Quan niệm mới trong thiết kế động đất

QUAN NIỆM MỚI TRONG THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT VÀ TIÊU CHUẨN TCXDVN 375 : 2006 PGS., TS NGUYỄN LÊ NINH Trường đại học Xây dựng Hà Nội Tóm tắt: Thừa nhận thất bại tạm thời việc dự báo động đất, người phải thay đổi cách thức thiết kế cơng trình chịu động đất Bài báo giới thiệu điểm quan niệm thiết kế nguyên tắc thiết kế cơng trình chịu động đất theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 Đặt vấn đề Mục tiêu việc thiết kế cơng trình chịu động đất bảo vệ sinh mạng người cải vật chất xã hội Con người sống làm việc cơng trình xây dựng; cải vật chất xã hội thân cơng trình xây dựng tài sản khác nằm công trình xây dựng Do theo quan niệm trước đây, để thực mục tiêu cơng trình xây dựng không phép bị phá hoại động đất xẩy Sự phá hoại định nghĩa trạng thái vị trí hệ kết cấu, khả chịu lực của tiết diện nhỏ nội lực lớn xuất tác động loại tải trọng tính tốn Như theo cách thiết kế này, sinh mạng người cải vật chất xã hội bảo vệ gián tiếp thông qua việc bảo vệ cơng trình xây dựng Các cơng trình xây dựng thiết kế với tác động đất lớn dự kiến xẩy làm việc hoàn toàn miền đàn hồi Trong thiết kế cơng trình chịu động đất, độ lớn tác động động đất yếu tố có độ tin cậy thấp Sau nhiều trăm năm nổ lực nghiên cứu, người phải tạm thời chấp nhận thất bại việc dự báo động đất, đặc biệt vấn đề dự báo thời điểm độ lớn trận động đất xẩy Do việc thiết kế công trình chịu động đất làm việc giai đoạn đàn hồi theo quan niệm hồn tồn khơng hợp lý khơng kinh tế Vì ýlý này, vài thập niên gần đây, cách thức thiết kế kháng chấn cơng trình xây dựng có thay đổi bản, chuyển từ việc bảo vệ cơng trình sang bảo vệ trực tiếp sinh mạng người cải vật chất xã hội Theo đó, động đất xẩy cơng trình xây dựng khơng thiết làm việc đàn hồi mà làm việc sau giới hạn đàn hồi miễn không bị sụp đổ Sụp đổ hiểu theo nghĩa trạng thái người sống nhà chạy ngồi cố nghiêm trọng hệ kết cấu chịu lực Phần sau đề cập tới quan niệm thiết kế nguyên tắc nội dung TCXDVN 375:2006 Quan niệm thiết kế cơng trình chịu động đất 2.1 Mục tiêu thiết kế cách thức đạt mục tiêu thiết kế Để làm rõ cách thức thiết kế theo quan niệm mới, ta xét ví dụ đơn giản sau [3] Dưới tác động động đất biểu thị qua gia tốc x0 (t ) , hệ kết cấu có bậc tự động với khối lượng m độ cứng k, dao động tự khơng lực cản (hình 1) Giả thiết hệ kết cấu thiết kế để có khả chịu lực F 1u phản ứng cách hoàn toàn đàn hồi tác động động đất với đồ thị lực - chuyển vị hình 1a Lúc động đất xẩy ra, lực qn tính lớn tác động lên khối lượng m hệ kết cấu có giá trị Fe < F1u Khi khối lượng hệ kết cấu đạt chuyển vị ∆e, tích luỹ hệ kết cấu dạng lượng biến dạng biểu thị qua diện tích tam giác OBF động Lúc này, tốc độ chuyển động không nên lực phục hồi làm cho hệ kết cấu chuyển động phía hướng ngược lại, gây dao động với biên độ khơng đổi Hình Phản ứng hệ kết cấu có BTDĐ chịu tác động động đất: a) Phản ứng đàn hồi; b) Phản ứng đàn hồi - dẻo Nếu giả thiết hệ kết cấu thiết kế với khả chịu lực F2u nhỏ nhiều so với F1u, lực tác động đạt tới giá trị Fy = F2u < F e chân hệ kết cấu hình thành khớp dẻo (bị phá hoại theo quan niệm cách thiết kế thơng thường) (hình 1b) Tại điểm A, nội lực đạt tới giá trị F2u kết cấu chịu lực thêm tiếp tục biến dạng tác động lực F y theo đường AD đạt tới giá trị lớn ∆u điểm D (∆ u giả thiết nhỏ khả biến dạng khớp dẻo) Trong trường hợp này, lớn tích luỹ hệ kết cấu đạt tới chuyển vị ngang ∆ u biểu thị qua diện tích hình thang OADE Khi trở lại vị trí cân ban đầu, phần lượng chuyển thành động biểu thị qua diện tích hình tam giác DEG, phần lượng biểu diễn qua diện tích hình bình hành OADG phân tán qua khớp dẻo dạng nhiệt, ma sát dạng lượng khác không thu hồi Như vậy, từ chu kỳ sang chu kỳ khác hệ kết cấu đàn hồi (hình 1a) có liên tục chuyển đổi qua lại động năng, cịn hệ kết cấu đàn hồi dẻo (hình 1b) phần chuyển thành động năng, phần lớn lượng tiêu tán qua biến dạng dẻo Qua ví dụ ta thấy hệ kết cấu chịu tác động động đất theo hai cách sau: - Cách thứ nhất: khả chịu lực tác động lớn (Fe) phải làm việc giới hạn đàn hồi, hoặc: - Cách thứ hai: khả chịu lực tác động bé (F y < F e) phải có khả biến dạng dẻo kèm theo Cách thứ cách thiết kế theo quan niệm trước đây, đáp ứng u cầu bảo vệ cơng trình, cịn cách thứ hai cách thiết kế theo quan niệm mới, đáp ứng yêu cầu bảo vệ trực tiếp sinh mạng người cải vật chất xã hội Như vậy, khác với cách thiết kế thứ nhất, công trình xây dựng thiết kế theo cách thứ hai làm việc sau giai đoạn đàn hồi, chấp nhận biến dạng lớn (nhưng không sụp đổ) kết cấu chịu lực chịu trận động đất mạnh mạnh Hiện tiêu chuẩn thiết kế nước giới có TCXDVN 375 :2006 chọn cách thứ hai thiết kế cơng trình xây dựng vùng động đất từ trung bình trở lên Cách thứ thích hợp cho việc thiết kế cơng trình xây dựng vùng động đất yếu Chúng ta thiết kế cơng trình chịu trận động đất mạnh mạnh mà không bị hư hỏng (cách thứ nhất), đa số trường hợp việc thiết kế làm cho cấu kiện có kích thước q lớn xác suất xuất trận động đất mạnh thường thấp 2.2 Các nguyên tắc việc thiết kế theo quan niệm Các nguyên tắc việc thiết kế cơng trình chịu động đất theo quan niệm (theo cách thứ hai) tóm lược dạng u cầu sau thơng qua trạng thái giới hạn làm việc chúng (bảng 1) [1]: a)Trạng thái giới hạn làm việc: Công trình phải chịu trận động đất yếu thường hay xẩy mà không bị hư hỏng kết cấu chịu lực lẫn không chịu lực Cơng trình hoạt động bình thường, kể thiết bị bên cơng trình Điều có nghĩa là, thời gian động đất yếu tất phận kết cấu tạo nên cơng trình phải làm việc giới hạn đàn hồi b)Trạng thái giới hạn cuối trạng thái giới hạn kiểm soát hư hỏng: Cơng trình phải chịu trận động đất có độ mạnh trung bình với hư hỏng nhẹ sửa chữa phận kết cấu chịu lực, phận không chịu lực c)Trạng thái giới hạn sụp đổ trạng thái giới hạn tồn Đối với đại đa số cơng trình xây dựng, xẩy động đất mạnh mạnh cho phép xuất hư hỏng lớn hệ kết cấu chịu lực thiết bị bên Trong số trường hợp, hư hỏng khơng sửa chữa cơng trình khơng phép sụp đổ Bảng Các u cầu thiết kế cơng trình chịu động đất Trạng thái giới hạn Đặc tính kết cấu Làm việc bình thường Độ cứng Kiểm sốt hư hỏng Độ bền Ngăn ngừa sụp đổ Độ dẻo Trạng thái kết cấu Hư hỏng khơng đáng kể Hư hỏng sửa chữa Không sụp đổ Trạng thái kinh tế–xã hội Hoạt động không gián đoạn Thiệt hại kinh tế hạn chế Sinh mạng người bảo vệ Phản ứng kết cấu Nguy động đất Chu kỳ lặp Nguy (năm) Phản ứng đàn hồi Thường hay xẩy Phản ứng đàn hồi – dẻo hạn chế Phản ứng đàn hồi dẻo lớn Thỉnh thoảng xẩy Rất xẩy ~ 75 ÷ 200 ~ 400 ÷ 500 ~ 2000 ÷ 2500 Thiết kế công trình chịu động đất theo TCXDVN 375:2006 Trong tiêu chuẩn Việt Nam “Thiết kế cơng trình chịu động đất” (TCXDVN 375:2006), quan niệm thiết kế thể dạng hai yêu cầu hai tiêu chí tương hợp kèm theo [6] 3.1 Các yêu cầu Việc thiết kế cơng trình xây dựng chịu động đất thực theo hai cấp với mục tiêu công sau: a Không sụp đổ : bảo vệ sinh mạng người tác động động đất xẩy cách ngăn khơng cho kết cấu bị sụp đổ toàn phần, đồng thời giữ tính nguyên vẹn phần khả chịu tải sau động đất xẩy Điều có nghĩa kết cấu bị hư hỏng nghiêm trọng có biến dạng dư vừa phải giữ khả chịu tải trọng đứng đủ độ bền ngang độ cứng để bảo vệ sinh mạng người, chí có dư chấn mạnh Việc sửa chữa cơng trình trường hợp khơng kinh tế b Hạn chế hư hỏng : việc giảm thiểu thiệt hại tài sản thực thông qua việc hạn chế hư hỏng phận kết cấu chịu lực không chịu lực trận động đất thường hay xẩy Bản thân kết cấu cấu kiện thành phần khơng có biến dạng ngang dư, độ cứng độ bền chúng bảo toàn hồn tồn khơng cần phải sửa chữa sau động đất Các cấu kiện khơng chịu tải bị số hư hỏng sửa chữa dễ dàng kinh tế sau động đất Đi kèm theo hai cấp công (hai trạng thái giới hạn) hai cấp tác động động đất Tác động động đất cho cấp ngăn ngừa sụp đổ gọi tác động động đất thiết kế, cho cấp hạn chế hư hỏng thường gọi tác động động đất làm việc Tiêu chuẩn TCXDVN 375 :2006 quy định cơng trình xây dựng có tầm quan trọng thông thường (với hệ số tầm quan trọng γ I = 1,0): - Tác động động đất thiết kế tác động động đất có xác suất vượt 10% 50 năm (chu kỳ lặp trung bình 475 năm); - Tác động động đất làm việc tác động động đất có xác suất vượt 10% 10 năm (chu kỳ lặp trung bình 95 năm) Tác động động đất thiết kế cơng trình có tầm quan trọng thơng thường tác động động đất quy ước (tham chiếu) chu kỳ lặp trung bình gọi chu kỳ lặp quy ước (tham chiếu) Tác động động động đất quy ước xác định sở đỉnh gia tốc quy ước agR loại A Đối với cơng trình có tầm quan trọng lớn thấp hơn, tác động động đất tăng lên giảm xuống cách nhân tác động động đất quy ước với hệ số γI lớn 1,0 nhỏ 1,0 điều có nghĩa kéo dài rút ngắn chu kỳ lặp động đất so với chu kỳ lặp quy ước Như gia tốc thiết kế dùng để xác định tác động động đất lên cơng trình có tầm quan trọng khác thơng thường ag = γI agR đất loại A Đối với cấp công hạn chế hư hỏng, tác động động đất làm việc xác định gián tiếp thông qua hệ số chiết giảm biểu thị tỷ số tác động động động đất làm việc tác động động đất thiết kế ν = 0,4 cho cơng trình có cấp quan trọng I II ; ν = 0,5 cho cấp quan trọng III IV 3.2 Các tiêu chí tương hợp kèm theo Để thoả mãn hai yêu cầu (hai cấp công năng) trên, tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 quy định cần thực tiêu chí tương hợp kèm theo 3.2.1 Các tiêu chí liên quan tới u cầu khơng sụp đổ Cấp công không sụp đổ xem trạng thái giới hạn cực hạn mà vượt qua cơng trình bị sụp đổ gây nguy hiểm cho tính mạng người trạng thái giới hạn cơng trình thiết kế sở lực theo hai cách thức sau đề cập tới (hình 1a,b) a Thiết kế để tiêu tán lượng có độ dẻo Đây tên gọi cách thức thiết kế cơng trình chịu động đất thực theo TCXDVN 375:2006 Theo cách thức thiết kế này, chịu tác động động đất thiết kế cơng trình phép có biến dạng phản hồi – không đàn hồi lớn với điều kiện khơng đe doạ tới tính tồn vẹn cấu kiện thành phần toàn hệ kết cấu Cơ sở việc thiết kế kháng chấn dựa lực để có độ dẻo phổ ứng khơng đàn hồi hệ có bậc tự (MBTD) có đường cong lực (F) – chuyển vị (∆) đàn dẻo tuyệt đối tăng tải (hình 1b) Phổ phản ứng khơng đàn hồi, cịn gọi phổ thiết kế dùng để xác định lực tác động động đất lên cơng trình phổ phản ứng đàn hồi thu nhỏ lại thông qua hệ số ứng xử q Hệ số ứng xử q tỷ số lực lớn phát sinh hệ MBTD làm việc hoàn toàn đàn hồi (Fe) làm việc đàn hồi - dẻo (F y) : q = Fe/F y (hình 1a b) Hệ số có ý nghĩa hệ số giảm lực quán tính tác động lên hệ làm việc đàn hồi tương đương với giảm nội lực phát sinh hệ Do tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn Hoa Kỳ, hệ số gọi hệ số giảm tải điều chỉnh phản ứng Với “mưu mẹo” này, nội lực động đất gây cấu kiện kết cấu xác định dễ dàng phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính Cần lưu ý rằng, để có giảm tải này, hệ kết cấu cần phải cung cấp khả chuyển vị tổng thể chuyển vị tổng thể nhân với hệ số độ dẻo chuyển vị µ∆ = ∆ u/∆y tương ứng với hệ số q dùng để giảm lực đàn hồi tính tốn, ∆u – chuyển vị lớn cần thiết trước phá hoại ∆y – chuyển vị chảy hệ kết cấu làm việc đàn hồi – dẻo (hình 1b) Khả kết cấu gọi khả biến dạng dẻo khả tiêu tán lượng Với khả này, cấu kiện toàn hệ kết cấu tiêu tán phần lượng động đất đưa vào thông qua cản trễ (diện tích hình bình hành OADG – hình 1b) Không phải tất vùng phần kết cấu có khả làm việc dẻo tiêu tán lượng trễ Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 cung cấp công cụ đặc biệt, gọi phương pháp thiết kế theo khả để kiểm soát cấu phá hoại kết cấu (vị trí vùng bị biến dạng chảy) cách thức phá hoại xẩy vùng Các vùng cấu kiện định để phân tán lượng trễ gọi vùng tới hạn vùng tiêu tán Chúng thiết kế cấu tạo theo quy định cho TCXDVN 375:2006 để có khả biến dạng dẻo tiêu tán lượng cần thiết theo yêu cầu Các vùng phần cấu kiện lại (được giữ lại để làm việc đàn hồi) thiết kế theo tiêu chuẩn khơng kháng chấn (ví dụ theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT - TCXDVN 356:2005) Như độ dẻo thiết kế theo khả hai nội dung tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 375:2006 b Thiết kế để bảo đảm độ bền Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 cho phép thiết kế cơng trình chịu động đất theo điều kiện đảm bảo độ bền cách thiết kế theo quan niệm cũ, mà tuân theo quy định bảo đảm khả tiêu tán lượng độ dẻo cho tiêu chuẩn (hình 1a) Trong trường hợp này, tác động động đất ngang xác định từ phổ phản ứng thiết kế sử dụng hệ số ứng xử q = 1,5 ữ (2 kết cấu thép liên hợp thép bê tông) Việc thiết kế thực theo tiêu chuẩn thiết kế khơng kháng chấn (ví dụ tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT - TCXDVN 356:2005) Các kết cấu thiết kế theo cách gọi kết cấu phân tán lượng hạn chế thấp Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 quy định cơng trình phân tán lượng thấp xây dựng vùng động đất yếu có gia tốc thiết kế đất loại A ag < 0,04g (0,39 m/s ) agS < 0,05g (0,49 m/s ), S – hệ số 3.2.2 Các tiêu chí liên quan tới yêu cầu hạn chế hư hỏng Tác động động đất làm cho cấu kiện chịu lực bị biến dạng (chuyển vị) Sự biến dạng mức làm cho cấu kiện chịu lực lẫn khơng chịu lực cơng trình bị hư hỏng Do đó, khác với cách thiết kế theo trạng thái giới hạn không sụp đổ dựa sở lực, tiêu chí dùng để kiểm tra trạng thái giới hạn hạn chế hư hỏng lại dựa sở biến dạng Ví dụ để hạn chế hư hỏng cấu kiện không chịu lực công trình, điều kiện kiểm tra giới hạn chuyển vị ngang tương đối tầng Giá trị chuyển vị ngang giới hạn tích số giá trị chuyển vị ngang tương đối tầng dr xác định từ tính tốn theo trạng thái giới hạn khơng sụp đổ nhân với hệ số chiết giảm ν Kết luận Để việc xây dựng cơng trình chịu động đất an toàn kinh tế, quan niệm thiết kế có thay đổi so với trước (hình 2) Nếu theo quan niệm cũ việc xác định tác động động đất độc lập hồn tồn với q trình thiết kế để bảo đảm khả chịu lực cơng trình, theo quan niệm việc xác định tác động động đất phần trình thiết kế, phụ thuộc qua lại với trình thiết kế để đảm bảo khả biến dạng dẻo chịu lực cơng trình Nội dung TCXDVN 375:2006 phản ánh quan niệm thiết kế cách thức thực để đạt mục tiêu đề Do đó, để việc áp dụng tiêu chuẩn thuận lợi có hiệu quả, cần phân biệt rõ khác biệt quan niệm thiết kế cũ cách thức thiết kế cơng trình chịu động t Thiết kế Công trình chịu động đất Quan niệm cũ Quan niệm Bảo vệ công trình Bảo vệ sinh mạng người tài sản xà hội Yêu cầu độ bền Tác động động Thiết kế để đảm bảo khả chịu lực đất lớn Kết cấu làm việc đàn hồi Khả chịu lực cao Tác động động Yêu cầu không sụp đổ Yêu cầu hạn chế hư hỏng Thiết kế để tiêu tán lượng có độ dẻo lớn Thiết kế để có phản ứng đất thiết kế Kết cấu làm việc đàn hồi dẻo Khả chịu lực cao đàn hồi dẻo hạn chế Chuyển vị ngang hạn chế Tác động động đất làm việc Khả biến dạng dẻo cao Hỡnh Các quan niệm thiết kế cơng trình chịu động đất TÀI LIỆU THAM KHẢO Amr S Elnashai; Luigi Di Sarno Fundamentals of Earthquake Engineering Ltd, Publication, 2008 A John Wiley & Son Fardis M.; E Carvalho; A Elnashai; E Faccioli; P Pinto; A Plumier Designers’ Guide to EN 1998 - and EN 1985 - Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance Thomas Telford, 2005 George G Penelis, Andreas J Kappos Earthquake - Resistant Concrete Structures E&FN SPON 1997 NGUYỄN LÊ NINH Động đất thiết kế cơng trình chịu động đất Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, 2007 NGUYỄN LÊ NINH Cơ sở lýý thuyết tính tốn cơng trình chịu động đất Nhà xuất KHKT, 2010 (Đang chuẩn bị xuất bản) TCXDVN 375:2006 - Thiết kế cơng trình chịu động đất  ... trọng γ I = 1,0): - Tác động động đất thiết kế tác động động đất có xác suất vượt 10% 50 năm (chu kỳ lặp trung bình 475 năm); - Tác động động đất làm việc tác động động đất có xác suất vượt 10%... ÷ 500 ~ 2000 ÷ 2500 Thiết kế cơng trình chịu động đất theo TCXDVN 375:2006 Trong tiêu chuẩn Việt Nam ? ?Thiết kế cơng trình chịu động đất? ?? (TCXDVN 375:2006), quan niệm thiết kế thể dạng hai yêu... năm) Tác động động đất thiết kế cơng trình có tầm quan trọng thông thường tác động động đất quy ước (tham chiếu) chu kỳ lặp trung bình gọi chu kỳ lặp quy ước (tham chiếu) Tác động động động đất quy