CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CÔNG TRÌNH NHÀ CHỊU ĐỘNG ĐẤT 1. Động đất và tác động của động đất lên công trình nhà 1. Động đất và ảnh hưởng của động đất lên kết cấu Động đất là hiện tượng dao động của nền đất xảy ra khi có một nguồn năng lượng lớn được giải phóng trong một thời gian ngắn do sự dịch chuyển cục bộ của các mảng kiến tạo tạo nên vỏ trái đất hoặc do một số nguyên nhân khác như nổ hạt nhân, núi lửa,… [1,2]. Các yếu tố được quan tâm của một trận động đất là cường độ (magnitude), độ lớn (intensity), chuyển vị, vận tốc và gia tốc của đất nền theo thời gian.
Cường độ được định nghĩa và phân loại tùy thuộc vào sự tàn phá của nó đối với các công trình cũng như cảm giác của con người. Độ lớn thì phụ thuộc vào năng lượng phát sinh từ chấn tiêu. Chuyển vị, vận tốc hay gia tốc dịch chuyển của đất nền, ký hiệu lần lượt là u g (t ) , u g (t ) , ug (t ). Đây là các yếu tố mà các nhà nghiên cứu hay thiết kế kết cấu công trình quan tâm hơn cả vì nó thay thế cho tác động của động đất lên kết cấu [94].
Hầu hết các trận động đất xảy ra dọc theo ranh giới mảng hoặc ở các khu vực khác của vỏ Trái Đất bị dịch chuyển do quá trình kiến tạo địa chất. Thông thường các trận động đất trong tương lai rất có thể xảy ra trên các vị trí đã va chạm giữa các mảng của vỏ Trái Đất khi dịch chuyển tại ranh giới mảng. Tuy nhiên, do bề mặt trái đất có thể thay đổi theo thời gian và đôi khi vị trí va chạm mới được tạo ra (trong biến đổi khí hậu, băng bắc cực tan v. Vì vậy bản đồ động đất có thể thay đổi, có chỗ động đất mạnh lên có chỗ yếu đi [12] 1.
Những tác động của động đất đối với công trình nhà Trên thế giới theo số liệu thống kê về sự kiện động đất trên trang https://www.gov có nhiều trận động đất mạnh, như trận động đất được ghi nhận ở Mỹ là 9,2 độ richter xảy ra tại Prince William Sound, Alaska, ngày 28/3/1964. Trận động đất lớn nhất thế giới được ghi nhận có cường độ 9,5 độ Richter tại Chile vào ngày 22/5/1960.000 trận động đất trên thế giới mỗi năm, 100.000 trận có thể được cảm nhận và 100 trận gây ra thiệt hại. Các trận động đất đã ảnh hưởng lớn đến các công trình nhà, ví dụ: Trận động đất cường độ 8,1 độ richter năm 1985, Mexico City cách tâm chấn khoảng 320 km vẫn bị ảnh hưởng lớn do sự cộng hưởng đặc biệt của sóng địa chấn với 412 tòa nhà bị sập, 3.124 tòa nhà bị hư hại. Trận động đất năm 2005 ở Jammu & Kashmir Ấn Độ cường độ 7,4 độ Richter phá hủy 28.616 nhà bị hư hại.
Tại Tứ Xuyên, Trung Quốc năm 2013 trận động đất cường độ 7 độ richter gây 616.700 nhà bị sụp đổ hoặc hư hại. 5 Một số hình ảnh tác động của động đất lên nhà cao tầng a) Trận động đất 8,1 độ Richter gây đổ khu b) Trận động đất 6,4 độ Richter gây đổ Pino Suárez, TP Mexico ngày 19/9/ 1985. nhà ở Hualien, miền đông Taiwan, ngày (https://www.com ) 7/2/2018 (https://abcnews.com) c) Trân động đất 7 độ Richter tại Aegean d)Trận động đất 6,5 độ Richter gây đổ nhà gây sập nhà tại Izmir, Thổ Nhĩ Kỳ ngày tại Kidapawan, Cotabato, đảo Mindanao 30/10/2020.vn) Philippines ngày 31/10/2019.1: Một số thiệt hại do động đất gây ra ở các nhà cao tầng Một số hình ảnh tác động của động đất lên nhà thấp tầng a, Động đất ở Anchorage, Alaska b, Động đất ở Nigata, Nhật Bản năm 1964 Hình 1.2: Một số thiệt hại do động đất gây ra ở Alaska và Nhật Bản năm 1964 Hình 1.3: Những hư hại chủ yếu trong nhà dân ở Sông Tranh, Quảng Nam năm 2012 6 1. Một số đại lượng đặc trưng của động đất trong tính toán công trình nhà Những đại lượng đặc trưng được quy định trong tính toán công trình nhà chịu động đất gồm các tham số cơ bản sau: 1.
Gia tốc cực đại Gia tốc cực đại là đại lượng chủ yếu nhất được dùng trong các tiêu chuẩn xây dựng kháng chấn hiện nay, việc xác định chính xác gia tốc cực đại ở một điểm nào đó gặp nhiều khó khăn vì thiếu băng ghi gia tốc động đất mạnh và tính đa dạng của dao động địa chấn. Thông thường, người ta phải sử dụng các băng ghi gia tốc dao động nền đất đã có để thiết lập mối tương quan thống kê giữa gia tốc cực đại trung bình và các đặc trưng khác của động đất, các kết quả nghiên cứu cho thấy mối quan hệ này phụ thuộc vào nhiều khu vực động đất và nguồn số liệu đo được trong các trận động đất. Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu đã được sử dụng rộng rãi và đã được chuyển hóa thành các thang cấp động đất quốc tế. Donovan (1973) đã biểu diễn mối tương quan giữa gia tốc cực đại trung bình với Magnitude của động đất và khoảng cách chấn tiêu theo công thức (1.2), công thức này hiện được sử dụng rộng rãi nhất: 1320e0,58 M amax (cm / s 2 ) (1.2) ( R 25)1,52 Trong đó: amax là gia tốc cực đại trung bình đo bằng cm/s2; M - Magnitude của động đất; R - Khoảng cách chấn tiêu đo bằng km.
Một điểm cần lưu ý trong công thức này là ở vùng gần chấn tâm (R ≤ 15 - 20 km) người ta không thấy sự phụ thuộc rõ ràng của amax vào M và R cho nên cẩn phải thận trọng khi sử dụng công thức trên để đánh giá amax. Tương quan giữa amax với cấp động đất đánh giá theo các thang khác nhau cũng được nghiên cứu. Kết quả nhận được cho thấy amax thay đổi rất lớn trong phạm vi một cấp. Gia tốc cực đại trung bình amax ứng với các vùng và các cấp theo thang MM, MSK-64, JMA, Nga (Liên xô cũ), Mỹ và Nhật được nêu trong bảng 1.
Việc phân cấp, độ, vùng động đất của các thang trên dựa vào kết quả thực nghiệm bằng máy đo địa chấn tại các vùng lãnh thổ. Việc thiết lập mối quan hệ giữa gia tốc nền đất (a) với hậu quả của nó gây ra do động đất là rất khó chính xác, vì có quá nhiều yếu tố can thiệp như: loại và chất lượng công trình, độ dài thời 7 gian xảy ra động đất, trạng thái tự nhiên của nền đất. Trong thực tế, cùng một gia tốc chuyển động nền, nhưng hậu quả lại khác nhau với từng loại công trình, đánh giá tác động của động đất cần xem xét đến chu kỳ trội của nền đất và quan hệ của nó với chu kỳ dao động công trình. Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của động đất lên công trình trong tiêu chuẩn kháng chấn tham số amax còn được nhân với hệ số tầm quan trọng công trình (1) tùy theo các loại công trình xét với tầm quan trọng bảo vệ con người khỏi thảm họa động đất.1: Gia tốc cực đại amax theo các thang MM, MSK 64, JMA, VÙNG Thang MM Vùng (theo tiêu chuẩn Mỹ) Cấp động đất amax Vùng động đất amax 4 0,015g - 0,02g 5 0,03g- 0,04 g 1 0,03g -0,07g 6 0,06g- 0,07g 7 0.10g- 0,15g 2A, 2B 0,07g - 0,24 g 8 0,25g- 0,30g 3 0,25g - 0,30g 9 0,50g- 0,55g 4 > 0,50g 10 > 0,6g Thang MSK - 64 Thang JMA Cấp động đất amax Độ động đất amax 4 4 0,025g - 0,08g 5 5 0,08g - 0,25g 6 0,03g - 0,06g 6 0,58g 7 0,06g-0,12g 7 0,80g 8 0,12g-0,24g 9 0,24g - 0,48g Trong đó: g - gia tốc trọng trường bằng 9,81m/s2 1.
Chuyển động của nền đất khi xảy ra động đất Khi động đất xảy ra, các phần tử môi trường bị kích động và chuyển động theo một quỹ đạo rất phức tạp trong không gian và thời gian. Gia tốc, vận tốc chuyển vị của nó thay đổi nhanh chóng trong một giải tần rộng. Chuyển động của nền đất được đo và ghi lại dưới dạng các đồ thị nhờ các địa chấn kế. Từ các đồ thị ta thấy chuyển động của nền đất rất phức tạp và không đều.
Chuyển động của các trận động đất khác nhau cũng rất khác nhau. Người ta gọi đó là thể hiện của một quá trình ngẫu nhiên, mà không biết rõ các đặc trưng bằng số của nó. Điều đó gây ra rất nhiều khó khăn cho việc xác định chuyển động 8 của nền đất. Trong tình huống đó, con người bằng tri thức khoa học của mình đã tìm ra một con đường khác để giải quyết vấn đề.
Thấy rằng, trong thiết kế công trình chịu động đất (cũng như các tai họa thiên nhiên khác), không nhất thiết phải biết một cách chính xác chuyển động nền đất theo lịch sử thời gian mà chỉ cần biết một số đặc trưng cơ bản của nó. Bản chất của mối quan hệ này cũng giống như việc xác định các đại lượng hay quá trình ngẫu nhiên, đó là người ta không tìm mọi thể hiện của nó theo thời gian mà theo các đặc trưng bằng số của nó. Ngoài ra còn có các nghiên cứu phân tích về các hệ số đất nền khi kể đến hiện tượng cộng hưởng của nền đất như nghiên cứu của Nguyễn Thế Đệ (2003): Nghiên cứu hợp lý hóa phản ứng của kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất ở khu vực Hà Nội. Luận án tiến sĩ kỹ thuật – Viện Khoa học công nghệ xây dựng [36].
Phổ phản ứng trong tính toán động đất Khái niệm phổ phản ứng (response spectrum) được giới thiệu đầu tiên vào năm 1932 bởi Biot M. Sau đó Housner tiếp tục nghiên cứu phát triển và sử dụng như một phương tiện hữu hiệu để đánh giá ảnh hưởng của dao động nền lên kết cấu công trình [93]. Phản ứng của kết cấu đáp ứng lại các chuyển động đất nền của các trận động đất với cường độ lớn có thể được tiếp cận theo hai phương pháp khác nhau. Phương pháp thứ nhất là xây dựng mô hình một kết cấu và tính toán chính xác phản ứng động với giả thiết chuyển động của nền móng, phương pháp này được sử dụng cho các bước thiết kế cuối của các kết cấu quan trọng.
Phương pháp thứ hai – phương pháp gần đúng, được hình thành mà cho phép tách riêng các đặc trưng của kết cấu riêng biệt từ các chuyển động đất nền và động đất thông qua phổ phản ứng. Các cách tiếp cận này đã được đưa vào tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn để thiết kế kết cấu công trình đáp ứng tác động của động đất.