Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng

...

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ QUANG TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN
TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP
TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KẾT CẤU
NHÀ NHIỀU TẦNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ QUANG TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN
TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP
TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KẾT CẤU
NHÀ NHIỀU TẦNG

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. PHAN QUANG MINH

Đà Nẵng - Năm 2018


i

LỜI CẢM ƠN
Với những kiến thức tích lũy được trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu
chương trình cao học tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, cùng với sự
quan tâm, giúp đỡ tận tình của Ban Giám Hiệu nhà trường, quý thầy cô và với sự cố
gắng, quyết tâm của bản thân, đến nay, tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ của mình.
Với lòng biết ơn và trân trọng, tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà
trường, lãnh đạo Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ và tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập cũng như nghiên cứu, thực hiện
hoàn thành luận văn này.
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS. TS Phan Quang Minh đã
quan tâm, giúp đỡ và tận tình hướng dẫn, giúp cho tơi hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ.
Do thời gian có hạn và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên luận văn của tơi
khơng tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để luận văn
của tôi hoàn chỉnh hơn và việc đánh giá các cơng trình hiện hữu được tổng qt và
thực tế hơn.
Một lần nữa, tơi xin chân thành cảm ơn và kính chúc q thầy cơ ln mạnh
khỏe, hạnh phúc. Kính chúc Nhà trường đạt được nhiều thành công hơn nữa trong thời
gian đến.
Đà Nẵng, ngày

tháng 02 năm 2018

Tác giả luận văn

Ngô Quang Tuấn


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Ngơ Quang Tuấn


NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN TỶ SỐ NÉN
CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN
NHÀ NHIỀU TẦNG
Học viên:Ngô Quang Tuấn
Mã số: 60.58.02.08

Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN
Khóa: 32 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, các cơng trình nhà
nhiều tầng đã và đang mọc lên tại khắp các đô thị trong cả nước. Các tòa nhà nhiều tầng
góp phần tạo kiến trúc cảnh quan, thể hiện đô thị văn minh, giàu đẹp là điểm nhấn của
thành phố. Tuy nhiên, trong thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng, xét điều kiện ở Việt Nam, tỷ số
nén của cột không được vượt quá 0.65 đối với cấp dẻo trung bình. Điều đó làm tăng đáng

kể kích thước của cột, gây tốn kém trong xây dựng và khó khăn trong thiết kế giải pháp
kiến trúc. Từ các kết quả nghiên cứu và khảo sát trong luận văn đã chứng minh được thông
qua việc xét đến hiệu ứng bó của bê tông, xét đến ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của
cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng mà giá trị lực dọc quy
đổi giảm một cách đáng kể, nhờ đó ta có thể lựa chọn lại tiết diện cột, cường độ bê tơng
hợp lí góp phần tiết kiệm chi phí xây dựng. Các phân tích, đánh giá kết quả đạt được và
đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo đã được trình bày chi tiết trong phần kết luận và kiến
nghị.
Từ khóa - nhà nhiều tầng; tỉ số nén; lực dọc thiết kế quy đổi; cốt đai; hiệu ứng bó của bê
tông .

RESEARCH ON THE IMPACT OF TRANSVERSE
REIFORCEMENT TO THE AXIAL FORCE RATIO OF REINFORCED
CONCRETE COLUMN ON HIGH-RISE BUILDING
Abstract - According to the development of our country’s socio-economic system
nowadays, the emergence of high-rise building contributes to the improvement of
landscape architecture as well as indicating the civilization and wealthy and typical features
of cities in Vietnam. However, in the process of designing the composition of the high-rise
building in the conditions of Vietnam, the axial force ratio of reinforced concrete column
should not exceed the elasticity average, with is 0.65. Therefore, it increases a significant
volume of columns, which makes the cost of construction rises remarkably and increases
the difficulty in designing architectural concepts. The results of researches and
investigations in the thesis have been proved by considering the effects of confining
reinforcement, considering the impact of transverse reinforcement on the primary seismic
columns in structural multi-storey structures, which makes the normalized design axial
force decreases significantly. Relying on that, we can choose a flexible section of the
column and the reasonable concrete strength in order to reduce construction costs. The
analysis and evaluation of the results and the direction of follow-up research are detailed in
the conclusions and recommendations.
Key words - high-rise building, axial force ratio, the normalised design axial force,

transverse reiforcement, Confining reiforcement.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 1
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 1
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................... 1
6. Bố cục đề tài .................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT
.................................................................................................................................... 3
1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG ĐẤT ........................................................................... 3
1.1.1. Định nghĩa và phân loại ........................................................................... 3
1.1.2 Thang đo động đất .................................................................................... 4
1.2. TÁC HẠI CỦA ĐỘNG ĐẤT ............................................................................ 6
1.3. QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI TRONG THIẾT KẾ CHỊU ĐỘNG ĐẤT................... 13
1.3.1. Quan niệm thiết kế cơng trình chịu động đất ......................................... 13
1.3.2. Các tiêu chí cần tuân theo ...................................................................... 14
1.3.3. Các biện pháp cụ thể .............................................................................. 15
1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ............................................................. 16
1.4.1 Phân loại các phương pháp tính toán ...................................................... 16
1.4.2 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương ............................................. 17
1.4.3 Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động ............................ 19
1.5 THIẾT KẾ CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN
THEO EN 1992-1-1 ................................................................................................. 21
1.5.1 Các cấp dẻo kết cấu ................................................................................ 21
1.5.2 Thiết kế cho trường hợp cấp dẻo trung bình........................................... 22
1.5.3 Thiết kế cho trường hợp cấp dẻo cao ...................................................... 26

1.5.4 Các yêu cầu về neo và mối nối trong thiết kế kháng chấn ..................... 27
1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ................................................................................ 30
CHƯƠNG 2. SỰ LÀM VIỆC CỦA CỘT KHI HẠN CHẾ NỞ HÔNG TRONG
THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN NHÀ NHIỀU TẦNG ............................................. 32
2.1 HIỆN TƯỢNG BĨ BÊ TƠNG ........................................................................ 32
2.1.1 Cường độ nén của bê tông ...................................................................... 32
2.1.2 Khái niệm về bó bê tông ......................................................................... 33
2.1.3. Bê tông hạn chế nở hông theo Tiêu chuẩn EN1992-1-1-2004 .............. 36
2.1.4 Mơ hình Mander về quan hệ (-) của bê tông bị bó ............................. 36


2.2. KHÁI NIỆM TỈ SỐ NÉN CỦA CỘT THEO TCVN 9386:2012 ................... 40
2.3 CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ TỶ SỐ NÉN ..................................................... 40
2.3.1 Lựa chọn tiết diện hợp lí ......................................................................... 40
2.3.2 Lựa chọn cường độ nén bê tơng hợp lí ................................................... 41
2.3.3 Ảnh hưởng của cốt đai đến hạn chế tỉ số nén ......................................... 41
2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................................. 42
CHƯƠNG 3. ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ
TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KẾT CẤU NHÀ
NHIỀU TẦNG......................................................................................................... 43
3.1 KHẢO SÁT TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BTCT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA
CỐT ĐAI CHO TRƯỜNG HỢP CỘT VNG KÍCH THƯỚC 1mx1m .............. 43
3.1.1. Mơ hình phân tích .................................................................................. 43
3.1.2. Tính tốn tỉ số nén của cột khi chưa kể đến hiệu ứng bó của bê tơng ... 45
3.1.3. Tính tốn tỉ số nén của cột khi kể đến hiệu ứng bó của bê tông ............ 45
3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột BTCT hình vng
1mx1m khi xét đến hiệu ứng bó ............................................................................... 46
3.2 KHẢO SÁT TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BTCT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA
CỐT ĐAI CHO TRƯỜNG HỢP CỘT TRỊN ĐƯỜNG KÍNH 1m ........................ 56
3.2.1. Mơ hình phân tích .................................................................................. 56

3.2.2. Tính toán tỉ số nén của cột khi chưa kể đến hiệu ứng bó của bê tơng ... 57
3.2.3. Tính tốn tỉ số nén của cột khi kể đến hiệu ứng bó của bê tông ............ 57
3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột BTCT tròn đường
kính 1m khi xét đến hiệu ứng bó của bê tông........................................................... 58
3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................................. 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 68
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao)


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu
Bảng 1.1
Bảng 1.2
Bảng 1.3
Bảng 2.1
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 3.6
Bảng 3.7

Bảng 3.8

Bảng 3.9
Bảng 3.10
Bảng 3.11
Bảng 3.12

Bảng 3.13
Bảng 3.14
Bảng 3.15
Bảng 3.16
Bảng 3.17

Bảng 3.18
Bảng 3.19
Bảng 3.20

Tên bảng
Trang
Bảng thang cường độ động đất MSK-64
4
Bảng thang độ lớn động đất Richter
6
Đặc tính cốt thép theo Bảng C.1 EN 1992-1-1:2004
22
Cường độ đặc trưng, biến dạng của bê tông
32
Đặc trưng cơ lý của bê tông
44
Đặc trưng cơ lý của cốt thép đai
44
Chi tiết kích thước cột
44
Chi tiết thép đai cột
44
Bảng tổng hợp thông số thép đai điều chỉnh
48

Ứng suất nén ngang khi thay đổi các thơng số thép đai
49
50
Tính tốn giá trị lực dọc thiết kế quy đổi d,c của cột tiết diện
vuông khi kể đến hiệu ứng bó cột trong trường hợp thay đổi các
thông số thép đai
Bảng tổng hợp so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số
51
cốt đai đến tỉ số nén cột bê tông cốt thép vng kích thước
1mx1m
Ứng suất nén ngang khi thay đổi các thơng số thép đai ứng với
53
kích thước cột thỏa mãn điều kiện hạn chế tỉ số nén
Điều chỉnh tiết diện cột thỏa mãn điều kiện hạn chế tỉ số nén khi
54
thay đổi các thông số thép đai
Bảng tổng hợp tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm
55
xuống so với tiết diện cột ban đầu 1mx1m
Đặc trưng cơ lý của bê tông cột
56
Đặc trưng cơ lý của cốt thép đai
56
Chi tiết kích thước cột
57
Chi tiết thép đai cột
57
Bảng tổng hợp thơng số thép đai điều chỉnh
59
61

Tính tốn giá trị lực dọc thiết kế quy đổi d,c của cột tiết diện
tròn khi kể đến hiệu ứng bó cột trong trường hợp thay đổi các
thông số thép đai
Bảng tổng hợp so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số
62
cốt đai đến tỉ số nén cột bê tông cốt thép tròn đường kính 1m
Điều chỉnh lại tiết diện cột thỏa mãn điều kiện hạn chế tỉ số nén
64
khi thay đổi các thông số thép đai
Bảng tổng hợp tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm
65
xuống so với tiết diện cột ban đầu


DANH MỤC HÌNH
Số hiệu
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14

Hình 1.15
Hình 1.16
Hình 1.17
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3

Tên hình

Trang
Vị trí phát sinh động đất
3
Động đất Sumatra (năm 2004).
7
Tác hại Động đất Tohoku gây ra tại TP.Miyako Nhật Bản
8
(năm 2011)
Tác hại Động đất Tohoku gây ra tại TP.Asahikawa (năm
8
2011)
Động đất Kobe (năm 1995)
9
Động đất tại Khu vực giáp ranh huyện Tủa Chùa (Điện Biên)
10

và Quỳnh Nhai (Sơn La) ngày 24/09/2017
Động đất Kobe (1995)
10
Động đất Nam California (Năm 1979)
11
Động đất Bhuj (Ấn Độ) năm 2001
11
Động đất San Fernando (Mỹ) năm 1971
12
Động đất Sichuan (TQ) năm 2008
12
Động đất Northridge (Mỹ) năm 1994
12
Các quan niệm mới và quan niệm cũ trong thiết kế
13
cơng trình chịu động đất
Các phương pháp tính tốn kết cấu chịu động đất
16
Giá trị thiết kế của khả năng chịu lực cắt trong cột
23
Sự bó lõi bê tông
25
Biện pháp neo bổ sung trong nút dầm-cột biên
29
Các đồ thị ứng suất - biến dạng của bê tông với các kiểu bó
34
khác nhau
Các hình thức bó bê tơng thường gặp
34
Mơ tả mức độ bó bê tông khác nhau do thép dọc và thép

35
ngang trong các mặt cắt cột BTCT
Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông bị bó
36
Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông hạn chế nở ngang
37
và không hạn chế ngang trong trường hợp bị nén.
Biểu đồ Mander xác định cường độ bê tông bị bó từ ứng suất
38
nén ngang hiệu quả cho tiết diện hình chữ nhật
Hình vẽ chi tiết mặt cắt cột vng kích thước 1mx1m
43
Biểu đồ Mander xác định cường độ bê tông bị bó từ ứng suất
45
nén ngang hiệu quả cho tiết diện hình chữ nhật
Mặt cắt cột vng kích thước 1mx1m thép đai đường kính
47
d=10mm, nx=ny=6 nhánh.


Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6

Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12

Hình 3.13

Mặt cắt cột vng kích thước 1mx1m thép đai đường kính
d=10mm, nx=ny=11 nhánh.
Mặt cắt cột vng kích thước 1mx1m thép đai đường kính
d=12mm, nx=ny=06 nhánh.
Biểu đồ so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số cốt
đai đến tỉ số nén cột bê tơng cốt thép vng kích thước
1mx1m
Biểu đồ tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm
xuống so với tiết diện cột ban đầu
Hình vẽ chi tiết mặt cắt cột tròn đường kính 1m
Mặt cắt cột tròn kích thước 1m thép đai đường kính
d=10mm
Mặt cắt cột tròn kích thước 1m thép đai đường kính
d=12mm
Mặt cắt cột tròn kích thước 1m thép đai đường kính
d=14mm
Biểu đồ so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số cốt
đai đến tỷ số nén cột bê tông cốt thép tròn đường kính 1m
Biểu đồ tỉ lệ phần trăm kích thước cột điều chỉnh lại giảm
xuống so với tiết diện cột ban đầu

47
47
51

55
56
58

58
59
62
65


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế, để phục vụ nhu cầu ngày càng cao của
con người, các cơng trình nhà nhiều tầng đã và đang mọc lên tại khắp các đô thị trong
cả nước.
Với các công năng khác nhau, có thể là chung cư, khách sạn, văn phòng cho
thuê… hoặc là những cơng trình phức hợp, đáp ứng nhiều u cầu công năng. Nhà
nhiều tầng góp phần giải quyết nhu cầu về nơi làm việc, chỗ ở, khu vui chơi, mua sắm
và tiết kiệm diện tích đất quý giá, nhất là ở các thành phố lớn, nơi quỹ đất rất hạn chế.
Các tòa nhà nhiều tầng còn góp phần tạo kiến trúc cảnh quan, là điểm nhấn của thành
phố, góp phần thể hiện thành phố văn minh, giàu đẹp.
Tuy nhiên, trong thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng, theo tiêu chuẩn thiết kế kháng
chấn TCVN 9386:2012, đối với cấp dẻo trung bình, tỷ số nén của cột khơng được vượt
q 0.65. Điều đó làm tăng đáng kể kích thước của cột, gây tốn kém trong xây dựng và
khó khăn trong thiết kế giải pháp kiến trúc.
Chính vì thế, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột
bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng” là cần thiết và có
ý nghĩa thực tiễn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xét ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép (BTCT) trong
thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng. Qua đó đề xuất giảm tiết diện cột hợp lý
khi xét đến yêu cầu đảm bảo tỉ số nén trong thiết kế kháng chấn.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:
+ Cột BTCT
+ Tỷ số nén của cột BTCT trong thiết kế kháng chấn nhà nhiều tầng.
- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột
BTCT trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết kháng chấn và sự làm việc nhiều trục của bê tông (hạn
chế nở hông).
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Về ý nghĩa khoa học: Xét đến sự làm việc của bê tông cột khi bị hạn chế nở
hông trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng.


2
- Về ý nghĩa thực tiễn: Thông qua việc giảm tỷ số nén của cột BTCT có thể làm
giảm kích thước tiết diện của cột BTCT.
6. Bố cục đề tài
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về thiết kế cơng trình chịu động đất
Chương 2: Sự làm việc của cột khi hạn chế nở hông trong thiết kế kháng chấn
nhà nhiều tầng.
Chương 3: Ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong
thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng.
Kết luận và kiến nghị


3
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Trong Chương 1- Tổng quan về thiết kế cơng trình chịu động đất, tác giả trình
bày khái niệm về động đất, ảnh hưởng của động đất đến con người, vật chất, cơng
trình xây dựng. Nêu lên quan niệm hiện đại trong thiết kế, các phương pháp tính tốn
kết cấu cơng trình chịu động đất. Trình bày thiết kế cột bê tông cốt thép trong thiết kế
kháng chấn theo EN 1992-1-1 cũng như các yêu cầu về neo và mối nối trong thiết kế
kháng chấn.
1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG ĐẤT
1.1.1. Định nghĩa và phân loại
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 trong phần áo của quả đất.
Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý
thuyết, được quy về một điểm gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt
quả đất được 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 và chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi
tương ứng là tiêu cự hoặc khoảng cách chấn tiêu (R) và tâm cự hoặc khoảng cách chấn
tâm (L).

Hình 1.1 Vị trí phát sinh động đất
Tùy thuộc vào độ sâu của chấn tiêu (H) mà động đất có thể phân thành các loại
sau: Động đất nông (H<70 km), động đất trung bình (H=70÷300 km), động đất sâu
(H>300 km).


4
1.1.2 Thang đo động đất
a. Thang cường độ động đất (Earthquake Intensity)
Thang cường độ động đất được dùng để đánh giá sức mạnh động đất theo cách
định tính. Có nhiều thang cường độ động đất khác nhau. Chúng được lập ra trên cơ sở
các mức độ bị phá hoại của cơng trình xây dựng lẫn bề mặt đất và phản ứng của con

người khi chịu các chấn động động đất. Chính vì thế các thang cường độ động đất
mang yếu tố chủ quan, phụ thuộc vào tính chất của mơi trường tự nhiên, chất lượng
xây dựng cơng trình, mật độ dân cư, mức độ quen thuộc của con người đối với tác
động động đất. Ở thang cường độ động đất, cấp độ động đất được kí hiệu bằng chữ La
Mã và mỗi cấp độ tương ứng với một mô tả định tính các hậu quả do động đất gây ra.
Một số thang động đất chính hiện đang được sử dụng ở các khu vực khác nhau trên thế
giới như: thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi, thang cường độ động đất JMA,
thang cường độ động đất MSK-64, thang cường độ động đất JMS…
Trong đó thang MSK-64 được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Thang MSK-64
là do Medveded cùng Sponhuer và Karnic đề ra năm 1964, là thang đo cường độ địa
chấn diện rộng được sử dụng để đánh giá mức độ khốc liệt của sự rung động mặt đất
trên cơ sở các tác động đã quan sát và ghi nhận trong khu vực xảy ra động đất. Để xây
dựng thang MSK-64 các tác giả trước hết phân loại tác dụng phá hoại của động đất
đến các cơng trình xây dựng, sau đó đánh giá cường độ động đất qua hàm dịch chuyển
cực đại của con lắc tiêu chuẩn có chu kì dao động riêng T = 0,25s. Thang MSK-64 có
12 cấp.
Bảng 1.1 Bảng thang cường độ động đất MSK-64
Cấp
động đất
Cấp I

Cấp II

Cấp III
Cấp IV
Cấp V
Cấp VI

Hậu quả tác động động đất

Cường độ
động đất

Động đất không cảm thấy, chỉ có máy mới ghi nhận được.
Động đất ít cảm nhận (Rất nhẹ). Trong trường hợp riêng lẻ,
Cấp động
chỉ có người nào đang ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy
đất nhẹ,
được.
khơng gây
Động đất yếu. Ít người nhận biết được động đất. Chấn động
ảnh hưởng
được tạo ra như bởi xe ô tô vận tải nhẹ chạy qua.
lớn đến
Động đất nhận thấy rõ. Nhiều người nhận biết được động
nhà và
đất, cửa kính có thể kêu lạch cạch.
cơng trình.
Nhiều người ngủ bị thức tỉnh, đồ vật treo đu đưa.
Đa số người cảm thấy động đất. Nhà cửa bị rung nhẹ, lớp
vữa bị rạn.


5
Cấp
động đất
Cấp VII
Cấp VIII

Cấp IX

Cấp X

Hậu quả tác động động đất

Cường độ
động đất

Hư hại nhà cửa. Đa số người sợ hãi, nhiều người khó đứng Cấp động
vững, nứt lớp vữa, tường bị rạn nứt.

đất
Phá hoại nhà cửa. Tường nhà bị nứt lớn, mái hiên và ống mạnh.Cần
được xét
khói bị rơi.
đến trong
Phá hoại hoàn toàn nhà cửa. Nhiều nhà bị sụp đổ, nền đất có
thiết kế
thể nứt rộng đến 10cm.
cơng trình
Phá hoại hoàn toàn nhà cửa. Nhiều nhà bị sụp đổ, nền đất có
thể nứt rộng đến 1m.

Cấp XI

Động đất gây thảm họa. Nhà, cầu, đập nước và đường sắt bị Cấp động
hư hại nặng, mặt đất bị biến dạng, vết nứt rộng, sụp đổ lớn ở đất có mức
núi.
độ hủy

Cấp XII

Thay đổi địa hình. Phá hủy mọi cơng trình ở trên và dưới diệt.
mặt đất, thay đổi địa hình trên diện tích lớn, thay đổi cả dòng
sơng, nhìn thấy mặt đất nổi sóng.

b. Thang độ lớn động đất (Earthquake Magnitude)
Thang độ lớn động đất là thang đánh giá định lượng quy mô động đất và độ lớn
nứt gãy, dựa trên biên độ lớn nhất của các sóng khối hoặc sóng mặt. Do vậy thang độ
lớn động đất là một thang đánh giá khách quan và định lượng theo các số liệu đo. Có
nhiều thang độ lớn động đất khác nhau. Một số thang dựa trên các số liệu đo biên độ
các sóng địa chấn và các đặc tính khác nhau. Một số thang biểu thị trực tiếp các thông
số nguồn phát sinh động đất, không phụ thuộc vào các sóng địa chấn. Trong đó Richter
là thang độ lớn động đất thông dụng.
Vào năm 1935, giáo sư Ch.F.Richter đã đề xuất một phương pháp xác định độ
lớn của một trận động đất dựa trên các số liệu ghi được từ các thiết bị đo địa chấn.
Phương pháp này sau đó được chính tác giả và B.Gutenberg hoàn thiện thêm và mang
tên là Richter.
Theo định nghĩa của thang Richter, độ lớn M của một trận động đất là logarit
thập phân của biên độ cực đại A(µm) được ghi tại một điểm cách chấn tâm 100km
bằng một địa chấn kế xoắn do H.O.Wood và J.Anderson thiết kế. Địa chấn này có chu
kỳ dao động tự nhiên bằng 0,8(s), hệ số cản tới hạn 0,8 và hệ số khuếch đại tĩnh các
sóng 2800.


6
Hệ số khuếch đại tĩnh các sóng là tỷ số giữa biên độ đọc trên địa chấn kế và
biên độ thực của chuyển vị đất nền. Nó khuếch đại các sóng có chu kỳ nằm giữa 0,5(s)
và 1,5(s) là loại sóng thường có khả năng gây hư hại nhất. M=logA.
Bảng 1.2 Bảng thang độ lớn động đất Richter

Độ Richter

Tác hại

< 2.0

Động đất thật nhỏ, không cảm thấy được.

Mô tả

Tần số xảy ra

Không

Khoảng 8000 lần

đáng kể

mỗi ngày

2.0 - 2.9

Thường không cảm nhận nhưng đo được. Thật nhỏ

Khoảng 1000 lần
mỗi ngày

3.0 - 3.9

Cảm nhận được nhưng ít khi gây ra thiệt

hại.

Nhỏ

Khoảng 49000
lần mỗi năm

4.0 – 4.9

Rung chuyển đồ vật trong nhà. Thiệt hại
khá nghiêm trọng.

Nhẹ

Khoảng 6200 lần
mỗi năm.

Trung

Khoảng 800 lần

5.0 – 5.9

6.0 – 6.9

Có thể gây thiệt hại nặng cho những
cơng trình không theo tiêu chuẩn kháng

chấn. Thiệt hại nhẹ cho những cơng trình bình
tn theo tiêu chuẩn kháng chấn.

mỡi năm.

Có sức tiêu hủy mạnh trong những vùng

Khoảng 120 lần

đông dân trong chu vi 180km bán kính.

Mạnh

mỡi năm.

7.0 – 7.9

Có sức tàn phá nghiêm trọng trên diện
tích lớn.

Rất
mạnh

Khoảng 18 lần
mỡi năm.

8.0 – 8.9

Có sức tàn phá vơ cùng nghiêm trọng
trên diện tích lớn trong chu vi hàng trăm
km bán kính.

Cực
mạnh

Khoảng 1 lần
mỡi năm.

9.0 – 9.9

Sức tàn phá vô cùng lớn.

Cực kỳ
mạnh

Khoảng 20 lần
mỗi năm.

> 10

Gây ra hậu quả khủng khiếp cho trái đất

Kinh
hoàng

Cực hiếm.

1.2. TÁC HẠI CỦA ĐỘNG ĐẤT
Động đất là một trong những hiện tượng thiên nhiên gây nhiều thiệt hại nhất về
tính mạng con người và của cải vật chất xã hội. Khác với bão, hiện nay chưa đủ
phương tiện kỹ thuật tin cậy để dự báo động đất nên việc cảnh báo, sơ tán người dân ra
khỏi các công trình động đất gây nguy hiểm khơng thể thực hiện được. Theo thống kê,

hàng năm trên thế giới có hàng ngàn người thiệt mạng, thiệt hại hàng tỉ đô la do động


7
đất gây nên. Ngay cả đối với các nước có tiềm lực, kinh nghiệm xây dựng phòng
chống động đất như Nhật Bản, Mỹ, Nga, Trung Quốc,…nhiều nhà và cơng trình dù đã
được thiết kế và xây dựng chịu động đất những cũng không tránh khỏi bị hư hỏng hoặc
sụp đổ khi động đất mạnh xảy ra. Có thể kể đến một số trận động đất lớn, gây thiệt hại
nhiều về người và của sau đây:
- Trận động đất Sumatra-Andaman (Năm 2004, 9.0 độ Richter): trận động đất
dưới đáy biển đã kích hoạt một ch̃i các đợt sóng thần chết người lan tỏa khắp Ấn Độ
Dương, những con sóng cao 30m, tàn phá cộng đồng dân cư sống ven biển ở Sri lanka,
Ấn Độ, Thái Lan và những nơi khác, cướp đi sinh mạng của hơn 225.000 người thuộc
11 quốc gia.

Hình 1.2 Động đất Sumatra (năm 2004).
- Trận động đất Tohoku (Nhật Bản, Năm 2011, 8.9 độ Richter): Trận động đất
đã gây ra sóng thần lan dọc bờ biển Thái Bình Dương của Nhật Bản và ít nhất 20 quốc
gia, bao gồm bờ biển phía tây của Bắc và Nam Mỹ. Theo ghi chép về cường độ động
đất, đây là trận động đất mạnh nhất từng xảy ra ở Nhật Bản và là một trong năm trận
động đất mạnh nhất thế giới từ khi các thiết bị ghi nhận được sử dụng từ năm 1900.
Ước tính có gần 16.000 người chết và hàng trăm nghìn ngơi nhà dân bị hư hỏng trong
thảm hỏa kép động đất-sóng thần trên. Chính phủ Nhật Bản cho biết tổn thất do động
đất và sóng thần tàn phá miền Đông Bắc có thể lên đến 309 tỉ USD. Đây là kỉ lục thế
giới về thiệt hại do thiên tai gây ra. Tồi tệ hơn, thảm họa này cũng làm hư hại tới nhà
máy điện hạt nhân Fukushima I, gây nên cuộc khủng hoảng hạt nhân tồi tệ sau thảm
kịch Chernobyl.


8

Hình 1.3 Tác hại Động đất Tohoku gây ra tại TP.Miyako Nhật Bản (năm 2011)

Hình 1.4 Tác hại Động đất Tohoku gây ra tại TP.Asahikawa (năm 2011)
- Trận động đất Kobe (Nhật Bản, năm 1995, 7.2 độ Richter): làm rung chuyển
thành phố Kobe, cướp đi sinh mạng của ít nhất 6400 người, hơn 150000 tòa nhà, cảng
biển và 1km đường cao tốc hư hại nặng nề sau cơn địa chấn. Kinh tế Nhật Bản thiệt
hại khoảng 10 nghìn tỉ yen (khoảng 100 tỉ USD), tương đương 2,5% GDP Nhật Bản
thời đó, sau trận động đất năm 1995.


9

Hình 1.5 Động đất Kobe (năm 1995)
Tại Việt Nam, theo bản đồ phân vùng động đất chu kỳ lặp 500 năm do Viện Vật
Lý địa cầu lập thì ở nước ta một phần lãnh thổ phía Bắc có khả năng xảy ra động đất
mạnh cấp VIII (theo thang MSK-1964) tương ứng với gia tốc nền từ 0,12g đến 0,24g
(trong đó g là gia tốc trọng trường). Phần lãnh thổ còn lại có thể xảy ra động đất yếu
và rất yếu (yếu – tương ứng với gia tốc nền (ag) 0,04g  ag < 0,08g (tương đương với
động đất cấp VI đến VII theo thang MSK-1964), rất yếu - tương ứng với gia tốc nền ag
< 0,04g (tương đương với động đất dưới cấp VI).
Từ năm 1900 đến 2006 đã ghi nhận được 115 trận động đất từ cấp VI ÷ VII (4.5
đến 4.9 độ richter) ở khắp các vùng lãnh thổ nước ta, 17 trận động đất cấp VII (5.0 đến
5.9 đọ richter) và một số trận động đất mạnh cấp VIII như ở Điện Biên Phủ năm 1935
(6.8 độ richter), ở Tuần Giáo, Lai Châu năm 1983 (6.7 độ richter), Điện Biên Phủ năm
2001 (5.3 độ richter). Trận động đất 7 độ richter xảy ra ở Myanmar ngày 24/03/2011
gần biên giới 3 nước Lào – Thái Lan – Myanmar đã gây ra chấn động cấp V tại Hà
Nội và cấp VI tại một số nơi ở khu vực Tây Bắc.

10

Hình 1.6 Động đất tại Khu vực giáp ranh huyện Tủa Chùa (Điện Biên) và Quỳnh
Nhai (Sơn La) ngày 24/09/2017
Với tác động của biến đổi khí hậu, các tỉnh Nam Bộ trước đây ít xuất hiện động
đất thì nay đã thấy xảy ra. Điển hình là các trận động đất ngoài khơi biển Vũng Tàu đã
gây rung động đến nhiều cơng trình xây dựng tại Vũng Tàu và TP. Hồ Chí Minh, đặc
biệt là các nhà cao tầng.
Một số hình ảnh cơng trình bị phá hoại bởi động đất:

Hình 1.7 Động đất Kobe (1995)


11

Hình 1.8 Động đất Nam California (Năm 1979)

Hình 1.9 Động đất Bhuj (Ấn Độ) năm 2001


12

Hình 1.10 Động đất San Fernando (Mỹ) năm 1971

Hình 1.11 Động đất Sichuan (TQ) năm 2008

Hình 1.12 Động đất Northridge (Mỹ) năm 1994


13

1.3. QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI TRONG THIẾT KẾ CHỊU ĐỘNG ĐẤT
1.3.1. Quan niệm thiết kế cơng trình chịu động đất
Sự làm việc của một cơng trình xây dựng trong thời gian xảy ra động đất phụ
thuộc vào hai yếu tố chính: Sức mạnh động đất và Chất lượng cơng trình.
Chất lượng cơng trình là một yếu tố có độ tin cậy tương đối cao vì nó phụ thuộc
vào những điều kiện có thể kiểm sốt được như: hình dạng cơng trình, phương pháp
thiết kế, cách thức cấu tạo các bộ phận kết cấu chịu lực và không chịu lực, chất lượng
thi công,… còn sức mạnh động đất là một yếu tố có độ tin cậy rất thấp. Sức mạnh
động đất lớn nhất dự kiến sẽ xảy ra trong thời gian sử dụng cơng trình được xác định
trên cơ sở các số liệu rất hạn chế và những thông tin rất đáng ngờ thu thập được từ lịch
sử địa chấn trong vùng đang xem xét. Do đó, quan điểm thiết kế kháng chấn đúng đắn
nhất hiện nay là chấp nhận tính không chắc chắn của hiện tượng động đất và tập trung
vào việc thiết kế các cơng trình có mức độ an toàn chấp nhận được. Các cơng trình xây
dựng được thiết kế theo quan điểm này phải có một độ cứng, độ bền và độ dẻo thích
hợp, nhằm bảo đảm trong trường hợp động đất xảy ra sinh mạng con người được bảo
vệ, các hư hỏng được hạn chế và những cơng trình quan trọng có chức năng bảo vệ cư
dân vẫn có thể duy trì hoạt động. Đối với các trận động đất có cường độ yếu, độ cứng
nhằm tránh không để xảy ra các hư hỏng ở phần kiến trúc cơng trình. Đối với các trận
động đất có cường độ trung bình, độ bền cho phép giới hạn các hư hỏng nghiêm trọng
ở hệ kết cấu chịu lực. Đối với các trận động đất mạnh và rất mạnh, độ dẻo cho phép
cơng trình có các chủn vị khơng đàn hồi lớn mà không sụp đổ. Sụp đổ ở đây được
hiểu theo nghĩa là trạng thái khi những người sống trong nhà khơng thể chạy thốt ra
ngoài do một sự cố nghiêm trọng ở hệ kết cấu chịu lực chính.
Mục tiêu của việc thiết kế kháng chấn hiện nay là giảm đến mức tối đa sự hư
hỏng ở công trình xây dựng khi xảy ra các trận động đất trung bình và chấp nhận các
hư hại lớn (nhưng khơng sụp đổ) ở các kết cấu chịu lực khi xảy ra các trận động đất
mạnh.

Hình 1.13 Các quan niệm mới và quan niệm cũ trong thiết kế
cơng trình chịu động đất

14
Như vậy, các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế các cơng trình chịu động đất
có thể tóm lược dưới dạng các yêu cầu sau thông qua các trạng thái giới hạn của
chúng:
- Trạng thái giới hạn làm việc: Cơng trình phải chịu được các trận động đất yếu
thường hay xảy ra mà không bị bất cứ hư hỏng nào ở kết cấu chịu lực lẫn không chịu
lực. Công trình vẫn hoạt động bình thường, kể cả các thiết bị bên trong cơng trình.
Điều này nghĩa là, trong thời gian động đất yếu, tất cả các bộ phận kết cấu tạo nên
cơng trình phải làm việc trong giới hạn đàn hồi.
- Trạng thái giới hạn cuối cùng hoặc trạng thái giới hạn kiểm sốt hư hỏng:
Cơng trình phải chịu được các trận động đất có độ mạnh trung bình với các hư hỏng
rất nhẹ có thể sửa chữa được ở các bộ phận kết cấu chịu lực, cũng như các bộ phận kết
cấu không chịu lực.
- Trạng thái giới hạn sụp đổ hoặc trạng thái giới hạn tồn tại: Theo quan niệm
thiết kế kháng chấn hiện đại, mục tiêu quan trọng nhất được đặt lên hàng đầu là bảo vệ
sinh mạng con người trong thời gian xảy ra động đất với sức mạnh lớn nhất có thể tại
địa điểm xây dựng. Đối với đại đa số các cơng trình, cho phép xuất hiện những hư
hỏng lớn ở kết cấu chịu lực và các thiết bị bên trong khi xảy ra động đất mạnh. Trong
một số trường hợp, những sự hư hỏng này có thể không sửa chữa được nhưng cơng
trình khơng được phép sụp đổ.
1.3.2. Các tiêu chí cần tuân theo
Để thỏa mãn các yêu cầu cơ bản trên, cần phải kiểm tra các trạng thái
giới hạn sau:
a. 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 hư hỏng khác của cơng trình có thể nguy hiểm tới sự an toàn của con người.
Ở trạng thái giới hạn này, hệ kết cấu cần phải được kiểm tra về khả năng chịu lực và
phân tán năng lượng, về ổn định chống trượt và chống lật, về khả năng chịu lực của hệ

móng và nền đất dưới móng, về ảnh hưởng của hiệu ứng bậc hai và về sự làm việc
của bộ phận không chịu tải.
b. Các trạng thái hạn chế hư hỏng
Các trạng thái hạn chế hư hỏng là các trạng thái liên quan tới sự xuất hiện hư
hỏng mà từ đó một số chức năng hoạt động không còn được thỏa mãn. Ở trạng thái
này, các hư hỏng không thể chấp nhận phải được ngăn chặn với độ tin cậy phù hợp
bằng cách thỏa mãn những giới hạn về biến dạng hoặc các giới hạn khác được quy
định trong TCVN 8386:2012. Ở những cơng trình quan trọng có chức năng bảo vệ dân


15
sự, hệ kết cấu cần phải được kiểm tra để đảm bảo rằng chúng có đủ độ cứng và độ bền
nhằm duy trì sự hoạt động của các thiết bị thiết yếu khi xảy ra động đất với một chu kỳ
lặp phù hợp.
1.3.3. Các biện pháp cụ thể
Các biện pháp cụ thể riêng liên quan tới: thiết kế, móng, kế hoạch đảm bảo chất
lượng cần phải được xem xét tới nhằm hạn chế những điểm còn đáng ngờ liên quan tới
sự làm việc của hệ kết cấu dưới tác động động đất thiết kế và làm cho cơng trình có một
phản ứng tốt dưới tác động động đất mạnh hơn tác động động đất được xem xét tới theo
quy định của tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn.
a. Thiết kế
Ở mức độ có thể, kết cấu cần có hình dạng đơn giản và cân đối trong cả mặt
bằng lẫn mặt đứng. Nếu cần thiết, có thể chia kết cấu thành các đơn nguyên độc lập về
mặt động lực bằng các khe kháng chấn.
Để bảo đảm ứng xử dẻo và tiêu tán năng lượng tổng thể, phải tránh sự phá hoại
giòn hoặc sự hình thành sớm cơ cấu mất ổn định. Để đạt được mục đích đó, phải sử
dụng quy trình thiết kế theo khả năng chịu lực và tiêu tán năng lượng. Quy trình này
được sử dụng để có được các thành phần kết cấu khác nhau xếp theo cấp bậc độ bền và
theo các dạng phá hoại cần thiết để bảo đảm một cơ cấu dẻo phù hợp và để tránh các
dạng phá hoại giòn.

Do tính năng kháng chấn của kết cấu phụ thuộc rất nhiều vào ứng xử của các
vùng hoặc cấu kiện tới hạn của nó, cấu tạo kết cấu nói chung và các vùng hoặc các cấu
kiện tới hạn nói riêng phải duy trì được khả năng truyền lực và tiêu tán năng lượng cần
thiết trong điều kiện tác động có chu kỳ. Để đáp ứng yêu cầu này, trong thiết kế cần
quan tâm đặc biệt đến các chi tiết cấu tạo liên kết giữa các cấu kiện chịu lực và chi tiết
cấu tạo các vùng dự đốn có ứng xử phi tuyến.
Phương pháp phân tích phải dựa vào mơ hình kết cấu phù hợp, khi cần thiết, mơ
hình này phải xét tới ảnh hưởng của biến dạng nền đất, của những bộ phận phi kết cấu
và những khía cạnh khác, chẳng hạn như sự hiện diện của những kết cấu liền kề.
b. Hệ móng
Độ cứng của hệ móng phải đủ để truyền những tác động nhận được từ kết cấu
bên trên xuống nền đất càng đều đặn càng tốt.
Trừ cơng trình cầu, nói chung chỉ nên sử dụng một dạng móng cho cùng một
cơng trình, trừ phi cơng trình gồm các đơn ngun độc lập về mặt động lực.