ĐẢM BẢO AN TOÀN CÔNG TRÌNH VỚI THIẾT KẾ NEO CHỊU ĐỘNG ĐẤT PHÙ HỢP

Cả liên kết kết cấu và liên kết phi kết cấu đều cần được thiết kế để chịu tác động của tải trọng động đất. Trong khi các ứng dụng kết cấu hiển nhiên đòi hỏi thiết kế kháng chấn nhằm đảm bảo an toàn và tính bền vững của công trình tại khu vực có nguy cơ động đất, thì hư hỏng của các liên kết phi kết cấu cũng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng về an toàn, kinh tế và khả năng ứng phó khẩn cấp (Hình 2.1).

Hình 2.1: Hình minh họa điển hình của một tòa nhà với các ứng dụng kết cấu và phi kết cấu khác nhau

Nhiều nghiên cứu cho thấy, trong phần lớn các công trình thương mại, chi phí sửa chữa lớn nhất sau động đất lại phát sinh từ các hệ thống phi kết cấu, chẳng hạn như hệ thống cơ điện (M&E), giá đỡ kỹ thuật hoặc các hệ thống tiện ích (Hình 2.2). Do đó, các hạng mục phi kết cấu cần được thiết kế đúng chuẩn để đáp ứng yêu cầu an toàn. [1]

Hình 2.2: Đánh giá tổn thất của các cấu kiện kết cấu, phi kết cấu [1]

Các cấp độ động đất được sử dụng để đánh giá mức độ nguy hiểm tiềm tàng của động đất đối với công trình, từ đó làm cơ sở cho thiết kế kháng chấn. Theo hệ thống tiêu chuẩn châu Âu, khả năng làm việc của neo được phân thành hai cấp:

• Cấp hiệu năng C1: mức độ nguy hiểm thấp;

• Cấp hiệu năng C2: mức độ nguy hiểm cao hơn.

• C1: cung cấp khả năng chịu lực của neo tại trạng thái giới hạn cuối (ULS), với giả thiết độ mở vết nứt tối đa Δw = 0,5 mm.

• C2: cung cấp khả năng chịu lực tại ULS và trạng thái giới hạn hư hỏng (DLS), với độ mở vết nứt tối đa Δw = 0,8 mm.

Trong mọi trường hợp, không cho phép lắp đặt neo tại các vùng bản lề dẻo của cấu kiện bê tông cốt thép (Hình 3.1), do độ mở vết nứt tại các vị trí này có thể vượt quá 0,8 mm – ngoài phạm vi đánh giá của liên kết neo.

Hình 3.1: Ví dụ về các phần nhựa và đàn hồi của các thành phần bê tông cốt thép [2]

Bảng C.1 của EN 1992-4 [3] bao gồm khuyến nghị sử dụng liên kết neo được đánh giá theo loại địa chấn C1 và C2 như một hàm của mức độ địa chấn và cấp công trình/kết cấu theo EN 1998-1 [4]. Ví dụ, hồ sơ thiết kế kháng chấn cho các liên kết kết cấu và phi kết cấu được xác định với mức địa chấn "≥ thấp" và cấp công trình, III. IV, liên kết neo sẽ được thiết kế kháng chấn C2.

Việc đánh giá và chứng nhận khả năng làm việc của neo dưới tác động động đất được thực hiện theo EAD 330232 [5] đối với bulong cơ khí lắp đặt sau và EAD 330499 [6] đối với bulong hóa chất lắp đặt sau, với các thử nghiệm hiệu năng bắt buộc tương ứng cho cấp động đất C1 và C2. Đối với cấp hiệu năng C1, các thử nghiệm bao gồm kéo xung (pulsating tension) và lực cắt luân phiên (alternating shear). Đối với cấp hiệu năng C2, các thử nghiệm được thực hiện đến trạng thái phá hoại, bao gồm kéo xung, cắt luân phiên, đồng thời thử nghiệm trong điều kiện chu kỳ nứt của bê tông (crack cycling). Trong suốt quá trình thử nghiệm, lực tác dụng và chuyển vị được đo đạc liên tục tại các khoảng xác định nhằm đảm bảo đánh giá chính xác ứng xử của neo dưới tác động động đất.

Giá trị thiết kế của tải trọng động đất được xác định theo EN 1998-1 [4] và EN 1992-4 Phụ lục C [3], xét đến đầy đủ tác động của chuyển động nền theo phương đứng và phương ngang cho cả liên kết kết cấu và phi kết cấu.Sự khác biệt chính giữa thiết kế tĩnh và thiết kế động đất nằm ở bản chất tải trọng: tải tĩnh tương đối ổn định, trong khi tải động đất mang tính động, chu kỳ và khó dự đoán. Các khác biệt chính được tổng hợp trong Bảng 4.1.

Bảng 4.1: Sự khác biệt chính giữa tải tĩnh và địa chấn

Để bảo vệ liên kết trong điều kiện động đất, ba chiến lược thiết kế chính được áp dụng: a) Thiết kế theo khả năng chịu lực, b) Thiết kế đàn hồi và c) Thiết kế dẻo

Hình 4.1: Thiết kế địa chấn bằng cách bảo vệ dây buộc

Sức kháng thiết kế đối với tải trọng động đất:

Các hệ số bổ sung (tham khảo EN 1992-4, mục 7.2.1, 7.2.2 và C.5) được áp dụng cho sức kháng tĩnh tương ứng với các dạng phá hoại khác nhau.

Sức kháng động đất đặc trưng

Là hệ số giảm được quy định trong ETA, nhằm xét đến ảnh hưởng quán tính do khe hở giữa neo và lỗ trên bản mã (hiệu ứng va đập) khi chịu tải cắt. Giá trị này bằng 0,5. Khi sử dụng Hilti Filling Set (Hình 4.2) để lấp đầy khe hở của lỗ, giá trị này có thể tăng lên 1,0.

Là hệ số xét đến ảnh hưởng của tác động động đất và sự hình thành vết nứt liên quan, phụ thuộc vào:

• Sự hình thành các vết nứt có độ mở lớn; và

• Độ cứng chịu kéo không đồng đều của các neo trong một nhóm do sự phân bố vết nứt ngẫu nhiên.

Giá trị của hệ số này đối với các loại neo khác nhau có thể được lấy theo EN 1992-4, Bảng C.3.

Hệ số được sử dụng khi xét tải trọng động đất là 1 đối với phá hoại thép, 2/3 đối với liên kết có cốt thép bổ sung và 1 đối với tất cả các trường hợp khác.

Chuyển vị tại trạng thái giới hạn hư hỏng (Damage Limit State) và trạng thái giới hạn cực hạn (Ultimate Limit State) được quy định cho tất cả các neo được chứng nhận cho cấp động đất C2 trong ETA tương ứng. Để đáp ứng giới hạn chuyển vị tối đa, tải trọng được giảm dựa trên tỷ số giữa chuyển vị thực tế và chuyển vị giới hạn.

Neo cấy sau (post-installed anchors) phải có ETA phù hợp để được lựa chọn và sử dụng trong điều kiện động đất. Các giá trị sức kháng đặc trưng và chuyển vị cần được lấy từ ETA tương ứng.

Phần mềm thiết kế kết cấu PROFIS Engineering của Hilti, vận hành trên nền tảng đám mây với giao diện thân thiện, cung cấp các tùy chọn thiết kế cho tải trọng động đất. Trong giao diện thiết kế, tại thẻ “Load / calculation type”, người dùng cần lựa chọn loại tải trọng là động đất, sau đó xác định cấp động đất và kiểu thiết kế tương ứng, như minh họa tại Hình 5.1. Tùy chọn “Seismic displacement” có thể được chọn theo ETA / EN 1992-4 hoặc tùy chỉnh theo yêu cầu thiết kế cụ thể.

Ngoài ra, trong thẻ “Anchor”, cần đánh dấu tùy chọn “Fill holes”, do khả năng chịu lực thiết kế dưới tác động động đất của neo khác nhau tùy thuộc vào việc có hoặc không có khe hở lỗ khoan. Sau khi lựa chọn loại tải trọng là “Seismic”, các phương án neo lắp đặt sau được khuyến nghị và/hoặc phê duyệt sẽ tự động hiển thị trong danh sách cho ứng dụng đã xác định (Hình 5.2). Trong báo cáo thiết kế được tạo ra từ quá trình phân tích, các điều kiện thiết kế động đất cũng được trình bày đầy đủ (Hình 5.3).

Hình 5.1: Đầu vào thiết kế địa chấn cho neo trong PROFIS Engineering

Hình 5.2: Các tùy chọn neo có sẵn trong PROFIS

Hình 5.3: Báo cáo thiết kế đề cập đến điều kiện thiết kế địa chấn