Luận văn: Đánh giá ứng xử kết cấu nhà cao tầng chịu động đất bằng 3 phương pháp

Đánh giá ứng xử kết cấu nhà cao tầng chịu động đất bằng 3 phương pháp tĩnh lực ngang, phổ phản ứng, lịch sử thời gian. So sánh kết quả và lựa chọn.

• Tác giả: Huỳnh Thế Dương
• Người hướng dẫn: Ts. Phạm Mỹ
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Đánh giá ứng xử kết cấu nhà cao tầng chịu động đất theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, phổ phản ứng và lịch sử thời gian
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Top 3 phương pháp tính động đất nhà cao tầng phổ biến nhất

Việc tính toán tải trọng động đất là một trong những yêu cầu bắt buộc và quan trọng nhất trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng hiện đại. Động đất gây ra các dao động phức tạp lên nền móng, tạo ra lực quán tính lớn, có khả năng phá hủy công trình nếu không được tính toán và thiết kế kháng chấn đầy đủ. Để đảm bảo an toàn cho công trình và tính mạng con người, các kỹ sư phải lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp, vừa đảm bảo độ chính xác, vừa tối ưu về mặt kinh tế. Tại Việt Nam, tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 (Thiết kế công trình chịu động đất), được biên soạn dựa trên Eurocode 8, là kim chỉ nam cho các hoạt động này. Tiêu chuẩn này đưa ra nhiều phương pháp phân tích từ đơn giản đến phức tạp, trong đó có ba phương pháp chính được áp dụng rộng rãi: Phương pháp Tĩnh lực ngang tương đương, Phân tích Phổ phản ứng và Phân tích Lịch sử thời gian. Mỗi phương pháp có những giả thiết, điều kiện áp dụng và mức độ chính xác khác nhau, phù hợp với từng loại hình và quy mô công trình cụ thể. Việc hiểu rõ bản chất, ưu nhược điểm của từng phương pháp là nền tảng để đưa ra lựa chọn tối ưu trong thực hành thiết kế.

1.1. Tầm quan trọng của việc phân tích tải trọng động đất

Phân tích tải trọng động đất không chỉ là một bước kỹ thuật mà còn là yếu tố quyết định đến sự an toàn và bền vững của công trình cao tầng. Tác động của động đất là một dạng tải trọng động, thay đổi đột ngột theo thời gian, gây ra dao động của công trình theo nhiều phương. Nếu không được xem xét cẩn thận, các dao động này có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng, làm gia tăng nội lực và chuyển vị vượt quá khả năng chịu đựng của vật liệu, dẫn đến hư hỏng kết cấu hoặc sụp đổ hoàn toàn. Một phân tích chính xác giúp xác định được lực cắt đáy, mô men uốn tại chân cột, vách và chuyển vị đỉnh, từ đó bố trí hệ kết cấu chịu lực (khung, vách, lõi) một cách hợp lý. Đồng thời, việc này cũng đảm bảo công trình đáp ứng các yêu cầu về trạng thái giới hạn sử dụng, chẳng hạn như giới hạn chuyển vị lệch tầng để bảo vệ các bộ phận phi kết cấu như tường kính, tường ngăn. Do đó, việc đầu tư vào một mô hình tính toán chi tiết và lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp là cực kỳ cần thiết.

1.2. Tổng quan về tiêu chuẩn TCVN 9386 2012 trong thiết kế

Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 là tài liệu pháp lý kỹ thuật cốt lõi, quy định các nguyên tắc và yêu cầu cơ bản cho việc thiết kế công trình xây dựng trong vùng có động đất tại Việt Nam. Tiêu chuẩn này cung cấp các bản đồ phân vùng gia tốc nền, các loại phổ phản ứng đàn hồi tương ứng với các loại đất nền khác nhau, và các quy trình chi tiết để xác định tải trọng động đất. Một trong những khái niệm quan trọng được đưa ra là hệ số ứng xử q, cho phép giảm tải trọng động đất thiết kế so với tải trọng đàn hồi, dựa trên khả năng tiêu tán năng lượng thông qua biến dạng dẻo của kết cấu. Tiêu chuẩn cũng quy định rõ điều kiện áp dụng cho từng phương pháp phân tích. Ví dụ, phương pháp Tĩnh lực ngang tương đương chỉ được áp dụng cho các công trình có dạng hình học đều đặn, trong khi các công trình phức tạp hơn đòi hỏi phải sử dụng Phân tích Phổ phản ứng hoặc Phân tích Lịch sử thời gian. Các quy định về tổ hợp tải trọng cũng được nêu rõ, yêu cầu kết hợp tải trọng động đất với tĩnh tải và hoạt tải theo các hệ số phù hợp.

II. Hướng dẫn phương pháp Tĩnh lực ngang tương đương đơn giản

Phương pháp Tĩnh lực ngang tương đương (Equivalent Lateral Force - ELF) là phương pháp phân tích đơn giản nhất, quy đổi tác động động của động đất thành một hệ lực tĩnh ngang phân bố theo chiều cao công trình. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là giả định rằng phản ứng của công trình chủ yếu do dạng dao động cơ bản thứ nhất quyết định. Lực cắt đáy tổng thể được tính toán dựa trên gia tốc nền thiết kế, tổng khối lượng công trình và chu kỳ dao động riêng cơ bản. Sau đó, lực này được phân phối cho các tầng dưới dạng các lực tập trung, thường tỷ lệ với khối lượng và cao độ của mỗi tầng. Phương pháp này có ưu điểm là tính toán nhanh chóng, không đòi hỏi các công cụ phần mềm phức tạp, và dễ dàng kiểm tra bằng tay. Tuy nhiên, nó chỉ cung cấp kết quả đáng tin cậy cho các công trình có hình dạng đều đặn cả về mặt bằng và mặt đứng, và có chu kỳ dao động riêng cơ bản không quá lớn. Đối với các công trình có sự thay đổi đột ngột về độ cứng, khối lượng hoặc hình dạng, phương pháp này có thể dẫn đến những sai số đáng kể và không phản ánh đúng ứng xử thực của kết cấu.

2.1. Nguyên lý và điều kiện áp dụng phương pháp tĩnh lực ngang

Nguyên lý cốt lõi của phương pháp Tĩnh lực ngang tương đương là thay thế các lực quán tính phức tạp, biến thiên theo thời gian bằng một hệ lực tĩnh không đổi. Điều này chỉ có thể thực hiện được khi công trình thỏa mãn các điều kiện nghiêm ngặt về tính đều đặn. Theo TCVN 9386:2012, phương pháp này được áp dụng khi công trình có tính đều đặn theo phương đứng và chu kỳ dao động riêng cơ bản T1 theo cả hai phương không vượt quá giá trị 4*TC hoặc 2.0 giây (với TC là chu kỳ giới hạn của đoạn phổ gia tốc không đổi). Tính đều đặn theo phương đứng yêu cầu hệ kết cấu chịu lực phải liên tục từ móng lên mái, không có sự thay đổi lớn về khối lượng, độ cứng và kích thước hình học giữa các tầng kề nhau. Luận văn của Huỳnh Thế Dương (2020) đã chỉ ra rằng, đối với công trình thứ hai (không đồng đều theo chiều cao), "Phương pháp tĩnh ngang tương đương không thể áp dụng vì không thể khống chế kết cấu để đảm bảo điều kiện đầu vào". Điều này khẳng định tầm quan trọng của việc kiểm tra điều kiện áp dụng trước khi lựa chọn phương pháp này.

2.2. Ưu và nhược điểm khi xác định lực cắt đáy và chuyển vị

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là sự đơn giản và tốc độ tính toán. Lực cắt đáy được xác định trực tiếp từ phổ thiết kế tại chu kỳ cơ bản T1. Việc phân phối lực lên các tầng cũng theo một công thức tuyến tính đơn giản. Điều này giúp các kỹ sư nhanh chóng có được đánh giá sơ bộ về nội lực tổng thể của công trình. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là rất lớn. Phương pháp này bỏ qua sự đóng góp của các dạng dao động bậc cao, vốn có thể rất quan trọng đối với các nhà cao tầng hoặc các công trình có hình dạng phức tạp. Do đó, sự phân bố nội lực và chuyển vị dọc theo chiều cao công trình có thể không chính xác, đặc biệt là ở các tầng trên cùng. Hơn nữa, phương pháp này không thể mô tả được các hiệu ứng xoắn ngẫu nhiên hoặc các ứng xử phi tuyến của kết cấu. Vì vậy, kết quả tính toán chuyển vị đỉnh và chuyển vị lệch tầng thường chỉ mang tính tham khảo và cần được kiểm chứng bằng các phương pháp phân tích cao cấp hơn, đặc biệt đối với các công trình có tầm quan trọng cao hoặc nằm trong vùng có nguy cơ động đất mạnh.

III. Cách Phân tích Phổ phản ứng Độ chính xác và hiệu quả

Phân tích Phổ phản ứng (Response Spectrum Analysis - RSA) là phương pháp phân tích động lực học tuyến tính, được xem là tiêu chuẩn vàng trong thiết kế kháng chấn cho hầu hết các kết cấu nhà cao tầng. Phương pháp này khắc phục được nhược điểm lớn của phương pháp tĩnh lực ngang bằng cách xét đến sự đóng góp của nhiều dạng dao động khác nhau của công trình. Thay vì tính một lực cắt đáy duy nhất, phương pháp này tính toán phản ứng cực đại (chuyển vị, nội lực) cho từng dạng dao động dựa trên phổ thiết kế. Sau đó, các phản ứng cực đại từ các dạng dao động khác nhau được tổ hợp lại bằng các quy tắc thống kê, chẳng hạn như Căn bậc hai của tổng các bình phương (SRSS) hoặc Tổ hợp toàn phương hoàn chỉnh (CQC), để tìm ra phản ứng tổng thể của kết cấu. Phương pháp này cho kết quả chính xác hơn đáng kể so với phương pháp tĩnh, đặc biệt trong việc phân bố lực cắt và mô men theo chiều cao công trình. Việc sử dụng các phần mềm ETABS hay SAP2000 giúp thực hiện phân tích này một cách hiệu quả và nhanh chóng.

3.1. Cơ sở lý thuyết của phân tích phổ phản ứng đàn hồi

Cơ sở của phân tích phổ phản ứng là lý thuyết phân tích modal (modal analysis). Mọi hệ kết cấu phức tạp đều có thể được phân tách thành một tập hợp các dạng dao động riêng độc lập. Mỗi dạng dao động có một chu kỳ dao động riêng, tần số và hình dạng dao động riêng. Phản ứng của kết cấu dưới tác động của động đất được xem là sự chồng chất của phản ứng từ mỗi dạng dao động này. Phổ phản ứng đàn hồi là một biểu đồ thể hiện phản ứng gia tốc cực đại của một hệ một bậc tự do có độ cản nhất định ứng với các chu kỳ dao động khác nhau. Bằng cách sử dụng phổ này, ta có thể xác định được phản ứng cực đại cho từng dạng dao động của công trình. Điều quan trọng cần lưu ý là phổ phản ứng không cung cấp thông tin về thời gian xảy ra phản ứng cực đại. Do đó, việc tổ hợp kết quả từ các mode dao động phải sử dụng các quy tắc xác suất để ước tính giá trị phản ứng tổng thể một cách hợp lý và an toàn.

3.2. Vai trò của phổ thiết kế và hệ số ứng xử q trong tính toán

Phổ thiết kế là một phiên bản đã được điều chỉnh của phổ phản ứng đàn hồi, được sử dụng trực tiếp trong phân tích. Nó được xây dựng dựa trên gia tốc nền của khu vực, loại đất nền và tầm quan trọng của công trình. Một yếu tố then chốt trong việc xây dựng phổ thiết kế là hệ số ứng xử q. Hệ số này cho phép giảm lực động đất tính toán so với phản ứng đàn hồi tuyến tính thuần túy. Giá trị của 'q' phụ thuộc vào độ dẻo kết cấu, tức là khả năng của kết cấu chịu được biến dạng lớn trong vùng phi tuyến mà không bị sụp đổ. Một hệ kết cấu có độ dẻo cao (ví dụ khung thép chịu mô men) sẽ có hệ số 'q' lớn hơn, cho phép thiết kế với lực động đất nhỏ hơn so với hệ có độ dẻo thấp (ví dụ tường bê tông cốt thép). Việc lựa chọn đúng hệ số 'q' theo TCVN 9386:2012 là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả nội lực và yêu cầu về cấu tạo chi tiết cốt thép để đảm bảo khả năng tiêu tán năng lượng như giả thiết.

IV. Bí quyết Phân tích Lịch sử thời gian cho kết quả tối ưu

Phân tích Lịch sử thời gian (Time History Analysis - THA) là phương pháp phân tích chi tiết và phức tạp nhất, cung cấp cái nhìn toàn diện nhất về ứng xử của công trình khi chịu một trận động đất cụ thể. Khác với các phương pháp trước, THA không tính toán phản ứng cực đại mà mô phỏng phản ứng của kết cấu (chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực) tại từng thời điểm trong suốt quá trình xảy ra động đất. Phương pháp này giải phương trình chuyển động của hệ kết cấu từng bước theo thời gian, sử dụng một bản ghi gia tốc nền theo thời gian (accelerogram) làm đầu vào. Kết quả thu được là một "lịch sử" đầy đủ về dao động của công trình. THA có thể được thực hiện dưới dạng phân tích đàn hồi tuyến tính hoặc phi tuyến. Phân tích phi tuyến (Nonlinear Time History Analysis) là công cụ mạnh mẽ nhất, có khả năng mô phỏng các hành vi phức tạp như hình thành khớp dẻo, suy giảm độ cứng và hiệu ứng P-Delta, mang lại kết quả gần với thực tế nhất. Tuy nhiên, nó đòi hỏi khối lượng tính toán khổng lồ và chuyên môn cao từ người kỹ sư.

4.1. Phân tích phi tuyến và mô hình hóa dao động của công trình

Trong phân tích Lịch sử thời gian phi tuyến, việc mô hình hóa vật liệu và cấu kiện một cách chính xác là yếu tố quyết định. Vật liệu bê tông và cốt thép được mô hình hóa với các đường cong quan hệ ứng suất-biến dạng phi tuyến, phản ánh đúng khả năng chịu lực, suy giảm độ cứng sau khi chảy dẻo và các hiệu ứng khác. Các cấu kiện như dầm, cột được mô hình hóa bằng các phần tử có khả năng hình thành khớp dẻo tại các vị trí dự kiến. Phân tích Pushover (phân tích đẩy dần) thường được sử dụng trước để xác định đường cong năng lực của kết cấu, cung cấp thông tin quan trọng về quan hệ lực-chuyển vị phi tuyến, từ đó hiệu chỉnh cho mô hình tính toán trong phân tích lịch sử thời gian. Phân tích phi tuyến cho phép theo dõi quá trình phân phối lại nội lực khi một số cấu kiện bắt đầu chảy dẻo, một hiện tượng không thể mô tả được bằng các phương pháp phân tích tuyến tính.

4.2. Lựa chọn gia tốc nền và tích hợp trong phần mềm ETABS

Chất lượng của kết quả phân tích Lịch sử thời gian phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các bản ghi gia tốc nền. Theo các tiêu chuẩn thiết kế, cần sử dụng một bộ gồm nhiều bản ghi (thường là 3 hoặc 7) từ các trận động đất thực tế hoặc được tạo ra nhân tạo. Các bản ghi này phải được lựa chọn và hiệu chỉnh (scaling) sao cho phổ phản ứng trung bình của chúng tương thích với phổ thiết kế mục tiêu của khu vực xây dựng trong một khoảng chu kỳ nhất định. Các phần mềm ETABS và SAP2000 cung cấp các công cụ mạnh mẽ để nhập, hiệu chỉnh và áp dụng các bản ghi gia tốc này vào mô hình tính toán. Kỹ sư có thể định nghĩa các hàm lịch sử thời gian, gán chúng cho các trường hợp tải trọng động đất theo các phương khác nhau và thực hiện phân tích tích phân trực tiếp từng bước. Kết quả thiết kế cuối cùng thường được lấy là giá trị trung bình hoặc giá trị bao của các phân tích với các bản ghi khác nhau để đảm bảo độ tin cậy.

V. So sánh ứng xử kết cấu nhà cao tầng qua 3 phương pháp

Việc so sánh trực tiếp kết quả từ ba phương pháp phân tích trên cùng một mô hình tính toán mang lại những hiểu biết sâu sắc về ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụng của từng phương pháp. Nghiên cứu của Huỳnh Thế Dương (2020) đã thực hiện điều này trên hai mô hình: một công trình đều đặn (Công trình 1) và một công trình không đều đặn (Công trình 2). Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong ứng xử của kết cấu. Các thông số quan trọng được đưa ra so sánh bao gồm nội lực trong các cấu kiện chính (mô men, lực cắt trong cột, dầm, vách), chuyển vị đỉnh và chuyển vị lệch tầng. Sự so sánh này không chỉ giúp kiểm chứng các lý thuyết mà còn cung cấp cơ sở thực tiễn để các kỹ sư đưa ra quyết định lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp nhất cho dự án của mình, cân bằng giữa yêu cầu về độ chính xác, an toàn và hiệu quả kinh tế. Đối với các công trình quan trọng hoặc phức tạp, việc thực hiện phân tích bằng ít nhất hai phương pháp để đối chứng kết quả là một thực hành được khuyến khích.

5.1. Phân tích kết quả chuyển vị đỉnh và chuyển vị lệch tầng

Kết quả phân tích chuyển vị đỉnh và chuyển vị lệch tầng là các chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu năng của công trình dưới tác động của động đất. Trong nghiên cứu trên Công trình 1 (đều đặn), luận văn chỉ ra một xu hướng rõ ràng: "Phương pháp phổ cho kết quả thấp nhất, cao nhất là phương pháp lịch sử thời gian. Và nằm ở mức trung bình là phương pháp tĩnh ngang tương đương". Điều này cho thấy phương pháp Lịch sử thời gian thường đưa ra yêu cầu khắt khe nhất về độ cứng của công trình, trong khi Phân tích Phổ phản ứng có thể cho kết quả ít an toàn hơn một chút trong một số trường hợp. Đối với Công trình 2 (không đều đặn), nơi phương pháp tĩnh không áp dụng được, kết quả giữa Phân tích Phổ phản ứng và Lịch sử thời gian là "tương đồng, có sự khác biệt về giá trị nhưng sai số nhỏ". Điều này cho thấy với các công trình phức tạp, Phân tích Phổ phản ứng vẫn là một công cụ đủ tin cậy cho mục đích thiết kế thông thường.

5.2. Đánh giá nội lực và độ dẻo kết cấu trên mô hình tính toán

Về mặt nội lực, sự phân bố lực cắt và mô men dọc theo chiều cao công trình có sự khác biệt đáng kể giữa các phương pháp. Phương pháp Tĩnh lực ngang tương đương với giả thiết phân bố lực tuyến tính thường đánh giá thấp nội lực ở các tầng trên và đánh giá cao ở các tầng dưới so với hai phương pháp động lực học. Phân tích Phổ phản ứng và Phân tích Lịch sử thời gian cung cấp sự phân bố nội lực hợp lý hơn do xét đến các dạng dao động bậc cao. Nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng giá trị nội lực từ phương pháp Lịch sử thời gian thường là lớn nhất, phản ánh bản chất khắc nghiệt của một trận động đất cụ thể. Sự chênh lệch này đòi hỏi kỹ sư phải cân nhắc kỹ lưỡng khi lựa chọn phương pháp, đặc biệt là trong việc thiết kế các chi tiết cốt thép nhằm đảm bảo độ dẻo kết cấu và khả năng chịu lực của các cấu kiện tại các vị trí quan trọng như chân cột và các nút khung.

VI. Kết luận Lựa chọn phương pháp tính động đất nào phù hợp

Việc lựa chọn phương pháp tính tải trọng động đất không có một câu trả lời duy nhất cho mọi công trình. Quyết định này phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất của công trình (độ cao, tính đều đặn), mức độ nguy hiểm động đất tại địa điểm xây dựng, tầm quan trọng của công trình và các yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế. Mỗi phương pháp, từ Tĩnh lực ngang tương đương, Phân tích Phổ phản ứng đến Phân tích Lịch sử thời gian, đều có một vị trí riêng trong bộ công cụ của kỹ sư kết cấu. Việc hiểu rõ các giả định, giới hạn và kết quả mà mỗi phương pháp mang lại là chìa khóa để thiết kế một công trình vừa an toàn, vừa kinh tế. Trong thực hành, một quy trình làm việc hợp lý có thể bắt đầu bằng phương pháp Tĩnh lực ngang tương đương để có thiết kế sơ bộ (nếu công trình cho phép), sau đó kiểm tra và tinh chỉnh bằng Phân tích Phổ phản ứng, và cuối cùng, đối với các công trình đặc biệt quan trọng hoặc cực kỳ phức tạp, sử dụng Phân tích Lịch sử thời gian phi tuyến để xác nhận hiệu năng cuối cùng.

6.1. Khuyến nghị lựa chọn phương pháp dựa trên đặc điểm công trình

Dựa trên các phân tích và so sánh, có thể đưa ra các khuyến nghị sau: Phương pháp Tĩnh lực ngang tương đương nên được giới hạn cho các công trình thấp tầng (chiều cao dưới 40m theo TCVN 9386:2012), có hình dạng rất đều đặn về mặt bằng và mặt đứng. Đây là công cụ hữu ích cho giai đoạn thiết kế ý tưởng. Phân tích Phổ phản ứng là phương pháp phù hợp và được khuyến nghị cho đại đa số các kết cấu nhà cao tầng thông thường. Nó cân bằng tốt giữa độ chính xác và khối lượng tính toán. Phương pháp này là bắt buộc đối với các công trình không thỏa mãn điều kiện đều đặn. Phân tích Lịch sử thời gian, đặc biệt là phân tích phi tuyến, nên được dành riêng cho các công trình có tầm quan trọng đặc biệt (nhà máy điện hạt nhân, bệnh viện lớn, trung tâm chỉ huy), các tòa nhà siêu cao tầng, hoặc các kết cấu có hệ chịu lực độc đáo, nơi mà việc hiểu rõ ứng xử phi tuyến và khả năng sụp đổ là cực kỳ quan trọng.

6.2. Xu hướng tương lai trong phân tích và thiết kế kháng chấn

Ngành kỹ thuật xây dựng đang chứng kiến sự phát triển không ngừng trong lĩnh vực thiết kế kháng chấn. Xu hướng tương lai tập trung vào Thiết kế dựa trên hiệu năng (Performance-Based Design - PBD), một cách tiếp cận vượt ra ngoài việc chỉ tuân thủ các quy định tối thiểu của tiêu chuẩn. PBD yêu cầu xác định rõ các mục tiêu hiệu năng (ví dụ: hoạt động ngay sau động đất, an toàn tính mạng) và sử dụng các công cụ phân tích tiên tiến như Phân tích Lịch sử thời gian phi tuyến để chứng minh rằng công trình đạt được các mục tiêu đó. Cùng với sự phát triển của năng lực tính toán máy tính, các mô hình tính toán ngày càng trở nên chi tiết và chính xác hơn, kết hợp với các phương pháp phân tích xác suất rủi ro địa chấn (Probabilistic Seismic Hazard Analysis - PSHA). Những tiến bộ này hứa hẹn sẽ mang lại các công trình an toàn hơn, bền vững hơn và có khả năng chống chịu tốt hơn trước các thảm họa động đất trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 1. KHÁI QUÁT CHUNG VÉ ĐỘNG ĐẮT 1. Định nghĩa Động đất là một sự rung chuyên hay chuyển động lung lay của mặt đất do sự lan tỏa năng lượng từ một điểm nhất định năm sâu trong lòng đất. Động đất thường là kết qua sự chuyên động của các phay (geologic fault) hay những bộ phận đứt gãy trên vỏ của Trái đất hoặc các hành tỉnh cầu tạo chủ yếu từ chất răn như đất đá,.

Nguyên nhân Động đất hay địa chấn là sự rung chuyển trên bề mặt Trái Đất do kết quả của sự giải phóng năng lượng bất ngờ ở lớp vỏ Trái Đất và phát sinh ra Sóng địa chấn. Nó cũng xảy ra ở các hành tinh có cấu tạo với lớp vỏ ngoài rắn như Trái Đất. Theo nghĩa rộng thì động đất dùng để chỉ các rung chuyển của mặt đất mà tạo ra sóng địa chấn. Chúng được gây ra bởi các nguyên nhân: − Do vận động kiến tạo của các mảng kiến tạo trong vỏ Trái Đất, dẫn đến các hoạt động đứt gãy và hoặc phun trào núi lửa ở các đới hút chìm.

− Thiên thạch va chạm vào Trái Đất, các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn. − Hoạt động của con người gồm cả gây rung động không chủ ý và các kích động có chủ ý trong khảo sát hoặc trong khai thác hay xây dựng, đặc biệt là các vụ thử hạt nhân dưới lòng đất 1. Đặc điểm Động đất diễn ra hàng ngày trên Trái Đất. Chúng có thể có sự rung động rất nhỏ để có thể cảm nhận cho tới đủ khả năng để phá hủy hoàn toàn các thành phố.

Hầu hết các trận động đất đều nhỏ và không gây thiệt hại. Tác động trực tiếp của trận động đất là rung cuộn mặt đất (Ground roll), thường gây ra nhiều thiệt hại nhất. Các rung động này có biên độ lớn, vượt giới hạn đàn hồi của môi trường đất đá hay công trình và gây nứt vỡ. Tác động thứ cấp của động đất là kích động lở đất, lở tuyết, sóng thần, nước triều giả, vỡ đê.

Sau cùng là hỏa hoạn do các hệ thống cung cấp năng lượng (điện, ga) bị phá hủy. Sóng địa chấn và sự truyền sóng Các nhà địa chấn phân chia ra bốn loại sóng địa chấn, được xếp thành 2 nhóm: hai loại gọi là sóng khối (Body waves) và hai loại gọi là sóng bề mặt (Surface waves). 5 Sóng khối phát xuất từ chấn tiêu và lan truyền ra khắp các lớp của Trái Đất. Tại chấn tâm thì sóng khối lan đến bề mặt sẽ tạo ra sóng mặt.

Bốn sóng này có vận tốc lan truyền khác nhau, và tại trạm quan sát địa chấn ghi nhận được theo thứ tự đi đến như sau: • Sóng P: Sóng sơ cấp (Primary wave) hay sóng dọc (Longitudinal wave). • Sóng S: Sóng thứ cấp (Secondary wave) hay sóng ngang (Shear wave). • Sóng Love: Một dạng sóng mặt ngang phân cực ngang. • Sóng Rayleigh: còn gọi là rung cuộn mặt đất (Ground roll) Tùy theo tình trạng ghi nhận sóng của trạm, nhà địa chấn tính ra cường độ, khoảng cách và độ sâu chấn tiêu với mức chính xác thô.

Kết hợp số liệu của nhiều trạm quan sát địa chấn sẽ xác định được cường độ và tọa độ vụ động đất chính xác hơn. Cường độ động đất Cường độ động đất là thê hiện mức độ tàn phá mà động đất có thể gây ra ở một khu vực nào đó. Giá trị thông số này đạt giá trị cực đại ở chấn tâm rồi giảm đân theo khoảng cách chân tâm, và phụ thuộc vào điểm quan sát Thang cường độ động đất (hay cấp động đất) phụ thuộc vào khả năng nhận thức của con người vẻ mức độ phá hoại công trình xây dựng do động đất gảy ra. Năm 1878, thang cường độ động đất được Rossi thành lập.

Năm 1904, Cancani đã đưa ra một thang độ có định lượng cụ thể trên cơ sở gia tốc nên (acceleration) do chân động gây ra. Năm 1931, hai nhà địa chấn học H.Wood và F Neumann xây đựng Thang Mercalli hiệu chỉnh (Modifñed Mercalii Scale) phân chia cường độ chân động thành 12 cấp. Năm 1956, Richter hiệu chính khoảng gia tốc cực đại của Thang Mercalli hiệu chinh thanh thang cường độ chính thúc áp dụng rộng rãi ngày nay. Năm 1964, ba nhà khoa học Medvedev, Sponhahure và Karmic để xuất thang MSK-61, đây là thang cường độ được UNESCO kiến nghị và được sử dụng rộng rãi tại các nước Châu Âu.

Thang Richter (hay còn gọi là thang độ lớn địa phương) Theo định nghĩa của Richter, độ lớn M của một trận động đất được xác định như sau: M = log A − log A0 6 Trong đó: A : Biên độ max của trận động đất đang xét đo địa chắn kẻ. A0:Biên đô max của trân đông đất chuân có cùng chấn tâm.1 Thang cường độ động đất theo đặc trưng của song Mô Độ Tác hại Tần số xảy ra tả Richter không khoảng 8.000 lần/ngày đáng < 2.0 động đất thật nhỏ, không cảm nhận được (1 lần 10 giây) kể thật khoảng 1.9 thường không cảm nhận nhưng đo được nhỏ (1 lần 1,2 phút) khoảng 49.9 cảm nhận được nhưng ít khi gây thiệt hại (160 lần/ngày) rung chuyển đồ vật trong nhà. Thiệt hại nhẹ 4.200 lần/năm khá nghiêm trọng. có thể gây thiệt hại nặng cho những kiến trung trúc không theo tiêu chuẩn phòng ngừa 5.9 khoảng 800 lần/năm bình địa chấn.

Thiệt hại nhẹ cho những kiến trúc xây cất đúng tiêu chuẩn. Có sức tiêu hủy mạnh trong những vùng mạnh 6.9 khoảng 120 lần/năm đông dân trong chu vi 180 km bán kính. rất có sức tàn phá nghiêm trọng trên 7.9 khoảng 18 lần/năm mạnh những diện tích to lớn. có sức tàn phá vô cùng nghiêm trọng cực 8.9 trên những diện tích to lớn trong chu khoảng 1 lần/năm mạnh vi bán kính hàng trăm km.

cực Khả năng tàn phá ngoài sức tưởng tượng kỳ 9.9 khoảng 1 lần/20 năm km2 mạnh trong phạm vi hàng nghìn ngoại Hủy diệt mọi thứ, không gì có thể trụ >10 cực hiếm (không rõ) lệ vững trên diện tích cả lục địa 7 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KÉT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẠI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 1. Phương pháp tĩnh Tải trọng động đất tác dụng lên công trình nhà thông qua dịch chuyển của nền đất và được biểu diễn thông qua lực quán tính trên từng tầng sàn nhà. Dưới tác dụng của tải trọng động đất, kết cấu nhà dịch chuyển liên tục sang phải, sang trái và biến đổi theo từng giây.

Tải trọng động đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm độ lớn và đặc điểm phát sinh chấn động, khoảng cách từ công trình xây dựng đến tâm chấn hay vết đứt gãy, đặc trưng của nền đất, đặc trưng của hệ kết cấu chịu lực ngang (cường độ, độ cứng, khả năng biến dạng dẻo, khả năng hấp thụ năng lượng). Trong thực hành thiết kế kết cấu để đơn giản hoá, tải trọng động đất được quy đổi thành tải trọng tĩnh tương đương (equivalent static lateral forces) tác dụng ở các mức tầng sàn của nhà 1. Phương pháp động lực học Nhiệm vụ cơ bản của bài toán động lực học công trình là xác định chuyển vị và nội lực trong kết cấu công trình khi công trình chịu tác dụng của tải trọng thay đổi theo thời gian: Trên cơ sở đó, sẽ xác định được các biến dạng và ứng suất cực đại để tính toán kiểm tra các công trình thực, đồng thời lựa chọn kích thước kết cấu hợp lý đảm bảo biến dạng và ứng suất nhỏ để thiết kế các công trình mới, tránh hiện tượng cộng hưởng. Dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo thời gian hệ kết cấu sẽ dao động và dao động đó được biểu thị dưới dạng chuyển vị của kết cấu.

Do đó khi phân tích và giải quyết bài toán động lực học công trình sẽ cho phép xác định được sự thay đổi của chuyển vị theo thời gian ứng với quá trình thay đổi của tải trọng động. Các tham số khác như nội lực, ứng suất, biến dạng… các giá trị đều được xác định sau khi có sự phân bố chuyển vị của kết cấu. Tất cả các tham số đó đều là các hàm thay đổi theo thời gian phù hợp với tác dụng động bên ngoài. 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NHÀ CAO TẦNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 2.

GIẢ THUYẾT TÍNH TOÁN Tính toán kết cấu nhà cao tầng là việc xác định trạng thái ứng suất – biến dạng trong từng hệ, từng bộ phận cho đến từng cấu kiện chịu lực dưới tác động của mọi loại tải trọng. Ở đây chúng ta chủ yếu xét đến phản ứng của hệ kết cấu thẳng đứng khung, vách, lõi dưới tác động của tải trọng ngang. Một số giả thiết thường được sử dụng trong tính toán nhà cao tầng: − Giả thiết ngôi nhà làm việc như một thanh công xon có độ cứng uốn tương đương độ cứng của các hệ kết cấu hợp thành. − Giả thiết mỗi hệ kết cấu chỉ có thể tiếp thu một phần tải trọng ngang tỷ lệ với độ cứng uốn (xoắn) của chúng, nhưng được liên kết chặt chẽ với các hệ khác qua các thanh giằng liên kết khớp hai đầu.

− Giả thiết về các hệ chịu lực cùng có một dạng đường cong uốn. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Phương pháp phân tích chính là phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (PPPTHH) là một phương pháp đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó. Phương pháp phần tử hữu hạn ra đời từ thực tiễn phân tích kết cấu, sau đó được phát triển một cách chặt chẽ và tổng quát như phương pháp biến phân hay số dư có trọng số để giải quyết các bài toán vật lý khác nhau. Tuy nhiên khác với phương pháp biến phân số dư có trọng số cổ điển, phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm trong toàn miền xác định mà chỉ trong từng miền con (phần tử) thuộc miền xác định đó.

Do vậy phương pháp phần tử hữu hạn rất thích hợp với các bài toán vật lý và kỹ thuật nhất là đối với bài toán kết cấu, trong đó hàm cần tìm được xác định trên những miền phức tạp bao gồm nhiều miền nhỏ có tính chất khác nhau. Trong phương pháp phần tử hữu hạn miền tính toán được thay thế bởi một số hữu hạn các miền con gọi là phần tử, và các phần tử xem như chỉ được kết nối với nhau qua một số điểm xác định trên biên của nó gọi là điểm nút.