THƯ VIỆN KETCAUSOFT

Khái niệm hệ số ứng xử

Hệ số ứng xử q biểu thị một cách gần đúng tỉ số giữa lực động đất mà kết cấu sẽ phải chịu nếu phản ứng của nó hoàn toàn đàn hồi và lực động đất có thể sử dụng khi thiết kế theo mô hình phân tích không đàn hồi thông thường mà vẫn tiếp tục đảm bảo cho hệ kết cấu một phản ứng thỏa mãn các yêu cầu đặt ra.
Tùy vào hệ kết cấu, giá trị của hệ số ứng xử q có thể khác nhau theo theo các hướng nằm ngang của kết cấu.
Khái niệm hệ số ứng sử q gắn liền với quan niệm hiện đại trong thiết kế kháng chấn, giá trị của nó tương ứng với giá trị độ dẻo của công trình.

Quan niệm hiện đại trong thiết kế kháng chấn

Động đất là một hiện tượng tự nhiên có thời điểm xuất hiện và cường độ không thể báo trước. Việc thiết kế công trình làm việc đàn hồi chịu được tải trọng động đất gây lãng phí và không hợp lý do xác suất xuất hiện những trận động đất mạnh thường rất thấp. Do đó, quan điểm thiết kế kháng chấn hiện nay là chấp nhận tính không chắc chắn của hiện tượng động đất để có thể tập trung vào việc thiết kế các công trình có mức độ an toàn chấp nhận được. Các công trình xây dựng được thiết kế theo quan điểm này phải có độ cứng, độ bền và độ dẻo thích hợp nào đó, nhằm bảo đảm trong trường hợp động đất xảy ra sinh mạng con người được bảo vệ, các hư hỏng được hạn chế và những công trình quan trọng có chức năng bảo vệ cư dân vẫn có thể duy trì hoạt động. Đối với các trận động đất có cường độ yếu, độ cứng nhằm tránh không xảy ra các hư hỏng ở phần kiến trúc của công trình. Đối với các trận động đất có cường độ trung bình, độ bền cho phép giới hạn các hư hỏng nghiêm trọng ở hệ kết cấu chịu lực. Đối với các trận động đất mạnh hoặc rất mạnh, độ dẻo cho phép công trình có các chuyển vị đàn hồi lớn mà không bị sụp đổ.

Khả năng làm việc ngoài giới hạn đàn hồi của kết cấu bê tông cốt thép

Trước khi hình thành quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại, các công trình vẫn được thiết kế kháng chấn với với độ cứng và độ bền đủ lớn để kết cấu vẫn đảm bảo không bị phá hoại và vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Tuy nhiên, một số công trình được thiết kế theo quan điểm này khi chịu tác động của động đất với cấp lớn hơn cấp động đất được thiết kế vẫn không bị sụp đổ hay hư hỏng trầm trọng. Điều này có được là do khả năng làm việc ngoài giới hạn đàn hồi của kết cấu bê tông cốt thép. Xem xét vấn đề này bằng ví dụ dưới đây.

Hình 1. Phản ứng của các hệ kết cấu có một bậc tự do động khi chịu tác động động đất.
 

Ở sơ đồ a, hệ làm việc hoàn toàn đàn hồi. Dưới tác động của tải trọng F₁, hệ có chuyển vị x₁. Năng lượng của hệ tập trung dưới dạng thế năng đàn hồi, định lượng bằng diện tích của hình tam giác OBF. Khi tải trọng dừng tác dụng, do tính chất đàn hồi, công trình trở về trạng thái ban đầu, năng lượng được chuyển thành động năng. Nếu không xét đến lực cản, tổng năng lượng sẽ không đổi, và công trình sẽ dao động xung quanh vị trí cân bằng. Ở sơ đồ b hệ làm việc đàn hồi dẻo, và chỉ chịu được tải trọng F₂ khi làm việc trong giai đoạn đàn hồi với chuyển vị x_y. Sau giai đoạn đàn hồi, hệ tiếp tục chuyển qua làm việc trong giai đoạn dẻo và đạt đến biến dạng lớn nhất x₂. Năng lượng tích lũy dược định lượng bằng diện tích hình OADE. Dưới tác dụng của tải trọng đảo chiều, hệ sẽ quay trở lại điểm G, lúc này năng lượng tích lũy trong hệ chỉ là phần diện tích hình GDE, và một phần lớn năng lượng của hệ bằng diện tích của hình OADG đã được phân tán do sự làm việc dẻo của kết cấu.

Tỉ lệ x₂/x_y được gọi là độ dẻo μ của kết cấu, và tỉ lệ F₁/F₂ chính là hệ số ứng xử q của kết cấu.

Như vậy, hệ số ứng xử q chính là hệ số giảm tải trọng, với độ dẻo thiết kế, công trình được thiết kế đàn hồi với tải trọng F₂ vẫn có thể không sụp đổ hoặc hư hại nghiêm trọng dưới tác dụng của tải trọng F₁.

Quan hệ giữa hệ số ứng xử q và độ dộ dẻo μ

Độ dẻo μ biểu thị khả năng làm việc trong miền dẻo của kết cấu, đó là tỉ số giữa biến dạng toàn phần của kết cấu tại trạng thái phá hoại và biến dạng của kết cấu lúc chuyển từ giai đoạn đàn hồi sang giai đoạn dẻo. F₂ được gọi là tải trọng động đất thiết kế trong khi F₁ chính là lực động đất thực tế mà công trình phải chịu. Mối quan hệ giữa F₁ và F₂ có thể được xác định thông qua phương pháp cân bằng chuyển vị (x₁ = x₂) hoặc cân bằng năng lượng (diện tích hình OBF bằng diện tích hình OADE). Khi được xác định theo phương pháp cân bằng chuyển vị thì q₁ = μ. Khi được xác định theo phương pháp cân bằng năng lượng thì q₂ = √(2*μ - 1).

Các nghiên cứu cho thấy rằng, đối với công trình có chu kỳ dao động lớn hơn giá trị giới hạn (ví dụ giá trị chu kỳ T_m ứng với đỉnh của phổ phản ứng), chuyển vị cực đại của hệ không đàn hồi xấp xỉ với giá trị chuyển vị lớn nhất của hệ kết cấu đàn hồi có cùng độ cứng với độ cứng ban đầu của hệ không đàn hồi và có độ bền không hạn chế. Đối với hệ có chu kỳ bé hơn T_m, giả thiết cân bằng chuyển vị tỏ ra không phù hợp.

Hệ số q trên thực tế được chọn giữa hai giá trị q₁ và q₂.

Tài liệu tham khảo

[1]. TCXDVN 375:2006. Thiết kế công trình chịu động đất.
[2]. Nguyễn Lê Ninh. Động đất và thiết kế công trình chịu động đất. Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2009.