CH NG 3TI TRNG

Trong các trường hợp đặc biệt với các kết cấu mảnh và mềm, chuyển động của kết cấu nhà khi chịu tác động của gió cũng cần phải được xem xét khi xác định lực gió tương tác gió và công trì

CHƯƠNG 3 TẢI TRỌNG

Tải trọng tác dụng lên nhà cao tầng khác với tải trọng tác dụng lên nhà thấp tầng ở chỗ (a)

sự cộng dồn tải trọng sẽ sinh ra các nội lực lớn, (b) tải trọng gió có ảnh hưởng rất đáng kể và (c) hiệu ứng động có vai trò đáng kể hơn Việc cộng các tĩnh tải tác dụng từ một số lượng tầng lớn trong các nhà cao tầng dẫn đến nội lực trong các cột lớn hơn hẳn so với trong các nhà thấp tầng Lực gió tác dụng lên nhà cao tầng không chỉ ảnh hưởng bởi diện tích chắn gió lớn mà còn bởi cường độ lớn ứng với các độ cao lớn cũng như cánh tay đòn mô men với móng cũng lớn hơn ở nhà thấp tầng Trong khi tải trọng gió có ảnh hưởng không đáng kể đến việc thiết kế kết cấu ở nhà thấp tầng thì tải trọng gió trong các nhà cao tầng lại có ảnh hưởng khống chế đến việc bố trí và thiết kế kết cấu Trong các trường hợp đặc biệt với các kết cấu mảnh và mềm, chuyển động của kết cấu nhà khi chịu tác động của gió cũng cần phải được xem xét khi xác định lực gió (tương tác gió và công trình)

Trong các vùng có động đất, lực quán tính gây ra do sự lắc của nền đất cũng thể vượt quá lực gió và, do vậy, có ảnh hưởng khống chế đến cách bố trí, thiết kế kết cấu cũng như giá thành của công trình Do lực tác dụng là lực quán tính nên đáp ứng động của kết cấu nhà có thể có ảnh hưởng lớn đến lực có hiệu tác dụng lên kết cấu

Ngoại trừ tĩnh tải, các lực tác dụng lên kết cấu nhà không thể xác định một cách thật chính xác được Trong khi hoạt tải lớn nhất có thể được ước tính khá thích hợp từ các các khảo sát thực tế thì gió và động đất về bản chất là các lực ngẫu nhiên, rất khó để xác định từ các sự kiện trong quá khứ và càng khó hơn để dự đoán chính xác cho tương lai Việc áp dụng lý thuyết xác suất đã giúp hợp lý hoá một số phương pháp xác định tải trọng gió và động đất Rất khó để thảo luận một tổng quát các phương pháp xác định tải trọng do các Tiêu chuẩn khác nhau lại sử dụng các phương pháp khác nhau Mặc dù các phương pháp này đều hợp lý nhưng chúng đều có xu hướng được thể hiện ở dạng kinh nghiệm Do đó, trong chương này, một số phương pháp được thể hiện một cách logic trong các Tiêu chuẩn hiện đại sẽ được xem xét chi tiết để minh hoạ triết lý và xu hướng hiện thời

Trong khi diện tích ảnh hưởng và theo đó là trọng lực tác dụng lên dầm và sàn trong các nhà cao tầng không khác so với ở các nhà thấp tầng thì lực cộng dồn từ các tầng lên các cột

và tường ở các nhà nhiều tầng lại lớn hơn rất nhiều

Trong các nhà thấp tầng, tĩnh tải được tính toán từ kích thước của cấu kiện cùng với khối lượng thể tích của vật liệu Điều này có thể dẫn đến một số sai số nhỏ do sự sai khác giữa kích thước thật với kích thước thiết kế và giữa khối lượng thể tích của vật liệu thật với giá trị giả định

Hoạt tải được mô tả bằng cường độ của tải trọng sàn phân bố đều tương ứng với sự chiếm dụng hay sử dụng không gian Trong một số tình huống nhất định, như trong các nhà đỗ xe, văn phòng, nhà máy, các sàn cần được xem xét như khi chịu các tải trọng tập trung đặc biệt

Độ lớn của hoạt tải được quy định trong các Tiêu chuẩn đã được xác định dựa trên sự phối hợp kinh nghiệm và kết quả khảo sát thực tế Sự khác nhau giữa cường độ của hoạt tải trong các Tiêu chuẩn thiết kế của các nước khác nhau (một số được nêu trong Bảng 3 1) chỉ ra sự thiếu nhất trí và có đủ cơ sở để nêu câu hỏi về độ chính xác của chúng Các thí nghiệm về khả năng chịu lực đã cho thấy các giá trị trong tiêu chuẩn, vốn được coi là thiên về an toàn, nhưng cũng có thể nhỏ hơn các giá trị thực tế trong một số tình huống

Nên sử dụng các kiểu hoạt tải phân bố lên các nhịp lân cận và nhịp thay thế để tính toán nội lực lớn nhất đồng thời cũng phải xét đến các hệ số chiết giảm hoạt tải cho để tính đến khả năng thấp của việc toàn bộ kết cấu hay các các khu vực lớn được chất tải đồng thời

Bảng 3.1 Cường độ của hoạt tải

Mỹ (ANSI A58.1-1972) kPa

Anh (CP-CH.V PT.1:1967) kPa

Nhật (AIJ Standard)

kPa

Việt Nam (CTVN)

kPa

Nhà văn phòng

Nhà ở

3.1.1 Các phương pháp chiết giảm hoạt tải

Triết lý của việc chiết giảm hoạt tải là, mặc dù có một số thời gian trong cuộc đời của kết cấu một số diện tích nhỏ có thể bị chất tải đến mức độ cao nhất nhưng sẽ là không thể nếu toàn bộ một khu vực lớn hay một tập hợp các khu vực cũng như các cấu kiện đỡ chúng bị chất tải đồng thời đến mức cao nhất Kết quả là, có thể thiết kế các cấu kiện dầm cũng như cột đỡ các diện tích phân phối nhất định với một tải trọng nhỏ hơn đáng kể so với toàn tải trọng Các phương pháp chiết giảm hoạt tải khác nhau, nói chung, cho phép thiết kế dầm, cột

và tường với hoạt tải được chiết giảm tỷ lệ với phần diện tích dồn lực tăng lên Giới hạn của

sự chiết giảm cần phải được quy định để đảm bảo một biên an toàn

Ba ví dụ sau đây về các phương pháp chiết giảm hoạt tải được sử dụng để minh hoạ các triết lý có thể được áp dụng:

1 Tỷ lệ phần trăm đơn giản có thể được xác định để chiết giảm và để giới hạn độ lớn Ví

dụ, thiết kế với 100% hoạt tải với các cấu kiện chống đỡ mái, với 85% các cấu kiện cần được đỡ sàn tầng trên cùng và giảm dần 5% cho mỗi tầng thấp tiếp theo cho đến 50%

2 Một công thức tính toán diện tích dồn lực có thể được sử dụng cho phép xác định chi tiết hơn sự chiết giảm hoạt tải Ví dụ, cấu kiện đỡ có thể được thiết kế với hoạt tải cơ

sở nhân với hệ số 0,3 10+ A với A là diện tích dồn lực tính theo foot vuông.

3 Một công thức thậm chí còn phức tạp hơn cho phép xác định hệ số chiết giảm lớn nhất thông qua tỷ lệ tĩnh tải/hoạt tải Ví dụ, có thể quy đinh rằng, tỷ lệ phần trăm chiết giảm lớn nhất không được vượt quá 100(D L+ ) 4,33L trong đó, D là cường độ tĩnh tải và

L là cường độ hoạt tải Giới hạn cụ thể này đảm bảo rằng, nếu toàn bộ hoạt tải được

chất lên toàn bộ diện tích dồn lực thì ứng suất trong cấu kiện cũng không đạt đến đến giới hạn chảy

3.1.2 Tải trọng va chạm do trọng lực

Tải trọng va chạm xảy ra như là một dạng hoạt tải trong trường hợp khi thang máy được gia tốc hướng lên trên hay dừng lại trên đường đi xuống Người ta thường sử dụng mức tăng tải đến 100% so với tĩnh tải để thiết kế các kết cấu đỡ [3.1]

3.1.3 Tải trọng thi công

Tải trọng thi công thường được coi như là tải trọng nguy hiểm nhất mà kết cấu nhà phải chịu Chắc chắn là có nhiều hư hỏng công trình xảy ra trong quá trình thi công hơn là trong quá trình sử dụng chúng nhưng hiếm khi các quy định được lập cho tải trọng thi công trong thiết kế các nhà cao tầng Tuy nhiên, nếu công trình nhà có các kết cấu đặc biệt và nếu thiếu các quy định về tải trọng thi công thì có thể dẫn đến sự tăng tổng chi phí cho công trình thì sự thống nhất giữa người thiết kế và nhà thầu về việc xây dựng các điều khoản quy định có thể

là rất được mong muốn

Thông thường, tải trọng thi công là trọng lượng của ván khuôn sàn cũng như sàn sẽ được đúc và tổng cộng lại, có thể bằng hai lần tĩnh tải của sàn Tải trọng này sẽ được đỡ bởi các chống và truyền xuống ba hay bốn sàn đã được thi công từ trước Hiện nay, với chu kỳ thi công 3 ngày thậm chí 2 ngày mỗi tầng và đặc biệt là với công nghệ bơm bê tông sử dụng nhiều chất lỏng hơn, vấn đề về tải trọng có thể trở nên nghiêm trọng hơn do các sàn được đúc nhanh, thay cho việc có thể tham gia chịu lực lại cần phải được tiếp tục chống đỡ Các cần cẩu leo là một dạng tải trọng thi công khác Chúng được chống đỡ bằng cách kết nối chúng với một số tầng ở dưới và, nếu có thể, chống xuống các tầng ở thấp hơn nữa

Tải trọng ngang do gió và động đất là yếu tố quan trọng phân biệt việc thiết kế nhà cao tầng với nhà thấp và trung tầng Đối với các nhà cao đến khoảng 10 tầng và với tỷ lệ thông

thường, việc thiết kế ít khi bị ảnh hưởng bởi tải trọng gió Tuy nhiên, từ chiều cao này trở lên, việc tăng kích thước của các cấu kiện và việc bố trí kết cấu để chịu tải trọng gió là yếu tố ảnh hưởng đến giá thành và giá này tiếp tục tăng cùng với việc tăng chiều cao Với các tiến bộ về kiến trúc, việc tăng cường độ vật liệu và các tiến bộ trong phân tích kết cấu, các kết cấu nhà cao tầng trở nên hiệu quả hơn, nhẹ hơn và dễ có các chuyển vị hay biến dạng lớn dưới tác dụng của tải trọng gió Điều này đã thúc đẩy các nghiên cứu giúp cung cấp các hiểu biết tốt hơn về bản chất của tải trọng gió và phát triển các phương pháp xác định tải trọng này Sự phát triển này tập trung vào các kỹ thuật thí nghiệm và lý thuyết để xác định sự tăng lên của tải trọng gió do các vấn đề như gió giật và tương tác động của kết cấu với các lực giật

Phần tổng kết sau đây về một số phương pháp tính toán trực quan được nêu trong các tiêu chuẩn thiết kế, bao gồm cả những phương pháp tương đối tiên tiến trong việc xem xét tải trọng giật sẽ tập trung vào các vấn đề mới nhất Phương pháp đầu tiên là phương pháp tĩnh, xem xét kết cấu nhà như là một vật thể cứng đứng trong gió Các phương pháp tĩnh thích hợp cho các kết cấu nhà cao tầng có chiều cao, độ mảnh hay độ nhạy đối với dao động do gió không quá lớn Các phương pháp động được mô tả sau đây áp dụng cho các nhà ngoại lệ, cao, mảnh và nhạy với dao động Đây là những nhà được định nghĩa, ví dụ trong Tiêu chuẩn thiết kế nhà (Uniform Building Code [3.2]), là các nhà có độ cao lớn hơn 123 m (400 ft) hay những nhà có chiều cao lớn hơn 5 lần chiều rộng hay những nhà nhạy đối với dao động do gió Ngoài ra, các công trình ngoại lệ có thể được định nghĩa theo phương pháp chi tiết hơn dựa trên tần số dao động riêng và sức cản của kết cấu cũng như quan hệ cấu tạo và chiều cao của chúng [3.3]

Các phương pháp sẽ được giải thích một cách tương đối chi tiết để truyền đạt được triết lý của chúng Để có các thông tin đầy đủ hơn đủ để sử dụng các phương pháp này, người đọc cần tham khảo các Tiêu chuẩn cụ thể

3.2.1 Phương pháp tĩnh đơn giản

Phương pháp của Tiêu chuẩn Uniform Building Code 1988 Phương pháp này đại diện

cho các phương pháp tĩnh hiện đại để xác định tải trọng gió có xét đến hiệu ứng gió giật và áp lực cực lớn cục bộ trên bề mặt công trình Phương pháp này cũng xét cả đến những khác nhau

có tính địa phương ở các khu vực trống ngoại ô với các khu vực trung tâm thành phố cũng như cho phép các công trình đặc biệt quan trọng như bệnh viện, trạm cứu hoả và trạm công

an được an toàn và tiếp tục được sử dụng sau khi có các cơn bão cực lớn xảy ra

Áp lực gió thiết kế có thể được tính toán từ công thức sau:

e q s

p C C qI= Trong đó, C là hệ số xét đến hiệu ứng kết hợp giữa chiều cao, sự phơi bày và gió giật như e

được định nghĩa trong bảng 3.2

q

C là hệ số cho phép xét đến áp lực cao có tính cục bộ trên các cấu kiện tường và mái so

với áp lực trung bình được sử dụng trong thiết kế kết cấu toàn bộ Ví dụ, hệ số C = q 1,4 áp

dụng để xác định áp lực gió theo phương pháp diện tích chiếu cho các kết cấu cao hơn 40 ft (12 m) Trong khi đó, giá trị này là 2,0 cho các tường góc

s

q là áp lực gió dồn nén Giá trị này được đo ứng với vận tốc gió cơ sở tối thiểu với tần

suất 50 năm và ở độ cao 30 ft

Hệ số tầm quan trọng I bằng 1,15 cho các công trình sót lại sau thảm hoạ và 1,0 cho các

công trình khác

Bảng 3.2 Hệ số xét đến hiệu ứng kết hợp giữa chiều cao, sự phơi bày và gió giật

Cao độ so với nền đất Độ phơi C a Độ phơi B a

Ghi chú: Hệ số C áp dụng cho các công trình nằm ở các khu vực địa hình bằng phẳng; Hệ số B áp dụng cho các khu vực có địa hình đồi núi

3.2.2 Phương pháp động

Nếu kết cấu là rất mảnh hoặc rất cao hoặc nằm ở các khu vực chịu gió đặc biệt, tải trọng gió tác dụng lên công trình có thể tăng lên do sự tương tác động giữa sự chuyển động của công trình và sự giật của gió Nếu điều kiện tài chính cho phép, phương pháp tốt nhất để xác định lực gió là thí nghiệm hầm gió Trong đó, các tính chất quan trọng của công trình và bề mặt địa hình có thể được mô hình hoá Đối với các công trình không quá đặc biệt để thực hiện các thí nghiệm hầm gió nhưng các phương pháp đơn giản là không thích hợp thì nên áp dụng các phương pháp động Phương pháp thí nghiệm hầm gió và một trong các phương pháp động sẽ được tóm tắt sau đây:

Phương pháp thí nghiệm hầm gió Thí nghiệm hầm gió để xác định lực gió có thể là

phương pháp dòng ổn định để xác định áp lực hay lực gió phân bố tác dụng lên công trình Các hệ số áp lực hay lực gió được xác định bằng phương pháp này, sau đó, sẽ được sử dụng

để tính toán tải trọng tác dụng lên toàn công trình bằng một trong các phương pháp đơn giản

đã được mô tả ở trên Phương pháp này là thích hợp cho các kết cấu nhà có chuyển động không đáng kể và do đó, có ảnh hưởng nhỏ đến tải trọng gió

Nếu độ mảnh hay độ mềm của công trình lớn đến mức đáp ứng của chúng với năng lượng gió giật có ảnh hưởng đáng kể đến tải trọng gió có hiệu thì thí nghiệm hầm gió phải được thực hiện với phương pháp động Trong trường hợp này, các tính chất đàn hồi của kết cấu và

sự phân bố khối lượng của công trình cũng như các đặc trưng quan trọng của gió cần phải được mô hình hoá

Các mô hình nhà được sử dụng trong các thí nghiệm hầm gió được xây dựng với tỷ lệ thay đổi trong khoảng 1/100 đến 1/1000 phụ thuộc vào kích thước của công trình và của hầm gió, trong đó tỷ lệ phổ biến là 1/400 Các nhà cao tầng thường có ứng xử uốn và cắt kết hợp, trong

đó, chuyển vị ngang kết hợp biến dạng uốn ở phần dưới và thẳng ở phần trên Điều này có thể được thể hiện một cách gần đúng trong các thí nghiệm hầm gió bằng mô hình cứng có móng đàn hồi Trong các mô hình này, không cần thiết phải thể hiện sự phân bố khối lượng mà cần thể hiện sự phân bố mô men quán tính đối với móng

Các mô hình phức tạp hơn có thể được sử dụng nếu cần phải xét thêm một số dạng dao động khác như xoắn Các mô hình này chứa các khối lượng tập trung, lò xo và các thanh mềm, được thiết kế để mô phỏng các thuộc tính độ cứng và khối lượng của kết cấu Áp lực gió được đo bằng các thiết bị ghi được gắn trên bề mặt của mô hình Sau đó, các thiết bị đo sẽ xác định các giá trị trung bình, căn bậc hai của trung bình bình phương cũng như áp lực lớn nhất

Các đặc trưng gió cần phải được tạo ra trong thí nghiệm hầm gió là đường bao theo phương đứng tốc độ gió ngang, cường độ gió rối cũng như hàm mật độ phổ năng lượng Lớp biên đặc biệt của các hầm gió đã được thiết kế để tạo ra các đặc trưng này Một số hầm gió sử dụng mặt cắt làm việc dài trong đó, lớp biên được xây dựng một cách tự nhiên trên các nền thô ráp Mặt cắt làm việc của các hầm gió có diện tích tối đa khoảng 6 ft2 và chúng làm việc bằng với áp lực không khí

Mô hình phân tích chi tiết Thí nghiệm hầm gió là một thí nghiệm rất đặc biệt, phức tạp

và tốn tiền và chỉ có thể thực hiện được ở các dự án đắt tiền Cho các công trình nhà phức tạp không thể áp dụng các phương pháp tính toán đơn giản mà cũng không sử dụng được phương pháp thí nghiệm hầm gió, người ta đã xây dựng các phương pháp tính toán động lực học gió [3.5, 3.6] Phương pháp được mô tả ở đây dựa trên công trình tiên phong của Davenport và hiện nay đã được đưa vào Tiêu chuẩn Quốc gia về thiết kế nhà của Canada NBCC [3.7, 3.8]

Áp lực hay lực hút bên ngoài p lên bề mặt của công trình có thể được xác định từ công

thức cơ sở:

e g q

p qC C C= Trong đó, hệ số phơi gió C được xác định dựa trên đường bao theo phương đứng tốc độ e

gió Đại lượng này thay đổi theo độ ráp của địa hình xung quanh Có ba dạng phơi gió được xem xét như sau: địa hình mở thông thường, có ít cản trở, địa hình có cản trở một phần như ngoại ô, thành phố, các khu vực có cây cối và địa hình có nhiều cản trở có nhiều nhà cao tầng được xây dựng tập trung và có ít nhất 50% số nhà có nhiều hơn 4 tầng Các công thức tính toán các giá trị của C được cung cấp trong các Tiêu chuẩn thiết kế ứng với 3 dạng phơi gió e

nêu trên

Hệ số gió giật C là tỷ số giữa hiệu ứng tải trọng lớn nhất với hiệu ứng tải trọng trung g

bình Giá trị này kể đến hiệu ứng thay đổi của các mức độ giật khác nhau cũng như hiệu ứng làm phóng đại tải trọng do hiện tượng cộng hưởng với sự dao động của kết cấu C được g

cung cấp trong các Tiêu chuẩn thiết kế ở dạng các công thức và biểu đồ Các công cụ này, mặc dù là dễ sử dụng nhưng lại quá phức tạp để nêu ở đây

Hệ số C là hệ số áp lực ngoài, được lấy trung bình trên diện tích đang được xem xét Giá p

trị của hệ số này chịu ảnh hưởng bởi hình dạng của công trình, hướng gió và đường bao tốc

độ gió và thường được xác định dựa trên thí nghiệm hầm gió với các mô hình tỷ lệ nhỏ

Các chi tiết về phương pháp này được nêu trong Tiêu chuẩn Thiết kế nhà của Canada.

Phương pháp tương tự của Simiu được cho là cung cấp các giá trị tải trọng gió thiên về an

toàn nhưng cũng nhỏ hơn đáng kể giá trị được cho trong Tiêu chuẩn Thiết kế nhà của

Canada Có nhiều vấn đề cần được tiếp tục được kiểm chứng và phương pháp tính tải trọng

động cần được đơn giản hoá

Tải trọng động đất là lực quán tính của khối lượng công trình do tác động rung của nền móng sinh ra do động đất Việc thiết kế sức kháng chống động đất tập trung chủ yếu vào các lực quán tính tịnh tiến ngang hơn là các thành phần theo phương đứng và quay

Một số lực động đất nguy hiểm khác cũng có thể tồn tại như lực phát sinh do sự trượt đất, lún sụt, các đứt gãy đang hoạt động ở dưới móng công trình cũng như sự hoá lỏng đất do tác động rung Những nhiễu loạn này dù có tính địa phương nhưng cũng có ảnh hưởng đến tính kinh tế trong việc thiết kế động đất

Khi động đất xảy ra, cường độ của chúng có quan hệ tỷ lệ nghịch với tần suất xuất hiện Các trận động đất lớn là ít xảy ra, các trận trung bình xảy ra nhiều hơn và các động đất nhỏ thì rất hay có Mặc dù có thể thiết kế được các công trình có thể chịu được các trận động đất lớn với hư hỏng không đáng kể nhưng chi phí cho việc đó là quá cao Do đó, triết lý tổng quát cho việc thiết kế chịu động đất cho các công trình nhà dựa trên các nguyên tắc sau:

1 Chịu được các trận động đất nhỏ mà không bị hư hỏng

2 Chịu được các trận động đất vừa mà các bộ phận chịu lực không bị hư hỏng, chấp nhận các bộ phận không chịu lực có thể bị hư hỏng

3 Chịu được các trận động đất trung bình với các hư hỏng có thể xảy ra ở các bộ phận chịu lực và không chịu lực nhưng công trình không bị sụp đổ

Một số hiệu chỉnh đã được thực hiện đối với các nguyên tắc trên để đảm bảo rằng, một số công trình nhất định với các chức năng quan trọng vẫn có thể tiếp tục hoạt động ngay cả khi

có các trận động đất lớn hơn xảy ra

Độ lớn của tải trọng động đất là kết quả của đáp ứng động của công trình nhà với sự rung lắc của nền đất Để ước tính tải trọng động đất, có thể sử dụng hai phương pháp chính có xét đến tính chất của nền đất cũng như các bản ghi động đất đã xảy ra trong khu vực

Phương pháp thứ nhất, được gọi là phương pháp lực ngang tương đương, sử dụng phương pháp đơn giản để tính toán chu kỳ của móng kết cấu và gia tốc hay vận tốc nền đất lớn nhất cùng với một số tham số quan trọng khác để xác định lực ngang lớn nhất ở móng Lực ngang tương đương này, sau đó được phân bố theo chiều cao của công trình theo các cách nhất định

để thực hiện phân tích tĩnh kết cấu Lực thiết kế được sử dụng trong phân tích tĩnh tương đương này nhỏ hơn lực thực tế tác động lên công trình do tác động của động đất tương ứng Các hiệu chỉnh để sử dụng lực thiết kế nhỏ hơn bao gồm khả năng sức kháng của kết cấu ở mức tải trọng làm việc lớn hơn, sự giảm chấn của các bộ phận kết cấu cũng như sự giảm lực tác động do tính dẻo của kết cấu khi các cấu kiện làm việc ngoài giới hạn đàn hồi Phương pháp này là đơn giản, có thể được sử dụng nhanh chóng và được khuyên dùng cho các công trình không quá cao và có cấu tạo kết cấu không quá đặc biệt Phương pháp này cũng có thể được sử dụng có hiệu quả cho thiết kế sơ bộ cho các nhà cao tầng hay các nhà có cấu tạo kết cấu phức tạp và sau đó, sẽ được phân tích bằng các phương pháp thích hợp hơn

Phương pháp thứ hai, chi tiết hơn, là phương pháp phân tích hình thái trong đó, chu kỳ hình thái của kết cấu được phân tích và kết hợp với phổ thiết kế động đất để xác định đáp ứng hình thái lớn nhất Các giá trị này, sau đó, được kết hợp để tìm ra giá trị đáp ứng lớn nhất Phương pháp tính toán này phức tạp hơn và dài hơn so với phương pháp lực ngang tương đương nhưng chính xác hơn do xét được cả ứng xử phi tuyến của kết cấu

Cả hai phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau:

3.3.1 Phương pháp lực ngang tương đương

Ở Mỹ có một số phương pháp trong các Tiêu chuẩn thiết kế giống nhau ở một số khía cạnh nhưng khác nhau cơ bản về cách chúng mô tả động đất trong một khu vực cũng như hiệu ứng lên kết cấu Phương pháp lực ngang tương đương trong Tiêu chuẩn Uniform Building Code (UCB) sẽ được trao đổi kỹ hơn ở đây Tiêu chuẩn này dựa trên Tiêu chuẩn thiết kế động đất của Hiệp hội các kỹ sư kết cấu xây dựng California

Xác định lực cắt nhỏ nhất trên móng Tiêu chuẩn UBC xác định rằng, kết cấu phải được

thiết kế để chịu một lực ngang tổng cộng nhỏ nhất do lực cắt sinh ra, V Lực này được giả

định là tác dụng một cách độc lập theo các hướng vuông góc với trục chính của nhà V được

xác định theo công thức sau:

w

ZIC

R

= Trong đó,

2/3

1,25S C

T

=

Lực cắt trên móng theo phương trình cung cấp một tải trọng động dất thiết kế cho một kết cấu cho trước với giả thiết là, kết cấu có biến dạng phi đàn hồi khi xảy ra động đất Các hệ số trong công thức xét đến ảnh hưởng của mức độ động đất của khu vực, tĩnh tải, dạng kết cấu, khả năng triệt tiêu năng lượng mà không bị phá hoại, đáp ứng của kết cấu, tương tác của kết cấu với nền đất và tầm quan trọng của kết cấu

Hệ số khu vực Z , tương ứng về mặt số với gia tốc nền đất có hiệu lớn nhất (EPA –

effective Peak acceleration) của khu vực Hệ số này được xác định theo bản đồ động đất Với

ý nghĩa là EPA, nó được sử dụng để điều chỉnh phổ đáp ứng được cung cấp qua hệ số C

-công thức Nghĩa là, tích của C và Z thể hiện phổ đáp ứng gia tốc với xác suất 10% có gia

tốc lớn hơn trong khoảng thời gian 50 năm

Hệ số tầm quan trọng I liên quan đến số người ở trong nhà chịu nguy cơ trực tiếp và vai

trò của công trình về đảm bảo an toàn và cứu chữa dân cư sau ngay sau khi động đất xảy ra

Hệ số C thể hiện đáp ứng của công trình cụ thể với phổ gia tốc động đất Đường cong

được cung cấp bởi phương trình là phổ đáp ứng gia tốc nhiều dạng đã được đơn giản hoá và chuẩn hoá với gia tốc nền lớn nhất Đây là phương trình của chu kỳ dao động cơ bản của kết cấu T và hệ số thực địa S Hệ số S được đưa vào để hiệu chỉnh dạng của đáp ứng nền đất.

UCB đã phân chia đặc trưng đất nền thành 4 loại và hệ số thực địa được gán cho từng loại phụ thuộc vào dạng đất cũng như chiều dày của chúng Giá trị lớn nhất cho phép là C =2,75 đối với bất cứ kết cấu và điều kiện đất nền nào được sử dụng để cung cấp một tải trọng động đất sơ bộ cho các dự án thiết kế nơi chưa thể thực hiện được các nghiên cứu về điều kiện địa chất cũng như chu kỳ dao động của kết cấu Ngoài ra, để đảm bảo rằng, lực cắt nhỏ nhất trên móng là 3% của trọng lượng bản thân công trình được sử dụng trong vùng động đất 4, với các giá trị tỷ lệ trong các vùng động đất thấp, người ta quy định giá trị giới hạn thấp của

0,075

w

Hệ số kết cấu R là một thước đo khả năng của kết cấu chịu các biến dạng phi tuyến lặp w

mà không bị đổ Giá trị này nằm ở mẫu số của công thức tính lực cắt trên móng Như vậy lực động đất tính toán sẽ giảm nếu kết cấu có khả năng biến dạng phi tuyến lớn Độ lớn của R w

phụ thuộc vào tính dẻo của dạng và vật liệu kết cấu, khả năng hư hỏng của các hệ thống chịu lực thẳng đứng, mức độ dư thừa của kết cấu cho phép một số hư hỏng cục bộ có thể xảy ra

mà không gây ra sụp đổ toàn bộ hệ thống và, trong trường hợp kết cấu kép, khả năng của kết cấu phụ có thể làm ổn định nhà khi kết cấu chính chịu các hư hỏng lớn

Hệ số W thông thường là tổng tĩnh tải của nhà.

Độ lớn của V trong công thức cung cấp tổng lực cắt ngang trên móng, là lực cần được

phân bố trên chiều cao của kết cấu cho phân tích tĩnh tương đương

Phân phối tổng lực cắt trên móng Sau khi đã xác định được độ lớn của tổng lực cắt trên

móng, để thực hiện quá trình phân tích, cần phải đặt lực cắt móng thành các lực ngang có hiệu lên từng tầng của nhà Để quyết định được sự phân bố lực ngang, cần xem xét các yếu tố sau:

1 Tải trọng có hiệu ở mỗi tầng bằng tích của khối lượng được gán cho tầng đó với gia tốc ngang của nó

2 Gia tốc lớn nhất tại mỗi tầng của kết cấu ở dạng dao động cơ bản (thứ nhất) tỷ lệ với chuyển vị ngang của nó ở dạng dao động đó

3 Dạng dao động cơ bản (thứ nhất) của kết cấu thông thường, gồm các tường chịu cắt và khung gần như tuyến tính kể từ móng

Sự phân bố hợp lý của tổng lực cắt tại móng V trên toàn chiều cao tương ứng với sự phân

bố tuyến tính của gia tốc có dạng

1

x x

i i i

w h

wh

=

=

å

Ở đây, ,w w là các phần khối lượng W gán cho các tầng tương ứng ,ix nhằm mục đích i x

tính toán

Đối với kết cấu có khối lượng phân bố đều theo chiều cao, sự phân bố của lực ngang cso được từ phương trình có dạng hình tam giác có giá trị lớn nhất ở đỉnh công trình Sự phân bố dạng này được coi là hợp lý cho các kết cấu tương đối cứng, chắc Ở dạng kết cấu này, chỉ có dạng dao động cơ bản (thứ nhất) mới đóng vai trò quan trọng Ở các kết cấu có độ mảnh và

có chu kỳ dao động lớn, các dạng dao động bậc cao lại có ảnh hưởng lớn, gây ra một đóng góp đáng kể đến lực quán tính ngang tác dụng ở gần đỉnh kết cấu Độ lớn của hiệu ứng này

có quan hệ với chu kỳ dao động của kết cấu Điều này được phản ánh trong Tiêu chuẩn UCB

và các Tiêu chuẩn khác bằng cách đưa một phần của tổng tải trọng thành một lực ngang tập trung F đặt lên đỉnh của kết cấu Phần còn lại của của lực ngang được phân bố theo chiều t

cao của kết cấu thành dạng tam giác ngược

Mô men xoắn ở một tầng bất kỳ được mô tả trong UCB như là tích của lực cắt đặt lên tầng

đó với độ lệch tâm từ độ lệch tâm của khối lượng tính toán của các tầng ở trên cùng với độ lệch tâm tính đến tâm cứng của tầng và độ lệch tâm ngẫu nhiên bằng 5% kích thước trên mặt bằng của nhà tính theo hướng vuông góc với hướng lực tác dụng Nếu kết cấu có tính bất thường trong chịu xoắn, độ lệch tâm ngẫu nhiên cần được tính tăng lên thông qua các hệ số phóng đại phản ánh độ dịch tầng lớn nhất với giá trị trung bình của độ dịch tầng ở hai đầu kết cấu

Các tài liệu giải thích và các thông tin cần thiết cho các kỹ sư thiết kế để áp dụng phương pháp thiết kế dựa trên phương pháp tĩnh tương đương được cung cấp trong khuyến nghị dự thảo của Hiệp hội kỹ sư kết cấu xây dựng Bang California năm 1988

Hội đồng Công nghệ ứng dụng (Applied Technology Council) đã đưa ra một bản báo cáo năm 1978 và được in lại vào năm 1984, Tiêu chuẩn dự thảo để xây dựng các quy định về thiết

kế động đất cho các công trình nhà, áp dụng cho các công trình nhà chính phủ trong toàn nước Mỹ Tiêu chuẩn này đưa ra các khuyến nghị tương tự như phương pháp lực ngang tương đương của các Tiêu chuẩn chính