Tính toán công trình chịu tải trọng động đất theo tcvn: 9386-2012 và tiêu chuẩn Eurocode 8

i. Trong đó động đất là hiện tượng gây ra nhiều thảm họa cho con người và các công trình. Năm 2012 Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất TCVN: 9386-2012 (dựa trên cơ sở tiêu chuẩn EUROCODE 8). Vậy thì sự khác biệt giữa hai tiêu chuẩn này khi tính toán có sự sai khác về kết quả như thế nào. Bài viết nhằm cung cấp những số liệu cụ thể khi tính toán động đất công trình và đề xuất phương pháp áp dụng cho các công trình xây dựng ở Việt Nam nói chung và Phú Yên nói riêng. Từ khóa Động đất, TCVN: 9386-2012, EUROCODE 8, lý thuyết kháng chấn. 1. Giới thiệu Tính toán động đất cho công trình ở Việt Nam dựa vào TCVN: 9386-2012. Ngoài ra còn có thể dùng các tiêu chuẩn khác như EUROCODE 8. Bản thân là sinh viên ngành xây dựng việc tiếp xúc tính toán công trình chịu tải trọng động đất là thường xuyên, nên việc hiểu rõ về động đất và các tác động của chúng lên công trình rất cần thiết. Bên cạnh đó, trong đồ án tốt nghiệp sắp tới sẽ có nhiều bạn sinh viên khi tính toán thì kể đến động đất cho công trình, trong khi việc hiểu về tính toán tải trọng động đất còn nhiều hạn chế. Vì thế nhóm sinh viên quyết định tính toán động đất theo hai phương án TCVN: 9386-2012 và tiêu chuẩn EUROCODE8 từ đó rút ra kết luận, khuyến cáo cho người thiết kế nên chọn phương án nào cho từng công trình cụ thể. Việc tính toán thông qua phương pháp tính toán theo phổ phản ứng (TCVN: 9386- 2012) và tính theo tiêu chuẩn EUROCODE8 để rút ra kết quả nội lực của một cấu kiện cụ thể do tải trọng động đất khi áp dụng 2 phương pháp trên. Từ đó tạo tiền đề lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp theo yêu cầu thiết kế và tiêu chuẩn Việt Nam. Sau khi hoàn thành, đề tài này có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên. 2. Tính toán lực ngang tác dụng lên nhà cao tầng theo TCVN 9386:2012 Theo tiêu chuẩn TCVN: 9386-2012 tùy thuộc vào tính chất công trình mà có thể dùng các phương pháp sau để tính toán tác động của động đất lên công trình: Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp tĩnh phi tuyến (phương pháp tính toán đẩy dần “push over”), phương pháp phổ phản ứng dạng dao động Nhưng hiện nay hầu hết công trình nước ta chủ yếu tính toán dựa trên phương Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 113 pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động. Coi mỗi tầng là một khối lượng tập trung với khối lượng là TT + 0,5HT. Giả sử công trình thỏa mãn tâm cứng trùng tâm khối lượng để bỏ qua dao động xoắn của công trình làm cho công việc tính toán đơn giản hơn. Khi công trình dao động có n bậc tự do dẫn đến có n dạng dao động. Tuy nhiên không phải dạng dao động nào cũng gây nguy hiểm cho công trình. Theo TCVN: 9386-2012 quy định: “Tổng số dạng dao động đưa vào tính toán phải thỏa mãn điều kiện tổng khối lượng hữu hiệu của chúng không nhỏ hơn 90% tổng khối lượng công trình tham gia dao động theo phương xét và KL hữu hiệu mỗi dạng phải lớn hơn 5% tổng khối lương công trình”. Xét một dao động thứ n nào đó có chu kì riêng Tn, khối lượng hữu hiệu * nM , lực cắt đáy do dạng dao động đó gây ra là: *( )bn d n nV S T M  (2.1) Với ( )d nS T là phổ phản ứng dạng dao động riêng thứ n cần xét đến. Trong đó  là hệ số điều chỉnh theo tầm quan trọng công trình. Lực tĩnh ngang do động đất tác động lên tầng thứ j của công công trình để tạo ra hiệu ứng tương đương: 1    j jn jn bnn i in i m F V m (2.2) Sau khi tính toán được hiệu ứng do các dạng dao động riêng gây nên, hiệu ứng cuối cùng có thể thu được bằng cách tổ hợp các hiệu ứng riêng theo quy luật tổ hợp hoàn toàn (CQC) hay căn bậc hai của các tổng bình thương (SRSS). 3. Tóm tắt quy trình tính toán tải động đất lên nhà cao tầng bằng phương pháp phổ phản ứng theo TCVN: 9386-2012 - Xác định điều kiện áp dụng. - Xác định chu kỳ dao động riêng và dạng dao động riêng của nhà cao tầng. Sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu thông dụng như SAP2000, ETABS,... để tính các chu kỳ dao động riêng; dạng dao động cần thiết. - Xác định số dạng dao động cần xét theo phương pháp phổ phản ứng ( theo điều kiện khối lượng hữu hiệu). - Xác định phổ thiết kế không thứ nguyên ( )d iS T ứng với từng dạng dao động (i: dạng dao động riêng thứ i tương ứng). - Xác định lực cắt đáy tại chân công trình tương ứng với dạng dao động thứ i. - Phân phối lực cắt đáy cho các tầng. - Tổ hợp các dạng dao động. 4. Tính toán động đất Chọn Công trình tòa nhà Viettin Bank 26 tầng tại Đà Nẵng, nền sử dụng móng cọc khoan nhồi ngàm vào nền đất loại D (phân loại theo TCVN: 9386-2012), gia tốc đỉnh đất nền tham chiếu tại điểm xây dựng agR = 0,1006g. Bây giờ tính toán tải trọng động đất theo phương x cho cả 2 phương án : TCVN: 9386- 2012 và tiêu chuẩn EUROCODE 8. 4.1. Tính toán tải trọng động đất theo TCVN: 9386-2012 - Xác định điều kiện áp dụng: Chọn công trình tính theo phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động. Để đơn giản trong tính toán, ta coi như tâm khối lượng trùng với tâm hình học cho nên bỏ qua dao động xoắn trong công trình. - Mô hình tính toán, phân tích động và xác định chu kỳ dao động riêng. Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 114 Hình 4.1. Mô hình khung không gian trong etabs Dạng dao động theo phương X và Y Bảng 4.1. Bảng giá trị dao động theo phương X và Y Mode Period UX UY UZ SumUX SumUY SumUZ RX RY RZ 1,000 3,450 65,845 4,816 0,000 60,725 4,816 0,000 7,107 91,287 0,766 2,000 3,019 5,125 57,210 0,000 65,850 62,026 0,000 84,364 7,743 4,333 3,000 1,982 0,000 3,819 0,000 65,850 65,845 0,000 7,581 0,001 60,883 4,000 0,977 12,162 0,369 0,000 78,012 66,213 0,000 0,011 0,256 0,055 5,000 0,892 0,309 10,243 0,000 78,321 76,456 0,000 0,236 0,005 1,094 6,000 0,532 0,037 2,672 0,000 78,358 79,129 0,000 0,170 0,001 10,802 7,000 0,489 4,784 0,125 0,000 83,142 79,253 0,000 0,011 0,488 0,011 8,000 0,453 0,063 4,067 0,000 83,205 83,320 0,000 0,284 0,009 0,550 9,000 0,299 2,587 0,028 0,000 85,792 83,348 0,000 0,000 0,051 0,025 10,000 0,283 0,042 1,531 0,000 85,834 84,879 0,000 0,021 0,002 0,825 11,000 0,243 0,006 2,086 0,000 85,840 86,965 0,000 0,114 0,000 3,499 12,000 0,203 1,601 0,062 0,000 87,441 87,027 0,000 0,002 0,056 0,010 - Xác định số dạng dao động cần xét theo phương pháp phổ phản ứng Theo phương x chọn mode 1, 4, 7 k m 82,796 % <90% Theo phương y chọn mode 2, 5, 8 k m 71,52 % <90% Vậy động đất theo phương x chọn các dạng 1, 4, 7 và động đất theo phương y chọn các dạng 2, 5, 8 để tính toán. Mặt dù k m theo phương x và phương y vẫn chưa đạt trên 90%. Tuy nhiên lấy một cách gần đúng vẫn có thể chấp nhận được. - Xác định phổ thiết kế không thứ nguyên ( )d iS T ứng với từng dạng dao động. Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 115 Bảng 4.2. Tính toán phổ thiết kế Dạng dao động Tần số Phổ thiết kế Thứ i Ti (s) 1 3,4505 0,1974 2 3,0190 0,1974 3 1,9816 0,3448 4 0,9765 0,6996 5 0,8916 0,7663 6 0,5324 0,8540 7 0,4888 0,8540 8 0,4531 0,8540 9 0,2991 0,8540 - Xác định lực cắt đáy tại chân công trình tương ứng với dạng dao động thứ i. Mode 1,Ux1 thể hiện bảng sau: Bảng 4.3. Lực cắt đáy các dạng dao động theo phương x mode 1, 4, 7 Mode 1 Chu kỳ T 3,4505 Khối lượng hữu hiệu của công trình 2814,3568 Phổ thiết kế theo chu kỳ T 0,1974 hệ số điều chỉnh λ 1,0000 Lực cắt đáy Fb 555,4899 Mode 4, Ux4 thể hiện bảng sau: Mode 4 Chu kỳ T 0,9765 Khối lượng hữu hiệu của công trình 794,6730 Phổ thiết kế theo chu kỳ T 0,6996 hệ số điều chỉnh λ 1,0000 Lực cắt đáy Fb 555,9875 Mode 7, Ux7 thể hiện bảng sau: Mode 7 Chu kỳ T 0,4888 Khối lượng hữu hiệu của công trình 141,0542 Phổ thiết kế theo chu kỳ T 0,8540 hệ số điều chỉnh λ 1,0000 Lực cắt đáy Fb 120,4654 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 116 - Phân phối lực cắt đáy cho các tầng (hình 3.3 thể hiện). - Nhập giá trị lực cắt vào etab. Hình 4.2. Khai báo tải trọng vào Etab Hình 4.3. Nhập tải trọng theo phương X - Phân tích, xuất nội lực cho 1 dầm đại diện B1 và 1 cột đại diện C3. Bảng 4.4. Bảng giá trị nội lực của dầm B1 do DX MAX gây ra bằng PP PPƯ Story Beam Load Loc P V2 V3 T M2 M3 TUM B1 DX MAX 0,3 0 0,06 0 0,008 0 0,025 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 117 STORY26 B1 DX MAX 0,3 0 0,04 0 0,015 0 0,018 STORY25 B1 DX MAX 0,3 0 0,11 0 0,013 0 0,043 STORY24 B1 DX MAX 0,3 0 0,06 0 0,035 0 0,021 STORY23 B1 DX MAX 0,3 0 0,27 0 0,04 0 0,109 STORY22 B1 DX MAX 0,3 0 0,21 0 0,031 0 0,085 STORY21 B1 DX MAX 0,3 0 0,09 0 0,009 0 0,035 STORY20 B1 DX MAX 0,3 0 0,25 0 0,04 0 0,101 STORY19 B1 DX MAX 0,3 0 0,24 0 0,037 0 0,096 STORY18 B1 DX MAX 0,3 0 0,25 0 0,039 0 0,101 STORY17 B1 DX MAX 0,3 0 0,26 0 0,04 0 0,104 STORY16 B1 DX MAX 0,3 0 0,28 0 0,043 0 0,113 4.2. Tính toán tải trọng động đất bằng tiêu chuẩn EUROCODE 8 Hình 4.4. Khai báo DX Sau đó ta tiến hành tính toán nội lực của dầm B1 và cột C3 bằng phương pháp tính trực tiếp bằng phần mềm etab theo tiêu chuẩn EUROCODE 8. Từ hai bảng giá trị nội lực ta có được bảng so sánh giá trị hai phương pháp và biểu đồ so sánh nội lực. Bảng 4.5. Bảng giá trị moment M3 của dầm B1 và cột C3 khi tính toán theo tiêu chuẩn TCVN: 9386-2012 và tiêu chuẩn EUROCODE8 TẦNG DẦM TẢI MOMEN M3 B1 ( EUROCODE8) MOMEN M3 B1 ( TCVN) TUM B1 DX 0,0324 0,025 STORY26 B1 DX 0,0222 0,018 STORY25 B1 DX 0,0518 0,043 STORY24 B1 DX 0,0214 0,021 STORY23 B1 DX 0,141 0,109 STORY22 B1 DX 0,1052 0,085 STORY21 B1 DX 0,0451 0,035 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 118 STORY20 B1 DX 0,1319 0,101 STORY19 B1 DX 0,1288 0,096 STORY18 B1 DX 0,1399 0,101 STORY17 B1 DX 0,1467 0,104 STORY16 B1 DX 0,1627 0,113 TẦNG CỘT TẢI MOMEN M3 c3 ( EUROCODE8) MOMEN M3 c3 ( TCVN) STORY26 C3 DX 34,0053 21,887 STORY25 C3 DX 45,7119 31,21 STORY24 C3 DX 0,6004 1,293 STORY23 C3 DX 49,4422 35,721 STORY22 C3 DX 15,5906 11,573 STORY21 C3 DX 4,466 4,546 STORY20 C3 DX 8,7273 7,749 STORY19 C3 DX 6,3384 7,528 STORY18 C3 DX 7,9894 10,252 STORY17 C3 DX 9,2916 11,197 STORY16 C3 DX 10,6804 12,217 STORY15 C3 DX 12,0906 12,998 STORY14 C3 DX 13,5777 13,619 STORY13 C3 DX 15,0886 14,093 STORY12 C3 DX 16,6766 14,502 STORY11 C3 DX 18,3572 14,898 STORY10 C3 DX 20,1342 15,415 STORY9 C3 DX 22,225 16,06 STORY8 C3 DX 23,8976 17,258 STORY7 C3 DX 30,4473 21,599 STORY6 C3 DX 43,3146 30,535 STORY5 C3 DX 33,4587 23,813 STORY4 C3 DX 36,2358 26,39 STORY3 C3 DX 39,4572 29,687 STORY2 C3 DX 35,3818 27,138 STORY1 C3 DX 78,164 63,289 STORY0 C3 DX 86,2122 71,349 Hầm 2 C3 DX 22,3932 18,794 Hầm 1 C3 DX 6,2307 5,761 Từ đây, xây dựng biểu độ về sự thay đổi moment M3 của các cấu kiện thay đổi theo từng tầng (thể hiện ở hình 4.5; 4.6) Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 119 Hình 4.5. Biểu đồ so sánh giá trị mômen M3 dầm B1 theo TCVN: 9386-2012 và TC EUROCODE 8 Hình 4.6. Biểu đồ so sánh giá trị mômen M3 cột C1 theo TCVN: 9386-2012 và tiêu chuẩn EUROCODE 8 5. Kết luận và kiến nghị Từ các số liệu thống kê ở trên ta có thể thấy giá trị nội lực của 2 phương pháp chênh nhau từ 0,07% - 10,77%. Giá trị nội lực trong dầm và cột tính theo phương pháp phổ phản ứng (TCVN: 9386-2012) cho giá trị nhỏ hơn so với phương pháp tính trực tiếp theo tiêu chuẩn EUROCODE 8. Có thể thấy rằng phương pháp tính theo tiêu chuẩn của Châu Âu vẫn có nhiều điểm khác biệt so với tính toán theo tiêu chuẩn của Việt Nam do các sự khác biệt về yếu tố địa hình cũng như quan điểm, phương pháp phân tích. Việc tính toán giá trị nội lực trong dầm theo 2 phương pháp cho phép ta đánh giá một cách chuẩn xác hơn về giá trị mà mình tính toán được, tùy thuộc vào yêu cầu của thiết kế mà ta có thể chọn lựa phương pháp tính. Thông qua đề tài này nhóm nghiên cứu muốn khuyến cáo cho các nhà thiết kế biết rằng tính toán động đất theo tiêu chuẩn EUROCODE 8 sẽ an toàn hơn tiêu chuẩn việt nam 9386-201 0 0.05 0.1 0.15 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 So sánh giá trị Mômen dầm B1 theo PP phổ phản ứng và tính theo TC EUROCODE 8 pp tính theo TC EUROCODE 8 PP tính theo phổ phản ứng 0 200 400 600 800 1,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 So sánh giá trị Mô men cột C3 theo PP Phổ phản ứng và PP tính theo TC EUROCODE 8 PP tính theo Phổ phản ứng PP tính theo TC EUROCODE 8 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Lê Ninh (2007), Động đất và thiết kế công trình chịu động đất, NXB Xây dựng - Hà Nội. [2] Triệu Tây An và các tác giả (2015), Hỏi đáp thiết kế và thi công kết cấu nhà cao tầng -Tập 1, NXB Xây Dựng, Hà Nội. [3] TCXDVN9386-2012 (2012), Thiết kế kết cấu chịu động đất, NXB Xây dựng, Hà Nội. [4] Bungale S. Taranath, Steel, concrete and composite design of tall building, Second edition, McGrawhill, Newyork. [5] PENELIS, G. G. and KAPPOS, A. J. Earthquake-resistant concrete structures, E & FN Spon,An Imprint of Chapman & Hall, London, UK.