Ths. Nguyễn Hữu Tùng, Trưởng phòng Kết Cấu 2, Công ty liên doanh Sunjin Việt Nam.
THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN, NỘI DUNG KHÔNG THỂ BỎ QUA TRONG THIẾT KẾ TRƯỜNG HỌC.
Trong thiết kế công trình xây dựng, bài toán tính toán kháng chấn là một phần bắt buộc trong quy trình thiết kế. Các trường học tuy thường là những công trình thấp tầng ( từ 3~5 tầng) nhưng đối tượng sử dụng là trẻ em thuộc nhóm yếu thế, dễ bị tổn thương và còn thiếu khả năng tự phòng vệ việc tính toán động đất cho thể loại công trình này được các chuyên gia thiết kế đánh giá là không kém phần quan trọng so với các công trình cao tầng. Một khi đã bị hư hại về kết cấu, thiệt hại về tính mạng và tài sản đối với các công trình trường học thường sẽ rất thảm khốc. Bên cạnh đó, tại các quốc gia đang phát triển trên thế giới và khu vực như Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc…, công trình trường học còn được thiết kế với mức chống động đất rất cao để có thể trở thành nơi trú ẩn an toàn cho cộng đồng cư dân khi có thiên tai và động đất xảy ra.
Thông thường, tải trọng ngang tác dụng vào công trình gồm gió và động đất. Tuy nhiên, do đặc thù các công trình trường học là những công trình thấp tầng thì các tác động của động đất đối với sự an toàn của công trình thường có xu hướng được xem nổi trội hẳn. Nội lực tính toán thiết kế kết cấu cấu kiện được lấy chủ yếu từ các tổ hợp tải trọng do động đất.
Cấp công trình cũng như hệ số tầm quan trọng trong tính toán kháng chấn của công trình trường học theo quy định chung là cấp 2, tương đương với nhà ~ 20 tầng. Không chỉ vậy, các công trình thấp tầng có chu kì dao động nhỏ, thường chỉ từ 1 đến 2s. Từ phổ phản ứng đàn hồi cho thấy khi chu kì T(s) càng nhỏ thì lực động đất tác dụng vào công trình sẽ càng lớn.
Việc thiết kế chống động đất cho công trình cũng phụ thuộc vào yếu tố nền đất xây dựng công trình. Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện nay – TCVN 9386-2012 đưa ra 5 loại nền từ A đến E. Các công trình trường học nằm tại Hà Nội chủ yếu nằm trên nền đất loại D – loại nền nguy hiểm nhất. Vì vậy, thiết kế kết cấu các cậu kiện xây dựng công trình trường học, đối với các trường hợp yêu cầu chống chịu động đất trong các trường hợp này là rất khó khăn.
Đồ thị Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền đất từ loại A đến E (độ cản 5%) và hình ảnh phá hoại khi điều kiện cột khỏe, dầm yếu không thỏa mãn.
Hình ảnh của cuộc động đất sóng thần lịch sử tại Nhật Bản năm 2013, trường học được thiết kế với khả năng chống động đất và bền vững rất cao để đảm bảo an toàn cho học sinh, đồng thời làm nơi trú ẩn cho cộng đồng dân cư xung quanh khi có thảm họa xảy ra
THIẾT KẾ MỘT CÔNG TRÌNH TRƯỜNG HỌC CHỐNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT
Dự án trường mầm non Nghĩa Đô do công ty Liên doanh Sunjin Việt Nam chủ trì tư vấn thiết kế (quận Cầu Giấy, Hà Nội).
Để công trình trường học có khả năng chống chịu động đất, việc quan trọng nhất là thiết kế thi công xây dựng hệ kết cấu có khả năng kháng chấn ưu việt, nhưng phải phù hợp với điều kiện kinh tế, biện pháp thi công hiện có, tránh gây lãnh phí trong đầu tư xây dựng. Quan điểm thiết kế cơ bản nhất và tối ưu nhất trong việc tính toán kháng chấn là thiết kế theo khả năng.
Sơ đồ mô phỏng tính toán kết cấu với khả năng chống động đất tối ưu cho Dự án trường mầm non Nghĩa Đô (quận Cầu Giấy, Hà Nội).
Trong thiết kế các công trình chịu động đất, dạng phá hoại mong muốn là phá hoại uốn, khi mà kết cấu có khả năng phân tán năng lượng và chịu được biến dạng lớn khi động đất xảy ra. Các loại phá hoại giòn (phá hoại do cắt) cần được tránh vì đây là dạng phá hoại nhanh, đột ngột dẫn đến việc khi xảy ra động đất, công trình có thể sụp đổ chỉ với chuyển vị, biến dạng nhỏ và xảy ra trong khoảng thời gian ngắn. Đối với quan điểm thiết kế này, vùng tới hạn của kết cấu sẽ được quan tâm nhiều hơn cả. Đó là các vị trí đầu dầm, các vị trí nút khung và vị trí chân cột vách tiếp giáp với móng. Việc tính toán và bố trí cốt thép phải đảm bảo được các vùng tới hạn này sẽ đạt được giới hạn chảy dẻo, có thể chịu được lực uốn lớn và tránh những dạng phá hoại giòn, phá hoại do cắt xảy ra. Một vài điểm lưu ý khi thiết kế công trình chịu động đất bao gồm:
+ Quy định về tính toán tỉ số nén của cột vách. Đối với cấp dẻo trung bình (DCM)-cấp dẻo được tính toán phổ biến nhất trong tiêu chuẩn tính toán kháng chấn đối với các công trình xây dựng, tính toán tỉ số nén cột vách là quy trình bắt buộc với giá trị tỉ số nén dọc do động đất phải nhỏ hơn 0.65 và 0.4 lần lượt đối với cấu kiện cột và vách. Việc đảm bảo tỉ số nén này nhằm hạn chế tác động đến kết cấu do lớp bê tông bảo vệ bị nứt vỡ khi chịu tác động của tải trọng động đất. Tuy nhiên để đảm bảo được tỉ số nén của cột vách trong giới hạn yêu cầu sẽ kéo theo việc tiết diện cột vách sẽ khá lớn không thể thỏa mãn được yêu cầu của kiến trúc vì ảnh hưởng rất nhiều đến không gian cũng như yếu tố thẩm mỹ của công trình.
+ Yêu cầu về cốt thép tại vùng tới hạnTrong tính toán kháng chấn cho công trình, các vùng tới hạn là những vị trí sẽ hình thành “khớp dẻo” khi động đất xảy ra. Đó là các vị trí hai đầu dầm, các nút khung cũng như vị trí tiếp giáp giữa cột vách và móng. Các “khớp dẻo” này giúp công trình chịu được biến dạng và chuyển vị lớn hơn cũng như khả năng phân tán năng lượng tốt hơn. Để cấu tạo được những “khớp dẻo” này, yêu cầu quan trọng nhất là tính toán và bố trí thép đai cho dầm, cột, vách và khi khớp dẻo được hình thành, kết cấu sẽ tránh được các dạng phá hoại giòn xảy ra.
+ Yêu cầu về tính toán kiểm tra điều kiện cột khỏe – dầm yếu: Hệ kết cấu áp dụng cho các công trình như trường học thường là kết cấu khung chịu lực. Đối với hệ kết cấu khung và hệ tương đương khung, thiết kế theo nguyên tắc cột khỏe/dầm yếu là yêu cầu bắt buộc với cấp dẻo trung bình (DCM). Để thỏa mãn yêu cầu này, khả năng chịu mô men của các cột quy tụ vào nút khung (Mrc) phải lớn hơn 1.3 lần tổng khả năng của các dầm cùng quy tụ vào nút khung đó theo tất cả các phương (Mrb).
Điều kiện này khá khó để có thể đạt được, trước hết do trường học là công trình thấp tầng nên tiết diện của cột thường không quá lớn. Tiếp đó, do yêu cầu tối ưu về không gian sử dụng với các nhịp lớn trong một số loại hình không gian cụ thể. nên tiết diện cũng như khả năng chịu mô men dầm cũng tương đối lớn. Nếu tăng tiết diện cột để đảm bảo điều kiện này thường sẽ xung đột với các yêu cầu của thiết kế kiến trúc, mong muốn cột nhỏ nhất có thể để tăng không gian sử dụng và các yêu cầu về thẩm mỹ.
Chia sẻ về vấn đề này, dưới góc độ là chủ trì kết cấu công trình, Trưởng phòng kết cấu 2, Công ty Liên doanh Sunjin Việt Nam, Ths. Nguyễn Hữu Tùng đã nhấn mạnh: “Thiết kế nâng cao khả năng chống động đất cho công trình trường học là yêu cầu cần thiết bắt buộc, bởi tình hình động động đất xảy ra tại Việt Nam đang có xu hướng phức tạp cả về cường độ và tần xuất. Như trong các ngày 29/07/ 2020 vừa qua, liên tục có các trận động đất tại các tỉnh phía Bắc bao gồm cả thủ đô Hà Nội. Trong trường hợp các công trình trường do Công ty Liên doanh chủ trì thiết kế, để tối ưu không gian sử dụng theo chức năng, mà thiết kế cũng sử dụng các nhịp lớn, nhưng vẫn đảm bảo các điều kiện chống động đất phù hợp, hiệu quả. Cụ thể, để hạn chế việc tăng kích thước tiết diện cột, với công trình Trường mầm non Nghĩa Đô, để ngăn cơ chế phá hoại tại các tầng yếu là thiết kế bổ sung thêm hệ thống vách BTCT đủ cứng để hấp thụ lực động đất, cụ thể các vách BTCT này phải chịu được ít nhất 50% tổng lực cắt đáy của cả công trình do tải trọng động đất gây ra. Khi đó điều kiện tính toán cột khỏe/dầm yếu không cần phải xét đến nữa”./.
—————————–
Hà Nội, 31/07/2020
