Trong thiết kế động đất, kỹ sư thường gặp những câu hỏi như:
-
“Công trình này thiết kế theo cấp động đất bao nhiêu?”
-
“Công trình chịu được động đất mấy độ Richter?”
Thực tế, trong thiết kế kết cấu theo TCVN 9386:2012, kỹ sư không dùng "độ Richter" hay "cấp động đất" mà sử dụng gia tốc nền thiết kế làm thông số chính. Điều này dễ gây nhầm lẫn nếu không hiểu rõ bản chất và mối liên hệ giữa các khái niệm.
Kĩ sư cần nắm để đánh giá sức mạnh động đất có thể chia thành hai loại: định tính (không dùng thiết bị đo) và định lượng (có thiết bị đo).
-
Đánh giá định tính: Dựa trên cảm nhận, mức độ phá hoại và hậu quả thực tế, không dùng thiết bị đo. Rất quan trọng trong việc nghiên cứu các trận động đất lịch sử và phân tích nguy cơ khu vực. Gọi là cường độ động đất hay cấp động đất
-
Đánh giá định lượng: Dựa trên thiết bị đo đạc như gia tốc kế, cung cấp số liệu cụ thể để phục vụ thiết kế kỹ thuật. Gọi là độ lớn động đất.
Lưu ý: Ngay cả khi đã có số liệu đo, đánh giá định tính vẫn cần thiết để thiết lập mối liên hệ giữa cảm nhận thực tế và dữ liệu kỹ thuật dùng trong thiết kế động đất.
Sau đây mời anh chị tìm hiểu các thang đo cường độ và độ lớn động đất phổ biến hiện nay:
1. Thang cường độ động đất (đánh giá định tính)
-
Dùng để đánh giá sức mạnh động đất theo cách định tính
-
Được lập trên cơ sở các mức độ phá hoại của các công trình xây dựng lẫn bề mặt đất và phản ứng của con người khi chịu các chấn động động đất
-
Thang cường độ động đất mang yếu tố chủ quan, phụ thuộc vào tính chất của môi trường tự nhiên, chất lượng công trình xây dựng, mật độ dân cư, mức độ quen thuộc của con người đối với tác động động đất.
-
Cấp động đất được ký hiệu bằng chữ số La Mã với mỗi cấp độ tương ứng với một mô tả định tính các hậu quả do động đất gây ra.
-
Các thang cường độ phổ biến: Mercalli (MM), MSK-64, EMS, JMA
1.1. Thang Mercalli sửa đổi (MM)
-
Phát triển từ thang Rossi–Forel (1883), gồm 12 cấp độ
-
Năm 1931, H.O. Wood và F. Neumann (Mỹ) sửa đổi phù hợp với kỹ thuật hiện đại
-
Hiện dùng phổ biến ở châu Âu, Bắc Mỹ và nhiều nơi khác
-
Cho biết mức độ ảnh hưởng cảm nhận được của động đất tại từng địa điểm cụ thể
|
Cường độ IMM |
Mô tả tác động động đất |
Gia tốc cực đại gần đúng của đất nền (g) |
|---|---|---|
|
I |
Con người không cảm nhận được, chỉ có các địa chấn kế mới ghi nhận được |
< 0,003 |
|
II |
Một số ít người sống ở các tầng trên của toà nhà cảm nhận được. Các vật treo có thể dao động. |
0,003 – 0,007 |
|
III |
Một số người cảm nhận được hoạt động địa chấn giống như rung động của xe ôtô chạy với tốc độ cao gây ra. Xe ôtô đang đỗ bị dịch chuyển. |
0,007 – 0,015 |
|
IV |
Tất cả mọi người trong nhà cảm nhận được động địa chấn. Người đang ngủ bị thức giấc. Ôtô đang đỗ bị dịch chuyển mạnh. |
0,015 – 0,030 |
|
V |
Tất cả mọi người cảm nhận được hoạt động địa chấn. Đồ đạc và giường ngủ bị lắc. Đồ sứ bị vỡ. Trần thạch cao bị nứt. |
0,003 – 0,070 |
|
VI |
Đa số người hoảng sợ chạy ra khỏi nhà. Chuông kêu, con lắc đồng hồ bị dừng. Trần thạch cao rơi xuống. Ống khói lò sưởi bị hư hỏng. Nhà bị hư hỏng nhẹ |
0,070 – 0,150 |
|
VII |
Tất cả mọi người chạy ra khỏi nhà. Nhà bị hư hỏng tuỳ thuộc chất lượng xây dựng. |
0,150 – 0,300 |
|
VIII |
Tường ngăn bị nứt, khung, tượng, tháp chuông bị đổ. Các vết nứt xuất hiện ở vách đất hoặc ẩm ướt, đất trên núi rơi xuống. Lái xe khó chịu. |
0,150 – 0,300 |
|
IX |
Nhà bị dịch chuyển khỏi móng, bị nứt, bị nghiêng, đa số khung sườn bị đổ. Nền đất bị nứt nẻ ra. Các đường ống ngầm bị vỡ |
0,300 – 0,700 |
|
X |
Nền đất bị trượt. Đường ray bị uốn cong. Các công trình bằng khối xây bị đổ. Mặt đất mở ra |
0,700 – 1,500 |
|
XI |
Cầu bị đổ. Chỉ có những công trình mới xây không bị đổ nhưng bị hư hỏng nặng |
1,500 – 3,000 |
|
XII |
Các công trình do con người tạo ra bị phá huỷ hoàn toàn; địa hình bị thay đổi, các đứt gãy lớn được tạo ra, các sông nhỏ bị đổi dòng |
3,000 – 7,000 |
1.2. Thang cường độ động đất JMA
Được Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (JMA) đề xuất năm 1949, gồm 8 cấp và vẫn sử dụng đến nay. Thang được điều chỉnh định kỳ và hiện đã bổ sung mối liên hệ giữa cấp cường độ và gia tốc nền lớn nhất.
|
Cường độ IJMA |
Mô tả tác động động đất |
|---|---|
|
0 |
Con người không cảm nhận được nhưng địa chấn kế ghi nhận được |
|
I |
Nhẹ, những người đang nằm nghỉ hoặc những người đặc biệt nhạy cảm với động đất cảm nhận được |
|
II |
Yếu, đa số người cảm nhận được, các cửa ra vào và cửa kiểu trượt Nhật Bản kêu lách cách |
|
III |
Tương đối mạnh: các ngôi nhà 01 tầng và nhiều tầng bị rung; các cửa bị rung đập mạnh, màn cửa và vật treo khác bị chao lắc, chất lỏng trong bình chảy ra |
|
IV |
Mạnh, các ngôi nhà một tầng và nhiều tầng lắc mạnh, các vật treo đổ, chất lỏng bắn ra khỏi các bình chứa |
|
V |
Rất mạnh, các tường bằng thạch cao bị nứt, cửa mái bị lật, ống khói bằng gạch và các kho hàng xây bằng vật liệu địa phương bị hư hại |
|
VI |
Thảm hoạ, khoảng dưới 30% nhà gỗ Nhật Bản bị đổ nát, nhiều nơi bị lở đất và đê hư hỏng, mặt đất bị nứt |
|
VII |
Tàn phá, trên 30% nhà gỗ Nhật Bản bị đổ nát |
Mối quan hệ gần đúng giữa thang JMA và MM:
IMM = 0,5 + 1,5 × IJMA
1.3. Thang cường độ động đất MSK-64
Thang cường độ động đất MSK-64 do 03 nhà khoa học Medvedev, Sponhauer và Kanic đề xuất năm 1964. Thang này gồm 12 cấp, sử dụng rộng rãi ở Nga, Đông Âu và Việt Nam… Ngoài việc đánh giá tác động cụ thể lên con người, môi trường và các công trình xây dựng như các thang cường độ động đất trước đó (nhưng chi tiết và cụ thể hơn), thang MSK-64 còn được đánh giá hảm chuyển vị của một con lắc chuẩn hình cầu mô tả chuyển động địa chấn.
Ảnh hưởng của chuyển động tức thời của nền đất đến các công trình xây dựng được biểu thị dưới dạng phổ tác động theo hàm chu kỳ riêng và số gia logarit của lực cản.
Hình 1: Con lắc chuẩn hình cầu đo chuyển động địa chấn
|
Cấp động đất |
Cường độ động đất |
Hậu quả tác động động đất |
||
|---|---|---|---|---|
|
Lên con người |
Lên công trình XD |
Lên môi trường |
||
|
I |
Không đáng kể |
Không cảm nhận được |
|
|
|
II |
Rất nhẹ |
Cảm nhận rất nhẹ |
|
|
|
III |
Nhẹ |
Chủ yếu những người đang nghỉ ngơi mới cảm nhận được |
|
|
|
IV |
Hơi mạnh |
Những người ở trong nhà cảm nhận được |
Kính cửa sổ bị rung |
|
|
V |
Tương đối mạnh |
Những người ở trong và ngoài nhà đều cảm nhận được, nhiều người thức giấc dậy |
Các đồ vật treo đung đưa, các bức tranh treo trên tường có thể dịch chuyển |
|
|
VI |
Mạnh |
Nhiều người hoảng sợ |
Kết cấu bị hư hỏng nhẹ, các vết nứt nhỏ ở lớp trát |
Một vài vết nứt nhỏ trên nền đất ướt |
|
VII |
Rất mạnh |
Nhiều người chạy ra khỏi nhà |
Hư hỏng lớn ở kết cấu, xuất hiện vết nứt ở tường và ống khói |
Đất ở các sườn dốc bị trượt |
|
VIII |
Thiệt hại |
Tất cả mọi người hoảng sợ |
Nhà bị hư hại, xuất hiện vết nứt lớn trong khối xây, tường chắn mái và đầu hồi bị đổ |
Mực nước giếng thay đổi, đường đắp bị trượt |
|
IX |
Thiệt hại lớn |
Sợ hãi |
Nhà bị hư hỏng ở diện rộng, tường và mái bị đổ |
Nền đất bị nứt, bị trượt |
|
X |
Cực kỳ thiệt hại |
Sợ hãi bao trùm |
Nhà bị hư hỏng toàn bộ, nhiều nhà bị đổ |
Bề mặt đất bị thay đổi, xuất hiện nhiều giếng nước mới |
|
XI |
Hủy diệt |
Sợ hãi bao trùm |
Các công trình xây dựng chắc chắn bị hư hỏng nghiêm trọng |
Bề mặt đất bị thay đổi, xuất hiện nhiều giếng nước mới |
|
XII |
Hủy diệt toàn bộ |
Sợ hãi bao trùm |
Nhà và công trình xây dựng khác bị đổ hoàn toàn |
Bề mặt đất bị thay đổi, xuất hiện nhiều giếng nước mới |
1.4 Quan hệ giữa cường độ động đất và gia tốc nền
Trong thiết kế công trình, các thang cường độ động đất mang tính cảm nhận thường không đủ thông tin để phục vụ tính toán kháng chấn vì thiếu các thông số động học như gia tốc, chuyển vị, chu kỳ dao động...
Dù về nguyên tắc không logic, nhưng để phục vụ thiết kế kỹ thuật, việc thiết lập mối quan hệ giữa cường độ động đất (định tính) và gia tốc nền lớn nhất (định lượng) là cần thiết.
Phụ lục I - TCVN 9386:2012 cho bảng chuyển đổi như sau:
2. Thang độ lớn động đất (đánh giá định lượng)
-
Thang độ lớn động đất (Magnitude) là thang đánh giá định lượng quy mô và năng lượng của trận động đất, dựa trên biên độ các sóng địa chấn ghi nhận được. Đây là thang khách quan, dùng trong thiết kế và phân tích kỹ thuật.
-
Các thang độ lớn phổ biến: Richter, Moment magnitude (Mw), mb, Ms…
2.1 Thang độ lớn Richter (ML – Local Magnitude)
-
Phương pháp đo độ lớn động đất do Charles F. Richter phát triển vào năm 1935, dựa trên việc đo biên độ dao động tại trạm địa chấn tiêu chuẩn cách tâm chấn 100 km.
-
Công thức tính độ lớn động đất (M):
M = logA – logA₀
Trong đó:
-
A: Biên độ lớn nhất ghi được tại trạm địa chấn cần xét (đơn vị: mm)
-
A₀: Biên độ lớn nhất tại trạm chuẩn ở khoảng cách 100 km từ tâm chấn (đơn vị: mm)
2.2 Mối quan hệ giữa độ lớn (M) và cường độ (I) động đất
|
Cường độ (Thang Mercalli) |
Độ lớn (Thang Richter) |
Đặc điểm |
|---|---|---|
|
I |
0,4 |
Không cảm nhận được |
|
II |
1,5 |
Rất khó nhận biết |
|
III |
2,5 |
Một số người cảm nhận được |
|
IV |
3,5 |
Hầu hết mọi người cảm nhận được |
|
V |
4,4 |
Làm tỉnh giấc |
|
VI |
5,2 |
Gây hoảng sợ, có một vài thiệt hại |
|
VII |
6,0 |
Gây hư hại cho các công trình nhỏ |
|
VIII |
6,7 |
Một số ngôi nhà sụp đổ |
|
IX |
7,4 |
Gây hư hại chung cho các công trình |
|
X |
8,0 |
Nhiều ngôi nhà sụp đổ |
|
XI |
8,5 |
Thảm họa |
|
XII |
8,9 |
Cảnh quan bị thay đổi |
Tham khảo ngay khóa khóa học chuyên sâu về tính toán tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012 tại Vietcons
CÁM ƠN QUÝ ĐỘC GIẢ ĐÃ QUAN TÂM VÀ THEO DÕI BÀI VIẾT CỦA VIETCONS.EDU.VN !
Các bạn có thể liên hệ trực tiếp Fanpage (https://www.facebook.com/VietConsEducation) của trung tâm để đặt câu hỏi. Chúng tôi sẽ giải đáp thêm cho bạn.
Quét mã QR
