Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Khảo sát sự thay đổi của các đáp ứng dao động cho nhà cao tầng khi chịu động đất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG

KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI CỦA CÁC ĐÁP ỨNG DAO ĐỘNG CHO NHÀ CAO TẦNG KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số ngành: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2020

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS HỒ ĐỨC DUY

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS NGUYỄN HỒNG ÂN

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh ngày 30 tháng 12 năm 2020

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 TS Hồ Thu Hiền - Chủ tịch 2 TS Nguyễn Hồng Ân - Phản biện 1 3 PGS TS Nguyễn Trọng Phước - Phản biện 2 4 TS Nguyễn Tấn Cường - Ủy viên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS Hồ Thu Hiền

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Lê Anh Tuấn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG MSHV: 1670570 Ngày/tháng/năm sinh: 13/4/1984 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số ngành: 60580208

I TÊN ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI CỦA CÁC ĐÁP ỨNG DAO ĐỘNG CHO NHÀ CAO TẦNG KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Mô phỏng kết cấu nhà cao tầng theo phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm SAP2000

2 Phân tích dao động tự do và phân tích dao động của nhà cao tầng khi chịu tác động của các sóng động đất khác nhau

3 Từ các đáp ứng gia tốc trên công trình, áp dụng phương pháp Phân tích miền tần số (FDD) để xác định các đáp ứng dao động: tần số tự nhiên và dạng dao động của công trình khi chịu động đất

4 So sánh, đánh giá các kết quả phân tích giữa dao động tự do với dao động khi chịu các sóng động đất khác nhau

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/10/2020

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS HỒ ĐỨC DUY

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS Hồ Đức Duy

TP HCM, ngày 21 tháng 12 năm 2020 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS Lương Văn Hải TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất từ tận đáy lòng đến toàn thể cán bộ giảng viên Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Em cũng xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến quý Thầy, Cô thuộc Khoa Kỹ thuật xây dựng của Trường đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho em, cùng những người bạn và gia đình đã cùng bên em trong suốt chặng đường học tập, nghiên cứu khoa học Đặc biệt hơn hết đó chính là người thầy mà em rất kính mến - PGS.TS HỒ ĐỨC DUY, người đã tận tâm hướng dẫn em hoàn thành luận văn thạc sĩ Thầy đã giúp em khơi gợi niềm đam mê về hướng nghiên cứu để có thể hình thành nên đề tài luận văn và hoàn thiện nó qua từng ngày, đó là những kiến thức không thể nào quên trong quá trình nghiên cứu khoa học và sự nghiệp sau này

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp là một bài luận cuối khóa học nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, giải quyết những vấn đề cụ thể và thực tế đặt ra trong lĩnh vực xây dựng Với sự nỗ lực của bản thân, luận văn thạc sĩ đã hoàn thành đúng thời gian quy định, tuy nhiên khó tránh khỏi những sai sót, hạn chế, kính mong quý thầy cô góp ý kiến thêm để em bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Kính chúc quý Thầy, Cô luôn hạnh phúc và dồi dào sức khỏe để có thể tiếp tục là người lái đò đưa nguồn tri thức đến với những thế hệ sau

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các công tác trong luận văn thạc sĩ do chính Tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hồ Đức Duy

Các kết quả trong luận văn là hoàn toàn đúng với sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác, ngoại trừ các kết quả được tham khảo liên quan đến luận văn

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về các công việc đã thực hiện của mình./ TP Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 12 năm 2020

HỌC VIÊN CAO HỌC

Nguyễn Thị Thu Hương

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xvii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xviii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 4

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.2.2 Nội dung nghiên cứu 4

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

1.4 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu 5

1.5 Cấu trúc luận văn 5

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 7

2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 8

2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 13

2.3 Tổng kết 15

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

3.1 Lý thuyết dao động kết cấu 16

3.2 Phương pháp biến đổi Fourier 17

3.2.1 Biến đổi Fourier rời rạc đối với dãy tuần hoàn có chu kỳ N 18

3.2.2 Biến đổi Fourier rời rạc đối với dãy không tuần hoàn có chiều dài hữu hạn N 19

3.2.3 Bộ lọc số theo phương pháp cửa sổ hình chữ nhật 20

3.3 Ước tính phổ năng lượng (Power Spectral Estimation) 21

3.3.1 Ước tính phổ năng lượng theo phương pháp Bartlett (1948) 21

3.3.2 Ước tính phổ năng lượng theo phương pháp Welch (1967) 22

3.3.3 Định lý lấy mẫu Nyquist-Shannon 24

3.4 Ma trận phổ năng lượng chéo (Cross Power Spectral Density Matrix) 24

3.5 Cơ sở lý thuyết phương pháp Phân tích miền tần số (Frequency Domain Decomposition - FDD) 25

3.6 Thuật toán Phân tích giá trị đơn (Singular Value Decomposition) 28

3.7 Phương pháp Phân tích miền tần số (Frequency Domain Decomposition) 29

3.8 Mô hình kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn 35

3.8.1 Lựa chọn loại phần tử mô phỏng trong mô hình 35

3.8.2 Tải trọng động đất tác động lên mô hình 37

3.9 Các phương pháp đánh giá từ các kết quả phân tích dao động 40

3.9.1 Sự thay đổi tần số tự nhiên 40

3.9.2 Sự thay đổi dạng dao động 41

CHƯƠNG 4 CÁC BÀI TOÁN KHẢO SÁT 43

4.1 Giới thiệu công trình 43

4.1.1 Thông tin công trình 43

4.1.2 Thông số kỹ thuật cơ bản của công trình 43

4.1.3 Thông số kỹ thuật kết cấu 44

4.2 Bài toán 1: Mô phỏng công trình bằng phần mềm PTHH SAP2000 46

4.2.1 Mô hình kết cấu và các giả thiết 46

4.2.2 Các thông số vật liệu và kích thước cấu kiện 47

4.2.3 Mô phỏng công trình 49

4.2.4 Phân tích dao động tự do 50

4.2.5 Chọn các điểm khảo sát trên thân công trình 56

4.2.6 Phân tích dao động khi chịu tác động của các sóng động đất 57

4.3 Bài toán 2: Phân tích các đáp ứng dao động của nhà cao tầng chịu động đất El Centro (1940) 60

4.3.1 Đáp ứng dao động của nhà cao tầng chịu động đất El Centro theo phương trục X 60

4.3.2 Đáp ứng dao động của nhà cao tầng chịu động đất El Centro (1940) theo phương trục Y 70

4.4 Bài toán 3: Phân tích các đáp ứng dao động của nhà cao tầng chịu động đất Kobe (1995) 76

4.4.1 Đáp ứng dao động của nhà cao tầng chịu động đất Kobe (1995) theo phương trục X 76

4.4.2 Đáp ứng dao động của nhà cao tầng chịu động đất Kobe (1995) theo phương trục Y 84

4.5 Bài toán 4: Phân tích các đáp ứng dao động của nhà cao tầng chịu động đất Loma Prieta (1989) 89

4.5.1 Đáp ứng dao động của nhà cao tầng chịu động đất Loma Prieta theo phương trục X 89

4.5.2 Đáp ứng dao động của nhà cao tầng chịu động đất Loma Prieta theo phương trục Y 97

4.6 Nhận xét các kết quả sau 3 trường hợp nhà cao tầng chịu 3 trận động đất El

Centro, Kobe và Loma Prieta 103

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

5.1 Kết luận 107

5.2 Kiến nghị 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 113

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Quy định nhà cao tầng của một số quốc gia 7

Bảng 3.1 Thông tin các trận động đất từ PEERC 38

Bảng 4.1 Trọng lượng riêng của vật liệu 45

Bảng 4.2 Tần số tự nhiên của các dạng dao động tự do 51

Bảng 4.3 Tần số tự nhiên của 4 dạng dao động uốn theo phương X 51

Bảng 4.4 Tần số tự nhiên của 4 dạng dao động uốn theo phương Y 54

Bảng 4.5 Sự thay đổi của gia tốc lớn nhất theo chiều cao khi chịu động đất El Centro theo phương trục X 64

Bảng 4.6 Các tần số tự nhiên của 4 dạng dao động uốn của công trình khi chịu động đất El Centro theo phương trục X 66

Bảng 4.7 Sự thay đổi của gia tốc lớn nhất theo chiều cao khi chịu động đất El Centro theo phương trục Y 70

Bảng 4.8 Các tần số tự nhiên của 4 dạng dao động uốn của công trình khi chịu động đất El Centro theo phương trục Y 73

Bảng 4.9 Sự thay đổi của gia tốc lớn nhất theo chiều cao khi chịu động đất Kobe theo phương trục X 77

Bảng 4.10 Các tần số tự nhiên của 4 dạng dao động uốn của công trình khi chịu động đất Kobe theo phương trục X 80

Bảng 4.11 Sự thay đổi của gia tốc lớn nhất theo chiều cao khi chịu động đất Kobe theo phương trục Y 84

Bảng 4.12 Các tần số tự nhiên của 4 dạng dao động uốn của công trình khi chịu động đất Kobe theo phương trục Y 86

Bảng 4.13 Sự thay đổi của gia tốc lớn nhất theo chiều cao (phương trục X) 90

Bảng 4.14 Các tần số tự nhiên của 4 dạng dao động uốn của công trình khi chịu động đất Loma Prieta theo phương trục X 93

Bảng 4.15 Sự thay đổi của gia tốc lớn nhất theo chiều cao khi chịu động đất Loma Prieta theo phương trục Y 97Bảng 4.16 Các tần số tự nhiên của 4 dạng dao động uốn của công trình khi chịu động đất Loma Prieta theo phương trục Y 99

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Các tòa nhà cao tầng trong đô thị tại Thành phố Hồ Chí Minh 1

Hình 1.2 Ảnh hưởng do động đất ở Việt Nam 2

Hình 1.3 Thảm họa kép tại Nhật Bản năm 2011 2

Hình 1.4 Tòa nhà Keangnam - một trong những tòa nhà cao nhất Hà Nội được thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn nước ngoài 3

Hình 1.5 Bản đồ địa chấn kiến tạo khu vực bán đảo Đông Dương 3

Hình 1.6 Đô thị tại thành phố Bến Tre 4

Hình 2.1 Công nghệ “Con lắc thép khổng lồ” cho công trình Shinjuku Mitsui 10

Hình 2.2 Thiết bị cách ly động đất nằm dưới móng Bệnh viện Chữ thập đỏ Ishinomaki 11

Hình 2.3 Quả cầu thép 730 tấn của tòa nhà Taipei 101, Đài Loan 11

Hình 3.1 Theo dõi dao động của kết cấu 17

Hình 3.2 Phân tích Fourier từ miền thời gian sang miền tần số 18

Hình 3.3 Dãy không tuần hoàn với chiều dài hữu hạn N 19

Hình 3.4 Cửa sổ hình chữ nhật 21

Hình 3.5 Các phân đoạn chồng lấp của một dãy tín hiệu 23

Hình 3.6 Ma trận phổ năng lượng chéo 25

Hình 3.7 Các tín hiệu gia tốc (đáp ứng dao động) minh họa 31

Hình 3.8 Hàm giá trị đơn đầu tiên  1  minh họa 33

Hình 3.9 Chọn đỉnh giá trị đơn đầu tiên  1  minh họa 33

Hình 3.10 Chọn đỉnh tần số 34

Hình 3.11 Dạng dao động tương ứng 35

Hình 3.12 Các nội lực trên phần tử thanh 36

Hình 3.13 Các nội lực trên phần tử tấm 37

Hình 3.14 Bảng ghi gia tốc trận động đất El Centro (1940) 39

Hình 3.15 Bảng ghi gia tốc trận động đất Kobe (1995) 39

Hình 3.16 Bảng ghi gia tốc trận động đất Loma Prieta (1989) 39

Hình 4.1 Phối cảnh công trình 43

Hình 4.2 Công trình xây dựng hoàn thành (02/2020) 44

Hình 4.3 Mặt bằng bố trí móng 45

Hình 4.4 Bố trí vách, dầm, sàn 46

Hình 4.5 Mô hình công trình nhà cao tầng trong SAP2000 50

Hình 4.6 Dạng dao động uốn thứ nhất BX1 (Mode BX1, f = 0.4926 (Hz)) 52

Hình 4.7 Dạng dao động uốn thứ hai BX2 (Mode BX2, f = 1.4864 (Hz) 52

Hình 4.8 Dạng dao động uốn thứ ba BX3 (Mode BX3, f = 2.8074 (Hz)) 52

Hình 4.9 Dạng dao động uốn thứ tư BX4 (Mode BX4, f = 4.6302 (Hz)) 52

Hình 4.10 Các dạng dao động uốn theo phương trục X của công trình 53

Hình 4.11 Dạng dao động uốn thứ nhất BY1 (Mode BY1, f = 0.4612 (Hz)) 54

Hình 4.12 Dạng dao động uốn thứ hai BY2 (Mode BY2, f = 1.7575 (Hz)) 54

Hình 4.13 Dạng dao động uốn thứ ba BY3 (Mode BY3, f = 3.6078 (Hz)) 55

Hình 4.14 Dạng dao động uốn thứ tư BY4 (Mode BY4, f = 5.0299 (Hz)) 55

Hình 4.15 Các dạng dao động uốn theo phương trục Y của công trình 56

Hình 4.16 Các điểm khảo sát trên thân công trình 57

Hình 4.17 Mô phỏng sóng động đất tác động lên công trình 58

Hình 4.18 Phổ phân bố năng lượng của trận động đất El Centro (1940) 58

Hình 4.19 Phổ phân bố năng lượng của trận động đất Kobe (1995) 59

Hình 4.20 Phổ phân bố năng lượng của trận động đất Loma Prieta (1989) 59

Hình 4.21 Tín hiệu gia tốc từ 18 điểm khảo sát khi công trình nhà cao tầng chịu động đất El Centro (1940) theo phương trục X 63

Hình 4.22 Phổ năng lượng của công trình khi chịu động đất El Centro (1940) theo phương trục X 65

Hình 4.23 Hàm giá trị đơn đầu tiên theo phương trục X 65

Hình 4.24 Chọn 4 đỉnh tần số theo phương trục X 66

Hình 4.25 Sự thay đổi tần số tự nhiên theo phương trục X 67

Hình 4.26 Tương tác giữa tần số kết cấu và sóng động đất El Centro (1940) theo phương trục X 68

Hình 4.27 So sánh dạng dao động giữa dao động tự do và dao động có tải động đất

El Centro (1940) tác động theo phương trục X 68

Hình 4.28 Các dạng dao động của nhà cao tầng chịu động đất El Centro (1940) tác động theo phương trục X 69

Hình 4.29 So sánh các dạng dao động tự do và dao động có tải động đất El Centro (1940) tác động theo phương trục X 70

Hình 4.30 Phổ năng lượng của công trình khi chịu động đất El Centro (1940) theo phương trục Y 72

Hình 4.31 Hàm giá trị đơn đầu tiên theo phương trục Y 72

Hình 4.32 Chọn 4 đỉnh tần số (theo phương trục Y) 72

Hình 4.33 Sự thay đổi tần số tự nhiên theo phương trục Y 73

Hình 4.34 Tương tác giữa tần số kết cấu và sóng động đất El Centro (1940) theo phương trục Y 74

Hình 4.35 So sánh dạng dao động giữa dao động tự do và dao động có tải động đất El Centro (1940) tác động theo phương trục Y 74

Hình 4.36 Các dạng dao động của nhà cao tầng chịu động đất El Centro (1940) theo phương trục Y 75

Hình 4.37 So sánh các dạng dao động tự do và dao động có tải động đất El Centro (1940) tác động theo phương trục Y 76

Hình 4.38 Tín hiệu gia tốc điển hình khi công trình nhà cao tầng chịu động đất Kobe (1995) phương trục X 77

Hình 4.39 Phổ năng lượng của công trình khi chịu động đất Kobe (1995) theo phương trục X 79

Hình 4.40 Hàm giá trị đơn đầu tiên theo phương trục X 79

Hình 4.41 Chọn 4 đỉnh tần số theo phương trục X 79

Hình 4.42 Sự thay đổi tần số tự nhiên theo phương trục X 80

Hình 4.43 Tương tác giữa tần số kết cấu và sóng động đất Kobe (1995) theo phương trục X 81

Hình 4.44 So sánh dạng dao động giữa dao động tự do và dao động có tải động đất Kobe (1995) tác động theo phương trục X 82

Hình 4.45 Các dạng dao động của nhà cao tầng chịu động đất Kobe (1995) tác động

Hình 4.50 Sự thay đổi tần số tự nhiên theo phương trục Y 87

Hình 4.51 Tương tác giữa tần số kết cấu và sóng động đất Kobe (1995) theo phương trục Y 87

Hình 4.52 So sánh dạng dao động giữa dao động tự do và dao động có tải động đất Kobe (1995) tác động theo phương trục Y 88

Hình 4.53 Các dạng dao động của nhà cao tầng chịu động đất Kobe (1995) theo phương trục Y 88

Hình 4.54 So sánh các dạng dao động tự do và dao động có tải động đất Kobe (1995) tác động theo phương trục Y 89

Hình 4.55 Tín hiệu gia tốc điển hình khi công trình nhà cao tầng chịu động đất Loma Prieta (1989) theo phương trục X 90

Hình 4.56 Phổ năng lượng của công trình khi chịu động đất Loma Prieta theo phương trục X 92

Hình 4.57 Hàm giá trị đơn đầu tiên theo phương trục X 92

Hình 4.58 Chọn 4 đỉnh tần số theo phương trục X 93

Hình 4.59 Sự thay đổi tần số tự nhiên theo phương trục X 93

Hình 4.60 Tương tác giữa tần số kết cấu và sóng động đất Loma Prieta theo phương trục X 94

Hình 4.61 So sánh dạng dao động giữa dao động tự do và dao động có tải động đất Loma Prieta tác động theo phương trục X 95

Hình 4.62 Các dạng dao động của nhà cao tầng chịu động đất Loma Prieta tác động theo phương trục X 96

Hình 4.63 So sánh các dạng dao động tự do và dao động có tải động đất Loma

Prieta tác động theo phương trục X 96

Hình 4.64 Phổ năng lượng của công trình khi chịu động đất Loma Prieta theo phương trục Y 98

Hình 4.65 Hàm giá trị đơn đầu tiên theo phương trục Y 99

Hình 4.66 Chọn 4 đỉnh tần số (theo phương trục Y) 99

Hình 4.67 Sự thay đổi tần số tự nhiên theo phương trục Y 100

Hình 4.68 Tương tác giữa tần số kết cấu và sóng động đất Loma Prieta theo phương trục Y 101

Hình 4.69 So sánh dạng dao động giữa dao động tự do và dao động có tải động đất Loma Prieta tác động theo phương trục Y 101

Hình 4.70 Các dạng dao động của nhà cao tầng chịu động đất Loma Prieta theo phương trục Y 102

Hình 4.71 So sánh các dạng dao động tự do và dao động có tải động đất Loma Prieta tác động theo phương trục Y 102

Hình 4.72 So sánh sự thay đổi tần số so với tần số tự nhiên của các Mode uốn theo phương X giữa các trận động đất 104

Hình 4.73 So sánh sự thay đổi tần số so với tần số tự nhiên của các Mode uốn theo phương Y giữa các trận động đất 104

Hình 4.74 So sánh sự thay đổi dạng dao động của các Mode uốn theo phương trục X giữa các trận động đất 105

Hình 4.75 So sánh sự thay đổi dạng dao động của các Mode uốn theo phương trục Y giữa các trận động đất 105

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc FDD Frequency Domain Decomposition Phân tích trên miền tần số FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FRF Frequency Response Function Hàm đáp ứng tần số

M.A.C Modal Assurance Criterion Tiêu chuẩn dạng dao động PSD Power Spectral Density Phổ mật độ năng lượng SDOF Single Degree Of Freedom Hệ một bậc tự do

SSI Stochastic Subspace Identification Nhận dạng không gian con ngẫu nhiên

SVD Singular Value Decomposition Phân tích giá trị đơn

f* Tần số tự nhiên phân tích dao động khi có ngoại lực tác dụng f Tần số tự nhiên của phân tích dao động tự do

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Đối với quy hoạch đô thị, nhà cao tầng là yếu tố quan trọng tạo ra sự thay đổi các thông số về vi khí hậu khác như bức xạ, nhiệt độ, chiếu sáng, tốc độ gió, hướng gió… Trong giai đoạn hiện nay, cùng với sự phát triển kinh tế, xu thế nhà cao tầng đang nở rộ tại các đô thị Việt Nam, quy mô cũng như số tầng cao ngày càng tăng (Hình 1.1)

Hình 1.1 Các tòa nhà cao tầng trong đô thị tại Thành phố Hồ Chí Minh Động đất là tai họa thiên nhiên vô cùng khủng khiếp, bởi vì chỉ trong vài giây cả một thành phố lớn có thể bị sụp đổ hoàn toàn, cả một khu vực có thể bị sụt lún và đôi khi những dòng sông cũng bị đổi dòng do hậu quả của những trận động đất mạnh Điều đáng quan ngại hơn là cho đến nay khoa học 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 lớn về con người và tài sản

Lịch sử ghi nhận những trận động đất mạnh nhất đạt tới 6.7-6.8 độ Richter và tương đương từng xảy ra ở phía Tây Bắc lãnh thổ Việt Nam Điển hình là vụ động đất ở Tuần Giáo (Lai Châu) mạnh 6.7 độ Richter năm 1983; Điện Biên xảy ra động đất 6.8 độ Richter năm 1935; động đất ở Lục Yên (Yên Bái) với cường độ 5.5 độ Richter năm 1954 và năm 1958 Vĩnh Phúc xảy ra động đất 5.7 độ Richter Các trận động đất này có chấn tiêu nông nên vùng rung động phá hủy hẹp, không gây thiệt hại đáng kể về người và tài sản (Hình 1.2)

Hình 1.2 Ảnh hưởng do động đất ở Việt Nam

Trên thế giới, tại các nước thường xảy ra động đất cũng đã ghi nhận được các thiệt hại cho các công trình nhà cao tầng Trận động đất có cường độ mạnh nhất từng xảy ra trên thế giới xuất hiện tại Chile ngày 22/5/1960 Gần 5,000 người thiệt mạng và bị thương, hơn 2 triệu người mất nhà cửa vì đợt thiên tai được ví như “cơn thịnh nộ của lòng đất” Năm 1994, trận động đất Northridge (Mỹ) mạnh 6.7 độ Richter làm rung chuyển thung lũng San Fernando đông dân cư, khiến 57 người chết và nhiều công trình xây dựng hư hại, tổng thiệt hại lên tới hàng tỷ USD Ngày 11/3/2011, trận động đất cường độ 9 độ Richter gây ra thảm họa kép tại Nhật Bản, có 15,893 người thiệt mạng, 6,152 người bị thương và 2,572 người mất tích tại 18 tỉnh của Nhật Bản và hơn 125,000 công trình nhà ở bị hư hại hoặc phá hủy hoàn toàn (Hình 1.3) Các sự cố đáng tiếc đã xảy ra với các công trình nhà cao tầng gây ra bởi địa chấn trên thế giới rất nhiều, đó cũng là các bài học đi trước mà chúng ta nên học hỏi và để có thể chuẩn bị các phương pháp phòng chống hữu hiệu

Hình 1.3 Thảm họa kép tại Nhật Bản năm 2011

Với những tòa chung cư, cao ốc mọc lên ngày càng nhiều hiện nay, thì sự an toàn khi xảy ra động đất đang là lo lắng của nhiều gia đình Công trình xây dựng nói

chung và nhà cao tầng nói riêng đều phải tuân theo yêu cầu hết sức khắt khe về tính toán tải trọng tác động đặc biệt (tải trọng động đất, tải trọng gió bão) (Hình 1.4)

Hình 1.4 Tòa nhà Keangnam - một trong những tòa nhà cao nhất Hà Nội được thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn nước ngoài

Việc nắm bắt được các hành vi ứng xử dao động dưới tác động của môi trường của các công trình nhà cao tầng sẽ giúp cho ta có khả năng dự đoán được các sự cố có thể xảy ra với chúng trong tương lai Các nghiên cứu về dao động của các nhà cao tầng trên thế giới đã xuất hiện từ lâu, tuy nhiên tại Việt Nam, vấn đề này còn khá mới mẻ và cũng chưa được chú trọng Đặc biệt là các nghiên cứu về ứng xử của nhà cao tầng chịu tác động của các sóng động đất (Hình 1.5)

Hình 1.5 Bản đồ địa chấn kiến tạo khu vực bán đảo Đông Dương

Tại tỉnh Bến Tre, số lượng nhà cao tầng còn ít, chiều cao tòa nhà cũng còn hạn chế so với nhà cao tầng ở các đô thị lớn (Hình 1.6) Mặt khác, trong bản đồ phân vùng gia tốc nền theo địa danh hành chính (Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012), Bến Tre

thuộc vùng động đất rất yếu (ag < 0.04g) nên việc đầu tư nghiên cứu tính toán thiết kế kháng chấn chưa được quan tâm đúng mức Tuy nhiên, chúng ta không thể biết trước được tương lai sẽ như thế nào Với vai trò là một người đang công tác trong ngành xây dựng tại Bến Tre, tôi chọn nghiên cứu đề tài “Khảo sát sự thay đổi của các đáp ứng dao động cho nhà cao tầng khi chịu động đất” để làm rõ ảnh hưởng của tải trọng động đất tác dụng lên công trình nhà cao tầng xây dựng tại tỉnh Bến Tre Nghiên cứu giúp ta xác định được các đáp ứng dao động của kết cấu (tần số tự nhiên, dạng dao động…) không những phục vụ cho công tác theo dõi thể trạng kết cấu, chẩn đoán sự cố kết cấu mà còn giúp chúng ta am hiểu hơn về ứng xử của chúng để có thể tối ưu hơn trong việc thiết kế kết cấu công trình Từ đó sẽ có giải pháp phù hợp nhất để công trình đảm bảo khả năng chịu lực dưới tác dụng của tải trọng động đất.

Hình 1.6 Đô thị tại thành phố Bến Tre 1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là phân tích các đáp ứng dao động của công trình nhà cao tầng khi chịu các trận động đất khác nhau Từ đó, sự thay đổi của tần số dao động tự nhiên và dạng dao động của công trình được phân tích và đánh giá

1.2.2 Nội dung nghiên cứu

Sau đây là các nhiệm vụ và nội dung của nghiên cứu này:

 Mô phỏng kết cấu nhà cao tầng theo phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm SAP2000

 Phân tích dao động tự do và phân tích dao động của công trình khi chịu tác động của các sóng động đất khác nhau

 Từ các đáp ứng gia tốc trên công trình, áp dụng phương pháp Phân tích miền tần số (FDD) để xác định các đáp ứng dao động: tần số tự nhiên và dạng dao động của công trình khi chịu động đất

 So sánh, đánh giá các kết quả phân tích giữa dao động tự do với dao động khi chịu các sóng động đất khác nhau

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Công trình nhà cao tầng được xây dựng tại tỉnh Bến Tre, học viên chọn công trình Trụ sở làm việc các sở, ngành tỉnh Bến Tre để tiến hành khảo sát

Phạm vi nghiên cứu: Phân tích kết cấu khi dao động tự do và khi chịu các sóng động đất khác nhau để thu được các đáp ứng dao động tương ứng Phân tích, so sánh và đánh giá các kết quả đạt được

1.4 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu

Thực tế dù ở nước ta, nguy cơ động đất không lớn như một số quốc gia như, Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc… nhưng trong thời đại của biến đổi khí hậu khó lường như hiện nay thì những nguy cơ thiên tai sẽ tăng lên Ở nước ta hiện nay, việc tính toán động đất cho những công trình xây dựng dân dụng chưa được quan tâm đúng mức Tuy nhiên với những thảm họa động đất đã xảy ra trên thế giới và ở Việt Nam đã cho thấy rằng, để giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản do động đất gây ra thì bản thân công trình xây dựng phải được thiết kế chịu được động đất và mỗi quốc gia đều phải có biện pháp phù hợp cho vấn đề này

Do đó việc thực hiện đề tài: “Khảo sát sự thay đổi của các đáp ứng dao động cho nhà cao tầng khi chịu động đất” là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần làm rõ ảnh hưởng của tải trọng động đất tác dụng lên công trình nhà cao tầng Từ đó sẽ có biện pháp phù hợp để hạn chế thiệt hại do tác động của động đất lên các công trình xây dựng nhà cao tầng

Các kết quả trong bài toán khảo sát của luận văn có thể giúp theo dõi thể trạng kết cấu và chẩn đoán sự cố công trình dễ dàng hơn; dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành xây dựng tại các trường Đại học, Cao đẳng; tài liệu tham khảo cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật xây dựng

1.5 Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn được trình bày gồm 05 chương như sau:  Chương 1 Giới thiệu

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

 Chương 2 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

 Chương 3 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

 Chương 4 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

 Chương 5 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

CHƯƠNG 2 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”

Bảng 2.1 Quy định nhà cao tầng của một số quốc gia Quốc

Trung

Việt Nam

Nhà ở

10 tầng trở lên

10 tầng trở lên

10 tầng

trở lên >50m

>24,3m

11 tầng và

chiều cao từ

31m

Cao 22m tính từ mặt nền

Công trình cao trên 40m Công

trình khác

7 tầng >24 m

Nhà trên 22

-25 m

>28 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

 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

2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Các nghiên cứu liên quan đến luận văn trên thế giới:

 West (1984) đã đề xuất một phương pháp có tên M.A.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

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] Cụ thể các giải pháp như:

Công nghệ lắp đặt con lắc trên đỉnh tòa nhà cao tầng, hiện đang là công nghệ mới nhất hiện nay Nhằm đảm bảo an toàn cho các tòa nhà cao tầng trước các cơn rung chấn, Công ty phát triển bất động sản Mitsui Fudosan và nhà thầu xây dựng Kajima Corp đã hợp tác thiết kế và triển khai lắp đặt hệ thống chống động đất bằng cách đặt 06 con lắc thép khổng lồ, mỗi con lắc nặng 300 tấn trên nóc một tòa nhà Shinjuku Mitsui cao 55 tầng tại Tokyo (Hình 2.1) Theo thiết kế, những con lắc này không những làm giảm chấn động tới 60%, mà còn rút ngắn thời gian chịu tác động từ dư chấn của tòa nhà Ngoài ra, công nghệ mới này còn cho phép thi công mà không hề ảnh hưởng tới cấu trúc

Hình 2.1 Công nghệ “Con lắc thép khổng lồ” cho công trình Shinjuku Mitsui

Toàn bộ tòa nhà chính của Bệnh viện Chữ thập đỏ Ishinomaki được đặt trên một hệ thống gồm 126 thiết bị chống động đất gọi là hệ cô lập móng do Tập đoàn Nikkei Seikei xây dựng Thiết bị này giống như những “con nhún” đặt dưới móng của tòa nhà (Hình 2.2) Khi động đất xảy ra, toàn bộ tòa nhà cao bảy tầng, rộng 9,455m2 này sẽ được 126 “con nhún” đẩy đưa “nhún” lên xuống và qua lại trên nền móng vững chãi của tòa nhà Chính nhờ có thiết bị chống động đất như vậy, trong khi những tòa nhà lớn nhỏ xung quanh ngả nghiêng theo trận động đất 9 độ richter ngoài khơi vùng Tohoku và đo được tại Ishinomaki 6 độ richter ngày 11/3/2011, tòa nhà chính của Bệnh viện vẫn không hề hư hại gì [11]

Hình 2.2 Thiết bị cách ly động đất nằm dưới móng Bệnh viện Chữ thập đỏ Ishinomaki

Hàng trăm tòa nhà trên khắp thế giới đang sử dụng một hệ thống tên gọi là van điều tiết khối lượng (TMD) Một thiết bị cực nặng, gọi là quả nặng thứ hai, được gắn vào một tòa nhà để chống lại chuyển động của nó Một trong những tòa nhà chọc trời cao nhất thế giới, Taipei 101 tại Đài Loan, có một quả cầu thép nặng 730 tấn cố định bởi cáp thép (Hình 2.3)

Hình 2.3 Quả cầu thép 730 tấn của tòa nhà Taipei 101, Đài Loan

 Sarmah và Das (2018) đã nghiên cứu mang lại một báo cáo nhanh chóng và toàn diện về số lượng và kiểu xây dựng hiện có đó là điều cần thiết cho việc hoạch định chính sách cấp địa phương để chính quyền thành phố ưu tiên các tòa nhà cho phù hợp biện pháp khắc phục như trang bị thêm hoặc thay thế, nghiên cứu bổ sung cho tòa nhà chống động đất, giúp phát triển cho việc xây dựng tòa nhà mới [28]

 Pnevmatikos và cộng sự (2018) đã có báo cáo đánh giá độ mỏi của khung thép chịu một số kích thích động đất Một số dư chấn động đất nhỏ mỗi năm rút ngắn tuổi thọ mỏi của công trình Nó đã được xác định trung bình trong 50 cơn dư chấn nhỏ (1/3 trận động đất Aigio) mỗi năm, trung bình, tuổi thọ mỏi của cấu trúc là khoảng 150 năm Ước tính rằng một sự kiện động đất chính (gấp đôi so với trận động đất Aigio) có thể ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ mỏi tùy thuộc vào thông số của mô hình mỏi chu kỳ thấp [27]

 Nguyen và cộng sự (2018) phân tích các đặc trưng dao động của một tháp bin quạt gió ngoài khơi dưới các sóng kích thích khác nhau Nghiên cứu đã chỉ ra các phản ứng rung động không chỉ phản ánh đặc tính dao động của kết cấu mà còn có cả đặc tính của sóng kích thích Khi tần số của sóng tới xấp xỉ với tần số tự nhiên của tháp thì sự biến đổi tần số do sự hư hỏng sẽ bị lu mờ bởi sự biến đổi tần số do sóng kích thích Nghiên cứu còn đề cập đến ảnh hưởng do chu kỳ và chiều cao của các sóng đến việc xác định các dạng dao động của tháp [20]  Pham và cộng sự (2018) đã sử dụng mô hình giảm xóc cao su để giảm phản ứng

tua-đập trong các cấu trúc phẳng liền kề do trận động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các kết quả số cho thấy rằng giảm xóc cao su có hiệu quả rõ ràng để giảm tiếng đập phản ứng trong cấu trúc phẳng liền kề dưới trận động đất

[24]

 Sayed Mahmoud (2019) đã đánh giá toàn diện phản ứng của các tòa nhà cao tầng được liên kết dưới tải trọng động đất tuân theo các yêu cầu thiết kế Các cấu hình tòa nhà được kích thích bởi sóng động đất với các gia tốc cực đại khác nhau Tải trọng động đất bên được áp dụng riêng biệt theo hai hướng trực giao (cầu kết nối và hướng vuông góc) và các phản ứng đối với từng tải đã được nghiên cứu Vị trí cầu kết nối ảnh hưởng đến các phản ứng tải trọng động dự đoán của các cấu trúc tòa nhà trong một số trường hợp, vị trí bất lợi nhất của cây cầu trên bầu trời là đỉnh của cấu trúc tòa nhà Khi cầu liên kết được đặt trên đỉnh của tòa nhà đôi, các chuyển vị cực đại thấp hơn so với các kịch bản khác Lượng năng lượng truyền vào các cấu trúc tòa nhà được liên kết dưới các chuyển động của động đất bị ảnh hưởng đôi chút bởi chiều cao của cầu liên kết

[29]

 Sherif Beskhyroun và cộng sự (2020) đã trình bày một nghiên cứu độc đáo trên Tạp chí Kỹ thuật Xây dựng (Journal of Building Engineering) về hành vi động của một tòa nhà bê tông cốt thép 13 tầng dưới sự rung động cưỡng bức, rung động xung quanh và kích thích do động đất gây ra Một mô hình phần tử hữu hạn của tòa nhà đã được phát triển bằng cách sử dụng SAP2000 để so sánh các thuộc tính phương thức với các đối tác được xác định từ các thử nghiệm Kết quả cho thấy mối tương quan mạnh mẽ giữa các tham số phương thức được xác định bởi các phương pháp SI khác nhau và tất cả các kỹ thuật cung cấp ước tính chính xác các tham số phương thức khi được sử dụng với dữ liệu chỉ xuất ra Nghiên cứu này đã chứng minh tính chính xác của mô hình phần tử hữu hạn để dự đoán hành vi động thực tế của tòa nhà dưới các lực kích thích hài hòa khác nhau [31]

2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Trong nước ta, những nghiên cứu có đề cập đến đề tài ứng xử động lực học của công trình nhà cao tầng liên quan đến kỹ thuật hạn chế tác động của động đất hầu như rất hạn chế:

 Nguyễn (2010) với việc mô phỏng các kết cấu trong đó có kể đến sự tương tác giữa cọc - đất nền - đài cọc và tương tác giữa tường vây và đất nền, tác giả đã khảo sát 4 sơ đồ kết cấu thường gặp khi chịu tải trọng động đất để xem xét ứng xử của kết cấu khi độ cứng của tầng hầm thay đổi Sự ảnh hưởng của độ cứng tầng hầm lên kết cấu được khảo sát trong 3 trường hợp: tăng số lượng sàn tầng hầm theo phương đứng, tăng số nhịp tầng hầm theo phương ngang và thay đổi chiều dày sàn tầng hầm Kết quả khảo sát cho thấy rằng sự ảnh hưởng của tầng hầm lên kết cấu giảm đi khi số lượng tầng hầm tăng lên theo phương đứng, điều này cũng xảy ra tương tự khi số nhịp tăng theo phương ngang và sự tăng chiều dày của sàn tầng trệt có ảnh hưởng đáng kể hơn nhiều so với việc tăng chiều các sàn tầng hầm bên dưới Đồng thời kết quả khảo sát cũng chỉ ra cần có sự lưu ý đặt biệt khi thiết tính toán sàn tầng trệt của kết cấu nhà cao tầng có tầng hầm khi công trình chịu tải trọng ngang [18]

 Đỗ (2011) phân tích ứng xử động lực học kết cấu của khung có hồ nước đặt trên cao su lõi chì khi chịu tải trọng động đất, xây dựng chương trình tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Matlab để so sánh ứng xử của kết cấu khi kết cấu có và không có hồ nước mái đặt trên cao su lõi chì [6]

 Phạm (2012) nghiên cứu mở rộng phương pháp MPA trong đánh giá địa chấn công trình, mô hình khung hai chiều (2D) Các nghiên cứu thể hiện trong luận văn thạc sỹ tập trung vào sự sai lệch và tính chính xác của đề xuất mở rộng của

phương pháp MPA trong đánh giá địa chấn của công trình thực tế, so sánh đồng thời với kết quả của phương pháp đẩy dần chuẩn (SPA) với sự đóng góp của một dạng dao động và so sánh với kết quả chính xác của phương pháp phân tích phi tuyến theo miền thời gian (NL-RHA) Các ứng dụng của phương pháp này trong dự đoán địa chấn của công trình được ghi nhận như kiểm soát kết quả chuyển vị, chuyển vị đỉnh, độ trôi tầng… do đó có thể đánh giá sự đóng góp của phương pháp này trong thiết kế công trình thực tế chịu động đất [25]

 Trần (2014) phân tích đề tài Đánh giá ảnh hưởng của độ cứng đất nền đối với công trình nhà cao tầng dưới tác dụng của động vật Ứng xử của kết cấu trong mô hình tính toán có xét đến SSI được phân tích trong đề tài luận văn thạc sỹ Tải trọng động đất theo phương ngang và phương đứng được xét đến theo phương pháp phân tích lược sử thời gian Việc mô phỏng móng đơn trong không gian 2D sử dụng mô hình dầm trên nền phi tuyến Winkler (BNWF - Beam-on-Nonlinear-Winkler-Foundation) So với các phần mềm thông thường khác, phần mềm mã nguồn mở OPENSEES (Open System For Earthquake Engineering Simulation) đa dạng hơn về loại vật liệu và loại phần tử nên nó có thể giải quyết được bài toán SSI một cách hiệu quả Chu kỳ dao động cơ bản, chuyển vị đỉnh của công trình và nội lực của cột là những yếu tố thay đổi đáng kể và cần được xem xét cụ thể trong quá trình phân tích đánh giá ảnh hưởng của độ cứng đất nền đối với công trình nhà cao tầng dưới tác dụng của động vật

[33]

 Nguyễn và Phạm (2014) đã trình bày trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển phiên bản mới nhất của tập bản đồ xác suất nguy hiểm động đất lãnh thổ Việt Nam và khu vực Biển Đông Danh mục động đất cập nhật tới năm 2014 và các thông tin mới được công bố gần đây nhất về địa chấn kiến tạo và địa động lực khu vực Đông Nam Á được sử dụng để xác định ranh giới của 37 vùng nguồn chấn động trên lãnh thổ Việt Nam và khu vực Biển Đông giới hạn bởi kinh tuyến 1250 Đông Tập bản đồ xác suất nguy hiểm động đất cung cấp những thông tin dự báo định lượng ngắn hạn, trung bình và dài hạn về độ nguy hiểm động đất trên lãnh thổ Việt Nam và khu vực Biển Đông và có thể được sử dụng trong thiết kế kháng chấn và nhiều ứng dụng địa chấn công trình [13]

 Nguyễn và Bùi (2015) đã đưa ra giải pháp giảm chấn của kết cấu chịu động đất dùng gối cao su lõi chì kết hợp hệ cản khối lượng Bài báo đăng trên Tạp chí Xây dựng đã phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cô lập móng cao su lõi chì kết hợp với hệ cản khối lượng trong kết cấu được rời rạc với các chuyển vị ngang chịu gia tốc nền của động đất Mô hình song tuyến tính được dùng để mô

tả ứng xử trễ của gối cao su lõi chì Hệ cản khối lượng được gắn ở tầng mái với thông số được xác định dựa vào dao động riêng của kết cấu chính [19]

 Nguyễn (2016) phân tích hiệu quả giảm dao động cho kết cấu của bể nước mái được mô hình như hệ giảm chấn chất lỏng (TLD - Tuned Liquid Damper) Kết quả số thu được là chuyển vị, gia tốc và nội lực của kết cấu cho thấy hiệu quả của việc sử dụng bể nước mái Đồng thời khảo sát các yếu tố tỷ số khối lượng (dung tích nước) so với tổng khối lượng kết cấu, tỷ số tần số của bể nước so với tần số dao động riêng của kết cấu nhằm tìm ra các thông số phù hợp cho sự làm việc hiệu quả của bể [17]

 Nguyễn (2018) nghiên cứu về lĩnh vực chẩn đoán hư hỏng trên kết cấu Sáu phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu tấm từ kết quả phân tích dao động được so sánh và đánh giá, từ đó tính khả thi của việc ứng dụng sáu phương pháp cho các bài toán trong thực tế được phân tích Các phương pháp chẩn đoán sử dụng các kết quả phân tích dao động là tần số dao động và dạng dao động Các phương pháp chẩn đoán sẽ được áp dụng chẩn đoán trên tấm được mô phỏng bằng phần tử khối ba chiều [16]

2.3 Tổng kết

Việc thiếu các nghiên cứu về hành vi ứng xử của các công trình nhà cao tầng khi chịu tác động của tải trọng động đất hiện có tại nước ta, có nghĩa đây là một lĩnh vực đang cần đầu tư nghiên cứu Trong luận văn này, một công trình nhà cao tầng thực tế sẽ được mô phỏng và phân tích khi chịu tác động của các sóng động đất khác nhau Mục tiêu nghiên cứu hướng đến là xử lý các dữ liệu đầu ra của các phản ứng dao động khi có tải trọng tác động để thu được các tham số dao động tin cậy nhất cho kết cấu Mặc khác, hiểu được sự ảnh hưởng do đặc trưng của các sóng tới tác động công trình trong sự thay đổi tần số tự nhiên hay sự thay đổi hình dạng dao động của công trình so với dao động tự do

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Lý thuyết dao động kết cấu

Trong thực tế, việc theo dõi tình trạng dao động của một kết cấu được xác định từ thực nghiệm thông qua các thiết bị đo dao động là bộ cảm biến (Sensor) không dây hay có dây được gắn trên các bộ phận của kết cấu Các bộ cảm biến thường được dùng để ghi tín hiệu rung động là cảm biến gia tốc, vì gia tốc là đại lượng nhạy nhất đối với sự rung động của kết cấu

Một hệ kết cấu được thể hiện bằng các đặc trưng động lực học kết cấu như độ cứng, khối lượng và hệ số cản của hệ Các đáp ứng gia tốc được dựa trên các đặc trưng đó của kết cấu và nó có thể được thể hiện như sau:

Từ phương trình chuyển động tổng quát:

 M u( ) t  C u( ) t  K u( )t  F (3.1) Hay,

Nhìn vào công thức (3.2) ta có thể thấy đáp ứng gia tốc cung cấp các thông tin về các tham số động lực học kết cấu như độ cứng, khối lượng và hệ số cản của hệ và có chứa cả ngoại lực tác dụng, chúng có thể được dùng để đánh giá toàn bộ kết cấu Thực tế, việc xác định chính xác các tải trọng ngoại lực tác động {F} lên kết cấu là rất khó khăn Vì thế, trong hầu hết các trường hợp, các thông tin thu được từ các cảm biến gia tốc được xem như là các đáp ứng dao động đầu ra của kết cấu (tín hiệu gia tốc)

Với các lực tác động chưa xác định lên một hệ kết cấu tổng quát sẽ sinh ra đáp ứng tín hiệu gia tốc có thể đo được Từ đó, ta thành lập được một Hàm đáp ứng tần số (FRF) tổng quát của kết cấu đó, có thể được đơn giản hóa dưới dạng như sau theo Ewins (2000):

Hình 3.1 Theo dõi dao động của kết cấu 3.2 Phương pháp biến đổi Fourier

Một công cụ toán học rất quan trọng và hữu hiệu thường được dùng trong việc phân tích và tổng hợp các hệ thống tuyến tính bất biến, đó là phân tích hay biến đổi Fourier

Ý tưởng cơ bản của phân tích Fourier là: Một hàm tuần hoàn bất kỳ có thể khai triển thành tổng của các hàm điều hòa (sin và cos) Ở đây, các tín hiệu được phân giải thành các thành phần sin (hoặc mũ phức) Do đó, ta nói tín hiệu được biểu diễn trong miền tần số

Biến đổi Fourier của một tín hiệu f(t) tuần hoàn được định nghĩa như sau:

01

Tần số hàm điều hòa n 2nT 

a a là các trọng số được tính bởi: /2

( )2

( )cos( )2

( )sin( )T

  

Trong nhiều ứng dụng thực tế, phân tích Fourier của một tín hiệu f(t) liên tục bất kỳ thường được biểu diễn dưới dạng số phức:

Trong đó: t0 là thời gian kéo dài của tín hiệu

Hình 3.2 Phân tích Fourier từ miền thời gian sang miền tần số

Để thuận tiện cho lập trình, ta có nhiều cách diễn đạt biến đổi Fourier như sau: 3.2.1 Biến đổi Fourier rời rạc đối với dãy tuần hoàn có chu kỳ N

Ta thấy, đối với các tín hiệu thu được thông thường sẽ không liên tục mà sẽ lấy mẫu với một chu kỳ bất kỳ Với một tín hiệu tuần hoàn không cần thiết phải thực hiện biến đổi Fourier liên tục mà chỉ cần lợi dụng tính chất tuần hoàn của chu kỳ N và chu kỳ 2, nghĩa là chỉ cần lấy các điểm đặc biệt 2

trên đường tròn đơn vị tương ứng với chu kỳ N của tín hiệu tuần hoàn

Biến đổi Fourier rời rạc của một tín hiệu tuần hoàn f t có chu kỳ N được định ( )nghĩa như sau:

  với k = 0  (N-1) Đặt: ktj tk

Để biểu diễn dạng đơn giản, người ta thường biểu diễn như trên

3.2.2 Biến đổi Fourier rời rạc đối với dãy không tuần hoàn có chiều dài hữu hạn N

Một dãy f(t) có chiều dài N nghĩa là: [ ( )] [0,L f t  N   1] N

Trong thực tế, không phải lúc nào ta cũng gặp dãy tuần hoàn mà đa số là các tín hiệu thu được thông thường sẽ không liên tục mà sẽ lấy mẫu với một chu kỳ bất kỳ, là một dãy bất kỳ có chiều dài hữu hạn N (Hình 3.3)

Hình 3.3 Dãy không tuần hoàn với chiều dài hữu hạn N

Ta xem như dãy có chiều dài hữu hạn N như trên là một chu kỳ của một dãy tuần hoàn có chu kỳ M Quan hệ giữa N và M phải thỏa mãn:

Thông thường, chọn M 2 nghĩa là chọn dạng hàm mũ theo cơ số 2 và M xấp xỉ bằng N Ta vẫn có thể chọn M < N, nhưng khuyến khích là thỏa mãn điều kiện trên để có sự phục hồi tín hiệu tốt nhất