Chương 4: Hướng dẫn phân tích kết cấu chịu động đất theo Tiêu chuẩn Việt Nam

Khám phá nội dung chi tiết trong giáo trình động lực học công trình phần 2, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn cho sinh viên.

• Đề tài: Giáo Trình Động Lực Học Công Trình Phần 2

Mục lục chi tiết

• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT
• 4.1. Hiện tượng động đất
• 4.1.1. Nguyên nhân động đất
• 4.1.2. Các đặc trưng cơ bản của động đất
• 4.1.2.1. Chấn tiêu và chấn tâm động đất
• 4.1.2.2. Độ mạnh động đất
• 4.1.2.3. Cường độ động đất
• 4.1.3. Hoạt động địa chấn trên lãnh thổ Việt Nam
• 4.2. Phân tích kết cấu đàn hồi chịu tác dụng của dao động nền
• 4.2.1. Phản ứng của hệ đàn hồi một bậc tự do chịu dao động nền
• 4.2.2. Phổ phản ứng đàn hồi ứng với một dao động nền cụ thể
• 4.2.3. Phổ phản ứng theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành
• 4.2.4. Mở rộng phương pháp phổ phản ứng cho bài toán hệ đàn hồi nhiều bậc tự do
• 4.3. Chuyển bài toán phi tuyến về bài toán tuyến tính tương đương
• 4.4. Quy trình thiết kế công trình chịu động đất theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành

Tóm tắt

I. Khám phá nội dung giáo trình động lực học công trình phần 2

Giáo trình động lực học công trình phần 2 là học phần nâng cao, chuyển tiếp từ những khái niệm cơ bản của hệ một bậc tự do (SDOF) sang lĩnh vực phân tích phức tạp hơn của hệ nhiều bậc tự do (MDOF). Học phần này là nền tảng cốt lõi cho kỹ sư kết cấu hiện đại, trang bị kiến thức để phân tích và thiết kế các công trình chịu tác động của các loại tải trọng động phức tạp như động đất và gió bão. Nội dung chính tập trung vào việc xây dựng và giải quyết hệ phương trình chuyển động cho các kết cấu thực tế như nhà cao tầng, cầu nhịp lớn, và các công trình công nghiệp đặc thù. Không giống như hệ SDOF, ứng xử của hệ MDOF được đặc trưng bởi nhiều dạng dao động khác nhau, mỗi dạng có một tần số riêng và hình dạng riêng. Việc hiểu rõ các đặc tính này là chìa khóa để dự báo chính xác phản ứng của công trình. Thay vì giải quyết trực tiếp hệ phương trình vi phân liên kết phức tạp, các phương pháp phân tích tiên tiến như phân tích modal (chồng chất dạng dao động) được giới thiệu. Phương pháp này cho phép tách rời hệ phương trình phức tạp thành các phương trình độc lập cho từng dạng dao động, đơn giản hóa đáng kể quá trình tính toán. Từ đó, các kỹ thuật ứng dụng thực tiễn như phương pháp phổ phản ứng được phát triển để phục vụ công tác thiết kế kháng chấn theo các tiêu chuẩn hiện hành như TCVN 9386:2012.

1.1. Từ hệ một bậc tự do đến hệ nhiều bậc tự do MDOF

Hệ một bậc tự do (SDOF) là mô hình lý tưởng hóa, hữu ích để nắm bắt các nguyên lý cơ bản của dao động. Tuy nhiên, hầu hết các công trình trong thực tế đều là các hệ nhiều bậc tự do (MDOF). Chẳng hạn, một tòa nhà N tầng có thể được mô hình hóa như một hệ có N bậc tự do dao động ngang. Việc chuyển từ SDOF sang MDOF đánh dấu một bước tiến quan trọng, vì nó cho phép mô tả chính xác hơn sự phân bố khối lượng và độ cứng trong không gian, cũng như cách kết cấu biến dạng dưới tác động của tải trọng. Phân tích MDOF giúp nắm bắt được các dạng dao động phức tạp mà mô hình SDOF không thể thể hiện, điều này đặc biệt quan trọng khi đánh giá an toàn của công trình dưới tác động của tải trọng động đất.

1.2. Vai trò của động lực học kết cấu trong thiết kế hiện đại

Trong bối cảnh các công trình ngày càng cao, nhẹ và phức tạp, vai trò của động lực học kết cấu trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Kiến thức này không chỉ giúp đảm bảo an toàn cho công trình trước các tải trọng đặc biệt như động đất mà còn tối ưu hóa thiết kế, giảm chi phí vật liệu và nâng cao tiện nghi sử dụng bằng cách kiểm soát các dao động không mong muốn. Các tiêu chuẩn thiết kế hiện đại, ví dụ như TCVN 9386:2012 được biên soạn dựa trên Eurocode 8, đều yêu cầu các phân tích động lực học chi tiết. Việc áp dụng thành thạo các phương pháp như phân tích phổ phản ứng hay phân tích lịch sử thời gian là yêu cầu bắt buộc đối với kỹ sư kết cấu ngày nay.

II. Các thách thức cốt lõi trong động lực học công trình phần 2

Việc phân tích động lực học kết cấu cho hệ MDOF đặt ra nhiều thách thức hơn so với hệ SDOF. Thách thức lớn nhất nằm ở việc giải quyết hệ phương trình vi phân bậc hai có liên kết. Phương trình chuyển động của hệ MDOF có dạng ma trận: [M]{ü} + [C]{u̇} + [K]{u} = {p(t)}, trong đó các ma trận khối lượng, cản và độ cứng liên kết các bậc tự do với nhau. Một thách thức khác là việc xác định chính xác các loại tải trọng động. Tải trọng động đất, như được mô tả trong tài liệu gốc, là một hiện tượng dao động ngẫu nhiên, không thể dự đoán chính xác về biên độ và tần số. Điều này đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp phân tích mang tính xác suất hoặc các công cụ đơn giản hóa như phổ thiết kế. Hơn nữa, việc xác định ma trận cản [C] là một vấn đề phức tạp. Cản trong kết cấu là một hiện tượng tiêu tán năng lượng do nhiều cơ chế khác nhau và rất khó để mô hình hóa chính xác. Các giả thiết về cản tỷ lệ (cản Rayleigh) thường được sử dụng để đơn giản hóa bài toán, nhưng tính chính xác của chúng cần được xem xét cẩn thận cho từng trường hợp cụ thể. Cuối cùng, khi kết cấu làm việc ngoài miền đàn hồi, bài toán trở nên phi tuyến, khiến việc áp dụng nguyên lý cộng tác dụng không còn đúng và đòi hỏi các phương pháp phân tích số phức tạp hơn.

2.1. Phân biệt tải trọng động đất và tải trọng gió động

Cả tải trọng động đất và tải trọng gió động đều là các tác động quan trọng cần xem xét. Tuy nhiên, chúng có bản chất khác nhau. Tải trọng động đất là dao động của nền đất, gây ra lực quán tính trong công trình và có tính chất ngẫu nhiên, tức thời trong thời gian ngắn. Ngược lại, tải trọng gió động tác dụng trực tiếp lên bề mặt công trình, có thể kéo dài hàng giờ và có cả thành phần tĩnh lẫn thành phần động. Việc mô hình hóa và phân tích hai loại tải trọng này đòi hỏi các phương pháp tiếp cận khác nhau.

2.2. Xây dựng phương trình chuyển động cho hệ phức tạp

Việc thiết lập các ma trận hệ thống ([M], [C], [K]) là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Ma trận khối lượng [M] có thể được lập theo phương pháp khối lượng tập trung hoặc khối lượng phân bố. Ma trận độ cứng [K] được xác định bằng các phương pháp của cơ học kết cấu, thường sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn. Xây dựng chính xác các ma trận này quyết định tính đúng đắn của toàn bộ quá trình phân tích động lực học công trình.

2.3. Vấn đề cản nhớt trong dao động ngẫu nhiên của kết cấu

Cản nhớt (viscous damping) là một cơ chế tiêu tán năng lượng quan trọng trong kết cấu. Trong phân tích thực hành, tỷ số cản ξ thường được giả định là một hằng số cho mỗi dạng dao động (ví dụ 5% cho kết cấu bê tông cốt thép). Tuy nhiên, trong thực tế, cản là một hiện tượng phức tạp, phụ thuộc vào biên độ và tần số dao động. Đối với bài toán dao động ngẫu nhiên, việc lựa chọn mô hình cản phù hợp ảnh hưởng lớn đến kết quả phản ứng của công trình.

III. Hướng dẫn phân tích modal trong động lực học kết cấu MDOF

Phương pháp phân tích modal, hay còn gọi là phương pháp chồng chất dạng dao động, là công cụ mạnh mẽ và phổ biến nhất để phân tích ứng xử đàn hồi tuyến tính của hệ nhiều bậc tự do. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là chuyển đổi hệ phương trình chuyển động liên kết từ tọa độ hình học (u) sang một hệ tọa độ suy rộng mới (Y), được gọi là tọa độ modal. Trong hệ tọa độ mới này, các phương trình chuyển động trở nên độc lập với nhau. Mỗi phương trình độc lập mô tả ứng xử của một hệ SDOF tương đương, đại diện cho một dạng dao động của kết cấu. Quá trình này bắt đầu bằng việc giải bài toán trị riêng và vector riêng của hệ không cản, dao động tự do. Kết quả của bài toán này là tập hợp các tần số riêng (ωn) và các dạng dao động riêng (φn) tương ứng. Dạng dao động riêng mô tả hình dạng biến dạng của kết cấu khi nó dao động ở tần số riêng tương ứng. Phản ứng tổng thể của kết cấu sau đó được xác định bằng cách tổ hợp phản ứng của từng dạng dao động. Theo tài liệu gốc, phương pháp này cho phép "chuyển bài toán hệ nhiều bậc tự do thành việc giải nhiều bài toán hệ một bậc tự do", giúp đơn giản hóa đáng kể việc tính toán và mang lại cái nhìn sâu sắc về bản chất dao động của công trình.

3.1. Xác định dao động riêng và tần số riêng của hệ MDOF

Các đặc trưng động học cơ bản của một kết cấu là tập hợp các dao động riêng và tần số riêng. Đây là các thuộc tính cố hữu của kết cấu, chỉ phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng và độ cứng. Tần số riêng thấp nhất (tương ứng với chu kỳ cơ bản T1) thường là quan trọng nhất vì nó đóng góp lớn nhất vào phản ứng tổng thể của kết cấu dưới tác động của động đất. Các phần mềm như SAP2000 và ETABS có thể tự động thực hiện phân tích này.

3.2. Bài toán trị riêng và vector riêng trong phân tích modal

Về mặt toán học, việc tìm tần số và dạng dao động riêng chính là giải bài toán trị riêng và vector riêng cho phương trình: ([K] - ω²[M]){φ} = {0}. Trong đó, các trị riêng (eigenvalues) λ = ω² cho ta bình phương tần số góc riêng, và các vector riêng (eigenvectors) {φ} chính là các dạng dao động riêng. Mỗi cặp trị riêng - vector riêng xác định một mode dao động của hệ.

3.3. Giải mã ma trận khối lượng ma trận độ cứng và ma trận cản

Để thực hiện phân tích modal, việc thiết lập ba ma trận cơ bản là bắt buộc. Ma trận khối lượng [M] thể hiện các đặc tính quán tính. Ma trận độ cứng [K] mô tả khả năng chống lại biến dạng của kết cấu. Ma trận cản [C] đại diện cho sự tiêu tán năng lượng. Trong phương pháp phân tích modal, ma trận cản thường được giả định là cản trực giao (orthogonal damping) để đảm bảo các phương trình chuyển động có thể tách rời được.

IV. Cách áp dụng phương pháp phổ phản ứng trong thiết kế động đất

Phương pháp phổ phản ứng là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong thiết kế kháng chấn, được quy định chi tiết trong TCVN 9386:2012. Thay vì thực hiện phân tích lịch sử thời gian phức tạp cho một trận động đất cụ thể, phương pháp này sử dụng một biểu đồ gọi là phổ phản ứng. Phổ phản ứng biểu diễn phản ứng cực đại (chuyển vị, vận tốc, hoặc gia tốc) của một loạt các hệ SDOF có chu kỳ dao động và tỷ số cản khác nhau dưới tác động của một chuyển động nền nhất định. Đối với thiết kế, người ta sử dụng phổ thiết kế đàn hồi, là một đường bao đã được làm trơn và chuẩn hóa, đại diện cho các trận động đất có khả năng xảy ra tại một địa điểm. Như tài liệu gốc đề cập, quy trình này bắt đầu bằng việc xác định gia tốc nền thiết kế (ag), sau đó sử dụng các tham số về loại nền đất (S) và chu kỳ phân vùng (TB, TC, TD) để xây dựng phổ. Khi kết hợp với phân tích modal, phương pháp này cho phép ước tính phản ứng cực đại của từng dạng dao động của hệ MDOF. Sau đó, các phản ứng này được tổ hợp lại bằng các quy tắc thống kê như SRSS (căn bậc hai của tổng bình phương) hoặc CQC (tổ hợp bậc hai hoàn chỉnh) để tìm ra phản ứng tổng thể của kết cấu.

4.1. Cơ sở của phương pháp phổ phản ứng theo TCVN 9386

TCVN 9386:2012, dựa trên Eurocode 8, cung cấp các công thức và bảng tra để xây dựng phổ phản ứng đàn hồi cho thiết kế. Phổ này được xây dựng dựa trên gia tốc nền tham chiếu (agR) từ bản đồ phân vùng địa chấn của Việt Nam, hệ số tầm quan trọng của công trình (γI) và loại nền đất. Tiêu chuẩn này khuyến nghị sử dụng phổ loại 1 (Type 1), phù hợp cho các vùng có khả năng xảy ra động đất với Ms > 5.5, phản ánh đặc thù địa chấn của Việt Nam.

4.2. Xây dựng và diễn giải phổ phản ứng đàn hồi và thiết kế

Phổ phản ứng đàn hồi Se(T) cho biết yêu cầu về cường độ để kết cấu làm việc hoàn toàn trong miền đàn hồi. Tuy nhiên, tiêu chuẩn cho phép thiết kế với cường độ thấp hơn bằng cách sử dụng phổ thiết kế Sd(T), được suy giảm từ phổ đàn hồi thông qua hệ số ứng xử q. Hệ số q kể đến khả năng làm việc sau đàn hồi (độ dẻo) của kết cấu, cho phép công trình chịu biến dạng lớn và tiêu tán năng lượng động đất mà không bị sụp đổ.

4.3. So sánh với phương pháp phân tích lịch sử thời gian

Trong khi phương pháp phổ phản ứng chỉ cung cấp phản ứng cực đại, phân tích lịch sử thời gian (time-history analysis) cung cấp toàn bộ quá trình phản ứng của kết cấu theo thời gian. Phân tích lịch sử thời gian cho kết quả chính xác hơn nhưng đòi hỏi khối lượng tính toán lớn và cần các băng ghi gia tốc nền phù hợp. Do đó, phương pháp này thường chỉ được yêu cầu cho các công trình đặc biệt quan trọng hoặc có hình dạng rất phức tạp.

V. Ứng dụng SAP2000 ETABS trong động lực học kết cấu thực tế

Lý thuyết động lực học công trình được hiện thực hóa trong thực hành thiết kế thông qua các phần mềm phân tích kết cấu chuyên dụng. SAP2000 và ETABS là hai công cụ được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới và tại Việt Nam. Các phần mềm này cho phép kỹ sư xây dựng mô hình số 3D chi tiết của công trình, gán các đặc trưng vật liệu, khối lượng và độ cứng, sau đó áp dụng các phương pháp phân tích động lực học tiên tiến. Với các công cụ này, việc thực hiện phân tích modal để tìm ra hàng trăm dạng dao động của một tòa nhà chọc trời chỉ mất vài phút. Kỹ sư có thể dễ dàng định nghĩa và áp dụng tải trọng động đất theo phương pháp phổ phản ứng tuân thủ TCVN 9386:2012 hoặc các tiêu chuẩn quốc tế khác. Phần mềm sẽ tự động tính toán phản ứng của từng mode và tổ hợp chúng để đưa ra kết quả cuối cùng về nội lực, chuyển vị, và gia tốc tại mọi điểm trên kết cấu. Việc sử dụng thành thạo các phần mềm này không chỉ tăng tốc độ thiết kế mà còn cho phép kỹ sư tối ưu hóa hệ kết cấu, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Đây là cầu nối không thể thiếu giữa kiến thức trong giáo trình và các dự án thực tế.

5.1. Mô hình hóa và phân tích kết cấu trên phần mềm SAP2000

SAP2000 là phần mềm phân tích kết cấu tổng quát, mạnh mẽ cho nhiều loại công trình từ nhà cửa, cầu, đến các kết cấu đặc biệt. Người dùng có thể mô hình hóa chính xác các phần tử dầm, cột, vách, sàn, định nghĩa các nguồn khối lượng và thực hiện phân tích trị riêng để xác định các đặc trưng động học. Chức năng phân tích phổ phản ứng trong SAP2000 cho phép nhập trực tiếp các thông số từ TCVN 9386.

5.2. Các bước phân tích phổ phản ứng trên phần mềm ETABS

ETABS được tối ưu hóa riêng cho việc phân tích và thiết kế nhà cao tầng. Quy trình phân tích phổ trong ETABS rất trực quan: (1) Định nghĩa hàm phổ theo TCVN 9386:2012, (2) Thiết lập trường hợp phân tích modal (Modal Case) để tính toán các dạng dao động, (3) Định nghĩa trường hợp tải trọng phổ phản ứng (Response Spectrum Case), chỉ định hướng tác động và phương pháp tổ hợp modal (SRSS hoặc CQC), (4) Chạy phân tích và xem kết quả.

5.3. Diễn giải kết quả và kiểm tra thiết kế kháng chấn

Sau khi phân tích, phần mềm cung cấp các kết quả quan trọng như: chu kỳ dao động, tỷ lệ khối lượng tham gia của các mode, lực cắt đáy, mô men lật, và chuyển vị đỉnh. Kỹ sư sử dụng các thông số này để kiểm tra các yêu cầu của tiêu chuẩn, chẳng hạn như giới hạn về chuyển vị tương đối giữa các tầng (drift), và sử dụng nội lực tính toán được để thiết kế cốt thép cho các cấu kiện bê tông hoặc kiểm tra tiết diện thép.

VI. Top tài liệu tham khảo giáo trình động lực học công trình

Để nắm vững kiến thức trong giáo trình động lực học công trình phần 2, việc kết hợp học lý thuyết với thực hành và tham khảo các tài liệu uy tín là vô cùng cần thiết. Sinh viên và kỹ sư nên tìm kiếm các bộ bài tập động lực học công trình có lời giải để rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề. Các bài tập này giúp củng cố sự hiểu biết về các khái niệm trừu tượng như phân tích modal và phương pháp phổ phản ứng. Bên cạnh đó, các slide bài giảng động lực học từ các trường đại học hàng đầu là nguồn tài liệu tham khảo trực quan và cô đọng. Chúng thường tóm tắt những điểm chính yếu, đi kèm với các ví dụ minh họa và hình ảnh giúp dễ hiểu hơn. Tuy nhiên, để hiểu sâu và toàn diện nhất, không gì có thể thay thế được các tài liệu gốc kinh điển. Các tác phẩm của những chuyên gia hàng đầu thế giới như Anil K. Chopra hay Clough and Penzien đã đặt nền móng cho toàn bộ ngành động lực học kết cấu hiện đại. Sách của họ không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết sâu sắc mà còn diễn giải bản chất vật lý đằng sau các phương trình toán học, là nguồn tham khảo tối thượng cho bất kỳ ai muốn đi sâu vào lĩnh vực này.

6.1. Tổng hợp bài tập động lực học công trình có lời giải

Việc thực hành qua các ví dụ và bài tập là cách hiệu quả nhất để hiểu rõ lý thuyết. Các sách bài tập hoặc tài liệu trực tuyến cung cấp bài tập động lực học công trình có lời giải chi tiết từng bước, từ việc thiết lập ma trận, giải bài toán trị riêng, đến áp dụng phổ phản ứng. Đây là công cụ không thể thiếu trong quá trình ôn tập và tự học.

6.2. Nguồn slide bài giảng động lực học từ các chuyên gia

Nhiều trường đại học và viện nghiên cứu chia sẻ công khai slide bài giảng động lực học trên trang web của họ. Những tài liệu này thường được cập nhật, trình bày súc tích và đi thẳng vào vấn đề. Đây là một nguồn học liệu bổ sung tuyệt vời bên cạnh giáo trình chính, giúp hệ thống hóa kiến thức một cách nhanh chóng trước các kỳ thi.

6.3. Tầm quan trọng của sách gốc từ Anil K. Chopra Clough and Penzien

Cuốn "Dynamics of Structures" của Anil K. Chopra được xem là "kinh thánh" trong ngành. Tương tự, tác phẩm của Clough and Penzien cũng là một tài liệu nền tảng. Việc đọc và tham khảo các sách gốc này giúp người học có được sự hiểu biết sâu sắc và chính xác nhất về các nguyên lý của động lực học kết cấu, vượt ra ngoài khuôn khổ của một giáo trình tóm tắt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHUONG 4: PHAN TICH KET CAU CHIU DONG DAT Chuong 4 PHAN TICH KET CAU CHIU DONG DAT Chương 4 thảo luận việc áp dụng các kiến thức động lực học công trình đã trình bày ở các chương trước vào thiết kế công trình chịu động đất theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.1 sẽ cung cấp các kiến thức căn bán về hiện tượng động đất và nguy cơ xây ra động đất ở Việt Nam.2 sẽ trình bày về cách xác định ứng xử của hệ đản hồi một bậc tự do và nhiều bậc tự do. Bài toán phân tích hệ đàn hồi một bậc tự do là bài toán đễ nhất, song cũng là bài toán mang tính căn bản, nền tảng vì trong thiết kế thực hành, các bài toán phức tạp hơn (nhiều bậc tự do, không đản hồi) có thể được chuyển về bài toán căn bản này để giải quyết.2 đồng thời sẽ trình bày về phổ phản ứng — phương pháp phê biến dùng để biéu điễn tác động của động đất đối với công trình. Phần tiếp theo, 4.3, thảo luận cách chuyên bài toán phi tuyến về bài toán tuyến tính tương đương. Kỹ thuật này được dùng phê biến trong thiết kế thực hành và được nhiều tiêu chuẩn cho phép sử dụng.4 sẽ tổng hợp lại các nội dung của chương và trình bày quy trình thiết kế một công trình chịu động đất theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hảnh.

130 CHUONG 4: PHAN TICH KET CAU CHIU PONG DAT 4.1 HIEN TUQNG DONG DAT 4.1 Hiện tượng động dat Động đất là hiện tượng nên đất dao động mạnh gây ra khi một nguồn năng lượng lớn được giải phóng trong lòng đất. Phần lớn các trận động đất sinh ra từ việc giải phóng năng lượng biến đạng tích lũy trong /ớp vỏ hoặc lớp áo trên của Trái ĐẤt.2 Nguyên nhân động đất Cầu tạo bên trong Trái Đất có thể được mô tả như trên #?ìn 4. Phân trong cùng của quả đất là nản (core). Kể ngoài phân nhân là lớp áo (mantle) có nhiệt độ trung bình 2200°C và tăng dần theo độ sâu.

Vật liệu cầu thành lớp áo ở trạng thái bán dẻo (semimolten). Vì sự chênh lệch nhiệt độ nên các lớp vật liệu bán dẻo trong phần áo liên tục chuyên động theo các đòng đối lưu. Nằm kể ngoài lớp áo là phần vỏ Trái Đất. Vỏ Trái Đất được tạo thành bởi các vật liệu rắn như đá basalt, đá granite, có chiều dày rất bé so với diện tích xung quanh của vỏ (25 ~ 40km dưới các châu lục và 60 ~ 70 km dưới các đại dương).

~ a 2 Y2 CÔ CN Hình 4. Cấu tạo bên trong Trái Đất 131 CHUONG 4: PHAN TICH KET CAU CHIU DONG DAT Lớp vỏ, nơi con người trực tiếp sinh sống bên trên, không phải là một vỏ cầu liên tục mà bị phân chia thành nhiều máng (/ecfomie plates) nổi bên trên phần vật liệu bán đẻo liên tục địch chuyển của lớp áo (Hình 42). Sự địch chuyển của lớp áo làm phần vỏ dịch chuyén theo Hinh 4. Tai vùng tiếp xúc giữa các mảng thach quyén, năng lượng cơ học hình thành và ting dan theo thời gian.

Sau hàng trăm năm, mức năng lượng tích lũy trở nên khống lồ. Đên khi biên đạng ở mặt tiếp xúc vượt quá sức chịu của thạch quyển thị địch trượt xảy ra, một phần lớn năng lượng tích lũy được giải phóng đưới đạng sóng địa chân. Sóng địa chắn lan truyền lên đến mặt đât gây ra rung lắc, gợi là động đất. Các máng thạch quyền #352 CHUONG 4: PHAN TICH KET CAU CHIU PONG DAT Hình 4.

Các dạng dịch trượt giữa các máng thạch quyền (a) Hai mảng thạch quyển dịch chuyên hướng vào nhau, một trong bai mảng chìm xuống bên dưới mảng còn lại (b)_ Hai mảng thạch quyên dịch chuyên hướng vào nhau, các lớp đá vun lên và tạo thêm núi ()_ Hai mảng thạch quyên dịch chuyển ra xa nhan, mắc-ma từ lớp áo trào lên trên, nguội äi và tạo thêm vật liệu cho phan vỏ (4) Hai mảng thạch quyền trượt ngang ngược chiều nhau Cách giải thích nguyên nhân động đất như trên được gọi là thuyết lục địa trôi dat (continental drÿ?). Lý thuyết này phù hợp để giải thích các động đất xuất hiện ở vùng biên các mảng thạch quyên, gọi là động đất rìa máng (intraplate earthquakes). Day la cách giải thích được công nhận rộng rãi nhất hiện nay. Lý thuyết này được khởi xướng trong khoảng hai thập kỷ đầu của thế kỷ XX và đến khoảng năm 1960 thì trở nên phố biến.

Hơn 90% số trận động đất trên thế giới là động đất rìa máng. Phân ít hơn 10% còn lại xảy ra trong lòng các mảng thạch quyền gọi là động đất nội máng (raplate earthquake). Lịch sử chứng kiến một số trận động đất nội mảng gây thiệt hại đáng kế như động 133 CHUONG 4: PHAN TICH KET CAU CHIU DONG DAT dat Gujarat nim 2001 6 An Độ (19.727 người chết và 166.001 người bị thương), chuỗi déng dat New Madrid 6 Missouri, Hoa Ky năm 1811 — 1812 (M 7,0 — 8,1). Không giống như déng dat ria mảng, nguyên nhân của động đất nội mảng chưa thực sự được hiểu rõ.

Tuy nhiên, một cách tổng quát nhất thì động đất nội mảng thường phát sinh khi có đủ hai yếu tố: trường ứng suất đủ lớn trong vỏ Trái Đất và tồn tại đứt gãy địa chất. Động đất, ngoài nguyên nhân từ hoạt động kiến tạo địa chất như giải thích bên trên, còn có tế sinh ra do sập các hang động ngầm, nỗ bom trong lòng đất, núi lửa hay tích nước ở các hồ chứa. Ngành kỹ thuật công trình quan tâm chủ yếu đến động đất kiến tạo bởi loại động đất này có sức phá hủy lớn, gây ảnh hưởng trên điện rộng và lặp lại thường xuyên. x~umnG Ix ae ot 600 Magnitude sẽ a6 Of 8 8 Hình 4.

Hàu hết động đất tập trung ở các khu vực rìa mắng 4. Các đặc trưng cơ bản của động đất Mỗi trận động đất được đặc trưng bởi các thông số cơ bản gồm: 134 CHUONG 4: PHẬN TÍCH KÉT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT -_ Thời điểm phát sinh động dat, -_ Tọa độ chấn tâm và độ sâu chắn tiêu; -_ Độ mạnh (độ lớn, magniiude); - Cudng d6 chan d6ng (intensity) ở chân tâm; - Co cau chân tiêu.1 Chắn tiêu và chắn tâm động đất Chấn tiêu (focus, hypocenter) 1a vị trí khởi đầu của một trận động đất. Năng lượng được giải phóng đâu tiên ở vị trí này. Hình chiếu theo phương thẳng đứng của chấn tiêu lên bề mặt Trái Đất được gọi là ebán tâm (epicenter).

Khoảng cách từ chân tiêu tới chan tâm gọi là đô sâu chấn tiếu. Chấn tiêu và chắn tâm 4.2 Độ mạnh động đất Khái niệm đô mạn? (còn gọi là dé lon hay magnitude) được dùng để định lượng năng lượng giải phóng trong một trận động đất. Một trận động đất giải phóng nhiều năng lượng, tức magnitude lớn, không nhất thiết gây ra thiệt hại lớn. Ví dụ trường hợp động đất lớn nhưng nằm ở vùng không có người sinh sống hay động đất nằm quá 135 CHUONG 4: PHAN TICH KET CAU CHIU DONG DAT sâu trong lòng đất thì mức thiệt hại sẽ hạn chế.

Mức độ gây thiệt hại của động đất được biểu thị bởi đại lượng cường độ (imlensify), sẽ trình bày trong phần kế tiếp. Độ mạnh động đất thường được ước lượng gián tiếp thông qua việc phân tích Đăng giỉ chuyến động nên hay giản đồ địa chấn (accelerogram). Có nhiều cách đo năng lượng động đất, mỗi cách có ưu nhược điểm riêng va cho mét loai magnitude khác nhau. Một số thang đo độ mạnh động đất được sử dụng phê biến gồm: thang Riehter, thang đo sóng mặt, thang đo sóng khối và thang đo mô men.

Phân tiếp theo khái quát định nghĩa và đặc trưng cơ bản của một số thang đo magnituđe phô biến: Mi: Độ mạnh động đất theo thang do Richter, Mi, được xác định bằng cách lấy lô-ga-rít co số 10 của biên độ băng ghi chuyển động kim đo từ máy đo Wood-Anderson đặt cách chấn tâm 100 km với biên độ kim tính bằng micro-mét. Độ mạnh Richter còn gọi là độ mạnh địa phương, phù hợp để biểu thị độ lớn các trận động đất nông ở khoảng cách 600 km từ vị trí đo đạc. Mụ là thang đo phổ biến nhất nhưng không phù hợp để biêu thị độ lớn động đất có độ mạnh từ 6 trở lên. Ms: Độ mạnh động đất theo thang do song mat được xác định bởi M, =logA +1,66logA+2,0.

Voi A la bién d6 chuyén dich cực đại của nền đất tính theo micro-mét, A là khoảng cách chấn tâm tính theo độ. Vì A là biên độ dịch chuyển dịch của nền chứ không phải chuyên địch của kim máy đo như trường hợp thang đo Richter nên Ms không phụ thuộc loại thiết bị đo. Ms phù hợp để 136 CHUONG 4: PHAN TICH KET CAU CHIU DONG DAT biểu thị độ lớn động đất nông và xa (độ sâu chấn tiêu không quá 70 km, xa hơn 1000 km) với độ lớn từ trung bình đến lớn. mp: D6 manh dong đất theo thang đo sóng khối được xác định bởi my, =logA —logT +0,01A+5,9.

Với A là biên độ sóng P theo don vj micro-mét va T 1a chu kỳ sóng P. mụ phù hợp để biểu thị độ lớn động đất nông. Các cách xác định độ lớn động đất vừa nêu đều dựa vào việc phân tích băng ghi chuyển động nền. Hạn chế của phương pháp này là khi độ lớn động đất tăng đến một mức độ nhất định thì thiết bị không còn đủ nhạy để thể hiện sự khác biệt trên giản dé gia tốc.

Hiện tượng này được gọi là hiện tượng bão hòa của thang đo động dat. Mi va mp bao hòa ở độ lớn từ 6 đến 7. Đề tránh hiện tượng bão hòa, người ta sử dụng thang đo mô-men, Mw. logM, Mw: Dé manh mé-men, diroc xac dinh boi M,, = —10,7.

Với M,= uAD, u dac trung cho cudng độ vật liệu tại vị trí đứt gãy, A là diện tích mặt đứt gãy và D là độ dịch trượt trung bình. D có thể được xác định từ các máy đo chu kỳ lớn đặt rất xa chấn tâm. Việc xác định các giá trị p va A là khó khăn chủ yếu trong khi dụng Mw. Để hạn chế sự phức tạp này, Bolt (1989) khuyến cáo có thể dùng M, hoặc m, để biểu thị độ lớn của động đất nông có magnitude từ 3 đến 7, M phù hợp biểu thị magnitude 5 dén 7,5, con M,, chi ding dé biéu thị động đất có magnitude lớn hơn 7,5.

137 CHUONG 4: PHAN TICH KET CAU CHIU ĐỘNG DAT Trude khi bi bao hoa, magnitude co duge từ các thang đo khác nhau là gần giống nhau. 9 T~~T~r~T~TTrz~ E ` _— ee ee 4 7E =.