Tài liệu ứng xử của nhà cao tầng khi kể đến sự suy giảm độ cứng các cấu kiện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------------------- TỐNG ĐỨC SƠN ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI KỂ ĐẾN SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CÁC CẤU KIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------------------- TỐNG ĐỨC SƠN ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI KỂ ĐẾN SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CÁC CẤU KIỆN 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 DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN QUANG TÙNG Đà Nẵng - Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Tống Đức Sơn ii ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI KỂ ĐẾN SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CÁC CẤU KIỆN Học viên: TỐNG ĐỨC SƠN Chuyên ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng Mã số: ………Khóa: K32 - ĐN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Các công trình cao tầng thường phải chịu các tác động của tải trọng ngang lớn, hệ quả là nó phải thường xuyên làm việc ngoài giai đoạn đàn hồi của bê tông. Các vết nứt trong bê tông xuất hiện dẫn đến sự suy giảm độ cứng kết cấu và do đó ảnh hưởng đến ứng xử của toàn công trình. Bài báo này trích dẫn các hệ số suy giảm độ cứng kết cấu được nêu trong các tiêu chuẩn, các nghiên cứu và các chỉ dẫn thiết kế của các nước trên thế giới. Áp dụng các kết quả này vào mô phỏng ứng xử của công trình cao tầng bê tông cốt thép để đưa ra các kiến nghị khi thiết kế kết cấu làm việc ngoài giai đoạn đàn hồi. Nghiên cứu cho thấy, khi kể đến sự suy giảm độ cứng do vết nứt trong bê tông gây nên, các đặc trưng dao động của kết cấu không thay đổi nhiều, và do đó tải trọng tác động lên công trình (động đất, gió động) không bị ảnh hưởng nhiều. Tuy nhiên, do độ cứng suy giảm chuyển vị ngang công trình tăng lên nhiều và nội lực trong các cấu kiện chịu lực cơ bản của công trình bị ảnh hưởng đáng kể. Chênh lệch giữa ứng xử công trình khi không kể và kể đến sự suy giảm độ cứng là khác nhau khá nhiều khi xét các tiêu chuẩn khác nhau. Từ khóa - suy giảm độ cứng, chuyển vị ngang, dao động, nội lực khung-vách, phần tử hữu hạn. EFFECT OF THE SOIL STRUCTURE INTERACTION ON THE RESPONSE OF THE CONCRETE DEEP BASEMENT HIGH RISE BUILDINGS UNDER EARTHQUAKE Abstract - The high rise buildings are often subjected to strong lateral loads, consequently they often work outside the elastic phase of the concrete. Effect of the cracking concrete is the stiffness reduction of the structure. This paper present indications of stiffness reduction in different codes, standards, and recommendations in the world. Applying theses results into the simulation the response of the high rise buildings to making recommendation on the structural design. Studies show that, take into account the stiffness redcution dont make significant changes in the modal response of the structure, so that no important changes in the latteral load as well as earthquakes and wind loads. However, the horizontal displacement and the internal stresses of the structure take a significant changes. These variations are different depending on the codes using in the simulation. Key words - stiffness reduction, horizontal displacement, modal response, internal stresses, finite element method. iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................v DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vi MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1 2. Tình hình nghiên cứu về sự suy giảm độ cứng kết cấu ......................................2 3. Mục tiêu của đề tài ..............................................................................................2 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................3 5. Nội dung thực hiện .............................................................................................3 6. Bố cục đề tài .......................................................................................................3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘ CỨNG CÔNG TRÌNH ........................................................................................................................4 1.1. Nhà cao tầng và xu hướng phát triển ...................................................................4 1.1.1. Tổng quan về nhà cao tầng ở Việt Nam .......................................................4 1.1.2. Hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng ...........................................................6 1.1.3. Xu hướng phát triển của nhà cao tầng ..........................................................8 1.2. Độ cứng công trình bê tông cốt thép ..................................................................10 1.2.1. Khái niệm độ cứng kết cấu .........................................................................10 1.2.2. Ảnh hưởng của độ cứng đến các đặc trưng dao dộng công trình ...............11 1.2.3. Ảnh hưởng của độ cứng đến chuyển vị ngang của công trình ...................14 1.3. Kết luận chương .................................................................................................16 CHƢƠNG 2. SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG KẾT CẤU .........................................17 2.1. Các nguyên nhân gây suy giảm độ cứng ............................................................17 2.1.1. Suy giảm độ cứng do tải trọng lặp ..............................................................17 2.1.2. Suy giảm độ cứng do ứng xử phi tuyến của kết cấu ...................................19 2.1.3. Kể đến sự suy giảm độ cứng do quan niệm thiết kế ...................................23 2.2. Sự suy giảm độ cứng theo các quan niệm thiết kế .............................................24 2.2.1. Suy giảm độ cứng theo Brandson DE - 1963 .............................................24 2.2.2. Suy giảm độ cứng theo ACI 318-14 ...........................................................25 2.2.3. Suy giảm độ cứng theo CSA A23.3-04 ......................................................26 2.2.4. Suy giảm độ cứng theo Paulay 1992 & Priestley 1997 ..............................26 2.2.5. Suy giảm độ cứng theo NZS 3101 ..............................................................26 iv 2.2.6. Suy giảm độ cứng theo Elwood & Eberhard 2006 .....................................27 2.2.7. Suy giảm độ cứng theo TCVN ...................................................................27 2.3. Kết luận chương .................................................................................................28 CHƢƠNG 3. ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG KẾT CẤU ĐẾN ỨNG XỬ CỦA CÔNG TRÌNH CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP .....29 3.1. Mô hình phân tích ..............................................................................................29 3.2. Hệ số suy giảm độ cứng theo các trường hợp ....................................................35 3.2.1. Hệ số suy giảm độ cứng theo TCVN 9386-2012 .......................................35 3.2.2. Hệ số suy giảm độ cứng theo Brandson .....................................................35 3.2.3. Hệ số suy giảm độ cứng theo ACI 318-14 .................................................36 3.2.4. Hệ số suy giảm độ cứng theo CSA 23.3-04................................................37 3.2.5. Hệ số suy giảm độ cứng theo Paulay&Priestley.........................................40 3.2.6. Hệ số suy giảm độ cứng theo Elwood&Eberhard ......................................42 3.3. Phân tích ứng xử công trình theo các tiêu chuẩn ...............................................43 3.3.1. Ảnh hưởng của sự suy giảm độ cứng đến đặc trưng dao động...................43 3.3.2. Ảnh hưởng của sự suy giảm độ cứng đến chuyển vị ngang công trình ......43 3.3.3. Ảnh hưởng của sự suy giảm độ cứng đến nội lực kết cấu ..........................45 3.4. Kết luận ..............................................................................................................50 KẾT LUẬN ..............................................................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................53 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ...54 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) v DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng bảng 1.1: Trang Thống kê một số công trình cao tầng ở Việt Nam Kết quả chu kỳ dao dộng cơ bản 3.1: 9 và chuyển vị dao động 43 3.2: Chuyển vị ngang công trình 44 3.3: Mô men nút trái dầm biên 45 3.4: Lực dọc chân cột biên 46 3.5: Mô men chân cột biên 47 3.6: Lực dọc chân vách 48 3.7: Mô men chân vách 49 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1: Một số công trình cao tầng bê tông cốt thép 5 1.2: Một số hệ kết cấu nhà cao tầng 6 1.3: Mô hình chịu lực của kết cấu khung-vách 7 1.4: Độ cứng công trình bê tông cốt thép 10 1.5: Mối quan hệ giữa chu kỳ dao động riêng và độ cứng 12 1.6: Mô hình tính toán của hệ kế cấu có nhiều bậc tự do động 12 1.7: Kết cấu khung-vách phẳng 15 2.1: Phản ứng phi tuyến của cấu kiện bê tông cốt thép 17 2.2: Các giai đoạn làm việc của kết cấu bê tông cốt thép 18 2.3: Quan hệ độ võng của dầm thí nghiệm 19 2.4: Sự suy giảm độ cứng của dầm thí nghiệm 20 2.5: Biểu đồ mô men – độ cong của tiết diện bị nứt 21 2.6: Sự thay đổi độ cứng theo mô men của tiết diện bị nứt 22 2.7: Ảnh hưởng của lực dọc đến quan hệ mô men – độ cong của cột có tiết diện chữ nhật 23 3.1: Mô hình công trình bằng phần mềm phân tích kết cấu Etabs 2016 30 3.2: Mô men trong dầm khung trục 3 – Trường hợp Ref 31 3.3: Lực dọc chân cột khung trục 3 – Trường hợp Ref 32 3.4: Lực dọc chân vách khung trục 3 – Trường hợp Ref 33 3.5: Mô men chân vách khung trục 3 – Trường hợp Ref 34 3.6: Hệ số suy giảm độ cứng dầm – Trường hợp Brandson 36 3.7: Hệ số suy giảm độ cứng cột – Trường hợp CSA 38 3.8: Hệ số suy giảm độ cứng dầm – Trường hợp CSA 39 3.9: Hệ số suy giảm độ cứng cột – Trường hợp P&P 40 3.10: Hệ số suy giảm độ cứng vách – Trường hợp P&P 41 3.11: Hệ số suy giảm độ cứng cột – Trường hợp E&E 42 3.12: Chuyển vị ngang công trình 44 3.13: Mô men nút trái dầm biên 46 3.14: Lực dọc chân cột biên 47 vii Số hiệu Tên hình hình Trang 3.15: Mô men chân cột biên 48 3.16: Lực dọc chân vách 49 3.17: Mô men chân vách 50 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, ngày càng nhiều nhà cao tầng được thiết kế và xây dựng. Cùng với tầm quan trọng của loại công trình này, các phương pháp tính toán tải trọng cũng như phân tích ứng xử liên tục được thay đổi để phù hợp hơn với tính chất của công trình. Hai loại tải trọng được đặc biệt quan tâm cho công trình này là gió và động đất. Trung tâm Hành chính - TP Đà Nẵng Tòa nhà Bitexco – TP HCM Int.Commerce Centre – Hong Kong World Financial Center – Shanghai Hình 1: Nhà nhiều tầng Trong suốt thời gian kể từ khi các nhà cao tầng được đưa vào tính toán và thiết kế, đã có nhiều sự thay đổi trong quan niệm tính toán và bố trí kết cấu cho loại công trình này. Nếu như trước đây, công trình cao tầng phải được xem là vật cứng tuyệt đối, không chịu hư hỏng khi có động đất để đảm bảo sinh mạng con người và tải sản thông qua việc bảo vệ công trình. Thì ngày nay, mục tiêu thiết kế được thay đổi, công trình có thể bị hư hại, nhưng không được sụp đổ để đảm bảo an toàn cho 2 tính mạng và tài sản của con người. Đây là bước chuyển biến quan trọng, bởi lúc này công trình được cho phép có hư hại, và như vậy cho phép công trình có thể bị suy giảm độ cứng, dao động của công trình cũng từ đó mà thay đổi. Sự hư hại của công trình được kể đến thông qua việc cho phép xuất hiện các vết nứt khi phân tích kết cấu, và do đó độ cứng kết cấu sẽ bị suy giảm đáng kể. Chuyển vị ngang công trình sẽ tăng lên và do đó hiệu ứng thứ cấp P-Delta càng tăng và gây nguy hại cho công trình. Đây là bài toán quan trọng và đã được đưa vào các tiêu chuẩn thiết kế trên thế giới. 2. Tình hình nghiên cứu về sự suy giảm độ cứng kết cấu Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386 : 2012 về thiết kế công trình chịu động đất [1] cho phép kể đến sự suy giảm độ cứng kết cấu thông qua một hệ số duy nhất, rất đơn giản trong tính toán. Các tiêu chuẩn tính toán khác như ACI 318M-11 [2], CSA-A23.3-04 [3] cũng đã đưa các hệ số suy giảm độ cứng vào tính toán, tuy nhiên có phần phức tạp hơn. Hiện cũng có nhiều nghiên cứu thực nghiệm về sự suy giảm độ cứng kết cấu, điển hình là các nghiên cứu của Branson DE [4], Elwood KJ, Eberhard MO. [5] và Paulay T., Priestley M.J.N. [6]. Các nhóm nghiên cứu đưa ra các đề xuất về hệ số suy giảm độ cứng kết cấu riêng cho từng loại cấu cấu kiện và mức độ chịu lực khác nhau, tuy có phần phức tạp khi áp dụng nhưng lại sát với sự làm việc thực của kết cấu. Ứng dụng các kết quả nghiên cứu của về hệ số suy giảm độ cứng này, các nhóm nghiên cứu M.H. Vo, L.N. Nguyen [7], V.H. Ho [8] và M. C. Marin, M. K. El Debs [9] đã mô phỏng ứng xử của kết cấu khung chịu tải trọng động đất và từ đó đưa ra các nhận xét về sự làm việc của công trình. Tuy nhiên, ứng xử tổng hợp của một công trình khi được kể đến sự suy giảm độ cứng lại chưa được phân tích thỏa đáng, đây chính là lý do để thực hiện nghiên cứu đề tài: “Ứng xử của nhà cao tầng khi kể đến sự suy giảm độ cứng các cấu kiện” 3. Mục tiêu của đề tài Trong việc phân tích ứng xử kết cấu thì độ cứng công trình là nhân tố rất quan trọng, quyết định đặc trưng dao động của công trình, và do đó quyết định tải trọng ngang (gió động và động đất) tác dụng lên công trình. Khi hai loại tải trọng này thay đổi, có thể về cả trị số lẫn bản chất thì ứng xử của công trình (dao động, nội lực, chuyển vị, bố trí cốt thép) cũng sẽ thay đổi theo. Thông qua việc nghiên cứu ứng xử của công trình khi kể để sự suy giảm độ cứng kết cấu, ta có thể đưa ra những hướng 3 dẫn cụ thể hơn cho việc thiết kế công trình cao tầng chịu tải trọng động đất và gió động. Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu sự suy giảm độ cứng của kết cấu bê tông cốt thép và ảnh hưởng của nó tới tác động của gió động, động đất lên ứng xử của công trình xây dựng. Trong nghiên cứu này, các hệ số suy giảm độ cứng kết cấu sẽ được tổng hợp và áp dụng trong việc phân tích ứng xử của công trình cao tầng bê tông cốt thép. Các kết quả thu được sẽ được dùng để phân tích sự thay đổi của phản ứng dao động, chuyển vị ngang công trình và nội lực trong các cấu kiện chịu lực cơ bản của kết cấu để đưa ra các kiến nghị cho việc thiết kế công trình. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các công trình cao tầng bê tông cốt thép có hệ khung - vách chịu lực. Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm các vấn đề: các yếu tố ảnh hưởng tới độ cứng của kết cấu và ảnh hưởng của sự suy giảm độ cứng tới tác động của gió động và động đất lên kết cấu. 5. Nội dung thực hiện  Lý thuyết: Nghiên cứu độ cứng và các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng; Nghiên cứu ý nghĩa và vai trò của độ ứng trong tính toán kết cấu; Tính toán tải trọng ngang tác động lên công trình khi có kể đến sự suy giảm độ cứng kết cấu,  Tính toán - Phân tích ứng xử của công trình bê tông cốt thép khi có kể đến sự suy giảm độ cứng kết cấu bằng phần mềm Etabs 6. Bố cục đề tài Chương 1: Nghiên cứu độ cứng và các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng, ý nghĩa vai trò của độ cứng trong tính toán kết cấu Chương 2: Tính toán tải trọng ngang tác động lên công trình khi có kể đến sự suy giảm độ cứng kết cấu Chương 3: Mô hình và phân tích ứng xử của công trình bê tông cốt thép khi có kể đến sự suy giảm độ cứng kết cấu bằng phần mềm Etabs Kết luận và kiến nghị. 4 CHƢƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘ CỨNG CÔNG TRÌNH Trong chương này, tác giả đề cập đến sự làm việc của kết cấu chịu lực của nhà nhiều tầng, đồng thời cũng nói đến độ cứng công trình và ảnh hưởng của nó đến ứng xử công trình. Sự phát triển của kết cấu nhà cao tầng là một xu thế tất yếu và do đó việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu này là một vấn đề hiển nhiên cần được thực hiện. Đối với nhà cao tầng, độ cứng công trình có ảnh hưởng mang tính quyết định đến các đặc trưng dao động của công trình và do đó ảnh hưởng đến tải trọng cũng như ứng xử của công trình. Chương này nêu tổng quan về nhà nhiều tầng và xu hướng trát triển trong tương lai của dạng công trình này ở Việt Nam. Các khái niệm độ cứng cũng như các công thức được phát triển trước đây về ảnh hưởng của độ cứng công trình đến ứng xử của kết cấu cũng được thu thập và nêu lên. 1.1. Nhà cao tầng và xu hướng phát triển 1.1.1. Tổng quan về nhà cao tầng ở Việt Nam Trên thế giới các công trình cao tầng đã có lịch sử phát triển lâu đời và đã đạt đến những trình độ cao về thiết kế kết cấu, công nghệ xây dựng, vật liệu … Đỉnh điểm là tại Mỹ vào những năm 60-70 của thế kỷ trước và tập trung tại một số thành phố lớn như Chicago, Los Angeles và New York. Tại Việt Nam từ trước những năm 1945 các công trình cao tầng ở Việt Nam chủ yếu chỉ là các khu nhà tập thể cao từ 4 -5 tầng và tập trung chủ yếu ở một số thành phố như Hà Nội, Hải Phòng. Khi Mỹ đưa quân vào miền Nam Việt Nam vào những năm 60 của thế kỷ trước kéo theo nhiều thay đổi về mặt kinh tế xã hội cũng như hạ tầng kỹ thuật của các đô thị đặc biệt là Sài Gòn. Cũng chính tại đây vào thời gian này, các công trình cao tầng bắt đầu được du nhập vào Việt Nam. Tiêu biểu là các cao ốc: Thư viện Quốc gia, Trụ sở Việt Nam Thương tín, Bệnh viện Chợ Rẫy, Cao ốc chung cư 727 Trần Hưng Đạo, Khách sạn Palace, Khách sạn Caravel… Phần lớn các công trình cao tầng thời gian này được thiết kế có chiều cao khiêm tốn, cao nhất cũng chỉ khoảng 14 tầng nhưng đã đánh dấu sự xuất hiện của công trình cao tầng tại Việt Nam. Năm 1987 khách sạn Hà Nội cao 11 tầng được xây dựng tại Hà Nội là công trinh cao tầng được xây dựng thí điểm ở miền Bắc. Sau 1975 các công trình cao tầng ở Việt Nam có phát triển nhưng rất chậm vì lý do quá trình chuyển đổi nền kinh tế từ bao cấp sang kinh tế thị trường. Từ năm 1996 đến nay do chính sách đổi mới cùng với quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, cơ sở hạ tầng đã tạo điều kiện đẩy mạnh xây dựng, phát triển nhà cao tầng ở các đô thị lớn nhưng chủ yếu cũng chỉ tập trung ở 2 thành phố là Hà Nội và Hồ Chí Minh. 5 Có thể kể đến một số công trình nhà cao tầng tiêu biểu ở Việt Nam hiện nay như sau: - Tòa nhà Keangnam Hanoi Landmark: với chiều cao: 336 m gồm 72 tầng bao gồm 2 cao ốc văn phòng 50 tầng cùng với 1 tháp cao 72 tầng. Chức năng: Nhà ở, trung tâm thương mại, văn phòng và khách sạn; - Tòa nhà Hanoi Lotte Center: với chiều cao 267 m gồm 65 tầng với 5 tầng hầm, là một tổ hợp thương mại, văn phòng, khách sạn, nhà ở; - Toà nhà Bitexco Tower: Cao 262,5 m với 68 tầng, được thiết kế dựa theo nguyên mẫu của hoa sen, quốc hoa của Việt Nam. Với thiết kế bằng kính ấn tượng cộng thêm khu đỗ trực thăng, tháp Bitexco hiện là toà nhà cao nhất TP HCM; - Tháp VietcomBank: với chiều cao 205m là trụ sở mới của Vietcombank rộng 55.000m2 nhìn ra sông Sài Gòn, được đưa vào hoạt động ngày 07/11/2015 cao 206m với tầng, 04 tầng hầm; - Trung tâm Hành chính Đà Nẵng: với chiều cao 166,9m có thiết kế giống như ngọn hải đăng và sở hữu công nghệ quản lý hiện đại, Trung tâm Hành chính Đà Nẵng là toà nhà cao nhất thành phố. Không những vậy, công trình này còn được đánh giá cao bởi tính thân thiện với môi trường. a) Keangnam Hanoi Landmark b) Hanoi Lotte Center c) Bitexco Tower d) VietcomBank Tower Hình 1.1: Một số công trình cao tầng bê tông cốt thép 6 1.1.2. Hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng Các công tình cao tầng hiện nay loại hình kết cấu phổ biến nhất là khung và khung-vách. Hệ kết cấu khung được làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép. Hệ kết cấu khung có ưu điểm vượt trội so với kết cấu khối xây được sử dụng trước đó. Như kết cấu tương đối đơn giản, được hình thành bởi các cột và dầm liên tục, có đặc điểm là tương đối nhẹ giúp giảm trọng lượng bản thân công trình. Đồng thời hệ kết cấu khung cho phép kết cấu có ứng xử dẻo, hạn chế các phá hoại mang tính “dòn” và “phát triển” như đối với kết cấu khối xây. Tuy nhiên kết cấu khung cũng có một số hạn chế khi sử dụng cho các công trình cần không gian rộng như văn phòng hay trung tâm thương mại do tương đối nhiều cột, chiều cao dầm lớn. Hệ kết cấu khung thường chỉ thích hợp cho các công trình dưới 25 tầng, với công trình cao hơn hoặc yêu cầu về không gian lớn hệ kết cấu khung không thích hợp. Hệ kết cấu với các biến thể của lõi phía trong Hệ kết cấu với các biến thể của vỏ phía ngoài Hình 1.2: Một số hệ kết cấu nhà cao tầng Một dạng kết cấu cũng được sư dụng rất phổ biến trong nhà cao tầng là hệ kết cấu khung - vách (Hình 1 - 4). Hệ kết cấu khung – vách là sự kết hợp giữa hai loại hình kết cấu vách và khung cùng chịu tải trọng cho công trình. Hệ kết cấu này có ưu điểm nổi bật so với kết cấu khung chính là sự tương tác giữa hai hình thái biến dạng dạng cắt (của khung) và biến dạng dạng uốn (của vách) làm tăng độ cứng của cả hệ. Loại kết cấu này thích hợp với công trình từ 10 đến 50 tầng và có thể cao hơn. Nếu sử dụng một số kết cấu kết hợp khác, hệ kết cấu này có thể áp dụng cho công trình đạt tới 80 tầng. 7 Hình 1.3: Mô hình chịu lực của kết cấu khung-vách Một dạng kết cấu cũng khá phổ biến và được sử dụng rộng rãi hiện nay là kết cấu lõi. Kết cấu lõi thường được cấu thành bởi các vách thang máy và thang bộ. Kết cấu dạng lõi là kết cấu không gian có thể chịu được tải trọng đứng, lực cắt, mô men và xoắn theo hai phương. Hình dạng của lõi phụ thuộc vào yêu cầu bố trí mặt bằng kiến trúc hoặc kỹ thuật, có thể thay đổi từ lõi đơn tới nhiều lõi. Hạn chế của hệ kết cấu này chính là kích thước của lõi thường bị giới hạn, phụ thuộc kiến trúc do đó hiệu quả chịu lực ngang và tính truyền lực của sàn sẽ không cao khi kết cấu làm việc như một công son. Hệ kết cấu này phù hợp nhất với công trình cao khoảng 40 tầng. Mộ loại hình kết cấu được sư dụng là kết cấu ống. Kết cấu ống được sử dụng chủ yếu cho các công trình siêu cao tầng như tòa nhà như Aon Center (Chicago) 83 tầng cao 346m, Willis Tower (Chicago) 108 tầng cao 442m và World Trade Center (New York) 110 tầng cao 417m. Ban đầu hệ kết cấu ống được cấu tạo bởi cách bố trí nhiều cột và dầm sát nhau. Sau đó hệ kết cấu này được phát triển với sự xuất hiện của nhiều kiểu giằng chéo, tạo thành hệ giàn tại mặt ngoài công trình. Hệ kết cấu ống kết hợp giằng chép phát huy tối đa khoảng cách cột biên xung quanh nhà. Xét về khía cạnh kinh tế hệ kết cấu này nên áp dụng với nhà cao trên 40 tầng. Tuy nhiên, hệ kết cấu này cũng có những khuyết điểm nhất định. Các hệ kết cấu phức tạp như hệ siêu khung, giàn không gian, bó lõi được áp dụng cho những công trình có chiều cao lớn, rất lớn. Điển hình là tòa tháp Burj Khalifa Dubai, sử dụng hệ kết cấu bó lõi kết hợp đai biên đã cho phép công trình đạt tới chiều cao 828m (160 tầng), hiện nay là công trình nhà cao nhất thế giới. Kết cấu có tầng cứng, loại kết cấu này được phát triển dựa trên nguyên lý chuyển hóa lực cắt tầng từ lõi trung tâm thành lực dọc trong cột nằm ở biên công trình khi chịu tải trọng ngang, thông qua một hoặc nhiều dầm cứng bố trí tại các vị 8 trí hợp lý theo chiều cao, giúp tăng đáng kể độ cứng ngang của công trình. Hệ kết cấu tầng cứng còn có ưu điểm là hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng chênh lệch biến dạng co ngắn giữa cột ngoài và lõi do lực dọc gây ra. Hiện nay, hệ kết cấu này được áp dụng rất nhiều.. Với ưu thế về khả năng làm việc, hệ kết cấu lõi - tầng cứng công trình có thể đạt tới 150 tầng. Bên cạnh sự phát triển về chiều cao và loại hình kết cấu, các công trình cao tầng và siêu cao tầng còn là nơi mà các vật liệu mới và công nghệ tiên tiến được triển khai áp dụng, xuất phát từ những đòi hỏi cao về kỹ thuật cần phải xử lý trong thiết kế và thi công xây lắp. Vật liệu composite cũng bắt đầu được sử dụng cho các công trình cao tầng. Kết cấu thép cũng đóng vai trò quan trọng, tạo nên sự phát triển rõ nét đối với nhà cao tầng sử dụng loại vật liệu này. Ngày nay, những ưu thế về tính kinh tế, độ cứng, tính cản lớn của bê tông kết hợp với tính nhẹ, dễ xây dựng của thép đã mở ra thời kỳ mới cho việc ứng dụng các loại hình kết cấu hỗn hợp lớn như siêu cột, siêu khung. 1.1.3. Xu hướng phát triển của nhà cao tầng Với tính năng của hệ kết cấu bên trong và bên ngoài của nhà cao tầng mà ở nước ta trong hai thập niên vừa qua, nhà cao và siêu cao đã được xây dựng nhiều tại Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phố lớn khác trong nước. Do quỹ đất đô thị hạn hẹp, mật độ dân số cao nên việc phát triển những dự án cao tầng, hệ thống tàu điện ngầm, tàu điện trên cao và các hệ thống hạ tầng kỹ thuật đô thị khác trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa là điều khó tránh khỏi. Bảng 1-1 liệt kê một số công trình cao tầng ở Việt Nam. Điển hình cho các dự án siêu cao là các tòa tháp Bitexco (68tầng, cao 262m), Hanoi Keangnam Landmark Tower (70tầng, cao 330m), Hanoi Lotte Center (65tầng, cao 268m). Cả ba công trình này đều sử dụng hệ kết cấu khung lõi kết hợp với tầng cứng và đều được thiết kế bởi công ty tư vấn nước ngoài. Các đơn vị trong nước thường đóng vai trò giúp đỡ hoặc thầu phụ. Nguyên nhân chính là do các kỹ sư Việt Nam chưa có cơ hội để trải nghiệm các giải pháp kết cấu hiện đại cho nhà siêu cao tầng hiện đã và đang phát triển mạnh trên thế giới. 9 Bảng 1.1: Thống kê một số công trình cao tầng ở Việt Nam Công trình Số tầng Công Địa điểm năng xây dựng Hầm Nổi Chiều Tiêu cao H Hệ kết cấu chuẩn thiết kế (m) Khung lõi + Keangnam Hỗn hợp Hà Nội 2 70 330 Lotte Center Hỗn hợp Hà Nội 5 65 268 Vietinbank Hỗn hợp Hà Nội 3 68 263 Hỗn hợp TP HCM 3 68 262 Hỗn hợp TP HCM 4 40 164 Khung lõi VN Hà Nội 2 38 141 Khung vách VN Indochina Plaza Hỗn hợp Hà Nội 3 37 135 Khung lõi Mỹ 2 36 167 Khung lõi VN-Mỹ Bitexco Financial Tower Time Square Trụ sở HANDICO Trung tâm hành chính Đà Nẵng Văn phòng Văn phòng Đà Nẵng tầng cứng Khung lõi + tầng cứng Siêu khung Khung lõi + tầng cứng VN-Mỹ VN-Mỹ VN-Mỹ VN-Mỹ Trong khoảng thời gian từ năm 1990 đến nay, ở nước ta cũng có một số nghiên cứu liên quan đến nhà cao tầng như: Nghiên cứu công nghệ xây dựng nhà cao tầng (Viện KHCN Xây dựng, 1993~1995), biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế công trình trong vùng có động đất (Viện KHCN Xâydựng, 1998~2000), Nghiên cứu các giải pháp thiết kế kháng chấn (Viện KHCN Xây dựng, 2000~2002), Nghiên cứu thiết kế nhà cao tầng (Trường đại học kiến trúc HàNội, 2001~2004), Nghiên cứu các cấu tạo kháng chấn (Trường đại học xây dựng, 2000~2002). Đáng chú ý là các nghiên cứu gần đây của hai đề tài Nghị định thư giữa Việt Nam và Bulgaria do nhóm tác giả PGS. TS. Nguyễn Xuân Chính, GS. TSKH Nguyễn Đăng Bích, TS. Trịnh Việt Cường, TS. Nguyễn Đại Minh thuộc Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng thực hiện với nội dung “Hướng dẫn thiết kế kết cấu nhà caotầng bê tông cốt thép chịu động đất” năm 2008 và “Nghiên cứu đánh giá khả năng kháng chấn của các chung cư nhiều tầng và đề xuất giải pháp khắc phục” năm 2011. Hai đề tài trên tập trung vào hướng dẫn thiết kế nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép chịu tác động của động đất và hướng dẫn đánh giá khả năng kháng chấn của chung cư cũ cao tầng hiện hữu và các giải pháp gia cường hiệu quả khi chịu động đất. Nói chung, các nghiên cứu này phần nào cũng đóng góp nâng cao chất lượng thiết kế cho kết cấu nhà cao tầng của cả nước trong thời gian qua. 10 1.2. Độ cứng công trình bê tông cốt thép 1.2.1. Khái niệm độ cứng kết cấu Theo như luân văn Thạc sĩ của Hồ Việt Hùng [8], độ cứng là khả năng chống lại biến dạng của một cấu kiện, bộ phận kết cấu hoặc hệ kết cấu dưới tác dụng của ngoại lực. Giá trị của độ cứng biểu diễn mối quan hệ giữa tải trọng và biến dạng. Độ cứng không phải là một giá trị bất biến mà thay đổi trong quá trình làm việc của cấu kiện hoặc kết cấu dưới tác dụng của tải trọng. Tuỳ theo cách thức xác định mà độ cứng chia làm 3 loại: độ cứng ban đầu, độ cứng cát tuyến và độ cứng tiếp tuyến. Cách thức xác định 3 loại độ cứng này được minh hoạ trong Hình . Hình 1.4: Độ cứng công trình bê tông cốt thép Hình 1.4 cho thấy phản ứng của kết cấu khi hệ chịu tải trọng ngang, đường cong phản ứng là đường biểu diễn quan hệ giữa lực cắt đáy V với tổng chuyển vị ngang . Độ cứng ban đầu đàn hồi K0 của kết cấu được xác định bằng độ dốc ban đầu của đường cong phản ứng, đây là giai đoạn làm việc tuyến tính xảy ra ở hầu hết các vật liệu xây dựng. Độ cứng cát tuyến Ks là độ dốc của đường thẳng nối tâm O tới các điểm trên đường cong phản ứng (tương ứng với các cấp tải trọng). Các vật liệu xây dựng thông thường đều có độ cứng ban đầu K0 lớn hơn độ cứng cát tuyến Ks. Trong miền dẻo, độ cứng của kết cấu thường được xác định bằng độ cứng tiếp tuyến Kt, đó là độ dốc của đường tiếp tuyến với đường cong phản ứng. Sự giảm giá trị Kt cho thấy giai đoạn mềm hoá biến dạng của kết cấu. Độ cứng được sử dụng nhiều nhất trong tính toán kết cấu là độ cứng cát tuyến, giá trị của độ cứng cát tuyến phản ánh được biến dạng của hệ kết cấu ứng với các cấp của tải trọng. Theo định nghĩa như trong Hình , độ cứng cát tuyến được xác định bằng công thức sau: 11   (1) Trong đó, F là tải trọng (lực, mô men) còn  là biến dạng (chuyển vị, góc xoay) của hệ kết cấu. Độ cứng cũng có sự phân biệt theo cấp độ của vật thể, đó là độ cứng của cấu kiện và độ cứng của hệ kết cấu (hay độ cứng tổng thể). ở cấp độ cấu kiện, tuỳ theo loại tải trọng và biến dạng tương ứng mà có các loại độ cứng: độ cứng dọc trục, độ cứng chống uốn, độ cứng chống xoắn và độ cứng chống cắt. ở cấp độ hệ kết cấu, tuỳ theo phương của tải trọng mà độ cứng được phân ra thành độ cứng theo phương đứng và độ cứng theo phương ngang. 1.2.2. Ảnh hưởng của độ cứng đến các đặc trưng dao dộng công trình Ứng xử của công trình cao tầng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khách quan và chủ quan. Trong đó yếu tố chủ quan là độ cứng của công trình và yếu tố khách quan là tải trọng động tác dụng lên công trình. Dưới tác dụng của tải trọng động, biến dạng, chuyển vị và nội lực trong kết cấu thay đổi theo thời gian. Sự dịch chuyển của các khối lượng trên công trình với một gia tốc nhất định phát sinh ra các lực quán tính đặt tại các khối lượng và gây ra hiện tượng dao động của công trình. Bài toán dao động công trình đặt ra các nhiệm vụ: xác định phản ứng động (nội lực, chuyển vị) để kiểm tra điều kiện bền và điều kiện cứng, xác định tần số dao động để kiểm soát hiện tượng cộng hưởng, xác định kiểm soát gia tốc dao động cực đại để đảm bảo công năng sử dụng của công trình. Một phương pháp đơn giản thường gặp để giải các bài toán động là phương pháp tĩnh. Lực quán tính được kể đến như một lực tĩnh tại thời điểm khảo sát và được đưa vào phương trình cân bằng động theo nguyên lý D’Alembert. Nếu gọi ω là tần số dao động riêng của hệ khi không có lực cản. Chu kỳ dao động của hệ không có lực cản được xác định theo biểu thức:   (2) Trong đó: m là khối lượng của hệ và k là độ cứng của hệ. Biểu thức trên cho thấy mối quan hệ giữa chu kỳ dao động riêng và độ cứng của hệ. Khi độ cứng của hệ tăng thì chu kỳ dao động riêng của hệ sẽ giảm xuống và ngược lại, điều này được minh hoạ trong Hình 1.5.