Chuyên đề các phương pháp tính công trình chịu động đất

TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
ĐỘNG ĐẤT
I/ĐẶT VẤN ĐỀ
Năm 2006 bộ xây dựng đã ban hành tiêu chuẩn thiết kế công trình chòu động
đất 375 : 2006. Trong đó, phần lớn tiêu chuẩn yêu cầu tính toán dựa vào
đường phổ phản ứng. Bên cạnh đó, phương pháp phân tích lòch sử thời gian
cũng khuyến khích được dùng. Cả hai phương pháp này còn khá mới mẻ ở Việt
Nam so với phương pháp tải trọng ngang tónh tương đương. Hiện nay, các phần
mềm tính kết cấu Sap2000, Etabs là những phần mềm rất quen thuộc với các kó
sư kết cấu và chúng đều có thể tính được công trình chòu động đất theo ba
phương pháp trên một cách chính xác và nhanh gọn. Tuy nhiên, các kó sư vẫn
gặp khó khăn khi áp dụng vào tính toán vì sự phức tạp của bài toán động lực
học khi áp dụng vào từng công trình cụ thể. Nếu không hiểu rõ vấn đề có thể
dẫn đến những sai sót rất nghiêm trọng trong thiết kế.
1/Giới thiệu chung về động đất.
Sự hình thành động đất : động đất có liên quan đến sự tỏa ra một khối năng
lượng rất lớn từ một vò trí nhất đònh, nơi đó có thể nằm sâu trong lòng đất. Có
nhiều nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh khối năng lượng gây ra động đất,
nhưng nguyên nhân cơ bản là sự chuyển động tương hỗ không ngừng của các
khối vật chất nằm sâu trong lòng đất để thiết lập một thế cân bằng mới, được
gọi là vận động kiến tạo, và động đất là hậu quả của vận động kiến tạo đó.
Điểm phát ra năng lượng của một trận động đất được gọi là chấn tiêu, hình
chiếu của chấn tiêu theo phương đứng lên mặt đất được gọi là chấn tâm.
Khi động đất xảy ra, năng lượng từ chấn tiêu truyền ra môi trường xung quanh
dưới dạng sóng đàn hồi vật lý : sóng dọc, sóng ngang và sóng mặt. Tất cả các
sóng này do động đất gây ra gọi là sóng đòa chấn.
Khi động đất xảy ra, do ảnh hưởng của sóng đòa chấn, nền đất bò kéo, nén,
xoắn, cắt nên có thể bò mất ổn đònh, kết quả sau khi sóng đòa chấn đi qua, nền
1
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO

TẦNG
đất có thể bò lún sụt, sụp lở và hóa lỏng. Các công trình nằm trên nền đất đó sẽ
bò phá hoại
Trong trường hợp nền đất ổn đònh, công trình đặt trên nền đất sẽ xuất hiện các
phản ứng ( chuyển vò, vận tốc, gia tốc ) và nội lực của công trình nói chung là
vượt quá nội lực đã tính toán tónh. Đây là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự phá
hoại và hư hỏng của công trình nằm trong vùng động đất.
Mét sè h×nh ¶nh vỊ c¸c thiƯt h¹i trËn ®éng ®Êt
Cét bÞ ph¸ háng do c¾t H háng mỈt ®êng
H háng ®êng cao tèc NhÞp cÇu bÞ sËp
2
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
Sù sơp ®ỉ mét trêng häc n»m trªn ®êng ®øt g·y Sù sơp ®ỉ cđa mét nhµ khung

C©y cÇu dµnh cho xe m«t« tun sang Ch©u ¢u bÞ ph¸ háng
3
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
Chun vÞ vµ nghiªng cđa c¸c ng«i nhµ g©y ra bëi ho¸ láng ®Êt nỊn t¹i trËn ®éng ®Êt 1964 ë Niigata.
§ỉ nhµ chung c t¹i Kawagishi-Cho,Niigata g©y ra bëi ho¸ láng nỊn ®Êt trong trËn ®éng ®Êt Niigata 1964
4
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
2/Tính hình động đất ổ việt nam
Theo Thứ trưởng Bộ Xây dựng Nguyễn
Văn Liên, trong q khứ, đã từng xảy ra
những trận động đất hoặc chịu ảnh hưởng
của dư chấn tại một số nơi trên lãnh thổ
nước ta.

Căn cứ bản đồ phân vùng động đất lãnh
thổ Việt Nam do Viện Vật lý Địa cầu lập,
ở nước ta chỉ có một số vùng thuộc khu
vực phía Bắc được dự báo là có khả năng
xảy ra động đất cấp 8 (theo thang MSK),
chấn động do động đất gây ra tại một số
địa điểm vùng Tây Bắc có thể đạt tới cấp
9, còn đại bộ phận lãnh thổ Việt Nam có
thể xảy ra động đất yếu và rất yếu. Như
vậy, động đất xảy ra tại Việt Nam có
cường độ khơng mạnh và số lượng khơng
nhiều so với nhiều nơi trên thế giới,
cường độ thường ở mức trung bình và
trung bình yếu. Tần suất động đất với
cường độ mạnh xảy ra là rất thấp.
3. Tình hình xây dựng và kháng chấn cho nhà cao tầng ở Việt Nam
Theo dự thảo tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng, nhà cao từ 9 tầng trở lên được gọi là
cao tầng. Khái niệm này cũng phù hợp với phân loại nhà của một số tổ chức quốc
tế. Với khái niệm này thì nhà cao tầng được xây dựng đầu tiên ở miền Bắc là tồ
nhà cao 11 tầng ở hồ Giảng Võ, nay là Khách sạn Hà Nội. Tuy nhiên, để thấy rõ
hơn q trình phát triển xây dựng nhà cao tầng có kháng chấn, ta sẽ điểm qua một
số giai đoạn điển hình của q trình phát triển xây dựng nhà cao tầng ở Việt Nam.
Nhà cao tầng chỉ mới xây dựng nhiều vào khoảng chục năm gần đây. Về tổng qt,
có thể phân q trình phát triển nhà cao tầng ở Việt Nam theo 4 giai đoạn sau:
5
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
3.1. Giai đoạn xây dựng thời kỳ 1954 - 1976
Giai đoạn này, các cơng trình nhà thường là thấp tầng, từ 1 - 5 tầng. Kết cấu chịu

lực của nhà thường là tường xây gạch hoặc khung bê tơng cốt thép, sàn panel hay
đổ bê tơng cốt thép tồn khối. Những năm 1960 - 1976 xuất hiện thêm các nhà có
giải pháp kết cấu lắp ghép: tấm nhỏ, tấm lớn và cả khung lắp ghép, nhưng chỉ có
loại nhà lắpghép tấm lớn là phổ biến nhất. Kết cấu tấm lắp ghép lúc đầu là bê tơng
xỉ, dùng cho nhà 1 đến 2 tầng. Sau đó là bằng bê tơng cốt hép, dùng cho nhà cao
tầng từ 4 đến 5 tầng. Với giải pháp kết cấu nhà lắp ghép tấm lớn đã hình thành nên
các khu chung cư: An Dương, Phúc Xá, Bờ sơng (1 - 2 tầng); Kim Liên, Nguyễn
Cơng Trứ (4 - 5 tầng); n Lãng, Trương Định (2 tầng); Trung Tự, Khương
Thượng, Giảng Võ, Vĩnh Hồ (4 - 5 tầng). Giai đoạn này, hầu hết các cơng trình nhà
đều là thấp tầng và khơng được thiết kế kháng chấn.
3.2. Giai đoạn xây dựng thời kỳ 1976 - 1986
Từ những năm 1976 - 1986, ở Hà Nội, Hải Phòng, Vinh, Phúc n, Việt Trì và
một số thành phố thị xã ở miền Bắc xây dựng phổ biến loại nhà lắp ghép tấm lớn.
Chính trong một số loại nhà lắp ghép tấm lớn này đã được tính tốn để chịu được
động đất. Điển hình cho các loại nhà đã được tính tốn chịu động đất trong giai
đoạn này là mẫu nhà lắp ghép tấm lớn IW của Đạo Tú do Đức thiết kế và mẫu nhà
lắp ghép tấm lớn LV của Xn Mai do Liên Xơ thiết kế. Các mẫu nhà này được
thiết kế theo tiêu chuẩn của Đức và Liên Xơ, có khả năng chịu được động đất cấp 7
- 8 (theo thang MSX 64). Nhà cao tầng đầu tiên do Việt Nam thiết kế có tính tốn
chịu động đất là nhà 11 tầng Giảng Võ (Khách sạn Hà Nội). Cơng trình nhà này có
giải pháp kết cấu khung vách và sàn bằng bê tơng cốt thép đổ tại chỗ, thiết kế
kháng chấn theo tiêu chuẩn của Liên Xơ, chịu được động đất đến cấp 7 (theo thang
MSK 64).
3.3. Giai đoạn xây dựng thời kỳ 1986 - 1997
Đây là giai đoạn đầu của thời kỳ đổi mới. Một số dự án đầu tư của nước ngồi
được triển khai ở Việt Nam. Làn sóng đầu tư lần thứ nhất của nước ngồi vào
những năm 90 đã tạo điều kiện thúc đẩy cơng nghiệp xây dựng ở Việt Nam phát
triển. Nhiều cơng nghệ xây dựng mới đã được đưa vào áp dụng, như cơng nghệ cọc
khoan nhồi, bê tơng thương phẩm, đổ bê tơng bằng bơm phun, sàn dự ứng lực
(DƯL) tạo điều kiện cho xây dựng nhà cao tầng phát triển. Nhà cao tầng được

6
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
xây dựng ngày một nhiều, nhất là ở TP Hồ Chí Minh và Hà Nội. Các nhà cao tầng
thời kỳ này chủ yếu sử dụng giải pháp kết cấu chịu lực là khung - vách bằng bê
tơng cốt thép đổ tại chỗ. Chiều cao cơng trình phần nhiều là dưới 20 tầng. Ở thời
kỳ này, vấn đề kháng chấn ít được quan tâm do Quy chuẩn xây dựng và Tiêu
chuẩn thiết kế nhà cao tầng TCXD 198: 1997 chưa được ban hành. Những quy
định bắt buộc về kháng chấn cho nhà cao tầng và các số liệu có tính pháp lý liên
quan đến cấp động đất chưa rõ ràng. Do vậy, nhiều cơng trình cao tầng xây dựng
trong thời kỳ này khơng đươc thiết kế kháng chấn. Tuy nhiên, cũng có một số cơng
trình do u cầu của chủ đầu tư nên đã được thiết kế kháng chấn. Một số giải pháp
cấu tạo kháng chấn cũng đã được áp dụng trong thiết kế và xây dựng nhà, chẳng
hạn như các giải pháp mối nối, giải pháp tạo khe kháng chấn, giải pháp tạo mặt
bằng đối xứng. Đặc biệt là cơng trình Tham tán thương mại Liên Xơ (nay là Tồ
nhà Đại sứ qn Cộng hồ Liên bang Nga tại Hà Nội) đã sử dụng giải pháp cách
chấn bằng lớp đệm đá dăm dày 2m đặt dưới móng của cơng trình. Tiêu chuẩn
kháng chấn được dùng để thiết kế cho các cơng trình này chủ yếu là tiêu chuẩn
CHиП II - 7 - 81 của Liên Xơ và tiêu chuẩn UBC của Hoa Kỳ.
3. 4. Giai đoạn xây dựng thời kỳ 1997 đến nay
Đây là giai đoạn nhà cao tầng được phát triển mạnh. Nhiều giải pháp, cơng nghệ
thi cơng tiên tiến được áp dụng như: cơng nghệ thi cơng TOP - DOWN; cơng nghệ
thi cơng cọc Baret; tường vây; cốp pha trượt (lõi cứng) kết hợp với lắp ghép (cột,
sàn), kết hợp đổ tại chỗ với lắp ghép cấu kiện DƯL Với các cơng nghệ xuất hiện,
ngày càng nhiều các cơng trình cao tầng trên 20 tầng. Đã có những cơng trình nhà
cao tới 33, 34 tầng được đưa vào sử dụng. Giải pháp kết cấu của các cơng trình nhà
cao tầng được áp dụng nhiều cho các nhà nay chủ yếu vẫn là kết cấu khung - vách
hoặc khung - lõi bằng bê tơng cốt thép đổ tại chỗ, kết hợp với sàn cũng bằng bê
tơng cốt thép đổ tại chỗ hoặc sàn bê tơng cốt thép nửa lắp ghép (dạng sàn sandus).
Riêng ở Hà Nội, nhiều nhà cao tầng do Tổng cơng ty Vinaconex xây dựng, sử

dụng giải pháp thi cơng trượt lõi cứng kết hợp với sàn và cột lắp. Các cấu kiện cột
và sàn có thể được DƯL.
Các cơng trình nhà cao tầng được xây dựng ở Hà Nội trong giai đoạn này hầu hết
đều được thiết kế kháng chấn chịu động đất cấp 7. Tiêu chuẩn kháng chấn được áp
dụng vẫn chủ yếu là tiêu chuẩn CHиП II - 7 - 81 của Liên Xơ và tiêu chuẩn UBC
của Hoa Kỳ.
7
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
Ở TP Hồ Chí Minh trước đây vẫn quan niệm rằng, các cơng trình xây dựng ở khu
vực này khơng cần phải tính tốn với tải trọng động đất. Nhưng sau ảnh hưởng của
các chấn động do động đất ở ngồi khơi vùng biển Vũng Tàu năm 2005 làm các
nhà cao tầng ở TP Hồ Chí Minh rung chuyển thì vấn đề thiết kế kháng chấn cho
nhà cao tầng đã được quan tâm hơn. Một số chủ đầu tư đã u cầu thiết kế cơng
trình phải chịu được động đất. Một trong các đơn vị đó là Cơng ty Đầu tư và Xây
dựng Hồng Qn. Cơng ty này mới đây đã thiết kế các chung cư cao tầng do họ
đầu tư chịu được động đất cấp 7.
Trong q trình động đất, cơng trình xây dựng bằng kết cấu khung phải chịu các mơ men
tăng cường và lực cắt. Mơ men lớn nhất tác động tại các mối nối giữa cột và nền móng,
giữa cột và dầm, do đó các mối nối khơng đủ mạnh sẽ chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của lực.
Nguồn: TC Xây dựng, số 8-2007
4/MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI.
Mục tiêu của đề tài là đưa ra một quy trình tính toán tác động của động đất lên
công trình theo 3 phương pháp được đề cập đến trong tiêu chuẩn thiết kế công
trình chòu động đất của Việt Nam. Đề tài vừa đưa ra cơ sở lý thuyết để phục vụ
cho việc tính toán bằng tay và đưa ra cách thức khai báo trong phần mềm tính
kết cấu chuyên dụng Sap2000, Etabs. Chủ yếu là Etabs và ứng dụng cho nhà
8
f
i

W
i
V
y
i
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
cao tầng với những hình thức kết cấu phổ biến như khung, vách. Đề tài không
xét đến ảnh hưởng tính chất của nền đất, móng và tầng hầm đến công trình khi
chòu động đất.
II/ TÍNH TOÁN TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT THEO MỘT SỐ PHƯƠNG
PHÁP
II.1/PHƯƠNG PHÁP TẢI TRỌNG NGANG TĨNH TƯƠNG ĐƯƠNG.
1.1/giới thiệu chung.
Đây là một phương pháp tính toán tác động của động đất đơn giản nhất vì yếu
tố ứng xử động học của công trình không được kể đến một cách đầy đủ trong
tính toán. phương pháp tónh đã thay thế tác dụng của các loại tác động ngẫu
nhiên bằng những lực tónh tương đương. Lực tónh này được tính toán phụ thuộc
vào các yếu tố như : hệ số khu vực theo bản đồ phân vùng động đất Z; hệ số
mức độ quan trọng của công trình I; hệ số nền S; hệ số loại kết cấu K; chu kỳ
dao động của công trình T; khối lượng tính toán của công trình W.
Lực tác động được quy thành lực tập trung tại móng, lực tập trung tại móng này
sẽ được phân bố theo phương đứng cho các tầng nhà. Cách phân bố này phụ
thuộc vào tiêu chuẩn tính toán của từng nước quy đònh.
Hiện nay tồn tại một số cách phân bố phổ biến sau.
+ Lực ngang tác động vào mỗi tầng của công trình tỉ lệ với
khối lượng của tầng đó và chuyển vò ngang của tầng đó:
.
.
i i

i
i i
w y
f V
w y
=
∑
Trong đó, y
i
là chuyển vò ngang từng tầng.
Một số tiêu chuẩn cũ tính toán lực cắt tại móng với một số
dạng dao động cơ bản. Sau đó cũng phân lực cắt trong từng dạng dao động cho
các tầng theo nguyên tắc như trên. Lực ngang tác dụng tại mỗi tầng trong từng
9
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
dạng dao sẽ được tổ hợp lại để được lực ngang cuối cùng tại mỗi tầng theo
nguyên tắc “căn bậc hai của tổng bình phương”.
+ nếu xem chuyển vò ngang thay đổi tuyến tính theo chiều cao công trình, sự
phân bố lực cắt giống như hình kim tự tháp lật ngược, tỷ lệ với cao trình mỗi
tầng tính từ móng h
i
.
.
.
i i
i
i i
w h
f V

w h
=
∑
+ hiệp hội ứng dụng công nghệ (1982) đã đề nghò một phương pháp gần đúng
chính xác hơn, phản ánh ảnh hưởng của mô hình nhà cao hơn :
.
.
k
i i
i
k
i i
w h
f V
w h
=
∑
trong đó giá trò của k phụ thuộc vào chu kỳ dao động T của công trình được lấy
như sau:
(a) k = 1 đối với công trình có T < 0,5s
(b) k = 2 đối với nhà có T ≥ 2,5s
(c) k = 1÷ 2 được nội suy tuyến tính cho nhà có chu kỳ T = 0,5 ÷ 2,5s.
Sau đó các bước tính toán nội lực, ứng suất, chuyển vò được tính toán tương tự
như bài toán tónh học với một lực tónh ngang tác dụng tại mỗi tầng.
1.2/Sử dụng phần mềm tính kết cấu Sap2000, Etabs để tính tác động của
động đất theo phương pháp tải trọng ngang tương đương.
Trong phạm vi đề tài, chỉ giới thiệu cách tính tải trọng ngang tương đương theo
tiêu chuẩn xây dựng thống nhất UBC 1994.
Thực hiện các bước sau để khai báo cho việc tính toán:
Define/ Static Load Cases.

Lựa chọn Type (QUAKE) / Lựa chọn Auto Lateral Load (UBC 94)
10
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
Chọn Modify Lateral Load… để khai báo các thông số cho việc tính toán. (xem
Hình 1.1)
Hình 1.1. khai báo theo tiêu chuẩn UBC 94
Tác động của động đất được quy thành lực ngang tương đương tại móng.
. .
.
W
Z I C
V W
R
=
Trong đó:
+ R
w
- là hệ số hiệu chỉnh phản ứng. Nó đánh giá khả năng chống chòu lực chấn
động của động đất mà không bò sụp đổ. Độ lớn của nó được phụ thuộc vào loại
và vật liệu của kết cấu, khả năng chống lại lực ngang của hệ. Giá trò cho bằng
số của Rw được cho trong bảng 1.1 và 1.2 Phụ lục 1
11
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
+ W là tổng tải trọng tónh của công trình và thành phần tải khác có thể gây tác
dụng đến công trình.
+ Z - là hệ số đòa chấn phân theo vùng với các giá trò từ 0,4 trong vùng 4, 0,3
trong vùng 3, 0,2 trong vùng 2B, 0,15 trong vùng 2A, 0,075 trong vùng 1 và 0
trong vùng 0. Giá trò phù hợp của Z được đònh nghóa cho Ustate bởi một bản đồ

phân vùng được chia thành từng vùng biểu thò 5 cấp độ của động đất.
+ C - là một hệ số biểu thò mối quan hệ với chu kỳ dao động cơ bản của kết cấu
(T), bao gồm hệ số ứng sử của kết cấu tại vò trí xây dựng S, C được cho bởi mối
quan hệ sau:
2/3
1,25.S
C
T
=
Một giá trò thấp hơn: C= 0,075.R
W
được áp dụng cho sự không ổn đònh của
những kết cấu có chu kỳ dao động dài, chòu sự rung động lớn của nền đất. Một
giá trò lớn của C=2,75 đưa ra một cách tính toán tải trọng chấn động đơn giản,
nơi mà việc tính toán chu kỳ dao động riêng của kết cấu và hệ số ứng xử của
kết cấu - vò trí xây dựng S không phù hợp với thực tế.
+ S là hệ số của vò trí xây dựng vói giá trò 1,0; 1,2; 1,5 và 2 được đònh nghóa như
sau
1,0 - cho mặt cắt đòa chất của đất với cả 2 loại sau:
i) đất có đặc tính cứng như đá được xác đònh bởi vận tốc sóng cắt lớn hơn
2500 ft/s hoặc những sự xác đònh phù hợp khác.
ii) đất cứng, nặng ở độ sâu bé hơn 200ft
1,2 - cho đất nặng và cứng nơi độ sâu của đất vượt quá 20ft,đất bùn mềm hoặc
có độ cứng trung bình nhưng không lớn hơn 40ft, bùn mềm
2,0 - cho đất có mặt cắt đòa chất lớn hơn 40ft bùn mềm có đặc tính được xác
đònh bởi vận tốc sóng cắt ít hơn 500ft
12
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
+ I - là hệ số quan trọng với 4 thuộc tính của công trình sau: tính chất công

trình, sự nguy hiểm của công trình, sự đặc biệt của công trình, và cấp của công
trình. Tính chất và sự nguy hiểm của công trình được xem là quan trọng với hệ
số 1,25. Trong khi tính chất đặc biệt và cấp của công trình được cho phép bằng
1,0. Tính chất nguy hiểm và đặc biệt của công trinh cần thiết cho sự xác đònh
công trình sẽ được cho trong điều 305 và 306 của tiêu chuẩn UBC.
+ T - chu kỳ dao động cơ bản của kết cấu.
Lực cắt phân bố dọc theo chiều cao nhà
Công thức tính lực cắt tại móng như trên không chỉ ra được cách mà lực cắt
phân bố dọc chiều cao công trình, lực cắt tại móng sẽ được phân bố cho từng
tầng của công trình theo công thức sau:
1
( ) .
.
t x x
x
n
i i
i
V F W h
F
W h
=
−
=
∑
Trong đó:
W, h – khối lượng và chuyển vò ngang của tầng x.
V – lực cắt tại móng.
F
t

– lực ngang phụ thêm ở đỉnh nhà.
gia tốc lớn nhất tại tầng nào của công trình thì tỉ lệ với chuyển vò phương ngang
của các tầng đó.
Lực chấn động tác động tại mỗi tầng bằng tích của khối lượng đưa phân bố cho
tầng đó với gia tốc theo phương ngang của tầng đó.
13
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
F'x
Wx
hx
V
V
hx
Wx
Fx
<=>
F
t
Thay vì quy tất cả thành lực phân bố F’
x
, người ta đã chuyển một phần lực
phân bố thành lực ngang tập trung đặt tại đỉnh nhà F
t
, và lực phân bố lúc đó là
F
x
< F’
x .
Ft được cho:

Ft= 0,007 T.V , Phần còn lại của lực cắt cơ sở (V - Ft) được phân bố như một
hình tháp lật ngược trên suốt chiều cao công trình.
Sự xoắn
Mô men xoắn theo phương ngang tại mối tầng được xác đònh bằng tích số của
lực cắt tại mỗi tầng và kết quả độ lệch tâm được tính toán từ tâm khối lượng và
tâm cứng của mỗi tầng. Độ lệch tâm ngẫu nhiên được lấy bằng 5% kích thước
mặt bằng(plan dismension) của công trình và vuông góc với phương của lực cắt,
việc cộng thêm mômen xoắn ngẫu nhiên để tính toán cả những sai sót có thể
gặp trong khi tính toán độ cứng của các cấu kiện trong kết cấu và sự phân bố
khối lượng trong mối tầng. Chỗ nào tồn tại sự xoắn không đều, độ lệch tâm
ngẫu nhiên có thể tăng thêm bởi một hệ số khuếch đại Ax
Lực cắt và mômen của tầng
Lực cắt tại bất kỳ tầng nào là tổng của tất cả lực ngang tại tầng đó và phía trên
sàn tầng đó. Mômen lật tại bất cứ tầng nào là tổng các mômen do lực cắt chấn
động tại mối tầng gây ra phía trên sàn tầng đó. Mômen lật và lực cắt được phân
bố trên những cấu kiện chống lại tải trọng ngang tỷ lệ với độ cứng của chúng,
14
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
thông thường đối với công trình có bản sàn bằng bêtông hoặc kim loại có
bêtông ở trên, thì thừa nhận rằng độ cứng của bản sàn là tuyệt đối.
II 2/PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHẢN ỨNG.
Đây là một phương pháp dự đoán phản ứng lớn nhất của hệ chòu tác động động
đất dựa vào số liệu của các trận động đất xảy ra trước đó.
Cách xây dựng phổ phản ứng
Để xây dựng phổ phản ứng của một vùng đất, người ta phải có các số liệu ghi
lại được từ các trận động đất xảy ra trong lòch sử động đất của vùng đất đó. Các
số liệu này thường được ghi lại dưới dạng giản đồ của gia tốc theo thời gian gọi
là các băng gia tốc. Đem các băng gia tốc này lần lượt kích thích lên một chuỗi
các hệ một bậc tự do có giảm chấn có chu kỳ dao động tự nhiên khác nhau. Với

mỗi hệ đó, ta thu được một giá trò phản ứng cực đại trong suốt quá trình kích
thích. Tập hợp các giá trò phản ứng cực đại đó lại ta được đường phổ phản ứng
của một băng gia tốc. Tiến hành tương tự với các băng gia tốc khác và ta cũng
thu được các đường phổ phản ứng của mỗi băng. Các đường phổ phản ứng này
rất gồ ghề, ta phải “mòn hóa” các đường phổ này để có được đường phổ phản
ứng của vùng đất đó. Xem hình 2.1
15
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
Hình 2.1. cách xây dựng phổ phản ứng.
Thông thường, người ta chỉ đo giá trò cực đại của chuyển vò. Vì vậy, chỉ thu
được phổ phản ứng chuyển vò “thật”. Từ “thật” ở đây để phân biệt với từ “giả”
của phổ phản ứng vận tốc “giả” và phổ phản ứng gia tốc “giả”. Vì 2 loại phổ
này được suy ra từ phổ phản ứng chuyển vò trên cơ sở dao động của hệ một bậc
tự do. Phương trình dao động có dạng:
sin
o
u u t
ω
=
.
Giá trò phổ vận tốc được suy từ phổ chuyển vò :
v d
S S
ω
=
hay
2
v d
S S

T
π
=
Giá trò phổ gia tốc được suy từ phổ chuyển vò :
2
a v d
S S S
ω ω
= =
.
Lý thuyết tính toán.
Giá trò chuyển vò cực đại tổng quát của dạng dao động n:
16
Gia tốc
Phổ phản ứng
Gia tốc
0
T1
T2
C
h
u

k
y
ø
Max
Max
Max
Gia tốc đất nền

Ứng xử của hệ
với chu kỳ T
1
Ứng xử của hệ
với chu kỳ T
2
T
T
h
ơ
ø
i

g
i
a
n
T = 0,1s
T = 2,4s
y
o
y
o
m
Giảm chấn
y
F
y + y
o
K

TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
.
n
n dn
n
L
Y S
M
=
Với S
dn
là giá trò nội suy được từ phổ chuyển vò ứng với chu kỳ T
n
và hệ số
giảm chấn trong mode thứ n.
1
N
n j jn
j
L m
φ
=
=
∑
và
2
1
N
n j jn

j
M m
φ
=
=
∑
.
Với m
j
,
jn
φ
- khối lượng, hàm dạng chuyển vò tại tầng j trong dạng dao động thứ
n.
Chuyển vò cực đại tại tầng j của mode n:
. .
n
jn dn jn
n
L
u S
M
φ
=
Giá trò lớn nhất của lực ngang tại tầng thứ j trong mode n:
.
n
jn an j jn
n
L

f S m
M
φ
=
Trong đó : S
an
là giá trò nội suy được từ phổ phản ứng gia tốc ứng với chu kỳ T
n

và hệ số giảm chấn của mode n.
Các giá trò nội lực, lực căt, mômen có thể được tính toán từ lực ngang bằng cách
phân tích lực tónh.
0
1
N
n jn
j
V f
=
=
∑
Có thể tính trực tiếp lực cắt cực đại tại móng công trình bằng công thức:
an
on n
S
V W
g
=
;
W

n
: khối lượng hữu hiệu (một phần khối lượng) của công trình tham gia vào
dao động thứ n.
2
1
2
1
N
j jn
j
n
N
j jn
j
W
W
W
φ
φ
=
=
 
 
 
=
∑
∑
với W
j
= m

j
.g - khối lượng tại tầng thứ j.
17
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
g – gia tốc trọng trường
Lực tập trung tại mỗi tầng có thể suy ra từ lực cắt tại móng:
1
j j
on
jn
N
j jn
j
W
f V
W
φ
φ
=
=
∑
Mômen cực đại tại móng:
on n on
M h V
=
với
1
1
N

j j jn
j
n
N
j jn
j
h W
h
W
φ
φ
=
=
=
∑
∑
Tất cả các giá trò trên là phản ứng trong dạng dao động thứ n. Giá trò phản ứng
tổng thể của kết cấu có được từ sự tổ hợp phản ứng của các dạng dao động.
Tóm lại: ứng xử lớn nhất của hệ kết cấu nhiều tầng đã được mô hình hóa chòu
tác dụng của chuyển động nền đất bằng phương pháp phổ phản ứng có thể được
xác đònh theo các bước sau:
1) Xây dựng phổ phản ứng của nền nếu chưa được xây dựng sẵn
2) Xác đònh các đặc trưng động lực học của kết cấu
a) Tính toán khối lượng và độ cứng m, k.
b) Xác đònh hệ số giảm chấn ứng với mode n
n
ξ
3) Giải phương trình
2
K m

φ ω φ
=
để xác đònh tần số giao động tự nhiên
n
ω
và
hàm dạng
n
φ
. Thực chất đây là việc giải bài toán trò riêng của đại số tuyến tính.
4) Xác đònh ứng xử lớn nhất của mỗi mode
a) Xác đònh S
dn
và S
a n
từ phổ chuyển vò và phổ gia tốc ứng với chu kỳ T
n

và
n
ξ
b) Tính chuyển vò từng tầng.
18
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
c) Tính biến dạng của tầng
d) Tính lực ngang tác dụng tại từng tầng
e) Tính nội lực, lực cắt, mômen bằng phươn pháp tónh dựa vào lực ngang
từng tầng
5) Tổ hợp ứng xử từ các mode để có được ứng xử thực tế của kết cấu.

sử dụng chương trình tính kết cấu Sap2000, Etabs tính công trình chòu tác
động của động đất theo phương pháp phổ phản ứng
2.2.3.1. Tải gia tốc
Tải gia tốc được dùng để mô tả chuyển động của đất nền và được dùng để tính
tải trọng cho công trình trong phương pháp phổ phản ứng và phương pháp lòch
sử – thời gian.
Khi đònh nghóa tải gia tốc, chương trình sẽ tự động tính toán cho cả 3 phương
phụ thuộc vào độ lớn của gia tốc nền.
Để có được tải gia tốc theo 3 phương, phải có khối lượng tương ứng theo 3
phương m
x
, m
y
, m
z
để tạo ra lực quán tính.
Tải trọng này được tính toán cho từng cấu kiện và từng điểm và sau đó được tổ
hợp lại trong toàn thể kết cấu. Tải trọng gia tốc tác dụng lên một điểm có giá
trò ngược chiều với chuyển vò tònh tiến của khối lượng trong hệ tọa độ đòa
phương. Nó có thể sẽ thay đổi trong hệ tọa độ tổng thể.
Không thể tạo ra tải gia tốc hướng tâm mà chỉ có thể tạo ra tải gia tốc thẳng vì
ta đang dùng hệ tọa độ thẳng vuông góc chứ không dùng hệ tọa độ trụ hoặc hệ
tọa độ cầu.
Tải gia tốc có thể tạo ra với tất cả các loại phần tử trừ loại phần tử Asolid.
19
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
Tải gia tốc có thể thay đổi trong mỗi hệ tọa độ. Trong hệ tọa độ cố đònh (hệ
tổng thể hoặc hệ thay thế), tải gia tốc được thiết lập theo chiều dương trục x,y,z
và chúng luôn theo chiều của UX, UY,UZ.

Trong hệ tọa độ đòa phương của phương pháp phổ phản ứng phương pháp lòch sử
– thời gian, tải gia tốc có chiều dọc theo chiều dương của trục 1,2,3 thuộc U1,
U2, U3.
2.2.3.2. Hệ tọa độ đòa phương của phổ phản ứng
Mỗi phổ phản ứng có một hệ tọa độ đòa phương của riêng nó. Được dùng để
xác đònh phương của lực do gia tốc nền gây ra. Hệ trục tọa độ đòa phương này
biểu diễn bởi 3 trục 1,2 và 3. Được xác đònh dựa theo hệ trục tọa độ tổng thể
X,Y và Z.
Hệ tọa độ đòa phương có thể quay quanh trục Z của hệ tọa độ tổng thể. Trục đòa
phương 3 luôn trùng với trục Z tổng thể . Trục 1 và 2 đòa phương sẽ trùng khớp
với trục X,Y tổng thể nếu góc quay “ang” bằng 0. nói cách khác, hệ “ang”
được tạo ra bằng cách quay trục 1 từ trục X theo chiều kim đồng hồ khi chiều
dương của trục Z đang hường về phía bạn. Ta có thể ấn đònh góc quay của hệ
tọa độ đòa phương bằng cách nhập góc quay “Excitation Angle” khi đònh nghóa
phổ phản ứng.
Global
X
Y
Z
Z,3
Y
XX
1
2
ang
ang
ang
csys
20
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO

TẦNG
Hình 2.2. hệ trục tọa độ đòa phương của phổ phản ứng
2.2.3.3. Đường cong phổ phản ứng.
Đường cong phổ theo mỗi phương được thiết lập từ các hàm có sẵn trong Etabs
hoặc từ hàm do người thiết kế xây dựng. Tất cả các điểm của đường phổ phản
ứng đều có hoành độ và tung độ lớn hơn hoặc bằng 0.
Ta có thể xác đònh hệ số khuếch đại (Scale Factor) để khuếch đại tung độ của
phổ gia tốc. Điều này rất cần thiết khi muốn thay đổi gia tốc nền tại mỗi nơi
khác nhau.
Nếu dải chu kỳ của phổ phản ứng không được đònh nghóa đủ cho dải chu kỳ dao
động các mode của kết cấu, đường phổ phản ứng sẽ tự động được mở rộng cho
những chu kỳ chưa được đònh nghóa. Gia tốc ứng với những chu kỳ đó là hằng số
và có giá trò bằng với gia tốc tại điểm được đònh nghóa gần đó nhất.
2.2.3.4. Trình tự khai báo.
Tiếp theo các bước khai báo thông thường cho mô hình kết cấu, cần thực hiện
thêm các bước sau để khai báo cho việc tính tác động của động đất lên công
trình.
Bước 1. khai báo khối lượng riêng trong đònh nghóa vật liệu, bằng trọng lượng
riêng chia gia tốc trọng trường.
Bê tông: khối lượng riêng, Mass per unit volume :
/ 2.5/ 9.81 0.2548g
ρ γ
= = =
T/m
3
Ta phải khai báo mục này vì chu kỳ dao động T được tính bằng công thức:
21
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
2

m
T
k
π
=
. Do đó, nếu không khai báo khối lượng riêng hoặc khai báo giá trò m
rất nhỏ dẫn đến giá trò k rất lớn, nên giá trò T mà chương trình tính toán sẽ rất
bé. Vì vậy người thiết kế tưởng rằng công trình của mình đã đạt đủ độ cứng và
chu kỳ T có được đã nằm trong phạm vò giới hạn. Gây nên sai số không an toàn
khi thiết kế.
Lưu ý: Khối lượng tham gia tính giao động:
Khối lượng của đà, dầm, cột, sàn, vách cứng sẽ được phần mềm tự tính toán
theo đònh nghóa vật liệu mà ta đã khai báo.
Khối lượng hoàn thiện, khối lượng tường, mái, hệ thống kó thuật, đường ống và
một phần hoạt tải do người thiết kế tự tính toán theo tiêu chuẩn hiện hành. Ta
có thể tham khảo tiêu chuẩn tính toán thành phần động của tải trọng gió của
Việt Nam
Theo điều 3.2.4 TCXD 229 : 1999.
Khi kể đến các khối lượng chất tạm thời trên công trình trong việc tính toán
động lực tải trọng gió, cần đưa vào hệ số chiết giảm khối lượng.
22
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
Bảng 1 – Hệ số chiết giảm khối lượng đối với một số dạng khối lượng
chất tạm thời trên công trình
Bụi chất đống trên mái 0,5
Các vật liệu chất chứa trong kho, si lô, bun ke, bể chứa 1,0
Người, đồ đạc trên
sàn tính tương đương
phân bố đều

thư viện và các nhà chứa hàng,
chứa hồ sơ 0,8
các công trình dân dụng khác 0,5
Cầu trục và cẩu neo
các vật nặng
có móc cứng 0,3
coó móc mềm 0,0
Trong phạm vi đề tài này, ta giả sử lấy hệ số chiêt giảm khối lượng là 0,5 đối
vói hoạt tải.
m = q/g = (tt + 0,5p)/g
Bước 2. gán khối lượng cho kết cấu.
khối lượng tập trung.
a) phân tích phẳng : đối với những dạng nhà chạy dài, đối xứng và những dạng
nhà khác được quy đònh trong TCXD 375:2006.
Khối lượng tập trung sẽ được phân cho các nút: M = m x S.
Trong đó: m – khối lượng phân bố trên diện tích sàn.
0,5
9,81
q tt p
m
g
+
= =
23
TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
S – diện tích sàn.
Thông thường, giá trò q = 9÷14 kN/m
2
. thường chọn q = 10÷11 kN/m

2
.
Nếu S là diện tích sàn một tầng thì M = m x S là tổng khối lượng của sàn một
tầng. Ta có thể phân bố đều cho các nút trên một tầng đó hoặc phân bố không
đều phụ thuộc vào sự phân bố thực tế trên sàn, sao cho tổng khối lượng phân bố
cho các nút phải bằng M.
Lưu ý sự gán khối lượng cho các nút không đều sẽ là một phần nguyên nhân
dẫn đến sự xoắn trong dao động của công trình sau này.
Gán khối lượng tập trung M bằng Joint Mass :
Assign/ Joint/Point -> Additional Point Mass…
b) Phân tích 3 chiều
Nhập mô hình 3 chiều có cả sàn và vách cứng.
Nhưng không cần chia nhỏ phần tử Shell khi
giải bài toán dao động vì sai số chỉ là 1 % so
với khi có chia nhỏ các phần tử từ Shell trong
khi làm tăng khối lượng tính toán lên nhiều. Trừ khi ta muốn xem xét kỹ nội lực
trong kết cấu.
Khai báo khối lượng theo các cách sau:
Cách 1: M = (HT hoàn thiện + HT tường + HT)/g
M = (1.1 + 2.5 + 2 = 5.6 kN/m
2
) / (g = 9,81) = 0.56 kN/m
2
.
Sau đó gán lên Shell bằng Erea Mass.
Assign Shell/ Erea -> Additional Erea Mass…
Để diễn tả được sự phân bố thực tế khối lượng trên sàn, ta có thể gán mỗi ô
sàn một giá trò khối lượng phân bố khác nhau sao cho tổng khối lượng trên một
sàn không đổi.
24

TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC TPHCM CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO
TẦNG
Cách 2 : trong trường hợp để cho máy chạy nhanh hơn, ta chi cần nhập khung,
và thay những vò trí có vách cứng bằng một giàn tương đương. Kích thước các
thanh của dàn được chọn gần đúng như sau. Tiết diện thanh chéo của dàn có
chiều rộng và cao bằng chiều dày của vách cứng. Chiều cao tiết diện thanh
cánh thượng và cánh hạ gấp 2 chiều dày vách, chiều rộng tiết diện bằng chiều
dày vách. Kết quả chạy trên nhiều mô hình cho thấy giá trò của chu kỳ dao
động gần đúng với khi nhập vách cứng nhưng hình dạng của các mode dao động
ứng với các chu kỳ đó thì không còn giống với khi nhập vách và sàn nữa. Vì
vậy, tôt nhất là nên nhập cả vách và sàn khi tính mô hình 3 chiều.
khi đó, chọn toàn bộ các nút giao giữa dầm và cột, rồi gán đều bằng Joint Mass:
M = G
san
/(g.N) với N là số nút trên sàn. Hoặc gán không đều như đã trình bày ở
trên.
Cách 3 : không gán khối lượng cho các phần tử mà gán trực tiếp tải trọng lên
phần tử và để cho phần mềm tự tính khối lượng từ tải trọng đó.
Khai báo các trường hợp tải: (xem Hình 2.3)
Hình 2.3. đònh nghóa trường hợp tải
Ta gán tải trọng tónh thật sự, chưa cần khai báo tải trọng động trong giai đoạn
này. Để phần mềm tự tính toán khối lượng từ tải trọng này, ta cần đònh nghóa
các nguồn tạo khối lượng.
Mass SourceDefine / Mass Source (xem Hình 2.4)
25