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

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT CHO HỆ TẦNG CỨNG Tóm tắt - Khái niệm hệ tầng cứng có độ cản được đề xuất phát triển bởi công ty Arup và lần đầu tiên được

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN CHUẪN

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN CHUẪN

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Phân tích ứng xử của nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng” là công trình nghiên cứu của bản thân, được thực

hiện trên cơ sở nghiên cứu, tính toán dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Anh

Thiện

Các số liệu trong luận văn có nguồn trích dẫn, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình nghiên cứu khác

Tác giả luận văn

Lê Văn Chuẫn

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG

CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT CHO HỆ TẦNG CỨNG

Tóm tắt - Khái niệm hệ tầng cứng có độ cản được đề xuất phát triển bởi công ty Arup và lần đầu tiên

được ứng dụng trong thiết kế công trình cao tầng vào năm 2009 Luận văn này khảo sát ứng xử của nhà cao tầng bê tông cốt thép có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng Kết quả phân tích cho thấy việc sử dụng hệ tầng cứng có thiết bị cản nhớt giúp làm giảm đáng kể chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng, giảm momen cũng như lực cắt đáy khi công trình chịu tải trọng động đất Cùng với các ưu điểm so với các thiết bị điều khiển thụ động khác, đây là một kỹ thuật hiệu quả trong thiết kế kháng

chấn nhà cao tầng

Từ khóa: hệ tầng cứng có cản nhớt, nhà cao tầng, thiết kế kháng chấn, bê tông cốt thép

DYNAMIC RESPONSE OF TALL BUILDINGS WITH DAMPED OUTRIGGER

SYSTEMS Abstract – Damped outrigger concept was developed by Arup company and first applied into the

design of tall buildings in 2009 This thesis investigates the effectiveness of using damped outrigger systems in reinforced concrete tall buildings in seismic design The results show that using damped outriggers help reduce significantly the top lateral displacement, lateral drift ratio, overturning moment

as well as base shear when the building is subjected to earthquake loading Together with other benefits compared to other passive devices, this new technique is effective in seismic design of tall buildings

Keywords: damped outrigger, tall building, high-rise building, seismic design, reinforced concrete

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Bố cục luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ HỆ TẦNG CỨNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT 3

1.1 Tổng quan về nhà cao tầng 3

1.1.1 Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng 3

1.1.2 Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển 4

1.2 Kết cấu hệ tầng cứng trong nhà cao tầng 9

1.2.1 Khái quát về hệ kết cấu có tầng cứng 9

1.2.2 Vị trí của tầng cứng 11

1.3 Hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản chất lỏng nhớt 13

1.3.1 Giới thiệu về hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt trong nhà cao tầng 13

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị cản nhớt 13

1.3.3 Nguyên lý làm việc của hệ cản chất lỏng nhớt trong hệ tầng cứng 14

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CHO NHÀ CAO TẦNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT 15

2.1 Phương trình dao động của hệ chịu tải trọng động đất 15

2.1.1 Mô hình bài toán dao động 15

2.1.2 Hệ một bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất 15

2.1.3 Hệ nhiều bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất 16

2.1.4 Hệ cản nhớt chất lỏng 17

2.1.5 Nhà nhiều tầng với tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt 17

2.2 Tải trọng động đất 19

2.2.1 Định nghĩa 19

2.2.2 Thang cường độ động đất 19

2.2.3 Các phương pháp xác định tải trọng động đất 22

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH NHÀ CAO TẦNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT CHO HỆ TẦNG CỨNG 30

3.1 Mô tả bài toán 30

3.2 Lập mô hình tính toán 31

3.2.1 Kết cấu có hệ tầng cứng trong Etabs 31

3.2.2 Kết cấu hệ tầng cứng có cản 31

3.3 Xác định sơ bộ giá trị hệ số cản của thiết bị cản nhớt 33

3.4 Phân tích kết quả 33

3.4.1 Sự hấp thụ và tiêu tán năng lượng 33

3.4.2 Khảo sát hiệu quả kháng chấn của thiết bị cản 37

3.5 Nhậnxét và đánh giá 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

DANH MỤC HÌNH VẼ

Số hiệu

1.4 Tòa nhà Keangnam, thành phố Hà Nội, Việt Nam 71.5 Tòa nhà St Francis Shanri-La Place, Philipine 9

1.7 Mô hình chịu lực của kết cấu có tầng cứng 11

1.10 Cấu tạo thiết bị cản chất lỏng silicone của hãng Taylor Devices 141.11 Bố trí thiết bị cản nhớt trong hệ tầng cứng 14

2.3 Hệ nhiều bậc tự do chịu tải trọng động đất 162.4 Mô hình vách congxon với hệ tầng cứng có độ cản 182.5a Hệ số cản nhớt ứng với năm dạng dao động đầu tiên: =0.55 182.5b Hệ số cản nhớt ứng với năm dạng dao động đầu tiên: =1.0 19

3.8 Ảnh hưởng của hệ số cản đến momen của các tầng 403.9 Ảnh hưởng của hệ số cản đến lực cắt của các tầng 42

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 Ngoài ra, các tập đoàn kinh tế lớn trên thế giới thường khẳng định tiềm lực kinh tế, tài chính thông qua việc đầu tư xây dựng những tòa nhà có quy mô lớn, cao tầng Cùng với sự phát triển của công nghệ xây dựng, các tòa nhà hiện đại ngày càng trở nên cao hơn, mảnh hơn, vật liệu sử dụng nhẹ hơn và cường độ cao hơn

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

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ

Theo Ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế: “Ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với ngôi nhà thông thường được gọi là nhà cao tầng”

b Phân loại

- Phân loại theo mục đích sử dụng: nhà ở, nhà làm việc và các dịch vụ

khác

- Phân loại theo hình dạng:

+ Nhà tháp: mặt bằng vuông, tròn, tam giác hay đa giác đều Việc giao thông theo phương đứng, tập trung ở một khu vực duy nhất (khách sạn, phòng làm việc)

+ Nhà dạng thanh: mặt bằng hình chữ nhật, có nhiều đơn vị giao thông theo phương đứng (nhà ở)

- Phân loại theo chiều cao nhà:

+ Nhà cao tầng loại I: từ 9 đến 16 tầng (từ 40 đến 50m)

+ Nhà cao tầng loại II: từ 17 đến 25 tầng (dưới 80m)

+ Nhà cao tầng loại III: từ 26 đến 40 tầng (dưới 100m)

+ Nhà rất cao: trên 40 tầng (trên 100m)

- Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực:

+ Nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép

+ Nhà cao tầng bằng thép

+ Nhà cao tầng có kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép

- 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 Đồng thời khả năng hấp thụ năng lượng tốt cho phép kết cấu có ứng xử dẻo dưới tác động của động đất, hạn chế các phá hoại mang tính “dòn” và “phát triển” như đối với kết cấu khối xây Mặc dù vậy, kết cấu khung cũng có hạn chế khi sử dụng cho các công trình cần không gian rộng như văn phòng hay trung tâm thương mại, do tương đối nhiều cột Hệ kết cấu này thích hợp cho công trình dưới 25 tầng, với công trình cao hơn hệ kết cấu khung tỏ ra không kinh tế

Kết cấu khung - vách (Hình 1.1) 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]

Hình 1.1 Mô hình chịu lực của kết cấu khung - vách

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 đứng, lực cắt, mô men và xoắn theo hai phương Hình dạng của lõi phụ thuộc vào yêu cầu bố trí mặt bằng kiến trúc hoặc kỹ thuật, có thể thay đổi từ lõi đơn tới nhiều lõi Hệ khung sàn bao quanh lõi

có thể là kết cấu bê tông đổ tại chỗ, bê tông đúc sẵn hoặc sàn thép Hạn chế lớn nhất của hệ kết cấu này là kích thước của lõi thường bị giới hạn, do đó hiệu quả chịu lực ngang và tính truyền lực của sàn sẽ không cao khi kết cấu làm việc như một công son [2] Hệ kết cấu này phù hợp nhất với công trình cao khoảng 40 tầng

Giai đoạn những năm 1970-1980 là giai đoạn kết cấu ống được áp dụng nhiều

Các tòa nhà như Aon Center (Chicago) 83 tầng cao 346m (Hình 1.2), Willis Tower (Chicago) 108 tầng cao 442m và World Trade Center (New York) 110 tầng cao 417m

là những công trình tiêu biểu

Hình 1.2 Tòa nhà Aon Center, Chicago, U.S.A

Hệ kết cấu ống ban đầu được cấu tạo bởi cách bố trí nhiều cột và dầm sát nhau Sau đó hệ kết cấu này biến thể với sự xuất hiện của nhiều kiểu giằng chéo, bố trí vượt nhiều tầng theo chiều cao, tạo thành hệ giàn tại mặt ngoài công trình Sự làm việc hiệu quả của hệ kết cấu này thể hiện ở chỗ phát huy tối đa khoảng cách cột biên xung quanh nhà Tuy nhiên chuyển vị ngang của tòa nhà có thể lớn phụ thuộc vào hình dạng của ống Xét về khía cạnh kinh tế hệ kết cấu này nên áp dụng với nhà cao trên 40 tầng Tuy nhiên, hệ kết cấu này gặp phải hiện tượng trễ cắt (shear lag) [3], là vấn đề cần phải chú ý khi thiết kế vì nó làm tăng ứng suất của cột và dầm tại các khu vực các góc nhà

Từ những năm 2000 trở lại đây xu hướng xây dựng nhà cao tầng đã lan sang các nước châu Á như Nhật Bản, Hồng Kông, Hàn Quốc, Singapore, Trung Quốc và

Trung Đông Các hệ kết cấu phức tạp như hệ siêu khung, giàn không gian, bó lõi được

áp dụng cho những công trình có chiều cao lớn Điển hình là tòa tháp Burj Khalifa Dubai, sử dụng hệ kết cấu bó lõi kết hợp đai biên đã cho phép công trình đạt tới chiều cao 828m (160 tầng), hiện nay là công trình nhà cao nhất thế giới (Hình 1.3)

Hình 1.3 Tòa tháp Burj Khalifa, Dubai

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 Ở Việt Nam một số công trình sử dụng hệ tầng cứng như Tòa nhà Bitexco (thành phố Hồ Chí Minh) 68 tầng cao 262m, tòa nhà Keangnam (thành phố Hà Nội) 70 tầng cao 330m (Hình 1.4) Theo báo cáo tại hội nghị Quốc tế về nhà cao tầng tại Thượng Hải 2010 [4], 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 [5]

Hình 1.4 Tòa nhà Keangnam, thành phố Hà Nội, Việt Nam

Bên cạnh sự phát triển về chiều cao và tính phức tạp của loại hình kết cấu, các công trình cao tầng và siêu cao tầng còn là nơi mà các vật liệu mới và công nghệ tiên tiến được triển khai áp dụng, xuất phát từ những đòi hỏi cao về kỹ thuật cần phải xử lý trong thiết kế và thi công xây lắp Cường độ bê tông khoảng 34 MPa đã được xem là cao vào những năm 1950, tới năm 1960 đạt 41MPa đến 52 MPa Những năm 1970, bê tông 62 MPa được sử dụng cho công trình Water Tower Palace ở Chicago và tới năm

1989 công trình Quảng trường Công đoàn tại Seattle sử dụng bê tông có cường độ 131 MPa Hiện nay cường độ bê tông đúc tại hiện trường có thể đạt tới 138 MPa Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, sử dụng vật liệu và giải pháp đặc biệt, cường độ bê tông

có thể đạt 800 Mpa [6] Bên cạnh đó, bê tông còn được phát triển theo hướng tính năng cao (high performance concrete) với mục đích cụ thể như cường độ cao, phát triển cường độ sớm, tăng mô-đun đàn hồi, tăng độ bền và kéo dài thời thời gian ninh kết nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn Kết cấu thép đóng vai trò quan trọng, tạo nên sự phát triển rõ nét đối với nhà cao tầng sử dụng loại vật liệu này Bắt đầu từ năm 1856 (Taranath), điển hình như tháp Eiffel (300m) được xây dựng năm 1889, tòa nhà Flatiron (87m) ở Chicago năm 1902 và Chryler Building (319m) ở Manhatan năm

1929 Các tòa nhà sử dụng kết cấu thép còn đánh dấu những bước tiến về chiều cao như Empire State Building cao 381m năm 1931 và World Trade Tower cao 412m năm

1972 Vật liệu composite bắt đầu được sử dụng từ năm 1969 cho một công trình cao 20 tầng bằng việc dùng hỗn hợp kết cấu thép-bê tông cho cột và dầm [7,8] Ngày nay, những ưu thế về tính kinh tế, độ cứng, tính cản lớn của bê tông kết hợp với tính nhẹ, dễ xây dựng của thép đã mở ra thời kỳ mới cho việc ứng dụng các loại hình kết cấu hỗn hợp lớn như siêu cột, siêu khung

Vật liệu sử dụng cho nhà cao tầng có cường độ ngày càng cao, cùng với giải pháp xây dựng công trình ngày một hiệu quả dẫn đến các tòa nhà cao tầng hiện nay nhẹ hơn, dễ nhạy cảm với tác động của tải trọng ngang (gió, động đất) Tùy theo tính chất của vật liệu và dạng kết cấu, luôn tồn tại một lượng cản nhất định trong hệ kết cấu Chính giá trị cản này làm giảm tác dụng của tải trọng lên công trình, đồng thời tăng độ dẻo của kết cấu Theo hướng này đối với từng dạng tải trọng cần có những loại cản phù hợp Có hai loại cản là hệ thống bị động (passive system) và chủ động (active system) [9] Hệ thống bị động được gắn vào kết cấu làm việc theo định hướng, không cần năng lượng cung cấp, trong khi đó hệ thống chủ động cần cơ chế kích động hoặc tác động chủ động nhằm thay đổi các phần tử kết cấu chống lại thay đổi của tải trọng

Ở những nơi có động đất mạnh, các giải pháp làm giảm tác động của động đất được ưu tiên sử dụng như hệ thống cách chấn, chống sốc, cản nhớt 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 [6], 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 (Hình 1.5)

Hình 1.5 Tòa nhà St Francis Shanri-La Place, Philipine

Với sự phát triển về độ phức tạp và chiều cao kết cấu, về vật liệu và ứng dụng công nghệ mới, phương pháp phân tích và thiết kế kết cấu chịu động đất cũng hình thành những khái niệm mới

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 Mô hình chịu lực của kết cấu có tầng cứng

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:

W- tải trọng gió tác dụng lên công trình theo chiều cao;

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:

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 sử dụng các thiết bị cản nhớt vào các công trình xây dựng trên thế giới, điển hình là tòa nhà St Francis Shanri-La Place, Philipine cao 210m, được đưa vào sử dụng năm 2008 (Hình 1.5) [12]

Hình 1.9 Lắp đặt thiết bị cản nhớt vào công trình [12]

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 1.11) 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 [12]

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

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 t g( ) 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 u t g( ) Xét bậc tự

do thứ (i); gọi u i là chuyển vị tương đối của m i theo phương đang xét, chuyển vị tổng là:

Hình 2.3 Hệ nhiều bậc tự do chịu 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:

D D

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:

u, u, u lần lượt là chuyển vị, vận tốc, gia tốc của kết cấu Phương trình dao động của

hệ một bậc tự do có hệ cản nhớt được viết như sau:

D

Mu + Cu + Ku = P(t) - F (4) Trong đó:

M; C; K lần lượt là khối lượng, độ cản, độ cứng của kết cấu Khi hệ cản nhớt làm việc tuyến tính, phương trình dao động của hệ được viết lại như sau:

D

Mu + (C + C )u + Ku = P(t)(5)

2.1.5 Nhà nhiều tầng với tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt

Phương trình vi phân mô phỏng chuyển động của một vách conxon với hệ tầng cứng có độ cản đã được nhà khoa học Chen và các cộng sự đề xuất năm 2010

Hình 2.4 Mô hình vách congxon với hệ tầng cứng có độ cản [13]

Sử dụng nguyên lý D’Alembert, phương trình dao động của vách được thiết lập như sau:

2

2 ( , )( , ) 2 d y x t ( )

Dựa trên phân tích phương trình vi phân chuyển động trên, Chen và các cộng sự

đã khảo sát sự thuộc của hệ số cản của các dạng dao động của công trình theo độ cản của thiết bị cản nhớt sử dụng trong tầng cứng, kết quả được thể hiện trên hình 2.5

Hình 2.5a Hệ số cản nhớt ứng với năm dạng dao động đầu tiên: =0.55 [13]

Hình 2.5b Hệ số cản nhớt ứng với năm dạng dao động đầu tiên: =1.0 [13]

2.2 Tải trọng động đất

2.2.1 Định nghĩa

Động đất là những rung động tự nhiên của vỏ trái đất có phương hướng và cường độ thay đổi theo thời gian Trong thời gian động đất, chuyển động của nền đất

làm phát sinh ra các lực quán tính ở các bộ phận công trình

Một số khái niệm cơ bản về động đất:

- Sóng địa chấn là sóng đàn hồi vật lý hình thành do việc giải phóng năng lượng

từ điểm (chấn tiêu) phát ra năng lượng do động đất

- Cường độ động đất: để đánh giá cường độ động đất ta dựa vào hậu quả của nó đối với công trình hoặc năng lượng gây ra trận động đất

2.2.2 Thang cường độ động đất

Hiện nay có rất nhiều thang đo cường độ động đất, trong số đó có thang

MSK-64 và thang Richter là 2 thang được sử dụng phổ biến nhất

- Thang MSK-64 là do Medveded cùng Sponhuer và Karnic đề ra năm 1964, là thang đo cường độ địa chấn diện rộng được sử dụng để đánh giá mức độ khốc liệt của

sự rung động mặt đất trên cơ sở các tác động đã quan sát và ghi nhận trong khu vực xảy ra động đất Để xây dựng thang MSK-64 các tác giả trước hết phân loại tác dụng phá hoại của động đất đến các công trình xây dựng, sau đó đánh giá cường độ động đất qua hàm dịch chuyển cực đại của con lắc tiêu chuẩn co chu kỳ dao động riêng T = 0.25s Thang động đất MSK-64 có 12 cấp

và công trình

Cấp 2 Động đất ít cảm thấy (rất nhẹ) Trong những trường hợp

riêng lẻ, chỉ có người nào đang ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy được

Cấp 3 Động đất yếu Ít người nhận biết được động đất Chấn

động được tạo ra như bởi một xe ô tô vận tải nhẹ chạy qua

Cấp 4 Động đất nhận thấy rõ Nhiều người nhận biết được động

đất, cửa kính có thể kêu lạch cạch Cấp 5 Nhiều người ngủ bị thức tỉnh, đồ vật treo đu đưa

Cấp 6 Đa số người cảm thấy động đất, nhà cửa bị rung nhẹ, lớp

vữa bị rạn Cấp 7 Hư hại nhà cửa Đa số người sợ hãi, nhiều người khó

đứng vững, nứt lớp vữa, tường bị rạn nứt

Cấp động đất mạnh cần được xét đến trong thiết

kế công trình

Cấp 8 Phá hoại nhà cửa Tường nhà bị nứt lớn, mái hiên và ống

khói bị rơi Cấp 9 Hư hoại hoàn toàn nhà cửa, nền đất có thể bị nứt rộng

10cm

Cấp 10 Phá hoại hoàn toàn nhà cửa Nhiều nhà bị sụp đổ, nền đất

có thể nứt rộng đến 1m

Cấp động đất có mức

độ hủy diệt Cấp 11 Động đất gây thảm họa Nhà, cầu, đập nước và đường sắt

bị hư hại nặng, mặt đất bị biến dạng, vết nứt rộng, sụp đổ lớn ở núi

Cấp 12 Thay đổi địa hình Phá hủy mọi công trình ở trên và dưới

mặt đất, thay đổi địa hình trên diện tích lớn, thay đổi cả dòng sông, nhìn thấy mặt đất nổi sóng

- Thang Richter là do Ch Richter đề ra năm 1953 để thay cho việc đánh giá cường độ động đất thông qua việc đánh giá hậu quả của nó bằng cách đánh giá gần đúng năng lượng được giải phóng ở chấn tiêu Theo định nghĩa, độ lớn M (Magnitud) của một trận động đất bằng logarit thập phân của biên độ cực đại A (μm) ghi được tại một điểm cách chấn tâm D = 100km trên máy đo địa chấn có chu kỳ dao động riêng T

= 0.8s: M = logA

đo được

Thật nhỏ Khoảng 1000

lần mỗi ngày 3.0 – 3.9 Cảm nhận được nhưng ít khi gây

thiệt hại

lần mỗi năm 4.0 – 4.9 Rung chuyển đồ vật trong nhà

Thiệt hại khá nghiêm trọng

Nhẹ Khoảng 6200

mỗi năm 5.0 – 5.9 Có thể gây thiệt hại nặng cho

những công trình không theo tiêu chuẩn kháng chấn Thiệt hại nhẹ cho những công trình tuân theo tiêu chuẩn kháng chấn

Trung bình Khoảng 800 lần

mỗi năm

6.0 – 6.9 Có sức tiêu hủy mạnh trong

những vùng đông dân trong chu vi 180km bán kính

trọng trên diện tích lớn trong chu

Kinh hoàng Cực hiếm

- Bản đồ phân vùng động đất theo thang MSK-64 trên toàn lãnh thổ Việt Nam

đã được đưa vào bộ Quy chuẩn xây dựng Việt Nam từ năm 1997 Theo TCVN 2012: Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất đã đưa vào bản đồ phân vùng động đất mới theo gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam với chu kỳ lặp 500 năm, nền loại A (đá gốc)

9386-2.2.3 Các phương pháp xác định tải trọng động đất

Việc xác định tải trọng động đất (lực quán tính) tác dụng lên công trình một cách chính xác là một việc làm rất khó khăn vì phụ thuộc nhiều vào tính chất chuyển động địa chấn, các tính chất động học công trình và đặc trưng cơ lý nền đất Hiện nay trong nhiều tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước đều sử dụng một trong hai phương pháp xác định tải trọng động đất sau đây:

- Phương pháp động lực: xác định trực tiếp trạng thái ứng suất – biến dạng các kết cấu chịu tải từ các gia tốc do ghi được chuyển động của nền đất khi động đất xảy

ra Bao gồm các phương pháp: phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động, phương pháp phân tích dạng chính

- Phương pháp tĩnh lực: thay thế các lực động đất thực tác dụng lên công trình bằng các lực tĩnh ảo có hiệu ứng tương đương Bao gồm các phương pháp: phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp tĩnh phi tuyến Tùy thuộc vào các đặc trưng kết cấu của nhà, có thể sử dụng một trong hai phương pháp phân tích đàn hồi – tuyến tính:

+ Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương: áp dụng cho các nhà mà phản ứng của nó không chịu ảnh hưởng đáng kể bởi các dạng dao động bậc cao hơn dạng dao động cơ bản trong mỗi phương chính

+ Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động: áp dụng cho tất cả các loại nhà

Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến cũng có thể được sử dụng thay thế cho các phương pháp phân tích đàn hồi – tuyến tính

Tác động động đất nằm theo phương ngang được mô tả bằng hai thành phần vuông góc được xem là độc lập và biểu diễn bằng cùng một phổ phản ứng

Đối với ba thành phần của tác động động đất, có thể chấp nhận một hoặc nhiều dạng khác nhau của phổ phản ứng, phụ thuộc vào các vùng nguồn và độ lớn động đất phát sinh từ chúng

Ở những nơi chịu ảnh hưởng động đất phát sinh từ các nguồn rất khác nhau, khả năng sử dụng nhiều hơn một dạng phổ phản ứng phải được xem xét để có thể thể

hiện đúng tác động động đất thiết kế Trong những trường hợp như vậy, thông thường giá trị của a g cho từng loại phổ phản ứng và từng trận động đất sẽ khác nhau

Đối với các công trình quan trọng (I  1) cần xét các hiệu ứng khuyếch đại địa hình Có thể biểu diễn chuyển động động đất theo hàm của thời gian

Đối với một số loại công trình, có thể xét sự biến thiên của chuyển động nền đất trong không gian cũng như theo thời gian

* Phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang

Với các thành phần nằm ngang của tác động động đất, phổ phản ứng đàn hồi Se(T) được xác định bằng các công thức: