Kỷ yếu Hội nghò Sinh viên NCKH 2007
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 cơng trình chống động đất thì khơng đơn giản chỉ là giải quyết vấn
đề phân tích, tính tốn theo các quy phạm mà phải hiểu rõ được cách thức mà cơng 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 cơng 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 CƠNG TRÌNH
1) Nội lực trong kết cấu:
Động đất gây ra sự dịch chuyển của đất nền.Vì
vậy một cơng 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 ngơi nhà có khuynh hướng
đứng n 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 bt, lúc đầu khi xe bt chưa chuyển động thì cơ
thể vẫn giữ ngun vị trí nhưng khi xe bt bắt đầu
chuyển động chân của bạn sẽ di chuyển theo xe bt
nhưng phần cơ thể phía trên có khuynh hướng giữ
ngun vị trí ban đầu đã làm cho bạn bị ngã về phía
sau khuynh hướng này tiếp tục giữ ngun vị trí giống
như là qn tính. Trong ngơi 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 qn tính ngơi

n
g

cơ
n
g

tr
ì
nh.
Lực qn tính
u
mái
Cột
Móng nhà
Đất
Gia tốc nềnKyỷ yeỏu Hoọi nghũ Sinh vieõn NCKH 2007
2) nh hng do bin dng ca kt cu:
Di s dch chuyn ca t nn thụng qua cỏc ct ó sinh ra lc quỏn tớnh tỏc ng lờn mỏi
ngụi nh ó gõy nờn ni lc trong cỏc ct. Nhng ni lc ny c sinh ra thỡ cú th gii thớch theo
nhiu cỏch khỏc nhau. Trong sut quỏ trỡnh xy ra ng t, ct nh chu s chuyn v tng i
gia hai u ca chỳng t ú phỏt sinh nờn ni lc trong cỏc ct ( hỡnh 2).
Trong hỡnh 2, u l chuyn v gia mỏi v t nn. i lng u cng chớnh l s chuyn v
tng i gia 2 u ct, so vi v trớ thng ng ban u thỡ ct b bin dng. khi v trớ phng
thng ng thỡ ct khụng chu lc ng t ngang truyn qua chỳng. Nhng khi lc ny b cong ct
thỡ trong ct s phỏt sinh ni lc. tựy vo cng ca ct m ni lc cú th ln hoc nh. Do ú ni
lc ny trong ct cũn gi l lc cng ( stiffness forces). EJuN

phng thng ng.
Tuy nhiờn s chn ng theo phng ngang
X, Y gõy ra mi nguy him. Kt cu thụng thng
c thit k i vi trng lc nhng cú th nú
khụng th an ton khi chu tỏc ng ca chn ng
theo phng ngang ca ng t. Vỡ th, cn phi
thit k chng li tỏc ng theo phng ngang ca
ng t.
4) Dũng chy ca lc quỏn tớnh xung
múng
Di s dch chuyn theo phng ngang ca
t nn phỏt sinh lc quỏn tớnh ti v trớ mang khi
lng ln ca kt cu m thng l ti cỏc tng.
Cỏc lc quỏn tớnh ngang ny s truyn t sn qua
h dm, tng v ct xung di múng v cui
cựng l truyn xung h thng t nn bờn di
(hỡnh 4). Vỡ vy cỏc thnh phn kt cu nh sn,
dm, ct hay tng v cỏc mi ni gia chỳng cn
c thit k an ton cú th chu c lc quỏn tớnh ny truyn qua chỳng.
Tng v ct l nhng thnh phn then cht nht trong vic truyn ti lc quỏn tớnh xung nn.
Nhng trong cỏc cụng trỡnh xõy dng thỡ dm c quan tõm thit k nhiu thng khe hn
tng v ct. tng thỡ tng i mng v thng lm t vt liu dũn nh khi xõy, chỳng rt kộm
trong vic chu lc quỏn tớnh theo phng ngang nờn d b phỏ hoi khi xy ra ng t. Tng t,
cho ct bờ tụng ct thộp thiu cng chu ng t l mt thm ha. vỡ trong thc t nhiu cụng
trỡnh b phỏ hoi ch do mt s ớt ct b phỏ hoi gõy ra s sp cho ton b cụng trỡnh.
Z
Y
X
Hỡnh 3: nhng phng chớnh ca ngụi nh
Kyỷ yeỏu Hoọi nghũ Sinh vieõn NCKH 2007


X-Crackin
g

ca tn
g

ngn
(c) vt nt- X phn tng ngn (ca)
Tn
g

(a) cỏc thnh phn nh
S phỏ hoi ca khi xõy khụng ct thộp xy ra
thng xuyờn trong cỏc trn ng t n ni
c xem nh l hin nhiờn. Nhiu quy phm
chng ng t ó cm s dng khi xõy
khụng cú ct thộp. Tuy nhiờn vỡ cỏc lý do kinh
t khi xõy khụng cú ct thộp c s dng
rng rói c cho tng chu lc nh thp tng v
c chốn trong cỏc kt c
Trong cỏc khi xõy thng cú cỏc ging ngang
ci thin kh nng chu ng t. Nhng
ging ngang ny gm cú: ging chõn ct (
king), ging ca, ging mỏi. Tuy vy do trong
cụng trỡnh cú nhiu ca, khong khụng trờn
tng ó lm cho tng b gim yu ( hỡnh 5).
Trong nh chng ng t tng xõy c
phõn thnh 3 loi nh l: phn tng lng di
mỏi (spandrel masory) phn tng ngn ca

hn tn
g
di mỏi
MễMA
P
hn
tng
t
L
anh tụ
P
hn tn
g
ngn
Ngng ca
king
Kyỷ yeỏu Hoọi nghũ Sinh vieõn NCKH 2007
Hỡnh 6.2: s trt ngang xy ra ti cao trỡnh
ngng ca trong tng xõy khụng ct thộp.
Múng
Mỏi L
c quỏn tớnh Mt trt
múng n mt trờn ca ging mỏi (hỡnh 7). Khi cú ct thộp thỡ cỏc phn tng thay vỡ b u a s
chu un trỏnh c s mt liờn kt gia cỏc phn tng vi nhau, c bc tng cựng lm vic
chung vi nhau giỳp cho c khi xõy n nh v chc khe hn. Bờn cnh ú ct thộp trong khi xõy
s ch ct ti nhng v trớ khi xõy cú tit din nh c bit l phn tng ngn (ca)-v trớ yu nht
v d b phỏ hoi nht, nh vy m kh nng chu ti trng ngang tng lờn trỏnh c s phỏ hoi
ct trong tng xõy, ngn cng vt nt (c bit l vt nt dng ch X) phỏt trin trong khi xõy.
- Ti v trớ ca khi xy ra ng t thỡ khung ca b bin dng (do tng b dao ng) khi dng ch
nht ban u thnh hỡnh thoi (hỡnh 8). Khi ú cú cỏc gúc trờn cỏc ng chộo b bin dng khỏc
nhau, 2 gúc di chuyn ra xa nhau v 2 gúc di chuyn hng li gn nhau.

183
Kyỷ yeỏu Hoọi nghũ Sinh vieõn NCKH 2007

184
Di s tỏc ng bin dng nh vy
dn n cỏc vt nt phỏt trin ti gúc khung
ca, vt nt nhanh chúng phỏt trin rng
trong c khi xõy. vt nt cng ln khi kớch
tht khung ca (ca s, ca i, cỏc dng l
ca núi chung) cng lp. do vy trỏnh phỏ
hoi ta t ct thộp trong khi xõy chu
ng sut kộo phỏt sinh khi tng bin dng
lm cho khi xõy cú tớnh do hn chu c
s dao ng tt hnặ ngn chn s phỏt trin Hỡnh 14:
v

t n

t ti gúc c

a ca kh

i xõy khụng
ct thep cn lun ct thộp hn ch nt.
(b) khụng xut hin vt nt trong khi xõy cú ct thộp
L

c quỏn tớnh do ng

t
V

t n

t
(a) vt nt ti gúc tng xõy khụng cú ct thộp gia cng
C

t thộp

g
Bờ tụng ct thộp (RC) l vt liu
ph bin nht hin nay, RC cú th
c ỳc nhiu hỡnh dng khỏc nhau
theo mong mun ca ngi thit k.
Cu kin c trng ca RC trong nh
l: dm, sn nm theo phng ngang
nh, ct, tng theo phng ng
c bi h thng múng v truyn
ti trng xung nn t. Mt h thng
gm dm liờn kt vi ct gi l khung
bờ tụng ct thộp m hin nay ang s
dng ph bin trong mi cụng trỡnh
dõn dng. Khung RC l kt cu chớnh
chu ti trng ng t. Chn ng do
ng t lm phỏt sinh ra lc quỏn
tớnh cho ngụi nh, lc ny t l vi
khi lng. i vi nh thỡ khi lng tp trung cao trỡnh ca sn nờn lc quỏn tớnh phỏt sinh v
phỏt trin ch yu l ti cao trỡnh sn. Nhng lc ny truyn qua dm, sn xung tng, ct v cui
cựng xung múng truyn ti trng vo nn t. Lc ngang do ng t gõy ra tng dn theo
gim chiu cao cụng trỡnh, ti nh thỡ lc ngang do ng t gõy ra l cc tiu cũn ti chõn ct,
tng tng trt thỡ cc i (hỡnh 9).
2) Vai trũ ca sn v tng xõy
Trong nh nhiu tng cú th dựng h
dm - sn hay h sn khụng dm. Vi
h dm-sn nu dm b un do ti
trng thng ng thỡ nhng tm sn
(thng 110-150mm) cng s un
chung vi dm (Hỡnh 10). Cũn khi
dm dch chuyn cựng vi ct theo

h

Hỡnh 11: Minh ha -S lm vic chung ca tng
v ct

Nộn
Nt
Kyỷ yeỏu Hoọi nghũ Sinh vieõn NCKH 2007
cng ca tm tng cú th c tng cng bng mỏc va, cỏc lp h no va, cú th lm
gim khong h gia chỳng vi khung nh. Tuy vy nu mt tm tng c thit k khụng hp lý
v chiu cao v chiu di so vi b dy ca nú cú th dn n s sp ngoi mt phng tng gõy
ra nguy him. Hn na, vic t tng khụng hp lý cú th gõy ra hin tng xon v gim yu
khung ging nh hin tng ct ngn (phõn tớch phn sau)
nh hng ni lc ca ti trng ng t
Di tỏc dng ca ti trng trng lc thng ng ( Tnh ti + hot ti s dng) lm cho dm b
un v gõy ra s cng th ti cỏc v trớ khỏc nhau. Thụng thng thỡ dm b cng th di ti gia
dm v cng th trờn ti 2 u dm (hỡnh 12). Trong khi ú ti trng ng t tỏc ng theo phng
ngang lm cho dm, ct cng th ngc li so vi ti trng thng ng tc l momen un do ti
trng ng t sinh ra ngc li so vi momen do ti trng thng ng gõy ra cho cụng trỡnh c
bit ti 2 u ca dm. ln ca momen do ng t gõy ra cú th ln hn momen do trng lc
gõy nờn dn n u dm b cng th chu nộn khi xy ra ng t.
an ton cho cụng trỡnh thỡ ct phi c thit k khe hn dm v liờn kt dm ct nờn l liờn kt
cng khi cú ng t thỡ s phỏ hoi bt u dm trc. Khi dm c thit k cú nhiu tớnh
do ngụi nh cú th bin dng ln v khi phỏ hoi dm t n trng thỏi do trc ct. S phỏ hoi
ca dm s ch lm cụng trỡnh h hi ti mt s tng c th m khụng lm phỏ hoi, sp ton b
cụng trỡnh v cú th sa cha c sau ú. Cũn nu thit k ct yu hn dm thỡ ct s chu phỏ hoi
cc b ti 2 u ct (hỡnh 13). S phỏ hoi cc b ct cú th dn n s sp ca ton b cụng
trỡnh cho dự sn dm, ct tng trờn khụng b phỏ hoi
HèNH NH MINH HA
186


BIU NI LC TRONG KHUNG

S nguy him phõn b
cho tt c cỏc tng
ca cụng trỡnh
Nh do
cú chuyn
v ln

Ct khe dm yu
(
a
)

(
b
)

Phỏ hoi
Kỷ yếu Hội nghò Sinh viên NCKH 2007

3) Ứng xử và cấu tạo nút khung trong nhà chống động đất:
Trong nhà bê tơng 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
• Cấu tạo cốt thép cho nút khung:
Vấn đề nứt chéo của bê tơng trong nút có thể giải quyết bằng 2 cách đó là tăng tiết diện cột để tăng

lực dính giữa bê tơng và cốt thép; giảm khoảng cách cốt đai tại nút (hình 15).
Các cốt đai giúp cho bê tơng khơng bị biến dạng ra ngồi 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
cơng. Trong đề tài này khơng đề cập đến vấn đề tính tốn cốt đai và u 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 tơng 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 khơng thể
sửa chửa trong các trận động đất mạnh.
Lực dính
giữa bê
tơng và cốt
thép
Cạnh chịu
nén
Kyỷ yeỏu Hoọi nghũ Sinh vieõn NCKH 2007

189
Hỡnh 17: ct thộp trong ct chng ng t khon
g

cỏch ct ai nh v b múc 135
0
c yờu cu
trong thit k cng nh TCVN 375-2006.
Ct ai vi 2 u
b cong 135 giỳp
cho nú khụng b h
trong cỏc trn
ng t mnh

10d
13
5

(
a
)
(
b
)
Phỏ hoi ct
Khong cỏch lnCT NG

N
T NN
Hỡnh 16: cu to ct thộp dm hp lý ti
nỳt
Thit k khụng tt
Nhng thanh ct thộp dm b un
cong trong nỳt khung khụng
kh nng chu kộo
Cỏc thanh ct thộp dm nm
trong thanh ct thộp ct v
chy thng

(b)thit k tt
Dm
(c)
Phỏ hoi ct ca
nỳt BTCT
C
MexicoCity(1985);
khi cỏc thanh CT
dm vt ra ngoi
CT ct

Dm

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 ng
ắ
n
phải chịu tác động nặng hơn do lực cắt gây ra.
Cột ngắn chịu tá
c
động lớn của
động đất
Cột bình
thường bị tá
c

động lực ngan
g

nh
ỏ h
ơn
Dài
Ngắn
Δ
Δ
Nhưng do cột tại vị trí tầng lửng
bị chia làm đơi chiều dài hiệu quả của cột
bị thu ngắn lại so với cột bình thường (

trí cột ngắn dễ bị tổn thương, phá hoại- một dạng
phá hoại do
Cửa sổ
Cột
bình
Chiều
cao
tường
ch
ừa
Cột
ngắn
Hình 20: hiệu ứng cột ngắn trong nhà bê
tơng cốt thép – vị trí tiềm ẩn nguy hiểm v
ì
thường quan niệm tường là thành phấn phi
k
ết cấu
Phần
cột b
ị

khống
chế dịch
chuy
ển
lực cắt. Đây là vị trí cần hết sức lưu ý trong thiết kế nhà chống động đất vì thường khi thiết kế ta


Hng gii quyt hiu ng ct ngn:
- khụng xy ra hin tng ct ngn thỡ trong cỏc ngụi
nh phi c thit k kin trỳc trỏnh xy ra hin tng
ny.
- S hỡnh thnh ct ngn do tng xõy khụng nờn cho phộp
xy ra hoc nu cú thỡ cn phi hn ch v cn phi to 1
khong h tỏch ri gia ct v tng ( hỡnh 17). B
rng khong h ny do tớnh toỏn chuyn v ca ct quyt
nh v c trỏm bng vt liu do tỏch ri 2 b phn
ct v tng.
- Lc ct trong ct ngn ln ta cú th gii quyt bng cỏch
tng tit din hoc thit k tng chng ct.
-
Vỡ ng sut ct trong ct ngn l rt ln, cn b trớ ct ai
gia cng cho ct, cỏc ct ai trong thit k chng
ng t t rt dy.
Hỡnh 21: phn chiu cao ct cú th
un c ó b gii hn bi tng xõ
y
hiu ng ct ngn nguy him nh
t
khi ch
i
Hỡnh 22: cu to ct thộp khng ch hiu ng
ct ngn xy ra ( cỏc khong cỏch xem hỡnh bờn).
Ct ngn
Tng ln
g
Chiu di ph


thuc K c
t

dc (hỡnh bờn)
S
N
B trớ ct ai dy
ch ti 2 u ct.
Ct bỡnh thng
B trớ ct ai chu l
c
c
t do hiu ng ct ngn
gõy ra

Khong cỏch
ct ai

h
c
/2
Max(1.5h
c
, l
c
/6, 600 mm)
Khong cỏch ct ai:
Min( b
0
/2; 175; 8d
bL
Max(1.5h
c
, l
c
/6, 600 mm)
Dm
Dm
Khong cỏch ct
ai

h
c
/2


nn t dch chuyn
di cụng trỡnh.
Tm m do
Rollers
Múng ngm

H thng ny cú th gim
c 5-6 ln lc ngang do
ng t gõy ra
Lc tỏc ng ln.
dao n
g
nh ca
ngụi nh
Chuyn v


ln
Chuyn
d

ch ln
ti mún
g
Iltdi Eth k
Original
Stainless
Vt li
u


chng li s dch chuyn ngang ca t nn ch
truyn phn nh chuyn ng ngang ú lờn cụng trỡnh ( so vi khi cụng trỡnh c t trc tip trờn
nn t). c trng chớnh ca base-isolators a vo cụng trỡnh c tớnh mm, do cho cụng trỡnh
lm cho cỏc cụng trỡnh bng RC hay khi xõy (gch, ỏ) tr nờn linh hot, mm do hn. B tỏch
lp ny thng c thit k hp thu nng lng v tng kh nng gim chn cho cụng trỡnh, lm
gim phn ng dao ng ca ngụi nh vi ng t. Tuy nhiờn h thng tỏch lp múng ny ch phự
hp i vi nhng cụng trỡnh thp tng xõy dng trờn tng ỏ cng khụng phự hp vi nh cao tng
trờn cỏc nn t yu.
194
Kyỷ yeỏu Hoọi nghũ Sinh vieõn NCKH 2007

195


Hỡnh 26: thit b tiờu tỏn nng ln
g
n
g
t,
mi thit b ch phự hp cho 1 cụng trỡnh c th.
(
c
)
Yieldin
g

Yield location
(a) Dung dch nht
gim chn
(b) Fri