Tính toán kết cấu bê tông cốt thép chịu động đất theo phương pháp lịch sử thời gian

Kết cấu bê tông cốt thép có các ưu điểm như có cường độ cao, khả năng chịu lực lớn, độ bền cao, khả năng chống nhiệt và hấp thụ năng lượng tốt, dễ tạo hình, giá thành thấp được sử dụng n

i

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi: - Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy Lợi

- Phòng Đào tạo đại học và Sau đại học

Tên tôi là: Lê Mạnh Tài

Hà Nội, ngày 21 tháng 11 năm 2018

HỌC VIÊN

LÊ MẠNH TÀI

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của Thầy TS Nguyễn Anh Dũng em đã hoàn thành luận văn theo đúng nội dung của đề cương nghiên cứu đã được Hội đồng Khoa học và Đào tạo của Khoa công trình phê duyệt

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Anh Dũng, đã chỉ bảo tận tình, hướng dẫn cho em trong thời gian làm luận văn Cùng với đó em xin gửi lời cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Xây dựng dân dụng và công nghiệp nói riêng cũng như các thầy, cô giáo trong trường Đại học Thủy lợi nói chung đã dạy dỗ, dìu dắt em trong suốt hai năm qua Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian qua

Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã cố gắng và nỗ lực hết mình song do những hạn chế về kiến thức, thời gian, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo cho nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót em rất mong nhận được sự đóng góp và tư vấn của các thầy cô

Xin trân trọng cảm ơn./

Hà Nội, ngày 21 tháng 11 năm 2018

HỌC VIÊN

LÊ MẠNH TÀI

iii

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU i

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

1.1 Tổng quan về động đất 3

1.1.1 Định nghĩa, nguồn gốc của động đất 3

1.1.2 Cường độ động đất 7

1.1.3 Động đất trên lãnh thổ Việt Nam 9

1.2 Kết cấu bê tông cốt thép và các đặc trưng vật liệu 14

1.2.1 Tổng quan về kết cấu bê tông cốt thép 14

1.2.2 Đặc điểm của nhà nhiều tầng 17

1.2.3 Đặc trưng vật liệu bê tông trong Tiêu chuẩn Việt Nam 20

1.2.4 Đặc trưng vật liệu cốt thép trong Tiêu chuẩn Việt Nam 25

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP LỊCH SỬ THỜI GIAN 30

2.1 Một số giả thiết tính toán 30

2.2 Sơ đồ tính 30

2.3 Trình tự tính toán 30

2.4 Xác định tải trọng 31

2.4.1 Tải trọng thẳng đứng 31

2.4.2 Tải trọng gió 32

2.4.3 Các phương pháp xác định tải trọng động đất 37

2.5 Phương pháp phần tử hữu hạn 47

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KẾT CẤU KHUNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH LỊCH SỬ THỜI GIAN 49

3.1 Tổng quan 49

3.1.1 Giới thiệu về công trình 49

3.1.2 Giới thiệu về phần mềm ứng dụng tính toán ETABS 49

3.1.3 Lập mô hình tính toán 50

iv

3.2 Tính toán tải trọng tĩnh tác dụng lên công trình 50

3.2.1 Tĩnh tải 51

3.2.2 Hoạt tải 52

3.2.3 Tải trọng gió 52

3.3 Tính toán tải trọng động đất tác động lên công trình 66

3.3.1 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương 66

3.3.2 Phương pháp phổ phản ứng 72

3.3.3 Phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian 84

3.4 Kết quả tính toán 92

3.5 Nhận xét và đánh giá 99

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

v

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3.1: Mô hình tính toán 50

Hình 3.2: Khai báo loại tải trọng 67

Hình 3.3: Khai báo các thông số theo TCVN 9386:2012 trên cơ sở tiêu chuẩn EC8 2004 68 Hình 3.4: Đối với thép 74

Hình 3.5: Định nghĩa nguồn tạo khối lượng 75

Hình 3.6: Khai báo số mode dao động 76

Hinh 3.7: Phổ phẩn ứng 78

Hình 3.8: Định nghĩa trường hợp tải trọng động đất 79

Hình3.9: Giản đồ giá trị 85

Hình3.10: Dữ liệu trận động đất dưới dạng file txt 86

Hình 3.11: Định nghĩa trường hợp phân tích 87

Hình 3.12: Khai báo hệ số giảm chấn 87

Hình 3.13: Giá trị lực nén P theo phương OX 92

Hình 3.14: Giá trị lực nén P theo phương OY 92

Hình 3.15: Giá trị mô men M3 theo phương OX 93

Hình 3.16: Giá trị mô men M3 theo phương OY 93

Hình 3.17: Giá trị mô men M2 theo phương OX 94

Hình 3.18: Giá trị mô men M2 theo phương OY 94

Hình 3.19: Giá trị lực cắt V2 theo phương OX 95

Hình 3.20: Giá trị lực cắt V2 theo phương OY 95

Hình 3.21: Giá trị lực cắt V3 theo phương OX 96

Hình 3.22: Giá trị lực cắt V3 theo phương OY 96

Hình 3.23: Giá trị mô men xoắn T theo phương OX 97

Hình 3.24: Giá trị mô men xoắn T theo phương OX 97

Hình 3.25: Giá trị chuyển vị theo phương OX 98

Hình 3.26: Giá trị chuyển vị theo phương OY 98

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 - Các cường độ tính toán của bê tông Rb, Rbt khi tính toán theo các trạng thái

giới hạn thứ nhất, Mpa (theo TCVN 5574:2012) 22

Bảng 1.2 - Cường độ chịu kéo tính toán của bê tông Rbt ứng với cấp độ bền chịu kéo của bê tông, Mpa (theo TCVN 5574:2012) 23

Bảng 1.3 - Mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông khi nén và kéo, Eb x 10-3, MPa 24

Bảng 1.4 - Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn Rsn và cường độ chịu kéo tính toán của thép thanh khi tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ hai Rs, ser (theo TCVN 5574:2012) 26

Bảng 1.5 - Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn Rsn và cường độ chịu kéo tính toán của thép sợi khi tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ hai Rs,ser (theo TCVN 5574:2012) 26 Bảng 1.6 - Cường độ tính toán của cốt thép thanh khi tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ nhất (theo TCVN 5574:2012) 27

Bảng 1.7 - Cường độ tính toán của cốt thép sợi khi tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ nhất, Mpa (theo TCVN 5574:2012) 28

Bảng 1.8 - Mô đun đàn hồi của một số loại cốt thép (theo TCVN 5574:2012) 29

Bảng 2.1: Bảng áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam 32

Bảng 2.2: Bảng giá trị giới hạn của tần số dao động riêng fL 33

Bảng 2.3: Bảng hệ số áp lực động của tải trọng gió ζ 34

Bảng 2.4: Bảng hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió 35

Bảng 3.1 Giá trị thành phần tĩnh của tải trọng gió đẩy theo phương X được quy thành tải trọng tập trung tác dụng nên tâm cứng 53

Bảng 3.2 Giá trị thành phần tĩnh của tải trọng gió đẩy theo phương Y được quy thành tải trọng tập trung tác dụng nên tâm cứng 54

Bảng 3.3 Giá trị thành phần động của tải trọng gió theo phương OX ứng với dạng dao động thứ nhất được quy thành tải trọng tập trung tác dụng nên tâm cứng 58

Bảng 3.4 Giá trị thành phần động của tải trọng gió theo phương OY ứng với dạng dao động thứ hai được quy thành tải trọng tập trung tác dụng nên tâm cứng 59

Bảng 3.5 Giá trị thành phần động của tải trọng gió theo phương OX ứng với dạng dao động thứ ba được quy thành tải trọng tập trung tác dụng nên tâm cứng 60

vii

Bảng 3.6 Giá trị thành phần động của tải trọng gió theo phương 0Y ứng với dạng dao

động thứ ba được quy thành tải trọng tập trung tác dụng nên tâm cứng 61

Bảng 3.7 Giá trị thành phần động của tải trọng gió theo phương OX ứng với dạng dao động thứ tư được quy thành tải trọng tập trung tác dụng nên tâm cứng 62

Bảng 3.8 Giá trị thành phần động của tải trọng gió theo phương OY ứng với dạng dao động thứ năm được quy thành tải trọng tập trung tác dụng nên tâm cứng 63

Bảng 3.9 Bảng tổng hợp tổng áp lực gió động và tĩnh theo phương OX 64

Bảng 3.10 Bảng tổng hợp tổng áp lực gió động và tĩnh theo phương OY 65

Bảng 3.11: Hệ số chiết giảm khối lượng 74

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

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

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

đó việc thiết kế công trình chịu động đất là cần thiết đề bảo vệ tính mạng con người cũng như của cải vật chất bên trong công trình Công trình được thiết kế chịu động đất chính là một cách bảo vệ gián tiếp tính mạng và của cải bên trong công trình Kết cấu

bê tông cốt thép có các ưu điểm như có cường độ cao, khả năng chịu lực lớn, độ bền cao, khả năng chống nhiệt và hấp thụ năng lượng tốt, dễ tạo hình, giá thành thấp được

sử dụng nhiều để xây các công trình nhất là trong khu vực có động đất lớn, thường xuyên xảy ra

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

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép chịu động đất phân tích theo lịch sử thời gian, đưa ra được một số nhận xét về kết quả nhận được so với một số phương pháp tính toán khác d

2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Đối tượng nghiên cứu: Khung không gian kết cấu bê tông cốt thép nhà nhiều tầng Phạm vi nghiên cứu: Sử dụng phương pháp tính toán khung không gian chịu động đất dùng phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài:

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

5 Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp lý thuyết;

Phương pháp phân tích, tổng hợp

6 Nội dung chính của luận văn:

Luận văn trình bày phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị Luận văn gồm 3 chương chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về tính toán kết cấu bê tông cốt thép chịu động đất

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của tính toán kết cấu bê tông cốt thép chịu động đất theo phương pháp lịch sử thời gian

Chương 3: Nghiên cứu tính toán kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất theo phương pháp phân tích lịch sử thời gian

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT

1.1 Tổng quan về động đất

1.1.1 Định nghĩa, nguồn gốc của động đất

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

Nguồn gốc của động đất:

* Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo

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

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

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

4

Theo giả thiết cơ bản của thuyết kiến tạo mảng, bề mặt quả đất được tập hợp từ một số khối lớn gọi là mảng; trên, các mảng là các châu lục và đại dương Các mảng này chuyển động tương đối so với nhau Toàn bộ vỏ quả đất có thể hình dung được chia thành 15 mảng trong đó có 11 mảng lớn (vĩ mảng) sau: mảng Âu – Á, mảng châu Phi, mảng châu úc, mảng Philipin, mảng Thái Binh dương, mảng Cocos, mảng Nazca, mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ, mảng Caribe và mảng Nam cực Các mảng lón lại được chia thành các mảng bé hơn (vi mảng) qua các vết đút gãy nông hơn Hình 1.3 giới thiệu các mảng kiến tạo cùng các vết đút gãy trên toàn bộ bề mặt quả đất

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

1.1.1.1 Chuyền động tách giãn

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

1.1.1.2 Chuyển động hút chìm

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

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

5

Chuyển động trườn: mảng này chuyển động rúc xuống dưới mảng khác Ví dụ 11 mảng Ấn – ức rúc xuống dưới mảng Á – Âu làm cho dãy Hymalaya bị đẩy cao dần lên, mỗi năm khoảng 9 BR cm;

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

Mỹ

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

1.1.1.3 Chuyển động trượt ngang

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

- Chuyển động trượt tương đối tại đứt gẫy;

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

ra biến dạng nén ở vùng Địa Trung hải

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

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

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

* Động đất có nguồn gốc từ các đứt gãy

6

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

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

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

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

do đó sẽ không gây ra động đất Đứt gãy địa chấn nổi tiếng nhất trên thế giới thuộc loại hoạt động là đứt gẫy San Andreas ỏ California (Hoa Kỳ) Đứt gẫy này có chiều dài 300 km và trượt ngang 6,4 m, từng gây ra trận động đất San Francisco năm 1906

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

a) Trượt nghiêng: sự dịch chuyển xảy ra theo phương song song với độ dốc của đứt gẫy (hoặc vuông góc với đường mạch ngang là giao tuyến giữa mặt đứt gẫy và mặt nằm ngang) Tuỳ thuộc vào hướng chuyển động tương đối của các mảng nằm hai bên mặt đứt gẫy mà các đứt gẫy được phân loại như sau:

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

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

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

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

* Động đất phát sinh từ các nguồn gốc khác

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

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

Thang cường độ động đất

8

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

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

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

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

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

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

Thang độ lớn động đât

* Thang Richter:

Theo định nghĩa của Richter, độ lớn M của một trận động đất được xác định như sau: M=logA - logA0

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

A0 là biên độ lớn nhất của trận động đất chuẩn có cùng tâm trấn

* Các thang cường độ động đất khác:

- Thang độ lớn sóng mặt (Ms) đo các biên độ sóng mặt có chu kỳ 20s, thường xảy ra ở các trận động đất xa khoảng cách tâm trấn trên 2000km Thang đo này được Gutenberg và Richter đề xuất năm 1936 thường dùng cho các trận động đát trung bình tới lớn có độ sâu chấn tiêu nhỏ hơn 70km Biểu thức xác định Ms như sau: Ms= logA + 1.66logL + 2,0

Trong đó: L là khoảng cách chấn tâm được đo bằng độ (3600 ứng với chu vi quả đất

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

9

- Thang độ lớn sóng khối (Mb) đo biên độ sóng P có chu kì khoảng 1,0s Thang này phù hợp với các trận động đất rất sâu với sóng mặt yếu, được Gutenberg đề xuất vào năm 1945 Thang Mb có thể đo được các trận động đất xa với khoảng cách tâm chấn trên 600km Mb được xác định qua biểu thức sau:

Mb=logA – logT + 0,01L + 5,9

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

T là chu kỳ dao động đo bằng (s)

L là khoảng cách chấn tâm đo bằng độ

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

1.1.3 Động đất trên lãnh thổ Việt Nam

- Cấu trúc kiến tạo Việt Nam

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

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

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

10

- Các đứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam

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

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

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

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

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

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

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

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

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

+ Các đứt gãy á kim tuyến Tây Biển Đông

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

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

11

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

+ Đứt gãy Linh Sơn – Hạ Long từ Quảng Tây (Trung Quốc) sang Việt Nam chạy dọc

bở vịnh Hạ Long từ Móng Cái qua Cẩm Phả;

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

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

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

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

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

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

+ Đới đứt gãy Sông Poco, Tuy Hòa – Dầu Tiếng, Vũng Tàu – Tông Lê Sáp trong miền địa khối Indosini;

- Các trận động đất đã xảy ra tại Việt Nam

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

2003 đã có 1645 trận động đất mạnh từ 3 độ Richter trở lên đã xảy ra trên lãnh thổ nước ta Đó là các trận động đất cấp XIII (6 độ Richter) ở quận Nhật Nam (Bắc Đồng Hới) vào năm 114, các trận động đất cấp VII và cấp VIII (5,5-6 độ Richter) ở Hà Nội vào các năm 1276, 1278, 1285, động đất cấp VIII-IX (trên 6 độ Richter) ở Yên Định – Vĩnh Lộc – Nho Quan vào năm 1935, động đất cấp XIII (6 độ Richter) ở Nghệ An vào năm 1821, động đất cấp VII ở Hải Dương vào năm 1137, động đất cấp VII ở Tĩnh Gia

12

– Thanh Hóa năm 1767, các trận động đất cấp VII (5,5 độ Richter) ở Phan Thiết vào các năm 1882, 1887…(tất cả các cấp độ động đất trên đều phỏng đoán theo thang MSK-64)

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

+ Trận động đất xảy ra vào ngày 24/6/1983 có chấn tâm năm ở huyện Tuần Giáo Trận động đất này có độ lớn M=6.7 (theo tháng Richter) và cường độ ở vùng chấn tâm khoảng cấp VIII (theo thang MSK-64) Trận động đất này gây ra sụt lở lớn ở các dãy núi, vùi lấp 200 ha ruộng, làm chết và bị thương hàng chục người Một số công trình xây dựng trong vùng chấn tâm đã bị phá hoại Nền đất bị nứt rộng 10 cm và dài tới 20km Chấn động của trận động đất này đã lan sang các khu vực khác như thị xã Lai Châu, Thuận Châu, Tủa Chùa, Quỳnh Nhai, thị xã Sơn La Tại Hà Nội trận động đất này gây ra cường độ khoảng cấp V-VI theo thang MSK-64, gây rạn nứt nhà cửa ở một vài khu vực

+ Trận động đất tại Điện Biên Phủ xảy ra vào ngày 19/2/2001 có độ lớn M=5,3 độ Rịchter Chấn tâm của trận động đất nằm tại vùng núi Nam Oun của Lào cách thị xã Điện Biên 15 km, với độ sâu chấn tiêu khoảng 12 km Chấn động ở vùng chấn tâm đạt tới cấp VII – VIII theo thang MSK-64 ở Hua Pe (thuộc tỉnh Lai Châu) gần biên giới Việt Lào chuyển động địa chấn làm sập mái hầm kèo, gây nứt ở sườn dốc, sàn nhà và

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

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

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

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

13

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

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

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

Đà Lạt (1980), Hà Nội (1986), … Từ năm 1986 đến năm 1995 nhờ có dự án của UNDP, mạng lưới trạm địa chấn Việt Nam đã được tăng cường và hiện đại hóa Đến nay chúng ta đã có 26 trạm địa chấn chu kỳ ngắn, ghi số trong đó có hệ thống trạm địa chấn đo xa gồm 8 trạm xung quang Hà Nội Có thể nói trước năm 1975 mạng lưới trạm quan trắc động đất còn thưa, hoạt động không đồng bộ nên chưa có sự hiệu quả cao trong quan sát động đất ở nước ta Do đó việc ghi lại các trận động đất xảy trên lãnh thổ nước ta chưa đầy đủ và có chấn lượng, các máy đo chỉ đo được các trận động đất yếu hoặc dư chấn động đất mạnh Vì vậy phần lớn các số liệu địa chấn được thu thập từ việc điều tra thực địa và tài liệu lịch sử

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

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

đã đưa đề tài phân vùng động đất trên lãnh thổ Việt Nam vào chương trình Atlas quốc gia và năm 1980 lại đưa ra chương trình hợp tác khoa học giữa Viện Khoa học Việt

14

Nam và Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô và giao cho Viện Vật lý địa cầu – Viện khoa học Việt Nam thực hiện Công trình đã được hoàn thành vào năm 1985 và năm 1989 cho công bố bản đồ phân vùng động đất Việt Nam tỉ lệ 1/2.000.000 Để tiếp tục hoàn thiện bản đồ phân vùng động đất, năm 1992 Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường

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

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

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

“Nghiên cứu dự báo động động đất và dao động nền ở Việt Nam” Một trong các kết quả nghiên cứu của đề tài này là bản đồ dự báo cương độ chấn động cực đại, bản đồ phân vùng gia tốc nền cực đại amax và các bản đồ phân vùng gia tốc nền với xác suất vượt quá 10% trong các khoảng thời gian 20, 50, 100 năm Dựa trên các kết quả nghiên cứu này, Viện Vật lý Địa cầu đã cung cấp phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam chu kỳ lặp lại 500 năm trên nền loại A Như vậy với các kết quả nghiên cứu này, chung ta đã có các cơ sở dữ liệu cần thiết để thực hiện việc kháng chấn cho các công trình xây dựng trong các vùng có động đất tại Việt Nam

1.2 Kết cấu bê tông cốt thép và các đặc trưng vật liệu

1.2.1 Tổng quan về kết cấu bê tông cốt thép

Bê tông cốt thép (BTCT) là một loại vật liệu composite kết hợp bởi bê tông và thép, trong đó bê tông và thép cùng tham gia chịu lực Sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép xuất phát từ thực tế bê tông là loại vật liệu có cường độ chịu kéo thấp (chỉ bằng từ 1/20 đến 1/10 cường độc chịu nén của bê tông, do đó hạn chế khả năng sử dụng của bê tông

và gây nên lãng phí trong sử dụng vật liệu Đặc điểm này được khắc phục bằng cách

thêm vào trong bê tông những thanh cốt, thường làm từ thép, có cường độ chịu kéo cao hơn nhiều so với bê tông Cốt do đó thường được đặt tại những vùng chịu kéo của

cấu kiện Ngày nay cốt có thể được làm từ những loại vật liệu khác ngoài thép như polyme, sợi thủy tinh, hay các vật liệu composite khác Kết cấu xây dựng bằng

15

cách sử dụng bê tông kết hợp với cốt được gọi chung là 'kết cấu bê tông có cốt; kết cấu

bê tông cốt thép, với cốt các thanh thép, là loại kết cấu bê tông có cốt lâu đời và được

sử dụng rộng rãi nhất trong xây dựng

Bê tông cốt thép là loại vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng dân dụng và xây dựng công trình giao thông Trong hầu hết các công trình hiện nay, kết cấu BTCT đóng vai trò là kết cấu chịu lực chính cho cả công trình

Từ thời La Mã cổ đại bê tông đã được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng Khi xi măng được phát minh vào những năm đầu thế kỷ 19 thì việc kết hợp giữa bê tông và xi măng đem lại hiệu quả cao và được sử dụng ngày một rộng rãi François Coignet, nhà

tư bản công nghiệp người Pháp, là người tiên phong trong việc phát triển kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu bê tông đúc sẵn Coignet là người đầu tiên sử dụng cốt sắt cho

bê tông trong xây dựng các công trình nhà ở dân dụng Năm 1853, Coignet cho xây dựng công trình đầu tiên sử dụng bê tông cốt sắt, một căn nhà 4 tầng ở số 72 phố Charles Michels, ngoại ô Paris Tuy vậy, theo những mô tả của Coignet thì việc bổ sung cốt sắt vào bê tông không nhằm mục đích tăng cường độ bê tông mà nhằm giữ cho các bức tường bằng bê tông đứng thẳng và không bị lộn nhào Sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép của Coignet do đó vẫn chỉ mang tính chất tình cờ, chưa nhằm mục đích tăng cường độ chịu kéo cho kết cấu bê tông

Năm 1854, nhà thầu xây dựng người Anh là William B Wilkinson đã cho gia cố mái

và sàn bằng bê tông cốt thép cho một ngôi nhà hai tầng mà ông xây dựng Dựa vào vị trí đặt cốt thép, ông đã chứng minh rằng, không giống như những người tiền nhiệm của mình, Wilkinson đã có những hiểu biết nhất định về việc sử dụng cốt thép để gia tăng khả năng chịu kéo trong kết cấu

Joseph Monier, một nhà làm vườn người Pháp, được biết đến như một trong những nhà phát minh chính của kết cấu bê tông cốt thép Ông đã được cấp bằng sáng chế cho việc sử dụng lưới thép làm từ vỏ đạn cối để gia cố cho các chậu cây bằng bê tông Năm 1877, Monier nhận thêm một bằng sáng chế cho việc sử dụng lưới thép để gia cố cho các cột và dầm cầu bê tông Mặc dù Monier chắc chắn rằng kết hợp bê tông và cốt thép sẽ gia tăng cường độ cho kết cấu, nhưng rất ít người có thể khẳng định liệu

đã được đưa ra nghiên cứu và đánh giá thông qua thực nghiệm Nghiên cứu này của Hyatt đóng một vai trò cực kỳ quan trọng cho sự phát triển kết cấu bê tông sử dụng trong xây dựng, khi lần đầu tiên nó được xem xét và chứng minh sự hiệu quả dưới góc

độ khoa học, công nghệ Nếu không có nghiên cứu này, rất nhiều những thử nghiệm và sai sót trong thực tế có thể sẽ xảy ra trong đà phát triển của kết cấu bê tông cốt thép Lịch sử phát triển của kết cấu bê tông cốt thép cuối thế kỷ 19 còn ghi nhận thêm đóng góp của kỹ sư người Anh Ernest L Ransome Sử dụng những kiến thức thu thập được

về sự phát triển của bê tông cốt thép trong 50 năm trước đó, Ransome đã cải tiến bằng cách sử dụng những thanh cốt thép xoắn để gia tăng khả năng dính bám giữa thép và

bê tông

Những năm về sau lĩnh vực bê tông cốt thép đã đạt được nhiều tiến bộ và phát triển vượt bậc trên thế giới, dẫn đến việc thành lập "Hiệp hội bê tông Đức" vào năm 1910, sau đó là "Hiệp hội bê tông Áo" và các "Viện nghiên cứu bê tông Anh", "Viện nghiên cứu bê tông Mỹ" cũng như các tổ chức quốc tế như "Liên đoàn bê tông dự ứng lực quốc tế" (FIP) hay "Ủy ban Bê tông châu Âu" (CEB) Những tổ chức này đã góp phần quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép trong ngành xây dựng Hiện nay kết cấu bê tông cốt thép là loại kết cấu được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực xây dựng

17

Hiện nay kết cấu bê tông cốt thép được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực xây dựng dân dụng và xây dựng công trình giao thông như nhà ở, cầu, đường, nhà xưởng công nghiệp, sân bay, thủy lợi Tại Việt Nam, theo các thống kê chưa đầy đủ các công trình xây dựng từ kết cấu bê tông cốt thép chiếm 70% tổng số công trình xây dựng Nhà cao tầng: là dạng công trình phổ biến nhất sử dụng kết cấu bê tông cốt thép Độ cứng lớn của bê tông cốt thép cho phép rất thích hợp khi chịu tải trọng ngang như gió

Bê tông cố thép có những ưu điểm như giá thành thấp, khả năng chịu lực lớn, độ bền cao khẳ năng tạo hình khối dẽ dàng, khả năng chống cháy tốt khả năng hấp thụ năng lượng tốt…Tuy nhiên bê tông cốt thép vẫn còn một số hạn chế trọng lượng bản thân lớn, thời giant hi công nâu, khả năng tái sử dụng thấp, chi phí cho ván khuôn lớn

1.2.2 Đặc điểm của nhà nhiều tầng

Theo Ủy ban Quốc tế về nhà nhiều tầng thì ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố quyết định các điều kiện và phương pháp thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường thì được gọi là nhà nhiều tầng

Khái niệm trên đây có tính tương đối với các quốc gia, địa phương và thời điểm, phụ thuộc vào điều kiện kinh tế, kỹ thuật và xã hội

Căn cứ vào chiều cao và số tầng, Ủy ban Quốc tế về nhà nhiều tầng phân chia nhà nhiều tầng ra bốn loại như sau:

- Nhà nhiều tầng loại 1: 9 – 16 tầng ( cao nhất 50m)

- Nhà nhiều tầng loại 2: 17 – 25 tầng ( cao nhất 75m)

- Nhà nhiều tầng loại 3: 26 – 40 tầng ( cao nhất 100m)

- Nhà nhiều tầng loại 4: 40 tầng trở nên ( cao trên 100m)

Các nước tùy theo sự phát triển nhà nhiều tầng mà có cách phân loại khác nhau Hiện nay ở nước ta, sự phân loại nhà nhiều tầng của Ủy ban Quốc tế về nhà nhiều tầng đang được chấp nhận tương đối rộng rãi

18

Các nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển nhà nhiều tầng chủ yếu là sự phát triển kinh

tế, gia tăng dân số thành thị, khan hiến đất xây dựng, tăng giá đất, tiến bộ của khoa học công nghệ, sử dụng vật liệu cường độ cao, sử dụng thang máy, công nghiệp hóa ngành xây dựng…

Ngày nay nhà nhiều tầng là một bộ phận không thể thiếu trong các đô thị hiện đại, chúng có thể đứng độc lập tạo nên các điểm nhấn của kiến trúc đô thị, cũng có thể tập hợp lại thành các quần thể lớn của đô thị, trong đó các ngôi nhà được nối tiếp nhau cùng với hệ thống kỹ thuật phước tạp

Để phát triển nhà nhiều tầng trong các đô thị cần giải quyết đồng bộ nhiều vấn đề từ

kỹ thuật, môi trường, tâm sinh lý, cảnh quan đô thị đến các vấn đề xã hội; trong đó kỹ thuật xây dựng, đặc biệt là kỹ thuật tạo ra hệ kết cấu đảm bảo độ bền vững cho công trình là một vấn đề phức tạp đối với các nhà thiết kế và xây dựng

Khác với nhà thông thường, đối với nhà nhiều tầng thiết kế kết cấu đóng vai trò quan trọng hơn trong toàn bộ công tác thiết kế Để có được giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà nhiều tầng phải có sự kết hợp giữa kiến trúc sư, kỹ sư kết cấu và các kỹ sư chuyên ngành ngay từ khi thiết kế công trình

Hầu hết nhà nhiều tầng được xây dựng ở Việt Nam ta thời gian qua đều sử dụng giải pháp móng cọc, trong đó cọc khoan nhồi là chủ yếu Cọc bê tông cốt thép hoặc bê tông ứng xuất trước đúc sẵn được thi công theo phương pháp đõng hoặc ép được sử dụng cho một số công trình

Kết cấu bê tông cốt thép được sử dụng là phổ biến cường độ bê tông thường vào khoảng 25MPa – 60MPa Cốt thép sử dụng loại có giới hạn chảy nằm trong khoảng 240MPa – 500MPa Các hệ kết cấu đang được sử dụng thường là kết cấu khung không gian, hệ kết cấu khung – vách, kết cấu lõi và kết cấu tường

Kết cấu thuần khung ít được sử dụng vì trong các ngôi nhà này đều có thang máy với

hệ tường bê tông cốt thép

Kết cấu khung - vách là giải pháp được sử dụng phổ biến trong các nhà nhiều tầng ở nước ta Xét về lịch sử thì đây là loại kết cấu được thế giới nghiên cứu ứng dụng phổ

19

biến vào những năm 60 – 70 của thế kỹ trước Ưu điểm nổi bật của loại kết cấu này là phát huy được cả ưu điểm của kết cấu khung và kết cấu vách, đặc biệt là sự tương tác khi chịu tải trọng ngang Khi chiều cao ngôi nhà không quá lớn, do tận dụng được khả năng chịu tải trọng ngang của khung nên kích thước tường vốn là kết cấu chịu tải trọng ngang chính của nhà, được giảm xuống Trong điều kiện nước ta, đây là kết cấu có giá thành hợp lý Nhược điểm của kết cấu này là khó thi công và thi công chậm, tốn thiều cốp pha, hệ thống đầm có chiều cao lớn làm cản trở công năng sử dụng của ngôi nhà, làm tăng chiều cao nhà và hạn chế không gian trong ngôi nhà Kết cấu này phù hợp với các ngôi nhà ở có các căn hộ giống nhau theo chiều cao nhà Hiện nay ở nước ta kết cấu này được lựa chọn khá phổ biến cho các chung cư nhiều tầng phục vụ đền bù giải phóng mặt bằng và nhà ở cho người thu nhập thấp

Hệ kết cấu khung – vách với các kết cấu tường ở trung tâm kết hợp với hệ khung biên đang được sử dụng phổ biến cho các nhà ở kết hợp với văn phòng cho thuê hoặc dịch

vụ công cộng Khi hệ thống cột xung quanh nhà được bố trí gần nhau hệ kết cấu này trở thành hệ ống – lõi Trong thực tế xây dựng ở nước ta, hệ thống cột quanh nhà thường được bố trí khá thưa ( 7m – 9m) nên về bản chất chúng được làm việc theo sơ

đồ khung Hệ kết cấu sàn các ngôi nhà này thường là sàn bê tông ứng suất trước căng sau có nhịp từ ( 9m – 12m) Các công trình sử dụng kết cấu dạng này có ưu điểm là không gian rộng, linh hoạt Do không có hệ dầm trong nhà nên công tác thi công nhanh, tốn ít cốp pha Việc sử dụng công nghệ ứng suất trước căng sau tạo điều kiện đẩy nhanh tiến độ thi công, giảm vật liệu và tạo điều kiện để sử dụng vật liệu cường độ cao Trong các công trình này, dễ bố trí nội thất kể cả hệ thống kỹ thuật, giảm chiều cao ngôi nhà Nói chung đây là loại kết cấu hiện đại, thuộc thế hệ nhà nhiều tầng thời

kỳ cuối cùng của thế kỷ XX của thế giới

Hệ kết cấu gồm có lõi ở trung tâm kết hợp với hệ khung khớp lắp ghép là giải pháp kết cấu được áp dụng phổ biến cho các chung cư Đặc điểm nổi bật của hệ kết cấu này là tải trọng ngang do lõi chịu Hệ thống cột có liên kết khớp chỉ chịu tải trọng thẳng đứng Các bản sàn được lắp ghép bằng các Panel hoặc là kết cấu bán lắp ghép Ưu điểm của kết cấu này là thi công nhanh giá thành rẻ Lõi được thi công bằng phương pháp trượt Các cấu kiện dầm, sàn, cột được sản xuất trong nhà máy nên có chất lượng cao Với việc sử dụng công nghệ ứng suất trước cho panel và dầm nên có thể sử dụng vật liệu cường độ cao Nói chung đây là loại kết cấu phù hợp với sản xuất công

20

nghiệp Nhược điểm của kết cấu này là nhược điểm cố hữu của lắp ghép Hệ sàn lắp ghép có khả năng chống thấm kém nên nhiều trường hợp không thỏa mãn yêu cầu của khách hàng Ngoài ra do lắp ghép nên tính liền khối của sàn kém, dẫn đến độ cứng trong mặt phẳng nhỏ nên phần nào làm giảm khả năng kháng chấn của công trình Chính vì điều hạn chế này nên thông thường loại kết cấu lõi ở trung tâm kết hợp với hệ khung khớp lắp ghép chỉ được sử dụng cho các công trình có chiều cao hạn chế

Kết cấu lõi ở trung tâm kết hợp với hệ khung khớp lắp ghép được sử dụng phổ biến tại một số nước châu âu Loại kết cấu này mới được đưa vào ứng dụng thí điểm ở nước ta trong vài năm gần đây để xây dựng các chung cư tại khu đô thị Trung Hòa – Nhân Chính – TP Hà Nội Hiện nay loại kết cấu này được mở rộng ứng dụng tại nhiều dự án khác Kết cấu tường chịu lực đã được đưa vào ứng dụng thí điểm để xây dựng chung cư 25 tầng ở Hà Nội Đây là loại kết cấu thích hợp cho các chung cư nhiều tầng Ưu điểm nổi bật của loại kết cấu này là bỏ được hệ thống dầm Điều này làm cho không gian bên trong nhà đẹp hơn, không bị hệ thống dầm cản trở, chiều cao ngôi nhà do vậy được giảm xuống Hệ kết cấu tường chịu lực kết hợp với hệ thống sàn tạo thành một

hệ hộp nhiều ngăn có độ cứng không gian lớn có độ cứng không gian lớn, tính liền khối cao và khả năng chịu lực lớn Nhược điểm của hệ kết cấu này là hệ thống tường cản trở tính linh hoạt khi bố trí nội thất công trình, đặc biệt là đối với các công trình đòi hỏi các không gian rộng, linh hoạt Để khắc phục vấn đề này thông thường người

ta sử dụng phương pháp các dầm đỡ ở các tầng phía dưới và sử dụng giải pháp kết cấu tường chịu lực cho các tầng ở phía trên Loại kết cấu này bước đầu đã được sử dụng ở nước ta

Gần đây một số dạng kết cấu đặc biệt như kết cấu có tầng cứng, kết cấu có tầng chuyển đã được sử dụng cho một số công trình

Kết cấu nhà nhiều tầng bằng thép và liên hợp - thép bê tông được sử dụng tương đối ít

1.2.3 Đặc trưng vật liệu bê tông trong Tiêu chuẩn Việt Nam

Các loại cường độ tiêu chuẩn của bê tông bao gồm cường độ khi nén dọc trục mẫu lăng trụ (cường độ lăng trụ) Rbn và cường độ khi kéo dọc trục Rbtn

Bảng 1.1 - Các cường độ tính toán của bê tông Rb, Rbt khi tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ nhất, Mpa (theo TCVN 5574:2012)

B1 B1,5 B2 B2,5 B3,5 B5 B7,5 B10 B12,5 B15 B20 B25 B30 B35 B40 B45 B50 B55 B60

M50 M75 M100 M150 M150 M200 M250 M350 M400 M450 M500 M600 M700 M700 M80

0 Nén dọc trục

Bê tông nhẹ

Ký hiệu M để chỉ mác bê tông theo quy định trước đây

Các giá trị cường độ của bê tông tổ ong trong bảng ứng với bê tông tổ ong có độ ẩm là 10%

Đối với bê tông Keramzit - Perlit có cốt liệu bằng cát Perlit, giá trị Rbt được lấy bằng giá trị của bê tông nhẹ có cốt liệu cát hạt xốp nhân với 0,85

Đối với bê tông rỗng, giá trị Rb được lấy như đối với bê tông nhẹ; còn giá trị Rbt nhân thêm với 0,7

Đối với bê tông tự ứng suất, giá trị Rb được lấy như đối với bê tông nặng, còn giá trị Rbt nhân với 1,2

Bảng 1.2 - Cường độ chịu kéo tính toán của bê tông Rbt ứng với cấp độ bền chịu kéo của bê tông, Mpa (theo TCVN 5574:2012)

Trạng thái

Bt0,8 Bt1,2 Bt1,6 Bt2,0 Bt2,4 Bt2,8 Bt3,2

Kéo dọc trụ

Bê tông nặng, bê tông tự ứng suất, bê tông hạt nhỏ, bê tông nhẹ 0,62 0,93 1,25 1,55 1,85 2,15 2,45 CHÚ THÍCH: Ký hiệu K để chỉ mác bê tông theo cường độ chịu kéo trước đây

Bảng 1.3 - Mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông khi nén và kéo, Eb x 10-3, MPa

Loại bê tông Cấp độ bền chịu nén và mác tương ứng

B1 B1,5 B2 B2,5 B3,5 B5 B7,5 B10 B12,5 B15 B20 B25 B30 B35 B40 B45 B50 B55 B60

M50 M75 M100 M150 M150 M200 M250 M350 M400 M450 M500 M600 M700 M700 M800

Bê tông nhẹ và bê

tông tổ ong chưng

24

25

Ký hiệu M để chỉ mác bê tông theo quy định trước đây

Đối với bê tông nhẹ, bê tông tổ ong, bê tông rỗng có khối lượng thể tích trung bình trong các khoảng giữa, lấy Eb theo nội suy tuyến tính Đối với bê tông tổ ong không chưng áp thì giá trị Eb lấy như đối với bê tông chưng áp, sau đó nhân thêm với hệ số 0,8

Đối với bê tông tự ứng suất, giá trị Eb lấy như đối với bê tông nặng, sau đó nhân thêm với hệ số  = 0,56 + 0,006B, với B là cấp độ bền chịu nén của bê tông

1.2.4 Đặc trưng vật liệu cốt thép trong Tiêu chuẩn Việt Nam

1.2.4.1 Cốt thép thanh:

- Cán nóng: tròn trơn nhóm A-I, có gờ nhóm A-II và Ac-II, A-III, A-IV, A-V, A-VI;

- Gia cường bằng nhiệt luyện và cơ nhiệt luyện: có gờ nhóm Aт-IIIC, Aт-IV, Aт-IVC, Aт-IVK, Aт-VCK, Aт-VI, Aт-VIK và Aт-VII

1.2.4.2 Cốt thép dạng sợi:

- Thép sợi kéo nguội:

+ Loại thường: có gờ nhóm Bp-I;

+ Loại cường độ cao: tròn trơn B-II, có gờ nhóm Bp-II

- Thép cáp:

+ Loại 7 sợi K-7, loại 19 sợi K-19

Trong kết cấu bê tông cốt thép, cho phép sử dụng phương pháp tăng cường độ bằng cách kéo thép thanh nhóm A-IIIв trong các dây chuyền công nghiệp (có kiểm soát độ giãn dài và ứng suất hoặc chỉ kiểm soát độ giãn dài) Việc sử dụng chủng loại thép mới sản xuất cần phải được các cơ quan có thẩm quyền phê duyệt

- Ký hiệu thép sợi nhóm B-II có đường kính 3 mm: 3B1 500

- Ký hiệu thép sợi nhóm Bp-II có đường kính 5 mm:  5Bp1 400

- Ký hiệu thép cáp nhóm K-7 có đường kính 12 mm: 12K7-1 500

cốt thép dọc

Rs

cốt thép ngang (cốt thép đai, cốt thép xiên) Rsw

** Các giá trị Rsc nêu trên được lấy cho kết cấu làm từ bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ,

bê tông nhẹ khi kể đến trong tính toán các tải trọng lấy theo 2a trong Bảng 15; khi kể đến các tải trọng lấy theo mục 2b trong Bảng 15 thì giá trị Rsc = 400 MPa Đối với các kết cấu làm từ bê tông tổ ong và bê tông rỗng, trong mọi trường hợp lấy Rsc = 400 MPa

CHÚ THÍCH 1: Trong mọi trường hợp, khi vì lý do nào đó, cốt thép không căng nhóm CIII, A-III trở lên được dùng làm cốt thép ngang (cốt thép đai, hoặc cốt thép xiên), giá trị cường độ tính toán Rsw lấy như đối với thép nhóm CIII, A-III

Cốt thép dọc

Rs

Cốt thép ngang (cốt thép đai, cốt thép xiên) Rsw

* Khi sử dụng thép sợi trong khung thép buộc, giá trị Rsw cần lấy bằng 325 MPa

** Các giá trị Rsc nêu trên được lấy khi tính toán kết cấu làm từ bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ, bê tông nhẹ chịu các tải trọng lấy theo 2a trong Bảng 15; khi tính toán kết cấu chịu các tải trọng lấy theo 2b trong Bảng 15 thì giá trị Rsc = 400 MPa cũng như khi tính toán các kết cấu làm từ bê tông tổ ong và bê tông rỗng chịu mọi loại tải trọng, giá trị Rsc lấy như sau: đối với sợi thép Bp-I lấy bằng 340 MPa, đối với B-II, Bp-II, K-7 và K-19: lấy bằng 400 MPa

a) Đối với thép thanh nhóm CIII, A-III có đường kính nhỏ hơn 1/3 đường kính cốt thép dọc và đối với thép sợi nhóm Bp-I trong khung thép hàn: s2 = 0,9 (s2 kể đến khả năng liên kết hàn bị phá hoại giòn)

Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép ngang (cốt thép đai và cốt thép xiên) Rsw có

kể đến các hệ số điều kiện làm việc s1 và s2 nêu trên cho trong Bảng 3 và Bảng 4

30

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

2.1 Một số giả thiết tính toán

Tính toán kết cấu là việc xác định trạng thái ứng suất – biến dạng trong từng hệ, từng

bộ phận cho đến từng cấu kiện chịu lực dưới tác động của mọi tải trọng Trong phạm

vi của luận án chỉ xét đến phản ứng của hệ kết cấu thẳng đứng khung dưới tác động của tải trọng ngang

Một số giả thiết được sử dụng tính toán kết cấu nhà:

- Giả thiết nhà làm việc như một thanh công xon có độ cứng uốn tương đương độ cứng của các hệ kết cấu hợp thành

- Giả thiết hệ kết cấu chỉ tiếp thu một phần tải trọng ngang tỷ lệ với độ cứng uốn (xoắn) của chúng

- Giả thiết các hệ chịu lực cùng có một dạng đường cong uốn

Sơ đồ tính toán không gian: Công trình được mô hình như một hệ khung không gian chịu tác động đồng thời của ngoại lực theo phương bất kỳ