Phân tích đánh giá khả năng chịu gia tốc nền của nhà cao tầng tại thành phố hồ chí minh

Lợi ích, ý nghĩa của đề tài Đề tài cho chúng ta kết quả về mức độ chịu gia tốc nền của kết cấu công trình được xâydựng trong thời gian gần đây, từ đó ta cần có những biện pháp thiết kế v

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

-LÊ THÀNH TRUNG

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU GIA TỐC NỀN CỦA NHÀ CAO TẦNG TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

-LÊ THÀNH TRUNG

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU GIA TỐC NỀN CỦA NHÀ CAO TẦNG TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MÃ NGÀNH: 8.58.02.01

Người hướng dẫn khoa học:TS Nguyễn HồngÂn

Long An, năm 2019

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu,

và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các tạp chí khoa học

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Bản Luận văn thạc sỹ kỹ thuật đã được hoàn thành sau gần 2 năm học tập nghiên cứu với sự giảng dạy của quý các thầy cô giáo Trường Đại học Kinh Tế - Công Nghiệp Long An Tác giả là học viên cao học của Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp khóa 2016 - 2018.

Để có kết quả này, tác giả đã nhận được nhiều sự hỗ trợ, giúp đỡ của các cơ quan

có liên quan, thầy cô và đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ sự cảm ơn tới Ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô giáo ở Bộ môn kỹ thuật xây dựng dân dụng, Khoa sau đại học, Phòng Đào tạo ĐH & Sau ĐH – Trường Đại học Kinh Tế – Công Nghiệp Long An đã đào tạo, chỉ dạy, hướng dẫn và tạo các điều kiện, môi trường thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập thời gian qua.

Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn TS.

Nguyễn Hồng Ân đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để bản thân hoàn thành Luận văn

này.

Tác giả

(Ký và ghi rõ họ tên)

Lê Thành Trung

Trang 5

NỘI DUNG TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài: Phân tích đánh giá khả năng chịu gia tốc nền của nhà cao tầng tại Thành phố Hồ

Chí Minh

Tác giả luận văn: Lê Thành TrungKhoá: 4 ( Lớp 16CHXD1)

Người hướng dẫn: Ts Nguyễn Hồng Ân

Nội dung tóm tắt:

1 Lý do chọn đề tài

Nghiên cứu đánh giá khả năng chịu gia tốc nền của các công trình được xây dựngtrong thời gian gần đây tại Thành phố Hồ Chí Minh

2 Lợi ích, ý nghĩa của đề tài

Đề tài cho chúng ta kết quả về mức độ chịu gia tốc nền của kết cấu công trình được xâydựng trong thời gian gần đây, từ đó ta cần có những biện pháp thiết kế và cấu tạo khángchấn phù hợp cho các công trình chịu động đất

3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Mục tiêu tổng quát

- Tìm hiểu tổng quan về hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng chịu động đất

-Tìm hiểu cách xác định tải trọng động đất tác dụng lên công trình và các phương pháp tính

-Nghiên cứu giải pháp kháng chấn để tăng cường khả năng chịu tải trọng động đất cho công trình

-Đánh giá khả năng chịu đỉnh gia tốc nền của nhà cao tầng tại thành phố Hồ Chí Minh

sử dụng phương pháp phân tích IDA (Ineremental Dynanic Analysis)

3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

-Đánh giá khả năng chịu đỉnh gia tốc nền của các công trình tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh

- Phạm vi nghiên cứu: các công trình thấp và cao tầng tại thành phố Hồ Chí Minh

Trang 6

- Đề tài có xét đến phi tuyến hình học (hiệu ứng P- ) và phi tuyến vật liệu (khớp dẻo sử dụng mô hình song tuyến tính)

- Đề tài sử dụng hệ cản theo Rayleight damping

3.3 Phương pháp nghiên cứu

- Lựa chọn 02 công trình và gia tốc đồ tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh

-Sử dụng phương pháp phân tích động IDA để đánh giá khả năng chịu đỉnh gia tốc nền của công trình bằng cách giải hệ phương trình theo miền thời gian

- Phân tích cơ cấu hình thành khớp dẻo trên công trình khi chịu tải trọng động đất

- Sử dụng phần mềm PTHH SAP2000, ETABS… để mô phỏng công trình chịu tải trọngđộng đất

Trang 7

Topic: Investigation on the seimic resisting capacity of the high rise building in Ho Chi

Minh City

Author: Trung Le Thanh

Instructor:PhD An Nguyen Hong

Intake: 4 (Class code 16CHXD1)

Outline:

1 Statement of reasons for choosing this project

To assessing the bearing capacity of high-rise buildings have been constructed inrecent year that subjected to ground acceleration in Ho Chi Minh City

2 Statement of project’s significance

This project provides information about the bearing capacity of high-rise buildingshave been constructed in recent year that subjected to ground acceleration, so that wecould use these information to modify the design according to the seismic events

3.Overall aim and scope of study

3.2 Subject and scope of study

Assessing the bearing capacity of high-rise buildings in Ho Chi Minh City thatsubjected to peak ground acceleration

Scope of study: Mid-rise and high-rise buildings in Ho Chi Minh City

Trang 8

Choosing 02 buildings and ground acceleration graphs in Ho Chi Minh City.

Using IDA dynamic analyzing method to assess the bearing capacity of buildingsthat subjected to peak ground acceleration by solving the equations linked to the timedomain

Analyzing the plastic joint mechanism of buildings that subjected to earthquakeload.Using finite element method softwares such as SAP2000, ETABS… to model thebuildings that subjected to earthquake load

Trang 9

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU……… ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH……….x

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘNG ĐẤT

1.1 VÀI NÉT Về XÂY DựNG NHÀ CAO TầNG HIệN NAY

1.1.11.1.21.2 MộT Số Hệ KếT CấU CHịU LựC TRONG NHÀ CAO TầNG

1.2.11.2.21.3 TảI TRọNG TÁC DụNG LÊN NHÀ CAO TầNG

1.3.11.3.21.3.31.3.41.4 VÀI NÉT Về ĐộNG ĐấT TÁC DụNG LÊN CÔNG TRÌNH

1.4.11.4.21.4.31.4.41.5 Kết luận chương

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHỊU TÁC

ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KếT CấU CHịU ĐộNG ĐấT

2.2 PHƯƠNG PHÁP TĨNH LựC NGANG TƯƠNG ĐƯƠNG

2.2.12.2.22.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DạNG DAO ĐộNG VÀ PHổ PHảN ứNG

2.3.12.3.22.3.32.3.4

Trang 10

2.4 PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN TRựC TIếP PHƯƠNG TRÌNH CHUYểN ĐộNG 34

2.5 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐẩY DầN (PUSHOVER ANALYSIS) 35

2.6 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐẩY DầN ĐộNG 36

2.7 LựA CHọN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 36

2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 37 CHƯƠNG III: MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHÁNG CHẤN CHO CÔNG TRÌNH NHÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP 39

3.1 CÁC YÊU CầU CHUNG CHO THIếT Kế KHÁNG CHấN 39

3.1.1 Mục tiêu thiết kế và cách thức đạt được mục tiêu thiết kế 39

3.1.2 Các nguyên tắc cơ bản của thiết kế theo quan niệm hiện đại 40

3.1.3 Thiết kế kháng chấn công trình chịu động đất theo TCVN 9386:2012 41 3.2 CÁC TIÊU CHÍ THIếT Kế KHÁNG CHấN CHO NHÀ BÊ TÔNG CốT THÉP 45

3.2.1 Điều kiện chịu lực cục bộ 45

3.2.2 Quy định thiết kế theo khả năng 45

3.2.3 Điều kiện dẻo cục bộ 45

3.2.4 Tính siêu tĩnh của kết cấu 46

3.3 THIếT Bị KHÁNG CHấN CHO NHÀ CAO TầNG 47

3.3.1 Các thiết bị giảm chấn cho công trình cao tầng dạng bị động 47

3.3.2 Các thiết bị giảm chấn cho công trình cao tầng dạng chủ động 49

KẾT LUẬN 51

CHƯƠNG IV: VÍ DỤ SỐ 52

4.1 PHÂN TÍCH KếT CấU NHÀ CAO TầNG CHịU TÁC ĐộNG CủA ĐộNG ĐấT 52

4.1.1 Thông tin công trình 52

4.1.2 Trường hợp 1: PGA = 12.58 m/s2 58

4.1.3 Trường hợp 2: PGA = 15.09 m/s2 72

4.1.4 Trường hợp 3: PGA = 18.87 m/s2 91

4.2 PHÂN TÍCH KếT CấU NHÀ THấP TầNG CHịU TảI TRọNG ĐộNG ĐấT 117

4.2.1 Thông tin công trình 117

4.2.2 Trường hợp 1: PGA = 2.77 m/s2 (TH1) 118

4.2.3 Trường hợp 2: PGA = 2.89 m/s2 (TH2) 127

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 138

Trang 11

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139

PHỤ LỤC 143

Trang 12

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thang cường độ động đất Mercalli 11

Bảng 1.2 Thang cường độ động đất JMA 12

Bảng 1.3 Thang cường độ động đất MSK 13

Bảng 1.4 Tương quan giữa cấp cường độ động đất và đỉnh gia tốc nền 15

Bảng 1.5 Thang đo độ Richter 16

Bảng 2.1 Phương pháp tính toán động đất dựa vào mức độ phức tạp kết cấu 37

Bảng 2.2 Phương pháp tính toán động đất dựa vào tính đều đặn công trình 37

Bảng 3.1 Các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế kháng chấn 40

Bảng 3.2 Các yêu cầu thiết kế công trình chịu động đất 41

Bảng 4.1 Tổng hợp Mode dao động của công trình 53

Bảng 4.2 Các trường hợp phân tích tính toán 55

Bảng 4.3 Tình trạng làm việc của khớp dẻo ở các cột bị phá hoại (TH1) 60

Bảng 4.4 Tình trạng làm việc của khớp dẻo ở các dầm chịu tác động nhiều nhất (TH1) 68

Bảng 4.6 Tình trạng làm việc của khớp dẻo dầm bị phá hoại 86

Bảng 4.8 Tình trạng làm việc của khớp dẻo các dầm bị phá hoại (TH3) 104

Bảng 4.9 Tình trạng làm việc của khớp dẻo các dầm (TH1) 119

Bảng 4.10 Tình trạng làm việc của khớp dẻo cột (TH1) 124

Bảng 4.11 Tình trạng làm việc của khớp dẻo cột (TH2) 128

Bảng 4.12 Tình trạng làm việc của khớp dẻo dầm (TH2) 133

Trang 13

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tòa nhà Landmark 81 (Việt Nam) 3

Hình 1.2 Trung tâm thương mại One World (New York) 3

Hình 1.3 Tòa tháp Burj Khalifa (Dubai) 4

Hình 1.4 Khung bê tông cốt thép 5

Hình 1.5 Kết cấu vách chịu lực 6

Hình 1.6 Kết cấu lõi thang máy 6

Hình 1.7 Vị trí phát sinh động đất 10

Hình 1.8 Tòa nhà bị trận động đất đánh sập 17

Hình 1.9 Động đất tại Vân Nam (Trung Quốc) 17/10/2018 18

Hình 1.10 Động đất tại Sumatra (Indonesia) 07/12/2016 18

Hình 2.1 Dạng của phố phản ứng đàn hồi 25

Hình 2.2 Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền đất từ A đến E (độ cản 5%) 28

Hình 4.1 Vị trí công trình PARCSpring 52

Hình 4.2 Mô hình 3D công trình 53

Hình 4.3 Dạng dao động của công trình theo Mode 1 54

Hình 4.6 Gia tốc đồ trận động đất Kobe 55

Hình 4.7 Đưa số liệu động đất vào trong mô hình 56

Hình 4.8 Khai báo trường hợp tải trọng động đất 56

Hình 4.9 Định nghĩa khớp dẻo cho cột 57

Hình 4.10 Định nghĩa khớp dẻo cho dầm 57

Hình 4.11 Biểu đồ chuyển vị đỉnh công trình (TH1) 58

Hình 4.12 Phản ứng của kết cấu tại thời điểm chuyển vị lớn nhất t =10.13s (TH1) 58 Hình 4.13 Chuyển vị khung trục F (TH1) 59

Hình 4.14 Chuyển vị khung trục I (TH1) 59

Hình 4.15 Biểu đồ phân bố moment cột C3 – Tầng 17 (TH1) 62

Hình 4.16 Tình trạng làm việc của khớp dẻo ở cột C3 – Tầng 17 (TH1) 62

Trang 14

Hình 4.19 Biểu đồ moment cột C20 – Tầng 18 (TH1) 64

Hình 4.23 Biểu đồ moment cột C14 – Tầng 8 (TH1) 66

Hình 4 26 Tình trạng làm việc của khớp dẻo ở cột C14 – Tầng 4 (TH1) 67

Hình 4.27 Biểu đồ phân bố moment dầm B54 – Tầng 15 (TH1) 69

Hình 4.28 Tình trạng làm việc của khớp dẻo ở dầm B54 – Tầng 15 (TH1) 69

Hình 4.29 Biểu đồ moment dầm B55 – Tầng 14 (TH1) 70

Hình 4.30 Tình trạng làm việc của khớp dẻo ở dầm B55 – Tầng 14 (TH1) 70

Hình 4.32 Phản ứng của kết cấu tại thời điểm chuyển vị lớn nhất t =10.13s (TH2) 72 Hình 4.33 Chuyển vị ngang khung trục F (TH2) 73

Hình 4.34 Chuyển vị ngang khung trục I (TH2) 73

Hình 4.35 Vị trí cột có số lượng bị phá hoại nhiều nhất qua các tầng 74

Hình 4.36 Vị trí dầm bị phá hoại 74

Hình 4.38 Tình trạng làm việc của khớp dẻo cột C3 – Tầng 18 (TH2) 77

Trang 15

Hình 4 54 Tình trạng làm việc của khớp dẻo cột C14 – Tầng 3 (TH2) 85

Hình 4.56 Tình trạng làm việc của khớp dẻo dầm B54 – Tầng 14 (TH2) 88

Hình 4.60 Phản ứng của kết cấu tại thời điểm chuyển vị lớn nhất t = 10.13s (TH3) 91 Hình 4.61 Chuyển vị khung trục F (TH3) 92

Hình 4.62 Chuyển vị khung trục I (TH3) 92

Hình 4.81 Biểu đồ phân bố moment dầm B32 -Tầng 17 (TH3) 106

Trang 16

Hình 4.101 Vị trí dầm bị phá hoại (TH3) 116

Hình 4.102 Phối cảnh công trình nhà phố tại Thành phố Hồ Chí Minh 117

Hình 4.103 Chuyển vị đỉnh công trình (TH1) 118

Hình 4.104 Phản ứng của công trình tại thời điểm 9.92s (TH1) 118

Hình 4.105 Biểu đồ phân bố moment dầm B1 Tầng Lửng (TH1) 122

Hình 4.106 Tình trạng làm việc của khớp dẻo dầm B1 Tầng Lửng (TH1) 122

Hình 4.107 Biểu đồ phân bố moment dầm B11 Tầng 3 (TH1) 123

Hình 4.108 Tình trạng làm việc của khớp dẻo dầm B11 Tầng 3 (TH1) 123

Hình 4.109 Tình trạng làm việc của khớp dẻo cột C1 – T1 (TH1) 125

Hình 4.110 Tình trạng làm việc của khớp dẻo cột C4 – T1 (TH1) 126

Hình 4.112 Phản ứng của kết cấu tại thời điểm 10.11s (TH2) 127

Trang 17

Hình 4.121 Biểu đồ phân bố moment dầm B1 – Tầng lửng (TH2) 136

Hình 4.122 Tình trạng làm việc của khớp dẻo dầm B1 – Tầng lửng (TH2) 136

Hình 4.123 Biểu đồ phân bố moment dầm B11 – T3 (TH2) 137

Trang 18

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘNG ĐẤT 1.1 Vài nét về xây dựng nhà cao tầng hiện nay

1.1.1 Sự hình thành và phát triển nhà cao tầng của thế giới

Tốc độ đô thị hóa và sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội là động lực thúcđẩy làm thay đổi chất lượng hình ảnh không gian kiến trúc đô thị, kèm theo đó tạimột số nước phát triển và đang phát triển, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc,trung tâm thương mại, khách sạn… tăng lên đáng kể, trong khi quỹ đất xây dựng lạithiếu trầm trọng làm giá đất tăng lên Từ việc nhìn nhận: “Các công trình cao tầng làbiểu tượng của một đô thị văn minh”, người ta hiểu đó như là chiến lược phát triểntất yếu và rất khoa học Việc phát triển nhà cao tầng, nhất là các tòa nhà chọc trời tạicác đô thị lớn trên thế giới là xu hướng tất yếu để tương xứng với cấu trúc đô thị đatrung tâm, linh hoạt, có sức sống và có sức cạnh tranh cao hơn ở nhiều lĩnh vực;cùng với nhiều yếu tố và các giá trị khác, chúng góp phần tạo dựng hình ảnh củamột “Đô thị hiện đại”, khẳng định đẳng cấp hay thương hiệu của đô thị, biểu trưngcho một quốc gia, thậm chí một dân tộc Việc xây dựng các công trình cao tầng vàvươn lên chiều cao còn là khẳng định về trình độ khoa học, công nghệ trong lĩnhvực xây dựng nói riêng và trình độ khoa học nói chung của một quốc gia Chính vìđiều đó việc các quốc gia đua nhau xây dựng các công trình cao tầng thể hiện sứcmạnh kinh tế, trình độ khoa học Không thể phủ nhận sức hấp dẫn của những thànhphố sở hữu những tòa nhà chọc trời trên thế giới như tháp Burj Dubai (Các tiểuvương quốc ả rập thống nhất); tháp Taipe tại Đài Bắc (Đài Loan); Trung tâm tàichính Thượng Hải (Trung Quốc); tháp đôi Petronas (Kuala Lumpur - Malaysia);Trung tâm tài chính quốc tế (IFC2) Hồng Kông Những tòa nhà này không chỉ giúpthúc đẩy kinh tế mà còn mang ý nghĩa thể hiện sự giàu có của quốc gia, tốc độ tăngtrưởng cao, sự thịnh vượng và những chính trị gia xem tòa nhà cao tầng như biểuhiện cho quyền lực là những yếu tố đẩy cơn sốt cao ốc tiếp tục trong nhiều năm nữa,ngay cả những thành phố ít được biết đến trong vùng cũng có tham vọng cháy bỏngđược sở hữu các kiến trúc thật độc đáo để thay đổi diện mạo của mình, sẵn sàng đưa

ra nhiều ưu đãi để biến điều đó thành hiện thực

1.1.2 Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng

1.1.2.1 Định nghĩa

Trang 19

Hiện nay chưa có câu trả lời chính xác, rõ ràng và được mọi người thừa nhận

về những công trình được xếp vào loại nhà cao tầng Theo định nghĩa của ủy banquốc tế nhà cao tầng là nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng đến ý đồ và phươngpháp thiết kế được gọi là nhà cao tầng Hoặc nói cách khác tổng quan hơn: mộtcông trình xây dựng được xem là nhà nhiều tầng ở tại một vùng hoặc một thời kỳnào đó nếu chiều cao của nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi cônghoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường [13]

− Phân loại theo mục đích sử dụng:

1.1.2.2 Phân loại nhà cao tầng

+ Nhà ở

+ Nhà làm việc và các dịch vụ khác

+ Khách sạn

− Phân loại theo hình dạng:

+ Nhà tháp: mặt bằng hình tròn, tam giác, vuông, đa giác điều cạnh, trong

đó việc giao thông theo phương đứng tập trung vào một khu vực duy nhất

+ Nhà dạng thanh: mặt bằng chữ nhật, trong đó có nhiều đơn vị giao thông theo phương thẳng đứng

− Phân loại theo chiều cao nhà:

+ Nhà cao tầng loại I: Từ 09 đến 16 tầng (cao nhất 50m)

+ Nhà cao tầng loại II : Từ 17 đến 25 tầng (cao nhất 75m)

+ Nhà cao tầng loại III : Từ 26 đến 40 tầng (cao nhất 100m)

+ Nhà cao tầng loại IV : 40 tầng trở lên (nhà siêu cao tầng)

− 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

Các nước trên thế giới tùy theo sự phát triển Nhà cao tầng của mình mà cócách phân loại khác nhau Hiện nay nước ta đang có xu hướng theo sự phân loại của

Ủy ban nhà cao tầng Quốc tế Về mặt kết cấu, một công trình được định nghĩa làcao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định Tảitrọng ngang có thể dưới dạng gió bão hoặc động đất Mặc dù chưa có sự thống nhấtchung nào về định nghĩa Nhà cao tầng nhưng có một ranh giới được đa số Kỹ sư kết

Trang 20

3cấu chấp nhận, đó là từ Nhà thấp tầng sang Nhà cao tầng có sự chuyển tiếp từ phântích tĩnh học sang phân tích động học khi nhà chịu tải gió, động đất,… tức là vấn đề

về dao động và ổn định nói chung

Thách thức đối với Kỹ sư kết cấu hiện nay là các công trình Nhà cao tầng ngàycàng cao hơn, nhẹ hơn và mảnh hơn so với các Nhà cao tầng trong quá khứ Cácnghiên cứu trên thế giới cũng khẳng định xu hướng này trong tương lai, thông quacác kết quả so sánh cho thấy các công trình có độ mảnh cao đồng thời cũng mang lạihiệu quả kinh tế cao hơn [13]

Hình 1.1 Tòa nhà Landmark 81 (Việt Nam)

Hình 1.2 Trung tâm thương mại One World (New York)

Trang 21

Hình 1.3 Tòa tháp Burj Khalifa (Dubai)

1.2 Một số hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng

1.2.1 Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản trong nhà cao tầng

1.2.1.1 Hệ khung chịu lực

Hệ khung chịu lực được tạo từ các cấu kiện thanh như cột, dầm, liên kết cứngtại các nút tạo thành các khung phẳng hoặc khung không gian, dọc theo trục lưới cộttrên mặt bằng nhà Tải lên khung bao gồm tải trọng theo phương đứng và phươngngang Dưới tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm vừa chịu uốn, cắt vừa chịukéo, nén Chuyển vị khung gồm 2 thành phần chuyển vị ngang do uốn khung nhưchuyển vị ngang của thanh công xon thẳng, đứng tỷ lệ này khoảng 20% Chuyển vịngang do biến dạng của các thanh thành phần, chiếm khoảng 80% (trong đó do dầmbiến dạng khoảng 65%; do cột biến dạng khoảng 15%) Khung có độ cứng ngang

bé, khả năng chịu tải không lớn, thông thường khi lưới cột bố trí đều đặn, trên mặtbằng khoảng 6-9m, chỉ thích hợp cho nhà không quá 30 tầng [11]

Trang 22

Tường chịu tải trọng ngang và tải trọng đứng Tải trọng ngang được truyềnđến các tấm tường chịu tải thông qua hệ các bản sàn (các bản sàn xem là cứng tuyệtđối trong mặt phẳng của chúng) Do đó các vách cứng làm việc như công xon cóchiều cao tiết diện lớn Khả năng chịu tải của các vách cứng phụ thuộc vào hìnhdáng tiết diện ngang của chúng.

Hiện nay vật liệu để xây dựng và cấu trúc tấm tường cũng đa dạng Ngoài việcxây bằng gạch đá, hệ lưới thanh tạo thành các cột đặt gần nhau liên kết qua các dầmngang, xiên cũng được xem là loại kết cấu này Hệ tường chịu lực thích hợp cho cácloại nhà cần phân chia không gian bên trong (nhà ở, nhà làm việc, khách sạn, bệnhviện…), cho các công trình chiều cao dưới 40 tầng [13]

Trang 23

Hình 1.5 Kết cấu vách chịu

lực 1.2.1.3 Hệ lõi chịu lực

Lõi có dạng hộp rỗng, tiết diện kín hoặc hở, chịu tải trọng đứng và ngang tácdụng lên công trình sau đó truyền xuống đất nền Không gian bên trong của các ôgiằng này thường để bố trí thang máy, thang bộ hoặc cho việc lắp đặt hệ thống kỹthuật [11]

Hình 1.6 Kết cấu lõi thang máy

Trang 24

1.2.1.4 Hệ hộp chịu lực

Hệ hộp chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang Các bản sàn được gối lên cáckết cấu chịu tải nằm trong mặt phẳng tường ngoài mà không cần các kết cấu trunggian khác bên trong Hệ hộp với giải pháp lưới không gian có các thanh chéothường dùng cho các nhà có chiều cao lớn (trên 40 tầng) [11]

1.2.2 Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp trong nhà cao tầng

Về mặt cấu tạo kết cấu được cấu tạo từ sự kết hợp giữa 2 hay nhiều hệ đã nêutrên: khung-vách, khung-lõi, khung-hộp, khung -vách-lõi…

1.2.2.1 Hệ khung-vách

Hệ này thường được sử dụng cho những nhà có mặt bằng chữ nhật kéo dài,chịu lực chủ yếu theo phương ngang nhà Các vách cứng được bố trí chủ yếu dọctheo phương ngang nhà Kết cấu khung-vách thường được sử dụng phổ biến hơn cả

vì hệ này phù hợp với hầu hết các giải pháp kiến trúc nhà cao tầng [13]

1.2.2.2 Hệ khung-lõi

Trong hệ này khi tải trọng ngang tác dụng hầu như được truyền vào hệ lõi cứngcòn hệ khung chỉ chủ yếu chịu phần tải trọng đứng trong phạm vi của nó Đưa các hệkhung ra chu vi để tận dụng khả năng chịu uốn tốt của khung và hình thành nên hệ khốikhông gian để tăng độ cứng tổng thể cả chịu uốn và chịu xoắn của công trình [13]

1.2.2.3 Nhà có sơ đồ vách

Kết cấu chịu lực chính là các vách cứng (tường) Sàn chịu tải trọng đứng gốitường lên trên Ưu điểm các tấm tường vừa có tác dụng chịu lực vừa là kết cấu baoche; khả năng cơ giới hóa cao trong quá trình thi công Nhược điểm là bố trí mặtbằng không linh hoạt; khó tạo được không gian lớn [13]

1.2.2.4 Nhà có sơ đồ kết hợp khung-vách

− Sử dụng sơ đồ nhà kết hợp dựa vào sự làm việc hợp lý của kết cấu

− Kết hợp theo phương đứng: Hệ thống khung không gian lớn ở tầng dưới đỡvách cứng bên trên, biện pháp này đáp ứng được yêu cầu không gian tương đối lớn

ở các tầng dưới, đồng thời khả năng chịu tải trọng ngang cũng lớn

− Kết hợp theo phương ngang: Bố trí mặt bằng gồm khung và các vách cứng,vách cứng chủ yếu chịu tải trọng ngang Biện pháp này có thể thấy lợi thế của cáinày bổ sung cho cái kia, công trình vừa có không gian theo yêu cầu vừa có khả năngchịu tải trọng cao

Trang 25

− Tùy theo cách làm việc của hệ, có hai dạng nhà kết hợp theo phương ngang:Nhà có sơ đồ giằng là sơ đồ chịu lực của hệ hỗn hợp, khi đó toàn bộ tải trọng ngang và

1 phần tải trọng đứng do lõi vách chịu, khung chịu tải trọng đứng tương ứng với diệntích truyền tải đến Trong sơ đồ này tất cả các nút khung đều có cấu tạo khớp, hoặc cáccột có độ cứng vô cùng bé và nhà có sơ đồ khung-giằng: là sơ đồ kết cấu hỗ hợp, khi đókhung chịu tải trọng đứng tương đương với diện tích chịu tải và một phần tải trọngngang, một phần tải trọng ngang sẽ truyền vào cho lõi, vách chịu [13]

1.3 Tải trọng tác dụng lên nhà cao tầng

1.3.1 Tải trọng thường xuyên

Tải trọng thường xuyên là tải trọng không biến đổi (vị trí đặt tải, độ lớn vàphương chiều) trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình hay còn gọi là cáclực tĩnh, đó là trọng lượng của các kết cấu và các cấu kiện của ngôi nhà Các lực nàybao gồm trọng lượng của các kết cấu thẳng đứng, các kết cấu sàn và mái, các vậttrang trí trên trần, những vách ngăn, những vật trang trí ở mặt chính, các nhà kho….Tổng trọng lượng của phần này là tải trọng thường xuyên đối với ngôi nhà [1]

1.3.2 Tải trọng tạm thời

Tải trọng tạm thời khác về bản chất đối với tải trọng thường xuyên; chúng thayđổi và không biết trước Tải trọng tạm thời không những thay đổi theo thời gian màcòn thay đổi các điểm đặt Sự thay đổi này có thể ngắn, có thể dài nên thực tế takhông biết trước như tải trọng tĩnh

Tải trọng do các thiết bị gây ra gọi là tải trọng sử dụng, tải trọng này bao gồm:trọng lượng người, đồ gỗ, các bức ngăn di động, tủ sách, tủ tài liệu… và tất cả cáctải trọng bán cố định hoặc tạm thời khác không nằm trong danh mục của tải trọngthường xuyên

Độ lớn của tải trọng được đưa ra dưới dạng phân bố đều tương đương và tảitrọng tập trung Tải trọng phân bố đều tương đương đặc trưng cho điều kiện thay đổithực của tải trọng sử dụng Tải tập trung đặc trưng cho những lực đơn vị truyền vàonhững vị trí nhỏ ví dụ như bậc thang, lối đi, gara ôtô,… và truyền vào những vị tríkhác khi lực tập trung lớn [1]

1.3.3 Tải trọng lắp ghép

Các kết cấu chịu lực thường được tính đối với tải trọng thường xuyên và tảitrọng tạm thời Tuy nhiên trong quá trình xây dựng nhà có cấu kiện của kết cấu có

Trang 26

9thể phải chịu tải trọng lớn hơn tải trọng tính toán Những tải trọng này gọi là tảitrọng lắp ghép và là thành phần quan trọng sẽ được tính toán trong thiết kế.

Việc tập trung những thiết bị và những sản phẩm nặng trên những diện tích khônglớn của công trình Điều đó dẫn tới tải trọng tập trung lớn hơn nhiều so với tải trọngtính toán thiết kế và có thể dẫn đến phá hủy kết cấu của nhà Việc tháo dỡ ván khuônkhi bê tông chưa đạt đến cường độ tính toán, khi đó nếu tải trọng truyền đến cấu kiệnchịu lực mà vượt quá khả năng chịu lực của nó có thể dẫn tới sự phá hủy

Khi thiết kế dầm cần phải tính toán tải trọng lắp ghép vì dầm được xem nhưlàm việc liên hợp với sàn bê tông cốt thép Nhưng trong lúc xây dựng không có 1liên kết tạm thời nào cả Do đó dầm phải được kiểm tra điều kiện chịu tải trọng lắpghép khi làm việc không có sàn [1]

1.3.4 Tải trọng động đất

Theo định nghĩa, tác động của động đất thiết kế là tác động của động đất đượckết hợp với các tải trọng thường xuyên và tạm thời khác để xác định trạng thái giớihạn của hệ kết cấu Đặc trưng chuyển động của nền đất có thể biểu thị dưới nhiềudạng khác nhau, ví dụ qua các tĩnh lực ngang tương đương, qua đỉnh gia tốc, đỉnhtốc độ và đỉnh chuyển vị của các chuyển động nền đất, qua các phổ phản ứng và quacác gia tốc đồ

Hiện nay việc thiết kế các công trình xây dựng trong các vùng có động đấtthường được thực hiện với các tĩnh lực ngang tương đương hoặc với phổ phản ứnghoặc với gia tốc đồ [11]

1.4 Vài nét về động đất tác dụng lên công trình

Trang 27

Tùy thuộc vào độ sâu của chấn tiêu (H) mà động đất có thể được phân thành các loại sau:

1.4.2 Tác động của động đất tới nền đất và công trình xây dựng

Động đất có thể gây ra các hậu quả tác động rất khác nhau tới nền đất và cáccông trình xây dựng

Các biến dạng của động đất góp phần quan trọng vào việc gây ra các sự cố chocác công trình xây dựng Việc nghiên cứu phản ứng của công trình xây dựng chịuđộng đất thường được thực hiện với giả thiết nền đất ổn định, không có biến dạngthường xuyên Đối với những nền đất có thể bị mất ổn định, lún do hóa lỏng hoặcnén chặt khi động đất xảy ra phải được nghiên cứu khảo sát đầy đủ và cần áp dụngcác kỹ thuật gia cố nền trước khi xây dựng

1.4.3 Đánh giá sức mạnh của động đất

1.4.3.1 Thang cường độ động đất

Thang cường độ động đất (Earthquake Intensity) được dùng để đánh giá sứcmạnh động đất theo cách định tính Có nhiều thang cường độ động đất khác nhau.Chúng được lập ra trên cơ sở các mức độ bị phá hoại của các công trình xây dựnglẫn bề mặt đất và phản ứng của con người khi chịu các chấn động của động đất Ởthang cường độ động đất, cấp động đất được kí hiệu bằng chữ số La Mã và mỗi cấp

Trang 28

độ tương ứng với một mô tả định tính các hậu quả do động đất gây ra Sau đây làmột số thang cường độ động đất chính hiện đang được sử dụng ở các khu vực khácnhau trên thế giới:

− Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi (Modified Mercalli – MM) hiệnđang được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu và Bắc Mỹ và nhiều khu vực khác trên thếgiới Thang MM có 12 cấp, cung cấp cho ta một hình ảnh chủ quan về mức độ tácđộng của một trận động đất lên con người, công trình xây dựng,… tại một địa điểm

Trang 30

Cường độ

IIIII

IVV

VIVII

− Thang MSK-64 là do Medveded cùng Sponhauer và Karnic đề ra năm 1964,

là thang đo cường độ địa chấn diện rộng được sử dụng để đánh giá mức độ khốc liệtcủa sự rung động mặt đất trên cơ sở các tác động đã quan sát và ghi nhận trong khuvực xảy ra động đất Để xây dựng thang MSK-64 các tác giả trước hết phân loại tácdụng phá hoại của động đất đến các công trình xây dựng, sau đó đánh giá cường độđộng đất qua hàm dịch chuyển cực đại của con lắc tiêu chuẩn có chu kỳ dao độngriêng T = 0.25s Thang động đất MSK-64 có 12 cấp

Trang 31

Cấp động đất

Trang 32

Trên quan điểm tính toán công trình, cường độ động đất xác định theo cácthang cường độ giới thiệu ở trên không có ý nghĩa quan trọng Nguyên nhân chủyếu nằm ở chỗ các thang cường độ động đất không cung cấp bất kỳ một thông tin

Trang 33

nào về các thông số liên quan tới chuyển động của nền đất (ví dụ chuyển vị, tốc độ,gia tốc cực đại,…) cần thiết cho việc tính toán kháng chấn các công trình xây dựng.Việc thiết lập một mối quan hệ giữa cường độ động đất với gia tốc nền lớn nhất vềnguyên tắc là không logic, vì cường độ động đất là một thước đo dựa trên cảm nhậnđộng đất chủ quan và hậu quả phá hoại thực tế Tuy nhiên sự cần thiết phải sử dụngcác cứ liệu quan sát lịch sử, các tiêu chuẩn thiết kế đã buộc nhiều nhà khoa học phảitìm cách thiết lập mối quan hệ giữa 2 thông số trên Nhằm mục đích tham khảo, tiêuchuẩn “Thiết kế công trình chịu động đất” của Việt Nam TCVN 9386 – 2012 cũng

đã cho các số liệu tương quan giữa cấp cường độ động đất và đỉnh gia tốc trên nền

đá gốc theo gia tốc trọng trường g

Bảng 1.4 Tương quan giữa cấp cường độ động đất và đỉnh gia tốc nền

Thang độ lớn động đất thông dụng và phổ biến hiện nay là Thang Richter,được Ch F Richter giáo sư địa vật lý ở Viện Công nghệ California đề xuất vào năm

1935 Thang Richter là một phương pháp xác định độ lớn của một trận động đất dựa

Trang 34

16trên các số liệu ghi được từ các thiết bị đo địa chấn Phương pháp này sau đó đãđược chính tác giả và B Gutenberg hoàn thiện thêm và mang tên thang Richter.Theo định nghĩa của thang Richter, độ lớn của một trận động đất là logarit thậpphân của biên độ cực đại A đo bằng micromet ghi được tại một điểm cách chấn tâm

10 km bằng một địa chấn kế xoắn do H O Wood và J Anderson thiết kế Địa chấn

kế này có chu kỳ dao động tự nhiên bằng 0.8 s, hệ số cản tới hạn 0.8 và hệ sốkhuếch đại tĩnh các sóng 2,800 Hệ số khuếch đại tĩnh các sóng là tỷ số giữa biên độdọc trên địa chấn kế và biên độ thực của chuyển vị nền đất Nó khuếch đại các sóng

có chu kỳ nằm giữa 0.5s và 1.5s là loại sóng thường có khả năng gây hư hại chocông trình nhất

Bảng 1.5 Thang đo độ Richter

Trang 37

Hình 1.9 Động đất tại Vân Nam (Trung Quốc) 17/10/2018

Hình 1.10 Động đất tại Sumatra (Indonesia)

07/12/2016 1.4.4 Một số thông số kỹ thuật trong động đất

Khi động đất xảy ra, chuyển động của bất kỳ hạt vật chất nào trong nền đấtđều theo một quỹ đạo phức tạp ba chiều với gia tốc, vận tốc và chuyển vị thay đổinhanh chóng trong một giải tập hợp tần số rộng Chuyển động nền đất mạnh nàyđược đo và ghi lại dưới dạng các đồ thị bằng một loại địa chấn kế có biên độ lớn.Chuyển động của nền đất trong các trận động đất khác nhau cũng rất khác nhau

Trang 38

19Trong số các đặc trưng của chuyển động nền khi động đất xảy ra, các đặc trưng sau đây có ý nghĩa quan trọng nhất trong tính toán kháng chấn công trình:

− Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất

− Nội dung tần số của gia tốc nền

− Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh

1.4.4.1 Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất

Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất được thể hiện dưới nhiều dạng khácnhau là đỉnh của chuyển động nền đất (gia tốc đỉnh, vận tốc đỉnh, chuyển vị đỉnh),hay gia tốc RMS của nền đất

Thông tin quan trọng nhất mà chúng ta thu được trên cơ sở các số ghi địa chấn

là gia tốc lớn nhất hoặc gia tốc đỉnh của chuyển động nền đất theo phương ngang.Đỉnh gia tốc nền theo phương thẳng đứng trong thiết kế thường ít được quan tâm,chủ yếu là do khả năng chịu tải trọng đứng của công trình đủ an toàn để chịu thêmtác động động đất theo phương đứng

Gia tốc RMS hay còn gọi là gia tốc trung bình theo thời gian là một thông sốbiểu thị chuyển động nền đất trong đó có xét tới biên độ cũng như nội dung tần sốcủa chuyển động

t

a RMS = t1 ∫0 a 2 (t)dt

0 0

Trong đó: t0 – khoảng thời gian kéo dài của ghi chấn (s)

a(t) – gia tốc chuyển động của nền đất (cm/s)

1.4.4.2 Giản đồ gia tốc nền

Giản đồ gia tốc nền là đồ thị biểu diễn các giá trị gia tốc của chuyển động đấtnền theo trục thời gian Theo ghi nhận của giản đồ gia tốc nền các nhà nghiên cứu sẽ

có được các thông số như thời gian tăng về cường độ, thời gian kéo dài về độ mạnh

và thời gian suy giảm về độ mạnh của một trận động đất, điểm thời gian mà tại đógia tốc đất nền đạt cực đại

1.4.4.3 Đỉnh gia tốc nền (PGA)

Đỉnh gia tốc nền (Peak Ground Acceleration – PGA) là biên độ của gia tốcđỉnh lớn nhất ghi lại trên một giản đồ gia tốc của quá trình chuyển động đất nền tạimột điểm nhất định theo thời gian PGA thường được sử dụng như một tham số mô

tả độ mạnh của chuyển động đất nền mặc dù nó chỉ có ý nghĩa trong một khoảng

Trang 39

thời gian phân tích ngắn của kết cấu (T 0.3s) Trong hồ sơ của một trận động đất

có thể có các PGA theo phương đứng và phương ngang khác nhau theo các hướng

1.4.4.4 Nội dung tần số của gia tốc nền

Động đất gây ra tác động phức tạp với các thành phần chuyển động dàn trảitrong một miền tần số rộng Nội dung tần số mô tả cách thức phân bố biên độchuyển động nền đất giữa các tần số khác nhau Với một gia tốc đồ của chuyểnđộng nền đất đã cho, nội dung tần số của nó có thể được xác định theo nhiều cáchkhác nhau, cách phổ biến hiện nay là vẽ phổ phản ứng của gia tốc đồ biểu diễn cácphản ứng cực đại của tập hợp các con lắc đơn có chu kỳ dao động và hệ số cản tớihạn khác nhau

1.4.4.5 Khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh

Khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh của nền đất được định nghĩa làkhoảng thời gian cần để giải phóng lượng năng lượng biến dạng tích lũy dọc theođứt gẫy Trong địa chấn học công trình được định nghĩa là khoảng thời gian nền đấtchấn động với biên độ lớn, tức là biên độ có khả năng gây ra phá hoại công trình

1.5 Kết luận chương một :

Thực tế dù ở nước ta, nguy cơ động đất không lớn như một số quốc gia (NhậtBản, Trung Quốc…) nhưng trong thời đại của biến đổi khí hậu khó lường như hiệnnay thì những nguy cơ thiên tai sẽ tăng lên Thiệt hại khi động đất xảy ra phụ thuộcphần lớn vào chất lượng và khả năng chịu động đất của các công trình xây dựng.Với những tòa chung cư, cao ốc mọc lên ngày càng nhiều hiện nay, thì sự an toànkhi xảy ra động đất đang là lo lắng của nhiều gia đình Công trình xây dựng nóichung và nhà cao tầng nói riêng đều phải tuân theo yêu cầu hết sức khắt khe về tínhtoán tải trọng tác động đặc biệt (tải trọng động đất, tải trọng gió bão)

Trang 40

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHỊU

TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT 2.1 Các phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất

Các phương pháp tính toán sử dụng để xác định phản ứng của các công trìnhxây dựng dưới tác động của chuyển động địa chấn có thể phận loại theo 2 cách chủyếu sau:

− Phân loại theo tính chất của tác động động đất lên công trình;

+ Các phương pháp tính toán tĩnh: Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương;phương pháp tĩnh phi tuyến (phương pháp tính toán đẩy dần “push-over”)

+ Các phương pháp tính toán động: Phương pháp phổ phản ứng; phươngpháp phân tích theo dạng chính; phương pháp tích phân trực tiếp phương trìnhchuyển động

− Phân loại theo đặc tính làm việc của hệ kết cấu chịu lực của công trình xây dựng;

+ Các phương pháp tính toán đàn hồi tuyến tính: Phương pháp tĩnh lực ngangtương đương; phương pháp phổ phản ứng; phương pháp phân tích theo dạng chính

+ Các phương pháp tính toán phi tuyến: Phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến(push-over); phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động [11]

2.2 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

Phương pháp tính toán tĩnh lực ngang tương đương là phương pháp tính toánđơn giản nhất trong số các phương pháp được dùng để xác định phản ứng của kếtcấu chịu tác động động đất Phương pháp này giả định rằng kết cấu làm việc đàn hồituyến tính, còn tính phi tuyến hình học có thể được xét tới một cách gián tiếp

Phương pháp tính toán này cho các kết quả gần đúng về biến dạng của kết cấucho tới khi xuất hiện biến dạng không đàn hồi lớn Tuy vậy nó bỏ qua một số tínhchất phản ứng quan trọng của kết cấu như sự phân bố lại nội lực, các hiệu ứng cảntrễ, sự suy giảm độ cứng và độ bền,v.v

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương đơn giản thường được sử dụng đểthiết kế các công trình tương đối đều đặn có chu kỳ cơ bản bằng khoảng 1.5 – 2.0 s.Đối với các công trình có hình dạng không đều đặn hoặc có chu kỳ dài cần sử dụngcác phương pháp động chính xác hơn như phân tích dạng hoặc phân tích lịch sử

Định dạng
Số trang	170
Dung lượng	6,61 MB