Tính toán tải trọng động đất theo tiêu chuẩn Nga SP 14.13330.2014 “Xây dựng công trình trong vùng động đất

Việc tìm hiểu, nghiên cứu tiêu chuẩn mới để kịp thời vận dụng trong thực tế thiết kế khi TCVN mới được ban hành là điều cần thiết. Bài báo này trình bày một trong những nội dung quan trọng của công tác thiết kế kháng chấn là phương pháp tính toán tải trọng động đất theo SP 14.13330.2014.

QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN TÍNH TỐN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN NGA SP 14.13330.2014 “XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH TRONG VÙNG ĐỘNG ĐẤT” TS CAO DUY KHƠI Viện KHCN Xây dựng ThS NGUYỄN VIỆT SƠN Cục Giám định Nhà nước chất lượng cơng trình xây dựng Tóm tắt: Hiện nay, Tiêu chuẩn thiết kế chịu động đất Việt Nam biên soạn dựa Tiêu chuẩn kháng chấn Nga SP 14.13330.2014 Phiên có nhiều khác biệt rõ nét với Tiêu chuẩn kháng chấn cũ Nga SNIP II7-81*, so với Tiêu chuẩn kháng chấn hành Việt Nam TCVN 9386:2012 Do đó, việc tìm hiểu, nghiên cứu tiêu chuẩn để kịp thời vận dụng thực tế thiết kế TCVN ban hành điều cần thiết Bài báo trình bày nội dung quan trọng công tác thiết kế kháng chấn phương pháp tính tốn tải trọng động đất theo SP 14.13330.2014 Đặt vấn đề Hiện nay, tiêu chuẩn thiết kế chủ yếu Việt Nam (Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu thép, kết cấu gạch đá, tiêu chuẩn tải trọng tác động, ) biên soạn dựa Tiêu chuẩn Nga tương ứng Nhằm đảm bảo tính đồng hệ thống, Bộ Xây dựng giao Hội kết cấu công nghệ xây dựng thực đề tài Biên soạn TCVN “Xây dựng cơng trình vùng động đất” sở Tiêu chuẩn kháng chấn Nga SP 14.13330.2014 Dự thảo TCVN nghiệm thu hội đồng khoa học Bộ, chưa ban hành thức Phiên SP 14.13330.2014 [2] có nhiều khác biệt rõ nét so với Tiêu chuẩn kháng chấn cũ Nga SNIP II-7-81* [3], so với Tiêu chuẩn kháng chấn hành Việt Nam TCVN 9386:2012 [1] Do đó, việc tìm hiểu, nghiên cứu tiêu chuẩn để kịp thời vận dụng thực tế thiết kế TCVN ban hành điều cần thiết Bài báo trình bày nội dung quan trọng công tác thiết kế kháng chấn phương pháp tính tốn tải trọng động đất theo SP 14.13330.2014 Phương pháp tính tốn tải trọng động đất theo SP 14.13330.2014 [2] Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 Về chất, tải trọng động đất tác dụng lên nhà cao tầng lực quán tính gây khối lượng nhà dao động ảnh hưởng chuyển động đất Như vậy, để tính toán tải trọng động đất, người ta cần biết hai yếu tố: - Đặc điểm động đất địa điểm xây dựng cơng trình Yếu tố thuộc phạm trù điều kiện tự nhiên, thay đổi tùy điều kiện địa chất, vùng quốc gia Trong SP 14.13330.2014, đặc điểm động đất thể khái niệm Cấp động đất theo thang MSK-64; - Đặc điểm cơng trình nhà xét, bao gồm giải pháp kết cấu, đặc trưng động lực học (khối lượng tham gia dao động, tần số, mode dao động, ) Cấp động đất địa điểm xây dựng xác định thơng qua 03 đồ A, B, C với chu kỳ lặp 500 năm, 1000 năm 5000 năm đất tham chiếu đất loại II (hay gọi trung bình) Trong đồ A (500 năm) dành cho cơng trình có tầm quan trọng bình thường thấp (xây dựng hàng loạt); Bản đồ B (1000 năm) C (5000 năm) - cho cơng trình có tầm quan trọng nâng cao (các cơng trình đặc biệt nguy hiểm, phức tạp kỹ thuật cơng trình đặc thù) Với loại đất khơng phải loại II, sử dụng bảng SP 14.13330.2014 [2] để xác định cấp động đất tính tốn địa điểm xây dựng Để xác định đặc trưng động lực học cơng trình, [2] đề xuất hai mơ hình động lực sau: - Đối với nhà cơng trình có giải pháp mặt kết cấu đơn giản, với tình tính tốn động đất thiết kế, tải trọng động đất tính tốn phép xác định cách sử dụng mơ hình tính tốn động lực dạng cơng xơn (bỏ qua ảnh hưởng dạng dao động xoắn, kể đến dạng dao động tịnh tiến) Đối với nhà cơng trình này, với tình 71 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN Sikj  K K1S 0jik tính tốn động đất tính tốn lớn phải sử dụng mơ hình tính tốn động lực không gian kết cấu kể đến đặc điểm không gian tác động động đất; - Đối với nhà cơng trình có giải pháp mặt kết cấu phức tạp, tải trọng động đất tính tốn phải xác định cách sử dụng mơ hình tính tốn động lực khơng gian nhà có kể đến đặc điểm không gian tác động động đất Giải pháp mặt kết cấu nhà cơng trình coi đơn giản thỏa mãn tất điều kiện đây: - Dạng dao động riêng thứ thứ hai đó: K - hệ số kể đến chức tầm quan trọng cơng trình, lấy theo bảng [2]; K1 - hệ số kể đến mức độ hư hỏng cho phép nhà cơng trình, lấy theo bảng [2] K1 < trường hợp cho phép xảy hư hỏng nhà có động đất Trường hợp không cho phép xảy hư hỏng nào, K1=1 (kết cấu làm việc đàn hồi); S0jik - giá trị tải trọng động đất dạng dao động riêng thứ i nhà công trình, xác định với giả thiết kết cấu biến dạng đàn hồi theo cơng thức: cơng trình khơng phải dạng dao động xoắn; - Giá trị lớn giá trị trung bình chuyển dịch ngang sàn nhà theo dạng từ dạng tịnh tiến dao động riêng công trình khơng khác biệt q 10 %; - Giá trị chu kỳ tất dạng dao động riêng tính đến phải khác khơng 10 %; - Các giải pháp kết cấu mặt theo phương đứng có tính đối xứng với phân phối tải trọng lên sàn khối lượng, độ cứng kết cấu mặt theo chiều cao; - Phù hợp với yêu cầu chiều cao nhà giới hạn bảng [2] Đối với kết cấu khung bê tơng cốt thép có vách cứng, chiều cao giới hạn áp dụng mơ hình cơng xơn 16 tầng (57 m) động đất cấp 7, 12 tầng (43 m) - cấp 8, tầng (34 m) - cấp 9; - Trong sàn lỗ mở lớn làm giảm độ cứng sàn Phương pháp tính tốn tải trọng động đất cốt lõi phương pháp phổ phản ứng áp dụng cho mô hình tính tốn khơng gian Để thuận tiện cho người đọc nắm bắt phương pháp tính tốn, trích dẫn lại cơng thức, giải thích ký hiệu SP 14.13330.2014, có bổ sung số giải thích rõ S 0jik  mkj A i K ikj nút k mơ hình tính tốn động lực ứng với dạng dao động riêng thứ i nhà cơng trình xác định theo cơng thức sau: 72 (2) đó: mkj - khối lượng nhà mơ men qn tính khối lượng tương ứng nhà, đặt vào điểm k theo tọa độ tổng quát j , xác định từ tổ hợp tải trọng trường hợp có động đất Hệ số tổ hợp lấy theo bảng [2]; g - gia tốc trọng trường; A - giá trị gia tốc cao độ nền, lấy 1; 2; m/s tương ứng với cấp động đất tính tốn 7, 8, 9;  i - hệ số động ứng với dạng dao động riêng thứ i nhà cơng trình, tính tốn sau: Giá trị hệ số động  i phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng tính tốn Ti nhà cơng trình theo dạng thứ i xác định tải trọng động đất phải lấy theo công thức (3) (4) Đối với đất loại I II theo tính chất động đất khi: Ti  0,1 s  i   15Ti 0,1 s  Ti  0, s  i  2,5 Ti  0, s  0,4   i  2,5   Ti  (3) ,5 Đối với loại III IV theo tính chất động đất khi: Ti  0,1 s  i   15Ti 0, s  Ti  0,8 s  i  2,5 Tải trọng động đất tính tốn (lực mơ men) S ikj theo phương tọa độ tổng quát thứ j, đặt vào điểm (1) Ti  0,8 s  0,8   i  2,5   Ti  (4) ,5 Trong trường hợp giá trị hệ số  i phải lấy khơng nhỏ 0,8 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN n K - hệ số kể đến khả tiêu tán lượng X i  xk  m j X i x j  dạng kết cấu, lấy theo bảng [2];  ik  j ik  - hệ số, phụ thuộc vào dạng biến dạng nhà công trình dạng dao động riêng thứ i nó, vào điểm đặt tải trọng tính tốn hướng tác j 1 , n (6)  m X x  j i j j 1 đó: động động đất, xác định sau: Đối với nhà cơng trình tính tốn theo mơ hình tính tốn động lực khơng gian, chịu tác động j động đất tịnh tiến giá trị ik xác định theo công thức: Xi(xk) и Xi(xj) - chuyển dịch nhà cơng trình ứng với dạng dao động riêng thứ i điểm k xét tất điểm j ; Thứ nguyên công thức sau: j m U j ik   j ik l p  m U l ip l r p 1 l 1 m (5)  m U  j p j ip p 1 j 1 đó: U ikj - chuyển dịch theo dạng dao động thứ i điểm nút k mơ hình tính tốn động lực theo phương tọa độ tổng quát có số thứ tự j (với j = 1, 2, chuyển dịch thẳng, j = 4, 5, chuyển dịch xoay); m pj - đặc trưng quán tính điểm nút p, khối lượng nhà cơng trình đặt điểm nút p theo phương trục j j = 1, 2, 3, j = 4, 5, mơ men qn tính khối lượng tọa độ góc tổng qt; rl - cơsin góc phương tác động động đất với trục có số thứ tự l Nếu chuyển vị tổng quát dọc theo trục tương ứng với mặt phẳng nằm ngang, chuyển vị theo trục thẳng đứng, hệ số bằng: r1  cos  cos  ; r2  sin  cos  ; r3  sin  ,  - góc phương tác động động đất tọa độ tổng quát l =1,  - góc phương tác động động đất mặt phẳng nằm ngang SP 14.13330.2014 quy định, tác động động đất có phương khơng gian Có thể hiểu là, mặt lý thuyết, cần phải xét tất phương, từ chọn phương mà tác động động đất nguy hiểm Đối với nhà công trình tính theo sơ đồ cơng xơn, giá trị  ik tác động động đất tịnh tiến theo phương ngang (đứng) khơng kể đến mơ men qn tính khối lượng xác định theo cơng thức: Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 - Khi tính tốn tải trọng lực động đất S0 ik ( j = 1, j 2, 3): S0 ik (N), m (kg); hệ số cơng thức (2) – khơng có thứ ngun; j - Khi tính tốn tải trọng mơ men động đất S0 ik j j ( j = 4, 5, 6): S0 ik (Nm), m (kg), ik (1/m); hệ số lại cơng thức (2) – khơng có thứ ngun Khi tính tốn nhà cơng trình có chiều dài chiều rộng lớn 30 m theo mơ hình cơng xơn, phải kể đến mơ men xoắn trục đứng nhà cơng trình qua tâm cứng Giá trị độ lệch tâm tính tốn tâm cứng tâm khối lượng nhà cơng trình cao độ xét lấy khơng nhỏ 0,1B, B kích thước mặt nhà cơng trình theo phương vng góc với phương tác dụng lực S ik Tải trọng động đất xác định ứng với chu kỳ dao động riêng cần kể đến, sau hệ chúng tổ hợp dạng bình phương bậc hai (SRSS) tổ hợp bình phương đầy đủ (CQC) Theo mơ hình động lực khơng gian, ứng với dạng dao động riêng công trình, tải trọng động đất bao gồm hai lực theo hai phương ngang tổng quát mô men xoắn theo phương đứng Kết luận Bài báo trình bày nội dung phương pháp tính tốn tải trọng động đất theo Tiêu chuẩn thiết kế chống động đất Nga SP 14.13330.2014 Nhìn chung, tính tốn tải trọng động đất theo SP 14.13330.2014, khâu phức tạp xác j định hệ số ik Đối với nhà cao tầng, cần có trợ giúp phần mềm tính tốn để xác định đặc trưng động lực học cơng trình tần số dao động, mode dao động, khối lượng tham gia dao 73 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN động, mơ men qn tính khối lượng, Các phương pháp tính tốn tải trọng động đất, tính tham số lại cơng thức (1), (2) dễ dàng tính tốn cách tra bảng sử dụng cơng tốn đặc trưng động lực học cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO thức biểu diễn phổ phản ứng đơn giản (3), (4) Từ góc độ thiết kế thực hành, sử dụng ETABS SAP 2000, TCVN 9386:2012, kỹ sư dễ dàng nhập tải trọng động đất tự động phần mềm tính tốn theo mơ đun tải trọng động đất Eurocode Nhưng SP 14.13330.2014, người kỹ sư bắt buộc phải tính tốn thủ cơng giá trị tải trọng động đất, nhập vào phần mềm tính tốn Điều đòi hỏi người kỹ sư phải nắm TCVN 9386:2012, Thiết kế cơng trình chịu động đất Hà Nội, 2014 СП 14.13330.2014, Строительство в сейсмических районах Актуализированная редакция СНиП II-7-81* СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах Москва 2007 Ngày nhận bài: 10/6/2015 Ngày nhận sửa lần cuối: 10/7/2015 74 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 ... trình bày nội dung phương pháp tính tốn tải trọng động đất theo Tiêu chuẩn thiết kế chống động đất Nga SP 14.13330.2014 Nhìn chung, tính tốn tải trọng động đất theo SP 14.13330.2014, khâu phức tạp... dàng nhập tải trọng động đất tự động phần mềm tính tốn theo mơ đun tải trọng động đất Eurocode Nhưng SP 14.13330.2014, người kỹ sư bắt buộc phải tính tốn thủ cơng giá trị tải trọng động đất, nhập... i j j 1 đó: động động đất, xác định sau: Đối với nhà cơng trình tính tốn theo mơ hình tính tốn động lực khơng gian, chịu tác động j động đất tịnh tiến giá trị ik xác định theo công thức: Xi(xk)