TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO TẦNG ĐỘNG ĐẤT I/ĐẶT VẤN ĐỀ Năm 2006 bộ xây dựng đã ban hành tiêu chuẩn thiết kế công trình chòu động đất 375 : 2006. Trong đó, phần lớn tiêu chuẩn yêu cầu tính toán dựa vào đường phổ phản ứng. Bên cạnh đó, phương pháp phân tích lòch sử thời gian cũng khuyến khích được dùng. Cả hai phương pháp này còn khá mới mẻ ở Việt Nam so với phương pháp tải trọng ngang tónh tương đương. Hiện nay, các phần mềm tính kết cấu Sap2000, Etabs là những phần mềm rất quen thuộc với các kó sư kết cấu và chúng đều có thể tính được công trình chòu động đất theo ba phương pháp trên một cách chính xác và nhanh gọn. Tuy nhiên, các kó sư vẫn gặp khó khăn khi áp dụng vào tính toán vì sự phức tạp của bài toán động lực học khi áp dụng vào từng công trình cụ thể. Nếu không hiểu rõ vấn đề có thể dẫn đến những sai sót rất nghiêm trọng trong thiết kế. 1/Giới thiệu chung về động đất. Sự hình thành động đất : động đất có liên quan đến sự tỏa ra một khối năng lượng rất lớn từ một vò trí nhất đònh, nơi đó có thể nằm sâu trong lòng đất. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh khối năng lượng gây ra động đất, nhưng nguyên nhân cơ bản là sự chuyển động tương hỗ không ngừng của các khối vật chất nằm sâu trong lòng đất để thiết lập một thế cân bằng mới, được gọi là vận động kiến tạo, và động đất là hậu quả của vận động kiến tạo đó. Điểm phát ra năng lượng của một trận động đất được gọi là chấn tiêu, hình chiếu của chấn tiêu theo phương đứng lên mặt đất được gọi là chấn tâm. Khi động đất xảy ra, năng lượng từ chấn tiêu truyền ra môi trường xung quanh dưới dạng sóng đàn hồi vật lý : sóng dọc, sóng ngang và sóng mặt. Tất cả các sóng này do động đất gây ra gọi là sóng đòa chấn. Khi động đất xảy ra, do ảnh hưởng của sóng đòa chấn, nền đất bò kéo, nén, xoắn, cắt nên có thể bò mất ổn đònh, kết quả sau khi sóng đòa chấn đi qua, nền 1 TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO TẦNG đất có thể bò lún sụt, sụp lở và hóa lỏng. Các công trình nằm trên nền đất đó sẽ bò phá hoại Trong trường hợp nền đất ổn đònh, công trình đặt trên nền đất sẽ xuất hiện các phản ứng ( chuyển vò, vận tốc, gia tốc ) và nội lực của công trình nói chung là vượt quá nội lực đã tính toán tónh. Đây là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự phá hoại và hư hỏng của công trình nằm trong vùng động đất. Mét sè h×nh ¶nh vỊ c¸c thiƯt h¹i trËn ®éng ®Êt Cét bÞ ph¸ háng do c¾t H háng mỈt ®êng H háng ®êng cao tèc NhÞp cÇu bÞ sËp 2 TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO TẦNG Sù sơp ®ỉ mét trêng häc n»m trªn ®êng ®øt g·y Sù sơp ®ỉ cđa mét nhµ khung C©y cÇu dµnh cho xe m«t« tun sang Ch©u ¢u bÞ ph¸ háng 3 TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO TẦNG Chun vÞ vµ nghiªng cđa c¸c ng«i nhµ g©y ra bëi ho¸ láng ®Êt nỊn t¹i trËn ®éng ®Êt 1964 ë Niigata. §ỉ nhµ chung c t¹i Kawagishi-Cho,Niigata g©y ra bëi ho¸ láng nỊn ®Êt trong trËn ®éng ®Êt Niigata 1964 4 TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO TẦNG 2/Tính hình động đất ổ việt nam Theo Thứ trưởng Bộ Xây dựng Nguyễn Văn Liên, trong q khứ, đã từng xảy ra những trận động đất hoặc chịu ảnh hưởng của dư chấn tại một số nơi trên lãnh thổ nước ta. Căn cứ bản đồ phân vùng động đất lãnh thổ Việt Nam do Viện Vật lý Địa cầu lập, ở nước ta chỉ có một số vùng thuộc khu vực phía Bắc được dự báo là có khả năng xảy ra động đất cấp 8 (theo thang MSK), chấn động do động đất gây ra tại một số địa điểm vùng Tây Bắc có thể đạt tới cấp 9, còn đại bộ phận lãnh thổ Việt Nam có thể xảy ra động đất yếu và rất yếu. Như vậy, động đất xảy ra tại Việt Nam có cường độ khơng mạnh và số lượng khơng nhiều so với nhiều nơi trên thế giới, cường độ thường ở mức trung bình và trung bình yếu. Tần suất động đất với cường độ mạnh xảy ra là rất thấp. 3. Tình hình xây dựng và kháng chấn cho nhà cao tầng ở Việt Nam Theo dự thảo tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng, nhà cao từ 9 tầng trở lên được gọi là cao tầng. Khái niệm này cũng phù hợp với phân loại nhà của một số tổ chức quốc tế. Với khái niệm này thì nhà cao tầng được xây dựng đầu tiên ở miền Bắc là tồ nhà cao 11 tầng ở hồ Giảng Võ, nay là Khách sạn Hà Nội. Tuy nhiên, để thấy rõ hơn q trình phát triển xây dựng nhà cao tầng có kháng chấn, ta sẽ điểm qua một số giai đoạn điển hình của q trình phát triển xây dựng nhà cao tầng ở Việt Nam. Nhà cao tầng chỉ mới xây dựng nhiều vào khoảng chục năm gần đây. Về tổng qt, có thể phân q trình phát triển nhà cao tầng ở Việt Nam theo 4 giai đoạn sau: 5 TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO TẦNG 3.1. Giai đoạn xây dựng thời kỳ 1954 - 1976 Giai đoạn này, các cơng trình nhà thường là thấp tầng, từ 1 - 5 tầng. Kết cấu chịu lực của nhà thường là tường xây gạch hoặc khung bê tơng cốt thép, sàn panel hay đổ bê tơng cốt thép tồn khối. Những năm 1960 - 1976 xuất hiện thêm các nhà có giải pháp kết cấu lắp ghép: tấm nhỏ, tấm lớn và cả khung lắp ghép, nhưng chỉ có loại nhà lắpghép tấm lớn là phổ biến nhất. Kết cấu tấm lắp ghép lúc đầu là bê tơng xỉ, dùng cho nhà 1 đến 2 tầng. Sau đó là bằng bê tơng cốt hép, dùng cho nhà cao tầng từ 4 đến 5 tầng. Với giải pháp kết cấu nhà lắp ghép tấm lớn đã hình thành nên các khu chung cư: An Dương, Phúc Xá, Bờ sơng (1 - 2 tầng); Kim Liên, Nguyễn Cơng Trứ (4 - 5 tầng); n Lãng, Trương Định (2 tầng); Trung Tự, Khương Thượng, Giảng Võ, Vĩnh Hồ (4 - 5 tầng). Giai đoạn này, hầu hết các cơng trình nhà đều là thấp tầng và khơng được thiết kế kháng chấn. 3.2. Giai đoạn xây dựng thời kỳ 1976 - 1986 Từ những năm 1976 - 1986, ở Hà Nội, Hải Phòng, Vinh, Phúc n, Việt Trì và một số thành phố thị xã ở miền Bắc xây dựng phổ biến loại nhà lắp ghép tấm lớn. Chính trong một số loại nhà lắp ghép tấm lớn này đã được tính tốn để chịu được động đất. Điển hình cho các loại nhà đã được tính tốn chịu động đất trong giai đoạn này là mẫu nhà lắp ghép tấm lớn IW của Đạo Tú do Đức thiết kế và mẫu nhà lắp ghép tấm lớn LV của Xn Mai do Liên Xơ thiết kế. Các mẫu nhà này được thiết kế theo tiêu chuẩn của Đức và Liên Xơ, có khả năng chịu được động đất cấp 7 - 8 (theo thang MSX 64). Nhà cao tầng đầu tiên do Việt Nam thiết kế có tính tốn chịu động đất là nhà 11 tầng Giảng Võ (Khách sạn Hà Nội). Cơng trình nhà này có giải pháp kết cấu khung vách và sàn bằng bê tơng cốt thép đổ tại chỗ, thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn của Liên Xơ, chịu được động đất đến cấp 7 (theo thang MSK 64). 3.3. Giai đoạn xây dựng thời kỳ 1986 - 1997 Đây là giai đoạn đầu của thời kỳ đổi mới. Một số dự án đầu tư của nước ngồi được triển khai ở Việt Nam. Làn sóng đầu tư lần thứ nhất của nước ngồi vào những năm 90 đã tạo điều kiện thúc đẩy cơng nghiệp xây dựng ở Việt Nam phát triển. Nhiều cơng nghệ xây dựng mới đã được đưa vào áp dụng, như cơng nghệ cọc khoan nhồi, bê tơng thương phẩm, đổ bê tơng bằng bơm phun, sàn dự ứng lực (DƯL) tạo điều kiện cho xây dựng nhà cao tầng phát triển. Nhà cao tầng được 6 TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO TẦNG xây dựng ngày một nhiều, nhất là ở TP Hồ Chí Minh và Hà Nội. Các nhà cao tầng thời kỳ này chủ yếu sử dụng giải pháp kết cấu chịu lực là khung - vách bằng bê tơng cốt thép đổ tại chỗ. Chiều cao cơng trình phần nhiều là dưới 20 tầng. Ở thời kỳ này, vấn đề kháng chấn ít được quan tâm do Quy chuẩn xây dựng và Tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng TCXD 198: 1997 chưa được ban hành. Những quy định bắt buộc về kháng chấn cho nhà cao tầng và các số liệu có tính pháp lý liên quan đến cấp động đất chưa rõ ràng. Do vậy, nhiều cơng trình cao tầng xây dựng trong thời kỳ này khơng đươc thiết kế kháng chấn. Tuy nhiên, cũng có một số cơng trình do u cầu của chủ đầu tư nên đã được thiết kế kháng chấn. Một số giải pháp cấu tạo kháng chấn cũng đã được áp dụng trong thiết kế và xây dựng nhà, chẳng hạn như các giải pháp mối nối, giải pháp tạo khe kháng chấn, giải pháp tạo mặt bằng đối xứng. Đặc biệt là cơng trình Tham tán thương mại Liên Xơ (nay là Tồ nhà Đại sứ qn Cộng hồ Liên bang Nga tại Hà Nội) đã sử dụng giải pháp cách chấn bằng lớp đệm đá dăm dày 2m đặt dưới móng của cơng trình. Tiêu chuẩn kháng chấn được dùng để thiết kế cho các cơng trình này chủ yếu là tiêu chuẩn CHиП II - 7 - 81 của Liên Xơ và tiêu chuẩn UBC của Hoa Kỳ. 3. 4. Giai đoạn xây dựng thời kỳ 1997 đến nay Đây là giai đoạn nhà cao tầng được phát triển mạnh. Nhiều giải pháp, cơng nghệ thi cơng tiên tiến được áp dụng như: cơng nghệ thi cơng TOP - DOWN; cơng nghệ thi cơng cọc Baret; tường vây; cốp pha trượt (lõi cứng) kết hợp với lắp ghép (cột, sàn), kết hợp đổ tại chỗ với lắp ghép cấu kiện DƯL Với các cơng nghệ xuất hiện, ngày càng nhiều các cơng trình cao tầng trên 20 tầng. Đã có những cơng trình nhà cao tới 33, 34 tầng được đưa vào sử dụng. Giải pháp kết cấu của các cơng trình nhà cao tầng được áp dụng nhiều cho các nhà nay chủ yếu vẫn là kết cấu khung - vách hoặc khung - lõi bằng bê tơng cốt thép đổ tại chỗ, kết hợp với sàn cũng bằng bê tơng cốt thép đổ tại chỗ hoặc sàn bê tơng cốt thép nửa lắp ghép (dạng sàn sandus). Riêng ở Hà Nội, nhiều nhà cao tầng do Tổng cơng ty Vinaconex xây dựng, sử dụng giải pháp thi cơng trượt lõi cứng kết hợp với sàn và cột lắp. Các cấu kiện cột và sàn có thể được DƯL. Các cơng trình nhà cao tầng được xây dựng ở Hà Nội trong giai đoạn này hầu hết đều được thiết kế kháng chấn chịu động đất cấp 7. Tiêu chuẩn kháng chấn được áp dụng vẫn chủ yếu là tiêu chuẩn CHиП II - 7 - 81 của Liên Xơ và tiêu chuẩn UBC của Hoa Kỳ. 7 TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO TẦNG Ở TP Hồ Chí Minh trước đây vẫn quan niệm rằng, các cơng trình xây dựng ở khu vực này khơng cần phải tính tốn với tải trọng động đất. Nhưng sau ảnh hưởng của các chấn động do động đất ở ngồi khơi vùng biển Vũng Tàu năm 2005 làm các nhà cao tầng ở TP Hồ Chí Minh rung chuyển thì vấn đề thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng đã được quan tâm hơn. Một số chủ đầu tư đã u cầu thiết kế cơng trình phải chịu được động đất. Một trong các đơn vị đó là Cơng ty Đầu tư và Xây dựng Hồng Qn. Cơng ty này mới đây đã thiết kế các chung cư cao tầng do họ đầu tư chịu được động đất cấp 7. Trong q trình động đất, cơng trình xây dựng bằng kết cấu khung phải chịu các mơ men tăng cường và lực cắt. Mơ men lớn nhất tác động tại các mối nối giữa cột và nền móng, giữa cột và dầm, do đó các mối nối khơng đủ mạnh sẽ chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của lực. Nguồn: TC Xây dựng, số 8-2007 4/MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI. Mục tiêu của đề tài là đưa ra một quy trình tính toán tác động của động đất lên công trình theo 3 phương pháp được đề cập đến trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chòu động đất của Việt Nam. Đề tài vừa đưa ra cơ sở lý thuyết để phục vụ cho việc tính toán bằng tay và đưa ra cách thức khai báo trong phần mềm tính kết cấu chuyên dụng Sap2000, Etabs. Chủ yếu là Etabs và ứng dụng cho nhà 8 f i W i V y i TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO TẦNG cao tầng với những hình thức kết cấu phổ biến như khung, vách. Đề tài không xét đến ảnh hưởng tính chất của nền đất, móng và tầng hầm đến công trình khi chòu động đất. II/ TÍNH TOÁN TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT THEO MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP II.1/PHƯƠNG PHÁP TẢI TRỌNG NGANG TĨNH TƯƠNG ĐƯƠNG. 1.1/giới thiệu chung. Đây là một phương pháp tính toán tác động của động đất đơn giản nhất vì yếu tố ứng xử động học của công trình không được kể đến một cách đầy đủ trong tính toán. phương pháp tónh đã thay thế tác dụng của các loại tác động ngẫu nhiên bằng những lực tónh tương đương. Lực tónh này được tính toán phụ thuộc vào các yếu tố như : hệ số khu vực theo bản đồ phân vùng động đất Z; hệ số mức độ quan trọng của công trình I; hệ số nền S; hệ số loại kết cấu K; chu kỳ dao động của công trình T; khối lượng tính toán của công trình W. Lực tác động được quy thành lực tập trung tại móng, lực tập trung tại móng này sẽ được phân bố theo phương đứng cho các tầng nhà. Cách phân bố này phụ thuộc vào tiêu chuẩn tính toán của từng nước quy đònh. Hiện nay tồn tại một số cách phân bố phổ biến sau. + Lực ngang tác động vào mỗi tầng của công trình tỉ lệ với khối lượng của tầng đó và chuyển vò ngang của tầng đó: . . i i i i i w y f V w y = ∑ Trong đó, y i là chuyển vò ngang từng tầng. Một số tiêu chuẩn cũ tính toán lực cắt tại móng với một số dạng dao động cơ bản. Sau đó cũng phân lực cắt trong từng dạng dao động cho các tầng theo nguyên tắc như trên. Lực ngang tác dụng tại mỗi tầng trong từng 9 TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO TẦNG dạng dao sẽ được tổ hợp lại để được lực ngang cuối cùng tại mỗi tầng theo nguyên tắc “căn bậc hai của tổng bình phương”. + nếu xem chuyển vò ngang thay đổi tuyến tính theo chiều cao công trình, sự phân bố lực cắt giống như hình kim tự tháp lật ngược, tỷ lệ với cao trình mỗi tầng tính từ móng h i . . . i i i i i w h f V w h = ∑ + hiệp hội ứng dụng công nghệ (1982) đã đề nghò một phương pháp gần đúng chính xác hơn, phản ánh ảnh hưởng của mô hình nhà cao hơn : . . k i i i k i i w h f V w h = ∑ trong đó giá trò của k phụ thuộc vào chu kỳ dao động T của công trình được lấy như sau: (a) k = 1 đối với công trình có T < 0,5s (b) k = 2 đối với nhà có T ≥ 2,5s (c) k = 1÷ 2 được nội suy tuyến tính cho nhà có chu kỳ T = 0,5 ÷ 2,5s. Sau đó các bước tính toán nội lực, ứng suất, chuyển vò được tính toán tương tự như bài toán tónh học với một lực tónh ngang tác dụng tại mỗi tầng. 1.2/Sử dụng phần mềm tính kết cấu Sap2000, Etabs để tính tác động của động đất theo phương pháp tải trọng ngang tương đương. Trong phạm vi đề tài, chỉ giới thiệu cách tính tải trọng ngang tương đương theo tiêu chuẩn xây dựng thống nhất UBC 1994. Thực hiện các bước sau để khai báo cho việc tính toán: Define/ Static Load Cases. Lựa chọn Type (QUAKE) / Lựa chọn Auto Lateral Load (UBC 94) 10 [...]... chất công trình, sự nguy hiểm của công trình, sự đặc biệt của công trình, và cấp của công trình Tính chất và sự nguy hiểm của công trình được xem là quan trọng với hệ số 1,25 Trong khi tính chất đặc biệt và cấp của công trình được cho phép bằng 1,0 Tính chất nguy hiểm và đặc biệt của công trinh cần thiết cho sự xác đònh công trình sẽ được cho trong điều 305 và 306 của tiêu chuẩn UBC + T - chu kỳ dao động. .. trong kết cấu, chương trình sẽ tổ hợp nội lực từ các phương theo nhiều cách khác nhau a) Phương pháp SRSS ( Square Root of the Sum of the Squares) Phương pháp này dùng căn bậc hai của tổng bình phương các giá trò ứng xử của kết cấu Phương pháp này không thay đổi trong hệ tọa độ vuông góc, đây là phương pháp hay đựơc sử dụng nhất và là phương pháp mặc đònh của chương trình b) Phương pháp tổng tuyệt đối... tả chuyển động của đất nền và được dùng để tính tải trọng cho công trình trong phương pháp phổ phản ứng và phương pháp lòch sử – thời gian Khi đònh nghóa tải gia tốc, chương trình sẽ tự động tính toán cho cả 3 phương phụ thuộc vào độ lớn của gia tốc nền Để có được tải gia tốc theo 3 phương, phải có khối lượng tương ứng theo 3 phương mx , my , mz để tạo ra lực quán tính Tải trọng này được tính toán... duy nhất của phương đó Sự tổ hợp các dạng dao động theo một phương nhất đònh được thực hiện bằng các phương pháp sau: a) Phương pháp CQC (Complete Quadratic Combination) 29 TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM TẦNG CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO phương pháp complete Quadractic combination được mô tả bởi Wilson, Derkiureghion và Bayo (1981) Đây là phương pháp mặc đònh cho việc tổ hợp mô hình trong phần mềm Phương pháp CQC thực... TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM TẦNG CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO c) Tính biến dạng của tầng d) Tính lực ngang tác dụng tại từng tầng e) Tính nội lực, lực cắt, mômen bằng phươn pháp tónh dựa vào lực ngang từng tầng 5) Tổ hợp ứng xử từ các mode để có được ứng xử thực tế của kết cấu sử dụng chương trình tính kết cấu Sap2000, Etabs tính công trình chòu tác động của động đất theo phương pháp phổ phản ứng 2.2.3.1 Tải gia... tuyến tính Máy tính sẽ tích phân từng bước phương trình dao động trong từng bước thời gian Kết quả của bước trước sẽ là điều kiện ban đầu của bước kế tiếp Bước tích phân này có thể diễn ra theo 2 cách: Nếu tích phân trực tiếp phương trình dao động tổng thể thì gọi là phương pháp tích phân trực tiếp(Direct Integration), chỉ có ở Sap2000 Nếu tích phân phương trình dao động của các dạng dao động gọi là phương. .. TPHCM TẦNG CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO thông thường đối với công trình có bản sàn bằng bêtông hoặc kim loại có bêtông ở trên, thì thừa nhận rằng độ cứng của bản sàn là tuyệt đối II 2/PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHẢN ỨNG Đây là một phương pháp dự đoán phản ứng lớn nhất của hệ chòu tác động động đất dựa vào số liệu của các trận động đất xảy ra trước đó Cách xây dựng phổ phản ứng Để xây dựng phổ phản ứng của một vùng đất, người... tốc ghi lại được từ các trận động đất xảy ra trên thế giới trong dữ liệu phần mềm Etabs hoặc trên mạng Internet Phương pháp tích phân dạng dao động (Modal Integration ) Phương pháp dựa trên nguyên lý cộng tác dụng mô hình là một phương pháp mang lại hiệu quả cao và chính xác cho phân tích lòch sử thời gian Phương pháp này cũng phân tích dựa trên các mode dao động nhưng khác phương pháp phân tích trong... được xác đònh theo các bước sau: && 1) Xác đònh gia tốc đất nền theo thời gian u g (t ) 2) Xác đònh các đặc tính của kết cấu : a) Tính toán khối lượng và độ cứng m, k b) Xác đònh hệ số giảm chấn ứng với mỗi mode ξ n 2 3) Giải phương trình Kφ = mω φ để xác đònh tần số giao động tự nhiên ωn và φn 4) Tính toán ứng xử của kết cấu theo các bước sau: a) Tính Yn (t ) bằng cách tích phân phương trình (**) hoặc... theo phương đang xét Ví dụ, tác động của phổ “A” lên phương U1, U2 là 100% (Scale Factor = 1) Tác động của phổ “A” lên phương U3 là 40% (Scale Factor = 0,4 ) Xem hình 2.7 trong thực tế, người ta chỉ đo được giá trò phổ phản ứng theo một phương, muốn kể đến tác động đồng thời của 2 phương lên công trình, ta thường cho tác động của phổ lên phương thứ 2 bằng khoảng 30% so với phương thứ nhất Còn theo phương