Phân tích tính toán và so sánh các phương pháp tính kết cấu khung phẳng công trình biển chịu tải trọng động đất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- LÊ HOAN CƯỜNG PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN VÀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU KHUNG PHẲNG CÔNG TRÌNH BIỂN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành : CẢNG & CÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LÊ HOAN CƯỜNG

PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN VÀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU KHUNG PHẲNG CÔNG TRÌNH BIỂN CHỊU

TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành : CẢNG & CÔNG TRÌNH THỀM LỤC ĐỊA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH Tháng 12/2006

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Tp Hồ Chí Minh, Ngày … tháng … năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : LÊ HOAN CƯỜNG Phái : Nam

Chuyên ngành : CT BIỂN & THỀM LỤC ĐỊA MSHV : 00205022

I/ ĐỀ TÀI :

PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN VÀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU KHUNG PHẲNG CÔNG TRÌNH BIỂN CHỊU TẢI TRỌNG

ĐỘNG ĐẤT

II/ NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

Nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật động đất Thu thập các số liệu về tình hình động đất tại Việt Nam và các nơi trên thế giới Phân tích sơ sở lý thuyết tính toán và các phương pháp tính toán công trình biển chịu tải trọng động đất Vận dụng lý thuyết và tính toán vào trong tính kết cấu công trình biển chịu tải trọng động đất

Kết luận – Kiến nghị

III/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày 03/07/2006

IV/ NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 30/12/2006

V/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

GVHD : Ths BÙI VĂN CHÚNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2

Ths BÙI VĂN CHÚNG Ts BÙI CÔNG THÀNH Ts NGUYỄN THẾ DUY

BỘ MÔN QL NGÀNH P ĐÀO TẠO SĐH Ngày … tháng … năm 2006

CHỦ NHIỆM NGÀNH

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

PHẦN I : CƠ SỞ KHOA HỌC TRONG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH TRONG VÙNG ẢNH

3 Dao động của hệ nhiều bậc tự do có cản dưới tác dụng của tải trọng động đất 60

PHẦN IV : PHÂN TÍCH NỘI LỰC VÀ TÍNH HỆ KHUNG PHẲNG KẾT CẤU CÔNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

ii

PHẦN V : PHÂN TÍCH NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẢNG VÀ CÔNG

V.3-PHÂN TÍCH NỘI LỰC CÔNG TRÌNH BIỂN CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT

89

PHẦN VI : LẬP TRÌNH PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN

3 So sánh kết quả tính toán bằng chương trình 2Ddynamic và phần mềm SAP 2000

107

VII.2-VÍ DỤ 2 : KHUNG KẾT CẤU CỦA DÀN KHOAN BIỂN CHỊU TẢI TRỌNG

3 So sánh kết quả tính toán bằng chương trình 2Ddynamic và phần mềm SAP 2000

115

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy TS NGÔ NHẬT HƯNG đã tận tình giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho tác giả trong quá trình thực hiện Luận án Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Ths BÙI VĂN CHÚNG vì những góp ý tận tâm vô cùng quí giá , những tài liệu, kiến thức và kinh nghiệm khoa học thực tế của thầy đã giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình thực hiện Luận án này Tác giả cũng xin chân thành cám ơn Thầy Ts TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG về những giải đáp thắc mắc về phương pháp số trong giải quyết bài toán kết cấu

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, các thầy cô trong Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô trong Bộ môn Công trình Cảng – Đường thủy, Khoa kỹ thuật Xây dựng đã tận tâm truyền đạt cho tác giả kiến thức và các kỹ năng nghiên cứu khoa học Xin chân thành cám ơn các thầy cô giảng dạy của Trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH đã truyền đạt cho tác giả những kiến thức qúi báu

Tôi xin được gởi lời cám ơn đến KS DUNCAN A.F., thành viên của Hiệp hội kỹ thuật quốc gia về kỹ thuật động đất New Zealand, người từng đoạt giải thưởng về thiết kế chống động đất của New Zealand, người bạn đồng nghiệp của tôi, đã giúp tôi có những ý tưởng ban đầu về thiết kế chống động đất Tôi xin được gởi lời cám ơn đến các bạn đồng nghiệp của tôi, những người đã nhiệt tình ủng hộ tôi trong thời gian thực hiện Luận án

Cuối cùng tôi xin được cám ơn các các người thân trong gia dình, các anh em bạn bè, những người luôn tìm cách ủng hộ và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện Luận án

Xin chân thành cảm ơn

MỞ ĐẦU

Các trận động đất liên tiếp trong các năm gần đây tại Việt Nam đã thu hút sự quan tâm của công luận cũng như các nhà nghiên cứu khoa học Đã có rất nhiều phát biểu, tranh luận khoa học về sự cần thiết hay không cần thiết phải thiết kế công trình chịu tải trọng động đất, cũng như mức độ ảnh hưởng của động đất đến các công trình xây dựng Trong bối cảnh nền kinh tế Việt Nam có những bước phát triển mạnh mẽ, và nói riêng, ngành xây dựng cũng có nhiều bước phát triển vượt bậc Nhiều công trình xây dựng trên các lĩnh vực Dân dụng, Công nghiệp, Cầu đường, Thủy lợi và đặc biệt trong ngành Cảng & Công trình biển đã được xây dựng và phát triển cả về số lượng và qui mô tầm cỡ của công trình Bên cạnh vấn đề chất lượng công trình đòi hỏi ngày càng cao hơn, một vấn đề quan trọng được đưa ra là các công trình tại Việt Nam có bảo đãm được khả năng chịu lực khi xuất hiện động đất

Tại nhiều nước trên thế giới, chủ yếu là các nước thường xảy ra động đất, vấn đề này đã được quan tâm và nghiên cứu từ những năm đầu thế kỷ 20 Nhiều nước trên thế giới, việc thiết kế công trình chịu tải trọng động đất là vấn đề bắt buộc Ở Việt Nam, do nhiều hoàn cảnh khách quan, vấn đề động đất chưa có nhiều nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi Tại trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, chưa có nhiều Luận Văn Cao học nghiên cứu về đề tài này, và các đề tài nghiên cứu này chỉ ở mức độ áp dụng công thức và phần mềm tính toán của nước ngoài mà chưa nghiên cứu bản chất của lực động đất tác dụng vào công trình

Trong nhiều năm làm công tác thiết kế công trình cho công ty tư vấn nước ngoài, có cơ hội tiếp xúc với Tiêu chuẩn thiết kế các nước, tác giả nhận thức được tầm quan trọng và mức độ cần thiết trong công tác thiết kế công trình chịu tải trọng động đất Có thể nói đây là vấn đề đang được đặc biệt quan tâm của xã hội và của nhiều nhà khoa học Với tất cả lòng ham mê tìm hiểu các vấn đề về kết cấu công trình, tác giả cố gắng tìm hiểu bản chất của lực động đất tác động lên kết cấu công trình, các phương pháp tính toán hiện nay đang được áp dụng và thực tế thiết kế cũng như các phương pháp đang được sử dụng trong công tác nghiên cứu khoa học Mục tiêu đưa ra là giải quyết vấn đề thiết kế công trình biển chịu tải trọng động đất trên

cơ sở lý luận khoa học và dễ dàng vận dụng các phương pháp tính và trong thực tế thiết kế Do đó, Luận Văn này bao gồm phần trình bày các cơ sở lý luận cần thiết, và nhấn mạnh vào các công thức ứng dụng thực tế Phần cuối của Luận Văn là các chương trình hàm tính toán kết cấu chịu tải trọng động đất có thể áp dụng được trong thực tế

Do tài liệu thu thập chưa được phong phú và trong hoàn cảnh các thuật ngữ chưa được thống nhất, nhất là do trình độ bản thân còn nhiều hạn chế, nên phần trình bày và các thuật ngữ sử dụng trong luận văn này không tránh khỏi những sai sót nhất định Kính mong nhận được nhiều ý kiến giúp đỡ của các thầy cô nhằm giúp tác giả nâng cao sự hiểu biết

Xin chân thành cảm ơn

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

PHẦN I

CƠ SỞ KHOA HỌC TRONG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH TRONG VÙNG

ẢNH HƯỞNG ĐỘNG ĐẤT

Tính toán kết cấu công trình trong vùng động đất là môn khoa học tổng quát kết hợp của nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học khác nhau Ngày nay, nhân loại đã có nhiều nghiên cứu tiến bộ vượt bậc trong việc giải bài toán kết cấu công trình chịu tác dụng tải trọng động đất Những thành tựu đó được phát triển trên cơ sở các lĩnh vực khoa học có thể kể đến như sau :

• CÁC LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU VỀ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

- Cơ học kết cấu, Lý thuyết biến dạng, Lý thuyết ứng suất …

- Khoa học về vật liệu xây dựng (Lý thuyết đàn hồi, Lý thuyết đàn dẻo, Lý thuyết dẻo, Cơ học phá hoại, Lý thuyết từ biến, Cơ học mỏi …)

- Địa chất công trình

- Nền móng, Cơ học đất, Cơ học đá

- Tĩnh học công trình, Ổn Định công trình …

- Động lực học kết cấu, Lý thuyết dao động và sự lan truyền sóng …

• CÁC LĨNH VỰC KHOA HỌC VỀ VẬT LÝ ĐỊA CẦU

- Khoa học về động đất (Earthquake Science)

- Khoa học về trái đất như Địa vật lý, Địa từ trường …

• CÁC LĨNH VỰC KHOA HỌC VỀ TOÁN HỌC ỨNG DỤNG

- Các phương pháp tính như phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên …

- Lý thuyết xác xuất thống kê, Lý thuyết về nguy cơ và độ tin cậy của kết cấu công trình…

- Các môn khoa học máy tính

• CÁC LĨNH VỰC KHOA HỌC VỀ THIẾT BỊ ỨNG DỤNG

- Mô phỏng học

- Lý thuyết tương tự và mô hình vật lý

- Chế tạo thiết bị đo đạc và quan trắc

• CÁC LĨNH VỰC KHOA HỌC VỀ KINH TẾ, TÀI CHÍNH

Một cách tổng quát, chúng ta có thể tóm tắt theo sơ đồ sau đây :

Hình 1.1 Sơ đồ vấn đề thiết kế chống động đất

Sơ đồ thể hiện các vấn đề cần giải quyết trong bài toán thiết kế công trình trong vùng động đất Qua đó, để thiết kế công trình chịu tác động động đất, chúng ta cần phải xác định các nguyên nhân và tính chất của trận động đất theo địa lý (Địa vật lý), chọn ra các số liệu động đất dùng cho tính toán kết cấu (Xác xuất thống kê), tính toán kết cấu công trình theo các bài toán Tĩnh học và Động lực học, tính toán nền móng công trình (Địa kỹ thuật), kiểm nghiệm các số liệu tính toán bằng các thí nghiệm mô hình, và cuối cùng so sánh chọn lựa phương án thích hợp theo điều kiện kinh tế và tài chính cho phép

Như vậy, vai trò của người thiết kế là thu thập số liệu đã được xử lý của các nhà địa vật lý,

so sánh các phương án thiết kế, xem xét đến các điều kiện thực tế về quản lý kinh tế, đánh giá kết quả tính toán, từ đó chọn ra phương án kết cấu tối ưu nhất

Tĩnh học công trình học kết cấu Động lực

KỸ THUẬT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

XÁC XUẤT

THỐNG KÊ

KINH TẾ HỌC

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

PHẦN II CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỘNG ĐẤT

II.1/ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG ĐẤT

II.1-1/ Khái niệm & nguyên nhân gây ra động đất :

Các nguyên nhân gây ra động đất có thể kể ra như sau : [1.8]

1- Sự sập đổ của các hang động ngầm dưới mặt đất

2- Sự va chạm của các thiên thạch vào bề mặt trái đất

3- Chấn động bề mặt đất gây ra do các vụ thử hạt nhân ngầm trong lòng đất

4- Do hoạt động núi lửa và vận động kiến tạo bề mặt võ trái đất

Các nguyên nhân 1, 2 và 3 thường chiếm mức độ không đáng kể và không có ý nghĩa đại diện Do đó người ta thường định nghĩa động đất như sau (DYNAMICS OF STRUCTURES – Prof Dr R Hoffer / MCEER : Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering)

Động đất là sự rung lắc của nền và sự phóng thích năng lượng do chuyển động trượt đột ngột của các vết nứt gãy trên võ trái đất, do hoạt động của núi lửa và sự chuyển động của khối mắc ma bên dưới võ quả đất, hoặc do sự thay dổi ứng suất đột ngột trong lớp võ quả đất

II.1-2/ Sơ lược lý thuyết kiến tạo võ trái đất :

SOLID CORE

LIQUID CORE

CRUST MANTLE 1 2

3 4

CRUST/ LỚP VÕ TRÁI ĐẤT

MANTLE / TẦNG DUNG NHAM

SOLID CORE / PHẦN LÕI ĐẶC

CRUST/ LỚP VÕ TRÁI ĐẤT

MANTLE / TẦNG DUNG NHAM

LITHOSPHERE / THẠCH QUYỂN ASTHENOSPHERE /LỚP BÊN DƯỚI LỚP THẠCH QUYỂN

A B C D

1

2

3

4

LIQUID CORE / PHẦN LÕI NÓNG DÂY

Hình 2.1: CẤU TẠO VÕ QUẢ ĐẤT NHƯ HÌNH DẠNG VÕ QUẢ TRỨNG BAO BỌC LỚP DUNG NHAM NÓNG CHẢY [2.16]

Sự chuyển dời các lục địa (Vận động kiến tạo) :

Theo giả thiết của Veghênerơ [1.6], lúc ban đầu, võ quả đất chỉ là một mảng lục địa lớn duy nhất Sau thời đại cổ sinh, lục địa lớn bị phân tách thành các lục địa nhỏ hơn và bắt đầu tách xa nhau Ngày nay người ta xem võ quã đất gồm 7 mảng lục địa lớn và 12 mảng lục địa nhỏ hơn Do vận động kiến tạo, các mãng lục địa này chuyển dời vị trí tương đối lẫn nhau, chúng gây ra sự nén ép hoặc kéo giãn cục bộ trong võ trái đất Khi việc tích tụ biến dạng và năng lượng đủ lớn, chúng phá vỡ tức thời lớp võ quả đất và tạo ra động đất Do đó, theo lý thuyết này, động đất thường xảy ra theo biên của các mảng lục địamà người ta còn gọi là các vết nứt gãy (như nứt gãy sông Sài Gòn, nứt gãy sông Hồng…)

Ngoài ra còn do chế độ phân bố nhiệt không đồng đều trong lớp dung nham nóng chảy của trái đất và vận động đối lưu của chúng Khi tích tụ năng lượng đủ lớn và gặp vị trí lớp võ trái đất mỏng, dung nham nóng phá vỡ lớp võ này và chảy ra ngoài Đây là nguyên nhân của quá trình biến dạng trong lòng trái đất

Người ta chia ra 3 dạng chuyển động chính của các mảng lục địa dựa theo chuyển động tương đối của chúng với nhau :

- Chuyển động phân ly (divergent boundary) : 2 mảng lục địa tách xa nhau ra

- Chuyển động hội tụ (convergent boundary) : 2 mảng lục địa tiến lại gần nhau Trong đó có thể chia thành các dạng như :

o Chuyển động trườn : Mảng nọ trườn trên mảng kia

o Chuyển động rúc : Mảng nọ chui xuống dưới mảng kia

o Chuyển động rúc đồng qui : Cả 2 mảng cùng chui xuống

o Chuyển động va chạm hay chuyển động đùn : Cả 2 mảng ép trực tiếp vào nhau

- Chuyển động biến đổi (transform boundary) : 2 mảng lục địa trượt ngang lẫn nhau Đây là dạng chuyển động hầu như không gây phá hoại và không tái cấu trúc vỏ trái đất

Các dạng nứt gãy : [2.17]

Hậu quả của quá trình chuyển động của các mảng lục địa là tạo ra các dạng nứt gãy khác nhau trên bề mặt trái đất Người ta thường chia thành 5 dạng chính :

- Dạng thông thường (Normal fault) : Khối trên trườn xuống bên dưới

- Dạng đảo ngược (Reverse fault) : Khối trên trượt lên khối dưới

- Dạng trượt ngang (Strike-Slip fault, Lateral fault) : 2 khối dịch chuyển ngang song song

- Dạng trượt nghiêng (Oblique-Slip fault) : kết hợp cả dạng 1 và 2

- Dạng hào (Graben fault) : Khối hẹp, dài dịch chuyển cục bộ hướng lên hay hướng xuống

Các dạng nứt nãy gây ra các sóng động đất lan truyền theo các phương khác nhau

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

Hình 2.2 DẠNG NỨT GÃY THÔNG THƯỜNG (Normal fault)

Hình 2.3 DẠNG NỨT GÃY ĐẢO NGƯỢC (Reverse fault)

Hình 2.4 DẠNG TRƯỢT NGANG (Strike-Slip fault)

TRƯỚC

TRƯỚC

SAU TRƯỚC

(Nguồn: Geotechnical Earthquake Engineering Handbook)

II.1-3/ Một số định nghĩa cơ bản về động đất :

A/ Các định nghĩa

Chấn tiêu : (hypocenter, focus) là điểm bên trong võ quả đất, nới xuất phát của nứt gãy động

đất Trong địa chấn học, có thể xem chấn tiêu như một doạn nứt gãy hay cả một vùng đứt gãy trong võ trái đất và là nguồn gốc chấn động (seismic source)

Chấn tâm : (Epicenter) là điểm trên bề mặt trái đất, theo phương thẳng đứng với diểm chấn

tiêu

Độ sâu chấn tiêu : (Depth of hypocenter) là khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm, tức là

khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm thẳng góc trên bề mặt võ trái đất

Khoảng cách chấn tâm : (Distance to epicenter) Khoảng cách từ điểm đo (điểm đang xét) đến

chấn tâm

Khoảng cách chấn tiêu : (Distance to hypocenter) Khoảng cách từ điểm đo (điểm đang xét)

đến chấn tiêu

Các sóng địa chấn : (Seismic waves)

Sóng chấn động lan truyền trong trái đất theo thời gian Sóng lan truyền với các mặt sóng dạng hình cầu với tâm là chấn tiêu Trên mặt đất, sóng lan truyền theo các dạng vòng tròn đồng tâm vối tâm là chấn tâm Vận tốc truyền sóng phụ thuộc chủ yếu vào môi trường truyền sóng (đất nền)

Sóng địa chấn thường chia thành 2 loại chính như sau :

1 Sóng chính (body waves) Sóng động đất hình thành trực tiếp từ các nứt gãy địa chất, lan

truyền bên trong võ trái đất Bao gồm 2 loại sóng chính như sau :

- Sóng dọc (longitudinal wave,compression wave, primary wave, P-wave, dilatation wave):

các phần tử vật chất dao động theo hướng lan truyền của sóng Vận tốc truyền sóng Cp

- Sóng ngang (shear wave, secondary wave, S-wave, rotational wave) : trong đó các phần

tử vật chất dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng Vận tốc truyền sóng Cs

Vận tốc truyền sóng dọc thường trong môi trường đất nền lớn hơn rất nhiều so với vận tốc truyền sóng ngang

2 Sóng bề mặt (surface waves) Hình thành khi các sóng chính lan truyền đến môi trường bề

mặt đất Các sóng bề mặt chỉ xuất hiện tại lớp đất đá sát bề mặt Cũng bao gồm 2 loại :

- Sóng Rayleigh : Một dạng sóng bề mặt gây ra các phần tử vật chất chuyển động theo

dạng ellip mà không gây ra chuyển động ngang hay vuông góc

- Sóng Love : Do nhà toán học người Anh A.E.H Love tìm ra năm 1911 Một dạng sóng bề

mặt trong đó các phần tử vật chất chuyển động theo phương ngang so với phương truyền sóng

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

Bằng cách đo đạc thời gian truyền sóng dọc và sóng ngang, biết được vận tốc truyền sóng

Cp và Cs, người ta có thể tính được khoảng cách chấn tâm Sử dụng nhiều trạm quan trắc động đất khác nhau, người ta có thể xác định khá chính xác vị trí chấn tâm

Hình 2.5 Các dạng sóng động đất (Nguồn : Dynamics of structures)

B/ Chấn động (Magnitude) của động đất & Cường độ (Intensity) của động đất

Có 2 cách cơ bản để xác định sức mạnh (strenght) của động đất Đó là dựa trên khái niệm chấn động (Magnitude) và cường độ (Intensity) của động đất Mỗi khái niệm có công thức tính toán riêng và thang đo riêng

Bước sóng

Nén ép

Giãn nỡ Sóng P

Sóng S

Sóng Love

Sóng Rayleigh

B1/ Chấn động của động đất : Tổng số mức độ phóng thích năng lượng của một trận

động đất

Mức độ chấn động của động đất được xác định dựa trên giá trị cực đại đo đạc từ địa chấn kế (seismograph)

Thang đo : Thang độ Richter bao gồm 12 cấp độ như sau : (chữ số dùng chữ Latin)

Cấp Chấn động Lượng TNT tương đương Ví dụ

Richter để gây chấn động (xấp xỉ)

0.5 6 ounces Vỡ đá trong phòng thí nghiệm

1.0 30 pounds Vụ nổ lớn tại công trường

4.0 1,000 tons Vũ khí hạt nhân loại nhỏ

4.5 5,100 tons Năng lượng của trận bão trung bình

5.0 32,000 tons Bom nguyên tử ném xuống Nagasaki

5.5 80,000 tons Trận động đất Little Skull Mtn NV,1992

6.0 1 million tons Trận động đất Double Spring Flat, NV, 1994

6.5 5 million tons Trận động đất Northridge, CA, 1994

7.0 32 million tons Trận động đất Hyogo-Ken Nanbu, Japan, 1995;

Vũ khí nhiệt hạch loại lớn 7.5 160 million tons Trận động đất Landers, CA, 1992

8.0 1 billion tons Trận động đất San Francisco, CA, 1906

8.5 5 billion tons Trận động đất Anchorage, AK, 1964

9.0 32 billion tons Trận động đất Chilê, 1960

10.0 1 trillion tons Vòng cung nứt gãy San-Andreas.

12.0 160 trillion tons Năng lượng mà trái đất nhận từ mặt trời mỗi ngày

(Nguồn website : http://www.seismo.unr.edu/)

Thông thường, người ta chia ra 4 dạng :

o Chấn động địa phương M L (Local Magnitude) còn gọi là thang chấn động Richter Chấn động địa phương là trị số logarit thập phân của tỉ số của biên độ cực đại (tính bằng mm) và biên độ nhỏ nhất (thường được chọn là 0.001mm) mà máy địa chấn kế Wood-Anderson ghi nhận được tại khoảng cách 100 km Thường xác định các động đất cấp trung bình trong phạm

vi không quá 800 km

o Chấn động do sóng mặt M S (Surface wave magnitude) : Tính toán dựa trên chuyển vị nền cực đại ( tính bằng mm) và khoảng cách từ điểm đo đến chấn tâm Ưu điểm của phương pháp này so với M L là do dùng chuyển vị nền cực đại trong tính toán nên có thể dùng các địa chấn kế bất kỳ mà không nhất thiết phải dùng máy địa chấn kế Wood-Anderson Dùng xác định các động đất từ trung bình đến mạnh, độ sâu chấn tâm cạn và có thể đo khoảng cách ít nhất là 1000 km từ chấn tâm

o Chấn động do sóng chính (Body wave magnitude) M B : Tính toán dựa trên vận tốc dao động cực đại và khoảng cách từ điểm đo đến chấn tâm Có các ưu điểm như M S

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

o Chấn động do năng lượng (Moment magnitude M W ) : Đây là cách đo ngày càng trở nên phổ biến Được tính toán dựa trên năng lượng của địa chấn (seismic moment) Thang đo này có thể xác định được tất cả các cấp chấn động từ cấp nhỏ cho đến cấp rất mạnh, do đó nó cũng được dùng như để đo lường sức mạnh của động đất

Mục tiêu là giá trị cấp chấn động của động đất là như nhau trong mọi cách tính M L M S , M B

và M W , tuy nhiên thực tế khi tính các giá trị này do các công thức tính thực nghiệm nên kết quả có khác nhau Như vậy đối với một trận động đất cụ thể, giá trị cấp chấn động là một trị số độ Richter cụ thể, và là giá trị không thay đổi, được chỉ định một vị trí xác định Ví dụ : Chúng

ta có thể nói động đất cấp 3.1 dộ Richter tại Ninh Bình lúc 14g57 ngày 2-8-2006 (Báo Tuổi Trẻ (3-8-2006), hay động đất cấp 4-5 độ Richter lúc 20g30 ngày 5-8-2005 tại ngoài khơi Vũng Tàu (Báo Tuổi Trẻ ngày 6-8-2005) Chú ý rằng do điều kiện quan trắc và tính toán khác nhau, số đo cấp chấn động do động đất theo thang độ Richter thường hoàn toàn không tuyệt đối giống nhau khi do nhiều cơ quan khác nhau công bố, và tương tự như vậy cấp chấn động thường được công bố như giá trị trong khoảng trị số nào đó như ví dụ nói trên là từ 4 đến 5 độ Richter

B2/ Cường độ của động đất:

Được xác định dựa trên mức độ ảnh hưởng thiệt hại do chấn động của động đất gây ra đối với con người và công trình tại một vị trí cụ thể, cũng có thể kể đến các ảnh hưởng thứ cấp khác như đất trượt do động đất, sự hóa lỏng nền và sự nứt gãy nền (ground cracking) Cường độ động đất tại một địa điểm cụ thể phụ thuộc vào năng lượng của động đất (hay chấn động), khoảng cách từ chấn tâm đến vị trí đang xét, môi trường truyền sóng động đất và địa chất cục bộ của khu vực

Sóng động đất truyền đi càng xa chấn tâm càng yếu đi Khi môi trường lan truyền sóng càng cứng chắc hay modun đàn hồi lớn (nền đá), sóng truyền đi càng xa và năng lượng tiêu hao trong quá trình truyền sóng ít hơn trong nền đất mềm Tại khu vực đang xét ảnh hưởng động đất, khi nền đất là nền đất mềm, tiêu hao năng lượng truyền sóng tại đấy sẽ lớn lên, điều này làm ảnh hưởng do động đất tác động lên công trình tăng lên đáng kể Vấn dề này sẽ được minh họa rõ hơn khi xem xét các phổ đáp ứng thiết kế trong phần sau

Thang đo cường độ động đất : có rất nhiều thang đo cường độ động đất khác nhau được sử dụng ở các nước trên thế giới Chú ý rằng chữ số dùng trong các thang đo cường độ động đất là chữ số La mã

Thang đo Rossi-Forel là thang động đất đầu tiên được sử dụng trên thế giới, được phát minh

bởi Michele Stefano Conte de Rossi và François-Alphonse Forel năm 1800, được sử dụng trong suốt 2 thập kỷ cho đến khi thang Mercalli năm 1902 Thang được chia thành 10 cấp độ

Thang đo Mercalli : được nhà nghiên cứu núi lửa người Ytalia là Giuseppe Mercalli phát

triển từ thang đo Rossi-Forel vào khoảng từ 1883 đến 1902 Thang được chia thành 12 cấp độ

Sau dó thang đo này tiếp tục được phát triển thành thang đo Mercalli-Cancani-Sieberg

(MCS) do công của nhà địa chất người Đức là August Heinrich Sieberg Sau đó, nó tiếp tục

được 2 nhà khoa học là Harry O Wood và Frank Neumann phát triển thành thang đo

Mercalli-Wood-Neuman (MWN) vào năm 1931

Thang đo Mercalli hiệu chỉnh (Modified Mercalli Intensity Scale - MMI) : được phát triền từ hệ thống thang đo Mercalli, sau nhiều lần được chỉnh sửa Ngày nay, hệ thang đo này được

sử dụng ở Mỹ và các nước Bắc Mỹ Thang được chia thanh 12 cấp và cũng được đánh số bằng chữ số La Mã, trong đó cấp I là cấp nhỏ nhất và cấp XII là cấp động đất lớn nhất phá hủy toàn bộ công trình

Thang đo JMA (thang Shindo – Nhật Bản) : là thang đo cường động đất của cơ quan khí

tượng học Nhật (Japan Meteorological Agency seismic intensity scale), được sử dụng tại Nhật

và Đài Loan Thang đo được chia thành 10 cấp độ Không như các hệ thống thang đo cường độ động đất khác, thang đo được đánh số bằng chữ số Latin Hệ thống đánh số bao gồm từ 0, 1, 2,

3, 4, 5-, 5+, 6- , 6+ và 7 Trong đó cấp 0 là cấp nhỏ nhất và cấp 7 là cấp mạnh nhất Đơn vị thường được gọi là Shindo Ví dụ : ở ToKyo là Shindo 4 (chú ý cũng có tài liệu ghi thang được đánh số La mã)

(Nguồn website http://en.wikipedia.org/wiki/)

Thang đo MSK-64 (tên gọi đầy đủ là thang đo Medvedev-Sponheuer-Karnik) do 3 nhà

khoa học là Sergei Medvedev (USSR), Wilhelm Sponheuer (Tây Đức cũ), and Vít Kárník (Czechoslovakia) năm 1964 Thang đo này được hiệu chỉnh thêm vào những năm giữa thập kỷ

70 và đầu thập kỷ 80 Năm 1992, Hội đồng địa chấn Châu Âu (ESC) dựa trên thang đo này để

phát triển thành thang đo Thang cường độ động đất Châu Âu (EMS - European

Macroseismic Scale) Đây là thang đo cường độ động đất được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu và

nhiều nước trên thế giới như Nga, các nước Liên Xô cũ, Ixrael, Aán Độ … và Việt Nam Thang

đo MSK-64 bao gồm 12 cấp, đánh số bằng chữ số La Mã, trong đó cấp I là cấp nhỏ nhất và cấp XII là cấp động đất mạnh nhất

BẢNG THANG ĐO CƯỜNG ĐỘ ĐỘNG ĐẤT MGK-64

I Mức độ không nhạy cảm: Người ta chỉ ghi nhận được trên điạ chấn kế chứ

không có cảm nhận được sự động đất, nó không ảnh hưởng tới các đồ vật, không làm hư hại công trình

II Mức độ hơi nhạy cảm: Người ta chỉ cảm nhận được khi đang trong trạng thái

yên tĩnh, đồ vật không bị ảnh hưởng, công trình không bị hư hại

III Mức độ yếu: Một vài người ở trong nhà sẽ cảm nhận có sự rung chuyển, những

đồ vật treo hơi bị đung đưa, công trình không bị hư hại

IV Mức độ trung bình: Nhiều người ở trong nhà và chỉ một số ít người ở ngoài

trời sẽ cảm nhận được sự rung chuyển Sự rung nhẹ của mặt đất sẽ khiến vài người phải giật mình và nhìn thấy được sự rung hay lắc nhẹ cuả công trình, của phòng ốc, giường tủ, bàn ghế, v.v… Cửa kiếng khua lách cách, vật treo bị đung đưa, đôi khi người ta nhìn thấy những vật nhẹ bị rung động nhưng công trình không bị hư hại gì

V Mức độ hơi mạnh: Hầu hết những người trong nhà và một vài người ở ngoài

trời cảm nhận được có sự động đất Vài người trong nhà hoảng sợ bỏ chạy ra ngoài, những người đang ngủ thì giật mình thức giấc Người ta sẽ nhận thấy sự rung chuyển của toàn bộ công trình, phòng ốc, đồ đạc Những đồ vật treo bị đu đưa nhiều, các đồ vật bằng thủy tinh

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

hay sành sứ thì va vào nhau kêu lách cách, các cánh cửa thì tự bật mở ra hay đóng sầm lại, có khi các tấm cửa bị vỡ Chất lỏng thì dao động và có khi chảy tràn ra ngoài từ thùng chứa bị đầy Những con vật trong nhà có thể chạy lung tung Một vài công trình kém chất lượng sẽ bị hư hại nhẹ

VI Mức độ mạnh: Hầu hết mọi người ở trong nhà hay ở ngoài trời đều cảm nhận

được động đất, có người bị mất thăng bằng Nhiều người hoảng sợ bỏ chạy ra ngoài Những đồ vật nhỏ có thể rơi xuống sàn và đồ nội thất có thể bị nhấc bổng lên Chén dĩa và đồ thủy tinh có thể bị vỡ Những con vật nuôi bị hoảng loạn Hư hại nhìn thấy rõ đối với những cấu trúc gạch đá, vết nứt xuất hiện ở lớp vữa tô Trên nền đất xuất hiện những đường nứt nẻ rõ rệt

VII Mức độ rất mạnh: Hầu hết mọi người đều hoảng sợ bỏ chạy ra ngoài Đồ nội

thất bị nhấc bổng lên và đổ nhào xuống sàn, đồ vật thì rơi ra khỏi kệ, nước thì bắn ra khỏi thùng chứa Những công trình cũ bị hư hại nặng nề, những ống khói bằng gạch đá bị đổ sập Một số vụ trượt đất nhỏ

VIII Mức độ làm hư hại: Nhiều người cảm thấy khó đứng vững ngay cả khi đang ở

ngoài trời Đồ nội thất có thể bị lật úp Người ta có thể nhìn thấy các sóng dợn trên mặt đất mềm Một phần các cấu trúc cũ bị đổ sập hoặc bị hư hỏng nặng nề Xuất hiện các vết nứt lớn, vết nứt miệng rộng, có đá lở

IX Mức độ phá hoại: Mọi người đều sợ hãi, có thể bị ném mạnh xuống nền đất

Mặt đất mềm xuất hiện gợn sóng Những kết cấu không đạt chất lượng bị đổ sập, những kết cấu kiên cố bị hư hại đáng kể, những đường ống ngầm dưới đất bị đứt gãy Nền đất bị nứt gãy, vùng đất lở lan rộng

X Mức độ tàn phá: Những công trình bằng gạch đá bị hủy hoại, cơ sở hạ tầng bị

tê liệt, đất lở ồ ạt Mực nước dâng cao gây nên ngập lụt những vùng xung quanh và hình thành nên những cuộn nước mới

XI Mức độ thảm khốc: Hầu hết mọi cấu trúc và công trình đều đổ sập Đất đai bị

biến dạng khắp nơi, xuất hiện sóng thần

XII Mức độ rất thê thảm: Mọi kết cấu trên mặt đất và dưới lòng đất đều bị hủy

hoại hoàn toàn Quang cảnh nói chung bị thay đổi, sông suối thay đổi dòng chảy, xuất hiện sóng thần

B3/ Phân biệt cấp chấn động động đất và cấp cường độ động đất :

Như đã phân tích bên trên, cấp chấn động động đất và cấp cường độ động đất là 2 khái niệm khác nhau Khi nói về động đất, người ta sử dụng cấp chấn động động đất và bắt buộc phải nói kèm chính xác địa điểm xảy ra động đất (kể thêm thời điểm xảy ra động đất khi cần thiết) Thang đo sử dụng phải là thang độ Richter (ghi cấp chấn động động đất bằng chữ số Latin) Ví dụ : Động đất ngày 17.10.2005 bao gồm 2 trận động đất : trận động đất thứ nhất vào lúc 8g tại

10 o 9 N, 107 o E, mạnh 2,9 độ Richter, trận động đất kế tiếp lúc 8g28 tại 10 o 34N, 108 o 66E, mạnh 4,3 độ Richter Trong các tài liệu khoa học, người ta thường ghi cả cách đo như ghi một trong các giá trị M L , M S hay M W

Rõ ràng là do thuật ngữ khoa học sử dụng chưa thống nhất nên thường sử dụng nhầm lẫn giữa cấp chấn động động đất và cấp cường độ động đất Một trong số đó là người ta và báo chí hay dùng lẫn lộn Ví dụ : báo chí vẫn thường đăng các ý kiến đại loại như kết cấu công trình ở

thành phố Hồ Chí Minh có thể chịu được động đất đến cấp 7 độ Richter Ở đây, chúng ta chưa xét đến tính đúng sai về mặt công trình, chỉ xét về thuật ngữ sử dụng Việc dùng chữ số Latin và độ Richter có thể làm cho người ta hiểu là tâm chấn có thể xảy ra tại thành phố Hồ Chí Minh và cấp chấn động là 7 độ Richter Điều này trở nên vô lý vì tại tâm chấn với cấp 7 độ Richter, năng lượng phóng thích gây ra phá hoại nền rất lớn và không thể có kết cấu nào có thể tồn tại được tại vị trí ở tâm chấn Nói một cách đơn giản hơn, giả sử tâm chấn tại khu vực Quận 1 có cấp chấn động chỉ khoảng cấp 5, với năng lượng phóng thích tương đương quả bom nguyên tử ném xuống Nagasaki (Nhật), không chắc có thể có nhiều công trình ở ngay Quận 1 có thể tồn tại được Như vậy chỉ có thể nói công trình thiết kế cho tải trọng động đất cấp VII, hay một cách đầy đủ, thiết kế công trình chịu được cường độ động đất cấp VII thang đo MSK-

64 Khi muốn nói đến công trình có khả năng chịu được động đất cấp 7 độ Richter, ta phải nói kèm theo khoảng cách

Trong thiết kế kết cấu công trình chịu tải trọng động đất, công trình được thiết kế theo cấp cường độ động đất Nói ngắn gọn, cấp động đất sẽ được hiểu là cấp cường độ động đất Tại Việt Nam, theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006, cấp động đất thiết kế thường ở mức cấp VI đến cấp X Các cấp động đất yếu, thường chỉ cất xét bố trí các chi tiết cấu tạo mà không cần phải xét đến các tính toán lực động đất

C/ Các tính chất về động đất :

Trong thiết kế công trình, chúng ta cần phải quan tâm đến một số tính chất của sóng động đất ảnh hưởng đến kết cấu công trình, bao gồm 2 vấn đề chính :

+ Dao động tức thời (Transient vibration) : Chuyển động nứt gãy võ trái đất gây ra các sóng dao động lan truyền theo các phương

Các sóng dao động thường có chu kỳ trong khoảng 0.05 đến 5s (tương ứng tần số từ 20 Hz đến 0.2 hz) Vận tốc lan truyền sóng phụ thuộc tính chất đặc chắc của lớp đất đá của võ trái đất Trong phạm vi chiều dày 30km của lớp võ trái đất, vận tốc truyền sóng thay đổi từ 3 đến 8 km/s

Sóng động đất rất phức tạp, hầu như không có sự giống nhau giữa các sóng động đất xảy ra khác thời điểm cho dù cùng đo đạc tại một vị trí Sóng càng truyền đi xa càng yếu dần Thời gian xảy ra sóng động đất có thể kéo dài từ vài giây đến hơn 3 phút

Các sóng động đất thường được đo đạc bởi các đại lượng chuyển vị, vận tốc và gia tốc Đây cũng là các số liệu chính dùng trong thiết kế công trình chịu tải trong động đất Dao động của động đất thường được ghi nhận theo 3 hướng :

o Dao động sóng theo hướng Đông –Tây (hướng 0 o )

o Dao động sóng theo hường Nam-Bắc (hướng 90 o )

o Dao động sóng theo theo phương thẳng đứng (hướng Z)

+ Chuyển vị vĩnh viễn : (Permanent displacement) Động đất gây ra các chuyển vị vĩnh viễn tại tâm chấn và khu vực lân cận Các chuyển vị có thể là vài mm trong các trận động đất nhỏ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

hoặc là vài m trong các trận động đất lớn Trong các trận động đất lớn và rất lớn, các chuyển dịch nền rất lớn có thể gây ra tái cấu trúc bề mặt trái đất, thay đổi dòng chảy của sông, làm khô cạn các hồ nước hay phát sinh các hồ nước mới

D/ Các số liệu về động đất dùng trong thiết kế kết cấu công trình :

Các công trình trong vùng lân cận chấn tâm, phạm vi từ vài km đến vài trăm km, tùy theo cấp chấn động, độ sâu chấn tiêu, môi trường nền, chịu tác động của các sóng động đất lan truyền đến Công trình dưới tác động của sóng động đất, phát sinh lực quán tính, xuất hiện các

hư hỏng, thậm chí các phá hoại gây sập đổ công trình

Do vậy, các số liệu ghi nhận được từ sóng động đất chính là các số liệu cơ bản dùng cho thiết công trình Như đã phân tích trong phần sóng động đất, các số liệu dùng trong thiết kế động đất bao gồm :

o Địa điểm có thể có ảnh hưởng động đất

o Gia tốc nền, vận tốc nền và chuyển vị nền ghi nhận tại nơi xây dựng công trình

o Chu kì (hay tần số ) dao động nền, thời gian kéo dài của trận động đất

o Thời điểm xảy ra động đất, thời gian lặp lại (hay xác xuất) của trận động đất

o Địa chất của khu vực chịu ảnh hưởng động đất

Tuy nhiên, trong hoàn cảnh kinh tế nhất định, cùng với những hạn chế nhất định trong nghiên cứu và áp dụng khoa học kỹ thuật, không phải lúc nào người thiết kế cũng có đủ các số liệu cần thiết Do đó, nhiều công cụ toán học được vận dụng trong tính toán thiết kế động đất nhằm cho ra một kết quả khả dĩ tin cậy nhất nhằm phục vụ cho khoa học kỹ thuật, cho xây dựng công trình Tùy theo phương pháp tính toán, các số liệu động đất được sử dụng thích hợp Chẳng hạn như không phải bất kỳ vùng nào cũng có số liệu ghi nhận được gia tốc nền khu vực, khi đó việc sử dụng phương pháp phổ đáp ứng là phương pháp thích hợp nhất cho thiết kế Đồng thời, việc sử dụng xác xuất thống kê để chọn gia tốc nền cực trị là bài toán quan trọng trong việc chọn lựa thông số thiết kế

II.2/ ĐỘNG ĐẤT & CÁC VẤN ĐỀ THỰC TẾ

Động đất gây ra nhiều thiệt hại to lớn về nhân mạng và cho nền kinh tế các nước trên thế giới (Xem bảng 1) Do đó, việc nghiên cứu về động đất rất được các nước trên thế giới rất quan tâm và họ đạt nhiều tiến bộ to lớn trong công tác dự báo, thiết kế công trình chịu tải trọng động đất Một số quốc gia đạt nhiều tiến bộ vượt bậc trong việc nghiên cứu về động đất có thể kể đến như : Mỹ, Nhật Bản, Nga, Úc, New Zealand…

Việt Nam là quốc gia trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất Theo các báo cáo của VIỆN VẬT LÝ ĐỊA CẦU (thuộc VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM), tại nước ta có lắp đặt một số thiết bị quan trắc động đất tại miền Bắc và một tại Nha Trang; hiện đang tổ chức lắp đặt một số trạm quan trắc tại thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam Một số trận động đất được ghi nhận xảy ra tại việt Nam như :

o Trận động đất ở Điện Biên năm 1955

o Trận động đất ở Tuần Giáo năm 1983

(Nguồn: Cơ sở của động đất và tính toán công trình chịu tải trọng động đất)

o Lúc 22g18 ngày 08-08-0964, trận động đất tại điểm cách cửa biển Cần Giờ khoảng 40km, cấp chấn động động đất 4.8 o Richter, độ sâu chấn tiêu 15 km

o Lúc 7g19 ngày 26-10-1664, tại khu vực Lộc Ninh, Bình Long xảy ra động đất 2.7 o

Richter, độ sâu chấu tiêu 15 km

o Ngày 26-08-2002, xảy ra trận động đất ờ Vũng Tàu, với chấn động mạnh 5 o Richter, độ sâu chấn tiêu 10 km

o Các trận động đất trong năm 2005 như đã nói trên

(Nguồn : Báo Tuổi trẻ – Theo Tài liệu động đất của Viện Vật Lý Địa cầu)

Ở Việt Nam, do hoàn cảnh khách quan, công tác nghiên cứu về động đất chưa thực sự được quan tâm và đầu tư thích đáng Tuy đạt được một số thành tựu nghiên cứu nhất định, và đã áp dụng thiết kế chống động đất trong một số công trình quan trọng, việc thiết kế chống động đất vẫn chưa được phổ biến rộng rãi cho người làm công tác thiết kế nói riêng và cho giới xây dựng nói chung

Một số công trình xây dựng được thiết kế chống động đất ở Việt Nam có thể kể ra sau đây:

• Cảng Tân Cảng – TP Hồ Chí Minh

(Nguồn : Công ty cổ phần Port Coast)

• Nhà máy thủy điện Thác Bà

• Nhà máy thủy điện Hòa Bình

• Các nhà máy xi măng Bỉm Sơn, Nhà máy xi măng Hoành Thạch

• Nhà máy nhiệt điện Phả Lại

• Lăng Bác Hồ

(Nguồn : Cơ sở của động đất và tính toán công trình chịu tải trọng động đất)

• Công trình tháp vô tuyến Vũng Tàu

• Công trình tổ hợp Siêu thị, văn phòng và căn hộ cao cấp – P 7, Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu

• Công trình khu thương mại, văn phòng và căn hộ để bán – Số 104 – Thái Thịnh, Ba Đình, Thủ đô Hà Nội (25 tầng)…

(Nguồn : Tóm tắt đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước : Mô phỏng và tính toán tác động của động đất vào công trình trong điều kiện Việt Nam, Mã số 31.11.04, chủ trì :

TS Đoàn Tuyết Ngọc, thực hiện trong 2 năm 2004 & 2005)

Ngày 11-09-2006, Bộ Xây Dựng đã ban hành TCXDVN 375:2006 “Thiết kế công trình chịu động đất” Đây là tiêu chuẩn chính thức đầu tiên của Việt Nam về thiết kế công trình chịu động đất Trước đó, một số tiêu chuẩn nước ngoài về thiết kế chống động đất đã được áp dụng tại Việt Nam Điều này có nghĩa vô cùng lớn trong ngành xây dựng Việt Nam : chấm dứt các tranh luận dai dẳng và vô nghĩa trong vấn đề về sự cần thiết của việc thiết kế các công trình chịu tải trọng động đất ở Việt Nam

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

BẢNG 1 : THIỆT HẠI DO MỘT SỐ TRẬN ĐỘNG ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI

chết M Thiệt hại / Ghi chú(triệu USD)

1906 31-Jan

18-Apr

17-Aug

Columbia San Francisco,CA Chile,Santiago

1N 38N 33S

81.5W 123W 72W

1,000 2,000+

20,000

8.9 8.3 8.6

Đám cháy lớn Đám cháy lớn

1907 14-Jan

21-Oct

Jamaica,Kingston Central Asia

18.2N 38N

76.7W 69E

1.600 12,000

6.5 8.1 Đám cháy lớn

1908 28-Dec Italy,Messina 38N 15.5E 70,000 7.5 Số người chết có thể lên đến

100.000

1920 16-Dec China, Gansu 35.8N 105.7E 200,000 8.6 Nút gãy lớn, đất trượt

1923 24-Mar

01-Sep

China Japan, Kanto

31.3N 35.0N

100.8E 139.5E

5,000 143,000

7.3 8.3 $2800, đám cháy lớn

1927 07-Mar

22-May Japan,Tango China, nr Xining 35.8N 36.8N 134.8E 102.8E 3,020 200,000 7.9 8.3 Nút gãy lớn

1935 20-Apr

30-May

Formosa Pakistan, Quetta

24.0N 29.6N

121.0E 66.5E

3,280 30,000

7.1 7.5 Số người chết có thể lên đến 60,000

68.5W 32.7E 136.2E

5,000 2,800 1,000

7.8 7.4 8.3

Số người chết có thể lên đến 8,000

Số người chết có thể lên đến 5,000

1945 12-Jan

27-Nov Japan, Mikawa Iran 34.8N 25.0N 137.0E 60.5E 1,900 4,000 7.1 8.2

1946 10-Nov

20-Dec Peru, Ancash Japan, Tonankai 8.3S 32.5N 77.8W 134.5E 1,400 1,330 7.3 8.4 Đất trượt, phá hoại lớn

30N 39.5S

9W 74.5W

10,000 4,000

5.9 9.5

Số người chết có thể lên đến 15,000

Số người chết có thể lên đến 5,000

1963 26-Jun Yugoslavia, Skopje 42.1N 21.4E 1,100 6 Độ sâu cạn, dưới thành phố

1966 19-Aug Turkey, Varto 39.2N 41.7E 2,520 7.1

24.1N 9.2S

102.5E 78.8W

10,000 66,000

7.5 7.8 Đá trượt

1976 04-Feb

25-Jun

27-Jun

Guatemala New Guinea China, Tangshan

15.3N 4.6S 39.6N

89.1W 140.1E 118.0E

23,000

422 255,000

7.5 7.1

8

$6,000 Số người chết có thể lên đến 655,000;

$2,000

1985 19-Sep Mexico, Michoacan 18.2N 102.5W 9,500 8.1 Số người chết có thể lên đến

16-Jun Iran, Western Philippines, Luzon 37.0N 15.7N 49.4E 121.2E 40,000 1,621 7.7 7.8 Số người chết có thể lên đến 50,000

Đất trượt, lún sụt

1995 16-Jan

27-May

Japan, Kobe Sakhalin Island

34.6N 52.6N

135E 142.8E

6,000 1,989

6.9 7.5

$100,000, đám cháy lớn

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

HÌNH 2.6 : BIỂU ĐỒ GIA TỐC NỀN TRẬN ĐỘNG ĐẤT EL CENTRO

(Nguồn : Số liệu từ http://www.vibrationdata.com)

HÌNH A : BIỂU ĐỒ GIA TỐC NỀN THEO HƯỚNG ĐÔNG - TÂY (E-W)

HÌNH B : BIỂU ĐỒ GIA TỐC NỀN THEO HƯỚNG BẮC - NAM (N-S)

HÌNH C : BIỂU ĐỒ GIA TỐC NỀN THEO HƯỚNG THẲNG ĐỨNG

HÌNH 2.7 : ĐỘNG ĐẤT ĐANG LÀ VẤN ĐỀ ĐANG ĐƯỢC QUAN TÂM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006 MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ PHÁ HOẠI CÔNG TRÌNH DO ĐỘNG ĐẤT

HÌNH 2.8 : SỰ PHÁ HOẠI BẾN CẢNG KOBE (NHẬT BẢN) DO

TRẬN ĐỘNG ĐẤT HYOGO-KEN NANBU (1995)

(Nguồn Seismic design of port structures - Journal of Japan Association for

Earthquake Engineering, Vol.4, No.3 (Special Issue), 2004)

HÌNH 2.9 : TRƯỜNG TIỂU HỌC HILL Ở ANCHORAGE, ALASKA (USA)BỊ PHÁ HOẠI DO TRẬN ĐỘNG ĐẤT NĂM 1964

(Nguồn: Viện địa chất liên bang Hoa Kỳ)

HÌNH 2.10 : ĐẬP NƯỚC BỊ PHÁ HOẠI DO TRẬN ĐỘNG ĐẤT

CHI-CHI (TAIWAN) NGÀY 21/09/1995

(Nguồn Geotechnical earthquake engineering Handbook, Robert W.day, trích ảnh từ

Trường Taiwan, EERC, Đại học California, Berkeley)

HÌNH 2.11 : TÒA NHÀ BỊ SẬP ĐỔ DO TRẬN ĐỘNG ĐẤT IZMIT ,

THỔ NHĨ KỲ, NGÀY 17/08/1999

(Nguồn Geotechnical earthquake engineering Handbook, Robert W.day, Ảnh chụp do

Mehmet Celebi, USGS)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

¨

¨

PHẦN III

SƠ LƯỢC ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU

Đây là cơ sở lý luận thiết yếu cho việc tính kết cấu công trình chịu tải trọng động đất nói riêng và các tải trọng động khác nói chung Ngày nay, bài toán động lực học kết cấu được các nhà khoa học thiết lập cho cả 2 trường hợp vật liệu đàn hồi tuyến tính và bài toán phi tuyến Trong phần này chỉ tóm tắt những nét lý luận chính liên quan trực tiếp đến bài toán phân tích nội lực trong kết cấu Để đơn giản vấn đề, vấn đề kết cấu công trình chịu tải trọng động được giải quyết tuần tự theo trình tự của cơ sở lý luận toán học

III.1/ KẾT CẤU ĐÀN HỒI TUYẾN TÍNH :

Vấn đề bài toán được minh họa như sau :

Bài toán được xét tuần tự từ bài toán đơn giản đến phức tạp Bắt đầu từ hệ một bậc tự do cho đến hệ nhiều bậc tự do Các bài toán này sẽ được nhấn mạnh ý nghĩa về mặt toán học nhằm mục đích phục vụ cho các bài toán tiếp theo cũng như đơn giản hoá quá trình trình bày Ý nghĩa của nghiệm bài toán sẽ được giải thích thêm bằng mô hình vật lý thích hợp

A- Hệ một bậc tự do

Mô hình bài toán một bậc tự do là bài toán cơ sở cho toàn bộ tính toán của kết cấu chịu tải trọng động Vấn đề giải bài toán dao động một bậc tự do chính là giải tìm nghiệm của phương trình vi phân cấp 2

1 Dao động tự do : Thường minh họa bằng mô hình vật nặng khối lượng m treo vào một lò

xo không trọng lượng có độ cứng k Tuy nhiên, trong phân tích kết cấu, người ta chọn mô hình thanh không khối lượng có độ cứng k, một đầu ngàm trên mặt đất, một đầu mang vật nặng khối lượng m Phương trình dao dộng tự do của vật nặng có các dạng như sau đây

Khi không kể đến lực cản

trong đó u là nghiệm dao động của hệ theo thời gian t; u là gia tốc

Dây là dạng bài toán phương trình vi phân thuần nhất (vế phải bằng 0) Bài toán này thường giải được bằng phương pháp giải tích trong cả 2 trường hợp có cản hoặc không cản Nghiệm của phương trình đặïc trưng chính là tần số góc của dao động của hệ

Tải kích thích Kết cấu công trình Đáp ứng của kết cấu

k

m

Trong đó 2 hằng số A, B được tính theo điều kiện biên

Trong đó,

Các định nghĩa khác :

Chu kỳ riêng của dao động (natural period)

ω

π

Tần số riêng của dao động (natural frequency) f = 1/ T (s-1 = Hz) (1.11)

Hình 3.1 : Sơ đồ hệ 1 bậc tự do (không cản)

uo

ωοuo

ku

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

Mô hình pit-tông như trong hình vẽ

kí hiệu cho vật giãm chấn (damspot)

Hình 3.2 : Sơ đồ hệ 1 bậc tự do (hệ tắt dần) Đặt ωo2 =k / m và α = c / 2m và biến đổi (1.12) trở thành

Nghiệm thuần nhất của phương trình (1.12) như sau

Trong đó A và B là 2 hằng số phụ thuộc vào điều kiện biên

kc

u +

m

c

u + m

Khảo sát các trường hợp dao động tắt dần, bao gồm : hệ tắt dần tới hạn (critically damped system), hệ tắt dần vượt mức tới hạn (over-critically damped system) và hệ tắt dần dưới mức tới hạn (under-critically damped system)

• Hệ tắt dần tới hạn : khi c = ccr hay ξ = 1

Khi đó s1 = s2 = -ωo

Cả hai hằng số G1 và G2 là 2 hằng số thực, phụ thuộc điều kiện ban đầu u(0) và u(0), khi đó, nghiệm (1.15) viết lại

u(t) = [uo(1 - ωo ) + uot] e-ωot (1.15a)

Trong trường hợp này, hệ không xuất hiện dao động, đường cong thể hiện chuyển vị chỉ là đường cong tắt dần về điểm 0, và khi dấu của chuyển vị ban đầu và vận tốc ban đầu khác dấu, đường cong thể hiện chuyển vị sẽ đi qua trị số 0 và đổi dấu trước khi tắt dần về điểm Zero

• Hệ tắt dần vượt mức tới hạn : khi c > ccr hay ξ > 1

Giá trị dưới dấu căn thức là dương, khi đó nghiệm bài toán chính là (1.14) như đã nêu trên

• Hệ tắt dần dưới mức tới hạn : khi c < ccr hay ξ < 1

Giá trị dưới dấu căn thức là âm, khi đó nghiệm bài toán có trị số phức

Đặt ωD là tần số dao động riêng của hệ tắt dần (damped natural frequency)

Nghiệm riêng của phương trình (1.12) viết dưới dạng phức

trong đó, A1 và A2 là 2 hằng số có giá trị là số phức

Nghiệm riêng của phương trình (1.12) viết dưới dạng lượng giác

±

2 o

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

HÌNH 3.4 : ẢNH HƯỞNG CỦA SỨC CẢN ĐẾN DAO ĐỘNG TỰ DO

Nguồn : Dynamics of Structures : Theory and Applications to Earthquake Engineering, Anil K Chopra

Không kể sức cản Xét đến sức cản

Để đánh giá mức độ tắt dần và đo đạc tỉ số tắt dần của dao động, người ta thường dùng khái niệm độ lệch loga (logarithmic decrement)

Đáp ứng của công trình trong thực tế thường là dạng dao dộng của hệ tắt dần dưới mức tới hạn (ξ < 1) Tỉ số tắt dần phụ thuộc vào tính chất kết cấu như liên kết, độ cứng và vật liệu dùng trong kết cấu Qua thực nghiệm, người ta xác định thông thường tỉ số tắt dần trong các kết cấu xây dựng thường ξ < 0.2 , khi đó áp dụng công thức (1.16)

ωD = ωο 1 - 0.22 = 0.98 ωο

Hay khi tỉ số tắt dần đạt 30%, thì ωD = 0.954ωο Điều này có nghĩa là đối với kết cấu công trình, tần số dao động của hệ tắt dần và hệ không tắt dần không có sự khác biệt đáng kể, như vậy trong thực hành tính toán động lực học công trình, chúng ta có thể áp dụng tần số dao động riêng của hệ không cản để tính toán công trình chịu tải trọng động đất

Cản tới hạn ξ = 1

Vượt cản tới hạn ξ = 2

Dưới cản tới hạn ξ = 0.1

HÌNH 3.3 : HỆ DAO ĐỘNG TỰ DO CÓ CẢN TỚI HẠN, VƯỢT CẢN TỚI HẠN VÀ

DƯỚI CẢN TỚI HẠN

Nguồn : Dynamics of Structures : Theory and Applications to Earthquake Engineering, Anil K Chopra

2 Dao động cưỡng bức :

Trong thực tế, kết cấu công trình chịu tác dụng của ngoại lực bao gồm tải trọng tĩnh và tại trọng động Phần tải trọng tĩnh đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong bài toán kết cấu tĩnh học công trình Trong phần này chỉ xét đến bài toán kết cấu chịu tải trọng động Phương trình vi phân tổng quát như sau :

Trong đó,

Các kí hiệu đã giới thiệu như phần trên

u, u, u, : lần lượt là chuyển vị, vận tốc và gia tốc của vật nặng theo phương đang xét

Ps : tải trọng tĩnh só giá trị như hằng số

PD(t) : tải trọng động (tải trọng thay đổi theo thời gian t)

Trong hệ đàn hồi tuyến tính, vật liệu còn làm việc trong giai đoạn đàn hồi nên ta có thể áp dụng phương pháp chồng chất nghiệm (superposition method) Phương trình (1.22) tách ra thành 2 phương trình

(1.22a) (1.22b) Trong phương trình (1.22a) Ps là hằng số theo thới gian t -> chuyển vị u = hằng số ->

u= 0 và u = 0 Bài toán trở thành bài toán tĩnh giải được Do đó ta chỉ khảo sát các trường hợp bài toán động (1.22b)

2.1 Tải trọng có chu kỳ (tải trọng điều hòa) :

Khi không xét đến lực cản

Phương trình có dạng

(1.23)

Trong đó, Po là biên độ ngọai lực kích thích và ϖ là tần số góc của ngoại kực kích thích Đây chính là phương trình vi phân cấp 2 với vế phải là hàm lượng giác Nghiệm tổng quát của hệ như sau :

u(t) = uc(t) + up(t) = (Acos ωot + Bsin ωot) + sinϖ t (1.24)

với uc(t) là nghiệm thuần nhất

up(t) là nghiệm riêng

β = ϖ / ω là tỉ lệ của tần số góc kích thích và tần số góc riêng

A, B là 2 hằng số phụ thuộc điều kiện ban đầu

−

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

thành phần là thành phần chuyển vị tĩnh và giá trị 1/(1 – β2) = R gọi là hệ số động

(dynamic magnification factor) cho hệ không cản

Khi xét đến lực cản

Phương trình có dạng

hay

Điểm khác nhau giữa (1.28) và (1.23) là kể dến hệ số cản c Nghiệm tổng quát như sau :

u(t) = uc(t) + up(t) = (Acos ωDt + Bsin ωDt)e-ξωot +

+ [(1 – β 2) cos ϖ t – i 2ξβ sin ϖ t]

(1.29)

với uc(t) là nghiệm thuần nhất như đã giải trong phần 1

up(t) là nghiệm riêng

Khi hệ dao động dưới tác dụng lực kích thích điều hòa, nghiệm thuần nhất chính là thành phần dao động tức thời (transient oscillation), thường không kéo dài và chỉ xảy ra trong thời gian ngắn lúc ban đầu nên thường bỏ qua không xét đến trong đáp ứng dao động ổn định (steady-state response) Đó chính là thành phần nghiệm riêng up(t) (thành phần thứ 2 của (1.29))

HÌNH 3.5 : NGHIỆM DAO ĐỘNG CỦA HỆ

Nghiệm đáp ứng dao động ổn định viết lại

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

HÌNH 3.7 : ẢNH HƯỞNG CỦA ξ VÀ β ĐỐI VỚI GÓC LỆCH PHA ϕ Chú ý các trường hợp đặc biệt sau đây :

• Khi ξ =0 và β =1 : hệ không có cản (tức c = 0) và tần số góc lực kích thích ϖ = tần số góc riêng của hệ ω, khi đó ta có D -> 0 : trường hợp cộng hưởng xuất hiện trong hệ không cản , biên độ dao động của hệ tiến đến giá trị cực lớn (vô cùng)

• Tuy nhiên trong thực tế, hệ kết cấu luôn luôn có lực cản nên ξ ≠ 0 và β =1 : D = 1/2 ξ Thông thường do ξ < 1 nên D > 1 -> biên dộ do chuyển dộng dao động luôn lớn hơn chuyển vị do lực tĩnh gây ra

• Khi ξ ≠ 0 và β << 1 : hay wo >> ϖ , ta được D ≈ 1 và ϕ -> 0 Hệ dao động cùng pha với ngoại lực, biên độ chỉ phụ thuộc độ cứng k

• Khi ξ ≠ 0 và β >> 1 : hay wo << ϖ , ta được D -> 0 và ϕ -> 180o Hệ dao động lệch pha

• Đáp ứng cộng hưởng trong hệ có cản : Xem D là hàm của β , khảo sát hàm số theo β để tìm cực trị

(1.34)

2.2.Tải trọng xung

Tải trọng xung : tải trọng tác dụng lên hệ trong thời gian τ rất ngắn so với chu kỳ dao động

T của hệ ( τ << T) Ví dụ như tải va chạm, tải trọng do vụ nổ…

Xét tải trọng xung có dạng chữ nhật như sau :

p(t)

po

p(t) = po khi 0 < t < τ

0 khi t > τ

Khi không xét đến lực cản

Xét trong 2 giai đoạn : khi có lực po và khi lực = 0

Giai đoạn 1 : khi 0 < t < τ , phương trình có dạng m u + k u = po Để đơn giản xét khi điều kiện ban đầu u(0) = 0 và u(0) = 0 Nghiệm của hệ như sau :

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

ρ

HÌNH 3.10 : DAO ĐỘNG DO TẢI TRỌNG XUNG

Tổng quát, xét tải trọng xung xảy ra trong khoảng thời gian rất bé δτ tại thời điểm τ với giá trị cường độ p(τ) theo hình vẽ sau :

t

p(t)

d τ

Khi δτ rất nhỏ và u(τ) = 0, thay (1.37a) và (1.38) vào (1.39), ta được nghiệm riêng như sau :

m

)(p

o o

τ

−ωω

Aùp dụng nguyên lý chồng chất nghiệm để tính cho tải trọng bất kỳ bằng cách lấy tích phân

ω

τ

d)t(sinm

)(p

o o

Kể đến điều kiện ban đầu, nghiệm tổng quát cho phương trình vi phân dao động hệ không cản như sau :

u(t) = u(τ)cos ωo(t – τ) +

o

)(uω

)(p

o o

(1.44)

Khi xét đến lực cản

Lập luận tương tự như trên với nhận xét rằng hệ dao dộng có cản khác hệ không xét lực cản là biên độ dao động kể đến thành phần tắt dần và tần số dao động riêng của hệ có cản là ωD Nghiệm tổng quát của hệ dao động chịu tải trọng xung tắt dần như sau :

u(t) = u(0)cos ωDt +

D

)0(u)

0(

m

)(p

o

.

) t o

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THÁNG 12 NĂM 2006

2.3.Tải trọng tổng quát

Trong thực tế, tải trọng động tác dụng lên công trình có tính chất phức tạp, khó có thể mô tả được bằng hàm toán học đơn giản Cụ thể trong trường hợp tải trọng động đất, lực động đất có giá trị mug thường được ghi nhận với một chuỗi giá trị số của ug (gia tốc nền) Do đó, hàm tải trọng P(t) thường là hàm số bất kỳ nào đó mà thường là các cách giải bằng phương pháp giải tích như đã nêu trong các phần trên là không thể áp dụng được Ngay cả việc giải bằng phương pháp giải tích cho phương trình (1.45) cũng không thể thực hiện được

Phương trình vi phân dao động cho tải trọng tổng quát có dạng :

Bằng cách chia tải trọng tổng quát thành các tải trọng xung ứng với các đoạn chia thời gian vô cùng bé dτ, nghiệm của phương trình (1.46) có dạng tương tự như (1.45)

ω

τ − ξω − τ

d)t(sine

m

)(P

o

.

) t ( o

o

y2

Phương trình (1.46) , (1.47) thường được giải bằng phương pháp số Các nhà khoa học đã đưa

ra nhiều phương pháp để giải các phương trình vi phân cấp 2 và chúng được áp dụng nhiều trong việc giải bài toán thiết kế công trình chịu tải trọng động đất Trong phần sau em xin giới thiệu một số phương pháp đã được đề nghị

Tải bất kỳ

Tải xung từ tải bất kỳ

P(t)

du(t)

Đáp ứng do tải trọng xung P(τ)

(1.47)