(Luận văn thạc sĩ) phân tích ảnh hưởng của phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học đến phản ứng chịu địa chấn của nhà cao tầng

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu,
và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được cơng bố trong các tạp chí khoa
học và cơng trình nào khác.
Các thơng tin số liệu trong luận văn này đều có nguồn gốc và được ghi chú rõ ràng./.
Tác giả

Bùi Minh Phúc


iii

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Phân tích ảnh hưởng của phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học đến phản ứng
chịu địa chấn của nhà cao tầng
Tác giả luận văn : Bùi Minh Phúc

Khoá: 4 ( Lớp 16CHXD1)

Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Hồng Ân
Nội dung tóm tắt:
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay khi thiết kế nhà cao tầng đa phần các kỹ sư chỉ xét đến tính đàn hồi của
cơng trình ( vì nó đơn giản và cho ra kết quả nhanh chóng ) mà bỏ qua sự làm việc ngoài
miền đàn hồi của vật liệu và ảnh hưởng của hiệu ứng P - Delta.
Trong thực tế khi cơng trình chịu tác động của động đất, nếu chỉ xét tính đàn hồi
của cơng trình thì sẽ khơng cho ra kết quả chính xác cao. Vì khi có động đất xảy ra thì
cơng trình cịn chịu thêm phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học.Vì vậy khi thiết kế nhà
cao tầng nếu chỉ xét tính đàn hồi mà bỏ qua việc xét đến phi tuyến vật liệu và phi tuyến

hình học là khơng thực tế và khơng an tồn.
2. Lợi ích, ý nghĩa của đề tài
Đề tài mong muốn mang lại sự thấu hiểu về ảnh hưởng của phi tuyến vật liệu và
phi tuyến hình học đến phản ứng chịu địa chấn của cơng trình. Kết quả của đề tài sẽ cho
thấy khi thiết kế nhà cao tầng nếu xét riêng phi tuyến vật liệu hoặc xét riêng phi tuyến
hình học, hoặc trường xét cả phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học cùng lúc sẽ cho ra
kết quả sai lệch như thế nào so với chỉ xét tính đàn hồi của nhà cao tầng.
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Mục tiêu tởng quát
Phân tích ảnh hưởng của phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học đến phản ứng
chịu địa chấn của nhà cao tầng.


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay khi thiết kế nhà cao tầng đa phần các kỹ sư chỉ xét đến tính đàn hồi
của cơng trình ( vì nó đơn giản và cho ra kết quả nhanh chóng ) mà bỏ qua sự làm việc
ngoài miền đàn hồi của vật liệu và ảnh hưởng của hiệu ứng P - Delta.
Trong thực tế khi cơng trình chịu tác động của động đất, nếu chỉ xét tính đàn hồi
của cơng trình thì sẽ khơng cho ra kết quả chính xác cao. Vì khi có động đất xảy ra thì
cơng trình cịn chịu thêm phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học.Vì vậy khi thiết kế
nhà cao tầng nếu chỉ xét tính đàn hồi mà bỏ qua việc xét đến phi tuyến vật liệu và phi
tuyến hình học là khơng thực tế và khơng an tồn.
2. Lợi ích, ý nghĩa của đề tài
Đề tài mong muốn mang lại sự thấu hiểu về ảnh hưởng của phi tuyến vật liệu và
phi tuyến hình học đến phản ứng chịu địa chấn của cơng trình. Kết quả của đề tài sẽ
cho thấy khi thiết kế nhà cao tầng nếu xét riêng phi tuyến vật liệu hoặc xét riêng phi
tuyến hình học, hoặc trường xét cả phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học cùng lúc sẽ
cho ra kết quả sai lệch như thế nào so với chỉ xét tính đàn hồi của nhà cao tầng.

3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Mục tiêu tởng quát
Phân tích ảnh hưởng của phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học đến phản ứng
chịu địa chấn của nhà cao tầng.
3.2 Mục tiêu cụ thể
Để thấy được mức độ ảnh hưởng của phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học đến
phản ứng chịu địa chấn của cơng trình khi chịu ảnh hưởng của động đất, đề tài sẽ tiến
hành phân tích một cơng trình có chiều cao 21 tầng và tầng hầm chịu một bộ động đất
có sẵn, ứng với các trường hợp sau:
+ Trường hợp 1 : Chỉ xét đến tính đàn hồi.
+ Trường hợp 2 : Chỉ xét phi tuyến vật liệu.
+ Trường hợp 3 : Chỉ xét phi tuyến hình học.
+ Trường hợp 4 : Xét cả phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học.


2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phân tích một cơng trình có chiều cao 21 tầng và tầng hầm ở thành phố HCM với
kết cấu khung BTCT.
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học, đề
tài sẽ đánh giá thơng qua các chỉ tiêu: chuyển vị tầng, độ lệch tầng, và nội lực của các
cấu kiện.
5. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp phân tích theo miền thời gian. Phương pháp phân tích
động đất theo miền thời gian cho phép xác định được tồn bộ q trình phản ứng của
hệ kết cấu dưới tác động của tải trọng động đất. Phương pháp này dựa trên cơ sở các
biểu đồ gia tốc nền động đất có sẵn theo hàm thời gian.
6. Dự kiến kết quả đạt được
Kết quả sau khi nghiên cứu đề tài sẽ làm rõ sự cần thiết của việc phải xét đến phi
tuyến vật liệu và phi tuyến hình học trong thiết kế nhà cao tầng có khả năng chịu địa

chấn.


3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘNG ĐẤT
1.1 Tổng quan về nhà cao tầng
Với tốc độ phát triển kinh tế xã hội như hiện nay. Nhà cao tầng bắt đầu trên cuộc
đua thống trị các cơng trình xây dựng có quy mơ lớn, ở các quốc gia và vùng lãnh thổ
trên thế giới. Các cơng trình xây dựng trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng
đang phát triển cấp tiến về chiều cao cũng như độ phức tạp.
Hệ kết cấu trong nhà cao tầng phải đáp ứng được các yêu cầu về biến dạng,
chuyển vị và cường độ chịu tải của tòa nhà.
Đặc biệt là việc xác định phản ứng của cơng trình trước các yếu tố tác động của
điều kiên bên ngoài như tải trọng gió, động đất v.v… là rất quan trọng trong việc thiết
kế kết cấu nhà cao tầng khi chịu tác động của tải trọng ngang.
Nhà cao tầng khi có chiều cao càng lớn thì ảnh hưởng của tải trọng ngang tác
động lên kết cấu nhà cao tầng càng lớn. Lúc đó sự biến dạng và chuyển vị theo phương
ngang khơng những chỉ ảnh hưởng đến điều kiện sử dụng bình thường của cơng trình
mà cịn ảnh hưởng đến sự an tồn của kết cấu thơng qua hiệu ứng P-Delta (Dựa trên bài
tốn phi tuyến hình học). P-Delta là hiệu ứng gây ra moment uốn khá lớn trong cột do
chuyển vị ngang tương đối lớn giữa hai đầu cột. Nhằm đáp ứng yêu cầu chính xác
trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng ngang, khi tính tốn xét đến hiệu ứng
P-Delta cần được quan tâm một cách đúng mức.
1.2 Tổng quan về động đất
Động đất là một trong những thảm họa thiên nhiên nghiêm trọng từ hàng ngàn
năm. Các trận động đất lớn đã gây ra bất ổn xã hội nặng nề ở các vùng lân cận của tâm
chấn. Đặc biệt là với các cơng trình kiến trúc, nhà cao tầng bị hư hỏng, gây thiệt hại
cho người và tài sản, nhất là trong khu vực thành thị, nơi tập trung nhiều các cơng trình
xây dựng.
Điều đáng sợ hơn là cho đến nay khoa học và kỹ thuật đương đại vẫn chưa dự

báo chính xác thời điểm và địa điểm động đất sẽ xảy ra. Do đó, con người chưa có biện
pháp phịng chống chủ động đối với từng trận động đất. Và như một hệ lụy tất yếu, khi
động đất xảy ra gây thiệt hại rất to lớn về người và tài sản.


4
Để hạn chế các tổn thất do động đất và đảm bảo an tồn, cần phải khơng ngừng
nghiên cứu phân tích thiết kế kết cấu, cũng như đưa ra các giải pháp tính tốn phù hợp
nhằm giúp cho các cơng trình ngày càng nâng cao khả năng chịu lực dưới tác động của
các trận động đất.
1.3 Tổng quan về thiết kế nhà cao tầng
Theo quan niệm hiện đại trong thiết kế kháng chấn, sự làm việc của một cơng
trình xây dựng trong thời gian xảy ra động đất phụ thuộc vào hai yếu tố chính: Cường
độ động đất và Chất lượng cơng trình. Nếu chất lượng cơng trình là một yếu tố có độ
tin cậy tương đối cao vì nó phụ thuộc vào những điều kiện có thể kiểm sốt như
phương pháp thiết kế, tính tốn, thi cơng…thì cường độ động đất lại là một yếu tố có
độ tin cậy rất thấp bởi các số liệu động đất còn rất hạn chế.
Do đó quan điểm thiết kế kháng chấn đúng đắn nhất hiện nay là chấp nhận tính
khơng chắc chắn của hiện tượng động đất để tập trung vào việc thiết kế các cơng trình
có mức độ an tồn chấp nhận được.
Các cơng trình xây dựng được thiết kế theo quan điểm này phải có độ cứng, độ bền
và độ dẽo ở mức độ thích hợp nào đó nhằm bảo đảm trong trường hợp động đất xảy ra
sinh mạng con người được bảo vệ, các hư hỏng được hạn chế và những cơng trình quan
trọng có chức năng bảo vệ cư dân vẫn có thể duy trì hoạt động.
Vì vậy mục tiêu của việc thiết kế kháng chấn hiện nay là giảm đến mức tối đa xác
suất hư hỏng ở các cơng trình xây dựng khi xảy ra các trận động đất trung bình và chấp
nhận các hư hại lớn (nhưng không sụp đổ) ở các kết cấu chịu lực khi xảy ra các trận
động đất mạnh.
1.4 Các nghiên cứu tương tự
1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Tantala M.W. và Deodatis G. (2002) Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá
độ tin cậy của các tòa nhà cao tầng chịu tải trọng động đất. Những nhược điểm của kết
cấu nhà cao tầng được thể hiện qua sự phát triển các đường cong xác suất phá hủy
(fragility curves). Các đường cong này cho thấy khả năng vượt quá mức quy định thiệt
hại của một loạt các cường độ chuyển động mặt đất. Do đó chúng cực kỳ quan trọng


5
trong việc đánh giá các rủi ro cho cơng trình chịu tác động bởi các trận động đất tiềm
ẩn.
Jack P. Moehle (2006) Trình bày xu hướng trong thiết kế kháng chấn của các tòa
nhà cao tầng là sử dụng phương pháp tiếp cận dựa trên hiệu quả phân tích động phi
tuyến để mô phỏng phản ứng dự kiến trận động đất.
Liel A.B. , Haselton C.B. , Deierlein G.G. và Baker J.W. (2009) Trình bày và
đánh giá sự tác động của mơ hình khơng chắc chắn của các tịa nhà. Nghiên cứu bao
gồm việc đánh giá xác suất của sự sụp đổ cấu trúc rủi ro thông qua mô phỏng phản ứng
phi tuyến, do sự kết hợp chặt chẽ những bất ổn liên quan đến chuyển động mặt đất và
mơ hình hóa kết cấu.
Leon O.D. (2010) Đánh giá thiệt hại do địa chấn của các kết cấu bê tông cốt thép.
Bài viết này tập trung vào một số kỹ thuật đánh giá xác định tổn thất có thể đối với các
tịa nhà bê tông cốt thép trong trường hợp xảy ra động đất. Nghiên cứu cho thấy mặc
dù có nhiều tiến bộ trong lĩnh vực dự báo địa chấn, tuy nhiên động đất vẫn khơng thể
dự đốn chính xác về thời gian, cường độ hoặc vị trí. Ngay cả khi có thể dự đốn chính
xác, thì sự xuất hiện động đất và khả năng gây ra hậu quả của nó là không thể ngăn
chặn được. Nguy hiểm địa chấn và các nguy cơ khơng thể được loại bỏ, nhưng ta có
thể ngăn chặn một phần hoặc giảm thiểu thiệt hại bằng cách kết hợp các loại dữ liệu có
sẵn để đưa vào phân tích, áp dụng. Lựa chọn để ứng dụng những mơ hình có độ tin cậy
hoặc các cơng trình áp dụng các kỷ thuật công nghệ kháng chấn phát triển đã được
nghiên cứu.
1.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Đinh Văn Thuật (2011) Trình bày một phương pháp đánh giá chuyển vị ngang
phi tuyến lớn nhất của kết cấu nhà nhiều tầng được thiết lập dựa theo kết quả phân tích
tĩnh phi tuyến kết cấu chịu tải trọng động đất và kết hợp sử dụng phổ gia tốc thiết kế
đàn hồi qui định trong TCXDVN 9386-2012 với các mức cản nhớt khác nhau. Trong
nghiên cứu này, một ví dụ tính tốn minh hoạ được thực hiện cho kết cấu khung nhà
thép cao 10 tầng được thiết kế xây dựng ở Hà Nội, và được kiểm chứng với kết quả
phân tích động phi tuyến theo lịch sử thời gian dưới tác dụng của 10 băng gia tốc nền


6
nhân tạo tương ứng với phổ gia tốc thiết kế đàn hồi. Kết quả đã chỉ ra rằng phương
pháp đánh giá tương đối tốt chuyển vị ngang phi tuyến lớn nhất ở đỉnh mái của kết cấu
nhà nhiều tầng.
Trần Thanh Tuấn, Nguyễn Hồng Ân & Nguyễn Khánh Hùng (2014) Trình bày
cách đánh giá độ chính xác và sai lệch của chuyển vị mục tiêu được xác định bằng
phương pháp đẩy dần MPA (Modal Pushover Analysis) dựa trên phổ khả năng
(Capacity Spectrum Method) cho khung thép phẳng một nhịp với 3, 6, 9, 12, 15 và 18
tầng chịu tác động của hai bộ động đất với tần suất xảy ra là 2% và 10% trong 50 năm.
Kết quả của phương pháp MPA-CSM được so sánh với kết quả phương pháp đẩy dần
chuẩn SPA (Standard Pushover Analysis), phương pháp MPA (Modal Pushover
Analysis) và kết quả chính xác của phương pháp phân tích theo miền thời gian NLRHA (Nonlinear Response History Analysis).
Nguyễn Thế Sơn (2014) Sử dụng phương pháp thiết kế kháng chấn khung bê
tơng cốt thép dựa vào phân tích tĩnh phi đàn hồi đẩy dần SPA (pushover) thay cho
phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính có sử dụng hệ số ứng xử q như đã đề cập
trong tiêu chuẩn Eurocode 8, Minh họa chi tiết cho ưu và nhược điểm của phương pháp
nghiên cứu này bằng một khung BTCT 10 tầng được thiết kế theo tiêu chuẩn Eurocode
8, Các cấp độ làm việc và chuyển vị mục tiêu của hệ kết cấu theo Eurodode 8 được
nghiên cứu và so sánh với FEMA273 bằng phần mềm ETABS.
Nguyễn Hồng Hải, Nguyễn Hồng Hà và Vũ Xuân Thương (2014) Trình bày
nghiên cứu của một số tác giả trên thế giới liên quan tới việc sử dụng phổ chuyển vị

trong phân tích ứng xử của kết cấu nhà cao tầng chịu động đất theo phương pháp dựa
trên chuyển vị. So sánh kết quả phân tích khi áp dụng phổ chuyển vị theo tiêu chuẩn
Việt Nam TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn Mỹ ASCE 7-2010, Kết quả cho thấy phổ
chuyển vị theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 không phù hợp để xác định chuyển vị mục
tiêu cho kết cấu nhà cao tầng đồng thời kiến nghị sử dụng phổ chuyển vị theo ASCE 7
để phân tích.


7

2.1 Thế nào là nhà cao tầng ?
2.1.1 Định nghĩa
Nhà cao tầng, được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, tùy thuộc vào điều
kiện kinh tế xã hội của từng nước. Nhà nhiều tầng khơng có định nghĩa cụ thể.
Theo Ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế: “Ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố
quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với ngôi nhà thông
thường được gọi là nhà cao tầng”.
Trong cuộc hội thảo quốc tế về nhà cao tầng, người ta đã phân loại nhà cao tầng
như sau:
+ Nhà nhiều tầng là nhà có số tầng từ 10 – 12 tầng.
+ Nhà cao tầng là nhà có số tầng từ 25 – 30 tầng.
+ Nhà chọc trời là nhà có số tầng lớn hơn 30 tầng.
Các định nghĩa trên cũng chỉ là qui ước. Bởi vậy nhà cao tầng theo định nghĩa
trên cịn có thể gọi là nhà nhiều tầng để phân biệt với nhà ít tầng.
2.1.2 Phân loại
Phân loại theo mục đích sử dụng: nhà ở, nhà làm việc và các dịch vụ khác.
Phân loại theo hình dạng:
+ Nhà tháp: mặt bằng vng, trịn, tam giác hay đa giác đều. Việc giao thông
theo phương đứng, tập trung ở một khu vực duy nhất (khách sạn, phòng làm việc).
+ Nhà dạng thanh: mặt bằng hình chữ nhật, có nhiều đơn vị giao thông theo

phương đứng (nhà ở).
Phân loại theo chiều cao nhà:
+ Nhà cao tầng loại I: từ 9 đến 16 tầng (từ 40 đến 50m).
+ Nhà cao tầng loại II: từ 17 đến 25 tầng (dưới 80m). 5
+ Nhà cao tầng loại III: từ 26 đến 40 tầng (dưới 100m).
+ Nhà rất cao: trên 40 tầng (trên 100m).
Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực:
+ Nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép.


8
+ Nhà cao tầng bằng thép.
+ Nhà cao tầng có kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép.
2.1.3 Tải trọng tác động
2.1.3.1 Tải trọng thẳng đứng
Tải trọng thường xun: là tải trọng có vị trí, phương, chiều tác động và giá trị
khơng đổi trong q trình sử dụng.
Tải trọng tạm thời: là tải trọng tác động không thường xuyên như: người, vật dụng
trong nhà … có phương, chiều, điểm đặt và giá trị có thể thay đổi.
2.1.3.2 Tải trọng ngang
Tải trọng gió do tác động của khí hậu và thời tiết thay đổi theo thời gian, độ cao,
địa điểm dưới dạng áp lực trên các mặt hứng gió hoặc hút gió của ngơi nhà.
Tải trọng động đất là một trong những tải trọng đặc biệt, là các lực qn tính phát
sinh trong cơng trình khi nền đất chuyển động. Tải trọng động đất có thể tác dụng đồng
thời theo phương thẳng đứng và phương ngang. Trong tính tốn kết cấu nhà cao tầng
thường chỉ xét đến tác động ngang của tải trọng động đất.
Nhà cao tầng là một hệ thống kết cấu chịu lực khá phức tạp. Trước hết, tải trọng
thẳng đứng và tải trọng ngang ở các tầng dưới rất lớn, đồng thời có nhiều khả năng
xuất hiện moment xoắn tổng thể cả ngôi nhà với giá trị lớn do gió và động đất. Điều đó
gây nguy hiểm cho kết cấu.

Trong nhà nhiều tầng người ta bố trí một hệ kết cấu khơng gian gồm các kết cấu
phát triển theo phương đứng như khung, vách, lõi và các kết cấu phát triển theo
phương ngang là sàn các tầng. Các kết cấu này liên kết với nhau thành một hệ không
gian để chống lại các lực dọc, moment uốn và moment xoắn xuất hiện trong hệ kết cấu.
2.1.3.3 Các loại tải trọng khác
Tác động do co ngót, từ biến của bê tông.
Tác động do ảnh hưởng của sự lún không đều.
Tác động do ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm môi trường.
Tác động do các sai lệch khi thi công, do thi công các công trình lân cận…


9
Ngồi ra cịn có các tải trọng đặc biệt khác phát sinh do hoạt động của con người
như hỏa hoạn, cháy nổ, máy móc, xe cộ, thiết bị va đập vào cơng trình …
Bảng 1.1 Một số cơng trình nhà cao tầng trên thế giới
Tên cơng trình

Quốc gia

Chiều cao ( m )

Tháp Burj Khalifa

Dubai

827,8

Tháp Thượng Hải

Trung Quốc

634

Tháp Abraj Al-Bait

Ả Rập Saudi

600,7

Trung tâm Thương
mại Thế giới 1
Tháp Đài Bắc 101

Mỹ

541

Đài Loan

509

Tháp đôi Petronas

Malaysia

452

Tháp Willis

Mỹ

442,3

Marina 101
Chung cư 432 Park
Avenue
Tháp Al Hamra

Dubai

426

Mỹ

425,5

Tháp Burj Khalifa

Kuwait

413
( Nguồn: Tác giả tự thực hiện )

Tháp Đài Bắc 101


10

Tháp đơi Petronas

Tháp Abraj AI Bait 1
( Nguồn: Internet )
Hình 1.1 Nhà cao tầng trên thế giới

- Ở đất nước ta, những năm gần đây đã và đang xây dựng rất nhiều cơng trình
nhà cao tầng các cơng trình nhà cao tầng. Nhà cao tầng đã đem lại cho các đô thị một
bộ mặt mới, một cảnh quan mới, một không gian kiến trúc hiện đại, tạo ra biểu tượng
cho nền văn minh và tiến bộ khoa học kỹ thuật. Việt Nam trong những năm gần đây số
lượng nhà trên 20 tầng tăng nhanh.
Bảng 1.2 Một số cơng trình nhà cao tầng ở Việt Nam
Tên cơng trình

Số tầng

Chiều cao ( m )

The Landmark 81

81

461,3

Keangnam Hanoi

72

336

Hanoi Lotte Center

65

265

Tháp Bitexco

68

262

Tháp VietcomBank

35

206

Saigon Center 2

42

193,7

Diamond Flower Tower

34

177

( Nguồn: Tác giả tự thực hiện )

11

Tồ thị chính Đà Nẵng

Landmark 81

Bitexco Financial Tower

Vietcombank Tower
( Nguồn: Internet )

Hình 1.2 Một số tồ nhà cao tầng ở Việt Nam


12
2.1.4 Những hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng
2.1.4.1 Các cấu kiện chịu lực cơ bản
Các cấu kiện chịu lực chính tạo thành các hệ chịu lực nhà cao tầng bao gồm:
+ Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm, thanh chống, thanh giằng.
+ Cấu kiện dạng tấm: Tường, sàn.
+ Cấu kiện không gian: là các vách nhiều cạnh hở hoặc khép kín, tạo thành các
hộp bố trí bên trong nhà, được gọi là lõi cứng. Ngoài lõi cứng bên trong, cịn có các
dãy cột bố trí theo chu vi nhà với khoảng cách nhỏ tạo thành một hệ khung biến dạng
tường vây. Tiết diện cột ngồi biên có thể đặc hoặc rỗng. Khi là những cột rỗng hình
hộp vng hoặc hình trịn sẽ tạo nên hệ kết cấu được gọi là ống trong ống.
2.1.4.2 Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản
Trong nhà cao tầng, khi có sự hiện diện của các khung thì tuỳ theo các làm việc
của các cột trong khung mà hệ kết cấu chịu lực được phân thành các loại sơ đồ: sơ đồ
khung, sơ đồ giằng, và sơ đồ khung- giằng.

Phụ thuộc vào các giải pháp kiến trúc, từ 3 thành phần kết cấu chính (Cấu kiện
dạng thanh, tấm, khơng gian) có thể liên kết tạo thành 2 nhóm kết cấu chịu lực:
Nhóm 1: Gồm 1 cấu kiện chịu lực độc lập – khung, tường, vách, lõi hộp (ống).
Nhóm 2: Hệ chịu lực được tổ hợp từ 2 hoặc 3 cấu kiện cơ bản trở lên:
+ Kết cấu KHUNG + VÁCH.
+ Kết cấu KHUNG + LÕI.
+ Kết cấu KHUNG + VÁCH + LÕI v.v…

(Nguồn:Giáo trình kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép, Huỳnh Quốc Hùng, 2012)
Hình 1.3 Sơ đồ tổ hợp các hệ chịu lực nhà cao tầng


13
2.1.5 Phương pháp lựa chọn hệ kết cấu nhà cao tầng
2.1.5.1 Lựa chọn theo chiều cao, số tầng
Để đảm bảo độ cứng, hạn chế chuyển vị ngang, tránh mất ổn định tổng thể cần
hạn chế chiều cao và độ mảnh (tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng cơng trình) lấy theo bảng
sau:
Bảng 1.3 Bảng chiều cao tối đa (m) và tỷ số giới hạn giữa chiều cao và chiều rộng H/B
Trường

Trường hợp có động đất cấp

hợp
Hệ kết cấu

khơng

6 và 7

8

9

60m

60-55m

45m

25m

5

5-5

4

2

130m

130-120m

100m

50m

5

5-5

4

3

140m

140-120m

120m

60m

5

6-6

4

4

180m

180-150m

120m

70m

6

6-6

5

4

động
đất
Nhà khung

MaxH =
H/B

Nhà khung vách MaxH =
và khung ống
Nhà vách

H/B
MaxH =
H/B

Nhà ống và ống MaxH =
trong ống

H/B

( Nguồn: Bách khoa toàn thư mở, Internet )
2.1.5.2 Bố trí mặt bằng kết cấu

Để tránh được những bất lợi do biến dạng xoắn, mặt bằng nhà cần chọn hình đơn
giản, có trục đối xứng ít nhất là một phương, đặc biệt là đối xứng trong cách bố trí kết
cấu chịu lực.
Khi bố trí kết cấu chịu lực nhà cao tầng chịu tải trọng động đất còn cần chú ý:
+ Mặt bằng nên đối xứng cả hai phương trục n.
+ Mối quan hệ giữa chiều dài (L), chiều rộng cơng trình (B), độ nhơ ra của các bộ
phận cơng trình (l), vị trí các góc lõm trên mặt bằng cần thỏa mãn các yêu cầu trong
bảng sau:


14
Bảng 1.4 Bảng giới hạn của L, B, l
Cấp động đất

L/B

L/Bmax

l/b

7

≤6

≤5

≤2

8 và 9

≤5

≤4

≤ 1,5

( Nguồn:Bách khoa toàn thư mở, Internet)
2.1.5.3 Bố trí khe co giãn nhiệt, khe lún, khe kháng chấn
Khe kháng chấn phải đặt theo suốt chiều cao công trình, và có thể khơng phải kéo
tới móng. Khe biến dạng còn được xác định trên cơ sở xác định chuyển vị lớn nhất
thường ở các tầng mái cơng trình do các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất gây ra theo cơng
thức:
Dmin = u1 + u2 + 20mm
Trong đó: u1 và u2 là chuyển vị lớn nhất theo phương nằm ngang của hai khối kết cấu
kề nhau.
Khi cơng trình nằm trong vùng có động đất thì chiều rộng khe lún, khe co dãn
phải lấy bằng hoặc lớn hơn bề rộng tối thiểu của khe kháng chấn theo bảng sau:
Bảng 1.5 Bảng bề rộng tối thiểu của khe kháng chấn (mm)
Hệ kết cấu

Cấp động đất thiết kế (MSK-64)
6

7

8

9

Khung

4H + 10

5H – 5

7H – 35

10H – 80

Khung – vách cứng

3,5H + 9

4,2H – 4

6H – 30

8,5H – 68

Vách - lõi

2,8H + 7

3,5H – 3

5H – 25

7H – 55

( Nguồn:Bách khoa toàn thư mở, Internet )
2.1.5.4 Bố trí kết cấu theo phương thẳng đứng
Trong nhà cao tầng cần thiết kế các kết cấu chịu lực có độ cứng đồng đều, tránh
sự thay đổi đột theo chiều cao. Trên mặt cắt thẳng đứng, kết cấu cũng cần đạt đến độ
đối xứng về hình học cũng như về khối lượng (chất tải).
Sự thay đổi đột ngột độ cứng của hệ kết cấu (như việc thông tầng, giảm cột hoặc
dạng cột hẫng, dạng sàn giật cấp) cũng như việc dùng các sơ đồ kết cấu có các cánh


15
mỏng và kết cấu dạng công xon dài theo phương ngang nhà đều gây ra sự bất lợi dưới
tác động của các tải trọng động.
2.1.5.5 Bố trí khung chịu lực
Nên chọn sơ đồ khung sao cho tải trọng tác động theo phương ngang và thẳng
đứng được truyền trực tiếp và ngắn nhất xuống móng. Tránh sử dụng sơ đồ khung hẫng
cột tầng dưới. Nếu bắt buộc phải hẫng cột như vậy, phải có giải pháp tăng cường các
dầm đỡ có đủ độ cứng chống uốn và cắt dưới tác động của các tải trọng tập trung lớn.
Không nên thiết kế dạng khung thông tầng.
Khi thiết kế khung cần chọn độ cứng tương đối của dầm nhỏ hơn của cột nhằm
tránh khả năng cột bị phá hoại trước dầm.
2.1.5.6 Bố trí vách cứng
Trong các mặt bằng nhà hình chữ nhật nên bố trí từ ba vách trở lên theo cả hai
phương. Vách theo phương ngang cần bố trí đều đặn, đối xứng tại các vị trí gần đầu hồi
cơng trình, gian thang máy, tại các vị trí có biến đổi hình dạng trên mặt bằng và những
vị trí có tải trọng lớn (sàn đặt bể nước hoặc các thiết bị kỹ thuật khác).
Nên thiết kế các vách giống nhau (về độ cứng cũng như kích thước hình học) và
bố trí sao cho tâm cứng của hệ kết cấu trùng với tâm trọng lực (trọng tâm hình học mặt
bằng) ngơi nhà.
Độ cứng của các vách thường chiếm tỷ lệ lớn trong tổng độ cứng của tồn hệ. Vì
vậy, các vách nên có chiều cao chạy suốt từ móng lên mái và có độ cứng khơng đổi

trên tồn bộ chiều cao hoặc nếu phải giảm thì giảm dần từ dưới lên trên.
2.1.5.7 Bố trí lõi ống
Nên bố trí các lõi, hộp đối xứng trên mặt bằng
Việc thiết kế ống trong ống cần thỏa mãn các yêu cầu sau:
Tỷ số giữa chiều cao và chiều rộng của ống cần lớn hơn 3,
Khoảng cách giữa các trụ - ống ngồi chu vi khơng nên lớn hơn chiều cao tầng và
nên nhỏ hơn 3m. Mặt cắt trụ - ống ngoài cần dùng dạng chữ nhật hoặc chữ T. Diện tích
của cột góc có thể dùng vách góc hình chữ L hoặc ống góc.
Khoảng cách giữa ống trong và ống ngồi khơng nên lớn hơn 10m.


16
2.1.6 Những lưu ý cần thiết khi thiết kế nhà cao tầng
2.1.6.1 Tải trọng
Kết cấu nhà cao tầng cần tính toán thiết kế với các tổ hợp tải trọng thẳng đứng, tải
trọng gió và tải trọng động đất. Ngồi ra phải kiểm tra ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt
độ, ảnh hưởng của từ biến, tác động của nước ngầm, của đất và các tải trọng phát sinh
trong quá trình thi công.
2.1.6.2 Nội dung và phương pháp tính toán
Kết cấu nhà cao tầng cần phải được tính tốn kiểm tra về độ bền, biến dạng, độ
cứng, ổn định và dao động.
Nội lực và biến dạng của kết cấu nhà cao tầng được tính tốn theo phương pháp
đàn hồi. Các cấu kiện dầm có thể được điều chỉnh lại theo quy luật liên quan đến sự
phân bố lại nội lực do biến dạng dẻo.
2.1.6.3 Các chỉ tiêu kiểm tra kết cấu
Kiểm tra độ bền, biến dạng, ổn định tổng thể và ổn định cục bộ của kết cấu được
tiến hành theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành. Ngoài ra kết cấu nhà cao tầng còn phải
thỏa mãn các diều kiện sau đây:
+ Kiểm tra ổn định chống lật: tỷ lệ giữa mô men lật do tải trọng ngang gây
ra phải thỏa mãn điều kiện:

MCL / ML ≥ 1,5
Trong đó: MCL, ML là mô men chống lật và mô men lật.
+ Kiểm tra độ cứng
Chuyển vị theo phương ngang tại đỉnh kết cấu của nhà cao tầng tính theo phương pháp
đàn hồi phải thỏa mãn điều kiện:
+ Kết cấu khung BTCT:

f/H ≤ 1/500

+ Kết cấu khung – vách:

f/H ≤ 1/750

+ Kết cấu tường BTCT:

f/H ≤ 1/1000

Trong đó f và H là chuyển vị theo phương ngang của kết cấu và chiều cao của
cơng trình.
+ Kiểm tra dao động.


17
Theo yêu cầu sử dụng, gia tốc cực đại của chuyển động tại đỉnh cơng trình dưới tác
động của gió có giá trị nằm trong giới hạn cho phép:
y| ≤ [Y]
Trong đó:
|y|: Giá trị tính tốn của gia tốc cực đại
[Y]: Giá trị cho phép của gia tốc, lấy bằng 150mm/s2 .
Khi thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng ta phải tính tốn về cường độ và ổn định để

bảo đảm cho ngôi nhà không bị sụp đổ dưới tác động của các dạng tải trọng tĩnh và tải
trọng động (Trọng lượng bản thân, gió, động đất, hoạt tải sử dụng, nhiệt độ), phải tính
tốn về biến dạng (Hạn chế chuyển vị ngang của đỉnh nhà và chuyển vị tương đối giữa
hai sàn liền kề) và hạn chế dao động ở các mức sàn để đảm bảo an toàn và mức độ dễ
chịu của người sử dụng.
Tải trọng ngang do gió và động đất tác động lên nhà nhiều tầng là rất lớn, phải
hạn chế chuyển vị ngang do chúng gây ra. Đối với nhà càng cao thì ảnh hưởng của tải
trọng gió và động đất gây hư hại đến nhà cao tầng càng lớn. Tuy nhiên ảnh hưởng của
động đất được chú ý xem xét khá cẩn thận vì tầng số rung động của động đất có thể
dẫn đến phá vỡ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng.
2.2 Thế nào là động đất
2.2.1 Khái niệm
Động đất hay còn gọi là địa chấn là sự rung chuyển của mặt đất do kết quả của
sự giải phóng năng lượng bất ngờ ở lớp vỏ trái đất. Chúng được gây ra bởi các nguyên
nhân như:
+ Do vận động kiến tạo của các mảng trái đất.
+ Do thiên thạch va chạm vào trái đất.
+ Các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn.
+ Do các kích động có chủ ý của con người trong việc khai thác hay xây dựng,
đặc biệt là các vụ thử hạt nhân.
Trong quan niệm thông thường thì động đất được hiểu là các rung chuyển đủ
mạnh trên diện tích đủ lớn, ở mức nhiều người cảm nhận được, có thể để lại các dấu


18
vết phá hủy hay nứt đất ở vùng nào đó. Về mặt vật lý, các rung chuyển đó phải có biên
độ đủ lớn, có thể vượt giới hạn đang hồi của môi trường đất đá và gây nứt vỡ.
Nguyên nhân tự nhiên nội sinh liên quan đến vận động của các lớp và khối của
trái đất. Tuy rất chậm, các lớp vỏ và trong lịng đất vẫn ln chuyển động. Khi ứng
suất cao hơn sức chịu đựng thể chất của trái đất thì sự đứt gãy xảy ra, giải phóng năng

lượng và xảy ra động đất.
Động đất xảy ra hằng ngày trên trái đất, nhưng hầu hết không đáng chú ý và
khơng gây ra thiệt hại. Động đất lớn có thể gây thiệt hại trầm trọng về tài sản và nhân
mạng bằng nhiều cách.
Riêng đối với nhà cao tầng, ảnh hưởng của động đất đến sự rung chuyển của tòa
nhà là rất nguy hiểm. Khơng giống như tải trọng gió, gió tác động chủ yếu vào phạm vi
phía trên của tòa nhà, làm biến dạng khung và gây chuyển vị đỉnh trong nhà cao tầng.
Động đất khi xảy ra sẽ tạo các dạng sóng năng lượng hay cịn gọi là sóng địa chấn, sẽ
trải dài trong một diện tích lớn và tác động trược tiếp vào phần kết cấu chính tồ nhà là
phần móng.
Vì thế tác động của động đất đến nhà cao tầng là tác động từ dưới lên và dễ dàng
phá hoại kết cấu chịu lực của công trình. Đối với những cơng trình nhà cao tầng càng
cao thì ảnh hưởng của động đất đến nhà cao tầng càng lớn.
Các nhà khoa học thường có thể xác định được điểm trung tâm của các chuyển
động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý thuyết, là nơi mà các song địa chấn bắt
đầu. Điểm này được gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất được gọi là
chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm được gọi là độ sâu chấn tiêu (H).
Khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm đến điểm quang trắc được gọi tương ứng là tiêu
cự hoặc khoảng cách chấn tiêu (D) và tâm cự hoặc khoảng cách chấn tâm (L).
Tùy thuộc vào độ sâu của chấn tiêu (H) mà động đất có thể được phân thành các
loại sau:
+ Động đất nông: H < 70 km.
+ Động đất trung bình: H = 70 – 300 km.
+ Động đất sau: H = 300 – 700 km


19
Các trận động đất mạnh thường xảy ra ở độ sâu H = 30 – 100km.

(Nguồn: Cơ sở tính tốn cơng trình chịu động đất, Nguyễn Lê Ninh, 2011)

Hình 1.4 Khoảng cách ảnh hưởng của động đất


20

( Nguồn: Internet)
Hình 1.5 Một số hình ảnh về mức độ ảnh hưởng của động đất đến cơng trình
và hạ tầng
Hiện nay có rất nhiều thang đo cường độ động đất, trong số đó có thang MSK-64
và thang Richter là 2 thang được sử dụng phổ biến nhất.
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 cơng 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.


21
Bảng 1.6 Thang đo động đất theo MSK-64
Cấp động đất
Cấp 1

Ảnh hưởng tác động

Cường độ động đất

Động đất không cảm thấy, chỉ có
máy mới ghi nhận được.

Động đất ít cảm thấy (Rất nhẹ).

Cấp 2

Trong những trường hợp riêng lẻ,
chỉ có người nào đang ở trạng thái
yên tĩnh mới cảm nhận được.
Động đất yếu. ít người nhận biết

Cấp 3

được động đất. chấn động được tạo

Cấp động đất nhẹ, không

ra như bởi một xe ô tô tải nhẹ chạy

gây ảnh hưởng lớn đến

qua.

nhà và cơng trình.

Động đất nhận thấy rõ. Nhiều người
Cấp 4

nhận biết được động đất, cửa kính có
thể kêu lạch cạch.

Cấp 5

Cấp 6

Nhiều người ngủ bị thức tỉnh, đồ vật
treo đu đưa.
Đa số người cảm thấy động đất, nhà
của bị rung nhẹ, lớp vữa bị rạn.
Hư hại nhà cửa. Đa số người sợ hãi,

Cấp 7

nhiều người khó đứng vững, nứt lớp
vữa, tường bị rạn nứt.

Cấp 8
Cấp 9

Cấp 10

Phá hoại nhà cửa. Tường nhà bị nứt
lớn, mái hiên và ống khói bị rơi.

Cấp động đất mạnh cần
được xét đến trong thiết kế
kết cấu cơng trình.

Hư hại hồn tồn nhà cửa, nền đất có
thể bị nứt 10cm.
Phá hoại hồn tồn nhà cửa. Nhiều
nhà bị sụp đổ, nền đất có thể nút

Cấp động đất có mức độ
hủy diệt.


22
rộng đến 1m.

Động đất gây thảm hoại. Nhà, cầu,
Cấp 11

đập nước và đường sắt bị hư hại
nặng, mặt đất bị biến dạng, vết nứt
rộng, sụp đổ lớn ở núi.
Thay đổi địa hình. Phá hủy mọi cơng
trình ở trên và dưới mặt đất, thay đổi

Cấp 12

địa hình trên diện tích lớn, thay đổi
cả dịng sơng, nhìn thấy mặt đất nổi
sóng.
(Nguồn: Bách khoa toàn thư mở, Internet)

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.
Bảng 1.7 Thang đo động đất theo Richter

Độ Richter

Tác hại

Mô tả

Tần số xảy ra

<2,0

Động đất thật nhỏ,
không cảm nhận được.

Không đáng kể

Khoảng 8000 lần
mỗi ngày

2,0 – 2,9

Thường không cảm nhận
nhưng đo được.

Thật nhỏ

Khoảng 1000 lần
mỗi ngày

3,0 – 3,9

Cảm nhận được nhưng ít
khi gây thiệt hại.

Nhỏ

Khoảng 49000 lần
mỗi năm


23

4,0 – 4,9

Rung chuyển đồ vật
trong nhà. Thiệt hại khá
nghiêm trọng.

Nhẹ

Khoảng 6200 mỗi
năm

5,0 – 5,9

Có thể gây thiệt hại
nặng cho những cơng
trình khơng theo tiêu
chuẩn kháng chấn. Thiệt
hại nhẹ cho những cơng
trình tn theo tiêu

chuẩn kháng chấn.

Trung bình

Khoảng 800 lần
mỗi năm

6,0 – 6,9

Có sức tiêu hủy mạnh
trong những vùng đơng
dân trong chu vi 180km
bán kính.

Mạnh

Khoảng 120 lần
mỗi năm

7,0 – 7,9

Có sức tàn phá nghiêm
trọng trên diện tích lớn.

Rất mạnh

Khoảng 18 lần mỗi
năm

8,0 – 8,9

Có sức tàn phá vơ cùng
nghiêm trọng trên diện
tích lớn trong chu vi
hàng trăm km bán kính.

5,0 – 5,9

Sức tàn phá vô cùng lớn.

> 10

Gây ra hậu quả khủng
khiếp cho Trái Đất.

Cực mạnh

Khoảng 1 lần mỗi
năm

Cực kỳ mạnh

Khoảng 20 lần 1
năm

Kinh hoàng

Cực hiếm

(Nguồn: Bách khoa toàn thư mở, Internet)

2.2.2 Khái niệm một số thông số kỹ thuật trong động đất
2.2.2.1 Giản đồ gia tốc nền
Giản đồ gia tốc nền là đồ thị biểu diễn các giá trị gia tốc của chuyển động đất
nền theo trục thời gian. Theo ghi nhận của giản đồ gia tốc nền các nhà nghiên cứu sẽ có
được các thơng số như thời gian tăng về cường độ, thời gian kéo dài về độ mạnh và
thời gian suy giảm về độ mạnh của một trận động đất, điểm thời gian mà tại đó gia tốc
đất nền đạt cực đại...
2.2.2.2 Đỉnh gia tốc nền (PGA)