Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng

Từ các kết quả nghiên cứu và khảo sát trong luận văn đã chứng minh được thông qua việc xét đến hiệu ứng bó của bê tông, xét đến ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông c

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ QUANG TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN

TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KẾT CẤU

NHÀ NHIỀU TẦNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ QUANG TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN

TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KẾT CẤU

i

LỜI CẢM ƠN

Với những kiến thức tích lũy được trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu chương trình cao học tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, cùng với sự quan tâm, giúp đỡ tận tình của Ban Giám Hiệu nhà trường, quý thầy cô và với sự cố gắng, quyết tâm của bản thân, đến nay, tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ của mình

Với lòng biết ơn và trân trọng, tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, lãnh đạo Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập cũng như nghiên cứu, thực hiện hoàn thành luận văn này

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS TS Phan Quang Minh đã quan tâm, giúp đỡ và tận tình hướng dẫn, giúp cho tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ

Do thời gian có hạn và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên luận văn của tôi không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để luận văn của tôi hoàn chỉnh hơn và việc đánh giá các công trình hiện hữu được tổng quát và thực tế hơn

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn và kính chúc quý thầy cô luôn mạnh khỏe, hạnh phúc Kính chúc Nhà trường đạt được nhiều thành công hơn nữa trong thời gian đến

Đà Nẵng, ngày tháng 02 năm 2018

Tác giả luận văn

Ngô Quang Tuấn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Ngô Quang Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN

NHÀ NHIỀU TẦNG

Học viên:Ngô Quang Tuấn Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN

Mã số: 60.58.02.08 Khóa: 32 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, các công trình nhà

nhiều tầng đã và đang mọc lên tại khắp các đô thị trong cả nước Các tòa nhà nhiều tầng góp phần tạo kiến trúc cảnh quan, thể hiện đô thị văn minh, giàu đẹp là điểm nhấn của thành phố Tuy nhiên, trong thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng, xét điều kiện ở Việt Nam, tỷ số nén của cột không được vượt quá 0.65 đối với cấp dẻo trung bình Điều đó làm tăng đáng kể kích thước của cột, gây tốn kém trong xây dựng và khó khăn trong thiết kế giải pháp kiến trúc Từ các kết quả nghiên cứu và khảo sát trong luận văn đã chứng minh được thông qua việc xét đến hiệu ứng bó của bê tông, xét đến ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng mà giá trị lực dọc quy đổi giảm một cách đáng kể, nhờ đó ta có thể lựa chọn lại tiết diện cột, cường độ bê tông hợp lí góp phần tiết kiệm chi phí xây dựng Các phân tích, đánh giá kết quả đạt được và đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo đã được trình bày chi tiết trong phần kết luận và kiến nghị

Từ khóa - nhà nhiều tầng; tỉ số nén; lực dọc thiết kế quy đổi; cốt đai; hiệu ứng bó của bê

tông

RESEARCH ON THE IMPACT OF TRANSVERSE REIFORCEMENT TO THE AXIAL FORCE RATIO OF REINFORCED

CONCRETE COLUMN ON HIGH-RISE BUILDING

Abstract - According to the development of our country’s socio-economic system

nowadays, the emergence of high-rise building contributes to the improvement of landscape architecture as well as indicating the civilization and wealthy and typical features

of cities in Vietnam However, in the process of designing the composition of the high-rise building in the conditions of Vietnam, the axial force ratio of reinforced concrete column should not exceed the elasticity average, with is 0.65 Therefore, it increases a significant volume of columns, which makes the cost of construction rises remarkably and increases the difficulty in designing architectural concepts The results of researches and investigations in the thesis have been proved by considering the effects of confining reinforcement, considering the impact of transverse reinforcement on the primary seismic columns in structural multi-storey structures, which makes the normalized design axial force decreases significantly Relying on that, we can choose a flexible section of the column and the reasonable concrete strength in order to reduce construction costs The analysis and evaluation of the results and the direction of follow-up research are detailed in the conclusions and recommendations

Key words - high-rise building, axial force ratio, the normalised design axial force,

transverse reiforcement, Confining reiforcement

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT 3

1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG ĐẤT 3

1.1.1 Định nghĩa và phân loại 3

1.1.2 Thang đo động đất 4

1.2 TÁC HẠI CỦA ĐỘNG ĐẤT 6

1.3 QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI TRONG THIẾT KẾ CHỊU ĐỘNG ĐẤT 13

1.3.1 Quan niệm thiết kế công trình chịu động đất 13

1.3.2 Các tiêu chí cần tuân theo 14

1.3.3 Các biện pháp cụ thể 15

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 16

1.4.1 Phân loại các phương pháp tính toán 16

1.4.2 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương 17

1.4.3 Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động 19

1.5 THIẾT KẾ CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN THEO EN 1992-1-1 21

1.5.1 Các cấp dẻo kết cấu 21

1.5.2 Thiết kế cho trường hợp cấp dẻo trung bình 22

1.5.3 Thiết kế cho trường hợp cấp dẻo cao 26

1.5.4 Các yêu cầu về neo và mối nối trong thiết kế kháng chấn 27

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 30

CHƯƠNG 2 SỰ LÀM VIỆC CỦA CỘT KHI HẠN CHẾ NỞ HÔNG TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN NHÀ NHIỀU TẦNG 32

2.1 HIỆN TƯỢNG BÓ BÊ TÔNG 32

2.1.1 Cường độ nén của bê tông 32

2.1.2 Khái niệm về bó bê tông 33

2.1.3 Bê tông hạn chế nở hông theo Tiêu chuẩn EN1992-1-1-2004 36

2.1.4 Mô hình Mander về quan hệ (-) của bê tông bị bó 36

2.2 KHÁI NIỆM TỈ SỐ NÉN CỦA CỘT THEO TCVN 9386:2012 40

2.3 CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ TỶ SỐ NÉN 40

2.3.1 Lựa chọn tiết diện hợp lí 40

2.3.2 Lựa chọn cường độ nén bê tông hợp lí 41

2.3.3 Ảnh hưởng của cốt đai đến hạn chế tỉ số nén 41

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 42

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG 43

3.1 KHẢO SÁT TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BTCT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI CHO TRƯỜNG HỢP CỘT VUÔNG KÍCH THƯỚC 1mx1m 43

3.1.1 Mô hình phân tích 43

3.1.2 Tính toán tỉ số nén của cột khi chưa kể đến hiệu ứng bó của bê tông 45

3.1.3 Tính toán tỉ số nén của cột khi kể đến hiệu ứng bó của bê tông 45

3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột BTCT hình vuông 1mx1m khi xét đến hiệu ứng bó 46

3.2 KHẢO SÁT TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BTCT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI CHO TRƯỜNG HỢP CỘT TRÒN ĐƯỜNG KÍNH 1m 56

3.2.1 Mô hình phân tích 56

3.2.2 Tính toán tỉ số nén của cột khi chưa kể đến hiệu ứng bó của bê tông 57

3.2.3 Tính toán tỉ số nén của cột khi kể đến hiệu ứng bó của bê tông 57

3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột BTCT tròn đường kính 1m khi xét đến hiệu ứng bó của bê tông 58

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao)

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.3 Đặc tính cốt thép theo Bảng C.1 EN 1992-1-1:2004 22Bảng 2.1 Cường độ đặc trưng, biến dạng của bê tông 32

Bảng 3.5 Bảng tổng hợp thông số thép đai điều chỉnh 48Bảng 3.6 Ứng suất nén ngang khi thay đổi các thông số thép đai 49Bảng 3.7 Tính toán giá trị lực dọc thiết kế quy đổi d,c của cột tiết diện

vuông khi kể đến hiệu ứng bó cột trong trường hợp thay đổi các

thông số thép đai

50

Bảng 3.8 Bảng tổng hợp so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số

cốt đai đến tỉ số nén cột bê tông cốt thép vuông kích thước

1mx1m

51

Bảng 3.9 Ứng suất nén ngang khi thay đổi các thông số thép đai ứng với

kích thước cột thỏa mãn điều kiện hạn chế tỉ số nén

53

Bảng 3.10 Điều chỉnh tiết diện cột thỏa mãn điều kiện hạn chế tỉ số nén khi

thay đổi các thông số thép đai

54

Bảng 3.11 Bảng tổng hợp tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm

xuống so với tiết diện cột ban đầu 1mx1m

55

Bảng 3.16 Bảng tổng hợp thông số thép đai điều chỉnh 59Bảng 3.17 Tính toán giá trị lực dọc thiết kế quy đổi d,c của cột tiết diện

tròn khi kể đến hiệu ứng bó cột trong trường hợp thay đổi các

thông số thép đai

61

Bảng 3.18 Bảng tổng hợp so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số

cốt đai đến tỉ số nén cột bê tông cốt thép tròn đường kính 1m

62

Bảng 3.19 Điều chỉnh lại tiết diện cột thỏa mãn điều kiện hạn chế tỉ số nén

khi thay đổi các thông số thép đai

64

Bảng 3.20 Bảng tổng hợp tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm

xuống so với tiết diện cột ban đầu

65

Hình 1.6 Động đất tại Khu vực giáp ranh huyện Tủa Chùa (Điện Biên)

và Quỳnh Nhai (Sơn La) ngày 24/09/2017

Hình 1.14 Các phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất 16

Hình 1.15 Giá trị thiết kế của khả năng chịu lực cắt trong cột 23

Hình 1.17 Biện pháp neo bổ sung trong nút dầm-cột biên 29

Hình 2.1 Các đồ thị ứng suất - biến dạng của bê tông với các kiểu bó

khác nhau

34

Hình 2.3 Mô tả mức độ bó bê tông khác nhau do thép dọc và thép

ngang trong các mặt cắt cột BTCT

35

Hình 2.4 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông bị bó 36

Hình 2.5 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông hạn chế nở ngang

và không hạn chế ngang trong trường hợp bị nén

37

Hình 2.6 Biểu đồ Mander xác định cường độ bê tông bị bó từ ứng suất

nén ngang hiệu quả cho tiết diện hình chữ nhật

38

Hình 3.1 Hình vẽ chi tiết mặt cắt cột vuông kích thước 1mx1m 43

Hình 3.2 Biểu đồ Mander xác định cường độ bê tông bị bó từ ứng suất

nén ngang hiệu quả cho tiết diện hình chữ nhật

45

Hình 3.3 Mặt cắt cột vuông kích thước 1mx1m thép đai đường kính

d=10mm, nx=ny=6 nhánh

47

Hình 3.6 Biểu đồ so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số cốt

đai đến tỉ số nén cột bê tông cốt thép vuông kích thước 1mx1m

51

Hình 3.7 Biểu đồ tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm

xuống so với tiết diện cột ban đầu

Hình 3.12 Biểu đồ so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số cốt

đai đến tỷ số nén cột bê tông cốt thép tròn đường kính 1m

62

Hình 3.13 Biểu đồ tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm

xuống so với tiết diện cột ban đầu

65

Với các công năng khác nhau, có thể là chung cư, khách sạn, văn phòng cho thuê… hoặc là những công trình phức hợp, đáp ứng nhiều yêu cầu công năng Nhà nhiều tầng góp phần giải quyết nhu cầu về nơi làm việc, chỗ ở, khu vui chơi, mua sắm và tiết kiệm diện tích đất quý giá, nhất là ở các thành phố lớn, nơi quỹ đất rất hạn chế Các tòa nhà nhiều tầng còn góp phần tạo kiến trúc cảnh quan, là điểm nhấn của thành phố, góp phần thể hiện thành phố văn minh, giàu đẹp

Tuy nhiên, trong thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng, theo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn TCVN 9386:2012, đối với cấp dẻo trung bình, tỷ số nén của cột không được vượt quá 0.65 Điều đó làm tăng đáng kể kích thước của cột, gây tốn kém trong xây dựng và khó khăn trong thiết kế giải pháp kiến trúc

Chính vì thế, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột

bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng” là cần thiết và có

ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xét ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép (BTCT) trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng Qua đó đề xuất giảm tiết diện cột hợp lý khi xét đến yêu cầu đảm bảo tỉ số nén trong thiết kế kháng chấn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Cột BTCT

+ Tỷ số nén của cột BTCT trong thiết kế kháng chấn nhà nhiều tầng

- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột

BTCT trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kháng chấn và sự làm việc nhiều trục của bê tông (hạn

chế nở hông)

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Về ý nghĩa khoa học: Xét đến sự làm việc của bê tông cột khi bị hạn chế nở hông trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng

Chương 1: Tổng quan về thiết kế công trình chịu động đất

Chương 2: Sự làm việc của cột khi hạn chế nở hông trong thiết kế kháng chấn nhà nhiều tầng

Chương 3: Ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng

Kết luận và kiến nghị

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Trong Chương 1- Tổng quan về thiết kế công trình chịu động đất, tác giả trình bày khái niệm về động đất, ảnh hưởng của động đất đến con người, vật chất, công trình xây dựng Nêu lên quan niệm hiện đại trong thiết kế, các phương pháp tính toán kết cấu công trình chịu động đất Trình bày thiết kế cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn theo EN 1992-1-1 cũng như các yêu cầu về neo và mối nối trong thiết kế kháng chấn

1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG ĐẤT

1.1.1 Định nghĩa và phân loại

Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn năng lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự nứt rạn đột ngột trong phần

vỏ hoặc trong phần áo của quả đất

Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý

thuyết, được quy về một điểm gọi là chấn tiêu Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt quả đất được gọi là chấn tâm Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm được gọi là độ

sâu chấn tiêu (H) Khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi tương ứng là tiêu cự hoặc khoảng cách chấn tiêu (R) và tâm cự hoặc khoảng cách chấn tâm (L)

Hình 1.1 Vị trí phát sinh động đất

Tùy thuộc vào độ sâu của chấn tiêu (H) mà động đất có thể phân thành các loại sau: Động đất nông (H<70 km), động đất trung bình (H=70÷300 km), động đất sâu (H>300 km)

4

1.1.2 Thang đo động đất

a Thang cường độ động đất (Earthquake Intensity)

Thang cường độ động đất được dùng để đánh giá sức mạnh động đất theo cách định tính Có nhiều thang cường độ động đất khác nhau Chúng được lập ra trên cơ sở các mức độ bị phá hoại của công trình xây dựng lẫn bề mặt đất và phản ứng của con người khi chịu các chấn động động đất Chính vì thế các thang cường độ động đất mang yếu tố chủ quan, phụ thuộc vào tính chất của môi trường tự nhiên, chất lượng xây dựng công trình, mật độ dân cư, mức độ quen thuộc của con người đối với tác động động đất Ở thang cường độ động đất, cấp độ động đất được kí hiệu bằng chữ La

Mã và mỗi cấp độ tương ứng với một mô tả định tính các hậu quả do động đất gây ra Một số thang động đất chính hiện đang được sử dụng ở các khu vực khác nhau trên thế giới như: thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi, thang cường độ động đất JMA, thang cường độ động đất MSK-64, thang cường độ động đất JMS…

Trong đó thang MSK-64 được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam Thang MSK-64 là do Medveded cùng Sponhuer và Karnic đề ra năm 1964, là thang đo cường độ địa chấn diện rộng được sử dụng để đánh giá mức độ khốc liệt của sự rung động mặt đất trên cơ sở các tác động đã quan sát và ghi nhận trong khu vực xảy ra động đất Để xây dựng thang MSK-64 các tác giả trước hết phân loại tác dụng phá hoại của động đất đến các công trình xây dựng, sau đó đánh giá cường độ động đất qua hàm dịch chuyển cực đại của con lắc tiêu chuẩn có chu kì dao động riêng T = 0,25s Thang MSK-64 có

Cấp I Động đất không cảm thấy, chỉ có máy mới ghi nhận được

Cấp động đất nhẹ, không gây ảnh hưởng lớn đến nhà và công trình

Cấp II

Động đất ít cảm nhận (Rất nhẹ) Trong trường hợp riêng lẻ,

chỉ có người nào đang ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy

được

Cấp III Động đất yếu Ít người nhận biết được động đất Chấn động

được tạo ra như bởi xe ô tô vận tải nhẹ chạy qua

Cấp IV Động đất nhận thấy rõ Nhiều người nhận biết được động

đất, cửa kính có thể kêu lạch cạch

Cấp V Nhiều người ngủ bị thức tỉnh, đồ vật treo đu đưa

Cấp VI Đa số người cảm thấy động đất Nhà cửa bị rung nhẹ, lớp

vữa bị rạn

Cấp VII Hư hại nhà cửa Đa số người sợ hãi, nhiều người khó đứng

vững, nứt lớp vữa, tường bị rạn nứt

Cấp động đất

mạnh.Cần được xét đến trong thiết kế công trình

Cấp VIII Phá hoại nhà cửa Tường nhà bị nứt lớn, mái hiên và ống

độ hủy diệt

Cấp XI

Động đất gây thảm họa Nhà, cầu, đập nước và đường sắt bị

hư hại nặng, mặt đất bị biến dạng, vết nứt rộng, sụp đổ lớn ở

núi

Cấp XII

Thay đổi địa hình Phá hủy mọi công trình ở trên và dưới

mặt đất, thay đổi địa hình trên diện tích lớn, thay đổi cả dòng

sông, nhìn thấy mặt đất nổi sóng

b Thang độ lớn động đất (Earthquake Magnitude)

Thang độ lớn động đất là thang đánh giá định lượng quy mô động đất và độ lớn nứt gãy, dựa trên biên độ lớn nhất của các sóng khối hoặc sóng mặt Do vậy thang độ lớn động đất là một thang đánh giá khách quan và định lượng theo các số liệu đo Có nhiều thang độ lớn động đất khác nhau Một số thang dựa trên các số liệu đo biên độ các sóng địa chấn và các đặc tính khác nhau Một số thang biểu thị trực tiếp các thông

số nguồn phát sinh động đất, không phụ thuộc vào các sóng địa chấn Trong đó Richter là thang độ lớn động đất thông dụng

Vào năm 1935, giáo sư Ch.F.Richter đã đề xuất một phương pháp xác định độ lớn của một trận động đất dựa trên các số liệu ghi được từ các thiết bị đo địa chấn Phương pháp này sau đó được chính tác giả và B.Gutenberg hoàn thiện thêm và mang tên là Richter

Theo định nghĩa của thang Richter, độ lớn M của một trận động đất là logarit thập phân của biên độ cực đại A(µm) được ghi tại một điểm cách chấn tâm 100km bằng một địa chấn kế xoắn do H.O.Wood và J.Anderson thiết kế Địa chấn này có chu

kỳ dao động tự nhiên bằng 0,8(s), hệ số cản tới hạn 0,8 và hệ số khuếch đại tĩnh các sóng 2800

6

Hệ số khuếch đại tĩnh các sóng là tỷ số giữa biên độ đọc trên địa chấn kế và biên độ thực của chuyển vị đất nền Nó khuếch đại các sóng có chu kỳ nằm giữa 0,5(s) và 1,5(s) là loại sóng thường có khả năng gây hư hại nhất M=logA

Bảng 1.2 Bảng thang độ lớn động đất Richter

< 2.0 Động đất thật nhỏ, không cảm thấy được Không

đáng kể

Khoảng 8000 lần mỗi ngày

2.0 - 2.9 Thường không cảm nhận nhưng đo được Thật nhỏ Khoảng 1000 lần

mỗi ngày

3.0 - 3.9 Cảm nhận được nhưng ít khi gây ra thiệt

Khoảng 49000 lần mỗi năm

4.0 – 4.9 Rung chuyển đồ vật trong nhà Thiệt hại

Khoảng 6200 lần mỗi năm

5.0 – 5.9

Có thể gây thiệt hại nặng cho những công trình không theo tiêu chuẩn kháng chấn Thiệt hại nhẹ cho những công trình tuân theo tiêu chuẩn kháng chấn

Trung bình

Khoảng 800 lần mỗi năm

6.0 – 6.9 Có sức tiêu hủy mạnh trong những vùng

đông dân trong chu vi 180km bán kính Mạnh

Khoảng 120 lần mỗi năm

7.0 – 7.9 Có sức tàn phá nghiêm trọng trên diện

tích lớn

Rất mạnh

Khoảng 18 lần mỗi năm

Khoảng 1 lần mỗi năm

9.0 – 9.9 Sức tàn phá vô cùng lớn Cực kỳ

mạnh

Khoảng 20 lần mỗi năm

> 10 Gây ra hậu quả khủng khiếp cho trái đất Kinh

hoàng Cực hiếm

1.2 TÁC HẠI CỦA ĐỘNG ĐẤT

Động đất là một trong những hiện tượng thiên nhiên gây nhiều thiệt hại nhất về tính mạng con người và của cải vật chất xã hội Khác với bão, hiện nay chưa đủ phương tiện kỹ thuật tin cậy để dự báo động đất nên việc cảnh báo, sơ tán người dân ra khỏi các công trình động đất gây nguy hiểm không thể thực hiện được Theo thống kê, hàng năm trên thế giới có hàng ngàn người thiệt mạng, thiệt hại hàng tỉ đô la do động

7

đất gây nên Ngay cả đối với các nước có tiềm lực, kinh nghiệm xây dựng phòng chống động đất như Nhật Bản, Mỹ, Nga, Trung Quốc,…nhiều nhà và công trình dù đã được thiết kế và xây dựng chịu động đất những cũng không tránh khỏi bị hư hỏng hoặc sụp đổ khi động đất mạnh xảy ra Có thể kể đến một số trận động đất lớn, gây thiệt hại nhiều về người và của sau đây:

- Trận động đất Sumatra-Andaman (Năm 2004, 9.0 độ Richter): trận động đất dưới đáy biển đã kích hoạt một chuỗi các đợt sóng thần chết người lan tỏa khắp Ấn Độ Dương, những con sóng cao 30m, tàn phá cộng đồng dân cư sống ven biển ở Sri lanka,

Ấn Độ, Thái Lan và những nơi khác, cướp đi sinh mạng của hơn 225.000 người thuộc

11 quốc gia

Hình 1.2 Động đất Sumatra (năm 2004)

- Trận động đất Tohoku (Nhật Bản, Năm 2011, 8.9 độ Richter): Trận động đất

đã gây ra sóng thần lan dọc bờ biển Thái Bình Dương của Nhật Bản và ít nhất 20 quốc gia, bao gồm bờ biển phía tây của Bắc và Nam Mỹ Theo ghi chép về cường độ động đất, đây là trận động đất mạnh nhất từng xảy ra ở Nhật Bản và là một trong năm trận động đất mạnh nhất thế giới từ khi các thiết bị ghi nhận được sử dụng từ năm 1900 Ước tính có gần 16.000 người chết và hàng trăm nghìn ngôi nhà dân bị hư hỏng trong thảm hỏa kép động đất-sóng thần trên Chính phủ Nhật Bản cho biết tổn thất do động đất và sóng thần tàn phá miền Đông Bắc có thể lên đến 309 tỉ USD Đây là kỉ lục thế giới về thiệt hại do thiên tai gây ra Tồi tệ hơn, thảm họa này cũng làm hư hại tới nhà máy điện hạt nhân Fukushima I, gây nên cuộc khủng hoảng hạt nhân tồi tệ sau thảm kịch Chernobyl

8

Hình 1.3 Tác hại Động đất Tohoku gây ra tại TP.Miyako Nhật Bản (năm 2011)

Hình 1.4 Tác hại Động đất Tohoku gây ra tại TP.Asahikawa (năm 2011)

- Trận động đất Kobe (Nhật Bản, năm 1995, 7.2 độ Richter): làm rung chuyển thành phố Kobe, cướp đi sinh mạng của ít nhất 6400 người, hơn 150000 tòa nhà, cảng biển và 1km đường cao tốc hư hại nặng nề sau cơn địa chấn Kinh tế Nhật Bản thiệt hại khoảng 10 nghìn tỉ yen (khoảng 100 tỉ USD), tương đương 2,5% GDP Nhật Bản thời đó, sau trận động đất năm 1995

9

Hình 1.5 Động đất Kobe (năm 1995)

Tại Việt Nam, theo bản đồ phân vùng động đất chu kỳ lặp 500 năm do Viện Vật

Lý địa cầu lập thì ở nước ta một phần lãnh thổ phía Bắc có khả năng xảy ra động đất mạnh cấp VIII (theo thang MSK-1964) tương ứng với gia tốc nền từ 0,12g đến 0,24g (trong đó g là gia tốc trọng trường) Phần lãnh thổ còn lại có thể xảy ra động đất yếu và rất yếu (yếu – tương ứng với gia tốc nền (ag) 0,04g  ag < 0,08g (tương đương với động đất cấp VI đến VII theo thang MSK-1964), rất yếu - tương ứng với gia tốc nền ag

< 0,04g (tương đương với động đất dưới cấp VI)

Từ năm 1900 đến 2006 đã ghi nhận được 115 trận động đất từ cấp VI ÷ VII (4.5 đến 4.9 độ richter) ở khắp các vùng lãnh thổ nước ta, 17 trận động đất cấp VII (5.0 đến 5.9 đọ richter) và một số trận động đất mạnh cấp VIII như ở Điện Biên Phủ năm 1935 (6.8 độ richter), ở Tuần Giáo, Lai Châu năm 1983 (6.7 độ richter), Điện Biên Phủ năm

2001 (5.3 độ richter) Trận động đất 7 độ richter xảy ra ở Myanmar ngày 24/03/2011 gần biên giới 3 nước Lào – Thái Lan – Myanmar đã gây ra chấn động cấp V tại Hà Nội và cấp VI tại một số nơi ở khu vực Tây Bắc

10

Hình 1.6 Động đất tại Khu vực giáp ranh huyện Tủa Chùa (Điện Biên) và Quỳnh

Nhai (Sơn La) ngày 24/09/2017

Với tác động của biến đổi khí hậu, các tỉnh Nam Bộ trước đây ít xuất hiện động đất thì nay đã thấy xảy ra Điển hình là các trận động đất ngoài khơi biển Vũng Tàu đã gây rung động đến nhiều công trình xây dựng tại Vũng Tàu và TP Hồ Chí Minh, đặc biệt là các nhà cao tầng

Một số hình ảnh công trình bị phá hoại bởi động đất:

Hình 1.7 Động đất Kobe (1995)

11

Hình 1.8 Động đất Nam California (Năm 1979)

Hình 1.9 Động đất Bhuj (Ấn Độ) năm 2001

13

1.3 QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI TRONG THIẾT KẾ CHỊU ĐỘNG ĐẤT

1.3.1 Quan niệm thiết kế công trình chịu động đất

Sự làm việc của một công trình xây dựng trong thời gian xảy ra động đất phụ

thuộc vào hai yếu tố chính: Sức mạnh động đất và Chất lượng công trình

Chất lượng công trình là một yếu tố có độ tin cậy tương đối cao vì nó phụ thuộc

vào những điều kiện có thể kiểm soát được như: hình dạng công trình, phương pháp

thiết kế, cách thức cấu tạo các bộ phận kết cấu chịu lực và không chịu lực, chất lượng

thi công,… còn sức mạnh động đất là một yếu tố có độ tin cậy rất thấp Sức mạnh

động đất lớn nhất dự kiến sẽ xảy ra trong thời gian sử dụng công trình được xác định

trên cơ sở các số liệu rất hạn chế và những thông tin rất đáng ngờ thu thập được từ lịch

sử địa chấn trong vùng đang xem xét Do đó, quan điểm thiết kế kháng chấn đúng đắn

nhất hiện nay là chấp nhận tính không chắc chắn của hiện tượng động đất và tập trung

vào việc thiết kế các công trình có mức độ an toàn chấp nhận được Các công trình xây

dựng được thiết kế theo quan điểm này phải có một độ cứng, độ bền và độ dẻo thích

hợp, nhằm bảo đảm trong trường hợp động đất xảy ra sinh mạng con người được bảo

vệ, các hư hỏng được hạn chế và những công trình quan trọng có chức năng bảo vệ cư

dân vẫn có thể duy trì hoạt động Đối với các trận động đất có cường độ yếu, độ cứng

nhằm tránh không để xảy ra các hư hỏng ở phần kiến trúc công trình Đối với các trận

động đất có cường độ trung bình, độ bền cho phép giới hạn các hư hỏng nghiêm trọng

ở hệ kết cấu chịu lực Đối với các trận động đất mạnh và rất mạnh, độ dẻo cho phép

công trình có các chuyển vị không đàn hồi lớn mà không sụp đổ Sụp đổ ở đây được

hiểu theo nghĩa là trạng thái khi những người sống trong nhà không thể chạy thoát ra

ngoài do một sự cố nghiêm trọng ở hệ kết cấu chịu lực chính

Mục tiêu của việc thiết kế kháng chấn hiện nay là giảm đến mức tối đa sự hư

hỏng ở công trình xây dựng khi xảy ra các trận động đất trung bình và chấp nhận các

hư hại lớn (nhưng không sụp đổ) ở các kết cấu chịu lực khi xảy ra các trận động đất

mạnh

Hình 1.13 Các quan niệm mới và quan niệm cũ trong thiết kế

công trình chịu động đất

14

Như vậy, các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế các công trình chịu động đất có thể tóm lược dưới dạng các yêu cầu sau thông qua các trạng thái giới hạn của chúng:

- Trạng thái giới hạn làm việc: Công trình phải chịu được các trận động đất yếu thường hay xảy ra mà không bị bất cứ hư hỏng nào ở kết cấu chịu lực lẫn không chịu lực Công trình vẫn hoạt động bình thường, kể cả các thiết bị bên trong công trình Điều này nghĩa là, trong thời gian động đất yếu, tất cả các bộ phận kết cấu tạo nên công trình phải làm việc trong giới hạn đàn hồi

- Trạng thái giới hạn cuối cùng hoặc trạng thái giới hạn kiểm soát hư hỏng: Công trình phải chịu được các trận động đất có độ mạnh trung bình với các hư hỏng rất nhẹ có thể sửa chữa được ở các bộ phận kết cấu chịu lực, cũng như các bộ phận kết cấu không chịu lực

- Trạng thái giới hạn sụp đổ hoặc trạng thái giới hạn tồn tại: Theo quan niệm thiết kế kháng chấn hiện đại, mục tiêu quan trọng nhất được đặt lên hàng đầu là bảo vệ sinh mạng con người trong thời gian xảy ra động đất với sức mạnh lớn nhất có thể tại địa điểm xây dựng Đối với đại đa số các công trình, cho phép xuất hiện những hư hỏng lớn ở kết cấu chịu lực và các thiết bị bên trong khi xảy ra động đất mạnh Trong một số trường hợp, những sự hư hỏng này có thể không sửa chữa được nhưng công trình không được phép sụp đổ

1.3.2 Các tiêu chí cần tuân theo

Để thỏa mãn các yêu cầu cơ bản trên, cần phải kiểm tra các trạng thái

b Các trạng thái hạn chế hư hỏng

Các trạng thái hạn chế hư hỏng là các trạng thái liên quan tới sự xuất hiện hư hỏng mà từ đó một số chức năng hoạt động không còn được thỏa mãn Ở trạng thái này, các hư hỏng không thể chấp nhận phải được ngăn chặn với độ tin cậy phù hợp bằng cách thỏa mãn những giới hạn về biến dạng hoặc các giới hạn khác được quy định trong TCVN 8386:2012 Ở những công trình quan trọng có chức năng bảo vệ dân

15

sự, hệ kết cấu cần phải được kiểm tra để đảm bảo rằng chúng có đủ độ cứng và độ bền nhằm duy trì sự hoạt động của các thiết bị thiết yếu khi xảy ra động đất với một chu kỳ lặp phù hợp

1.3.3 Các biện pháp cụ thể

Các biện pháp cụ thể riêng liên quan tới: thiết kế, móng, kế hoạch đảm bảo chất lượng cần phải được xem xét tới nhằm hạn chế những điểm còn đáng ngờ liên quan tới sự làm việc của hệ kết cấu dưới tác động động đất thiết kế và làm cho công trình có một phản ứng tốt dưới tác động động đất mạnh hơn tác động động đất được xem xét tới theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn

a Thiết kế

Ở mức độ có thể, kết cấu cần có hình dạng đơn giản và cân đối trong cả mặt bằng lẫn mặt đứng Nếu cần thiết, có thể chia kết cấu thành các đơn nguyên độc lập về mặt động lực bằng các khe kháng chấn

Để bảo đảm ứng xử dẻo và tiêu tán năng lượng tổng thể, phải tránh sự phá hoại giòn hoặc sự hình thành sớm cơ cấu mất ổn định Để đạt được mục đích đó, phải sử dụng quy trình thiết kế theo khả năng chịu lực và tiêu tán năng lượng Quy trình này được sử dụng để có được các thành phần kết cấu khác nhau xếp theo cấp bậc độ bền và theo các dạng phá hoại cần thiết để bảo đảm một cơ cấu dẻo phù hợp và để tránh các dạng phá hoại giòn

Do tính năng kháng chấn của kết cấu phụ thuộc rất nhiều vào ứng xử của các vùng hoặc cấu kiện tới hạn của nó, cấu tạo kết cấu nói chung và các vùng hoặc các cấu kiện tới hạn nói riêng phải duy trì được khả năng truyền lực và tiêu tán năng lượng cần thiết trong điều kiện tác động có chu kỳ Để đáp ứng yêu cầu này, trong thiết kế cần quan tâm đặc biệt đến các chi tiết cấu tạo liên kết giữa các cấu kiện chịu lực và chi tiết cấu tạo các vùng dự đoán có ứng xử phi tuyến

Phương pháp phân tích phải dựa vào mô hình kết cấu phù hợp, khi cần thiết, mô hình này phải xét tới ảnh hưởng của biến dạng nền đất, của những bộ phận phi kết cấu và những khía cạnh khác, chẳng hạn như sự hiện diện của những kết cấu liền kề

16

c Kế hoạch đảm bảo chất lượng

Hồ sơ thiết kế phải chỉ rõ kích thước, chi tiết cấu tạo và tham số vật liệu

của các cấu kiện Nếu có thể, hồ sơ thiết kế còn phải bao gồm cả những đặc trưng của các thiết bị đặc biệt sẽ sử dụng, khoảng cách giữa những cấu kiện chịu lực và bộ phận phi kết cấu Những điều khoản kiểm soát chất lượng cần thiết cũng phải được nêu ra trong hồ sơ thiết kế

Yêu cầu phải có sự kiểm tra đặc biệt trong quá trình thi công các cấu kiện có tầm quan trọng đặc biệt về mặt kết cấu và phải được chỉ rõ trên các bản vẽ thiết kế Trong trường hợp này, cũng phải quy định các phương pháp kiểm tra sẽ được sử dụng

Trong vùng động đất mạnh và đối với các công trình có tầm quan trọng đặc biệt, cần lập kế hoạch chính thức để đảm bảo chất lượng, bao gồm các khâu thiết kế, thi công và sử dụng công trình Kế hoạch đảm bảo chất lượng này là để bổ sung vào quy trình kiểm soát chất lượng trong các tiêu chuẩn khác có liên quan

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

1.4.1 Phân loại các phương pháp tính toán

Trong những năm gần đây, số lượng các phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất được sử dụng trong nghiên cứu và trong thiết kế sản xuất tăng lên nhanh chóng, do sự phát triển phổ biến và rộng rãi các phần mềm và máy tính có tốc độ cao Các phương pháp tính toán này được tổng hợp lại như hình dưới và có thể phân loại theo hai cách phổ biến sau:

Hình 1.14 Các phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất

Căn cứ theo tính chất của tác động động đất lên công trình và các đặc tính của hệ

kết cấu chịu lực của công trình xây dựng, ta có bốn nhóm phương pháp tính toán sau:

17

- Tĩnh tuyến tính: Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

- Động tuyến tính: Phương pháp phổ phản ứng, phương pháp phân tích dạng, phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động;

- Tĩnh phi tuyến: Phương pháp đẩy dần quy ước (pushover);

- Động phi tuyến: Phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động, phương pháp tính toán đẩy dần động

Dưới đây giới thiệu một số phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất:

1.4.2 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

a Phạm vi áp dụng

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương được áp dụng cho các nhà mà phản ứng của nó không chịu ảnh hưởng đáng kể bởi các dạng dao động bậc cao hơn dạng dao động cơ bản trong mỗi phương chính Yêu cầu này được xem là thỏa mãn nếu kết cấu nhà đáp ứng được cả hai điều kiện sau:

* Có các chu kỳ dao động cơ bản T1 theo hai hướng chính nhỏ hơn các giá trị

.4

Trong đó Tc là giá trị chu kỳ giao động giới hạn cho trong phổ thiết kế

* Thỏa mãn những tiêu chí về tính đều đặn theo mặt đứng

Sd (T1) là tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T1;

T1 là chu kỳ dao động cơ bản của nhà do chuyển động ngang theo phương đang xét

m là tổng khối lượng của nhà ở trên móng hoặc ở trên đỉnh của phần cứng phía dưới Phần cứng phía dưới được định nghĩa là phần có độ cứng lớn hơn nhiều lần

độ cứng của phần nằm trên nó và vì vậy phần trên có thể được xem là ngàm cứng vào phần dưới

 là Hệ số hiệu chỉnh, lấy như sau:  = 0,85 nếu T1 ≤ 2Tc với nhà có

18

trên 2 tầng hoặc  = 1,0 với các trường hợp khác Hệ số  tính đến thực tế là trong các nhà có ít nhất 3 tầng và 3 bậc tự do theo mỗi phương nằm ngang, khối lượng hữu hiệu của dạng dao động cơ bản là trung bình nhỏ hơn 15 % so với tổng khối lượng nhà

i i b i

m s

m s F F

.

.

Trong đó:

Fi là lực ngang tác dụng tại tầng thứ i;

Fb là lực cắt đáy do động đất tính theo công thức (1.4.2);

si, sj lần lượt là chuyển vị của các khối lượng mi, mj trong dạng dao động cơ bản;

mi, mj là khối lượng của các tầng

Khi dạng dao động cơ bản được lấy gần đúng bằng các chuyển vị nằm ngang

tăng tuyến tính dọc theo chiều cao thì lực ngang Fi tính bằng:





j j

i i b i

m z

m z F F

Nếu độ cứng ngang và khối lượng phân bố đối xứng trong mặt bằng và trừ khi

độ lệch tâm ngẫu nhiên được xét đến bằng một phương pháp chính xác

hơn (ví dụ như phương pháp phổ phản ứng dùng mô hình không gian) thì các hiệu ứng xoắn ngẫu nhiên có thể được xác định bằng cách nhân các hệ quả tác động (nội lực và

x là khoảng cách từ cấu kiện đang xét đến tâm khối lượng của nhà trong

mặt bằng theo phương vuông góc với phương tác động động đất đang xét

L e là khoảng cách giữa hai cấu kiện chịu tải ngang ở xa nhau nhất,theo phương vuông góc với phương tác động động đất đang xét

Nếu thực hiện phân tích bằng cách sử dụng hai mô hình phẳng, mỗi mô

hình cho một phương ngang chính thì hiệu ứng xoắn có thể xác định bằng cách nhân đôi độ lệch tâm ngẫu nhiên eai tính theo (1.5) và áp dụng hệ số  xác định theo biểu thức sau:  = 1 + 1,2(x/Le) (1.7)

1.4.3 Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động

a Phạm vi áp dụng

Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động là phương pháp động lực học kết cấu sử dụng phổ phản ứng động lực của tất cả các dạng dao động ảnh hưởng đến phản ứng tổng thể của kết cấu Phổ phản ứng của các dạng dao động được xác định dựa trên tọa độ của các đường cong phổ phản ứng thích hợp với các chu kỳ dao động riêng tương ứng

Phương pháp phân tích này cần được áp dụng cho nhà không thỏa mãn những điều kiện đã nêu trong phần 1.4.2.a khi ứng dụng phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương và có thể áp dụng cho tất cả các loại nhà

Phương pháp phải xét tới phản ứng của tất cả các dạng dao động góp phần đáng kể vào phản ứng tổng thể của nhà Yêu cầu này được xem là thỏa mãn nếu kết cấu nhà đáp ứng được một trong hai điều kiện sau:

- Tổng các khối lượng hữu hiệu của các dạng dao động được xét chiếm ít nhất 90

% tổng khối lượng của kết cấu;

- Tất cả các dạng dao động có khối lượng hữu hiệu lớn hơn 5% của tổng khối lượng đều được xét đến

Nếu các yêu cầu quy định trên không thể thỏa mãn (ví dụ trong nhà và công trình

mà các dao động xoắn góp phần đáng kể) thì số lượng tối thiểu các dạng dao động k

được xét trong tính toán khi phân tích không gian cần thỏa mãn cả hai điều kiện sau:

k là số dạng dao động được xét tới trong tính toán;

20

n là số tầng ở trên móng hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới;

Tk là chu kỳ dao động của dạng thứ k

b Quy trình tính toán

- Xác định các chu kì và dạng giao động riêng của nhà: sử dụng các phần mềm

phân tích kết cấu thông dụng hiện nay: SAP2000, ETABS…tính toán các chu kì dao

động riêng và dạng dao động riêng cần thiết của công trình

- Xác định phổ thiết kế không thứ nguyên Sd(Ti) của nhà và công trình ứng với

từng dạng giao động

- Xác định lực cắt đáy tại chân công trình tương ứng với dạng giao động thứ i

theo phương X bằng công thức sau:

2 , 1

i j j j

X X





 

 (1.10)

n: tổng số bậc tự do (số tầng) xét đến theo phương X

Xi,j giá trị chuyển vị theo phương X trên mặt bằng tại điểm đặt trọng lượng

thứ j của giao động thứ i

Wj khối lượng tập trung tại tầng thứ j của công trình

- Phân phối tải trọng ngang lên các cao trình tầng của tổng lực cắt tại chân công

trình tương ứng với dạng giao động thứ i theo phương X như sau:

,

, 1

.W

.W

i j j j

i l l l

Wj, Wl: khối lượng tập trung tại tầng thứ j và l của công trình;

Xi,j, Xi,l: là giá trị chuyển vị theo phương X tại điểm đặt khối lượng thứ j và

l của dạng giao động thứ i

c Tổ hợp các phản ứng dạng dao động

Phản ứng ở hai dạng dao động i và j (kể cả các dạng dao động tịnh tiến và xoắn)

có thể xem là độc lập với nhau, nếu các chu kỳ Ti và Tj thỏa mãn điều kiện sau:

Tj ≤ 0,9 Ti (1.12)

21

Khi tất cả các dạng dao động cần thiết được xem là độc lập với nhau, thì giá trị

lớn nhất EE của hệ quả tác động động đất có thể lấy bằng:

EE là hệ quả tác động động đất đang xét (lực, chuyển vị, v.v…);

EEi là giá trị của hệ quả tác động động đất này do dạng dao động thứ i gây ra

Nếu điều kiện trên không thỏa mãn, cần thực hiện các quy trình chính xác hơn để tổ hợp các phản ứng cực đại của các dạng dao động, ví dụ như cách “Tổ hợp bậc hai đầy đủ”

Mai là mômen xoắn tác dụng tại tầng thứ i quanh trục thẳng đứng của tầng;

eai là độ lệch tâm ngẫu nhiên của khối lượng tầng thứ i đối với tất cả các phương cần thiết;

Fi là lực nằm ngang tác động lên tầng thứ i, theo mọi phương cần thiết

1.5 THIẾT KẾ CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN THEO EN 1992-1-1

1.5.1 Các cấp dẻo kết cấu

Theo TCVN 9386:2012 phân các công trình xây dựng thành ba cấp dẻo khác nhau:

- Cấp dẻo DCL (Cấp dẻo hạn chế hoặc thấp) ứng với các công trình được thiết kế với khả năng phân tán năng lượng và độ dẻo hạn chế không tuân theo các quy định của Tiêu chuẩn Thiết kế kháng chấn Các công trình thuộc cấp dẻo này chỉ nên xây dựng trong các vùng động đất yếu (Nếu không được cách chấn đáy và thỏa mãn một số điều kiện riêng nhất định);

- Cấp dẻo DCM (Cấp dẻo trung bình);

- Cấp dẻo DCH (Cấp dẻo cao)

Các cấp dẻo DCM và DCH được quy định tùy theo khả năng tiêu tán năng lượng trễ của các công trình nhà Hai cấp dẻo này ứng với các công trình nhà được thiết kế, chỉ định kích thước và cấu tạo theo các quy định riêng về thiết kế kháng chấn Các quy định này cho phép kết cấu phát triển các cơ cấu phá hoại ổn định kèm theo khả năng

22

phân tán năng lượng trễ lớn dưới tác động của các tải trọng có chu kỳ, mà không bị phá hoại dòn

1.5.2 Thiết kế cho trường hợp cấp dẻo trung bình

a Vật liệu và kích thước hình học của cột

- Bê tông có cấp độ bền thấp hơn so với C16/20 không được sử dụng trong các cấu kiện kháng chấn chính

- Ngoại trừ cốt đai kín và đai móc, chỉ có thép thanh có gờ mới được sử dụng làm cốt trong vùng tới hạn của cấu kiện kháng chấn chính

- Trong vùng tới hạn của cấu kiện kháng chấn chính, phải sử dụng cốt thép thuộc loại B hoặc C trong EN 1992-1-1:2004, Bảng C.1

Bảng 1.3 Đặc tính cốt thép theo Bảng C.1 EN 1992-1-1:2004

- Lưới thép hàn có thể được sử dụng nếu chúng thỏa mãn những yêu cầu trên

- Kích thước tiết diện ngang của cột kháng chấn chính không nên nhỏ hơn 1/10 của khoảng cách lớn nhất giữa điểm uốn và các đầu mút của cột, đối

với trường hợp uốn trong phạm vi mặt phẳng song song với kích thước cột

b Hệ quả tác động thiết kế với cột

- Trong những cột kháng chấn chính, các giá trị thiết kế của lực cắt phải được xác định theo các quy tắc thiết kế theo khả năng chịu lực và tiêu tán năng lượng, trên

cơ sở cân bằng của cột khi dưới tác dụng của mômen đầu mút Mi,d (với i =1; 2 là chỉ số

biểu thị các tiết diện đầu mút của cột), tương ứng với sự hình thành khớp dẻo theo các chiều dương và âm của tải trọng động đất Cần làm sao cho các khớp dẻo hình thành tại các đầu mút của các dầm liên kết vào đầu cột, hoặc tại các đầu mút của cột (nếu chúng hình thành ở đó trước tiên)

23

Hình 1.15 Giá trị thiết kế của khả năng chịu lực cắt trong cột

- Mômen tại đầu mút Mi,d có thể được xác định từ biểu thức sau đây:

Rc Rd d ,

M

M

;1min.M

Trong đó:

Rd là hệ số tính đến khả năng vượt cường độ do sự biến cứng của thép và sự hạn chế nở ngang của bê tông vùng nén của tiết diện cột, được lấy bằng 1,1;

MRc,i là giá trị thiết kế của khả năng chịu uốn của cột tại đầu mút thứ i theo

chiều của mômen uốn do động đất theo phương đang xét của tác động động đất;

MRc, MRb tương ứng là tổng các giá trị thiết kế của khả năng chịu mômen uốn của cột và tổng các giá trị thiết kế khả năng chịu mômen uốn của dầm quy tụ vào

nút khung Các giá trị của MRc,i và MRc cần tương ứng với lực dọc của cột trong tình huống thiết kế chịu động đất theo phương đang xét của tác động động đất

c Kiểm tra và cấu tạo cột theo trạng thái giới hạn

* Khả năng chịu lực:

- Khả năng chịu uốn và chịu cắt phải được tính toán theo EN 1992-1-1:2004, sử dụng giá trị lực dọc từ kết quả phân tích trong tình huống thiết kế chịu động đất

24

- Sự uốn theo hai phương có thể được kể đến một cách đơn giản hóa bằng cách tiến hành kiểm tra riêng rẽ theo từng phương, với khả năng chịu mômen uốn một trục được giảm đi 30%

- Trong các cột kháng chấn chính, giá trị của lực dọc thiết kế quy đổi d không được vượt quá 0,65

* Cấu tạo cột kháng chấn chính để đảm bảo độ dẻo kết cấu cục bộ:

- Tổng hàm lượng cốt thép dọc 1 không được nhỏ hơn 0,01 và không

được vượt quá 0,04 Trong các tiết diện ngang đối xứng cần bố trí cốt thép đối xứng (

hc là kích thước lớn nhất tiết diện ngang của cột (m);

lcl là chiều dài thông thủy của cột (m)

- Nếu lcl/hc < 3, toàn bộ chiều cao của cột kháng chấn chính phải được xem như là một vùng tới hạn và phải được đặt cốt thép theo quy định

- Trong vùng tới hạn tại chân cột kháng chấn chính, giá trị của hệ số dẻo kết cấu khi uốn, , cần phải lấy ít nhất là bằng giá trị sau đây:

 = 1+ (2q0 -1) TC/T1 nếu T1 < T (1.18)

Trong đó:

q0 là giá trị cơ bản tương ứng của hệ số ứng xử;

T1 là chu kỳ cơ bản của nhà;

TC là chu kỳ tại giới hạn trên của vùng gia tốc phổ không đổi

- Nếu với giá trị đã quy định của , biến dạng bê tông lớn hơn cu2 =

0,0035 là cần thiết trên toàn bộ tiết diện ngang, tổn thất về khả năng chịu lực

do sự bong tróc bê tông phải được cải thiện bằng cách bó chặt lõi bê tông một cách đúng mức, trên cơ sở của những đặc trưng của bê tông có cốt đai hạn chế biến dạng theo EN 1992-1-1:2004, 3.1.9

- Những yêu cầu đã quy định trong ở trên được xem là thỏa mãn nếu:

25

30 0 , 035

0 , 

 là giá trị yêu cầu của hệ số dẻo kết cấu khi uốn;

d là lực dọc thiết kế qui đổi;

sy,d là giá trị thiết kế của biến dạng cốt thép chịu kéo tại điểm chảy;

hc là chiều cao tiết diện ngang toàn phần;

h0 là chiều cao của phần lõi có cốt đai hạn chế biến dạng;

bc là chiều rộng tiết diện ngang toàn phần;

b0 là chiều rộng của lõi có cốt đai hạn chế biến dạng;

 là hệ số hiệu ứng hạn chế biến dạng,  = ns

Hình 1.16 Sự bó lõi bê tông

- Trong phạm vi vùng tới hạn tại chân cột kháng chấn chính giá trị tối thiểu của

wd cần lấy bằng 0,08

- Trong phạm vi các vùng tới hạn của những cột kháng chấn chính, cốt đai kín và đai móc có đường kính ít nhất là 6 mm, phải được bố trí với một khoảng cách sao cho bảo đảm độ dẻo kết cấu tối thiểu và ngăn ngừa sự mất ổn định cục bộ của các thanh thép dọc Hình dạng đai phải sao cho tăng được khả năng chịu lực của tiết diện ngang do ảnh hưởng của ứng suất 3 chiều do các vòng đai này tạo ra Những điều kiện này được xem như thỏa mãn nếu đáp ứng những điều kiện sau đây:

+ Khoảng cách s giữa các vòng đai (mm) không được vượt quá:

Trong đó:

26

b0 là kích thước tối thiểu của lõi bê tông (tính tới đường trục của cốt thép đai) (mm);

dbL là đường kính tối thiểu của các thanh cốt thép dọc (mm)

+ Khoảng cách giữa các thanh cốt thép dọc cạnh nhau được cố định bằng cốt đai kín và đai móc không được vượt quá 200 mm, tuân theo EN1992-1-1:2004, 9.5.3(6)

- Cốt thép ngang trong phạm vi vùng tới hạn tại chân cột kháng chấn chính có thể được xác định theo quy định trong EN1992-1-1:2004, miễn là giá trị thiết kế của lực dọc quy đổi nhỏ hơn 0,2 trong tình huống thiết kế chịu động đất và giá trị của hệ số ứng xử q được sử dụng trong thiết kế không vượt quá 2,0

1.5.3 Thiết kế cho trường hợp cấp dẻo cao

Ngoài những yêu cầu, điều kiện như cột thiết kế cho trường hợp cấp dẻo trung bình, thiết kế cột cho trường hợp cấp dẻo cao cần phải thỏa mãn thêm các điều kiện khác hoặc thay thế được đề cập sau đây:

a Vật liệu và kích thước hình học của cột

- Không được sử dụng bê tông có cấp độ bền thấp hơn C20/25 trong các cấu kiện kháng chấn chính

- Trong vùng tới hạn của các cấu kiện kháng chấn chính, phải sử dụng loại thép

C trong Bảng C.1 của EN 1992-1-1:2004 Ngoài ra, giá trị của giới hạn chảy thực tế

fyk,0,95 không được vượt quá 25% giá trị danh nghĩa

- Kích thước tối thiểu của tiết diện ngang cột kháng chấn chính không được nhỏ hơn 250 mm

b Hệ quả tác động thiết kế với cột

- Mômen tại đầu mút Mi,d được xác định tại biểu thức (1.15) tuy nhiên Rd hệ số tính đến khả năng vượt cường độ do sự biến cứng của thép và sự hạn chế nở ngang của

bê tông vùng nén của tiết diện cột, được lấy bằng 1,3

c Kiểm tra và cấu tạo cột theo trạng thái giới hạn

* Khả năng chịu lực: các cột kháng chấn chính, giá trị của lực dọc thiết kế quy đổi d không được vượt quá 0,55

* Cấu tạo cột kháng chấn chính để đảm bảo độ dẻo kết cấu cục bộ:

Chiều dài vùng tới hạn lcr có thể được tính như sau (m):

Trong đó:

hc là kích thước cạnh lớn nhất của tiết diện ngang của cột (m);

27

lcl là chiều dài thông thủy của cột (m)

- Cấu tạo của các vùng tới hạn phía trên chân cột cần dựa trên giá trị nhỏ nhất của hệ số dẻo kết cấu khi uốn  Khi mà cột được đảm bảo tránh sự hình thành khớp dẻo bằng cách tuân thủ quy trình thiết kế theo khả năng chịu lực và tiêu tán năng lượng thì giá trị q0 trong các biểu thức (1.17) và (1.18) có thể được thay thế bởi 2/3 giá trị q0

theo một phương song song với chiều cao tiết diện ngang hc của cột

- Giá trị nhỏ nhất của wd được lấy là 0,12 trong phạm vi vùng tới hạn tại chân cột, hoặc 0,08 trong tất cả các vùng tới hạn phía trên chân cột

Nhằm đảm bảo độ dẻo kết cấu tối thiểu và ngăn ngừa sự mất ổn định cục bộ của các thanh thép dọc Những điều kiện này được xem như thỏa mãn nếu đáp ứng những điều kiện sau đây:

+ Đường kính dbw của các cốt thép đai kín ít nhất phải bằng:

d bw  0 , 4d bL,max ydL/ ydw (1.22)

+ Khoảng cách cốt thép đai kín (mm) không vượt quá:

Trong đó:

b0 là kích thước nhỏ nhất của lõi bêtông (tính tới bề mặt trong của cốt thép đai), (mm);

dbL là đường kính nhỏ nhất của các thanh cốt thép dọc (m)

+ Khoảng cách giữa các thanh cốt thép dọc cạnh nhau được giữ chặt bởi cốt đai kín và đai móc không được vượt quá 150 mm

- Ở hai tầng dưới cùng của nhà, cốt đai kín lấy phải được bố trí vượt qua các vùng tới hạn thêm một khoảng bằng một nửa chiều dài của các vùng tới hạn này

- Hàm lượng cốt thép dọc được bố trí tại chân cột tầng dưới cùng (tức là tại vị trí cột được liên kết với móng) không được nhỏ hơn hàm lượng cốt thép được bố trí tại đỉnh cột cùng tầng

1.5.4 Các yêu cầu về neo và mối nối trong thiết kế kháng chấn

a Tổng quát

- Áp dụng EN 1992-1-1:2004, Chương 8 về cấu tạo cốt thép, với những quy tắc

bổ sung sau

28

- Đối với cốt đai kín được sử dụng làm cốt thép ngang trong dầm, cột hoặc

tường, phải sử dụng cốt đai kín có móc uốn 135° và dài thêm một đoạn bằng 10dbw (dbw là đường kính thanh cốt đai) sau móc uốn

-Trong kết cấu có độ dẻo kết cấu lớn, chiều dài neo của cốt thép dầm hoặc cột trong phạm vi nút dầm-cột phải được tính từ một điểm trên thanh cốt thép cách mặt

trong của nút một khoảng 5dbL (dbL đường kính thanh cốt thép dọc) để tính đến vùng chảy dẻo được mở rộng do những biến dạng lặp sau đàn hồi

b Neo cốt thép

* Neo cốt thép cột

- Khi tính toán neo hoặc chiều dài nối chồng cốt thép cột đảm bảo cường độ chịu uốn của các cấu kiện trong các vùng tới hạn của chúng, tỷ số giữa diện tích cốt thép yêu cầu và diện tích cốt thép thực tế As,req/As,prov phải được lấy bằng 1

- Nếu trong tình huống thiết kế chịu động đất mà lực dọc trong cột là lực kéo, thì chiều dài neo phải được tăng lên tới 50 % so với chiều dài neo đã được quy định trong

EN 1992-1-1:2004

* Neo cốt thép dầm

- Phần cốt thép dọc của dầm được uốn cong để neo vào nút luôn luôn

phải ở phía trong các thanh cốt đai kín tương ứng của cột

- Để ngăn ngừa phá hoại sự bám dính, đường kính dbL của các thanh cốt thép dọc của dầm kéo qua nút dầm - cột phải được giới hạn phù hợp với các biểu thức sau đây:

+ Với nút dầm - cột trong:

max

/ ' 75 , 0 1

8 , 0 1 5 , 7

d

d yd

Rd ctm c



 (1.25)

Trong đó:

hc là chiều rộng của tiết diện cột, song song với các thanh cốt thép;

fctm là giá trị trung bình của cường độ chịu kéo của bêtông;

fyd là giá trị thiết kế của giới hạn chảy của thép;

d là lực dọc thiết kế qui đổi của cột, được lấy với giá trị tối thiểu của nó cho tình huống thiết kế chịu động đất (d = NEd/fcd Ac);

kD là hệ số kể đến cấp dẻo kết cấu, lấy bằng 1 cho trường hợp cấp dẻo kết cấu cao và 2/3 cho trường hợp cấp dẻo kết cấu trung bình;

' là hàm lượng cốt thép chịu nén của các thanh cốt thép dầm kéo qua nút;

29

max là hàm lượng cho phép lớn nhất của cốt thép chịu kéo;

Rd là hệ số kể đến tính thiếu tin cậy của mô hình tính toán về giá trị thiết kế của khả năng chịu lực, lấy bằng 1,2 hoặc 1,0 tương ứng cho trường hợp cấp dẻo kết cấu cao hoặc trường hợp cấp dẻo kết cấu trung bình (do sự tăng cường độ của thép dọc trong dầm do biến cứng)

Các điều kiện giới hạn ở trên (các biểu thức (1.24) và (1.25) không áp dụng cho các thanh cốt thép xiên cắt ngang qua nút)

- Nếu trong các nút dầm-cột biên, các yêu cầu trên không thể thỏa mãn được vì chiều cao hc của tiết diện cột (hc song song với các thanh cốt thép) là quá nhỏ, thì có thể thực hiện các biện pháp bổ sung sau đây để bảo đảm neo chặt cốt thép dọc của dầm:

+ Dầm hoặc bản có thể được kéo dài thêm theo phương ngang một đoạn như công xôn ngắn (xem Hình 1.13a)

+ Có thể sử dụng các thanh cốt thép có phình ở đầu neo hoặc bản neo được hàn vào đầu mút của các thanh cốt thép (xem Hình 1.13b)

+ Có thể kéo dài móc uốn thêm một đoạn có chiều dài tối thiểu bằng 10dbL và cốt thép ngang cần được bố trí dày dọc theo phần kéo dài đó (xem Hình 1.13c)

- Các thanh cốt thép ở phía trên hoặc đáy dầm kéo qua các nút trong phải được cắt ở một khoảng không nhỏ hơn chiều dài vùng tới hạn lcr trong các cấu kiện quiy tụ vào nút đó tính từ bề mặt của nút

Chú dẫn: A – Bản neo

B – Cốt đai bao quanh cốt thép cột

Hình 1.17 Biện pháp neo bổ sung trong nút dầm-cột biên

- Cốt thép ngang bố trí trong phạm vi chiều dài nối chồng phải được tính toán theo EN 1992-1-1:2004 Ngoài ra, những yêu cầu sau đây cũng phải được thỏa mãn:

+ Nếu thanh cốt thép được neo và thanh cốt thép liên tục được bố trí trong một mặt phẳng song song với cốt thép ngang thì tổng diện tích của tất cả các thanh được nối, AsL, phải được kể đến trong tính toán cốt thép ngang

+ Nếu thanh cốt thép được neo và thanh cốt thép liên tục được bố trí trong một mặt phẳng vuông góc với cốt thép ngang, thì diện tích của cốt thép ngang phải được tính toán dựa trên diện tích của thanh cốt thép dọc được nối chồng có đường kính

lớn hơn, AsL

+ Khoảng cách s giữa các cốt thép ngang trong đoạn nối chồng (mm) không

được vượt quá:

Trong đó h là kích thước cạnh nhỏ nhất của tiết diện ngang (mm)

- Diện tích cốt thép ngang yêu cầu Ast trong phạm vi đoạn nối chồng cốt thép dọc của cột được nối tại cùng vị trí (như đã định nghĩa trong EN 1992-1-1:2004), hoặc của cốt thép dọc các phần đầu tường, có thể được tính toán từ biểu thức sau đây:

Trong đó:

Ast là diện tích một nhánh cốt thép ngang;

d bL là đường kính thanh cốt thép được nối;

s là khoảng cách giữa các cốt thép ngang;

fyld là giá trị thiết kế của giới hạn chảy của cốt thép dọc;

fywd là giá trị thiết kế của giới hạn chảy của cốt thép ngang

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương này của luận văn chủ yếu trình bày khái niệm về động đất, ảnh hưởng của động đất đến con người, vật chất và đối với công trình xây dựng Quan niệm mới trong thiết kế công trình chịu động đất, đó là thay đổi cơ bản trong mục tiêu thiết kế kháng chấn từ việc bảo vệ công trình sang bảo vệ trực tiếp sinh mạng con người và tài sản, của cải vật chất xã hội Với cách thức thiết kế theo quan niệm mới, cho phép hạn