Lưu ý khi thiết kế nhà cao tầng chống động đất

Dưới đây, là một số vấn đề cần chú ý về: phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn; cách sử dụng vật liệu; sử dụng số liệu tải trọng gió và tổ hợp tải trọng khi tính toán, thiết kế theo tiêu chuẩn

Một số vấn đề cần chú ý khi sử dụng tiêu chuẩn TCXDVN 375: Thiết kế công trình

chịu động đất – Tiêu chuẩn thiết kế

1 Đặt vấn đề

Các tiêu chuẩn, nhất là các tiêu chuẩn thiết kế, khi sử dụng thường liên quan đến một số tiêu chuẩn khác Nếu các tiêu chuẩn liên quan cùng thuộc một hệ thống với tiêu chuẩn đang sử dụng, thì tính đồng bộ giữa các tiêu chuẩn thường được đảm bảo Còn nếu các tiêu chuẩn thuộc các hệ thống khác nhau, thì khi sử dụng, cần xem xét thận trọng để đảm bảo kết quả áp dụng tiêu chuẩn là đúng đắn Hiện nay, các tiêu chuẩn thiết kế chủ yếu của Việt Nam, như tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), kết cấu thép, kết cấu gạch đá, tiêu chuẩn tải trọng và tác động…được biên soạn theo

hệ thống tiêu chuẩn Nga Riêng tiêu chuẩn TCXDVN 375: thiết kế công trình chịu động đất (dưới đây viết tắt là TCXDVN 375) [4], được biên soạn theo hệ thống tiêu chuẩn Châu Âu Trong tiêu chuẩn này, ngoài các nội dung liên quan đến phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam, mức độ quan trọng và hệ số tầm quan trọng, đã được nghiên cứu, biên soạn cho phù hợp với điều kiện Việt Nam, thì các nội dung còn lại chủ yếu là được chuyển dịch theo đúng tinh thần của EN 1998 [11] Vì vậy, khi áp dụng TCXDVN 375 cần hiểu và vận dụng đúng các nguyên tắc, yêu cầu thiết kế, giải pháp cấu tạo và đặc biệt là các thông số đầu vào để tính toán, thiết kế Dưới đây, là một số vấn đề cần chú

ý về: phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn; cách sử dụng vật liệu; sử dụng số liệu tải trọng gió và tổ hợp tải trọng khi tính toán, thiết kế theo tiêu chuẩn TCXDVN 375

2 Về phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn

Xét dưới góc độ đối tượng công trình, tiêu chuẩn TCXDVN 375 dùng để tính toán, thiết kế cho nhà

và công trình chịu động đất Tuy nhiên, các công trình đặc biệt như nhà máy điện hạt nhân, các công trình ngoài khơi, các đập lớn… không thuộc phạm vi quy định của tiêu chuẩn nay [4] Ngoài ra, với các công trình có đặc thù riêng như công trình tháp, trụ, cầu, cống, ống khói, silô, cột ăng ten, cột truyền tải, nhà khung dùng sàn không dầm bằng BTCT,… cũng cần phải có các yêu cầu bổ sung Các yêu cầu này được quy định trong các tiêu chuẩn chuyên ngành

Xét dưới góc độ để đảm bảo tính hệ thống, thì có thể sử dụng tiêu chuẩn TCXDVN 375 ở 3 mức: i) chỉ sử dụng các nội dung liên quan đến phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam, phân cấp mức độ quan trọng và hệ số tầm quan trọng của công trình; ii)như nội dung (i) kết hợp với tham khảo một số giải pháp cấu tạo trong TCXDVN 375; iii) áp dụng toàn bộ, tức là tính toán, thiết kế theo TCXDVN 375. Mức (i), cho phép người thiết kế có thể sử dụng kết hợp với bất kỳ một hệ thống tiêu chuẩn nào mà Luật Xây dựng Việt Nam cho phép, miễn là các tiêu chuẩn cùng được áp dụng đó là có tính đồng bộ.

Mức (ii), sử dụng cũng như mức (i), song các giải pháp cấu tạo cần phải xem xét có phù hợp với quan điểm thiết kế trong tiêu chuẩn được áp dụng không, chẳng hạn như quan điểm thiết kế tiêu tán năng lượng hay quan điểm thiết kế trong giới hạn đàn hồi; cấp độ dẻo thiết kế của kết cấu là thấp, trung bình hay cao…

Mức (iii), phải sử dụng đồng bộ cùng với các tiêu chuẩn khác thuộc hệ thống Eurocosde, như EN

1990 – Cơ sở thiết kế kết cấu, EN 1991 – Tác động lên kết cấu, EN 1992 – Thiết kế kết cấu bê tông,

EN 1993 – Thiết kế kết cấu thép, EN 1994 – Thiết kế kết cấu liên hợp thép và bê tông [6,7,8,9,10]

Bảng1 Sơ đồ xác định cường độ chịu nén tính toán trong hai tiêu chuẩn TCXDVN 356 và EN1992

Đặc trưng vật liệu và ký

hiệu Cấp độ bền, từ B3,5 đến B80 (mác từ M50 đến M1000) Cấp độ bền từ C8 đến C105

Thông số để xác định cấp

độ bền chịu nén

- Cường độ trung bình của mẫu thử tiêu chuẩn Bm

- Xác xuất đảm bảo 95%

- Hệ số biến động ν

- Cường độ trung bình của mẫu thử tiêu chuẩn fcm

- Xác xuất đảm bảo 95%

Xác định cấp độ bền B = Bm (1-1,64ν)

Với ν = 0,135

f ck(t)=f cm(t)– 8Mpa; với 3 <t<28 ngày

f ck(t)=f ck ; với t ≥ 28 ngày Xác định cường độ chịu

nén tiêu chuẩn

R bn = (0,77 - 0,001B)B Nhưng không nhỏ hơn 0,72

f ck

Xác định cường độ chịu

nén tính toán R b =R bn/γbc; với γbc bằng:

- Trạng thái giới hạn I: γbc= 1,3

- Trạng thái giới hạn II: γbc= 1,0

f cd = αcc fck/γc; với γc = 1,5 khi tính với

tổ hợp tải trọng cơ bản;

γc = 1,3 khi tính với tổ hợp tải trọng đặc biệt (trừ động đất)

αcc trong TCXDVN 375 lấy bằng 1,0 Mẫu thử tiêu chuẩn Mẫu vuông, cạnh 15 cm - Mẫu trụ, đường kính 15 cm, cao

30cm

- Mẫu vuông, cạnh 15 cm

Bảng 2 Tương đương về cấp độ bền của bê tông giữa TCXDVN 356 và EN 1992

Cấp độ bền theo

EN 1992

C16/2

0

C20/2

5

C25/3

0

C30/3

7

C35/4

5

C40/5

0

C45/5

5

C50/6

0

C55/6

7

Cường độ

trung bình

của mẫu

chịu nén

f cm

(N/mm2)

Mẫu lập

Cấp độ bền theo

TCXDVN 356

B20 B25 B30 B35 B40 B45 B50 B55 B60

Mác chịu

nén

M250 M350 M400 M450 M500 M600 M700 M700 M800

Cường độ

trung bình

của mẫu

chịu nén

Bm(N/mm2)

Mẫu lập phương

25,69 32,11 38,53 44,95 51,37 57,8 64,22 70,64 77,06

Bảng 3 Quy cách thép cốt dùng trong bê tông, theo tiêu chuẩn EN 1992 và TCXDVN 356

Loại Giới hạn chảy f yk

(f 0,2k ) N/mm 2

Dạng Loại Giới hạn

chảy(R sn ) N/mm 2

Giới hạn bền (R su )

R su /R sn Dạng

A-IV

Mô đun đàn hồi: từ 19.10-4 Mpa

đến 21.10-4 Mpa

Mô đun đàn hồi: từ 19.10-4 Mpa đến 21.10-4 Mpa

3 Về sử dụng vật liệu

TCXDVN 375 yêu cầu sử dụng vật liệu phải phù hợp với cấp dẻo thiết kế của kết cấu Do được biên

soạn theo EN 1998 [11], nên các quy định về vật liệu trong tiêu chuẩn TCXDVN 375, nhất là các

quy định liên quan đến khả năng tiêu tán năng lượng, chỉ phù hợp với các vật liệu được sản xuất

theo tiêu chuẩn Châu Âu Vì vậy, khi sử dụng vật liệu được sản xuất theo các tiêu chuẩn khác cần có

sự so sánh, để lựa chọn chủng loại vật liệu và các thông số tính toán, thiết kế cho phù hợp

Vật liệu sử dụng nhiều trong các công trình thường là bê tông, thép cốt dùng trong bê tông, thép kết

cấu (thép hình hoặc thép tổ hợp từ thép tấm), gạch đá,… trong khuôn khổ bài báo này, chúng tôi chỉ

đề cập đến những lưu ý khi sử dụng một số vật liệu chính là bê tông cốt thép và thép kết cấu

3.1 Bê tông

Trong TCXDVN 375, cấp độ bền của bê tông được lấy theo EN 1992 [8] Theo quy định của tiêu

chuẩn này, phải sử dụng bê tông có cấp độ bền với từ C16 trở lên đối với kết cấu BTCT và từ C20

đến C40 đối với kết cấu liên hợp thép – bê tông Vấn đề đặt ra là các cấp độ bền này tương đương

với cấp độ bền nào trong tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam [3] Để làm rõ vấn đề này, chúng ta so

sánh sơ đồ xác định cường độ chịu nén tính toán trong hai tiêu chuẩn TCXDVN 356 và EN 1992 [3,8].

Từ bảng 1 ta nhận thấy:

- Cấp độ bền của cả 2 tiêu chuẩn đều dựa vào cường độ trung bình của các mẫu thí nghiệm Thông

số này là khách quan và cách xác định nó trong cả 2 tiêu chuẩn là giống nhau nếu mẫu thí nghiệm

lấy cùng một quy cách Như vậy, để quy đổi cấp độ bền của bê tông lấy theo TCXDVN 356 sang

cấp độ bền bê tông lấy theo TCXDVN 375 cần phải xét tương đương trên hai mặt, đó là trên cùng

một mặt bằng mẫu thử và giá trị cường độ trung bình của các mẫu thí nghiệm là xấp xỉ bằng nhau

- Cách xác định cường độ, tiêu chuẩn, cường độ tính toán trong TCXDVN 356 và EN 1992 là có sự

khác nhau Do đó, các thông số về đặc trưng vật liệu của bê tông khi đưa vào thiết kế theo tiêu

chuẩn TCXDVN 375 phải lấy theo quy định của EN 1992 Tuy nhiên, ở 2 tiêu chuẩn này cũng có

một số thông số như: mô đun đàn hồi, hệ số dãn nở nhiệt, hệ số Poát xông… là xấp xỉ nhau [3,8]

Từ các giá trị cho trong bảng 3.1 của [8], ta có thể quy đổi gần đúng các giá trị fcm của mẫu trụ ra

mẫu vuông có cạnh 15cm theo hệ số tỷ lệ giữa các cấp độ bền tương ứng, ví dụ với C16/20 có hệ số

chuyển đổi là 20/16 = 1,25 Dựa vào các số liệu trong bảng A.1 của TCXDVN 356[3] và trong bảng

3.1 của EN 1992 [8] ta có tương đương về cấp độ bền của bê tông giữa TCXDVN 356 và EN 1992,

ví dụ: C16 tương đương với B20 (hoặc M250); C20 tương đương với B25 (hoặc M350)… Kết quả

tương đương về cấp độ bền của bê tông giữa TCXDVN 356 và EN 1992, cho trong bảng 2

3.2 Thép cốt dùng trong bê tông

Theo TCXDVN 375, thép cốt chịu lực dùng trong bê tông là thép gai, có giới hạn chảy đặc trưng fyk

nằm trong khoảng 400 ÷600 N/mm2 Trong các vùng tới hạn, khi thiết kế với cấp dẻo trung bình thì

phải dùng thép cốt có độ dẻo dai thuộc nhóm B hoặc C; khi thiết kế với cấp dẻo cao thì dùng thép

cốt có độ dẻo dai thuộc nhóm C; đối với các vùng có ứng suất lớn, của bộ phận kết cấu không tiêu

tán năng lượng, phải dùng thép cốt thuộc nhóm B hoặc C [4] Để xét xem loại thép nào trong

TCXDVN 356 có tính năng đáp ứng được yêu cầu này, ta so sánh các chỉ tiêu liên quan của thép cốt

trong hai tiêu chuẩn [3,8]

Theo EN 1992 [8], thép cốt dùng trong bê tông có 3 loại là S220, S400 và S500 Còn theo

TCXDVN 356 [3], có 4 nhóm thép cốt là CI,A-I; CII, A-II; CIII, A-III và CIV, A-IV Ngoài ra cũng

có thể sử dụng các loại thép cốt có cường độ cao khác Dưới đây, chúng tôi chỉ so sánh các loại thép

cơ bản đã nêu ở trên

Dựa vào [3,8], ta lập được bảng để so sánh quy cách của các loại thép cốt này, xem bảng 3 và 4

Bảng 4 Độ dẻo dai của thép theo tiêu chuẩn EN1992

Loại

Các đặc tính

A B C Giới hạn đàn hồi fyk (f0,2k) N/mm2 400 - 600

≥ 1,05 ≥ 1,08 ≥ 1,15

Giá trị tối thiểu k = (fu/fy)k < 1,35 Biến dạng tương đôi khi kéo đứt εuk(%) ≥ 2,5 ≥ 5,0 ≥ 7,5

Bảng 5 Quy định về sử dụng thép kết cấu trong TCXDVN 375

Cấp dẻo

kết cấu

Phạm vi

áp dụng

Hệ số ứng xử

q

Loại tiết diện thiết kế

Tiêu chuẩn áp dụng

q≤ 1,5 Loại1,2,3

hoặc 4 DLC thấp

Vùng động đất yếu

1,5 < q ≤ 2 Loại 1,2

hoặc 3

Theo EN 1993,

EN 1994

DCM (trung

DCH (cao)

Vùng động đất

từ trung bình

Theo TCXDVN

375 kết hợp với

EN 1993, EN

1994

Từ bảng 3 và bảng 4 ta nhận thấy, thép cốt chịu lực thiết kế theo TCXDVN 375 có thể sử dụng nhóm cốt thép CIII, A-III và CIV, A-IV Tuy nhiên, xét về độ dẻo dai thì trong các vùng tới hạn, khi thiết kế với cấp dẻo trung bình, các nhóm CIII, A-III và CIV, A-IV vẫn thoả mãn, nhưng khi thiết kế với cấp dẻo cao thì chỉ được dùng nhóm thép cốt CIV, A-IV

3.3 Thép kết cấu

Thép kết cấu được dùng trong thép hoặc liên hợp thép – bê tông Trong TCXDVN 375, các đặc trưng vật liệu của thép kết cấu phải lấy phù hợp với các quy định trong EN 1993 và EN 1994 [9,10]

Về phương pháp thiết kế, điểm khác biệt cơ bản trong hai tiêu chuẩn [9,10] so với tiêu chuẩn thiết

kế kết cấu thép của Việt Nam [2] là: trong tính toán thiết kế, EN 1993 và EN 1994 xét với 4 loại tiết diện (loại 1,2,3 và 4), tuỳ theo khả năng phát triển biến dạng dẻo của tiết diện cấu kiện thép Còn tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép của Việt Nam [2] chỉ xét cho một loại tiết diện tính toán, tương ứng với loại 1 trong EN 1993 Các quy định chính về sử dụng thép kết cấu trong TCXDVN 375 được tổng hợp trong bảng 5

Theo [9,10], các loại tiết diện thiết kế của thép kết cấu được quan niệm như sau:

Loại 1: Tiết diện có khả năng phát triển mô men bền dẻo (do mô men uốn dương hoặc âm) với khả năng đủ để hình thành khớp dẻo;

Loại 2: Tiết diện cũng có khả năng phát triển mô men bền dẻo, nhưng với khả năng xoay hạn chế; Loại 3 hoặc 4: khi do hiện tượng cong vênh cục bộ trong vùng nén của dầm thép (bản bụng hoặc bản cách), ứng suất của những thớ chịu tải lớn không thể vượt quá giới hạn đàn hồi tính toán fy/γa đối với tiết diện loại 3, hoặc nhỏ hơn giá trị này đối với tiết diện loại 4

Như vậy, khi sử dụng thép kết cấu, nhất là trong điều kiện trên thị trường hiện nay có rất nhiều chủng loại thép sản xuất theo các tiêu chuẩn khác nhau, thì cần phải xác định được loại thép sử dụng thuộc loại tiết diện nào để vận dụng cho phù hợp Đồng thời, việc tính toán phải được tiến hành theo quy định của các tiêu chuẩn Eurocosde và TCXDVN 375

Về các đặc trưng vật liệu thép, theo EN 1993 có 3 loại mác thép thông dụng là S235, S275 và S355 Còn theo TCXDVN 338, có 4 loại thép cacbon cán nóng thường dùng là: CCT34, CCT 38, CCT42

và CCT52 Ngoài ra, kết cấu thép và kết cấu liên hợp có thể sử dụng các loại thép hợp kim khác Dưới đây, chúng tôi chỉ so sánh một số loại mác thép thông dụng Kết quả so sánh một số đặc trưng

cơ học của một số mác thép trong hai tiêu chuẩn TCXDVN 338 và EN 1993, cho trong bảng 6

Bảng 6 So sánh một số đặc trưng cơ học của một số mác thép trong hai tiêu chuẩn EN 1993 và TCXDVN 338

Mác thép Độ dày (mm) f y (N/mm 2 ) f u (N/mm 2 ) Min (f u /fy)

S235

CCT38 ≤ 100 ≤ 40 240 ÷ 220 235 380 ÷ 490 360 1,53 1,58

S275

CCT42 ≤ 100 ≤ 40 270 ÷ 250 275 420 ÷540 430 1,56 1,55

S355

CCT52

≤ 40

≤100

355

360 ÷ 350

510

520 ÷ 620

1,44 1,44

Theo bảng 6 ta nhận thấy, khi thiết kế theo TCXDVN 375, nếu sử dụng thép cán nóng theo tiêu chuẩn Việt Nam thì phải dùng thép có mác từ CCT38 trở lên

4 Về tải trọng

Căn cứ vào các tiêu chuẩn [1,6,7], thì điểm căn bản cần chú ý khi thiết kế theo TCXDVN 375 là tổ hợp tải trọng cần phải tiến hành theo các quy định chung trong EN 1990, EN 1991 và các quy định riêng về tải trọng nêu trong các tiêu chuẩn EN 1992, EN 1993 và TCXDVN 375 Về số liệu để xác định các loại tải trọng như: hoạt tải, áp lực hoặc vận tốc gió, nhiệt độ, gia tốc nền hay cấp động đất,… thì phải lấy theo tiêu chuẩn TCXDVN 2737 và TCXDVN 375 [1,4]

Tuy nhiên, cần chú ý rằng: số liệu áp lực gió cho trong [1] là ứng với vận tốc gió ở độ cao 10m so với mốc chuẩn, lấy trung bình trong khoảng thời gian 3 giây, bị vượt một lần trong 20 năm, ứng với địa hình dạng B (địa hình vùng ngoại ô thành phố, có vật cản thưa thớt cao không quá 10 m) trong khi đó vận tốc gió quy định trong EN 1991 là vận tốc gió ở độ cao 10m so với mốc chuẩn, lấy trung bình trong khoảng thời gian 10 phút, bị vượt một lần trong 50 năm, ứng với địa hình dạng II [7] (tương đương với dạng địa hình B quy định trong [1] Như vậy, các số liệu áp lực gió trong TCXDVN 2737 khi đưa vào thiết kế theo TCXDVN 375, cần chuyển đổi lại cho phù hợp với thời gian lấy trung bình và chu kỳ lặp Theo các kết quả nghiên cứu “Soát xét tiêu chuẩn TCVN 2737 :

1995 Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế” [5] đã được nghiệm thu ở Hội đồng Khoa học cấp

cơ sở và cấp bộ, thì việc chuyển đổi áp lực tương ứng với vận tốc gió có thời gian lấy trung bình trong 3 giây và có chu kỳ lặp 20 năm sang áp lực gió tương ứng với vận tốc gió có thời gian lấy trung bình trong 10 phút và có chu kỳ lặp 50 năm, có thể áp dụng công thức:

3

0

10 0

W 602 , 0

=

W

Trong đó:

3

0

W là áp lực gió ứng với thời gian lấy trung bình trong 3 giây và có chu kỳ lặp 20 năm;

10

0

W là áp lực gió ứng với thời gian lấy trung bình trong 10 phút và có chu kỳ lặp 50 năm;

Từ công thức (1) ta lập được bảng chuyển đổi áp lực gió giữa TCVN 2737 và EN 1991

Bảng 7 Chuyển đổi áp lực gió giữa TCVN 2737 và EN 1991

3

0

0

5 Kết luận

• Về phạm vi sử dụng, có thể sử dụng tiêu chuẩn TCXDVN 375, theo ba mức: mức (i) chỉ sử dụng các nội dung liên quan đến phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam; phân cấp mức độ quan trọng và hệ thống tầm quan trọng; mức (ii), giống nội dung (i) nhưng kết hợp với tham khảo một số giải pháp cấu tạo trong TCXDVN 375; mức (iii) áp dụng toàn bộ, tức là tính toán, thiết kế theo TCXDVN 375

• Về vật liệu, khi sử dụng các vật liệu sản xuất theo tiêu chuẩn Việt Nam, cần phải lựa chọn chủng loại vật liệu và quy đổi các thông số đặc trưng cơ lý của chúng cho phù hợp với các quy định của Eurocosde Khi tính toán, thiết kế phải sử dụng các tiêu chuẩn phù hợp với hệ thống Eurocosde Việc quy đổi tương đương các loại vật liệu: bê tông, thép cốt dùng trong bê tông và thép kết cấu có thể tham khảo các kết quả nghiên cứu nêu trong bài báo này

• Tổ hợp tải trọng phải thực hiện theo quy định chung của EN 1990; EN 1991 và các quy định riêng trong các tiêu chuẩn thiết kế EN 1992; EN 1993; EN 1994 và TCXDVN 375 Riêng áp lực gió cần phải chuyển đổi cho phù hợp với thời gian lấy trung bình vận tốc gió là 10 phút và chu kỳ lặp là 50 năm

Tài liệu tham khảo

1 TCVN 2737: 1995 Tải trọng và tác động-Tiêu chuẩn thiết kế, NXBGD

2 TCXDVN 338: 2005 Kết cấu thép-Tiêu chuẩn thiết kế,NXBGD

3 TCXDVN 356: 2005 Kết cấu bê tông và BTCT - Tiêu chuẩn thiết kế, NXBGD

4 TCXDVN 375: 2005 Thiết kế công trình chịu động đất -Tiêu chuẩn thiết kế, NXBGD

5 Dự thảo TCVN 2737: 2006 Tải trọng và tác động -Tiêu chuẩn thiết kế

6 Eurocode 0: Basis of Structural Design

7 Eurocode 1: Action on Structures

8 Eurocode 2: Design of Concrete structures

9 Eurocode 3: Design of Steel structures

10 Eurocode 4: Design of Composit steel and concrete structures

11 Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake resistance

Nguồn: T/C Xây dựng, số 2-2007