Đặt vấn đề Việc đánh giá ứng xử của kết cấu dưới tác động của các loại tải trọng trong suốt tuổi thọ thiết kế công trình, đặc biệt là tải trọng động đất, theo các tiêu chuẩn thiết kế loại tiêu chí định trước (prescriptive codes) bộc lộ nhiều hạn chế [1]. Theo phương pháp này, kết cấu được thiết kế dựa trên các phân tích đàn hồi và buộc phải thỏa mãn nhiều yêu cầu có tính định lượng theo các điều khoản trong tiêu chuẩn áp dụng, ví dụ như giới hạn chuyển vị đỉnh hay chiều dày tối thiểu bản bụng cấu kiện thép hình. Các tiêu chuẩn phổ biến trên thế giới hiện nay như hệ thống IBC (Mỹ) và Eurocode (Châu Âu) thuộc loại này. Khi thiết kế kháng chấn theo các tiêu chuẩn này, lựa chọn hệ số ứng xử phù hợp với công trình có kết cấu đặc biệt ngoài phạm vi tiêu chuẩn là không dễ dàng và tiềm ẩn rủi ro [1].
Vấn đề chính là do tính bất quy tắc cao của hệ kết cấu đã làm cho việc áp dụng các tiêu chuẩn này, vốn chỉ được kiến nghị áp dụng cho các công trình có kết cấu điển hình hoặc đều đặn, trở nên không phù hợp. Vấn đề quan trọng trong thiết kế kháng chấn là ứng xử phi tuyến của kết cấu khi vật liệu làm việc ngoài miền đàn hồi ở mức động đất thiết kế hoặc lớn hơn mức thiết kế. Với các công trình có kết cấu điển hình và đều đặn, việc phân tích thường được thực hiện dựa trên mô hình đàn hồi tuyến tính. Ảnh hưởng của sự làm việc sau đàn hồi của kết cấu được xét tới thông qua một hệ số ứng xử chung.
Nhưng cách tiếp cận này được xem là không phù hợp đối với các kết cấu đặc biệt, hoặc kết cấu phức tạp [1, 2, 3]. Tính bất quy tắc cao làm cho ứng xử phi tuyến của của kết cấu trở nên không thể dự báo được nếu chỉ bằng các phân tích đàn hồi tuyến tính. Trong trường hợp này, các tiêu chuẩn hiện hành đều yêu cầu phải thực hiện các phương pháp phân tích chính xác hơn, ví dụ phương pháp đẩy dần (pushover) hay phân tích động phi tuyến theo lịch sử thời gian [1, 2, 4, 5]. Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng (performance-based seismic design) đã được nghiên cứu khá lâu trên thế giới, đặc biệt tại Mỹ từ những năm 1930, vì khi đó đây là cách thức duy nhất cho phép những công nghệ mới đi vào thực tiễn.
Cho tới những năm 1970- 1980 phương pháp này trở nên rõ nét và khoảng giữa những năm 1990 thì Ủy ban quản lý thảm họa khẩn cấp liên bang Mỹ (FEMA) đã bắt đầu đưa ra các hướng dẫn đầu tiên [6, 7]. Phương pháp này sử dụng các kỹ thuật phân tích phi tuyến để đánh giá ứng xử kết cấu và đảm bảo sao cho kết cấu thỏa mãn các mục tiêu tính năng (performance objectives) đặt ra ứng với từng mức kháng chấn dự kiến (ví dụ ứng với các chu kỳ lặp 75, 475, 975 hay 2475 năm). Ở các nước tiên tiến như Mỹ, mục tiêu tính năng được quyết định cho dự án cụ thể bởi Chủ đầu tư, với sự tư vấn của kỹ sư. Xu hướng áp dụng phương pháp này trong thiết kế kháng chấn công trình nói chung và công trình kết cấu đặc biệt nói riêng ngày càng trở nên rõ ràng.
Nhiều công trình đã NCS. Nguyễn Hồng Hải – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Trang 1 Luận án Tiến sỹ kỹ thuật được thiết kế theo phương pháp này và được đánh giá cao trên các tạp chí quốc tế chuyên ngành. Ví dụ như Sân vận động tổ chim (Trung Quốc) do OverArup thiết kế bằng phương pháp dựa theo tính năng, trải qua nhiều lần bảo vệ trước Hội đồng chuyên gia nhà nước, cuối cùng đã được chấp nhận, với việc chứng minh bằng các phân tích phi tuyến tiên tiến rằng không cần phải tuân thủ quy định chiều dày bản thép tối thiểu trong tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn quốc gia GB50011-2001 đã giúp tiết kiệm rất nhiều chi phí đầu tư. Tuy vậy trong thực hành, việc thực hiện phân tích động phi tuyến hoặc kể cả đơn giản hơn là phương pháp đẩy dần còn khó khăn và không phải lúc nào cũng thực hiện được, xét theo cả khía cạnh kỹ thuật lẫn kinh tế, do yêu cầu lớn về nguồn nhân lực trình độ cao, năng lực máy tính và thời gian phân tích.
Hai trở ngại lớn nhất là (1) xác định mô hình ứng xử phi tuyến của các cấu kiện thành phần và (2) lựa chọn sóng động đất đầu vào sao cho phù hợp với điều kiện địa tầng và tình hình động đất tại khu vực dự kiến xây dựng. Đối với các kết cấu phức tạp (ví dụ như kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng) hoặc kết cấu ứng dụng công nghệ mới (ví dụ thiết bị giảm chấn), ngoài việc áp dụng phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh và/hoặc động tiên tiến, việc đánh giá ứng xử tổng thể hoặc/và cục bộ còn được thực hiện thông qua kiểm chứng bằng thí nghiệm mô hình thu tỉ lệ. Kết quả thí nghiệm không những hữu ích cho bản thân kết cấu công trình đang xét mà còn góp phần thúc đẩy lý thuyết tính toán, quy trình thiết kế và cấu tạo cho loại công trình mà nó làm đại diện. Xem xét xu hướng và yêu cầu trong phân tích đối với kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng chịu tải trọng động đất trình bày ở trên thấy rằng, việc nghiên cứu ứng xử thông qua phân tích phi tuyến và thực nghiệm mô hình cho dạng kết cấu này là vấn đề đặt ra cho luận văn.
Trước hết, tổng quan về kết cấu nhà cao tầng, phương pháp thiết kế kháng chấn, tình hình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng trên thế giới và tại Việt Nam được trình bày ngay dưới đây. Phương pháp luận nghiên cứu của luận án trình bày ở cuối chương.2 Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển Kết cấu nhà cao tầng bắt đầu thịnh hành tại Mỹ từ những năm 60-70 của thế kỷ trước, tập trung tại một số thành phố lớn như Chicago, Los Angeles và New York. Loại hình kết cấu phổ biến ban đầu là khung và khung-vách. Hệ kết cấu khung (Hình 1- 1a, 2 và 3), làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép, có ưu điểm vượt trội so với kết cấu khối xây sử dụng cho các công trình nhiều tầng trước đó.
Kết cấu đơn giản, hình thành bởi các cột và dầm liên tục với các nút chịu mô men, có đặc điểm là tương đối nhẹ giúp giảm ảnh hưởng của động đất lên công trình. Đồng thời khả năng hấp thụ năng lượng tốt cho phép kết cấu có ứng xử dẻo dưới tác động của động đất, hạn chế các phá hoại mang tính “dòn” và “phát triển” như đối với kết cấu khối xây. Mặc dù vậy, kết cấu khung cũng có hạn chế khi sử dụng cho các công trình cần không gian rộng NCS. Nguyễn Hồng Hải – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Trang 2 Luận án Tiến sỹ kỹ thuật như văn phòng hay trung tâm thương mại, do tương đối nhiều cột.
Hệ kết cấu này thích hợp cho công trình dưới 25 tầng, với công trình cao hơn hệ kết cấu khung tỏ ra không kinh tế [14]. (a) Hệ kết cấu với các biến thể của lõi phía trong (b) Hệ kết cấu với các biến thể của vỏ phía ngoài Hình 1- 1: Một số hệ kết cấu nhà cao tầng NCS. Nguyễn Hồng Hải – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Trang 3 Luận án Tiến sỹ kỹ thuật Kết cấu khung-vách (Hình 1- 2) là sự kết hợp giữa hai loại hình kết cấu vách và khung cùng chịu tải trọng ngang. Hệ kết cấu này có ưu điểm so với kết cấu khung bởi tương tác giữa hai hình thái biến dạng dạng cắt (của khung) và biến dạng dạng uốn (của vách) làm tăng độ cứng của hệ.
Loại kết cấu này thích hợp với công trình khoảng từ 10 đến 50 tầng [15] và có thể cao hơn. Nếu sử dụng dầm mở rộng nách, hệ kết cấu này có thể áp dụng cho công trình đạt tới 70 hoặc 80 tầng. Tuy nhiên, việc lựa chọn hệ kết cấu này cho công trình cao hơn 50 tầng sẽ dẫn đến nhiều vấn đề như khoảng cách giữa các cột gần nhau, dầm có chiều cao lớn, tường có nhiều lỗ mở, dẫn đến làm việc giống khung [15], sự làm việc tương tác khung-vách sẽ bị hạn chế. Hình 1- 2: Mô hình chịu lực của kết cấu khung-vách Kết cấu lõi (Hình 1- 1a, 5 và 6) thường được cấu thành bởi các vách thang máy và thang bộ.
Do là kết cấu không gian, nên hệ lõi có thể chịu được tải trọng đứng, lực cắt, mô men và xoắn theo hai phương. Hình dạng của lõi phụ thuộc vào yêu cầu bố trí mặt bằng kiến trúc hoặc kỹ thuật, có thể thay đổi từ lõi đơn tới nhiều lõi. Hệ khung sàn bao quanh lõi có thể là kết cấu bê tông đổ tại chỗ, bê tông đúc sẵn hoặc sàn thép. Hạn chế lớn nhất của hệ kết cấu này là kích thước của lõi thường bị giới hạn, do đó hiệu quả chịu lực ngang và tính truyền lực của sàn sẽ không cao khi kết cấu làm việc như một công son [14].
Hệ kết cấu này phù hợp nhất với công trình cao khoảng 40 tầng [15]. Giai đoạn những năm 1970-1980 là giai đoạn kết cấu ống được áp dụng nhiều. Các tòa nhà như Aon Center (Chicago) 83 tầng cao 346m, Willis Tower (Chicago) 108 tầng cao 442m và World Trade Center (New York) 110 tầng cao 417m là những công trình tiêu biểu. Hệ kết cấu ống ban đầu được cấu tạo bởi cách bố trí nhiều cột và dầm sát nhau (Hình 1- 1b, 1-3).
Sau đó hệ kết cấu này biến thể với sự xuất hiện của nhiều kiểu giằng chéo, bố trí vượt nhiều tầng theo chiều cao, tạo thành hệ giàn tại mặt ngoài công trình (Hình 1- 1b, 7-12). Sự làm việc hiệu quả NCS. Nguyễn Hồng Hải – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Trang 4 Luận án Tiến sỹ kỹ thuật của hệ kết cấu này thể hiện ở chỗ phát huy tối đa khoảng cách cột biên xung quanh nhà. Tuy nhiên chuyển vị ngang của tòa nhà có thể lớn phụ thuộc vào hình dạng của ống.
Xét về khía cạnh kinh tế hệ kết cấu này nên áp dụng với nhà cao trên 40 tầng [15]. Tuy nhiên, hệ kết cấu này gặp phải hiện tượng trễ cắt (shear lag)[16], là vấn đề cần phải chú ý khi thiết kế vì nó làm tăng ứng suất của cột và dầm tại các khu vực các góc nhà.