TÍNH TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ PHẢN ỨNG THEO QUY TRÌNH CỦA TIÊU CHUẨN TCXDVN 375- 2006.

Ngày nay, công cụ tính toán khá mạnh, do đó nên dùng mô hìnhkhông gian với giả thiết các bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chúng.Các đặc trng này có thể đợc xác định theo chơng

Tính tải trọng động đất bằng phơng pháp phân tích phổ phản ứng theo quy trình của Tiêu chuẩn TCXDVN 375- 2006.

I Đặt vấn đề:

Phơng pháp phân tích phổ phản ứng (RSM) đợc áp dụng khá hiệu quả đểphân tích nội lực và biến dạng của kết cấu dới tác dụng của động đất Đặc biệttrong trờng hợp công trình có khối lợng hay độ cứng thay đổi theo chiều cao, hay

có sự đóng góp đáng kể của dạng dao động bậc cao Tiêu chuẩn TCXDVN 375:

2006 quy định việc cần thiết áp dụng phơng pháp phân tích phổ phản ứng đối vớihầu hết các trờng hợp kết cấu nhà có chu kỳ dao động riêng bậc một lớn hơn2giây Nội dung này là một cách tiếp cận TCXDVN 375: 2006 để tính tải trọng

động đất bằng phơng pháp phân tích phổ phản ứng theo quy trình giản lợc

II Trình tự xác định tải trọng động đất bằng phơng pháp phân tích phổ phản ứng theo TCXDVN 375:2006

Bớc 1 Xác định các đặc trng dao động riêng của hệ kết cấu:

Chu kỳ dao động riêng Tk và tọa độ k , i của tầng thứ i ứng với dạng dao

động thứ k Ngày nay, công cụ tính toán khá mạnh, do đó nên dùng mô hìnhkhông gian với giả thiết các bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chúng.Các đặc trng này có thể đợc xác định theo chơng trình phân tích kết cấu nh Sap

2000, Etabs

Bớc 2: Xác định phổ gia tốc thiết kế S d (T) trong phân tích đàn hồi:

Theo quan điểm hiện đại, các hệ kết cấu đợc phép chịu tải trọng động đấttrong miền không đàn hồi Để tránh phải thực hiện tính toán trực tiếp các kết cấukhông đàn hồi ngời ta dùng phổ thiết kế S d (T) Phổ S d (T) chính là phổ phảnứng đàn hồi đợc thu nhỏ lại thông qua hệ số ứng xử q của kết cấu

Đối với các thành phần nằm ngang của tác động động đất, phổ S d (T) đợc

xác định theo biểu thức sau:

2 S ) (

q T

T a

T S

B g

d

a

T

T S

a T

S

 q

2.5 )

d

a

T T T q S a T

S



2

5 2 )

 - hệ số ứng với cận dới của phổ thiết kế theo phơng nằm ngang.

Đối với thành phần thẳng đứng của tác động động đất, phổ thiết kế đợc xác

định theo các biểu thức (1) đến (4) ở trên, trong đó gia tốc nền thiết kế theo phơng

g

a đợc thay bằng gia tốc nền thiết kế theo phơng thẳng đứng a vg; S đợc lấybằng 1,0 còn các tham số khác đợc định nghĩa nh trong biểu thức từ (1) đến (4)

1 Gia tốc nền thiết kế và các vùng động đất

Theo TCXDVN 375: 2006, tùy theo nguy cơ động đất của mỗi vùng mà lãnhthổ quốc gia đợc chia thành các vùng động đất khác nhau Nguy cơ động đất trongmỗi vùng đợc mô tả dới dạng một tham số là đỉnh gia tốc nền tham chiếu a gR trênnền loại A Đỉnh gia tốc nền tham chiếu a gR đợc xác định nh sau:

a gR a*g (5)Trong đó: a là gia tốc nền theo địa danh hành chính cho trong phụ lục I –

TCXDVN 375: 2006 (giá trị gia tốc nền a cho trong bảng phụ lục đợc xem là giá

trị đại diện cho cả vùng địa danh)

g là gia tốc trọng trờng, g=9,81 m/s2

Đỉnh gia tốc nền quy ớc trên lãnh thổ Việt nam tơng ứng với chu kỳ lặp quy

ớc TNCR = 475 năm hoặc xác suất vợt quá quy ớc PNCR = 10% trong 50 năm với yêucầu không sụp đổ Chu kỳ lặp quy ớc này đợc gán cho một hệ số tầm quan trong

2006 nhà và công trình đợc phân thành 5 mức độ quan trọng khác nhau, hệ số tầmquan trọng I cho mỗi mức độ quan trọng của công trình đợc cho trong phụ lụcF

Mức độ quan

Hệ số tầm quan trọng

- Đập bêtông chịu áp chiều cao >100m;

- Nhà máy điện có nguồn nguyên tử;

- Nhà để nghiên cứu sản xuất thử các chế phẩm sinh vật kịch độc, các loại vi khuẩn, mầm bệnh thiên nhiên và nhân tạo (chuột dịch, dịch tả, th-

Thiết kế với gia tốc lớn nhất có thể xảy ra

Mức độ quan

Hệ số tầm quan trọng

I

 hỏng do

sử dụng hoặc sức chứa phân loại cấp I;

- Công trình mà chức năng không đợc gián đoạn sau động đất: Công trình công cộng I-2.c diện tích sử dụng phân loại cấp I;

- Công trình mục II-9.a, II-9.b; công trình mục 1.a, V-1.b phân loại cấp I;

V Kho chứa hoặc tuyến ống có liên quan đến chất

độc hại, chất dễ cháy, dễ nổ: công trình mục 5.a, II-5.b, mục II-5.c phân loại cấp I, II;

II Nhà cao tầng cao từ 20 tầng đến 60 tầng, công trình dạng tháp cao từ 200 m đến 300 m.

- Trụ sở hành chính cơ quan cấp tỉnh, thành phố, các công trình trọng yếu của các tỉnh, thành phố

đóng vai trò đầu mối nh: Công trình mục 2.đ, 2.g, I-2.h có nhịp, diện tích sử dụng phân loại cấp

I-I, II;

- Các hạng mục quan trọng, lắp đặt các thiết bị có giá trị kinh tế cao của các nhà máy thuộc công trình công nghiệp mục II-1 đến II-4, từ II-6 đến II- 8; từ II-10 đến II-12, công trình năng lợng mục II- 9.a, II-9.b; công trình giao thông III-3, III-5; công trình thuỷ lợi IV-2; công trình hầm III-4; công trình cấp thoát nớc V-1 tất cả thuộc phân loại cấp

I, II;

- Các công trình quốc phòng, an ninh;

- Nhà cao tầng cao từ 9 tầng đến 19 tầng, công trình dạng tháp cao từ 100 m đến 200 m.

- Công trình công nghiệp mục II-1 đến II-4, từ II-6

đến II-8; từ II-10 đến II-12 phân loại cấp III diện tích sử dụng từ 1000 m 2 đến 5000 m 2 ;

0,75

Mức độ quan

Hệ số tầm quan trọng

I



- Nhà cao từ 4 tầng đến 8 tầng, công trình dạng tháp cao từ 50 m đến 100 m;

- Trại chăn nuôi gia súc 1 tầng;

- Kho chứa hàng hoá diện tích sử dụng không quá

1000 m 2

- Xởng sửa chữa, công trình công nghiệp phụ trợ; thứ

tự mục 1 đến 4, từ 6 đến 8; từ 10 đến

II-12 phân loại cấp IV;

- Công trình mà sự h hỏng do động đất ít gây thiệt hại về ngời và thiết bị quý giá.

Không yêu cầu tính toán kháng chấn

2 Nhận dạng các loại nền đất và các tham số S, T B , T C , T D

Giá trị của các loại nền đất và các tham số S, TB , TC , TD mô tả dạng phổphản ứng đàn hồi phụ thuộc vào loại nền đất Tiêu chuẩn TCXDVN375: 2006phân nền đất thành 5 loại A, B, C, D và E Các loại nền này đợc mô tả bằng cácmặt cắt địa tầng và các tham số cho trong bảng 3.1 - TCXDVN375: 2006

Đá hoặc các kiến tạo địa chất

khác tựa đá, kể cả các đất yếu

hơn trên bề mặt với bề dày lớn

nhất là 5m.

-B

Đất cát, cuội sỏi rất chặt hoặc đất

sét rất cứng có bề dày ít nhất hàng

Đất rời trạng thái từ xốp đến chặt

vừa (có hoặc không xen kẹp vài lớp

đất dính) hoặc có đa phần đất dính

trạng thái từ mềm đến cứng vừa.

E

Địa tầng bao gồm lớp đất trầm tích

sông ở trên mặt với bề dày trong

Địa tầng bao gồm hoặc chứa một

lớp đất sét mềm/bùn (bụi) tính dẻo

cao (PI 40) và độ ẩm cao, có chiều

dày ít nhất là 10m.

 100 (tham khảo) - 10-20

Địa tầng bao gồm các đất dễ hoá

lỏng, đất sét nhạy hoặc các đất

khác với các đất trong các loại nền

A-E hoặc S 1

Đối với 5 loại nền đất A, B, C, D và E giá trị các tham số S, TB , TC và TD môtả dạng phổ phản ứng đàn hồi theo phơng nằm ngang đợc cho trong bảng 3.2 -TCXDVN375: 2006 Đối với nền đất loại đặc biệt S1 và S2 cần thực hiện cácnghiên cứu riêng để xác định các tham số S, TB , TC và TD

%

5



 , và lực động đất đợc dùng để thiết kế kết cấu theo một mô hình phân tích

đàn hồi quy ớc mà vẫn tiếp tục đảm bảo cho kết cấu một phản ứng thỏa mãn cácyêu cầu đặt ra Giá trị giới hạn trên của hệ số ứng xử q trong đó có xét tới ảnh h -ởng của độ cản nhớt 5% của nhà bê tông cốt thép ứng với các cấp độ dẻo khácnhau đối với tác động động đất theo phơng ngang đợc xác định cho mỗi hớngthiết kế theo biểu thức sau:

qq0k W  1 , 5 (7)Trong đó:

w

k - hệ số phản ánh dạng phá hoại thờng gặp trong hệ kết cấu có tờng chịu lực

Hệ số k w đợc lấy nh sau:

00 , 1



w

k đối với các hệ khung và hệ hỗn hợp tơng đơng khung

k w  ( 1  0) / 3  1 nhng không bé hơn 0,5 đối với các hệ tờng chịu lực, hệ

t-ơng đt-ơng tờng và hệ dễ xoắn

trong đó  0 là tỷ số hình dạng thờng gặp của các tờng chịu lực (h w/l w) của hệkết cấu Nếu các tỷ số hình dạng h / w l w của tất cả các tờng i của hệ kết cấukhông khác nhau nhiều, tỷ số hình dạng  0 có thể xác định theo biểu thức sau:

q0 - giá trị cơ bản của hệ số ứng xử, phụ thuộc vào loại kết cấu sử dụng và tính

đều đặn trên chiều cao của công trình Đối với các công trình nhà đều đặn trênchiều cao, giá trị q0 đợc xác định theo bảng 5.1 - TCXDVN375: 2006

Loại kết cấu Cấp dẻo kết cấu

trung bình

Cấp dẻo kết cấu cao

Hệ khung, hệ hỗn hợp, hệ tờng kép 3,0  u / 1 4,5  u / 1

Hệ không thuộc hệ tờng kép 3,0 4,0  u / 1

Sau đây là một số vấn đề lu ý khi xác định hệ số q0:

 Đối với các nhà không đều đặn trên chiều cao, hệ số q0 cần giảm xuống20%

 Tỷ số u/1biểu thị sự vợt độ bền của hệ kết cấu do d thừa liên kết (bậcsiêu tĩnh) Đây là tỷ số giữa tác động động đất gây ra cơ cấu phá hoại dẻo đầy đủ

và tác động động đất tạo ra khớp dẻo đầu tiên Các giá trị u và 1 đợc xác

định bằng cách lần lợt lấy lực cắt đáy ở cơ cấu phá hoại dẻo tổng thể và lực cắt

đáy lúc xuất hiện khớp dẻo đầu tiên xác định theo phân tích đẩy dần chia cho lựccắt đáy do động đất thiết kế gây ra

Khi hệ số u/1không đợc xác định bằng tính toán, đối với các nhà đều

đặn trong mặt bằng, có thể sử dụng các giá trị gần đúng của u/ nh sau:

a Hệ khung hoặc hệ hỗn hợp tơng đơng khung:

- Các công trình nhà một tầng: u/ = 1,1;

- Các hệ khung một nhịp, nhiều tầng: u/ = 1,2;

- Các hệ khung nhiều nhịp, nhiều tầng hoặc các kết cấu hỗn hợp tơng đơngkhung: u/ = 1,3

b Các hệ tờng chịu lực hoặc hỗn hợp tơng đơng tờng chịu lực:

- Các hệ tờng chi có hai tờng không ghép theo phơng ngang: u/ = 1,0;

- Các hệ tờng không ghép khác: u/ = 1,1;

- Các hệ hỗn hợp tơng đơng tờng hoặc hệ tờng ghép: u/ = 1,2

Đối với nhà không đều đặn trên mặt bằng, khi không thực hiện tính toáncác giá trị u/, có thể lấy giá trị gần đúng u/ là trung bình cộng của 1,0 vàgiá trị cho ở trên

 Giá trị q0 cho các hệ con lắc ngợc có thể lấy tăng lên, nếu ứng với giá trị

đó có thể bảo đảm đợc rằng trong vùng tới hạn của kết cấu có sự phân tán nănglợng lớn hơn

 Nếu áp dụng kế hoạch đảm bảo chất lợng đặc biệt trong thiết kế, cấu tạo,cung cấp vật t và thi công ngoài hệ thống kiểm soát chất lợng thông thờng, thì cóthể cho phép lấy giá trị q0 lớn hơn nhng không vợt quá 20% các giá trị cho trongbảng 5.1 - TCXDVN375: 2006

3.2 Phân cấp các công trình theo độ dẻo:

Tiêu chuẩn TCXDVN375: 2006 phân các công trình xây dựng thành bacấp dẻo khác nhau:

- Cấp dẻo ‘DCL’ (cấp dẻo hạn chế hoặc thấp) ứng với các công trình đợc thiết kếvới khả năng phân tán năng lợng và độ dẻo hạn chế không tuân theo các quy

định củ tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn Các công trình nhà thuộc cấp dẻo nàychỉ nên xây dựng trong các vùng động đất yếu

- Cấp dẻo ‘DCM’ (cấp dẻo trung bình);

- Cấp dẻo ‘DCH’ (cấp dẻo cao)

Các cấp dẻo DCM và DCH đợc quy định theo khả năng phân tán năng ợng của các công trình nhà Hai cấp dẻo này ứng với các công trình nhà đợc thiết

l-kế, tính toán và cấu tạo theo các quy định riêng về kháng chấn theoTCXDVN375: 2006 Các quy định này cho phép kết cấu phát triển các cơ cấuphá hoại ổn định kèm theo khả năng phân tán năng lợng trễ lớn dới tác động củacác tải trọng lặp lại đổi chiều mà không bị phá hoại dòn

3.3 Phân loại các hệ kết cấu chịu lực bằng BTCT

Đối với các nhà bê tông cốt thép, Tiêu chuẩn TCXDVN375: 2006 phânloại các hệ kết cấu chịu lực nh sau:

a) Hệ khung: Hệ kết cấu mà trong đó các khung không gian chịu cả tải trọng

ngang lẫn tải trọng thẳng đứng mà khả năng chịu cắt của chúng tại chân đế nhàvợt quá 65% tổng khả năng chịu lực cắt của toàn bộ hệ kết cấu

b) Hệ tờng chịu lực: là hệ kết cấu mà trong đó các tờng thẳng (thuộc loại tờng

kép hoặc không phải tờng kép) chịu phần lớn cả tải trọng ngang lẫn tải trọngthẳng đứng, mà khả năng chịu cắt của chúng tại chân đế nhà vợt 65% khả năngchịu cắt của toàn bộ hệ kết cấu

Tờng đợc định nghĩa là cấu kiện thẳng đứng chịu tải có tỷ số các kích thớc tiếtdiện ngang chiều dài (lw) trên chiều rộng (bw) lớn hơn 4 Tờng ghép là tờng tạothành từ hai hoặc nhiều tờng đặc (không có các lỗ cửa hoặc không ghép) đợc liênkết một cách đều đặn trên chiều cao bằng các dầm lanh tô có khả năng làm giảm

đợc ít nhất 25% tổng mômen uốn ở chân của các tờng đặc nếu chúng làm việctách rời nhau

Hệ tờng chịu lực đợc chia thành hai loại: hệ tờng chịu lực dẻo và hệ tờng có kíchthớc lớn bằng bê tông có ít cốt thép

- Hệ tờng chịu lực dẻo là các hệ tờng đợc ngàm tại chân đế nhằm ngăn chuyển vịxoay tơng đối của chân đế đối với phần còn lại của hệ kết cấu, nó đợc tính toánthiết kế và cấu tạo để làm tiêu tán năng lợng trong vùng khớp dẻo hình thành douốn khi không có lỗ mở hoặc lỗ thủng lớn ngay phía trên chân đế của nó

- Hệ tờng có kích thớc lớn bằng bê tông ít cốt thép là hệ các tờng có kích thớctiết diện ngang lớn, nghĩa là kích thớc chiều ngang lw ít nhất bằng giá trị nhỏnhất trong hai giá trị 4m hoặc 2/3hw, ở đó đợc dự đoán sẽ phát triển vết nứt hạnchế và sự làm việc không đàn hồi dới tác dụng của tải trọng động đất thiết kế

c) Hệ hỗn hợp: Hệ kết cấu mà trong đó khung không gian chịu chủ yếu các tải

trọng thẳng đứng khả năng chịu tải trọng ngang đợc phân bố một phần cho hệkhung và một phần cho các tờng chịu lực, tờng kép hoặc không phải tờng kép.Phụ thuộc vào sự làm việc của nó dới tác động của tải trọng, hệ này đợc phânthành hai loại:

- Hệ hỗn hợp tơng đơng khung: là hệ hỗn hợp trong đó khả năng chịu cắt của hệ

thống khung tại chân đế nhà lớn hơn 50% tổng khả năng chịu cắt của toàn bộ hệkết cấu

- Hệ hỗn hợp tơng đơng tờng: là hệ kết cấu hỗn hợp mà trong đó khả năng chịu

cắt của hệ tờng tại chân đế của nhà lớn hơn 50% tổng khả năng chịu cắt của toàn

bộ hệ kết cấu

- Hệ con lắc ngợc: là hệ trong đó ít nhất 50% khối lợng của nó nằm trong phạm

vi 1/3 chiều cao kết cấu kể từ đỉnh hoặc trong đó sự phân tán năng lợng chủ yếuxảy ra ở chân một cấu kiện duy nhất của công trình

- Hệ dễ xoắn (hệ lõi): là hệ tờng hoặc hệ hỗn hợp không có độ cứng chịu xoắn

tối thiểu theo quy định

Bớc 3: Xác định lực cắt ứng với dạng dao động thứ k (F bk )

Theo mỗi hớng đợc phân tích, ứng với mỗi dạng dao động, lực cắt đáy động

đất Fbk phải đợc xác định theo biểu thức sau:

F bk S d(T k) *m k (9)Trong đó:

Sd(Tk) - Tung độ của phổ tkế tại chu kỳ Tk

Tk - Chu kỳ dao động thứ k của nhà và công trình;

mk - Khối lợng hiệu dụng của nhà và công trình ở trên móng hoặc ở trên đỉnhcủa phần cứng phía dới, đợc tính theo công thức:

n i

k i i k

m

m m

2 ,

2

1 ,

m i- Khối lợng phần công trình đặt tại điểm thứ i

i , k - Tọa độ của trọng tâm phần công trình thứ i ứng với dạng dao động thứ k(lấy ra từ kết quả phân tích dao động bằng phần mềm Sap 2000, Etabs )

Bớc 4: Phân bố lực động đất theo phơng ngang (F k,i)

Tác động động đất phải đợc xác định bằng cách đặt các lực ngang Fk,i vào tất cảcác tầng ở hai mô hình phẳng

j j

i i bk ik

m s

m s F F

Fi,k Lực ngang tác dụng tại tầng thứ i ứng với dao động thứ k;

Fb Lực cắt đáy động đất tính theo (1);

si ; sj Lần lợt là tọa độ của các khối lợng mi ; mj trong các dạng dao động;

mi ; mj Khối lợng của các tầng

Bớc 5: Kiểm tra các yêu cầu trong phơng pháp phân tích phổ phản ứng

Tức là phải xét tới phản ứng của tất cả các dạng dao động góp phần đáng

kể vào phản ứng tổng thể của nhà Điều này đợc thực hiện nếu thoả mãn mộttrong hai điều kiện sau:

- Tổng khối lợng hữu hiệu của các dạng dao động đợc xét chiếm ít nhất 90%tổng khối lợng kết cấu

- Tất cả các dạng dao động có khối lợng hữu hiệu lớn hơn 5% của tổng khối lợng

đều đợc xét đến

Bớc 6 : Xác định nội lực và chuyển vị trong hệ kết cấu dới tác dụng của các lực phân bố F i,k cho từng dạng dao động.

Sử dụng các chơng trình phân tích kết cấu chuyên dụng Sap2000,Etabs để tìm nội lực do lực phân bố F i,k ứng với mỗi dạng dao động gây ra

Bớc 7 : Chuyển vị hay nội lực trong hệ kết cấu đợc xác định theo phơng pháp RSS.







n k k i

E

1

2 , (12)

Bớc 8 Các tổ hợp tác động động đất với các tác động khác

Khi các tải trọng đứng tác động đồng thời với các tác động động đất, giátrị tính toán Ed của các hệ quả tác động khi thiết kế kháng chấn đợc xác định nhsau:

i i k i j

k

E  (13)Trong đó: " " nghĩa là ”tổ hợp với”

Ei - giá trị thiết kế của tải trọng động đất (tính ở bớc 7)

P - giá trị thiết kế của tác động ứng lực trớc (nếu có)

Tải trọng đặt lên nhà, loại

Loại F: Khu vực giao thông, trọng lợng xe ≤ 30kN 0,6

Loại G: Khu vực giao thông, 30kN≤ trọng lợng xe ≤

Sơ đồ tóm tắt các bớc thực hiện Bớc 1 Xác định các đặc trng dao động riêng của hệ kết cấu

Bớc 2: Xác định phổ gia tốc thiết kế S d (T) trong phân tích đàn hồi Bớc 3: Xác định lực cắt ứng với dạng dao động thứ k (F bk )

Bớc 4: Phân bố lực động đất theo phơng ngang (F k,i )

Bớc 5: Kiểm tra các yêu cầu trong phơng pháp phân tích phổ phản ứng

Bớc 6: Xác định nội lực và chuyển vị trong hệ kết cấu dới tác dụng của các

lực phân bố F i,k cho từng dạng dao động

Bớc 7 : Chuyển vị hay nội lực trong hệ kết cấu đợc xác định theo phơng

pháp RSS Bớc 8 Các tổ hợp tác động động đất với các tác động khác

Ví dụ áp dụng

Tính tải trọng động đất tác dụng lên một trờng học cao 6 tầng, có kết cấukhung chịu lực bằng bê tông cốt thép đợc giả định xây dựng tại huyện Từ Liêm –Thành phố Hà Nội

Hình 1 Sơ đồ khung không gian của hệ kết cấu phân tích

Tĩnh tải do các lớp cấu tạo sàn phòng học:

Các lớp vật liệu Tiêu chuẩn(T/m2) n Tính toán(T/m2)

Tĩnh tải do các lớp cấu tạo sàn mái:

Các lớp vật liệu Tiêu chuẩn(T/m2) n Tính toán(T/m2)

- Bê tông chống thấm tạo dốc dày 5cm, 0

Trong đó: DEAD là trọng lợng bản thân cấu kiện thuộc khung;

LIVE là hoạt tải sàn, mái

TTSAN là tĩnh tải do trọng lợng các lớp vật liệu cấu tạo sàn;

TUONG là tĩnh tải do trọng lợng tờng gây ra

3 Khai báo các loại tải trọng trong phân tích dao động riêng:

4 Khai báo sàn tuyệt đối cứng: