Báo cáo khoa học "ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU KHUNG NHIỀU TẦNG CÓ THIẾT BỊ GIẢM CHẤN HDR " potx

Dao động riêng của công trình, với hai đặc trưng chu kỳ hoặc tần số và dạng dao động là những đặc trưng động học quan trọng của kết cấu công trình.. Trong phạm vi bài báo này, tác giả xe

NHIỀU TẦNG CÓ THIẾT BỊ GIẢM CHẤN HDR

Ths TR ẦN TUẤN LONG

Trường cao đẳng xây dựng công trình đô thị

1 Đặt vấn đề

Dao động của công trình cao có ảnh hưởng rất lớn và mang tính quyết định đến việc tính toán, thiết kế và sử dụng kết cấu Khi thiết kế các công trình cao tầng, chúng ta phải kiểm soát được các đặc trưng dao dộng trong phạm vi cho phép để thỏa mãn điều kiện kỹ thuật và sử dụng của công trình

gian Tuỳ thuộc theo chiều cao, các đặc tính về hình học, kết cấu, mà công trình sẽ chịu các tác động khác nhau của tải trọng động Một trong những tải trọng có mức độ ảnh hưởng lớn đến công trình

là tải trọng động đất

Chế ngự dao động công trình là một hướng nghiên cứu đang phát triển và được áp dụng ở Châu

Á, Châu Âu, Mỹ – nơi mà những phương pháp luận đã được đánh giá, được tối ưu và ứng dụng thành công trong thực tế Ở Việt Nam, Bộ Xây dựng đã ban hành tiêu chuẩn nhà nước 375 – 2006 về thiết kế công trình chịu động đất Trong đó tại chương X, có đề cập nguyên tắc sử dụng giải pháp cách chấn đáy nhằm hạn chế ảnh hưởng bất lợi do dao động

Hệ thống giải biện pháp chế ngự dao động được chia thành sáu nhóm thiết bị [3] gồm: (thiết bị cản ứng dụng thềm chảy của kim loại - Metallic Yield Dampers, thiết bị cản ma sát - Friction Damper, thiết bị cản đàn nhớt - Visco - Elastic Dampers, thiết bị cản lỏng nhớt - Visco - Fluid Damper, cách chấn đáy - Base Isolation System, thiết bị điều chỉnh dao động bằng khối chất lỏng - Tuned Liquid Damper)

Dao động riêng của công trình, với hai đặc trưng (chu kỳ hoặc tần số và dạng dao động) là những đặc trưng động học quan trọng của kết cấu công trình Một công trình có n bậc tự do thì có n tần số dao động riêng tương ứng với mỗi tần số dao động riêng ta có một dạng chính, do vậy hệ có n dạng chính dao động Nếu xác định được tần số dao động riêng của kết cấu ta có thể xác định dạng dao động và tính toán kết cấu tránh được hiện tượng cộng hưởng, cũng như dễ dàng xác định được tác động của ngoại lực thông qua việc phân tích tải trọng theo dạng dao động chính Khác với kết cấu khung bình thường, việc đặt thêm vào chân công trình thiết bị giảm chấn sẽ làm thay đổi điều kiện biên của bài toán Trong phạm vi bài báo này, tác giả xem xét bài toán dao động riêng của kết cấu khung nhiều tầng có thiết bị cách chấn đáy dạng HDR, đánh giá ảnh hưởng của các tham số kết cấu

và thiết bị đến các đặc trưng chu kỳ dao động riêng kết cấu

2 Cấu tạo và sơ đồ tính thiết bị HDR

2.1 Cấu tạo

Cách chấn đáy chủ yếu sử dụng cho công trình nhà và cầu [5] Thông thường một hệ thống cách chấn đáy nói chung được đặt giữa nền và hệ kết cấu chịu lực chính của công trình Hầu hết hệ thống cách chấn đáy làm tăng tính linh hoạt theo phương ngang, tăng độ bền ổn định cho công trình Khi đã

có thiết bị cách chấn đáy, tần số dao động riêng của công trình thay đổi, là nguyên nhân làm tăng chu

kỳ cơ bản

Nó là một thiết bị có dạng khối hình hộp chữ nhật hay hình trụ tròn, có cấu tạo bởi các lớp cao su đặc biệt và các lớp chì xen kẽ nhau, hai mặt có hai tấm thép để liên kết vào công trình và vào móng (hình 1) Hệ thống này được đặt tại chân các kết cấu chịu lực theo phương đứng và có tác dụng ngăn cách tải trọng động đất tác dụng trực tiếp ngay tại thời điểm xảy ra tới công trình (hình 2) Dịch chuyển của nền đất làm cho hệ thống cách chấn đáy biến dạng và chuyển vị Chuyển vị của hệ thống cách chấn đáy là tác nhân gây chuyển vị tịnh tiến ngang của công trình truớc khi gây ra biến dạng đối với công trình Như vậy, nhờ có hệ thống cách chấn đáy, biến dạng của kết cấu công trình giảm kéo theo nội lực giảm Mặc khác, nhờ có lực ma sát trong các lớp cấu tạo và lực ma sát giữa các lớp cao su và chì mà một phần năng lượng của động đất bị hấp thụ, nên lực tác động vào công trình sẽ nhỏ đi Một sơ đồ đơn giản gồm có 4 phần: kết cấu chính, hệ thống cô lập, nền móng, và đất được mô tả

như thành 4 khối xếp từ trên xuống

Những lớp cao su cấu thành cách chấn đáy dạng "high damping rubber bearing" – HDR thường

sử dụng chế phẩm cao su đặc biệt có độ cản nhớt cao Hệ số cản tới hạn trong khoảng 0,1 đến 0,2

dễ dàng do sử dụng các hoá chất đặc biệt làm thay đổi những tính chất của cao su Độ cứng và khả năng chống rung của HDR được yêu cầu đủ lớn để chống lại bão và những trận động đất Trong thực tế độ cứng và thuộc tính chống rung của HDR khá ổn định dưới một hoặc nhiều thiết kế kháng chấn HDR được giả thiết là đàn hồi tuyến tính và đẳng hướng trong thiết kế sơ bộ [5]

Hỡnh 1 Cỏch ch ấn đỏy dạng HDR

Hỡnh 2 B ố trớ thiết bị cỏch chấn đỏy trong cụng trỡnh

Một hệ thống cỏch chấn đỏy thực tế cần phải cú ba yờu cầu sau:

vựng đất rất yếu;

thường dưới tỏc dụng của tải trọng thụng thường

Một thiết kế đầy đủ cho cỏch chấn đỏy cần phải đảm bảo cỏch chấn đỏy cú thể chịu được tải trọng thụng thường cực đại của kết cấu suốt đời sống của nú, và cỏch chấn đỏy cú thể đỏp ứng hai chức năng thay đổi chu kỳ và phõn tỏn năng lượng của công trình trong suốt thời gian động đất

2.2 Sơ đồ tớnh

Để giảm lực động đất lờn hệ chịu lực ngang, cú thể sử dụng cỏc giải phỏp: tăng chu kỳ cơ bản của kết cấu bằng cỏch điều chỉnh dạng dao động cơ bản, tăng độ cản, hoặc tổ hợp cỏc cỏch trờn

Hệ cỏch chấn đỏy gồm cỏc phần tử đàn hồi và cỏc phần tử cản tuyến tớnh hoặc phi tuyến

Hỡnh 3 Sơ đồ tớnh kết cấu khung cú thiết bị giảm chấn HDR

3 Cơ sở lý thuyết tớnh toỏn

Phương trỡnh cõn bằng cho cả hệ gồm cụng trỡnh và thiết bị cỏch chấn dạng ma trận:







Múng

Cỏch chấn đỏy HDR

Hệ toạ độ

K 2

K 2

K 1 >> K 2

X

HDR

Y

Z

Cột

K 1

C 1

C 2

C 2

Trong đó: 









s

M

M

1 ; C    0 Cs ; K    0 Ks 

v

là gia tốc nền, 1 là véc tơ cột có các phần tử bằng đơn vị, M là ma trận khối lượng, C là ma trận cản của kết cấu có xét đến tính chất cản của HDR, và K là ma trận độ cứng của hệ có xét đến

mặt này so với đất nền

(Trường hợp xét bài toán dao động tự do của hệ khung có cách chấn đáy phương trình (1) có vế phải bằng không và K là độ cứng có xét đến độ cứng của cách chấn đáy)

Phản ứng của hệ thống cách chấn đáy cho bởi tích phân:















d t e

u t

d

) ( sin )

(

1

)

0





bởi:

M

K



 , d   1  2 ,



 M

C

2

K

M





2

2



2

1

2











T

d

Để có cơ sở điều chỉnh ảnh hưởng của các tham số đến chu kỳ dao động của kết cấu khung có thiết bị giảm chấn HDR Việc khảo sát số được thực hiện đối với hàm chu kỳ với đầy đủ các tham số:

T = f (E b , b c , h c , b b , h b , s, eff,  max , K eff , K v, , IRHD, h, d,) (5)

Trong đó các tham số lần lượt là: mô đun đàn hồi của bê tông cốt thép, kích thước cột, kích thước dầm, chiều dày sàn, tỉ số cản hiệu quả, biến dạng cắt cực đại của những tấm laminat cao su, độ cứng hiệu quả theo phương ngang, đứng của HDR, chuyển vị cho phép của HDR, các đặc trưng của cao su, chiều cao của HDR, đường kính

Sử dụng phương pháp phân tích độ nhạy, thay đổi giá trị các tham số tiền định với bước thay đổi 1% giá trị để tìm được 8 tham số có ảnh hưởng lớn đáng kể đến chu kỳ dao động của kết cấu có

Sap 2000 với mô hình hóa hệ khung và gán phần tử HDR

4 Ví dụ minh hoạ

Công trình cao 12 tầng bê tông cốt thép, xây dựng trên nền đá loại B và cách xa những nơi có đứt

0,6m, dầm phụ: 0,3 x 0,45m, chiều dày tường tương đương: 0,165m, chiều dày sàn: 0,15m Toà nhà

có mặt bằng điển hình có bước cột theo phương x là 5,4m Theo phương y có hai kích thước bước

đối cho phép của nhà với móng là 30cm

5 4 0 0 5 4 0 0 5 4 0 0 5 4 0 0 5 4 0 0

3 0 x 4 5 c m

3 0 x 4 5 c m

3 0 x 4 5 c m

3 0 x 4 5 c m

3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m

3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m

3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m

3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m 3 0 x 4 5 c m

X

1 0 0 x 6 0 c m 1 0 0 x 6 0 c m 1 0 0 x 6 0 c m 1 0 0 x 6 0 c m 1 0 0 x 6 0 c m 1 0 0 x 6 0 c m

1 0 0 x 6 0 c m 1 0 0 x 6 0 c m 1 0 0 x 6 0 c m 1 0 0 x 6 0 c m 1 0 0 x 6 0 c m 1 0 0 x 6 0 c m

Hình 4 M ặt bằng tầng điển hình nhà 12 tầng

Sử dụng phần mềm Sap2000 xác định được chu kỳ dao động tự do cơ bản của nhà móng cố định không có thiết bị giảm chấn theo phương x, y tương ứng là 1,0122s và 0,7677s Trường hợp

Thay đổi các giá trị của các tham số sẽ làm thay đổi chu kỳ dao động riêng của công trình

1.4473

1.4439

1.4409

1.4395

1.4368

1.4333

1.6323 1.6309 1.6333

1.6338

1 6349 1.6362

1.425 1.43 1.435 1.44 1.445 1.45

1.628 1.63 1.632 1.634 1.636 1.638

TY TX

Hình 6 Ảnh hưởng đồng thời của 4 tham số kết cấu đối với chu kỳ dao động

1.4473

1.4426

1.4379

1.4333

1.4288

1.4244

1.6204

1.6167 1.6243

1.6282 1.6322

1.6362

1.41 1.415 1.42 1.425 1.43 1.435 1.44 1.445 1.45

1.605 1.61 1.615 1.62 1.625 1.63 1.635 1.64

TY TX

Hình 5 Ảnh hưởng của các tham số đối với chu kỳ dao động T x , T y

(%)

* Về tham số kết cấu: Phản ánh đúng tính chất của tham số độ cứng đối với chu kỳ dao động

riêng theo hai phương, thể hiện trên đồ thị hình 5, 6

* Về tham số của HDR:

thực tế khi độ cứng của thiết bị tăng thì chu kỳ của kết cấu giảm Trên hình 6 giá trị lớn nhất là 1.373% tương ứng với 1.4277s Chuyển vị cho phép và chiều cao của HDR ảnh hưởng rất nhỏ đến chu kỳ kết cấu, điều này cũng phản ánh đúng thực tế vì sự thiết kế tương đối chính xác của thiết bị

và các tham số này được thiết kế thiên về an toàn, dựa vào chính chu kỳ và chuyển vị của kết cấu

Độ cứng theo phương đứng ảnh hưởng nhỏ đến chu kỳ DDR theo hai phương

Trường hợp cả 4 tham số HDR tăng trên hình 7 cho thấy chu kỳ của kết cấu giảm, ảnh hưởng của các tham số này lớn hơn so với các tham số của kết cấu (giảm 1,2062% so với 0,3250% theo phương x, và 1,6077% so với 0,9768% theo phương y) Hình 7 cho thấy đồ thị gần như là đường thẳng và phản ánh quan hệ tuyến tính giữa các tham số của HDR với chu kỳ dao động của kết cấu

Có thể sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để xác định phương trình đường thẳng này

5 Nhận xét chung

Tổng hợp các kết quả trên, cho thấy tham số cần quan tâm nhất chính là kích thước tiết diện cột

và độ cứng hiệu quả theo phương ngang của thiết bị cách chấn đáy HDR Các tham số còn lại của kết cấu có thể xem mức độ ảnh hưởng là không nhiều đến nội lực và biến dạng kết cấu, và có những tham số như chiều cao của HDR, hay tham số  đã được tính toán khá chính xác trong khâu thiết kế và thiết bị HDR cũng có công nghệ chế tạo và vật liệu tiên tiến nên khá an toàn và đáng tin cậy

Việc thiết kế công trình có cách chấn đáy sẽ làm tăng chu kỳ dao động của công trình và tăng chuyển vị đỉnh của công trình (nên cần phải có mặt bằng và khoảng cách an toàn với các công trình khác), tuy nhiên sẽ giảm được chuyển vị tương đối giữa các tầng và thực tế tính toán cho lực cắt đáy của công trình cũng như lực động đất tác dụng lên các tầng giảm

Việc thiết kế HDR tuân thủ các điều kiện về biến dạng, chuyển vị, chu kỳ của hệ kết cấu (như chu

kỳ cơ bản của công trình khi thiết kế không có HDR, ràng buộc về chuyển vị của móng, chuyển vị của HDR, về biến dạng của HDR, vật liệu để chế tạo HDR cũng dựa vào tải trọng, và các điều kiện ràng buộc biến dạng của vật liệu)

Trong điều kiện thực tế hiện nay ở Việt Nam, sử dụng phương pháp chế ngự dao động dạng thụ động là hợp lý vì các thiết bị này đơn giản trong vận hành, bảo trì và mang tính dự phòng là chủ yếu Các khảo sát của nước ngoài cho thấy hiệu quả của giải pháp này tiết kiệm khoảng 5 – 6% giá trị công trình

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 NGUYỄN XUÂN THÀNH Hiệu quả của đệm giảm chấn trong chế ngự dao động kết cấu nhà

8, 2006

dựng, Hà Nội, 2006

Center, University of California, Berkeley, CA 94804, n¨m1997

5 Yeong-Bin Yang and Kuo-Chun Chang Base Isolation, Earthquake Engineering Handbook,

chapter 17, 2003