Ảnh hưởng của tầng cứng đến ứng xử động kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng ngang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - - BÙI MINH TRIẾT ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG CỨNG ĐẾN ỨNG XỬ ĐỘNG KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG Tai Lieu Chat Luong LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG Thành Phố Hồ Chí Minh, năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - - BÙI MINH TRIẾT ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG CỨNG ĐẾN ỨNG XỬ ĐỘNG KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng Mã số chuyên ngành : 58 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Văn Hồng Lĩnh Thành Phố Hồ Chí Minh, năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan luận văn “Ảnh hưởng tầng cứng đến ứng xử động kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng ngang” nghiên cứu tơi Ngoại trừ tài liệu tham khảo trích dẫn luận văn này, tơi cam đoan tồn phần hay phần nhỏ luận văn chưa công bố sử dụng để nhận cấp nơi khác Khơng có sản phẩm/nghiên cứu người khác sử dụng luận văn mà khơng trích dẫn theo quy định Luận văn chưa nộp để nhận cấp trường đại học sở đào tạo khác TP Hồ Chí Minh, Năm 2022 Bùi Minh Triết i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin cảm ơn chân thành đến TS Bùi Văn Hồng Lĩnh, người thầy hướng dẫn Luận văn này; Thầy tận tâm hướng dẫn, động viên tạo điều kiện tốt để thực Luận văn; Những tài liệu tham khảo kiến thức Thầy cung cấp giúp nhận định đắn việc nghiên cứu Bên cạnh đó, tơi gửi lời cảm ơn quý Thầy Cô giảng dạy lớp Cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại Mở Thành phố Hồ Chí Minh truyền đạt cho nhiều kiến thức quý giá chuyên ngành; đồng thời cảm ơn bạn khóa học đồng hành tơi trải qua chương trình đào tạo Cuối cùng, tơi xin ghi nhận giúp đỡ gia đình ln bên cạnh động viên khuyến khích tơi suốt thời gian học tập vừa qua Xin chân thành cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, Năm 2022 Bùi Minh Triết ii TÓM TẮT Mục tiêu báo nghiên cứu ảnh hưởng tầng cứng kết cấu nhà nhiều tầng lên ứng xử động lực học kết cấu chịu tác dụng gia tốc động đất Kết cấu khung, vách nhà nhiều tầng với số tầng chọn 30, 35 40 tầng với tầng cứng lắp đầy dạng tường mơ hình hóa phương pháp phần tử hữu hạn Bài tốn phân tích ứng xử động lực học kết cấu chịu gia tốc động đất miền thời gian giải với hổ trợ phần mềm SAP2000 Thông số để mô tả độ lớn ứng xử động lực học kết cấu gồm có giá trị lớn chuyển vị đỉnh, mô men lực cắt cột suy Kết số cho thấy tầng cứng có ảnh hưởng đáng kể lên ứng xử động lực học với số lượng tầng cứng nhạy đến kết iii ABSTRACT The objective of this paper is to study the influence of outtrigger in multistorey building structures on dynamic responses of structures under ground acceleration of earthquakes The selected structure from the multi-storey building with 30, 35 and 40 floors with outtrigger based on vertical walls is modeled by finite element method The dynamic problems of the multi-storey building structures to ground acceleration is analyzed in time domain solved with the support of SAP2000 software The descriptive parameters of the dynamic response of system include the values of peak displacement, bending moment, and shear force in the column to be derived The numerical results show that the outtrigger has a significant effect on the dynamic responses of the this structures iv MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Abstract iv Mục lục v Danh mục chữ viết tắt ix Danh mục bảng biểu hình vẽ x CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu luận văn 1.3 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 2.1 Mở đầu 2.2 Kết cấu nhà cao tầng 2.3 Nghiên cứu tầng cứng tròng nhà cao tầng chịu tải trọng ngang 11 2.4 Nghiên cứu kết cấu nhà cao tầng tác động gia tốc động đất 18 2.5 Nhận xét 21 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 3.1 Giới thiệu 22 3.2 Mơ hình kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng 22 3.3 Phương trình chuyển động 23 3.4 Phương Pháp phần tử hữu hạn 26 3.5 Tải trọng động đất 28 3.5 Nhận xét 30 v CHƯƠNG KẾT QUẢ SỐ 31 4.1 Giới thiệu 31 4.2 Mô hình kết cấu, tầng cứng, tải động đất 31 4.3 Sự hiệu tầng cứng 39 4.4 Vị trí tầng cứng 51 4.5 Độ cứng tầng cứng 63 4.4 Kết luận 68 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .69 5.1 Kết luận 69 5.2 Hướng phát triển 70 Tài liệu tham khảo 71 Bài báo công bố 74 vi MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt TPHCM : Thành Phố Hồ Chí Minh TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam Ký hiệu m : Khối lượng k : Độ cứng cd : Hệ số cản M : Khối lượng kết cấu bậc tự k : Độ cứng kết cấu bậc tự c : Độ cản kết cấu bậc tự  : Tần số riêng hệ kết cấu d : Tần số hệ cản khối lượng ωg : Tần số riêng ngoại lực u : Vectơ gia tốc bậc tự u : Vectơ vận tốc bậc tự u : Vectơ chuyển vị bậc tự r : Vectơ đơn vị M : Ma trận khối lượng kết cấu không gắn hệ cản C : Ma trận cản kết cấu không gắn hệ cản K : Ma trận độ cứng kết cấu không gắn hệ cản M : Ma trận khối lượng vii C : Ma trận cản K : Ma trận độ cứng Fg : vectơ lực tác động µ : Tỷ số khối lượng γ : Tỷ số tần số điều chỉnh β : Tỷ số tần số ngoại lực dao động riêng f : Tần số dao động f1 : Tần số dao động hệ T : Chu kỳ dao động ξ : Tỷ số cản P : Tải trọng điều hịa hình sin P0 : Tải trọng đơn vị t : Bước thời gian tính lặp viii So sánh hai vị tri khảo sát cho thấy hiệu vị trí tầng cứng đến ứng xử kết cấu nhà nhiều tầng chịu gia tốc động đất Elcentro tổng thể mơ hình kết cấu nối chung kết hai điểm khảo sát tầng nói riêng Nhìn chung chuyển vị đỉnh mơ hình kết cấu nhà nhiều tầng gần tương đồng, riêng lực cắt moment chân cột thi có chênh lệch rõ rệt trị số tương đồng đường khảo sát Từ kết toán khào sát kết luận lực cắt moment chân cột biên tâm mơ hình kết cấu có giá trị biến thiên từ ngồi vào lõi mơ hình, hiệu hấp thụ lượng vị trí tầng cứng tương đồng vị trí tầng 4.5 ĐỘ CỨNG CỦA TẦNG CỨNG Khảo sát độ cứng tầng cứng chọn vị trí đặt tầng cứng khảo sát có khả làm việc hiệu vị tầng 20 cơng trình mơ hình tịa nhà 35 tầng Vì mơ hình khai báo kết cấu khảo sát tầng cứng sử dụng cho vách có tầng so với tầng khác khơng bố trí vách độ cứng tầng cứng xem tuyệt đối cứng, việc thay đổi độ cứng tầng cứng có nhiều phương pháp giảm số lượng vách cứng tầng hay hàm lượng cốt thép vách giảm chiều cao làm việc vách cứng Mơ hình lựa chọn khảo sát bàng phương pháp giảm chiều cao làm việc vách cứng tầng, kết cấu khung nhà có 35 tầng bào gồm trường hợp khảo sát sau: Mơ hình 10: Kết cấu có tầng cứng tầng 20 mơ hình kết cấu ………… ……… Mơ hình 14: Kết cấu có tầng cứng tầng 20 mơ hình kết cấu với chiều cao làm việc 50% vách Mơ hình 15: Kết cấu có tầng cứng tầng 20 mơ hình kết cấu với chiều cao làm việc 70% vách Mơ hình 16: Kết cấu có tầng cứng tầng 20 mơ hình kết cấu với chiều cao làm việc 80% vách 63 Hình 4.5.1 Mơ hình 14 Kết cấu có tầng cứng tầng 20 mơ hình kết cấu với chiều cao làm việc 50% vách Hình 4.5.2 Mơ hình 14 Kết cấu có tầng cứng tầng 20 mơ hình kết cấu với chiều cao làm việc 50% vách 64 Hình 4.5.3 Mơ hình 14 Kết cấu có tầng cứng tầng 20 cơng trình với chiều cao làm việc 70% vách Hình 4.5.4 Mơ hình 14 Kết cấu có tầng cứng tầng 20 cơng trình với chiều cao làm việc 80% vách 65 Kết phân tích chi tiết qua khảo sát thay đổi chiều cao làm việc vách cứng tầng cứng trường hợp đưa thông số giá trị đặc trưng ứng xử động mơ hình kết cấu nhà nhiều tầng chuyển vị đỉnh moment lực cắt chân cột tòa nhà Các đại lượng đặt trưng thay đổi tỉ lệ theo độ cứng tầng sau: a.Kết khảo sát với chiều cao làm việc 50% vách b.Kết khảo sát với chiều cao làm việc 70% vách c.Kết khảo sát với chiều cao làm việc 80% vách Hình 4.5.5 Kết khảo sát chuyển vị thay đổi độ cứng tầng cứng 66 Bảng 14 Kết đo chuyển vị có giá trị lớn độ giảm 03 trường hợp Mơ hình tính tốn MH10 MH14 MH15 MH16 6,9680 7,589 7,104 6.4360 0% -8,91% -1,95% -1,18% Chuyển vị ngang (cm) So sánh với MH10 Bảng 15 Kết lực cắt chân cột độ giảm 03 trường hợp Mơ hình tính tốn Lực cắt (kN) So sánh với MH10 MH10 MH14 MH15 MH16 59.6610 69.6030 62.2480 58.0070 100% -16.66% -4.34% 2.77% Bảng 16 Kết moment lớn chân cột độ giảm 03 trường hợp Mơ hình MH10 MH14 MH15 MH16 tính tốn Moment (kNm) So sánh với MH10 390,9790 461.1550 410.3600 403.8150 100% -17.95% -4.96% -3.28% Kết số liệu bảng cho thấy ứng xử động lực học kết cấu nhà nhiều tầng có tầng cứng với gia tốc trận động đất Elcentro thể giá trị độ cứng tầng hiệu tỉ lệ , độ cứng tầng cứng giảm hiệu làm việc tầng cứng giảm tương ứng 67 4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Từ bảng kết khảo sát trên, ứng xử động kết cấu nhà nhiều tầng có tầng cứng chịu tải với gia tốc trẩn động đất Elcentro trận động đất Petrolia có hiệu thể thông số đặt trưng tầng thông qua chuyển vị lớn đỉnh, lực cắt moment lớn chân cột mơ hình kết cấu Vị trí tầng cứng khoản 0.57H tịa nhà có hiệu lớn nhất, khả giảm chân tầng cứng mang lại khoản 29,5% khơng có tầng cứng Ngồi kết làm việc tốt tầng cứng phụ thuộc vào yêu tố độ cứng phụ thuộc vào giá trị địa chấn (tải trọng động đất) gây lên mơ hình kết cấu nhà nhiều tầng Kết thể nhìn rõ ảnh hưởng vị trí tầng cứng lên ứng xử động kết cấu nhà nhiều tầng chịu gia tốc động đất 68 CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 KẾT LUẬN Luận văn khảo sát ảnh hưởng tầng cứng lên ứng xử động lực học kết cấu nhà nhiều tầng chịu gia tốc động đất, từ kết số luận văn, số nhận xét trình bày theo sau: Nội dung đề tài thực Gồm có mơ hình kết cấu nhà nhiều tầng với số tầng 30-40 tầng dạng chung cư lựa chọn để khảo sát; lựa chọn dạng tầng cứng tường bê tông cốt thép dạng vách cứng gia tốc động đất lựa chọn với liệu 02 trận tương đối đầy đủ số liệu để phân tích ứng xử động lực học; hệ kết cấu chịu gia tốc động đất phân tích ứng xử động lực học sử dụng phần mềm phổ thông để phân tích tốn kết cấu SAP2000 để đựa kết mà luận văn nghiên cứu đặt ra; kết thu đại lượng mô tả ứng xử động lực học chuyển vị động lớn định mơ hình, lực cắt mơmen uốn theo thời gian suy Kết số cho thấy: kết cấu nhà nhiều tầng có tầng cứng có chuyển vị ngang, lực cắt động mơ men động lớn (giá trị đỉnh toàn miền thời gian) chân cột có hiệu rõ ràng so với kết cấu khơng có tầng cứng Giá trị chuyển vị có giảm chút hệ cứng hơn, quan trọng mô men lực cắt động phân bố lại từ mái xuống móng kết mô men lực cắt chân cột, vách trường hợp có vách giảm rõ rệt… kết cho thấy hiệu tầng cứng Luận văn khảo sát hiệu thông qua vị trí tầng cứng theo chiều cao nhà Với gia tốc động đất, kết ứng xử động cho thấy vị trí tầng cứng có ảnh hưởng đến ứng xử động không nhạy… luận văn sơ tìm vị trí tầng cứng để kết ứng xử động nhỏ nhất, hiệu tốt nhất; với kết số tầng cứng khu vực chiều cao tỏ hiệu gần mái gần móng 69 Về độ cứng tầng cứng, cách lựa chọn tiết diện vách, dầm tầng tăng lên so với tầng khác… Luận văn phân tích trường hợp độ cứng tầng cứng khác thông qua chiều cao tiết diện dầm, vách… kết cho thấy thay đổi đại lượng phản ứng động thay đổi vừa phải không lớn hiệu quả, điều cân nhắc việc bố trí tiết diện lắp đầy tầng cứng… 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Một số hướng phát triển đề xuất sau Kết khảo sát toán chưa sâu cấu tạo dạng tầng cứng khác độ cứng tầng cứng, bố trí vách cứng để giảm chi phí cho nhà đầu tư tăng cơng sử dụng Mơ hình kết cấu khảo sát trận động đất Elcentro trận động đất Petrolia, phát triển mơ hình chịu động đất khác đặc trưng hơn, lớn hơn, phạm vi khảo sát 40 tầng để rõ khả giảm nội lực hệ tầng cứng mang lại 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T A Belash (2019) “Earthquake resistance of buildings with suspended structures” Series: Materials Science and Engineering 687 (2019) 033042 [2] Ali Kheyroddin., Hamid Beiraghi (2017) “Wind-induced respone of Halfstorey Outrigger Brace System in tall Buildings ” Current Science (Vol 112, pp 855-861) [3] Shahana E., Arathi S (2017) “Analysis of Multistoried Buidings to Study the Influence of Depth of Belt Truss System ” International Journal of Sciences and Research (Vol 6, pp 2454-2457) [4] Sreelekshmi S., Shilpa Sara Kurian (2016) “Study of Outrigger Systems for High Rise Buildings ” International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology (Vol 5, pp 14893-14900) [5] Syed Rizwan Nasir., Amaresh S Patil (2016) Lateral Stability Analysis of High Rise Building with the Effect of Outrigger and Belt Truss System International Journal for Innovative Research in Science & Technology (Vol 3, pp 130-139) [6] Taiki Saito (2016) “Response of High-Rise Buildings under Long Period Earthquake Ground Motions” Vol 5, No 4, November 2016 [7] Goman W M Ho (2016) “ The Evolution of Outrigger System in Tall Buildings” International Journal of High-Rise Buildings (Vol 5, pp 21-30) [8] Raad Abed Al-Jallal Hasan (2016) “Behavior of Beam and Wall Outrigger in High-Rise Building and Their Comparison” International Journal of Civil, Structural, Environmental and Infrastructure Engineering Research and Development (Vol 6, pp 19-30) [9] Rob Smith (2016) “The Damped Outrigger – Design and Implementation” International Journal of High-Rise Buildings (Vol 5, pp 63-70) [10] C.J Fang., P.Tan., C.M Chang and F.L.Zhou (2015) “A General Solution for Performanve Evalution of a Tall Building with Multiple Damped and Undamped Outriggers” The Structural Design of Tall and Special Buildings (Vol 24, pp 797-820) [11] Nguyễn Hồng Hải (2015) Nghiên Cứu Sự Làm Việc Nhà Cao Tầng Bê Tơng Cốt Thép Có Tầng Cứng Chịu Tác Động Động Đất Việt Nam, Luận án Tiến Sĩ Kỹ Thuật Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng 71 [12] R Kamgar., R Rahgozar (2015) “ Determination of Optimum Location for Flexible Outrigger Systems in Non-Unifrom Tall Buildings Using Energy Method” International Journal of Optimization in Civil Engineering (Vol 5(4), pp 433-444) [13] Vijaya Kumari Gowda M R., Manohar B C (2015) “ A Study on Dynamic Analysis of Tall Structure with Belt Truss Systems for Different Seismic Zones” International Journal of Engineering & Technology (Vol 4, pp 158167) [14] Mohd Abdus Satter., Sanjeev Rao., Madan.& Dr Sreenatha Reddy (2014) Deflection Control in High Rise Building Using Belt Truss and Outrigger Systems International Journal of Applied Sciences, Engineering and Management (Vol 3, pp 44-53) [15] Radu Hulea., Bianca Parv., Monica Nicoreac.& Bogdan Petrina (2014) “ Optimum Design of Outrigger and Belt Truss Systems Using Genetic Algorithm” Journal of Civil Engineering and Architecture (Vol 8, pp 709715) [16] Tabassum Fatima (2014) Optimisation of Lateral Load-Resisting Systems in Composite High-Rise Buildings , Master of Civil Engineering Qeensland University of Technology [17] M R Jahanshahi., R Rahgozar (2013) “Optimized Location of Outriggerbelt Truss in Tall Buildings Based on Maximization of the Belt Truss Strain Energy ” International Journal of Engineering (Vol 26, pp 693-700) [18] C V R Murty, Rupen Goswami, A R Vijayanarayanan Vipul V Mehta (2013) “Earthquake Behaviour of Buildings” [19] P M B Raj Kiran Nanduri., B Suresh.& MD Ihtesham Hussain (2013) “ Optimum Position of Outrigger System for Hifh-Rise Reinforced Concrete Buildings Under Wind And Earthquake Loadings” American Journal of Engineering Research (Vol 2, pp 76-89) [20] Jacob Scott Lee (2013) Accuracy of a Simplified Analysis Model for Modern Skyscrapers A thesis submitted to the faculty of Brigham Young University [21] Kiran Kamath., N Divya.& Asha U Rao (2012) “A Study on Static and Dynamic Behavior of Outrigger Structural System for Tall Buildings” Bonfring International Journal of Industrial Engineering and Management Science (Vol 2, No 4) 72 [22] Trương Quang Hải., Võ Văn Tý.&Trịnh Quang Thịnh (2012) “ Tầng Cứng Vị Trí Làm Việc Hiệu Quả Nhà Cao Tầng” Tuyển Tập Báo Cáo Hội Nghị Sinh Viên Nghiên Cứu Khoa Học lần thứ Đại Học Đà Nẵng [ 23] Mohsen Malekinejad., Reza Rahgzar (2012) “ A Simple Analytic Method for Computing the Natural Frequencies and Mode Shapes of Tall Buildings” Applied Mathematical Modelling (Vol 36, pp 3419-3432) [24] S Fawzia., A Nasir & T Fatima (2011) “Study of the Effectiveness of Outrigger System for High-Rise Composite Buildings for Cyclonic Region” World Academyof Science, Engineering and Technology (Vol 60, pp 937945) [25] Nguyễn Tất Tâm (2010) Tính Tốn Nhà Cao Tầng Bê Tơng Cốt Thép Có Tầng Cứng Chịu Tác Động Động Đất Theo TCXDVN 375-2006 Luận Văn Thạc Sĩ Trường Đại Học Kiến Trúc Hà Nội [26] Professor Andrija Mohorovicic Ph D (2009) “Effects of earthquakes on buildings” GEOFIZIKA VOL 26 No 2009 [27] Gerasimidis S., Efthymiou E.& Baniotopoulos C C (2009) Optimum outrigger locations of high-rise steel buildings for wind loading Greece: Institute of Metal Structures, Department of Civil Engineering, Aristotle University of Thesaloniki [28] N Herath., N Haritos., T Ngo.& P Mendis (2009) “Behavior of Outrigger Beams in High rise Buildings under Earthquake Loads” Australian Earthquake Engineering Society 2009 Conference Autralian [29] J C D Hoenderkamp (2008) “ Second Outrigger at Optimum Location on High-Rise Shear Wall” The Structural Design of Tall and Special Buildings (Vol 17, pp 619-634) [30] Z.Bayati., M Mahdikhani & A Rahaei (2008) “Optimized use of MultiOutriggers System to Stiffen Tall Buiidings ” The 14th World Conference on Earthquake Engineering Beijing, China [31] J C D Hoenderkamp (2004) “ Shear Wall with Outrigger Trusses on Wall and Column Foundations” The Structural Design of Tall and Special Buildings (Vol 13, pp 73-87) [32] Sajal K DEB and Dilip K PAUL (2000), “Seismic response of buildings isolated by sliding–elastomer bearings subjected to bi-directional motion”, Twelfth World Conference on Earthquake Engineering (12WCEE) in Auckland, New Zealand On January 30-February 73 Bài báo công bố 74 Bài báo công bố 75 Bài báo công bố 76 Bài báo công bố 77