CHUYÊN đề kháng chấn nhà cao tầng

1.Giới thiệu về kháng chấn nhà cao tầng: 2.Khái niệm: 3.Cấu tạo kháng chấn: 4.Giải pháp kháng chấn: 5.Tương tác với các dạng hình học kiến trúc: Trong thời gian gần đây, xu hướng phát triển các công trình xây dựng có kết cấu thanh mảnh bằng việc áp dụng các loại vật liệu cường độ cao đã tạo ra những cuộc chạy đua về chiều cao công trình, chiều dài nhịp cầu treo…Tuy nhiên, độ cản kết cấu của các công trình hiện đại này khá nhỏ do đó nó chịu tác dụng động khá mạnh của các yếu tố môi trường như gió bão, sóng biển và động đất... Chúng tạo ra những dao động không mong muốn và có thể gây mất ổn định công trình (sự cố sụp cầu Tacoma năm 1940) cũng như ảnh hưởng đến các hoạt động của con người và phương tiện trên công trình trong quá trình thi công cũng như khai thác sử dụng. Hiện nay việc xây dựng các tòa nhà cao tầng đang phát triển rất nhanh do nhu cầu nhà ở ngày càng tăng. Do đó việc nghiên cứu các biện pháp làm tính cản, giảm dao động công trình đã và đang được phát triển trong vài thập kỷ qua và đã đạt được những thành công không nhỏ. Sản phẩm của những nghiên cứu trong lĩnh vực này là các loại vật liệu cộng nghệ cao và các liên kết thông minh nhằm tăng tính cản của bản thân kết cấu. Bên cạnh đó là việc phát triển các thiết bị giảm chấn lắp đặt trên công trình.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG KHOA KIẾN TRÚC VÀ QUY HOẠCH

MÔN HỌC:CẤU TẠO KIẾN TRÚC CHUYÊN ĐỀ:KHÁNG CHẤN NHÀ

CAO TẦNG.

Nội dung chuyên đề:

• 1.Giới thiệu về kháng chấn nhà cao tầng:

I.GIỚI THIỆU:

-Trong thời gian gần đây, xu hướng phát triển các công trình xây dựng có kết cấu thanh mảnh bằng việc áp dụng các loại vật liệu cường độ cao đã tạo ra những cuộc chạy đua về chiều cao công trình, chiều dài nhịp cầu treo…Tuy nhiên, độ cản kết cấu của các công trình hiện đại này khá nhỏ do đó nó chịu tác dụng động khá mạnh của các yếu tố môi trường như gió bão, sóng biển và động đất Chúng tạo ra những dao động không mong muốn và có thể gây mất ổn định công trình (sự cố sụp cầu Tacoma năm 1940) cũng như ảnh hưởng đến các hoạt động của con người và phương tiện trên công trình trong quá trình thi công cũng như khai thác sử dụng

-Hiện nay việc xây dựng các tòa nhà cao tầng đang phát triển rất nhanh do nhu cầu nhà ở ngày càng tăng

-Do đó việc nghiên cứu các biện pháp làm tính cản, giảm dao động công trình đã và đang được phát triển trong vài thập kỷ qua và đã đạt được những thành công không nhỏ Sản phẩm của những nghiên cứu trong lĩnh vực này là các loại vật liệu cộng nghệ cao và các liên kết thông minh nhằm tăng tính cản của bản thân kết cấu Bên cạnh đó là việc phát triển các thiết bị giảm chấn lắp đặt trên công trình

I.GIỚI THIỆU:

II.KHÁI NIỆM KHÁNG CHẤN:

thiết kế sao cho công trình xây dựng đảm bảo đủ khả

đất,sóng thần,gió bão….

III.CẤU TẠO KHÁNG CHẤN NHÀ CAO TẦNG:

Cấu tạo kháng chấn nhà cao tầng có thể được chia làm hai phần :

-Cấu tạo kháng chấn nội tại bản thân của công trình : thiết kế các cấu kiện như dầm,cột ,móng có kết cấu chịu được những dao động bất lợi gây nguy hiểm cho công trình.

-Cấu tạo kháng chấn bên ngoài kết cấu công trình : các thiết bị được lắp thêm vào công trình để chống lại những dao động , có thể kể đến như:

2.TRIỆT TIÊU NGOẠI LỰC:

A.Tính cản của công trình

Khả năng tiêu tán năng lượng của kết cấu thông qua các ngoại lực là một trong những kiến thức nền tảng nhất trong phân tích dao động của công trình như tháp, nhà cao tầng, cầu

hay các công trình dân dụng khác

Năng lượng tiêu tán có thể do nhiều nguyên nhân như:

- Sự đàn hồi không đồng nhất của vật liệu công trình

- Sự suất hiện vùng dẻo và ma sát do chuyển vị nhỏ của các nút

- Nội ma sát của vật liệu

- Ma sát do sự co giãn của kết cấu sàn hoặc bệ móng

- Ma sát tại các gối di động của cầu

- Sự cản khí động lực

- Tính chất phi tuyến của kết cấu, ví dụ như các dây cáp

- Năng lượng tiêu tán thông qua nền, móng và các kết cấu chống đỡ khác

-Các thiết bị giảm chấn nhân tạo được lắp đặt trên kết cấu.

B.Tính cản của Khung BTCT và Khung Thép:

Khung bê tông cốt thép có tính cản lớn nên thích hợp với tải gió động hơn

Khung Thép có tính cản thấp nên thích hợp với tải trọng động đất hơn

Người ta làm thí nghiệm mô phỏng dưới tác động của động đất

+ khung BTCT do có tính cản lớn nên đã bị phá hủy tại nút khi có chuyển vị ngang

+ khung Thép do có tính cản thấp nên trước tác động của tải động đất khung Thép không bị phá hoại khi có chuyển vị ngang.

Thí nghiệm với khung bê tông cốt thép

3.Cấu tạo kháng chấn nội tại bản thân công trình

Chính kết cấu cấu tạo nên công trình được thiết kế

để có khả năng kháng chấn trước dao động của công

trình dưới tác động của ngoại lực Nói cách khác là

thiết kế các bộ phận như dầm, cột , móng và các liên

kết được cấu tạo đặc biệt có khả năng kháng chấn.

a.Cấu tạo móng:

-Độ cứng của hệ móng phải đủ để truyền những tác

động nhận được từ kết cấu bên trên xuống nền đất

càng đều đặn càng tốt.

-Chỉ nên sử dụng một dạng móng cho một công

trình.

Ví dụ : -Tòa tháp Taipei 101 tầng ở Đài Bắc với hệ

móng gồm 360 cọc khoan nhồi sâu 80 m với đường

kính 1.5 m chịu được tải trọng 1000 đến 1320 tấn

-Tòa nhà Buji Dubai cũng sử dụng cọc khoan nhồi

đường kính 1.5 m.

b.Cấu tạo cột:

-Kết cấu BTCT : Hàm lượng cốt thép cột tối đa : + Kết cấu thường : µmax = 5%

Ví dụ về nút khung,dầm và liên kết dầm cột

Kết cấu Thép :Các chi tiết liên kết giữa cột và dầm tạo thành liên kết cứng.

Ngoài ra trong kết cấu thép

nhà cao tầng còn bố trí hệ

giằng

Hệ giằng trong kết cấu thép.

4.Cấu tạo kháng chấn ngoài kết cấu công trình:

-Khi tính cản tự có của kết cấu công trình không đủ tiêu tán năng lượng do dao động gây ra,để tăng tính cản của công trình mà không phải thay đổi trạng thái ban đầu của nó là lắp đặt các thiết bị giảm dao động lên công trình nhằm kiểm soát dao động của công trình

-Một số thiết bị đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng rất hiệu quả trong các công trình nhà cao tầng như:

Thiết bị cản bị động : không cần năng lượng để kích hoạt

+ Gối đệm cao su

+ Piston thủy lực

+ Bể nước

Thiết bị cản khối lượng:

+ Con lắc

Thiết bị cản chủ động : cần năng lượng để kích hoạt

a.Gối đệm cao su :Cách ly công trình với nền đất khi có dao động xảy ra,điển hình

là thiết bị HDR ( High Damping Rubber bearing )

c.Bể nước :

Thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng.

khối lượng mà tần số dao động riêng

của nó được điều chỉnh đến tần số

riêng ban đầu của công trình, qua đó

năng lượng dao động của công trình

sẽ được hấp thụ và tiêu tán thông qua

hệ thứ cấp.

TMDs đặc biệt phát huy tác dụng khi

công trình ở trạng thái dao động bình

ổn trước khi cần một khoảng thời

gian nào đấy để chuyển năng lượng

dao động trước khi tiêu tán nó Hiệu

quả giảm chấn của TMDs sẽ giảm khi

công trình dao động với lực kích

động thay đổi liên tục như tải trọng

Hệ thống con lắc điều hòa (tuned mass damper) lắp đặt trên đỉnh tòa nhà Taipei 101 ở Đài Bắc.

IV.Giải pháp kháng chấn:

• Quan niệm thiết kế kháng chấn truyền

thống:

Trước đây, trong các tiêu chuẩn kháng chấn người ta chỉ

mới xem xét đến yếu tố        lực tác động mà chưa chú ý đến        

phương diện năng lượng do động đất truyền vào công  

trình Do đó, người ta chỉ quan tâm đến khả năng chịu lực  

của kết cấu và thường quy định thiết kế công trình làm    

việc trong miền đàn hồi Tuy nhiên, qua quan sát thực tế,  

nội lực xuất hiện trong kết cấu thường lớn hơn từ ba đến

bốn lần nội lực xác định theo thiêu chuẩn kháng chấn hiện  

hành cho một trận động đất có cùng cường độ Và mặc dù

nội lực gia tăng rất lớn nhưng công trình vẫn đứng vững

sau các trận động đất vượt cấp động đất thiết kế cho

phép Có thể giải thích đIều này như sau:

• Sự hình thành “khớp dẻo” ở một số cấu kiện chịu lực: các

biến dạng dẻo không những làm tăng chu kỳ dao động

riêng công trình mà còn hấp thụ phần lớn năng lượng

động đất đưa vào kết cấu.

• Khả năng phân tán năng lượng vốn bị bỏ qua khi tnh toán  

kết cấu: chẳng hạn như khả năng phân tán năng lượng của

các cấu kiện không chịu tải (do nứt, hoặc do ma

sát…); hoặc biến dạng nền đất và sự tác dụng tương    

hỗ giữa đất nền và công trình cũng hấp thụ và phân tán    

một phần năng lượng do động đất truyền vào   .

• Chính vì một số yếu tố nêu trên chưa được đề cập đến

trong thiết kế kháng chấn, nên việc quy định thiết kế các    

công trình chỉ làm việc trong giai đoạn đàn hồi dưới tác

dụng của động đất là chưa hợp lý và có thể xem là    

• Bảo đảm kết cấu có khả năng chiu lực lớn trong miền đàn

hồi.

• Bảo đảm cho kết cấu có khả năng phân tán năng lượng do

động đất truyền vào, thông qua sự biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc các thiết bị hấp thu năng lượng.

• Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết

kế kháng chấn hiện đại là tạo cho kết cấu công trình một độ

bền đủ lớn và một độ cứng thích hợp.

• Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả năng chịu lực của kết

cấu.

• Độ cứng thích hợp nhằm giúp công trình có sự cân bằng

hài hòa về mặt động lực học Bởi tác dụng rung lắc của động đất làm phát sinh chuyển vị và gia tốc trong công trình Nếu công trình có độ cứng quá lớn thì gia tốc sinh ra

sẽ vô cùng lớn, gây rơi vãi đồ đạc thiết bị bên trong nhà dẫn đến thiệt hại về mặt kinh tế Ngược lại, nếu công trình quá mềm thì chuyển vị tương đối giữa các tầng quá lớn, gây biến dạng đáng kể cho cả công trình, làm hư hại các nút liên kết của khung chịu lực, nứt tường, vênh cửa…, ngoài

ra dao động của công trình cũng phát sinh đáng kể gây ảnh hưởng đến tâm lý của người sinh sống và làm việc trong tòa nhà.

=>Như vậy, quan niệm thiết kế hiện đại đã lưu ý thêm phương diện năng lượng do động đất truyền vào công trình Việc thiết kế và tính toán sao cho kết cấu có khả năng phân tán phần năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp công trình làm việc hiệu quả nhất khi có động đất xảy ra.

Các giải pháp thiết kế kháng chấn xem xét đến việc phân tán năng lượng  

Để tránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại

công trình như trên, một số giải pháp thiết kế được

đưa ra nhằm hấp thụ bớt và phân tán đều năng

lượng động đất cho toàn bộ công trình

(a)-Đơn thuần; (b)-Cách chấn; (c)-Giảm chấn

Một công trình xây dựng bị phá hoại trong động đất

do hiện tượng suy yếu cục bộ tại một tầng (weak story mechanism)

Giải pháp cách chấn (seismic isolated structure).

Do chấn động lan truyền trong đất

nền nên phương pháp hay nhất

để hạn chế tác động của động đất là      

tách rời hẳn công trình khỏi đất nền  

Tuy nhiên, do không thể tách rời  

hoàn toàn, người ta bố trí lớp thiết    

bị đặc biệt giữa công trình và đất    

nền gọi là thiết bị cách chấn

(isolator) Thiết bị này có độ cứng

thấp nên khi nền đất dao động, thiết

bị có biến dạng lớn, kết cấu phía trên    

nhờ có quán tnh lớn nên chỉ chịu

một dao động nhỏ Hư hại kết cấu và

thiết bị trong công trình do đó được    

giảm thiểu.

Hiệu quả của giải pháp cách chấn so với kết cấu thông thường.

Phương pháp cách chấn này không chỉ áp dụng để tách rời toàn bộ công trình     khỏi đất nền, mà còn có thể áp dụng theo nhiều cách khác như tách rời một         phần thân, đỉnh hoặc mái khỏi phần kết cấu phía dưới, tùy thuộc đặc điểm      

từng công trình.

Biến dạng của kết cấu đơn thuần.

Khi cách chấn, năng lượng động đất

được hấp thụ và tiêu tán, dao động

của kết cấu phía trên cũng được

giảm đáng kể.

Giải pháp giảm chấn (damped structure): trong trường hợp

năng lượng dao động truyền trực tiếp vào công trình do  

không được tách rời, người ta có thể gia tăng      độ cản

(damping) của bản thân công trình để giải phóng năng lượng  

dao động này bằng cách lắp đặt các    thiết bị giảm chấn

(damper) vào     công trình Có nhiều hình thức giảm chấn: thụ

động, chủ động hay nửa chủ động.

Giảm chấn không điều khiển (passive control):     đây là hình   thức giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của các     thiết bị giảm chấn được lấy từ chính năng lượng dao động   của bản thân công trình Năng lượng có thể được tiêu tán

dưới dạng nhiệt năng của hiện tượng ma sát (friction

damper), biến dạng dẻo của kim loại   (buckling restrained brace, stifened shear panel), tnh cản nhớt  (viscous/visco- elastic damper) hoặc độ cản thủy lực     (oil damper). Có nhiều

phương thức lắp đặt các thiết bị này trong công trình (xem       hình dưới)  

Các hình thức lắp đặt thiết bị “damper” trong

giảm chấn không điều khiển (passive control).

Hệ thống “tường/khung cứng chân khớp” (rocking wall/frame) cũng có khả năng giảm chấn và phân tán lực cho công trình.

Giảm chấn có điều khiển (active control): các thiết bị  

dạng này hoạt động được nhờ vào cấc nguồn năng

lượng từ bên ngoài (điện, khí nén…) Thông qua các

cảm biến, thông tin về tải trọng, về dao động của

công trình được đưa về bộ xử lý trung tâm Bộ điều

khiển trung tâm sẽ xử lý tn hiệu và phát lệnh cho bộ  

phận thi hành để thực hiện việc tăng độ cản hay phát  

lực điều khiển chống lại dao động, chẳng hạn như

các hệ thống TMD (Tuned Mass Damper), LTD (Liquid

Tuned Damper)…

Ngoài ra, người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn, cũng như đưa thêm khả năng chủ động vào hệ thống để tăng thêm hiệu quả kháng chấn cho công trình

Giải pháp cách chấn có điều khiển

(super-active base isolation) ở công trình Obayashi

Techno Station, Tokyo

Phối hợp cách chấn và giảm chấn (isolator và oil damper) trong một công trình.

Thiết bị cản chủ động : (active control of structure vibrations)

V.TƯƠNG TÁC,ẢNH HƯỞNG CỦA GIẢI PHÁP KHÁNG

CHẤN TỚI HÌNH THỨC KIẾN TRÚC:

Thiết kế kháng chấn – Buckling restrained brace.

tại trường Đại học Công nghệ Tokyo (Tokyo Institute of

30 năm, không đủ khả năng chịu động đất, do đó cần  được cải tạo

Để gia cố tòa nhà này, người ta sử dụng các

thanh giằng có khả năng hấp thụ và tiêu tán

năng lượng do động đất truyền vào, nhờ cấu

tạo đặc biệt có thể nén giãn đúng tâm (tên tiếng

Anh của loại thanh giằng này là steel

energy-dissipation brace, hay buckling restrained

brace).

Thí nghiệm cho thấy sự khác biệt giữa khung bê tông thông thường và khung bê tông đã gia cố    

Sự phối hợp nhịp nhàng giữa kết cấu

và kiến trúc là ở đây: sau khi các

thanh giằng được lắp đặt, lớp lam

ngang được đặt ngoài cùng nhằm

hoàn thiện tnh thẩm mỹ cũng như

điều hòa dòng không khí đối lưu cho

toàn bộ công trình.

Sự hòa quyện tuyệt vời giữa đường nét kiến trúc và chức năng kết cấu  

Và đây là tòa nhà sau khi được cải tạo, với một dáng dấp hiện đại, tao nhã.

Thiết kế kháng chấn – Rocking wall:tại trường Đại học Công nghệ Tokyo

(Tokyo Institute of Technology) ở tòa nhà   G3 (Suzukakedai Campus). 

Toàn cảnh Suzukakedai Campus của trường Đại học

Công nghệ Tokyo Tòa nhà G3 nằm ở góc trái hình

Tòa nhà được xây dựng năm 1979, chiều cao 39,7 m,

gồm 11 tầng và 1 tầng hầm, kết cấu bê tông cốt thép,

đã khá cũ kỹ cần được cải tạo

Quan niệm thiết kế cải tạo cho công trình này rất đơn giản Thay vì để một tầng bị phá hoại do sự suy yếu    cục bộ của công trình, người ta khống chế sao cho chuyển vị ngang của các tầng là như nhau,

nhờ đó lực tác động của động đất vào các      tầng được phân bố hài hòa hơn, biến dạng và phá  hoại của công trình được giảm thiểu

Để tránh cho nhà khỏi bị sập người ta có thể gia cố bằng cách gắn thêm thanh giằng tại các tầng

Ở đây, người ta đưa ra giải pháp khác, gắn vào cả tòa

nhà một dạng tường cứng có khả năng chuyển vị

tương đối (từ chuyên môn là rocking wall, tạm dịch

là “tường nhảy nhót” vì nó có thể nhún nhảy theo tòa

nhà!)

Vì tường ngăn theo phương cạnh ngắn giúp tòa nhà cứng hơn theo phương này Do đó, chỉ cần gia cố thêm theo phương cạnh dài

Hình ảnh minh họa cho việc lắp đật thêm hệ thống tường cứng “rocking wall” này Vì sao tường cần phải nhún nhảy? Vì cần phải tiêu tán bớt năng lượng do động đất truyền vào công trình Đây là điểm khác biệt lớn nhất so với tường cứng thông thường

Và tòa nhà đã được khoác áo mới sau khi cải tạo Không bị các thanh giằng xiên xiên làm cho xấu xí như phương pháp thông thường

Chi tiết cấu tạo nút khớp ở dưới đáy giúp

hệ tường có thể “nhún nhảy” Nút khớp này

có thể chịu cắt nhưng giải phóng được momen.

Sau những mẫu thí nghiệm để lựa chọn ra cấu tạo thích hợp nhất cho thiết bị giảm chấn (damper).Và đây

là lựa chọn cuối cùng để áp dụng vào công trình.Thiết bị giảm chấn giúp cho công trình “dễ chịu” hơn

trước động đất, vì nó hấp thụ và tiêu tán bớt năng lượng

Nét thú vị khi nhìn vào tòa nhà này là sự hài hòa giữa ý tưởng kết cấu và tnh thẩm mỹ

Thiết kế kháng chấn - Base isolation tại trường Đại học Công

nghệ Tokyo (Tokyo Institute of Technology)

Với tòa nhà     J2 tại Suzukakedai Campus, kết cấu thép, áp dụng phương pháp cách chấn

nền (base isolation).

Tòa nhà J2, cao 20 tầng (91,3 m), kích thước nhịp 15,8 m và bước cột 6,6 m.

Nguyên lý thiết kế cách chấn được hiểu đơn giản như sau: thông thường công trình sẽ nhận toàn bộ lực động đất xô ngang, tuy nhiên khi có lớp cách chấn thì công trình được “tách rời” tương đối với mặt đất, nhờ đó giảm được ảnh hưởng bởi tác động xô ngang của động đất

Mô hình lớp cách chấn cho thấy toàn bộ các cột được tách rời khỏi

hệ móng và được đặt lên hệ thống gối đỡ cách chấn hay gọi tắt  

là gối đệm (isolator) Có thể hình dung như tòa nhà được “bưng”

hẳn lên khỏi mặt đất bởi các gối đệm này Khi động đất xảy ra, tòa nhà sẽ dao động “êm ái” hơn vì được các gối đỡ “ẵm bồng” và hấp thụ bớt năng lượng.