Tài liệu Nghiên cứu giải pháp ổn định và nâng cao hiệu quả giảm chấn cho nhà cao tầng được cách ly đáy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --------------------------- NGUYỄN XUÂN ĐINH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CHO NHÀ CAO TẦNG ĐƯỢC CÁCH LY ĐÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --------------------------- NGUYỄN XUÂN ĐINH KHÓA 2013-2015 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CHO NHÀ CAO TẦNG ĐƯỢC CÁCH LY ĐÁY Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. LÊ XUÂN TÙNG Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Khoa Sau Đại học với những chỉ dẫn và giúp đỡ trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Lê Xuân Tùng - người trực tiếp hướng dẫn khoa học, các thầy cô giáo trong Bộ môn Bê tông cốt thép và bộ môn Kết cấu thép - Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho nội dung của luận văn. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn gia đình và các bạn đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Với thời gian nghiên cứu cũng như năng lực của bản thân vẫn còn nhiều hạn chế, luận văn chắc không tránh khỏi những thiếu sót, tồn tại. Tôi mong muốn nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu từ phía các nhà khoa học, các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Xuân Đinh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Xuân Đinh DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ Ký hiệu chữ cái và chữ La tinh K Độ cứng m Khối lượng phần phụ C Độ cản nhớt D Khoảng trượt tối đa g Gia tốc trọng trường R Bán kính cong của bán cầu lõm μ Hệ số ma sát giữa khớp trượt và bề mặt bán cầu lõm của con lắc M Là khối lượng công trình. μmax Hệ số ma sát ứng với khi khớp trượt có vận tốc lớn μ min Hệ số ma sát ứng với khi khớp trượt có vận tốc rất bé W Trọng lượng riêng β Tỉ số cản ω Tần số dao động riêng T Chu kỳ dao động riêng MCL Momen chống lật ML Momen gây lật J Hệ số giảm tác động ngang gây lật do dao động gây ra Fij Lực động đất phân bố cho tầng j trong dạng dao động riêng thứ i hj Cao độ tầng thứ j f Chuyển vị theo phương ngang tại đỉnh kết cấu Chữ viết tắt TMD Tuned Mass Damper TBTTNL Thiết bị tiêu tán năng lượng HMD Hybrid Mass Damper TLD Tuned Liquid Damper LRB Lead rubber bearings HDRB High damping rubber bearings TCXDVN Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam FPS Friction pendulum system DCFP The double concave Friction Pendulum Thuật ngữ Công trình được giảm chấn: Damped structure Độ cản: Damping Thiết bị giảm chấn: Damper Giảm chấn thụ động: Passive control Giảm chấn chủ động: Active control Cản ma sát: Friction damper Cản đàn nhớt: Viscous/visco-elastic damper Cản thủy lực: Oil damper Đàn hồi tuyến tính: Linear spring DANH MỤC BẢNG, BIỂU Số hiệu bảng, biểu Tên bảng, biểu Trang Bảng 1.1 Độ lệch và tỷ lệ lực cắt trong hệ giằng lưới với các góc khác nhau 15 Bảng 1.2 Sự thay đổi của độ nghiêng và độ chuyển dịch 17 Bảng 1.3 Độ nghiêng và tỉ lệ lực cắt 19 Bảng 1.4 Sự thay đổi của độ nghiêng và độ chuyển dịch Bảng 1.5 So sánh tỷ số cản của các LRB với đường kính lõi chì khác nhau Bảng 2.1 So sánh mô men các trường hợp khung phẳng một tầng Bảng 2.2 So sánh mômen các trường hợp khung không gian một tầng 20 30 45 59 Bảng 3.1 Kết quả tính toán hệ số các gối cách ly đáy Bảng 3.2 Hoạt tải sàn mái 74 Bảng 3.3 Chuyển vị tại các tầng công trình khi chịu tải trọng và chịu động đất EL Centro 75 Bảng 3.4 Chuyển vị của các mode tại các tầng công trình 77 68 Bảng 3.5 Mô men cột dầm khi chịu tải trọng ( TT + 0.6HT + DD ) 78 Bảng 3.6 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng công trình khi chịu tải trọng và chịu động đất EL Centro 80 Bảng 3.7 81 Chuyển vị của các mode tại các tầng công trình Bảng 3.8 Mô men cột dầm chịu tải trọng( TT + 0.6HT + DD ) Bảng 3.9 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng công trình 84 Bảng 3.10 Chuyển vị của các modetại các tầng công trình 85 82 Bảng 3.11 Mô men dầm khung trục chịu tải trọng (TT + 0.6HT + DD ) 86 Bảng 3.12 Chuyển vị tại các tầng công trình 88 Bảng 3.13 Chuyển vị của các mode tại các tầng công trình 90 Bảng 3.14 Mô men cột, dầm các phương án chịu tải trọng TT +0.6 HT +DD) 92 Bảng 3.15 Bảng tính tổng Bảng 3.16 Bảng tính ∑P j ∑F h ij j 96 97 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình Hình 1.1 Hình 1.2 Tên hình Trang Hệ thống con lắc điều hòa lắp đặt trên đỉnh tòa nhà Taipei 101 ở Đài Bắc. Thiết bị giảm chấn TLD trên đỉnh công trình One Rincon Hill 5 6 Hình 1.3 Kết cấu nhà cao tầng sử dụng tầng cứng 8 Hình 1.4 Chuyển vị của công trình có tầng cứng 9 Hình 1.5 Cơ quan đầu não của CCTV, Beijing 10 Hình 1.6 Kaiserslautern Landmark, Germany 10 Hình 1.7 Toà nhà Swiss Re, London 10 Hình 1.8 Hearst Tower, New York. 10 Hình 1.9 Hệ giằng lưới với góc 71.60 12 Hình 1.10 Mô hình hệ giằng lưới của công trình 12 Hình 1.11 Sự phân phối lực dọc trong thanh ở mép 14 Hình 1.12 Sự phân phối lực dọc trong thanh giữa 14 Hình 1.13 Độ lệch của hệ giằng lưới khi góc thay đổi 16 Hình 1.14 Tỷ lệ lực cắt hệ giằng lưới khi góc thay đổi 16 Hình 1.15 Quan hệ giữa trọng lượng kết cấu với các góc khác nhau trong hệ giằng lưới 17 Hình 1.16 Quan hệ giữa độ chuyển dịch của các hệ với trọng lượng kết cấu 17 Hình 1.17 Quan hệ giữa trọng lượng kết cấu và mật độ giằng lưới 19 Hình 1.18 Quan hệ giữa tỷ lệ lực cắt trong kết cấu hệ giằng và 19 mật độ giằng lưới Hình 1.19 Quan hệ giữa trọng lượng kết cấu và mật độ giằng lưới Hình 1.20 Quan hệ giữa độ lệch của các mô hình kết cấu giằng lưới và trọng lượng kết cấu công trình 20 21 Hình 1.21 Lực nén trong thanh căng 21 Hình 1.22 Lực nén trong thanh bụng 21 Hình 1.23 Nửa trên thanh cánh bị kéo 23 Hình 1.24 Nửa dưới thanh cánh bị kéo 23 Hình 1.25 Phần tử bị nén 24 Các thanh không được bọc cho thấy các bộ phận chỉ bị Hình 1.26 nén 24 Hình 1.27 Hệ giằng tiêu tán năng lượng 25 Tòa nhà 32 tầng, diện tích sàn 85.000m2, hệ giảm chấn Hình 1.28 được sử dụng là giải pháp sử dụng bộ giảm chấn cản nhớt . 26 Hình 1.29 Bố trí giảm chấn chất lỏng nhớt Taylor dạng chéo 27 Hình 1.30 Bố trí giảm chấn chất lỏng nhớt Taylor dạng chữ K 27 Hình 1.31 Kết cấu bên trên được cách chấn đáy 28 Hình 1.32 HDRB chịu tải trọng cắt 29 Hình 1.33 Gối cao su có lõi chì - LBR 29 Hình 1.34 Công trình cách ly đáy kết hợp hệ giằng giữ ổn định 36 Hình 1.35 Chi tiết gối cách ly đáy 36 Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu 38 Hình 2.2 Biểu đồ momen M 38 Hình 2.3 Sơ đồ kết cấu 39 Hình 2.4 Biểu đồ momen M 39 Hình 2.5 Sơ đồ kết cấu 40 Hình 2.6 Biểu đồ momen M 40 Hình 2.7 Sơ đồ kết cấu 41 Hình 2.8 Khai báo gối cách ly 42 Hình 2.9 Định nghĩa gối cách ly 43 Hình 2.10 Khai báo các hệ số 44 Hình 2.11 Gán gối cách ly 44 Hình 2.12 Biểu đồ momen M 45 Hình 2.13 Mặt bằng tầng 2 46 Hình 2.14 Giản đồ gia tốc nền EL Centro 1940 46 Hình 2.15 Sơ đồ kết cấu phương trục 1 47 Hình 2.16 Sơ đồ kết cấu phương trục 2 47 Hình 2.17 Sơ đồ kết cấu phương trục A 48 Hình 2.18 Sơ đồ kết cấu phương trục B 48 Hình 2.19 Biểu đồ mômen M3 49 Hình 2.20 Sơ đồ kết cấu phương trục 1 50 Hình 2.21 Sơ đồ kết cấu phương trục 2 50 Hình 2.22 Sơ đồ kết cấu phương trục A 51 Hình 2.23 Sơ đồ kết cấu phương trục B 51 Hình 2.24 Biểu đồ mômen M3 52 Hình 2.25 Sơ đồ kết cấu phương trục 1 53 Hình 2.26 Sơ đồ kết cấu phương trục 2 53 Hình 2.27 Sơ đồ kết cấu phương trục A 54 Hình 2.28 Sơ đồ kết cấu phương trục B 54 Hình 2.29 Biểu đồ mômen M3 55 Hình 2.30 Sơ đồ kết cấu phương trục 1 56 Hình 2.31 Sơ đồ kết cấu phương trục 2 56 Hình 2.32 Sơ đồ kết cấu phương trục A 57 Hình 2.33 Sơ đồ kết cấu phương trục B 57 Hình 2.34 Biểu đồ mômen M3 58 Hình 3.1 Mặt bằng công trình 60 Hình 3.2 Mặt cắt cột 2 tầng hầm 61 Hình 3.3 Mặt cắt cột tầng 1 – 10 62 Hình 3.4 Mặt cắt cột tầng 11 – 20 62 Hình 3.5 Mặt cắt cột tầng 21 – 30 63 Hình 3.6 Mặt cắt dầm chính 63 Hình 3.7 Mặt cắt dầm phụ 64 Hình 3.8 Mặt cắt giằng C5 64 Hình 3.9 Mặt cắt giằng C10 65 Hình 3.10 Mặt cắt giằng C14 65 Hình 3.11 Sơ đồ kết cấu của phương án 1 66 Hình 3.12 Sơ đồ kết cấu của phương án 2 67 Hình 3.13 Khai báo gối cách ly 69 Hình 3.14 Định nghĩa gối cách ly 70 Hình 3.15 Khai báo các hệ số phương U1,U2 70 Hình 3.16 Khai báo các hệ số phương U3 71 Hình 3.17 Gán gối cách ly 71 Hình 3.18 Kết quả gán của phương án thứ 3 72 Hình 3.19 Sơ đồ kết cấu của phương án 3 73 Hình 3.20 Đưa động đất El centro vào Etabs 74 Hình 3.21 Biểu đồ chuyển vị Phương án 1 76 Hình 3.22 Các dạng dao động riêng phương án 1 78 Hình 3.23 Hình 3.24 Biểu đồ mô men cột chịu tải trọng ( TT + 0.6HT + DD ) 79 Biểu đồ mô men dầm chịu tải trọng ( TT + 0.6HT + DD ) 79 Hình 3.25 Biểu đồ chuyển vị phương án 2 81 Hình 3.26 Các dạng dao động riêng phương án 2 82 Hình 3.27 Biểu đồ mô men cột chịu tải trọng ( TT + 0.6HT + DD ) Hình 3.28 Biểu đồ mô men dầm chịu tải trọng ( TT + 0.6HT + DD ) Hình 3.29 Biểu đồ chuyển vị phương án 3 83 Hình 3.30 Biểu đồ dạng dao động riêng phương án 3 86 Hình 3.31 Hình 3.32 Biểu đồ mô men cột chịu tải trọng (TT + 0.6HT + DD ) Biểu đồ mô men dầm chịu tải trọng (TT + 0.6HT + DD ) 83 85 87 87 Hình 3.33 Biểu đồ so sánh chuyển vị 89 Hình 3.34 Biểu đồ so sánh dạng dao động riêng 91 Hình 3.35 Biểu đồ so sánh mô men cột các phương án Hình 3.36 Biểu đồ so sánh mô men dầm các phương án 93 94 1 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài: Kết cấu nhà cao tầng như một thanh công xôn một đầu ngàm vào móng, một đầu tự do. Vì vậy chênh lệch chuyển vị giữa đáy và đỉnh của công trình càng lớn, thì phát sinh nội lực trong các cấu kiện cũng càng lớn. Do đó tác giả nghĩ đến việc tách rời phần thân và phần móng (chỉ cho tiếp xúc mà không toàn khối giữa hai bộ phận này) để giảm chênh lệch chuyển vị giữa đáy và đỉnh khi chịu tải trọng ngang. Nhưng do tải trọng ngang tác dụng lên nhà cao tầng rất lớn, nên giải pháp cách ly đáy cần kết hợp giải pháp giữ ổn định tổng thể. Mục đích nghiên cứu: - Đề xuất giải pháp tách rời phần thân và phần móng (cách ly đáy); - Đề xuất giải pháp giữ ổn định tổng thể cho công trình; - Khảo sát tòa nhà 30 tầng với hai phương án: cách ly đáy và không cách ly đáy; - So sánh nội lực và chuyển vị giữa hai phương án; - Cho thấy hiệu quả của giải pháp đề xuất. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu cho nhà cao tầng chịu tải trọng động đất được tính theo giản đồ gia tốc nền. Phương pháp nghiên cứu: - Phân tích ý nghĩa của giải pháp cách chấn đáy; - Đề xuất cấu tạo tại vị chí cách ly; - Dựng mô hình; - Khảo sát mô hình sử dụng phần mềm ETABS; - Kết quả cho dưới dạng bảng số và biểu đồ. 2 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài - Đề tài chỉ ra được hiệu quả giảm chuyển vị và nội lực của công trình được cách ly đáy kết hợp giải pháp giữ ổn định; - Giảm đáng kể tải trọng động đất lên công trình; do đó sẽ làm giảm được tiết diện và đem lại hiệu quả kinh tế. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu ,kết luận và kiến nghị, luận văn có phần nội dung được chia thành 3 chương: Ba chương gồm: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở khoa học Chương 3: Tính toán áp dụng THÔNG BÁO Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội. Email: [email protected] TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN : Qua vấn đề nghiên cứu, nội dung đề tài đạt được những vấn đề sau: - Trong trường hợp cách ly đáy thì nội lực của công trình, chênh lệch chuyển vị ngang giữa đỉnh và đáy công trình nhỏ hơn nhiều so với trường hợp không cách ly. Từ đó thấy được tính hiệu quả trong việc cách ly đáy công trình. - Giảm tác động động đất lên công trình (không cho tác động động đất truyền trực tiếp lên công trình). - Chỉ ra được sự ổn định của công trình khi được cách ly đáy nhờ hệ các thanh giằng liên kết công trình với vách cứng KIẾN NGHỊ - Tiếp tục nghiên cứu bằng thực nghiệm làm rõ hơn hiệu quả của việc cách ly đáy để ứng dụng đề tài vào thực tiễn.