Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGÔ QUANG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGÔ QUANG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. PHAN QUANG MINH Đà Nẵng - Năm 2018 i LỜI CẢM ƠN Với những kiến thức tích lũy được trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu chương trình cao học tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, cùng với sự quan tâm, giúp đỡ tận tình của Ban Giám Hiệu nhà trường, quý thầy cô và với sự cố gắng, quyết tâm của bản thân, đến nay, tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ của mình. Với lòng biết ơn và trân trọng, tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, lãnh đạo Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập cũng như nghiên cứu, thực hiện hoàn thành luận văn này. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS. TS Phan Quang Minh đã quan tâm, giúp đỡ và tận tình hướng dẫn, giúp cho tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ. Do thời gian có hạn và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên luận văn của tôi không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để luận văn của tôi hoàn chỉnh hơn và việc đánh giá các công trình hiện hữu được tổng quát và thực tế hơn. Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn và kính chúc quý thầy cô luôn mạnh khỏe, hạnh phúc. Kính chúc Nhà trường đạt được nhiều thành công hơn nữa trong thời gian đến. Đà Nẵng, ngày tháng 02 năm 2018 Tác giả luận văn Ngô Quang Tuấn LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Ngô Quang Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN NHÀ NHIỀU TẦNG Học viên:Ngô Quang Tuấn Mã số: 60.58.02.08 Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN Khóa: 32 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, các công trình nhà nhiều tầng đã và đang mọc lên tại khắp các đô thị trong cả nước. Các tòa nhà nhiều tầng góp phần tạo kiến trúc cảnh quan, thể hiện đô thị văn minh, giàu đẹp là điểm nhấn của thành phố. Tuy nhiên, trong thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng, xét điều kiện ở Việt Nam, tỷ số nén của cột không được vượt quá 0.65 đối với cấp dẻo trung bình. Điều đó làm tăng đáng kể kích thước của cột, gây tốn kém trong xây dựng và khó khăn trong thiết kế giải pháp kiến trúc. Từ các kết quả nghiên cứu và khảo sát trong luận văn đã chứng minh được thông qua việc xét đến hiệu ứng bó của bê tông, xét đến ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng mà giá trị lực dọc quy đổi giảm một cách đáng kể, nhờ đó ta có thể lựa chọn lại tiết diện cột, cường độ bê tông hợp lí góp phần tiết kiệm chi phí xây dựng. Các phân tích, đánh giá kết quả đạt được và đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo đã được trình bày chi tiết trong phần kết luận và kiến nghị. Từ khóa - nhà nhiều tầng; tỉ số nén; lực dọc thiết kế quy đổi; cốt đai; hiệu ứng bó của bê tông . RESEARCH ON THE IMPACT OF TRANSVERSE REIFORCEMENT TO THE AXIAL FORCE RATIO OF REINFORCED CONCRETE COLUMN ON HIGH-RISE BUILDING Abstract - According to the development of our country’s socio-economic system nowadays, the emergence of high-rise building contributes to the improvement of landscape architecture as well as indicating the civilization and wealthy and typical features of cities in Vietnam. However, in the process of designing the composition of the high-rise building in the conditions of Vietnam, the axial force ratio of reinforced concrete column should not exceed the elasticity average, with is 0.65. Therefore, it increases a significant volume of columns, which makes the cost of construction rises remarkably and increases the difficulty in designing architectural concepts. The results of researches and investigations in the thesis have been proved by considering the effects of confining reinforcement, considering the impact of transverse reinforcement on the primary seismic columns in structural multi-storey structures, which makes the normalized design axial force decreases significantly. Relying on that, we can choose a flexible section of the column and the reasonable concrete strength in order to reduce construction costs. The analysis and evaluation of the results and the direction of follow-up research are detailed in the conclusions and recommendations. Key words - high-rise building, axial force ratio, the normalised design axial force, transverse reiforcement, Confining reiforcement. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 1 4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 1 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................... 1 6. Bố cục đề tài .................................................................................................. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT .................................................................................................................................... 3 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG ĐẤT ........................................................................... 3 1.1.1. Định nghĩa và phân loại ........................................................................... 3 1.1.2 Thang đo động đất .................................................................................... 4 1.2. TÁC HẠI CỦA ĐỘNG ĐẤT ............................................................................ 6 1.3. QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI TRONG THIẾT KẾ CHỊU ĐỘNG ĐẤT................... 13 1.3.1. Quan niệm thiết kế công trình chịu động đất ......................................... 13 1.3.2. Các tiêu chí cần tuân theo ...................................................................... 14 1.3.3. Các biện pháp cụ thể .............................................................................. 15 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ............................................................. 16 1.4.1 Phân loại các phương pháp tính toán ...................................................... 16 1.4.2 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương ............................................. 17 1.4.3 Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động ............................ 19 1.5 THIẾT KẾ CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN THEO EN 1992-1-1 ................................................................................................. 21 1.5.1 Các cấp dẻo kết cấu ................................................................................ 21 1.5.2 Thiết kế cho trường hợp cấp dẻo trung bình........................................... 22 1.5.3 Thiết kế cho trường hợp cấp dẻo cao ...................................................... 26 1.5.4 Các yêu cầu về neo và mối nối trong thiết kế kháng chấn ..................... 27 1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ................................................................................ 30 CHƯƠNG 2. SỰ LÀM VIỆC CỦA CỘT KHI HẠN CHẾ NỞ HÔNG TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN NHÀ NHIỀU TẦNG ............................................. 32 2.1 HIỆN TƯỢNG BÓ BÊ TÔNG ........................................................................ 32 2.1.1 Cường độ nén của bê tông ...................................................................... 32 2.1.2 Khái niệm về bó bê tông ......................................................................... 33 2.1.3. Bê tông hạn chế nở hông theo Tiêu chuẩn EN1992-1-1-2004 .............. 36 2.1.4 Mô hình Mander về quan hệ (-) của bê tông bị bó ............................. 36 2.2. KHÁI NIỆM TỈ SỐ NÉN CỦA CỘT THEO TCVN 9386:2012 ................... 40 2.3 CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ TỶ SỐ NÉN ..................................................... 40 2.3.1 Lựa chọn tiết diện hợp lí ......................................................................... 40 2.3.2 Lựa chọn cường độ nén bê tông hợp lí ................................................... 41 2.3.3 Ảnh hưởng của cốt đai đến hạn chế tỉ số nén ......................................... 41 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................................. 42 CHƯƠNG 3. ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG......................................................................................................... 43 3.1 KHẢO SÁT TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BTCT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI CHO TRƯỜNG HỢP CỘT VUÔNG KÍCH THƯỚC 1mx1m .............. 43 3.1.1. Mô hình phân tích .................................................................................. 43 3.1.2. Tính toán tỉ số nén của cột khi chưa kể đến hiệu ứng bó của bê tông ... 45 3.1.3. Tính toán tỉ số nén của cột khi kể đến hiệu ứng bó của bê tông ............ 45 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột BTCT hình vuông 1mx1m khi xét đến hiệu ứng bó ............................................................................... 46 3.2 KHẢO SÁT TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BTCT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI CHO TRƯỜNG HỢP CỘT TRÒN ĐƯỜNG KÍNH 1m ........................ 56 3.2.1. Mô hình phân tích .................................................................................. 56 3.2.2. Tính toán tỉ số nén của cột khi chưa kể đến hiệu ứng bó của bê tông ... 57 3.2.3. Tính toán tỉ số nén của cột khi kể đến hiệu ứng bó của bê tông ............ 57 3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột BTCT tròn đường kính 1m khi xét đến hiệu ứng bó của bê tông........................................................... 58 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................................. 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 68 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao) DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Bảng 1.1 Bảng 1.2 Bảng 1.3 Bảng 2.1 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 3.7 Bảng 3.8 Bảng 3.9 Bảng 3.10 Bảng 3.11 Bảng 3.12 Bảng 3.13 Bảng 3.14 Bảng 3.15 Bảng 3.16 Bảng 3.17 Bảng 3.18 Bảng 3.19 Bảng 3.20 Tên bảng Trang Bảng thang cường độ động đất MSK-64 4 Bảng thang độ lớn động đất Richter 6 Đặc tính cốt thép theo Bảng C.1 EN 1992-1-1:2004 22 Cường độ đặc trưng, biến dạng của bê tông 32 Đặc trưng cơ lý của bê tông 44 Đặc trưng cơ lý của cốt thép đai 44 Chi tiết kích thước cột 44 Chi tiết thép đai cột 44 Bảng tổng hợp thông số thép đai điều chỉnh 48 Ứng suất nén ngang khi thay đổi các thông số thép đai 49 50 Tính toán giá trị lực dọc thiết kế quy đổi d,c của cột tiết diện vuông khi kể đến hiệu ứng bó cột trong trường hợp thay đổi các thông số thép đai Bảng tổng hợp so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số 51 cốt đai đến tỉ số nén cột bê tông cốt thép vuông kích thước 1mx1m Ứng suất nén ngang khi thay đổi các thông số thép đai ứng với 53 kích thước cột thỏa mãn điều kiện hạn chế tỉ số nén Điều chỉnh tiết diện cột thỏa mãn điều kiện hạn chế tỉ số nén khi 54 thay đổi các thông số thép đai Bảng tổng hợp tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm 55 xuống so với tiết diện cột ban đầu 1mx1m Đặc trưng cơ lý của bê tông cột 56 Đặc trưng cơ lý của cốt thép đai 56 Chi tiết kích thước cột 57 Chi tiết thép đai cột 57 Bảng tổng hợp thông số thép đai điều chỉnh 59 61 Tính toán giá trị lực dọc thiết kế quy đổi d,c của cột tiết diện tròn khi kể đến hiệu ứng bó cột trong trường hợp thay đổi các thông số thép đai Bảng tổng hợp so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số 62 cốt đai đến tỉ số nén cột bê tông cốt thép tròn đường kính 1m Điều chỉnh lại tiết diện cột thỏa mãn điều kiện hạn chế tỉ số nén 64 khi thay đổi các thông số thép đai Bảng tổng hợp tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm 65 xuống so với tiết diện cột ban đầu DANH MỤC HÌNH Số hiệu Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Tên hình Trang Vị trí phát sinh động đất 3 Động đất Sumatra (năm 2004). 7 Tác hại Động đất Tohoku gây ra tại TP.Miyako Nhật Bản 8 (năm 2011) Tác hại Động đất Tohoku gây ra tại TP.Asahikawa (năm 8 2011) Động đất Kobe (năm 1995) 9 Động đất tại Khu vực giáp ranh huyện Tủa Chùa (Điện Biên) 10 và Quỳnh Nhai (Sơn La) ngày 24/09/2017 Động đất Kobe (1995) 10 Động đất Nam California (Năm 1979) 11 Động đất Bhuj (Ấn Độ) năm 2001 11 Động đất San Fernando (Mỹ) năm 1971 12 Động đất Sichuan (TQ) năm 2008 12 Động đất Northridge (Mỹ) năm 1994 12 Các quan niệm mới và quan niệm cũ trong thiết kế 13 công trình chịu động đất Các phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất 16 Giá trị thiết kế của khả năng chịu lực cắt trong cột 23 Sự bó lõi bê tông 25 Biện pháp neo bổ sung trong nút dầm-cột biên 29 Các đồ thị ứng suất - biến dạng của bê tông với các kiểu bó 34 khác nhau Các hình thức bó bê tông thường gặp 34 Mô tả mức độ bó bê tông khác nhau do thép dọc và thép 35 ngang trong các mặt cắt cột BTCT Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông bị bó 36 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông hạn chế nở ngang 37 và không hạn chế ngang trong trường hợp bị nén. Biểu đồ Mander xác định cường độ bê tông bị bó từ ứng suất 38 nén ngang hiệu quả cho tiết diện hình chữ nhật Hình vẽ chi tiết mặt cắt cột vuông kích thước 1mx1m 43 Biểu đồ Mander xác định cường độ bê tông bị bó từ ứng suất 45 nén ngang hiệu quả cho tiết diện hình chữ nhật Mặt cắt cột vuông kích thước 1mx1m thép đai đường kính 47 d=10mm, nx=ny=6 nhánh. Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Mặt cắt cột vuông kích thước 1mx1m thép đai đường kính d=10mm, nx=ny=11 nhánh. Mặt cắt cột vuông kích thước 1mx1m thép đai đường kính d=12mm, nx=ny=06 nhánh. Biểu đồ so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số cốt đai đến tỉ số nén cột bê tông cốt thép vuông kích thước 1mx1m Biểu đồ tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm xuống so với tiết diện cột ban đầu Hình vẽ chi tiết mặt cắt cột tròn đường kính 1m Mặt cắt cột tròn kích thước 1m thép đai đường kính d=10mm Mặt cắt cột tròn kích thước 1m thép đai đường kính d=12mm Mặt cắt cột tròn kích thước 1m thép đai đường kính d=14mm Biểu đồ so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số cốt đai đến tỷ số nén cột bê tông cốt thép tròn đường kính 1m Biểu đồ tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm xuống so với tiết diện cột ban đầu 47 47 51 55 56 58 58 59 62 65 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế, để phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người, các công trình nhà nhiều tầng đã và đang mọc lên tại khắp các đô thị trong cả nước. Với các công năng khác nhau, có thể là chung cư, khách sạn, văn phòng cho thuê… hoặc là những công trình phức hợp, đáp ứng nhiều yêu cầu công năng. Nhà nhiều tầng góp phần giải quyết nhu cầu về nơi làm việc, chỗ ở, khu vui chơi, mua sắm và tiết kiệm diện tích đất quý giá, nhất là ở các thành phố lớn, nơi quỹ đất rất hạn chế. Các tòa nhà nhiều tầng còn góp phần tạo kiến trúc cảnh quan, là điểm nhấn của thành phố, góp phần thể hiện thành phố văn minh, giàu đẹp. Tuy nhiên, trong thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng, theo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn TCVN 9386:2012, đối với cấp dẻo trung bình, tỷ số nén của cột không được vượt quá 0.65. Điều đó làm tăng đáng kể kích thước của cột, gây tốn kém trong xây dựng và khó khăn trong thiết kế giải pháp kiến trúc. Chính vì thế, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng” là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xét ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép (BTCT) trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng. Qua đó đề xuất giảm tiết diện cột hợp lý khi xét đến yêu cầu đảm bảo tỉ số nén trong thiết kế kháng chấn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: + Cột BTCT + Tỷ số nén của cột BTCT trong thiết kế kháng chấn nhà nhiều tầng. - Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột BTCT trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết kháng chấn và sự làm việc nhiều trục của bê tông (hạn chế nở hông). 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Về ý nghĩa khoa học: Xét đến sự làm việc của bê tông cột khi bị hạn chế nở hông trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng. 2 - Về ý nghĩa thực tiễn: Thông qua việc giảm tỷ số nén của cột BTCT có thể làm giảm kích thước tiết diện của cột BTCT. 6. Bố cục đề tài Mở đầu Chương 1: Tổng quan về thiết kế công trình chịu động đất Chương 2: Sự làm việc của cột khi hạn chế nở hông trong thiết kế kháng chấn nhà nhiều tầng. Chương 3: Ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng. Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT Trong Chương 1- Tổng quan về thiết kế công trình chịu động đất, tác giả trình bày khái niệm về động đất, ảnh hưởng của động đất đến con người, vật chất, công trình xây dựng. Nêu lên quan niệm hiện đại trong thiết kế, các phương pháp tính toán kết cấu công trình chịu động đất. Trình bày thiết kế cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn theo EN 1992-1-1 cũng như các yêu cầu về neo và mối nối trong thiết kế kháng chấn. 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG ĐẤT 1.1.1. Định nghĩa và phân loại Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn năng lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự nứt rạn đột ngột trong phần vỏ hoặc trong phần áo của quả 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 lên bề mặt quả đất được gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm được 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 hoặc khoảng cách chấn tiêu (R) và tâm cự hoặc khoảng cách chấn tâm (L). Hình 1.1 Vị trí phát sinh động đất Tùy thuộc vào độ sâu của chấn tiêu (H) mà động đất có thể phân thành các loại sau: Động đất nông (H<70 km), động đất trung bình (H=70÷300 km), động đất sâu (H>300 km). 4 1.1.2 Thang đo động đất a. Thang cường độ động đất (Earthquake Intensity) Thang cường độ động đất được dùng để đánh giá sức mạnh động đất theo cách định tính. Có nhiều thang cường độ động đất khác nhau. Chúng được lập ra trên cơ sở các mức độ bị phá hoại của công trình xây dựng lẫn bề mặt đất và phản ứng của con người khi chịu các chấn động động đất. Chính vì thế các thang cường độ động đất mang yếu tố chủ quan, phụ thuộc vào tính chất của môi trường tự nhiên, chất lượng xây dựng công trình, mật độ dân cư, mức độ quen thuộc của con người đối với tác động động đất. Ở thang cường độ động đất, cấp độ động đất được kí hiệu bằng chữ La Mã và mỗi cấp độ tương ứng với một mô tả định tính các hậu quả do động đất gây ra. Một số thang động đất chính hiện đang được sử dụng ở các khu vực khác nhau trên thế giới như: thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi, thang cường độ động đất JMA, thang cường độ động đất MSK-64, thang cường độ động đất JMS… Trong đó thang MSK-64 được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Thang MSK-64 là do Medveded cùng Sponhuer và Karnic đề ra năm 1964, là thang đo cường độ địa chấn diện rộng được sử dụng để đánh giá mức độ khốc liệt của sự rung động mặt đất trên cơ sở các tác động đã quan sát và ghi nhận trong khu vực xảy ra động đất. Để xây dựng thang MSK-64 các tác giả trước hết phân loại tác dụng phá hoại của động đất đến các công trình xây dựng, sau đó đánh giá cường độ động đất qua hàm dịch chuyển cực đại của con lắc tiêu chuẩn có chu kì dao động riêng T = 0,25s. Thang MSK-64 có 12 cấp. Bảng 1.1 Bảng thang cường độ động đất MSK-64 Cấp động đất Cấp I Cấp II Cấp III Cấp IV Cấp V Cấp VI Hậu quả tác động động đất Cường độ động đất Động đất không cảm thấy, chỉ có máy mới ghi nhận được. Động đất ít cảm nhận (Rất nhẹ). Trong trường hợp riêng lẻ, Cấp động chỉ có người nào đang ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy đất nhẹ, được. không gây Động đất yếu. Ít người nhận biết được động đất. Chấn động ảnh hưởng được tạo ra như bởi xe ô tô vận tải nhẹ chạy qua. lớn đến Động đất nhận thấy rõ. Nhiều người nhận biết được động nhà và đất, cửa kính có thể kêu lạch cạch. công trình. Nhiều người ngủ bị thức tỉnh, đồ vật treo đu đưa. Đa số người cảm thấy động đất. Nhà cửa bị rung nhẹ, lớp vữa bị rạn. 5 Cấp động đất Cấp VII Cấp VIII Cấp IX Cấp X Hậu quả tác động động đất Cường độ động đất Hư hại nhà cửa. Đa số người sợ hãi, nhiều người khó đứng Cấp động vững, nứt lớp vữa, tường bị rạn nứt. đất Phá hoại nhà cửa. Tường nhà bị nứt lớn, mái hiên và ống mạnh.Cần được xét khói bị rơi. đến trong Phá hoại hoàn toàn nhà cửa. Nhiều nhà bị sụp đổ, nền đất có thiết kế thể nứt rộng đến 10cm. công trình Phá hoại hoàn toàn nhà cửa. Nhiều nhà bị sụp đổ, nền đất có thể nứt rộng đến 1m. Cấp XI Động đất gây thảm họa. Nhà, cầu, đập nước và đường sắt bị Cấp động hư hại nặng, mặt đất bị biến dạng, vết nứt rộng, sụp đổ lớn ở đất có mức núi. độ hủy Cấp XII Thay đổi địa hình. Phá hủy mọi công trình ở trên và dưới diệt. mặt đất, thay đổi địa hình trên diện tích lớn, thay đổi cả dòng sông, nhìn thấy mặt đất nổi sóng. b. Thang độ lớn động đất (Earthquake Magnitude) Thang độ lớn động đất là thang đánh giá định lượng quy mô động đất và độ lớn nứt gãy, dựa trên biên độ lớn nhất của các sóng khối hoặc sóng mặt. Do vậy thang độ lớn động đất là một thang đánh giá khách quan và định lượng theo các số liệu đo. Có nhiều thang độ lớn động đất khác nhau. Một số thang dựa trên các số liệu đo biên độ các sóng địa chấn và 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. Trong đó Richter là thang độ lớn động đất thông dụng. Vào năm 1935, giáo sư Ch.F.Richter đã đề xuất một phương pháp xác định độ lớn của một trận động đất dựa trên các số liệu ghi được từ các thiết bị đo địa chấn. Phương pháp này sau đó được chính tác giả và B.Gutenberg hoàn thiện thêm và mang tên là Richter. Theo định nghĩa của thang Richter, độ lớn M của một trận động đất là logarit thập phân của biên độ cực đại A(µm) được ghi tại một điểm cách chấn tâm 100km bằng một địa chấn kế xoắn do H.O.Wood và J.Anderson thiết kế. Địa chấn này có chu kỳ dao động tự nhiên bằng 0,8(s), hệ số cản tới hạn 0,8 và hệ số khuếch đại tĩnh các sóng 2800. 6 Hệ số khuếch đại tĩnh các sóng là tỷ số giữa biên độ đọc trên địa chấn kế và biên độ thực của chuyển vị đất nền. Nó khuếch đại các sóng có chu kỳ nằm giữa 0,5(s) và 1,5(s) là loại sóng thường có khả năng gây hư hại nhất. M=logA. Bảng 1.2 Bảng thang độ lớn động đất Richter Độ Richter Tác hại < 2.0 Động đất thật nhỏ, không cảm thấy được. Mô tả Tần số xảy ra Không Khoảng 8000 lần đáng kể mỗi ngày 2.0 - 2.9 Thường không cảm nhận nhưng đo được. Thật nhỏ Khoảng 1000 lần mỗi ngày 3.0 - 3.9 Cảm nhận được nhưng ít khi gây ra thiệt hại. Nhỏ Khoảng 49000 lần mỗi năm 4.0 – 4.9 Rung chuyển đồ vật trong nhà. Thiệt hại khá nghiêm trọng. Nhẹ Khoảng 6200 lần mỗi năm. Trung Khoảng 800 lần 5.0 – 5.9 6.0 – 6.9 Có thể gây thiệt hại nặng cho những công trình không theo tiêu chuẩn kháng chấn. Thiệt hại nhẹ cho những công trình bình tuân theo tiêu chuẩn kháng chấn. mỗi năm. Có sức tiêu hủy mạnh trong những vùng Khoảng 120 lần đông dân trong chu vi 180km bán kính. Mạnh mỗi năm. 7.0 – 7.9 Có sức tàn phá nghiêm trọng trên diện tích lớn. Rất mạnh Khoảng 18 lần mỗi năm. 8.0 – 8.9 Có sức tàn phá vô cùng nghiêm trọng trên diện tích lớn trong chu vi hàng trăm km bán kính. Cực mạnh Khoảng 1 lần mỗi năm. 9.0 – 9.9 Sức tàn phá vô cùng lớn. Cực kỳ mạnh Khoảng 20 lần mỗi năm. > 10 Gây ra hậu quả khủng khiếp cho trái đất Kinh hoàng Cực hiếm. 1.2. TÁC HẠI CỦA ĐỘNG ĐẤT Động đất là một trong những hiện tượng thiên nhiên gây nhiều thiệt hại nhất về tính mạng con người và của cải vật chất xã hội. Khác với bão, hiện nay chưa đủ phương tiện kỹ thuật tin cậy để dự báo động đất nên việc cảnh báo, sơ tán người dân ra khỏi các công trình động đất gây nguy hiểm không thể thực hiện được. Theo thống kê, hàng năm trên thế giới có hàng ngàn người thiệt mạng, thiệt hại hàng tỉ đô la do động 7 đất gây nên. Ngay cả đối với các nước có tiềm lực, kinh nghiệm xây dựng phòng chống động đất như Nhật Bản, Mỹ, Nga, Trung Quốc,…nhiều nhà và công trình dù đã được thiết kế và xây dựng chịu động đất những cũng không tránh khỏi bị hư hỏng hoặc sụp đổ khi động đất mạnh xảy ra. Có thể kể đến một số trận động đất lớn, gây thiệt hại nhiều về người và của sau đây: - Trận động đất Sumatra-Andaman (Năm 2004, 9.0 độ Richter): trận động đất dưới đáy biển đã kích hoạt một chuỗi các đợt sóng thần chết người lan tỏa khắp Ấn Độ Dương, những con sóng cao 30m, tàn phá cộng đồng dân cư sống ven biển ở Sri lanka, Ấn Độ, Thái Lan và những nơi khác, cướp đi sinh mạng của hơn 225.000 người thuộc 11 quốc gia. Hình 1.2 Động đất Sumatra (năm 2004). - Trận động đất Tohoku (Nhật Bản, Năm 2011, 8.9 độ Richter): Trận động đất đã gây ra sóng thần lan dọc bờ biển Thái Bình Dương của Nhật Bản và ít nhất 20 quốc gia, bao gồm bờ biển phía tây của Bắc và Nam Mỹ. Theo ghi chép về cường độ động đất, đây là trận động đất mạnh nhất từng xảy ra ở Nhật Bản và là một trong năm trận động đất mạnh nhất thế giới từ khi các thiết bị ghi nhận được sử dụng từ năm 1900. Ước tính có gần 16.000 người chết và hàng trăm nghìn ngôi nhà dân bị hư hỏng trong thảm hỏa kép động đất-sóng thần trên. Chính phủ Nhật Bản cho biết tổn thất do động đất và sóng thần tàn phá miền Đông Bắc có thể lên đến 309 tỉ USD. Đây là kỉ lục thế giới về thiệt hại do thiên tai gây ra. Tồi tệ hơn, thảm họa này cũng làm hư hại tới nhà máy điện hạt nhân Fukushima I, gây nên cuộc khủng hoảng hạt nhân tồi tệ sau thảm kịch Chernobyl. 8 Hình 1.3 Tác hại Động đất Tohoku gây ra tại TP.Miyako Nhật Bản (năm 2011) Hình 1.4 Tác hại Động đất Tohoku gây ra tại TP.Asahikawa (năm 2011) - Trận động đất Kobe (Nhật Bản, năm 1995, 7.2 độ Richter): làm rung chuyển thành phố Kobe, cướp đi sinh mạng của ít nhất 6400 người, hơn 150000 tòa nhà, cảng biển và 1km đường cao tốc hư hại nặng nề sau cơn địa chấn. Kinh tế Nhật Bản thiệt hại khoảng 10 nghìn tỉ yen (khoảng 100 tỉ USD), tương đương 2,5% GDP Nhật Bản thời đó, sau trận động đất năm 1995. 9 Hình 1.5 Động đất Kobe (năm 1995) Tại Việt Nam, theo bản đồ phân vùng động đất chu kỳ lặp 500 năm do Viện Vật Lý địa cầu lập thì ở nước ta một phần lãnh thổ phía Bắc có khả năng xảy ra động đất mạnh cấp VIII (theo thang MSK-1964) tương ứng với gia tốc nền từ 0,12g đến 0,24g (trong đó g là gia tốc trọng trường). Phần lãnh thổ còn lại có thể xảy ra động đất yếu và rất yếu (yếu – tương ứng với gia tốc nền (ag) 0,04g  ag < 0,08g (tương đương với động đất cấp VI đến VII theo thang MSK-1964), rất yếu - tương ứng với gia tốc nền ag < 0,04g (tương đương với động đất dưới cấp VI). Từ năm 1900 đến 2006 đã ghi nhận được 115 trận động đất từ cấp VI ÷ VII (4.5 đến 4.9 độ richter) ở khắp các vùng lãnh thổ nước ta, 17 trận động đất cấp VII (5.0 đến 5.9 đọ richter) và một số trận động đất mạnh cấp VIII như ở Điện Biên Phủ năm 1935 (6.8 độ richter), ở Tuần Giáo, Lai Châu năm 1983 (6.7 độ richter), Điện Biên Phủ năm 2001 (5.3 độ richter). Trận động đất 7 độ richter xảy ra ở Myanmar ngày 24/03/2011 gần biên giới 3 nước Lào – Thái Lan – Myanmar đã gây ra chấn động cấp V tại Hà Nội và cấp VI tại một số nơi ở khu vực Tây Bắc. 10 Hình 1.6 Động đất tại Khu vực giáp ranh huyện Tủa Chùa (Điện Biên) và Quỳnh Nhai (Sơn La) ngày 24/09/2017 Với tác động của biến đổi khí hậu, các tỉnh Nam Bộ trước đây ít xuất hiện động đất thì nay đã thấy xảy ra. Điển hình là các trận động đất ngoài khơi biển Vũng Tàu đã gây rung động đến nhiều công trình xây dựng tại Vũng Tàu và TP. Hồ Chí Minh, đặc biệt là các nhà cao tầng. Một số hình ảnh công trình bị phá hoại bởi động đất: Hình 1.7 Động đất Kobe (1995)