Hướng dẫn xác định tải trọng động đất theo ASCE 7-16: Risk Category, Site Class, SDS, SD1 và SDC

Khi thiết kế kết cấu chịu động đất theo ASCE/SEI 7-16, không thể chỉ lấy một giá trị “gia tốc động đất” rồi đưa thẳng vào phần mềm. Tải trọng động đất là kết quả của một chuỗi thông tin liên quan chặt chẽ với nhau:

mức nguy hiểm động đất tại vị trí công trình → điều kiện đất nền → mức độ quan trọng của công trình → phổ phản ứng thiết kế → hệ kết cấu chịu lực → lực động đất thiết kế.

Nếu sai một bước ở đầu chuỗi, chẳng hạn chọn sai Site Class hoặc nhầm Risk Category, kết quả cuối cùng có thể thay đổi đáng kể.

Lưu ý: Hình tổng quan ở trên dùng để minh họa quy trình. Khi thiết kế thực tế phải tra trực tiếp ASCE 7-16, báo cáo địa chất và dữ liệu hazard của đúng vị trí công trình.

1. Những khái niệm thường bị nhầm

Trước khi tính toán nên phân biệt bốn khái niệm:

2. Toàn bộ quy trình tính động đất

Một quy trình thực tế có thể tóm tắt:

1. Xác định Risk Category.

2. Từ Risk Category xác định $I_e$.

3. Xác định Site Class A–F từ hồ sơ địa chất.

4. Tra $S_s$ và $S_1$ tại vị trí công trình.

5. Từ Site Class và $S_s$, $S_1$, xác định $F_a$, $F_v$.

6. Tính $S_{MS}$, $S_{M1}$.

7. Tính $S_{DS}$, $S_{D1}$.

8. Xác định Seismic Design Category.

9. Lập Design Response Spectrum.

10. Chọn hệ kết cấu và các hệ số $R$, $\Omega_0$, $C_d$.

11. Tính lực động đất bằng ELF, Response Spectrum hoặc phương pháp phù hợp khác.

3. Risk Category — mức độ quan trọng theo hậu quả hư hỏng

ASCE 7-16 Table 1.5-1 chia công trình thành bốn Risk Category.

Risk Category I

Công trình có rủi ro thấp đối với sinh mạng con người nếu xảy ra hư hỏng.

Ví dụ về bản chất sử dụng có thể gồm một số công trình phụ trợ hoặc kết cấu mà sự cố không gây hậu quả đáng kể cho người sử dụng.

Risk Category II

Đây là nhóm mặc định cho các công trình không thuộc I, III hoặc IV.

Phần lớn nhà ở, văn phòng, nhà xưởng thông thường và công trình thương mại thường nằm trong nhóm này nếu không có điều kiện đặc biệt.

Risk Category III

Áp dụng cho các công trình mà sự cố có thể tạo ra rủi ro đáng kể cho sinh mạng, hoặc gây ảnh hưởng kinh tế/xã hội lớn theo các tiêu chí của Table 1.5-1.

Risk Category IV

Bao gồm các Essential Facilities và công trình có vai trò đặc biệt quan trọng đối với cộng đồng sau thảm họa.

Ví dụ điển hình có thể gồm các cơ sở ứng cứu khẩn cấp, một số bệnh viện hoặc công trình phải duy trì chức năng sau động đất, tùy phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn và code quản lý dự án.

4. Seismic Importance Factor $I_e$

Sau khi có Risk Category, tra $I_e$ theo ASCE 7-16 Table 1.5-2:

$I_e$ càng lớn thì yêu cầu thiết kế càng nghiêm ngặt. Trong phương pháp Equivalent Lateral Force, nó xuất hiện trong biểu thức xác định hệ số $C_s$, do đó ảnh hưởng trực tiếp đến lực động đất thiết kế.

5. Site Class — phân loại đất nền

ASCE 7-16 Chapter 20 phân loại nền thành Site Class A, B, C, D, E và F.

Việc phân loại chủ yếu dựa trên đặc tính của khoảng 30 m lớp đất phía trên, sử dụng các chỉ tiêu như:

• vận tốc sóng cắt trung bình $\bar{v}_s$;

• chỉ số xuyên tiêu chuẩn $\bar{N}$;

• $\bar{N}_{ch}$ đối với lớp không dính;

• cường độ kháng cắt không thoát nước $\bar{s}_u$;

• và các tiêu chí đặc biệt đối với đất yếu.

Site Class A — Hard Rock

Nền đá rất cứng:

$\bar{v}_s > 5{,}000\,\text{ft/s} \approx 1{,}524\,\text{m/s}$

Site Class B — Rock

Nền đá:

$2{,}500 \le \bar{v}_s \le 5{,}000\,\text{ft/s}$

tương đương khoảng:

$762 \le \bar{v}_s \le 1{,}524\,\text{m/s}$

Site Class C — Very Dense Soil and Soft Rock

Điển hình:

$1{,}200 \le \bar{v}_s < 2{,}500\,\text{ft/s}$

tương đương khoảng:

$366 \le \bar{v}_s < 762\,\text{m/s}$

Ngoài $\bar{v}_s$, ASCE còn cho phép phân loại bằng $\bar{N}$ hoặc $\bar{s}_u$ theo điều kiện của Chapter 20.

Site Class D — Stiff Soil

Điển hình:

$600 \le \bar{v}_s < 1{,}200\,\text{ft/s}$

tương đương khoảng:

$183 \le \bar{v}_s < 366\,\text{m/s}$

Đây là nhóm rất thường gặp trong thiết kế.

Site Class E — Soft Clay Soil / Soft Soil

Điển hình khi:

$\bar{v}_s < 600\,\text{ft/s} \approx 183\,\text{m/s}$

hoặc thỏa các tiêu chí đất mềm khác được nêu trong ASCE 7-16.

Site Class F — Soils Requiring Site Response Analysis

Đây không đơn giản là “đất yếu hơn E”.

Site Class F bao gồm các trường hợp nền đặc biệt, có thể liên quan đến đất dễ hóa lỏng, đất nhạy, lớp đất hữu cơ dày hoặc các điều kiện địa kỹ thuật phức tạp được quy định trong Chapter 20.

Thông thường cần site-specific evaluation/site response analysis.

6. Vì sao loại đất làm thay đổi tải động đất?

Đất nền có thể khuếch đại chuyển động nền.

Một nền đá cứng và một lớp đất mềm tại cùng một khu vực địa chấn có thể cho phổ phản ứng thiết kế khác nhau đáng kể.

Về khái niệm:

• nền cứng truyền chuyển động với mức khuếch đại khác;

• nền mềm có thể khuếch đại mạnh ở một số vùng chu kỳ;

• công trình có chu kỳ riêng gần vùng khuếch đại của nền có thể chịu phản ứng lớn hơn.

Đây là lý do $S_s$ và $S_1$ từ bản đồ chưa phải là thông số cuối cùng để thiết kế.

7. $S_s$ và $S_1$ là gì?

ASCE 7-16 sử dụng hai tham số bản đồ quan trọng:

$S_s$

Mapped MCER spectral response acceleration parameter at short periods.

Có thể hiểu gần đúng là mức nguy hiểm động đất đại diện cho vùng chu kỳ ngắn.

$S_1$

Mapped MCER spectral response acceleration parameter tại chu kỳ 1.0 s.

$S_s$ và $S_1$ phụ thuộc vị trí địa lý của công trình.

Đối với dự án tại Hoa Kỳ, có thể tra bằng dữ liệu bản đồ ASCE/USGS hoặc ASCE Hazard Tool. Với dự án ngoài Hoa Kỳ áp dụng ASCE 7-16, cơ sở xác định hazard phải được quy định rõ trong tiêu chí thiết kế của dự án.

8. Hệ số nền $F_a$ và $F_v$

Sau khi biết:

• Site Class;

• $S_s$;

• $S_1$;

tra:

• $F_a$ — short-period site coefficient;

• $F_v$ — long-period site coefficient.

$F_a$ được xác định theo Table 11.4-1.

$F_v$ được xác định theo Table 11.4-2.

Các giá trị nằm giữa các mốc trong bảng được nội suy tuyến tính khi tiêu chuẩn cho phép.

9. Từ $S_s$, $S_1$ đến $S_{DS}$, $S_{D1}$

Trước tiên tính MCER spectral response acceleration đã hiệu chỉnh nền:

$$S_{MS} = F_a \times S_s$$

$$S_{M1} = F_v \times S_1$$

Sau đó:

$$S_{DS} = \tfrac{2}{3} \times S_{MS}$$

$$S_{D1} = \tfrac{2}{3} \times S_{M1}$$

Trong đó:

• $S_{DS}$: design spectral response acceleration ở vùng chu kỳ ngắn;

• $S_{D1}$: design spectral response acceleration tại 1 s.

Đây là hai thông số quan trọng nhất để:

• xác định Seismic Design Category;

• lập phổ phản ứng thiết kế;

• tính lực cắt đáy;

• kiểm tra nhiều yêu cầu cấu tạo và phân tích động đất.

10. Ví dụ tính $S_{DS}$ và $S_{D1}$

Giả sử:

• Risk Category II;

• Site Class D;

• $S_s = 1.00\,\text{g}$;

• $S_1 = 0.40\,\text{g}$.

Từ Table 11.4-1 và 11.4-2:

$$F_a = 1.10$$

$$F_v = 1.90$$

Tính:

$$S_{MS} = 1.10 \times 1.00 = 1.10\,\text{g}$$

$$S_{M1} = 1.90 \times 0.40 = 0.76\,\text{g}$$

Suy ra:

$$S_{DS} = \tfrac{2}{3} \times 1.10 = 0.733\,\text{g}$$

$$S_{D1} = \tfrac{2}{3} \times 0.76 = 0.507\,\text{g}$$

Đây sẽ là bộ thông số sử dụng trong các bước tiếp theo.

11. Seismic Design Category — SDC

SDC không phải “cường độ động đất”.

Nó là nhóm yêu cầu thiết kế động đất, được xác định từ:

• Risk Category;

• $S_{DS}$;

• $S_{D1}$;

• và trong một số trường hợp thêm $S_1$.

Công trình phải lấy SDC nghiêm ngặt hơn từ các kiểm tra tương ứng.

Bảng theo $S_{DS}$

Bảng theo $S_{D1}$

Ngoài ra, các điều kiện của ASCE 7-16 có thể đưa công trình vào SDC E hoặc F, đặc biệt tại vùng có $S_1$ lớn và tùy Risk Category.

Áp dụng ví dụ

Ở trên:

$$S_{DS} = 0.733\,\text{g}$$

$$S_{D1} = 0.507\,\text{g}$$

Risk Category II.

Theo cả hai bảng, công trình ít nhất thuộc:

Seismic Design Category D

12. Ý nghĩa của SDC A–F

Có thể hiểu về xu hướng như sau:

SDC A

Mức yêu cầu động đất thấp nhất.

Vẫn có các yêu cầu tối thiểu về hệ chịu lực và đường truyền lực nhưng không có mức yêu cầu cấu tạo động đất như các nhóm cao hơn.

SDC B

Bắt đầu có các yêu cầu thiết kế động đất rõ ràng.

SDC C

Yêu cầu tăng lên, đặc biệt về hệ chịu lực ngang và một số cấu kiện phi kết cấu.

SDC D

Đây là mức quan trọng trong thực hành thiết kế.

Nhiều yêu cầu về:

• hệ kết cấu được phép sử dụng;

• cấu tạo dẻo;

• bất quy tắc;

• diaphragm;

• collector;

• drift;

• phân tích;

• liên kết;

trở nên nghiêm ngặt hơn.

SDC E và F

Áp dụng cho các trường hợp nguy hiểm động đất rất cao kết hợp với mức độ rủi ro công trình.

Các yêu cầu về hệ kết cấu, phân tích, địa kỹ thuật và cấu tạo rất nghiêm ngặt.

13. Lập phổ phản ứng thiết kế

Sau khi có $S_{DS}$ và $S_{D1}$:

$$T_s = S_{D1} / S_{DS}$$

$$T_0 = 0.2 \times T_s$$

Với ví dụ:

$$T_s = 0.507 / 0.733 \approx 0.691\,\text{s}$$

$T_0 \approx 0.138\,\text{s}$

Phổ thiết kế cơ bản có ba vùng chính trước vùng chu kỳ rất dài:

$0 \le T \le T_0$

$$S_a = S_{DS} \times ( 0.4 + 0.6 T / T_0 )$$

$T_0 \le T \le T_s$

$$S_a = S_{DS}$$

$T_s \le T \le T_L$

$$S_a = S_{D1} / T$$

Ở chu kỳ rất dài, $T_L$ tiếp tục tham gia định nghĩa phổ theo ASCE 7-16.

14. Từ phổ thiết kế đến lực cắt đáy

Trong Equivalent Lateral Force Procedure:

$$V = C_s \times W$$

Trong đó:

• $V$: seismic base shear;

• $C_s$: seismic response coefficient;

• $W$: effective seismic weight.

Một biểu thức quan trọng của $C_s$ ở vùng chu kỳ ngắn là:

$$C_s = S_{DS} / ( R / I_e )$$

hay:

$$C_s = S_{DS} \times I_e / R$$

Ở vùng chu kỳ dài hơn, giới hạn theo $S_{D1} / T$ tham gia xác định $C_s$.

Các hệ số chính gồm:

• $R$: Response Modification Coefficient;

• $\Omega_0$: Overstrength Factor;

• $C_d$: Deflection Amplification Factor.

Ba hệ số này phụ thuộc hệ kết cấu chịu lực động đất, tra trong các bảng của Chapter 12.

15. Ví dụ: cùng một vị trí nhưng khác loại công trình

Giả sử hai công trình nằm cạnh nhau, cùng:

• Site Class D;

• $S_s = 1.0\,\text{g}$;

• $S_1 = 0.4\,\text{g}$.

Công trình A — nhà xưởng thông thường

Giả sử Risk Category II:

$$I_e = 1.0$$

Công trình B — công trình thiết yếu

Nếu được phân loại Risk Category IV:

$$I_e = 1.5$$

Mặc dù hazard địa chấn và nền đất giống nhau, yêu cầu thiết kế của hai công trình không giống nhau.

Risk Category IV có thể:

• làm tăng lực thiết kế thông qua $I_e$;

• làm SDC tăng so với Risk Category II tại cùng $S_{DS}$, $S_{D1}$;

• kéo theo yêu cầu cấu tạo và chức năng sau động đất nghiêm ngặt hơn.

Đây là lý do không nên gọi Risk Category đơn giản là “hệ số công trình”.

16. Ảnh hưởng của việc chọn sai Site Class

Giả sử cùng $S_s$, $S_1$ nhưng thay đổi Site Class:

• $F_a$, $F_v$ thay đổi;

• $S_{MS}$, $S_{M1}$ thay đổi;

• $S_{DS}$, $S_{D1}$ thay đổi;

• phổ thiết kế thay đổi;

• SDC có thể thay đổi;

• lực cắt đáy và nội lực thay đổi.

Do đó Site Class là một trong những đầu vào nhạy nhất của bài toán động đất.

17. Site Class D mặc định — có được không?

Trong một số bối cảnh code có quy định cách xử lý khi chưa có dữ liệu địa kỹ thuật đầy đủ, nhưng không nên hiểu thành:

“Không biết đất gì thì cứ lấy D.”

ASCE 7-16 có các quy định cụ thể và những trường hợp nền mềm/hazard cao yêu cầu đánh giá site-specific.

Đối với thiết kế chính thức, nên có báo cáo khảo sát địa chất đủ dữ liệu để xác định Site Class.

18. $S_s$, $S_1$ khác PGA như thế nào?

Đây là nhầm lẫn rất phổ biến.

• PGA: peak ground acceleration.

• $S_s$: spectral acceleration parameter ở vùng chu kỳ ngắn.

• $S_1$: spectral acceleration parameter tại chu kỳ 1 s.

Không được lấy PGA rồi coi luôn là $S_{DS}$.

ASCE 7-16 dùng phổ phản ứng vì công trình có chu kỳ dao động riêng; phản ứng của một công trình 1 tầng rất cứng và một nhà cao tầng mềm không giống nhau dù nằm tại cùng vị trí.

19. Risk Category, SDC và “cấp công trình” khác nhau thế nào?

Không có quy tắc:

Cấp II Việt Nam = Risk Category II

hoặc:

Risk Category IV = SDC IV

Các cách ghép như vậy là sai bản chất.

20. Các lỗi thường gặp khi khai báo SAP2000/ETABS

Lỗi 1 — Nhập trực tiếp $S_s$, $S_1$ thành $S_{DS}$, $S_{D1}$

Sai vì chưa xét Site Class qua $F_a$, $F_v$.

Lỗi 2 — Chọn Site Class theo cảm giác

Phải dựa trên Chapter 20 và báo cáo địa chất.

Lỗi 3 — Chọn Risk Category chỉ theo số tầng

Risk Category phụ thuộc use/occupancy và hậu quả sự cố, không đơn thuần phụ thuộc chiều cao.

Lỗi 4 — Nhầm $I_e$ với $I_p$

• $I_e$: seismic importance factor của công trình.

• $I_p$: component importance factor cho cấu kiện phi kết cấu thuộc Chapter 13.

Lỗi 5 — Chỉ nhìn SDC để xác định lực

SDC chủ yếu điều khiển mức yêu cầu thiết kế/cấu tạo. Giá trị lực còn phụ thuộc $S_{DS}$, $S_{D1}$, $R$, $I_e$, $W$, chu kỳ $T$ và phương pháp phân tích.

Lỗi 6 — Dùng phổ chuẩn nhưng không kiểm tra scale

Khi dùng Response Spectrum Analysis, cần tuân thủ yêu cầu scale và các quy định của Chapter 12, không chỉ nhập phổ rồi lấy kết quả trực tiếp.

21. Checklist trước khi dựng mô hình

Trước khi khai báo động đất trong SAP2000/ETABS, nên có tối thiểu:

• Tiêu chuẩn: ASCE 7-16.

• Vị trí công trình.

• Risk Category.

• $I_e$.

• Báo cáo địa chất.

• Site Class.

• $S_s$.

• $S_1$.

• $F_a$.

• $F_v$.

• $S_{DS}$.

• $S_{D1}$.

• SDC.

• $T_L$.

• Hệ kết cấu chịu lực động đất.

• $R$.

• $\Omega_0$.

• $C_d$.

• Effective seismic weight $W$.

• Phương pháp phân tích được phép áp dụng.

• Kiểm tra drift và P-Delta.

• Yêu cầu diaphragm, collector và anchorage.

22. Tóm tắt bằng một ví dụ

Giả sử:

• nhà văn phòng thông thường;

• Risk Category II;

• $I_e = 1.0$;

• Site Class D;

• $S_s = 1.0\,\text{g}$;

• $S_1 = 0.4\,\text{g}$.

Ta có:

$$F_a = 1.1$$

$$F_v = 1.9$$

$$S_{MS} = 1.1 \times 1.0 = 1.10\,\text{g}$$

$$S_{M1} = 1.9 \times 0.4 = 0.76\,\text{g}$$

$$S_{DS} = \tfrac{2}{3} \times 1.10 = 0.733\,\text{g}$$

$$S_{D1} = \tfrac{2}{3} \times 0.76 = 0.507\,\text{g}$$

$$T_s = S_{D1} / S_{DS} = 0.691\,\text{s}$$

$$T_0 = 0.2 T_s = 0.138\,\text{s}$$

Từ $S_{DS}$, $S_{D1}$ và Risk Category II:

SDC = D

Sau bước này mới tiếp tục:

chọn hệ kết cấu → tra R, Ω0, Cd → xác định T → Cs → V → phân phối lực theo tầng hoặc lập phổ Response Spectrum.

23. Hình tổng hợp

Tài liệu tham khảo

• ASCE/SEI 7-16, Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures.

• ASCE 7-16, Table 1.5-1 — Risk Category.

• ASCE 7-16, Table 1.5-2 — Seismic Importance Factor.

• ASCE 7-16, Chapter 11 — Seismic Design Criteria.

• ASCE 7-16, Chapter 20 — Site Classification Procedure.

• ASCE 7-16, Chapter 21 — Site-Specific Ground Motion Procedures.

• ASCE 7-16, Chapter 22 — Seismic Ground Motion and Long-Period Transition Maps.

• ASCE 7-16, Chapter 12 — Seismic Design Requirements for Building Structures.

• FEMA, NEHRP Recommended Seismic Provisions và các tài liệu hướng dẫn thiết kế động đất liên quan.

Nội dung bài này tập trung vào đầu vào động đất và cách xây dựng thông số thiết kế. Bước tiếp theo của một quy trình tính toán hoàn chỉnh là lựa chọn hệ kết cấu chịu lực động đất, xác định $R$, $\Omega_0$, $C_d$, tính $W$, xác định chu kỳ $T$, lực cắt đáy $V$, phân phối lực theo tầng và khai báo đúng vào SAP2000/ETABS.