Phân tích phản ứng động đất

Sức kháng chấn của các công trình cảng đặc biệt quan trọng hoặc thuộc loại kết cấu có ít tiền lệ trong quá khứ phải đợc xem xét dựa trên một cuộc phân tích phản ứng với động

đất ngoài phơng pháp trong 12.3 Phơng pháp hệ số động đất hoặc 12.6 Phơng pháp biến dạng động đất

[Chú giải]

(1) Tổng quát

Trong những năm gần đây, nhiều loại kết cấu khác với hoặc lớn hơn nhiều các loại kết cấu đã xây dựng trong quá khứ đã đợc thiết kế và xây dựng nh các công trình bến cảng. Cũng có nhiều trờng hợp mà kết cấu phải xây dựng tại các vị trí mà điều kiện đất cực kỳ xấu. Hơn nữa bây giờ cần nghiên cứu biến dạng kết cấu để xem xét chức năng của các công trình có sức bền động đất cao ngay cả

khi chịu chuyển động của đất gần mặt phẳng phay, nh trận động đất Hyogoken-Nanbu đã làm h hại nghiêm trọng Cảng Kobe. Khi loại kết cấu là hiếm trong quá khứ hoặc khi tầm quan trọng đối với kết cấu mục tiêu là cực kỳ cao, phải tiến hành phân tích phản ứng động đất để xem xét biến dạng của kết cấu do chuyển động động đất Mức 2, trong đó phải nghiên cứu đầy đủ phản ứng của kết cấu trong một trận động đất

(2) Phân tích phản ứng động đất

Để tiến hành một phân tích phản ứng động đất, trớc hết phải chọn một phơng pháp phân tích thích hợp và kết cấu đợc lên mô hình theo phơng pháp phân tích, quy định các hằng số quan trọng cho mô

hình. Sau đó, chọn lọc chuyển động của đất do động đất làm đầu vào (biên độ đỉnh, mặt cắt sóng) Hình T.12.4.5 Phân loại động đất theo phay hoạt động

Chú thích: Các địa điểm nằm trong vùng A đợc xem là ở trong vùng tâm động đất

TÇn sè M (Hz) TÇn sè M (Hz) TÇn sè M (Hz)

Phổ Fourier (Gal.s) Phổ Fourier (Gal.s) Phổ Fourier (Gal.s)

Dải cửa sổ Parzen = 0,8Hz Dải cửa sổ Parzen = 0,8Hz

Dải cửa sổ Parzen = 0,8Hz

Khoảng cách tới mặt phẳng phay X(km)

Hình T.12.4.4 Phổ Fourier của sóng tới từ đá gốc

§é lín M

toán dựa trên một nghiên cứu thoả đáng phạm vi áp dụng và các điều kiện giới hạn của ph ơng pháp phân tích, các chi tiết của việc lên mô hình và độ tin cậy của các hằng số quan trọng

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Chuyển động của đất do động đất làm đầu vào

(a) Chuyển động của đất dùng để thiết kế động đất phải xác định một cách cơ bản từ các kết quả

quan sát quá khứ hoặc từ tính toán phản ứng động đất của đất. Các ghi chép các chuyển động mạnh của động đất ở các vùng trong các bến cảng ở Nhật Bản đợc thu thập liên tục bởi một mạng lới quan sát toàn quốc. Các ghi chép quan trọng đã đợc công bố hàng năm từ 1963

(b) Độ lớn của động đất, cơ chế của phay, khoảng cách từ mặt phẳng phay, và các đặc trng phản ứng của đất phải đợc xem xét để chọn chuyển động đầu vào của đất

(c) Khi các điều kiện của đất tại địa điểm thiết kế khác với các điều kiện mà tại đó các ghi chép chuyển

động mạnh đã có đợc để dùng cho việc phân tích phản ứng động đất, các ghi chép quan sát đợc của chuyển động đất bề mặt trớc hết phải chuyển đổi thành các profin sóng tới của đá gốc. Sau

đó các sóng tới của đá gốc đợc đa vào đá gốc của địa điểm thiết kế và có thể tính đợc chuyển

động của đất bề mặt. Có thể sử dụng phơng pháp phân tích phản ứng động đất của đất dựa trên lý thuyết phản xạ nhiều lần để tính chuyển động của đất bề mặt từ các sóng tới của đá gốc và ng - ợc lại. Tuy nhiên, trong nhiều trờng hợp, lý thuyết phản xạ nhiều lần dựa trên phơng pháp tuyến tính tơng đơng, và việc áp dụng lý thuyết này bị hạn chế ở mức biến vị bằng 1% hoặc ít hơn khi sử dụng để phân tích phản ứng động đất đối với chuyển động mạnh của đất nh chuyển động động

đất Mức 2, vì vậy cần chú ý cẩn thận tới các hạn chế của phơng pháp này

(d) Các hạng mục nói trong (b) trên đây phải xét đến khi quy định biên độ đỉnh chuyển động của đất trong thiết kế. Thông thờng biên độ đỉnh chuyển động của đất là một hàm số của độ lớn và khoảng cách, và phơng trình sau đây đã đợc kiến nghị

trong đó :

ACOR : gia tốc đỉnh đã hiệu chỉnh của đá gốc (Gal)

ASMAC : gia tốc đỉnh của đá gốc đối với địa chấn ký chuyển động mạnh loại SMAC (Gal) V : vận tốc đỉnh đá gốc (cm/s)

D : chuyển vị đỉnh đá gốc (cm) M : độ lớn động đất

X : khoảng cách từ mặt phẳng phay (2) Phơng pháp phân tích phản ứng động đất

Các phơng pháp phân tích phản ứng động đất đợc phân loại rộng rãi thành hai loại: phơng pháp dựa trên tính toán số sử dụng máy tính, và các thí nghiệm rung sử dụng thiết bị nh một bàn rung

(a) Phân tích phản ứng động đất dựa trên các tính toán số có thể phân loại nh liệt kê trong Bảng T.12.5.1. Các phơng pháp này đợc giải thích tóm tắt dới đây

Bảng T.12.5.1 Phơng pháp số để phân tích phản ứng động đất Phơng pháp phân tích

(đối với đất bão hoà) Phân tích ứng suất hữu hiệu (các pha chất rắn và lỏng) Phân tích ứng suất tổng (pha rắn)

Thứ nguyên Một thứ nguyên, hai thứ nguyên, ba thứ nguyên

Mô hình để phân tích Mô hình phản xạ nhiều lần, mô hình khối lợng lò xo, mô hình phần tử hữu hạn

Đặc trng quan trọng Tuyến tính, tuyến tính tơng đơng, phi tuyến Miền để tính toán Phân tích miền thời gian, phân tích miền tần số

1. Phân tích ứng suất hữu hiệu và phân tích ứng suất lỏng

Các phân tích phản ứng động đất có thể chia thành các phơng pháp dựa trên ứng suất hữu hiệu và các phơng pháp dựa trên tổng ứng suất. Khi đất hoá lỏng, sẽ tạo ra áp lực nớc d trong lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu giảm dần. Kết quả là lực hồi phục hoặc tính chất tắt dần của đất sẽ thay đổi và tính chất phản ứng của đất cũng thay đổi. Với phơng pháp phân tích ứng suất hữu hiệu, có thể phân tích các tình trạng này và áp lực nớc d trong lỗ rỗng xẩy ra trong đất có thể xác định đợc trực tiếp từ các tính toán. Mặt khác, việc phân tích tổng ứng suất không thể tính áp lực nớc d trong lỗ rỗng từ quá trình tính toán. Nh vậy sự thay đổi trong phản ứng động đất do sự thay đổi trong ứng suất hữu hiệu không thể xem xét đợc. Đối với các trờng hợp mà áp lực nớc trong lỗ rỗng ở trên một mức nào đó sẽ xẩy ra (khi tỷ lệ áp lực nớc d trong lỗ rỗng thờng là 0,5 hoặc lớn hơn), vì vậy, rất có thể là các kết quả tính toán dựa trên phơng pháp tổng ứng suất sẽ khác nhiều so với phản ứng động đất thực tế. Dù sao ph-

ơng pháp phân tích tổng ứng suất cũng đơn giản và thờng đợc sử dụng để thiết kế. Có thể hiểu đợc rằng nói chung các giá trị phản ứng tính toán đợc bằng cách phân tích ứng suất hữu hiệu (ứng suất cắt hoặc gia tốc) thờng nhỏ hơn các kết quả tính bằng phân tích tổng ứng suất. Vì vậy, có thể thấy phân tích tổng ứng suất cho các kết quả an toàn hơn trong thiết kế 2. Mô hình để phân tích

(i) Mô hình phản xạ nhiều lần

Mô hình tính toán này xem đất nh một chồng các lớp đất nằm ngang. Khi các sóng cắt truyền thẳng đứng từ đá gốc, chúng đợc truyền lặp đi lặp lại và phản xạ ở các biên giữa các lớp đất. Với phơng pháp này quan hệ giữa ứng suất và biến vị của đất đợc xem là tuyến tính.

Mô hình phản xạ nhiều lần sử dụng việc tuyến tính hoá tơng đơng làm cho nó có thể giải quyết đợc tính chất gần nh phi tuyến và mô hình này đã đợc sử dụng rộng rãi trong các năm gần đây. Thờng sử dụng chơng trình máy tính "SHAKE" dựa trên mô hình này

(ii) Mô hình khối lợng-lò xo

Trong mô hình này đất đợc thay thế bằng một tổ hợp nhiều khối lợng lò xo và bộ giảm chấn. Với phơng pháp này, việc tính toán tơng đối đơn giản và có thể đa vào một quan hệ phi tuyến giữa chuyển vị và lực hồi phục

(iii) Mô hình phân tử hữu hạn

Các mô hình này không hạn chế trong việc chỉ phân tích chuyển động của đất mà còn

đợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác. Đất đợc chia ra thành một số các phần tử hữu hạn. Mô hình phần tử hữu hạn đợc đặc trng bởi khả năng phân tích và biểu thị dễ dàng các sự thay đổi hai thứ nguyên của bề dầy lớp đất và các điều kiện của đất. Ví dụ về các chơng trình áp dụng thực tế bao gồm "FLUSH", "BEAD" và "FLIP". Dựa trên kinh nghiệm các phân tích cầu tầu bị h hại tại cảng Kobe trong trận động đất Hyogoken- Nanbu, "FLIP" đợc sử dụng để kiểm tra mức độ biến dạng của các công trình có sức kháng chấn cao và các mục đích khác. Ngoài ra "FLIP" còn đợc dùng nh một chơng trình phân tích sai phân hữu hạn sử dụng phơng pháp lời giải hiện.

(iv). Mô hình continum

Mô hình này xem một kết cấu (hoặc đất) nh một dầm hẫng có các đặc trng đồng đều hoặc các tính chất thay đổi theo một cách đồng đều. Mô hình dầm chịu cắt thờng đợc chọn để lập mô hình. Các hằng số cần cho tính toán là các kích thớc của kết cấu, trọng lợng đơn vị của mỗi phần, môđun cắt và mức độ thay đổi theo chiều sâu của nó, và hằng số tắt dần

(b) Thử nghiệm rung sử dụng bàn rung

Phơng pháp này xét đến sự tơng tự động lực và tác động các rung động vào một kết cấu. Nó là một biện pháp hữu hiệu để hiểu biết toàn bộ cách phản ứng của một kết cấu và đất. Về mặt này, cần đến một mức độ kỹ thuật kinh nghiệm khá cao để làm một mô hình tái tạo lại một cách thích đáng các dặc trng động lực của nguyên mẫu

Phơng pháp thử nghiệm rung với một thiết bị nh một bàn rung gồm có các phơng pháp sau:

1. Mô hình thử nghiệm rung với một bàn rung

Với các thử nghiệm này, chuẩn bị một mô hình thoả mãn đợc sự tơng tự về hình học và các tính chất động lực của kết cấu mục tiêu và đất. Chuyển động động đất giả định đ ợc tác

động vào mô hình bằng một bàn rung

Với các thử nghiệm này, dùng một máy ly tâm để tạo lại các điều kiện ứng suất trong mô

hình giống hệt ứng suất thực. Chuyển động động đất giả định sau đó đợc tác động với một thiết bị thử nghiệm rung đặt trên máy ly tâm để thoả mãn sự tơng tự