[NCKH] PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CẤU KIỆN TRONG CÔNG TRÌNH CHỐNG ĐỘNG ĐẤT ~ XÂY DỰNG TRẺ

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CẤU KIỆN TRONG CÔNG TRÌNH CHỐNG ĐỘNG ĐẤT

Tác giả: Phan Đức Kỳ – X03A2

TỔNG QUAN

Đối với người kỹ sư thiết kế công trình chống động đất thì không đơn giản chỉ là giải quyết vấn đề phân tích, tính toán theo các quy phạm mà phải hiểu rõ được cách thức mà công trình bị phá hoại xảy ra trong thực tế các trận động đất. Vì vậy mà một kiến thức thực tế đối với ứng xử của nhà trong các trận động đất là rất quan trọng. Trong đề tài này chỉ đi sâu nghiên tác những tác động của động đất đối với công trình đó là những ứng xử của các bộ phận kết cấu, những dạng phá hoại, sự nguy hiểm xảy ra ở từng cấu kiện khác.

I. TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT LÊN CÔNG TRÌNH

1) Nội lực trong kết cấu:

Động đất gây ra sự dịch chuyển của đất nền.Vì vậy một công trình nằm trên đó sẽ phải chịu sự dịch chuyển móng của nó. Theo định luật I Niutơn mặc dù móng của nó dịch chuyển theo sự dịch chuyển của đất nền nhưng phần mái của ngôi nhà có khuynh hướng đứng yên tại vị trí gốc ban đầu của nó. Nhưng vì tường và cột liên kết với mái nên chúng sẽ kéo theo sự dịch chuyển của mái. Điều này giống như khi bạn đi xe buýt, lúc đầu khi xe buýt chưa chuyển động thì cơ thể vẫn giữ nguyên vị trí nhưng khi xe buýt bắt đầu chuyển động chân của bạn sẽ di chuyển theo xe buýt nhưng phần cơ thể phía trên có khuynh hướng giữ nguyên vị trí ban đầu đã làm cho bạn bị ngã về phía sau khuynh hướng này tiếp tục giữ nguyên vị trí giống như là quán tính. Trong ngôi nhà thường thì tường và cột thì dẻo nên sự chuyển động của mái thì khác so với sự dịch chuyển của đất nền (hình 1).

Bây giờ ta xét một ngôi nhà mà mái của nó gối lên các cột (hình 2). Trở lại sự suy luận của bản thân khi đứng trên xe buýt, khi xe buýt đột ngột chuyển động bạn bị giật về phía sau dường như có một lực nào đó tác động lên phần trên của cơ thể. Một cách tương tự khi đất nền chuyển động ngôi nhà bị giật lại về phía sau và mái chịu tác động một lực, đó là lực quán tính. Nếu ngôi nhà có một khối lượng M và chuyển động với gia tốc a thì theo định luật II Niuton giá trị lực quán tính là:

F= Ma.

Lực quán tính có phương ngược với phương chuyển động của gia tốc. Rõ ràng mái có khối lượng càng lớn thì lực quán tính càng cao. Vì thế đối với những ngôi nhà nhẹ hơn sẽ có khả năng chống động đất tốt hơn.

Hình 1: Ảnh hưởng của quán tính ngôi nhà Khi xảy ra chấn động tại móng của nó

F= Ma.

Hình 2: lực quán tính và chuyển vị tương đối trong công trình.

2) Ảnh hưởng do biến dạng của kết cấu:
Dưới sự dịch chuyển của đất nền thông qua các cột đã sinh ra lực quán tính tác động lên mái ngôi nhà đã gây nên nội lực trong các cột. Những nội lực này được sinh ra thì có thể giải thích theo nhiều cách khác nhau. Trong suốt quá trình xảy ra động đất, cột nhà chịu sự chuyển vị tương đối giữa hai đầu của chúng từ đó phát sinh nên nội lực trong các cột ( hình 2).

Trong hình 2, u là chuyển vị giữa mái và đất nền. đại lượng u cũng chính là sự chuyển vị tương đối giữa 2 đầu cột, so với vị trí thẳng đứng ban đầu thì cột bị biến dạng. khi ở vị trí phương thẳng đứng thì cột không chịu lực động đất ngang truyền qua chúng. Nhưng khi lực này bẻ cong cột thì trong cột sẽ phát sinh nội lực. tùy vào độ cứng của cột mà nội lực có thể lớn hoặc nhỏ. Do đó nội lực này trong cột còn gọi là lực cứng (stiffness forces). N=EJu

3) Chấn động phương ngang và phương đứng
Động đất gây nên chấn động của đất nền theo mọi phương dọc theo 2 phương (X và Y) và phương đứng Z (hình 3). Vì thế trong quá trình động đất nền đất bị chấn động một cách ngẫu nhiên dọc theo X, Y, Z. Tất cả các kết cấu đều được thiết kế để chịu được tải trọng do trọng lực gây nên (gravity) G bao gồm cả trọng kết cấu và tải trọng tác động do sử dụng M).

G = Mg. trong đó g là gia tốc trọng trường ngược chiều với trục Z. Gia tốc theo phương đứng trong suốt quá trình chấn động nền cũng không được cộng vào hay trừ ra với gia tốc trọng trường. Vì các hệ số an toàn trong quá trình thiết kế kết cấu thường đủ khả năng chống lại sự chấn động theo phương thẳng đứng.
Tuy nhiên sự chấn động theo phương ngang X, Y gây ra mối nguy hiểm. Kết cấu thông thường được thiết kế đối với trọng lực nhưng có thể nó không thể an toàn khi chịu tác động của chấn động theo phương ngang của động đất. Vì thế, cần phải thiết kế chống lại tác động theo phương ngang của động đất.

4) Dòng chảy của lực quán tính xuống móng
Dưới sự dịch chuyển theo phương ngang của đất nền phát sinh lực quán tính tại vị trí mang khối lượng lớn của kết cấu mà thường là tại các tầng. Các lực quán tính ngang này sẽ truyền từ sàn qua hệ dầm, tường và cột xuống dưới móng và cuối cùng là truyền xuống hệ thống đất nền bên dưới (hình 4). Vì vậy các thành phần kết cấu như sàn, dầm, cột hay tường và các mối nối giữa chúng cần được thiết kế an toàn để có thể chịu được lực quán tính này truyền qua chúng.

Tường và cột là những thành phần then chốt nhất trong việc truyền tải lực quán tính xuống nền.
Nhưng trong các công trình xây dựng thì dầm được quan tâm thiết kế nhiều thường khỏe hơn
tường và cột. tường thì tương đối mỏng và thường làm từ vật liệu dòn như khối xây, chúng rất kém
trong việc chịu lực quán tính theo phương ngang nên dễ bị phá hoại khi xảy ra động đất. Tương tự,
cho cột bê tông cốt thép thiếu cường độ chịu động đất là một thảm họa. vì trong thực tế nhiều công
trình bị phá hoại chỉ do một số ít cột bị phá hoại gây ra sự sụp đổ cho toàn bộ công trình.

5) Ứng xử của khối xây
Hình 6.1: ứng xử của tường xây không cốt thépkhi xảy ra động đất, tường bị đu đưa mất liênkết, nứt chéo chữ X. (b) rung lắc của tường ngăn Đu đưa Khoảng hở Góc chéo Lanh tô Giằng Cửa đi Cửa sổ Mái Đà kiềng X-Cracking của tường ngăn(c) vết nứt- X phần tường ngăn (cửa) Tường (a) các thành phần nhà
Sự phá hoại của khối xây không cốt thép xảy ra thường xuyên trong các trận động đất đến nỗi được xem như là hiển nhiên. Nhiều quy phạm chống động đất đã cấm sử dụng khối xây không có cốt thép. Tuy nhiên vì các lý do kinh tế khối xây không có cốt thép được sử dụng rộng rãi cả cho tường chịu lực nhà thấp tầng và
cả để chèn trong các kết cấu khung.

Trong các khối xây thường có các giằng ngang để cải thiện khả năng chịu động đất. Những giằng ngang này gồm có: giằng chân cột ( đà kiềng), giằng cửa, giằng mái. Tuy vậy do trong công trình có nhiều cửa, khoảng không trên tường đã làm cho tường bị giảm yếu ( hình 5).
Trong nhà chống động đất tường xây được phân thành 3 loại nhỏ là: phần tường lửng dưới mái (spandrel masory) phần tường ngăn cửa (wall pier masory) và phần tường dưới cửa (sill masory) ( hình vẽ) sở dĩ phân chia như vậy vì khi xảy ra động đất thì 3 phần tường này có ửng xử khác nhau.Khi xảy động đất lực quán tính làm cho phần tường ngăn (cửa) bị mất liên kết với phần tường xây ở trên và dưới. Phần tường này bị đu
đưa tại điểm góc và tường phát sinh vết nứt dạng chữ X – đây là dạng phá hoại phổ biến trong khối
xây (hình 6.1a,b,c).

Trong các khối xây không cốt thép (hình 6.2) diện tích mặt cắt ngang của tường xây bị giảm yếu tại
những lỗ cửa, do đó ngôi nhà có thể trượt ngay dưới mái, dưới lanh tô, tại cao trình ngưỡng cửa và
đôi khi bị trượt ngay tại cao trình đà kiềng. Vị trí của điểm trượt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
trọng lượng nhà, lực quán tính sinh ra, diện tích phần cửa và loại khung cửa được sử dụng.

Trong tường xây không cốt thép khả năng bị phá hoại và hư hại là rất cao và dễ gây nguy hiểm cho con người và đồ đạc trong nhà. Do khả năng liên kết với các phần tường với nhau kém, tiết diện tường bị giảm yếu, khả năng chịu dao động kém nên tường không cốt thép rất bất lợi trong chịu tải trọng động đất. Do đó cần luồn cốt thép trong tường để giúp tường tăng khả năng chịu tải trọng động đất. Điều này giải thích tại sao
một số quy phạm trên thế giới cấm sử dụng tường xây không cốt thép trong nhà chống động đất ở những khu vực có cường độ động đất cao.

• Cốt thép trong tường xây phải luồn theo phương thẳng đứng theo cạnh tường và được neo từ

móng đến mặt trên của giằng mái (hình 7). Khi có cốt thép thì các phần tường thay vì bị đu đưa sẽ

chịu uốn tránh được sự mất liên kết giữa các phần tường với nhau, cả bức tường cùng làm việc

chung với nhau giúp cho cả khối xây ổn định và chắc khỏe hơn. Bên cạnh đó cốt thép trong khối xây

sẽ chị cắt tại những vị trí khối xây có tiết diện nhỏ đặc biệt là phần tường ngăn (cửa)-vị trí yếu nhất

và dễ bị phá hoại nhất, nhờ vậy mà khả năng chịu tải trọng ngang tăng lên tránh được sự phá hoại

cắt trong tường xây, ngăn cảng vết nứt (đặc biệt là vết nứt dạng chữ X) phát triển trong khối xây.

- Tại vị trí cửa khi xảy ra động đất thì khung cửa bị biến dạng (do tường bị dao động) khỏi dạng chữ

nhật ban đầu thành hình thoi (hình 8). Khi đó có các góc trên các đường chéo bị biến dạng khác

nhau, 2 góc di chuyển ra xa nhau và 2 góc di chuyển hướng lại gần nhau.

Dưới sự tác động biến dạng như vậy dẫn đến các vết nứt phát triển tại góc khung cửa, vết nứt nhanh chóng phát triển rộng trong cả khối xây. vết nứt càng lớn khi kích thướt khung cửa (cửa sổ, cửa đi, các dạng lổ

cửa nói chung) càng lớp. do vậy để tránh phá hoại ta đặt cốt thép trong khối xây để chịu ứng suất kéo phát sinh khi tường biến dạng làm cho khối xây có tính dẻo hơn chịu được sự dao động tốt hơn􀃆 ngăn chặn sự phát triển của các vết nứt.

Tóm lại, các vết nứt thường tập trung xung quanh các lỗ cửa. Sự rạn nứt thường chạy theo các mạch vữa. tác dụng của cốt thép đối với sự tổn hại trong mặt phẳng là làm giảm số lượng vết nứt và giảm đáng kể khả

năng phá hoại. Ở ngoài mặt phẳng, khối xây đứng độc lập hay bị tách khỏi bất kỳ một kết cấu liền kề nào đều có thể bị phá hoại. Việc này sẽ ít có khả năng xảy ra hơn nhiều nếu có một mối liên kết cứng ở hai đầu của bức tường. Cốt thép tạo thành một khung bao quanh là hữu hiệu nhất trong việc chống sập đổ hoàn toàn. Tổn hại đối với với khối xây thường tập trung quanh các lổ cửa. Việc cần làm đối với khối xây không có cốt thép đơn giản vào trong các tấm panen.

Phá hoại trong khối xây - dạng chữ X, đặc biệt tại vị trí cửa sổ

II. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

1) Nhà bê tông cốt thép

Bê tông cốt thép (RC) là vật liệu phổ biến nhất hiện nay, RC có thể được đúc nhiều hình dạng khác nhau

theo mong muốn của người thiết kế. Cấu kiện đặc trưng của RC trong nhà là: dầm, sàn nằm theo phương ngang nhà, cột, tường theo phương đứng được đỡ bởi hệ thống móng và truyền tải trọng xuống nền đất. Một hệ thống gồm dầm liên kết với cột gọi là khung bê tông cốt thép mà hiện nay đang sử dụng phổ biển trong mọi công trình dân dụng. Khung RC là kết cấu chính chịu tải trọng động đất. Chấn động do động đất làm phát sinh ra lực quán tính cho ngôi nhà, lực này tỉ lệ với khối lượng. đối với nhà thì khối lượng tập trung ở cao trình của sàn nên lực quán tính phát sinh và phát triển chủ yếu là tại cao trình sàn. Những lực này truyền qua dầm, sàn xuống tường, cột và cuối cùng xuống móng để truyền tải trọng vào nền đất. Lực ngang do động đất gây ra tăng dần theo độ giảm chiều cao công trình, tại đỉnh thì lực ngang do động đất gây ra là cực tiểu còn tại chân cột, tường tầng trệt thì cực đại (hình 9).

2) Vai trò của sàn và tường xây
Trong nhà nhiều tầng có thể dùng hệ dầm - sàn hay hệ sàn không dầm. Với hệ dầm-sàn nếu dầm bị uốn do tải trọng thẳng đứng thì những tấm sàn (thường 110-150mm) cũng sẽ uốn chung với dầm (Hình 10). Còn khi
dầm dịch chuyển cùng với cột theo phương ngang sàn kéo theo dầm cùng chuyển động với nó. Trong hầu hết
mọi công trình thì biến dạng hình học của sàn không đáng kể theo phương ngang, vì ứng xử của sàn được xem là một tấm cứng tuyệt đối theo phương ngang.

Dưới tác động của lực ngang thì cột dịch chuyển theo phương lực tác dụng, trong khi tường xây có khuynh hướng chống lại sự dịch chuyển này bởi vì chúng có trọng lượng lớn và bề dày tường lớn cho nên tường chịu tác dụng những lực ngang khá lớn (hình 11). Bên cạnh đó khối xây là loại vật liệu dòn nên dễ phát sinh vết nứt và phá hoại. Vì vậy vai trò của tường xây giống như “cầu chì” trong ngôi nhà; chúng sẽ phát nổ.