SAI LẦM TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Phần 1: Số liệu thiết kế & Phân tích mô hình

       1- Tóm tắt:
    Mô hình phân tích kết cấu công trình và kết quả thu nhận được phụ thuộc rất nhiều vào chủ quan của kỹ sư thiết kế. Hiện nay với nhiều sự hỗ trợ từ các phần mềm phân tích kết cấu, hiện đại và chính xác, kỹ sư thiết kế dễ dàng trong việc xác lập mô hình tính và giải bài toán khá nhanh chóng. Tuy nhiên, việc quá lệ thuộc vào các kết quả tính toán đạt được, người thiết kế thường bỏ qua hoặc không đánh giá được kết quả phân tích. Điều này thường dẫn đến việc sản phẩm thiết kế công trình chịu động đất tại Việt Nam thường có kết quả quá to lớn, hoặc ngược lại một cách cực đoan, công trình thiết kế thường yếu kém đáng ngạc nhiên.
    Bài viết dưới đây nhằm chia sẻ với người thiết kế một số sai lầm nên được kiểm tra trong quá trình thiết kế công trình chịu động đất

       2- Khái quát về cách tính lực động đất đang được áp dụng tại Việt Nam:
    Trong thiết kế các công trình chịu động đất, đặc biệt các công trình nhà cao tầng, các kỹ sư thiết kế thường sử dụng các phần mềm như ETAB, SAP2000…Điểm chung là các phần mềm này thường hỗ trợ tự tính động lực động đất thông qua số liệu phổ phản ứng (response spectrum) do người dùng nhập vào. Do vậy, kỹ sư thiết kế thường chỉ cần xác lập số liệu cho phổ phản ứng thích hợp với gia tốc nền khu vực, địa chất khu vực xây dựng, và xác lập mô hình phân tích kết cấu phù hợp với yêu cầu kiến trúc.
    Trong mô hình phân tích, hầu hết kỹ sư thiết kế sẽ xác lập các tấm sàn như tấm cứng (diaphragm) với tâm tấm cứng và tâm khối lượng.
    Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành đang được áp dụng cho các công trình thiết kế kháng chấn tại Việt Nam là TCVN 9386-2012 – Thiết kế công trình chịu động đất

       3- Những vấn đề cần xem xét đánh giá:
    Các phần mềm áp dụng trong công tác thiết kế nói trên cho phép áp dụng nhiều tiêu chuẩn thiết kế các nước khác nhau trên thế giới. Mặc dù về mặt lý luận khoa học là thống nhất, các tiêu chuẩn các nước đề ra các yêu cầu và các mục tiêu khác nhau nên thường dẫn đến các công thức tính toán lực động đất nói riêng và thiết kế công trình chịu động đất nói chung là hoàn hoàn khác nhau.
    Mặc dù có sự khác biệt về cách tính lực động đất, nhưng quan điểm khoa học chung về phân tích kết cấu đều được xây dựng dựa trên nền tảng Động lực học kết cấu

       a) Sai lầm về vận dụng tiêu chuẩn áp dụng
    Đây là vấn đề thường hay xảy ra không chỉ trong quá khứ khi tại Việt Nam chưa có bộ tiêu chuẩn riêng về thiết kế kháng chấn, mà hiện tại, một số người thiết kế đã vận dụng tùy tiện và hỗn hợp:
       - Phân tích lực động đất theo tiêu chuẩn Hoa kỳ bằng cách sử dụng các hệ số, các đại lượng từ các tiêu chuẩn Việt Nam. Điều này thoạt nhìn có vẻ dễ dàng chấp nhận nhưng thực tế các qui định, các tham số tính toán trong 2 tiêu chuẩn này thực sự khác xa nhau.
       - Theo hướng ngược lại, phân tích lực động đất theo TCVN nhưng áp dụng kết quả tính toán kết cấu theo tiêu chuẩn Hoa kỳ, Anh Quốc hoặc Úc. Như trên đã đề cập, các tham số tính toán (như tải trọng, bê tông, thép …) của các tiêu chuẩn khác nhau cũng không thể dùng lẫn lộn. Các tham số, công thức tính toán của mỗi tiêu chuẩn phải được áp dụng thống nhất phù hợp với tiêu chuẩn đề ra các tham số tính toán. Điều này thường bị áp dụng do những hạn chế về công cụ tính toán kết cấu, nhất là đối với TCVN, các phần mềm, công cụ tính toán chưa nhiều và đầy đủ dẫn đến kỹ sư thiết kế cố gắng vận dụng các công cụ phần mềm dễ kiếm hoặc có sẵn mà không xem xét đến sự tương tích giữa các tiêu chuẩn.
    Theo sự phát triển chung của thế giới, các qui định của chính phủ cho phép sử dụng các tiêu chuẩn các nước tiên tiến trên thế giới áp dụng vào các công trình xây dựng tại Việt Nam. Nhưng cần phải nhấn mạnh việc áp dụng tiêu chuẩn được phê duyệt phải thống nhất và xuyên suốt trong toàn bộ quá trình thiết kế. Không thể chấp nhận các hình thức như phân tích kết cấu theo TCVN nhưng khi tính vách cứng lại áp dụng tiêu chuẩn Hoa kỳ, hoặc tính móng theo tiêu chuẩn Anh .v.v…

       b) Sự tuân thủ không đầy đủ tiêu chuẩn áp dụng
    Việc không đánh giá được mức độ dao động của công trình thường dẫn đến việc bỏ qua hoặc không xem xét đến
       - Khối lượng tham gia dao động
       - Số dạng dao dộng dùng trong tính lực động đất
    Mặc dù các yêu cầu nêu trên thường được yêu cầu cụ thể trong tiêu chuẩn thiết kế

       c) Về mô hình phân tích
    Các tham số đưa vào mô hình phân tích như bê tông, thép (tham số mođun đàn hồi E), tải trọng (các hệ số độ tin cậy tải trọng (trong TCVN) hoặc hệ số vượt tải (theo tiêu chuẩn các nước), các hệ số giảm tải – hệ số tổ hợp tải trọng) trong các tiêu chuẩn thiết kế hoàn toàn khác xa nhau nên cần phải áp dụng thống nhất cho mỗi tiêu chuẩn được áp dụng. Đặc biệt các điều kiện liên kết và phóng thích liên kết cần phải được xác lập chính xác và phù hợp trong mô hình tính kết cấu tương ứng với tiêu chuẩn áp dụng đề ra ban đầu.
    Việc xác lập mô hình phân tích kết cấu không phù hợp thường dẫn đến các kết quả tính toán không phù hợp như liệt kê sau đây:

• Chu kỳ dao động (T) của công trình quá lớn

    Một số công trình đã được phân tích có chu kỳ dao động T rất lớn, T > 4 giây (s), thậm chí cá biệt có công trình không quá cao (khoảng 30 tầng) được phân tích có chu kỳ dao động chính (dao động thứ nhất) lên đến 10s. Đây là sự vô lý không thể chấp nhận.
    Trong các phổ phản ứng áp dụng khi thiết kế công trình kháng chấn (phổ phản ứng đàn hồi, phổ thiết kế…) thường chỉ áp dụng cho các công trình có T ≤ 4s. Điều này là phù hợp với các công trình thực tế và các nghiên cứu về kháng chấn của các nhà khoa học trên thế giới.
    Khi chu kỳ T vượt quá 4s, một số đơn vị thiết kế đã tự ý tùy biến kéo dài phổ phản ứng nhằm bảo đảm phần mềm có thể hoạt động được.
    Các hệ quả:
       - Khi chu kỳ T đủ lớn mặc dù công trình không cao lắm (chỉ khoảng 20 tầng), công trình được hiểu là rất mềm dẻo để dẫn đến kết quả lực động đất tác dụng lên công trình rất bé. Nếu xét theo tiêu chuẩn các nước, lực ngang do động đất bé hơn rất nhiều so với lực ngang tối thiểu. Kết luận được đưa ra là lực động đất tác dụng lên công trình không đáng kể (?). Rõ ràng việc xem xét cường độ lực động đất tác dụng lên công trình còn phụ thuộc khá nhiều yếu tố khác, nhưng các kết luận thường gặp cho các công trình trên dưới 20~25 tầng tại TP Hồ Chí Minh là lực động đất không đáng kể là kết luận cần phải được xem xét lại.
       - Đối với công trình thấp tầng, chu kỳ dao động tính toán trong mức 0.5 ~ 1s lớn hơn mức thực tế lại dẫn đến lực động đất quá lớn

• Chu kỳ dao động của công trình quá bé

    Khi xác lập các sàn như các tấm cứng, các phần mềm sử dụng thuật toán đồng bộ các chuyển vị ngang của tấm sàn theo các phương dao động ngang nhằm giảm thiểu số bậc tự do khi phân tích dao động công trình. Việc xác lập sàn như các tấm cứng không ảnh hưởng đáng kể đến nội lực và chuyển vị trong hệ kết cấu. Tuy nhiên, việc định nghĩa sàn như các tấm cứng cho đồng thời các sàn độc lập:
     - Công trình có nhiều khối nhà độc lập kề nhau, các khối nhà này có diện tích sàn mỗi tầng tương ứng giống nhau / khác nhau, định hướng giống nhau / khác nhau, cao độ các tầng khác nhau / giống nhau. Các khối nhà có chiều cao giống nhau / khác nhau…
       - Sàn các tầng không được phân tích trực giao như hệ trục tọa độ
       - Sàn các tầng hình dạng bất qui tắc (có mặt bằng dạng chữ Y, chữ U và có thể cả chữ O…)
thường dẫn đến chu kỳ dao động bé, hoặc chu kỳ dao động rất bất thường – xem thêm phần dưới. Điều này ảnh hưởng đến việc phân tích lực động đất cũng như nội lực trong kết cấu.

• Chu kỳ dao động không phù hợp với bài toán lý thuyết

    Các chu kỳ dao động xét theo từng phương riêng lẻ cần phải phù hợp với qui tắc 3:5:7. Trong đó, chu kỳ dao động kế tiếp (trong mỗi phương xem xét) phải phù hợp với tỉ lệ trên.

• Phản lực tác dụng lên móng tăng đột biến

    Việc xây dựng mô hình kết cấu không phù hợp thường dẫn đến các lực ngang (như lực động đất) tác dụng lên công trình cao tầng bị chuyển biến lớn thành lực đứng tác dụng lên móng. Hệ quả thường gặp phải trong các công trình thiết kế chống động đất, kết cấu móng thường bị thiết kế rất lớn và lãng phí.

       4- Các giải pháp kiểm tra & xử lý:
    Điều cần thiết sau khi thực hiện phân tích mô hình là kỹ sư thiết kế cần xem xét lại và phân tích đánh giá  kết quả tính toán. Khi gặp các trường hợp nghi ngờ như trên, người thiết kế nên xem xét các giải pháp sau:
       - Xem lại sự thống nhất trong tiêu chuẩn áp dụng, xem lại cách  tính tải trọng, cách tính khối lượng công trình
       - Kiểm tra chu kỳ dao động dạng đầu tiên: sử dụng công thức kinh nghiệm trong TCVN 9386, đối với công trình kết cấu bê tông cốt thép

    Trong đó H là chiều cao công trình.
    Kinh nghiệm chia sẻ: do tại Việt Nam, việc áp dụng vật liệu nhẹ trong xây dựng chưa phổ biến, còn sử dụng nhiều khối xây, nên thực tế, chu kỳ dao động phân tích được sẽ lớn hơn theo công thức kinh nghiệm trên, nhưng không nhiều. Giá trị tính từ công thức trên là cơ sở kiểm tra cho việc tính toán phù hợp dao động công trình.
    Khi chu kỳ dao động quá lớn, cần xem xét lại khối lượng công trình và tiết diện cột thích hợp

       - Khi chu kỳ dao động đầu tiên quá bé và các giá trị chu kỳ dao dộng bất thường
    Điều này có thể được kiểm tra chéo (kiểm tra độc lập) bằng việc xem xét hệ số tham gia dao động thành phần (Modal participating mass ratios)
    Người thiết kế cần phải thực hiện phân tích mô hình các khối nhà một cách độc lập. Khi cần thiết cần phải quay mô hình sàn nhà theo 2 hướng x, y của hệ tọa độ

       - Phản lực móng quá lớn
    Cần có tính toán độc lập nhằm tính phản lực móng lớn nhất khi không có lực động đất. So sánh phản lực móng khi có lực động đất và không có lực động đất. Khi có sự chênh lệch đáng kể, kỹ sư thiết kế cần kiểm tra lại mô hình cho thích hợp


       5- Kết luận:
    Trên đây chỉ là vài chi tiết góp ý rất nhỏ cho việc tính toán thiết kế công trình chịu tải trọng động đất tại Việt Nam. Thiết kế công trình kháng chấn không hẳn là điều dễ dàng cho kỹ sư các nước trên thế giới. Thiết kế công trình kháng chấn cũng không hẳn là đơn giản mà bài viết chia sẻ kinh nghiệm như trên có thể nói hết mọi vấn đề về cách thiết kế. Để thiết kế công trình kháng chấn theo tiêu chuẩn Việt Nam, tác giả bài viết này cho rằng cần tuân thủ chặt chẽ và nghiêm ngặt Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất TCVN 9386-2012.

    Bài viết này được tác giả cố gắng viết bằng văn phong dễ đọc nhất cho mọi người quan tâm đến thiết kế kháng chấn mà có thể đã không sử dụng chính xác nhất các thuật ngữ chuyên môn cần thiết, do vậy chắc không tránh khỏi sai sót. Rất mong được sự góp ý.

Tài liệu tham khảo


TP HCM, 04/04/2017
Th.Ks. Lê Hoan Cường

Phần mềm liên quan: Tính tải trọng động đất, Tính tải trọng động đất thiết kế

Bài viết liên quan: Quy trình tính tải trọng động đất

Kinh nghiệm chia sẻ: Sai lầm trong thiết kế công trình chịu động đất. P.2