Bài viết So sánh ứng xử ngang của gối cách chấn đàn hồi cốt sợi liên kết và không liên kết phân tích ứng xử ngang của gối U-FREI và B-FREI bằng mô hình số; So sánh các đặc tính cơ học của hai gối được thực hiện.
Trang 1SO SÁNH ỨNG XỬ NGANG CỦA GỐI CÁCH CHẤN ĐÀN HỒI
CỐT SỢI LIÊN KẾT VÀ KHÔNG LIÊN KẾT
Ngô Văn Thuyết
Trường Đại học Thủy lợi, email: thuyet.kcct@tlu.edu.vn
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong kỹ thuật giảm chấn, nhiều phương
pháp đã được sử dụng như phương pháp
giảm chấn chủ động, giảm chấn bán chủ động
và giảm chấn thụ động Giảm chấn thụ động
là phương pháp giảm chấn mà nguồn năng
lượng hoạt động của các thiết bị giảm chấn
được lấy từ chính năng lượng dao động của
bản thân công trình Năng lượng động đất có
thể tiêu tán nhờ biến dạng dẻo, ma sát hoặc
hệ số cản nhớt của thiết bị giảm chấn Gối
cách chấn đáy là một loại thiết bị giảm chấn
của phương pháp giảm chấn thụ động
Gối cách chấn đa lớp thông thường được
cấu tạo từ các lớp cao su mỏng và các lớp lá
thép xen kẹp, gắn kết với nhau; có hai phần
đế thép dày ở phần đáy và phần đỉnh để liên
kết với phần móng và phần thân công trình
thông qua liên kết bulông Các gối này
thường nặng và đắt tiền nên thường được sử
dụng cho các tòa nhà cao tầng có tầm quan
trọng cao ở các nước phát triển Gối cách
chấn đàn hồi cốt sợi liên kết (bonded fiber
reinforced elastomeric isolator, gọi tắt là gối
B-FREI) là một loại gối cách chấn đa lớp mới
trong nỗ lực giảm trọng lượng và giá thành
của gối Gối B-FREI có cấu tạo tương tự như
gối đa lớp thông thường nhưng các lớp lá
thép được thay thế bằng các lớp sợi, thường
là sợi cacbon Để giảm hơn nữa trọng lượng,
giá thành và đơn giản trong thi công, gối cách
chấn đàn hồi cốt sợi không liên kết
(un-bonded fiber reinforced elastomeric isolator,
gọi tắt là gối U-FREI) đã được phát triển Gối
U-FREI có cấu tạo tương tự như gối B-FREI
nhưng hai phần đế thép dày ở phần đáy và
đỉnh gối đã được loại bỏ Gối U-FREI được đặt trực tiếp lên trên phần đài móng và dưới phần thân công trình mà không cần bất kì một liên kết nào Do đó, gối U-FREI được gọi tên là gối cách chấn không liên kết Hình 1 thể hiện sự làm việc của các gối B-FREI và gối U-B-FREI khi chịu chuyển vị ngang Khi gối B-FREI làm việc, các lớp cao
su ngoài cùng luôn tiếp xúc với phần móng
và phần thân công trình (do được liên kết bằng bulông giữa phần đế thép và công trình, Hình 1a) Ngược lại, ở gối U-FREI các lớp cao su này có một phần tách rời (không liên kết) với phần móng và phần thân công trình (Hình 1b) Hiện tượng biến dạng này gọi là biến dạng cuộn Biến dạng cuộn là một đặc trưng cơ bản của gối U-FREI
(a) Gối B-FREI
(b) Gối U-FREI
Hình 1 Biến dạng của các loại gối FREI
khi chịu chuyển vị ngang
Một số nghiên cứu về ứng xử ngang của gối U-FREI đã được thực hiện như Nezhad
và cs (2011), N.V Thuyết (2018), Ở Việt Nam, tác giả N.V Thuyết và P.T Hiền (2017) đã nghiên cứu về ứng xử ngang của
Trang 2gối B-FREI hình vuông Tuy nhiên, chưa có
nghiên cứu nào so sánh ứng xử ngang của gối
U-FREI với gối B-FREI cùng kích thước
Nghiên cứu này phân tích ứng xử ngang
của gối U-FREI và B-FREI bằng mô hình số
So sánh các đặc tính cơ học của hai gối được
thực hiện
2 CẤU TẠO CHI TIẾT GỐI FREI
Các gối B-FREI và U-FREI có hình chiếu
bằng hình vuông cạnh 100mm Gối được chế
tạo từ 19 lớp cao su mỏng xen kẹp và gắn kết
với 18 lớp sợi cacbon hai hướng Chiều dày
mỗi lớp cao su là 5mm và mỗi lớp sợi là
0.55mm Tổng chiều dày của gối là 104.9mm
Mặt cắt dọc theo phương đứng của các gối
FREI được miêu tả trong Hình 2 Các thông
số về vật liệu được cho trong Bảng 1
Hình 2 Các lớp cấu tạo của gối FREI
Bảng 1 Vật liệu của các gối FREI
Mô-đun cắt của cao su, G, (MPa) 0.80
Mô-đun đàn hồi của gối, E, (GPa) 40
3 MÔ HÌNH CÁC GỐI FREI
Ứng xử ngang của các gối FREI được
phân tích bằng phương pháp mô hình số sử
dụng phần mềm ANSYS v.14.0
3.1 Lựa chọn loại phần tử
Cao su được mô hình bằng phần tử khối
SOLID185 Sợi cacbon hai hướng được mô
hình bằng phần tử khối nhiều lớp SOLID46
Hai tấm đế thép ở đáy và đỉnh gối để mô
phỏng cho phần móng và phần thân công
trình cũng được mô hình bằng phần tử
SOLID185
Trong mô hình gối U-FREI, các phần tử tiếp xúc mặt - tới-mặt được sử dụng Phần tử CONTA173 được dùng để định nghĩa cho các mặt của lớp cao su ngoài cùng và phần tử TARGE170 được dùng để định nghĩa cho các mặt của hai đế thép ở vị trí tiếp xúc với gối cách chấn Đối với gối B-FREI, mô hình tương tự như gối U-FREI nhưng các phần tử tiếp xúc được loại bỏ Mô hình gối cách chấn FREI đã chia phần tử như Hình 3
Hình 3 Mô hình gối FREI
3.2 Mô hình vật liệu
Cao su có ứng xử phi tuyến khi chịu chuyển vị lớn nên được mô hình bằng mô hình vật liệu siêu đàn hồi và đàn nhớt
3.3 Tải trọng chi tiết
Các gối FREI chịu đồng thời tải trọng thẳng đứng và chuyển vị ngang vòng lặp Tải trọng thẳng đứng và chuyển vị ngang vòng lặp được gán vào phần đế thép phía trên Phần đế thép phía dưới được giữ cố định Trong nghiên cứu này, tải trọng thẳng đứng được giữ không đổi là 12 kN Chuyển
vị vòng lặp được gán theo phương ngang vào phần đế thép ở đỉnh gối Chuyển vị ngang dạng hình sin được miêu tả như Hình 4
Hình 4 Chuyển vị ngang gán vào các gối
Trang 34 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH
4.1 Vòng lặp trễ của các gối FREI
Ứng xử phi tuyến của các gối FREI được
thể hiện qua vòng lặp trễ Kết quả vòng lặp
trễ của các gối FREI được cho trong Hình 5
(a) Gối B-FREI
(b) Gối U-FREI
Hình 5 Vòng lặp trễ của gối FREI
4.2 Đặc tính cơ học của các gối FREI
Theo tiêu chuẩn International Building
Code (IBC-2000), độ cứng ngang hiệu dụng,
Keff h, của gối cách chấn ở một độ lớn của
chuyển vị ngang được tính theo công thức:
max min
h eff
K
−
=
− (1)
trong đó, F max, Fmin là các giá trị lớn nhất,
nhỏ nhất của lực cắt ngang u max, umin là các
giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của chuyển vị
Hệ số cản nhớt, β, được tính thông qua
năng lượng tiêu tán trong một chu kì chuyển
vị ngang, W d (bằng diện tích của một vòng
lặp trễ ở hình 5) theo công thức sau:
2
max 2
d h eff
W K
β
π
=
Δ (2) trong đó, Δmax =(umax +u min)/ 2
Độ cứng ngang hiệu dụng và hệ số cản
nhớt của các gối FREI ở các độ lớn khác
nhau của chuyển vị ngang cho kết quả trong Bảng 2 Các giá trị cho trong bảng là giá trị trung bình cho mỗi độ lớn của chuyển vị
Bảng 2 Đặc tính cơ học của các gối FREI
Gối B-FREI Gối U-FREI
Keffh β Keffh β
Độ lớn chuyển vị
Kết quả trong Bảng 2 cho thấy độ cứng ngang hiệu dụng của gối U-FREI nhỏ hơn và
hệ số cản nhớt của gối U-FREI lớn hơn giá trị tương ứng của gối B-FREI ở cùng một độ lớn của chuyển vị ngang
5 KẾT LUẬN
Nghiên cứu này so sánh ứng xử ngang của các gối B-FREI và gối U-FREI chịu đồng thời tải trọng thẳng đứng và chuyển vị ngang vòng lặp bằng phương pháp phân tích mô hình số Kết quả cho thấy độ cứng ngang hiệu dụng của gối U-FREI nhỏ hơn và hệ số cản nhớt của gối U-FREI lớn hơn giá trị tương ứng của gối B-FREI ở cùng một độ lớn của chuyển vị ngang và càng rõ rệt hơn ở những giá trị chuyển vị ngang lớn
6 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] International Building Code (2000) USA [2] Nezhad H.T., Tait M.J., Drysdale R.G (2011) “Bonded versus Unbonded Strip Fiber Reinforced Elastomeric Isolators:
Finite Element Analysis” Composite
structures, Vol 93, pp 850-859
[3] Ngô Văn Thuyết, Phạm Thu Hiền (2017)
“Ứng xử ngang của gối cách chấn đàn hồi
FREI hình vuông”, Tuyển tập HNKHTN,
Trường Đại học Thủy lợi, (tháng 11/2017),
tr 69-71
[4] Ngô Văn Thuyết (2018) “Nghiên cứu ứng
xử ngang của nguyên mẫu gối cách chấn đàn
hồi cốt sợi không liên kết”, Tạp chí Khoa
học Công nghệ Xây dựng, Đại học Xây dựng, số 12(6), tr 39-48