Thạc Sĩ Tính toán kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tác động của động đất theo TCXDVN

Luận văn thạc sĩ
Đề tài: Tính toán kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tác động của động đất theo TCXDVN 375-2006

Mục lục
Lời cảm ơn .
Lời cam đoan .
Trang
Mục lục 1
Mở đầu . 4
Chương 1. Kết cấu Nhà cao tầng bê tông cốt thép và một số
giải pháp hạn chế chuyển vị ngang . 7
1.1. Lịch sử phát triển nhà cao tầng . 7
1.1.1. Nguyên nhân xuất hiện Nhà cao tầng 7
1.1.2. Định nghĩa và Phân loại Nhà cao tầng 7
1.1.3. Lịch sử phát triển nhà cao tầng 8
1.2. Các hệ kết cấu chịu lực và sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng. Nguyên tắc bố trí
kết cấu chịu tải trọng ngang . 9
1.2.1. Các hệ kết cấu chịu lực của Nhà cao tầng 9
1.2.2. Sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng . 10
1.2.3. Nguyên tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang 11
1.3. Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản 12
1.3.1. Hệ khung chịu lực (I) 12
1.3.2. Hệ tường chịu lực (II) . 14
1.3.3. Hệ lõi chịu lực (III) . 15
1.3.4. Hệ hộp chịu lực (IV) . 17
1.4. Các hệ kết cấu chịulực hỗn hợp 19
1.4.1. Hệ khung - giằng . 19
1.4.2. Hệ khung - vách 21
1.4.3. Hệ khung - lõi 22
1.4.4. Hệ khung - vách - lõi . 22
1.4.5. Hệ hộp - lõi 23
2
1.5. Các hệ kết cấu đặc biệt 23
1.5.1. Kết cấu có hệ dầm truyền 23
1.5.2. Kết cấu có tầng cứng và các ví dụ . 25
Chương 2. ảnh hưởng của tầng cứng đến khả năng chịu tải
trọng ngang của kết cấu Nhà cao tầng bê tông cốt thép. ví
dụ tính toán . 29
2.1. Sự làm việc của kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng . 29
2.1.1. Kết cấu Nhà cao tầng có tầng cứng 29
2.1.2. Kết cấu Nhà cao tầng có 1 tầng cứng ở đỉnh (x = 0; z = L) . 30
2.1.3. Kết cấu Nhà cao tầng có 1 tầng cứng cách đỉnh 0,25.L (x = 0,25.L; z =
0,75.L) . 31
2.1.4. Kết cấu Nhà cao tầng có 1 tầng cứng cách đỉnh 0,5.L (x = 0,5.L; z =
0,5.L) 33
2.1.5. Kết cấu Nhà cao tầng có1 tầng cứng cách đỉnh 0,75L (x = 0,75.L; z =
0,25.L) . 34
2.1.6. Tính toán vị trí tối ưu cho tầng cứng trong Nhà cao tầng có 1 tầng cứng35
2.1.7. Tính toán vị trí tối ưu cho các tầng cứng trong Nhà cao tầng có 2 tầng
cứng . 38
2.2. Ví dụ về công trình đã xây dựng . 43
2.3. Ví dụ tính toán 44
2.3.1. Mô tả . 44
2.3.2. Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình . 44
2.3.3. Các trường hợp tính toán . 45
2.3.4. Kết quả tính toán . 46
2.4. Nhận xét . 53
Chương 3. Kết cấu Nhà cao tầngbê tông cốt thép có tầng
cứng chịu tác động động đất. Các ví dụ tính toán 54
3.1. Các phương pháp tính toán tác động của động đất . 54
3.1.1. Phân loại theo tính chất tác động động đất lên công trình . 54
3
3.1.2. Phân loại theo các đặc tính làm việc của Hệ kết cấu chịu lực của công
trình xây dựng 54
3.2. Phương pháp Tĩnh lực ngang tương đương . 54
3.3. Phương pháp Phổ phản ứng 55
3.4. Tiêu chuẩn TCXDVN 375: 2006 55
3.4.1. Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương . 58
3.4.2. Phương pháp Phân tích phổ phảnứng dạng dao động . 59
3.4.3. Tổ hợp các hệ quả của các thành phần tác động động đất . 59
3.5. Tính toán Kết cấu Nhà cao tầng Bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tác động
động đất 60
3.5.1. Tính toán mô hình MH9 chịu động đất theo TCXDVN 375: 2006 . 61
3.5.2. Các kết quả tính toán và các Bảng so sánh 64
3.6. Tính toán vị trí tối ưu của tầng cứng thứ hai khi tầng cứng thứ nhất bố trí cố
định tại đỉnh công trình 83
3.6.1. Các mô hình tính toán 83
3.6.2. Kết quả tính toán . 84
Kết luận và kiến nghị . 87
Tài liệu tham khảo . 88
Phụ lục PL1 đến PL15

Mở đầu
ã Lý do chọn đề tài
Bước sang thế kỷ 21, việc đô thị hoá và xây dựng nhà cao tầng đang là vấn đề
thời sự nóng bỏng của nước ta. Khi thiết kế những công trình cao tầng, ngoài các
loại tải trọng thông thường, đòi hỏi người làm công tác tưvấn thiết kế phải xem xét
kỹ lưỡng đến sự tác động của động đất lên công trình.
Động đất thực sự là một thảm hoạ của thiên nhiên đối với sự sống của con
người trên trái đất, tuy nhiên không phảitất cả các công trình đều bị phá huỷ sau
động đất mà ta vẫn có thể nghiên cứu, xây dựng được những công trình có khả năng
chống động đất ở những cấp độ nào đó.
Để tăng độ cứng khi chịu tải trọng ngang cho công trình, các nhà cao tầng
thường được bố trí thêm tầng cứng (có thể kết hợp làm tầng kỹ thuật). Là một người
đang làm công tác nghiên cứu và giảng dạy,tôi chọn nghiên cứu đề tài mà cho đến
nay mới chỉ được xem xét chủ yếu qua bài toán tải trọng tĩnh, còn bài toán tải trọng
động thì các nghiên cứu còn hạn chế. Ngoài ra, các nghiên cứu về vị trí tối ưu của
tầng cứng để chuyển vị đỉnh công trình khi chịu động đất là nhỏ nhất cũng chưa đầy
đủ.
Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCXDVN 375 - 2006 đề ra phương pháp tính
toán công trình chịu động đất theo Phổ phản ứng, qua đề tài của mình tôi muốn tìm
hiểu các kết cấu Nhà cao tầng có tầng cứng khichịu tác động động đất và tìm hiểu
vị trí tối ưu của tầng cứng.
ã Mục đích của đề tài
- Tìm hiểu các dạng kết cấu Nhà cao tầng, các phương pháp hạn chế chuyển
vị ngang khi chịu tải gió bão, động đất.
- Tìm hiểu vị trí tối ưu của tầng cứng trong Nhà cao tầng có một tầng cứng,
có hai tầng cứng khi chịu tải trọng ngang tĩnh.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết kháng chấn, các phương pháp xác định tải trọng
động đất tác động lên kết cấu công trình.Dựa theo Tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006
về thiết kế công trình động đất và các tài liệu, Tiêu chuẩn nước ngoài liên quan để
tìm hiểu phương pháp Phổ phản ứng ápdụng trong thiết kế.
5
- Xem xét ảnh hưởng của tầng cứng đến công trình khi chịu tác động động
đất.
- Đề xuất vị trí tối ưu của tầng cứng trong Nhà cao tầng có tầng cứng khi
chịu tác động của động đất.
- Tập hợp các kết quả tính toán, từ đó đánh giá được ảnh hưởng của vị trí
tầng cứng đến nhà cao tầng khi chịu tác độngđộng đất.
ã Đối tượng nghiên cứu
- Hồ sơ thiết kế các công trình nhà cao tầng Bê tông cốt thép có tầng cứng,
được xây dựng trong và ngoài nước. Nghiên cứu các công trình đã xây dựng và đang
thiết kế.
- Mô hình hóa các dạng kết cấu nhà cao tầng bằng phương pháp phần tử hữu
hạn xác định vị trí tối ưu của tầng cứng cho công trình có tầng cứng chịu tải trọng
ngang tĩnh và động đất.
ã Phạm vi nghiên cứu
- Các công trình nhà cao tầng, kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực có
tầng cứng.
- Vị trí tối ưu của tầng cứng trong nhà cao tầng có một tầng cứng, nhà cao
tầng có hai tầng cứng chịu tải trọng ngang tĩnh.
- Phương pháp phổ phản ứng trong tính toán nhà cao tầng chịu tác động động
đất.
- Vị trí tối ưu của tầng cứng trong nhà cao tầng có một tầng cứng, nhà cao
tầng có hai tầng cứng chịu tác động động đất.
ã Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu lý thuyết tính toán tác độngcủa động đất lên công trình theo các
phương pháp khác nhau.
- Tìm hiểu lý thuyết tính toán tác động của động đất theo Phổ phản ứng trong
TCXDVN 375 - 2006.
- Phân tích, tính toán các dạng dao động riêng, chu kỳ, biên độ và tải trọng
động đất tác động lên Nhà cao tầng có tầng cứng bằng phương pháp phần tử hữu
hạn.
6
- So sánh, tổng hợp và rút ra nhận xét, kết luận.
ã ýnghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- ýnghĩa khoa học: Bài toán tìm vị trí tối ưu của các tầng cứng trong nhà cao
tầng khi chịu tải trọng ngang tĩnh (tảigió) và Bài toán tìm vị trí tối ưu của các tầng
cứng trong nhà cao tầng khi chịu tải trọng ngang động (động đất)là các bài toán
khác nhau. Bài toán tìm vị trí tối ưu của tầng cứng khi chịu tải trọng ngang tĩnh thì
đơn giản hơn, có thể tính toán bằng thủ công (nếu chấpnhận một số giả thiết tính
toán), hoặc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Còn Bài toán tìm vị trí tối ưu của
tầng cứng trong nhà cao tầng khi chịu tải trọng động đất thì phứctạp hơn nhiều, chủ
yếu phải sử dụng phần mềm máy tính và phải tính toán qua nhiều trường hợp. Vậy
nếu kết quả tính theo Bài toán tĩnh mà áp dụng được cho Bài toán động thì sẽ rất
thuận lợi cho các công trình khi tính toán vị trí tối ưu của tầng cứng.
- ýnghĩa thực tiễn: Biện pháp hạn chế chuyển vị ngang của Nhà cao tầng khi
chịu tải trọng ngang là một biện pháp hữu hiệu, an toàn, ít tốn kém; các tầng được
bố trí thêm hệ kết cấu tăng cứng (vách, dàn, .) có thể kết hợp làm tầng Kỹ thuật
cho tòa nhà. Việc tìm vị trí tối ưu để giảm tối thiểu chuyển vị ngang khi tải trọng
gió, động đất tác động lên công trình nhằm tăng vai trò của các tầng cứng; giúp các
Kỹ sưkết cấu, Kiến trúc sưcó định hướng trong bố trí tầng cứng (tầng kỹ thuật) cho
các công trình nhà cao tầng. Ngoài ra, xét ý nghĩa thời sự thì trong những năm gần
đây tại Việt Nam xuất hiện nhiều công trình nhà cao tầng, một số công trình có
chiều cao đến 345m – 70 tầng (Keangnam Hanoi Landmark Tower); 262,5 m – 68
tầng (Trung tâm tài chính Bitexco); 195 m – 65 tầng (Hanoi City Complex), các tổ
hợp chung cư70 tầng (Khu đô thị An Khánh), . có sử dụng tầng cứng để hạn chế
chuyển vị đỉnh cho thấy ý nghĩa rất thực tiễn của đề tài.

Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt
[1] Triệu Tây An và nhóm tác giả (1996), Hỏi đáp Thiết kế và thi công nhà
cao tầng (Tập I), tr. 55 - 57, NXB Xây Dựng, Hà Nội.
[2] Phan Văn Cúc, Nguyễn Lê Ninh (1994), Tính toán và cấu tạo kháng
chấn các công trình nhiều tầng, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.
[3] David Key (1997), Thực hành thiết kế chống động đất cho công trình xây
dựng, NXB Xây Dựng, Hà Nội;
[4] P.F. Drodzov (1984), Cấu tạo và tính toán Hệ chịu lực và các cấu kiện
của Nhà nhiều tầng, tr. 7 – 8, dịch giả Lê Thị Huấn, NXB khoa học kỹ thuật,
Hà Nội.
[5] Lê Thanh Huấn (2007), Kết cấu Nhà cao tầng BTCT,tr. 5 – 12, NXB
Xây dựng, Hà Nội.
[6] V.V. Khandzi (1984), Tính toán và thiết kế nhà khung bê tông cốt thép
nhiều tầng, dịch giả Lê Thanh Huấn, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[7] Nguyễn Bá Kế (chủ biên - 2009), Nguyễn Tiến Chương, Móng Nhà cao
tầng – Kinh nghiệm nước ngoài, tr. 20 – 32, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[8] Nguyễn Lê Ninh (2006), Động đất và Thiết kế công trình chịu động đất,
NXB Xây dựng, Hà Nội.
[9] Ngô Thế Phong, Lý Trần Cường, Trịnh Kim Đạm, Nguyễn Lê Ninh
(2000), Kết cấu bê tông cốt thép (Phần cấu kiện cơ bản), NXB Khoa học và
kỹ thuật, Hà Nội.
[10] Ngô Thế Phong, Lý Trần Cường, Trịnh Kim Đạm, Nguyễn Lê Ninh
(2001), Kết cấu bê tông cốt thép(Phần kết cấu nhà cửa), NXB Khoa học và
kỹ thuật, Hà Nội.
[11] W.Sullo (1976), Kết cấu nhà cao tầng (Phạm Ngọc Khánh, Lê Mạnh
Lân, Trần Trọng Chi dịch từ bản tiếng Nga), NXB Xây Dựng, Hà Nội 1995;
90
[12] Mai Hà San (1991), Nhà cao tầng chịu tác động của tải trọng ngang gió
bão và động đất, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[13] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam: TCXDVN 356 – 2005, Kết cấu bê tông
và Bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[14] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam: TCXDVN 375 – 2006, Thiết kế công
trình chịu động đất, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[15] Tiêu chuẩn Xây dựng (TCVN 1998), Kỹ thuật thiết kế và thi công nhà
cao tầng,NXB Xây dựng, Hà Nội.
[16] Nguyễn Viết Trung (2000), Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện đại
theo tiêu chuẩn ACI,NXB Giao thông, Hà Nội.
[17] Viện khoa học Công nghệ Xây dựng (2008), Hướng dẫn Thiết kế Kết cấu
Nhà cao tầng BTCT chịu động đất, NXB Xây dựng, Hà Nội
[18] Bộ Xây dựng - Viện KHCN Xây dựng (2004), Tập huấn KHCN sau đại
học: Thiết kế nhà cao tầng.
Tiếng Anh
[19] Ahamed Y. Elghazouli (2009), Seismic Design of Buildings to Eurocode
8, first edition 2009, Printed in Singapore.
[20] Anil K. Chopra (), Dynamics of Structures, Prentice Hall, Upper Saddle
River, New Jersey 07458.
[21] Arthur H. Nilson (1997), Design of Conrete Structures, twelfth edition,
McGraw-Hill Company, Printed in Singapore.
[22] Bungale S. Taranath (1998), Steel, Concrete, and Composite Design of
Tall Buildings, second edition, McGraw-Hill Company.
[23] EN 1998 - Eurocode 8: Design of Structure for Earthquake Resistance.