Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh các trận động đất ngày càng xảy ra với tần suất và cường độ gia tăng, việc đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng trở thành vấn đề cấp thiết. Theo thống kê, trận động đất Kobe năm 1995 đã gây thiệt hại kinh tế khoảng 100 tỷ USD và làm 6.400 người thiệt mạng, trong khi trận động đất Tứ Xuyên năm 2008 khiến gần 50.000 người tử vong và hơn 5 triệu người mất nhà cửa. Nhiều công trình hiện hữu được thiết kế theo các tiêu chuẩn cũ, không chú trọng đúng mức đến kháng chấn, dẫn đến nguy cơ hư hại nghiêm trọng khi động đất xảy ra. Giải pháp gia cường công trình, đặc biệt bằng vật liệu sợi gia cường (FRP), được xem là phương án hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật so với phá dỡ và xây mới.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá mức độ hư hại của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) gia cường kháng uốn bằng FRP chịu động đất, đồng thời xét đến ảnh hưởng của tương tác đất nền - kết cấu (Soil-Structure Interaction - SSI). Nghiên cứu tập trung phân tích các khung BTCT 2 tầng, 4 tầng và 8 tầng, sử dụng hai loại vật liệu FRP phổ biến là CFRP và GFRP để gia cường kháng uốn. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa phi tuyến và phân tích theo lịch sử thời gian dưới các cường độ động đất khác nhau, với dữ liệu thu thập và phân tích trong khoảng thời gian từ năm 2018 đến 2019 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn loại FRP phù hợp trong gia cường kháng uốn, đồng thời làm rõ vai trò của SSI trong việc ảnh hưởng đến mức độ hư hại của kết cấu BTCT. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ chính xác trong thiết kế và đánh giá an toàn công trình chịu động đất, từ đó giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: mô hình tương tác đất nền - kết cấu (SSI) và mô hình hư hại tích lũy của kết cấu BTCT gia cường bằng FRP.

  1. Mô hình SSI: SSI được mô tả dựa trên mô hình lò xo đàn hồi liên tục theo phương ngang và xoay, tính toán dựa trên vận tốc sóng cắt của đất nền (Vs), độ cứng của kết cấu (k), kích thước móng (B, H) và các hệ số cản. Mô hình của Jarenprasert và cộng sự được áp dụng, cho phép mô phỏng chính xác ảnh hưởng của SSI đến chu kỳ dao động và nội lực của kết cấu. Ví dụ, vận tốc sóng cắt Vs được phân loại theo tiêu chuẩn Eurocode 8, với các loại đất nền có Vs dao động từ dưới 180 m/s đến trên 800 m/s, ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng và phản ứng của kết cấu.

  2. Mô hình hư hại (Damage Index - DI): DI được sử dụng để đánh giá mức độ hư hại của kết cấu dưới tác động động đất. Luận văn áp dụng mô hình tích lũy của Park và Ang, kết hợp biến dạng và năng lượng trễ để xác định chỉ số hư hại. DI được phân loại thành 5 cấp độ từ không hư hại đến sụp đổ hoàn toàn, với DI < 0,1 là không có hư hại, DI > 0,8 biểu thị sụp đổ. Mô hình này cho phép đánh giá chính xác mức độ hư hại tích lũy qua thời gian chịu tải động đất.

  3. Đặc trưng vật liệu FRP: Hai loại vật liệu CFRP và GFRP được sử dụng với các đặc tính cơ lý khác nhau. CFRP có mô đun đàn hồi 240.000 MPa, cường độ chịu kéo 3.900 MPa, trong khi GFRP có mô đun đàn hồi 72.397 MPa và cường độ chịu kéo 3.241 MPa. Các tấm FRP được dán dọc tại các vị trí dễ xảy ra phá hoại để gia cường kháng uốn, với số lớp gia cường khác nhau tùy theo loại khung.

  4. Mô hình ứng suất - biến dạng và mô men - góc xoay: Mô hình ứng suất - biến dạng của bê tông, thép và FRP được xây dựng dựa trên các nghiên cứu của Hognestad, Park và cộng sự, Eurocode 2, và các mô hình vật liệu tuyến tính cho FRP. Mô hình mô men - góc xoay sử dụng phương pháp fiber model, cho phép phân tích phi tuyến ứng xử trễ của kết cấu BTCT gia cường.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích số với các bước chính:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu bao gồm các khung BTCT 2, 4 và 8 tầng được mô hình hóa trong phần mềm SAP2000 sử dụng phần tử LINK phi tuyến ứng xử trễ. Các trận động đất giả lập với các cường độ khác nhau được sử dụng làm tải trọng đầu vào, bao gồm các băng gia tốc tiêu chuẩn với gia tốc đỉnh (PGA) từ khoảng 0,1g đến 0,3g.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các khung BTCT với số tầng khác nhau nhằm phản ánh đa dạng các loại công trình dân dụng và công nghiệp phổ biến. Việc lựa chọn CFRP và GFRP làm vật liệu gia cường dựa trên tính phổ biến và đặc tính cơ lý khác biệt của hai loại vật liệu này.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian được thực hiện để mô phỏng phản ứng động đất của các khung BTCT gia cường và không gia cường, có và không có xét đến SSI. Mô hình hư hại tích lũy được áp dụng để tính toán chỉ số hư hại DI dựa trên kết quả phân tích phi tuyến.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2018, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô hình hóa, phân tích và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của SSI đến mức độ hư hại: Kết quả phân tích cho thấy khi xét đến SSI, chỉ số hư hại DI của các khung BTCT gia cường tăng lên đáng kể so với trường hợp không xét SSI. Ví dụ, với khung 4 tầng chịu động đất có PGA = 0,2g, DI tăng khoảng 15-20% khi xét SSI. Điều này chứng tỏ SSI có hiệu ứng bất lợi, làm tăng mức độ hư hại của kết cấu.

  2. So sánh hiệu quả gia cường CFRP và GFRP: CFRP thể hiện hiệu quả gia cường kháng uốn vượt trội hơn GFRP. Ở cùng cường độ động đất, chỉ số hư hại của khung gia cường CFRP thấp hơn từ 10% đến 25% so với khung gia cường GFRP. Ví dụ, với khung 8 tầng và PGA = 0,3g, DI của khung gia cường CFRP là khoảng 0,18, trong khi của GFRP là 0,23.

  3. Ảnh hưởng của vận tốc sóng cắt Vs: Khi vận tốc sóng cắt Vs tăng lên, ảnh hưởng của SSI giảm dần. Với đất nền có Vs trên 800 m/s (đất đá cứng), sự khác biệt về DI giữa xét và không xét SSI chỉ khoảng 5%, trong khi với đất mềm có Vs dưới 180 m/s, sự khác biệt này lên đến 20%.

  4. Mức độ hư hại theo số tầng: Khung BTCT có số tầng lớn hơn (8 tầng) có xu hướng chịu mức độ hư hại cao hơn so với khung thấp tầng (2 tầng) dưới cùng cường độ động đất, do chu kỳ dao động dài hơn và ảnh hưởng SSI rõ rệt hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến SSI làm tăng mức độ hư hại là do hiệu ứng kéo dài chu kỳ tự nhiên của kết cấu, làm tăng chuyển vị và nội lực trong kết cấu khi chịu tải động đất. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy SSI làm tăng độ dẻo dai và tổng chuyển vị của kết cấu, đặc biệt trên nền đất mềm.

Hiệu quả vượt trội của CFRP so với GFRP được giải thích bởi mô đun đàn hồi và cường độ kéo cao hơn của CFRP, giúp tăng khả năng kháng uốn và giảm biến dạng lớn trong kết cấu. Điều này đồng nhất với các kết quả thí nghiệm và phân tích trong nước và quốc tế.

Việc vận tốc sóng cắt Vs ảnh hưởng đến mức độ tác động của SSI cũng được xác nhận qua các mô hình phân tích, cho thấy cần thiết phải xem xét đặc tính đất nền trong thiết kế và đánh giá kết cấu chịu động đất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh chỉ số hư hại DI giữa các trường hợp xét và không xét SSI, giữa CFRP và GFRP, cũng như theo các loại đất nền khác nhau để minh họa rõ ràng sự khác biệt và xu hướng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình SSI trong thiết kế kết cấu chịu động đất: Các kỹ sư thiết kế cần tích hợp mô hình SSI để đánh giá chính xác phản ứng của kết cấu, đặc biệt đối với các công trình trên nền đất mềm hoặc có chu kỳ dao động ngắn. Thời gian áp dụng: ngay lập tức trong các dự án mới và cải tạo.

  2. Ưu tiên sử dụng CFRP trong gia cường kháng uốn: Do hiệu quả gia cường cao hơn, CFRP nên được lựa chọn làm vật liệu chính trong các giải pháp gia cường kháng uốn cho kết cấu BTCT chịu động đất. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu và tư vấn thiết kế.

  3. Đánh giá đặc tính đất nền kỹ lưỡng trước khi gia cường: Việc khảo sát và phân loại đất nền theo vận tốc sóng cắt Vs cần được thực hiện để xác định mức độ ảnh hưởng của SSI và lựa chọn giải pháp gia cường phù hợp. Thời gian: trong giai đoạn khảo sát thiết kế.

  4. Phát triển phần mềm và công cụ phân tích tích hợp SSI và mô hình hư hại: Các cơ quan nghiên cứu và phát triển phần mềm cần cập nhật các mô hình phân tích phi tuyến có xét SSI và tính toán chỉ số hư hại tích lũy để hỗ trợ thiết kế và đánh giá công trình. Thời gian: trong vòng 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp phân tích hiện đại giúp thiết kế kết cấu BTCT chịu động đất chính xác hơn, đặc biệt khi áp dụng gia cường FRP và xét đến SSI.

  2. Nhà thầu thi công và gia cường công trình: Thông tin về hiệu quả của CFRP và GFRP giúp lựa chọn vật liệu và phương pháp thi công phù hợp, tối ưu chi phí và nâng cao độ bền công trình.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình SSI, mô hình hư hại và ứng dụng vật liệu FRP trong gia cường kết cấu, là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu tiếp theo.

  4. Cơ quan quản lý và lập quy chuẩn xây dựng: Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, đặc biệt là việc tích hợp SSI và đánh giá mức độ hư hại trong quy trình thiết kế và kiểm định công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. SSI là gì và tại sao cần xét đến trong thiết kế kết cấu?
    SSI (Soil-Structure Interaction) là tương tác giữa đất nền và kết cấu khi chịu tải động đất. Xét SSI giúp mô phỏng chính xác phản ứng thực tế của công trình, tránh đánh giá sai lệch về nội lực và chuyển vị, từ đó nâng cao an toàn và hiệu quả thiết kế.

  2. Tại sao chọn CFRP và GFRP để gia cường kháng uốn?
    CFRP và GFRP có cường độ kéo cao, trọng lượng nhẹ và dễ thi công. CFRP có mô đun đàn hồi và cường độ cao hơn GFRP, nên hiệu quả gia cường kháng uốn tốt hơn, phù hợp với các công trình yêu cầu kháng chấn cao.

  3. Chỉ số hư hại (DI) được tính như thế nào?
    DI được tính dựa trên biến dạng lớn nhất, biến dạng tới hạn và năng lượng trễ hấp thụ trong quá trình chịu tải động đất, phản ánh mức độ hư hại tích lũy của kết cấu. DI càng cao, mức độ hư hại càng nghiêm trọng.

  4. Ảnh hưởng của vận tốc sóng cắt Vs đến SSI là gì?
    Vs phản ánh đặc tính cơ lý của đất nền. Đất có Vs thấp (đất mềm) làm tăng ảnh hưởng SSI, dẫn đến tăng chuyển vị và hư hại kết cấu. Ngược lại, đất cứng với Vs cao giảm thiểu ảnh hưởng SSI.

  5. Gia cường bằng FRP có thể áp dụng cho những loại công trình nào?
    Gia cường FRP phù hợp với các công trình BTCT dân dụng và công nghiệp, đặc biệt là các công trình xuống cấp hoặc cần nâng cấp khả năng chịu lực kháng uốn dưới tác động động đất, từ nhà thấp tầng đến nhà cao tầng.

Kết luận

  • SSI có ảnh hưởng đáng kể làm tăng mức độ hư hại của kết cấu BTCT gia cường kháng uốn bằng FRP khi chịu động đất.
  • CFRP thể hiện hiệu quả gia cường vượt trội hơn GFRP, giảm chỉ số hư hại từ 10% đến 25% trong các trường hợp nghiên cứu.
  • Ảnh hưởng của SSI giảm khi vận tốc sóng cắt Vs của đất nền tăng, nhấn mạnh tầm quan trọng của khảo sát đất nền trong thiết kế.
  • Khung BTCT cao tầng chịu ảnh hưởng SSI rõ rệt hơn so với khung thấp tầng, cần được chú ý trong thiết kế và gia cường.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp phân tích hiện đại, góp phần nâng cao an toàn và hiệu quả kinh tế trong gia cường công trình chịu động đất.

Hành động tiếp theo: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu nên áp dụng mô hình SSI và mô hình hư hại tích lũy trong thiết kế và đánh giá kết cấu, đồng thời ưu tiên sử dụng CFRP trong các giải pháp gia cường kháng uốn. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng thực tế, độc giả có thể liên hệ với Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.