LUẬN VĂN THẠC SỸ - TÍNH TOÁN NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN TCVN 9386.2012 VÀ UBC 1997

Đặt vấn đề Động đất là tác động tự nhiên ảnh hưởng lớn đến công trình xây dựng và các kết cấu hạ tầng kỹ thuật v.v. Đây là một trong những thiên tai để lại hậu quả nặng nề về con người lẫn kinh tế ở nhiều nước trên thế giới. Đối với các khu vực đô thị lớn đông dân, động đất lớn sinh ra sẽ gây thiệt hại nhiều về người, tài sản và cơ sở hạ tầng kỹ thuật. Quá trình phát triển của xã hội, trong các thập niên gần đây, ở nước ta ngày càng có nhiều công trình cao tầng xây dựng với quy mô và tầm quan trọng lớn. Vì vậy, việc tính toán thiết kế cho các công trình chịu tác động động đất là cần thiết. Theo quyết định số 09/2005/QĐ-BXD [1] ngày 07 tháng 4 năm 2005 của Bộ Xây dựng [1], việc thiết kế chịu động đất cho các công trình xây dựng ở Việt Nam có thể thực hiện theo tiêu chuẩn nước ngoài. Trước năm 2006, thiết kế kháng chấn thường được sử dụng ở nước ta là tiêu chuẩn SNIP II-7-81* [3] của Liên Xô (cũ) hay Liên bang Nga ngày nay, tiêu chuẩn UBC 1997 [4] tuy được thay thế bằng tiêu chuẩn IBC 2006 (ASCE7-05) [5] của Hoa Kỳ nhưng vẫn được dùng để tính toán cho một số nhà cao tầng ở nước ta như Keangnam Ha Noi Landmark Tower, Lotte Center Ha Noi, The One. Ở nước ta hiện nay tải trọng động được thiết kế theo là tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 [6] nay đổi thành tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [6] được chuyển dịch trên cơ sở tiêu chuẩn EN 1998-1:2005 [7]. Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 là tiêu chuẩn chính thống của nước ta áp dụng trên phạm vi cả nước về thiết kế kết cấu chịu động đất. Tuy nhiên, đối với các công trình cao tầng có chu kỳ dao động riêng cơ bản lớn hơn 4s, việc lựa chọn tiêu chuẩn và tính toán tác động động đất lên công trình hiện nay còn gặp nhiều khó khăn. Tiêu chuẩn SNIP II7-81* của Nga áp dụng cho công trình cao dưới 75m, đối với các công trình có chiều cao lớn hơn 75m thì tính toán rất phức tạp. Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 áp dụng cho các công trình có chu kỳ dao động cơ bản < 4s, còn trên 4s thì phải xây dựng phổ chuyển vị. Tiêu chuẩn UBC 1997 cho phép tính toán công trình có chu kỳ dao động đến 10s. Do đó, tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997 được lựa chọn do có thể tính toán cho công trình có chu kỳ dao động lên đến 10s (nhà từ 60 đến 100 tầng). Tiêu chuẩn UBC 1997 được biên soạn và áp dụng ở Mỹ nên có những đặc trưng khác với Việt Nam, đặc biệt là số liệu đầu vào để xác định tải trọng động đất. Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 sử dụng đầu vào là đỉnh gia tốc nền tham chiếu chu kỳ lặp 500 năm trên nền loại A. Chính vì thế, mục tiêu của luận văn này là việc tính toán nhà cao tầng chịu động đất theo TCVN 9386:2012 và UBC 1997 như thế nào khi áp dụng đầu vào động đất là đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR của Việt Nam. Mục tiêu này có ý nghĩa thực tiễn khi thiết kế các kết cấu cao tầng có chu kỳ dao động riêng cơ bản lớn hơn 4s (cao hơn 40 tầng). Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết của luận văn Việc tính toán tác động của tải trọng động đất lên nhà cao tầng là quan trọng nhằm đảm bảo an toàn cho công trình. Song tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386:2012 cho công trình có chu kỳ dao động cơ bản lớn hơn 4s còn ít áp dụng. Trước đây hầu hết các quy trình tính toán đang được áp dụng đều do các kỹ sư tự tìm hiểu và nghiên cứu trong các tiêu chuẩn nước ngoài như tiêu chuẩn Hoa Kỳ UBC 1997. Do đó việc tính toán nhà cao tầng chịu động đất theo TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997 như thế nào và số liệu đầu vào lấy theo TCVN 9386:2012 hay QCVN 02:2009/BXD [2] ra sao là hết sức cần thiết. Mục đích nghiên cứu của đề tài Mục đích của đề tài là nghiên cứu, tính toán tác động (lực) động đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997 cho một số công trình bê tông cốt thép (BTCT) cụ thể có chu kỳ dao động lớn hơn 4s (trên 40 tầng), từ đó rút ra những nhận xét và kiến nghị khi tính toán động đất theo TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997 đối với nhà và công trình xây dựng ở Việt Nam trong trường hợp cần thiết phải áp dụng tiêu chuẩn này. Nội dung nghiên cứu của luận văn Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm: - Nghiên cứu phương pháp tính toán động đất trong TCVN 9386:2012 và UBC 1997: + Số liệu đầu vào của hai tiêu chuẩn; + Vùng động đất; + Một số loại nền cơ bản; + Hệ số tầm quan trọng (I); + Hệ số ứng xử (q); + Hệ số giảm cường độ (R); + Phổ phản ứng. - Xây dựng phổ đàn hồi cho công trình có chu kỳ dao động cơ bản > 4s thông qua phổ chuyển vị theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012. - Xây dựng phổ thiết kế theo tiêu chuẩn UBC 1997. - Cách phân bố lực động đất theo chiều cao và giới hạn của phương pháp lực tĩnh ngang tương đương. - Tính toán các ví dụ; - Các kết luận và kiến nghị. Giới hạn nghiên cứu Luận văn nghiên cứu phương pháp tính toán tải trọng động đất theo phương ngang đối với kết cấu nhà cao tầng theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 & tiêu chuẩn UBC 1997. Đối tượng nghiên cứu - Kết cấu nhà cao tầng chịu tác động động đất. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết để hiểu rõ bản chất của phương pháp tính động đất theo TCVN 9386:2012 & tiêu chuẩn UBC 1997, từ đó có thể áp dụng vào thiết kế công trình. - Thu thập các thông tin, số liệu về tính toán nhà cao tầng hiện nay. - Nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình số, phương pháp phần tử hữu hạn. - Áp dụng tính toán một số công trình cụ thể. Cấu trúc luận văn Trên cơ sở mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu, ngoài phần mở đầu, phần kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn sẽ được bố trí thành 3 chương. Cụ thể như sau: Chương I: Tổng quan về động đất và sự cần thiết phải tính toán động đất trong nhà cao tầng ở nước ta. Chương II: Các phương pháp tính toán công trình chịu động đất theo TCVN 9386:2012 & UBC 1997. Chương III: Tính toán nhà cao tầng chịu tải trọng động đất bằng phương pháp phổ phản ứng TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997. Kết luận & kiến nghị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, các Thầy Cô giáo trong và ngoài trường Kiến trúc Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi để luận văn được hoàn thành.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến T.S Nguyễn Đại Minh, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ dẫn khoa học có giá trị giúp tôi hoàn thành luận văn.

Cuối cùng, xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.

Mặc dù tác giả đã rất cố gắng để hoàn thiện luận văn, nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn

Tác giả Luận văn

Cao Sĩ Dũng

Tôi cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độclập của tôi Kết quả nêu trong luận văn là trung thực, các thông tin, số liệu sử dụngtrong luận văn được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Tác giả Luận văn

Cao Sĩ Dũng

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng biểu

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU 1

Đặt vấn đề 1

Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết của luận văn 2

Nội dung nghiên cứu của luận văn 2

Giới hạn nghiên cứu 3

Đối tượng nghiên cứu 3

Phương pháp nghiên cứu 3

Cấu trúc luận văn 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT 5

1.1 KHÁI NIỆM VỀ NHÀ CAO TẦNG 5

1.1.1 Một số khái niệm cơ bản về nhà cao tầng 5

1.1.2 Sự cần thiết phải tính toán tải trọng động đất cho nhà cao tầng ở Việt Nam 6

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT 8

1.2.1 Một số khái niệm cơ bản về động đất 8

1.2.2 Các đặc trưng của chuyển động nền đất 9

1.2.3 Đánh giá độ mạnh của động đất 13

1.2.4 Động đất trên lãnh thổ Việt Nam 20

1.2.5 Các phương pháp tính toán động đất 21

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH THEO TCVN 9386:2012 VÀ UBC 1997 32

2.1 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO TCVN 9386:2012 32

2.1.3 Phương pháp phổ phản ứng 46

2.1.4 Phương pháp tĩnh phi tuyến (đẩy dần) 49

2.1.5 Phương pháp tích phân theo lịch sử thời gian 51

2.2 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO UBC 1997 52

2.2.1 Một số khái niệm 52

2.2.2 Phương pháp tính theo tĩnh lực ngang tương đương 56

2.2.3 Phương pháp phổ phản ứng 59

CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN TCVN 9386:2012 VÀ TIÊU CHUẨN UBC 1997 62

3.1 VÍ DỤ TÍNH TOÁN 62

3.1.1 Ví dụ 1: Tính toán động đất nhà 15 tầng 64

3.1.2 Ví dụ 2: Tính toán động đất nhà 25 tầng 64

3.1.3 Ví dụ 3: Tính toán động đất nhà 35 tầng 64

3.1.4 Ví dụ 4: Tính toán động đất nhà 45 tầng 64

3.1.5 Ví dụ 5: Tính toán động đất nhà 55 tầng 64

3.2 BIỂU ĐỒ MÔ MEN, LỰC CẮT 65

3.2.1 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 15 tầng 65

3.2.2 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 25 tầng 66

3.2.3 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 35 tầng 68

3.2.4 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 45 tầng 69

3.2.5 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 55 tầng 71

3.2.6 Nhận xét biểu đồ 72

3.3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

KẾT LUẬN 73

KIẾN NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Bảng 1.1 Một số công trình nhà cao tầng đã được ở nước

Bảng 1.2 Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi 14

Bảng 1.3 Thang cường độ động đất JMA 15

Bảng 1.4 Thang cường độ động đất MSK -64 16

Bảng 1.5 Đặc trưng cấp cường độ động đất theo thang

Bảng 2.2 Giá trị giới hạn trên của hệ số ứng xử q cho hệ

Bảng 2.3 Giá trị của các tham số S, T B , T C , T D , T E và T F 44

Bảng 2.4 Các giá trị cho công trình 45

Bảng 2.5 Giá trị của  để tính toán Ei 45

Hình 1.1 Vị trí phát sinh động đất 8

Hình

1.2

Bản đồ phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam Chu kỳ

lặp 500 năm cho đất, nền loại A 21

Hình

1.3

Dao động của hệ 1 bậc tự do dưới tác dụng của gia tốc nền

) (

Nhà 15 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo

PP tĩnh lực ngang tương đương 67

Hình

3.3

Nhà 15 tầng: biểu đồ phân bố lực cắt tại các tầng (theo PP

tĩnh lực ngang tương đương) 67

Hình

3.4

Nhà 15 tầng: biểu đồ phân bố lực mô men tại các tầng (theo

PP tĩnh lực ngang tương đương) 68

Hình 3.5 Nhà 25 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo

Hình 3.6 Nhà 25 tầng: biểu đồ phân bố lực cắt tại các tầng theo PP phổ 69

Hình 3.7 Nhà 25 tầng: biểu đồ phân bố lực mô men tại các tầng theo

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề

Động đất là tác động tự nhiên ảnh hưởng lớn đến công trình xây dựng và cáckết cấu hạ tầng kỹ thuật v.v Đây là một trong những thiên tai để lại hậu quả nặngnề về con người lẫn kinh tế ở nhiều nước trên thế giới Đối với các khu vực đô thịlớn đông dân, động đất lớn sinh ra sẽ gây thiệt hại nhiều về người, tài sản và cơ sở

hạ tầng kỹ thuật Quá trình phát triển của xã hội, trong các thập niên gần đây, ởnước ta ngày càng có nhiều công trình cao tầng xây dựng với quy mô và tầm quantrọng lớn Vì vậy, việc tính toán thiết kế cho các công trình chịu tác động động đất

Tuy nhiên, đối với các công trình cao tầng có chu kỳ dao động riêng cơ bảnlớn hơn 4s, việc lựa chọn tiêu chuẩn và tính toán tác động động đất lên công trìnhhiện nay còn gặp nhiều khó khăn Tiêu chuẩn SNIP II7-81* của Nga áp dụng chocông trình cao dưới 75m, đối với các công trình có chiều cao lớn hơn 75m thì tínhtoán rất phức tạp Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 áp dụng cho các công trình có chu

kỳ dao động cơ bản < 4s, còn trên 4s thì phải xây dựng phổ chuyển vị Tiêu chuẩn

UBC 1997 cho phép tính toán công trình có chu kỳ dao động đến 10s Do đó, tiêuchuẩn TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997 được lựa chọn do có thể tính toáncho công trình có chu kỳ dao động lên đến 10s (nhà từ 60 đến 100 tầng) Tiêu chuẩnUBC 1997 được biên soạn và áp dụng ở Mỹ nên có những đặc trưng khác với ViệtNam, đặc biệt là số liệu đầu vào để xác định tải trọng động đất Tiêu chuẩn TCVN9386:2012 sử dụng đầu vào là đỉnh gia tốc nền tham chiếu chu kỳ lặp 500 năm trênnền loại A Chính vì thế, mục tiêu của luận văn này là việc tính toán nhà cao tầngchịu động đất theo TCVN 9386:2012 và UBC 1997 như thế nào khi áp dụng đầuvào động đất là đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR của Việt Nam Mục tiêu này có ýnghĩa thực tiễn khi thiết kế các kết cấu cao tầng có chu kỳ dao động riêng cơ bảnlớn hơn 4s (cao hơn 40 tầng).

Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết của luận văn

Việc tính toán tác động của tải trọng động đất lên nhà cao tầng là quan trọngnhằm đảm bảo an toàn cho công trình Song tính toán theo tiêu chuẩn Việt NamTCVN 9386:2012 cho công trình có chu kỳ dao động cơ bản lớn hơn 4s còn ít ápdụng Trước đây hầu hết các quy trình tính toán đang được áp dụng đều do các kỹ

sư tự tìm hiểu và nghiên cứu trong các tiêu chuẩn nước ngoài như tiêu chuẩn Hoa

Kỳ UBC 1997 Do đó việc tính toán nhà cao tầng chịu động đất theo TCVN9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997 như thế nào và số liệu đầu vào lấy theo TCVN9386:2012 hay QCVN 02:2009/BXD [2] ra sao là hết sức cần thiết

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích của đề tài là nghiên cứu, tính toán tác động (lực) động đất theo tiêuchuẩn TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997 cho một số công trình bê tông cốtthép (BTCT) cụ thể có chu kỳ dao động lớn hơn 4s (trên 40 tầng), từ đó rút ra nhữngnhận xét và kiến nghị khi tính toán động đất theo TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩnUBC 1997 đối với nhà và công trình xây dựng ở Việt Nam trong trường hợp cầnthiết phải áp dụng tiêu chuẩn này

Nội dung nghiên cứu của luận văn

Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm:

- Nghiên cứu phương pháp tính toán động đất trong TCVN 9386:2012 vàUBC 1997:

+ Số liệu đầu vào của hai tiêu chuẩn;

+ Vùng động đất;

+ Một số loại nền cơ bản;

+ Hệ số tầm quan trọng (I);

- Xây dựng phổ thiết kế theo tiêu chuẩn UBC 1997

- Cách phân bố lực động đất theo chiều cao và giới hạn của phương pháp lựctĩnh ngang tương đương

- Tính toán các ví dụ;

- Các kết luận và kiến nghị

Giới hạn nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu phương pháp tính toán tải trọng động đất theo phươngngang đối với kết cấu nhà cao tầng theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 & tiêu chuẩnUBC 1997

Đối tượng nghiên cứu

- Kết cấu nhà cao tầng chịu tác động động đất

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết để hiểu rõ bản chất của phương pháp tính động đấttheo TCVN 9386:2012 & tiêu chuẩn UBC 1997, từ đó có thể áp dụng vào thiết kếcông trình

- Thu thập các thông tin, số liệu về tính toán nhà cao tầng hiện nay

- Nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình số, phương pháp phần tử hữu hạn

- Áp dụng tính toán một số công trình cụ thể.

Cấu trúc luận văn

Trên cơ sở mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu, ngoài phần mở đầu, phần kếtluận và tài liệu tham khảo, luận văn sẽ được bố trí thành 3 chương Cụ thể như sau:

Chương I: Tổng quan về động đất và sự cần thiết phải tính toán động đất

trong nhà cao tầng ở nước ta.

Chương II: Các phương pháp tính toán công trình chịu động đất theo TCVN

9386:2012 & UBC 1997.

Chương III: Tính toán nhà cao tầng chịu tải trọng động đất bằng phương

pháp phổ phản ứng TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997.

Kết luận & kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT

1.1 KHÁI NIỆM VỀ NHÀ CAO TẦNG

1.1.1 Một số khái niệm cơ bản về nhà cao tầng

Theo khái niệm cơ bản được quy định trong TCXDVN 323:2004 [5], nhà caotầng là công trình (nhà) có chiều cao từ 9 đến 40 tầng Ở nước ta hiện nay đã vàđang xây dựng các công trình có chiều cao trên 40 tầng Trên thế giới mỗi quốc gia

có cách khái niệm nhà cao tầng của riêng mình Với sự phân loại hiện nay của nhiềunước thì nhà cao tầng được chia theo số tầng cao đạt được theo các cấp 9 -15 tầng,

15 - 25 tầng, 25 - 40 tầng và trên 40 tầng thì được gọi là nhà chọc trời (nhà siêu caotầng) Theo sự phân loại trên thì ở Việt Nam đã có nhà chọc trời (tòa thápKeangnam ở Hà Nội, tháp Bitexco Tower ở TP Hồ Chí Minh, tòa nhà The One…)

Bảng 1.1: Một số công trình nhà cao tầng đã được ở nước ta hiện nay

Thứ

Thành Phố

Chiều cao (m)

Số tầng

Năm hoàn thành

1 Tháp Keangnam Ha Noi Tower Hà Nội 336 72 2011

-4 Tòa tháp Lotte Center HaNoi Hà Nội 265 65 2014

a) Tải trọng động đất theo tiêu chuẩn qui định

Theo tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng TCXD 198:1997 [4], đối với nhữngcông trình nhà cao tầng (theo qui định từ 9 tầng trở lên) trong thiết kế xây dựng, nhàthầu tư vấn ngoài việc tính toán tải trọng tĩnh tải, hoạt tải (tải trọng đứng) còn phảitính toán 2 loại tải trọng rất cùng quan trọng là tải trọng gió và tải trọng động đất(tải trọng ngang) vì đối với kết cấu cao tầng thì ảnh hưởng của tải trọng ngang đượcxem là nổi trội hơn so với tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng Việc tínhtoán tải trọng ngang là một trong những yêu cầu bắt buộc khi thiết kế các công trìnhcao tầng Do đó, công trình xây dựng nào nằm ở vùng có phân vùng tác động gió thìphải tính toán tải trọng gió, phân vùng động đất thì phải tính toán tải trọng động đất

Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [3] đã đưa ra bản đồ phân vùng gia tốc nềntrên lãnh thổ Việt Nam chu kỳ lặp 500 năm trên đất nền loại A Theo bản đồ này,giá trị gia tốc nền tham chiếu (ag) được chia thành các khoảng nhỏ hơn 0,04g; 0,04g– 0,08g và lớn hơn 0,08g tương ứng với các trường hợp động đất rất yếu, động đấtyếu và động đất mạnh

Thiết kế chịu động đất (kháng chấn) là một trong những yếu tố quan trọng vàthường được yêu cầu trước khi xây dựng các công trình cao tầng Tùy từng loạicông trình để phân cấp từng mức độ hay tầm quan trọng theo yêu cầu kháng chấnkhác nhau

Với kết quả nghiên cứu này đã khẳng định: thiết kế kháng chấn cho các côngtrình nằm trong vùng chịu ảnh hưởng động đất ở Việt Nam là cần thiết để đảm bảo

an toàn tính mạng cho nhân dân, tài sản của người dân và xã hội

b) Tình hình áp dụng tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn ở Việt Nam

Sự cần thiết phải thiết kế kháng chấn cho các công trình ở Việt Nam đã đượcđặt ra từ lâu, nhưng do hệ thống tiêu chuẩn chưa đồng bộ, nên trước đây, thiết kếkháng chấn chỉ đặt ra đối với các công trình quan trọng hoặc có ý nghĩa về mặt lịch

sử như: Nhà máy thủy điện Thác Bà, Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh, cầu Thăng Long,nhà máy thủy điện Hòa Bình… Hầu hết các công trình được thiết kế kháng chấnđều ở khu vực miền Bắc Ở miền Nam, phần lớn các công trình được xây dựng

trước đây đều ít quan tâm đến vấn đề kháng chấn Việc tính toán thiết kế khángchấn cho công trình ở Việt Nam trước đây chủ yếu dựa vào các tiêu chuẩn của nướcngoài như: tiêu chuẩn SNIP II – 7 – 81* [18] của Liên Xô (cũ), Quy phạm động đấtcủa Mỹ (UBC – 85, UBC – 88, UBC – 91 và UBC – 97) Do tiêu chuẩn thiết kếkháng chấn SNIP II – 7 – 81* tương đối thích hợp với hệ thống tiêu chuẩn thiết kếhiện hành của Việt Nam nên thường được các nhà thiết kế dùng nhiều Các nộidung chính của tiêu chuẩn SNIP II – 7 – 81* cũng đã được đưa vào phần thiết kếkháng chấn trong tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng TCXD 198:1997 [4].

Trước yêu cầu cần phải có một tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn trên toàn lãnhthổ Việt Nam, Bộ Xây dựng đã chỉ đạo cho Viện KHCN Xây dựng biên soạn vàcho ban hành tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 nay là tiêu chuẩn TCVN 9386:2012

c) Việc áp dụng tiêu chuẩn UBC 1997 cho tính toán động đất nhà cao tầng ở Việt Nam

Từ những văn bản pháp qui và hệ thống tiêu chuẩn kháng chấn đang được ápdụng tại Việt Nam có thể rút ra một số nhận xét sau:

- Tiêu chuẩn SNiP II-7-81* (trước đây) cũng như SNiP II-7-81* (hiện nay)[18] của Nga áp dụng cho thiết kế kháng chấn công trình cao dưới 75m, đối với cáccông trình có chiều cao lớn hơn 75m chưa có qui định trong tiêu chuẩn này

- Tiêu chuẩn UBC 1997 [11]: Với phương pháp phổ phản ứng có thể tính toáncho nhà có chu kỳ dao động lên đến 10s (tương đương nhà 100 tầng) bằng bê tôngcốt thép Một số nhà cao tầng ở nước ta và trên thế giới hiện nay như tháp BurjKhalifa cao nhất thế giới vẫn được tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn UBC 1997

- Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [3]: áp dụng cho các công trình có chu kỳ daođộng < 4s (dưới 40 tầng), còn trên 4s thì phải xây dựng phổ chuyển vị, sau đóchuyển ngược lại phổ gia tốc trừ Singapore xây dựng riêng phổ gia tốc cho nhà tớitrên tầng cũng theo EN 1998 Như vậy, với các công trình lớn hơn 40 tầng có thểtính theo TCVN 9386:2012

- Tiêu chuẩn IBC 2006/ASCE7-05 [10]: là tiêu chuẩn mới của Mỹ áp dụngtính toán cho các công trình có chu kỳ giao động lên đến 10s Song tiêu chuẩn IBC2006/ASCE7-05 được biên soạn và áp dụng ở Mỹ nên có những đặc trưng khác vớiViệt Nam, đặc biệt là đầu vào để xác định tải trọng động đất Tiêu chuẩn TCVN

9386:2012 sử dụng đầu vào là đỉnh gia tốc nền tham chiếu chu kỳ lặp 500 năm trênnền loại A Trong khi đó IBC 2006/ASCE7-05 sử dụng phân vùng động đất với cácphổ gia tốc chu kỳ ngắn 0,2s và chu kỳ dài 1s trên nền đá loại B chứ không phânvùng trên đỉnh gia tốc nền Chính vì thế, việc áp dụng tiêu chuẩn IBC 2006/ASCE7-

05 tương đối phức tạp

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT

1.2.1 Một số khái niệm cơ bản về động đất

Nguyên nhân gây ra động đất (ở đây chỉ xét đến động đất kiến tạo) là do hiệntượng dao động rất mạnh nền đất gây ra bởi một sự giải phóng năng lượng đột ngộttrong vỏ quả đất, gây nên những chấn động của nền đất Các chấn động này tạo nêncác lực động đất hay còn gọi là tác động động đất [8]

Tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát sinh ra năng lượng về mặt lýthuyết, được quy về một điểm gọi là chấn tiêu Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặtquả đất gọi là chấn tâm Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm gọi là độ sâu chấntiêu (H) Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan trắc gọi là tiêu cự hay khoảngcách chấn tiêu (R), khoảng cách từ chấn tâm đến điểm quan trắc gọi là khoảng cáchchấn tâm (L)

Hình 1.1: Vị trí phát sinh động đất [8]

1.2.2 Các đặc trưng của chuyển động nền đất

Khi động đất xẩy ra, chuyển động của bất kỳ hạt vật chất nào trong nền đấtđều theo một quỹ đạo rất phức tạp 3 chiều với gia tốc, vận tốc và chuyển vị thay đổinhanh chóng trong một giải tập hợp tần số rộng Chuyển động của nền đất trong cáctrận động đất khác nhau là khác nhau Điều này gây rất nhiều khó khăn trong việcxác định một cách đầy đủ và chính xác các đặc trưng của chuyển động nền Trong

số các đặc trưng của chuyển động nền khi động đất xảy ra, các đặc trưng sau đây cóý nghĩa qua trọng trong thiết kế kháng chấn công trình: Biên độ dao động củachuyển động nền, khoảng thời gian kéo dài của chuyển động, nội dung tần số [8]

Mỗi đặc trưng đều có ảnh hưởng tới phản ứng của công trình Trước hết,biên độ lớn nhất của chuyển động nền ảnh hưởng tới biên độ dao dộng của côngtrình Khoảng thời gian kéo dài của các chuyển động có hệ quả quan trọng tới mức

độ tàn phá của chuyển động nền lên công trình Nội dung tần số và hình dạng phổliên quan tới tần số hoặc chu kỳ dao động của công trình Khi nội dung tần số gầntrùng với tần số dao động riêng của công trình thì sẽ dẫn đến hiện tượng cộnghưởng

- Biên độ lớn nhất của chuyển động nền

Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất được thể hiện dưới dạng đỉnh củachuyển động nền (gia tốc, vận tốc và chuyển vị đỉnh) Các thông tin mà chúng ta thuthập được dựa trên cơ sở số ghi địa chấn là gia tốc lớn nhất hoặc gia tốc đỉnh củanền đất Các nhà khoa học đã nghiên cứu để thiết lập mối quan hệ giữa đỉnh gia tốcnền với cường độ động đất Quan hệ này mang tính chất gần đúng, chưa đạt được

độ chính xác cần thiết nhưng nó có ích trong việc xác định đỉnh gia tốc nền khi biếtthông tin về cường độ của các trận động đất đã xảy ra Trong thiết kế đỉnh gia tốcnền theo phương thẳng đứng thường ít được quan tâm hơn so với đỉnh gia tốc nềntheo phương nằm ngang Đỉnh gia tốc nền theo phương ngang thường được sử dụng

để biểu thị đặc trưng biên độ chuyển động của nền đất Do vận tốc ít nhạy cảm ởnền đất có tần số cao nên nó thường được dùng để biểu thị đặc trưng biên độ ởchuyển động nền ở các tần số trung bình Chuyển vị đỉnh thường ít được sử dụng đểbiểu thị biên độ chuyển động của nền do khó khăn trong việc xác định chúng từ các

tín hiệu ghi được [8].

- Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động

Khoảng thời gian kéo dài chuyển động của nền đất là khoảng thời gian cần

để giải phóng lượng năng lượng biến dạng tích lũy dọc theo đứt gẫy Khi chiều dàihoặc diện tích mặt phá hủy của đứt gẫy tăng, thời gian cần để phá hoại đứt gẫy cũngtăng Do đó, khoảng thời gian kéo dài chuyển động của nền đất tăng cùng với sự giatăng độ lớn của động đất

Khoảng thời gian kéo dài chuyển động của nền đất ảnh hưởng lớn tới sự pháhoại do động đất gây ra Nhiều quá trình vật lý xảy ra như sự suy giảm độ cứng vàcường độ của một số loại kết cấu, nhạy cảm với chu kỳ chất tải đổi chiều xuấthiện trong thời gian xảy ra động đất [8]

- Nội dung tần số của gia tốc nền

Hoạt động địa chấn gây ra tải trọng phức tạp với các thành phần chuyển độngdàn trải trong một miền tần số rộng Nội dung tần số mô tả cách thức phân bố biên

độ chuyển động nền đất giữa các tần số khác nhau Nội dung tần số của gia tốc đồđược xác định kheo nhiều cách khác nhau:

Đếm tổng số chu kỳ và chia khoảng thời gian kéo dài của ghi chấn;

Vẽ phổ phản ứng của gia tốc đồ biểu diễn các phản ứng cực đại của tập hợpcác con lắc có các chu kỳ dao động và hệ số cản tới hạn khác nhau;

Dùng phép biến đổi Fourier để biến chuyển động từ phạm vi thời gian sangphạm vi tần số Dựa trên cách biến đổi này có thể mô tả được các đặc trưng của nộidung tần số

hơn phổ Fourier FS() được định nghĩa là căn bậc hai của tổng các bình phươngcủa phần ảo và phần thực F(), biểu diễn sự phân bố theo tần số  năng lượng chứatrong gia tốc đồ:

2

x t  x t a t



Ở đây: x(t) và x t( )lần lượt là chuyển vị và gia tốc tương đối;

 là tần số dao động riêng của hệ

Sử dụng tích phân Duhamel có thể thiết lập được biểu thức phản ứng của hệtrong gian đoạn bình ổn như sau:

Ở đây 0 là tần số lớn nhất trong chuỗi Fourier

Cường độ hoặc năng lượng toàn phần của một chuyển động địa chấn trongkhoảng thời gian t0 là phần diện tích dưới gia tốc bình phương theo lịch sử thời

( )0

1( ) N i( )

+ Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi (thang MM)

Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi được các nhà địa chấn học lậpCalifornia lập trên cơ sở thang độ đất Mercalli-Cancani-Sieberg Thang cường độđộng đất Mercalli có 12 cấp, được thể hiện ở bảng sau:

Bảng 1.2: Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi [8]

Cường độ IMM Mô tả tác động động đất

Gia tốc cực đạigần đúng củanền đất (g)

I Con người không cảm nhận được, chỉ có các địa

chấn kế mới ghi nhận được

< 0,003II

Một số ít người sống ở các tầng trên của nhàcảm nhận được hoạt động địa chấn, các vật treo

Tất cả mọi người cảm nhận được hoạt động địachấn Đồ đạc và giường ngủ bị lắc, đồ sứ bị vỡ,trần thạch cao bị nứt

0,015 – 0,030

VI

Đa số người hoảng sợ chạy ra khỏi nhà Chuôngkêu, con lắc đồng hồ bị dừng Trần thạch cao rơixuống, ống khói lò sưởi bị hư hỏng Nhà bị hưhỏng nhẹ

0,030 – 0,070

VII Tất cả mọi người chạy ra khỏi nhà Nhà bị hư

hỏng phụ thuộc vào chất lượng xây dựng 0,070 – 0,150VIII

Các tường ngăn bị nứt, khung, tượng, tháp,chuông bị đổ Các vết nứt xuất hiện ở nền đấtdốc hoặc ẩm ướt; Đá trên núi rơi xuống Lái xekhó chịu

0,150 – 0,300

IX

Nhà bị dịch chuyển khỏi móng, bị nứt, bịnghiêng, đa số không sử dụng được Nền đất bịnứt hở ra Các đường ống ngầm bị vỡ

0,300 – 0,700

X Nền đất bị trượt Đường ray bị uốn cong Các

công trình bằng khối xây bị đổ Mặt đất mở ra 0,700 – 1,50

XI Cầu bị đổ Chỉ các công trình mới xây không bị

đổ nhưng thường bị hư hỏng nặng 1,50 – 3,00XII

Các công trình do con người tạo ra bị phá hủyhoàn toàn; địa hình bị thay đổi, các đứt gãy lớnđược tạo ra, các sông nhỏ bị đổi dòng

3,00 – 7,00

+ Thang cường độ động đất JMA

Thang cường độ động đất JMA được Cơ quan khí tượng Nhật Bản đề xuất vàđược sử dụng ở Nhật Bản.

Bảng 1.3: Thang cường độ động đất JMA [8]

I Nhẹ: Những người đang nằm nghỉ hoặc những người đặc biệt nhạy

cảm với động đất mới cảm nhận được

II Yếu: Đa số người cảm nhận được;

Các cửa ra vào và các cửa trượt kiểu Nhật Bản kêu lách cách

III

Tương đối mạnh: Các ngôi nhà một tầng và nhiều tầng bị rung;

Các cửa ra vào và các cửa trượt kiểu Nhật Bản va đập mạnh;

trên cở sở cảm giác chủ quan của con người và mức độ hư hỏng của công trình xâydựng khi bị động đất, thang MSK – 64 còn được đánh giá qua các hàm chuyển vịcủa con lắc chuẩn hình cầu mô tả chuyển động địa chấn.

Ở thang cường độ động đất này người ta phân loại hậu quả phá hoại của gây

ra bởi trận động đất, sau đó đánh giá định lượng cường độ chuyển động theo hàmchuyển vị cực đại của con lắc Ảnh hưởng của chuyển động tức thời của nền đất đếncác công trình xây dựng được biểu thị dưới dạng phổ tác động theo hàm chu kỳriêng và số gia logarit của lực cản

dựng Lên môi trường

đáng kể

Không cảm nhậnđược

II Rất nhẹ Cảm nhận rất nhẹ

Chủ yếu nhữngngười đang nghỉngơi mới cảmnhận được

IV Hơi mạnh

Những người ởtrong nhà cảmnhận được Kính cửa sổ bị rung

V Tương đốimạnh

Những người ởtrong nhà và ngoàinhà cảm nhậnđược, người đangngủ thức dậy

Các đồ vật treođung đưa, các bứctrang treo trên trần

bị dịch chuyển

hoảng sợ

Kết cấu bị hư hỏngnhẹ, các vết nứt nhỏ

ở lớp trát

Một vài vết nứtnhỏ trên nền đấtướt

VII Rất mạnh Nhiều người chạy

ra khỏi nhà

Hư hỏng lớn ở kếtcấu, xuất hiện vếtnứt ở tường và ống

Đất ở các sườndốc bị trượt

Mực nước giếngthay đổi, đườngđắp bị trượt.

IX Thiệt hại

lớn Sợ hãi.

Nhà bị hư hỏngdiện rộng, tường vàmái bị lật đổ

bị đổ

Bề mặt đất bịthay đổi, xuấthiện nhiều giếngnước mới

XI Hủy diệt Sợ hãi bao trùm

Các công trình xâydựng chắc chắn bị

hư hỏng nghiêmtrọng

XII Hủy diệt

toàn bộ Sợ hãi bao trùm.

Nhà và các côngtrình xây dựng khác

bị đổ hoàn toàn

Bề mặt đất bịthay đổi, xuấthiện nhiều giếngnước mới

Phổ tác động động đất được xác định:

 = X0

X0 là thông số đặc trưng cho cường độ động đất, biểu thị chuyển vị lớn nhấtcủa con lắc hình cầu có chu kỳ dao động riêng T1 = 0,25s và số gia logarit của lựccản 0 = 0,5 Mối quan hệ giữa cấp động đất và biên độ X0 được thể hiện qua bảngsau:

Bảng 1.5: Đặc trưng cấp cường độ động đất theo thang MSK – 64 [8]

 (0,25 ≤  ≤ 2)

+ Quan hệ giữa cường độ động đất và gia tốc nền

Đất nền có ảnh hưởng rất lớn đến hư hỏng của công trình khi bị động đất.Thang cường độ động đất không cung cấp thông tin của chuyển động nền đất choviệc tính toán kháng chấn các công trình xây dựng Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012cho số liệu cấp động đất sang đỉnh gia tốc nền trên nền đá gốc

Bảng 1.6: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất

+ Thang Richter

Các cường độ động đất cho chúng ta biết độ mạnh của một trận động đất tạimột nơi nào đó nhưng chưa cho chúng ta biết độ lớn tổng thể và quy mô của nó Độlớn tổng thể của một trận động đất được xác định bằng cách thanh sát toàn bộ diệntích khu vực bị phá hoại do động đất và bản đồ cường độ đẳng chấn nối các điểm cócùng cường độ động đất lại với nhau Theo Richter, độ lớn M của một trận động đất

là logarit thập phân của biên độ cực đại A đo bằng micron (m) ghi nhận tại mộtđiểm cách chấn tâm 100 km M = logA

Thực tế, địa chấn kế chuẩn không phải lúc nào cũng cách chấn tâm 100km,Richter đã xét mối quan hệ giữa biên độ cực đại A và khoảng cách chấn tâm L.Richter đã nhận thấy đương cong thể hiện mối quan hệ logA và L gần như songsong với nhau cho 2 trận động đất bất kỳ Từ đó đưa ra độ lớn của một trận động đất

là hiệu số giữa biên độ của nó và biên độ của một trận động đất được chọn

Thang này không xét tới độ sâu của chấn tiêu

Thang này không xét đến địa chất cục bộ

Thang này dùng cho địa chấn kế chuẩn Wood – Anderson, các địa chấn kếkhác phải hiệu chỉnh

+ Một số thang độ lớn khác:

Thang độ lớn sóng mặt (Ms);

Thang độ lớn sóng khối (mb);

Thang độ lớn mô men động đất (Mw)

1.2.4 Động đất trên lãnh thổ Việt Nam

Việt Nam thuộc vị trí địa lý có kiến tạo địa chất phức tạp, tuy không nằmtrên các vành đai động đất – núi lửa hoạt động nhưng tiềm ẩn nhiều nguy cơ độngđất cao và trên thực tế động đất vẫn thường xuyên xẩy ra tại Việt Nam.

Theo đó các vùng có nguy cơ xẩy ra động đất từ 6,0 – 7,0 độ Richter ở ViệtNam gồm: đới đứt gãy trên hệ thống sông Hồng, đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên,đới sông Mã, Sơn La, sông Cả, Đông Triều, sông Đà, sông Chảy, đới Cao Bằng,Tiên Yên, đới Rào Nậy, đới Ddarkrong – Huế, đới Trường Sơn, đới sông Ba, đớiven biển miền Trung… Ngoài những vùng này, trên lãnh thổ Việt Nam còn cókhoảng 30 khu vực có nguy cơ động đất với cường độ xấp xỉ 5,0 độ Richter [8]

Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Đà Nẵng trong vài năm trở lại đây cũng đã bịảnh hưởng dư chấn rõ rệt do động đất ở Trung Quốc và ngoài biển Đông gây ra

Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 có đưa ra bản đồ phân vùng gia tốc nền trênlãnh thổ Việt Nam chu kỳ lặp 500 năm trên đất nền loại A Theo bản đồ này, giátrị gia tốc nền (ag) được chia thành các khoảng nhỏ hơn 0,04g; 0,04g – 0,08g vàlớn hơn 0,08g tương ứng với các trường hợp động đất rất yếu, động đất yếu vàđộng đất mạnh

Hình 1.2: Bản đồ phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam

Chu kỳ lặp 500 năm cho đất, nền loại A [3]

1.2.5 Các phương pháp tính toán động đất

Tải trọng động đất tác dụng lên kết cấu thường được xác định bằng cácphương pháp tính toán qui định trong các tiêu chuẩn/quy phạm thiết kế/xây dựngtrong vùng có ảnh hưởng của động đất (hay còn gọi là tiêu chuẩn kháng chấn)

Mỗi tiêu chuẩn kháng chấn có những quy định riêng về phương pháptính toán, thiết kế kết cấu chịu động đất với các hệ số, tham số khác nhau ápdụng khác nhau Phân loại phương pháp tính toán tải trọng động đất theo cáccách sau:

- Phân loại theo tính chất tác động động đất lên kết cấu:

+ Các phương pháp tính toán tĩnh:

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương;

Phương pháp tĩnh phi tuyến (phương pháp tính toán đẩy dần)

+ Các phương pháp tính toán động:

Phương pháp phổ phản ứng;

Phương pháp phân tích phi tuyến theo thời gian (động)

- Phân loại theo tính chất làm việc của hệ kết cấu:

+ Các phương pháp tính toán đàn hồi tuyến tính:

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương;

Phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động (gọi tắt là phương phápphổ phản ứng)

+ Các phương pháp tính toán phi tuyến:

Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến (phương pháp đẩy dần);

Phương pháp phân tích phi tuyến theo thời gian (động);

Luận văn chủ yếu đề cập đến phương pháp tính toán được phân loại theo đặctính làm việc của hệ kết cấu chịu lực công trình

- Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương [8]:

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương có thể áp dụng cho các nhà và côngtrình mà phản ứng của nó ít bị ảnh hưởng đáng kể bởi các dạng dao động bậc cao hơndạng dao động cơ bản trong mỗi hướng chính

TCVN 9386:2012 và EN 1998-1:2004 quy định phương pháp này chỉ áp dụngcho nhà có chu kỳ dao động riêng cơ bản T1 nhỏ hơn 2s (đối với đất nền loại B, C, D,

E theo phân loại đất nền theo động đất) và nhỏ hơn 1.6s (đối với đất nền loại A),tương đương với nhà cao từ 20 tầng trở xuống Tiêu chuẩn UBC:1997 cũng quy địnhphương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương áp dụng cho các nhà cao tầng caodưới 240 ft (73.15 m, khoảng 20 tầng)

Lực quán tính do động đất sinh ra tác động lên công trình theo phương ngangđược thay thế bằng các tĩnh lực ngang tương đương Sử dụng lực cắt đáy bằng tổng

của lực quán tính lớn nhất tại các điểm tập trung khối lượng mx0,max (m – khối

lượng tập trung của tầng, x0 , max – gia tốc lớn nhất khi động đất xảy ra truyền từ đágốc lên các lớp đất, và kết cấu bên trên, xác định theo đường cong phổ thiết kế)

Phương pháp này chỉ tính toán với một dạng dao động, coi công trình là mộtthanh conson có độ cứng cố định, khối lượng tầng được đặt ở mức sàn, tải trọngđộng đất được phân vào từng tầng với giá trị độ lớn tỉ lệ theo khối lượng

- Phương pháp phổ phản ứng [8]

Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn EN 1998-1:2004 khẳng địnhphương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động (hay còn gọi là phương pháp độngtuyến tính) có thể áp dụng cho tất cả các loại nhà Như vậy, với nhà cao từ 20 tầngtrở lên, theo quy định của TCVN 9386:2012, khi tính toán động đất phải áp dụngphương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động Các tiêu chuẩn Mỹ UBC:1997 vàtiêu chuẩn Nga SNiP II-7-81* cũng áp dụng phương pháp này khi thiết kế khángchấn đối với các kết cấu cao tầng Tiêu chuẩn SNiP quy định đối với công trình có

chu kỳ dao động riêng cơ bản T1 > 0.4 s (tương đương từ 5 tầng trở lên), phải xétđến ít nhất 3 dạng dao động khi tính toán động đất Khác với tiêu chuẩn Mỹ, là tiêuchuẩn coi phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương là phương pháp thamchiếu trong thiết kế kháng chấn, tiêu chuẩn Eurocode 8 xem phương pháp phổ phảnứng nhiều dạng dao động là phương pháp tham chiếu Vì vậy, phương pháp nàyđược khuyến nghị áp dụng cho mọi loại kết cấu Ngoài ra, trong tính toán kết cấuchịu tác động động đất, EN 1998-1:2004 còn khuyến khích áp dụng phương pháp

phổ phản ứng nhiều dạng dao động có xét đến ảnh hưởng của các dạng dao động

bậc cao không gian theo cả 3 phương: ngang nhà, dọc nhà và xoắn theo phươngchiều cao nhà

Hệ 1 bậc tự do và phương pháp phổ phản ứng [6]

Thực ra, phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động được trình bày rấtchi tiết và được giảng dạy trong các trường đại học ở Mỹ và phương Tây [11, 12] ỞViệt Nam, phương pháp này cũng đã được giới thiệu trong các tài liệu [3, 7] Tuynhiên, việc gắn kết giữa cơ sở lý thuyết của phương pháp này với tiêu chuẩn kháng

chấn hiện hành (TCVN 9386:2012) chưa đề cập cụ thể Phương pháp phổ phản ứngnhiều dạng dao động áp dụng khi tính toán động lực đối với hệ nhiều bậc tự do,không chỉ đối với tác động động đất mà còn đối với tác động gió Vì vậy, trước khitrình bày phương pháp này đối với hệ nhiều bậc tự do, cần thiết phải xem xétphương pháp phổ phản ứng trong tính toán động đất đối với hệ 1 bậc tự do

Hình 1.3: Dao động của hệ 1 bậc tự do dưới tác dụng của gia tốc nền u0(t) [6]Xét hệ 1 bậc tự do chịu tác dụng của chuyển động đất nền cho ở hình 1 Theo

nguyên lý d’Alembert, phương trình dao động của hệ một bậc tự do theo phương x (hay u) được viết như sau [6]:

với điều điều kiện đầu là: u( 0 )  0 và u( 0 )  0,

trong đó:

m – khối lượng tập trung, t – biến thời gian;

u, uvà u – dịch chuyển, vận tốc và gia tốc tương ứng theo phương ngang u tại điểm tập trung khối lượng m;

riêng T với  và tần số dao động riêng f của hệ là: T 2và T 1f );

 - hệ số cản nhớt không thứ nguyên, xác định như sau:  

u

t

d t

1 )

(1.4)

trong đó d   1   2 là tần số riêng có xét đến ảnh hưởng của cản dao động

Do giá trị  thường nhỏ (vào khoảng 5% khi tính toán động đất) nên

2

) (

t d

u d t

u  , u(t) xác định theo công thức (1.4).

Khi tính toán thiết kế, cần thiết phải quan tâm đến lực động đất lớn nhất tác

dụng lên khối lượng m do hàm gia tốc nền u0(t) gây ra Với hàm u0(t) cho trước,

giá trị gia tốc lớn nhất (đỉnh gia tốc hay phổ) u maxtương ứng với tần số riêng 

(hoặc chu kỳ dao động riêng T) được xác định căn cứ vào giá trị max của tích phân

Duhamel Tập hợp các giá trị u maxtương ứng với các chu kỳ dao động riêng T chính

là đường cong phổ phản ứng gia tốc S a () (hay S a (T)) đối với gia tốc nền u 0 cho

trước Minh họa về phổ phản ứng gia tốc S a cho ở hình 1.4 [6]

Hình 1.4: Đồ thị minh họa về phổ phản ứng gia tốc của kết cấu [6]

Từ công thức (1.4), có thể xác định được phổ phản ứng dịch chuyển, phổ phảnứng vận tốc và phổ phản ứng gia tốc (từ đây gọi là phổ gia tốc), xấp xỉ như sau:

2

a d

S S

Như vậy lực động đất tác dụng lên kết cấu sẽ là:

t e

u g

) ( sin )

( 1

max 0

) ( 0

trong đó: g – gia tốc trọng trường, W – trọng lượng kết cấu, S a () - phổ gia tốc

Hệ nhiều bậc tự do và phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động [6]

Xét dao động của hệ n bậc tự do cho ở hình 1.4 Theo nguyên lý Dalambert, hệ

phương trình dao động của hệ nhiều bậc tự do dưới tác dụng của gia tốc nền u0(t)

theo phương x (hay u) được biểu diễn như sau [6]:

Hình 1.5: Hệ n bậc tự do [6]

 M     u  u0  c u  k  u 0 (1.8)hay  M  u  c  u  k  u   M  u 0 (1.9)trong đó:  T  n

u u



u u

u u

t d

u d t

m i – tập trung khối lượng tại tầng thứ i, i = 1, 2, , n.

Biến hệ phương trình vi phân (1.9) thành hệ n phương trình vi phân độc lập,

dùng phép biến đổi modal (phép biến đổi dạng dao động), véc-tơ biến {u} sẽ thay

thế bằng véc-tơ các biến mới {Y}, cụ thể là:

Thế (1.10) vào (1.9), hệ phương trình (1.9) trở thành:

   M  Y    c  Y     k  Y   M  u0 (1.11)Nhân cả 2 vế của hệ phương trình (1.11) với  T

Do tính chất trực giao của ma trận dạng dao động riêng và các ma trận [M], [c] và [k] là các ma trận đối xứng dương nên các ma trận   T M   ,      T c 

0 0 0

0

0 0

0 0 0

0 0 0 2 1

i i i i i

m

u Y



m - véc-tơ khối lượng tập trung tại các tầng,

i i

ii i

 - hệ số cản dao động tương ứng với dạng dao động thứ i,

và i – tần số riêng thứ i của hệ.

Phương trình (1.14), tương ứng với dạng dao động thứ i, có thể viết dưới

dạng sau:

0

1 2

1 2

m

m Y

Y

j

ij j

n

j

j ij i

i i i i

Phương trình (1.15) tương ứng với dạng dao động riêng thứ i, giống như

phương trình (1.3) đối với hệ 1 bậc tự do Đây là phương trình vi phân tuyến tính

nên phổ gia tốc của Yi (t) sẽ là:

 max

i

1 2

1

i a n

l

il l

n l

l il

S m

2

1 max

l

il l

n l

l il ij i

ij

m

m Y

n l

l il ij

m m

1 2 1

n l

l il n

l

l il

ij j i a ij

m

m m

m S

F

1 2

2 1

1

)(

ij j i

ij j bi n

l

l il

ij j i i a ij

m

m F

m

m M

S F

1 1

)(