Phân tích ứng xử của nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN CHUẪN PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT CHO HỆ TẦNG CỨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN CHUẪN PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT CHO HỆ TẦNG CỨNG Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN Đà Nẵng – Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Phân tích ứng xử nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng” cơng trình nghiên cứu thân, thực sở nghiên cứu, tính tốn hướng dẫn khoa học TS Trần Anh Thiện Các số liệu luận văn có nguồn trích dẫn, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Tác giả luận văn Lê Văn Chuẫn ii PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG CĨ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT CHO HỆ TẦNG CỨNG Tóm tắt - Khái niệm hệ tầng cứng có độ cản đề xuất phát triển công ty Arup lần ứng dụng thiết kế công trình cao tầng vào năm 2009 Luận văn khảo sát ứng xử nhà cao tầng bê tông cốt thép có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng Kết phân tích cho thấy việc sử dụng hệ tầng cứng có thiết bị cản nhớt giúp làm giảm đáng kể chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng, giảm momen lực cắt đáy công trình chịu tải trọng động đất Cùng với ưu điểm so với thiết bị điều khiển thụ động khác, kỹ thuật hiệu thiết kế kháng chấn nhà cao tầng Từ khóa: hệ tầng cứng có cản nhớt, nhà cao tầng, thiết kế kháng chấn, bê tông cốt thép DYNAMIC RESPONSE OF TALL BUILDINGS WITH DAMPED OUTRIGGER SYSTEMS Abstract – Damped outrigger concept was developed by Arup company and first applied into the design of tall buildings in 2009 This thesis investigates the effectiveness of using damped outrigger systems in reinforced concrete tall buildings in seismic design The results show that using damped outriggers help reduce significantly the top lateral displacement, lateral drift ratio, overturning moment as well as base shear when the building is subjected to earthquake loading Together with other benefits compared to other passive devices, this new technique is effective in seismic design of tall buildings Keywords: damped outrigger, tall building, high-rise building, seismic design, reinforced concrete iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận văn .2 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ HỆ TẦNG CỨNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT 1.1 Tổng quan nhà cao tầng .3 1.1.1 Định nghĩa phân loại nhà cao tầng 1.1.2 Kết cấu nhà cao tầng xu hướng phát triển 1.2 Kết cấu hệ tầng cứng nhà cao tầng 1.2.1 Khái quát hệ kết cấu có tầng cứng 1.2.2 Vị trí tầng cứng 11 1.3 Hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản chất lỏng nhớt 13 1.3.1 Giới thiệu hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt nhà cao tầng 13 1.3.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị cản nhớt 13 1.3.3 Nguyên lý làm việc hệ cản chất lỏng nhớt hệ tầng cứng 14 CHƢƠNG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CHO NHÀ CAO TẦNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT 15 2.1 Phương trình dao động hệ chịu tải trọng động đất 15 2.1.1 Mơ hình toán dao động 15 2.1.2 Hệ bậc tự chịu tác dụng tải trọng động đất 15 2.1.3 Hệ nhiều bậc tự chịu tác dụng tải trọng động đất 16 2.1.4 Hệ cản nhớt chất lỏng 17 2.1.5 Nhà nhiều tầng với tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt 17 2.2 Tải trọng động đất 19 2.2.1 Định nghĩa 19 iv 2.2.2 Thang cường độ động đất 19 2.2.3 Các phương pháp xác định tải trọng động đất 22 CHƢƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ PHÂN TÍCH NHÀ CAO TẦNG CĨ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT CHO HỆ TẦNG CỨNG .30 3.1 Mơ tả tốn 30 3.2 Lập mơ hình tính tốn 31 3.2.1 Kết cấu có hệ tầng cứng Etabs 31 3.2.2 Kết cấu hệ tầng cứng có cản 31 3.3 Xác định sơ giá trị hệ số cản thiết bị cản nhớt 33 3.4 Phân tích kết 33 3.4.1 Sự hấp thụ tiêu tán lượng 33 3.4.2 Khảo sát hiệu kháng chấn thiết bị cản 37 3.5 Nhận xét đánh giá 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) v DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Bảng thang động đất MSK-64 20 2.2 Bảng thang động đất Richter 21 2.3 Giá trị tham số mô tả phổ phản ứng đàn hồi 24 3.1 Giá trị chuyển vị tầng 33 3.2 Giá trị chuyển vị lệch tầng (%) 35 3.3 Giá trị hệ số cản, monen lực cắt đáy 37 3.4 Giá trị hệ số cản monen tầng 39 3.5 Giá trị hệ số cản lực cắt tầng 41 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 2.1 2.2 2.3 2.4 Tên hình Trang Mơ hình chịu lực kết cấu khung - vách Tòa nhà Aon Center, Chicago, U.S.A Tòa tháp Burj Khalifa, Dubai Tòa nhà Keangnam, thành phố Hà Nội, Việt Nam Tòa nhà St Francis Shanri-La Place, Philipine Hệ kết cấu bố trí tầng cứng Mơ hình chịu lực kết cấu có tầng cứng Mơ hình nhà cao tầng có tầng cứng Lắp đặt thiết bị cản nhớt vào cơng trình Cấu tạo thiết bị cản chất lỏng silicone hãng Taylor Devices Bố trí thiết bị cản nhớt hệ tầng cứng Mơ hình hệ bậc tự Hệ bậc tự chịu tải trọng động đất Hệ nhiều bậc tự chịu tải trọng động đất Mơ hình vách congxon với hệ tầng cứng có độ cản 10 11 12 13 14 14 15 15 16 18 2.5a Hệ số cản nhớt ứng với năm dạng dao động đầu tiên: =0.55 18 2.5b Hệ số cản nhớt ứng với năm dạng dao động đầu tiên: =1.0 Dạng phổ phản ứng đàn hồi Phổ phản ứng đàn hồi cho loại đất từ A đến E (độ cản 5%) Mặt công trình Mơ hình có tầng cứng Mặt tầng cứng Mơ hình cơng trình có sử dụng thiết bị cản Chuyển vị tầng chiều cao cơng trình C=20000MNs/m Chuyển vị lệch tầng chiều cao cơng trình C=20000MNs/m Ảnh hưởng hệ số cản đến lực cắt đáy Ảnh hưởng hệ số cản đến monem đáy Ảnh hưởng hệ số cản đến momen tầng Ảnh hưởng hệ số cản đến lực cắt tầng 19 2.6 2.7 3.1 3.2a 3.2b 3.3 3.4 3.5 3-6 3.7 3.8 3.9 24 25 30 31 31 32 35 37 38 39 40 42 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm gần đây, nhà cao tầng, siêu cao tầng phát triển mạnh mẽ Do quỹ đất đô thị hạn hẹp, mật độ dân số cao nên việc phát triển dự án cao tầng siêu cao tầng lựa chọn tất yếu Ngoài ra, tập đoàn kinh tế lớn giới thường khẳng định tiềm lực kinh tế, tài thơng qua việc đầu tư xây dựng tòa nhà có quy mơ lớn, cao tầng Cùng với phát triển công nghệ xây dựng, tòa nhà đại ngày trở nên cao hơn, mảnh hơn, vật liệu sử dụng nhẹ cường độ cao Kết phát triển dẫn đến việc tòa nhà nhạy cảm với kích thích động học tải trọng gió động đất Cơng nghệ xây dựng phát triển tạo nhiều thách thức cho môn khoa học kết cấu cơng trình việc sử dụng tầng cứng cho nhà cao tầng ngày phổ biến Tuy nhiên, hệ kết cấu có tầng cứng chịu tải trọng ngang, lõi có xu hướng xoay lúc cột phía ngồi liên kết với tầng cứng (được thiết kế hệ dầm ngang cứng kết nối lõi với hệ cột phía ngồi) ngăn cản xoay lõi làm giảm đáng kể chuyển vị đỉnh cơng trình Khuynh hướng làm xuất chuyển động thẳng đứng trái chiều cột biên phần cuối tầng cứng, dẫn đến sàn liên kết vách cột biên bị uốn cong gấp đôi Vấn đề cần thiết đặt tìm cách để tiêu tán lượng chuyển động trái chiều vị trí tầng cứng, hệ cản nhớt bố trí thẳng đứng vị trí cuối tầng cứng liên kết với cột Đây lý để thực nghiên cứu đề tài nghiên cứu “Phân tích ứng xử nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng” Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu nguyên lý làm việc hệ cản chất lỏng nhớt (fluid viscous damper) - Đánh giá hiệu kháng chấn phương án sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt cho hệ tầng cứng nhà cao tầng chịu tải trọng động đất Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng - Phạm vi nghiên cứu: Nhà cao tầng bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất Phƣơng pháp nghiên cứu - Dựa theo tài liệu, tiêu chuẩn ngồi nước tính tốn hệ kết cấu có gắn hệ cản chất lỏng nhớt - Sử dụng phần mềm phân tích kết cấu dựa phương pháp phần tử hữu hạn (ETABS ) để thực mơ hình hóa nhà cao tầng hai trường hợp không sử dụng thiết bị cản nhớt có sử dụng thiết bị cản nhớt cho tầng cứng Bố cục luận văn Luận văn bao gồm nội dung sau: Chương 1: Tổng quan nhà cao tầng hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt Chương 2: Phân tích động lực học cho nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt Chương 3: Mơ hình hóa phân tích nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo 41 - Ảnh hưởng hệ số cản đến lực cắt tầng ảng 3.5 Giá trị hệ số cản lực cắt tầng C (MNs/m) Tầng 05 Tầng 20 Tầng 30 Tầng 45 5000 7.7338 5.8784 4.6924 2.1547 10000 6.9244 4.8054 3.8443 1.8437 20000 6.554 4.3302 3.426 1.6486 30000 6.5824 4.3119 3.3772 1.5734 40000 6.6076 4.2985 3.3411 1.5121 50000 6.5963 4.2845 3.3277 1.4686 60000 6.576 4.2769 3.3169 1.4317 70000 6.5507 4.2745 3.3069 1.3989 80000 6.5282 4.2731 3.2977 1.3701 90000 6.5079 4.2722 3.2892 1.3446 100000 6.4894 4.2721 3.2814 1.3218 200000 6.4283 4.2931 3.2221 1.1787 300000 6.5465 4.3379 3.1779 1.1036 400000 6.6272 4.3699 3.1475 1.0544 500000 6.6942 4.4001 3.1192 1.0117 600000 6.7507 4.4281 3.0933 0.9742 700000 6.7525 4.4291 3.0925 0.9731 800000 6.7525 4.4291 3.0925 0.973 900000 6.7525 4.4291 3.0925 0.973 42 - Biểu đồ ảnh hưởng hệ số cản đến lực cắt tầng Hình 3.9 Ảnh hưởng hệ số cản đến lực cắt tầng 3.5 Nhận xét đánh giá Từ việc phân tích ứng xử nhà cao tầng bê tông cốt thép có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng trường hợp cơng trình 50 tầng ta nhận thấy: - Chuyển vị đỉnh chuyển vị lệch tầng cơng trình giảm khoảng 50%, lực cắt đáy giảm khoảng 60% so với hệ tầng cứng khơng có cản - Khi thay đổi hệ số cản C giá trị đỉnh cơng trình thay đổi Tuy nhiên, hệ cản nhớt thực hiệu hệ số cản C giá trị hợp lý Khi tăng hệ số C kết cấu phản ứng tích cực với hiệu không cao - Hệ số cản nhớt thật hiệu hệ số cản C giá trị hợp lý 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Hệ tầng cứng có sử dựng thiết bị cản nhớt công nghệ mới, đề xuất phát triển công ty Arup ứng dụng thiết kế cơng trình vào năm 2005, điển hình tòa nhà St Francis Shanri-La Place, Philipine Từ kết phân tích cơng trình 50 tầng cho thấy việc sử dụng hệ tầng cứng có thiết bị cản nhớt giúp làm giảm đáng kể chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng, giảm mômen lực cắt đáy cơng trình chịu tải trọng động đất Như vậy, thiết bị cản chất lỏng nhớt hệ tầng cứng giải pháp hiệu dùng kháng chấn Đây công nghệ mới, tiềm cho kết cấu nhà cao tầng tương lai Cần nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm để đảm bảo độ tin cậy giải pháp điều khiển kết cấu này, từ ứng dụng vào thực tiễn cách tối ưu 44 [TÀI LIỆU THAM KHẢO] [1] Bungales Taranath Wind and Earthquake Resistant Buildings – Structural analysis and Design [2] Stafford Smith, B and Coull, A (1991) Tall building structures: Analysis and design, Wiley, New York [3] Taranath, B S (2010) Reinforced concrete design of tall buildings, Taylor and Francis group, CRS Press, New York, USA, 921 p [4] Guidelines for Seismic Design of Tall Buildings, Pacific Earthquake Engineering Research Center, 2010 [5] Ali, M M and Kyoung Sun Moon (2007) Structural developments in tall buildings: current trends and future prospects, Invited review paper, Architectural Science Review, University of Sydney, Australia, Vol 50.3, pp 205-223 [6] Michael Schmidt and Ekkehard Fehling (2004) Ultra-High-Performance Concrete: Research, Development and Application in Europe [7] Fawzia, S., and Fatima, T (2010) Deflection control in composite building by using belt truss and outrigger system, Proc of the 2010 World Acdemy of Science, Engineering and Technology, pp 25-27, August, Singapore [8] Fawzia, S., Nasir, A and Fatima, T (2011) Study of the effectivness of outrigger system for high-rise composite buildings for cyclonic region, World Acdemy of Science, Engineering and Technology, V 60, 937-945 [9] Lee Jae Hong, Bang, M and Kim, J Y (2008) An analytical model for high - rise wallframe structures with outriggers, The structural design of tall and special buildings, John Wiley & Sons, Ltd., UK, V 17, pp 839-851 [10] Smith, S B and Salim, I Parameter study of outrigger braced tall buiding structures, 1981 [11] Mcnabb, J W and Muvdi, B B Drift reduction factors for belted high rise structures, 1975 [12] Arup Journal (2008) - Damped Outriggers for Tall Buildings [13] Y Chen; D M McFarland; Z Wang; B F Spencer Jr., M.ASCE; and L A Bergman, M.ASCE (2010) Analysis of Tall Buildings with Damped Outriggers [14] TCVN 9386:2012: Thiết kế cơng trình chịu động đất [15] TCVN 5574:2012: Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế [16] Động đất thiết kế cơng trình chịu động đất - Nguyễn Lê Ninh Nhà xuất xây dựng 2006 45 [17] Bùi Đông Hoàn, Nguyễn Hữu Anh Tuấn, Chu Quốc Thắng (2006) - Ảnh hưởng phân bố hệ cản chất lỏng nhớt đến khả kháng chấn kết cấu [18] Đỗ Kiến Quốc – Động lực học kết cấu [19] David A.Lee and Douglas P.Taylor (2001) – Viscous Damper development and future trends [20] Anil K Chopra Dynamics of Structures – Theory and Applications to Earthquake Engineering Prentice-Hall, Inc 1995 [21] H Kit Miyamoto and Amir SJ Gilani and Akira Wada (2012) – The Effectiveness of Viscous Dampers for Structures Subjected to Large Earthquakes [22] V Sadeghi Balkanlou, M Reza Bagerzadeh Karimi, B Bagheri Azar and Alaeddin Behravesh (2013) - Evaluating Effects of Viscous Dampers on optimizing Seismic Behavior of Structures [23] Liya Mathew and C Prabha (2014) - Effect of Fluid Viscous Dampers in MultiStoreyed Buildings [24] Douglas Taylor and Philippe Duflot - Fluid Viscous Dampers Used for Seismic Energy Dissipation in Structures [25] Rob J Smith and Michael R Willford (2007) - The Damped Outrigger Concept for Tall Building [26] Renard Gamaliel (2008) - Frequency-Based Response of Damped Outrigger Systems for Tall Buildings [27] Rob Smith (2016) The Damped Outrigger - Design & Implementation [28] Dr.Abbas Abd Elmajeed Allawi and Amneh Hamid Al Mukhtar (2016) - The Use of the Artificial Damped Outrigger Systems in Tall R.C Buildings Under Seismic Loading ... cao tầng vào năm 2009 Luận văn khảo sát ứng xử nhà cao tầng bê tông cốt thép có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng Kết phân tích cho thấy việc sử dụng hệ tầng cứng có thiết bị cản nhớt. .. ii PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG CĨ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT CHO HỆ TẦNG CỨNG Tóm tắt - Khái niệm hệ tầng cứng có độ cản đề xuất phát triển công ty Arup lần ứng dụng thiết kế cơng trình cao. .. bị cản nhớt có sử dụng thiết bị cản nhớt cho tầng cứng Bố cục luận văn Luận văn bao gồm nội dung sau: Chương 1: Tổng quan nhà cao tầng hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt Chương 2: Phân tích