1.4.1 Định nghĩa về động đất
Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh của nền đất gây ra bởi một sự giải phóng năng lượng đột ngột trong vỏ Trái Đất.
Các nhà khoa học thường có thể xác định được điểm trung tâm của các chuyển
động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý thuyết, là nơi mà các song địa chấn bắt đầu. Điểm này được gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất được gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm được gọi là độ sâu chấn tiêu (H). Khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm đến điểm quang trắc được gọi tương
ứng là tiêu cự hoặc khoảng cách chấn tiêu (D) và tâm cự hoặc khoảng cách chấn tâm (L).
Tùy thuộc vào độ sâu của chấn tiêu (H) mà động đất có thể được phân thành các loại sau: + Động đất nông: H < 70 km. + Động đất trung bình: H = 70 – 300 km. + Động đất sau: H = 300 – 700 km Các trận động đất mạnh thường xảy ra ở độ sâu H = 30 – 100km Hình 1.7 Vị trí phát sinh động đất
1.4.2 Tác động của động đất tới nền đất và công trình xây dựng
Động đất có thể gây ra các hậu quả tác động rất khác nhau tới nền đất và các công trình xây dựng.
Các biến dạng của động đất góp phần quan trọng vào việc gây ra các sự cố cho các công trình xây dựng. Việc nghiên cứu phản ứng của công trình xây dựng chịu
động đất thường được thực hiện với giả thiết nền đất ổn định, không có biến dạng thường xuyên. Đối với những nền đất có thể bị mất ổn định, lún do hóa lỏng hoặc nén chặt khi động đất xảy ra phải được nghiên cứu khảo sát đầy đủ và cần áp dụng các kỹ thuật gia cố nền trước khi xây dựng.
1.4.3 Đánh giá sức mạnh của động đất
1.4.3.1 Thang cường độ động đất
Thang cường độ động đất (Earthquake Intensity) được dùng để đánh giá sức mạnh động đất theo cách định tính. Có nhiều thang cường độ động đất khác nhau. Chúng được lập ra trên cơ sở các mức độ bị phá hoại của các công trình xây dựng lẫn bề mặt đất và phản ứng của con người khi chịu các chấn động của động đất. Ở
độ tương ứng với một mô tả định tính các hậu quả do động đất gây ra. Sau đây là một số thang cường độ động đất chính hiện đang được sử dụng ở các khu vực khác nhau trên thế giới:
− Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi (Modified Mercalli – MM) hiện
đang được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu và Bắc Mỹ và nhiều khu vực khác trên thế
giới. Thang MM có 12 cấp, cung cấp cho ta một hình ảnh chủ quan về mức độ tác
động của một trận động đất lên con người, công trình xây dựng,… tại một địa điểm cụ thể.
Bảng 1.1 Thang cường độ động đất Mercalli
Cường độ IMM Mô tả tác động của động đất Gia tốc cực đại gần đúng của nền đất (g)
I Con người không cảm nhận được, chỉ
có các địa chấn thiết kế mới ghi nhận được <0.003 II Một số ít người sống ở các tầng trên của toàn nhà cảm nhận được hoạt động của địa chấn. Các vật treo có thể dao động
III Một số người cảm nhận được hoạt
động của địa chấn giống như rung
động của xe ô tô chạy với tốc độ cao gây ra. Xe ô tô đang đỗ bị dịch chuyển.
0.003 – 0.007
IV Tất cả mọi người ở trong nhà cảm nhận được hoạt động địa chất. Người
đang ngủ bị thức giấc. Ô tô đang đỗ
bị dịch chuyển mạnh. 0.007 – 0.015 V Tất cả mọi người cảm nhận được hoạt động địa chấn. Đồđạc và giường ngủ bị lắc. Đồ sứ bị vỡ. Trần thạch cao bị nứt. 0.015 – 0.030 VI Đa số người hoảng sợ chạy ra khỏi nhà. Chuông kêu, con lắc đồng hồ bị
dừng. Trần thạch cao rơi xuống. Ống
Cường độ IMM Mô tả tác động của động đất Gia tốc cực đại gần đúng của nền đất (g) khói lò sưởi bị hư hỏng. Nhà bị hư hỏng nhẹ. VII Tất cả mọi người chạy ra khỏi nhà. Nhà bị hư hỏng phụ thuộc vào chất lượng xây dựng. 0.070 – 0.15
VIII Các tường ngăn bị nứt, khung, tượng, tháp chuông bị đổ. Các vết nứt xuất hiện ở nền đất dốc hoặc ẩm ướt; đá trên núi rơi xuống. Lái xe khó chịu.
0.150 – 0.300 IX Nhà bị dịch chuyển khỏi móng, bị nứt, bị nghiêng, đa số không sử dụng được. Nền đất bị nứt hở ra. Các đường ống ngầm bị vỡ. 0.300 – 0.700
X Nền đất bị trượt. Đường ray bị uốn cong. Các công trình bằng khối xây bịđổ. Mặt đất mở ra.
0.700 – 1.500
XI Cầu bị đổ. Chỉ có những công trình mới xây không bị đổ nhưng thường bị
hư hỏng nặng.
1.500 – 3.000
XII Các công trình do con người tạo ra bị
phá hủy hoàn toàn địa hình bị thay
đổi, các đứt gãy lớn được tạo ra, các sông nhỏ bị đổi dòng.
3.000 – 7.000
− Thang cường độ động đất JMA được cơ quan khí tượng Nhật Bản (Japanese Meteorological Agency – JMA) đề xuất với 8 cấp độ vào năm 1949.
Bảng 1.2 Thang cường độ động đất JMA
Cường độ Mô tả tác động động đất
O Không cảm nhận được: con người không cảm nhận được nhưng địa chấn ghi được
I Nhẹ: những người đang nằm nghỉ hoặc những người đặc biệt nhạy cảm với động đất cảm nhận được.
Cường độ Mô tả tác động động đất
II Yếu: đa số người cảm nhận được; các cửa ra vào và các cửa trượt kiểu Nhật Bản kêu lách cách.
III Tương đối mạnh: các ngôi nhà một tầng và nhiều tầng bị rung; các cửa ra vào và cửa trượt kiểu Nhật Bản va đập mạnh; các đèn chùm và các vật treo bị chao lắc; chất lỏng chứa trong bình chuyển động.
IV Mạnh: các ngôi nhà một tầng và nhiều tầng bị lắc mạnh; các vật không
ổn định bị lật; chất lỏng bị bắn ra khỏi bình chứa khoảng 4/5 thể tích V Rất mạnh: các tường bằng thạch cao bị nứt; mộ chí và cửa mái bị lật;
ống khói bằng gạch và các kho hàng xây bằng vật liệu địa phương bị
hư hại.
VI Thảm họa: khoảng dưới 30% nhà gỗ Nhật Bản bị đổ nát, nhiều nơi bị
lở đất và đê bị hư hỏng; mặt đất bằng bị nứt. VII Tàn phá: trên 30% nhà gỗ Nhật Bản bịđổ nát.
− Thang MSK-64 là do Medveded cùng Sponhauer và Karnic đề ra năm 1964, là thang đo cường độđịa chấn diện rộng được sử dụng đểđánh giá mức độ khốc liệt của sự rung động mặt đất trên cơ sở các tác động đã quan sát và ghi nhận trong khu vực xảy ra động đất. Để xây dựng thang MSK-64 các tác giả trước hết phân loại tác dụng phá hoại của động đất đến các công trình xây dựng, sau đó đánh giá cường độ động đất qua hàm dịch chuyển cực đại của con lắc tiêu chuẩn có chu kỳ dao động riêng T = 0.25s. Thang động đất MSK-64 có 12 cấp. Bảng 1.3 Thang cường độđộng đất MSK Cấp động đất Cường độ động đất Hậu quả tác động động đất
Lên con người Lên công trình XD
Cấp 1 Không đáng kể Không cảm nhận được Cấp 2 Rất nhẹ Cảm nhận rất nhẹ
Cấp 3 Nhẹ
Chủ yếu những người
đang nghỉ ngơi mới cảm nhận được
Cấp động đất
Cường độ động đất
Hậu quả tác động động đất
Lên con người Lên công trình XD
Cấp 4 Hơi mạnh Những người ở trong nhà cảm nhận được Kính cửa sổ bị rung Cấp 5 Tương đối mạnh Những người ở trong và ngoài nhà cảm nhận được, người đang ngủ thức dậy Các đồ vật treo đung
đưa, các bức tranh treo trên tường bị dịch chuyển Cấp 6 Mạnh Nhiều người hoảng sợ Kết cấu bị hư hỏng nhẹ, các vết nứt nhỏở lớp trát Cấp 7 Rất mạnh Nhiều người chạy ra khỏi nhà Hư hỏng lớn ở kết cấu xuất hiện vết nứt ở tường và ống khói Cấp 8 Thiệt hại Tất cả mọi người hoảng sợ Nhà bị hư hại, xuất hiện các vết nứt lớn trên khối xây, tường chắn mái và
đầu hồi bịđổ
Cấp 9 Thiệt hại lớn Sợ hãi Nhà bị hư hỏng ở diện rộng, tường và mái bị đổ
Cấp 10 Cực kỳ thiệt hại Sơ hãi bao trùm Nhà bị hư hỏng toàn bộ, nhiều nhà bị đổ
Cấp 11 Hủy diệt
Sơ hãi bao trùm Các công trình xây dựng chắc chắn bị hư hỏng nghiêm trọng
Cấp 12 Hủy diệt toàn bộ Sơ hãi bao trùm Nhà và các công trình
khác bị đổ hoàn toàn Trên quan điểm tính toán công trình, cường độ động đất xác định theo các thang cường độ giới thiệu ở trên không có ý nghĩa quan trọng. Nguyên nhân chủ
nào về các thông số liên quan tới chuyển động của nền đất (ví dụ chuyển vị, tốc độ, gia tốc cực đại,…) cần thiết cho việc tính toán kháng chấn các công trình xây dựng. Việc thiết lập một mối quan hệ giữa cường độ động đất với gia tốc nền lớn nhất về
nguyên tắc là không logic, vì cường độđộng đất là một thước đo dựa trên cảm nhận
động đất chủ quan và hậu quả phá hoại thực tế. Tuy nhiên sự cần thiết phải sử dụng các cứ liệu quan sát lịch sử, các tiêu chuẩn thiết kếđã buộc nhiều nhà khoa học phải tìm cách thiết lập mối quan hệ giữa 2 thông số trên. Nhằm mục đích tham khảo, tiêu chuẩn “Thiết kế công trình chịu động đất” của Việt Nam TCVN 9386 – 2012 cũng
đã cho các số liệu tương quan giữa cấp cường độ động đất và đỉnh gia tốc trên nền
đá gốc theo gia tốc trọng trường g.
Bảng 1.4 Tương quan giữa cấp cường độ động đất và đỉnh gia tốc nền
Cấp cường độ động đất Đỉnh gia tốc nền Thang MSK-64 Thang MM V 0.012 – 0.03 0.03– 0.04 VI > 0.03 – 0.06 0.06 – 0.07 VII > 0.06 – 0.12 0.10 – 0.15 VIII > 0.012 – 0.024 0.25 – 0.3 IX > 0.24 – 0.48 0.5 – 0.55 X > 0.48 > 0.6 1.4.3.2 Thang đo độ lớn động đất
Thang đo độ lớn động đất (Earthquake Magnitude) là thang đánh giá định lượng quy mô động đất và độ lớn đứt gãy, dựa trên biên độ lớn nhất của các sóng khối hoặc sóng mặt. Do vậy thang độ lớn động đất là một thang đánh giá khách quan và định lượng theo các số liệu đo. Có nhiều thang độ lớn động đất khác nhau. Một số thang dựa trên các số liệu đo biên độ các sóng địa chất với các đặc tính khác nhau. Một số thang biểu thị trực tiếp các thông số nguồn phát sinh động đất, không phụ thuộc vào các sóng địa chấn.
Thang độ lớn động đất thông dụng và phổ biến hiện nay là Thang Richter,
được Ch. F. Richter giáo sưđịa vật lý ở Viện Công nghệ California đề xuất vào năm 1935. Thang Richter là một phương pháp xác định độ lớn của một trận động đất dựa
trên các số liệu ghi được từ các thiết bị đo địa chấn. Phương pháp này sau đó đã
được chính tác giả và B. Gutenberg hoàn thiện thêm và mang tên thang Richter. Theo định nghĩa của thang Richter, độ lớn của một trận động đất là logarit thập phân của biên độ cực đại A đo bằng micromet ghi được tại một điểm cách chấn tâm 10 km bằng một địa chấn kế xoắn do H. O. Wood và J. Anderson thiết kế. Địa chấn kế này có chu kỳ dao động tự nhiên bằng 0.8 s, hệ số cản tới hạn 0.8 và hệ số
khuếch đại tĩnh các sóng 2,800. Hệ số khuếch đại tĩnh các sóng là tỷ số giữa biên độ
dọc trên địa chấn kế và biên độ thực của chuyển vị nền đất. Nó khuếch đại các sóng có chu kỳ nằm giữa 0.5s và 1.5s là loại sóng thường có khả năng gây hư hại cho công trình nhất.
Bảng 1.5 Thang đo độ Richter
Độ Richter Tác hại Mô tả Tần số xảy ra
<2.0 Động đất thật nhỏ,
không cảm nhận được. Không đáng kể
Khoảng 8000 lần mỗi ngày 2.0 – 2.9 Thường không cảm nhận nhưng đo được. Thật nhỏ Khoảng 1000 lần mỗi ngày 3.0 – 3.9 Cảm nhận được nhưng ít
khi gây thiệt hại. Nhỏ
Khoảng 49000 lần mỗi năm 4.0 – 4.9 Rung chuyển đồ vật trong nhà. Thiệt hại khá nghiêm trọng. Nhẹ Khoảng 6200 lần mỗi năm 5.0 – 5.9 Có thể gây thiệt hại nặng cho những công trình không theo tiêu chuẩn kháng chấn. Thiệt hại nhẹ cho những công trình tuân theo tiêu chuẩn kháng chấn. Trung bình Khoảng 800 lần mỗi năm 6.0 – 6.9 Có sức tiêu hủy mạnh trong những vùng đông dân trong chu vi 180km bán kính.
Mạnh Khoảng 120 lần mỗi năm
Độ Richter Tác hại Mô tả Tần số xảy ra 7.0 – 7.9 Có sức tàn phá nghiêm trọng trên diện tích lớn. Rất mạnh Khoảng 18 lần mỗi năm 8.0 – 8.9 Có sức tàn phá vô cùng nghiêm trọng trên diện tích lớn trong chu vi hàng trăm km bán kính. Cực mạnh Khoảng 1 lần mỗi năm 9.0 – 9.9 Sức tàn phá vô cùng lớn. Cực kỳ mạnh Khoảng 20 lần 1 năm > 10 Gây ra hậu quả khủng
khiếp cho Trái Đất. Kinh hoàng Cực hiếm
Hình 1.9 Động đất tại Vân Nam (Trung Quốc) 17/10/2018
Hình 1.10 Động đất tại Sumatra (Indonesia) 07/12/2016
1.4.4 Một số thông số kỹ thuật trong động đất
Khi động đất xảy ra, chuyển động của bất kỳ hạt vật chất nào trong nền đất
đều theo một quỹ đạo phức tạp ba chiều với gia tốc, vận tốc và chuyển vị thay đổi nhanh chóng trong một giải tập hợp tần số rộng. Chuyển động nền đất mạnh này
được đo và ghi lại dưới dạng các đồ thị bằng một loại địa chấn kế có biên độ lớn. Chuyển động của nền đất trong các trận động đất khác nhau cũng rất khác nhau.
Trong số các đặc trưng của chuyển động nền khi động đất xảy ra, các đặc trưng sau
đây có ý nghĩa quan trọng nhất trong tính toán kháng chấn công trình:
− Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất.
− Nội dung tần số của gia tốc nền.
− Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh.
1.4.4.1 Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất
Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau là đỉnh của chuyển động nền đất (gia tốc đỉnh, vận tốc đỉnh, chuyển vị đỉnh), hay gia tốc RMS của nền đất.
Thông tin quan trọng nhất mà chúng ta thu được trên cơ sở các số ghi địa chấn là gia tốc lớn nhất hoặc gia tốc đỉnh của chuyển động nền đất theo phương ngang.
Đỉnh gia tốc nền theo phương thẳng đứng trong thiết kế thường ít được quan tâm, chủ yếu là do khả năng chịu tải trọng đứng của công trình đủ an toàn để chịu thêm tác động động đất theo phương đứng.
Gia tốc RMS hay còn gọi là gia tốc trung bình theo thời gian là một thông số
biểu thị chuyển động nền đất trong đó có xét tới biên độ cũng như nội dung tần số
của chuyển động 0 t 2 RMS 0 0 1 a a (t)dt t = ∫
Trong đó: t0 – khoảng thời gian kéo dài của ghi chấn (s) a(t) – gia tốc chuyển động của nền đất (cm/s)
1.4.4.2 Giản đồ gia tốc nền
Giản đồ gia tốc nền là đồ thị biểu diễn các giá trị gia tốc của chuyển động đất nền theo trục thời gian. Theo ghi nhận của giản đồ gia tốc nền các nhà nghiên cứu sẽ có được các thông số như thời gian tăng về cường độ, thời gian kéo dài về độ
mạnh và thời gian suy giảm về độ mạnh của một trận động đất, điểm thời gian mà tại đó gia tốc đất nền đạt cực đại...
1.4.4.3 Đỉnh gia tốc nền (PGA)
Đỉnh gia tốc nền (Peak Ground Acceleration – PGA) là biên độ của gia tốc
đỉnh lớn nhất ghi lại trên một giản đồ gia tốc của quá trình chuyển động đất nền tại một điểm nhất định theo thời gian. PGA thường được sử dụng như một tham số mô