Tính toán kết cấu thép chịu động đất theo phương pháp phân tích lịch sử thời gian

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đinh Công Thành Sinh ngày: 09/11/1992 Quê quán: Thanh Hà – Hải Dương Nơi công tác: Chi nhánh công ty cổ phần tư vấn Quản lý dự án Dầu khí PVE Hà NộiTôi xin cam đ

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đinh Công Thành

Sinh ngày: 09/11/1992

Quê quán: Thanh Hà – Hải Dương

Nơi công tác: Chi nhánh công ty cổ phần tư vấn Quản lý dự án Dầu khí PVE Hà NộiTôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật xây dựng công trình dândụng và công nghiệp với đề tài: “Tính toán kết cấu thép chịu động đất theo phươngpháp phân tích lịch sử thời gian” là luận văn do cá nhân tôi thực hiện Các kết quảnghiên cứu tuân thủ theo tiêu chuẩn Việt Nam và các văn bản pháp luật hiện hành Kếtquả nghiên cứu không sao chép bất kì tài liệu nào khác

Hà Nội, ngày … tháng 8 năm 2017

Tác giả luận văn

Đinh Công Thành

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận văn Thạc sỹ, tôi đã nhận được

sự giúp đỡ, tạo điều kiện nhiệt tình và quý báu của nhiều cá nhân và tập thể

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Nguyễn Anh Dũng đãtận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn này Đồngthời tôi cũng gửi lời cảm ơn tới thầy giáo TS.Nguyễn Duy Cường đã hỗ trợ tôi trongquá trình thực hiện luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khác trongKhoa, Bộ môn Xây dựng dân dụng và công nghiệp đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn,truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới anh Hà Vĩnh Long (Phòng quan sát động đất-ViệnVật lý địa cầu) cùng bạn bè, đồng nghiệp thuộc lớp cao học 23XDDD21 đã giúp tôitìm kiếm, cung cấp tài liệu tham khảo, số liệu tính toán để hoàn thành luận văn này.Mặc dù tôi đã rất cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực củamình, tuy nhiên do trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót hoặc cónhững phần nghiên cứu chưa sâu Rất mong nhận được sự chỉ bảo và thông cảm củacác Thầy cô

Tôi xin trân trọng cảm ơn !

Hà Nội, ngày … tháng 8 năm 2017

Tác giả luận văn

Đinh Công Thành

3 3

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU V

NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT 3

1.1.1 Định nghĩa, nguồn gốc của động đất 3

1.1.2 Cường độ động đất 7

1.1.3 Động đất trên lãnh thổ Việt Nam 9

1.2 K ẾT CẤU THÉP VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU 15

1.2.1 Tổng quan về kết cấu thép 15

1.2.2 Đặc điểm của nhà công nghiệp 19

1.2.3 Đặc trưng vật liệu thép trong Tiêu chuẩn Việt Nam 21

1.2.4 Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Eurocode 25

1.2.5 Các dạng tiết diện thép 28

1.3 H IỆN TRẠNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT 30

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP LỊCH SỬ THỜI GIAN 34

2.1 M ỘT SỐ GIẢ THIẾT TÍNH TOÁN 34

2.2 S Ơ ĐỒ TÍNH 34

2.3 TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN 34

2.4 X ÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG 35

2.4.1 Tải trọng thẳng đứng 35

2.4.2 Tải trọng gió 36

2.4.3 Các phương pháp xác định tải trọng động đất 42

4 4

2.4.3.1 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương 43

2.4.3.2 Phương pháp phổ phản ứng 45

2.4.3.3 Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian 50

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KHUNG THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH LỊCH SỬ THỜI GIAN 52

3.1 TỔNG QUAN 52

3.1.1 Giới thiệu về công trình 52

3.1.2 Giới thiệu về phần mềm ứng dụng tính toán ETABS 52

3.1.3 Lập mô hình tính toán 53

3.2 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG TĨNH TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH 53

3.2.1 Tĩnh tải 53

3.2.2 Hoạt tải 54

3.2.3 Tải trọng gió 54

3.3 T ÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT TÁC ĐỘNG LÊN CÔNG TRÌNH 56

3.3.1 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương 56

3.3.2 Phương pháp phổ phản ứng 59

3.3.3 Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian 69

3.4 K ẾT QUẢ TÍNH TOÁN 76

3.5 N HẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

5 5

Hình 3.2 Khai báo loại tải trọng

Hình 3.3 Khai báo các thông số theo TCVN 9386:2012 trên cơ sở tiêu chuẩn EC82004

Hình 3.4: Khai báo khối lượng riêng đối với bê tông

Hình 3.5 Khai báo khối lượng riêng đối với thép

Hình 3.6 Định nghĩa trương hợp tải trọng

Hình 3.7 Định nghĩa nguồn tạo khối lượng

Hình 3.8 Khai báo số mode dao động

Hình 3.9 Kiểm tra chu kỳ dao động riêng

Hinh 3.10 Phổ phẩn ứng

Hình 3.11 Định nghĩa trường hợp tải trọng động đất

Hình 3.12 Giản đồ giá trị

Hình 3.13 Dữ liệu trận động đất dưới dạng file txt

Hình 3.14 Định nghĩa trường hợp phân tích

Hình 3.15 Khai báo hệ số giảm chấn

Hình 3.16 Giá trị moment theo phương X (Đơn vị T.m)

Hình 3.17 Giá trị lực cắt theo phương X (Đơn vị T)

6 6

Hình 3.18 Giá trị chuyển vị theo phương X (Đơn vị m)

Hình 3.20 Giá trị lực cắt theo phương Y (Đơn vị T)

Hình 3.19 Giá trị moment theo phương Y (Đơn vị T.m)

Hình 3.21.Giá trị chuyển vị theo phương Y (Đơn vị m)

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Đặc trưng cơ học của thép cacbon thấp (theo TCVN 1765:1975)

Bảng 1.2 Cường độ tiêu chuẩn fy , fu và cường độ tính toán f của thép cacbon thấp(theo TCVN 5709 : 1993)

Bảng 1.3 Cường độ tiêu chuẩn fy , fu và cường độ tính toán f của thép hợp kim thấp(theo TCVN 3104 : 1979)

Bảng 2.1 Bảng áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam

Bảng 2.2 Bảng giá trị giới hạn của tần số dao động riêng fL

Bảng 2.3 Bảng hệ số áp lực động của tải trọng gió ζ

Bảng 2.4 Bảng hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió

Bảng 3.1 Bảng giá trị tải trọng gió tĩnh

Bảng 3.2 Hệ số chiết giảm khối lượng

1 1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Động đất là một hiện tượng tự nhiên gây ra chuyển động rất mạnh của nền đất làm sụp

đổ nhà cửa gây thiệt hại về người và tài sản ảnh hưởng đến đời sống kinh tế xã hội Do

đó việc thiết kế công trình chịu động đất là cần thiết đề bảo vệ tính mạng con ngườicũng như của cải vật chất bên trong công trình Công trình được thiết kế chịu động đấtchính là một cách bảo vệ gián tiếp tính mạng và của cải bên trong công trình Kết cấuthép có các ưu điểm như có cường độ cao, độ dai cao, trọng lượng nhẹ, thi công nhanh,

dễ sửa chữa nên kết cấu thép được sử dụng nhiều để xây các công trình nhất là trongkhu vực có động đất lớn, thường xuyên xảy ra

Hiện nay có nhiều phường pháp tính toán cho các công trình chịu động đất từ phươngpháp đơn giản cho đến phức tạp Tùy từng đặc điểm, từng cấp công trình yêu cầu độchính xác như thế nào mà lựa chọn từng phương pháp phù hợp Do nhu cầu ngày càngcao về mặt bảo vệ tính mạng, tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng cũng như phản ánhđược gần đúng sự làm việc của kết cấu so với sự làm việc thực tế Trên thế giới nhiềuquốc gia đã sử dụng phương pháp tính toán theo lịch sử thời gian, phương pháp nàyđược đánh giá là có sự phản ánh khá chính xác nhưng cần có đầy đủ cơ sở dữ liệu củacác trận động đất đã xảy ra Tại Việt Nam việc nghiên cứu và áp dụng vào các côngtrình còn nhiều hạn chế Do đó việc nghiên cứu phương pháp phân tích ứng xử của kếtcấu thép phẳng chịu động đất dùng cách phân tích theo lịch sử thời gian là phù hợp vớitình hình phát triển xã hội, mang tính chất cấp thiết đối với ngành xây dựng nói chung

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu phương pháp tính toán kết cấu thép chịu động đất phân tích theo lịch sửthời gian, đưa ra được một số nhận xét về kết quả nhận được so với một số phươngpháp tính toán khác

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Đối tượng NC: Khung kết cấu thép phẳng, cấu kiện có tiết diện chữ I

2 2

- Phạm vi NC: Sử dụng phương pháp tính toán khung thép chịu động đất dùng phươngpháp phân tích theo lịch sử thời gian

4 Kết quả dự kiến đạt được

Đánh giá, đưa ra được ưu nhược điểm, những mặt được và hạn chế của một số phươngpháp tính toán kết cấu thép chịu động đất so với tính theo phương pháp theo lịch sửthời gian

3 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT.

1.1 Tổng quan về động đất

1.1.1 Định nghĩa, nguồn gốc của động đất

Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn năng lượnglớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự nứt rạn đột ngột trong phần vỏ hoặctrong phần áo trên của quả đất [1]

Nguồn gốc của động đất:

* Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo

Từ những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà địa chất và địa chấn học đã đưa ra thuyếtkiến tạo mảng hay còn gọi là thuyết trôi dạt các lục địa để giải thích cho nguồn gốc:của các trận động đất xuất hiện trên thế giới Theo thuyết này, lúc đầu các lục địa gắnliền với nhau được gọi là Pangaea, sau đó cách đây khoảng chừng 200 triệu năm chúngtách ra thành nhiều mảng cứng di chuyển chậm tương đối so với nhau trên một lớpdung nham ở dạng thể lỏng, nhiệt độ cao để có hình dạng như ngày nay

Tuỳ thuộc vào đặc thù của hoạt động kiến tạo, ranh giới phân chia giữa các mảngthường có các dạng: gờ giữa đại dương, đứt gẫy, vòng cung các đảo và vùng orogenic.Tại vùng gờ giữa đại dương, dung nham nóng chảy trong phần áo trào lên bề mặt quảđất sau đó nguội đi, bổi dần và mở rộng mảng thạch quyển theo phương ngang Tạicác đứt gãy, các mảng kiến tạo chuyển động tương đối so với nhau và bị hút vào trongphần áo của quả đất tại các vùng orogenic

Các thành tựu khoa học kỹ thuật, đặc biệt là mạng lưới địa chấn kế và quan trắc địachất trên thế giới đã chứng minh tính đúng đắn của thuyết kiến tạo mảng Do đó trongvòng 10 năm tiếp theo, lý thuyết này đã được giới khoa học chấp nhận một cách rộngrãi và được xem là một trong những thành tựu khoa học lớn nhất của nhân loại trongthế kỷ XX.[1]

4 4

Theo giả thiết cơ bản của thuyết kiến tạo mảng, bề mặt quả đất được tập hợp từ một sốkhối lớn gọi là mảng; trên, các mảng là các châu lục và đại dương Các mảng nàychuyển động tương đối so với nhau Toàn bộ vỏ quả đất có thể hình dung được chiathành 15 mảng trong đó có 11 mảng lớn (vĩ mảng) sau: mảng Âu – Á, mảng châu Phi,mảng châu úc, mảng Philipin, mảng Thái Binh dương, mảng Cocos, mảng Nazca,mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ, mảng Caribe và mảng Nam cực Các mảng lớn lạiđược chia thành các mảng bé hơn (vi mảng) qua các vết đút gãy nông hơn.[1]

Tại vùng phân chia giữa các mảng xuất hiện các biến dạng tương đối trên một vùngkhá hẹp Các biến dạng có thể xảy ra chậm và liên tục hoặc có thể xảy ra một cách độtngột dưới dạng các trận động đất các nhà khoa học đã xác định được ba kiểu biến dạnghoặc ba kiểu chuyển động sau tại các bở biên mảng.[1]

a) Chuyền động tách giãn

Tại một số vùng, các mảng di chuyển rời xa nhau, dung nham nóng chảy trong phần áotrào lên bề mặt quả đất sau đó nguội đi, bồi dần và mở rộng mảng thạch quyển theophương ngang Vùng bờ biên mảng này có tên gọi là vùng gờ mở rộng và thường nằmgiữa các đại dương Ví dụ mảng Bắc Mỹ và Nam Mỹ trượt về phía tây xa dần cácmảng Á- Âu và châu Phi Vùng gờ mở rộng (đứt gẫy) chạy dọc giữa Đại Tây dươngtạo nên các núi lửa ngầm dưới biển; dung nham lỏng tràn lên bề mặt, nguội đi và bổirộng thêm các mảng làm cho Đại Tây dương ngày càng rộng ra Tốc độ chuyển độngtách rời giữa các mảng khoảng 2 đến 18 cm/năm; vùng gờ mở rộng ven Thái Bìnhdương có tốc độ chuyển động lớn nhất.[1]

b) Chuyển động hút chìm

Do kích thước của quả đất giữ nguyên không đổi, nên việc mở rộng các mảng tại một

số bờ biên phải được bù lại bằng việc thu hẹp Gác mảng tại một số bờ biên khác Điềunày đã được quan sát thấy qua chuyển động hút chìm giữa hai mảng kề nhau Có hailoại chuyển động hút chìm:

5 5

Chuyển động trườn: mảng này chuyển động rúc xuống dưới mảng khác Ví dụ mảng

Ấn – Úc rúc xuống dưới mảng Á – Âu làm cho dãy Hymalaya bị đẩy cao dần lên, mỗinăm khoảng 9cm;

Chuyển động rúc đồng quy: hai mảng cung chuyển động rúc xuống Ví dụ, các mảngCocos và Caribe cùng chuyển động hút chìm; xuống theo đứt gãy dọc bờ Tây TrungMỹ

Vùng chuyển động hút chìm thường nằm kề các thềm lục địa Khi tốc độ chuyển độngđồng quy của các mảng lớn, tại vùng biên sẽ xuất hiện các rãnh sâu Khi tốc độ chuyểnđộng đồng qụy chậm, các trầm tích bồi lắng sẽ phủ kín các rãnh sâu.[1]

c) Chuyển động trượt ngang

Chuyển động trượt ngang xuất hiện khi mảng này di chuyền tương đối so với mảngkhác theo phương ngang mà không làm sinh ra một phần vỏ mới hoặc làm mất đi mộtphần vỏ cũ Có hai loại chuyển động ngang:

- Chuyển động trượt tương đối tại đứt gẫy;

- Chuyển động va chạm Ví dụ mảng Á – Âu và mảng châu Phi tiến tại gần nhau gây

ra biến dạng nén ở vùng Địa Trung hải

Trong quá trình các mảng dịch chuyển tương đối so với nhau, biến dạng dần dần đượctích luỹ lại tại các vùng khác nhau của vỏ trái đất Khi vật chất tạo nên vỏ Trái Đất đạttới trạng thái biến dạng tới hạn, sự phá hoại đột ngột xảy ra Thế năng biến dang tứcthời chuyển thành động năng và động đất xuất hiện Như vậy theo thuyết kiến tạomảng, các trận động đất chủ yếu phát sinh tại vùng ranh giới giữa các mảng và chỉ xảy

ra khi nền đá rơi vào trạng thái tới hạn về cường độ dẫn tới bị phá hoại đột ngột Do

đó, các trận động đất tại các vùng biên của các mảng được gọi là động đất rìa mảng.Các trận động đất mạnh xảy ra ở Chilê, Peru, Trung Mỹ, Đông Caribe, Nam Mexico,California, Nam Alaska, Nhật Bản, Đài Loan, Philipin, Indonesia, New Zealand vàvành đai Alpine – Caucase – Hymalaya thuộc loại này.[1]

* Động đất có nguồn gốc từ các đứt gãy

6 6

Khi quan sát địa hình ta thường gặp những sự thay đổi đột ngột trong cấu trúc nền đá

Ở một số chỗ, các vỉa đá có đặc tính khác nhau gối đầu vào nhau hoặc tựa lên nhaudọc theo mặt tiếp xúc giữa chúng Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như vậy được gọi làđút gẫy hoặc phay địa chất

Các đứt gẫy có thể có chiều dài từ vài mét tới hàng trăm kilômét và ẩn sâu vào lòngđất tới vài chục kilômét Chúng có thể được nhận biết qua khảo sát trạng thái địa hìnhtrên mặt đất, nhưng nhiều khi rất khó phát hiện bằng cách quan sát vì đứt gẫy nằm saitrong vỏ quả đất không kéo lên tới bề mặt

Các vết đứt gẫy được chia làm hai loại: hoạt động và không hoạt động Đứt gẫy hoạtđộng là những đứt gẫy mà các khối vật chất ở hai bên mặt đứt gẫy đang chuyển độngtương đối so với nhau, năng lượng biến dạng đàn hồi do quá trình kiến tạo được tíchluỹ và đến môt lúc nào đó sẽ giải phóng đột ngột, gây ra động đất Đứt gẫy không hoạtđộng là các đứt gẫy trong quá khứ đã từng hoạt động, nay không còn chuyển động và

do đó sẽ không gây ra động đất Đứt gãy địa chấn nổi tiếng nhất trên thế giới thuộcloại hoạt động là đứt gẫy San Andreas ỏ California (Hoa Kỳ) Đứt gẫy này có chiềudài 300 km và trượt ngang 6.4 m, từng gây ra trận động đất San Francisco năm 1906

và nhiều trận động đất tiếp sau đó Tốc độ trượt trung bình tại một đứt gẫy hoạt độngthay đổi từ 10 – 100 mm/năm Một số đứt gẫy chuyển động liên tục, một số khácchỉ chuyển động khi động đất xảy ra Các đứt gẫy hoạt động được phân loại dựa trêndạng hình học và hướng trượt tương đối giữa chúng Có thể phân chuyển động tại cácđứt gẫy cũng như dạng đứt gẫy thành các loại sau.[1]

a) Trượt nghiêng:

Sự dịch chuyển xảy ra theo phương song song với độ dốc của đứt gẫy (hoặc vuông gócvới đường mạch ngang là giao tuyến giữa mặt đứt gẫy và mặt nằm ngang) Tuỳ thuộcvào hướng chuyển động tương đối của các mảng nằm hai bên mặt đứt gẫy mà các đứtgẫy được phân loại như sau:

Đứt gẫy bình thường hoặc còn gọi là đứt gẫy thuận: lớp đá cứng phía trên mặt nghiêngcủa đứtt gẫy trượt xuống dưới so với lớp nằm dưới Các đứt gẫy có mặt trượt gầnthẳng đứng cũng có thể xếp vào loại này;

7 7

Đứt gẫy nghịch: lớp đá cứng phía trên mặt đứt gẫy nghiêng trượt lên trên so với lớp đá phía dưới đứt gẫy.[1]

b) Trượt ngang (còn gọi là trượt bằng):

Sự dịch chuyển xảy ra theo phương ngang song song với mạch ngang của đứt gẫy.Chuyển động trượt ngang thường xảy ra tại các đứt gẫy gần thẳng đứng và có quy môlớn Tuỳ thuộc vào hướng chuyển động tương đối của vật chất trên mặt này hay mặtkia của đứt gẫy mà phân loại đứt gẫy như sau:

Đứt gẫy trượt ngang trái (trượt bằng trái): Nếu đứng từ một mảng quan sát thấy mảngkia trượt về phía trái;

Đứt gẫy trượt ngang phải (trượt bằng phải): Nếu đứng từ một mảng quan sát thấy mảng kia trượt về phía phải

Trong một số trường hợp, chuyển động trượt tại các đứt gẫy thường kết hợp giữa nghiêng và trượt ngang, nên các đứt gẫy này được gọi là đứt gãy xiên[1]

* Động đất phát sinh từ các nguồn gốc khác

Động đất còn có thể phát sinh từ các nguyên nhân sau:

- Sự giãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất;

8 8

Thang cường độ động đất:

- Thang cường độ động đất (hay cấp động đất) phụ thuộc vào khả năng nhận thức của con người về mức độ phá hoại công trình xây dựng do động đất gây ra;

- Năm 1878, thang cường độ động đất được Rossi lập;

- Năm 1904, Cancani đã đưa ra một thang độ có định lượng cụ thể trên cơ sở gia tốc nền do trấn động gây ra;

- Năm 1931, hai nhà địa chất học H.O.Wood và F.Neumann xây dựng thang Mercalihiệu chỉnh phân chia cường độ thành 12 cấp;

- Năm 1956, Richter hiệu chỉnh khoảng cách gia tốc cực đại tại thang Mercali hiệu chỉnh thành thang cường độ chính thức áp dụng rộng rãi ngày nay;

- Năm 1964, các nhà khoa học Medvedev, Sponhahure, Karnic đề xuất thang MSK-64,đây là thang cường độ được sử dụng rộng rãi ở các nước Châu Âu [1]

Trong đó: A là biên độ max của trận động đất đang xét do địa chấn kế

* Các thang cường độ động đất khác:

- Thang độ lớn sóng mặt (Ms) [1] đo các biên độ sóng mặt có chu kỳ 20s, thường xảy

ra ở các trận động đất xa khoảng cách tâm trấn trên 2000km Thang đo này đượcGutenberg và Richter đề xuất năm 1936 thường dùng cho các trận động đát trung bìnhtới lớn có độ sâu chấn tiêu nhỏ hơn 70km Biểu thức xác định Ms như sau:

9 9

Ms= logA + 1.66logL + 2.0

10 10

đất)

A là chuyển vị lớn nhất của nền đất khi dao động đo bằng micron

- Thang độ lớn sóng khối (Mb) [1] đo biên độ sóng P có chu kì khoảng 1.0s Thangnày phù hợp với các trận động đất rất sâu với sóng mặt yếu, được Gutenberg đề xuấtvào năm 1945 Thang Mb có thể đo được các trận động đất xa với khoảng cách tâmchấn trên 600km Mb được xác định qua biểu thức sau:

Mb=logA – logT + 0.01L + 5.9

Trong đó: A là biên độ của sóng P đo bằng micron

T là chu kỳ dao động đo bằng (s)

L là khoảng cách chấn tâm đo bằng độ

- Thang độ lớn mômen động đất (Mw) [1] dùng để mô tả độ lớn của các trận động đấtdựa trên cơ cấu phá hoại cắt xảy ra ở nơi phát sinh của chúng Khác với các thang độlớn Richter, độ lớn sóng mặt, độ lớn sóng khối, thang độ lớn mômen động đất là thangduy nhất dựa trực tiếp vào lực tác động gây ra động đất tại nứt gẫy mà không dựa vàobiên độ của các sóng địa chấn Vì vậy thang này có thể sử dụng để đo toàn bộ chuyểnđộng của nền đất

1.1.3 Động đất trên lãnh thổ Việt Nam

- Cấu trúc kiến tạo Việt Nam

Về mặt kiến tạo, lãnh thổ Việt Nam nằm ở một vị trí khá đặc biệt Trên bản đồ kiến tạomảng của vỏ trái đất, lãnh thổ Việt Nam nằm trên một phần lồi của mảng Á-Âu, bị kẹpgiữa ba mảng có mức độ hoạt động mạnh đó là các mảng Châu Úc, mảng Philipin vàmảng Thái Bình Dương Phía tây và phía nam của nước ta là vành đai động Himalaya

và rãnh sâu Java được tạo ra do sự va chạm giữa mảng Châu Úc với mảng Á-Âu, cònphía đông là vành đai lửa Thái Bình Dương và mảng Philipin với mảng Á-Âu

Một số nhà khoa học cho ràng lãnh thổ Việt Nam và khu vực phụ cận đang chịu ảnhhưởng kéo theo của sự va chạm đồng thời của nhiều mảng kiến tạo Những sự va chạmnày khiến dãy núi Hymalaya cao dần lên và làm phần phía nam lục địa Đông Á bị biếndạng và phân chia thành các mảng nhỏ chuyển động theo các hường khác nhau chủyếu là hướng Đông-Đông Nam [1]

- Các đứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam

Kết quả các công trình nghiên cứu khoa học gần đây cho thấy, trên lãnh thổ Việt Namtồn tại một mạng lưới đứt gãy phức tạp, đa dạng về phương, về kiểu trượt, về cấp độ

và lịch sử phát triển Phần lớn đó là đứt gãy sâu giới hạn các miền kiến tạo hoặc cácđơn vị kiến tạo chính trong các miền, một số ít là các đứt gãy lớn phát triển trongphạm vi một vài đơn vị kiến tạo [1]

Thuộc về nhóm đứt gãy phân miền kiên tạo có các nứt gãy sau:

+ Đứt gãy Sông Hồng phân chia miền hoạt động Hoa Nam (Trung Quốc) với đới uốn nếp Tây Bắc Việt Nam;

+ Đứt gãy Sơn La là đứt gãy xung yếu sâu, cổ, có đường đường phương uốn lượn,phân cách phức nếp lõm Sông Đà với phức nếp lồi Sông Mã;

+ Đứt gãy Sông Mã ngăn cách đới phức nếp lồi Sông Mã với miền uốn nếp HecxinitTrường Sơn;

+ Đứt gãy Lai Châu - Điện Biên phân chia miền uốn nếp Thái Lan - Malaysia với cácđới uốn nếp Bắc Việt Nam và địa khối Indosini;

+ Đứt gãy Thà Khẹt (Lào)-Trà Bồng phân chia đới uốn nếp Bắc Việt Nam với địa khối Indosini;

+ Đứt gãy Sông Hậu phân chia miền kiến trúc Hecxinit Tây Nam Bộ và địa khốiIndosini, khống chế địa hòa sông Mekong ở phía Tây Nam Bộ;

+ Các đứt gãy á kim tuyến Tây Biển Đông [1]

Thuộc về nhóm đứt gãy phân chia các đơn vị cấu trúc chính trong các miền kiến tạo có các đứt gãy sau:

+ Đứt gãy Đông Triều, Mạo Khê, Yên Tử là đứt gãy hình vòng cung, kiểu trượt bằngnghịch, độ sâu chấn tiêu lớn khoảng 30km;

+ Đứt gãy Cao Bằng – Tiên Yên kéo dài theo phương Tây Bắc – Đông Nam, từTrung Quốc vào Việt Nam, đóng vai trò khống chế sự phát triển của Mezozoi SôngHiến Đứt gãy này thuộc kiểu trượt bằng, bị chia cắt thành nhiều đoạn;

+ Đứt gãy Linh Sơn – Hạ Long từ Quảng Tây (Trung Quốc) sang Việt Nam chạydọc bở vịnh Hạ Long từ Móng Cái qua Cẩm Phả;

+ Đứt gãy sông Chảy là một đứt gãy sâu xuyên vỏ, chạy theo phương Tây Bắc –Đông Nam, song song với đứt gãy Sông Hồng;

+ Đứt gãy Sông Lô có phương Tây Bắc – Đông Nam, về thực chất một đứt gãy nằmtrong hệ thống đứt gãy sông Hồng – sông Chảy;

+ Đứt gãy Sông Đà chạy dài trên 300km theo phương chủ đạo Tây Bắc – Đông Namnhưng có dạng khúc đoạn tạo bởi các đứt gãy phương Tây Bắc – Đông Nam;

+ Đứt gãy Sông Cả là đứt gãy sâu xuyên vỏ dài 300km có phương chính là Tây Bắc– Đông Nam kéo về phía biên giới Việt – Lào, có cơ chế trượt bằng – phải;

+ Đứt gãy Rào Nậy là ranh giới giữa đới phức nếp lõm Sông Cả và đới phức nếp lồiTrường Sơn, cơ chế trượt bằng – phải;

+ Đứt gãy Dakrong – Huế có phương Tây Tây – Bắc, Đông Đông – Nam là một đớigãy khá lớn hoạt động mạnh;

+ Đới đứt gãy Sông Poco, Tuy Hòa – Dầu Tiếng, Vũng Tàu – Tông Lê Sáp trongmiền địa khối Indosini [1]

- Các trận động đất đã xảy ra tại Việt Nam

Trong lịch sử, các văn bản ghi chép còn giữ được đã cho thấy từ năm 114 đến năm

2003 đã có 1645 trận động đất mạnh từ 3 độ Richter trở lên đã xả ra trên lãnh thổ nước

ta Đó là các trận động đất cấp XIII (6 độ Richter) ở quận Nhật Nam (Bắc Đồng Hới)vào năm 114, các trận động đất cấp VII và cấp VIII (5.5-6 độ Richter) ở Hà Nội vàocác năm 1276, 1278, 1285 động đất cấp VIII-IX (trên 6 độ Richter) ở Yên Định – VĩnhLộc – Nho Quan vào năm 1935, động đất cấp XIII (6 độ Richter) ở Nghệ An vào năm

1821, động đất cấp VII ở Hải Dương vào năm 1137, động đất cấp VII ở Tĩnh Gia –Thanh Hóa năm 1767, các trận động đất cấp VII (5.5 độ Richter) ở Phan Thiết vào cácnăm 1882, 1887…(tất cả các cấp độ động đất trên đều phỏng đoán theo thang MSK-64) [1]

Trong thế kỷ XX từ năm 1903 đến năm 1961 đã xảy ra 46 trận động đất từ cấp V trởlên (theo thang MSK-64) trên lãnh thổ nước ta Riêng tại khu vực Lai Châu, Sơn La,Điện Biên từ năm 1935 đến năm 2001 có nhiều trận động đất lớn xảy ra Một số trậnđộng đất tiêu biểu như sau:

+ Trận động đất xảy ra vào ngày 24/6/1983 có chân tâm năm ở huyên Tuần Giáo.Trận động đất này có độ lớn M=6.7 (theo tháng Richter) và cường độ ở vùng chấn tâmkhoảng cấp VIII (theo thang MSK-64) Trận động đất này gây ra sụt lở lớn ở các dãynúi, vùi lấp 200 ha ruộng, làm chết và bị thương hàng chục người Một số công trìnhxây dựng trong vùng chấn tâm đã bị phá hoại Nền đất bị nứt rộng 10 cm và dài tới20km Chấn động của trận động đất này đã lan sang các khu vực khác như thị xã LaiChâu, Thuận Châu, Tủa Chùa, Quỳnh Nhai, thị xã Sơn La Tại Hà Nội trận động đấtnày gây ra cường độ khoảng cấp V-VI theo thang MSK-64, gây rạn nứt nhà cửa ở mộtvài khu vực [1]

+ Trận động đất tại Điện Biên Phủ xảy ra vào ngày 19/2/2001 có độ lớn M=5.3 độRịchter Chấn tâm của trận động đất nằm tại vùng núi Nam Oun của Lào , cách thị xãĐiện Biên 15 km, với độ sâu chấn tiêu khoảng 12 km Chấn động ở vùng chấn tâm đạttới cấp VII – VIII theo thang MSK-64 ở Hua Pe (thuộc tỉnh Lai Châu) gần biên giớiViệt Lào chuyển động địa chấn làm sập mái hầm kèo, gây nứt ở sườn dốc, sàn nhà và

lở các bậc thềm xếp bằng đá hộc Đập Pe Luông cách chấn tâm 10 km về phía Đông bịnứt vai đập và phần tiếp xúc giữa đập với tràn Suối nước nóng Hua Pe nóng lên và có

sự thay đổi về khoáng chất Tại thị xã Điện Biên nằm trong vùng động đất cấp VIItheo thống kế có hơn 130 ngôi nhà phải xây dựng lại, 1044 ngôi nhà phải sửa chữa và

2044 ngôi nhà bị hư hỏng nhẹ Sau chấn động chính có hàng trăm dư chấn tiếp tục xảy

ra trong đó có nhiều dư chấn mạnh Trận động đất này được gây ra bởi hoạt động củađới đứt gãy sâu Lai Châu – Điện Biên, chính hoạt động của đứt gãy này cũng đã gây ratrận động đất ở Lai Châu 7/1914, động đất Điện Biên Phủ năm 1920, các trận dộng đấttại Lai Châu vào các năm 1993, 2001 [1]

Theo thống kê, từ trước đến nay ở Việt Nam đã xảy ra 2 trận động đất cấp VIII, 11trận động đất cấp VII và 60 trận động đất cấp VI (theo thang MSK-64) Phần lớn cáctrận động đất này đều xảy ra ở các tỉnh phía Bắc dọc theo các vết nứt gãy vùng sôngHồng, sông Chảy, sông Cả, Lai Châu – Điện Biên và nói chung đều có độ sâu chấntiêu nông (H=10-20km) nên vùng ảnh hưởng hẹp [1]

Hình 1.1 Một số hình ảnh về hậu quả của động đất gây ra ở Việt Nam(nguồn:internet)

- Một số kết quả nghiên cứu động đất đã đạt được

Ở Việt Nam, tới năm 1986 đã có tất cả 8 trạm quan trắc địa chấn Các trạm quan trácnày được xây dựng và hoạt động ở các thời điểm khác nhau: Phú Diễn (1924), NhaTran (1957), Sapa (1961), Bắc Giang (1967), Hòa Bình (1972), Tuyên Quang (1975),

Đà Lạt (1980), Hà Nội (1986), … Từ năm 1986 đến năm 1995 nhờ có dự án củaUNDP, mạng lưới trạm địa chấn Việt Nam đã được tăng cường và hiện đại hóa Đếnnay chúng ta đã có 26 trạm địa chấn chu kỳ ngắn, ghi số trong đó có hệ thống trạm địachấn đo xa gồm 8 trạm xung quang Hà Nội Có thể nói trước năm 1975 mạng lướitrạm quan trắc động đất còn thưa, hoạt động không đồng bộ nên chưa có sự hiệu quảcao trong quan sát động đất ở nước ta Do đó việc ghi lại các trận động đất xảy trênlãnh thổ nước ta chưa đầy đủ và có chấn lượng, các máy đo chỉ đo được các trận động

đất yếu hoăc dư chấn động đất mạnh Vì vậy phần lớn các số liệu địa chấn được thuthập từ việc điều tra thực địa và tài liệu lịch sử [1]

Để phục vụ cho các yêu cầu về thiết kế, tính toán kháng chấn các công trình xây dựng,

cơ sở dữ liệu động đất trên lãnh thổ Việt Nam đã được xây dựng, từng bước hoànthiện Từ đầu những năm 60 của thế kỷ XX, công tác phân vùng động đất trên lãnh thổnước ta đã được tiến hành với sự giúp đỡ của chuyên gia nước ngoài Trong nhiềunăm, bản đồ này đã trở thành tài liệu quan trọng phục vụ cho công tác quy hoạch vàxây dựng các công trình kinh tế và quốc phòng Các phân đồ sơ đồ phân vùng động đấtViệt Nam đã được thiết lập theo nguyên tắc “ địa chấn thống kê”, chỉ nghiên cứu vàthể hiện bản đồ hệ quả chấn động do động đất gây ra trên mặt đất mà không biết đượcnguồn phát sinh cũng như các thông số của chuyển động nền đất rất cần cho việckháng chấn cho công trình Để khắc phục được nhược điểm này, năm 1976 Nhà nước

đã đưa đề tài phân vùng động đất trên lãnh thổ Việt Nam vào chương trình Atlas quốcgia và năm 1980 lại đưa ra chương trình hợp tác khoa học giữa Viện Khoa học ViệtNam và Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô và giao cho Viện Vật lý địa cầu – Viện Khoahọc Việt Nam thực hiện Công trình đã được hoàn thành vào năm 1985 và năm 1989cho công bố bản đồ phân vùng động đất Việt Nam tỉ lệ 1/2.000.000 Để tiếp tục hoànthiện bản đồ phân vùng động đất, năm 1992 Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường

đã giao cho Viện Vật lý địa cầu thực hiện đề tài câp Nhà nước “ Cơ sở dữ liệu cho cácgiải pháp giảm nhẹ hậu quả động đất ở Việt Nam” Kết quả nghiên cứu của đề tài này

là các bản đồ phân vùng động đất với chu kỳ lặp lại T=200, 500, 1000 năm và bản đồphân vùng chấn động cực đại Imax trên lãnh thổ Việt Nam tỷ lệ 1:1.000.000 (1996).[1]

Để hoàn thiện hơn các bản đồ dự báo về mức độ nguy hiểm động đất trên lãnh thổ ViệtNam và tiếp cận bước đầu với phương pháp dự báo động đất về thời gian phát sinh từnăm 2000 Bộ Khoa học Công nghệ đã giao cho Viện Vật lý Địa cầu triển khai đề tài

“Nghiên cứu dự báo động động đất và dao động nền ở Việt Nam” Một trong các kếtquả nghiên cứu của đề tài này là bản đồ dự báo cường độ chấn động cực đại, bản đồphân vùng gia tốc nền cực đại amax và các bản đồ phân vùng gia tốc nền với xác suấtvượt quá 10% trong các khoảng thời gian 20, 50, 100 năm Dựa trên các kết quả

nghiên cứu này, Viện Vật lý Địa cầu đã cung cấp phân vùng gia tốc nền lãnh thổ ViệtNam chu kỳ lặp lại 500 năm trên nền loại A Như vậy với các kết quả nghiên cứu này,chung ta đã có các cơ sở dữ liệu cần thiết để thực hiện việc kháng chấn cho các côngtrình xây dựng trong các vùng có động đất tại Việt Nam [1]

1.2 Kết cấu thép và các đặc trưng vật liệu

1.2.1 Tổng quan về kết cấu thép

Từ thế kỷ 19, thép đã bắt đầu được xác định là một trong những vật liệu hàng đầu vàđáng tin cậy cho những công trình lớn Ngay từ khi thép được dùng trong xây dựng thìdầm thép cán nóng và dầm thép tổ hợp đã cạnh tranh với nhau về phương diện linhhoạt và kinh tế Cho đến đầu thế kỷ 20, các kỹ thuật cán thép mới bắt đầu phát triển:dầm cán nóng cao nhất ở Mỹ năm 1900 là 610m; dầm cán nóng ở Châu Âu cao 1m lầnđầu tiên được sản xuất tại Luxembourg năm 1911 [2]

Các chuyên gia và nhà thiết kế ngày càng nhận thấy rằng: khi kết cấu khung được làmbằng các cấu kiện có tiết diện không đổi như dầm thép cán nóng sẽ gây lãng phí mộtkhối lượng vật liệu đáng kể do ứng suất ở các vị trí khác nhau trên dầm sẽ rất khácnhau trong khi ta dùng một loại tiết diện trên suốt chiều dài thanh Mặt khác, thiết diệnthép cán nóng thường có bề dày bản bụng lớn hơn rất nhiều so với yêu cầu chịu lựccủa nó Vì vậy việc phát triển và sử dụng loại dầm thép tổ hợp ngày một nhiều hơn,với dầm thép loại này người ta có thể dễ dàng điều chỉnh kích thức các bản thép để tiếtdiện hợp lý và thay đổi tiết diện dầm có thể được một kết cấu hợp lý, tiết kiệm vật liệu.Ban đầu, nhà xưởng sử dụng khung thép nhẹ được thiết kế và sản xuất còn cứng nhắc,chưa linh hoạt trong việc bố trí kết cấu và hình dạng cấu kiện Về sau cùng với sự pháttriển của công nghệ sản xuất thép hình thành mỏng, của vật liệu hợp kim nhôm và cácphần mềm máy tính ngày càng hiện đại hơn đã thay đổi được những hạn chế này Điềunày phù hợp với việc nền kinh tế phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia dẫn đến nhu cầucác công trình xây dựng nhà thép tiền chế không những đòi hỏi chất lượng cao hơn,linh hoạt hơn mà còn đảm bảo tính thẩm mỹ [2]

Với đường nối công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, xây dựng nền kinh tế độc lập

tự chủ, đưa nước ta thành một nước công nghiệp, Đảng và Nhà nước đã có nhữngchính sách mở cửa nền knh tế, ưu tiên đầu tư phát triển các khu công nghiệp tập trungnhằm thu hút vốn đầu tư nước ngoài, sản xuất hàng hóa phục vụ trong nước và đẩymạnh xuất khẩu Hàng loạt khu công nghiệp, các nhà máy mới đã và đang được xâydựng trên khắp đất nước ta như Khu công nghiệp Bắc Thăng Long–Nội Bài, Khu côngnghiệp Sài Đồng, Bình Dương, Láng – Hòa Lạc, khu chế xuất Tân Thuận,…

Trước đây, ở nước ta, khi thiết kế khung thép vượt nhịp lớn, phương pháp truyềnthống là dùng dạng dàn tổ hợp bằng thép góc Phương pháp này tuy giải quyết đượcvấn đề chịu lực, tiết kiệm vật liệu nhưng chiều cao dàn quá lớn, tốn công chế tạo vàlắp dựng

Để khắc phụ khắc phục được những nhược điểm của khung thép truyền thống, hiệnnay khoảng 70% các công trình công nghiệp ở quen thuộc ở Việt Nam đều sử dụngmột trong những dạng khung thép nhẹ quen thuộc là kết cấu khung dầm đặc tổ hợphàn tiết diện chữ I, trong đó cột và dầm có tiết diện thay đổi tuyến tính theo theo chiềudài cấu kiện (vát) Loại khung này có trọng lượng và kích thước rất gọn nhẹ và đadạng về hình thức Toàn bộ các cấu kiện, bộ phận đều được thiết kế và sản xuất đồng

bộ tại nhà máy và đem và đem ra lắp dựng ngoài công trường Khi vận chuyển đếncông trường, chỉ cần thao tác lắp dựng để tạo nên một công trình hoàn chỉnh, do vậy

dễ kiểm soát được chất luợng, tính chuyên nghiệp hoá cao, giảm thiểu được thời gianthi công công trình [2]

Trong những năm gần đây việc sử dụng kết cấu thép đã phát triển nhanh chóng thaythế dần cho kết cấu bê tông cốt thép trong xây dựng các nhà máy công nghiệp, các tòanhà cao tầng và các công trình công cộng Ở Việt Nam quá trình phát triển của kết cấuthép trong xây dựng dân dụng và công nghiệp trải qua các thời kỳ chính như sau:

nhịp lớn như hội trường, rạp hát đều sử dụng kết cấu thép Ví dụ Nhà hát lớn Hà Nội

có kết cấu xây dựng hoàn toàn bằng gạch và thép, không có bê tông cốt thép ngoài racòn có các nhà xưởng lớn bằng thép được xây dựng trong thời kỳ này như: nhà máy xelửa Gia Lâm, nhà máy rượu Hải Dương,… Công nghệ và hình thức kết cấu là ở vàotrình độ đương đại: thép cacbon thấp, liên kết đinh tán, thép cán cỡ nhỏ, sơ đồ kết cấu

cổ điển [2]

- Trong những năm 50 và 60

Trong giai đoạn này thép là vật liệu hiếm có và quý giá, do hoàn toàn nhập từ các nước

Xã hội chủ nghĩa mà tại các nước này vật liệu thép cũng rất quý và hiếm Do đó chỉdùng thép cho những nhà xưởng lớn, có cột cao nhịp rộng Điển hình là nhà xưởng củaKhu liên hợp Gang thép Thái Nguyên và nhà máy Supe Phốt phát Lâm Thao, việc sửdụng kết cấu thép nên việc thi công nhà máy này đã hoàn thành sớm hơn so với việc

sử dụng kết cấu bằng bê tông Sơ đồ hệ thống thông dụng là: dàn gồm các thép góc,cột và dầm tổ hợp tấm và thép cán; liên kết hàn, không dùng đinh tán [2]

- Trong thập kỷ 70 và 80

Công tác xây dựng chủ yếu là khôi phục các công trình bị phá hoại, xây dựng nhữngnhà xưởng máy mới loại nhẹ Áp dụng rộng rãi sơ đồ kết cấu hỗ hợp cột bê tông vàdàn thép Bắt đầu sử dụng nhiều kết nhiều kết cấu thép tiền chế nhập từ nước ngoài.Điển hình là loại khu kho Tiệp đó là khung nhịp 12 đến 15m, dàn bằng thép ống, cộtthép cán tổ hợp và xà gồ là cấu kiện thành mỏng cán nguội, khung này nguyên để là đểlàm kho cỏ sang Việt Nam đã được cải tạo để làm kết cấu cho nhà xưởng có cửa trời

và cầu trục, nhà thể thao và ga hàng không Ở Việt Nam trong thời kỳ này, kỹ thuậtxây dựng đã được phát triển nhanh chóng với sự giúp đỡ của phương Tây Các xuhướng thiết kế giống như phương Tây: thép đã được áp dụng rộng rãi trong các côngtrình công nghiệp, xưởng đóng tàu, nhà cao tầng, ga máy bay [2]

- Từ những năm 90 đến nay

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và của ngành xây dựng, việc sửdụng thép đã tăng nhanh Hầu hết các nhà xưởng là làm hoàn toàn hay đại bộ phận là

kết cấu thép Những mái nhà nặng nề bằng bê tông cốt thép đã ít xuất hiện thay thế dầnbằng mái tôn nhẹ trên xà gồ thành mỏng Không còn xuất hiện dàn bên tông cốt thép,dầm mái bê tông cốt thép đúc sẵn một thời phát triển [2]

Nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về việc sử dụng kết cấu thép thay thế là do:

+ Giá cả vật liệu thép không còn là vấn đề được đặt lên đầu nó chỉ chiếm khoảng50% giá trị của kết cấu Không nhất thiết phải cố giảm trọng lượng vật liệu đi, để ảnhhưởng đến phí tổn chế tạo và dựng lắp và làm chậm thời gian hoàn thành xây dựng.+ Công nghệ chế tạo đã tiên bộ, đặc biệt trong việc căt và hàn, việc tạo hình nguội.Nên việc chọn những kết cấu thuận tiện cho việc vận chuyển lắp dựng như tổ hợp hàn

để thay thế cho dàn thép rỗng, trước đây hay dùng vì dễ chế tạo nhưng khó khăn trongvận chuyển và làm tốn chiều cao nhà

Một loại hệ thống kết cấu được áp dụng nhiều nhất là hệ thống nhà tiền chế, xuất phát

từ Mỹ Cơ sở lý luận của hệ thống này, như ta đã biết yêu cầu việc hợp lý hoàn thiệntrong thiết kế, chế tạo và lắp dựng của mỗi loại công trình nhất định Ở Việt Nam đã

có hàng trăm nhà xưởng, nhà làm việc, nhà thi đấu được xây dựng theo phương phápnày Đầu tiên là các công ty nước ngoài mang vào và chế tạo tạo Việt Nam, đến naynhiều nhà máy, doanh nghiệp đã chế tạo thành công loại hệ thống này với trình độkhác nhau Sơ đồ kết cấu thông dụng nhất là: khung cứng bản đặc, gồm cột vát chânkhớp nối cứng với dầm cũng thay đổi chiều cao; các kết cấu thứ yếu đều được tiêuchuẩn hóa [2]

Với đường nối công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, xây dựng nền kinh tế độc lập

tự chủ, đưa nước ta thành một nước công nghiệp, Đảng và nhà nước đã có nhữngchính sách mở cửa nền knh tế, ưu tiên đầu tư phát triển các khu công nghiệp tập trungnhằm thu hút vốn đầu tư nước ngoài, sản xuất hàng hóa phục vụ trong nước và đẩymạnh xuất khẩu Hàng loạt khu công nghiệp, các nhà máy mới đã và đang được xâydựng trên khắp đất nước ta như Khu công nghiệp Bắc Thăng Long–Nội Bài, Khu côngnghiệp Sài Đồng, Bình Dương, Láng – Hòa Lạc, khu chế xuất Tân Thuận,…Cùng với

sự xây dựng nhiều nhà nhịp lớn như hội trường, nhà triển lãm, nhà thi đấu, bắt đầuphát triển nhanh loại kết cấu tinh thể, thường được gọi đơn giản là dàn không gian Có

thể kể: nhà ga hàng không Nội Bài, nhà thi đâu Nam Định, nhà biểu diễn Tuần Châu,

Hạ Long… Trong giai đoạn này ngoài các nhà thi đấu hay hội trường cũng có nhiềucông trình nhà cao tầng trên 30 tầng được xây dựng tại TP Hồ Chí Minh mở đầu chogiai đoạn phát triển nhà cao tầng bằng thép ở Việt Nam Ngoài ra ngành Xây dựng dândụng và công nghiệp ra trong các ngành xây dựng khác cũng đã có nhiều công trình có

sử dụng kết cấu thép như trong việc xây dựng cầu thép, tháp thông tin vô tuyến và cộttải điện; và các công trình như xây bể chứa dầu, chứa khí các công trình dàn khoancông trình bảo vệ thềm lục địa ở Núi Bà Đen, Vũng Tàu [2]

1.2.2 Đặc điểm của nhà công nghiệp

Hệ kết cấu chịu lực trong nhà công nghiệp bao gồm: khung ngang, móng, dầm cầutrục, hệ giằng, trong đó kết cấu chịu lực chính là khung ngang Tùy theo vật liệu khungngang có thể có thể là khung bê tông cốt thép, khung thép và khung liên hợp (cột bêtông cốt thép, xà ngang bằng thép) Khung ngang bằng thép có ưu điểm là trọng lượngnhẹ, thi công nhanh, nhưng giá thành cao hơn so với khung bằng bê tông cốt thép.[3]

Từ các điều kiện kinh tế kỹ thuât, kết cấu thép áp dụng hợp lý và có hiệu quả cho nhàcông nghiệp trong các trường hợp sau:

Nhà có độ cao lớn, nhịp rộng, bước cột lớn, cầu trục nặng

Dùng khung thép cho nhà có cầu trục chế độ làm việc rất nặng, nhà chịu tải trọng độngliên tục là rất hợp lý vì kết cấu thép làm việc chịu tác động lặp của tải trọng động lực

an toàn hơn các kết cấu khác

Nhà trên nền đất lún không đều, vì kết cấu thép vẫn chịu lực tốt trong điều kiện mónglún không đều

Nhà xây dựng tại những vùng sâu vùng xa, điều kiện vận chuyển khó khăn [3]

Trước đây, trong kết cấu mái của nhà công nghiệp thường dùng tấm lợp panen bê tôngcốt thép Hệ khung thép đỡ kiểu mái này thường bao gồm cột tiết diện thay đổi và dàn

vì kèo Loại khung này có trọng lượng lớn, kích thước cồng kềnh nên việc vận chuyển

và lắp dựng gặp khó khăn, chi phí chế tạo cao, tốn kém vật liệu, do đó làm tăng đáng

kể chi phí xây lắp, hiệu quả kinh tế thấp Trong thời gần đây, kết cấu khung thép nhẹđược áp dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng nhất là trong các công trình côngnghiệp Do yêu cầu sử dụng và công năng của công trình, kết cấu khung thép nhẹ cóthể có dạng một hoặc nhiều nhịp, một tầng hoặc nhiều tầng Cấu tạo của khung có thếkhác nhau tùy thuộc vào nhà có hay không có cần trục, cần trục đặt lên vai cột hay bốtrí trong phạm vi mái của công trình Loại khung có cấu tạo đơn giản và phổ biến nhất

là khung một tầng, một nhịp, với cột và xà ngang có tiết diện không thay đổi hoặc thayđổi Vật liệu lợp mái thường là tôn mạ hoặc sơn sẵn có trọng lượng nhẹ [3]

Nhìn chung, kết cấu nhà công nghiệp cũng như nhà dân dụng khi thiết kế phải đáp ứngđược yêu cầu cơ bản về sử dụng và tính kinh tế Trong đó yêu cầu về sử dụng là yêucầu quan trọng nhất, được thể hiện ở các điểm sau:

Kết cấu phải có đủ độ bền, độ cứng và tuổi thọ theo thiết kế Điều này phụ thuộc vàođặc điểm của tải trọng tác dụng lên công trình Ngoài ra cần kể đến các tác động củamôi trường sản xuất như: nhiệt độ, các tác nhân ăn mòn như hóa chất, độ ẩm,…

Việc lắp đặt các thiết bị máy móc phải thuận tiện Điều này liên quan đến cách bố trícác lưới cột, hướng di chuyển của các thiết bị nâng cẩu, hệ giằng, Để các thiết bịnâng cẩu như cầu trục có thể hoạt động bình thường thì phải có đủ độ cứng dọc vàngang

Đảm bảo tốt các điều kiện thông gió và chiếu sáng tự nhiên cũng như nhân tạo để quátrình sản xuất diễn ra thuận lợi Điều này phụ thuộc vào kích thước nhịp nhà, nhịp cửatrời, …[3]

Ngoài các yêu cầu sử dụng là yêu cầu cơ bản nhất thì yêu cầu kinh tế cũng là một yêucầu quan trọng trong thiết kế nhằm mục đích giảm thiểu tối đa chi phí cho công trình(bao gồm chi phí thiết kế, chi phí vật liệu và chế tạo, chi phí xây lắp, bảo dưỡng kếtcấu,…) Để đạt được hiệu quả kinh tế, người kỹ sư thiết kế cần lựa chọn giải pháp kếtcấu hợp lý, phải chọn loại vật liệu phù hợp, tận dụng tối đa tính công nghiệp hóa vàđịnh hình hóa trong các giai đoạn thiết kế, gia công chế tạo, thi công lắp dựng kết cấu.[3]

1.2.3 Đặc trưng vật liệu thép trong Tiêu chuẩn Việt Nam

Vật liệu thép dùng cho kết cấu phải được lựa chọn cho phù hợp với tính chất quantrọng của công trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trưng của tải trọng, phươngpháp liên kế

Dưới đây, giới thiệu các mác thép dùng trong xây dựng, được chỉ dẫn trong tiêu chuẩnViệt nam

- Thép cacbon thấp cường độ thường

Thép cacbon thấp cường độ thường (giới hạn chảy fy ≤ 290 N/mm2) được lấy theoTiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765:1975, gồm hai loại chính: loại thép cacbon thôngthường với hàm lượng cacbon từ 0,14% 0,22%, là thép sôi hoặc nửa tĩnh và thépcacbon thông thường có thêm hàm lượng mangan 0,8% 1,1% Tùy theo yêu cầu sửdụng các thép này dược chia làm ba nhóm:

+ Nhóm A: thép được đảm bảo chặt chẽ về tính chất cơ học;

+ Nhóm B: thép được đảm bảo chặt chẽ về thành phần hoá học;

+ Nhóm C: thép được đảm bảo về tính chất cơ học và cả thanh phần hoá học

Vì thép làm kết cấu chịu lực phải bảo đảm cả về độ bền và tính dễ hàn, chịu được tácđộng xung kích, nên chỉ được dùng thép nhóm C

Căn cứ vào yêu cầu về độ dai va đập (độ dai xung kích), thép cacbon thấp lại đượcchia làm sáu hạng Ví dụ hạng 2 không cần bảo đảm độ dai va đập; hạng 6 phải bảođảm độ dai va đập cần thiết sau khi bị hoá già cơ học, hạng 5 phải bảo đảm độ dai vađập ngay cả ở nhiệt độ thấp Tiêu chuẩn cho phép dùng trong xây dựng ba hạng: thépsôi hạng 2, thép nửa tĩnh hạng 6, thép nửa tĩnh có mangan và thép tĩnh hạng 5

% ,2

250

24

21

Bảng 1.1 Đặc trưng cơ học của thép cacbon thấp

(theo TCVN 1765:1975)

Các ký hiệu trên mác thép có ý nghĩa như sau: CT có nghĩa là cacbon thường, con số

đi sau chỉ độ bền kéo đứt (N/mm2), chữ s chỉ thép sôi (hoặc n là nửa tĩnh, nếu là théptĩnh thì không ghi gì) Thí dụ CT38nMn là thép cacbon thường, có độ bền kéo đứt là

380 (N/mm2), thép nửa tĩnh, có thêm nguyên tố mangan Trong mác thép, hạng thépđược ghi ở cuối cùng, thí dụ CT38n2

22

21C

Bảng 1.2 Cường độ tiêu chuẩn f y , f u và cường độ tính toán f

của thép cacbon thấp (theo TCVN 5709 : 1993)

Thép dùng trong kết cấu thép thuộc nhóm C nên ở đầu mác thép có thêm ký hiệu C, thídụ: CCT34, CCT38, CCT42 Tiêu chuẩn Việt Nam giành riêng cho thép cacbon thấpdùng cho kết cấu thép có số hiệu TCVN 5709:1993 Trong tiêu chuẩn này không ghi

rõ thép sôi, tĩnh, hay nữa tĩnh mà quy định độ dai va đập cho từng loại

- Thép cường độ khá cao

Là thép cacbon thấp mang nhiệt luyện hoặc thép hợp kim thấp Giới hạn chảy (310 400) N/mm2, giới hạn bền (450 540) N/mm2 Các thép hợp kim thấp thông dụngcho kết cấu xây dựng lấy theo TCVN 3104:1979, có 6 loại: 09Mn2, 14Mn2, 16Mn2Si,09Mn2Si, 10Mn2Si1, 10CrSiNiCu

Ý nghĩa ký hiệu như sau: đầu tiên là con số chỉ phần vạn của hàm lượng cacbon, tiếptheo là các thành phần hợp kim: mangan, silic, crôm, niken, đồng, Con số đứng sauchỉ số phần trăm của chất đứng trước nó, nếu tỷ lệ hợp kim lớn hơn 1%

f fu

fyf

46

33

31– – –

50

35

33

48

34

321

- Thép cường độ cao

Gồm các loại thép hợp kim có nhiệt luyện, giới hạn chảy cao trên 440 N/mm2 và giớihạn bền trên 590 N/mm2 như các mác 16Mn2NV, 12Mn2SiMoV,

Dùng thép cường độ cao, tiếp kiệm được vật liệu tới 25 30%.

1.2.4 Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Eurocode

Thép kết cấu sử dụng trong thiết kế theo tiêu chuẩn EN 1993-1-1:2005 được lấy theobảng 1.5 và bảng 1.6 (trích từ bảng 3.1 EN 1993-1-1:2005) Đối với vật liệu thép khác

và sản phẩm được xem trong phụ lục quốc gia Các mác thép thường dùng là S235,S275, S355, S450, con số đi sau để chỉ giới hạn chảy của thép (N/mm2)

Giá trị danh nghĩa của cường độ chảy fy và cường độ giới hạn bền fu cho kết cấu thépphải được lấy bằng cách sử dụng các trị số đơn giản hóa trong bảng 1.5

fy

Bảng 1.6 Giá trị danh nghĩa của giới hạn bền f u và giới hạn chảy f y

của thép tiết diện rỗng.

Độ dãn dài khi phá hoại trong một đoạn dài bằng 5, 65 A0 (trong đó A0 là tiết diệnmặt cắt ngang nguyên thủy) nó không nhỏ hơn 15%.

Biến dạng cuối cùng phải ít nhất là 15 lần biến dạng dẻo y, (trong đó y tương ứng với cường độ fy.

Các số hiệu thép được liệt kê trong bảng 1.7 là được chấp nhận đáp ứng các yêu cầunày

Giá trị thiết kế của các hằng số vật liệu thép

Hệ số Poisson: = 0,3

Hệ số giãn nở nhiệt: = 12.10-6 (1/K) với t 1000 C

Chú ý với việc tính toán ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ đối với kết cấu bê tông cốt thép theo EN 1994 lấy hệ số nở nhiệt là = 10.10-6 (1/K)

Thép hình chữ I có tiết diện đối xứng, có mômen kháng uốn đối với trục x-x khá lớnnên rất thích hợp với cấu kiện chịu uốn phẳng như: dầm sàn, dầm sàn công tác, dầmcầu, xà ngang,

Thép hình chữ [ do có tiết diện không đối xứng nên khi chịu uốn phẳng có thêm hiệntượng xoắn và do không phải cấu kiện hợp lý khi chịu uốn Nhưng do thép hình chữ[ có cánh rộng (chịu uốn xiên rất tốt) và có mặt ngoài phẳng (dễ liên kết với cáccấu kiện khác) nên thường dùng làm xà gồ mái nhà, dầm tường, dầm sàn khi nhịp vàtải trọng bé,

Các thép cán phổ thông hình chữ I, và chữ [ có chiều dày bản bụng còn khá lớn so vớicác yêu cầu của cấu kiện chịu uốn cho nên dùng chúng để làm cột hoặc xà ngang thìnặng và tốn thép Nhưng tiết diện thép hình có ưu điểm cơ bản là có cấu tạo đơn giản,chi phí cho chế tạo dầm không đáng kể và do đó giá thành của thép định hình khôngcao hơn giá thành của của tiết diện tổ hợp Trong thiết kế nếu thép hình đủ khả năngchịu lực thì nên dùng thép hình

Ngày nay công nghệ luyện kim đã sản xuất được những thép hình cỡ lớn có thể làmđược dầm có môđun kháng uốn W tới 13000 cm3 nên phạm vi sử dụng thép hình được

mở rộng hơn nhiều Nhằm mục đích tiết kiệm kim loại, giảm nhẹ trọng lượng, trongthời gian gần đây nhiều loại thép hình cán có chiều dày mỏng, cánh rộng hơn và nhiềuloại thép hình thành mỏng dập từ thép bản đã được sản xuất Dùng các loại thép này sẽ

có hiệu quả kinh tế cao hơn

- Tiết diện thép tổ hợp

Tiết diện thép tổ hợp làm từ các bản thép và các thép hình Nếu dùng liên kếthàn để liên kết các bộ phận gọi là tiết diện tổ hợp hàn, cón nếu dùng bulông hoặc đinhtán để liên kết các bộ phận của dầm được gọi là tiết diện tổ hợp đinh tán hoặc bulông

So với tiết diện tổ hợp đinh tán thì tiết diện tổ hợp hàn tốn ít vật liệu hơn, nhẹhơn, chi phí cho chế tạo ít hơn và do đó được dùng phổ biến hơn Tiết diện tổ hợp đinhtán chịu tải trọng động và chịu ảnh hưởng của chấn động tốt hơn tiết diện tổ hợp hànnên thường dùng làm dầm cầu trục loại lớn và chế độ làm việc nặng hoặc rất nặng

Tuy vậy, do quy trình sản xuất chế tạo tiết diện tổ hợp đinh tán rất phức tạp và tốn kémnên hiện nay bulông cường độ cao dần được thay thế cho đinh tán.

Hình 1.3 Tiết diện dầm tổ hợp.

a) dầm tổ hợp hàn; b) dầm tổ hợp bulông hoặc đinh tán.

1.3 Hiện trạng tính toán công trình chịu động đất

- Giai đoạn thời kỳ xây dựng 1954-1976:

Giai đoạn này, chủ yếu là các công trình nhà ở và thường là thấp tầng, từ 1 đến 5 tầng.Kết cấu chịu lực của nhà thường là tường xây gạch hoặc khung bê tông cốt thép, sànpanel hay sàn bê tông cốt thép toàn khối Những năm từ 1960 đến 1976 xuất hiện thêmcác nhà có giải pháp kết cấu lắp ghép: tấm nhỏ, tấm lớn và cả khung lắp ghép, nhưngchỉ có loại nhà lắp ghép tấm lớn là phổ biến nhất Kết cấu tấm lắp ghép lúc đầu là bêtông xỉ, dùng cho nhà 1 đến 2 tầng Sau đó là bằng bê tông cốt thép, dùng cho nhà caotầng từ 4 đến 5 tầng Với giải pháp kết cấu nhà lắp ghép tấm lớn đã hình thành nên cáckhu chung cư: An Dương, Phúc Xá, Bờ sông (từ 1 đến 2 tầng); Kim Liên, NguyễnCông Trứ (từ 4 đến 5 tầng); Yên Lãng, Trương Định (2 tầng); Trung Tự, KhươngThượng, Giảng Võ, Vĩnh Hồ (từ 4 đến 5 tầng) Giai đoạn này, hầu hết các công trìnhnhà đều là thấp tầng và không được thiết kế kháng chấn

- Giai đoạn thời kỳ xây dựng 1976-1986

Tại Hà Nội, Hải Phòng, Vinh, Phúc Yên, Việt Trì và một số thành phố, thị xã ở miềnBắc xây dựng phổ biến loại nhà lắp ghép tấm lớn Chính trong một số loại nhà lắp

ghép tấm lớn này đã được tính toán để chịu được động đất Điển hình cho các loại nhà

đã được tính toán chịu động đất trong giai đoạn này là mẫu nhà lắp ghép tấm lớn IW

do Đức thiết kế và mẫu nhà lắp ghép tấm lớn LV do Liên Xô thiết kế Các mẫu nhànày được thiết kế theo tiêu chuẩn của Đức và Liên Xô, có khả năng chịu được độngđất cấp tới 8 (theo thang MSK - 64) Nhà cao tầng đầu tiên do Việt Nam thiết kế cótính toán chịu động đất là nhà 11 tầng Giảng Võ (Khách sạn Hà Nội) Công trình nhànày có giải pháp kết cấu khung vách và sàn bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ, thiết kếkháng chấn theo tiêu chuẩn của Liên Xô, chịu được động đất đến cấp 7 (theo thangMSK - 64)

Trong thời kỳ này thiết kế kháng chấn chỉ đặt ra đối với các công trình quan trọnghoặc có ý nghĩa về mặt lịch sử như: Đài tưởng niệm các anh hùng, liệt sỹ ở Hà Nội;Nhà máy Thuỷ điện Thác Bà; Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh; cầu Thăng Long; Nhà máyThuỷ điện Hoà Bình và các công trình dân dụng khác do các nước bạn xây dựnggiúp chúng ta như: Bệnh viện phụ sản Hà Nội, Bệnh viện nhi Thụy Điển

Hầu hết các công trình được thiết kế kháng chấn đều ở khu vực miền Bắc ở miền Namphần lớn các công trình được xây dựng trước đây đều chưa quan tâm đến vấn đề khángchấn

- Giai đoạn thời kỳ xây dựng 1986-1997

Đây là giai đoạn đầu của thời kỳ đổi mới Một số dự án đầu tư của nước ngoài đượctriển khai ở Việt Nam Làn sóng đầu tư lần thứ nhất của nước ngoài vào những năm

1990 đã tạo điều kiện thúc đẩy công nghiệp xây dựng ở Việt Nam phát triển Nhiềucông nghệ xây dựng mới đã được đưa vào áp dụng, như công nghệ cọc khoan nhồi, bêtông thương phẩm, đổ bê tông bằng bơm phun, sàn dự ứng lực (DƯL) tạo điều kiệncho xây dựng nhà cao tầng phát triển Nhà cao tầng được xây dựng ngày một nhiều,nhất là ở Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội Các nhà cao tầng thời kỳ này chủ yếu sửdụng giải pháp kết cấu chịu lực là khung - vách bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ Một

số giải pháp cấu tạo kháng chấn cũng đã được áp dụng trong thiết kế và xây dựng nhà,chẳng hạn như các giải pháp mối nối, giải pháp tạo khe kháng chấn, giải pháp tạo mặtbằng đối xứng Đặc biệt là công trình Tham tán thương mại Liên Xô (nay là Toà nhà

Đại sứ quán Cộng hoà Liên bang Nga tại Hà Nội) đã sử dụng giải pháp cách chấn bằnglớp đệm đá dăm dày 2m đặt dưới móng của công trình Tiêu chuẩn kháng chấn đượcdùng để thiết kế cho các công trình này chủ yếu là tiêu chuẩn CHиП II - 7 - 81 củaLiên Xô và tiêu chuẩn UBC của Hoa Kỳ.

Các công trình cao tầng thuộc các dự án đầu tư nước ngoài đều được thiết kế khángchấn

- Giai đoan xây dựng thời kỳ 1997 đến nay

Đây là giai đoạn các công trình xây dựng được phát triển về số lượng, loại và cấp côngtrình Nhiều giải pháp, công nghệ thi công tiên tiến được áp dụng như: công nghệ thicông Top-down; công nghệ thi công cọc Baret; tường vây; cốp pha trượt (lõi cứng) kếthợp với lắp ghép (cột, sàn), kết hợp đổ tại chỗ với lắp ghép cấu kiện dự ứng lực Vớicác công nghệ xuất hiện ngày càng nhiều các công trình cao tầng trên 20 tầng Giảipháp kết cấu của các công trình nhà cao tầng được áp dụng nhiều cho các nhà nay chủyếu vẫn là kết cấu khung - vách hoặc khung - lõi bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ, kếthợp với sàn cũng bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ hoặc sàn bê tông cốt thép nửa lắpghép Riêng ở Hà Nội, nhiều nhà cao tầng do Tổng công ty Vinaconex xây dựng, sửdụng giải pháp thi công trượt lõi cứng kết hợp với sàn và cột lắp ghép Các công trình

có kết cấu thi công theo giải pháp này có nhược điểm là khó kiểm soát được chấtlượng mối nối, vì vậy sẽ dần được hạn chế sử dụng

Các công trình được xây dựng ở Hà Nội và một số nơi khác trong giai đoạn này hầuhết đều được thiết kế kháng chấn chịu động đất cấp 7 Tiêu chuẩn kháng chấn được ápdụng vẫn chủ yếu là tiêu chuẩn CHиП II - 7 - 81 của Liên Xô và Tiêu chuẩn UBC củaHoa Kỳ

Các công trình giao thông có quy mô lớn và có tầm quan trọng đều có thiết kế khángchấn như: cầu Thanh Trì, cầu Bãi Cháy, cầu Vĩnh Tuy, cầu Sông Gianh, cầu ThủThiêm Do hạn chế về năng lực nên vẫn còn tồn tại một số công trình giao thông docác tổ chức tư vấn thiết kế giao thông trong nước khi thiết kế chưa xem xét tới khảnăng kháng chấn