Đề tài Phân tích ứng xử của cấu kiện trong công trình chống động đất

Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 PHAÂN TÍCH ÖÙNG XÖÛ CUÛA CAÁU KIEÄN TRONG COÂNG TRÌNH CHOÁNG ÑOÄNG ÑAÁT Taùc giaû: Phan Ñöùc Kyø – 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). Hình 1: Ảnh hưởng của quán tính ngôi nhà Khi xảy ra chấn động tại móng của nó 180 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 2: lực quán tính và chuyển vị tương đối trong công trình. Lực quán tính u mái Cột Móng nhà Đất Gia tốc nền Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 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). EJuN = 3) Chấn động phương ngang và phương đứng 181 ĐẤT Hình 4: Dòng truyền lực quán tính do động đất đi qua các thành phần kết cấu Sự dịch chuyển do động đất SÀN HỆ THỐNG TƯỜNG HOẶC CỘT MÓNG LỰC QUÁN TÍNH 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. Z Y X Hình 3: những phương chính của ngôi nhà Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 5) Ứng xử của khối xây ấu khung. 182 Hình 6.1: ứng xử của tường xây không cốt thép khi xảy ra động đất, tường bị đu đưa mất liên kết, 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 c 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. Hình 5 : các thành phần chia nhỏ của tường xây trong nhà chống động đất - Mái Phần tường dưới mái MÔMA Phần tường Đất Lanh tô Phần tường ngăn Ngưỡng cửa Đà kiềng Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 Hình 6.2: sự trượt ngang xảy ra tại cao trình ngưỡng cửa trong tường xây không cốt thép. Móng Mái Lực quán tính Mặt trượt (a) cốt thép trong khỗi xây làm tường chịu uốn thay vì chịu dao động của các phần tường. Tường chỉ bị uốn Cốt thép phải được neo từ móng đến mặt trên củagiằng mái Hình 7: ứng xử của khối xây có cốt thép (b) cốt thép chịu lực cắt gây trượt tại các vị trí tiếp xúc của các phần tường (mặt trượt). 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. Bố trí cốt thép trong tường xây: • 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. 183 Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 184 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 hơnÆ 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. Hình 14: vết nứt tại góc cửa của khối xây không cốt thep – cần luồn cốt thép để hạn chế nứt. (b) không xuất hiện vết nứt trong khối xây có cốt thép Lực quán tính do động đất Vết nứt (a) vết nứt tại góc tường xây không có cốt thép gia cường Cốt thép Lanh tô Giằng ngưỡng cửa dưới Biến dạng hình thoi của Khung cửa Phá hoại trong khối xây - dạng chữ X, đặc biệt tại vị trí cửa sổ. Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 II. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 1) Nhà bê tông cốt thép Hình 9: Minh họa – nội lực do lực ngang gây ra tăng dần xuống chân cột, tường. TẦ N G 5 4 3 2 1 Lực tổng 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 185 Hình 10: Sàn và dầm bị uống chung theo phương đứng và dịch chuyển kéo theo cột theo phương ngang. (a) dịch chuyển theo phương đứng (b) dịch chuyển theo phương ngang Khoảng hở Hình 11: Minh họa -Sự làm việc chung của tường và cột Nén Nứt Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 Độ cứng của tấm tường có thể được tăng cường bằng mác vữa, các lớp hồ no vữa, có thể làm giảm khoảng hở giữa chúng với khung nhà. Tuy vậy nếu một tấm tường được thiết kế không hợp lý về chiều cao và chiều dài so với bề dày của nó có thể dẫn đến sự sụp đổ ngoài mặt phằng tường gây ra nguy hiểm. Hơn nữa, việc đặt tường không hợp lý có thể gây ra hiện tượng xoắn và giảm yếu khung giống như hiện tượng “cột ngắn” (phân tích ở phần sau) Ảnh hưởng nội lực của tải trọng động đất • Dưới tác dụng của tải trọng trọng lực thẳng đứng ( Tĩnh tải + hoạt tải sử dụng) làm cho dầm bị uốn và gây ra sự căng thớ tại các vị trí khác nhau. Thông thường thì dầm bị căng thớ dưới tại giữa dầm và căng thớ trên tại 2 đầu dầm (hình 12). Trong khi đó tải trọng động đất tác động theo phương ngang làm cho dầm, cột căng thớ ngược lại so với tải trọng thẳng đứng tức là momen uốn do tải trọng động đất sinh ra ngược lại so với momen do tải trọng thẳng đứng gây ra cho công trình đặc biệt tại 2 đầu của dầm. Độ lớn của momen do động đất gây ra có thể lớn hơn momen do trọng lực gây nên dẫn đến đầu dầm bị căng thớ chịu nén khi xảy ra động đất. Để an toàn cho công trình thì cột phải được thiết kế khỏe hơn dầm và liên kết dầm cột nên là liên kết cứng để khi có động đất thì sự phá hoại bắt đầu ở dầm trước. Khi dầm được thiết kế có nhiều tính dẻo ngôi nhà có thể biến dạng lớn và khi phá hoại dầm đạt đến trạng thái dẻo trước cột. Sự phá hoại của dầm sẽ chỉ làm công trình hư hại tại một số tầng cụ thể mà không làm phá hoại, sập toàn bộ công trình và có thể sửa chữa được sau đó. Còn nếu thiết kế cột yếu hơn dầm thì cột sẽ chịu phá hoại cục bộ tại 2 đầu cột (hình 13). Sự phá hoại cục bộ ở cột có thể dẫn đến sự sập đổ của toàn bộ công trình cho dù sàn dầm, cột tầng trên không bị phá hoại HÌNH ẢNH MINH HỌA 186 Hình 12: Sự đổi chiều của momen do động đất so với trọng lực (tải Căng thớ dưới Momen (b) (d) (a) (c) Trọng lực Động đất Chịu Thớ Hình 13: So sánh hiệu ứng của 2 phương án thiết kế Chuyển vị nhỏ Sự nguy hiểm đều tập trung ở một tầng Cột yếu- dầm khỏe BIỂU ĐỒ NỘI LỰC TRONG KHUNG Sự nguy hiểm phân bố cho tất cả các tầng của công trình Nhà dẻo có chuyển vị lớn Cột khỏe – dầm yếu (a) (b) Phá hoại Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 3) Ứng xử và cấu tạo nút khung trong nhà chống động đất: Trong nhà bê tông cốt thép thường cấu tạo của nút khung là nút cứng, nút cứng làm tăng bậc siêu tĩnh của khung làm giảm momen nội lực gây ra cho dầm và cột, giảm chuyển vị ngang của khung. Tùy thuộc vào thành phần vật liệu mà nút khung có cường độ giới hạn và khả năng chịu lực khác nhau, khi lực gây ra do động đất càng lớn thì nút khung càng nguy hiểm. Nút khung chịu momen do các dầm truyền vào nó, dưới tác dụng của những momen này lực trong các thanh cốt thép làm nút bị kéo và nén theo 2 phương khác nhau tại đầu trên và đầu dưới của nó. Những lực này cân bằng với nhau do ứng suất liên kết được tạo ra giữa bê tông và cốt thép trong vùng nút. Nếu như cột nhỏ hay cường độ bê tông của nút thấp thì bê tông không đủ lực dính để giữ cốt thép dẫn đến thanh cốt thép bị trượt trong vùng nút kéo theo dầm bị mất khả năng chịu tải trọng làm cho khung bị nguy hiểm. Mặt khác dưới tác dụng của lực kéo và nén tại đỉnh và đáy của nút làm cho nút bị biến dạng hình học làm cho nút bị biến dạng chiều dài 1 cạnh chéo của nút khung bị kéo giãn ra trong khi cạnh còn lại chịu nén lại gần nhau. Trong trường hợp đó nếu như thiết kế cột không đủ yêu cầu thì bê tông trong nút bị nứt theo phương cạnh chéo ( hình 14). Hình 15: cốt đai trong nút – cấu tạo cốt đai 1350 để giảm khả năng tuột trong khi làm việc. Cốt đai kín Dầm Cột 10d≥ 135º 187 • Cấu tạo cốt thép cho nút khung: Vấn đề nứt chéo của bê tông trong nút có thể giải quyết bằng 2 cách đó là tăng tiết diện cột để tăng lực dính giữa bê tông và cốt thép; giảm khoảng cách cốt đai tại nút (hình 15). Các cốt đai giúp cho bê tông không bị biến dạng ra ngoài phạm vi nút và cũng tăng khả năng chịu cắt, vì vậy ngăn cản vết nứt xuất hiện. Tuy nhiên việc này gây ra khá nhiều phiền hà trong thi công. Trong đề tài này không đề cập đến vấn đề tính toán cốt đai và yêu cầu cốt đai thiết kế vấn đề này được quy định cụ thể trong TCVN 375-2006 hoặc quy phạm các nước khác. Đối với TCVN thì khoảng cách giữa các cốt đai nút: a 150mm. Hầu hết quy phạm đề nghị đảo chiều móc của các cốt đai xung quanh thép cột nhằm tăng cường khả năng chống biến dạng của cốt đai. ≤ • Neo cốt thép dầm Sự dính bám cốt thép dầm trong vùng nút được cải thiện bằng cách sử dụng cột có tiết diện có tiết diện đủ lớn. theo ACI thì cạnh của tiết diện cột 20dmax của cốt thép dọc trong dầm. Theo TC Ấn Độ thì cạnh cột 300 khi đỡ dầm dài hơn 5m hoặc khi cột cao hơn 4m. ≥ ≥ Về vấn đề dính bám giữa bê tông và cốt thép Tại mục 5.6.2.2 TCVN 375-2006 qui định: hình 14: lực kéo và nén trong nút gây ra 2 vấn đề nguy hiểm như trên- mối nguy hiểm không thể sửa chửa trong các trận động đất mạnh. Lực dính giữa bê tông và cốt thép Cạnh chịu nén Chịu kéo Mất khả năng dính bám giữa bê tông và cốt thép. Sự biến dạng của nút gây ra nứt chéo trong bê tông Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 188 (Các thông số được kí hiệu trong mục này của quy phạm ) Nếu chiều cao cột không thỏa mãn các biểu thức trên thì có 3 cách giải quyết như hình sau: dầm (bản) có thể kéo thêm 1 đoạn công xôn ngắn a) b) có thể sử dụng các thanh cốt thép có phình ở đầu neo hoặc bản neo được hàn vào đầu mút của các thanh cốt thép. c) có thể kéo dài móc uốn thêm một đoạn có chiều dài tối thiểu bằng 10dbl và cốt thép ngang cần được bố trí dày dọc theo phần kéo dài đó. Trong nút các thanh cốt thép dầm ( ở trên và ở dưới) cần phải đi xuyên qua cột mà không có bất kỳ một sự gián đoạn nào trong phạm vi nút, hơn nữa các thanh cốt thép này phải được đặt ở khoảng trong của các thanh cột mà không phải bị uốn (hình 16, 17). Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 189 Hình 17: cốt thép trong cột chống động đất– khoảng cách cốt đai nhỏ và bẻ móc 1350 được yêu cầu trong thiết kế cũng như TCVN 375-2006. Cốt đai với 2 đầu bẻ cong 135° giúp cho nó không bị hở trong các trận động đất mạnh 10d 135° (a) (b) Phá hoại cắt Khoảng cách lớn của cốt đai và không bẻ móc 1350 ở 2 đầu gây nên phá hoại dòn. (2001 Bhuj) Cốt đai với 2 đầu bẻ cong 4) Phân tích ứng xử của cột ngắn dưới tác động của động đất a. Các dạng cột ngắn trong công trình Cột ngắn là những cột mà trong công trình chúng có chiều dài ngắn hơn những cột khác trong phạm vi của một tầng (có thể là 1 tầng trong nhà, hay có thể là phần dưới cùng của nhà trên mái dốc). Sự ngắn hơn của chúng có thể do kích thướt hình học thực tế trong tầng đó (như phần cột trên mái dốc), hoặc có thể đó là đoạn chiều cao trong đó cột được chia nhỏ do các bộ phần khác như tường xây hoặc dầm, sàn (hình 18). • Những dạng cột ngắn trong công trình: CỘT NGẮN ĐẤT NỀN Hình 16: cấu tạo cốt thép dầm hợp lý tại nút Thiết kế không tốt Những thanh cốt thép dầm bị uốn cong trong nút khung không đủ khả năng chịu kéo Các thanh cốt thép dầm nằm trong thanh cốt thép cột và chạy thẳng (b)thiết kế tốt Dầm (c) Phá hoại cắt của nút BTCT ở Cộ MexicoCity(1985); khi các thanh CT dầm vượt ra ngoài CT cột Dầm t Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 b. Ứng xử của cột ngắn: Trước hết ta xét ảnh hưởng của chiều cao cột với lực cắt phát sinh do chuyển vị ngang Δ=1 Hình 18: Vị trí cột ngắn trong công trình Cột bình Cột ngắn Tầng lửng Cột cao Đất dốc (b (a Dựa vào bảng so sánh ta thấy khi cột có chiều cao thông thường h (chiều cao tầng) thì lực cắt chưa thể gây ra nguy hiểm cho cột, nhưng khi xảy ra động đất do chuyển vị tăng lên làm phát sinh lực cắt lớn đặc biệt là đối với các cột ngắn như trong trường hợp các ví dụ trên. Khi cột có chiều dài giảm dần thì lực cắt trong cột tăng lên rất nhanh, với cột có l=0.6h thì lực cắt tăng lên 4.6 lần, với l=0.4h thì lực cắt tăng lên đến 15 lần. Động đất làm cho các ngôi nhà có chuyển vị ngang rất lớn ( hầu như lớn nhất trong các loại tải trọng), lực cắt trong cột tỉ lệ thuận với chuyển vị ngang nên khi chuyển vị ngang lớn sẽ phát sinh trong cột lực cắt tăng một cách đột biến. Nếu trong tính toán chưa xét đến hiện tượng cột ngắn thì điều này rất nguy hiểm cho công trình khi có động đất xảy ra vì khi đó nguy cơ cấu kiện bị phá hoại cắt là rất cao. Do vậy khi thiết kế cần phải xem xét kỹ lưỡng vấn đề này. + Xét các cột tại vị trí có tầng lửng, dưới tác dụng của động đất chuyển vị khung tại vị trí các tầng là như nhau (ta quan niệm sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng nằm ngang) làm các cột ở tầng này có cùng chuyển vị ngang Δ (hình 19). Hình 19: cùng chuyển vị giống nhau nhưng cột ngắn phải chịu tác động nặng hơn do lực cắt gây ra. Cột ngắn chịu tác động lớn của động đất Cột bình thường bị tác động lực ngang nhỏ hơn D ài N gắ n Δ Δ Nhưng do cột tại vị trí tầng lửng bị chia làm đôi chiều dài hiệu quả của cột bị thu ngắn lại so với cột bình thường ( không có tầng lửng) dẫn đến lực cắt sinh ra trong trong cột ngắn do tỉ lệ nghịch với chiều dài nên làm gia tăng giá trị lực cắt lên nhiều lần, nếu khi h =0.5H thì lực cắt trong cột ngắn gấp 8 lần trong cột bình thường (H) từ đó dẫn đến phá hoại trong cột ngắn, trong khi cột dài vẫn có thể bình thường. Phá hoại cột rất nguy hiểm đối với công trình có thể làm sập toàn bộ công trình nếu cường độ động đất mạnh. Ứng xử này cũng giống như khi nhà xây dựng trên nền đất dốc vậy các cột trên mái dốc có chiều dài khác nhau dọc theo mái dốc của địa hình. phá hoại dạng này có đặc trưng là cấu kiện có vết nứt hình X- đặc trưng phá hoại cắt. 190 Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 Một vị trí đặc biệt khác trong công trình xảy ra hiệu ứng cột ngắn là tại những phần tường chừa trống dùng để lắp cửa sổ chiều cao tường thấp hơn chiều cao của cột 1 khoảng nào đó (hình 20). Khi sàn dịch chuyển theo phương ngang bởi động đất thì đầu trên cột nói chung đều chuyển vị cùng 1 đại lượng giống nhau, nhưng vì độ cứng tường ngăn cản chuyển vị theo phương ngang của phần dưới tường làm cho phần cột ngắn phải dịch chuyển 1 lượng như trên chỉ trên 1 đoạn cột rất ngắn do vậy nó có xu hướng chống lại chuyển vị ngang của toàn bộ công trình dẫn đến bị tác động nặng nề do chuyển vị ngang của công trình Æ tại vị trí cột ngắn dễ bị tổn thương, phá hoại- một dạng phá hoại do Cửa sổ Cột bình Chiều cao tường chừa Cột ngắn Hình 20: hiệu ứng cột ngắn trong nhà bê tông cốt thép – vị trí tiềm ẩn nguy hiểm vì thường quan niệm tường là thành phấn phi kết cấu Phần cột bị khống chế dịch chuyển lực cắt. Đây là vị trí cần hết sức lưu ý trong thiết kế nhà chống động đất vì thường khi thiết kế ta xem tường là thành phần phi kết cấu không được kể đến trong quá trình tính toán chuyển vị khung. Minh họa phá hoại của hiệu ứng cột ngắn trong thực tế: 191 Adapazaro-Turkey (1999) Hiệu ứng cột ngắn tại vị trí đặt cửa sổ Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 192 Hướng giải quyết hiệu ứng cột ngắn: - Để không xảy ra hiện tượng cột ngắn thì trong các ngôi nhà phải được thiết kế kiến trúc tránh để xảy ra hiện tượng này. - Sự hình thành cột ngắn do tường xây không nên cho phép xảy ra hoặc nếu có thì cần phải hạn chế và cần phải tạo 1 khoảng hở đủ để tách rời giữa cột và tường ( hình 17). Bề rộng khoảng hở này do tính toán chuyển vị của cột quyết định và được trám bằng vật liệu dẻo để tách rời 2 bộ phận cột và tường. - Lực cắt trong cột ngắn lớn ta có thể giải quyết bằng cách tăng tiết diện hoặc thiết kế tường chống cắt. - Vì ứng suất cắt trong cột ngắn là rất lớn, cần bố trí cốt đai để gia cường cho cột, các cốt đai trong thiết kế chống động đất đặt rất dày. Hình 21: phần chiều cao cột có thể uốn được đã bị giới hạn bởi tường xây – hiệu ứng cột ngắn nguy hiểm nhất khi chiều cao khoảng hở nhỏ Cột ngắn giữa lanh tô và cửa Tường chống cắt - Theo TCVN 275-2006 qui định cốt đai bố trí cho cột như sau: (hình 22,23) Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 193 Hình 22: cấu tạo cốt thép để khống chế hiệu ứng cột ngắn xảy ra ( các khoảng cách xem hình bên). Cột ngắn Tầng lửng Chiều dài phụ thuộc ĐK cốt dọc (hình bên) SÀN B ố tr í c ốt đ ai d ày c hỉ tạ i 2 đ ầu c ột . Cột bình thường B ố tr í cố t đa i để c hị u lự c cắ t do h iệ u ứ ng c ột n gắ n gâ y ra (t oà n cộ t) Hình 23 : cấu tạo cốt đai cột theo TCVN 375-2006 Phần nối cốt thép (phần giữa cột) hc lc lc/4 lc/4 Chiều dài đoạn nối 50d Khoảng cách cốt đai≤ (D/2, 150) Khoảng cách cốt đai ≤ hc/2 Max(1.5hc, lc/6, 600 mm) Khoảng cách cốt đai: Min( b0/2; 175; 8dbL Max(1.5hc, lc/6, 600 mm) Dầm Dầm Khoảng cách cốt đai ≤ hc/2 Khoảng cách cốt đai: Min( b0/2; 175; 8dbL Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 III. CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT Nguyên ly thiết kế nhà chống động đất thông thường là cố gắng làm cho ngôi nhà không bị sập dưới chấn động của các trận động đất mạnh, nhưng có thể các thành phần phi kết cấu trong ngôi nhà (cửa kiếng, đồ đạt, máy móc) và các bộ phận kết cấu khác có thể bị hư hại nặng. Nhưng đối với 1 số công trình quan trọng liên quan đến đời sống xã hội nói chung như bệnh viện, trạm cứu hỏa, khu quân sự - quốc phòng nếu bị hư hại thì không thể hoạt động được sau. Hình 24 Hệ thống - Base Isolation. Nhà trên những con lăn không ma sát Tấm đệm dẻo nối giữa nhà và móng công trình- làm giảm chấn động cho nhà Nhà đặt trực tiếp trên nền đất Base Isolated Building Nếu khoảng cách giữa nhà và tường của hố móng nhỏ thì tường có thể va chạm với nhà khi nền đất dịch chuyển dưới công trình. Tấm đệm dẻo Rollers Móng ngàm Hệ thống này có thể giảm được 5-6 lần lực ngang do động đất gây ra Lực tác động lớn. dao động nhỏ của ngôi nhà Chuyển vị lớn Chuyển dịch lớn tại móng I l t d i E th k Original Stainless Vật liệu dẻo Lead plug Các biện pháp kỹ thuật đặc biệt đã được đưa ra để đảm bảo cho công trình không bị hư hại và tác động của động đất làm ảnh hưởng đến chức năng của công trình. Hai biện pháp kỹ thuật được sử dụng để bảo vệ công trình khỏi phá hủy của các trận động đất là: thiết bị móng biệt lập và bộ giảm chấn động đất. Ý tưởng của móng biệt lập là tách rời ngôi nhà ra khỏi đất nền và vì vậy mà động đất không thể truyền được dao động của nó cho ngôi nhà và ngôi nhà được an toàn. đất vậy. Bộ giảm chấn động đất là những thiết bị đặc biệt được gắn vào công trình để hấp thu năng lượng dao động do chuyển vị của đất nền có chức năng giống như bộ giảm xóc trong ô tô khi chạy trên các đoạn đường gồ ghề. Móng biệt lập: Khái niệm móng biệt lập minh họa trên hình vẽ - ngôi nhà trên những con lăn không ma sát. Khi nền đất chuyển động những con lăn sẽ quay tự do, nhưng công trình thì vẫn không dịch chuyển vì vậy mà không có lực truyền lên công trình do chuyển động của đất nền điều này giống như là ngôi nhà không trải qua động Một phương án kỹ thuật khác là dùng base-isolators là một cái đệm dẻo có khả năng chống lại sự dịch chuyển ngang của đất nền chỉ truyền phần nhỏ chuyển động ngang đó lên công trình ( so với khi công trình được đặt trực tiếp trên nền đất). Đặc trưng chính của base-isolators đưa vào công trình đặc tính mềm, dẻo cho công trình làm cho các công trình bằng RC hay khối xây (gạch, đá) trở nên linh hoạt, mềm dẻo hơn. Bộ tách lập này thường được thiết kế để hấp thu năng lượng và tăng khả năng giảm chấn cho công trình, làm giảm phản ứng dao động của ngôi nhà với động đất. Tuy nhiên hệ thống tách lập móng này chỉ phù hợp đối với những công trình thấp tầng xây dựng trên tầng đá cứng không phù hợp với nhà cao tầng trên các nền đất yếu. 194 Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 195 Bộ giảm chấn động đất:Một phương án kỹ thuật khác để khống chế phá hoại cho ngôi nhà là bộ giảm chấn động đất đặt trong các thành phần kết cấu khung, đó là hệ thanh giằng chéo. Những hệ thống này hoạt động giống như bộ giảm xóc thủy lực trong xe hơi. Khi năng lượng động đất được truyền vào ngôi nhà làm ngôi nhà dao động kéo theo hệ thống này dao động theo, píttong chuyển động trong xi lanh sẽ làm phát sinh lực ma sát cản trở chuyển động của ngôi nhà kết quả làm cho năng lượng dao động của ngôi nhà giảm dần cho đến khi tắt hẳn, có nghĩa là hệ thống này làm tăng hệ số giảm chấn cho công trình giúp cho công trình tránh được những dao động lớn nguy hiểm cho công trình. Viscous Fluid Piston Hình 25.Hệ thống base-isolator trong các công trình đặc biệt là ở Nhật Bản, Mỹ, Ấn Độ Hệ base-isolator trên cột tầng hầm Base Hình 26: thiết bị tiêu tán năng lượng động đất, mỗi thiết bị chỉ phù hợp cho 1 công trình cụ thể. (c) Yielding Yield location (a) Dung dịch nhớt giảm chấn (b) Fri Steel