SAI LẦM TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT. P.2

 

Kinh nghiệm chia sẻ

Phần 2: Các phổ phản ứng dùng trong phân tích mô hình

      1-  Tóm tắt:

   Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất tại Việt Nam được áp dụng theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386:2012 – Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất. Đây là tiêu chuẩn được biên dịch lại từ tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 8: Design of structure for earthquake resistance. Tiêu chuẩn Eurocode 8 là bộ tiêu chuẩn hoàn chỉnh nằm trong hệ thống tiêu chuẩn Eurocode dùng trong công tác thiết kế công trình xây dựng. Khi áp dụng tiêu chuẩn Eurocode 8 cho thiết kế công trình chịu tải trọng động đất, các tiêu chuẩn liên quan trong bộ Eurocode cũng được yêu cầu áp dụng tuân thủ nghiêm ngặt.

   TCVN 9386:2012 khi được biên dịch lại vẫn giữ lại hầu như toàn bộ các tham chiếu từ các tiêu chuẩn Châu Âu như đối với yêu cầu vật liệu, yêu cầu đối với kết cấu bê tông, kết cấu thép… mà hoàn toàn không có các tham chiếu liên quan đến các Tiêu chuẩn Việt Nam. Trong khi các Tiêu chuẩn Việt Nam liên quan như kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu thép… được xây dựng hầu như dựa trên tiêu chuẩn Liên Xô (cũ) và hiển nhiên không hẳn là tương đồng với tiêu chuẩn Châu Âu.

   Thực tế trên đã tác động đến công tác thiết kế kết cấu công trình chịu động đất theo cách thức thiết kế công trình theo Tiêu chuẩn nước ngoài dựa trên tư duy và lý luận theo cách thức Việt Nam.

   Điều này thể hiện rất rõ trong việc vận dụng phương pháp phổ phản ứng (response spectrum method) vào trong công tác tính toán tác động động đất lên các công trình mà bài viết sau đây trình bày các ghi nhận được từ các công trình được thiết kế chịu động đất tại Việt Nam.

      2-  Khái quát về công cụ và cách tính lực động đất đang được áp dụng tại Việt Nam:

   Theo ghi nhận cá nhân, phần mềm phổ biến nhất được áp dụng trong việc phân tích mô hình kết cấu tại Việt Nam là SAP2000 và ETAB. Cả 2 phần mềm này đều là công cụ hỗ trợ mạnh mẽ trong việc tính đáp ứng động đất của kết cấu bằng nhiều phương pháp tính khác nhau cũng như nhiều tiêu chuẩn thiết kế khác nhau. Thực tế áp dụng, hầu hết các kỹ sư thiết kế kết cấu thường vận dụng phương pháp phổ phản ứng bởi cách tính tự động hóa cũng như cách thức nhập số liệu đơn giản và phù hợp với Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386:2012.

   Tuy nhiên, việc áp dụng số liệu phổ phản ứng cho phù hợp với mỗi công trình, với từng loại công trình, từng loại kết cấu cụ thể… hầu như không được quan tâm đến. Thay vào đó, các kỹ sư tính toán thiết kế, có thể do dưới áp lực phải thiết kế công trình giá rẻ, hoặc có thể do không tìm ra được giải pháp thích hợp, thường luôn có khuynh hướng chọn nhập số liệu sao cho lực động đất tác dụng lên công trình là nhỏ nhất. Điều này phản ánh cách thức tư duy và lý luận: tác động của động đất lên công trình là lực tác dụng thay vì xem tác động của động đất bởi chính ứng xử (response) của công trình.

   Do vậy việc áp dụng phổ phản ứng vào trong công tác thiết kế kết cấu công trình tại Việt Nam bởi các kỹ sư thiết kế Việt là vấn đề tưởng như là cực kỳ đơn giản nhưng quả thực là dị biệt và vô cùng khó hiểu.

      3-  Các công trình chịu động đất tại Việt Nam đã được thiết kế như thế nào?

   Trước khi Tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006 – Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất (phiên bản trước đó của TCVN 9386:2012) được phát hành, một số ít công trình tại Việt Nam được thiết kế theo tiêu chuẩn nước ngoài, thường là UBC-97, Tiêu chuẩn Hoa Kỳ. Việc áp dụng thường chỉ đến mức xác định lực động đất theo phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương (equivalent linear static analysis) nhằm có thể vận dụng tiếp vào công tác tính toán kết cấu theo TCVN.

   Khi Tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006 (TCVN 9386:2012 sau này) là yêu cầu bắt buộc, các kỹ sư thiết kế đã vận dụng tiêu chuẩn này, kết hợp với các công cụ phần mềm mạnh mẽ như đã nêu trên, cũng như cách thức tư duy đơn giản, đã giúp cho công trình thiết kế chịu tải trọng động đất trở nên phổ biến và cực kỳ đơn giản đến mức không ngờ (!?).Vấn đề thực sự là, các phổ phản ứng từng được áp dụng cho thiết kế công trình, đặc biệt cho các công trình nhà cao tầng, có rất nhiều vấn đề đáng lưu tâm.

   3-1.  Các phổ phản ứng đã từng, đang được áp dụng

     Việc tùy chọn phổ phản ứng như được trình bày trong các thuyết minh thiết kế kết cấu, hầu như không có bất kỳ lý giải nào cũng như ý nghĩa của mô hình chọn, thực tế các kỹ sư thiết kế đã áp dụng 01 (một) trong 02 phổ phản ứng như sau đây khi tính cho đáp ứng dao động công trình theo các phương ngang.

       a)  Các kỹ sư thiết kế kết cấu ở các tỉnh phía Bắc thường chọn đường cong phổ như hình 1

            (Cũng có ghi nhận được công ty tư vấn chuyên về thiết kế công trình cảng & giao thông tại TP. Hồ Chí Minh cũng từng áp dụng đường cong phổ này.)

 

                                                           

                                                                                          Hình 1

 

            Trong đó, đường cong phổ là đường thẳng, các giá trị đáp ứng gia tốc tương ứng với chu kì dao động T (period) là hằng số. Điều này có nghĩa với bất kỳ dao động thành phần nào của kết cấu, đáp ứng của kết cấu là như nhau, và gia tốc đáp ứng có giá trị bằng gia tốc nền động đất tính toán.

       b)  Các kỹ sư thiết kế kết cấu ở các tỉnh phía Nam thường chọn đường cong phổ dựa trên phổ thiết kế (design spectrum) theo TCVN 9386, như hình 2

 

                                                         

                                                                                          Hình 2

 

            Dễ dàng nhận xét, do đường cong phổ này dựa trên Phổ phản ứng thiết kế cho phân tích đàn hồi (Design spectrum for elastic analyse) mà TCVN 9386 cho phép viết tắt thành Phổ thiết kế (Design spectrum). Trong đó, các giá trị gia tốc đáp ứng rất nhỏ so với các giá trị của phổ phản ứng đàn hồi (Elastic response spectra). Áp dụng đường cong phổ này mà không xem xét đến bất kỳ các yếu tố thực của mô hình (mà hiện đang áp dụng phổ biến) đã giúp cho cụ thể hóa “lực động đất” tác dụng lên công trình trở nên rất bé. Chính điều này đã góp phần tạo nên quan niệm đang ngày càng thống trị phổ biến “Lực động đất tác dụng lên các công trình tại Việt Nam là không đáng kể” (?!?), bất chấp dù có thiết kế tại Hà Nội, Hải Phòng hay Tp. Hồ Chí Minh.

   3-2.  Các phổ phản ứng theo TCVN

    Rõ ràng là để giải thích cho việc “vận dụng” phổ phản ứng trong 2 trường hợp nêu trên cần phải tham khảo các phổ phản ứng được trình bày trong TCVN 9386.

     Đối với các dao động theo phương ngang, các biểu đồ phổ phản ứng đàn hồi như hình 3

 

                                                  

                                          Hình 3: Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền đất từ A đến E (độ cản 5%)

 

     Các phổ phản ứng thể hiện gia tốc đáp ứng của công trình thay đổi tùy theo các chu kỳ dao dộng riêng của công trình, thay đổi phụ thuộc vào cấu tạo địa chất ngay bên dưới công trình.
     Trong trường hợp vận dụng thiết kế các công trình cho trạng thái không đàn hồi, các trạng thái phi tuyến của kết cấu…, TCVN 9386 cho phép vận dụng phổ phản ứng thiết kế cho phân tích đàn hồi. Điều này có ý nghĩa làm cho công tác thiết kế trở nên đơn giản hơn do vận dụng được các phương pháp tính, công thức tính toán của mô hình kết cấu mà các mô hình thực được quy đổi tương đương như mô hình phân tích đàn hồi, mà vẫn bảo đảm tính chính xác cũng như khả năng chịu lực thực tế.
     Hình ảnh phổ thiết kế dùng trong kết cấu có kể đến hệ số ứng xử q như hình 4          

 

                                                         

                                                          Hình 4: Minh họa phổ thiết kế dùng trong thiết kế kết cấu

 

     Các giá trị gia tốc đáp ứng thay đổi theo chu kỳ dao động và nhỏ hơn so với các giá trị tương ứng của phổ phản ứng đàn hồi.

     Hệ số ứng xử q của kết cấu tùy thuộc vào rất nhiều yếu tố, dễ dàng tham khảo chi tiết trong TCVN 9386, chẳng hạn như:

       -  Loại kết cấu

       -  Tính chất của kết cấu

       -  Hình dạng công trình

       -  Yêu cầu thiết kế

       -  …

     Và cũng không loại trừ phụ thuộc vào ý muốn chủ quan của kỹ sư thiết kế.

    Trong TCVN 9386 cũng trình bày chỉ dẫn cho các phổ phản ứng khi xem xét ứng xử của công trình dưới tác dụng của động đất theo phương thẳng đứng

      4-  Xem xét và đánh giá các phổ phản ứng đã áp dụng:

   Việc hiểu rõ ý nghĩa và điều kiện áp dụng các loại đường cong phổ giúp cho việc đánh giá công tác thiết kế kết cấu có thực sự đúng với bản chất khoa học của kết cấu công trình, hay cụ thể hơn, các vận dụng như trên có thực sự tuân thủ theo Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 9386:2012 - Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất?

   4-1. Khi xem xét phổ phản ứng là đường thẳng (hình 1)

     Dễ dàng nhận thấy là dạng phổ này không hề được chỉ dẫn trong TCVN 9386. Tất nhiên cũng cần nhấn mạnh rằng phổ phản ứng đường thẳng đã được áp dụng cho các công trình dân dụng bởi các kỹ sư ở các tỉnh Phía Bắc, tức là các dạng công trình mà yêu cầu bắt buộc phải thiết kế theo TCVN 9386:2012 - Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất – Phần 1: Quy định chung, tác động động đất và quy định đối với kết cấu nhà. Điều này chứng tỏ rằng công tác thiết kế hoàn toàn không tuân thủ theo tiêu chuẩn thiết kế.

     Về mặt khoa học, các công trình dân dụng là kết cấu nhiều bậc tự do, mỗi kết cấu được xem xét phân tích với tổ hợp nhiều dạng dao động khác nhau tương ứng với mỗi phương dao động đang xem xét. Tác động động đất lên công trình được tính toán trên cơ sở tổ hợp các đáp ứng cộng hưởng cực trị của kết cấu. Mỗi đáp ứng gia tốc nền khác nhau gây nên tác động khác nhau lên kết cấu. Như vậy thì, việc xem các đáp ứng khác nhau ứng với các chu kỳ dao động khác nhau là như nhau (giá trị hằng số như phổ đường thẳng) thực sự là phi khoa học.

     Tác giả bài viết này cũng từng gặp các viện dẫn cho rằng áp dụng phổ phản ứng là đường thẳng là phù hợp (?) vì những người áp dụng lý giải rằng:

       a)  Đây là phương pháp vận dụng từ phương pháp tĩnh lực ngang tương đương (?). Thực sự là, lý giải này hoàn toàn không có nghĩa vì bản chất phương pháp tĩnh lực ngang tương đương chỉ là công cụ tính toán, mang ý nghĩa như là phương pháp lực (01 trong 02 phương pháp phân tích kết cấu: phương pháp lực & phương pháp chuyển vị)

       b)  Viện dẫn đường phổ phản ứng là đường thẳng đã được áp dụng trong tiêu chuẩn các nước tiên tiến trên thế giới (?). Vậy thì, phổ phản ứng là đường thẳng liệu có trong tiêu chuẩn các nước hay không? Câu trả lời là Có.

            Trong tiêu chuẩn [.] các nước tiên tiến trên thế giới, phổ phản ứng là đường thẳng có thể áp dụng đối với các công trình được xem như cứng tuyệt đối, chẳng hạn như:

               o  Đê, đập đất lớn, đập bê tông trọng lực, kè biển…

               o  Boong ke, các hầm ngầm bê tông cốt thép

               o  Các bể chứa (nước, xăng dầu…) ngầm hay bán ngầm

               o  …

            Kết cấu công trình được giả thiết là cứng tuyệt đối khi áp dụng phương pháp phổ phản ứng là đường thẳng phải luôn thỏa mãn điều kiện chu kỳ dao dộng cơ bản (fundamental period) rất nhỏ (thường < 0.5s), hệ số khối lượng tham gia dao động thành phần (modal participating mass factor) ~ 100% của dạng dao động đầu tiên đang xét. Điều này đồng nghĩa tác động động đất tác dụng lên công trình chỉ xét lệ thuộc duy nhất vào chu kỳ dao động cơ bản và gia tốc đáp ứng thường là bằng gia tốc nền. Rõ ràng là các công trình dân dụng trong phân tích mô hình theo phương pháp phổ không thể xem là tuyệt đối cứng được, vì đáp ứng của kết cấu phụ thuộc nhiều chu kỳ dao động khác nhau cũng như gia tốc đáp ứng của công trình dân dụng được khuếch đại đối với chu kỳ bé và ngược lại.

            Phổ phản ứng là đường thẳng như vậy chỉ mang ý nghĩa thuần túy nhằm thuận tiện cho công tác tính toán bằng các công cụ phần mềm máy tính. Hoặc mang ý nghĩa cụ thể hơn, tác động động đất lên kết cấu tuyệt đối cứng = khối lượng công trình x gia tốc nền. Giả thiết này thừa nhận việc bỏ qua việc phân tích dao động kết cấu, mà điều này chính là bắt buộc khi phân tích động lực các công trình dân dụng.

       c)  Viện dẫn áp dụng đường phổ phản ứng là đường thẳng cho ra kết quả nội lực trong mô hình kết cấu lớn hơn (nên phù hợp và an toàn hơn?) so với áp dụng phổ thiết kế (?)

            Với các công trình đã vận dụng chủ quan phổ thiết kế, lực động đất tính được thường quá bé. Kết luận rút ra “Lực động đất tác dụng lên các công trình tại Việt Nam là không đáng kể (!)” có thể đã đã gây e ngại nhất định đến kỹ sư thiết kế. Chọn lựa cách thức sao cho lực động đất có vẻ lớn hơn “tí đỉnh” dường như đã bị chọn lựa (?). Rõ ràng lý do này không có bản chất khoa học: không thể thay thế giải pháp mơ hồ bằng cách thức còn phi lý hơn thế nữa.

            Việc đánh giá và so sánh giá trị lực động đất bằng áp dụng phổ thiết kế sẽ được tiếp tục trình bày trong phần sau.

   4-2. Khi áp dụng phổ thiết kế (hình 2)

     Vấn đề quan trọng và cơ bản khi thiết kế kết cấu công trình chịu tải trọng động động đất theo Eurocode là phân cấp kết cấu theo cấp độ dẻo (Ductility class)

 

       Kết cấu công trình được phân cấp theo 3 cấp độ dẻo