Thiết kế kháng chấn

Bài viết này giới thiệu một số giải pháp thiết kế kháng chấn cho công trình xây dựng.

Quan niệm thiết kế kháng chấn truyền thống

Trước đây, trong các tiêu chuẩn kháng chấn người ta chỉ mới xem xét đến yếu tố lực tác động mà chưa chú ý đến phương diện năng lượng do động đất truyền vào công trình. Do đó, người ta chỉ quan tâm đến khả năng chịu lực của kết cấu và thường quy định thiết kế công trình làm việc trong miền đàn hồi. Tuy nhiên, qua quan sát thực tế, nội lực xuất hiện trong kết cấu thường lớn hơn từ ba đến bốn lần nội lực xác định theo thiêu chuẩn kháng chấn hiện hành cho một trận động đất có cùng cường độ. Và mặc dù nội lực gia tăng rất lớn nhưng công trình vẫn đứng vững sau các trận động đất vượt cấp động đất thiết kế cho phép. Có thể giải thích đIều này như sau:

• Sự hình thành “khớp dẻo” ở một số cấu kiện chịu lực: các biến dạng dẻo không những làm tăng chu kỳ dao động riêng công trình mà còn hấp thụ phần lớn năng lượng động đất đưa vào kết cấu.
• Khả năng phân tán năng lượng vốn bị bỏ qua khi tính toán kết cấu: chẳng hạn như khả năng phân tán năng lượng của các cấu kiện không chịu tải (do nứt, hoặc do ma sát…); hoặc biến dạng nền đất và sự tác dụng tương hỗ giữa đất nền và công trình cũng hấp thụ và phân tán một phần năng lượng do động đất truyền vào.

Chính vì một số yếu tố nêu trên chưa được đề cập đến trong thiết kế kháng chấn, nên việc quy định thiết kế các công trình chỉ làm việc trong giai đoạn đàn hồi dưới tác dụng của động đất là chưa hợp lý và có thể xem là không kinh tế.

Quan niệm thiết kế kháng chấn hiện đại

Theo quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại, việc thiết kế kháng chấn một công trình xây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau:

• Bảo đảm kết cấu có khả năng chiu lực lớn trong miền đàn hồi.
• Bảo đảm cho kết cấu có khả năng phân tán năng lượng do động đất truyền vào, thông qua sự biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc các thiết bị hấp thu năng lượng.

Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại là tạo cho kết cấu công trình một độ bền đủ lớn và một độ cứng thích hợp.

• Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả năng chịu lực của kết cấu.
• Độ cứng thích hợp nhằm giúp công trình có sự cân bằng hài hòa về mặt động lực học. Bởi tác dụng rung lắc của động đất làm phát sinh chuyển vị và gia tốc trong công trình. Nếu công trình có độ cứng quá lớn thì gia tốc sinh ra sẽ vô cùng lớn, gây rơi vãi đồ đạc thiết bị bên trong nhà dẫn đến thiệt hại về mặt kinh tế. Ngược lại, nếu công trình quá mềm thì chuyển vị tương đối giữa các tầng quá lớn, gây biến dạng đáng kể cho cả công trình, làm hư hại các nút liên kết của khung chịu lực, nứt tường, vênh cửa…, ngoài ra dao động của công trình cũng phát sinh đáng kể gây ảnh hưởng đến tâm lý của người sinh sống và làm việc trong tòa nhà.

Như vậy, quan niệm thiết kế hiện đại đã lưu ý thêm phương diện năng lượng do động đất truyền vào công trình. Việc thiết kế và tính toán sao cho kết cấu có khả năng phân tán phần năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp công trình làm việc hiệu quả nhất khi có động đất xảy ra.

Các giải pháp thiết kế kháng chấn xem xét đến việc phân tán năng lượng

Để tránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại công trình như trên, một số giải pháp thiết kế được đưa ra nhằm hấp thụ bớt và phân tán đều năng lượng động đất cho toàn bộ công trình.

Giải pháp cách chấn (seismic isolated structure): do chấn động lan truyền trong đất nền nên phương pháp hay nhất để hạn chế tác động của động đất là tách rời hẳn công trình khỏi đất nền. Tuy nhiên, do không thể tách rời hoàn toàn, người ta bố trí lớp thiết bị đặc biệt giữa công trình và đất nền gọi là thiết bị cách chấn (isolator). Thiết bị này có độ cứng thấp nên khi nền đất dao động, thiết bị có biến dạng lớn, kết cấu phía trên nhờ có quán tính lớn nên chỉ chịu một dao động nhỏ. Hư hại kết cấu và thiết bị trong công trình do đó được giảm thiểu.

Phương pháp cách chấn này không chỉ áp dụng để tách rời toàn bộ công trình khỏi đất nền, mà còn có thể áp dụng theo nhiều cách khác như tách rời một phần thân, đỉnh hoặc mái khỏi phần kết cấu phía dưới, tùy thuộc đặc điểm từng công trình.

Giải pháp giảm chấn (damped structure): trong trường hợp năng lượng dao động truyền trực tiếp vào công trình do không được tách rời, người ta có thể gia tăng độ cản (damping) của bản thân công trình để giải phóng năng lượng dao động này bằng cách lắp đặt các thiết bị giảm chấn (damper) vào công trình. Có nhiều hình thức giảm chấn: thụ động, chủ động hay nửa chủ động.

Giảm chấn không điều khiển (passive control): đây là hình thức giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của các thiết bị giảm chấn được lấy từ chính năng lượng dao động của bản thân công trình. Năng lượng có thể được tiêu tán dưới dạng nhiệt năng của hiện tượng ma sát (friction damper), biến dạng dẻo của kim loại (buckling restrained brace, stiffened shear panel), tính cản nhớt (viscous/visco-elastic damper) hoặc độ cản thủy lực (oil damper). Có nhiều phương thức lắp đặt các thiết bị này trong công trình.

Giảm chấn có điều khiển (active control): các thiết bị dạng này hoạt động được nhờ vào cấc nguồn năng lượng từ bên ngoài (điện, khí nén…). Thông qua các cảm biến, thông tin về tải trọng, về dao động của công trình được đưa về bộ xử lý trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý tín hiệu và phát lệnh cho bộ phận thi hành để thực hiện việc tăng độ cản hay phát lực điều khiển chống lại dao động, chẳng hạn như các hệ thống TMD (Tuned Mass Damper), LTD (Liquid Tuned Damper)

Ngoài ra, người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn, cũng như đưa thêm khả năng chủ động vào hệ thống để tăng thêm hiệu quả kháng chấn cho công trình.

Mục tiêu cơ bản của việc thiết kế kháng chấn là bảo vệ tính mạng con người và của cải vật chất xã hội. Do vậy về nguyên tắc, các công trình xây dựng có thể bị ảnh hưởng ở các mức độ khác nhau, nhưng quan trọng nhất là không được sụp đổ khi có động đất xảy ra.

Do nhu cầu phát triển, càng ngày càng có nhiều giải pháp kháng chấn cho công trình dựa trên các thành tựu khoa học kỹ thuật mới. Mặc dù còn nhiều vấn đề phải giải quyết, song trong một tương ai không xa, thiết bị kháng chấn sẽ được quan niệm như một bộ phận không thể thiếu được trong các công trình cao tầng do lợi ích thiết thực và hiệu quả của chúng.