MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Khi động đất xảy ra, tất cả các công trình đều có thể bị hư hỏng ở các mức độ khác nhau hoặc sụp đổ. Vấn đề đặt ra là sinh mạng con người cần được bảo vệ, các hư hỏng được hạn chế, những công trình quan trọng vẫn có thể duy trì hoạt động. Trong tính toán kết cấu chịu động đất, tương tác giữa đất nền và kết cấu - Soil Structure Interaction (SSI) thường bỏ qua. Kết cấu phần trên ngàm với móng được xem là quy ước phổ biến trong phân tích kết cấu.
Tuy nhiên, gần đây có nhiều tác giả nghiên cứu cho rằng SSI có thể ảnh hưởng đến kết cấu và cần được xem xét khi đánh giá hay thiết kế công trình. Tương tác giữa đất nền và kết cấu là có lợi hay có hại vẫn còn là vấn đề đang tranh cải. Đó là lý do tác giả chọn đề tài: “Đánh giá hư hại của khung bê tông cốt thép chịu động đất có xét đến tương tác giữa đất nền và kết cấu”.2 Mục đích nghiên cứu Mục đích của đề tài này là đánh giá ảnh hưởng của SSI đến mức độ hư hại của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) chịu động đất.3 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu kết cấu khung BTCT không xét và có xét đến SSI khi chịu tải động đất.4 Phương pháp nghiên cứu • Nghiên cứu các mô hình SSI (soil structure interaction models) để lựa chọn mô hình sử dụng trong luận văn. • Nghiên cứu các mô hình đánh giá mức độ hư hại của khung BTCT.
• Mô hình khung BTCT có sử dụng phần tử phi tuyến ứng xử trễ. • Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian của khung BTCT chịu động đất, có xét và không xét đến SSI. • Từ kết quả phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian, chỉ số hư hại được tính toán cho khung BTCT có xét và không xét đến SSI chịu các trận động đất trên. • Ảnh hưởng của SSI được đánh giá bằng cách so sánh chỉ số hư hại của khung BTCT có xét SSI và chỉ số hư hại của khung BTCT không xét đến SSI.5 Ý nghĩa nghiên cứu Hiện nay, thiết kế công trình đang xem liên kết chân cột là ngàm, chưa xét tới tương tác giữa chân cột với đất nền xung quanh, các tiêu chuẩn thiết kế chưa đề cập tới tương tác đất nền trong tính toán thiết kế công trình.
Việc đánh giá hay thiết kế một công trình không bao gồm SSI sẽ là đánh giá hay thiết kế chưa phản ánh sát với những gì xảy ra trong thực tế của công trình khi động đất. Để xem xét ảnh hưởng của SSI đến công trình khi chịu động đất, đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của SSI đến mức độ hư hại của kết cấu khi xảy ra động đất” nhằm giúp làm rõ vấn đề trên.6 Tính cấp thiết của đề tài Luận văn phân tích hư hại của kết cấu khung BTCT chịu tải động đất không xét đến SSI và khung xét đến SSI. Từ kết quả thu được cho phép ta đánh giá ảnh hưởng của SSI đến sự hư hại của khung BTCT chịu động đất.7 Cấu trúc luận văn Nội dung trong luận văn được trình bày qua 5 chương. Chương 1 là mở đầu nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa nghiên cứu, tính cấp thiết của đề tài và cấu trúc của luận văn.
Chương 2 trình bày tổng quan về động đất, tổng quan về SSI qua các công trình nghiên cứu trên thế giới và các công trình nghiên cứu trong nước. Trong chương 2 nêu lên các mô hình nghiên cứu từ đó lựa chọn mô hình phù hợp cho luận văn. Chương 3 nêu cơ sở lý thuyết chính của luận văn bao gồm mô hình SSI sử dụng trong luận văn, quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông, quan hệ ứng suất biến dạng của cốt thép, mối quan hệ giữa mô men - góc xoay, ứng xử trễ của cấu kiện BTCT, mô hình phân tích phi tuyến và mô hình hư hại. Chương 4 trình bày phân tích số gồm phân tích ứng xử động của khung BTCT 4 tầng và khung BTCT 8 tầng chịu tải động đất có xét đến SSI và không xét đến SSI và khung BTCT 8 tầng chịu tải động đất có xét SSI với yếu tố vận tốc sóng cắt Vs khác nhau và thảo luận các kết quả đạt được.
Chương 5 nêu lên kết luận về những kết quả đạt được và kiến nghị những hướng nghiên cứu mới trong tương lai. Tài liệu tham khảo: trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Sơ lược về động đất Động đất là sự rung chuyển của mặt đất do kết quả của sự giải phóng năng lượng bất ngờ ở lớp vỏ Trái Đất. Các lớp vỏ và trong lòng Trái Đất vẫn luôn chuyển động rất chậm (Hình 2.
Khi ứng suất cao hơn sức chịu đựng của thể chất Trái Đất thì sự đứt gãy xảy ra, giải phóng năng lượng và xảy ra động đất. 1 Sự vận động của trái đất. Hầu hết mọi trận động đất tự nhiên xảy ra tại các đường ranh giới của các mảng kiến tạo như Hình 2. 2 Sơ đồ các mảng kiến tạo.
Tác động của động đất gồm: Tác động trực tiếp là rung cuộn mặt đất. Các rung động này có biên độ lớn, vượt giới hạn đàn hồi của môi trường đất đá hay công trình và gây nứt vỡ (Hình 2. Tác động thứ cấp của động đất gây ra lở đất, lở tuyết, sóng thần, nước triều giả, vỡ đê. Sau cùng là hỏa hoạn do các hệ thống cung cấp năng lượng (điện, gaz) bị hư hại.
Các trận động đất xảy ra dưới đáy biển có thể gây ra lở đất hay biến dạng đáy biển, làm phát sinh sóng thần. 3 Đường ở Saitama bị đứt gãy (Kobe 1995). 4 Nhà cữa bị phá hủy (Kobe 1995). Dự báo động đất được nhiều thế hệ nhà địa chấn học hướng đến thực hiện, nhằm dự báo thời gian, địa điểm, cường độ và các tình trạng khác.
Mục đích của dự báo động đất là đánh giá nguy cơ xảy ra động đất của từng vùng, thể hiện ở bản đồ phân vùng nguy cơ động đất. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa đạt được dự báo cho từng vụ và động đất vẫn đang là một thiên tai vẫn chưa thể dự báo trước được. Hiện nay, Viện Vật lý Địa Cầu đã xây dựng 10 trạm quan sát địa chấn trên lãnh thổ Việt Nam, gửi số liệu theo thời gian thực về Viện. Viện cũng có quan hệ trao đổi dữ liệu với các quốc gia và vùng lãnh thổ trong khu vực, hợp tác với Trung tâm Cảnh báo sóng thần Thái Bình Dương (Pacific Tsunami Warning Center) tại Hawaii (Mỹ) và Trung tâm Báo động sóng thần Đại Tây dương (Atlantic Ocean - Tsunami Alarm System) để nhận thông tin, xử lý và đưa ra khuyến cáo.2 Tương tác giữa đất nền và kết cấu (SSI) Kết cấu công trình rất nhạy với sự dao động của móng, nền đất có ảnh hưởng đến phần kết cấu bên trên, đặc biệt là tải trọng động, tác động trực tiếp đến móng như động đất.
Nguyên nhân gây ra sự hư hỏng hoặc sụp đổ các công trình xây dựng khi động đất xảy ra là phản ứng của kết cấu đối với chuyển động nền đất. Trong quá trình động đất, tương tác SSI là hiển nhiên. Để xác định hiệu ứng tải trọng do động đất tác dụng lên công trình một cách chính xác thì cần xét đến SSI. Trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay, ảnh hưởng của SSI trong phân tích kết cấu chịu động đất có thể bỏ qua hoặc giảm lực cắt đáy [1].
Lý do là quan niệm về ảnh hưởng của SSI sẽ có lợi cho kết cấu dựa trên các nghiên cứu ảnh hưởng của SSI đối với hệ một bậc tự do. Khi thiết kế người kỹ sư thường tính toán riêng phần thân và phần móng. Họ sẽ phân tích tính toán các nội lực của phần thân sau đó đưa các lực này xuống tính toán cho phần móng. Thực tế thì giữa kết cấu và nền đất có sự làm việc với nhau tác động qua lại lẫn nhau.
Khi kết cấu dao động bởi các tải trọng động thì sẽ gây ra dịch chuyển ở dưới đáy móng, đây là sự tương tác giữa kết cấu bên trên và nền đất bên dưới (SSI). Khi xét SSI kết cấu trở nên dẻo hơn và làm cho chu kỳ dao động và tỉ số cản của kết cấu lớn hơn so với khi không xét đến ảnh hưởng của SSI [2]. Khi động đất xảy ra thì ảnh hưởng của sóng động đất làm cho công trình bị rung lắc và kèm theo sự dịch chuyển đáy móng. Tuy nhiên, yếu tố đất nền là một yếu tố vô cùng phức tạp vì bản thân đất nền không đồng nhất nên khi tính toán thiết kế thường bỏ qua ảnh hưởng của đất nền.
Với công trình có yêu cầu thiết kế đặc biệt hay các nhà máy điện hạt nhân thì sự ảnh hưởng của SSI là vô cùng quan trọng cần được xem xét cẩn thận kỹ lưỡng. SSI phụ thuộc vào các yêu tố độ cứng đất nền, độ cứng và khối lượng của kết cấu bên trên. Khi động đất xảy ra, sóng địa chấn đi qua mặt đất, nó sẽ đi qua lớp đá cứng nhanh hơn so với lớp đất mềm. Do đó, khi các sóng địa chấn đi từ lớp đá cứng đến lớp đất mềm, chúng trở nên chậm và biên độ phải lớn hơn để mang cùng một lượng năng lượng.
Do đó, rung động có xu hướng mạnh hơn tại các địa điểm nơi mà các sóng địa chấn di chuyển chậm hơn (lớp đất mềm). Sau trận động đất 1964 tại Niigata đã được chứng minh rằng thiệt hại cho kết cấu không chỉ phụ thuộc vào ứng xử của kết cấu mà còn phụ thuộc loại đất. Cũng nhận thấy rằng con số thiệt hại trong một trận động đất là do các yếu tố phụ thuộc vào điều kiện địa chất bề mặt và vị trí của nó. Sau nhận thức này, các nhà nghiên cứu phải nghiên cứu ứng xử của đất chịu tải động như động đất.6 thể hiện hư hại của công trình sau trận động đất [3].
5 Cao tốc Hanshin năm 1995 (Trận Động đất Kobe) [3]. 6 Thành phố Yashinsky, Trận động đất Loma năm 1989 [3].3 Các công trình nghiên cứu trên thế giới Lý thuyết ảnh hưởng của SSI bắt đầu từ Eric Reissner năm 1936 [4] khi xem xét ứng xử của móng trên nền đàn hồi chịu tác dụng của tải điều hòa theo phương đứng. Sang thập niên 1950, 1960 thì vấn đề tương tác động giữa kết cấu và đất nền thu hút nhiều nhà nghiên cứu: Quinlan 1953, Sung 1953, Thomson và Kobori 1963….
