Sổ Tay Thực Hành Thiết Kế Công Trình Chịu Động Đất

Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

S Ổ T AY T HIẾ T KẾ KẾ T C Ấ U B Ê T Ô N G C ỐT T HÉ P
C H ỊU Đ ỘN G Đ ẤT T HE O T CV N 3 7 5 - 2 0 0 6
MỤC LỤC
1.

2.

KHÁI NIỆM CƠ BẢN ..........................................................................................................................3
1.1.

Những nguyên tắc chỉ đạo trong thiết kế cơ sở ................................................................... 3

1.2.

Gia tốc nền thiết kế.............................................................................................................. 4

1.3.

Cấp động đất ....................................................................................................................... 7

1.4.

Các loại đất nền................................................................................................................... 9

1.5.

Biểu diễn cơ bản của tác động động đất ........................................................................... 11

TÍNH TOÁN VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT..........................................................................11

2.1.
2.1.1.

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương .......................................................................11

2.1.2.

Phổ thiết kế dùng cho phân tích đàn hồi ...........................................................................12

2.2.

Tổ hợp các phản ứng dạng dao động................................................................................18

2.2.2.

Các thành phần nằm ngang của tải trọng động đất (mục 4.3.3.5.1) ..................................18

2.2.3.

Các thành phần nằm đứng của tải trọng động đất (mục 4.3.3.5.2)....................................19
Tổ hợp tải trọng, nội lực và chuyển vị................................................................................ 20

2.3.1.

Xác định nội lực.................................................................................................................20

2.3.2.

Tổ hợp tải trọng, nội lực và chuyển vị................................................................................20

MÔ PHỎNG TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT TRONG ETABS ...................................................................24
3.1.

Phương pháp lực ngang tương đương.............................................................................. 24

3.2.

Phương pháp phổ phản ứng ............................................................................................. 26

3.2.1.

Tải gia tốc..........................................................................................................................26

3.2.2.

Hệ trục tọa độ địa phương của tải gia tốc..........................................................................26

3.2.3.

Đường cong phổ phản ứng ...............................................................................................26

3.2.4.

Trình tự khai báo ...............................................................................................................27

3.3.

Phương pháp phân tích động lực học kết cấu theo lịch sử thời gian ................................. 32

3.3.1.

Cơ sở lý thuyết ..................................................................................................................32

3.3.2.

Trình tự phân tích..............................................................................................................33

3.3.3.

Phương pháp tích phân dạng dao động (modal integration)..............................................34

3.3.4.

Trình tự khai báo ...............................................................................................................35

3.4.

4.

Tổ hợp các thành phần động đất (mục 4.3.3.5.) ................................................................ 18

2.2.1.

2.3.

3.

Các phương pháp mơ phỏng tải trọng động đất ................................................................ 11

Phân tích kết quả từ các phương pháp mô phỏng động đất .............................................. 38

3.4.1.

Kết quả phân tích phổ phản ứng .......................................................................................38

3.4.2.

Kết quả phân tích lịch sử - thời gian ..................................................................................38

3.5.

Ví dụ tính tốn ................................................................................................................... 39

3.6.

Kết luận chung................................................................................................................... 41

CẤU TẠO KHÁNG CHẤN .................................................................................................................42
1


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi
4.1.

Cấp dẻo kết cấu ................................................................................................................ 42

4.2.

Cấu tạo kháng chấn của các cấu kiện theo cấp dẻo.......................................................... 43

4.2.1.

Các tham số cấu tạo đối với dầm ......................................................................................46

4.2.2.

Các tham số cấu tạo đối với cột ........................................................................................49

4.2.3.

Các tham số cấu tạo đối với nút dầm và cột......................................................................52

4.2.4.

Các tham số cấu tạo đối với tường cứng...........................................................................56

4.3.

Cấu tạo kháng chấn của các cấu kiện theo cấp chống động đất ....................................... 61

4.3.1.

Bảng phân loại các cấp chống động đất............................................................................61

4.3.2.

Quy định bố trí cấu tạo đối với dầm...................................................................................63

4.3.3.

Quy định bố trí cấu tạo đối với cột .....................................................................................66

4.3.4.

Quy định bố trí cấu tạo đối với tường cứng (vách cứng)....................................................69

4.3.5.

Quy định bố trí cấu tạo đối với lanh tô (gác qua lỗ cửa vách cứng) ...................................75

4.3.6.

Quy định bố trí cấu tạo đối với giằng móng và bản móng..................................................76

2


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

1.

KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1. Những nguyên tắc chỉ đạo trong thiết kế cơ sở


Tính đơn giản về kết cấu



Tính đều đặn, đối xứng và siêu tĩnh: tính đồng đều trong mặt bằng được
đặc trưng bởi sự phân bố đều các cấu kiện chịu lực, cho phép truyền trực
tiếp và nhanh chóng các lực quán tính sinh ra bởi những khối lương phân
bố trong cơng trình. Nếu cần, tính đồng đều có thể tạo ra bằng cách chia
nhỏ cơng trình thành các đơn ngun độc lập về mặt động lực nhờ các
khe kháng chấn

Các khe co giãn, khe kháng chấn và khe lún cần tuân thủ theo các
nguyên tắc sau
 Các khe co giãn, khe kháng chấn và khe lún nên bố trí trùng nhau.
 Khe phịng chống động đất nên được bố trí suốt chiều cao của nhà, nếu
trong trường hợp khơng cần có khe lún thì khơng nên cắt qua móng mà
nên dùng giải pháp gia cố thêm móng tại vị trí khe động đất.
 Khi cơng trình được thiết kế chống động đất thì các khe co giãn và khe
lún phải tuân theo yêu cầu của khe phòng chống động đất
 Độ rộng của khe lún và khe phòng chống động đất cần được xem xét căn
cứ vào chuyển vị của đỉnh cơng trình do chuyển dịch móng sinh ra.
Chiều rộng tối thiểu của khe lún và khe kháng chấn được tính theo
d min  V1  V2  20mm

trong đó V1 và V2 là chuyển vị ngang cực đại theo phương vng góc với khe
của hai bộ phận cơng trình hai bên khe, tại đỉnh của khối kề khe có chiều cao
nhỏ hơn hai khối.


Có độ cứng và độ bền theo cả hai phương



Có độ cứng và độ bền chống xoắn



Sàn tầng có ứng xử như tấm cứng: các sàn (kể cả mái) đóng một vai trị
rất quan trọng trong sự làm việc tổng thể của kết cấu chịu động đất.
3


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

Chúng làm việc như những tấm cứng ngang, tiếp nhận và truyền các lực
quán tính sang hệ kết cấu thẳng đứng và bảo đảm cho các hệ thống này
cùng nhau làm việc khi chịu tác động động đất theo phương ngang. Chú
ý đến các lỗ mở lớn trên sàn, nằm gần với các cấu kiện thẳng chính, làm
giảm hiệu quả của mối nối giữa các kết cấu theo phương ngang và đứng.


Có móng thích hợp



Các cấu kiện kháng chấn chính phụ: một số cấu kiện như dầm và cột có
thể chọn là cấu kiện kháng chấn phụ, không tham gia vào hệ kết cấu
kháng chấn của cơng trình. Cường độ và độ cứng kháng chấn của những
cấu kiện này có thể bỏ qua. Chúng không cần thiết phải tuân thủ những
yêu cầu từ chương 5 đến chương 9. Tuy nhiên, các cấu kiện này cùng
với các mối liên kết của chúng phải được thiết kế và cấu tạo để chịu
được tải trọng của trọng lực khi chịu những chuyển vị gây ra bởi các điều
kiện thiết kế chịu động đất bất lợi nhất. Khi thiết kế các bộ phận này cần
xét tới những hiệu ứng bậc hai (hiệu ứng P   ). Độ cứng ngang của tất

cả cấu kiện kháng chấn phụ không được vượt quá 15% độ cứng ngang
của tất cả các cấu kiện kháng chấn chính.



Độ mảnh của mặt bằng nhà và cơng trình phải  

Lmax
 4 , trong đó
Lmin

Lmax và Lmin lần lượt là kích thước lớn nhất và bé nhất của mặt bằng nhà

theo hai phương vng góc (liên quan hệ số ứng xử q).


Giới hạn tỷ số chiều cao trên chiều rộng nhà (bảng 2.1 – TCXD198-1997)

1.2. Gia tốc nền thiết kế
Theo bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam, đỉnh gia tốc nền
tham chiếu agR được xác định bằng các đường đẳng trị (xem phụ lục H).
Theo tiêu chuẩn TCXDVN 375 – 2006, các trường hợp động đất được
chia thành ba cấp tùy thuộc vào gia tốc nền thiết kế ag   I agR theo kiến nghị
của tiêu chuẩn EN1998 – 1:2004 như sau

4


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi



Động đất mạnh:

ag  0.08g phải tính tốn và cấu tạo kháng chấn theo

TCVN 375-2006.



0.04g  ag  0.08g chỉ cần áp dụng các giải pháp

Động đất yếu:

kháng chấn đã được giảm nhẹ, cấu tạo theo TCXD 198-1997.



Động đất rất yếu:

ag  0.04g không cần thiết kế kháng chấn.

trong đó hệ số tầm quan trọng  I được xác định theo phụ lục F
Møc độ quan
trọng
Đặc
biệt

I

II

Công trình
có tầm quan
trọng đặc
biệt, không
cho phép h
hỏng do
động đất

Công trình
có tầm quan
trọng sống
còn với việc
bảo vệ cộng
đồng, chức
năng không
đợc gián
đoạn trong
quá trình
xảy ra động
đất

Công trình
có tầm quan
trọng trong
việc ngăn
ngừa hậu
quả động
đất, nếu bị

sụp đổ gây
tổn thất lớn

Công trình
-

Đập bêtông chịu áp chiều cao >100m;

-

Nh máy điện có nguồn nguyên tử;

-

Nh để nghiên cứu sản xuất thử các chế phẩm
sinh vật kịch độc, các loại vi khuẩn, mầm bệnh thiên
nhiên v nhân tạo (chuột dịch, dịch tả, thơng hn
.v.v );

-

Công trình cột, tháp cao hơn 300 m;

-

Nh cao tầng cao hơn 60 tầng.

-

Công trình thờng xuyên đông ngời có hệ số sử

dụng cao: công trình mục I-2.a, I-2.b, I-2.d, I-2.h, I2.k, I-2.l, I-2.m có số tầng, nhịp, diện tích sử dụng
hoặc sức chứa phân loại cấp I;

-

Công trình m chức năng không đợc gián đoạn
sau động đất: Công trình công cộng I-2.c diện tích sử
dụng phân loại cấp I;

-

Công trình mục II-9.a, II-9.b; công trình mục V1.a, V-1.b phân loại cấp I;

-

Kho chứa hoặc tuyến ống có liên quan đến chất
độc hại, chất dễ cháy, dễ nổ: công trình mục II-5.a, II5.b, mục II-5.c phân loại cấp I, II;

-

Nh cao tầng cao từ 20 tầng đến 60 tầng, công
trình dạng tháp cao từ 200 m đến 300 m.

-

Công trình thờng xuyên đông ngời, có hệ số sử
dụng cao: công tr×nh mơc I-2.a, I-2.b, I-2.d, I-2.h, I-2.k, I2.l, I-2.m cã nhịp, diện tích sử dụng hoặc sức chứa phân
loại cấp II;

-

Trơ së hμnh chÝnh c¬ quan cÊp tØnh, thμnh phè, các
công trình trọng yếu của các tỉnh, thnh phố đóng vai
trò đầu mối nh: Công trình mục I-2.đ, I-2.g, I-2.h có
nhịp, diện tích sử dụng phân loại cấp I, II;

-

Các hạng mục quan trọng, lắp đặt các thiết bị có
5

Hệ số tầm
quan trọng I
Thiết kế với
gia tốc lớn
nhất có thể
xảy ra

1,25

1,00


Lng Vn Hi & Trn Minh Thi

Mức độ quan
trọng

Công trình

về ngời v
ti sản

giá trị kinh tế cao của các nh máy thuộc công trình
công nghiệp mục II-1 đến II-4, từ II-6 đến II-8; từ II-10
đến II-12, công trình năng lợng mục II-9.a, II-9.b; công
trình giao thông III-3, III-5; công trình thuỷ lợi IV-2; công
trình hầm III-4; công trình cấp thoát nớc V-1 tất cả
thuộc phân loại cấp I, II;
-

III

IV

Công trình
không thuộc
mức độ đặc
biệt v mức
độ I, II, IV

Công trình
có tầm quan
trọng thứ
yếu đối với
sự an ton
sinh mạng
con ngời

Hệ số tầm

quan trọng I

Các công trình quốc phòng, an ninh;

-

Nh cao tầng cao từ 9 tầng đến 19 tầng, công trình
dạng tháp cao tõ 100 m ®Õn 200 m.

-

Nhμ ë mơc I-1, nh lm việc mục I-2.đ, nh triển
lÃm, nh văn hoá, câu lạc bộ, nh biểu diễn, nh hát,
rạp chiếu bóng, rạp xiếc phân loại cấp III;

-

Công trình công nghiệp mục II-1 ®Õn II-4, tõ II-6 ®Õn
II-8; tõ II-10 ®Õn II-12 phân loại cấp III diện tích sử dụng
từ 1000 m2 ®Õn 5000 m2;

-

Nhμ cao tõ 4 tÇng ®Õn 8 tÇng, công trình dạng tháp
cao từ 50 m đến 100 m;

-

Tờng cao hơn 10 m.

-

Nh tạm : cao không quá 3 tầng;

-

Trại chăn nuôi gia súc 1 tầng;

-

Kho chứa hng hoá diện tích sử dụng không quá
1000 m2

-

Xởng sửa chữa, công trình công nghiệp phụ trợ; thứ
tự mục II-1 đến II-4, từ II-6 đến II-8; từ II-10 đến II-12 phân
loại cấp IV;

-

Công trình m sự h hỏng do động đất ít gây thiệt
hại về ngời v thiết bị quý giá.

0,75

Không yêu
cầu tính
toán kháng
chấn

Ghi chú: Công trình ứng với mục có mà sè kÌm theo xem chi tiÕt trong Phơ lơc G.

6


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

1.3. Cấp động đất
Từ gia tốc nền thiết kế ag , tra bảng để xác định cấp động đất (phụ lục K)
Thang MSK-64

Thang MM

Cấp động đất

Đỉnh gia tốc nền
(a)g

Cấp động đất

Đỉnh gia tốc nền
(a)g

V

0,012 - 0,03

V

0,03 - 0,04

VI

> 0,03 - 0,06

VI

0,06 - 0,07

VII

> 0,06 - 0,12

VII

0,10 - 0,15

VIII

> 0,12 -0,24

VIII

0,25 - 0,30

IX

> 0,24 - 0,48

IX

0,50 - 0,55

X

> 0,48

X

> 0,60

Cấp 1: Động đất không cảm thấy, chỉ có máy mới ghi nhận được.
Cấp 2: Động đất ít cảm thấy (rất nhẹ). Trong những trường hợp riêng lẻ, chỉ
có người nào đang ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy được.
Cấp 3: Động đất yếu. Ít người nhận biết được động đất. Chấn động y như tạo
ra bởi một ôtô vận tải nhẹ chạy qua.
7


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

Cấp 4: Động đất nhận thấy rõ. Nhiều người nhận biết động đất, cửa kính có
thể kêu lạch cạch.
Cấp 5: Thức tỉnh. Nhiều người ngủ bị tỉnh giấc, đồ vật treo đu đưa.
Cấp 6: Đa số người cảm thấy động đất, nhà cửa bị rung nhẹ, lớp vữa bị rạn.
Cấp 7: Hư hại nhà cửa. Đa số người sợ hãi, nhiều người khó đứng vững, nứt
lớp vữa, tường bị rạn nứt.
Cấp 8: Phá hoại nhà cửa; Tường nhà bị nứt lớn, mái hiên và ống khói bị rơi.
Cấp 9: Hư hại hồn tồn nhà cửa; nền đất có thể bị nứt rộng 10 cm.

Cấp 10: Phá hoại hoàn toàn nhà cửa. Nhiều nhà bị sụp đổ, nền đất có thể bị
nứt rộng đến 1 mét.
Cấp 11: Động đất gây thảm họa. Nhà, cầu, đập nước và đường sắt bị hư hại
nặng, mặt đất bị biến dạng, vết nứt rộng, sụp đổ lớn ở núi.
Cấp 12: Thay đổi địa hình. Phá huỷ mọi cơng trình ở trên và dưới mặt đất,
thay đổi địa hình trên diện tích lớn, thay đổi cả dịng sơng, nhìn thấy mặt đất
nổi sóng.

8


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

1.4. Các loại đất nền
Các loại đất nền được tra theo bảng sau (bảng 3.1/trang 26)
Các tham số
Loại

Mô tả

vs,30(m/s)

NSPT

cu

(nhát/30cm) (Pa)

A

Đá hoặc các kiến tạo địa chất khác
tựa đá, kể cả các đất yếu hơn trên
bề mặt với bề dày lớn nhất là 5m.

800

-

-

B

Đất cát, cuội sỏi rất chặt hoặc đất sét
rất cứng có bề dày ít nhất hàng chục
mét, tính chất cơ học tăng dần theo
độ sâu.

360-800

50

250

C

Đất cát, cuội sỏi chặt, chặt vừa hoặc
đất sét cứng có bề dày lớn từ hàng
chục tới hàng trăm mét.

180-360

15-50

D

Đất rời trạng thái từ xốp đến chặt vừa
(có hoặc khơng xen kẹp vài lớp đất
dính) hoặc có đa phần đất dính trạng

180

15

9

70 250

70


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

Các tham số
Loại

Mô tả

vs,30(m/s)

NSPT

cu

(nhát/30cm) (Pa)

thái từ mềm đến cứng vừa.

E

Địa tầng bao gồm lớp đất trầm tích
sơng ở trên mặt với bề dày trong
khoảng 5-20m có giá trị tốc độ truyền
sóng như loại C, D và bên dưới là các
đất cứng hơn với tốc độ truyền sóng vs
 800m/s.

S1

Địa tầng bao gồm hoặc chứa một lớp
đất sét mềm/bùn (bụi) tính dẻo cao
(PI 40) và độ ẩm cao, có chiều dày ít
nhất là 10m.

S2

Địa tầng bao gồm các đất dễ hoá lỏng,
đất sét nhạy hoặc các đất khác với
các đất trong các loại nền A-E hoặc
S1.

 100
(tham
khảo)

-

1020

Nền đất cần phân loại theo giá trị của vận tốc sóng cắt trung bình
 s ,30 (m/s) nếu có giá trị này. Nếu khơng, có thể dùng giá trị NSPT.
Vận tốc sóng cắt trung bình,  s ,30 được tính tốn theo biểu thức sau

 s ,30 

30
hi

N


i 1

i

trong đó
hi ; vi lần lượt là chiều dày (m) và vận tốc sóng cắt (tại mức biến dạng

bằng 10-5 hoặc thấp hơn) của lớp thứ i trong tổng số N lớp tồn tại trong 30m
đất trên bề mặt.
Đối với các địa điểm có điều kiện nền đất thuộc một trong hai loại nền

đặc biệt S1 và S2 cần phải có nghiên cứu đặc biệt để xác định tác động động
đất. Đối với những loại đất này, đặc biệt là đối với nền S2, cần phải xem xét
khả năng phá hủy nền khi chịu tác động động đất.
10


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

1.5. Biểu diễn cơ bản của tác động động đất
Trong phạm vi tiêu chuẩn, chuyển động động đất tại một điểm cho trước
trên bề mặt được biểu diễn bằng phổ phản ứng gia tốc đàn hồi, gọi tắt là phổ
phản ứng đàn hồi.
Tác động động đất theo phương nằm ngang mô tả bằng 2 thành phần
vng góc được xem là độc lập và biểu diễn bằng cùng một phổ phản ứng.
Đối với ba thành phần của tác động động đất, có thể chấp nhận một hoặc
nhiều dạng khác nhau của phổ phản ứng, phụ thuộc vào các nguồn và độ lớn
động đất phát sinh từ chúng.
Đối với các cơng trình quan trọng  I  1 cần xét các hiệu ứng khuếch đại
đại hình (xem phụ lục tham khảo A, phần 2).

2.

TÍNH TỐN VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

2.1. Các phương pháp mô phỏng tải trọng động đất
Tải trọng động đất có thể mô phỏng thành nhiều phương pháp khác nhau,
nhưng hiện nay có hai phương pháp đang được sử dụng rộng rãi: lực ngang
tương đương và phổ thiết kế
2.1.1. Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương
Tải trọng động đất được quy đổi thành lực ngang tương đương khi kết

cấu đáp ứng hai điều kiện sau



Có chu kỳ dao động cơ bản theo hai hướng chính nhỏ hơn các giá trị sau

4T
T1   C
 2s


Thỏa mãn những tiêu chí về tính đều đặn mặt đứng
Theo mỗi phương nằm ngang được phân tích, lực cắt đáy động đất

Fb  Sd T1  m
trong đó
S d T1  : tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T1
T1

là chu kỳ dao động cơ bản của nhà do chuyển động ngang theo

phương đang xét

11


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

m

là tổng khối lượng của nhà ở trên móng hoặc ở trên đỉnh của

phần cứng phía dưới



là hệ số hiệu chỉnh lấy như sau   0.85 nếu T1  2TC với nhà có

trên 2 tầng hoặc   1 với các trường hợp khác
Tác động động đất phải được xác định bằng cách đặt các lực ngang Fi
vào tất cả các tầng ở hai mơ hình phẳng
Fi  Fb

si mi
 s jmj

trong đó
Fi

là lực ngang tác dụng tại tầng thứ i

Fb

là lực cắt đáy do động đất tính theo Fb  S d T1  m

si ; s j

lần lượt là chuyển vị của khối lượng mi ; m j trong dao động cơ bản

xuất từ Etabs

mi ; m j là khối lượng của các tầng xuất từ Etabs.

Khi dạng dao động cơ bản được lấy gần đúng bằng các chuyển vị nằm
ngang tăng theo tuyến tính dọc theo chiều cao
Fi  Fb

zi mi
 z jmj

trong đó

zi ; z j

là độ cao của khối lượng mi ; m j so với điểm đặt tác động động đất

(mặt móng hoặc đỉnh móng của phần cứng phía dưới).
Sau khi có được lực cắt tại từng tầng, nhập các lực này vào mơ hình
trong phần mềm ETABS tại tâm khối lượng của sàn cứng. Tiến hành tổ hợp
“tải động đất” và các loại tải trọng khác với hệ số tổ hợp theo tiêu chuẩn.
2.1.2. Phổ thiết kế dùng cho phân tích đàn hồi
Đây là một phương pháp dự đoán phản ứng lớn nhất của hệ chịu tác
động động đất dựa vào số liệu của các trận động đất xảy ra trước đó.
Phương pháp này cần được áp dụng cho nhà không thỏa mãn những
điều kiện nêu trong 2.1.1 khi ứng dụng phương pháp phân tích tĩnh lực ngang
tương đương.
12


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

Phải xét tới phản ứng của tất cả các dạng dao động góp phần đáng kể
vào phản ứng tổng thể của nhà. Các yêu cầu này có thể thỏa mãn nếu đạt
được một trong hai điều kiện sau



Tổng các khối lượng hữu hiệu của các dạng dao động được xét chiếm ít
nhất 90% tổng khối lượng của kết cấu.



Tất cả các dạng dao động có khối lượng hữu hiệu lớn hơn 5% của tổng
khối lượng đều được xét đến.

Ghi chú: Xác định tỉ số khối lượng tham gia như hình vẽ (SumUX và sum UY)
Nếu các u cầu trên khơng thỏa mãn (ví dụ trong nhà và cơng trình mà
các dao động xoắn góp phần đáng kể) thì số lượng tối thiểu các dạng dao
động k được xét trong tính tốn khi phân tích không gian cần thỏa mãn hai
điều kiện sau
k  3 n và Tk  0.2 s

trong đó
k

là số dao động được xét tới trong tính tốn

n

là số tầng ở trên móng và hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới

Tk

là chu kỳ dao động của dạng thứ k

Khả năng kháng chấn của hệ kết cấu trong miền phi tuyến thường cho
phép thiết kế kết cấu với các lực động đất bé hơn so với các lực ứng với phản
ứng đàn hồi tuyến tính.
Để tránh với phân tích trực tiếp các kết cấu không đàn hồi, người ta kể
đến khả năng tiêu tán năng lượng chủ yếu thông qua ứng xử dẻo của các cấu
kiện của nó bằng cách phân tích đàn hồi dựa trên phổ phản ứng được chiết
giảm từ phổ phản ứng đàn hồi, vì thế phổ này được gọi là phổ thiết kế. Sự
chiết giảm này được thực hiện bằng cách đưa vào hệ số ứng xử q .

13


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

Đối với các thành phần nằm ngang của tác động động đất, phổ thiết kế
S d (T ) được xác định bằng các biểu thức sau

 2 T  2,5 2  
0  T  TB : Sd (T )  ag .S.   
  ;
3
T
q
3 
B 


TB  T  TC : Sd (T )  ag .S .

2,5 ;
q

2,5 TC .TD

 ag .S  q  T 2
TD  T : Sd T  
  .a
g


2.5 TC

 ag .S . q . T ;
TC  T  TD : S d T  
  .a
g


S d (T ) Phổ thiết kế;

T

Chu kỳ dao động của hệ tuyến tính một bậc tự do;

ag

Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A ag   1agR

1

Hệ số tầm quan trọng được cho trong phụ lục F, TCVN 375:2006;

agR Đỉnh gia tốc nền, cho trong phụ lục I TCVN 375:2006;



Hệ số điều chỉnh độ cản với giá trị tham chiếu   1 (độ cản nhớt 5%);

q

Hệ số ứng xử q  q0 k w  1.5 trong đó q0 là hệ số ứng xử cơ bản phụ

thuộc vào loại kết cấu và tính đều đặn theo mặt đứng theo mc 4.2.3.3
Loại kết cấu

Cấp dẻo kết cấu
trung bình

Cấp dẻo kết
cấu cao

3,0 u/1

4,5 u/1

HƯ kh«ng thc hƯ t−êng kÐp

3,0

4,0 u/1

HƯ dƠ xoắn

2,0

3,0

Hệ con lắc ngợc

1,5

2,0

Hệ khung, hệ hỗn hợp, hệ tờng kÐp

Và với loại nhà không đều đặn theo mặt đứng theo mục 4.2.3.1 (7), giá trị
q0 cần được giảm xuống 20%.
Hệ khung hoặc hệ kết cấu hỗn hợp tơng đơng khung

u/1

Nh một tầng

1.1

Khung nhiều tầng, một nhịp

1.2

Khung nhiều tầng, nhiều nhịp hoặc kết cấu hỗn hợp tơng đơng
khung

1.3

14


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

HƯ t−êng hc hƯ kết cấu hỗn hợp tơng đơng với tờng

u/1

Hệ tờng chỉ có hai tờng không phải l tờng kép theo từng phơng
ngang

1.0

Các hệ tờng không phải l tờng kép

1.1

Hệ kết cấu hỗn hợp tơng đơng tờng, hoặc hệ tờng kép

1.2

H s k w phản ánh dạng phá hoại thường gặp trong kết cấu có vách
Loại kết cấu

kw

HƯ khung vμ hƯ kÕt cấu hỗn hợp tơng đơng khung

1.0

Hệ tờng, hệ kết cấu hỗn hợp tơng đơng tờng v kết 0.5 (1   0 ) / 3  1
cÊu dƠ xo¾n
trong đó  0 là tỷ số kích thước các vách trong hệ kết cấu  0 

h
l

wi

, với hwi là

wi

chiều cao vách thứ i ; và lwi là độ dài của vách thứ i

 Hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương nằm ngang,
  0.2
TB

Giới hạn dưới của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng

gia tốc;
TC

Giới hạn trên của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng

gia tốc;
TD

Giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển không

đổi trong phổ phản ứng;
S

Hệ số nền;
Loại nền đất

S

TB (s)

TC (s)

TD (s)

A

1.0

0.15

0.4

2.0

B

1.2

0.15

0.5

2.0

15


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

C

1.15

0.20

0.6

2.0

D

1.35

0.20

0.8

2.0

E

1.4

0.15

0.5

2.0

Thông thường, người ta chỉ đo giá trị cực đại của chuyển vị. Vì vậy, chỉ
thu được phổ phản ứng chuyển vị “thật”. Từ “thật” ở đây để phân biệt với từ
“giả” của phổ phản ứng vận tốc “giả” và phổ phản ứng gia tốc “giả”. Vì 2 loại
phổ này được suy ra từ phổ phản ứng chuyển vị trên cơ sở dao động của hệ
một bậc tự do. Phương trình dao động có dạng: u  u0 sin t
Giá trị phổ vận tốc được suy từ phổ chuyển vị: Sv   Sd
Giá trị phổ gia tốc được suy từ phổ chuyển vị: S a   Sv
Đối với thành phần thẳng đứng của tác động động đất. phổ thiết kế được
xác định theo cơng thức của phổ ngang; trong đó gia tốc nền thiết kế theo
phương ngang ag được thay bằng avg  0.9ag ; S  1 ; q  1.5 ; các giá trị khác
lấy theo bảng sau

avg / a g

TB (s)
16

TC (s)

TD (s)


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

0.90

0.05

0.15

1.0

Các bước thực hiện tính tốn theo phương pháp phổ
Bước 1: Xác định chu kỳ và tần số dao động của mỗi mode dao động
Bước 2: Xác định phản ứng ứng với mỗi dạng dao động
Xác định giá trị phổ thiết kế gia tốc Se(Tn ) của mode n ứng với chu kỳ
dao động Tn
Phản ứng lớn nhất của mode n : y (Tn ) max 

Se(Tn )

n2

Chuyển vị lớn nhất của kết cấu ứng với mode n : un  y (Tn ) max n ; với n là
mode Shape thứ n .
Có chuyển vị của từng điểm, áp dụng các công thức của phần tử hữu
hạn cho bài tốn tĩnh thơng thường, sẽ có được nội lực của phần tử.
Bước 3: Tổ hợp phản ứng từ các mode
Phương pháp SRSS (Square Root Of The Sum Of The Squares)
Đây là phương pháp căn bậc 2 tổng bình phương các ứng xử của các
mode để có được ứng xử của kết cấu trong một phương.

E

EE 

2
Ei

Phương pháp CQC (Complete Quadratic Combination)
Gọi EEn và EEm là nội lực được tính tốn ứng với mode n và mode m .
Nội lực cực đại sẽ được xác định theo dạng biểu thức có dạng tổng kép sau:
EE 

 E
n

En

 nm EEn

m

Tổng kép thực hiện trên toàn bộ các mode được khảo sát.  nm là hệ số
liên kết giữa mode n và mode m , phụ thuộc vào tỷ số cản và vào tần số riêng.

 nm 
với r 

8 (1  r )r 3 / 2
(1  r 2 ) 2  4 2 r (1  r ) 2

n
. Các hệ số đều dương và nhỏ hơn hoặc bằng 1.
m

Bước 4: Tổ hợp phản ứng từ các phương khác nhau
17


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

E  E02  E902  Ez2

trong đó E0 và E90 là các đáp ứng do tác động theo hai phương ngang vng
góc nhau, và E z là đáp ứng do tác động theo phương thẳng đứng.
2.2. Tổ hợp các thành phần động đất (mục 4.3.3.5.)
2.2.1. Tổ hợp các phản ứng dạng dao động
Phản ứng ở hai dạng dao động i và j (kể cả các dạng dao động tịnh tiến
và xoắn) có thể xem là độc lập với nhau. nếu các chu kỳ Ti và T j thỏa mãn
T j  0.9Ti

Khi tất cả các dạng dao động cần thiết được xem là độc lập với nhau thì
giá trị lớn nhất EE của hệ quả tác động động đất có thể lấy bằng
EE 

E

2
Ei

trong đó
EE

hệ quả tác động động đất đang xét (lực. chuyển vị.…)

EEi giá trị của hệ quả tác động động đất này do dạng dao động thứ i gây ra.

2.2.2. Các thành phần nằm ngang của tải trọng động đất (mục 4.3.3.5.1)
Nói chung, các thành phần nằm ngang của tác động động đất phải được
xem là tác động đồng thời
Việc tổ hợp các thành phần nằm ngang của tác động động đất có thể
thực hiện như sau
(1) Phản ứng kết cấu đối với mỗi thành phần phải được xác định riêng
rẽ bằng cách sử dụng những quy tắc tổ hợp đối với các phản ứng
dạng dao động theo 2.6.7.1 (xem mục 4.3.3.3.2- TCVN 375-2006)
(2) Giá trị lớn nhất của mỗi hệ quả tác động lên kết cấu do hai thành
phần nằm ngang của tác động động đất, có thể xác định bằng căn
bậc hai của tổng bình phương các giá trị của hệ quả tác động do mỗi
thành phần nằm ngang gây ra
(3) Quy tắc (2) ở trên nói chung cho kết quả thiên về an toàn của các giá
trị có thể có của các hệ quả tác động khác đồng thời với giá trị lớn

nhất thu được như trong (2). Có thể sử dụng các mơ hình chính xác
18


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

hơn để xác định các giá trị có thể có đồng thời từ nhiều hệ quả tác
động do hai thành phần nằm ngang của tác động động đất gây ra
Nếu (1) và (2) không dùng được, các hệ quả tác động do tổ hợp của các
thành phần nằm của tải trọng động đất có thể được xác định
EEdx  0.3EEdy
0.3EEdx  EEdy

trong đó
EEdx biểu thị các hệ quả tác động do đặt tác động động đất dọc theo trục

nằm ngang x được chọn của kết cấu;
EEdy biểu thị các hệ quả tác động do đặt tác động động đất dọc theo trục

nằm ngang y vng góc của kết cấu;
2.2.3. Các thành phần nằm đứng của tải trọng động đất (mục 4.3.3.5.2)
Nếu avg  0.25 g  2.5 (m/s2) thì thành phần thẳng đứng của tác động động
đất cần được xét trong các trường hợp sau
 Các bộ phận kết cấu nằm ngang hoặc gần như ngang có nhịp L  20 m
 Các bộ phận kết cấu dạng console nằm ngang hoặc gần như ngang dài
hơn 5m
 Các thành phần kết cấu ứng lực trước nằm ngang hoặc gần như ngang
 Các dầm đỡ cột (Transfer beam)
 Các kết cấu có cách chấn đáy

Chỉ tính tốn thành phần đứng của tải động đất với các cấu kiện như trên
và các cấu kiện đỡ hoặc liên quan trực tiếp với chúng.
Nếu các thành phần nằm ngang xét đến cho các cấu kiện này thì có thể
sử dụng ba tổ hợp sau
EEdx  0.3EEdy  0.3EEdz
0.3EEdx  EEdy  0.3EEdz
0.3EEdx  0.3EEdy  EEdz
EEdz biểu thị hệ quả tác động do tác động động đất theo phương đứng.

Ghi chú về nhập giảm độ cứng chống uốn và chống cắt của cấu kiện bị nứt tại
mục 4.3.1 (6) (7) trang 46 TCVN375-2006
19


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

(6) Trong nhà bêtông, nhà thép-bêtông liên hợp và nhà xây, độ cứng của cấu
kiện chịu tải nói chung cần được đánh giá có xét đến hệ quả của vết nứt.
Độ cứng này cần tương ứng với sự bắt đầu chảy dẻo cốt thép.
(7) Trừ phi thực hiện sự phân tích chính xác hơn đối với các cấu kiện bị nứt,
các đặc trưng về độ cứng chống cắt và độ cứng chống uốn đàn hồi của
các cấu kiện bêtơng và khối xây có thể lấy bằng một nửa (50%) độ cứng
tương ứng của các cấu kiện khơng bị nứt. (xem xét khi có u cầu).
2.3. Tổ hợp tải trọng, nội lực và chuyển vị
2.3.1. Xác định nội lực
Có hai loại sơ đồ để tính toán nội lực là sơ đồ đàn hồi và sơ đồ dẻo phụ
thuộc vào việc người thiết kế cho phép vật liệu làm việc trong miền nào. (điều
khiển sơ đồ này bằng ứng dụng Frame End length offsets – vừng cứng tại nút
khung trong ETABS).
Với kết cấu tĩnh định, chỉ được dùng sơ đồ đàn hồi bởi vì khi vật liệu

trong kết cấu vượt qua giai đoạn đàn hồi (đến giai đoạn chảy dẻo) kết cấu bị
phá hủy. Với kết cấu này sử dụng các phương pháp lực, phương pháp
chuyển vị hoặc phương pháp PTHH để tìm nội lực.
Với kết cấu siêu tĩnh, có thể tính theo sơ đồ đàn hồi hoặc sơ đồ dẻo.
Nếu dùng sơ đồ dẻo, kết cấu thiết kế sẽ làm việc trong miền dẻo nhưng vẫn
khơng bị phá hủy. Để tìm nội lực khi dùng sơ đồ dẻo có thể sử dụng phương
pháp trạng thái tới hạn hoặc phương pháp PTHH. Sử dụng sơ đồ đàn hồi tức
là cho kết cấu làm việc trong miền đàn hồi, do đó sẽ an tồn hơn nhưng
khơng kinh tế bằng khi cho kết cấu làm việc trong miền dẻo.
Cần chú ý bê tông cốt thép là vật liệu đàn hồi-dẻo và khơng đồng nhất.
Do đó các cơng thức của cả hai sơ đồ đều chỉ mang tính gần đúng. Đối với sơ
đồ dẻo, rất khó khăn khi đánh giá mức độ dẻo của kết cấu và khi xuất hiện
biến dạng dẻo kết cấu sẽ phân phối lại nội lực như thế nào. Do vậy hiện nay
chỉ áp dụng sơ đồ dẻo đối với cấu kiện dầm, còn nội lực và biến dạng của kết
cấu nhà cao tầng được tính tốn theo phương pháp đàn hồi (mục 2.6.2 –
TCXD198-1997)
2.3.2. Tổ hợp tải trọng, nội lực và chuyển vị
Đối với tĩnh tải, đây là loại tải thường xuyên tác dụng lên kết cấu do đó
nó ln gây ra nội lực. Đối với hoạt tải, có thể xuất hiện hoặc khơng và thậm
20


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

chí có thể đổi chiều tác dụng (tải trọng gió). Ngay cả với hoạt tải do đồ đạc
gây ra cũng có thể có hoặc khơng, có thể xuất hiện ở chỗ này hoặc ở chỗ
khác. Do đó khi thiết kế phải tổ hợp nội lực để tìm ra giá trị bất lợi cho kết cấu:
S  S g   Sij

trong đó S g là nội lực do tĩnh tải gây ra (luôn không đổi), Sij là nội lực do

trường hợp thứ i của hoạt tải thứ j gây ra (thay đổi cả về trị số và dấu), còn

 là hệ số tổ hợp, trong đó   1 khi chỉ lấy 1 hoạt tải và   0.9 khi lấy từ hai
hoạt tải trở lên.
Một dạng khác để tìm nội lực nguy hiểm trong các cấu kiện là tổ hợp tải
trọng. Theo cách này thì khơng tính nội lực từng trường hợp tải rồi lựa chọn
để cộng tác dụng mà tiến hành tổ hợp trước các loại tải trọng, sau đó tính nội
lực với tải trọng tổ hợp này.
Tổ hợp tải trọng và tổ hợp nội lực sẽ giống nhau khi kết cấu làm việc
tuyến tính (nguyên lý cộng tác dụng) và sẽ khác nhau khi kết cấu làm việc phi
tuyến. Trong thực hành, thường dùng tổ hợp tải trọng vì nó đơn giản, dễ làm,
dễ hình dung, sai số khơng đáng kể.
Theo TCXD2737-1995, có hai tổ hợp tải trọng sau:
 Tổ hợp cơ bản: Tĩnh tải DL (mục 2.3.3), hoạt tải dài hạn LL(mục 2.3.4) và
ngắn hạn(mục 2.3.3) W
 Tổ hợp đặc biệt: Tĩnh tải, hoạt tải dài hạn và ngắn hạn có thể xảy ra một
trong các tải trọng đặc biệt (mục 2.3.6) E

Ghi chú: Trong quá trình gán tải trọng gió vào mơ hình, cần tách ra hai thành
phần tĩnh Wt và động Wd. Sau đó, tổ hợp lại gió theo công thức sau
W = Wt + Wd
Theo TCXD2737-1995 và TCVN375-2006,
 Tĩnh tải + Hoạt tải
 Tĩnh tải + Gió
 Tĩnh tải + 0.9 Hoạt tải + 0.9 Gió
 Tĩnh tải + động đất
 Tĩnh tải + động đất + 2,i x Hoạt tải (Mục 3.2.4 (TCVN375-2006))

Các giá trị 2,i cho trong Bảng 3.4 trang 36 (TCVN375-2006)

21


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

Bảng 3.4: Các giá trị  2,i đối với nhà
Tác động

2

Tải trọng đặt lên nhà, loại
Loại A: Khu vực nhà ở, gia đình

0,3

Loại B: Khu vực văn phòng

0,3

Loại C: Khu vực hội họp

0,6

Loại D: Khu vực mua bán

0,6

Loại E: Khu vực kho lưu trữ

0,8

Loại F: Khu vực giao thông, trọng lượng xe 30kN

0,6

Loại G: Khu vực giao thông 30kN; trọng lượng xe 160kN

0,3

Loại H: Mái

0

Đây là bảng tổ hợp triển khai cho thiết kế cơng trình nhà ở và văn phịng
Tên tổ hợp

Tổ hợp

COMBO1

ADD

COMBO2

COMBO3

COMBO4

COMBO5

COMBO6

COMBO7

COMBO8

ADD

ADD

ADD

ADD

ADD

ADD

ADD

Thành phần

Hệ số tổ hợp

DL

1

LL

1

DL

1

WX

1

DL

1

WX

-1

DL

1

WY

1

DL

1

WY

-1

DL

1

LL

0.9

WX

0.9

DL

1

LL

0.9

WY

0.9

DL

1

LL

0.9

Nội dung tính tốn - kiểm tra
Tính bền

Tính bền

Tính bền

Tính bền

Tính bền

Tính bền

Tính bền

Tính bền

22


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

Tên tổ hợp

COMBO9

COMBO10

COMBO11

COMBO12

COMBO13

COMBO14

COMBO15

COMBO16

COMBO17

ENVE1
COMBO18

Tổ hợp

ADD

ADD

ADD

ADD

ADD

ADD

ADD

ADD

ADD

ENVE
ADD

Thành phần

Hệ số tổ hợp

WX

-0.9

DL

1

LL

0.9

WY

-0.9

DL

1

EY

1

DL

1

EX

1

DL

1

EY

-1

DL

1

EX

-1

DL

1

LL

0.3

EY

1

EX

0.3

DL

1

LL

0.3

EX

1

EY

0.3

DL

1

LL

0.3

EY

-1

EX

-0.3

DL

1

LL

0.3

EX

-1

EY

-0.3

Nội dung tính tốn - kiểm tra

Tính bền

Tính bền

Tính bền

Tính bền

Tính bền

Tính bền

Tính bền

Tính bền

Tính bền

ENVE(COMBO1 + ... + COMBO17)
DL

0.909

LL

0.833
23

Kiểm tra độ võng theo
phương thẳng đứng của
dầm, sàn


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

Tên tổ hợp

Tổ hợp

COMBO19

ADD

COMBO20

COMBO21

COMBO22

ENVE2

3.

ADD

ADD

ADD

ENVE

Thành phần

Hệ số tổ hợp

DL

0.909

WY

0.833

DL

0.909

WX

0.833

DL

0.909

WY

-0.833

DL

0.909

WX

-0.833

Nội dung tính tốn - kiểm tra
Chuyển vị do gió theo
phương Y
Chuyển vị do gió theo
phương X
Chuyển vị do gió theo
phương Y
Chuyển vị do gió theo
phương X

ENVE (COMBO18 + ... + COMBO22)

MÔ PHỎNG TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT TRONG ETABS

3.1. Phương pháp lực ngang tương đương
Bước 1: Khai báo tải trọng như sau

Bước 2: Gán tải trọng như sau

24


Lương Văn Hải & Trần Minh Thi

25