Phân tích ứng xử của nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

LÊ VĂN CHUẪN

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG
CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT
CHO HỆ TẦNG CỨNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 1: PGS. TS. Trần Quang Hưng
Phản biện 2: PGS. TS. Phạm Thanh Tùng

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân
dụng và Công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày
11 tháng 3 năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
- Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng & Công
nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, nhà cao tầng, siêu cao tầng đang
phát triển mạnh mẽ. Do quỹ đất đô thị hạn hẹp, mật độ dân số cao
nên việc phát triển những dự án cao tầng và siêu cao tầng đang là sự
lựa chọn tất yếu.
Kết quả của sự phát triển đó dẫn đến việc các tòa nhà nhạy
cảm với các kích thích động học của tải trọng gió và động đất. Công
nghệ xây dựng phát triển cũng tạo ra nhiều thách thức cho môn khoa
học kết cấu công trình và việc sử dụng tầng cứng cho nhà cao tầng
ngày càng phổ biến hơn. Tuy nhiên, đối với hệ kết cấu có tầng cứng
khi chịu tải trọng ngang, lõi có xu hướng xoay lúc này các cột phía
ngoài liên kết với tầng cứng (được thiết kế như một hệ dầm ngang rất
cứng kết nối lõi với hệ cột phía ngoài) có thể ngăn cản sự xoay của
lõi làm giảm đáng kể chuyển vị đỉnh của công trình. Khuynh hướng
này làm xuất hiện chuyển động thẳng đứng trái chiều giữa các cột
biên và phần cuối của tầng cứng, dẫn đến sàn liên kết giữa vách và
cột biên sẽ bị uốn cong gấp đôi. Vấn đề cần thiết đặt ra là tìm cách để
tiêu tán đi năng lượng do chuyển động trái chiều đó tại vị trí tầng
cứng, do đó hệ cản nhớt được bố trí thẳng đứng tại vị trí cuối tầng
cứng liên kết với cột. Đây là lý do để thực hiện nghiên cứu đề tài
nghiên cứu “Phân tích ứng xử của nhà cao tầng có sử dụng thiết bị

cản nhớt cho hệ tầng cứng” .
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ cản chất lỏng nhớt
(fluid viscous damper).
- Đánh giá hiệu quả kháng chấn của phương án sử dụng hệ
cản chất lỏng nhớt cho hệ tầng cứng trong nhà cao tầng khi chịu tải
trọng động đất.


2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản
nhớt cho hệ tầng cứng.
- Phạm vi nghiên cứu: Nhà cao tầng bê tông cốt thép chịu tải
trọng động đất.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Dựa theo các tài liệu, các tiêu chuẩn trong và ngoài nước về
tính toán hệ kết cấu có gắn hệ cản chất lỏng nhớt.
- Sử dụng phần mềm phân tích kết cấu dựa trên phương pháp
phần tử hữu hạn (ETABS...) để thực hiện mô hình hóa nhà cao tầng
trong hai trường hợp không sử dụng thiết bị cản nhớt và có sử dụng
thiết bị cản nhớt cho tầng cứng.
5. Bố cục luận văn
Luận văn bao gồm những nội dung cơ bản như sau:
Chương 1: Tổng quan về nhà cao tầng và hệ tầng cứng có sử
dụng thiết bị cản nhớt.
Chương 2: Phân tích động lực học cho nhà cao tầng có sử
dụng thiết bị cản nhớt
Chương 3: Mô hình hóa và phân tích nhà cao tầng có sử
dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng.

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ
HỆ TẦNG CỨNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT
1.1. Tổng quan về nhà cao tầng
1.1.1. Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng
a. Định nghĩa
Nhà cao tầng là loại công trình xây dựng lớn và phức tạp. Không
giống như các công trình thấp tầng khi chịu tác dụng chủ yếu của tải trọng


3
đứng thì nhà cao tầng với chiều cao lớn, sự làm việc của nó như một
console có độ mảnh lớn khi chịu tác dụng của tải trọng ngang (do gió, do
động đất) thì làm cho chuyển vị ngang của công trình lớn ảnh hưởng đến
tâm lý sử dụng cũng như gây ra nội lực lớn trong hệ kết cấu.
b. Phân loại

- Phân loại theo mục đích sử dụng: nhà ở, nhà làm việc và các
dịch vụ khác.

- Phân loại theo hình dạng: đơn vị giao thông theo phương
đứng (nhà ở).

- Phân loại theo chiều cao nhà:
- Về mặt kết cấu, một công trình được định nghĩa là cao tầng
khi độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định. Tải
trọng ngang bao gồm tải trọng gió, động đất, ...
1.1.2. Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển
Kết cấu nhà cao tầng bắt đầu thịnh hành tại Mỹ từ những năm
60-70 của thế kỷ trước, tập trung tại một số thành phố lớn như

Chicago, Los Angeles và New York. Loại hình kết cấu phổ biến ban
đầu là khung và khung-vách. Hệ kết cấu khung, làm bằng thép hoặc bê
tông cốt thép, có ưu điểm vượt trội so với kết cấu khối xây sử dụng
cho các công trình nhiều tầng trước đó. Kết cấu đơn giản, hình thành
bởi các cột và dầm liên tục với các nút chịu mô men, có đặc điểm là
tương đối nhẹ giúp giảm ảnh hưởng của động đất lên công trình.
Kết cấu khung - vách là sự kết hợp giữa hai loại hình kết cấu
vách và khung cùng chịu tải trọng ngang. Hệ kết cấu này có ưu điểm
so với kết cấu khung bởi tương tác giữa hai hình thái biến dạng dạng
cắt (của khung) và biến dạng dạng uốn (của vách) làm tăng độ cứng
của hệ. Loại kết cấu này thích hợp với công trình khoảng từ 10 đến
50 tầng và có thể cao hơn. Nếu sử dụng dầm mở rộng nách, hệ kết
cấu này có thể áp dụng cho công trình đạt tới 70 hoặc 80 tầng. Tuy


4
nhiên, việc lựa chọn hệ kết cấu này cho công trình cao hơn 50 tầng
sẽ dẫn đến nhiều vấn đề như khoảng cách giữa các cột gần nhau, dầm
có chiều cao lớn, tường có nhiều lỗ mở, dẫn đến làm việc giống
khung, sự làm việc tương tác khung - vách sẽ bị hạn chế [1].
Kết cấu lõi thường được cấu thành bởi các vách thang máy
và thang bộ. Do là kết cấu không gian, nên hệ lõi có thể chịu được
tải trọng Kết cấu có tầng cứng dựa trên một nguyên lý vật lý đơn
giản để chuyển hóa lực cắt tầng từ lõi trung tâm thành lực dọc trong
cột nằm ở biên công trình khi chịu tải trọng ngang, thông qua một
hoặc nhiều dầm cứng bố trí tại các vị trí hợp lý theo chiều cao, giúp
tăng đáng kể độ cứng ngang của công trình [1]. Nguyên lý này có thể
sử dụng cho một số hình thái kết cấu như đai biên cho phép huy
động toàn bộ các cột biên tham gia chống mômen lật, hoặc siêu
khung khi mô men lật được chịu bởi một số cặp cột lớn. Hơn nữa, hệ

kết cấu tầng cứng còn có ưu điểm là hạn chế ảnh hưởng của hiện
tượng chênh lệch biến dạng co ngắn giữa cột ngoài và lõi do lực dọc
gây ra. Hiện nay, hệ kết cấu này được áp dụng rất nhiều.Theo báo
cáo tại hội nghị Quốc tế về nhà cao tầng tại Thượng Hải 2010, từ
năm 2000 đến 2010 có 73% kết cấu nhà cao tầng sử dụng hệ kết cấu
lõi cứng - tầng cứng, trong đó 50% là kết cấu bê tông cốt thép. Với
ưu thế về khả năng làm việc, hệ kết cấu lõi - tầng cứng có thể cao tới
150 tầng.
Ngày nay do sự phát triển của công nghệ các hệ thống cản bị
động được ưu tiên sử dụng, nó vừa có tác dụng làm tăng khả năng
cản của kết cấu (có thể lên đến 5-10%) vừa không quá tốn kém. Điển
hình các hệ thống cản dạng con lắc ở tòa nhà Taipei 101, cản nhớt
được đặt vào vị trí liên kết giữa tầng cứng và cột tại tòa nhà St
Francis Shanri-La Place, Philipine cao 210m.


5
1.2. Kết cấu hệ tầng cứng trong nhà cao tầng
1.2.1. Khái quát về hệ kết cấu có tầng cứng
Một kết cấu tầng cứng cao tầng bao gồm một lõi chính bằng
bê tông cốt thép hoặc khung giằng bằng thép kết nối với các cột
ngoài bởi các console ngang có độ cứng uốn lớn. Lõi có thể được đặc
giữa các hàng cột với các tầng cứng được mở rộng ra hai bên hoặc
nó có thể nằm ở một bên của tòa nhà với console kết nối với các cột
phía bên kia (Hình 1.6).

Hình 1.6. Hệ kết cấu được bố trí tầng cứng
Khi có tải trọng ngang tác dụng vào công trình, các cột được
liên kết với tầng cứng có thể ngăn cản góc xoay của lõi làm giảm
đáng kể chuyển vị ngang trên đỉnh của lõi so với trường hợp lõi đứng

tự do. Nguyên lý làm việc của hệ thống này là sử dụng lõi để chịu
hầu hết tải trọng ngang, đồng thời phân khả năng chịu cắt theo
phương đứng từ lõi ra cột ngoài thông qua cánh đòn của tầng cứng.
Những dầm cứng này được phát triển ra dàn đai biên cho phép các
cột biên tham gia vào chịu mômen lật. Do đó, khi tải trọng ngang tác
động lên công trình, tầng cứng, các cột biên kết hợp cùng với đai
biên ngăn cản góc xoay và làm giảm chuyển vị theo phương ngang
của kết cấu. Hệ tầng cứng trong nhà cao tầng làm tăng độ cứng của


6
công trình so với hệ kết cấu không dùng tầng cứng. Tầng cứng đóng
vai trò quan trọng trong việc kết nối lõi và các cột ngoài cùng chịu
lực. Hệ thống này còn có tác dụng hạn chế sự khác nhau về việc co
ngắn lại giữa cột ngoài và lõi do tác động môi trường và lực dọc gây
ra.

Hình 1.7. Sự làm việc của tầng cứng trong nhà
cao tầng dưới tác động của tải trọng ngang
Cơ chế làm việc trên chỉ ra rằng, sự làm việc của hệ kết cấu
phụ thuộc vào số lượng tầng cứng và các đai biên. Vì vậy, vị trí của
tầng cứng bố trí trong nhà cao tầng ảnh hưởng rất lớn đến sự làm
việc tổng thể của tòa nhà. Ngoài ra, giá trị của việc làm giảm chuyển
vị và mô men của lõi phụ thuộc vào quan hệ tương đối giữa độ cứng
của lõi và cột tính theo phương đứng đối với trọng tâm của lõi [10].
1.2.2. Vị trí của tầng cứng
Vị trí của tầng cứng có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc
của nhà cao tầng. Có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của vị trí
tầng cứng đối với hệ kết cấu.
a. Nhà cao tầng có 1 tầng cứng

Đối với nhà cao tầng có 1 tầng cứng, dựa trên các
giả thiết sau đây:
- Tầng cứng được liên kết ngàm với lõi;
- Lõi được liên kết ngàm với cột;
- Bỏ qua ảnh hưởng của lực kéo;


7
- Đặc trưng mặt cắt của lõi, cột và dầm cứng không
thay đổi trên toàn bộ chiều cao của công trình;
- Kết cấu làm việc đàn hồi tuyến tính.
Taranath [6] đã đưa ra công thức xác định vị trí tầng
cứng tối ưu là:

M x W( x3   3 ) M x (  x)
(1)


Kx
6 EI
EI
Trong đó:

W - tải trọng gió tác dụng lên công trình theo chiều
cao;

M x - mô men tại vị trí x (vị trí tầng cứng);

I - mô men quán tính của lõi;
E - mođun đàn hồi của lõi;

K x - độ cứng đàn hồi tại vị trí x được xác định như
sau:

AE d 2
(2)
x
(  x ) 2

 - chiều cao công trình;
d - khoảng cách giữa các cột ngoài;
A - diện tích tiết diện của các cột biên.
Chuyển vị ở đỉnh của công trình () được xác định
theo công thức sau:

Mx
(  x)(  x) (3)
2 EI
Từ công thức (3) lấy đạo hàm theo x có thể xác định
vị trí có  nhỏ nhất tại x  0, 445 .



8

Hình 1.8. Mô hình nhà cao tầng có 1 tầng cứng
b. Nhà cao tầng có 2 tầng cứng
Theo McNabb và Muvdi [11] nghiên cứu sự làm việc của
nhà cao tầng có 2 tầng cứng với mục đích tìm ra vị trí tầng cứng tối
ưu sao cho chuyển vị đỉnh công trình là nhỏ nhất. Kết quả nghiên
cứu của 2 nhà khoa học này cho thấy vị trí tối ưu của tầng cứng là

0,312 và 0,685 chiều cao nhà tính từ trên đỉnh công trình. Cũng theo
kết quả nghiên cứu của các tác giả này thì chuyển vị đỉnh và độ lệch
tầng phụ thuộc vào đặc trưng của lõi, khoảng cách và đặc trưng của
cột ngoài.
c. Nhà cao tầng có nhiều tầng cứng
Đối với nhà cao tầng có nhiều tầng cứng (n tầng cứng), sự
làm việc của kết cấu phụ thuộc vào tỉ số độ cứng của lõi – cột, lõi –
tầng cứng, số lượng tầng cứng và vị trí tầng cứng. Tuy nhiên, theo
các kết quả nghiên cứu của Smith và Salim [10] cho thấy, nhà càng
có nhiều tầng cứng thì chuyển vị ngang càng giảm đi. Mặc dù vậy,
nhà cao tầng có đến 4 tầng cứng được xem là tối đa và thích hợp, với
số tầng cứng hơn 4 thì tác dụng của nó thấp đi. Một cách tổng quát,
tầng cứng nên thiết kế tại các vị trí: 1 (n  1), 2 (n  1),...n  / (n  1)


9
1.3. Hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản chất lỏng nhớt
1.3.1. Giới thiệu về hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt
trong nhà cao tầng
Ngày nay, sự phát triển về công nghệ và các thiết bị hỗ trợ sẽ
có những cải tiến theo hướng tăng khả năng làm việc hiệu quả của
kết cấu. Nhóm nghiên cứu của hãng Arup đã ứng dụng các thiết cản
chất lỏng nhớt vào các công trình xây dựng (Hình 1.6). Đây là
phương pháp kỹ thuật mới làm giảm năng lượng tác động và làm
tăng độ cứng cho công trình, giúp giảm đáng kể chuyển vị ngang.

Hình 1.9. Lắp đặt thiết bị cản nhớt vào công trình
1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị cản nhớt

- Cấu tạo: Các hệ thống điều khiển kết cấu chống động đất

thường được sử dụng là hệ cô lập móng và các thiết bị cản làm việc theo
nguyên lý khác nhau (cản nhớt, cản đàn nhớt, cản ma sát, ...). Và hệ cản
chất lỏng nhớt là một hệ thống được sử dụng ngày càng phổ biến trong
nhà cao tầng trong những năm gần đây. Hình 1-10 trình bày cấu tạo một
dạng hệ cản lợi dụng tính nhớt của chất lỏng silicone do hãng Taylor
Devices chế tạo.


10

Hình 1.10. Cấu tạo thiết bị cản chất lỏng silicone của hãng Taylor
Devices

- Nguyên lý làm việc: Lỗ cản hình vành khuyên được tạo
thành bởi khoảng hở giữa mặt trong của cylinder và mặt ngoài của đầu
pistol làm bằng đồng. Chất lỏng chuyển động với vận tốc cao qua lỗ
hình vành khuyên tạo ra sự chênh áp suất tại đầu pistol và sinh ra lực
cản.
1.3.3. Nguyên lý làm việc của hệ cản chất lỏng nhớt trong hệ tầng
cứng
Tầng cứng trong nhà cao tầng thông thường được thiết kế
như một hệ dầm ngang, rất cứng (thường gọi là dầm cứng) hay tầng
cứng kết nối lõi với các tường và cột ở phía ngoài (Hình 1.8). Theo
đó, lõi thường được bố trí ở giữa các cột và dầm cứng phát triển ra
các hướng để liên kết lõi và cột. Tuy nhiên, khi chịu tải trọng ngang,
lõi có xu hướng xoay lúc này các cột phía ngoài liên kết với tầng
cứng có thể ngăn cản sự xoay của lõi làm giảm đáng kể chuyện vị
đỉnh của công trình. Khuynh hướng này làm xuất hiện chuyển động
thẳng đứng trái chiều giữa các cột biên và phần cuối của tầng cứng,
dẫn đến sàn liên kết giữa vách và cột biên sẽ bị uốn cong gấp đôi.

Vấn đề cần thiết đặt ra là tìm cách để tiêu tán đi năng lượng do
chuyển động trái chiều đó tại vị trí tầng cứng, do đó hệ cản nhớt
được bố trí thẳng đứng tại vị trí cuối tầng cứng liên kết với cột.


11

Hình 1.11. ố trí thiết bị cản nhớt trong hệ tầng cứng
CHƢƠNG 2
PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CHO
NHÀ CAO TẦNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT
2.1. Phƣơng trình dao động của hệ chịu tải trọng động đất
2.1.1. Mô hình bài toán dao động
Xét khối lượng M là vật cứng không biến dạng. Biểu diễn hệ
gồm khối lượng M nối với một liên kết, trong liên kết phát sinh lực

F (u, u ) là hàm chuyển vị u (t ) và vận tốc u (t ) (Hình 2.1). Thường
lực F gồm hai thành phần: phần lực đàn hồi và phần lực cản. Khối
lượng M dao động dưới tác dụng của lực cản p(t ) nào đó.

Hình 2.1. Mô hình hệ một bậc tự do


12
Trong trường hợp F chỉ có lực đàn hồi tỉ lệ tuyến tính với
chuyển vị u(t ) : F  Ku nên hệ đàn hồi tuyến tính, liên kết là lò xo.
Thực tế lực F có thể không tuyến tính với u nên hệ đàn hồi phi
tuyến.
Thực tế trong lực F ngoài thành phần đàn hồi còn có lực cản
làm mất mát năng lượng của hệ. Lực cản có nhiều nguồn gốc khác

nhau như: lực ma sát do tiếp xúc, ma sát trong của vật liệu, biến dạng
đàn nhớt…Đa số các bài toán ta có thể mô hình lực cản đó tương
đương với lực cản nhớt tuyến tính: F  cu .
2.1.2.

Hệ một bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất

Hình 2.2. Hệ một bậc tự do chịu tải trọng động đất
Phương trình dao động: Gọi u g (t ) là chuyển vị của nền do
động đất so với cột mốc cố định nào đó, u (t ) là chuyển vị tương đối
của hệ so với nền.
Chuyển vị tuyệt đối của hệ so với mốc cố định:

x(t )  ug (t )  u(t )
Phương trình cân bằng:

fS  fD  fI  0


13
Hay:

Mx  Cu  Ku  0
Thay x  ug  u ta được:

Mu  Cu  Ku  Mug
Như vậy, khi nền rung lắc có thể coi hệ như đứng trên nền
cứng chịu một lực quán tính có giá trị:

pe ff (t )  Mug (t )

Phương trình dao động có thể viết lại:

u  20u   2u  ug
2.1.3.

Hệ nhiều bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất
Gọi chuyển vị nền do động đất gây ra theo phương nào đó là

u g (t ) . Xét bậc tự do thứ (i); gọi ui là chuyển vị tương đối của mi
theo phương đang xét, chuyển vị tổng là:

xi (t )  ug (t )  ui (t )
Tương tự trường hợp hệ một bậc tự do, phương trình dao
động của mi viết như sau:

miui  ciui  kiui  miug (t )
Phương trình cho toàn hệ dưới dạng ma trận:

MU  CU  KU  M ug (t )
Trong đó  là véc tơ chỉ phương tác dụng của động đất
( i  1 nếu phương động đất trùng ui ; i  0 nếu không trùng).
Trong trường hợp đang xét (Hình 2.3) thì   [11...1]T .


14

Hình 2.3. Hệ nhiều bậc tự do chịu tải trọng động đất
Hệ một bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất
Hệ nhiều bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất
Hệ cản nhớt chất lỏng

Các lý thuyết tính toán thiết kế công trình chống động đất
với hệ cản nhớt đã phát triển qua nhiều năm ở trên thế giới. Nhiều tài
liệu tính toán và thử nghiệm cho phép xác định các đặc tính và phản
ứng của hệ kết cấu khi có thiết bị cản nhớt. Chất lỏng chuyển động
với vận tốc cao trong thiết bị sinh ra lực cản. Lực cản của thiết bị cản
được tính theo công thức:
2.1.2.
2.1.3.
2.1.4.

FD = CD u  (1)
Trong (1), F là lực cản của hệ cản nhớt, CD là hệ số cản của
thiết bị, u là vận tốc tương đối của hệ,  là số mũ của hệ cản. Với
- = 1 là hệ cản nhớt tuyến tính.
- < 1 là hệ cản nhớt phi tuyến.
- > 1 thường ít xảy ra trong thực tế.
Công thức đơn giản để xác định hệ số cản của thiết bị được dùng
trong hệ một bậc tự do:

CD = 2mξω (2)
Trong (2), m là tổng khối lượng sàn, x là tỷ số cản do thiết bị
cản , w là tần số tự nhiên (tần số riêng) của kết cấu. Dựa vào kết quả
chu kỳ riêng T của kết cấu, tần số riêng w được tính theo công thức:


15

ω=

2π

T

(3)

Khảo sát hệ một bậc tự do có gắn hệ cản nhớt chịu tác dụng
của tải trọng động P(t). Theo (1), hệ cản nhớt tuyến tính sẽ có lực cản
FD = CD u  với α = 1 .

u, u, u lần lượt là chuyển vị, vận tốc, gia tốc của kết cấu. Phương
trình dao động của hệ một bậc tự do có hệ cản nhớt được viết như sau:

Mu + Cu + Ku = P(t) - FD (4)
Trong đó:
M; C; K lần lượt là khối lượng, độ cản, độ cứng của kết cấu.
Khi hệ cản nhớt làm việc tuyến tính, phương trình dao động của hệ
được viết lại như sau:
Mu + (C + CD )u + Ku = P(t) (5)

Nhà nhiều tầng với tầng cứng có sử dụng thiết bị cản
Phương trình vi phân mô phỏng chuyển động của một vách
conxon với hệ tầng cứng có độ cản đã được nhà khoa học Chen và
các cộng sự đề xuất (2010).
2.1.5.

Hình 2.4. Mô hình vách congxon với hệ tầng cứng có độ cản


16
Sử dụng nguyên lý D’Alembert, phương trình dao động của
vách được thiết lập như sau:

EI

 4 y ( x, t )
 2 y( x, t ) q( x, t )


m

x 4
t 2
x

Trong đó y(x,t) là chuyển vị ngang, thay đổi theo x và thời
gian t; EI là độ cứng chống uốn của vách hay lõi cứng; m là khối
lượng trên một đơn vị dài; q(x,t) là momen phân phối xác định như
sau, trong đó (x) là hàm Dirac delta:

q( x, t )  2Cd r 2

 2 y ( x, t )
 ( x)
xt

Dựa trên phân tích phương trình vi phân chuyển động trên,
Chen và các cộng sự đã khảo sát sự thuộc của hệ số cản của các dạng
dao động của công trình theo độ cản của thiết bị cản nhớt sử dụng
trong tầng cứng, kết quả được thể hiện trên hình 2.5.

Hình 2.5a. Hệ số cản nhớt ứng với năm dạng dao động đầu tiên:

=0.55


17

Hình 2.5b. Hệ số cản nhớt ứng với năm dạng dao động đầu tiên: =1.0
2.2. Tải trọng động đất
2.2.1. Định nghĩa
Động đất là những rung động tự nhiên của vỏ trái đất có
phương hướng và cường độ thay đổi theo thời gian. Trong thời gian
động đất, chuyển động của nền đất làm phát sinh ra các lực quán tính
ở các bộ phận công trình.
Một số khái niệm cơ bản về động đất:
- Sóng địa chấn:
- Cường độ động đất:
Thang cường độ động đất
- Thang MSK-64 là do Medveded cùng Sponhuer và Karnic
đề ra năm 1964, là thang đo cường độ địa chấn diện rộng được sử
dụng để đánh giá mức độ khốc liệt của sự rung động mặt đất trên cơ
sở các tác động đã quan sát và ghi nhận trong khu vực xảy ra động
đất. Để xây dựng thang MSK-64 các tác giả trước hết phân loại tác
dụng phá hoại của động đất đến các công trình xây dựng, sau đó
đánh giá cường độ động đất qua hàm dịch chuyển cực đại của con lắc
tiêu chuẩn co chu kỳ dao động riêng T = 0.25s. Thang động đất
MSK-64 có 12 cấp.
2.2.2.


18

- Thang Richter là do Ch. Richter đề ra năm 1953 để thay
cho việc đánh giá cường độ động đất thông qua việc đánh giá hậu
quả của nó bằng cách đánh giá gần đúng năng lượng được giải phóng
ở chấn tiêu. Theo định nghĩa, độ lớn M (Magnitud) của một trận
động đất bằng logarit thập phân của biên độ cực đại A (μm) ghi được
tại một điểm cách chấn tâm D = 100km trên máy đo địa chấn có chu
kỳ dao động riêng T = 0.8s: M = logA.
2.2.3. Các phương pháp xác định tải trọng động đất
- Phương pháp động lực:
- Phương pháp tĩnh lực: + Phương pháp phân tích tĩnh lực
ngang tương đương: áp dụng cho các nhà mà phản ứng của nó không
chịu ảnh hưởng đáng kể bởi các dạng dao động bậc cao hơn dạng
dao động cơ bản trong mỗi phương chính
- Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động
- Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến cũng có thể được sử
dụng thay thế cho các phương pháp phân tích đàn hồi – tuyến tính.
CHƢƠNG 3
MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH
NHÀ CAO TẦNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ
CẢN NHỚT CHO HỆ TẦNG CỨNG
3.1. Mô tả bài toán
Mô hình khảo sát sự làm việc của hệ cản chất lỏng nhớt được
xây dựng dựa trên việc tham khảo mô hình kết cấu của một số công
trình cao tầng bê tông cốt thép. Công trình gồm 50 tầng, với tổng
chiều cao 180m (chiều cao mỗi tầng là 3,60m). Tại vị trí tầng 25 bố
trí hệ tầng cứng gồm 2 dầm cứng từ lõi ra cột biên ở mỗi bên kích
thước mỗi dầm cứng 300mmx3600mm. Kích thước mặt bằng là
30mX30m. Sàn dày 250mm. Cột kích thước 800mmx800mm. Dầm

19
biên có kích thước 400mmx600mm. Lõi có kích thước 14mX14m,
dày 250mm. Ta giả thiết công trình xây dựng tại TP Đà Nẵng, với
đất nền loại B, có tỷ số cản của bản thân kết cấu là  = 5% , chịu tải
trọng động đất được mô tả bằng phương pháp phổ phản ứng theo
TCVN 375-2006.

Hình 3.1. Mặt bằng công trình
3.2. Lập mô hình tính toán
3.2.1. Kết cấu có hệ tầng cứng trong Etabs
3.2.2. Kết cấu hệ tầng cứng có cản
Với mỗi dầm cứng của tầng cứng ta bố trí 2 thiết bị cản
nhớt nhằm thuận tiện cho việc bảo dưỡng và thay thế cũng như làm
giảm sức làm việc cho thiết bị.
3.3. Xác định sơ bộ giá trị hệ số cản của thiết bị cản nhớt
Để khảo sát ứng xử của nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản
nhớt trong hệ tầng cứng, chọn giá trị C=20000MNs/m.
3.4. Phân tích kết quả
Dựa vào kết quả từ phân tích phần mền Etabs 2016.0.0, ta
khảo sát các trường hợp như sau:
3.4.1. Sự hấp thụ và tiêu tán năng lượng


20
a. So sánh chuyển vị tầng và chiều cao công trình
- Giá trị chuyển vị tầng
- Biểu đồ chuyển vị tầng

Hình 3.4. Chuyển vị tầng và chiều cao công trình khi C=20000MNs/m

- Biểu đồ chuyển vị lệch tầng

Hình 3.5. Chuyển vị lệch tầng và chiều cao công trình khi
C=20000MNs/m
3.4.2.

Khảo sát hiệu quả kháng chấn của thiết bị cản


21
Khảo sát sự hiệu quả của thiết bị cản nhớt trong hệ tầng
cứng khi chịu tải trọng động đất, thực hiện tăng dần giá trị hệ số
cản C từ 5000MNs/m đến 900000MNs/m và đánh giá tác động của
nó đến lực cắt và momen công trình.
a. Ảnh hưởng của hệ số cản đến monen và lực cắt đáy

-

Biểu đồ ảnh hưởng của hệ số cản đến lực cắt đáy

Hình 3-6. Ảnh hưởng của hệ số cản đến lực cắt đáy

-

Biểu đồ ảnh hưởng của hệ số cản đến monem đáy


22

Hình 3.7. Ảnh hưởng của hệ số cản đến monem đáy

b. Ảnh hưởng của hệ số cản đến monen và lực cắt các tầng
Khảo sát sự hiệu quả của thiết bị cản nhớt trong hệ tầng
cứng khi chịu tải trọng động đất, thực hiện tăng dần giá trị hệ số
cản C từ 5000MNs/m đến 900000MNs/m và đánh giá tác động của
nó đến lực cắt và momen ở các tầng 05, tầng 20, tầng30 và tầng
45.
Ảnh hưởng của hệ số cản đến monen của các tầng
+ Biểu đồ ảnh hưởng của hệ số cản đến momen của các tầng

-


23

Hình 3.8. Ảnh hưởng của hệ số cản đến momen của các tầng

-

Biểu đồ ảnh hưởng của hệ số cản đến lực cắt của các tầng

Hình 3.9. Ảnh hưởng của hệ số cản đến lực cắt của các tầng