Phân tích ảnh hưởng của sự tương tác khung -tường chèn trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn trong xây dựng ở Việt Nam

TÓM TẮT:

Bối cảnh ở Việt Nam hiện nay, nhu cầu xây dựng các nhà khung vẫn rất lớn, nhưng tác động thiên tai lại rất khó lường. Vấn đề nhận biết được tầm quan trọng cung như những ảnh hưởng của khung-tường chèn tác dụng đến kháng chấn của ngôi nhà là vô cùng quan trọng. Bài viết này, sẽ đi sâu phân tích ảnh hưởng của sự tương tác khung -tường chèn trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đối với xây dựng ở Việt Nam.

Từ khóa: Ảnh hưởng của khung-tường chèn, tường chèn, tiêu chuẩn thiết kế, kháng chấn đối với xây dựng.

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của nhiều nước trong đó có TCVN 9386:2012, đều cho phép các hệ kết cấu làm việc sau giới hạn đàn hồi khi chịu động đất mạnh. Trong bối cảnh này, để hệ kết cấu có khả năng chịu lực lẫn phân tán năng lượng cao, người thiết kế phải kiểm soát được cơ cấu và cách thức phá hoại của nó khi chịu động đất. Cụ thể, dưới tác động của động đất, ở hệ kết cấu khung phải xuất hiện sơ đồ phá hoại dẻo (khả năng phân tán năng lượng tổng thể cao), còn các cách thức phá hoại giòn (ví dụ cắt, có khả năng phân tán năng lượng cục bộ rất thấp) phải bị ngăn chặn hoặc loại bỏ. Chính vì vậy, khi thiết kế rất cần thiết nắm được các ảnh hưởng của sự tương tác khung-tường chèn. Bài viết này sẽ đi phân tích ảnh hưởng của sự tương tác khung-tường chèn trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đối với công trình xây dựng ở Việt Nam.

2. Các quy định xét tới ảnh hưởng của tường chèn

2.1. Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [3] và EN 1998-1:2004 [1],[2]

Các tiêu chuẩn thiết kế này quy định: “… Các tường chèn góp phần đáng kể vào độ cứng ngang và sức chịu tải của nhà cần được xét đến trong tính toán”. Tuy vậy, các tiêu chuẩn này lại không cho biết thế nào là “góp phần đáng kể” và làm thể nào để xét tới chúng trong tính toán. Các quy định trong hai tiêu chuẩn này liên quan tới việc xét các hệ quả bất lợi do sự tương tác khung - tường chèn có phần cụ thể hơn. Đó là các quy định xét tới: (1) tính không đều đặn trong mặt bằng và trên chiều cao và (2) sự phá hoại cắt cục bộ của cột.

Đối với nội dung (1). Khi tường chèn gây ra tính không đều đặn nghiêm trọng trong mặt bằng, cần sử dụng mô hình không gian để phân tích kết cấu, trong đó có xét tới tường chèn, còn khi không nghiêm trọng, nhân các hệ quả do độ lệch tâm xoắn ngẫu nhiên của khối lượng tầng kể từ vị trí danh nghĩa của nó với hệ số 2. Khi các tường chèn gây ra một sự không đều đặn đáng kể trên chiều cao, phải tăng các hệ quả tác động của động đất trong các cấu kiện thẳng đứng chịu tải của các tầng tương ứng. Nếu không áp dụng phương pháp chính xác và chi tiết hơn, thì khuếch đại các hệ quả tác động của động đất tính toán (lực dọc, moment uốn và lực cắt) bằng hệ số khuếch đại:

Trong đó: q - hệ số ứng xử; ΔV_RW - tổng độ giảm của độ bền các tường chèn bằng khối xây trong tầng đang xét so với tầng ở phía trên được xây chèn nhiều hơn; Σ V_Sd - tổng các lực cắt động đất tác động lên tất cả các cấu kiện thẳng đứng kháng chấn chính của tầng đang xét.

Đối với nội dung (2). Khi chiều cao của tường chèn bằng chiều dài thông thủy của các cột bê tông liền kề (chèn kín), trên chiều dài tiếp xúc lc là đoạn chiều dài của cột mà trên đó lực của dải chéo tương đương của tường chèn được giả thiết tác dụng vào, cần phải được kiểm tra và cấu tạo chịu cắt theo giá trị nhỏ nhất trong hai giá trị lực cắt sau:

(i) thành phần ngang của lực trong dải chéo tường chèn, được giả thiết bằng độ bền cắt ngang của tường chèn, được xác định trên cơ sở cường độ chịu cắt của các mạch vữa ngang; hoặc,

(ii) lực cắt cột được tính toán phù hợp với phương pháp thiết kế theo khả năng quy định trong tiêu chuẩn, bằng cách giả thiết khả năng chịu uốn của cột có xét tới hệ số vượt độ bền γ_Rd tại hai đầu mút của chiều dài tiếp xúc lc có giá trị γ_RdM_Rc,_i. Chiều dài đoạn tiếp xúc này, được giả thiết bằng bề rộng toàn phần theo phương đứng của dải chéo tường chèn. Bề rộng dải chéo có thể được giả thiết bằng một phần nhỏ cố định của chiều dài đường chéo pano tường chèn.

2.2. Tiêu chuẩn FEMA 356 (2000) [6]

Theo FEMA 356 (2000) (Federal Emergency Management Agency), việc tính toán độ cứng và độ bền trong mặt phẳng của tường chèn được thực hiện theo phương pháp phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến hệ khung tổ hợp với các tường chèn có xét tới các lỗ trống và nứt sau chảy dẻo của khối xây. Ngoài ra, các phương pháp xác định độ cứng và độ bền sau đây cũng được phép sử dụng.

a) Độ cứng đàn hồi trong mặt phẳng của tường chèn bằng khối xây đặc không có cốt thép trước khi bị nứt, được biểu diễn bằng một dải chéo bị nén tương đương có bề rộng bằng w_m xác định theo Mainston (1974) như sau:

wm = 0,175.d_m(λ_hh) ^-0,4                       (2.2)

Trong đó, λ_h - là hệ số kể đến ảnh hưởng ngoài mặt phẳng.

                           h  - là chiều dài của cột tính đến trục.

                          d_m - là chiều dài đường chéo của tường chèn.

Các đặc tính của dải chéo được xác định từ phân tích có xét tới ứng xử phi tuyến của hệ hỗn hợp khung tường chèn sau khi khối xây bị nứt. Để phân tích phản ứng tổng thể của hệ kết cấu hỗn hợp, các dải chéo biểu diễn độ cứng của các tường chèn có thể đặt đồng tâm, hoặc đặt lệch tâm với khung để được các hệ quả tác động của tường chèn lên cột một cách trực tiếp. Tiêu chuẩn FEMA 356 (2000) cũng cho phép thực hiện việc phân tích tổng thể với các mô hình khung giằng đồng tâm, còn ảnh hưởng của tường chèn tới các cột (hoặc dầm) được xác định ở cấp cục bộ bằng cách cho lực trong dải chéo tác động lên các cột (hoặc dầm).

b) Độ bền cắt của tường chèn trong mặt phẳng được xác định như sau:

Q_CE = V_ine=A_nivie                (2.3)

Trong đó:   Vine - khả năng chịu cắt của tường chèn;

Ani - diện tích mạch vữa ngang của tường chèn;

fvie - cường độ chịu cắt của tường chèn.

c) Việc kiểm tra khả năng chịu uốn và cắt của các cột đứng kề tường chèn được thực hiện theo một trong các điều kiện sau:

(i) Thành phần ngang của lực trong dải chéo tác động ở khoảng cách l_ceff (là bề rộng w_m của dải chéo theo phương đứng kể từ đỉnh và chân của tường chèn).
(ii) Lực cắt sinh ra từ khả năng chịu uốn của cột với giả thiết khớp dẻo hình thành ở tại đỉnh và chân tương ứng với cột có chiều dài bị giảm xuống bằng l_ceff.

Khả năng chịu uốn và cắt của các dầm kế cận tường chèn cũng phải được kiểm tra tương tự như ở cột, nhưng với l_beff (là bề rộng w_m của dải chéo theo phương ngang kể từ mặt bên trái hoặc phải của tường chèn). 

2.3. Tiêu chuẩn ASCE/SEI 41-13 (2013) [3] và ASCE/SEI 41-17 (2017) [4]

1. Tiêu chuẩn ASCE/SEI 41-13 (2013) (American Society of Civil Engineers/Structural Engineering Institute)

Tiêu chuẩn ASCE/SEI 41-13 quy định việc tính toán độ cứng và độ bền trong mặt phẳng của tường chèn được thực hiện tương tự tiêu chuẩn FEMA 356 (2000). Việc sử dụng các mô hình số đơn giản với các dải chéo mô phỏng ảnh hưởng của tường chèn cũng được tiêu chuẩn này cho phép. Do sự tương tác khung - tường chèn gây ra tính phức tạp của hệ kết cấu, các mô hình phần tử hữu hạn cần phải được hiệu chuẩn qua các số liệu thí nghiệm đã được công bố. Bên cạnh đó, các phương pháp xác định độ cứng và độ bền sau đây cũng được phép sử dụng:

a) Trong giai đoạn ban đầu, khi tường chèn đặc không có cốt thép chưa bị nứt, hệ kết cấu được giả thiết là một công xôn tổ hợp thẳng đứng, độ cứng trong mặt phẳng được xác định theo biểu thức sau:   

Trong đó: K_fl và K_shl - tương ứng là độ cứng uốn và cắt của công xôn tổ hợp thẳng đứng tương đương. Đối với độ cứng uốn K_fl, các đặc tính tương đương của công xôn tổ hợp được xét tới, còn độ cứng cắt K_shl chỉ xét tới sự góp phần của tường chèn. Tiêu chuẩn này cho phép sử dụng mô hình một dải chéo trong phân tích ứng xử tổng thể của hệ kết cấu tổ hợp. Vị trí và phương của dải chéo có thể đồng tâm hoặc lệch tâm như trong tiêu chuẩn FEMA 356 (2000) và theo một góc 450.

b) Đối với các tường chèn đặc, độ bền cắt của tường chèn trong mặt phẳng được xác định theo biểu thức (2.3) như trong tiêu chuẩn FEMA 356 (2000). Bên cạnh đó, tiêu chuẩn ASCE/SEI 41-13 cho rằng lực nén theo phương chéo trong tường chèn không được lớn hơn độ bền nén R_mc của tường chèn xác định theo biểu thức sau:

Trong đó: f_mc - cường độ chịu nén của khối xây; h_m và t_m - tương ứng là chiều cao và bề dày của tường chèn. Lực nén chéo trong tường chèn có thể được xác định bằng cách giả thiết rằng khi tỷ số l_m/h_m nhỏ hơn 1,5 tường chèn được mô  hỏng bằng một dải chéo, còn khi tỷ số l_m/h_m lớn hơn, tường chèn được mô phỏng bằng hai dải chéo. Trong trường hợp thứ hai này, lực được phân bố giữa hai dải chéo dọc theo một góc 45^o bắt đầu cạnh đỉnh của cột đón gió và ở chân của cột hút gió. Chiều cao tác động của dải chéo lên cột và dầm được giả thiết bằng 1/3 chiều cao của tường chèn.

c) Theo ASCE/SEI 41-13, sự phá hoại của dầm trong khung chèn thường không xảy ra do được bảo vệ bởi hiệu ứng bó được tạo ra từ độ cứng trong mặt phẳng của các khối xây ở trên dầm. Các độ bền uốn và cắt của các cột đứng kề pano chèn phải lớn hơn các lực phát sinh từ một trong các điều kiện sau:

(i) Tác động thành phần ngang của lực trong dải chéo tường chèn lên cột bằng cách dùng độ bền cắt của cột với lực dọc bằng không (Độ bền cắt cột được xác định theo ASCE/SEI 41-13 hoặc ACI 318), hoặc

(ii) Lực cắt hình thành từ sự phát triển của các độ bền uốn của cột ở đỉnh và chân cột. Trong trường hợp này, chiều cao cột rút gọn l_ceff bằng khoảng cách giữa các khớp dẻo uốn được sử dụng.

2. Tiêu chuẩn ASCE/SEI 41-17 (2017)

Các nghiên cứu được thực hiện bởi Stavridis và các cộng sự (2017) [7] đã cho thấy các quy định về mô hình tính toán hệ kết cấu khung chèn BTCT quy định trong các phiên bản ASCE/SEI 41-06 (2006) và ASCE/SEI 41-13 (2013) là không đầy đủ và có đủ độ tin cậy cần thiết, không được hiệu chuẩn hoàn toàn với các kết quả thí nghiệm. Bên cạnh đó, các phiên bản của tiêu chuẩn này chỉ tập trung vào các tác động lên các bộ phận riêng lẻ và không cung cấp thông tin về độ bền tổng thể lẫn ứng xử sau đỉnh của hệ kết cấu khung chèn này. Do đó, tiêu chuẩn ASCE/SEI 41-17 (2017) đã thay thế việc xác định độ bền của tường chèn quy định trong ASCE/SEI 41-13 (2013) bằng cách xác định độ bền của hệ kết cấu khung chèn theo kết quả nghiên cứu của Stavridis và các cộng sự (2017) [8]. Các quy định khác giữ nguyên không thay đổi.

2.4. Chỉ dẫn kỹ thuật của New Zealand NZSEE (2017) [7]

Theo chỉ dẫn kỹ thuật đánh giá kháng chấn các nhà hiện có của New Zealand
NZSEE (2017) (New Zealand Society for Earthquake Engineering), việc đánh giá các tác động của tường chèn trong mặt phẳng khung chủ yếu dựa theo các tiêu chuẩn FEMA 306 (1998) [5] và ASCE/SEI 41-13 (2013) [3], nhưng được cập nhật một số các kết quả nghiên cứu thực hiện gần đây.

a) Về mô hình của tường chèn. Chỉ dẫn kỹ thuật của New Zealand sử dụng mô hình một dải chéo tương đương để mô phỏng ứng xử của tường chèn dưới tác động của động đất. Vị trí và chiều của dải nén chéo tương tự như quy định của FEMA 356 (2000). Đối với các tường chèn đặc, độ cứng đàn hồi trong mặt phẳng trước khi nứt có thể được biểu thị bằng một dải chéo bị nén tương đương có bề rộng bằng w_m được xác định theo Turgay và những người khác (2014) [2]. Độ cứng của tường chèn bị nứt có thể được biểu thị bằng dải chéo tương đương. Các đặc tính của dải chéo được xác định từ phân tích xét tới ứng xử phi tuyến của hệ khung chèn sau khi khối xây bị nứt.

b) Ảnh hưởng của tường chèn tới các cấu kiện khung. Việc kiểm tra khả năng chịu uốn và cắt của các cột đứng kề tường chèn được thực hiện tương tự như ASCE 41–13 (2013) và FEMA 356 (2000). Độ bền uốn và cắt yêu cầu lớn nhất ở các dầm tiếp xúc với tường chèn đặc được xác định tương tự như ở cột. Tiêu chuẩn này cũng lưu ý rằng, qua quan sát hiện trường sau các trận động đất và các nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy khi dầm bị bó bởi các tường chèn ở trên và dưới và khi không có khe hở giữa mặt trên tường và mặt dưới của dầm, trong hầu hết các trường hợp lực cắt yêu cầu trong dầm sẽ bị hạn chế và cơ chế phá hoại này không có khả năng xảy ra.

3. Đánh giá chung về các quy định xét tới ảnh hưởng của tường chèn trong các tiêu chuẩn thiết kế

- Nhìn chung, các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện nay đều cho rằng tường chèn trong khung gây ra các ảnh hưởng bất lợi tới ứng xử tổng thể và cục bộ của hệ kết cấu khung. Các biện pháp mà các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đưa ra để chống lại các ảnh hưởng bất lợi này, về cơ bản rất giống nhau, đặc biệt trong trường hợp phản ứng cục bộ của các cột khung.

- Các tiêu chuẩn thiết kế đều tách riêng việc tính toán phản ứng cục bộ ra khỏi tính toán tổng thể bằng cách sử dụng mô hình vĩ mô một dải chéo. Tuy vậy, các tiêu chuẩn thiết kế đều không có các chỉ dẫn đầy đủ về cách thiết lập mô hình ứng xử phi tuyến của tường chèn, sử dụng phương pháp một dải chéo tương đương nên việc áp dụng khó khả thi. Tiêu chuẩn ASCE/SEI 41-17 (2017) đã đưa ra một cách xác định mô hình ứng xử của tường chèn đầy đủ hơn so với trước nhưng quy trình tính toán còn phức tạp.

- Để xác định lực cắt cột do tương tác với tường chèn, các tiêu chuẩn Mỹ, New Zealand… đưa ra mô hình vĩ mô một dải chéo khá cụ thể (bề rộng dải chéo, độ bền và độ cứng của tường chèn trước và sau khi bị nứt …), trong khi đó ở các tiêu chuẩn Việt Nam và châu Âu còn hết sức mơ hồ, nhiều khả năng làm cho người thiết kế không thể thực hiện được.

- Hiện nay, các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đều cho phép các hệ kết cấu làm việc sau giới hạn đàn hồi khi chịu động đất. Do đó, việc kiểm soát cơ cấu phá hoại và cách thức phá hoại các bộ phận thành phần của hệ kết cấu có ý nghĩa hết sức quan trọng. Tuy vậy, ở hệ kết cấu khung BTCT trong khi thừa nhận sự xuất hiện và ảnh hưởng của các lực tương tác giữa khung - tường chèn, các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn lại bỏ qua chúng trong các quy định thiết kế. Điều này có thể làm cho phản ứng thực tế của hệ kết cấu khung có tường chèn dưới tác động của động đất khác với mục tiêu thiết kế đặt ra. Đây là một hạn chế quan trọng của các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện nay, với các hệ quả nguy hiểm có thể dự báo trước.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Tiếng Việt:

1. Bộ Khoa học và Công nghệ, TCVN 5573:2011: Kết cấu gạch đá và gạch đá cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế.

2. Phan Văn Huệ (2020), Ảnh hưởng của tường chèn tới phản ứng của hệ khung bê tông cốt thép chịu động đất, Luận án tiến sĩ kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội.

Tiếng Anh:

1. American Society of Civil Engineers. (2013). ASCE/SEI 41-13: Seismic evaluation and retrofit of existing buildings. Virginia, USA: ASCE.

2. American Society of Civil Engineers. (2017). ASCE/SEI 41-17: Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings. Virginia, USA: ASCE.

3. Federal Emergency Management Agency. (1998). FEMA 306: Evaluation of earthquake damaged concrete and masonry wall buildings - Basic proceduresmanual. Washington, D.C., USA: FEMA.

4. Federal Emergency Management Agency. (2000). ASCE 2000: Pre-standard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings. Washington, D.C., USA: FEMA.

5. New Zealand Society for Earthquake Engineering, NZSEE. (2017). The Seismic Assessment of Existing Buildings: Technical Guidelines for Engineering
Assessments. Wellington, New Zealand: NZSEE.

6. Stavridis, A., Martin, J. , Bose, S. (2017). Updating the ASCE 41 provisions
for Infilled RC frames. Proceedings SEAOC Convention 2017, San Diego, California. 

An analysis of the impacts of frame-mi interaction in the seismic-resistant standards in Vietnam’s construction field

 Master. Hoang Thi Ha

Hanoi Architectural University

 ABSTRACT:

The demand for frame houses is still strong in Vietnam. However, the increasing number of natural catastrophic events could has great impacts on the construction of frame houses. It is important to analyze the impacts of frame – MI on the design of seismic-resistant in construction. This paper analyzes the impacts of frame – MI on the design standards in the seismic-resistant in Vietnam’s construction sector.

Keywords: impacts of frame-MI, MI, design standards, seismic-resistant in construction.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 2, tháng 1 năm 2021]