Chương 1. Giới thiệu 6 Giới thiệu về công trình nhà cao tầng, động đất và vấn đề gặp phải. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
Giới thiệu cấu trúc của bài luận văn. Tổng quan Tổng quan về nhà cao tầng và động đất; tình hình nghiên cứu nhà cao tầng chịu động đất của các tác giả ngoài nước, trong nước. Nêu những vấn đề mà luận văn tập trung giải quyết. Cơ sở lý thuyết Trình bày các cơ sở lý thuyết, các phương pháp sẽ áp dụng để xử lý số liệu đầu ra của các đáp ứng dao động, các phương pháp đánh giá các đặc trưng dao động của kết cấu.
Các bài toán khảo sát Tiến hành mô phỏng nhà cao tầng trong phần mềm chuyên dụng SAP2000. Phân tích kết cấu dao động tự do và khi kết cấu chịu các sóng động đất khác nhau để thu được các đặc trưng dao động tương ứng. Phân tích và đánh giá các kết quả đạt được. Kết luận và kiến nghị Đưa ra một số kết luận quan trọng đạt được trong luận văn và kiến nghị áp dụng, hướng phát triển đề tài trong tương lai.
TỔNG QUAN Định nghĩa về nhà cao tầng thay đổi từng nước tùy thuộc vào sự phát triển khoa học kỹ thuật, kinh tế, xã hội và ứng dụng công nghệ của nước đó. Theo Ủy ban nhà cao tầng Quốc tế: “Một công trình được xem là nhà cao tầng nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với nhà thông thường”. Có thể định nghĩa theo cách khác: “Nhà cao tầng là một nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng tới ý đồ và cách thức thiết kế”.1 Quy định nhà cao tầng của một số quốc gia Quốc Trung Việt SNG Mỹ Pháp Anh Nhật Đức gia Quốc Nam 10 10 tầng 10 tầng Nhà ở tầng >50m 11 Công trở lên trở lên Cao trở lên tầng và trình 22m >24,3m chiều cao tính từ Công Nhà cao từ trên mặt nền trình 7 tầng >24 m trên 22 >28 m 31m 40m khác -25 m Phân loại nhà cao tầng theo mục đích sử dụng, hình dạng, chiều cao, vật liệu, dạng kết cấu… Các nước trên thế giới tùy theo sự phát triển nhà cao tầng của mình mà có cách phân loại khác nhau. Từ những năm 1990, chính sách đổi mới kêu gọi đầu tư nước ngoài cùng với sự phát triển kinh tế đã tạo điều kiện đẩy mạnh xây dựng nhà cao tầng ở một số đô thị lớn ở Việt Nam.
Sự phát triển nhanh chóng thể loại nhà này đã làm thay đổi bộ mặt đô thị của cả nước, đầu tiên là ở Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, sau đó lan rộng ra nhiều tỉnh, thành khác. Có thể kể đến một số công trình nhà cao tầng tiêu biểu ở Việt Nam hiện nay như: Tòa nhà Vincom Landmark 81 với chiều cao: 461m gồm 81 tầng. Landmark 81 trở thành dự án đầu tiên đưa Việt Nam lọt vào top 10 quốc gia có công trình tòa nhà chọc trời cao nhất thế giới, chính thức trở thành tòa nhà cao nhất Việt Nam vào thời điểm khai trương năm 2018. 8 Tòa nhà Keangnam Hanoi Landmark với chiều cao: 336m 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 Lotte Center (Hà Nội) với chiều cao: 272m gồm 65 tầng với 5 tầng hầm, là một tổ hợp thương mại, văn phòng, khách sạn, nhà ở. Tòa nhà Bitexco Financial Tower: Cao 262m 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.
Trung tâm Hành chính Đà Nẵng với chiều cao: 167m gồm 34 tầng 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. Về mặt kết cấu, một công trình được định nghĩa là cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang (gió, động đất) quyết định. Mặc dù chưa có sự thống nhất chung nào về định nghĩa nhà cao tầng nhưng có một ranh giới được đa số các kỹ sư kết cấu chấp nhận, đó là từ nhà thấp tầng sang nhà cao tầng có sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân tích động học khi nhà chịu tác động của tải gió, động đất.
tức là vấn đề dao động và ổn định nói chung. Động đất là hiện tượng rung động đột ngột của vỏ Trái đất, mạnh hay yếu tùy từng trận (xác định bằng độ Richter) do sự dịch chuyển các mảng thạch quyển hoặc các đứt gãy ở dưới mặt đất và truyền qua các khoảng cách lớn. Một chấn động đơn độc thường kéo dài không quá vài giây, những trận động đất nghiêm trọng nhất cũng chỉ kéo dài tối đa là 3 phút. Tác động trực tiếp của các trận động đất là rung cuộn mặt đất, gây ra hiện tượng nứt vỡ, làm sụp đổ các công trình xây dựng, gây sạt lở đất, lở tuyết.
Mức độ nghiêm trọng của nó dựa trên cường độ, khoảng cách tính từ chấn tâm và các điều kiện về địa chất, địa mạo tại nơi bị ảnh hưởng. Vì động đất xảy ra rất bất ngờ cũng như tính chất nguy hiểm của nó, trong khi chúng ta không thể làm gì để ngăn chặn nó, nên cách duy nhất để đối phó là làm sao để giảm đến mức tối đa thiệt hại mà động đất gây nên, nhất là đối với nhà cao tầng. Do đó, việc nghiên cứu các đáp ứng của nhà cao tầng khi chịu tải động đất là một điều mang tính cấp thiết. Từ đó, một số giải pháp kết cấu hợp lý được đề xuất hướng tới sự phát triển bền vững của nhà cao tầng ở Việt Nam.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài Các nghiên cứu liên quan đến luận văn trên thế giới: 9 West (1984) đã đề xuất một phương pháp có tên M.C (Modal Assurance Criterion) để đánh giá sự khác nhau giữa các dạng dao động giữa 2 mô hình được phân tích.
Đây là một phương pháp phổ biến cho việc xác định mức độ tương quan tuyến tính giữa 2 dạng dao động [36]. Brincker và cộng sự (2001) đã nghiên cứu một kỹ thuật trên miền tần số (Frequency Domain Decomposition - FDD) áp dụng cho việc điều khiển dữ liệu đầu ra và xác định các đặc trưng của hệ. Phương pháp có thể ước tính được các đặc trưng dao động của hệ mà không cần xác định các kích thích đầu vào. Bằng cách phân tích hàm ma trận phổ mật độ năng lượng có thể được tách thành một tập hợp các hệ một bậc tự do, mỗi hệ tương ứng với một dạng dao động riêng.
Bằng cách sử dụng này, kỹ thuật phân tích trên miền tần số (FDD) có thể xác định được các đặc trưng dao động với độ chính xác cao ngay cả trong trường hợp nhiễu từ môi trường mạnh. Ngoài ra, phương pháp còn chỉ ra các thành phần điều hòa trong các tín hiệu phản ứng [1]. Furukawa và Kiyono (2004) đã nhận dạng hư hỏng của kết cấu dựa trên các phản ứng rung động. Bài báo trình bày về Hàm đáp ứng tần số FRF (Frequency Response Functions) được thiết lập bởi lực kích thích điều hòa.
Dựa trên thực tế, nếu kết cấu bị hư hỏng sẽ đi cùng với việc giảm độ cứng và tăng độ cản của chúng. Phương trình nhận dạng hư hỏng được thiết lập bằng cách so sánh với các phương trình chuyển động của kết cấu trước và sau khi hư hỏng [8]. Yi và Yun (2004) đã thực hiện các cuộc thí nghiệm số để tiến hành so sánh tính hiệu quả trong việc xác định các đặc trưng dao động của các kết cấu khác nhau giữa các kỹ thuật phân tích dao động từ các dữ liệu đầu ra. Trong đó, nhóm tác giả có một số kết luận: Các kết quả ước tính thu được bằng các kỹ thuật trong miền tần số cho kết quả dễ bị nhiễu hơn so với các kết quả thu được bằng các kỹ thuật trong miền thời gian còn lại, nhưng nhìn chung các phương pháp được thực hiện trong thí nghiệm này đều cho ra các kết quả ước tính rất tốt về tần số tự nhiên, lẫn dạng dao động, còn tỷ số cản có sự khác biệt rõ rệt [39].
Brincker và cộng sự (2006) đã tiến hành phân tích, giải thích các bước tính toán trong kỹ thuật điều khiển dữ liệu Nhận dạng không gian con ngẫu nhiên (Stochastic Subspace Identification - SSI). Nhóm tác giả phát biểu rằng đây là một trong các kỹ thuật điều khiển dữ liệu mạnh nhất đã được biết đến để phân tích các dữ liệu đầu vào tự nhiên của một mô hình trong miền thời gian. Các thuật toán của kỹ thuật này đã xuất hiện từ hơn 30 năm trước nhưng chỉ thật sự đột phá vào năm 1996 với sự xuất bản của một cuốn sách do Van Overschee và De Moore viết ra theo các khái niệm của lý thuyết ngẫu nhiên. Tuy nhiên, đây là một kỹ thuật tương đối khó để có thể hiểu rõ, vì tính hiệu quả ngay lập tức 10 của các thuật toán mang lại mà khuôn khổ toán học trong cuốn sách được chấp nhận như một tiêu chuẩn thực tế cho các thuật toán SSI về sau [2].
Nikolai và Rolfes (2014) xác định sức chịu tải và khả năng sử dụng của các sàn trần nhà gỗ thông qua các phương pháp không phá hủy kết cấu, sử dụng kỹ thuật phân tích đáp ứng dao động. Nghiên cứu miêu tả một phương thức tự động cập nhật mô hình số bằng cách cập nhật các tham số động được cập nhật thông qua phương pháp Phân tích miền tần số (FDD). Mô hình được cập nhật có khả năng thể hiện ứng xử động học của sàn trong vùng tần số mà ta khảo sát [21]. Wei và cộng sự (2014) phân tích khả thi kinh tế của việc tăng cường trước động đất các tòa nhà trong khu vực địa chấn vừa phải/dễ bị tổn thương cao.
Nghiên cứu này cung cấp cho những người ra quyết định công cộng phương pháp tiêu chuẩn hóa để chứng minh tính khả thi về kinh tế của các phương án giảm thiểu rủi ro địa chấn để Chiến lược giảm nhẹ động đất công cộng hiệu quả có thể đạt được [35]. Tạp chí Kiến trúc Việt Nam (2016) đã giới thiệu Nhật Bản có rất nhiều công nghệ chống động đất [9].