Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần kích động đứng của các trận động đất mạnh đến phản ứng kết cấu công trình khi sử dụng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát dfp

iii NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÀNH PHẦN KÍCH ĐỘNG ĐỨNG CỦA CÁC TRẬN ĐỘNG ĐẤT MẠNH ĐẾN PHẢN ỨNG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH KHI SỬ DỤNG GỐI CON LẮC 2 MẶT TRƯỢT MA SÁT – DFP RESEARCHING EFFECTS OF VERTICAL ACTIVITY COMPONENTS OF STRONG SOIL ACTIVITIES TO REACTIVATE THE CONSTRUCTING CONSTRUCTION WHEN USING THE 2-SIDE CUTTING PILLOW - DFP Học viên: Nguyễn Hoàng Quốc. Chuyên ngành: Xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205. Khóa: K36.XGT.TV. Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN TÓM TẮT: Gối cách chấn DFP (Double Friction Pendulum) là dạng gối con lắc trượt ma sát đôi, được biết đến như một thiết bị giảm chấn hiệu quả cho các công trình xây dựng chịu động đất. Trong báo cáo này, hiệu quả giảm chấn của thiết bị sử dụng trong nhà cao tầng chịu tải trọng động đất được đánh giá. Những nghiên cứu trước đây, thành phần gia tốc nền theo phương đứng thường bị bỏ qua trong phân tích, điều này dẫn đến có sai số đáng kể trong kết quả tính toán với những trận động đất mạnh, đặc biệt các công trình tại gần tâm chấn. Trong nghiên cứu này, tác giả sẽ phân tích ảnh hưởng của thành phần kích động đứng đến phản ứng kết cấu. Những kết quả nghiên cứu sẽ được mô phỏng bằng việc phân tích động lực học một ngôi nhà 9 tầng bằng thép gắn gối DFP chịu động đất xét cả ba thành phần X, Y và thành phần đứng. Từ khóa: Gối ma sát DFP, cách chấn đáy, ảnh hưởng thành phần đứng của động đất, chịu động đất, nhà cao tầng. ABSTRACT: Double Friction Pendulum (Double Friction Pendulum) is a double friction slider pendulum, known as an effective damping device for earthquake-resistant buildings. In this report, the damping effect of equipment used in high-rise buildings is assessed by earthquake load. Previous studies, vertical component of ground acceleration are often ignored in the analysis, which leads to significant errors in the calculation results with strong earthquakes, especially those near epicenter. In this study, the author will analyze the effect of agitation components on structural response. The research results will be simulated by dynamic analysis of a 9-storey house with DFP bearing steel subjected to earthquakes considering all three components X, Y and vertical components. Keywords: DFP friction bearings, base isolation, effects of vertical component of earthquake, earthquake resistant, high-rise building. iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. x MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 5 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH CHỐNG ĐỘNG ĐẤT ............................................................................ 6 1.1.1. Động đất .................................................................................................. 6 1.1.2. Giải pháp công trình chịu động đất ..................................................... 7 1.2. KỸ THUẬT CÁCH CHẤN BẰNG GỐI CON LẮC 2 MẶT TRƯỢT MA SÁT ............................................................................................... 14 1.2.1. Sơ lược về lịch sử ứng dụng kỹ thuật cách chấn ............................... 14 a) Khái niệm về kỹ thuật cách chấn ............................................................ 16 1.2.2.Tình hình nghiên cứu gối con lắc trượt ma sát – DPF ...................... 18 Hình 1.11: Cấu tạo Gối con lắc ma sát đôi, gối DFP (Fenz, 2008e) ......... 18 1.2.3 Nhận xét, đề xuất hướng nghiên cứu .................................................. 21 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG................................................................................ 22 Chương 2 ................................................................................................................ 24 MÔ HÌNH VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ........................................................ 24 GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƯỢT MA SÁT - DFP ............................................ 24 2.1. CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA GỐI CÔ LẬP TRƯỢT MA SÁT ...................................................................................................................... 24 2.1.1. Cấu tạo dạng gối cô lập 2 mặt trượt ma sát –DFP ........................... 24 2.1.2. Mô hình xác định hệ số ma sát trong thiết bị gối trượt .................... 26 2.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP SỐ CHO NGHIÊN CỨU ...................... 27 2.2.1. Phương pháp Newmark ...................................................................... 28 2.2.2. Phương pháp Runge - Kutta ............................................................... 28 2.3. MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG GỐI TRƯỢT MA SÁT KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT ..................................... 30 2.3.1. Gối hai mặt trượt (DFP, Double friction pendulum) ....................... 30 2.2.2. Hệ phương trình vi phân chuyển động ............................................. 33 2.3.2. Gối DFP chịu ảnh hưởng của lực kích động đứng ........................... 34 v 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG............................................................................... 35 Chương 3 ................................................................................................................. 36 VÍ DỤ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN ................................................. 36 GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƯỢT MA SÁT- DFP ............................................. 36 3.1. ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN KÍCH ĐỘNG ĐỨNG ĐẾN CÔNG TRÌNH ..................................................................................................................... 36 3.1.1. Giới thiệu kết cấu ................................................................................. 36 3.1.2. Gia tốc nền phân tích ........................................................................... 36 3.1.3. Ảnh hưởng của thành phần kích động đứng..................................... 37 3.1.4. Đánh giá ảnh hưởng của kích động đứng .......................................... 41 3.1.5. Hiệu quả giảm lực cắt và gia tốc trong kết cấu ................................. 43 3.2. THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU GỐI DFP CÓ XÉT KÍCH ĐỘNG ĐỨNG ..................................................................................................... 43 3.2.1. Giới thiệu chung ................................................................................... 43 3.2.2. Thiết kế thông số kỹ thuật hợp lý của gối 2 mặt trượt ma sát DFP có xét kích động đứng để chịu được tải trọng động đất mạnh ......... 43 3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG ................................................................................... 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 57 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 1 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu PGA PGV PGD a H(t) D Đơn vị g cm/s cm m/s2 % s Sa g Sd Mw M0 G g mm/s2 m dyn.cm dyn.cm dyn/cm2 m D E Rrup Rjp u u u K C M T tT tD R d  h Reff  F erg km km m m/s m/s2 kN/m s/m N.s2/m s s s m mm % mm m rad N, kN Giải thích ý nghĩa Gia tốc đỉnh Vận tốc đỉnh Chuyển vị đỉnh Gia tốc Phần trăm gia tốc nền bình phương tích lũy Khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh của một băng gia tốc Phổ gia tốc Gia tốc trọng trường Phổ chuyển vị Độ lớn mômen động đất Mômen động đất Mô đun chống cắt của đất nền dọc theo phay Chiều dài trung bình của đứt gãy Năng lượng trận động đất Khoảng cách gần nhất đến đứt gãy Khoảng cách ngắn nhất đến hình chiếu đứt gãy lên mặt bằng Véc tơ chuyển vị Véc tơ vận tốc Véc tơ gia tốc Ma trận độ cứng Ma trận cản Ma trận khối lượng Chu kỳ dao động Toàn bộ thời gian chuyển động nền Thời gian chuyển động nền cần xác định Bán kính mặt cong của gối Khả năng chuyển vị trên mặt cong Hệ số ma sát Chiều cao con lắc Bán kính mặt cong hiệu quả của gối Góc xoay của con lắc Lực cắt (Lực cắt tầng và lực ngang trong gối) vii Ff Fk Fr W Fn m k c ug ug N, kN N, kN N, kN N, kN N, kN Ns2/m N/mm s/m m m/s Lực ma sát trong gối Lực phục hồi trong gối Lực va chạm trong gối Tổng trọng lượng kết cấu bên trên gối Phản lực đứng tại vị trí con lắc Khối lượng của một bậc tự do Độ cứng của một bậc tự do Hệ số cản của một bậc tự do Chuyển vị nền Vận tốc nền ug m/s2 Gia tốc nền t Fb Z kr mb kb n s N, kN   % s/m Bước thời gian phân tích Tồng lực cắt đáy Biến trễ lực ma sát Độ cứng lực va chạm Khối lượng phần tử gối Độ cứng phần tử gối Số bậc tự do Tỉ số cản Hệ số phụ thuộc vào áp lực bề mặt của hệ số ma sát Các đại lượng không thứ nguyên để xác định biến trễ Z Chuyển vị gối theo phương x Chuyển vị gối theo phương y Tổng chuyển vị gối Tổng trọng lược kết cấu bên trên gối thay đổi theo thời gian kN/m N.s2/m kN/m A,   và  Ux Uy Ub N(t) mm mm m kN viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt OCHA TFP DFP SFP ASCE TCVN NRB HDR PEER EPS Giải thích ý nghĩa Office for the Coordination of Humanitarian Affairs (Văn phòng Liên hợp quốc điều phối các vấn đề nhân đạo) Triple friction pendulum (Gối con lắc ma sát ba) Double friction pendulum (Gối con lắc ma sát đôi) Single friction pendulum (Gối con lắc ma sát đơn) American Society of Civil Engineers (Hiệp hội kĩ sư xây dựng dân dụng Hoa Kỳ) Technical Commit of Viet Nam (Tiêu chuẩn Việt Nam) Natural rubber bearing (Gối cao su tự nhiên) High-damping rubber (Gối cao su có độ cản nhớt lớn) Pacific Earthquake Engineering Research (Trung tâm nghiên cứu động đất Thái Bình Dương của đại học Berkeley) Earthquake Protection Systems (Công ty sản xuất gối cách chấn, Mỹ) ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU STT 1 2 Tên bảng Bảng 3.1. Bảng 3.2. Nội dung bảng Thông số kết cấu Dữ liệu các trận động đất Số trang 36 37 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Tên hình 1 Hình 1.1. 2 Hình 1.2. Nội dung hình Bản đồ phân vùng gia tốc lãnh thổ Việt Nam Tác động của tải trọng động đất lên công trình 3 Hình 1.3. Kết cấu bên trên được cách chấn đáy 4 Hình 1.4. Gia tốc, vận tốc và chuyển vị theo thời gian của trận động đất Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array Phổ phản ứng băng gia tốc nền của trận động đất Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array Bằng sáng chế của Touaillon Sân bay Quốc tế San Francisco (mã IATA: SFO; mã ICAO: KSFO, 2000) Phổ thiết kế Hiệu quả giảm chấn của gối cách chấn (Wang, 2002) Đường trễ trong gối DFP Cấu tạo Gối con lắc ma sát đôi, gối DFP (Fenz, 2008e) Mô hình hệ kết cấu nhiều bậc tự do chịu động đất Hệ số ma sát phụ thuộc vào vận tốc trượt Hàm biến trễ Z so sánh hàm dấu sign Mô hình tính toán nhà cao tầng gắn gối DFP Chuyển động trong gối DPF Đường ứng xử trễ gối DFP (----: giai đoạn I, II) Gia tốc nền theo phương ngang (Ax) và đứng (Az) Đường ứng xử trễ của gối theo phương X khi không và có xét ảnh hưởng của lực kích động đứng Đường ứng xử trễ của gối theo phương Y khi không và có xét ảnh hưởng của lực kích động đứng Dịch chuyển trên các mặt cong theo phương X của con lắc gối DFP Dịch chuyển trên các mặt cong theo phương Y của 5 Hình 1.5. 6 Hình 1.6. 7 Hình 1.7. 8 Hình 1.8. 9 Hình 1.9. 10 Hình 1.10. 11 Hình 1.11. 12 13 14 15 16 17 18 19 Hình 2.1. Hình 2.2. Hình 2.3. Hình 2.4. Hình 2.5. Hình 2.6. Hình 3.1. Hình 3.2. 20 Hình 3.3. 21 Hình 3.4. 22 Hình 3.5. Số trang 5 7 9 10 11 15 16 17 17 18 18 25 27 27 30 31 33 37 38 38 39 39 xi 23 Hình 3.6. 24 Hình 3.7. 25 Hình 3.8. 26 Hình 3.9. 27 Hình 3.10. 28 Hình 3.11. 29 Hình 3.12 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 Hình 3.13. Hình 3.14. Hình 3.15. Hình 3.16. Hình 3.17. Hình 3.18. Hình 3.19. Hình 3.20 Hình 3.21. Hình 3.22. con lắc gối DFP Dịch chuyển trên mặt bằng của con lắc theo phương X và Y gối DFP Hiệu quả giảm gia tốc tuyệt đối lớn nhất trong các tầng Hiệu quả giảm lực cắt lớn nhất trong các tầng Gia tốc tuyệt đối tầng 9 theo phương X với ảnh hưởng kích động đứng Gia tốc tuyệt đối tầng 9 theo phương Y với ảnh hưởng kích động đứng Lực tác động lên kết cấu theo phương X khi không và có xét ảnh hưởng của lực kích động đứng Lực tác động lên kết cấu theo phương Y khi không và có xét ảnh hưởng của lực kích động đứng So sánh đường ứng xử trễ trong kết cấu So sánh lực cắt trong kết cấu So sánh gia tốc trong kết cấu So sánh vận tốc trong kết cấu So sánh chuyển vị trong kết cấu So sánh đường ứng xử trễ trong kết cấu So sánh lực cắt trong kết cấu So sánh gia tốc trong kết cấu So sánh vận tốc trong kết cấu So sánh chuyển vị trong kết cấu 40 40 41 41 42 42 42 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Động đất là sự chuyển động bất ngờ của bề mặt trái đất ở một nơi nào đó tùy thuộc vào khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng của đất đá. Nguyên nhân chính gây ra động đất là sự chuyển động của các mảng kiến tạo, phun trào núi lửa, giãn nở của quả đất, vụ nổ hạt nhân, tích nước vào hồ chứa lớn, sập hang động ngầm... Một số thảm họa động đất thiên tai gần đây ở châu Á là rất đáng quan ngại: Ngày 27/9/2018: thảm họa kép động đất và sóng thần xảy ra trên đảo Sulawesi. Công tác cứu hộ kết thúc ngày 26/10 với thống kê: hơn 2.100 người chết, 1.300 người mất tích, 4.400 người bị thương nặng, 133.000 người phải bỏ xứ ra đi. Trong vòng một năm, Indonesia gặp hai thảm họa lớn có sức tàn phá khủng khiếp. Ngày 11/3/2011: thảm họa kép động đất kèm sóng thần xảy ra ở Nhật Bản. 15.000 người chết và thiệt hại của Nhà máy điện hạt nhân Fukushima đến nay vẫn còn nặng nề. Theo OCHA, năm 2011 cũng là năm 90% các thảm họa thiên nhiên lớn xảy ra ở châu Á. Ngày 25/10/2010: động đất và sóng thần ở Mentawai, Indonesia làm 435 người chết. Ngày 17/7/2006: động đất và sóng thần ở Pangandaran làm 668 người chết. Ngày 26/12/2004: thảm họa kép động đất kéo theo sóng thần trên Ấn Độ Dương đánh vào bờ biển 10 nước trong đó có Indonesia, Thái Lan... làm chết 225.000 người. (https://www.msn.com/vi-vn/news/world/hai-vùng-sóng-thần-nguy-hiểm-đối-với-việtnam). Căn cứ vào Bản đồ phân vùng động đất lãnh thổ Việt Nam, Việt Nam là nước có khả năng xảy ra động đất, thậm chí một số vùng thuộc khu vực phía Bắc có khả năng động đất cấp 8. Năm 1983, Hà Nội bị ảnh hưởng của dư chấn động đất cường độ 4-5 độ Richter. Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam, trong vòng gần một thế kỷ không bị bất kỳ cơn địa chấn nào, tuy nhiên từ năm 2005 đến nay, hàng loạt trận động đất đã xảy ra tại Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam. Đối với nguy cơ thiên tai đặc biệt ở Việt Nam, theo các nhà khoa học thuộc Viện Vật lý địa cầu: Động đất có thể gây sóng thần nguy hiểm nhất cho vùng ven biển Việt Nam là động đất xảy ra tại đới hút chìm Manila. (http://tuoitre.vn/Chinh-tri-Xahoi/454494/Viet-Nam-co-nguy-co-dong-dat-kha-cao.html). Khi động đất từ 6-7 độ Richter các dư chấn do động đất gây ra đã xuất hiện nhiều trên các tỉnh, thành phố lớn nơi tập trung một số lượng lớn các nhà cao tầng, các cây cầu lớn và nhu cầu xây dựng các công trình lớn ngày càng tăng về số lượng cũng như về chiều cao. Các loại công trình này rất nhạy cảm với gia tốc nền của những trận động đất ảnh hưởng hầu hết các công trình, đặc biệt là kết cấu phần dưới bị hư hỏng. Tuy nhiên, nếu các công trình được thiết kế kháng chấn tốt thì hư hỏng cũng được hạn 2 chế và quan trọng nhất là cứu được sinh mạng của con người nên việc điều khiển kết cấu bền vững dưới tác động của ngoại lực vẫn còn là lĩnh vực mới mẻ. Với những thực tế như trên, các công trình xây dựng cần được thiết kế kháng chấn, đặc biệt là thiết kế kháng chấn theo quan điểm hiện đại, khái niệm này gắn với thuật ngữ “điều khiển dao động kết cấu” và tương đối còn mới mẻ ở Việt Nam. Do đó, việc nghiên cứu tìm hiểu về về ảnh hưởng của tải trọng động đất và giải pháp làm giảm chấn động của tải trọng động đất đến công trình xây dựng là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Đây chính là lý do để em nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần kích động đứng của các trận động đất mạnh đến phản ứng kết cấu công trình khi sử dụng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát DFP”. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP có xét đến thành phần kích động đứng chịu tác động của các trận động đất mạnh. Đánh giá hiệu quả giảm chấn cho công trình xây dựng khi sử dụng các gối cách chấn trên. Từ đó, có thể nghiên cứu ứng dụng gối DFP cho các công trình nhà cao tầng xây dựng ở Việt Nam. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu hiệu quả giảm chấn của gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP khi có xét thành phần kích động đứng của các trận động đất mạnh. Mục tiêu cụ thể: ➢ Tính toán hiệu quả giảm chấn khi dùng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP. ➢ Tính toán tối ưu hóa kích thước kết cấu gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP có xét đến thành phần kích động đứng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu cách chấn đáy cho gối DFP cho các kết cấu xây dựng ở Việt Nam. Đề tài sẽ tập trung vào các vấn đề trọng tâm như sau: Nghiên cứu phản ứng của kết cấu cách chấn bằng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát - DFP khi có động đất mạnh xảy ra đối với công trình nhà nhiều tầng. 4. Phương pháp nghiên cứu Xây dựng mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát - DFP. Đánh giá chi tiết hiệu quả giảm chấn dạng gối này cho công trình. Nghiên cứu mô hình tính toán lý thuyết, kết quả nghiên cứu được mô phỏng bằng ngôn ngữ Matlab, áp dụng để giải số trực tiếp các phương trình vi phân chuyển động bằng thuật toán Runge-Kutta dùng code tính của trường Đại học Berkeley (Mỹ). 5. Kết quả dự kiến Xác định hiệu quả giảm chấn khi dùng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP. Tối ưu hóa kích thước kết cấu gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP 3 6. Bố cục đề tài Luận văn ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, còn gồm 3 chương với các nội dung sau: Mở đầu Chương 1. Tổng quan Chương 2. Mô hình và lý thuyết tính toán gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP. Chương 3. Ví dụ tính toán hiệu quả giảm chấn gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP. Kết luận, kiến nghị Cuối cùng là phần tài liệu tham khảo và phụ lục chương trình tính toán. 7. Tổng quan tài liệu nghiên cứu Động đất và nghiên cứu các giải pháp công trình chịu tác động của tải trọng động đất là một chủ đề được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu động đất được thể hiện trong các công trình nghiên cứu của các tác giả ngoài nước như: “Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering - Anil K. Chopra (1995)”; “Earthquake-resistant concrete structures Penelis, G.G. and Kappos, A.J (1997)”. Hiện nay, trong các tiêu chuẩn kháng chấn trên thế giới như AASHTO LRFD 2012, EUROCODE 8 và JRA 2002. Bên cạnh đó mỗi nước đều ban hành các tiêu chuẩn tính động đất riêng xuất phát từ chiến lược phát triển kinh tế xã hội cũng như cơ sở vật chất kỹ thuật của nước mình. Tại Việt Nam, nghiên cứu động đất được Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Bộ Xây dựng biên soạn, Bộ Xây dựng đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [11] (được chuyển đổi từ TCXDVN 375:2006): Thiết kế công trình chịu động đất được biên soạn trên cơ sở chấp nhận EUROCODE 8: Design of structures for earthquake resistance có bổ sung hoặc thay thế các phần mang tính đặc thù Việt Nam. Eurocode 8 có 6 phần: EN1998 - 1: Quy định chung, tác động động đất và quy định đối với kết cấu nhà; EN1998 - 2: Quy định cụ thể cho cầu; EN1998 - 3: Quy định cho đánh giá và gia cường kháng chấn những công trình hiện hữu; EN1998 - 4: Quy định cụ thể cho silô, bể chứa, đường ống; EN1998 - 5: Quy định cụ thể cho nền móng, tường chắn và những vấn đề địa kỹ thuật; EN1998 - 6: Quy định cụ thể cho công trình dạng tháp, dạng cột, ống khói. 4 Trong lần ban hành này mới đề cập đến các điều khoản đối với nhà và công trình tương ứng với các phần của Eurocode 8 như sau: Phần 1 tương ứng với EN1998 - 1; Phần 2 tương ứng với EN1998 - 5; Các phần bổ sung hoặc thay thế cho nội dung Phần 1: Phụ lục E: Mức độ và hệ số tầm quan trọng Phụ lục F: Phân cấp, phân loại công trình xây dựng Phụ lục G: Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam Phụ lục H: Bảng Phân vùng gia tốc nền theo địa đanh hành chính Phụ lục I: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất. Các tiêu chuẩn tham khảo chung trích dẫn ở điều 1.2.1 chưa được thay thế bằng các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam, vì cần đảm bảo tính đồng bộ giữa các tiêu chuẩn trong hệ thống tiêu chuẩn Châu Âu. Hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam tiếp cận hệ thống tiêu chuẩn Châu Âu sẽ lần lượt ban hành các tiêu chuẩn trích dẫn này. Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam là kết quả của đề tài độc lập cấp Nhà nước. “Nghiên cứu dự báo động đất và dao động nền ở Việt Nam do Viện Vật lý địa cầu thiết lập và chịu trách nhiệm pháp lý đã được Hội đồng Khoa học cấp Nhà nước nghiệm thu năm 2005. Bản đồ sử dụng trong tiêu chuẩn có độ tin cậy và pháp lý tương đương là một phiên bản cụ thể của bản đồ cùng tên đã được chỉnh lý theo kiến nghị trong biên bản đánh giá của Hội đồng nghiệm thu Nhà nước. Trong bản đồ phân vùng gia tốc, đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR trên lãnh thổ Việt Nam được biểu thị bằng các đường đẳng trị. Giá trị agR giữa hai đường đẳng trị được xác định theo nguyên tắc nội suy tuyến tính. Ở những vùng có thể có tranh chấp về gia tốc nền, giá trị agR do Chủ đầu tư quyết định. Từ đỉnh gia tốc nền agR có thể chuyển đổi sang cấp động đất theo thang MSK64, thang MM hoặc các thang phân bậc khác, khi cần áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế chịu động đất khác nhau. Theo giá trị gia tốc nền thiết kế ag = I x agR, chia thành ba trường hợp động đất: - Động đất mạnh ag ≥ 0,08g, phải tính toán và thiết kế cấu tạo kháng chấn; - Động đất yếu 0,04g ≤ ag < 0,08g, chỉ cần áp dụng các giải pháp kháng chấn đã được giảm nhẹ; - Động đất rất yếu ag < 0,04g, không cần thiết kế kháng chấn. Trong Eurocode 8 kiến nghị dùng hai dạng đường cong phổ, đường cong phổ dạng 1 dùng cho những vùng có cường độ chấn động Ms ≥ 5,5, đường cong phổ dạng 2 dùng cho những vùng có cường độ chấn động Ms < 5,5. Trong tiêu chuẩn sử dụng 5 đường cong phổ dạng 1 vì phần lớn các vùng phát sinh động đất của Việt Nam có cường độ chấn động Ms ≥ 5,5. Không thiết kế chịu động đất như nhau đối với mọi công trình mà công trình khác nhau thiết kế chịu động đất khác nhau. Tùy theo mức độ tầm quan trọng của công trình đang xem xét để áp dụng hệ số tầm quan trọng I thích hợp. Trường hợp có thể có tranh chấp về mức độ tầm quan trọng, giá trị I do chủ đầu tư quyết định.[11] 1 Hình 1.1: Bản đồ phân vùng gia tốc lãnh thổ Việt Nam 6 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH CHỐNG ĐỘNG ĐẤT 1.1.1. Động đất Động đất được hiểu là các rung chuyển bất ngờ của bề mặt trái đất ở một nơi nào đó đủ mạnh trên diện tích đủ lớn, ở mức nhiều người cảm nhận được, tùy thuộc vào khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng của đất đá có để lại các dấu vết phá hủy hay nứt đất ở vùng đó. Về mặt vật lý, các rung chuyển đó phải có biên độ đủ lớn, có thể vượt giới hạn đàn hồi của môi trường đất đá và gây nứt vỡ. Ứng với động đất có nguồn gốc tự nhiên là sự chuyển động của các mảng kiến tạo, phun trào núi lửa, giãn nở của quả đất, hoặc mở rộng đến các vụ nổ thử hạt nhân, tích nước vào hồ chứa lớn, sập hang động ngầm... [7]. a) Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo [1] [7]: Năm 1960, các nhà địa chấn đưa ra thuyết kiến tạo mảng (plate tectonics) để giải thích nguồn gốc và vị trí các trận động đất xảy ra, đấy là sự thừa nhận và phát triển từ thuyết trôi dạt các lục địa (continental driff) do Alfred Wegener đưa ra vào năm 1912. Theo thuyết này, lúc đầu (cách đây 270 triệu năm) các lục địa gắn với nhau gọi là Pangaea, sau đó (cách đây khoảng 200 triệu năm) chúng tách ra thành nhiều mảng, gồm 6 mảng lớn (Châu Phi, Châu Mỹ, Châu Nam cực, Úc-Ấn, Á- Âu, Thái Bình Dương) và 14 mảng nhỏ hơn (như mảng Caribbean, mảng Cocos, mảng Philippine,…) di chuyển chậm tương đối so với nhau. Trong quá trình dịch chuyển, biến dạng dần dần được tích lũy (xảy ra chậm và liên tục). Gộp chung một số mảng nhỏ gần nhau hoặc có cùng xu hướng trôi dạt, vỏ Trái đất có thể chia ra làm 11 mảng như sau: mảng Á – Âu, mảng Châu Phi, mảng Châu Úc, mảng Philippine, mảng Thái Bình Dương, mảng Cocos, mảng Nazca, mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ, mảng Caribe và mảng Nam cực Khi biến dạng đạt tới trạng thái tới hạn, sự phá hoại đột ngột xảy ra, thế năng chuyển thành động năng và đấy chính là năng lượng động đất. Theo thuyết này, động đất chủ yếu xảy ra ở vùng ranh giới các mảng (động đất rìa). b) Động đất có nguồn gốc từ các đứt gãy [1] [7]: Trong cấu trúc nền đá của lớp vỏ trái đất tại những chỗ có các vỉa đá có đặc tính khác nhau gối đầu vào nhau hay tựa lên nhau theo mặt tiếp xúc giữa chúng. Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như vậy gọi là đứt gãy (phay địa chất - Fault). Các đứt gãy có chiều dài vài mét tới hàng trăm kilômét, chiều sâu có thể từ mặt đất đến hàng chục kilômét bên trong mặt đất. Sự tồn tại các đứt gãy chứng tỏ giữa các phần của lớp vỏ trái đất có chuyển động tương đối với nhau. Các chuyển động từ từ sẽ không sinh ra động đất. Các chuyển động, trượt đột ngột thường sẽ sinh ra động đất. 7 c) Động đất phát sinh từ các nguồn gốc khác: Động đất có hai nguồn gốc chính như trên. Ngoài ra, động đất còn do một số nguyên nhân khác gây ra như: do sự dãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất; do các vụ nổ; do hoạt động của núi lửa; do sụp đổ nền đất; do tích nước vào các hồ chứa nước lớn [1] [7]: 1.1.2. Giải pháp công trình chịu động đất Để hạn chế tác động của tải trọng động đất lên công trình, từ nhiều năm qua các nhà nghiên cứu, kỹ sư xây dựng trên thế giới đã tìm kiếm và đề xuất các giải pháp giảm chấn cho công trình. Mục đích của giải pháp là đảm bảo cho công trình xây dựng đủ khả năng chịu lực, không hư hại về kết cấu cũng như hư hỏng về thiết bị đồ đạc sử dụng trong công trình, tồn tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động đất ug(t)) a) b) Hình 1.2: Tác động của tải trọng động đất lên công trình a) Kết cấu bên trên liên kết cứng với móng b) Kết cấu bên trên có biến dạng và nội lực lớn do tác động động đất Theo quan điểm thiết kế công trình chịu động đất hiện đại, việc thiết kế cách chấn cho công trình xây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau: Đảm bảo kết cấu có khả năng chịu lực lớn trong miền đàn hồi; Đảm bảo cho kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng do động đất truyền vào, thông qua biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc thông qua các thiết bị hấp thu năng lượng. Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế cách chấn cho công trình chịu động đất hiện đại là tạo cho kết cấu công trình một độ bền đủ lớn và một độ dẻo thích hợp: Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả năng chịu lực của kết cấu. 8 Độ dẻo thích hợp nhằm giúp công trình có khả năng tiêu tán năng lượng và có sự cân bằng hài hòa về mặt động lực học. Bởi tác dụng rung lắc của động đất làm phát sinh chuyển vị và gia tốc trong công trình. Nếu công trình có độ cứng quá lớn thì gia tốc sinh ra sẽ vô cùng lớn, gây rơi và nghiêng đổ đồ đạc bên trong nhà dẫn đến thiệt hại về mặt kinh tế. Ngược lại, nếu công trình quá mềm thì chuyển vị tương đối giữa các tầng quá lớn, gây biến dạng đáng kể cho cả công trình, làm hư hại các nút liên kết của khung chịu lực, nứt tường, vênh cửa…, ngoài ra dao động của công trình cũng phát sinh đáng kể gây ảnh hưởng đến tâm lý của người sinh sống và làm việc trong tòa nhà. Như vậy, quan niệm thiết kế hiện đại đã lưu ý thêm phương diện năng lượng do động đất truyền vào công trình. Việc thiết kế và tính toán sao cho kết cấu có khả năng tiêu tán phần năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp công trình làm việc hiệu quả nhất khi có động đất xảy ra. Với quan niệm trên, một số giải pháp thiết kế công trình chịu động đất được đưa ra nhằm hấp thụ và tiêu tán đều năng lượng động đất cho toàn bộ công trình cũng như tránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại đó là giải pháp giảm chấn và cách chấn cho công trình [18]. a) Giải pháp giảm chấn: Trong trường hợp năng lượng dao động truyền trực tiếp vào công trình do không được tách rời, người ta có thể gia tăng độ cản của bản thân công trình để giải phóng năng lượng dao động này bằng cách lắp đặt các thiết bị giảm chấn vào công trình. Có nhiều hình thức giảm chấn: thụ động, chủ động hay bán chủ động. - Giảm chấn thụ động: đây là hình thức giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của các thiết bị giảm chấn được lấy từ chính năng lượng dao động của bản thân công trình. Năng lượng có thể được tiêu tán nhờ cản ma sát, biến dạng dẻo của kim loại, cản đàn nhớt hoặc cản thủy lực. - Giảm chấn chủ động: các thiết bị dạng này hoạt động được nhờ vào các nguồn năng lượng từ bên ngoài (điện, khí nén…). Thông qua các cảm biến, thông tin về tải trọng, về dao động của công trình được đưa về bộ xử lý trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý tín hiệu và phát lệnh cho bộ phận thi hành để thực hiện việc tăng độ cản hay phát lực điều khiển chống lại dao động, chẳng hạn như các hệ thống TMD, TLD… b) Giải pháp cách chấn: Do chấn động lan truyền trong đất nền nên phương pháp hiệu quả nhất để hạn chế tác động của động đất là tách rời hẳn công trình khỏi đất nền. Tuy nhiên, do không thể tách rời hoàn toàn, người ta bố trí lớp thiết bị đặc biệt nằm bên dưới khối lượng chính của kết cấu (kết cấu bên trên) và nằm bên trên móng (kết cấu bên dưới) gọi là gối cách chấn đáy. Thiết bị này có độ cứng theo phương đứng lớn nhưng độ cứng theo 9 phương ngang thấp nên khi nền đất dao động, thiết bị có biến dạng lớn, kết cấu phía trên nhờ có quán tính lớn nên chỉ chịu một dao động nhỏ. Hư hại kết cấu và thiết bị trong công trình do đó được giảm thiểu [29] u g(t) a) u g(t) b) Hình 1.3: Kết cấu bên trên được cách chấn đáy a) Cách chấn đáy sử dụng gối đàn hồi b) Cách chấn đáy sử dụng gối dạng trượt Người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn, cũng như đưa thêm khả năng chủ động vào hệ thống để tăng thêm hiệu quả giảm chấn cho công trình. [12] Khi một trận động đất xảy ra, các thông số sau có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế kháng chấn công trình. Thông số thứ nhất - Biên độ lớn nhất [7] - Biên độ lớn nhất thông thường thể hiện dưới các dạng đỉnh của chuyển động nền, bao gồm: gia tốc đỉnh (PGA, Peak Ground Acceleration), vận tốc đỉnh (PGV, Peak Ground Velocity) và chuyển vị đỉnh (PGD, Peak Ground Displacement). Trong đó, đại lượng gia tốc đỉnh thường có ý nghĩa quan trọng hơn, các kỹ sư thiết kế thường quan tâm đến thông số này. Tải trọng động đất tác dụng vào công trình thường tỉ lệ với gia tốc đỉnh, đặc biệt là các công trình có độ cứng lớn. Hai đại lượng vận tốc đỉnh và chuyển vị đỉnh thì ít ảnh hưởng hơn, nó thường chỉ có ý nghĩa với những kết cấu mềm, nhà cao tầng. Những đại lượng này thu được trên cơ sở các số ghi địa chấn. Hình 1.4 giới thiệu các đại lượng này của trận động đất Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array [30]. 10 Hình 1.4: Gia tốc, vận tốc và chuyển vị theo thời gian của trận động đất Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array Thông số thứ 2 - Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh [7] - Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh là khoảng thời gian cần để giải phóng năng lượng của trận động đất, một thông số quan trọng trong đánh giá phản ứng của kết cấu, đặc biệt là kết cấu làm việc phi tuyến. Những kết cấu có hiện tượng sụt giảm độ cứng và cường độ vật liệu thì rất nhạy cảm với tải trọng lặp của động đất. Có nhiều cách xác định khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh, trong đó phổ biến nhất: - Khoảng thời gian quan trọng (D5-75 và D5-95): được xác định thông qua giá trị phần trăm gia tốc nền bình phương tích lũy H(t) như Phương trình 1.1. tD  a (t )dt 2 H (t ) = 0 tT (1.1)  a (t )dt 2 0 trong đó: a(t) là gia tốc nền, tT là toàn bộ thời gian chuyển động nền, tD là thời gian cần xác định. H(t) có giá trị từ 5% đến 75% khi xác định D5-75 và từ 5% đến 95% khi xác định D5-95. Và theo cách xác định này, băng gia tốc nền trên Hình 1.4 sẽ có D5-95 = 9.6 s và D5-75 = 3.8 s [30]. - Khoảng thời gian kéo dài đồng hạng (Dbracket, bracketed duration): khoảng thời gian được xác định bắt đầu với đỉnh gia tốc bằng 0.05g và kết thúc khi đỉnh gia tốc nhỏ hơn 0.05g (ngoài khoảng thời gian Dbracket thì gia tốc đỉnh luôn nhỏ hơn 0.05g). 11 Thông số thứ 3 - Nội dung tần số [7] - Tải trọng động đất thường phức tạp, dàn trải trên một miền tần số rộng. Nội dung tần số mô tả cách thức phân bố biên độ chuyển động nền giữa các tần số khác nhau. Nội dung tần số của một băng gia tốc thường được các nhà thiết kế thể hiện dưới dạng phổ phản ứng. Hình 1.5 trình bày phổ phản ứng của băng gia tốc El Centro trên Hình 1.1. Trên phổ phản ứng, vùng chu kỳ trội của các trận động đất sẽ được nhìn thấy rõ ràng, điều này có ý nghĩa rất lớn trong thiết kế. Hình 1.5: Phổ phản ứng băng gia tốc nền của trận động đất Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array Thông số thứ 4 - Độ lớn động đất [7] - Năng lượng truyền đi của một trận động đất liên quan với độ lớn động đất, là thước đo sức mạnh của một trận động đất. Sức mạnh của một trận động đất được xác định thông qua thang cường độ và thang độ lớn. Hiện nay, thang độ lớn mômen động đất được sử dụng phổ biến nhất với những ưu điểm của nó. Độ lớn mômen động đất Mw được xác định như sau: 2 (1.2) M w = log M 0 − 10.7 3 với M0 là mômen động đất, có đơn vị là dyn.cm, được xác định theo Công thức 1.3 M 0 = GAD (1.3) trong đó: G là mô đun chống cắt của đất nền dọc theo phay, A là diện tích phay đứt gãy và D là chiều dài trung bình của đứt gãy. Năng lượng trận động đất E, có đơn vị là erg, liên hệ với mômen M0 (dyn.cm) động đất như sau: 1 E = M 010−4 2 (1.4) Thông số thứ 5 - Khoảng cách đến đứt gãy