CHUYÊN đề kháng chấn nhà cao tầng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
KHOA KIẾN TRÚC VÀ QUY HOẠCH

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


Nội dung chuyên đề:
•
•
•
•
•

1.Giới thiệu về kháng chấn nhà cao tầng:
2.Khái niệm:
3.Cấu tạo kháng chấn:
4.Giải pháp kháng chấn:
5.Tương tác với các dạng hình học kiến trúc:


I.GIỚI THIỆU:
-Trong thời gian gần đây, xu hướng phát triển các công
trình xây dựng có kết cấu thanh mảnh bằng việc áp dụng
các loại vật liệu cường độ cao đã tạo ra những cuộc chạy
đua về chiều cao công trình, chiều dài nhịp cầu treo…Tuy
nhiên, độ cản kết cấu của các công trình hiện đại này khá
nhỏ do đó nó chịu tác dụng động khá mạnh của các yếu tố
môi trường như gió bão, sóng biển và động đất... Chúng
tạo ra những dao động không mong muốn và có thể gây

mất ổn định công trình (sự cố sụp cầu Tacoma năm 1940)
cũng như ảnh hưởng đến các hoạt động của con người và
phương tiện trên công trình trong quá trình thi công cũng
như khai thác sử dụng.
-Hiện nay việc xây dựng các tòa nhà cao tầng đang phát
triển rất nhanh do nhu cầu nhà ở ngày càng tăng.
-Do đó việc nghiên cứu các biện pháp làm tính cản, giảm
dao động công trình đã và đang được phát triển trong vài
thập kỷ qua và đã đạt được những thành công không nhỏ.
Sản phẩm của những nghiên cứu trong lĩnh vực này là các
loại vật liệu cộng nghệ cao và các liên kết thông minh
nhằm tăng tính cản của bản thân kết cấu. Bên cạnh đó là
việc phát triển các thiết bị giảm chấn lắp đặt trên công
trình.


I.GIỚI THIỆU:


II.KHÁI NIỆM KHÁNG CHẤN:

• Thiết kế kháng chấn là một thuật ngữ trong lĩnh vực
thiết kế xây dựng, được hiểu như việc đưa ra giải pháp
thiết kế sao cho công trình xây dựng đảm bảo đủ khả
năng chịu lực, không chịu hư hại về kết cấu cũng như hư
hỏng về thiết bị đồ đạc sử dụng trong công trình, tồn
tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động
đất,sóng thần,gió bão….

III.CẤU TẠO KHÁNG CHẤN NHÀ CAO TẦNG:
1.GIỚI THIỆU:
Cấu tạo kháng chấn nhà cao tầng có thể được chia làm hai phần :
-Cấu tạo kháng chấn nội tại bản thân của công trình : thiết kế các cấu kiện như
dầm,cột ,móng có kết cấu chịu được những dao động bất lợi gây nguy hiểm cho công
trình.
-Cấu tạo kháng chấn bên ngoài kết cấu công trình : các thiết bị được lắp thêm vào
công trình để chống lại những dao động , có thể kể đến như:
+ Gối đệm cao su
+ Con lắc
+ Piston
+ Bể nước.


2.TRIỆT TIÊU NGOẠI LỰC:
A.Tính cản của công trình
Khả năng tiêu tán năng lượng của kết cấu thông qua các ngoại lực là một trong những kiến
thức nền tảng nhất trong phân tích dao động của công trình như tháp, nhà cao tầng, cầu
hay các công trình dân dụng khác.
Năng lượng tiêu tán có thể do nhiều nguyên nhân như:
- Sự đàn hồi không đồng nhất của vật liệu công trình
- Sự suất hiện vùng dẻo và ma sát do chuyển vị nhỏ của các nút
- Nội ma sát của vật liệu
- Ma sát do sự co giãn của kết cấu sàn hoặc bệ móng
- Ma sát tại các gối di động của cầu
- Sự cản khí động lực
- Tính chất phi tuyến của kết cấu, ví dụ như các dây cáp...
- Năng lượng tiêu tán thông qua nền, móng và các kết cấu chống đỡ khác
-Các thiết bị giảm chấn nhân tạo được lắp đặt trên kết cấu.
B.Tính cản của Khung BTCT và Khung Thép:

Khung bê tông cốt thép có tính cản lớn nên thích hợp với tải gió động hơn .
Khung Thép có tính cản thấp nên thích hợp với tải trọng động đất hơn .
Người ta làm thí nghiệm mô phỏng dưới tác động của động đất .
+ khung BTCT do có tính cản lớn nên đã bị phá hủy tại nút khi có chuyển vị ngang
+ khung Thép do có tính cản thấp nên trước tác động của tải động đất khung Thép không bị
phá hoại khi có chuyển vị ngang.


Thí nghiệm với khung bê tông cốt thép


3.Cấu tạo kháng chấn nội tại bản thân công trình
Chính kết cấu cấu tạo nên công trình được thiết kế
để có khả năng kháng chấn trước dao động của công
trình dưới tác động của ngoại lực. Nói cách khác là
thiết kế các bộ phận như dầm, cột , móng và các liên
kết được cấu tạo đặc biệt có khả năng kháng chấn.
a.Cấu tạo móng:
-Độ cứng của hệ móng phải đủ để truyền những tác
động nhận được từ kết cấu bên trên xuống nền đất
càng đều đặn càng tốt.
-Chỉ nên sử dụng một dạng móng cho một công
trình.
Ví dụ : -Tòa tháp Taipei 101 tầng ở Đài Bắc với hệ
móng gồm 360 cọc khoan nhồi sâu 80 m với đường
kính 1.5 m chịu được tải trọng 1000 đến 1320 tấn.
-Tòa nhà Buji Dubai cũng sử dụng cọc khoan nhồi
đường kính 1.5 m.

b.Cấu tạo cột:
-Kết cấu BTCT :
Hàm lượng cốt thép cột tối đa :
+ Kết cấu thường : µmax = 5%
+ Kết cấu chống động đất : µmax = 4%
-Gia cường cốt đai :
Nút khung phải có cốt đai cột đặt dày:
+ Hai đầu cột trong đoạn >= ( h;1.6l thông thủy; 500 mm )
+ Toàn bộ chiều cao cột ở các góc nhà
+ Toàn bộ chiều cao cột khi l thông thủy <= 4h

c.Cấu tạo dầm:
Neo cốt thép


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


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

Ngoài ra trong kết cấu thép
nhà cao tầng còn bố trí hệ
giằng .

Hệ giằng trong kết cấu thép.


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

-Khi tính cản tự có của kết cấu công trình không đủ tiêu tán năng lượng do dao động gây ra,để
tăng tính cản của công trình mà không phải thay đổi trạng thái ban đầu của nó là lắp đặt các thiết bị
giảm dao động lên công trình nhằm kiểm soát dao động của công trình.
-Một số thiết bị đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng rất hiệu quả trong các công trình nhà
cao tầng như:
Thiết bị cản bị động : không cần năng lượng để kích hoạt.
+ Gối đệm cao su.
+ Piston thủy lực.
+ Bể nước.
Thiết bị cản khối lượng:
+ Con lắc.
Thiết bị cản chủ động : cần năng lượng để kích hoạt.
a.Gối đệm cao su :Cách ly công trình với nền đất khi có dao động xảy ra,điển hình
là thiết bị HDR ( High Damping Rubber bearing ).
Ưu điểm :
+ Hạn chế ảnh
hưởng bất lợi do dao
động .
+ Làm tăng tính linh
hoạt theo phương
ngang.
+ Tăng độ bền ổn
định cho công trình.


b.Piston thủy lực :
Với 2 loại giảm chấn đàn nhớt và giảm chấn cắt trễ áp dụng cho công trình dân
dụng nhằm giảm ảnh hưởng của động đất.
Đặc trưng cho loại này là thiết bị giảm chấn viscos-plastic.

c.Bể nước :
Thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng.


d.Con lắc :

Thiết bị cản khối lượng ( Tuned Mass
Dampers ).
Ý tưởng của giảm chấn khối lượng
điều chỉnh (TMDs) là tạo ra một hệ
thứ cấp nhỏ có tính chất cản đàn hồi
khối lượng mà tần số dao động riêng
của nó được điều chỉnh đến tần số
riêng ban đầu của công trình, qua đó
năng lượng dao động của công trình
sẽ được hấp thụ và tiêu tán thông qua
hệ thứ cấp.
TMDs đặc biệt phát huy tác dụng khi
công trình ở trạng thái dao động bình
ổn trước khi cần một khoảng thời
gian nào đấy để chuyển năng lượng
dao động trước khi tiêu tán nó. Hiệu
quả giảm chấn của TMDs sẽ giảm khi
công trình dao động với lực kích
Con lắc được ghép bởi nhiều tấm thép dày 125 mm,
động thay đổi liên tục như tải trọng
nặng tổng cộng 660 tấn, đường kính 5,5 m, có biên độ
xung và tải trọng động đất.
dao động tối đa 1,5 m theo mọi hướng.

Ví dụ như thiết bị được lắp đặt trên
tòa tháp Taipei 101.


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


IV.Giải pháp kháng chấn:
•

•

•

•

Quan niệm thiết kế kháng chấn truyền
thống:

Trước đây, trong các tiêu chuẩn kháng chấn người ta chỉ
mới xem xét đến yếu tố lực tác động mà chưa chú ý đến
phương diện năng lượng do động đất truyền vào công
trình. Do đó, người ta chỉ quan tâm đến khả năng chịu lực
của kết cấu và thường quy định thiết kế công trình làm
việc trong miền đàn hồi. Tuy nhiên, qua quan sát  thực tế,
nội lực xuất hiện trong kết cấu thường lớn hơn từ ba đến
bốn lần nội lực xác định theo thiêu chuẩn kháng chấn hiện
hành cho một trận động đất có cùng cường độ. Và mặc dù
nội lực gia tăng rất lớn nhưng công trình vẫn đứng vững
sau các trận động đất vượt cấp động đất thiết kế cho

phép. Có thể giải thích đIều này như sau:
Sự hình thành “khớp dẻo” ở một số cấu kiện chịu lực: các
biến dạng dẻo không những làm tăng chu kỳ dao động
riêng công trình mà còn hấp thụ phần lớn năng lượng
động đất đưa vào kết cấu.
Khả năng phân tán năng lượng vốn bị bỏ qua khi tnh toán
kết cấu: chẳng hạn như khả năng phân tán năng lượng của
các cấu kiện không chịu tải (do nứt, hoặc do ma
sát…); hoặc biến dạng nền đất và sự tác dụng tương
hỗ giữa đất nền và công trình cũng hấp thụ và phân tán
một phần năng lượng do động đất truyền vào.
Chính vì một số yếu tố nêu trên chưa được đề cập đến
trong thiết kế kháng chấn, nên việc quy định thiết kế các
công trình chỉ làm việc trong giai đoạn đàn hồi dưới tác
dụng của động đất là chưa hợp lý và có thể xem là
không kinh tế.

•

Quan niệm thiết kế kháng chấn hiện
đại:

•

Theo quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại, việc thiết kế
kháng chấn một công trình xây dựng cần đảm bảo hai tiêu
chí liên quan chặt chẽ với nhau:
Bảo đảm kết cấu có khả năng chiu lực lớn trong miền đàn
hồi.
Bảo đảm cho kết cấu có khả năng phân tán năng lượng do

động đất truyền vào, thông qua sự biến dạng dẻo trong giới
hạn cho phép hoặc các thiết bị hấp thu năng lượng.
Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết
kế kháng chấn hiện đại là tạo cho kết cấu công trình một độ
bền đủ lớn và một độ cứng thích hợp.
Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả năng chịu lực của kết
cấu.
Độ cứng thích hợp nhằm giúp công trình có sự cân bằng
hài hòa về mặt động lực học. Bởi tác dụng rung lắc của
động đất làm phát sinh chuyển vị và gia tốc trong công
trình. Nếu công trình có độ cứng quá lớn thì gia tốc sinh ra
sẽ vô cùng lớn, gây rơi vãi đồ đạc thiết bị bên trong nhà dẫn
đến thiệt hại về mặt kinh tế. Ngược lại, nếu công trình quá
mềm thì chuyển vị tương đối giữa các tầng quá lớn, gây
biến dạng đáng kể cho cả công trình, làm hư hại các nút
liên kết của khung chịu lực, nứt tường, vênh cửa…, ngoài
ra dao động của công trình cũng phát sinh đáng kể gây ảnh
hưởng đến tâm lý của người sinh sống và làm việc trong tòa
nhà.

•
•

•

•
•

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

công trình làm việc hiệu quả nhất khi có động đất xảy ra.


Các giải pháp thiết kế kháng chấn xem xét đến việc phân tán năng lượng
Để tránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại
công trình như trên, một số giải pháp thiết kế được
đưa ra nhằm hấp thụ bớt và phân tán đều năng
lượng động đất cho toàn bộ công trình.

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

Một công trình xây dựng bị phá hoại trong động đất
do hiện tượng suy yếu cục bộ tại một tầng (weak
story mechanism).


Giải pháp cách chấn (seismic isolated structure).
Do chấn động lan truyền trong đất
nền nên phương pháp hay nhất
để hạn chế tác động của động đất là Hiệu quả của giải pháp cách chấn so
tách rời hẳn công trình khỏi đất nền. với kết cấu thông thường.
Tuy nhiên, do không thể tách rời
hoàn toàn, người ta bố trí lớp thiết
bị đặc biệt giữa công trình và đất
nền gọi là thiết bị cách chấn
(isolator). Thiết bị này có độ cứng
thấp nên khi nền đất dao động, thiết
bị có biến dạng lớn, kết cấu phía trên
nhờ có quán tnh lớn nên chỉ chịu
một dao động nhỏ. Hư hại kết cấu và

thiết bị trong công trình do đó được
giảm thiểu.


Phương pháp cách chấn này không chỉ áp dụng để tách rời toàn bộ công trình
khỏi đất nền, mà còn có thể áp dụng theo nhiều cách khác như tách rời một
phần thân, đỉnh hoặc mái khỏi phần kết cấu phía dưới, tùy thuộc đặc điểm
từng công trình.
Khi cách chấn, năng lượng động đất
được hấp thụ và tiêu tán, dao động
của kết cấu phía trên cũng được
giảm đáng kể.

Biến dạng của kết cấu đơn thuần.


Giải pháp giảm chấn (damped structure): trong trường hợp
năng lượng dao động truyền trực tiếp vào công trình  do
không được tách rời, người ta có thể gia tăng độ cản
(damping) của bản thân công trình để giải phóng năng lượng
dao động này bằng cách lắp đặt các thiết bị giảm chấn
(damper) vào công trình. Có nhiều hình thức giảm chấn: thụ
động, chủ động hay nửa chủ động.

Giảm chấn không điều khiển (passive control):  đây là hình
thức giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của  các
thiết bị giảm chấn được lấy từ chính năng lượng dao động
của bản thân công trình. Năng lượng có thể được tiêu tán
dưới dạng nhiệt năng của hiện tượng ma sát (friction
damper), biến dạng dẻo của kim loại (buckling restrained

brace, stifened shear panel), tnh cản nhớt(viscous/viscoelastic damper) hoặc độ cản thủy lực (oil damper). Có nhiều
phương thức lắp đặt các thiết bị này trong công trình (xem
hình dưới).

Hệ thống “tường/khung cứng chân khớp”
(rocking wall/frame) cũng có khả năng giảm
chấn và phân tán lực cho công trình.
Các hình thức lắp đặt thiết bị “damper” trong
giảm chấn không điều khiển (passive control).


Giảm chấn có điều khiển (active control): các thiết bị
dạng này hoạt động được nhờ vào cấc nguồn năng
lượng từ bên ngoài (điện, khí nén…). Thông qua các
cảm biến, thông tin về tải trọng, về dao động của
công trình được đưa về bộ xử lý trung tâm. Bộ điều
khiển trung tâm sẽ xử lý tn hiệu và phát lệnh cho bộ
phận thi hành để thực hiện việc tăng độ cản hay phát
lực điều khiển chống lại dao động, chẳng hạn như
các hệ thống TMD (Tuned Mass Damper), LTD (Liquid
Tuned Damper)…

Giải pháp cách chấn có điều khiển (superactive base isolation) ở công trình Obayashi
Techno Station, Tokyo.

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

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


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


V.TƯƠNG TÁC,ẢNH HƯỞNG CỦA GIẢI PHÁP KHÁNG
CHẤN TỚI HÌNH THỨC KIẾN TRÚC:
Thiết kế kháng chấn – Buckling restrained brace.
tại trường Đại học Công nghệ Tokyo (Tokyo Institute of
Technology).

Để gia cố tòa nhà này, người ta sử dụng các
thanh giằng có khả năng hấp thụ và tiêu tán
năng lượng do động đất truyền vào, nhờ cấu
tạo đặc biệt có thể nén giãn đúng tâm (tên tiếng
Anh của loại thanh giằng này là steel energydissipation brace, hay buckling restrained
brace).

Tòa nhà M1 (Ookayama Campus) – một công trình có
quy mô đơn giản nhưng khá tiêu biểu bởi đã được
áp dụng ý tưởng thiết kế tiên tiến và đã đạt giải
thưởng Kiến Trúc Nhật Bản năm 2006.
Toàn cảnh Ookayama Campus với khá nhiều công
trình đặc sắc được ghi chú trong hình. Tòa nhà M1
được đánh dấu màu vàng, nằm ở góc phải phía trên.
Công trình ban đầu là một tòa nhà bê tông cốt thép 5
tầng với kiến trúc đơn giản, có tuổi thọ xây dựng trên
30 năm, không đủ khả năng chịu động đất, do đó cần

được cải tạo.