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 phổphản ứng,…, trong đó gia tốc lớn
Tổng quan vềđộngđất
Độngđấtlàhiệntượngdaođộngrấtmạnhcủanềnđấtgâyrakhimộtnguồnnănglượng 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 nhưnổsâutronglòngđất(tácnhânnguồngốchóahọchayhạtnhân),hoặcdoxâydựng cáchồchứalớnlàmmấtcânbằngtựnhiêncủakhốiđấtđánhưngcóhainguồngốcchủ 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 kiếntạo
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 táchrathànhnhiềumảngcứngdichuyểnchậmtươngđốisovớinhautrênmộtlớpdung nham ở dạng thể lỏng, nhiệt độ cao để có hình dạng như ngàynay.
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 đứtgãy,cácmảngkiếntạochuyểnđộngtươngđốisovớinhauvàbịhútvàotrongphần áo của quả đất tại các vùngorogenic.
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 rãivàđượcxemlàmộttrongnhữngthànhtựukhoahọclớnnhấtcủanhânloạitrongthế kỷ XX.[1]
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
Cácbiếndạngcóthểxảyrachậmvàliêntục hoặccóthểxảyramộtcáchđộtngộtdưới dạng các trận động đất các nhà khoa học đã xác định được ba kiểu biến dạng hoặc ba kiểuchuyểnđộngsautạicácbởbiênmảngcóảnhhưởngtớitínhchấtcủacáctrậnđộng đất xảyra.
- Có ba loại biên mảng:
+ Biên tách dãn sống núi
+ 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;tốcđộnhanhnhấtquansátthấytạisốngnúiTháibìnhdươngvàthấpnhấtthấy 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 km 2 /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 gầnnhưthườngxuyên(hiệncó150núilửađanghoạtđộng).Mỗikhinúilửahoạtđộng dung nhan trong đới manti thượng trào lên, khi nguội hình thành tại đó một từ trường cócựctrùngvớicựtừtrườngtráiđấtđó,vàlàmmặtđáyđạidươngnânglên,đồngthời gây ra sóngthần. 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 tụcủa 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.
Khitốcđộhộitụthấp,vàtrầmtíchchấtđốngtrongmộtnêmbồitíchtăngdầntrênđỉnh đá cứng và lấp dần mángvực.
Hình 1 2 Sơ đồ trượt chìm mảng sống núi đại dương và mảng lục địa biểu thị khốinhô 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 mảngẤnÚcvàÁÂuđụngđộđốiđầunhau.ĐụngđộđốiđầucủacácmảnglụcđịaPhi và Âu hiện đang làm giảm kích thước của biển Địa Trung Hải và đương nhiên dẫn tới sự hình thành dãy núi loại đụngđộ.
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 nhaudọc theo mặt tiếp xúc giữa chúng Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như vậy được gọi là đứt gẫy hoặc phay địachất.
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 bềmặt.
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 tươngđốisovớinhau,nănglượngbiếndạngđànhồidoquátrìnhkiếntạođượctíchluỹ vàđếnmôtlúcnàođósẽgiảiphóngđộtngột,gâyrađộngđất.Đứtgẫykhônghoạtđộng 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 độngđấttiếpsauđó.Tốcđộtrượttrungbìnhtạimộtđứtgẫyhoạtđộngthayđổitừ10– 100 mm/năm Một số đứt gẫy chuyển động liên tục, một số khác chỉ chuyển động khi độngđấtxảyra.Cácđứtgâyhoạtđộngđượcphânloạidựatrêndạnghìnhhọcvàhướng trượttươngđốigiữachúng.Cóthểphânchuyểnđộngtạicácđứtgẫycũngnhưdạngđứt gẫy thành các loạisau.
- Trượt nghiêng: sự dịch chuyển xảy ra theo phương song songvớiđộ 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 nhưsau: a, b,
Hình 1 5 a, Đứt gãy thuận; b, Đứt gẫy nghịch
+Đứtgẫybìnhthườnghoặccòngọilàđứtgẫythuận:lớpđácứngphíatrênmặtnghiêng 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 loạinày;
+ Đứt gẫy nghịch: lớp đá cứng phía trên mặt đứt gẫy nghiêng trượt lên trên so với lớp đá phía dưới đứt gẫy.
Phương pháp thiết kế kết cấu chịu tải trọngđộngđất
1.2.1 Phương pháp thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn hiệnhành
Cácnghiêncứuvềthiếtkếkhángchấnchocôngtrìnhđượcbắtđầutừnăm1906saukhi 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 côngtrìnhđượcxácđịnhtheocôngthức:FRW(trongđó:Rlà“độchấn”,Wlàtrọng 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 địnhR=0.1 Quy định tương tự cũng được sử dụng trong phiên bản đầu tiên của tiêu chuẩn UBC năm 1927. Từthậpniên20~30củathếkỷ20,trênthếgiớiđãchúýđếntácđộngcủađộngđấttrong tính toán thiết kế, ở thời điểm đó đã nhận thức được tính quan trọng của lực quán tính củacôngtrình.Tuynhiêndokhôngcóphươngphápđođángtincậyđểxácđịnhgiatốc củađấtnền,đồngthờithiếunhậnthứcvàkiếnthứcvềứngxửđộnglựccủakếtcấunên 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, đồngthờicòngiảthiếtkhảnăngkhángchấncủakếtcấuchỉliênquanđếnkhảnăngchịu 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, thànhphốSanFranciscođưaraquyđịnhmớivềthiếtkếkhángchấntrêncơsởlýthuyết phổphảnứng,thiếtlậpquanhệgiữachukỳdaođộng,tỷsốcảnvớitổnglựccắtởchân công trình.Sau đó, các nghiên cứu tiếp theo ở một số nước dẫn đến việc hình thành phươngphápthiếtkếkhángchấnđượcphổbiếnchấpthuậntrênkhắpthếgiới.Hiệntại, 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 côngtrình.
Công trình phải chịu được các trận động đất có độ mạnh trung bình với các hư hỏng rấtnhẹcóthểsửachữađượcởcácbộphậnkếtcấuchịulực,cũngnhưởcácbộphậnkết cấu không chịulực.
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 bướcsau:
1) Dùng phổ phản ứng quy định trong tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn để tiến hànhphân tích kết cấu theo phương pháp đànhồi.
2) Khảnăngchịulựccủacấukiệnkếtcấuđượctiếnhànhthiếtkếdựatheonộilựcđược 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 chỉnhnộilựcvàbiệnphápcấutạo)ứngvớicácyêuvềđộdẻothiếtkế.Mộtsốdạngkết 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 nộidungquantrọngcủanguyênlýthiếtkếtheokhảnăngvàđâycũnglàcơsởchoviệc giảm độ lớn của tác dụng động đất từ phổ đàn hồi thành phổ thiếtkế.
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.Tiêu chuẩn châu Âu gọi đây là “thiết kế khái niệm” (ConceptualDesign).
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 lạiquálớn.ThốngkêvềthiệthạidođộngđấtởMỹtronggiaiđoạntừ1988~1997nhiều 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 khôngnhỏ
Trongcáctiêuchuẩnthiếtkếhiệnhành,việclựachọnhệsốđiềuchỉnhứngxửtổngthểR(tiêuchuẩn UBC,ASCE)hayhệsốứngxửq(TCVN9386-1:2012[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.HệsốR(hayq)làgiátrịđịnhlượngởmứcđộtổngthể,khôngthểdùngđểđánhgiá tính năng của kết cấu ở mức độ cấu kiện Hạn chế của việc sử dụng hệ sốR,qlà rất rõ, vídụgiátrịcủacáchệsốnàykhôngliênquanđếnchukỳdaođộngcủacôngtrìnhcũng 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 kiệncũngnhưcác thayđổixảyratrongquátrìnhxảyrađộngđất.Thêmvàođó,cơchế pháhoạicủakếtcấu,sựphânbốhưhỏngtrongcáckếtcấukhácnhaulàkhácnhaungay cả khi chúng được thiết kế với cùng giá trị của hệ sốR(hayq).
1.2.2 Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng (performance- basedseismicdesign)
Phương phápthiết kế kháng chấn dựa theo tính năng(performance-based seismic design)đượcviếttắtlàPBSD,đãđượcnghiêncứukhálâutrênthếgiới,đặcbiệttạiMỹ từnhữngnăm1930,vìkhiđóđâylàcáchthứcduynhấtchophépnhữngcôngnghệmới đivàothựctiễn.Chotớinhữngnăm1970-1980phươngphápnàytrởnênrõnétvà khoảng giữa những năm 1990 thì Ủy ban quản lý thảm họa khẩn cấp liên bang Mỹ (FEMA)đãbắtđầuđưaracáchướngdẫnđầutiênvớimụctiêulàdựbáomộtcáchđáng tin cậy ứng xử của công trình dưới tác động động đất với các mức độ khác nhau trong suốtvòngđờisửdụng.Ởgiaiđoạnbanđầu,phươngphápnàychủyếuápdụngchoviệc 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 côngtrìnhmớivàđãcóchỉdẫnápdụngđốivớinhàcaotầngFEMA356(2000),FEMA 440 (2005), FEMA – P58 (2012) và FEMA – P58(2018).
Phươngphápthiếtkếkhángchấndựatheotínhnănglàphươngpháphiệnđạitrongthiết kế kết cấu cho các công trình chịu tải trọng động đất gây ra Phương pháp này, việc lựa chọntínhnăngchocôngtrìnhsẽdoChủđầutư,kỹsưthiếtkếvàcácbênliênquannhư dân cư ngụ ở công trình lựa chọn, nhằm đáp ứng một số hoặcnhiều mục tiêu tính năng: Chiphíxâydựng,thời gianxâydựng,chiphívàthờigiansửachữa,antoàntínhmạng, thươngvong… khixảyrađộngđất.Đồngthờinhấnmạnhviệcphântíchvàluậnchứng 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 hiệnhành.
Hiện tại, phương pháp PBSD được nghiên cứu ở các nước phát triển đứng đầu là Mỹ, ChâuÂu,Nhật,Úc.Gầnđây,đượcnghiêncứurộngrãiởcácnướctrênthếgiớinhưẤn 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 thiếtkếnày,lầnlượtcôngbốcáctàiliệu,chỉdẫnkỹthuậtliênquan,dướiđâylàmộtsố mốc quantrọng
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”(buildingperformancelevel),“mụctiêutínhnăng”(performanceobjective)đềuđư ợc địnhnghĩamộtcáchchitiết.Ngoàira,cáctàiliệunàycònquyđịnhvềviệcthiếtkếcấu kiện phi kếtcấu.
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 trongtiêuchuẩnthiếtkếkhángchấncủaViệtNamTCVN9386.Phầnnày,đãtrìnhbày xác định điểm tính năng theo phương pháp N2, khớp xoay dẻo cho kết cấu thép và bê tôngcốtthépđượcthểhiện.Đồngthời,FEMAtiếptụcbanhànhFEMA440(2005)dựa trên FEMA
356 (2000) đưa ra phương pháp cải tiến trong phân tích tĩnh phituyến.
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 cơsở.
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, baogồm:
+ 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.
-Nhiềucôngtrìnhđãđượcthiếtkếtheophươngphápnàyvàđượcđánhgiácaotrêncác tạp chí quốc tế chuyên ngành.Ví dụ như Sân vận động tổ chim (Trung Quốc) do OverArupthiếtkếbằngphươngphápdựatheotínhnăng,trảiquanhiềulầnbảovệtrước
Hộiđồngchuyêngianhànước,cuốicùngđãđượcchấpnhận,vớiviệcchứngminhbằng 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 giúptiết kiệm rất nhiều chi phí đầutư
Bảng 1 4 So sánh giữa phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng vàphương pháp thiết kế kháng chấn hiện hành.
Phương pháp thiết kế kháng chấn hiện hành
Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng
Mục tiêu kháng chấn Đưa ra yêu cầu không sụp đổ và yêu cầu hạn chế hư hỏng ứng với các cấp nguy cơ động 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 động đất khác nhau.
Xác định mục tiêu tính năng củacôngtrình
2.1.1 Mức nguy cơ của độngđất
Mức nguy cơ động đất đã được đề cập trong các tiêu chuẩn hiện hành ở Mỹ cũng như các tài liệu của FEMA [11,12,13,14,15] và tiêu chuẩn Châu Âu EC 8- Part 3 theo đó mứcnguycơđộngđấtđượcphânlàm3mức:độngđấtnhỏ,độngđấtmạnhvàđộngđất rất mạnh. Tiêu chuẩn Việt Nam 9386 [2] và tiêu chuẩn Châu Âu EC 8- Phần 1,2 định nghĩa 2 mức nguy cơ động đất ứng với yêu cầu không sụp đổ và yêu cầu hạn chế hư hỏng lần lượt là 10% trong 50 năm (chu kỳ lặp là 475 năm) và 10% trong 10 năm (chu kỳ lặp là 95 năm). Ngoài ra, tiêu chuẩn cũng quy định đối với từng loại công trình cụ thể có mức độ quan trọng khác nhau, có thể điều chỉnh chu kỳ lặp (dài hơn hoặc ngắn hơn chu kỳ lặp tham chiếu) phù hợp, thông qua điều chỉnh hệ số tầm quan trọng, thể hiện trong Bảng2.1.
Bảng 2 1 Các cấp nguy cơ động đất của Mỹ
Mức nguy cơ động đất
Chu kỳ lặp (năm) Động đất nhỏ (frequent earthquake) 50 72 Động đất vừa(occasional earthquake) 20 225 Động đất mạnh (rare earthquake) 10 475 Động đất rất mạnh(very rate eearthquake) 2 2475
Mứctínhnăngcủacôngtrìnhlà“tìnhtrạng”củacôngtrìnhsaukhixảyrađộngđất,hay nói cách khác đây là chỉ tiêu đánh giá mức độ phá hoại công trình do động đất gây ra. PBSDyêucầukhôngnhữngphảiđảmbảoantoàn,màcònkhốngchếmứcđộpháhoại, để hạn chế thiệt hại về kinh tế ở mức độ nhất định Do đó, ứng với mỗi mức nguy cơ độngđấtcầnphảixácđịnhmứctínhnăngtươngứngcủacôngtrình.Việcxácđịnhmức tínhnăngcủacôngtrìnhliênquanđếnmứctínhnăngcủacấukiệnkếtcấu(Structural
Performance Levels) vàmức tính năng của cấu kiện phi kết cấu(Nonstructural Performance Levels).
2.1.3 Xácđịnh mức tính năng côngtrình
Có rất nhiều mức tính năng của công trình được xác định dựa vào tổ hợp của mức tính năng cấu kiện kết cấu và phi kết cấu Trong đó, bốn mức tính năng công trình thường dùng bao gồm:
1) Sử dụng bình thường(Operational Level): không có hư hỏng hoặc hư hỏng rất nhỏ đối với cấu kiện kết cấu và phi kếtcấu.
2)Tiếp tục sử dụng(Immediate Occupancy Level): không có hư hỏng hoặc hư hỏngrất nhỏ đối với cấu kiện kết cấu; xuất hiện hư hỏng nhỏ đối với cấu kiện phi kết cấu Nguy cơ ảnh hưởng an toàn sinh mạng ở các công trình này là rấtthấp.
3) An toàn sinh mạng(Life Safety Level): xuất hiện hư hỏng đáng kể đối với cấu kiện kết cấu và phi kết cấu Phải thực hiện việc sửa chữa mới có thể đưa công trình sử dụng trở lại, tuy nhiên việc sửa chữa có thể không thực tế vì tính hiệu quả kinh tế Nguy cơ ảnh hưởng an toàn sinh mạng ở các công trình này làthấp.
4) Ngăn ngừa sụp đổ(Collapse Prevention Level): có nguy cơ ảnh hưởng nghiêmtrọng đếnantoànsinhmạngdosựpháhoạicủacấukiệnphikếtcấu.Tuynhiên,docôngtrình khôngsụpđổnênvẫntránhđượcthảmhọathiệthạisinhmạng.Phầnlớncáccôngtrình ở cấp tính năng này đều bị thiệt hại hoàn toàn về kinhtế.
Mụctiêutínhnăngcủacôngtrìnhlàmứcđộứngxửmongmuốncủacôngtrìnhkhichịu tác động của động đất ở một độ lớn nhất định Việc lựa chọn mục tiêu tính năng của công trình là tiền đề và cơ sở để tiến hành thiết kế kháng chấn dựa theo tính năng Nếu mục tiêu tính năng yêu cầu cao thì độ an toàn của công trình được nâng cao, nhưng chi phí đầu tư xây dựng tăng lên nhiều;nếu mục tiêu tính năng đặt ra thấp, tuy có thể làm giảm chi phí đầu tư ban đầu nhưng sẽ làm tăng nguy cơ hư hỏng của công trình, cũng như làm tăng chi phí duy tu bảodưỡng.
Ngănngừasụpđổởmứcđộngđấtlớnnhất(chukỳlặpkhoảng2500năm)cóthểxảyra ởđịađiểmxâydựng.Mụctiêungănngừasụpđổcóthểđạtđượcbằngcáchchứngminh a) Biếndạngdẻocủacáccấukiệncótínhdẻonhỏhơnkhảnăngbiếndạngcủachúng. b) Nội lực trong các cấu kiện không có tính dẻo (ví dụ các vách kết cấu phá hoại do cắt) nhỏ hơn cường độ danh nghĩa của chúng Ngoài ra, cần quan tâm để hạn chế hư hỏngtrongcáccấukiệnphikếtcấu,dosựpháhoạicủachúngcóthểlàmsậpcôngtrình.
Phương pháp phân tích tĩnhphituyến
Phương pháp thiết kế dựa theo tính năng được thực hiện nhờ vào các kỹthuật 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 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 Có nhiều phương pháp để phân tích phi tuyến tính nhằm tìm được mục tiêu tính năng này như: Phương pháp N2 được trình bày trong [2, 16], phương pháp phổ khả năng - CSM (Capacity Spectrum Method) được trình bày trong [7, 12], phương pháp hệ số chuyển vị - DCM (Displacement Coefficient Method) được trình bày trong[12].
PhươngphápN2(trongEC8,TCVN9386)tươngtựnhưphươngphápphổkhảnăngtrừ việcphươngphápnàysửdụngphổđànhồidẻo(Inelasticresponsespectrum).Quytrình tính toán theo phương pháp này bao gồm các bướcsau:
Hình 2 1 Sơ đồ tuyến tính hóa theo phương pháp N2
1)Chuyển đổi phổ phản ứng về định dạng ADRS;
2)Tiến hành phân tích tĩnh phi tuyến để xác định đường cong khảnăng;
3)Chuyển đổi sang hệ một bậc tự do tươngđương:
Trong đó:F, dlần lượt là lực cắt đáy và chuyển vị của hệ nhiều bậc tự do;F*, d*lần lượt là lực cắt đáy và chuyển vị của hệ một bậc tự do tương đương; Γ là hệ số chuyển đổi, xác định theo công thức sau:
4)Giả thiết chuyển vị mục tiêud m* , thiết lập quan hệ tuyến tính hóa, xác định chuyển vị dẻo theo công thức (2-20), trong đó∗là năng lượng biến dạng thực tế cho tới khi hình thành cơ cấu dẻo, chính là diện tích được bao bởi đường cong khả năng (xem Hình2.2);
5)Xác định chu kỳ của hệ một bậc tự do tươngđương: m * d *
(a) Miền chukỳngắn (b) Miền chu kỳ trung bình vàdài
Hình 2 2 Xác định chuyển vị mục tiêu cho hệ một bậc tự do tương đương
6)Chuyển đổi đường cong tuyến tính hóa giữa lực cắt và chuyển vị của hệ một bậc tự do tương đương về định dạng ADRS theo côngthức:
7) Xác định hệ số dẻoR theo côngthức:
8)Xác định yêu cầu chuyển vịS d=d* theo công thứcsau:
9)So sánh giá trị d1* với giá trị dm* giả thiết trong bước 4), nếu 2 giá trị này khác nhau nhiều thì lấy d1*=dm*, rồi quay lại bước4
10)Chuyển đổi chuyển vị từ hệ một bậc tự do tương đương sang hệ nhiều bậc tựdo: d m S d (2.9)
TrongphântíchcôngtrìnhdựatheotínhnăngPBSDcầnxácđịnhquanhệlực–chuyển vị dưới tác động của mức nguy cơ động đất đã chọn Có nhiều phương pháp được giới thiệu để xác định mối quan hệ lực – chuyển vị của công trình, trong nghiêm cứu này phươngphápphổkhảnăng(CSM)trong[6,7,12]đượcgiớithiệungắngọnvàxâydựng thành các bước thực hiện như phần tiếptheo. Ýtưởngcơbảncủaphươngphápphổkhảnăng(CapacitySpectrumMethod)làthểhiện haiđườngcongquanhệtrêncùngmộthìnhvẽ,đườngthứnhấtlàđườngcongkhảnăng (Capacity curver) thể hiện quan hệ lực – biến dạng của kết cấu (kết quả của phân tích tĩnhđẩydần),đườngcongthứhaithểhiệnđườngcongphổyêucầu(Demandspectrum) được xây dựng từ phổ phản ứng Giao điểm của hai đường cong này chính là điểm tính năng, đây chính là mức chuyển vị mục tiêu cầntìm.
Giả thiết cơ bản của kỹ thuật tuyến tính hóa sử dụng trong phương pháp phổ khả năng là: biến dạng đàn hồi dẻo lớn nhất của hệ một bậc tự do phi tuyến có thể xác định gần đúng thông qua biến dạng lớn nhất của hệ một bậc tự do tuyến tính có chu kỳ và tỷ số cản lớn hơn giá trị ban đầu của hệ phi tuyến.
Quy trình xác định điểm tính năng là một quy trình lặp, với các bước như sau:
Bước 1.Chuyển đổi phổ phản ứng gia tốc về định dạng Acceleration-Displacement
Response Spectra (ADRS), đây là một cách thể hiện khác của phổ phản ứng với trục tung biểu thị gia tốc và trục hoành biểu thị chuyển vị Phương trình thực hiện chuyển đổi như sau:
1 là hệ số tham gia dao động của dạng dao động đầu tiên (modal participation factor for the first natural mode) n là số tầng của công trình và 1 là hệ số khối lượng dao động của dạng dao động đầu tiên.wi/g,ilà khối lượng và hệ số hàm dạng của dao động đầu tiên của tầng i Sa,Sd là Phổ gia tốc và phổ chuyển vị tương ứng, roof là chuyển vị đỉnh mái.
Hình 2 3 Sơ đồ tuyến tính hóa theo phương pháp phổ khả năng
Bước 2:Tiến hành phân tích tĩnh phi tuyến để xác định đường cong khả năng;
Bước 3:Chuyển đổi đường cong khả năng về định dạng ADRS, gọi là phổ khả năng;
Mỗi điểm trên đường cong phản ứng đều có duy nhất một phổ gia tốcSa,phổ vận tốc
Sv,phổchuyểnvịSdvàchukỳT.ĐểchuyểnđổimộtđịnhdạngSatiêuchuẩnvàTđược xây dựng trong định dạng ADRS Cần xác định giá trị Sdicho mỗi đường cong Sai, Tithông qua hệ thức
Xác định phổ khả năng từ đường cong khả năng thông qua chuyển vị đỉnh mái và lực cắt như sau:
Bước 4:Xây dựng mô hình song tuyến tính cho phổ khả năng Để biểu diễn mô hình song tuyến tính cho phổ khả năng cần xác định được ảnh hưởng củacảnnhớtvàđộgiảmtươngứngcủaphổyêucầu.Xâydựngmôhìnhsongtuyếnnàycầnxácđịnhđ iểmapi,dpi.Điểmnàychínhlàđiểmtínhnăngbanđầuđểxácđịnhsựsuygiảm của phổ phản ứng yêucầu.
Bước 5:Tính toán độ giảm và cản 5% cho phổ phản ứng yêu cầu;
1 Độ cản khi xảy ra động đất có hai thành phần gồm cản nhớt và độ cản trễ kết cấu Độ cản trễ có thể được biểu diễn thông qua độ cản nhớt tươngđương e q qua hệ thức:
0là độ cản trễ và 0.05 là độ cản nhớt 5% Số hạng 0
E S0 được tính toán bởi Chopra 1995 EDlà năng lượng tiêu tán thông qua cản và ES0là năng lượngbiến dạng lớn nhất.
Bước 6:Vẽ lại đường cong phổ gia tốc với hệ số cản nhớt βeqxác định trong mục 5); tìm giao điểm với phổ khả năng, giả thiết hoành độ của giao điểm này là dp2;
Bước 7:So sánh dp2và dp1, nếu gần nhau thì đây chính là điểm tính năng, ngược lại, lấy dp1=dp2, quay lại bước 5.
2.2.3 Phương pháp hệ số chuyểnvị
Phương pháp hệ số chuyển vị đưa ra quy trình tính toán trực tiếp để xác địnhyêu cầuchuyển vị(displacement demand), hay còn gọi làchuyển vị mục tiêu(target displacement) Phương pháp này không yêu cầu phải chuyển đổi đường cong khả năng về định dạng ADRS Quy trình tính toán theo phương pháp này bao gồm các bước sau:
Hình 2 4 Sơ đồ tuyến tính hóa theo phương pháp chuyển vị
Bước 1: Giả thiết chuyển vị mục tiêuδ t,1 ;
Bước 2: Thiết lập quan hệ tuyến tính hóa (xem Hình 11) ;
Bước 3: Xác định chu kỳ hữu hiệuT e theo công thức sau:
Ti=Thời gian cơ bản đàn hồi (tính bằng giây) trong hướng đang xem xét được tính toánbằng cách phân tích động lực học đàn hồi.
Ki=Độ cứng đàn hồi trong hướng đang được xem xét
Ke= Độ cứng hữu hiệu trong hướng đang được xem xét
Bước 4: Tính toán chuyển vị mục tiêu theo công thức dưới đây:
Trong đó:C 0 là hệ số điều chỉnh xét đến việc chuyển đổi từ hệ nhiều bậc tự do
(MDOF) sang hệ một bậc tự do tương đương;
* Phân bố tải trọng bên
Tải trọng bên phải được áp dụng cho toán học mô hình tỷ lệ với sự phân bố của lực quán tính trong mặt phẳng của màng ngăn mỗi tầng Đối với tất cả các phân tích, tại ít nhất hai phân bố theo chiều dọc của tải trọng bên phải là đã áp dụng Một mẫu sẽ được chọn từ mỗi sau hai nhóm:
1 Một mẫu phương thức được chọn từ một trong các mẫusau:
1.1 Phân phối dọc tỷ lệ với giá trị của Cvx cho trong phương trình(2.22). wh k C
Sử dụng sự phân phối này chỉ được phép khi hơn 75% tổng số đại chúng tham gia chế độ cơ bản theo hướng dưới xem xét, và phân phối đồng đều là cũng được dùng.
1.2 Phân phối dọc tỷ lệ với hình dạng của chế độ cơ bản theo hướng được xem xét Sử dụng bản phân phối này chỉ được phép khi nhiều hơn 75% của tổng khối lượng tham gia vào chế độnày.
1.3 Phânbổtheochiềudọctỷlệvớicâuchuyệnphânphốicắtđượctínhtoánbằngcách kết hợp phản hồi phương thức từ một phổ phản hồi phân tích về tòa nhà, bao gồm đầy đủcácchếđộđểchụpítnhất90%tổngsốxâydựngkhốilượngvàsửdụngphổchuyển độngmặtđất.Sựphânbốnàysẽđượcsửdụngkhigiaiđoạncơbảnchếđộvượtquá1,0 giây.
2 Mẫu thứ hai được chọn từ một trong các mẫusau:
2.1 Một sự phân bố đồng đều bao gồm các bên lực ở mỗi cấp tỷ lệ với tổng khốilượng ở mỗi cấpđộ.
2.2 Phân phối tải thích ứng thay đổi như cấu trúc bị dịch chuyển Tải trọng thích ứng bảnphânphốisẽđượcsửađổitừbảngốcphânphốitảibằngcáchsửdụngmộtquytrình xem xét các thuộc tính của sản phẩm mang lại kếtcấu.
Bảng 2 2 Giá trị Co được thể hiện trong bảng sau
Số tầng Tải hình tam giác (1.1;1.2;1.3) Tải phân bố đều (2.1) Bất kỳ tải nào
C 1 là hệ số xét đến chuyển vị đàn hồi dẻo;
C1= [ 1.0 +(R-1)Ts/Te ] /R khi Te