngoài thông qua cánh đòn của tầng cứng Những dầm cứng này được phát triển ra dàn đai biên cho phép các cột biên tham gia vào chịu mômen lật Do đó, khi tải trọng ngang tác động lên công trình, tầng cứng, các cột biên kết hợp cùng với đai biên ngăn cản góc xoay và làm giảm chuyển vị theo phương ngang của kết cấu Hệ tầng cứng trong nhà cao tầng làm tăng độ cứng của

công trình so với hệ kết cấu không dùng tầng cứng Tầng cứng đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối lõi và các cột ngoài cùng chịu lực Hệ thống này còn có tác dụng hạn chế sự khác nhau về việc co ngắn lại giữa cột ngoài và lõi do tác động môi trường và lực dọc gây

ra

Hình 1.7 Sự làm việc của tầng cứng trong nhà

cao tầng dưới tác động của tải trọng ngang

Cơ chế làm việc trên chỉ ra rằng, sự làm việc của hệ kết cấu phụ thuộc vào số lượng tầng cứng và các đai biên Vì vậy, vị trí của tầng cứng bố trí trong nhà cao tầng ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc tổng thể của tòa nhà Ngoài ra, giá trị của việc làm giảm chuyển

vị và mô men của lõi phụ thuộc vào quan hệ tương đối giữa độ cứng của lõi và cột tính theo phương đứng đối với trọng tâm của lõi [10]

1.2.2 Vị trí của tầng cứng

Vị trí của tầng cứng có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của nhà cao tầng Có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của vị trí tầng cứng đối với hệ kết cấu

a Nhà cao tầng có 1 tầng cứng

Đối với nhà cao tầng có 1 tầng cứng, dựa trên các

giả thiết sau đây:

- Tầng cứng được liên kết ngàm với lõi;

- Lõi được liên kết ngàm với cột;

- Bỏ qua ảnh hưởng của lực kéo;

- Đặc trưng mặt cắt của lõi, cột và dầm cứng không thay đổi trên toàn bộ chiều cao của công trình;

- Kết cấu làm việc đàn hồi tuyến tính

Taranath [6] đã đưa ra công thức xác định vị trí tầng cứng tối ưu là:

3 3

( ) W( )

Mx- mô men tại vị trí x (vị trí tầng cứng);

I - mô men quán tính của lõi;

E- mođun đàn hồi của lõi;

Kx- độ cứng đàn hồi tại vị trí x được xác định như sau:

2

( ) 2

AE d x

x





- chiều cao công trình;

d- khoảng cách giữa các cột ngoài;

A- diện tích tiết diện của các cột biên

Chuyển vị ở đỉnh của công trình ( ) được xác định theo công thức sau:

( )( ) 2

xM

c Nhà cao tầng có nhiều tầng cứng

Đối với nhà cao tầng có nhiều tầng cứng (n tầng cứng), sự làm việc của kết cấu phụ thuộc vào tỉ số độ cứng của lõi – cột, lõi – tầng cứng, số lượng tầng cứng và vị trí tầng cứng Tuy nhiên, theo các kết quả nghiên cứu của Smith và Salim [10] cho thấy, nhà càng

có nhiều tầng cứng thì chuyển vị ngang càng giảm đi Mặc dù vậy, nhà cao tầng có đến 4 tầng cứng được xem là tối đa và thích hợp, với

số tầng cứng hơn 4 thì tác dụng của nó thấp đi Một cách tổng quát, tầng cứng nên thiết kế tại các vị trí: 1 (n 1),2 (n 1), n / (n 1)     

1.3 Hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản chất lỏng nhớt

1.3.1 Giới thiệu về hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt trong nhà cao tầng

Ngày nay, sự phát triển về công nghệ và các thiết bị hỗ trợ sẽ

có những cải tiến theo hướng tăng khả năng làm việc hiệu quả của kết cấu Nhóm nghiên cứu của hãng Arup đã ứng dụng các thiết cản chất lỏng nhớt vào các công trình xây dựng (Hình 1.6) Đây là phương pháp kỹ thuật mới làm giảm năng lượng tác động và làm tăng độ cứng cho công trình, giúp giảm đáng kể chuyển vị ngang

Hình 1.9 Lắp đặt thiết bị cản nhớt vào công trình

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị cản nhớt

- Cấu tạo: Các hệ thống điều khiển kết cấu chống động đất thường được sử dụng là hệ cô lập móng và các thiết bị cản làm việc theo nguyên lý khác nhau (cản nhớt, cản đàn nhớt, cản ma sát, ) Và hệ cản chất lỏng nhớt là một hệ thống được sử dụng ngày càng phổ biến trong nhà cao tầng trong những năm gần đây.Hình 1-10 trình bày cấu tạo một dạng hệ cản lợi dụng tính nhớt của chất lỏng silicone do hãng Taylor Devices chế tạo

Hình 1.10 Cấu tạo thiết bị cản chất lỏng silicone của hãng Taylor

Devices

- Nguyên lý làm việc: Lỗ cản hình vành khuyên được tạo thành bởi khoảng hở giữa mặt trong của cylinder và mặt ngoài của đầu pistol làm bằng đồng Chất lỏng chuyển động với vận tốc cao qua lỗ hình vành khuyên tạo ra sự chênh áp suất tại đầu pistol và sinh ra lực cản

1.3.3 Nguyên lý làm việc của hệ cản chất lỏng nhớt trong hệ tầng cứng

Tầng cứng trong nhà cao tầng thông thường được thiết kế như một hệ dầm ngang, rất cứng (thường gọi là dầm cứng) hay tầng cứng kết nối lõi với các tường và cột ở phía ngoài (Hình 1.8) Theo

đó, lõi thường được bố trí ở giữa các cột và dầm cứng phát triển ra các hướng để liên kết lõi và cột Tuy nhiên, khi chịu tải trọng ngang, lõi có xu hướng xoay lúc này các cột phía ngoài liên kết với tầng cứng có thể ngăn cản sự xoay của lõi làm giảm đáng kể chuyện vị đỉnh của công trình Khuynh hướng này làm xuất hiện chuyển động thẳng đứng trái chiều giữa các cột biên và phần cuối của tầng cứng, dẫn đến sàn liên kết giữa vách và cột biên sẽ bị uốn cong gấp đôi Vấn đề cần thiết đặt ra là tìm cách để tiêu tán đi năng lượng do chuyển động trái chiều đó tại vị trí tầng cứng, do đó hệ cản nhớt được bố trí thẳng đứng tại vị trí cuối tầng cứng liên kết với cột

Hình 1.11 ố trí thiết bị cản nhớt trong hệ tầng cứng

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CHO

NHÀ CAO TẦNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT

2.1 Phương trình dao động của hệ chịu tải trọng động đất

2.1.1 Mô hình bài toán dao động

Xét khối lượng M là vật cứng không biến dạng Biểu diễn hệ gồm khối lượng M nối với một liên kết, trong liên kết phát sinh lực

( , )

F u u là hàm chuyển vị u t( ) và vận tốc u t( ) (Hình 2.1) Thường lựcFgồm hai thành phần: phần lực đàn hồi và phần lực cản Khối lượng M dao động dưới tác dụng của lực cản p t ( ) nào đó

Hình 2.1 Mô hình hệ một bậc tự do

Trong trường hợp F chỉ có lực đàn hồi tỉ lệ tuyến tính với chuyển vị u t( ) : FKu nên hệ đàn hồi tuyến tính, liên kết là lò xo Thực tế lực F có thể không tuyến tính với u nên hệ đàn hồi phi tuyến

Thực tế trong lực F ngoài thành phần đàn hồi còn có lực cản làm mất mát năng lượng của hệ Lực cản có nhiều nguồn gốc khác nhau như: lực ma sát do tiếp xúc, ma sát trong của vật liệu, biến dạng đàn nhớt…Đa số các bài toán ta có thể mô hình lực cản đó tương đương với lực cản nhớt tuyến tính: Fcu

2.1.2 Hệ một bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất

Hình 2.2 Hệ một bậc tự do chịu tải trọng động đất

Phương trình dao động: Gọi u tg( ) là chuyển vị của nền do động đất so với cột mốc cố định nào đó, u t ( ) là chuyển vị tương đối của hệ so với nền

Chuyển vị tuyệt đối của hệ so với mốc cố định:

u   u   u   u

2.1.3 Hệ nhiều bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất

Gọi chuyển vị nền do động đất gây ra theo phương nào đó là

( )

g

u t Xét bậc tự do thứ (i); gọi ui là chuyển vị tương đối của mi

theo phương đang xét, chuyển vị tổng là:

Hình 2.3 Hệ nhiều bậc tự do chịu tải trọng động đất

2.1.2 Hệ một bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất 2.1.3 Hệ nhiều bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất 2.1.4 Hệ cản nhớt chất lỏng

Các lý thuyết tính toán thiết kế công trình chống động đất với hệ cản nhớt đã phát triển qua nhiều năm ở trên thế giới Nhiều tài liệu tính toán và thử nghiệm cho phép xác định các đặc tính và phản ứng của hệ kết cấu khi có thiết bị cản nhớt Chất lỏng chuyển động với vận tốc cao trong thiết bị sinh ra lực cản Lực cản của thiết bị cản được tính theo công thức:

F = C u (1) Trong (1), F là lực cản của hệ cản nhớt, CD là hệ số cản của thiết bị, u là vận tốc tương đối của hệ, là số mũ của hệ cản Với

- = 1 là hệ cản nhớt tuyến tính

- < 1 là hệ cản nhớt phi tuyến

- > 1 thường ít xảy ra trong thực tế

Công thức đơn giản để xác định hệ số cản của thiết bị được dùng trong hệ một bậc tự do:

D

C = 2mξω (2) Trong (2), m là tổng khối lượng sàn, x là tỷ số cản do thiết bị cản , w là tần số tự nhiên (tần số riêng) của kết cấu Dựa vào kết quả chu kỳ riêng T của kết cấu, tần số riêng w được tính theo công thức: