KHOA H“C & C«NG NGHª

Phân tích ảnh hưởng và đề xuất giải pháp thiết kế
làm giảm ảnh hưởng của tầng mềm lên công trình
nhà nhiều tầng bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất

của nó nhỏ hơn 70% của độ cứng ngang của tầng ngay trên
nó hoặc nhỏ hơn 80% của độ cứng trung bình của ba tầng
bên trên” còn “Một tầng cực mềm là một tầng mà độ cứng
theo phương ngang của nó nhỏ hơn 60% của độ cứng ngang
của tầng ngay trên nó hoặc nhỏ hơn 70% của độ cứng trung
bình của ba tầng bên trên”. Độ cứng theo phương ngang của
một tầng có thể được tính theo công thức của một số tác giả
Trung Quốc [3]:

Effect analysis and design solution proposals for reducing the soft strata impacts on reinforced
concrete multi-storey buildings with earthquake load

=
Ki

Nguyễn Thị Thanh Hoà

Tóm tắt
Bài báo phân tích ảnh hưởng và đề xuất
giải pháp thiết kế làm giảm ảnh hưởng
của tầng mềm lên công trình nhà nhiều
tầng bê tông cốt thép chịu tải trọng động
đất phù hợp với điều kiện Việt Nam.
Từ khóa: tầng mềm, công trình nhà nhiều tầng
bê tông cốt thép, phân tích, giải pháp thiết kế, tải

nó lại mang tính nguy hiểm tiềm tàng khó lường. Xác suất để xuất hiện động đất là
không cao tuy nhiên khi động đất xảy ra thì nó gây hậu quả vô cùng to lớn và không
thể lường hết được. Nhà có tầng mềm là dạng công trình có độ cứng ngang thay đổi
đáng kể theo chiều cao, dưới tác dụng của tải trọng động đất, sự tập trung ứng suất
và biến dạng lớn tại tầng mềm làm xuất hiện khớp dẻo tại các cấu kiện chịu lực theo
phương ngang chính. Khi đó độ cứng của tầng mềm nhanh chóng bị giảm xuống và
có thể dẫn tới sụp đổ nhanh chóng trong khi các tầng trên vẫn chưa huy động nhiều
khả năng chịu lực tạo nên sự không hợp lý về khả năng chịu lực của toàn bộ công
trình.

ThS. Nguyễn Thị Thanh Hoà
Bộ môn Kết cấu Thép – Gỗ
Khoa Xây dựng
ĐT: 0912828682
Email:

Ngày nhận bài: 25/5/2017
Ngày sửa bài: 02/6/2017
Ngày duyệt đăng: 10/4/2018

a) Khung đều đặn trên chiều cao

b)Khung có tầng mềm

Hình 3. Sơ đồ biến dạng của khung dưới tác dụng
của tải trọng động đất

Hình 4. Sơ đồ biến dạng và làm việc của khung
không có tường chèn ở tầng trệt





Aci: diện tích mặt cắt cột tầng thứ i;



Gi: mô đun biến dạng cắt của bê tông tầng thứ i;



hi: chiều cao tầng thứ i.

Về cơ bản, một tầng mềm có sức kháng cắt và độ dẻo
của các cấu kiện chịu lực chính theo phương ngang (khả
năng phân tán năng lượng) không thích hợp do chúng chịu
biến dạng lớn dẫn đến sự hình thành các khớp dẻo khi công
trình chịu tác động của tải trọng động đất. Hầu như, (nhưng
không hoàn toàn), vị trí thông thường của tầng mềm là ở sàn
tầng trệt của công trình. Đó là bởi vì nhiều công trình được
thiết kế để có được một không gian mở lớn. Hình 1 giới thiệu
một số dạng công trình có tầng mềm thường gặp.
Dạng công trình có sơ đồ kết cấu như hình 1a là các công
trình rất hay gặp trong các đô thị. Đặc điểm của dạng nhà này
là tầng trệt được thiết kế có chiều cao lớn hơn các tầng bên
trên. Đó thường là các công trình tổ hợp đa chức năng, các
văn phòng hoặc chung cư. Tầng trệt được thiết kế cao để
dùng làm cửa hàng, ngân hàng… có thể để trống do ý muốn
của người thiết kế kiến trúc hoặc do yêu cầu cảnh quan
môi trường thành phố hoặc khu vực xây dựng để tổ chức

đặn về về độ cứng và cường độ trên chiều cao như trên hình
3a), dưới tác dụng của tải trọng động đất, kết cấu không có
sự tập trung ứng suất đột ngột và biến dạng lớn tại một tầng
nào đó. Năng lượng sinh ra do tải trọng động đất được phân
đều cho các cấu kiện của hệ kết cấu hấp thụ (phân tán) và
truyền xuống nền đất qua các cấu kiện chịu lực. Còn đối với
kết cấu có tầng mềm (không có được sự phân bố đều đặn
về về độ cứng và cường độ trên chiều cao như trên hình 3b),
công trình sẽ làm việc khác với thông thường dưới tác động
của tải trọng động đất. Tình hình sẽ trở nên nghiêm trọng
hơn khi kết cấu làm việc trong giai đoạn không đàn hồi (giai
đoạn đàn dẻo), do biến dạng tập trung ở tầng mềm là nơi
phần lớn năng lượng sẽ được hấp thụ, phần cứng bên trên
tầng mềm sẽ hấp thụ rất ít (lúc này có thể coi sơ đồ làm việc
như một khối cứng nằm trên đệm giảm chấn). Sự phân bố
tải trọng ngang đơn giản theo các quy định của tiêu chuẩn
kháng chấn chỉ có thể áp dụng cho một số loại kết cấu không
có sự thay đổi độ cứng đột ngột trên chiều cao và kết cấu chỉ
hấp thụ tốt năng lượng địa chấn khi chúng có được tính đều
đặn và liên tục. Do vậy, kết cấu có tầng mềm cần phải được
phân tích và cấu tạo một cách phù hợp.
Trên thế giới đã có nhiều cuộc khảo sát sự phá hoại của
kết cấu nhà có tầng mềm qua những trận động đất trong các
năm gần đây. Dưới đây là một số dạng phá hoại của nhà có
S¬ 30 - 2018

29


KHOA H“C & C«NG NGHª

tầng trên do có các panô (tấm tường) chèn trong khung nên
làm tăng độ cứng của khung; các panô chèn này đóng vai trò
như các thanh giằng chéo làm cản trở biến dạng ngang của
khung. Các tường bao ngoài cũng như các tường xây ngăn
che bên trong là tường gạch. Những bức tường này làm tăng
đáng kể độ cứng ngang của công trình trong quá trình xảy ra
động đất, nó tạo thành các thanh giằng làm hạn chế chuyển
dịch phương ngang và chống lại lực động đất trong giai đoạn
làm việc đàn hồi. Điều này đặc biệt đúng đối với các toà nhà
thấp tầng, các toà nhà cổ là những công trình có tỷ lệ của
diện tích tường chịu lực/diện tích sàn rất cao. Một khi các
bức tường gạch đặc bị hư hỏng, cường độ và độ cứng ngang
chỉ còn do các khung không có tường chèn chịu, nó sẽ dẫn
đến kết cấu phải trải qua biến dạng ngoài vùng đàn hồi tại
các vùng tới hạn. Ở giai đoạn này, khả năng của các cột, dầm
bê tông cốt thép và các nút khung để chống đỡ lại các biến
dạng yêu cầu tuỳ thuộc vào mức độ thiết kế kháng chấn và
các cấu tạo chi tiết được thực hiện trên hồ sơ thiết kế cũng
như quá trình thi công.
Có thể thấy một số ví dụ về dạng phá hoại này qua một
số trận động đất:

30

Hình 18

Hình 16. Sơ đồ kết cấu của công trình, sự tăng cường
súc kháng bên do nhà hàng bên cạnh đã giúp các
tầng dưới tránh bị sụp đổ. Tầng ngay trên bị phá hoại
kéo theo các tầng trên bị sụp đổ theo

Hình 19. Các dạng kết cấu chuyển tiếp
a-Dầm phân lực: toà thị chính Poocland; b-Dàn phân lực, toà nhà Pher Viskonxin Centre, Miluôki
c-Dầm tường phân lực: toà nhà Finalcial Centre; d- Kết cấu vòm phụ trợ: toà nhà Marin Mitlen
e- Liên kết các cột: World Trade Centre, New York; f-Vòm phân lực: toà nhà công ty IBM
cứng của các cấu kiện này lớn nên chịu nội lực lớn nhưng khi
thiết kế chưa tạo đủ độ dẻo cần thiết).
- Phá hoại do trường hợp thay đổi đột ngột về độ cứng do
thay đổi cơ bản về hệ chịu lực (hình 1d) dẫn đến phá hoại tại
vị trí tầng chuyển tiếp do có sự tập trung ứng suất đột ngột
và biến dạng lớn.
Một ví dụ khác là sự phá hoại ở bệnh viện Olive ở San
Fernando, California trong trận động đất ở San Fernando,
California vào năm 1971 trên hình 11.
- Phá hoại dẫn đến sự sụp đổ liên hoàn (Hiện tượng xếp
chồng):
Hiện tượng xảy ra khi chấn động nền sinh ra do động đất
là nguyên nhân gây sụp đổ của các cột yếu dẫn đến phá huỷ
hoàn toàn công trình. Các sàn nhà có độ cứng uốn rất lớn,
không bị phá hoại, đã đổ sập xuống đè lên nhau giống như là

các lớp của một cái bánh xăng-đuých. Hiện tượng xếp chồng
của các toà nhà nhiều tầng kết cấu bê tông cốt thép là phổ
biến trong các vùng chịu động đất ở Thổ Nhĩ Kỳ như trong
trận động đất ngày 17-8-1999 ở Izmit. Nó được giải thích như
là sự tồn tại của các tầng mềm thấp hơn và có cấu tạo trong
liên kết nút khung dầm- cột không đạt được mức độ yêu cầu.
Hầu hết các công trình này có một tầng mềm- một tầng với
không gian được mở gần như hoàn toàn và với một nền
móng nông tạo ra ít hoặc không đáng kể khả năng kháng lại
chấn động theo phương ngang.

hay trong các khách sạn còn có các phòng
ăn, hội trường lớn... cần các phòng vừa có
không gian vừa chiều cao lớn nên điều đó
đã vô tình tạo nên các dạng nhà có tầng
mềm. Có thể thấy ở Việt Nam có đầy đủ
các dạng nhà có tầng mềm như trên hình 1
qua một số phân tích trên.
4. Đề xuất giải pháp thiết kế làm giảm
ảnh hưởng của tầng mềm lên công
trình nhà nhiều tầng chịu tải trọng động
đất

Hình 24. Sơ đồ khung 1

Hình 25. Chuyển vị khung 1

Hình 26. Biểu đồ mô men khung 1(kN.m)

Hình 27. Biểu đồ lực cắt khung 1 (kN)

phải được cung cấp đủ độ dẻo cần thiết để chịu được các
biến dạng lớn. Có thể thấy các dạng kết cấu chuyển tiếp qua
một số công trình trên thế giới trên hình 19.

+ Tăng tiết diện cột tầng một, dùng giải pháp kiến trúc để
bố trí các thanh giằng chéo giữa các cột như hình 20b;

4.1. Đối với các công trình xây mới
Như đã phân tích, do các nhu cầu trong
sử dụng công trình là nguyên nhân phát

tầng một là có thể thực hiện được nhưng với sơ đồ 18b thì
do độ cứng của phần kết cấu bên trên dầm truyền lớn hơn
các cấu kiện cột tầng một rất nhiều nên việc tăng tiết diện là
giải pháp không hợp lý. Các sơ đồ này đều dùng giải pháp
dầm truyền lực (kết cấu chuyển tiếp). Đây là một giải pháp
rất hay dùng trong kết cấu nhà cao tầng có các yêu cầu đặc
biệt ở các tầng dưói cùng. Các dầm truyền do đỡ các cột chịu
lực có tải trọng lớn nên phải được thiết kế có đủ độ cứng để
tránh bị phá hoại cắt trên dầm đồng thời có đủ độ cứng để
hạn chế biến dạng dưới tác dụng của tải trọng tập trung lớn.
Dưới tác dụng của tải trọng địa chấn, các dầm truyền luôn
làm việc trong giới hạn đàn hồi, các hàng cột trên tầng một

T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG

a. Dầm phân lực: toà thị chính Poocland; b-Dàn phân lực,
toà nhà Pher Viskonxin Centre, Miluôki
c. Dầm tường phân lực: toà nhà Finalcial Centre; d- Kết
cấu vòm phụ trợ: toà nhà Marin Mitlen
e. Liên kết các cột: World Trade Centre, New York; f-Vòm
phân lực: toà nhà công ty IBM
- Đối với dạng công trình trên hình 20a: Đây là dạng công
trình hay gặp ở các công trình thấp tầng có sự đóng góp
đáng kể của khối xây đến khả năng chịu lực theo phương
ngang. Các cột thường có tiết diện không lớn, tường xây
đóng vai trò như các thanh giằng khi chịu tải trọng ngang. Do
vậy có thể dùng các biện pháp:

+ Tách các panô chèn hoặc vách ngăn không cho chúng
tham gia chịu lực cùng với hệ kết cấu của nhà;

- Đối với dạng công trình trên hình 22a:
Tăng độ cứng cho các cấu kiện cột và vách của tầng một
cân bằng với việc giảm độ cứng đơn vị do chiều cao tầng
tăng lên bằng cách tăng tiết diện hoặc (và) tăng modun đàn
hồi của vật liệu của các cấu kiện đó (hình 22b).

Hình 29. Chuyển vị khung 2

Hình 31. Biểu đồ lực cắt khung 2 (kN)

thanh chống xiên (hình 4.6d) hoặc mở rộng phần tầng một
của công trình cấu tạo có dạng đế (hình 22e).
4.2. Đối với các công trình đang tồn tại
Việc đưa thêm các cấu tạo vào công trình đang sử dụng
bình thường là rất khó khăn tuy nhiên cũng có thể có một
số giải pháp sau nhằm tăng cường khả năng chịu động đất:
- Bổ sung các tường bao chèn có độ dày đáng kể nhằm
góp phần chống lại chuyển dịch theo phương ngang. Giải
pháp này áp dụng cho các công trình có tầng trệt cao nhưng
có yêu cầu không gian sử dụng bên trong lớn.
- Tăng cường các thanh giằng chéo (nếu có thể) giữa các
cột (hình 23a).

Bổ sung thêm cột (nếu có thể) (hình 22c) hoặc thêm các

34

T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG

- Tạo các điểm tựa tại cao trình sàn tầng hai (hình 23b).

Qua phân tích, xử lý số liệu tổng hợp được kết quả so
sánh về sự thay đổi giá trị của nội lực ( M, V) và chuyển vị
của các sơ đồ khung trên như sau:
- Phương án điều chỉnh thứ nhất (sơ đồ khung 2): mô
men tại chân cột tầng 1 giảm 30%, lực cắt cột tầng 1 giảm
35%, chuyển vị tại đỉnh tầng 1 giảm 35%, chuyển vị đỉnh
khung giảm 20% so với khung ban đầu (sơ đồ khung 1).
- Phương án điều chỉnh thứ hai (sơ đồ khung 3): mô men
tại chân cột tầng 1 giảm 40%, lực cắt cột tầng 1giảm 35%,
(xem tiếp trang 38)
S¬ 30 - 2018

35