KẾT CẤU
CÔNG TRÌNH
CHUYÊN ĐỀ 8:
KẾT CẤU KHÁNG CHẤN TRONG
NHÀ CAO TẦNG
I.LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN KẾT CẤU KHÁNG
CHẤN TRONG NHÀ CAO TÀNG
Từ thời xa xưa, các tòa nhà gỗ
truyền thống được xây dựng dựa
trên một số ý kiến về kỹ thuật địa
chấn, nhưng một số thiết kế được
cho là chống lại động đất thực sự
không.
Bất cứ khi nào có một trận
động đất lớn xảy ra, gây thiệt
hại lớn cho các tòa nhà, mọi
người bắt đầu chú ý nhiều hơn
đến sức đề kháng địa chấn
của các tòa nhà. Hiện nay, tuy
nhiên, có rất nhiều tòa nhà có
những vấn đề khác nhau liên
quan đến sự đề kháng địa chấn.
Một ngôi nhà bằng gỗ mà công
trình gia cường địa chấn đã được
thực hiện (trái) và một căn nhà
bằng gỗ mà không có bất kỳ gia
cố nào (phải) được chụp ảnh sau
khi bị rung chuyển dữ dội trong
một trận động đất lớn. Nhà gia cố
không bị sập, và sẽ bảo vệ cuộc
sống của những người cư ngụ.
Ở Nhật Bản, các tòa nhà bằng gỗ
đã được sử dụng trong nhiều
năm, và mọi người thường nói, "Các cấu trúc bằng gỗ truyền thống, chẳng hạn như
đền thờ, rất chống lại động đất. Họ uốn cong như cây liễu để tránh gây căng thẳng.
"Chúng ta thật sự thấy những tòa nhà bằng gỗ đang lắc lư rất nhiều trong các trận động
đất lớn. Chúng linh hoạt như cây liễu, và trong thực tế có thể chống lại động đất ở một
mức độ nào đó. Tuy nhiên, không may, trong các trận động đất lớn như trận động đất
Great Kanto và trận động đất Great Hanshin-Awaji, các tòa nhà bằng gỗ được thiết kế
và xây dựng bằng cách sử dụng các phương pháp xây dựng truyền thống của Nhật
cũng sụp đổ. Các tòa nhà gỗ truyền thống đã được đánh giá dựa trên kỹ thuật địa chấn,
và điều này cho thấy mặc dù các phương pháp xây dựng truyền thống là một phần dựa
trên kỹ thuật địa chấn, nhiều khía cạnh không.
Nhà gỗ tách rời ở Nhật Bản cũng được xây dựng dựa trên cùng một phương pháp xây
dựng truyền thống. Kể từ thời Edo, nhiều ngôi nhà đã được xây dựng với sự tập trung
vào hiệu quả xây dựng. Những ngôi nhà này chống lại động đất vì chúng có những bức
tường chống động đất được thiết kế dựa trên kỹ thuật kết cấu.
Độ bền địa chấn của những ngôi nhà này được đảm bảo bằng cách đáp ứng yêu cầu
về "số lượng bức tường", được tính toán dựa trên các thông số kỹ thuật và chiều dài
của các bức tường. Số lượng bức tường yêu cầu đã được tính toán lại và tăng lên sau
khi xảy ra trận động đất lớn. Khả năng chống chấn động của các ngôi nhà gỗ lớn hơn
do đó thấp hơn, không chỉ bởi vì chúng đang lão hóa mà còn bởi vì chúng được xây
dựng theo tiêu chuẩn cũ về số lượng bức tường.
Các yêu cầu hiện tại đối với số lượng bức tường chứng tỏ là đủ trong trận động đất
Great Hanshin-Awaji vào năm 1995 và do đó những ngôi nhà bằng gỗ đáp ứng các tiêu
chuẩn hiện tại có hiệu suất địa chấn cao. Đối với nhà gỗ hiện tại được xây dựng phù
hợp với các tiêu chí cũ, chúng tôi tiến hành chẩn đoán để kiểm tra hiệu suất địa chấn
và thực hiện công việc gia cố nếu hiệu suất được chẩn đoán là thấp.
Khả năng chống chấn động của
các ngôi nhà gỗ có thể được tăng
cường đơn giản nhưng đầy đủ
bằng cách tăng số lượng hoặc
sức mạnh của tường mà không áp
dụng bất kỳ phương pháp kỹ thuật
đặc biệt nào.
(Thử nghiệm mô phỏng để làm rõ
cơ chế giảm xóc được sử dụng
trong một ngôi chùa 5 tầng.)
Thi công bê tông cốt thép (RC) và khung thép
Không giống nhà gỗ, tòa nhà văn phòng, tòa nhà thương mại và căn hộ cao cấp bạn
nhìn thấy trên đường phố là bê tông cốt thép hoặc các tòa nhà khung thép được thiết
kế và xây dựng ngay từ đầu để chống chịu được về mặt địa chấn dựa trên các nguyên
tắc về cấu trúc. Đối với những tòa nhà này, hiệu suất địa chấn yêu cầu đã được tăng
lên thông qua kinh nghiệm của các trận động đất lớn và dựa trên kết quả của các
nghiên cứu mới. Đặc biệt, do việc sửa đổi các tiêu chuẩn xây dựng năm 1981, một thiết
kế chống thấm mới đã được thông qua, và các phương pháp thiết kế dựa trên khái
niệm này đã được áp dụng rộng rãi. Các tòa nhà được xây dựng trước năm 1981
không đáp ứng các tiêu chuẩn hiện tại về hiệu suất địa chấn và do đó cần phải trải qua
chẩn đoán sức đề kháng địa chấn hoặc công trình gia cố địa chấn nếu cần.
(Tòa
nhà
Marunouchi xây
dựng sử dụng
cơ chế giảm
xóc được sử
dụng trong một
ngôi chùa 5 tầng. )
Các tòa nhà được thiết kế dựa trên kỹ thuật địa chấn có khả năng chống trọi động đất
và được phân loại thành (a) cấu trúc với các hệ thống chống tiêu thụ, (b) cấu trúc với
hệ thống giảm xóc, và (c) các cấu trúc bị cô lập. Hệ thống chống nấm có rất nhiều yếu
tố cung cấp sức mạnh chống lại động đất. Đối với những cấu trúc này, cần xem xét cẩn
thận để tăng khả năng biến dạng để tránh gây tử vong. Các kết cấu với hệ thống giảm
chấn được thiết kế để hấp thụ năng lượng địa chấn qua sự biến dạng đáng kể, và sự
hấp thụ hiệu quả được đảm bảo bằng việc sử dụng các vật liệu nhớt có đặc tính hấp
thụ năng lượng cao. Bộ giảm chấn áp cũng được sử dụng trong một số cấu trúc, và bởi
vì bộ giảm chấn này có nhịp điệu khác với sự dao động của cấu trúc, nó ngăn chặn sự
biến dạng của cấu trúc.
Một số người cho rằng những cơ chế chống động đất này đã phát triển cho các tòa nhà
hiện đại đã tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau trong cấu trúc gỗ truyền thống, bao
gồm cả hệ thống giảm xóc thông qua việc làm gỗ, cột trung tâm của một ngôi chùa năm
tầng đóng vai trò của một bộ giảm chấn khối lượng và Sự cô lập địa chấn thông qua
phương pháp cài đặt cột cơ sở được gọi là "cấm." Các cấu trúc gỗ truyền thống hiện
đang được nghiên cứu và tạo cảm hứng cho sự sáng tạo mới.
Các tòa nhà có khả năng chống chịu động đất cao
Một loạt các công nghệ đã được phát triển để xây dựng các tòa nhà có tính kháng cao
đối với động đất. Các tòa nhà ít nhất phải có đủ hiệu quả địa chấn để bảo vệ những
người bên trong khỏi bị hư hỏng trong một trận động đất lớn. Các giải pháp công nghệ
mới hiện đang được cung cấp để tăng hiệu suất của chúng, ví dụ như làm cho các tòa
nhà chịu được động đất vượt quá mức quy định bởi tiêu chuẩn xây dựng, để bảo vệ đồ
đạc và phụ kiện bên trong tòa nhà khỏi bị động đất hoặc để bảo vệ toàn bộ tòa nhà.
II/ Các vấn đề liên quan đến thiết kế kháng chấn
1. Seismic zone ( vùng ảnh hưởng địa chấn ):
Ở nhiều quốc gia, việc phân vùng có địa chấn đươch dựa trên mức độ nguy hiểm của
động đất trong khu vực, hoặc có thể dùng biện pháp dự đoán trước mức đọ nguy hiểm
của động đất.
Gần đây, việc thiết kế cường độ kháng chấn thường dựa vào chu kì của 1 trận dộng đất
lấy trung bình là 50 năm.
Bảng phân loại đất dựa trên cường độ động đất:
Khu vực
A
B
C
D
Mức độ thiệt hại
Sụp đổ diện rộng và phá hủy hoàn toàn
Sụp đổ và hư hại rất nặng
Hư hại đáng kể
Hư hại không đáng kể
Cấp độ động đất
Cấp độ 9 trở lên
Cấp 8
Cấp 7
Cấp 6 trở xuống
2. Importance of building:
Quy mô và tầm quan trọng của các thể loại công trình khác nhau sẽ dẫn đến việc thiết
kế kháng chấn khác nhau.Người ta phân làm 2 loại chính:
Quan trọng: bệnh viện, trạm xá, các công trình công cộng, trạm cứu hỏa và cánh
sát, các công trình cấp thoát nước, rạp chiếu phim, rạp hát, trường học, chung
cư, bảo tàng, đền thờ, tượng đài.
Thông dụng: Nhà ở, khách sạn, văn phòng, nhà máy, nhà kho
3.Phân loại nền đất
Công trình có thể xây dựng trên nền đất cứng, trung bình và xốp nhưng sẽ nguy hiểm
trên nền đất yếu
Trong trường hợp bắt buộc phải xây dựng trên nền đất yếu, bắt buộc phải có biện pháp
cải tạo để đất đạt được độ cứng ít nhất bằng loại nền trung bình hoặc xốp.
Loại đất
Cứng
Trung bình
Xốp
Yếu
Tính chất/Mô tả
Đá, cát rất đặc,sỏi,
đất sét khô.
Đá, cát đặc, sỏi, đất
sét khô
Đất khó kết dính
Đất dễ hóa lỏng khi
có động đất
Vs (m/s)
>400
Ns (t/m2)
> 50
Na (t/m2)
50
400-200
50~15
20
<200
Không xác định
<15
Không xác định
5
Không xác định
Ghi chú:
Vs: Vận tốc xoắn của đất.
Ns: Khả năng chịu tải của nền ( thí nghiệm )
Na: Khả năng chịu tải của nền ( thực tế )
4. Kết hợp 3 yếu tố trên:
Phân loại công trình
I
II
Vùng ảnh hưởng
Loại công trình
Loại đất
A
Quan trọng
Xốp
A
Quan trọng
Trung bình và cứng
A
Thông dụng
Xốp
B
Quan trọng
Xốp
III
A
Thông dụng
Trung bình và cứng
B
Quang trọng
Trung bình và cứng
B
Thông dụng
Xốp
C
Quan trọng
Xốp
IV
B
Thông dụng
Trung bình và cứng
C
Quan trọng
Trung bình và cứng
C
Thông dụng
Xốp
Khi đã việc phân loại công trình đã hoàn tâất, tùy theo t ừng quôấc gia và đ ơn v ị t ư vâấn thiếất kếấ seẽ có
những giải pháp kháng châấn cho công trình khác nhau.
III/ Quan điểm thiết kế ( General planning and design
aspects)
1. Mặt bằng công trình ( planning building)
1.1 Mặt bằng đối xứng ( symmetry)
Công trình nến được bôấ trí đôấi xứng ở cả 2 tr ục X và Y
Việc bôấ trí bâất đôấi xứng ( asemmetry) dâẽn đếấn tnh trạng xoắấn trong công trình, gây thi ệt h ại cho ng ười
và của.
1.2. Thiết kế thông thường ( regularity )
Những hình dạng cơ bản, như hình chữ nhật, chịu đ ựng tôất h ơn khi x ảy ra đ ộng đâất h ơn nh ững hình
dạng khác. Tuy nhiến, hiệu ứng xoắấn khi nếền đâất di chuy ển vâẽn có th ể x ảy ra nếấu t ỉ l ệ L và B ko cân
xứng.
1.3 Phân tán mặt bằng ( seperation of blocks )
Công trình lớn nến được phân tán thành nh ững khôấi nhà nh ỏ đ ể đ ạt đ ược tnh đ ơn gi ản và đôấi x ứng
của từng block.
Để ngắn chặn sự nguy hiểm hoặc sự phá hoại giữa các tâềng v ới nhau, nến tách các tâềng kho ảng 3040mm đôấi với công trình từ 3 tâềng đổ lến.
1.4. Thiết kế đơn giản ( symplicity )
Mặt đứng công trình nến được trang trí bắềng các thanh n ẹp l ớn g ọi là h ệ giắềng, có th ể đ ược bôấ trí theo
cả phương dọc và phương ngang. Không nến sử d ụng các loại đá ôấp trến m ặt đ ứng vì chúng dếẽ b ị mâất
liến kếất khi xảy ra động đâất.
Trường hợp các chi tếất trang trí là bắất bu ộc phải có, thì chúng ph ải đ ược gia côấ bắềng thép ho ặc đ ược
gắấn trực tếấp với câấu trúc chính của công trình.
1.5. Lớp vỏ bao che ( Enclosed area )
Công trình với lớp vỏ bao che được liến kếất ch ặt với nhau seẽ ho ạt đ ộng nh ư m ột chiếấc h ộp thu nh ỏ và
có chức nắng hôẽ trợ lâẽn nhau để ngắn chặn sự phá ho ại t ường và các thành phâền bao che khác.
Trong trường hợp một phòng có không gian lớn, dài thì ta nến chia nó thành các không gian nh ỏ h ơn.
Độ dày của tường xây (t ) và khoảng cách các tường (a ) nến đ ạt đ ược t ỉ l ệ a/t=40
2/ Địa điểm xây dựng ( choice of site )
Lựa chọn khu đâất cho công trình trến ph ương diện thiếất kếấ kháng châấn câền quan tâm đếấn vâấn đếề đ ộ ổn
định của nếền đâất.
các điếều kiện của nếền đâất dưới đây dc xem là quan tr ọng nhâất.
Độ ổn định trến nếền dôấc: các dôấc trến đôềi núi là nh ững n ơi có kh ả nắng tr ượt l ớn nhâất khi x ảy
ra động đâất, vì thếấ câền tránh những nơi có đ ộ dôấc l ớn và ch ỉ nến xây d ựng công trình ở nh ững
nơi có độ dôấc vừa phải và ổn định
Cát lỏng và đâất sét: 2 Loại đâất này seẽ mâất đi câấu trúc bình th ường c ủa chúng khi có đ ộng đâất và
seẽ bị đâềm chặt lại khi có động đâất xảy ra. Việc này seẽ dâẽn đếấn việc phân bôấ l ực không đôềng đếều
và gây hại cho công trình. Nếấu loại đâất này bão hòa n ước seẽ dâẽn t ới tnh tr ạng hóa l ỏng khi có
rung lắấc.
3/ Thiết kế kết cấu ( Structural design )
3.1 Nền móng ( foundation )
Để phục vụ mục đích tạo ra công trình kháng châấn thì việc l ựa ch ọn lo ại môấng câền thiếất là râất quan
trọng.Đôấi với công trình nhỏ thì tải trọng không phải là vâấn đếề nh ưng đôấi công trình l ớn, t ải tr ọng cao
râất nguy hiểm nến phương pháp tách móng đ ược xem là tôấi ưu
Phương pháp tách móng truyếền thôấng
3.2 Hệ Khung ( frame )
Khung nhà ngoài việc phải được tnh toán lực theo ph ương diện có s ự tham gia c ủa yếấu tôấ l ực xô
ngang của động đâất thì còn phải bôấ trí thếm hệ giắềng đ ể tắng c ường kh ả nắng ch ịu l ực khi x ảy ra đ ộng
đâất.
Một vài biện pháp bôấ trí giắềng trến mặt đ ứng:
IV. Thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng bằng betong
cốt thép
1. các dạng phá hoại trong công trình:
Mái nhà bị trượt khỏi hệ đỡ
Phá hoại tường khi tường không được liến kếất chặt với hệ khung ( infll walls )
Nứt gãy ở phâền giao cột
Hiệu ứng cột ngắấn
Khi tường hở ( infll wall ) với những khoảng mở rộng đ ược đ ặt gi ữa các c ột , nh ững phâền h ở
còn lại của cột seẽ thu hút nhiếều l ực hơn, dâẽn đếấn tnh trạng s ụp đ ổ c ột
Nứt chéo ở cột, liến kếất cột-dâềm
Sụp đổ khung định hình
Co ngót nếền đâất
2. Các vấn đề cần quan tâm trong vật liệu
Vật liệu: Đôấi với betong câền tuân thủ tỉ lệ câấp phôấi xi mang: cát: đá : n ước t ương ứng 1:2:3:0,5
hoặc 1:2:4:0,5
D
Đôấi với thép: sử dụng các loại thép có độ bếền kéo cao, ch ịu biếấn d ạng tôất
tâất cả các câấu kiện bắềng thép đếều phải được sơn chôấng g ỉ, m ục đích là đ ể giúp chúng liến kếất v ới
betongo tôất hơn.
Các khu vực trọng yếấu khi tnh toán l ực cho công trình:
Các chi tếất câấu tạo trong kếất câấu betong côất thép:
V. Thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng bằng thép
5.1. Các dạng phá hoại trong công trình
5.2 Vật liệu
Thép sử dụng trong công trình ở vùng có động đâất ph ải đạt đ ược nh ững tếu chí sau:
Độ bếền uôấn cao hơn các công trình bình th ường khác
Công thức: Fy max< 1,1x α x Fy
Fy: điểm tới hạn của thép ( theo tnh toán )
α : hệ sôấ vượt tải
Fy max: điểm tới hạn của thép ( theo thực tếấ )
Lựa chọn vật liệu để tránh tnh trạng nứt gãy là yếấu tôấ ch ủ chôất khi thiếất kếấ kháng châấn cho công trình
thép.
Tham khảo các loại thép được phép sử dụng tại: EN-1993-1-10
5.3 Các chi tiết cấu tạo trong nhà cao tầng bằng thép
- Xem thêm -