TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘNG ĐẤT
V ÀI NÉT Về XÂY DựNG NHÀ CAO TầNG HIệN NAY
1.1.1 Sự hình thành và phát triển nhà cao tầng của thế giới
Tốc độ đô thị hóa và phát triển kinh tế, xã hội đang thúc đẩy sự thay đổi trong không gian kiến trúc đô thị, dẫn đến nhu cầu tăng cao về nhà ở, văn phòng, trung tâm thương mại và khách sạn, trong khi quỹ đất xây dựng ngày càng khan hiếm, đẩy giá đất lên cao Các công trình cao tầng được coi là biểu tượng của đô thị văn minh, trở thành chiến lược phát triển tất yếu và khoa học Việc xây dựng nhà cao tầng, đặc biệt là các tòa nhà chọc trời tại các đô thị lớn, không chỉ đáp ứng cấu trúc đô thị đa trung tâm mà còn góp phần tạo dựng hình ảnh của một "Đô thị hiện đại", khẳng định thương hiệu và đẳng cấp của quốc gia Những tòa nhà này thể hiện trình độ khoa học, công nghệ và sức mạnh kinh tế của quốc gia, đồng thời mang lại sự hấp dẫn cho các thành phố Ví dụ, các tòa nhà nổi tiếng như Burj Dubai, tháp Taipei, và tháp đôi Petronas không chỉ thúc đẩy kinh tế mà còn thể hiện sự giàu có và quyền lực của quốc gia, khiến cho cơn sốt xây dựng cao ốc tiếp tục gia tăng, ngay cả ở những thành phố ít được biết đến cũng khao khát sở hữu kiến trúc độc đáo để thay đổi diện mạo của mình.
1.1.2 Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng
Hiện nay, vẫn chưa có định nghĩa thống nhất về nhà cao tầng Theo Ủy ban Quốc tế về Nhà cao tầng, nhà cao tầng được hiểu là công trình có chiều cao ảnh hưởng đến ý đồ và phương pháp thiết kế Cụ thể, một công trình được coi là nhà nhiều tầng nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường.
− Phân loại theo mục đích sử dụng:
1.1.2.2 Phân lo ạ i nhà cao t ầ ng
+ Nhà làm việc và các dịch vụ khác
− Phân loại theo hình dạng:
Nhà tháp có mặt bằng hình tròn, tam giác, vuông hoặc đa giác đều cạnh, với hệ thống giao thông theo phương đứng tập trung vào một khu vực duy nhất Trong khi đó, nhà dạng thanh có mặt bằng chữ nhật, cho phép nhiều đơn vị giao thông hoạt động theo phương thẳng đứng.
− Phân loại theo chiều cao nhà:
+ Nhà cao tầng loại I : Từ 09 đến 16 tầng (cao nhất 50m)
+ Nhà cao tầng loại II : Từ 17 đến 25 tầng (cao nhất 75m)
+ Nhà cao tầng loại III : Từ 26 đến 40 tầng (cao nhất 100m)
+ Nhà cao tầng loại IV : 40 tầng trở lên (nhà siêu cao tầng)
− Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực:
+ Nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép
+ Nhà cao tầng bằng thép
+ Nhà cao tầng có kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép
Các quốc gia trên thế giới phân loại nhà cao tầng theo sự phát triển riêng của mình, trong khi Việt Nam hiện đang theo xu hướng phân loại của Ủy ban nhà cao tầng Quốc tế Một công trình được coi là cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó chịu ảnh hưởng chủ yếu từ tải trọng ngang, bao gồm gió bão và động đất Mặc dù chưa có định nghĩa thống nhất về nhà cao tầng, đa số kỹ sư kết cấu đồng ý rằng ranh giới giữa nhà thấp tầng và nhà cao tầng liên quan đến sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân tích động học khi chịu tải từ gió và động đất, liên quan đến dao động và ổn định của công trình.
Hiện nay, các Kỹ sư kết cấu đang phải đối mặt với thách thức thiết kế các công trình nhà cao tầng ngày càng cao, nhẹ và mảnh hơn so với trước đây Nghiên cứu toàn cầu đã chỉ ra rằng xu hướng này sẽ tiếp tục trong tương lai, với các công trình có độ mảnh cao không chỉ đáp ứng yêu cầu về tính thẩm mỹ mà còn mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội.
Hình 1.1 Tòa nhà Landmark 81 (Việt Nam)
Hình 1.2 Trung tâm thương mại One World (New York)
Hình 1.3 Tòa tháp Burj Khalifa (Dubai)
M ộT Số Hệ KếT CấU CHịU LựC TRONG NHÀ CAO TầNG
1.2.1 Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản trong nhà cao tầng
Hệ khung chịu lực được hình thành từ các cấu kiện như cột, dầm và liên kết cứng, tạo nên các khung phẳng hoặc khung không gian theo trục lưới cột trong mặt bằng nhà Tải trọng tác động lên khung bao gồm cả tải trọng đứng và ngang, khiến các thanh cột và dầm phải chịu uốn, cắt, kéo và nén Chuyển vị của khung bao gồm hai thành phần: chuyển vị ngang do uốn chiếm khoảng 20% và chuyển vị ngang do biến dạng của các thanh thành phần chiếm khoảng 80%, trong đó dầm chiếm 65% và cột chiếm 15% Với độ cứng ngang thấp và khả năng chịu tải hạn chế, khung thường chỉ phù hợp cho các tòa nhà không quá 30 tầng khi lưới cột được bố trí đều đặn với khoảng cách 6-9m trên mặt bằng.
Hình 1.4 Khung bê tông cốt thép
Các cấu kiện chịu lực thẳng đứng trong nhà được hình thành từ hệ tấm gương phẳng Tùy theo cách bố trí tường, có thể có các sơ đồ như tường dọc chịu lực, tường ngang chịu lực, hoặc sự kết hợp của cả hai loại tường này.
Tường chịu tải trọng ngang và đứng, với tải trọng ngang được truyền qua các tấm tường thông qua hệ thống bản sàn cứng Các vách cứng hoạt động như công xon có chiều cao tiết diện lớn, và khả năng chịu tải của chúng phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang.
Hiện nay, vật liệu xây dựng và cấu trúc tường rất đa dạng, không chỉ giới hạn ở gạch đá mà còn bao gồm hệ lưới thanh tạo thành các cột liên kết qua các dầm ngang và xiên Hệ tường chịu lực là lựa chọn lý tưởng cho các công trình cần phân chia không gian bên trong như nhà ở, văn phòng, khách sạn và bệnh viện, đặc biệt cho các công trình có chiều cao dưới 40 tầng.
Hình 1.5 Kết cấu vách chịu lực
Lõi công trình có dạng hộp rỗng với tiết diện kín hoặc hở, chịu tải trọng đứng và ngang, truyền lực xuống đất nền Bên trong các ô giằng thường được sử dụng để lắp đặt thang máy, thang bộ hoặc hệ thống kỹ thuật.
Hình 1.6 Kết cấu lõi thang máy
Hệ hộp chịu tải trọng đứng và ngang, với các bản sàn được gối lên kết cấu chịu tải nằm trong mặt phẳng tường ngoài mà không cần các kết cấu trung gian bên trong Giải pháp lưới không gian với các thanh chéo thường được áp dụng cho các tòa nhà cao trên 40 tầng.
1.2.2 Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp trong nhà cao tầng
Về mặt cấu tạo kết cấu được cấu tạo từ sự kết hợp giữa 2 hay nhiều hệ đã nêu trên: khung-vách, khung-lõi, khung-hộp, khung -vách-lõi…
Hệ khung-vách thường được áp dụng cho các ngôi nhà có mặt bằng chữ nhật kéo dài, chịu lực chủ yếu theo phương ngang Các vách cứng được bố trí chủ yếu dọc theo phương ngang của ngôi nhà, làm cho kết cấu này trở thành giải pháp phổ biến cho kiến trúc nhà cao tầng.
Trong hệ kết cấu này, tải trọng ngang chủ yếu được truyền vào lõi cứng, trong khi hệ khung chủ yếu chịu tải trọng đứng Việc đưa hệ khung ra chu vi giúp tận dụng khả năng chịu uốn tốt, đồng thời hình thành hệ khối không gian, từ đó tăng cường độ cứng tổng thể cho công trình trong cả chịu uốn và chịu xoắn.
Kết cấu chịu lực trong xây dựng chủ yếu bao gồm các vách cứng (tường) và sàn chịu tải trọng đứng gối lên tường Ưu điểm của tấm tường là vừa chịu lực vừa đóng vai trò là kết cấu bao che, đồng thời cho phép cơ giới hóa cao trong thi công Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là hạn chế trong việc bố trí mặt bằng, gây khó khăn trong việc tạo ra không gian lớn.
1.2.2.4 Nhà có s ơ đồ k ế t h ợ p khung-vách
− Sử dụng sơ đồ nhà kết hợp dựa vào sự làm việc hợp lý của kết cấu
Hệ thống khung không gian lớn ở tầng dưới kết hợp theo phương đứng, hỗ trợ vách cứng bên trên, giúp tạo ra không gian tương đối rộng rãi cho các tầng dưới và tăng cường khả năng chịu tải trọng ngang.
Kết hợp theo phương ngang trong thiết kế mặt bằng bao gồm khung và các vách cứng, trong đó vách cứng chủ yếu chịu tải trọng ngang Phương pháp này mang lại lợi ích khi kết hợp các yếu tố, giúp công trình vừa đáp ứng không gian yêu cầu vừa có khả năng chịu tải trọng cao.
Có hai dạng nhà kết hợp theo phương ngang tùy thuộc vào cách làm việc của hệ: thứ nhất, nhà có sơ đồ giằng, nơi toàn bộ tải trọng ngang và một phần tải trọng đứng được lõi vách chịu, với khung chịu tải trọng đứng tương ứng với diện tích truyền tải; thứ hai, nhà có sơ đồ khung-giằng, trong đó khung chịu tải trọng đứng tương đương với diện tích chịu tải và một phần tải trọng ngang được truyền vào lõi, vách chịu.
T ảI TRọNG TÁC DụNG LÊN NHÀ CAO TầNG
Tải trọng thường xuyên là tải trọng không thay đổi trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình, bao gồm trọng lượng của các kết cấu như kết cấu thẳng đứng, sàn, mái, cũng như các vật trang trí và vách ngăn Tổng trọng lượng này được coi là tải trọng thường xuyên đối với ngôi nhà.
Tải trọng tạm thời khác biệt rõ rệt so với tải trọng thường xuyên, vì chúng không ổn định và khó dự đoán Những tải trọng này có thể biến đổi theo thời gian và vị trí đặt, với sự thay đổi có thể diễn ra trong khoảng thời gian ngắn hoặc dài Do đó, tải trọng tạm thời không thể được xác định trước như tải trọng tĩnh.
Tải trọng sử dụng do các thiết bị gây ra bao gồm trọng lượng của người, đồ gỗ, bức ngăn di động, tủ sách, tủ tài liệu và các tải trọng bán cố định hoặc tạm thời khác Độ lớn của tải trọng được phân loại thành tải trọng phân bố đều tương đương, phản ánh điều kiện thực tế của tải trọng sử dụng, và tải trọng tập trung, đặc trưng cho lực đơn vị tác động vào những vị trí nhỏ như bậc thang, lối đi, hay gara ôtô.
Trong thiết kế kết cấu, các tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời là những yếu tố chính được xem xét Tuy nhiên, trong quá trình xây dựng, các cấu kiện có thể phải chịu tải trọng lớn hơn so với tải trọng tính toán ban đầu Những tải trọng này được gọi là tải trọng lắp ghép và đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán thiết kế kết cấu.
Việc tập trung thiết bị nặng trong diện tích hạn chế có thể gây ra tải trọng vượt quá khả năng chịu lực của kết cấu, dẫn đến nguy cơ phá hủy Tháo dỡ ván khuôn khi bê tông chưa đạt cường độ tính toán cũng làm tăng nguy cơ này Khi thiết kế dầm, cần tính toán tải trọng lắp ghép vì dầm hoạt động liên hợp với sàn bê tông cốt thép, nhưng trong quá trình xây dựng, không có liên kết tạm thời, do đó cần kiểm tra khả năng chịu tải của dầm khi không có sàn.
Tác động của động đất thiết kế được định nghĩa là sự kết hợp giữa ảnh hưởng của động đất và các tải trọng khác để xác định trạng thái giới hạn của hệ kết cấu Chuyển động của nền đất có thể được biểu thị qua nhiều hình thức khác nhau, bao gồm các tĩnh lực ngang tương đương, đỉnh gia tốc, đỉnh tốc độ, đỉnh chuyển vị, cũng như thông qua các phổ phản ứng và gia tốc đồ.
Hiện nay, thiết kế công trình xây dựng ở các vùng động đất thường áp dụng các phương pháp như tính toán tĩnh lực ngang tương đương, phổ phản ứng hoặc gia tốc đồ để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
V ÀI NÉT Về ĐộNG ĐấT TÁC DụNG LÊN CÔNG TRÌNH
1.4.1 Định nghĩa về động đất Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh của nền đất gây ra bởi một sự giải phóng năng lượng đột ngột trong vỏ Trái Đất
Các nhà khoa học có thể xác định điểm trung tâm của các chuyển động địa chấn, gọi là chấn tiêu, nơi phát ra năng lượng và là điểm khởi đầu của sóng địa chấn Hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất được gọi là chấn tâm Độ sâu chấn tiêu (H) là khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm, trong khi tiêu cự (D) và tâm cự (L) lần lượt là khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm đến điểm quan trắc.
Tùy thuộc vào độ sâu của chấn tiêu (H) mà động đất có thể được phân thành các loại sau:
+ Động đất trung bình: H = 70 – 300 km
Các trận động đất mạnh thường xảy ra ở độ sâu H = 30 – 100km
Hình 1.7 Vị trí phát sinh động đất
1.4.2 Tác động của động đất tới nền đất và công trình xây dựng Động đất có thể gây ra các hậu quả tác động rất khác nhau tới nền đất và các công trình xây dựng
Các biến dạng do động đất có ảnh hưởng lớn đến sự an toàn của công trình xây dựng Nghiên cứu phản ứng của công trình thường giả định rằng nền đất ổn định, không có biến dạng liên tục Tuy nhiên, đối với nền đất có nguy cơ mất ổn định, lún do hóa lỏng hoặc nén chặt khi xảy ra động đất, cần tiến hành khảo sát kỹ lưỡng và áp dụng các kỹ thuật gia cố nền trước khi xây dựng.
1.4.3 Đánh giá sức mạnh của động đất
1.4.3.1 Thang c ườ ng độ độ ng đấ t
Thang cường độ động đất (Earthquake Intensity) là công cụ đánh giá sức mạnh của động đất một cách định tính, với nhiều loại thang khác nhau được xây dựng dựa trên mức độ phá hoại của công trình và phản ứng của con người trước các chấn động Các cấp độ động đất được ký hiệu bằng chữ số La Mã, mỗi cấp tương ứng với mô tả định tính về hậu quả do động đất gây ra Dưới đây là một số thang cường độ động đất chính đang được áp dụng trên toàn thế giới.
Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi (Modified Mercalli – MM) đang được áp dụng phổ biến tại Châu Âu, Bắc Mỹ và nhiều khu vực khác trên thế giới Thang MM gồm 12 cấp độ, giúp chúng ta có cái nhìn chủ quan về mức độ ảnh hưởng của một trận động đất đến con người và các công trình xây dựng tại một địa điểm cụ thể.
Bảng 1.1 Thang cường độ động đất Mercalli
Cường độ I MM Mô tả tác động của động đất Gia tốc cực đại gần đúng của nền đất (g)
I Con người không cảm nhận được, chỉ có các địa chấn thiết kế mới ghi nhận được
II Một số ít người sống ở các tầng trên của toàn nhà cảm nhận được hoạt động của địa chấn Các vật treo có thể dao động
Nhiều người mô tả cảm giác địa chấn giống như rung động do xe ô tô chạy với tốc độ cao gây ra, trong khi xe ô tô đỗ lại có thể bị dịch chuyển.
IV Tất cả mọi người ở trong nhà cảm nhận được hoạt động địa chất Người đang ngủ bị thức giấc Ô tô đang đỗ bị dịch chuyển mạnh
V Tất cả mọi người cảm nhận được hoạt động địa chấn Đồ đạc và giường ngủ bị lắc Đồ sứ bị vỡ Trần thạch cao bị nứt
VI Đa số người hoảng sợ chạy ra khỏi nhà Chuông kêu, con lắc đồng hồ bị dừng Trần thạch cao rơi xuống Ống
Cường độ I MM mô tả tác động của động đất với gia tốc cực đại gần đúng của nền đất (g) dẫn đến hư hỏng khói lò sưởi và gây ra thiệt hại nhẹ cho nhà cửa.
VII Tất cả mọi người chạy ra khỏi nhà
Nhà bị hư hỏng phụ thuộc vào chất lượng xây dựng
Các tường ngăn bị nứt và khung, tượng, tháp chuông bị đổ do các vết nứt xuất hiện trên nền đất dốc hoặc ẩm ướt, cùng với hiện tượng đá trên núi rơi xuống, gây ra sự khó chịu cho người lái xe.
IX Nhà bị dịch chuyển khỏi móng, bị nứt, bị nghiêng, đa số không sử dụng được Nền đất bị nứt hở ra Các đường ống ngầm bị vỡ
X Nền đất bị trượt Đường ray bị uốn cong Các công trình bằng khối xây bị đổ Mặt đất mở ra
XI Cầu bị đổ Chỉ có những công trình mới xây không bị đổ nhưng thường bị hư hỏng nặng
Các công trình do con người xây dựng có thể gây ra sự phá hủy hoàn toàn địa hình, làm thay đổi cấu trúc tự nhiên, tạo ra các đứt gãy lớn và làm đổi dòng các con sông nhỏ.
− Thang cường độ động đất JMA được cơ quan khí tượng Nhật Bản (Japanese Meteorological Agency – JMA) đề xuất với 8 cấp độ vào năm 1949
Bảng 1.2 Thang cường độ động đất JMA
Cường độ Mô tả tác động động đất
O Không cảm nhận được: con người không cảm nhận được nhưng địa chấn ghi được
I Nhẹ: những người đang nằm nghỉ hoặc những người đặc biệt nhạy cảm với động đất cảm nhận được
Cường độ Mô tả tác động động đất
II Yếu: đa số người cảm nhận được; các cửa ra vào và các cửa trượt kiểu
Nhật Bản kêu lách cách
Trong mức độ rung động tương đối mạnh, các ngôi nhà một tầng và nhiều tầng sẽ bị rung lắc, gây ra va chạm mạnh ở các cửa ra vào và cửa trượt kiểu Nhật Bản Đồng thời, các đèn chùm và vật treo cũng sẽ bị chao lắc, trong khi chất lỏng trong bình sẽ có sự chuyển động rõ rệt.
IV Mạnh: Các ngôi nhà một tầng và nhiều tầng bị lắc mạnh, dẫn đến việc các vật không ổn định bị lật Chất lỏng trong bình chứa khoảng 4/5 thể tích bị bắn ra ngoài.
Động đất rất mạnh đã gây ra nhiều thiệt hại, bao gồm nứt tường thạch cao, lật mộ chí và cửa mái, cùng với hư hại cho ống khói bằng gạch và các kho hàng xây dựng từ vật liệu địa phương.
VI Thảm họa: khoảng dưới 30% nhà gỗ Nhật Bản bị đổ nát, nhiều nơi bị lở đất và đê bị hư hỏng; mặt đất bằng bị nứt
VII Tàn phá: trên 30% nhà gỗ Nhật Bản bị đổ nát
Thang MSK-64, được phát triển bởi Medveded, Sponhauer và Karnic vào năm 1964, là một thang đo cường độ địa chấn diện rộng nhằm đánh giá mức độ khốc liệt của rung động mặt đất dựa trên các tác động quan sát được trong khu vực xảy ra động đất Để xây dựng thang này, các tác giả đã phân loại tác động phá hoại của động đất lên các công trình xây dựng và đánh giá cường độ thông qua hàm dịch chuyển cực đại của con lắc tiêu chuẩn với chu kỳ dao động T = 0.25s Thang MSK-64 bao gồm 12 cấp độ khác nhau.
Bảng 1.3 Thang cường độ động đất MSK
Hậu quả tác động động đất Lên con người Lên công trình XD
Cấp 1 Không đáng kể Không cảm nhận được
Cấp 2 Rất nhẹ Cảm nhận rất nhẹ
Chủ yếu những người đang nghỉ ngơi mới cảm nhận được
Hậu quả tác động động đất Lên con người Lên công trình XD
Cấp 4 Hơi mạnh Những người ở trong nhà cảm nhận được Kính cửa sổ bị rung
Những người ở trong và ngoài nhà cảm nhận được, người đang ngủ thức dậy
Các đồ vật treo đung đưa, các bức tranh treo trên tường bị dịch chuyển
Cấp 6 Mạnh Nhiều người hoảng sợ Kết cấu bị hư hỏng nhẹ, các vết nứt nhỏ ở lớp trát
Cấp 7 Rất mạnh Nhiều người chạy ra khỏi nhà
Hư hỏng lớn ở kết cấu xuất hiện vết nứt ở tường và ống khói
Cấp 8 Thiệt hại Tất cả mọi người hoảng sợ
Nhà bị hư hại, xuất hiện các vết nứt lớn trên khối xây, tường chắn mái và đầu hồi bị đổ
Cấp 9 Thiệt hại lớn Sợ hãi Nhà bị hư hỏng ở diện rộng, tường và mái bị đổ
Cấp 10 Cực kỳ thiệt hại Sơ hãi bao trùm Nhà bị hư hỏng toàn bộ, nhiều nhà bị đổ
Sơ hãi bao trùm Các công trình xây dựng chắc chắn bị hư hỏng nghiêm trọng
Cấp 12 Hủy diệt toàn bộ Sơ hãi bao trùm Nhà và các công trình khác bị đổ hoàn toàn
Trong tính toán công trình, cường độ động đất theo các thang cường độ không cung cấp thông tin quan trọng về chuyển động của nền đất, như chuyển vị, tốc độ và gia tốc cực đại, cần thiết cho tính toán kháng chấn Việc thiết lập mối quan hệ giữa cường độ động đất và gia tốc nền lớn nhất là không hợp lý, vì cường độ chỉ dựa trên cảm nhận và hậu quả thực tế Tuy nhiên, sự cần thiết sử dụng dữ liệu lịch sử và tiêu chuẩn thiết kế đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm cách kết nối hai thông số này Tiêu chuẩn "Thiết kế công trình chịu động đất" của Việt Nam TCVN 9386 – 2012 cung cấp số liệu tương quan giữa cấp cường độ động đất và đỉnh gia tốc trên nền đá gốc theo gia tốc trọng trường g.
Bảng 1.4 Tương quan giữa cấp cường độ động đất và đỉnh gia tốc nền
Cấp cường độ động đất Đỉnh gia tốc nền
1.4.3.2 Thang đ o độ l ớ n độ ng đấ t
Kết luận chương 19 CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT
Mặc dù nguy cơ động đất ở Việt Nam không lớn như một số quốc gia như Nhật Bản hay Trung Quốc, nhưng trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay, nguy cơ thiên tai có thể gia tăng Thiệt hại do động đất phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng và khả năng chịu lực của các công trình xây dựng Với sự gia tăng của các tòa chung cư và cao ốc, an toàn khi xảy ra động đất đang trở thành mối lo ngại lớn của nhiều gia đình Do đó, các công trình xây dựng, đặc biệt là nhà cao tầng, cần tuân thủ các yêu cầu nghiêm ngặt về tính toán tải trọng tác động, bao gồm tải trọng động đất và tải trọng gió bão.
CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHỊU
C ÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KếT CấU CHịU ĐộNG ĐấT
Các phương pháp tính toán để xác định phản ứng của công trình xây dựng dưới tác động của chuyển động địa chấn có thể được phân loại chủ yếu thành hai nhóm.
− Phân loại theo tính chất của tác động động đất lên công trình;
+ Các phương pháp tính toán tĩnh: Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương; phương pháp tĩnh phi tuyến (phương pháp tính toán đẩy dần “push-over”)
+ Các phương pháp tính toán động: Phương pháp phổ phản ứng; phương pháp phân tích theo dạng chính; phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động
− Phân loại theo đặc tính làm việc của hệ kết cấu chịu lực của công trình xây dựng;
+ Các phương pháp tính toán đàn hồi tuyến tính: Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương; phương pháp phổ phản ứng; phương pháp phân tích theo dạng chính
+ Các phương pháp tính toán phi tuyến: Phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến (push-over); phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động [11].
P HƯƠNG PHÁP TĨNH LựC NGANG TƯƠNG ĐƯƠNG
Phương pháp tính toán tĩnh lực ngang tương đương là phương pháp đơn giản nhất để xác định phản ứng của kết cấu dưới tác động động đất Phương pháp này giả định rằng kết cấu hoạt động theo cơ chế đàn hồi tuyến tính, trong khi tính phi tuyến hình học có thể được xem xét gián tiếp.
Phương pháp tính toán này cung cấp kết quả gần đúng về biến dạng của kết cấu cho đến khi xảy ra biến dạng không đàn hồi lớn Tuy nhiên, nó không xem xét một số tính chất phản ứng quan trọng của kết cấu, bao gồm sự phân bố lại nội lực, các hiệu ứng cản trở, cũng như sự suy giảm độ cứng và độ bền.
Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương đơn giản là công cụ phổ biến trong thiết kế các công trình có chu kỳ cơ bản từ 1.5 đến 2.0 giây Tuy nhiên, đối với các công trình có hình dạng không đều hoặc chu kỳ dài, cần áp dụng các phương pháp động chính xác hơn như phân tích dạng hoặc phân tích lịch sử phản ứng không đàn hồi.
2.2.1 Tổng quan về cách thức xác định tải trọng động đất
Trong thiết kế kháng chấn, việc tính toán thường dựa trên mô hình đàn hồi với các tiết diện chưa nứt, trong đó khối lượng mỗi sàn được giả định tập trung tại trọng tâm của sàn.
Lực cắt đáy do động đất gây ra phụ thuộc vào các yếu tố sau:
− Vùng hoạt động động đất;
− Điều kiện nền đất tại địa điểm xây dựng;
− Tầm quan trọng của công trình;
− Hệ số làm việc của kết cấu;
− Phổ thiết kế động đất;
− Khối lượng của công trình, [11] a Vùng hoạt động của động đất
Chuyển động của nền đất tại một địa điểm do động đất gây ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó độ lớn của động đất và khoảng cách đến chấn tiêu là hai yếu tố quan trọng nhất.
Mức độ hoạt động động đất được đo qua gia tốc chuyển động của nền đá hoặc đất cứng, với chu kỳ lặp không vượt quá 90% trong 50 năm Gia tốc nền được phân vùng theo địa danh đến cấp quận, huyện của 64 tỉnh, thành trên toàn quốc, điều này thể hiện tầm quan trọng của việc đánh giá rủi ro động đất cho các công trình xây dựng.
Mức độ quan trọng của một công trình xây dựng được xác định như sau:
− Các hậu quả mà công trình gây ra đối với tính mạng con người và những người còn sống sót nếu nó bị hư hỏng hoặc bị sụp đổ
− Ảnh hưởng của công trình xây dựng tới việc cứu trợ và khôi phục lại các hoạt động ngay sau động đất
− Ảnh hưởng của công trình xây dựng tới cuộc sống cư dân sau động đất
− Các ảnh hưởng của công trình xây dựng tới các hoạt động kinh tế
− Sự khó khăn của việc thi công xây dựng lại công trình sau động đất
Các hệ số tầm quan trọng của công trình thường dao động từ 0,8-1,8 [11] c Điều kiện làm việc của kết cấu
Trong thiết kế kháng chấn hiện đại, cho phép làm việc sau giai đoạn đàn hồi, với tải trọng động đất được giả định nhỏ hơn Một số tiêu chuẩn sử dụng hệ số giảm tải, gọi là hệ số làm việc hoặc hệ số ứng xử q, phụ thuộc vào vật liệu, độ dẻo của các cấu kiện và loại hệ kết cấu Điều kiện nền đất dưới chân công trình cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế.
Nền đất dưới chân công trình được phân loại thành nhiều loại với độ cứng khác nhau, và mỗi loại nền đất sẽ có phổ phản ứng động đất riêng biệt Do đó, việc lựa chọn giải pháp kết cấu phù hợp và đảm bảo tính đều đặn cho công trình là rất quan trọng.
Các giải pháp kết cấu và tính toán độ bền của công trình thường được đánh giá thông qua việc xác định hệ số làm việc (q hoặc R) Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình.
Các giá trị phổ thiết kế bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm trị số gia tốc nền, điều kiện nền đất tại vị trí xây dựng và chu kỳ dao động của công trình Trọng lượng của công trình cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.
Trọng lượng công trình được tính toán để đánh giá tác động của động đất bao gồm toàn bộ tải trọng thường xuyên và một phần tải trọng tạm thời có thể xảy ra trong quá trình động đất Theo TCVN 9386:2012, trọng lượng công trình được thay thế bằng khối lượng công trình.
2.2.2 Cách xác định tải trọng động đất a Phạm vi áp dụng
Theo TCVN 9386:2012, phương pháp tĩnh lực ngang tương đương là một trong hai phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính dùng để tính toán các công trình chịu tác động của động đất Phương pháp này áp dụng cho các công trình xây dựng khi đáp ứng đầy đủ hai điều kiện cụ thể.
− Có các chu kỳ dao động cơ bản T 1 theo hai hướng chính nhỏ hơn các giá trị sau:
Trong đó T c cho trong mục 3.2.2.2 TCVN 9386:2012
− Thỏa mãn những tiêu chí về tính đều đặn theo mặt đứng cho trong mục
4.2.3.3 TCVN 9386:2012 [2] b Mô hình tính toán
Khi tính toán hệ kết cấu, có thể xem xét các kết cấu chịu tải trọng ngang và đứng liên kết qua các tấm sàn cứng Nếu các tấm sàn được coi là cứng trong mặt phẳng, khối lượng và mômen quán tính của mỗi sàn có thể giả định tập trung tại trọng tâm Đối với các công trình đáp ứng tiêu chí tính đều đặn trong mặt bằng, phân tích đàn hồi tuyến tính có thể thực hiện bằng cách sử dụng hai mô hình phẳng, mỗi mô hình tương ứng với một hướng ngang chính.
Khi không đạt yêu cầu, cần áp dụng mô hình không gian để thực hiện tính toán Trong quá trình này, cần xem xét hai phương vuông góc của các cấu kiện chịu lực, đặc biệt là lực cắt đáy.
Theo mỗi phương nằm ngang được phân tích, lực cắt đáy động đất F b phải được xác định theo biểu thức sau:
Sd(T1): Tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T1 trong mục 3.2.2.5 TCVN 9386:2012;
Chu kỳ dao động cơ bản của nhà được xác định bởi chuyển động ngang theo phương đang xét, trong đó m là tổng khối lượng của nhà ở trên móng hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới Phần cứng phía dưới được định nghĩa là phần có độ cứng lớn hơn nhiều lần so với phần nằm trên, do đó phần trên có thể được xem như ngàm cứng vào phần dưới Hệ số điều chỉnh λ được áp dụng theo quy định cụ thể.
+ λ = 0,85 nếu T1 ≤ 2 Tc với nhà có trên 2 tầng;
+ λ = 1,0 với các trường hợp khác
P HƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DạNG DAO ĐộNG VÀ PHổ PHảN ứNG
Phương pháp phân tích dạng dao động là một kỹ thuật tính toán phản ứng kết cấu bằng cách chia hệ kết cấu thành nhiều hệ tương đương có một bậc tự do Sau đó, phản ứng của từng hệ được tính toán theo thời gian và cộng đại số lại để có phản ứng của hệ ban đầu Đối với việc xác định các đại lượng phản ứng lớn nhất, tác động động đất được biểu diễn qua phổ phản ứng, và kết quả tính toán từ phương pháp này sẽ cho ra phản ứng lớn nhất của hệ kết cấu, được gọi là phương pháp phổ phản ứng.
Phương pháp phân tích dạng dao động cũng như phổ phản ứng có những nhược điểm sau:
− Phụ thuộc vào việc tách một cách nhân tạo các dạng dao động
Khi tổ hợp các kết quả tính toán ở các dạng dao động, cần tuân theo nguyên tắc cộng tác dụng, do đó chỉ áp dụng trong giai đoạn làm việc đàn hồi tuyến tính của vật liệu.
− Không áp dụng được cho một số hệ kết cấu không sử dụng được kỹ thuật phân tích dạng
− Không cho các chỉ dẫn chính xác về sự hình thành khớp dẻo ở một số cấu kiện
Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương cần được áp dụng cho các công trình không đáp ứng các điều kiện quy định trong TCVN 9386:2012, mục 4.3.3.2.1(2).
2.3.2 Số dạng dao động cần xét đến trong phương pháp phổ phản ứng
Cần xem xét phản ứng của tất cả các dạng dao động để đánh giá chính xác phản ứng tổng thể của công trình Các yêu cầu trong mục này có thể được đáp ứng nếu đạt được một trong hai điều kiện sau.
− Tổng các khối lượng tương đương của tất cả các dạng dao động được xét phải bằng hoặc chiếm ít nhất 90% tổng khối lượng của kết cấu;
− Tất cả các dạng dao động có khối lượng tương đương lớn hơn 5% khối lượng toàn phần của hệ kết cấu được xét tới trong tính toán [11]
2.3.3 Tổ hợp các phản ứng theo dạng chính
Phản ứng giữa hai dạng dao động i và j, bao gồm cả dao động tịnh tiến và xoắn, có thể được coi là độc lập nếu các chu kỳ T i và T j đáp ứng điều kiện j 0 9 i.
Khi các dạng dao động cần thiết theo TCVN 9386:2012 được coi là độc lập, giá trị lớn nhất E E của hệ quả tác động động đất có thể được xác định.
EE: Hệ quả tác động động đất đang xét (lực, chuyển vị, vv );
EEi: Giá trị của hệ quả tác động động đất này do dạng dao động thứ i gây ra
Nếu không đạt yêu cầu, cần áp dụng quy trình chính xác hơn để kết hợp các phản ứng tối đa của các dạng dao động, chẳng hạn như phương pháp "Tổ hợp bậc hai đầy đủ".
Tiến hành tính toán theo các bước:
− Xác định khối lượng (trọng lượng) công trình
Để xác định các chu kỳ và dạng dao động riêng của kết cấu, cần sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu phổ biến như SAP2000 và ETABS Việc tính toán số dạng dao động cần thiết cho mỗi phương là bước quan trọng trong quá trình phân tích kết cấu.
Xác định tung độ phổ thiết kế không thứ nguyên S(T) di của nhà cho từng dạng dao động được thực hiện bằng cách thay thế chu kỳ dao động riêng T bằng các chu kỳ dao động tương ứng với dạng dao động thứ i (Ti) theo công thức từ (1.11) đến (1.14).
Ti là chu kỳ dao động riêng thứ i tương ứng theo phương tính toán trên mặt bằng nhà
− Xác định lực cắt đáy tại chân công trình cho từng dạng dao động theo công thức (1.15)
Phân phối tải trọng ngang lên các cao trình tầng của lực cắt tại chân công trình cho từng dạng dao động được thực hiện theo công thức (2.28) Đồng thời, cần chuyển tải trọng ngang tập trung và mô men xoắn về vị trí chất tải ngang để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế.
− Xác định giá trị nội lực, chuyển vị do động đất gây ra theo công thức (2.32) [11].
P HƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN TRựC TIếP PHƯƠNG TRÌNH CHUYểN ĐộNG
Phản ứng của các hệ kết cấu dưới tác động của tải trọng hoặc động đất có thể được xác định bằng cách tích phân trực tiếp phương trình chuyển động theo thời gian Phương pháp này không yêu cầu phải chuyển đổi các phương trình chuyển động sang hệ có một hoặc nhiều bậc tự do như trong phân tích dạng dao động.
Các phương pháp tích phân trực tiếp theo thời gian xác định giá trị gần đúng của nghiệm cho một tập hợp các giá trị thời gian t đã chọn Nguyên tắc của các phương pháp này là giả định các hàm mô tả sự biến thiên của chuyển vị, vận tốc và gia tốc trong khoảng thời gian không đổi Δt, được gọi là bước thời gian Tại mỗi bước, phương trình chuyển động được giải với các điều kiện ban đầu từ bước trước đó Quá trình tính toán diễn ra từng bước cho tất cả các bước thời gian Độ chính xác của kết quả, tính ổn định của nghiệm và thời gian tính toán phụ thuộc vào độ dài bước thời gian và lựa chọn hàm số mô tả sự biến thiên của các đại lượng này.
Phương pháp tích phân trực tiếp theo thời gian là phương pháp tổng quát duy nhất để tính toán phản ứng động của các hệ kết cấu, áp dụng cho cả hệ tuyến tính và phi tuyến dưới tác động của tải trọng bất kỳ.
Các bước tính toán có thể tóm lược như sau:
− Thiết lập phương trình lượng gia chuyển động của hệ kết cấu
− Tích phân phương trình lượng gia chuyển động bằng một trong các phương pháp tích phân số
− Xác định các lượng gia chuyển vị, vận tốc và gia tốc ở bước thời gian đang xét
Xác định chuyển vị, vận tốc và gia tốc tại thời điểm cuối của bước thời gian hiện tại dựa trên các điều kiện ban đầu của bài toán hoặc các kết quả tính toán từ bước thời gian trước đó.
− Xác định trạng thái ứng suất với chuyển vị toàn phần ở cuối thời gian
Từ các vectơ chuyển vị và tốc độ tại cuối bước thời gian, cần xác định lại các ma trận độ cứng tiếp tuyến và cản tiếp tuyến khi cần thiết.
− Lặp lại quá trình tính toán ở trên cho tất cả các bước tính toán.
P HƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐẩY DầN (P USHOVER ANALYSIS )
Phương pháp này đặc trưng bởi quá trình biến dạng phi tuyến của kết cấu dưới tác động của lực ngang gia tăng đều đặn, trong khi tải trọng đứng giữ nguyên Lực ngang có thể là lực tĩnh hoặc chuyển vị, được phân bố trên chiều cao kết cấu để mô phỏng các lực quán tính Độ lớn của lực ngang được tăng dần cho đến khi đạt được chuyển vị ngang mục tiêu hoặc lực cắt đáy mục tiêu tương ứng với cấp công năng của nhà Trong suốt quá trình này, biến dạng và nội lực của kết cấu được giám sát liên tục.
Phương pháp tính toán này giúp theo dõi quá trình chảy dẻo và phá hoại của các cấu kiện trong hệ kết cấu, đồng thời xác định sự phân bố chuyển vị ngang không đàn hồi trên chiều cao công trình Nó cũng phân tích cách thức sụp đổ của hệ kết cấu và kiểm tra khả năng chịu lực cùng độ dẻo cần thiết tại chuyển vị mục tiêu, nhằm đảm bảo tính đúng đắn trong thiết kế kết cấu Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị ngang tại cao trình mái được gọi là đường cong khả năng.
P HƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐẩY DầN ĐộNG
Phương pháp tính toán đẩy dần động là công cụ quan trọng để xác định khả năng chịu lực và biến dạng của hệ kết cấu dưới tác động của động đất Phương pháp này giúp chúng ta theo dõi liên tục phản ứng của kết cấu, từ giai đoạn làm việc đàn hồi cho đến chảy dẻo và cuối cùng là sụp đổ.
Phương pháp này cho phép mô hình kết cấu chịu tác động của một hoặc nhiều địa chấn đồ đã được điều chỉnh, nhằm tạo ra nhiều cấp tác động khác nhau Qua việc thực hiện nhiều lần phân tích động, phản ứng thu được sẽ được biểu diễn theo các cấp tác động của địa chấn đồ Các đường cong này, được gọi là đường cong đẩy dần động, giúp chúng ta hiểu rõ trạng thái giới hạn của kết cấu ở tất cả các cấp tác động của động đất.
L ựA CHọN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
Phương pháp tích phân trực tiếp cho phương trình chuyển động của hệ kết cấu không đàn hồi được coi là chính xác và thực tế nhất, vì nó xem xét cả tính chất không đàn hồi của vật liệu và phi tuyến hình học Tuy nhiên, phương pháp này rất phức tạp và tốn thời gian Ngược lại, phương pháp tĩnh lực ngang tương đương đơn giản hơn nhưng có độ chính xác kém, chỉ phù hợp cho các kết cấu đều đặn có chu kỳ ngắn Hiện nay, phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến (đẩy dần) đang được áp dụng rộng rãi trong các phòng thiết kế ở nước ngoài.
Trong các tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất việc lựa chọn phương pháp tính toán thường dựa vào 2 tiêu chí sau:
− Mức độ phức tạp của kết cấu
Bảng 2.1 Phương pháp tính toán động đất dựa vào mức độ phức tạp kết cấu
Loại kết cấu Phương pháp tính toán
Các kết cấu nhỏ, đơn giản 1 Tĩnh lực ngang tương đương
3 Phân tích dạng chính Các kết cấu lớn và phức tạp dần 4 Đẩy dần
5 Tích phân trực tiếp hệ tuyến tính
6 Đẩy dần động Các kết cấu lớn, phức tạp 7 Tích phân trực tiếp hệ phi tuyến
− Tính đều đặn của công trình
Bảng 2.2 Phương pháp tính toán động đất dựa vào tính đều đặn công trình
Tính toán tĩnh Tính toán động
Tĩnh lực ngang tương dương Đẩy dần quy ước
Phổ phản ứng Tích phân trực tiếp
Tuyến tính Phi tuyến Đều đặn Áp dụng Áp dụng Áp dụng Áp dụng Áp dụng
Không áp dụng Áp dụng Áp dụng Áp dụng
KẾT LUẬN CHƯƠNG 37
Các tiêu chí thiết kế kháng chấn cho công trình nhà cao tầng nhằm ứng phó với động đất đã được triển khai từ năm 2006 Nếu Bộ tiêu chuẩn của Bộ xây dựng được thực hiện đúng, các công trình mới sẽ có khả năng chịu được động đất lên đến cấp 8 Hiện tại, các công trình xây dựng chỉ được thiết kế để chịu động đất cấp 7 theo Thang MSK-64, bao gồm 12 cấp được quy đổi từ độ richter trong chuyên ngành vật lý.