Nghiên cứu đánh giá công trình xây dựng dân dụng chịu động đất bằng phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh (nonlinear static analysis),đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

1.2 Lý do chọn đe tài - Trong nhiều các phương pháp phân tích công trình chịu tải trọng động đất như trình bay ở trên thì phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức cho ta tính

XÂY DỰNG DÂN DỤNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI TUYẾN TĨNH (NONLINEAR STATIC ANALYSIS)

1 Phần mở đầu

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu

- Vào những thập niên 80 của thế kỷ XX hàng loạt

các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm được

thực hiện, quan điểm thiết kế kháng chấn mới được

hình thành Theo các quan điểm mới này các công

trình được thiết kế sao cho có khả năng chịu được các

trận động đất vừa và nhỏ xuất hiện ngẫu nhiên mà

công trình không bị hư hỏng, khi gặp các trận động

đất mạnh thì công trình không bị sụp đổ

- 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

- Hiện nay viêc tính toán công trình chịu tải trọng

động đất có các phương pháp như phương pháp phân

tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức, phương pháp tĩnh lực

ngang tương đương, phương pháp phân tích phổ dao

động hay phương pháp phân tích theo lịch sử thời

gian Các thành phần tải trọng được nhập vào mô

hình sau đó lấy kết quả nội lực để thiết kế

1.2 Lý do chọn đe tài

- Trong nhiều các phương pháp phân tích công trình

chịu tải trọng động đất như trình bay ở trên thì

phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức cho

ta tính toán sơ bộ sự làm việc của hệ kết cấu sau miền

giới hạn đàn hồi cũng như kiểm tra một cách trực

quan các điểm hư hỏng trên kết cấu

- Chính vì lý do đó, được sự gợi ý của giảng viên

hướng dẫn, nhóm em áp dụng phương pháp tính toán

đẩy dần vào việc tính toán công trình chịu tải trọng

ngang để kiểm tra sự làm việc của hệ kết cấu khi chịu

tải trọng ngang và đánh giá sự hợp lý của thiết kế

1.3 Mục tiêu đe tài

- Tính toán và đánh giá sự làm việc của kết cấu làm

việc ngoài giới hạn đàn hồi

- Đánh giá được tính hiệu quả của phương pháp phân

tích tĩnh bằng đầy cưỡng bức qua đó kiến nghị sử

dụng phương pháp này cho việc kiểm tra sự làm việc

của hệ kết cấu khi chịu tải trọng ngang và đánh giá sự

hợp lý của thiết kế

- Với một công trình cụ thể, thấy rõ được các vị trí

biệt là kiểm tra lại kết quả thiết kế đối với công trình chịu tải trọng ngang, các vị trí hư hỏng trên công trình xuất hiện đã hợp lý hay chưa qua đó áp dụng với các công trình có kết cấu tương tự thậm chí phức tạp hơn 1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Tham khảo tài liệu trong nước và nước ngoài

- Xây dựng mô hình bằng phần mềm Etabs 9.7.0 với tính năng phân tích Push- over

- Thay đổi các thông số đầu vào như kích thước tiết diện, hàm lượng cốt thép để xem xét sự hình thành khớp dẻo

- So sánh, rút ra kết luận

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Các dầm chính, cột chính, chuyển vị đỉnh của nhà cao tầng khi chịu tải trọng động đất

- Phạm vi nghiên cứu: Dao động của nhà cao tầng bằng kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất

2 Nội dung chính

2.1 Tổng quan về công trình chịu tải trọng động đất 2.1.1 Ảnh hưởng của động đất đến nhà nhiều tầng 2.1.1.1 Động đất

- Động đất hay địa chấn là một sự rung chuyển hay chuyển động lung lay của mặt đất Động đất thường

là kết quả của sự chuyển động của các phay (geologic fault) hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ của Trái Đất hay các hành tinh cấu tạo chủ yếu từ chất rắn như đất đá

- Khi động đất, các yếu tố ảnh hưởng tới công trình gồm: 

+ Cường độ của động đất (biểu diễn theo cấp động đất, gia tốc nền )

+ Cấu trúc địa chất tại vị trí đặt công trình

+ Kích thước tiết diện của các bộ phận kết cấu

+ Vật liệu sử dụng (bê tông, thép, gạch đá )

+ Cách thức cấu tạo, liên kết giữa các bộ phận kết cấu

+ Quan điểm thiết kế (phân chia cấu kiện chính, phụ, tầm quan trọng của công trình )

2.1.2 Kết cấu khung bê tông cốt thép chịu tải trọng

động đất

2.1.2.1 Khung bê tông cốt thép

lượng Đối với nhà thì khối lượng tập trung ở cao

trình của sàn nên lực quán tính phát sinh và phát triển

chủ yếu là tại cao trình sàn Những lực này truyền qua

dầm, sàn xuống tường, cột và cuối cùng xuống móng

để truyền tải trọng vào nền đất

- Lực ngang do động đất gây ra tăng dần theo độ

giảm chiều cao công trình, tại đỉnh thì lực ngang do

động đất gây ra là cực tiểu còn tại chân cột, tường

tầng trệt thì cực đại

2.1.2.2 Nội lực trong kết cấu

- Động đất gây ra sự dịch chuyển của đất nền.Vì vậy

một công trình nằm trên đó sẽ phải chịu sự dịch

chuyển móng của nó Theo định luật I Niu tơn mặc dù

móng của nó dịch chuyển theo sự dịch chuyển của đất

nền nhưng phần mái của ngôi nhà có khuynh hướng

đứng yên tại vị trí gốc ban đầu của nó

- Lực quán tính có phương ngược với phương chuyển

động của gia tốc Rõ ràng mái có khối lượng càng lớn

thì lực quán tính càng cao Vì thế đối với những ngôi

nhà nhẹ hơn sẽ có khả năng chống động đất tốt hơn

2.1.2.3 Ảnh hưởng do biến dạng kết cấu

Dưới sự dịch chuyển của đất nền thông qua các cột đã

sinh ra lực quán tính tác động lên mái ngôi nhà đã gây

nên nội lực trong các cột Những nội lực này được

sinh ra thì có thể giải thích theo nhiều cách khác nhau

2.1.2.4 Chấn động theo phương ngang và phương

đứng

- Động đất gây nên chấn động của đất nền theo mọi

phương dọc theo 2 phương (X và Y) và phương đứng

Z Vì thế trong quá trình động đất nền đất bị chấn

động một cách ngẫu nhiên dọc theo X, Y, Z Tất cả

các kết cấu đều được thiết kế để chịu được tải trọng

do trọng lực gây nên (gravity) G bao gồm cả trọng kết

cấu và tải trọng tác động do sử dụng M

- Tuy nhiên sự chấn động theo phương ngang X, Y

gây ra mối nguy hiểm Kết cấu thông thường được

thiết kế đối với trọng lực nhưng có thể nó không thể

an toàn khi chịu tác động của chấn động theo phương

ngang của động đất Vì thế, cần phải thiết kế chống

lại tác động theo phương ngang của động đất

2.1.2.5 Dòng chảy của lực quán tính xuống móng

- Dưới sự dịch chuyển theo phương ngang của đất

nền phát sinh lực quán tính tại vịtrí mang khối lượng

lớn của kết cấu mà thường là tại các tầng Các lực

quán tính ngang này sẽ truyền từ sàn qua hệ dầm,

tường và cột xuống dưới móng và cuối cùng là truyền

xuống hệ thống đất nền bên dưới

- Tường và cột là những thành phần then chốt nhất

trong việc truyền tải lực quán tính xuống nền Nhưng

như khối xây, chúng rất kém trong việc chịu lực quán tính theo phương ngang nên dễ bị phá hoại khi xảy ra động đất Tương tự, cho cột bê tông cốt thép thiếu cường độ chịu động đất là một thảm họa vì trong thực tế nhiều công trình bị phá hoại chỉ do một số ít cột bị phá hoại gây ra sự sụp đổ cho toàn bộ công trình

2.1.2.6 Khả năng làm việc ngoài giới hạn đàn hồi

của kết cấu bê tông cốt thép Trước khi hình thành quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại, các công trình vẫn được thiết kế kháng chấn với với độ cứng và độ bền đủ lớn để kết cấu vẫn đảm bảo không bị phá hoại và vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi Tuy nhiên, một số công trình được thiết

kế theo quan điểm này khi chịu tác động của động đất với cấp lớn hơn cấp động đất được thiết kế vẫn không

bị sụp đổ hay hư hỏng trầm trọng Điều này có được

là do khả năng làm việc ngoài giới hạn đàn hồi của kết cấu bê tông cốt thép

2.1.3 Các tiêu chuẩn động đất hiện hành 2.1.3.1 TCVN 9386 : 2012 2.1.3.1 2.1.3.2 Eurocode 8

- Tiêu chuẩn Pháp: Recommentdations for reduction

of rules relative to the structures and installations built in regions prone to earthquakes

2.2 Tổng quan về phương pháp phân tích tĩnh phi

nhà và công trình ứng với từng dạng dao động

Bước 5: Xác định tổng lực cắt tại chân công trình

tương ứng với dạng dao động thứ i theo phương X

Bước 6: Phân phối tải trọng ngang lên các cao trình

tầng của tổng lực cắt tại chân công trình tương ứng

với dạng dao động thứ i theo phương X

Bước 7: Tổ hợp các dạng dao động cần thiết

2.2.2 Nội dung phương pháp phân tích phi tuyến

tĩnh

2.2.2.1 Nội dung

- Đặc điểm của phương pháp tính toán này là quá

trình biến dạng phi tuyến của kết cấu xảy ra dưới tác

động gia tăng đều đặn của tải trọng ngang trong khi

tải trọng đứng vẫn giữ nguyên không thay đổi Quá

trình gia tăng đều đặn tải trọng ngang này được thực

hiện cho đến khi nút kiểm tra (thường là cao trình

đỉnh mái) có chuyển vị ngang bằng chuyển vị mục

tiêu định trước, hoặc cho tới khi lực cắt đáy đạt lực

cắt mục tiêu

- Chuyển vị mục tiêu là chuyển vị ngang cực đại của

cao trình mái có thể đạt tới trong quá trình chịu tác

động địa chấn thiết kế mục tiêu

- Phương pháp này cho phép theo dõi quá trình chảy

dẻo và phá hoại của các cấu kiện thành phần cũng

như toàn bộ hệ kết cấu, cũng cho phép xác định

chuyển vị ngang không đàn hồi trên toàn bộ chiều cao

của công trình và cách thức sụp đổ của hệ kết cấu

- Vì kết quả chủ yếu của phương pháp này là đường

cong quan hệ lực và biến dạng nên cần phải làm rõ

các thành phần trên đường cong này Trên đường

cong quan hệ lực biến dạng, năm điểm A, B, C, D và

E được sử dụng để vạch rõ sự làm việc biến dạng do

lực của khớp và ba điểm IO, LS, CP được sử dụng để

vạch rõ chuẩn mực chấp nhận cho khớp dẻo

+ Điểm A: tương ứng điều kiện dỡ tải, việc phân tích

đổ CP (Collapse Prevention)

2.2.2.2 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát mô hình bằng phương pháp đẩy dần

- Nghiên cứu sự làm việc của khung khi chịu tải trọng ngang

2.2.3 Mô hình hóa bằng phần mềm etabs 2.2.3.1 Phân tích Push-over cho công trình

- Phương pháp Push-over phù hợp với tiêu chuẩn kháng chấn hiện đại vì nó đảm bảo khả năng chịu lực lớn của kết cấu trong miền đàn hồi và đảm bảo kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng khi động đất xảy

ra thông qua sự hình thành các khớp dẻo

- Phân tích Push-over là một phương pháp kiểm tra,giúp chúng ta nhìn nhận một các trực quan sự hình thành các khớp dẻo trên công trình khi công trình bị

hư hỏng hoặc sụp đổ, từ đó điều chỉnh các thông số thiết kế như tiết diện và hàm lượng thép để công trình vừa đảm bảo khả năng chịu lực vừa đảm bảo thỏa mãn tiêu chí cột cứng-dầm yếu, điều chỉnh khớp dẻo đúng vị trí người thiết kế mong muốn

- Xác định được mối liên hệ giữa chuyển vị đỉnh và lực cắt đáy thông qua đường cong khả năng, từ đó xác định được chuyển vị cực đại tại đỉnh công trình trước khi kết cấu sụp đổ

4 Tài liệu tham khảo

1 Mrugesh D Shah (M.E Structure student, B.V.M Engineering College) & Sumant B Patel (Associate prof B.V.M Engineering College) (2011),

College, V.V.Nagar, Gujarat, India

2 Tiêu chuẩn quốc gia (2012), TCVN 9386:2012 Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất, Hà Nội

3 Phan Đức Kỳ (2007), Phân tích ứng xử của cấu kiện trong công trình chống động đất, Kỉ yếu hội nghị sinh viên CNKH 2007

4 NIE Jianguo, QIN Kai and XIAO Yan (2006), Push-Over Analysis of the Seismic Behavior of a Concrete-Filled Rectangular Tubular Frame Structure, SINGHUASCIENCE AND TECHNOLOGY ISSN 1007-0214 20/21, Volume 11, Number 1, pp124-

130, China

5 Ashraf Habibullah & Stephen Pyle (1998),

Practical Three Dimensional Nonlinear Static

Pushover Analysis, Structure Magazine, Winter, 1998

6 Peter Fajfar, M.EERI (2000), A Nonlinear Analysis Method for Performances Bases Seismic Design, Earthquake spectra, Vol.16, No.3, pp.573-592

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay ở nước ta, việc tính toán động đất cho các công trình nhà cao tầng chưa được quan tâm đúng mức Nguyên nhân chính là do nước ta không nằm trong vùng có mật độ xảy ra động đất cao thậm chí là rất ít xảy ra các trận động đất và hơn nữa là các tiêu chuẩn về thiết kế công trình chống động đất vẫn chưa được quan tâm đầu tư nghiên cứu cụ thể và hoàn chỉnh Nhận thấy được những ảnh hưởng xấu của động đất cũng như tầm quan trọng của việc thiết kế công trình chống động đất trong tương lai, nhóm chúng em đã đi sâu nghiên cứu về đề tài khảo sát công trình chộng đất bằng phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh (đẩy dần) và mô hình hóa bằng phân mềm Etabs Mặc dù đã rất cố gắng nhưng đề tài nghiên cứu có thể còn rất nhiều thiếu sót Chúng

em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TP Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2014

MỤC LỤC

PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU 6

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 6

2 Lý do chọn đề tài 6

3 Mục tiêu đề tài 7

4 Phương pháp nghiên cứu 7

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

PHẦN HAI: NỘI DUNG 8

Chương 1: Tổng quan về công trình chịu tải trọng động đất 8

1.1 Ảnh hưởng của động đất đến kết cấu nhà nhiều tầng 8

1.1.1 Động đất 8

1.1.2 Kết cấu khung bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất 9

1.1.2.1 Khung bê tông cốt thép 9

1.1.2.2 Nội lực trong kết cấu 10

1.1.2.3 Ảnh hưởng do biến dạng của kết cấu 11

1.1.2.4 Chấn động phương ngang và phương đứng 11

1.1.2.5 Dòng chảy của lực quán tính xuống móng 11

1.1.2.6 Khả năng làm việc ngoài giới hạn đàn hồi của kết cấu bê tông cốt thép 12 1.2 Các tiêu chuẩn động đất hiện hành 14

1.2.1 TCVN 9386:2012 Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất 14

1.2.2 Eurocode 8 14

1.2.3 Các tiêu chuẩn khác 15

Kết luận chương 1 16

Chương 2: Tổng quan về phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh 16

2.1 Nội dung các phương pháp tĩnh tính toán đơn giản 17

2.1.1 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương 17

2.1.2 Phương pháp phổ phản ứng dạng dao động 18

2.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh

đẩy dần 19

2.2.1Nội dung phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh 19

2.2.2.2 Phương pháp nghiên cứu 21

2.2.2.1 Khảo sát mô hình chịu tải trọng ngang bằng phương pháp đẩy dần 21

2.2.2.2 Nghiên cứu sự làm việc của khung khi chịu tải trọng ngang 21

2.2.2.3 Cách xác định thông số chuyển vị mục tiêu dùng trong phân tích Push-over: 21

Kết luận chương 3……… 22

Chương 3: Mô hình hóa bằng phần mềm Etabs 23

3.1 Phân tích push-over cho công trình bằng phần mềm Etabs 23

31.1 Mô tả công trình 23

3.1.2Khảo sát sự hình thành khớp dẻo ứng với chuyển vị mục tiêu: 23

3.1.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của tiết diện cột đến quá trình hình thành khớp dẻo 31

3.1.4 Khảo sát sự ảnh hưởng của cốt thép đến quá trình hình thành khớp dẻo 38

3.1.5 Khảo sát sự ảnh hưởng của sàn đến quá trình hình thành khớp dẻo 39

KẾT LUẬN 41

KIẾN NGHỊ 41

Tài liệu tham khảo 42 

PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu

- Vào những thập niên 80 của thế kỷ XX hàng loạt các kết quả nghiên cứu lý thuyết

và thực nghiệm được thực hiện, quan điểm thiết kế kháng chấn mới được hình thành Theo các quan điểm mới này các công trình được thiết kế sao cho có khả năng chịu được các trận động đất vừa và nhỏ xuất hiện ngẫu nhiên mà công trình không bị hư hỏng, khi gặp các trận động đất mạnh thì công trình không bị sụp đổ

- 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

- Hiện nay viêc tính toán công trình chịu tải trọng động đất có các phương pháp như phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức, phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp phân tích phổ dao động hay phương pháp phân tích theo lịch

sử thời gian Các thành phần tải trọng được nhập vào mô hình sau đó lấy kết quả nội lực để thiết kế

- Với việc tính toán như trên thì không thể hiện rõ được sự làm việc của khung khi chịu tải trọng ngang, các vị trí kết cấu trên công trình không được chỉ rõ là đã làm việc như thế nào và đặc biệt là kiểm tra lại kết quả thiết kế đối với công trình chịu tải trọng ngang, các vị trí hư hỏng trên công trình xuất hiện đã hợp lý hay chưa

- Còn đối với phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức thì tải trọng ngang được tăng một cách liên tục và đều đặn, cho phép xác định những điểm yếu và những kiểu hư hỏng sẽ được tìm thấy trên công trình một cách trực quan

2 Lý do chọn đề tài

- Trong nhiều các phương pháp phân tích công trình chịu tải trọng động đất (phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp phân tích phổ phản ứng, phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian và phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưởng bức (push over) thì phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức cho

ta tính toán sơ bộ sự làm việc của hệ kết cấu sau miền giới hạn đàn hồi cũng như kiểm tra một cách trực quan các điểm hư hỏng trên kết cấu

- Chính vì lý do đó, được sự gợi ý của giảng viên hướng dẫn, nhóm em áp dụng phương pháp tính toán đẩy dần vào việc tính toán công trình chịu tải trọng ngang để kiểm tra sự làm việc của hệ kết cấu khi chịu tải trọng ngang và đánh giá sự hợp lý của thiết kế

3 Mục tiêu đề tài

- Tính toán và đánh giá sự làm việc của kết cấu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi

- Đánh giá được tính hiệu quả của phương pháp phân tích tĩnh bằng đầy cưỡng bức qua đó kiến nghị sử dụng phương pháp này cho việc kiểm tra sự làm việc của hệ kết cấu khi chịu tải trọng ngang và đánh giá sự hợp lý của thiết kế

- Với một công trình cụ thể, thấy rõ được các vị trí kết cấu trên công trình đã làm việc như thế nào và đặc biệt là kiểm tra lại kết quả thiết kế đối với công trình chịu tải trọng ngang, các vị trí hư hỏng trên công trình xuất hiện đã hợp lý hay chưa qua đó

áp dụng với các công trình có kết cấu tương tự thậm chí phức tạp hơn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Tham khảo tài liệu trong nước và nước ngoài

- Xây dựng mô hình bằng phần mềm Etabs 9.7.0 với tính năng phân tích Push- over

- Thay đổi các thông số đầu vào như kích thước tiết diện, hàm lượng cốt thép để xem xét sự hình thành khớp dẻo

- So sánh, rút ra kết luận

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Các dầm chính, cột chính, chuyển vị đỉnh của nhà cao tầng khi chịu tải trọng động đất

- Phạm vi nghiên cứu: Dao động của nhà cao tầng bằng kết cấu bê tông cốt thép chịu

tải trọng động đất

PHẦN HAI: NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG

ĐỘNG ĐẤT

1.1 Ảnh hưởng của động đất đến kết cấu nhà nhiều tầng

1.1.1 Động đất

- Động đất hay địa chấn là một sự rung chuyển hay chuyển động lung lay của mặt

đất Động đất thường là kết quả của sự chuyển động của các phay (geologic fault) hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ của Trái Đất hay các hành tinh cấu tạo chủ yếu

từ chất rắn như đất đá Tuy rất chậm, mặt đất vẫn luôn chuyển động và động đất xảy ra khi ứng suất cao hơn sức chịu đựng của thể chất Trái Đất Hầu hết mọi sự kiện động đất xảy ra tại các đường ranh giới của các mảng kiến tạo là các phần của thạch quyển của Trái Đất (các nhà khoa học thường dùng dữ kiện về vị trí các trận động đất để tìm ra những ranh giới này) Những trận động đất xảy ra tại ranh giới được gọi là động đất xuyên đĩa và những trận động đất xảy ra trong một đĩa (hiếm hơn) được gọi là động đất trong đĩa

- Động đất xảy ra hằng ngày trên Trái Đất, nhưng hầu hết không đáng chú ý và

không gây ra thiệt hại Động đất lớn có thể gây thiệt hại trầm trọng và gây tử vong bằng nhiều cách Động đất có thể gây ra đất lở, đất nứt, sóng thần, nước triều giả, đê vỡ, và hỏa hoạn Tuy nhiên, trong hầu hết các trận động đất, sự chuyển động của mặt đất gây ra nhiều thiệt hại nhất Trong rất nhiều trường hợp, có rất nhiều trận động đất nhỏ hơn xảy ra trước hay sau lần động đất chính; những trận này được gọi là dư chấn Năng lực của động đất được trải dài trong một diện tích lớn, và trong các trận động đất lớn có thể trải hết toàn cầu Các nhà khoa học thường có thể định được điểm mà các sóng địa chấn được bắt đầu Điểm này được gọi là chấn tiêu Hình chiếu của điểm này lên mặt đất được gọi là chấn tâm

- Nhiều trận động đất, đặc biệt là những trận xảy ra dưới đáy biển, có thể gây ra

sóng thần, hoặc có thể vì đáy biển bị biến dạng hay vì đất lở dưới đáy biển Có bốn loại sóng địa chấn được tạo ra cùng lúc Tuy nhiên, chúng có vận tốc khác nhau và

có thể ghi nhận được theo thứ tự đi đến trạm thu như sau: sóng P, sóng S, sóng Love, và cuối cùng là sóng Rayleigh

- Điều đáng sợ hơn là cho đến nay khoa học và 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 to lớn về người và tài sản

- Khi động đất, các yếu tố ảnh hưởng tới công trình gồm:

+ Cường độ của động đất (biểu diễn theo cấp động đất, gia tốc nền )

+ Cấu trúc địa chất tại vị trí đặt công trình

+ Móng và nền móng công trình

+ Hình dạng công trình (mặt bằng, mặt đứng, độ cao, độ mảnh )

+ Sơ đồ bố trí kết cấu (khung, vách, phân bố độ cứng, phân bố khối lượng ) + Kích thước tiết diện của các bộ phận kết cấu

+ Vật liệu sử dụng (bê tông, thép, gạch đá )

+ Cách thức cấu tạo, liên kết giữa các bộ phận kết cấu

+ Quan điểm thiết kế (phân chia cấu kiện chính, phụ, tầm quan trọng của công trình )

+ Công nghệ thi công

1.1.2 Kết cấu khung bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất

1.1.2.1 Khung bê tông cốt thép

- Bê tông cốt thép là vật liệu phổ biến nhất hiện nay, bê tông cốt thép có thể được

đúc nhiều hình dạng khác nhau theo mong muốn của người thiết kế Cấu kiện đặc trưng của bê tông cốt thép trong nhà là: dầm, sàn nằm theo phương ngang nhà, cột, tường theo phương đứng được đỡ bởi hệ thống móng và truyền tải trọng xuống nền đất Một hệ thống gồm dầm liên kết với cột gọi là khung bê tông cốt thép mà hiện nay đang sử dụng phổ biển trong mọi công trình dân dụng

động đất làm phát sinh ra lực quán tính cho ngôi nhà, lực này tỉ lệ với khối lượng Đối với nhà thì khối lượng tập trung ở cao trình của sàn nên lực quán tính phát sinh và phát triển chủ yếu là tại cao trình sàn Những lực này truyền qua dầm, sàn xuống tường, cột và cuối cùng xuống móng để truyền tải trọng vào nền đất Lực ngang do động đất gây ra tăng dần theo độ giảm chiều cao công trình, tại đỉnh thì lực ngang do động đất gây ra là cực tiểu còn tại chân cột, tường tầng trệt thì cực đại

1.1.2.2 Nội lực trong kết cấu

- Động đất gây ra sự dịch chuyển của đất nền.Vì vậy một công trình nằm trên đó sẽ phải chịu sự dịch chuyển móng của nó Theo định luật I Niu tơn mặc dù móng của

nó dịch chuyển theo sự dịch chuyển của đất nền nhưng phần mái của ngôi nhà có khuynh hướng đứng yên tại vị trí gốc ban đầu của nó Nhưng vì tường và cột liên

kết với mái nên chúng sẽ kéo theo sự dịch chuyển của mái Điều này giống như khi bạn đi xe buýt, lúc đầu khi xe buýt chưa chuyển động thì cơ thể vẫn giữ nguyên vị trí nhưng khi xe buýt bắt đầu chuyển động chân của bạn sẽ di chuyển theo xe buýt nhưng phần cơ thể phía trên có khuynh hướng giữ nguyên vị trí ban đầu đã làm cho bạn bị ngã về phía sau khuynh hướng này tiếp tục giữ nguyên vị trí giống như là quán tính Trong ngôi nhà thường thì tường và cột thì dẻo nên sự chuyển động của mái thì khác so với sự dịch chuyển của đất nền

- Bây giờ ta xét một ngôi nhà mà mái của nó gối lên các cột Trở lại sự suy luận của bản thân khi đứng trên xe buýt, khi xe buýt đột ngột chuyển động bạn bị giật về phía sau dường như có một lực nào đó tác động lên phần trên của cơ thể Một cách tương tự khi đất nền chuyển động ngôi nhà bị giật lại về phía sau và mái chịu tác động một lực, đó là lực quán tính Nếu ngôi nhà có một khối lượng M và chuyển động với gia tốc a thì theo định luật II Niuton giá trị lực quán tính là:

F= Ma

- Lực quán tính có phương ngược với phương chuyển động của gia tốc Rõ ràng mái

có khối lượng càng lớn thì lực quán tính càng cao Vì thế đối với những ngôi nhà nhẹ hơn sẽ có khả năng chống động đất tốt hơn

1.1.2.3 Ảnh hưởng do biến dạng của kết cấu

- Dưới sự dịch chuyển của đất nền thông qua các cột đã sinh ra lực quán tính tác động lên mái ngôi nhà đã gây nên nội lực trong các cột Những nội lực này được sinh ra thì có thể giải thích theo nhiều cách khác nhau Trong suốt quá trình xảy

ra động đất, cột nhà chịu sự chuyển vị tương đối giữa hai đầu của chúng từ đó phát sinh nên nội lực trong các cột

chuyển vị tương đối giữa 2 đầu cột, so với vị trí thẳng đứng ban đầu thì cột bị biến dạng Khi ở vị trí phương thẳng đứng thì cột không chịu lực động đất ngang truyền qua chúng Nhưng khi lực này bẻ cong cột thì trong cột sẽ phát sinh nội lực Tùy vào độ cứng của cột mà nội lực có thể lớn hoặc nhỏ Do đó nội lực này

1.1.2.4 Chấn động phương ngang và phương đứng

- Động đất gây nên chấn động của đất nền theo mọi phương dọc theo 2 phương (X

và Y) và phương đứng Z Vì thế trong quá trình động đất nền đất bị chấn động một cách ngẫu nhiên dọc theo X, Y, Z Tất cả các kết cấu đều được thiết kế để chịu được tải trọng do trọng lực gây nên (gravity) G bao gồm cả trọng kết cấu và tải trọng tác động do sử dụng M) G = Mg, trong đó g là gia tốc trọng trường ngược chiều với trục Z Gia tốc theo phương đứng trong suốt quá trình chấn động nền cũng không được cộng vào hay trừ ra với gia tốc trọng trường Vì các hệ số

an toàn trong quá trình thiết kế kết cấu thường đủ khả năng chống lại sự chấn động theo phương thẳng đứng

- Tuy nhiên sự chấn động theo phương ngang X, Y gây ra mối nguy hiểm Kết cấu thông thường được thiết kế đối với trọng lực nhưng có thể nó không thể an toàn khi chịu tác động của chấn động theo phương ngang của động đất Vì thế, cần phải thiết kế chống lại tác động theo phương ngang của động đất

1.1.2.5 Dòng chảy của lực quán tính xuống móng

- Dưới sự dịch chuyển theo phương ngang của đất nền phát sinh lực quán tính tại

vị trí mang khối lượng lớn của kết cấu mà thường là tại các tầng Các lực quán tính ngang này sẽ truyền từ sàn qua hệ dầm, tường và cột xuống dưới móng và cuối cùng là truyền xuống hệ thống đất nền bên dưới Vì vậy các thành phần kết

cấu như sàn, dầm, cột hay tường và các mối nối giữa chúng cần được thiết kế an toàn để có thể chịu được lực quán tính này truyền qua chúng

- Tường và cột là những thành phần then chốt nhất trong việc truyền tải lực quán tính xuống nền Nhưng trong các công trình xây dựng thì dầm được quan tâm thiết kế nhiều thường khỏe hơn tường và cột Tường thì tương đối mỏng và thường làm từ vật liệu giòn như khối xây, chúng rất kém trong việc chịu lực quán tính theo phương ngang nên dễ bị phá hoại khi xảy ra động đất Tương tự, cho cột bê tông cốt thép thiếu cường độ chịu động đất là một thảm họa vì trong thực

tế nhiều công trình bị phá hoại chỉ do một số ít cột bị phá hoại gây ra sự sụp đổ cho toàn bộ công trình

1.1.2.6 Khả năng làm việc ngoài giới hạn đàn hồi của kết cấu bê tông cốt thép

- Trước khi hình thành quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại, các công trình vẫn được thiết kế kháng chấn với với độ cứng và độ bền đủ lớn để kết cấu vẫn đảm bảo không bị phá hoại và vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi Tuy nhiên, một

số công trình được thiết kế theo quan điểm này khi chịu tác động của động đất với cấp lớn hơn cấp động đất được thiết kế vẫn không bị sụp đổ hay hư hỏng trầm trọng Điều này có được là do khả năng làm việc ngoài giới hạn đàn hồi của kết cấu bê tông cốt thép Xem xét vấn đề này bằng ví dụ dưới đây

Phản ứng của các hệ kết cấu có một bậc tự do động khi chịu tác động động đất

- Ở sơ đồ a, hệ làm việc hoàn toàn đàn hồi Dưới tác động của tải trọng F1, hệ có chuyển vị x1 Năng lượng của hệ tập trung dưới dạng thế năng đàn hồi, định lượng bằng diện tích của hình tam giác OBF Khi tải trọng dừng tác dụng, do tính chất đàn hồi, công trình trở về trạng thái ban đầu, năng lượng được chuyển thành động năng Nếu không xét đến lực cản, tổng năng lượng sẽ không đổi, và công trình sẽ dao động xung quanh vị trí cân bằng Ở sơ đồ b hệ làm việc đàn hồi dẻo,

xy Sau giai đoạn đàn hồi, hệ tiếp tục chuyển qua làm việc trong giai đoạn dẻo và đạt đến biến dạng lớn nhất x2 Năng lượng tích lũy dược định lượng bằng diện tích hình OADE Dưới tác dụng của tải trọng đảo chiều, hệ sẽ quay trở lại điểm

G, lúc này năng lượng tích lũy trong hệ chỉ là phần diện tích hình GDE, và một phần lớn năng lượng của hệ bằng diện tích của hình OADG đã được phân tán do

sự làm việc dẻo của kết cấu

1.2 Các tiêu chuẩn động đất hiện hành

1.2.1 TCVN 9386:2012 Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất

- TCVN 9386:2012 được chuyển đổi từ TCXDVN 375:2006 thành Tiêu chuẩn

Quốc gia theo quy định tại khoản 1 Điều 69 của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật và điểm b khoản 2 Điều 7 Nghị định số 127/2007/NĐ-CP ngày 1/8/2007 của Chính phủ quy định chi tiết thi hành một số điều của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật

- TCVN 9386:2012 do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng – Bộ Xây dựng biên

soạn, Bộ Xây dựng đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố

- TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu động đất được biên soạn trên cơ sở

chấp nhận Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance có bổ sung hoặc thay thế các phần mang tính đặc thù Việt Nam

- Trong tiêu chuẩn này, có đề cập đến phương pháp Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần

tuy nhiên mức độ nghiên cứu cũng như khả năng áp dụng vào thực tế là không cao, bên cạnh đó, tiêu chuẩn cũng chưa nêu ra được phương pháp mô hình hóa để tính toán tải trọng động đất tác dụng lên công trình

1.2.2 Eurocode 8

- Eurocode là một bộ quy tắc kỹ thuật hài hoà phát triển bởi Ủy ban Tiêu chuẩn

châu Âu cho việc thiết kế kết cấu công trình xây dựng trong Liên minh châu Âu, trong đó Eurocode 8 là Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu chống động đất

- Điểm căn bản trong các tiêu chuẩn thiết kế chống động đất hiện nay là vẫn còn giả

thiết rằng phổ phản ứng gia tốc nền đàn hồi (hoặc biến thể đàn hồi) sẽ cung cấp phương tiện tốt nhất để thành lập sự ứng xử đòi hỏi của kết cấu Theo phương pháp này, sự ứng xử của kết cấu chịu động ây ra lực cắt ngang lớn nhất cho một kết cấu “đàn hồi tương đương” Những ảnh hđất được dựa rên một “khoảnh khắc” ứng xử, đó là ứng xử tại thời điểm động đất gưởng của khoảng thời gian động đất đến ứng xử của kết cấu không được tính đến một cách trực tiếp, chẳng hạn với cùng một sóng động đất, kết cấu có chu kỳ dao động ngắn sẽ chịu một số lượng tải trọng lặp lớn hơn là kết cấu có chu kỳ dao động dài Vì vậy lực thiết kế chống động đất cho kết cấu (kết cấu “đàn hồi tương đương”) xác định theo những tiêu chuẩn nói trên thường thấp hơn so với lực quán tính ngang lớn nhất thực tế có thể xảy ra trong kết cấu theo một cấp động đất thiết kế Kết quả là khi có động đất

“nguy hiểm” xảy ra, sự phá hủy thực tế phát sinh trong kết cấu có thể vượt quá sự phá hủy thiết kế cho kết cấu Khác với các tiêu chuẩn còn lại, tiêu chuẩn Eurocode 8 có điểm mới là thành lập phổ ứng xử thiết kế từ phổ phản ứng gia tốc nền đàn hồi nói trên thông qua việc dùng “hệ số ứng xử” q (phổ ứng xử thiết kế được chiết giảm từ phổ ứng xử gia tốc nền đàn hồi qua hệ số q) Eurocode 8 giả thiết rằng với việc dùng một “hệ số ứng xử” này thì ứng xử của kết cấu thiết kế được coi là đã gián tiếp kể đến những ảnh hưởng của ứng xử phi đàn hồi, khả năng giải phóng năng lượng và tất cả các ảnh hưởng khác có thể có Tuy nhiên, sự ưu việt của việc dùng “hệ số ứng xử” q (nếu kể thêm các nguyên tắc phân tích “tổ hợp các mode dao động” có hướng dẫn trong Eurocode 8 và các tiêu chuẩn khác) để bao gồm ảnh hưởng của ứng xử phi đàn hồi và giải phóng năng lượng dường như vẫn khó có giá trị với ứng xử thực sự của kết cấu và chưa thể giải thích được cơ chế ứng xử phi đàn hồi, giải phóng năng lượng của kết cấu vì nó phải dùng một số lượng lớn các giả thiết/qui tắc có tính thực nghiệm và sự xấp xỉ Do đó ảnh hưởng của ứng xử phi đàn hồi và khoảng thời gian động đất hay năng lượng biến dạng giải phóng trong kết cấu là không được xét đến một cách rõ ràng Để đảm bảo sự

an toàn cho kết cấu, một cơ chế biến dạng “dẻo” (ductility) có khả năng giải phóng một lượng lớn năng lượng biến dạng do động đất gây ra trong kết cấu phải được cung cấp cho kết cấu khi thiết kế Do đó, việc thừa nhận cẩn thận những ứng

xử của kết cấu tại trạng thái giới hạn, bao gồm cả chuyển vị và năng lượng biến dạng là vô cùng quan trọng đối với thiết kế chống động đất Bởi vì việc kết cấu phá hủy và sụp đổ khi có động đất xảy ra có thể dẫn đến việc cướp đi nhiều mạng sống con người

1.2.3 Các tiêu chuẩn khác

- Tiêu chuẩn Liên Xô Standards and Regulations for construction chapter 7, part II

- Tiêu chuẩn Mỹ - UBC 1997: Uniform Building Design code, Chapter 32, part II

- Tiêu chuẩn Nhật: Stanards for Aseismic Civil Engineering Construction,

Earthquake – Resistant Design Method for Buildings

- Tiêu chuẩn Pháp: Recommentdations for reduction of rules relative to the

structures and installations built in regions prone to earthquakes

Kết luận chương 1:

Tác động của động đất là rất lớn đối với nhà cao tầng Lực ngang tác dụng lên công trình là rất lớn trong một khoảng thời gian cực nhỏ Các công trình vẫn được thiết kế kháng chấn với với độ cứng và độ bền đủ lớn để kết cấu vẫn đảm bảo không bị phá hoại và vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi Tuy nhiên, một số công trình được thiết kế theo quan điểm này khi chịu tác động của động đất với cấp lớn hơn cấp động đất được thiết kế vẫn không bị sụp đổ hay hư hỏng trầm trọng Điều này có được là do khả năng làm việc ngoài giới hạn đàn hồi của kết cấu bê tông cốt thép.

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI

TUYẾN TĨNH

2.1 Nội dung các phương pháp tĩnh tính toán đơn giản

2.1.1 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương

- Bước 1 : Điều kiện áp dụng: Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương

có thể áp dụng cho các nhà và công trình mà phản ứng của nó không chịu ảnh hưởng đáng kể bởi các dạng dao động bậc cao hơn dạng dao động cơ bản trong mỗi hướng chính

theo hướng đang xét

W: Tổng trọng lượng của nhà và công trình ở trên móng hoặc ở trên đỉnh của phần cứng phía dưới

0,85

các trường hợp khác

- Bước 3 : Phân bố lực động đất theo phương ngang

Khi dạng dao động cơ bản được lấy gần đúng bằng các chuyển vị ngang tăng

Với:

(tại mặt móng hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới)

2.1.2 Phương pháp phổ phản ứng dạng dao động

Phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động là phương pháp động lực học kết cấu sử dụng phổ phản ứng dộng lực của tất cả các dạng dao động ảnh hưởng đến phản ứng tổng thể của kết cấu Phổ phản ứng của các dạng dao động được xác định dựa trên tọa độ của các đường cong phổ phản ứng thích hợp với các chu kỳ dao động riêng tương ứng

- Bước 1 : Xác định điều kiện áp dụng : có thể áp dụng cho tất cả các loại công trình

- Bước 2 : Xác định số dạng dao động cần xét trong phương pháp phổ phản ứng Phải xét đến phản ứng của tất cả các dạng dao động góp phần đáng kể vào phản ứng tổng thể của công trình, điều này sẽ thỏa mãn nếu công trình đạt một trong

2 điều kiện sau :

nhất 90% tổng trọng lượng của kết cấu

trọng lượng đều được xét đến

Nếu điều kiện nếu trên không được thỏa mãn (như nhà và công trình mà dao động xoắn góp phần đáng kể) thì số lượng tối thiểu các dạng dao động k cần được xét đến trong tính toán phải thỏa mãn 2 điều kiện sau :

k : số dạng dao động cần được xét đến trong tính toán

n : số tầng ở trên móng hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới

Tk: chu kỳ dao động riêng tương ứng với dạng dao động thứ k

- Bước 3: Xác định các chu kì và dạng dao động riêng của nhà và công trình

- Bước 4:Xác định phổ thiết kế không thứ nguyên của nhà và công trình ứng với từng dạng dao động

- Bước 5 : Xác định tổng lực cắt tại chân công trình tương ứng với dạng dao động thứ i theo phương X

- Bước 6 : Phân phối tải trọng ngang lên các cao trình tầng của tổng lực cắt tại chân công trình tương ứng với dạng dao động thứ i theo phương X

- Bước 7 : Tổ hợp các dạng dao động cần thiết

Để đơn giản xem các dao động là độc lập tuyến tính việc tổ hợp các dạng dao động theo nguyên tắc căn bậc hai của tổng các bình phương

Khi các dạng dao động không độc lập tuyến có thể tham khảo thêm CXDVN

9386 - 2012 để tổ hợp các dạng dao động

Trình tự được thực hiện tương tự như đối với phương Y

2.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh đẩy dần

2.2.1 Nội dung phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh

Đặc điểm của phương pháp tính toán này là quá trình biến dạng phi tuyến của kết cấu xảy ra dưới tác động gia tăng đều đặn của tải trọng ngang trong khi tải trọng đứng vẫn giữ nguyên không thay đổi Quá trình gia tăng đều đặn tải trọng ngang này được thực hiện cho đến khi nút kiểm tra (thường là cao trình đỉnh mái) có chuyển vị ngang bằng chuyển vị mục tiêu định trước, hoặc cho tới khi lực cắt đáy đạt lực cắt mục tiêu Chuyển vị mục tiêu là chuyển vị ngang cực đại của cao trình mái có thể đạt tới trong quá trình chịu tác động địa chấn thiết kế Biến dạng và nội lực của kết cấu được giám sát một cách liên tục trong quá trình kết cấu chuyển vị ngang Phương pháp này cho phép theo dõi quá trình chảy dẻo và phá hoại của các cấu kiện thành phần cũng như toàn bộ hệ kết cấu, cũng cho phép xác định chuyển vị ngang không đàn hồi trên toàn bộ chiều cao của công trình và cách thức sụp đổ của hệ kết cấu Khả năng chịu lực và độ dẻo cần thiết ở chuyển

vị mục tiêu hoặc lực cắt đáy mục tiêu thường được dùng để kiểm tra tính đúng đắn của việc thiết kế kết cấu Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị ngang gọi là đường cong khả năng Đây là kết quả chủ yếu của phương pháp tính toán đẩy dần