Bài báo trình bày nghiên cứu cách chuyển đổi các thông số địa chấn để xây dựng phổ gia tốc của 2 tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 8 (EC 8) và tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-16. Từ đó, phần mềm ETABS được sử dụng để nghiên cứu, đánh giá ứng xử của khung BTCT chịu tải trọng động đất. 
Tóm tắt
Động đất là một hiện tượng tự nhiên nguy hiểm và có thể gây ra thiệt hại lớn cho con người và các công trình trên mặt đất. Bài báo trình bày đánh giá, phân tích ứng xử khi chịu động đất của khung nhà bê tông cốt thép (BTCT) toàn khối cao 7 tầng có mặt bằng hình chữ nhật, đồng điệu. Sử dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương so sánh ứng xử của khung giữa cấp độ dẻo thấp của tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 8 và hệ khung mô men thông thường của tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-16. Bên cạnh đó, bài báo cũng so sánh và làm rõ cách thức chuyển đổi thông số địa chấn giữa hai tiêu chuẩn này.
Từ khóa: Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương; thiết kế kháng chấn; khung nhà bê tông cốt thép.
Abstract
An earthquake is a dangerous natural occurrence that can do significant harm to people and infrastructure on the ground. This article evaluates and analyzes the seismic behavior of a 7-story reinforced concrete building frame with a consistent, rectangular floor design. By using the equivalent lateral force method, the behavior of frame designed according to the low ductility level of Eurocode 8 and the ordinary moment frame of the ASCE 7-16 standard will be compared. Furthermore, the paper compares and explains how to convert seismic parameters between these two standards.
Keywords: Equivalent lateral force method; seismic design; reinforced concrete frame.
1. Giới thiệu
Trong những năm gần đây, do sự thay đổi điều kiện tự nhiên, nhiều hiện tượng tự nhiên có ảnh hưởng khôn lường đến môi trường, nhà ở, và con người trên toàn trái đất. Trong đó, hiện tượng động đất là một trong những hiện tượng tự nhiên nguy hiểm nhất và có thể gây ra thiệt hại lớn cho con người và các công trình trên mặt đất [1].
Do đó, việc khảo sát, phân tích động đất và thiết kế các công trình kháng chấn là rất cần thiết để bảo vệ tính mạng và tài sản của con người. Có nhiều quan điểm thiết kế chống động đất như phương pháp tĩnh tuyến tính (tĩnh lực ngang tương đương), phân tích động tuyến tính (phân tích phổ phản ứng dạng dao động), phân tích tĩnh phi tuyến (phân tích đẩy dần), và phân tích động phi tuyến (phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian).
Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương là phương pháp đơn giản phân tích tĩnh đàn hồi các lực ngang đặt vào các tâm khối lượng của tầng và không chịu ảnh hưởng bởi các dạng dao động bậc cao hơn dạng cơ bản theo từng hướng chính. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ áp dụng ở các hệ kết cấu có tính đều đặn với các kết cấu chịu lực động đất có tính liên tục và sự phân bố khối lượng và độ cứng tương đối đồng đều [2].
Bên cạnh đó, tại Việt Nam, việc thiết kế các công trình kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) khi chịu tải trọng động đất đang áp dụng theo tiêu chuẩn và quy chuẩn hiện hành là TCVN 9386:2012 [3] và QC 02:2022/BXD [4].
Cùng với sự hội nhập quốc tế, việc hiểu rõ và thành thạo chuyển đổi qua lại các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn trên thế giới là việc rất quan trọng. Vì vậy, bài báo nghiên cứu cách chuyển đổi các thông số địa chấn để xây dựng phổ gia tốc của 2 tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 8 (EC 8) [5] và tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-16 [6]. Từ đó, phần mềm ETABS được sử dụng để nghiên cứu, đánh giá ứng xử của khung BTCT chịu tải trọng động đất.
2. So sánh phổ phản ứng gia tốc của tiêu chuẩn châu Âu EC8 và tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-16
2.1. Chuyển đổi các tham số địa chấn
• Loại đất nền
Tiêu chuẩn EC 8 và tiêu chuẩn ASCE 7-16 phân loại đất nền giống nhau dựa vào giá trị vận tốc sóng cắt trung bình của 30m đất nền trên cùng và số nhát búa SPT của 30cm đất nền đề phân loại đất nền do cùng bản chất về địa kỹ thuật. Sự phân loại các loại đất nền của hai tiêu chuẩn này được so sánh trong Hình 1.
• Gia tốc nền
Hầu hết các tiêu chuẩn trên thế giới thường sử dụng giá trị gia tốc nền cực đại (PGA) để đánh giá mức độ nguy hiểm động đất. Điển hình, tiêu chuẩn ASCE 7-16 có bản đồ PGA với chu kỳ lặp 2475 năm (tương đương xác suất vượt quá 2% trong 50 năm) của các vùng thuộc Hoa Kỳ.
Tuy nhiên, tiêu chuẩn này lại không chỉ sử dụng giá trị PGA mà còn sử dụng 3 giá trị SS, S1 và TL (với chu kỳ lặp 2475 năm) làm tham chiếu xây dựng phổ gia tốc trên nền loại B (nền đá). Trong khi đó, tiêu chuẩn EC8 sử dụng gia tốc nền tham chiếu (agR) trên nền loại A (nền đá cứng), chu kỳ lặp 475 năm (tương đương xác suất vượt quá 10% trong 50 năm) để thể hiện độ mạnh yếu của vùng động đất.
Theo hiệp hôi ATC-40 [8] của Mỹ cho rằng giá trị SS [ASCE7-16] có thể lấy bằng 2.5 lần PGA; và giá trị này sẽ tương đồng với giá trị Se [5] tại miền chu kỳ TB và TC bằng 2.5 lần chu kỳ tại T = 0 giây. Theo tác giả Khose và công sự [11], phổ gia tốc ở chu kỳ 1 giây của đất nền tương đương nền loại B của tiêu chuẩn ASCE 7-16 có giá trị xấp xỉ bằng 1 lần PGA; và tương đương với giá trị S1 tham chiếu trên nền loại B của Mỹ. Vì vậy, nghiên cứu đề xuất quy đổi sang giá trị PGA với nền loại B theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-16 theo công thức (1-2).
SS = 2.5 PGA (1)
S1 = 1 PGA (2)
Mặt khác, Hình 1 cho thấy nền loại A (EC8) và nền loại B (ASCE 7-16) là tương đương nhau. Do đó, PGA của nền loại B (ASCE 7-16) tương đương với gia tốc nền tham chiếu agR của nền loại A chu kỳ lặp 2475 năm của EC8. Để đảm bảo xác suất xảy ra động đất theo đúng chu kỳ lặp. EC8 cho phép quy đổi giá trị theo công thức (3)
- PL : xác suất vượt quá trong 50 năm của chu kỳ lặp cần tính (2% tương ứng 2745 năm);
- PLR : xác suất vượt quá trong 50 năm của chu kỳ lặp tham chiếu (10% tương ứng 475 năm);
- k : hệ số phụ thuộc vào độ mạnh yếu của động đất (k=3).
2.2. Ví dụ so sánh phổ phản ứng gia tốc đàn hồi của một vài loại đất nền
Để dễ dàng so sánh phổ thiết kế của tiêu chuẩn ASCE 7-16 và phổ đàn hồi của tiêu chuẩn EC8, các thông số địa chấn cần được hiệu chỉnh theo cùng loại nền đất của tiêu chuẩn tương ứng, quy đổi về cùng chu kỳ lặp (475 năm) và cùng không bị hiệu chỉnh bởi loại kết cấu (không kể đến hệ số ứng xử q của EC8 hay hệ số hiệu chỉnh phổ R của ASCE).
Theo tiêu chuẩn EC 8: gia tốc nền tham chiếu trên nền loại A có agR=0.15g (chu kỳ lặp 475 năm). Từ công thức (1-3), gia tốc nền tham chiếu trên nền loại A chu kỳ lặp 2475 năm (PGA) và SS, S1:
Hình 2 lần lượt thế hiện biểu đồ phổ gia tốc của loại đất nền A, B, C của tiêu chuẩn EC8 tương ứng với loại đất nền B, C, D của tiêu chuẩn ASCE 7-16. Kết quả thu được cho thấy biểu đồ phổ gia tốc của nền A (EC8) và nền B (ASCE 7-16) là xấp xỉ nhau ở mọi miền chu kỳ.
Mặt khác, có sự chênh lệch đáng kể khi so sánh phổ gia tốc của nền B, C (EC8) với nền C, D (ASCE 7-16). Ở miền chu kỳ ngắn, phổ gia tốc của tiêu chuẩn ASCE 7-16 cho giá trị lớn hơn của tiêu chuẩn EC8 khoảng 18% và 28% khi so sánh nền C, D (ASCE 7-16) với nền B, C (EC8).
Ở miền chu kỳ dài (T =2s), gia tốc nền của tiêu chuẩn ASCE 7-16 và tiêu chuẩn EC8 chênh nhau khoảng 13% khi so sánh nền B (EC8) với nền C (ASCE 7-16), và khoảng 38% khi so sánh nền C (EC8) với nền D (ASCE 7-16).
3. Ví dụ tính toán và so sánh
Để đánh giá và phân tích mô hình khung phẳng bê tông cốt thép chịu động đất bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo tiêu chuẩn châu Âu EC8 và tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-16, nhóm tác giả khảo sát công trình nhà khung BTCT liền khối có mặt bằng kết cấu tầng điển hình (Hình 3) và mặt cắt khung khảo sát (Hình 4) [9]-[10].
Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng ETABS để mô hình hoá và phân tích ứng xử của khung phẳng khảo sát. Các cấu kiện dầm và cột của khung khảo sát được mô hình dạng phần tử thanh, trong đó mô men quan tính chính của dầm cột sẽ giảm đi 50% do khung chịu động đất [5], [7] (Hình 5).
3.1. Thông số đầu vào
• Công trình khảo sát
Công trình khảo sát là nhà khung BTCT liền khối cao 7 tầng có mặt bằng hình chữ nhật với chiều dài theo phương X (Lx) và theo phương Y (Ly) lần lượt là 40 m và 16 m. Hệ kết cấu khung gồm: các dầm từ tầng 2 đến 7 có tiết diện vuông 60x60 cm, cột biên có tiết diện 60x60 cm và các cột giữa từ tầng 1 đến 7 có kích thước 80x80 cm (Hình 3).
• Vật liệu
Hệ khung BTCT của công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B40. Dầm và cột BTCT sử dụng cốt thép nhóm CB500-V đối với cốt thép dọc chịu lực và cốt thép nhóm CB240-T đối với cốt đai.
• Tải trọng
Tĩnh tải (TT) và hoạt tải (HT) tác dụng lên khung theo sơ đồ Hình 6 (a,b) với đơn vị kN và kN/m.
Bảng 1 trình bày các thông số đầu vào tính toán tác động động đất (EQY) theo tiêu chuẩn EC8. Trong đó, loại đất nền dưới chân công trình là đất nền loại B có gia tốc nền tham chiếu (agR) là 0,15g (chu kỳ lặp 475 năm) dựa theo tiêu chuẩn châu Âu. Khung khảo sát được thiết kế với độ dẻo thấp DCL và công trình có hệ số tầm quan trọng là 1.
Bảng 1. Thông số đầu vào theo tiêu chuẩn EC8
Theo tiêu chuẩn ASCE 7-16, khung được thiết kế là khung Momen thông thường OMF, có hệ số hiệu chỉnh phổ R bằng 3. Công trình có hệ số tầm quan trọng là 1. Bảng 2 và 5 lần lượt trình bày các thông số đầu vào tính toán tác động động đất (EQY) theo tiêu chuẩn ASCE 7-16.
Bảng 2. Thông số đầu vào theo tiêu chuẩn ASCE 7-16
Bảng 3 và 4 lần lượt thể hiện giá trị lực động đất của các tầng theo công thức tính toán lực cắt đáy và phân phối lực động đất về các tầng dựa theo tiêu chuẩn EC8 và tiêu chuẩn ASCE 7-16. Lực cắt đáy tính theo ASCE 7-16 nhỏ hơn khoảng 33%
Bảng 3. Lực động đất phân phối về các tầng theo tiêu chuẩn EC8
Bảng 4. Lực động đất phân phối về các tầng theo tiêu chuẩn ASCE 7-16
3.2.Tổ hợp tải trọng
• Theo tiêu chuẩn châu Âu EC0
Ứng xử kết cấu của khung phẳng khảo sát được phân tích theo các trường hợp tổ hợp tải trọng sau:
- THTT1: 1,35TT
- THTT2: 1,35TT+1,5HT
- THTT3: 1TT+0,3HT+1EQY
- THTT4: 1TT+0,3HT+(-)1EQY
- THTT5: 1TT+1EQY
- THTT6: 1TT+(-)1EQY
• Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-19
Khung phẳng này được phân tích kết cấu theo các trường hợp tổ hợp tải trọng sau:
- THTT1: 1,4TT
- THTT2: 1,2TT+1,6HT
- THTT3: 1,3TT+1HT+1EQY
- THTT4: 1.3TT+1HT+(-)1EQY
- THTT5: 0,8TT+1EQY
- THTT6: 0,8TT+(-)1EQY
3.3. Kết quả phân tích
a. Nội lực và chuyển vị
Phần mềm ETABS phân tích khung phẳng khảo sát theo hai tiêu chuẩn và thu được nội lực của các trường hợp tổ hợp tải trọng, chuyển vị đỉnh, chuyển vị tầng và chuyển vị lệch tầng (drift) của khung khi chịu tác động động đất. Bảng 5 và Hình 8 trình bày cụ thể các thông số về chuyển vị. Chuyển vị đỉnh của khung tính theo EC 8 và ASCE 7-16 lần lượt là 39,01 mm và 30,10 mm, chênh lệch 23%.
Hình 9, 10, và 11 lần lượt thể hiện biểu đồ nội lực (momen, lực cắt, lực dọc) của tổ hợp có tải trọng động đất. Đối với nội lực dầm, giá trị nội lực tính theo ASCE 7-16 có giá trị lớn hơn khi tính theo EC 8. Momen âm lớn nhất chênh lệch nhau 8% trong khi momen dương lớn nhất chênh lệch nhau 21%. Đối với nội lực cột, tính theo ASCE 7-16 thu được giá trị lực dọc cơ bản là lớn hơn, trong khi giá trị mô men cơ bản lại nhỏ hơn.
Bảng 5. Chuyển vị tầng và chuyển vị lệch tầng (drift)
b. Cốt thép dọc chịu lực bố trí trong khung
Cốt thép dọc chịu lực trong khung được thiết kế tự động bằng phần mềm ETABS theo tiêu chuẩn châu Âu EC2 với cấp độ dẻo thấp và theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-19 [12] với khung mô men thông thường (Hình 12)
Cốt thép dầm tính theo ACI 318-19 lớn hơn tính theo EC 8. Nguyên nhân có thể giải thích như sau : (i) do hệ số tổ hợp tĩnh tải và hoạt tải trong ACI 318-19 lớn hơn hệ số tổ hợp trong EC0; (ii) do giá trị lực động đất theo phương ngang của ASCE 7-16 là nhỏ hơn khi tính theo EC8, trong khi khác biệt về hệ số tổ hợp với tĩnh tải và hoạt tải dẫn đến sự khác biệt trong giá trị lực dọc ; (iii) hàm lượng thép dọc trong cột phải đạt tổi thiểu 1% diện tích cột, trong khi đối với cột nằm trong khung có cấp độ dẻo thấp của EC 8, chỉ cần thiết kế tuân thủ theo EC 2, với giá trị hàm lượng thép dọc tối thiểu nhỏ hơn nhiều so với 1%.
4. Kết luận
Đề tài đã nghiên cứu cách chuyển đổi các thông số địa chấn dùng để xây dựng phổ gia tốc của 2 tiêu chuẩn châu Âu EC8 và tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-16. Hai tiêu chuẩn này có những giá trị và quy ước khác nhau dựa trên vị trí địa lý và loại đất nền tại hiện trường.
Vì vậy, việc làm rõ quy trình chuyển đổi các thông số giữa hai tiêu chuẩn này giúp cho việc áp dụng tiêu chuẩn nước ngoài tại Việt Nam trở nên dễ dàng và thuận lợi hơn. Bên cạnh đó, đề tài đã sử dụng phần mềm ETABS để so sánh, đánh giá và nhận xét ứng xử của nhà khung BTCT toàn khối cao 7 tầng có mặt bằng hình chữ nhật đồng điệu.
Với cùng thông số về hình học và điều kiện tự nhiên (loại đất nền, gia tốc nền tham chiếu), khung BTCT chịu tác động động đất được phân tích đàn hồi bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo tiêu chuẩn châu Âu EC8 và tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-16 cho kết quả khá tương đồng. Cụ thể, sự chênh lệch của chuyển vị đỉnh, nội lực nguy hiểm nhất trong cấu kiện dầm và cột giữa hai tiêu chuẩn thiết kế lần lượt là 23%, 21% và 32%.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Otani, S., (2008). The dawn of structural earthquake engineering in Japan. In Proceedings of the 14th World Conference on Earthquake Engineering, Beijing, China, 12-17.
[2] Bourahla, N. (2013), Equivalent static analysis of structures subjected to seismic actions, Encyclopedia of earthquake engineering, 1-13.
[3] TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu động đất - Phần 1: Quy định chung, tác động động đất và quy định đối với kết cấu nhà.
[4] QC 02:2022/BXD: Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng.
[5] EN 1998-1 (2004). Eurocode 8 (EC8) Design for earthquake resistance - Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings.
[6] ASCE 7-16 (2016 & 2022): Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures.
[7] EN 1992-1-1 (2004): Eurocode 2 (EC2): Design for concrete structures - Part 1-2: General rules and rules for buildings.
[8] ATC 40 (1996): Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings
[9] Nguyễn Lê Ninh, Phan Văn Huệ, Võ Mạnh Tùng, (2022), Cơ sở tính toán tác động và thiết kế nhà phòng chống động đất, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[10] Nguyễn Lê Ninh, Phan Văn Huệ, (2018), Kết cấu nhà bê tông cốt thép nhiều tầng, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[11] Khose, V. N., Singh, Y., & Lang, D. H. (2012), A comparative study of design base shear for RC buildings in selected seismic design codes, Earthquake Spectra, 28(3), 1047-1070.
[12] ACI 318-19 (2019). Building Code Requirements for Structural Concrete. American Concrete Institute
