Các tính năng chống động đất của nhà khung thép là gì?

Độ dẻo và hiệu suất chống động đất của nhà khung thép

Hiểu về độ dẻo của kết cấu thép trong khu vực có động đất

Các tòa nhà được xây dựng bằng kết cấu thép thường có khả năng chịu động đất tốt hơn nhiều vì thép có thể uốn cong đáng kể trước khi gãy. Trong khi đó, bê tông chỉ nứt vỡ khi bị rung lắc. Thép thực sự hấp thụ năng lượng rung động bằng cách uốn và giãn theo những cách kiểm soát được. Một nghiên cứu gần đây do Zhang và các đồng nghiệp thực hiện cũng cho thấy một điều thú vị. Họ phát hiện ra rằng các mối nối giữa dầm và cột trong khung thép vẫn giữ được khoảng 85 phần trăm khả năng chịu tải ngay cả sau khi bị kéo giãn vượt quá giới hạn thông thường. Điều này khiến các kết cấu này trở nên rất hiệu quả trong việc chịu đựng mọi loại chuyển động do động đất gây ra.

Độ dẻo dai ngăn ngừa sự phá hủy giòn trong động đất như thế nào

Khả năng của thép khi giãn dài và uốn cong dưới áp lực giúp các tòa nhà làm từ nó chuyển đổi năng lượng động đất thành chuyển động thực tế thay vì sụp đổ hoàn toàn ngay lập tức. Lấy thép Q690 làm ví dụ, nghiên cứu công bố năm ngoái cho thấy những vật liệu cường độ cao này có thể giãn dài khoảng 22% trước khi cuối cùng bị gãy. Điều đó có nghĩa là khi mặt đất bắt đầu rung lắc mạnh, thép sẽ uốn cong theo những cách mà chúng ta có thể dự đoán được. Điều xảy ra tiếp theo cũng rất thông minh: các khung thép sẽ co giãn và dịch chuyển ứng suất khỏi những vị trí quan trọng nhất, đó là các điểm nối kết then chốt giữa các bộ phận khác nhau của tòa nhà. Đây là lý do tại sao chúng ta không thường xuyên chứng kiến những thảm họa toàn diện với thép dẻo như khi sử dụng các vật liệu cứng hơn, vốn dễ gãy thay vì từ từ biến dạng.

Thiết kế Chống Động đất Dựa trên Hiệu suất Khai thác Tính Dẻo

Các tiêu chuẩn hiện đại như ASCE 7-22 nhấn mạnh thiết kế chống động đất dựa trên hiệu suất , trong đó kỹ sư điều chỉnh tính dẻo của một tòa nhà phù hợp với mức độ rủi ro động đất cụ thể của nó. Các thông số chính bao gồm:

• Tỷ số dẻo (µ ≥ 6 đối với các khu vực có nguy cơ cao) để đo khả năng biến dạng
• Các hệ số vượt cường độ (Ω ≥ 3) đảm bảo độ bền còn lại sau khi chảy dẻo
  Phương pháp này đã được chứng minh là giảm 40% chi phí sửa chữa sau động đất so với các thiết kế thông thường (Fang et al., 2022).

Nghiên cứu điển hình: Khung thép dẻo cao trong các quy chuẩn thiết kế chống động đất của Nhật Bản

Luật Tiêu chuẩn Xây dựng năm 2022 của Nhật Bản yêu cầu sử dụng thép SN490B cho các tòa nhà cao tầng được xây dựng ở những khu vực dễ xảy ra động đất. Loại thép này có giới hạn chảy khoảng 325 MPa và đạt tới 490 MPa về độ bền kéo. Sau trận động đất Tōhoku lớn năm 2011, các kỹ sư đã nhận thấy một điều thú vị về các tòa nhà được làm bằng loại thép đặc biệt này so với các vật liệu xây dựng thông thường. Họ phát hiện ra rằng những công trình này có độ lệch dư (residual drift) thấp hơn khoảng 30 phần trăm sau các sự kiện rung chấn. Tại sao hiện tượng này lại xảy ra? Thực tế, các kiến trúc sư Nhật Bản đã phát triển thứ mà họ gọi là khung dẻo lai (hybrid ductile frames). Các hệ thống này kết hợp các giằng chống mất ổn định dạng uốn (buckling restrained braces) cùng với các liên kết chịu mô-men (moment resisting connections) trải khắp kết cấu công trình. Các chi tiết cụ thể về cách thức hoạt động tổng thể của hệ thống này thực chất đã được quy định chi tiết trong tài liệu tiêu chuẩn JIS G 3136:2022.

Hệ thống Khung Chịu Mô-men và Khung Giằng trong Các Tòa Nhà Thép

Nguyên lý của các khung chịu mô-men trong thiết kế công trình xây dựng bằng thép

Các công trình bằng thép thường phụ thuộc vào các khung chịu mô-men hay còn gọi là MRF làm lớp bảo vệ chính chống lại động đất. Hệ thống này hoạt động nhờ những mối nối chắc chắn giữa dầm và cột, cho phép kết cấu uốn cong thay vì gãy vỡ khi chịu lực ngang. Khi xảy ra động đất, các mối hàn này cho phép tòa nhà dao động trong giới hạn khoảng 4 phần trăm chiều cao toàn bộ công trình, đồng thời duy trì sự ổn định. Chuyển động được kiểm soát này giúp hấp thụ phần lớn năng lượng rung lắc trước khi nó gây ra hư hại thực sự hoặc tệ hơn là sập hoàn toàn kết cấu.

Mối nối cứng và độ linh hoạt được kiểm soát dưới tải trọng động đất ngang

Điều làm cho các khung chịu lực (MRFs) hoạt động hiệu quả là cách chúng đạt được sự cân bằng lý tưởng giữa độ cứng và độ linh hoạt. Khi xem xét các chi tiết cấu tạo, các mối hàn xuyên suốt kết hợp với những bulông cường độ cao tạo thành các liên kết khá vững chắc trong quá trình sử dụng bình thường, nhưng lại có thể biến dạng theo cách kiểm soát được khi xảy ra tải trọng cực hạn. Theo một số mô phỏng gần đây do Hiệp hội Kỹ sư Kết cấu California thực hiện vào năm 2023, các công trình sử dụng hệ thống loại này chịu mức đỉnh ứng suất thấp hơn từ 25 đến 40 phần trăm so với các khung bê tông thông thường trong các sự kiện lớn. Sự khác biệt về hiệu năng như vậy rất quan trọng đối với độ bền kết cấu theo thời gian.

Các thanh chống mất ổn định dạng nén (BRBs) và tiêu tán năng lượng trong hệ khung giằng

BRBs tăng cường các khung giằng bằng cách kết hợp lõi thép để tiêu tán năng lượng với lớp vỏ bê tông đổ đầy nhằm ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định. Trong trận động đất Tōhoku năm 2011, các tòa nhà được trang bị BRB chịu độ lệch dư chỉ bằng 60% so với các tòa nhà dùng giằng truyền thống. Các lõi tiêu chuẩn hóa và có thể thay thế của chúng cũng giúp đơn giản hóa quá trình sửa chữa sau sự cố, cải thiện hiệu quả chi phí và khả năng phục hồi.

Ưu điểm thiết kế của các khung giằng lệch tâm (EBF) đối với phản ứng dẻo

Các khung giằng lệch tâm (EBF) bố trí các thanh giằng lệch khỏi tâm để tạo ra các vùng 'cầu chì' được xác định trước, nơi sẽ chịu biến dạng dẻo trong các hoạt động động đất, từ đó bảo vệ các khớp cấu trúc quan trọng. Theo Hội đồng Công nghệ Ứng dụng (2023), hệ thống EBF giảm chi phí sửa chữa từ 30–50% sau các trận động đất vừa so với các thiết kế chỉ dùng khung kháng uốn (MRF), mang lại khả năng kiểm soát hư hại và lợi ích kinh tế vượt trội.

Nghiên cứu điển hình: Triển khai BRB tại Taipei 101

Tòa tháp biểu tượng Taipei 101 cao 508 mét và có một đặc điểm khá độc đáo trong thiết kế. Tòa nhà thực tế được trang bị 16 hệ thống chống đỡ đặc biệt gọi là các thanh chống chịu uốn có hạn chế biến dạng (buckling restrained braces), được bố trí trải đều trên tám tầng khác nhau. Những hệ thống này được lắp đặt nhằm mục đích cụ thể là giảm thiểu ảnh hưởng của gió bão mạnh cũng như bảo vệ công trình khỏi rung động do động đất. Sau khi các hệ thống gia cố này được thêm vào, các thử nghiệm đã cho thấy những kết quả ấn tượng. Chuyển động do gió gây ra đã giảm khoảng 35%, trong khi lượng năng lượng động đất truyền vào bên trong tòa nhà và ảnh hưởng đến con người đã giảm gần một nửa, ở mức 50%. Điều này chứng minh rõ ràng hiệu quả của các hệ thống BRB trong việc làm tăng độ ổn định cho các tòa nhà thép siêu cao trong các sự kiện thời tiết cực đoan, theo nghiên cứu từ Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Động đất Đài Loan năm 2022.

Các Công Nghệ Tiêu Tán Năng Lượng và Tránh Thiệt Hại

Các bộ giảm chấn khe hở, bộ giảm chấn tấm cắt và cầu nối cấu trúc trong các tòa nhà bằng thép

Các cấu trúc thép hiện nay thường được trang bị các công nghệ tiêu tán năng lượng tinh vi, bao gồm các thiết bị như bộ giảm chấn khe hở, các tấm chịu cắt và cầu chì kết cấu được chế tạo từ vật liệu thép có độ dẻo cao. Điều làm nên giá trị của những bộ phận này chính là khả năng hấp thụ năng lượng động đất khi chúng biến dạng dẻo theo cách kiểm soát được, từ đó giúp bảo vệ các bộ phận chịu lực chính của công trình. Nghiên cứu cho thấy các hệ thống được thiết kế đúng cách thực sự có thể gánh khoảng 70 phần trăm lực sinh ra trong các trận động đất trước khi các lực này truyền đến các bộ phận kết cấu quan trọng. Hiệu suất như vậy đã khiến nhiều kỹ sư áp dụng các giải pháp này cho các dự án hạ tầng trọng điểm, nơi yêu cầu biên an toàn phải được tối đa hóa.

Cầu chì thay thế được và hiệu quả sửa chữa sau động đất

Các cầu chì cấu trúc giới hạn thiệt hại ở các bộ phận được thiết kế sẵn và dễ thay thế, giúp đẩy nhanh đáng kể quá trình phục hồi. Trong các dự án cải tạo gần đây tại California, các tòa nhà được trang bị cầu chì có thể thay thế đã giảm thời gian mở cửa trở lại tới 58%. Thiết kế mô-đun cho phép thay thế các đơn vị bị hư hỏng trong vòng vài giờ, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và độ phức tạp trong sửa chữa.

Các hệ thống tự căn chỉnh giảm chuyển vị dư trong các kết cấu thép

Các hệ thống tự căn chỉnh hoạt động bằng cách kết hợp các cáp thép căng sau với các hợp kim nhớ hình dạng đặc biệt mà chúng ta gọi là SMA. Những thiết lập này giúp các tòa nhà trở về vị trí ban đầu sau khi xảy ra động đất. Theo nghiên cứu do Đại học Nevada công bố năm 2023, các hệ thống như vậy giữ cho các tòa nhà không bị lệch quá nửa phần trăm sau khi chấm dứt rung lắc, nghĩa là thang máy vẫn hoạt động bình thường và bề mặt bên ngoài công trình vẫn nguyên vẹn, không bị hư hại. Điều gì làm nên điều này? Lực căng tích trong các sợi cáp thép cộng với việc các SMA thay đổi hình dạng khi được nung nóng hoặc làm nguội đã tạo ra một loại nút thiết lập lại tích hợp cho các cấu trúc, giúp chúng hoạt động hiệu quả hơn theo thời gian dù phải chịu những cơn dư chấn lặp lại.

Thông tin dữ liệu: Giảm 40% biến dạng sau động đất nhờ sử dụng cầu chì (NIST, 2022)

Các thử nghiệm do Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia thực hiện cho thấy các khung thép được trang bị cầu chì đã chịu biến dạng vĩnh viễn ít hơn khoảng 40 phần trăm so với thiết kế truyền thống. Lý do là gì? Những hệ thống này tập trung khớp dẻo vào các bộ phận có thể thay thế cụ thể, thay vì lan rộng hư hại ra toàn bộ kết cấu, nhờ đó khung chính vẫn giữ được tính đàn hồi ngay cả sau khi chịu tải trọng lớn. Khi các nhà nghiên cứu mô phỏng những gì xảy ra trong điều kiện phòng thí nghiệm tương ứng động đất độ lớn 7,0, họ còn phát hiện một điều khá ấn tượng: những tòa nhà này cần lượng công sửa chữa ít hơn khoảng hai phần ba so với các mẫu tiêu chuẩn. Sự khác biệt như vậy khiến chúng bền vững hơn đáng kể về lâu dài và tiết kiệm chi phí bảo trì trong tương lai.

Cách ly nền tảng và vật liệu thông minh trong các kết cấu thép hiện đại

Các hệ thống cách ly nền tảng nhằm tách động đất trong các tòa nhà bằng thép

Các hệ thống cách ly nền tảng hoạt động bằng cách tách phần trên của một tòa nhà khỏi chuyển động rung lắc do động đất gây ra. Những hệ thống này thường sử dụng các lớp cao su hoặc các tấm trượt có thể hấp thụ khoảng 80 phần trăm năng lượng động đất, theo nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu Kỹ thuật Động đất năm 2023. Việc xem xét các ví dụ thực tế giúp làm rõ hơn điều này. Khi các nhà nghiên cứu khảo sát các công trình công nghiệp nằm ở những khu vực dễ xảy ra động đất, họ phát hiện ra một điều thú vị. Các tòa nhà được trang bị hệ thống cách ly này cho thấy mức độ hư hại kết cấu ít hơn khoảng 68% so với các tòa nhà thông thường không có biện pháp bảo vệ như vậy. Điều này tạo nên sự khác biệt lớn về mặt an toàn và chi phí sửa chữa sau khi xảy ra động đất.

Hợp kim nhớ hình dạng (NiTi SMA) trong thiết kế thép chịu động đất

Các hợp kim nhớ hình dạng niken-titan, thường được biết đến với tên NiTi SMA, cho phép các bộ phận bằng thép trở lại hình dạng ban đầu sau khi bị biến dạng trong các trận động đất. Những vật liệu này có thể đạt được mức độ phục hồi hình dạng khoảng 94% ngay cả khi bị kéo giãn tới 6%. Các kỹ sư đã bắt đầu tích hợp những vật liệu thông minh này vào các mối nối dầm-cột, nơi chúng giúp giữ cho các tòa nhà đứng vững mạnh mẽ đồng thời giảm thiểu thiệt hại lâu dài do chấn động. Nhiều quy chuẩn xây dựng hàng đầu dành cho khu vực động đất hiện nay đề xuất sử dụng cốt gia cường SMA ở những vùng dễ xảy ra rung lắc, một thực hành đang ngày càng trở thành tiêu chuẩn theo các cập nhật gần đây về đặc tả vật liệu thông minh trong ngành xây dựng.

Tích hợp cảm biến và công nghệ giảm chấn thích ứng

Các công trình bằng thép tiên tiến sử dụng cảm biến rung động kết hợp với bộ giảm chấn bán chủ động, có khả năng điều chỉnh độ cứng trong thời gian thực. Các hệ thống này phản ứng với chuyển động động đất trong vòng 0,2 giây, tối ưu hóa việc tiêu tán năng lượng. Các thuật toán học máy phân tích dữ liệu cảm biến để dự đoán các điểm tập trung ứng suất và phân bổ lại tải trọng một cách chủ động trong các chuỗi chấn động kéo dài, từ đó nâng cao độ bền tổng thể.

Câu hỏi thường gặp

1. Dẻo dai là gì và tại sao nó quan trọng trong các kết cấu thép khi xảy ra động đất?
Dẻo dai là khả năng của vật liệu chịu được biến dạng lớn trước khi bị phá hủy. Trong các kết cấu thép, tính dẻo dai cho phép uốn cong và giãn dài trong trận động đất, qua đó tiêu tán năng lượng và ngăn ngừa sự phá hủy giòn.

2. Khung kháng mô-men (MRFs) mang lại lợi ích gì cho các tòa nhà bằng thép trong các sự kiện động đất?
Các khung chịu mô-men (MRFs) tạo ra các kết nối chắc chắn giữa dầm và cột, cho phép uốn cong có kiểm soát trong các trận động đất. Độ linh hoạt này hấp thụ năng lượng rung lắc và giảm thiểu hư hại, duy trì độ bền cấu trúc của các tòa nhà.

3. Các giằng chống mất ổn định (BRBs) là gì và vai trò của chúng trong xây dựng?
BRBs bao gồm một lõi thép và lớp vỏ bê tông ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định. Chúng hỗ trợ tiêu tán năng lượng trong các hệ thống giằng, giảm chuyển vị dư sau động đất và đơn giản hóa việc sửa chữa sau sự cố.

4. Hệ thống cách ly nền móng giúp gì trong các khu vực hay xảy ra động đất?
Hệ thống cách ly nền móng tách biệt kết cấu tòa nhà khỏi các hoạt động địa chấn bằng cách sử dụng các lớp cao su hoặc trượt. Chúng hấp thụ đáng kể năng lượng động đất, làm giảm khả năng hư hại cho kết cấu.