Tính toán nhà khung bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012 và SP 14.13330.2011
Trong những năm gần đây, trên thế giới đã xảy ra rất nhiều trận động đất lớn như tại Indonesia (năm 2012), Nhật Bản (năm 2011), Haiti (năm 2010), Chile(năm 2010), Tứ Xuyên- Trung Quốc (năm 2008), Pakistan (năm 2004), Iran (năm 2004), …. Việt Nam từng ghi nhận 2 trận động đất rất lớn là động đất Điện Biên (năm 1935) 6,75 độ Richter. Trận thứ hai là động đất Tuần Giáo (năm 1983), với cường độ 6,8 độ Richter. Vùng ngoài khơi Nam Trung Bộ, năm 1923 cũng có 1 trận động đất 6,1 độ Richter, đi cùng hiện tượng phun trào núi lửa Hòn Choi.Đặc biệt, trong năm 2012 đến nay, xung quanh khu vực thuỷ điện Sông Tranh 2 thuộc huyện Bắc Trà My, tỉnh Quảng Nam, đã xảy ra liên tiếp các trận động đất. Hậu quả của các trận động đất là gây thiệt hại nghiêm trọng về tính mạng của con người cũng như tài sản vật chất của xã hội.[1], [2],[9],[16]
Các kết quả nghiên cứu cho thấy tại nhiều vùng trên lãnh thổ Việt Nam khi thiết kế công trình xây dựng phải xét tới tác động của động đất. Từ năm 2006, Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất TCXDVN 375:2006 (nay là TCVN 9386:2012) soạn thảo dựa trên Eurocode 8 được ban hành. Tuy nhiên Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất TCVN 9386:2012 chưa hoàn toàn tương thích với hệ thống tiêu chuẩn thiết kế xây dựng công trình của Việt nam, do hệ thông tiêu chuẩn thiết kế kết cấu của Việt Nam chủ yếu dựa theo tiêu chuẩn của Nga .Vì vậy việc sử dụng tiêu chuẩn SP 14.13330.2011 của Nga là xu hướng đang được Bộ Xây dựng định hướng.[1],[9]
Nhằm tìm hiểu về thiết kế công trình chống động đất theo TCVN 9386:2012 và SP 14.13330.2011, tôi chọn đề tài:
“Tính toán nhà khung bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012 và SP 14.13330.2011” cho luận văn thạc sỹ của mình.
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứuứng dụng lý thuyết tính toán động đất của công trình theo hai tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 và SP 14.13330.2011 để tính toán nhà khung BTCT chịu tải trọng động đất theo hai tiêu chuẩn đó. Từ đó đưa ra kiến nghị áp dụng trong thực tế công trình.
3. Đối tượng phạm vi nghiên cứu
Nhà khung bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất. Khảo sát số với công trình 5 tầng xây dựng tại Đà Nẵng chịu tải trọng động đất theo 2 tiêu chuẩn.
Trong phạm vi luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu lý thuyết tính động đất theo hai tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 và SP 14.13330.2011 và nghiên cứu lý thuyết về kết cấu nhà khung bê tông cốt thép.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Tác hại của động đất đến công trình xây dựng nói chung và công trình nhà cao tầng nói riêng là rất nghiêm trọng. Khi động đất xảy ra, nguy cơ nhà cao tầng bị sụp đổ không chỉ gây ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng con người trong công trình mà còn ảnh hưởng đến tính mạng con người và công trình ở các khu vực lân cận.
Vì vậy, việc nghiên cứu: “Tính toán nhà khung bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012 và SP 14.13330.2011” là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Luận văn bao gồm phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, phụ lục, tài liệu tham khảo và 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về động đất và kết cấu khung bê tông cốt thép.
Chương 2: Tính toán kháng chấn theo hai tiêu chuẩn thiết kế TCVN 9386:2012 và SP 14.13330.2011.
Chương 3: Ví dụ tính toán: Khảo sát số với công trình 5 tầng (nhà khung BTCT) xây dựng tại Đà Nẵng chịu tải trọng động đất theo 2 tiêu chuẩn.
So sánh kết quả.
Nhận xét kết quả.
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ DAO ĐỘNG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT
Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất gây ra bởi một sự giải phóng năng lượng đột ngột trong vỏ trái đất.
Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý thuyết, được quy về một điểm gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu trên bề mặt quả đất gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm gọi là độ sâu chấn tiêu (H). Khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi tương ứng là tiêu cự (R) và tâm cự (L).[2],[7], [8]
Tùy thuộc vào độ sâu chấn tiêu (H) mà động đất có thể được phân thành các loại sau:[2],[7],[8],[19]
– Động đất nông: H ≤ 70 km
– Động đất trung bình: H = 70 ÷ 300 km
– Động đất sâu: H > 300 km
Các trận động đất mạnh thường xảy ra ở độ sâu H = 30÷100 km.
1.1.2. Nguồn gốc của động đất
a. Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo
Từ những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà địa chấn đã đưa ra thuyết kiến tạo mảng hay còn gọi là thuyết trôi dạt các lục địa để giải thích cho nguồn gốc các trận động đất xuất hiện trên thế giới. Theo thuyết này, lúc đầu các lục địa gắn liền với nhau gọi là Pangaea, sau đó cách chừng 200 triệu năm chúng tách ra thành nhiều mảng cứng di chuyển chậm tương đối so với nhau trên một lớp dung nham ở dạng thể lỏng, nhiệt độ cao để có hình dạng như ngày nay. [2], [7],[11],[20]
Theo giả thuyết cơ bản của thuyết kiến tạo mảng, bề mặt quả đất được tập hợp từ một số khối lớn gọi là mảng, trên các mảng là các châu lục và đại dương. Các mảng này chuyển động tương đối so với nhau. Toàn bộ vỏ quả đất có thể hình dung được chia thành 15 mảng trong đó có 11 mảng lớn sau: mảng Âu-Á, mảng Châu Phi, Mảng Châu Úc, mảng Philipin, mảng Thái Bình Dương, mảng Cocos, mảng Nazca, mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ, mảng Caribe và mảng Nam Cực. Các mảng lớn lại được chia thành các mảng nhỏ hơn qua các vết đứt gãy nông hơn. [2], [7],[11],[20]
Tại vùng phân chia giữa các mảng xuất hiện các biến dạng tương đối trên một vùng khá hẹp. Các biến dạng có thể xảy ra chậm và liên tục hoặc có thể xảy ra một cách đột ngột dưới dạng các trận động đất. Các nhà khoa học đã xác định được 3 kiểu chuyển động sau tại các bờ biên mảng:[2]
– Chuyển động tách giãn: tại một số vùng, các mảng di chuyển rời xa nhau, dung nham nóng chảy trong phần áo trào lên bề mặt quả đất sau đó nguội đi, bồi dần và mở rộng mảng thạch quyển theo phương ngang. Vùng bờ biên mảng này có tên gọi là vùng gờ mở rộng và thường nằm giữa các đại dương. Ví dụ mảng Bắc Mỹ và Nam Mỹ trượt về phía Tây xa dần các mảng Á- Âu và Châu Phi. Vùng gờ mở rộng (đứt gãy) chạy dọc giữa Đại tây dương tạo nên các núi lửa ngầm dưới biển, dung nham lỏng tràn lên bề mặt, nguội đi và bồi rộng thêm các mảng làm Đại tây dương ngày càng rộng ra.
Hình 1.2: Chuyển động tách giãn
– Chuyển động hút chìm: do kích thước của quả đất giữ nguyên không đổi, nên việc mở rộng các mảng tại một số bờ biên phải được bù lại bằng việc thu hẹp các mảng tại một số bờ biên khác. Điều này đã được quan sát thấy qua chuyển động hút chìm giữa hai mảng kề nhau.Có 2 loại chuyển động hút chìm:
+ Chuyển động trườn: mảng này chuyển động rúc xuống dưới mảng khác. Ví dụ mảng Ấn – Úc rúc xuống mảng Á-Âu làm cho dãy Hymalaya bị đẩy cao dần lên.
+ Chuyển động rúc đồng quy: hai mảng cùng chuyển động rúc xuống. Ví dụ các mảng Cocos và Caribe cùng chuyển động hút chìm xuống theo đứt gãy dọc bờ tây Trung Mỹ.
Hình 1.3: Chuyển động hút chìm
– Chuyển động trượt ngang: chuyển động trượt ngang xuất hiện khi mảng này di chuyển tương đối so với mảng kia theo phương ngang mà không làm sinh ra một phần vỏ mới hoặc làm mất đi một phần vỏ cũ. Có 2 loại chuyển động ngang:
+ Chuyển động trượt ngang tương đối tại đứt gãy.
+ Chuyển động va chạm. Ví dụ mảng Á- Âu và mảng châu Phi tiến lại gần nhau gây ra biến dạng nén ở vùng Địa trung hải.
Hình 1.4: Chuyển động trượt ngang
Như vậy, trong quá trình các mảng dịch chuyển tương đối với nhau, biến dạng dần được tích lũy tại các vùng khác nhau của vỏ trái đất. Khi vật chất tạo nên vỏ trái đất đạt tới trạng thái biến dạng tới hạn, sự phá hoại đột ngột xảy ra. Thế năng biến dạng tức thời chuyển thành động năng và động đất xuất hiện. Lý thuyết kiến tạo mảng đã đưa ra giải thích đơn giản và rõ ràng về nguồn gốc của đa số các trận động đất trên thế giới. Tuy nhiên thuyết này không thể áp dụng để giải thích nguồn gốc của các trận động đất mạnh diễn ra tại các khu vực nằm trong lòng mảng, cách xa bờ của nó. Điều này chứng tỏ các mảng thạch quyển không phải tuyệt đối cứng và trong lòng của nó tồn tại các biến dạng tích lũy theo thời gian. [2]
b.Động đất có nguồn gốc từ các đứt gãy
Khi quan sát các địa hình ta thường gặp những thay đổi đột ngột trong cấu trúc nền đất. Ở một số chỗ các vỉa đá có đặc tính khác nhau gối đầu vào nhau hoặc tựa lên dọc mặt tiếp xúc giữa chúng. Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như vậy gọi là đứt gãy hoặc phay địa chất. [2], [7], [8]
Các đứt gãy chia thành 2 loại:
+ Đứt gãy không hoạt động: là những đứt gãy trong quá khứ đã từng hoạt động, nay không còn chuyển động và sẽ không gây ra động đất.
Đứt gãy hoạt động: là những đứt gãy mà các khối vật chất ở 2 bên bề mặt đứt gãy đang chuyển động tương đối so với nhau, năng lượng biến dạng đàn hồi do quá trình kiến tạo được tích lũy và sau đó được giải phóng đột ngột gây ra động đất.
Các đứt gãy hoạt động được phân loại dựa trên dạng hình học và hướng trượt tương đối giữa chúng. Có thể phân chuyển động tại các đứt gãy cũng như dạng đứt gãy thành các loại sau:
Sự dịch chuyển xảy ra theo phương song song với độ dốc của đứt gãy. Tuỳ thuộc vào hướng chuyển động tương đối của các mảng nằm 2 bên mặt đứt gãy mà các đứt gãy được phân loại như sau:[2]
– Đứt gãy bình thường (đứt gãy thuận): lớp đá cứng phía trên mặt nghiêng của đứt gãy trượt xuống dưới so với lớp nằm dưới. Các đứt gãy có mặt trượt gần thẳng đứng cũng có thể xếp vào loại này.
– Đứt gãy nghịch: lớp đá cứng phía trên mặt đứt gãy nghiêng trượt lên trên so với lớp đá phía dưới đứt gãy.
Trượt ngang (còn gọi là trượt bằng)
Sự dịch chuyển xảy ra theo phương ngang song song với mạch ngang của đứt gãy. Chuyển động trượt ngang thường xảy ra tại các đứt gãy gần thẳng đứng và có quy mô lớn. Tùy thuộc vào hướng chuyển động tương đối của vật chất trên mặt này hay mặt kia của đứt gãy mà phân loại như sau:[2]
– Đứt gãy trượt ngang trái: Nếu đứng từ một mảng quan sát thấy mảng kia trượt về phía trái.
Hình 1.7: Đứt gãy trượt ngang trái
– Đứt gãy trượt ngang phải: Nếu đứng từ một mảng quan sát thấy mảng kia trượt về phía phải.
Hình 1.8: Đứt gãy trượt ngang phải
Trong một số trường hợp, chuyển động trượt của các đứt gãy thường kết hợp giữa trượt ngang và trượt nghiêng gọi là đứt gãy xiên.
c. Động đất phát sinh từ các nguồn gốc khác
Động đất còn có thể phát sinh từ các nguyên nhân sau:[2], [7],[11],[15]
– Do sự giãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất.
– Do các vụ nổ hạt nhân.
– Do hoạt động của núi lửa.
– Do sụp đổ các hang động ngầm dưới đất.
– Do tích nước vào các hồ chứa lớn.
1.1.3. Đánh giá sức mạnh của động đất
Đánh giá và đo sức mạnh của các trận động đất là một vấn đề rất quan trọng. Trong nhiều thế kỷ qua đã xuất hiện nhiều cách thức đánh giá định tính và định lượng các chuyển động địa chấn nói riêng và sức mạnh của động đất nói chung. Hiện nay, sức mạnh của động đất được đánh giá dựa vào:[2]
– Thang cường độ động đất.
– Thang độ lớn động đất.
Thang cường độ động đất được dùng để đánh giá sức mạnh của động đất một cách định tính. Có nhiều thang cường độ động đất khác nhau. Sau đây là một số thang cường độ động đất chính hiện đang được sử dụng ở các khu vực trên thế giới. [2], [7]
Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi
Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi (Modified Mercalli- viết tắt là MM) gồm có 12 cấp, cung cấp một hình ảnh chủ quan về mức độ tác động của một trận động đất lên con người, các đồ vật và công trình xây dựng … tại một địa điểm cụ thể. Thang MM được sử dụng rộng rãi ở châu Âu, Bắc Mỹ và khu vực khác trên thế giới:[2], [7], [12], [18], [22]
Nội dung của thang MM được cho ở bảng 1.1:
Bảng 1.1: Thang cường độ động đất MM
| Cường độ IMM | Mô tả tác động động đất | Gia tốc cực đại gần đúng của nền đất (g) |
| I | Con người không cảm nhận được, chỉ có các địa chấn kế mới ghi nhận được | < 0,003 |
| II | Một số ít người sống ở các tầng trên của nhà cảm nhận được hoạt động địa chấn. | < 0,003 |
| III | Một số người cảm nhận được hoạt động địa chấn giống như rung động của xe ô tô chạy với tốc độ cao gây ra. Xe ô tô đang đỗ bị dịch chuyển | 0,003 – 0,007 |
| IV | Tất cả mọi người trong nhà cảm nhận được hoạt động địa chấn. Ô tô đang đỗ bị dịch chuyển mạnh. | 0,007 – 0,015 |
| V | Tất cả mọi người trong nhà cảm nhận được hoạt động địa chấn.Đồ đạc và giường ngủ bị lắc, đồ sứ bị vỡ, trần thạch cao bị nứt | 0,015 – 0,03 |
| VI | Đa số người hoảng sợ chạy ra khỏi nhà. Trần thạch cao rơi xuống. Nhà bị hư hỏng nhẹ | 0,03 – 0,07 |
| VII | Tất cả mọi người chạy ra khỏi nhà. Nhà bị hư hỏng phụ thuộc vào chất lượng xây dựng. | 0,07 – 0,15 |
| VIII | Các tường ngăn bị nứt, khung, tượng, tháp chuông bị đổ. Các vết nứt xuất hiện ở nền đất dốc hoặc ẩm ướt; đá trên núi rơi xuống. | 0,15 – 0,30 |
| IX | Nhà bị dịch chuyển khỏi móng, bị nứt, bị nghiêng, đa số không sử dụng được. Nền đất bị nứt, các đường ống ngầm bị vỡ. | 0,30 – 0,70 |
| X | Nền đất bị trượt. Đường ray bị uốn cong. Các công trình bằng khối xây bị đổ. Mặt đất mở ra | 0,70 – 1,50 |
| XI | Cầu bị đổ. Chỉ có những công trình mới xây không bị đổ nhưng thường bị hư hỏng nặng | 1,50 – 3,00 |
| XII | Công trình xây dựng bị phá hủyvhoàn toàn, địa hình bị thay đổi, các đứt gãy lớn được tạo ra | 3,00 – 7,00 |
Năm 1949, cơ quan khí tượng Nhật Bản (JMA) đề xuất một thang cường độ động đất có 8 cấp và được sử dụng ở Nhật Bản cho đến nay.Nội dung của thang JMA được cho ở bảng sau:[2], [7], [12],[19], [21]
Bảng 1.2: Bảng cường độ động đất JMA
| Cường độ IJMA | Mô tả tác động động đất |
| O | Không cảm nhận được: con người không cảm nhận nhưng đại chấn kế ghi được. |
| I | Nhẹ: những người đang nằm nghỉ hoặc những người đặc biệt nhạy cảm với động đất mới cảm nhận được. |
| II | Yếu: đa số người cảm nhận được; các cửa ra vào và các cửa trượt kiểu Nhật Bản kêu lách cách. |
| III | Tương đối mạnh: các ngôi nhà 1 tầng và nhiều tầng bị rung; các cửa ra vào và các cửa trượt kiểu Nhật Bản va đập mạnh; các đèn chùm và vật treo khác bị chao lắc; chất lỏng chứa trong bình chuyển động. |
| IV | Mạnh: các ngôi nhà 1 tầng và nhiều tầng bị lắc mạnh; các vật không ổn định bị lật; chất lỏng bị bắn ra khỏi các bình chứa khoảng 4/3 thể tích. |
| V | Rất mạnh: các tường bằng thạch cao bị nứt; ống khói bằng gạch và các kho hàng xây dựng bằng vật liệu địa phương bị hư hại. |
| VI | Thảm họa: khoảng dưới 30% nhà gỗ Nhật Bản bị đổ nát, nhiều nơi bị lở đất và đê bị hư hỏng; mặt đất bị nứt. |
| VII | Tàn phá: trên 30% nhà gỗ Nhật Bản bị đổ nát |
Thang cường độ động đất MSK – 64
Thang cường độ động đất MSK – 64 do ba nhà khoa học Medvedev, Sponhauer và Karnic đề xuất năm 1964. Thang này được sử dụng rộng rãi ở Nga, các nước thuộc khối SNG (Cộng đồng các quốc gia độc lập), một số nước Đông Âu, Việt Nam…[2], [7], [12],[24],[25]
Nội dung của thang cường độ động đất MSK – 64 được cho ở bảng 1.:
Bảng 1.3: Bảng cường độ động đất MSK
| Cấp độ động đất | Cường độ động đất | Hậu quả tác động động đất | ||
| Lên con người | Lên công trình XD | Lên môi trường | ||
| I | Không đáng kể | Không cảm nhận được | ||
| II | Rất nhẹ | Cảm nhận rất nhẹ | ||
| III | Nhẹ | Chủ yếu những người đang nghĩ ngơi mới cảm nhận được | ||
| IV | Hơi mạnh | Những người ở trong nhà cảm nhận được | Kính cửa sổ bị rung | |
| V | Tương đối mạnh | Những người ở trong và ngoài cảm nhận được, người đang ngủ thức dậy. | Các đồ vật treo đung đưa, các bức tranh treo trên tường bị dịch chuyển | |
| VI | Mạnh | Nhiều người hoảng sợ | Kết cấu bị hư hỏng nhẹ, các vết nứt ở lớp trát | Một vài vết nứt nhỏ trên nền đất ướt |
| VII | Rất mạnh | Nhiều người chạy ra khỏi nhà | Hư hỏng lớn ở kết cấu xuất hiện vết nứt ở tường và ống khói | Đất ở các sườn dốc bị trượt |
| VIII | Thiệt hại | Tất cả mọi người hoảng sợ | Nhà bị hư hại, xuất hiện các vết nứt lớn trong khối xây, tường chắn mái và đầu hồi bị đổ | Mực nước giếng thay đổi, đường đắp bị trượt |
| IX | Thiệt hại lớn | Sợ hãi | Nhà bị hư hỏng ở diện rộng, tường và mái bị đổ | Nền đất bị nứt, bị trượt |
| X | Cực kỳ thiệt hại | Sợ hãi bao trùm | Nhà bị hư hỏng toàn bộ, nhiều nhà bị đổ | Bề mặt đất bị thay đổi, xuất hiện nhiều giếng nước mới |
| XI | Hủy diệt | Sợ hãi bao trùm | Các công trình xây dựng chắc chắn bị hư hỏng nghiêm trọng | |
| XII | Hủy diệt toàn bộ | Sợ hãi bao trùm | Nhà và các công trình khác bị đổ hoàn toàn | Bề mặt đất bị thay đổi, xuất hiện nhiều giếng nước mới |
Thang độ lớn động đất là thang đánh giá định lượng quy mô động đất và độ lớn đứt gãy dựa trên biên độ lớn nhất của sóng địa chấn. Có nhiều thang độ lớn động đất khác nhau. Một số thang dựa vào số liệu đo biên độ các song địa chấn với các đặc tính khác nhau. Một số thang biểu thị trực tiếp các thông số nguồn phát sinh động đất, không phụ thuộc vào các sóng địa chấn. Một số thang độ lớn động đất được dùng thông dụng như sau:[2], [7]
Theo định nghĩa của thang Richter, độ lớn M của một trận động đất là: M = logA, với A là biên độ cực đại của trận động đất đang xét ghi được tại một điểm cách tâm chấn 100km bằng một địa chấn kế xoắn do H.O.Wood và J. Anderson thiết kế.[2]
Tuy nhiên trong thực tế, địa chấn kế chuẩn không phải lúc nào cũng đặt cách chấn tâm 100km, nên để thiết lập thang độ lớn, Richter đã tìm mối quan hệ giữa biên độ cực đại A và khoảng cách chấn tâm L. Richter nhận thấy các đường cong thể hiện mối quan hệ giữa logA và L gần như song song nhau cho 2 trận động đất bất kỳ.[2]
Hình 1.9: Quan hệ giữa logA và L
Khi đó, Richter đã chọn một đường cong đặc thù làm chuẩn, và độ lớn của một trận động đất là hiệu số giữa biên độ của nó và biên độ của trận động đất chuẩn được chọn:
M = logA – logA0
Trong đó:
A- biên độ lớn nhất của trận động đất đang xét do địa chấn kế Wood-Anderson ghi được tại trạm quan trắc.
A0– biên độ lớn nhất của trận động đất chuẩn có cùng khoảng cách chấn tâm
* Thang độ lớn sóng mặt Ms: thang này đo các biên độ sóng mặt R có chu kỳ bằng 20s, thường gặp ở các trận động đất rất xa với khoảng cách các chấn tâm trên 2000km. Thang này được Gutenberg và Richter đề xuất năm 1936, và dùng để đo các trận động đất trung bình tới lớn, có độ sâu chấn tiêu không lớn (<70km). Biểu thức xác định Ms:[2], [7],[14]
Ms = logA + 1,66logL + 2
Trong đó:
L- khoảng cách chấn tâm (đo bằng độ).
A- chuyển vị lớn nhất của nền đất khi dao động (đo bằng micron)
* Thang độ lớn sóng khối mb: thang này đo biên độ sóng dọc P có chu kì khoảng 1s. Thang này phù hợp cho các trận động đất rất sâu với sóng mặt yếu, được Gutenberg đề xuất năm 1945. Thang mb có thể đo các trận động đất xa với khoảng cách chấn tâm trên 600km. Biểu thức xác định mb:
Mb = logA – logT + 0,01L + 5,9
Trong đó:
A- biên độ sóng P (đo bằng micron).
T- chu kỳ dao động (đo bằng giây).
L- khoảng cách chấn tâm (đo bằng độ).
* Thang độ lớn momen động đất Mw: thang này dùng để mô tả độ lớn của các trận động đất dựa trên cơ cấu phá hoại cắt xảy ra ở nơi phát sinh của chúng. Thang độ lớn momen động đất là thang duy nhất dựa trực tiếp vào lực tác động gây ra động đất tại đứt gãy mà không phải dựa vào biên độ các sóng địa chấn. Độ lớn momen động đất được Hank và Kananmori đề xuất năm 1979 như sau:[2], [7]
Mw = logM0 – 10,7
Trong đó: M0 – momen động đất (dyn-cm)
Momen động đất M0 cho chúng ta quy mô của một trận động đất trực tiếp từ năng lượng được giải phóng tại đứt gãy thông qua biểu thức:
M0 = G.s.A
Với: G- mô đun cắt của môi trường (thường lấy 3.1011 dyn/cm2)
s- chuyển vị trung bình của các đứt gãy (chiều dài phá hủy trung bình của mặt đứt gãy)
A- diện tích mặt phá hủy hoặc mặt đứt gãy
Như vậy, có thể sử dụng nhiều thang khác nhau để biểu thị độ lớn của một trận động đất gây ra. Tuy nhiên, do các thang độ lớn đều có những hạn chế nhất định, nên để đo các trận động đất nên có thể sử dụng các thang độ lớn trong phạm vi sau:[2],[7],[15]
ML khi độ lớn động đất nhỏs hơn 3
mb khi độ lớn động đất nằm giữa 3 và 7
Ms khi độ lớn động đất nằm giữa 5 và 7,5
Mw khi độ lớn động đất vượt qua 7,5
1.1.4. Các đặc trưng của chuyển động nền đất
Khi xảy ra động đất, chuyển động của bất kỳ hạt vật chất nào trong nền đất đều theo một quỹ đạo phức tạp 3 chiều với gia tốc, vận tốc và chuyển vị thay đổi nhanh chóng trong một dãy tập hợp tần số rộng. Chuyển động của nền đất trong các trận động đất khác nhau cũng khác nhau. Điều này gây khó khăn trong việc xác định một cách đầy đủ và chính xác các đặc trưng của chuyển động nề đất. Tuy nhiên, trong thiết kế công trình chịu động đất, đa số các trường hợp không cần thiết phải mô tả chính xác chuyển động nền theo lịch sử thời gian mà chỉ cần biểu thị qua một số đặc trưng cơ bản.[2],[7],[11]
Trong số các đặc trưng của chuyển động nền khi động đất xảy ra, các đặc trưng sau đây có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế kháng chấn:
– Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất.
– Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh.
– Nội dung tần số.
Mỗi một đặc trưng trên đều ảnh hưởng lớn đến phản ứng của công trình. Trước tiên, biên độ lớn nhất của chuyển động nền ảnh hưởng tới biên độ dao động công trình. Khoảng thời gian kéo dài của các chuyển động mạnh có hệ quả quan trọng tới mức độ tàn phá của chấn động nền lên công trình. Nội dung tần số và hình dạng phổ liên quan tới tần số hoặc chu kỳ dao động của công trình. Đối với một hệ kết cấu khi nội dung tần số của chuyển động nền gần trùng với tần số dao động riêng của công trình thì chuyển động nền sẽ khuyếch đại dao động của công trình dẫn tới hiện tượng cộng hưởng rất nguy hiểm.[2], [7]
1.1.5. Tổng quan về lý thuyết tính toán động đất
a. Sơ lược quá trình phát triển các phương pháp tính toán tải trọng động đất
Trong những năm đầu thế kỷ XX nhà khoa học Nhật F.Omori đã đề xuất lý thuyết tính toán tĩnh để xác định tải trọng động đất. [7], [11] Với phương pháp này ta xem công trình như vật thể tuyệt đối cứng đặt trên nền đất và chấp nhận giả thiết:gia tốc,tốc độ,chuyển vị ngang tại bất cứ vị trí nào trên công trình cũng bằng các đặc trưng dao động nền đất tại chân công trình.
Như vậy ta có:
Trong đó:
m: khối lượng công trình.
: gia tốc cực đại của nền đất dưới chân công trình.
: hệ số địa chấn, với g là gia tốc trọng trường.
Phương pháp này có nhược điểm:
– Có rất ít kết cấu nào có thể xem là tuyệt đối cứng.
– Khi nền đất chuyển động đa sốcác công trình đều biến dạng nên chuyển vị và gia tốc ở tại các vị trí khác nhau trên công trình là khác nhau.
– Chu kỳ dao động tự nhiên của hệ kết cấu trùng hoặc gần trùng với chu kỳ dao động của nền đất thì có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng làm hiệu ứng tác động của động đất tăng lên nhiều lần.
– Chưa xét đến độ cản của kết cấu trong quá trình dao động.
Năm 1920 nhà khoa học Nhật N.Mononobe đã bổ sung thêm các tính chất biến dạng của kết cấu [2], [11]. Mononobe đưa vào hệ số khuyếch đại động:
Với: T: chu kỳ dao động của công trình
T0: chu kỳ dao động của nền đất
Khi đó:
Tuy nhiên N.Mononobe đã bỏ qua lực cản, chưa xét đến lực động đất sẽ tăng thêm khi có tác dụng của dao động tự do và dao động cưỡng bức, phạm vi áp dụng cũng cho kết cấu có 1 bậc tự do nhưng chưa giải quyết được sự phân bố động đất theo chiều cao công trình (tức kết cấu có nhiều bậc tự do).
Năm 1927 nhà khoa học Nga K.Zavriev đã đưa ra các yếu tố quan trọng trong dao động tự nhiên trong giai đoạn khởi đầu của tác động động đất [2], [7], [11]. Zavriev đã đặt nền móng đầu tiên cho cơ sở lý thuyết động lực trong tính toán tác động động đất.
Năm 1934 Nhà khoa học Mỹ M.Biot đã đề xuất phương pháp tính tải trọng động đất bằng cách dùng các số liệu dao động nền đất thực ghi lại được khi động đất xảy ra. [2], [7], [22], [26]
Năm 1949 Housner và Kahn đã đưa ra được cách xác định phổ gia tốc bằng thiết bị tương tự điện. [2], [7], [22]
Vào những thập niên 80 của thế kỷ XX hàng loạt các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm được thực hiện, quan điểm thiết kế kháng chấn mới được hình thành.Theo các quan điểm mới này các công trình được thiết kế sao cho có khả năng chịu được các trận động đất vừa và nhỏ xuất hiện ngẫu nhiên mà công trình không bị hư hỏng, khi gặp các trận động đất mạnh thì công trình không bị sụp đổ. [2], [7]
b. Các phương pháp tính toán kết cấu chịu tác động của tải trọng động đất
Kỹ thuật kháng chấn có liên quan đến việc phân vùng động đất, trạng thái động lực học của công trình, các phương pháp tính toán kết cấu công trình, tính kinh tế của việc thiết kế và tính toán công trình khi chịu động đất.
Trong những năm gần đây, số lượng các phương pháp tính toán kết cấu chịu tải trọng động đất được sử dụng trong nghiên cứu và thiết kế tăng lên nhanh chóng. Các phương pháp tính hiện nay có thể chia làm hai nhóm:[7], [8], [16], [26]
Phương pháp tĩnh: phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp tĩnh phi tuyến (phương pháp đẩy dần “push-over”)
Phương pháp động: phương pháp phổ phản ứng, phương pháp phân tích dạng chính, phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động.
Phương pháp tính toán tĩnh lực ngang tương đương
Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương là phương pháp trong đó lực quán tính do động đất sinh ra tác động lên công trình theo phương ngang được thay bằng các tĩnh lực ngang tương đương. Trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, lực ngang do động đất sinh ra tác động ở chân công trình là:[2], [7], [8], [16],
Fb = C.Q
Với: C:hệ số địa chấn
Q: trọng lượng toàn bộ công trình
Fb: lực ngang cắt đáy hoặc lực cắt ở chân công trình. Lực ngang này được phân phối trên chiều cao công trình tại các vị trí có khối lượng tập trung, thường là cao trình các bản sàn.
Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương không áp dụng được cho các công trình có hình dạng không đều đặn, hoặc có sự phân bổ khối lượng và độ cứng không đều trong mặt bằng cũng như trên chiều cao. Bên cạnh đó, phương pháp này còn hạn chế là không cung cấp được các thông tin về sự làm việc của công trình trong thời gian động đất. [2], [7]
Phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến (phương pháp tính toán push-over)
Đặc điểm cơ bản của phương pháp này là quá trình biến dạng phi tuyến của kết cấu xảy ra dưới tác động gia tăng đều đặn của tải trọng ngang trong khi tải trọng đứng giữ nguyên không đổi. Quá trình gia tăng đều đặn tải trọng ngang này được thực hiện cho tới khi nút kiểm tra có chuyển vị ngang bằng chuyển vị ngang “mục tiêu” cho trước hoặc khi đạt tới lực cắt đáy “mục tiêu”. Chuyển vị “mục tiêu” là chuyển vị ngang lớn nhất tại cao trình mái có thể đạt tới trong quá trình chịu tác động động đất thiết kế. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị ngang kiểm tra ở cao trình mái được gọi là đường cong khả năng. Đây là kết quả chủ yếu của phương pháp push-over vì nó biểu thị công năng tổng thể của công trình. [2], [7], [13], [16]
Phương pháp này cho phép theo dõi quá trình chảy dẻo và phá hoại ở các cấu kiện thành phần lẫn toàn bộ kết cấu. Ngoài ra, phương pháp này cũng cho phép xác định sự phân bố chuyển vị ngang không đàn hồi trên chiều cao của công trình và cách thức sụp đổ của hệ kết cấu. [2], [7]
Phương pháp phổ phản ứng
Trong các phương pháp động, tác động động đất được cho dưới dạng phổ phản ứng hoặc gia tốc đồ của chuyển động địa chấn. Trong số các phương pháp tính toán động, phương pháp phổ phản ứng là đơn giản nhất. [2], [7], [13], [16]
Nội dung của phương pháp phổ phản ứng như sau:
– Trước hết theo cách tính thông thường, xác định chu kỳ và dao động cho mỗi dạng dao động chính của hệ kết cấu.
– Từ phổ phản ứng động đất cho trước, xác định các phổ gia tốc cực đại với các chu kỳ dao động và hệ số cản tới hạn của mỗi dạng dao động chính.
– Trên cơ sở này, bằng kỹ thuật phân tích dạng xác định phản ứng lớn nhất của hệ kết cấu ở mỗi dạng lao động chính. Phản ứng toàn phần của hệ kết cấu được xác định theo phương pháp tổ hợp thống kê các phản ứng lớn nhất ở các dạng dao động chính.
Ưu điểm chính của phương pháp phổ phản ứng là tính toán nhanh, đơn giản và cho kết quả tính toán với độ chính xác chấp nhận được. Tuy nhiên do phải dùng nguyên lý cộng tác dụng nên phương pháp này chỉ giới hạn cho việc tính toán tuyến tính. [2], [7]
Phương pháp phân tích dạng chính
Nội dung của phương pháp này như sau:[2], [7], [13], [16]
– Trước hết dùng kỹ thuật phân tích dạng để tách phương trình chuyển động của hệ kết cấu có n bậc tự do thành n phương trình chuyển động độc lập, mỗi phương trình chuyển động ứng với một dạng dao động chính của hệ kết cấu.(tương tự phương pháp phổ phản ứng)
– Để giải các phương trình chuyển động này, ta dùng gia tốc đồ thực. Do đó, phương pháp phân tích dạng chính sẽ cung cấp cho chúng ta phản ứng động của hệ kết cấu theo lịch sử thời gian ở mỗi dạng dao động chính.
– Phản ứng toàn phần của hệ kết cấu được xác định trên cơ sở nguyên lý tổ hợp phản ứng của các dạng dao động chính.(tương tự như phương pháp phổ phản ứng)
Cũng như phương pháp phổ phản ứng, phương pháp tính toán này có những nhược điểm sau:
– Phụ thuộc vào việc tách một cách nhân tạo các dạng dao động.
– Phải tổ hợp các kết quả tính toán ở các dạng dao động lại theo nguyên tắc cộng tác dụng nên chỉ giới hạn ở giai đoạn làm việc đàn hồi của vật liệu.
– Không áp dụng cho các hệ kết cấu không sử dụng được kỹ thuật phân tích dạng.
– Không cho các chỉ dẫn chính xác về sự hình thành khớp dẻo ở một số cấu kiện.
Như vậy phương pháp phổ phản ứng ở trên có thể xem là trường hợp đặc biệt của phương pháp phân tích dạng dao động chính. [7]
Phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động
Theo phương pháp này, từ một gia tốc đồ địa chấn là hàm lực biến thiên theo thời gian, ta có thể xác định được lịch sử phản ứng của công trình trong thời gian bị động đất. Đó chính là các biểu đồ nội lực và chuyển vị của hệ kết cấu tại mỗi khoảng thời gian định trước trong toàn bộ lịch sử chuyển động địa chấn. [2], [7], [16]
Các phương trình tính toán được viết cho cả giai đoạn đàn hồi tuyến tính lẫn không đàn hồi phi tuyến của vật liệu bằng phương pháp tích phân từng bước một. Đây là phương pháp tính toán tốt nhất và cung cấp được nhiều thông tin nhất về trạng thái ứng suất và chuyển vị của hệ kết cấu chịu lực dưới tác động của một chuyển động địa chấn bất kỳ cho trước.
Trong thực tế thiết kế rất ít khi dùng phương pháp tích phân trực tiếp để tính toán công trình trong giai đoạn làm việc đàn hồi tuyến tính, trừ trường hợp việc tách dạng không thể thực hiện được. Nguyên nhân là do kỹ thuật phân tích dạng thường rẻ hơn, dễ hơn và kết quả cũng gần chính xác. [2], [7]
1.1.6. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
a. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Danh mục tiêu chuẩn động đất của các nước trên thế giới do Hội Địa chấn quốc tế sưu tập đến tháng 7 năm 1992 có 37 tiêu chuẩn [2], [13], [16], đó là tiêu chuẩn của các nước: Algeria, Argentina, Australia, Austria, Bulgaria, Canada, Chile, China, Colombia, Costa Rica, Cuba, Egypt, El Salvador, Ethiopia, France, Germany, Greece, India, Indonesia, Iran, Israel, Italy, Japan, Mexico, New Zealand, Nicaragua, Peru, Philippines, Portugal, Romania, Spain, Switzerland, Turkey, Union of Soviet Socialist Republic, United States of America, Venezuela, Yugoslavia. Ngoài các tiêu chuẩn của các nước nói trên còn có tiêu chuẩn động đất khu vực như tiêu chuẩn động đất châu Âu [2], [16] tiêu chuẩn động đất Taiwan… [2]
b. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Nghiên cứu động đất ở Việt Nam được Viện Vật lý Địa cầu thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia đã tiến hành từ lâu, nhất là mười năm gần đây đã có bước phát triển vượt bậc. Một hệ thống các phương pháp xác định các thông số cơ bản của động đất đã bước đầu hoàn thiện, xây dựng được mục lục động đất Việt Nam, nghiên cứu các quy luật cơ bản về tính động đất, xác định các đặc trưng của chế độ động đất và đánh giá mức độ nguy hiểm động đất trên toàn lãnh thổ nước nhà. [2], [11]
Đến năm 1986, có tất cả 8 trạm quan trắc địa chấn được xây dựng ở Việt Nam. Các trạm quan trắc địa chấn này được xây dựng và hoạt động ở những thời điểm khác nhau: Phù Liễn (1924), Nha Trang (1957), Sapa (1961), Bắc Giang (1967), Hòa Bình (1972), Tuyên Quang (1975), Đà Lạt (1980), Hà Nội (1986), … Từ những năm 1986 đến 1995 nhờ dự án của UNDP, mạng lưới trạm địa chấn Việt Nam được tăng cường và hiện đại hóa. Đến nay chúng ta có 26 trạm địa chấn chu kỳ ngắn, ghi số trong đó có hệ thống trạm địa chấn đo xa (Seismic Telemetry System) gồm 8 trạm xung quanh Hà Nội. Với mạng lưới này cho phép ghi lại khá đầy đủ các trận động đất có độ lớn Ms3.0 ở miền Bắc và Ms4.0 trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam. [2], [7]
Tính động đất và quy luật biểu hiện động đất trên lãnh thổ Việt Nam đã được nghiên cứu từ những năm 1960 và đã được khái quát trong công trình nghiên cứu “Động đất trên lãnh thổ Việt Nam – Nguyễn Đình Xuyên năm 1985”. Tập hợp đầy đủ các kết quả nghiên cứu đến năm 1996 là công trình nghiên cứu mới đây “Cơ sở dữ liệu cho các giải pháp giảm nhẹ hậu quả của động đất ở Việt Nam” và ở đây có thể tìm thấy các thông tin về các trận động đất mạnh đến các trận động đất chỉ cảm nhận đã xảy ra và phát hiện trên lãnh thổ Việt Nam. [2]
Để hoàn thiện hơn các bản đồ dự báo về mức độ nguy hiểm động đất trên lãnh thổ Việt Nam và tiếp cận bước đầu với phương pháp dự báo động đất về thời điểm phát sinh, từ năm 2000 Bộ Khoa học công nghệ và Môi trường đã giao cho Viện Vật lý Địa cầu triển khai đề tài: “Nghiên cứu dự báo động đất và dao động nền ở Việt Nam”. Một trong những kết quả nghiên cứu của đề tài này là bản đồ dự báo cường độ động đất cực đại, bản đồ phân vùng gia tốc nền cực đại amax và các bản đồ phân vùng gia tốc nền với xác suất vượt quá 10% trong các trong các khoảng thời gian 20, 50 và 100 năm. Dựa trên kết quả nghiên cứu này, Viện vật lý Địa cầu đã cung cấp bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam chu kỳ lặp lại 500 năm trên nền loại A dùng cho Tiêu chuẩn “Thiết kế công trình chịu động đất” TCVN 9386:2012. Theo bản đồ này, giá trị gia tốc nền (agR) được chia thành các khoảng 0,04g-0,08g, 0,08g-0,12g và lớn hơn 0,12g (Với g: Gia tốc trọng trường) [2], [13], [11]
Hiện nay theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 do Bộ Xây dựng ban hành năm 2012, tùy thuộc dạng kết cấu, cấp công trình xây dựng, vị trí phân vùng động đất phù hợp với đặc điểm và quy mô công trình cụ thể, chúng ta có thể tính toán động đất của công trình bằng các phương pháp khác nhau như phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp phân tích phổ phản ứng , phương pháp lịch sử thời gian. [2]
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN KY THUAT\LUAN VAN LOP K26 XDDD\NGUYEN CONG MINH
