Bộ môn Sức bền-Cơ kết cấu Khoa Xây dựng
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: ngocloan93@yahoo.com
1. Giới thiệu
Tiêu chuẩn hiện hành được áp dụng khi thiết kế công trình chịu động đất ở Việt Nam là TCVN 9386:2012 [1]. Tiêu chuẩn hiện hành này được chuyển đổi từ TCXDVN 375:2006 [2] thành tiêu chuẩn quốc gia. TCVN 9386:2012 (cũng như TCXDVN 375:2006) được biên soạn trên cơ sở chấp nhận tiêu chuẩn Eurocode 8 [3]. Ngoài việc bổ sung hoặc thay thế các phần mang tính đặc thù Việt Nam, như bảng phân cấp phân loại công trình xây dựng, bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam, bảng phân vùng gia tốc nền theo địa danh hành chính, bảng chuyển đổi gia tốc nền sang cấp động đất, thì TCVN 9386 được dịch đúng nguyên bản, đúng nội dung của Eurocode 8, vì thế các cách tổ hợp tải trọng, đi kèm với các hệ số tổ hợp trong hai tiêu chuẩn là hoàn toàn giống nhau.
Việc thiết kế kết cấu chịu động đất thường được đòi hỏi đối với các công trình quan trọng và công trình cao tầng. Viện khoa học công nghệ xây dựng đã phát hành tài liệu: hướng dẫn thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép chịu động đất [4]. Trong tài liệu hướng dẫn này, nhiều ví dụ tính toán cụ thể đã được trình bày, nhiều chỉ dẫn trong tiêu chuẩn còn mang tính nguyên tắc đã được định lượng hoặc công thức hóa. Mặc dù vậy, trong tài liệu hướng dẫn còn thiếu các ví dụ bằng số về các định nghĩa tổ hợp tải trọng và nguồn khối lượng, mà các ví dụ này, nếu có, sẽ là một phần hướng dẫn thiết thực mà các kỹ sư thiết kế kết cấu rất quan tâm. Thực tế hiện nay, các kỹ sư thiết kế thường làm đơn giản hóa việc định nghĩa các tổ hợp và nguồn khối lượng, dẫn đến làm không đúng tiêu chuẩn.
Các định nghĩa về tổ hợp tải trọng theo TCVN 9386 sẽ được trích dẫn và trình bày lại trong mục 2 của bài báo này, và cách áp các hệ số tổ hợp tải trọng cho một ví dụ cụ thể được trình bày ở mục 3.
Trong bài viết này, để ngắn gọn và dễ hiểu, các thuật ngữ được sử dụng trong TCVN 9386 như: “tải trọng và tác động” được gọi là “tải trọng”, “tác động dài hạn” được gọi là “tĩnh tải”, “tác động thay đổi” được gọi là “hoạt tải”.
2. Các loại tổ hợp khi thiết kế công trình chịu động đất trình chịu động đất
Khi phân tích kết cấu công trình chịu động đất, có ba loại tổ hợp cần được định nghĩa là:
(1) Tổ hợp khối lượng khi phân tích dao động (Mass source),
(2) Tổ hợp các dạng dao động (Modal combination), và
(3) Tổ hợp tải trọng động đất với các tải trọng khác (Load combination)
Phần sau đây sẽ lần lượt trình bày các tổ hợp này.
2.1 Tổ hợp khối lượng khi phân tích dao động (Mass source)
Mục 3.2.4 (2) trong 9386:2012 định nghĩa tổ hợp để xác định nguồn khối lượng liên quan đến các hiệu ứng quán tính trong phân tích dao động (modal analysis) như sau:
, " " + , ,∑Gk j ∑ψE iQk i ∑Gk j ∑ψE iQk i
(1)
trong đó:
Dấu “+” trong biểu thức có nghĩa là “tổ hợp với”
Các chỉ số ở các số hạng trong biểu thức (1) có ý nghĩa là: i là thành phần hoạt tải thứ i; j là thành phần tĩnh tải thứ j; k là tầng thứ k, do đó Gk,j là tĩnh tải thứ j, tầng k, Qk,i là hoạt tải thứ i, tầng k.
, = 2,
E i i
ψ ϕψ
ψE,i là hệ số tổ hợp tải trọng đối với hoạt tải thứ i, ψE,i xét đến khả năng các hoạt tải Qk,i không xuất hiện trên toàn bộ công trình trong thời gian xảy ra động đất.
ψE,i còn xét đến sự tham gia hạn chế của khối lượng (do hoạt tải) vào chuyển động của kết cấu do mối liên kết không cứng giữa chúng (khối lượng của các hoạt tải).
ψ2,i là hệ số tải trọng dài hạn giả định (quasi-permanent), nghĩa là ψE,i Qk,i được giả định là tĩnh tải. Giá trị của ψ2,i và φ
lần lượt được cho trong bảng 1 và bảng 2, (tương ứng với bảng 3.4 và bảng 4.2 trong TCVN 9386:2012).
2.2 Tổ hợp các dạng dao động (Modal combination)