Phân tích ứng xử nhà cao tầng chịu động đất, có xét đến tương tác nền SSI: luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

NGUYỄN HOÀNG ANH

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NHÀ CÀO TẦNG
CHỊU ĐỘNG ĐẤT, CÓ XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC
NỀN SSI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐỒNG NAI, NĂM 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

NGUYỄN HOÀNG ANH

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NHÀ CAO TẦNG
CHỊU ĐỘNG ĐẤT, CÓ XÉT TƯƠNG TÁC
NỀN SSI
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MÃ SỐ: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN HỒNG ÂN

ĐỒNG NAI, NĂM 2019

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh
sự nỗ lực, cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy/Cô,
cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập
nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ.
Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn đến Thầy TS Nguyễn Hồng Ân
người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành luận văn
này.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quý Thầy/Cô trong chương
trình đào tạo Khoa Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Công trình đã tận tình truyền đạt
những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt
quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn
đồng nghiệp đã hỗ trợ cho em rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và
thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đồng Nai, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả

Nguyễn Hoàng Anh

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả: Nguyễn Hoàng Anh
Sinh ngày: 07/8/1979
Quê quán: Hưng Yên
Nơi công tác: Bệnh viện Tâm thần Trung ương 2.
Tác giả xin cam đoan công trình nghiên cứu với đề tài ‘Phân tích ứng xử nhà
cao tầng chịu động đất, có xét đến tương tác nền SSI’’ của riêng tác giả, do tác
giả thực hiện không sao chép với bất kì hình thức nào. Các thông tin được trích
dẫn nguồn gốc rõ ràng. Cơ sở tính toán dựa trên các tiêu chuẩn xây dựng hiện
hành.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Đồng Nai, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả

Nguyễn Hoàng Anh


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Công trình nhà cao tầng có phản ứng rất nhạy với sự rung chuyển của đất
nền. Khi công trình chịu tải trọng động đất, tương tác giữa đất nền và kết cấu SSI
(soil structure interaction) có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính dao động và phản ứng
động của hệ kết cấu. Mục đích chính của đề tài là phân tích ứng xử của kết cấu
trong mô hình tính toán không có xét đến tương tác nền SSI và có xét đến tương tác

nền SSI . Tải trọng động đất theo phương ngang được xét đến theo phương pháp
phân tích theo lịch sử thời gian. Chu kì dao động cơ bản, chuyển vị đỉnh, độ lệch
tầng của công trình và nội lực của cột là những yếu tố thay đổi đáng kể và cần được
xem xét cụ thể trong quá trình phân tích.


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU …………………………………………………………………... 1
CHƯƠNG 1: Tổng quan về nhà cao tầng và động đất ......................................... 3
1.1 Vài nét về xây dựng nhà cao tầng hiện nay .......................................................... 3
1.1.1 Sự hình thành và phát triển nhà cao tầng của thế giới .................................. 3
1.1.2 Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng ........................................................... 4
1.1.2.1 Định nghĩa.............................................................................................. 4
1.1.2.2 Phân loại nhà cao tầng ........................................................................... 4
1.2 Một số hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng ..................................................... 9
1.2.1 Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản trong nhà cao tầng ....................................... 9
1.2.1.1 Hệ khung chịu lực .................................................................................. 9
1.2.1.2 Hệ vách chịu lực .................................................................................. 10
1.2.1.3 Hệ lõi chịu lực...................................................................................... 10
1.2.1.4 Hệ hộp chịu lực .................................................................................... 11
1.2.2 Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp trong nhà cao tầng .................................. 11
1.2.2.1 Hệ khung-vách ..................................................................................... 11
1.2.2.2 Hệ khung-lõi ........................................................................................ 11
1.2.2.3 Nhà có sơ đồ vách ................................................................................ 12
1.2.2.4 Nhà có sơ đồ kết hợp khung-vách ....................................................... 12
1.3 Tải trọng tác dụng lên nhà cao tầng.................................................................... 12
1.3.1 Tải trọng thường xuyên ............................................................................... 12
1.3.2 Tải trọng tạm thời ........................................................................................ 13
1.3.3 Tải trọng lắp ghép ....................................................................................... 13
1.3.4 Tải trọng động đất ....................................................................................... 13

1.4 Vài nét về động đất tác dụng lên công trình ....................................................... 14
1.4.1 Định nghĩa về động đất ............................................................................... 14
1.4.2 Tác động của động đất tới nền đất và công trình xây dựng ........................ 15
1.4.3 Đánh giá sức mạnh của động đất ................................................................ 15
1.4.3.1 Thang cường độ động đất .................................................................... 15
1.4.3.2 Thang đo độ lớn động đất .................................................................... 20
1.4.4 Một số thông số kỹ thuật trong động đất .................................................... 24
1.4.4.1 Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất .......................................... 24


1.4.4.2 Giản đồ gia tốc nền .............................................................................. 24
1.4.4.3 Đỉnh gia tốc nền (PGA) ....................................................................... 25
1.4.4.4 Nội dung tần số của gia tốc nền ........................................................... 25
1.4.4.5 Khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh ..................................... 25
CHƯƠNG 2: Các phương pháp phân tích kết cấu chịu tác động động đất ..... 26
2.1 Các phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất ............................................. 26
2.2 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương ......................................................... 26
2.2.1 Tổng quan về cách thức xác định tải trọng động đất .................................. 27
a. Vùng hoạt động của động đất ...................................................................... 27
b. Tầm quan trọng của công trình .................................................................... 27
c. Điều kiện làm việc của kết cấu .................................................................... 27
d. Điều kiện nền đất dưới chân công trình ....................................................... 28
e. Các giải pháp kết cấu và tính đều đặn của công trình .................................. 28
f. Tung độ của phổ thiết kế .............................................................................. 28
g. Trọng lượng của công trình ......................................................................... 28
2.2.2 Cách xác định tải trọng động đất ................................................................ 28
a. Phạm vi áp dụng ........................................................................................... 28
b. Mô hình tính toán ......................................................................................... 28
c. Lực cắt đáy ................................................................................................... 29
c.1. Phổ phản ứng đàn hồi theo phương nằm ngang........................................ 29

c.2. Phổ phản ứng đàn hồi theo phương thẳng đứng ....................................... 30
c.3. Phổ thiết kế dùng trong phân tích đàn hồi ................................................ 31
c.4. Gia tốc nền thiết kế và hệ số tầm quan trọng ............................................ 32
c.4.1 Gia tốc đất nền thiết kế ag ....................................................................... 32
c.4.2 Hệ số tầm quan trọng γI5656 .................................................................. 33
c.5. Nhận dạng các loại nền đất và các thông số S, TB, TC, TD .................... 33
c.6. Hệ số điều chỉnh độ cản ............................................................................ 33
c.7. Hệ số làm việc q ........................................................................................ 33
c.8. Chu kỳ dao động cơ bản của nhà .............................................................. 34
c.9. Khối lượng công trình (m) ........................................................................ 35
d. Phân bố tác động động đất theo phương ngang ........................................... 36
e. Trình tự tính toán ......................................................................................... 37


2.3 Phương pháp phân tích dạng dao động và phổ phản ứng ................................... 38
2.3.1 Điều kiện áp dụng ....................................................................................... 38
2.3.2 Số dạng dao động cần xét đến trong phương pháp phổ phản ứng .............. 38
2.3.3 Tổ hợp các phản ứng theo dạng chính ........................................................ 38
2.3.4 Trình tự tính toán ........................................................................................ 39
2.4 Phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động ............................. 39
2.5 Phương pháp tính toán đẩy dần (Pushover analysis) .......................................... 40
2.6 Phương pháp tính toán đẩy dần động ................................................................. 41
2.7 Lựa chọn phương pháp tính toán ........................................................................ 41
CHƯƠNG 3: Tổng quan các mô hình nền trong tính toán nền móng và sự
tương tác của đất nền với công trình bên trên ..................................................... 43
3.1 Các mô hình nền ................................................................................................. 43
3.1.1 Mô hình Winkler ......................................................................................... 43
3.1.2 Mô hình đàn hồi tuyến tính ......................................................................... 45
3.1.3 Mô hình đàn hồi phi tuyến .......................................................................... 46
3.1.4 Mô hình Mohr-Coulomb ............................................................................. 47

3.2 Mô hình kết cấu – cọc – nền làm việc đồng thời................................................ 48
3.2.1 Hệ số lò xo dùng cho cọc mô hình cọc – nền ............................................. 48
3.2.2 Quan hệ giữa cọc và đất nền ....................................................................... 49
3.2.3 Xác định độ cứng của các lò xo .................................................................. 50
3.2.4 Các phương pháp xác định hệ số nền .......................................................... 52
3.2.5 Xác định hệ số nền ...................................................................................... 52
3.2.5.1 Đường cong t – z.................................................................................. 53
a. Đường cong t – z với ma sát bên đất dính: .............................................. 54
b. Đường cong t – z với ma sát bên đất rời: ............................................... 54
c. Đường cong t – z với sức kháng mũi cọc: ............................................... 55
3.2.5.2 Đường cong p – y ................................................................................ 56
a. Đường cong p – y của đất sét dẻo chịu tải tĩnh ....................................... 56
b. Đường cong p – y của đất sét cứng chịu tải tĩnh ..................................... 56
CHƯƠNG 4: Phân tích bài toán ........................................................................... 58
4.1 Thông tin công trình ........................................................................................... 58
4.2 Khai báo dữ liệu đầu vào .................................................................................... 60


4.2.1 TH1: Không kể đến tương tác nền SSI (FIXED) ........................................ 60
4.2.2 TH2: Có xét đến tương tác nền SSI (SSI) ................................................... 64
4.3 Kết quả phân tích tính toán ................................................................................. 69
4.3.1 Xét trường hợp công trình chịu trận động đất tấn công theo phương X ..... 69
4.3.1.1 Ứng xử của kết cấu công trình khi chịu động đất theo phương X ....... 69
a. Không kể đến tương tác nền SSI (FIXED DDX) .................................. 70
b. Có kể đến tương tác nền SSI (DDX)..................................................... 74
4.3.1.2 Tổng hợp số liệu phân tích (Phương X) .............................................. 78
4.3.2 Xét trường hợp công trình chịu trận động đất tấn công theo phương Y ..... 90
4.3.2.1 Ứng xử của kết cấu công trình khi chịu động đất theo phương Y ....... 90
a. Không kể đến tương tác nền SSI (FIXED DDY) .................................. 90
b. Kể đến tương tác nền SSI (DDY) ......................................................... 94

4.3.2.2 Tổng hợp số liệu phân tích (Phương Y) .............................................. 98
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ................................................................................. 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Mức độ và hệ số tầm quan trọng ....................................................................3
Phụ lục 2: Các loại nền đất ..............................................................................................6
Phụ lục 3: Giá trị của các tham số mô tả các phổ phản ứng đàn hồi ...............................7
Phụ lục 4: Các giá trị  2,i đối với nhà ...........................................................................7
Phụ lục 5: Giá trị của  để tính toán Ei..........................................................................7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Một số công trình cao tầng ở Việt Nam ..........................................................5
Bảng 1.2: Thang cường độ động đất Mercalli ...............................................................15
Bảng 1.3: Thang cường độ động đất JMA ....................................................................17
Bảng 1.4: Thang cường độ động đất MSK ....................................................................18
Bảng 1.5: Tương quan giữa cấp cường độ động đất và đỉnh gia tốc nền ......................20
Bảng 1.6: Thang đo độ Richter......................................................................................21
Bảng 2.1: Phương pháp tính toán động đất dựa vào mức độ phức tạp kết cấu .............42
Bảng 2.2: Phương pháp tính toán động đất dựa vào tính đều đặn công trình ...............42
Bảng 4.1: Tổng hợp Mode dao động của công trình (FIXED) .....................................61
Bảng 4.2: Tổng hợp Mode dao động của công trình (SSI) ...........................................66
Bảng 4.3: Lực cắt đáy công trình (DDX) ......................................................................78
Bảng 4.4: Chuyển vị ngang công trình (DDX) .............................................................79
Bảng 4.5: Độ lệch tầng công trình (DDX) ....................................................................80
Bảng 4.6: Lực cắt vách P1 (DDX) ................................................................................81

Bảng 4.7: Moment vách P1 (DDX) ...............................................................................83
Bảng 4.8: Lực cắt vách P2 (DDX) ................................................................................84
Bảng 4.9: Moment vách P2 (DDX) ...............................................................................86
Bảng 4.10: Lực cắt vách P3 (DDX) ..............................................................................87
Bảng 4.11: Moment vách P3 (DDX) .............................................................................88
Bảng 4.12: Lực cắt đáy công trình (DDY) ....................................................................98
Bảng 4.13: Chuyển vị ngang công trình (DDY) ...........................................................99
Bảng 4.14: Độ lệch tầng công trình (DDY) ................................................................100
Bảng 4.15: Lực cắt vách P4 (DDY) ............................................................................101
Bảng 4.16: Moment vách P4 (DDY) ...........................................................................103
Bảng 4.17: Lực cắt vách P5 (DDY) ............................................................................104
Bảng 4.18: Moment vách P5 (DDY) ...........................................................................105
Bảng 4.19: Lực cắt vách P6 (DDY) ............................................................................106
Bảng 4.20: Moment vách P6 (DDY) ...........................................................................108


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Tòa nhà Landmark 81 (Việt Nam) ..................................................................5
Hình 1.2: Tòa nhà Bitexco (Việt Nam) ...........................................................................6
Hình 1.3: Tòa nhà Đà Nẵng City (Việt Nam) .................................................................6
Hình 1.4: Trung tâm thương mại One World (New York) .............................................7
Hình 1.5: Tháp thượng hải (Trung Quốc) .......................................................................7
Hình 1.6: Tháp đôi Petronas (Malaysia)..........................................................................8
Hình 1.7: Tòa tháp Burj Khalifa (Dubai) ........................................................................8
Hình 1.8: Khung bê tông cốt thép ...................................................................................9
Hình 1.9: Kết cấu vách chịu lực ....................................................................................10
Hình 1.10: Kết cấu vách lõi chịu lực ............................................................................11
Hình 1.11: Vị trí phát sinh động đất ..............................................................................14
Hình 1.12: Tòa nhà bị trận động đất đánh sập ...............................................................22
Hình 1.13: Động đất tại Vân Nam (Trung Quốc) 17/10/2018 ......................................22

Hình 1.14: Động đất tại Sumatra (Indonesia) 07/12/2016 ............................................23
Hình 1.15: Kết cấu cột bị sụp đổ do động đất ...............................................................23
Hình 2.1: Dạng của phố phản ứng đàn hồi ....................................................................30
Hình 2.2: Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền đất từ A đến E (độ cản 5%) ............33
Hình 3.1: Mô hình Winkler ...........................................................................................43
Hình 3.2: Hệ số lò xo dùng cho cọc mô hình cọc – nền ................................................48
Hình 3.3: Quan hệ ứng suất – biến dạng của mô hình đàn hồi tuyến tính ....................46
Hình 3.4: Quan hệ ứng suất – biến dạng trong mô hình đàn hồi phi tuyến...................46
Hình 3.5: Quan hệ ứng suất – biến dạng của mô hình đàn hồi tuyến tính ....................47
Hình 3.6: Cách xác định các chỉ tiêu cơ học về cường độ của đất nền qua thí nghiệm
nén 3 trục. ......................................................................................................................48
Hình 3.7: Độ cứng lò xo cọc .........................................................................................51
Hình 3.8: Đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng ....................................................53
Hình 3.9: Dạng tổng quá đường cong t – z ...................................................................53
Hình 3.10: Đường cong t – z với ma sát bên đất dính ...................................................54
Hình 3.11: Đường cong t – z với ma sát bên đất rời ....................................................55
Hình 3.12: Đường cong t – z với sức kháng mũi cọc ....................................................55
Hình 3.13: Đường cong p – y của đất sét dẻo chịu tải tĩnh ...........................................56
Hình 3.14: Đường cong p – y của đất sét cứng chịu tải tĩnh .........................................56
Hình 4.1: Mô hình không gian kết cấu công trình.........................................................60
Hình 4.2: Mode 1: Công trình dao động theo Phương X (FIXED) ...............................61
Hình 4.3: Mode 2: Công trình dao động xoắn (FIXED) ...............................................62


Hình 4.4: Mode 3: Công trình dao động theo Phương Y (FIXED) ...............................62
Hình 4.5: Khai báo dữ liệu trận động đất Kobe vào mô hình .......................................63
Hình 4.6: Phân tích Linear Modal History (FIXED) .....................................................63
Hình 4.7: Khai báo tính toán hệ số cản (FIXED) ..........................................................64
Hình 4.8: Mô hình nền tương tác SSI ............................................................................64
Hình 4.9: Mặt bằng móng công trình ............................................................................65

Hình 4.10: Khai báo hệ số lò xo tương đương cho cọc .................................................65
Hình 4.11: Mode 1: Công trình dao động theo Phương X (SSI) ...................................67
Hình 4.12: Mode 2: Công trình dao động Xoắn (SSI) ..................................................67
Hình 4.13: Mode 3: Công trình dao động theo Phương Y (SSI) ...................................68
Hình 4.14: Phân tích Linear Modal History trường hợp có kể đến tương tác SSI ........68
Hình 4.15: Khai báo tính toán hệ số cản (SSI) ..............................................................69
Hình 4.16: Vị trí vách P1, P2, P3 được lựa chọn để phân tích nội lực (DDX) .............69
Hình 4.17: Biểu đồ lực cắt đáy công trình FX (FIXED DDX) .....................................70
Hình 4.18: Biểu đồ chuyển vị đỉnh công trình UX (FIXED DDX) ..............................70
Hình 4.19: Biểu đồ Lực cắt Vách P1 – Tầng 4 (FIXED DDX) ....................................71
Hình 4.20: Biểu đồ Moment Vách P1 – Tầng 4 (FIXED DDX) ...................................71
Hình 4.21: Biểu đồ Lực cắt Vách P2 – Tầng 4 (FIXED DDX) ....................................72
Hình 4.22: Biểu đồ Moment Vách P2 – Tầng 4 (FIXED DDX) ...................................72
Hình 4.23: Biểu đồ Moment Vách P3 – Tầng 4 (FIXED DDX) ...................................73
Hình 4.24: Biểu đồ Moment Vách P3 – Tầng 4 (FIXED DDX) ...................................73
Hình 4.25: Biểu đồ Lực cắt đáy công trình FX (SSI DDX) ..........................................74
Hình 4.26: Biểu đồ Chuyển vị đỉnh công trình UX (SSI DDX) ...................................74
Hình 4.27: Biểu đồ Lực cắt Vách P1 – Tầng 4 (SSI DDX) ..........................................75
Hình 4.28: Biểu đồ Moment Vách P1 – Tầng 4 (SSI DDX) .........................................75
Hình 4.29: Biểu đồ Lực cắt Vách P2 – Tầng 4 (SSI DDX) ..........................................76
Hình 4.30: Biểu đồ Moment Vách P2 – Tầng 4 (SSI DDX) .........................................76
Hình 4.31: Biểu đồ Lực cắt Vách P3 – Tầng 4 (SSI DDX) ..........................................77
Hình 4.32: Biểu đồ Moment Vách V3 – Tầng 4 (SSI DDX) ........................................77
Hình 4.33: Biểu đồ lực cắt đáy công trình qua 2 trường hợp phân tích (DDX) ............78
Hình 4.34: Biểu đồ chuyển vị ngang công trình qua 2 trường hợp phân tích (DDX) ...79
Hình 4.35: Biểu đồ độ lệch tầng công trình qua 2 trường hợp phân tích (DDX) ..........81
Hình 4.36: Biểu đồ lực cắt vách P1 qua 2 trường hợp phân tích (DDX) ......................82
Hình 4.37: Biểu đồ moment vách P1 qua 2 trường hợp phân tích (DDX) ....................84
Hình 4.38: Biểu đồ lực cắt vách P2 qua 2 trường hợp phân tích (DDX) ......................85
Hình 4.39: Biểu đồ moment vách P2 qua 2 trường hợp phân tích (DDX) ....................87

Hình 4.40: Biểu đồ lực cắt vách P3 qua 2 trường hợp phân tích (DDX) ......................88


Hình 4.41: Biểu đồ moment vách P3 qua 2 trường hợp phân tích (DDX) ....................89
Hình 4.42: Vị trí vách P4, P5, P6 được lựa chọn để phân tích nội lực (DDY) .............90
Hình 4.43: Biểu đồ Lực cắt đáy công trình FY (FIXED DDY) ....................................90
Hình 4.44: Biểu đồ Chuyển vị đỉnh công trình UY (FIXED DDY) .............................91
Hình 4.45: Biểu đồ Lực cắt Vách P4 – Tầng 4 (FIXED DDY) ....................................91
Hình 4.46: Biểu đồ Moment Vách P4 – Tầng 4 (FIXED DDY) ...................................92
Hình 4.47: Biểu đồ Lực cắt Vách P5 – Tầng 4 (FIXED DDY) ....................................92
Hình 4.48: Biểu đồ Moment Vách P5 – Tầng 4 (FIXED DDY) ...................................93
Hình 4.49: Biểu đồ Lực cắt Vách P6 – Tầng 4 (FIXED DDY) ....................................93
Hình 4.50: Biểu đồ Moment Vách P6 – Tầng 4 (FIXED DDY) ...................................94
Hình 4.51: Biểu đồ lực cắt đáy công trình FY (SSI DDY) ...........................................94
Hình 4.52: Biểu đồ Chuyển vị đỉnh công trình UY (SSI DDY) ...................................95
Hình 4.53: Biểu đồ Lực cắt Vách P4 – Tầng 4 (SSI DDY) ..........................................95
Hình 4.54: Biểu đồ Moment Vách P4 – Tầng 4 (SSI DDY) .........................................96
Hình 4.55: Biểu đồ Lực cắt Vách P5 – Tầng 4 (SSI DDY) ..........................................96
Hình 4.56: Biểu đồ Moment Vách P5 – Tầng 4 (SSI DDY) .........................................97
Hình 4.57: Biểu đồ Lực cắt Vách P6 – Tầng 4 (SSI DDY) ..........................................97
Hình 4.58: Biểu đồ Moment Vách P6 – Tầng 4 (SSI DDY) .........................................98
Hình 4.59: Biểu đồ lực cắt đáy công trình qua 2 trường hợp phân tích (DDY) ............99
Hình 4.60: Biểu đồ chuyển vị ngang công trình qua 2 trường hợp phân tích (DDY) .100
Hình 4.61: Biểu đồ độ lệch tầng công trình qua 2 trường hợp phân tích (DDY) ........101
Hình 4.62: Biểu đồ lực cắt vách P4 qua 2 trường hợp phân tích (DDY) ....................102
Hình 4.63: Biểu đồ moment vách P4 qua 2 trường hợp phân tích (DDY) ..................103
Hình 4.64: Biểu đồ lực cắt vách P5 qua 2 trường hợp phân tích (DDY) ....................105
Hình 4.65: Biểu đồ moment vách P5 qua 2 trường hợp phân tích (DDY) ..................106
Hình 4.66: Biểu đồ lực cắt vách P6 qua 2 trường hợp phân tích (DDY) ....................107
Hình 4.67: Biểu đồ moment vách P6 qua 2 trường hợp phân tích (DDY) ..................108

1

PHẦN MỞ ĐẦU
1

Lý do chọn đề tài:
Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, nhà cao tầng xuất hiện là do kết quả

của sự gia tăng dân số ở thành thị, do đó thiếu đất xây dựng nên chiều cao của các tòa
nhà cao tầng ngày càng tăng để đáp ứng được nhu cầu về chỗ ở của người dân.
Cũng do sự phát triển khoa học kỹ thuật (công nghệ vật liệu, chế tạo, thi công
v.v…) đã đưa thế giới vào việc xây dựng các công trình với các tòa nhà trọc trời. Do
đó nhà cao tầng trở thành biểu tượng cho sự phát triển phồn hoa của khu vực, quốc gia
và vùng lãnh thổ.
Ở Việt Nam, nhà cao tầng mới xuất hiện khoảng hơn hai mươi năm trở lại đây.
Các công trình nhà cao tầng là yếu tố mới cần được nghiên cứu cẩn thận đối với các kỹ
sư làm công tác thiết kế. Việc phân tích ảnh hưởng của tải trọng ngang (động đất, gió
v.v…) tác động lên công trình nhà cao tầng cần được nghiên cứu chuyên sâu hơn.
Hiện nay, những trận động đất xuất hiện ngày càng nhiều với cường độ lớn và gây
ảnh hưởng nghiêm trọng đến những khu vực và công trình gần tâm chấn. Công trình
nhà cao tầng có phản ứng rất nhạy với sự rung chuyển của đất nền. Bài toán tương tác
giữa đất nền và kết cấu đang được quan tâm nhiều trong những năm gần đây bởi tính
chính xác và hợp lý khi được đưa vào mô hình phân tích. Nó mô phỏng được hệ làm
việc đồng thời của kết cấu và đất nền trong quá trình chịu tải trọng động đất, do vậy
các mô hình tính toán có xét đến ảnh hưởng có sự tương tác nền (SSI) có sơ đồ làm
việc rất sát với thực tế.
2

Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu nguồn gốc và tác hại của động đất.
- Tìm hiểu các dạng chịu lực của nhà cao tầng.
- Tìm hiểu các phương pháp tính toán công trình chịu động đất.
- Phân tích ứng xử của nhà cao tầng chịu động đất có xét đến tương tác nền SSI.
3

Phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, ta xét một công trình nhà cao tầng tại

thành phố Hồ Chí Minh, được phân tích khi chịu tác động động đất bằng gia tốc nền
theo miền thời gian.


2
Đề tài được xét hai trường hợp:
- Trường hợp 1: Công trình không xét tương tác nền SSI.
- Trường hợp 2: Công trình có xét đến tương tác nền SSI.
Ma trận cản được dùng theo Raylengh với tỉ số cản ξ = 0.05.


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘNG ĐẤT
1.1

Vài nét về xây dựng nhà cao tầng hiện nay

1.1.1 Sự hình thành và phát triển nhà cao tầng của thế giới
Tốc độ đô thị hóa và sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội là động lực thúc
đẩy làm thay đổi chất lượng hình ảnh không gian kiến trúc đô thị, kèm theo đó tại một
số nước phát triển và đang phát triển, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm
thương mại, khách sạn… tăng lên đáng kể, trong khi quỹ đất xây dựng lại thiếu trầm
trọng làm giá đất tăng lên. Từ việc nhìn nhận: “Các công trình cao tầng là biểu tượng
của một đô thị văn minh”, người ta hiểu đó như là chiến lược phát triển tất yếu và rất
khoa học. Việc phát triển nhà cao tầng, nhất là các tòa nhà chọc trời tại các đô thị lớn
trên thế giới là xu hướng tất yếu để tương xứng với cấu trúc đô thị đa trung tâm, linh
hoạt, có sức sống và có sức cạnh tranh cao hơn ở nhiều lĩnh vực; cùng với nhiều yếu tố
và các giá trị khác, chúng góp phần tạo dựng hình ảnh của một “đô thị hiện đại”,
khẳng định đẳng cấp hay thương hiệu của đô thị, biểu trưng cho một quốc gia, thậm
chí một dân tộc. Việc xây dựng các công trình cao tầng và vươn lên chiều cao còn là
khẳng định về trình độ khoa học, công nghệ trong lĩnh vực xây dựng nói riêng và trình
độ khoa học nói chung của một quốc gia. Chính vì điều đó việc các quốc gia đua nhau
xây dựng các công trình cao tầng thể hiện sức mạnh kinh tế, trình độ khoa học. Không
thể phủ nhận sức hấp dẫn của những thành phố sở hữu những tòa nhà chọc trời trên thế
giới như tháp Burj Dubai (Các tiểu vương quốc ả rập thống nhất); tháp Taipe tại Đài
Bắc (Đài Loan); Trung tâm tài chính Thượng Hải (Trung Quốc); tháp đôi Petronas
(Kuala Lumpur - Malaysia); Trung tâm tài chính quốc tế (IFC2) Hồng Kông. Những
tòa nhà này không chỉ giúp thúc đẩy kinh tế mà còn mang ý nghĩa thể hiện sự giàu có
của quốc gia, tốc độ tăng trưởng cao, sự thịnh vượng và những chính trị gia xem tòa
nhà cao tầng như biểu hiện cho quyền lực là những yếu tố đẩy cơn sốt cao ốc tiếp tục
trong nhiều năm nữa, ngay cả những thành phố ít được biết đến trong vùng cũng có
tham vọng cháy bỏng được sở hữu các kiến trúc thật độc đáo để thay đổi diện mạo của
mình, sẵn sàng đưa ra nhiều ưu đãi để biến điều đó thành hiện thực.


4
1.1.2 Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng

1.1.2.1 Định nghĩa
Hiện nay chưa có câu trả lời chính xác, rõ ràng và được mọi người thừa nhận về
những công trình được xếp vào loại nhà cao tầng. Theo định nghĩa của ủy ban quốc tế
nhà cao tầng là nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng đến ý đồ và phương pháp thiết kế
được gọi là nhà cao tầng. Hoặc nói cách khác tổng quan hơn: một công trình xây dựng
được xem là nhà nhiều tầng ở tại một vùng hoặc một thời kỳ nào đó nếu chiều cao của
nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi
nhà thông thường [13].
1.1.2.2 Phân loại nhà cao tầng
 Phân loại theo mục đích sử dụng:
+ Nhà ở.
+ Nhà làm việc và các dịch vụ khác.
+ Khách sạn.
 Phân loại theo hình dạng:
+

Nhà tháp: mặt bằng hình tròn, tam giác, vuông, đa giác điều cạnh, trong đó việc

giao thông theo phương đứng tập trung vào một khu vực duy nhất.
+ Nhà dạng thanh: mặt bằng chữ nhật, trong đó có nhiều đơn vị giao thông theo
phương thẳng đứng.
 Phân loại theo chiều cao nhà:
+ Nhà cao tầng loại I

: Từ 09 đến 16 tầng (cao nhất 50m).

+ Nhà cao tầng loại II : Từ 17 đến 25 tầng (cao nhất 75m).
+ Nhà cao tầng loại III : Từ 26 đến 40 tầng (cao nhất 100m).
+ Nhà cao tầng loại IV : 40 tầng trở lên (nhà siêu cao tầng).
 Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực:

+ Nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép.
+ Nhà cao tầng bằng thép.
+ Nhà cao tầng có kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép.
Các nước trên thế giới tùy theo sự phát triển Nhà cao tầng của mình mà có cách
phân loại khác nhau. Hiện nay nước ta đang có xu hướng theo sự phân loại của Ủy ban
nhà cao tầng quốc tế. 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 có thể
dưới dạng gió bão hoặc động đất. Mặc dù chưa có sự thống nhất chung nào về định


5
nghĩa Nhà cao tầng nhưng có một ranh giới được đa số kỹ sư kết cấu chấp nhận, đó là
từ Nhà thấp tầng sang Nhà cao tầng có sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân
tích động học khi nhà chịu tải gió, động đất,… tức là vấn đề về dao động và ổn định
nói chung.
Thách thức đối với Kỹ sư kết cấu hiện nay là các công trình Nhà cao tầng ngày
càng cao hơn, nhẹ hơn và mảnh hơn so với các Nhà cao tầng trong quá khứ. Các
nghiên cứu trên thế giới cũng khẳng định xu hướng này trong tương lai, thông qua các
kết quả so sánh cho thấy các công trình có độ mảnh cao đồng thời cũng mang lại hiệu
quả kinh tế cao hơn [13].
Bảng 0.1: Một số công trình nhà cao tầng ở Việt Nam
Tên công trình

Số tầng

Chiều cao (m)

Landmark (Vinhome Center Park, TP.HCM)

81

461

Keangnam Hanoi Landmak Tower

72

336

Lotte Center Hà Nội

65

267

Bitexco Financial tower (TP.HCM)

68

262

Vietcombank Tower (TPHCM)

40

206

Da Nang City Hall

34

166

(Nguồn: Tác giả tổng hợp)

Hình 0.1: Tòa nhà Landmark 81 (Việt Nam)
(Nguồn: )


6

Hình 0.2: Tòa nhà Bitexco (Việt Nam)
(Nguồn: Wikipedia)

Hình 0.3: Tòa nhà Đà Nẵng City (Việt Nam)
(Nguồn: Dantri.com.vn)


7

Hình 0.4: Trung tâm thương mại One World (New York)
(Nguồn: Baomoi.com)

Hình 0.5: Tháp thượng hải (Trung Quốc)
(Nguồn: Quantrimang.com)


8

Hình 0.6: Tháp đôi Petronas (Malaysia)

(Nguồn: dulichmalaysia.com.vn)

Hình 0.7: Tòa tháp Burj Khalifa (Dubai)
(Nguồn: taptrikientruc.com.vn)


9
1.2 Một số hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng
1.2.1 Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản trong nhà cao tầng
1.2.1.1 Hệ khung chịu lực
Hệ khung chịu lực được tạo từ các cấu kiện thanh như cột, dầm, liên kết cứng
tại các nút tạo thành các khung phẳng hoặc khung không gian, dọc theo trục lưới cột
trên mặt bằng nhà. Tải lên khung bao gồm tải trọng theo phương đứng và phương
ngang. Dưới tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm vừa chịu uốn, cắt vừa chịu
kéo, nén. Chuyển vị khung gồm 2 thành phần chuyển vị ngang do uốn khung như
chuyển vị ngang của thanh công xon thẳng, đứng tỷ lệ này khoảng 20%. Chuyển vị
ngang do biến dạng của các thanh thành phần, chiếm khoảng 80% (trong đó do dầm
biến dạng khoảng 65%; do cột biến dạng khoảng 15%). Khung có độ cứng ngang bé,
khả năng chịu tải không lớn, thông thường khi lưới cột bố trí đều đặn, trên mặt bằng
khoảng 6-9m, chỉ thích hợp cho nhà không quá 30 tầng [11].

Hình 0.8: Khung bê tông cốt thép
(Nguồn: vatlieuxaydung.org.vn)


10
1.2.1.2 Hệ vách chịu lực
Các cấu kiện chịu lực thẳng đứng của nhà là một hệ tấm gương phẳng. Theo
cách bố trí tường có các sơ đồ sau: tường dọc chịu lực, tường ngang chịu lực, tường
ngang và tường dọc cùng chịu lực.

Tường chịu tải trọng ngang và tải trọng đứng. Tải trọng ngang được truyền đến
các tấm tường chịu tải thông qua hệ các bản sàn (các bản sàn xem là cứng tuyệt đối
trong mặt phẳng của chúng). Do đó các vách cứng làm việc như công xon có chiều cao
tiết diện lớn. Khả năng chịu tải của các vách cứng phụ thuộc vào hình dáng tiết diện
ngang của chúng.
Hiện nay vật liệu để xây dựng và cấu trúc tấm tường cũng đa dạng. Ngoài việc
xây bằng gạch đá, hệ lưới thanh tạo thành các cột đặt gần nhau liên kết qua các dầm
ngang, xiên cũng được xem là loại kết cấu này. Hệ tường chịu lực thích hợp cho các
loại nhà cần phân chia không gian bên trong (nhà ở, nhà làm việc, khách sạn, bệnh
viện…), cho các công trình chiều cao dưới 40 tầng [13].

Hình 0.9: Kết cấu vách chịu lực
(Nguồn: angcovat.vn)
1.2.1.3 Hệ lõi chịu lực
Lõi có dạng hộp rỗng, tiết diện kín hoặc hở, chịu tải trọng đứng và ngang tác
dụng lên công trình sau đó truyền xuống đất nền. Không gian bên trong của các ô
giằng này thường để bố trí thang máy, thang bộ hoặc cho việc lắp đặt hệ thống kỹ
thuật [11].


11

Hình 0.10: Kết cấu vách lõi chịu lực
(Nguồn: )
1.2.1.4 Hệ hộp chịu lực
Hệ hộp chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang. Các bản sàn được gối lên các kết
cấu chịu tải nằm trong mặt phẳng tường ngoài mà không cần các kết cấu trung gian
khác bên trong. Hệ hộp với giải pháp lưới không gian có các thanh chéo thường dùng
cho các nhà có chiều cao lớn (trên 40 tầng) [11].
1.2.2 Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp trong nhà cao tầng

Về mặt cấu tạo kết cấu được cấu tạo từ sự kết hợp giữa 2 hay nhiều hệ đã nêu
trên: khung-vách, khung-lõi, khung-hộp, khung -vách-lõi….
1.2.2.1 Hệ khung-vách
Hệ này thường được sử dụng cho những nhà có mặt bằng chữ nhật kéo dài, chịu
lực chủ yếu theo phương ngang nhà. Các vách cứng được bố trí chủ yếu dọc theo
phương ngang nhà. Kết cấu khung-vách thường được sử dụng phổ biến hơn cả vì hệ
này phù hợp với hầu hết các giải pháp kiến trúc nhà cao tầng [13].
1.2.2.2 Hệ khung-lõi
Trong hệ này khi tải trọng ngang tác dụng hầu như được truyền vào hệ lõi cứng
còn hệ khung chỉ chủ yếu chịu phần tải trọng đứng trong phạm vi của nó. Đưa các hệ