Động đất-p.1

Động đất không có trong chương trình Dự báo thời tiết, đơn giản vì không thể dự báo. Dù Việt Nam không thuộc vùng động đất mạnh, dữ liệu của hơn 200 năm quan trắc đã qua không đảm bảo sẽ không có 1 thảm hoạ xảy ra. Hiểu biết của người kỹ sư giúp công trình xây dựng là nơi bảo toàn sinh mạng con người trong địa chấn. Chuỗi bài cố gắng giải thích 1 cách phổ thông nhất có thể về vấn đề này🆗

===============================

📘Từ vựng

 

📖Động đất:

là sự rung động mặt đất, gây ra bởi các dịch chuyển đột ngột của các địa khối theo các đứt gãy địa chất trong lòng đất (gọi là động đất kiến tạo), các vụ nổ núi lửa (gọi là động đất núi lửa), các vụ sụp đổ hang động, các vụ trượt lở đất, thiên thạch và các vụ nổ nhân tạo. (theo QCVN 02 : 2009/BXD)

Vị trí phát sinh động đất

📖Chấn tiêu là nơi phát sinh động đất, nơi năng lượng động đất được giải phóng và truyền ra không gian xung quanh dưới dạng sóng đàn hồi, gây rung động mặt đất. Chấn tâm là hình chiếu theo chiều thẳng đứng của chấn tiêu trên mặt đất.

Do địa lý, Việt Nam rất ít chịu ảnh hưởng của động đất (so với các vùng xảy ra nhiều như Nhật Bản, Đài Loan, Indonesia…). Căn cứ bản đồ phân vùng động đất lãnh thổ Việt Nam do Viện Vật lý Địa cầu lập, đại bộ phận lãnh thổ Việt Nam có thể xảy ra động đất yếu và rất yếu. Động đất xảy ra tại Việt Nam có cường cường độ thường ở mức trung bình và trung bình yếu. Tần suất động đất với cường độ mạnh xảy ra là rất thấp.

 

Động đất thế nào là Mạnh hay Yếu?

Ngoài chuyện cảm nhận của con người, chỉ rung nhẹ hay trời đất đảo lộn, sập nhà sụt đường.. Trong kỹ thuật lượng hoá bằng con số. Trước đây quen dùng phân cấp động đất, cấp VII hay VIII là mạnh lắm rồi. Truyền thông thì quen dùng độ Richter, ví dụ trận ở Kobe năm 1995 hơn 7 độ Richter là rất mạnh. Trong xây dựng theo TCVN 9386:2012, dùng khái niệm đỉnh gia tốc nền.

📖Cấp động đất

là đại lượng biểu thị cường độ chấn động mà nó gây ra trên mặt đất và được đánh giá theo các thang phân bậc mức độ tác động của động đất đối với các kiểu nhà cửa, công trình, đồ vật, súc vật, con người và biến dạng mặt đất. Cấp động đất thường được đánh giá bằng thang MSK-64 (Medvedev-Sponheuer-Karnik). Thang MSK-64 gồm 12 cấp, được Hội đồng địa chấn Châu Âu thông qua năm 1964 cụ thể như sau:

Cấp I: Động đất không cảm thấy, chỉ có máy mới ghi nhận được.

Cấp II: Động đất ít cảm thấy (rất nhẹ). Trong những trường hợp riêng lẻ, chỉ có người nào đang ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy được.

Cấp III: Động đất yếu. Ít người nhận biết được động đất. Chấn động y như tạo ra bởi một ô tô vận tải nhẹ chạy qua.

Cấp IV: Động đất nhận thấy rõ. Nhiều người nhận biết động đất, cửa kính có thể kêu lạch cạch.

Cấp V: Thức tỉnh. Nhiều người ngủ bị tỉnh giấc, đồ vật treo đu đưa.

Cấp VI: Đa số người cảm thấy động đất, nhà cửa bị rung nhẹ, lớp vữa bị rạn.

Cấp VII: Hư hại nhà cửa. Đa số người sợ hãi, nhiều người khó đứng vững, nứt lớp vữa, tường bị rạn nứt.

Cấp VIII: Phá hoại nhà cửa; Tường nhà bị nứt lớn, mái hiên và ống khói bị rơi.

Cấp IX: Hư hại hoàn toàn nhà cửa; nền đất có thể bị nứt rộng 10 cm.

Cấp X: Phá hoại hoàn toàn nhà cửa. Nhiều nhà bị sụp đổ, nền đất có thể bị nứt rộng đến 1 mét.

Cấp XI: Động đất gây thảm họa. Nhà, cầu, đập nước và đường sắt bị hư hại nặng, mặt đất bị biến dạng, vết nứt rộng, sụp đổ lớn ở núi.

Cấp XII: Thay đổi địa hình. Phá huỷ mọi công trình ở trên và dưới mặt đất, thay đổi địa hình trên diện tích lớn, thay đổi cả dòng sông, nhìn thấy mặt đất nổi sóng.

 

📖độ Richter:

có giá trị bằng logarit cơ số 10 của biên độ cực đại (micron) thành phần nằm ngang của sóng địa chấn trên băng ghi của máy địa chấn chu kỳ ngắn chuẩn Wood Andersen ở khoảng cách 100 km từ chấn tâm

1–2 trên thang Richter: Không nhận biết được

2–4 trên thang Richter: Có thể nhận biết nhưng không gây thiệt hại

4–5 trên thang Richter: Mặt đất rung chuyển, nghe tiếng nổ, thiệt hại không đáng kể

5–6 trên thang Richter: Nhà cửa rung chuyển, một số công trình có hiện tượng bị nứt

6–7 trên thang Richter, 7–8 trên thang Richter: Mạnh, phá hủy hầu hết các công trình xây dựng thông thường, có vết nứt lớn hoặc hiện tượng sụt lún trên mặt đất.

8–9 trên thang Richter: Rất mạnh, phá hủy gần hết cả thành phố hay đô thị, có vết nứt lớn, vài tòa nhà bị lún

>9 trên thang Richter: Rất hiếm khi xảy ra

>10 trên thang Richter: Cực hiếm khi xảy ra

 

📖Đỉnh gia tốc nền (PGA-peak ground acceleration)

là gia tốc lớn nhất của chuyển động nền đất theo phương ngang, được đo và thống kê trên các trận địa chấn. TCVN 9386:2012 mô tả nguy cơ động đất to hay nhỏ qua con số gọi là đỉnh gia tốc nền tham chiếu trên nền loại A (là nền đá hoặc kiến tạo tựa đá), $a_{gR}$, cho chu kỳ lặp 475 năm. Số liệu này do Nhà nước ban hành trong tiêu chuẩn cho từng vùng hành chính địa điểm công trình xây dựng thông qua bản đồ.

Tải trọng động đất lên công trình tỷ lệ với gia tốc nền. Đỉnh gia tốc nền theo phương thẳng đứng thường ít được quan tâm hơn phươn ngang, vì khả năng chịu tải thẳng đứng của công trình hầu hết là đủ an toàn chịu thêm động đất theo phương đứng.

📖Chu kỳ lặp TR

là khoảng thời gian trung bình mà số liệu động đất (như gia tốc nền) bị vượt quá giá trị tham chiếu trong tiêu chuẩn. Đây là một khái niệm thống kê, tương đương cách nói: số liệu đó bị vượt quá với xác suất PR, trong thời gian TL.

📖động đất Tham chiếu: là động đất “kiểu mẫu” trong tiêu chuẩn, có xác suất bị vượt là PR=10% trong thời gian TL=50 năm. Theo 2.1.(1) của TC, công thức chu kỳ lặp TR=-TL/ln(1-PR).

Như vậy chu kỳ lặp của động đất tham chiếu là TR=475 năm (hay làm tròn lên là 500 năm), chính là cơ sở của bản đồ phân vùng động đất trong tiêu chuẩn và quy chuẩn QCVN 02:2009/BXD.

Gọi là “tham chiếu” (reference), vì số liệu gia tốc nền này là 1 giá trị quy ước, áp dụng cho một loại công trình nhất định, là công trình có tầm quan trọng trung bình, với chu kỳ lặp quy ước 500 năm.

Ngôi nhà trong đời thực chịu động đất “khác tham chiếu”. Gia tốc nền thiết kế cần được nhân thêm 1 hệ số vào gia tốc nền tham chiếu $a_g=\gamma_Ia_{gR}$. Hệ số này gọi là 📖hệ số tầm quan trọng $\gamma_I$:

- Trường hợp dữ liệu gia tốc nền cho dựa trên xác suất bị vượt khác $P_{LR}$=10% trong khoảng thời gian khác $T_{LR}$=50 năm, như ở nước ngoài, có thể quy tương đương về gia tốc tham chiếu theo 2.1.(4) của TC:

+ cùng xác suất bị vượt, trong khoảng thời gian $T_L$ khác $T_{LR}$=50 năm: $\gamma_I\approx(T_{LR}/T_L)^{(-1/k)}$

+ có xác suất bị vượt $P_L$ khác $P_{LR}$=10%, trong cùng khoảng thời gian 50 năm: $\gamma_I\approx(P_L/P_{LR})^{(-1/k)}$

thông thường k=3.

🎁đính kèm là file tính chuyển đổi gia tốc nển

- Ngoài chuyện kéo dài hoặc rút ngắn chu kỳ lặp động đất so với chu kỳ lặp quy ước, hệ số tầm quan trọng $\gamma_I$ lớn hơn 1,0 hoặc nhỏ hơn 1,0 còn có ý nghĩa cho các công trình có mức độ quan trọng lớn hơn hoặc thấp hơn tiêu chuẩn.

TCVN phân 5 mức độ quan trọng cho nhà và công trình, theo:

+ hậu quả của sự sụp đổ tới sinh mạng con người,

+ mức độ quan trọng của chúng đối với sự an toàn công cộng, vào việc bảo vệ dân sự ngay sau khi xảy ra động đất

+ hậu quả kinh tế - xã hội gây ra bởi sự sụp đổ.

Các mức độ quan trọng ứng với hệ số tầm quan trọng và chu kỳ lặp tương đương như sau:

Mức độ quan trọng	Công trình	Hệ số tầm quan trọng $\gamma_I$	Chu kỳ lặp (năm)
Đặc biệt	Nhà trên 60 tầng, Nhà máy điện nguyên tử, đập cao >100m, Tháp cao >300m …	tính toán với gia tốc lớn nhất có thể xảy ra (*)
I	Nhà cao 20-60 tầng, Tháp cao 200-300m, Công trình công cộng đông người cao 20-29 tầng hoặc tổng diện tích sàn 10.000- 15.000m2, Nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện công suất lớn, Kho chứa, đường ống chứa chất dễ cháy nổ,…	1,25	927
II	Nhà cao 9-19 tầng, Tháp cao 100-200m, Công trình công cộng 9-19 tầng hoặc TDTS 5.000- 10.000m2, Trụ sở hành chính, cơ quan cấp tỉnh, Nhà ga, bến xe, bưu điện nhịp trên 75m hoặc TDTS trên 10.000m2, Nhà máy, công trình giao thông, hầm,… lớn cấp I, II Công trình Quốc phòng an ninh, …	1,0	475
III	Nhà cao 4-8 tầng, Tháp cao 50-100m, Nhà công cộng, nhà máy nhỏ hơn, cấp III, Tường cao >10m, …	0,75	200
IV	Nhà cao ≤3 tầng, Trại gia súc 1 tầng, nhà kho, xưởng nhỏ…., các công trình nếu hỏng do động đất ít thiệt hại người và của	không yêu cầu tính toán kháng chấn

xem thêm phụ lục E, F của tiêu chuẩn về mô tả công trình ứng với các mức độ quan trọng.

 

📖Động đất mạnh hay yếu theo gia tốc nền?

Theo 3.2.1 của TC phân loại trường hợp động đất theo gia tốc nền thiết kế $a_g$ trên nền loại A:

- Yếu: $a_g\le0,08g$=0,78m/s2, thiết kế kháng chấn giảm nhẹ

- Rất yếu: $a_g\le0,04g$=0,39m/s2, không cần thiết kế kháng chấn

- $a_g>0,08g$: trường hợp thường gặp ở Việt Nam, cần tính toán và cấu tạo kháng chấn

 

📖Tương quan tham khảo giữa các loại độ lớn động đất:

Thang MSK - 64	độ Richter	Đỉnh gia tốc nền $a_gR$ (g)
I - II	2,5
III - IV	3,5
V	4,9	0,012 – 0,03
VI	5,0	> 0,03 - 0,06
VII	5,9	> 0,06 - 0,12
VIII	6,0 – 6,8	> 0,12 -0,24
IX	6,9 – 7,6	> 0,24 - 0,48
X	7,6 – 8,0	> 0,48
XI - XII	> 8,0

g: gia tốc trọng trường g= 9,81m/s2

💎Ý nghĩa áp dụng cho một số đô thị lớn, có nhiều công trình cao tầng, cần chịu động đất lớn cỡ nào?

- Hà Nội: đỉnh gia tốc nền 0,0747-0,1081g; cấp VII; 5 – 5,9 độ Richter

- tp Hồ Chí Minh: đỉnh gia tốc nền 0,0700-0,0856g; cấp VII; 5 – 5,9 độ Richter

riêng huyện Bình Chánh nhẹ hơn, agR= 0,0589g; cấp VI; 5,0 độ Richter

- Hải Phòng: nội thành và các huyện An Dương, An Lão, Thuỷ Nguyên có đỉnh gia tốc nền khá lớn 0,1276-0,1334g; lên hẳn cấp VIII; 6,0-6,8 độ Richter

một số huyện đảo động đất rất yếu, như Bạch Long Vĩ, agR=0,0063g;

- Đà Nẵng: đỉnh gia tốc nền 0,0674-0,1006g; cấp VII; 5 – 5,9 độ Richter

riêng huyện đảo Hoàng Sa, agR= 0,0544g, cấp VI, 5,0 độ Richter

- Phú Quốc: đỉnh gia tốc nền 0,004g; động đất rất yếu, không cần thiết kế Kháng chấn🥳

==============================

Phần tiếp theo nói về động đất tác dụng lên công trình xây dựng và phản ứng của nó.

Tài liệu tham khảo:

1. TCVN 9386:2012 “Thiết kế công trình chịu động đất”

2. Cơ sở lý thuyết tính toán công trình chịu động đất – GS.TS. Nguyễn Lê Ninh – nxb Khoa học và kỹ thuật Hà Nội – 2011

3. Earthquake scales

4. Earthquake Hazards 201 - Technical Q&A