1. Tại sao kháng chấn quan trọng?

Động đất là hiện tượng tự nhiên có thể xảy ra với xác suất cao hoặc thấp tùy thuộc vào từng khu vực địa lý cụ thể (Hình 1.1). Rủi ro động đất của một công trình, tức khả năng công trình bị hư hại hoặc sụp đổ, phụ thuộc vào hai yếu tố chính: mức độ nguy hiểm địa chấn — dựa trên gia tốc nền khi động đất xảy ra, và mức độ dễ tổn thương của công trình — tùy thuộc vào loại kết cấu và tầm quan trọng của công trình. Động đất có thể gây ra nhiều thiệt hại cho cả kết cấu chịu lực và các hạng mục không chịu lực, dẫn đến tổn thất kinh tế, thương tích hoặc thiệt hại về người.
Thiết kế chống động đất bao gồm các giải pháp đảm bảo an toàn, giúp công trình tránh sụp đổ bằng cách chịu được các lực rung lắc do động đất gây ra. Mục tiêu không chỉ là giảm thiểu hư hại mà còn giúp công trình duy trì khả năng vận hành trong và sau sự cố địa chấn. Đáng chú ý, nhiều trận động đất có cường độ trung bình đến lớn đều có thể gây thiệt hại nghiêm trọng (Hình 1.2), vì vậy việc theo dõi hoạt động địa chấn là yếu tố quan trọng trong công tác phòng chống thiên tai.

2. CÁC ỨNG DỤNG KẾT CẤU VÀ PHI KẾT CẤU ĐỀU CẦN THIẾT KẾ KHÁNg chấn

Các liên kết kết cấu và phi kết cấu đều cần được thiết kế kháng chấn. Với các hạng mục kết cấu, thiết kế kháng chấn là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn và duy trì tuổi thọ công trình tại khu vực có nguy cơ động đất. Tuy nhiên, thiệt hại từ các liên kết phi kết cấu cũng có thể gây ra hậu quả lớn, ảnh hưởng đến an toàn, chi phí sửa chữa và hoạt động của các hệ thống kỹ thuật khẩn cấp trong công trình. (xem Hình 2.1)



Nhiều nghiên cứu cho thấy, thiệt hại tốn kém nhất trong các công trình thương mại sau động đất thường đến từ các hệ thống phi kết cấu, như hệ giá đỡ cơ điện hay liên kết đường ống, thiết bị kỹ thuật (xem Hình 2.2). Vì vậy, nhiều hạng mục phi kết cấu cũng cần được thiết kế đúng chuẩn để đảm bảo an toàn vận hành và tuân thủ yêu cầu kỹ thuật [1].

3. PHÂN LOẠI ĐỘNG ĐẤT VÀ TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ BU LÔNG KHOAN CẤY

Phân loại động đất được sử dụng để đánh giá mức độ nguy cơ động đất cho công trình và định hướng thiết kế nhằm tăng khả năng chống chịu động đất. Theo tiêu chuẩn châu Âu, hiệu suất bu lông khoan cấy được chia thành hai loại: C1 và C2. C1 thể hiện mức nguy cơ động đất thấp hơn. C2 chỉ mức nguy cơ động đất cao hơn.
· Loại hiệu suất C1 chỉ cung cấp khả năng chịu tải của bu lông tại giới hạn chịu lực tối đa (giới hạn vết nứt giả định tối đa Δw = 0,5 mm).
· Loại hiệu suất C2 cung cấp khả năng chịu tải của bu lông cả tại giới hạn chịu lực tối đa và mức biến dạng giới hạn hư hỏng (giới hạn vết nứt giả định tối đa Δw = 0,8 mm).
Trong mọi trường hợp, bu lông không được phép lắp đặt tại các vùng bê tông dự kiến có hiện tượng phá hoại dẻo, ví dụ như vị trí giao giữa dầm – cột (xem Hình 3.1), vì vết nứt tại các vị trí này thường vượt quá giới hạn Δw = 0,8 mm – mức giới hạn cho phép.


Bảng C.1 trong tiêu chuẩn EN 1992-4 [3] đưa ra khuyến nghị về việc sử dụng bu lông được đánh giá theo phân loại động đất C1 và C2, tùy thuộc vào mức độ động đất và cấp tầm quan trọng của công trình theo EN 1998-1 [4]. Ví dụ, với khu vực có mức độ động đất “≥ thấp” và công trình thuộc cấp tầm quan trọng II, III, IV, bu lông phải được thiết kế theo phân loại C2.
Việc đánh giá khả năng chịu động đất của bu lông được thực hiện theo: EAD 330232 [5] đối với bu lông khoan cấy và EAD 330499 [6] đối với bu lông hóa chất khoan cấy. Các bài kiểm tra hiệu suất được quy định cho từng phân loại: Với C1, bu lông được thử tải với lực kéo và lực cắt theo chu kỳ. Với C2, bu lông phải được thử tải đến khi phá hoại với lực kéo, lực cắt theo chu kỳ và dưới điều kiện bê tông nứt do dao động. Trong suốt quá trình thử tải, lực và chuyển vị được ghi nhận liên tục theo từng khoảng thời gian.

4. Thiết kế bu lông khoan cấy kháng chấn theo tiêu chuẩn EN 1992-4

Giá trị thiết kế của tải trọng động đất được xác định theo tiêu chuẩn EN 1998-1 [4] và EN 1992-4 [3] Phụ lục C, tính đến mọi ảnh hưởng có thể xảy ra từ động đất theo phương đứng và phương ngang cho cả liên kết kết cấu và phi kết cấu.
Yêu cầu thiết kế của bu lông khoan cấy trong điều kiện tĩnh tải và động đất có sự khác biệt rõ rệt, do tĩnh tải là tải trọng tương đối ổn định, trong khi động đất là tải trọng động, biến đổi nhanh và đôi khi khó dự đoán. Những khác biệt chính được tóm tắt trong Bảng 4.1.



Để bảo vệ các liên kết trong điều kiện động đất, các phương án thiết kế khác nhau được áp dụng, gồm: a) Thiết kế theo khả năng chịu lực (Capacity design) b) Thiết kế đàn hồi (Elastic design) c) Thiết kế dẻo (Ductile design).

Thiết kế khả năng khán chấn:

Các hệ số bổ sung 𝛼𝑔𝑎𝑝 và 𝛼𝑒𝑞 (tham khảo tiêu chuẩn EN 1992-4, mục 7.2.1, 7.2.2 và C.5) được áp dụng lên khả năng chịu lực tĩnh để tính toán khả năng chịu tải khi có động đất theo từng dạng phá hoại.

Công thức tính khả năng chịu lực đặc trưng khi có động đất 𝑅𝑘,𝑒𝑞 = 𝛼𝑔𝑎𝑝 ∙ 𝛼𝑒𝑞 ∙ 𝑅0Ø 

𝛼𝑔𝑎𝑝 là hệ số giảm, quy định trong ETA, để xét đến ảnh hưởng quán tính do khe hở giữa bu lông và lỗ liên kết khi chịu tải cắt (hiệu ứng va đập). Giá trị mặc định là 0.5. Khi sử dụng bộ phụ kiện Hilti Filling Set (Hình 4.2) để lấp đầy khe hở này, 𝛼𝑔𝑎𝑝 có thể nâng lên 1.0.

Ø 𝛼𝑒𝑞 là hệ số xét đến ảnh hưởng của tải trọng động đất và các vết nứt đi kèm, tùy thuộc vào:

a)       Sự hình thành các vết nứt lớn trên bê tông; và

b)    Sự phân bố ngẫu nhiên các vết nứt dẫn đến độ cứng chịu kéo không đồng đều

Giá trị cụ thể của 𝛼𝑒𝑞 cho từng loại bu lông có thể tra trong EN 1992-4, Bảng C.3.

Hệ số tải trọng được sử dụng trong tính toán tải trọng động đất với giá trị 𝑘15 = 1 cho trường hợp phá hoại thép, 2/3 cho liên kết có cốt thép bổ sung và 1.0 cho các trường hợp còn lại.

Giá trị chuyển vị tại trạng thái giới hạn sử dụng và trạng thái giới hạn cuối cùng được quy định rõ cho tất cả bu lông cơ học đạt chứng nhận động đất cấp C2 trong ETA tương ứng. Để đảm bảo giới hạn chuyển vị tối đa cho phép, tải trọng thiết kế sẽ được giảm dựa trên tỷ lệ giữa chuyển vị thực tế và chuyển vị giới hạn.
 
Bu lông sau lắp đặt phải có ETA phù hợp để được phép lựa chọn và sử dụng trong điều kiện động đất. Giá trị khả năng chịu lực đặc trưng và chuyển vị đi kèm cần được lấy từ ETA của sản phẩm đó.

5. THIẾT KẾ LIÊN KẾT KHÁN CHẤN TRÊN PHẦN MỀM PROFIS ENGINEERING?

Phần mềm thiết kế kết cấu dựa trên nền tảng đám mây PROFIS Engineering của Hilti thân thiện với người dùng, cung cấp các tùy chọn thiết kế cho tải trọng động đất. Trong giao diện thiết kế, tại tab “Load / calculation type”, bạn cần chọn loại tải là Seismic, sau đó chọn hạng mục động đất và loại thiết kế như minh họa ở Hình 5.1. Bạn cũng có thể chọn giá trị “Seismic displacement” từ các tùy chọn có sẵn như ETA / EN 1992-4 hoặc tùy chỉnh theo yêu cầu thiết kế.

Ở tab “Anchor”, hãy tích chọn mục “Fill holes” vì khả năng chịu lực trong điều kiện động đất sẽ khác nhau đối với bu lông có hoặc không có khe hở. Sau khi chọn loại tải là Seismic, danh sách các loại bu lông khoan cấy được khuyến nghị hoặc đã được phê duyệt sẽ hiển thị phù hợp với ứng dụng đã định (Hình 5.2). Thuyết minh tính toán được tạo ra sau phân tích cũng sẽ đề cập chi tiết về các điều kiện động đất (Hình 5.3).

6.     KẾT LUẬN

Thiết kế liên kết bu lông khoan cấy khán chấn là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của bu lông dưới tải trọng lặp động và giúp giảm thiểu rủi ro, duy trì an toàn công trình. Việc thiết kế riêng biệt cho điều kiện động đất cần được thực hiện vì tính chất của bu lông thay đổi trong quá trình chịu tải động lặp, độ dẻo, và các yếu tố khác. Nếu không có thiết kế đúng cho điều kiện động đất, với các công trình nằm trong vùng có nguy cơ động đất, bu lông có thể bị phá hoại ở mức tải không dự đoán được, gây thiệt hại lớn, mất mát hạ tầng quan trọng hoặc thậm chí nguy hiểm đến tính mạng.

Để bắt đầu thiết kế, truy cập https://profisengineering.hilti.com/.

Để biết thêm chi tiết về thiết kế bu lông khoan cấy kháng chấn, vui lòng tham khảo Sổ tay liên kết thép với bê tông.

Tài liệu tham khảo
 

[1]

S. Taghavi and E. Miranda, "Seismic Performance and Loss Assessment of Nonstructural Building
Components," in National Conference on Earthquake Engineering, Boston, 2002.

[2]

M. S. Hoehler, Behavior and Testing of Fastenings to Concrete for use in Seismic Applications, PhD Thesis, California, August, 2006.

[3]

EN 1992-4:2018: Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018.

[4]

Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance -Part 1 : General rules, seismic actions and rules for buildings, Brussels: CEN, 2004.

[5]

EOTA EAD 330232-01-0601: Mechanical fasteners for use in concrete, Brussels: EOTA, 2021.

[6]

EOTA EAD 330499-02-0601: Bonded fasteners and bonded expansion fasteners for use in concrete, Brussels: EOTA, 2022.

[7]

S2C Handbook: Steel to concrete connections using Post-installed systems, Schaan: Hilti Corporation, 2024.