Ảnh hưởng của tỷ số nén trong thiết kế cột BTCT nhà cao tầng
1. Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển của đất nước, nhu cầu về khách sạn, nhà ở, văn phòng làm việc… cũng ngày một nhiều hơn. Những năm qua tại Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng và nhiều thành phố khác trên phạm vi toàn quốc đã xây dựng rất nhiều nhà cao tầng, nhất là từ cuối những năm 90 của thế kỷ trước. Tuy nhiên, không phải tất cả các công trình cao tầng đó đều được thiết kế kháng chấn. Theo bản đồ phân vùng động đất lãnh thổ Việt Nam do Viện Vật lý Địa cầu lập và được nghiệm thu năm 2005 thì ở nước ta chỉ một số vùng thuộc lãnh thổ phía Bắc là có khả năng xảy ra động đất cấp 8 (theo MSK), chấn động do động đất gây ra tại một số địa điểm vùng Tây Bắc có thể đạt tới cấp 9, còn đại bộ phận lãnh thổ Việt Nam có thể xảy ra động đất vừa và nhỏ. Với kết quả nghiên cứu này đã khẳng định: Thiết kế kháng chấn cho các công trình nằm trong vùng chịu ảnh hưởng động đất ở Việt Nam là cần thiết.
Những năm gần đây, trên thế giới nhiều trận động đất lớn đã xảy ra, gây thiệt hại nặng nề về người và công trình. Nhiều nước trước đây được xem như không chịu ảnh hưởng của động đất, nhưng thực tế cũng đã phải gánh chịu ảnh hưởng của các trận động đất xảy ra ở những nước khác. Ở Việt Nam cũng vậy, liên tục từ năm 2001 đến nay đã có những trận động đất trung bình và yếu đã xảy ra. Có trận động đất nguồn chấn động nằm trong lãnh thổ Việt Nam, nhưng cũng có những chấn động gây ra, bởi các trận động đất xảy ra ở Nam Trung Quốc, ở Lào hoặc ngoài biển Đông. Các chấn động do các trận động đất đó đều có thể tác động đến các công trình ở Việt Nam, đặc biệt là đối với các công trình cao tầng. Trận động đất năm 1983 có tâm chấn thuộc lãnh thổ Lào nhưng đã gây chấn động mạnh đến cấp 6 – 7 ở Hà Nội. Trận động đất năm 2001 có tâm chấn nằm ở vùng biên giới Việt – Lào đã gây chấn động cấp 7 và làm hư hỏng nhiều nhà và công trình ở thị xã Điện Biên. Trận động đất ở Đô Lương năm 2003 tại Nghệ An gây chấn động cấp 6. Trận động đất ở ngoài khơi Vũng Tàu, ngày 7/11/2005 đã gây chấn động cho các nhà cao tầng ở TP Hồ Chí Minh. Trận động đất xảy ra ở Bắc Lào chiều ngày 16/5/2007 gây chấn động mạnh cấp 3 – 4 tại Hà Nội, làm các nhà cao tầng bị rung chuyển nhẹ, tại Điện Biên chấn động đạt đến cấp 6…
Như vậy, ảnh hưởng của động đất đến nhà và công trình không chỉ xảy ra ở miền Bắc Việt Nam mà ở Nam Trung Bộ cũng có khả năng chịu ảnh hưởng của động đất. Trước tình hình đó, Bộ Xây dựng đã chỉ đạo cho Viện KHCN Xây dựng khẩn trương biên soạn Tiêu chuẩn “TCXD VN 375: 2005 Thiết kế kháng chấn cho công trình” đã cho ban hành năm 2006 và sửa đổi thành TCVN 9386:2012 Thiết kế công trình chịu động đất. Tiêu chuẩn này cùng các văn bản quy phạm, tiêu chuẩn khác như: Luật Xây dựng; Quy chuẩn Xây dựng 1997; Tiêu chuẩn TCVN 2737: 1995 Tải trọng và tác động; Tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng TCXD 198: 1997; Thông tư 01 về việc cho phép áp dụng các tiêu chuẩn nước ngoài ở Việt Nam,… đã tạo thành một hệ thống văn bản quy phạm pháp lý phục vụ cho công tác quản lý, thiết kế kháng chấn cho các công trình xây dựng nói chung và nhà cao tầng nói riêng được chặt chẽ hơn.
Theo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Việt nam (biên dịch từ EC-8), tỷ số nén của cột được khống chế không lớn hơn 0.65, dù giá trị này chưa có cơ sở viện dẫn. Điều này có thể dẫn đến sự không kinh tế trong thiết kế nhà nhiều tầng.
Do vậy, đề tài luận văn được lựa chọn là “Ảnh hưởng của tỷ số nén trong thiết kế cột BTCT nhà cao tầng” nhằm khảo sát ảnh hưởng của các giá trị tỷ số nén đến hàm lượng cốt thép dọc trong cột chịu các nội lực có xét đến tải trọng động đất thông qua tính toán cụ thể cho công trình cao tầng BTCT tại Đà Nẵng.
2. Mục tiêu nghiên cứu
– Phân tích ảnh hưởng của giá trị tỷ số nén đến hàm lượng cốt thép dọc trong cột chịu các nội lực có xét đến tải trọng động đất
– Đánh giá tỷ số nén cột khống chế không lớn hơn 0.65 dẫn đến sự không kinh tế trong thiết kế nhà nhiều tầng
3. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số nén trong cột bê tông cốt thép nhà cao tầng.
4. Phạm vi nghiên cứu
Công trình nhà cao tầng kết cấu BTCT ở Đà Nẵng
5. Phương pháp nghiên cứu
-Thu thập, thống kê và tổng hợp các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài.
– Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết
– Các số liệu thiết kế công trình
– Tính toán số liệu cho công trình cụ thể
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số nén đến hàm lượng của cốt thép dọc trong cột chịu các nội lực có kể đến tải trọng động đất. Đánh giá tỷ số nén trong cột được khống chế không lớn hơn 0.65 có thể dẫn đến sự không kinh tế trong thiết nhà nhiều tầng.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG
1.1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG
1.1.1. Nguyên nhân xuất hiện nhà cao tầng
Sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội dẫn đến tại một số đô thị trên thế giới ngày càng đông đúc, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thương mại, khách sạn… tăng lên đáng kể, trong khi quỹ đất xây dựng lại thiếu trầm trọng làm giá đất tăng lên. Ngoài ra để thuận lợi cho quan hệ công tác, việc bố trí nhiều văn phòng công ty gần nhau cũng là yêu tố thúc đẩy phát triển về kinh tế, giảm chi phí vận hành… Điều này thúc đẩy sự hình thành và phát triển của nhà cao tầng [2].
1.1.2. Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng
Định nghĩa: Theo Uỷ 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 các ngôi nhà thông thường khác được gọi là nhà cao tầng”. Có thể định nghĩa theo cách khác: “Nhà cao tầng là một ngôi nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng tới ý đồ và cách thức thiết kế” [5].
Phân loại:
– Phân loại theo mục đích sử dụng:
+ Nhà ở;
+ Nhà làm việc và các dịch vụ khác;
+ Khách sạn.
– Phân loại theo hình dạng:
+ Nhà tháp: mặt bằng hình tròn, tam giác, vuông, đa giác điều cạnh, trong đó giao thông theo phương đứng tập trung vào một khu vực duy nhất.
+ Nhà dạng thanh: mặt bằng chữ nhật, trong đó có nhiều đơn vị giao thông theo phương thẳng đứng.
– Phân loại theo chiều cao nhà:
+ Nhà cao tầng loại 1: 09 – 16 tầng (cao nhất 50m)
+ Nhà cao tầng loại 2: 17 – 25 tầng (cao nhất 75m)
+ Nhà cao tầng loại 3: 26 – 40 tầng (cao nhất 100m)
+ Nhà cao tầng loại 4: 40 tầng trở lên (nhà siêu cao tầng)
– Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực:
+ Nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép;
+ Nhà cao tầng bằng thép;
+ Nhà cao tầng có kết cấu tổ hợp bằng bê tông cốt thép và thép.
Các nước trên thế giới tùy theo sự phát triển Nhà cao tầng của mình mà có cách phân loại khác nhau. Hiện nay nước ta đang có xu hướng theo sự phân loại của Ủy ban nhà cao tầng Quốc tế.
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 quyết định. Tải trọng ngang có thể dưới dạng gió bão hoặc động đất. Mặc dù chưa có sự thống nhất chung nào về định nghĩa Nhà cao tầng nhưng có một ranh giới được đa số 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 tải gió, động đất,… tức là vấn đề về dao động và ổn định nói chung.
Thách thức đối với Kỹ sư kết cấu hiện nay là các công trình Nhà cao tầng ngày càng cao hơn, nhẹ hơn và mảnh hơn so với các Nhà cao tầng trong quá khứ. Các nghiên cứu trên thế giới cũng khẳng định xu hướng này trong tương lai, thông qua các kết quả so sánh cho thấy các công trình có độ mảnh cao đồng thời cũng mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.[5]
1.1.3. Lịch sử phát triển nhà cao tầng
Từ đầu thế kỷ XX, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật (như công nghệ vật liệu, công nghệ chế tạo máy…) đã đưa thế giới vào một cuộc chạy đua xây dựng các công trình nhà chọc trời. Do vậy Nhà cao tầng xuất hiện và trở thành biểu tượng cho sự phồn thịnh và phát triển mà điển hình là sự phát triển ở Mỹ: năm 1913 cao ốc Woolworth xuất hiện (chiều cao 241m); năm 1930 cao ốc Crystler trở thành công trình cao nhất với chiều cao 319m nhưng chỉ sau vài tháng đã bị đánh bại bởi State Emprire Building cao 344m (102 tầng). Kỷ lục này chỉ giữ được đến khi World Trade Center ra đời cao 381m (110 tầng). Ở Châu Á xu hướng phát triển này cũng bắt đầu từ những năm 70 mà điển hình là Bank of China Tower – HongKong cao 269m (70 tầng); Jin Mao Tower ShangHai cao 421m (86 tầng); Petronas Tower Malaysia cao 450m (95 tầng)…
Ở Việt Nam trong những năm gần đây số lượng nhà có tầng từ 20 tăng rất nhanh: Saigon Plaza 33 tầng, Hanoi Tower 25 tầng, Vietcombank Tower 22 tầng, Khách sạn Melia 22 tầng, KĐT Trung Hòa 34 tầng, Chung cư Sông Đà ở Km 10 Nguyễn Trãi 34 tầng, Keangnam Hanoi Landmark Tower 345m (70 tầng), Trung tâm tài chính Bitexco 262,5m (68 tầng), Hanoi City Complex 195m (65 tầng)…
Sự phát triển của Nhà cao tầng tạo cho sự phát triển các hệ kết cấu chịu lực đặc biệt là các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang [5].
1.1.4. Các hệ kết cấu chịu lực và sơ đồ làm việc của nhà cao tầng
Các kết cấu chịu lực cơ bản bao gồm :
– Cấu kiện dạng thanh: Cột, dầm.
– Cấu kiên dạng phẳng: tấm đặc hoặc tấm có lỗ.
– Hệ lưới thanh dạng dàn phẳng: tấm sàn phẳng hoặc có sườn.
– Cấu kiên không gian: lõi cứng lưới hộp được tạo thành bằng cách liên kết các cấu kiện phẳng hoặc các thanh lại với nhau.
Các hệ kết cấu chịu lực:
Hệ kết cấu chịu lực của nhà nhiều tầng là bộ phận chủ yếu của công trình nhận các tải trọng và truyền xuống đất nền chúng tạo thành một hay nhiều loại cấu kiện cơ bản ở trên.
Các hệ kết cấu chịu lực được chia làm hai nhóm:
– Nhóm các hệ cơ bản: hệ khung (I), hệ tường (II), hệ lõi (III), hệ hộp (IV).
– Nhóm các hệ hỗn hợp tạo thành từ sự kết hợp hai hay nhiều hệ cơ bản trên.
Hình 1.1. Các hệ hỗn hợp trong nhà cao tầng
Một số dạng thường gặp của Hệ hỗn hợp: Hệ khung – tường (I-II); Hệ khung – lõi (I-III); Hệ khung – hộp (I-IV);…
Như vậy, về mặt lý thuyết số lượng về mặt chịu lực của kết cấu Nhà cao tầng là rất lớn. Sau đây ta chỉ giới thiệu các hệ kết cấu phổ biến nhất hiên nay cho các công trình xây dựng [5].
a. Hệ khung chịu lực (I)
Hệ này được tạo thành từ các thanh thẳng đứng (cột) và ngang (dầm) liên kết cứng tại các chỗ giao nhau giữa chúng (nút). ở nhà khung, các khung phẳng lại liên kết với nhau qua các thanh ngang tạo thành khối khung khôn gian có mặt bằng hình vuông, chữ nhật, tròn, đa giác … (Hình 1.1). Khoảng cách giữa các cột thường từ 4-8m, khoảng cách giữa các dầm bằng chiều cao tầng (2,8-4m) [5].
Hình 1.2. Một số loại mặt bằng nhà cao tầng hệ khung chịu lực
b. Hệ tường chịu lực (II)
Là một hệ tấm tường phẳng vừa làm nhiệm vụ chịu tải trọng đứng, vừa là hệ thống chịu tải trọng ngang và là tường ngăn giữa các phòng. Căn cứ vào cách bố trí của các tấm tường chịu tải trọng thẳng đứng chia làm ba sơ đồ:
+ Tường dọc chịu lực.
+ Tường ngang chịu lực.
+ Tường dọc và tường ngang cùng chịu lực.
Trong các nhà mà tường chịu lực chỉ đặt theo một phương, sự ổn định của công trình theo phương vuông góc được đảm bảo nhờ các vách cứng. Như vậy vách cứng được hiểu theo nghĩa là các tấm tường được thiết kế để chịu tải trong ngang. Trong thực tế đối với nhà cao tầng, tải trọng ngang bao giờ cũng chiếm ưu thế nên các tấm tường chịu lực được thiết kế để vừa chịu tải trọng ngang vừa chịu tải trọng đứng. Các tấm tường được làm bằng BTCT có khả năng chịu cắt và chịu uốn tốt nên được gọi là vách cứng.
Để đảm bảo độ cứng không gian cho công trình nên bố trí vách cứng theo cả hai phương dọc và ngang nhà. Số lượng vách theo mỗi phương xác định theo khả năng chịu tải trọng theo phương đó. Ngoài ra vách cứng nên bố trí sao cho công trình không bị xoắn khi chịu tải trọng ngang [5].
c. Hệ lõi chịu lực (III)
Lõi có dạng vỏ hộp rỗng tiết diện kín hoặc hở, chịu tải trọng đứng và ngang tác dụng lên công trình và truyền xuống đất nền. Lõi có thể xem là sự kết hợp của nhiều tấm tường theo các phương khác nhau. Trong lõi có thể bố trí hệ thống kỹ thuật, thang bộ, thang máy… Sau đây một số cách bố trí thông dụng:
+ Nhà lõi tròn, vuông, chữ nhật, tam giác… (kín hoặc mở);
+ Nhà có một lõi hoặc hai lõi;
+ Lõi nằm trong nhà hoặc theo chu vi nhà hoặc có một phần năm ngoài.
Trường hợp nhà có nhiều lõi cứng thì chúng được đặt cách xa nhau và các sàn được tựa lên hệ thống dầm lớn liên kết với các lõi. Các lõi cứng được bố trí trên mặt bằng nhà sao cho tấm cứng của công trình trùng với trọng tâm của nó để tránh bị xoắn khi dao động [5].
d. Hệ hộp chịu lực (IV)
Hệ kết cấu gồm các cột đặt dày đặc trên toàn bộ chu vi công trình được liên kết với nhau nhờ hệ thống dầm ngang gọi là kết cấu hộp (còn gọi là kết cấu ống).
Hệ hộp chịu tất cả tải trọng đứng và tải trọng ngang. Các bản sàn được gối lên các kết cấu chịu tải trọng nằm trong mặt phẳng tường ngoài mà không cần các kết cấu trung gian khác bên trong. Khi các cột đặt thưa nhau thì kết cấu làm việc theo sơ đồ khung, khi các cột đặt gần nhau và hệ dầm có độ cứng lớn thì dưới tác dụng của tải trọng ngang hệ làm việc như một công xon. Trong thực tế, khoảng cách giữa các cột biên đặt theo một mức độ cho phép, cho nên kết cấu ông thực chất nằm trung gian giữa sơ đồ biến dạng công xon và sơ đồ khung.
Các giải pháp kết cấu cho vỏ hộp:
– Dùng các lưới ô vuông tạo thành từ các cột đặt cách nhau ở khoảng cách bé với các dầm ngang có chiều cao lớn. Hệ kết cấu này rất phù hợp với bản chất toàn khối của kết cấu bê tông cốt thép.
– Dùng lưới không gian tạo thành các thanh chéo: tạo thành lưới ô vuông từ cột và dầm, tạo thành ô lưới quả trám có hoặc không có thanh ngang.
Hệ kết cấu này được sử dụng chính với những công trình cao chọc trời dạng tháp (Tower) [5].
e. Hệ khung – giằng
Để tăng độ cứng ngang của khung, có thể bố trí thêm các thanh xiên tại một số nhịp trong suốt chiều dài của nó. Phần kết cấu dạng dàn được tạo thành sẽ làm việc như một vách cứng thẳng đứng, cột và dầm làm việc như các phần tử chịu uốn còn các thanh giằng chịu lực theo phương dọc trục.
Sự tham gia chịu lực của hệ giằng chéo không chỉ làm giảm momen, lực cắt trong cột mà còn làm tăng độ cứng theo phương ngang của công trình một cách đáng kể. Nhược điểm cuả hệ kết cấu khung – giằng là sự cản trở của hệ giằng chéo đến công năng sử dụng của ngôi nhà, xét về chịu lực thì hệ giằng có dạng chữa X là hiệu quả nhất; Tuy nhiên trong thực tế có thể dùng một số loại giằng khác mặt dù không hiệu quả bằng hệ chữ X, nhưng ưu điểm của hệ này là trên các ô đặt giằng có thể mở của sổ, của đi…[5]
Hình 1.6. Một số dạng giằng xiên trong nhà cao tầng
f. Hệ khung – vách
Kết cấu khung có độ cứng chống uốn tốt nhưng độ cứng chống cắt kém, còn kết cấu vách có độ chống cắt tốt nhưng độ cứng chống uốn kém. Khi chịu tải trong ngang khung có xu hướng biến dạng do cắt còn vách cứng có xu hướng chịu biến dạng do uốn nên hai hệ này bổ sung cho nhau khi chịu uốn cắt đồng thời, do vậy:
– Các vách cứng thường được bố trí thành các dạng tổ hợp chữ C, I để tăng khả năng chống uốn.
– Kéo dài các vách theo phương mặt phẳng uốn.
– Bố trí các vách phẳng sao cho tâm cứng của hệ vách trùng với tâm đặt tải trọng và hạn chế nhiều hơn ba vách đồng quy (vì giảm khả năng chống xoắn).
– Đưa các khung và một số vách phẳng ra biên để chịu lực cắt và mômen xoắn.[5]
g. Hệ khung – lõi
Trong kết cấu này khi tải trọng ngang tác dụng hầu như được truyền vào lõi cứng còn hệ khung chỉ chủ yếu chịu phần tải trọng trong phạm vi của nó. Do vậy khi bố trí hệ kết cấu cần chú ý:
– Bố trí tâm cứng của hệ lõi càng gần với tâm đặt tải trọng càng tốt để hạn chế gây mômen xoắn.
– Bố trí chu vi của hệ lõi càng lớn càng tốt để tăng khả năng ổn định tổng thể.
– Đưa các hệ khung ra chu vi để tận dụng khả năng chịu uốn tốt của hệ khung và hình thành nên hệ khối không gian để tăng độ cứng tổng thể cả chịu uốn và chịu xoắn của công trình [5].
h. Hệ khung – vách – lõi
Đây là kết cấu khá phổ biến và hiệu quả cao trong kết cấu Nhà cao tầng.
Khi bố trí hệ kết cấu khung – vách – lõi cần chú ý:
– Bố trí các hệ lõi đối xứng ở tâm nhà để tăng khả năng chịu uốn.
– Bố trí các vách phẳng kết hợp với hệ khung phẳng ở biên để vừa chịu uốn vừa chịu cắt đồng thời tăng khả năng chống xoắn [5].
i. Hệ hộp – lõi
Hệ hỗn hợp này được sử dụng ở những công trình có chiều cao lớn, mặt bằng rộng. Khi đó hệ lõi được bố trí giữa nhà để chịu tải trọng đứng và một phần mômen uốn và lực cắt còn trong hệ hộp đóng vai trò chính để chịu uốn, cắt, xoắn do tải trọng ngang gây ra [5].
1.1.5. Sơ đồ làm việc của nhà cao tầng
Sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng gồm có hai sơ đồ chính, bao gồm:
Sơ đồ giằng: Khung chỉ chịu tải trọng đứng còn toàn bộ tải trọng ngang do vách cứng chịu. Nút khung có thể cấu tạo khớp hoặc độ cứng chống uốn của cột bé vô cùng.
Sơ đồ khung – giằng: Hệ khung chịu cả tải trọng đứng và ngang, nút khung phải là nút cứng.
Nhận thấy: tất cả các hệ chịu lực cơ bản và hỗn hợp tạo thành từ các tường, lõi và hộp chịu lực điều thuộc sơ đồ giằng. Hệ khung chịu lực được xếp vào sơ đồ khung – giằng [5].
Hình 1.7. Các sơ đồ làm việc của nhà cao tầng
1.1.6. Các loại tải trọng tác dụng lên nhà cao tầng
a. Khái niệm chung về tải trọng
Tải trọng tác dụng trực tiếp lên công trình được gây ra bởi những lực tự nhiên hoặc do con người tác động vào. Như vậy tải trọng do hai nguồn gốc chính tạo ra:
– Tải trọng vật lý địa cầu: là kết quả của sự vận động không ngừng trong thiên nhiên bao gồm trọng lực, lực gây ra do khi tượng và động đất. Trọng lực chính trong trọng lương riêng của công trình; là loại tải trọng thường xuyên, không đổi trong suốt quá trình sử dụng. Tải trọng do khí tượng là tải trọng biến đổi theo thời gian và cả điểm đặt lực. Đó có thể là tải trọng gió, sự thay đổi nhiệt độ, tuyết, mưa,…
– Tải trọng nhân tạo: là loại tải trọng do sự tác động va đập của các máy móc, thang máy, các thiết bị cơ học, do người và các thiết bị di chuyển,…
Những nguồn tải trọng này đối với công trình thường phụ thuộc lẫn nhau nên khi tính toán cần xét đến mối liên hệ giữa chúng [11].
b. Tải trọng tác dụng lên nhà cao tầng thẳng
Tải trọng thẳng đứng: gồm tĩnh tải và hoạt tải.
– Tĩnh tải: Là loại tải trọng không thay đổi trong quá trình xây dựng và sử dụng. Bao gồm các loại tải trọng tác dụng như trọng lượng bản thân các cấu kiện, các lớp vật liệu sàn và tường xây…
– Hoạt tải: Là loại tải trọng có thể thay đổi về điểm đặt, trị số phương chiều tác dụng. Căn cứ vào tính năng sử dụng của các loại phòng khác nhau xác được hoạt tải tiêu chuẩn của từng phòng.
Tải trong ngang: tải trọng gió và tải trọng động đất.
– Tải trọng gió:
Bao gồm hai thành phần: thành phần tĩnh và thành phần động. Theo TCXDVN 2737:1995 quy định, đối với nhà có H < 40m và xây dựng trong khu vực địa hình A và B thì chỉ cần tính toán thành phần tĩnh của tải trọng gió. Khi H 40m thì cần tính toán cả phần tĩnh và thành phần động.
– Tải trọng động đất:
Động đất là những rung động tự nhiên của vỏ trái đất có phương hướng và cường độ thay đổi theo thời gian. Trong thời gian động đất, chuyển động của đất nền sẽ gây ra lực quán tính ở các bộ phận của công trình. Như vậy động đất không chỉ ảnh hưởng trực tiếp tới nền móng công trình mà còn gây dao động, biến dạng kết cấu phần thân nhà.
Trong thiết kế nhà cao tầng ở vùng có động đất, nhất thiết phải tính toán đến tải trọng này. Đối với các công trình nhà cao tầng, cần phải xét đến cả hai thành phần là tải đứng do thành phần lực quán tính đứng và tải ngang do thành phần lực quán tính nằm ngang của tải trọng động đất tác dụng lên công trình.
1.2.1. Định nghĩa
Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất gây ra bởi một sự giải phóng năng lượng đột ngột trong vỏ trái đất.
Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý thuyết, được quy về một điểm gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu trên bề mặt quả đất gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm gọi là độ sâu chấn tiêu (H). Khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi tương ứng là tiêu cự (R) và tâm cự (L).
Tùy thuộc vào độ sâu chấn tiêu (H) mà động đất có thể được phân thành các loại sau:
– Động đất nông : H ≤ 70 km
– Động đất trung bình: H = 70 ÷ 300 km
– Động đất sâu: H > 300 km
Các trận động đất mạnh thường xảy ra ở độ sâu H = 30÷100 km
1.2.2. Nguồn gốc của động đất
a. Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo
Từ những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà địa chấn đã đưa ra thuyết kiến tạo mảng hay còn gọi là thuyết trôi dạt các lục địa để giải thích cho nguồn gốc các trận động đất xuất hiện trên thế giới.
Theo giả thuyết cơ bản của thuyết kiến tạo mảng, bề mặt quả đất được tập hợp từ một số khối lớn gọi là mảng, trên các mảng là các châu lục và đại dương. Các mảng này chuyển động tương đối so với nhau.
Tại vùng phân chia giữa các mảng xuất hiện các biến dạng tương đối trên một vùng khá hẹp. Các biến dạng có thể xảy ra chậm và liên tục hoặc có thể xảy ra một cách đột ngột dưới dạng các trận động đất. Các nhà khoa học đã xác định được 3 kiểu chuyển động sau tại các bờ biên mảng:
– Chuyển động tách giãn: tại một số vùng, các mảng di chuyển rời xa nhau, dung nham nóng chảy trong phần áo trào lên bề mặt quả đất sau đó nguội đi, bồi dần và mở rộng mảng thạch quyển theo phương ngang. Vùng bờ biên mảng này có tên gọi là vùng gờ mở rộng và thường nằm giữa các đại dương.
– Chuyển động hút chìm: do kích thước của quả đất giữ nguyên không đổi, nên việc mở rộng các mảng tại một số bờ biên phải được bù lại bằng việc thu hẹp các mảng tại một số bờ biên khác. Điều này đã được quan sát thấy qua chuyển động hút chìm giữa hai mảng kề nhau. Có 2 loại chuyển động hút chìm:
+ Chuyển động trườn: mảng này chuyển động rúc xuống dưới mảng khác.
+ Chuyển động rúc đồng quy: hai mảng cùng chuyển động rúc xuống.
– Chuyển động trượt ngang: chuyển động trượt ngang xuất hiện khi mảng này di chuyển tương đối so với mảng kia theo phương ngang mà không làm sinh ra một phần vỏ mới hoặc làm mất đi một phần vỏ cũ. Có 2 loại chuyển động ngang:
+ Chuyển động trượt ngang tương đối tại đứt gãy.
+ Chuyển động va chạm.
Như vậy, trong quá trình các mảng dịch chuyển tương đối với nhau, biến dạng dần được tích lũy tại các vùng khác nhau của vỏ trái đất. Khi vật chất tạo nên vỏ trái đất đạt tới trạng thái biến dạng tới hạn, sự phá hoại đột ngột xảy ra. Thế năng biến dạng tức thời chuyển thành động năng và động đất xuất hiện [3].
b. Động đất có nguồn gốc từ các đứt gãy
Khi quan sát các địa hình ta thường gặp những thay đổi đột ngột trong cấu trúc nền đất. Ở một số chỗ các vỉa đá có đặc tính khác nhau gối đầu vào nhau hoặc tựa lên dọc mặt tiếp xúc giữa chúng. Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như vậy gọi là đứt gãy hoặc phay địa chất.
Các đứt gãy chia thành 2 loại:
– Đứt gãy không hoạt động: là những đứt gãy trong quá khứ đã từng hoạt động, nay không còn chuyển động và sẽ không gây ra động đất.
– Đứt gãy hoạt động: là những đứt gãy mà các khối vật chất ở 2 bên bề mặt đứt gãy đang chuyển động tương đối so với nhau, năng lượng biến dạng đàn hồi do quá trình kiến tạo được tích lũy và sau đó được giải phóng đột ngột gây ra động đất.
Các đứt gãy hoạt động được phân loại dựa trên dạng hình học và hướng trượt tương đối giữa chúng. Có thể phân chuyển động tại các đứt gãy cũng như dạng đứt gãy thành các loại sau:
– Trượt nghiêng: sự dịch chuyển xảy ra theo phương song song với độ dốc của đứt gãy.
– Trượt ngang (còn gọi là trượt bằng): sự dịch chuyển xảy ra theo phương ngang song song với mạch ngang của đứt gãy. Chuyển động trượt ngang thường xảy ra tại các đứt gãy gần thẳng đứng và có quy mô lớn [3].
c. Động đất phát sinh từ các nguồn khác
Động đất còn có thể phát sinh từ các nguyên nhân sau:
– Do sự giãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất.
– Do các vụ nổ hạt nhân.
– Do hoạt động của núi lửa.
– Do tích nước vào các hồ chứa lớn [3].
1.2.3. Đánh giá sức mạnh của động đất
Đánh giá và đo sức mạnh của các trận động đất là một vấn đề rất quan trọng. Trong nhiều thế kỷ qua đã xuất hiện nhiều cách thức đánh giá định tính và định lượng các chuyển động địa chấn nói riêng và sức mạnh của động đất nói chung. Hiện nay, sức mạnh của động đất được đánh giá dựa vào:
– Thang cường độ động đất.
– Thang độ lớn của động đất.
a. Thang cường độ động đất
Thang cường độ động đất được dùng để đánh giá sức mạnh của động đất một cách định tính. Một số thang cường độ động đất chính hiện đang được sử dụng ở các khu vực trên thế giới: Thang cường độ động đất Modified Mercalli (MM); Thang cường độ động đất JMA và Thang cường độ động đất MSK – 64. Ở Việt Nam sử dụng phổ biến rộng rãi Thang MSK – 64.
Bảng 1.1. Bảng cường độ động đất MSK – 64
b. Thang độ lớn động đất
Thang độ lớn động đất là thang đánh giá định lượng quy mô động đất và độ lớn đứt gãy dựa trên biên độ lớn nhất của sóng địa chấn. Có nhiều thang độ lớn động đất khác nhau. Một số thang dựa vào số liệu đo biên độ các song địa chấn với các đặc tính khác nhau. Một số thang biểu thị trực tiếp các thông số nguồn phát sinh động đất, không phụ thuộc vào các sóng địa chấn. Thang Richter là thang độ lớn động đất được dùng phổ biến hiện nay.
Thang Richter định nghĩa độ lớn M của một trận động đất là:
M = logA
Với A là biên độ cực đại của trận động đất đang xét ghi được tại một điểm cách tâm chấn 100km bằng một địa chấn kế xoắn do H.O.Wood và J. Anderson thiết kế.
Tuy nhiên trong thực tế, địa chấn kế chuẩn không phải lúc nào cũng đặt cách chấn tâm 100km, nên để thiết lập thang độ lớn, Richter đã tìm mối quan hệ giữa biên độ cực đại A và khoảng cách chấn tâm L. Richter nhận thấy các đường cong thể hiện mối quan hệ giữa logA và L gần như song song nhau cho 2 trận động đất bất kỳ.
Hình 1.9. Quan hệ giữa logA và L
Khi đó, Richter đã chọn một đường cong đặc thù làm chuẩn, và độ lớn của một trận động đất là hiệu số giữa biên độ của nó và biên độ của trận động đất chuẩn được chọn:
M = logA – logA0
Trong đó: A- biên độ lớn nhất của trận động đất đang xét do địa chấn kế Wood-Anderson ghi được tại trạm quan trắc.
A0– biên độ lớn nhất của trận động đất chuẩn có cùng khoảng cách chấn tâm [3].
1.2.4. Các đặt trưng của chuyển động nền đất
Khi xảy ra động đất, chuyển động của bất kỳ hạt vật chất nào trong nền đất đều theo một quỹ đạo phức tạp 3 chiều với gia tốc, vận tốc và chuyển vị thay đổi nhanh chóng trong một dãy tập hợp tần số rộng. Chuyển động của nền đất trong các trận động đất khác nhau cũng khác nhau. Điều này gây khó khăn trong việc xác định một cách đầy đủ và chính xác các đặc trưng của chuyển động nề đất. Tuy nhiên, trong thiết kế công trình chịu động đất, đa số các trường hợp không cần thiết phải mô tả chính xác chuyển động nền theo lịch sử thời gian mà chỉ cần biểu thị qua một số đặc trưng cơ bản.
Trong số các đặc trưng của chuyển động nền khi động đất xảy ra, các đặc trưng sau đây có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế kháng chấn:
– Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất.
– Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh.
– Nội dung tần số.
Mỗi một đặc trưng trên đều ảnh hưởng lớn đến phản ứng của công trình. Trước tiên, biên độ lớn nhất của chuyển động nền ảnh hưởng tới biên độ dao động công trình. Khoảng thời gian kéo dài của các chuyển động mạnh có hệ quả quan trọng tới mức độ tàn phá của chấn động nền lên công trình. Nội dung tần số và hình dạng phổ liên quan tới tần số hoặc chu kỳ dao động của công trình. Đối với một hệ kết cấu khi nội dung tần số của chuyển động nền gần trùng với tần số dao động riêng của công trình thì chuyển động nền sẽ khuếch đại dao động của công trình dẫn tới hiện tượng cộng hưởng rất nguy hiểm [3].
Kết luận chương 1
Trong chương này tác giả chủ yếu nêu lên khái niệm cơ bản về nhà cao tầng, các hệ kết cấu chịu lực và sơ đồ làm việc của nhà cao tầng.
Với hệ kết cấu chịu lực cơ bản gồm có: Hệ khung chịu lực; Hệ tường chịu lực; Hệ lõi chịu lực; Hệ hộp chịu lực. Từ 5 hệ chịu lực cơ bản có thể kết hợp với nhau tạo thành các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp phổ biến: Hệ khung giằng; Hệ khung – vách; Hệ khung – lõi; Hệ hộp – lõi … Như vậy, về mặt số lượng các hệ kết cấu chịu lực của Nhà cao tầng là rất lớn.
Trong chương này, tác giả cũng nêu lên được các loại tải trọng tác dụng lên Nhà cao tầng. Tải trọng thẳng đứng gồm: Tĩnh tải và hoạt tải; Tải trong ngang gồm: Tải trọng gió và Tải trọng động đất. Đặc biệt, tác giả nêu lên khái niêm cơ bản về tải trọng động đất và đánh giá sức mạnh của động đất.
Đánh giá và đo sức mạnh của động đất là một vấn đề rất quan trọng. Sức mạnh của động đất được đánh giá dựa vào: Thang cường độ động đất; Thang độ lớn động đất. Ảnh hưởng của tỷ số nén trong thiết kế cột BTCT nhà cao tầng
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN KY THUAT\LUAN VAN LOP K26 XDDD\LE VAN THANH LIEM
