CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘNG ĐẤT 1.1 Tổng quan về nhà cao tầng Với tốc độ phát triển kinh tế xã hội như hiện nay. Nhà cao tầng bắt đầu trên cuộc đua thống trị các công trình xây dựng có quy mô lớn, ở các quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới. Các công trình xây dựng trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển cấp tiến về chiều cao cũng như độ phức tạp. Hệ kết cấu trong nhà cao tầng phải đáp ứng được các yêu cầu về biến dạng, chuyển vị và cường độ chịu tải của tòa nhà.
Đặc biệt là việc xác định phản ứng của công trình trước các yếu tố tác động của điều kiên bên ngoài như tải trọng gió, động đất v.v… là rất quan trọng trong việc thiết kế kết cấu nhà cao tầng khi chịu tác động của tải trọng ngang. Nhà cao tầng khi có chiều cao càng lớn thì ảnh hưởng của tải trọng ngang tác động lên kết cấu nhà cao tầng càng lớn. Lúc đó sự biến dạng và chuyển vị theo phương ngang không những chỉ ảnh hưởng đến điều kiện sử dụng bình thường của công trình mà còn ảnh hưởng đến sự an toàn của kết cấu thông qua hiệu ứng P-Delta (Dựa trên bài toán phi tuyến hình học). P-Delta là hiệu ứng gây ra moment uốn khá lớn trong cột do chuyển vị ngang tương đối lớn giữa hai đầu cột.
Nhằm đáp ứng yêu cầu chính xác trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng ngang, khi tính toán xét đến hiệu ứng P-Delta cần được quan tâm một cách đúng mức.2 Tổng quan về động đất Động đất là một trong những thảm họa thiên nhiên nghiêm trọng từ hàng ngàn năm. Các trận động đất lớn đã gây ra bất ổn xã hội nặng nề ở các vùng lân cận của tâm chấn. Đặc biệt là với các công trình kiến trúc, nhà cao tầng bị hư hỏng, gây thiệt hại cho người và tài sản, nhất là trong khu vực thành thị, nơi tập trung nhiều các công trình xây dựng. Điều đáng sợ hơn là cho đến nay khoa học và kỹ thuật đương đại vẫn chưa dự báo chính xác thời điểm và địa điểm động đất sẽ xảy ra.
Do đó, con người chưa có biện pháp phòng chống chủ động đối với từng trận động đất. Và như một hệ lụy tất yếu, khi động đất xảy ra gây thiệt hại rất to lớn về người và tài sản. 4 Để hạn chế các tổn thất do động đất và đảm bảo an toàn, cần phải không ngừng nghiên cứu phân tích thiết kế kết cấu, cũng như đưa ra các giải pháp tính toán phù hợp nhằm giúp cho các công trình ngày càng nâng cao khả năng chịu lực dưới tác động của các trận động đất.3 Tổng quan về thiết kế nhà cao tầng Theo quan niệm hiện đại trong thiết kế kháng chấn, sự làm việc của một công trình xây dựng trong thời gian xảy ra động đất phụ thuộc vào hai yếu tố chính: Cường độ động đất và Chất lượng công trình. Nếu chất lượng công trình là một yếu tố có độ tin cậy tương đối cao vì nó phụ thuộc vào những điều kiện có thể kiểm soát như phương pháp thiết kế, tính toán, thi công…thì cường độ động đất lại là một yếu tố có độ tin cậy rất thấp bởi các số liệu động đất còn rất hạn chế.
Do đó quan điểm thiết kế kháng chấn đúng đắn nhất hiện nay là chấp nhận tính không chắc chắn của hiện tượng động đất để tập trung vào việc thiết kế các công trình có mức độ an toàn chấp nhận được. Các công trình xây dựng được thiết kế theo quan điểm này phải có độ cứng, độ bền và độ dẽo ở mức độ thích hợp nào đó nhằm bảo đảm trong trường hợp động đất xảy ra sinh mạng con người được bảo vệ, các hư hỏng được hạn chế và những công trình quan trọng có chức năng bảo vệ cư dân vẫn có thể duy trì hoạt động. Vì vậy mục tiêu của việc thiết kế kháng chấn hiện nay là giảm đến mức tối đa xác suất hư hỏng ở các công trình xây dựng khi xảy ra các trận động đất trung bình và chấp nhận các hư hại lớn (nhưng không sụp đổ) ở các kết cấu chịu lực khi xảy ra các trận động đất mạnh.4 Các nghiên cứu tương tự 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Tantala M. (2002) Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá độ tin cậy của các tòa nhà cao tầng chịu tải trọng động đất.
Những nhược điểm của kết cấu nhà cao tầng được thể hiện qua sự phát triển các đường cong xác suất phá hủy (fragility curves). Các đường cong này cho thấy khả năng vượt quá mức quy định thiệt hại của một loạt các cường độ chuyển động mặt đất. Do đó chúng cực kỳ quan trọng 5 trong việc đánh giá các rủi ro cho công trình chịu tác động bởi các trận động đất tiềm ẩn. Moehle (2006) Trình bày xu hướng trong thiết kế kháng chấn của các tòa nhà cao tầng là sử dụng phương pháp tiếp cận dựa trên hiệu quả phân tích động phi tuyến để mô phỏng phản ứng dự kiến trận động đất.
(2009) Trình bày và đánh giá sự tác động của mô hình không chắc chắn của các tòa nhà. Nghiên cứu bao gồm việc đánh giá xác suất của sự sụp đổ cấu trúc rủi ro thông qua mô phỏng phản ứng phi tuyến, do sự kết hợp chặt chẽ những bất ổn liên quan đến chuyển động mặt đất và mô hình hóa kết cấu. (2010) Đánh giá thiệt hại do địa chấn của các kết cấu bê tông cốt thép. Bài viết này tập trung vào một số kỹ thuật đánh giá xác định tổn thất có thể đối với các tòa nhà bê tông cốt thép trong trường hợp xảy ra động đất.
Nghiên cứu cho thấy mặc dù có nhiều tiến bộ trong lĩnh vực dự báo địa chấn, tuy nhiên động đất vẫn không thể dự đoán chính xác về thời gian, cường độ hoặc vị trí. Ngay cả khi có thể dự đoán chính xác, thì sự xuất hiện động đất và khả năng gây ra hậu quả của nó là không thể ngăn chặn được. Nguy hiểm địa chấn và các nguy cơ không thể được loại bỏ, nhưng ta có thể ngăn chặn một phần hoặc giảm thiểu thiệt hại bằng cách kết hợp các loại dữ liệu có sẵn để đưa vào phân tích, áp dụng. Lựa chọn để ứng dụng những mô hình có độ tin cậy hoặc các công trình áp dụng các kỷ thuật công nghệ kháng chấn phát triển đã được nghiên cứu.2 Các nghiên cứu trong nước Đinh Văn Thuật (2011) Trình bày một phương pháp đánh giá chuyển vị ngang phi tuyến lớn nhất của kết cấu nhà nhiều tầng được thiết lập dựa theo kết quả phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu chịu tải trọng động đất và kết hợp sử dụng phổ gia tốc thiết kế đàn hồi qui định trong TCXDVN 9386-2012 với các mức cản nhớt khác nhau.
Trong nghiên cứu này, một ví dụ tính toán minh hoạ được thực hiện cho kết cấu khung nhà thép cao 10 tầng được thiết kế xây dựng ở Hà Nội, và được kiểm chứng với kết quả phân tích động phi tuyến theo lịch sử thời gian dưới tác dụng của 10 băng gia tốc nền 6 nhân tạo tương ứng với phổ gia tốc thiết kế đàn hồi. Kết quả đã chỉ ra rằng phương pháp đánh giá tương đối tốt chuyển vị ngang phi tuyến lớn nhất ở đỉnh mái của kết cấu nhà nhiều tầng. Trần Thanh Tuấn, Nguyễn Hồng Ân & Nguyễn Khánh Hùng (2014) Trình bày cách đánh giá độ chính xác và sai lệch của chuyển vị mục tiêu được xác định bằng phương pháp đẩy dần MPA (Modal Pushover Analysis) dựa trên phổ khả năng (Capacity Spectrum Method) cho khung thép phẳng một nhịp với 3, 6, 9, 12, 15 và 18 tầng chịu tác động của hai bộ động đất với tần suất xảy ra là 2% và 10% trong 50 năm. Kết quả của phương pháp MPA-CSM được so sánh với kết quả phương pháp đẩy dần chuẩn SPA (Standard Pushover Analysis), phương pháp MPA (Modal Pushover Analysis) và kết quả chính xác của phương pháp phân tích theo miền thời gian NL- RHA (Nonlinear Response History Analysis).
Nguyễn Thế Sơn (2014) Sử dụng phương pháp thiết kế kháng chấn khung bê tông cốt thép dựa vào phân tích tĩnh phi đàn hồi đẩy dần SPA (pushover) thay cho phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính có sử dụng hệ số ứng xử q như đã đề cập trong tiêu chuẩn Eurocode 8, Minh họa chi tiết cho ưu và nhược điểm của phương pháp nghiên cứu này bằng một khung BTCT 10 tầng được thiết kế theo tiêu chuẩn Eurocode 8, Các cấp độ làm việc và chuyển vị mục tiêu của hệ kết cấu theo Eurodode 8 được nghiên cứu và so sánh với FEMA273 bằng phần mềm ETABS. Nguyễn Hồng Hải, Nguyễn Hồng Hà và Vũ Xuân Thương (2014) Trình bày nghiên cứu của một số tác giả trên thế giới liên quan tới việc sử dụng phổ chuyển vị trong phân tích ứng xử của kết cấu nhà cao tầng chịu động đất theo phương pháp dựa trên chuyển vị. So sánh kết quả phân tích khi áp dụng phổ chuyển vị theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn Mỹ ASCE 7-2010, Kết quả cho thấy phổ chuyển vị theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 không phù hợp để xác định chuyển vị mục tiêu cho kết cấu nhà cao tầng đồng thời kiến nghị sử dụng phổ chuyển vị theo ASCE 7 để phân tích.1 Thế nào là nhà cao tầng ? 2.1 Định nghĩa Nhà cao tầng, được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện kinh tế xã hội của từng nước. Nhà nhiều tầng không có định nghĩa cụ thể.
Theo Ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế: “Ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với ngôi nhà thông thường được gọi là nhà cao tầng”. Trong cuộc hội thảo quốc tế về nhà cao tầng, người ta đã phân loại nhà cao tầng như sau: + Nhà nhiều tầng là nhà có số tầng từ 10 – 12 tầng. + Nhà cao tầng là nhà có số tầng từ 25 – 30 tầng. + Nhà chọc trời là nhà có số tầng lớn hơn 30 tầng.
Các định nghĩa trên cũng chỉ là qui ước. Bởi vậy nhà cao tầng theo định nghĩa trên còn có thể gọi là nhà nhiều tầng để phân biệt với nhà ít tầng.2 Phân loại Phân loại theo mục đích sử dụng: nhà ở, nhà làm việc và các dịch vụ khác. Phân loại theo hình dạng: + Nhà tháp: mặt bằng vuông, tròn, tam giác hay đa giác đều. Việc giao thông theo phương đứng, tập trung ở một khu vực duy nhất (khách sạn, phòng làm việc).