Ảnh hưởng của các dao động cao đến ứng xử nhà nhiều tầng chịu động đất

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

--------∞0∞--------

NGUYỄN TUẤN KHẢI

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG DAO ĐỘNG CAO ĐẾN

ỨNG XỬ NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

--------∞0∞--------

NGUYỄN TUẤN KHẢI

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG DAO ĐỘNG CAO ĐẾN

ỨNG XỬ NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số chuyên ngành: 60 58 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

GIẤY XÁC NHẬN

Tôi tên là: NGUYỄN TUẤN KHẢI

Ngày sinh: 13/12/1984 Nơi sinh: An Giang

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã học viên: 1785802080008

Tôi đồng ý cung cấp toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp hợp lệ về bản quyền cho

Thư viện trường đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh. Thư viện trường đại học Mở

Thành phố Hồ Chí Minh sẽ kết nối toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp vào hệ thống

thông tin khoa học của Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh.

Ký tên

(Ghi rõ họ và tên)

Nguyễn Tuấn Khải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn “ Ảnh hưởng của các dạng dao động cao đến ứng

xử nhà nhiều tầng chịu động đất” là bài nghiên cứu của chính tôi.

Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi

cam đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luân văn này chưa từng được

công bố hoặc được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.

Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận

văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định.

Luân văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các

trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2022

Nguyễn Tuấn Khải

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS. Nguyễn

Trọng Phước, Trường Đại học Mở Thành Phố Hồ Chí Minh. Thầy đã góp ý cho tôi

cách chọn hướng đề tài theo thuận lợi, theo sở trường công tác của tôi, đề xuất

đúng vấn đề nghiên cứu, cũng như cách tiếp cận giải quyết vấn đề nghiên cứu sao

cho hiệu quả. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đối với tập thể các giảng viên Khoa

Xây dựng và Khoa Sau Đại Học, Trường Đại học Mở Thành Phố Hồ Chí Minh đã

tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu.

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã

nhận được sự giúp đỡ nhiều từ gia đình, bạn bè, cơ quan và đặc biệt là vợ tôi. Tôi

xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn đến tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp

đỡ quý báu đó.

Luận văn đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản

thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót. Kính mong Quý Thầy/Cô chỉ

dẫn thêm..

Xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2022

Nguyễn Tuấn Khải

iii

TÓM TẮT

Trong bài toán thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng tại khu vực Thành phố Hồ

Chí Minh và có thể ở các Thành phố khác của Việt Nam, một trong những tác

động quan trọng lên kết cấu cần phải xem xét là động đất. Theo TCVN 9386 -

2012, kết quả về nội lực và chuyển vị của kết cấu chịu động đất phụ thuộc vào

02 yếu tố: đầu vào của vùng động đất và đặc trưng động lực học của chính kết

cấu đó. Đặc trưng động lực học được quan tâm là tần số và dạng dao động riêng

và kết cấu nhà nhiều tầng lại có rất nhiều tần số và dạng dao động riêng. Từ đây,

có thể đánh giá rằng nội lực và chuyển vị của kết cấu phụ thuộc vào số lượng

dạng dao động riêng cần xem xét và số lượng này được lấy một cách gần đúng

và chưa có cơ sở vững chắc.

Luận văn này khảo sát ảnh hưởng của các dạng dao động cao đến nội lực

và chuyển vị của kết cấu nhà nhiều tầng chịu động đất. Phương pháp thực hiện là

dùng lý thuyết kết hợp mô phỏng số để khảo sát với số lượng dạng dao động

tăng dần cho đến khi hội tụ. Kết cấu được lựa chọn có số tầng thay đổi từ 20 đến

50 tầng với mặt bằng đối xứng và không đối xứng. Phần mềm phân tích kết cấu

chuyên dụng ETABS được dùng để giải quyết bài toán dao động riêng, xác định

lực động đất tương đương và phân tích nội lực và chuyển vị của kết cấu. Kết quả

cho thấy rằng với một số lượng dạng dao động tham gia thì lời giải đã hội tụ, cụ

thể số lượng từng trường hợp đều được xác định.

iv

ABSTRACT

In the problem of structural design of multi-storey buildings in the Ho Chi Minh

City area and possibly in other cities of Vietnam, one of the important effects on

the structure that needs to be considered is earthquakes. According to TCVN

9386 - 2012, the results of internal force and displacement of a structure

subjected to earthquakes depend on two factors: the input of the earthquake zone

and the dynamic characteristics of the structure itself. The dynamic

characteristics of interest are frequency and mode, and multi-storey buildings

have many frequencies and modes. From this, it can be judged that the internal

force and displacement of the structure depend on the number of modes to be

considered and this number is taken as an approximation and without a solid

basis.

This thesis investigates the influence of high vibration patterns on internal forces

and displacements of multi-storey buildings subjected to earthquakes. The

implementation method is to use theory combined with numerical simulation to

investigate with an increasing number of modes until convergence. The selected

structure has a variable number of floors from 20 to 50 floors with symmetrical

and asymmetrical plans. Specialized structural analysis software ETABS is used

to solve specific vibration problems, determine equivalent seismic forces and

analyze internal forces and displacements of structures. The results show that

with a number of participating modes, the solution has converged, specifically

the number of each case is determined.

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt, kí hiệu

m Khối lượng của kết cấu một bậc tự do

k Độ cứng của kết cấu một bậc tự do

c Độ cản của kết cấu một bậc tự do

 Tần số riêng của hệ kết cấu

d

Tần số của hệ cản khối lượng

ug

&& Gia tốc nền của động đất theo thời gian

u&& Vectơ gia tốc của các bậc tự do

u& Vectơ vận tốc của các bậc tự do

u Vectơ chuyển vị của các bậc tự do

r Vectơ đơn vị

M Ma trận khối lượng khi kết cấu không gắn hệ cản

C Ma trận cản khi kết cấu không gắn hệ cản

K Ma trận độ cứng khi kết cấu không gắn hệ cản

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1................................................................................................................ 1

GIỚI THIỆU .............................................................................................................. 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................... 1

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN ........................................................................... 3

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................... 3

1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN .......................................................................... 4

CHƯƠNG 2................................................................................................................ 6

TỔNG QUAN ............................................................................................................ 6

2.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................................ 6

2.2 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC .............................................................. 6

2.3 CÁC ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI .......................................... 14

2.4 NHẬN XÉT ........................................................................................................ 16

CHƯƠNG 3.............................................................................................................. 17

CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 17

3.1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 17

3.2 MÔ HÌNH KẾT CẤU ....................................................................................... 17

3.3 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG ĐẤT ........................................................................ 32

3.4 PHƯƠNG PHÁP TĨNH LỰC NGANG TƯƠNG ĐƯƠNG .......................... 32

3.4.1 Những thông số liên quan .......................................................................... 33

3.4.2 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương .............................................. 34

3.5 PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHẢN ỨNG ............................................................... 34

3.5.1 Những thông số liên quan .......................................................................... 35

3.5.2 Quy trình tính toán theo phương pháp phổ phản ứng ........................... 36

3.5.3 Tổ hợp các dạng dao động theo TCVN 9386:2012 .................................. 37

3.6 DAO ĐỘNG RIÊNG ......................................................................................... 38

3.7 CHỌN SƠ ĐỒ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG ............................................ 40

3.8 GIỚI THIỆU ETABS ....................................................................................... 41

1

3.8.1 Quy trình thực hiện mô hình bằng ETABS ............................................. 41

3.8.2 Khai báo tĩnh lực ngang tương đương ..................................................... 43

3.8.3 Khai báo phổ phản ứng dạng dao động trong phần mềm ETABS ....... 46

3.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG ..................................................................................... 48

CHƯƠNG 4.............................................................................................................. 49

KẾT QUẢ SỐ .......................................................................................................... 49

4.1 MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 49

4.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ....................................................................... 49

4.3 KẾT CẤU ĐỐI XỨNG 20 TẦNG ................................................................... 50

4.4 CÁC KẾT CẤU KHÁC .................................................................................... 62

4.5 TỔNG HỢP KẾT QUẢ THEO SỐ TẦNG .................................................... 89

4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG ..................................................................................... 93

CHƯƠNG 5.............................................................................................................. 94

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 97

1

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển đời sống nhân dân đang thay đổi hơn

trong từng giai đoạn vừa qua và sẽ thay đổi nhanh trong thời gian tới. Nhu cầu về nhà

ở của người dân và các công trình dân dụng dạng nhà nhiều tầng tăng nhanh ở các

thành phố trọng điểm. Xã hội càng phát triển diện tích đất bị thu hẹp, nhu cầu xây

dựng các nhà nhiều tầng tăng lên để giải quyết các nhu cầu như: chỗ ở, văn phòng

làm việc, bệnh viện, trung tâm thương mại, khách sạn nghỉ dưỡng.. Như vậy, việc

xây dựng nhà nhiều tầng là xu hướng tất yếu của Việt Nam và đã được xác nhận từ

cách đây 10-20 năm với hàng loạt công trình được hình thành và cũng vẫn là khuynh

hướng sắp tới tại các thành phố của nước ta.

Đặc điểm của nhà nhiều tầng là có qui mô lớn thể hiện như sau: Chiều cao của

công trình tương đối và có khuynh hướng ngày một tăng lên. Tầm quan trọng lớn vì

một công trình thường tập trung nhiều chi phí, tác động lên hiện trạng xã hội. Độ an

toàn tuyệt đối do số lượng người ở trong công trình thường rất lớn. Ngoài kết cấu

phức tạp, các hệ thống kỹ thuật khác đi kèm cũng có độ phức tạp cao. Dưới góc nhìn

của người Kỹ sư kết cấu, yếu tố kết cấu của nhà nhiều tầng được quan tâm sâu hơn

trong Luận văn này.

Một số đặc trưng của kết cấu nhà nhiều tầng được sơ lược như sau. Chiều cao

của nhà thường khá lớn, trọng lượng nặng. Trong quá trình vận hành, kết cấu chịu tác

động của tải trọng lớn cả tải trọng đứng và ngang. Việc thiết kế nhìn chung là nghiêm

ngặt và tuân thủ tuyệt đối các yêu cầu của pháp luật xây dựng và các pháp luật liên

quan khác. Nhìn chung các quy trình thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng hiện nay tương

đối hoàn chỉnh ở Việt Nam từ các tiêu chuẩn ngành liên quan đã được các cơ quan

chức năng ban hành và cập nhật cho đến các công cụ phân tích, mô phỏng số như các

phần mềm thương mại và thể hiện ra hồ sơ thiết kế.

Tốc độ xây dựng nhà cao tầng ở Thành phố Hồ Chí Minh tăng nhanh một cách