Đánh giá rủi ro sụp đổ khung btct chịu địa chấn theo hiệu suất

HCM, ngày 17 tháng 12 năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Lê Văn Khá MSHV: 11210235 Ngày, tháng, năm sinh: 1987 Nơi sinh: Sóc Trăng Chuyên ngành: Xây dựng Dân Dụng

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hồng Ân

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

- -oOo -

Tp HCM, ngày 17 tháng 12 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Lê Văn Khá MSHV: 11210235 Ngày, tháng, năm sinh: 1987 Nơi sinh: Sóc Trăng Chuyên ngành: Xây dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Mã số: 60.58.20

1- TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ RỦI RO SỤP ĐỔ KHUNG BTCT CHỊU ĐỊA CHẤN THEO HIỆU SUẤT

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Tìm hiểu và áp dụng quy trình kỹ thuật động đất dựa vào hiệu suất của trung tâm kỹ thuật động đất Thái Bình Dươngđể thực hiện đánh giá hiệu suất sụp đổ (hay

rủi ro sụp đổ) của một nhóm các công trình khung BTCT chịu mômen (RC-SMRF)

sử dụng cả hai phương pháp động (IDA) và tĩnh phi tuyến (SPO2IDA) So sánh kết

quả từ phương pháp tĩnh với phương pháp động để đánh giá độ tin cậy và tính hiệu quả của phương pháp này

 Xem xét các khía cạnh ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp SPO2IDA, nhận xét, đánh giá

 Nghiên cứu phần mềm tính toán động đất OPENSEES và phần mềm

MATLAB để áp dụng phân tích

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/2013

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2013

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỒNG ÂN

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Lời cảm ơn đầu tiên xin chân thành gửi đến Thầy hướng dẫn luận văn, TS

Nguyễn Hồng Ân, người đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu giúp học viên vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn này Xin gửi Thầy lời biết ơn sâu sắc nhất

Học viên xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô đã giảng dạy học viên trong suốt quá trình học cao học tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Chính những kiến thức quý Thầy Cô truyền đạt đã tạo nền tảng quan trọng cho học viên thực hiện luận văn này Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và luôn động viên để học viên có thể tập trung hoàn thành việc học tập trong suốt thời gian qua và hoàn thành luận văn này Xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn học đã cùng gắng bó và chia

sẽ những kiến thức quý báu trong suốt khóa học này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thiện luận văn bằng tất cả tâm huyết và năng lực của bản thân Tuy nhiên, vẫn không tránh khỏi những sai sót Do đó, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp nhận xét quí báu và sự cảm thông của các bạn học viên và của quý thầy cô

Tp.HCM, tháng 12 năm 2013 Học viên

Lê Văn Khá

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, có sự hỗ trợ từ Thầy hướng dẫn, những người tôi đã cảm ơn và trích dẫn trong luận văn này Nội dung nghiên cứu và các kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào

Tp HCM, tháng 12 năm 2013 Học viên

Lê Văn Khá

Trang 6

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VII DANH MỤC BẢNG BIỂU XI DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT XIII TÓM TẮT XVIII

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1

I.1 Giới thiệu 1

I.2 Tình hình nghiên cứu 6

I.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 6

I.2.2 Các nghiên cứu trong nước 7

I.3 Mục tiêu của đề tài 8

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1 0 II.1 Kỹ thuật động đất dựa vào hiệu suất (PBEE) 10

II.2 Ý nghĩa của việc đánh giá hiệu suất sụp đổ của công trình 14

II.3 Quy trình đánh giá hiệu suất sụp đổ của PEER 16

II.4 Ảnh hưởng của sự không chắc chắn trong đánh giá hiệu suất sụp đổ 18

II.5 Phương pháp phân tích 19

II.5.1 Phân tích lịch sử phản ứng phi tuyến (Nonlinear Response History Analysis, NL-RHA) 19

II.5.2 Phân tích đẩy dần (Pushover Analysis) 21

II.5.2.1 Các mô hình phân phối tải ngang theo FEMA-356 23

II.5.2.2 Tính toán chuyển vị mục tiêu 24

Trang 7

II.5.2.3 Phân tích đẩy dần kiểm soát chuyển vị 25

II.5.3 Phân tích động gia tăng (Incremental Dynamic Analysis, IDA) 26

II.5.3.1 Nhân rộng các dao động nền 27

II.5.3.2 Tạo ra đường cong IDA bằng cách nội suy 27

II.5.3.3 Xác định các trạng thái giới hạn trên đường cong IDA 30

II.5.3.4 Tổng hợp các đường cong IDA 30

II.5.3.5 Áp dụng IDA trong PBEE 31

II.5.4 Phương Pháp SPO2IDA 31

II.5.4.1 Sự kết nối giữa SPO và IDA của hệ MDOF 33

II.5.4.2 SPO2IDA cho hệ một bậc tự do (SDOF) 35

II.5.4.2.1 Phương pháp tạo ra các phương trình tham số 35

II.5.4.2.2 Sự kết nối giữa SPO và đường cong IDA của hệ SDOF 39

II.5.4.2.3 Các phương trình tham số và phương pháp tạo ra các phân đoạn IDA phân vị x% 40

II.5.4.3 SPO2IDA cho hệ nhiều bậc tự do (MDOF) 46

II.5.4.3.1 Xác định đường cong đẩy dần (SPO) 47

II.5.4.3.2 Đường cong khả năng của hệ một bậc tự do tương đương (ESDOF) 48

II.5.4.3.3 Ước tính độ cứng đàn hồi của các IDA phân vị 50

II.5.4.3.4 Các phân vị IDA cho hệ nhiều bậc tự do (MDOF) 52

CHƯƠNG III MÔ HÌNH KHUNG VÀ DỮ LIỆU ĐỘNG ĐẤT 53

III.1 Mô hình kết cấu 53

Trang 8

III.2 Dữ liệu động đất 57

CHƯƠNG IV ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT SỤP ĐỔ KHUNG BTCT CHỊU MÔMEN 4 TẦNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP IDA 65

IV.1 Giới thiệu 65

IV.2 Phân tích đẩy dần tĩnh 65

IV.3 Phân tích động gia tăng (IDA) 67

IV.4 Kết luận 71

CHƯƠNG V ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT SỤP ĐỔ CÁC KHUNG BTCT CHỊU MÔMEN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPO2IDA 72

V.1 Giới thiệu 72

V.2 Công trình BTCT 4 tầng (ID1010) 72

V.2.1 Các đường cong phân vị IDA 73

V.2.2 Tính toán hiệu suất sụp đổ 75

V.2.3 Nhận xét 78

Trang 9

V.6 Kết luận 98

CHƯƠNG VI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

VI.1 Kết luận 99

VI.2 Kiến nghị 101

MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TỪ LUẬN VĂN 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

PHỤ LỤC A CÁC MÔ HÌNH KHUNG 112

A.1 Mặt bằng công trình và mặt đứng tổng quát của khung 112

A.2 Dữ liệu mô hình của các khung 112

PHỤ LỤC B DỮ LIỆU TÍNH TOÁN CỦA PHƯƠNG PHÁP SPO2IDA CHO CÁC KHUNG BTCT NGHIÊN CỨU 119

B.1 Khung 4 tầng (ID1010) 119

PHỤ LỤC C 196

PHỤ LỤC D 199

Trang 10

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình II-1 Quy trình đánh giá hiệu suất công trình theo PBEE 11

Hình II-2 Sơ đồ xác định cấp độ hiệu suất của FEMA và những số liệu hiệu suất của PEER 12

Hình II-3 Quy trình đánh giá hiệu suất công trình theo PEER 14

Hình II-4 Phân phối tải ngang theo FEMA-356 cho công trình 9 tầng tại Los Angeles: (a) dạng first mode; (b) dạng ELF; (c) dạng RSA; (d) dạng Uniform (Chopra [38]) 23

Hình II-5 Các điểm phân tích động rời rạc và nội suy sử dụng xấp xĩ spline 28

Hình II-6 Tập hợp các đường cong IDA từ các phân tích động cho bộ dao động nền 28

Hình II-7 Xác định trạng thái giới hạn IO và CP trên một đường cong IDA riêng lẽ 29

Hình II-8 Các đường IDA phân vị và các trạng thái giới hạn tương ứng 29

Hình II-9 Sự kết nối giữa đường cong SPO và IDA 34

Hình II-10 Đường cong khả năng với 5 tham số kiểm soát 36

Hình II-11 Tạo ra các đường IDA phân vị và các phân vị cường độ sụp đổ từ phương pháp SPO2IDA với một SPO có ah =0.3, µc =2,ac =-2, r =0.5, µf =5 38

Hình II-12 Đường cong khả năng đàn hồi-tái bền-nhánh âm và hai đường giới hạn có ah = 0 và ah = 1 43

Hình II-13 Các dạng phân phối tải ngang theo chiều cao của khung BTCT 8 tầng (ID1024) trong nghiên cứu này 48

Hình II-14 Các đường cong SPO lý tưởng hóa và đường chính xác (Chopra [17]) 49

Hình III-1 (a) Mô hình tam tuyến tính (Trilinear) được phát triển bởi 54

Hình III-2 Mặt bằng công trình 55

Trang 11

Hình III-3 Sơ đồ tổng quát của mô hình kết cấu 55

Hình III-4 Dữ liệu mô hình của khung 4 tầng (ID 1010) 56

Hình III-5 Đường cong nguy hiểm địa chấn tương ứng với khu vực 58

Hình III-6 Phổ phản ứng tương ứng với cấp độ động đất 2% trong 50 năm 58

Hình III-7 Biểu đồ quan hệ gia tốc nền với thời gian của bộ 80 trận động đất sử dụng 5860

Hình IV-1 So sánh kết quả từ phân tích đẩy dần giữa tác giả và Haselton et al [10] 66

Hình IV-2 Phân tích IDA đến khi sụp đổ (tác giả) 67

Hình IV-3 Phân tích IDA đến khi sụp đổ (Haselton et al [10]) 67

Hình IV-4 Đường cong phân phối xác suất sụp đổ tương ứng các giá trị SaC 69

Hình IV-5 Biểu đồ so sánh tập hợp các giá trị SaC 70

Hình V-1 Các đường cong SPO với 6 dạng phân phối tải ngang của Khung 4 tầng 753

Hình V-2 Đường cong khả năng của hệ ESDOF của khung 4 tầng 753

Hình V-3 Các đường IDA phân vị của hệ ESDOF của khung 4 tầng 75

Hình V-4 Các đường IDA phân vị của hệ MDOF của khung 4 tầng 75

Hình V-5 Đường cong phân phối xác suất sụp đổ xác định bởi phương pháp SPO2IDA với 6 dạng tải ngang và phương pháp IDA [10] khung 4 tầng 75

Hình V-6 Sai số giữa đường cong phân phối xác suất sụp đổ xác định bởi phương pháp SPO2IDA với 6 dạng tải ngang và phương pháp IDA [10] khung 4 tầng 77

Hình V-7 Các đường cong SPO với 6 dạng phân phối tải ngang khung 8 tầng 80

Hình V-8 Đường cong khả năng của hệ ESDOF của khung 8 tầng 80

Trang 12

Hình V-11 Đường cong phân phối xác suất sụp đổ xác định bởi phương pháp SPO2IDA với 6 dạng tải ngang và phương pháp IDA khung 8 tầng 83

Hình V-14 Đường cong khả năng của hệ ESDOF của khung12 tầng 86

Hình V-20 Đường cong khả năng của hệ ESDOF của khung20 tầng 93

Trang 13

Hình A-1 Mặt bằng công trình 112

Hình A-2 Sơ đồ tổng quát của mô hình kết cấu 112

Hình A-3 Khung 8 tầng (ID1024) 113

Trang 14

Bảng III-3 Dữ liệu 80 trận động đất có xác suất xảy ra là 2% trong 50 năm 59 Bảng IV-1 So sánh kết quả tính toán hiệu suất sụp đổ giữa tác giả và Haselton et al 71 Bảng V-1 Các thông số cơ bản 72 Bảng V-2 Phân phối tải ngang theo chiều cao với 6 trường hợp tải cho khung 4 tầng 73 Bảng V-3 Các tham số của đường cong khả năng của hệ ESDOF của khung 4 tầng 73 Bảng V-4 So sánh kết quả giữa SPO2IDA và phương pháp chính xác IDA 76 Bảng V-5 Các thông số cơ bản 79 Bảng V-6 Phân phối tải ngang theo chiều cao với 6 trường hợp tải cho khung 8 tầng 79 Bảng V-7 Các tham số của đường cong khả năng của hệ ESDOF khung 8 tầng 81 Bảng V-8 So sánh kết quả giữa SPO2IDA và phương pháp chính xác IDA 82 Bảng V-9 Các thông số cơ bản 85 Bảng V-10 Phân phối tải ngang theo chiều cao với 6 trường hợp tải cho khung 12 tầng 85 Bảng V-11 Các tham số của đường cong khả năng của hệ ESDOF khung 12 tầng 87 Bảng V-12 So sánh kết quả giữa SPO2IDA và phương pháp chính xác IDA 88

Trang 15

Bảng V-13 Các thông số cơ bản 91

Bảng V-14 Phân phối tải ngang theo chiều cao với 6 trường hợp tải cho 91

Bảng V-15 Các tham số của đường cong khả năng của hệ ESDOF khung 20 tầng 93

Bảng V-16 So sánh kết quả giữa SPO2IDA và phương pháp chính xác IDA 95

Trang 16

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CDF Cumulative Probability Function: hàm xác suất tích lũy hay hàm phân

phối xác suất

CP Collapse Prevention: trạng thái giới hạn trong FEMA 273-356

DCM Displacement Coefficient Method: phương pháp hệ số chuyển vị

DM Damage measure: biến đo đạc thiệt hại kết cấu

EDP Engineering demand parameter, thông số nhu cầu kỹ thuật dùng đo đạc

phản ứng của kết cấuELF Equivalent Lateral Force: phân phối tải ngang tương đương

ESDOF Equal Single-Degree-of-Freedom: hệ một bậc tự do tương đương

GI Global dynamic instability: trạng thái giới hạn mất ổn định động tổng thể IDA Incremental Dynamic Analysis: phân tích động gia tăng (từng bước)

IM Intensity measure: biến đo đạc cường độ dao động nền

IO Immediate Occupancy: trạng thái giới hạn trong FEMA 273-356

MDOF Multi-Degree-Of-Freedom: hệ nhiều bậc tự do

MPA Modal Pushover Analysis: phân tích đẩy dần sử dụng lực ngang có xét

đến các dao động cao NL-RHA Nonlinear Response History Analysis: phân tích lịch sử phản ứng phi

tuyến theo miền thời gian

Trang 17

NSP Nonlinear Static Procedure: phân tích tĩnh phi tuyến

PBEE Performance-Based Earthquake Engineering: Kỹ thuật động đất dựa vào

hiệu suất PEER the Pacific Earthquake Engineering Research Center: Trung tâm nghiên

cứu động đất Thái Bình Dương RC-SMRF Reinforced Concrete Special Moment Resisting Frame: khung bê tông cốt

thép chịu mômen đặc biệt RSA Response Spectrum Analysis: Phân tích phổ phảnứng

SDOF Single-Degree-of-Freedom: hệ một bậc tự do

SMRF Steel Moment Resisting Frame: khung thép chịu mômen

SPO Static Pushover: phân tích đẩy dần tĩnh

SPO2IDA the Static Pushover to Incremental Dynamic Analysis: phân pháp tĩnh dựa

trên sự kết nối giữa đường cong đẩy dần với đường cong từ phân tích IDA

SRSS Square-Root-of-Sum-of-Squares: căn bậc hai của tổng các bình phương USGS the United States Geological Survey: Cục khảo sát địa chất Mỹ

UHS Uniform Hazard Spectrum: phổ phản ứng

Trang 18

S a (T 1 , ) Phổ gia tốc ứng với chu kỳ ở mode 1 và tỉ số cản  của công trình

S C a Phổ gia tốc gây ra sụp đổ công trình cường (cường độ sụp đổ hay

khả năng sụp đổ của công trình)

S C a,x% Các giá trị phân vị x% của cường độ sụp đổ

μ c Độ dẻo tại lực cắt lớn nhất (f max ) của một bậc tự do

giá trị trung bình của các giá trị ln S C a

Trang 19

t

Trang 21

TÓM TẮT

Kỹ thuật động đất dựa vào hiệu suất (Performance-Based Earthquake Engineering, PBEE) là một quy trình kết hợp các cấp độ hiệu suất mong muốn vào quá trình thiết kế, cung cấp các kiến thức cần thiết cho việc thiết kế, đánh giá và quản lý công trình có hiệu quả, nhằm cải thiện và quản lý những rủi ro thiệt hại do động đất

Để đánh giá hiệu suất sụp đổ của công trình, quy trình PBEE hiện tại sử dụng phương pháp phân tích theo miền thời gian (NL-RHA) thông qua phân tích động gia tăng (IDA) Mặc dù tính chính xác và hiệu quả của phương pháp này đã tăng lên đáng

kể và được xem như là phương pháp ước tính chính xác nhất nhu cầu và khả năng của kết cấu, nhưng vẫn còn một số hạn chế mà chủ yếu liên quan đến sự phức tạp của phương pháp trong ứng dụng thiết kế thực tế: phân tích phức tạp, tốn nhiều thời gian, nguồn lực

Luận văn này trình bày một quy trình đánh giá hiệu suất sụp đổ của kết cấu dựa trên quy trình PBEE được cải tiến bởi Trung tâm nghiên cứu động đất Thái Bình Dương (PEER) sử dụng cả phân tích động (IDA) và phân tích tĩnh phi tuyến (SPO2IDA) Độ tin cậy của phương pháp tĩnh được kiểm chứng cho các khung phẳng

bê tông cốt thép chịu mômen (RC-SMRF) 4, 8, 12 và 20 tầng, chịu một bộ 80 trận động đất mạnh có xác suất xảy ra là 2% trong 50 năm, các kết quả từ phương pháp tĩnh được

so sánh với phương pháp động Đồng thời, luận văn này cũng xem xét đến một khía cạnh quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp tĩnh, đó là việc lựa chọn các mô hình phân phối tải ngang áp đặt vào mô hình kết cấu để sản xuất ra đường cong quan hệ lực – biến dạng hợp lý nhất Vấn đề này được thực hiện bằng cách sử dụng ba dạng phân phối tải ngang cung cấp bởi FEMA-356 và ba dạng đề xuất bởi Vamvatsikos và Cornell Từ đó, đề xuất một dạng tải hợp lý nhất mà có thể cho kết quả phương pháp tĩnh SPO2IDA chính xác nhất Với sự đơn giản và sự vượt trội về thời gian tính toán, kết quả dựa trên quy trình phân tích tĩnh phi tuyến cho thấy tính hiệu quả

và độ tin cậy cao

Trang 22

ABSTRACT

Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE) is a Procedure that combines the desired level of performance in the design process, providing the knowledge necessary for the design, evaluation and manage projects effectively, to improve and manage the risk of damage caused by earthquakes

To evaluate collapsed performance of the buildings , the current PBEE method using nonlinear response history analysis (NL-RHA) method through incremental dynamic analysis (IDA) Although the accuracy and efficiency of this method has significantly increased and is seen as a method to accurately estimate the seismic demand and capability of structures, but there are still some limitations that are mainly related to the complexity of the method in practical application design

This paper presents an approach to evaluate collapse performance of building based

on the Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE) methodology of the Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER) by using both Nonlinear Static Procedure (NSP) and nonlinear dynamic procedure The reliability of NSP is evaluated for 4-, 8-, 12-, and 20-story reinforced concrete special moment frame (RC-SMRF) buildings, which are subjected to 80 strong ground motions having 2% probability of being exceeded in 50 years The results of NSP are compared with nonlinear response history analysis (NL-RHA) method, demonstrating that NSP requires only a small fraction of the computational effort inherent in exact IDA and still achieves highly accurate results On the other hand, this thesis also considered an important aspect that affects the accuracy of NSP, which is the load pattern selection imposed on the model structure to produce the most reasonable force – deformation curve This issue is done

by using three load distributions provided by FEMA-356 and three the others proposed

by Vamvatsikos and Cornell Finally, propose load pattern that could reasonably result

in a nonlinear static method (SPO2IDA) most accurate

Trang 23

CHƯƠNG I TỔNG QUAN I.1 Giới thiệu

Động đất là một thảm họa tự nhiên gây ra những thiệt hại vô cùng to lớn về kinh

tế lẫn con người tại khu vực xảy ra động đất Các số liệu thiệt hại nêu trong bảng I-1

bên dưới là một minh chứng cho những hậu quả do một số trận động đất lớn điển hình gây ra trên khắp thế giới Mặc dù Việt Nam không nằm trong các vành đai lửa của thế

giới nhưng chúng ta vẫn có nhiều đới đứt gãy nằm ở khu vực Tây Bắc như Điện Biên,

Lai Châu và một loạt các đới đứt gãy đặt tên theo các con sông, như đới đứt gãy sông Hồng, đới đứt gãy sông Lô Đó chính là những nguồn phát sinh động đất Thực tế trong vòng vài năm gần đây, chúng ta đã ghi nhận những trận động đất ở Quan Sơn-Thanh Hóa hoặc Đô Lương-Nghệ An Đó chính là những động đất xảy ra do các đới đứt gãy như đới sông Cả Đò Nậy, đới sông Mã Mặc dù chưa xảy ra các trận động đất mang tính hủy diệt lên đến 8-9 độ richter như trên thế giới, nhưng chúng ta đã ghi nhận được những trận động đất lớn tới 6,8 độ richter xảy ra ở Tuần Giáo, Điện Biên năm

1983 Từ năm 2007 đến nay các trận động đất có cường độ nhỏ và vừa với mật độ ngày càng nhiều đã xảy ra trên lãnh thổ Việt Nam Đặc biệt từ ngày 03/09/2012 đến nay các trận động đất xảy ra liên tục tại thủy điện Sông Tranh 2 với cấp độ ngày càng tăng có gây hậu quả nhất định dù chưa thật sự nghiêm trọng Một số trận động đất gần đây ở Trung Quốc, Lào cũng đã có ảnh hưởng nhất định đến nước ta… Điều đó chứng tỏ rằng

vỏ trái đất ở Việt Nam cũng không hoàn toàn bình ổn Cùng với tốc độ đô thị hóa thì rõ ràng việc xảy ra động đất trong tương lai có thể sẽ gây ra những tổn thất lớn về nhân mạng và tài sản Các thiệt hại từ động đất chủ yếu là do sự hư hỏng của kết cấu công trình gây ra các tổn thất nghiêm trọng về kinh tế, gây chấn thương hoặc cướp đi mạng sống của con người khi công trình bị sụp đổ Vì vậy việc nghiên cứu tìm hiểu và ứng dụng các công cụ trong việc thiết kế công trình để đánh giá, cải tiến và quản lý những rủi ro thiệt hại do động đất trong tương lai là một vấn đề quan trọng và cần thiết

Trang 24

Bảng I-1 Thống kê thiệt hại do một số trận động đất trên thế giới

Một nghiên cứu sâu rộng về các trận động đất trên toàn thế giới từ năm 1900 đến

1992 (Coburn et al [1]) cho thấy gần 75% các trường hợp tử vong do sụp đổ công trình liên quan đến động đất Đặc biệt, 7% tổng số trường hợp tử vong gây ra bởi sự sụp đổ các công trình bê tông cốt thép (BTCT) Ngoài ra, trong trận động đất Loma Prieta (1989) các nhà nghiên cứu phát hiện rằng 98% số trường hợp tử vong do động đất được trực tiếp gây ra bởi hư hỏng kết cấu ATC-40 [2], Kircher et al [3] đã cho thấy các kết cấu khung BTCT không mềm dẻo xây dựng ở California trước năm 1975 đã thiếu hụt những tính năng quan trọng trong thiết kế và cấu tạo chống động đất Ước tính có khoảng 40.000 kết cấu khung BTCT này có nguy cơ sụp đổ đáng kể khi chịu động đất, gây nguy hiểm đến an toàn cuộc sống do những khiếm khuyết thiết kế của chúng Trận

Trang 25

động đất Northridge, California (1994) là một yếu tố quyết định trong sự phát triển các tiêu chuẩn về địa chấn Những thiệt hại của hơn 150 kết cấu khung thép chịu mômen và rất nhiều kết cấu BTCT đã tiết lộ sự yếu kém của các phương pháp thiết kế và xây dựng hiện hành (Yun et al [4]) Trong trận động đất Kobe, Nhật Bản (1995) có nhiều kết cấu

bị hư hỏng, với 5502 người thiệt mạng, tổng thiệt hại tài sản 147 tỉ USD, tiếp tục nhấn mạnh mức độ quan trọng của vấn đề Mặc dù các kết cấu đã được thiết kế tuân thủ các quy định của các tiêu chuẩn địa chấn hiện hành nhưng vẫn chưa đảm bảo an toàn cuộc sống và thiệt hại vẫn còn rất lớn

Các vấn đề được đặt ra là: làm thế nào để đánh giá kiểm tra các công trình được thiết kế theo tiêu chuẩn địa chấn hiện tại có đạt được mục tiêu hiệu suất mong muốn ban đầu của các nhà thiết kế, việc đánh giá này có ý nghĩa trong việc cải tiến những thiếu xót trong tiêu chuẩn thiết kế và tạo ra các loại kết cấu mới có hiệu suất chịu địa chấn cao Đặc biệt là đối với các kết cấu khung BTCT vì nó vẫn là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới và có rủi ro sụp đổ cao hơn so với các loại kết cấu khác khi chịu tải động đất; làm thế nào để dự đoán phản ứng thực của kết cấu và những thiệt hại có thể xảy ra (kinh tế, thời gian, thương vong ) đặc biệt là rủi ro sụp đổ của công trình nhằm để giảm thiểu, quản lý thiệt hại và bảo vệ an toàn cuộc sống của con người trong các trận động đất trong tương lai Sự hiểu biết, dự đoán và ngăn chặn sụp đổ luôn luôn là một mục tiêu quan trọng của kỹ thuật động đất Từ góc độ tổn thất tài chính, sụp

đổ tạo nên một trạng thái giới hạn liên quan đến thiệt hại hoàn toàn của công trình, nội dung và chức năng của nó Sụp đổ là nguồn gốc chính của chấn thương và tử vong trong động đất Do đó, nó tạo thành một trạng thái giới hạn kỹ thuật cần thiết phải đánh giá; những gì có thể thực hiện để cải thiện hiệu suất của chúng; công cụ và thước đo hiệu suất nghiêm ngặt để hổ trợ cho các mục đích này

Tìm kiếm và cải tiến các phương pháp phân tích ứng xử của kết cấu và phát triển những cải tiến cho tiêu chuẩn thiết kế địa chấn vẫn luôn là những thách thức và mục tiêu của các nhà nghiên cứu Các trận động đất Loma Prieta (1989), Northridge (1994)

Trang 26

và Kobe (1995) là những điểm mốc đã thiết lập nền tảng cho sự phát triển các quy định

mới về địa chấn được gọi là Kỹ thuật động đất dựa vào hiệu suất (Performance-Based

Earthquake Engineering, PBEE) [5] PBEE là một quy trình kết hợp các cấp độ hiệu suất mong muốn vào quá trình thiết kế, cung cấp các kiến thức cần thiết cho việc thiết

kế, đánh giá và quản lý công trình hiệu quả, nhằm cải thiện và quản lý những rủi ro thiệt hại do động đất PBEE đã được tích hợp trong nhiều tiêu chuẩn thiết kế địa chấn của Mỹ Trải qua nhiều cải tiến trong quá trình phát triển, PBEE đã trở thành công cụ được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới

Mục tiêu quan trọng của các tiêu chuẩn thiết kế địa chấn vẫn là bảo vệ an toàn tính mạng các cư dân sống và làm việc tại các công trình trong các trận động đất lớn Trước hết, điều này đòi hỏi phải kiểm soát khả năng sụp đổ của kết cấu để nó vẫn còn ở mức thấp chấp nhận được hoặc thậm chí là không sụp đổ đối với các công trình quan trọng (bệnh viện, phòng thí nghiệm, trung tâm nghiên cứu công nghệ cao…) Đây cũng là một trong những mục tiêu cốt lõi của quy trình PBEE Để bảo vệ công trình khỏi sụp đổ

và làm cơ sở cho việc ước tính các hư hại và tổn thất do động đất trong tương lai, việc đánh giá chính xác và nhanh chóng rủi ro sụp đổ (định lượng hiệu suất sụp đổ) của kết cấu là rất quan trọng Có nhiều phương pháp được phát triển để giải quyết vấn đề này, trong đó có cả phương pháp động và phương pháp tĩnh

Cùng với sự phát triển của PBEE là sự xuất hiện của nhiều phương pháp phân tích kết cấu với mục tiêu phân tích ngày càng chính xác mô hình kết cấu và phản ánh chính xác ứng xử thực của công trình trong quá trình chịu động đất và nhằm hỗ trợ chặt chẻ cho quy trình phân tích và đánh giá hiệu suất của PBEE Phân tích lịch sử phản ứng phi tuyến (NL-RHA) là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu các phản ứng động của kết cấu chịu địa chấn Hiệu suất địa chấn của kết cấu khi chịu các dao động nền có thể được ước tính một cách chính xác bằng cách thực hiện một chuỗi các phân tích NL-RHA thông qua một phương pháp gọi là phân tích động gia tăng (IDA) [6] Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn về đặt ra mà chủ yếu liên quan đến sự phức tạp của NL-RHA cho các

Trang 27

ứng dụng thiết kế thực tế, nó chỉ có thể được thực hiện bởi các kỹ sư có trình độ cao và

có thể tốn nhiều thời gian, tài nguyên và công sức Vì vậy, áp dụng NL-RHA là một nhiệm vụ nặng nề để ước tính phản ứng địa chấn của kết cấu Vì phân tích động phi tuyến là không khả thi cho các ứng dụng thực tế, nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng để phát triển các phương pháp phân tích hợp lý hơn mà có thể đạt được một sự cân bằng thỏa đáng giữa độ tin cậy và ứng dụng cần thiết cho việc sử dụng trong thiết kế hàng ngày Do đó, một phương pháp xấp xĩ, được gọi là quy trình tĩnh phi tuyến (NSP) hay

phân tích đẩy dần tĩnh (Static Pushover) mô tả trong ATC-40 và FEMA-356 [7] bắt

nguồn từ lý thuyết động lực học kết cấu được phát triển để thay thế cho NL-RHA Quy trình tĩnh phi tuyến thật sự trở thành phương pháp phổ biến để đánh giá phản ứng của công trình có xét đến các ứng xử phi tuyến Nội dung chính của quy trình gần đúng này

là ước tính phản ứng địa chấn của hệ nhiều bậc tự do (MDOF) chịu động đất bằng cách phân tích tĩnh phi tuyến đơn giản và thiết thực hơn cho thiết kế kết cấu

Vamvatsikos và Cornell đã đề xuất một phương pháp dựa trên quy trình tĩnh phi

tuyến gọi là SPO2IDA [8], để ước tính phản ứng địa chấn và khả năng của hệ kết cấu

bằng cách khai thác các kết nối giữa đường cong quan hệ lực-biến dạng (SPO) từ phân tích đẩy dần tĩnh với đường cong phản ứng từ IDA SPO2IDA cung cấp khả năng ước tính nhanh chóng hơn và xấp xĩ với phương pháp “chính xác” IDA Phương pháp này

đã được Vamvatsikos và Cornell [9] sử dụng để đánh giá cho khung thép giằng 5 tầng

và khung thép chịu moment 9 tầng và 20 tầng cho kết quả xấp xĩ tốt với IDA Sự phát triển của các phương pháp xấp xĩ rất cần có những nghiên cứu ứng dụng và kiểm chứng

độ tin cậy cũng như tính hiệu quả của chúng cho các loại kết cấu khác nhau và cho các mục đích khác nhau Do đó, Trong luận văn này tác giả muốn đề xuất áp dụng phương

pháp SPO2IDA thay thế cho IDA để ước tính các tham số phản ứng địa chấn, khả năng

sụp đổ, và từ đó đánh giá hiệu suất sụp đổ cho nhóm công trình BTCT chịu moment

đặc biệt (RC SMRF) đã được đánh giá bởi Haselton et al [10] (sử dụng phân tích động

Trang 28

IDA) theo khuôn khuôn khổ PBEE của Trung tâm nghiên cứu động đất Thái Bình Dương

(PEER) nhằm kiểm tra tính khả thi và hạn chế của phương pháp

I.2 Tình hình nghiên cứu

I.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Có nhiều nghiên cứu về hiệu suất công trình cũng như nghiên cứu áp dụng một số phương pháp đơn giản thay thế cho các phương pháp chuẩn mất nhiều thời gian và tài nguyên bởi các nhà khoa học trên toàn thế giới, điển hình như:

Bagchi A (2001) [11] Nghiên cứu toàn diện hiệu suất công trình chịu địa chấn thiết kế theo tiêu chuẩn NBCC (Canada), gồm khung bê tông chịu moment và tường bê tông chịu cắt

Haselton, C.B and G.G Deierlein (2007) [10] Đánh giá an toàn sụp đổ của nhóm các công trình khung BTCT chịu mômen đặc biệt (RC-SMRF) sử dụng phân tích động gia tăng IDA và xem xét các khía cạnh ảnh hưởng đến kết quả đánh giá như việc lựa chọn các dao động nền, các thành phần không chắc chắn, ảnh hưởng bởi các thông số thiết kế như chu kỳ dao động, chiều cao công trình, loại khung

Judith Mitrani-Reiser (2007) [12] Phát triển phương pháp và triển khai thực hiện trong việc ước tính thiệt hại kinh tế trực tiếp (do các chi phí sửa chữa) và tổn thất kinh

tế gián tiếp (thời gian chết và các trường hợp tử vong của con người)

Liel AB (2008) [13] Đánh giá rủi ro sụp đổ của các công trình khung BTCT được xây dựng ở California từ năm 1950 đến 1975 có kể đến sự ảnh hưởng của các thành phần không chắc chắn do sự biến đổi các dao động nền và mô hình kết cấu Từ đó, dự đoán tổn thất kinh kế và thương vong do động đất và đưa ra thước đo về lợi ích-chi phí trong việc nâng cấp hoặc thay thế cho các công trình này

Chatpan Chintanapakdee, An Hong Nguyen and Toshiro Hayashikawab (2009) [14] Dùng phương pháp modal pushover analysis(MPA) để phân tích khung chịu

Trang 29

moment Kết quả được so sánh với phương pháp non-linear response history analysis (NL-RHA) Dùng phương pháp MPA để tìm chuyển vị mái, độ dạt tầng của khung

Nguyen, A.H., Chintanapakdee, C., and Hayashikawa, T., (2010) [15] Dùng các phương pháp tĩnh phi tuyến (NSPs) để dự đoán các nhu cầu địa chấn cho khung thép giằng (BRBF) Các dự đoán được so sánh với NL-RHA về chuyển vị mục tiêu, chuyển

I.2.2 Các nghiên cứu trong nước

Gần đây đã có nhiều tác giả nghiên cứu về phân tích ứng xử động lực học của khung, đề tài về phân tích phản ứng khung chịu động đất cũng đang được quan tâm nghiên cứu ở nước ta hiện nay, điển hình có một số nghiên cứu sau:

Bùi Lâm (2004) [18] Sử dụng hàm ổn định mô phỏng sự thay đổi độ cứng phần

tử, dùng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương (ELF) để gán tải động đất và dùng phương pháp Runge-cutta bậc 4 để giải phương trình động lực học

Phạm Quốc Lâm (2005) [19] Sử dụng mô hình liên kết nửa cứng của Kishi-Chen

và xét khung chịu tải gió tĩnh và động

Nguyễn Ngọc Dương (2008) [20] Dùng mô hình ba thông số của Kishi – Chen và phương pháp hệ số ngàm liên kết, dùng hàm dạng siêu việt để thiết lập ma trận độ cứng phần tử

Trang 30

Đoàn Ngọc Tịnh Nghiêm (2010) [21] Thiết lập phần tử hữu hạn không đàn hồi có

mô phỏng sự lan truyền dẻo qua mặt cắt ngang và dọc theo chiều dài cấu kiện ứng suất

dư, phi tuyến hình học Sử dụng thuật toán Newmark-β giải hệ phương trình động học Phạm Thị Duy Hà (2011) [22] Phân tích ứng xử phi tuyến nhà cao tầng chịu động đất ở gần đới đứt gãy bằng phương pháp tĩnh sử dụng lực ngang dựa trên dạng dao động có xét đến đóng góp của các dạng dao động cao

Đỗ Trọng Nghĩa (2012) [23] Sử dụng phương pháp tĩnh phi tuyến Modal pushover analysis (MPA) để nghiên cứu ứng xử địa chấn của các kết cấu khung thép chịu moment (SMRF), xem xét ở các khu vực động đất khác nhau và các bộ dao động nền có đặc điểm về cường độ và tần số cũng khác nhau Các kết quả từ MPA được so sánh với phân tích phản ứng phi tuyến theo miền thời gian (NL_RHA) được coi là phương pháp nghiêm ngặt nhất để xác định phản ứng của một kết cấu kích thích bởi trận động đất mạnh

I.3 Mục tiêu của đề tài

- Luận văn này với mục tiêu đầu tiên là muốn giới thiệu một quy trình kỹ thuật động đất dựa vào hiệu suất (PBEE), một công cụ mạnh mẽ và hiệu quả trong việc thiết

kế công trình chịu địa chấn đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới nhưng vẫn còn tương đối mới đối với nước ta Việc áp dụng chặt chẽ khuôn khổ PBEE trong quá trình thiết

kế sẽ mang lại hiệu quả trong công tác phòng chống và quản lý thiệt hại không cần thiết

do động đất trong tương lai

- Mục tiêu thứ hai là áp dụng quy trình PBEE được cải tiến bởi trung tâm nghiên cứu động đất Thái Bình Dương (PEER) [24] để thực hiện đánh giá hiệu suất sụp đổ

(hay rủi ro sụp đổ) của một nhóm các công trình khung BTCT chịu mômen đặc biệt

(RC-SMRF) sử dụng cả hai phương pháp động (IDA) và tĩnh phi tuyến (SPO2IDA)

Kết quả từ phương pháp tĩnh được so sánh với phương pháp động để đánh giá độ tin cậy và

Trang 31

tính hiệu quả của phương pháp này Nghiên cứu này nhằm mục đích mở rộng tính ứng dụng của phương pháp tĩnh phi tuyến

- Xem xét các khía cạnh ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp SPO2IDA như việc lựa chọn các mô hình phân phối tải ngang áp đặt vào mô hình kết cấu để tạo ra đường cong quan hệ lực – biến dạng (SPO) áp dụng vào phương pháp SPO2IDA Luận văn này sử dụng sáu mô hình tải ngang để xem xét vấn đề này, bao gồm ba dạng cung cấp bởi FEMA-356 và ba dạng đề xuất bởi Vamvatsikos và Cornell [9], từ đó đề xuất dạng tải hợp lý nhất mà cho kết quả của SPO2IDA xấp xĩ tốt nhất với phương pháp IDA Bên cạnh đó, việc sử dụng phương pháp lý tưởng hóa đường cong SPO của hệ nhiều bậc tự do (MDOF) của công trình để tạo ra đường cong khả năng của hệ một bậc

tự do tương đương (ESDOF) sử dụng trong phương pháp SPO2IDA cũng ảnh hưởng đến kết quả của phương pháp này Do đó, tác giả đề xuất sử dụng phương pháp lý tưởng hóa của Chopra et al (2010) [17]

- Việc mô phỏng và phân tích được thực hiện bằng công cụ OPENSEES [25] kết hợp với lập trình MATLAB [26]

Trang 32

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

II.1 Kỹ thuật động đất dựa vào hiệu suất (PBEE)

Hiệu suất công trình chịu địa chấn có thể được thể hiện bằng nhiều hình thức, bao gồm thiệt hại trung bình hàng năm và tổn thất (kinh tế, thời gian, thương vong…) dự kiến ở một cấp độ động đất cụ thể (ví dụ: cấp độ động đất xảy ra 10% trong 5 năm (10/5), 20/5, 10/50, 20/50, 2/50 ), hoặc tổn thất tối đa có thể xảy ra phù hợp nhất với yêu cầu của các bên liên quan Kỹ thuật động đất dựa vào hiệu suất (PBEE) có thể được định nghĩa là việc đánh giá hiệu suất mong đợi ở mức độ hệ thống của một kết cấu chịu kích thích địa chấn, cũng như việc thiết kế chi tiết các đặc điểm của thành phần kết cấu (dầm, cột, sàn ) và phi kết cấu (tường, đường ống, vách kính…) của nó để đạt được mục tiêu hiệu suất theo quy định Những mục tiêu hiệu suất này có thể được mô tả ở các cấp độ khác nhau: hiệu suất của các phần tử kết cấu (ví dụ: xác suất nứt nhỏ của các phần tử bê tông cốt thép), hiệu suất của các phần tử phi kết cấu (ví dụ: xác suất mất chức năng của các tiện ích cần thiết), hiệu suất tổng thể (ví dụ: xác suất sụp đổ), an toàn công trình (ví dụ: xác suất công trình tạm ngưng sử dụng), an toàn cuộc sống (ví dụ: xác suất của số người thiệt mạng), và các thước đo hiệu suất kinh tế tương đương (ví dụ: xác suất vượt các mức chi phí sửa chữa)

PBEE kết hợp phân tích mối nguy hiểm rung lắc đất nền ở một vị trí cụ thể với phản ứng dự kiến của kết cấu đạt được thông qua phân tích động phi tuyến để dự đoán theo xác suất sự xảy ra hư hại kết cấu, tổn thất kinh tế hoặc sự sụp đổ kết cấu Nguy hiểm động đất thường được đại diện bởi một đường cong nguy hiểm vị trí, trong đó mô

tả sự vượt quá một mức độ xảy ra thường xuyên của một dao động nền với một cường

độ động đất (IM) xác định tại một vị trí cụ thể Phản ứng kết cấu được dự đoán về các thông số yêu cầu kỹ thuật (EDP), được lấy từ kết quả phân tích kết cấu Các thông số

phản ứng quan tâm có thể bao gồm độ trôi tầng, gia tốc sàn hoặc các độ trôi còn lại Những dự đoán của phản ứng kết cấu sau đó có thể được sử dụng để đánh giá các thiệt

Trang 33

hại (DM) hoặc các biến quyết định (DV) mô tả số lượng sửa chữa cần thiết sau một trận

động đất, khả năng sụp đổ hoặc các đo đạc quan trọng khác của hiệu suất kết cấu

Thực hiện đánh giá hiệu suất của một công trình (đang tồn tại hoặc đang trong quá trình thiết kế) cung cấp cho các bên liên quan thông tin về công trình tạo điều kiện cho việc ra quyết định quản lý rủi ro, giảm thiểu các thiệt hại không mong muốn trong tương lai Việc sử dụng PBEE trong thiết kế giúp các kỹ sư có thể đưa ra quyết định trên các thông số cơ bản của kết cấu (hệ thống kết cấu: khung phẳng, không gian, tường cứng), độ cứng, cường độ, khả năng và biến dạng của nó để đạt mục tiêu hiệu suất mong muốn Mục tiêu hiệu suất cho một cấp độ động đất được lựa chọn bởi: chủ sở

hữu, người thiết kế, người quản lý và những bên liên quan khác (hình II-1)

Hình II-1 Quy trình đánh giá hiệu suất công trình theo PBEE

có không

Phát triển thiết kế

sơ bộ

Đánh giá khả năng hiệu suất

Mục tiêu hiệu suất có đạt được

Sửa đổi

thiết kế

Hoàn thành Các nhà đánh giá

Trang 34

Immediate Occupancy (IO), Life Safety (LS), Collapse Prevention (CP) và cung cấp các

phương pháp liên quan những trạng thái thiệt hại này để định lượng các phản ứng bởi

phân tích kết cấu (phần trên của hình II-2) Những sự không chắc chắn liên quan đến

việc dự đoán hiệu suất của công trình đã dẫn đến các phương pháp PBEE dựa trên xác

suất được cụ thể hóa trong FEMA-350 [28], FEMA-351 [29] Sau đó, Trung tâm

nghiên cứu kỹ thuật động đất Thái Bình Dương (the Pacific Earthquake Engineering

sụp đổ

PBEE trước đây

PBEE ngày nay

1 7 30 180 0.0001 0.001 0.01 0.25 25% 50% 100 %

IO LS CP Các cấp độ hiệu suất của

FEMA 273/356 Biến dạng Lực cắt

$, % thay thế

Rủi ro thương vong

Thời gian ngưng hoạt động, ngày

Trang 35

Research Center, PEER) đã có những cải tiến quan trọng phương pháp PBEE (Deierlein [30], Cornell [31] Moehle và Deierlein [32], Krawinkler and Miranda [33], và Porter

2003 [34]), có thể được coi như một phần mở rộng và phát triển các thủ tục cho

FEMA-350 và FEMA-351, khắc phục những hạn chế của các phiên bản trước đó Khuôn khổ hiệu suất của PEER cung cấp một phương pháp rõ ràng và cụ thể, có cơ sở khoa học mạnh mẽ để xác định hiệu suất công trình dựa trên một định dạng xác suất, theo một tiến trình từng bước, bao gồm: (1) phân tích nguy hiểm, (2) phân tích kết cấu, (3) phân

tích hư hại, (4) phân tích tổn thất, sau đó tổng hợp thành biến quyết định (DV) Đồng

thời cung cấp các thước đo hiệu suất để định lượng tổn thất kinh tế (losses), rủi ro thương vong (casualty risk) và thời gian công trình tạm ngưng hoạt động (downtime)

(phần dưới của hình II-2) giúp các bên liên quan có nhiều thông tin cụ thể hơn để đạt

được mục tiêu hiệu suất mong muốn Quy trình đánh giá hiệu suất của PEER đã được

áp dụng rộng rãi trên thế giới Luận văn này dựa theo những chỉ dẫn đánh giá hiệu suất

sụp đổ của PEER thể hiện ở hình II-3 [10], chi tiết được trình bày ở các phần tiếp theo

Một trong những mục tiêu cốt lõi của quy trình đánh giá hiệu suất của PEER là định lượng hiệu suất sụp đổ hay đánh giá rủi ro sụp đổ của công trình (đã tồn tại hoặc đang trong quá trình thiết kế) Sụp đổ ở đây được hiểu là do mất ổn định động tổng thể trong một hoặc nhiều tầng xảy ra khi khả năng chịu tải ngang suy giảm (suy giảm cường độ và độ cứng ngang) do kết cấu bị hư hỏng bởi lực động đất và ảnh hưởng của

hiệu ứng P- dẫn đến một độ trôi tầng lớn Với giả thiết các kết cấu BTCT trong nghiên

cứu này đã được thiết kế tuân theo các tiêu chuẩn để chống lại sự sụp đổ cục bộ (mất khả năng chịu tải trọng do trọng lực của cột, dầm, sàn ) [10], do đó nó không được xem xét trong luận văn này

Hai đại diện cho hiệu suất sụp đổ là xác suất sụp đổ (P[Collapse|IM]) ở các cấp

độ nguy hiểm riêng biệt (10/5, 20/5, 10/50, 20/50, 2/50) và tần suất trung bình hàng năm (MAF) của sự sụp đổ (Collapse ) tương ứng với cấp độ động đất quan tâm (hình II-

3) Để bảo vệ công trình khỏi sụp đổ và làm cơ sở cho việc ước tính các hư hại và tổn

Trang 36

kế, đặc biệt là để xác định sự nguy hiểm kết cấu để đánh giá hiệu quả của các giải pháp giảm nhẹ rủi ro thông qua việc trang bị thêm hoặc thay thế Hiệu quả của các chính

Phân tích nguy hiểm

Phân tích tổn thất

Phân tích thiệt hại

Phân tích kết cấu

DV: biến quyết

định, vd: tổn thất chi phí, thời gian

Định lượng sụp đổ

Mô phỏng động phi tuyến phản ứng kết cấu đến sụp đổ, có

kể đến sự không chắc chắn

Tính toán xác suất mỗi trạng thái thiệt hại cho mỗi thành phần kết cấu, phi kết cấu và cho toàn bộ

Tính toán chi phí sửa chửa cho mỗi thành phần kết cấu, phi kết cấu và cho toàn bộ công trình

Đánh giá các biến quyết định

và ra quyết định nếu hiệu suất chấp nhận được (tổn thất kinh tế và khả năng sụp đổ)

Phản ứng kết cấu λ[EDP]

Rủi ro

vị trí λ[IM]

Mô hình hóa rủi ro vị trí Xác định

thông tin

D

Mô hình hóa kết cấu p[EDP/IM]

Mô hình Fragilily p[DM/ EDP]

Phản ứng hư hại λ[DM]

Phản ứng tổn thất λ[DV]

p[Col|IM] λ[Collpase]

Trang 37

sách tăng cường năng lực địa chấn của kết cấu được đo lường về chi phí và lợi ích, trong đó lợi ích bao gồm giảm thiệt hại kinh tế và tử vong Đánh giá chi phí - lợi ích được sử dụng để phát triển các khuyến nghị để nâng cao hiệu quả của các chính sách về

an toàn động đất

Phản ứng kết cấu được sử dụng để dự đoán thiệt hại kinh tế và tử vong Ước tính thiệt hại kinh tế liên quan đến sửa chữa hư hỏng do động đất, xác định các tổn thất kinh

tế của công trình Dữ liệu về rủi ro sụp đổ, tỷ lệ tử vong và thiệt hại kinh tế có thể được

sử dụng để đánh giá tác động của việc tăng cường hoặc thay thế công trình Đánh giá hiệu suất sụp đổ là đánh giá theo xác suất có tính đến sự không chắc chắn trong các dao động nền và mô hình hóa kết cấu Đánh giá hiệu suất sụp đổ cung cấp một thước đo tốt

về tính an toàn của kết cấu

Trong việc thiết kế các công trình mới, công cụ này cho phép các kỹ sư và các chủ

sở hữu đánh giá sự khác biệt trong hiệu suất địa chấn liên quan đến việc lựa chọn các bản thiết kế Những đánh giá này có thể chứng minh những cải tiến trong tiêu chuẩn thiết kế hoặc của hệ thống kết cấu tiên tiến làm giảm tính nhạy cảm của chủ sở hữu về những thiệt hại hoặc gián đoạn kinh doanh trong trận động đất trong tương lai Đối với các công trình đang tồn tại, những kỹ thuật này có thể được sử dụng để xác định mối đe dọa của kết cấu đến sự an toàn của người cư ngụ, để phát triển các thiết kế cải tiến cho địa chấn, hoặc để đánh giá chi phí - lợi ích gắn liền với nhiều lựa chọn nâng cấp công trình

Nói ngắn gọn, PBEE cung cấp một khuôn khổ mà qua đó chủ sở hữu và chính phủ hay các nhà sản xuất, các tổ chức quyết định có thể quản lý một cách rõ ràng rủi ro địa chấn, sử dụng các số liệu xác suất Những công cụ này đặc biệt hữu ích trong việc giải quyết các vấn đề khó khăn trong đó kết cấu cũ gây nguy hiểm an toàn cuộc sống đáng

kể, cần phải giảm thiểu

Trang 38

II.3 Quy trình đánh giá hiệu suất sụp đổ của PEER

Như đã đề cập ở phần trên, hiệu suất sụp đổ theo quy trình PBEE của PEER đặc

trưng bởi hai đại lượng P[Collapse|IM] và Collapse Quy trình đánh giá bao gồm 3 bước

như thể hiện trên hình II-3

Bước 1: Phân tích rủi ro vị trí (Hazard Analysis) Miêu tả xác suất xảy ra của các

trận động đất tại các vị trí cụ thể, đặc trưng bởi biến đo đạc cường độ (IM), chẳng hạn

như đỉnh gia tốc nền (PGA), phổ gia tốc, phổ chuyển vị phi đàn hồi ở mode dao động

cơ bản của kết cấu, hoặc các đại lượng khác Trong đó,  [IM] là tần suất (hay tỉ lệ)

trung bình hàng năm của sự vượt một cường độ dao động nền cụ thể, là một hàm của

IM Ở đây, Sử dụng phổ gia tốc, S a (T 1 , ), tương ứng với tỉ số cản ( ) và chu kỳ ở mode dao động đầu tiên (T 1 ) của hệ kết cấu làm một đại diện cho IM trong quy trình này Đối

với kết cấu BTCT tỉ số cản  lấy bằng 5% Bước này được thực hiện bởi các kỹ sư địa

chấn [31], cung cấp:

(1) Một phân tích xác suất nguy hiểm địa chấn (Probabilistic Seismic Hazard Analysis, PSHA) cho vị trí cụ thể, kết quả quan trọng là các đường cong nguy hiểm địa

chấn (Hazard Curves) thể hiện mối quan hệ giữa IM (đặc trưng bởi S a (T 1 ,  )) với  [IM]

Đối với các vị trí tại Mỹ, dữ liệu các đường cong này có sẵn trên website của Cục khảo sát địa chất Mỹ (the United States Geological Survey, USGS), www.usgs.gov Đường cong nguy hiểm địa chấn sử dụng trong luận văn này được trình bày ở phần sau

(2) Một phổ phản ứng (Uniform Hazard Spectrum, UHS) cho các cấp độ động đất khác nhau (10/5 hoặc 20/5, 10/50, 20/50, 2/50…)

(3) Với mỗi cấp độ như vậy, cung cấp một bộ gồm n dao động nền để sử dụng trong phân tích động phi tuyến ở bước tiếp theo

Các kết quả thu được từ bước này sẽ được sử dụng như là các thông số đầu vào để phân tích phản ứng của kết cấu ở các bước sau

Trang 39

Bước 2: Phân tích kết cấu (Structural analysis) Một mô hình chi tiết của kết cấu

có kể đến phi tuyến hình học và vật liệu được tạo ra ban đầu và các dữ liệu cung cấp từ bước 1 được sử dụng trong phân tích Thực hiện phân tích động gia tăng IDA đến khi

sụp đổ và thiết lập xác suất có điều kiện của phản ứng kết cấu, p[EDP|IM] theo IM Các

chiều cao công trình; hoặc giá trị lớn nhất của các độ trôi tầng ở tất cả các tầng, max, xác định bằng cách chia độ trôi cho chiều cao mỗi tầng, hoặc các đại lượng khác

 [EDP] trong trường hợp này là  Collapse Kết quả thường được chọn ở bước này là đường cong quan hệ giữa  max (đại diện cho EDP) và S a (T 1 ,  ) (đại diện cho IM)

Bước 3: Định lượng hiệu suất sụp đổ

Trong hầu hết các tiêu chuẩn và các hướng dẫn, khả năng sụp đổ của một công

trình tương ứng với một thông số phản ứng kết cấu (EDP), chẳng hạn như độ trôi tầng

hay độ trôi mái Như trình bày bởi Ibarra [35], đánh giá các thông số phản ứng kết cấu

gần sụp đổ trở nên rất nhạy cảm với nhiều yếu tố như các giả định trong mô hình kết cấu, loại phần tử được sử dụng trong mô hình, và chương trình máy tính được sử dụng

để phân tích Vì lý do này, khả năng sụp đổ không được xác định với một thông số

phản ứng mà xác định trực tiếp từ cường độ động đất (IM) mà tại đó công trình sẽ trở

nên mất ổn định dẫn đến sụp đổ do sự suy giảm của các phần tử kết cấu và do hiệu ứng P-Δ Khả năng sụp đổ từ một dao động nền riêng lẻ thu được bằng cách thực hiện phân tích IDA cho đến khi mất ổn định động xảy ra Cường độ dao động nền gây sụp đổ (do mất ổn định động) công trình được gọi là cường độ sụp đổ (hay khả năng sụp đổ) của

công trình [36], ký hiệu là S C a (do S a (T 1 ,  ) được sử dụng đại diện cho IM) Thống kê tất

cả các giá trị S C a này để tạo ra đường cong phân phối xác suất (Cumulative Probability

Function, CDF) sụp đổ P[Collapse|IM] theo phân phối chuẩn, đường cong này còn được gọi là đường cong fragility sụp đổ [36] Tần suất trung bình hàng năm của sự sụp

đổ ( Collapse ) được tính toán bằng cách lấy tích phân đường cong P[Collapse|IM] của

Trang 40

i i

tính toán bằng cách tra bảng trong phục lục của sách thống kê (xem phụ lục D); ,  lần

lượt là trung bình và độ phân tán của n giá trị quan sát của x i (ở đây là S a (T 1 ,  )) theo

phân phối logarit chuẩn

 IM (x) là tần suất trung bình hàng năm của cường độ dao động nền vượt x (một

điểm trên đường cong nguy hiểm địa chấn)

II.4 Ảnh hưởng của sự không chắc chắn trong đánh giá hiệu suất sụp đổ

Đặc tính và sự lan truyền của sự không chắc chắn (uncertainty) là một cốt lõi của

việc thiết kế và đánh giá theo PBEE, nó có ảnh hưởng lớn đến kết quả của quá trình đánh giá hiệu suất Thành phần không chắc chắn bao gồm hai loại Đầu tiên là loại ngẫu nhiên mà chúng ta chưa thể làm giảm nó, thường gọi là không chắc chắn do ngẫu nhiên

“aleatory uncertainty” Loại thứ hai là do thiếu kiến thức hoặc sai sót trong việc mô

Định dạng
Số trang	226
Dung lượng	7,44 MB