Ổn định công trình: Nghiên cứu và ứng dụng

Phần này làm rõ khái niệm ổn định tổng thể trong kết cấu công trình, đặc biệt tập trung vào vấn đề ổn định chống lật. Luận văn chỉ xét đến ổn định tổng thể hay ổn định chống lật, loại trừ các dạng ổn định khác do biến dạng riêng của công trình (đã được đề cập trong các giáo trình Cơ học kết cấu). Bài toán ổn định chống lật được nhấn mạnh là cần thiết khi tỷ số giữa chiều cao và kích thước mặt bằng của công trình lớn hơn 5, lúc này vai trò của nền đất trong việc đảm bảo ổn định chống lật trở nên rõ ràng. Hiện trạng xây dựng tại các đô thị với nhiều nhà cao tầng, chiều rộng nhỏ, chiều cao lớn và móng nông dẫn đến khả năng chống lật thấp được nêu ra như một vấn đề cần giải quyết. Các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành yêu cầu kiểm tra ổn định chống lật đối với các công trình cao như tháp nước, tháp truyền hình, cột điện cao, và các nhà cao tầng có một chiều kích thước mặt bằng nhỏ. Luận văn lấy ví dụ về trạng thái cân bằng ổn định, không ổn định và phiếm định thông qua hình ảnh minh họa về viên bi trên các mặt phẳng khác nhau để làm rõ hơn các khái niệm này.

Luận văn trình bày ba phương pháp chính để đánh giá tiêu chí ổn định: tĩnh học, động lực học và năng lượng. Phương pháp tĩnh học dựa trên các phương trình cân bằng tĩnh học, tuy nhiên điều kiện cân bằng này chưa đủ để xác định tính ổn định. Để xác định tính ổn định, cần khảo sát hệ trong trạng thái lệch khỏi trạng thái cân bằng ban đầu và kiểm tra xem có tồn tại trạng thái cân bằng mới hay không. Tiêu chí ổn định dạng năng lượng dựa trên nguyên lý Lejeune-Dirichlet, cho rằng hệ ở trạng thái cân bằng ổn định khi thế năng toàn phần đạt giá trị cực tiểu. Ngược lại, nếu thế năng đạt giá trị cực đại, hệ ở trạng thái cân bằng không ổn định; và nếu thế năng không đổi, hệ ở trạng thái cân bằng phiếm định. Phương pháp động lực học xét hướng chuyển động của hệ sau khi bị tác động bởi nhiễu loạn. Nếu hệ dao động tắt dần và trở về trạng thái cân bằng ban đầu, cân bằng là ổn định; ngược lại, cân bằng là không ổn định. Luận văn đề cập đến các bước giải bài toán ổn định theo phương pháp động lực học, bao gồm lập và giải phương trình dao động riêng của hệ và xác định lực tới hạn dựa trên tính chất nghiệm của chuyển động. Cuối cùng, luận văn cũng đề cập đến việc áp dụng các phương pháp năng lượng như nguyên lý Lejeune-Dirichlet, phương pháp Rayleigh-Ritz, và phương pháp Timoshenko, nhấn mạnh sự gần đúng của kết quả do giả thiết trước biến dạng của hệ.

Phần này làm rõ khái niệm hệ bảo toàn và lực bảo toàn, đặc trưng bởi độ biến thiên công của lực bằng vi phân toàn phần của thế năng và công sinh ra bởi lực không phụ thuộc vào đường di chuyển mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đặt đầu và cuối của lực. Luận văn nhấn mạnh sự ngày càng phổ biến của việc sử dụng độ tin cậy trong tiêu chuẩn thiết kế công trình, cho kết quả chính xác hơn so với phương pháp truyền thống. Yêu cầu phát triển kinh tế thúc đẩy việc xây dựng các công trình lớn và cao tầng, tuy nhiên, công trình càng cao, to thì bài toán ổn định càng được quan tâm. Ổn định tổng thể đã được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế, nhưng nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố ngẫu nhiên như tải trọng ngang (gió) và tính chất của nền đất. Do sự sai lệch trong số liệu nền đất và tải trọng thực tế, việc xét đến xác suất an toàn của ổn định chống lật là cần thiết và chưa được nghiên cứu chi tiết. Đây là một trong những động lực chính thúc đẩy nghiên cứu trong luận văn.

Phần này tập trung vào việc đánh giá khả năng chống lật của các công trình cao, đặc biệt là các nhà cao tầng có chiều ngang hẹp ở Hà Nội. Luận văn sử dụng hai phương pháp: tính toán hệ số chống lật và xác định xác suất chống lật. Kết quả cho thấy sự tương quan giữa hệ số an toàn chống lật và xác suất chống lật: hệ số an toàn lớn thì xác suất chống lật cũng cao. Tuy nhiên, khi sử dụng chỉ số độ tin cậy (β), sự thay đổi về giá trị này rõ rệt hơn so với hệ số an toàn (kcl) khi chuyển từ nền cứng sang nền đàn hồi và đàn dẻo. Việc so sánh hai phương pháp này giúp luận văn đánh giá được ưu điểm của việc sử dụng xác suất chống lật trong việc phản ánh chính xác hơn độ an toàn của công trình trên các loại nền khác nhau. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng chống lật của những công trình thực tế tại Hà Nội, góp phần làm rõ hơn các vấn đề liên quan đến an toàn kết cấu.

Phần này phân tích nguyên nhân dẫn đến khả năng chống lật thấp của nhiều nhà cao tầng có chiều ngang hẹp ở Hà Nội, chủ yếu do thiếu hiểu biết và quản lý xây dựng lỏng lẻo. Sau khi tính toán, nhiều công trình cho thấy hệ số an toàn chống lật quá thấp. Luận văn đề cập đến các phương pháp tăng khả năng chống lật, phổ biến nhất là cắm sâu móng và sử dụng móng cọc để tăng mô men chống lật. Móng bè trên nền cọc được đánh giá là có khả năng chống lật kém, chỉ phù hợp với tải trọng thẳng đứng. Dựa trên kết quả phân tích, luận văn đề xuất các khuyến nghị về chiều cao xây dựng hợp lý cho nhà có chiều rộng từ 3m đến 4m và móng nông, chỉ nên xây từ 3 đến 4 tầng. Thành phố cần có quy định cụ thể về chiều cao tối đa của các nhà có chiều ngang hẹp để đảm bảo an toàn. Việc sử dụng lý thuyết độ tin cậy được đề xuất như một phương pháp chính xác hơn trong việc đánh giá độ an toàn chống lật, đặc biệt khi nền đất và tải trọng có tính ngẫu nhiên cao.

Mặc dù nhiều công trình được khảo sát có độ an toàn chống lật thấp (theo tải trọng tiêu chuẩn, cấp gió, cấp động đất thiết kế), nhưng hiện tại chúng vẫn tồn tại. Điều này là do tải trọng ngang thực tế thấp hơn tải trọng thiết kế, nên nhà vẫn chưa bị lật. Tuy nhiên, luận văn nhấn mạnh tính chất nguy hiểm tiềm tàng của tình trạng này, cho thấy tầm quan trọng của việc áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế chặt chẽ hơn và việc giám sát xây dựng nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn cho các công trình. Sự chênh lệch giữa tải trọng thiết kế và tải trọng thực tế không đảm bảo an toàn lâu dài cho công trình. Vì vậy, việc áp dụng các phương pháp tính toán chính xác và sử dụng lý thuyết độ tin cậy là rất quan trọng để đánh giá chính xác khả năng chống lật và đề xuất các giải pháp phù hợp, đảm bảo an toàn cho công trình trước các tác động của tự nhiên như gió và động đất.

Phần này trình bày cách tính toán tải trọng gió tác động lên công trình cao. Áp lực gió (W0) là yếu tố chính được xem xét, phụ thuộc vào vùng gió (phân vùng theo phụ lục D), loại địa hình (dạng A: trống trải; dạng B: tương đối trống trải), và độ cao. Đối với vùng ảnh hưởng của bão yếu, áp lực gió W0 được giảm đi tùy thuộc vào vùng I-A, II-A, và III-A. Đối với vùng có địa hình phức tạp, giá trị W0 được lấy từ Tổng cục Khí tượng Thủy văn hoặc kết quả khảo sát hiện trường. Hệ số k được sử dụng để tính đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và địa hình (bảng 5). Khi mặt đất không bằng phẳng, mốc chuẩn tính độ cao được xác định theo phụ lục G. Đối với công trình có lỗ cửa, hệ số khí động được xác định theo bảng 6, tùy thuộc vào dạng nhà, hướng gió, và cấu kiện. Giá trị dương của hệ số khí động ứng với áp lực gió hướng vào công trình, giá trị âm ứng với áp lực gió hướng ra ngoài. Các trường hợp đặc biệt như nhà có mái răng cưa, cửa trời, được tính toán riêng biệt, xem xét thêm lực ma sát.

Phần này mô tả cách tính toán tải trọng động đất tác động lên công trình cao. Hai phương pháp được đề cập là phương pháp tựa tĩnh và phương pháp phổ. Khi sử dụng phương pháp tựa tĩnh, tải trọng tác động lên mái nhà, tường chắn và ống khói cần nhân với hệ số khuyếch đại là 3. Phương pháp phổ được sử dụng khi tính toán hiệu ứng xoắn kết cấu. Lực cắt tại từng tầng do tải trọng động đất được phân bố cho các cấu kiện chịu lực theo tỷ lệ độ cứng (sàn cứng), tỷ lệ khối lượng (sàn mềm), hoặc giá trị trung bình của hai cách trên (sàn bê tông cốt thép lắp ghép). Số dạng dao động cần xem xét phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng cơ bản và tỷ số chiều cao trên chiều rộng của kết cấu. Luận văn đề cập đến việc tính toán tải trọng động đất cho các cấu kiện khác nhau như mái nhà, tường chắn, ống khói, và khung cửa trời, với các hệ số khuyếch đại khác nhau tùy thuộc vào loại cấu kiện và phương pháp tính toán. Việc tính toán tải trọng động đất cũng cần xét đến hiệu ứng xoắn kết cấu, với mỗi cao trình tầng có ba chuyển vị.

Luận văn kết luận rằng việc sử dụng lý thuyết độ tin cậy để đánh giá ổn định chống lật của công trình cao là cần thiết và hiệu quả hơn so với chỉ sử dụng hệ số an toàn. Do tính ngẫu nhiên của nền đất và tải trọng, phương pháp này giúp đánh giá chính xác hơn rủi ro và đảm bảo an toàn cho công trình. Sự so sánh giữa hệ số an toàn chống lật và xác suất chống lật cho thấy xác suất chống lật phản ánh rõ rệt hơn sự thay đổi độ tin cậy khi điều kiện nền thay đổi từ cứng sang mềm. Việc tính toán tải trọng gió và động đất dựa trên các tiêu chuẩn và hệ số được trình bày trong luận văn giúp xác định tải trọng tác động lên công trình một cách chính xác hơn, từ đó đảm bảo tính toán thiết kế an toàn hơn. Luận văn nhấn mạnh sự cần thiết phải xem xét các yếu tố ngẫu nhiên trong quá trình tính toán, đặc biệt là đặc trưng của nền đất và tải trọng, để có kết quả đánh giá độ an toàn chính xác hơn.

Dựa trên kết quả nghiên cứu, luận văn đưa ra các kiến nghị quan trọng. Đối với quy hoạch đô thị, cần có những quy định về chiều cao hợp lý cho các nhà ở có chiều ngang hẹp, hạn chế tình trạng xây dựng nhà cao tầng với chiều rộng nhỏ, móng nông dẫn đến khả năng chống lật thấp. Về quản lý xây dựng, cần siết chặt việc kiểm tra, giám sát để đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế và an toàn công trình. Đồng thời, cần nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của việc tính toán ổn định công trình, đặc biệt là đối với các nhà cao tầng, để tránh những rủi ro tiềm ẩn. Đối với thiết kế công trình, việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy trong tính toán ổn định chống lật được khuyến nghị để đảm bảo độ chính xác và an toàn cao hơn. Việc sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại và chính xác hơn cần được khuyến khích để nâng cao chất lượng và độ an toàn của các công trình xây dựng, góp phần phát triển bền vững đô thị.