Nghiên cứu đề xuất quy trình thiết kế kháng chấn theo tính năng cho công trình xây dựng

Ở Việt Nam việc thiết kế các công trình chịu động đất còn hạn chế, nên việc nghiên cứu đề xuất quy trình thiết kế kháng chấn theo tính năng cho công trình xây dựng phù hợp với tình hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THỊ THU

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN

THEO TÍNH NĂNG CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THỊ THU

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN

THEO TÍNH NĂNG CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số: 8580201

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN ANH DŨNG

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kì một nguồn nào với bất kì hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu

đã được thực hiện đều được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng

quy định

Tác giả Luận văn

Nguyễn Thị Thu

và để cung cấp những ý kiến có giá trị để nghiên cứu trở nên hoàn thiện hơn

Em cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô Giảng viên tại Bộ môn Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Khoa công trình, Trường Đại học Thủy lợi đã có những ý kiến đóng góp, cung cấp tài liệu tham khảo và giúp đỡ để em hoàn thành nghiên cứu này

Với lòng biết ơn sâu sắc của mình, em xin cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Anh Dũng đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất

để em hoàn thành luận văn và nâng cao năng lực nghiên cứu khoa học

Trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

Tác giả

Nguyễn Thị Thu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về động đất 3

1.1.1 Sự hình thành động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo 3

1.1.2 Cường độ động đất 9

1.1.3 Thang cường độ động đất 16

1.1.4 Động đất trên lãnh thổ Việt Nam 18

1.2 Phương pháp thiết kế kết cấu chịu tải trọng động đất 20

1.2.1 Phương pháp thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn hiện hành 20

1.2.2 Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng (performance-based seismic design) 22

1.2.3 Thực trạng tính toán thiết kế theo phương pháp kháng chấn theo tính năng tại Việt Nam 25

Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN DỰA THEO TÍNH NĂNG 29

2.1 Xác định mục tiêu tính năng của công trình 29

2.1.1 Mức nguy cơ của động đất 29

2.1.2 Mức tính năng công trình 29

2.1.3 Xác định mức tính năng công trình 30

2.1.4 Mục tiêu tính năng 30

2.2 Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến 31

2.2.1 Phương pháp N2 31

2.2.2 Phương pháp phổ khả năng 34

2.2.3 Phương pháp hệ số chuyển vị 37

2.2.4 Quan hệ lực – chuyển vị trong phân tích phi tuyến kết cấu bê tông cốt thép 41

2.3 Quy trình thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng 42

2.3.1 Các bước chính trong quy trình thiết kế 43

2.3.2 Đánh giá mục tiêu tính năng ở mức sử dụng 44

2.3.4 Phương pháp phân tích 45

2.3.5 Đánh giá tính năng 45

2.4 Đánh giá mục tiêu tính năng ở mức ngăn ngừa sụp đổ 45

2.4.1 Lựa chọn động đất đầu vào 45

2.4.2 Phương pháp phân tích 46

2.4.3 Đánh giá tính năng 46

2.5 Tiêu chí chấp thuận đối với cấu kiện bê tông cốt thép 47

Kết luận chương 2 50

CHƯƠNG 3: VÍ DỤ MÔ HÌNH SỐ THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 51

3.1 Tổng quan của công trình khung bê tông cốt thép 51

3.1.1 Phân tích khung bê tông cốt thép theo phương pháp khổ khả năng với công trình như sau 51

3.1.2.Tính tải trọng động đất theo TCVN 9386-2012 51

3.1.3 Lập mô hình phân tích khung bê tông cốt thép 56

3.2 Tính toán tải trọng động đất tác động lên công trình 64

3.2.1 Tính toán lực động đất phân bố lên mỗi tầng theo phương X theo phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương 64

3.2.2 Tính toán lực động đất phân bố lên mỗi tầng theo phương ngang theo phổ phản ứng đàn hồi 74

Kết luận chương 3 85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Các mảng kiến tạo của thạch quyển 4

Hình 1 2 Sơ đồ trượt chìm mảng sống núi đại dương và mảng lục địa biểu thị khối nhô tách dãn sống núi, đới hút chìm, biên đứt gãy trượt bằng ngang và cung núi lửa rìa lục địa 6

Hình 1 3 Sơ đồ đụng độ đối đầu giữa mảng Ấn-Úc và Á-Âu 6

Hình 1 4.a, Biên mảng trượt nhìn nghiêng; B, Biên mảng trượt ngang 7

Hình 1 5 a, Đứt gãy thuận; b, Đứt gẫy nghịch 8

Hình 1 6 Trượt bằng trái và trượt bằng phải 9

Hình 1 7 Một số hình ảnh về hậu quả động đất gây ra ở Việt Nam 19

Hình 2 1 Sơ đồ tuyến tính hóa theo phương pháp N2 32 Hình 2 2 Xác định chuyển vị mục tiêu cho hệ một bậc tự do tương đương 33 Hình 2 3 Sơ đồ tuyến tính hóa theo phương pháp phổ khả năng 35 Hình 2 4 Sơ đồ tuyến tính hóa theo phương pháp chuyển vị 37 Hình 2 5 Quan hệ lực – biến dạng đối với các cấu kiện bê tông cốt thép theo [12] 42 Hình 2 6 Quy trình thiết kế kháng chấn theo tính năng [11,17] 43 Hình 3 1 Dạng của phổ phản ứng đàn hồi 54

Hình 3 2 Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại đất từ A-E ( độ cản 5%) 55

Hình 3 3 Lập mô hình 2D khung BTCT 57

Hình 3 4 Kích thước khung 57

Hình 3 5 Gán liên kết ngàm cho khung 58

Hình 3 6 Khung mô hình 58

Hình 3 7 Khai báo vật liệu bê tông B25 59

Hình 3 8 Khai báo vật liệu thép CB240(AI) 60

Hình 3 9 Khai báo vật liệu thép CB400 (AIII) 60

Hình 3 10 Khai báo tiết diện dầm kích thước 300x650 61

Hình 3 11 Khai báo tiết diện cột 400x400 61

Hình 3 12 Khai báo tải trọng 62

Hình 3 13 Khung gán tiết diện 62

Hình 3 15 Hình ảnh khai báo tải trọng tham gia giao động 63

Hình 3 16 Hình ảnh phổ ngang thiết kế file *txt 65

Hình 3 17 Tạo phổ ngang thiết kế 66

Hình 3 18 Biểu diễn gán phổ ngang thiết kế 66

Hình 3 19 Tổ hợp lực theo phổ ngang thiết kế 67

Hình 3 20 Tổ hợp tải trọng tĩnh tải 68

Hình 3 21 Tổ hợp tải trọng 1 69

Hình 3 22 Tổ hợp tải trọng 2 69

Hình 3 23 Lực dọc khung của TH1 70

Hình 3 24 Momen khung của TH1 70

Hình 3 25 Lực dọc khung của TH2 71

Hình 3 26 Momen khung của TH2 71

Hình 3 27 Gán cốt thép cho cột khung 73

Hình 3 28 Gán cốt thép cho dầm khung 74

Hình 3 29 Hình ảnh phổ ngang đàn hồi file *txt 76

Hình 3 30 Khai báo phổ ngang đàn hồi 76

Hình 3 31 Biểu diễn gán phổ ngang đàn hồi vào khung 77

Hình 3 32 Khai báo Pushover X 77

Hình 3 33 Khai báo khớp dẻo M3 cho dầm 78

Hình 3 34 Khai báo khớp dẻo M3 cho dầm 78

Hình 3 35 Khai báo khớp dẻo PMM cho cột 79

Hình 3 36 Khai báo khớp dẻo PMM cho cột 79

Hình 3 37 Gán khớp dẻo cho toàn bộ dầm và cột 80

Hình 3 38 Gán khớp dẻo cho toàn bộ dầm và cột 80

Hình 3 39 Thông số khớp dẻo của dầm 81

Hình 3 40 Thông số khớp dẻo của cột 81

Hình 3 41 Đường cong khả năng của khung BTCT 5 tầng 82

Hình 3 42 Đường cong hệ số chuyển vị theo FEMA 356 82

Hình 3 43 Ứng xử của khung ở Bước đẩy dần thứ 29 tại điểm tính năng 83

Hình 3 44 Ứng xử của khung ở Bước đẩy dần thứ 30 tại điểm tính năng 83

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Thang cường độ động đất theo thang MSK là thang chấn cấp quốc tế

MSK-1964 10

Bảng 1 2 Mối quan hệ giữa độ lớn động đất (M), phân loại động đất, cường độ chấn động trên mặt đất (I), tác động tần suất xuất hiện động đất 14

Bảng 1 3 Giữa thang Mercalli cải tiến và thang Richter có mối liên hệ như sau 17

Bảng 1 4 So sánh giữa phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng và phương pháp thiết kế kháng chấn hiện hành 25

Bảng 2 1 Các cấp nguy cơ động đất của Mỹ 29

Bảng 2 2 Giá trị Co được thể hiện trong bảng sau 39

Bảng 2 3 Giá trị của C2 40

Bảng 2 4 Quy định về đánh giá điểm tính năng theo FEMA 42

Bảng 2 5 Giới hạn chuyển vị đối với các mức tính năng theo ATC 40 [7] 47

Bảng 2 6: Tham số mô hình hóa và tiêu chí chấp thuận áp dụng cho phương pháp

phi tuyến cho dầm bê tông cốt thép 47

Bảng 2 7 Tham số mô hình hóa và tiêu chí chấp thuận áp dụng cho phương pháp phi tuyến cho cột bê tông cốt thép 49

Bảng 3 1 Thông số vật liệu bê tông và cốt thép theo [6, 10] 51

Bảng 3 2 Giá trị của các tham số mô tả các phổ phản ứng đàn hồi 54

Bảng 3 3 Các thông số dẫn xuất phổ ngang thiết kế 64

Bảng 3 4 Giá trị của  67

Bảng 3 5 Giá trị 2,i 68

Bảng 3 6 Bố trí cốt thép dầm theo TCVN 5574 – 2018 72

Bảng 3 7 Bố trí cốt thép cột theo TCVN 5574 – 2018 72

Bảng 3 8 Các thông số dẫn xuất phổ ngang đàn hồi 75

Bảng 3 9 Xác định tỷ số chuyển vị lệch tầng so với chiều cao tầng 84

DANH MỤC VIẾT TẮT

Ký hiệu Tiếng Việt

FEMA Cơ quan quản lý khẩn cấp liên bang Mỹ PBSD Thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng

IO Mức tiếp tục sử dụng

DC Mức kiểm soát phá hoại

LS Mức An toàn tính mạng

CP Ngăn ngừa sụp đổ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong lãnh thổ Việt Nam được xác định là nhiều vùng có hoạt động của động đất Trong lịch sử Việt Nam từng ghi nhận hai trận động đất rất lớn là động đất Điện Biên (năm 1935) với 6,75 độ richter xảy ra trên đới đứt gẫy sông Mã Trận lớn thứ hai là động đất Tuần Giáo (năm 1983), với 6,8 độ richter, xảy ra trên đới đứt gẫy Sơn La Từ năm 2005 trở lại đây, có vẻ ngày càng xuất hiện nhiều trận động đất hơn, có năm nhiều hơn đến

10 trận Có độ lớn gần như nhau không có sự tăng giảm mạnh Ví dụ như năm 2007 ở ngoài khơi Vũng Tàu- Phan Thiết động đất có độ lớn 5,3 độ richter đầu năm 2011 cũng xảy ra một trận với độ lớn 4,7 độ richter Gần đây nhất vào ngày 25/11/2019 trận động đất xảy ra tại khu vực Trùng Khánh (Cao Bằng) với 5,4 độ richter làm rung chuyển một

số nơi miền bắc như Lạng Sơn, Bắc Ninh, Hà Nội,… và vào tháng 6 năm 2020 liên tiếp ngày 16 và 17 xảy ra hai trận động đất ở khu vực Mường Tè, tỉnh Lai Châu

Động đất là hiện tượng rung động đột ngột của vỏ Trái đất, mạnh hay yếu tùy từng trận

do sự dịch chuyển các mảng thạch quyển hoặc các đứt gãy ở dưới mặt đất và truyền qua các khoảng cách lớn Vì động đất xảy ra rất bất ngờ cũng như tính chất nguy hiểm của

nó, trong khi chúng ta không thể làm gì ngăn chặn nó, nên cách duy nhất để đối phó là làm giảm đến mức tối đa thiệt hại mà động đất gây lên Vậy nên thiết kế công trình chịu động đất là cần thiết để bảo vệ tính mạng con người và của cải vật chất bên trong công trình Ở Việt Nam việc thiết kế các công trình chịu động đất còn hạn chế, nên việc nghiên cứu đề xuất quy trình thiết kế kháng chấn theo tính năng cho công trình xây dựng phù hợp với tình hình phát triển xã hội trong tương lai của đất nước ta và phát triển ngành xây dựng nói chung

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu phương pháp tính toán kết cấu công trình chịu động đất theo tính năng và đánh giá công trình bằng phương pháp dựa theo tính năng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Khung nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu: Vận dụng quy trình, phương pháp tính toán khung bê tông cốt thép chịu động đất theo tính năng

4 Dự kiến kết quả đạt được

Hệ thống lý thuyết và quy trình thiết kế của phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng Mô hình số thiết kế khung bê tông cốt thép và đánh giá khung bằng phương

pháp dựa theo tính năng

5 Nội dung của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, luận văn có kết cấu gồm

ba chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng

Chương 3: Ví dụ mô hình số thiết kế kháng chấn khung bê tông cốt thép

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về động đất

Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh của nền đất gây 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 trên của quả đất [1]

Có nhiều nguyên nhân gây ra động đất như kiến tạo mảng, núi lửa phun trào, đứt gãy nội khối, tương tác giữa nước với khối đất đá trong vỏ trái đất, và do con người gây ra như nổ sâu trong lòng đất (tác nhân nguồn gốc hóa học hay hạt nhân), hoặc do xây dựng các hồ chứa lớn làm mất cân bằng tự nhiên của khối đất đá nhưng có hai nguồn gốc chủ yếu là từ hoạt động kiến tạo mảng kích thích núi lửa hoạt động và từ các đứt gãy của

vỏ trái đất [1]

1.1.1 Sự hình thành động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo

Từ những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà địa chất và địa chấn học đã đưa ra thuyết kiến tạo mảng hay còn gọi là thuyết trôi dạt các lục địa để giải thích cho nguồn gốc: của các trận động đất xuất hiện trên thế giới Theo thuyết này, lúc đầu các lục địa gắn liền với nhau được gọi là Pangaea, sau đó cách đây khoảng chừng 200 triệu năm chúng tách ra thành nhiều mảng cứng di chuyển chậm tương đối so với nhau trên một lớp dung nham ở dạng thể lỏng, nhiệt độ cao để có hình dạng như ngày nay.

Tuỳ thuộc vào đặc thù của hoạt động kiến tạo, ranh giới phân chia giữa các mảng thường có các dạng: gờ giữa đại dương, đứt gẫy, vòng cung các đảo và vùng orogenic Tại vùng gờ giữa đại dương, dung nham nóng chảy trong phần áo trào lên bề mặt quả đất sau đó nguội đi, bổi dần và mở rộng mảng thạch quyển theo phương ngang Tại các đứt gãy, các mảng kiến tạo chuyển động tương đối so với nhau và bị hút vào trong phần

áo của quả đất tại các vùng orogenic.

Các thành tựu khoa học kỹ thuật, đặc biệt là mạng lưới địa chấn kế và quan trắc địa chất trên thế giới đã chứng minh tính đúng đắn của thuyết kiến tạo mảng Do đó trong vòng 10 năm tiếp theo, lý thuyết này đã được giới khoa học chấp nhận một cách rộng rãi và được xem là một trong những thành tựu khoa học lớn nhất của nhân loại trong thế

Theo giả thiết cơ bản của thuyết kiến tạo mảng, bề mặt quả đất được tập hợp từ một số khối lớn gọi là mảng; trên, các mảng là các châu lục và đại dương Các mảng này chuyển động tương đối so với nhau Toàn bộ vỏ quả đất có thể hình dung được chia thành 7 mảng chính: Mảng Thái Bình Dương, mảng Á-Âu, mảng Ấn- Úc, mảng châu Phi, mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ, mảng Nam Cực và một số mảng kiến tạo nhỏ như: mảng Ả Rập (bán đảo Ả Rập), mảng Ấn Độ, mảng Úc, mảng Philippin,… Các mảng lớn lại được chia thành các mảng bé hơn (vi mảng) qua các vết đút gãy nông hơn

Tại vùng phân chia giữa các mảng xuất hiện các biến dạng tương đối trên một vùng khá hẹp Các mảng đó gọi là “mảng kiến tạo”, trong đó mảng lớn nhất rộng tới hàng ngàn km, phát triển sâu xuống phía dưới tới 80 km Những mảng này trượt quanh phần trên đới manti thượng nóng chảy nhẹ nằm giữa vỏ cứng ngoài và nhân trái nhất Địa mảng chuyển động rất chậm với tốc độ khoảng vài cm/năm.[1]

Hình 1 1 Các mảng kiến tạo của thạch quyển

Các biến dạng có thể xảy ra chậm và liên tục hoặc có thể xảy ra một cách đột ngột dưới dạng các trận động đất các nhà khoa học đã xác định được ba kiểu biến dạng hoặc ba kiểu chuyển động sau tại các bở biên mảng có ảnh hưởng tới tính chất của các trận động đất xảy ra

- Có ba loại biên mảng:

+ Biên tách dãn sống núi

+ Biên vùng trượt chìm

+ Biên đứt gẫy trượt bằng ngang

a, Biên tách giãn sống núi

Thường tồn tại giữa đại dương, tại đó đá nóng chảy từ đới manti thượng trào lên bề mặt, sau đó nguội dần đi thành một phần của mảng Tốc độ dàn trải dày lên khoảng 2-18 cm/năm; tốc độ nhanh nhất quan sát thấy tại sống núi Thái bình dương và thấp nhất thấy

ở sống núi Đại tây dương Người ta dự tính rằng vỏ cứng với đáy đại dương được mở rộng với tốc độ khoảng 3,1 km2/năm Hoạt động núi lửa xảy ra nhiều ở đáy đai dương thường ở gần biên tách dãn sống núi Ví dụ cung đảo Island hoạt động núi lửa xảy ra gần như thường xuyên (hiện có 150 núi lửa đang hoạt động) Mỗi khi núi lửa hoạt động dung nhan trong đới manti thượng trào lên, khi nguội hình thành tại đó một từ trường

có cực trùng với cự từ trường trái đất đó, và làm mặt đáy đại dương nâng lên, đồng thời gây ra sóng thần

b, Biên vùng trượt chìm

Thường xảy ra tại ranh giới giữa mảng đại dương và lục địa Kích thước vỏ trái đất không đổi nên khi mảng tách giãn sống núi mở rộng chuyển dịch tương đối với mảng liền kề, và do vật liệu đáy đại dương thường lạnh và chặt đặc hơn nên có thể xảy ra sự trượt chìm của biên mảng đại dương nằm dưới biên mảng lục địa Khi tốc độ hội tụ của mảng cao sẽ hình thành máng vực tại biên giữa hai mảng và động đất thường xảy ra tại vùng này, nó được gọi là đới hút chìm đáy đại dương hay đới (vùng) nghiêng Benioff Khi tốc độ hội tụ thấp, và trầm tích chất đống trong một nêm bồi tích tăng dần trên đỉnh

đá cứng và lấp dần máng vực

Hình 1 2 Sơ đồ trượt chìm mảng sống núi đại dương và mảng lục địa biểu thị khối nhô tách dãn sống núi, đới hút chìm, biên đứt gãy trượt bằng ngang và cung núi lửa

rìa lục địa

Vì kích thước của quả trái đất giữ nguyên không đổi, nên việc mở rộng các mảng tại một số bờ biên phải được bù lại bằng việc thu hẹp các mảng tại một số bờ biên khác Điều này đã được quan sát thấy qua chuyển động hút chìm giữa hai mảng kề nhau Khi các mảng trong lục địa chuyển động về phía nhau, sự đụng chạm lục địa đó dẫn tới sự hình thành các rặng núi Ví dụ dãy Himalaya gồm hai lớp vỏ được hình thành do hai mảng Ấn Úc và Á Âu đụng độ đối đầu nhau Đụng độ đối đầu của các mảng lục địa Phi

và Âu hiện đang làm giảm kích thước của biển Địa Trung Hải và đương nhiên dẫn tới

sự hình thành dãy núi loại đụng độ

Hình 1 3 Sơ đồ đụng độ đối đầu giữa mảng Ấn-Úc và Á-Âu

c, Biên đứt gẫy trượt bằng ngang

Xảy ra khi các mảng chuyển động trượt qua nhau mà không tạo vỏ mới hoặc phá hủy

vỏ cũ Loại này thường thấy tại chỗ sống núi xê dịch phương vuông góc với phương sống núi Đứt gẫy trượt ngang thường được nhận biết bởi độ lệch dị thường từ tính và tại đó còn lưu giữ được phần trên mặt vách của vỏ trái đất Khoảng dị thường từ tính xác định các vùng đứt gẫy có thể quan sát thấy trên chiều dàu hàng ngàn ki lô mét, tuy nhiên chuyển động của một phần vùng bị phá hoại phát triển ngoài đứt gãy trượt ngang cho thấy rằng là có cùng phương về hai hướng đối chiều của vùng bị phá hoại, do vậy chỉ có phần vùng bị phá hoại giữa hai gờ so le tách dãn là thuộc đứt gãy trượt ngang

Hình 1 4.a, Biên mảng trượt nhìn nghiêng; B, Biên mảng trượt ngang

d, Động đất do đứt gãy

Khi quan sát địa hình ta thường gặp những sự thay đổi đột ngột trong cấu trúc nền đá

Ở một số chỗ, các vỉa đá có đặc tính khác nhau gối đầu vào nhau hoặc tựa lên nhau dọc theo mặt tiếp xúc giữa chúng Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như vậy được gọi là đứt gẫy hoặc phay địa chất

Các đứt gẫy có thể có chiều dài từ vài mét tới hàng trăm kilômét và ân sâu vào lòng đất tới vài chục kilômét Chúng có thể được nhận biết qua khảo sát trạng thái địa hình trên mặt đất, nhưng nhiều khi rất khó phát hiện bằng cách quan sát vì đứt gẫy nằm sâu trong vỏ quả đất không kéo lên tới bề mặt.

Các vết đứt gẫy được chia làm hai loại: hoạt động và không hoạt động Đứt gẫy hoạt động là những đứt gẫy mà các khối vật chất ở hai bên mặt đứt gẫy đang chuyển động tương đối so với nhau, năng lượng biến dạng đàn hồi do quá trình kiến tạo được tích luỹ

là các đứt gẫy trong quá khứ đã từng hoạt động, nay không còn chuyển động và do đó

sẽ không gây ra động đất Đứt gãy địa chấn nổi tiếng nhất trên thế giới thuộc loại hoạt động là đứt gẫy San Andreas ỏ California (Hoa Kỳ) Đứt gẫy này có chiều dài 300 km

và trượt ngang 6,4 m, từng gây ra trận động đất San Francisco năm 1906 và nhiều trận động đất tiếp sau đó Tốc độ trượt trung bình tại một đứt gẫy hoạt động thay đổi từ 10 –

100 mm/năm Một số đứt gẫy chuyển động liên tục, một số khác chỉ chuyển động khi động đất xảy ra Các đứt gây hoạt động được phân loại dựa trên dạng hình học và hướng trượt tương đối giữa chúng Có thể phân chuyển động tại các đứt gẫy cũng như dạng đứt gẫy thành các loại sau.

- Trượt nghiêng: sự dịch chuyển xảy ra theo phương song song với độ dốc của đứt gẫy (hoặc vuông góc với đường mạch ngang là giao tuyến giữa mặt đứt gẫy và mặt nằm ngang) Tuỳ thuộc vào hướng chuyển động tương đối của các mảng nằm hai bên mặt đứt gẫy mà các đứt gẫy được phân loại như sau:

a,

b,

Hình 1 5 a, Đứt gãy thuận; b, Đứt gẫy nghịch

+ Đứt gẫy bình thường hoặc còn gọi là đứt gẫy thuận: lớp đá cứng phía trên mặt nghiêng của đứt gẫy trượt xuống dưới so với lớp nằm dưới Các đứt gẫy có mặt trượt gần thẳng đứng cũng có thể xếp vào loại này;

+ Đứt gẫy nghịch: lớp đá cứng phía trên mặt đứt gẫy nghiêng trượt lên trên so với lớp

đá phía dưới đứt gẫy

- Trượt ngang (còn gọi là trượt bằng): sự dịch chuyển xảy ra theo phương ngang song song với mạch ngang của đứt gẫy Chuyển động trượt ngang thường xảy ra tại các đứt gẫy gần thẳng đứng và có quy mô lớn Tuỳ thuộc vào hướng chuyển động tương đối của vật chất trên mặt này hay mặt kia của đứt gẫy mà phân loại đứt gẫy như sau:

Hình 1 6 Trượt bằng trái và trượt bằng phải

+ Đứt gẫy trượt ngang trái (trượt bằng trái): Nếu đứng từ một mảng quan sát thấy mảng kia trượt về phía trái;

+ Đứt gẫy trượt ngang phải (trượt bằng phải): Nếu đứng từ một mảng quan sát thấy mảng kia trượt về phía phải

Trong một số trường hợp, chuyển động trượt tại các đứt gãy thường kết hợp giữa nghiêng

và trượt ngang, nên các đứt gãy này được gọi là đứt gãy xiên

* Động đất phát sinh từ các nguồn gốc khác

Động đất còn có thể phát sinh từ các nguyên nhân sau:

- Sự giãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất;

JMA, MSK Kể từ khi phát triển các thiết bị quan chắc gần đây, cường độ chuyển động động đất bắt đầu được biểu thị bởi gia tốc lớn nhất, chuyển vị lớn nhất, và phổ phản ứng,…, trong đó gia tốc lớn nhất là phổ biến nhất

- Cường độ động đất chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:

+ Khoảng cách từ nguồn chuyển động

+ Kích thước vùng sụp (đứt gãy)

+ Năng lượng biến dạng trong đá được giải phóng

+ Kiểu địa chất giữa nguồn và hiện trường liên quan

+ Địa mạo địa phương và các điều kiện đất địa phương,…

Bảng 1 1 Thang cường độ động đất theo thang MSK là thang chấn cấp quốc tế

MSK-1964

Cấp

chấn

động

Mô tả các dấu hiệu

I Động đất không cảm thấy: Độ mạng của dao động dưới giới hạn cảm thấy;

chỉ có máy mới phát hiện và ghi nhận được các chấn động của đất

II Động đất ít cảm thấy (rất nhẹ) : Động đất chỉ cảm thấy bởi những con

người riêng lẻ ở yên tĩnh trong nhà, đặc biệt là ở gác trên cùng

III Động đất yếu: Động đất cảm thấy ở trong nhà bởi ít người, ở ngoài trời, chỉ

trong những điệu kiện thuận lợi Chấn động y như tạo nên bởi một xe ô tô vận tải nhẹ chạy qua Người tinh ý nhận thấy đồ vật treo đu đưa nhẹ, ở gác trên cùng thì đu đưa mạnh hơn một chút ít

IV Động đất nhận thấy rõ: Động đất cảm thấy ở trong nhà bởi nhiều người; ở

ngoài trời bởi ít người Đây đó, có người ngủ bị tỉnh giấc song chẳng ai sợ hãi cả Chấn động y như tạo nên bở một xe ô tô vận tải nặng chạy qua Cửa kính, cửa ra vào, bát đĩa đập lạch cạch Sân và tường nhà cọt kẹt Bàn ghê

đồ đạc bắt đầu rung chuyển Đồ vật treo đu đưa nhẹ Nước đựng trong vạt

hở hơi sóng sánh Động đất nhận thấy được trong ô tô đỗ

Cấp

chấn

động

Mô tả các dấu hiệu

V Thức tỉnh: Động đất cảm thấy ở trong nhà bởi mọi người, ở ngoài trời bởi

nhiều người Nhiều người như bị tỉnh giấc Một số ít người chạy ra khỏi nhà Súc vật nhốn nháo Nhà rung toàn bộ Đồ vật treo đu đưa mạnh Khung treo nhích khỏi chỗ Trong trường hợp hiếm gặp, đồng hồ quả lắc dừng lại Một vài vật không vững bị lật đổ hay xê dịch Cửa sổ và cửa ra vào chưa cài bị

mở toang rồi lại đóng sầm vào Nước đựng đầy trong bình hở bị sánh ra ngoài một chút Chấn động y như tạo nên bởi những đồ vật nặng rơi trong nhà

VI Sợ hãi

a, Ở trong nhà cũng như ở ngoài trời, đa số người cảm thấy động đất Nhiều người đang ở trong nhà sợ hãi và bỏ chạy ra ngoài phố Một số ít người bị mất thăng bằng Gia súc tháo chạy khỏi chuồng Trong một số ít trường hợp, bát đĩa và đồ vật bằng thủy tinh có thể bị vỡ; sách trên giá bị rơi xuống Bàn ghế, đồ đạc nặng có thể di chuyển Có thể nghe thấy tiếng của những chuông nhỏ trên tháp chuông vang lên

b, Ít nhà kiểu B và nhiều nhà kiểu A bị hư hại bậc 1; nhiều nhà kiểu A bị hư hại bậc 2

c,Trong một số ít trường hợp nền đất ẩm có thể có vết nứt rộng tới 1 cm, ở miền núi có thể có trượt đất Thay đổi lưu lượng nguồn nước và mực nước dưới giếng

VII Hư hại nhà cửa

a, Đa số người sợ hãi và chạy ra khỏi nhà Nhiều người khó đứng vững Người lái xe ôtô cũng nhận biết được động đất Chuông lớn ở nhà thờ kêu vang

b, Nhiều nhà kiểu C bị hư hại bậc 1; nhiều nhà kiểụ B bị hư hại bậc 2; nhiều nhà kiểu A bị hư hại bậc 3, một số ít bậc 4 Trong những trường hợp riêng

Cấp

chấn

động

Mô tả các dấu hiệu

lẻ, có trượt đất ở đoạn đường nằm trên sườn dốc và có vết nứt ở mặt đường

Có hư hại ơ chỗ nối ống dẫn, có vết nứt ở hàng rào bằng đá

c, Nổi sóng trên mặt hồ, nước trở thành vẩn đục vì bùn bị khuấy lên Thay đổi mực nước dưới giếng và lưu lượng nguồn nước Trong một số ít trường hợp, xuất hiện nguồn nước mới hoặc biến mất nguồn nước cũ Trong những trường hợp riêng lẻ, có trượt lở đất ở bờ sông cấu thành từ cát hay sạn nhỏ

VIII Phá hoại nhà cửa

a, Sợ hãi khủng khiếp, ngay cả người lái ôtô cũng lo ngại Đây đó cành cây

bị gẫy Bàn, ghế, đồ đạc nặng bị xê dịch và đôi khi bị lật đổ Mọt số đèn treo

bị hư hại

b, Nhiều nhà kiểu C bị hư hại bậc 2, một số ít bậc 3; nhiều nhà kiểu B bị hư hại bậc 3, một số ít bậc 4; nhiều nhà kiểu A bị hư hại bậc 4, một số ít bậc 5

Có trường hợp gẫy chỗ nối ống dẫn Đài và tượng kỷ niệm bị di chuyển Bia

đá bị đổ Hàng rào băng đá bị phá hoại

c,Trượt đất nhỏ ở sườn dốc đứng, ở chỗ hõm sâu và ở chỗ ụ của đường đi, nền đất bị nứt rọng tới vài cm Xuất hiện bể nước mới Đôi khi giếng cạn lại đầy nước hoặc giếng đang có nước lại bị khô Trong nhiều trường hợp, thay đổi lưu lượng nguồn nước và mực nước giếng

IX Hư hại hoàn toàn nhà cửa

a, Khủng khiếp họàn toàn Bàn, ghế, đồ đạc bị hư hại nặng Súc vật chạy nhón nháo và kêu rống lên

b, Nhiều nhà kiểu C bị hư hại bậc 3, một số ít bậc 4; nhiều nhà kiểu B bị hư hại bậc 4, một số ít bậc 5; nhiều nhà kiểu A bị hư hại bậc 5 Đài kỷ niệm bị lật đổ, hư hại nặng bể nước nhân tạo; đứt gãy một phần ống dẫn ngầm Có trường hợp đường sắt bị uốn cong và đường đi bị hư hại

Cấp

chấn

động

Mô tả các dấu hiệu

c, Ở đồng bằng ngập nước thường thấy rõ những chỗ cát và bùn bị bồi lên Nền đất bị nứt rộng tới 10 cm; còn ở sườn và bờ sông, quá 10 cm; ngoài ra còn nhiều vết rạn ở nền đất Đá tảng bị sụt lở; có nhiều chỗ đất trượt và lở

Sóng to trên mặt nước

X Phá hoại hoàn toàn nhà cửa

a, Nhiều nhà kiểu C bị hư hại bậc 4, một số ít bậc 5; nhiều nhà kiểu B bị hư hại bậc 5, đa số nhà kiểu A bị hư hại bậc 5 Đê đập hư hại nguy hiểm, cầu

hư hại nặng Đường sắt hơi bị cong, ống dẫn ngầm bị cong hay gẫy Lớp đa phủ và lớp nhựa đường đi tạo thành một mặt lượn sóng

b, Nền đất bị nứt rộng vài dm và trong vài trường hợp tới 1 m Song song với lòng các dòng nước chảy, xuất hiện những đứt gãy rộng Lở đá bở, từ sườn dốc đứng Có thể có trượt đất lớn ở bờ sông và bờ biển dốc đứng Sánh

nước ra ngoài kênh, hồ, sông, , xuất hiện hồ nước mới

XI Thảm họa

a, Hư hại nặng ngay cả nhà xây tốt, cầu, đập nước và đường sắt; đường rải

đá bị hỏng không dùng được nữa; ống dẫn ngầm bị phá hoại

b, Mặt đất bị biến dạng to thành vết nứt rộng, đứt gãy và di động theo các phương thẳng đứng và nằm ngang; núi sụt lở ở nhiều nơi Muốn định cấp

độ mạnh cần có khảo sát đặc biệt

XII Thay đổi địa hình

a, Hư hại nặng hay phá hoại thực sự mọi công trình ở trên và dưới mặt đất

b, Thay đổi hẳn mặt đất Nền đất bị nứt lớn, bị di động theo các phương thẳng đứng và nằm ngang Núi và bờ sông sụt lở trên những diện tích lớn Xuất hiện hố, hình thành thác, thay đổi dòng sông Muốn định cấp độ mạnh

cần có khảo sát đặc biệt

+ Kiểu C: Nhà bằng bê tông cốt sắt, nhà bằng gỗ tốt

Bảng 1 2 Mối quan hệ giữa độ lớn động đất (M), phân loại động đất, cường độ chấn

động trên mặt đất (I), tác động tần suất xuất hiện động đất

( theo Quyết định số 03/2020/QĐ-TTg ngày 13/01/2020 của Thủ tướng Chính phủ)

Độ lớn

(M)

Phân Loại

Cường

độ chấn động trên bề mặt (cấp)

Tác động của động đất

Tần suất xuất hiện trung bình trên toàn thế giới mỗi năm

Liên tục, vài triệu trận mỗi năm 2,0 - 2,9

Yếu

I tới II

Một số người cảm nhận được rung động rất nhẹ Không gây thiệt hại cho các công trình xây dựng

Trên môt triệu trận mỗi năm

Cảm thấy bởi một số người, nhưng hiếm khi gây thiệt hại Có thể nhận thấy các đồ vật trong nhà rung động

Trên 100.000 trận mỗi năm

Các đồ vật trong nhà rung động và phát ra tiếng ồn Nhiều người cảm nhận thấy động đất Người ở ngoài nhà cảm thấy rung động nhẹ Nhìn chung không gây nên thiệt hại hoặc thiệt hại nhẹ Rất hiếm khi gây thiệt hại trung bình tới thiệt hại đáng kể Một số

đồ vật trong nhà bị rơi

10.000 tới 15.000 trận mỗi năm

5,0 - 5,9 Trung

bình

VI tới VIII

Có thể gây nên thiệt hại trung bình tới thiệt hại nặng cho các công trình xây dựng thiết

kế kém Không gây thiệt hại đến thiệt hại nhẹ cho các công trình được thiết kế tốt

Mọi người đều cảm nhận thấy động đất Có thể gây chết người tùy thuộc vào hoàn cảnh tác động

1.000 tới 1.500 trận mỗi năm

Có thể gây thiệt hại, phá hủy trong những vùng đông dân cư Gây thiệt hại cho hầu hết các công trình xây dựng Các công trình có thiết kế tốt vẫn tồn tại nhưng có thể bị hư hại, nhẹ đến trung bình Các công trình thiết

kế kém bị hư hại trung bình đến hư, hại nặng Vùng cảm nhận thấy động đất rộng hơn, chắc chắn là tới hàng trăm km tính từ chấn tiêu động đất Vùng xa chấn tiêu hơn cũng có thể hư hại ở mức độ bất kỳ Rung động mạnh tới mãnh liệt trong vùng gần chấn tiêu Ngưỡng thiệt hại về người giữa 0

và khoảng 25.000 người

100 tới 150 trận mỗi năm

VIII tới XII

Gây hư hại nhiều hoặc tất cả các công trình xây dựng trên nhiều vùng; Một số công trình bị sụp đổ một phần hoặc sụp đổ hoàn toàn hoặc bị hư hại nghiêm trọng Các công trình được thiết kế tốt cũng chắc chắn bị hư hại Cảm nhận được động đất trên những vùng rất rộng lớn Ngưỡng thiệt hại về người thường giữa 0 và 250.000 người

10 tới 20 trận mỗi năm

8,0 - 8,9 Hủy diệt

Gây hư hại nặng nề cho các cộng trình xây dựng được thiết kế kém và hầu hết mọi công trình chắc chắn bị phá hủy Gây hư hại trung bình đến hư hại nặng cho các công trình bình thường và các công trình được thiết kế chống động đất Gây hư hại trên những vùng rộng lớn Có thể gây phá hủy hoàn toàn trên những vùng lớn bất thường

Ngưỡng thiệt hại về người thường giữa 100

và 1 triệu người; tuy nhiên một số trận động đất có độ lớn như vậy nhưng không gây nên thiệt hại về người

1 trận mỗi năm (hiếm khi không,

2 hoặc hơn

2 trận mỗi năm)

9,0 - 9,9

Gây hự hại nghiêm trọng cho tất cả hoạc hầu hết mọi công trình xây dựng với mức phá hủy lớn Gây hư hại và gây rung động tới những vị trí ở khá xa Thay đổi /địa hình mặt đất Ngưỡng thiệt hại về người thường giữa 1.000 và vài triệu người

1 trận trong

5 đến 50 năm

sẽ kéo dài trong một khoảng thời gian cực

kỳ dài Chưa ghi nhận được trận động đất nào có độ lớn như vậy

Không có trận nào trong mỗi năm (còn chưa biết, cực kỳ hiếm, họặc không thể/có thể không thể xảy ra)

1.1.3 Thang cường độ động đất

Thang cường độ động đất (hay cấp động đất) phụ thuộc vào khả năng nhận thức của con người về mức độ phá hoại công trình xây dựng do động đất gây ra

Các thang dưới đây được nhiều nước sử dụng:

Thang MKS -64: Thang cường độ động đất MSK - 64 do ba nhà khoa học Medvedev,

Sponhauer và Karnic đề xuất năm 1964 Thang này gồm 12 cấp, được sử dụng rộng rãi

ở Nga, các nước thuộc khối SNG, một số nước Đông Âu, Việt Nam, Ngoài việc đánh giá và phân loại tác động của động đất lên con người, môi trường và các công trình xây dựng như các thang cường độ động đất trước đó (nhưng chi tiết và cụ thể hơn), cường

độ động đất theo thang MSK - 64 còn được đánh giá qua hàm chuyển vị của một con lắc chuẩn hình cầu mô tả chuyển động địa chấn Từ cấp 1 đến cấp 6 là động đất nhẹ không gây ảnh hưởng lớn đến nhà và công trình; từ cấp 7 đến cấp 9 là động đất mạnh cần được xét đến trong thiết kế nhà, công trình; từ cấp 10 đến cấp 12 là động đất có mức hủy diệt

Thang Mercalli cải tiến: Do nhà địa chấn học Mercalli đã đề xuất, có 12 cấp Cấp từ I

đến IV là động đất yếu; Cấp V đến VI đã tác động đến giác quan con nguời, có chút ít

thiệt hại; Cấp VII làm con nguời chạy ra khỏi nhà, hu hỏng nhẹ; Cấp VIII làm hu hỏng

hàng loạt công trình; Cấp IX và X làm đổ hầu hết các nhà; Cấp XI gây thiệt hại phạm vi

lớn; Cấp XII mang tính hủy diệt kèm theo sự thay đổi địa hình nơi có động đất

Thang Richter: Thang đo cường độ động đất bằng cách đánh giá gần đúng năng lượng

được giải phóng ở chấn tiêu Độ lớn M (magninude) của một trận động đất bằng logarit

thập phân của biên độ cực đại A (m) ghi tại một điểm cách chấn tâm D=100km trên

máy đo địa chấn có chu kỳ dao động riêng T =0,8s

Theo định nghĩa của Richter, độ lớn M của một trận động đất được xác định như sau:

Quan hệ giữa năng lượng E (egi) được giải phóng ở chấn tiêu với magnitude được xác

định theo biểu thức:

log E = 9,9 + 1,9M - 0,024M2 (1.2)

Về mặt lý thuyết thang M, Richter bắt đầu bằng con số 0 và không có giới hạn trên

Nhưng cho đến nay người ta chưa đo được trận động đất nào có M đạt đến 9 Thang

năng lượng Richter có 7 bậc đánh số từ 2 đến 8 độ Richter

Bảng 1 3 Giữa thang Mercalli cải tiến và thang Richter có mối liên hệ như sau

Than Richter M Thang Mercalli cải tiến MM

1.1.4 Động đất trên lãnh thổ Việt Nam

Lãnh thổ Việt Nam nằm trên một phần vùng lồi lõm của mảng Á-Âu, kẹp giữa ba mảng

có mức độ hoạt động mạnh là mảng châu Úc, mảng Philipine và mảng Thái Bình Dương, phía tây và tây nam của Việt Nam là vành đai động Himalaya và rãnh sâu Java được tạo

ra do sự va chạm giữa mảng châu Úc với mảng Á -Âu Phía Đông của Việt Nam là vành đai Thái Bình Dương được tạo ra do sự va chạm giữa mảng Thái Bình Dương và mảng Philipine với mảng Á-Âu

Xét riêng về vị trí đối với các mảng kiến tạo, Việt Nam được coi là thuộc khu vực xảy

ra động đất yếu Tuy nhiên, đây vẫn là các mảng kiến tạo hoạt động Sự hình thành đó được minh chứng bởi các trận động đất trung bình xảy ra trên lãnh thổ Việt Nam và các vùng lân cận Ở miền Bắc, một số đứt gẫy lớn đã được phát hiện, như các đứt gẫy Cao Bằng- Tiền Yên, Đông Triều, sông Lô, sông Hồng, Sơn La, sông Mã, sông Đà, sông Cả, Mường La và Lai Châu- Điện Biên

Về mặt đứt gãy, trên lãnh thổ Việt Nam tồn tại một mạng lưới đứt gẫy phức tạp, đa dạng

về phương, về kiểu trượt, về cấp độ và về lịch sử phát triển Các đứt gẫy phần lớn phụ thuộc vào hai nhóm chính: nhóm đứt gẫy phân miền kiến tạo và nhóm đứt gẫy phân chia các đơn vị cấu trúc chính trong các miền

Theo các văn bản ghi chép được từ năm 114 đến nay, có khoảng 1700 trận động đất

có độ mạnh từ 3 độ Richter trở lên xuất hiện trên lãnh thổ Việt Nam Trong thế kỷ 20, nhiều trận động đất từ cấp 5 (theo thang MSK-64) xuất hiện ở nước ta- đặc biệt tập trung tại các khu vực Lai Châu, Sơn La, Điện Biên Cụ thể, có 60 trận động đất cấp 6,2 trận động đất cấp 7 đã xảy ra ở Việt Nam và đều tập trung ở khu vực phía Bắc – dọc theo các vết đứt gãy sông Hồng, sông Chảy, sông Đà, sông Mã, sông Cả, Lai Châu- Điện Biên Tuy nhiên do các trận động đất nói trên có độ sâu chấn tiêu nông nên vùng ảnh hưởng khá hẹp

Từ năm 2005 trở lại đây, có vẻ ngày càng xuất hiện nhiều trận động đất hơn, có năm nhiều hơn đến 10 trận Có độ lớn gần như nhau không có sự tăng giảm mạnh Năm 2007

ở ngoài khơi Vũng Tàu- Phan Thiết động đất có độ lớn 5,3 độ richter đầu năm 2011 cũng xảy ra một trận với độ lớn 4,7 độ richter Gần đây nhất vào ngày 25/11/2019 trận

động đất xảy ra tại khu vực Trùng Khánh (Cao Bằng) với 5,4 độ richter làm rung chuyển một số nơi miền bắc như Lạng Sơn, Bắc Ninh, Hà Nội,… và vào tháng 6 năm 2020 liên tiếp ngày 16 và 17 xảy ra hai trận động đất ở khu vực Mường Tè, tỉnh Lai Châu

Hình 1 7 Một số hình ảnh về hậu quả động đất gây ra ở Việt Nam

Để phục vụ yêu cầu thiết kế kháng chấn cho các công trình xây dựng dân dụng, giao thông, thủy lợi, cơ sở dữ liệu về động đất đã được xây dựng và ngày càng hoàn thiện hơn Từ 8 trạm quan trắc trước năm 1986 ở các tỉnh Phú Diễn (1924), Nha Trang (1957), Sapa (1961), Bắc Giang (1967), Hòa Bình (1972), Tuyên Quang (1975), Đà Lạt (1980),

Hà Nội (1986), … , đến nay Việt Nam đã có 26 trạm địa chấn cho phép quan trắc đầy

đủ các trận động đất ở xung quanh lãnh thổ Việt Nam đặt tại các tỉnh như Sơn La, Điện Biên, Bình Định, Hà Giang, Thanh Hóa,…

Để hoàn thiện hơn các bản đồ dự báo về mức độ nguy hiểm động đất trên lãnh thổ Việt Nam và tiếp cận bước đầu với phương pháp dự báo động đất về thời gian phát sinh từ năm 2000 Bộ Khoa học Công nghệ đã giao cho Viện Vật lý Địa cầu triển khai đề tài

“Nghiên cứu dự báo động động đất và dao động nền ở Việt Nam” Một trong các kết quả nghiên cứu của đề tài này là bản đồ dự báo cương độ chấn động cực đại, bản đồ phân vùng gia tốc nền cực đại amax và các bản đồ phân vùng gia tốc nền với xác suất vượt quá 10% trong các khoảng thời gian 20, 50, 100 năm Dựa trên các kết quả nghiên cứu này, Viện Vật lý Địa cầu đã cung cấp phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam chu

kỳ lặp lại 500 năm trên nền loại A Như vậy với các kết quả nghiên cứu này, chung ta

đã có các cơ sở dữ liệu cần thiết để thực hiện việc kháng chấntheo tính năng cho các công trình xây dựng trong các vùng có động đất tại Việt Nam.

1.2 Phương pháp thiết kế kết cấu chịu tải trọng động đất

1.2.1 Phương pháp thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn hiện hành

Các nghiên cứu về thiết kế kháng chấn cho công trình được bắt đầu từ năm 1906 sau khi trận động đất ở San Francisco xảy ra Năm 1915, giáo sư Sano người Nhật đưa ra khái niệm “độ chấn” để lượng hóa độ lớn của động đất, theo đó, lực động đất tác dụng lên công trình được xác định theo công thức: F =  R W (trong đó: R là “độ chấn”, W là trọng

lượng của công trình) Hai năm sau trận động đất Kanto xảy ra (năm 1924), khái niệm

“độ chấn” được đưa vào tiêu chuẩn của Nhật Bản, đồng thời quy định R=0.1 Quy định

tương tự cũng được sử dụng trong phiên bản đầu tiên của tiêu chuẩn UBC năm 1927

Từ thập niên 20~30 của thế kỷ 20, trên thế giới đã chú ý đến tác động của động đất trong tính toán thiết kế, ở thời điểm đó đã nhận thức được tính quan trọng của lực quán tính của công trình Tuy nhiên do không có phương pháp đo đáng tin cậy để xác định gia tốc của đất nền, đồng thời thiếu nhận thức và kiến thức về ứng xử động lực của kết cấu nên không thể đưa ra phương pháp đáng tin cậy để xác định độ lớn của lực quán tính, thông thường giá trị của lực quán tính phổ biến được chấp nhận được lấy bằng 10% trọng lượng của công trình để tính toán thiết kế Tại thời điểm đó sử dụng giả thiết tác động động đất không liên quan đến đặc trưng động lực của kết cấu và đặc trưng của nền đất, đồng thời còn giả thiết khả năng kháng chấn của kết cấu chỉ liên quan đến khả năng chịu lực Khi tính toán thiết kế tăng hệ số an toàn, tiến hành thiết kế bằng tính toán đàn hồi theo phương pháp ứng suất cho phép Có thể thấy, phương pháp thiết kế kháng chấn ở giai đoạn sơ khởi là rất “thô sơ” Sau trận động đất Long Beach năm 1933 và động đất Elcentro năm 1940 ở Mỹ, lần đầu tiên con người đã thu được một số giản đồ gia tốc động đất mạnh quan trọng Trên cơ sở những sóng động đất và số liệu dao động của công trình có được, một số học giả của Mỹ đưa ra lý thuyết phổ phản ứng Năm 1956, thành phố San Francisco đưa ra quy định mới về thiết kế kháng chấn trên cơ sở lý thuyết phổ phản ứng, thiết lập quan hệ giữa chu kỳ dao động, tỷ số cản với tổng lực cắt ở chân công trình Sau đó, các nghiên cứu tiếp theo ở một số nước dẫn đến việc hình thành phương pháp thiết kế kháng chấn được phổ biến chấp thuận trên khắp thế giới Hiện tại,

phần lớn tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các quốc gia đều dựa trên lý thuyết phổ phản ứng và nguyên lý thiết kế theo khả năng (Capacity Design), việc thiết kế

kháng chấn được thực hiện theo nguyên tắc sau:

− Công trình phải chịu được các trận động đất yếu thường hay xảy ra mà không bị bất

cứ hư hỏng nào của kết cấu chịu lực lẫn không chịu lực Công trình vẫn làm việc bình thường kể cả thiết bị bên trong công trình

− Công trình phải chịu được các trận động đất có độ mạnh trung bình với các hư hỏng rất nhẹ có thể sửa chữa được ở các bộ phận kết cấu chịu lực, cũng như ở các bộ phận kết cấu không chịu lực

− Khi động đất mạnh hoặc rất mạnh xảy ra, cho phép công trình xuất hiện những hư hỏng lớn ở hệ kết cấu chịu lực và các thiết bị bên trong nhưng công trình không được phép sụp đổ Khi áp dụng vào thực tế thiết kế công trình chịu động đất, việc đảm bảo các nguyên tắc trên được thực hiện theo các bước sau:

1) Dùng phổ phản ứng quy định trong tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn để tiến hành phân tích kết cấu theo phương pháp đàn hồi

2) Khả năng chịu lực của cấu kiện kết cấu được tiến hành thiết kế dựa theo nội lực được

tổ hợp giữa tải trọng khác và tác dụng của động đất xác định bằng phương pháp phổ phản ứng thông qua phân tích đàn hồi Sau đó, xét đến cơ chế dẻo hợp lý của kết cấu

và yêu cầu về biến dạng phi tuyến để đưa ra các giải pháp kháng chấn (bao gồm điều chỉnh nội lực và biện pháp cấu tạo) ứng với các yêu về độ dẻo thiết kế Một số dạng kết cấu còn phải tính toán ứng xử dưới tác dụng của động đất mạnh để kiểm tra chuyển vị không vượt quá giá trị cho phép cho trong tiêu chuẩn Đây chính là một trong những nội dung quan trọng của nguyên lý thiết kế theo khả năng và đây cũng là cơ sở cho việc giảm độ lớn của tác dụng động đất từ phổ đàn hồi thành phổ thiết kế

3) Trong giai đoạn thiết kế cơ sở, tính đều đặn của hệ kết cấu phải thỏa mãn các quy định trong tiêu chuẩn, để đảm bảo kết cấu có thể phát huy khả năng biến dạng đàn hồi dẻo của kết cấu Nguyên tắc thiết kế theo khả năng đặc biệt chú trọng khái niệm này

Dưới tác dụng của động đất mạnh, kết cấu có thể không sụp đổ nhưng có thể bị biến dạng hoặc dao động quá mức, mặt khác cấu kiện phi kết cấu bị hư hỏng nghiêm trọng ảnh hưởng đến việc tiếp tục sử dụng công trình Thiệt hại trong các trận động đất lớn vào thập niên 90 của thế kỷ trước (Northridge - Mỹ, 1994; Kobe - Nhật Bản, 1995; Chichi - Đài Loan, 1999) cho thấy nếu kết cấu công trình được thiết kế theo phương pháp kháng chấn hiện hành thì xác xuất gây ra sụp đổ là rất nhỏ, số lượng thương vong

do động đất gây ra cũng không nhiều, tuy nhiên thiệt hại về kinh tế do động đất gây ra lại quá lớn Thống kê về thiệt hại do động đất ở Mỹ trong giai đoạn từ 1988~1997 nhiều hơn 20 lần so với tổng thiệt hại của 30 năm trước, trong đó thiệt hại gián tiếp do công trình không thể tiếp tục vận hành bình thường chiếm một tỷ lệ không nhỏ

Trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, việc lựa chọn hệ số điều chỉnh ứng xử tổng thể

R (tiêu chuẩn UBC, ASCE) hay hệ số ứng xử q (TCVN 9386-1:2012[2], EC8[16]) được

xem là điểm mấu chốt trong tính toán thiết kế kháng chấn Mục đích chính của các hệ

số này là để đơn giản hóa quy trình phân tích, sử dụng phương pháp phân tích đàn hồi

dự đoán một cách gần đúng ứng xử đàn hồi dẻo của kết cấu khi chịu tác dụng của động

đất Hệ số R (hay q) là giá trị định lượng ở mức độ tổng thể, không thể dùng để đánh giá tính năng của kết cấu ở mức độ cấu kiện Hạn chế của việc sử dụng hệ số R, q là rất rõ,

ví dụ giá trị của các hệ số này không liên quan đến chu kỳ dao động của công trình cũng như đặc trưng của chuyển động đất nền, ngoài ra các hệ số mang tính tổng quát này không thể thể hiện được diễn biến của quá trình phân bố “phi tuyến” giữa các cấu kiện khác nhau, dẫn đến sự phân bố lại nội lực do tác động của động đất gây ra giữa các cấu kiện cũng như các thay đổi xảy ra trong quá trình xảy ra động đất Thêm vào đó, cơ chế phá hoại của kết cấu, sự phân bố hư hỏng trong các kết cấu khác nhau là khác nhau ngay

cả khi chúng được thiết kế với cùng giá trị của hệ số R (hay q).

1.2.2 Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng (performance-based seismic design)

Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng (performance-based seismic

design) được viết tắt là PBSD, đã được nghiên cứu khá lâu trên thế giới, đặc biệt tại Mỹ

từ những năm 1930, vì khi đó đây là cách thức duy nhất cho phép những công nghệ mới

đi vào thực tiễn Cho tới những năm 1970- 1980 phương pháp này trở nên rõ nét và

khoảng giữa những năm 1990 thì Ủy ban quản lý thảm họa khẩn cấp liên bang Mỹ (FEMA) đã bắt đầu đưa ra các hướng dẫn đầu tiên với mục tiêu là dự báo một cách đáng tin cậy ứng xử của công trình dưới tác động động đất với các mức độ khác nhau trong suốt vòng đời sử dụng Ở giai đoạn ban đầu, phương pháp này chủ yếu áp dụng cho việc sửa chữa công trình cũ theo FEMA 273 (1996), FEMA 274 (1997) , ATC – 40 (1996), SEAOC (1995).Tuy nhiên, gần đây phương pháp này đã được áp dụng trong thiết kế công trình mới và đã có chỉ dẫn áp dụng đối với nhà cao tầng FEMA 356 (2000), FEMA

440 (2005), FEMA – P58 (2012) và FEMA – P58 (2018)

Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng là phương pháp hiện đại trong thiết

kế kết cấu cho các công trình chịu tải trọng động đất gây ra Phương pháp này, việc lựa chọn tính năng cho công trình sẽ do Chủ đầu tư, kỹ sư thiết kế và các bên liên quan như dân cư ngụ ở công trình lựa chọn, nhằm đáp ứng một số hoặc nhiều mục tiêu tính năng: Chi phí xây dựng, thời gian xây dựng, chi phí và thời gian sửa chữa, an toàn tính mạng, thương vong … khi xảy ra động đất Đồng thời nhấn mạnh việc phân tích và luận chứng

để thực thi mục tiêu tính năng trong thiết kế kháng chấn, tạo điều kiện thuận lợi cho sự sáng tạo trong thiết kế kết cấu, dựa vào luận chứng (bao gồm cả thí nghiệm) để có thể

sử dụng các hệ kết cấu mới, kỹ thuật mới, vật liệu mới mà không được quy định trong tiêu chuẩn hiện hành

Hiện tại, phương pháp PBSD được nghiên cứu ở các nước phát triển đứng đầu là Mỹ, Châu Âu, Nhật, Úc Gần đây, được nghiên cứu rộng rãi ở các nước trên thế giới như Ấn

Độ, Iran và Irắc… Đặc biệt, các nghiên cứu của một số cơ quan và các nhà khoa học người Mỹ và Châu Âu đóng góp rất quan trọng trong sự phát triển của phương pháp thiết kế này, lần lượt công bố các tài liệu, chỉ dẫn kỹ thuật liên quan, dưới đây là một số mốc quan trọng

• Năm 2000, FEMA tiếp tục ban hành FEMA 356 dựa trên FEMA 273; Năm 2006, Hiệp hội kỹ sư dân dụng Mỹ (ASCE) dựa trên FEMA 356 chính thức ban hành tiêu chuẩn ASCE 41 (2006) Tất cả các tài liệu trên đều sử dụng phương pháp thiết kế dựa theo tính năng để hướng dẫn việc đánh giá, thiết kế kết cấu công trình Các khái niệm

về “mức nguy cơ động đất” (seismic hazard level), “mức tính năng của công trình”

định nghĩa một cách chi tiết Ngoài ra, các tài liệu này còn quy định về việc thiết kế cấu kiện phi kết cấu

• Năm 2005, Tiêu chuẩn thiết kế công trình của Châu Âu (EC8) đã ban hành thiết kế kháng chấn theo tính năng ở EC8 – Part 3 Phần này, không được dịch ra và ứng dụng trong tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Việt Nam TCVN 9386 Phần này, đã trình bày xác định điểm tính năng theo phương pháp N2, khớp xoay dẻo cho kết cấu thép và bê tông cốt thép được thể hiện Đồng thời, FEMA tiếp tục ban hành FEMA 440 (2005) dựa trên FEMA 356 (2000) đưa ra phương pháp cải tiến trong phân tích tĩnh phi tuyến

• Năm 2006, FEMA 445 (2006) tiếp tục được ban hành hướng dẫn sử dụng FEMA 440 (2005)

• Năm 2012, FEMA tiếp tục cập nhật bản FEMA – P58 (2012) là “Đánh giá tính năng kháng chấn công trình” gồm có ba phần: Phần 1 là phương pháp luận, phần 2 là hướng dẫn thực hành và phần 3 là hỗ trợ vật liệu điện và tài liệu cơ sở

• Năm 2018, FEMA tiếp tục cập nhật phiên bản FEMA – P58 (2018) trên cơ sở cải tiến FEMA – P58 (2012) Nội dung năm 2018 có 7 phần, bao gồm:

+ FEMA – P58 -1 : Phương pháp luận

+ FEMA – P58 -2: Hướng dẫn thực hành

+ FEMA – P58 -3: Hỗ trợ thiết bị điện và tài liệu cơ sở

+ FEMA – P58 -4: Đánh giá tác động môi trường

+ FEMA – P58 -5: Tính năng dự kiến theo Tiêu chuẩn công trình phù hợp

+ FEMA – P58 -6: Hướng dẫn và tiêu chuẩn thiết kế công trình

+ FEMA – P58 -7: Hướng dẫn về phần mềm thiết kế và đánh giá

- Nhiều công trình đã được thiết kế theo phương pháp này và được đánh giá cao trên các tạp chí quốc tế chuyên ngành.Ví dụ như Sân vận động tổ chim (Trung Quốc) do OverArup thiết kế bằng phương pháp dựa theo tính năng, trải qua nhiều lần bảo vệ trước Hội đồng chuyên gia nhà nước, cuối cùng đã được chấp nhận, với việc chứng minh bằng

các phân tích phi tuyến tiên tiến rằng không cần phải tuân thủ quy định chiều dày bản thép tối thiểu trong tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn quốc gia GB50011-2001 đã giúp tiết kiệm rất nhiều chi phí đầu tư

Bảng 1 4 So sánh giữa phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng và

phương pháp thiết kế kháng chấn hiện hành

Nội dung

so sánh

Phương pháp thiết kế kháng chấn hiện hành

đất khác nhau; có yêu cầu cụ thể khống chế chuyển vị lệch tầng;

Đưa ra nhiều yêu cầu về tính năng cụ thể của cấu kiện kết cấu

và phi kết cấu ứng với các cấp

hồi dẻo

Ngoài việc thỏa mãn các yêu cầu

cơ bản, còn phải đưa ra các luận chứng để chứng minh thỏa mãn các tính năng đề ra ban đầu, bao gồm hệ kết cấu, các tính toán chi tiết, biện pháp kháng chấn và các thí nghiệm cần thiết Ngoài ra cần phải thông qua hội đồng chuyên gia để thẩm tra xác nhận

Tình hình áp

dụng thực tế

Áp dụng phổ biến trong thực tế thiết kế Các kỹ sư thiết kế đã nắm bắt được phương pháp này Tuy nhiên còn có hạn chế đối với kết cấu phức tạp, chưa thích ứng được với yêu cầu

phát triển của công nghệ mới, vật liệu mới và các kết cấu mới

Áp dụng còn ít, các kỹ sư thiết kế phần nhiều chưa nắm bắt được phương pháp này Đây là phương pháp có thể áp dụng cho các kết cấu phức tạp, nằm ngoài phạm vi giới hạn của tiêu chuẩn, thúc đẩy

sự sáng tạo và áp dụng các công nghệ mới, vật liệu mới, kết cấu mới

1.2.3 Thực trạng tính toán thiết kế theo phương pháp kháng chấn theo tính năng tại Việt Nam

Trong những năm gần đây, số lượng các phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất

sự phát triển và phổ biến rộng rãi các phần mềm và máy tính có tốc độ cao Dựa theo tính chất của tác động động đất lên công trình, ta chia các phương

pháp tính toán thành hai loại như sau:

• Các phương pháp tính toán tĩnh:

+ Phương pháp tĩnh lực tương đương

+ Phương pháp tính toán đẩy dần (phương pháp pushover)

• Các phương pháp tính toán động:

+ Phương pháp phổ phản ứng

+ Phương pháp phân tích dạng

+ Phương pháp phân tích trực tiếp phương trình chuyển động

+ Phương pháp tính toán đẩy dần động

Các phương pháp tính toán thường có một sự thỏa hiệp giữa mức độ chính xác và độ phức tạp Đối với người sử dụng, lẽ dĩ nhiên là muốn chọn một phương pháp đơn giản nhất có thể cho các thông tin mong muốn có độ chính xác chấp nhận được Phương pháp phân tích trực tiếp phương trình chuyển động hệ kết cấu phi tuyến là phương pháp chính xác và đúng thực tế nhất vì nó xét tới tính chất phi tuyến của vật liệu lẫn tính phi tuyến hình học Tuy vậy, phương pháp này lại rất phức tạp và tiêu tốn nhiều thời gian thực hiện Ngược lại phương pháp tĩnh lực tương đương lại rất đơn giản nhưng mức độ chính xác lại kém nên nó chỉ dùng cho trường hợp động đất nhỏ, kết cấu đều đặn và chu kỳ ngắn, khi đó các cấu kiện kết cấu về cơ bản vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi Không như với phương pháp phân tích và thiết kế đàn hồi tuyến tính đã được sử dụng từ lâu,

kỹ thuật phân tích phi tuyến và ứng dụng của nó trong thiết kế vẫn còn trong giai đoạn phát triển và yêu cầu nhiều kỹ năng mới ở kỹ sư thiết kế Việc phân tích phi tuyến yêu cầu một tư duy về ứng xử ngoài miền đàn hồi và các trạng thái giới hạn (phụ thuộc vào biến dạng cũng như lực) đối với người kỹ sư Trong phân tích này, cần phải định nghĩa các mô hình ứng xử của cấu kiện để có thể phản ánh mối quan hệ lực - biến dạng của

cấu kiện dựa vào đặc trưng cường độ và độ cứng kỳ vọng và biến dạng lớn Tùy thuộc vào loại hình kết cấu, kết quả phân tích phi tuyến có thể rất nhạy cảm với các thông số giả thuyết đầu vào và các mô hình ứng xử được sử dụng Chính vì vậy, kỹ sư cần có khả năng phán đoán tốt về vị trí hay bộ phận kết cấu được kỳ vọng là sẽ trải qua biến dạng phi tuyến Phân tích là để xác nhận các vị trí làm việc phi tuyến và biểu thị biến dạng đối với cấu kiện chảy dẻo và lực đối với cấu kiện chưa chảy dẻo Hiện nay, phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến đẩy dần (nonlinear static pushover analysis) hay phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian (nonlinear time history analysis) đang được áp dụng rộng rãi trong các thiết kế ở nước ngoài khi phân tích kết cấu khi chịu tác động của động đất Trong đó với phần lớn trường hợp phương pháp phân tích đẩy dần được xem là công cụ

có tính áp dụng thực tiễn cao hơn bởi sự đơn giản của nó so với phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian

Kết luận chương 1

- Tổng quát nguyên nhân hình thành động đất và trình bày động đất trên lãnh thổ Việt Nam

- Giới thiệu phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng, sự hình thành và phát triển của phương pháp qua các năm

- So sánh các phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng và phương pháp thiết

kế kháng chấn hiện hành

- Thực trạng tính toán thiết kế theo phương pháp kháng chấn theo tính năng tại Việt Nam

Qua chương 1 nhận thấy trong tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành kết cấu khung bê tông cốt thép trên phân tích tĩnh phi tuyến và phương pháp phổ khả năng để xác định tính năng nhưng phương pháp thiết kế kháng chấn dựa trên tính năng là phương pháp mới thực tế các nghiên cứu ở Việt Nam còn rất hạn chế Phương pháp thiết kế dựa theo tính năng được thực hiện nhờ vào các kỹ thuật phân tích phi tuyến (tĩnh và động), nhằm đánh giá ứng xử của kết cấu so với các mục tiêu tính năng đề ra Phân tích tích phi tuyến cho phép dõi theo ứng xử của kết cấu khi chịu tải trọng động đất từ giai đoạn đàn hồi tới xa ngoài miền chảy dẻo Qua đó, mục tiêu tính năng ứng với từng mức đất thiết kế sẽ được đánh giá Mặt khác, việc đánh giá cơ chế hình thành khớp dẻo sẽ giúp tránh được các dạng phá hoại không mong muốn và tối ưu khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượng của kết cấu một cách chủ động