5. Kết quả dự kiến đạt được
1.6.Một số trận động đất lớn trong lịch sử
Một trong những thảm họa thiờn nhiờn khủng khiờ́p nhṍt đụ́i với con người đú là động đṍt. Trọ̃n động đṍt lớn nhṍt trong lịch sử là trọ̃n động đṍt ở Chilờ năm 1960 với M = 8,9 (9,5 theo NEIC) cú năng lượng lớn gṍp trăm lõ̀n năng lượng quả bom nguyờn tử thả xuụ́ng thành phụ́ Hiroshima. Trọ̃n động đṍt kốm theo súng thõ̀n ngày 26/12/2004 ở bờ biờ̉n phớa Tõy Bắc của Sumatra (Indonesia) mạnh 9.0 richter làm kinh hoàng cả thờ́ giới, làm chờ́t hàng trăm nghìn người, thiợ̀t hại về vọ̃t chṍt là vụ cựng to lớn… Đõy là một trong tỏm trọ̃n động đṍt lớn nhṍt tớnh từ năm 1900. Và gõ̀n đõy nhṍt là 2 trọ̃n động đṍt lớn xảy ra tại Haiti ngày 13/1/2010 mạnh 7 độ richter làm chờ́t 200.000 người (hỡnh 1.17) và trọ̃n động đṍt xảy ra tại Chile 8,8 độ richter làm chờ́t hơn 300 người (hỡnh 1.18).
Hỡnh 1.17: Hỡnh ảnh sau trọ̃n động đṍt ở Haiti năm 2010
Bảng 1.6: Một số trận động đất gõy thiệt hại lớn trong lịch sử [24]
Năm Địa điểm Độ mạnh Số người
chết Chỳ thớch
28/12/1908 Italy 7.5 83000
Chớnh phủ Italy đã thiờ́t kờ́ lại kờ́t cṍu cụng trỡnh thờm tải trọng động đṍt ngang. 30/5/1935 Pakistan, Quetta 7.5 60000 Trọ̃n động đṍt phỏ hủy hõ̀u hờ́t cỏc cụng trỡnh ở Quetta.
1960 Chile 9.5 2230 Cú thờ̉ đõy là trọ̃n động đṍt lớn nhṍt
đã từng ghi lại được.
27/7/1976 Trung Quụ́c 8 700000
Đõy là trọ̃n động đṍt cú sụ́ người chờ́t lớn nhṍt trong lịch sử, phỏ hủy thành phụ́ Đường Sơn, tỉnh Hụ̀ Bắc.
1995 Nhọ̃t Bản 6.9 5300 Ở Hyogo-Ken Nanbu; nguyờn nhõn
gõy thiợ̀t hại cho Kobe
2004 Indonesia 9 283106 Tõy Bắc đảo Sumatra
2005 Indonesia 8.7 1313 Tõy Bắc đảo Sumatra
Tại Viợ̀t Nam, động đṍt tọ̃p trung ở phớa Đụng Bắc trũng Hà Nội, dọc theo Sụng Hụ̀ng, sụng Đà, sụng Mã, sụng Cả, ven biờ̉n Nam Trung bộ. Động đṍt ở Điợ̀n Biờn Phủ (1/11/1935) đạt tới 6,7 độ richter (ML=6,7) tương đương cṍp 8-9 (thang MSK-64) cú độ sõu chṍn tiờu là 25km. Động đṍt ở Tuõ̀n Giỏo (Lai Chõu) xảy ra ngày 24/6/1989 đạt tới 6,7 độ richter (cṍp 8-9 MSK) cú độ sõu chṍn tiờu là 23km [14]. Gõ̀n đõy là trọ̃n động đṍt tại Điợ̀n Biờn Phủ xảy ra vào hụ̀i 22 giờ 52 phỳt ngày 19 tháng 2 năm 2001 cú độ lớn 5,3 độ richter, động đṍt cṍp 7. Tại thị xã Điợ̀n Biờn cú 130 ngụi nhà bị xõy dựng lại, 1044 ngụi nhà phải sửa chữa. Đọ̃p Pe Luụng cỏch chṍn tõm 10km về phớa đụng bị nứt vai đọ̃p và phõ̀n tiờ́p xỳc giữa đọ̃p với tràn.
1.7. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐẾN CễNG TRèNH XÂY DỰNG
Qua phõn tớch lịch sử cỏc trọ̃n động đṍt cú thờ̉ rỳt ra hai dạng phỏ hủy chớnh của cụng trình do động đṍt là ([12], [18]):
- Khi xảy ra động đṍt, do ảnh hưởng của súng địa chṍn, nền đṍt phải chịu cỏc lực kộo, nộn, xoắn. Kờ́t quả, nền đṍt cú thờ̉ bị lỳn, sụt và húa lỏng. Các cụng trình đặt trờn nền đṍt bị phỏ hoại do động đṍt cũng sẽ bị hư hỏng theo.
- Khi động đṍt xảy ra, do ảnh hưởng của súng địa chṍn, nờ́u nền chưa bị mṍt ụ̉n định thì cụng trình đặt trờn nền sẽ xuṍt hiợ̀n cỏc phản ứng (chuyờ̉n vị, vọ̃n tụ́c, gia tụ́c). Như vọ̃y nội lực, chuyờ̉n vị của cụng trỡnh sẽ vượt quỏ cỏc trị sụ́ nội lực, chuyờ̉n vị tĩnh trước lỳc xảy ra động đṍt, nờ́u cụng trình khụng được tớnh toán đõ̀y đủ về khỏng chṍn thì đõy là nguyờn nhõn trực tiờ́p dõ̃n đờ́n sự phỏ hoại cỏc cụng trỡnh nằm trong vựng động đṍt.
Do tỏc hại to lớn của động đṍt đụ́i với cụng trình như vọ̃y mà hiợ̀n nay khi thiờ́t kờ́ cỏc cụng trỡnh xõy dựng núi chung và cụng trỡnh thủy lợi núi riờng trong vựng cú nguy cơ xảy ra động đṍt người ta đã đưa ra nhiều phương pháp tớnh toán cũng như các chi tiờ́t cṍu tạo nhằm đảm bảo an toàn cho cụng trỡnh.
Ở nước ta, cỏc nghiờn cứu khỏng chṍn rṍt hiờ́m hoi, cỏc kờ́t quả nghiờn cứu gõ̀n như võ̃n nằm trong cỏc bỏo cỏo hoặc sỏch vở chứ chưa được ứng dụng trong thực tiễn nờn gõy nhiều khú khăn cho các kỹ sư thiờ́t kờ́. Đặc biợ̀t trong lĩnh vực xõy dựng cụng trỡnh thủy lợi, vṍn đề nghiờn cứu ảnh hưởng của động đṍt đờ́n cụng trình chưa được quan tõm đỳng mức.
Hỡnh 1.20. Động đṍt làm phỏ hủy cụng trỡnh giao thụng
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆN HÀNH TÍNH TOÁN TRẠM BƠM 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG TRẠM BƠM [5], [6], [8], [9], [10], [17]
Cú rṍt nhiều phương pháp đờ̉ tớnh toỏn trạm bơm. Mỗi phương pháp đều cú những ưu nhược điờ̉m riờng. Viợ̀c ỏp dụng là dựa vào yờu cõ̀u, tớnh chṍt, mức độ của bài toán đặt ra.
Các phương phỏp tớnh toỏn hiợ̀n hành bao gụ̀m: + Phương pháp giải tớch
+ Phương pháp sụ́
Tỏc giả xin trình bày ưu, nhược điờ̉m của từng phương pháp. Từ đú lựa chọn phương pháp tớnh toán, cụ thờ̉ như sau:
2.1.1. Phương pháp giải tớch
Tỡm nghiợ̀m giải tớch thỏa mãn các phương trỡnh vi phõn tại mọi điờ̉m trong cụng trỡnh và thỏa mãn các điều kiợ̀n biờn trờn bề mặt, bao gụ̀m các phương pháp: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.1.1.1. Phương phỏp sức bền vật liệu:
U
Ưu điểm:UPhương pháp tớnh toán cơ bản, tớnh toỏn ứng suṍt biờ́n dạng dễ dàng.
Tớnh được cỏc giỏ trị ; ;σ σ τx y xytại các điờ̉m đang xột. Từ đú xác định được ứng suṍt chớnh, phương chớnh tại mọi điờ̉m khỏc nhau.
U
Nhược điểm:U Kờ́t quả tớnh toỏn khụng phản ánh đỳng trạng thỏi ứng suṍt biờ́n
dạng của cụng trỡnh, sai sụ́ khỏ lớn. U
Nguyờn nhõn:
- Khi tớnh toán ta coi cụng trình như một thanh được ngàm chặt vào nền, chịu uụ́n và kộo nộn đụ̀ng thời.
- Giả thiờ́t về sự phõn bụ́ ứng suṍt phỏp σytrờn mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng, trị sụ́ biờn được xác định theo cụng thức nộn lợ̀ch tõm.
- Khụng thờ̉ giải quyờ́t được cỏc bài toỏn phức tạp như cú biờ́n dạng nền, ứng suṍt tọ̃p trung, ứng suṍt tại lỗ khoột, ứng suṍt nhiợ̀t, tớnh dị hướng, khụng xột được trong giai đoạn thi cụng.
2.1.1.2. Phương phỏp lý thuyết đàn hồi: Giải các phương trình vi phõn. Các phương trỡnh vi phõn này thỏa mãn điều kiợ̀n liờn tục của biờ́n dạng và điều kiợ̀n biờn.
U
Ưu điểm:U
- Tớnh toán tương đụ́i đơn giản, độ chớnh xỏc cao.
- Giải quyờ́t được những vṍn đề: ứng suṍt tọ̃p trung, ứng suṍt lỗ khoột, ứng suṍt nhiợ̀t mà phương pháp Sức bền vọ̃t liợ̀u khụng giải quyờ́t được.
U
Nhược điểm:
- Khú thực hiợ̀n với những trường hợp tải trọng phức tạp: ỏp lực thṍm, ỏp lực bựn cát, động đṍt, ảnh hưởng của nền...
- Kờ́t quả tớnh toán chưa sát thực tờ́ là vọ̃t liợ̀u làm viợ̀c khụng đụ̀ng chṍt. - Khụng xột được ảnh hưởng biờ́n dạng của nền, cỏc lớp xen kẹp, đứt góy...
2.1.2. Phương pháp số
Viợ̀c tớnh toỏn kờ́t cṍu cho cỏc cụng trỡnh xõy dựng núi chung và kờ́t cṍu trạm bơm núi riờng ngày càng trở nờn phức tạp vỡ hỡnh dạng cụng trỡnh phong phỳ, nhiều loại vọ̃t liợ̀u mới được ỏp dụng và yờu cõ̀u độ chớnh xỏc ngày càng cao. Trong nhiều trường hợp phương pháp giải tớch khụng thờ̉ đáp ứng được yờu cõ̀u trờn. Phương pháp sụ́ (Phương pháp rời rạc húa) ra đời đã giải quyờ́t được bài toán trờn. Các phương pháp rời rạc húa bao gụ̀m 2 nhúm chớnh:
- Các phương pháp rời rạc húa kiờ̉u toỏn học (Phương pháp sai phõn hữu hạn) - Các phương pháp rời rạc húa kiờ̉u vọ̃t lý (Phương pháp phõ̀n tử hữu hạn) Cách phõn chia như vọ̃y hoàn toàn mang tớnh tương đụ́i. Thực chṍt các phương phỏp này khụng khỏc nhau về bản chṍt mà chỉ khỏc nhau về cách đi theo lụgic của con người đờ̉ đạt đờ́n nghiợ̀m thực. Vỡ rằng lời giải của mọi mụ hỡnh vọ̃t lý đã được chọn thay cho mụ hỡnh thực đều cú thờ̉ xem như là sự vọ̃n dụng của một phương pháp rời rạc toỏn học nào đú. Ngược lại, sự ứng dụng đơn thuõ̀n một phương pháp rời rạc toỏn học sẽ dõ̃n tới nghiợ̀m tương ứng một cỏch chớnh xỏc với lời giải một mụ hỡnh vọ̃t lý nhṍt định.
2.1.2.1 Phương phỏp sai phõn hữu hạn
Trong phương pháp này nghiợ̀m của bài toỏn khụng phải được mụ tả qua cỏc hàm mà được thay bằng nghiợ̀m gõ̀n đỳng mụ tả qua một sụ́ hữu hạn đụ́i với viợ̀c chọn tương ứng hợ̀ hàm xṍp xỉ. Phương pháp này là phương pháp rời rạc húa kiờ̉u toỏn học, nú khụng thay đụ̉i gỡ miền tớnh toỏn mà chỉ phủ lờn miền tớnh toỏn một lưới (hỡnh vuụng, chữ nhọ̃t, tam giỏc...), nú thay thờ́ một hàm xác định trong miền liờn tục bằng một hàm lưới gụ̀m tọ̃p hợp rời rạc hữu hạn các điờ̉m. Khi đú đạo hàm này được thay thờ́ bằng cỏc tỷ sai phõn, do đú bài toán biờn của phương trình vi phõn được thay thờ́ bởi một hợ̀ phương trình đại sụ́ tuyờ́n tớnh.
U
Ưu điểm:
Phương pháp này võ̃n thuọ̃n lợi với một sụ́ bài toỏn thủy lực hay khi kờ́t hợp với phương pháp phõ̀n tử hữu hạn trong viợ̀c giải cỏc bài toỏn khụng dừng (bài toỏn phụ thuộc thời gian)
U
Nhược điểm: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Tớnh toán tương đụ́i đơn giản nhưng khụng thuọ̃n lợi trong viợ̀c lọ̃p trỡnh do khi giải trờn mỏy tớnh thỡ viợ̀c đưa sụ́ liợ̀u vào khỏ cụ̀ng kềnh.
- Khú khăn khi tớnh toán những bài toỏn mà miền tớnh toỏn khụng thuõ̀n nhṍt cú nhiều miền con với những tớnh chṍt cơ lý khác nhau.
- Chưa phản ánh được sự làm viợ̀c của nền và vọ̃t liợ̀u phức tạp. - Khụng giải được các bài toán cú điều kiợ̀n biờn phức tạp
- Độ chớnh xỏc phụ thuộc vào hỡnh dạng và kớch thước mắt lưới, mắt lưới càng dày thì độ chớnh xỏc càng cao.
2.1.2.2 Phương phỏp phần tử hữu hạn
Bản chṍt của phương pháp này là ở chỗ ta thay thờ́ hợ̀ thực ( hợ̀ liờn tục ) bằng một mụ hỡnh vọ̃t lý gõ̀n đỳng ( bằng một sụ́ hữu hạn cỏc phõ̀n tử ) mà lời giải của nú được xác định bằng sụ́ hữu hạn sụ́.
U
Ưu điểm:
+ Là phương pháp tụ̉ng quỏt và hữu hiợ̀u cho lời giải sụ́ nhiều lớp bài toỏn kỹ thuọ̃t khác nhau, đặc biợ̀t hiợ̀u quả đờ̉ tỡm dạng gõ̀n đỳng của một hàm chưa biờ́t trong miền xác định của nú, chẳng hạn như phõn tớch trạng thỏi ứng suṍt biờ́n dạng trong cỏc
kờ́t cṍu cụng trỡnh thủy lợi, xõy dưng... hay các bài toán của lý thuyờ́t trường như lý thuyờ́t truyền nhiợ̀t, cơ học chṍt lỏng...
+ Giải được bài toán cú xột đờ́n ảnh hưởng biờ́n dạng ban đõ̀u, tớnh dị hướng của nền, xột đờ́n nền cú xột tới cỏc lớp xen kẹp, đứt gõ̃y, các bài toán cú điều kiợ̀n biờn phức tạp.
+ Phản ánh đỳng thực tờ́ làm viợ̀c của vọ̃t liợ̀u là khụng đụ̀ng nhṍt, khụng đẳng hướng.
UNhược điểm:U
Khụ́i lượng tớnh toỏn lớn, phức tạp khụng thờ̉ thực hiợ̀n bằng thủ cụng.
Phõn tớch kờ́t cṍu thực tờ́ đưa vào kờ́t cṍu phải hợp lý và cho kờ́t quả đỳng, sát với thực tờ́.
* Phõ̀n mềm Sap 2000 là một trong sụ́ cỏc phõ̀n mềm ứng dụng thuọ̃t toỏn của phương pháp Phõ̀n tử hữu hạn hiợ̀n đang được sử dụng khỏ rộng rói trong viợ̀c tớnh toỏn kờ́t cṍu cụng trình. Đõy cũng là phõ̀n mềm chớnh được sử dụng trong luọ̃n văn đờ̉ tớnh toỏn.
Các bước giải bài toỏn kờ́t cṍu bằng phõ̀n mềm SAP 2000 như sau [7]:
Bước 1:
- Xác định yờu cõ̀u tớnh toỏn.
- Xác định dạng hỡnh học của kờ́t cṍu. - Xác định sơ đụ̀ tải trọng.
Bước 2:
- Rời rạc húa kờ́t cṍu, chọn loại phõ̀n tử. - Đánh sụ́ các điờ̉m nỳt, phõ̀n tử.
- Phõn chia các phương ỏn tải trọng. - Nhọ̃p dữ liợ̀u vào mỏy.
Bước 3:
- Thực hiợ̀n giải bài toỏn. - Kiờ̉m tra kờ́t quả.
- Hiợ̀u chỉnh dữ liợ̀u nờ́u cõ̀n.
- Biờ̉u diễn kờ́t quả tớnh toỏn bằng hỡnh vẽ.
Tuy nhiờn phương pháp này cũng cú nhược điờ̉m là khụ́i lượng tớnh toỏn lớn, phức tạp khụng thờ̉ thực hiợ̀n bằng thủ cụng, mặt khỏc phải phõn tớch kờ́t cṍu thực tờ́ đưa về kờ́t cṍu cú tớnh toỏn sao cho hợp lý và cho kờ́t quả đỳng, sát với thực tờ́ nhṍt.
2.2. QUÁ TRèNH PHÁT TRIỂN CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT [12], [11], [25]
Cỏc cụng trỡnh xõy dựng do cú khụ́i lượng và tớnh đàn hụ̀i nờn cú thờ̉ thực hiợ̀n cỏc chuyờ̉n động dưới tỏc dụng của ngoại lực. Nờ́u chuyờ̉n động của cụng trình được lặp lại sau một khoảng thời gian nhṍt định thì được gọi là chuyển động dao động, hay gọi tắt là dao động. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tỏc dụng của động đṍt lờn cụng trỡnh xõy dựng được hiờ̉u là sự chuyờ̉n động kộo theo của cụng trỡnh khi mặt đṍt chuyờ̉n động hỗn loạn theo thời gian. Khi cụng trỡnh chuyờ̉n động sẽ xuṍt hiợ̀n cỏc lực quỏn tớnh, người ta gọi đú là lực động đất. Khi cú lực động đṍt tỏc dụng, cụng trỡnh sẽ xuṍt hiợ̀n cỏc phản ứng động lực (chuyờ̉n vị, vọ̃n tụ́c, gia tụ́c, ứng suṍt, biờ́n dạng…), gọi tắt là phản ứng.
Đờ̉ dự đoán một cỏch chớnh xỏc phản ứng của cụng trình dưới tỏc dụng của động đṍt là một cụng viợ̀c hờ́t sức phức tạp, vỡ cú nhiều yờ́u tụ́ ảnh hưởng đờ́n nú ([12]) như:
- Cường độ (Magnitude) của động đṍt, độ sõu chṍn tiờu H, tiờu cự ∆, tõm cự. - Đặc trưng chuyờ̉n động của nền khi xảy ra động đṍt (gia tụ́c, chuyờ̉n vị nền…) - Cỏc yờ́u tụ́ động học của cụng trỡnh (cỏc chu kỳ, tõ̀n sụ́, dạng dao động riờng của cụng trỡnh).
- Cỏc tớnh chṍt biờ́n dạng của vọ̃t liợ̀u và nền cụng trình dưới tỏc dụng của tải trọng động đṍt.
- Tõ̀m quan trọng của cụng trỡnh.
- Trình độ thi cụng và hàng loạt cỏc yờ́u tụ́ ngõ̃u nhiờn khỏc…
Tuy vọ̃y, cho đờ́n nay trong tṍt cả cỏc tiờu chuẩn khỏng chṍn trờn thờ́ giới người ta mới đề cọ̃p đờ́n một sụ́ yờ́u tụ́ kờ̉ trờn, trong đú lại cú một sụ́ tham sụ́ cũng chỉ được quan tõm về mặt định tớnh.
Viợ̀c xác định tải trọng động đṍt tỏc dụng lờn cụng trỡnh lõ̀n đõ̀u tiờn được nhà báo người Nhọ̃t Omori đề xuất năm 1900 và sau đú Mononobe (1920) phỏt triờ̉n thờm
đã tụ̀n tại hơn một thờ́ kỷ. Cho đờ́n nay các phương pháp tớnh toán tải trọng động đṍt cú thờ̉ chia thành hai nhúm phương pháp chớnh:
- Phương pháp tĩnh lực tương đương. - Phương pháp động lực.
2.2.1. Các phương pháp tĩnh lực tương đương
Theo phương pháp này, lực ngang do động đṍt sinh ra tác động lờn cụng trỡnh được thay bằng các tĩnh lực ngang tương đương nhằm đơn giản cho viợ̀c tớnh toỏn. Cỏc phương pháp thuộc nhúm này bao gụ̀m:
- Phương pháp hợ̀ sụ́ động đṍt.
- Phương pháp dao động điều hoà (hay phương pháp tựa động).
2.2.1.1. Phương phỏp hệ số động đất ([12], [25])
Đã cú một thời kỳ dài trong tớnh toán đã giả định rằng tải trọng ngang phỏt sinh do động đṍt gõy ra bằng một hằng sụ́ KRsR nhõn với trọng lượng của toàn bộ kờ́t cṍu. Phương pháp hợ̀ sụ́ động đṍt do Omori và Sano đề xuṍt sau cỏc trọ̃n động đṍt ở Nobi (Nhọ̃t Bản – 1891) và San-Fransico (Mỹ-1906) đi theo hướng này.
Nội dung chớnh của phương pháp này là toàn bộ cụng trình được xem là một vọ̃t rắn tuyợ̀t đụ́i cứng đặt trờn nền, lực động đṍt tỏc dụng lờn cụng trình cú phương ngang, trị sụ́ bằng tớch sụ́ khụ́i lượng cụng trỡnh và gia tụ́c nền cực đại aRmaxR:
Q K Q g a a g Q a m F = . = . = = s (2-1)
Trong đú: m, Q: là khụ́i lượng, trọng lượng của toàn bộ cụng trỡnh. a: là gia tụ́c động đṍt lớn nhṍt của đṍt nền.
g: là gia tụ́c trọng trường
KRsR: là hợ̀ sụ́ động đṍt, được xác định trờn cơ sở thực nghiợ̀m.
Như vọ̃y, nờ́u biờ́t aRmaxR và trọng lượng của cụng trỡnh ta cú thờ̉ dễ dàng xác định