ĐỊA CHẤN HỌC CÔNG TRÌNH

ĐỊA CHẤN CÔNG TRÌNH

MỤC LỤC

1.1 Động đất 5 1.2 Sóng địa chấn 8 1.3 Đánh giá sức mạnh động đất và thang địa chấn 13

1.4 Bản đồ phân vùng động đất 15

Nội dung thảo luận 15 Ngân hàng câu hỏi, bài tập 15

CHƯƠNG 2: Nguyên tắc cơ bản của thiết kế kháng chấn 16

2.1 Yêu cầu về tính năng và các tiêu chí cần tuân theo 16

2.2 Nguyên tắc cơ bản của thiết kế cơ sở 23

2.3 Tiêu chí về tính đều đặn của kết cấu 25

2.4 Chọn cấu hình kết cấu hợp lý 28

Nội dung thảo luận 28 Ngân hàng câu hỏi, bài tập 28

CHƯƠNG 3: Phản ứng của các công trình xây dựng khi bị động đất 30

3.1 Phổ phản ứng động đất của hệ kết cấu đàn hồi có 1 bậc tự do 30

3.2 Phổ phản ứng địa chấn của hệ không đàn hồi 32

3.3 Phổ phản ứng địa chấn của hệ có nhiều bậc tự do 32

Nội dung thảo luận 38 Ngân hàng câu hỏi, bài tập 38

CHƯƠNG 4: Các phương pháp xác định tải trọng động đất lên công trình 39

4.1 Các yếu tổ ảnh hưởng tới độ lớn của tải trọng động đất 39

4.2 Các phương pháp xác định tải trọng động đất 39

4.3 Các nguyên tắc cơ bản xác định tải trọng động đất tĩnh lực ngang 40

Nội dung thảo luận 44

CHƯƠNG 5: Các phương pháp xác định chu kỳ dao động riêng 45

5.1 Các phương pháp tính toán đơn giản 45

5.2 Các phương pháp xác định trực tiếp chu kỳ dao động cơ bản 52

Nội dung thảo luận 53

CHƯƠNG 6: Phân tích và thiết kế công trình chịu động đất 54

6.1 Giới thiệu 54 6.2 Phân tích công trình chịu động đất 55

6.3 Phân tích và thiết kế khung BTCT chống động đất 63

Nội dung thảo luận 66 Ngân hàng câu hỏi, bài tập 66

CHƯƠNG 7: Tính toán tác động động đất tác dụng lên công trình 67

7.6 Xác định chu kỳ riêng cơ bản T 1 của công trình 71

7.7 Phổ thiết kế không thứ nguyên dùng cho phân tích đàn hồi 72

7 8 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương 73

7.9 Phương pháp phân tích phổ phản ứng 73

7.11 Tổ hợp đặc biệt có tác động động đất 74

Nội dung thảo luận 75

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN ĐỊA CHẤN HỌC CÔNG TRÌNH

(học phần tự chọn)

1 Tên học phần (ghi cả phần mã số) :Địa chấn học công trình (FIM 513)

2 Số tiến chỉ: 2

3 Trình độ cho sinh viên năm thứ 5 (dự kiến theo chương trình chuẩn 5 năm)

4 Phân bổ thời gian:

- Lên lớp lý thuyết: 24 tiết

- Thảo luận: 12tiết = 9 tiết chuẩn

5 Các học phần học trước

Bê tông cốt thép 1,2, Kết cấu thép 1,2

6 Học phần thay thế, học phần tương đương

Học phần này thay thế học phần Địa chấn học công trình theo chương trình đào tạo 180 tín chỉ

7 Mục tiêu của học phần

Giúp sinh viên nắm bắt được sự làm việc của công trình khị chịu tải trọng động đất

8 Mô tả vắn tắt nội dung học phần

Nội dung của môn học này nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về sự làm việc của công trình xây dựng chịu tải trọng động đất Sau khi học xong, sinh viên có thể thiết

kế được các công trình xây dựng trong vùng có động đất

9 Nhiệm vụ của sinh viên: Đối với học phần lý thuyết

1 Dự lớp > 80 % tổng số thời lượng của học phần

2 Chuẩn bị thảo luận

3 Bài tập

10 Tài liệu học tập

- Giáo trình chính: (1) Hàn Thuý Hằng, Bài giảng Địa chấn học công trình

- Tài liệu tham khảo(2) Nguyễn Lê Ninh, Địa chấn học công trình

- Tài liệu tham khảo(3) Phan văn Cúc, Nguyễn Lê Ninh, Tính toán kháng chấn các công trình nhiều tầng

- Tài liệu tham khảo (4) Tiêu chuẩn xây dựng việt nam TCXDVN 375:2006, Thiết kế công trình chịu động đất

11 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên và thang điểm

* Tiêu chuẩn đánh giá

+ Điểm đánh giá bộ phận chấm theo thang điểm 10 với trọng số như sau:

- Chuy ên cần: 10%

- Thảo luận: 10 %

- Kiểm tra giữa học phần: 20 %

+ Điểm thi kết thúc học phần: 60%

+ Điểm học phần: Là điểm trung bình chung có trọng số của các điểm đánh giá bộ phận

và điểm thi kết thúc học phần làm tròn đến một chữ số thập phân

12 Lịch trình giảng dậy

Tuần

Tài liệu học tập

Hình thức học

1 CHƯƠNG 1: Động đất và chuyển động của đất nền 1,2 Giảng

3 CHƯƠNG 2: Nguyên tắc cơ bản của thiết kế kháng chấ 1,2,4 Giảng

5 CHƯƠNG 3: Phản ứng của các công trình xây dựng khi bị

động đất

1,2,4 Giảng

7 CHƯƠNG 4: Các phương pháp xác định tải trọng động đất lên

công trình

Giảng,Thảo luận

9 CHƯƠNG 5: Các phương pháp xác định chu kỳ dao động riêng 1,2,3,4 Giảng

11 Bài tập, thảo luận 1,2,4 Giảng,Thảo luận

12 CHƯƠNG 6: Phân tích và thiết kế công trình chịu động đất 1,2 Giảng

14 CHƯƠNG 7: Tính toán tác động động đất tác dụng lên công

trình

1,2 Giảng

15 Bài tập, thảo luận 1,2,3,4 Giảng,Thảo luận

13 Ngày phê duyệt

14 Cấp phê duyệt

Đề cương chi tiết học phần đã được Hội đồng khối ngành xây dựng phê duyệt

I Chương 1 ĐỘNG ĐẤT VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT

I.1 Mục tiêu, nhiệm vụ

- Mục tiêu: Tìm hiểu về động đất và các nguyên nhân gây ra hiện tượng động đất, tìm hiểu về hiện tượng động đất trên thế giới và lãnh thổ Việt Nam, đánh giá sức mạnh của động đất và thang địa chấn địa chấn

- Nhiệm vụ: Lên lớp học lý thuyết đầy đủ, tham gia thảo luận

1.1.1 Định nghĩa và phân loại

Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn năng lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự rạn nứt đột ngột trong phần

vỏ hoặc trong phần áo trên của quả đất

Ví dụ: - Nhà bác học cổ Hy Lạp Platon ghi lại vào thế kỷ thứ 3 trước công nguyên là sự

mất tích của hòn đảo Atlăngtich nằm giữa Đại Tây Dương

• Trận động đất xảy ra vào lúc 9h30’ ngày 1-11-1755 đã hủy diệt gần như hoàn toàn thành phố Lisbon ( Bồ Đào Nha) Ở lần chấn động thứ 2 kéo dài 2 phút toàn bộ các thành quách, lâu đài và nhà thờ kiểu cổ đều sụp đổ

• Việc nghiên cứu và xây dựng tiêu chuẩn tính toán công trình chịu tải trọng động đất được tiến hành rộng rãi bắt đầu từ sau trận động đất ở Kanto (Nhật Bản) năm 1923 làm 140000 người chết, các ống dẫn hơi đốt bị vỡ và các đường dây điện bị chập đã gây nên 130 đám cháy, thiêu hủy 447128 ngôi nhà

• Thảm họa động đất kinh hoàng tại tây nam Trung Quốc ngày 12/5 đã cướp đi sinh mạng của ít nhất 10.000 người, phá hủy nhiều trường học, nhà cao tầng, các nhà máy…Trận động đất mạnh 7,8 độ richter có tâm chấn tại tỉnh Tứ Xuyên xảy ra vào lúc 2h28

Nơi phát ra năng lượng về mặt lý thuyết được quy về 1 điểm gọi là chấn tiêu.Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt trái đất được gọi là chấn tâm.Khoảng cách từ chấn tâm đến chấn tiêu gọi là độ sâu chấn tiêu H.Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan trắc

gọi là tiêu cự,hay khoảng cách chấn tiêu R.Khoảng cách từ chấn tâm đến điểm quan trắc gọi là tâm cự hay khoảng cách chấn tâm L

Căn cứ vào độ sâu của chấn tiêu (H) mà động đất có thể được phân thành các loại sau:

• Động đất nông H < 70 Km

• Động đất trung bình H= 70 – 300 Km

• Động đất sâu H > 300 Km

1.1.2 Nguồn gốc gây ra động đất

- Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo

VD: Các hang động bị sập, các mảng thiên thạch va chạm vào trái đất hay các vụ thử bom hạt nhân ngầm dưới đất…

95% các trận động đất xảy ra trên thế giới có liên quan trực tiếp đến sự vận động kiến tạo

Thạch quyển có chiều dày từ 70km tới 140km, có dạng kiến trúc phân mảng bởi các vết đứt sâu xuyên thủng, bên dưới thạch quyển là lớp dung nham lỏng, dẻo có nhiệt độ cao, nên làm cho các mảng có sự vận động tương đối với nhau

Dựa vào quan hệ chuyển động tương đối giữa các mảng, người ta phân ra các loại chuyển động cơ bản sau:

• Chuyển động tách giãn: các mảng di chuyển rời xa nhau

• Chuyển động hút chìm: việc mở rộng các mảng tại một số bờ biên phải được bù lại bẳng việc thu hẹp các mảng tại một số bờ biên khác Người ta chia ra làm 2 loại :

- Chuyển động trườn: mảng nọ trườn lên trên mảng kia

- Chuyển động rúc đồng quy: hai mảng gần nhau cùng châu đầu rúc xuống lớp dung nham lỏng bên dưới

• Chuyển động trượt ngang: Chuyển động trượt ngang xuất hiện khi mảng này di chuyển tương đối so với mảng khác theo phương ngang mà không làm sinh ra một phần

vỏ mới hoặc làm mất đi 1 phần vỏ cũ Có 2 loại:

- Chuyển động trượt ngang tương đối tại đứt gãy

- Chuyển động va chạm

- Động đất có nguồn gốc từ các đứt gãy

Ở một số chỗ các vỉa đá có đặc tính khác nhau gối đầu lên nhau hoặc tựa lên nhau dọc theo mặt tiếp xúc giữa chúng Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như vậy được gọi là đứt gãy

Các vết đứt gẫy được chia làm 2 loại:

• Đứt gãy hoạt động là đứt gãy đã trải qua biến dạng cách đây hàng trăm ngàn năm

và sẽ còn tiếp tục trong tương lai Dọc theo sự hoạt động đứt gãy này thường có sự dịch chuyển của nền đá nên cần được nghiên cứu kỹ.Người ta phân chuyển động tại các đứt gãy thành các loại sau:

• Trượt nghiêng: Sự dịch chuyển xảy ra theo phương song song với độ dốc của đứt gãy Tuỳ thuộc vào hướng chuyển động tương đối của các mảng nằm hai bên đứt gãy

mà các đứt gãy được phân như sau:

+ Đứt gãy thuận: lớp đá cứng phía trên mặt nghiêng của đứt gãy trượt xuống dưới so với lớp nằm dưới

+ Đứt gãy nghịch: lớp đá cứng phía trên mặt đứt gãy nghiêng trượt lên trên so với lớp

đá phía dưới đứt gẫy

• Trượt ngang: Sự dịch chuyển xảy ra theo phương ngang song song với mạch ngang của đứt gãy Tuỳ thuộc vào hướng chuyển động tương đối của vật chất trên mặt này hay mặt kia của đứt gãy mà phân loại đứt gãy như sau:

+ Đứt gãy trượt ngang trái: Nếu đứng từ một mảng quan sát thấy mảng kia trượt về phía trái

+ Đứt gãy trượt ngang phải: Nếu đứng từ một mảng quan sát thấy mảng kia trượt về phía phải

• Đứt gãy không hoạt động

• Động đất do hoạt động của núi lửa (ít xảy ra)

• Động đất do sụp đổ nền đất (gây ra động đất nhỏ, xẩy ra trong vùng có hang động ngầm hoặc khai thác mỏ)

• Động đất do tích nước vào các hồ chứa lớn (đôi khi phát sinh ra động đất mạnh)

1.1.3 Các quá trình động đất

Các phay đứt gãy tạo ra các sóng động

đất mà có thể ghi bởi các địa chấn kế (gia

tốc kế) và các thiết bị kỹ thuật số Sơ đồ

một địa chấn kế đơn giản xem ở hình vẽ

dưới bên:

Một địa chấn kế điển hình thường ghi ba thành phần chuyển vị của dao động động đất: hai nằm ngang và một thẳng đứng Các đường quá trình gia tốc ghi tại một trạm đo của trận động đất năm 1994 ở Northridge (California, Mỹ) được biểu diển ở hình bên dưới:

Các đường quá trình này có thể dùng trực tiếp trong phân tích đáp ứng-thời gian (response-history analysis) nhưng theo truyền thống thường được chuyển thành một

Hai đặc trưng thường gặp của động đất là cường độ chấn động (magnitude) và cấp động đất (intensity)

* Cường độ chấn động (M) là đại lượng đo lường năng lượng do đứt gãy phóng thích Dao động lớn của móng có thời gian kéo dài thường gắn kết với các trận động đất lớn Đơn vị Richter Tần suất xuất hiện hàng năm của động đất phân nhóm theo đại lượng cường độ chấn động (M)

* Cấp động đất là đại lượng đo lường dao động động đất tại vị trí cần xem xét, và phụ thuộc vào cường độ chấn động (M), khoảng cách từ vị trí đến tâm chấn và đường đứt gãy, điều kiện địa hình địa chất của vị trí đó, (xem minh họa ở dưới đây) Đơn vị theo thang đo MMI (Mỹ: 12 cấp) hay thang đo EMS cải tiến từ MSK (Châu Âu, VN -

từ cấp I đến cấp XII) , trong khi đó thang đo JSI của Nhật chỉ có 7 cấp

Một số hình ảnh về tác động của động đất trên kết cấu BTCT trên thế giới:

a)- Động đất Bhuj (Ấn độ) năm 2001 b)- Động đất San Fernando (Mỹ) năm 1971

c)- Động đất Northridge (Mỹ) năm 1994 d)- Động đất Sichuan (TQ) năm 2008

1.1.4 Động đất trên lãnh thổ Việt Nam

1.1.4.1 Cấu trúc kiến tạo Việt Nam và vùng lân cận

• Lãnh thổ Việt Nam nằm trên một phần lồi của mảng Á-Âu, bị kẹp giữa 3 mảng có mức độ hoạt động mạnh là mảng Châu Úc, mảng Philipin, mảng Thái Bình Dương Phía Tây và phía Nam của nước ta là vành đai rộng Himalaya và rãnh sâu Java được tạo ra do sự va chạm giữa mảng Châu Úc với mảng Á-Âu, còn phía Đông là vành đai lửa Thái Bình Dương đ ược tạo ra do sự va chạm giữa mảng Thái Bình Dương và mảng Philipin với mảng Á-Âu

• Việt Nam đang chịu ảnh hưởng kéo theo của sự va chạm đồng thời của nhiều mảng kiến tạo

• Lãnh thổ Việt Nam đang chuồi dần về phía Đông- Đông Nam với tốc độ khoảng 50mm/1năm

1.1.4.2 Các đứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam

Trên lãnh thổ Việt Nam tồn tại một mạng lưới đứt gẫy phức tạp, đa dạng về phương, kiểu trượt, cấp độ và lịch sử phát triển Thuộc về nhóm đứt gãy phân miền kiến tạo có các đứt gẫy sau:

• Đứt gẫy Sông Hồng phân chia miền nền hoạt động Hoa Nam (Trung Quốc) với đới uốn nếp Tây Bắc Việt Nam

• Đứt gẫy Sông Mã ngăn cách đới phức nếp lồi Sông Mã với miền uốn nếp Hecxinit Trường Sơn

• Đứt gẫy Sơn La là đứt gẫy xung yếu sâu, cổ, có đường phương uốn lượn, phân cách phức nếp lõm Sông Đà với phức nếp lồi Sông Mã

• Đứt gẫy Lai Châu- Điện Biên phân chia miền uốn nếp Thái Lan- Malayia vói các đới uốn nếp Bắc Việt Nam và địa khối Indosini

• Đứt gẫy Sông Hậu phân chia miền kiến trúc Hecxinit Tây Nam Bộ và địa khối

• Đứt gẫy á kinh tuyến Tây Biển Đông chạy dọc chân sườn lục địa và đới đứt gẫy Thuận Hải – Minh Hải

Thuộc về nhóm đứt gẫy phân chia các đơn vị cấu trúc chính trong các miền kiến tạo có các đứt gẫy sau:

• Đứt gẫy Đông Triều, Mạo Khê, Yên Tử

• Đứt gẫy Cao Bằng - Tiên Yên

• Đứt gẫy Linh Sơn - Hạ Long

• Đứt gẫy Sông Chảy chạy theo phương Đông Bắc - Tây Nam

• Đứt gẫy Sông Lô có phương Tây Bắc - Đông Nam

• Đứt gẫy Sông Đà có phương chủ đạo Tây Bắc - Đông Nam

• Đứt gẫy Sông Cả có phương chủ đạo Tây Bắc - Đông Nam kéo về phía biên giới Việt Lào

• Đứt gẫy Rào Nậy

• Đứt gẫy Dakrong - Huế có phương Tây Tây - Bắc, Đông Đông - Nam, hoạt động mạnh trong giai đoạn hiện tại

• Các đứt gẫy Sông Pôcô, Tuy Hòa - Dầu Tiếng, Vũng Tàu - Tông Lê Sáp trong miền địa khối Indosini

1.1.4.3.Các trận động đất đã xảy ra trên lãnh thổ Việt Nam

• Từ năm 114 đến 2003 đã có 1645 trận động đất mạnh từ 3 độ Richter trở lên đã xẩy ra trên lãnh thổ nước ta

• Từ năm 1903 đến năm 1961 đã xẩy ra 46 trận động đất từ cấp V trở lên theo thang MSK - 64 Riêng tại Lai Châu, Sơn La, Điện Biên từ năm 1935 đến 2001 đã có nhiều trận động đất lớn xảy ra:

• Trận động đất xảy ra vào ngày 24-6-1983 có chấn tâm nằm ở huyện Tuần Giáo (Lai Châu) đã gây ra sụt lở lớn ở các dãy núi, vùi lấp 200ha ruộng, làm chết và bị thương hàng chục người Một số công trình xây dựng nằm ỏ vùng chấn tâm đã bị phá hoại, nền đất bị nứt rộng 10cm và dài tới 20km

• Trận động đất Điện Biên Phủ xảy ra vào hồi 22h52’34” ngày 19-2-2001 có độ lớn

M = 5,3 độ Richter làm cho 130 ngôi nhà phải xây dựng lại, 1044 ngôi nhà phải sửa chữa, 2044 ngôi nhà bị hư hỏng nhẹ

• Từ trước tới nay VN xẩy ra 2 trận động đất cấp VIII, 11 trận động đất cấp VII, 60 trận động đất cấp VI Phần lớn đều xảy ra ở các tỉnh phía Bắc

Sóng khối

• Sóng dọc (sóng sơ cấp)

• Được truyền đi nhờ sự thay đổi thể tích vật chất, gây ra biến dạng kéo và nén trong lòng đất

• Đến điểm quan trắc đầu tiên

• Hướng chuyển động của các hạt vật chất trùng với hướng di chuyển của sóng

• Truyền được trong chất lỏng, nền đá cứng

1.3.1.1 Thang Mercalli cải tiến

Thang Mercalli cải tiến đánh giá độ mạnh của động đất dựa hoàn toàn vào hậu quả của

nó tác động đến con người, đồ vật, công trình xây dựng

Hiện đang sử dụng rộng rãi ở Châu Âu, Bắc Mỹ và nhiều khu vực khác trên thế giới Thang Mercalli có 12 cấp

1.3.1.2 Thang cường độ động đất JMA

Thang JMA đánh giá độ mạnh của động đất dựa hoàn toàn vào hậu quả của nó tác động đến con người, đồ vật, công trình xây dựng và trên cơ sở cảm giác chủ quan của con người.Có 8 cấp và được sử dụng ở Nhật Bản cho tới nay

1.3.1.3 Thang cường độ động đất MSK - 64

Được sử dụng rộng rãi ở Nga, các nước thuộc khối SNK (cộng đồng các quốc gia độc lập), một số nước Đông Âu, VN

Cường độ động đất theo thang MSK - 64 được đánh giá dựa hoàn toàn vào hậu quả của

nó tác động đến con người, đồ vật, công trình xây dựng và trên cơ sở cảm giác chủ quan của con người, được đánh giá qua hàm chuyển vị của 1 con lắc chuẩn hình cầu mô

tả chuyển động địa chấn.Chia làm 12 cấp

Với : A: biên độ lớn nhất của trận động đất đang xét do địa chấn kế Wood - Anderson

ghi được tại trạm quan trắc (mm)

Ao: biên độ lớn nhất của trận động đất chuẩn có cùng khoảng cách chấn tâm (mm)

• Khi địa chấn kế chuẩn đặt cách chấn tiêu 100 km

M = lgA Thang độ lớn Richter có các tính chất đặc trưng sau:

• Được đề xuất cho vùng phía Nam của California, nên đối với vùng khác phải có

số hiệu chỉnh xét tới cấu trúc của vỏ quả đất

• Độ sâu của chấn tiêu không được xét tới

• Thang này chỉ có giá trị cho địa chấn kế Wood - Anderson

• Thang này không xét tới các tính chất địa chất cục bộ

Do đó công thức xác định độ lớn động đất M do Richter đề xuất cho vùng California

không thể áp dụng trực tiếp cho các vùng khác Để áp dụng cho các vùng khác cần có

những hiệu chỉnh, ví dụ đối với trận động đất ở Nhật Bản C Tsuboi kiến nghị xác định

độ lớn theo công thức sau:

Với :

Am : chuyển vị lớn nhất của nền đất tính theo micromet

L: Khoảng cách chấn tâm theo Km

A: chuyển vị nền đất lớn nhất tính theo micromet

L: Khoảng cách chấn tấm của địa chấn kế tính theo độ

•Thang độ lớn sóng khối Độ lớn sóng khối được xác định như sau:

A: biên độ của sóng P tính theo micromet

T: chu kỳ của sóng P (thường khoảng 1s)

•Thang độ lớn momen động đất Độ lớn momen động đất được Hank và Kanamori đề xuất như sau:

Với :Mo: Momen động đất và được xác định thông qua biểu thức sau:

G: môdun cắt của môi trường, thường lấy bằng 3.1011 dyn/cm2

s: chuyển vị trung bình của đứt gãy

A: diện tích mặt phá hủy hay mặt đứt gãy

1.4 Bản đồ phân vùng động đất

Bản đồ phân vùng động đất cho ta dự báo các trận động đất có thể xảy ra trong tương lai và làm cơ sở cho việc xây dựng tiêu chuẩn kháng chấn, các chuyên gia địa chấn phải nghiên cứu tình hình động đất ở một quốc gia và các vùng, sau đó thành lập 2 loại bản

đồ phân vùng động đất:

Bản đồ phân vùng động đất lãnh thổ, trên đó thể hiện 3 tham số cơ bản:

•Vùng phát sinh động đất mạnh

•Chấn động cực đại mà động đất từ các nguồn khác nhau có thể gây ra trên lãnh thổ

•Tần suất lặp lại chấn động các cấp ở các địa điểm khác nhau

Nhờ đó mọi người hình dung được tình hình động đất của 1 quốc gia và cho phép dự báo những trận động đất mạnh có khả năng xảy ra trong tương lai

Bản đồ vi phân vùng động đất, trên đó được thể hiện:

•Các đặc trưng của động đất lớn nhất có thể xảy ra và tác động của nó đến các công trình xây dựng

- Ảnh hưởng của nền đất

•Gia tốc cực đại và chu kỳ trội của nền đất, tương tác động lực của hệ nền - công trình Khi thiết kế kháng chấn cho công trình người ta dựa chủ yếu vào bản đồ vi phân vùng động đất

B Phần 2: Phần thảo luận

Đề tài thảo luận: Các vùng động đất ở việt nam?

C- Ngân hàng câu hỏi:

Câu 1 Trình bày khái niệm, nguồn gốc gây ra động đất

Câu 2 Nêu định nghĩa, phân loại sóng địa chấn

Câu 3 Trình bày các thang cường độ động đất cơ bản

Câu 4 Trình bày các thang độ lớn động đất cơ bản

Câu 5 Hãy nêu tác dụng phá hoại của động đất

II Chương 2 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN II.1 Mục tiêu, nhiệm vụ

- Mục tiêu: Tìm hiểu yêu cầu về tính năng và các tiêu chí cần tuân theo, nguyên tắc

cơ bản của thiết kế cơ sở, tiêu chí về tính đều đặn của kết cấu

- Nhiệm vụ: Lên lớp đầy đủ các buổi lý thuyết và thảo luận

II.2 Quy định hình thức học cho mỗi nội dung nhỏ

1 Yêu cầu về tính năng và các tiêu chí cần tuân theo Giảng

2 Nguyên tắc cơ bản của thiết kế cơ sở Giảng

3 Tiêu chí về tính đều đặn của kết cấu Giảng

4 Chọn cấu hình kết cấu hợp lý Giảng

II.3 Các nội dung cụ thể

+ Yêu cầu không sụp đổ:

Kết cấu phải được thiết kế và thi công để chịu được tác động động đất thiết kế mà không bị sụp đổ cục bộ hay sụp đổ toàn phần, đồng thời giữ được tính toàn vẹn của kết cấu và còn một phần khả năng chịu tải trọng sau khi động đất xảy ra Tác động động đất thiết kế được biểu thị qua các yếu tố: a) tác động động đất tham chiếu gắn liền với

xác suất vượt quá tham chiếu PNCR, trong 50 năm hoặc một chu kỳ lặp tham chiếu,

TNCR, b) hệ số tầm quan trọng γI để tính đến mức độ tin cậy khác nhau

GHI CHÚ 1: Các giá trị ấn định cho P NCR hoặc cho T NCR để sử dụng cho Việt Nam là

+ Yêu cầu hạn chế hư hỏng:

Công trình phải được thiết kế và thi công để chịu được tác động động đất có xác suất xảy ra lớn hơn so với tác động động đất thiết kế, mà không gây hư hại và những hạn chế sử dụng kèm theo vì những chi phí khắc phục có thể lớn hơn một cách bất hợp lý so với giá thành bản thân kết cấu Tác động động đất được đưa vào tính toán cho “yêu cầu

không có những thông tin chính xác hơn, có thể sử dụng hệ số giảm tác động động đất thiết kế để tính tác động động đất dùng kiểm tra “yêu cầu hạn chế hư hỏng”

GHI CHÚ 3: Các giá trị ấn định cho P DLR hoặc T DLR để sử dụng ở Việt Nam là P DLR =10% và

T DLR = 95 năm

Độ tin cậy cho “yêu cầu không sụp đổ” và “yêu cầu hạn chế hư hỏng” được thiết lập bởi các cơ quan nhà nước có thẩm quyền đối với các loại nhà và công trình dân dụng khác nhau trên cơ sở những hậu quả của phá hoại

Các mức độ tin cậy khác nhau được xét tới bằng cách phân loại công trình theo mức độ quan trọng khác nhau Mỗi mức độ quan trọng được gán một hệ số tầm quan trọng γI Khi có thể được, hệ số này cần thiết lập sao cho nó tương ứng với một chu kỳ lặp có giá trị dài hơn hoặc ngắn hơn của hiện tượng động đất (so với chu kỳ lặp tham chiếu), cho chu kỳ lặp này là phù hợp để thiết kế từng loại công trình cụ thể

Các mức độ khác nhau của độ tin cậy thu được bằng cách nhân tác động động đất tham chiếu hoặc nhân những hệ quả tác động tương ứng khi sử dụng phương pháp phân tích tuyến tính với hệ số tầm quan trọng này

GHI CHÚ: Tại hầu hết các địa điểm, xác suất vượt quá theo năm H(a gR ) của đỉnh gia tốc nền tham chiếu a gR có thể xem như đại lượng biến thiên theo a gR như sau: H(a gR ) ∼ k 0 a gR -k , với giá trị của số mũ k phụ thuộc vào tính động đất, nhưng nói chung là bằng 3 Vì thế, nếu tác động động đất được định nghĩa dưới dạng đỉnh gia tốc nền tham chiếu a gR , thì giá trị của hệ số tầm quan trọng γI , mà nhân với tác động động đất tham chiếu để đạt được cùng một xác suất vượt quá trong T L năm cũng như trong T LR năm theo đó tác động động đất tham chiếu được xác định, có thể được tính bằng: γI ≈ (T LR / T L ) -1/k Một cách khác, giá trị của hệ số tầm quan trọng γI , mà phải nhân với tác động động đất tham chiếu để đạt được xác suất vượt quá P L của tác động động đất trong T L năm, khác với xác suất vượt quá tham chiếu P LR , cũng trên cùng số năm là T L , có thể được tính bằng: γI≈ (P L / P LR ) -1/k

2.1.2 Các tiêu chí cần tuân theo

* Tổng quát

Để thỏa mãn những yêu cầu cơ bản đã đưa ra trong 2.1.1, các trạng thái giới hạn sau

đây phải được kiểm tra

Đối với các loại kết cấu đã xác định rõ là xây dựng trong vùng động đất yếu, những yêu cầu cơ bản có thể thoả mãn thông qua việc áp dụng những quy định đơn giản hơn so với những quy định cho trong các phần có liên quan của tiêu chuẩn này

Trong trường hợp động đất rất yếu, không nhất thiết phải tuân theo những điều khoản của tiêu chuẩn 375 và ghi chú về định nghĩa những trường hợp động đất rất yếu

™ Trạng thái cực hạn

Hệ kết cấu phải được kiểm tra về khả năng chịu lực và khả năng tiêu tán năng lượng Khả năng chịu lực và khả năng tiêu tán năng lượng của kết cấu liên quan đến khả năng khai thác phản ứng phi tuyến của nó Trong thực tế, sự cân bằng giữa khả năng chịu lực

và khả năng tiêu tán năng lượng được đặc trưng bởi các giá trị của hệ số ứng xử q và việc phân cấp độ dẻo tương ứng Trong trường hợp giới hạn, khi thiết kế các kết cấu được xem là không tiêu tán năng lượng thì không tính đến bất kỳ một sự tiêu tán năng lượng nào do hiện tượng trễ và nói chung không xét tới hệ số ứng xử q lớn hơn 1,5, là giá trị đã tính đến khả năng vượt cường độ Đối với kết cấu thép hoặc kết cấu liên hợp thép – bêtông, giá trị giới hạn này của hệ số q có thể lấy từ 1,5 đến 2 Với những kết cấu tiêu tán năng lượng, để tính đến sự tiêu tán năng lượng trễ, hệ số ứng xử được lấy lớn hơn những giá trị giới hạn nói trên Sự tiêu tán năng lượng này chủ yếu xảy ra trong các vùng được thiết kế một cách đặc biệt, gọi là vùng tiêu tán năng lượng hoặc vùng tới hạn

GHI CHÚ: Giá trị của hệ số ứng xử q cần được giới hạn bởi trạng thái giới hạn ổn định động của kết cấu và bởi sự hư hỏng do mỏi chu kỳ thấp của các chi tiết kết cấu (đặc biệt

là các liên kết) Phải áp dụng điều kiện giới hạn bất lợi nhất khi xác định các giá trị của hệ số q Các giá trị của hệ số q cho trong các chương liên quan được xem là tuân thủ yêu cầu này

Phải kiểm tra để bảo đảm ổn định của kết cấu tổng thể dưới tác động động đất thiết kế Cần phải xem xét cả ổn định về trượt lẫn về lật Những quy định cụ thể để kiểm tra về lật của công trình được cho trong các phần liên quan của tiêu chuẩn này

Phải kiểm tra cả cấu kiện móng và đất dưới móng có khả năng chịu được những hệ quả của tác động sinh ra từ phản ứng của kết cấu bên trên mà không gây ra những biến dạng thường xuyên đáng kể Trong việc xác định các phản lực, phải xét đến độ bền thực tế của cấu kiện kết cấu truyền tải

Khi phân tích cần xét ảnh hưởng có thể có của các hiệu ứng bậc hai đến các giá trị của các

hệ quả tác động

Phải kiểm tra dưới tác động động đất thiết kế, ứng xử của các bộ phận phi kết cấu không gây rủi ro cho con người và không gây ảnh hưởng bất lợi tới phản ứng của các cấu kiện chịu lực

™ Trạng thái hạn chế hư hỏng

Cần bảo đảm ngăn chặn các hư hỏng không thể chấp nhận với độ tin cậy phù hợp bằng cách thoả mãn những giới hạn về biến dạng hoặc các giới hạn khác được định nghĩa trong các phần có liên quan của tiêu chuẩn này

Trong những công trình quan trọng có chức năng bảo vệ dân sự, hệ kết cấu phải được kiểm tra để bảo đảm rằng chúng có đủ độ cứng và độ bền nhằm duy trì sự hoạt động của các thiết bị phục vụ thiết yếu khi xảy ra động đất với một chu kỳ lặp phù hợp

* Các biện pháp cụ thể

™ Thiết kế

Ở mức độ có thể, kết cấu cần có hình dạng đơn giản và cân đối trong cả mặt bằng lẫn mặt đứng Nếu cần thiết, có thể chia kết cấu thành các đơn nguyên độc lập về mặt động lực bằng các khe kháng chấn

Để bảo đảm ứng xử dẻo và tiêu tán năng lượng tổng thể, phải tránh sự phá hoại giòn hoặc sự hình thành sớm cơ cấu mất ổn định Để đạt được mục đích đó, theo yêu cầu trong các phần có liên quan của tiêu chuẩn 375, phải sử dụng quy trình thiết kế theo khả năng chịu lực và tiêu tán năng lượng Quy trình này được sử dụng để có được các thành phần kết cấu khác nhau xếp theo cấp bậc độ bền và theo các dạng phá hoại cần thiết để bảo đảm một cơ cấu dẻo phù hợp và để tránh các dạng phá hoại giòn

Trong thiết kế cần quan tâm đặc biệt đến các chi tiết cấu tạo liên kết giữa các cấu kiện chịu lực và chi tiết cấu tạo các vùng dự đoán có ứng xử phi tuyến

Phương pháp phân tích phải dựa vào mô hình kết cấu phù hợp, khi cần thiết, mô hình này phải xét tới ảnh hưởng của biến dạng nền đất, của những bộ phận phi kết cấu và những khía cạnh khác, chẳng hạn như sự hiện diện của những kết cấu liền kề

™ Kế hoạch đảm bảo chất lượng

Hồ sơ thiết kế phải chỉ rõ kích thước, chi tiết cấu tạo và tham số vật liệu của các cấu kiện Nếu có thể, hồ sơ thiết kế còn phải bao gồm cả những đặc trưng của các thiết bị đặc biệt sẽ sử dụng, khoảng cách giữa những cấu kiện chịu lực và bộ phận phi kết cấu Những điều khoản kiểm soát chất lượng cần thiết cũng phải được nêu ra trong hồ sơ thiết kế

Yêu cầu phải có sự kiểm tra đặc biệt trong quá trình thi công các cấu kiện có tầm quan trọng đặc biệt về mặt kết cấu và phải được chỉ rõ trên các bản vẽ thiết kế Trong trường hợp này, cũng phải quy định các phương pháp kiểm tra sẽ được sử dụng

Trong vùng động đất mạnh và đối với các công trình có tầm quan trọng đặc biệt, cần lập kế hoạch chính thức để đảm bảo chất lượng, bao gồm các khâu thiết kế, thi công và

sử dụng công trình Kế hoạch đảm bảo chất lượng này là để bổ sung vào quy trình kiểm soát chất lượng trong các tiêu chuẩn khác có liên quan

2.1.3 Tránh các yếu tố tập trung ứng suất

Các yếu tố dẫn đến tập trung ứng suất

2.2 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA THIẾT KẾ CƠ SỞ

2.2.1 Tính đơn giản về kết cấu

Tính đơn giản về kết cấu, đặc trưng bởi các đường truyền lực động đất trực tiếp và rõ ràng, là một mục tiêu quan trọng vì sự mô hình hóa, sự phân tích, định kích thước, cấu tạo và cách thi công công trình càng đơn giản thì càng đỡ thiếu tin cậy Vì thế việc dự đoán ứng xử kháng chấn càng tin cậy hơn

2.2.2 Tính đồng đều, đối xứng và siêu tĩnh

Tính đồng đều trong mặt bằng được đặc trưng bởi sự phân bố đều các cấu kiện chịu lực cho phép truyền trực tiếp và nhanh chóng các lực quán tính sinh ra bởi những khối lượng phân bố trong công trình Nếu cần, tính đồng đều có thể tạo ra bằng cách chia nhỏ công trình thành các đơn nguyên độc lập về mặt động lực nhờ các khe kháng chấn Các khe kháng chấn này được thiết kế để tránh hiện tượng va đập giữa các đơn nguyên

Tính đồng đều theo mặt đứng của công trình cũng quan trọng, vì nó có xu hướng loại trừ sự xuất hiện của các vùng nhạy cảm, tại đó sự tập trung ứng suất hoặc yêu cầu

có độ dẻo kết cấu lớn có thể sớm gây nên sự sụp đổ

Mối quan hệ chặt chẽ giữa sự phân bố khối lượng và sự phân bố độ bền và độ cứng sẽ loại trừ được sự lệch tâm lớn giữa khối lượng và độ cứng

Nếu cấu hình của ngôi nhà đối xứng hoặc gần đối xứng, phương pháp thích hợp nhất để đạt tính đồng đều là bố trí các cấu kiện đối xứng và phân bố chúng đồng đều trong mặt bằng

Sử dụng các cấu kiện chịu lực được phân bố đều đặn sẽ làm tăng bậc siêu tĩnh, cho phép phân bố lại nội lực một cách có lợi hơn và tiêu tán năng lượng dàn trải trên toàn bộ công trình

2.2.3 Kết cấu có độ cứng và độ bền theo hai phương

Chuyển động động đất theo phương ngang diễn ra theo hai phương vuông góc và vì thế kết cấu công trình phải có khả năng chịu được các tác động ngang theo bất kỳ phương nào

Các cấu kiện chịu lực cần bố trí theo hai phương vuông góc nhau trong mặt bằng,

để bảo đảm các đặc trưng về độ cứng và độ bền tương tự nhau theo cả hai phương chính

Việc lựa chọn các đặc trưng độ cứng của công trình, trong khi tìm cách giảm thiểu các hệ qủa của tác động động đất (có tính đến các đặc trưng cụ thể của động đất tại địa điểm xây dựng) cũng cần hạn chế sự phát triển các chuyển vị quá lớn có thể dẫn tới sự mất ổn định do những hiệu ứng bậc hai hoặc do các hư hỏng nghiêm trọng

2.2.4 Kết cấu có độ cứng và độ bền chống xoắn

Ngoài độ cứng và độ bền theo phương ngang, kết cấu nhà cần có độ cứng và độ bền chống xoắn phù hợp nhằm hạn chế sự phát triển của những chuyển vị xoắn có xu hướng gây ra các ứng suất không đều trong các cấu kiện chịu lực khác nhau Nhằm mục đích đó, việc bố trí các cấu kiện kháng chấn chính gần với chu vi của nhà là rất có lợi

2.2.5 Sàn tầng có ứng xử như tấm cứng

Trong ngôi nhà, các sàn (kể cả sàn mái) đóng một vai trò rất quan trọng trong sự làm việc tổng thể của kết cấu chịu động đất Chúng làm việc như những tấm cứng ngang, tiếp nhận và truyền các lực quán tính sang hệ kết cấu thẳng đứng và bảo đảm cho các hệ thống này cùng nhau làm việc khi chịu tác động động đất theo phương ngang Tác động của sàn như tấm cứng có tác dụng đặc biệt trong trường hợp hệ kết cấu thẳng đứng là phức tạp và không đều đặn, hoặc trong trường hợp sử dụng đồng thời các hệ kết cấu có các đặc trưng biến dạng theo phương ngang khác nhau (ví dụ như trong hệ ghép hoặc hỗn hợp)

Các hệ sàn và mái cần có độ bền và độ cứng trong mặt phẳng, có sự liên kết hiệu quả với các hệ kết cấu thẳng đứng Đặc biệt cần quan tâm đến các trường hợp có cấu hình rời rạc hoặc kéo rất dài trong mặt phẳng và trường hợp có những lỗ mở lớn trên sàn, đặc biệt khi các lỗ mở này nằm gần với các cấu kiện thẳng đứng chính làm giảm hiệu quả của mối nối giữa kết cấu theo phương ngang và phương đứng

Các tấm cứng cần có đủ độ cứng trong mặt phẳng để phân bố các lực quán tính ngang tới hệ kết cấu thẳng đứng chịu tải phù hợp với những giả thiết tính toán, đặc biệt khi có những thay đổi đáng kể về độ cứng hoặc có phần nhô ra thụt vào của cấu kiện thẳng đứng phía trên và phía dưới tấm cứng

Đối với nhà và công trình có những cấu kiện móng độc lập (móng đơn hoặc móng cọc), nên dùng bản giằng móng hoặc dầm giằng móng liên kết các cấu kiện này theo hai hướng chính

2.3 TIÊU CHÍ VỀ TÍNH ĐỀU ĐẶN CỦA KẾT CẤU

2.3.1 Tổng quát

Để thiết kế chịu động đất, các kết cấu nhà được phân thành hai loại đều đặn và không đều đặn

Sự phân loại này có liên quan tới các vấn đề sau trong thiết kế chịu động đất:

- Mô hình kết cấu, có thể dùng mô hình đơn giản hoá ở dạng phẳng hoặc mô hình không gian

-Phương pháp phân tích, có thể là phân tích phổ phản ứng đã được đơn giản hoá (phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương) hoặc phân tích dạng dao động

- Giá trị của hệ số ứng xử q có thể lấy nhỏ hơn nếu kết cấu không đều đặn theo

* Nếu điều kiện sau được thoả mãn

Có các chu kỳ dao động cơ bản T1 theo hai hướng chính nhỏ hơn các giá trị sau:

1

4.

2, 0

C T

b) Chiều cao nhà không vượt quá 10m;

c) Độ cứng trong mặt phẳng của các sàn tầng phải đủ lớn so với độ cứng ngang của các cấu kiện thẳng đứng để có thể giả thiết sàn làm việc như tấm cứng

d) Các tâm cứng ngang và tâm khối lượng của các tầng, đều phải gần như nằm trên một đường thẳng đứng tương ứng và trong hai phương ngang phân tích, thoả mãn

các điều kiện rx2 > ls2 + eox2, ry2 > ls2 + eoy2, trong đó, bán kính quán tính ls, bán kính

xoắn rx , ry và các độ lệch tâm ngẫu nhiên eox , eoy

2.3.2 Tiêu chí về tính đều đặn trong mặt bằng

Về độ cứng ngang và sự phân bố khối lượng, nhà phải gần đối xứng trong mặt bằng theo hai trục vuông góc

Hình dạng mặt bằng phải gọn, nghĩa là mỗi sàn phải được giới hạn bằng một đa giác lồi Nếu trong mặt bằng có các chỗ lõm (góc lõm vào hoặc các hốc), tính đều đặn trong mặt bằng vẫn được xem là thoả mãn nếu các chỗ lõm đó không ảnh hưởng tới độ cứng trong mặt bằng của sàn và với mỗi chỗ lõm, diện tích giữa biên ngoài của sàn và

đa giác lồi bao quanh sàn không vượt quá 5% diện tích sàn

Độ cứng trong mặt phẳng của sàn phải khá lớn so với độ cứng ngang của các cấu kiện thẳng đứng chịu lực, để biến dạng của sàn ít ảnh hưởng tới sự phân bố lực giữa các cấu kiện thẳng đứng chịu lực Về mặt này, các mặt bằng dạng chữ L, C, H, I và X cần được xem xét một cách cẩn thận, nhất là đối với độ cứng của các nhánh vươn ra bên, phải tương xứng với độ cứng phần trung tâm, nhằm thoả mãn điều kiện tấm cứng Nên xem xét áp dụng mục này cho ứng xử tổng thể của nhà

Độ mảnh λ = Lmax/Lmin của mặt bằng nhà và công trình không được lớn hơn 4,

trong đó Lmax và Lmin lần lượt là kích thước lớn nhất và bé nhất của mặt bằng nhà theo hai phương vuông góc

Tại mỗi tầng và đối với mỗi hướng tính toán x và y, độ lệch tâm kết cấu e0 và bán

kính xoắn r phải thoả mãn 2 điều kiện dưới đây, các điều kiện này viết cho phương y:

e0x≤ 0,30 rx

rx≥ ls

Trong đó: e0x khoảng cách giữa tâm cứng và tâm khối lượng, theo phương x,

vuông góc với hướng tính toán đang xét;

rx căn bậc hai của tỉ số giữa độ cứng xoắn và độ cứng ngang theo phương y

(“bán kính xoắn”);

ls : bán kính quán tính của khối lượng sàn trong mặt bằng (căn bậc hai của tỉ số giữa mômen quán tính độc cực của khối lượng sàn trong mặt bằng đối với tâm khối lượng của sàn và khối lượng sàn)

Trong nhà một tầng, tâm cứng được định nghĩa là tâm cứng ngang của tất cả các

cấu kiện kháng chấn chính Bán kính xoắn r được định nghĩa là căn bậc hai của tỉ số

giữa độ cứng xoắn tổng thể đối với tâm cứng ngang và độ cứng ngang tổng thể trong

Trong nhà nhiều tầng, chỉ có thể định nghĩa gần đúng tâm cứng và bán kính xoắn

Để phân loại tính đều đặn của kết cấu trong mặt bằng và để phân tích gần đúng các hiệu quả xoắn có thể đưa ra một định nghĩa đơn giản nếu thoả mãn hai điều kiện sau:

+ Toàn bộ các hệ chịu tải trọng ngang như lõi, tường hoặc khung, cần liên tục từ móng lên tới mái nhà

+ Biến dạng của các hệ thành phần dưới tác động của tải trọng ngang không quá khác nhau Điều kiện này có thể xem là thoả mãn trong trường hợp dùng các hệ khung

và hệ tường Nói chung, điều kiện này không thoả mãn ở hệ kết cấu hỗn hợp

Ở các hệ khung và hệ tường mảnh với biến dạng uốn là chủ yếu, vị trí của tâm cứng và bán kính xoắn của tất cả các tầng có thể xác định như của mômen quán tính của các tiết diện ngang của những cấu kiện thẳng đứng Ngoài biến dạng uốn, nếu biến dạng cắt cũng đáng kể thì có thể xét tới chúng bằng cách sử dụng mômen quán tính tương đương của tiết diện ngang đó

2.3.3 Tiêu chí về tính đều đặn theo mặt đứng

Tất cả các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang như lõi, tường hoặc khung, phải liên tục

từ móng tới mái của nhà hoặc tới đỉnh của vùng có giật cấp của nhà nếu có giật cấp tại các độ cao khác nhau Cả độ cứng ngang lẫn khối lượng của các tầng riêng rẽ phải giữ nguyên không đổi hoặc giảm từ từ, không thay đổi đột ngột từ móng tới đỉnh nhà đang xét

Trong các nhà khung, tỷ số giữa độ bền thực tế và độ bền yêu cầu theo tính toán của tầng không được thay đổi một cách không cân xứng giữa các tầng liền kề

Khi có giật cấp thì áp dụng các quy định bổ sung sau:

a) Đối với các giật cấp liên tiếp mà vẫn giữ được tính đối xứng trục, sự giật cấp tại bất kỳ tầng nào cũng không được lớn hơn 20% kích thước của mặt bằng kề dưới

theo hướng giật cấp (xem Hình 2.1.a và 2.1.b);

b) Đối với giật cấp một lần nằm trong phần thấp hơn 15% chiều cao H của hệ kết cấu chính kể từ móng, kích thước chỗ lùi vào không được lớn hơn 50% kích thước mặt

bằng ngay phía dưới (xem Hình 2.1.c) Trong trường hợp này, kết cấu của vùng đáy

trong phạm vi hình chiếu đứng của các tầng phía trên cần được thiết kế để chịu được ít nhất 75% các lực cắt ngang có thể sinh ra ở vùng này trong một công trình tương tự nhưng có đáy không mở rộng

c) Nếu các giật cấp không giữ được tính đối xứng, tổng kích thước của các giật cấp ở mỗi mặt tại tất cả các tầng không được lớn hơn 30% kích thước mặt bằng tầng trệt hoặc mặt bằng trên đỉnh của phần cứng phía dưới và kích thước của mỗi giật cấp

không được lớn hơn 10% kích thước mặt bằng liền dưới (xem Hình 2.1.d)

− ≤

1 3 0, 20

L L L

+ ≤

c) giật cấp nằm dưới mức 0,15H d)

1 3 0, 50

L L L

+ ≤

2 0,30

L L L

− ≤

;

1 2

1 0,10

L L L

− ≤

Hình 2.1 Các tiêu chí về tính đều đặn của nhà có giật cấp

2.4 CHỌN CẤU HÌNH KẾT CẤU HỢP LÝ

B.Phần 2: Phần thảo luận, bài tập

Đề tài thảo luận: Nghiên cứu tiêu chuẩn động đất của Việt Nam 375:2005

C Ngân hàng câu hỏi

1 Yêu cầu về tính năng và các tiêu chí cần tuân theo?

2 Nguyên tắc cơ bản của thiết kế cơ sở?

3 Tiêu chí về tính đều đặn của kết cấu?

III Chương 3 PHẢN ỨNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG KHI BỊ ĐỘNG ĐẤT III.1.Mục tiêu

- Mục tiêu: Giúp sinh viên nắm được cách xác định phổ các chuyển vị tương đối, phổ các vận tốc tương đối, phổ các gia tốc tuyệt đối của công trình 1 tầng hoặc nhiều tầng Từ đó xác định được lực động đất tác dụng lên công trình Lực động đất tác dụng lên công trình chính là cơ sở để thiết kế các công trình 1 tầng hoặc nhiều tầng chịu tải trọng động đất

- Nhiệm vụ: Lên lớp đầy đủ các buổi lý thuyết và thảo luận

III.2 Quy định hình thức học cho mỗi nội dung nhỏ

1 Phổ phẳn ứng động đất của hệ kết cấu đàn hồi có 1 bậc

tự do

Giảng

2 Phổ phản ứng địa chấn của các hệ không đàn hồi Giảng

3 Phổ phản ứng địa chấn của công trình có nhiều bậc tự do Giảng

III.3 Các nội dung cụ thể

A Phần 1: Phần lý thuyết

3.1 Phổ phản ứng động đất của hệ kết cấu đàn hồi có 1 bậc tự do

Định nghĩa: Phổ phản ứng của một trận động đất là một đồ thị mà các tung

độ của nó biểu thị biên độ lớn nhất của một trong các thông số phản ứng như chuyển vị tương đối, tốc độ tương đối, gia tốc tuyệt đối của hệ kết cấu theo chu kỳ dao động tự nhiên của nó và độc lập với lịch sử chuyển động của hệ kết cấu theo thời gian

Đối tượng nghiên cứu: Nhà một tầng, nhà công nghiệp…

+ Giả thiết:

- Trọng lượng cột và phần bao che xung quanh bỏ qua

- Quy trọng lượng mái che về 1 điểm

- Bỏ qua chuyển vị xoay và chuyển vị thẳng đứng của thanh ngang

Sơ đồ kết cấu và các bước tính toán

Khi động đất xảy ra, nền đất di chuyển xo(t), khối lượng m di chuyển tương

đối x(t) thì phương trình dao động của công trình sẽ là:

dưới tác dụng của động đất

(3.3)

(3.4) Thay (3.2);(3.3) vào (3.4) ta có:

(3.5) Trong đó:

Phổ các chuyển vị tương đối :

Phổ các vận tốc tương đối :

Phổ các gia tốc tuyệt đối :

Với đa số các công trình trong thực tế thì , khi đó

Khi đó (3.3),(3.4),(3.5) được viết lại như sau:

(3.6) (3.7)

Giá trị tuyệt đối lớn nhất của các biểu thức (3.6),(3.7),(3.8) được gọi là các á

phổ phản ứng của công trình chịu tác dụng của tải trọng động đất và được ký hiệu là

Spd , Spv , Spa

Người ta chứng minh được rằng Sv = Spv

Giữa các phổ phản ứng tồn tại các mối quan hệ sau:

(3.9) Lực động đất tác dụng lên công trình là: (3.10)

Hay

Với - Chu kỳ dao động riêng của công trình

3.2 Phổ phản ứng địa chấn của các hệ không đàn hồi

Dưới tác động của các trận động đất mạnh, các công trình xây dựng thường có

các biến dạng vượt ra ngoài giới hạn đàn hồi Phổ phản ứng không đàn hồi được

dùng trong tính toán và thiết kế mỗi khi hệ kết cấu được phép làm việc trong miền

không đàn hồi

Có nhiều tên gọi khác nhau được đặt cho phổ không đàn hồi, phụ thuộc vào

các thông số được vẽ

+ Phổ chảy dẻo không đàn hồi: chuyển vị chảy dẻo được vẽ trên trục chuyển vị

+ Phổ gia tốc không đàn hồi: lực cực đại trên một đơn vị khối lượng được vẽ

trên trục gia tốc

+ Phổ biến dạng toàn phần không đàn hồi: chuyển vị toàn phần tuyệt đối cực

đại được vẽ trên trục chuyển vị

Dựa trên các kết quả phân tích các phổ không đàn hồi cũng như các công trình

nghiên cứu của Housner và Blume, Newmark đã rút ra các kết luận sau:

+ Trong vùng tần số thấp, chuyển vị toàn phần của hệ kết cấu không đàn hồi

gần bằng chuyển vị của hệ kết cấu đàn hồi có cùng tần số riêng

+ Trong vùng tần số trung bình, năng lượng toàn phần hấp thụ bởi hệ kết cấu

không đàn hồi và hệ kết cấu đàn hồi có cùng tần số riêng hoàn toàn giống nhau

+ Trong vùng tần số cao, gia tốc hay lực quán tính của cả hai hệ kết cấu không

đàn hồi và đàn hồi có cùng tần số riêng bằng nhau

3.3 Phổ phản ứng địa chấn của các hệ kết cấu đàn hồi có nhiều bậc tự do

Để đơn giản trong tính toán chúng ta có thể chuyển sơ đồ tính của nhà nhiều

tầng về hệ có hữu hạn bậc tự do bằng cách tập trung khối lượng về các mức bản

sàn.Giả thiết các dầm ngang và bản sàn là tuyệt đối cứng, bỏ qua chuyển vị xoay của nó trong mặt phẳng thẳng đứng, xem nền đất là tuyệt đối cứng thì chúng ta có

hệ dao động n bậc tự do theo phương ngang

3.3.1 Dao động tự do của công trình

Tác dụng vào hệ một xung lực ban đầu, hệ sẽ dao động theo phương ngang và tại thời điểm bất kỳ các khối lượng m1, m2…mn sẽ thực hiện các chuyển vị x1(t),

Giả sử cho tất cả các khối lượng mk (k = 1,2…n) chịu liên kết theo phương bậc

tự do, rồi lần lượt giải phóng liên kết thứ k và cho mk chuyển vị xk(t) sinh ra, còn tại

k sẽ xuất hiện lực quán tính:

Phản lực toàn phần tại liên kết k là:

Rkj là phản lực tại liên kết k do chuyển vị tại liên kết j gây ra

Rkj là phản lực tại liên kết k khi cho liên kết j chuyển vị 1 đơn vị

Giải phương trình (3.18) ta sẽ có n nghiệm với (i=1,2…,n)

Chu kỳ dao động riêng

Ứng với tần số dao động riêng công trình sẽ thực hiện một dạng dao động riêng và gọi là dạng dao động chính thứ i Một công trình có n bậc tự do sẽ có n tần

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

Để xác định dạng dao động chính thứ i ta thay vừa tìm được vào pt (3.18)

Để đơn giản trong tính toán, thường giả thiết ma trận cản nhớt [C] tỉ lệ với ma

: yếu tố cản tới hạn trong dao động chính thứ i

3.3.2 Phản ứng của công trình theo dạng dao động chính dưới tác dụng

động đất

Dưới tác dụng của động đất móng của công trình chịu một di chuyển tịnh tiến

ngang xo(t) cùng với nền đất Kết quả tại mỗi thời điểm khối lượng mk sẽ thực hiện

theo xo(t) cùng với nền đất và chuyển vị tương đối xk(t) so với móng Chuyển vị

tuyệt đối của khối lượng mk sẽ bằng xo(t) + xk(t)

Lực quán tính tác dụng lên khối lượng mk bằng:

(3.22)

Ngoài lực quán tính trên mk còn có lực đàn hồi , và lực cản nhớt tỉ lệ

với vận tốc tác dụng (lực đàn hồi và lực cản chỉ phụ thuộc vào chuyển vị

tương đối và vận tốc tương đối)

Ta có phương trình cân bằng:

(3.24) : ma trận cột có phần tử bằng đơn vị

Nghiệm dao động bình ổn tổng quát của (2.25) của khối lượng mk được biểu diễn qua tổng các nghiệm riêng trong các dạng dao động chính thứ i (i= 1,2…n)

Đặt:

Vậy:

3.2.3 Phổ phản ứng địa chấn của công trình có nhiều bậc tự do

Từ biểu thức (3.28) ta xác định được phổ tốc độ ứng với chu kỳ dao động riêng

Ti và hệ số cản ở dạng dao động thứ i của hệ kết cấu đàn hồi có nhiều bậc tự do chịu chuyển động động đất như sau:

(3.30) Đạo hàm liên tục ta có:

- Chuyển vị tương đối lớn nhất:

(3.31) Với Sdi : phổ chuyển vị tương đối:

- Tốc độ tương đối lớn nhất:

(3.32) Với Svi: phổ vận tốc tương đối

- Gia tốc tuyệt đối lớn nhất:

(3.33) Với Sai: phổ gia tốc tuyệt đối

Giữa các phổ phản ứng động đất ứng với dạng dao động thứ i tồn tại quan hệ:

- Lực quán tính lớn nhất do chuyển động địa chấn gây ra tác động lên bậc tự

do k ở dạng dao động thứ i như sau: ( dùng để tính với các cao trình khác nhau)

Với :

Lực động đất ở dạng dao động thứ i :

(3.34) : được tính trước

: tra bảng

Cộng các lực này lại ta có: lực cắt lớn nhất tác động lên chân công trình ở dạng dao động thứ i: ( tổng lực động đất tác động lên chân công trình)

B Phần 2: Phần thảo luận

- Đề tài thảo luận:

1 Nêu sơ đồ kết cấu và các bước xác định lực động đất tác dụng lên công trình của hệ kết cấu đàn hồi có 1 bậc tự do

2 Nêu công thức xác định lực động đất ở dạng dao động thứ i của công trình

có nhiều bậc tự do, giải thích ý nghĩa các ký hiệu trong công thức