Luận văn thạc sĩ đánh giá ứng xử kết cấu nhà cao tầng chịu động đất theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, phổ phản ứng và lịch sử thời gian

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

HUỲNH THẾ DƯƠNG

ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG
CHỊU ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP TĨNH
LỰC NGANG TƯƠNG ĐƯƠNG, PHỔ PHẢN ỨNG
VÀ LỊCH SỬ THỜI GIAN

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

Đà Nẵng – Năm 2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

HUỲNH THẾ DƯƠNG

ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG
CHỊU ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP TĨNH
LỰC NGANG TƯƠNG ĐƯƠNG, PHỔ PHẢN
ỨNG VÀ LỊCH SỬ THỜI GIAN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và cơng nghiệp

Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM MỸ

Đà Nẵng – Năm 2020


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 ký và ghi rõ họ tên

Huỳnh Thế Dương


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. Phương pháp nghiên cứu............................................................................ 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:................................................... 2
6. Bố cục đề tài............................................................................................... 2
7. Tổng quan tài liệu nghiên cứu:................................................................... 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI
TRỌNG ĐỘNG ĐẤT.............................................................................................. 4
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VÉ 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 TỐN 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..................................................................... 9


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
2.5.3. Tải trọng động đất................................................................................. 11
2.6. TỔ HỢP TẢI TRỌNG...................................................................................... 23
2.6.1. Tổ hợp tải trọng cơ bản......................................................................... 23
2.6.2. Tổ hợp tải trọng đặc biệt....................................................................... 24
2.7. KIỂM TRA CHUYỂN VỊ................................................................................ 27
2.7.1. Chuyển vị đỉnh...................................................................................... 28
2.7.2. Chuyển vị lệch tầng.............................................................................. 29
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CƠNG TRÌNH DƯỚI TÁC ĐỘNG

CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT........................................................................... 31
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG..................................................................................... 31
3.2. SỐ LIỆU PHÂN TÍCH..................................................................................... 37
3.2.1. Vật liệu................................................................................................. 37
3.2.2. Tải trọng............................................................................................... 37
3.3. CÁC TRƯỜNG HỢP PHÂN TÍCH................................................................. 38
3.3.1. Trường hợp 1........................................................................................ 38
3.3.2. Trường hợp 2........................................................................................ 38
3.3.3. Trường hợp 3........................................................................................ 38
3.4. PHÂN TÍCH ĐỘNG ĐẤT TÁC ĐỘNG LÊN CƠNG TRÌNH BẰNG PHẢN
MỀM ETABS.......................................................................................................... 39
3.4.1. Cơng trình 1.......................................................................................... 39
3.4.2. Cơng trình 2.......................................................................................... 83
3.5. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH PHÙ HỢP CƠNG TRÌNH..................107
KẾT LUẬN.......................................................................................................... 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)


TÓM TẮT LUẬN VĂN
ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT THEO
PHƯƠNG PHÁP TĨNH LỰC NGANG TƯƠNG ĐƯƠNG, PHỔ PHẢN ỨNG
VÀ LỊCH SỬ THỜI GIAN
Học viên: Huỳnh Thế Dương
Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số: 8580201
Khóa K36, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt
Đề tài nghiên cứu, đánh giá, so sánh ứng xử của kết cấu nhà cao tầng dưới tác động của tải
trọng động đất được tính theo ba phương pháp khác nhau: tĩnh ngang tương đương, phổ phản ứng

và lịch sử thời gian. Luận văn được thực hiên trên hai mơ hình kết cấu: cơng trình thứ nhất có kết
cấu hệ khung lõi, đồng đều theo chiều cao, cơng trình thứ hai là cơng trình có kết cấu gồm các cột
lớn, hệ thống vách và dầm liên kết, không đồng đều theo chiều cao. Kết quả thu được:
Cơng trình thứ nhất: Phương pháp phổ cho kết quả thấp nhất cao nhất là phương pháp lịch sử thời
gian. Và nằm ở mức trung bình là phương pháp tĩnh ngang tương đương
Cơng trình thứ hai: Phương pháp tĩnh ngang tương đương không thể áp dụng vì khơng thể khống
chế kết cấu để đảm bảo điều kiện đầu vào. Kết quả thu được thì 2 phương pháp phổ phản ứng và
lịch sử thời gian là tương đồng, có sự khác biệt về giá trị nhưng sai số nhỏ.
Từ khóa: Tải động đất, ứng xử, tĩnh ngang tương đương, phổ phản ứng, lịch sử thời gian
SUMMARY OF THESIS

RESEARCH, EVALUATION OF THE BEHAVIOR OF HIGH-RISE BUILDINGS
UNDER THE IMPACT OF EARTHQUAKE LOAD IS CALCULATED BY
EQUIVALENT HORIZONTAL STATIC, REACTION SPECTRUM AND TIME
HISTORY
The research, evaluation and comparison of the behavior of high-rise buildings under the
impact of earthquake load is calculated by three different methods: equivalent horizontal static,
reaction spectrum and time history. The dissertation is carried out on two structural models: the
first building has the core frame structure, uniformly in height, the second is a structure with large
columns, wall systems and associated beams. Links, uneven according to height. Results:
The first construction: The spectral method with the lowest highest results is the time history
method. And on average is the equivalent horizontal static method
The second construction: Equivalent horizontal static method cannot be applied because structure
cannot be controlled to ensure input conditions. The results obtained are two methods of reaction
spectrum and time history are similar, with differences in value but small errors.
Keywords: Earthquake load, behavior, horizontal static equivalent, spectrum method, time history


DANH MỤC BẢNG
Số hiệu

bảng
1.1
2.1
2.2
2.3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.1
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17

T
C
G
C
T
B
T

T
C
T

đ
C
C
C
C
C
C
T
C
C
G
G


DANH MỤC BIỂU ĐỒ
Số hiệu biểu
đồ
3-1
3-2
3-3
3-4
3-5
3-6
3-7
3-8
3-9

3-10
3-11
3-12
3-13
3-14
3-15
3-16
3-17
3-18
3-19
3-20
3-21
3-22
3-23
3-24
3-25
3-26
3-27
3-28
3-29
3-30
3-31
3-32
3-33
3-34
3-35
3-37


Số hiệu biểu

đồ

3-39
3-41
3-43
3-44
3-45
3-46
3-47
3-48
3-49


DANH MỤC HÌNH
Số hiệu
hình
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.1
3.11
3.12
3.13
3.14

3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24
3.25
3.26
3.27
3.28
3.29
3.30
3.31
3.32
3.33

Mặt
Mơ
Mặt
Mơ
Mơ
Kíc
Kha
Kha
Giá
Chu

Chu
Kết
Kết
Kha
Ứng
Nhậ
Biểu

tươn
Biểu

đươ
Biểu

đươ
Biểu

đươ
Biểu
Biểu
Biểu
Biểu
Biểu
Biểu

(tt)
Biểu
Biểu
Mơ
Mặt

Biểu
Biểu
Biểu


Số hiệu
hình
3.34
3.35
3.36
3.37
3.38
3.39
3.40
3.41
3.42

Biểu
Biểu
Biểu
Biểu
Biểu
Biểu
Biểu
Biểu
Biểu


1

MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài:

Trong lịch sử tồn tại và phát triển, nhân loại phải đương đầu với các tai họa
thiên nhiên như lũ lụt, hạn hán, bảo tố, động đất, núi lửa, sóng thần. Trong đó 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 hồn tồn. Gây ra những hệ
lụy to lớn cho con người và ảnh hưởng đến sự phát triển xã hội.
Để bảo vệ sinh mạng của mình và các tài sản vật chất xả hội, con người đã có
rất nhiều nỗ lực trong việc nghiên cứu phịng chống động đất. Tuy đã có những
bước tiến rất ngoạn mục trong lĩnh vực này nhưng cho đến nay con người vẫn
không ngăn được những thảm họa do động đất gây ra.
Các trận động đất xảy ra trong những năm gần đây tại Nhật Bản (1995), Thổ
Nhĩ Kỳ (1999), HyLạp (1999), Đài Loan (1999), Ấn Độ (2001), Apganistan (2002),
Iran (2004), Inđônêsia (2004), Haiti (2010), Chile (2010), Trung Quốc (2010),
Inđơnêsia (2010)…. đã chứng minh điều đó 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 trình độ khoa học- công nghệ hiện nay, con người chưa có khả năng dự
báo một cách chính xác động đất sẽ xảy ra lúc nào, ở đâu, con người chưa có biện
pháp phịng chống động đất chủ động như phịng chống bão hay lũ lụt. Trong hồn
cảnh đó con người ngoài việc phải nghiên cứu các phương pháp nhằm hoàn thiện
hơn nữa khả năng dự báo về động đất, chúng ta cũng phải tiếp tục nghiên cứu các
phương pháp tính tốn xây dựng các kết cấu cơng trình chịu tác dụng của động đất.
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 trọng động đất. Tải trọng động đất hiện nay được tính tốn theo 3 phương
pháp: Tĩnh lực ngang tương đương, phổ phản ứng và lịch sử thời gian. Nhằm hiểu
rõ hơn về cách tính tốn, khác biệt trong ứng xử của kết cấu dưới tải trọng động đất
được tính theo ba phương pháp này, từ đó rút ra được phương pháp tối ưu theo từng
tiêu chí để áp dụng vào thực tế.


2
Do đó việc tiến hành nghiên cứu đề tài “Đánh giá ứng xử kết cấu nhà cao
tầng chịu động đất theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, phổ phản
ứng và lịch sử thời gian” là cần thiết.
2.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Phân tích, so sánh và đánh giá ứng xử của kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng
của tải trọng “động đất” tính theo 3 phương pháp:
- Tĩnh lực ngang tương đương
- Phổ phản ứng
- Lịch sử thời gian
3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu, phân tích, so sánh ứng xử của kết cấu
dưới tác dụng của tải trọng động đất tính theo 3 phương pháp khác nhau.
Phạm vi nghiên cứu: Ứng xử của kết cấu nhà cao tầng dưới tác động của tải
trọng động đất

4.

Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp thực nghiệm với các kết cấu giả định sử dụng phương
pháp phân tích phần tử hữu hạn để phân tích mơ hình và rút ra kết luận
5.

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 khác
nhau như thế nào theo 3 phương pháp tính của tải trọng động đất tĩnh ngang tương
đương, phổ phản ứng, và 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 đẳng
Tài liệu tham khảo cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật xây dựng
6.

Bố cục đề tài

Mở đầu:
1.

Lý do chọn đề tài

2.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu


3
4. Phương pháp nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan về công 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. So sánh sự khác nhau giữa 3 phương pháp tính
Kết luận và kiến nghị

7.

1.

Kết luận.

2.

Kiến nghị.

Tổng quan tài liệu nghiên cứu:

Động đất và phân tích cơng trình chịu tác động cảu 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 ngồi
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 chuân 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 tiền 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 quát trong các cơng trình: “Nghiên cứu dự báo động đất
và dao động nền ở Việt Nam”; “Động đất trên lãnh thơ Liệt Nam — Nguyễn Đình
Xun 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 NGHIÊN CỨU CƠNG TRÌNH
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VÉ ĐỘNG ĐẮT
1.1.1. Định nghĩa
Động đất là một sự rung chuyên hay chuyển động lung lay của mặt đất do sự lan
tỏa năng lượng từ một điểm nhất định năm sâu trong lòng đất. Động đất thường là kết
qua sự chuyên động của các phay (geologic fault) hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ
của Trái đất hoặc các hành tỉnh cầu tạo chủ yếu từ chất răn 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 ý và các kích
động có chủ ý 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
môi trường đất đá hay công 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 loại gọi là sóng khối (Body waves) và hai loại gọi là sóng bề mặt (Surface waves).


5
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 thơng 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 vẻ mức độ phá hoại cơng trình xây dựng do động đất gảy 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 chân 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 song
Mơ

Độ

tả

Richter

khơng
đáng

< 2.0

kể

thật
nhỏ

2.0-2.9

nhỏ

3.0-3.9

nhẹ

4.0-4.9

trung
bình

mạnh
rất
mạnh
cực
mạnh

5.0-5.9

6.0-6.9

7.0-7.9

8.0-8.9

cực
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 tồn 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 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


9
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 astigliano 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 tốn 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 toán 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.
2.3.2. Sơ đồ tính toán khơng gian
Cơng trình được mơ hình như một hệ khung và tấm không gian chịu tác động
đồng thời của ngoại lực theo phương bất kỳ

10
2.4. Các bước tính toán
−

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 khơng biến đổi trong q trình xây dựng và sử dụng
cơng trình:
− Trọng lượng bản thân kết cấu kết cấu bê tơng 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:
+
thiết

Khối lượng vách tạm thời, khối lượng phần đất và bê tông đệm dưới

+

Khối lượng các thiết bị cố định như thang máy….

+
đất.

Tác dụng của biến dạng nền không kèm theo sự thay đổi cấu trúc

+

Tác dụng do sự thay đổi độ ẩm, co ngót và từ biến của vật liệu.

bị.

− 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.


11
+ 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 27371995.
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 tồn phần được phép giảm như
sau:
Khi diện tích sàn ≤

+

+ Khi diện tích sàn ≥

2

= 36

1

2

=9

2

:

:

A1

A2

− Khi xác định lực dọc để tính cột, tường, móng: tải trọng tồn phần được phép
giảm như sau:
+ Đối với các phòng nêu tại mục 1, 2, 3, 4, 5 (bảng 3,
TCVN2737:1995)
n

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

= 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 khơng xét đến các hệ số giảm tải trong tính tốn khung
nhiều tầng nhiều nhịp, nhất là hệ khung khơng gian cịn cho phép không xét đến các
phương án chất tải bất lợi (hoạt tải) trên các sàn.


2.5.3. 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 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.