Luận văn thạc sĩ đánh giá phương pháp phổ phản ứng trong tính toán tải trọng động đất lên nhà nhiều tầng có kết cấu không đều đặn và dễ xoắn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ THUẬN

ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHẢN ỨNG TRONG
TÍNH TỐN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LÊN NHÀ NHIỀU
TẦNG CĨ KẾT CẤU KHƠNG ĐỀU ĐẶN VÀ DỄ XOẮN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Đà Nẵng, năm 2021


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ THUẬN

ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHẢN ỨNG TRONG
TÍNH TỐN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LÊN NHÀ NHIỀU
TẦNG CĨ KẾT CẤU KHƠNG ĐỀU ĐẶN VÀ DỄ XOẮN

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng
Mã số: 8.58.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TRẦN QUANG HƯNG

Đà Nẵng, năm 2021


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
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thuận


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:...................................................................................... 1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI:....................................................... 2
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:................................................... 2
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:................................. 2
5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI................................................................................................. 2
6. TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU:........................................................ 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
4
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG ĐẮT............................................................. 4
1.1.1. Định nghĩa:...................................................................................................... 4
1.1.2. Nguyên nhân.................................................................................................... 4
1.1.3. Đặc điểm.......................................................................................................... 4
1.1.4. Sóng địa chấn và sự truyền sóng...................................................................... 4

1.1.5. Cường độ động đất........................................................................................... 5
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KÉT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU
TẠI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT.......................................................................................... 7
1.2.1. Phương pháp tĩnh............................................................................................. 7
1.2.2. Phương pháp động lực học.............................................................................. 7
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NHÀ CAO TẦNG CHỊU TÁC
ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT.................................................................... 8
2.1. GIẢ THUYẾT TÍNH TỐN................................................................................ 8
2.2. Phương pháp tính tốn......................................................................................... 8
2.3. Sơ đồ tính tốn...................................................................................................... 9
2.3.1. Sơ đồ phẳng tính tốn theo hai chiều............................................................... 9
2.3.2. Sơ đồ tính tốn khơng gian............................................................................ 10
2.4. Các bước tính tốn............................................................................................. 10
2.5. Xác định tải trọng............................................................................................... 10
2.5.1. Tĩnh tải.......................................................................................................... 10
2.5.2. Hoạt tải.......................................................................................................... 10
2.5.2.2 Các phương pháp tính tốn cơng trình chịu tải trọng động đất................12
2.6. Tổ hợp tải trọng.................................................................................................. 20
2.6.1. Tổ hợp tải trọng cơ bản.................................................................................. 20
2.6.2. Tổ hợp tải trọng đặc biệt................................................................................ 20
2.6.2.2 Tổ hợp các hệ quả của các thành phần tác động động đất........................22
2.7. Kiểm tra chuyển vị............................................................................................. 24
2.7.1.1 Chuyển vị đỉnh......................................................................................... 25
2.7.1.2 Chuyển vị lệch tầng................................................................................. 25


CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CƠNG TRÌNH DƯỚI TÁC ĐỘNG
CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT............................................................................... 32
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG....................................................................................... 32
3.2. Số liệu phân tích.................................................................................................. 34

3.2.1. Vật liệu.......................................................................................................... 34
3.2.2. Tải trọng........................................................................................................ 34
3.3. Các trường hợp phân tích.................................................................................. 35
3.3.1. Trường hợp 1................................................................................................. 35
3.3.2. Trường hợp 2................................................................................................. 35
3.4. PHÂN TÍCH ĐỘNG ĐẤT TÁC ĐỘNG LÊN CƠNG TRÌNH BẰNG PHẢN
MỀM ETABS............................................................................................................. 35
3.4.1. Cơng trình...................................................................................................... 35
3.4.1.1 Mơ hình cơng trình bằng phần mềm etabs............................................... 35
3.4.1.2 Khai báo tải trọng động đất...................................................................... 38
3.4.1.3 Phân tích mơ hình.................................................................................... 38
KẾT LUẬN................................................................................................................ 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ


TÓM TẮT LUẬN VĂN

ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHẢN ỨNG TRONG TÍNH TỐN TẢI
TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LÊN NHÀ NHIỀU TẦNG CĨ KẾT CẤU KHƠNG ĐỀU
ĐẶN VÀ DỄ XOẮN
Học viên: Nguyễn Thị Thuận
Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số: 8.58.02.01
Khóa K37, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt
Đề tài đánh giá, so sánh ứng xử của kết cấu nhà cao tầng không đối xứng, dưới tác động
của tải trọng động đất được tính theo phổ phản ứng quy định trong tiêu chuẩn. Kiểm tra lại
chính xác của phương pháp dựa vào so sánh với mơ hình phân tích trực tiếp phản ứng nhà

dưới tác động của gia tốc nền thay đổi theo thời gian (time history analysis)
Cơng trình được mơ phỏng có kết cấu cao tầng (13 tầng) khơng đều đặn và dễ xoắn
Nội dung so sánh giữa 2 phương án phổ phản ứng và lịch sử thời gian dựa trên số liệu chạy
mơ hình Etabs lấy kết quả của chuyển vị đỉnh và chuyển vị lệch tầng.
•
Kết quả cho thấy chuyển vị đỉnh theo lịch sử thời gian Max(Ux)=10.953mm, Max(Uy)=
12.59mm, theo phổ phản ứng Max(Ux)=10.471mm, Max(Uy)= 15.06mm
• Kết quả cho thấy chuyển vị đỉnh theo lịch sử thời Min(Ux)=6.975mm, Min(Uy)=
11.821mm, theo phổ phản ứng Min(Ux)=8.922mm, Min(Uy)= 14.534mm
Từ khóa: Tải động đất, phổ phản ứng, phương pháp lịch sử thời gian, gia tốc nền, hệ dễ
xoắn. SUMMARY OF THESIS

ASSESSMENT OF RESPONSE SPECTRUM METHOD IN EVALUATING
TORSIONALLY FLEXIBLE TALL BUILDING STRUCTURES BEHAVIOUR
SUBJECTED TO EARTHQUAKE LOAD
Research, evaluation and comparison of the behavior of asymmetric high-rise buildings
under the impact of earthquake load is calculated according to the reaction spectrum specified
in the standard. Re-check the accuracy of the method based on comparison with the direct
analysis model of house reactions under the impact of time history analysis.
The structure is simulated to have a high-rise structure (13 floors) that is irregular and easy
to twist
The content of the comparison between 2 reactive spectra and time history plans is based
on data running the Etabs model to get results of vertex displacement and stratification
•The results show that the peak displacement according to the history of time Max (Ux)
= 10.953mm, Max (Uy) = 12.59mm, according to the reaction spectrum Max (Ux) =
10.471mm, Max (Uy) = 15.06mm
• The results show that the peak displacement according to the history of Min (Ux) =
6.975mm, Min (Uy) = 11,821mm, according to the reaction spectrum Min (Ux) = 8.922mm,
Min (Uy) = 14.534mm
Keywords: Earthquake load, reaction spectrum, time history method, background

acceleration, easy to twist system.


DANH MỤC BẢNG
Số hiệu bảng
Bảng 1.1
Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 2.3
Bảng 2.4
Bảng 2.5
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 3.6
Bảng 3.7


DANH MỤC HÌNH
Số hiệu
hình
Hình 2.1
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6

Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10

Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:

Với sự tiến bộ khơng ngừng của khoa học cơng nghệ, các cơng trình xây dựng
trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển với cấp tiến về chiều cao
cũng như về độ phức tạp. Đặc trưng chủ yếu của nhà cao tầng là số tầng nhiều, độ cao
lớn, trọng lượng nặng, chịu tác động của tải trọng ngang. Khi chiều cao của cơng trình
càng tăng thì mức độ phức tạp khi tính tốn thiết kế cũng gia tăng theo. Đặc biệt là
việc xác định phản ứng của cơng trình trước các yếu tố tác động của điều kiện bên
ngoài như tải trọng do gió, động đất, ….
Khi thiết kế cơng trình cao tầng, người thiết kế ưu tiên chọn các mặt bằng kết cấu
có tính đối xứng. Vì khi tính tốn cơng trình chịu các tải trọng động, chỉ cần một số

dạng dao động cơ bản có thể phản ảnh hết phản ứng cơng trình.
Thực tế đối với một số cơng trình nhà cao tầng do u cầu về kiến trúc, các kỹ sư
kết cấu khó có thể bố trí thỏa mãn tiêu chí trên, mặt bằng khơng đối xứng dẫn đến
tâm cứng không trùng với tâm khối lượng, khi chịu lực ngang nhà sẽ có thêm chuyển
vị xoắn. Như vậy các dạng dao động khi tính tốn cơng trình chịu tải trọng động đất
sẽ xét đến dao động xoắn.
Động đất là một thảm họa thiên nhiên có khả năng phá hủy vơ cùng khủng khiếp,
có thể phá hủy một thành phố, một khu vực có thể bị sụt lún hoàn toàn. Gây ra những
hệ lụy to lớn cho con người và ảnh hưởng đến sự phát triển xã hội.
Cho đến nay việc dự đoán thời gian và địa điểm diễn ra động đất chỉ là tương đối
chính xác đối với nền khoa học và kĩ thuật đương đại. Vì vậy mà con người cần có
những biện pháp phịng ngừa nhằm giảm thiểu thiệt hại về con người, tài sản và những
hệ lụy tất yếu do động đất gây ra.
Với những thảm họa động đất đã từng diễn ra trên thể giới cho chúng ta thấy rằng
sức tàn phá vô cùng khủng khiếp của động đất và việc chủ động phịng ngừa động đất
là điều cần thiết. Vì vậy mà cơng trình kháng chấn, cơng trình chịu động đất là một
trong những giải pháp hàng đầu nhằm hạn chế, giảm thiểu thiệt hại của động đất gây ra
cho con người, xã hội.
Cơng trình kháng chấn, cơng trình chịu động đất là cơng trình được thiết kế với tải


2
trọng động đất. Chúng ta sẽ tính tốn tải trọng động đất theo phương pháp phổ phản
ứng và kiểm tra chính xác lại phương pháp trên bằng mơ hình phân tích trực tiếp phản
ứng nhà dưới tác động cảu gia tốc nền theo thời gian. Do đó việc tiến hành nghiên cứu
đề tài “Đánh giá phương pháp phổ phản ứng trong tính tốn tải trọng động đất
lên nhà nhiều tầng có kết cấu khơng đều đặn và dễ xoắn” là cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
- Tính toán tải động đất theo phương pháp phổ phản ứng quy định trong tiêu

chuẩn, nhưng phân tích dao động riêng của nhà với mơ hình khơng gian và
có kể đến dao động xoắn.
- Kiểm tra lại tính chính xác của phương pháp trên dựa vào việc so sánh với

mơ hình phân tích trực tiếp phản ứng nhà dưới tác động của gia tốc nền thay
đổi theo thời gian (Time history analysis).
- Đề xuất phương pháp tính tốn hợp lý cho nhà có mặt bằng khơng đều đặn, xoắn

nhiều và nguy hiểm.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu, phân tích, tính tốn ứng xử của kết cấu

dưới tác động của tại động đất theo phương pháp phổ phản ứng, đề xuất
phương án hợp lý.
- Phạm vi nghiên cứu: Ứng xử của kết cấu nhà cao tầng không đối xứng dưới

tác động của tải động đất.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Nghiên cứu ứng xử của nhà cao tầng dưới tác động của tải trọng động đất theo
phương pháp tính phổ phản ứng và kiểm tra chính xác lại phương pháp trên bằng mơ
hình phân tích trực tiếp phản ứng nhà dưới tác động cảu gia tốc nền theo thời gian lịch
sử thời gian có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Kết quả nghiên cứu luận văn có thể sử dụng: Tài liệu tham khảo cho sinh viên
chuyên ngành xây dựng tại các trường Đại học và Cao đẳngTài liệu tham khảo cho các
kỹ sư, cán bộ kỹ thuật xây dựng.
5. Bố cục đề

tài Mở đầu:
1. Lý do chọn đề tài

3
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. Phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về cơng trình kháng chấn
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế cơng trình kháng chấn
Chương 3: Phân tích khả năng ứng xử của kết cấu dưới tác động của tải trọng động
đất theo phương pháp phổ phản ứng và kiểm tra theo theo phương pháp lịch sử thời gian.

Kết luận và kiến nghị
1. Kết luận.
2. Kiến nghị.
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu:

Động đất và phân tích cơng trình chịu tác động của động đất là một chủ đề được
nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu động đất
được thực hiện trong các cơng trình nghiên cứu của tác giả nước ngoài như: “Dynamics of
structure: Theory and Applications to Earthquake Engineering – Anil K.Chopra (1995);
“Earthquake-resistant concrete structures - Penelis, G.G. and Kappos, A.J
(1997)”. Bên cạnh đó mỗi nước đều ban hành các Tiêu chuẩn tính động đất riêng xuất
phát từ chiến lược phát triên kinh tế xã hội cũng như cơ sở vật chất kỹ thuật trong nước
Tại Việt Nam, nghiên cứu động đất được Viện Vật lý địa cầu thuộc Trung tâm khoa học tự
nhiên và công nghệ Quốc gia tiến hành. Hệ thống các thông số cơ bản của động đất, mục
lục động đất ở Việt Nam, quy luật cơ bản vẻ tính động đất đã được nghiên cứu và khái
qt trong các cơng trình: “Nghiên cứu dự báo động đất và dao động nền ở Việt Nam”;
“Động đất trên lãnh thô Liệt Nam — Nguyễn Đình Xuyên năm 1985’’ Năm 2006, Bộ Xây
dựng ban hành Tiêu chuẩn thiết kế động đất TCXDVN 375:2006 trên cơ

sở chấp nhận Eurocode 8.


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH CHỊU TẢI
TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG ĐẮT
1.1.1. Định nghĩa:
Động đất là một sự rung chuyển hay chuyển động lung lay của mặt đất do sự lan
tỏa năng lượng từ một điểm nhất định nằm sâu trong lòng đất. Động đất thường là kết
qua sự chuyển động của các phay (geologic fault) hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ
của Trái đất hoặc các hành tỉnh cấu tạo chủ yếu từ chất rắn như đất đá, ...
1.1.2. Nguyên nhân
Động đất hay địa chấn là sự rung chuyển trên bề mặt Trái Đất do kết quả của sự
giải phóng năng lượng bất ngờ ở lớp vỏ Trái Đất và phát sinh ra Sóng địa chấn. Nó
cũng xảy ra ở các hành tinh có cấu tạo với lớp vỏ ngồi rắn như Trái Đất.
Theo nghĩa rộng thì động đất dùng để chỉ các rung chuyển của mặt đất mà tạo ra sóng
địa chấn. Chúng được gây ra bởi các nguyên nhân:
-

Do vận động kiến tạo của các mảng kiến tạo trong vỏ Trái Đất, dẫn đến các
hoạt động đứt gãy và hoặc phun trào núi lửa ở các đới hút chìm.

-

Thiên thạch va chạm vào Trái Đất, các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn.

-

Hoạt động của con người gồm cả gây rung động khơng chủ yếu và các kích
động có chủ yếu trong khảo sát hoặc trong khai thác hay xây dựng, đặc biệt
là các vụ thử hạt nhân dưới lòng đất.

1.1.3. Đặc điểm
Động đất diễn ra hàng ngày trên Trái Đất. Chúng có thể có sự rung động rất nhỏ
để có thể cảm nhận cho tới đủ khả năng để phá hủy hoàn toàn các thành phố. Hầu hết
các trận động đất đều nhỏ và không gây thiệt hại.
Tác động trực tiếp của trận động đất là rung cuộn mặt đất (Ground roll), thường
gây ra nhiều thiệt hại nhất. Các rung động này có biên độ lớn, vượt giới hạn đàn hồi
của mơi trường đất đá hay cơng trình và gây nứt vỡ. Tác động thứ cấp của động đất là
kích động lở đất, lở tuyết, sóng thần, nước triều giả, vỡ đê. Sau cùng là hỏa hoạn do
các hệ thống cung cấp năng lượng (điện, ga) bị phá hủy.
1.1.4. Sóng địa chấn và sự truyền sóng
Các nhà địa chấn phân chia ra bốn loại sóng địa chấn, được xếp thành 2 nhóm: hai


5
loại gọi là sóng khối (Body waves) và hai loại gọi là sóng bề mặt (Surface waves).
Sóng khối phát xuất từ chấn tiêu và lan truyền ra khắp các lớp của Trái Đất. Tại
chấn tâm thì sóng khối lan đến bề mặt sẽ tạo ra sóng mặt. Bốn sóng này có vận tốc lan
truyền khác nhau, và tại trạm quan sát địa chấn ghi nhận được theo thứ tự đi đến như
sau:


Sóng P: Sóng sơ cấp (Primary wave) hay sóng dọc (Longitudinal wave).



Sóng S: Sóng thứ cấp (Secondary wave) hay sóng ngang (Shear wave).



Sóng Love: Một dạng sóng mặt ngang phân cực ngang.



Sóng Rayleigh: cịn gọi là rung cuộn mặt đất (Ground roll)

Tùy theo tình trạng ghi nhận sóng của trạm, nhà địa chấn tính ra cường độ, khoảng
cách và độ sâu chấn tiêu với mức chính xác thơ. Kết hợp số liệu của nhiều trạm quan sát
địa chấn sẽ xác định được cường độ và tọa độ vụ động đất chính xác hơn.

1.1.5. Cường độ động đất
Cường độ động đất là thê hiện mức độ tàn phá mà động đất có thể gây ra ở một
khu vực nào đó. Giá trị thông số này đạt giá trị cực đại ở chấn tâm rồi giảm đân theo
khoảng cách chân tâm, và phụ thuộc vào điểm quan sát
Thang cường độ động đất (hay cấp động đất) phụ thuộc vào khả năng nhận thức của
con người về mức độ phá hoại công trình xây dựng do động đất gây ra. Năm 1878, thang
cường độ động đất được Rossi thành lập. Năm 1904, Cancani đã đưa ra một thang độ có
định lượng cụ thể trên cơ sở gia tốc nên (acceleration) do chân động gây ra.

Năm 1931, hai nhà địa chấn học H.O.Wood và F Neumann xây đựng Thang
Mercalli hiệu chỉnh (Modifñed Mercalii Scale) phân chia cường độ chấn động thành 12
cấp.
Năm 1956, Richter hiệu chính khoảng gia tốc cực đại của Thang Mercalli hiệu
chinh thanh thang cường độ chính thúc áp dụng rộng rãi ngày nay.
Năm 1964, ba nhà khoa học Medvedev, Sponhahure và Karmic để xuất thang
MSK-61, đây là thang cường độ được UNESCO kiến nghị và được sử dụng rộng rãi

tại các nước Châu Âu.
Thang Richter (hay còn gọi là thang độ lớn địa phương) Theo định nghĩa của
Richter, độ lớn M của một trận động đất được xác định như sau:

M = log A − log A0


6
Trong đó:
A : Biên độ max của trận động đất đang xét đo địa chắn kẻ.
A0: Biên đô max của trân đơng đất chn có cùng chấn tâm.
Bảng 1.1 Thang cường độ động đất theo đặc trưng của sóng
Mơ tả

Độ
Richter

Khơng
đáng

< 2.0

kể
Thật
nhỏ

Nhỏ

Nhẹ

2.0 - 2.9

3.0 - 3.9

4.0 - 4.9

Trung
bình

Mạnh

5.0 - 5.9

6.0 - 6.9

Rất
mạnh
Cực
mạnh
Cực

7.0 - 7.9

8.0 - 8.9


kỳ

9.0-9.9

mạnh
Ngoại
lệ

>10


7
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KÉT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẠI

TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
1.2.1. Phương pháp tĩnh
Tải trọng động đất tác dụng lên cơng trình nhà thơng qua dịch chuyển của nền đất
và được biểu diễn thông qua lực quán tính trên từng tầng sàn nhà. Dưới tác dụng của
tải trọng động đất, kết cấu nhà dịch chuyển liên tục sang phải, sang trái và biến đổi
theo từng giây.
Tải trọng động đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm độ lớn và đặc điểm phát
sinh chấn động, khoảng cách từ cơng trình xây dựng đến tâm chấn hay vết đứt gãy, đặc
trưng của nền đất, đặc trưng của hệ kết cấu chịu lực ngang (cường độ, độ cứng, khả
năng biến dạng dẻo, khả năng hấp thụ năng lượng).
Trong thực hành thiết kế kết cấu để đơn giản hoá, tải trọng động đất được quy
đổi thành tải trọng tĩnh tương đương (equivalent static lateral forces) tác dụng ở các
mức tầng sàn của nhà
1.2.2. Phương pháp động lực học
Nhiệm vụ cơ bản của bài tốn động lực học cơng trình là xác định chuyển vị và nội
lực trong kết cấu cơng trình khi cơng trình chịu tác dụng của tải trọng thay đổi theo thời
gian: Trên cơ sở đó, sẽ xác định được các biến dạng và ứng suất cực đại để tính tốn kiểm
tra các cơng trình thực, đồng thời lựa chọn kích thước kết cấu hợp lý đảm bảo biến dạng
và ứng suất nhỏ để thiết kế các cơng trình mới, tránh hiện tượng cộng hưởng.

Dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo thời gian hệ kết cấu sẽ dao động và dao
động đó được biểu thị dưới dạng chuyển vị của kết cấu. Do đó khi phân tích và giải
quyết bài tốn động lực học cơng trình sẽ cho phép xác định được sự thay đổi của
chuyển vị theo thời gian ứng với quá trình thay đổi của tải trọng động.
Các tham số khác như nội lực, ứng suất, biến dạng… các giá trị đều được xác
định sau khi có sự phân bố chuyển vị của kết cấu. Tất cả các tham số đó đều là các
hàm thay đổi theo thời gian phù hợp với tác dụng động bên ngoài.


8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN NHÀ CAO
TẦNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
2.1. GIẢ THUYẾT TÍNH TỐN
Tính tốn kết cấu nhà cao tầng là việc xác định trạng thái ứng suất – biến dạng
trong từng hệ, từng bộ phận cho đến từng cấu kiện chịu lực dưới tác động của mọi loại
tải trọng. Ở đây chúng ta chủ yếu xét đến phản ứng của hệ kết cấu thẳng đứng khung,
vách, lõi dưới tác động của tải trọng ngang. Một số giả thiết thường được sử dụng
trong tính tốn nhà cao tầng:
 Giả thiết ngơi nhà làm việc như một thanh cơng xon có độ cứng uốn tương

đương độ cứng của các hệ kết cấu hợp thành.
 Giả thiết mỗi hệ kết cấu chỉ có thể tiếp thu một phần tải trọng ngang tỷ lệ với độ

cứng uốn (xoắn) của chúng, nhưng được liên kết chặt chẽ với các hệ khác qua
các thanh giằng liên kết khớp hai đầu.
 Giả thiết về các hệ chịu lực cùng có một dạng đường cong uốn.

2.2. Phương pháp tính tốn
Phương pháp phân tích chính là phương pháp phân tích phần tử hữu hạn

(PPPTHH) là một phương pháp đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một
hàm chưa biết trong miền xác định của nó.
Phương pháp phần tử hữu hạn ra đời từ thực tiễn phân tích kết cấu, sau đó được
phát triển một cách chặt chẽ và tổng quát như phương pháp biến phân hay số dư có
trọng số để giải quyết các bài tốn vật lý khác nhau. Tuy nhiên khác với phương pháp
biến phân số dư có trọng số cổ điển, phương pháp phần tử hữu hạn khơng tìm dạng
xấp xỉ của hàm trong toàn miền xác định mà chỉ trong từng miền con (phần tử) thuộc
miền xác định đó.
Do vậy phương pháp phần tử hữu hạn rất thích hợp với các bài tốn vật lý và kỹ
thuật nhất là đối với bài toán kết cấu, trong đó hàm cần tìm được xác định trên những
miền phức tạp bao gồm nhiều miền nhỏ có tính chất khác nhau.
Trong phương pháp phần tử hữu hạn miền tính tốn được thay thế bởi một số hữu
hạn các miền con gọi là phần tử, và các phần tử xem như chỉ được kết nối với nhau qua
một số điểm xác định trên biên của nó gọi là điểm nút. Trong phạm vi mỗi phần tử đại


9
lượng cần tìm được lấy xấp xỉ theo dạng phân bố xác định nào đó, chẳng hạn đối với bài
tốn kết cấu đại lượng cần tìm là chuyển vị hay ứng suất nhưng nó cũng có thể được xấp
xỉ hóa bằng một dạng phân bố xác định nào đó. Các hệ số của hàm xấp xỉ được gọi là các
thông số hay các tọa độ tổng quát. Tuy nhiên các thông số này lại được biểu diễn qua trị
số của hàm và có thể cả trị số đạo hàm của nó tại các điểm nút của phần tử.

Như vậy các hệ số của hàm xấp xỉ có ý nghĩa vật lý xác định, do vậy nó rất dễ
thỏa mãn điều kiện biên của bài toán, đây cũng là ưu điểm nổi bật của phương pháp
phần tử hữu hạn so với các phương pháp xấp xỉ khác. Tùy theo ý nghĩa của hàm xấp xỉ
trong bài toán kết cấu người ta chia làm ba mơ hình sau:
 Mơ hình tương thích: biểu diễn dạng phân bố của chuyển vị trong phần tử, ẩn số là

các chuyển vị và đạo hàm của nó được xác định từ hệ phương trình thành lập trên

cơ sở nguyên lý biến phân Lagrange hoặc định dừng của thế năng tồn phần
 Mơ hình cân bằng: biểu diễn một cách gần đúng dạng gần đúng của ứng suất

hoặc nội lực trong phần tử. Ẩn số là các lực tại nút và được xác định từ hệ
phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Castigliano hoặc định lý
dừng của năng lượng bù tồn phần.
 Mơ hình hỗn hợp: biểu diễn gần đúng dạng phân bố của cả chuyển vị và ứng suất

trong phần tử. Coi chuyển vị và ứng suất là hai yếu tố độc lập riêng biệt, các ẩn

số được xác định từ hệ phương trình thành lập trên cơ sở nguyên lý biến phân
Reisner – He linge.
Trong ba mơ hình trên thì mơ hình tương thích được sử dụng rộng rãi hơn cả, hai
mơ hình cịn lại chỉ sử dụng có hiệu quả trong một số bài tốn. Mơ hình tương thích
được sử dụng để phân tích và thành lập phương trình tính toán hệ thanh theo phương
pháp phần tử hữu hạn.
2.3. Sơ đồ tính tốn
Căn cứ vào các giả thiết tính tốn có thể phân chia thành các sơ đồ tính theo
nhiều cách khác nhau
2.3.1. Sơ đồ phẳng tính tốn theo hai chiều
Cơng trình được mơ hình hóa dưới dạng những kết cấu phẳng theo hai phương
mặt bằng chịu tác động của tải trọng trong mặt phẳng của chúng. Giữa các hệ được
giằng với nhau bởi các dãy liên kết khớp hai đầu và ở ngang mức sàn các tầng.


10
2.3.2. Sơ đồ tính tốn khơng gian
Cơng trình được mơ hình như một hệ khung và tấm khơng gian chịu tác động
đồng thời của ngoại lực theo phương bất kỳ
2.4. Các bước tính tốn

 Chọn sơ đồ tính tốn.
 Xác định các loại tải trọng.
 Xác định các đặc trưng hình học và độ cứng của kết cấu.
 Phân phối tải trọng ngang vào các hệ chịu lực.
 Xác định nội lực, chuyển vị trong từng hệ, từng cấu kiện.
 Kiểm tra các điều kiện bền, chuyển vị và các đặc trưng động.
 Kiểm tra ổn định cục bộ và ổn định tổng thể cơng trình.

2.5. Xác định tải trọng
2.5.1. Tĩnh tải
Tĩnh tải là tải trọng tác dụng không biến đổi trong q trình xây dựng và sử dụng
cơng trình:
− Trọng lượng bản thân kết cấu kết cấu bê tông của cơng trình như dầm, sàn, vách,

cột.
− Trọng lượng bản thân các lớp cấu tạo, kết cấu bao che như các lớp vữa lót, vữa
trát, gạch, hệ thống kỹ thuật và tường….
− Hệ số vượt tải của tĩnh tải thay đổi từ 1.1 – 1.3 tùy theo loại vật liệu sử dụng và
phương pháp thi công.
2.5.2. Hoạt tải
Hoạt tải là các tải trọng tạm thời có thể có trong một giai đoạn nào đó trong q
trình xây dựng và sử dụng cơng trình. Tải trọng tạm thời phân làm hai loại: tải trọng
tạm thời dài hạn và tạm thời ngắn hạn.
− Tải trọng tạm thời dài hạn gồm có:
 Khối lượng vách tạm thời, khối lượng phần đất và bê tông đệm dưới thiết bị.
 Khối lượng các thiết bị cố định như thang máy….
 Tác dụng của biến dạng nền không kèm theo sự thay đổi cấu trúc đất.
 Tác dụng do sự thay đổi độ ẩm, co ngót và từ biến của vật liệu.

11
− Tải trọng tạm thời ngắn hạn gồm có:
 Khối lượng người, vật liệu sửa chữa, phụ kiện, dụng cụ và đồ gá lắp trong

phạm vi phục vụ và sửa chữa thiết bị.
 Tải trọng do thiết bị sinh ra trong các giai đoạn khởi động, đóng máy,

chuyển tiếp và thử máy kể cả khi thay đổi vị trí hoặc thay thế thiết bị.
 Tải trọng lên sàn nhà ở được nêu ở cột 4 Bảng 3 của TCVN 2737-1995.

Do khi số tầng nhà càng tăng lên, xác suất xuất hiện đồng thời tải trọng sử dụng ở
tất cả các tầng càng giảm, nên khi thiết kế các kết cấu thẳng đứng của nhà cao tầng
người ta sử dụng hệ số giảm tải. Trong TCVN 2737:1995 hệ số giảm tải được quy định
như sau:
− Khi tính dầm chính, dầm phụ, bản sàn: tải trọng toàn phần được phép giảm như
sau:

− Khi xác định lực dọc để tính cột, tường, móng: tải trọng toàn phần được phép
giảm như sau:


Đối với các phòng nêu tại mục 1, 2, 3, 4, 5 (bảng 3, TCVN2737:1995)

ψn =0.4+
1



Đối với các phòng nêu tại mục 6, 7, 10, 12, 14 (bảng 3, TCVN2737:1995)

ψn = 0.5 +

Trong đó: n là số sàn ở phía trên tiết diện đang xét


Tuy nhiên hoạt tải thường không lớn so với tải trọng bản thân (15%-20%) nên
khi thiên về an tồn có thể không xét đến các hệ số giảm tải trong tính tốn khung
nhiều tầng nhiều nhịp, nhất là hệ khung khơng gian cịn cho phép khơng xét đến các
phương án Tải trọng động đất
Trong phạm nghiên cứu, chuyển động động đất tại một điểm cho trước trên bề mặt
được biểu diễn bằng phổ phản ứng gia tốc đàn hồi, được gọi tắt là ‘‘phổ phản ứng đàn


12
hồi”.
Dạng của phổ phản ứng đàn hồi được lấy như nhau đối với hai mức tác động
động đất với yêu cầu không sụp đổ (trạng thái cực hạn - tác động động đất thiết kế) và
đối với yêu cầu hạn chế hư hỏng.
Tác động động đất theo phương nằm ngang được mơ tả bằng hai thành phần
vng góc được xem là độc lập và biểu diễn bằng cùng một phổ phản ứng.
Đối với ba thành phần của tác động động đất, có thể chấp nhận một hoặc nhiều
dạng khác nhau của phổ phản ứng, phụ thuộc vào các vùng nguồn và độ lớn động đất
phát sinh từ chúng
CHÚ THÍCH: Khi lựa chọn hình dạng phù hợp cho phổ phản ứng, cần lưu ý tới
độ lớn của những trận động đất góp phần lớn nhất trong việc đánh giá nguy cơ động
đất theo phương pháp xác suất mà không thiên về giới hạn trên an tồn (ví dụ trận
động đất cực đại có thể xảy ra) được xác định nhằm mục đích này.
Ở những nơi chịu ảnh hưởng động đất phát sinh từ các nguồn rất khác nhau, khả

năng sử dụng nhiều hơn một dạng phổ phản ứng phải được xem xét để có thể thể hiện

đúng tác động động đất thiết kế. Trong những trường hợp như vậy, thông thường giá
trị của ag cho từng loại phổ phản ứng và từng trận động đất sẽ khác nhau.
Đối với các công trình quan trọng (γl >1) cần xét các hiệu ứng khuếch đại địa
hình. Có thể biểu diễn chuyển động động đất theo hàm của thời gian
Đối với một số loại cơng trình, có thể xét sự biến thiên của chuyển động nền đất
trong không gian cũng như theo thời gian.
2.5.2.2 Các phương pháp tính tốn cơng trình chịu tải trọng động đất
a. Phương pháp phổ phản ứng

Đây là một phương pháp dự đoán phản ứng lớn nhất của hệ chịu tác động của
động đất dựa vào số liệu của các trận động đất xảy ra trước đó
Phương pháp này được áp dụng cho có thể áp dụng với hầu hết các loại nhà cao
tầng. Phải xét tới phản ứng của tất cả các dạng dao động góp phần đáng kể vào phản
ứng tổng thể của nhà.Các yêu cầu này có thể thỏa mãn nếu đạt được một trong 2 điều
kiện sau:
- Tổng các khối lượng hữu hiệu của các dạng dao động được xét chiếm ít nhất

90% tổng khối lượng của kết cấu;


13
- Tất cả các dạng dao động có khối lượng hữu hiệu lớn hơn 5% của tổng khối

lượng đều được xét đến.
CHÚ THÍCH: Khối lượng hữu hiệu mk ứng với dạng dao động k, được xác định
sao cho lực cắt đáy Fbk, tác động theo phương tác động của lực động đất, có thể biểu
thị dưới dạng Fbk =Sd(Tk)mk.
Có thể chứng minh rằng tổng các khối lượng hữu hiệu (đối với tất cả các dạng dao

động và đối với một hướng cho trước) là bằng khối lượng kết cấu. Khi sử dụng mơ

hình khơng gian, những điều kiện trên cần được kiểm tra cho mỗi phương cần thiết.
Nếu các yêu cầu quy định trong khơng thể thỏa mãn (ví dụ trong nhà và cơng trình
mà các dao động xoắn góp phần đáng kể) thì số lượng tối thiểu các dạng dao động k được
xét trong tính tốn khi phân tích không gian cần thỏa mãn cả hai điều kiện sau:


k



T


Trong đó:


k là số dạng dao động được xét tới trong tính tốn;



n là số tầng ở trên móng hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới;



Tk là chu kỳ dao động của dạng thứ k.

Khả năng kháng chấn của hệ kết cấu trong miền phi tuyến thường cho phép thiết
kế kết cấu với các lực động đất bé hơn so với các lực ứng với phản ứng đàn hồi tuyến
tính.
Để tránh với phân tích trực tiếp các kết cấu khơng đàn hồi, người ta kể đến khả

năng tiêu tán năng lượng chủ yếu thông qua ứng xử dẻo của các cấu kiện của nó bằng
cách phân tích đàn hồi dựa trên phổ phản ứng được chiết giảm từ phổ phản ứng đàn
hồi, vì thế phổ này được gọi là phổ thiết kế. Sự chiết giảm này được thực hiện bằng
cách đưa vào hệ số ứng xử q .
 Với thành phần nằm ngang của tác động động đất

Với các thành phần nằm ngang của tác động động đất, phổ phản ứng đàn hồi Se(T)
được xác định bằng các công thức sau:


0≤T≤TB
TB ≤ T ≤ TC : Se (T) = a g .S.η.2.5
T ≤T≤T :S

()

( )
e

= a .S.η.2.5. 

T

T ≤ T ≤ 4s : S T = a .S.η.2.5
D

 Tc 

 T .T 
C



g

T

D
2





(2.5)
(2.6)
(2.7)

(2.8)
 Với thành phần thẳng đứng của tác động động đất

Thành phần thẳng đứng của tác động động đất phải được thể hiện bằng phổ phản
ứng đàn hồi, Sve(T), được xác định bằng cách sử dụng các biểu thức


0 ≤ T ≤ TB : Sve (T) = a vg . 1


TB ≤ T ≤ TC : Sve (T) = a vg .η.3
TC ≤ T ≤

D

: Sve (T) = a vg .η.3.

TD ≤ T ≤ 4s : Sve (T ) = a vg .η.3.
 Phổ thiết kế dùng cho phân tích đàn hồi


Trong đó:
 Se(T) là phổ phản ứng đàn hồi;

(2.9)
(2.10
)
(2.11
)
(2.12
)

(2.13
)

(2.14
)

(2.15
)

(2.16
)