CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ HỆ KHUNG
6.4. TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG
6.4.5. Tải trọng động đất
Đối với những công trình nhà cao tầng, trong thiết kế xây dựng nhà thầu ngoài việc tính toán tải trọng của bản thân công trình (tải trọng đứng), còn phải tính toán hai loại tải trọng nữa vô cùng quan trọng là tải trọng của gió bão và tải trọng động đất (tải trọng ngang).
Đây được xem như là một trong những yêu cầu bắt buộc không thể thiếu và là yêu cầu quan trọng nhất khi thiết kế các công trình cao tầng. Do đó, bất kỳ công trình xây dựng nào nằm ở vùng có phân vùng tác động gió thì phải tính toán tải trọng gió, phân vùng về động đất phải tính toán tải trọng động đất.
Tính toán lực động đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386 – 2012 “Thiết kế công trình chịu động đất”
Xác định tỷ số: agR g
Căn cứ vào phụ lục I “Bảng phân vùng gia tốc nền theo địa danh hành chính”, ta có:
Thành phố Hồ Chí Minh, Quận 9 thì: agR
0.0747 g
Trong đó: agR là đỉnh gia tốc nền tham chiếu trên nền loại A.
g là gia tốc trọng trường: g = 9.81 (m/s2) Nhận dạng điều kiện đất nền theo tác động động đất
Căn cứ vào mặt cắt địa tầng, các số liệu khảo sát địa chất tại khu vực xây dựng và điều kiện đất nền theo tác động động đất trong quy định tại điều 3.1.2 của TCVN 9386 – 2012 nhận dạng nền đất tại khu vực xây dựng công trình này như sau:
Loại nền đất S TB (s) TC (s) TD (s)
C 1.15 0.2 0.6 2
Bảng 6.16: Nhận dạng điều kiện đất nền Trong đó:
S là hệ số nền.
TB (s) là giới hạn dưới của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc.
TC (s) là giới hạn trên của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc.
TD (s) là giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển không đổi trong phổ phản ứng.
Xác định mức độ và hệ số tầm quan trọng Xác định cấp công trình:
Công trình thiết kế theo TCVN 9386 – 2012, phụ lục F “ Mức độ và hệ số tầm quan trọng” thuộc cấp công trình II.
Ứng với cấp công trình trên, hệ số tầm quan trọng: γI = 1.00 Gia tốc đỉnh đất nền thiết kế
Gia tốc đỉnh đất nền thiết kế ag ứng với trạng thái giới hạn cực hạn xác định như sau (thông qua gia tốc trọng trường g):
2
0.0747 1 0.0747 0.0747 ( / )
g gR
I
g
a a
g g
a g m s
Vậy theo TCVN 9386 – 2012 thì: ta áp dụng
các giải pháp kháng chấn cho công trình.
Xác định hệ số ứng xử q của kết cấu.
Giá trị giới hạn trên của hệ số ứng xử q để tính đến khả năng làm tiêu tán năng lượng, phải được tính cho từng phương khi thiết kế như sau:
Trong đó: qo là giá trị cơ bản của hệ số ứng xử, phụ thuộc vào loại kết cấu và tính đều đặn của nó theo mặt đứng.
kw là hệ số phản ánh dạng phá hoại phổ biến trong hệ kết cấu có tường.
Lựa chọn hệ kết cấu chịu lực của công trình là: Khung nhiều tầng, nhiều nhịp hoặc hệ kết cấu hỗn hợp tương đương khung.
Từ hệ kết cấu trên ta xác định được tỷ số:
1 u 1.3
Xét đến tính đều đặn theo mặt đứng của công trình là: Đều đặn theo mặt đứng, giá trị cơ bản của hệ số ứng xử qo, phụ thuộc vào loại kết cấu và tính đều đặn của nó theo mặt đứng lấy trong bảng 5.1 theo TCVN 9386 – 2012.
Xét đến tính dẻo của kết cấu công trình thuộc dạng: Cấp dẻo kết cấu trung bình.
Chọn loại kết cấu thuộc loại: Hệ khung, hệ hỗn hợp, hệ tường kép.
Tra bảng 5.1, trang 84 với hệ kết cấu trên, ta có:
1
3 u 3 1.3 3.9 qo
Với hệ kết cấu như trên, ta có: kw = 1
Hệ số ứng xử q với tác động theo phương ngang của công trình:
q = qokw = 3.9 × 1 = 3.9
Xác định chu kỳ dao động cơ bản của công trình Theo điều 3.2.4 của TCVN 9386 – 2012 thì:
Các hiệu ứng quán tính của tác động động đất thiết kế phải được xác định có xét đến các khối lượng liên quan tới tất cả các lực trọng trường xuất hiện trong tổ hợp tải trọng sau:
∑Gk,j + ∑ψE,iQk,i
Trong đó:
∑Gk,j là do trọng lượng bản thân (tĩnh tải)
∑ψE,iQk,i là do hoạt tải tác dụng dài hạn
ψE,i là hệ số tổ hợp tải trọng đối với tác động thay đổi thứ i, hệ số này xét đến khả năng là tác động thay đổi Qk,i không xuất hiện trên toàn bộ công trình trong thời gian xảy ra động đất, nó còn xét đến sự tham gia hạn chế của khối lượng vào chuyển động của kết cấu do mối liên kết không cứng giữa chúng.
2
0.04g a 0.0747g (m / s ) 0.08g g
1.5 k q q o w
ψE,i = φ × ψ2,i
Trong đó:
Hệ số φ được tra theo bảng 4.2 của TCVN 9386 – 2012 thì: φ = 0.8 (Các tầng được sử dụng đồng thời)
Hệ số ψ2,i là hệ số tổ hợp dùng cho hoạt tải tác dụng dài hạn, được tra theo bảng 3.4 của TCVN 9386 – 2012 thì: ψ2,i = 0.3 (Hệ số tổ hợp tải trọng đối với tác động thay đổi-Loại A:
Khu vực nhà ở, gia đình)
Vậy, hệ số ψE,i: ψE,i = 0.8 × 0.3 = 0.24
Khối lượng mỗi tầng tham gia dao động được tính toán như sau: 100%Tĩnh tải + 24%Hoạt tải
Kết quả phân tích dao động của công trình bằng phần mềm tính toán kết cấu chuyên dụng ETABS V.9.7.4
Bảng 6.17: Giá trị chu kỳ và tần số dao động của công trình
Mode Chu kỳ (s) Tần số (Hz)
1 T1 0.401598
2 T2 0.411511
3 T3 0.488441
4 T4 1.452439
5 T5 1.500436
6 T6 1.679365
7 T7 3.036247
8 T8 3.259134
9 T9 3.424482
10 T10 5.160598
11 T11 5.511403
12 T12 5.772406m
Phổ phản ứng gia tốc đàn hồi: Hay còn gọi là phổ phản ứng đàn hồi
Theo điều 3.2.2.5 của TCVN9386 – 2012 thì: Phổ thiết kế Sd (T) được xác định bằng các biểu thức sau:
B d g
B
B C d g
c g
C D d
g
2 T 2.5 2
0 T T : S (T) = a S + -
3 T q 3
T T T : S (T) = a S2.5 q
T a S2.5 T T T : S (T) q T
βa
Trong đó:
ag là gia tốc thiết kế: ag = 0.0747g (m/s2) Sd (T) là phổ thiết kế
q là hệ số ứng xử: q = 3.9
β là hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương nằm ngang: β = 0.2
Hình 6.7: Hình dạng phổ phản ứng động đất
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
SD(T)
T (s) Phổ gia tốc thiết kế