NGHIÊN
CỨU KHẢ NĂNG RUNG ĐỘNG NỀN VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI DO ĐỘNG ĐẤT
GÂY RA ĐỐI VỚI CÁC VÙNG ĐÔ THỊ
NGUYỄN HỒNG PHƯƠNG
Phân viện Hải dương học tại Hà Nội, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội
Tóm tắt: Trong bài báo này,
tác giả đã giới thiệu hai phương pháp nghiên cứu phụ thuộc lẫn nhau. Phương pháp
thứ nhất cho phép đánh giá định lượng khả năng rung động nền có tính đến các
hiệu ứng nền địa phương. Phương pháp thứ hai, sử dụng kết quả của phương pháp
thứ nhất, cho phép ước lượng thiệt hại trực tiếp do động đất gây ra cho các vùng
đô thị. Các phương pháp này đã được áp dụng để tính thử ở ở quận Hoàn Kiếm,
thành phố Hà Nội. Tthực hiện rộng rãi các phương pháp này có thể góp phần đáng
kể vào việc cảnh báo giảm thiểu các thiệt hại do động đất gây ra ở Việt Nam.
MỞ ĐẦU
Phần lớn những thiệt hại do
động đất gây ra cho các vùng đô thị đều có liên quan trực tiếp hay gián tiếp tới
rung động nền, tức là sự rung động của nền đất diễn ra trong quá trình động đất.
Trong nghiên cứu địa chấn, đại lượng này thường được biểu thị dưới dạng một
trong ba thông số dao động nền: gia tốc cực đại nền A, vận tốc hạt V, hay dịch chuyển nền D. Các thông số dao động nền đóng vai trò rất quan trọng trong thực
tiễn, do chúng được sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho các tính toán đánh giá rủi
ro động đất (chẳng hạn như việc tính tải trọng động đất lên các công trình xây
dựng, xây dựng quy phạm thiết kế kháng chấn, ước lượng thiệt hại đối với các yếu
tố chịu rủi ro, bảo hiểm, v.v…).
Các nghiên cứu đánh giá độ
nguy hiểm động đất cho một khu vực thường đưa ra kết quả định lượng dưới dạng
bản đồ biểu thị phân bố không gian của một trong các thông số rung động nền nêu
trên, với đại lượng thường được sử dụng nhiều nhất là gia tốc cực đại nền A. Tuy nhiên, bản đồ gia tốc cực đại nền vẫn chỉ
là một đánh giá mang tính tổng quan về độ nguy hiểm động đất tại vùng nghiên
cứu. Trong thực tế, rung động nền do động đất là một quá trình phức tạp phụ
thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố quan trọng nhất phải kể đến là các điều
kiện nền đất tại chính địa điểm xảy ra động đất. Vì vậy, bài toán đánh giá khả
năng rung động nền ở mức độ chi tiết sẽ không thể cho ta lời giải đáng tin cậy
nếu không tính đến và sử dụng các thông tin về điều kiện nền đất địa phương.
Bài
viết này sẽ trình bày hai vấn đề chính. Trong phần thứ nhất, một phương pháp
đánh giá định lượng khả năng rung động nền do động đất có tính đến các hiệu ứng
nền địa phương sẽ được trình bày, với các kết quả nhận được từ việc áp dụng cho
khu vực thành phố Hà Nội và lân cận. Các kết quả này được sử dụng trong phần thứ
hai để ước lượng thiệt hại do động đất gây ra đối với một trong các đối tượng
chịu rủi ro là nhà cửa tại vùng nghiên cứu. Mô hình tính toán rủi ro động đất
được áp dụng cho quận Hoàn Kiếm, một khu vực đô thị tiêu biểu của thành phố Hà
Nội, và các kết quả được minh hoạ trong môi trường đồ họa của hệ thống thông tin
địa lý (GIS).
I.
PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG RUNG ĐỘNG NỀN CÓ TÍNH ĐẾN HIỆU ỨNG NỀN ĐỊA PHƯƠNG
Đánh giá khả năng rung động nền là nghiên cứu các
điều kiện nền đất để đánh giá ảnh hưởng của chúng tới cường độ và hình dạng của
các rung động động đất trong vùng nghiên cứu. Nghiên cứu này trình bày một
phương pháp đánh giá khả năng rung động nền có tính đến hiệu ứng nền địa phương
với những thao tác được thực hiện theo một quy trình bao gồm bốn bước sau đây:
Xác định quy luật tắt dần chấn động: Nội dung chính của bước này là lựa
chọn một phương trình tắt dần chấn động thích hợp cho vùng nghiên cứu. Đây là
phương trình biểu thị mối tương quan giữa các thông số rung động nền đất với
chấn cấp (magnitude) (hay cường độ chấn động) động đất và khoảng cách từ
nguồn chấn động tới điểm quan sát. Cần lưu ý rằng hiện nay tồn tại rất nhiều các
phương trình tắt dần chấn động, do nhiều tác giả đề ra cho nhiều khu vực khác
nhau trên thế giới [9].
Tính toán rung động nền:
Phương trình tắt dần chấn động lựa chọn cho vùng nghiên cứu được đưa vào các
chương trình chuyên dụng để tính toán và vẽ bản đồ độ nguy hiểm động đất, biểu
thị phân bố không gian của một hay nhiều thông số rung động nền ứng với các chu
kỳ thời gian khác nhau.
Đánh giá hiệu ứng khuếch đại rung
động nền và các điều kiện nền địa phương: Trong bước này, nền đất tại vùng
nghiên cứu được phân loại theo các tiêu chuẩn, đồng thời các hệ số khuếch đại
ứng với mỗi loại nền đất cũng được xác định dựa trên các tiêu chuẩn về địa kỹ
thuật, địa chất công trình và địa chất thuỷ văn.
Xây dựng đồ thị phổ phản ứng chuẩn
cho các loại nền:
Trên cơ sở các kết quả nhận được, mối tương quan giữa phổ gia tốc, phổ dịch
chuyển và các chu kỳ dao động nền đặc trưng cho vùng nghiên cứu được xác định.
Kết quả tính toán được trình bày dưới dạng các đồ thị phổ phản ứng chuẩn xây
dựng cho từng loại nền. Các thông số rung động nền nhận được sẽ là các số liệu
đầu vào được sử dụng trực tiếp trong các tính toán ước lượng thiệt hại do động
đất gây ra tại một khu vực đô thị.
Để minh họa cho phương pháp, các
bước thực hiện quy trình và một số kết quả đánh giá khả năng rung động nền cho
toàn bộ thành phố Hà nội và lân cận sẽ được mô tả chi tiết dưới đây.
1.
Xác định quy luật tắt dần chấn động
Tại Việt Nam,
số liệu gia tốc nền còn quá ít để có thể xây dựng cho riêng mình một quy luật
tắt dần chấn động động đất. Mặc dù đã quan trắc được cả những trận động đất mạnh
nhất trên lãnh thổ, mãi tới năm 2000, Việt Nam mới ghi được số liệu gia tốc nền
trên lãnh thổ của mình. Cho đến nay, vẫn chưa có một biểu thức tắt dần chấn động
nào được xây dựng cho lãnh thổ Việt Nam trên cơ sở tổng hợp các băng gia tốc nền
ghi nhận được từ các trận động đất. Việc chọn lựa áp dụng các phương trình tắt
dần chấn động của các vùng khác vào Việt Nam được suy xét trên hai phương diện
chính: 1) tính phổ biến của số liệu sử dụng, 2) sự tương đồng về mặt địa lý, địa
chất.
Đối với khu vực
thành phố Hà Nội và lân cận, các phương trình tắt dần chấn động của
Campbell (1994) được chọn để tính rung động nền [1, 2].
Ưu điểm của các phương trình này là được xây dựng trên cơ sở các số liệu dao
động mạnh trên toàn thế giới và có tính đến nhiều yếu tố về kiến tạo, đặc điểm
nền đất. Phương trình tính gia tốc cực đại nền PGA
có dạng:
ln (AH) = -3,512 + 0,904M - 1,328 {R2SEI + [0,149 exp (0,647M)]2 + [1,125 -
0,112ln (RSEI) - 0,0957M] F + [0,440 - 0,171 ln (RSEI)] SSR
+ [0,405-0,222 ln (RSEI)] SHR + e (1)
trong đó AH
là giá trị gia tốc nền cực đại thành phần nằm ngang có đơn vị là g (g = 981 cm/s2),
e là số hạng sai số ngẫu
nghiên có trung bình 0 và độ lệch s của ước lượng ln(AH). Nhìn chung giá trị s phụ thuộc vào giá trị của AH và có các quan hệ sau:
-
Khi AH < 0,068 thì s = 0,55
-
Khi AH < 0,068 < 0,21 thì s = 0,173-0,140 ln (AH) (2)
-
Khi AH > 0,210 thì s = 0,39
Tương tự, ta cũng có tương quan giữa s và M như sau:
-
Khi M < 7,4 thì s = 0,889 – 0,0691
-
Khi AH > 7,4 thì s = 0,38
Các tham số khác của phương trình
được định nghĩa dưới đây:
RSEI - khoảng cách
tới nguồn - là khoảng cách ngắn nhất giữa đường ghi và đoạn sinh chấn trong đứt
gẫy
M - chấn cấp động đất,
thường được xác định theo chấn cấp moment MW.
Với các giá trị ML <6,5
chấn cấp địa phương ML tương đương với MW
còn với giá trị MW = 6,0-8,0 nó
tương ứng với chấn cấp xác định theo sóng mặt MS.
F - kiểu của dứt gẫy phát sinh
động đất. F = 0 - đứt gẫy trượt bằng, F
= 1 - đứt gẫy nghịch và chờm. Đối với đứt gẫy thuận, F
lấy giá trị trung bình giữa đứt gẫy trượt bằng và đứt gẫy nghịch F = 0,5.
SSR, SHR
- Hệ số điều kiện nền: SSR = 0, SHR
= 0 đối với nền bồi tích hoặc đất cứng. SSR = 1, SHR = 0 đối với nền đá mềm được xem như
các trầm tích Trias hoặc các đá phun trào mềm. SSR = 0, SHR
= 1 đối với nền đá cứng như các đá có tuổi Creta và cổ hơn cũng như các đá kết
tinh, biến chất hoặc phun trào cứng.
D- Độ sâu tới đáy trầm tích.
Đối với bể trầm tích mỏng, D được xem
như độ sâu tới mái của trầm tích Creta hoặc trầm tích tuổi già hơn. Còn tại các
bể trầm tích dày D thường được xác
định theo chiều dày của móng kết tinh với vận tốc sóng VP > 5,0 km/s hoặc VS > 3,0 km/s. Khi không có các số liệu
như vậy, D có thể được ước lượng theo
số liệu nghiên cứu địa vật lý (từ, trọng lực hay đo sâu điện).
Đối với phổ gia tốc nền, thành
phần nằm ngang SAH (đơn vị g), phương
trình suy giảm phức tạp hơn. Ngoài việc phụ thuộc vào các thông số đã nêu, nó
còn phụ thuộc vào 8 hệ số c1, c2, c3,
c4 , c5, c6, c7, c8 biểu
diễn như sau:
ln (SAH) = ln (AH) + c1
+ c2tanh [c3(M-4,7)] + (c4 +c5M) RSEI
+ 0,5c6SSR + c6SHR + c7tanh (c8D)
(1- SHR) + fSA(D) + e
(3)
trong đó khi D > 1,0 km fSA(D)= 0, còn khi D < 1,0 km:
fSA(D)= c6(1- SHR)(1-D) + 0.5c6(1-D)SSR (4)
Với các chu kỳ dao động động
đất khác nhau, các hệ số này nhận giá trị khác nhau. Bảng 1 liệt kê giá trị của
các hệ số tương ứng với hai chu kỳ dao động phổ gia tốc quan tâm là T = 0,3 giây và T = 1,0 giây.
Bảng 1. Giá trị của
các hệ số dùng để tính thành phần nằm ngang của phổ gia tốc nền SAH
T |
c1 |
c2 |
c3 |
c4 |
c5 |
c6 |
c7 |
c8 |
0,3 |
0,77 |
0,0 |
0,0 |
0,0035 |
- 0,00072 |
- 0,40 |
0 |
0 |
1,0 |
-1,79 |
1,59 |
0,66 |
0,0085 |
- 0,00100 |
- 0,38 |
0,57 |
0,62 |
2.
Tính toán rung động nền
Để tính toán và thành lập các
bản đồ rung động nền cho thành phố Hà Nội và lân cận, đã sử dụng các chương
trình EQRISK và CRISIS99 [7, 8]. Quy trình thành lập các bản đồ rung động nền
cho khu vực thành phố Hà Nội được tác giả mô tả chi tiết [9],
với các tham số cụ thể sau đây được áp dụng:
M - sử dụng chấn cấp địa phương ML.
F = 0 do phần lớn các đứt gẫy
sinh chấn trong khu vực đều có cơ chế trượt bằng.
SSR = 0, SHR
= 0 tính cho vùng trầm tích aluvi, châu thổ sông Hồng
D = 5,0 km xác định theo số
liệu trọng lực và địa chấn.
Tập bản đồ kết quả được thể
hiện dưới dạng hai tham số rung động nền là gia tốc cực đại nền (PGA) và phổ gia
tốc nền (SA), tính cho các chu kỳ thời gian và dao động khác nhau.
Bảng 2. Phân loại nền đất địa
phương theo tiêu chuẩn NEHRP 1997 (Mỹ)
Loại nền |
Mô tả nền |
Vận tốc sóng ngang
(m/giây) |
|
Cực tiểu |
Cực đại |
||
A |
Đá cứng |
1500 |
|
B |
Đá |
760 |
1500 |
C |
Nền rất chặt và đá mềm Lực căng sườn chưa luyện Us ³ 2000 psf (Us ³ 100 kPa) hoặc N ³ 50 đập/ft |
360 |
760 |
D |
Nền cứng Lực căng sườn chưa tiêu hao hết 1000 psf £ Us £ 2000 psf (50 kPa £ Us £ 100 kPa) hay 15 £ N £ 50 đập/ft |
180 |
360 |
E |
Nền mềm Dải nền với độ dày hơn 3 m sét mềm được coi là nền với chỉ
số dẻo PI > 20, hàm lượng độ ẩm w>40%
và lực căng sườn chưa tiêu hao hết Us £ 1000 psf (50 kPa) (N £ 15 đập/ft) |
|
180 |
F |
Nền cần đánh giá thêm 1. Nền dễ bị phá huỷ hay sụp đổ dưới tải trọng động đất,
chẳng hạn nền dễ hoá lỏng, sét có độ nhạy cảm cao, nền cố kết yếu. 2. Bùn và/hoặc sét có lượng hữu cơ cao:
độ dày 3 m trở lên. 3. Sét có độ dẻo rất cao: độ dày 8 m trở lên, chỉ số dẻo
>75. 4. Sét có độ cứng trung bình, sét mềm có độ dày rất lớn: 36 m trở lên |
|
|
Các bản đồ biểu thị phân bố
gia tốc cực đại nền (PGA) được tính cho các chu kỳ thời gian lần lượt bằng 100,
200, 500 và 1000 năm. Nhìn chung, phân bố không gian của các giá trị PGA
trên các bản đồ đều tuân theo quy luật là có chung hai miền dị thường các giá
trị cực đại nằm tại vị trí tương ứng vị trí của hai vùng nguồn địa phương 1 và
3. Các giá trị PGA của các bản đồ dao động trong các khoảng 120-130 % g (cho chu
kỳ 100 năm) đến 220 - 250 %g (cho chu kỳ 1000 năm).
Để phục vụ cho các đánh giá
thiệt hại ở phần sau của bài viết, các bản đồ biểu thị phân bố phổ gia tốc nền
(SA) được tính cho hai chu kỳ dao động và các khoảng thời gian khác nhau:
1) Chu kỳ dao động T
= 1,0 giây ứng với xác suất bị vượt quá 10% trong 50 năm (tương ứng với chu kỳ
lặp lại trung bình 500 năm) và ứng với xác suất bị vượt quá 2% trong 50 năm
(tương ứng với chu kỳ lặp lại trung bình 2500 năm), và
2) Chu kỳ dao động T
= 0,3 giây ứng với xác suất bị vượt quá 10% trong 50 năm (tương ứng với chu kỳ
lặp lại trung bình 500 năm) và ứng với xác suất bị vượt quá 2% trong 50 năm
(tương ứng với chu kỳ lặp lại trung bình 2500 năm). Các kết quả cho thấy phổ gia
tốc nền cực đại trong khu vực Hà Nội với chu kỳ dao động T = 0,3 lớn hơn
chu kỳ T = 1,0 và có giá trị từ 176 % gal đến 218 % gal ứng với chu kỳ
lặp lại 2500 năm.
3.
Đánh giá khuếch đại rung động nền và hiệu ứng nền địa phương
Sau khi đã xác định được sự
phân bố không gian của các tham số rung động nền đất tại một vùng, cần phải xét
đến khả năng giá trị của các tham số này sẽ bị thay đổi do ảnh hưởng của điều
kiện nền đất tại một điểm cụ thể thuộc vùng nghiên cứu. Sự thay đổi này chủ yếu
phụ thuộc vào cấu trúc địa chất của nền tại điểm đang xét, độ sâu mực nước ngầm
và một vài yếu tố khác. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng địa phương
của nền đất, và sự thay đổi giá trị của các tham số rung động nền trong trường
hợp này được gọi là sự khuếch đại rung động nền.
Khuếch đại rung động nền đặc
trưng bởi các hệ số khuếch đại nền. Các hệ số này được xác định trên cơ sở phân
loại nền đất theo những tiêu chuẩn quy ước của từng quốc gia. Trong nghiên cứu
này, tiêu chuẩn phân loại nền đất của Mỹ được áp dụng để xác định các hệ số
khuếch đại nền cho thành phố Hà Nội. Tiêu chuẩn này minh họa trong bảng 2 và chủ
yếu dựa vào vận tốc truyền sóng ngang trong các lớp đất đá cấu tạo nền địa
phương, phân bố từ bề mặt tới độ sâu 30 m [3, 4, 5].
Các hệ số khuếch đại nền được
xác định cho các nền địa phương loại A, B, C, D và E theo bảng 3. Đối với nền địa phương loại F,
cần tiến hành các thử nghiệm địa kỹ thuật đặc biệt trước khi gán giá trị hệ số
khuếch đại. Trong trường hợp khi SAS>
1,0 hay SAI>0,4 cần tiến hành thêm các đánh giá nền
khác (dấu *).
Bảng 3. Hệ số khuếch đại nền
Phổ gia tốc |
Loại nền |
||||
A |
B |
C |
D |
E |
|
SAS (g) chu kỳ gắn |
Hệ số khuếch đại nền chu kỳ ngắn, FA |
||||
£ 0,25 |
0,8 |
1,0 |
1,2 |
1,6 |
2,5 |
0,50 |
0,8 |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
1,7 |
0,75 |
0,8 |
1,0 |
1,1 |
1,2 |
1,2 |
1,0 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,1 |
0,9 |
³ 1,25 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
0,8* |
SAI (g) chu kỳ 1s |
Hệ số khuếch đại nền chu kỳ 1s, FV |
||||
£ 0,1 |
0,8 |
1,0 |
1,7 |
2,4 |
3,5 |
0,2 |
0,8 |
1,0 |
1,6 |
2,0 |
3,2 |
0,3 |
0,8 |
1,0 |
1,5 |
1,8 |
2,8 |
0,4 |
0,8 |
1,0 |
1,4 |
1,6 |
2,4 |
³ 0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,3 |
1,5 |
2,0* |
4.
Xây dựng các đồ thị phổ phản ứng chuẩn và phổ tác động cho các loại nền đất tại
khu vực nghiên cứu
Thiệt hại do rung động nền gây
ra bởi các chấn động động đất tại một điểm có thể tính được bằng cách sử dụng
đường cong phổ phản ứng chuẩn, thiết lập cho nền đất tại điểm đó. Đường cong này
đặc trưng cho phản ứng của nền đất tại điểm đang xét, biểu diễn mối tương quan
giữa phổ gia tốc nền (đo bằng đơn vị gal) và phổ dịch chuyển (đo bằng đơn
vị
inch hay mét) của loại nền cụ thể.
Hình 1 minh hoạ đồ thị phổ
phản ứng chuẩn xây dựng cho miền Tây nước Mỹ, áp dụng cho nền đất loại B (nền
đá) theo tiêu chuẩn phân loại nền mô tả trong bảng 2 (đường liền nét). Có thể so
sánh đường cong chuẩn này với đường cong phổ thực tế (đường đứt quãng). Có thể
thấy từ hình vẽ, đồ thị phổ phản ứng chuẩn bao gồm bốn phần: 1) miền giá trị gia
tốc cực đại nền (PGA), 2) miền giá trị phổ gia tốc không đổi (khi chu kỳ
dao động có giá trị từ 0 đến TAV
giây), 3) miền giá trị phổ vận tốc không đổi (khi chu kỳ dao động có giá
trị từ TAV đến TVD giây), và 4) miền giá trị
phổ dịch chuyển không đổi (khi chu kỳ dao động có giá trị vượt quá TAV).
Ở đây, phổ gia tốc được biểu diễn như là hàm số của phổ dịch chuyển thay vì là
hàm số của chu kỳ dao động. Đây là khuôn dạng chuẩn của phổ phản ứng, sẽ được sử
dụng trong đề tài này để đánh giá thiệt hại về nhà cửa do rung động nền gây ra.
Miền giá trị
phổ gia tốc không đổi được xác định bởi các giá trị phổ gia tốc tại chu kỳ dao
động 0,3 giây. Miền giá trị phổ vận tốc không đổi chứa các giá trị phổ gia tốc
tỷ lệ với đại lượng 1/T và kết thúc ở giá trị phổ gia tốc có chu kỳ dao
động bằng 1 giây. Chu kỳ TAV được xác định bởi sự giao nhau
giữa miền giá trị phổ gia tốc không đổi và miền giá trị phổ vận tốc không đổi
(phổ gia tốc tỷ lệ thuận với đại lượng 1/T). Giá trị TAV
thay đổi tuỳ thuộc vào các giá trị phổ gia tốc tại ranh giới của các miền giao
nhau. Miền giá trị phổ dịch chuyển không đổi chứa các giá trị phổ gia tốc tỷ lệ
với đại lượng 1/T2 và kết thúc ở giá trị phổ gia tốc có chu kỳ
dao động bằng TVD giây, nơi các giá trị phổ vận tốc không đổi
được chuyển thành các giá trị phổ dịch chuyển không đổi.
Phổ dịch chuyển (inch)
Hình 1. Ví dụ về đồ thị phổ phản ứng chuẩn
Giá trị chu kỳ
dao động TVD được tính bằng đại lượng nghịch đảo của tần số
góc fc , đại lượng này lại tỷ lệ thuận với sự suy giảm ứng
suất và momen địa chấn. Tần số góc được Joyner và Boore
ước lượng như là hàm số của chấn cấp momen MW . Sử dụng các
công thức của Joyner
và Boore, chu kỳ dao động TVD
có thể được biểu diễn trong mối quan hệ với chấn cấp momen của động đất theo công
thức sau:
(5)
Việc sử dụng đồ
thị phổ phản ứng chuẩn sẽ đơn giản hoá quá trình tính toán phổ tác động để đánh
giá phá huỷ và thiệt hại về nhà cửa. Trong thực tế, hình dạng của đồ thị phổ sẽ
thay đổi tuỳ theo vị trí xảy ra động đất, độ lớn của động đất và khoảng cách từ
nguồn chấn động tới vị trí công trình. Tuy nhiên, như có thể thấy trên thí dụ ở
hình 1, sự khác biệt về hình dạng giữa đồ thị phổ thực và đồ thị phổ chuẩn sẽ
chỉ đáng kể trong miền chu kỳ dao động nhỏ hơn 0,3 giây và miền chu kỳ dao động
lớn hơn TVD giây, và do đó điều này không ảnh hưởng nhiều lắm
đến các kết quả đánh giá thiệt hại nhà cửa khi áp dụng phương pháp này.
Trên cơ sở
đường cong phổ phản ứng chuẩn xây dựng cho nền đá (nền loại B), các đường
cong phổ tác động được xây dựng cho các loại nền khác tại khu vực thành phố Hà
Nội. Các chương trình CB1, CB2 và CB3 được viết trên ngôn
ngữ Fortran để tính toán và thử nghiệm các biểu thức tắt dần chấn
động [1] và [2] của Campbell
cho nhiều phương án khác nhau về điều kiện nền tại khu vực nghiên cứu và tự động
hoá quá trình xây dựng các đường cong phổ tác động chuẩn. Trong thuật toán xây
dựng các đường cong phổ tác động có tính đến ảnh hưởng của khuếch đại nền, công
thức (6) áp dụng cho các
chu kỳ dao động ngắn, và công thức (7)
áp dụng cho các chu kỳ dao động dài. Ngoài ra, đại lượng chu kỳ dao động TAV,
đánh dấu sự chuyển từ miền có phổ gia tốc không đổi sang miền có phổ vận tốc
không đổi, phụ thuộc loại nền được tính bằng công thức (8). Tương ứng, chu kỳ TVD, đánh dấu sự chuyển
từ miền có phổ vận tốc không đổi sang miền có phổ dịch chuyển không đổi, tính
bằng công thức (5) và không phụ thuộc loại nền.
(6)
(7)
(8)
ở đây: SAsi - phổ gia tốc chu kỳ ngắn cho nền loại i
(đo bằng g);
SAS - phổ gia tốc chu
kỳ ngắn cho nền loại B (đo bằng g); FAi - hệ số
khuếch đại nền chu kỳ ngắn cho nền loại i, cho trong bảng 3 đối với phổ
gia tốc SAS;
SA1i - phổ gia tốc chu kỳ 1 giây cho nền loại i (đo
bằng g); SA1
- phổ gia tốc chu kỳ 1 giây cho nền loại B
(đo bằng g); FVi - hệ số khuếch đại nền chu kỳ 1
giây cho nền loại i, trong bảng 3 đối với phổ gia tốc SA1;
TAvi - chu kỳ chuyển giữa miền có phổ gia tốc không đổi
sang miền có phổ vận tốc không đổi cho nền loại i (giây).
Hình 2 minh hoạ
các đồ thị phổ phản ứng chuẩn xây dựng cho nền loại B (đá), C (nền
rất chặt và đá mềm), D (nền cứng) và E (nền mềm) tại khu vực thành
phố Hà Nội và lân cận. Các đồ thị phổ này biểu diễn phản ứng của một hệ đàn hồi
tuyến tính một bậc tự do với độ tắt dần 5% tại một điểm cách nguồn động đất có
chấn cấp M = 6,5 một khoảng cách bằng 20 km, tính theo biểu thức tắt dần của Campbell
[2]. Từ các đồ thị này có thể thấy ảnh hưởng đáng kể của loại nền tới phản ứng
của công trình (tức là phản ứng tăng lên khi vận tốc sóng ngang giảm) và sự tăng
giá trị của chu kỳ dao động chuyển tiếp TAV cùng với sự suy giảm vận tốc sóng ngang.
II.
ƯỚC LƯỢNG THIỆT HẠI TRỰC TIẾP DO ĐỘNG ĐẤT GÂY RA ĐỐI VỚI MỘT KHU VỰC ĐÔ THỊ DỰA
TRÊN CÁC THÔNG SỐ RUNG ĐỘNG NỀN
Phần tiếp theo của bài viết giới thiệu một phương
pháp ước lượng thiệt hại trực tiếp do động đất gây ra đối với một khu vực đô thị
trên cơ sở sử dụng các kết quả đánh giá khả năng rung động nền đã trình bày
trong phần trước. Do khuôn khổ của bài viết, sẽ chỉ tập trung vào một đối tượng
chịu rủi ro là nhà cửa. Các kết quả ước lượng thiệt hại nhà cửa cho quận Hoàn
Kiếm, thành phố Hà Nội được trình bày như các ví dụ minh hoạ.
1. Đồ
thị khả năng chịu lực của một toà nhà
Phản ứng của một toà nhà đối với những lực tác động từ bên ngoài đặc trưng bởi
đồ thị khả năng chịu lực của toà nhà đó [4].
Ở dạng ban đầu, đồ thị khả năng chịu lực của một toà nhà được biểu diễn dưới
dạng tương quan giữa lực trở kháng của toà nhà trước lực tác động từ bên ngoài
theo chiều ngang và dịch chuyển của bản thân toà nhà đó (chẳng hạn dịch chuyển
của móng) theo phương nằm ngang. Để đánh giá thiệt hại do động đất, đồ thị khả
năng chịu lực của một toà nhà được biến đổi về dạng tương đương như sau : trục
biểu diễn lực trở kháng của toà nhà được chuyển đổi về trục phổ gia tốc (Sa),
còn trục biểu diễn dịch chuyển ngang của toà nhà được chuyển đổi về đơn vị phổ
dịch chuyển (Sd). Với cách biểu diễn như vậy, đồ thị khả năng chịu lực sẽ
phản ánh xác thực phản ứng của toà nhà đối với phổ tác động của nền do động đất
gây ra tại chân toà nhà.
Phổ dịch chuyển (inch)
Hình 2. Đồ thị phổ tác động xây dựng cho các loại nền B, C, D và E
tại thành phố Hà Nội (tính theo Campbell, 1997).
Các đồ thị khả năng chịu lực được xây dựng dựa trên các số liệu và kinh nghiệm
của các chuyên gia thiết kế xây dựng. Mỗi đồ thị này đặc trưng bởi ba điểm ứng
với những khả năng phản ứng khác nhau của toà nhà tại những thời điểm chịu tác
động khác nhau:
Khả năng thiết kế:
Là khả năng của toà nhà về mặt lý thuyết, được thiết kế để đáp ứng những yêu cầu
của hoàn cảnh cụ thể tại địa điểm xây dựng, trong đó có (hoặc không) tính đến
các điều kiện kháng chấn.
Khả năng thực: Là khả năng
chịu lực thực sự của toà nhà. Do sự thận trọng của các nhà thiết kế và tính bền
vững thực sự của vật liệu xây dựng, khả năng này thường cao hơn khả năng thiết
kế.
Khả năng cao nhất (tới hạn): Là khả năng chịu lực tác động cao nhất của toà nhà, khi
toàn bộ hệ thống kết cấu đã đạt tới trạng thái dẻo toàn phần. Khả năng tới hạn
của một toà nhà đánh dấu thời điểm khi toà nhà bị mất lực trở kháng và các bộ
phận yếu nhất trong toà nhà bắt đầu bị gẫy vỡ.
Ví dụ về đồ thị khả năng chịu lực sử dụng trong phương pháp được minh hoạ trên
hình 3. Từ gốc toạ độ đến điểm đánh dấu khả năng thực (AY, DY),
đồ thị có dạng tuyến tính. Đoạn tiếp theo của đồ thị có dạng phi tuyến cho đến
điểm đánh dấu khả năng tới hạn (AU,
DU), của toà nhà, đây là đoạn đánh dấu sự chuyển hoá từ trạng thái
đàn hồi sang trạng thái biến dạng dẻo toàn phần trong phản ứng của toà nhà. Đoạn
cuối cùng của đồ thị xuất phát từ điểm đánh dấu khả năng tới hạn của toà nhà và
được giả thiết là vẫn giữ nguyên trạng thái dẻo.
2. Phản ứng cực đại của một toà nhà
Phản ứng cực đại của một toà nhà được xác định bằng
phương pháp đưa các đồ thị khả năng chịu lực của toà nhà và đồ thị phổ phản ứng
nền tại điểm đặt của toà nhà đó về cùng một hệ trục và cho cắt nhau. Giao điểm
của các đồ thị này sẽ xác định phản ứng cực đại của toà nhà đối với lực tác động
của nền đất, với các giá trị phổ gia tốc SA và phổ dịch chuyển Sd
tương ứng.
Hình 3. Ví dụ về đồ
thị khả năng chịu lực của một toà nhà
Trên hình 4 minh họa thí dụ về phương pháp xác định phản
ứng cực đại của toà nhà, sử dụng các đồ thị khả năng chịu lực của toà nhà và đồ
thị phổ tác động của nền đất. Ở đây phổ tác động là các đường cong phổ được xác
định theo các phương pháp đã mô tả trong mục 2.4 của bài viết, với độ tắt dần 5%
hay lớn hơn.
Sd Phổ dịch
chuyển (inch)
Hình
4. Xác định phản ứng cực đại của một toà nhà bằng các đồ thị khả năng chịu
lực
và đồ thị phổ tác động
3. Đồ thị trạng thái phá huỷ nhà cửa do động đất
Phá huỷ do động đất gây ra đối với
nhà cửa và các công trình xây dựng có thể được phân thành hai loại : phá huỷ kết
cấu và phá huỷ phi kết cấu. Phá huỷ kết cấu là sự phá huỷ các thành phần
nối kết trong một toà nhà, còn gọi là các hệ thống kháng tải trọng lực và trượt
bằng như tường, cột chịu lực, hệ thống xà dầm hay sàn nhà, ... Phá huỷ phi
kết cấu là sự phá huỷ các thành phần không nối kết trong một toà nhà như
các hệ thống kỹ thuật (cơ-điện), cửa sổ, trần giả, ... Trong hai loại phá huỷ
nêu trên, phá huỷ kết cấu thường gây ra những thiệt hại nghiêm trọng hơn nhiều
so với phá huỷ phi kết cấu (làm đổ nhà, gây thương vong về người, và hậu quả là
đòi hỏi chi phí tái thiết lớn và thời gian phục hồi lâu hơn). Trong khuôn khổ
bài viết này, chỉ xét đến thiệt hại do phá huỷ kết cấu.
Phá huỷ kết cấu của một công trình dưới tải trọng
của động đất ở các mức độ nhẹ, trung bình, nặng và hoàn toàn có
thể biểu diễn dưới dạng các hàm phân bố chuẩn logarit. Đồ thị của các hàm này,
thường còn được gọi là các đồ thị trạng thái phá huỷ, biểu diễn mối tương
quan giữa xác suất để cho một toà nhà rơi vào một trong các trạng thái phá huỷ
nêu trên, và phổ tác động nền.
Mỗi đồ thị trạng thái phá huỷ được xác định bởi
một giá trị ở giữa tham số biểu thị rung động hay phá huỷ nền (chẳng hạn phổ gia
tốc, PGA hay phổ dịch chuyển nền PGD)
tương ứng với một giá trị ngưỡng của trạng thái phá huỷ đang xét và bởi một giá
trị đặc trưng cho độ biến thiên của trạng thái phá huỷ đó. Chẳng hạn, đại lượng
phổ dịch chuyển Sd xác định giá trị ngưỡng của một trạng thái
phá huỷ ds
được tính bởi công thức:
Sd
= .eds (9)
ở đây: là giá trị ở giữa của
phổ dịch chuyển gây ra trạng thái phá huỷ ds, và eds là
biến ngẫu nhiên có phân bố chuẩn logarit có giá trị ở giữa bằng đơn vị và độ
lệch chuẩn logarit là eds.
Xác suất có điều kiện để cho một trạng thái phá
huỷ ds cho trước xảy ra hay bị vượt quá được xác định bởi hàm tích luỹ
của phân bố chuẩn logarit. Đối với phá huỷ cấu trúc, nếu cho trước đại lượng phổ
dịch chuyển Sd, xác suất để cho một trạng thái phá huỷ ds
xảy ra hay bị vượt quá là:
(10)
ở đây: là giá trị ở giữa của phổ dịch chuyển, tại đó công trình xây
dựng đạt tới giá trị cận trên ds của trạng thái phá huỷ; eds
là độ lệch chuẩn của logarit tự nhiên của phổ dịch chuyển của trạng thái phá huỷ ds; và F
là hàm phân bố tích luỹ của phân bố chuẩn.
Các giá
trị ở giữa của phổ dịch chuyển và các giá trị độ lệch chuẩn eds được xác định cho từng công trình
đã phân loại và từng trạng thái phá huỷ dựa trên sự tổng hợp các số liệu thực
nghiệm trong lĩnh vực xây dựng công trình, các số liệu động đất và ý kiến của
các chuyên gia.
4. Đánh giá thiệt hại trực tiếp về nhà cửa do động đất tại
quận Hoàn Kiếm, Hà Nội
Phương pháp mô tả trên đây được áp
dụng để tính toán và vẽ bản đồ xác suất thiệt hại nhà cửa cho quận Hoàn Kiếm,
thành phố Hà Nội. Số liệu về nhà cửa của quận Hoàn Kiếm được thu thập từ các
tài liệu công bố gần đây nhất, với bản đồ đánh giá hiện trạng và quỹ đất xây
dựng tỷ lệ 1/2000, thành lập năm 1998 được số hoá và đưa vào quản lý trong cơ sở
dữ liệu GIS. Nguồn chấn động được sử dụng dưới dạng các động đất kịch bản,
tức là các động đất dự báo sẽ xảy ra tại khu vực nghiên cứu, với các thông số
ban đầu được xác định trước. Ba kịch bản động đất được lựa chọn để áp dụng
phương pháp, bao gồm:
- Phương án 1, bản đồ phổ gia
tốc nền SA tính cho các chu kỳ dao động bằng 0,3 và 1,0 giây trong vòng
2500 năm được sử dụng làm dữ liệu đầu vào. Theo đó, nguồn chấn động gây ra thiệt
hại được giả thiết là một nguồn "tổng hợp" hay nguồn "phông", được tạo bởi tất
cả các yếu tố có thể gây ra rung động nền tại khu vực nghiên cứu.
- Phương án 2 giả thiết nguồn
chấn động là một động đất kịch bản có chấn tâm trùng với chấn tâm của trận động
đất ghi nhận được bằng máy trên địa bàn Hà Nội vào năm 1963. Động đất này được
chọn một cách ngẫu nhiên trong mục lục động đất, với chấn tâm nằm rất gần vùng
nội thành Hà Nội và có thể được coi là phát sinh trên đứt gãy Vĩnh Ninh. Tuy
nhiên chấn cấp của động đất kịch
bản này được gán giá trị bằng 6,5 cho tương ứng với giá trị dự báo về động đất
cực đại tại khu vực Hà Nội. Có thể gọi kịch bản này là kịch bản "hiện thực".
- Phương án 3 xét đến khả năng
cực đoan nhất có thể xảy ra, với chấn tâm động đất kịch bản trùng với Tháp Rùa
tại trung tâm thành phố Hà Nội, và chấn
cấp cũng được gán giá trị bằng 6,5. Phương án này dự báo những thiệt hại
lớn nhất mà động đất có thể gây ra tại quận Hoàn Kiếm, thành phố Hà Nội. Có thể
gọi kịch bản này là kịch bản "cực đoan".
Quy trình thực hiện được tự động
hoá nhờ công cụ phần mềm được xây dựng trên ngôn ngữ Avenue, cho phép làm
việc trên môi trường GIS của phần mềm Arcview, bao gồm các bước sau:
Bước 1. Xây dựng các đồ thị khả năng chịu lực cho mỗi
loại nhà
Các đồ thị khả năng chịu lực được xây dựng cho tất cả các
loại nhà tại quận Hoàn Kiếm theo tiêu chuẩn phân loại nhà của Mỹ, với bốn mức độ
kháng chấn khác nhau (không kháng chấn, thấp, trung bình và cao). Tiêu chuẩn
phân loại nhà được xác định theo kết cấu, chiều cao và chức năng sử dụng của toà
nhà và được mô tả chi tiết trong [6]. Công tác khảo sát hiện trường cho phép đối
sánh và phân loại nhà tại quận Hoàn Kiếm theo tiêu chuẩn của Mỹ.
Bước 2. Xác định phản ứng cực đại của mỗi loại nhà
Các đồ thị khả năng chịu lực được sử dụng để xác định
phản ứng cực đại của mỗi loại nhà theo phương pháp mô tả trong mục 3.2. Bước
thực hiện này cho kết quả là giá trị phổ dịch chuyển tương ứng với
phản ứng cực đại của mỗi loại nhà tại điểm đang xét.
Bước 3. Xác định trạng thái phá huỷ của mỗi loại nhà
Công thức
(10)
được áp dụng để tính xác suất trạng thái phá huỷ nhà tại quận Hoàn Kiếm.
Kết quả tính cho mỗi điểm được rời rạc hoá và biểu diễn dưới dạng đồ thị xác
suất để cho loại nhà tại điểm đang xét rơi vào một trong năm trạng thái phá huỷ
sau đây: không bị phá huỷ (KO), bị phá
huỷ nhẹ (NH), bị phá huỷ trung bình (TB),
bị phá huỷ nặng (NG) và bị phá huỷ
hoàn toàn (HT). Trên hình 5 minh họa
kết quả ước lượng thiệt hại tại một điểm thuộc quận Hoàn Kiếm, nơi có công trình
xây dựng loại RM1L (nhà có tường chịu lực xây nề có gia cố với các tấm ngăn bằng
bê tông đúc sẵn).
Bước 4. Thành lập tập bản đồ dự báo thiệt hại nhà cửa do
động đất cho quận Hoàn Kiếm
Tại bước này, quá trình tính toán
và vẽ bản đồ được thực hiện tự động và các kết quả được hiển thị trên giao diện
của phần mềm Arcview GIS. Tập bản đồ
rủi ro động đất được xây dựng với các lớp thông tin thành phần biểu thị xác suất
phá huỷ nhà cửa tại quận Hoàn Kiếm ở năm mức độ phá huỷ khác nhau : không bị phá
huỷ, phá huỷ nhẹ, phá huỷ trung bình, phá huỷ nặng và phá huỷ hoàn toàn.
Một trong số các bản đồ dự báo thiệt hại về nhà cửa cho quận Hoàn Kiếm, Hà Nội
theo kịch bản động đất “hiện thực” được minh hoạ trên hình 6.
Từ các kết quả nhận được, có thể rút ra một vài nhận xét
như sau:
- Mức độ thiệt hại nhà cửa tăng dần từ phương án 1 đến
phương án 3. Trong phương án 1, xác suất phá huỷ hoàn toàn nhà cửa đạt cao nhất
là 30%, trong khi ở phương án 2, xác suất này là 40%, còn ở phương án 3, xác
suất này đạt tới trị số cực đại, từ 80-100%. Từ đây có thể rút ra kết luận quan
trọng là : trong khi các nguồn rung động "phông" cho toàn khu vực không gây ra
những thiệt hại lớn, thì các nguồn chấn động từ những trận động đất đơn lẻ xảy
ra trên địa bàn thành phố có thể gây ra những thiệt hại rất đáng kể về nhà cửa.
Trong các phương án sử dụng nguồn gây thiệt hại là động đất kịch bản, phương án
2 được coi là gần với hiện thực nhất, trong khi phương án 3 cho phép ước lượng
những thiệt hại cực đại mà động đất có thể gây ra tại khu vực nghiên cứu.
Hình 5. Ví dụ tính thiệt hại cho loại
nhà có tường chịu lực xây nề có gia cố
với các tấm ngăn bằng bê tông đúc sẵn tại một điểm được chọn
tại phường Hàng Đào, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội.
- Mức độ thiệt hại nhà cửa tại quận Hoàn Kiếm có cường độ khác nhau tại ba khu
vực trong phạm vi quận Hoàn Kiếm. Thiệt hại nặng nhất được dự báo tập trung tại
hai khu vực : phía bắc hồ Gươm bao gồm khu phố cổ và các phường Hàng Mã, Đồng
Xuân, Hàng Bồ, Hàng Đào, Cửa Đông, … và phía đông quận Hoàn Kiếm, bao gồm hai
phường nằm ven đê sông Hồng là Phúc Tân và Chương Dương. Thiệt hại trung bình
tập trung ở phía tây nam và nam quận Hoàn Kiếm (các phường Cửa Nam, Trần Hưng
Đạo), nơi các phố có loại nhà cũ xây từ thời Pháp thuộc. Còn ở phía đông nam
quận Hoàn Kiếm, thiệt hại được coi là có mức độ nhẹ nhất so với hai khu vực vừa
nêu, có thể do khu vực này có số lượng nhà xây mới cao nhất.
- Mô tả chi tiết về trạng thái phá huỷ của từng loại nhà có thể tham khảo trong
[9]. Tuy nhiên, các giá trị xác suất minh hoạ ở đây cũng có thể được tính
như là số ngôi nhà bị phá huỷ hoàn toàn do động đất trong tổng số các ngôi nhà
cùng loại tại khu vực nghiên cứu.
- Các ước lượng thiệt hại nhà cửa được xác định trong nghiên cứu này với giả
thiết là phổ tác động có độ tắt dần 5%.
Hình
6. Bản đồ dự báo thiệt hại nhà cửa do động
đất tại quận Hoàn Kiếm, Hà Nội
theo kịch bản động đất cho trước
IV. KẾT LUẬN
Trong bài nghiên cứu này giới thiệu hai phương pháp có mối quan hệ nhân quả với
nhau. Phương pháp thứ nhất cho phép đánh giá định lượng khả năng rung động nền
do động đất có tính đến các hiệu ứng nền địa phương. Phương pháp thứ hai cho
phép ước lượng những thiệt hại có liên quan tới rung động nền do động đất tại
một khu vực đô thị. Phương pháp thứ nhất được áp dụng cho khu vực thành phố Hà
Nội, với kết quả là tập bản đồ biểu thị phân bố không gian của các thông số rung
động nền như gia tốc cực đại nền (PGA) và phổ gia tốc nền (SA).
Các giá trị phổ gia tốc SA xác định cho từng loại nền khác nhau tại khu
vực nghiên cứu được sử dụng trực tiếp như những số liệu đầu vào cho phương pháp
thứ hai, với việc ước lượng thiệt hại do động đất gây ra đối với nhà cửa tại khu
vực nghiên cứu. Kết quả áp dụng phương pháp thứ hai cho quận Hoàn Kiếm là một
phác thảo toàn cảnh về những thiệt hại mà khu đô thị phải gánh chịu nếu có động
đất giả định xảy ra.
Mặc dù các phương pháp trình bày trong nghiên cứu
này mới chỉ được áp dụng bước đầu, các kết quả minh họa cho thấy tầm quan trọng
của việc nghiên cứu thử nghiệm các mô hình tương tự trong công tác phòng chống
và giảm nhẹ hậu quả do động đất gây ra cho
các khu vực đô thị nằm trong vùng bị động đất đe doạ. Ngoài việc góp phần cảnh
báo và nâng cao nhận thức của cộng đồng về mức độ nghiêm trọng của những tổn
thất mà hiểm họa động đất có thể gây ra, các kết quả ước lượng thiệt
hại sẽ là cơ sở để những người có thẩm quyền ra các quyết định đúng đắn nhằm:
a) Có kế hoạch phòng tránh, ngăn ngừa và giảm thiểu
những thiệt hại cho cộng đồng nếu có động đất xảy ra;
b) Dự đoán trước bản chất và quy mô của các hoạt động
ứng cứu tại hiện trường xảy ra động đất;
c)
Có kế hoạch cụ thể để khôi phục và xây dựng lại sau động đất.
VĂN LIỆU
1. Campbell K. W. and Y.
Bozorgnia, 1994. Near-source attenuation of peak
horizontal acceleration from worldwide accelerograms recorded from 1957 to
1993. Proc. Fifth U.S. Nat. Conf. on Earthquake Engineering, III : 283-292.
Chicago, Illinois.
2. Campbell K. W., 1997. Empirical near-source
attenuation relationship for horizontal and vertical components of peak ground
acceleration, peak ground velocity, and pseudo-absolute acceleration response
spectra. Seismological Res. Letters,
68/1.
3. Federal Emergency
Management Agency, 1995. FEMA
222A and 223A-NEHRP Recommended provisions for seismic regulations for new
buildings. 1994 Edition, Washington, D.
C.
4. Federal
Emergency Management Agency, 1996. NEHRP Guidelines for the
seismic rehabilitation of buildings. FEMA 273. Washington, D.C.
5. Federal
Emergency Management Agency, 1997. 1997 NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new
buildings. Washington, D. C.
6. Federal Emergency Management Agency, 1999. HAZUS99
Technical manual, Chapter 3. Inventory Data: Collection and Classification, Washington,
D. C., 57 pp.
7. McGuire R.K., 1976. FORTRAN
computer program for seismic risk analysis. U.S.
Geol. Survey open - File Rept. 76-67, 89.
8. Nguyễn Đình Xuyên, Trần
Thị Mỹ Thành, 1999. Tìm một công thức tính gia tốc dao động nền trong
động đất mạnh ở Việt Nam. TC Các khoa học về Trái đất,
21/3 : 207-213. Hà Nội.
9. Nguyễn Hồng Phương, 2002. Nghiên cứu đánh giá độ rủi ro
động đất cho TP Hà Nội.
Báo cáo tổng kết đề tài. Lưu trữ Viện Kỹ thuật xây dựng Hà Nội. Sở Xây dựng Hà
Nội.
10. Ordaz M., 1991. Brief description of
program CRISIS. International Report.
Inst. of Solid Earth Physics, Univ. of Bergen, Norway.