Thiết kế kháng chấn cho kết cấu thép — Phần 1: Nền tảng lý thuyết & triết lý thiết kế

1. Bài học từ Northridge 1994

Ngày 17/01/1994, trận động đất Northridge (M 6,7) tại Los Angeles đã làm sụp đổ niềm tin của giới kỹ sư vào khung thép chịu mô-men hàn (WSMF).

Trước Northridge

• Khung thép hàn được xem là tiêu chuẩn vàng cho kháng chấn.
• Liên kết dầm–cột dùng mối hàn CJP tại cánh dầm.
• Kỹ sư tin rằng hệ này có khả năng biến dạng dẻo tốt.

Sau Northridge — phát hiện gây chấn động

• Hàng trăm liên kết dầm–cột bị nứt giòn tại mối hàn.
• Vết nứt khởi đầu từ mối hàn CJP tại cánh dầm dưới, lan vào cánh cột.
• Nhiều kết cấu hư hại mà không hề có dấu hiệu biến dạng dẻo — đúng thứ mà thiết kế trông cậy vào.

Vì sao chuyện này liên quan đến vùng động đất yếu

• Việt Nam nằm trong vùng động đất yếu đến trung bình theo TCVN 9386.
• Nhiều dự án công nghiệp — nhà máy, pipe rack — lại áp dụng tiêu chuẩn Mỹ (AISC/ASCE).
• Hiểu đúng giúp chọn hệ kết cấu phù hợp và kinh tế, tránh cả thiết kế quá mức lẫn thiếu an toàn.

2. Triết lý capacity design

Nguyên tắc cột mạnh — dầm yếu

Đây là nguyên tắc quan trọng nhất trong thiết kế khung kháng chấn. Khớp dẻo phải hình thành ở dầm trước. Nếu cột chảy dẻo trước sẽ sinh cơ chế sụp đổ tầng mềm — phá hoại toàn bộ công trình.

ΣM*pc  ≥  ΣM*pb

ΣM*pc = tổng mô-men khả năng của CỘT tại nút (có xét lực dọc)
ΣM*pb = tổng mô-men tại khớp dẻo của DẦM (dùng cường độ kỳ vọng)

Cường độ kỳ vọng và mô-men khớp dẻo

Thép thực tế luôn có Fy cao hơn giá trị danh nghĩa. Khi thiết kế phần tử được bảo vệ, phải dùng cường độ kỳ vọng của fuse — nếu không, phần tử bảo vệ sẽ không thật sự mạnh hơn fuse.

Fye = Ry × Fy        (cường độ chảy kỳ vọng)
Fue = Rt × Fu        (cường độ kéo kỳ vọng)

Mô-men tại khớp dẻo:
  Mpr = Cpr × Ry × Fy × Ze

Cpr = hệ số biến cứng, AISC khuyến nghị 1,1
Ze  = mô-đun chống uốn dẻo tại vị trí khớp dẻo

3. Bảy hệ kết cấu kháng chấn và hệ số thiết kế

Ba hệ số này nói lên điều gì

• R — hệ số điều chỉnh phản ứng: cho phép giảm lực thiết kế dựa trên khả năng dẻo. R càng lớn thì lực thiết kế càng nhỏ, nhưng yêu cầu chi tiết hoá càng nghiêm ngặt. Đây là một sự đánh đổi, không phải quà tặng.
• Ω₀ — hệ số siêu cường độ: khuếch đại lực thiết kế cho một số phần tử đặc biệt (cột, liên kết, collector) để chúng không hỏng trước khi fuse đạt cực hạn.
• Cd — hệ số khuếch đại chuyển vị: phân tích đàn hồi cho δxe, chuyển vị thực là δx = Cd × δxe / Ie. Dùng để kiểm tra drift.

Khung chịu mô-men — ba cấp độ

Khung giằng — đồng tâm, lệch tâm và BRBF

• CBF (đồng tâm): trục thanh giằng đi qua tâm nút; hấp thụ năng lượng qua chảy kéo và mất ổn định nén. Cấm dùng K-brace ở cả hai cấp SCBF và OCBF.
• EBF (lệch tâm): trục thanh giằng không qua tâm nút, tạo ra đoạn dầm ngắn gọi là link beam. Link chảy dẻo, thanh giằng và dầm ngoài link giữ đàn hồi. R = 8 như SMF nhưng cứng hơn nhiều.
• BRBF: thanh giằng bọc trong ống thép hoặc bê tông nên không mất ổn định khi nén — chảy dẻo đều cả hai chiều, hấp thụ năng lượng rất hiệu quả. Chi tiết hoá đơn giản hơn SCBF.

4. Xác định lực động đất thiết kế

Sáu bước theo ASCE 7

1. Tra bản đồ địa chấn → Ss (chu kỳ 0,2s) và S1 (chu kỳ 1,0s)

2. Hệ số nền theo Site Class A→F:
     SMS = Fa × Ss          SM1 = Fv × S1

3. Gia tốc phổ thiết kế:
     SDS = 2/3 × SMS        SD1 = 2/3 × SM1

4. Seismic Design Category (SDC) từ SDS, SD1 và Risk Category

5. Hệ số phản ứng:
     Cs = SDS / (R / Ie)
     không lớn hơn  SD1 / [ T × (R / Ie) ]     khi T ≤ TL
     không nhỏ hơn  0,044 × SDS × Ie  ≥  0,01

6. Lực cắt đáy:
     V = Cs × W            W = tổng trọng lượng tính toán

ASCE 7 so với TCVN 9386

Đặc thù Việt Nam

• agR dao động từ 0,0432g (vùng rất yếu) đến 0,1086g (Điện Biên, Lai Châu).
• Phần lớn lãnh thổ có agR < 0,08g — vùng động đất yếu đến rất yếu.
• Dự án FDI thường yêu cầu tiêu chuẩn Mỹ, nên cần quy đổi từ PGA sang tham số ASCE.

Quy đổi sơ bộ:  SDS ≈ 2/3 × Fa × (2,5 × agR)

  agR = 0,08g, Site Class D  →  SDS ≈ 0,21g  →  SDC B
                                 dùng được OMF hoặc OCBF

  agR > 0,10g, Site Class D  →  SDS ≈ 0,27g  →  SDC C
                                 cần IMF hoặc SCBF trở lên

Kiểm tra chuyển vị (drift)

δx = Cd × δxe / Ie

Giới hạn theo Risk Category:
  I, II  →  0,020 × hsx
  III    →  0,015 × hsx
  IV     →  0,010 × hsx      (hsx = chiều cao tầng)

5. Yêu cầu vật liệu — vì sao A36 không phù hợp

Thép sản xuất hàng loạt có cường độ chảy thực thường cao hơn 20–50% so với giá trị danh nghĩa. Thép A36 danh nghĩa Fy = 248 MPa, thực tế thường đạt 300–380 MPa.

Khi nào dùng Ry × Fy, khi nào dùng Fy danh nghĩa

Độ dai va đập CVN

• Mối hàn demand-critical phải đạt CVN ≥ 27J tại −29°C.
• Dùng vật liệu hàn có độ dai cao — chính que hàn kém dai đã gây ra Northridge.
• Loại bỏ thanh đỡ hàn sau khi hàn CJP tại cánh dầm dưới.

6. Giới hạn tỷ số b/t

Khi thép chảy dẻo với biến dạng lớn, cánh hoặc bụng có nguy cơ mất ổn định cục bộ. Mất ổn định sớm nghĩa là mất khả năng chịu lực trước khi kịp hấp thụ năng lượng — đúng thứ mà thiết kế kháng chấn trông cậy vào. Vì vậy phần tử kháng chấn cần tỷ số b/t nhỏ hơn thiết kế thông thường.

CÁNH (phần tử không được gia cường)
  I-shape:   λhd = 0,32·√(E/Fy)    λmd = 0,40·√(E/Fy)    λp = 0,38·√(E/Fy)
  HSS    :   λhd = 0,65·√(E/Fy)    λmd = 0,76·√(E/Fy)    λp = 1,12·√(E/Fy)

BỤNG (phần tử được gia cường)
  Chịu uốn :  λhd = 2,57·√(E/Fy)   λmd = 3,76·√(E/Fy)
  Tổ hợp   :  λhd = 1,57·√(E/Fy)
  Thành HSS:  λhd = 0,65·√(E/Fy)   λmd = 0,76·√(E/Fy)

Con số cụ thể với Fy = 345 MPa

Kiểm thử hai tiết diện thật

W21×62  (Fy = 345 MPa)
  bf/2tf = 7,53   ≤  λhd = 7,70   →  ĐẠT cho SMF
  h/tw   = 46,9   ≤  λhd = 61,8   →  ĐẠT cho SMF

W14×48  (Fy = 345 MPa)
  bf/2tf = 6,75   ≤  λhd = 7,70   →  ĐẠT cho SMF
  h/tw   = 33,6   ≤  λhd = 61,8   →  ĐẠT cho SMF

7. Tóm tắt Phần 1

Tài liệu tham chiếu: FEMA 350 · AISC 341-22 · ASCE 7-22 · AISC 358-22 · TCVN 9386:2012. Bài viết thuộc series “Hướng dẫn thiết kế kết cấu công trình công nghiệp” — Roberto Structural. Nội dung mang tính hướng dẫn kỹ thuật; kỹ sư chịu trách nhiệm kiểm tra và hiệu chỉnh theo điều kiện cụ thể của từng dự án và tiêu chuẩn áp dụng.