Nghiên cứu các biện pháp bảo vệ cầu khi bị tác động của động đất

TỔNG QUAN VỀ SỰ TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT

NGUYÊN NHÂN CỦA ĐỘNG ĐẤT

1.1.1 Động đất và nguyên nhân của động đất Động đất là hiện tượng điạ vật lý phức tạp, nó thường xuyên xảy ra trong vỏ trái đất Động đất được đặc trưng bởi sự chuyển động hỗn loạn của vỏ trái đất chuyển động đó có phương và cường độ thay đổi theo thời gian Bất kỳ một trận động đất nào cũng đều liên quan đến sự tỏa ra một lượng năng lượng từ một nơi nhất định Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh năng lượng gây ra động đất sau đây là một vài nguyên nhân chính thường gặp:

- Sự va chạm của các mảnh thiên thạch vào vỏ trái đất

- Các vụ thử bom hạt nhân ngầm dưới đất

- Các hang động trong lòng đất bị sập

Sự vận động kiến tạo của trái đất là nguyên nhân chính gây ra các vụ động đất, với 95% số trận động đất trên toàn cầu có liên quan trực tiếp đến hiện tượng này Bài viết sẽ đi sâu vào nghiên cứu sự vận động kiến tạo của trái đất để hiểu rõ hơn về tác động của nó đối với các hoạt động địa chất.

1.1.2 Vận động kiến tạo của trái đất

Sự vận động kiến tạo của trái đất là quá trình chuyển động liên tục của các khối vật chất trong lòng đất nhằm thiết lập sự cân bằng mới, và đây là nguyên nhân chính gây ra động đất Trong lĩnh vực tính toán động đất cho công trình, nguyên nhân do vận động kiến tạo được nghiên cứu đặc biệt chú trọng, bởi loại động đất này có khả năng xảy ra thường xuyên, giải phóng một lượng năng lượng lớn và ảnh hưởng đến diện rộng.

Động đất kiến tạo thường được hiểu là hiện tượng xảy ra do sự dịch chuyển đột ngột của các khối đất theo các đứt gãy địa chất Quan điểm này hiện nay được công nhận rộng rãi và đã được chứng minh qua nhiều quan sát thực tế.

Theo thuyết kiến tạo, thạch quyển là lớp vỏ cứng của trái đất, chủ yếu được hình thành từ các quần thể đá giàu Si và Mg (Sima), nằm dưới các khối lục địa được cấu tạo từ đá giàu Si và Al (Sial) Bề dày thạch quyển khoảng 70 km ở đại dương và 140 km dưới lục địa, mặc dù bao trùm toàn bộ vỏ trái đất nhưng thạch quyển không liên tục mà có cấu trúc phân mảng với các vết đứt sâu Dưới thạch quyển là dung nham lỏng, dẻo ở nhiệt độ cao, cho phép các mảng di chuyển tương đối với nhau, dẫn đến hiện tượng lục địa trôi nổi Hiện nay, thế giới có mười một vĩ mảng chính, bao gồm Á-Âu, Ấn-Úc, Thái Bình Dương, Bắc Mỹ, Nam Mỹ, Phi, Nam Cực, Philippin, Cocos, Caribe và Nazca.

Dựa vào quan hệ chuyển động tương đối giữa các mảng, người ta phân ra năm loại chuyển động cơ bản:

- Chuyển động phân ly (hai mảng gần nhau tách dần ra)

- Chuyển động dũi ngầm (mảng nọ dũi xuống mảng kia)

- Chuyển động trườn (mảng nọ trườn lên trên mảng kia)

- Chuyển động va chạm đàn hồi (hai mảng kề nhau thỉnh thoảng va vào nhau rồi sau đó trở lại vị trí ban đầu)

- Chuyển động rúc đồng quy (hai mảng gần nhau cùng châu đầu rúc xuống lớp dung nham lỏng phía dưới)

Trong các chuyển động trên thì chuyển động dũi ngầm và chuyển động trườn có tác dụng gây động đất mạnh hơn cả

Trong quá trình chuyển động trượt giữa các khối vật chất, sự chuyển động không chỉ đơn thuần là vận động cơ học, mà còn liên quan đến sự tích lũy thế năng biến dạng và chuyển hóa năng lượng từ trạng thái này sang trạng thái khác Sự tích tụ năng lượng xảy ra tại những vùng yếu trong lòng đất, và khi năng lượng đạt đến giới hạn không thể cân bằng với môi trường xung quanh, nó sẽ thoát ra dưới dạng động năng, gây ra động đất.

TÁC HẠI CỦA ĐỘNG ĐẤT

1.2.1 Ảnh hưởng trực tiếp vào công trình

Khi động đất xảy ra, sóng địa chấn lan truyền từ một điểm nhất định, gây ra dịch chuyển nhanh chóng dọc theo đứt gãy Sự tác động của sóng địa chấn làm nền đất bị kéo nén và xoắn, dẫn đến nguy cơ mất ổn định Hậu quả là sau khi sóng động đất đi qua, nền đất có thể bị lún sụt và hoá lỏng, làm cho các công trình xây dựng trên đó bị phá hoại nghiêm trọng.

1.2.2 Ảnh hưởng tới nền móng công trình

Khi động đất xảy ra do sóng địa chấn, nếu nền đất vẫn ổn định, công trình trên đó sẽ chịu ảnh hưởng như chuyển vị, vận tốc và gia tốc Những nội lực và chuyển vị này có thể vượt quá các giá trị tĩnh trước động đất, dẫn đến hư hại cho các công trình chưa được tính toán đầy đủ, đặc biệt trong vùng động đất.

1.2.3 Ảnh hưởng tới công trình cầu

MỘT VÀI KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG ĐẤT

Do ảnh hưởng nghiêm trọng của động đất đối với công trình, hiện nay, trong thiết kế và thi công, đặc biệt là các công trình cầu tại khu vực có nguy cơ động đất, đã có nhiều phương pháp tính toán và chi tiết cấu tạo được áp dụng nhằm đảm bảo an toàn cho công trình.

1.3 MỘT VÀI KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỘNG ĐẤT [1]:

Chấn tiêu là vị trí trong vỏ trái đất nơi phát ra các sóng địa chấn đầu tiên, được xác định dựa trên dữ liệu quan sát Trong lĩnh vực địa chấn công trình, khái niệm chấn tiêu được mở rộng để bao gồm toàn bộ khu vực đứt đoạn trong vỏ trái đất.

Chấn tâm (epicenter, epifocus) là hình chiếu theo phương thẳng đứng của chấn tiêu lên mặt đất Trong trường hợp không có số liệu quan trắc từ các trạm địa chấn, chấn tâm thường được xác định dựa trên khảo sát các phá huỷ, tìm điểm có cường độ chấn động mạnh nhất Tuy nhiên, điểm này không nhất thiết trùng với chấn tâm xác định qua số liệu quan trắc bằng máy Để hiểu chấn tiêu theo nghĩa rộng, ta có vùng chấn tâm, là hình chiếu của vùng chấn tiêu lên mặt đất Điểm có cường độ chấn động mạnh nhất thường nằm ở trung tâm của vùng này, trong khi chấn tâm xác định qua quan sát máy có thể nằm ở một vị trí khác trong vùng.

1.3.3 Độ sâu chấn tiêu, khoảng cách chấn tiêu, khoảng cách chấn tâm Độ sâu chấn tiêu là khoảng cách từ chấn tiêu lên mặt đất, tức là khoảng cách giữa chấn tiêu và chấn tâm Khoảng cách chấn tiêu là khoảng cách từ một điểm bất kỳ trên mặt đất đến chấn tiêu Khoảng cách chấn tâm của một điểm là khoảng cách từ điểm đó đến chấn tâm

Khi động đất xảy ra, năng lượng từ chấn tiêu được giải phóng và lan tỏa ra môi trường dưới dạng sóng đàn hồi, bao gồm sóng dọc, sóng ngang và sóng mặt Những sóng này, do động đất tạo ra, được gọi là sóng địa chấn.

Sóng dọc, hay còn gọi là sóng nguyên chất P, được truyền qua sự thay đổi thể tích của môi trường, gây ra biến dạng kéo và nén trong lòng đất Chúng di chuyển từ chấn tiêu đến trạm quan sát với vận tốc cao nhất từ 7 đến 8 km/s, do đó, sóng dọc thường được các máy đo địa chấn ghi nhận sớm nhất.

Sóng ngang (sóng thứ cấp S) di chuyển vuông góc với sóng dọc và có vận tốc thấp hơn (V s = 4÷5 km/s) Khác với sóng dọc, sóng ngang không làm thay đổi thể tích mà chỉ gây ra hiện tượng xoắn và cắt môi trường, do đó còn được gọi là sóng cắt.

Khi sóng dọc và sóng ngang tiếp cận mặt đất, chúng chuyển thành sóng mặt, gây ra chuyển động nền ở độ sâu rất nhỏ Sóng mặt tương tự như sóng biển, tạo ra lực kéo và cắt mặt đất Vận tốc truyền sóng mặt phụ thuộc vào tính chất cơ lý của lớp đất phủ; nếu nền đất cứng (vững chắc), vận tốc truyền sóng sẽ tăng lên từ 1,5 đến 15 km/s, trong khi ở nền đất yếu, vận tốc này giảm xuống còn 0,5 đến 1,5 km/s.

Nguyên tắc để xác định chấn tiêu

Do sóng dọc có vận tốc lớn hơn vận tốc sóng ngang, nên sau một khoảng thời gian

Thời gian T ps, tính từ khi nhận được tín hiệu sóng dọc đến khi nhận được tín hiệu sóng ngang, được gọi là thời gian rung động mở đầu Thời gian này giúp xác định khoảng cách giữa chấn tiêu và chấn tâm của một trận động đất đến điểm đặt máy đo Bằng cách thu thập số liệu từ ít nhất ba điểm khác nhau và áp dụng các thuật toán thông thường, có thể xác định chính xác chấn tiêu và chấn tâm của trận động đất.

Khi khoảng cách D từ trạm quan sát đến chấn tâm tăng lên, thời gian lan truyền sóng địa chấn cũng gia tăng Qua việc so sánh số liệu từ các trạm đo khác nhau, mối quan hệ giữa khoảng cách D và thời gian truyền sóng đã được thiết lập, cho thấy rằng mối quan hệ này có giá trị chung cho tất cả các trận động đất và không phụ thuộc vào vị trí chấn tâm Điều này chỉ ra rằng các điều kiện đàn hồi trong lòng đất phân bố xung quanh tâm quả đất theo một quy luật gần như đối xứng Kết quả nghiên cứu cho thấy quả đất có cấu trúc gồm các lớp đồng tâm với các tính chất cơ lý tương đồng, cho phép áp dụng lý thuyết đàn hồi vào phân tích sóng địa chấn.

Phân chia các dạng dao động nền

Chỉ có một kích động xảy ra gần chấn tâm trong động đất, thường trên nền cứng và với độ sâu chấn tiêu nhỏ Dao động này có chu kỳ ngắn, khoảng 0,2 giây hoặc ít hơn.

Động đất gây ra chuyển động kéo dài rõ rệt và không đều đặn, đặc biệt khi xảy ra trên nền cứng ở khoảng cách chấn tiêu không lớn Năng lượng của động đất phân bố trong khoảng rộng với chu kỳ từ 0.05-0.5 giây hoặc 2.5-6 giây Hầu hết các trận động đất thuộc dạng này xảy ra trong vành đai Thái Bình Dương.

Chuyển động kéo dài và chu kỳ biểu hiện rõ ràng trong các trận động đất thuộc nhóm 2 xảy ra khi sóng địa chấn di chuyển qua các lớp đất yếu, dẫn đến việc sóng liên tục phản xạ trên bề mặt ngăn cách giữa các lớp.

Chuyển động kèm theo biến dạng dư lớn Đặc điểm dao động nền đất trong động đất mạnh tác động đến công trình có những đặc điểm sau:

1 Quá trình dao động là quá trình không dừng với biên độ và chu kì biến động

2 Quá trình dao động ấy gồm ba pha chính:

- Pha đầu - biên độ tương đối nho, tần số dao động cao

Pha chính là giai đoạn dao động mạnh nhất với biên độ dao động lớn, dễ dàng phân biệt với pha đầu và có chu kỳ tương tự như ở pha đầu Giai đoạn này xuất hiện đồng thời với sự tràn tới của sóng ngang và sóng mặt.

- Pha cuối - biên độ dao động giảm dần, tuy không đều, chu kỳ dao động lớn hơn Chuyển tiếp từ pha chính sang pha cuối không rõ ràng

3 Các thành phần nằm ngang của gia tốc tương đương với nhau không phụ thuộc nhiều vào góc phương vị trạm ghi đối với chấn tâm

4 Quá trình dao động kéo dài thường 10 - 40s

Do sự đa dạng của dao động nền đất trong các trận động đất mạnh và sự phong phú của các loại kết cấu công trình, việc sử dụng băng ghi gia tốc ngày càng trở nên phổ biến trong thiết kế và tính toán công trình xây dựng tại các khu vực có nguy cơ động đất.

ĐỘ NGUY HIỂM ĐỘNG ĐẤT CỦA MỘT LÃNH THỔ

1.4.1 Tiêu chí để xác định độ nguy hiểm của động đất Độ nguy hiểm động đất của một lãnh thổ được đặc trưng bởi các thông số cơ bản sau ủaõy:

Cường độ chấn động cực đại và các nguồn phát sinh động đất là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mức độ thiệt hại do động đất gây ra Tần suất lặp lại của các chấn động có cấp độ lớn hơn hoặc bằng 6 theo thang MSK-64 cho thấy sự cần thiết phải đánh giá cường độ chấn động thông qua các chỉ số như gia tốc cực đại và dịch chuyển cực đại của dao động nền đất trong các trận động đất mạnh.

Các đặc trưng dao động của nền đất là yếu tố quan trọng trong việc quyết định các giải pháp kháng chấn Dựa vào các tham số này, người ta có thể quy hoạch xây dựng, xác định cấp động đất và thiết kế các công trình, nhà ở Việc lựa chọn giải pháp xây dựng kháng chấn phù hợp không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo an toàn cho công trình.

1.4.2 Phân vùng động đất trên thế giới

Trên thế giới hầu hết các chấn tâm của động đất tập trung theo hai giải chính Giải thứ nhất

Giải thứ nhất tập trung nhiều chấn tâm hơn cả nằm xung quanh Thái Bình Dương

Giải này chạy dọc bờ phía tây châu Mỹ, nổi bật nhất là trận động đất gây ra bởi vết đứt San Andreas kéo dài 300km.

Về phía châu Á, giải chấn tâm bắt đầu từ bán đảo Kamtrastka và kéo dài qua Nhật Bản, Philippin, Malayxia, Inđônexia, Tân Tây Lan, các đảo Fiji, Solomon

Giải chấn tâm thứ hai bắt đầu từ quần đảo Sit qua Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, Nam

Tư, Rumani, Bungari, và các quốc gia dọc bờ biển Bắc Phi như Síp, Hy Lạp, Tiểu Á, Thổ Nhĩ Kỳ, Iraq, Iran, cùng với Bắc Afghanistan và Ấn Độ, trải dài từ tây bắc dãy Himalaya, kéo qua Miami và hướng xuống đông nam.

Ngoài ra chấn tâm các trận động đất còn nằm rải rác ở Trung Quốc, Trung Đông và một số vùng khác.

PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM

Độ nguy hiểm động đất tại Việt Nam đã được nghiên cứu và đánh giá trong đề tài cấp nhà nước "Cơ sở dữ liệu cho các giải pháp giảm nhẹ hậu quả động đất ở Việt Nam" Kết quả nghiên cứu này được thể hiện qua bản đồ phân vùng động đất, giúp xác định các khu vực có nguy cơ cao và đưa ra các giải pháp ứng phó hiệu quả.

Bản đồ các vùng phát sinh động đất mạnh (MS≥5.0) và phân vùng cấp chấn động cực đại I max dự đoán

Bản đồ tần suất lặp lại chấn động các cấp l≥6, 7, 8 (MSK - 64)

Bản đồ phân vùng chấn động cho thấy xác suất xuất hiện ≥10% trong các khoảng thời gian 20, 50 và 100 năm Nghiên cứu về đặc trưng dao động nền đất đã được thực hiện tại một số địa phương như Hà Nội và các khu vực xây dựng công trình thủy điện và giao thông lớn.

1.5.1 Tần suất trung bình của động đất

Theo phân tích tài liệu lịch sử và số liệu quan trắc, đến năm 1995, Việt Nam đã ghi nhận hơn 700 trận động đất với độ lớn MS≤7.0 Các chấn tâm của những trận động đất có độ lớn MS≥5.0 đã được vẽ trên bản đồ Trong khoảng thời gian từ 1900 đến 1995, nhiều trận động đất đáng chú ý đã xảy ra trên lãnh thổ Việt Nam.

Hai trận động đất magnitude MS = 6.7 - 6.8, cấp động đất ở chấn tâm l 0 = 8 - 9 theo thang MSK - 64

Hai trận với magnitude MS = 5.6 - 6.0, l0 = 6 – 7

Dựa trên đồ thị lặp lại của động đất tại các vùng miền Bắc, miền Nam, Đông Bắc và Tây Bắc Việt Nam, chúng ta có thể đánh giá tần suất trung bình của động đất ở những khu vực này, với kết quả được ghi lại trong bảng.

Tần suất động đất trong các vùng lãnh thổ ở Việt Nam Tần suất động đất

Vuứng ẹoõng Baộc Vieọt Nam

(nền hoạt động Hoa Nam)

Vuứng Taõy Baộc Vieọt Nam

(mieàn uoỏn neỏp Baộc Vieọt Nam)

1.5.2 Những trận động đất mạnh đã xảy ra tại Việt Nam

Các trận động đất mạnh với độ lớn từ 4.6 trở lên và độ sâu từ 6 km trở xuống không xảy ra đồng đều mà tập trung ở một số khu vực nhất định, thường liên quan đến các đứt gãy kiến tạo sâu Những khu vực này thường là ranh giới giữa các đơn vị cấu trúc chính trên lãnh thổ Trong những năm gần đây, nước ta đã ghi nhận một số trận động đất mạnh nhất.

Trận động đất Điện Biên ngày 2.12.1935 và Tuần Giáo ngày 24.6.1983, với cường độ từ 6.7 đến 6.8 độ Richter và độ sâu chấn tiêu từ 23 đến 25 km, đã gây ra chấn động mạnh mẽ ở vùng chấn tâm với độ lớn 8 - 9, ảnh hưởng tới diện tích lên tới 2500 km² và gây chấn động cấp 7 trong khu vực rộng 13000 km² Nhiều công trình và nhà cửa bị phá hủy, trong khi trượt lở lớn đã làm lấp hàng trăm hécta hoa màu trong thung lũng Ngoài ra, đất nứt trong vùng chấn với độ rộng 10 – 15 cm và kéo dài hàng chục km, dẫn đến nhiều người chết và bị thương.

- Trận động đất Lục Yên 11.1954 trên đứt gãy Sông Chảy

- Trận động đất Bắc Giang 12.06.1961 trên đứt gãy Đông Triều v.v

1.5.3 Những trận động đất mạnh đã xảy ra ở nước ngoài

Trận động đất Kô-Bê năm 1995 tại Nhật Bản đã gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho hệ thống đường cao tốc, làm hư hỏng nặng nề các tuyến đường, hệ thống thông tin liên lạc và chỉ huy giao thông Ngoài ra, trận động đất còn ảnh hưởng đến hệ thống ngầm của các tuyến tàu điện ngầm và một số nhà ga, dẫn đến nhiều người chết và bị thương.

DỰ ĐOÁN KHẢ NĂNG XẢY RA ĐỘNG ĐẤT MẠNH Ở VIỆT NAM

Các trận động đất đã xảy ra tại các vùng đứt gẫy và những phần khác của hệ thống đứt gãy sâu, nơi có khả năng xảy ra động đất với độ lớn cực đại nhưng chưa được quan sát Để dự báo độ lớn tối đa của động đất có thể xảy ra trên các đứt gãy sâu hoạt động, Nguyễn Đình Xuyên đã đề xuất một công thức thực nghiệm liên quan giữa giới hạn trên của độ lớn và kích thước của đứt gãy.

L – chiều dài đoạn đứt gãy nguyên vẹn bị cắt ra bởi 2 đứt gãy khác có quy mô bằng hoặc lớn hơn

H – Bề dày của tầng sinh chấn

1.6.1 Đặc điểm các trận động đất ở Việt Nam

Môi trường động đất tại Việt Nam thuộc lớp mềm, nơi có chấn tiêu lớn hơn nhưng năng lượng giải phóng thấp hơn so với mức bình thường Do đó, kết quả đánh giá M Smax thường thấp hơn so với các giá trị trung bình toàn cầu và ở nhiều khu vực khác Độ sâu tối thiểu của chấn tiêu động đất với magnitude MS có thể được xác định bằng công thức thực nghiệm, cho phép đánh giá tác động của động đất trên mặt đất tại vùng chấn tâm và khoảng cách chấn tâm Δ.

0.25 M S = 0.30; h min (M S ) (km) = 10 l 0 (MSK – 64) = 1.45M S – 3.2lgh + 2.8 l Δ (MSK – 64) = 1.45MS – 3.2l Δ 2 + h 2 + 2.8 h min (MS) là độ sâu tối thiểu của chấn tiêu động đất Magnitude M S còn động đất magitude M S có thể có chấn tiêu ở độ sâu h ≥ h min

Dựa trên tài liệu địa chất, địa vật lý và động đất, các vùng phát sinh động đất tại Việt Nam đã được xác định, cùng với việc đánh giá đặc trưng chấn tiêu động đất cực đại và chấn động mà chúng gây ra Các vùng động đất mạnh và đặc trưng địa chấn của chúng được thể hiện trong hình vẽ, trong khi chấn động cực đại l max (MSK – 64) được khoanh vùng trên bản đồ Cấp động đất trên bản đồ được đánh giá cho nền đất trung bình, cụ thể là nền sét, sét cát với mực nước ngầm sâu từ 2 đến 5 mét.

1.6.2 Tần suất lặp lại chấn động trên các vùng lãnh thổ Việt Nam

Tần suất lặp lại chấn động cường độ l tại một địa điểm được xác định bằng số lần xuất hiện của chấn động đó trong một năm Đây là yếu tố quan trọng tương tự như tần suất bão và lũ lụt, giúp quyết định cấp động đất thiết kế Tần suất chấn động cường độ l tại một điểm được tính bằng tổng tần suất chấn động l từ tất cả các vùng phát sinh động đất có khả năng ảnh hưởng đến điểm đó.

Bằng cách sử dụng bản đồ các vùng phát sinh động đất mạnh và áp dụng các phương pháp xác suất khác nhau, các nhà nghiên cứu đã xây dựng bản đồ tần suất chấn động cho các cấp độ l ≥ 6, 7, 8 (theo tiêu chuẩn MSK – 64) cho lãnh thổ Việt Nam Nhiều khu vực trong nước được xác định có tần suất chấn động cao, cho thấy nguy cơ động đất tiềm ẩn trong những vùng này.

Như ở vùng Tây Bắc, dọc theo các đới Lai Châu – Điện Biên, Sông Mã, Sơn La tần suất chấn động cấp 8 là B i ≥ 8 ≤ 0.005, tần suất chấn động đất 7 là B i ≥ 7 ≤ 0.005

- Ở các vùng Sông Hồng, Sông Cả B i ≥ 8 ≤ 0.002, B i ≥ 7 ≤ 0.005

- Ở các vùng khác, tần suất chấn động thấp hơn

Dựa trên các bản đồ tần suất chấn động, đã được xây dựng bản đồ phân vùng chấn động với xác suất ≥ 10% trong các khoảng thời gian khác nhau.

20 năm ứng với bản đồ chấn động tần suất 0.005

50 năm ứng với bản đồ chấn động tần suất 0.002

50 năm ứng với bản đồ chấn động tần suất 0.002

Nghiên cứu tổng quan về tác động của động đất cho thấy rằng, trong thực tế thiết kế công trình tại Việt Nam, ảnh hưởng của động đất thường bị xem nhẹ Chỉ một số ít công trình gần đây mới được thiết kế với sự chú ý đến yếu tố động đất.

- Và thực tiễn cho thấy Việt Nam cũng nằm trong vùng có chịu ảnh hưởng của động đất

- Vì vậy nội dung luận văn nghiên cứu các biện pháp bảo vệ cầu khi bị tác động của động đất là rất cấp thiết

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Khi xảy ra động đất, nền đất dưới móng sẽ bị chuyển vị, dẫn đến các chuyển động của móng và gây ra các phản ứng động trong công trình, bao gồm chuyển vị, gia tốc và vận tốc, làm thay đổi nội lực và biến dạng trong hệ thống Hiện nay, việc tính toán khả năng chịu lực của công trình trước động đất được thực hiện chủ yếu qua hai phương pháp: phương pháp tĩnh và phương pháp động.

Quy trình đánh giá động đất hiện nay ở các quốc gia chủ yếu sử dụng phương pháp tĩnh, trong khi phương pháp động được áp dụng để tối ưu hóa tính toán cho các công trình quy mô lớn.

Theo phương pháp tĩnh, công trình được xem như một khối rắn cố định trên nền đất Khi xảy ra động đất, công trình sẽ chuyển động cùng với nền đất với gia tốc ơ(t) Lực động đất tác động lên công trình có phương nằm ngang và được xác định bằng các công thức cụ thể.

Trong đó: G – trọng lượng công trình

Và gọi là hệ số động đất thì phương trình (2.1) có dạng:

Tương tự như vậy, lực động đất tác dụng lên một bộ phận thư k nào đó của công trình có trọng lượng G k xác định theo công thức:

Hệ số động đất λ được xác định dựa trên các yếu tố như cường độ, gia tốc địa chấn, đặc điểm địa chất, loại móng và kết cấu, cùng với khối lượng và độ cứng của công trình Phương pháp tĩnh có ưu điểm là tính toán đơn giản và áp dụng cho nhiều hình dạng công trình, nhưng không phản ánh chính xác khả năng chịu lực trong điều kiện động đất Thực tế, khả năng chịu lực tính theo phương pháp tĩnh thường thấp hơn so với khả năng thực tế, đặc biệt trong các trận động đất lớn, vì công trình thường hoạt động ở trạng thái dẻo thay vì đàn hồi.

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT.10 2.1 PHƯƠNG PHÁP TĨNH

PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG

Phương pháp động dựa trên việc lập và giải các phương trình vi phân chuyển động, giúp phản ánh tình hình làm việc thực tế của công trình khi chịu tác động của động đất Tuy nhiên, độ phức tạp của bài toán tăng nhanh theo độ chính xác mong muốn, đặc biệt khi số bậc tự do của hệ tăng lên và khi xem xét các yếu tố như cản của công trình, môi trường, cũng như sự tương tác giữa đất nền và kết cấu.

2.2 1 Phổ phản ứng của công trình có một bậc tự do [2], [3]:

Nhiều công trình xây dựng có khối lượng tập trung tại một điểm, chẳng hạn như kết cấu nhịp trên trụ cầu, trong đó trọng lượng của trụ thường nhỏ hơn đáng kể so với dầm mặt cầu và có thể được bỏ qua Các công trình này có thể được mô hình hóa thành một thanh thẳng đứng không trọng lượng chịu uốn, với khối lượng tập trung ở đỉnh Do đó, chúng có thể được biểu diễn bằng sơ đồ một bậc tự do, gồm một thanh đàn hồi có một đầu gắn vào nền đất và một đầu tự do mang khối lượng m.

Hình 2-1: Mô hình một bậc tự do

Chuyển vị của đầu ngàm do động đất được biểu thị bằng hàm gia tốc ơ(t) Khối lượng chỉ chuyển vị ngang và thanh đàn hồi chỉ chịu uốn

Khi động đất, nền đất có chuyển vị V O (t), khối lượng m có chuyển vị V(t) Phương trình dao động sẽ là: m[V 0 (t)+V (t)]+CV (t)+kV(t)=0 2.5

Trong đó: m[V 0 (t)+V (t)] - lực quán tính của khối lượng m;

C - hệ số cản nhớt của thanh đàn hồi; k – hệ số độ cứng của thanh đàn hồi đặc trưng cho phần tiên hao và phân tán năng lượng;

CV (t)- lực cản nhớt; kV(t) - lực đàn hồi

Các đại lượng m, C, k là những đặc trưng quan trọng của công trình, được xem như các hằng số trong quá trình dao động Trong trường hợp xảy ra động đất, khối lượng m sẽ tích lũy động năng, trong khi thanh đàn hồi với độ cứng k sẽ tích lũy thế năng Đồng thời, lực kích thích −mV (t) sẽ cung cấp năng lượng cho công trình.

Nghiệm của phương trình (2.8) bằng tổng nghiệm riêng và nghiệm tổng quát của phương trình thuần nhất tương ứng

Nghiệm tổng quát của phương trình (8.23) phụ thuộc vào nghiệm cuửa phương trình đặc trưng λ 2 +2βλ+ω 2 =0 Nghiệm phương trình này là: λ 1 , 2 = −β ± β 2 −ω 2 2.10

Nếu β 2 −ω 2 = 0 hay β =ω thì hệ số cản C được gọi là hệ số cản tới hạn và được ký hiệu là C 0

/ 0 2 gọi là yếu tố cản tới hạn, phụ thuộc vào dạng kết cấu và vật liệu xây xây dựng, được xác định theo thực nghiệm

Như đã biết trong lý thuyết dao động, khi:

C = C 0 (v=1) và C > C 0 (V>1) hệ số chuyển động tắt dần không dao động;

C < C 0 (v