Chuyển vị ,vận tốc,gia tốc, lực cắt 30 Chương 4 : Hiệu quả của công trình khi sử dụng gối cách chấn và ảnh hưởng chu kỳ dao động của gối đến công trình 4.1.. 28 Chương 4 : Hiệu quả của
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN HÀO
ỨNG XỬ CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT
SỬ DỤNG THIẾT BỊ CÔ LẬP ĐỊA CHẤN
NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208
S K C0 0 4 7 4 3
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
ỨNG XỬ CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG
THIẾT BỊ CÔ LẬP ĐỊA CHẤN
NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
Trang 3LÝ LỊCH KHOA HỌC
I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 8/9 đường 61,Phước Long B, Quận 9
Điện thoại :0932.665.345
E-mail: ksnguyenvanhao2012@gmail.com
II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1 Trung học chuyên nghiệp:
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2 Đại học:
Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Mở TP HCM
Ngành học: Kỹ thuật xây dựng dân dụngvà công nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế tòa nhà văn phòng Rossel Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 2/2015 tại ĐH Mở TP HCM
Người hướng dẫn:Tiến Sĩ Nguyễn Trọng Phước
III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn Nguyễn Văn Hào
Trang 5LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành được luâ ̣n văn tốt nghiê ̣p , em đã nhâ ̣n được nhiều sự giúp đỡ về mo ̣i mă ̣t tinh thần và vâ ̣t chất , cũng như chuyên môn của các thầy cô Do đó em viết lời cảm ơn này để cảm ơn tất cả những sự giúp đỡ mà em đã được nhâ ̣n
Đầu tiên em xin chân thành cám ơn nhà trường và khoa xây dựng đã tạo mọi điều kiê ̣n cho em Nhờ đó em mới có đủ kiến thức để hoàn thành tốt bài luâ ̣n văn tốt nghiê ̣p của mình
Kế đến , em rất cám ơn TSPHAN ĐỨC HUYNH đã tâ ̣n tâm chỉ bảo em
nhiều điều bổ ích và đã giúp em làm tốt bài luâ ̣n văn này Trong khoảng thời gian qua là khoảng thời gian có ý nghĩa nhất với em vì đã được làm viê ̣c chung với Thầy , học hỏi được nhiều kinh nghiệm quý báu và củng cố lại kiến thức cho mình Mô ̣t lần nữa em xin chân thành cám ơn Thầy
Cuối lời, em chúc cho nhà trường luôn gă ̣t hái được nhiều thành công Em xin chúc các thầy các cô ở khoa và đă ̣c biê ̣t là các thầy đã g iúp em hoàn thành bài luâ ̣n văn tốt nghiê ̣p luôn khoẻ ma ̣nh để truyền đa ̣t những kinh nghiê ̣m quý báo cho các lớp đàn em sau này…!
TP.HCM, tháng 10 năm 2015
Trang 6MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ……… i
1.3 Kết quả nghiên cứu trong nước và nước ngoài 6
Chương 2: Quy trình thiết kế gối cách chấn
2.1.1 Tính chất cơ học của gối đàn hồi HDRB 102.1.2 Quy trình thiết kế gối đàn hồi HDRB 11
2.2.1 Tính chất cơ học của gối trượt đơn FPS 152.2.2 Quy trình thiết kế gối trượt đơn FPS 15
Chương 3: Xây dựng phương trình vi phân chuyển động
3.1 Xây dựng phương trình vi phân chuyển động công trình chịu động đất 18
3.1.2 Phương trình vi phân chuyển động 193.1.3 Chuyển vị,gia tốc,vận tốc, lưc cắt 223.2 Xây dựng hương trình vi phân chuyển động công trình có sử dụng gối HDRB23
3.2.2 Phương trình vi phân chuyển động 24
Trang 73.2.3 Chuyển vị ,vận tốc,gia tốc, lực cắt 263.3 Xây dựng phương trình vi phân chuyển động công trình có sử dụng gối FPS 28
3.3.2 Phương trình vi phân chuyển động 293.3.3 Chuyển vị ,vận tốc,gia tốc, lực cắt 30
Chương 4 : Hiệu quả của công trình khi sử dụng gối cách chấn và ảnh hưởng
chu kỳ dao động của gối đến công trình
4.1 Hiệu quả công trình khi sử dụng gối cách chấn 32
4.2 Ảnh hưởng chu kỳ dao động của gối đến công trình 53
Chương 5 : Kết luận
5.2 Những vấn đề còn tồn động và hướng phát triển 56
Trang 8DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ TỰ
Chương 1 :Tổng quan
HDRB - High Damping Ruber Bearing
FPS -Friction Pendulum Systems
DFPS - Double Friction Pendulum Systems
SI -Sliding Isolation
Chương 2: Quy trình thiết kế gối cách chấn
Trang 9v
Chương 3: Xây dựng phương trình vi phân chuyển động
Trang 11DANH MỤC HÌNH ẢNH
Chương 1 :Tổng quan
Hình 1.1 Công trình sử dụng gối cách chấn 1
Hình 1.2 Các dạng gối cách chấn 2
Hình 1.3 Gối cao su NRB 3
Hình 1.4 Gối cao su lõi chì LRB 3
Hình 1.5 Gối cao su giảm chấn cao HDRB 4
Hình 1.6 Gối cách chấn dạng trượt SI 5
Hình 1.7 Gối cách chấn dạng trượt FPS 5
Hình 1.8 Gối cách chấn dạng trượt đôi DFPS 6
Chương 2 : Quy trình thiết kế gối cách chấn Hình 2.1 Gối đàn hồi HDRB 10
Hình 2.2 Sự dich chuyển gối đàn hồi 13
Hình 2.3 Cấu tạo gối trượt đơn FPS 15
Hình 2.4 Mô hình làm việc gối FPS 15
Chương 3: Xây dựng phương trình vi phân chuyển động Hình 3.1 Hệ n bậc tự do 18
Hình 3.2 Mô hình tương đương hệ n bậc tự do 18
Hình 3.3 Hệ n tầng có sử dụng gối HDRB 23
Hình 3.4 Mô hình tương đương hệ n tầng có gối HDRB 24
Hình 3.5 Hệ n tầng có sửdụng gối FPS 28
Hình 3.6 Mô hình tương đương hệ n tầng có gối FPS 28
Chương 4 : Hiệu quả của công trình khi sử dụng gối cách chấn và ảnh hưởng chu kỳ dao động của gối đến công trình Hình 4.1 Mặt bằng công trình 32
Hình 4.2 Mặt đứng công trình 9 tầng 33
Hình 4.3 Mặt đứng công trình 3 tầng 33
Hình 4.4 Gia tốc nền EL Centrol 1940 34
Hình 4.5.Chuyển vị công trình 40
Hình 4.6.Chuyển vị đỉnh công trình theo thời gian 40
Trang 12Hình 4.7.Chuyển vị gối HDRB và gối FPS theo thời gian 41
Hình 4.8 Vận tốc đỉnh công trình theo thời gian 41
Hình 4.9.Gia tốc đỉnh công trình theo thời gian 42
Hình 4.10 Lưc cắt đáy công trình theo thời gian 42
Hình 4.11.Phân lực cắt đáy lên các tầng trong công trình 9 tầng 43
Hình 4.12.Phân lực cắt đáy lên các tầng trong công trình 3 tầng 43
Hình 4.13 Chuyển vị đỉnh không sử dụng gối 46
Hình 4.14 Chuyển vị đỉnh sử dụng gối HDRB 46
Hình 4.15 Chuyển vị đỉnh sử dụng gối FPS 46
Hình 4.16 Chuyển vị gối HDRB 47
Hình 4.17 Chuyển vị gối FPS 47
Hình 4.18 Vận tốc đỉnh không sử dụng gối 48
Hình 4.19 Vận tốc đỉnh sử dụng gối HDRB 48
Hình 4.20 Vận tốc đỉnh sử dụng gối FPS 49
Hình 4.21 Gia tốc đỉnh không sử dụng gối 49
Hình 4.22 Gia tốc đỉnh sử dụng gối HDRB 50
Hình 4.23 Gia tốc đỉnh sử dụng gối FPS 50
Hình 4.24 Lực cắt đáy không sử dụng gối 51
Hình 4.25 Lực cắt đáy sử dụng gối HDRB 51
Hình 4.26 Lực cắt đáy sử dụng gối FPS 52
Hình 4.27 Chuyển vị công trình có gối HDRB khi chu kỳ gối thay đổi53 Hình 4.28 Chuyển vị công trình có gối FPS khi chu kỳ gối thay đổi 55
Trang 13DANH MỤC CÁC BẢNG
Chương 4 : Hiệu quả của công trình khi sử dụng gối cách chấn và ảnh hưởng
chu kỳ dao động của gối đến công trình
Bảng 4.1 Kích thước dầm, cột công trình 9 tầng 34
Bảng 4.2 Kích thước dầm, cột công trình 3 tầng 34
Bảng 4.3 Khối lượng và độ cứng các tầng 34
Bảng 4.4 Đặc tính cao su gối HDRB 35
Bảng 4.5 Thông số kỹ gối HDRB tại cột C3 36
Bảng 4.6 Độ cứng hữu hiệu của gối HDRB trong công trình 9 tầng 37
Bảng 4.7 Độ cứng hữu hiệu của gối HDRB trong công trình 3 tầng 37
Bảng 4.8 Thông số của gối FPS tại cột C3 công trình 9 tầng 38
Bảng 4.9 Độ cứng hữu hiệu của gối FPS trong công trình 9 tầng 39
Bảng 4.10 Độ cứng hữu hiệu của gối FPS trong công trình 3 tầng 39
Bảng 4.11.Hiệu quả công trình 9 tầng khi sử dụng gối cách chấn 44
Bảng 4.12 Hiệu quả công trình 3 tầng khi sử dụng gối cách chấn 45
Bảng 4.13 Độ tin cậy kết quả tính toán 52
Bảng 4.14 Độ cứng hữu hiệu gối HDRB khi chu kỳ gối thay đổi 53
Bảng 4.15 Hiệu quả sử dụng gối HDRB khi chu kỳ gối thay đổi 54
Bảng 4.16 Độ cứng hữu hiệu gối FPS khi chu kỳ gối thay đổi 54
Bảng 4.17 Hiệu quả sử dụng gối FPS khi chu kỳ gối thay đổi 55
Trang 14Chương 1 TỔNG QUAN
Hình 1.1 Công trình sử dụng gối cách chấn
a.Kết cấu không sử dụng thiết bị cách chấn b.Kết cấu có sử dụng thiết bị cách chấn
Trang 151.2 Tìm hiểu các dạng gối cách chấn
Có hai loại gối cách chấn cơ bản: gối cách chấn đàn hồi (cao su) và gối cách chấn dạng trượt.Một công trình,thiết bị cách chấn có thể sử dụng gối cách chấn đàn hồi hoặc gối cách chấn dạng trượt,đôi khi có thể kết hợp vừa gối cách chấn đàn hồi và gối cách chân dạng trượt
Có 3 loại gối đàn hồi:
+ Gối cao su tự nhiên (NRB)
+ Gối cao su có lõi chì (LRB)
+ Gối cao su giảm chấn cao(HDRB)
Gối cao su tự nhiên (NRB)
Chúng có các lớp cao su và các lớp thép xếp chồng xen kẻ nhau.Các lớp thép ngăn cho các lớp cao su không bị phồng lên đồng thời tăng độcứng theo phương đứng.Lớp cao su tăng khả năng biến dạng theo phương ngang
Khi chịu tải trọng lớn các lớp cao su có xu hướng phình ra, ảnh hưởng trực tiếp đếnkhả năng chịu nén
Trang 16Mặt trên và dưới gối đàn hồi NRB có 2 bản thép.Một mặt được liên kết với kết cấu bên trên một mặt được liên kết với móng công trình
Hình 1.3 Gối cao su NRB
Gối cao su lõi chì (LRB)
- Gối cao su lõi chì chúng có cấu trúc tương tự gối cao su tự nhiên
NLB.Nhưng gối cao su LBR lại có một hay nhiều lõi đặt trung tâm.Lõi này được làm bằng chì nhằm tăng khả năng chịu nén, tăng khả năng tiêu tán năng lượng Chính vì có lõi chì ở giữa nên khả năng chịu nén gối LRB tốt hơn gối NRB.Thông thường đường kính của lõi dẫn là 15% -33% đường kính tổng thể của gối
Để đảm bảo được một thiết bị giảm chấn nó cần đáp ứng được 3 yêu cầu:
- Chúng có thể chịu đựng toàn bộ trọng lượng của tòa nhà trong khi ở móng vẫn dịch chuyển theo phương ngang
- Khả năng khôi phục lại trạng thái ban đầu
-Giảm chấn động cho tòa nhà, hấp thụ năng lượng khi có động đất
Hình 1.4 Gối cao su lõi chì LRB
Trang 17 Gối cao su giảm chấn cao (HDRB)
Sự phát triển của một hợp chất cao su tự nhiên nhằm tăng yếu tố giảm chấn trong trong gối cao su Lớp cao su đặc biệt này được thêm carbon đen, dầu hoặc nhựa tạo ra một hợp chất cao su đặc biệt Tính chất đặc biệt các lớp cao su tạo ra độ cản lớn nhằm giảm chấn động công trình,tiêu tán năng lượng
Cấu tạo của gối đàn hồi HDRB tương tự gối cao su NRB thay vì nó sử dụng những lớp cao su tự nhiên, gối cao su HDRB sẽ sử dụng loại cao su đặc biệt
Hình 1.5 Gối cao su giảm chấn cao HDRB 1.2.2 Gối cách chấn dạng trƣợt
Hệ thống trượt có cấu tạo rất đơn giản.Gồm 2 mặt trên và dưới chúngtrượt lên nhau qua con lắc trượt.Mặt trên gối trượt, chúng tiếp xúc với kết cấu bên mặt dưới được gắn với móng công trình
Chúng trượt lên nhau để tạo ra ma sát hạn chế việc sinh ra gia tốc do tải trọng động đất.Gối cách chấn dạng trượt thường sử dụng hai bề mặt hình cầu hoặc trượt trên bề mặt phẳng
Hiện nay gối cách chấn dạng trượt thông thường có 3 loại:
- Gối cách chấn trượt (SI)
- Gối cách chấn trượt đơn còn gọi là FPS
- Gối cách chân trượt đôihay còn gọi là DFPS
Gối cách chấn trượt SI
Đây là gối cách chấn được phát hiện sớm nhất và đơn giản nhất.Hệ thống sử dụng một phần trượt để tách rời cấu trúc bên trên với nền chúng hoạt động theo nguyên tắc ma sát trượt
Trang 18Gối cách chấn SI chịu tải trọng đứng là chủ yếu,tải trong ngang thì hoạt động linh hoạt,nhờ ma sát làm tiêu tán năng lượng Nhược điểm lớn nhất của dạng gối này là không có khả năng trở về vị trí tâm ban đầu
Hình 1.6 Gối cách chấn dạng trƣợt SI
Gối cách chấn trượt đơn FPS:
Dạng gối trượt hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển động con lắc, phụ thuộc vào bán kính mặt cong Cấu trúc bên trên được tách rời với nền thông qua một thanh trượt dạng khớp Gối trượt FPS có một bề mặt cong trượt có khả năng tạo ra lực phục hồi, trọng lượng của kết cấu bên trên được đặt trên một khớp trượt có thể trượt trên bề mặt cong, ma sát giữa khớp trượt và bề mặt cong tạo ra độ cản cho gối FPS
Hình 1.7 Gối cách chấn dạng trƣợt FPS
Gối cách chấn đôi DFPS
Gối cách chấn DFPS có cấu tạo gồm 2 mặt lõm,bề mặt này làm bằng thép không rỉ,chúng có bán kính cong tương ứng có thể bằng nhau hoặc khác nhau Hai bề mặt lõm trượt quanh nhau bằng 1 khớp trượt(khớp trượt âm dương) Chúng hoạt động theo phương ngang linh hoạt hơn gối SI và FPS.Gối DFPS có khả năng đáp ứng được dịch chuyển lớn theo phương ngang
Trang 19Hình 1.8 Gối cách chấn dạng trượt đôi DFPS 1.3 Kết quả nghiên cứu trong nước và nước ngoài
1.3.1 Đề tài nghiên cứu trong nước
Một số đề tài nghiên cứu trong nước
- Trần Tuấn Long(2007) “Thiết kế cách chấn đáy HDR cho khung nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất” Bài báo khoa học Nghiên cứu và thiết kếgối
HDR theo một quy trình”
- Lê Xuân Tùng (2010) “Thiết kế gối cách chấn dạng gối đỡ đàn hồi chịu động
đấtvới mô hình phi tuyến của vật liệu chế tạo” Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Nghiên cứu phương trình phi tuyến gối khi chịu kích động
1.3.2 Đề tài nghiên cứu nước ngoài
Một số đề tài nghiên cứu ở nước ngoài
-Tian Xue Min and Lu Ming (2008), “Design of Base-Isolated Structure with
Rubber-Bearing”.Sử dụng phần mềm để phân tích đánh giá hiệu quản công
trình khi sử dụng gối cao su Kết quả đạt được gối cao su hoạt động hiệu quả trong công trình động đất
- Daniel M Fenz, and Michael C Constantinou (2006), “Behaviour of the double concave Friction Pendulum bearing” Kết quả đạt được gối cách chấn
DFPS ứng xử giống như gối FPS nó chịu ảnh hưởng của độ công và bán kính của hai bề mặt lõm
Sonar.S.K(2012), “Time History Analysis of Base Isolated Multi-Storyed Building” Sử dụng phần mềm phân tích Kết quả là gối cao su hoạt động hiệu
trong các trận động đất
…
Trang 201.4 Hướng nghiên cứu đề tài
1.4.1 Nội dung nghiên cứu đề tài
- Tìm hiểu và thiết kế các thông số gối cách chấn HDRB và FPS
- Tìm đáp ứng công trình theo thời gian có sử dụng gối cách chấn HDRB và FPS
- Ảnh hưởng chu kỳ dao động của gối đến công trình
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu là phương pháp số Phương trình vi phân chuyển động được giải bằng thuật toánNewmark Thuật toán Newmark được giải trong Matlab
- Trong năm 1959 Newmark phát triển phương pháp biến đổi thời gian theo từng bước dựa trên 2 phương trình cơ bản sau:
