Nghiên cứu ứng dụng phương pháp push over để phân tích công trình nhà nhiều tầng không đối xứng chịu tải trọng động đất

Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, số lượng các phương pháp phân tích kết cấu chịu động đất được sử dụng trong nghiên cứu và thiết kế ngày càng tăng.. Với những đặc điểm đã nêu trên, đ

-

ĐOÀN VĨNH PHÚC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PUSH-OVER

ĐỂ PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH NHÀ NHIỀU TẦNG KHÔNG

ĐỐI XỨNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2019

-

ĐOÀN VĨNH PHÚC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PUSH-OVER

ĐỂ PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH NHÀ NHIỀU TẦNG KHÔNG

ĐỐI XỨNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG CÔNG THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

Công Thuật đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn để tác giả hoàn thành bản luận văn này Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Xây dựng Dân dựng và Công nghiệp - Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng nhiệt tình hướng dẫn, động viên, khích lệ và tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn

Đà Nẵng, ngày 10 tháng 05 năm 2019

Tác giả luận văn

Đoàn Vĩnh Phúc

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 ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Đoàn Vĩnh Phúc

CÔNG TRÌNH NHÀ NHIỀU TẦNG KHÔNG ĐỐI XỨNG CHỊU TẢI TRỌNG

ĐỘNG ĐẤT

Học viên: Đoàn Vĩnh Phúc Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN

Mã số: 8590201 Khóa:K34 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Hiện nay, phương pháp push-over được sử dụng nhiều trong phân tích kết

cấu chịu động đất vì nó có tính đơn giản và độ chính xác chấp nhận được Tuy vậy, đối với công trình cao tầng và bất đối xứng, phương pháp push-over truyền thống sẽ cho kết quả có sự sai khác lớn vì sự ảnh hưởng của các dạng dao động bậc cao là đáng kể, cả theo chiều cao tầng

và theo mặt bằng (tác động xoắn) Nhiều nghiên cứu gần đây nhằm khắc phục hạn chế đã được thực hiện nhưng các phương pháp đã được đề xuất đều tốn thời gian và vẫn sử dụng giả thiết ảnh hưởng của các dạng dao động bậc cao là đàn hồi, nên vẫn cho kết quả chưa tốt Do vậy, nghiên cứu này nhằm mục đích tìm cách ứng dụng phương pháp push-over sao cho giảm được sai số do ảnh hưởng của các dạng dao động bậc cao

Từ khóa - Phương pháp push-over, nhà nhiều tầng không đối xứng, dao động bậc cao

A STUDY ON APPLYING PUSH-OVER METHOD FOR SEISMIC

ASSESSMENT OF TALL AND ASYMMETRIC BUILDINGS

Abstract - At present, the push-over method is extensively used in seismic analysis of

buildings because it has simplicity and acceptable accuracy However, for tall and asymmetric buildings the conventional push-over method resulted in a large error due to the effects of high modes, both in height and in plan (torsional effects) Many recent studies to overcome the limitations have been done, but the proposed methods are time-consuming and still assume

that the effects of high modes are remaining in elastic behavior, which gives a not-good result

Thus, this study aims to find a way to improve the push-over method to reduce errors by several modifications in which the effects of high modes are considered

Keywords - Push-over method, tall and asymetric building, high mode

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI 3

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 4

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐẾN CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 4

1.1.1 Định nghĩa 4

1.1.2 Nguyên nhân 5

1.1.3 Đặc điểm 5

1.1.4 Ảnh hưởng của động đất đối với công trình xây dựng 6

1.2 PHẢN ỨNG KHÔNG ĐÀN HỒI CỦA HỆ KẾT CẤU CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 7

1.2.1 Ý nghĩa của việc tính toán phản ứng không đàn hồi của hệ kết cấu 7

1.2.2 Khả năng phân tán năng lượng và độ dẻo 7

1.2.3 Hệ số giảm lực tác động và hệ số điều kiện làm việc của hệ kết cấu 9

1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT 10

1.4 QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI TRONG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT 15

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 17

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 18

2.1 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP DÙNG TRONG TÍNH TOÁN CÔNG

TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 18

2.1.1 Phân loại theo tính chất của tác động động đất lên công trình 18

2.1.2 Phân loại theo các đặc tính làm việc của hệ kết cấu chịu lực của công trình xây dựng 18

2.2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO TCVN 9386:2012 19

2.2.1 Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 20

2.2.2 Các bước xác định tải trọng động đất 20

2.2.3 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương 27

2.2.4 Phương pháp phổ phản ứng thiết kế 28

2.3 PHƯƠNG PHÁP PUSH-OVER TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 35

2.3.1 Phương pháp push-over dạng chính (MPA) 35

2.3.2 Phương pháp push-over dạng chính hiệu chỉnh (MMPA) 35

2.3.3 Phương pháp push-over dạng chính thực hành (PMPA) 35

2.3.4 Phương pháp tổ hợp dạng chính (MMC) 36

2.3.5 Theo ATC_40 36

2.3.6 Theo FEMA 356 44

2.4 PHƯƠNG PHÁP PUSH-OVER CẢI TIẾN TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 49

2.4.1 Theo phương pháp N2 cơ bản (Basic N2) 49

2.4.2 Theo phương pháp N2 mở rộng (Extended N2 method) 49

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PUSH-OVER CẢI TIẾN ĐỂ PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH NHÀ NHIỀU TẦNG KHÔNG ĐỐI XỨNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 51

3.1 QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP N2 51

3.1.1 Lập dữ liệu công trình và phổ gia tốc đàn hồi 51

3.1.2 Chuyển đổi phổ phản ứng về dạng gia tốc - chuyển vị và lập phổ đàn hồi dẻo 51

3.1.3 Phân tích push-over 52

3.1.4 Hệ một bậc tự do tương đương và đường cong khả năng 53

3.1.5 Phổ yêu cầu động đất đối với hệ một bậc tự do 54

3.1.6 Yêu cầu động đất tổng cộng cho hệ nhiều bậc tự do 55

3.1.7 Yêu cầu động đất cục bộ cho hệ nhiều bậc tự do 55

3.1.8 Đánh giá tính năng (Phân tích mức độ nguy hiểm) 55

3.2 Phân tích công trình nhà nhiều tầng chịu động đất sử dụng phương pháp N2 cơ bản 56

3.2.1 Giới thiệu về công trình khảo sát 57

3.2.2 Kết quả khảo sát 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số

hiệu

bảng

2.1 Lựa chọn mô hình và phương pháp tính toán động đất 20

2.10 Giá trị cho phép nhỏ nhất đối với SRA và SRV 41

2.13 Giá trị của hệ số khối lượng hiệu quả Cm 45

3.1 So sánh các phương pháp push-over ATC-40, FEMA-356, N2 cơ

bản

60

DANH MỤC HÌNH VẼ

Số

hiệu

bảng

1.2 Các loại đứt gãy và chuyển động tại đứt gãy 6

2.1 Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại đất từ A đến E 30 2.2 Phổ gia tốc đàn hồi: (a) dạng Sa-T, (b) dạng gia tốc-chuyển vị 37

2.13 Ví dụ về hệ số hiệu chỉnh đối với ảnh hưởng của dao động bậc

2.14 Ví dụ về hệ số hiệu chỉnh đối với ảnh hưởng của dao động bậc

3.1 Dữ liệu công trình và phổ gia tốc đàn hồi 52 3.2 Phổ phản ứng đàn hồi và đàn hồi dẻo đối với hệ có độ dẻo không

3.3 Đường cong khả năng nhị tuyến lý tưởng hóa với độ cứng sau

chảy bằng không và xác định đường cong khả năng dạng ADRS 55

Số

hiệu

bảng

3.4 Xác định yêu cầu chuyển vị, Sd: (a) T*<TC; (b) T*<TC 56

3.8 Mô hình công trình chịu tải trọng động đất liên kết ngàm 59

3.11 Chuyển vị các tầng khi sử dụng phương pháp N2 và phương pháp

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, số lượng các phương pháp phân tích kết cấu chịu động đất được sử dụng trong nghiên cứu và thiết kế ngày càng tăng Trong đó, phương pháp push-over được xem là một trong những phương pháp hữu hiệu và tiện lợi đã được các nước trên thế giới chấp nhận và dự kiến đưa vào tiêu chuẩn thiết kế của mình trong thời gian tới Phương pháp push-over có tính đơn giản và độ chính xác chấp nhận được mà không phải thực hiện mô hình hóa phức tạp và tính toán công phu

Đặc điểm cơ bản của phương pháp push-over là quá trình biến dạng phi tuyến của kết cấu xảy ra dưới sự gia tăng đều đặn của một hàm lực ngang khi tải trọng đứng giữ nguyên không đổi Các lực tĩnh hoặc chuyển vị ngang được phân bố trên chiều cao kết cấu mô phỏng các lực quán tính hoặc hệ quả tác động của chúng Độ lớn của các hàm lực được gia tăng đều đặn cho tới khi nút kiểm tra có chuyển vị ngang mục tiêu hoặc cho tới khi lực cắt đáy đạt giá trị lực cắt đáy mục tiêu Phương pháp push-over phân tích các hệ quả động đất (seismic demands) một cách trực tiếp

từ phổ thiết kế động đất và đường cong khả năng

Tuy vậy, đối với công trình cao và bất đối xứng, phương pháp push-over truyền thống cho kết quả có tính dè dặt khi mà sự ảnh hưởng của các dạng dao động bậc cao là đáng kể, phương pháp này không bắt kịp các tác động của dao động bậc

cao cả theo chiều cao tầng và theo mặt bằng (tác động xoắn) Hơn nữa, phương

pháp push-over cổ điển, ví dụ như ATC-40 và FEMA 356, đòi hỏi quá trình lặp để

xác định các giá trị mục tiêu (target displacement)

Rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm làm cho phương pháp push-over

cổ điển cho kết quả tốt hơn nhưng vẫn giữ được sự đơn giản của nó [1-6] Tuy vậy, các phương pháp được đề xuất trước đây đều tốn thời gian và vẫn giả thiết ảnh hưởng của các bậc dao động bậc cao là đàn hồi Trong số các phương pháp thì phương pháp N2 khá đơn giản vì không cần quá trình lặp để đạt giá trị chuyển vị mục tiêu, trong đó sử dụng phổ phản ứng không đàn hồi và đường cong khả năng để xác định chuyển vị mục tiêu Ngoài ra, còn có phương pháp N2 cải tiến tương tự như phương pháp N2 cơ bản trong tính toán chuyển vị mục tiêu Sự cải tiến của phương pháp N2 cải tiến chính là sử dụng việc phân tích phổ phản ứng khi hiệu chỉnh các hệ quả động đất với giả thiết rằng ảnh hưởng của các dạng dao động bậc cao vẫn là đàn hồi Mặc dầu phương pháp N2 có tính đơn giản và được cải tiến,

nhưng nó vẫn còn cho kết quả có tính ước lượng dè dặt trong việc xác định hệ số xoắn đối với các trận động đất lớn

Tại Việt Nam, nghiên cứu động đất được Viện Vật lý địa cầu thuộc trung tâm Khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia tiến hành Hệ thống các thông số cơ bản của động đất, quy luật cơ bản về tính động đất đã được nghiên cứu và khái quát trong các công trình nghiên cứu Năm 2012, Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9386:2012 – Hướng dẫn thiết kế các công trình chịu tải trọng động đất được ra đời trên cơ sở chuyển đổi từ tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006 Tuy vậy, việc lựa chọn phương pháp sao cho đơn giản và chính xác cũng là một vấn đề cần quan tâm

Với những đặc điểm đã nêu trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp Push-over để phân tích công trình nhà nhiều tầng không đối xứng chịu tải trọng động đất” nhằm nghiên cứu ứng dụng phương pháp push-over sao cho

phù hợp trong điều kiện có ảnh hưởng của các dạng dao động bậc cao trong phân tích bằng phương pháp push-over

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp push-over một cách đơn giản và chính xác nhất, tiệm cận ứng xử thực tế của công trình bằng một số hiệu chỉnh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Các phương pháp push-over

Phạm vi nghiên cứu: Các hệ quả tác động động đất khi sử dụng phương pháp push-over

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết;

2 Mục tiêu đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về động đất và tính toán công trình chịu tải trọng động đất

1.1 Khái quát chung về động đất và ảnh hưởng của động đất đến công trình xây dựng

1.2 Phản ứng không đàn hồi của kết cấu chịu tải trọng động đất

1.3 Lịch sử phát triển của phương pháp xác định tác động động đất

1.4 Quan niệm hiện đại trong thiết kế công trình chịu động đất

Chương 2: Các phương pháp Push-over để tính toán công trình xây dựng chịu tải trọng động đất

2.1 Phương pháp push-over dạng chính (MPA)

2.2 Phương pháp push-over dạng chính cải tiến (MMPA)

2.3 Phương pháp push-over dạng chính thực hành (PMPA)

2.4 Phương pháp tổ hợp dạng chính (MMC)

2.5 Phương pháp ATC - 40

2.6 Phương pháp FEMA 356

2.7 Phương pháp N2 cơ bản và cải tiến

Chương 3: Ứng dụng phương pháp Push-over để phân tích công trình nhà nhiều tầng không đối xứng chịu tải trọng động đất

3.1 Quy trình tính toán công trình theo phương pháp N2

3.2 Phân tích công trình nhà nhiều tầng chịu động đất bằng phương pháp N2

cơ bản

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐẾN CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

Hình 1.1 Cấu tạo Trái đất [7]

Động đất là một sự rung chuyển hay chuyển động lung lay của mặt đất do sự lan tỏa năng lượng từ một điểm nhất định nằm sâu trong lòng đất Động đất thường

là kết quả sự chuyển động của các phay (geologic fault) hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ của Trái đất hoặc các hành tinh cấu tạo chủ yếu từ chất rắn như đất đá Tuy rất chậm nhưng mặt đất vẫn luôn chuyển động và động đất xảy ra khi ứng suất cao hơn sức chịu đựng của thể chất trái đất

1.1.2 Nguyên nhân

Có rất nhiều nguyên nhân xảy ra động đất như vận động phun trào núi lửa; các trượt lở đất đá khối lượng lớn; hoạt động đứt gãy; thiên thạch va chạm vào Trái đất; hoạt động làm thay đổi ứng suất đá gần bề mặt hoặc áp suất chất lỏng, các vụ thử hạt nhân dưới lòng đất, … nhưng nguyên nhân cơ bản là sự chuyển động tương

hỗ không ngừng của các khối vật chất nằm sâu trong lòng đất để thiết lập một thế cân bằng mới được gọi là vận động kiến tạo và động đất là hậu quả từ những vận động kiến tạo đó

Các nhà địa chấn học đã đưa ra thuyết kiến tạo mảng để giải thích các trận động đất bắt nguồn từ những hoạt động kiến tạo Theo thuyết này, vỏ trái đất cấu tạo gồm những địa mảng (India plate, Eurasia plate, North America plate, ) nằm

kề cận và di chuyển theo những phương hướng khác nhau với những vận tốc vài cm mỗi năm Khi di chuyển, chúng có thể đâm xéo vào nhau, một mảng sẽ chìm vào bên dưới mảng kia, hoặc chúng có thể di chuyển chèn ép bên nhau Ranh giới hay mặt tiếp xúc giữa hai địa mảng chính là nơi động đất xảy ra

gọi là chấn tâm Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm gọi là độ sâu chấn tiêu Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan trắc gọi là khoảng cách chấn tiêu (tiêu cự)

và từ chấn tâm đến điểm quan trắc gọi là khoảng cách chấn tâm (tâm cự)

Nhiều trận động đất, đặc biệt là những trận xảy ra dưới đáy biển, có thể gây

ra sóng thần, hoặc có thể vì đáy biển bị biến dạng, …

1.1.4 Ảnh hưởng của động đất đối với công trình xây dựng

Động đất gây ra hậu quả to lớn đối với công trình xây dựng nói chung và các công trình nhà nhiều tầng nói riêng Khi động đất xảy ra, nhà cao tầng bị sụp đổ không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến con người trong công trình mà còn ảnh hưởng đến con người và công trình của cả khu vực lân cận

a Tác động của động đất lên công trình

Động đất gây ra sự dịch chuyển của nền đất, vì vậy, công trình được xây dựng trên nền đất phải chịu sự dịch chuyển theo móng của nó Mặc dù móng dịch chuyển theo sự dịch chuyển của nền đất nhưng phần mái của ngôi nhà có xu hướng đứng yên tại vị trí gốc ban đầu của nó Do tường và cột liên kết phần móng với phần mái công trình, nên khi móng dịch chuyển sẽ kéo theo sự dịch chuyển của mái Tuy nhiên, trong nhà thường thì cột và tường có độ cứng hữu hiệu nên sự dịch chuyển của mái khác so với sự dịch chuyển của nền đất

Xét một công trình có phần mái gối lên cột; khi nền đất chuyển động, ngôi nhà bị giật lại phía sau và mái chịu tác động của một lực quán tính: M qt=M.ag (M là khối lượng và ag là gia tốc nền đất tác dụng lên công trình) Lực quán tính Fqt có phương ngược với phương chuyển động của gia tốc; rõ ràng khi công trình có khối lượng càng lớn thì lực quán tính càng lớn nên tác động của tải trọng động đất lên công trình càng lớn Và ngược lại khi công trình có khối lượng càng bé thì ảnh hưởng của động đất lên công trình sẽ càng nhỏ

b Ứng xử của kết cấu BTCT khi chịu động đất

Đối với công trình nhà nhiều tầng thì khối lượng tập trung tại cao trình các mức sàn của mỗi tầng nên lực quán tính phát sinh tại cao trình các mức sàn

Lực động đất gây ra tăng dần theo độ giảm chiều cao công trình (tại đỉnh công trình thì lực ngang nhỏ nhất và tại vị trí chân cột thì động đất sẽ đạt giá trị cực đại)

Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng (tĩnh tải, hoạt tải, ) làm cho dầm bị uốn và gây căng thớ tại vị trí khác nhau (tăng dưới tại nhịp và căng trên tại gối)

Trong khi đó, dưới tác dụng của tải trọng ngang (gió, động đất, ) làm cho dầm, cột căng thớ ngược lại so với tải trọng thẳng đứng

Tại gối dầm, độ lớn của moment do động đất gây ra có thể lớn hơn độ lớn của moment do tải trọng thẳng đứng gây ra, dẫn đến dầm có thể bị căng dưới tại gối Do đó, trong kết cấu BTCT thì việc bố trí cốt thép và cấu tạo nút khung cần đặc biệt quan tâm

1.2 PHẢN ỨNG KHÔNG ĐÀN HỒI CỦA HỆ KẾT CẤU CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT

1.2.1 Ý nghĩa của việc tính toán phản ứng không đàn hồi của hệ kết cấu

Khi động đất xảy ra, nền móng sẽ chuyển động làm công trình sẽ dao động

và biến dạng Hiện tượng này là một quá trình, trong đó một lượng động năng được truyền đến kết cấu dưới dạng biến dạng đàn hồi Trong các pha dao động tiếp theo của hệ kết cấu, năng lượng này được chuyển đổi liên tục từ động năng sang thế năng và ngược lại cho đến khi nó được tiêu tán dưới dạng nhiệt qua: cản nhớt, cản trễ và các loại cản khác

Như vậy, vấn đề chủ yếu của việc thiết kế các công trình chịu động đất là cung cấp cho hệ kết cấu khả năng phân tán lượng động năng này qua các chu kỳ biến dạng liên tiếp mà không vượt quá giới hạn hư hại nào đó Vì vậy, đối với các

hệ kết cấu kháng chấn, điều quan trọng nhất là khả năng tích lũy một lượng thế năng lớn dưới dạng các biến dạng lớn trong miền không đàn hồi của vật liệu

Theo quan điểm này, nếu việc thiết kế kết cấu chỉ chú trọng tới điều kiện bền, thì trong thiết kế kháng chấn ngoài điều kiện bền, người ta cần chú ý tới độ cứng chống uốn của các cấu kiện chịu lực lẫn khả năng biến dạng và phân tán năng lượng của hệ kết cấu

1.2.2 Khả năng phân tán năng lượng và độ dẻo

Xét hệ kết cấu có 1 bậc tự do động, khối lượng m và độ cứng k, dao động tự

do không lực cản dưới tác động của động đất Giả thiết hệ kết cấu được thiết kế với

một độ bền cực hạn F 1u và phản ứng một cách đàn hồi dưới tác động của lực quán tính phát sinh với mối quan hệ Lực-Chuyển vị trong hình 1.3

Khi khối lượng của hệ kết cấu đạt chuyển vị Δ e , thế năng tích lũy trong hệ kết cấu dưới dạng được biểu thị qua diện tích tam giác OBE đúng bằng động năng của nó Trong trường hợp này, lực hồi phục lớn nhất (lực cắt đáy) phát sinh trong

liên kết đàn hồi ở chân của hệ kết cấu F e < F 1u và bằng lực quán tính lớn nhất phát sinh khi nền chuyển động m  v0,max Khi đó, do tốc độ chuyển động bằng 0 nên lực phục hồi này sẽ làm cho hệ kết cấu chuyển động về phía ngược lại gây ra dao động

với biên độ không đổi, xem hình 1.3.a

Nếu giả thiết hệ kết cấu được thiết kế với độ bền cực hạn F 2u nhỏ hơn so với

F 1u , khi lực cắt đáy đạt giá trị F y = F 2u < F e ở chân của hệ kết cấu sẽ hình thành một

khớp dẻo (Hình 1.3.b) Tại điểm A, khi nội lực đạt tới giá trị F 2u kết cấu không thể

chịu lực thêm nữa nhưng vẫn tiếp tục biến dạng dưới tác động của lực F 2u theo

đường AD và đạt tới giá trị lớn nhất Δ u tại điểm D Trong trường hợp này, thế năng lớn nhất tích lũy trong hệ kết cấu khi đạt tới chuyển vị ngang Δ u được biểu thị qua diện tích hình thang OADE Khi trở lại vị trí cân bằng ban đầu, phần năng lượng chuyển thành động năng được biểu thị qua diện tích hình bình hành OADG được phân tán qua khớp dẻo dưới dạng nhiệt, ma sát và các dạng năng lượng khác không thu hồi được Kết cấu vẫn còn chuyển vị dư OG khi nội lực bằng 0 lúc dỡ tải

Nói chung, từ chu kỳ này sang chu kỳ khác ở hệ kết cấu đàn hồi có sự liên tục chuyển đổi qua lại giữa động năng và thế năng Trong khi đó, ở hệ kết cấu đàn hồi dẻo chỉ một phần thế năng chuyển thành động năng

Như vậy, một hệ kết cấu dao động có thể chịu được tác động động đất theo một trong hai cách sau:

Cách thứ nhất: bằng khả năng chịu một lực tác động lớn F e nhưng kết cấu phải làm việc trong giới hạn đàn hồi và;

Cách thứ hai: bằng khả năng chịu một lực tác động bé hơn F y < F e nhưng kết cấu phải có khả năng biến dạng dẻo

Ngày nay, các tiêu chuẩn thiết kế của các nước trên thế giới đều chọn cách thứ hai khi thiết kế các công trình xây dựng trong các vùng động đất mạnh hoặc rất mạnh Cách thiết kế thứ nhất chỉ thích hợp cho các công trình xây dựng trong vùng động đất yếu, vì việc thiết kế đơn giản và công trình vẫn nguyên vẹn sau khi chịu một hoặc nhiều trận động đất Trong các vùng động đất từ trung bình đến mạnh, việc chọn cách thức làm việc đàn hồi của kết cấu sẽ làm cho công trình được thiết

kế quá mức về phương diện vật liệu và giá thành do lực ngang tác động vào công trình khá lớn

Khả năng của hệ kết cấu có thể biến dạng dẻo được đặc trưng qua độ dẻo của

nó Đây là một tính chất rất quan trọng của các hệ kết cấu chịu tác động động đất

Vì nó cho phép người thiết kế có thể thiết kế các hệ kết cấu chịu một tác động nhỏ hơn nhiều so với khi quan niệm hệ kết cấu làm việc đàn hồi Đây là quan niệm chủ yếu mà các nhà khoa học dựa vào đó để xây dựng nên nội dung của các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại

1.2.3 Hệ số giảm lực tác động và hệ số điều kiện làm việc của hệ kết cấu

Nếu một hệ kết cấu có thể chịu tác động của động đất theo 2 cách như đã trình

bày trong mục 1.2.1 Khi chúng ta gọi F d là khả năng chịu lực thiết kế của hệ kết

cấu làm việc theo cách thứ hai Tỷ số giữa lực đàn hồi F e và lực thiết kế F d được gọi

là hệ số giảm tải K

e

d

F K F

Hệ số giảm lực tác động (hệ số giảm tải K) biểu thị khả năng hấp thụ và tiêu

tán năng lượng của kết cấu Tùy theo các quốc gia trên thế giới người ta gọi hệ số này theo các cách khác nhau Ví dụ:

Theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 (TCXDVN 375:2006), hệ số này gọi là hệ

số làm việc hoặc hệ số ứng xử q;

Theo các tiêu chuẩn của Mỹ và Canada, hệ số này gọi là hệ số giảm lực tác

động hoặc hệ số điều chỉnh phản ứng R

1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT

Trong những năm đầu của thế kỷ XX, sau các trận động đất ở Nobi (Nhật Bản – 1891) và tại San Francisco (Mỹ - 1906), các nhà khoa học Nhật Bản là F.Omori và Sano đã đề xuất lý thuyết tính toán tĩnh để xác định tác động của động đất lên công trình xây dựng Theo phương pháp này, toàn bộ công trình được xem như là một vật cứng tuyệt đối đặt trên mặt đất Do đó, khi động đất xảy ra các đặc trưng dao động (gia tốc, vận tốc và chuyển vị ngang) tại bất cứ điểm nào trên công trình đều bằng các đặc trưng dao động của nền đất ở chân công trình Với giả thiết này, tải trọng tác dụng lên công trình được xác định theo biểu thức sau:

0,max

trong đó: m là khối lượng của công trình và x0,maxlà gia tốc cực đại của nền đất dưới chân công trình

Nếu ta biểu diễn khối lượng m của kết cấu qua trọng lượng Q, công thức

(1.2) được viết lại như sau:

Đến năm 1920, N Mononobe (Nhật Bản) đề nghị đưa ra các tính chất biến dạng của kết cấu vào tính toán tải trọng động đất N Mononobe xem kết cấu như hệ một bậc tự do dao động không có lực cản, giả thiết trong thời gian xảy ra động đất nền đất chuyển động theo hàm điều hòa:

 Phá hoại của động đất sẽ tăng thêm khi có sự cộng tác dụng của dao động tự

do và dao động cưỡng bức;

 Bỏ qua ảnh hưởng của lực cản trong dao động kết cấu;

 Do giả thiết mô hình tính toán là hệ kết cấu một bậc tự do nên chưa đưa ra giải pháp phân bố tải trọng động đất theo chiều cao công trình trong trường hợp hệ nhiều bậc tự do

Vào năm 1927, K Zavriev (Nga) đã đề cập đến yếu tố quan trọng của dao động tự nhiên trong giai đoạn khởi đầu của tác động động đất K Zavriev giả thiết

giai đoạn khởi đầu của chuyển động địa chấn, nền đất đạt gia tốc lớn nhất và vận tốc bằng 0 Với giả thiết này, chuyển vị của nền đất theo quy luật dao động điều hòa không có lực cản và phương trình được viết như sau:

Từ những giả thiết của K Zavriev đã đưa ra, phương trình chuyển động của

hệ kết cấu chịu tác động của động đất sẽ được viết như sau:

0 2 2 0

21

x x

T T



2 2 0

Đến năm 1934, M Biot (Mỹ) đã đề xuất phương pháp xác định lực động đất bằng cách dùng các số liệu dao động nền đất thực ghi được khi động đất xảy ra Lực động đất tác động lên kết cấu một bậc tự do không có lực cản được xác định theo biểu thức:

Với gia tốc tuyệt đối của hệ kết cấu là:

Ý nghĩa quan trọng của phương pháp tính toán tác động động đất do M Biot,

đề xuất trong việc sử dụng các số liệu thực của chuyển động nền đất thay cho các qui luật giải tích đơn giản trong các phương pháp tính toán trước đó Khi biết gia tốc x0 t ghi nhận được sau mỗi trận động đất bằng cách giải phương trình (1.13) ta

sẽ xác định được gia tốc tuyệt đối của hệ theo thời gian t Từ đó biết được giá trị lớn

nhất của gia tốc tuyệt đối x 0   t  xt maxvà xác định lực động đất lớn nhất tác dụng lên hệ kết cấu trong khoảng thời gian xảy ra động đất theo công thức:

Năm 1949, G Housner và G Kahn công bố kết quả nghiên cứu về cách xác định đường cong phổ phản ứng gia tốc của hệ một bậc tự do có xét đến tính cản trong dao động Khi đó, gia tốc tuyệt đối của hệ xác định theo biểu thức sau:

Sử dụng biểu thức (1.16) với các gia tốc đồ ghi lại được từ các trận động đất xảy ra tại California (Mỹ) Housner đã vẽ các đường cong phổ phản ứng động đất với các trị số cản khác nhau Từ đó, xác định tải trọng động đất lớn nhất tác động lên công trình theo biểu thức sau:

max

a S

một tĩnh lực F bằng trọng lượng Q của hệ kết cấu nhân với hệ số địa chấn C theo phương ngang lên khối lượng m Hệ số địa chấn C là tỷ số giữa phổ gia tốc động đất

S a và gia tốc trọng trường g

Đối với hệ kết cấu có nhiều bậc tự do, việc áp dụng kỹ thuật phân tích dạng

đã cho phép chuyển một hệ kết cấu có n bậc tự do thành n hệ kết cấu có một bậc tự

do tương đương, mỗi hệ kết cấu biểu diễn một dạng dao động Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các công cụ và kỹ thuật tính toán, việc tính toán các hệ kết cấu có nhiều bậc tự do ngày nay trở nên đơn giản và dễ dàng hơn

Các phương pháp xác định tác động động đất được giới thiệu trên đều dựa vào giả thiết kết cấu làm việc trong miền đàn hồi Trong phần trước đã đề cập, quan niệm công trình xây dựng làm việc trong miền đàn hồi là không hợp lý và không phản ánh được sự làm việc thực tế của công trình

Theo kết quả nghiên cứu hậu quả của các trận động đất đối với các công trình xây dựng, khi nội lực do động đất tăng lên từ 3÷6 lần so với kết quả tính toán ban đầu, công trình vẫn đứng vững sau các trận động đất có độ mạnh vượt quá thiết kế Các nhà khoa học đã giải thích do các yếu tố chưa xét tới trong phương pháp xác định lực động đất cũng như tính toán kháng chấn công trình như:

 Khả năng xuất hiện biến dạng dẻo của hệ kết cấu làm cho khung nhà nhiều tầng tiêu tán năng lượng và tiếp tục chịu lực do động đất gây ra;

 Do sự tiêu tán năng lượng trong các bộ phận của hệ kết cấu chịu lực lẫn không chịu lực, do ma sát nội tại giữa khối xây chèn và vách ngăn, do cản nhớt, do cản trễ của vật liệu khi chịu tải trọng đổi chiều

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong lĩnh vực xây dựng công trình ngày càng cho thấy vấn đề mấu chốt trong sự làm việc của các kết cấu dưới tác động động đất

là bài toán năng lượng Để cho công trình không bị sụp đổ, nó phải có khả năng hấp thụ và phân tán năng lượng được truyền đến cho nó trong thời gian động đất xảy ra

Sự hiểu biết một cách đầy đủ nguyên lý cân bằng năng lượng đơn giản này sẽ là chìa khóa để phát triển việc thiết kế các công trình hiện đại chịu động đất

Trên cơ sở đó, mục tiêu của việc thiết kế kháng chấn công trình dần có những thay đổi cơ bản, chuyển từ việc bảo vệ công trình sang bảo vệ trực tiếp mạng sống con người và tài sản xã hội Vào thập niên 80 của thế kỷ trước, một quan điểm thiết kế kháng chấn mới đã hình thành và nhanh chóng đưa vào áp dụng trong thực

tế Theo quan điểm mới này, các công trình xây dựng được thiết kế sao cho chúng

có khả năng chịu được các trận động đất nhỏ và vừa xuất hiện ngẫu nhiên trong cuộc sống của chúng ta mà không bị hư hỏng, còn khi gặp các trận động đất mạnh hoặc rất mạnh thì các công trình không bị sụp đổ Thực chất của quan điểm thiết kế này khác với quan điểm cũ là việc thiết kế các công trình xây dựng theo 2 cấp động đất khác nhau:

Cấp thứ nhất là cấp ngăn ngừa sụp đổ: thiết kế với cấp động đất này nhằm bảo vệ sinh mạng con người khi động đất mạnh xảy ra;

Cấp thứ hai là cấp hạn chế hư hỏng: thiết kế với cấp động đất này nhằm giảm thiểu sự mất mát tài sản, của cải xã hội và duy trì sự làm việc bình thường của công trình

1.4 QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI TRONG 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 2 yếu tố chính như sau:

 Sức mạnh của trận động đất;

 Chất lượng của bản thân công trình

Chất lượng của công trình là 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 việc thi công công trình,…Còn sức mạnh của động đất là yếu tố có

độ tin cậy rất thấp Sức mạnh động đất 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 không chắc chắn thu thập từ lịch sử địa chấn trong vùng đang xét

Chính vì điều đó, quan điểm thiết kế kháng chấn đúng đắn nhất hiện nay là chấp nhận tính không chắc chắn của hiện tượng động đất để tập trung vào việc thiết

kế các công trình có mức độ an toàn chấp nhận được Các công trình được thiết kế theo quan điểm này cần phải có độ cứng, độ bền và độ dẻo thích hợp, nhằm đảm bảo trường hợp có động đất xảy ra thì sinh mạng của con người được bảo vệ, các hư hỏng được hạn chế và các 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, thiết kế độ cứng nhằm tránh không để xảy ra các hư hỏng ở phần kiến trúc của 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 hoặc rất mạnh, độ dẻo cho phép công trình có các chuyển vị không đàn hồi lớn mà không bị 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

Xét cả về mặt lý thuyết và thực tế, chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế được các công trình chịu được các trận động đất mạnh mà không bị hư hỏng, nhưng đa số các trường hợp thiết kế như vậy vừa không kinh tế lại vừa không hợp lý, do xác suất xuất hiện những trận động đất mạnh thường rất thấp Do vậy, đối với các công trình dân dụng và công nghiệp thông thường, mục tiêu của thiết kế kháng chấn hiện nay

là giảm đến mức tối đa sự hư hỏng ở các công trình xây dựng khi xảy ra các trận động đất trung bình và chấp nhận sự hư hại lớn (nhưng không sụp đổ) ở các kết cấu chịu lực khi xảy ra các trận động đất rất mạnh Đối với các công trình đặc biệt như: nhà máy điện hạt nhân, các công trình mang tính chất an ninh quốc gia, công trình đập nhà máy thủy điện, chúng ta sẽ thiết kế với cấp độ động đất lớn hơn

Trong Tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam về các công trình xây dựng chống động đất, “Thiết kế công trình chịu động đất”: TCVN 9386:2012, đề nghị các nguyên tắc thiết kế phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

a Các yêu cầu chính:

 Yêu cầu không sụp đổ: Các công trình phải được thiết kế và thi công để chịu

được tác động động đất thiết kế mà không bị sụp đổ cục bộ hay toàn bộ công trình, đồng thời giữ được tính toàn vẹn của kết cấu và một phần khả năng chịu tải sau khi động đất xảy ra Điều này có nghĩa là kết cấu bị hư hỏng lớn

và có biến dạng dư vừa phải nhưng giữ được khả năng chịu tải trọng đứng

và còn đủ độ bền ngang và độ cứng để bảo vệ tính mạng con người khi có các dư chấn mạnh Tác động của động đất thiết kế được biểu thị qua tác

động động đất quy ước gắn liền với xác suất vượt quá quy ước P NCR = 10%

trong 50 năm hoặc chu kỳ lặp quy ước T NCR = 475 năm và hệ số tầm quan

trọng γ I của công trình để xét tới mức độ tin cậy khác nhau (hệ số γ I được tra bảng ở phụ lục của TCVN 9386:2012)

 Yêu cầu hạn chế hư hỏng: Công trình phải được thiết kế và thi công để chịu

được tác động động đất có xác suất xảy ra lớn hơn tác động động đất thiết kế

mà không bị hư hỏng và chi phí khắc phục không lớn hơn giá thành công trình Tác động động đất được đưa vào tính toán cho yêu cầu hạn chế hư

hỏng có xác suất vượt quá quy ước P DLR = 10% trong 10 năm hoặc chu kỳ

lặp quy ước T DLR = 95 năm

b Các tiêu chí kèm theo

Để thỏa mãn các yêu cầu chính như trên, cần thiết phải kiểm tra các trạng thái giới hạn sau:

 Các trạng thái giới hạn cực hạn: Các trạng thái giới hạn cực hạn là các trạng

thái liên quan tới sự sụp đổ hoặc các dạng hư hỏng khác của công trình có thể gây nguy hiểm tới sự an toàn của con người Ở trạng thái giới hạn này,

hệ kết cấu công trình cần phải được kiểm tra về khả năng chịu lực và phân tán năng lượng, về ổn định trượt và chống lật, về khả năng chịu lực của hệ móng và cường độ đất nền dưới móng công trình và cả về sự làm việc của các bộ phận không chịu tải;

 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 Công trình ở trạng thái này, có các hư hỏng không thể chấp nhận phải được ngăn chặn với độ tin cậy phù hợp bằng cách thỏa mãn các giới hạn về biến dạng hoặc các giới hạn khác quy định trong Tiêu chuẩn Ở những công trình quan trọng có chức năng bảo vệ dân sự, hệ kết cấu cần phải được kiểm tra để bảo đảm 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

Trong phạm vi đề tài này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu áp dụng các phương pháp push-over tĩnh, với mức độ đơn giản và độ chính xác ở mức chấp nhận được mà không cần mô hình hóa phức tạp, không cần tính toán công phu như tính toán động, đang được áp dụng rộng rãi trong các phòng thiết kế trên thế giới

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

2.1 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP DÙNG TRONG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

2.1.1 Phân loại theo tính chất của tác động động đất lên công trình

Theo cách phân loại này, các phương pháp tính toán được chia làm hai loại:

- Các phương pháp tính toán tĩnh:

+ Phương pháp tĩnh lực tương đương;

+ Phương pháp tính toán push-over tĩnh

- Các phương pháp tính toán động:

+ Phương pháp phổ phản ứng;

+ Phương pháp phân tích dạng;

+ Phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động;

+ Phương pháp tính toán push-over động

2.1.2 Phân loại theo các đặc tính làm việc của hệ kết cấu chịu lực của công trình xây dựng

Theo cách phân loại này, các phương pháp tính toán được phân thành hai loại:

- Các phương pháp tính toán đàn hồi tuyến tính;

+ Phương pháp tĩnh lực tương đương;

+ Phương pháp phổ phản ứng;

+ Phương pháp phân tích dạng;

+ Phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động

- Các phương pháp phi tuyến:

+ Phương pháp tính toán push-over tĩnh;

+ Phương pháp tính toán push-over động;

+ Phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động

Kết hợp hai cách phân loại trên, ta được bốn nhóm phương pháp sau:

- Tĩnh tuyến tính: Phương pháp tĩnh lực 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 tính toán push-over tĩnh;

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

Cả bốn nhóm phương pháp trên đều có ưu và nhược điểm riêng; không có phương pháp tính toán nào có thể thay thế cho các phương pháp còn lại

2.2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO TCVN 9386:2012

Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 cho phép khi thiết kế công trình chịu động đất

có thể sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương (tĩnh tuyến tính);

- Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động (động tuyến tính);

- Phương pháp tính toán push-over (tĩnh phi tuyến);

- Phương pháp phân tích lịch sử phản ứng hoặc lịch sử thời gian (động phi tuyến)

Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 quy định phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động là phương pháp chính, có phạm vi áp dụng không hạn chế để tính toán tất

cả các loại công trình xây dựng chịu động đất

Các phương pháp phân tích tuyến tính sử dụng phổ phản ứng thiết kế, về cơ

bản là phổ phản ứng đàn hồi với độ cản nhớt ξ = 5% chia cho hệ số ứng xử q Các

nội lực do tác động động đất gây ra được lấy bằng nội lực xác định từ phân tích tuyến tính, nhưng do giả thiết cân bằng chuyển vị hệ đàn hồi với hệ đàn hồi-dẻo và

do việc sử dụng hệ số ứng xử q nên chuyển vị do tác động động đất gây ra được lấy bằng tích số giữa chuyển vị xác định từ phân tích tuyến tính và hệ số q Cụ thể, chuyển vị của một điểm trên hệ kết cấu d s gây ra bởi tác động của động đất thiết kế được xác định theo biểu thức:

d c - chuyển vị của cùng điểm xác định d s trên hệ kết cấu được xác định từ phân

tích tuyến tính dựa trên phổ phản ứng thiết kế

Trong trường hợp sử dụng các phương pháp phân tích phi tuyến, cả nội lực

và chuyển vị do tác động của động đất gây ra được lấy theo kết quả phân tích phi tuyến

Ngoài ra, việc sử dụng các phương pháp phân tích tuyến tính không có nghĩa

là phản ứng kết cấu chịu động đất là đàn hồi tuyến tính Đây là thủ thuật nhằm đơn giản hóa việc tính toán trong thực tế bằng cách thay thế việc tính toán phi tuyến phức tạp bằng tính toán đàn hồi tuyến tính và chấp nhận có sai số nhất định trong các kết quả nhận được

2.2.1 Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn TCVN 9386:2012

Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 chia các trường hợp động đất thành 3 loại tùy

thuộc vào giá trị gia tốc nền thiết kế a g = a gR γ I:

2.2.2 Các bước xác định tải trọng động đất

a Xác định giá trị tỷ số a gR /g

Căn cứ vào bản đồ phân vùng gia tốc nền chu kỳ lặp 500 năm cho nền đất loại A lãnh thổ Việt Nam cho trong phụ lục (TCVN 3986:2012), hoặc căn cứ phân

vùng gia tốc nền theo địa danh hành chính để xác định tỷ số a gR /g

trong đó: a gR- đỉnh gia tốc nền tham chiếu ở địa điểm xây dựng công trình;

g- gia tốc trọng trường

Bảng 2.1 Lựa chọn mô hình và phương pháp tính toán động đất

Tính đều đặn Được phép đơn giản hóa Hệ số ứng xử

q

Trong mặt

bằng

Trên chiều cao Mô hình

Phân tích đàn hồi tuyến tính

Không Có Không gian Tĩnh lực ngang tương

đương Để tham chiếu

Không Không Không gian Phương pháp phổ

phản ứng

Được giảm bớt

b Nhận dạng điều kiện đất nền theo tác động động đất

Tiêu chuẩn quy định tính toán theo 5 loại đất: A, B, C, D, E và giá trị các tham số S, TB, TC và TD mô tả dạng phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang, xem Bảng 2.2 Căn cứ vào mặt cắt địa tầng và các số liệu khảo sát địa chất công trình tại khu vực xây dựng để nhận dạng nền đất phục vụ việc tính toán kháng chấn

Cu

(Pa)

A Đá hoặc các kiến tạo địa chất khác tựa

đá, kể cả các đất yếu hơn trên bề mặt với

D Đất rời trạng thái từ xốp đến chặt vừa (có

hoặc không xen kẹp các lớp đất dính)

hoặc có đa phần đất dính trạng thái từ

mềm đến cứng vừa

< 180 < 15 < 70

E Địa tầng bao gồm lớp trầm tích sông ở bề

mặt với bề dầy trong khoảng 5-20m có

giá trị tốc độ truyền sóng như loại C, D

và bên dưới là đất cứng hơn với tốc độ

truyền sóng VS > 800m/s

S1 Địa tầng bao gồm hoặc chứa một lớp đất

sét mềm/bùn (bụi) tính dẻo cao (PI > 40)

và độ ẩm cao, có chiều dầy ít nhất là 10m

< 100 - 10-20

S2 Địa tầng bao gồm các đất dễ hóa lỏng,

đất sét nhạy hoặc các đất khác với các

đất trong các loại nền A-E hoặc S1

c Mức độ và hệ số tầm quan trọng

Như đã trình bày trên, mức độ quan trọng của công trình được đặc trưng bởi

hệ số tầm quan trọng γ I Các định nghĩa về mức độ và hệ số tầm quan trọng trong

Phụ lục (trong đó γ I = 1.25, 1.00, 0.75 tương ứng với công trình loại I, II và III) Bảng 2.3 giới thiệu mức độ và hệ số tầm quan trọng theo TCVN 9386:2012

Đập bê tông chịu áp chiều cao >100m;

Nhà máy điện nguyên tử; Công trình nghiên cứu, sản xuất thử các chế phẩm sinh vật cực độc, các loại vi khuẩn, mầm bệnh thiên nhiên và nhân tạo (chuột dịch, dịch tả, thương hàn,…; Công trình cột, tháp cao >300m; Nhà dân dụng cao trên 60 tầng

Thiết kế với gia tốc lớn nhất có thể xảy ra

I Công trình có

tầm quan

Công trình thường xuyên đông người có

hệ số sử dụng cao: công trình mục I-2.a, 1.25

Công trình thường xuyên đông người có

hệ số sử dụng cao: công trình mục I-2.a, I-2.b, I-2.d, I-2.h, I-2.k, I-2.i, I-2.m có số tầng, nhịp, diện tích sử dụng hoặc sức chứa phân loại cấp II; Trụ sở hành chính

cơ quan cấp tỉnh, thành phố, các công trình trọng yếu của các tỉnh, thành phố đóng vai trò đầu mối như: công trình mục I-2.đ, I-2.g, I-2.h có nhịp, diện tích

sử dụng phân loại cấp I, II; Các hạng mục quan trọng, lắp đặt các thiết bị có giá trị kinh tế cao của các nhà máy thuộc công trình công nghiệp mục II-1 đến II-

4, từ II-6 đến II-8, từ II-10 đến II-12, công trình năng lượng mục II-9.a, II-9.b;

Công trình giao thông III-3, III-5; Công trình thủy lợi IV-2; Công trình hầm III-4; Công trình cấp thoát nước V-1 tất cả thuộc phân loại cấp I, II; Các công trình quốc phòng, an ninh; Nhà cao tầng từ 9 đến 19 tầng; Công trình dạng tháp cao từ

1.00

Tường cao hơn 10m

từ II-6 đến II-8, từ II-10 đến II-12 phân loại cấp IV; Công trình mà sự hư hỏng

do động đất ít gây ra thiệt hại về người

và thiết bị quý giá

Không yêu cầu tính toán kháng chấn

Chú ý: Các công trình ứng với mục có mã số kèm theo xem chi tiết trong Tiêu chuẩn trong Phụ lục

d Xác định giá trị gia tốc đỉnh đất nền thiết kế

Gia tốc đỉnh đất nền thiết kế a g ứng với trạng thái cực hạn được xác định như sau:

trong đó: a gR- đỉnh gia tốc nền tham chiếu ở địa điểm xây dựng công trình;

γ I- hệ số tầm quan trọng (lấy theo Bảng 3.3)

e Xác định hệ số ứng xử q của kết cấu bê tông cốt thép

Hệ số ứng xử q còn được gọi là hệ số làm việc, bản chất của hệ số ứng xử là

xét tới khả năng phân tán năng lượng của kết cấu

Trường hợp công trình bê tông cốt thép, hệ số q ứng với các cấp độ dẻo khác

nhau đối với các tác động của động đất theo phương ngang:

trong đó: q 0- giá trị cơ bản của hệ số ứng xử, phụ thuộc vào loại kết cấu sử dụng và

tính đều đặn trên chiều cao của công trình;

k w- hệ số phản ánh dạng phá hoại

Đối với các công trình nhà có cấu tạo đều đặn theo chiều cao, giá trị q 0 xác định theo Bảng 2.4

Khi hệ số α u /α 1 không được xác định bằng tính toán, đối với các công trình

có cấu tạo mặt cắt ngang đều đặn, có thể sử dụng giá trị gần đúng của trị số α u /α 1

Bảng 2.4 Phân loại độ dẻo kết cấu

*) Hệ tường chịu lực hoặc hệ hỗn hợp tương đương tường chịu lực:

- Hệ tường chỉ có 2 tường không ghép theo phương ngang α u /α 1 = 1.0;

- Hệ tường không ghép α u /α 1 = 1.1;

- Hệ tường ghép α u /α 1 = 1.2

Đối với các công trình có mặt cắt ngang không đều đặn trên mặt bằng, khi

không thực hiện tính toán các giá trị α u /α 1 có thể lấy giá trị gần đúng α u /α 1 là trung bình cộng của 1 và giá trị cho ở trên

Hệ số k w phản ánh dạng phá hoại thường gặp trong hệ kết cấu có tường chịu lực và được lấy như sau:

- k w = 1.0 với hệ khung và hệ kết cấu hỗn hợp tương đương khung;

- k w = (1 + α 0)/3 ≤ 1, nhưng không nhỏ hơn 0.5 cho hệ tường hệ kết cấu hỗn hợp tương đương tường và kết cấu dễ xoắn

trong đó: α 0- tỷ số kích thước các tường trong kết cấu:

0

wi

wi

h l

h wi - chiều cao tường thứ i;

l wi - độ dài của tường thứ i

f Xác định chu kỳ dao động riêng cơ bản T 1 của công trình

Đối với nhà và công trình, giá trị T 1 có thể tính gần đúng theo công thức sau:

3 4

1 t

trong đó:C t = 0.0875 đối với khung thép không gian chịu mômen;

C t = 0.075 đối với khung bê tông không gian chịu mômen và khung thép

có giằng lệch tâm;

C t = 0.05 đối với kết cấu khác

H- chiều cao công trình tính bằng m, tính từ mặt móng hoặc từ đỉnh của

phần cứng phía dưới

Chúng ta cũng có thể sử dụng các công thức khác của UBC 1997 hoặc một

số tài liệu kỹ thuật chuyên ngành khác (ví dụ T 1 = 0.1n đối với nhà có n tầng bằng

khung bê tông cốt thép), hoặc sử dụng các phần mềm kết cấu SAP 2000, ETABS

…để xác định dao động riêng của kết cấu

Ngoài ra, ta có thể xác định T 1 theo công thức sau:

1 2

Với d là chuyển vị ngang đàn hồi tại đỉnh công trình, tính bằng mét do lực

trọng trường tác dụng theo phương ngang gây ra

2.2.3 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

C T T

trong đó: S d (T 1 )- tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T1;

T1- chu kỳ dao động cơ bản của công trình do chuyển động ngang theo phương đang xét;

m- tổng khối lượng của công trình trên móng hoặc ở trên đỉnh của phần cứng phía dưới;

λ- hệ số điều chỉnh, lấy như sau:

λ = 0.85 nếu T1 ≤ 2TC với nhà có trên 2 tầng hoặc λ = 1 với các trường hợp khác

c Phân phối lực động đất theo phương ngang

Lực cắt do động đất gây ra có tác động tại chân công trình được phân phối lên các tầng với các giá trị như sau:

Trường hợp dạng dao động cơ bản được xác định gần đúng với giả thiết

chuyển vị ngang tăng tuyến tính dọc theo chiều cao công trình, khi đó lực ngang F i

a Phạm vi áp dụng của phương pháp

Phương pháp phân tích phổ phản ứng là phương pháp có thể áp dụng cho tất

cả các công trình xây dựng và phương pháp phân tích phổ phản ứng có thể áp dụng tính toán cho các công trình không thỏa mãn điều kiện áp dụng phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương

b Phổ thiết kế dùng trong phân tích đàn hồi

Theo quan điểm thiết kế hiện đại, các hệ kết cấu được phép chịu tải trọng động đất trong miền không đàn hồi Để tránh phải thực hiện việc tính toán trực tiếp

các kết cấu không đàn hồi, người ta dùng phổ thiết kế S d (T) là phổ phản ứng đàn hồi được thu nhỏ lại thông qua hệ số ứng xử q

Đối với các thành phần nằm ngang của tác động động đất: Phổ thiết kế

S d (T) được xác định theo các biểu thức sau:

trong đó: S d (T)- phổ thiết kế dùng cho phân tích đàn hồi;

T- chu kỳ dao động của hệ;

S- hệ số phụ thuộc vào loại đất nền;

η- hệ số điều chỉnh độ cản với giá trị tham chiếu η = 1 đối với độ cản nhớt

5%;

β- hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương ngang: β = 0.2

Phổ phản ứng thiết kế được chấp nhận dạng 1 của Eurocode 8 đối với tiêu chuẩn Việt Nam giới thiệu trong Hình 2.1