KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG PHỔ PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ TRONG PHÂN TÍCH NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĨNH PHI TUYẾN ThS NGUYỄN HỒNG HẢI, TS NGUYỄN HỒNG HÀ Viện KHCN Xây dựng ThS VŨ XUÂN THƯƠNG Công ty Cổ phần Giải pháp công nghệ Xây dựng SF Tóm tắt: Thiết kế kết cấu nhà cao tầng chịu động đất dựa chuyển vị, sử dụng phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến, yêu cầu phải xác định phổ phản ứng chuyển vị (dưới gọi tắt phổ chuyển vị) phù hợp tin cậy dải chu kỳ dài Phổ chuyển vị áp dụng phân tích có ảnh hưởng trực tiếp đến kết tính toán Bài báo trình bày nghiên cứu số tác giả giới liên quan tới việc sử dụng phổ chuyển vị phân tích ứng xử kết cấu theo phương pháp dựa chuyển vị Ví dụ so sánh kết phân tích áp dụng phổ chuyển vị theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 ASCE 7-2010 trình bày Kết cho thấy phổ chuyển vị theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 không phù hợp để xác định chuyển vị mục tiêu cho kết cấu nhà cao tầng Trong trường hợp này, kiến nghị sử dụng phổ chuyển vị theo ASCE để phân tích Đặt vấn đề Phương pháp thiết kế kháng chấn dựa tính (performance-based design), vận dụng khái niệm thiết kế dựa chuyển vị (displacement based design), xem cho phép kiểm soát phá hoại cách trực tiếp so với phương pháp thiết kế kháng chấn truyền thống (dựa lực – force-based design) [1] Thiết kế kết cấu dựa tính đạt thông qua việc áp dụng phương pháp phân tích phi tuyến, tĩnh động Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất hành Việt Nam TCVN 9386:2012 [2] (dưới gọi tắt TCVN 9386), biên soạn dựa sở chuyển dịch tiêu chuẩn Eurocode [3] (dưới viết tắt EC8), trình bày số phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến phổ biến giới, với tên gọi “phương pháp N2” Fajfar [4] đề xuất Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến sử dụng để kiểm tra tính kết cấu nhà hữu nhà thiết kế nhằm mục đích: (1) kiểm tra đánh giá lại tỷ số vượt cường độ u/1, (2) xác định cấu dẻo dự kiến phân bố hư hỏng, (3) đánh giá tính kết cấu nhà hữu cải tạo theo mục tiêu tiêu chuẩn liên quan (4) sử dụng phương Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 pháp thiết kế thay cho phương pháp phân tích đàn hồi - tuyến tính có sử dụng hệ số ứng xử q Khác với phương pháp phân tích tuyến tính phi tuyến theo lịch sử thời gian đưa ứng xử lớn (nội lực, chuyển vị) kết cấu (hoặc cấu kiện) ứng với độ lớn tải trọng động đất đầu vào, phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến đưa đường cong quan hệ lực – chuyển vị Các ứng xử (nội lực, chuyển vị) kết cấu (hoặc cấu kiện) xác định mức chuyển vị mục tiêu Một số nghiên cứu [4] [5] Fajfar , Penelis Papanikolaou có trình bày việc áp dụng phương pháp cho số dạng kết cấu thấp tầng Đối với công trình cao tầng, lý thuyết, phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến không thực phù hợp áp dụng cho kết cấu có ảnh hưởng dao động bậc cao đáng kể Tuy nhiên, phương pháp tĩnh phi tuyến không thích hợp cho việc đánh giá tính kháng chấn cách hoàn chỉnh phương pháp công cụ thiết kế hiệu để tìm hiểu ứng xử phi tuyến kết cấu tiến hành phân tích theo phương pháp phân tích động phi tuyến [6] Các tài liệu [7~10] có trình bày việc áp dụng phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến cho nhà cao tầng, song chưa tìm thấy ví dụ tương tự có áp dụng phổ phản ứng chuyển vị theo EC8 Việc lựa chọn phổ chuyển vị phù hợp quan trọng thiết kế dựa theo chuyển vị (displacementbased design) phương pháp tĩnh phi tuyến, biểu thị chuyển vị kỳ vọng (chuyển vị mục tiêu) công trình ứng với mức động đất xét Sự xác việc xác định chuyển vị mục tiêu phụ thuộc hoàn toàn vào phổ chuyển vị chọn Trong trình áp dụng phương pháp tĩnh phi tuyến để nghiên cứu ứng xử nhà cao tầng có tầng cứng, nhận thấy phổ chuyển vị quy định tiêu chuẩn TCVN 9386 có đặc điểm chưa phù hợp loại công trình (có chu kỳ dài) Bài báo, thông qua việc so sánh phổ chuyển vị TCVN 9386 ASCE 7-2010 [11] (dưới viết tắt ASCE 7), đồng thời tham khảo số tài liệu nghiên cứu liên quan ví dụ tính toán cụ thể làm rõ vấn đề KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Phổ chuyển vị theo TCVN 9386 ASCE T T  TD  T  : S e  T   a g S  2.5  C 2D   T  2.1 Phổ phản ứng theo tiêu chuẩn TCVN 9386 Theo TCVN 9386, phổ phản ứng gia tốc đàn hồi Se(T) xác định công thức sau:  T   T  TB : S e T   a g S 1   2.5  1   TB  TB  T  TC : S e T   2.5a g S T  TC  T  TD : S e  T   a g S  2.5  C  T  Sd  Sa (1) (2) (3) (4) đó: ag - gia tốc thiết kế loại A; S hệ số nền; TB, TC, TD - tham số phụ thuộc vào dạng đất nền; η - hệ số điều chỉnh độ cản Phổ chuyển vị đàn hồi xác định trực tiếp dựa vào phổ phản ứng gia tốc đàn hồi, theo công thức (5) Với chu kỳ dài 4s, phổ chuyển vị xác định theo phụ lục A tiêu chuẩn này, công thức (6) (7) T2 4 (5)    T  TE  TE  T  TF : S De T   0.025ag  S  TC  TD  2.5    1  2.5    TF  TE    T  TF : S e T   d g  0.025a g  S  TC  TD (6) (7) Hình hình thể hình dáng phổ gia tốc phổ chuyển vị Hình Dạng phổ gia tốc Hình Phổ chuyển vị 2.2 Phổ phản ứng theo tiêu chuẩn ASCE Phổ phản ứng gia tốc đàn hồi theo tiêu chuẩn ASCE xác định theo công thức sau (hình 3): T  T0 T0  T  TS TS  T  TL T  TL  T  S a  S DS  0.4  0.6  T0   S a  S DS S S a  D1 T S D 1T L Sa  T2 (8) (9) (10) (11) Hình Phổ gia tốc theo ASCE Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG đó: SDS, SD1 – giá trị phổ gia tốc thiết kế ứng với độ cản nhớt 5% chu kỳ 0.2s 1.0s; T0  0.2 S D1 / S DS , TS  S D1 / S DS ; TL - xác định theo đồ phân vùng động đất Mỹ ASCE quy định riêng cho phổ chuyển vị, mà xác định thông qua công thức (5) Tài liệu [13] có trình bày cách sử dụng phổ gia tốc theo ASCE áp dụng Việt Nam, thiên an toàn lấy TL=6.0s Vai trò chu kỳ góc phổ chuyển vị vùng chu kỳ dài Phổ chuyển vị có hình dạng điển hình, phần phi tuyến giai đoạn đầu, tuyến tính tới giá trị chu kỳ (gọi chu kỳ góc), sau nằm ngang biểu thị chuyển vị không đổi phần chu kỳ dài Chu kỳ góc (giữa vùng kiểm soát vận tốc kiểm soát chuyển vị) tham số phổ chuyển vị Chu kỳ góc phụ thuộc vào loại nguồn động đất, cấp động đất, khoảng cách tâm chấn [14, 15, 17, 18] khó xác định ASCE định giá trị chu kỳ góc khoảng từ 4-16s FEMA 450 quy định chu kỳ góc từ 420s theo cường độ chấn động Mw (moment magnitude) từ cấp tới 9+ [19] Tiêu chuẩn EC8 NZS 1170.5 ấn định chu kỳ góc 2s 3s Hình thể tương quan phổ chuyển vị tiêu chuẩn khác so với phổ ASCE 7, đất loại E, PGA 0.2g [20] Việc ấn định chu kỳ góc khác tiêu chuẩn khác có ảnh hưởng đáng kể tới độ lớn phổ chuyển vị Trong ví dụ trên, giá trị chuyển vị vùng chu kỳ dài theo tiêu chuẩn EC8 khoảng 0.5m, giá trị 1.4m theo tiêu chuẩn ASCE (với TL=6s) Hình Tương quan phổ chuyển vị theo số tiêu chuẩn, [20] ứng với phổ ASCE 7, đất loại E, PGA 0.2g Nghiên cứu Bommer [13], Sinan Akkar [18] đưa nhận định: phổ chuyển vị theo EC8 cho TD  1.0  2.5  M w  5.7  (12) Ngoài ra, nghiên cứu Phạm Tuấn Hiệp [25] giá trị thấp, đặc biệt phần chu kỳ trung Nilupa bình dài, mà nguyên nhân việc lựa thực toán phân tích phi tuyến, chọn giá trị TD=2s điểm bắt đầu đoạn chuyển vị không đưa giải thích chặt chẽ cho điều không đổi Việc ấn định giá trị thấp chu kỳ góc chỉnh cho độ lớn phổ chuyển vị thiên không an toàn[20] Kiến nghị cần phải soát xét lại nội dung liên quan đến vấn đề tiêu chuẩn EC8 nhiều tác giả đưa Nghiên cứu Faccioli [17] giá trị TD phổ EC8 (hay TCVN 9386) phụ thuộc vào độ lớn trận động đất khoảng cách đến tâm chấn, đồng thời kiến nghị công thức xác định giá trị TD động đất có cường độ chấn động Mw > 5.7 sau: Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 [26] , có hiệu chỉnh phổ chuyển vị theo EC8 Các nhận định xác đáng tham chiếu [19] đến dẫn NEHRP đoạn nằm ngang phổ chuyển vị chu kỳ khống chế TL (có ý nghĩa tương đương với giá trị TD EC8) Giá trị TL thể đồ phân vùng động đất Mỹ, biến thiên khoảng từ 4~16s phụ thuộc vào độ lớn động đất NEHRP đưa công thức xác định TC (là giá trị gần TL) thông qua quan hệ với cường độ chấn động Mw sau: KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG log TC  1.25  0.3M w (13) Có thể thấy giá trị chu kỳ góc tiêu chuẩn EC8 Hình thể quan hệ chu kỳ góc TD theo theo Faccioli (công thức (12)) nhỏ giá trị xác EC8 (hay TL theo ASCE) với cường độ chấn động Mw định theo NEHRP Hình Biểu đồ quan hệ chu kỳ góc phổ chuyển vị với cường độ chấn động Ví dụ tính toán so sánh áp dụng phổ chuyển vị TCVN 9386 ASCE Ảnh hưởng việc lựa chọn phổ chuyển vị phương pháp thiết kế dựa vào chuyển vị thể cụ thể ví dụ đây, xem xét ứng xử kết cấu nhà cao tầng (có chu kỳ dài) thông qua phân tích phi tuyến tĩnh Trong chuyển vị mục tiêu xác định theo phương pháp nêu phụ lục B tiêu chuẩn TCVN 9386 Mô hình dùng để khảo sát khung phẳng 55 tầng, nhịp (mỗi nhịp 19m) có 01 tầng cứng tầng 34 (hình 7), thông tin công trình cho bảng Công trình xem xét thiết kế chịu động đất theo hai tiêu chuẩn TCVN 9386 ASCE ứng với gia tốc 0.1g (chu kỳ lặp 475 năm) đất có SPT