Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7191:2002 Rung động và chấn động cơ học - công trình xây dựng - Hướng dẫn đo

• Số hiệu: TCVN7191:2002
• Loại văn bản: Tiêu chuẩn Việt Nam
• Nơi ban hành: Bộ Khoa học và Công nghệ
• Người ký: ***
• Ngày ban hành: Năm 2002

Loại rung động do các nguồn	Dải tần số Hz	Dải biên độ mm	Dải vận tốc mm/s	Dải gia tốc m/s^2	Đặc tính thời gian	Đại lượng đo
Giao thông đường bộ, đường sắt, truyền trong đất	1 - 80	1 - 200	0,2 - 50	0,2 - 50	C/T	pvth
Rung động do nổ truyền theo mặt đất	1 - 300	100-2500	0,2- 500	0,02- 50	T	Pvth
Đóng cọc truyền theo mặt đất	1 - 100	10 - 50	0,2 - 50	0,02 - 2	T	pvth
Thiết bị ở bên ngoài truyền theo mặt đất	1 - 300	10-1000	0,2 - 50	0,02 - 1	C/T	pvth/ath
Âm giao thông, thiết bị ở bên ngoài	10 - 250	1 - 1100	0,2 - 30	0,02 - 1	C	pvth/ath
Không khí quá áp suất	1 - 40				T	pvth
Thiết bị ở bên trong	1-1000	1 - 100	0,2 - 30	0,02 - 1	C/T	pvth/ath
Hoạt động của con người a) va chạm b) trực tiếp	0,1- 100 0,1 - 12	100-500 100-5000	0,2 - 20 0,2 - 5	0,02 - 5 0,02-0,2	T T	pvth/ath
Động đất	0,1 - 30	10 - 10^5	0,2- 400	0,02-20	T	pvth/ath
Gió	0,1 - 10	10 - 10^5			T	Ath
Âm ở bên trong	5 - 500
Chú thích C = liên tục (các loại đã đơn giản hoá, xem 3.1 và 3.2) T = tức thời pvth : vận tốc dao động hạt ath : gia tốc Chú thích 1) Các dải ở trên là cực trị nhưng có các giá trị có thể đo được thực tế. Các dải cực trị biên độ của độ dịch chuyển và của tần số không lấy từ vận tốc và gia tốc hạt. 2) Dải tần số ở trên liên quan đến đáp ứng của tòa nhà và các kết cấu nhà do loại kích thích đặc thù. Điều đó chỉ có tính biểu thị. 3) Các giá trị rung động trong các dải đã nêu có thể gây nên các lo âu. Không có tiêu chuẩn nào bao trùm các loại nhà, tình trạng nhà và thời gian tác dụng, nhưng có nhiều qui phạm quốc gia qui định ngưỡng của các tác động của các vận tốc hạt đỉnh tại các móng nhà có giá trị trên vài milimét trên giây. Xác suất các hư hại đáng kể liên quan đến vận tốc hạt đỉnh có giá trị vài trăm milimét trên giây. Các mức rung động thấp hơn ngưỡng cảm nhận con người (xem TCVN 6964-2) có thể liên quan đến sự khéo léo và phương pháp công nghiệp.

7 Vị trí và cách gắn đầu đo

7.1 Vị trí đo

7.1.1 Khái quát

Đặc trưng riêng về rung động của một công trình xây dựng đòi hỏi một số điểm đo, số lượng này phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của công trình xây dựng, tòa nhà.

Để xác định ảnh hưởng của rung động, nên chọn vị trí đo tại móng nhà. Nếu không thể đo trên móng nhà thì chọn điểm đo điển hình trên tường ngoài chịu lực chính ở độ cao sàn tầng trệt.

Việc đo rung động do giao thông, đóng cọc hay nổ mìn sinh ra, đặc biệt ở các khoảng cách xa cho thấy rung động có thể được khuyếch đại bên trong công trình và tỷ lệ với chiều cao nhà. Do đó cần tiến hành đo đồng thời tại vài điểm trong công trình xây dựng. Đo đồng thời trên móng và nền đất bên ngoài nhà thì sẽ thiết lập được hàm truyền.

Đối với tòa nhà cao hơn 4 tầng ( ≈ 12 m ) thì phải có các điểm đo thêm ở mỗi tầng và ở sàn cao nhất của tòa nhà.

Đối với tòa nhà dài hơn 10 m thì phải đặt các vị trí đo theo phương nằm ngang, cách nhau khoảng 10 m. Theo yêu cầu của cư dân và do quan sát ban đầu, có thể phải thực hiện các điểm đo bổ sung.

Để nghiên cứu các kiểu phân tích, việc chọn các vị trí đo tùy thuộc vào dạng biến dạng. Phần lớn các trường hợp thực tế, do giới hạn về kinh tế nên phải đồng nhất các dạng cơ bản và đo các đặc tính tối đa trong toàn kết cấu cùng với việc quan sát các thành phần như sàn, tường và cửa sổ.

...

...

...

Việc gắn đầu đo trong CTXD phụ thuộc vào đáp ứng rung động cần quan tâm. Như đã mô tả trong

7.1.1, để đánh giá rung động do các nguồn truyền trong đất tác động lên tòa nhà thì tốt nhất thực hiện các phép đo trên hoặc gần móng nhà. Việc xác định độ dịch chuyển của kết cấu hoặc biến dạng trượt của tòa nhà cần có các phép đo trực tiếp trên các thành phần chịu lực mà tạo nên độ cứng của kết cấu. Thường là phép đo theo ba phương ở các góc, mặc dù có thể bố trí các vị trí khác.

Đôi khi sự dao động của sàn hoặc tường có liên quan đến biên độ cực đại của các vị trí ở giữa kết cấu. Mặc dù đôi khi rất khắc nghiệt, nhưng những dao động này thường không liên quan đến toàn bộ kết cấu ^[11].

Việc khảo sát gắn với các nguồn bên trong tòa nhà thường gồm một giai đoạn thăm dò theo phương pháp thử và sai.

Trong trường hợp phép đo liên quan đến thiết bị sẽ được chế tạo, như khi kiểm tra máy tính, rơ le và của các thiết bị khác dễ bị ảnh hưởng do rung động thì phép đo phải phản ảnh được cả tình hình rung động ở đây. Điểm đo phải đặt bên trên móng hoặc tại móng hay trên khung thiết bị. Trong trường hợp này, nếu cần, nên tắt thiết bị khi đo.

Trong trường hợp phép đo liên quan đến rung động truyền theo mặt đất, như đang nghiên cứu các nguồn rung động truyền trong đất, thì thông thường hướng đầu đo theo hướng nối giữa nguồn và đầu đo. Khi nghiên cứu đặc tính kết cấu do ảnh hưởng của rung động truyền theo mặt đất, trong thực tế hướng về các trục chính và phụ của kết cấu.Thông thường, nếu không thể đo trên móng nhà thì phải gắn đầu đo trên mặt đất.

Đo rung động ở trên hoặc ở dưới mặt đất có thể bị ảnh hưởng do sự biến đổi của biên độ sóng mặt theo độ sâu. Móng nhà có thể chịu tác động của những chuyển động khác nhau phụ thuộc vào chiều dài bước sóng, độ sâu móng và điều kiện địa chất.

Đối với rung động do gió thì có thể bỏ qua thành phần thẳng đứng và bố trí thiết bị đo kiểm tra có dao động quay và tịnh tiến.

7.2 Gắn đầu đo

...

...

...

Việc gắn đầu đo rung động lên các bộ phận rung động hoặc trong đất phải tuân theo ISO 5348, về đầu đo gia tốc. Mục đích là để phản ánh trung thực các dao động tại đó mà không có phản ứng bổ sung. Cần cẩn thận để tránh lung lay hoặc bị uốn cong khi lắp đặt theo 3 hướng.

Khối lượng đầu đo và máy đo kiểm tra (nếu có) không lớn hơn 10 % kết cấu xây dựng nơi gắn đầu đo. Việc gắn đầu đo càng nhẹ, và càng chắc chắn càng tốt.

Tránh các điểm đo trên công son. Tốt nhất là gắn 3 đầu đo loại một hướng đo vào 3 mặt của một khối lập phương kim loại được gắn bằng vít cấy hoặc bằng keo dính nhanh. Có thể gắn chắc đầu đo trên các kết cấu nhà bằng bu lông nở. Khi đo trên các kết cấu bê tông nhẹ, thì dùng thạch cao để kết dính.

Trong các trường hợp đặc biệt, cho phép dùng keo hoặc dùng nam châm để gắn đầu đo. Khi đo trong nhà trên các mặt phẳng nằm ngang có thể dùng băng dính 2 mặt trên các bề mặt khá cứng với gia tốc dưới 1 m/s^2 mặc dù cách gắn kiểu cơ học được ưu tiên hơn.

Tránh đo trên sàn nhà có phủ các loại vật liệu vì cho kết quả sai lệch. Khi không thể dịch chuyển đầu đo được thì phải tiến hành các phép đo so sánh với khối lượng và điều kiện kết dính của đầu đo khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ sàn.

7.2.2 Gắn trên mặt đất

Khi đo trên đất, có thể cố định đầu đo trên thanh thép cứng (có đường kính trên 10 mm) và được đóng qua lớp đất xốp. Thanh thép này không được nhô cao quá trên mặt đất vài milimét. Cần đảm bảo giữa đầu đo và đất có sự tiếp xúc tốt. Trong trường hợp gia tốc đo lớn hơn 2 m/s^2 thì phải đóng thanh thép vào đất chắc chắn để tránh trượt.

Để giảm thiểu sai lệch khi đầu đo phải gắn trực tiếp vào đất, đầu đo này phải được chôn sâu vào đất ở độ sâu ít nhất gấp ba lần kích thước chính của đầu đo/khối gắn đầu đo. Hoặc đầu đo có thể gắn cố định trên một tấm phẳng cứng với tỷ lệ khối lượng (m/rr^3) không lớn hơn 2, trong đó m là khối lượng của đầu đo và tấm phẳng và r là bán kính tương đương của tấm phẳng. Đa số các loại đất có khối lượng riêng, r, trong khoảng từ 1500 kg/m^3 đến 2600 kg/m^3.

8 Thu thập, loại bỏ và phân tích số liệu

...

...

...

Mục đích của phép đo là thu được thông tin đầy đủ để đánh giá phương pháp đã chọn được thực hiện với độ tin cậy cao (xem điều 9).

Lượng thông tin yêu cầu cho đặc trưng tính chất của rung động tăng lên theo độ phức tạp của rung động từ dao động tuần hoàn đơn giản đến dao động tĩnh ngẫu nhiên và dao động tức thời.

Hệ thống thu thập số liệu là đầy đủ để xác định một chuyển động tuần hoàn trong một dải tần số xác định có thể lại không đầy đủ để thiết lập thậm chí một chỉ số thông số đơn (thí dụ như vận tốc hạt đỉnh) đối với dao động phức tạp hơn.

8.2 Mô tả số liệu

Bất cứ số liệu nào thu được do quan sát một quá trình vật lý có thể được mô tả chung dưới dạng dao động xác định hay ngẫu nhiên. Có thể mô tả các thông số xác định bằng một hàm số toán học rõ ràng. Hình 1 minh hoạ các loại thông số có thể gặp. Việc mô tả về mỗi loại được nêu trong ISO 2041.

8.3 Phương pháp phân tích số liệu

Mặc dù các phân loại chính trình bày trên hình 1 không nêu số liệu nhưng loại phân tích vẫn rõ ràng. Nếu các số liệu được phân loại là xác định, thì phép phân tích đơn giản (giá trị hiệu dụng r.m.s., giá trị đỉnh-đỉnh, giá trị trung bình bình phương) là đủ.

Trong trường hợp đặc biệt đối với các số liệu xác định không tuần hoàn, phải xác định biên độ đỉnh mà không đặt điều kiện trước (mặc dù thành phần thẳng có thể được bù bằng phép phân tích một phần số liệu trước khi thu được tín hiệu). Chi tiết nêu trong ^[10] và ^[12]. Dải động học 40 dB là phù hợp cho nhiều mục đích, nhưng dải 50 dB hay được sử dụng hơn.

Phải thử các số liệu ngẫu nhiên ở chế độ tĩnh (xem ^[13] ).

...

...

...

9 Phương pháp đánh giá số liệu

9.1 Khái quát

Đánh giá các phép đo phải phản ảnh cả mục đích đo và loại khảo sát.

Sự phân tích phản ứng đầy đủ cho mục đích dự báo trước đòi hỏi thông tin về chi tiết và điều kiện kết cấu thường không thể có được. Do đó người nghiên cứu cần có phương pháp thích hợp để đánh giá mức tối đa của rung động lên kết cấu có khả năng dẫn đến hư hỏng. Khi đánh giá cần chú ý các yếu tố sau:

a) tần số cộng hưởng của kết cấu chính và các thành phần khác như tường, sàn, cửa sổ...;

b) đặc tính tắt chấn của kết cấu chính và các thành phần khác;

c) loại kết cấu, điều kiện và tính chất vật liệu;

d) đặc điểm phổ kết cấu;

e) đặc tính dao động;

...

...

...

g) đặc tính không tuyến tính của biên độ.

Mặc dù tiêu chuẩn này bước đầu đề cập đến đo đạc và đánh giá ảnh hưởng của rung động; nhưng khi đánh giá rung động phải nhớ thực hiện loạt công việc, xác định nguồn, đường truyền rung động, hàm chuyển đổi.

a/ Các số liệu xác định

b/ Các số liệu ngẫu nhiên

Hình 1 - Phân loại các kiểu số liệu

9.2 Các loại khảo sát

Đối với nhiều thông số cần quan tâm đã được liệt kê trong 9.1 từ a) đến g); thì việc chọn thiết bị, vị trí đo trong CTXD, loại thiết bị ghi, số lượng kênh dữ liệu hoặc điểm đo mong muốn, thời gian quan trắc hiện tượng, và tốc độ thu thập số liệu sẽ được quyết định ngay. Những điểm chung về yêu cầu thiết bị trong điều 6 và Phụ lục C đưa ra để dễ dàng chọn lọc thiết bị cho những yêu cầu đặc biệt. Ngoài ra, vấn đề quan trọng là nêu rõ được mức độ phức tạp trong khảo sát. Các thiết bị nào xác định được đặc điểm môi trường rung động bằng một đại lượng đơn như những đại lượng liên quan với phản ứng của con người và điều kiện máy móc, thì có thể dùng để khảo sát sơ bộ miễn là với những đặc tính tần số giới hạn được xem xét đến. Trong tiêu chuẩn này, những vấn đề cần xem xét là: đánh giá sơ bộ, chương trình quan trắc, khảo sát ngoài hiện trường và phân tích kỹ thuật chi tiết.

...

...

...

Thông thường, cần tiến hành đánh giá về những vấn đề về rung động trong phòng thí nghiệm trước khi đo đạc tại hiện trường. Có thể dùng các phương pháp thực nghiệm để ước lượng đặc tính với điều kiện các số liệu về thông số nguồn và đặc trưng của công trình xây dựng như tần số cơ bản và độ tắt chấn là có sẵn.

9.2.2 Quan trắc thăm dò

Phép đo được giới hạn để đo rung động đối với công trình xây dựng hoặc trên một vùng đất có thể chỉ ra sự tồn tại của những vấn đề yêu cầu phải khảo sát thêm. Sai số lớn là rất phổ biến và việc này cần phải được xem xét (xem đoạn cuối của 9.2.3).

9.2.3 Khảo sát hiện trường

Việc khảo sát hiện trường tại một số vị trí đo (xem 7.1) nhằm đánh giá giá trị cực trị của rung động để so sánh với các giá trị qui định trong qui phạm hoặc tiêu chuẩn.

Trong trường hợp rung động lặp lại trong khoảng thời gian đủ để khảo sát thì có thể sử dụng các đầu đo giống nhau tại các điểm khác nhau trên móng nhà gần nguồn.

Trong quan trắc thăm dò (xem 9.2.2) và khảo sát tại hiện trường, các phép đo phải được dùng với độ chính xác thích hợp với độ bất định trong chỉ số rung động và mối tương quan thực nghiệm đã sử dụng.

Thông thường, các chỉ số thông số đơn như vận tốc hạt đỉnh hoặc gia tốc đỉnh và các giá trị hiệu dụng chỉ cần biết trong khoảng ±10 % với mức tin cậy 68 % .

9.2.4 Phân tích kỹ thuật

...

...

...

Thiết bị kiểm tra quá trình dao động phải lắp đặt ở một số vị trí để đảm bảo rằng các giá trị đặc trưng cho kết cấu đó không bị vượt quá.

Nếu xem xét đến chức năng truyền dao động từ đất sang móng thì cần tiến hành đo ghi đồng thời cả bên ngoài và bên trên móng. Vị trí đo ghi trên móng là ở điểm trên tường chính ở độ cao sàn tầng trệt hay nền nhà.

Số lượng và vị trí điểm đo phải được xác định và thay đổi theo đặc điểm của tòa nhà và sự quan sát trong quá trình kiểm tra đo đạc.

Nếu có thể, phải xác định các tần số tự nhiên của tòa nhà.

Trong trường hợp rung động có thể lặp lại trong khoảng thời gian khảo sát, thì sử dụng các đầu đo giống nhau tại các điểm khác nhau trên móng nhà gần nguồn.

Đối với những kết cấu trọng yếu, cần tiến hành phân tích cũng như ước lượng tải trọng kết cấu. Việc phân tích kỹ thuật đầy đủ cần một hệ thống thiết bị có khả năng đánh giá tần số tới ± 1 % và độ tắt chấn tới ± 10 %.

9.3 Báo cáo về công việc kiểm tra

Mẫu báo cáo phải phù hợp với kiểu điều tra (xem 9.2), nhưng tối thiểu báo cáo này phải bao gồm các phần sau:

a) Phân tích rủi ro

...

...

...

2) Loại và điều kiện tòa nhà, phù hợp với Phụ lục A,

3) Mục đích đo đạc,

4) Viện dẫn tiêu chuẩn được sử dụng và loại điều tra nghiên cứu.

b) Đo đạc

1) Vị trí và cách gắn đầu đo.

2) Loại và cấu tạo đầu đo, thiết bị kiểm tra và ghi tín hiệu.

3) Các yếu tố hiệu chuẩn đối với hệ thống thiết bị đo.

4) Dải tần số và độ tuyến tính.

5) Đánh giá nguồn sai số.

...

...

...

- Để điều tra tiếp (xem 9.2.4) , thường xuyên ghi chép quá trình dao động.

c) Kiểm tra toà nhà

1) Kiểm tra tòa nhà trước khi chịu tác động của rung động, ghi chép bằng đồ thị các vết nứt và những hư hỏng khác.

2) Kiểm tra những tòa nhà tương tự sau khi chịu tác động của rung động.

3) Đánh giá những hư hỏng quan sát được. d) Viện dẫn những tiêu chuẩn liên quan khác.

9.4 Đánh giá để dự báo

Một tòa nhà có thể chịu tác động của nguồn mới, bên ngoài hoặc bên trong và cần đánh giá đặc tính rung động của tòa nhà. Đối với những tòa nhà quan trọng cần có những thông tin đầy đủ về các đặc tính của dao động và tính chất của kết cấu, phân tích bằng số khi dùng một hoặc các kỹ thuật phổ biến khác của phổ, đặc tính Fourier, phép lấy tích phân từng phần theo thời gian. Thay vì những đại lượng động học (độ dịch chuyển,vận tốc, gia tốc) (xem 9.6) có thể trình bày bằng số liệu thực nghiệm phù hợp cho từng loại nhà ^[7].

Một cách biểu diễn thuận lợi một rung động trong lĩnh vực tần số là “ phổ đặc tính ” được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật ^[7] ( xem IEC 68-2-27). Đối với trường hợp đặc biệt có độ tắt chấn bằng 0 , nó gần với phổ biên độ Fourier.

Phần lớn các trường hợp, các đặc tính của kết cấu được xác định là xấu dù các phương pháp thử động học được thực hiện. ^[7]

...

...

...

Đánh giá tình trạng rung động trong nhà có thể tiến hành với các mức chính xác khác nhau phù hợp với phương pháp nghiên cứu trình bày trong 9.2. Dấu hiệu của cực trị rung động có thể trong khoảng thời gian có ứng suất hay các đại lượng động học. Trong một vài trường hợp, việc quan sát trực tiếp vết nứt hở hay bị dãn nở cho thông tin giá trị về tính chất của kết cấu và có thể chỉ ra hư hỏng đang tíến triển_{.[15], [16]}

9.6 Các đại lượng động học là những giá trị cực trị của rung động trong kết cấu

Trong vài thập kỷ qua đã tiến hành nghiên cứu những cực trị của rung động của đại lượng như độ dịch chuyển đỉnh, vận tốc, gia tốc liên quan đến những ảnh hưởng lên kết cấu.

Khi phép đo được thực hiện trên một kết cấu, thì một đại lượng động học như vận tốc đỉnh biểu thị một ứng suất (xem phụ lục B) và lần lượt liên quan đến ứng suất cho phép. Khi đại lượng động học đáp ứng kết cấu toàn bộ được đo ở vài vị trí đã chọn thì tần số và độ tắt chấn của kết cấu, và khoảng thời gian ảnh hưởng đến cực trị của rung động. Đại lượng động học là một chỉ số thực nghiệm đặc trưng cho từng loại nhà (xem 3.3).

Một số tính toán của các yếu tố đó thể hiện trong việc sử dụng giá trị gia tốc hay vận tốc phổ đỉnh là chỉ số hư hỏng ^[6], [11] áp dụng cho nhà ít tầng (một đến ba tầng nhà) và cả tòa nhà ^[16].

Sự phụ thuộc của cực trị vào đáp ứng tần số của tòa nhà và tần số kích thích cũng được thừa nhận trong các hiệu chỉnh thực nghiệm mà được áp dụng cho các tòa nhà có dải tần số trượt cơ bản hữu hạn và nhận biết các phân loại cực trị khác nhau ở các dải tần số khác nhau. Một hướng dẫn chung về các mức rung động cho trong Bảng 1.

9.7 Những khía cạnh xác suất

Có bằng chứng ngày càng rõ là những chuẩn cứ liên quan đến rung động gây những ảnh hưởng thấy được trên tòa nhà (hư hỏng phần trang trí, hư hỏng nhẹ và nặng) phải được tiếp cận theo cách xác xuất.

Để có thể phối hợp giữa tuổi tác và điều kiện của tòa nhà, có thể không đưa ra được giới hạn thấp tuyệt đối về kinh tế.

...

...

...

Việc đánh giá đáp ứng của tòa nhà hoặc các thành phần của nhà có thể bằng cách đo đạc biến dạng cục bộ hay độ dịch chuyển tương đối (thí dụ việc kiểm tra vết nứt) mặc dù việc đó không cấu thành phương pháp đo của trạng thái rung động. Tuy nhiên, có thể cho phép (có khó khăn) đánh giá trực tiếp ứng suất động để so sánh với chuẩn cứ thiết kế.

9.8 Các hệ số mỏi

Sự thay đổi ứng suất trong nhiều chu kỳ mang một nguy cơ về hỏng hóc do mỏi tăng lên. Có thể tham chiếu các qui phạm thiết kế phù hợp cho các thành phần thép. Không có sẵn các hướng dẫn cho bê tông, công trình nề và các vật liệu xây dựng khác. Cần phải tham chiếu để thực hiện nghiên cứu. Các rung động trong thời gian dài và ở mức thấp có tới 1010 thay đổi tải có thể phải đưa vào tính toán cho các kết cấu đặc biệt, các đài kỷ niệm, vv...^[17]

9.9 Mô tả các hư hại

Trong tiêu chuẩn này, các hư hại được phân chia theo các loại sau:

- HƯ hại về thẩm mỹ

Xuất hiện các vết nứt nhỏ như sợi tóc trên bề mặt tường, hoặc các vết nứt lớn thêm trên mặt lớp vữa hoặc bề mặt tường; thêm vào đó là sự xuất hiện các vết nứt nhỏ tại chỗ nối bằng vữa của kết cấu gạch và bê tông.

- HƯ hại nhỏ

Xuất hiện các vết nứt lớn hoặc rộp và rơi lớp vữa, lớp bề mặt tường, hoặc vết nứt sâu trong gạch hay bê tông.

...

...

...

HƯ hỏng tại các thành phần kết cấu của tòa nhà, các vết nứt tại các cột chịu lực , hở các chỗ nối, lan rộng các vết nứt, vv

Chú thích 2 - Việc mô tả hư hỏng tương đương với các thang cường độ được các nhà địa chấn học sử dụng.

Phụ lục A

(tham khảo)

Phân loại các công trình xây dựng

A.1 Khái quát

Phụ lục này cung cấp bản hướng dẫn đơn giản và hữu ích cho việc phân loại các công trình xây dựng theo phản ứng có thể xảy ra đối với những rung động cơ học truyền qua đất.

Một hệ thống động học dùng cho việc phân loại này bao gồm đất và địa tầng ở đó có xây nền móng (nếu có), cùng với kết cấu xây dựng.

...

...

...

- loại cấu trúc (như đã xác định trong Bảng A.1);

- nền móng nhà (xem A.5);

- đất (xem A.6);

- yếu tố công cộng.

Dải tần số được xem xét nằm trong khoảng từ 1 Hz đến 150 Hz (xem thêm 3.3) và bao gồm hầu hết các rung động xảy ra trong công nghiệp, nổ mìn, đóng cọc và giao thông vận tải. Không tính đến chấn động do các thiết bị công nghiệp truyền trực tiếp đến kết cấu dù ảnh hưởng của chúng có tồn tại trong khoảng cách nhất định. Không tính đến chấn động sinh ra do nổ mìn, đóng cọc hoặc các nguồn khác ở bên ngoài ranh giới sát với kết cấu nhưng có ảnh hưởng đến kết cấu. Không nghiên cứu các tòa nhà cao quá 10 tầng.

A.2 Các kết cấu được xem xét

A.2.1 Các kết cấu sau nằm trong khung phân loại

- tất cả các tòa nhà dùng cho sinh hoạt và làm việc (nhà ở, cơ quan hành chính, bệnh viện, trường học, nhà tù, nhà máy, vv...);

- công trình công cộng (tòa thị chính, nhà thờ, đền chùa, nhà thờ Hồi giáo, tòa nhà kiểu máy xay trong công nghiệp nặng, vv...);

...

...

...

- các kết cấu nhẹ cho công nghiệp thường thiết kế theo qui phạm xây dựng.

A.2.2 Các kết cấu sau không nằm trong khung phân loại:

- các kết cấu nặng như lò phản ứng hạt nhân và các công trình phụ trợ và nhà máy điện hạt nhân, nhà máy nghiền bi, các kết cấu kỹ thuật hóa chất, tất cả các loại đập, các kết cấu chứa chất lỏng và hạt như tháp nước, bể nước, kho chứa dầu, các silô chứa hạt hoặc các loại khác, vv...;

- tất cả các kết cấu ngầm dưới đất;

- tất cả các kết cấu ở biển.

A.3 Xác định nghĩa cấp công trình xây dựng (xem Bảng A.2)

Các cấp của công trình xây dựng được xác định bằng cách lấy một công trình xây dựng được duy trì bảo dưỡng tốt làm chuẩn. Công trình xây dựng làm chuẩn phải không có bất kỳ một khiếm khuyết nào về kết cấu cũng như hư hỏng do động đất. Nếu kết cấu không đáp ứng các yêu cầu đó, thì phải phân định vào cấp thấp hơn.

Thứ bậc để xếp loại cấu trúc phụ thuộc vào khả năng chống đỡ với rung động và vào sức chịu đựng có thể chấp nhận được đối với ảnh hưởng của rung động lên kết cấu không tính đến giá trị kiến trúc, khảo cổ và lịch sử của chúng.

Có ba yếu tố quan trọng tham gia vào phản ứng của kết cấu với ảnh hưởng của rung động cơ học. Ba yếu tố đó là:

...

...

...

- nền móng (xem A.5);

- tính chất của đất (xem A.6).

A.4 Các loại cấu trúc

A.4.1 Nhóm 1 - Các công trình xây dựng cổ và lâu năm hoặc các cấu trúc được xây dựng theo truyền thống

Các loại CTXD được xem xét trong nhóm này có thể chia làm hai nhóm phụ sau:

a) các CTXD lâu năm, cũ hoặc cổ;

b) các tòa nhà hiện đại nhưng kiến trúc theo kiểu cổ, truyền thống và dùng các loại vật liệu, phương pháp và tay nghề truyền thống.

Nói chung, nhóm này gồm các kết cấu nặng và có hệ số tắt chấn rất cao, ngay tức thời do lớp vữa xốp. Nhóm này cũng gồm các cấu trúc đàn hồi truyền thống dùng trong các vùng động đất. Các công trình xây dựng trong nhóm này hiếm khi cao quá sáu tầng.

A.4.1 Nhóm 2 - Các tòa nhà và cấu trúc hiện đại

...

...

...

Nhóm này bao gồm các CTXD có cấu trúc được tính toán kỹ về các tường chịu lực. Các tòa nhà gồm từ một đến nhiều tầng. Tất cả các loại nhà có sơn phủ không thuộc nhóm này. Nhóm này cũng bao gồm một số kiểu nhà cũ có sử dụng các vật liệu hiện đại, và giảm chấn.

A.5 Các loại nền móng

A.5.1 Loại A

Loại A bao gồm các kiểu nền móng sau đây:

- được liên kết tăng cường bê tông và cọc thép;

- được tăng cường độ cứng khối bê tông lớn;

- được liên kết cột gỗ;

- tường chịu lực.

A.5.2 Loại B

...

...

...

- không được tăng cường bằng cọc bê tông2);

- trải dài theo chân tường;

- cọc gỗ và bè gỗ.

A.5.3 Loại C

Loại C bao gồm các kiểu nền móng sau đây:

- các tường ngăn nhẹ;

- chân tường bằng đá to;

- không có móng - tường xây trực tiếp trên đất.

A.6 Các loại đất

...

...

...

Loại a: đá không nứt hay đá khá cứng, cát rất nhỏ hay cát để trộn xi măng;

Loại b: đất rắn chắc, đất trải đều nằm ngang;

Loại c: đất yếu, đất trải đều nằm ngang;

Loại d: bề mặt nghiêng với bề mặt mỏng;

Loại e: thành hạt, cát, sỏi (không dính liền), đất sét ướt dính liền;

Loại f: chứa đầy.

Bảng A.1 Phân hạng các kết cấu theo nhóm công trình xây dựng

Hạng kết cấu

Nhóm nhà (xem A.4)

...

...

...

2

¬Giảm tính chịu rung

1

Các CTXD nhiều tầng trong công nghiệp nặng, cao từ năm đến bẩy tầng, loại chống được động đất.

Các kết cấu nặng như cầu,pháo đài,thành lũy

Các CTXD công nghiệp từ hai đến ba tầng, cấu trúc nặng bằng bê tông chịu lực hoặc kết cấu bằng thép tấm và /hoặc panen tấm, gạch, hay bê tông đúc sẵn và với sàn bằng thép, bê tông đúc sẵn hay đổ tại chỗ.

Các tòa nhà công nghiệp nặng bằng composit, kết cấu thép và bê tông

2

Các CTXD khung gỗ, nặng, CTXD công cộng kể cả loại chống được động đất

...

...

...

3

Các nhà và CTXD khung gỗ từ một đến hai tầng dùng kết hợp với vật liệu trát và / hoặc lớp sơn phủ, gồm các loại cabin ngăn, chống được động đất

Các CTXD công nghiệp một tầng khối lượng nhẹ vừa phải, kiểu mở được nối bằng các vách ngăn bên trong bằng thép, nhôm, gỗ hay panen nhẹ, loại chống được động đất

4

Các CTXD nhiều tầng (từ năm đến bẩy tầng hoặc hơn) khá nặng, dùng làm nhà kho trung bình, nhà ở

Các nhà và CTXD hai tầng để ở, dùng kết hợp có kết cấu bằng tấm, gạch hay bê tông đúc sẵn và kết cấu sàn và mái tăng cường, hoặc toàn bộ bằng bê tông hay tương tự, tất cả là loại chống được động đất

5

Các nhà và CTXD từ bốn đến sáu tầng dùng kết hợp trong thành phố, được làm bằng các tấm, hay gạch, tường chịu lực có kết cấu nặng, bao gồm các nhà trang nghiêm và kiểu cung điện nhỏ

Các CTXD từ bốn đến mười tầng để ở và tương tự, kết cấu chính bằng tấm chịu lực vật liệu nhẹ và gạch, được tính toán hoặc không tính toán được nối phần lớn bằng các tường bên trong với vật liệu tương tự và bằng tăng cường bê tông đúc sẵn hoặc sàn bê tông đổ tại chỗ ít nhất trên mỗi tầng

...

...

...

Các nhà và CTXD hai tầng dùng kết hợp được làm bằng các tấm, gạch với sàn và mái bằng gỗ Các tháp được xây bằng đá hoặc gạch, loại chống được động đất

Các nhà và CTXD hai tầng dùng kết hợp, bao gồm văn phòng được kết cấu bằng tường tấm, gạch, bê tông đúc sẵn và với kết cấu sàn và mái bằng gỗ hoặc bê tông đúc sẵn hay đúc tại chỗ.

7

Nhà thờ, tòa thị chính hoặc tương tự rất cao có cấu trúc vòm hay có khớp được xây bằng đá hay gạch, với hoặc không có xây vòm, bao gồm nhà thờ có vòm nhỏ và các tòa nhà tương tự

Nhà thờ khung cấu trúc “mở’ (tức là không nối qua) ít nặng và kho kiểu tòa nhà gồm các tòa nhà công nghiệp vững chắc, ga ra, thấp, tòa thị chính, đền chùa, nhà thờ Hồi giáo và các tòa nhà tương tự với mái và sàn bằng gỗ khá nặng

Các nhà và CTXD một và hai tầng dùng kết hợp làm bằng cấu trúc nhẹ với các vật liệu nhẹ, chế tạo sẵn hoặc tại chỗ, kết hợp hai loại hay riêng biệt

8

Các đống đổ nát hoặc gần đổ nát hay các công trình xây dựng khác, tất cả trong trạng thái mỏng manh.

Tất cả công trình có tính lịch sử quan trọng hạng 7.

...

...

...

Bảng A.2 - Phân loại các công trình xây dựng theo sự chống chịu với rung động và sự chịu đựng có thể chấp nhận do tác động của rung động

Loại

CTXD^1)

Hạng kết cấu (xem bảng A.1)

1

2

3

4

5

...

...

...

7

8

Loại nền móng (chữ hoa) và loại đất (chữ thường) (xem A.5 và A.6)

¬Giảm mức rung chấp nhận

1

A a

...

...

...

2

A b

A a

A a

A a

...

...

...

3

A b

B a

A b

B a

A b

...

...

...

A b

4

A c

B b

B b

...

...

...

A c B a B b

5

B c

A c

...

...

...

B a

6

A f

A d

B d

...

...

...

C a

B a

7

A f

A e

B e

...

...

...

C b

B b

C a

8

...

...

...

B e

C c

B c

C b

9

B f

...

...

...

C d

B d

C c

A a

10

B f

...

...

...

C e

B e

C d

A b

11

...

...

...

C f

C e

B a

12

...

...

...

C f

B c

C a

13

...

...

...

C f

B d C b C c

14

...

...

...

C d C e C f

^1) Số hạng càng cao yêu cầu mức độ bảo vệ càng cao.

Phụ lục B

(tham khảo)

Xác định ứng suất cực trị theo vận tốc hạt cực trị

Có thể tính ứng suất của các dầm hoặc bản mỏng khi rung động gần cộng hưởng từ phép đo vận tốc hoặc độ dịch chuyển và tần số, nếu phép đo được thực hiện tại các điểm có độ dịch chuyển lớn nhất. Trong trường hợp này, những hiểu biết về điều kiện biên và độ cứng là không cần thiết khi đánh giá ứng suất.

Đối với các dầm có tiết diện ngang hình chữ nhật, có độ cứng và tải trọng không đổi thì áp dụng mối liên hệ sau, giữa ứng suất uốn lớn nhất s_max với vận tốc rung động v_max phụ thuộc vào chiều dài, chiều cao và chiều rộng của dầm như sau:

...

...

...

trong đó

_max = x _max x w là biên độ lớn nhất của vận tốc rung động xuất hiện tại một điểm trên chiều dài của dầm [w tần số cưỡng bức xấp xỉ bằng w_n (tần số tự nhiên của dầm)];

E_động là mô đun đàn hồi động lực học;

r là khối lượng riêng

là hệ số chịu tải ( Gtổng = Gdầm + G tải trọng khác ); khi đó dấu được chất tải bổ sung vào chính trọng lượng của dầm.

k_n là hệ số dạng (không thứ nguyên) 1 đến1,33; hệ số kn phụ thuộc vào điều kiện biên và bậc của dạng và chỉ ảnh hưởng nhẹ.

Chi tiết khác, xem ở [18 ].

Phụ lục C

...

...

...

Các số liệu ngẫu nhiên

C.1 Khái quát

Số liệu ngẫu nhiên có thể gặp trong thực tế (tải trọng gió, máy nghiền). Kỹ thuật phân tích phổ có thể dùng để đánh giá các đặc tính phản ứng. Việc đánh giá có thể chính xác nhiều hay ít tùy thuộc vào đặc tính kết cấu (tần số và độ tắt dần của cách chọn) và độ chính xác theo yêu cầu của phân tích^[14]. Có hai loại sai số, chuyển dịch và dao động^[14]. Lựa chọn thời gian ghi phụ thuộc vào sai số cho phép đã chọn. Thí dụ, nếu sai số chuyển dịch là 4 % và sai số dao động là 10 % thì thời gian ghi Tr , tính bằng giây có thể tính được bằng công thức sau:

T =

trong đó

h là tỷ số tắt dần;

f_n là tần số tự nhiên của dạng n, tính bằng héc.

Thí dụ, nếu h = 1 % và f_n = 1 Hz thì cần thời gian ghi chép là 20 000 s để đánh giá các sai số chuyển dịch và dao động đã chọn ở trên. Nếu h bằng 2 % và f_n bằng 10 Hz thì cần một thời gian ghi chép là 1000 giây. Sai số cho phép lớn hơn thì có thể giảm thời gian ghi chép yêu cầu.

Các yêu cầu này không phụ thuộc vào loại thiết bị dùng để phân tích. (Trong thực tế thường dùng máy ghi loại từ). Sự tắt dần của kết cấu được giải quyết tại phụ lục sau của tiêu chuẩn này.

...

...

...

Việc phân tích các số liệu ngẫu nhiên dẫn đến một trong hai lĩnh vực là tần số và thời gian. Những lĩnh vực này nghiên cứu ở C.2 và C.3.

C.2 Vùng tần số

Nói chung khi phân tích rung động, đại lượng thường dùng nhất là mật độ phổ năng lượng (PSD). Khi phân tích rung động kết cấu, có thể dùng mật độ phổ biên độ. Các loại phân tích khác trong lĩnh vực này bao gồm hàm chuyển đổi, mật độ phổ năng lượng (PSD) đi qua, hàm kết hợp, mật độ phổ bậc hai. Các kết quả này được trình bày như là “đại lượng vật lý” bình phương trên một hec, không có thứ nguyên và tỷ lệ với các đại lượng vật lý.

C.3 Miền thời gian

Trong miền thời gian có thể thực hiện các phép phân tích thống kê, tự tương quan, tương quan cắt ngang. Hàm tự tương quan là nghịch đảo của phổ năng lượng thường dùng phổ biến nhất. Có thể dùng nhiều đại lượng trong miền thời gian với các số liệu xác định. Tuy nhiên, các hàm phức tạp hơn thường dùng với các số liệu ngẫu nhiên. Phép phân tích theo miền thời gian bao gồm phép lấy trung bình, hiệu dụng r.m.s., tính đỉnh, tính ngang zero cũng như mật độ xác suất, phân bố xác suất, tính đối xứng và Kurtosis.

Phụ lục D

(tham khảo)

Dự báo các tần số tự nhiên và độ tắt dần của công trình xây dựng

...

...

...

TCVN 6964 (ISO 4866) qui định phương pháp đo phản ứng của công trình xây dựng bao gồm các tần số tự nhiên cơ bản. Khi không thể đo trực tiếp hoặc bị hạn chế do độ tắt dần cao, do cộng hưởng của thành phần phụ, hoặc các khó khăn thực nghiệm khác, thì cần phải đánh giá tần số tự nhiên và giá trị tắt dần của công trình xây dựng.

Phụ lục này đưa ra hướng dẫn đánh giá tần số tự nhiên cơ bản và giá trị tắt dần kết hợp. Phụ lục này cũng lưu ý đến tính bất định cần phải tính đến khi đánh giá các tần số tự nhiên cơ bản của một CTXD được dùng trong các qui trình đo hoặc đánh giá.

D.1 Dự báo các tần số tự nhiên của các công trình xây dựng lớn sử dụng các phương pháp thực nghiệm

Có nhiều công thức thực nghiệm để dự báo tần số f, hoặc chu kỳ T của cách chuyển dịch cơ bản, của những cách đơn giản nhất là f = 10/N Hz (tức là T = 0,1Ns) với N là số tầng. Các qui phạm của các nước khác nhau đưa ra những công thức khác và các công thức này có thể chia thành 3 loại:

T = k₁ H (D.1)

trong đó

H là chiều cao, tính bằng mét;

T là chu kỳ, tính bằng giây;

k₁ là hệ số có giá trị từ 0,14 sm^-1 đến 0,03 sm^-1

...

...

...

 T = k 2 H  (D.2)

trong đó

D là chiều rộng tương đương với lực, tính bằng mét;

k₂ là hệ số có giá trị từ 0,087 sm^-3/2 đến 0,109 sm^-3/2

(tham khảo trong [25] và [28]).

T = k₃ H hàm của (H, D, I) (D.3)

(ví dụ, xem trong [29]).

Chú thích 1 - k₁ có đơn vị là sm^-1 ; k₂ có đơn vị là sm^—3/2

Trong nghiên cứu sau [30], nghiên cứu một mẫu có 163 công trình xây dựng mặt bằng hình chữ nhật, khuyến nghị f = 46/H Hz.m (tức là T = 0022H sm^-1) cho dạng chuyển dịch cơ bản, f = 58/H Hz.m cho dạng chuyển dịch vuông góc và f = 72/H Hz.m cho dạng chuyển dịch xoắn cơ bản (cỡ mẫu của 63 CTXD).

...

...

...

Hình D.1 chỉ cho biết việc tạo ra sự phù hợp của đồ thị f = 46/H Hz.m, với các số liệu và nó có thể được đánh giá là chắc chắn có sai số lớn cần tính đến. Có thể thấy rằng sai số ± 50 % là không bình thường và điều đó là điển hình của độ chính xác có thể dự đoán khi sử dụng công thức thực nghiệm. Dựa trên các số liệu đã đo được, nó chứng tỏ rằng chủng loại của tần số tự nhiên của CTXD cao có thể tính xấp xỉ một cách hợp lý bằng đường thẳng.

Hình D.1 - Lập đồ thị của tần số cơ bản và chiều cao của 163 công trình xây dựng có mặt bằng hình chữ nhật bằng cách sử dụng thang logarit

D.2 Dự báo tần số tự nhiên của CTXD lớn khi dùng các phương pháp theo máy tính

Từ lâu đã biết rằng khi sử dụng các công thức thực nghiệm rất có thể có các sai số tương đối lớn, nhưng nói chung cũng được chấp nhận vì việc đánh giá tần số thoả mãn có thể thu được kết quả khi dùng một trong các phương pháp tiêu chuẩn theo máy tính. Tuy nhiên, không đơn giản khi xác định một mô hình toán học tin cậy cho các CTDX có kết cấu phức tạp; vì vậy phải chấp nhận các mô hình chỉ cung cấp các dự báo gần đúng. Trong tài liệu tham khảo [30], một bằng chứng được công bố là mối tương quan giữa các tần số tính toán với các tần số đo được thực tế kém hơn mối tương quan giữa các tần số dự tính khi dùng f = 46/H Hz.m với các giá trị đo được. Sự khác nhau có thể là do tính không tương xứng trong việc mô hình hóa các tính chất thực của tòa nhà. Bởi vậy việc dự tính các tần số cơ bản phải được xử lý cẩn thận.

Các phương pháp đặc biệt đã được biên soạn để phân tích các CTXD trọng tâm [31], các CTXD bị chuyển dịch [32], khung nhà võng và các CTXD xây bằng khung [33], nhưng với bất kỳ phương pháp nào thì vấn đề quan trọng là phải kiểm tra xem liệu phương pháp đó khi hiệu chuẩn có dùng dãy các số liệu thực nghiệm tin cậy hay không và những sai số nào có thể gặp. Nếu phương pháp sử dụng chưa được làm rõ những điều nghi ngờ đó thì khi ấy độ chính xác của phương pháp mà lớn hơn độ chính xác của người thực nghiệm dự báo thu được thì phương pháp ấy không được thừa nhận. Chỉ những tần số cơ bản là được xem xét thảo luận, nhưng những tần số đã được dự báo từ các dạng tần số cao hơn sẽ bị những sai số tương tự hoặc có thể lớn hơn. Điều đó nghĩa là trừ những trường hợp đặc biệt mà mô hình toán học phù hợp với các kết quả theo kinh nghiệm, các dự báo bao gồm nhiều dạng tính toán phải coi như không chắc chắn.

D.3 Dự báo các giá trị tắt dần của các tòa nhà lớn

Sự tắt dần (hay tỷ lệ của tiêu tán năng lượng) ở bất kỳ dạng nào thì giới hạn sự chuyển động trong dạng đó, và để đánh giá đặc tính của tòa nhà lên tải trọng đã cho thì cần phải đánh giá hoặc đo lượng tắt dần. Không có phương pháp thử cho dự tính độ tắt dần và các thông số đo được cho thấy các giá trị tắt dần ở trong khoảng từ 0,5 % đến 2,1 % (xem Hình D.2). Các giá trị lớn hơn cũng có thể gặp trong các tòa nhà mà sự tương tác giữa kết cấu và đất là đáng kể. Các khung thép có cấu tạo đơn giản có thể có độ tắt dần là rất nhỏ. Các phương pháp dự đoán độ tắt dần đã xây dựng (xem tham khảo [34] và [35]) nhưng độ chính xác thì không định được.

Hình D.2 là đồ thị độ tắt dần và chiều cao ngôi nhà cho một mẫu nhà đã chọn [36]. Có thể thấy một sự khác biệt lớn về độ tắt dần đối với các dạng chuyển dịch vuông góc của những tòa nhà tương tự nhau.

...

...

...

D.4 Các tần số tự nhiên và giá trị tắt dần trong các công trình xây dựng thấp tầng

Các đặc tính của 96 CTXD thấp tầng được trình bày trong tài liệu tham khảo [37], và [38]. Các CTXD này xây dựng ở Mỹ có chiều cao 1,1^1/2 và 2 tầng với cả móng, móng từng phần hoặc các khoảng trống. Các số liệu cho biết tần số đo được trung bình giảm đi khi tăng chiều cao nhà.

Hình D.3 cho biết sơ đồ mối quan hệ giữa số lượng CTXD và các tần số đo được của chúng. Điều quan trọng cần lưu ý là dải các tần số đã gặp và do đó sai số khi dự đoán theo kinh nghiệm. Không có khuynh hướng rõ ràng cho tần số thay đổi theo tuổi hoặc vị trí của nhà và cũng không có mối tương quan của tần số với các kích thước bề mặt nhà.

Hình D.2 Chiều cao CTXD và tỷ lệ tắt dần cho các dạng chuyển dịch cơ bản của 10 tòa nhà có tương quan kết cấu với đất là không đáng kể

Hình D.4 cho biết sơ đồ mối quan hệ giữa số lượng CTXD và tỷ số tắt đần của chúng. Điều đó thông thường chỉ ra tỷ số tắt dần càng cao khi các tòa nhà càng cao và cũng cho biết dải các giá trị tắt dần có thể gặp. Mối quan hệ giữa độ tắt dần và kích thước hình học CTXD là không rõ ràng

D.5 Trạng thái không tuyến tính

Các điều ở trên đề cập đến tần số tự nhiên và độ tắt dần của mỗi dạng và điều đó cho biết các đại lượng này là không đổi. Tuy nhiên, các đại lượng này thay đổi theo biên độ chuyển động và khi phân tích động đất thì chúng là quan trọng (mặc dù khó khăn trong xác định định lượng). Nói chung gió sinh ra dao động biên độ nhỏ (so với động đất lớn) và các biến đổi về tần số tự nhiên và độ tắt dần trong dải các biên độ là nhỏ. Trong một tòa nhà chịu được những lực tương đương với dải của gió từ nhẹ đến mạnh như bão, biến đổi 3 % về tần số và 30 % về độ tắt dần [36]. Có thể cho rằng các thay đổi này là có thể không có ý nghĩa và có thể bỏ qua khi thiết kế.

D.6 Lời bình luận cuối

...

...

...

Hình D.3 - Các tần số đo tại 36 CTXD thấp tầng

Hình D.4 - Các tỷ lề tắt dần đo tại 36 CTXD thấp tầng

Phụ lục E

(tham khảo)

Sự tác động rung động giữa móng kết cấu và đất

E.1 Khái quát

...

...

...

Trong trường hợp thứ nhất, phần lớn vị trí bên ngoài CTXD là để đo và mối liên quan giữa tín hiệu tại vị trí đó và trên móng CTXD cần thiết lập.

Trong trường hợp thứ hai, phản ứng của móng nhà có thể được theo dõi tỉ mỉ chuyển dịch của đất tiếp xúc với móng trừ khi ảnh hưởng lẫn nhau là đáng kể. Phụ lục này nhằm chỉ ra bản chất của sự tác động lẫn nhau và đưa ra phương pháp cho phép đưa vào tính toán.

Hình E.1 minh hoạ các ký hiệu sử dụng trong phụ lục này ở các thuật ngữ biên độ đỉnh u, truyền qua móng (u có thể là biên độ của độ dịch chuyển, vận tốc, hoặc gia tốc của sóng hình sin). Biên độ trong trường tự do được biểu thị bằng u₀, biên độ ở nền của móng là u_F, biên độ ở vị trí tùy ý trong kết cấu là u_st, và trên bề mặt đất gần tòa nhà là u_N. ở vị trí xa với kết cấu thì u_N = u₀. Phân tích tác động lẫn nhau giữa đất và kết cấu thường xem xét mối tương quan giữa chuyển dịch trong trường tự do và chuyển dịch của kết cấu, đó là u_st/u₀ và trong trường hợp đặc biệt u_F/u₀ = r₀. Tỷ số quan trọng u_F /u_N = r_N được tính bằng các phương pháp phức tạp hơn mà cũng cách thể hiện đó vấn đề đáp ứng của đất bao gồm sự thay đổi biên độ theo chiều sâu.

Ký hiệu:

u là biên độ của độ dịch chuyển, vận tốc hoặc gia tốc của sóng hình sin

u₀ là biên độ trong trường tự do

u_N là biên độ trên bề mặt đất gần CTXD

u_F là biên độ trên nền của móng

...

...

...

r_N = u_F/u_N

Hình E.1 - Các ký hiệu biểu thị sóng truyền theo phương nằm ngang

E.2 Nghiên cứu lý thuyết

Tương tác giữa kết cấu-đất ảnh hưởng đến phản ứng động học của mọi kết cấu ở vài mức độ. Một CTXD cứng được xây trên nền đất cứng có phản ứng lại theo các cách như nhau trên đất. Trong thực tế, đất không có độ cứng vô hạn và có thể cung cấp một cơ cấu để bức xạ và tiêu tán năng lượng. Vì thế nó có thể được coi như một lò so và hệ thống giảm chấn hoặc một loạt các hệ thống như thế ở dưới móng.

Mức độ ảnh hưởng lẫn nhau giữa đất và kết cấu là một mặt đáng kể của đáp ứng kết cấu phụ thuộc vào các thông số động của kết cấu và của đất, đặc biệt ở các tần số tự nhiên của kết cấu và tính chất cứng của đất. Khi nghiên cứu độ cứng tương đối của các tòa nhà thấp tầng (có chiều cao 6m - 7m), vấn đề có thể nghiên cứu là đặc tính theo phương thẳng đứng của một khối cứng trên lò so và giảm chấn được điều chỉnh cho phù hợp giải pháp phân tích với đất như là đẳng hướng bán vô hạn và nửa không gian đàn hồi đồng nhất. Như các khái niệm đơn giản đưa ra khuyếch đại cực đại theo phương thẳng đứng không vượt quá 2. Các dạng rung chuyển và trượt có thể cũng được khảo sát tỷ mỷ theo cách tương tự và đưa ra khuyếch đại hơi cao và theo lý thuyết có thể thực hiện được trong phần lớn các trường hợp. Tuy nhiên, khuyếch đại theo phương thẳng đứng thì chắc chắn bị giới hạn vì năng lượng của sóng truyền qua bị kết cấu giữ lại và bức xạ lại vào đất vì vậy biên độ tắt dần

Việc nghiên cứu đầy đủ sự tương quan giữa kết cấu và đất phải tính đến địa tầng, sự thay đổi độ cứng của đất theo chiều sâu, ảnh hưởng của tải trọng nhà lên độ cứng của đất, ảnh hưởng của tính liên tục về độ cứng của đất, hình dạng móng và việc đóng móng cũng như tần số dao động.

Sự tương quan động giữa đất và kết cấu là một trong các vấn đề trọng tâm của kỹ thuật động đất và trong hai thập kỷ vừa qua phương pháp phân tích đã được phát triển, chủ yếu đối với công nghiệp hạt nhân đưa ra một lượng lớn tài liệu (xem các tài liệu tham khảo từ [39] đến [45]) . Phép phân tích tinh tế cũng được sử dụng cho gió và các tải trọng do người làm ra và vài nguyên tắc đơn giản hóa được tìm ra (xem các tài liệu tham khảo [46] và [47]) .

Có thể chia các phương pháp phân tích tiên tiến ấy thành hai loại:

a) phương pháp trực tiếp, bằng cách đất và kết cấu cùng được sử lý; đất có thể trình bày dưới dạng các phân tử giới hạn, các thông số tập trung hoặc cả hai (mô hình kết hợp);

...

...

...

Phép gần đúng nữa là phổ đáp ứng được sử dụng rộng rãi trong động đất và tải trọng chấn động khác (xem tài liệu tham khảo [48]). Phép này có thể phù hợp cho tính toán tương quan giữa đất và kết cấu khi giảm tần số tự nhiên tác động lên kết cấu trên đất có độ cứng nhỏ. ảnh hưởng của đáp ứng đất có thể chấp nhận ở phần khi dùng phổ đáp ứng thiết kế mà thay đổi cho phù hợp với prôfin của đất về chiều sâu của mô đun trượt.

Nói chung, tần số gần bằng với tần số dao động là tần số tự nhiên của tòa nhà hoặc một thành phần của tòa nhà, còn tần số lớn hơn sẽ là đáp ứng. Các trận động đất với tần số thấp từ 0,5 Hz đến 8 Hz, duy trì dao động với các tần số thấp hơn tần số tự nhiên của tòa nhà; dao động do con người gây ra thường ở tần số lớn hơn và duy trì dao động của các thành phần của tòa nhà. Hơn nữa dải các tần số của dao động thẳng đứng của các thành phần ngôi nhà (6 Hz đến 40 Hz) nằm trong dải của dao động do con người tạo ra, ảnh hưởng đến các đặc trưng uốn cong tương đối lớn được quan sát ở trên trần (xem tài liệu tham khảo [49]) E.3 Mối quan hệ giữa rung động ở mặt đất và nền móng

Có những khó khăn liên quan đến việc đo đạc trên đất gần tòa nhà, thí dụ như:

- điểm đo thường xa các vị trí quan tâm ở bên trong kết cấu;

- có nhiều điều không chắc chắn khi gắn đầu đo lên đất hơn là trên kết cấu tòa nhà;

- đất gần CTXD thường bị nhiễu;

- các biên độ rung động gần tòa nhà có thể thay đổi theo khoảng cách tính từ tòa nhà và tỷ lệ với chiều dài bước sóng.

Các phương pháp trực tiếp để phân tích mối tương quan giữa đất và kết cấu thường đắt tiền và cần hiểu biết chi tiết về các tính chất của đất, tuy nhiên các phương pháp này có thể đưa ra một số hướng dẫn về các yếu tố sau chịu ảnh hưởng của r_N.

a) Biên độ của rung động có thể chịu ảnh hưởng của sự phản xạ ở phía trước của móng (phía sóng đi qua) và bị giảm ở phía sau do tiêu tán và phản xạ ở mặt trước. Những ảnh hưởng này phụ thuộc vào kích thước của móng, chiều sâu và chiều dài bước sóng dao động.

...

...

...

c) Các dao động động đất mạnh thường giống các sóng trượt phân cực ngang truyền theo phương thẳng đứng có biên độ tăng lên như các sóng đi ra từ lớp cứng hơn. Hơn nữa móng càng sâu thì rung động càng nhỏ đi.

Các điều phức tạp đó loại trừ một tập hợp xác định các nguyên tắc liên quan đến r_N và r₀ việc phân loại kết cấu và tính chất của dao động, nhưng cả hai phép đo (xem tài liệu tham khảo [50]) và nghiên cứu lý thuyết chỉ ra rằng trong phần lớn các trường hợp các dao động của con người tạo ra thì giá trị r_N có thể bằng một hoặc nhỏ hơn. Điều này được xác nhận ở những kết quả bằng câu hỏi thăm dò ^1/ chỉ ra là đối với chuyển động thẳng đứng, không xét về tần số, thì r_N ở trong khoảng 0,3 đến 0,6. Độ khuyếch đại cực đại ghi được là trong đặc trưng nằm ngang và tăng lên tới 13 % . Biểu đồ của các câu trả lời trong các bảng câu hỏi được cho trong hình E.3 và E.4.

Sự suy giảm chung của các rung động thẳng đứng trên móng so sánh với trên mặt đất gần tòa nhà có thể không nắm được trong trường hợp ở đó có đặc trưng dao động rõ rệt đến rung động liên tục.

Đối với các vị trí đo thích hợp gần tòa nhà thì các vị trí này phải cách tòa nhà nhỏ hơn 2 m hoặc 1/10 chiều dài bước sóng.

L_R là chiều dài bước sóng Rayleigh

Hình E.2 - Sự biến đổi của biên độ rung động u_Z theo chiều sâu z của sóng Rayleigh

Hình E.3 Sự phân bố tần số rN (rung động theo phương thẳng đứng)

...

...

...

Hình E.4 Sự phân bố tần số rN (rung động theo phương nằm ngang)

Phụ lục F

(tham khảo)

Tài liệu tham khảo

[1] BROCH, J.T. Mechanical Vibration and Shock, Brϋel & Kjӕr, Nӕrum, Denmark, 1972.

[2] JEARY, A.P. Private communication. Building Research Establishment Note, 1980.

[3] Applied Technology Council, Tentative provisions for the development of seismic regulations for buildings (ATC Special Publication 3.06; NBS Special Publication 510; NSF Publication 78.8, p. 56; NSF Publication, pp. 65-70; NSF Publication, pp. 381-400), 1978.

[4] DIN 4149/1, Bauten in deutschen Erdbebengebieten; Lastannahmen, Bemessung and Ausfuhrung ublicher Hochbauten (Buildings in German earthquake areas; design loads, analysis and structural design; unusual buildings).

...

...

...

[6] MEDEARIS, K. Development of rational damage criteria for low rise structures subject to blasting vibrations, K.M. Assoc. Report, 1976.

[7] NEWMARK, M. and ROSENBLUTH, E. Fundamentals of earthquake engineering, Eaglewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1973.

[8] SEED, H.B. Soil liquefaction and cyclic mobility evaluation for level ground during earthquake. American Society of Civil Engineers, GT2, 1979, pp. 201-25.

[9] PYKE, R., SEED, H.B. and CHAN, C.K. Settlement of sands under multidirectional shaking. American Society of Civil Engineers, GT4, pp. 379-398.

[10] RABIMER, L.R. and GOLD, B. Theory and Application of Digital Signal Processing, Eaglewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1974.

[11] SISKIND, D.E., STAGG, M.S., Kopp, J.W. and DOWDING, C.H. Structure response and damage produced by ground vibration from surface mine blasting; United States Bureau of Mines. Report of Investigations No. Rl. 8507, 1980.

[12] OTNES, R. and ENOCHSON, L. Digital Time Series Analysis, New York: John Wiley & Sons, 1972.

[13] BENDAT, J.S. and PIERSOL, A.G. Random data: Analysis and measurement procedures, New York: John Wiley & Sons, 1971.

[14] OPPENHEIM, A.V. and SCHAFER, R.W. Digital Signal Processing, Eaglewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1975.

...

...

...

[16] DIN 4150/3, Erschϋtterungen im Bauwesen; Einwirkungen auf bauliche Anlagen (Vibrations in building; effects on structures).

[17] CROCKETT, J.H.A. Piling vibrations and structures failure. Recent Development in the Design and Construction of Piles, Institution of Civil Engineers London, 1979.

[18] GASCH, Eignung der Schwingungsmessung zur Ermittlung der dynamischen Beanspruchung in Bauteilen. Berichte aus der Bauforschung, 58, Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin, 1968.

[19] DOUGLAS, B. Modal Damping Determinations from Resonance Spectral Shape Measurements: Journal of the Acoustical Society of America, 58, Suppl. No. 1, 1975.

[20] PAOLILLO, A. Suitability of existing vibration criteria for rail rapid transit system. Acoustical Society of America, Atlanta, Georgia, April 21 to 25, 1980.

[21] Building Research Establishment (UK), Cracking in buildings. Digest No. 5, 1966 (reprinted 1975). [22] ISO 3010:1988, Bases for design of structures - Seismic actions on structures.

[23] GUTOWSKI, T.G., WITTIG, L.E. and Dym, C.L. Some aspects of the ground vibration problem. Noise Control Engineering, 10, No. 3, 1978.

[24] KAWECKI, J. Empirical formulae used for calculating the natural periods of vibrations of buildings. Czasopismo Techniczne, Z 7-B (129), 1969.

[25] STEFFENS, R.J. Structural vibration and damage. Building Research Establishment Report, UK, 1974.

...

...

...

[27] NAKA, T. Structural design of tall buildings in Japan. ASCE-IABSE Joint Committee Report: Planning and design of tall buildings, Proc. 3rd Regional Conference, Tokyo, Sept. 1971.

[28] ANDERSON, A.W. et al. Lateral forces of earthquake and wind. Proc. ASCE, 77 (Separate) No. 66, 1951.

[29] Recommendations Association Frangaise du Génie Parasismique - 90. Presse des Ponts et Chaussées, Paris.

[30] ELLIS, B.R. An assessment of the accuracy of predicting the fundamental natural frequencies of buildings and the implications concerning the dynamic analysis of structures. Proc. Inst. Civ. Eng., 69, Sept. 1980.

[31] ESDU 81036, Undamped natural frequencies of core buildings. ESDU, London, Nov. 1981. [32] ESDU 79005, Undamped natural vibration of shear buildings. ESDU, London, May 1979.

[33] ESDU 82019, Undamped natural vibrations of sway frame buildings and frame structures. ESDU, London, Aug. 1982.

[34] ESDU 83009, Damping of structures - Part 1: Tall buildings. ESDU, London, May 1983.

[35] JEARY, A.P. Damping in tall buildings'- A mechanism and a predictor. Earthquake Engineering and Structural Design, 14, 1986.

[36] ELLIS, B.R. Dynamic soil-structure interaction in tall buildings. Ph.D. Thesis, University of London, 1984.

...

...

...

[38] SISKIND, D.E. et al. Structural response and damage produced by ground vibration from surface mine blasting. US Dept. of Interior, Bureau of Mines, RI 8507, 1980.

[39] NEWMARK, M. and ROSENBLUTH, E. Fundamentals of earthquake engineering. Prentice Hall, 1973.

[40] RICHARD, F.E., HALL, J.R. and WOODS, R.D. Vibrations of soils and foundations. Englewood Cliffs, NJ, 1970.

[41] WOLF, J.P. Dynamic soil structure interaction. Prentice Hall, 1985.

[42] CLOUGH, R.W. and PENZIEN, J. Dynamics of structures. McGraw Hill Corp., New York, 1975.

[43] WARBURTON, G.B., RICHARDSON, I.D. and WEBSTER, J.J. Forced vibrations of two masses on an elastic halfspace. Transactions ASME, March 1971.

[44] HOLZLOHNER, U. Dynamically loaded buildings on the soil. Proc. X ICSMFE, Vol. 3, Stockholm, 1981.

[45] ROESSET, J.M. and GONZALES, J.J. Dynamic interaction between adjacent structures. Proc. DMSR, Karlsruhe 1977, Vol. 1, Balkema, Rotterdam, 1978.

[46] ELLIS, B.R. Dynamic soil structure interaction in tall buildings. Ph.D. Thesis, University of London, 1984.

...

...

...

Modellrechnungen. BAM Research Report 108, Wirtschaftsverlag NW, Bremerhaven, 1984.

[48] FOSTER, G.A. Structural response and human response to blasting vibration effects - is there a connection? Vibra-tech report, 1985.

[49] AUERSCH, L., HEBENER, H. and RÜCKER, W. Erschϋtterungen infolge Schienenverkehr: Theoretische and meßtechnische Untersuchungen zur Emission, zur Ausbreitung durch den Boden and zur Übertragung im Gebäude. STUVA Report No. 19 (series Verminderung des Verkehrslärms in Stadten and Gemeinden, Teilprogramm Schienennahverkehr), 1986.

[50] SISKIND, D.E. and STAGG, M.S. Blast vibration measurements near and on structure foundations. Report of Investigations RI 8969, US Bureau of Mines, 1985.

1) Độ nén của đất có thể được kiểm tra bằng sự phân lớp chính xác

2) Các cọc, liên kết với kết cấu thường ở đỉnh cọc.