Trong phân tích động đất bằng phương pháp phổ phản ứng, động đất được coi là một hiện tượng ngẫu nhiên, gây ra rung động đồng thời theo nhiều hướng. Đối với các công trình nhà cửa, chúng ta thường quan tâm đến ba thành phần chính của chuyển động đất: hai thành phần ngang (theo phương X và Y của công trình) và một thành phần thẳng đứng (theo phương Z).

Vì các thành phần này không đạt đỉnh cùng lúc và có thể có mức độ tương quan khác nhau, việc tổ hợp phản ứng từ từng thành phần riêng lẻ là cần thiết để có được kết quả nội lực và chuyển vị tổng thể an toàn và hợp lý cho thiết kế. ETABS cung cấp các phương pháp tổ hợp hướng tác động để giải quyết vấn đề này.

Các Tùy Chọn Tổ Hợp Hướng (Directional Combination Type) trong ETABS

Khi bạn định nghĩa một trường hợp tải trọng phổ phản ứng (Response Spectrum Load Case) trong ETABS (Define > Load Cases > Add New Load Case), trong mục "Directional Combination Type", bạn sẽ thấy các tùy chọn sau:

1. SRSS (Square Root of the Sum of Squares)

2. CQC3 (Complete Quadratic Combination for 3 Components)

3. ABS (Absolute Sum)

4. SUM (Algebraic Sum)

Chúng ta sẽ tập trung vào các phương pháp phổ biến và được khuyến nghị nhất trong thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn hiện đại (như TCVN 9386-2012 / Eurocode 8).

1. SRSS (Square Root of the Sum of Squares)

• Giải thích chi tiết:

  • Nguyên lý: Phương pháp SRSS cho tổ hợp hướng giả định rằng các thành phần tác động động đất theo các phương khác nhau (ví dụ: phương X và phương Y) là độc lập thống kê với nhau. Điều này có nghĩa là chúng không có xu hướng đạt đỉnh cùng một lúc hoặc theo một mối quan hệ pha nhất định.

  • Công thức: Đối với một đại lượng phản ứng R (ví dụ: lực cắt, mô men, chuyển vị) gây ra bởi các thành phần động đất theo phương X (R_X) và phương Y (R_Y):

    R = √(R_X² + R_Y²)

    Nếu có thêm thành phần thẳng đứng (R_Z):

    R = √(R_X² + R_Y² + R_Z²)

  • Cơ sở khoa học: Phương pháp này là một cách đơn giản và phổ biến để ước lượng phản ứng đỉnh tổng thể khi các thành phần đầu vào được coi là độc lập ngẫu nhiên.

• Phạm vi áp dụng (theo TCVN 9386-2012 / Eurocode 8):

  • Được chấp nhận: TCVN 9386-2012 (Mục 4.3.3.5.2) cho phép sử dụng phương pháp SRSS để tổ hợp các thành phần tác động ngang (X và Y), với điều kiện các thành phần đó là độc lập về mặt thống kê.

  • Ưu điểm: Đơn giản, dễ tính toán, và thường cho kết quả hợp lý cho nhiều loại công trình.

  • Hạn chế: Giả định độc lập hoàn toàn có thể không hoàn toàn đúng trong mọi trường hợp thực tế, đặc biệt khi có sự tương quan đáng kể giữa các thành phần ngang (ví dụ, do đặc điểm địa chấn của khu vực hoặc do các yếu tố địa phương). Tuy nhiên, đối với thiết kế kết cấu thông thường, đây là một phương pháp đủ tin cậy.

  • Khi nào sử dụng trong ETABS: Đây là một lựa chọn phổ biến và thường được chấp nhận. Khi bạn chọn SRSS, ETABS sẽ tự động tổ hợp kết quả từ các hướng X, Y (và Z nếu bạn đã định nghĩa) theo công thức này.

2. CQC3 (Complete Quadratic Combination for 3 Components)

• Giải thích chi tiết:

  • Nguyên lý: CQC3 là một phương pháp nâng cao hơn SRSS, có xét đến sự tương quan có thể có giữa các thành phần tác động động đất theo các hướng khác nhau. Mặc dù các thành phần động đất thường được coi là độc lập, nhưng trong một số trường hợp, chúng có thể có mức độ tương quan nhất định, đặc biệt là khi tác động đất nền có các đặc điểm riêng hoặc khi các dạng dao động chính của công trình có sự "kết hợp" giữa các phương.

  • Cơ sở khoa học: CQC3 là một mở rộng của phương pháp CQC cho tổ hợp dạng dao động, áp dụng cho tổ hợp hướng tác động. Nó sử dụng một ma trận tương quan giữa các thành phần X, Y, Z. Các hệ số tương quan này thường được giả định hoặc có thể được suy ra từ các bản ghi gia tốc nền thực tế. Trong ETABS, các hệ số tương quan này được xây dựng nội bộ, thường giả định là 0 cho các thành phần độc lập (như SRSS) nhưng với khả năng tích hợp các yếu tố tương quan nếu được định nghĩa. Điều này làm cho nó linh hoạt hơn nếu tiêu chuẩn yêu cầu xét đến sự tương quan giữa các thành phần động đất.

  • ETABS cụ thể: Trong ETABS, khi bạn chọn CQC3, nó sẽ thực hiện một tổ hợp bậc hai hoàn chỉnh cho ba thành phần chuyển động đất. Mặc dù tên là CQC3, trong nhiều phiên bản và trường hợp mặc định, nó vẫn có thể giả định các thành phần ngang là không tương quan với nhau và với thành phần thẳng đứng (tức là tương tự SRSS giữa các phương), nhưng nó cho phép khả năng tích hợp các yếu tố tương quan nếu được định nghĩa. Điều này làm cho nó linh hoạt hơn nếu tiêu chuẩn yêu cầu xét đến sự tương quan giữa các thành phần động đất.

• Phạm vi áp dụng (theo TCVN 9386-2012 / Eurocode 8):

  • Được chấp nhận và thường được khuyến nghị cho các dự án lớn hoặc phức tạp: Mặc dù TCVN 9386-2012 không nêu rõ CQC3, nhưng nó là một phương pháp hợp lệ và tiên tiến hơn SRSS trong việc xử lý các trường hợp có thể có sự tương quan.

  • Ưu điểm: Có tiềm năng chính xác hơn SRSS nếu có sự tương quan đáng kể giữa các thành phần địa chấn. Mang lại sự linh hoạt để tích hợp các nghiên cứu chuyên sâu về tương quan hướng.

  • Hạn chế: Ít phổ biến hơn SRSS trong tính toán thủ công do sự phức tạp của các hệ số tương quan.

  • Khi nào sử dụng trong ETABS: Nếu bạn muốn một phương pháp tổng quát hơn SRSS và nếu có yêu cầu từ tiêu chuẩn hoặc tính toán chi tiết hơn về sự tương quan giữa các hướng, CQC3 là lựa chọn phù hợp. Đối với hầu hết các công trình dân dụng thông thường, sự khác biệt giữa SRSS và CQC3 (khi không có tương quan hướng được định nghĩa rõ ràng) có thể không đáng kể.

3. ABS (Absolute Sum)

• Giải thích chi tiết:

  • Nguyên lý: Phương pháp này lấy tổng giá trị tuyệt đối của phản ứng từ tất cả các thành phần tác động theo các hướng.

  • Công thức:

    R = |R_X| + |R_Y| (+ |R_Z|)

  • Cơ sở khoa học: Phương pháp này giả định rằng tất cả các thành phần tác động đều đạt đỉnh cùng một lúc và theo chiều gây ra phản ứng bất lợi nhất. Đây là một giả định rất thận trọng.

• Phạm vi áp dụng:

  • Không được khuyến nghị sử dụng trong thiết kế thông thường.

  • Chỉ nên dùng: Trong các trường hợp rất đặc biệt, khi cần một ước tính cận trên tuyệt đối của phản ứng (ví dụ, cho mục đích nghiên cứu, hoặc kiểm tra giới hạn trên cực đoan, hoặc cho các cấu kiện cực kỳ quan trọng đòi hỏi mức độ an toàn cao nhất không bị ảnh hưởng bởi xác suất xảy ra).

  • Ưu điểm: Luôn cho kết quả lớn nhất, đảm bảo an toàn tuyệt đối.

  • Nhược điểm: Dẫn đến thiết kế quá lãng phí, không kinh tế, vì xác suất tất cả các thành phần đạt đỉnh cùng lúc là rất thấp.

4. SUM (Algebraic Sum)

• Giải thích chi tiết:

  • Nguyên lý: Phương pháp này đơn giản là cộng đại số (có xét dấu) các phản ứng từ từng thành phần.

  • Công thức:

    R = R_X + R_Y (+ R_Z)

  • Cơ sở khoa học: Giả định rằng tất cả các thành phần đạt đỉnh cùng lúc và cùng chiều.

• Phạm vi áp dụng:

  • Không được khuyến nghị sử dụng trong thiết kế động đất. Phương pháp này không phản ánh đúng bản chất ngẫu nhiên và không đồng pha của các thành phần động đất.

  • Chỉ dùng trong các trường hợp rất đặc biệt, phi động đất hoặc khi cần tổ hợp phản ứng từ các nguồn tĩnh tải/tải trọng đã biết trước pha và giá trị.

5. Phương Pháp "100% + 30%" theo TCVN 9386-2012 / Eurocode 8

Ngoài các tùy chọn tích hợp sẵn trong mục "Directional Combination Type" của ETABS, TCVN 9386-2012 (Mục 4.3.3.5.1) còn quy định phương pháp tổ hợp "100% + 30%" mà kỹ sư thường phải tự tạo trong các tổ hợp tải trọng:

• Nguyên lý: Phương pháp này giả định rằng khi một thành phần động đất (ví dụ: theo phương chính X) đạt cường độ lớn nhất, thì thành phần vuông góc với nó (ví dụ: theo phương Y) sẽ đồng thời đạt khoảng 30% cường độ lớn nhất của nó.

• Công thức tổ hợp:

  • Trường hợp 1: E_d,x + 0.3 ⋅ E_d,y

  • Trường hợp 2: 0.3 ⋅ E_d,x + E_d,y

  (Trong đó E_d,x là tác động động đất khi chỉ xét phương X, E_d,y là tác động động đất khi chỉ xét phương Y).

• Cách thực hiện trong ETABS:

  1. Bạn sẽ cần tạo hai trường hợp tải trọng phổ phản ứng riêng biệt trong ETABS:

     • Một trường hợp chỉ tác động theo phương X (ví dụ: EX, chỉ khai báo Load U1).

     • Một trường hợp chỉ tác động theo phương Y (ví dụ: EY, chỉ khai báo Load U2).

     • Trong mỗi trường hợp này, bạn sẽ chọn "Modal Combination Method" là CQC hoặc SRSS (cho tổ hợp dạng dao động).

  2. Sau đó, bạn sẽ tạo các tổ hợp tải trọng (Load Combinations) trong Define > Load Combinations:

     • Combo_1: 1.0 * EX + 0.3 * EY

     • Combo_2: 0.3 * EX + 1.0 * EY

     • Thường cần xét cả trường hợp dấu âm nếu yêu cầu thiết kế không thể xác định rõ dấu của phản ứng:

       • Combo_3: 1.0 * EX - 0.3 * EY

       • Combo_4: 0.3 * EX - 1.0 * EY

       (Mặc dù với phương pháp phổ phản ứng, kết quả đã là trị tuyệt đối, việc cộng trừ này đảm bảo bao hàm các trường hợp bất lợi nhất khi kết hợp với tải trọng thường xuyên).

• So sánh với SRSS và CQC3 trong ETABS:

  • Phương pháp "100% + 30%" thường cho kết quả lớn hơn một chút so với SRSS tích hợp của ETABS, và do đó, nó thường được coi là thận trọng hơn. Nhiều kỹ sư và tiêu chuẩn khuyến khích hoặc yêu cầu sử dụng phương pháp này.

  • Việc lựa chọn giữa việc sử dụng "Directional Combination Type" tích hợp SRSS/CQC3 của ETABS hay tự tạo tổ hợp "100%+30%" phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của tiêu chuẩn thiết kế (TCVN 9386-2012 có vẻ nghiêng về việc tự tổ hợp 100%+30% hoặc SRSS cho từng thành phần và sau đó tổ hợp chúng), quy định của chủ đầu tư, và kinh nghiệm của kỹ sư.

6. Các Lưu Ý Quan Trọng

1. Thành phần thẳng đứng (Vertical Component): Nếu cần xét tác động thẳng đứng (E_d,z), TCVN 9386-2012 (Mục 4.3.3.5.3) yêu cầu bổ sung vào các tổ hợp trên:

   • E_d,x + 0.3 ⋅ E_d,y + 0.3 ⋅ E_d,z

   • 0.3 ⋅ E_d,x + E_d,y + 0.3 ⋅ E_d,z

   (Và các trường hợp dấu âm tương ứng).

   Khi định nghĩa phổ phản ứng cho phương Z (U3), bạn cần sử dụng phổ phản ứng thẳng đứng, thường có hình dạng và gia tốc đỉnh khác với phổ ngang.

2. Tác động xoắn ngẫu nhiên (Accidental Torsion): Đảm bảo bạn đã kích hoạt tùy chọn "Eccentricity Ratio for Accidental Torsion" (0.05) trong định nghĩa Load Case để xét đến mô men xoắn phát sinh do sự không chắc chắn về vị trí tâm khối lượng. Điều này quan trọng đối với cả hai phương pháp tổ hợp hướng.

3. Hệ số giảm chấn (Damping Ratio): Đảm bảo hệ số giảm chấn được khai báo đúng (thường là 5% hoặc theo tiêu chuẩn cụ thể cho loại vật liệu/kết cấu).

4. Tổ hợp tải trọng cuối cùng: Các kết quả từ tổ hợp hướng này sau đó sẽ được kết hợp với các tải trọng thường xuyên (tĩnh tải, hoạt tải) theo các công thức tổ hợp tải trọng của tiêu chuẩn (ví dụ: G + Q + E_d cho trạng thái giới hạn cường độ).

Kết Luận

Việc lựa chọn phương pháp tổ hợp hướng trong ETABS là một quyết định quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả nội lực và chuyển vị của công trình.

• SRSS và CQC3 (tích hợp trong ETABS): Là các phương pháp hiệu quả và được chấp nhận, đặc biệt khi các thành phần động đất được coi là độc lập hoặc có thể mô hình hóa tương quan một cách cụ thể.

• Phương pháp 100% + 30% (tự tạo tổ hợp): Là phương pháp được quy định rõ trong TCVN 9386-2012/Eurocode 8 và thường được các kỹ sư Việt Nam áp dụng rộng rãi do tính thận trọng và phù hợp với tiêu chuẩn.

Thông thường, đối với thiết kế theo TCVN 9386-2012, kỹ sư sẽ định nghĩa hai trường hợp tải trọng phổ phản ứng riêng biệt cho phương X và phương Y (và Z nếu cần), sau đó tạo các tổ hợp tải trọng thủ công theo quy tắc 100%+30% để bao hàm các trường hợp bất lợi nhất. Tuy nhiên, nếu bạn chỉ muốn đơn giản hóa trong ETABS và tin tưởng vào giả định của SRSS hoặc CQC3, bạn có thể sử dụng tính năng tích hợp của phần mềm.

Luôn luôn tham khảo và tuân thủ các quy định cụ thể của tiêu chuẩn thiết kế đang áp dụng cho dự án của bạn.