Đánh giá tổn thương địa chấn của nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực bằng đồ thị trạng thái phá hủy

Bài viết này đánh giá tổn thương địa chấn cho công trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực bằng đồ thị trạng thái phá hủy được khảo sát bằng phân tích mô hình số. Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo chi tiết bài viết này.

BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÁNH GIÁ TỔN THƯƠNG ĐỊA CHẤN CỦA NHÀ THẤP TẦNG KẾT CẤU TƯỜNG GẠCH CHỊU LỰC BẰNG ĐỒ THỊ TRẠNG THÁI PHÁ HỦY Ngô Văn Thuyết1 Tóm tắt: Nhà kết cấu tường gạch chịu lực dạng kết cấu phổ biến cơng trình dân dụng thấp tầng Các cơng trình thường bị hư hỏng chịu tải trọng ngang trận động đất Hư hỏng cơng trình trạng thái phá hủy khác phụ thuộc vào độ lớn trận động đất Đồ thị trạng thái phá hủy công cụ hữu hiệu để đánh giá tổn thương cho kết cấu cơng trình chịu tác động động đất Phương pháp sử dụng đồ thị trạng thái phá hủy để đánh giá hư hỏng cho cơng trình chịu động đất thực nhiều nghiên cứu giới, Việt Nam có nghiên cứu đồ thị trạng thái phá hủy Trong nghiên cứu này, đánh giá tổn thương địa chấn cho cơng trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực đồ thị trạng thái phá hủy khảo sát phân tích mơ hình số Từ khóa: Nhà kết cấu tường gạch chịu lực, đồ thị trạng thái phá hủy, đánh giá tổn thương địa chấn, trạng thái phá hủy ĐẶT VẤN ĐỀ * Nhà kết cấu tường gạch chịu lực dạng kết cấu phổ biến cơng trình dân dụng thấp tầng nước phát triển Các cơng trình có ưu điểm xây dựng nhanh, chi phí rẻ sử dụng công nghệ thi công đơn giản, truyền thống tận dụng vật liệu địa phương sẵn có Về mặt kết cấu, cơng trình chịu tải trọng theo phương đứng lớn kết cấu tường gạch chịu nén tốt, chúng thường xuất vết nứt, hư hỏng chịu tải trọng ngang kết cấu tường gạch có khả chịu kéo cắt thấp Khi động đất xảy ra, cơng trình kết cấu tường gạch chịu lực thường bị hư hỏng trạng thái phá hủy khác phụ thuộc vào độ lớn trận động đất Đánh giá hư hỏng cho nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực việc làm cần thiết phân tích, đánh giá tổn thương cơng trình chịu tác động động đất Đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu công cụ hữu hiệu để đánh giá tổn thương địa chấn cho cơng trình Theo (FEMA, 2003), đồ thị trạng thái Bộ mơn Kết cấu cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi phá hủy cho dạng kết cấu cơng trình đồ thị biểu diễn đường xác suất để đánh giá hư hỏng cơng trình có vượt qua trạng thái phá hủy cụ thể hay không, ứng với thông số động đất (có thể phổ gia tốc, Sa phổ chuyển vị, Sd) Hàm phân phối chuẩn thường sử dụng để xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy cho kết cấu Đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu thường xây dựng theo phương pháp phân tích mô số thông qua phần mềm kết cấu Đánh giá tổn thương cơng trình chịu động đất đồ thị trạng thái phá hủy cho số dạng kết cấu cơng trình nghiên cứu giới hai chục năm qua Phần lớn nghiên cứu đánh giá tổn thương địa chấn cho nhà bê tông cốt thép Vài năm trở lại đây, số tác giả nghiên cứu đánh giá tổn thương địa chấn cho cơng trình nhà kết cấu tường gạch chịu lực số vùng giới (Park et al., 2009), (Thuyet et al., 2018), Tuy nhiên, Việt Nam đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu khái niệm tương đối Có nghiên cứu Việt Nam xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu để đánh giá KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 25 tổn thương địa chấn cho công trình dân dụng, đặc biệt nhà thấp tầng kết cấu tường chịu lực Trong nghiên cứu này, đánh giá tổn thương địa chấn cho cơng trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực sử dụng đồ thị trạng thái phá hủy khảo sát phân tích mơ số thơng qua phần mềm SAP2000 Các trạng thái phá hủy cơng trình xác định thông qua ngưỡng chuyển vị tương đối tầng dựa phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu Từ đó, đồ thị trạng thái phá hủy xây dựng để đánh giá tổn thương địa chấn cho cơng trình MƠ TẢ VỀ CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU Một cơng trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực với thơng số kích thước vật liệu giả định lựa chọn nghiên cứu Công trình gồm ba tầng có tường gạch đơi chịu lực dày 220 mm sàn bê tông cốt thép dày 120 mm Chiều cao tầng 3,0 m Mỗi tầng có cửa vào kích thước 1,0 x 2,0 m cửa sổ kích thước 1,0 x 1,5 m Phần mái cơng trình có kết cấu kèo đỡ lợp mái ngói Thơng số kích thước hình học cơng trình thể Hình A B C A a) Mặt tầng điển hình B C b) Mặt cắt A-A Hình Thơng số hình học cơng trình XÂY DỰNG MƠ HÌNH CƠNG TRÌNH Cơng trình xây dựng mô không gian phần mềm SAP2000 v15 Tường gạch (khối xây) xây từ gạch đất sét nung vữa vôi Trong mô số, khối xây mô phần tử phi tuyến nhiều lớp thông qua ứng xử ứng xử đứng (S11), ứng xử ngang (S22) ứng xử cắt (S12) Hình (Bilgin, Korini, 2012) Các ứng xử đặc tính học chung khối xây xác định dựa nghiên 26 cứu thực nghiệm nghiên cứu trước Phần mái cơng trình có kết cấu kèo đỡ nên mơ quy đổi thành tải trọng phân phối đặt lên tường chịu lực Các nghiên cứu thực nghiệm trước hầu hết xác định ứng xử nén-kéo kết cấu tường gạch theo phương vng góc với chiều đặt viên gạch (S 11 ), nghiên cứu xác định ứng xử theo phương dọc viên gạch (S 22 ) Khả chịu nén khối xây theo phương KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) (S 22) cao phương (S 11 ) diện chịu tải gạch theo phương nhiều hơn, đó, khả chịu cắt khối xây theo phương (S 22 ) không tốt phương (S 11) mạch vữa hàng gạch thẳng a) Ứng suất phân tố phần tử hàng Tuy vậy, để tính tốn cách đúng, nghiên cứu lấy ứng xử khối xây theo hai phương (S 11 ) (S22 ) (tương tự nghiên cứu (Bilgin, Korini, 2012)) gần b) Ứng xử đứng S11 ngang S22 khối xây Hình Ứng suất phân tố phần tử khối xây 3.1 Ứng xử nén-kéo khối xây Ứng xử phi tuyến nén kéo khối xây (Hình 3) xác định theo đường cong ứng xử nén thực nghiệm nghiên cứu (Kaushik et al., 2007) đường ứng xử kéo dựa đề xuất (Akhaveissy, Milani, 2013) (a) Ứng xử nén (b) Ứng xử kéo Hình Mơ hình ứng xử nén - kéo khối xây đề xuất Phần đường cong ứng xử nén ứng với biến dạng từ đến ε’m tính theo cơng thức:   fm  2 m  m  f 'm  ' m   'm  f 'm  0, 63 fb0,49 f j0,32 (1) (2) Em  550 f 'm ; Gm  0, Em ; (3) biến dạng khối xây, ε’m biến dạng tương ứng với cường độ đỉnh f’m, fb fj cường độ chịu nén gạch vữa riêng biệt Vượt qua giá trị biến dạng ε’m đường quan hệ cường độ với biến dạng tuyến tính Giá trị biến dạng ε’m tính sau: đó, fm cường độ chịu nén khối xây, f’m đỉnh cường độ chịu nén khối xây, εm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021)  'm  C ' j  f 'm E m0,7 (4) 27 C 'j  0, 27 f j0,25 (5) Trong nghiên cứu này, tường gạch xây dựng từ gạch đất sét nung có cường độ chịu nén fb = 7,5 MPa (tương đương gạch mác M75 TCVN 1450:2009) vữa vơi có cường độ chịu nén fj = 2,5 MPa (tương đương vữa vôi mác M2,5 TCVN 4314:2003) Áp dụng mơ hình ứng xử đề xuất trên, đặc tính học khối xây tính tốn cho giá trị Bảng ứng xử kéo-nén khối xây thể Hình Bảng Đặc tính học khối xây Mô đun đàn hồi Mô đun cắt Cường độ nén Cường độ kéo Em (MPa) Gm (MPa) f ’m (MPa) ft (MPa) 1247 499 2,27 0,10 Hình Ứng xử kéo-nén khối xây 3.2 Ứng xử cắt khối xây Ứng xử cắt khối xây mơ hình thơng qua hệ số dính (c) ma sát gạch vữa công thức Morh-Coulomb sau: (6)   c    tan  đó, σ ứng suất nén tanφ đại diện cho ma sát gạch vữa Hình Ứng xử cắt khối xây Theo (Bilgin, Korini, 2012), mơ hình ứng xử cắt khối xây, lực ma sát gạch vữa 28 bỏ qua Theo (Akhaveissy, Milani, 2013), hệ số dính (c) cho khối xây thông thường lấy từ 0,05 MPa đến 0,25 MPa Với số liệu giả định cơng trình nghiên cứu này, hệ số dính lấy 0,1 MPa Ứng xử cắt khối xây thể Hình 3.3 Điều kiện biên tải trọng Tất nút chân tường gạch tầng coi ngàm Tải trọng lên sàn bao gồm tải trọng thân, tĩnh tải lớp cấu tạo sàn hoạt tải Kết phân tích tĩnh phi tuyến mơ hình cơng trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực phần mềm SAP2000 với kết nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng nghiên cứu (Ngô Văn Thuyết Nguyễn Thu Nga, 2020) Nghiên cứu hồn tồn sử dụng phương pháp phân tích mơ hình số phần mềm SAP2000 để phân tích cơng trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực NHẬN BIẾT CÁC TRẠNG THÁI PHÁ HỦY CỦA CƠNG TRÌNH Để đánh giá tổn thương địa chấn cho cơng trình, trạng thái phá hủy cần định nghĩa nhận biết Có nhiều phương pháp gần để nhận biết trạng thái phá hủy cho cơng trình nhà kết cấu tường gạch chịu lực, nhiên ngưỡng biến dạng xem số để nhận biết trạng thái phá hủy tối ưu (Calvi, 1999) đề xuất ngưỡng biến dạng thông qua chuyển vị tương đối tầng để nhận biết trạng thái phá hủy khác cho cơng trình, bao KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) gồm bốn trạng thái phá hủy: trạng thái không phá hủy phá hủy nhỏ (Damage State 1, gọi tắt trạng thái DS1), trạng thái phá hủy vừa (DS2), trạng thái phá hủy lớn (DS3) trạng thái phá hủy hồn tồn (DS4); đó, ngưỡng chuyển vị tương đối tầng sử dụng để giới hạn trạng thái phá hủy (Limit State - LS) Các trạng thái phá hủy xác định đường cong khả cơng trình thể Hình XÂY DỰNG ĐỒ THỊ TRẠNG THÁI PHÁ HỦY CHO CÔNG TRÌNH 5.1 Kết phân tích tĩnh phi tuyến cơng trình Đường cong khả (thể mối quan hệ lực cắt ngang chuyển vị mái) tương ứng với phương dao động riêng thứ cơng trình khảo sát Ở cơng trình này, phương X phương dao động riêng thứ Do đó, kết xét theo phương X Nhận biết vị trí trạng thái phá hủy đường cong khả cơng trình phân tích tĩnh phi tuyến thể Hình Phần mềm SAP2000 chuyển đổi từ đường cong khả mối quan hệ phổ gia tốc với phổ chuyển vị cơng trình Mối quan hệ phổ gia tốc với phổ chuyển vị vị trí giới Hình Các trạng thái phá hủy đường cong khả cơng trình Hình Chuyển vị tương đối tầng vị trí giới hạn trạng thái phá hủy hạn trạng thái phá hủy cơng trình nghiên cứu thể Hình Hình Đường cong khả vị trí giới hạn trạng thái phá hủy Hình Quan hệ phổ gia tốc phổ chuyển vị cơng trình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 29 5.2 Xây dựng đồ thị trạng thái phá hủy Theo (FEMA, 2003), đồ thị trạng thái phá hủy xác định thông qua hàm phân phối chuẩn phổ chuyển vị cho công thức sau:   Sd P[ DS S d ]    ln   DS  S d , DS       (7) đó, Ф[.] hàm phân phối chuẩn; Sd,DS giá trị ngưỡng phổ chuyển vị Hình 10 Đồ thị trạng thái phá hủy cơng trình ĐÁNH GIÁ TỔN THƯƠNG ĐỊA CHẤN CHO CƠNG TRÌNH Các đường đồ thị trạng thái phá hủy Hình 10 sở để đánh giá tổn thương địa (a) Sd = mm trạng thái phá hủy định;  DS độ lệch chuẩn logarit tự nhiên phổ chuyển vị ứng với trạng thái phá hủy Ở đây, Sd,DS xác định Hình 9; giá trị  DS lấy theo (FEMA, 2003) cho cơng trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực:  DS = 0,65 cho tất trạng thái phá hủy Đồ thị trạng thái phá hủy cơng trình thể Hình 10 chấn cho cơng trình Giả sử có trận động đất xảy với phổ chuyển vị lớn mm, xác suất để cơng trình phá hủy trạng thái DS1 28,4% (được xác định Hình 10), trạng thái DS2 55,6%, trạng thái DS3 12,0% trạng thái DS4 4,0% Phân phối xác suất theo trạng thái phá hủy thể Hình 11(a) Tương tự vậy, phân phối xác suất theo trạng thái phá hủy cơng trình phổ chuyển vị trận động đất có giá trị lớn 15 mm thể Hình 11(b) Xác suất để cơng trình phá hủy trạng thái DS1, DS2, DS3 DS4 trường hợp 1,2%, 23,1%, 28,1% 47,6% (b) Sd = 15 mm Hình 11 Phân phối xác suất theo trạng thái phá hủy cơng trình ứng với giá trị khác phổ chuyển vị Từ Hình 11 cho thấy giá trị phổ chuyển vị tăng lên Điều chứng tỏ giá trị phổ tăng lên, xác suất để cơng trình phá hủy chuyển vị tăng lên cơng trình dễ bị trạng thái DS1 DS2 giảm đi, xác suất để phá hủy tiến tới trạng thái phá hủy hồn tồn cơng trình phá hủy trạng thái DS3 DS4 Điều hoàn toàn phù hợp đánh giá tổn 30 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) thương địa chấn cơng trình ngồi thực tế cho cơng trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch Thông thường thực tế, cơng trình đánh chịu lực đồ thị trạng thái phá hủy Cơng trình giá tổn thương địa chấn cách định tính thơng phân tích tĩnh phi tuyến thông qua phần qua thống kê hư hỏng cơng trình cảm mềm SAP2000 v.15 Đồ thị trạng thái phá hủy kết giác người có mặt cơng trình Trong cấu xây dựng hàm phân phối chuẩn đó, nghiên cứu cung cấp phương pháp phổ chuyển vị cơng trình Kết cho thấy đánh giá tổn thương địa chấn cơng trình cách giá trị phổ chuyển vị tăng lên, xác suất để định lượng thông qua đồ thị trạng thái phá hủy kết công trình bị phá hủy trạng thái phá hủy nhỏ cấu Đây tiền đề để nhà thiết kế phân giảm đi, xác suất để cơng trình bị phá hủy tích/đánh giá cách định lượng tổn thương trạng thái phá hủy lớn phá hủy hồn tồn địa chấn cho cơng trình, từ đề biện pháp tăng lên Đồ thị trạng thái phá hủy kết cấu gia cường phù hợp cho cơng trình cơng cụ hữu hiệu để đánh giá mặt định lượng KẾT LUẬN tổn thương địa chấn cho cơng trình trạng Nghiên cứu đánh giá tổn thương địa chấn thái phá hủy khác TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngô Văn Thuyết, Nguyễn Thu Nga (2020), “Xác định đường cong khả nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực phần mềm SAP2000”, Tuyển tập Hội nghị KHTN Trường Đại học Thủy lợi, tháng 11/2020, tr 120-122 Akhaveissy A.H., Milani G (2013), “Pushover analysis of large scale un-reinforced masonry structures by means of a fully 2D non-linear model”, Construction and Building Materials, 41, 276-295 Bilgin H., Korini O (2012), “Seismic capacity evaluation of un-reinforced masonry residential buildings in Albania”, Natural Hazards and Earth System Sciences, 12, 3753-3764 Calvi G.M (1999), “A displacement-based approach for vulnerability evaluation of classes of buildings”, Journal of Earthquake Engineering, 3(3), 411-438 FEMA (2003), “HAZUS-MH MR4: Multi-hazard loss estimation methodology earthquake model”, Technical manual, Federal Emergency Management Agency, National Institute of Building Science, Washington DC, USA Kaushik H.B., Rai D.C., Jain S.K (2007), “Stress-Strain characteristics of clay brick masonry under uniaxial compression”, Journal of Materials in Civil Engineering, 19(9), 728-739 Park J., Towashiraporn P., Craig J.I., Goodno B.J (2009), “Seismic fragility analysis of low-rise unreinforced masonry structures”, Engineering Structures, 31, 125-137 Thuyet Van Ngo, Dutta A., Deb S.K (2018), “Vulneability assessment of a low-rise masonry building supported on un-bonded fiber reinforced elastomeric isolators”, Journal of Performance of Constructed Facilities, 32(2), 04017136 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 31 Abstract: SEISMIC VULNERABILITY ASSESSMENT OF A LOW-RISE UN-REINFORCED MASONRY BUILDING BY FRAGILITY CURVES Masonry building is one of the commonly adopted structural types of low-rise civil buildings The buildings are often susceptible to damage when they are subjected to ground motions of earthquakes Damage of the buildings is in different damage states due to magnitude of earthquakes Fragility curves provide a powerful solution tool for seismic vulnerability assessment of such structures The use of fragility curves to evaluate the seismic vulnerability assessment of a structure was presented in some article researches in the world, however, it was few researches in Vietnam related the vulnerability assessment of a structure using fragility curves In this paper, seismic vulnerability assessment of a lowrise un-reinforced masonry building using fragility curves is investigated by finite element analysis Keywords: Un-reinforced masonry building, fragility curves, seismic vulnerability assessment, damage states Ngày nhận bài: 26/01/2021 Ngày chấp nhận đăng: 10/3/2021 32 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) .. .tổn thương địa chấn cho cơng trình dân dụng, đặc biệt nhà thấp tầng kết cấu tường chịu lực Trong nghiên cứu này, đánh giá tổn thương địa chấn cho cơng trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu. .. Sd,DS giá trị ngưỡng phổ chuyển vị Hình 10 Đồ thị trạng thái phá hủy cơng trình ĐÁNH GIÁ TỔN THƯƠNG ĐỊA CHẤN CHO CƠNG TRÌNH Các đường đồ thị trạng thái phá hủy Hình 10 sở để đánh giá tổn thương địa. .. phân tích cơng trình nhà thấp tầng kết cấu tường gạch chịu lực NHẬN BIẾT CÁC TRẠNG THÁI PHÁ HỦY CỦA CƠNG TRÌNH Để đánh giá tổn thương địa chấn cho cơng trình, trạng thái phá hủy cần định nghĩa nhận