Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Mối tương quan thực nghiệm giữa chu kỳ dao động riêng và số tầng của nhà cao tầng

LỜI CAM DOAN

“Tên tôi là: _ Nguyễn Đoàn Khuê

nh ngày: 0202/1992

Quê quấn Thanh Oai - Ha Nội

Nơi công tác: Công ty cỗ kiến trúc và xây dựng Alcovina

‘Toi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp với đt: "M tương quan thực nghiệm giữa chu kỳ dao động riêng và số tằng của nhà cao ting” là luận văn do cá nhân tôi thực hiện Các kết qua nghiên cứu tuân thi theo tiêu chuẳn Việt Nam và các văn bản pháp luật hiện hành Kết ‘quai nghiên cứu không sao chép bắt kỉ tà liệu nào khác.

Ha Nội, ngày thing 1 năm 2019

“Tác gi luận văn

Nguyễn Đoàn Khu

OL CẢM ON

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận văn Thạc sỹ, tôi đã nhận được Ss ip đỡ ạo điều ign nhiệt inh và quý báu của nh cá nhân vả tập th

Trude tiên, tôi xin bảy tỏ lông biết ơn sâu sắc ới thầy giáo TS, Nguyễn Anh Dũng đã tận tình hướng din tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn này Tôi

xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khác trong Khoa, Bộ môn Xây dựng dân dung

và công nghiệp đã tận tinh giảng dạy, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt quá

trình học tập và thực hiện luận van.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh em, bạn bẻ, đồng nghiệp thuộc lớp cao học23XDDD21 đã giúp tôi

hoàn thành luận văn này.

im kiểm, cung cắp ti liệu ham khảo, số liệu tính toán để

Mặc dù tôi đã rit cổ gắng hoàn thiện luận văn bằng tắt cả sự nhiệt tinh và năng lực của mình, tuy nhiên do trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót hoặc có những phin nghiên cứu chưa sâu Rất mong nhận được sự chỉ bảo và thông cảm của các Thầy cô.

Tôi xin trân trọng cảm ơn !

Nội, ngày thắng I năm 2019

“Tác giả luận van

Nguyễn Đoàn Khuê

CHUONG 2: CÁC PHƯƠNG PHAP XÁC ĐỊNH CHU KỲ DAO DONG RIENG TRONG THỰC HANH THIET KE VA MỐI LIÊN HE CUA PHƯƠNG PHÁP TÍNH 'VỚI SỐ TANG CUA NHÀ CAO TANG 19 2.1 Các phương pháp xác định chu kỳ dao động riêng của nhà cao ting trong thực CHƯƠNG 3: PHAN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TAL TRONG ĐỘNG PAT PHU HỢP DỰA TREN MỖI TƯƠNG QUAN GIỮA CHU KY DAO ĐỘNG RIENG VA SỐ TANG CUA NHÀ CAO TANG 40 3.1 Các phương pháp xác định tải trong động dit 403.1.1 Phương pháp tình lực ngang tương đương, Al

3.1.2 Phương pháp phố phản ứng “4 3.2, So sánh, phân tích tính đúng đắn của hai phương pháp tính toán tai trọng động dat

ing 48

3.2.1 Tinh toán tải trọng động dat bằng phương pháp tinh lực ngangdựa trên mỗi tương quan giữa số ting và chu kỳ dao động

tương đương 49 3.2.2 Tính toán tai trọng động dat bằng phương pháp phổ phan ứng 62 3.23 So sánh kết quả tin toán 16

3.3 Nhận xét đánh giá 88

Kết luận chương 3 sọ

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC HÌNH VE

Hệ kết cầu một bậc tự đo động chịu tác động động đất Dao động tự do của hệ một BTDĐ không có lực cản

Phan ứng của hệ kết cấu trong trường hợp cán tới hạn và cản lớn Dao động tự do có lục cản của kết cầu một BTDĐ.

Hình 1.5: Hệ kết cấu nhiều bậc tự do động chịu tie động động đắt

Hình 2.1: Menu khai báo vật liệu trong Sap2000.

Hình 2.2: Menu khai báo tiết điện phin tử thanh trong Sap2000Hình 23: Mediện phin tử tắm, võ trong Sap2000

Hình 2.4: Menu khai báo khối lượng tham gia dao động rong Sap2000

Hình 2.5: Kết quả phân tích chu kỳ dao động riêng công trình (1) theo Sap2000 Hình 2.6: Kết quả phân tích chu kỹ dao động riêng công trình (2) theo Sap2000 Hình 27: Kết quả phân tích chu ky dao động riêng công trình (3) theo Sap2000. Hình 2.8: Kết quả phân tích chu kỷ dao động riêng công trình (4) theo Sap2000

Mình 3.5: Khai báo khối luợng riêng đối với bê tông.3.6 Khai báo,lượng tham gia dao động.Hình 3.7 Mô hình tổng thể công tình (2)

Tình 3.8 Mô hình tổng thể công tình (3)

nh 39 Biểu đồ ph phản ứng thiết kể Sd (mvs2)-T (s)

Hình 3.10 Khai báo số mode dao động

Hình 3.11, Khai báo phổ phản ứng thiết kế

Hình 3.12, Định nghĩa trường hợp tải trọng động đất

h 3.13 Biểu đồ so sánh lực cắt VX ti các ting ~ Công trnh (2) Hình 3.14 Biểu đồ so sánh mô men MỸ tại các ting ~ Công trình (2).

Hình 3.15, Biểu đồ so sánh lục cắt VY tại các ting ~ Công tinh (2)

Hình 3.16 Biểu đồ so sánh mô men MX tại các ting ~ Công từ ©).

Hình 3.17 Biểu dé so sánh lực cắt VX tại các ting — Công trình (1). Hình 3.18 Biểu đồ so sinh mô men MY tại các ting ~ Công tinh (1) Hình 3.19 Biểu đồ so ánh lực cắt VY tại các ting ~ Công tình (1) Hình 3.20 Biểu đồ so sánh mô men MX tại các ting = Công trình (1) Hình 3.21 Biểu đồ so sinh lực cắt VX tại các ting ~ Công tinh (3) Hình 3.22 Biểu dé so sánh mômen MY tại các ting - Công trình (3). Hình 3.23 Biểu dé so sánh lực cắt VY tại các tả 1g — Công trình (3).

Hình 3.24 Biểu đổ so ánh mômen MX tại các tang ~ Công tình (3)

DANH MỤC BANG BIEU

Bảng I.1 Hệ số phin cản tối hạn v la Bảng 2.1 Công thức thực nhiệm chu kj dao động riêng TI + Bang 2.2 Các lớp vật liệu cấu tạo sản 24

Bảng 2.4, Gi tỉ của ọ để tinh toán yr 26Bảng 2.5 Tính toán chu kỷ theo công thức thực nhiệm công tinh (1) 30Bảng 2.6 Tinh toán chu kỷ theo công thức thực nhiệm công tinh (2) 32

Bang 2.7 Tinh toán chu kỳ theo công thức thực nhiệm công trình (3) 34

Bảng 2.8 Tính toán chu kỷ theo công thức thực nhiệm công tỉnh (4) 36 Bang 3.1 Nội lực phân phối tại các ting của tải trọng DDX (1) - theo phương pháp tình lực ngang tương đương sBảng 32 Nội lực phân phối tai các ting của tải trong DDY (1) - theo phương pháptình lực ngang tương đương, _ Bảng 3.3 Nội lực phân phối tai các ting của tải trong DDX (2) - theo phương pháp

tĩnh lực ngang tương đương 56

Bảng 3.4 Nội lực phân phối ti các ting của tải trọng DDY (2) - theo phương pháp

tinh lực ngang tương đương 57

Bảng 3.5 Nội lực phân phối ti các ting của ti trọng DDX (3) - theo phương pháp tinh lực ngang tương đương 39 Bang 3.6 Nội lực phân phối tại các ting của tải trọng DDY (3) - theo phương pháp tinh lực ngang tương đương 60 Bang 3.7 Nội lực phân phối tại các ting của tải trọng DDX (1) - theo phương pháp.

Bảng 3.11 Nội lực phân phối tsi cc ting của tải trong DDX (3) - theo phương pháp,

Bing 3.12 Nội lực phân phối tại các ting của tải trọng DDY (3) theo phương pháp phổ phản ứng.

Bang 3.13, Bang so sánh nội lực tải trọng DDX —tông trình (2)Bang 3.14 Bảng so sánh nội lực tải trọng DDY ~ Công tình (2)Bảng 3.15 Bảng so sánh nội lực tai trong DDX ~ Công trình (1)Bang 3.16 Bảng so sánh nội lực tải trọng DDY ~ Công tình (1)Bang 3.17, Bảng so sánh nội lực tải trọng DDX ~ Công tình (3)Bang 3.18 Bảng so sánh nội lực tải trong DDY ~ Công tình (3)

1 Tính cấp thiết của đề tài

‘Theo bản đỗ phân vũng động đất lãnh thổ Việt Nam do Viện Vật lý Bia cầu lập và được nghiệm thu năm 2005 thi ở nước ta một số vùng thuộc lãnh thổ phía Bắc có khảnăng xây ra động đất cấp 8 theo MSK, và cl đông do động đất gây ra tại một số địa diễm ving Tây Bắc có thể đt tới cắp 9, còn đại bộ phận lãnh thổ Việt Nam có thé xy 1a động đất vừa và nhỏ Do vậy thiết kế kháng chắn cho các công trình nằm trong vùng chịu ảnh hưởng động đất ở Việt Nam là rit cần thiết

Năm 2006 Bộ xây dựng đã bản hành tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động dat 375-2006 và đến năm 2012 đã sửa đổi bd xung thành TCVN: 9386-2012 ~ Thiết ké công trình chịu động đất Tuy nhiên phần lớn kỹ sữ Việt Nam biện nay còn gặp khó khăn Khi phân tích tính toán động học, xác định chu ky dao động riêng của nhà cao ting và lựa chọn áp dụng các phương pháp tinh toán kháng chin theo TCVN: 9386-2012 khỉ

áp dụng vào các công trình cụ thể.

Hơn nữa chu kỷ dao động và các đặc tính động lực học khác của công tinh là những ếu tổ quan tong khí xác định lực động đắt tác dụng lên kết cầu Trong một số phạm vi cho phép của chủ kỳ dao động tiếng giá tr lực động đắt phụ thuộc vio chu ky dao động riêng của công trình Vi vậy việc xác định chu kỳ dao động riêt 1g và các đặc tính. động học cũa nhà cao ting phân tích lựa chọn phương pháp tính toán kháng cỉ phù hợp là bước quan trọng trong tính toắn khing chắn và là một vin đề mang tinh cắp thiết

2, Mục đích của dé tài

Dưa ra mỗi tương quan thực nghiệm giữa chu kỹ dao động riêng và số ting của nhà

cao ting

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ~ Đối tượng NC: Các công trình nhà ở cao ting.

- Phạm vi NC: Méi quan hệ giữa dao động riêng của nhà và số ting.

4 Kết quả dự kiến đạt được

Đưa ra mỗi tương quan thực nghiệm giữa chu kỳ dao động riêng và số tng của công,trình, đánh giá và kiến nghị sử dụng phương pháp tính toán xác định tải trong động đất

phù hợp.

'CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE DAO DONG, PHAN TÍCH DONG HOC CONG TRINH.

1.1 Các khái niệm cơ b:

Dao động là chuyển động cô giới hạn rong không gian lip di lặp lai nhiễu lần quanh

‘vi trí cân bằng Các công trình xây dựng, do khối lượng và tính đàn hồi nên có thể thực.

hiện các chuyển động dưới tác dung của ngoại lực Nếu chuyển động của công tỉnh

được lặp lại sau một khoảng thời gian nhất định được gọi là chuyển động dao động,

"hay gọi tit là dao động,

Dao động cơ học là một biến thiên liên tục giữa động năng và thé năng Tùy theo sự

phân bỗ khối lượng trên hệ, cfu tạo và khích thước của hệ, tinh chất của cức loi tải

trong vi các tác dụng bên ngoài, ảnh hưởng va sự tương tắc cũa môi trường dao động, cũng như sự làm việc của hệ v.x mà người ta có rất nhiều cách phân loại khác nhau Dao động của công trình dưới tác dụng của ngoại lực là đối trợng nghiễn cứu của môn học động lực học công trình Tuy nhiên trong đề tài nghiên cứu này, ta chỉ giới hạn ngoại lực tác động vào công trình là lực động đất

“Tác dung của động đất lên công trình xây dựng được hiểu là sự chuyển động kéo theo ‘ea công trình khi mặt đất chuyển động hỗn loạn theo thời gian Khi công trình chủ n

động sẽ xuất hiện các lực quần tinh, mi người ta thường gọi là lực động đất Khi có

lực động đắt tác dụng, công trình sẽ xuất hiện các phản ứng động lực (chuyển vị, vận. tốc, gia tốc, ứng sắt, biến dạng ) hay gọi it là phản img.

Đánh giá một cách chính xác phản ứng của công trình dưới tác dụng của động đất là u tổ ánh hưởng

một công việc hết sức phức tạp, vì có quá nhiề nó: ngoài các

xếu tổ ghỉ trên bản đồ vì địa chắn, cin phải kể đến độ sâu chấn tiêu H, tâm cự D, tiêu cự A, loại vật liệu xây dựng và tính chất cơ lý của nó, hình dáng và cấu tạo, sự phân bo khối lượng tong từng loại công trinh, tim quan trọng của công trnh, trình độ thi công Và hàng loạt yếu tổ ngẫu nhiên khác Nhưng cho đến nay, trong tắt cả các iều chuẩn Kháng chin trên thể giới, người ta mới chỉ để cập đến một số yêu tổ k trên, trong đó lại ó một số tham số cũng chỉ mới được quan tâm về mặt định tính Với cách tiếp cận

vấn để như trên, trong các phần trình bày tiếp theo ta chỉ & cập tính chất của vật liệu tuân theo các định luật cổ điển và chi nghiên cứu chuyển vị nhỏ quanh vị trí ân bằngén định

1.2, Phan ứng công trình một bậc tự đo.

1.2.1 Mô hình tính toán và phương trình chuyển động

Nhigu công tinh như nhà ở một ting, nhà công nghiệp rong lượng của cột và phần bao che xung quanh thường được bỏ qua vì trọng lượng này nhỏ hơn nhiều so với trong lượng mãi che Trong trường hợp trọng lượng cột và phần bao che xung quanh: khá lớn thì cần kể đến một phn trong lượng của nó theo nguyên tắc tổ hợp tải trong. "Những công trình như trên đều có thể đưa về m6 hình với một thanh ngang mang khổ lượng và hai cột không trọng lượng chịu uốn (b.1-1,a) Nếu bỏ qua chuyển vị xoay và

chuyển vị thing đứng của thanh ngang (điều này phù hợp với tải trọng động dit), có

thể biểu diễn công tinh bằng hệ một bậc tự do Để đơn giản, có thể thay sơ đồ trênbằng một thanh đàn hồi đầu ngim vào nỀn đất và đầu tự do có gắn khối lượng mí(b.1-1, b), Khi động đất xây ra, được biểu diễn bằng him gia tốc x0() của nền đắt, khối lượng m chỉ thực hiện một đi chuyển tinh tiền ngang và giá đỡ chỉ chịu uốn Kết quả,

Khi động dit xiy ra, nền đất di chuyển x0 khối lượng m di chuyển tương đối xí) thì phương trình dao động của công trình sẽ là

{#40 + #()| + ext) + ki) = 0hay m0) + e6) + kxft) = 3u#j) (1-1)“rong đó:

1m [Ro(t) + x(0)] ~ lực quần tinh của khối lượng m;

© - hệ số cản nhớt của thanh đàn hồi, đặc trưng cho phần tiêu hao và phần tán năng lượng;

(0) - lực cần nhớt

& - hệ số độ cứng của thanh đàn hồi; s(t) - lực din hồi

“Các dai lượng m, e và k là các đặc trưng riêng của công trinh và được giả thi là các hằng số trong thời gian dao động Trong thời gian xảy ra động dit, khối lượng m tích luỹ động năng, thanh đàn hồi với độ cứng k tích luỹ thể năng, lực cân làm tiêu hao năng lượng, còn thành phần =mỄ0(Q ở về phải của (1-1) đóng vai trò lực kích động ceung cấp năng lượng cho công tình

1.2.2 Dao động te do

Dao động tự do của hệ kết cầu là dao động sinh ra bởi một tác động bắt ky trên hệ kết Ất đi tức thời Nói cách khác, dao động xây ra sau khi nguyên nhân lâm cho hệ kết cầu ra khỏi trạng thái ding biển mắt Phản ứng của dao động tự do rất quan trọng, trong việc xác định một đặc tinh cơ bản của hệ kết cầu, đó là chu kỹ dao động riêng [2]a) Hệ kết cấu không có lực cân

“Trong trường hợp này c = 0, nên từ phương trinh (1-1) ta viết được phương tìnhchuyển động của hệ kết cấu như sau

m X(t) + kx(t) = 0 (1-2) Nếu dat

Các hằng số phân tích A và B được xác định tir các

Giả thiết rằng tại thời điểm t = 0, hệ kết cấu có chuyển vị ban đầu xo và vận tốc ban

Ta nhận thấy rằng dao động tự do không có lực can là dao động thường cuyên và kéo

dai vô han, Ở hình 1.2, T là chu kỷ dao động riêng hoặc chu kỹ dao động tự nhiên của

hệ kết cấu, biểu thị khoảng thời gian cần thiết (s ~ giây) để thực hiện một dao động toàn phần:

Hinh 1.2: Dao động tw do của hệ một BTDĐ không có lực cản

6

ần số riêng hoặc tần số tự nhiên của hệ kết cau, biểu diễn số “rong biểu thức rên, là

lần dao động tong một giây Tin số riêng của hệ dao động còn cổ tên à th số vòng

do tính tương tự động với vận tốc vòng,

‘Nhu vậy các tinh chất cơ bản của hệ kết cấu T, ® và f chi phụ thuộc vào khối lượng và độ cứng của nó Nếu hai hệ kết cấu có cùng khối lượng nhưng khác nhau về độ cứng, thì hệ nào có độ cũng lớn hơn sẽ có chu kỷ riêng ngắn hơn và tin số riêng lớn hơn Ngược lại, néu hai hệ kết cấu có cùng độ cứng nhưng khôi lượng khác nhau, thì hệ nào có khối lượng lớn hơn sẽ có chu kỷ riêng dai hơn và tin số riêng nhỏ hơn [2]

b) Hệ kết cầu có lực cản

“rong thự tổ, một hệ kết cấu dao động tự do thường cổ lực căn và biên độ dao động

giảm din theo thời gian, Có nhiễu loại lực cân khác nhau: ~_ Lực cản nhớt, khi lực cản tỷ lệ thuận với tốc độ:

= Lực cân ma sát, khi lực cản là một hing si

= Lực cán tr, khi lực can tỷ lệ thuận với biên độ chuyển động.

[Ni phần trên đã đỀ cập tối, do tnh thuận ợi và "đẹp đề" khi biển diễn đưới dạng một biểu thức toán học nên trong tính toán kết cầu người ta thường sử dụng lực cản nhớt “Trong trưởng hợp nảy, phương trình chuyển động của hệ có một BTDD khi dao động tự do với lực cân sẽ có dang sau:

Tuy thuộc vào trị số của biểu thức dưới dấu căn thức của biểu thức (1-11) mà ta sẽ gặp một trong 3 trường hợp sau:

* THỊ: Trường hợp cản tới hạn.

Trị số của hệ cản làm cho biễu thức đưới dấu căn thức bằng không được gọi li hệ số cản tới hạn và ký hiệu bằng cá Như vậy với điều kiện:

Ta thấy ring hệ số cân tới han là một đặc ínhriêng của hệ dao động và được biểu diễn

qua các thành phần đặc trưng của nó (k, m).

Ty số giữa hệ số can thực tế và hệ số cản tới hạn được gọi là phan cán rới han hoặc đổ

cm hạt

Vesc E8 2E gu

Hệ số phn cin 16 hạn được sĩ dạng rộng oi trong động lự học công tin, đc bit trong địa chấn học công trình Khác với hệ v là một đại lượng không thứ nguyên và biểu thi một ích rit trục giác Khả năng giảm chắn của một công tỉnh xây

‘Tir đó nghiệm (1-10) sẽ có dang rút gon sau:

Phương tinh (1-16) cho thấy chuyển động của hệ kết edu ứng với trường hợp này không tuần hoàn (hình 1.3, đường cong a) và hệ kết edu mắt đặc tính dao động.

() v1

Hình 1.3, Phản ứng của hệ kết cầu trong trường hợp cản tới hạn và cản lớn

* THR: Trường hợp cân lớn

"Nếu hệ số can thực tế lớn hơn hệ số cán tới hạn c > cụ ta nói rằng hệ kết cấu có lực cảnlớn Như vậy trong trường hợp này:

còn các nghiệm 2; và Ao la số thực vả âm,

Với điều kiện trên, nghiệm của phương trình (1-9) sẽ có dạng sau:

3()=e(Ae/#'=E% +Bev#f=25) — (20) Trong dé các hing số A và B được xắc định từ các điễu kiện ban đầu (1-17)

Cũng giống như trường hợp trước, chuyển động của hệ kết cấu không có tính tin

hoàn (hình 1.3, đường cong b), nghĩa là khi bị đẩy khỏi vi tí cân bằng hệ kết cu trởvề vị trí ban đầu mà không có dao động Trong tính toán các công trình xây dựng, cả

hai trường hợp trên đều không có ý nghĩa quan trọng.

ai) =e(Ae!2# + Bee) (1-22)

Khai triển các hàm số mũ, đồng thời sử dụng các biểu thức của Euler, ta có thể viết

nghiệm (21) dưới dang đơn giản hơn như sau:

Từ các hằng thức trê ta có thể xác dinh được các hing số A và ợ Nghiệm của phương trình chuyển động (1-9) sẽ có dạng sau:

x(0)=Š82~P#iina,L (1-25)

Hình L4 biễu diễn phương trình chuyển động (1-24) Đây là đao động diều hod có tin si và biên độ AeTM giảm dẫn với cấp số mũ theo thời gian

"

Chu kỳ dao động riêng của hệ dao động tự do có lực cản được xác định từ biểu thức.

Trong thực tế, đa số các công tình xây dựng đều có v Z 0.1 nên ta có thể bổ qua ảnh

hưởng của lực cản tới các trị số riêng của hệ, nghĩa là có thé xem:

@c®*@ ; TeXT và fe=WTI-VESf

Biết inh dang chuyển động của một hệ có lực cân ta có thé dùng các biên dộ kế tiếp nhau của dao động đỂ xác định độ cân, tức là độ tắt dẫn của dao động, Độ cin đượcác định thông qua khái niệm lượng giảm lögu của dao động

Theo định nghĩa, lượng giảm loga của dao độnglà logari tự nhiền của tỷ số giữa hai

biên độ kế tiếp nhau trong phạm vi một chu kỳ Xét hai biên độ kể tiếp của dao độngcho ở hình 1.4, theo phương tình (1-24) ta có:

Xn 5 Xo = Ae Pines Nhu vậy lượng giảm loga sẽ là

a Ine Ber) —InefTe = BTc (I-29)

‘Thay j và Te từ các biểu thúc (1-14) và (1-26) vio biểu thức (1-29) ta sẽ được biểu

thức sau:

(1-30)

A2n (1-31)

Từ biểu thức trên ta có thé xác định được trị số của phần cản tới hạn dùng trong tính toán động lực các công trình xây dựng:

ves (1-32)

các hệ kit cầu 66 lực cân, hệsố v phụ thuộc chủ yếu vào loại kế ấu và tính chất vật liệu đảng để thi công nó Hệ số này được xác định bằng phương pháp thực nghiệm Ví dụ, ta có thé dùng các đỏ thị dao động ghi được khi thí nghiệm công trình dé xác định. lượng giảm lôga theo biểu thức gần đẳng so

Bang sau đây cho một số các trị số v của các kết cầu và nền dat thường gặp Bang 1.1 Hệ số phn cản tới hạn v

TT Loại kết cầu Phan can tới hạn v

1 | Kết cầu bê tông cốt thép liễn khối 0020414 2 | Kết cấu gạch đá hoặc đúc sẵn 0.06 - 0.18 3 | Kết cấu nha công nghiệp bằng thép, 002~006, 4 | Cầu bê tông cố thép 0.03 - 0.16

6 | Các kết edu khối lớn 0050410

§ | Cát nên chật on

1.2.3 Các đặc điểm động lực của nhà cao ting

Để xác định phân ứng động lực của công trình nhiều ting chịu tác dụng động đất, ta đưa chúng về hệ có có hữu hạn bậc tự do Một công trnh có thể chuyển thành hệ dao động có hữu hạn bậc tự do khi khối lượng của nó có thể tập trung tại một số tiết diện nhất định mà không làm ảnh hưởng lớn đến tính chất làm việc so với hệ thực Căn cứ theo nguyên tắc trên đây, chúng ta có thể chuyển sơ đỏ tính toán của nhà nhiều tang về hệ có hữu hạn bậc tự do bing cách tập trung khối lượng về các mức bản sản (h-1.5,a),

"Nếu giả thiết các dầm ngang và bản sin là tuyệt đối cứng và bỏ qua các chuyển vị

xoay của nó trong mặt phẳng thẳng đứng, đồng thời xem nền đắt là tuyệt đối cứng, chúng ta có hệ dao động n bậc tự do theo phương ngang Bỏ qua biển dạng đọc của cột

(điều này rất phủ hợp với các quan sắt sau các trận động dit), độ cứng của công trình

được xác định qua độ cứng chống uốn của cột Cơ chế tiều hao và phân tán năng lượng trong dao động được biểu diễn qua hệ số cản nhớt của cột.

Trên hình 1.5, b biểu điễn một sơ đồ tinh khác cho công trinh nhiễu ting VE ý nghĩa cơ học, cách biểu diễn ở sơ đồ tính hình I.5, a và hình 1.5, b là tương đương nhau Đẻ dom giản, sau đây sẽ ding sơ đồ tính ở hình 1.5

Để thành lập phương trình dao động của công trình, có thể ding phương pháp lực (phương pháp ma trận mém) hay phương pháp chuyén vị (phương pháp ma trận cứng) trong cơ học kết cấu Sau đây, sẽ xây dựng phương trình dao động của công hình nhiễu bậc tự do theo phương pháp chuyển vị, bằng cách viết các phương trình điều kiện trên cơ sở bigu diễn sự cân bằng động của công trình theo bậc tự doI]

Hình 1.5: Hệ ké edu nhiễu bậc tự do động chị tác động động đắt

H

Dưới tác dụng của một xung ban đầu, bg sẽ dao động theo phương ngang và ti thời điểm bắt kỳ các khối lượng mm m, sẽ thực hiện các chuyển vị x/0, xi) ví) Giả sử cho ắt cử các khỗi lượng mi(k = 1.2, n) chịu ign kết theo phương bậc tự do (tv 1 6) rồi lẫn lượt giải phỏng liên kết thứ k và chúc chuyỂn vị xi) thì trong các liên kết j còn lại sẽ xuất hiện các phản lực liên kết Ry do chuyển vị xí) sinh ra, còn tại & sẽ xuất hiện lục quân nh

“Trong đó Rụ, như đã qua hệ số độ cứng nụcủa liên kết # khi cho liên kết (j = J,2, m) chuyển đơn vị và theo định lý Maxwell-Betti nx = nụ

Ry =n) “Cuối cùng ta có:

FS + Dhar a) (1-36)

Nhưng do hệ thực hiện dao động theo phương ngang nên các liên kết thêm vào là không có và Re phải bằng không,

oS 4 Dh 1x0 =0 37)

Điều kiện (1-37) được ví (k= 1.2, n) và chú ý

thức lực quan tính (1-34), ta hú được hệ phương tinh biểu diễn dao động tự do của hệ

cho tắt cả cá biểu

công trình ø bậc tự do,

mtfï(f)+y34(0 + 82320) + + an) = 0

innit) + y9 # HAD + + anh =O.

Hệ phương tinh vi phân (1-38) được viết gọn lại dưới dạng ma trận

Thay (I-41) vào đạo hàm cấp bai của nó theo thờ gia vào (1-39) ta cổ phương tình

([KI-#Š[MDIA) = (0) (1-42)

Vi (4) biểu diễn biên độ dao động của các khối lượng my phải khác không, nên rút ra

đt[K] - øŠ[M]) =0 083)

Biểu thức 43) là phương trình tin số dao động riêng ø của công trình.Khai triển (1-43) sẽ được da thức bậc » của @Ÿ và khi giải ra sẽ có n nghiệm thực, dương và phân biệt biểu diễn các tin số dao động riêng «(i = 1,2, øJ Sắp xếp các tần số này theo thứ tự từ nhỏ đến lớn wy < @z< < wy

Khi biết tn số dao động riêng a, chu ky dao động riêng Ti = 1,2 „) sẽ được xác,

inh theo công thức:

oy và T được gội li thn số cơ bản và chu ky dao động cơ bản Còn các ø, > oi và T << Ti được go là tần số và chủ kỹ dao động hạng cao

Ung với tin số dao động riêng @;, công trình sẽ thực hiện một dạng dao động riêng,

mà sau đây ta gọi là dạng dao động chính thứ 7, Một công trình có m bậc tự do sẽ có ør

tn số dao động riêng và tương ứng sẽ có n dạng dao động chính,

Để xác định biên độ {A} của dang dao động chính thứ i, ta thay ø, vừa tim được vào. phương tình (1-42)

([KI-øŸ[M](A)i= (0) 4-45) “Trong đó {A}; - biên độ dao động trong dạng chính thứ

Nếu ký hiệu #u là to9 độ của khối lượng me tong dang dao động chính thie 1

‘Thi phương trình (1-45) được viết lại như sau

Chương 1 đã hệ thống lại được lý thuyết và các công thức tổng quan về dao động, động lực học công trình Dao động của nhà cao ting được đưa về hệ dao động nhiều

bậc tư do có lực cản.

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHU KỲ DAO DONG RIENG TRONG THUC HANH THIẾT KE VÀ MOI LIÊN HE CUA

PHƯƠNG PHAP TÍNH VỚI SỐ TANG CUA NHÀ CAO TANG

2.1 Các phueng pháp sic định chu kỳ dao động réng của nhà can tầng trong thực hành thiết kí

Khi động đất xiy ra chúng có th làm hong lớp dit nỀn ở đưới công tinh, nhưng ở một mức độ thấp hơn động đất tạo ra các sóng xung kích truyền vào các kết cầu làm công trình bị rang ắc qua lại Sự rung lắc này phụ thuộc vào 2 yếu tổ đổ là khối ượng và độ cứng của công tình Với cũng loạ vật liệu và hình dang nhất định của cột thì độ cứng phụ thuộc phin lớn vio chigu cao Thực t thi các tòa nhà thắp có xu hướng cứng hon và ít thay đổi hơn còn những tòa nhà cao thường có xu hướng mềm hơn thay đổi nhiềuhơn, Giải pháp đưa ra là thay vì xây những tỏa nhà cao thì người a lại xây những tồn nhất có thể Cho đến năm 1985 nhà ở mức trung bình để chúng cứng hơn và thay đổi

người ta đã phải thay đổi lại suy nghĩ ấy, một trận động đất lớn ở Mexico city cỡ 8,1 Richter làm cho hi hết những tòa nhà cao từ 6 — 15 ting bị sụp đổ côn những toa nhà thấp hơn 6 ting hoặc cao hơn 15 ting thi hẳu hết it bị ảnh hưởng Tại sao những tòa nhà từ 6 — 15 ting bi sụp đỗ còn những toa nhà cao hơn nó thi lại ít bị ảnh hưởng Đồ lả ảnh hưởng do hiện tượng cộng hưởng gây ra khi mà tin số của các lần sóng xung. kích của động dat trùng với tin số dao động riêng của các toàn nha tim trung, mỗi làn sóng xung kich lại khuếch đại thém sự rung ắc của tỏa nhả, giống như sự thúc diy cùng nhịp với chiếc xích đu làm cho nó dao động dữ dội hơn và cuỗi cùng là sụp đỏ. Ngày nay, các kĩ sư kết hợp cũng với các nhà địa chit, địa chin học dự đo cửa các trận động đất có thể xảy ra tại vị trí xây dựng để tránh xảy ra hiện trượng cộng. hưởng Vấn đề thực tẾ được đặt ra là các kĩ sư sẽ tính toán tin số dao động riêng của sông tình như thé nào cho chính xác Những bài toán vỀ nhà cao ting luôn là những:

bai toán phức tạp, đặc biệt là khi nó chịu ảnh hưởng của các tác động đặc biệt như là.

động dit ĐỂ giải quyết tốt các bài toán vé nhà cao ting chịu ảnh hưởng tử tác động động đất cũng như gió động ta cần xác định được chu kỳ dao động riêng để đưa ra các biện pháp cũng như cảnh báo các vin để nguy hiém tác động đến công tình

19

Hiện nay trong thực hành thiết kế ở Việt Nam có hai phương pháp chính để xác định chu kỳ dao động riêng của nhà cao ting đó là áp dung các công thức thực nghiệm và sir đụng các phần mềm may tính như Sap 2000, Etab, StaDDIII Việc tỉnh toán theo các phương pháp khác nhau cho ra các kết quả rất khác nhau với cùng một công tinh Vì vậy việc lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp với đặc điểm công trình như số.

ting nha là một vin đề cin được làm rõ, đ giáp cho việc dự toán tính toắn phản ứngđộng của công trình chính xác hơn Nhận rõ sự nguy hiểm của hiện tượng cộng hưởng, cũng như tim quan trọng của chu kỳ dao động riêng của nhà cao ting Mục tiêu của chương này là đánh giá các phương pháp xác định chu kỳ dao động thông qua công thức thực nghiệm trong các chỉ din thiết kể cũng như phương pháp sử dụng phần mễm máy tính Thông qua việc tỉnh toán chu kỳ dao động riêng của một số công trình nhà cao ting bằng công thức thực nghiệm theo tiêu chuẩn của một số quốc gia và so sánh với kết quả từ phần mềm phân tích kết cấu Sap2000, một số nhận xét và kiến nghị quan trọng liên quan đến các yêu tổ ảnh hưởng đến dao động của công trình cũng như mức độ chính xác của các công thức tỉnh được rút ra

2.1.1 Xác định chu kỳ dao động riêng cơ ban (T1) của nhà cao ting theo công thức thực nghiệm

*Theo tiêu chuẩn Việt Nam.

Theo TCVN 9386-2012: Thiết kế công trình chịu động dat (Mục 4.3.3.2.2) [3]

Đối với công tình cỏ chiều cao không lớn hơn 40m, giả trị TẢ (tinh bằng giây) có thé tính gần đúng theo biểu thức sau:

¡=C,xHẺt (4.6) Trong đó:

+, = 0,085 đối với khung thép không gian chịu momen;

+ C= 0,075 đối với Khung b#tông không gian chịu mômen và khang thếp có ging lệch tâm;

+ C,=0,050 đối với các kết cầu khác;

+H là chiều cao nhà, tính bằng m, từ mặt móng hay định của phần cứng phía dưới 20

‘Theo TCXD 229-1999: Chỉ dẫn tinh toán thành phần động của ti trong giớ[4](Phụ

Ie B, mục B.3) Chủ kỳ dao độngng cơ bản của nhà có thể tinh bằng 1 số công thức

Khung thép chèn gạch hoặc bêtông nhẹ œ 0,08

thếp toàn khối tường bing gạch hoặc bằng bÊtng nhe = 0,064;

Công thức 2:

Trong đó:

+1118 chiều cao nhả tính bằng (m)

+ Di kích thước bề rộng mặt đón gió tinh bằng (m) ++ là hệ số phụ thuộc vào dang kế!

Nhà có hệ thing chống gió bằng khung bêtông cốt thép = 0.09;

Nhà có hệ thống chống gió bằng tường xây gạch, đá hoặc bêtông thường,

“Theo tiêu chuẩn của một số nước.

Bang 2.1 Công thức thực nhiệm chu kỳ dao động riéng TI

Nước | The gid a Nhận xét

Công trình có tường gạch hay

Tiên chin tắm lớn bêtông cốt thếp chịu

tú lực, (b là độ cao ân

khẳng chấn Ne (1à độ cao tầng)

(1968) Công trình bêtông cốt thép

Công trình thép

F.P.Ulich | 71=(001 0035) | Qua ki st 400 ng nba 05

D.S Caner | et dang ket eb khíe nhau

x0 | toin dong lye |T,=0075x,>VE

(ca) | hoc cng trình Trường học và nhì công cộng

T= axn xây bing pach, đá khối ơ =

h chu kỳ dao động rng của nhà cao tằng theo các chương tình tính

Khi khai báo trong phần mềm phân ích kết cầu ta bỏ qua ảnh hưởng của lường xây ch chèn ti công trình Nhưng thực tế thì chúng vẫn có ảnh hưởng tối công trình, khỉ được bỏ sung thêm các tắm tường gạch chẻn, rõ ràng chúng làm tăng độ cứng của công trình lên và từ đó làm giảm chu kì dao động của công tinh, Chính vi

vậy mà kết quả xác định chu kỷ dao động riêng của công trình khi sử dụng các chương trình máy tinh thường lớn hơn khi tinh theo công thức thục nghiệm, đầy là một vin đề các kỹ sw hay gặp phải khi xác định phản ứng động của nhà cao ting Trong một bainghiên cứu của A Kogak , A Kalyoncuoglu & B Zengin tại Thổ Nhĩ Ki [5], 3 ông đãlàm thí nghiệm với các công trình có tưởng gạch chèn và không có tường gạch chèn. Kết qua của bài nghiên cứu kết luận khi có thêm tường gạch chèn thì chu ki của công trình bị giảm di còn khoảng từ 684-7696 so với Khi không có tường gạch chèn Do đó

hi phân tích dao động bằng các phần mém kết cầu ta lấy chu ki nhân với hệ số giảm

chu kì do ảnh hưởng của tưởng gạch chén trung bình là 0,7.

“rong 1 bài đồ án tốt nghiệp do Ths Nguyễn Hữu Anh Tuấn [6] hướng dẫn khi phân tích dao động của chung cư HimLam có nhắc tới hệ số này, và ta thấy nó sắt với thực tế nên ta lấy hệ

chu ki bằng phần

giảm chu ki do ảnh hưởng của tường gạch chèn là 0,7 khi phân tích.

phân tích kết cầu như Sap2000, Etab Trong nghiên cứu này

khoa học đã tức giả cũng kiến nghi sử dụng hệ số điều chỉnh là 0.7 như hai công

được công bố phía trên.

4) Cách xác định Khổ lượng công trình theo quy định

Tải trọng: Dựa vào tiêu chuẩn TCVN 2737-1995, Tải trong bản thân các cầu ki

Bang 2.2 Cúc lip vật liệu edu tạo sản

Xác định khi lượng tham gia dao động: Theo TCVN 9386-2012 [3] Mục 3.24 có quy định Giá trị thiết kế Ey của các hệ quả tie động do động đất gay ra phải được xác định

theo công thức:

s.-*a, «090A, 123 vais

2

"Như vậy khi ta tinh toán chu kỹ là hiệu ứng quán tỉnh của tác động động đất đối với công trình cần phải xét tới các khối lượng liên quan tớ tất cả ác lực trọng trường xuất hiện trong tổ hợp:

EGíị"£” ri x Qh.

“Trong đó: Gx, là tĩnh tải của tang thứ i

dul hoạt ti ca ng thứ

Xe là hệ số tổ hợp có xét đến khả năng là hoạt ải Qv, không xuất hiện trên toàn bộ công trinh trong thời gian xảy ra động dit Hg số này còn xét đến sự tham gia hạn chế của khối lượng vào chuyển động của kết cầu do mỗi liên kết không cứng giữa

Bi = @ x Vai

“Trong đó: và yo được xác định theo bảng sau

Bảng 2.3 Giá tr yas đối với nhà

Tác động

“Tải rong đặt lên nhà, loại

Loại A: Khu vực nhà ở, gia 03

Loại B: Khu vực văn phòng 03

Loại C: Khu vực hội họp %6

Loại D: Khu vực mua bán 06

Loại E: Khu vực kho lưu tit 08Loại E: Khu vực giao thông, trọng lượng xe < 30 kN 06Loại G: Khu vực giao thông, 30 KN < trong lượng xe < 160 kN 03Loại H: Mái o

25

“Bảng 24 Giá trị của ọ để tính toán ye;

Loại tác động thay déi Ting ø

** Các loại tác động thay đôi được định nghĩa trong Bảng 2.3

Đổi với các tầng sử dụng đồng thời làm văn phòng và nhà ở thì giá trị @ = 0,8 và 24

w x08

Đổi với mái

=> ver =Ix0=0

Do số tầng dé sử dụng lớn hơn rất nhiều so với số lượng ting mái, để đơn giản trong tính toán ta coi hệ số ổ hợp của mái bằng hệ số tổ hợp của ác ting sử dụng đồng thỏi Hệ số tổ hợp: ưa = 0,24.

Như vậy khối lượng tham gia dao động là TTT40.24HT,

) Cúc bước khai báo, xây đựng công trnh theo quy định trong Sup2000.

Khai bio đặc trưng vật liệu (Sử dụng bê tông cắp độ bén B25 cho toàn bộ công trình.)

Define > Materials -> Add new material

“Hình 2.1: Menu khai báo vật liệu trong Sap2000 Khai báo tiết diện dầm, cột:

Define > Section properties > Frame sections

2

- Khai báo tiết điện sin, vách:

Define -> Section properties > Area sections

‘Concet Shel Section Design ParteModty/Show ShetOesion Parca.

Set Moder

R31 _==—I

Hình 2.3: Menu khai báo tắt diện phin tử tắn, vỏ trong Sap2000 Khai báo hệ số khi lượng tham gia dao động khi tính chu kỳ dao động riêng.

Define > Mass source

28

Define Moe Source

Tình 24: Menu khai báo khối lượng tham gia dao động trong Sap2000 2.2 Mối liên hệ giữa phương pháp tính và số ting của nhà nhiều ting 2.2 Cúc ví dụ tinh toán

()Công trình nhà l4 tig, độ cao 49,8m

“Theo TCVN 9386-2012: Thiết kế công trình chịu động đất (Mục 42.322) [3]

Chon C, = 0,075 cho khung bê tông bêtông không gian chịu momen.

Nha có hệ thing chống gió bằng tường xây gạch đá hoặc bêtông thường:

thức thực nghiệm tir các nước:

Baing 2.5 Tinh toxin chu kỳ theo công thức thực nhiệm công trình (1)Nước Tie gia Ti Don vies

* Theo kết quả phân tích từ phần mễm sap2000.

"Ta Papal ug ua] ma

L

ne= (HAT TPL 2 seston | Ci

Phạm vi nghiên cứu của ail các công trình có dạng dao động đầu tiên chiếm chủ đạo nên sau khi phân tích mô hình bằng phần mềm Sap2000, chỉ có 3 chu kỳ đầu tiên được xuất ra đễ so sinh phân ích

Lấy 3 chủ kỹ dao động đầu tiên do máy chạy xuất rẻ

T= 1,976 (s) dạng dao động riêng thứ nhất theo phương 24,8 (m)

Tt A486 (s) dang dao động riệng thứ nhất theo phương 26,6 (m)

‘Ts = 1,002 (s) Kiểm tra trên mô hình Sap2000 thi thấy day là dang dao động xoắn nên

không xét trong nghiên cứu này.

XXét đến ảnh hưởng của tường chèn, các chu kỳ tính ra này cần nhân với hệ số

“chỉnh là 0,7 như đã thảo luận ở phần 2.1.2

=> Ty = 0,7x1,976 = 1,383 ()

Ts= 0,721,486 = 1,040 (s)

(2) Công trình 11 ting cao 40,8m

31

Bang 2.6 Tính toán chu kỳ theo công thức thực nhiệm công trình (2)

Nước Tác giá T¡ Kết quả - Đơn vị: s