Tổng quan nghiên cứu

Động đất là một trong những thảm họa thiên nhiên gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản, đặc biệt đối với các công trình xây dựng. Tại Việt Nam, theo bản đồ phân vùng động đất chu kỳ lặp 500 năm do Viện Vật lý địa cầu lập, một phần lãnh thổ phía Bắc có khả năng xảy ra động đất mạnh cấp VII (theo thang MSK-1964) với gia tốc nền từ 0,12g đến 0,248g. Từ năm 1900 đến 2006, đã ghi nhận 115 trận động đất cấp VI và VII trên toàn quốc, trong đó có những trận động đất mạnh như Điện Biên Phủ năm 1935 (6,8 độ Richter) và Tuần Giáo - Lai Châu năm 1983 (6,7 độ Richter). Các khu vực chịu động đất thường tập trung nhiều công trình dân dụng trung và thấp tầng, do đó việc nghiên cứu các biện pháp giảm chấn cho công trình dân dụng chịu động đất là rất cần thiết.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu cơ sở khoa học và ứng dụng gối cách chấn đàn hồi cốt sợi (Fiber Reinforced Elastomeric Isolator - FREI) cho công trình dân dụng trung và thấp tầng chịu động đất tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình dân dụng có kết cấu khung bê tông cốt thép, sử dụng mô hình số và tiêu chuẩn thiết kế ASCE/SEI 7-10 kết hợp với tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386:2012. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc đề xuất quy trình lựa chọn kích thước gối cách chấn FREI phù hợp, đồng thời đánh giá hiệu quả giảm chấn so với công trình móng cứng truyền thống, góp phần nâng cao độ an toàn và giảm thiểu thiệt hại do động đất gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết giảm chấn thụ động và mô hình ứng xử cơ học của gối cách chấn đàn hồi đa lớp. Gối cách chấn đáy là thiết bị giảm chấn thụ động phổ biến, có khả năng giảm gia tốc và chuyển vị tương đối giữa các tầng công trình khi xảy ra động đất. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Gối cách chấn đa lớp: cấu tạo từ các lớp cao su xen kẽ với các lớp lá thép hoặc sợi gia cường, có độ cứng theo phương đứng cao và độ cứng ngang thấp để chịu trọng lượng công trình và cho phép biến dạng ngang lớn.
  • Gối cách chấn đàn hồi cốt sợi (FREI): loại gối cách chấn mới thay thế các lớp lá thép bằng các lớp sợi gia cường, giúp giảm trọng lượng và chi phí, đồng thời duy trì đặc tính cơ học tốt.
  • Hệ số hình dạng (S): tỷ lệ giữa diện tích mặt cắt ngang gối và tổng diện tích xung quanh lớp cao su, ảnh hưởng đến độ cứng và khả năng biến dạng của gối.
  • Độ cứng ngang và dọc của gối: các thông số quan trọng để đánh giá khả năng chịu lực và biến dạng của gối khi chịu tải trọng động đất.
  • Mô hình vòng lặp trễ song tuyến: mô hình ứng xử của gối cách chấn trong phần mềm SAP2000, mô phỏng đặc tính đàn hồi và nhớt của gối dưới tải trọng động đất.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thu thập tài liệu, phân tích lý thuyết và mô phỏng số. Nguồn dữ liệu bao gồm tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất Việt Nam TCVN 9386:2012, tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI 7-10, các bài báo khoa học và tài liệu tham khảo quốc tế về gối cách chấn.

Phương pháp phân tích chính là mô hình số sử dụng phần mềm SAP2000 để mô phỏng ứng xử của công trình dân dụng trung và thấp tầng khi sử dụng gối cách chấn FREI dưới tác động của các trận động đất giả định. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hai công trình điển hình: nhà khung bê tông cốt thép 8 tầng và 4 tầng, đặt trên nền đất loại D tại Hà Nội. Kích thước gối cách chấn được lựa chọn theo quy trình 13 bước dựa trên tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10 và điều kiện địa phương. Phân tích so sánh gia tốc sàn từng tầng, lực cắt chân cột giữa công trình sử dụng gối FREI và công trình móng cứng nhằm đánh giá hiệu quả giảm chấn.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến 2019, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, tính toán và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lựa chọn kích thước gối cách chấn FREI phù hợp:

    • Công trình 8 tầng sử dụng gối FREI có kích thước mặt cắt ngang 450x450 mm, chiều dày tổng 160 mm, chịu trọng lượng truyền xuống khoảng 1700 kN.
    • Công trình 4 tầng sử dụng gối FREI có kích thước mặt cắt ngang 350x350 mm, chiều dày tổng 120 mm, chịu trọng lượng truyền xuống khoảng 900 kN.

  2. Giảm gia tốc sàn từng tầng:

    • Mô phỏng cho thấy công trình sử dụng gối FREI giảm đỉnh gia tốc sàn từng tầng trung bình khoảng 30-40% so với công trình móng cứng.
    • Gia tốc nền giả định trong các trận động đất là 0,2g đến 0,3g, với đỉnh gia tốc sàn tầng cao nhất giảm từ 0,25g xuống còn khoảng 0,15g khi sử dụng gối FREI.

  3. Giảm lực cắt chân cột:

    • Lực cắt chân cột trong công trình sử dụng gối FREI giảm khoảng 25-35% so với công trình móng cứng, giúp giảm nguy cơ hư hỏng kết cấu cột và tăng tuổi thọ công trình.

  4. Chuyển vị ngang thiết kế của gối FREI:

    • Chuyển vị ngang thiết kế của gối FREI được tính khoảng 212 mm cho công trình 8 tầng, đảm bảo khả năng chịu biến dạng lớn mà không gây hư hại cho công trình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả giảm chấn là do gối FREI có độ cứng ngang thấp, cho phép công trình tách rời tương đối với nền đất khi xảy ra động đất, từ đó giảm truyền động năng và gia tốc vào kết cấu thân công trình. So với gối cách chấn đa lớp truyền thống, gối FREI có trọng lượng nhẹ hơn và chi phí thấp hơn, phù hợp với các công trình dân dụng trung và thấp tầng tại Việt Nam.

Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về hiệu quả của gối cách chấn đàn hồi cốt sợi, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc áp dụng gối FREI trong điều kiện địa phương. Biểu đồ so sánh gia tốc sàn từng tầng và lực cắt chân cột minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa hai phương án móng cứng và gối FREI, giúp các kỹ sư dễ dàng đánh giá và lựa chọn giải pháp thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình lựa chọn kích thước gối FREI cho công trình dân dụng trung và thấp tầng:

    • Thực hiện theo 13 bước thiết kế dựa trên tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10 và điều kiện địa phương.
    • Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thiết kế công trình mới.
    • Chủ thể thực hiện: các kỹ sư thiết kế kết cấu và tư vấn giảm chấn.

  2. Khuyến khích sử dụng gối cách chấn đàn hồi cốt sợi FREI thay thế gối đa lớp truyền thống:

    • Giảm trọng lượng và chi phí, tăng hiệu quả giảm chấn.
    • Thời gian áp dụng: trong các dự án xây dựng mới và cải tạo công trình.
    • Chủ thể thực hiện: chủ đầu tư, nhà thầu xây dựng.

  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ sư xây dựng về công nghệ gối cách chấn FREI:

    • Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo chuyên sâu.
    • Thời gian: liên tục hàng năm.
    • Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu, hiệp hội xây dựng.

  4. Phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thiết kế chi tiết cho gối FREI tại Việt Nam:

    • Cập nhật tiêu chuẩn TCVN để bổ sung quy trình thiết kế và thi công gối FREI.
    • Thời gian: trong vòng 2-3 năm tới.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ Xây dựng, Viện Khoa học công nghệ xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và giảm chấn:

    • Lợi ích: nắm vững quy trình lựa chọn và thiết kế gối cách chấn FREI, nâng cao chất lượng công trình chịu động đất.
    • Use case: áp dụng trong thiết kế các dự án dân dụng trung và thấp tầng.

  2. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng:

    • Lợi ích: hiểu rõ hiệu quả và chi phí của giải pháp giảm chấn, từ đó quyết định đầu tư hợp lý.
    • Use case: lựa chọn giải pháp giảm chấn phù hợp cho dự án xây dựng mới hoặc cải tạo.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực xây dựng và kỹ thuật động đất:

    • Lợi ích: tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm để phát triển nghiên cứu tiếp theo.
    • Use case: xây dựng đề tài nghiên cứu mới hoặc giảng dạy chuyên sâu.

  4. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn xây dựng:

    • Lợi ích: cập nhật kiến thức về công nghệ giảm chấn mới, hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với điều kiện Việt Nam.
    • Use case: xây dựng và điều chỉnh các quy định, tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Gối cách chấn đàn hồi cốt sợi FREI là gì?
    Gối FREI là loại gối cách chấn đa lớp mới, thay thế các lớp lá thép bằng các lớp sợi gia cường, giúp giảm trọng lượng và chi phí mà vẫn đảm bảo độ cứng và khả năng chịu lực. Ví dụ, gối FREI sử dụng sợi carbon hai hướng vuông góc, có độ bền cao và độ cứng ngang thấp.

  2. Tại sao nên sử dụng gối FREI cho công trình dân dụng trung và thấp tầng?
    Gối FREI có trọng lượng nhẹ, chi phí thấp hơn gối đa lớp truyền thống, phù hợp với các công trình có quy mô vừa và nhỏ, đồng thời giúp giảm thiểu thiệt hại do động đất bằng cách giảm gia tốc và lực cắt chân cột.

  3. Quy trình lựa chọn kích thước gối FREI như thế nào?
    Quy trình gồm 13 bước dựa trên tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10, bao gồm xác định gia tốc nền, hệ số nền, chu kỳ dao động, tính toán độ cứng ngang, chuyển vị thiết kế và diện tích mặt cắt ngang gối. Ví dụ, công trình 8 tầng tại Hà Nội được lựa chọn gối FREI kích thước 450x450x160 mm.

  4. Hiệu quả giảm chấn của gối FREI so với móng cứng truyền thống ra sao?
    Mô phỏng cho thấy gối FREI giảm đỉnh gia tốc sàn từng tầng khoảng 30-40% và lực cắt chân cột giảm 25-35%, giúp công trình chịu động đất tốt hơn và giảm thiểu hư hỏng kết cấu.

  5. Có thể áp dụng gối FREI cho các công trình hiện hữu không?
    Việc áp dụng cho công trình hiện hữu cần khảo sát kỹ thuật và thiết kế lại móng, tuy nhiên về nguyên tắc có thể cải tạo bằng cách lắp đặt gối cách chấn để nâng cao khả năng chịu động đất, tương tự như các dự án cải tạo ở Nhật Bản và Ấn Độ.

Kết luận

  • Gối cách chấn đàn hồi cốt sợi FREI là giải pháp giảm chấn hiệu quả, phù hợp cho công trình dân dụng trung và thấp tầng chịu động đất tại Việt Nam.
  • Quy trình lựa chọn kích thước gối FREI được đề xuất dựa trên tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10, phù hợp với điều kiện địa phương và đặc tính cơ học của gối.
  • Mô phỏng số cho thấy công trình sử dụng gối FREI giảm đáng kể gia tốc sàn và lực cắt chân cột so với công trình móng cứng truyền thống.
  • Việc áp dụng gối FREI giúp giảm chi phí, trọng lượng công trình và tăng độ an toàn khi xảy ra động đất.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng gối FREI trong thiết kế và xây dựng công trình dân dụng, đồng thời phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo chuyên môn cho kỹ sư xây dựng.

Next steps: Triển khai nghiên cứu thực nghiệm, hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và tổ chức đào tạo chuyên sâu cho các bên liên quan.

Call to action: Các kỹ sư, nhà quản lý và chủ đầu tư nên cân nhắc áp dụng gối cách chấn FREI để nâng cao hiệu quả giảm chấn và bảo vệ công trình trước nguy cơ động đất.