ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ NỀN ĐẤT ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH CÓ TẦNG HẦM SÂU KHI CHỊU TẢI ĐỘNG ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ

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

BÙI TRỌNG PHƢỚC

ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA
KẾT CẤU VÀ NỀN ĐẤT ĐỐI VỚI CƠNG TRÌNH CĨ
TẦNG HẦM SÂU KHI CHỊU TẢI ĐỘNG ĐẤT

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

Đà Nẵng - Năm 2018


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

BÙI TRỌNG PHƢỚC

ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA
KẾT CẤU VÀ NỀN ĐẤT ĐỐI VỚI CƠNG TRÌNH CĨ
TẦNG HẦM SÂU KHI CHỊU TẢI ĐỘNG ĐẤT

Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08

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

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN QUANG TÙNG

Đà Nẵng - Năm 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào
khác.
Đà Nẵng, ngày 30 tháng 01 năm 2018

Bùi Trọng Phƣớc


ii

ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ NỀN ĐẤT ĐỐI
VỚI CƠNG TRÌNH CĨ TẦNG HẦM SÂU KHI CHỊU TẢI ĐỘNG ĐẤT
Học viên: BÙI TRỌNG PHƯỚC Chuyên ngành: Kỹ thuật cơng trình xây dựng
Mã số: ………Khóa: K32 - ĐN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt - Các cơng trình tầng thường phải chịu các tác động rất lớn theo phương ngang
(động đất, gió), để đảm bảo khả năng chống lật cho cơng trình, thơng thường các cơng trình sẽ
được hạ trọng tâm và ngàm sâu vào trong đất. Trong các phương pháp tính tốn trước đây, người
ta thường coi cơng trình được ngàm ở mặt móng và bỏ qua tương tác giữa nền đất và kết cấu.
Mục tiêu chính của luận văn là phân tích ứng xử của cơng trình có đến sự tương tác của kết cấu
ngầm và nền đất. Luận văn này trích dẫn các phương pháp biểu diễn tương tác giữa nền đất và
cơng trình và áp dụng vào phân tích một cơng trình điển hình. Ứng xử của cơng trình sẽ được

phân tích tùy thuộc vào hệ nền móng của cơng trình, từ đó có thể đánh giá ảnh hưởng của phương
pháp bố trí hệ nền móng đến ứng xử của cơng trình.
Từ khóa - tương tác nền đất và kết cấu, ứng xử cơng trình, dao động, hệ nền móng,
phần tử hữu hạn.

EFFECT OF THE SOIL STRUCTURE INTERACTION ON THE RESPONSE OF
THE CONCRETE DEEP BASEMENT HIGH RISE BUILDINGS UNDER
EARTHQUAKE
Abstract - The high rise buildings are often subjected to strong lateral loads (earthquake and
wind load), to guaranty the resistance of the structure, the buildings normaly have a deep
underground system. In litterature, the structure is supposed to encastre at the level of the
foundation and ignore the soils-structure interaction. The main purpose of this study is analyzing
the response of the structure including the soils-structure interaction. This paper present
modelization method to take into accound this interaction and applying to analyze an
representative buildings to evaluate the effect of the foundation system to the response of the
structure.
Key words - soil-structure interaction, response of the structure, modal response,
foundation system, finite element method.manufacturing; capability expansion.


iii

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...........................................................................................vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1

2 Tình hình nghiên cứu về tương tác giữa nền đất và kết cấu (SSI) ........................... 1
3. Mục tiêu của đề tài .................................................................................................. 3
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 3
5. Nội dung thực hiện .................................................................................................. 3
6. Bố cục đề tài ............................................................................................................ 3
CHƢƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH CĨ TẦNG HẦM SÂU VÀ
TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT ............................................................................................ 4
1.1. Tổng quan về xây dựng nhà cao tầng và xu hướng thiết kế cơng trình có nhiều
tầng hầm .......................................................................................................................... 4
1.1.1. Tổng quan về xây dựng nhà cao tầng................................................................ 4
1.2. Các loại kết cấu tường tầng hầm .............................................................................. 7
1.2.1. Tường vây - tường Barrette ............................................................................... 7
1.2.2. Tường hầm bê tông cốt thép thi công từ dưới lên ............................................. 8
1.2.3. Một vài kết cấu tường hầm khác ....................................................................... 8
1.3. Tải trọng động đất và ảnh hưởng của nó lên cơng trình ........................................... 8
1.3.1. Động đất và tác hại của động đất đối với đời sống con người .......................... 8
1.3.2. Ảnh hưởng của động đất đến cơng trình. ........................................................ 11
1.4. Q trình phát triển các phương pháp xác định tải trọng động đất ........................ 11
1.4.1. Hệ kết cấu đàn hồi nhiều bậc tự do chịu tác động động đất ........................... 11
1.4.2. Phương trình chuyển động .............................................................................. 12
1.4.3. Chu kỳ và dạng dao động của hệ kết cấu ........................................................ 14
1.5. Tương tác giữa nền đất và cơng trình ..................................................................... 16
1.5.1. Các phương pháp phân tích tương tác nền và cơng trình................................ 16
1.5.1.1. Phương pháp thay nền bằng các thanh liên kết đàn hồi (lị xo) ............... 16
1.5.1.2. Phương pháp tính tốn kết cấu và nền như một môi trường liên tục....... 17


iv
1.5.2. Một số phần mềm ứng dụng PTHH giải bài tốn tương tác giữa nền và
cơng trình ....................................................................................................................... 17

1.6. Kết luận chương ..................................................................................................... 18
CHƢƠNG 2. TƢƠNG TÁC GIỮA NỀN ĐẤT VÀ CƠNG TRÌNH CHỊU TẢI
TRỌNG ĐỘNG ĐẤT .................................................................................................. 19
2.1. Tính toán tải trọng động đất ................................................................................... 19
2.1.1. Điều kiện đất nền và vùng động đất ................................................................ 19
2.1.2. Tiêu chí về tính đều đặn cơng trình ................................................................. 19
2.1.3. Phân loại cơng trình và hệ số tầm quan trọng ................................................. 20
2.1.4. Biểu diễn cở bản của tài trọng động đất .......................................................... 20
2.1.4.1. Phổ phản ứng đàn hồi theo phương nằm ngang: ..................................... 20
2.1.4.2. Phổ phản ứng đàn hồi theo phương thẳng đứng ...................................... 21
2.1.4.3. Phổ thiết kế đàn hồi dùng cho phân tích đàn hồi ..................................... 21
2.2. Áp lực đất tác dụng lên tường vây tầng hầm trong quá trình động đất .................. 24
2.2.1. Các lý thuyết tính tốn áp lực đất tác dụng lên tường chắn ............................ 24
2.2.2. Tính áp lực đất theo lý thuyết W.J.W. Rankine .............................................. 26
2.2.3. Tính áp lực đất theo lý thuyết của C.A.Coulomb ........................................... 28
2.3. Phương pháp mô phỏng tương tác giữa kết cấu và nền đất .................................... 35
2.3.1. Các phương pháp tính hệ số nền ..................................................................... 35
2.3.1.1. Phương pháp tra bảng .............................................................................. 35
2.3.1.2. Phương pháp tính theo các cơng thức nền- móng ................................... 36
2.3.1.3 Tính theo mô đun biến dạng nền: ............................................................. 37
2.4. Kết luận chương ..................................................................................................... 37
CHƢƠNG 3. ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ
NỀN ĐẤT ĐỐI VỚI CƠNG TRÌNH CĨ TẦNG HẦM SÂU CHỊU ĐỘNG
ĐẤT ............................................................................................................................... 39
3.1. Mơ hình phân tích ................................................................................................... 39
3.2. Tính tốn tương tác giữa nền đất và kết cấu ngầm của cơng trình ......................... 43
3.2.1. Tính toán áp lực đất chủ động vào tường tầng hầm ........................................ 43
3.2.2. Tính tốn độ cứng K của liên kết đàn hồi ....................................................... 43
3.3. Kết quả phân tích .................................................................................................... 47
3.3.1. Đặc trưng dao động và tải trọng động đất ....................................................... 47

3.3.2. Nội lực khung ................................................................................................. 51
3.3.3. Nội lực vách .................................................................................................... 56
3.4. Kết luận................................................................................................................... 57


v
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 59
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GİẢ ........ 60
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 61
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)


vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

2.1:

Giá trị hệ số ứng xử q0 cho hệ có sự đều đặn theo mặt đứng

23

2.2:

Hệ số áp lực đất chủ động theo lời giải của lý thuyết Xoclovxki

32

2.3:

Hệ số áp lực đất bị động theo lời giải của lý thuyết Xoclovxki

33

2.4:

Bảng tra hệ số nền theo K.X. Zavriev

36

2.5:

Bảng tra hệ số nền theo J.E.Bowles

36

3.1:

Địa chất nền đất cơng trình

40

3.2:

Bảng tính áp lực đất chủ động vào tầng hầm

43

3.3:

Bảng xác định hệ nố nền K

44

3.4:

Bảng tính độ cứng lị xo đặt vào cọc khoan nhồi

45

3.5:

Ảnh hưởng của nền đất và hệ móng đến ứng xử cơng trình

47


vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1:

Cơng trình Buji Khalifa

5

1.2:

Cơng trình trung tâm tài chính Thượng Hải

5

1.3:

Cơng trình trung tâm tài chính Thượng Hải

6

1.4:

Tịa nhà Keangnam Hanoi Landmark Tower

6

1.5:

Tịa nhà Bitexco Financial

7

1.6:

Động đất ở Valdivia, Chilê (22/5/1960)

9

1.7:

Động đất ở Anchorage, Mỹ (27/03/1964)

10

1.8:

Động đất ở Sumatra, Indonesia (26/12/2004)

10

1.9:

Động đất ở Nhật Bản (03/2011)

11

1.10:

Mơ hình tính tốn của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do chịu tác
động động đất

12

1.11:

Mơ hình xác định ma trận độ cứng của hệ kết cấu nhiều bạc tự
do động chịu tác động động đất.

14

2.1:

Áp lực đất tác dụng lên tường chắn

25

2.2:

Trạng thái chủ động và bị động Rankine

26

2.3:

Tính áp lực đất chủ động và bị động Rankine

27

2.4:

Tính áp lực đất chủ động Coulomb

29

2.5:

Tính áp lực đất bị động C.A.Coulomb

30

2.6:

Ba trường hợp xảy ra của mặt trượt thứ hai

31

2.7:

Vị trí chia vùng các điểm và hình dạng mặt trượt

31

2.8:

Tính áp lực chủ động và bị động của đất gồm nhiều lớp

34

2.9:

Tính áp lực đất chủ động khi trên mặt đất có siêu tải

35

3.1:

Mơ hình Etabs mặt bằng sàn tầng điển hình

40

3.2:

Mơ hình Etabs 3D cơng trình

41

3.3:

Mơ hình Etabs 3D cơng trình có phần móng

42

3.4:

Mơ hình Etabs 3D cơng trình sau khi gán độ cứng K vào cọc
và áp lực đất vào vách tầng hầm

46

3.5:

Tổng lực cắt đáy do động đất Sb(kN)

48

3.6:

Chu kỳ dao động T(s)

48

3.7:

Chuyển vị ngang đỉnh cơng trình

49


viii
Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

3.8:

Độ lún chân cột giữa

50

3.9:

Độ lún chân cột trung gian

50

3.10:

Độ lún chân cột giữa

50

3.11:

Mô men dầm biên

52

3.12:

Mô men dầm giữa

53

3.13:

Nội lực cột trung gian

54

3.14:

Nội lực cột trung giữa

55

3.15:

Nội lực vách

56


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, ngày càng
nhiều nhà cao tầng được thiết kế và xây dựng. Cùng với tầm quan trọng của loại cơng
trình này, các phương pháp tính tốn tải trọng cũng như phân tích ứng xử liên tục được
thay đổi để phù hợp hơn với sự làm việc của công trình. Trong tính tốn kết cấu, một
trong những yếu tố then chốt quyết định kết quả phân tích mơ hình chính là sơ đồ tính
kết cấu. Một mơ hình kết cấu càng tịnh tiến đến sự làm việc thực của kết cấu thì kết
quả phân tích ứng xử cơng trình sẽ chính xác và đáng tin cậy hơn. Đối với các cơng
trình có quy mơ lớn và có tầng hầm cắm sâu vào nền đất thì việc mơ hình kết cấu càng

có ý nghĩa quan trọng và càng cần được quan tâm nhiều hơn. Trong thực tế thiết kế
hiện nay, các cơng trình cao tầng thường được mơ hình theo các nguyên lý sau:
- Coi cột và vách cứng ngàm vào mặt móng;
- Sơ đồ tính được thực hiện rời rạc giữa kết cấu bên trên và bên dưới mặt
móng;
- Không kể đến áp lực đất truyền vào tường vây tầng hầm;
- Không kể đến điều kiện nền đất;
- Không kể đến ảnh hưởng của độ lún kết cấu đến ứng xử cơng trình.
Các ngun lý mơ hình này dẫn đến một số sai lệch so với sự làm việc thực của
cơng trình. Vì vậy, việc mơ hình cơng trình có kể đến tương tác giữa nền đất và kết
cấu sẽ giúp tối ưu kết quả phân tích ứng xử cơng trình.
2 Tình hình nghiên cứu về tƣơng tác giữa nền đất và kết cấu (SSI)
Cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, ngày càng
nhiều nhà cao tầng được thiết kế và xây dựng. Các phương pháp tính tốn tải trọng
cũng như phân tích ứng xử liên tục được thay đổi để phù hợp hơn với tính chất của
cơng trình. Đối với các cơng trình cao tầng, u cầu về độ chính xác khi phân tích ứng
xử kết cấu là mục tiêu sống cịn. Từ trước đến nay, các cơng trình cao tầng thường
được quan niệm ngàm ở mặt móng khi phân tích ứng xử kết cấu mà hồn tồn bỏ qua
tương tác giữa kết cấu ngầm và nền đất. Hiện vẫn chưa có nhiều tài liệu, chưa có nhiều
phân tích rõ ràng về ảnh hưởng của sự tương tác này đến ứng xử của kết cấu. Ảnh
hưởng của tương tác giữa nền đất và kết cấu được nhóm nghiên cứu Nguyễn [1] đánh
giá khi phân tích ứng xử của kết cấu cầu dây văng chịu động đất. Cao [2] đã phân tích
được ảnh hưởng của hệ cọc và đất nền đến ứng xử của kết cấu, và từ đó đưa ra các
kiến nghị khi lựa chọn chiều dày móng bè trong hệ bè-cọc. Tương tác giữa nền đất và


2
hệ móng được thực hiện thơng qua các liên kết đàn hồi lên từng đoạn cọc, đây cũng là
phương pháp phổ biến khi mô phỏng loại tương tác này. Phương pháp mô phỏng này
cũng được thực hiện trong các công trình nghiên cứu của Pham[3] và Nguyen[4] khi

phân tích ứng xử của cơng trình cao tầng bê tơng cốt thép chịu tải trọng gió và tải
trọng động đất, có kể đến tương tác giữa nền đất và kết cấu. Ngoài ra có thể kể đến
hướng dẫn chi tiết khi xét đến tương tác nền đất và kết cấu trong báo cáo của NIST[5].

Trung tâm Hành chính - TP Đà Nẵng

Tịa nhà Bitexco – TP HCM

Int.Commerce Centre – Hong Kong

World Financial Center – Shanghai

Hình 1: Nhà nhiều tầng
Tuy nhiên, ứng xử tổng hợp của một cơng trình khi được kể đến tương tác giữa
nền đất và kết cấu lại chưa được phân tích thỏa đáng, đây chính là lý do để thực hiện


3
nghiên cứu đề tài: “Ảnh hưởng của sự tương tác gıữa kết cấu và nền đất đốı vớı
cơng trình có tầng hầm sâu khi chịu tải động đất”
3. Mục tiêu của đề tài
Trong việc phân tích ứng xử kết cấu khi kể đến tương tác với nền đất thì đặc
trưng dao động, chuyển vị cơng trình là nhân tố rất quan trọng.
Đề tài được thực hiện có được cái nhìn đầy đủ hơn về ứng xử của cơng trình khi
có xem xét đến tương tác giữa nền đất và kết cấu. Trong đó:
- Xác định được áp lực nền đất tác dụng lên tường vây tầng hầm;
- Xác định được và mơ hình được tương tác giữa nền đất và kết cấu;
- Đánh giá sự biến động của nội lực, chuyển vị cũng như các đặc trưng dao
động của công trình khi kể và khơng kể đến tương các với nền đất.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các cơng trình cao tầng bê tơng cốt thép có hệ
khung - vách chịu lực. Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm các vấn đề: các yếu tố
ảnh hưởng tới sự tương tác giữa nền đất và kết cấu và ảnh hưởng của chúng đến ứng
xử tổng hợp của cơng trình cao tầng bê tông cốt thép chịu động đất.
5. Nội dung thực hiện
 Lý thuyết:
- Nghiên cứu lý thuyết tính tốn động đất;
- Nghiên cứu áp lực nền đất tác dụng lên cơng trình trong q trình động đất;
- Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác nền đất và cơng trình đến ứng xử của
cơng trình chịu động đất;
- Nghiên cứu phương pháp mô phỏng tương tác giữa nền đất và cơng trình.
 Tính tốn
- Tính tốn áp lực đất tác dụng lên cơng trình trong q trình động đất;
- Tính toán các độ cứng đàn hồi của nền đất để mô phỏng tương tác giữa kết
cấu và nền đất (SSI);
- Tính tốn tải trọng động đất tác dụng lên cơng trình;
- Phân tích ứng xử của cơng trình bê tơng cốt thép khi có kể đến SSI.
6. Bố cục đề tài
Chương 1: Tổng quan về cơng trình có tầng hầm sâu và tải trọng động đất
Chương 2: Tương tác giữa nền đất và kết cấu
Chương 3: Ảnh hưởng của sự tương tác gıữa kết cấu và nền đất đốı vớı cơng
trình có tầng hầm sâu chịu động đất
Kết luận và kiến nghị.


4
CHƢƠNG 1 .

TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH CĨ TẦNG HẦM SÂU VÀ TẢI TRỌNG
ĐỘNG ĐẤT

Trong chương này, tác giả nêu tổng quan về nhà nhiều tầng, xu hướng phát triển
nhà có nhiều tầng hầm trong tương lai. Các cơng trình cao tầng thường phải chịu các
tác động rất lớn theo phương ngang (động đất, gió), để đảm bảo khả năng chống lật
cho cơng trình, thơng thường các cơng trình sẽ được hạ trọng tâm và ngàm sâu vào
trong đất. Vì vậy sự phát triển của kết cấu cơng trình cao tầng có nhiều tầng hầm là
một xu thế tất yếu do đó việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu này là một vấn đề
hiển nhiên cần được thực hiện. Chương này nêu tổng quan về nhà nhiều tầng đặc biệt
là các cơng trình có tầng hầm sâu và xu hướng phát triển trong tương lai của dạng
cơng trình này, sự ảnh hưởng của tải trọng động đất đến cơng trình. Các khái niệm về
phương pháp phân tích, tính tốn về sự làm việc chung của cơng trình và nền đất cũng
được thu thập và nêu lên.
1.1. Tổng quan về xây dựng nhà cao tầng và xu hướng thiết kế cơng trình có
nhiều tầng hầm
1.1.1 . Tổng quan về xây dựng nhà cao tầng.
Cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, ngày càng
nhiều nhà cao tầng được thiết kế và xây dựng. Có rất nhiều loại cơng trình nhà cao
tầng tùy theo mục đích sử dụng như: Chung cư cao tầng, Văn phòng cho thuể, Trung
tâm thương mại ...
Việc xây dựng nhà cao tầng đã mang lại những hiệu quả to lớn như: cho phép
giảm bớt mật độ xây dựng và tập trung dân cư trên mặt đất, tạo quỹ đất cho việc xây
dựng các vườn hoa, công viên, các khu giải trí, thể thao..., giải quyết được bài tồn về
giao thông trong đô thị lớn, nơi mà nhu cầu về nhà ở ngày một cao.
Trên thế giới cũng như ở Việt Nam các cơng trình cao tầng có lịch sử phát triển
lâu đời và đã đạt đến trình độ cao về tính tốn thiết kế và cơng nghệ xây dựng.
 Một số cơng trình nhà cao tầng trên thế giới hiện nay
Trải qua nhiều thế kỷ, mạng lưới nhà cao tầng trên thế giới, đặc biệt ở các nước
phát triển như Mỹ, Anh, Nhật, Trung Quốc ... đã phát triển về cả số lượng và kỷ lục
chiều cao.
 Cơng trình Buji Khalifa
Dây là một tòa nhà siêu cao ở “trung tâm mới” của Dubai, Các Tiểu Vương Quốc

Ả Rập Thống Nhất, là cơng trình cao nhất thế giới hiện nay với chiều cao 828m với


5
164 tầng được khánh thành ngày 04/01/2010.

Hình 1.1: Cơng trình Buji Khalifa
 Cơng trình trung tâm tài chính Thượng Hải
Là tòa nhà cao nhất Thượng Hải, Trung Quốc, cao 101 tầng do cơng ty Kohn
Pedersen Fox thiết kế. Tịa tháp cao 492m hồn thành năm 2008. Đây là tịa tháp cao
nhất Trung Quốc và cao thứ 4 thế giới tính đến thời điểm hiện tại.

Hình 1.2: Cơng trình trung tâm tài chính Thượng Hải


6
 Cơng trình Willis Tower
Tháp Willis Tower thành phố Chicago, là tòa nhà cao nhất Hoa Kỳ kể từ năm
1973. Tịa tháp này có 108 tầng theo cách đếm tiêu chuẩn, dù tháp đếm cả nóc chính là
tầng thứ 109 và penhouse cơ khí là tầng 110. Khoảng cách đến nóc tịa tháp là 442m
tính từ sàn cửa vào phía Đơng.

Hình 1.3: Cơng trình trung tâm tài chính Thượng Hải
 Một số cơng trình cao tầng ở Việt Nam
 Tịa nhà Keangnam Hanoi Landmark Tower
Tòa nhà là một khu phức hợp khách sạn – văn phòng – căn hộ - trung tâm thương
mại được xây dựng tại Quận Cầu Giấy, Hà Nội bởi tập đồn Keangnam của Hàn
Quốc. Tịa tháp cao nhất có 70 tầng. Khu phức hợp gồm một tháp chính cao 344m,
được xếp hạng thứ 17 thế giới về chiều cao, dùng làm văn phòng cho thuê. Tháp này là
tịa tháp cao nhất Việt Nam

Hình 1.4: Tịa nhà Keangnam Hanoi Landmark Tower


7
 Tịa nhà Bitexco Financial
Tháp tài chính Bitexco là một tòa nhà được xây dựng ở Quận 1, thành phố Hồ
Chí Minh do Bitexco làm chủ đầu tư. Chiều cao từ mặt đất lên đến đỉnh là 262m, 68
tầng và 3 tầng hầm.

Hình 1.5: Tịa nhà Bitexco Financial
1.2. Các loại kết cấu tường tầng hầm
Khi xây dựng cơng trình có tầng hầm, một vấn đề đặt ra khi lên phương án kết
cấu của tường tầng hầm là biện pháp thi cơng hố đào, đặc biệt trong địa hình chật hẹp
trong thành phố cũng như các yếu tốt kỹ thuật và môi trường liên quan. Thi công hố
đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong nền đất bị dịch chuyển và có
thể lún gây hư hỏng cơng trình lân cận nếu khơng có giải pháp thích hợp. Với mỗi biện
pháp thi cơng khác nhau sẽ có hệ kết cấu tường hầm khác nhau. Xét về mặt kết cấu nó
cũng sẽ có ảnh hưởng tới kết cấu cơng trình khác nhau.
Sau đây xin tóm lược các giải pháp kết cấu tường hầm phổ biến:
1.2.1. Tường vây - tường Barrette
Thực chất là một loại cọc khoan nhồi có tiết diện chữ nhật, là tường BTCT đổ
tại chỗ dày 600mm đến 1200mm và có thể dày hơn, được ghép lại từ những đoạn cọc
barrette chiều dài từ 2,8 đến 5m, giữa chúng có gioăng cao su để chống thấm. Tường
thường có chiều sâu bằng khoảng hai lần chiều sâu hố đào của cơng trình, và phụ
thuộc vào biện pháp thi cơng hố đào. Với những cơng trình có nhiều tầng hầm, thường
từ 4 tầng hầm trở lên thì hầu như đó là giải pháp duy nhất. Với cơng trinh xây chen
hay trong mặt bằng thi công chật hẹp, xung quanh có những cơng trình khác thì kết
cấu tường barrette được sử dụng rất nhiều.
Ưu điểm của kết cấu tường Barrette là độ cứng tường lớn, dễ dàng kết hợp hệ

văng chông cho biện pháp thi công hố đào. Tường Barrette thường sử dụng trong công


8
nghệ thi cơng topdown, được áp dụng với cơng trình có số lượng tầng hầm lớn, hố đào
sâu và trong mặt bằng thi công chật hẹp. Không làm ảnh hưởng đến các cơng trình lân
cận. Mặt khác tường cũng có khả năng chịu tải trọng đứng một cách đáng kể. Nhược
điểm của kết cấu tường Barrette là thi công phưc tạp hơn và giá thành thường cao hơn
so với kết cấu tường BTCT thi công đào mở.
1.2.2. Tường hầm bê tông cốt thép thi công từ dưới lên
Tường hầm BTCT thi công từ dưới lên thường được sử dụng trong các cơng
trình có số tầng hầm khơng lớn và được thi công bằng phương pháp đào mở. Tường
thường được đỡ bằng hệ móng. Khi thi cơng, hố đào thường được giữ bằng hệ thống
cừ. Thi công tường tầng hầm theo phương pháp đổ bê tông thông thường. Khi tường
đạt cường độ thiết kế, thi cơng xong phần ngầm cơng trình mới tiến hành lấp đất phía
ngồi tường và rút cừ. Độ cứng ngang của tường chỉ cần đủ để chịu áp lực đất ở giai
đoạn khi cơng trình làm việc.
Ưu điểm của kết cấu này là biện pháp thi công đơn giản, quản lý kiểm soát
được chất lượng tường dễ hơn và giá thành thường rẻ hơn. Nhược điểm của kết cấu
này là u cầu mặt bằng thi cơng có thể đào mở hay đủ để ép được cừ giữ đất. Mặt
khác với hố móng sâu việc giữ hố thành bằng cừ hường dễ bị chuyển vị ngang lớn, nếu
có cơng trình xung quanh dễ bị ảnh hưởng. Do vậy thường được sử dụng khi hố đào
không lớn (thường là một đến hai tầng hầm) và mặt bằng thi công rộng rãi.
1.2.3. Một vài kết cấu tường hầm khác
Ngoài hai loại kết cấu tường hầm phổ biến đã trình bày ở trên, hiện nay trên
thực tế cũng tồn tại một vài loại kết cấu tường hầm khác:
- Tường vây kết hợp neo trong đất
- Tường cọc (second piles)
- Tường cọc đất xi măng
- Tường BTCT lắp ghép

1.3. Tải trọng động đất và ảnh hưởng của nó lên cơng trình
1.3.1. Động đất và tác hại của động đất đối với đời sống con người
Động đất là một trong những hiện tượng thiên nhiên gây nhiều thiệt hại nhất về
tính mạng con người và của cải vật chất xã hội. Mỗi năm trên thế giới trung bình có
khoảng 10.000 người bị chết do động đất. Thiệt hại kinh tế hàng năm do động đất gây
ra lên đến hàng tỉ đô la và chiếm một tỉ trọng khá lớn trong tổng sản phẩm quốc dân ở
nhũng nước phải chịu thảm họa này.
Trong lịch sử đã từng xảy ra những trận động đất tiêu biểu về sức tàn phá và hậu
quả to lớn đối với con người như: Trận động đất ở Valdivia mạnh 9,6 độ richte xảy ra


9
ngày 22/5/1960 tại vùng Valdivia (Chi Lê) đã tàn phá phần lớn miền Nam Chi Lê và
cướp đi sinh mạng của 1600 người. Khơng chỉ có vậy, trận động đất này cũng đã gây
ra các đợt sóng thần ở nhiều khu vực bờ biển Thai Bình Dương làm chết 200 người tại
những nơi xa xôi như Hawai, Nhật Bản và Philipines, cũng như làm phun trào một núi
lửa gần biên giới với Argentina. Các nhà khoa học tính tốn rằng, năng lượng giải
phóng từ thảm họa lịch sử trên lớn hơn 200 lần so với quả bom nguyên tử ném xuống
thành phố Hiroshima (Nhật Bản) vào cuối thế chiến thứ 2. Ngày 27/03/1964, trận động
đất mạnh 9,2 độ richter tại thành phố Anchorage thuộc bang Alaska (Mỹ) đã khiến 131
người chết và thiệt hại kinh tế ước tính 500 triệu USD (khoảng 11.000 tỷ đồng Việt
Nam). Trận động đất mạnh 9,0 độ Richter xảy ra ngày 26/12/2004 ở Sumatra,
Indonesia, năm 2004. Đây là trận động đất xảy ra dưới đáy biển, đã kích hoạt mội
chuỗi các đợt sóng thần chết người lan tỏa khắp Ấn Độ Dương, những con sóng cao
30m, tàn phá cộng đồng dân cư sinh sống ven biển ở một loạt các nước Indonesia,
Srilanka, Ấn Độ, Thái Lan và những nơi khác, cướp đi sinh mạng của hopwn 225.000
người thuộc 11 quốc gia. Cho đến nay, thiên tau này là một trong những thảm họa gây
nhiều tử vong nhất trong lịch sử thế giới hiện đại. Vừa mới đây, trận động đất tại Nhật
Bản xảy ra vào tháng 03/2011 mạnh 8,9 độ richte cách bở biển Sendai 130km và cách
Đông Bắc Tokyo 382km, dưới độ sâu 24km, đã gây thảm họa kép cho đất nước Nhật

Bản bao gồm động đất sóng thần và nguy cở thảm họa hạt nhân từ việc rị rỉ phóng xạ
tại các nhà máy điện hạt nhân do hư hỏng cục bộ lò phản ứng, làm chết hơn 10.000
người và thiệt hại kinh tế Nhật Bản lên tới 200 tủ USD, và hậu quả chưa lường được
nếu khơng ngăn chặn được sự rị rỉ phóng xạ.

Hình 1.6: Động đất ở Valdivia, Chilê (22/5/1960)


10

Hình 1.7: Động đất ở Anchorage, Mỹ (27/03/1964)

Hình 1.8: Động đất ở Sumatra, Indonesia (26/12/2004)


11

Hình 1.9: Động đất ở Nhật Bản (03/2011)
Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất gây ra bởi một sự giải phóng
năng lượng đột ngột trong vỏ quả đất. Có thể nói động đất có sức tàn phá khủng khiếp
và khơng dự đốn trước được. Ngun nhân gây ra hiện tượng động đất là do: hoạt
động kiến tạo vỏ trái đất vẫn đang hàng ngày diễn ra, các loại chuyển động tương đối
của các mảng lục địa, các đứt gãy của các tầng kiến trúc địa chất hay các nguyên nhân
khác như sự giãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất, các vụ nổ hạt nhân hay do hoạt
động của núi lửa, sự sụp đổ các hang động ngầm dưới đất, sự tích nước vào các hồ
chứa lớn.
1.3.2. Ảnh hưởng của động đất đến công trình.
Tác động của động đất dưới dạng sóng truyền từ tâm chấn tới nền đất và cơng
trình xây dựng, gây ra các hậu quả tác động rất khác nhau tới nền đất và các cơng trình
xây dựng.

Các biến dạng lớn của nền đất là nguyên nhân quan trọng gây ra các sự cố cho
các cơng trình xây dựng. Việc nghiên cứu ứng xử của cơng trình xây dựng khi chịu
động đất thường được giả thiết với nền đất ổn định, khơng có biến dạng thường xun.
Đối với những nền đất có thể bị mất ổn động, lún do hóa lỏng hoặc nén chặt khi động
đất xảy ra phải được khảo sát nghiên cứu đày đủ và áp dụng các kỹ thuật gia cố nền
khi xây dựng.
1.4. Quá trình phát triển các phương pháp xác định tải trọng động đất
1.4.1. Hệ kết cấu đàn hồi nhiều bậc tự do chịu tác động động đất
Để xem xét hệ kết cấu đàn hồi nhiều bậc tự do chịu tác động động đất trong
trường hợp cụ thể ta xem xét mơ hình kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất.


12

Hình 1.10: Mơ hình tính tốn của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do
chịu tác động động đất
Trong tính tốn thực tế ta có thể mơ hình hóa chúng một cách đơn giản hơn
bằng cách sử dụng các giả thiết sau đây:
Trong phạm vi mỗi tầng như ở hệ có một bậc tự do động:
i) Bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó
ii) Các cột hoặc các bộ phận thẳng đứng chịu lực khơng có khối lượng nhưng
có tổng độ cứng là k và biến dạng dọc của chúng được xem là không đáng kể
iii) Cơ cấu phân tán năng lượng được biểu diễn bằng bộ phận giảm chấn thủy
lực có hệ số cản bằng c
Với các giả thiết trên, tất các các nút nằm trong mặt phẳng sàn sẽ có các bậc tự
do chuyển bị xoay bằng khơng, cịn các bậc tự do chuyển vị thẳng theo phương ngang
(x và y) được biểu thị qua ba bậc tự do chuyển vị vật thể rắn của bản sàn trong mặt
phẳng của nó.
Sơ đồ tính tốn các kết cấu phẳng hoặc kết cấu đối xứng trong mặt bằng sẽ có
dạng như hình:

Ở sơ đồ tính tốn này mỗi tầng chỉ còn lại một bậc tự do duy nhất là chuyển vị
ngang ukx(t)=xk(t) thep phương của chuyển động nền đất.
1.4.2. Phương trình chuyển động
Dưới tác dụng của động đất, móng của cơng trình được xem là tuyệt đối cứng


13
chịu một chuyển vị cưỡng bức theo phương ngang x0(t). Tại bất kỳ thời điểm nào của
chuyển động, mỗi khối lượng mk của hệ kết cấu sẽ thực hiệm một chuyển động tịnh
tiến ngang x0(t) và một chuyển động ngang tương đối xk(t). Chuyển động tuyệt đối
hoặc toàn phần của khối lượng mk so với trục cố định z sẽ bằng

xkt  t   xk  t   x0  t 
Viết phương trình này cho tồn bộ n khối lượng của kết cấu dưới dạng ma trận ta
có:

x t   x t   1 x t 
t

0

Trong đó {1} là vec tơ đơn vị bậc n cho trường hợp hệ kết cấu chỉ có các bậc tự
do theo phương ngang, cùng phương với chuyển động động đất như hình vẽ.
Để thiết lập phương trình chuyển động của hệ kết cấu có mơ hình tính tốn như
trên, chịu ngoại lực tác động Fk(t), k = 1 tới n, ta dùng phương pháp chuyển vị hoặc
còn gọi là phương pháp ma trận độ cứng. Ở phương pháp tính tốn này, phản ứng
động của kết cấu được xác định bởi các chuyển vị xk(t), vận tốc x’k(t) và gia tốc x”k(t)
theo hướng các bậc tự do của kết cấu.
Áp dụng nguyên lý d’Alembert, cac ngoại lực tác động Fk(t) sẻ cân bằng với các
thành phần lực đàn hồi FHk(t), lực cản FCk(t) và lực quán tính FQk(t) của kết cấu theo

hướng bậc tự do k:
FQk(t) + FCk(t) + FHk(t) = Fk(t)
(k=1,2, . . . n)
Trường hợp cơng trình chịu động đất thì Fk(t)=0
FQk(t): Lực qn tính xuất hiện ở bậc tư do k khi hệ có chuyển vị tuyệt đối
x0(t)+x(t)

FQk  t     x0  t   x  t  mk
Lực đàn hồi FH,k(t) và lực cản FC,k(t) xác định theo các công thức sau:
n

FH ,k  t    rkj x j  t 
j 1
n

FC ,k  t    ckj x j  t 
j 1

Trong đó:
rkj: Phản lực đơn vị sinh ra tại bậc tự do k khi gối tựa tại bậc tự do j chuyển vị
bằng đơn vị trong sơ đồ hệ cơ bản như hình
ckj: Lực cản đơn vị sinh ra tại bậc tự do k khi gối tựa tại bậc tự do j chuyển động


14
với vận tốc đơn vị trong hệ cơ bản như hình cịn gọi là hệ số ảnh hưởng độ cản

Hình 1.11: Mơ hình xác định ma trận độ cứng của hệ kết cấu nhiều bạc tự do động
chịu tác động động đất.
Thay các biểu thức trên vào ta được phương trình chuyển động sau:

n

n

j 1

j 1

mk x0  t   mk xk  t    ckj x j  t    rkj x j  t   0 (k=1,2, . . . n)
Hoặc
n

n

j 1

j 1

mk xk  t    ckj x j  t    rkj x j  t   mk x0  t 
Đặt Feff  t   mk x0  t  được gọi là lực động đất hiệu dụng hoặc tương đương, biểu
thị tác động động đất lên khối lượng mk của hệ kết cấu
Dưới dạng ma trận, phương trình được viết lại như sau

 M x  C x   K x    M 1 x0 t 
Hoặc

 M x  C x   K x  Feff t 
Trong đó Feff  là vec tơ lực hiệu dụng
 m1 x0  t  



m2 x0  t  
F

 eff   ...     M 1 x0  t 


mn x0  t  



1.4.3. Chu kỳ và dạng dao động của hệ kết cấu
Xét hệ kết cấu có nhiều bậc tư do đồng dao động tự do khơng có lực cản.


15
Phương trình chuyển động sẻ có dạng:

 M x   K x  0
Vì các chuyển động của hệ dao động tự do là điều hòa đơn giản, nên có thể viết
các vec tơ chuyển vị của hệ dưới dạng như sau:

x   A Sint
Trong đó {A} là vec tơ biểu thị các biến dạng có thể xảy ra ở hệ kết cấu và
không thay đổi theo thời gian:
 A1 
A 
A

   2 

 ... 
 An 

Đạo hàm hai lần phương trình chuyển vị ta được vec tơ gia tốc dao động tự do:

x   2 x
Đưa các biểu thức vào ta được phương trình sau:

 K     M  A  0
2

Để phương trình có nghiệm khác 0. Điều kiện cần và đủ là:

K   2 M   0
Giải phương trình ta sẻ được n nghiệm tực, dương ω1, ω2, . . . , ωn biểu thị các tần
số dao động riêng của hệ kết cấu. Tần số f và chu kỳ T xác định theo công thức:

2
fi  i ; T 
2
i
Các trị số ωi, fi; Ti gọi là các trị số riêng của hệ dao động. Mỗi giá trị riêng tương
ứng với một dạng dao động.
Đặt  k ,i 

Ak ,i
Al ,i

(k  1, 2,...n)

Phương trình trở thành:

 K     M   0
2

Trong đó,  là vec tơ được tạo thành từ các biên độ của các dạng dao động thứ
i:
 1 
 
   2 
 ... 
 n 