6. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
1.3 HIỆN TƯỢNG ĐỘNG ĐẤT
Động đất là hiện tượng tự nhiên hoặc nhân tạo gây ra dao động của đất nền, trong đó động đất do sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo vỏ trái đất là loại động đất mạnh, gây chết người, làm sụp đổ nhà cửa, phá hoại các cơng trình xây dựng, ảnh hưởng lớn đến đời sống kinh tế xã hội, cụ thể các trận động đất xảy ra gần đây tại San Fernado, California - Mỹ (1994), Kobe - Nhật Bản (1995), Đài Loan (1999), Gazly, Armenia - Liên Xô (1989), Tứ Xuyên - Trung Quốc (2008), Christchurch - New Zealand (2011) đã làm chết rất nhiều người và gây sụp đổ rất nhiều cơng trình.
Nguyên nhân xảy ra động đất
- Do vận động kiến tạo của các mảng trái đất. - Do thiên thạch va chạm vào trái đất.
- Do các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn và do các kích động có chủ ý của con người trong việc khai thác hay xây dựng.
- Do đặc biệt là các vụ thử hạt nhân.
Trong quan niệm thơng thường thì động đất được hiểu là các rung chuyển đủ mạnh trên diện tích đủ lớn, ở mức nhiều người cảm nhận được, có thể để lại các dấu
vết phá hủy hay nứt đất ở vùng nào đó. Về mặt vật lý, các rung chuyển động phải có biên độ đủ lớn, có thể vượt giới hạn đàn hồi của môi trường đất đá và gây nứt vỡ. Nó ứng với động đất có nguồn gốc tự nhiên, hoặc mở rộng đến các vụ thử hạt nhân.
Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý thuyết, được quy về một điểm gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt quả 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 quan trắc được gọi tương ứng là tiêu cự hoặc khoảng cách chấn tiêu (D) và tâm cự hoặc khoảng cách chấn tâm (L).
(Nguồn Nguyễn Lê Ninh, 2011 [3])
Hình 1.16 Vị trí phát sinh động đất
Các địa chấn từ tâm động đất được truyền đi các phía gây rung chuyển cả khối đất đá với các lực mạnh được đo bằng độ Richter. Cường độ được đo bằng thang độ Mercalli cải tiến gồm 12 bậc.
Bảng 1.1 Thang đo Mercalli.
Mức độ Ảnh hưởng tác động
Mức 1 Khơng một rung động nào có thể nhận ra.
Mức 2 Một vài người có thể cảm nhận được khi họ đang nằm nghỉ hoặc trên một tòa nhà cao tầng.
Mức 3 Một vài người có thể cảm nhận được nếu đang ở trong nhà; ngược lại, họ sẽ khơng thấy gì nếu đang ở bên ngoài.
Mức 4 Một số đồ vật nhỏ như đĩa, bát... có thể bị dịch chuyển.
(Nguồn , 2015 [2])
Thang Richter là do Ch. Richter đề ra năm 1953 để thay cho việc đánh giá cường độ động đất thông qua việc đánh giá hậu quả của nó bằng cách đánh giá gần đúng năng lượng được giải phóng ở chấn tiêu. Trong đó, độ lớn M (Magnitud) của một trận động đất bằng logarit thập phân của biên độ cực đại A (µm) ghi được tại một điểm cách chấn tâm D = 100km trên máy đo địa chấn có chu kỳ dao động riêng T = 0.8s M = logA.
Bảng 1.2 Thang đo cường độ Richter.
Những cánh cửa sẽ bị đóng sập lại, bình hoa bị vỡ...
Mức 6 Mọi người sẽ cảm thấy được cơn địa chấn này khiến cho việc đi lại khó khăn, đồ vật hư hỏng, thậm chí phá hủy các ngơi nhà có kiến trúc tồi.
Mức 7 Gây ra trở ngại trong việc di chuyển, thậm chí ngay cả khi đang trong ô tô, rất nguy hiểm đối với các ngôi nhà tồi.
Mức 8 Phá hủy các ngơi nhà có nền yếu và một số cơng trình như cầu cống...
Mức 9 Khá nguy hiểm đối với những tịa nhà cao tầng, phá hủy các cơng trình giao thơng dưới lịng đất.
Mức 10 Phần lớn các ngơi nhà đều bị phá hủy, có thể gây ra các hiện tượng như sạt lở đường.
Mức 11 Hầu hết các cơng trình trên đường lẫn dưới mặt đất đều bị hư hỏng nặng.
Mức 12 Gần như mọi thứ đều bị phá hủy, mặt đất dịch chuyển theo những đường cong, có thể làm sạt lở các mỏm đá.
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
(Nguồn , 2015 [2])
Mức độ thiệt hại do động đất gây ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ sâu của tâm động đất, độ mạnh của các chấn động địa chấn được ghi và đo bằng độ Richter. Cường độ của sóng địa chấn tác động vào các địa tầng của khu vực bị động đất được đánh giá theo 10 độ của thang độ Mercalli cải tiến. Đồng thời chúng còn phụ thuộc khoảng cách từ điểm trung tâm đến các nơi, cấu trúc các địa tầng vùng bị động đất, các kiến trúc được xây dựng trên vùng đất bị động đất như nhà, cơng trình, cầu cống, đường, đập, cột điện, sân bay, sân vận động, hải cảng v.v… Ngoài ra, mức độ thiệt hại do động đất cũng phụ thuộc vào yếu tố địa dư như vùng đồi núi, vùng đồng bằng, vùng có hồ sơng lớn, vùng ven biển, đơ thị, thành phố, mật độ tập trung của người dân cư trú. Sự chuẩn bị sẵn sàng của cộng đồng người dân trong cơng tác phịng chống thiên tai động đất.
4.0 – 4.9 Rung chuyển đồ vật trong nhà.
Thiệt hại khá nghiêm trọng Nhẹ
Khoảng 6200 mỗi năm
5.0 – 5.9
Có thể gây thiệt hại nặng cho những cơng trình khơng theo tiêu chuẩn kháng chấn. Thiệt hại nhẹ cho những cơng trình tn theo tiêu chuẩn kháng chấn
Trung bình Khoảng 800 lần mỗi năm
6.0 – 6.9
Có sức tiêu hủy mạnh trong những vùng đơng dân trong chu vi 180km bán kính Mạnh Khoảng 120 lần mỗi năm 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 vơ cùng nghiêm trọng trên diện tích lớn trong chu vi hang 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
1.4 Tác hại phá hoại của động đất đến các cơng trình
Tác động phá hoại của động đất gồm
- Tác động nguyên phát của động đất do sự chuyển động mạnh của đất và hậu quả tức thì là các vết nứt gãy. Các vết sụt lở nền đất, móng tường, sườn đồi núi, đê đập, nền và cột các cơng trình, những khoảng sụt lớn nứt gãy, các khối đất đá nền di chuyển có kích thước từ 10 đến 15 mét theo chiều bằng ngang và sự sụp theo chiều dọc sâu có thể từ vài mét đến vài chục mét. Trong tác động nguyên phát, ngoài chấn động của động đất gây ra cịn có hiện tượng lỏng hóa các cấu tạo đất cát ẩm bị rời rã ra làm cho các kiến trúc nặng bị lún sâu vào lịng đất. Tác động ngun phát của các sóng địa chấn và những rung chuyển được lan truyền từ tâm động đất ra các phía gây ra các tác động cộng hưởng làm tăng lực tàn phá của động đất đối với những cơng trình kiến trúc.
- Tác động thứ phát của động đất sẽ gây một số ảnh hưởng như sập lở đất đá làm thiệt hại về cơ sở vật chất và con người, tạo nên lũ lụt ở các vùng có hồ chứa nước lớn. Tác động của động đất cũng làm cho các đập nước dâng cao mức nước, tràn nước, vỡ đập chắn hồ chứa nước. Đồng thời có thể gây cháy ở những đơ thị, tại khu dân cư có thể phát sinh các đám cháy do chập điện, vỡ ống dẫn khí đốt cháy các kho nhiên liệu, các loại vật liệu dễ cháy. Ngoài ra động đất là nguyên nhân chính dẫn đến hình thành sóng thần khi các địa chấn hoặc xạc lỡ đất đá ngoài đại dương gây ra.
(Nguồn Hoài Linh, 2019 [9])
Ảnh hưởng của động đất lên cơng trình thép Khi động đất xảy ra, lực ngang và các dao động của cơng trình do lực ngang đã tác động làm cho các thanh giằng làm biến dạng, cong vênh hoặc gãy gập dẫn đến các thanh giằng loại hình này khơng đảm bảo chức năng chịu tác dụng chịu lực kéo nén dọc trục đúng tâm theo thiết kế (các thanh giằng không đảm bảo chức năng khi lực tác dụng ngoài mặt phẳng của chúng).
Ngu ồn Nathan Canney, 2006 [13]
Hình 1.18 Các dạng hư hỏng của thanh giằng sau khi chịu tác động của động đất Để khắc phục điều này, các cơng trình xây dựng bằng kết cấu thép trên thế giới nhất là khu vực thường xun có động đất xảy ra và các tịa nhà cao tầng thường sử dụng các biện pháp kháng chấn như sau
- Sử dụng kết cấu bê tông và kết cấu bê tơng cốt thép có cấu tạo kháng chấn. - Sử dụng vật liệu thép kháng chấn, gạch kháng chấn.
- Sử dụng thanh giằng, cáp giằng.
- Sử dụng thanh giằng chống bất ổn định (BRB). - Lắp đặt các con lắc thép lắp đặt cho cơng trình. - Lắp đặt thiết bị cách ly động đất cho cơng trình.
Trong đó phương pháp sử dụng các thanh giằng chống bất ổn định (BRB - Buckling Restrained Braced) được áp dụng rộng rãi đối với các cơng trình nhà cao
tầng trên thế giới và ở Việt Nam.
(Nguồn Tokyo Station Yaesu Development Design Joint Enterprise, 2006 [14])
Hình 1.19 Cơng trình có sử dụng thanh giằng chống bất ổn định (BRB)
1.5 Xuất xứ, cấu tạo thanh giằng chống bất ổn định (BRB - Buckling Restrained Braced)
Trong phạm vi nghiên cứu này, đề tài trình bày ưu điểm khi sử dụng thanh giằng chống bất ổn định (BRB) trong việc xây dựng các cơng trình kết cấu thép có hệ giằng chữ X với các cơng trình kết cấu thép có hệ giằng chữ X có sử dụng thành giằng truyền thống chịu tác động của động đất.
1.5.1 Xuất xứ
Hệ khung có sử dụng thanh giằng chống bất ổn định (BRB) được phát triển tại Nhật Bản bởi Công ty Nippon Steel vào cuối những năm 1980 và được biết đến với tên thương hiệu là Unbonded Brace. Vào năm 1999, hệ khung có sử dụng thanh giằng chống bất ổn định được sử dụng trong trong Tịa nhà Khoa học Thực vật & Mơi trường ở U.C. Davis, Hoa Kỳ. Năm 2002, CoreBrace LLC và Star Seismic LLC được hợp nhất, nghiên cứu, phát triển và bắt đầu cạnh tranh với Nippon trong thị trường thiết kế thanh giằng chống bất ổn định và áp dụng ngày càng nhiều trên
thế giới, đặc biệt là tại các nước thường xuyên xảy ra động đất như Nhật Bản, Đài Loan, Mỹ, Canada,… như cơng trình Sabelli Et Al. 2003, Uang và Nakashima 2003, Tòa nhà tháp One Rincon Hill tại San Francisco, California, Hoa Kỳ năm 2008, Khách sạn L.A. Live tại Los Angeles, Califonia, Hoa Kỳ 2009, sân vận động Levi’s tại San Francisco, 2014 …
1.5.2 Cấu tạo
Ba thành phần chính của thanh giằng chống bất ổn định có thể được phân biệt là lõi thép, lớp ngăn chặn liên kết và vỏ của nó, cụ thể
- Lõi thép Được thiết kế để chống lại toàn bộ lực dọc trục được phát triển trong giằng. Lõi là một thanh thép dài (ở giữa) được thiết kế để hoạt động không co giãn trong trường hợp chịu tác động của động đất ở cấp độ thiết kế. Độ dẻo được tập trung ở phần giữa của lõi thép. Cấu hình như vậy cung cấp độ tin cậy cao trong dự đoán hành vi và dự đoán hư hỏng của lõi thép.
- Lớp ngăn chặn liên kết Là lớp tách lớp vỏ khỏi lõi. Điều này cho phép lõi thép chống lại toàn bộ lực dọc trục được phát triển trong thanh giằng, như thiết kế.
- Vỏ bọc Thơng qua độ cứng uốn của nó - cung cấp sự hỗ trợ bên cạnh chống lại sự uốn cong của lõi. Nó thường được làm bằng ống thép đầy bê tơng. Tiêu chí thiết kế của vỏ là cung cấp sự hạn chế bên cạnh đầy đủ (nghĩa là độ cứng) chống lại sự vênh lõi thép.
Các loại thanh giằng BRB có hình dạng như sau
a) Các bộ phận của thanh BRB c) Lắp đặt thanh BRB lên khung thép
b) Mặt cắt ngang thanh BRB
c) Biểu đồ chuyển vị của thanh BRB
(Nguồn Hector Guerrero, Tianjian Ji and José A. Escobar, 2016 [12])
* Đặc điểm của thanh giằng chống bất ổn định (BRB)
Do các thanh giằng chống bất ổn định có độ dẻo cao, các vịng trễ trễ ổn định và có thể lặp lại dẫn đến thanh giằng chống bất ổn định có thể hấp thụ một lượng năng lượng đáng kể trong quá trình chịu tải tác động theo chu kỳ, chẳng hạn như một sự kiện động đất.
Cấu tạo của thanh giằng chống bất ổn định được tính tốn, thiết kế nhằm ngăn chặn sự vênh dẫn đến khả năng và hành vi dễ uốn tương tự trong nén và kéo. Cơ chế hoạt động này được minh họa bằng đường bao của các đường cong trễ, còn được gọi là đường cong xương sống. Đường cong này được coi là một cơ sở quan trọng của thiết kế thực tế. Do đó, hành vi tuần hồn có lợi của vật liệu thép có thể được ngoại suy từ cấp độ phần tử đến cấp độ kết cấu tổng thể dẫn đến một cấu trúc cơng trình khi thiết kế có sử dụng các thanh giằng chống bất ổn định (BRBs) có khả năng tiêu tán năng lượng nguy hiểm có thể dẫn đến phá hoại cơng trình.
Căn cứ các kết quả thí nghiệm đã chứng minh khả năng dễ uốn, ổn định và lặp lại của các kết cấu cơng trình được xây dựng có sử dụng các thanh giằng chống bất ổn định hơn cơng trình được xây dựng có sử dụng các thanh giằng truyền thống.
Tùy thuộc vào cấu hình của thanh giằng chống bất ổn định, các vị thiết kế có thể tính tốn, sửa đổi để đáp ứng cao hơn có liên quan đến độ dẻo cao hơn và nâng cao hiệu suất sau năng suất. Do đó, tải trọng địa chấn áp dụng cho kết cấu được giảm một cách hiệu quả, dẫn đến tiết diện nhỏ hơn cho dầm và cột của khung giằng, nhu cầu nhỏ hơn đối với các kết nối và quan trọng nhất là tải trọng trên nền móng giảm đáng kể.
* Các biện pháp liên kết thanh giằng chống bất ổn định
Mục đích của thanh giằng chống bất ổn định là để tiêu tan các lực bên từ cột và dầm. Do đó, việc liên kết thanh giằng chống bất ổn định với dầm và cột có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của thanh giằng chống bất ổn định trong trường hợp xảy ra địa chấn. Thông thường, thanh giằng được gắn vào một tấm ốp, lần lượt được hàn với dầm và / hoặc cột mà thanh giằng sẽ được gắn vào. Thơng thường có ba loại liên kết được sử dụng cho thanh giằng chống bất ổn định (BRB)
- Liên kết hàn – thanh giằng được hàn hoàn toàn vào tấm ốp trong lĩnh vực này. Mặc dù tùy chọn này yêu cầu thêm thời gian làm việc tại chỗ, nhưng nó có thể
tăng hiệu suất của thanh giằng bằng cách cải thiện cơ chế truyền lực và có khả năng dẫn đến diện tích mặt cắt của thanh giằng nhỏ hơn.
- Liên kết bắt vít – thanh giằng được bắt vít vào tấm ốp (bản mã) hàn cố định vào các góc cột – dầm và giữa các thanh dầm.
- Liên kết được ghim - cả thanh giằng và tấm ốp đều được thiết kế để chấp nhận một nút, kết nối chúng với nhau và cho phép xoay tự do. Điều này có thể có lợi cho kỹ sư thiết kế vì người thiết kết chỉ cần chỉ định một kết nối kiểu ghim.
Ngoài loại liên kết trên, các chi tiết của thanh giằng được liên kết với nhau cũng có thể ảnh hưởng đến việc chuyển lực vào thanh giằng làm tăng hoặc giảm hiệu suất tối ưu của nó. Thơng thường, đơn vị thiết kế thanh giằng sẽ chỉ định các