Sổ tay thiết kế công trình chịu động đất theo TCVNKhái niệm cơ bảnTrình bày các phương pháp tính động đất. Mô phỏng động đất trong phần mềm tính toán.Tính toán và tổ hợp tải trọng chịu động đất.Cấu tạo kháng chấn.
KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Những nguyên tắc chỉ đạo trong thiết kế cơ sở
Tính đơn giản về kết cấu
Tính đều đặn, đối xứng và siêu tĩnh trong thiết kế công trình là yếu tố quan trọng, với sự phân bố đồng đều các cấu kiện chịu lực giúp truyền tải nhanh chóng lực quán tính từ các khối lượng phân bố Để đạt được tính đồng đều này, có thể chia nhỏ công trình thành các đơn nguyên độc lập về mặt động lực thông qua việc sử dụng các khe kháng chấn.
Các khe co giãn, khe kháng chấn và khe lún cần tuân thủ theo các nguyên tắc sau
Các khe co giãn, khe kháng chấn và khe lún nên bố trí trùng nhau
Khe phòng chống động đất cần được bố trí dọc theo chiều cao của nhà Trong trường hợp không cần thiết phải có khe lún, việc cắt qua móng là không nên Thay vào đó, nên áp dụng giải pháp gia cố thêm móng tại vị trí khe động đất để đảm bảo an toàn cho công trình.
Khi công trình được thiết kế chống động đất thì các khe co giãn và khe lún phải tuân theo yêu cầu của khe phòng chống động đất
Độ rộng của khe lún và khe phòng chống động đất cần được xác định dựa trên chuyển vị của đỉnh công trình do chuyển dịch móng gây ra Chiều rộng tối thiểu của các khe này được tính theo công thức min 1 2 20 d V V mm, trong đó V1 và V2 là chuyển vị ngang cực đại theo phương vuông góc với khe của hai bộ phận công trình nằm hai bên khe, tại đỉnh của khối kề khe có chiều cao nhỏ hơn hai khối.
Có độ cứng và độ bền theo cả hai phương
Có độ cứng và độ bền chống xoắn
Sàn tầng hoạt động như một tấm cứng, đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất tổng thể của kết cấu chịu động đất Các sàn, bao gồm cả mái, góp phần quyết định vào khả năng chịu lực và ổn định của công trình trong các tình huống động đất.
Các tấm cứng ngang đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận và truyền lực quán tính đến hệ kết cấu thẳng đứng, giúp các hệ thống này hoạt động đồng bộ khi gặp tác động động đất theo phương ngang Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các lỗ mở lớn trên sàn, đặc biệt là những lỗ gần các cấu kiện thẳng chính, có thể làm giảm hiệu quả của mối nối giữa các kết cấu theo phương ngang và đứng.
Các cấu kiện kháng chấn phụ như dầm và cột có thể không tham gia vào hệ kết cấu kháng chấn chính, do đó cường độ và độ cứng của chúng có thể được bỏ qua Mặc dù không cần tuân thủ các yêu cầu từ chương 5 đến chương 9, các cấu kiện này cùng với mối liên kết của chúng vẫn phải được thiết kế để chịu tải trọng trọng lực trong điều kiện động đất xấu nhất Khi thiết kế, cần xem xét hiệu ứng bậc hai (hiệu ứng P−Δ), và độ cứng ngang của các cấu kiện kháng chấn phụ không được vượt quá 15% độ cứng ngang của các cấu kiện kháng chấn chính.
Độ mảnh của mặt bằng nhà và công trình phải min max 4
L max và L min lần lượt là kích thước lớn nhất và bé nhất của mặt bằng nhà theo hai phương vuông góc (liên quan hệ số ứng xử q)
Giới hạn tỷ số chiều cao trên chiều rộng nhà (bảng 2.1 – TCXD198-1997)
Gia tốc nền thiết kế
Theo bản đồ phân vùng gia tốc nền tại Việt Nam, đỉnh gia tốc nền tham chiếu a gR được xác định thông qua các đường đẳng trị.
Theo tiêu chuẩn TCXDVN 375 – 2006, động đất được phân loại thành ba cấp dựa trên gia tốc nền thiết kế a g I a gR, theo khuyến nghị của tiêu chuẩn EN1998 – 1:2004.
Động đất mạnh: a g 0.08 g phải tính toán và cấu tạo kháng chấn theo TCVN 375-2006
Động đất yếu: 0.04 g a g 0.08 g chỉ cần áp dụng các giải pháp kháng chấn đã được giảm nhẹ, c ấ u t ạ o theo TCXD 198-1997
Động đất rất yếu: a g 0.04 g không cần thiết kế kháng chấn trong đó hệ số tầm quan trọng I được xác định theo phụ lục F
Mức độ quan trọng Công trình Hệ số tầm quan trọng I Đặc biệt
Công trình cã tÇm quan trọng đặc biệt, không cho phÐp h− háng do động đất
- Đập bêtông chịu áp chiều cao >100m;
- Nhμ máy điện có nguồn nguyên tử;
Nhằm nghiên cứu và sản xuất thử các chế phẩm sinh vật kịch độc, bao gồm các loại vi khuẩn và mầm bệnh tự nhiên cũng như nhân tạo như chuột dịch, dịch tả và thương hàn, chúng tôi tập trung vào việc phát triển các ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực này.
- Công trình cột, tháp cao hơn 300 m;
- Nhμ cao tầng cao hơn 60 tầng
ThiÕt kÕ víi gia tèc lín nhÊt cã thÓ xảy ra
I Công trình cã tÇm quan trọng sống còn với việc bảo vệ cộng đồng, chức năng không đ−ợc gián đoạn trong quá trình xảy ra động đất
- Công trình thường xuyên đông người có hệ số sử dụng cao: công trình mục I-2.a, I-2.b, I-2.d, I-2.h, I- 2.k, I-2.l, I-2.m có số tầng, nhịp, diện tích sử dụng hoặc sức chứa phân loại cấp I;
- Công trình mμ chức năng không đ−ợc gián đoạn sau động đất: Công trình công cộng I-2.c diện tích sử dụng phân loại cấp I;
- Công trình mục II-9.a, II-9.b; công trình mục V- 1.a, V-1.b phân loại cấp I;
- Kho chứa hoặc tuyến ống có liên quan đến chất độc hại, chất dễ cháy, dễ nổ: công trình mục II-5.a, II- 5.b, mục II-5.c phân loại cấp I, II;
- Nhμ cao tầng cao từ 20 tầng đến 60 tầng, công trình dạng tháp cao từ 200 m đến 300 m
II Công trình cã tÇm quan trọng trong việc ngăn ngõa hËu quả động đất, nếu bị sụp đổ gây tổn thất lớn
- Công trình thường xuyên đông người, có hệ số sử dụng cao: công trình mục I-2.a, I-2.b, I-2.d, I-2.h, I-2.k, I- 2.l, I-2.m có nhịp, diện tích sử dụng hoặc sức chứa phân loại cấp II;
Trụ sở hành chính của các cơ quan cấp tỉnh và thành phố, cùng với các công trình trọng yếu, đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và phát triển địa phương Các công trình này, như mục I-2.đ, I-2.g, I-2.h, được phân loại theo nhịp và diện tích sử dụng, thuộc cấp I và II, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động và phục vụ nhu cầu của cộng đồng.
- Các hạng mục quan trọng, lắp đặt các thiết bị có
Mức độ quan trọng của các công trình được xác định thông qua hệ số tầm quan trọng I, bao gồm những công trình có giá trị kinh tế cao như các nhà máy thuộc công nghiệp (mục II-1 đến II-4, II-6 đến II-8, II-10 đến II-12), công trình năng lượng (mục II-9.a, II-9.b), công trình giao thông (III-3, III-5), công trình thủy lợi (IV-2), công trình hầm (III-4) và công trình cấp thoát nước (V-1), tất cả đều thuộc phân loại cấp I và II.
- Các công trình quốc phòng, an ninh;
- Nhμ cao tầng cao từ 9 tầng đến 19 tầng, công trình dạng tháp cao từ 100 m đến 200 m
III Công trình không thuộc mức độ đặc biệt vμ mức độ I, II, IV
- Nhμ ở mục I-1, nhμ lμm việc mục I-2.đ, nhμ triển lãm, nhμ văn hoá, câu lạc bộ, nhμ biểu diễn, nhμ hát, rạp chiếu bóng, rạp xiếc phân loại cấp III;
- Công trình công nghiệp mục II-1 đến II-4, từ II-6 đến II-8; từ II-10 đến II-12 phân loại cấp III diện tích sử dụng từ 1000 m 2 đến 5000 m 2 ;
- Nhμ cao từ 4 tầng đến 8 tầng, công trình dạng tháp cao từ 50 m đến 100 m;
IV Công trình cã tÇm quan trọng thứ yếu đối với sù an toμn sinh mạng con ng−êi
- Nhμ tạm : cao không quá 3 tầng;
- Trại chăn nuôi gia súc 1 tầng;
- Kho chứa hμng hoá diện tích sử dụng không quá
- X−ởng sửa chữa, công trình công nghiệp phụ trợ; thứ tự mục II-1 đến II-4, từ II-6 đến II-8; từ II-10 đến II-12 phân loại cấp IV;
- Công trình mμ sự h− hỏng do động đất ít gây thiệt hại về ng−ời vμ thiết bị quý giá
Không yêu cÇu tÝnh toán kháng chÊn
Ghi chú: Công trình ứng với mục có mã số kèm theo xem chi tiết trong Phụ lục G.
Cấp động đất
Từ gia tốc nền thiết kế a g , tra bảng để xác định cấp động đất (phụ lục K)
Cấp động đất Đỉnh gia tốc nền
Cấp động đất Đỉnh gia tốc nền
Cấp 1: Động đất không cảm thấy, chỉ có máy mới ghi nhận được
Cấp 2: Động đất ít cảm thấy (rất nhẹ) Trong những trường hợp riêng lẻ, chỉ có người nào đang ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy được
Cấp 3: Động đất yếu Ít người nhận biết được động đất Chấn động y như tạo ra bởi một ôtô vận tải nhẹ chạy qua
Cấp 4: Động đất nhận thấy rõ Nhiều người nhận biết động đất, cửa kính có thể kêu lạch cạch
Cấp 5: Thức tỉnh Nhiều người ngủ bị tỉnh giấc, đồ vật treo đu đưa
Cấp 6: Đa số người cảm thấy động đất, nhà cửa bị rung nhẹ, lớp vữa bị rạn
Cấp 7: Hư hại nhà cửa Đa số người sợ hãi, nhiều người khó đứng vững, nứt lớp vữa, tường bị rạn nứt
Cấp 8: Phá hoại nhà cửa; Tường nhà bị nứt lớn, mái hiên và ống khói bị rơi Cấp 9: Hư hại hoàn toàn nhà cửa; nền đất có thể bị nứt rộng 10 cm
Cấp 10: Phá hoại hoàn toàn nhà cửa Nhiều nhà bị sụp đổ, nền đất có thể bị nứt rộng đến 1 mét
Cấp 11: Động đất gây thảm họa Nhà, cầu, đập nước và đường sắt bị hư hại nặng, mặt đất bị biến dạng, vết nứt rộng, sụp đổ lớn ở núi
Cấp 12: Thay đổi địa hình Phá huỷ mọi công trình ở trên và dưới mặt đất, thay đổi địa hình trên diện tích lớn, thay đổi cả dòng sông, nhìn thấy mặt đất nổi sóng.
Các loại đất nền
Các loại đất nền được tra theo bảng sau (bảng 3.1/trang 26)
A Đá hoặc các kiến tạo địa chất khác tựa đá, kể cả các đất yếu hơn trên bề mặt với bề dày lớn nhất là 5m
B Đất cát, cuội sỏi rất chặt hoặc đất sét rất cứng có bề dày ít nhất hàng chục mét, tính chất cơ học tăng dần theo độ sâu
C Đất cát, cuội sỏi chặt, chặt vừa hoặc đất sét cứng có bề dày lớn từ hàng chục tới hàng trăm mét
D Đất rời trạng thái từ xốp đến chặt vừa
(có hoặc không xen kẹp vài lớp đất dính) hoặc có đa phần đất dính trạng
(Pa) thái từ mềm đến cứng vừa
Địa tầng bao gồm lớp đất trầm tích sông ở bề mặt, có độ dày từ 5-20m và tốc độ truyền sóng thuộc loại C, D Dưới lớp này là các loại đất cứng hơn với tốc độ truyền sóng cao hơn.
S 1 Địa tầng bao gồm hoặc chứa một lớp đất sét mềm/bùn (bụi) tính dẻo cao
(PI 40) và độ ẩm cao, có chiều dày ít nhất là 10m
S 2 Địa tầng bao gồm các đất dễ hoá lỏng, đất sét nhạy hoặc các đất khác với các đất trong các loại nền A-E hoặc
Nền đất cần phân loại theo giá trị của vận tốc sóng cắt trung bình
s (m/s) nếu có giá trị này Nếu không, có thể dùng giá trị N SPT
Vận tốc sóng cắt trung bình, s ,30 được tính toán theo biểu thức sau
Chiều dày (m) và vận tốc sóng cắt tại mức biến dạng 10^-5 hoặc thấp hơn của từng lớp đất trong tổng số N lớp trong 30m đất trên bề mặt cần được xác định Đối với các địa điểm có nền đất thuộc loại đặc biệt S1 và S2, cần thực hiện nghiên cứu đặc biệt để đánh giá tác động động đất Đặc biệt, với nền S2, cần chú ý đến khả năng phá hủy của nền khi chịu tác động của động đất.
Biểu diễn cơ bản của tác động động đất
Trong tiêu chuẩn, chuyển động động đất tại một điểm cụ thể trên bề mặt được mô tả bằng phổ phản ứng gia tốc đàn hồi, thường được gọi là phổ phản ứng đàn hồi.
Tác động động đất theo phương nằm ngang được mô tả bằng hai thành phần vuông góc độc lập và cùng một phổ phản ứng Đối với ba thành phần của tác động động đất, có thể chấp nhận nhiều dạng phổ phản ứng khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc và độ lớn của động đất Đối với các công trình quan trọng với hệ số I 1, cần xem xét các hiệu ứng khuếch đại đại hình (xem phụ lục tham khảo A, phần 2).
TÍNH TOÁN VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
Các phương pháp mô phỏng tải trọng động đất
Tải trọng động đất có thể được mô phỏng bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng hiện nay, hai phương pháp phổ biến nhất là lực ngang tương đương và phổ thiết kế.
2.1.1 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương
Tải trọng động đất được quy đổi thành lực ngang tương đương khi kết cấu đáp ứng hai điều kiện sau
Có chu kỳ dao động cơ bản theo hai hướng chính nhỏ hơn các giá trị sau
Thỏa mãn những tiêu chí về tính đều đặn mặt đứng
Theo mỗi phương nằm ngang được phân tích, lực cắt đáy động đất
S d T : tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T 1
T1 là chu kỳ dao động cơ bản của nhà, xảy ra do chuyển động ngang theo phương được xem xét M là tổng khối lượng của nhà, bao gồm cả phần trên móng và phần trên đỉnh của hệ thống phần cứng phía dưới.
là hệ số hiệu chỉnh lấy như sau 0.85 nếu T 1 2T C với nhà có trên 2 tầng hoặc 1 với các trường hợp khác
Tác động động đất phải được xác định bằng cách đặt các lực ngang F i vào tất cả các tầng ở hai mô hình phẳng i i i b j j
F i là lực ngang tác dụng tại tầng thứ i
Lực cắt đáy do động đất, ký hiệu là F b, được tính theo công thức F b = S d(T m 1 λ i ; j), trong đó S d là chuyển vị của khối lượng m m i ; j trong dao động cơ bản lấy từ phần mềm Etabs Khối lượng m m được xác định từ các tầng cũng xuất phát từ Etabs.
Khi dạng dao động cơ bản được lấy gần đúng bằng các chuyển vị nằm ngang tăng theo tuyến tính dọc theo chiều cao i i i b j j
trong đó i ; j z z là độ cao của khối lượng m m i ; j so với điểm đặt tác động động đất (mặt móng hoặc đỉnh móng của phần cứng phía dưới)
Sau khi xác định lực cắt tại từng tầng, hãy nhập các lực này vào mô hình trong phần mềm ETABS tại vị trí tâm khối lượng của sàn cứng Tiến hành tổ hợp các lực để phân tích kết quả.
“tải động đất” và các loại tải trọng khác với hệ số tổ hợp theo tiêu chuẩn
2.1.2 Phổ thiết kế dùng cho phân tích đàn hồi Đây là một phương pháp dự đoán phản ứng lớn nhất của hệ chịu tác động động đất dựa vào số liệu của các trận động đất xảy ra trước đó
Phương pháp này cần được áp dụng cho nhà không thỏa mãn những điều kiện nêu trong 2.1.1 khi ứng dụng phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương
Cần xem xét phản ứng của tất cả các dạng dao động để đánh giá chính xác phản ứng tổng thể của ngôi nhà Các yêu cầu này có thể được đáp ứng khi thỏa mãn một trong hai điều kiện nhất định.
Tổng các khối lượng hữu hiệu của các dạng dao động được xét chiếm ít nhất 90% tổng khối lượng của kết cấu
Tất cả các dạng dao động có khối lượng hữu hiệu lớn hơn 5% của tổng khối lượng đều được xét đến
Ghi chú: Xác định tỉ số khối lượng tham gia như hình vẽ (SumUX và sum UY)
Nếu các yêu cầu không được đáp ứng, chẳng hạn như trong các công trình nơi dao động xoắn đóng vai trò quan trọng, thì số lượng tối thiểu các dạng dao động k cần được xem xét trong tính toán phải thỏa mãn hai điều kiện sau.
3 k n và T k 0.2s trong đó k là số dao động được xét tới trong tính toán n là số tầng ở trên móng và hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới
T k là chu kỳ dao động của dạng thứ k
Khả năng kháng chấn của hệ kết cấu trong miền phi tuyến cho phép thiết kế với lực động đất nhỏ hơn so với phản ứng đàn hồi tuyến tính Để tránh phân tích trực tiếp các kết cấu không đàn hồi, người ta sử dụng khả năng tiêu tán năng lượng thông qua ứng xử dẻo của các cấu kiện, bằng cách phân tích đàn hồi dựa trên phổ phản ứng chiết giảm từ phổ phản ứng đàn hồi, được gọi là phổ thiết kế Sự chiết giảm này được thực hiện thông qua hệ số ứng xử q, đặc biệt cho các thành phần nằm ngang của tác động động đất.
S T được xác định bằng các biểu thức sau
T Chu kỳ dao động của hệ tuyến tính một bậc tự do; a g Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A a g 1 a gR
1 Hệ số tầm quan trọng được cho trong phụ lục F, TCVN 375:2006; a gR Đỉnh gia tốc nền, cho trong phụ lục I TCVN 375:2006;
Hệ số điều chỉnh độ cản với giá trị tham chiếu được xác định là 1, tương ứng với độ cản nhớt 5% Hệ số ứng xử q có giá trị q ≥ 1.5, trong đó q0 là hệ số ứng xử cơ bản, phụ thuộc vào loại kết cấu và tính đồng đều theo mặt đứng, theo quy định tại mục 4.2.3.3.
Loại kết cấu Cấp dẻo kết cấu trung b×nh
Cấp dẻo kết cÊu cao
Hệ khung, hệ hỗn hợp, hệ t−ờng kép 3,0 u / 1 4,5 u / 1
Hệ không thuộc hệ t−ờng kép 3,0 4,0 u / 1
Hệ con lắc ng−ợc 1,5 2,0
Và với loại nhà không đều đặn theo mặt đứng theo mục 4.2.3.1 (7), giá trị q 0cần được giảm xuống 20%
Hệ khung hoặc hệ kết cấu hỗn hợp t−ơng đ−ơng khung u / 1
Khung nhiều tầng, một nhịp 1.2
Khung nhiều tầng, nhiều nhịp hoặc kết cấu hỗn hợp t−ơng đ−ơng khung
Hệ t−ờng hoặc hệ kết cấu hỗn hợp t−ơng đ−ơng với t−ờng u / 1
Hệ t−ờng chỉ có hai t−ờng không phải lμ t−ờng kép theo từng ph−ơng ngang
Các hệ t−ờng không phải lμ t−ờng kép 1.1
Hệ kết cấu hỗn hợp t−ơng đ−ơng t−ờng, hoặc hệ t−ờng kép 1.2
Hệ sốk w phản ánh dạng phá hoại thường gặp trong kết cấu có vách
Hệ khung vμ hệ kết cấu hỗn hợp t−ơng đ−ơng khung 1.0
Hệ t−ờng, hệ kết cấu hỗn hợp t−ơng đ−ơng t−ờng vμ kết cấu dễ xoắn
0.5 (1 0) / 3 1 trong đó 0 là tỷ số kích thước các vách trong hệ kết cấu 0 wi wi h
, với h wi là chiều cao vách thứ i ; và l wi là độ dài của vách thứ i
Hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương nằm ngang,
T B Giới hạn dưới của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc;
T C Giới hạn trên của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc;
T D Giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển không đổi trong phổ phản ứng;
Thông thường, người ta chỉ đo giá trị cực đại của chuyển vị, dẫn đến việc chỉ thu được phổ phản ứng chuyển vị "thật" Từ "thật" ở đây được sử dụng để phân biệt với các giá trị khác.
Phổ phản ứng vận tốc "giả" và phổ phản ứng gia tốc "giả" được suy ra từ phổ phản ứng chuyển vị dựa trên dao động của hệ một bậc tự do Phương trình dao động có dạng: u = u0 sin(ωt).
Giá trị phổ vận tốc được suy từ phổ chuyển vị: S v S d
Giá trị phổ gia tốc được tính từ phổ chuyển vị với công thức S a = ωS v cho thành phần thẳng đứng của tác động động đất Phổ thiết kế được xác định theo công thức của phổ ngang, trong đó gia tốc nền thiết kế theo phương ngang a g được thay thế bằng a vg = 0.9a g Các tham số S = 1 và q = 1.5, trong khi các giá trị khác được lấy từ bảng tương ứng.
Các bước thực hiện tính toán theo phương pháp phổ
Bước 1: Xác định chu kỳ và tần số dao động của mỗi mode dao động
Bước 2: Xác định phản ứng ứng với mỗi dạng dao động
Xác định giá trị phổ thiết kế gia tốc Se T( ) n của mode n ứng với chu kỳ dao động T n
Phản ứng lớn nhất của mode n : ( ) 2
Chuyển vị lớn nhất của kết cấu ứng với mode n: u n y T( ) n max n ; với n là mode Shape thứ n
Bằng cách áp dụng các công thức phần tử hữu hạn cho bài toán tĩnh thông thường và xem xét chuyển vị của từng điểm, ta có thể xác định được nội lực của phần tử.
Bước 3: Tổ hợp phản ứng từ các mode
Phương pháp SRSS (Căn bậc hai tổng bình phương) là kỹ thuật được sử dụng để tính toán ứng xử của kết cấu trong một phương, bằng cách lấy căn bậc hai của tổng bình phương các ứng xử của các mode.
Phương pháp CQC (Complete Quadratic Combination)
Nội lực E En và E Em được tính toán tương ứng với các mode n và mode m Nội lực cực đại được xác định thông qua biểu thức tổng kép.
Tổ hợp các thành phần động đất (mục 4.3.3.5.)
2.2.1 Tổ hợp các phản ứng dạng dao động
Phản ứng của hai dạng dao động i và j, bao gồm cả dao động tịnh tiến và xoắn, có thể được coi là độc lập Điều này xảy ra khi các chu kỳ T i và T j thỏa mãn điều kiện j 0.9 i.
Khi các dạng dao động trong hệ thống được coi là độc lập, giá trị lớn nhất E của tác động động đất có thể được xác định.
E E hệ quả tác động động đất đang xét (lực chuyển vị.…)
E Ei giá trị của hệ quả tác động động đất này do dạng dao động thứ i gây ra
2.2.2 Các thành phần nằm ngang của tải trọng động đất (mục 4.3.3.5.1)
Nói chung, các thành phần nằm ngang của tác động động đất phải được xem là tác động đồng thời
Việc tổ hợp các thành phần nằm ngang của tác động động đất có thể thực hiện như sau
Phản ứng kết cấu của từng thành phần cần được xác định riêng biệt bằng cách áp dụng các quy tắc tổ hợp cho các phản ứng dạng dao động, theo quy định tại mục 4.3.3.3.2 của TCVN 375-2006.
Giá trị tối đa của hệ quả tác động lên kết cấu từ hai thành phần nằm ngang của động đất được xác định bằng căn bậc hai của tổng bình phương các giá trị do từng thành phần gây ra.
Quy tắc (2) đề cập đến việc tối ưu hóa các giá trị an toàn từ các hệ quả tác động, đồng thời đạt được giá trị lớn nhất Để xác định chính xác hơn các giá trị có thể có từ nhiều hệ quả tác động, có thể áp dụng các mô hình phân tích chi tiết hơn, đặc biệt là những tác động do hai thành phần nằm ngang của động đất gây ra.
Nếu (1) và (2) không dùng được, các hệ quả tác động do tổ hợp của các thành phần nằm của tải trọng động đất có thể được xác định
E Edx biểu thị các hệ quả tác động do đặt tác động động đất dọc theo trục nằm ngang x được chọn của kết cấu;
E Edy biểu thị các hệ quả tác động do đặt tác động động đất dọc theo trục nằm ngang y vuông góc của kết cấu;
2.2.3 Các thành phần nằm đứng của tải trọng động đất (mục 4.3.3.5.2)
Nếu a vg 0.25g 2.5 (m/s 2 ) thì thành phần thẳng đứng của tác động động đất cần được xét trong các trường hợp sau
Các bộ phận kết cấu nằm ngang hoặc gần như ngang có nhịp L20m
Các bộ phận kết cấu dạng console nằm ngang hoặc gần như ngang dài hơn 5m
Các thành phần kết cấu ứng lực trước nằm ngang hoặc gần như ngang
Các dầm đỡ cột (Transfer beam)
Các kết cấu có cách chấn đáy
Chỉ tính toán thành phần đứng của tải động đất với các cấu kiện như trên và các cấu kiện đỡ hoặc liên quan trực tiếp với chúng
Nếu các thành phần nằm ngang xét đến cho các cấu kiện này thì có thể sử dụng ba tổ hợp sau
E Edz thể hiện hậu quả do tác động của động đất theo phương thẳng đứng Đặc biệt, cần lưu ý về việc giảm độ cứng chống uốn và chống cắt của các cấu kiện bị nứt, được nêu rõ trong mục 4.3.1 (6) (7) trang 46 của TCVN 375-2006.
Trong các công trình xây dựng như nhà bêtông, nhà thép-bêtông liên hợp và nhà xây, việc đánh giá độ cứng của các cấu kiện chịu tải là rất quan trọng, đặc biệt là khi xem xét tác động của vết nứt Độ cứng này cần phải phù hợp với điểm bắt đầu chảy dẻo của cốt thép.
Để đảm bảo tính chính xác trong phân tích các cấu kiện bêtông và khối xây bị nứt, cần thực hiện đánh giá cụ thể về độ cứng chống cắt và độ cứng chống uốn đàn hồi Các đặc trưng này có thể chỉ đạt khoảng 50% so với độ cứng của các cấu kiện không bị nứt, do đó cần xem xét kỹ lưỡng khi có yêu cầu.
Tổ hợp tải trọng, nội lực và chuyển vị
Có hai loại sơ đồ tính toán nội lực: sơ đồ đàn hồi và sơ đồ dẻo, tùy thuộc vào miền làm việc mà nhà thiết kế cho phép vật liệu Việc điều khiển sơ đồ này được thực hiện qua ứng dụng Frame End length offsets, liên quan đến vùng cứng tại nút khung trong phần mềm ETABS.
Kết cấu tĩnh định chỉ có thể sử dụng sơ đồ đàn hồi, vì khi vật liệu vượt qua giai đoạn đàn hồi và chuyển sang giai đoạn chảy dẻo, kết cấu sẽ bị phá hủy Để xác định nội lực trong kết cấu này, có thể áp dụng các phương pháp lực, phương pháp chuyển vị hoặc phương pháp PTHH.
Kết cấu siêu tĩnh có thể được tính toán theo hai sơ đồ: đàn hồi và dẻo Khi sử dụng sơ đồ dẻo, kết cấu hoạt động trong miền dẻo mà không bị phá hủy, và để xác định nội lực, có thể áp dụng phương pháp trạng thái tới hạn hoặc phương pháp PTHH Ngược lại, sơ đồ đàn hồi cho phép kết cấu làm việc trong miền đàn hồi, mang lại sự an toàn cao hơn, nhưng kém kinh tế hơn so với việc làm việc trong miền dẻo.
Cần chú ý bê tông cốt thép là vật liệu đàn hồi-dẻo và không đồng nhất
Cả hai sơ đồ đều chỉ mang tính gần đúng, đặc biệt là sơ đồ dẻo, khi mà việc đánh giá mức độ dẻo của kết cấu gặp khó khăn và sự phân phối nội lực khi có biến dạng dẻo là không dễ dàng Hiện nay, sơ đồ dẻo chủ yếu được áp dụng cho cấu kiện dầm, trong khi nội lực và biến dạng của kết cấu nhà cao tầng được tính toán theo phương pháp đàn hồi, theo quy định tại mục 2.6.2 – TCXD198-1997.
2.3.2 Tổ hợp tải trọng, nội lực và chuyển vị Đối với tĩnh tải, đây là loại tải thường xuyên tác dụng lên kết cấu do đó nó luôn gây ra nội lực Đối với hoạt tải, có thể xuất hiện hoặc không và thậm chí có thể đổi chiều tác dụng (tải trọng gió) Ngay cả với hoạt tải do đồ đạc gây ra cũng có thể có hoặc không, có thể xuất hiện ở chỗ này hoặc ở chỗ khác Do đó khi thiết kế phải tổ hợp nội lực để tìm ra giá trị bất lợi cho kết cấu: g ij
Nội lực trong kết cấu được xác định bởi công thức S = Sg + γS, trong đó Sg đại diện cho nội lực do tĩnh tải gây ra, luôn giữ giá trị không đổi Ngược lại, Sij là nội lực do trường hợp thứ i của hoạt tải thứ j, có sự thay đổi cả về trị số lẫn dấu.
là hệ số tổ hợp, trong đó 1 khi chỉ lấy 1 hoạt tải và 0.9 khi lấy từ hai hoạt tải trở lên
Một phương pháp khác để xác định nội lực nguy hiểm trong các cấu kiện là thông qua tổ hợp tải trọng Thay vì tính toán nội lực cho từng trường hợp tải riêng lẻ và sau đó cộng các tác dụng lại, phương pháp này thực hiện tổ hợp các loại tải trọng trước, rồi từ đó tính toán nội lực dựa trên tải trọng đã tổ hợp.
Tổ hợp tải trọng và tổ hợp nội lực tương đồng trong kết cấu làm việc tuyến tính nhờ nguyên lý cộng tác dụng, nhưng sẽ khác biệt khi kết cấu hoạt động phi tuyến Trong thực tiễn, tổ hợp tải trọng được ưa chuộng do tính đơn giản, dễ thực hiện và dễ hình dung, đồng thời sai số cũng không đáng kể.
Theo TCXD2737-1995, có hai tổ hợp tải trọng sau:
Tổ hợp cơ bản: Tĩnh tải DL (mục 2.3.3), hoạt tải dài hạn LL(mục 2.3.4) và ngắn hạn(mục 2.3.3) W
Tổ hợp đặc biệt: Tĩnh tải, hoạt tải dài hạn và ngắn hạn có thể xảy ra một trong các tải trọng đặc biệt (mục 2.3.6) E
Trong quá trình gán tải trọng gió vào mô hình, cần phân chia thành hai thành phần chính: thành phần tĩnh (Wt) và thành phần động (Wd) Sau đó, gió sẽ được tổ hợp lại theo công thức quy định.
Tĩnh tải + 0.9 Hoạt tải + 0.9 Gió
Tĩnh tải + động đất + 2,i x Hoạt tải (Mục 3.2.4 (TCVN375-2006))
Các giá trị 2,i cho trong Bảng 3.4 trang 36 (TCVN375-2006)
Bảng 3.4: Các giá trị 2,i đối với nhà
Tải trọng đặt lên nhà, loại Loại A: Khu vực nhà ở, gia đình 0,3
Loại B: Khu vực văn phòng 0,3
Loại C: Khu vực hội họp 0,6
Loại D: Khu vực mua bán 0,6
Loại E: Khu vực kho lưu trữ 0,8 Loại F: Khu vực giao thông, trọng lượng xe 30kN 0,6
Loại G: Khu vực giao thông 30kN; trọng lượng xe 160kN 0,3
Loại H: Mái 0 Đây là bảng tổ hợp triển khai cho thiết kế công trình nhà ở và văn phòng
Tên tổ hợp Tổ hợp Thành phần Hệ số tổ hợp Nội dung tính toán - kiểm tra
Tên tổ hợp Tổ hợp Thành phần Hệ số tổ hợp Nội dung tính toán - kiểm tra
ENVE1 ENVE ENVE(COMBO1 + + COMBO17)
Kiểm tra độ võng theo phương thẳng đứng của dầm, sàn
Tên tổ hợp Tổ hợp Thành phần Hệ số tổ hợp Nội dung tính toán - kiểm tra
Chuyển vị do gió theo phương Y
Chuyển vị do gió theo phương X
Chuyển vị do gió theo phương Y
Chuyển vị do gió theo phương X
ENVE2 ENVE ENVE (COMBO18 + + COMBO22)
MÔ PHỎNG TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT TRONG ETABS
Phương pháp lực ngang tương đương
Bước 1: Khai báo tải trọng như sau
Bước 2: Gán tải trọng như sau
Phương pháp phổ phản ứng
Tải gia tốc là yếu tố quan trọng để mô tả chuyển động của đất nền, đồng thời được sử dụng để tính toán tải trọng cho các công trình thông qua phương pháp phổ phản ứng và phương pháp lịch sử – thời gian.
Khi xác định tải gia tốc, chương trình sẽ tự động tính toán cho cả ba phương dựa trên độ lớn của gia tốc nền Để tính toán tải gia tốc theo ba phương, cần có khối lượng tương ứng mx, my và mz nhằm tạo ra lực quán tính.
Không thể tạo ra tải gia tốc hướng tâm trong hệ tọa độ thẳng vuông góc, mà chỉ có thể tạo ra tải gia tốc thẳng Điều này là do việc sử dụng hệ tọa độ thẳng vuông góc thay vì hệ tọa độ trụ hoặc cầu.
Tải gia tốc có thể tạo ra với tất cả các loại phần tử trừ loại phần tử Asolid
Trong hệ tọa độ địa phương của phương pháp phổ phản ứng lịch sử – thời gian, tải gia tốc được xác định theo chiều dọc dương của trục 1, 2, 3, tương ứng với các thành phần U1, U2, U3.
3.2.2 Hệ trục tọa độ địa phương của tải gia tốc
Mỗi phổ phản ứng có một hệ tọa độ địa phương riêng, giúp xác định hướng lực do gia tốc nền tác động Hệ tọa độ này được biểu diễn bởi ba trục 1, 2 và 3, và được xác định dựa trên hệ tọa độ tổng thể X, Y và Z.
3.2.3 Đường cong phổ phản ứng Đường cong phổ theo mỗi phương được thiết lập từ các hàm có sẵn trong Etabs hoặc từ hàm do người thiết kế xây dựng Nếu dải chu kỳ của phổ phản ứng không được định nghĩa đủ cho dải chu kỳ dao động các mode của kết cấu, đường phổ phản ứng sẽ tự động được mở rộng cho những chu kỳ chưa được định nghĩa Gia tốc ứng với những chu kỳ đó là hằng số và có giá trị bằng với gia tốc tại điểm được định nghĩa gần đó nhất
Bước 1: Khai báo khối lượng
Chú ý khi khai báo nguồn tạo khối lượng (Mass Source)
From Shelf: khối lượng được tính từ khối lượng riêng
From Load: khối lượng được tính từ trọng lượng riêng
From Speccified Mass: khối lượng được nhập trực tiếp vào kết cấu
Việc lựa chọn không chính xác có thể dẫn đến tình trạng dư thừa hoặc thiếu khối lượng cho công trình, ảnh hưởng đến giá trị chu kỳ dao động Điều này có thể khiến người thiết kế nhầm tưởng rằng công trình đã đạt đủ hoặc thiếu độ cứng cần thiết.
Bước 2: Khai báo số mode cần để phân tích dao động
Mỗi mode có một sự đóng góp khác nhau vào dao động theo phương đang xét TCXDVN 375:2006 quy định
Tổng các khối lượng hữu hiệu của các dạng dao động được xét chiếm ít nhất 90% tổng khối lượng của kết cấu
Tất cả các dạng dao động có khối lượng hữu hiệu lớn hơn 5% của tổng khối lượng đều được xét đến
Bước 3: Định nghĩa hàm phổ phản ứng
Đã xây dựng 5 đường phổ phản ứng tương ứng với 5 loại đất nền theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 Đối với chu kỳ 0 < T < 4s, phổ phản ứng được xây dựng dựa trên phổ gia tốc, trong khi chu kỳ 4 < T < 10s được xây dựng theo phổ chuyển vị.
Khai báo phổ thiết kế
Tạo PHỔ NGANG và ĐỨNG từ file txt (add spectrum from file)
Bước 4: Định nghĩa trường hợp tải Định nghĩa phương pháp tổ hợp phản ứng từ các mode (Modal
Sự tổ hợp các dạng dao động theo một phương nhất định được thực hiện bằng các phương pháp sau:
• Phương pháp CQC (Complete Quadratic Combination)
• Phương pháp SRSS (Square Root of the Sum Squares)
• Phương pháp tổng tuyệt đối (Absolute Sum Method)
Phương pháp an toàn nhất để xác định chuyển vị và nội lực cực đại trong kết cấu là tính tổng giá trị tuyệt đối của các ứng xử từ từng mode Tuy nhiên, phương pháp này giả định rằng các giá trị phản ứng của tất cả các mode xảy ra đồng thời, điều này thường không phản ánh thực tế và dẫn đến kết quả quá lớn Do đó, cần xem xét định nghĩa phương pháp tổ hợp phản ứng từ các phương để có được kết quả chính xác hơn.
• Phương pháp SRSS (Square Root of the Sum Squares)
• Phương pháp tổng tuyệt đối (Absolute Sum Method)
Hệ số giảm chấn damping có thể lấy 0.05 với bêtông và 0.03 đối với thép Bước 5: Tính nội lực
Phần mềm phân tích dao động chia thành các mode dao động và tính toán tần số dao động tự nhiên n cùng hàm dạng n Giá trị gia tốc cho mỗi mode trong từng phương được nội suy từ đường phổ phản ứng theo chu kỳ dao động riêng và hệ số giảm chấn tương ứng Sau khi xác định giá trị gia tốc giả cho từng mode, phần mềm tính toán chuyển vị của từng bậc tự do, kết hợp với điều kiện biên và khối lượng đã khai báo cho từng phần tử, từ đó xác định nội lực của từng phần tử theo công thức phần tử hữu hạn Các bước này được thực hiện độc lập cho từng mode dao động theo mỗi phương Cuối cùng, phần mềm tự động tổ hợp nội lực, ứng suất và chuyển vị từ các mode theo phương pháp đã định nghĩa để đưa ra giá trị tổng thể trong kết cấu của một phương.
Combination) Để được giá trị ứng xử của kết cấu trong không gian, phần mềm sẽ tự động tổ hợp từ các phương khác nhau (Directional
Phản lực và mômen tại móng luôn tuân theo hệ trục tọa độ địa phương của phổ phản ứng
Bước 6 yêu cầu tổ hợp nội lực với các trường hợp tải khác, trong đó cần định nghĩa các tổ hợp tải trọng và xem xét tải động đất như một trường hợp tải Hệ số tổ hợp phải tuân thủ theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006.
Phương pháp phân tích động lực học kết cấu theo lịch sử thời gian
Phương pháp cộng tác dụng, mặc dù hữu ích cho phân tích đàn hồi của kết cấu, không thể áp dụng trực tiếp cho phân tích không đàn hồi do nguyên tắc cơ bản không còn phù hợp Phân tích này thường gặp sai số từ mô hình phương pháp cộng tác dụng, dẫn đến kết quả không hoàn toàn chính xác về ứng xử của kết cấu Ngược lại, phương pháp phân tích lịch sử thời gian khắc phục những nhược điểm này và cung cấp cái nhìn thực tế về ứng xử của công trình trong từng giai đoạn xảy ra động đất, mặc dù yêu cầu khối lượng tính toán lớn.
Phương pháp tích phân từng bước sử dụng khoảng thời gian nhỏ t để xác định phạm vi tính toán, trong đó kết quả từ phương trình trước được làm đầu vào cho bước tiếp theo Phương pháp này phù hợp cho cả phân tích đàn hồi tuyến tính và không đàn hồi tuyến tính, cho phép mô tả sự thay đổi độ cứng của kết cấu do khớp dẻo hình thành Độ cứng của kết cấu được tính toán lại sau mỗi bước dựa trên kết quả của bước trước đó.
Có thể lý tưởng hóa công trình N tầng thành hệ có khối lượng tập trung đặt tại mỗi tầng Phương trình chuyển động chủ đạo của hệ N tầng
( ) ( ) ( ) x gx ( ) y gy ( ) z gz ( ) mu t Cu t Ku t m u t m u t m u t
Phương trình này không thể giải trực tiếp được Phương trình dao động cho dạng dao động thứ n của công trình nhiều tầng đã được lý tưởng hóa
Phương trình dao động của hệ một bậc tự do được thể hiện qua các đại lượng L n và M n, trong đó L n = ∑ N m j φ jn và M n = ∑ N m j φ² jn Hệ thống này có tần số dao động tự nhiên ω n và hệ số giảm chấn ξ n, được kích thích ở bậc n.
Giải phương trình trên được nghiệm
Sự đóng góp của mode n vào chuyển vị u jn ( )t tại tầng thứ j
Biến dạng của tầng trên so với tầng dưới
Lực ngang tác dụng tại từng tầng của mode n
( ) ( ) n n f t Ku t hay f t n ( )K Y t n n ( ) hay f t n ( )m n 2 n n Y t( ) Lực ngang tác dụng tại tầng thứ j của mode n
Lực cắt tại móng và mômen được tính
Trong mỗi bước thời gian, ứng xử tổng thể của kết cấu được xác định bằng cách kết hợp ứng xử của tất cả các mode dao động
Máy tính sẽ mô hình hóa kết cấu và thiết lập phương trình dao động cho từng dạng dao động Hệ số cảm ứng sẽ được xác định cho mỗi dạng dao động cụ thể Quá trình phân tích sự biến thiên của gia tốc trong động đất sẽ được chia thành các bước thời gian nhỏ, với độ lớn bước thời gian do người thiết kế quy định Trong mỗi bước thời gian, gia tốc được coi là thay đổi theo cách tuyến tính.
Máy tính sẽ thực hiện tích phân từng bước của phương trình dao động theo từng khoảng thời gian, với kết quả của bước trước làm điều kiện ban đầu cho bước tiếp theo Quá trình tích phân này có thể diễn ra theo hai phương pháp khác nhau.
Nếu tích phân trực tiếp phương trình dao động tổng thể thì gọi là phương pháp tích phân trực tiếp (Direct Integration), chỉ có ở Sap2000
Phương pháp tích phân dạng dao động (Modal Integration) được áp dụng để tích phân phương trình dao động của các dạng dao động Phương pháp này được Etabs ưa chuộng vì mang lại kết quả chính xác cho các công trình nhà cao tầng.
Trong quá trình phân tích kết cấu, ứng xử của từng phần tử được tính toán và tổng hợp để xác định ứng xử tổng thể tại mỗi bước thời gian Điều này không chỉ phản ánh ứng xử tại bước thời gian đó, mà còn lưu giữ giá trị ứng xử để sử dụng cho các bước tiếp theo Phương pháp này khác với cách tổ hợp xác suất từ các dạng dao động trong phổ phản ứng, giúp loại bỏ những sai số không cần thiết Ứng xử của kết cấu sẽ thay đổi theo từng băng gia tốc, do đó cần chạy mô hình với nhiều băng gia tốc khác nhau để có được giá trị thiết kế chính xác Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc ghi lại tất cả các trận động đất đã xảy ra vẫn còn gặp nhiều khó khăn.
Bạn có thể tham khảo các băng gia tốc ghi lại từ các trận động đất trên thế giới thông qua dữ liệu phần mềm Etabs hoặc tìm kiếm trên Internet.
3.3.3 Phương pháp tích phân dạng dao động (modal integration)
Phương pháp dựa trên nguyên lý cộng tác dụng mô hình là một phương pháp hiệu quả và chính xác cho phân tích lịch sử thời gian Phương pháp này thực hiện tích phân khép kín cho tất cả các mode dao động trong từng bước thời gian, khác với các phương pháp phân tích phổ phản ứng Đồng thời, nó kết hợp ứng xử của kết cấu ngay khi tính toán xong để tạo ra ứng xử tổng thể cho đến thời điểm đó Trong mỗi bước thời gian, gia tốc được giả định thay đổi tuyến tính, và nếu bước thời gian xuất ra nhỏ hơn bước thời gian đầu vào, giá trị gia tốc giữa hai điểm sẽ được nội suy tuyến tính Thời gian xuất ra thường được chọn khoảng 1/10 chu kỳ của mode cao nhất (1/25 – 1/50s).
Bước 1: Định nghĩa hàm thời gian (Time history functions)
Chọn Browse… và chỉ đường dẫn đến thư mục chứa file hàm thời gian
Chọn View File để xem hình thức trình bày của File phục vụ cho việc khai báo
If the file contains corresponding values and time, select "Time and Function Values." If the file consists of measurements taken at regular intervals, choose "Values at Equal Intervals of" and enter the time step obtained from the data file.
Xem kỹ file dữ liệu và khai báo 2 thông số quan trọng sau:
Header Lines to Skip: số dòng đầu tiên chú thích cho bảng dữ liệu
Số “cột dữ liệu” là số lượng cột mà máy đọc yêu cầu, bao gồm các cột trong bảng dữ liệu được sắp xếp theo khoảng thời gian nhất định Nếu bảng dữ liệu được trình bày dưới dạng thời gian và giá trị, số cột dữ liệu sẽ tương ứng với số cặp cột bao gồm một cột thời gian và một cột giá trị.
Display Graph để xem giản đồ của giá trị
Bước 2: Định nghĩa trường hợp phân tích
Nếu trong bảng giá trị gia tốc tính theo cm/s 2 mà muốn tính theo m/s 2 thì nhân hệ số chuyển đổi 0,01 vào Scale Factor
Thời gian tổng cộng cho chương trình phân tích và xuất kết quả được tính bằng cách nhân kích thước bước thời gian đầu ra với số bước thời gian phân tích.
Bắt đầu từ Lịch sử Trước đó: Điều kiện ban đầu cho bước tích phân đầu tiên có thể để trống hoặc lựa chọn một trường hợp phân tích đã được định nghĩa trước Điều này cho phép tác động nhiều băng gia tốc liên tiếp để tham khảo kết quả.
Trong quá trình tính toán, gia tốc được coi là thay đổi tuyến tính và được nội suy từ hai điểm Kết quả ứng xử của kết cấu được tính toán ở cuối mỗi bước thời gian và được sử dụng làm điều kiện ban đầu cho bước tích phân tiếp theo Ứng xử của kết cấu chỉ được tính toán tại mỗi bước thời gian đầu vào mà không được lưu lại, trong khi chương trình chỉ lưu trữ kết quả sau mỗi bước thời gian đầu ra Điều này cho phép theo dõi ứng xử của kết cấu tại các thời điểm đã định nghĩa Để đảm bảo tính đồng nhất và độ chính xác, nên chọn bước thời gian đầu ra bằng với bước thời gian đầu vào.
Bước 4: Định nghĩa tổ hợp với các trường hợp tải khác
Phân tích theo lịch sử thời gian được xem như một trường hợp tải trọng, cho phép thực hiện tổ hợp "tải trọng" này với các loại tải trọng khác như tĩnh tải và hoạt tải.
Phân tích kết quả từ các phương pháp mô phỏng động đất
3.4.1 Kết quả phân tích phổ phản ứng
Các thành phần nội lực có thể được so sánh với tải tĩnh, tuy nhiên, giá trị này chỉ là dự đoán về ứng xử tối đa của kết cấu, không phải giá trị thực tế trong trường hợp xảy ra động đất.
Giá trị của phổ phản ứng luôn dương và phần mềm tự động tác động lên công trình theo cả hai hướng X và -X Điều này dẫn đến việc nội lực của mỗi phần tử có hai giá trị, mỗi giá trị tương ứng với một hướng tác động Do đó, không thể thiết lập phần mềm chỉ xuất ra giá trị theo một hướng tác động cụ thể Kết quả là, giá trị nội lực của phương pháp phổ phản ứng thường lớn hơn giá trị ứng xử thực tế của kết cấu.
Khi kết hợp với các trường hợp tải khác như tĩnh tải, giá trị tổ hợp sẽ là “tĩnh tải + X” và “tĩnh tải – X”, dẫn đến hai kết quả khác nhau Điều này gây khó khăn trong việc xác định kết quả nào là thực tế và nguy hiểm nhất Để đảm bảo an toàn, các nhà thiết kế thường sử dụng cả hai giá trị nội lực trong quá trình tính toán.
3.4.2 Kết quả phân tích lịch sử - thời gian Đây là lịch sử ứng xử theo thời gian của kết cấu (chuyển vị, biến dạng, ứng suất, nội lực) được thể hiện dưới dạng bảng biểu hoặc đồ thị Cho phép người sử dụng thấy được tường tận ứng xử của kết cấu trong thời gian xảy ra động đất
Có thể xem ứng xử của kết cấu cho đến thời điểm muốn xem Thời gian đó phải nằm trong khoảng thời gian đã định nghĩa
Cần lưu ý rằng hành vi của kết cấu chỉ phản ánh ứng xử đối với một băng gia tốc cụ thể Để đạt được giá trị thiết kế chính xác, cần thực hiện tính toán với nhiều băng gia tốc khác nhau.
Ví dụ tính toán
Công trình bêtông cốt thép 18 tầng với 1 tầng hầm có chiều cao 62,9m được xây dựng trên nền móng cọc khoan nhồi, tuân thủ TCXDVN 375:2006 Tại địa điểm xây dựng ở TP Hồ Chí Minh, gia tốc đỉnh đất nền tham chiếu đạt aGr 0.0848g (cấp VII theo thang MSK – 64) Giá trị trọng lượng các tầng được trình bày trong bảng kèm theo Phân tích tính toán lực động đất tác dụng lên công trình được thực hiện theo TCXDVN 375:2006 bằng ba phương pháp: phân tích tĩnh lực ngang tương đương, phân tích phổ phản ứng tính bằng tay và sử dụng phần mềm Etabs.
Kết luận chung
Thông qua 3 phương pháp tính công trình chịu động đất, có thể rút ra một số nhận xét sau
Sự chính xác của 3 phương pháp tăng dần từ phương pháp tải trọng ngang tương đương, phổ phản ứng, lịch sử – thời gian
Kết quả tính toán trên một số mô hình theo phương pháp phổ phản ứng, cho thấy rằng
Phương pháp này không còn phù hợp với các loại nhà có hình dáng khác nhau, vì kết quả tính toán không phản ánh được sự khác biệt của các hình dạng nhà.
Phương pháp này không thể xác định sự phân bố không đều của khối lượng trên sàn, điều này dẫn đến việc hình thành mômen xoắn cho kết cấu khi chịu tải trọng gia tốc.
Sử dụng phần mềm tính toán theo phương pháp này giúp phân bố tải trọng cho các tầng một cách chính xác hơn, nhờ vào việc tính toán cụ thể chuyển vị cho từng tầng.
Dựa trên kết quả từ các mô hình tính toán, nội lực thường lớn hơn so với phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương, đặc biệt là đối với các công trình có hình dạng kết cấu đặc biệt, khiến việc kiểm soát kết quả trở nên khó khăn Để điều chỉnh cho phù hợp, cần xem xét lực cắt tại mỗi tầng, gia tốc nội suy từ từng mode và nội lực của các phần tử đại diện cho tầng đó.
Kết quả từ phương pháp phổ phản ứng chỉ nên được xem là tham khảo cho thiết kế, vì nó dự đoán phản ứng tối đa của hệ thống dưới tác động của động đất dựa trên dữ liệu từ các trận động đất trước Để đạt được giá trị thiết kế chính xác hơn, có thể kết hợp ba phương pháp khác nhau.
Trong bối cảnh hiện tại, Việt Nam chưa có đủ dữ liệu về băng gia tốc của các trận động đất trong lịch sử Tuy nhiên, TCXDVN 375:2006 đã cung cấp thông tin về gia tốc nền cho tất cả các khu vực trong cả nước và nghiên cứu đã xây dựng đường phổ phản ứng cho năm loại đất nền Phương pháp phổ phản ứng kết hợp với phân tích tĩnh lực ngang tương đương được xem là đáng tin cậy và phù hợp với điều kiện hiện nay Trong tương lai, khi có đủ dữ liệu về băng gia tốc lịch sử, phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian sẽ trở nên hiệu quả hơn cho công tác tính toán.
CẤU TẠO KHÁNG CHẤN
Cấp dẻo kết cấu
Kết cấu bêtông chịu động đất cần được thiết kế để tiêu tán năng lượng và duy trì độ dẻo tổng thể Độ dẻo này đảm bảo rằng phần lớn khối lượng của kết cấu được phân bổ đến các bộ phận và vị trí khác nhau của các tầng Để đạt được điều này, dạng phá hoại dẻo như uốn phải xảy ra trước dạng phá hoại giòn như cắt, với độ tin cậy cao.
Kết cấu bêtông được phân loại theo khả năng tiêu tán năng lượng trễ, bao gồm hai cấp dẻo kết cấu: cấp dẻo kết cấu trung bình và cấp dẻo kết cấu cao Mỗi cấp dẻo kết cấu này được thiết kế với kích thước và cấu tạo phù hợp theo các tiêu chuẩn kháng chấn, giúp phát triển các cơ cấu ổn định và tiêu tán năng lượng trễ hiệu quả khi chịu tải trọng có chu kỳ mà không gây ra phá hoại giòn Để đảm bảo độ dẻo kết cấu thích hợp, các điều khoản cụ thể cho từng kết cấu chịu lực cần được tuân thủ (xem 5.4-5.6) Hệ số ứng xử q sẽ có các giá trị khác nhau tương ứng với từng cấp dẻo kết cấu (xem 5.2.2.2).
Cấu tạo kháng chấn của các cấu kiện theo cấp dẻo
4.2.1 Các tham số cấu tạo đối với dầm
4.2.2 Các tham số cấu tạo đối với cột
4.2.3 Các tham số cấu tạo đối với nút dầm và cột
4.2.4 Các tham số cấu tạo đối với tường cứng
Cấu tạo kháng chấn của các cấu kiện theo cấp chống động đất
4.3.1 Bảng phân loại các cấp chống động đất
Mức độ quan trọng Công trình Hệ số tầm quan trọng I Đặc biệt
Công trình có tầm quan trọng đặc biệt, không cho phép hư hỏng do động đất
- Đập bêtông chịu áp chiều cao >100m;
- Nhà máy điện có nguồn nguyên tử;
Nhà nghiên cứu chuyên sản xuất thử nghiệm các chế phẩm sinh vật kịch độc, bao gồm các loại vi khuẩn và mầm bệnh tự nhiên cũng như nhân tạo như chuột dịch, dịch tả và thương hàn.
- Công trình cột, tháp cao hơn 300 m;
- Nhà cao tầng cao hơn 60 tầng
Thiết kế với gia tốc lớn nhất có thể xảy ra
I Công trình có tầm quan trọng sống còn với việc bảo vệ cộng đồng, chức năng không được gián đoạn trong quá trình xảy ra động đất
- Công trình thường xuyên đông người có hệ số sử dụng cao: công trình mục I-2.a, I-2.b, I-2.d, I-2.h, I-2.k, I-2.l, I-2.m có số tầng, nhịp, diện tích sử dụng hoặc sức chứa phân loại cấp I;
- Công trình mà chức năng không được gián đoạn sau động đất: Công trình công cộng I-2.c diện tích sử dụng phân loại cấp I;
- Công trình mục II-9.a, II-9.b; công trình mục V- 1.a, V-1.b phân loại cấp I;
- Kho chứa hoặc tuyến ống có liên quan đến chất độc hại, chất dễ cháy, dễ nổ: công trình mục II-5.a, II- 5.b, mục II-5.c phân loại cấp I, II;
- Nhà cao tầng cao từ 20 tầng đến 60 tầng, công trình dạng tháp cao từ 200 m đến 300 m
II Công trình có tầm quan trọng trong việc ngăn ngừa hậu quả động đất, nếu bị sụp đổ gây tổn thất lớn về người và tài sản
- Công trình thường xuyên đông người, có hệ số sử dụng cao: công trình mục I-2.a, I-2.b, I-2.d, I-2.h, I-2.k, I-2.l, I-2.m có nhịp, diện tích sử dụng hoặc sức chứa phân loại cấp II;
Trụ sở hành chính của các cơ quan cấp tỉnh, thành phố và các công trình trọng yếu tại đây đóng vai trò quan trọng, như các công trình mục I-2.đ, I-2.g, I-2.h, với nhịp và diện tích sử dụng được phân loại thành cấp I và II.
Các hạng mục quan trọng trong công trình công nghiệp bao gồm lắp đặt thiết bị có giá trị kinh tế cao, cụ thể là từ mục II-1 đến II-4, II-6 đến II-8, II-10 đến II-12; công trình năng lượng tại mục II-9.a và II-9.b; công trình giao thông ở III-3 và III-5; công trình thủy lợi IV-2; công trình hầm III-4; và công trình cấp thoát nước V-1.
Mức độ quan trọng Công trình Hệ số tầm quan trọng I thuộc phân loại cấp I, II;
- Các công trình quốc phòng, an ninh;
- Nhà cao tầng cao từ 9 tầng đến 19 tầng, công trình dạng tháp cao từ 100 m đến 200 m
III Công trình không thuộc mức độ đặc biệt và mức độ I, II, IV
- Nhà ở mục I-1, nhà làm việc mục I-2.đ, nhà triển lãm, nhà văn hoá, câu lạc bộ, nhà biểu diễn, nhà hát, rạp chiếu bóng, rạp xiếc phân loại cấp III;
- Công trình công nghiệp mục II-1 đến II-4, từ II-6 đến II-8; từ II-10 đến II-12 phân loại cấp III diện tích sử dụng từ 1000 m 2 đến 5000 m 2 ;
- Nhà cao từ 4 tầng đến 8 tầng, công trình dạng tháp cao từ 50 m đến 100 m;
IV Công trình có tầm quan trọng thứ yếu đối với sự an toàn sinh mạng con người
- Nhà tạm : cao không quá 3 tầng;
- Trại chăn nuôi gia súc 1 tầng;
- Kho chứa hàng hoá diện tích sử dụng không quá
- Xưởng sửa chữa, công trình công nghiệp phụ trợ; thứ tự mục II-1 đến II-4, từ II-6 đến II-8; từ II-10 đến II-12 phân loại cấp IV;
- Công trình mà sự hư hỏng do động đất ít gây thiệt hại về người và thiết bị quý giá
Không yêu cầu tính toán kháng chấn
GHI CHÚ: Công trình ứng với mục có mã số kèm theo xem chi tiết trong Phụ lục G
Nhận xét: Công trình cao từ 20 tầng đến 60 tầng thuộc cấp chống động đất 1
4.3.2 Quy định bố trí cấu tạo đối với dầm
Chiều rộng tối thiểu của tiết diện dầm phải đạt 220 mm và không vượt quá chiều rộng cột cộng với 1,5 lần chiều cao tiết diện Chiều cao tối thiểu của tiết diện dầm là 300 mm, đồng thời tỉ số giữa chiều cao và chiều rộng không được lớn hơn 3.
Trong khoảng chiều dài 3h d (với h d là chiều cao tiết diện bê tông của dầm) từ mép cột, cần đặt các đai dày hơn so với khu vực giữa dầm Khoảng cách giữa các đai không được lớn hơn giá trị tính toán theo yêu cầu chịu lực cắt, đồng thời phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,25h d và không vượt quá 8 lần đường kính cốt thép dọc Ngoài ra, khoảng cách này cũng không được vượt quá 150mm trong mọi trường hợp.
Trong khu vực giữa dầm, khoảng cách giữa các đai chọn phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,5h d và không vượt quá 12 lần đường kính của cốt thép dọc, đồng thời không được lớn hơn 300mm.
4.3.3 Quy định bố trí cấu tạo đối với cột
Khi chọn tiết diện cột, tỉ số giữa chiều cao thông thuỷ của tầng và chiều cao tiết diện cột không được lớn hơn 25 Chiều rộng tối thiểu của tiết diện cột cần đạt ít nhất 220 mm Đường kính cốt thép đai phải lớn hơn hoặc bằng 1/4 đường kính cốt thép dọc và tối thiểu là 8 mm, trong trường hợp động đất mạnh, đường kính này cần ≥ 10 mm Cốt đai cột cần được bố trí liên tục qua nút khung với mật độ tương tự như vùng nút.
Trong vùng nút khung, từ điểm cách mép dưới của dầm một khoảng l1 (với l1 ≥ chiều cao tiết diện cột, ≥ 1/6 chiều cao thông thuỷ của tầng, và ≥ 450mm), cần bố trí cốt đai dày hơn Khoảng cách giữa các đai trong vùng này không được lớn hơn 6 lần đường kính cốt thép dọc và cũng không vượt quá 100mm.
Tại các khu vực khác, khoảng cách giữa các đai chọn không được vượt quá chiều rộng của tiết diện và phải nhỏ hơn hoặc bằng 6 lần đường kính của cốt thép dọc trong trường hợp động đất mạnh, hoặc 12 lần trong trường hợp động đất yếu và trung bình.
Nên sử dung đai thép kín Tại các vùng nút khung nhất thiết phải sử dụng đai kín cho cả cột và dầm
Hàm lượng cốt thép tối đa cho phép trong công trình không vượt quá 2,5% Đối với các tình huống động đất yếu, hàm lượng cốt thép tối thiểu cần đạt 1,2 lần so với mức tối thiểu không có động đất, trong khi với động đất mạnh và trung bình, tỷ lệ này cần là 1,5 lần.
4.3.4 Quy định bố trí cấu tạo đối với tường cứng (vách cứng)
Trong thiết kế các công trình với vách và lõi cứng chịu tải trọng ngang, cần đảm bảo rằng ít nhất ba vách cứng không giao nhau tại một điểm.
Để đảm bảo tính ổn định cho công trình, cần thiết kế các vách giống nhau về độ cứng và kích thước hình học, đồng thời bố trí sao cho tâm cứng trùng với tâm khối lượng Nếu chỉ đảm bảo sự đối xứng về độ cứng mà không đồng nhất kích thước hình học, trong trường hợp vật liệu làm việc ở giai đoạn dẻo dưới tác động lớn như động đất, có thể xảy ra sự thay đổi độ cứng Điều này dẫn đến biến dạng và chuyển vị khác nhau giữa các vách, làm phá vỡ sự đối xứng về độ cứng và gây ra các tác động xoắn nguy hiểm cho công trình.
Nên ưu tiên sử dụng nhiều vách nhỏ có khả năng chịu tải tương đương thay vì chọn ít vách lớn, nhằm phân bổ đều các vách trên bề mặt công trình.
Không nên chọn khoảng cách giữa các vách và từ các vách đến biên quá lớn
Tổng diện tích mặt cắt của các vách (và lõi) cứng có thể xác định theo công thức: st vl vl f F
F với F st - Diện tích sàn từng tầng; f vl = 0,015
Từng vách nên có chiều cao chạy suốt từ móng đến mái và có độ cứng không đổi trên toàn bộ chiều cao của nó
Các lỗ trên vách không được làm giảm khả năng chịu tải của vách và cần có biện pháp gia cố cho khu vực xung quanh Độ dày tối thiểu của thành vách phải đạt 150mm và không nhỏ hơn 1/20 chiều cao của tầng.
Để đảm bảo độ bền cho công trình, cần đặt hai lớp lưới thép với đường kính cốt thép không nhỏ hơn 10mm và không nhỏ hơn 0,1b Hai lớp lưới này phải được liên kết chặt chẽ với nhau bằng các móc đai hình chữ S, với mật độ 4 móc trên mỗi mét vuông.
Hàm lượng cốt thép thẳng đứng chọn 0,40% (đối với động đất yếu) và
0,60 % (đối với động đất trung bình và mạnh) nhưng không lớn hơn 3,5%
