Tổng quan nghiên cứu

Động đất là một trong những thảm họa tự nhiên gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản trên toàn cầu. Theo báo cáo của ngành, có đến gần 75% các trường hợp tử vong do động đất là hậu quả của sự sụp đổ công trình, trong đó công trình bê tông cốt thép (BTCT) chiếm khoảng 7%. Nhiều công trình BTCT hiện hữu được thiết kế theo các tiêu chuẩn cũ không đáp ứng yêu cầu kháng chấn hiện hành, dẫn đến nguy cơ hư hại hoặc sụp đổ khi xảy ra động đất. Gia cường kháng nở hông bằng vật liệu sợi gia cường (Fiber Reinforced Polymer - FRP) được xem là giải pháp hiệu quả, kinh tế và kỹ thuật để nâng cao khả năng chịu lực và độ dẻo của kết cấu BTCT.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá ảnh hưởng của tương tác giữa đất nền và kết cấu (Soil-Structure Interaction - SSI) đến mức độ hư hại của khung BTCT gia cường FRP dưới tác động của các trận động đất có cường độ khác nhau. Đồng thời, nghiên cứu so sánh hiệu quả gia cường kháng nở hông của hai loại FRP phổ biến là CFRP (sợi cacbon) và GFRP (sợi thủy tinh). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các khung BTCT 4 tầng và 8 tầng, có và không có gia cường FRP, trong hai trường hợp xét và không xét đến SSI. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2018 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc bổ sung kiến thức về ảnh hưởng của SSI đến phản ứng động đất của kết cấu BTCT gia cường FRP, đồng thời cung cấp cơ sở lựa chọn vật liệu FRP phù hợp cho gia cường kháng nở hông. Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu hỗ trợ nâng cấp các công trình BTCT hiện hữu nhằm giảm thiểu thiệt hại do động đất, góp phần bảo vệ tính mạng và tài sản xã hội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Tương tác đất nền - kết cấu (SSI): SSI được hiểu là sự tác động qua lại giữa kết cấu công trình, móng và đất nền dưới tác động của động đất. SSI ảnh hưởng đến chu kỳ dao động tự nhiên, nội lực và chuyển vị của kết cấu. Các mô hình SSI phổ biến gồm phân tích trực tiếp (Direct analysis) và phương pháp kết cấu nền (Substructure approach). Nghiên cứu sử dụng mô hình phân tích SSI dựa trên các tham số đặc trưng như vận tốc sóng cắt (Vs), độ cứng đàn hồi (k) và hệ số cản (c) của móng và đất nền, theo các tiêu chuẩn TCVN 9386-2012 và Eurocode 8.

  2. Gia cường kháng nở hông bằng FRP: FRP là vật liệu tổng hợp gồm polymer và sợi gia cường (cacbon - CFRP, thủy tinh - GFRP, aramid - AFRP). FRP có ưu điểm cường độ kéo cao, trọng lượng nhẹ, dễ thi công và không làm thay đổi tiết diện kết cấu. Mô hình ứng suất - biến dạng của bê tông không gia cường và gia cường FRP được xây dựng dựa trên các mô hình Hognestad, Kent-Park, Park và cộng sự, Lam và Teng. Mô hình ứng xử trễ của kết cấu BTCT theo Takeda được áp dụng để mô phỏng phản ứng phi tuyến của khung BTCT.

Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số hư hại (Damage Index - DI), vận tốc sóng cắt (Vs), độ cứng đàn hồi (k), hệ số cản (c), mô hình ứng suất - biến dạng bê tông và thép, mô hình ứng xử trễ Takeda, mô hình phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình khung BTCT 4 tầng và 8 tầng được mô phỏng bằng phần mềm SAP2000 với các phần tử phi tuyến LINK mô phỏng khớp dẻo tại vị trí cột và dầm. Mô hình được kiểm chứng bằng so sánh kết quả với các thí nghiệm và nghiên cứu trước đây.

Phương pháp phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian được sử dụng để mô phỏng phản ứng của khung BTCT dưới các cường độ động đất khác nhau, với các băng gia tốc có giá trị gia tốc đỉnh (PGA) đa dạng. Các trường hợp mô hình được phân tích gồm: khung không gia cường, khung gia cường CFRP, khung gia cường GFRP, trong hai điều kiện xét và không xét SSI.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hai khung BTCT tiêu biểu, mỗi khung được phân tích với nhiều trường hợp động đất và vật liệu gia cường khác nhau. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của khung BTCT phổ biến trong công trình dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam.

Timeline nghiên cứu kéo dài gần một năm, từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2018, bao gồm các bước: xây dựng mô hình, kiểm chứng mô hình, phân tích phi tuyến, tính toán chỉ số hư hại 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 của khung BTCT gia cường FRP tăng lên trung bình khoảng 15-20% so với trường hợp không xét SSI. SSI gây hiệu ứng bất lợi, làm tăng chuyển vị và nội lực trong kết cấu, đặc biệt rõ rệt ở các khung 8 tầng với vận tốc sóng cắt thấp (Vs < 180 m/s).

  2. Hiệu quả gia cường của CFRP và GFRP: So sánh mức độ giảm chỉ số hư hại giữa hai loại vật liệu cho thấy GFRP có hiệu quả gia cường kháng nở hông tốt hơn CFRP khoảng 10-12% khi chịu cùng cường độ động đất. Điều này được giải thích do GFRP có mô đun đàn hồi thấp hơn, giúp tăng độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng của kết cấu.

  3. Ảnh hưởng của vận tốc sóng cắt Vs: Khi Vs tăng từ khoảng 100 m/s lên trên 360 m/s, ảnh hưởng bất lợi của SSI giảm dần, chỉ số hư hại chênh lệch giữa có và không xét SSI giảm từ 20% xuống còn khoảng 5%. Điều này cho thấy đất nền cứng hơn làm giảm tác động tiêu cực của SSI.

  4. Phân bố hư hại theo tầng: Các tầng dưới của khung BTCT chịu hư hại lớn hơn, đặc biệt là tầng 1 và tầng 2, với chỉ số hư hại cao hơn trung bình 25% so với các tầng trên. Gia cường FRP giúp giảm đáng kể hư hại tập trung tại các tầng này.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân SSI gây tăng hư hại là do sự giảm độ cứng tổng thể của hệ kết cấu - móng - đất nền, làm tăng chu kỳ dao động và chuyển vị của kết cấu. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế trước đây, đồng thời phản bác quan điểm SSI có thể có lợi trong một số trường hợp.

Hiệu quả gia cường của GFRP vượt trội CFRP được lý giải bởi đặc tính vật liệu mềm dẻo hơn, giúp kết cấu hấp thụ năng lượng động đất hiệu quả hơn. Kết quả này hỗ trợ lựa chọn vật liệu gia cường phù hợp cho từng điều kiện công trình và đất nền.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh chỉ số hư hại giữa các trường hợp có và không xét SSI, cũng như bảng tổng hợp chỉ số hư hại theo từng loại vật liệu và vận tốc sóng cắt. Biểu đồ phân bố hư hại theo tầng giúp minh họa rõ ràng vùng tập trung hư hại trong khung.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xem xét SSI trong thiết kế và đánh giá công trình: Các kỹ sư thiết kế và đánh giá công trình BTCT cần tích hợp mô hình SSI để phản ánh chính xác phản ứng động đất, đặc biệt với công trình xây dựng trên đất nền mềm hoặc yếu. Thời gian áp dụng: ngay lập tức; Chủ thể thực hiện: các đơn vị thiết kế, tư vấn xây dựng.

  2. Ưu tiên sử dụng GFRP cho gia cường kháng nở hông: Do hiệu quả gia cường vượt trội và chi phí hợp lý, GFRP nên được lựa chọn làm vật liệu chính trong các dự án gia cường BTCT chịu động đất. Thời gian áp dụng: trong vòng 1-2 năm; Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công, chủ đầu tư.

  3. Phát triển tiêu chuẩn thiết kế gia cường FRP có xét SSI: Cần xây dựng hoặc cập nhật các tiêu chuẩn, hướng dẫn kỹ thuật về gia cường FRP cho kết cấu BTCT có xét đến SSI nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả. Thời gian áp dụng: 2-3 năm; Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý nhà nước, viện nghiên cứu.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phân tích SSI và ứng dụng gia cường FRP cho kỹ sư thiết kế và thi công nhằm nâng cao chất lượng công trình. Thời gian áp dụng: liên tục; Chủ thể thực hiện: các trường đại học, trung tâm đào tạo chuyên ngành.

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 SSI kết hợp gia cường FRP, giúp thiết kế công trình BTCT chịu động đất chính xác và hiệu quả hơn.

  2. Chủ đầu tư và nhà thầu thi công: Hiểu rõ về hiệu quả các loại vật liệu FRP và ảnh hưởng SSI giúp lựa chọn giải pháp gia cường phù hợp, tiết kiệm chi phí và đảm bảo an toàn công trình.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên: Luận văn bổ sung kiến thức về mô hình ứng xử phi tuyến của kết cấu BTCT gia cường FRP có xét SSI, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng.

  4. Cơ quan quản lý và xây dựng tiêu chuẩn: Thông tin về ảnh hưởng SSI và hiệu quả gia cường FRP hỗ trợ xây dựng hoặc cập nhật các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế và gia cường công trình chịu động đất.

Câu hỏi thường gặp

  1. SSI là gì và tại sao cần xét đến trong thiết kế kết cấu?
    SSI (Soil-Structure Interaction) là sự tương tác giữa kết cấu công trình và đất nền dưới tác động của động đất. Xét SSI giúp phản ánh 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. Gia cường kháng nở hông bằng FRP có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    FRP có cường độ kéo cao, trọng lượng nhẹ, dễ thi công, không làm thay đổi tiết diện kết cấu và chống ăn mòn tốt. So với gia cường bằng thép hoặc tăng tiết diện, FRP tiết kiệm chi phí và thời gian thi công hơn.

  3. Tại sao GFRP hiệu quả hơn CFRP trong gia cường kháng nở hông?
    GFRP có mô đun đàn hồi thấp hơn CFRP, giúp tăng độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng của kết cấu, từ đó giảm mức độ hư hại khi chịu động đất. Ngoài ra, GFRP có chi phí thấp hơn, phù hợp với nhiều công trình.

  4. Chỉ số hư hại (Damage Index) được tính như thế nào?
    Chỉ số hư hại được tính dựa trên kết quả phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian, phản ánh mức độ tổn thương của kết cấu qua các tham số như chuyển vị, momen, góc xoay. Chỉ số này giúp đánh giá mức độ an toàn và hiệu quả của gia cường.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thiết kế, đánh giá và gia cường các công trình BTCT hiện hữu, đặc biệt ở vùng có nguy cơ động đất cao. Việc tích hợp mô hình SSI và lựa chọn vật liệu FRP phù hợp sẽ nâng cao độ bền và độ an toàn công trình.

Kết luận

  • SSI có ảnh hưởng bất lợi, làm tăng mức độ hư hại của khung BTCT gia cường FRP dưới tác động động đất, đặc biệt trên đất nền mềm với vận tốc sóng cắt thấp.
  • Gia cường kháng nở hông bằng GFRP hiệu quả hơn CFRP trong việc giảm chỉ số hư hại và tăng độ dẻo của kết cấu.
  • Ảnh hưởng của SSI giảm khi vận tốc sóng cắt của đất nền tăng, cho thấy đất nền cứng làm giảm tác động tiêu cực của SSI.
  • Phân bố hư hại tập trung chủ yếu ở các tầng dưới của khung, gia cường FRP giúp giảm đáng kể hư hại tại các vị trí này.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc thiết kế, đánh giá và gia cường công trình BTCT chịu động đất có xét đến SSI, đồng thời đề xuất các giải pháp và khuyến nghị cụ thể cho ngành xây dựng.

Next steps: Áp dụng mô hình SSI trong thiết kế công trình mới và nâng cấp công trình hiện hữu; phát triển tiêu chuẩn gia cường FRP có xét SSI; đào tạo chuyên môn cho kỹ sư thiết kế và thi công.

Call to action: Các đơn vị thiết kế, thi công và quản lý công trình nên tích hợp kết quả nghiên cứu vào quy trình làm việc để nâng cao an toàn và hiệu quả công trình chịu động đất.