Đánh giá mức độ dễ tổn hại của công trình mô-đun dưới tác động dao động nền trong động đất

Đánh giá mức độ dễ tổn hại của công trình mô-đun dưới tác động dao động nền trong động đất

Assessing seismic vulnerability of modular buildings under earthquake ground motions

SHARE COMMENTS

1 – GIỚI THIỆU

Công trình mô-đun (Modular building hoặc Modular construction) là một loại công trình được xây dựng từ các khối (module) rời rạc được sản xuất sẵn trong nhà máy và sau đó lắp ráp tại công trường để tạo thành một tòa nhà hoàn chỉnh. Ứng dụng phổ biến gồm nhà ở công nhân, ký túc xá, trường học, lớp học tạm thời, bệnh viện dã chiến, phòng khám lưu động, văn phòng công trường, công trình ở vùng sâu vùng xa,…

Tại các khu vực dễ xảy ra động đất như Iceland, nơi trung bình xảy ra 500 trận động đất mỗi tuần, các công trình mô-đun được xây dựng theo tiêu chuẩn EU gặp phải nhiều thách thức nghiêm trọng về địa chấn. Nghiên cứu này đánh giá hiệu suất chống động đất của các mô hình công trình mô-đun phi tuyến dưới hai dạng dao động nền: dao động gần đứt gãy kiểu xung (pulse-type) và dao động ngẫu nhiên phi tuyến không có đặc điểm xung (non-pulse-like), được tạo ra bằng phương pháp Mô phỏng Monte Carlo (MCS) và Lấy mẫu Phân tầng bán phần Latin (LPSS). Các tham số phản ứng kết cấu chính bao gồm độ lệch tầng, lực cắt đáy và gia tốc được phân tích, kèm theo hàm phân phối xác suất và đường cong dễ tổn thương (fragility) dựa trên các ngưỡng tiêu chuẩn trong ngành như FEMA. Kết quả chỉ ra rằng dao động dạng xung, với đặc trưng là các xung có vận tốc lớn, gây ra xác suất hư hại cao hơn – đặc biệt ở phương ngang – so với dao động ngẫu nhiên phi tuyến. Tầng trên cùng thể hiện mức độ dễ tổn thương cao hơn, nhấn mạnh sự cần thiết phải gia cường kết cấu tại khu vực này. Phát hiện của nghiên cứu cho thấy việc đưa cả hai dạng dao động nền vào quy trình thiết kế và tiêu chuẩn địa chấn là thiết yếu để nâng cao độ bền và an toàn cho các công trình mô-đun ở vùng dễ xảy ra động đất. Nghiên cứu đóng góp cho ngành kỹ thuật địa chấn bằng cách cung cấp hiểu biết sâu sắc về tính dễ tổn thương và độ bền của công trình mô-đun dưới các điều kiện tải địa chấn đa dạng.

2 – MÔ TẢ HỆ THỐNG

Công trình được nghiên cứu là một tòa nhà mô-đun bằng thép, mô hình ba chiều (3D) được phát triển dựa trên nghiên cứu của Dalalbashi et al. Các thành phần kết cấu chính bao gồm cột, dầm chính và dầm phụ đều được chế tạo từ thép S235 có giới hạn chảy 240 MPa và mô-đun đàn hồi 200 GPa. Hệ thống sàn và mái sử dụng tấm thép và bê tông đúc sẵn, mô phỏng bằng phần tử vỏ (shell element) trong SAP2000.

Kết cấu bao gồm các liên kết phi tuyến được mô hình hóa dưới dạng lò xo song tuyến tại các khớp nối chính nhằm giả lập ứng xử phi tuyến của cấu trúc. Các thành phần kết cấu được gắn vào mô hình phần tử hữu hạn 3D với ba bậc tự do tại mỗi nút (dịch chuyển x, y và xoay quanh trục z). Ma trận khối lượng, độ cứng và suy giảm được xây dựng đồng thời với mô hình động học để tính toán phản ứng kết cấu dưới tác động động đất. Tỷ lệ suy giảm 2% được sử dụng cho thép theo phương pháp Rayleigh damping.

Tầng trệt và tầng trên cùng của công trình được phân tích riêng biệt để phát hiện các điểm dễ tổn thương, đặc biệt do ảnh hưởng cộng hưởng và phân bố tải trọng không đều trong cấu trúc mô-đun.

3 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu sử dụng hai loại dữ liệu dao động nền:

1. Dao động ngẫu nhiên phi tuyến không có đặc điểm xung (non-pulse-like):
   Được sinh tổng hợp bằng phương pháp biểu diễn phổ thời gian (spectral representation) kết hợp với LPSS. Tổng cộng 625 mẫu được tạo ra từ mô phỏng ngẫu nhiên.

2. Dao động gần đứt gãy kiểu xung (pulse-type):
   Sử dụng 69 bản ghi thực tế được trích lọc từ cơ sở dữ liệu của Rupakhety (sau khi loại bỏ các bản ghi không đạt tiêu chuẩn về khoảng cách và nền đất yếu). Các bản ghi này phản ánh hiệu ứng “forward directivity” thường xuất hiện ở vùng gần đứt gãy.

Mô phỏng phản ứng kết cấu thực hiện trong MATLAB sử dụng phương pháp tích phân Newmark. Các phản ứng được đo lường bao gồm độ lệch tầng, gia tốc sàn, lực cắt đáy và mô men đáy. Ngoài ra, các phân tích thống kê như PDF, CDF, đường cong dễ tổn thương (fragility curves) và đường cong độ bền (resilience curves) được xây dựng để đánh giá xác suất vượt quá các ngưỡng hư hại được FEMA quy định.

4 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả chỉ ra sự khác biệt rõ rệt giữa hai loại dao động nền. Cụ thể:

• Dao động dạng xung gây ra đáp ứng kết cấu lớn hơn, đặc biệt là ở phương ngang (y direction) do tác động của các xung vận tốc mạnh trùng với chu kỳ dao động riêng của công trình.

• Tầng trên cùng luôn thể hiện mức độ dễ tổn thương cao hơn tầng trệt do biên độ dao động lớn hơn và ít ràng buộc kết cấu.

• Dưới các dao động nền nhỏ (PGA < 0.2g), công trình đạt tiêu chuẩn an toàn theo Eurocode 8. Tuy nhiên, khi sử dụng ở các vùng có tiêu chuẩn khác như Mỹ hay Nhật Bản, cần xem xét hiệu chỉnh thiết kế để tránh hư hại nhỏ đến trung bình.

• Kết quả phân tích đường cong dễ tổn thương cho thấy:

  • Ở mức hư hại nặng (DS5–DS6), phương y có PGA nhỏ hơn đến 10% so với phương x để đạt cùng mức độ hư hại.

  • Xác suất hư hại ở phương y cao hơn khoảng 15% so với phương x đối với các dao động dạng xung.

• Phân tích hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân phối tích lũy (CDF) cho thấy đáp ứng độ lệch tầng và gia tốc phân bố theo phân phối log-normal, xác nhận tính ổn định của mô hình mô phỏng.

5 – KẾT LUẬN

Nghiên cứu cung cấp một đánh giá toàn diện về mức độ dễ tổn thương của công trình mô-đun dưới tác động của dao động nền địa chấn, đặc biệt là dao động dạng xung. Những điểm chính gồm:

1. Tầng trên và phương ngang là những khu vực yếu cần được gia cường trong thiết kế.

2. Dao động dạng xung có khả năng gây hư hại cao hơn dao động ngẫu nhiên phi tuyến.

3. Việc thiết kế và sản xuất mô-đun cần tùy chỉnh theo khu vực địa chấn cụ thể, tránh áp dụng một thiết kế chung cho tất cả các vùng.

4. Mô hình tính toán kết hợp giữa MATLAB và SAP2000, sử dụng các thuật toán mô phỏng tiên tiến như Bouc–Wen và LPSS, đã cho thấy hiệu quả trong việc đánh giá xác suất và phản ứng phi tuyến.

Nghiên cứu đặt nền móng cho các chiến lược thiết kế công trình mô-đun có khả năng chống chịu tốt hơn với động đất trong tương lai, đồng thời kêu gọi tích hợp các điều kiện động đất địa phương vào tiêu chuẩn thiết kế và sản xuất công nghiệp hóa.