Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu ứng xử của kết cấu công trình ngầm chịu động đất

Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng xử của kết cấu công trình ngầm dưới tác động động đất với giản đồ gia tốc nhân tạo, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Vũ Ngọc Anh
• Người hướng dẫn: TS Cao Chu Quang
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Kết Cấu Công Trình Ngầm Dưới Tác Động Động Đất
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC KÝ HIỆU
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Một số khái niệm chung về động đất
• 1.2. Tổng quan về phân tích kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của động đất theo sơ đồ bài toán phẳng
• 1.3. Tổng quan về phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo
• 1.4. Các vấn đề rút ra từ tổng quan
• 3. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÁT SINH GIẢN ĐỒ GIA TỐC NHÂN TẠO BẰNG CÁCH HIỆU CHỈNH GIẢN ĐỒ GIA TỐC SẴN CÓ THEO ĐIỀU KIỆN KHỚP PHỔ PHẢN ỨNG
• 2.1. Phát sinh giản đồ gia tốc nền nhân tạo theo điều kiện khớp phổ phản ứng theo phương pháp của Hancock
• 2.2. Xây dựng chương trình PG01
• 2.3. Sử dụng chương trình PG01 tạo giản đồ gia tốc nhân tạo trên nền đá gốc theo điều kiện khớp phổ phản ứng
• 2.4. Kết luận chương 2
• 4. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÁT SINH NGẪU NHIÊN GIẢN ĐỒ GIA TỐC NHÂN TẠO DỰA TRÊN HỆ PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY
• 3.1. Cơ sở lý thuyết phát sinh ngẫu nhiên giản đồ gia tốc theo hệ phương trình hồi quy bằng phương pháp của Yamamoto
• 3.2. Nội dung thuật toán của Yamamoto
• 3.3. Cải biên thuật toán của Yamamoto, xây dựng chương trình PG02
• 3.4. Sử dụng chương trình PG02 phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo trên nền đá gốc
• 3.5. Kết luận chương 3
• 5. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT TẠI HÀ NỘI VỚI GIẢN ĐỒ GIA TỐC NHÂN TẠO
• 4.1. Xây dựng mô hình bài toán trên phần mềm Plaxis khảo sát kết cấu công trình ngầm tại khu vực Hà Nội dưới tác dụng của động đất
• 4.2. Tính toán nội lực xuất hiện trong vỏ hầm khi tính toán với các giản đồ gia tốc nền nhân tạo khác nhau phát sinh từ chương trình PG01 và PG02
• 4.3. Khảo sát ảnh hưởng của liên kết nửa cứng giữa các phân tố vỏ hầm đến nội lực xuất hiện trong vỏ hầm
• 4.4. Phân tích hồi quy đánh giá các ảnh hưởng của giản đồ gia tốc tới nội lực cực đại xuất hiện trong kết cấu
• 4.5. Kết luận chương 4
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Nghiên cứu ứng xử của kết cấu công trình ngầm dưới tác động của động đất là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật xây dựng. Động đất gây ra các dao động mạnh, ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn và độ bền của các công trình ngầm. Việc phân tích ứng xử của kết cấu công trình trong điều kiện này cần phải dựa trên các giản đồ gia tốc phù hợp với điều kiện địa chấn của khu vực. Các phương pháp phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo được áp dụng để tạo ra các số liệu đầu vào cho việc tính toán. Điều này giúp đảm bảo rằng các công trình ngầm có thể chịu được các tác động từ động đất một cách hiệu quả.

1.1 Khái niệm chung về động đất

Động đất là hiện tượng tự nhiên xảy ra do sự giải phóng năng lượng trong lớp vỏ Trái đất, tạo ra sóng địa chấn. Các sóng này có thể được phân loại thành sóng khối và sóng bề mặt. Sóng khối bao gồm sóng dọc và sóng ngang, trong khi sóng bề mặt bao gồm sóng Rayleigh và sóng Love. Sự hiểu biết về các loại sóng này là cần thiết để đánh giá tác động của động đất đến kết cấu công trình ngầm.

1.2 Các tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất

Độ mạnh của động đất có thể được đánh giá thông qua nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm thang cường độ và thang độ lớn. Thang độ lớn thường được sử dụng để đo lường năng lượng giải phóng trong một trận động đất. Các thang này giúp xác định mức độ nguy hiểm mà công trình ngầm có thể phải đối mặt trong trường hợp xảy ra động đất.

II. Phân tích kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của động đất

Phân tích ứng xử của kết cấu công trình ngầm dưới tác động của động đất là một quá trình phức tạp. Các phương pháp phân tích bao gồm phân tích tĩnh và động lực học. Phân tích tĩnh áp đặt chuyển vị biên và phân tích động lực học giúp xác định các nội lực và biến dạng trong kết cấu công trình. Việc sử dụng giản đồ gia tốc nhân tạo là cần thiết để mô phỏng các điều kiện thực tế mà công trình ngầm có thể gặp phải trong trường hợp xảy ra động đất.

2.1 Phương pháp phân tích tĩnh

Phương pháp phân tích tĩnh áp đặt chuyển vị biên là một trong những phương pháp phổ biến trong việc đánh giá ứng xử của kết cấu công trình ngầm. Phương pháp này cho phép xác định các phản ứng của kết cấu dưới tác động của tải trọng tĩnh và động. Việc áp dụng phương pháp này giúp các kỹ sư có thể dự đoán được các biến dạng và nội lực trong kết cấu khi có động đất.

2.2 Phương pháp phân tích động lực học

Phân tích động lực học là phương pháp quan trọng trong việc đánh giá ứng xử của kết cấu công trình ngầm dưới tác động của động đất. Phương pháp này sử dụng các mô hình động lực học để mô phỏng các dao động của kết cấu. Kết quả từ phân tích này giúp xác định các yếu tố như tần số tự nhiên và các chế độ dao động của kết cấu, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế an toàn hơn.

III. Phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo

Việc phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo là một phần quan trọng trong nghiên cứu ứng xử của kết cấu công trình ngầm. Các phương pháp phát sinh có thể chia thành hai nhóm chính: hiệu chỉnh giản đồ có sẵn và mô phỏng ngẫu nhiên. Phương pháp hiệu chỉnh giúp tạo ra các giản đồ gia tốc phù hợp với điều kiện địa chấn cụ thể, trong khi phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên dựa trên các dữ liệu địa chấn đã được phân tích. Cả hai phương pháp đều có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác của các phân tích động lực học.

3.1 Phương pháp hiệu chỉnh giản đồ gia tốc

Phương pháp hiệu chỉnh giản đồ gia tốc có sẵn theo điều kiện khớp phổ phản ứng là một kỹ thuật phổ biến trong việc phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo. Phương pháp này cho phép điều chỉnh các bản ghi gia tốc thực tế để phù hợp với các tiêu chí thiết kế cụ thể. Việc sử dụng phương pháp này giúp đảm bảo rằng các giản đồ gia tốc được sử dụng trong phân tích là chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế của khu vực nghiên cứu.

3.2 Phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên

Mô phỏng ngẫu nhiên giản đồ gia tốc dựa trên các kết quả phân tích hồi quy là một phương pháp khác để phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo. Phương pháp này cho phép tạo ra các giản đồ gia tốc với tính ngẫu nhiên cao, phản ánh đúng các đặc điểm của động đất. Việc áp dụng phương pháp này giúp tăng cường tính chính xác trong việc dự đoán ứng xử của kết cấu công trình ngầm dưới tác động của động đất.

IV. Khảo sát ứng xử của kết cấu công trình ngầm

Khảo sát ứng xử của kết cấu công trình ngầm dưới tác động của động đất là một bước quan trọng trong nghiên cứu. Việc sử dụng các giản đồ gia tốc nhân tạo để phân tích động lực học giúp xác định các nội lực và biến dạng trong kết cấu. Các kết quả từ khảo sát này không chỉ cung cấp thông tin về khả năng chịu lực của kết cấu mà còn giúp đưa ra các giải pháp thiết kế an toàn hơn cho các công trình ngầm trong tương lai.

4.1 Mô hình hóa kết cấu công trình ngầm

Mô hình hóa kết cấu công trình ngầm là bước đầu tiên trong việc khảo sát ứng xử của kết cấu dưới tác động của động đất. Việc sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng các điều kiện thực tế giúp các kỹ sư có thể dự đoán được các phản ứng của kết cấu khi có động đất. Mô hình hóa chính xác là yếu tố quyết định đến độ tin cậy của các kết quả phân tích.

4.2 Phân tích nội lực và biến dạng

Phân tích nội lực và biến dạng trong kết cấu công trình ngầm là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Việc tính toán nội lực xuất hiện trong vỏ hầm khi có động đất giúp xác định các điểm yếu trong kết cấu. Các kết quả này không chỉ giúp cải thiện thiết kế mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng trong các công trình ngầm.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ứng xử của kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của động đất với giản đồ gia tốc nhân tạo" do nghiên cứu sinh Vũ Ngọc Anh thực hiện tại Học viện Kỹ thuật Quân sự (Hà Nội, năm 2021), thuộc chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt (mã số: 9 58 02 06), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Cao Chu Quang và GS. TS. Nguyễn Quốc Bảo.

Tính cấp thiết của luận án xuất phát từ thực tiễn phát triển các công trình ngầm trong lĩnh vực giao thông đô thị, thủy lợi và quốc phòng. Việc tính toán, thiết kế công trình ngầm chịu tải trọng động đất có vai trò quyết định trong việc lựa chọn giải pháp kết cấu vỏ hầm nhằm đảm bảo an toàn cho con người và phương tiện. Khi phân tích động lực học kết cấu công trình ngầm theo lịch sử thời gian, số liệu đầu vào bắt buộc là giản đồ gia tốc phù hợp với điều kiện địa chấn tại khu vực xây dựng. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các khu vực trên cả nước chưa ghi nhận những trận động đất lớn, dẫn đến nguồn số liệu quan trắc giản đồ gia tốc thực tế còn hạn chế. Do đó, việc xây dựng và sử dụng các giản đồ gia tốc nhân tạo là yêu cầu kỹ thuật cần thiết.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các phần mềm thương phẩm quốc tế tạo giản đồ gia tốc nhân tạo (như SeismoMatch, RspMatch) hiện chỉ tích hợp phổ phản ứng theo các tiêu chuẩn nước ngoài (Eurocode 8, AS 1170...), chưa có tùy chọn theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386-2012; các phương pháp phát sinh ngẫu nhiên hiện có (như mô hình của Yamamoto) chưa ràng buộc với phổ phản ứng thiết kế mục tiêu; đồng thời việc ứng dụng giản đồ gia tốc nhân tạo để khảo sát ứng xử động lực học của kết cấu vỏ hầm ngầm đô thị tại Hà Nội có xét đến liên kết nửa cứng giữa các phân tố đúc sẵn chưa được nghiên cứu đầy đủ.

Luận án xác định ba mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản như sau:

1. Phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo theo điều kiện khớp phổ phản ứng bằng cách hiệu chỉnh trực tiếp các giản đồ gia tốc có sẵn làm số liệu tải trọng đầu vào phục vụ cho quá trình tính toán, thiết kế công trình ngầm chịu động đất tại thành phố Hà Nội.
2. Phát sinh ngẫu nhiên giản đồ gia tốc nhân tạo dựa trên các kết quả của phân tích hồi quy của các tác giả đã công bố. Các giản đồ này là nguồn số liệu tải trọng đầu vào phục vụ cho các bài toán nghiên cứu, khảo sát công trình ngầm chịu động đất khu vực thành phố Hà Nội khi kể đến tính ngẫu nhiên của tải trọng.
3. Sử dụng chương trình tính toán kết cấu thương phẩm để phân tích động lực học công trình ngầm chịu tác dụng của động đất với các giản đồ gia tốc nhân tạo.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của động đất với giản đồ gia tốc nhân tạo. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bài toán động lực học của công trình ngầm trên sơ đồ bài toán biến dạng phẳng. Về không gian, dữ liệu khảo sát áp dụng cho khu vực thành phố Hà Nội, cụ thể là vị trí trung tâm quận Ba Đình (tọa độ $21,030^\circ\text{B}; 105,824^\circ\text{Đ}$) và đoạn hầm ngầm thuộc tuyến đường sắt đô thị số 3 (đoạn Nhổn - Ga Hà Nội).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong Chương 1, tác giả đã hệ thống hóa các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các vấn đề cốt lõi của đề tài:

Về tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất và đặc trưng dao động nền, luận án trích dẫn các tài liệu kinh điển: Kramer (1996) về hệ thống tham số dao động nền; Tom Hanks và Kanamori Hiroo (1979) về thang độ lớn mô men $M_w = \frac{2}{3}\log(M_0) - 6,1$; thang cường độ địa chấn Mercalli sửa đổi (MM) và thang Medvedev-Sponheuer-Karnik (MSK-64) được quy định trong TCVN 9386-2012; đại lượng cường độ Arias $I_A$ (Arias, 1970); hàm phân bố năng lượng Husid (Husid, 1969); thời gian duy trì dao động mạnh $t_{5-95}$ và gia tốc nền hiệu dụng $a_{RMS5-95}$.

Về phân tích kết cấu công trình ngầm chịu động đất theo bài toán phẳng, tác giả phân loại thành ba nhóm phương pháp:

• Phương pháp phân tích tĩnh áp đặt chuyển vị biên (ISGD): Bao gồm lời giải giải tích dựa trên bài toán tấm phẳng đàn hồi có lỗ khoét chịu biến dạng trượt của Wang (1993), Penzien và Wu (1998); và lời giải số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) hoặc sai phân hữu hạn (SPHH) như nghiên cứu của Lê Bảo Quốc (2013) sử dụng mô hình dao động cột đất trên Plaxis 2D.
• Phương pháp phân tích tĩnh đặt tải trọng trực tiếp lên kết cấu (HRM - Hyperstatic Reaction Method): Mô hình hóa kết cấu tách khỏi môi trường trên nền đàn hồi Winkler, được đề xuất bởi Duddeck và Erdmann (1985), Leca và Clough (1992), Oreste (2007). Tại Việt Nam, Đỗ Ngọc Anh (2014) đã cải biên phương pháp HRM để mô tả ứng xử của vỏ hầm lắp ghép, Gospodarikov và Nguyễn Chí Thanh (2014) áp dụng tính toán tuyến đường sắt đô thị số 3 Hà Nội.
• Phương pháp phân tích động lực học (lịch sử thời gian): Hashash cùng cộng sự (2001) tổng quan ứng dụng phương pháp PTHH và SPHH (với các phần mềm FLAC3D, SASSI, ANSYS, ABAQUS, Plaxis 2D) kết hợp giản đồ gia tốc khớp phổ của St. John và Zarah (1987). Trong nước, các tác giả Nguyễn Tương Lai, Võ Thanh Lương nghiên cứu tương tác động lực phi tuyến; Nguyễn Quang Phích cùng cộng sự (2013) công bố hiện trạng thiết kế kháng chấn công trình ngầm; Mai Đức Minh (2010), Lê Bảo Quốc (2013), Đỗ Ngọc Anh (2014) sử dụng Plaxis 2D và phần mềm SPHH; Trần Thị Thu Hằng (2017) khảo sát thực nghiệm mô hình thu nhỏ trên bàn rung trong phòng thí nghiệm.

Về phương pháp phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo, tác giả phân chia thành hai hướng chính:

• Hiệu chỉnh trực tiếp bản ghi có sẵn theo điều kiện khớp phổ: Trong miền tần số, Fahjan và Ozdemir (2008) phát triển phương pháp tỷ lệ biên độ Fourier, được Nghiêm Mạnh Hiến vận dụng cho động đất Điện Biên và Landers 1992. Trong miền thời gian, Lilhanand và Tseng (1987, 1988) đề xuất bổ sung các hàm Wavelet, làm cơ sở cho bộ phần mềm RspMatchEDT và RspMatch2005; Hancock (2006) cải tiến sử dụng hàm Wavelet Cô-sin cải biên (Modified Cosine), là nền tảng của phần mềm SeismoMatch (được Hoàng Hải, Hoàng Mạnh sử dụng tại Việt Nam).
• Phát sinh ngẫu nhiên giản đồ gia tốc: Thrainsson và Kiremidjian (2002) sử dụng biến đổi Fourier ngược với góc pha ngẫu nhiên dựa trên phân tích hồi quy dữ liệu động đất California; Rezaeian (2008) điều chỉnh quá trình ồn trắng qua các hàm bao hồi quy theo cường độ Arias ($I_A$) và thời gian $t_{5-95}$; Yamamoto (2011) mô phỏng ngẫu nhiên dao động nền dựa trên biến đổi gói Wavelet (WPT) và hệ phương trình hồi quy 13 tham số đặc trưng; Đinh Văn Thuật (2010) phát sinh ngẫu nhiên chuỗi Fourier từ phổ mục tiêu theo TCVN 375-2006.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết là: Xây dựng công cụ tính toán độc lập để hiệu chỉnh bản ghi gia tốc có sẵn khớp phổ TCVN 9386-2012 trong miền thời gian; cải biên phương pháp ngẫu nhiên của Yamamoto để tích hợp ràng buộc phổ phản ứng thiết kế của Việt Nam; áp dụng các giản đồ gia tốc này để phân tích động lực học kết cấu hầm tuyến metro số 3 Hà Nội, làm rõ ảnh hưởng của liên kết nửa cứng giữa các đốt vỏ hầm đến phân bố nội lực cực đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các hệ thống lý thuyết, khái niệm và công cụ phân tích kỹ thuật sau:

• Lý thuyết dao động và đặc trưng chuyển động nền:
  • Cường độ Arias xác định theo công thức: $$I_A = \frac{\pi}{2g} \int_0^{t_0} a^2(t) dt$$
  • Hàm phân bố năng lượng Husid: $$h(t) = \frac{I_A(t)}{I_A} = \frac{\int_0^t a^2(t) dt}{\int_0^{t_0} a^2(t) dt}$$
  • Thời gian duy trì dao động mạnh $t_{5-95}$ tính từ thời điểm năng lượng đạt 5% đến 95%.
  • Gia tốc nền hiệu dụng: $$a_{RMS5-95} = \sqrt{\frac{1}{t_{5-95}} \int_{t_5}^{t_{95}} a^2(t) dt}$$
• Lý thuyết biến đổi Wavelet: Luận án áp dụng biến đổi Wavelet liên tục (CWT), biến đổi Wavelet rời rạc (DWT với hệ số tỷ lệ $s = 2^j$), biến đổi gói Wavelet (WPT) và biến đổi ngược gói Wavelet (iWPT). Công thức iWPT tái cấu trúc chuỗi thời gian: $$x(t) = \sum_{i=1}^{2^N} \sum_{k=1}^{2^N} c_{ij,k} \psi_{ij,k}(t)$$
• Thuật toán hiệu chỉnh khớp phổ phản ứng của Hancock: Sử dụng hàm Wavelet Cô-sin cải biên với độ trễ $t_j$ và hệ số hiệu chỉnh tần số $\gamma_j$: $$\psi(t) = \cos\left(2\pi f_j (t - t_j)\right) \exp\left(-\left(\frac{t - t_j}{\gamma_j}\right)^2\right)$$ Hiệu chỉnh sơ bộ qua hệ số tỷ lệ $k_{hc}$ bằng phương pháp bình phương tối thiểu: $a_1(t) = k_{hc} a_0(t)$ để cực tiểu hóa sai số $\sum (\Delta S_a(i))^2$. Lượng hiệu chỉnh gia tốc bổ sung: $$\delta a(t) = \sum_{j=1}^{nCK} b_j \psi_j(t)$$ Thông qua tích phân Duhamel xác định phản ứng xung $h_i(t)$, thiết lập hệ phương trình ma trận biên độ phản ứng đơn vị: $${\Delta S_a} = [S] {b} \implies {b} = [S]^{-1} {\Delta S_a}$$
• Phương pháp phát sinh ngẫu nhiên của Yamamoto: Dựa trên hệ phương trình hồi quy xác định 13 tham số thống kê của gói Wavelet từ các tham số chấn học: chấn cấp mô men ($M_w$), khoảng cách đứt gãy ($R_{rup}$), độ sâu chấn tiêu ($R_{hyp}$) và vận tốc sóng cắt trung bình lớp đất 30m ($V_{s,30}$). Thuật toán được tác giả cải biên để giản đồ tạo ra đáp ứng thêm điều kiện phổ mục tiêu.
• Mô hình số bài toán biến dạng phẳng tương tác đất - kết cấu: Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis 2D. Đất nền được mô phỏng bằng mô hình Mohr-Coulomb (MC) và mô hình Hardening Soil (HS) có xét tỷ số cản Rayleigh. Kết cấu vỏ hầm mô hình bằng phần tử tấm (plate), liên kết giữa các phân tố vỏ hầm mô phỏng bằng phần tử bản lề đàn hồi nửa cứng (LKNC) theo mô hình Janssen với chiều cao làm việc $l_t$.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm và tài liệu đầu vào bao gồm:

• Bản ghi gia tốc thực tế: Trận động đất Điện Biên (ngày 19/02/2001), trận động đất Campano Lucano (Italy, bản ghi 321) và trận động đất Lang Cang (bản ghi ca064).
• Phổ phản ứng gia tốc thiết kế đàn hồi và hệ số gia tốc đỉnh tham chiếu $a_{gR}$ theo TCVN 9386-2012 cho địa bàn Hà Nội.
• Thông số nguồn chấn đới đứt gãy sông Hồng - sông Chảy tác động đến quận Ba Đình.
• Hồ sơ địa chất công trình và thiết kế kết cấu vỏ hầm tuyến đường sắt đô thị số 3 Nhổn - Ga Hà Nội.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết về chuyển động địa chấn, dao động nền và các đại lượng đặc trưng ($PGA, PGV, PGD, I_A, t_{5-95}, a_{RMS}$). Luận án đối chiếu sự tương quan giữa thang cường độ MSK-64, thang MM và gia tốc đỉnh nền (PGA) theo TCVN 9386-2012 như sau:

Thang MSK-64	PGA theo MSK-64 (g)	Thang MM	PGA theo MM (g)
Cấp V	0,012 - 0,03	Cấp V	0,03 - 0,04
Cấp VI	0,03 - 0,06	Cấp VI	0,06 - 0,07
Cấp VII	0,06 - 0,12	Cấp VII	0,10 - 0,15
Cấp VIII	0,12 - 0,24	Cấp VIII	0,25 - 0,30
Cấp IX	0,24 - 0,48	Cấp IX	0,50 - 0,55
Cấp X	> 0,48	Cấp X	> 0,60

Chương này cũng phân tích bản chất cơ học và phạm vi áp dụng của ba nhóm phương pháp phân tích bài toán phẳng công trình ngầm chịu động đất: phương pháp áp đặt chuyển vị biên (ISGD) với biến dạng trượt $\gamma_{max} = v_{max}/V_{se}$; phương pháp phản lực đàn hồi (HRM); và phương pháp phân tích lịch sử thời gian. Tác giả chỉ ra tính ưu việt của phương pháp phân tích động lực học kết hợp giản đồ gia tốc nền đặt tại tầng đá gốc (bedrock).

Chương 2. Xây dựng chương trình phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo bằng cách hiệu chỉnh giản đồ gia tốc sẵn có theo điều kiện khớp phổ phản ứng

Chương 2 trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết biến đổi Wavelet và thuật toán hiệu chỉnh trên miền thời gian của Hancock (2006). Thuật toán gồm 8 bước kỹ thuật được tác giả tổng hợp và lập trình thành công cụ PG01:

Thứ tự	Nội dung thực hiện
Bước 1	Chuẩn bị bộ số liệu đầu vào (gia tốc thực đo được tại khu vực công trình, phổ phản ứng gia tốc thiết kế, sai số cho phép, hệ số cản, số vòng lặp lớn nhất, hàm Wavelet cơ sở,...).
Bước 2	Xác định phổ phản ứng của gia tốc ban đầu theo phương pháp tích phân Newmark.
Bước 3	Xác định khoảng lệch phổ $\Delta S_a$ thông qua so sánh kết quả phổ phản ứng tính với phổ phản ứng mục tiêu.
Bước 4	Xác định gia tốc hiệu chỉnh lần 1 theo điều kiện bình phương tối thiểu của khoảng lệch phổ phản ứng.
Bước 5	Xây dựng ma trận phản ứng $[S]$.
Bước 6	Tính toán độ lớn của véc tơ hệ số tỷ lệ ${b} = [S]^{-1}{\Delta S_a}$.
Bước 7	Tính lượng hiệu chỉnh Wavelet $\delta a(t) = \sum_{j=1}^{nCK} b_j \psi_j(t)$ và tính gia tốc mới $a^r(t) = a^{r-1}(t) + \delta a(t)$.
Bước 8	Kiểm tra sai số lần lượt trên các chu kỳ. Lặp lại các bước trên đến khi sai số khoảng lệch phổ lớn nhất nhỏ hơn giá trị sai số cho phép.

Tác giả lập trình chương trình PG01 trên môi trường Matlab với giao diện đồ họa cho phép nạp phổ thiết kế TCVN 9386-2012 và xử lý tín hiệu. Chương trình được kiểm chứng độ chính xác thông qua so sánh kết quả khớp phổ với phần mềm thương phẩm SeismoMatch (bản dùng thử).

Sử dụng chương trình PG01, tác giả đã hiệu chỉnh 3 băng gia tốc thực tế (Điện Biên, Campano Lucano, Lang Cang) về điều kiện nền đá gốc khu vực Ba Đình - Hà Nội, tạo ra 3 giản đồ gia tốc nhân tạo ký hiệu là BaDinh_01A, BaDinh_02A và BaDinh_03A, đảm bảo phổ phản ứng đàn hồi bám sát phổ thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam mà vẫn giữ nguyên đặc tính năng lượng Arias của bản ghi gốc.

Chương 3. Xây dựng chương trình phát sinh ngẫu nhiên giản đồ gia tốc nhân tạo dựa trên hệ phương trình hồi quy

Chương 3 tập trung vào phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên dao động nền dựa trên biến đổi gói Wavelet (WPT). Tác giả nghiên cứu hệ phương trình hồi quy của Yamamoto (2011), trong đó các biến phụ thuộc là 13 tham số đặc trưng của gói Wavelet (bao gồm năng lượng, trọng tâm thời gian $E_t$, độ lệch chuẩn thời gian $S_t$, trọng tâm tần số $E_f$, độ lệch chuẩn tần số $S_f$, và hệ số tương quan thời gian - tần số $r_{t,f}$).

Điểm mới của chương này là tác giả đã cải biên thuật toán của Yamamoto: bổ sung bước kiểm soát và hiệu chỉnh phổ phản ứng đàn hồi của giản đồ ngẫu nhiên sinh ra theo phổ mục tiêu TCVN 9386-2012, khắc phục nhược điểm của mô hình Yamamoto gốc vốn không khống chế phổ thiết kế.

Thuật toán cải biên được xây dựng thành chương trình PG02 trên nền Matlab. Tác giả áp dụng chương trình PG02 để mô phỏng ngẫu nhiên chuyển động nền đá gốc tại Ba Đình (Hà Nội) phát sinh từ đới đứt gãy hoạt động sông Hồng - sông Chảy. Kết quả đã tạo ra 5 giản đồ gia tốc ngẫu nhiên nhân tạo có gắn mã nhận diện từ bd01-01a đến bd01-05a, phản ánh tính chất ngẫu nhiên của các thông số động đất nhưng vẫn tuân thủ các chỉ tiêu gia tốc cực đại và phổ gia tốc quy chuẩn.

Chương 4. Khảo sát ứng xử của kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của động đất tại Hà Nội với giản đồ gia tốc nhân tạo

Chương 4 ứng dụng các giản đồ gia tốc nhân tạo từ PG01 và PG02 vào bài toán mô phỏng số phân tích động lực học kết cấu vỏ hầm tuyến đường sắt đô thị số 3 Nhổn - Ga Hà Nội bằng phần mềm Plaxis 2D:

• Thiết lập mô hình: Mặt cắt địa chất khu vực nghiên cứu gồm nhiều lớp đất đá phân tầng, được gán mô hình vật liệu Hardening Soil (HS) kết hợp mô hình Mohr-Coulomb (MC) với các thông số mô-đun đàn hồi, góc ma sát trong, lực dính và tỷ số cản. Biên mô hình được áp đặt điều kiện biên hấp thụ sóng (biên nhớt/biên thấm) để chống phản xạ sóng ngược vào miền tính toán. Giản đồ gia tốc nhân tạo được gán tại đáy mô hình (lớp nền đá gốc).
• Mô hình kết cấu: Vỏ hầm dạng tròn lắp ghép từ các tấm bê tông đúc sẵn, liên kết với nhau bằng bu lông. Tác giả khảo sát hai trạng thái làm việc của vỏ hầm: trường hợp liên kết cứng toàn khối và trường hợp có xét liên kết nửa cứng (LKNC) giữa các phân tố theo mô hình phi tuyến Janssen.
• Kết quả phân tích:
  • Tính toán nội lực xuất hiện trong vỏ hầm khi chịu tác dụng của các giản đồ gia tốc PG01 (BaDinh_01A, BaDinh_02A, BaDinh_03A) và PG02 (bd01-01a đến bd01-05a), từ đó trích xuất các giá trị mô men uốn cực đại ($M_{max}$), lực cắt cực đại ($Q_{max}$) và lực dọc cực đại ($N_{max}$).
  • So sánh kết quả phân tích động lực học theo lịch sử thời gian với các phương pháp tĩnh tương đương (ISGD và HRM), chỉ ra rằng phân tích tĩnh có thể dẫn tới sự sai khác đáng kể về vị trí và độ lớn nội lực do bỏ qua quá trình biến đổi dao động theo thời gian.
  • Đánh giá ảnh hưởng của liên kết nửa cứng: Khi xét đến độ mềm của liên kết giữa các phân tố vỏ hầm, giá trị mô men uốn cực đại trong vỏ hầm giảm đi đáng kể so với mô hình vỏ cứng liên tục, do liên kết nửa cứng đã giải phóng một phần biến dạng xoay tại các khớp nối.
  • Phân tích hồi quy đánh giá ảnh hưởng: Xây dựng quan hệ thống kê giữa các tham số đặc trưng của giản đồ gia tốc nhân tạo ($PGA, I_A, a_{RMS5-95}, t_{5-95}$) tới nội lực cực đại ($M_{max}, Q_{max}$) xuất hiện trong kết cấu, xác định các tham số có mức độ tương quan chi phối đến ứng xử của công trình ngầm.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và thực tiễn của luận án bao gồm:

• Về lý luận và phương pháp:
  • Hệ thống hóa và làm sáng tỏ cơ sở toán học của phép biến đổi Wavelet (CWT, DWT, WPT, iWPT) ứng dụng trong việc hiệu chỉnh và tạo lập giản đồ gia tốc động đất.
  • Cải biên thuật toán phát sinh ngẫu nhiên giản đồ gia tốc của Yamamoto bằng việc bổ sung điều kiện ràng buộc khớp phổ phản ứng đàn hồi thiết kế theo quy chuẩn Việt Nam TCVN 9386-2012, nâng cao tính phù hợp địa phương của phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên.
• Về thực tiễn và kỹ thuật tính toán:
  • Xây dựng thành công hai công cụ phần mềm trên nền Matlab: chương trình PG01 (hiệu chỉnh giản đồ gia tốc có sẵn khớp phổ đàn hồi trong miền thời gian) và chương trình PG02 (phát sinh ngẫu nhiên giản đồ gia tốc theo hệ phương trình hồi quy kết hợp khớp phổ). Cả hai công cụ đều tích hợp các quy định của TCVN 9386-2012.
  • Thiết lập bộ giản đồ gia tốc nhân tạo tại nền đá gốc phù hợp với điều kiện địa chấn đới đứt gãy sông Hồng - sông Chảy tác động đến khu vực quận Ba Đình - Hà Nội.
  • Đưa ra quy trình mô phỏng số chi tiết trên phần mềm Plaxis 2D phân tích ứng xử động lực học của kết cấu vỏ hầm ngầm đô thị có xét đến cấu tạo liên kết nửa cứng giữa các phân tố đúc sẵn.
• Kiến nghị và giải pháp:
  • Khi tính toán kháng chấn cho công trình ngầm đô thị tại các vùng thiếu số liệu quan trắc động đất, cần áp dụng phương pháp phân tích động lực học theo lịch sử thời gian với các giản đồ gia tốc nhân tạo được kiểm soát phổ thiết kế thay vì chỉ phụ thuộc vào các phương pháp tĩnh quy đổi.
  • Trong thiết kế kết cấu vỏ hầm lắp ghép phân tố, cần đưa tham số độ cứng đàn hồi của liên kết khớp nối vào mô hình phân tích để đánh giá chính xác sự phân phối lại nội lực và tối ưu hóa tiết diện kết cấu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án căn cứ theo văn bản và phạm vi nghiên cứu:

• Toàn bộ bài toán tương tác đất - hầm chỉ khảo sát trên sơ đồ bài toán phẳng (biến dạng phẳng 2D), chưa mô phỏng được ứng xử không gian 3D cũng như ảnh hưởng của sóng địa chấn truyền dọc theo trục tuyến hầm.
• Mô hình chưa xét đến sự biến đổi bất đồng nhất phức tạp của các địa tầng dọc tuyến đường hầm có chiều dài lớn.
• Hệ phương trình hồi quy của Yamamoto sử dụng trong chương trình PG02 được xây dựng dựa trên cơ sở dữ liệu động đất quốc tế (chủ yếu từ các trạm đo nước ngoài), do nguồn số liệu ghi đo chấn động thực tế tại Việt Nam chưa đủ độ dày thống kê để tự thiết lập một hệ phương trình hồi quy riêng.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Mở rộng bài toán mô phỏng sang không gian 3 chiều (3D) để đánh giá đầy đủ các hiệu ứng xoắn, uốn dọc trục hầm và các điểm tiếp giáp giữa hầm với nhà ga ngầm.
• Cập nhật và hiệu chỉnh các hệ số của hệ phương trình hồi quy khi mạng lưới trạm quan trắc địa chấn tại Việt Nam ghi nhận thêm dữ liệu về các trận động đất trong tương lai.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo giá trị cho các đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt, Xây dựng công trình ngầm và mỏ, Địa kỹ thuật xây dựng và Kỹ thuật kết cấu.
• Kỹ sư thiết kế, tư vấn thẩm tra kết cấu công trình ngầm đô thị, hầm giao thông và công trình ngầm quốc phòng trong công tác phân tích kháng chấn theo TCVN 9386-2012.
• Các cơ quan quản lý kỹ thuật dự án hạ tầng ngầm đô thị.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng trực tiếp bao gồm:

• Thuật toán 8 bước và mã nguồn chương trình PG01 hiệu chỉnh gia tốc bằng Wavelet Cô-sin cải biên (Chương 2).
• Thuật toán cải biên và chương trình PG02 phát sinh ngẫu nhiên gia tốc dựa trên WPT (Chương 3).
• Phương pháp khai báo thông số vật liệu đất nền Hardening Soil, điều kiện biên hấp thụ sóng và mô hình hóa liên kết nửa cứng Janssen cho vỏ hầm trên Plaxis 2D (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Thang độ lớn mô men $M_w$ được tính toán như thế nào và do tác giả nào đề xuất?

Theo Mục 1.1.2 của luận án, thang độ lớn mô men ($M_w$) được Tom Hanks và Kanamori Hiroo phát triển vào năm 1979 để khắc phục hạn chế của thang độ lớn địa phương (Richter). Đại lượng này là một số không thứ nguyên, được tính trực tiếp từ mô men địa chấn $M_0$ (đơn vị $\text{N}\cdot\text{m}$) qua công thức: $$M_w = \frac{2}{3}\log(M_0) - 6,1$$

2. Các tham số chính đặc trưng cho cường độ và thời gian dao động nền được sử dụng trong luận án là gì?

Luận án sử dụng các đại lượng toán học gồm:

• Cường độ Arias ($I_A$): Tổng năng lượng tích lũy trên một đơn vị trọng lượng, tính bằng tích phân bình phương gia tốc theo thời gian: $$I_A = \frac{\pi}{2g}\int_0^{t_0} a^2(t)dt$$
• Hàm phân bố năng lượng Husid ($h(t)$): Tỷ số giữa năng lượng tích lũy tại thời điểm $t$ so với tổng năng lượng Arias $I_A$.
• Thời gian duy trì dao động mạnh ($t_{5-95}$): Khoảng thời gian từ lúc tích lũy năng lượng Arias đạt 5% đến khi đạt 95%.
• Gia tốc nền hiệu dụng ($a_{RMS5-95}$): Căn bậc hai trung bình bình phương gia tốc trong khoảng thời gian $t_{5-95}$.

3. Hai chương trình tính toán PG01 và PG02 do tác giả xây dựng có nguyên lý hoạt động khác nhau ra sao?

• Chương trình PG01: Hoạt động theo nguyên lý hiệu chỉnh trực tiếp trên miền thời gian đối với một bản ghi gia tốc thực tế có sẵn. Tác giả sử dụng hàm Wavelet Cô-sin cải biên theo phương pháp của Hancock (2006) để bổ sung các lượng hiệu chỉnh Wavelet, đưa phổ phản ứng của bản ghi gốc tiệm cận với phổ thiết kế theo TCVN 9386-2012.
• Chương trình PG02: Hoạt động theo nguyên lý phát sinh ngẫu nhiên quá trình không dừng. Chương trình sử dụng hệ phương trình hồi quy của Yamamoto (2011) để xác định 13 tham số thống kê của gói Wavelet dựa trên các tham số nguồn chấn ($M_w, R_{rup}, R_{hyp}, V_{s,30}$), kết hợp biến đổi ngược gói Wavelet (iWPT) và thuật toán cải biên để ràng buộc theo phổ mục tiêu TCVN 9386-2012.

4. Đối tượng công trình cụ thể nào được luận án lựa chọn để mô phỏng kiểm chứng số?

Đối tượng khảo sát tại Chương 4 là đoạn hầm ngầm thuộc tuyến đường sắt đô thị số 3 (đoạn Nhổn - Ga Hà Nội), đi qua khu vực quận Ba Đình, thành phố Hà Nội (tọa độ tính toán: $21,030^\circ\text{B}; 105,824^\circ\text{Đ}$). Bài toán được mô hình hóa trên phần mềm Plaxis 2D với các lớp địa chất thực tế, chịu kích động địa chấn từ đới đứt gãy sông Hồng - sông Chảy.

5. Việc xét đến liên kết nửa cứng (LKNC) giữa các phân tố vỏ hầm đem lại kết quả gì so với mô hình liên kết cứng?

Theo kết quả khảo sát tại Mục 4.3, khi xét đến liên kết nửa cứng giữa các phân tố vỏ hầm (mô phỏng theo mô hình Janssen với chiều cao làm việc $l_t$), độ cứng chống xoay tại các khớp nối giảm xuống so với vỏ hầm liên tục toàn khối. Điều này giúp giải phóng biến dạng xoay cục bộ, làm giảm đáng kể giá trị mô men uốn cực đại ($M_{max}$) phát sinh trong vỏ hầm dưới tác động của động đất, phản ánh sát hơn sự làm việc thực tế của kết cấu hầm lắp ghép.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Vũ Ngọc Anh đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo đáp ứng Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386-2012 thông qua việc xây dựng hai chương trình tính toán PG01 và PG02 trên nền Matlab. Kết quả nghiên cứu đã cung cấp nguồn số liệu dao động nền đá gốc đáng tin cậy phục vụ bài toán phân tích động lực học kết cấu ngầm tại khu vực Hà Nội. Việc áp dụng mô hình phân tích theo lịch sử thời gian trên Plaxis 2D cho tuyến đường sắt đô thị số 3 Nhổn - Ga Hà Nội đã làm rõ ảnh hưởng tích cực của liên kết nửa cứng trong việc giảm mô men uốn vỏ hầm, đóng góp cơ sở khoa học quan trọng cho công tác tính toán và thiết kế kháng chấn công trình ngầm đô thị tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, nội dung tổng quan tập trung trình bày một số vấn đề: khái niệm về động đất, các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tác dụng của động đất và các phương pháp phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo.1 Một số khái niệm chung về động đất Các vấn đề chung về động đất đã được nhiều tác giả trong và ngoài nước trình bày chi tiết. Trong phạm vi luận án, tác giả chỉ trích lược một số nội dung cơ bản có liên quan đến vấn đề nghiên cứu. Khái niệm chung Động đất là sự rung chuyển bề mặt do sự giải phóng năng lượng bất ngờ ở lớp vỏ Trái đất và phát sinh ra sóng địa chấn [45]. Điểm sóng địa chấn được bắt đầu được gọi là chấn tiêu [11],[19],[20].

Hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất được gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tâm đến chấn tiêu gọi là độ sâu chấn tiêu (Rhyp). Khoảng cách từ chấn tâm và chấn tiêu đến điểm khảo sát tương ứng là tâm cự (Rrup) và tiêu cự (R). Động đất tác dụng lên công trình thông qua sóng địa chấn lan truyền trong đất đá, sóng địa chấn gồm sóng khối và sóng bề mặt.

Sóng khối bao gồm sóng dọc và sóng ngang. Khi sóng dọc (còn được gọi là sóng sơ cấp hay sóng P) lan truyền, các hạt vật chất chuyển dịch theo phương trùng với phương truyền sóng. Môi trường có sóng đó lan truyền chịu các ứng suất nén và kéo kèm theo thay đổi thể tích. Đối với sóng ngang (còn được gọi là sóng thứ cấp hay sóng S), các hạt môi trường chuyển dịch vuông góc với phương truyền sóng.

Sóng ngang tạo ra sự thay đổi hình dạng môi trường, nhưng giữ nguyên thể tích. luan an 4 Sóng bề mặt bao gồm hai loại cơ bản: các sóng Rayleigh (dao động của vật chất theo phương thẳng đứng) và các sóng Love (dao động của vật chất theo phương ngang). Các tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất Sức mạnh của động đất là một đại lượng quan trọng và có thể được định lượng theo nhiều cách khác nhau, tuy nhiên, có thể khái quát qua hai cách tiếp cận cơ bản là đánh giá thông qua thang cường độ và thang độ lớn. Vấn đề này đã được Kramer trình bày một cách hệ thống trong tài liệu [55].

Thang độ lớn trận động đất Các thang độ lớn thường được thể hiện bằng chữ số Ả Rập (1,2,3.) đặc trưng cho quy mô của một trận động đất bằng cách đo gián tiếp năng lượng được giải phóng. Thang độ lớn động đất cho biết thông tin về độ lớn tổng thể hoặc quy mô của trận động đất. Các thang độ lớn kể trên bao gồm hai nhóm: nhóm dựa trên các thông số về biên độ của bản ghi gia tốc (thang độ lớn địa phương - ML; độ lớn sóng khối - mb; độ lớn sóng bề mặt - Ms) và nhóm dựa vào năng lượng tổng thể của trận động đất (thang độ lớn mô men - Mw). Trong các thang kể trên, thang độ lớn mô men đưa ra ước lượng đáng tin cậy nhất về quy mô của trận động đất, kết quả thu được giúp so sánh kích thước của các trận động đất khác nhau dễ dàng hơn nên đang được sử dụng ngày càng phổ biến [55].

Thang độ lớn mô men được phát triển năm 1979 bởi Tom Hanks và Kanamori Hiroo [49] để kế tiếp thang độ lớn địa phương (thang Richter) nhằm so sánh năng lượng được phát ra bởi động đất. Độ lớn mô men là số không thứ nguyên được tính theo công thức: 2 M w = log(M 0 ) - 6,1 (1.1) 3 trong đó: M0 là mô men địa chấn (N. Thang cường độ địa chấn Trong khi thang độ lớn tập trung vào quy mô, sức mạnh của trận động đất tại nguồn phát sinh, thang cường độ địa chấn lại là cách đánh giá tác động của động đất đến một địa điểm nhất định, được định lượng thông qua sự phá hoại các dạng công trình và tác động đến con người tại địa điểm tiếp nhận động đất. Các thang cường độ hiện được sử dụng phổ biến như: thang đo Medvedev-Sponheuer-Karnik (MSK-64), thang đo Mercalli sửa đổi (MM).

Thang cường độ Mercalli sửa đổi (MM), được đề xuất bởi nhà địa chấn Mercalli vào đầu thế kỷ 20 trên cơ sở sửa đổi thang đo Rossi Forel (1883). Thang Mercalli sửa đổi đánh giá độ mạnh của động đất dựa hoàn toàn vào hậu quả của động đất tác động đến con người, đồ vật, công trình xây dựng. thang đo này được sử dụng phổ biến tại các nước Châu Âu, Bắc Mỹ. Thang MSK-64 với 12 cấp (đánh số bằng ký tự La Mã: I, II,.,XII) được đề xuất bởi ba nhà khoa học Medvedev, Sponhauer và Karnic (1964) dựa vào việc đánh giá biên độ dao động tương đối của con lắc chuẩn mô tả chuyển động địa chấn.

Thang đo này dựa trên các kinh nghiệm có sẵn vào đầu thập niên 1960 từ việc áp dụng thang Mercalli sửa đổi (MM) và phiên bản năm 1953 của thang Medvedev và còn gọi là thang GEOFIAN. Với các sửa đổi nhỏ vào giữa thập niên 1970 và đầu thập niên 1980, thang MSK đã được áp dụng rộng rãi. Tiêu chuẩn TCVN 9386-2012 [22] sử dụng đồng thời hai thang cường độ MSK-64 và Mercalli sửa đổi (MM). Liên hệ giữa hai thang cường độ này với gia tốc đỉnh được thể hiện trong bảng 1.1 Liên hệ giữa thang cường độ MSK-64, MM và gia tốc đỉnh Thang MSK-64 Thang MM Cường độ động đất PGA (g) Cường độ động đất PGA (g) (IMSK-64) (IMM) luan an 6 Thang MSK-64 Thang MM Cường độ động đất PGA (g) Cường độ động đất PGA (g) (IMSK-64) (IMM) V 0,012 - 0,03 V 0,03 - 0,04 VI 0,03 - 0,06 VI 0,06 - 0,07 VII 0,06 - 0,12 VII 0,10 - 0,15 VIII 0,12 -0,24 VIII 0,25 - 0,30 IX 0,24 - 0,48 IX 0,50 - 0,55 X > 0,48 X > 0,60 1.

Một số đặc trưng của dao động nền Theo Kramer [55], dao động nền thường được chia thành hai nhóm cơ bản: các tham số đặc trưng về độ lớn và các tham số đặc trưng về sự biến đổi theo thời gian, tần số. Các tham số đặc trưng về độ lớn cực đại của dao động nền Giá trị gia tốc nền cực đại (PGA) là giá trị tuyệt đối lớn nhất của gia tốc dao động của nền. Vận tốc nền cực đại (PGV) là giá trị lớn nhất của trị tuyệt đối của vận tốc dao động của nền, có thể thu được bằng cách tích phân gia tốc nền. Chuyển dịch nền cực đại (PGD) là giá trị tuyệt đối lớn nhất của chuyển vị nền, thu được bằng cách tích phân vận tốc nền.

Được định nghĩa là tổng năng lượng trên một đơn vị trọng lượng lưu trữ trong các hệ một bậc tự do không cản khi trận động đất kết thúc.2) trong đó: a(t) là gia tốc nền (m/s2); t0 là tổng thời gian duy trì của dao động (s); g là gia tốc trọng trường (m/s2); luan an 7 1. Hàm phân bố năng lượng Arias (hay hàm Husid) Hàm phân bố năng lượng Arias hay còn được gọi hàm Husid [52] là đại lượng không thứ nguyên đặc trưng cho biến thiên tích lũy năng lượng của dao động và được tính theo công thức: t ò0 a x (t)dt 2 IA(t) h(t) = t0 = (1. Thời gian duy trì dao động mạnh Thời gian duy trì dao động mạnh t5-95 là thời gian duy trì năng lượng trong khoảng từ 5% đến 95% [55].a là biểu diễn giản đồ gia tốc, hình 1.b là biểu đồ năng lượng Arias tương ứng của gia tốc, hình 1.c là biểu đồ phân bố năng lượng Arias. Biểu diễn thời gian duy trì dao động mạnh t5-95 Khoảng thời gian t5-95 được xác định theo công thức (1.4) với t5 và t95 lần lượt là thời điểm năng lượng Arias tích lũy đạt 5% và 95%.

Gia tốc hiệu dụng Gia tốc nền hiệu dụng aRMS (root mean square of acceleration) [55] là đại lượng được tính toán theo công thức (1.5) với tD là thời gian duy trì tác dụng hiệu quả của gia tốc nền, trong nhiều trường hợp, có thể sử dụng t5-95 để tính toán giá trị gia tốc nền hiệu dụng. Khi đó công thức được viết lại: t 95 1 a RMS5-95 = ò a (t)dt 2 (1.2 Tổng quan về phân tích kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của động đất theo sơ đồ bài toán phẳng Đường hầm thường có kích thước chiều dài dọc theo trục hầm lớn hơn nhiều lần kích thước các chiều còn lại và tiết diện ngang ít biến đổi nên có thể đưa về sơ đồ bài toán biến dạng phẳng. Căn cứ vào tính chất tác dụng của động đất có thể phân chia các phương pháp tính toán công trình chịu động đất về các nhóm cơ bản: nhóm phương pháp phân tích tĩnh áp đặt chuyển vị biên (ISGD), nhóm phương pháp phân tích tĩnh đặt tải trọng trực tiếp lên kết cấu (HRM) và nhóm phương pháp phân tích động lực học (phân tích theo lịch sử thời gian). Phương pháp phân tích tĩnh áp đặt chuyển vị biên Xét cơ hệ kết cấu – môi trường chịu tác dụng của động đất (hình 1.2), cơ hệ này sẽ phát sinh biến dạng trượt, giá trị cực đại được ký hiệu là gmax.

Sau khi xác định được biến dạng cực đại, chuyển vị cưỡng bức được áp đặt lên cơ hệ kết cấu – môi trường để xác định nội lực xuất hiện trong kết cấu. Biến dạng của miền tự do (a) và áp đặt biến dạng lên cơ hệ kết cấu - môi trường (b) Bài toán có thể được khảo sát bằng phương pháp giải tích (Wang [85], Penzien và Wu [64]) hoặc lời phương pháp số ([9], [15], [24], [35]). Lời giải sử dụng các biến đổi giải tích Lời giải bằng giải tích được xây dựng trên cơ sở giả thiết môi trường đất đá xung quanh công trình là đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng. Biến dạng trượt cực đại của miền tự do khi chịu tác dụng của động đất được ký hiệu là gmax (hình 1.

Dựa trên lời giải cho bài toán tấm phẳng có lỗ khoét chịu biến dạng trượt các tác giả Wang (1993) [85], Penzien và Wu (1998) [64], [65] đã đưa ra lời giải theo các bước cơ bản: - Bước 1, xác định biến dạng của nền đất tự do tạo ra bởi sóng cắt truyền vuông góc với mặt đất từ nền đá cứng theo công thức (1.7) Vse trong đó: gmax là biến dạng lớn nhất của miền tự do; vmax là vận tốc cực đại theo phương ngang tại mặt đất (m/s); luan an 10 Vse là vận tốc truyền hiệu quả của sóng cắt trong môi trường Vse=Vs với đá cứng, Vse=0,6-0,9Vs với đất (với Vs là vận tốc truyền sóng cắt trong môi trường đất đá).