luận văn thạc sĩ tính toán kết cấu chịu tác động của động đất

1
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 8
2. MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 8
3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 9
Chương I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN CÔNG
TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT
1.1 Một số khái niệm cơ bản về động đất 10
1.2 Đánh giá sức mạnh động đất 17
1.2.1 Thang cường độ động đất 17
1.2.1.1 Thang Mercalli cải tiến 17
1.2.1.2 Thang MSK-64
19
1.2.2 Thang độ lớn động đất 23
1.3 Các đặc trưng chuyển động của nền đất 25
1.4 Đánh giá các thông số của chuyển động nền đất 26
1.5 Bản đồ phân vùng động đất 29
1.6 Khái quát về tính toán công trình chịu động đất 32
1.6.1 Lực tổng động đất và hệ số động đất 33
1.6.2 Các phương pháp tính toán công trình chịu tác dụng của 37
động đất
1.7 Kết luận chương I 38
Chương II. CÁC PHƯƠNG PHÁP QUY PHẠM TÍNH TOÁN CÔNG
TRÌNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
2.1 Các phương pháp quy phạm xác định lực động đất 40
2.1.1 Phương pháp tĩnh lực học (giải tích tĩnh học tương đương) 41
2.1.2 Phương pháp động lực học 44

2
2.2 Các giới hạn áp dụng của phương pháp tính 54
2.3 Các quy phạm của một số nước trên thế giới 58
2.3.1 Nam Tư (cũ) 58
2.3.2 Ru ma ni (1988) 60
2.3.3 Ý (1985) 61
2.3.4 Đức (DIN) 63
2.3.5 KGST 64
2.3.6 Kiến nghị của ENSZ- EGB khi thiết kế 65
2.3.7 Nga (CH
И∏ II-7-81*) 66
2.3.8 Adifeli 69
2.3.9 Nhật Bản 71
2.3.10 Ấn độ 72
2.3.11 Iran 73
2.3.12 Thổ Nhĩ Kỳ 74
2.3.13 Mỹ 74
2.3.14 Trung Quốc (tiêu chuẩn GB 50011 – XX) 80
2.3.15 Nhận xét và đánh giá 81
2.4 Kết luận chương II 81
Chương III. PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC TỔNG QUÁT
3.1 Xác định các hàm phản ứng của các dao động nền tức thời 83
3.1.1 Đặt bài toán 83
3.1.2 Trường hợp chỉ có một xung tức thời 86
3.1.3 Lời giải tổng quát 89
3.2 Xác định các đặc trưng thiết kế bằng lý thuyết phổ 93
3.2.1 Khái niệm về phổ phản ứng công trình 93
3.2.2 Xác định các đặc trưng thiết kế theo lý thuyết phổ 97
3.3 Kết luận chương III 99

3
Chương IV. QUY TRÌNH TÍNH TOÁN TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT TÁC
DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH THEO TCXDVN 375:2006
VÀ VÍ DỤ TÍNH TOÁN
4.1 Quy trình tính toán tác động động đất tác dụng lên công trình theo 101
TCXDVN 375:2006 (phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương
đương và phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động)
4.1.1 Xác định giá trị tỉ số (a
gR
/g) 101
4.1.2 Nhận dạng điều kiện đất nền theo tác động động đất 101
4.1.3 Mức độ và hệ số tầm quan trọng 101
4.1.4 Xác định giá trị gia tốc đỉnh đất nền thiết kế 102
4.1.5 Xác định hệ số ứng xử (q) của kết cấu bê tông cốt thép 102
4.1.6 Xác định chu kỳ dao động riêng cơ bản (T
1
) của công trình 102
4.1.7 Phổ thiết kế không thứ nguyên dùng cho phân tích đàn hồi 103
4.1.8 Điều kiện áp dụng mô hình phẳng khi tính toán 105
4.1.9 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương 106
(phương pháp tĩnh lực học)
4.1.10 Phương pháp phân tích phổ phản ứng 108
4.1.11 Tính toán theo phương Y (trên mặt bằng công trình) 112
4.1.12 Tổ hợp đặc biệt có tác động động đất 112
4.2 Ví dụ tính toán 113
4.2.1 Tính toán tải trọng động đất theo TCXDVN 375:2006 114
4.2.2 Tính toán tải trọng động đất theo CH
И∏ II-7-81* 120
4.2.3 Tính toán tải trọng động đất theo quy phạm Ấn Độ, Iran 123
KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO



4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số TT Tên hình vẽ Trang
Hình 1.1 Vị trí phát sinh động đất 11
Hình 1.2 Sự khúc xạ và phản xạ của sóng địa chấn 16
Hình 1.3 Quan hệ giữa các thang cường độ động đất và 23
gia tốc nền cực đại
Hình 1.4 Bản đồ các vùng phát sinh động đất mạnh 30
trên lãnh thổ Việt Nam
Hình 1.5 Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam 31
chu kỳ lặp lại 500 năm, nền loại A
Hình 1.6 Mô hình tính 33
Hình 1.7 Quan hệ lực – chuyển vị 35
Hình 1.8 Giả thiết cần bằng năng lượng 35
Hình 2.1 Mô hình tính toán 41
Hình 2.2 Mô hình dạng dao động hệ n bậc tự do 46
Hình 2.3 Mô hình tính và biểu đồ nội lực 49
Hình 2.4 Mô hình tính và biểu đồ nội lực 49
Hình 2.5 Mô hình thay thế tương đương 51

Hình 2.6 Mô hình tính 55
Hình 2.7 Dạng dao động, lực quán tính thay thế và 56
biểu đồ nội lực
Hình 2.8 Mô hình khung 56
Hình 2.9 Các dạng dao động 57
Hình 3.1 Mô hình tính toán 84

Hình 3.2 Mô hình tính toán 87
Hình 3.3 Mô hình tính toán 89
Hình 3.4 Phổ gia tốc của trận động đất El - Centro 96

5
Hình 3.5 Các phổ vận tốc và gia tốc trung bình 97
Hình 4.1 Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền đất 105
từ A đến E (độ cản 5%)
Hình 4.2 Sơ đồ khung 114
Hình 4.3 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 117
phương pháp phổ ứng với dạng dao động thứ nhất
Hình 4.4 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 118
phương pháp phổ ứng với dạng dao động thứ hai
Hình 4.5 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 118
phương pháp phổ ứng với dạng dao động thứ ba
Hình 4.6 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 119
phương pháp phổ xét đến ảnh hưởng của
3 dạng dao động
Hình 4.7 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 119
phương pháp tĩnh lực ngang tương đương
Hình 4.8 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra theo 123
phương pháp phổ (CHИ∏ II-7-81*)
Hình 4.9 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra 125
theo quy phạm Ấn Độ
Hình 4.10 Biểu đồ mô men uốn do lực động đất gây ra 125
theo quy phạm Iran

6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số TT Tên bảng biểu Trang
Bảng 1.1 Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi (MM) 18
Bảng 1.2 Thang cường độ động đất MSK-64 19
Bảng 1.3 Đặc trưng cấp cường độ động đất theo thang MSK-64 21
Bảng 1.4 Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất 23
Bảng 1.5 Quan hệ giữa năng lượng E và độ lớn M 25
Bảng 2.1 Giá trị của Z và cường độ động đất 59
Bảng 2.2 Hệ số xác định khả năng chịu tải 60
Bảng 2.3 Giá trị của hệ số phụ thuộc vào cường độ động đất 60
Bảng 2.4 Giá trị của hệ số giảm tải theo loại tải trọng 64
Bảng 2.5 Giá trị của các hệ số nhân với ứng suất cho phép 64
để xác định khả năng chịu tải
Bảng 2.6 Giá trị của các hệ số biểu diễn mức độ quan trọng 65
của công trình
Bảng 2.7 Giá trị của hệ số tính đến mức độ hư hại cho phép 67
của công trình

Bảng 2.8 Giá trị của hệ số tính đến các giải pháp kết cấu 68
nhà và công trình
Bảng 2.9 Giá trị của hệ số tính đến đặc điểm kết cấu 69
của nhà và công trình
Bảng 2.10 Giá trị của hệ số phụ thuộc vào cường độ động đất 70
Bảng 2.11 Giá trị của hệ số phụ thuộc mô hình nền và đất nền 71
Bảng 2.12 Tải trọng ích lợi 73
Bảng 2.13 Giá trị lấy theo các đặc trưng của đất nền 75
Bảng 2.14 Các giá trị của R và C

d
phụ thuộc vào 76
kết cấu của công trình

7
Bảng 2.15 Chuyển vị cho phép 78
Bảng 2.16 Vùng động đất trên nước Mỹ 80
Bảng 4.1 Giá trị của các tham số S, T
B
, T
C
và T
D
104
Bảng 4.2 Các giá trị Ψ
2,i
cho công trình 113
Bảng 4.3 Giá trị của φ để tính toán ψ
E,i
113
Bảng 4.4 Các chu kỳ và dạng dao động riêng 115
Bảng 4.5 Kết quả tính toán lực động đất tác dụng lên các tầng 116
theo TCXDVN 375:2006 (phương pháp phổ)
Bảng 4.6 Kết quả tính toán lực động đất tác dụng lên các tầng 116
theo TCXDVN 375:2006
(phương pháp tĩnh lực ngang tương đương)
Bảng 4.7 Kết quả tính toán lực động đất tác dụng lên các tầng 123
theo quy phạm Ấn Độ
Bảng 4.8 Kết quả tính toán lực động đất tác dụng lên các tầng 124
theo quy phạm Iran.

8
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong lịch sử tồn tại và phát triển, nhân loại phải đương đầu với các tai
họa thiên nhiên như lũ lụt, hạn hán, bảo tố, động đất, núi lửa, sóng thần
Trong đó động đất là một hiện tượng thiên nhiên gây ra những thảm họa kinh
khủng nhất cho con người và các công trình xây dựng. Để bảo vệ sinh mạng
của mình và các tài sản vật chất xả hội, con người đã có rất nhiều nỗ lực trong
việc nghiên cứu phòng chống động đất. Tuy đã có những bước tiến rất ngoạn
mục trong lĩnh vực này nhưng cho đến nay con người vẫn không ngăn được
những thảm họa do động đất gây ra. Các trận động đất xảy ra trong những
năm gần đây tại Nhật Bản (1995), Thổ Nhĩ Kỳ (1999), HyLạp (1999), Đài
Loan (1999), Ấn Độ (2001), Apganistan (2002), Iran (2004), Inđônêsia
(2004), Haiti (2010), Chile (2010), Trung Quốc (2010), Inđônêsia (2010) đã
chứng minh điều đó.
Với trình độ khoa học- công nghệ hiện nay, con người chưa có khả năng
dự báo một cách chính xác động đất sẽ xảy ra lúc nào, ở đâu, con người chưa
có biện pháp phòng chống động đất chủ động như phòng chống bão hay lũ

lụt. Trong hoàn cảnh đó con người ngoài việc phải nghiên cứu các phương
pháp nhằm hoàn thiện hơn nữa khả năng dự báo về động đất, chúng ta cũng
phải tiếp tục nghiên cứu các phương pháp tính toán xây dựng các kết cấu
công trình chịu tác dụng của động đất.

Trên thế giới và Việt Nam có nhiều nghiên cứu và các phương pháp tính
kết cấu chịu động đất khác nhau. Nhưng tính toán động đất luôn là vấn đề
phức tạp, vì vậy việc hệ thống, so sánh các phương pháp tính trên cơ sở đó rút
ra các kết luận, đánh giá luôn luôn có ý nghĩa thực tế nhằm phục vụ cho công
tác thiết kế công trình.
2. MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:

9
Thu thập tài liệu, nghiên cứu và phân tích để trình bày:
- Trình bày một cách có hệ thống quá trình phát triển của các phương
pháp tính kết cấu chịu tác dụng của động đất;
- Phân tích bản chất của phương pháp quy phạm: phương pháp tĩnh,
phương pháp động lực học. Phân tích ưu nhược điểm và giới hạn áp dụng của
từng phương pháp;
- Nghiên cứu phương pháp động lực học tổng quát, kết hợp phương
pháp phổ;
- Thực hiện một số tính toán số để rút ra các kết luận cần thiết khi tính
kết cấu chịu động đất
3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tính các kết cấu chịu tác dụng của tải trọng động đất. Khảo sát các
phương pháp tính toán kết cấu chịu tác dụng của động đất bao gồm: phương
pháp tĩnh, phương pháp động lực học tổng quát. Tổng hợp, phân tích các
phương pháp đó

10
Chương I
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU
ĐỘNG ĐẤT.
1.1 Một số khái niệm cơ bản về động đất.
Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn
năng lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự nứt rạn đột
ngột trong phần vỏ hoặc phần áo trên của quả đất.
- Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về
mặt lý thuyết được quy vể một điểm gọi là chấn tiêu.
- Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt quả đất 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 đến điểm quan trắc được gọi là tiêu cự hoặc
khoảng cách chấn tiêu (R).
- Khoảng cách từ chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi là tâm cự hoặc
khoảng cách chấn tâm (L).
Tùy theo độ sâu của chấn tiêu H mà động đất có thể phân thành các loại
sau. [2]

- Động đất nông : H<70 km.
- Động đất trung bình : H= 70 -:- 300 km
- Động đất sâu : H>300 km.
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh năng lượng gây ra động đất
như : Sự va chạm của các mảnh thiên thạch vào vỏ trái đất, các vụ thử bom
hạt nhân ngầm dưới lòng đất, các hang động trong lòng đất bị sập, các hoạt
động xây dựng hồ chứa làm mất cân bằng trọng lực của môi trường, nhưng
nguyên nhân cơ bản là sự chuyển động tương hỗ không ngừng của các khối
vật chất nằm sâu dưới lòng đất để thiết lập một thế cân bằng mới được gọi là

11
hoạt động kiến tạo. Theo thống kê 95% các trận động đất xảy ra trên thế giới
có liên quan trực tiếp đến sự vận động kiến tạo [1,3]
§iÓm nghiªn cøu
Kho¶ng c¸ch chÊn tiªu (R)
§é s©u chÊn tiªu (H)
MÆt ®Êt
Kho¶ng c¸ch chÊn t©m (L)
ChÊn tiªu
ChÊn t©m

Hình 1.1. Vị trí phát sinh động đất
Các thành tựu khoa học kỹ thuật, đặc biệt là mạng lưới địa chấn kế và
quan trắc địa chất trên thế giới đã chứng minh tính đúng đắn của thuyết kiến
tạo mảng.
Theo giả thiết cơ bản của thuyết kiến tạo mảng, bề mặt quả đất được tập
hợp từ một số khối lớn gọi là mảng ; trên các mảng là các châu lục và đại
dương. Các mảng này chuyển động tương đối so với nhau. Toản bộ vỏ quả
đất có thể hình dung được chia thành 15 mảng trong đó có 11 mảng lớn (vĩ
mảng) sau : mảng Âu – Á, mảng châu Phi, mảng châu Úc, mảng Philipin,

mảng Thái Bình Dương, mảng Cocos, mảng Nazca, mảng Bắc Mỹ, mảng

12
Nam Mỹ, mảng Caribe và mảng Nam cực. Các mảng lớn lại được chia thành
các mảng bé hơn (vi mảng) qua các vết đứt gãy nông hơn.
Tại vùng phân chia giữa các mảng xuất hiện các biến dạng tương đối
trên một vùng khá hẹp. Các biến dạng có thể xảy ra chậm và liên tục hoặc có
thể xảy ra một cách đột ngột dưới dạng các trận động đất. Các nhà khoa học
đã xác định được ba kiểu biến dạng hoặc ba kiểu chuyển động sau tại các bờ
biên mảng.
- Chuyển động tách giãn : Các mảng di chuyển rời xa nhau.
- Chuyển động hút chìm : Do kích thước của quả đất giữ nguyên không
đổi, nên việc mở rộng các mảng tại một số bờ biên phải được bù lại bằng việc
thu hẹp các mảng tại một số bờ biên khác. Có hai loại chuyển động hút chìm :
+ Chuyển động trườn : Mảng này chuyển động rúc xuống dưới mảng
khác.
+ Chuyển động rúc đồng quy : Hai mảng cùng chuyển động rúc xuống.
- Chuyển động trượt ngang : Chuyển động trượt ngang xuất hiện khi
mảng này di chuyển tương đối so với mảng khác theo phương ngang mà
không làm sinh ra một phần vỏ mới hoặc làm mất đi một phần vỏ cũ. Có hai
loại chuyển động ngang :
+ Chuyển động trượt tương đối tại đứt gãy ;
+ Chuyển động va chạm.
Trong quá trình các mảng dịch chuyển tương đối so với nhau, biến dạng
dần dần được tích lũy lại tại các vùng khác nhau của vỏ trái đất. Khi vật chất
tạo nên vỏ trái đất đạt tới trạng thái biến dạng tới hạn, sự phá hoại đột ngột
xảy ra. Thế năng biến dạng tức thời chuyển thành động năng và động đất xuất
hiện.
Trên thế giới hầu hết các chấn tâm của động đất tập trung theo hai giải
chính. Giải thứ nhất tập trung nhiều chấn tâm hơn cả nằm xung quanh Thái

13
Bình Dương. Về phía châu Mỹ, giải này chạy suốt gần bờ biển phía Tây,
trong đó nổi tiếng nhất là các trận động đất do vết đứt gãy San-Andreas kéo
dài 300 km. Về phía châu Á, giải chấn tâm bắt đầu từ bán đảo Kamtratka và
kéo dài qua Nhật Bản, Philipin, Malayxia, Inđônêzia, Tan Tây Lan, các đảo
Fiji, Solomon Giải chấn tâm thứ hai bắt đầu từ quần đảo Axorit qua Bồ Đào
Nha, Tây Ban Nha, Nam Tư, Rumani, Bungari, dọc bờ biển Bắc Phi, Sixil,
Hy Lạp, Tiểu Á, Thổ Nhĩ Kỳ, Irac, Bắc Apganitan, Ấn Độ, Tây Bắc dãy
Himalia, kéo dài Miama và ngoặc xuống theo hướng Đông Nam Ngoài ra
chấn tâm các trận động đất còn nằm rải rác ở Trung Quốc, Trung Đông và
một số vùng khác.
Tại Việt Nam, chấn tâm của các trận động đất nằm hầu hết ở phần phía
bắc của lãnh thổ , dọc theo các vết đứt gãy địa chất vùng sông Chảy, sông
Hồng, sông Đà, sông Mã, sông Cả Ở miền Trung nước ta còn có một số chấn
tâm nằm dọc bờ biển từ Bình Định đến Vũng Tàu theo vết đứt gãy Duyên Hải
(mà khu công nghiệp dầu khí Vũng Tàu nằm trong khu vực này).
Năng lượng giải phóng từ chấn tiêu được lan truyền tới bề mặt trái đất
dưới dạng sóng. Loại sóng đàn hồi cơ bản gây ra chấn động làm cho con
người cảm nhận được và phá hoại các công trình xây dựng là sóng khối và
sóng mặt.
- Sóng khối : Sóng khối hoặc còn gọi là sóng thể tích gồm hai loại khác
nhau về bản chất đó là sóng dọc và sóng ngang. Khi sóng thể tích lan truyền
đến bề mặt của trái đất sẽ bị phản hồi trở lại, xuất hiện hiện tượng giao thoa
sóng, dẫn đến sự tăng đột ngột biên độ dao động một cách đáng kể, gây ra
những tác hại nặng nề.
+ Sóng dọc : Sóng này được truyền đi nhờ sự thay đổi thể tích vật chất,
gây ra biến dạng kéo và nén trong lòng đất (sóng sơ cấp P). Chuyển động của

14

nó tương tự như chuyển động của sóng âm trong chất lỏng. Hướng chuyển
động của các hạt vật chất trùng với hướng di chuyển của sóng.
+ Sóng ngang (sóng thứ cấp S) : Hướng chuyển động của các phần tử vật
chất vuông góc với hướng di chuyển của sóng. Các sóng này gây ra hiện
tượng xoắn và cắt mà không làm thay đổi thể tích của môi trường truyền
sóng.
- Sóng mặt : Các sóng thể tích khi lên tới mặt đất phản xạ trở lại tạo
thành các sóng mặt gây ra chuyển động của nền đất ở lớp mặt. Sóng mặt được
phân thành hai loại :
+ Sóng Rayleigh hoặc sóng R : Sóng này làm cho các phần tử vật chất
chuyển động theo một quỹ đạo hình elip trong mặt phẳng thẳng đứng song
song với hướng truyền sóng.
+ Sóng Love hoặc sóng Q : Chuyển động của loại sóng này về cơ bản
tương tự như của sóng S nhưng không có thành phần thẳng đứng. Nó làm cho
các phần tử vật chất chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang song song với
mặt đất, vuông góc với hướng truyền sóng. Các sóng này chỉ gây ra ứng suất
cắt.
Tốc độ truyền của các sóng P và S phụ thuộc vào tính chất cơ lý của các
lớp tạo nên nền đất và đá mà chúng đi qua. Đất đá càng cứng, nén càng chặt
tốc độ truyền sóng càng lớn (1,5-:- 5 km/s). Trong khi đó đối với nền đất yếu,
mềm, xốp tốc độ truyền sóng bé (0,5-:-1,5 km/s).
Trên cơ sở của lý thuyết môi trường đàn hồi lý tưởng vô hạn, đồng nhất
và đẳng hướng, tốc độ truyền sóng P được xác định theo biểu thức :

( )
2/1
)21)(1
1







−+
−
=
νν
ν
ρ
E
V
P
(1.1)

( )
2/1
2/1
)12






+
=







=
νρρ
EG
V
S
(1.2)

15
Trong đó :
E : Mô đun đàn hồi trong kéo (nén)
G : Mô đun đàn hồi cắt
ρ : Tỷ trọng
υ : Hệ số Poisson.
của môi trường truyền sóng của đất.
Từ (1.1), (1.2) ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa tốc độ truyền
sóng P và S như sau.

2/1
21
)1(2






−

−
=
ν
ν
S
P
V
V
(1.3)
Nếu hệ số Poisson của nền đất υ =0,25 thì :

3=
S
P
V
V

Ở lớp kế cận bề mặt quả đất V
P
=5-:-7 km/s còn V
S
=3-:-4 km/s. Do đó ở
tại trạm quan trắc, sóng P đến sớm hơn sóng S nên nó được ghi lại ít lâu trước
khi sóng S xuất hiện. Khoảng thời gian chênh lệch giữa thời điểm đến của
sóng P và sóng S tại trạm quan trắc được gọi là khoảng thời gian rung động
mở đầu T
PS
. Nếu hai sóng cùng đi qua một quãng đường và có các tốc độ
không đổi thì T
PS

có thể xác định theo biểu thức sau :

R
VV
T
PS
PS








−=
11
(1.4)
Từ đó ta có thể xác định được chấn tâm và độ sâu chấn tiêu nếu các số
ghi địa chấn được thực hiện ít nhất ở ba địa điểm khác nhau.
Từ (1.4) ta có thể xác định được khoảng cách chấn tiêu R
i
của trạm i qua
biểu thức sau :

PS
PS
i
VV
tt

R
11
−
−
=
(1.5)

16
Trong đó : t
S
-t
P
là chênh lệch thời gian đến của các sóng thứ cấp S và
sóng sơ cấp P.
Khi tăng khoảng cách L từ trạm quan sát đến chấn tâm, thời gian lan
truyền sóng địa chấn cũng tăng lên. Qua tập hợp và so sánh các số liệu ghi lại
được ở các trạm đo địa chấn khác nhau, đã thiết lập được mối quan hệ giữa
khoảng cách L và thời gian truyền sóng và vẽ thành đồ thị. Bởi vì các đường
cong trên đồ thị có giá trị chung cho tất cả các trận động đất, độc lập với vị trí
chấn tâm, nên có thể kết luận rằng các điều kiện đàn hồi trong lòng đất được
phân chia xung quanh tâm quả đất theo một quy luật gần như đối xứng. Kết
quả đứng về phương diện nghiên cứu động đất, quả đất được coi như cấu tạo
từ những lớp có dạng xấp xỉ hình cầu đồng tâm với các tính chất cơ lý khác
nhau. Kết luận này cho phép áp dụng lý thuyết đàn hồi vào việc phân tích
sóng địa chấn. [5]
Về mặt lý thuyết, sóng địa chấn phân ra thành sóng dọc, sóng ngang và
sóng mặt. Tuy nhiên trong thực tế, khi một chùm sóng địa chấn gặp một phân
cách giữa các lớp đất có tính chất cơ lý khác nhau sẽ được chuyển thành sóng
phản xạ và sóng khúc xạ.

MÆt ph©n c¸ch
Sãng ph¶n x¹
Sãng ®Þa chÊn
Sãng khóc x¹

Hình 1.2. Sự khúc xạ và phản xạ của sóng địa chấn

17
Vận tốc truyền sóng phản xạ và sóng khúc xạ khác với sóng địa chấn ban
đầu. Đặc biệt sóng khúc xạ có vận tốc tăng (nhờ hiện tượng cộng hưởng) hoặc
giảm (do bị hấp thụ) khi truyền tiếp vào lớp đất sau. Vì những lý do này, tín
hiệu địa chấn khi đến trạm quan sát hoàn toàn mang tính ngẫu nhiên.
1.2 Đánh giá sức mạnh động đất.
Đánh giá và đo sức mạnh của một trận động đất là một vấn đề rất quan
trọng. Trong nhiều thế kỷ qua đã xuất hiện nhiều cách thức đánh giá định tính
và định lượng các chuyển động địa chấn nói riêng và sức mạnh động đất nói
chung. Hiện nay sức mạnh động đất được đánh giá qua hai đại lượng :
- Thang cường độ động đất.
- Thang độ lớn động đất.
1.2.1 Thang cường độ động đất
Thang cường độ động đất biểu thị độ mạnh hoặc sức tàn phá của một
trận động đất lên con người và các công trình xây dựng tại một khu vực cụ thể
nào đó. Các thang cường độ động đất đều được lập ra trên cơ sở cảm giác chủ
quan của con người và các mức độ phá hoại của các công trình xây dựng khi
chịu các chuyển động địa chấn. Chính vì thế chúng mang yếu tố chủ quan và
phụ thuộc vào khoảng cách chấn tâm lẫn chất lượng xây dựng công trình tại
điạ điểm đang xét. Sau đây sẽ trình bày một số thang cường độ động đất chính
hiện đang được sử dụng ở các khu vực khác nhau trên thế giới.
1.2.1.1 Thang Mercalli cải tiến.
Trên cơ sở bổ sung thang đo cường độ động đất do M.S.RoSSi và F.A

Forel đề ra (1883) gồm 10 cấp, năm 1902 nhà địa chấn học người Italia G.
Mercalli đã đề ra thang đo cường độ động đất gồm 12 cấp, đến năm 1931
Wood và New mann đã bổ sung nhiều ý kiến quan trọng cho thang 12 cấp này
và nó được mang tên thang Mercalli cải tiến (viết tắt là thang MM).

18
Thang Mercalli cải tiến đánh giá độ mạnh của động đất dựa hoàn toàn
vào hậu quả của nó tác động đến con người, đồ vật và các công trình xây
dựng. Thang này được chia thành 12 cấp, cung cấp cho chúng ta một hình ảnh
chủ quan về mức độ tác động của một trận động đất lên con người, các đồ vật
và công trình xây dựng tại một địa điểm cụ thể.
Bảng 1.1 Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi (MM).
Cường độ
I
MM
Mô tả tác động động đất
I
Con người không cảm nhận được, chỉ có các địa chấn kế mới ghi
nhận được
II
Một số ít người sống ở các tầng trên của nhà cảm nhận được hoạt
động địa chấn. Các vật treo có thể dao động.
III
Một số người cảm nhận được hoạt động địa chấn giống như rung
động của xe ô tô chạy với tốc độ cao gây ra. Xe ô tô đang đỗ bị
dịch chuyển.
IV
Tất cả mọi người trong nhà cảm nhận được hoạt động địa chấn.
Người đang ngủ bị thức giấc. Ô tô đang đỗ bị dịch chuyển mạnh
V

Tất cả mọi người cảm nhận được hoạt động địa chấn. Đồ đạc và
giường ngủ bị lắc. Đồ sứ bị vỡ. Trần thạch cao bị nứt
VI
Đa số người hoảng sợ chạy ra khỏi nhà. Chuông kêu, con lắc
đồng hồ bị dừng. Trần bằng thạch cao rơi xuống. Ố
ng khói ló
sưởi bị hư hỏng. Nhà bị hư hỏng nhẹ
VII
Tất cả mọi người chạy khỏi nhà. Nhà bị hư hỏng phụ thuộc phụ
thuộc vào chất lượng xây dựng
VIII
Các tường ngăn bị nứt, khung, tượng, tháp chuông bị đổ. Các vết
nứt xuất hiện ở nền đất dốc hoặc ẩm ướt ; đá trên núi rơi xuống.
Lái xe khó chịu

19
IX
Nhà bị dịch chuyển khỏi móng, bị nứt, bị nghiêng, đa số không
sử dụng được. Nền đất bị nứt hở ra. Các đường ống ngầm bị vỡ.
X
Nền đất bị trượt. Đường ray bị uốn cong. Các công trình bằng
khối xây bị đổ. Mặt đất mở ra
XI
Cầu bị đổ. Chỉ có những công trình mới xây không bị đổ nhưng
thường bị hư hỏng nặng
XII
Các công trình do con người tạo ra bị phá hủy hoàn toàn ; địa
hình bị thay đổi, các đứt gãy lớn được tạo ra, các sông nhỏ bị đổi
dòng.

1.2.1.2 Thang MSK-64
Thang cường độ động đất MSK-64 do ba nhà khoa học Medvedew,
Sponhauer và Karnic đề xuất năm 1964. Ngoài việc đánh giá và phân loại tác
động của động đất lên con người, môi trường và các công trình xây dựng gần
tương tự như thang MM nhưng chi tiết và cụ thể hơn, cường độ động đất theo
thang MSK-64 còn được đánh giá qua hàm chuyển vị của một con lắc chuẩn
hình cầu mô tả chuyển động địa chấn. Ở thang cường độ động đất này, trước
hết người ta phân loại hậu quả phá hoại gây ra bởi trận động đất sau đó mới
đánh giá định lượng cường độ chuyển động theo hàm chuyển vị cực đại của
con lắc (bảng 1.2). Ảnh hưởng của chuyển động tức thời của nền đất tới các
công trình xây dựng được biểu thị dưới dạng phổ tác động theo hàm của chu
kỳ riêng và số logarit của lực cản.
Bảng 1.2. Thang cường độ động đất MSK-64
Cấp
Động
Đất
Cường
độ
động đất
Hậu quả tác động động đất
Lên con người
Lên công trình XD
Lên môi
trường

20
I
Không
đáng kể
Không cảm nhận

được


II
Rất nhẹ
Cảm nhận rất nhẹ


III
Nhẹ
Người đang nghỉ
ngơi mới cảm
nhận được


IV
Hơi
mạnh
Những người ở
trong nhà cảm
nhận được
Kính cửa sổ bị rung

V
Tương
đối
mạnh
Những người ở
trong và ngoài
nhà cảm nhận

được, người đang
ngủ thức dậy
Các đồ vật treo đung
đưa, các bức tranh
treo trên tường bị
dịch chuyển

VI
Mạnh
Nhiều người
hoảng sợ
Kết cấu bị hư hỏng
nhẹ, các vết nứt nhỏ ở
lớp trát.
Một vài vết
nứt nhỏ trên
nền đất ướt
VII
Rất
mạnh
Nhiều người chạy
ra khỏi nhà
Hư hỏng lớn ở kết
cấu, xuất hiện vết nứt
ở tường và ống khói
Đất ở các
sườn dốc bị
trượt
VIII
Thiệt hại

Tất cả mọi người
hoảng sợ
Nhà bị hư hại, xuất
hiện vết nứt lớn trong
khối xây, tường chắn
mái và đầu hồi bị đổ
Mực nước
giếng thay
đổi, đường
đắp bị trượt
IX
Thiệt hại
lớn
Sợ hãi
Nhà bị hư hỏng ở
diện rộng, tường và
mái bị đổ
Nền đất bị
nứt, bị trượt

21
X
Cực kỳ
thiệt hại
Sợ hãi bao trùm
Nhà bị hư hỏng toàn
bộ, nhiều nhà bị đổ
Bề mặt đất bị
thay đổi, xuất
hiện nhiều

giếng nước
mới
XI
Hủy diệt
Sợ hãi bao trùm
Các công trình xây
dựng chắc chắn bị hư
hỏng nghiêm trọng

XII
Hủy diệt
toàn bộ
Sợ hãi bao trùm
Nhà và các công trình
xây dựng khác bị đổ
hoàn toàn
Bề mặt đất bị
thay đổi, xuất
hiện nhiều
giếng nước
mới

Phổ tác động động đất được xác định theo biểu thức sau :
χ=X
0
ψ
υ
(1.6)
Trong đó : X
0

thông số đặc trưng cho cường độ động đất, biểu thị chuyển
vị lớn nhất (tính theo mm) của một con lắc hình cầu có chu kỳ dao động riêng
T
1
=0,25 s và số gia logarit của lực cản ∆
0
=0,5. Bảng 1.4 cho ta mối quan hệ
giữa cấp động đất và biên độ X
0
của con lắc chuẩn.
Bảng 1.3. Đặc trưng cấp cường độ động đất theo thang MSK-64
Cấp động đất
V
VI
VII
VIII
IX
X
Biên độ X
0
của
con lắc chuẩn
(mm)
0,5-1,0 1,1-2,0 2,1-4,0 4,1-8,0 8,1-16,0 16,1-32,0


22
υ- hệ số lực cản được xác định theo hàm của số gia logarit lực cản của công
trình ∆

∆
=
2
1
ν
(0,25≤ ∆ ≤2)
ψ- hệ số phổ phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng của công trình, được
xác định như sau.
Khi 0,1s < T < 0,5s ψ = T
2
/T
1
2

Khi 0,5s < T < 1,5s ψ = 2T
2
/T
1
2

Khi 1,5s < T < 2,5s ψ = 12
Bởi vì hệ số phổ ψ của các trận động đất khác nhau rất khác nhau, nên
không thể có hai trận động đất có thành phần phổ giống hệt nhau. Các giá trị
hệ số phổ của Medvedev là các giá trị trung bình thu được từ việc phân tích
80 số đo của các chuyển động địa chấn, phụ thuộc vào các tính chất cơ – lý
không những của nền đất mà còn cả môi trường sóng địa chấn truyền qua.
Trên quan điểm thiết kế công trình, cường độ động đất xác định theo các
thang cường độ ở trên không có ý nghĩa quan trọng. Nguyên nhân chủ yếu
nằm ở chỗ các thang cường độ động đất không cung cấp bất kỳ một thông tin
nào về các thông số liên quan tới chuyển động của nền đất (ví dụ chuyển vị ,

tốc độ, gia tốc cực đại, chu kỳ trội ) cần thiết cho việc tính toán kháng chấn
các công trình xây dựng. Vì lý do này, nhiều nhà khoa học đã cố gắng tìm
cách thiết lập mối quan hệ giữa cấp cường độ động đất với trị số gia tốc cực
đại của chuyển động nền đất. Năm 1981 viện Kiến trúc Nhật Bản (AIJ) đã
thiết lập mối quan hệ giữa các thang MM, MSK-64 và JMA với gia tốc cực
đại của nền a
0
(cm/s) xem (hình 1.3) [2]
Tiêu chuẩn ‘Thiết kế công trình chịu động đất’ của Việt Nam TCXDVN
375 : 2006 cũng đã cho các số liệu chuyển đổi từ cấp cường độ động đất sang
đỉnh gia tốc trên nền đá gốc [6], xem (bảng 1.4)

23
1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 cm/s
2
MM
MSK-64
JMA
a
omax
0 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
0 I II III IV V VI VII
0,5

Hình 1.3. Quan hệ giữa các thang cường độ động đất
và gia tốc nền cực đại
Bảng 1.4. Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất.
Cấp động đất
Đỉnh gia tốc nền (g)

Thang MSK-64
Thang MM
V
0,012 – 0,03
0,03 – 0,04
VI
> 0,03 – 0,06
0,06 – 0,07
VII
> 0,06 – 0,12
0,10 – 0,15
VIII
> 0,12 – 0,24
0,25 – 0,30
IX
>0,24 – 0,28
0,50 – 0,55
X
> 0,48
> 0,60

Trong thực tế, việc thiết lập mối quan hệ giữa gia tốc nền đất với hậu quả
của nó gây ra cho một trận động đất là rất khó chính xác, vì có quá nhiều yếu
tố can thiệp vào: loại và chất lượng công trình, độ dài thời gian xảy ra động
đất, trạng thái tự nhiên của nền đất… chính vì vậy mà người ta nhận thấy
trong thực tế, cùng một gia tốc chuyển động nền nhưng hậu quả lại khác nhau
đối với từng loại công trình khác nhau. Cho nên để đánh giá tác dụng của
động đất lên công trình, cần xem xét đến chu kỳ trội của nền đất và quan hệ
của nó với chu kỳ dao động công trình.
1.2.2 Thang độ lớn động đất.

Thay cho việc đánh giá cường độ động đất thông qua hậu quả của nó,
năm 1935 chuyên gia địa chấn Mỹ Ch. F. Richter đã đề ra thang đo cường độ

24
động đất bằng cách đánh giá gần đúng năng lượng được giải phóng ở chấn
tiêu và vậy nên thang độ lớn động đất mang tên ông
Theo định nghĩa của Richter, độ lớn M của một trận động đất là lô-ga- rit
thập phân của biên độ cực đại A đo bằng micron (µ m) ghi được tại một điểm
cách chấn tâm 100 km bằng một địa chấn kế xoắn do H.O.Wood và J.
Anderson thiết kế. Địa chấn kế này có chu kỳ dao động tự nhiên bằng 0,8 s,
hệ số cản tới hạn 80% và hệ số khuyếch đại tĩnh các sóng 2.800. Hệ số
khuyếch đại tĩnh các sóng là tỷ lệ giữa biên độ đọc trên địa kế và biên độ thực
của chuyển vị nền đất.
M = logA (1.7)
Tuy vậy trong thực tế, địa chấn kế chuẩn không phải lúc nào cũng đặt
cách chấn tiêu 100 km, nên để thiết lập thang đo độ lớn, Richter đã xét mối
quan hệ giữa biên độ cực đại A và khoảng cách chấn tâm L. Richter nhận thấy
rằng các đường cong thể hiện mối quan hệ giữa logA và L gần như song song
với nhau cho 2 trận động đất bất kỳ. Richter đã chọn một đường cong đặc thù
làm chuẩn, độ lớn của một trận động đất là hiệu số giữa biên độ của nó và
biên độ của trận động đất chuẩn được chọn (Richter. 1958).
M = logA- logA
0
(1.8)
Trong đó:
A- biên độ lớn nhất của trận động đất đang xét do địa chấn kế Wood-
Anderson ghi được tại trạm quan trắc (mm);
A
0
- biên độ lớn nhất của trận động đất chuẩn có cùng khoảng cách chấn

tâm (mm).
Quan hệ giữa năng lượng E được giải phóng ở chấn tiêu với độ lớn M
được tính theo công thức:
LogE = 9,9+1,9M-0,024M
2
(1.9)

25
Qua tính toán, tương quan giữa năng lượng E và độ lớn M được cho
trong (bảng 1.5)
Bảng 1.5. Quan hệ giữa năng lượng E và độ lớn M
M
5
6
6,5
7
7,5
8
8,6
E
0,08⋅10
20
2,5⋅10
20

10,1⋅10
20

80⋅10
20

460⋅10
20

2500⋅10
20

20000⋅10
20


Thực ra, về mặt lý thuyết thang Richter bắt đầu con số không và không
có giới hạn trên. Nhưng cho đến nay người ta chưa đo được trận động đất nào
có M đạt đến 9. Các trận động đất mạnh ở Columbia (31/11/1906) và tại
Sanricu Nhật Bản (2/3/1993) cũng chỉ có M=8,9.
Năng lượng được giải phóng ở chấn tiêu được phân chia làm hai phần:
một phần chuyển thành sóng địa chấn; phần còn lại làm biến dạng và phá hủy
môi trường quanh chấn tiêu, gây nứt và trượt đất. Sau khi năng lượng được
giải phóng thì quá trình tích lũy năng lượng lại bắt đầu ở vùng xung yếu tại
vết nứt, và qua khoảng thời gian từ 10 đến 100 năm lại có khả năng xảy ra
động đất. Chính vì vậy, động đất xảy ra có tính chất chu kỳ.
Thang độ lớn M cho chúng ta một tiêu chuẩn khách quan để đánh giá
cường độ các chuyển động địa chấn. Nó đánh dấu một bước tiến quan trọng
trong việc nghiên cứu động đất và hiện nay được sử dụng rộng rãi trên thế
giới.
1.3 Các đặc trưng chuyển động của nền đất.
Khi động đất xảy ra, chuyển động của bất kỳ hạt vật chất nào trong nền
đất đều theo một quỹ đạo phức tạp 3 chiều với gia tốc, vận tốc và chuyển vị
thay đổi nhanh chóng trong một giải tập hợp tần số rộng. Chuyển động nền
đất mạnh này được đo và ghi lại dưới dạng các đồ thị bằng một loại địa chấn

kế có biên độ lớn. Từ các đồ thị gia tốc, vận tốc và chuyển vị biến thiên theo
thời gian ghi được từ các trận động đất khác nhau chúng ta thấy rằng chuyển