Để đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng, đặc biệt là các kết cấu khung thép, trở thành một yêu cầu cấp thiết. Kết cấu khung thép, với ưu điểm về độ bền, tính linh hoạt và khả năng chịu lực, được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp. Ngày nhận bài: 27/8/2025; Ngày sửa bài: 19/9/2025; Ngày chấp nhận đăng: 7/10/2025
http://doi.org/10.64588/jc.03.10.2025
Tóm tắt
Bài báo giới thiệu phương pháp phân tích đẩy dần trong thiết kế kháng chấn theo hiệu năng, cho phép mô phỏng ứng xử phi tuyến của kết cấu, nhận diện trình tự hình thành khớp dẻo, cơ chế phá hoại và khả năng dự trữ chịu lực của công trình. Để minh họa, bài báo tiến hành áp dụng phương pháp này phân tích một khung thép nhà dân dụng hai tầng, qua đó làm rõ quá trình phát triển hư hỏng qua các giai đoạn làm việc. Kết quả khẳng định hiệu quả của phân tích đẩy dần trong việc đánh giá và tối ưu thiết kế kháng chấn cho kết cấu thép.
Từ khoá: Phương pháp phân tích đẩy dần, khung thép, khớp dẻo.
Abstract
The article introduces the pushover analysis method in performance-based seismic design, which enables the simulation of nonlinear structural behavior, identification of the sequence of plastic hinge formation, failure mechanisms, and the reserve strength capacity of the structure. To illustrate, the method is applied to analyze a two-story residential steel frame, thereby clarifying the process of damage development through different working stages. The results confirm the effectiveness of pushover analysis in assessing and optimizing seismic design for steel structures.
Keywords: Pushover analysis method, steel frame, plastic hinge.
1. Đặt vấn đề
Trong bối cảnh động đất trên toàn cầu ngày càng gia tăng về tần suất và cường độ, việc đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng, đặc biệt là các kết cấu khung thép, trở thành một yêu cầu cấp thiết. Kết cấu khung thép, với ưu điểm về độ bền, tính linh hoạt và khả năng chịu lực, được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp. Tuy nhiên, ứng xử của các kết cấu này dưới tải trọng động đất, đặc biệt khi vượt qua giới hạn đàn hồi, vẫn là một thách thức lớn đối với các kỹ sư thiết kế. Các phương pháp thiết kế kháng chấn truyền thống, dựa trên phân tích đàn hồi tuyến tính và hệ số an toàn, thường không thể dự đoán chính xác ứng xử phi tuyến, cơ chế phá hoại, hoặc các khu vực yếu của kết cấu khi chịu tác động động đất. Mặt khác, thiết kế quá an toàn lại gây ra lãng phí về mặt kinh tế.
Để khắc phục hạn chế này, những năm gần đây, thiết kế dựa trên hiệu năng đã được đề xuất và ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn hiện hành. Đây là một phương pháp tiên tiến, giúp thiết kế kết cấu đáp ứng kịch bản mong muốn một cách cụ thể, qua đó tối ưu về mặt kinh kế và khả năng chịu lực. Nói riêng, khi nhắc đến thiết kế kháng chấn dựa trên hiệu năng, phương pháp phân tích đẩy dần đóng vai trò rất quan trọng. Phân tích đẩy dần là một phương pháp tĩnh phi tuyến, cho phép mô tả trình tự hư hỏng, xác định khả năng chịu lực ngoài giới hạn đàn hồi và đánh giá các mức hiệu năng của kết cấu. Phương pháp này không chỉ giúp dự đoán hành vi thực tế của kết cấu khung thép mà còn hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế trong các vùng có nguy cơ động đất [1].
Bài báo này nghiên cứu một vài ứng xử của kết cấu khung thép hai tầng nhà dân dụng thông qua phân tích đẩy dần, nhằm đánh giá khả năng chịu tải, xác định các khớp dẻo và cơ chế phá hoại tiềm năng dưới các kịch bản tải trọng động đất khác nhau.
2. Tổng quan về phương pháp phân tích đẩy dần
Trong thiết kế kết cấu chịu động đất, việc dự đoán ứng xử thực tế của công trình khi chịu tác động động đất là một yêu cầu quan trọng. Các tiêu chuẩn hiện hành đưa ra nhiều phương pháp phân tích với mức độ phức tạp và độ chính xác khác nhau. Ví dụ, Eurocode 8 [2] quy định bốn phương pháp phân tích thường được sử dụng: (1) Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương (tĩnh tuyến tính), (2) Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động (động tuyến tính), (3) Phương pháp phân tích đẩy dần (tĩnh phi tuyến) và (4) Phương pháp phân tích lịch sử thời gian (động phi tuyến). Trong đó, phương pháp phân tích đẩy dần (pushover analysis), đóng vai trò quan trọng trong thiết kế theo hiệu năng.
Phương pháp đẩy dần là một dạng phân tích tĩnh phi tuyến, trong đó tác động động đất được mô phỏng bằng tải trọng ngang phân bố theo chiều cao công trình và được tăng dần cho đến khi công trình đạt đến trạng thái giới hạn hoặc sụp đổ. Trong quá trình phân tích, phi tuyến vật liệu và hình học được xét đến, cho phép mô phỏng sự hình thành và phát triển của các khớp dẻo trong kết cấu.
Kết quả quan trọng thu được từ phân tích đẩy dần là đường cong khả năng biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị đỉnh của công trình. Đường cong này cung cấp thông tin về độ cứng ban đầu, khả năng dẻo và độ dự trữ chịu lực của kết cấu. Bằng cách so sánh đường cong khả năng với phổ yêu cầu, có thể xác định được điểm hiệu năng và đánh giá mức độ hư hỏng ở các trạng thái như mức tiếp tục sử dụng Immediate Occupancy (IO), mức an toàn về tính mạng Life Safety (LS), hay mức ngăn ngừa sập đổ Collapse Prevention (CP), minh họa ở Hình 1, tùy theo kịch bản mong muốn của người kỹ sư thiết kế. Nếu chưa đạt, cần điều chỉnh lại các thông số của kết cấu rồi tiến hành phân tích lại.
So với phương pháp truyền thống (tĩnh tuyến tính hoặc động tuyến tính), phân tích đẩy dần mang lại nhiều ưu điểm rõ rệt. Các phương pháp tuyến tính giả định rằng kết cấu chỉ làm việc trong miền đàn hồi, do đó không phản ánh đúng hành vi thực tế của công trình khi xảy ra động đất mạnh, khi mà biến dạng dẻo là không thể tránh khỏi. Trong khi đó, phương pháp đẩy dần xét đến tính phi tuyến của kết cấu, cho phép đánh giá chính xác hơn về sự hình thành khớp dẻo, khả năng phân phối lại nội lực và sự phát triển hư hỏng. Điều này đặc biệt quan trọng trong thiết kế theo hiệu năng khi mục tiêu không chỉ là tránh sập đổ mà còn đảm bảo công trình đạt các mức độ hoạt động khác nhau sau động đất.
Ngoài ra, phân tích đẩy dần giúp các kỹ sư hiểu rõ cơ chế phá hoại, nhận diện các vị trí yếu trong kết cấu và đưa ra biện pháp tăng cường hợp lý. Mặc dù phương pháp này vẫn là xấp xỉ (do thay thế tải trọng động phức tạp bằng tải trọng tĩnh tăng dần) nhưng lại đơn giản hơn nhiều so với phân tích lịch sử thời gian phi tuyến và dễ áp dụng trong thực tế thiết kế. Nhờ những ưu điểm này, phân tích đẩy dần được sử dụng rộng rãi trong đánh giá và cải tạo công trình hiện hữu cũng như trong thiết kế công trình mới ở các khu vực có nguy cơ động đất cao.
Quy trình phân tích đẩy dần theo phương pháp N2 [3] (EN1998-3:2005) để tìm ra chuyển vị mục tiêu được mô tả như dưới đây:
- Phân tích đẩy dần mô hình khung nhiều bậc tự do, cho ra kết quả đường cong lực cắt đáy - chuyển vị tầng;
- Quy đổi về đường cong lực cắt đáy - chuyển vị tầng của hệ một bậc tự do tương đương;
- Giả thiết chuyển vị mục tiêu, xác định chuyển vị dẻo và chu kỳ của hệ một bậc tự do tương đương;
- Chuyển đổi đường cong ở trên về dạng dạng quan hệ gia tốc - chuyển vị.
- Tính toán hệ số dẻo và chuyển vị mục tiêu;
- Kiểm tra chuyển vị mục tiêu đã hội tụ với giá trị giả thiết ở trên chưa;
- Chuyển đổi chuyển vị mục tiêu từ hệ một bậc tự do tương đương về hệ nhiều bậc tự do.
Hình 2 mô tả nguyên lý của phương pháp N2.
3. Ứng dụng phân tích đẩy dần để nghiên cứu ứng xử khung thép nhà dân dụng hai tầng
Đối tượng nghiên cứu ở đây là một khung thép nhà dân dụng hai tầng Hình 3, với các kích thước 6,1 m (rộng) x 16 m (dài) x 7,2 m (tầng 1 cao 3 m, tầng 2 cao 4,2 m). Thép tổ hợp S235 với kích thước 200 x 200 x 8 x 12 mm, 200 x 200 x 6 x 10 mm, 150 x 75 x 5 x 7 mm, V120 x 10 x 10 mm lần lượt được sử dụng cho cột, dầm chính, dầm phụ và thanh giằng. Phần mềm Midas Gen 2021 được sử dụng để mô hình và phân tích, trong đó các thông số tải trọng và vật liệu lấy theo tiêu chuẩn EN1998-3:2005 có sẵn trong chương trình.
Kết quả Hình 4 và Hình 5 cho thấy, theo phương X và Y, chuyển vị mục tiêu lần lượt là 0,269 m và 0,357 m ứng với trạng thái giới hạn SD (Significant Damage), tức là trạng thái công trình phải được kiểm tra bắt buộc để đảm bảo không sụp đổ trong thiết kế kháng chấn.
Quan sát phương X, khớp dẻo hình thành đầu tiên ở cột biên chính giữa bên trái và hai dầm phụ lân cận tại bước phân tích số 6, kết cấu chuyển qua giai đoạn hư hỏng hạn chế (DL). Khớp dẻo hình thành tiếp theo ở các cột biên bên phải rồi tới các cột bên trái, đạt tới trạng thái SD tại bước 16, như mô tả ở Hình 6. Tại bước 22, cột biên chính giữa bên trái bị phá hoại tại vị trí khớp dẻo, kết cấu chuyển qua giai đoạn NC.
4. Kết luận
Bài báo trình bày tổng quan về phương pháp phân tích đẩy dần trong thiết kế kháng chấn, khẳng định vai trò quan trọng trong tiếp cận thiết kế theo hiệu năng. Một ví dụ cụ thể về khung thép dân dụng hai tầng đã được sử dụng cho phân tích thử dần thông qua phần mềm Midas Gen 2021, áp dụng Eurocode 1998:2004. Kết quả đã phản ánh quá trình hình thành khớp dẻo, các giai đoạn làm việc và xác định được chuyển vị mục tiêu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Krawinkler, H., & Seneviratna, G. D. P. K. (1998). Pros and cons of a pushover analysis of seismic performance evaluation. Engineering structures, 20(4-6), 452-464.
[2]. En 1998-1: Eurocode 8, (2004), Design of structures for earthquake resistance: Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings.
[3]. FAJFAR, Peter, (2021). The story of the N2 method. International association for earthquake engineering.
