Hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất TCVN 9386:2012

Nội dung text: Hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất TCVN 9386:2012

1. BÀI BÁO KHOA HỌC HỆ SỐ ỨNG XỬ TRONG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT TCVN 9386:2012 Lê Trung Phong1 Tóm tắt: Hệ số ứng xử được sử dụng trong tính toán thiết kế hiện nay là một khái niệm mới cho các kỹ sư thiết kế nói chung. Trước khi tiêu chuẩn (TCVN 9386:2012, 2012) ban hành (trước kia gọi là TCXDVN 375:2006) các kỹ sư phải sử dụng các tiêu chuẩn nước ngoài hoặc tham khảo các cách tính của các nước khác trên thế giới để tính toán tải trọng động đất lên kết cấu. Tiêu chuẩn (TCVN 9386:2012, 2012) đề cập đến hệ số ứng xử của kết cấu là hệ số cốt lõi trong tiêu chuẩn tính toán động đất này. Bản chất khoa học của hệ số ứng xử là hệ số giảm tải có kể đến sự làm việc sau giai đoạn đàn hồi của vật liệu mà không phải phân tích phi tuyến kết cấu. Nhằm thỏa mãn cách tính này yêu cầu kết cấu phải có một độ dẻo nhất định. Từ khoá: Hệ số ứng xử, giai đoạn đàn hồi, tải trọng động đất lên kết cấu. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1 - Cường độ động đất hoặc độ lớn động đất; Hệ số ứng xử trong thiết kế kết cấu là một - Chất lượng công trình. khái niệm mới đối với các kỹ sư xây dựng hiện Chất lượng công trình là một yếu tố có độ tin nay. Trước khi ban hành tiêu chuẩn thiết kế các cậy tương đối cao vì nó phụ thuộc vào những công trình chịu động đất (TCVN 9386:2012, điều kiện có thể kiểm soát được như: hình dạng 2012) các kỹ sư tính toán thiết kế động đất công trình, phương pháp tính toán, cách thức thường theo các tiêu chuẩn thiết kế nước ngoài cấu tạo các bộ phận kết cấu chịu lực và không hoặc một số tài liêu tham khảo khác. Trong chịu lực, chất lượng thi công, còn cường độ TCVN 9386:2012, 2012 đề cập đến khái niệm động đất là một yếu tố có độ tin cậy rất thấp. hệ số ứng xử và đây là một trong số những vấn Sau nhiều năm nỗ lực nghiên cứu dự báo động đề cốt lõi xuyên suốt nội dung của tiêu chuẩn đất, con người vẫn chưa thể trả lời được các câu này. Trong bài báo, tác giả nêu lên bản chất của hỏi sau: hệ số ứng xử trong tính toán thiết kế công trình (i) Lúc nào sẽ xẩy ra động đất? chịu động đất theo (TCVN 9386:2012, 2012). (ii) Động đất sẽ xẩy ra ở đâu? Qua đó tác giả giúp bạn đọc hiểu được mức độ (iii) Động đất xẩy ra sẽ mạnh đến mức nào? quan trọng và tầm ảnh hưởng đối với việc thiết Do đó, hiện nay chúng ta buộc phải chấp kế công trình chịu động đất theo (TCVN nhận tính không chắc chắn của hiện tượng động 9386:2012, 2012). đất để tập trung vào việc thiết kế các công trình 2. NỘI DUNG CƠ BẢN CỦA TIÊU có mức độ an toàn chấp nhận được, nhằm bảo CHUẨN TCVN 9368:2012 đảm trong trường hợp động đất xẩy ra sinh 2.1. Quan niệm mới trong thiết kế Công mạng con người được bảo vệ, các hư hỏng được trình chịu động đất hạn chế và những công trình quan trọng có chức Sự làm việc của một công trình xây dựng năng bảo vệ cư dân vẫn có thể duy trì hoạt động. trong thời gian xẩy ra động đất phụ thuộc vào Các công trình xây dựng được thiết kế theo hai yếu tố chính: quan điểm này phải có một độ cứng, độ bền và độ dẻo thích hợp. Đối với các trận động đất có 1 Trường Đại học Thủy lợi - Cơ sở 2 cường độ yếu, độ cứng nhằm tránh không để KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 55 (11/2016) 117
2. xẩy ra các hư hỏng ở phần kiến trúc của công không kinh tế lại vừa không hợp l ý do xác suất trình. Đối với các trận động đất có cường độ xuất hiện những trận động đất mạnh thường rất trung bình, độ bền cho phép giới hạn các hư thấp. Do đó mục tiêu của việc thiết kế kháng hỏng nghiêm trọng ở hệ kết cấu chịu lực. Đối chấn hiện nay là giảm đến mức tối đa sự hư với các trận động đất mạnh hoặc rất mạnh, độ hỏng ở các công trình xây dựng khi xẩy ra các dẻo cho phép công trình có các chuyển vị không trận động đất trung bình và chấp nhận các hư đàn hồi lớn mà không bị sụp đổ. Sụp đổ ở đây hại lớn (nhưng không sụp đổ) ở các kết cấu được hiểu theo nghĩa là trạng thái khi những chịu lực khi xẩy ra các trận động đất mạnh người sống trong nhà không thể chạy thoát ra hoặc rất mạnh. ngoài do một sự cố nghiêm trọng ở hệ kết cấu Như vậy việc thiết kế công trình theo quan chịu lực chính. niệm thiết kế kháng chấn mới đã mặc nhiên cho Hiện nay các tiêu chuẩn thiết kế công trình phép kết cấu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi chịu động đất ở nhiều nước khác nhau trên thế trong thời gian chịu các trận động đất có cường giới như Mỹ, Nhật Bản, Châu Âu, Newzeland, độ trung bình hoặc cao. Sự làm việc không đàn Canada đều kiến nghị lựa chọn giữa hai cách hồi của kết cấu được biểu thị qua độ dẻo của nó. làm việc của công trình khi thiết kế. Đây là một tính chất rất quan trọng của các hệ (i) Cách thứ nhất, được gọi là làm việc đàn kết cấu mà các nhà khoa học dựa vào đó để xây hồi dẫn tới việc thiết kế công trình sao cho dựng nên nội dung chủ yếu của các tiêu chuẩn chúng làm việc trong miền đàn hồi tuyến tính thiết kế kháng chấn hiện đại. Như vậy độ dẻo dưới tác động động đất. Cách thức làm việc này của kết cấu là một nội dung cơ bản của các tiêu đặc biệt thích hợp cho các công trình xây dựng chuẩn thiết kế kháng chấn hiện nay ở hầu hết trong các vùng động đất yếu, vì việc thiết kế các nước trên thế giới nằm trong các khu vực có đơn giản và công trình vẫn nguyên vẹn sau khi động đất mạnh trong đó có tiêu chuẩn (TCVN chịu một hoặc nhiều trận động đất. Trong các 9386:2012, 2012). vùng động đất từ trung bình đến mạnh, việc 2.2. Độ dẻo và hệ số làm việc chọn cách làm việc này lại làm cho công trình 2.2.1. Độ dẻo được thiết kế quá mức về phương diện vật liệu Xét hệ kết cấu có một bậc tự do động khối và giá thành do lực ngang tác động vào công lượng m và độ cứng k, dao động tự do không trình khá lớn. lực cản dưới tác động động đất (hình 1). Như đã (ii) Cách thứ hai, được gọi là làm việc dẻo trình bày ở trên, hệ kết cấu có thể chịu được tác dẫn tới việc thiết kế công trình sao cho chúng động động đất theo một trong hai cách sau: hoặc làm việc sau đàn hồi (đàn hồi – dẻo hoặc bằng khả năng chịu một lực tác động lớn (F1,max) dẻo) dưới tác động động đất. Sự làm việc đàn nhưng phải dao động trong giới hạn đàn hồi hồi – dẻo được kiểm soát sẽ làm cho khả (cách thứ nhất), hoặc bằng khả năng chịu một năng phân tán năng lượng của công trình trở lực tác động bé hơn (F2,max< F1,max) nhưng phải nên rất lớn, điều này cho phép giảm được nội có khả năng biến dạng dẻo kèm theo (cách thứ lực cũng tức là giá thành xây dựng. Quan hai). Khả năng của hệ kết cấu có thể biến dạng niệm thiết kế mới này và kèm theo đó là cách dẻo được đặc trưng qua độ dẻo của nó. Về mặt thức làm việc thứ hai của vật liệu rất phổ toán học, độ dẻo được định nghĩa là tỷ số giữa biến hiện nay trong thiết kế kháng chấn các chuyển vị toàn phần ∆ tại một thời điểm bất kỳ công trình xây dựng, đặc biệt là các công trong quá trình chất tải (thường là thời điểm trình bằng BTCT và gạch đá. ngay trước khi phá hoại) và chuyển vị lúc chảy Chúng ta có thể thiết kế được các công trình dẻo ∆y : có thể chịu được các trận động đất mạnh mà Δ μ 1 không bị hư hỏng (cách thứ nhất), nhưng trong Δ y (1) đa số các trường hợp việc thiết kế như vậy vừa 118 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 55 (11/2016)
3. m B F1,max a) O F x 1,max m F1,max F A D b) 2,max O C G E x y x 2,max=x u Hình 1. Phản ứng của các hệ kết cấu có một bậc tự do động khi chịu tác động động đất: a) Phản ứng đàn hồi; b) Phản ứng đàn hồi - dẻo. Độ dẻo là đặc tính quan trọng của kết cấu ứng với các công trình được thiết kế với khả theo hướng có lợi và là một chỉ số biểu thị khả năng phân tán năng lượng và độ dẻo hạn chế; năng hấp thụ năng lượng của hệ chỉ khi nào nó - Cấp dẻo ‘DCM’ (độ dẻo trung bình); giữ lại được gần như toàn bộ khả năng chịu tải - Cấp dẻo ‘DCH’ (độ dẻo cao). và không bị suy giảm đáng kể độ cứng trong Các công trình thuộc các cấp dẻo trung bình miền không đàn hồi sau nhiều chu kỳ chuyển vị. và cao là các công trình được thiết kế để có khả Do vậy độ dẻo được định nghĩa một cách tổng năng phân tán năng lượng và làm việc dẻo. Các quát là khả năng hấp thụ năng lượng của kết cấu công trình này khi thiết kế phải tuân thủ các quy thông qua sự làm việc không đàn hồi mà không định đặc biệt cho trong tiêu chuẩn (TCVN làm cho cường độ bị giảm đáng kể dưới tác 9386:2012, 2012). dụng của tải trọng lắp lại đổi chiều. 2.2.2. Hệ số làm việc hay hệ số ứng xử Đối với hệ kết cấu đang xét ở hình 1b, độ dẻo Đối với hệ kết cấu đang xét ở hình 1 nếu giả được biểu thị như sau: thiết cân bằng chuyển vị của hệ khi làm việc đàn xu OE hồi với khi làm việc đàn hồi dẻo (hình 2a) ta được:  (2) xy OC F1,max OF  (3) Căn cứ vào độ dẻo, tiêu chuẩn (TCVN F2,max OC 9386:2012, 2012) phân loại các công trình xây Điều này có nghĩa là công trình có thể được dựng thành ba cấp khác nhau như sau: tính toán với một tác động động đất F2,max nhỏ - Cấp dẻo ‘DCL’ (độ dẻo hạn chế hoặc thấp) hơn μ lần so với giả thiết đàn hồi nhưng kèm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 55 (11/2016) 119
4. theo đó nó phải có một độ dẻo μ. Đối với các hệ Theo cách này, công trình có độ dẻo μ có thể kết cấu có chu kỳ ngắn, giả thiết cân bằng được tính toán với một tác động động đất F2,max chuyển vị ở trên có vẻ đi theo hướng không nhỏ hơn 2 1 lần so với giả thiết tính toán được an toàn nên một số nhà nghiên cứu, ví dụ đàn hồi. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm Blume (Mỹ) đã kiến nghị sử dụng giả thiết cân cũng cho thấy trong thực tế chuyển vị của hệ kết bằng năng lượng để xác định mức độ giảm tải cấu nằm giữa hai giả thiết trên và giả thiết của khi tính toán hệ kết cấu không đàn hồi. Theo giả Blume là giới hạn trên của chúng. Do đó, một số thiết này, thế năng của hệ kết cấu không đàn hồi nhà nghiên cứu (Clough, ) đã gọi tỷ số (diện tích hình thang OADE) cân bằng với thế F /F là hệ số giảm tải khi công trình có năng của hệ kết cấu đàn hồi (diện tích tam giác 1,max 2,max một độ dẻo μ và kiến nghị lấy hệ số này nằm OBF) (hình 2b). Từ giả thiết này ta có thể dễ giữa hai giá trị trên. Trong tiêu chuẩn (TCVN dàng xác định được tỷ số sau: 9386:2012, 2012), tỷ số F1,max/F2,max được gọi là F1,max 2 1 (4) hệ số ứng xử và được ký hiệu là q. F2,max Hình 2. Các giả thiết sử dụng để xác định hệ số giảm tải của hệ kết cấu a) theo giả thiết cân bằng chuyển vị b) theo giả thiết cân bằng năng lượng Việc sử dụng hệ số ứng xử q dựa trên giả cho phép thực hiện tính toán tuyến tính tương thiết cho rằng kết cấu có đủ độ dẻo cần thiết, đương bằng cách sử dụng phổ thiết kế (hoặc nghĩa là nó có khả năng biến dạng dẻo ở mức tính toán) có cùng hình dạng như phổ phản ứng tương đối lớn. Khả năng biến dạng dẻo cần thiết đàn hồi nhưng với các tung độ đặc trưng được được tạo ra thông qua các biện pháp cấu tạo đặc giảm xuống tỷ lệ với hệ số q > 1. biệt, ví dụ như tăng chiều dài neo và nối cốt Theo (TCVN 9386:2012, 2012) hệ số ứng xử thép, tăng mật độ cốt thép đai trong các vùng có được qui định thay đổi trong phạm vi: khả năng xuất hiện khớp dẻo - Từ 1,6 đến 5 đối với kết cấu thép, Khi thiết kế kháng chấn, nếu muốn khai thác - Từ 1,6 đến 4,5 đối với kết cấu liên hợp thép khả năng phân tán năng lượng của hệ kết cấu – bê tông, thông qua sự làm việc của nó trong miền không - Từ 1,5 đến 4 đối với kết cấu gỗ, đàn hồi và muốn tránh phải tính toán phi tuyến - Từ 1,5 đến 3 đối với kết cấu xây. hệ kết cấu, tiêu chuẩn (TCVN 9386:2012, 2012) Sự làm việc dẻo của vật liệu sẽ làm cho khả 120 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 55 (11/2016)
5. năng phân tán năng lượng của kết cấu trở nên hợp lý sẽ làm cho công trình được thiết kế có độ rất lớn, đồng thời làm giảm nhẹ tác động động bền và tuổi thọ tương ứng. Nhờ tính dẻo của kết đất do chu kỳ dao động riêng của kết cấu lệch cấu mà công trình có khả năng phân tán năng khỏi miền tần số nguy hiểm nhất của phổ phản lượng tốt dưới tác dụng của tải trọng động đất. ứng động đất. 4. KẾT LUẬN 3. THẢO LUẬN Qua bài báo này chúng ta hiểu được hệ số 3.1. Độ dẻo ứng xử và qui định sử dụng trong tiêu chuẩn Với các công trình được thiết kế cần xem xét thiết kế công trình chịu động đất (TCVN đến độ dẻo của kết cấu. Với công trình có độ 9386:2012, 2012), nó phụ thuộc vào độ dẻo và dẻo trung bình và độ dẻo cao cần có cấu tạo hệ kết cấu. Độ dẻo phụ thuộc vào các tính chất tương ứng để việc tính toán đúng như giả thiết vật liệu tạo nên hệ kết cấu, cách thức cấu tạo cốt ban đầu. Công trình được thiết kế tương ứng với thép, chiều dài neo, cách bố trí cốt thép đai, lực từng cấp dẻo đã định trước. Điều này giúp cho dính giữa cốt thép và bê tông, hàm lượng cốt người thiết kế hình dung được sự cần thiết phải thép đai trong bê tông, đặt theo cấu tạo tương ứng. Hệ kết cấu phụ thuộc vào loại hệ kết cấu, bậc 3.2. Hệ số ứng xử siêu tĩnh, các giả thiết đơn giản hóa được sử Theo (TCVN 9386:2012, 2012) hệ số ứng xử dụng trong việc mô hình hóa tác động địa chấn, được qui định thay đổi trong phạm vi từ 1,5 đến sơ đồ tính, cách liên kết giữa phần thân và phần 5 tương ứng với các vật liệu được sử dụng làm móng của công trình, cách thức bố trí khớp dẻo kết cấu chịu lực chính. Việc lựa chọn vật liệu dự kiến (đầu dầm, đầu cột, chân cột, ). TÀI LIỆU THAM KHẢO George G. Penelis, Andreas J. Kappos, (1997), Earthquake - Resistant Concrete Structures. E&FN SPON, American. Nguyễn Lê Ninh, (2007), Động đất và thiết kế công trình chịu động đất. Hà Nội Paulay T.; Priestley M. J. N, (1992), Seismic design of reinforced concrete and masonry. American. TCVN 9386:2012, (2012), Thiết kế công trình chịu động đất. Hà Nội Abstract: THE RESISTANT FACTOR IN TCVN 9386:2012 Resistant factor (structural factor) are using in structure design is a new concept for engineers nowaday. Before the (TCVN 9386:2012, 2012) is issued, engineers have to use some foreign standard or other reference materials to apply the seismic load on structure if required. The (TCVN 9386:2012, 2012) mentioned about the resistant factor (structural factor) and it is the skeleton factor of this standard. The esensce of the resistant factor is the load reduction factor, it consider the inelastic stage of the material without nonlinear analysis for the structure. To take this advantage, the structure have to contain the minimum requirement of ductility. Keywords: Resistant factor, elastic stage, seismic load on structure. BBT nhận bài: 03/9/2016 Phản biện xong: 05/10/2016 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 55 (11/2016) 121