SƠ LƯỢC VỀ TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐẾN CÔNG TRÌNH
Động đất là một trong những lực hủy diệt lớn nhất của Trái đất, gây ra sóng địa chấn có thể phá hủy tòa nhà, cướp đi sinh mạng và gây tổn thất tài chính lớn cho việc khắc phục Thiệt hại do động đất phụ thuộc vào kích thước, độ sâu, vị trí của trận động đất, cường độ rung chuyển và các tác động liên quan đến sự sụp đổ của công trình Do đó, việc xây dựng các tòa nhà có khả năng chống động đất là rất cần thiết.
Hình: Mô phỏng quy mô cường độ động đất
Khi một trận động đất xảy ra, nó phát sóng xung kích khắp mặt đất theo mọi hướng, gây ra tải trọng ngang mà các tòa nhà không được thiết kế để xử lý Những lực này làm rung chuyển tường, sàn, cột và dầm, dẫn đến sự khác biệt trong chuyển động giữa đáy và đỉnh của tòa nhà Sự chênh lệch này tạo ra ứng suất lớn, có thể khiến khung đỡ bị vỡ và toàn bộ cấu trúc sụp đổ.
Từ lâu, các nhà thiết kế và kỹ sư, đặc biệt ở Nhật Bản, đã nghiên cứu các phương án chống chịu tác động của động đất Trong vài thập kỷ qua, họ đã phát triển nhiều thiết kế và vật liệu xây dựng mới nhằm nâng cao khả năng chống đỡ cho các tòa nhà trước những tác động của thiên tai này.
Nhật Bản và Hoa Kỳ, hai quốc gia dẫn đầu về công nghệ, đang đối mặt với thách thức chung là bảo vệ con người và xã hội khỏi động đất, nhưng lại có những phương pháp ứng phó khác nhau.
CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHO CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
Tạo nền tảng linh hoạt
1.1 Nâng nền trên đỉnh các tấm đệm mềm
Một phương pháp hiệu quả để chống lại lực từ mặt đất là nâng nền tòa nhà lên trên mặt đất thông qua cách ly cơ sở Cách ly cơ sở được thực hiện bằng cách xây dựng tòa nhà trên các tấm đệm mềm làm từ thép, cao su và chì Khi xảy ra động đất, nền tòa nhà di chuyển nhưng các bộ cách ly vẫn rung động, giúp cấu trúc tòa nhà duy trì sự ổn định Phương pháp này giúp hấp thụ sóng địa chấn và ngăn chặn chúng truyền qua tòa nhà.
1.1.1 Cách ly toà nhà khỏi mặt đất và bộ đàn hồi (SREI)
Đến nay, việc cách ly địa chấn cho các cấu trúc đã được thực hiện thông qua thiết bị cách ly đàn hồi (EI) và các lớp thép thay thế, được gọi là SREI Những thiết bị này có tính cứng theo chiều dọc nhưng linh hoạt theo chiều ngang, giúp tách rời cấu trúc khỏi nền Khái niệm xen kẽ các thiết bị này được gọi là sự cô lập cơ sở, cho phép các cấu trúc tồn tại sau các sự kiện địa chấn tàn phá.
Gối cao su nút bịt chì là bộ cách ly đàn hồi được gia cố bằng thép có một hoặc nhiều lỗ tròn
Các mẫu SREI được áp dụng cho các tòa nhà có trọng lượng lớn do ảnh hưởng của các tấm thép bên trong bộ cách ly Trọng lượng này gây khó khăn trong quá trình sản xuất và chế tạo các chất cách ly đàn hồi, dẫn đến việc tăng đáng kể chi phí cho hệ thống.
Hình: Giải pháp cách ly toà nhà khỏi chuyển động trên mặt đất [2]
Hình: Tòa nhà Dịch vụ Thành phố và Cận cảnh trụ cầu được trang bị thêm do địa chấn ở Glendale, Califonia [9]
1.1.2 Cách ly toà nhà khỏi mặt đất và cơ chế trượt
Vào năm 1909, bác sĩ y khoa JA Calanterients đã đề xuất phương pháp cách ly cơ sở địa chấn đầu tiên, dựa trên nguyên lý trượt Ông khẳng định rằng nếu một cấu trúc được xây dựng trên vật liệu mịn như cát, mica hoặc talc, lớp đất này sẽ giúp cấu trúc thượng tầng trượt trong trường hợp xảy ra động đất, từ đó giảm lực ngang tác động lên tòa nhà và giúp nó tồn tại sau sự kiện Mặc dù thiết kế của ông là một hình thức chống động đất sơ khai, nhưng ý tưởng cơ bản vẫn phù hợp với triết lý cách ly cơ sở địa chấn hiện đại ngày nay.
Các ví dụ ban đầu về phương pháp cô lập cơ sở địa chấn bao gồm tầng hầm trượt, quả bóng, con lăn trượt, v.v
Hệ thống bao gồm hai bề mặt hình cầu lõm Teflon và một thanh trượt khớp nối ở giữa, giúp định tâm lại cấu trúc thượng tầng về vị trí ban đầu nhờ vào thành phần nằm ngang của trọng lượng Sự tiêu tán năng lượng được đảm bảo thông qua ma sát giữa bề mặt các tấm lõm và thanh trượt.
Hình: Tháp Yokohama Landmark ở Nhật Bản và Hệ thống các con lăn, có hệ thống van điều tiết khối lượng tích cực, được làm từ vật liệu linh hoạt [12]
Trụ sở của Apple được thiết kế chống động đất với nền bê tông hình chữ U sâu xuống đất, giống như một bồn tắm, và không gắn liền với mặt đất Điều này cho phép nếu cần, các thiết bị như cần cẩu hoặc máy bay trực thăng đủ mạnh có thể nâng tòa nhà lên.
Dưới chân gần 700 cột chống của tòa nhà, những chiếc pucks bằng thép không gỉ được đặt trên các đĩa thép khổng lồ Khi xảy ra động đất, mặt đất rung chuyển khiến các pucks trượt trên đĩa, có thể di chuyển lên tới bốn feet, và được làm chậm lại nhờ vào ma sát.
Hình: Hình ảnh tổng thể Trụ sở sẵn sàng cho Động đất của Apple
Hình ảnh mô tả quá trình thi công và bản vẽ mặt cắt của phần nền chữ U sâu dưới đất, cùng với bộ phận cách ly của tòa nhà Trụ sở sẵn sàng cho Động đất của Apple.
1.1.3 Bộ cách ly đàn hồi được gia cố bằng graphene (STP)
Kể từ thập niên 1960, lốp ô tô đã được sản xuất thông qua quy trình lưu hóa cao su kết hợp với lưới thép, mang lại hiệu quả tương tự như các tấm hoặc sợi thép trong bộ cách ly dựa trên chất đàn hồi thông thường.
Hình: Dây chuyền sản xuất lốp [5]
Một dải nhiều lớp hình vuông hoặc hình chữ nhật, có kích thước từ 100 mm đến 200 mm về chiều rộng và cao từ 4 đến 6 lớp, được cắt ra từ các phần gai của lốp xe đã qua sử dụng Sau đó, các dải này được xếp chồng lên nhau để tạo thành sản phẩm mới.
Những miếng đệm này là giải pháp công nghệ thấp và tiết kiệm chi phí cho EB nhiều lớp, có liên kết và không liên kết Lưới thép dẻo được nhúng trong các lớp cao su của lốp xe, hoạt động tương tự như miếng chêm gia cố linh hoạt "thông thường".
Hình: Các mô hình STP [5]
1.1.4 Cách ly toà nhà bằng vòng bi hoặc miếng đệm
Thông thường, các vòng bi hoặc các miếng đệm mềm sẽ được sử dụng làm lớp đệm cách chấn
Việc sử dụng phương pháp chấn nền yêu cầu có biện pháp điều chỉnh phù hợp với sự dịch chuyển của tòa nhà Để bảo vệ tòa nhà khỏi va chạm trong trường hợp động đất, cần thiết lập một khoảng trống hoặc con hào xung quanh Đồng thời, các hệ thống dịch vụ như cấp thoát nước và điện cũng phải được thiết kế để chịu đựng chuyển động mà không bị hư hại.
Cách chấn nền là giải pháp hiệu quả cho các tòa nhà bằng gạch hoặc đá có chiều cao trung bình và có thể gia cố tòa nhà bê tông, nhưng không phải là lựa chọn phù hợp cho mọi loại kiến trúc Hạn chế lớn nhất của phương pháp này là khả năng chịu đựng áp lực.
Tòa thị chính San Francisco
Trang thiết bị cách ly cơ sở Tòa thị chính San Francisco, được xây dựng vào năm 1912, là công trình lớn nhất thời bấy giờ với diện tích 550.000 foot vuông Sau trận động đất Loma Prieta năm 1989, tòa nhà chịu thiệt hại và cần được trang bị thêm địa chấn, công việc này hoàn thành vào năm 1997 Giải pháp cách ly cơ sở đã được chọn để bảo tồn nội thất lịch sử trong khi vẫn nâng cao đáng kể khả năng chống địa chấn của tòa nhà.
Hình: Tòa thị chính San Francisco và Lớp giảm địa chấn (đệm cách chấn) phía dưới tương tự Utah [13]
1.2 Đặt một tấm nền vững chắc
Một nghiên cứu năm 2019 đã đề xuất một phương pháp xây dựng nền móng vững chắc bằng bê tông cốt thép kết hợp với hệ lưới dầm trên lớp đệm cát trung gian Phương pháp này còn bao gồm việc tạo ra một rãnh xung quanh nền móng để tăng cường bảo vệ Thiết kế này giúp nâng cao khả năng chống chịu của tòa nhà trước các lực địa chấn bằng cách giữ cho nền tòa nhà tách biệt với mặt đất.
Hệ thống phản công và giảm chấn
Ô tô sử dụng giảm xóc để tăng cường sự ổn định, và các kỹ sư cũng áp dụng công nghệ này để xây dựng các tòa nhà chống động đất Giảm xóc giúp giảm cường độ của sóng xung kích, từ đó làm giảm tốc độ tác động lên công trình Có hai phương pháp chính để thực hiện điều này: thiết bị điều khiển dao động và bộ giảm chấn con lắc.
Phương pháp đầu tiên để giảm thiểu tác động của động đất là lắp đặt các bộ giảm chấn ở mỗi tầng của tòa nhà, giữa cột và dầm Mỗi van điều tiết có piston bên trong một xi lanh chứa dầu silicon Khi xảy ra động đất, tòa nhà truyền năng lượng rung động vào các piston, khiến dầu bị đẩy ngược lại Quá trình này chuyển hóa năng lượng thành nhiệt, giúp làm giảm lực của các dao động.
Phương pháp này được kết hợp với các hệ thống chống động đất khác rất hiệu quả
Một phương pháp giảm chấn hiệu quả cho các tòa nhà chọc trời là sử dụng con lắc Kỹ sư treo một quả cầu lớn bằng dây cáp thép và hệ thống thủy lực trên đỉnh tòa nhà Khi tòa nhà rung lắc, quả cầu hoạt động như một con lắc, di chuyển theo hướng ngược lại để ổn định cấu trúc Tính năng này được điều chỉnh để phù hợp với tần suất của tòa nhà, giúp tăng cường khả năng chống chịu trong trường hợp động đất.
Hình: Tòa tháp Taipei 101 và con lắc thép nặng 730 tấn bên trong
Tòa tháp Taipei 101, cao 1.667 foot (508 mét), nổi bật với hệ thống van điều tiết động đất giữa tầng 87 và tầng 92, giúp giảm thiểu tác động rung từ động đất và gió mạnh Hệ thống này được trang bị một quả cầu màu vàng nặng ở trung tâm, mang lại sự ổn định cho tòa nhà chọc trời.
730 tấn (660 tấn) được treo bằng tám sợi cáp thép Đây là bộ điều chỉnh khối lượng lớn nhất và nặng nhất trên thế giới [7]
Che chắn toà nhà khỏi rung động và tránh sụt lún
3.1 Dùng vòng nhựa và bê tông đồng tâm phân tán năng lượng động đất Động đất cũng tạo ra sóng, được các nhà địa chất phân loại là sóng bản thân và sóng bề mặt Hành tinh trước đây di chuyển nhanh chóng qua nội địa Trái đất Sóng thứ hai di chuyển chậm hơn qua lớp vỏ phía trên và bao gồm một tập hợp con của các sóng - được gọi là sóng Rayleigh - di chuyển mặt đất theo phương thẳng đứng Chuyển động lên xuống này gây ra hầu hết rung lắc và thiệt hại liên quan đến động đất [7]
Các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm cách các tòa nhà có thể định hướng và lệch hướng năng lượng từ động đất, thay vì chỉ chống lại các lực Sáng kiến này, được gọi là “chiếc áo choàng tàng hình địa chấn”, bao gồm việc tạo ra một lớp áo choàng gồm 100 vòng nhựa và bê tông đồng tâm, được chôn ít nhất ba feet dưới nền của tòa nhà.
Khi sóng địa chấn lan truyền, chúng phải đi qua các vòng ngoài để dễ dàng di chuyển, dẫn đến việc chúng được dẫn ra khỏi tòa nhà và phân tán thành các mảng trong lòng đất.
Khi thiên tai xảy ra ở khu vực đất cát lỏng lẻo, hiện tượng hóa lỏng có thể xảy ra do sự rung chuyển, khiến các tòa nhà bị chìm hoặc nghiêng, trong khi đường ống nước thải có thể nổi lên bề mặt Sau khi đất đông cứng trở lại sau một trận động đất, các công trình xây dựng sẽ ở vị trí trũng và không còn thẳng đứng.
Hệ thống thoát nước do động đất giúp thu gom nước và ngăn chặn hiện tượng hóa lỏng, bao gồm các mảnh đúc sẵn được bọc trong lớp vải lọc Mỗi cống có đường kính từ 3 đến 8 inch, và việc cài đặt thành công yêu cầu một vị trí kiểu lưới Tùy thuộc vào kích thước khu vực dễ bị hóa lỏng, một tòa nhà có thể cần hàng trăm hoặc hàng nghìn cống thoát nước để đảm bảo an toàn.
Dhaka và hầu hết Bangladesh nằm trên trầm tích của đồng bằng sông Hằng-Brahmaputra, nơi động đất có thể gây ra hiện tượng hóa lỏng đất và cát sôi Động đất trong lớp trầm tích dày thường mạnh hơn so với đá cứng, nhưng mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của lưu vực và tính chất trầm tích Trận động đất 5,7 Mw năm 2017 ở Tripura, Ấn Độ đã gây ra cát sôi và hư hại cho các tòa nhà ở đông bắc Bangladesh, cách tâm chấn khoảng 40 km.
Gia cố kết cấu của tòa nhà
Để ngăn chặn sự sụp đổ trong các sự kiện địa chấn, các tòa nhà cần phân phối lại lực truyền qua chúng Các yếu tố quan trọng như bức tường chịu lực, thanh giằng chéo, màng ngăn và khung chịu lực đóng vai trò then chốt trong việc gia cố cấu trúc của tòa nhà.
Các tòa nhà có cấu hình thông thường có Tường chống cắt hoặc Khung chịu lực hoặc Khung chịu lực và thường có:
- Chiều cao thấp so với tỷ lệ cơ sở
- Đèn chiếu sáng tầng bằng nhau
- Các phần và độ cao đồng nhất
- Khoảng thời gian ngắn và dự phòng
- Đường dẫn tải trực tiếp [16]
Tường chống cắt là công nghệ xây dựng quan trọng giúp chuyển tải lực động đất, giữ cho tòa nhà ổn định trong quá trình di chuyển Được cấu tạo từ các tấm, tường này thường được hỗ trợ bởi các thanh giằng chéo, giúp tăng cường khả năng chịu lực Các dầm thép này có khả năng chịu lực nén và kéo, giúp chống lại áp lực và đẩy lực tác động trở lại móng, đảm bảo an toàn cho công trình.
Bức tường thép tấm cắt (SPSW) là một cấu trúc bao gồm các tấm thép được ấp ủ bởi hệ thống cột và dầm Khi các tấm này chiếm từng cấp trong khoang có khung của công trình, chúng tạo thành một hệ thống SPSW hiệu quả Khác với nhiều phương pháp xây dựng chống động đất được phát triển từ các hệ thống trước đó, SPSW được thiết kế hoàn toàn mới nhằm chống lại tác động của hoạt động địa chấn.
Hành vi của SPSW giống như một dầm tấm dọc được đúc hẫng từ đế, tối ưu hóa hiệu suất thành phần bằng cách khai thác các hậu oằn hành vi của các tấm thép ấp ủ.
Hình: Khách sạn Marriott's Ritz Carlton và JW Marriott [9]
Tòa nhà khách sạn Ritz-Carlton / JW Marriott, nằm trong dự án LA Live tại Los Angeles, California, là công trình đầu tiên ở Los Angeles ứng dụng hệ thống tường chống cắt bằng thép tấm tiên tiến, giúp bảo vệ tòa nhà trước tải trọng bên do động đất và gió mạnh.
Hình: Các bức tường cắt thép tấm ghép nối, Seattle [9]
4.1.2 Hệ thống giằng tại cơ sở Đặc biệt, ở tòa nhà Transamerica Pyramid, Đặc điểm cấu trúc độc đáo của tòa nhà hình côn này là hệ thống giàn phía trên tầng 1 Hệ thống giàn hỗ trợ cả tải dọc và ngang Tòa nhà được thiết kế cẩn thận để chịu lực cắt lớn theo phương ngang Chữ X trên cao chống lại chuyển động xoắn của tòa nhà theo trục thẳng đứng của nó Ngoài các khung bên ngoài, bốn khung bên trong mỗi hướng kéo dài đến tầng 17 và hai khung bên trong mỗi hướng tiếp tục đến tầng 45 Ngoài ra, không có sự xoắn đáng kể của tòa nhà được đo do sự đối xứng của tòa nhà với trục thẳng đứng của nó
Hình: Số liệu đo độ dịch chuyển theo phương ngang ở các độ cao của tòa nhà Transamerica Pyramid
Hình: Hệ thống giằng tại cơ sở và hệ giằng chữ X nằm ngang hệ thống giằng
Vách ngăn đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc của tòa nhà, bao gồm các tầng, mái nhà và sàn Chúng giúp phân tán lực từ sàn và truyền tải sức căng lên các cấu trúc thẳng đứng của tòa nhà.
Khung chống va đập cung cấp sự linh hoạt cho thiết kế tòa nhà bằng cách được đặt giữa các khớp, cho phép cột và dầm uốn cong trong khi khớp vẫn giữ độ cứng Điều này giúp tòa nhà có khả năng chống lại các lực mạnh trong trường hợp động đất, đồng thời mang lại tự do cho các nhà thiết kế trong việc bố trí các yếu tố kiến trúc.
4.1.5 Cấu trúc hình ống và cốt lõi
Một ống, hay cấu trúc hình ống, được định nghĩa là một hệ thống cấu trúc ba chiều, tận dụng toàn bộ chu vi để chịu đựng các tải trọng bên.
Vào năm 1965, Fazlur Khan đã thiết kế Tòa nhà Chung cư DeWitt-Chestnut 43 tầng ở Chicago, đánh dấu sự ra đời của tòa nhà ống có khung đầu tiên Khái niệm này đã mở đường cho việc xây dựng các tòa nhà siêu cao nổi bật, bao gồm Trung tâm John Hancock 100 tầng (1969), Tháp Sears 110 tầng (1974) và tòa nhà Amoco 83 tầng (1974) tại Chicago, cùng với Tháp Trung tâm Thương mại Thế giới 110 tầng (1973) ở New York.
Cấu trúc hình ống bao gồm một loạt các dạng cấu trúc liên quan: ống có khung, ống trong ống, ống bó, ống giằng và ống hỗn hợp
Hình: Hệ thống kết cấu cho nhà cao tầng: (từ bên trái) ống có khung; ống giằng
Ống bên ngoài thường được thiết kế để chịu tải trọng bên một cách tối ưu Các khung song song với hướng tải trọng bên hoạt động như “mạng lưới” hỗ trợ cho công xôn của ống, trong khi các khung vuông góc với hướng tải trọng bên đóng vai trò như “mặt bích” để gia tăng độ ổn định.
Tải trọng trọng lực thẳng đứng được chống lại một phần bởi các khung bên ngoài và một phần bởi
Ví dụ ở 110 tầng Tháp Trung tâm Thương mại Thế giới (1973) ở New York
Cấu trúc tháp được thiết kế với hệ thống "hỗn hợp" bao gồm lõi bê tông chắc chắn và khung mômen thép dẻo chu vi Tường lõi bê tông cốt thép ở trung tâm tháp đóng vai trò như cột sống chính, chịu tải trọng trọng lực, đồng thời chống lại sức gió và các lực địa chấn Các bức tường được kết nối thông qua các lỗ tiếp cận lõi bằng dầm liên kết thép gắn vào tường bê tông.
Hệ thống sàn trong vùng lõi bê tông bao gồm dầm và bản phẳng bê tông đúc tại chỗ, trong khi khu vực sàn bên ngoài lõi sử dụng bê tông trên cầu kim loại composite, được hỗ trợ bởi các dầm thép và kết nối qua các đầu nối chịu cắt Việc không sử dụng cột giữa lõi và khung thép chu vi mang lại hiệu quả xây dựng cao và tối đa hóa sự linh hoạt cho người thuê.
Hình: Tháp Trung tâm Thương mại Thế giới (1973) ở New York và cấu trúc lõi
Ngoài ra, còn có một loại cấu trúc lõi khác
Tháp bê tông lõi hình trụ có cấu trúc độc lập với kết cấu thép bên ngoài, cho phép đỉnh cột trung tâm hoạt động như một "đối trọng" giúp khung bên ngoài linh hoạt trong trường hợp động đất Hệ thống giảm chấn giữ trọng tâm tháp gần với chân đế, trong khi phần móng được thiết kế chống lại động đất với bốn cụm cọc và các nút bê tông cốt thép sâu tới 164 feet dưới mặt đất, đảm bảo cho tháp sự vững chắc cần thiết.
Hình: Cấu tạo hệ giảm chấn cho cột lõi [18]
Tran g 19 Ở Nhật, ngôi chùa có chiều cao 5 tầng, chưa từng bị đổ qua các trận động đất, cho đến nay, do
Cột giữa, hay "Shimbashira", là phần trung tâm quan trọng của ngôi chùa, được xây dựng kết hợp giữa kỹ thuật truyền thống và công nghệ hiện đại Hệ thống kiểm soát rung động mang tên "Shinbashira-Seishin" đã được các nhà xây dựng áp dụng để đảm bảo sự ổn định cho cột trung tâm này.
Hình ảnh: Cột lõi bằng bê tông ở Tokyo Skytree và cột lõi bằng gỗ ở Chùa 5 tầng Horyuji [18]
Hình khối đối xứng
Khối tâm của vật thể và tòa nhà là điểm mà chúng có thể cân bằng mà không bị quay Khi khối lượng được phân bố đồng đều, tâm hình học và tâm khối lượng sẽ trùng nhau Tuy nhiên, nếu khối lượng phân bố không đồng đều, tâm khối lượng sẽ lệch khỏi tâm hình học, dẫn đến hiện tượng "xoắn" và tạo ra nồng độ ứng suất Mặc dù xoắn là điều không thể tránh khỏi trong thiết kế xây dựng, việc sắp xếp khối lượng một cách đối xứng sẽ giúp duy trì độ cứng cân bằng và kiểm soát lực xoắn trong giới hạn an toàn.
Vì thế, phần lớn các công trình cao tầng phải có hình khối đối xứng để chống lực xoắn mạnh [16]
Vật liệu hỗ trợ trong kết cấu chống động đất
6.1 Thép Đối với một vật liệu xây dựng để chống lại ứng suất và rung động, nó phải có độ dẻo cao - khả năng chịu biến dạng và sức căng lớn Các tòa nhà hiện đại thường được xây dựng bằng thép kết cấu - một thành phần của thép có nhiều hình dạng khác nhau cho phép các tòa nhà uốn cong mà không bị gãy
Vật liệu có độ dẻo cao, như kết cấu thép, có khả năng hấp thụ năng lượng lớn mà không bị vỡ, trong khi gạch và bê tông lại thuộc nhóm vật liệu có độ dẻo thấp.
Gỗ cũng là một vật liệu dễ uốn đáng ngạc nhiên do độ bền cao so với cấu trúc nhẹ của nó
Lồng pombaline là một công trình kiến trúc gỗ ba chiều, được tích hợp vào các bức tường xây và có khả năng chịu được động đất Công trình này được phát triển tại Bồ Đào Nha vào thế kỷ 18 nhằm tái thiết trung tâm thành phố pombaline của Lisbon sau trận động đất tàn phá năm 1755.
Khi hệ thống ba chiều trong gỗ lộ diện, cấu trúc "lồng" bên ngoài sẽ xuất hiện, cung cấp giải pháp cho động vật không xương sống với bộ xương ngoài, bảo vệ chúng khỏi nguy hiểm và tác động của thời tiết Màn nhựa PVC-P được ứng dụng và hoàn thiện bằng tấm kẽm, đảm bảo khả năng thông gió thụ động cho toàn bộ hệ thống.
Mái của các công trình an toàn trước động đất cần phải nhẹ để giảm thiểu rủi ro Nhiều nhà xây dựng ưa chuộng sử dụng tấm thép định hình trên xà gồ Zed, kết hợp với thép tiêu chuẩn nhẹ hoặc lớp da kép có lớp cách nhiệt và miếng đệm để tối ưu hóa hiệu suất và độ bền.
6.3 Bê tông cốt thép và Ferrocement
Tường chống cắt được thiết kế với đặc tính dễ uốn, giúp cường độ cắt cuối cùng cao hơn lực cắt tương ứng, từ đó nâng cao năng suất uốn của cốt thép biên dọc Điều này cho phép các bức tường chịu cắt phát triển chế độ hư hỏng dễ uốn dẻo, đảm bảo khả năng chịu lực không đàn hồi trong các trường hợp động đất nghiêm trọng.
Khi tổng diện tích mặt cắt ngang của các bức tường đạt từ 0,02 đến 0,04 lần diện tích mặt bằng sàn theo mỗi hướng, nhu cầu về độ dẻo được duy trì ở mức hợp lý Ứng xử địa chấn tốt được đảm bảo nhờ vào độ cứng và độ cứng bên lớn của các bức tường bê tông cốt thép, điều này giúp giảm thiểu việc sử dụng các quy trình thiết kế phức tạp.
Ferrocement là vật liệu xây dựng kết hợp giữa xi măng, cát, nước, cốt liệu và lưới kim loại Đặc điểm nổi bật của ferrocement là việc sử dụng lưới kim loại mịn với khoảng cách thanh gần nhau, giúp phân bổ đều các đặc tính cơ học của thép, đặc biệt là độ bền kéo vượt trội so với bê tông trong toàn bộ cấu trúc.
Lưới kim loại trong ferrocement tạo ra một vật liệu cấu trúc với khả năng chịu nén và kéo tốt, cùng với khả năng biến dạng vượt trội so với bê tông cốt thép truyền thống Nhờ vào các đặc tính cơ học nâng cao, ferrocement được ứng dụng để xây dựng các cấu trúc vỏ rất mỏng, điển hình như vỏ bọc của Palazzetto dello Sport do Nervi thiết kế tại Rome, hoàn thành vào năm 1960.
Hình: Từ bên trái: ví dụ về tường "sắt thép" Nervi's Palazzetto deillo Sport đang được xây dựng, Rome (1954–1957)
Bìa cứng có thể trở thành vật liệu xây dựng chắc chắn và bền bỉ, như chứng minh bởi kiến trúc sư Nhật Bản Shigeru Ban Ông đã thiết kế nhiều cấu trúc sử dụng ống bìa cứng phủ polyurethane làm khung chính, trong đó có Nhà thờ Chuyển tiếp ở Christchurch, New Zealand, được công bố vào năm 2013 Nhà thờ này sử dụng 98 ống các tông khổng lồ gia cố bằng dầm gỗ, cho thấy sự nhẹ và linh hoạt của vật liệu này, giúp nó hoạt động hiệu quả hơn so với bê tông trong các sự kiện địa chấn Nếu xảy ra sự cố, cấu trúc này cũng ít có khả năng gây thương tích cho người bên trong, khiến chúng ta phải nhìn nhận lại giá trị của những ống bìa cứng trong cuộc sống hàng ngày.
Hình: Nhà thờ Christchurch Cathedral được xây dựng lại sau động đất 2011 và được công nhận nhất ở Christchurch [8]
Nhà thờ tạm thời được thiết kế bởi kiến trúc sư Nhật Bản Shigeru Ban, sử dụng bìa cứng, gỗ, thép và bê tông, có khả năng chứa 700 khách hàng trong thời gian xây dựng nhà thờ kiên cố.
Các nhà khoa học và kỹ sư đang phát triển vật liệu xây dựng mới có khả năng duy trì hình dạng tốt hơn Hợp kim ghi nhớ hình dạng có thể chịu được sức căng nặng và trở lại hình dạng ban đầu, trong khi bọc nhựa gia cố bằng sợi từ nhiều loại polyme cung cấp độ bền và độ dẻo cao hơn tới 38%.
6.5.1 Hợp kim ghi nhớ hình dạng (SMA)
Trang 25 cho thấy độ đàn hồi của nitinol cao hơn thép từ 10 đến 30% Nghiên cứu năm 2012 tại Đại học Nevada, Reno đã so sánh hiệu suất địa chấn của cột cầu bằng thép và bê tông với cột làm từ nitinol và bê tông Kết quả cho thấy hợp kim ghi nhớ hình dạng vượt trội hơn các vật liệu truyền thống ở mọi cấp độ và ít bị hư hại hơn.
Khi xây dựng cấu trúc mới, việc xem xét khả năng chống động đất là cần thiết, nhưng cải thiện hiệu suất chống động đất cho các tòa nhà cũ cũng rất quan trọng Các kỹ sư đã phát hiện ra rằng việc bổ sung hệ thống cách ly cơ sở là khả thi và kinh tế Một giải pháp hứa hẹn khác là sử dụng công nghệ bọc nhựa gia cố bằng sợi (FRP), được sản xuất bằng cách trộn sợi carbon với các polyme như epoxy, polyester, vinyl ester hoặc nylon, tạo ra vật liệu composite nhẹ nhưng bền chắc.
Các kỹ sư trong các ứng dụng trang bị thêm chỉ cần bọc vật liệu quanh cột đỡ bê tông và bơm epoxy có áp suất vào khoảng trống giữa cột và vật liệu Dựa trên yêu cầu thiết kế, quá trình này có thể lặp lại từ sáu đến tám lần, tạo ra một chùm bọc có độ bền và độ dẻo cao hơn đáng kể Ngay cả những cột bị hư hại do động đất cũng có thể được sửa chữa bằng lớp bọc sợi carbon Một nghiên cứu cho thấy các cột cầu đường cao tốc bị suy yếu được bọc bằng vật liệu composite mạnh hơn từ 24 đến 38% so với các cột không được bọc.
PHÂN TÍCH ƯU, NHƯỢC VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG
Ưu điểm Nhược điểm Phạm vi sử dụng
Cô lập cơ sở và cho phép các cấu trúc sống sót sau động đất
Hệ thống quá nặng Chi phí cao với loại SREI Không thích hợp công trình mặt bằng rộng lớn
Phần lớn các công trình
Hệ thống nhẹ hơn SREI.
Hiệu quả hồi phục hơn SREI vì có ma sát làm chậm lại
Không thích hợp công trình mặt bằng quá rộng lớn
Khu vực động đất xảy ra thường xuyên như Nhật Bản
Chi phí rẻ hơn tấm đệm mềm
Bảo vệ tốt nền móng
Khả năng chịu đựng áp lực kém, cố định với khả năng ban đầu của tấm nền
Khu vực động đất xảy ra thường xuyên như Nhật Bản.
1 Tạo nền tảng linh hoạt
Khả năng chịu đựng áp lực kém của các vòng bi hoặc miếng đệm có thể dẫn đến nguy cơ lớn cho các tòa nhà cao hơn, khiến chúng dễ bị lật hoặc sụp đổ.
Hạn chế về không gian để có thể lắp đặt đệm cách chấn
Tối ưu cho những tòa nhà bằng gạch hoặc đá có chiều cao trung bình
Tối ưu trên đất cứng, thay vì đất mềm
Các tòa nhà thương mại và nhà ở. Đặt một tấm nền vững chắc
Nâng nền trên đỉnh các tấm đệm mềm
Chi phí mọi mặt rẻ hơn SREI Đơn giản, hỗ trợ hiệu quả
Hầu hết công trình và hỗ trợ hầu hết kết cấu chống động đất Ổn định hướng, giảm chấn tốt Các toà nhà chọc trời
2 Hệ thống phản công và giảm chấn
Có giá trị khi kết hợp với các hệ kết cấu chống động đất khác
Phân tán năng lượng động đất tốt
Tốn chi phí làm nhiều vòng Không thích hợp làm các công trình gần nhau
Các công trình đã xây, ở khu đất rộng rãi
Hạn chế hiện tượng hoá lỏng, gây thêm tổn thương khó hồi phục cho công trình sau động đất
Chỉ hỗ trợ, không có hiệu quả nhiều Khu vực đất yếu, dễ sụt lún
3 Che chắn toà nhà khỏi rung động
Dùng vòng nhựa và bê tông đồng tâm
C PHÂN TÍCH ƯU, NHƯỢC VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG Ưu điểm Nhược điểm Phạm vi sử dụng
Hiệu suất khá cao trong các trận động đất mạnh.
Giảm đáng kể lắc lư bên
Dễ thi công, chi phí ổn, thời gian thi công ít
Các bức tường chịu cắt khó thi công do âm thanh va chạm lớn và khả năng tiêu tán năng lượng thấp Việc thi công loại tường này đòi hỏi nhiều liên kết, tạo ra độ cứng lớn cho công trình nhưng cũng có thể gây hư hỏng cho kết cấu.
Hệ thống giằng tại cơ sở
Hỗ trợ cả tải dọc và ngang Giảm xoắn đáng kể
Hệ thống giằng đồ sộ, khó bố trí không gian
Các vách ngăn Đơn giản, dễ thi công, chi phí rẻ
Chỉ hỗ trợ, không có hiệu quả nhiều Các toà nhà cao tầng
Bị phá huỷ hoàn toàn khi có động đất mạnh hơn khả năng chịu đựng đã tính toán
Khu vực động đất xảy ra định kì lâu năm như Mỹ (chu kì 150 năm)
Tự do hơn trong việc thiết kế các không gian bên trong
Cần kỹ thuật cao để thiết kế và thi công lõi theo chiều cao công trình
Các toà nhà cao tầng có thể lên đến 110 tầng
Dễ thi công Không đủ sức chịu tải trọng động đất ở các tầng trên cao.
Các tòa nhà cao tầng nhưng chỉ khoảng 10 tầng
Không ảnh hưởng không gian cư trú
Thoải mái đi các hệ thống kĩ thuật
Chiều cao tầng giảm Hiệu quả kinh tế.
Cải thiện độ cứng bên so với khung bình thường
Phải có hệ thống đối xứng để cân bằng độ cứng bên.
Các công trình cao tầng
4 Gia cố kết cấu của tòa nhà
Các toà nhà có thể cao hơn
10 tầng Không chiếm ưu thế ở hầu hết các nước dễ xảy ra động đất (Mỹ, Châu Âu)
Phù hợp cho các toà nhà ở nước đang phát triển nếu sử dụng BTCT
Có giá trị thẩm mỹ.
Dễ thiết kế, tính toán kết cấu. Đôi khi nhàm chán trong hình thức Các công trình cao tầng
Tran g 29 Ưu điểm Nhược điểm Phạm vi sử dụng
Dẻo, chịu lực uốn tốt.
Liên kết cấu kiện linh hoạt, giảm tác động đứt gãy lên cấu kiện.
Dễ sửa chữa, cải tạo, tái sử dụng
Chịu lực nén kém, dễ vênh Chống cháy, chống ăn mòn kém
Chi phí vật liệu, bảo trì cao
Các tòa nhà cao tầng Các công trình nằm trên nền đất yếu
Kết cấu nằm trong khu vực địa chấn cao phải chịu tác động mạnh từ động đất, với lực tác động tỷ lệ thuận với trọng lượng của cấu trúc.
Phù hợp với cuộc sống con người hơn như giữ ấm, màu, mùi thư giãn, tốt cho sức khoẻ
Không bị gỉ như kim loại
Chịu lực ít hơn thép, btct nếu đứng riêng biệt.
Gỗ cơ bản dễ bị tác động làm xuống cấp, phá huỷ
Không tái chế được, gây hao hụt nguồn cây xanh
Gỗ là vật liệu phù hợp với văn hóa Nhật Bản, có khả năng ứng dụng linh hoạt trong mọi không gian khi được bảo vệ bởi các vật liệu khắc phục nhược điểm Đặc biệt, gỗ mang lại sự đơn giản và đảm bảo khả năng phản ứng tốt trong các tình huống địa chấn.
Tạo ra các cấu trúc vỏ rất mỏng /
Chi phí thấp, ít đòi hỏi kỹ thuật xây dựng hơn
Chịu kéo kém hơn 10 lần chịu nén
Chất lượng phụ thuộc lúc thi công , bảo dưỡng
Co ngót làm nứt, mất độ bền
Không tối ưu ở các tòa nhà cao tầng Tối ưu trong các tòa nhà thấp tầng./
Các công trình vượt nhịp lớn(Ferrocement)./
Nhẹ, linh hoạt, hoạt động tốt hơn bê tông trong các trận động đất
Giảm khả năng đè bẹp người trong công trình Tận dụng ống bìa cứng có sẵn
Dễ thi công, chi phí thấp
Các công trình nhỏ. Ở vùng động đất thường xuyên.
Tương thích sinh học Các lĩnh vực ứng dụng đa dạng
Tính chất cơ học tốt (mạnh, chống ăn mòn)
Chi phí tương đối cao trong sản xuất và gia công so với thép, nhôm.
Chống mỏi kém nên chỉ tồn tại trong số chu kì thua thép 100 lần.
Cải thiện đáng kể hiệu suất địa chấn và độ dẻo của cấu trúc hạn chế kém so với cấu trúc ban đầu.
Chỉ để tăng độ dẻo của tòa nhà tuân thủ quy tắc, không hiệu quả.
Tận dụng vật liệu địa phương
Khó tìm thợ lành nghề.
Kĩ thuật mới, tăng chi phí tổng thể Ở các nước đang phát triển
Các công trình nhỏ. Ở vùng động đất thường xuyên, độ richer nhỏ
Vật liệu phỏng sinh học
Tận dụng cách tự nhiên đã giải quyết để tìm giải pháp.
Không tốn công nghĩ những cách sáng tạo
Vật liệu đầy hứa hẹn Đòi hỏi kĩ thuật cao.
Chi phí cao Ở các nước đang phát triển
6 Vật liệu hỗ trợ trong kết cấu chống động đất
C PHÂN TÍCH ƯU, NHƯỢC VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG