Ảnh hưởng của tầng cứng lên ứng xử động của kết cấu nhà nhiều tầng có xét tương tác nền

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn thạc sĩ này với tiêu đề “Ảnh hưởng của tầng

cứng lên ứng xử động của kết cấu nhà nhiều từng có xét tương tác nền” là bài

nghiên cứu của chính tôi. Ngoại trừ những tài liệu, số liệu tham khảo được trích

dẫn trong luận văn này theo đúng quy định, các số liệu do chính tôi thực hiện

một cách chính xác và các nhận xét là khách quan.

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

cơ sở đào tạo khác.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2018

Đỗ Lê Hoàng Sang

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập bậc đào tạo thạc sĩ tại trường Đại học Mở

Thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã nhận được rất nhiều tri thức bổ ích và kỹ

năng làm việc cho công việc trong tương lai. Để có được những kiến thức

này, tôi gửi lời cảm ơn đến những người liên quan đã giúp đỡ tôi rất

nhiều:

- Ban giám hiệu, Khoa đào tạo sau đại học, Khoa xây dựng; quý

thầy cô đã truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức về chuyên môn,

giúp tôi nâng tầm hiểu biết của bản thân.

- Thầy hướng dẫn luận văn này, PGS. TS. Nguyễn Trọng Phước,

người đã định hướng và hổ trợ tôi rất nhiều trong thời gian thực

hiện bài tốt nghiệp.

- Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, người thân và đặc

biệt là ba mẹ, là những người đã động viên khích lệ tôi trong suốt

thời gian vừa qua.

Trong quá trình thực hiện luận văn này, dù tôi đã rất cố gằng hoàn

thành trong khả năng của bản thân nhưng chắc không tránh khỏi những

thiếu sót nhất định; tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo tận tình của Quý

Thầy Cô để luận văn này được hoàn thiện hơn.

Kính gửi lời chúc sức khỏe, thành công đến toàn thể Quý thầy Cô!

Đỗ Lê Hoàng Sang

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii

MỤC LỤC................................................................................................................. iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................v

DANH MỤC HÌNH VẼ.............................................................................................vi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ........................................................................................1

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

1.2.MỤC TIÊU ĐỀ TÀI.........................................................................................4

1.3.PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT......................................................................4

1.4.CẤU TRÚC ĐỀ TÀI........................................................................................5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN.......................................................................................6

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

2.2. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN NHÀ CAO TẦNG............................................6

2.3. KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG......................................7

2.3.1. Hệ kết cấu bên trong................................................................................7

2.3.2. Hệ kết cấu bên ngoài .............................................................................11

2.4.HỆ OUTRIGGER TRONG NHÀ CAO TẦNG ............................................13

2.4.1. Giới thiệu hệ outrigger ..........................................................................13

2.4.2. Phân loại Outrigger................................................................................18

2.5.TỔNG QUAN NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG CỨNG..................................20

2.5.1. Những Nghiên cứu ngoài nước .............................................................21

2.5.2. Nghiên cứu trong nước..........................................................................22

2.6.KẾT LUẬN CHƯƠNG..................................................................................22

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. ........................................................................23

3.1. GIỚI THIỆU..................................................................................................23

3.2. SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ DẦM CỨNG .......................................................23

iv

3.2.1. Cơ chế hoạt động của hệ outrigger.........................................................23

3.2.2. Vai trò của hệ outtrigger trong sự làm việc của nhà cao tầng................24

3.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG ĐẤT .................................... 27

3.3.1. Phân loại theo tính chất của động đất tác dụng lên công trình...............27

3.3.2. Phân loại theo đặc tính làm việc của hệ kết cấu chịu lực công trình .....28

3.4. KẾT CẤU CÓ TẦNG CỨNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT TƯƠNG

TÁC NỀN.......................................................................................................30

3.4.1. Mô hình nghiên cứu của hệ khi không xét đến tương tác của nền........30

3.4.2. Vị trí tối ưu của tầng cứng.....................................................................33

3.5.KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG CỨNG XÉT TƯƠNG TÁC

NỀN................................................................................................................36

3.5.1. Mô hình tính toán ..................................................................................36

3.5.2. Xem xét ảnh hưởng của vị trí outtrigger ...............................................41

3.5.2.1. Sự xoay của vị trí tầng cứng ...........................................................41

3.5.2.2. Sự xoay của móng – lõi cứng .........................................................45

3.5.2.3. Chuyển vị ngang ở đỉnh công trình.................................................48

3.6.KẾT LUẬN CHƯƠNG..................................................................................50

CHƯƠNG 4: VÍ DỤ SỐ ...........................................................................................51

4.1. GIỚI THIỆU.................................................................................................51

4.2. BÀI TOÁN VÍ DỤ ........................................................................................51

4.3. XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẦNG CỨNG .......................................56

4.4. XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG TẦNG CỨNG.................................73

4.5. XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG NỀN ................................................82

4.6. XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG LÊN ỨNG XỬ CỦA

TẦNG CỨNG ................................................................................................88

4.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG ...............................................................................100

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..........................................................101

5.1. KẾT LUẬN..................................................................................................101

5.2. KIẾN NGHỊ.................................................................................................102

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................103

v

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 3.1: Bảng tổng hợp chuyển vị đỉnh và moment tại các vị trí đặt tầng

cứng [21]....................................................................................................32

Bảng 4.1: Bảng tổng hợp chuyển vị từng tầng theo phương Y ................................67

Bảng 4.2: Bảng tổng hợp chuyển vị lệch tầng theo phương Y .................................69

Bảng 4.3: Bảng tổng hợp giá trị chuyển vị đỉnh của các mô hình

MH2,3,4,5,6,7 ............................................................................................71

Bảng 4.4: Bảng so sánh chuyển vị của các mô hình so với MH2.............................72

Bảng 4.5: Bảng số liệu độ cứng tầng cứng ...............................................................73

Bảng 4.6: Bảng khảo sát chuyển vị đỉnh tương ứng với độ cứng tầng cứng............74

Bảng 4.7: Bảng khảo sát độ cứng dầm cứng tương ứng với Moment tại chân

cột...............................................................................................................78

Bảng 4.8: Bảng thống kê độ cứng của nền................................................................82

Bảng 4.9: Bảng phân tích độ chênh lệch chuyển vị đỉnh có xét tương tác

nền..............................................................................................................87

Bảng 4.10: Bảng phân tích độ chênh lệch Moment có xét tương tác nền ................87

vi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Bản đồ phân vùng bão nhiệt đới trên Trái Đất giai đoạn 1945-

2006..............................................................................................................2

Hình 2.1: Hệ kết cấu khung chịu lực...........................................................................8

Hình 2.2: Hệ kết cấu tường chịu lực ...........................................................................9

Hình 2.3: Hệ kết cấu lõi chịu lực ..............................................................................10

Hình 2.4: Hệ kết cấu bên trong .................................................................................13

Hình 2.5: Hệ kết cấu bên ngoài.................................................................................13

Hình 2.6: Phối cảnh tòa nhà First Wisconsin Center, Milwaukee. [18] ...................14

Hình 2.7: Mặt bằng và mặt cắt công trình First Wisconsin Center,

Milwaukee. [18].........................................................................................15

Hình 2.8: Phối cảnh tòa nhà Bitexco (Nguồn: Structure Magazine of

NCSEA, June 2009)...................................................................................16

Hình 2.9: Mặt bằng bố trí tầng cứng công trình “Trung tâm tài chính

Bitexco” .....................................................................................................17

Hình 2.10: Mặt đứng tầng cứng công trình “Trung tâm tài chính Bitexco” .............17

Hình 2.11: Phối cảnh các hệ outrigger trong công trình ...........................................18

Hình 2.12: Mặt bằng tầng cứng các công trình.........................................................19

Hình 2.13: Hệ kết cấu được bố trí outrigger .............................................................20

Hình 3.1: Sơ đồ kết cấu của nhà cao tầng có 1 tầng cứng ........................................24

Hình 3.2: Biểu đồ moment của nhà cao tầng khi có và không có sự làm việc

của tầng cứng .............................................................................................25

Hình 3.3: Các vách liền được tăng cứng khi chịu tải trọng gió ................................26

Hình 3.4: Lõi được gia cường bằng hệ dầm cứng khi chịu tải trọng ngang

tác dụng......................................................................................................27

Hình 3.5: Mô hình làm việc của hệ kết cấu khi chịu tải trọng ngang không

xét đến sự làm việc của móng....................................................................30

Hình 3.6: Sơ đồ tính toán vị trí tối ưu trong nhà cao tầng có 1 tầng cứng................35

vii

Hình 3.7: Mô hình của hệ kết cấu khi xét đến sự làm việc của móng ......................36

Hình 3.8: Mô hình tính toán của hệ...........................................................................38

Hình 3.9: Sự phân bố ứng suất ở lõi khi thay đổi liên kết dầm cột...........................39

Hình 3.10: Liên kết dầm tại tầng cứng vào lõi – vách ..............................................39

Hình 3.11: Chuyển vị xoay của hệ móng..................................................................40

Hình 3.12: Chuyển vị xoay của lõi tại vị trí tầng cứng.............................................41

Hình 3.13: Biến dạng uốn của tầng cứng..................................................................43

Hình 3.14: Sự xoay của lõi móng tại mặt bằng móng [22].......................................45

Hình 3.15: Sự xoay của hệ kết cấu móng [22]..........................................................46

Hình 3.16: Biến dạng của hệ kết cấu khi chịu tải trọng ngang [22] .........................48

Hình 3.17: Biểu đồ thể hiện sự tương quan giữa vị trí tối ưu của tầng cứng

và giá trị .................................................................................................50

Hình 4.1: Mô hình tính toán......................................................................................52

Hình 4.2: Mô hình 3D được sử dụng để tính toán (sử dụng chương trình

etabs 9.7.4).................................................................................................57

Hình 4.3: Mô hình khung không có tầng cứng .........................................................58

Hình 4.4: Mô hình khung có một tầng cứng ở tầng 30 công trình............................58

Hình 4.5: Mô hình khung có tầng cứng tại đỉnh công trình......................................59

Hình 4.6: Mô hình khung có tầng cứng tại tầng 35 ..................................................60

Hình 4.7: Mô hình khung có tầng cứng tại tầng 25 ..................................................60

Hình 4.8: Mô hình khung có tầng cứng tại tầng 20 ..................................................61

Hình 4.9: Mô hình khung có tầng cứng tại tầng 15 ..................................................61

Hình 4.10: Giản đồ gia tốc của El Centro được sử dụng trong phân tích.................62

Hình 4.11: Chuyển vị đỉnh theo thời gian của MH1.................................................63

Hình 4.12: Chuyển vị đỉnh theo thời gian của MH2.................................................63

Hình 4.13: Chuyển vị đỉnh theo thời gian của MH3.................................................64

Hình 4.14: Chuyển vị đỉnh theo thời gian của MH4.................................................64

Hình 4.15: Chuyển vị đỉnh theo thời gian của MH5.................................................65

Hình 4.16: Chuyển vị đỉnh theo thời gian của MH6.................................................65

viii

Hình 4.17: Chuyển vị đỉnh theo thời gian của MH7.................................................66

Hình 4.18: Chuyển vị theo từng tầng tương ứng với vị trí tầng cứng.......................68

Hình 4.19: Chuyển vị lệch tầng tương ứng với vị trí tầng cứng ...............................70

Hình 4.20: Biểu đồ chuyển vị đỉnh của các mô hình MH2,3,4,5,6,7........................71

Hình 4.21: Biểu đồ chuyển vị đỉnh tương ứng với độ cứng dầm cứng.....................74

Hình 4.22: Biểu đồ chuyển vị đỉnh không có độ cứng tầng cứng.............................75

Hình 4.23: Biểu đồ chuyển vị đỉnh có độ cứng tầng cứng tương ứng

(0.6×2m) ....................................................................................................75

Hình 4.24: Biểu đồ chuyển vị đỉnh có độ cứng tầng cứng tương ứng

(0.6×3.5m) .................................................................................................76

Hình 4.25: Biểu đồ chuyển vị đỉnh có độ cứng tầng cứng tương ứng

(0.6×5m) ....................................................................................................76

Hình 4.26: Biểu đồ chuyển vị đỉnh có độ cứng tầng cứng tương ứng

(0.6×6m) ....................................................................................................77

Hình 4.27: Biểu đồ chuyển vị đỉnh có độ cứng tầng cứng tương ứng

(0.6×7m) ....................................................................................................77

Hình 4.28: Biểu đồ Moment tương ứng với độ cứng dầm cứng...............................78

Hình 4.29: Biểu đồ Moment không xét đến độ cứng dầm cứng...............................79

Hình 4.30: Biểu đồ Moment tương ứng với độ cứng (0.6×2m)................................79

Hình 4.31: Biểu đồ Moment tương ứng với độ cứng (0.6×3.5m).............................80

Hình 4.32: Biểu đồ Moment tương ứng với độ cứng (0.6×5m)................................80

Hình 4.33: Biểu đồ Moment tương ứng với độ cứng (0.6×6m)................................81

Hình 4.34: Biểu đồ Moment tương ứng với độ cứng (0.6×7m)................................81

Hình 4.35: Biểu đồ Moment có xét tương tác nền....................................................83

Hình 4.36: Biểu đồ chuyển vị đỉnh có xét tương tác nền..........................................83

Hình 4.37: Biểu đồ Moment không xét tương tác nền..............................................84

Hình 4.38: Biểu đồ chuyển vị đỉnh không xét tương tác nền ...................................84

Hình 4.39: Biểu đồ Moment khi tăng độ cứng nền lên 50% ....................................85

Hình 4.40: Biểu đồ chuyển vị đỉnh khi tăng độ cứng nền lên 50% ..........................85

ix

Hình 4.41: Biểu đồ Moment khi giảm độ cứng nền xuống 50% ..............................86

Hình 4.42: Biểu đồ chuyển vị đỉnh khi giảm độ cứng nền xuống 50%....................86

Hình 4.43: Biểu đồ so sánh chuyển vị đỉnh công trình theo phương trục Y.............87

Hình 4.44: Biểu đồ so sánh giá trị Moment theo phương trục Y..............................88

Hình 4.45: Phổ gia tốc của động đất ALKIO...........................................................89

Hình 4.46: Phổ gia tốc của động đất ATHEN 3........................................................89

Hình 4.47: Phổ gia tốc của KOCAELI ....................................................................90

Hình 4.48: Phổ gia tốc của NORTHRIDGE.............................................................90

Hình 4.49: Phổ gia tốc của UHMBRO-MACHIGIANO..........................................90

Hình 4.50: Biểu đồ moment chân cột của phổ gia tốc ELCENTRO ........................91

Hình 4.51: Biểu đồ moment chân cột của phổ gia tốc ALKION..............................91

Hình 4.52: Biểu đồ moment chân cột của phổ gia tốc ATHEN 3 ............................92

Hình 4.53: Biểu đồ moment chân cột của phổ gia tốc KOCAELI ...........................92

Hình 4.54: Biểu đồ moment chân cột của phổ gia tốc NORTHRIDGE...................93

Hình 4.55: Biểu đồ moment chân cột của phổ gia tốc UHMBRO￾MACHIGIANO .........................................................................................93

Hình 4.56: Biểu đồ chuyển vị lệch tầng của phổ gia tốc nền ELCENTRO..............94

Hình 4.57: Biều đồ chuyển vị lệch tầng của phổ gia tốc nền ALKION ...................95

Hình 4.58: Biều đồ chuyển vị lệch tầng của phổ gia tốc nền ATHEN 3..................96

Hình 4.59: Biều đồ chuyển vị lệch tầng của phổ gia tốc nền KOCAELI.................97

Hình 4.60: Biều đồ chuyển vị lệch tầng của phổ gia tốc nền NORTHRIDGE.........98

Hình 4.61: Biều đồ chuyển vị lệch tầng của phổ gia tốc nền UHMBRO￾MACHIGIANO .........................................................................................99

1

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU

1.1 ĐẶT VẦN ĐỀ

Xã hội ngày càng phát triển là quy luật tất yếu, các đô thị lớn xuất hiện nhiều

tòa nhà cao tầng với mật độ nhiều hơn. Đô thị hóa diễn ra ở khắp nơi, vì con người

dần có khuynh hướng chuyển nơi ở từ nông thôn về tập trung các đô thị do công

việc, học tập, mưu sinh… Vì vậy, dân số tại các khu đô thị ngày càng tăng mà quỹ

đất thì còn hạn chế tại các thành phố lớn. Nên giải pháp chỗ ở, làm việc thường

được giải quyết bằng cách xây dựng các chung cư, trung tâm thương mại, tòa nhà

văn phòng, khách sạn… nhiều tầng hơn và quy mô càng lớn và cao hơn tại các đô

thị càng lớn. Vấn đề xây dựng những tòa nhà cao tầng dạng này luôn là thách thức

với ngành xây dựng cả về thiết kế, thi công và quản lý vận hành nó.

Dưới góc độ của người thiết kế kết cấu, công trình càng cao thì không những

chịu tải trọng của chính bản thân nó càng lớn mà còn chịu sự tác động bên ngoài

như gió, động đất,… rất đáng kể; thậm chí có thể tiềm ẩn gây ra những nguy hiểm

cho chính kết cấu công trình. Lúc này việc xem xét tải trọng ngang là rất quan trọng

trong quá trình thiết kế. Về gió bão, tác động này có ở khắp nơi trên thế giới với

những cấp độ mạnh yếu khác nhau, gần đây càng nhiều hơn do sự biến đổi khí hậu

như trên hình 1.1; kỹ sư kết cấu chắc chắn phải quan tâm đến tác động này, thậm

chí là rất quan trọng, quyết định giải pháp kết cấu như thế nào. Động đất là tác động

ít gặp hơn, chỉ xuất hiện những nơi nhất định, nhưng đây thực sự là một thảm hoạ

của thiên nhiên đối với các công trình xây dựng trên trái đất. Ở các đô thị lớn ở Việt

nam, gió bão xuất hiện nhiều, cấp độ khác nhau; động đất lớn chưa thấy nhưng

đã có động đất vừa. Từ đây, có thể thấy rằng việc tìm hiểu mô hình kết cấu

chịu tải trọng ngang do gió bão và động đất là cần thiết; đề tài có ý nghĩa học

thuật và cả thực tiễn.

2

Không phải tất cả các công trình đều bị phá huỷ sau động đất hay gió bão, mà

chúng gây ra thêm tải trọng ngang cho kết cấu nên nội lực trong kết cấu lớn hơn và

kết cấu trở nên nguy hiểm hơn. Thường nội lực trong kết cấu chịu lực chính của nhà

nhiều tầng như chân cột, vách cứng là rất lớn do tải trọng ngang lớn và kết cấu

nhiều tầng nên việc làm giảm hay phân phối lại nội lực (thường là mô men uốn) ở

chân cột, vách là bài toán thu hút sự quan tâm. Đã có một số hệ kết cấu được xem

xét nghiên cứu và phát triển, kết hợp với nhau trong thiết kế kết cầu nhà cao tầng

nhằm phân phối hoặc giảm phản ứng của các công trình lớn đối với tác động của tại

trọng ngang. Do đó vấn đề đặt ra đối với người thiết kế kết cấu là làm thay đổi độ

cứng để giảm tối đa chuyển vị ngang ở đỉnh và môment ngàm của vách, lõi, cột khi

chịu tác dụng của tải trong ngang, và hệ kết cấu tầng cứng được xem là một giải

pháp khá hiệu quả để giải quyết vấn đề trên.

Tuy nhiên hiện nay phương pháp được áp dụng nhằm tăng độ cứng cho tòa

nhà cách đưa các tầng cứng vào lõi nhà cao tầng, các tầng cứng có thể được sử dụng

như là một tầng kĩ thuật, do đó nguyên lý làm việc của tầng cứng cũng đã được

quan tâm nhiều. Tuy nhiên việc thiết kế này không đơn giản, đến thời điểm hiện tại

cũng chỉ có một số ít tài liệu đề cập tới nguyên lý và các vấn đề cần quan tâm trong

thiết kế, chưa có tài liệu hướng dẫn chi tiết. Điểm chung của các tài liệu này đều

chú trọng vào việc thiết kế các cấu kiện ở khu vực tầng cứng. Các học giả tiêu biểu

trong lĩnh vực nghiên cứu này bao gồm Taranath, Staford Smith và Salim,

Hoenderkamp, J.R. Wu và Q. S. Li, Su Yuan, Alex Coull và Otto Lau. Trong đó

nghiên cứu của Hoenderkamp là nghiên cứu đã chỉ rõ giá trị moment tại chân lõi

cứng của công trình là rất lớn.