Kết cấu thép được công nhận rộng rãi về hiệu suất xuất sắc trong các khu vực có động đất mạnh, nhờ vào độ dẻo vốn có, độ bền và khả năng tiêu tán năng lượng động đất. Tại các khu vực hay xảy ra động đất, nơi mà các lực phát sinh từ hoạt động địa chấn có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho các tòa nhà và cơ sở hạ tầng, việc thiết kế kết cấu thép cần ưu tiên hàng đầu đến an toàn, độ vững chắc và khả năng vận hành sau động đất. Bài viết này trình bày các nguyên tắc thiết kế chính cho kết cấu thép ở khu vực có động đất mạnh, các yêu cầu của các quy chuẩn chống động đất hiện đại, cũng như các kỹ thuật đổi mới nhằm nâng cao hiệu suất chống động đất.
Dẻo dai là nền tảng trong thiết kế chịu động đất cho các kết cấu thép. Dẻo dai đề cập đến khả năng của vật liệu hoặc kết cấu biến dạng dẻo (vĩnh viễn) mà không làm giảm đáng kể độ bền. Trong một trận động đất, một kết cấu dẻo có thể hấp thụ và tiêu tán năng lượng động đất thông qua biến dạng dẻo được kiểm soát, giảm nguy cơ phá hủy giòn. Thép về bản chất có tính dẻo dai cao, với tỷ lệ giới hạn chảy trên giới hạn bền kéo lớn và tính giãn dài tuyệt vời, khiến nó lý tưởng cho các ứng dụng chịu động đất. Để tối đa hóa tính dẻo dai, các kết cấu thép được thiết kế với các đường truyền tải trọng dư thừa, cho phép kết cấu phân phối lại lực nếu một bộ phận bị hư hỏng. Ví dụ, các khung chống moment (MRFs) thường được sử dụng trong thiết kế chịu động đất, vì chúng cung cấp khả năng chịu tải ngang thông qua biến dạng uốn của dầm và cột, với các liên kết được thiết kế để chảy dẻo trước khi các thanh thành phần bị phá hủy.
Việc tiêu tán năng lượng là một nguyên tắc quan trọng khác trong thiết kế chống động đất. Năng lượng động đất được tạo ra bởi chuyển động của mặt đất trong trận động đất, và công trình phải tiêu tán được năng lượng này để tránh hư hại quá mức. Các kết cấu thép tiêu tán năng lượng động đất thông qua nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm sự chảy dẻo của các thanh thép và liên kết, ma sát trong các liên kết bulông, cũng như việc sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lượng (EDDs). Các thiết bị tiêu tán năng lượng, như bộ giảm chấn, được tích hợp vào kết cấu nhằm hấp thụ năng lượng động đất, làm giảm các lực truyền lên các thành phần kết cấu chính. Các ví dụ về EDDs được sử dụng trong kết cấu thép bao gồm bộ giảm chấn nhớt, bộ giảm chấn ma sát và giằng chống mất ổn định (BRBs). Giằng chống mất ổn định đặc biệt hiệu quả vì chúng vừa cung cấp độ cứng ngang vừa tiêu tán năng lượng, với lõi có khả năng chảy dẻo khi chịu kéo và nén mà không bị mất ổn định.
Khả năng chịu tải ngang là yếu tố thiết yếu đối với các kết cấu thép ở vùng có động đất mạnh, vì động đất tạo ra các lực nằm ngang (lực ngang) có thể gây ra hiện tượng dao động và lật đổ. Hệ thống chịu lực ngang của kết cấu thép phải được thiết kế để chống lại các lực này đồng thời duy trì độ toàn vẹn kết cấu. Các hệ thống chịu lực ngang phổ biến cho kết cấu thép bao gồm khung kháng uốn, khung giằng và vách cứng. Khung kháng uốn dựa vào khả năng chịu uốn của dầm và cột cùng với độ cứng vững của các liên kết giữa chúng để chống lại tải trọng ngang. Khung giằng sử dụng các thanh giằng chéo để truyền lực ngang xuống nền móng, trong đó các thanh giằng hoạt động như các cấu kiện chịu kéo hoặc chịu nén. Vách cứng, thường được xây dựng từ các tấm thép hoặc vật liệu tổ hợp, cung cấp độ cứng và cường độ chịu lực ngang cao, làm cho chúng phù hợp với các tòa nhà cao tầng ở vùng có động đất mạnh.
Các mã chống động đất hiện đại, chẳng hạn như International Building Code (IBC) tại Hoa Kỳ, Eurocode 8 tại châu Âu và Japanese Building Code, cung cấp các yêu cầu chi tiết cho việc thiết kế kết cấu thép ở những khu vực có nguy cơ động đất cao. Các mã này phân loại công trình dựa trên nhóm sử dụng và mức độ nguy hiểm động đất của khu vực, đồng thời quy định các tiêu chí thiết kế tối thiểu về độ dẻo, độ bền và khả năng tiêu tán năng lượng. Ví dụ, IBC yêu cầu các kết cấu thép ở khu vực có nguy cơ động đất cao phải được thiết kế cho hai cấp tải động đất: Động đất Cơ sở Thiết kế (DBE) và Động đất Tối đa Được Xem xét (MCE). Kết cấu phải duy trì trạng thái đàn hồi dưới tác động của DBE và tiêu tán năng lượng thông qua biến dạng dẻo dưới tác động của MCE mà không bị sập. Các quy phạm chống động đất cũng yêu cầu phân tích chi tiết phản ứng động lực học của kết cấu, bao gồm phân tích dạng dao động và phân tích phổ phản ứng, nhằm đảm bảo kết cấu có thể chịu được các lực động đất dự kiến.
Các kỹ thuật thiết kế sáng tạo đang được phát triển liên tục để nâng cao hiệu suất chống động đất cho các kết cấu thép. Một trong những kỹ thuật đó là sử dụng các kết cấu tổ hợp bê tông đúc sẵn và thép, kết hợp độ dẻo dai của thép với độ cứng vững của bê tông. Ví dụ, các sàn composite sử dụng tấm thép định hình kết hợp với lớp bê tông đổ trên mặt, giúp tăng độ cứng ngang và giảm rung động sàn trong quá trình xảy ra động đất. Một đổi mới khác là thiết kế khung thép tự định tâm, sử dụng các liên kết căng sau để đưa công trình trở về vị trí ban đầu sau động đất, giảm thiểu biến dạng dư. Các khung tự định tâm tích hợp thiết bị tiêu tán năng lượng để hấp thụ năng lượng động đất, trong khi các cáp căng sau cung cấp lực phục hồi. Công nghệ này không chỉ cải thiện hiệu suất chống động đất mà còn làm giảm chi phí sửa chữa và thời gian ngừng hoạt động sau một trận động đất.
Các nghiên cứu điển hình về kết cấu thép ở những khu vực có động đất mạnh cho thấy hiệu quả của các nguyên tắc thiết kế này. Tháp Tokyo Skytree, một trong những tháp phát sóng độc lập cao nhất thế giới, được đặt tại khu vực có nguy cơ động đất cao ở Nhật Bản. Kết cấu thép của tháp sử dụng sự kết hợp giữa các khung chống mô-men và các khung giằng chéo, với các thiết bị tiêu tán năng lượng được tích hợp vào thiết kế. Trong trận động đất Tōhoku năm 2011, tháp Tokyo Skytree chỉ chịu hư hại rất nhẹ, chứng minh khả năng chống động đất vượt trội của nó. Một ví dụ khác là tòa nhà Salesforce Tower tại San Francisco, được thiết kế để chống lại động đất bằng hệ khung thép chống mô-men kết hợp với các thanh giằng chống mất ổn định dạng uốn. Thiết kế sáng tạo của tòa nhà bao gồm một bộ giảm chấn khối điều chỉnh (tuned mass damper) nhằm giảm độ rung lắc và nâng cao sự thoải mái cho người sử dụng trong các sự kiện động đất.
Kiểm soát chất lượng và các thực hành xây dựng cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất chịu động đất của các kết cấu thép. Việc chế tạo các cấu kiện thép phải tuân theo các tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt, với các mối hàn được kiểm tra bằng phương pháp kiểm tra không phá hủy để đảm bảo đạt được độ bền và độ dẻo yêu cầu. Lắp ráp tại hiện trường phải được thực hiện bởi những công nhân có tay nghề, các mối nối được siết chặt đến giá trị mô-men xoắn đã được quy định nhằm đảm bảo truyền tải đúng cách. Ngoài ra, nền móng của công trình phải được thiết kế để chống lại các lực động đất, với việc neo chắc đủ mức các cột thép vào nền móng để ngăn ngừa hiện tượng nhổ lên hoặc trượt.
Tóm lại, việc thiết kế các kết cấu thép ở khu vực có động đất mạnh đòi hỏi một phương pháp toàn diện, tích hợp độ dẻo, khả năng tiêu tán năng lượng, khả năng chịu tải ngang và tuân thủ các quy chuẩn chống động đất. Bằng cách tận dụng các đặc tính vốn có của thép và áp dụng các kỹ thuật thiết kế sáng tạo, các kỹ sư có thể tạo ra những công trình an toàn, vững chắc và có khả năng chịu đựng được các lực do động đất gây ra. Khi nguy cơ động đất vẫn tiếp tục là mối quan tâm toàn cầu, nghiên cứu và phát triển liên tục trong lĩnh vực thiết kế chống động đất sẽ tiếp tục cải thiện hiệu suất của các kết cấu thép, đảm bảo an toàn cho các cộng đồng tại những khu vực thường xuyên xảy ra động đất.
EN
