Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
175
TÁC ĐỘNG CỦA LŨ LỤT LÊN NHÀ CÓ KẾT CẤU
KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Lương Thị Thanh Hương, Đoàn Xuân Quý
Trường Đại học Thủy lợi, email: thanhhuong@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Nghiên cứu về phá hoại của nhà do lũ lụt
dựa trên những tác nhân xảy ra đồng thời lên
nhà như tác động của sóng nước và các điều
kiện tải trọng sẵn có. Trong đó, điều quan
trọng nhất là nghiên cứu được giới hạn về sụp
đổ trong những điều kiện tác động cụ thể để
dự báo được chính xác nguy cơ có thể xảy ra.
Thông thường, độ sâu ngập nước (d tính
bằng m) được kể đến là tác nhân chính trong
các tính toán về ngập lụt, nhưng cũng có
những nghiên cứu đánh giá được cả hai yếu
tố đồng thời của áp lực thủy tĩnh và thủy
động của nước, vận tốc sóng (v tính bằng
m/s) và những tác động của vật nổi [1]. Phá
hoại của nhà đã được xác định bao gồm các
trường hợp: phá hoại do xói lở móng, phá
hoại tường gạch hoặc gây nứt hay làm phá
hoại khung bê tông cốt thép (phá hoại cột
hoặc dầm hoặc đồng thời) [2]. Trường hợp
nghiên cứu ở đây là tác động của lũ chậm, đó
là việc nước chảy từ từ lên nhà cho đến khi
gây ngập một phần cả trong và ngoài nhà.
Nghiên cứu để đưa ra được đường cong
phá hoại của tác động của lũ lụt lên nhà bê
tông sẽ có ý nghĩa trong việc tạo nên các
thông số đầu vào để đưa vào các mô hình
tính toán trên diện rộng [1], [3]. Nghiên cứu
trong báo cáo này sẽ thiết lập đường cong
phá hoại trên hai yếu tố độ sâu và vận tốc
sóng đối với khung nhà của một công trình
cụ thể, từ đó có những đánh giá về mức độ
phá hoại của nước lên nhà trong trường hợp
lũ chậm. Nghiên cứu là cơ sở cho những
đánh giá tiếp theo về phá hoại của nhà cửa do
lũ lụt.
2. PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH
TÍNH TOÁN
Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý
thuyết kết hợp sử dụng các tính toán về tải
trọng lên nhà [1] [4], dùng phần mềm phần tử
hữu hạn để xác định các nội lực trong cột và
dầm của nhà. Sau khi có các kết quả nội lực,
sử dụng tính toán theo tiêu chuẩn TCVN
5574:2018 [5] về kết cấu bê tông cốt thép để
xác định giá trị nội lực phá hoại tương ứng
với chiều sâu và vận tốc sóng.
Quy trình tính toán tác động của nước lũ
và các tải trọng khác lên nhà dân dụng được
thực hiện như sau:
i) Nghiên cứu thông số điển hình của công
trình nhà trong vùng lũ (kích thước dầm cột,
bước, nhịp khung, chiều cao tầng, số tầng).
ii) Tính toán tải trọng ngang lên công
trình: trọng lượng bản thân và các lớp cấu
tạo, hoạt tải, tải trọng gió, áp lực thủy động.
iii) Đối với với mỗi giá trị vận tốc nước,
tăng dần độ sâu của mực nước tác dụng để
xác định tải trọng nước (cùng với các tải
trọng khác đã có).
iv) Tính toán nội lực và xác định các điểm
phá hoại hoặc gây nứt kết cấu ứng với độ sâu
và vận tốc nước.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Tải trọng tác dụng lên nhà
Một công trình nhà điển hình trong vùng
lũ bao gồm 5 gian, mỗi gian B = 4,2m, chiều
ngang nhà L = 4,2 m, 2 tầng cao, chiều cao
mỗi tầng h = 3,3 m. Dầm khung có kích
thước (rộng cao) 22 30 cm bố trí lớp trên
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
176
và dưới 318, cột khung có kích thước 22
22 cm bố trí 422 chịu lực. Bê tông cấp bền
B15 (tương ứng mác 200#), cốt thép CB300-
V (tương ứng thép AIII). Địa điểm xây dựng
tại vùng II theo bản đồ phân vùng gió trong
TCVN 2737:2023 [4] (áp lực gió tiêu chuẩn
W0 = 95 daN/m2).
Các thành phần tĩnh tải và hoạt tải tác
dụng được tính toán theo cấu tạo của công
trình nhà dân dụng.
Tác động của nước lên công trình là áp lực
thủy động do nước ngập vào trong và ngoài
nhà cân bằng nhau nên triệt tiêu áp lực thủy
tĩnh, được xác định theo [1]:
p
s = 1/2CD2 (1)
trong đó:
- dung trọng của nước (1000
kg/m3); g - gia tốc trọng trường (9,81 m/s2);
d - độ sâu ngập nước; CD - hệ số nhám của
nước (trong khoảng từ 1,2 đến 2); v - vận tốc
dòng nước (m/s). Áp lực tính toán sẽ được
quy về tải trọng phân bố đều trên cột khung
(giá trị ps trong công thức (1) nhân với trị số
bước gian B) (Hình 1).
Hình 1. Áp lực thủy động của nước lên nhà [1]
Giá trị của tải trọng gió được xác định theo
TCVN 2737:2023 [4]:
W
k = W3s,10k(ze)cGf (2)
Các giá trị áp lực (W3s,10), hệ số tính toán
theo chiều cao k(ze), hệ số khí động c, hệ số
giật Gf được lấy theo chỉ dẫn trong tiêu chuẩn.
Tải trọng gió được khai báo trên hai cột
khung (tải trọng gió đẩy và gió hút) tương
ứng diện truyền tải là bước gian B. Phạm vi
tác dụng của tải trọng gió là từ mặt nước tới
mái nhà. Khi mặt nước tăng lên, phạm vi của
gió sẽ giảm xuống.
3.2. Xác định nội lực
Nội lực được tính toán bằng phần mềm
Etabs cho các trường hợp tải trọng ứng với
từng vận tốc nước theo các độ sâu nước
khác nhau. Kết quả tính được tổng hợp cho
các vị trí có nội lực lớn của khung (mô men
dầm khung tầng 2, mô men và lực dọc cột
khung trái).
Bảng 1 trình bày kết quả nội lực khung
nguy hiểm ứng với các độ sâu khác nhau cho
trường hợp điển hình với v = 2 m/s.
Bảng 1. Bảng xác định giá trị nội lực dầm
và cột theo độ sâu nước (
v
= 2 m/s)
Độ sâu Dầm Cột
d (m) M (KNm) M (KNm) N (KN)
0,55 43,34 19 133
1,10 43,39 19 133
1,65 43,49 19 133
2,20 43,68 20 132
2,75 43,98 21 132
3,30 44,36 21 132
3,85 46,08 22 132
4,40 46,69 23 131
4,95 47,50 23 131
5,50 48,20 24 130
6,05 49,09 25 130
6,60 50,03 25 129
Hình 2. Mô men của dầm do tải trọng
theo độ sâu nước (v = 2 m/s)
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
177
Hình 2 và Hình 3 minh họa đường cong
quan hệ giữa mô men dầm và mô men cột
theo độ sâu ngập nước tác dụng lên công
trình cho tương ứng trường hợp vận tốc nước
bằng 2 m/s. Đồ thị này nhằm nội suy các giá
trị của nội lực theo độ sâu.
Hình 3. Mô men của cột do tải trọng
tác dụng theo độ sâu nước (v = 2 m/s)
3.3. Xác định đường cong phá hoại do lũ
chậm tác dụng lên khung bê tông cốt thép
Khả năng làm việc của khung đạt tới giới
hạn làm việc sau khi đã tiến hành thử các độ
sâu nước ứng với tốc độ của dòng nước. Đối
với trường hợp giới hạn nứt là giá trị mô men
ứng với giới hạn bề rộng vết nứt của tiết diện
là 0,4 mm. Kết quả thu được như trên Hình 4
(bao gồm cả phá hoại theo cường độ và giới
hạn nứt).
Hình 4. Quan hệ giữa độ sâu và vận tốc
của sóng nước tới phá hủy và nứt nhà
khung BTCT trong vùng lũ chậm
Kết quả khảo sát cho thấy với vận tốc
nước tăng lên, nhà nhanh chóng bị sụp đổ ở
độ sâu ngập nước thấp. Trong khoảng vận tốc
từ 2 đến 5 m/s, tác động của nước thay đổi
nhanh chóng, sau vận tốc 5 m/s, tác động của
nước lên nhà giảm dần.
Để khung nhà bị phá hoại hoặc vết nứt xẩy
ra, tốc độ của nước phải đạt tới một giá trị
nhất định (2 hoặc 3 m/s).
Trường hợp lũ chậm khi vận tốc dòng
nước từ 4,5 m/s trở đi tác động đối với độ
bền của khung xảy ra sau khi các cấu kiện
khung bị nứt.
4. KẾT LUẬN
Nghiên cứu đã được thực hiện về tác
động của lũ lụt tới kết cấu nhà thông qua
việc xác định đường cong nứt và phá hoại
kết cấu nhà hai tầng ứng với độ sâu và vận
tốc của dòng nước.
Vận tốc nước quyết định độ sâu ngập nước
gây ảnh hưởng đến sự phá hoại của kết cấu
nhà khảo sát: vận tốc nước lớn sẽ làm kết cấu
nhà phá hoại ở độ sâu ngập nước nhỏ và cần
một vận tốc nước đủ lớn (từ 2 m/s) để nước
có thể gây nứt hoặc phá hoại khung nhà trong
trường hợp lũ chậm.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] I. W. Roos and T. Bouw, “Damage to
buildings,” Delft Clust., 2003.
[2] I. Kelman and R. Spence, “An overview of
flood actions on buildings,” Eng. Geol., vol.
73, no. 3-4, pp. 297-309, Jun. 2004, doi:
10.1016/j.enggeo.2004.01.010.
[3] M. T. Marvi, “A review of flood damage
analysis for a building structure and
contents,” Nat. Hazards, vol. 102, no. 3, pp.
967-995, Jul. 2020, doi: 10.1007/s11069-
020-03941-w.
[4] “Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:2023:
Tải trọng và tác động”.
[5] “Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2018:
Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.”