Thiệt hại do thảm họa thiên tai đối với công trình xây dựng không hề nhỏ, nghiên cứu giải pháp ứng phó với thiên tai từ khâu thiết kế kết cấu của công trình là việc làm rất cần thiết. Bài viết này đề cập đến phương pháp đánh giá khả năng chịu tải và giải pháp tính toán, gia cường cho các công trình xây dựng cao tầng ứng phó điều kiện thiên tai bất thường.
KHOA HC & CôNG NGHê Xỏc nh kh nng chu tải & giải pháp tính tốn, gia cường cho cơng trình cao tầng ứng phó điều kiện thiên tai bất thường Determination of payments and solutions for calculation and collection for high-floor works in accordance with an incidental conditions Bùi Thị Dung Diễm, Bùi Mạnh Hùng Tóm tắt Thiên tai hiệu ứng tai biến tự nhiên (lũ lụt, gió, bão, phun trào núi lửa, động đất, lở đất ) ảnh hưởng đến môi trường dẫn tới thiệt hại tài chính, mơi trường người Thiệt hại thảm họa thiên tai đối với cơng trình xây dựng khơng hề nhỏ, nghiên cứu giải pháp ứng phó với thiên tai từ khâu thiết kế kết cấu cơng trình là việc làm rất cần thiết Bài viết này đề cập đến phương pháp đánh giá khả chịu tải và giải pháp tính tốn, gia cường cho cơng trình xây dựng cao tầng ứng phó điều kiện thiên tai bất thường Từ khóa: Khả chịu tải; giải pháp tính tốn; nhà cao tầng; thiên tai bất thường Abstract Natural disasters are the effects of a natural disaster (floods, winds, storms, volcanic eruptions, earthquakes, landslides, etc.) that affect the environment and lead to financial and environmental damage and human Damage from natural disasters to construction works is not small, research solutions to cope with natural disasters from the structural design of the work is very necessary This article addresses the method of assessing load capacity and the calculation and reinforcement solution for high-rise buildings that respond to unusual natural disasters Key words: Load bearing capacity; calculation solution; skyscraper; unusual disasters KS Bùi Thị Dung Diễm Viện Khoa học công nghệ Xây dựng ĐT: 09366611911 PGS.TS Bùi Mạnh Hùng Khoa Quản lý đô thị - Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội ĐT: 0903218152 Email: buimanhhung1150@gmail.com Ngày nhận bài: 19/11/2018 Ngày sửa bài: 21/11/2018 Ngày duyệt đăng: 22/11/2018 84 Đặt vấn đề Trong thập kỷ gần đây, ảnh hưởng biến đổi khí hậu làm cho diễn biến thiên tai ngày bất thường phức tạp Vấn đề đặt người cần có ứng xử để thích nghi với loại hình thời tiết nguy hiểm biến đổi khí hậu Mức độ thiệt hại thiên tai (bão, lũ, lún sụt, đợng đất…) cơng trình xây dựng nước ta hai thập kỷ gần ngày gia tăng ngày thảm khốc Tháng 11/2007, Chính phủ phê duyệt chiến lược Quốc gia đến năm 2020 phòng giảm nhẹ thiên tai Thiên tai xác định chiến lược bao gồm: động đất, sóng thần, bão lũ, lún sụt, đợng đất Đồng thời chiến lược rõ kế hoạch hành động, thể chương trình mục tiêu đến năm 2020 Hầu hết cơng trình xây dựng nước ta mới đảm bảo an tồn có bão, lũ, lún sụt, động đất mức độ định Khi thiên tai có mức độ ảnh hưởng, tác động chưa xét đến vượt giá trị tính toán thiết kế cơng trình, sẽ trở nên bất thường cơng trình Phương pháp đánh giá khả chịu tải cơng trình xây dựng nhà cao tầng ứng phó điều kiện thiên tai bất thường Kiểm sốt chất lượng cơng trình nhiệm vụ thường xun cơng tác thiết kế, vận hành khai thác Khả chịu tải tiêu để đánh giá chất lượng cơng trình Mức độ an tồn cơng trình phụ thuộc vào sức chịu tải tải trọng tác dụng Nhưng sức chịu tải công trình xây dựng nhà cao tầng định mức độ chịu tải định theo tiêu chuẩn kỹ thuật hành, chưa đề cập hết khả làm việc có thiên tai bất thường (TTBT) Để đề xuất giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo an tồn cơng trình xây dựng nhà cao tầng điều kiện TTBT, nghiên cứu tiến hành, điều tra khảo sát, phân loại, lựa chọn cơng trình đại diện hư hỏng phổ biến bão, lũ, lún sụt, động đất gây Tiêu chí để chọn đại diện tính phổ biến, mức độ ảnh hưởng thiên tai mức độ ảnh hưởng có cố đến an tồn cộng đồng, mơi trường sinh thái, dân sinh kinh tế Để tìm nguyên nhân dẫn đến hư hỏng, cố cơng trình gặp thiên tai, nghiên cứu chia nguyên nhân gây hư hỏng thành hai nhóm (nhóm nguyên nhân trực tiếp nhóm nguyên nhân gián tiếp): - Nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng tác động trực tiếp đến khả chịu tải cơng trình cao tầng; - Ngun nhân gián tiếp yếu tố tiềm ẩn làm suy giảm khả chịu tải cơng trình sai lầm thiết kế, thi công xây dựng hoặc công trình q tuổi thọ… Thơng qua đánh giá khả chịu tải hữu cơng trình cao tầng để tìm nguyên nhân trực tiếp gây hư hỏng cố làm sở khoa học thực tiễn đề xuất giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo an tồn cho cơng trình Khi xét đến tải trọng tổ hợp tải trọng TTBT gây ra, tư vấn thiết kế cần lựa chọn độ tin cậy an tồn cho cơng trình mức độ phù hợp? Ví dụ: + Về cường đợ, tính tốn chịu lực kết cấu nhà cao tầng, việc xem xét đến tải trọng thẳng đứng, cần đặc biệt ý đến tải trọng nằm ngang gây nên lực gió lực động đất; T„P CHŠ KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG + Vờ ụ cứng nhà cao tầng, khơng đòi hỏi phải bảo đảm cường độ kết cấu mà đòi hỏi bảo đảm độ cứng ổn định Phải khống chế chuyển vị nằm ngang kết cấu (bao gồm chuyển vị tầng liền kề chuyển vị điểm đỉnh ngơi nhà); + Ngồi đòi hỏi cường độ độ cứng nhà cao tầng cần phải có độ dẻo định cho ngơi nhà tác động động đất lớn, phận định rơi vào trạng thái giai đoạn khuất phục (chảy dẻo) rồi, khả biến dạng dẻo thông qua biến dạng dẻo để hấp thu lượng động đất, khiến cho kết cấu nhà trì khả chịu lực định khơng đổ sụp; + Về yêu cầu độ bền vững nhà cao tầng cao (niên hạn bền vững cấp >100 năm) [2] Phương pháp dùng tính tốn phương pháp trạng thái giới hạn, phương pháp hành tiêu chuẩn tính tốn cơng trình cao tầng Việt Nam, Nga, Trung Quốc tiêu chuẩn châu Âu, Mỹ… Đồng thời phải dựa lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro [7] Các kết tính tốn cơng trình điển hình cho thấy: Khả chịu lực hữu hầu hết cơng trình xây dựng cao tầng làm việc khơng đồng đều, trì điều kiện an toàn mức độ khác theo tiêu chuẩn kỹ thuật hành, chịu tác động tải trọng TTBT mức độ an tồn bị suy giảm, có nhiều phận cơng trình, cơng trình khơng đủ khả chịu tải bị hư hỏng xảy cố [8] Giải pháp an tồn tính tốn gia cường cho cơng trình xây dựng cao tầng ứng phó điều kiện thiên tai bất thường a Giải pháp tính toán tải trọng gió ứng phó TTBT: Khi tính tốn tải trọng gió nhà cao tầng chịu tác động tải trọng TTBT cần hiểu xác định giá trị đầu vào để thiết kế nhà cao tầng khác với nhà thấp tầng ứng xử tải trọng ngang trội so với tải trọng thẳng đứng Các nhà cao tầng nước ta cho phép thiết kế theo tiêu chuẩn nước ngồi Vì vậy, việc xác định số liệu đầu vào dùng thiết kế ứng phó điều kiện TTBT cần thiết Khi sử dụng tiêu chuẩn nước để thiết kế, cần chuyển đổi số liệu đầu vào cho phù hợp với đặc trưng tính tốn tiêu chuẩn (vận tốc gió trung bình, thời gian đo vận tốc gió trung bình, chu kỳ lặp, ) Các tiêu chuẩn nước thường sử dụng vận tốc hay áp lực gió sở, lấy trung bình khoảng thời gian: 3s (Mỹ, Australia), 10 phút (EN, Nga) hay 1h (Anh, Canada), độ cao 10m, địa hình chuẩn phổ biến tương đương dạng B TCVN 2737:1995, chu kỳ lặp thông thường 50 năm [4] Cần lưu ý rằng: Tải trọng gió tác dụng lên cơng trình cao tầng tại nước ta thường tính tốn dựa theo tiêu chuẩn quốc gia tiêu chuẩn TCVN 2737-1995, tiêu chuẩn Nhật Bản AIJ-RFLB 2004, tiêu chuẩn Mỹ ASCE 7-05, tiêu chuẩn Úc/Newzealand AS/NZS 1170.2:2002, tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1-4:2005 Nhưng việc sử dụng tiêu chuẩn có số điểm hạn chế như: Khơng khó xác định ảnh hưởng gió ngang; Khơng xác định gia tốc đỉnh cơng trình gió gây ra; Khơng xét đến ảnh hưởng hướng gió tác dụng; Khơng xét đến ảnh hưởng địa hình cơng trình xung quanh; Khơng xác định hệ số khí động xác bề mặt cơng trình Từ hạn chế mà phương pháp dùng ống thổi khí động sử dụng phổ biến giới để xác định tải trọng gió lên kết cấu cơng trình Đặc biệt cơng trình kết cấu có hình dạng phức tạp nhạy cảm với tải trọng gió (nhà cao tầng, kết cấu mái phức tạp ) điều kiện ứng phó với TTBT là rất cần thiết [1] b Giải pháp tính toán tải trọng động đất ứng phó TTBT: Việc xác định tải trọng động đất (lực quán tính) tác dụng lên cơng trình cao tầng điều kiện TTBT cách xác việc làm khó khăn phụ thuộc nhiều vào tính chất chuyển động địa chấn, tính chất động học cơng trình đặc trưng lý đất Hiện tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn nước sử dụng hai phương pháp xác định tải trọng động đất là phương pháp động lực và phương pháp tĩnh lực Theo (TCVN 9386-2012), hệ số ứng xử (q) lấy theo giải pháp cấu tạo phương án kết cấu Hệ số nhằm xét đến khả tiêu tán lượng xác định cho hướng tác động động đất: Hệ khung hệ khung tương đương (hỗn hợp khung - vách), xác định gần (cấp dẻo trung bình) sau: q = 3.9 nhà cao tầng, khung nhiều nhịp (hoặc kết cấu hỗn hợp khung vách) Hệ vách cứng vách cứng có lỗ: q = 3.0kW hệ tường vách cứng có hai tường vách cứng; q = 3.1kW hệ vách cứng khơng phải vách cứng có lỗ Chuyển động động đất điểm cho trước bề mặt biểu diễn phổ phản ứng gia tốc đàn hồi, gọi “phổ phản ứng đàn hồi” Tác động động đất theo phương nằm ngang mô tả hai thành phần vng góc xem độc lập biểu diễn phản ứng Đối với ba thành phần tác động động đất, chấp nhận nhiều dạng khác phổ phản ứng, phụ thuộc vào vùng nguồn độ lớn động đất phát sinh từ chúng Ở nơi chịu ảnh hưởng động đất phát sinh từ nguồn khác nhau, khả sử dụng nhiều dạng phổ phản ứng phải xem xét để thể tác động động đất thiết kế Trong trường hợp vậy, giá trị ag cho loại phổ phản ứng trận động đất khác Đối với cơng trình quan trọng (γI >1) cần xét hiệu ứng khuếch đại địa hình Đối với số loại cơng trình, xét biến thiên chuyển động đất không gian theo thời gian.[6] Tùy thuộc vào đặc trưng kết cấu nhà cao tầng, sử dụng hai phương pháp phân tích đàn hồi - tuyến tính: - Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương: áp dụng cho nhà mà phản ứng khơng chịu ảnh hưởng đáng kể dạng dao động bậc cao dạng dao động phương chính; - Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động: áp dụng cho tất loại nhà Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến sử dụng thay cho phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính Thực tế cơng tác tư vấn cho thấy: tính tốn theo phương pháp giá trị phổ phản ứng an toàn so với phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động.[5] S¬ 32 - 2018 85 KHOA HC & CôNG NGHê c Gii phỏp dán lớp vật liệu cốt sợi tổng hợp cường độ cao gia cường kết cấu chịu lực bê tông cốt thép cao tầng ứng phó TTBT: Gia cường kết cấu chịu lực bê tông cốt thép việc dán lớp vật liệu cốt sợi tổng hợp cường độ cao giải pháp trì nâng cao sức chịu tải kết cấu cũ để đáp ứng yêu cầu khả chịu lực ứng phó TTBT - Đặc tính cấu tạo: Về chất kết dính - sử dụng để gắn kết vật liệu cốt sợi tổng hợp bề mặt bê tông cấu kiện, giúp truyền tải trọng bề mặt bê tông hệ thống gia cường composite, đồng thời sử dụng để gắn lớp vật liệu composite lại với nhau; Về cốt sợi (sợi thủy tinh, aramid các-bon) - sử dụng giúp cho hệ thống gia cường mặt cường độ độ cứng; Về lớp bảo vệ - giúp giữ cốt thép gia cường kết dính khỏi xâm thực tác động mơi trường học Lớp bảo vệ (gồm keo epoxy, hệ thống kết dính tạo nhám, lớp bảo vệ chống cháy, ) phủ bề mặt hệ thống gia cường sau thực việc bảo dưỡng lớp kết dính Khảo sát số thực nghiệm cho thấy, việc gia cường vật liệu composite làm tăng đáng kể độ cứng cấu kiện sau gia cường Vì vật liệu gia cường có giới hạn biến dạng phá hoại cao, nên phá hoại mặt cắt chịu lực chủ yếu xảy bê tông vùng chịu nén vượt khả chịu lực Sự chuyển đổi từ dạng phá hoại dẻo cốt thép thường sang phá hoại dòn bê tơng vùng chịu nén khai thác tối đa chịu lực bê tơng hiệu gia tăng sức chịu tải kết cấu cao (tới 300%) [3] Kết luận Kiểm soát chất lượng cơng trình nhiệm vụ thường xun cơng tác thiết kế, vận hành khai thác Khả chịu tải tiêu chí đánh giá chất lượng cơng trình Để đảm bảo an tồn cơng trình xây dựng nhà cao tầng điều kiện TTBT, cần có giải pháp tính toán tải trọng gió, tải trọng động giải pháp gia cường kết cấu chịu lực cần thiết./ - Đặc tính vật lý: Về khối lượng riêng - vật liệu cốt sợi tởng hợp cường độ cao có khối lượng riêng từ 1,2-2,1 g/cm3 (nhỏ thép lần), việc giảm khối lượng riêng giúp giảm giá thành vận chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng kết cấu dễ dàng xử lý vật liệu công trường; Về hệ số dãn nở nhiệt - hệ số dãn nở nhiệt vật liệu composite chịu lực chiều khác theo phương dọc ngang, phụ thuộc vào kiểu loại cốt sợi, vật liệu kết dính tỷ lệ cốt sợi; Về ảnh hưởng nhiệt độ cao - phụ thuộc vào nhiệt độ, mô đun đàn hồi vật liệu composite, giảm đáng kể thay đổi cấu trúc vật liệu - Đặc tính học: Về cường độ chịu kéo - chịu lực kéo trực tiếp, vật liệu cốt sợi tổng hợp ứng xử dẻo trước bị phá hoại; Về ứng xử nén - hệ thống gia cường ngồi vật liệu cốt sợi tổng hợp khơng sử dụng cho mục đích gia cường vùng chịu nén, mô đun đàn hồi nén thường nhỏ so với mô đun đàn hồi kéo Với ưu điểm vật liệu cường độ chịu tải lớn, khối lượng nhẹ so với vật liệu truyền thống thuận tiện việc thi công, phương pháp gia cường kết cấu chịu lực bê tông cốt thép việc dán vật liệu cốt sợi tổng hợp thể hiệu kỹ thuật cao Sự tăng cường vật liệu cường độ cao vùng chịu kéo làm tăng chiều cao chịu nén mặt cắt bê tông, kéo theo tăng sức chịu tải uốn cấu kiện 86 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG T¿i lièu tham khÀo Trần Chủng (2012) Tải trọng gió và hệ thống bao che nhà cao tầng Viện Khoa học Công nghệ xây dựng Nguyễn Hồng Hiệp (2006), Một số vấn đề về nhà cao tầng Tạp chí Người xây dựng, số 8/2006 Lê Mạnh Hùng - Phạm Ngọc Khánh, Phân tích hiệu kỹ thuật giải pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép vật liệu cốt sợi tổng hợp Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Nguyễn Đại Minh (2011), Yêu cầu về tải trọng và tác động thiết kế nhà cao tầng ở Việt Nam Tạp chí KHCN Xây dựng số 4-2011 Đào Duy Tân (2015), Nghiên cứu và tính toán nhà cao tầng có xét đến tải trọng động tại Hải Phòng Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ĐHDL Hải Phòng Nguyễn Trần Trung - Vũ Ngọc Quang (2017), Phân tích hệ số ứng xử kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép Tạp chí Khoa học Đại học Văn Lang ASCE/SEI 7-05 (2006), Minimum design loads for buildings and other structures Published by American Society of Civil Engineers, Virginia, USA Dae-Kun Kwon - Tracy Kijewski-Correa - Ahsan Kareem (2008), Analysis of High-Rise Buildings Subjected to Wind Loads ... cơng trình, cơng trình khơng đủ khả chịu tải bị hư hỏng xảy cố [8] Giải pháp an toàn tính tốn gia cường cho cơng trình xây dựng cao tầng ứng phó điều kiện thiên tai bất thường a Giải pháp. .. Khi tính tốn tải trọng gió nhà cao tầng chịu tác động tải trọng TTBT cần hiểu xác định giá trị đầu vào để thiết kế nhà cao tầng khác với nhà thấp tầng ứng xử tải trọng ngang trội so với tải trọng... thống gia cường sau thực việc bảo dưỡng lớp kết dính Khảo sát số thực nghiệm cho thấy, việc gia cường vật liệu composite làm tăng đáng kể độ cứng cấu kiện sau gia cường Vì vật liệu gia cường