6. Cấu trúc của Luận án
4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến nhà cao tầng khi chịu động đất
4.3.1. Số liệu động đất
Trận động đất El Centro, sử dụng số liệu thành phần gia tốc theo hướng Bắc - Nam được ghi lại trong trận động đất EL Centro, California (Mỹ) năm 1940 cường độ Ms = 6.9 là một trong những trận động đất được ghi lại đầy đủ nhất. Phương trình gia tốc được viết bằng thiết bị gắn trên sàn bê tơng của tịa nhà ga tàu điện ngầm El Centro. Gia tốc nền phân tích theo lịch sử thời gian được biểu thị như trên hình 4.6. Giá trị lớn nhất của gia tốc nền khoảng 0,3g (với g = 9,81m/s2, gia tốc trọng trường)
Hình 4.6. Đồ thị quan hệ giữa gia tốc với thời gian trong trận động đất El Centro. Tín hiệu ghi lại được này là đại diện cho hiện tượng tương tác giữa đất nền và kết cấu. Do đó giá trị tần số của tín hiệu này cho thấy các phần năng lượng quan trọng nằm ở khoảng 0.1 - 0.3(Hz), khoảng giá trị này gần với dải tần số của các tịa nhà cao tầng. Tín hiệu kéo dài 30 giây, giá trị cường độ mạnh nhất xảy ra sau khoảng 3 giây.
Khi động đất xảy ra, chuyển động của bất kỳ hạt vật chất nào trong nền đất đều theo một quỹ đạo phức tạp ba chiều với gia tốc, vận tốc và chuyển vị thay đổi nhanh chóng trong một dải tập hợp tần số rộng. Chuyển động mạnh của nền đất này được đo và ghi lại dưới dạng các đồ thị bằng một loại địa chấn kế có biên độ lớn. Hình 4.6 là đồ thị gia tốc biến thiên theo thời gian được ghi lại từ trận động đất El Centro (Hoa kỳ).
Nghiên cứu mơ hình kết cấu tương đương gồm các khối lượng liên kết với nhau bởi các lò xo và cản nhớt của tịa nhà 30 tầng, khi khơng đặt bể chứa nước dưới tác dụng của tải trọng động đất El Centro.
a) Chuyển vị của tòa nhà khi không đặt bể chứa nước
Chuyển vị của kết cấu bao gồm: Chuyển vị tuyệt đối - chuyển vị theo hệ trục tọa độ trái đất (hệ trục cố định); Chuyển vị tương đối - chuyển vị theo hệ trục gắn vào nền đất tại chân cơng trình. Do đó chuyển vị tương đối bằng hiệu số giữa chuyển vị tuyệt đối và chuyển vị đất nền.
- Giá trị chuyển vị lớn nhất của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động đất El Centro, khi phân tích theo time - history.
+ Chuyển vị tuyệt đối lớn nhất của các tầng
Kết quả sau khi phân tích, tính tốn và xử lý số liệu, giá trị chuyển vị tuyệt đối của kết cấu được trình bày như trên hình 4.7. Chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng được trình bày như trên hình 4.8.
Hình 4.7. Đồ thị chuyển vị tuyệt đối lớn nhất của kết cấu khi không đặt bể nước + Chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng của kết cấu
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 T ần g
Chuyển vị tuyệt đối lớn nhất (m)
MIN MAX
Hình 4.8. Đồ thị chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng khi khơng đặt bể nước Theo như hình 4.8, chuyển vị tương đối giữa tầng 2 và tầng 1 là lớn nhất, khoảng 22mm.
+ Chuyển vị của kết cấu biểu thị theo thời gian
Chuyển vị của kết cấu khi được biểu diễn theo thời gian như trên hình 4.9.
Hình 4.9. Đồ thị chuyển vị của kết cấu theo thời gian khi không đặt bể nước Trên đồ thị hình 4.9 biểu diễn giá trị của chuyển vị theo thời gian của chuyển vị Trên đồ thị hình 4.9 biểu diễn giá trị của chuyển vị theo thời gian của chuyển vị tuyệt đối của đỉnh tòa nhà, chuyển vị của đất nền, chuyển vị của đỉnh tòa nhà theo đất nền theo thời gian.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 -0.025 -0.020 -0.015 -0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 T ần g
Chuyển vị tương đối lớn nhất (m)
MIN MAX -5.00E-01 -4.00E-01 -3.00E-01 -2.00E-01 -1.00E-01 0.00E+00 1.00E-01 2.00E-01 3.00E-01 4.00E-01 5.00E-01
0.00E+00 5.00E+00 1.00E+01 1.50E+01 2.00E+01 2.50E+01 3.00E+01 3.50E+01
C hu yể n v ị ( m ) Thời gian (s)
Chuyển vị tuyệt đối của tầng 30 Chuyển vị của_đất_nền_ElCentro Chuyển vị của_tầng_30_so_với_đất_nền
b) Lực cắt tại các tầng của tịa nhà khi khơng đặt bể nước
Kết quả sau khi phân tích, tính tốn và xử lý số liệu, giá trị lực cắt lớn nhất tại các tầng được trình bày như trên hình 4.10.
Hình 4.10. Đồ thị giá trị lực cắt lớn nhất và nhỏ nhất tại các tầng khi không đặt bể nước tầng khi không đặt bể nước
Từ đồ thị hình 4.10, thấy rằng: Lực cắt từng tầng có giá trị nhỏ ở đỉnh và lớn ở đáy, do dịch chuyển của tầng 1 so với nền lớn và dịch chuyển tầng 30 so với tầng 29 nhỏ. Lực cắt này cần dùng để thiết kế cột giữa hai tầng.
4.3.3. Ứng xử của tòa nhà cao tầng khi đặt bể nước
Để đánh giá sự ảnh hưởng của bể nước đến kết cấu tịa nhà khi thay đổi vị trí đặt bể tại các tầng nhà khác nhau theo chiều cao tòa nhà. Nghiên cứu khảo sát hai trường hợp ứng với hai vị trí đặt bể nước theo chiều cao của tịa nhà.
- Trường hợp khi đặt 6 bể chứa nước tại đỉnh tòa nhà (tầng thứ 30);
- Trường hợp khi đặt 3 bể chứa nước tại đỉnh tòa nhà (tầng 30), và 3 bể chứa đặt tại tầng 15.
a) Mơ hình phân tích khi 6 bể đặt trên tầng 30
b) Mơ hình phân tích khi 3 bể đặt trên tầng 30, 3 bể đặt ở tầng 15
Hình 4.11. Các mơ hình phân tích ảnh hưởng của bể nước trên ANSYS APDL
Giá trị của các kết quả chuyển vị tuyệt đối, chuyển vị tương đối, lực cắt các tầng R = max(MAX, abs(MIN)), và được so sánh với trường hợp khơng có bể nước.
a) Chuyển vị của tòa nhà
Chuyển vị tuyệt đối của kết cấu so với đất nền
Hình 4.12. Đồ thị chuyển vị tuyệt đối lớn nhất tại các tầng
Từ đồ thị chuyển vị tuyệt đối lớn nhất tại các tầng, sẽ đưa ra được một số nhận xét như:
- Giá trị lớn nhất của chuyển vị tuyệt đối tại đỉnh kết cấu khi không đặt bể nước bằng 0.389 (m); khi đặt 6 bể trên đỉnh kết cấu bằng 0.352 (m); khi đặt 3 bể ở tầng 15, 3 bể ở tầng 30 bằng 0.363(m).
- Chuyển vị tuyệt đối lớn nhất tại tất cả các tầng của trường hợp không đặt bể nước luôn đạt giá trị lớn nhất, và trường hợp khi đặt tất cả bể chứa trên tầng đỉnh của kết cấu thì chuyển vị tuyệt đối đạt giá trị nhỏ nhất.
Chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng
Hình 4.13. Đồ thị chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng
Từ đồ thị chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng, sẽ đưa ra được một số nhận xét như:
Chuyển vị tương đối giữa các tầng lớn ở các tầng dưới, càng lên cao giá trị này giảm dần.
Chuyển vị tương đối lớn nhất giữa tầng 2 với tầng 1. Ở trường hợp không đặt bể là 0.0224(m), khi đặt 6 bể tại đỉnh cơng trình là 0.0213(m), khi đặt 3 bể tại tầng 15 và 3 bể tại tầng 30 là 0.0217(m).
Chuyển vị tương đối nhỏ nhất giữa tầng 30 với tầng 29. Khi không đặt bể chuyển vị tương đối giữa tầng 30 so với tầng 29 là 0.0027(m), khi đặt 6 bể tại đỉnh cơng trình là 0.0049(m), khi đặt 3 bể tại tầng 15 và 3 bể tại tầng 30 là 0.0038(m).
Ở các tầng dưới chuyển vị tương đối giữa các tầng lớn thì trường hợp khi 6 bể đặt trên đỉnh cơng trình ln có giá trị nhỏ hơn so với khi đặt 3 bể tầng 15 và 3 bể tại
có sự thay đổi chuyển vị tương đối giữa các tầng trong trường hợp không đặt bể lại đạt giá trị nhỏ hơn so với trường hợp đặt 6 bể trên đỉnh và khi đặt 3 bể tại tầng 15, 3 bể tại tầng mái. Quy luật thay đổi này không ảnh hưởng nhiều đến sự làm việc của kết cấu vì tại các tầng mái giá trị của chuyển vị tương đối rất nhỏ, không đáng kể.
b) Lực cắt lớn nhất tại các tầng của tịa nhà
Hình 4.14. Đồ thị lực cắt lớn nhất tại các tầng
Từ đồ thị lực cắt lớn nhất tại các tầng, sẽ đưa ra được một số nhận xét như: - Giá trị lực cắt tại các tầng lớn ở các tầng dưới, càng lên cao giá trị này giảm dần. - Lực cắt lớn nhất tại tầng 1, với trường hợp không đặt bể là 5.52E+07(N) khi đặt 6 bể tại đỉnh cơng trình là 5.22E+07(N), khi đặt 3 bể tại tầng 15 và 3 bể tại tầng 30 là 5.29E+07(N).
- Lực cắt nhỏ nhất tại tầng 30, với với trường hợp không đặt bể là 6.50E+06(N) khi đặt 6 bể tại đỉnh cơng trình là 1.18E+07(N), khi đặt 3 bể tại tầng 15 và 3 bể tại tầng 30 là 9.20E+06(N).
4.3.4. Hiệu quả của vị trí đặt bể nước đến mức độ giảm chấn cho tòa nhà khi chịu động đất động đất
Kết quả phân tích hiệu quả giảm chấn của bể nước được thể hiện thơng qua đại lượng tương đối R(i), tính theo cơng thức sau:
R i TLD R i noTLD 100 %
R
Trong đó
R(i) - Là hiệu quả giảm chuyển vị tuyệt đối, chuyển vị tương đối, gia tốc và lực cắt giữa các tầng (%)
R(i)_noTLD và R(i)_TLD - Là kết quả chuyển vị tuyệt đối, chuyển vị tương đối, lực cắt giữa các tầng của kết cấu khi không đặt bể chứa và khi đặt bể chứa nước.
Với giá trị của R(i) chỉ xét giá trị lớn nhất tuyệt đối, có nghĩa là R(i) = max (abs(r(t)) với r(t) là kết quả theo thời gian khi phân tích tải động đất theo time - history. Do đó, giá trị của R sẽ được tính là max(MAX, abs(MIN)) với MIN và MAX của từng kết quả, từng tầng.
a) Hiệu quả của chuyển vị
Hiệu quả của chuyển vị tuyệt đối của các tầng khi đặt 6 bể trên tầng mái, và khi đặt 3 bể ở tầng 15, 3 bể ở tầng mái so với khi không đặt bể được thể hiện như trên đồ thị hình 4.15.
Hình 4.15. Đồ thị hiệu quả chuyển vị tuyệt đối của các tầng
Từ đồ thị hiệu quả chuyển vị tương đối của các tầng, sẽ đưa ra được một số nhận xét như:
- Chuyển vị tuyệt đối ở đỉnh của cơng trình là lớn nhất. Khi không đặt bể chứa nước, chuyển vị đỉnh DNO- TLD(i=30) là 38.9cm. Đối với trường hợp đặt 6 bể chứa nước trên đỉnh cơng trình, chuyển vị tuyệt đối của đỉnh là 35.2cm, giảm 10%. Đối với trường hợp đặt 3 bể ở đỉnh cơng trình và 3 bể ở tầng 15, chuyển vị tuyệt đối của tầng
chuyển vị đỉnh cơng trình, việc bố trí các bể trên tầng mái sẽ có lợi hơn việc bố trí dọc theo chiều cao cơng trình.
- Chuyển vị tuyệt đối giảm nhiều nhất tại tầng 25 (với trường hợp 6 bể đặt trên mái chuyển vị tuyệt đối giảm 11.4%; với trường hợp 3 bể đặt trên mái, 3 bể đặt ở tầng 15, chuyển vị tuyệt đối giảm 8.1%).
- Chuyển vị tuyệt đối giảm ít nhất tại tầng 2 trong cả 2 trường hợp nghiên cứu vị trí đặt bể chứa nước.
- Đối với tất cả các tầng, việc bố trí tất cả các bể chứa nước tại tầng mái đều có lợi hơn việc bố trí phân bổ dọc theo chiều cao cơng trình.
Hiệu quả của chuyển vị tương đối giữa các tầng khi đặt 6 bể trên tầng mái, và khi đặt 3 bể ở tầng 15, 3 bể ở tầng mái so với khi khơng đặt bể.
Hình 4.16. Đồ thị hiệu quả chuyển vị tương đối giữa các tầng
Từ đồ thị hiệu quả chuyển vị tương đối giữa các tầng, sẽ đưa ra được một số nhận xét như:
- Khi đặt bể chứa nước, hiệu quả chuyển vị tương đối giữa tầng 14 so với tầng 15 giảm lớn nhất đạt 6.8% (ứng với trường hợp khi đặt 6 bể trên đỉnh) và 4.2% (ứng với trường hợp khi đặt 3 bể trên đỉnh, 3 bể ở tầng 15).
- Chuyển vị tương đối lớn nhất là giữa tầng 2 so tầng 1. Khi đặt 6 bể trên đỉnh cơng trình giá trị chuyển vị này giảm 3%, và khi đặt 3 bể trên đỉnh, 3 bể ở tầng 15 thì giá trị chuyển vị này giảm 2%.
- Tuy nhiên, tại một số tầng, khi đặt bể nước lại làm tăng giá trị chuyển vị tương đối giữa các tầng, đặc biệt là tại tầng mái. Tuy nhiên việc tăng này không ảnh hưởng đến giá trị chuyển vị tương đối lớn nhất (giá trị chuyển vị tương đối lớn nhất xảy ra giữa tầng 2 và tầng 1). Do đó khơng phải là vấn đề đáng lo ngại trong tính tốn thiết kế cơng trình.
b) Hiệu quả của lực
Hiệu quả của lực cắt tại các tầng khi đặt 6 bể trên tầng mái, và khi đặt 3 bể ở tầng 15, 3 bể ở tầng mái so với khi khơng đặt bể.
Hình 4.17. Đồ thị hiệu quả Lực cắt tại các tầng
Từ đồ thị hiệu quả lực cắt tại các tầng, sẽ đưa ra được một số nhận xét như: - Khi đặt bể chứa nước, hiệu quả lực cắt giữa tầng 23 so với tầng 22 giảm lớn nhất đạt 25% (ứng với trường hợp khi đặt 6 bể trên đỉnh) và 20% (ứng với trường hợp khi đặt 3 bể trên đỉnh, 3 bể ở tầng 15). Việc này có tác dụng là giảm cốt thép trong thiết kế cột, vách giữa 2 tầng 22 và 23. Trong trường hợp không đặt bể nước, giá trị lực cắt giữa 2 tầng 22, 23 là 3.0E+7(N), giá trị lực cắt này không phải là lớn nhất.
- Lực cắt lớn nhất là giữa tầng 1 so với nền móng. Khi khơng có bể chứa, giá trị lực cắt lớn nhất đạt 5.5E+7(N). Khi đặt 6 bể trên đỉnh cơng trình giá trị lực cắt này giảm 5%, và khi đặt 3 bể trên đỉnh, 3 bể ở tầng 15 thì giá trị lực cắt này giảm 4%. Do
Tuy nhiên, tại một số tầng, khi đặt bể chứa lại làm tăng giá trị lực cắt giữa các tầng, đặc biệt là tại tầng mái (vì lúc này khối lượng tầng mái tăng, làm cho lực quán tính tăng lên). Điều này giải thích tại sao khi đặt 6 bể trên tầng mái thì lực cắt lại lớn hơn khi đặt 3 bể trên tầng mái và 3 bể tại tầng 15. Tuy nhiên việc tăng này không ảnh hưởng đến giá trị lực cắt lớn nhất (giá trị lực cắt lớn nhất xảy ra giữa tầng 1 và móng). Do đó khơng phải là vấn đề đáng lo ngại trong tính tốn thiết kế cơng trình.
4.4. Kết luận chương 4
Nội dung chương 4 đã nghiên cứu áp dụng bể nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất. Trước tiên nội dung chương đã nghiên cứu lựa chọn tòa nhà Bê tơng cốt thép có tổng chiều cao 108m tương đương 30 tầng để nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến tòa nhà khi chịu tác dụng của động đất. Nghiên cứu xây dựng mơ hình phân tích tương đương cho kết cấu tịa nhà 30 tầng sang mơ hình gồm các khối lượng được liên kết với nhau bởi lị xo có độ cứng K và độ cản C. Nghiên cứu xác định thông số ma trận độ cản C cho hệ nhiều bậc tự do theo Rayleigh. Các thông số bể nước và thông số gối liên kết giữa bể và kết cấu được xác định dựa trên các kết quả nghiên cứu cho bể nước ở nội dung chương 3.
Thực hiện nghiên cứu ứng xử của tòa nhà khi thay đổi vị trí đặt bể nước theo chiều cao tịa nhà dưới tác dụng của động đất El Centro. Nghiên cứu được thực hiện cho 2 trường hợp. Trường hợp 1 là đặt toàn bộ hệ bể nước trên tầng mái của tòa nhà và trường hợp 2 là chia hệ bể thành hai hệ nhỏ đặt tại hai tầng khác nhau (tầng mái và tầng 15). Kết quả nghiên cứu cho thấy trường hợp bố trí tồn bộ bể nước trên tầng mái sẽ mang lại hiệu quả giảm chấn hơn so với trường hợp bố trí bể chứa dọc theo chiều cao tòa nhà. Cụ thể các kết quả nghiên cứu có được như sau: