BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

CAO SĨ DŨNG

TÍNH TOÁN NHÀ CAO TẦNG
BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT
THEO TIÊU CHUẨN TCVN 9386:2012 VÀ UBC 1997

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

CAO SĨ DŨNG
KHÓA: 2015- 2017

TÍNH TOÁN NHÀ CAO TẦNG
BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT
THEO TIÊU CHUẨN TCVN 9386:2012 VÀ UBC
1997

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng
và công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CÁN BỘ DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN ĐẠI MINH


Hà Nội - 2017


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, các
Thầy Cô giáo trong và ngoài trường Kiến trúc Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ
tôi để luận văn được hoàn thành.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến T.S Nguyễn Đại Minh, đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ dẫn khoa học có giá trị giúp tôi hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với những người thân trong gia đình,
bạn bè, đồng nghiệp đã động viên tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Mặc dù tác giả đã rất cố gắng để hoàn thiện luận văn, nhưng không thể
tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý
Thầy Cô và các bạn.
Tác giả Luận văn

Cao Sĩ Dũng



LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc
lập của tôi. Kết quả nêu trong luận văn là trung thực, các thông tin, số liệu sử dụng
trong luận văn được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả Luận văn

Cao Sĩ Dũng


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU.................................................................................................................1
Đặt vấn đề...........................................................................................................1
Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết của luận văn.........................................2
Nội dung nghiên cứu của luận văn....................................................................2
Giới hạn nghiên cứu...........................................................................................3
Đối tượng nghiên cứu.........................................................................................3
Phương pháp nghiên cứu...................................................................................3
Cấu trúc luận văn...............................................................................................4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT......................................................5
1.1 KHÁI NIỆM VỀ NHÀ CAO TẦNG...............................................................5
1.1.1 Một số khái niệm cơ bản về nhà cao tầng....................................................5
1.1.2 Sự cần thiết phải tính toán tải trọng động đất cho nhà cao tầng ở Việt Nam......6
1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT.......................................................................8
1.2.1 Một số khái niệm cơ bản về động đất..........................................................8
1.2.2 Các đặc trưng của chuyển động nền đất......................................................9
1.2.3 Đánh giá độ mạnh của động đất................................................................13
1.2.4 Động đất trên lãnh thổ Việt Nam...............................................................20
1.2.5 Các phương pháp tính toán động đất.........................................................21
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT TÁC DỤNG LÊN
CÔNG TRÌNH THEO TCVN 9386:2012 VÀ UBC 1997...................................32
2.1 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO TCVN 9386:2012..................32


2.1.1 Một số khái niệm, định nghĩa....................................................................32
2.1.2 Phương pháp tính theo tĩnh lực ngang tương đương.................................44
2.1.3 Phương pháp phổ phản ứng.......................................................................46
2.1.4

Phương pháp tĩnh phi tuyến (đẩy dần)...................................................49

2.1.5 Phương pháp tích phân theo lịch sử thời gian............................................51
2.2 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO UBC 1997........................52
2.2.1 Một số khái niệm.......................................................................................52
2.2.2 Phương pháp tính theo tĩnh lực ngang tương đương.................................56
2.2.3 Phương pháp phổ phản ứng.......................................................................59
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU
TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN TCVN 9386:2012 VÀ TIÊU
CHUẨN UBC 1997...............................................................................................62

3.1 VÍ DỤ TÍNH TOÁN.......................................................................................62
3.1.1 Ví dụ 1: Tính toán động đất nhà 15 tầng...................................................64
3.1.2 Ví dụ 2: Tính toán động đất nhà 25 tầng...................................................64
3.1.3 Ví dụ 3: Tính toán động đất nhà 35 tầng...................................................64
3.1.4 Ví dụ 4: Tính toán động đất nhà 45 tầng...................................................64
3.1.5 Ví dụ 5: Tính toán động đất nhà 55 tầng...................................................64
3.2 BIỂU ĐỒ MÔ MEN, LỰC CẮT...................................................................65
3.2.1 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 15 tầng.........................65
3.2.2 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 25 tầng.........................66
3.2.3 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 35 tầng.........................68
3.2.4 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 45 tầng.........................69
3.2.5 Biểu đồ phân bố lực tầng, lực cắt, mô men - Nhà 55 tầng.........................71
3.2.6 Nhận xét biểu đồ.......................................................................................72
3.3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................73
KẾT LUẬN...........................................................................................................73
KIẾN NGHỊ..........................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO


PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1
Bảng 1.2
Bảng 1.3
Bảng 1.4
Bảng 1.5
Bảng 2.1

Bảng 2.2
Bảng 2.3
Bảng 2.4
Bảng 2.5
Bảng 2.6
Bảng 2.7
Bảng 2.8
Bảng 2.9
Bảng
2.10
Bảng 2.11

Một số công trình nhà cao tầng đã được ở nước

5

ta hiện nay
Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi
Thang cường độ động đất JMA
Thang cường độ động đất MSK -64
Đặc trưng cấp cường độ động đất theo thang

14
15
16

MSK – 64
Phân loại nền đất
Giá trị giới hạn trên của hệ số ứng xử q cho hệ


34

17

38

kết cấu thông thường
Giá trị của các tham số S, TB, TC, TD, TE và TF
Các giá trị cho công trình
Giá trị của  để tính toán Ei
Bảng phân vùng động đất
Phân loại nền
Hệ số tầm quan trọng
Hệ số động lực của đất nền Ca

43
44
44
53
54
54
55

Hệ số động lực của nền Cv

55

Giá trị của hệ số của chu kỳ cơ bản gần đúng

59



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
8

Hình 1.1
Hình

Vị trí phát sinh động đất
Bản đồ phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam Chu kỳ

1.2
Hình

lặp 500 năm cho đất, nền loại A
Dao động của hệ 1 bậc tự do dưới tác dụng của gia tốc nền

1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình

u0 (t )

Đồ thị minh họa về phổ phản ứng gia tốc của kết cấu
Hệ n bậc tự do
Dạng của phổ phản ứng đàn hồi
Phổ chuyển vị


25
26
41
42

2.3:
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình

Biểu đồ quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị đỉnh

50

Đường quan hệ lực – biến dạng đối với khớp dẻo
Bản đồ phân vùng động đất theo UBC 1997

51
53

Sơ đồ tính

63

3.1
Hình

Nhà 15 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo


3.2
Hình

PP tĩnh lực ngang tương đương
Nhà 15 tầng: biểu đồ phân bố lực cắt tại các tầng (theo PP

3.3
Hình

tĩnh lực ngang tương đương)
Nhà 15 tầng: biểu đồ phân bố lực mô men tại các tầng (theo

3.4

PP tĩnh lực ngang tương đương)
Nhà 25 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo

Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình
3.10
Hình 3.11

PP phổ
Nhà 25 tầng: biểu đồ phân bố lực cắt tại các tầng theo PP phổ
Nhà 25 tầng: biểu đồ phân bố lực mô men tại các tầng theo
PP phổ

Nhà 35 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo
PP phổ
Nhà 35 tầng: biểu đồ phân bố lực cắt tại các tầng theo PP phổ
Nhà 35 tầng: biểu đồ phân bố lực mô men tại các tầng theo
PP phổ
Nhà 45 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo
PP phổ

21
24

66
66
67
68
68
69
69
70
70
70


Hình
3.12
Hình

Nhà 45 tầng: biểu đồ phân bố lực cắt tại các tầng theo PP phổ
Nhà 45 tầng: biểu đồ phân bố lực mô men tại các tầng theo


3.13
Hình

PP phổ
Nhà 55 tầng: biểu đồ phân bố lực động đất lên các tầng theo

3.14
Hình

PP phổ

3.15
Hình
3.16

Nhà 55 tầng: biểu đồ phân bố lực cắt tại các tầng theo PP phổ
Nhà 55 tầng: biểu đồ phân bố lực mô men tại các tầng theo
PP phổ

71
71
72
72
73


1

MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề

Động đất là tác động tự nhiên ảnh hưởng lớn đến công trình xây dựng và các
kết cấu hạ tầng kỹ thuật v.v. Đây là một trong những thiên tai để lại hậu quả nặng nề
về con người lẫn kinh tế ở nhiều nước trên thế giới. Đối với các khu vực đô thị lớn
đông dân, động đất lớn sinh ra sẽ gây thiệt hại nhiều về người, tài sản và cơ sở hạ
tầng kỹ thuật. Quá trình phát triển của xã hội, trong các thập niên gần đây, ở nước ta
ngày càng có nhiều công trình cao tầng xây dựng với quy mô và tầm quan trọng
lớn. Vì vậy, việc tính toán thiết kế cho các công trình chịu tác động động đất là cần
thiết.
Theo quyết định số 09/2005/QĐ-BXD [1] ngày 07 tháng 4 năm 2005 của Bộ
Xây dựng [1], việc thiết kế chịu động đất cho các công trình xây dựng ở Việt Nam
có thể thực hiện theo tiêu chuẩn nước ngoài. Trước năm 2006, thiết kế kháng chấn
thường được sử dụng ở nước ta là tiêu chuẩn SNIP II-7-81* [3] của Liên Xô (cũ)
hay Liên bang Nga ngày nay, tiêu chuẩn UBC 1997 [4] tuy được thay thế bằng tiêu
chuẩn IBC 2006 (ASCE7-05) [5] của Hoa Kỳ nhưng vẫn được dùng để tính toán
cho một số nhà cao tầng ở nước ta như Keangnam Ha Noi Landmark Tower, Lotte
Center Ha Noi, The One. Ở nước ta hiện nay tải trọng động được thiết kế theo là
tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 [6] nay đổi thành tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [6]
được chuyển dịch trên cơ sở tiêu chuẩn EN 1998-1:2005 [7]. Tiêu chuẩn TCVN
9386:2012 là tiêu chuẩn chính thống của nước ta áp dụng trên phạm vi cả nước về
thiết kế kết cấu chịu động đất.
Tuy nhiên, đối với các công trình cao tầng có chu kỳ dao động riêng cơ bản
lớn hơn 4s, việc lựa chọn tiêu chuẩn và tính toán tác động động đất lên công trình
hiện nay còn gặp nhiều khó khăn. Tiêu chuẩn SNIP II7-81* của Nga áp dụng cho
công trình cao dưới 75m, đối với các công trình có chiều cao lớn hơn 75m thì tính
toán rất phức tạp. Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 áp dụng cho các công trình có chu
kỳ dao động cơ bản < 4s, còn trên 4s thì phải xây dựng phổ chuyển vị. Tiêu chuẩn


2
UBC 1997 cho phép tính toán công trình có chu kỳ dao động đến 10s. Do đó, tiêu

chuẩn TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997 được lựa chọn do có thể tính toán
cho công trình có chu kỳ dao động lên đến 10s (nhà từ 60 đến 100 tầng). Tiêu chuẩn
UBC 1997 được biên soạn và áp dụng ở Mỹ nên có những đặc trưng khác với Việt
Nam, đặc biệt là số liệu đầu vào để xác định tải trọng động đất. Tiêu chuẩn TCVN
9386:2012 sử dụng đầu vào là đỉnh gia tốc nền tham chiếu chu kỳ lặp 500 năm trên
nền loại A. Chính vì thế, mục tiêu của luận văn này là việc tính toán nhà cao tầng
chịu động đất theo TCVN 9386:2012 và UBC 1997 như thế nào khi áp dụng đầu
vào động đất là đỉnh gia tốc nền tham chiếu a gR của Việt Nam. Mục tiêu này có y
nghĩa thực tiễn khi thiết kế các kết cấu cao tầng có chu kỳ dao động riêng cơ bản
lớn hơn 4s (cao hơn 40 tầng).
Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết của luận văn
Việc tính toán tác động của tải trọng động đất lên nhà cao tầng là quan trọng
nhằm đảm bảo an toàn cho công trình. Song tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam
TCVN 9386:2012 cho công trình có chu kỳ dao động cơ bản lớn hơn 4s còn ít áp
dụng. Trước đây hầu hết các quy trình tính toán đang được áp dụng đều do các kỹ
sư tự tìm hiểu và nghiên cứu trong các tiêu chuẩn nước ngoài như tiêu chuẩn Hoa
Kỳ UBC 1997. Do đó việc tính toán nhà cao tầng chịu động đất theo TCVN
9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997 như thế nào và số liệu đầu vào lấy theo TCVN
9386:2012 hay QCVN 02:2009/BXD [2] ra sao là hết sức cần thiết.
Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích của đề tài là nghiên cứu, tính toán tác động (lực) động đất theo tiêu
chuẩn TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997 cho một số công trình bê tông cốt
thép (BTCT) cụ thể có chu kỳ dao động lớn hơn 4s (trên 40 tầng), từ đó rút ra những
nhận xét và kiến nghị khi tính toán động đất theo TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn
UBC 1997 đối với nhà và công trình xây dựng ở Việt Nam trong trường hợp cần
thiết phải áp dụng tiêu chuẩn này.
Nội dung nghiên cứu của luận văn


3

Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm:
- Nghiên cứu phương pháp tính toán động đất trong TCVN 9386:2012 và
UBC 1997:
+ Số liệu đầu vào của hai tiêu chuẩn;
+ Vùng động đất;
+ Một số loại nền cơ bản;
+ Hệ số tầm quan trọng (I);
+ Hệ số ứng xử (q);
+ Hệ số giảm cường độ (R);
+ Phổ phản ứng.
- Xây dựng phổ đàn hồi cho công trình có chu kỳ dao động cơ bản > 4s thông
qua phổ chuyển vị theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012.
- Xây dựng phổ thiết kế theo tiêu chuẩn UBC 1997.
- Cách phân bố lực động đất theo chiều cao và giới hạn của phương pháp lực
tĩnh ngang tương đương.
- Tính toán các ví dụ;
- Các kết luận và kiến nghị.
Giới hạn nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu phương pháp tính toán tải trọng động đất theo phương
ngang đối với kết cấu nhà cao tầng theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 & tiêu chuẩn
UBC 1997.
Đối tượng nghiên cứu
- Kết cấu nhà cao tầng chịu tác động động đất.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu ly thuyết để hiểu rõ bản chất của phương pháp tính động đất
theo TCVN 9386:2012 & tiêu chuẩn UBC 1997, từ đó có thể áp dụng vào thiết kế
công trình.
- Thu thập các thông tin, số liệu về tính toán nhà cao tầng hiện nay.
- Nghiên cứu ly thuyết bằng mô hình số, phương pháp phần tử hữu hạn.



4
- Áp dụng tính toán một số công trình cụ thể.
Cấu trúc luận văn
Trên cơ sở mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu, ngoài phần mở đầu, phần kết
luận và tài liệu tham khảo, luận văn sẽ được bố trí thành 3 chương. Cụ thể như sau:
Chương I: Tổng quan về động đất và sự cần thiết phải tính toán động đất
trong nhà cao tầng ở nước ta.
Chương II: Các phương pháp tính toán công trình chịu động đất theo TCVN
9386:2012 & UBC 1997.
Chương III: Tính toán nhà cao tầng chịu tải trọng động đất bằng phương
pháp phổ phản ứng TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn UBC 1997.
Kết luận & kiến nghị


5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT
1.1 KHÁI NIỆM VỀ NHÀ CAO TẦNG
1.1.1 Một số khái niệm cơ bản về nhà cao tầng
Theo khái niệm cơ bản được quy định trong TCXDVN 323:2004 [5], nhà cao
tầng là công trình (nhà) có chiều cao từ 9 đến 40 tầng. Ở nước ta hiện nay đã và
đang xây dựng các công trình có chiều cao trên 40 tầng. Trên thế giới mỗi quốc gia
có cách khái niệm nhà cao tầng của riêng mình. Với sự phân loại hiện nay của nhiều
nước thì nhà cao tầng được chia theo số tầng cao đạt được theo các cấp 9 -15 tầng,
15 - 25 tầng, 25 - 40 tầng và trên 40 tầng thì được gọi là nhà chọc trời (nhà siêu cao
tầng). Theo sự phân loại trên thì ở Việt Nam đã có nhà chọc trời (tòa tháp
Keangnam ở Hà Nội, tháp Bitexco Tower ở TP Hồ Chí Minh, tòa nhà The One…).
Bảng 1.1: Một số công trình nhà cao tầng đã được ở nước ta hiện nay
Thứ

tự
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Tòa nhà
Tháp Keangnam Ha Noi Tower
Tháp Financial Tower
Tòa tháp The One
Tòa tháp Lotte Center HaNoi
Landmark 81
Saigon Time Square
Saigon Pearl
Vietcombank Tower
Landmark 2
Park 6

Thành
Phố
Hà Nội
HCM
HCM
Hà Nội

HCM
HCM
HCM
HCM
HCM
HCM

Chiều
cao
(m)
336
262
240
265
461
163.5
135
206
184.5
181.5

Số
tầng
72
68
55
65
81
40
38

40
52
51

Năm
hoàn
thành
2011
2010
2014
2012
2009
2015
-

1.1.2 Sự cần thiết phải tính toán tải trọng động đất cho nhà cao tầng ở Việt Nam
a) Tải trọng động đất theo tiêu chuẩn qui định


6
Theo tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng TCXD 198:1997 [4], đối với những
công trình nhà cao tầng (theo qui định từ 9 tầng trở lên) trong thiết kế xây dựng, nhà
thầu tư vấn ngoài việc tính toán tải trọng tĩnh tải, hoạt tải (tải trọng đứng) còn phải
tính toán 2 loại tải trọng rất cùng quan trọng là tải trọng gió và tải trọng động đất
(tải trọng ngang) vì đối với kết cấu cao tầng thì ảnh hưởng của tải trọng ngang được
xem là nổi trội hơn so với tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng. Việc tính toán
tải trọng ngang là một trong những yêu cầu bắt buộc khi thiết kế các công trình cao
tầng. Do đó, công trình xây dựng nào nằm ở vùng có phân vùng tác động gió thì
phải tính toán tải trọng gió, phân vùng động đất thì phải tính toán tải trọng động đất.
Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [3] đã đưa ra bản đồ phân vùng gia tốc nền

trên lãnh thổ Việt Nam chu kỳ lặp 500 năm trên đất nền loại A. Theo bản đồ này, giá
trị gia tốc nền tham chiếu (a g) được chia thành các khoảng nhỏ hơn 0,04g; 0,04g –
0,08g và lớn hơn 0,08g tương ứng với các trường hợp động đất rất yếu, động đất
yếu và động đất mạnh.
Thiết kế chịu động đất (kháng chấn) là một trong những yếu tố quan trọng và
thường được yêu cầu trước khi xây dựng các công trình cao tầng. Tùy từng loại
công trình để phân cấp từng mức độ hay tầm quan trọng theo yêu cầu kháng chấn
khác nhau.
Với kết quả nghiên cứu này đã khẳng định: thiết kế kháng chấn cho các công
trình nằm trong vùng chịu ảnh hưởng động đất ở Việt Nam là cần thiết để đảm bảo
an toàn tính mạng cho nhân dân, tài sản của người dân và xã hội.
b) Tình hình áp dụng tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn ở Việt Nam
Sự cần thiết phải thiết kế kháng chấn cho các công trình ở Việt Nam đã được
đặt ra từ lâu, nhưng do hệ thống tiêu chuẩn chưa đồng bộ, nên trước đây, thiết kế
kháng chấn chỉ đặt ra đối với các công trình quan trọng hoặc có y nghĩa về mặt lịch
sử như: Nhà máy thủy điện Thác Bà, Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh, cầu Thăng Long,
nhà máy thủy điện Hòa Bình… Hầu hết các công trình được thiết kế kháng chấn
đều ở khu vực miền Bắc. Ở miền Nam, phần lớn các công trình được xây dựng
trước đây đều ít quan tâm đến vấn đề kháng chấn. Việc tính toán thiết kế kháng


7
chấn cho công trình ở Việt Nam trước đây chủ yếu dựa vào các tiêu chuẩn của nước
ngoài như: tiêu chuẩn SNIP II – 7 – 81* [18] của Liên Xô (cũ), Quy phạm động đất
của Mỹ (UBC – 85, UBC – 88, UBC – 91 và UBC – 97). Do tiêu chuẩn thiết kế
kháng chấn SNIP II – 7 – 81* tương đối thích hợp với hệ thống tiêu chuẩn thiết kế
hiện hành của Việt Nam nên thường được các nhà thiết kế dùng nhiều. Các nội dung
chính của tiêu chuẩn SNIP II – 7 – 81* cũng đã được đưa vào phần thiết kế kháng
chấn trong tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng TCXD 198:1997 [4].
Trước yêu cầu cần phải có một tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn trên toàn lãnh

thổ Việt Nam, Bộ Xây dựng đã chỉ đạo cho Viện KHCN Xây dựng biên soạn và cho
ban hành tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 nay là tiêu chuẩn TCVN 9386:2012.
c) Việc áp dụng tiêu chuẩn UBC 1997 cho tính toán động đất nhà cao tầng ở
Việt Nam
Từ những văn bản pháp qui và hệ thống tiêu chuẩn kháng chấn đang được áp
dụng tại Việt Nam có thể rút ra một số nhận xét sau:
- Tiêu chuẩn SNiP II-7-81* (trước đây) cũng như SNiP II-7-81* (hiện nay) [18]
của Nga áp dụng cho thiết kế kháng chấn công trình cao dưới 75m, đối với các công
trình có chiều cao lớn hơn 75m chưa có qui định trong tiêu chuẩn này.
- Tiêu chuẩn UBC 1997 [11]: Với phương pháp phổ phản ứng có thể tính toán
cho nhà có chu kỳ dao động lên đến 10s (tương đương nhà 100 tầng) bằng bê tông
cốt thép. Một số nhà cao tầng ở nước ta và trên thế giới hiện nay như tháp Burj
Khalifa cao nhất thế giới vẫn được tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn UBC 1997.
- Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [3]: áp dụng cho các công trình có chu kỳ dao
động < 4s (dưới 40 tầng), còn trên 4s thì phải xây dựng phổ chuyển vị, sau đó
chuyển ngược lại phổ gia tốc trừ Singapore xây dựng riêng phổ gia tốc cho nhà tới
trên tầng cũng theo EN 1998. Như vậy, với các công trình lớn hơn 40 tầng có thể
tính theo TCVN 9386:2012.
- Tiêu chuẩn IBC 2006/ASCE7-05 [10]: là tiêu chuẩn mới của Mỹ áp dụng tính
toán cho các công trình có chu kỳ giao động lên đến 10s. Song tiêu chuẩn IBC
2006/ASCE7-05 được biên soạn và áp dụng ở Mỹ nên có những đặc trưng khác với
Việt Nam, đặc biệt là đầu vào để xác định tải trọng động đất. Tiêu chuẩn TCVN
9386:2012 sử dụng đầu vào là đỉnh gia tốc nền tham chiếu chu kỳ lặp 500 năm trên


8
nền loại A. Trong khi đó IBC 2006/ASCE7-05 sử dụng phân vùng động đất với các
phổ gia tốc chu kỳ ngắn 0,2s và chu kỳ dài 1s trên nền đá loại B chứ không phân
vùng trên đỉnh gia tốc nền. Chính vì thế, việc áp dụng tiêu chuẩn IBC 2006/ASCE705 tương đối phức tạp.
1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT

1.2.1 Một số khái niệm cơ bản về động đất
Nguyên nhân gây ra động đất (ở đây chỉ xét đến động đất kiến tạo) là do hiện
tượng dao động rất mạnh nền đất gây ra bởi một sự giải phóng năng lượng đột ngột
trong vỏ quả đất, gây nên những chấn động của nền đất. Các chấn động này tạo nên
các lực động đất hay còn gọi là tác động động đất [8].
Tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát sinh ra năng lượng về mặt ly
thuyết, được quy về một điểm gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt
quả đất gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm gọi là độ sâu chấn
tiêu (H). Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan trắc gọi là tiêu cự hay khoảng
cách chấn tiêu (R), khoảng cách từ chấn tâm đến điểm quan trắc gọi là khoảng cách
chấn tâm (L).

Hình 1.1: Vị trí phát sinh động đất [8]
1.2.2 Các đặc trưng của chuyển động nền đất
Khi động đất xẩy ra, chuyển động của bất kỳ hạt vật chất nào trong nền đất


9
đều theo một quỹ đạo rất phức tạp 3 chiều với gia tốc, vận tốc và chuyển vị thay đổi
nhanh chóng trong một giải tập hợp tần số rộng. Chuyển động của nền đất trong các
trận động đất khác nhau là khác nhau. Điều này gây rất nhiều khó khăn trong việc
xác định một cách đầy đủ và chính xác các đặc trưng của chuyển động nền. Trong
số các đặc trưng của chuyển động nền khi động đất xảy ra, các đặc trưng sau đây có
y nghĩa qua trọng trong thiết kế kháng chấn công trình: Biên độ dao động của
chuyển động nền, khoảng thời gian kéo dài của chuyển động, nội dung tần số [8].
Mỗi đặc trưng đều có ảnh hưởng tới phản ứng của công trình. Trước hết, biên
độ lớn nhất của chuyển động nền ảnh hưởng tới biên độ dao dộng của công trình.
Khoảng thời gian kéo dài của các chuyển động có hệ quả quan trọng tới mức độ tàn
phá của chuyển động nền lên công trình. Nội dung tần số và hình dạng phổ liên
quan tới tần số hoặc chu kỳ dao động của công trình. Khi nội dung tần số gần trùng

với tần số dao động riêng của công trình thì sẽ dẫn đến hiện tượng cộng hưởng.
- Biên độ lớn nhất của chuyển động nền
Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất được thể hiện dưới dạng đỉnh của
chuyển động nền (gia tốc, vận tốc và chuyển vị đỉnh). Các thông tin mà chúng ta
thu thập được dựa trên cơ sở số ghi địa chấn là gia tốc lớn nhất hoặc gia tốc đỉnh
của nền đất. Các nhà khoa học đã nghiên cứu để thiết lập mối quan hệ giữa đỉnh gia
tốc nền với cường độ động đất. Quan hệ này mang tính chất gần đúng, chưa đạt
được độ chính xác cần thiết nhưng nó có ích trong việc xác định đỉnh gia tốc nền
khi biết thông tin về cường độ của các trận động đất đã xảy ra. Trong thiết kế đỉnh
gia tốc nền theo phương thẳng đứng thường ít được quan tâm hơn so với đỉnh gia
tốc nền theo phương nằm ngang. Đỉnh gia tốc nền theo phương ngang thường được
sử dụng để biểu thị đặc trưng biên độ chuyển động của nền đất. Do vận tốc ít nhạy
cảm ở nền đất có tần số cao nên nó thường được dùng để biểu thị đặc trưng biên độ
ở chuyển động nền ở các tần số trung bình. Chuyển vị đỉnh thường ít được sử dụng
để biểu thị biên độ chuyển động của nền do khó khăn trong việc xác định chúng từ
các tín hiệu ghi được [8].
- Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động


10
Khoảng thời gian kéo dài chuyển động của nền đất là khoảng thời gian cần
để giải phóng lượng năng lượng biến dạng tích lũy dọc theo đứt gẫy. Khi chiều dài
hoặc diện tích mặt phá hủy của đứt gẫy tăng, thời gian cần để phá hoại đứt gẫy cũng
tăng. Do đó, khoảng thời gian kéo dài chuyển động của nền đất tăng cùng với sự gia
tăng độ lớn của động đất.
Khoảng thời gian kéo dài chuyển động của nền đất ảnh hưởng lớn tới sự phá
hoại do động đất gây ra. Nhiều quá trình vật ly xảy ra như sự suy giảm độ cứng và
cường độ của một số loại kết cấu, ... nhạy cảm với chu kỳ chất tải đổi chiều xuất
hiện trong thời gian xảy ra động đất [8].
- Nội dung tần số của gia tốc nền

Hoạt động địa chấn gây ra tải trọng phức tạp với các thành phần chuyển
động dàn trải trong một miền tần số rộng. Nội dung tần số mô tả cách thức phân bố
biên độ chuyển động nền đất giữa các tần số khác nhau. Nội dung tần số của gia tốc
đồ được xác định kheo nhiều cách khác nhau:
Đếm tổng số chu kỳ và chia khoảng thời gian kéo dài của ghi chấn;
Vẽ phổ phản ứng của gia tốc đồ biểu diễn các phản ứng cực đại của tập hợp
các con lắc có các chu kỳ dao động và hệ số cản tới hạn khác nhau;
Dùng phép biến đổi Fourier để biến chuyển động từ phạm vi thời gian sang
phạm vi tần số. Dựa trên cách biến đổi này có thể mô tả được các đặc trưng của nội
dung tần số.
Phổ Fourier [8]
Biến đổi Fourier F() của một gia tốc đồ a(t) được thực hiện theo biểu thức:
t0
F ( )  �a(t )e it dt
0

( i  1 )

Trong đó t0 là thời gian kéo dài của gia tốc đồ. Phổ biên độ Fourier, hoặc gọn
hơn phổ Fourier FS() được định nghĩa là căn bậc hai của tổng các bình phương
của phần ảo và phần thực F(), biểu diễn sự phân bố theo tần số  năng lượng chứa


11
trong gia tốc đồ:
2
2
t
t
��

� �
��
FS ( )  ��
a ( ) cos( )d � �
a( )sin( ) d ��
�
�
��
0
0
� �
��
�
�
0

0

Do a() có đơn vị gia tốc nên FS() có đơn vị vận tốc. Phổ Fourier được
dùng để mô tả các đặc trưng chuyển động của nền đất.
Khi tác động lên chân của hệ có một bậc tự do không lực cản một gia tốc
a(t), phản ứng của hệ và phổ Fourier có một mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Phương
trình chuyển động của hệ được viết như sau:
&
x&
(t )   2 x(t )  a (t )

x&
(t ) lần lượt là chuyển vị và gia tốc tương đối;
Ở đây: x(t) và &

 là tần số dao động riêng của hệ.
Sử dụng tích phân Duhamel có thể thiết lập được biểu thức phản ứng của hệ
trong gian đoạn bình ổn như sau:
t0

1
x(t )  �
a ( )sin  (t   )d
0
Từ biểu thức trên có thể xác định vận tốc chuyển động tương đối của hệ:
t0

x&(t )  �
 a ( )cos  (t   ) d
0

Tổng các động năng và năng lượng biến dạng trên một đơn vị khối lượng ở
cuối thời gian kéo dài chuyển động t0 của hệ là E(), ta có:
t0

&
& 2
E ( )  �
xdt
0

x 2 (t0 ) 1 2
 �
x&(t0 )   2 x 2 (t0 ) �
�

�
2
2

Đưa các biểu thức chuyển vị, vận tốc chuyển động tương đối vào hệ E() ta
2
2
t
t
�
� �
��
��
�
a ( )cos  (t0   )d � �
a ( )sin  (t0   )d ��
có: E ( )  ��
�
�
0
0
� �
��
��
0

0

Khai triển biểu thức trên, thay biến  bằng t được:



12
2
2
t
t
� �
��
1�
��
�
E ( )  ��
a (t ) cos tdt � �
a (t )sin tdt ��
�
�
2 �
0
� �
��
�0
0

Từ đây ta thấy: E ( ) 

0

1
2
 FS ( ) 

2

Qua đây cho thấy ở cuối khoảng thời gian kéo dài của chuyển động, năng
lượng toàn phần trên đơn vị khối lượng của hệ có một bậc tự do dao động tự do với
tần số  bằng một nửa bình phương phổ Fourier tại cùng một tần số.
Phổ năng lượng [8]

0
Từ phổ Fourier nghịch đảo ta được: a (t )  �F ( )eit d 
0
Ở đây 0 là tần số lớn nhất trong chuỗi Fourier
Cường độ hoặc năng lượng toàn phần của một chuyển động địa chấn trong
khoảng thời gian t0 là phần diện tích dưới gia tốc bình phương theo lịch sử thời
t0
gian: I  �a 2 (t )dt
0
Theo Parseval thì cường độ động đất còn biểu thị trong phạm vi tần số:
1 0 2
I
�F ( )d 
 0
Cường độ toàn phần I trên đơn vị thời gian hay cường độ trung bình 0 được
xác định bằng cách chia cường độ toàn phần cho khoảng thời gian kéo dài t0 ta được:
t
1 2
1 0 2
0  �
a (t )dt 
�F ( )d 
t0 0

 t0 0
0

Phổ năng lượng hoặc mật độ phổ năng lượng G() được xác định sao cho:

0
0  �G ( )d 
0


13

Dễ nhận thấy: G ( ) 

1 2
F ( )
 t0

Thực tế mật độ phổ năng lượng của chuyển động nền đất được xác định bằng
cách lấy trung bình cộng các mật độ phổ năng lượng theo thời gian của N gia tốc đồ
đại diện:
G ( ) 

1 N
�Gi ( )
N i 1

Trong đó Gi(): phổ năng lượng của ghi chấn i.
1.2.3 Đánh giá độ mạnh của động đất
- Trong thiết kế kháng chấn, việc đánh giá độ mạnh của động đất rất quan

trọng, hiện nay độ mạnh của động đất được đánh giá qua:
Thang cường độ động đất;
Thang độ lớn động đất.
- Thang cường độ động đất [8]:
Cường độ động đất biểu thị độ mạnh hay sức tàn phá của một trận động đất,
thang cường độ động đất là thước đo độ mạnh của động đất.
Một số thang cường độ động đất chính hiện nay đang được sử dụng như:
thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi, thang cường độ động đất JMA, thang
cường độ động đất MSK-64.
+ Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi (thang MM)
Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi được các nhà địa chấn học lập
California lập trên cơ sở thang độ đất Mercalli-Cancani-Sieberg. Thang cường độ
động đất Mercalli có 12 cấp, được thể hiện ở bảng sau:


14
Bảng 1.2: Thang cường độ động đất Mercalli sửa đổi [8]
Cường độ IMM
I
II

III

IV

V

VI

VII


VIII

IX
X
XI
XII

Mô tả tác động động đất
Con người không cảm nhận được, chỉ có các địa
chấn kế mới ghi nhận được.
Một số ít người sống ở các tầng trên của nhà
cảm nhận được hoạt động địa chấn, các vật treo
có thể dao động.
Một số người cảm nhận được hoạt động địa
chấn giống như rung động của ô tô chạy với tốc
độ cao gây ra. Xe ô tô đang đỗ bị dịch chuyển.
Tất cả mọi người trong nhà cảm nhận được hoạt
động địa chấn. Người đang ngủ bị thức giấc, ô
tô đang đỗ bị dịch chuyển mạnh.
Tất cả mọi người cảm nhận được hoạt động địa
chấn. Đồ đạc và giường ngủ bị lắc, đồ sứ bị vỡ,
trần thạch cao bị nứt.
Đa số người hoảng sợ chạy ra khỏi nhà. Chuông
kêu, con lắc đồng hồ bị dừng. Trần thạch cao rơi
xuống, ống khói lò sưởi bị hư hỏng. Nhà bị hư
hỏng nhẹ.
Tất cả mọi người chạy ra khỏi nhà. Nhà bị hư
hỏng phụ thuộc vào chất lượng xây dựng.
Các tường ngăn bị nứt, khung, tượng, tháp,

chuông bị đổ. Các vết nứt xuất hiện ở nền đất
dốc hoặc ẩm ướt; Đá trên núi rơi xuống. Lái xe
khó chịu
Nhà bị dịch chuyển khỏi móng, bị nứt, bị
nghiêng, đa số không sử dụng được. Nền đất bị
nứt hở ra. Các đường ống ngầm bị vỡ.
Nền đất bị trượt. Đường ray bị uốn cong. Các
công trình bằng khối xây bị đổ. Mặt đất mở ra.
Cầu bị đổ. Chỉ các công trình mới xây không bị
đổ nhưng thường bị hư hỏng nặng.
Các công trình do con người tạo ra bị phá hủy
hoàn toàn; địa hình bị thay đổi, các đứt gãy lớn
được tạo ra, các sông nhỏ bị đổi dòng.

+ Thang cường độ động đất JMA

Gia tốc cực đại
gần đúng của
nền đất (g)

< 0,003

0,003 - 0,007

0,007 – 0,015

0,015 – 0,030

0,030 – 0,070


0,070 – 0,150

0,150 – 0,300

0,300 – 0,700
0,700 – 1,50
1,50 – 3,00
3,00 – 7,00