Nghiên cứu dao động của nhà cao tầng dưới tác động của tải trọng động đất

Header Page 1 of 126.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ CHÍ PHÁT

NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG
DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60.58.20

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2013
Footer Page 1 of 126.


Header Page 2 of 126.
Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Xuân Toản

Phản biện 1

: TS. Huỳnh Minh Sơn

Phản biện 2

: TS. Trần Quang Hưng

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn
tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình
dân dụng và công nghiệp họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27
tháng 09 năm 2013.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng.

Footer Page 2 of 126.


Header Page 3 of 126.

1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Động đất là tai họa thiên nhiên vô cùng khủng khiếp bởi vì chỉ
trong vài giây đồng hồ cả một thành phố lớn có thể bị sụp đổ hoàn toàn,
cả một khu vực có thể bị sụt lún và đôi khi những dòng sông cũng bị
đổi dòng do hậu quả của những trận động đất mạnh.
Điều đáng sợ hơn là cho đến nay khoa học và kỹ thuật đương
đại vẫn chưa dự báo chính xác thời điểm và địa điểm động đất sẽ xảy ra.
Do đó, con người chưa có biện pháp phòng chống chủ động đối với
từng trận động đất. Và như một hệ lụy tất yếu, khi động đất xảy ra gây
thiệt hại rất to lớn về người và tài sản.
Ở nước ta hiện nay, việc tính toán động đất cho những công

trình xây dựng dân dụng chưa được quan tâm đúng mức. Tuy nhiên với
những thảm họa động đất đã xảy ra trên thế giới và ở Việt Nam đã cho
thấy rằng, để giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản do động đất gây ra
thì bản thân công trình xây dựng phải được thiết kế chịu được động đất
và mỗi quốc gia đều phải có biện pháp phù hợp cho vấn đề này.
Do đó việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu dao động của nhà cao
tầng dưới tác động của tải trọng động đất” là rất cần thiết, góp phần
làm rõ ảnh hưởng của tải trọng động đất tác dụng lên công trình nhà cao
tầng. Từ đó sẽ có biện pháp phù hợp để hạn chế tác động của động đất
lên các công trình xây dựng.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu áp dụng phương pháp lịch sử thời gian và phương
pháp phổ phản ứng vào phân tích kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng
động đất.
Phân tích, đánh giá kết quả và khuyến cáo áp dụng khi phân
tích động đất tác dụng lên nhà cao tầng.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu dao động của nhà cao tầng
chịu tải trọng động đất.
Phạm vi nghiên cứu: Dao động của nhà cao tầng bằng kết cấu
bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất.

Footer Page 3 of 126.


Header Page 4 of 126.

2

4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu dao động của nhà cao tầng dưới tác động của tải
trọng động đất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Kết quả nghiên cứu
luận văn có thể sử dụng:
- Tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành Xây dựng tại
các trường Đại học, cao đẳng.
- Tài liệu tham khảo cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật xây dựng.
5. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Luận văn gồm những nội dung chính như sau:
Mở đầu
Chƣơng 1: Tổng quan về nghiên cứu dao động của nhà cao
tầng chịu động đất.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết tính toán dao động của nhà cao tầng
dưới tác động của tải trọng động đất.
Chƣơng 3: Phân tích dao động của nhà cao tầng dưới tác động
của tải trọng động đất.
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
6. TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
Động đất và phân tích công trình chịu tác động của động đất là
một chủ đề được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm nghiên
cứu. Kết quả nghiên cứu động đất được thể hiện trong các công trình
nghiên cứu của các tác giả ngoài nước như: “Dynamics of Structures:
Theory and Applications to Earthquake Engineering - Anil K. Chopra
(1995)”; “Earthquake-resistant concrete structures - Penelis, G.G. and
Kappos, A.J (1997)”. Bên cạnh đó mỗi nước đều ban hành các Tiêu
chuẩn tính động đất riêng xuất phát từ chiến lược phát triển kinh tế xã
hội cũng như cơ sở vật chất kỹ thuật của nước mình.
Tại Việt Nam, nghiên cứu động đất được Viện Vật lý địa cầu
thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia tiến hành.
Hệ thống các thông số cơ bản của động đất, mục lục động đất ở Việt

Nam, quy luật cơ bản về tính động đất đã được nghiên cứu và khái quát
trong các công trình: “Nghiên cứu dự báo động đất và dao động nền ở
Việt Nam”; “Động đất trên lãnh thổ Việt Nam – Nguyễn Đình Xuyên
năm 1985”. Năm 2006, Bộ Xây dựng ban hành Tiêu chuẩn thiết kế
động đất TCXDVN 375:2006 trên cơ sở chấp nhận Eurocode 8.

Footer Page 4 of 126.


Header Page 5 of 126.

3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DAO
ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG ĐẤT
1.1.1. Định nghĩa, nguyên nhân và đặc điểm
a. Định nghĩa
Động đất là một sự rung chuyển hay chuyển động lung lay của
mặt đất do sự lan tỏa năng lượng từ một điểm nhất định nằm sâu trong
lòng đất. Động đất thường là kết quả sự chuyển động của các phay
(geologic fault) hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ của Trái đất hoặc
các hành tinh cấu tạo chủ yếu từ chất rắn như đất đá, … [20]
b. Nguyên nhân
c. Đặc điểm
1.1.2. Sóng địa chấn và sự truyền sóng
1.1.3. Cƣờng độ động đất
a. Định nghĩa
Cường độ động đất là thể hiện mức độ tàn phá mà động đất có
thể gây ra ở một khu vực nào đó. Giá trị thông số này đạt giá trị cực đại

ở chấn tâm rồi giảm dần theo khoảng cách chấn tâm, và phụ thuộc vào
điểm quan sát [3].
b. Thang cường độ động đất
Thang cường độ động đất (hay cấp động đất) phụ thuộc vào khả
năng nhận thức của con người về mức độ phá hoại công trình xây dựng
do động đất gây ra.
Năm 1878, thang cường độ động đất được Rossi thành lập.
Năm 1904, Cancani đã đưa ra một thang độ có định lượng cụ
thể trên cơ sở gia tốc nền (acceleration) do chấn động gây ra.
Năm 1931, hai nhà địa chấn học H.O.Wood và F.Neumann xây
dựng Thang Mercalli hiệu chỉnh (Modified Mercalli Scale) phân chia
cường độ chấn động thành 12 cấp.

Footer Page 5 of 126.


Header Page 6 of 126.

4

Năm 1956, Richter hiệu chỉnh khoảng gia tốc cực đại của Thang
Mercalli hiệu chỉnh thành thang cường độ chính thức áp dụng rộng rãi
ngày nay.
Năm 1964, ba nhà khoa học Medvedev, Sponhahure và Karnic
đề xuất thang MSK-64, đây là thang cường độ được UNESCO kiến
nghị và được sử dụng rộng rãi tại các nước Châu Âu.
c. Thang độ lớn động đất
* Thang Richter (hay còn gọi là thang độ lớn địa phương)
Theo định nghĩa của Richter, độ lớn M của một trận động đất
được xác định như sau:

Trong đó:

M = logA - logA0

(1.1)

- A : Biên độ max của trận động đất đang xét do địa chấn kế.
- A0: Biên độ max của trận động đất chuẩn có cùng chấn tâm.
* Thang cƣờng độ động đất theo đặc trƣng của sóng
1.1.4. Đặc tính của chuyển động nền trong động đất
1.2. ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐỐI VỚI CÁC CÔNG
TRÌNH XÂY DỰNG
1.2.1. Tác động của động đất lên công trình
1.2.2. Ứng xử của kết cấu khung BTCT khi chịu động đất
1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU NHÀ CAO
TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
1.3.1.
1.3.2. Phƣơng pháp động lực học
1.4. NGHIÊN CỨU ĐỘNG ĐẤT VÀ THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH
NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT
1.4.1. Tình hình nghiên cứu động đất tại các nƣớc trên thế giới
1.4.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Footer Page 6 of 126.


Header Page 7 of 126.

5

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DAO
ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA
TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
2.1. GIỚI THIỆU CHUNG
2.1.1. Phân tích tĩnh và động
2.1.2. Các loại tải trọng động
a. Tải trọng ngẫu nhiên
b. Tải trọng xác định
2.1.3. Bậc tự do động
Số tọa độ độc lập tối thiểu cần để xác định vị trí tất cả các điểm
khối lượng của hệ tại thời điểm bất kỳ nào được gọi là số bậc tự do
động (BTDĐ). Thông thường số bậc tự do động bằng số chuyển vị độc
lập của hệ đang xét.
2.1.4. Phân tích động đất trong thiết kế nhà cao tầng
a. Phương pháp đơn phổ (phương pháp lực tĩnh ngang tương
đương)
b. Phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động
c. Phương pháp lịch sử thời gian
2.2. PHƢƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG CỦA HỆ CHỊU TÁC ĐỘNG
CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
2.2.1. Mô hình bài toán động
2.2.2. Hệ một bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất
2.2.3. Hệ nhiều bậc tự do (MDOF) chịu tác dụng của động đất
a. Phương trình chuyển động của hệ MDOF chịu động đất
b. Dao động tự do của hệ MDOF
c. Mô hình cản trong hệ nhiều bậc tự do MDOF
d. Dao động cưỡng bức của hệ MDOF chịu động đất
2.3. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ PHỔ PHẢN ỨNG ĐỘNG ĐẤT
Phổ phản ứng của một trận động đất là một đồ thị mà tung độ
của nó biểu diễn biên độ lớn nhất của một trong các thông số phản ứng

(chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc tương đối) của hệ kết cấu theo chu kỳ

Footer Page 7 of 126.


6

Header Page 8 of 126.

dao động tự nhiên và độc lập với lịch sử chuyển động của kết cấu theo
thời gian.
2.3.1. Phổ phản ứng đàn hồi
a. Các bước xác định phổ phản ứng đàn hồi
b. Phổ phản ứng đàn hồi theo TCXDVN 375:2006
* Với các thành phần nằm ngang của tác động động đất
Phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang Se(T) được xác định
như sau [6]:
0 T

TB : Se (T )

a g .S . 1

T
.( .2,5 1)
TB

TB

T

TC : Se (T )

ag .S . .2,5

TC

T

TD : Se T

ag S

TD

T

4s : Se T

ag S

TC
T
T .T
2,5 C 2 D
T

2,5

(2.32)

(2.33)
(2.34)
(2.35)

Trong đó:
T
: Chu kỳ dao động của hệ tuyến tính một bậc tự do;
ag
: Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A (ag = I. agR);
= 1 : Hệ số điều chỉnh độ cản (độ cản nhớt 5%);
TB: Giới hạn dưới của chu kỳ (đoạn nằm ngang của phổ phản ứng)
TC: Giới hạn trên của chu kỳ (đoạn nằm ngang của phổ phản ứng)
TD: Giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch
chuyển không đổi trong phổ phản ứng;
S
: Hệ số nền.
* Đối với thành phần thẳng đứng của tác động động đất
2.3.2. Phổ thiết kế đàn hồi
2.4. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NHÀ
CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT
2.4.1. Phƣơng pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động tính
toán động đất công trình nhà cao tầng

Footer Page 8 of 126.


7

Header Page 9 of 126.

a. Đối với hệ 1 bậc tự do
Phương trình chuyển động của hệ một bậc tự do (SDOF) chịu
tác dụng của tải trọng động đất:
2
u (t ) 2 u (t )
u (t )
u g (t )
(2.4)
Nghiệm của phương trình là tích phân Duhamel:
u (t )

1

t

u g ( )e

D (t

)

sin

D

(t

(2.5)

) d

D 0

Với:

D

2

1

ảnh hưởng của lực cản. Do
D

:

u (t )

1

(2.6): là tần số dao động riêng có xét đến
thường nhỏ khi tính động đất ( 5% ) nên

t

u g ( )e

(t

)

sin

(t

) d

(2.44)

0

Lực động đất tác dụng lên khối lượng m tại thời điểm t sẽ là:
d 2u
Fb m u (t ) ; Trong đó u (t )
(2.45)
dt 2
Tập hợp các giá trị u max tương ứng với
(hoặc T) chính là
đường cong phổ phản ứng gia tốc Sa ( ) (hoặc S a (T ) )

Hình 2.7: Đồ thị minh họa phổ phản ứng gia tốc của kết cấu

Footer Page 9 of 126.


8

Header Page 10 of 126.

Từ tích phân Duhamel ta dễ dàng xác định phổ phản ứng

chuyển vị, phổ phản ứng vận tốc, phổ phản ứng gia tốc:
Sa
Sa
2
S d S a (2.46)
; u max
; u max
u max Sd
Sd
2
Lực động đất lớn nhất tác dụng lên kết cấu sẽ là:
Fb
Fb

W
g

m u max
W
g

2

2

Sd

1

1

t

u g ( )e

(t

)

sin

(t

)d

0

max

(2.47)

W
Sa
g

Trong đó:

Sa

2

g: Gia tốc trọng trường;
W: Trọng lượng kết cấu;
t

u g ( )e

(t

)

sin

(t

: Phổ gia tốc.

) d

0

max

b. Đối với hệ nhiều bậc tự do và phương pháp đa phổ
Phương trình chuyển động của hệ nhiều bậc tự do (MDOF) chịu
tác dụng của tải trọng động đất:
m u (t )
c u (t )
k u (t )
m 1 u g (t )

(2.7)
Trong đó:
m ; c ; k : là ma trận khối lượng, ma trận cản và ma trận độ
cứng của hệ.
u (t ) ; u (t ) ; u (t ) : là ma trận gia tốc, ma trận vận tốc và ma
trận chuyển vị của hệ.
Phương trình vi phân tại dạng dao động thứ n trong hệ tọa độ
chuẩn (n= 1, 2, …, N)
T

M n*Yn (t ) Cn*Yn (t ) Kn*Yn (t )

n

m 1 ug (t )
N

Hay: Yn (t ) 2

n

nYn (t )

2
n n

Y (t )

m 1

Footer Page 10 of 126.

mm

mn

mm

2
mn

m 1
N

u g (t )

(2.50)


9

Header Page 11 of 126.
Trong đó:
T
n

m
n

T

Φn1 Φn2 ... ΦnN : Véctơ dạng dao động thứ n của hệ;
m1 m2 ... mN : Véctơ khối lượng tại các tầng;
cmn
2mn

: Hệ số cản dao động của dạng dao động thứ n;
n

Đây là phương trình vi phân tuyến tính tương tự đối với hệ một
bậc tự do (SDOF). Phổ gia tốc của Yn (t ) sẽ được xác định:
N

Yn

mm

mn

mm

2
mn

m 1
N

max

Sa (

n

)

(2.52)

m 1
N

mm

mn

→ umn

mn

max

Yn

mn

m 1

Sa (

N

max

n

)

(2.57)

2
mn

mm
m 1

Lực động đất tại cao trình điểm m của dao động thứ n:
N

mm

mn

mn

m 1

Fmn mm umn max mm

Sa ( n )

N

mm

(2.58)

2
mn

m 1

Dựa vào công thức (2.58), tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 viết
công thức tính toán động đất như sau:
2

N

Fmn Sa ( n )M

m

*
m
n N

mm
Với Fbn

mn

Fbn

mm

mm
mn

N

mm

mn

m 1

m 1

Sa ( n ) M n*

Sa ( n )
Wn
g

Footer Page 11 of 126.

; với M

*
n

mn

m 1
N

mm

mn

2
mn

m 1

Sa ( n )Wn

(2.62)


10

Header Page 12 of 126.
Trong đó:
Sa (

n

) : Phổ gia tốc không thứ nguyên theo gia tốc trọng trường;

Fbn : Lực cắt đáy ứng với dao động thứ n;
M*n ; Wn : Được gọi là khối lượng và trọng lượng hữu hiệu của

hệ tương ứng với dạng dao động thứ n.
Do tính chất trực giao của các dạng dao động nên ta có khối
N

lượng và trọng lượng toàn bộ hệ: M=

N

M*n ; W=
n 1

(2.63)

Wn
n 1

c. Các qui tắc tổ hợp dạng chính
* Cách 1: Tổ hợp tổng các giá trị tuyệt đối hay thường gọi là
phương pháp ABSSUM (the Absolute Sumofmodalconbination rule):
N

Emax

(2.64)

En max
n 1

* Cách 2: Phương pháp lấy căn bậc hai các tổng bình phương

hay còn gọi là phương pháp SRSS (the Square-Root-of-Sum-of-Squares
rules) sử dụng khi phản ứng của hai dạng dao động n và m độc lập với
N

nhau [3]:

(2.65)

En2

Emax
n 1

Phản ứng của hai dạng dao động n và m là phụ thuộc lẫn nhau
[3]; thì sử dụng phương pháp tổ hợp bình phương đầy đủ CQC (the
Complete Quadratic Combination):
N

N

EE

ij

(2.67)

Ei E j

i 1 j 1

8

Trong đó:

i

ij

;

1 r2
j

2

4

i
i

j
j

i

r

r 1 r2

j

r 3/ 2
4

2
i

2
j

: Hệ số cản nhớt lấy bằng 0,05 (5%); r

r2
i

.

j

d. Quy trình tính toán động đất nhà cao tầng sử dụng phương pháp
phổ phản ứng nhiều dạng dao động theo TCXDVN 375:2006

Footer Page 12 of 126.


11

Header Page 13 of 126.

2.4.2. Phƣơng pháp tĩnh lực ngang tƣơng đƣơng (SEM)

a. Cơ sở phương pháp tĩnh lực ngang tương đương
b. Cơ sở lý thuyết tính toán
c. Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo TCXDVN
375:2006
2.4.3. Phƣơng pháp phân tích động đất theo lịch sử thời gian
Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian cho phép xác định
được toàn bộ quá trình phản ứng của hệ kết cấu dưới tác động của tải
trọng động đất. Phương pháp này dựa trên cơ sở các biểu đồ gia tốc nền
động đất có sẵn theo hàm thời gian. Có hai cách tính toán:
- Tích phân phƣơng trình dao động của các dạng dao động
hay còn gọi là phương pháp tích phân dạng dao động (Modal).
- Tích phân trực tiếp phƣơng trình dao động tổng thể
(Direct Integration)
a. Phương pháp tích phân các dạng dao động (Madal)
Phương trình chuyển động tổng quát của hệ N tầng:
m u (t )
c u (t )
k u (t )
m 1 u g (t )

(2.75)

Phương trình chuyển động của hệ N tầng trong hệ tọa độ chuẩn
ứng với dạng dao động thứ n:
Ln
2
Yn (t ) 2 nYn (t )
u g (t )
(2.76)
n Yn (t )

Mn
T

Với Ln

n

N

m 1

mj

jn

j 1

Lời giải chuyển vị trong hệ tọa độ chuẩn:
Yn (t )

Ln 1 t
u g ( )e
M n nD 0

n (t

)

sin

nD

(t

(2.77)

) d

Chuyển vị tại tầng thứ j được xác định trong hệ tọa độ thực:
u jn (t )
(2.78)
jnYn (t ) ; với j= 1, 2, ..., N
f n (t )

k un (t )

Footer Page 13 of 126.

k

n

Yn (t )

2
n

m

n

Yn (t )

(2.81)


12

Header Page 14 of 126.

Lực ngang tác dụng tại từng tầng thứ j do dạng dao động thứ n
gây ra: f jn (t )

mj

jn

2 t
n

Ln
Mn

u g ( )e

n (t

)

sin

nD

(t

(2.83)

) d

nD 0

Lực cắt và momen tại móng do dao động thứ n gây ra:
N

V0 n (t )

f jn (t )
j 1

N

M 0n (t )

h j f jn (t )
j 1

Ln
Mn

Ln

Mn

2
n
nD

2
n

t
n (t

u g ( )e

)

sin

nD

(t

(2.84)

) d

nD 0

t

N

hj m j
j 1

n (t

ug ( )e

jn

)

sin

nD

(t

) d (2.85)

0

Ứng xử tổng thể của kết cấu được xác định bằng cách kết hợp
N

ứng xử của tất cả các dạng dao động: r (t )

(2.86)

rn (t )
n 1

N

Chuyển vị, tại tầng thứ j: u j (t )

u jn (t )
n 1
N

Lực cắt đáy, momen đáy: V0 (t )

N

V0 n (t ) ; M 0 (t )
n 1

M 0 n (t )
n 1

b. Tích phân trực tiếp phương trình dao động tổng thể (Direct
Integration)
Theo cách thức này, phương pháp tích phân từng bước một
được áp dụng để xác định nghiệm của phương trình chuyển động cho
trường hợp hệ kết cấu chịu tải trọng động đất. Khi tính toán động đất
theo mô hình bài toán không gian, chuyển động động đất phải bao gồm
ba giản đồ gia tốc tác động đồng thời. Không sử dụng đồng thời cùng
một giản đồ gia tốc cho cả hai phương nằm ngang.
2.4.4. Tổ hợp hệ quả các thành phần tác động động đất

a. Thành phần nằm ngang của tác động động đất
b. Thành phần thẳng đứng của tác động động đất
2.4.5. Lựa chọn phƣơng pháp phân tích

Footer Page 14 of 126.


Header Page 15 of 126.

13

CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA NHÀ CAO
TẦNG DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Luận văn trình bày kết quả tính toán cho công trình bằng kết
cấu BTCT cao 15 tầng tại Thành phố Đà Nẵng; có mặt bằng kết cấu
tầng điển hình như Hình 3.1.

Hình 3.1: Sơ đồ kết cấu tầng điển hình (tầng 1-15)

3.1.1. Số liệu phân tích
Vật liệu: Bêtông cốt thép; sử dụng bêtông cấp bền B25.
Chiều cao mỗi tầng: ht= 3,3 (m); khoảng cách từ dầm móng
(đà kiềng) đến mặt móng 1,5 (m).
Tiết diện:
Sàn S1 (120 mm), S2 (100 mm); Lõi dày δ= 250 mm;
Dầm D1,2,3 (250x400) mm, D4 (250x550) mm;
Cột C1 (300x600) mm, Cột C2 (300x700) mm.
Tải trọng:
a. Tĩnh tải do trọng lượng bản thân kết cấu: Sàn, dầm, cột,

vách, … khai báo để phần mềm ETABS v9.2 tự tính.
b. Tĩnh tải các lớp cấu tạo sàn: gtt= 1,1 (kN/m2)
c. Tĩnh tải do tường xây trên dầm: gt 11,48 (kN/m)
d. Hoạt tải sàn: S1 (ptt= 2,4 kN/m2); S2 (ptt= 3,6 kN/m2)

Footer Page 15 of 126.


Header Page 16 of 126.

14

3.1.2. Các trƣờng hợp phân tích
a. Trường hợp 1
Phân tích động đất theo phương pháp lịch sử thời gian và đánh
giá ảnh hưởng của các đặc trưng gia tốc nền đất: gia tốc đỉnh; thời gian
kéo dài rung động mạnh đến kết cấu công trình khi chịu động đất.
b. Trường hợp 2
Phân tích động đất theo phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng
dao động để đánh giá ảnh hưởng của các loại đất nền đến kết cấu công
trình khi chịu động đất.
c. Trường hợp 3
Phân tích động đất tác dụng lên công trình theo phương pháp
phổ phản ứng nhiều dạng dao động ứng với các cấp động đất từ V đến
IX theo thang MSK-64.
3.2. PHÂN TÍCH ĐỘNG ĐẤT TÁC ĐỘNG LÊN CÔNG TRÌNH
BẰNG PHẦN MỀM ETABS v9.2.0
3.2.1. Mô hình kết cấu trong Etabs v9.2.0

Hình 3.2: Mô hình kết cấu công trình trong ETABS v9.2

a. Định nghĩa, khai báo (Define) các thuộc tính của hệ
b. Gán (Assign) các thuộc tính cho hệ kết cấu

Footer Page 16 of 126.


Header Page 17 of 126.

15

3.2.2. Trƣờng hợp 1: Phân tích động đất theo phƣơng pháp lịch
sử thời gian (Time History)
a. Khai báo biểu đồ gia tốc nền

Hình 3.8: Biểu đồ gia tốc nền trận
động đất Elcentro (phương X)

Hình 3.9: Biểu đồ gia tốc nền trận
động đất Altadena (phương X)

* Nhận xét:
- Elcentro: agR= 0,3129 (g) tại t = 2,15s và thời gian kéo dài của
rung động mạnh khá dài.
- Altadena: agR= 438,913 cm/s2 tại thời điểm t= 2,84s: và thời
gian kéo dài của rung động mạnh ngắn.
b. Khai báo trường hợp phân tích (Analysic Cases)

Hình 3.11: Khai báo động đất
Elcentro1 (Phương X)

Footer Page 17 of 126.

Hình 3.12: Khai báo động đất
Altadena (phương X)


Header Page 18 of 126.

16

Hình 3.13: Khai báo động đất Elcentro2 (phương X)

c. Phân tích và xem kết quả các trường hợp phân tích động đất đối
với khung K6

a) Trận động đất Elcentro1
b) Trận động đất Altadena
Hình 3.14: Chuyển vị nút 1 (tầng 15) khung K6 theo lịch sử thời gian

a) Trận động đất Elcentro1
b) Trận động đất Altadane
Hình 3.15: Lực cắt cột trục A (tầng 15) khung K6 theo lịch sử thời gian

a) Trận động đất Elcentro1
b) Trận động đất Altadane
Hình 3.16: Momen cột trục A (tầng 15) khung K6 theo lịch sử thời gian

Footer Page 18 of 126.

Header Page 19 of 126.

17

3.2.3. Trƣờng hợp 2: Phân tích động đất theo phƣơng pháp phổ
phản ứng (Response Spectrum) đối với các loại nền đất A, B, C, D, E
theo TCXDVN 375:2006
a. Khai báo đường phổ phản ứng đàn hồi
Xây dựng phổ phản ứng đàn hồi ứng với 5 loại đất nền A, B, C,
D, E theo TCXDVN 375:2006; gia tốc nền lấy bằng với gia tốc nền cực
đại trận động đất Elcentro (agR = 0,3129.9,81= 3,0696 m/s2)
b. Khai báo trường hợp phân tích (Analysic Cases)
c. Phân tích và xem kết quả động đất tác dụng lên khung K6

Hình 3.23: Lực cắt tầng 1 khung K6 khi phân tích với các loại nền đất

Hình 3.24: Momen tầng 1 khung K6 khi phân tích với các loại nền đất

Footer Page 19 of 126.


Header Page 20 of 126.

18

3.2.4. Trƣờng hợp 3: Phân tích động đất theo phƣơng pháp phổ
đối với nền đất loại A ứng với các cấp động đất từ V đến IX (thang
MSK-64)
a. Khai báo đường phổ phản ứng đàn hồi

Xây dựng phổ phản ứng đàn hồi ứng với đất nền loại A theo
TCXDVN 375:2006; với gia tốc nền thiết kế lấy ứng với cấp động đất
từ V đến IX (thang MSK-64)
b. Khai báo trường hợp phân tích (Analysic Cases)
c. Phân tích và xem kết quả các trường hợp phân tích động đất
khung K6

Hình 3.29: Lực cắt tầng 1 khung K6 khi phân tích các cấp động đất từ V đến IX

Hình 3.30: Momen tầng 1 khung K6 khi phân tích các cấp động đất từ V đến IX

Footer Page 20 of 126.


Header Page 21 of 126.

19

3.3. TỔNG HỢP KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
3.3.1. Trƣờng hợp 1
a. Tổ hợp chuyển vị khung K6 (theo phương X)

Hình 3.31: Chuyển vị khung K6 khi xét Elcentro1, Altadena và Elcentro2

b. Tổ hợp nội lực cột khung K6 (theo phương X)

Hình 3.32: Lực cắt chân cột A khung K6
khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2

Hình 3.33: Momen chân cột A khung K6

khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2

c. Tổ hợp nội lực dầm khung K6 (theo phương X)

Hình 3.34: Lực cắt gối dầm AB khung K6 Hình 3.35: Momen gối dầm AB khung K6
khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2
khi xét Elcentro1; Altadena; Elcentro2

Footer Page 21 of 126.


Header Page 22 of 126.

20

Hình 3.36: Hệ quả động đất lớn nhất do Elcentro1; Altadena; Elcentro2

d. Nhận xét:
1. So sánh trường hợp Elcentro1 và Elcentro2 nhận thấy hệ
quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu phụ thuộc vào gia tốc cực
đại của trận động đất đó. Khi gia tốc cực đại của trận động đất càng lớn
(khuếch đại trận động đất Elcentro1 lên 1,43 lần) thì hệ quả động đất
của kết cấu càng lớn (nội lực tăng 43%, chuyển vị tăng 47%).
2. So sánh trường hợp Altadena và Elcentro2 có cùng gia tốc
cực đại (agR= 438,913 cm/s2) nhận thấy hệ quả động đất: chuyển vị, nội
lực của kết cấu phụ thuộc rất lớn vào sự duy trì tần số và thời gian kéo
dài của rung động mạnh.
3.3.2. Trƣờng hợp 2:
a. Tổ hợp chuyển vị khung K6 (theo phương X)

Hình 3.37: Chuyển vị khung K6 khi phân tích động đất với các loại nền đất

Footer Page 22 of 126.


Header Page 23 of 126.

21

b. Tổ hợp nội lực cột khung K6 (theo phương X)

Hình 3.38: Lực cắt cột A khung K6 khi
phân tích động đất với các loại nền đất

Hình 3.39: Momen cột A khung K6 khi
phân tích động đất với các loại nền đất

Hình 3.40: Hệ quả động đất lớn nhất khi phân tích với các loại nền đất

c. Nhận xét kết quả:
1. Kết quả phân tích động đất theo phương pháp lịch sử thời
gian và phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động trên nền đất
loại A theo TCXDVN 375:2006 có kết quả chênh lệch lớn nhất 15%.
2. Nền đất dưới đáy công trình có ảnh hưởng rất lớn đến tác
động động đất lên công trình. Hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của
kết cấu khi xét các loại đất nền khác nhau A, B, C, D, E theo TCXDVN
375:2006 có kết quả chênh lệch đến 170%.

Footer Page 23 of 126.

Header Page 24 of 126.

22

3.3.3. Trƣờng hợp 3:
a. Tổ hợp chuyển vị khung K6 (theo phương X)

Hình 3.41: Chuyển vị khung K6 khi phân tích động đất từ cấp V đến IX

b. Tổ hợp nội lực cột khung K6 (theo phương X)

Hình 3.42: Lực cắt cột A khung K6 khi
phân tích động đất từ cấp V đến IX

Hình 3.43: Momen cột A khung K6 khi
phân tích động đất từ cấp V đến IX

Hình 3.44: Hệ quả lớn nhất của động đất ứng với các cấp động đất

c. Nhận xét kết quả:
- Khi ta tăng dần cường độ động đất ứng với các cấp động đất
khác nhau thì hệ quả động đất của kết cấu cũng tăng dần. Kết quả phân
tích chuyển vị cho thấy công trình có thể chịu được động đất cấp VII.

Footer Page 24 of 126.


Header Page 25 of 126.

23

KẾT LUẬN
Luận văn đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp phổ phản ứng
và phương pháp lịch sử thời gian vào phân tích dao động của nhà cao
tầng chịu tải trọng động đất có xét đến các đặc trưng của gia tốc nền
(thời gian, gia tốc cực đại trận động đất khác nhau) và xét đến các loại
đất nền khác nhau. Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn ta có thể rút
ra một số kết luận như sau:
- Hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu phụ thuộc vào
gia tốc cực đại (PGA) của trận động đất. Khi gia tốc cực đại của trận
động đất càng lớn (tăng 43%) thì hệ quả động đất tác động lên kết cấu
càng tăng (chuyển vị, nội lực trận động đất Elcentro2 tăng 47% so với
trận động đất Elcentro1).
- Hệ quả động đất: chuyển vị, nội lực của kết cấu không những
phụ thuộc vào giá trị gia tốc cực đại của trận động đất tại một thời điểm
(PGA) mà còn phụ thuộc rất lớn vào thời gian kéo dài rung động mạnh
của trận động đất đó. Ta thấy thời gian kéo dài rung động mạnh của trận
động đất Elcentro2 lớn hơn nhiều so với trận động đất Altadena nên kết
quả phân tích hai trận động đất chênh lệch rất lớn (chuyển vị tăng
475%, nội lực tăng đến 320%).
- Nền đất dưới đáy công trình có ảnh hưởng rất lớn đến tác
động của động đất lên kết cấu công trình. Nền đất thuộc loại đá, đất rời
trạng thái chặt, đất sét ở trạng thái cứng có chiều dày lớn sẽ chịu ảnh
hưởng của động đất nhỏ hơn so với nền đất ở trạng thái xốp (chặt vừa)
hoặc đất dính ở trạng thái mềm (chặt vừa). Hệ quả động đất: chuyển vị,
nội lực của kết cấu khi phân tích với các loại nền đất khác nhau cho kết
quả chênh lệch đến 170%.
- Kết quả phân tích động đất theo phương pháp lịch sử thời gian
và phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động trên nền đất loại A

theo Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 có kết quả chênh lệch lớn nhất
15%.

Footer Page 25 of 126.