BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

CAO SĨ DŨNG

TÍNH TOÁN NHÀ CAO TẦNG
BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT
THEO TIÊU CHUẨN TCVN 9386:2012 VÀ UBC 1997

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

CAO SĨ DŨNG
KHÓA: 2015- 2017

TÍNH TOÁN NHÀ CAO TẦNG
BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT
THEO TIÊU CHUẨN TCVN 9386:2012 VÀ UBC
1997

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc
lập của tôi. Kết quả nêu trong luận văn là trung thực, các thông tin, số liệu sử dụng
trong luận văn được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả Luận văn

Cao Sĩ Dũng


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU.................................................................................................................1
Đặt vấn đề...........................................................................................................1
Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết của luận văn.........................................2
Nội dung nghiên cứu của luận văn....................................................................2
Giới hạn nghiên cứu...........................................................................................3
Đối tượng nghiên cứu.........................................................................................3
Phương pháp nghiên cứu...................................................................................3
Cấu trúc luận văn...............................................................................................4

3.1 VÍ DỤ TÍNH TOÁN.......................................................................................62
3.1.1 Ví dụ 1: Tính toán động đất nhà 15 tầng...................................................64
3.1.2 Ví dụ 2: Tính toán động đất nhà 25 tầng...................................................64
3.1.3 Ví dụ 3: Tính toán động đất nhà 35 tầng...................................................64
3.1.4 Ví dụ 4: Tính toán động đất nhà 45 tầng...................................................64
3.1.5 Ví dụ 5: Tính toán động đất nhà 55 tầng...................................................64
3.2 BIỂU ĐỒ MÔ MEN, LỰC CẮT...................................................................65
3.2.1 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 15 tầng.........................65
3.2.2 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 25 tầng.........................66
3.2.3 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 35 tầng.........................68
3.2.4 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 45 tầng.........................69
3.2.5 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 55 tầng.........................71
3.2.6 Nhận xét biểu đồ.......................................................................................72
3.3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................73
KẾT LUẬN...........................................................................................................73
KIẾN NGHỊ..........................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO


PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1
Bảng 1.2
Bảng 1.3
Bảng 1.4
Bảng 1.5
Bảng 2.1

34

17

38

kết cấu thông thường
Giá trị của các tham số S, TB, TC, TD, TE và TF
Các giá trị cho công trình
Giá trị của  để tính toán Ei
Bảng phân vùng động đất
Phân loại nền
Hệ số tầm quan trọng
Hệ số động lực của đất nền Ca

43
44
44
53
54
54
55

Hệ số động lực của nền Cv

55

Giá trị của hệ số của chu kỳ cơ bản gần đúng

59


25
26
41
42

2.3:
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình

Biểu đồ quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị đỉnh

50

Đường quan hệ lực – biến dạng đối với khớp dẻo
Bản đồ phân vùng động đất theo UBC 1997

51
53

Sơ đồ tính

63

3.1
Hình

Nhà 15 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo


Nhà 35 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo
PP phổ
Nhà 35 tầng: biểu đồ phân bố lực cắt tại các tầng theo PP phổ
Nhà 35 tầng: biểu đồ phân bố lực mô men tại các tầng theo
PP phổ
Nhà 45 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo
PP phổ

21
24

66
66
67
68
68
69
69
70
70
70


Hình
3.12
Hình

Nhà 45 tầng: biểu đồ phân bố lực cắt tại các tầng theo PP phổ
Nhà 45 tầng: biểu đồ phân bố lực mô men tại các tầng theo


Động đất là tác động tự nhiên ảnh hưởng lớn đến công trình xây dựng và các
kết cấu hạ tầng kỹ thuật v.v. Đây là một trong những thiên tai để lại hậu quả nặng nề
về con người lẫn kinh tế ở nhiều nước trên thế giới. Đối với các khu vực đô thị lớn
đông dân, động đất lớn sinh ra sẽ gây thiệt hại nhiều về người, tài sản và cơ sở hạ
tầng kỹ thuật. Quá trình phát triển của xã hội, trong các thập niên gần đây, ở nước ta
ngày càng có nhiều công trình cao tầng xây dựng với quy mô và tầm quan trọng
lớn. Vì vậy, việc tính toán thiết kế cho các công trình chịu tác động động đất là cần
thiết.
Theo quyết định số 09/2005/QĐ-BXD [1] ngày 07 tháng 4 năm 2005 của Bộ
Xây dựng [1], việc thiết kế chịu động đất cho các công trình xây dựng ở Việt Nam
có thể thực hiện theo tiêu chuẩn nước ngoài. Trước năm 2006, thiết kế kháng chấn
thường được sử dụng ở nước ta là tiêu chuẩn SNIP II-7-81* [3] của Liên Xô (cũ)
hay Liên bang Nga ngày nay, tiêu chuẩn UBC 1997 [4] tuy được thay thế bằng tiêu
chuẩn IBC 2006 (ASCE7-05) [5] của Hoa Kỳ nhưng vẫn được dùng để tính toán
cho một số nhà cao tầng ở nước ta như Keangnam Ha Noi Landmark Tower, Lotte
Center Ha Noi, The One. Ở nước ta hiện nay tải trọng động được thiết kế theo là
tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 [6] nay đổi thành tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [6]
được chuyển dịch trên cơ sở tiêu chuẩn EN 1998-1:2005 [7]. Tiêu chuẩn TCVN
9386:2012 là tiêu chuẩn chính thống của nước ta áp dụng trên phạm vi cả nước về
thiết kế kết cấu chịu động đất.
Tuy nhiên, đối với các công trình cao tầng có chu kỳ dao động riêng cơ bản
lớn hơn 4s, việc lựa chọn tiêu chuẩn và tính toán tác động động đất lên công trình
hiện nay còn gặp nhiều khó khăn. Tiêu chuẩn SNIP II7-81* của Nga áp dụng cho
công trình cao dưới 75m, đối với các công trình có chiều cao lớn hơn 75m thì tính
toán rất phức tạp. Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 áp dụng cho các công trình có chu
kỳ dao động cơ bản < 4s, còn trên 4s thì phải xây dựng phổ chuyển vị. Tiêu chuẩn


2
UBC 1997 cho phép tính toán công trình có chu kỳ dao động đến 10s. Do đó, tiêu

Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm:
- Nghiên cứu phương pháp tính toán động đất trong TCVN 9386:2012 và
UBC 1997:
+ Số liệu đầu vào của hai tiêu chuẩn;
+ Vùng động đất;
+ Một số loại nền cơ bản;
+ Hệ số tầm quan trọng (I);
+ Hệ số ứng xử (q);
+ Hệ số giảm cường độ (R);
+ Phổ phản ứng.
- Xây dựng phổ đàn hồi cho công trình có chu kỳ dao động cơ bản > 4s thông
qua phổ chuyển vị theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012.
- Xây dựng phổ thiết kế theo tiêu chuẩn UBC 1997.
- Cách phân bố lực động đất theo chiều cao và giới hạn của phương pháp lực
tĩnh ngang tương đương.
- Tính toán các ví dụ;
- Các kết luận và kiến nghị.
Giới hạn nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu phương pháp tính toán tải trọng động đất theo phương
ngang đối với kết cấu nhà cao tầng theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 & tiêu chuẩn
UBC 1997.
Đối tượng nghiên cứu
- Kết cấu nhà cao tầng chịu tác động động đất.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu ly thuyết để hiểu rõ bản chất của phương pháp tính động đất
theo TCVN 9386:2012 & tiêu chuẩn UBC 1997, từ đó có thể áp dụng vào thiết kế
công trình.
- Thu thập các thông tin, số liệu về tính toán nhà cao tầng hiện nay.
- Nghiên cứu ly thuyết bằng mô hình số, phương pháp phần tử hữu hạn.


tự
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Tòa nhà
Tháp Keangnam Ha Noi Tower
Tháp Financial Tower
Tòa tháp The One
Tòa tháp Lotte Center HaNoi
Landmark 81
Saigon Time Square
Saigon Pearl
Vietcombank Tower
Landmark 2
Park 6

Thành
Phố
Hà Nội
HCM
HCM
Hà Nội

40
52
51

Năm
hoàn
thành
2011
2010
2014
2012
2009
2015
-

1.1.2 Sự cần thiết phải tính toán tải trọng động đất cho nhà cao tầng ở Việt Nam
a) Tải trọng động đất theo tiêu chuẩn qui định


6
Theo tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng TCXD 198:1997 [4], đối với những
công trình nhà cao tầng (theo qui định từ 9 tầng trở lên) trong thiết kế xây dựng, nhà
thầu tư vấn ngoài việc tính toán tải trọng tĩnh tải, hoạt tải (tải trọng đứng) còn phải
tính toán 2 loại tải trọng rất cùng quan trọng là tải trọng gió và tải trọng động đất
(tải trọng ngang) vì đối với kết cấu cao tầng thì ảnh hưởng của tải trọng ngang được
xem là nổi trội hơn so với tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng. Việc tính toán
tải trọng ngang là một trong những yêu cầu bắt buộc khi thiết kế các công trình cao
tầng. Do đó, công trình xây dựng nào nằm ở vùng có phân vùng tác động gió thì
phải tính toán tải trọng gió, phân vùng động đất thì phải tính toán tải trọng động đất.
Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [3] đã đưa ra bản đồ phân vùng gia tốc nền

thổ Việt Nam, Bộ Xây dựng đã chỉ đạo cho Viện KHCN Xây dựng biên soạn và cho
ban hành tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 nay là tiêu chuẩn TCVN 9386:2012.
c) Việc áp dụng tiêu chuẩn UBC 1997 cho tính toán động đất nhà cao tầng ở
Việt Nam
Từ những văn bản pháp qui và hệ thống tiêu chuẩn kháng chấn đang được áp
dụng tại Việt Nam có thể rút ra một số nhận xét sau:
- Tiêu chuẩn SNiP II-7-81* (trước đây) cũng như SNiP II-7-81* (hiện nay) [18]
của Nga áp dụng cho thiết kế kháng chấn công trình cao dưới 75m, đối với các công
trình có chiều cao lớn hơn 75m chưa có qui định trong tiêu chuẩn này.
- Tiêu chuẩn UBC 1997 [11]: Với phương pháp phổ phản ứng có thể tính toán
cho nhà có chu kỳ dao động lên đến 10s (tương đương nhà 100 tầng) bằng bê tông
cốt thép. Một số nhà cao tầng ở nước ta và trên thế giới hiện nay như tháp Burj
Khalifa cao nhất thế giới vẫn được tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn UBC 1997.
- Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [3]: áp dụng cho các công trình có chu kỳ dao
động < 4s (dưới 40 tầng), còn trên 4s thì phải xây dựng phổ chuyển vị, sau đó
chuyển ngược lại phổ gia tốc trừ Singapore xây dựng riêng phổ gia tốc cho nhà tới
trên tầng cũng theo EN 1998. Như vậy, với các công trình lớn hơn 40 tầng có thể
tính theo TCVN 9386:2012.
- Tiêu chuẩn IBC 2006/ASCE7-05 [10]: là tiêu chuẩn mới của Mỹ áp dụng tính
toán cho các công trình có chu kỳ giao động lên đến 10s. Song tiêu chuẩn IBC
2006/ASCE7-05 được biên soạn và áp dụng ở Mỹ nên có những đặc trưng khác với
Việt Nam, đặc biệt là đầu vào để xác định tải trọng động đất. Tiêu chuẩn TCVN
9386:2012 sử dụng đầu vào là đỉnh gia tốc nền tham chiếu chu kỳ lặp 500 năm trên


8
nền loại A. Trong khi đó IBC 2006/ASCE7-05 sử dụng phân vùng động đất với các
phổ gia tốc chu kỳ ngắn 0,2s và chu kỳ dài 1s trên nền đá loại B chứ không phân
vùng trên đỉnh gia tốc nền. Chính vì thế, việc áp dụng tiêu chuẩn IBC 2006/ASCE705 tương đối phức tạp.
1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT

với tần số dao động riêng của công trình thì sẽ dẫn đến hiện tượng cộng hưởng.
- Biên độ lớn nhất của chuyển động nền
Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất được thể hiện dưới dạng đỉnh của
chuyển động nền (gia tốc, vận tốc và chuyển vị đỉnh). Các thông tin mà chúng ta
thu thập được dựa trên cơ sở số ghi địa chấn là gia tốc lớn nhất hoặc gia tốc đỉnh
của nền đất. Các nhà khoa học đã nghiên cứu để thiết lập mối quan hệ giữa đỉnh gia
tốc nền với cường độ động đất. Quan hệ này mang tính chất gần đúng, chưa đạt
được độ chính xác cần thiết nhưng nó có ích trong việc xác định đỉnh gia tốc nền
khi biết thông tin về cường độ của các trận động đất đã xảy ra. Trong thiết kế đỉnh
gia tốc nền theo phương thẳng đứng thường ít được quan tâm hơn so với đỉnh gia
tốc nền theo phương nằm ngang. Đỉnh gia tốc nền theo phương ngang thường được
sử dụng để biểu thị đặc trưng biên độ chuyển động của nền đất. Do vận tốc ít nhạy
cảm ở nền đất có tần số cao nên nó thường được dùng để biểu thị đặc trưng biên độ
ở chuyển động nền ở các tần số trung bình. Chuyển vị đỉnh thường ít được sử dụng
để biểu thị biên độ chuyển động của nền do khó khăn trong việc xác định chúng từ
các tín hiệu ghi được [8].
- Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động


10
Khoảng thời gian kéo dài chuyển động của nền đất là khoảng thời gian cần
để giải phóng lượng năng lượng biến dạng tích lũy dọc theo đứt gẫy. Khi chiều dài
hoặc diện tích mặt phá hủy của đứt gẫy tăng, thời gian cần để phá hoại đứt gẫy cũng
tăng. Do đó, khoảng thời gian kéo dài chuyển động của nền đất tăng cùng với sự gia
tăng độ lớn của động đất.
Khoảng thời gian kéo dài chuyển động của nền đất ảnh hưởng lớn tới sự phá
hoại do động đất gây ra. Nhiều quá trình vật ly xảy ra như sự suy giảm độ cứng và
cường độ của một số loại kết cấu, ... nhạy cảm với chu kỳ chất tải đổi chiều xuất
hiện trong thời gian xảy ra động đất [8].
- Nội dung tần số của gia tốc nền

� �
��
FS ( )  ��
a ( ) cos( )d � �
a( )sin( ) d ��
�
�
��
0
0
� �
��
�
�
0

0

Do a() có đơn vị gia tốc nên FS() có đơn vị vận tốc. Phổ Fourier được
dùng để mô tả các đặc trưng chuyển động của nền đất.
Khi tác động lên chân của hệ có một bậc tự do không lực cản một gia tốc
a(t), phản ứng của hệ và phổ Fourier có một mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Phương
trình chuyển động của hệ được viết như sau:
&
x&
(t )   2 x(t )  a (t )

x&
(t ) lần lượt là chuyển vị và gia tốc tương đối;
Ở đây: x(t) và &

�
2
2

Đưa các biểu thức chuyển vị, vận tốc chuyển động tương đối vào hệ E() ta
2
2
t
t
�
� �
��
��
�
a ( )cos  (t0   )d � �
a ( )sin  (t0   )d ��
có: E ( )  ��
�
�
0
0
� �
��
��
0

0

Khai triển biểu thức trên, thay biến  bằng t được:


2

Qua đây cho thấy ở cuối khoảng thời gian kéo dài của chuyển động, năng
lượng toàn phần trên đơn vị khối lượng của hệ có một bậc tự do dao động tự do với
tần số  bằng một nửa bình phương phổ Fourier tại cùng một tần số.
Phổ năng lượng [8]

0
Từ phổ Fourier nghịch đảo ta được: a (t )  �F ( )eit d 
0
Ở đây 0 là tần số lớn nhất trong chuỗi Fourier
Cường độ hoặc năng lượng toàn phần của một chuyển động địa chấn trong
khoảng thời gian t0 là phần diện tích dưới gia tốc bình phương theo lịch sử thời
t0
gian: I  �a 2 (t )dt
0
Theo Parseval thì cường độ động đất còn biểu thị trong phạm vi tần số:
1 0 2
I
�F ( )d 
 0
Cường độ toàn phần I trên đơn vị thời gian hay cường độ trung bình 0 được
xác định bằng cách chia cường độ toàn phần cho khoảng thời gian kéo dài t0 ta được:
t
1 2
1 0 2
0  �
a (t )dt 
�F ( )d 
t0 0

trọng, hiện nay độ mạnh của động đất được đánh giá qua:
Thang cường độ động đất;
Thang độ lớn động đất.
- Thang cường độ động đất [8]:
Cường độ động đất biểu thị độ mạnh hay sức tàn phá của một trận động đất,
thang cường độ động đất là thước đo độ mạnh của động đất.
Một số thang cường độ động đất chính hiện nay đang được sử dụng như:
thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi, thang cường độ động đất JMA, thang
cường độ động đất MSK-64.
+ Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi (thang MM)
Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi được các nhà địa chấn học lập
California lập trên cơ sở thang độ đất Mercalli-Cancani-Sieberg. Thang cường độ
động đất Mercalli có 12 cấp, được thể hiện ở bảng sau:


14
Bảng 1.2: Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi [8]
Cường độ IMM
I
II

III

IV

V

VI

VII

chuông bị đổ. Các vết nứt xuất hiện ở nền đất
dốc hoặc ẩm ướt; Đá trên núi rơi xuống. Lái xe
khó chịu
Nhà bị dịch chuyển khỏi móng, bị nứt, bị
nghiêng, đa số không sử dụng được. Nền đất bị
nứt hở ra. Các đường ống ngầm bị vỡ.
Nền đất bị trượt. Đường ray bị uốn cong. Các
công trình bằng khối xây bị đổ. Mặt đất mở ra.
Cầu bị đổ. Chỉ các công trình mới xây không bị
đổ nhưng thường bị hư hỏng nặng.
Các công trình do con người tạo ra bị phá hủy
hoàn toàn; địa hình bị thay đổi, các đứt gãy lớn
được tạo ra, các sông nhỏ bị đổi dòng.

+ Thang cường độ động đất JMA

Gia tốc cực đại
gần đúng của
nền đất (g)

< 0,003

0,003 - 0,007

0,007 – 0,015

0,015 – 0,030

0,030 – 0,070