Hệ số ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép dùng trong tính toán tác động động đất lên công trình xây dựng

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO

Bộ XÂY DựNG

VIệN KHOA HOC CÔNG NGHệ XÂY DựNG VIệT NAM

Lê trung phong

Hệ Số ứNG Xử CủA KếT CấU Bê Tông Cốt
Thép DùNG TRONG TíNH TOáN TáC ĐộNG
ĐộNG ĐấT LÊN CÔNG TRìNH XÂY DựNG

LUậN áN TIÕN Sü Kü THUËT

Hµ néi - 2011


Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO

Bộ XÂY DựNG

VIệN KHOA HOC CÔNG NGHệ XÂY DựNG VIệT NAM
-----***-----

Lê trung phong

Hệ Số ứNG Xử CủA KếT CấU Bê Tông Cốt Thép
DùNG TRONG TíNH TOáN TáC ĐộNG ĐộNG ĐấT
LÊN CÔNG TRìNH XÂY DựNG

Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

M số: 62.58.20.01

LUậN áN TIÕN Sü Kü THT
NG¦êI H¦íNG DÉN KHOA HäC
1. PGS. TS. Nguyễn Lê Ninh
2. PGS. TS. Nguyễn Xuân Chính

- Trờng Đại học xây dựng Hà nội
- Viện khoa học công nghệ xây dựng

Hà nội - 2011


LờI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Lê Trung Phong
Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nghiên cứu trong luận án là trung thực và cha đợc công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Hà nội, ngày 12 tháng 3 năm 2011
Ngời cam đoan

NCS. Lê Trung Phong


LờI CảM ƠN
Luận án này đợc thực hiện tại Viện khoa học công nghệ xây dựng - Bộ
xây dựng với sự hớng dẫn của PSG. TS. Nguyễn Lê Ninh và PSG. TS. Nguyễn
Xuân Chính.
Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đà đợc giúp đỡ tận tình của các giáo
viên hớng dẫn, sự động viên, tạo điều kiện giúp đỡ của Phòng thí nghiệm công

trình, Phòng động đất - Viện chuyên ngành kết cấu xây dựng, Phòng đào tạo và
thông tin, Phòng tổ chức cán bộ - Viện KHCN Xây dựng, Trờng ĐHXD và nhiều
tập thể, cá nhân khác nữa. Nhân dịp này tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn chân
thành và sâu sắc tới các thầy, các cô, lÃnh đạo viện KHCN xây dựng và phòng
thí nghiệm công trình, phòng động đất, các bạn đồng nghiệp và đặc biệt là gia
đình tôi đà đóng góp cho sự thành công của luận án.

NCS. Lê Trung Phong


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

Chơng I

Quan niƯm thiÕt kÕ míi vµ hƯ sè øng xư trong
tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

1.1 Quan niệm mới trong thiết kế công trình chịu động đất

1.1.1 Đặt vấn đề
Mục tiêu cơ bản của việc thiết kế các công trình chịu động đất là bảo vệ
sinh mạng con ngời và của cải vật chất xà hội. Con ngời sống và làm việc
trong các công trình xây dựng; của cải vật chất xà hội chính là bản thân các
công trình xây dựng và các tài sản khác nằm trong các công trình xây dựng.
Do vậy theo quan niệm trớc đây, để thực hiện đợc mục tiêu trên các công
trình xây dựng không đợc phép bị phá hoại khi động đất xẩy ra. Nh vậy
theo cách thiết kế này, sinh mạng con ngời và của cải vật chất xà hội đợc

bảo vệ gián tiếp thông qua việc bảo vệ công trình xây dựng. Các công trình
xây dựng đợc thiết kế với tác động đất lớn nhất dự kiến sẽ xẩy ra tại địa điểm
xây dựng và làm việc hoàn toàn trong miền đàn hồi.
Khi thiết kế các công trình chịu động đất, độ lớn tác động động đất là một
yếu tố có độ tin cậy rất thấp. Giá trị lớn nhất của tác động động đất dự kiến sẽ
xẩy ra trong thời gian sử dụng công trình chủ yếu đợc xác định trên cơ sở
các số liệu rất hạn chế và những thông tin rất đáng ngờ thu thập đợc từ lịch
sử địa chấn trong vùng đang xét. Nh vậy tính xác thực của nó phụ thuộc độ
tin cậy của các kết quả nghiên cứu dự báo động đất sẽ xẩy ra tại địa điểm xây
dựng. Sau nhiều trăm năm nỗ lực nghiên cứu, con ngời đà phải tạm thời
chấp nhận thất bại trong việc dự báo động đất, đặc biệt trong các vấn đề về
dự báo thời gian, địa điểm và độ lớn các trận động đất sẽ xẩy ra. Các kết quả
thống kê cho thấy, các thiệt hại về sinh mạng con ngời và kinh tế do động
đất gây ra trên thế giới trong các năm nửa cuối thế kỷ XX vô cùng lớn và tăng
lên một cách nhanh chóng [22][55]. Mặt khác, qua quan sát và nghiên cứu hệ
quả của tác động động đất lên các công trình xây dựng các nhà khoa học

15


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

nhận thấy rằng có rất nhiều công trình đợc thiết kế theo các tiêu chuẩn thiết
kế hiện hành không bị sụp đổ, thậm chí không bị các h hại nghiêm trọng khi
chịu các tác động động đất lớn hơn rất nhiều so với dự kiến [30][13][2]. Các
nhà khoa học đà tìm ra lời giải thích từ các yếu tố cha đợc xét tới trong các
phơng pháp xác định tác động động đất cũng nh tính toán kháng chấn

công trình, đó là khả năng xuất hiện biến dạng dẻo và phân tán năng lợng
trong hệ kết cấu chịu lực lẫn không chịu lực của công trình. Nh vậy, việc thiết
kế các công trình chịu động đất chỉ làm việc trong giai đoạn đàn hồi theo
quan niệm trên cho thấy hoàn toàn không hợp lý và không kinh tế.
Để ngăn ngừa và giảm thiểu đến mức tối đa các tác hại do động đất gây
ra, trong những thập niên cuối cùng của thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI cách
thức thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng đà có một sự thay đổi cơ
bản. Theo đó, mục tiêu của việc thiết kế kháng chấn công trình đợc chuyển
từ việc bảo vệ công trình sang bảo vệ trực tiếp sinh mạng con ngời và của
cải vật chất xà hội. Với mục tiêu này, khi động đất xẩy ra các công trình xây
dựng không nhất thiết chỉ làm việc đàn hồi mà có thể làm việc sau giới hạn
đàn hồi miễn là không bị sụp đổ. Sụp đổ ở đây đợc hiểu theo nghĩa là trạng
thái khi những ngời sống trong nhà không thể chạy thoát ra ngoài do một sự
cố nghiêm träng ë hƯ kÕt cÊu chÞu lùc chÝnh.
Cïng víi sù ph¸t triĨn nhanh chãng cđa cđa khoa häc kü tht, các kết
quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong lĩnh vực xây dựng công trình
ngày càng cho thấy một cách rõ ràng rằng vấn đề mấu chốt trong việc thiết
kế các công trình chịu động đất là giải quyết bài toán năng lợng. Để cho
công trình có thể làm việc tốt dới tác động động đất, nó phải có khả năng
hấp thụ và phân tán lợng năng lợng động đất đợc chuyển đến cho nó. Sự
hiểu biết một cách đầy đủ nguyên lý cân bằng năng lợng đơn giản này chính
là chìa khoá để giải quyết vấn đề thiết kế có hiệu quả các công trình xây dựng
chịu động đất.
1.1.2 Các mục tiêu thiết kế và cách thức đạt đợc mục tiêu thiết kế
Để làm rõ cách thức thiết kế theo quan niệm mới, ta xét ví dụ đơn gi¶n
sau [36][2].
Mét hƯ kÕt cÊu cã mét bËc tù do động (BTDĐ) với khối lợng m và độ
cứng k, dao động tự do không lực cản dới tác động động đất biểu thị qua gia
tốc nền &x&0 (t ) (hình 1.1). Giả thiết rằng hệ kết cấu đợc thiết kế để có khả
năng chịu lực F1u và phản ứng một cách hoàn toàn đàn hồi dới tác động

động đất với đồ thị lực - chuyển vị nh trong hình 1.1a. Lóc ®éng ®Êt xÈy ra,

16


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

lực quán tính lớn nhất tác động lên khối lợng m của hệ kết cấu có giá trị Fe <
F1u. Khi khối lợng của hệ kết cấu đạt chuyển vị e, thế năng tích luỹ trong hệ
kết cấu dới dạng năng lợng biến dạng đợc biểu thị qua diện tích tam giác
OBF đúng bằng động năng của nó. Lúc này, do tốc độ chuyển động bằng
không nên lực phục hồi này sẽ làm cho hệ kết cấu chuyển động về phía
hớng ngợc lại, gây ra dao động với biên độ không đổi.


F

m

..x (t)

F1u

0

B

Fe

k
F

0

t

e

a)

-Fe


F

m

..x (t)

F1u
Fe

0

k
Khớp dẻo

Hình 1.1

b)

A

Fy = F2u
0

t



G

y

D

E

u



Phản ứng của các hệ kết cấu có một BTDĐ chịu tác động động đất:
a) Phản ứng đàn hồi; b) Phản ứng đàn hồi - dẻo.

Nếu giả thiết hệ kết cấu đợc thiết kế với một khả năng chịu lực F2u nhỏ
hơn nhiều so với F1u, khi lực tác động đạt tới giá trị Fy = F2u < Fe ë ch©n cđa hƯ

kÕt cÊu sẽ hình thành một khớp dẻo (bị phá hoại theo quan niệm của cách
thiết kế thông thờng) (hình 1.1b). Tại điểm A, khi nội lực đạt tới giá trị F2u kết
cấu không thể chịu lực thêm nữa nhng có thể tiếp tục biến dạng dới tác
động của lực Fy theo đờng AD và đạt tới giá trị lớn nhất u tại điểm D (u
đợc giả thiết nhỏ thua khả năng biến dạng của khớp dẻo). Trong trờng hợp
này, thế năng lớn nhất tích luỹ trong hệ kết cấu khi đạt tới chuyển vị ngang u
đợc biểu thị qua diện tích hình thang OADE. Khi trở lại vị trí cân bằng ban
đầu, phần năng lợng chuyển thành động năng đợc biểu thị qua diện tích
hình tam giác DEG, trong khi phần năng lợng biểu diễn qua diện tích hình
bình hành OADG đợc phân tán qua khớp dẻo dới dạng nhiệt, ma sát và các
dạng năng lợng khác không thu hồi đợc.

17


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

Nh vậy, từ chu kỳ này sang chu kỳ khác ở hệ kết cấu đàn hồi (hình 1.1a)
có sự liên tục chuyển đổi qua lại giữa động năng và thế năng, còn ở hệ kết
cấu đàn hồi dẻo (hình 1.1b) chỉ một phần thế năng đợc chuyển thành động
năng, phần lớn năng lợng đợc tiêu tán qua biến dạng dẻo. Qua vÝ dơ nµy ta
thÊy mét hƯ kÕt cÊu cã thĨ chịu tác động động đất theo một trong hai cách
sau:
- Cách thứ nhất: bằng khả năng chịu một lực tác động lớn (Fe) nhng phải
làm việc trong giới hạn đàn hồi, hoặc:
- Cách thứ hai: bằng khả năng chịu một lực tác động bé hơn (Fy< Fe)
nhng phải có khả năng biến dạng dẻo kèm theo.

Cách thứ nhất là cách thiết kế theo quan niệm trớc đây, đáp ứng các yêu
cầu bảo vệ công trình, còn cách thứ hai là cách thiết kế theo quan niệm mới,
đáp ứng các yêu cầu bảo vệ trực tiếp sinh mạng con ngời và của cải vật chất
xà hội. Nh vậy, khác với cách thiết kế thứ nhất, công trình xây dựng đợc
thiết kế theo cách thứ hai làm việc sau giai đoạn đàn hồi, chấp nhận các biến
dạng lớn (nhng không sụp đổ) ở hệ kết cấu chịu lực chính khi chịu các trận
động đất mạnh hoặc rất mạnh.
Hiện nay các tiêu chuẩn thiết kế của các nớc trên thế giới, trong đó có
tiêu chuẩn TCXDVN 375 :2006 [16][38] đều chọn cách thứ hai khi thiết kế các
công trình xây dựng trong các vùng động đất từ trung bình trở lên. Cách thứ
nhất chỉ thích hợp cho việc thiết kế các công trình xây dựng trong các vùng
động đất rất yếu. Chúng ta có thể thiết kế các công trình chịu đợc các trận
động đất mạnh và rất mạnh mà không bị h hỏng (cách thứ nhất), nhng
trong đa số các trờng hợp việc thiết kế nh vậy sẽ làm cho các cấu kiƯn cã
kÝch th−íc qu¸ lín trong khi x¸c st xt hiện những trận động đất mạnh
thờng rất thấp.
1.1.3 Các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế công trình chịu động
đất theo quan niệm mới.
Các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế các công trình chịu động đất theo
quan niệm mới (theo cách thứ hai) có thể tóm lợc dới dạng các yêu cầu sau
thông qua các trạng thái giới hạn của chúng [22][7]:
a) Trạng thái giới hạn làm việc : Công trình phải chịu đợc các trận động
đất yếu thờng hay xẩy ra mà không bị bất cứ h hỏng nào ở kết cấu chịu lực
lẫn không chịu lực. Công trình vẫn hoạt động bình thờng, kể cả các thiết bị
bên trong công trình. Điều này có nghĩa là, trong thời gian động đất yếu tất cả
các bộ phận kết cấu tạo nên công trình phải làm việc trong giới hạn đàn hồi.

18

Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

b) Trạng thái giới hạn cuối cùng hoặc trạng thái giới hạn kiểm soát h
hỏng: Công trình phải chịu đợc các trận động đất có độ mạnh trung bình với
các h hỏng rất nhẹ có thể sửa chữa đợc ở các bộ phận kết cấu chịu lực,
cũng nh ở các bộ phận không chịu lực.
c) Trạng thái giới hạn sụp đổ hoặc trạng thái giới hạn tồn tại. Đối với đại
đa số các công trình xây dựng, khi xẩy ra động đất mạnh hoặc rất mạnh cho
phép xuất hiện những h hỏng lớn ở hệ kết cấu chịu lực và các thiết bị bên
trong. Trong một số trờng hợp, những sự h hỏng này có thể không sửa
chữa đợc nhng công trình không đợc phép sụp đổ.
Các công trình đợc thiết kế theo các nguyên tắc cơ bản trên phải có một
độ cứng, độ bền và độ dẻo thích hợp nhằm đảm bảo trong trờng hợp động
đất xẩy ra sinh mạng con ngời đợc bảo vệ, các h hỏng đợc hạn chế và
những công trình quan trọng có chức năng bảo vệ c dân (bệnh viện, trạm
cứu hoả, cảnh sát...) vẫn có thể duy trì hoạt động. Trong trờng hợp các trận
động đất yếu, kết cấu cần phải đảm bảo đủ độ cứng để cho các phần kiến
trúc của công trình bị h hỏng ít nhất. Đối với các trận động đất trung bình, độ
bền cho phép giới hạn các h háng ë hƯ kÕt cÊu chÞu lùc. Ci cïng khi kết
cấu chịu tác động của các trận động đất mạnh hoặc rất mạnh, độ dẻo cho
phép công trình có các chuyển vị không đàn hồi lớn nhng không bị sụp đổ,
đảm bảo cho những ngời sống trong nhà có thể thoát ra ngoài.
Các nguyên tắc thiết kế theo quan điểm mới trình bày ở trên đợc tóm
lợc trong bảng 1.1 [22].
Bảng 1.1.
Trạng
thái giới

hạn
Làm việc
bình
thờng
Kiểm
soát h
hỏng
Ngăn
ngừa sụp
đổ

Đặc
tính kết
cấu
Độ
cứng
Độ bền
Độ dẻo

Các yêu cầu thiết kế công trình chịu động đất
Trạng tháI
kết cấu
H hỏng
không
đáng kể
H hỏng
có thể sửa
chữa đợc
Không sụp
đổ

Trạng thái
kinh tế - xÃ
hội
Hoạt động
không gián
đoạn
Thiệt hại kinh
tế hạn chế
Sinh mạng
con ngời
đợc bảo vệ

Phản ứng
kết cấu

Nguy cơ động đất
Nguy cơ Chu kỳ lặp
(năm)
Phản ứng
Thờng
~ 75 ữ 200
đàn hồi
hay xẩy
ra
~ 400 ữ
Phản ứng
Thỉnh
đàn hồi thoảng
500

dẻo hạn chế xẩy ra
Phản ứng
Rất ít khi ~ 2000 ữ
đàn hồi dẻo xẩy ra
2500
lớn

1.1.4 Quan niệm thiết kế mới và các nguyên tắc cơ bản của việc
thiết kế công trình chịu động đất theo tiêu chuẩn TCXDVN
375:2006 [16]
Trong tiêu chuẩn của Việt Nam Thiết kế công trình chịu động ®Êt”
TCXDVN 375:2006 [16], quan niƯm thiÕt kÕ míi cịng nh− các nguyên tắc cơ

19


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

bản của việc thiết kế công trình chịu động đất trình bày ở trên đợc thể hiện
dới dạng hai yêu cầu cơ bản và hai tiêu chí tơng hợp kèm theo.
1.1.4.1 Các yêu cầu cơ bản.
Theo TCXDVN 375 :2006, việc thiết kế các công trình xây dựng chịu động
đất ở Việt Nam đợc thực hiện theo hai cấp với các mục tiêu công năng (yêu
cầu) sau:
1. Yêu cầu không sụp đổ
Yêu cầu không sụp đổ nhằm bảo vệ sinh mạng con ngời dới tác động
động đất ít khi xẩy ra (động đất mạnh hoặc rất mạnh). Để thực hiện đợc yêu

cầu này, các công trình xây dựng phải đợc thiết kế và thi công để chịu đợc
các tác động động đất thiết kế mà không bị sụp đổ toàn bộ hoặc một phần,
đồng thời giữ đợc tính nguyên vẹn và một phần khả năng chịu tải của nó sau
khi động đất xẩy ra. Điều này cũng có nghĩa là kết cấu bị h hỏng nghiêm
trọng và có thể có biến dạng d vừa phải nhng vẫn giữ đợc khả năng chịu
tải trọng đứng và vẫn còn đủ độ bền ngang và độ cứng để bảo vệ sinh mạng
con ngời, thậm chí ngay cả khi có các d chấn mạnh. Việc sửa chữa các
công trình trong trờng hợp này có thể không kinh tế.
2. Yêu cầu hạn chế h hỏng
Yêu cầu hạn chế h hỏng nhằm giảm thiểu thiệt hại tài sản thông qua
việc hạn chế h hỏng ở bộ phận kết cấu chịu lực và không chịu lực trong các
trận động ®Êt th−êng hay xÈy ra (®éng ®Êt u hc trung bình). Để thực hiện
đợc yêu cầu này, các công trình xây dựng phải đợc thiết kế và thi công để
chịu đợc tác động động đất có xác suất xẩy ra lớn hơn so với tác động động
đất thiết kế mà không bị các h hỏng và hạn chế sử dụng kèm theo với những
chi phí khắc phục có thể lớn hơn một cách bất hợp lý so với giá thành bản
thân công trình. Bản thân kết cấu cũng nh các cấu kiện thành phần của nó
không có các biến dạng ngang d, độ cứng và độ bền của chúng đợc bảo
toàn gần nh hoàn toàn. Các cấu kiện không chịu tải có thể bị một số h
hỏng nhng có thể sửa chữa dễ dàng và kinh tế sau động đất.
Nh vậy, đi kèm theo hai cấp công năng (hai trạng thái giới hạn hoặc hai
yêu cầu) trên là hai cấp tác động động đất. Tác động động đất cho cấp ngăn
ngừa sụp đổ đợc gọi là tác động động đất thiết kế, còn cho cấp hạn chế h
hỏng thờng đợc gọi là tác động động đất làm việc.
(i) Tác động động đất thiết kế là tác động động đất có xác suất vợt quá
quy ớc PNCR = 10% trong 50 năm, hoặc một chu kỳ lặp quy ớc trung bình
TNCR = 475 năm.

20

Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

(ii) Tác động động đất làm việc là tác động động đất có xác suất vợt quá
PDLR = 10% trong 10 năm hoặc chu kỳ lặp trung bình TDLR = 95 năm.
1.1.4.2 Các tiêu chí tơng hợp kèm theo.
Để thoả mÃn hai yêu cầu cơ bản (hai cấp công năng) trên, tiêu chuẩn
TCXDVN 375:2006 quy định cần phải kiểm tra các trạng thái giới hạn sau :
1. Các trạng thái giới hạn cực hạn
Các trạng thái giới hạn cực hạn là các trạng thái liên quan tới sự sụp đổ
hoặc các dạng h hỏng khác của công trình có thể gây nguy hiểm tới sự an
toàn của con ngời. ở trạng thái giới hạn này, công trình đợc kiểm tra về khả
năng chịu lực và phân tán năng lợng, về ổn định chống lật và chống trợt, về
khả năng chịu lực của hệ móng và nền đất dới móng, về ảnh h−ëng cđa hiƯu
øng bËc hai vµ vỊ sù lµm viƯc của các bộ phận không chịu tải.
2. Các trạng thái hạn chế h hỏng.
Tác động động đất làm cho các cấu kiện chịu lực bị biến dạng. Sự biến
dạng quá mức sẽ làm cho các cấu kiện chịu lực lẫn không chịu lực trong công
trình bị h hỏng. Do đó, khác với cách thiết kế theo trạng thái giới hạn không
sụp đổ dựa trên cơ sở độ lớn của lực tác động, các tiêu chí dùng để kiểm tra
trạng thái giới hạn hạn chế h hỏng lại dựa trên cơ sở biến dạng. Ví dụ để hạn
chế các h hỏng ở các cấu kiện không chịu lực trong công trình, điều kiện
kiểm tra là giới hạn chuyển vị ngang tơng đối giữa các tầng.
1.1.4.3. Các biện pháp cụ thể riêng.
Các biện pháp cụ thể riêng liên quan tới: thiết kế, móng và kế hoạch đảm
bảo chất lợng công trình xây dựng. Các biện pháp cụ thể riêng cần phải
đợc xét tới nhằm hạn chế những điểm còn đáng ngờ liên quan tới sự làm

việc của các hệ kết cấu dới tác động động đất thiết kế và làm cho công trình
có một phản ứng có lợi dới tác động động đất mạnh hơn tác động động đất
đợc xét tới theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn.
Quan niệm mới trong thiết kế kháng chấn các công trình xây dùng cịng
nh− sù kh¸c biƯt so víi quan niƯm thiÕt kế trớc đây đợc thể hiện tóm tắt
trong hình 1.2 [11]

21


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất
Thiết kế Công trình chịu động đất

Tác
động
động
đất
lớn
nhất

Quan niệm cũ

Quan niệm mới

Bảo vệ công trình

Bảo vệ sinh mạng con

ngời và tài sản xà hội

Yêu cầu độ bền
Thiết kế để đảm
bảo khả năng chịu lực
Kết cấu làm việc đàn hồi
Khả năng chịu lực cao

Tác
động
động
đất
thiết
kế

Yêu cầu không sụp đổ

Yêu cầu hạn chế h hỏng

Thiết kế để tiêu tán năng
lợng và có độ dẻo lớn

Thiết kế để có phản ứng

Kết cấu làm
việc đàn hồi dẻo

Chuyển vị ngang hạn chế

Khả năng chịu lực cao

đàn hồi dẻo hạn chế

Tác
động
động
đất
làm
việc

Khả năng biến dạng dẻo cao

Hình 1.2. Các quan niệm thiết kế công trình chịu động đất
1.2 Hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu
động đất

1.2.1 Định nghĩa hệ số ứng xử và các khái niệm cơ bản
Nh phần trên đà trình bày, hiện nay các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn
của các nớc trên trên thế giới, trong đó có tiêu chuẩn TCXDVN 375 :2006
đều chọn cách thiết kế để công trình làm việc sau giai đoạn đàn hồi (cách thứ
hai) khi chịu các trận động đất mạnh hoặc rất mạnh. Khi thiết kế theo cách
thứ hai, lực động đất tác động lên công trình đợc giảm xuống K lần so với khi
thiết kế cho chính công trình đó nhng với giả thiết làm việc đàn hồi (cách thứ
nhất). Nh vậy, hệ số K biểu thị tỷ số giữa lực Fe tác động lên hệ kết cấu đợc
thiết kế theo cách thứ nhất (làm việc đàn hồi - hình 1.1a) và lực F2u biểu thị
khả năng chịu lực của hệ kết cấu đợc thiết kế theo cách thứ hai (làm việc
đàn hồi dẻo - h×nh 1.1b):

K=

Fe
F2u

(1.1)

HƯ sè K cã ý nghÜa nh− mét hƯ số giảm lực quán tính tác động lên hệ kết
cấu làm việc đàn hồi, và tơng đơng với nó là giảm các nội lực phát sinh
trong hệ kết cấu. Do đó hệ số này còn đợc gọi là hệ số giảm lực tác động.
Trong các tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất của châu Âu
(EN:1998-1-1:2004 [34]) và Việt Nam (TCXDVN 375:2006 [16]) hệ số này
đợc gọi là hệ số ứng xử, ký hiệu là q; còn trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng
chấn của các nớc Bắc Mỹ (Hoa kỳ, Canada) và nhiều nớc khác hệ số này
đợc gọi là hệ số giảm lực tác động hoặc hệ số điều chỉnh phản ứng, ký hiệu
là R [49][54][38][55][59].

22


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

Điều kiƯn ®Ĩ cã thĨ dïng hƯ sè øng xư q (hoặc R) trong thiết kế các công
trình chịu động đất là hệ kết cấu đợc thiết kế phải có khả năng biến dạng
dẻo kèm theo (đờng AD ở hình 1.1b). Do đó hệ số này còn biểu thị khả năng
hấp thụ và tiêu tán năng lợng của hệ kết cấu khi chịu tác động động đất. Hệ
số số ứng xử q, hoặc giảm tải R có một ý nghĩa và vai trò hết sức quan trọng
trong thiết kế các công trình chịu động đất theo quan niệm mới. Giá trị của hệ
số này phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau, trong đó ba yếu tố sau

đây có ý nghĩa quyết định :
- loại vật liệu sử dụng (bê tông, thép, gỗ, gạch, đá ...),
- loại hệ kết cấu chịu lực (khung, tờng, lõi, hỗn hợp...),
- khả năng biến dạng dẻo của hệ kết cấu lẫn các cấu kiện thành phần.
Vì vậy, việc quyết định giá trị hệ sè øng xư b»ng bao nhiªu cho mét hƯ kÕt
cÊu nào đó và các biện pháp thiết kế kèm theo bao gồm các quy định về vật
liệu, hệ kết cấu, quy trình thiết kế, phơng pháp tính toán, chi tiết cấu tạo các
bộ phận kết cấu... để bảo đảm cho hệ kết cấu đợc thiết kế có đợc khả năng
biến dạng dẻo tơng ứng với hệ số q đà chọn là nội dung chủ yếu của các
tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại.
Trong tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 375:2006, giá trị các hệ số ứng xử q
đợc lấy theo tiêu chuẩn châu Âu EN 1998-1-1:2004 [34]. Do đó, việc nghiên
cứu để hiểu rõ hệ số này một cách cặn kẽ, từ các giá trị thực tế của chúng tới
các yếu tố ảnh hởng, cũng nh các quy định cụ thể để đảm bảo cho hệ kết
cấu có đợc hệ số ứng xử này khi sử dụng để thiết kế các công trình chịu
động đất ở Việt Nam là rất cần thiết.
Hệ số ứng xử q và các biện pháp thiết kế để có đợc hệ số ứng xử này, có
ý nghĩa quyết định tới mức độ an toàn và kinh tế của công trình đợc thiết kế.
Việc làm rõ các cơ sở khoa học của quyết định đa hệ số ứng xử q của tiêu
chuẩn thiết kế kháng chấn châu Âu (EN 1998-1-1 :2004) vào áp dụng ở Việt
Nam là một vấn đề hết sức quan trọng. Để thấy rõ đợc tính phức tạp của hệ
số ứng xử hoặc giảm lực tác động, phần sau đây sẽ giới thiệu một cách tổng
quan các hệ số này trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của một số
nớc trên thế giíi.
1.2.2 HƯ sè øng xư cđa c¸c kÕt cÊu BTCT trong các tiêu chuẩn thiết
kế các công trình chịu động ®Êt trªn thÕ giíi.
Nh− ®· ®· ®Ị cËp tíi ë trên, giá trị hệ số ứng xử q hoặc R sử dụng trong
thiết kế các công trình chịu động đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố rất khác
nhau. Do vậy, tùy thuộc vào đặc tính của các vật liệu xây dùng, c¸c hƯ kÕt

23


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

cấu thông dụng đợc sử dụng và đặc biệt là cách thức cấu tạo các cấu kiện
(để tạo ra khả năng biến dạng dẻo cần thiết) mà các tiêu chuẩn thiết kế khác
nhau đa ra các quy định khác nhau về hệ số ứng xử q (hoặc R) đợc phép
sử dụng trong phạm vi mỗi quốc gia. Phần sau đây sẽ ®Ị cËp tíi hƯ sè øng
xư q (hc R) cđa các kết cấu BTCT quy định trong một số các tiêu chuẩn
thiết kế ở các khu vực khác nhau trên thế giới.
1.2.2.1 Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất của Việt nam
(TCXDVN 375: 2006) [16] và của Châu Âu (EN 1998-1-1:2004)[34].
Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 và EN 1998-1-1:2004 định nghĩa hệ số
ứng xử q là tỷ số gần đúng giữa lực động đất mà kết cấu phải chịu khi giả thiết
phản ứng của nó hoàn toàn đàn hồi với độ cản nhớt = 5% và lực động đất
đợc dùng để thiết kế kết cấu theo một mô hình phân tích đàn hồi quy ớc mà
vẫn tiếp tục đảm bảo cho kết cấu một phản ứng thoả mÃn các yêu cầu đặt ra.
Giá trị giới hạn trên của hệ số ứng xử q trong đó có xét tới ảnh hởng của độ
cản nhớt khác 5% của nhà BTCT ứng với các cấp độ dẻo khác nhau đối với
các tác động động đất theo phơng ngang đợc xác định theo biểu thức sau
cho mỗi hớng tính toán:
q = q0kW 1,5

(1.2)

trong đó:

q0 - giá trị cơ bản của hệ số ứng xử, phụ thuộc vào loại kết cấu sử dụng và
tính đều đặn trên chiều cao của công trình. Đối với các công trình nhà
đều đặn trên chiều cao, giá trị q0 đợc xác định theo bảng 1.2.
kW - hệ số phản ánh dạng phá hoại chiếm u thế trong hệ kết cấu có
tờng chịu lực.
Bảng 1.2

Các giá trị cơ bản của hệ số ứng xử q0
đối với các hệ kết cấu BTCT đều đặn trên chiều cao

Loại kết cấu

Cấp dẻo trung bình

Cấp dẻo cao

(DCM)

(DCH)

3,0u/1

4,5u/1

Hệ tờng chịu lực không ghép

3,0

4,0u/1

Hệ dễ xoắn (Hệ lõi)

2,0

3,0

Hệ con lắc ngợc

1,5

2,0

Hệ khung, hệ hỗn hợp, hệ tờng ghép

Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 và EN 1998-1-1:2004 lu ý tới một số vấn
đề sau khi xác định hƯ sè øng xư q0:

24


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

1) Đối với các nhà không đều đặn trên chiều cao, hệ số q0 đợc giảm
xuống 20%;
2) Tỷ số u/1 biểu thị sự vợt độ bền của hệ kết cấu do d thừa liên kết.
Trờng hợp hệ số u/1 không đợc xác định bằng tính toán, đối với nhà có
tính đều đặn trong mặt bằng có thể lấy các giá trị gần đúng của u/1 nh

sau:
a) Hệ khung hoặc hệ hỗn hợp tơng đơng hệ khung:
- Nhà một tầng : u/1 = 1,1
- Các hệ khung một nhịp nhiều tầng : u/1 = 1,2
- Các hệ khung nhiều nhịp, nhiều tầng hoặc kết cấu hỗn hợp tơng
đơng hệ khung : u/1 = 1,3
b) Hệ tờng hoặc hệ kết cấu hỗn hợp tơng đơng với tờng:
- Các hệ tờng chỉ có hai tờng không ghép theo từng phơng ngang :
u/1 = 1,0
- Các hệ tờng không ghép khác : u/1 = 1,1
- Hệ kết cấu hỗn hợp tơng đơng tờng hoặc hệ tờng ghép: u/1=
1,2
Đối với các nhà không có tính đều đặn trong mặt bằng, các trị số u/1 khi
không xác định qua tính toán có thể sử dụng giá trị gần đúng là trung bình
của 1,0 và các giá trị cho ở trên. Giá trị u/1 lớn nhất dùng trong thiết kế là
1,5 kể cả khi phân tích đẩy dần cho kết quả lớn hơn.
3) Giá trị q0 cho các hệ con lắc ngợc có thể lấy tăng lên, nếu ứng với giá
trị đó có thể đảm bảo đợc rằng trong vùng tới hạn của kết cấu có sự phân
tán năng lợng lớn hơn.
4) Cho phép tăng giá trị q0 nếu có một kế hoạch đảm bảo chất lợng đặc
biệt đợc áp dụng vào thiết kế, cung ứng vật t và thi công ngoài các hệ
thống kiểm soát chất lợng thông thờng. Giá trị đà tăng lên này không đợc
vợt quá 20% so với các giá trị đà cho trong bảng 1.2.
1.2.2.2 Tiêu chuẩn thiết kế công trình chống động đất (PS-92) và
Kiến nghị của Hiệp hội xây dựng công trình chống động đất
(AFPS 90) của Pháp [56][58]
Trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất PS-92 cũng nh kiến
nghị của Hiệp hội xây dựng công trình chống động đất (AFPS 90) của Pháp,
hệ số ứng xử q đợc định nghĩa là tỷ số giữa lực mà kết cấu làm việc hoàn
toàn đàn hồi có thể chịu và lực mà hệ kết cấu thực chịu đối với cùng một biến

dạng. Các giá trị cơ sở của hệ số ứng xử q đợc cho trong bảng 1.3. Các giá
25


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

trị trong bảng 1.3 dùng cho các công trình thuộc cấp dẻo II. Đối với các công
trình thuộc cấp dẻo I, hệ số ứng xử q lấy bằng 60%, còn đối với công trình
thuộc cấp dẻo III, hệ số q lấy tăng thêm 20% các giá trị cho trong bảng 1.3.
Bảng 1.3 HƯ sè øng xư q theo tiªu chn PS-92 và kiến nghị của AFPS 90
Loại kết cấu

Nhà đều

Nhà đều đặn

Nhà không

đặn qi

trung bình

đều đặn

1

Nhà tờng chịu lực

3,5

0,85q1

0,7q1

2

Nhà khung chịu lực

5

0,85q2

0,7q2

3

a - Hệ khung chèn gạch (xây sau)

1,5 ữ 2

0,85q3a

0,7q3a

b - Tờng gạch chịu lực có giằng

2,5

0,85q3b

0,7q3b

3

0,85q3c

0,7q3c

c - Tờng gạch chịu lực có cốt thép
và đợc giằng
4

Nhà có kết cấu hỗn hợp (Khung - Nội suy giữa các giá trị 1, 2 hoặc 3
tờng BTCT hoặc tờng gạch chịu theo biểu thức:
lực)

5

(Ti qi )
2
Ti

2

1
=
q

Các kết cấu dạng công xôn thẳng
đứng có khối lợng chủ yếu phân bố

3

0,85q5

0,7q5

đều
6

Kết cấu dạng con lắc ngợc

-

-

0,7q1,2,4 hoặc 5

Ghi chú: Khi chu kỳ T nhá h¬n 0,05 s thay thÕ q b»ng q' = 1 + 20(q - 1)T.

1.2.2.3

Tiêu chuẩn thiết kế nhà cđa Mü - UBC 1997
(1997 Uniform Building Code) [54]

Trong tiªu chuẩn UBC - 1997, hệ số ứng xử đợc gọi là hệ số giảm lực tác
động và ký hiệu là R. Hệ số R biểu thị khả năng biến dạng dẻo tổng thể và

vợt độ bền của các hệ kết cấu chịu động đất. Hệ số R của các hệ kết cấu
bằng BTCT đợc cho trong bảng 1.4.
Bảng 1.4 Hệ số giảm lực tác động R của các hệ kết cấu BTCT (UBC 1997) [54]
Hệ kết cấu cơ bản
1. Hệ tờng chịu lực

2. Hệ kết cấu giằng
(khung không gian
chỉ chịu tải trọng
đứng)

Mô tả hệ kết cấu chịu tải trọng ngang
2. Tờng chịu cắt
a. Bê tông cốt thép
4. Giằng với các khung chỉ chịu tải trọng đứng
b. Bê tông cốt thép
3. Tờng chịu cắt
a. Bê tông cốt thép
4. Khung thông thờng dạng dàn
b. Bê tông cốt thép

26

R
5,5
2,8
5,5
5,6

Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

3. Hệ khung chịu
mômen

4. Hệ kết cấu hỗn
hợp

5. Hệ kết cấu dạng
cột công xôn
6. Hệ tơng tác
khung-tờng chịu cắt

1. Khung đặc biệt chịu mômen (SMRF)
b. Bê tông cốt thép
3. Khung trung gian chịu mômen bằng BTCT (IMRF)
4. Khung thông thờng chịu mômen (OMRF)
b. Bê tông cốt thép
1. Tờng chịu cắt
a. Bê tông cốt thép kết hợp với SMRF
b. Bê tông cốt thép kết hợp với khung thép OMRF
c. Bê tông cốt thép kết hợp với khung BTCT IMRF
3. Khung thông thờng dạng dàn
c. BTCT kết hợp với khung SMRF bằng BTCT
d. BTCT kết hợp với khung IMRF bằng BTCT
Các cấu kiện dạng cột công xôn

6,5
4,2
2,2

Bê tông cốt thép

5,5

8,5
5,5
6,5
3,5
8,5
4,2
6,5

1.2.2.4 Các Tiêu chuẩn thiÕt kÕ nhµ cđa Hoa Kú ASCE 7-2002, IBC –
2003 và NFPA 5000. [44][55]
Các tiêu chuẩn thiết kế ASCE 7-2002 của Hiệp hội các kỹ s công trình
Hoa Kỳ - American Society of Civil Engineers (ASCE), IBC-2003 International
Building Code cña Hội đồng tiêu chuẩn quốc tế (International Code Council)
và NFPA 5000 của National Fire Protection Agency (NFPA) là ba tiêu chuẩn
thiết kế các công trình chịu động đất có nội dung gần giống nhau và đợc
phép thay thế lẫn nhau hiện đang đợc sử dụng tại Hoa Kỳ. Trong ba tiêu
chuẩn thiết kế này, hệ số ứng xử đợc gọi là hệ số điều chỉnh phản ứng và ký
hiệu là R nh− trong tiªu chn UBC 1997. Cịng nh− tiªu chn UBC 1997,
hƯ sè R lµ mét hƯ sè thùc nghiệm nhằm xét tới độ cản và độ dẻo (hoặc biến
dạng không đàn hồi) đợc giả thiết tồn tại trong hệ kết cấu ở các chuyển vị
lớn hơn chuyển vị lúc xuất hiện biến dạng chảy đầu tiên và gần bằng chuyển
vị của phản ứng không đàn hồi lớn nhất. Hệ số R còn nhằm xét tới sự vợt độ

bền, phụ thuộc một phần vào vật liệu, một phần vào hệ kết cấu. Các giá trị
của hệ số R đối với các hệ kết cấu bằng BTCT đợc cho trong bảng 1.5.
Bảng 1.5

Hệ số điều chỉnh phản ứng R của các hệ kết cấu BTCT
theo ASCE7 2002, IBC-2003 và NFPA 5000 [44][55]

TT
1

Hệ kết cấu chịu lực động đất cơ bản
Hệ tờng chịu lực
Tờng chịu cắt bằng BTCT đặc biệt
Tờng chịu cắt bằng BTCT thông thờng
Tờng chịu cắt bằng bê tông có cấu tạo cốt thép

27

R
5
4
2ẵ


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

Tờng chịu cắt bằng bê tông thông thờng

Hệ kết cấu giằng (khung chỉ chịu tải trọng đứng)
Tờng chịu cắt bằng BTCT đặc biệt
Tờng chịu cắt bằng BTCT thông thờng
Tờng chịu cắt bằng bê tông có cấu tạo cốt thép
Tờng chịu cắt bằng bê tông thông thờng
Hệ khung chịu mômen:
Khung BTCT đặc biệt chịu mômen
Khung BTCT trung gian chịu mômen
Khung BTCT thông thờng chịu mômen
Hệ hỗn hợp với các khung đặc biệt chịu mômen có khả năng
chịu đợc ít nhất 25% tải trọng động đất quy định
Tờng chịu cắt đặc biệt bằng BTCT
Tờng chịu cắt thông thờng bằng BTCT
Hệ hỗn hợp với các khung trung gian chịu mômen có khả
năng chịu đợc ít nhất 25% tải trọng động đất quy định
Tờng chịu cắt bằng BTCT đặc biệt
Tờng chịu cắt bằng BTCT thông thờng
Hệ con lắc ngợc và hệ cột dạng công xôn:
Khung BTCT đặc biệt chịu mômen

2

3

4

5

6

1.2.2.5

1ẵ
6
5
3
2
8
5
3

8
7

6
5ẵ
2ẵ

Tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế nhà của Canada
(Code national du bâtiment du Canada - CNBC 1995) [59]

Trong tiêu chuẩn thiết kế nhà của Canada, hệ số ứng xử đợc gọi là hệ số
giảm tải và ký hiệu là R ( 1) nh trong các tiêu chuẩn thiết kế của Hoa kỳ đÃ
đề cập tới ở trên. Đối với các hệ kết cấu bằng BTCT, hệ số R đợc cho ở
bảng 1.6 với các giá trị thay đổi từ 1,0 đến 4,0. Các hệ số này đợc xác định
từ các kết quả tính toán và thi công các công trình xây dựng, cũng nh nghiên
cứu sự làm việc của chúng trong thời gian bị động đất.
Bảng 1.6

Hệ số giảm tải R của các kết cấu BTCT

theo tiêu chẩn CNBC 1995 của Canada [59]

Loại

Loại hệ kết cấu chịu lực ngang

R

Các kết cấu BTCT theo tiêu chuẩn CAN/CSA-A23.3-M
10

Khung dẻo chịu mômen

4,0

11

Tờng kép dẻo

4,0

12

Các tờng dẻo khác

3,5

13

Khung có tính dẻo chuẩn chịu mômen

2,0

14

Tờng có tính dẻo chuẩn

2,0

15

Các hệ kết cấu khác không nằm trong loại 10

1,5

28


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

1.2.2.6 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Indonesia - (SNI-1276)
(Seismic Resistant Design Standard for Building Structures)[3] [4]
Tiªu chuÈn thiÕt kÕ SNI-1276 của Indonesia quy định tải trọng động đất
tác động lên kệ kết cấu làm việc đàn hồi dẻo đợc xác định theo biểu thức
sau:
Vn =

Ve
R

(1.3)

trong đó:
Ve - lực động đất thiết kế tác động lên hệ kết cấu làm việc đàn hồi,
R - hệ số giảm tải xác định theo biểu thức sau
(1.4)

R = àf1
với
à - độ dẻo chuyển vị của hệ kết cấu;

f1 - hệ số vợt tải của vật liệu và tải trọng, phụ thuộc vào điều kiện chất
tải lên công trình và điều kiện cờng độ của vật liệu thi công kết cấu. Đối với
các điều kiện thực tế của Indonesia, trị số điển hình của hệ số vợt tải vật liệu
và tải trọng đợc xác định f1 = 1,6, do đó R =1,6à. Đối với hệ kết cấu hoàn
toàn dẻo à = 5,3, nên hệ số giảm tải R = 8,5.
Bảng 1.7.

Các giá trị của à, R và K

Mức độ làm việc
Hoàn toàn đàn hồi

Đàn hồi - dẻo

Hoàn toàn dẻo

à

R

K

1,0

1,6

5,3

1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0

2,4
3,2
4,0
4,8
5,6
6,4
7,2
8,0

3,5
2,7
2,1
1,8
1,5
1,3
1,2
1,1

5,3

8,5

1,0

Gọi tải trọng động đất tiêu chuẩn tác động lên hệ kết cấu làm việc dẻo
hoàn toàn làVn , tải trọng tiêu chuẩn tác động lên kết cấu đàn hồi - dẻo có
thể xác định theo biểu thức sau:
Vn = KVn

(1.5)

Trong đó K đợc gọi là hệ số loại kết cấu. Hệ số này đợc xác định nh sau:
K=

29

5,3

à

=

8,5
R

(1.6)


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

Các giá trị của à, R và K đợc cho trong bảng 1.7 đối với tất cả các loại
kết cấu từ hoàn toàn đàn hồi tới hoàn toàn dẻo quy định trong tiêu chuẩn thiết
kế.
Bảng 1.8 Giá trị độ dẻo àm của các bộ phận kết cấu chịu lực thờng gặp
Loại kÕt cÊu

µm

R

K

Khung BTCT vµ khung thÐp cã thanh chÐo

2,1

3,4

2,5

Khung BTCT với các dầm ứng lực trớc không

3,8

6,1

1,4

Tờng chịu cắt bằng BTCT dạng công xôn

4,4

7,0

1,2

Khung BTCT và thép không chèn

5,3

8,5

1,0

Tờng chịu cắt bằng BTCT có lỗ cửa

5,3

8,5

1,0

chèn (phụ thuộc vào chỉ số cốt thép toàn phần)

Khi lựa chọn giá trị độ dẻo à để thiết kế một công trình nào đó không đợc
lấy lớn hơn độ dẻo lớn nhất àm mà một bộ phận trong hệ kết cấu chịu lực của
công trình có thể đạt tới. Các giá trị àm đợc cho trong bảng 1.8
1.2.2.7

Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Israel
(Israel Standard – IC 413 – 1994)[38]

Theo tiªu chuÈn thiÕt kÕ IC 413 - 1994 cđa Israel, hƯ sè øng xử đợc gọi
là hệ số giảm lực tác động và ký hiệu là K. Đối với các hệ kết cấu BTCT, giá
trị hệ số K đợc cho trong bảng 1.9. Trong thời gian động đất, các kết cấu
làm việc tốt hệ số K đợc lấy tăng lên nh sau:
ã Đối với các hệ kết cấu đều đặn, hệ số giảm tải K đợc lấy tăng lên 25%
ã Đối với các hệ kết cấu hỗn hợp (bê tông hoặc thép), trong đó các tờng
có khả năng chịu đợc tất cả tải trọng ngang và các khung chịu đợc ít
nhất 25% tổng t¶i träng ngang, hƯ sè gi¶m t¶i K cịng cã thể lấy tăng lên
15%
ã Đối với các hệ kết cấu thoả mÃn đồng thời hai điều kiện trên, hệ số giảm
tải K có thể lấy tăng lên 25%.
Bảng 1.9 Hệ số giảm tải K đối với các hệ kết cấu BTCT (IC 413 1994)
Hệ kết cấu chịu lực

Cấp dẻo

Các khung chịu mômen
Các khung có giằng
Tờng chịu lực
Hệ hỗn hợp

30

Thấp

Trung b×nh

Cao

4

5,5

7

3,5

4,5

6

4

5,5

7

3,5

5

6


Chơng I.

1.2.2.8
Bảng 1.10

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Argentina
(INPRES - CRSOC 103 1991)[38]
Các giá trị của độ dẻo tổng thể (à) của các hệ kết cấu BTCT
đều đặn trên chiều cao (theo INPRES - CRSOC 103 1991)
Hệ kết cấu

à

Tờng dẻo chịu lực bằng BTCT có các dÃy lỗ cửa

6

ã Bê tông cốt thép dẻo

5

ã Khung BTCT dẻo kết hợp với tờng chịu cắt trong đó khung chịu trên
30% lực cắt
Hệ khung - tờng chịu cắt hoặc tờng dẻo chịu cắt bằng BTCT không

3,5

thoả mÃn các điều kiện trên
Hệ kết cấu dạng con lắc ngợc có các liên kết và các gối đỡ đặc biệt

3

ã Hệ kết cấu dạng con lắc ngợc không thoả mÃn các điều kiện trên

2

ã Các kết cấu treo
Các hệ kết cấu đợc thiết kế để làm việc đàn hồi trong thời gian động đất

1

rất mạnh xẩy ra

Trong tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất của Argentina
(INPRES - CRSOC 103 1991), khả năng phân tán năng lợng thông qua biến
dạng dẻo của hệ kết cấu đợc xét tới thông qua hệ số giảm tải R. Hệ số giảm
tải R phụ thuộc vào độ dẻo tổng thĨ µ cđa hƯ kÕt cÊu vµ vµo chu kú dao động

cơ bản của nó:
R = 1 + ( à 1)

T
T1

R=à

khi T T1

(1.7a)

khi T T1

(1.7b)

Các giá trị của độ dẻo tổng thể à của các hệ kết cấu đều đặn trên chiều
cao (giả thiết kết cấu phân tán năng lợng đều trong quá trình biến dạng dẻo)
đợc cho trong bảng 1.10
1.2.2.9 Tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất của Mexico
(Reglamento de construcciones para el Distrito Federal – 1993 vµ Norma
TÐcnicas Complementarias para Diseno por Sismo 1989). [38]
Trong thiết kế các công trình chịu động đất ở Mexico, các lực động đất
xác định bằng phơng pháp tĩnh lực ngang hoặc phơng pháp phổ phản ứng
dạng dao động đợc chia cho hệ số giảm tải Q tơng tự nh hệ số R trong
tiêu chuẩn thiết kế của Argentina. Đối với các hệ kết cấu đều đặn, hệ số giảm
tải Q đợc xác định theo các biĨu thøc t−¬ng tù (1.7):

31

Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử
trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

Q = 1 + (Q − 1)
Q′ = Q

T
Ta

khi T ≤ Ta

khi T Ta (hoặc khi không biết T)

(1.8a)
(1.8b)

Đối với các hệ kết cấu không thoả mÃn các điều kiện đều đặn, hệ số Q
xác định theo các biểu thức (1.8a hoặc b) đợc nhân với hệ số 0,8. Giá trị Q
đợc lấy nh sau:
1. Sử dụng Q = 4 nếu:
(a) Khi ở tất cả các tầng, tải trọng ngang đợc chịu bởi các khung chịu
mômen bằng thép hoặc BTCT không đợc giằng, hoặc các khung đợc giằng
hoặc các khung với tờng chịu cắt có lỗ cửa bằng BTCT trong đó các khung
có khả năng chịu ít nhất 50% tổng lực ngang;
(c) Tại tầng bất kỳ, tỷ số giữa khả năng chịu tải ngang của tầng trên lực
cắt tơng ứng sử dụng trong thiết kế không khác quá 35% giá trị trung bình
của tỷ số đó ở tất cả các tầng nhà.

2. Sử dụng Q = 3 khi thoả mÃn điều kiện (a) ở trên, điều kiện (c) không
thoả mÃn và khả năng chịu tải trọng ngang của tất cả các tầng của kết cấu
đợc bảo đảm bởi một trong các hệ kết cấu sau:
(a) Các tấm phẳng với các cột bằng thép hoặc BTCT;
(b) Các khung chịu mômen bằng thép hoặc BTCT;
(c) Các tờng chịu cắt bằng BTCT,
(d) Các khung chịu mômen với các tờng chịu cắt
3. Sử dụng Q = 2 khi hƯ kÕt cÊu chÞu lùc ngang gồm:
(a) Các tấm phẳng với các cột bằng thép hoặc BTCT, các khung bằng
thép hoặc BTCT đợc giằng hoặc không, hoặc các tờng chịu cắt và các cột
bằng BTCT không thoả mÃn các yêu cầu ở điểm 1 và 2 ở trên;
(d) các kết cấu đúc sẵn hoặc ứng lực trớc.
Giá trị cuối cùng của Q cho cả hệ kết cấu bằng giá trị nhỏ nhất của Q xác
định ở các tầng khác nhau của công trình.
1.3. Kết luận Chơng I

1. Để ngăn ngừa và giảm thiểu đến mức tối đa các tác hại do động đất
gây ra, mục tiêu thiết kế kháng chấn công trình đà có những thay đổi cơ bản,
chuyển từ việc bảo vệ công trình sang bảo vệ trực tiếp sinh mạng của con
ngời và tài sản của cải vật chất xà hội. Mục tiêu thiết kế thay đổi dẫn tới
cách thức thiết kế công trình chịu động đất cũng thay đổi. Những sự thay đổi
cơ bản này đợc thể hiện trong hình 1.2 [11]. Hiện nay, các tiêu chuẩn thiết
kế kháng chấn của các nớc trên thế giới, trong đó có tiêu chuẩn TCXDVN

32


Chơng I.

Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử

trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

375 :2006 của Việt Nam, đều lựa chọn cách thức thiết kế theo quan niệm mới,
cho phép hạn chế đợc các h hỏng ở công trình khi chịu các trận động đất
trung bình và có các chuyển vị không đàn hồi lớn nhng không bị sụp đổ khi
chịu các trận động đất mạnh hoặc rất mạnh.
2. Khi thiết kế các công trình theo quan niệm mới, lực động đất tác động
lên công trình sẽ đợc giảm xuống K lần so với tác động động đất lên chính
hệ kết cấu đó nhng đợc thiết kế để làm việc đàn hồi. Trong TCXDVN
375:2006, hệ số K đợc gọi là hệ số ứng xử và ký hiệu là q, biểu thị khả năng
hấp thụ và tiêu tán năng lợng của hệ kết cấu. Việc sử dụng hệ số ứng xử q
và thiết kế để bảo đảm cho công trình có đợc hệ số này là nội dung chủ yếu
của các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại, quyết định sự an toàn và
kinh tế của các công trình đợc thiết kế. Khảo sát các tiêu chuẩn thiết kế
công trình chịu động đất của nhiều nớc trên thế giới cho thấy các giá trị hƯ
sè øng xư q cđa c¸c kÕt cÊu BTCT thay đổi trong phạm vi khá rộng và phụ
thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau. Do đó việc nghiên cứu các cơ sở khoa
học của việc sử dụng các giá trị hệ số ứng xử q của tiêu chuẩn châu Âu EN
1998-1-1 :2004 vào thiết kế các công trình chịu động đất ở Việt Nam, cũng
nh các vấn đề liên quan tíi viƯc ¸p dơng TCXDVN 375 :2006 ë n−íc ta là
hết sức cần thiết. Đây cũng chính là nội dung chủ yếu của Luận án này.

33


Chơng II.

Độ dẻo của các kết cấu bê tông cốt thép
và các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo

Chơng II

Độ dẻo của các kết cấu bê tông cốt thép
và các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo

2.1. Khái niệm về độ dẻo

2.1.1. Định nghĩa độ dẻo
Nh trong chơng I đà trình bày, các công trình chịu động đất đợc thiết
kế theo quan niệm mới (cách thứ hai) phải có khả năng biến dạng dẻo. Khả
năng biến dạng dẻo của hệ kết cấu đợc biểu thị qua độ dẻo của nó. Nh
vậy, độ dẻo biểu thị khả năng phân tán năng lợng của hệ kết cấu chịu các
tác động của tải trọng.

F

Fb


Tổng lực cắt đáy



K0

Giòn

Dẻo

Fbmax

B

Fbu

A
Phá hoại

Phá hoại

Fby


y

Hình 2.1.

Chuyển vị đỉnh

uA

uB

Quan hệ lực - chuyển vị ở các cấu kiện

Để hiểu rõ hơn về khái niệm độ dẻo, ta xét đồ thị biểu diễn mối quan hệ
điển hình giữa chuyển vị và độ bền ở gối Fb của một kết cấu cho ở hình 2.1.
Trong hình này, các đờng cong A và B biểu thị hai kiểu phá hoại khác nhau
của các kết cấu có cùng độ cứng và độ bền. Đờng cong A biểu thị kiểu phá
hoại giòn với các biến dạng không đàn hồi rất nhỏ sau khi đà đạt tới độ bền
giới hạn. Phá hoại giòn xảy ra một cách đột ngột, thờng không có dấu hiệu

báo trớc sau khi kết cấu vợt qua độ bền lớn nhÊt Fb,max. Ta nãi r»ng kÕt cÊu

34


Chơng II.

Độ dẻo của các kết cấu bê tông cốt thép
và các yếu tố ảnh hởng tới độ dẻo

ứng với đờng cong A là kết cấu không có tính dẻo. Khi phá hoại giòn, khả
năng chịu lực gần nh ngay lập tức bị mất hoàn toàn và do vậy nó đợc xem
là nguyên nhân đổ nhà gây nguy hiểm nhất tới tính mạng con ngời khi động
đất xẩy ra và cần phải hết sức tránh. Trái ngợc với phá hoại giòn, đờng
cong B biểu thị kiểu phá hoại dẻo với các biến dạng không đàn hồi lớn. Tuy
hai đờng cong có phần chung trớc thời điểm xảy ra độ bền lớn nhất Fb,max
nhng chuyển vị cực hạn u ứng với cấp tải trọng Fb,u của đờng cong B lớn
hơn rÊt nhiỊu so víi ®−êng cong A: ∆ uB >> uA . Kết cấu ứng với đờng cong B
là kết cấu có tính dẻo. Các kết cấu có tính dẻo càng cao khả năng hấp thụ và
phân tán năng lợng càng lớn. Do vậy, vì lý do kinh tế, phần lớn các kết cấu
chịu tác động động đất mạnh đợc thiết kế để làm việc với các biến dạng
không đàn hồi lớn. Về mặt giải tích, tính dẻo hoặc độ dẻo đợc định nghĩa là
tỷ số giữa chuyển vị ngay trớc khi phá hoại (chuyển vị cực hạn) u và chuyển
vị lúc bắt đầu chảy dẻo y :

à=

u
>1
y

(2.1)

Các chuyển vị có thể thay bằng độ cong (của cấu kiện), chuyển vị
xoay hoặc bất kỳ đại lợng biến dạng nào. Thông số à ở phơng trình (2.1)
có ý nghĩa nh là "hệ số độ dẻo".
Độ dẻo là một đặc tính cơ bản và quan trọng của kết cấu mà khi thiết kế
kháng chấn cần phải dựa vào đó để thỏa mÃn các yêu cầu về hạn chế h
hỏng và không sụp đổ cho phần lớn các công trình nhà. Tuy vậy, cần lu ý
rằng độ dẻo là đặc tính quan trọng theo hớng có lợi và là một chỉ số biểu thị
khả năng hấp thụ năng lợng của hệ kết cấu chỉ khi nào nó giữ lại đợc gần
nh toàn bộ khả năng chịu tải và không bị suy giảm đáng kể độ cứng trong
miền không đàn hồi. Trong trờng hợp ngợc lại, độ dẻo của bê tông (không
có cốt thép) bị nén tuy có trị số lớn nhng hoàn toàn không hữu ích do cờng
độ và độ cứng bị suy giảm nghiêm trọng trong miền không đàn hồi. Do đó,
trong thiết kế kháng chấn độ dẻo đợc định nghĩa một cách tổng quát là khả
năng hấp thụ năng lợng của kết cấu thông qua sự làm việc không đàn hồi
mà không làm cho cờng độ và độ cứng bị suy giảm đáng kể dới tác dụng
của tải trọng lặp lại đổi chiều. Theo định nghĩa này, khi cờng độ và độ cứng
không đổi hoặc suy giảm không đáng kể, các kết cấu có hệ số dẻo càng lớn
thì độ an toàn càng cao khi động đất x¶y ra.

35