Mô hình kết cấu gối cô lập trượt ma sát cho công trình chịu tải trọng động đất

Hiệu quả giảm lực cắt tầng 1 của kết cấu chịu băng gia tốc KOC với các gối cách chấn khác nhau .... Hiệu quả giảm lực cắt tầng 1 của kết cấu chịu băng gia tốc LOM với các gối cách chấn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN NAM

MÔ HÌNH KẾT CẤU GỐI CÔ LẬP TRƯỢT MA SÁT CHO CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN NAM

MÔ HÌNH KẾT CẤU GỐI CÔ LẬP TRƯỢT MA SÁT CHO CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành : Cơ kỹ thuật

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Hoàng Phương Hoa

2 PGS.TS Phạm Duy Hòa

Đà Nẵng - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

NCS Nguyễn Văn Nam

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Nội dung luận án 3

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Những đóng góp mới của luận án 4

7 Bố cục của luận án 5

Chương 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Tổng quan về động đất và thiết kế công trình chịu động đất 6

1.1.1 Động đất 6

1.1.2 Giải pháp thiết kế công trình chịu động đất 11

1.2 Kỹ thuật cách chấn đáy (cô lập móng) 13

1.2.1 Khái niệm về cách chấn đáy 13

1.2.2 Các dạng gối sử dụng trong kỹ thuật cách chấn đáy 15

1.2.3 Sơ lược về lịch sử ứng dụng kỹ thuật cách chấn đáy 17

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu gối cô lập trượt ma sát 20

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 20

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 28

1.4 Nhận xét, những nghiên cứu cần thiết 29

Chương 2 MÔ HÌNH CÁC DẠNG GỐI TRƯỢT MA SÁT 31

2.1 Cơ sở lý thuyết 31

2.1.1 Cơ sở tính toán công trình chịu động đất 31

2.1.2 Lựa chọn phương pháp số cho nghiên cứu 33

2.1.3 Mô hình tính toán lực ma sát trong gối trượt ma sát 36

2.2 Mô hình gối con lắc ma sát đơn (gối SFP) 38

2.2.1 Quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang 38

2.2.2 Mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng gối SFP 40

2.3 Mô hình gối con lắc ma sát đôi (gối DFP) 41

2.3.1 Quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang trong gối 41

2.3.2 Mô hình tính toán kết cách chấn bằng gối DFP 44

2.4 Mô hình gối con lắc ma sát ba (gối TFP) 46

2.4.1 Quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang trong gối 46

2.4.2 Mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng gối TFP 51

2.5 Phân tích ví dụ số 55

2.5.1 Đặc trưng của kết cấu 55

2.5.2 Thông số của gối 56

2.5.3 Thông số gia tốc nền 56

2.5.4 Phân tích kết quả 57

2.5.5 Nhận xét kết quả phân tích 71

2.6 Kết luận chương 2 72

Chương 3 MÔ HÌNH CẢI TIẾN GỐI CON LẮC MA SÁT BA 73

3.1 Đặt vấn đề 73

3.2 Thiết lập mô hình cải tiến 73

3.2.1 Mô hình tính toán 74

3.2.2 Kiểm chứng mô hình 78

3.3 Tính toán chi tiết chuyển vị con lắc 97

3.3.1 Công thức tính toán 97

3.3.2 Phân tích ví dụ số 98

3.4 Ảnh hưởng thành phần gia tốc nền theo phương đứng 101

3.4.1 Kiểm chứng mô hình 102

3.4.2 Phân tích với gia tốc nền 103

3.4.3 Nhận xét kết quả 108

3.5 Kết luận chương 3 109

Chương 4 HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA GỐI TFP TRONG NHÀ CAO TẦNG TẠI HÀ NỘI 110

4.1 Giới thiệu 110

4.2 Phân tích hiệu quả gối TFP trong nhà cao tầng xây dựng tại Hà Nội 111

4.2.1 Thông số kết cấu 111

4.2.2 Lựa chọn thông số gia tốc nền phân tích 111

4.2.3 Lựa chọn các thông số kỹ thuật hợp lý cho gối TFP với điều kiện đất nền Hà Nội 117

4.2.4 Hiệu quả giảm chấn của gối cho công trình 124

4.3 Kết luận chương 4 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131

1 Kết luận 131

2 Kiến nghị 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

PHỤ LỤC

G dyn/cm2 Mô đun chống cắt của đất nền dọc theo phay

v s,30 m/s Vận tốc truyền sóng cắt trung bình trong 30m (100ft)

trên cùng của nền đất

R rup km Khoảng cách gần nhất đến đứt gãy

R jp km Khoảng cách ngắn nhất đến hình chiếu đứt gãy lên

T s Chu kỳ dao động

R eff m Bán kính mặt cong hiệu quả của gối

F N, kN Lực cắt (Lực cắt tầng và lực ngang trong gối)

ie % Hệ số ma sát trong phần tử gối tương đương

d ie mm Khả năng chuyển vị của phần tử gối tương đương

n Số bậc tự do

 s/m Hệ số phụ thuộc vào áp lực bề mặt của hệ số ma sát

A, và  Các đại lượng không thứ nguyên để xác định biến trễ

Z

K eff kN/m Độ cứng hiệu quả của kết cấu cách chấn

T eff s Chu kỳ hiệu quả của kết cấu cách chấn

eff % Tỉ số cản hiệu quả kết cấu cách chấn

EDC kN.mm Năng lượng tiêu tán trong một chu kỳ

D M mm Chuyển vị thiết kế theo phương pháp tĩnh

D TM mm Tổng chuyển vị thiết kế theo phương pháp tĩnh (có

xét chuyển vị do xoắn)

D TM.h mm Tổng chuyển vị thiết kế theo phương pháp lịch sử

thời gian

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Giải thích ý nghĩa

TFP Triple friction pendulum (Gối con lắc ma sát ba)

DFP Double friction pendulum (Gối con lắc ma sát đôi)

SFP Single friction pendulum (Gối con lắc ma sát đơn)

ASCE American Society of Civil Engineers

(Hiệp hội kĩ sư xây dựng dân dụng Hoa Kỳ) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

NRB Natural rubber bearing (Gối cao su tự nhiên)

HDR High-damping rubber (Gối cao su có độ cản nhớt lớn)

LRB Lead rubber bearing (Gối cao su có lõi chì)

PEER Pacific Earthquake Engineering Research (Trung tâm nghiên cứu

động đất Thái Bình Dương của đại học Berkeley) 1D One Dimension (Một chiều)

2D Two Dimension (Hai chiều)

EPS Earthquake Protection Systems (Công ty sản xuất gối cách chấn, Mỹ) SLE Service Level Earthquake (Cấp động đất nhỏ, chu kỳ lặp 72 năm) DBE Design Basis Earthquake (Cấp động đất mạnh, chu kỳ lặp 475 năm) MCE Maximum Considered Earthquake (Cấp động đất rất mạnh, chu kỳ

lặp 2475 năm) SRSS Square Root of the Sum of the Squares (Căn bậc hai các tổng bình

phương)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số gia tốc nền phân tích hiệu quả giảm chấn của các gối

cách chấn 59

Bảng 3.1 Các thông số vật lý trong mô hình nối tiếp của gối TFP 74

Bảng 3.2 Trọng lượng kết cấu của mô hình thí nghiệm 79

Bảng 3.3 Độ cứng kết cấu của mô hình thí nghiệm 81

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của gối TFP trong mô hình thí nghiệm 81

Bảng 3.5 Thông số gia tốc nền trong mô hình thí nghiệm 82

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật của gối TFP cho ví dụ số 2 99

Bảng 4.1 Thông số gia tốc nền phân tích kết cấu nhà 9 tầng tại Hà Nội 115

Bảng 4.2 Giá trị hệ số nhân SF cho các băng gia tốc lựa chọn trong bảng 4.1 116

Bảng 4.3 Các trường hợp lựa chọn hệ số ma sát 1 và 4 119

Bảng 4.4 Chuyển vị gối và hiệu quả giảm lực cắt đáy trong kết cấu nhà 9 tầng cách chấn bằng gối TFP 126

Bảng 4.5 Quan hệ giữa lực - chuyển vị ngang của gối TFP trong kết cấu nhà 9 tầng cách chấn đáy 127

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Gia tốc, vận tốc và chuyển vị theo thời gian của trận động đất

Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array 8

Hình 1.2 Phổ phản ứng băng gia tốc nền của trận động đất Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array 9

Hình 1.3 Phổ thiết kế 14

Hình 1.4 Hiệu quả giảm chấn của gối cách chấn 14

Hình 1.5 Một dạng đường ứng xử trễ trong gối cách chấn 15

Hình 1.6 Các dạng gối cách chấn bằng cao su 15

Hình 1.7 Gối con lắc ma sát đơn, gối SFP 16

Hình 1.8 Gối con lắc ma sát đôi, gối DFP 17

Hình 1.9 Gối con lắc ma sát ba, gối TFP 17

Hình 1.10 Bằng sáng chế của Touaillon 18

Hình 1.11 Dự án bệnh viện Peninsula 19

Hình 2.1 Mô hình hệ kết cấu nhiều bậc tự do chịu động đất 32

Hình 2.2 Hệ số ma sát phụ thuộc vào vận tốc trượt 37

Hình 2.3 Hàm biến trễ Z so sánh hàm dấu sign 37

Hình 2.4 Chuyển động ngang trong gối SFP 38

Hình 2.5 Đường ứng xử trễ trong gối SFP 40

Hình 2.6 Mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng gối SFP 40

Hình 2.7 Chuyển động ngang trong gối DFP 42

Hình 2.8 Đường ứng xử trễ trong gối DFP ( : giai đoạn I, II) 44

Hình 2.9 Mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng gối DFP 45

Hình 2.10 Chuyển động ngang trong gối TFP 47

Hình 2.11 Đường ứng xử trễ trong gối TFP ( : giai đoạn I đến IV) 51

Hình 2.12 Mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng gối TFP 52

Hình 2.13 Kích thước của các dạng gối cách chấn SFP, DFP và TFP 57

Hình 2.14 Đường ứng xử trễ trong gối khi kết cấu chịu băng gia tốc KOC 60

Hình 2.15 Đường ứng xử trễ trong gối khi kết cấu chịu băng gia tốc LOM 60

Hình 2.16 Đường ứng xử trễ trong gối khi kết cấu chịu băng gia tốc ELC 60

Hình 2.17 Đường ứng xử trễ trong gối khi kết cấu chịu băng gia tốc NOW 60

Hình 2.18 Đường ứng xử trễ trong gối khi kết cấu chịu băng gia tốc KOB 61

Hình 2.19 Đường ứng xử trễ trong gối khi kết cấu chịu băng gia tốc TAB 61

Hình 2.20 Đường ứng xử trễ trong gối khi kết cấu chịu băng gia tốc NOS 61

Hình 2.21 Hiệu quả giảm lực cắt tầng 1 của kết cấu chịu băng gia tốc KOC với các gối cách chấn khác nhau 62

Hình 2.22 Hiệu quả giảm lực cắt tầng 1 của kết cấu chịu băng gia tốc LOM với các gối cách chấn khác nhau 62

Hình 2.23 Hiệu quả giảm lực cắt tầng 1 của kết cấu chịu băng gia tốc ELC với các gối cách chấn khác nhau 63

Hình 2.24 Hiệu quả giảm lực cắt tầng 1 của kết cấu chịu băng gia tốc NOW với các gối cách chấn khác nhau 63

Hình 2.25 Hiệu quả giảm lực cắt tầng 1 của kết cấu chịu băng gia tốc KOB với các gối cách chấn khác nhau 64

Hình 2.26 Hiệu quả giảm lực cắt tầng 1 của kết cấu chịu băng gia tốc TAB với các gối cách chấn khác nhau 64

Hình 2.27 Hiệu quả giảm lực cắt tầng 1 của kết cấu chịu băng gia tốc NOS với các gối cách chấn khác nhau 65

Hình 2.28 Hiệu quả giảm gia tốc tuyệt đối tầng 5 của kết cấu chịu băng gia tốc KOC với các gối cách chấn khác nhau 65

Hình 2.29 Hiệu quả giảm gia tốc tuyệt đối tầng 5 của kết cấu chịu băng gia tốc LOM với các gối cách chấn khác nhau 66

Hình 2.30 Hiệu quả giảm gia tốc tuyệt đối tầng 5 của kết cấu chịu băng gia tốc ELC với các gối cách chấn khác nhau 66

Hình 2.31 Hiệu quả giảm gia tốc tuyệt đối tầng 5 của kết cấu chịu băng gia tốc NOW với các gối cách chấn khác nhau 67

Hình 2.32 Hiệu quả giảm gia tốc tuyệt đối tầng 5 của kết cấu chịu băng gia

tốc KOB với các gối cách chấn khác nhau 67

Hình 2.33 Hiệu quả giảm gia tốc tuyệt đối tầng 5 của kết cấu chịu băng gia tốc TAB với các gối cách chấn khác nhau 68

Hình 2.34 Hiệu quả giảm gia tốc tuyệt đối tầng 5 của kết cấu chịu băng gia tốc NOS với các gối cách chấn khác nhau 68

Hình 2.35 Gia tốc lớn nhất amax và lực cắt lớn nhất Fmax trong các tầng khi kết cấu cách chấn chịu băng gia tốc KOC với các gối khác nhau 69

Hình 2.36 Gia tốc lớn nhất amax và lực cắt lớn nhất Fmax trong các tầng khi kết cấu cách chấn chịu băng gia tốc LOM với các gối khác nhau 69

Hình 2.37 Gia tốc lớn nhất amax và lực cắt lớn nhất Fmax trong các tầng khi kết cấu cách chấn chịu băng gia tốc ELC với các gối khác nhau 69

Hình 2.38 Gia tốc lớn nhất amax và lực cắt lớn nhất Fmax trong các tầng khi kết cấu cách chấn chịu băng gia tốc NOW với các gối khác nhau 70

Hình 2.39 Gia tốc lớn nhất amax và lực cắt lớn nhất Fmax trong các tầng khi kết cấu cách chấn chịu băng gia tốc KOB với các gối khác nhau 70

Hình 2.40 Gia tốc lớn nhất amax và lực cắt lớn nhất Fmax trong các tầng khi kết cấu cách chấn chịu băng gia tốc TAB với các gối khác nhau 70

Hình 2.41 Gia tốc lớn nhất amax và lực cắt lớn nhất Fmax trong các tầng khi kết cấu cách chấn chịu băng gia tốc NOS với các gối khác nhau 71

Hình 3.1 Mô hình nối tiếp gối TFP 74

Hình 3.2 Mô hình tính toán tổng quát kết cấu cách chấn bằng gối TFP 75

Hình 3.3 Mô hình thí nghiệm nhà thép 5 tầng cách chấn bằng gối TFP 79

Hình 3.4 Kính thước trên mặt bằng và mặt đứng của mô hình thí nghiệm 80

Hình 3.5 Phòng y tế trong mô hình thí nghiệm 80

Hình 3.6 Văn phòng làm việc trong mô hình thí nghiệm 80

Hình 3.7 Gối TFP trong mô hình thí nghiệm 81

Hình 3.8 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 65SIN 84

Hình 3.9 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 100SIN 85

Hình 3.10 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 50TCU 85

Hình 3.11 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 80TCU 86

Hình 3.12 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 88RRS2D 87

Hình 3.13 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 90TAB 87

Hình 3.14 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 100TAB 88

Hình 3.15 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 100SCT 89

Hình 3.16 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 100IWA 89

Hình 3.17 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 100SAN 90

Hình 3.18 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 50TAB 91

Hình 3.19 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 70LGP 91

Hình 3.20 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 80TAB 92

Hình 3.21 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 80WSM 93

Hình 3.22 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 88RRS 93

Hình 3.23 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 100KJM 94

Hình 3.24 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 100SYL 95

Hình 3.25 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 130ELC 95

Hình 3.26 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm chịu băng gia tốc 115TAK 96

Hình 3.27 Chuyển vị trên từng mặt cong theo phương x phân tích với băng gia tốc 88RRS2D 98

Hình 3.28 Chuyển vị trên từng mặt cong theo phương y phân tích với băng gia tốc 88RRS2D 99

Hình 3.29 Chuyển vị trên từng mặt cong theo phương x phân tích với băng gia tốc 100TAB 100

Hình 3.30 Chuyển vị trên từng mặt cong theo phương y phân tích với băng

gia tốc 100TAB 100

Hình 3.31 Chuyển động bên trong từng mặt cong phân tích với băng gia tốc 100TAB 101

Hình 3.32 Gia tốc hình Sin theo phương ngang ax và phương đứng az 102

Hình 3.33 Kiểm chứng kết quả ảnh hưởng kích động đứng 102

Hình 3.34 Ứng xử kết cấu với băng gia tốc 80WSM 103

Hình 3.35 Ứng xử trễ trong gối với băng gia tốc 80WSM 104

Hình 3.36 Ứng xử kết cấu với băng gia tốc 130ELC 104

Hình 3.37 Ứng xử trễ trong gối với băng gia tốc 130ELC 104

Hình 3.38 Ứng xử kết cấu với băng gia tốc 115TAK 105

Hình 3.39 Ứng xử trễ trong gối với băng gia tốc 115TAK 105

Hình 3.40 Ứng xử kết cấu với băng gia tốc 70LGP 105

Hình 3.41 Ứng xử trễ trong gối với băng gia tốc 70LGP 106

Hình 3.42 Ứng xử kết cấu với băng gia tốc 100SYL 106

Hình 3.43 Ứng xử trễ trong gối với băng gia tốc 100SYL 106

Hình 3.44 Ứng xử kết cấu với băng gia tốc 80TAB 107

Hình 3.45 Ứng xử trễ trong gối với băng gia tốc 80TAB 107

Hình 3.46 Ứng xử kết cấu với băng gia tốc 88RRS 107

Hình 3.47 Ứng xử trễ trong gối với băng gia tốc 88RRS 108

Hình 4.1 Phổ phản ứng theo TCVN so với ASCE 112

Hình 4.2 Phổ mục tiêu MCE so với trung bình SRSS trong kết cấu cách chấn 116

Hình 4.3 Phổ mục tiêu MCE so với trung bình SRSS trong kết cấu ngàm cứng 116

Hình 4.4 Tổng lực cắt đáy trong các trường hợp hệ số ma sát 1 và 4 thay đổi với cấp MCE 120

Hình 4.5 Chuyển vị gối trong các trường hợp hệ số ma sát 1 và 4 thay đổi với cấp MCE 120

Hình 4.6 Chuyển vị tương đối trung bình các tầng trong các trường hợp hệ

số ma sát 1 và 4 thay đổi với cấp MCE 120

Hình 4.7 Tổng lực cắt đáy trong các trường hợp hệ số ma sát 1 và 4 thay đổi với cấp DBE 121

Hình 4.8 Chuyển vị gối trong các trường hợp hệ số ma sát 1 và 4 thay đổi với cấp DBE 121

Hình 4.9 Chuyển vị tương đối trung bình các tầng trong các trường hợp hệ số ma sát 1 và 4 thay đổi với cấp DBE 121

Hình 4.10 Tổng lực cắt đáy ứng với bán kính mặt cong 1 và 4 với cấp MCE 122

Hình 4.11 Chuyển vị gối ứng với bán kính mặt cong 1 và 4 với cấp MCE 122

Hình 4.12 Chuyển vị tương đối trung bình các tầng ứng với bán kính mặt cong 1 và 4 với cấp MCE 123

Hình 4.13 Tổng lực cắt đáy ứng với bán kính mặt cong 1 và 4 với cấp DBE 123

Hình 4.14 Chuyển vị gối ứng với bán kính mặt cong 1 và 4 với cấp DBE 123

Hình 4.15 Chuyển vị tương đối trung bình các tầng ứng với bán kính mặt cong 1 và 4 với cấp DBE 124

Hình 4.16 Gia tốc tuyệt đối trong các tầng, cấp SLE 124

Hình 4.17 Chuyển vị tương đối trong các tầng, cấp SLE 125

Hình 4.18 Gia tốc tuyệt đối trong các tầng, cấp DBE 125

Hình 4.19 Chuyển vị tương đối trong các tầng, cấp DBE 125

Hình 4.20 Gia tốc tuyệt đối trong các tầng, cấp MCE 126

Hình 4.21 Chuyển vị tương đối trong các tầng, cấp MCE 126

Hình 4.22 Đường ứng xử trễ của gối, cấp độ DBE ( : 5 giai đoạn) 127

Hình 4.23 Đường ứng xử trễ của gối, cấp độ MCE ( : 5 giai đoạn) 127

Hình 4.24 Sơ đồ mô tả quy trình xác định bộ thông số cho gối TFP 130

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Động đất là một trong những thảm họa lớn do thiên nhiên gây ra đối với tính mạng con người, công trình xây dựng và nền kinh tế nói chung Nó càng nguy hiểm hơn khi vấn đề dự báo về động đất rất khó khăn, gần như không thể dự báo chính xác thời điểm, vị trí xảy ra và tính chất các trận động đất Trong lịch sử, thế giới đã chứng kiến rất nhiều trận động đất mạnh xảy ra, cướp đi rất nhiều nhân mạng, hủy hoại rất nhiều công trình xây dựng và hàng triệu đôla tổn thất của nền kinh tế hàng năm do động đất Theo Cục khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), vào ngày 01 tháng 9 năm 1923, một trong những trận động đất tồi tệ nhất trong lịch sử thế giới tại vùng Kanto (Nhật Bản) mạnh 7.9 độ Richter, phá hủy thành phố Tokyo, Yokohama và những vùng lân cận, khoảng 142800 người thiệt mạng, hơn 690000 ngôi nhà bị hư hỏng và phá hủy hoàn toàn Ngoài ra, một số trận động đất khác có sức tàn phá tương tự như: trận động đất năm 1976 ở Đường Sơn (Trung Quốc); động đất Ấn Độ Dương năm 2004, gây ra sóng thần tàn phá các cộng đồng dân cư sinh sống ven biển ở Indonesia, Sri Lanka, Ấn Độ, Thái Lan và những nơi khác, cướp sinh mạng

225000 người thuộc 11 quốc gia Gần đây, các quốc gia như Nhật Bản, Nepal, Ecuador,… cũng xảy ra những trận động đất mạnh gây ra những thiệt hại nặng nề cho các quốc gia này

Khi khảo sát 2 quốc gia chịu các trận động đất theo số liệu từ USGS: tại Nepal, vào năm 1934 xảy ra trận động đất mạnh 8.1 độ Richter làm chết 10700 người, đến năm 2015 trận động đất mạnh 7.8 độ Richter cũng đã làm trên 9000 người thiệt mạng, gần 90% các công trình văn hóa của quốc gia này bị phá hủy Trong khi đó tại Chilê, năm 1960 xảy ra trận động đất mạnh 9.5 độ Richter làm chết hơn 5500 người, cho đến năm 2014 cũng đã xảy ra trận động đất mạnh 8.2 độ Richter tại đây và chưa đến 10 người thiệt mạng Câu hỏi đặt ra ở đây là tại sao số người thiệt mạng của Chile lại giảm rất nhiều so với trận động đất trước đó? Câu trả lời là: sau trận động đất năm 1960 chính phủ Chile đã ý thức một cách rõ rệt là phải

thiết kế kháng chấn cho các công trình xây dựng Ngược lại với chính phủ Nepal vấn đề thiết kế hoặc tìm giải pháp kháng chấn cho các công trình hầu như chưa được Chính phủ quan tâm và một hậu quả rất lớn tiếp tục xảy ra trong năm 2015

Ở Việt Nam, mặc dù không nằm trong “vành đai lửa” của các chấn tâm động đất mạnh trên thế giới Nhưng Việt Nam vẫn là quốc gia nằm trong khu vực có mối hiểm họa động đất khá cao Đó là báo cáo của các nhà khoa học tại Hội thảo quốc tế

"Nguy hiểm động đất, sóng thần và các hệ thống cảnh báo sớm khu vực Châu Á - Thái Bình Dương" do Viện Vật lý địa cầu - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam tổ chức trong hai ngày (5 và 6.9.2011) Hội thảo có sự tham dự của nhiều nhà khoa học đến từ các nước như Nga, Nhật Bản, New Zealand, Indonesia, Italia, nhằm trao đổi, chia sẻ kinh nghiệm, tìm ra những phương pháp cảnh báo sớm các thiên tai cho cộng đồng, giúp hạn chế tối đa những thiệt hại về vật chất và con người Một số khu đô thị lớn hiện đang nằm trên các đới đứt gãy và có khả năng xảy ra những trận động đất có cấp độ rất mạnh như Hà Nội, đang nằm trên các đới đứt gãy sông Hồng, sông Chảy, sông Mã, Sơn La được dự báo phải chịu đựng chấn động cấp độ 8 theo thang độ Richter Trong lịch sử, Việt Nam đã ghi nhận một số trận động đất với cấp

độ khá mạnh (6.7 - 6.8 độ richter) tại những đới đứt gãy dài hàng trăm kilômét, như đới đứt gãy: sông Hồng, sông Chảy, Sơn La, Sông Mã, đứt gãy Lai Châu - Điện Biên Theo các chuyên gia, từ năm 1900 tới nay, cũng có hai trận động đất cấp 8 ở Điện Biên (1935) và Tuần Giáo (1983), 17 trận động đất cấp 7 và 115 trận cấp 6 - 7

ở khắp các vùng miền

Gần đây, các dư chấn do động đất gây ra đã xuất hiện nhiều hơn trên các tỉnh, thành, đặc biệt là Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, nơi tập trung một số lượng lớn các nhà cao tầng, các cây cầu lớn và nhu cầu xây dựng các công trình lớn ngày càng tăng về số lượng cũng như về chiều cao Những kết cấu này rất nhạy và rất dễ bị phá hoại do động đất

Từ các phân tích như trên cho thấy rằng, các công trình xây dựng cần được thiết kế kháng chấn, đặc biệt là thiết kế kháng chấn theo quan điểm hiện đại, khái niệm này gắn với thuật ngữ “điều khiển dao động kết cấu” và tương đối còn mới mẻ

ở Việt Nam Do đó, việc nghiên cứu và tìm hiểu về chúng là rất cần thiết, có ý nghĩa

khoa học và thực tiễn cao và đây cũng là lý do để tác giả nghiên cứu đề tài: “Mô

hình kết cấu gối cô lập trượt ma sát cho công trình chịu tải trọng động đất” nhằm

đưa ra một giải pháp làm giảm tác hại do động đất gây ra cho công trình xây dựng Giải pháp này dựa trên cơ sở kỹ thuật cách chấn đáy, một dạng điều khiển kết cấu bị động Ưu điểm lớn nhất của kỹ thuật này là chí phí thấp và kỹ thuật vận hành đơn giản Nó rất phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật ở Việt Nam hiện nay

2 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát: Đánh giá hiệu quả giảm chấn cho công trình xây dựng khi

sử dụng các gối cô lập trượt ma sát (có dạng con lắc và còn được gọi là gối con lắc

ma sát) bao gồm: Gối SFP, gối DFP và gối TFP; Nghiên cứu chi tiết với gối TFP

Mục tiêu cụ thể: Xây dựng mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng các dạng gối trượt ma sát chịu tải trọng động đất Từ đó, nghiên cứu đánh giá hiệu quả của các dạng gối này và ứng dụng vào các công trình xây dựng ở Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận án là các dạng gối trượt ma sát bao gồm: gối SFP, gối DFP và gối TFP, đặc biệt là gối con lắc ma sát ba TFP ứng dụng trong các công trình xây dựng chịu tải trọng động đất

Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu phản ứng kết cấu cho cục bộ từng gối (không xét đến sự làm việc đồng thời nhiều gối trong một công trình), bỏ qua ảnh hưởng dao động xoắn

- Ứng xử kết cấu bên trên là tuyến tính, ứng xử của gối là phi tuyến

4 Nội dung luận án

Luận án chứa đựng các nội dung chính như sau:

- Tổng quan về động đất và thiết kế công trình chịu động đất, kỹ thuật cách chấn đáy và những nghiên cứu chính về gối trượt ma sát

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý làm việc của các gối cách chấn trượt ma sát

- Xây dựng mô hình tính toán cho kết cấu cách chấn bằng các dạng gối trượt

ma sát chịu động đất Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của kết cấu

cách chấn Lập chương trình tính bằng phần mềm Matlab để giải hệ phương trình vi phân chuyển động bằng phương pháp số Runge-Kutta bậc 4 để xác định phản ứng của kết cấu Từ đó đánh giá được hiệu quả giảm chấn của các dạng gối này

- Nghiên cứu phát triển một mô hình mới cho gối con lắc ma sát ba (gối TFP) Tiến hành kiểm chứng kết quả nghiên cứu này bằng kết quả thí nghiệm một

mô hình nhà thép 5 tầng với kích thước thật (full-scale) Thông qua mô hình này, ta khảo sát đánh giá ảnh hưởng thành phần gia tốc nền theo phương đứng đến phản ứng kết cấu và tính toán chi tiết chuyển vị của các con lắc trên những mặt cong

- Nghiên cứu ứng dụng gối con lắc ma sát ba cho nhà cao tầng ở Việt Nam theo tiêu chuẩn thiết kế ASCE 7-2010, nội dung nghiên cứu bao gồm: lựa chọn bộ thông số kỹ thuật hợp lý và đánh giá cụ thể hiệu quả giảm chấn của gối TFP

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình tính toán lý thuyết, mô hình này được giải bằng phương pháp số Runge - Kutta bậc 4 với chương trình được xây dựng bằng phần mềm Matlab Kết quả nghiên cứu sẽ được so sánh kiểm chứng bằng một mô hình thí nghiệm thực tế của tác giả khác đã được công bố

6 Những đóng góp mới của luận án

Luận án có những đóng góp mới cho khoa học như sau:

- Xây dựng mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng các dạng gối trượt ma sát SFP, DFP và TFP Đánh giá chi tiết được hiệu quả giảm chấn của các dạng gối này sử dụng trong công trình chịu động đất

- Phát triển được một mô hình cải tiến kết cấu cách chấn bằng gối con lắc ma sát ba (gối TFP) chịu động đất Thông qua mô hình cải tiến này, ảnh hưởng của thành phần gia tốc nền theo phương đứng của những trận động đất đến phản ứng của kết cấu cách chấn được đánh giá rõ ràng và chi tiết chuyển vị các con lắc trên những mặt cong được tính toán cụ thể

- Tìm ra được một bộ thông số kỹ thuật hợp lý của gối TFP sử dụng cho nhà cao tầng được xây dựng tại Hà Nội và đánh giá được hiệu quả giảm chấn của nó Đây là đóng góp có ý nghĩa thực tiễn cao trong thiết kế kháng chấn ở Việt Nam

7 Bố cục của luận án

Luận án được trình bày gồm phần mở đầu với những nội dung vừa nêu trên Nội dung tiếp theo của luận án bao gồm 4 chương và phần kết luận, kiến nghị Tổng quan những vấn đề về động đất, thiết kế công trình chịu động đất, kỹ thuật cách chất đáy và những nghiên cứu về gối cô lập trượt ma sát được trình bày chi tiết trong chương 1 Chương 2 sẽ trình bày những cơ sở lý thuyết về tính toán công trình chịu động đất, xây dựng các mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng các dạng gối SFP, DFP và TFP Phân tích chi tiết một ví dụ số bằng chương trình tính được lập bằng phần mềm Matlab để minh họa kết quả lý thuyết và đánh giá một cách định lượng hiệu quả giảm chấn của các dạng gối trượt ma sát nói trên Bên cạnh đó, việc

so sánh hiệu quả làm việc của các gối trên cũng được tiến hành Chương 3 trình bày một mô hình cải tiến kết cấu cách chấn bằng gối TFP Mô hình này được phát triển

từ mô hình tương đương ứng xử một chiều của Fenz và công sự (2008) Độ tin cậy của mô hình được kiểm chứng bằng kết quả thí nghiệm một mô hình kích thước thật (full-scale) ngôi nhà 5 tầng bằng thép được cách chấn bằng gối TFP chịu 19 băng gia tốc nền khác nhau Với mô hình này, ảnh hưởng của thành phần gia tốc nền theo phương đứng đến phản ứng của kết cấu được đánh giá rõ ràng Ngoài ra, chuyển vị của từng con lắc trên những mặt cong bên trong gối được tính toán chi tiết Chương

4 sẽ vận dụng mô hình cải tiến được thiết lập trong chương 3 để nghiên cứu áp dụng cho công trình nhà cao tầng được xây dựng tại Hà Nội Kết quả nghiên cứu này đã tìm ra một bộ thông số kỹ thuật hợp lý cho gối TFP sử dụng trong nhà cao tầng tại

Hà Nội Hiệu quả giảm chấn của gối TFP cho công trình này được đánh giá là tốt (hiệu quả giảm chấn gần 80%)

Những kết quả nghiên cứu mới của luận án cũng như một số kiến nghị cho những nghiên cứu tiếp theo được trình bày chi tiết trong phần kết luận, kiến nghị Ngoài ra, những chương trình tính được lập bằng phần mềm Matlab, tổng hợp các kết quả tính toán và hình dạng các băng gia tốc nền trong các phân tích của luận án cũng được trình bày đầy đủ trong phần phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về động đất và thiết kế công trình chịu động đất

1.1.1 Động đất

1.1.1.1 Khái niệm

Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh của nền đất xảy ra khi một nguồn năng lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự nứt rạn đột ngột trong phần vỏ hay trong phần áo trên của quả đất [10], [62]

Năng lượng động đất được trải dài trên một diện tích và lan truyền đến bề mặt trái đất dưới dạng sóng Về mặt lý thuyết, diện tích phát ra năng lượng thường quy về một điểm gọi là chấn tiêu (hypocentre), hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất được gọi là chấn tâm (epicentre) Khoảng cách từ chấn tâm đến chấn tiêu được gọi

là độ sâu chấn tiêu Khoảng cách từ chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi là khoảng cách chấn tâm hay tâm cự Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan trắc được gọi là khoảng cách chấn tiêu hay tiêu cự [10], [62] Tùy vào độ sâu chấn tiêu

mà ta có thể phân thành các loại động đất sau: động đất nông (dưới 70 km), động đất trung bình (từ 70 đến 300 km) và động đất sâu (trên 300 km)

1.1.1.2 Nguồn gốc động đất

- Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo [10], [27], [62]: Năm 1960,

các nhà địa chấn đưa ra thuyết kiến tạo mảng (plate tectonics) để giải thích nguồn gốc và vị trí các trận động đất xảy ra, đấy là sự thừa nhận và phát triển từ thuyết trôi dạt các lục địa (continental driff) do Alfred Wegener đưa ra vào năm 1912 Theo thuyết này, lúc đầu (cách đây 270 triệu năm) các lục địa gắn với nhau gọi là Pangaea, sau đó (khoảng 200 triệu năm cách đây) chúng tách ra thành nhiều mảng, gồm 6 mảng lớn (Châu Phi, Châu Mỹ, Châu Nam cực, Úc-Ấn, Á- Âu, Thái Bình Dương) và 14 mảng nhỏ hơn (như mảng Caribbean, mảng Cocos, mảng Philippine,…) di chuyển chậm tương đối so với nhau Trong quá trình dịch chuyển,

biến dạng dần dần được tích lũy (xảy ra chậm và liên tục) Khi biến dạng đạt tới trạng thái tới hạn, sự phá hoại đột ngột xảy ra, thế năng chuyển thành động năng và đấy chính là năng lượng động đất Theo thuyết này, động đất chủ yếu xảy ra ở vùng ranh giới các mảng (động đất rìa)

- Động đất có nguồn gốc từ các đứt gãy [10], [27], [62]: Trong cấu trúc nền

đá của lớp vỏ trái đất tại những chỗ có các vỉa đá có đặc tính khác nhau gối đầu vào nhau hay tựa lên nhau theo mặt tiếp xúc giữa chúng Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như vậy gọi là đứt gãy (phay địa chất) Các đứt gãy có chiều dài vài mét tới hàng trăm kilômét, chiều sâu có thể từ mặt đất đến hàng chục kilômét bên trong mặt đất

Sự tồn tại các đứt gãy chứng tỏ giữa các phần của lớp vỏ trái đất có chuyển động tương đối với nhau Các chuyển động từ từ sẽ không sinh ra động đất Các chuyển động, trượt đột ngột thường sẽ sinh ra động đất

- Động đất có nguồn gốc khác: Động đất có hai nguồn gốc chính như trên

Ngoài ra, động đất còn do một số nguyên nhân khác gây ra như: do sự dãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất; do các vụ nổ; do hoạt động của núi lửa; do sụp đổ nền đất; do tích nước vào các hồ chứa nước lớn [10]

1.1.1.3 Các thông số quan trọng chuyển động nền

Khi một trận động đất xảy ra, các thông số sau có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế kháng chấn công trình

- Biên độ lớn nhất [10]:

Biên độ lớn nhất thông thường thể hiện dưới các dạng đỉnh của chuyển động

nền, bao gồm: gia tốc đỉnh (PGA, Peak Ground Acceleration), vận tốc đỉnh (PGV, Peak Ground Velocity) và chuyển vị đỉnh (PGD, Peak Ground Displacement)

Trong đó, đại lượng gia tốc đỉnh thường có ý nghĩa quan trọng hơn, các kỹ sư thiết

kế thường quan tâm đến thông số này Tải trọng động đất tác dụng vào công trình thường tỉ lệ với gia tốc đỉnh, đặc biệt là các công trình có độ cứng lớn Hai đại lượng vận tốc đỉnh và chuyển vị đỉnh thì ít ảnh hưởng hơn, nó thường chỉ có ý nghĩa với những kết cấu mềm, nhà cao tầng Những đại lượng này thu được trên cơ

sở các số ghi địa chấn Hình 1.1 giới thiệu các đại lượng này của trận động đất

Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array [81]

Hình 1.1 Gia tốc, vận tốc và chuyển vị theo thời gian của trận động đất

Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array

- Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh [10], [60], [63]:

Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh là khoảng thời gian cần để giải phóng năng lượng của trận động đất, một thông số quan trọng trong đánh giá phản ứng của kết cấu, đặc biệt là kết cấu làm việc phi tuyến Những kết cấu có hiện tượng sụt giảm độ cứng và cường độ vật liệu thì rất nhạy cảm với tải trọng lặp của động đất Có nhiều cách xác định khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh, trong đó phổ biến nhất:

- Khoảng thời gian quan trọng (D5-75 và D5-95): được xác định thông qua giá

trị phần trăm gia tốc nền bình phương tích lũy H(t) như phương trình 1.1

2 0 2 0

( )( )

trong đó: a(t) là gia tốc nền, t T là toàn bộ thời gian chuyển động nền, t D là

thời gian cần xác định H(t) có giá trị từ 5% đến 75% khi xác định D5-75 và từ 5%

đến 95% khi xác định D5-95 Và theo cách xác định này, băng gia tốc nền trên Hình

Hình 1.2 Phổ phản ứng băng gia tốc nền của trận động đất Imperial Valley

(15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array

- Độ lớn động đất [10], [27]:

Năng lượng truyền đi của một trận động đất liên quan với độ lớn động đất, là thước đo sức mạnh của một trận động đất Sức mạnh của một trận động đất được xác định thông qua thang cường độ và thang độ lớn Hiện nay, thang độ lớn mômen động đất được sử dụng phổ biến nhất với những ưu điểm của nó Độ lớn mômen

động đất M w được xác định như sau:

Năng lượng trận động đất E, có đơn vị là erg, liên hệ với mômen M 0

(dyn.cm) động đất như sau:

4 0

1

102

- Khoảng cách đến đứt gãy:

Khoảng cách đến các đứt gãy ảnh hưởng đến năng lượng của trận động nhận được do sự hấp thu và phân tán một phần năng lượng sóng của môi trường trên đường truyền Hai định nghĩa khoảng cách đến đứt gãy có ảnh hưởng lớn và hay

được sử dụng gồm: R jp là khoảng cách ngắn nhất đến hình chiếu đứt gãy lên mặt

bằng) và R rup là khoảng cách gần nhất đến đứt gãy Căn cứ vào R rup, các nhà thiết kế

và địa chấn học phân chia chuyển động nền gồm: chuyển động gần phay fault) và xa phay (far-fault) Các chuyển động gần phay thường chứa các xung trong các lịch sử gia tốc, vận tốc và chuyển vị Nó ảnh hưởng nhiều đến các phản ứng của kết cấu, đặc biệt là các kết cấu mềm (nhà cao tầng hay kết cấu cách chấn) [31]

(near Điều kiện đất nền tại vị trí đang xét:

Điều kiện đất nền tại vị trí đang xét liên quan đến tốc độ truyền sóng động

đất Nó sẽ ảnh hưởng đến phản ứng kết cấu khác nhau trong điều kiện đất nền khác nhau Để định nghĩa các loại nền đất, các tiêu chuẩn thiết kế thường dựa vào vận tốc truyền sóng cắt trung bình trong 30 m (100 ft) trên cùng của nền đất [17], [23], [44]

Ngoài ra, các cơ chế và điều kiện phát sinh động đất như: loại đứt gãy, các điều kiện ứng suất, sự tụt ứng suất,… cũng ảnh hưởng đến tính chất chuyển động nền

1.1.2 Giải pháp thiết kế công trình chịu động đất

Với các thảm họa do động đất như đã đề cập, thiết kế công trình chịu động đất là một nhiệm vụ, một thử thách lớn cho các nhà thiết kế kết cấu xây dựng Thiết

kế kháng chấn phải đảm bảo các mục đích: công trình xây dựng đảm bảo đủ khả năng chịu lực, không bị hư hại về kết cấu cũng như hư hỏng về thiết bị đồ đạc sử dụng trong công trình, tồn tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động đất

Theo quan điểm thiết kế kháng chấn truyền thống, người thiết kế chỉ quan tâm đến vấn đề lực tác dụng, chưa quan tâm đến vấn đề năng lượng Để đảm bảo khả năng chịu lực, các cấu kiện chịu lực như dầm, cột thường được sử dụng các loại vật liệu cứng và tiết diện tăng lên Điều này sẽ làm tăng lực tác động lên công trình

vì khối lượng kết cấu tăng lên, tăng độ cứng cũng sẽ làm cho gia tốc các tầng tăng lên và sẽ ảnh hưởng đến điều kiện sử dụng bình thường Giá thành và yêu cầu kỹ thuật cho thiết kế theo quan điểm này sẽ không tốt [33], [64]

Theo quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại, việc thiết kế kháng chấn cho một công trình xây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau: bảo đảm kết cấu có khả năng chịu lực lớn trong miền đàn hồi; bảo đảm cho kết cấu có khả năng phân tán năng lượng do động đất truyền vào, thông qua sự biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc các thiết bị hấp thu năng lượng [11], [64] Ngày nay, quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại thường gắn với kỹ thuật điều khiển kết cấu [33] Kỹ thuật này làm giảm các dao động có hại của kết cấu thông qua việc lắp đặt những thiết bị điều khiển vào kết cấu Các thiết bị này sẽ hấp thu, tiêu tán hay có thể cách ly nguồn năng lượng do động đất truyền vào kết cấu Mối liên hệ giữa các nguồn năng lượng trong kết cấu được Soong và cộng sự (1994) [92] thể hiện như

phương trình 1.5

trong đó: E là năng lượng do động đất truyền vào kết cấu, E k năng lượng

dạng động năng, E s năng lượng do biến dạng đàn hồi (thế năng biến dạng), E h năng

lượng tiêu tán do biến dạng dẻo trong kết cấu và E d là năng lượng tiêu tán do thiết

bị điều khiển kết cấu đặt vào

Ở Việt Nam, tuy là một quốc gia chưa thật sự phát triển trong lĩnh vực này nhưng trong thời gian gần đây cũng có những nghiên cứu theo hướng điều khiển kết cấu [8], [1] Các nghiên cứu này có thể chưa được ứng dụng rộng rãi nhưng nó là tiền đề cho các nhóm nghiên cứu sau phát triển hơn

Trong kỹ thuật điều khiển kết cấu, ta có thể chia thành 3 nhóm chính như sau: điều khiển bị động (passive control), điều khiển chủ động (active control) và điều khiển bán chủ động (semiactive control)

1.1.2.1 Điều khiển bị động (Passive control)

Hệ điều khiển bị động giúp kết cấu hấp thu, tiêu tán hoặc cách ly một phần năng lượng do gió bão, động đất,… thông qua các thiết bị điều khiển được gắn vào kết cấu Thiết bị này thường được thiết kế tối ưu với một tải trọng động riêng biệt,

do đó ta không có khả năng thay đổi các thông số của chúng cho phù hợp với sự thay đổi của tác động Loại hệ cản này rất phổ biến, được con người sử dụng từ lâu (có thể nó là sớm nhất) và nó không cần năng lượng bên ngoài để vận hành, giá thành tương đối rẻ

Các hệ cản bị động được sử dụng phổ biến hiện nay: hệ cách chấn đáy (cô lập móng), hệ tiêu tán năng lượng bị động (như: hệ cản kim loại - Metallic damper,

hệ cản chất lỏng nhớt - Viscous fluid damper, hệ cản chất rắn đàn nhớt - Solid Viscoelastic Damper, hệ cản ma sát - Friction Damper,…), hệ cản điều chỉnh khối lượng (Tuned Mass Damper, TMD),… [73], [92]

1.1.2.2 Điều khiển chủ động (Active control)

Hệ điều khiển chủ động thu nhận trạng thái của kết cấu thông qua các sensor

đo đạc, từ đó đưa ra quyết định điều khiển lực (thông quan hệ thống điều khiển) để

đưa kết cấu về trạng thái mong muốn Cơ chế điều chỉnh trên phải diễn ra kịp thời trong khoảng thời gian rất ngắn Với đặc điểm này, hệ chủ động có ưu điểm hơn hệ

bị động là có thể thích nghi với các thay đổi của môi trường và điều khiển được các tác động không biết trước Tuy nhiên, độ tin cậy của loại điều khiển này không cao

vì nó phụ thuộc vào sự ổn định của nguồn năng lượng cung cấp mà nguồn năng lượng này thường có công suất lớn Mặt khác, việc bảo trì cũng khá tốn kém và phức tạp Thông thường, hệ cản chủ động cần một nguồn năng lượng lớn để vận hành [91], [93]

1.1.2.3 Điều khiển bán chủ động (Semiactive control)

Hệ cản bán chủ động ra đời nhằm tận dụng những ưu điểm của hệ cản bị động và hệ cản chủ động Hệ cản này có độ tin cậy cao, nguồn năng lượng cần cung cấp thấp hơn nhiều so với hệ cản chủ động Một khi nguồn năng lượng này mất đi

vì lý do nào đó thì hệ vẫn làm việc như hệ cản bị động Thông thường, hệ cản này được thiết kế theo nguyên lý bị động khi lực kích động nhỏ (động đất yếu), đến khi lực kích động lớn (động đất mạnh) thì hệ bán chủ động sẽ chuyển sang làm việc như

hệ chủ động và nó được gắn trực tiếp vào kết cấu Khi làm việc, ta có thể thay đổi các đặc tính cơ học của hệ cản thông qua một nguồn năng lượng nhỏ [93]

1.2 Kỹ thuật cách chấn đáy (cô lập móng)

1.2.1 Khái niệm về cách chấn đáy

Cách chấn đáy (cô lập móng) là kỹ thuật điều khiển bị động kết cấu, rất hiệu quả cho thiết kế công trình chịu động đất Ý tưởng chính của kỹ thuật này là cách ly kết cấu bên trên với nền bằng cách sử dụng các gối mềm, gọi là gối cách chấn Gối cách chấn có độ cứng chuyển vị ngang nhỏ, thông thường sẽ được lắp vào giữa phần móng và kết cấu bên trên để cách ly kết cấu với chuyển động nền, ngắt bớt nguồn năng lượng động đất truyền vào kết cấu Kết cấu được gắn thiết bị này sẽ có chu kỳ cơ bản tăng lên, kết cấu được làm “mềm” đi Với chu kỳ dao động của kết cấu cô lập tăng lên sẽ giúp cho kết cấu cách chấn tránh xa các vùng chu kỳ trội của các trận động đất, tránh xa vùng cộng hưởng của tải trọng, từ đó giảm tác động của tải trọng động đất vào kết cấu, được minh họa như Hình 1.3a Tuy nhiên, do kết cấu

được làm mềm đi nên chuyển vị tương đối của toàn bộ kết cấu so với nền sẽ tăng lên, như Hình 1.3b [29], [39], [58], [78], [105]

Sa Taêng chu kyø

đó, gia tốc trong các tầng sẽ được giảm đi, làm cho thiết bị sử dụng trong công trình không bị hư hỏng lớn

a Kết cấu ngàm cứng b Kết cấu được cô lập

Hình 1.4 Hiệu quả giảm chấn của gối cách chấn (Wang, 2002)

Trong thiết kế, để đảm bảo kết cấu cách chấn chịu được tải trọng ngang do gió và dễ dàng phục hồi về vị trí cân bằng ban đầu, các gối cách chấn được cấu tạo với một độ cứng ngang nhất định ban đầu (cung cấp một độ cứng ngang hay sự ma sát trong gối) Điều này sẽ làm giảm đi một phần về sự cách ly dao động Tuy

nhiên, với cấu tạo của gối như vậy, sẽ có sự tiêu tán năng lượng xảy ra bên trong

gối, được thể hiện trong một dạng đường ứng xử trễ của gối như Hình 1.5 [29].

F

u

Hình 1.5 Một dạng đường ứng xử trễ trong gối cách chấn

1.2.2 Các dạng gối sử dụng trong kỹ thuật cách chấn đáy

Các dạng gối sử dụng trong kỹ thuật cách chấn cho công trình thường gồm

hai dạng phổ biến: gối cao su (gối đàn hồi) và gối trượt ma sát (dạng con lắc)

Gối cao su được phát triển sớm hơn, từ năm 1969 [58], nó dựa vào tính mềm

của cao su để đạt được độ cứng ngang nhỏ cho gối Gối cao su thường được chia

thành ba loại [58], [78]: gối cao su tự nhiên (Natural rubber bearing, NRB), gối cao

su có độ cản nhớt lớn (High-damping rubber, HDR), và gối cao su có lõi chì (Lead

rubber bearing, LRB) Các dạng gối cao su được minh họa như Hình 1.6 Những

thành phần chính của các dạng gối cao su là các lớp cao su (tự nhiên hay tổng hợp)

được dán xen kẽ những tấm thép mỏng để đảm bảo độ cứng yêu cầu theo phương

ngang và phương đứng, đồng thời giữ sự ổn định, không bị biến dạng của cao su khi

chịu tải trọng đứng Gối LRB được chế tạo bằng cách thêm lõi chì vào bên trong gối

cao su tự nhiên có độ cản thấp, lõi chì có tác dụng tăng khả năng chịu lực dọc trục

và tăng khả năng tiêu tán năng lượng do biến dạng dẻo khi chịu lực cắt ngang

a Gối NRB b Gối HDR c Gối LRB

Hình 1.6 Các dạng gối cách chấn bằng cao su (Bridgestone group, 2013)

So với gối cao su, gối trượt ma sát phát triển sau Nó được giới thiệu đầu tiên vào năm 1987 bởi Zayas [109] Gối trượt ma sát hiện đang được nghiên cứu bao gồm ba dạng: gối con lắc ma sát đơn (Single Friction Pendulum, SFP), gối con lắc

ma sát đôi (Double Friction Pendulum, DFP) và gối con lắc ma sát ba (Triple Friction Pendulum,TFP) [34], [40], [102] Các dạng gối này được chế tạo từ kim loại chống rỉ Chuyển động của chúng như dạng con lắc Gối có cấu tạo gồm một

hay nhiều con lắc trượt trên những mặt cong có bán kính R Trên bề mặt các mặt

cong và con lắc được phủ một lớp vật liệu Teflon để đảm bảo có một hệ số ma sát

nhỏ giữa chúng Bán kính R kết hợp với các thành phần lực theo phương đứng tạo

nên độ cứng ngang cho gối, tạo ra lực phục hồi đưa con lắc về vị trí trung tâm Trong khi đó, hệ số ma sát trong gối tạo ra độ cứng ngang ban đầu để giữ ổn định cho gối và đóng vai trò tiêu tán một phần năng lượng động đất khi gối chuyển động Bán kính của những mặt cong và hệ số ma sát bên trong gối là những thông số kỹ thuật quan trọng của gối, nó quyết định đến ứng xử của gối và kết cấu bên trên

Hình 1.7 giới thiệu cấu tạo gối SFP, nó được giới thiệu sớm nhất, vào năm

1987 [109] Cấu tạo của gối gồm một mặt cong bán kính R và một con lắc trượt trên

mặt cong có hệ số ma sát  Khả năng chuyển vị ngang lớn nhất cùa gối là d

d

R, 

a Cấu tạo bên trong b Mặt cắt ngang

Hình 1.7 Gối con lắc ma sát đơn, gối SFP (EPS, 2011)

Gối DFP có cấu tạo như Hình 1.8 Nó bắt nguồn từ sáng kiến của Touaillon năm 1870 [94], sử dụng những viên bi tròn lăn trên những mặt cong như một hệ cô lập móng Gối DFP được giới thiệu sau gối SFP với mục đích cải thiện khả năng chuyển vị ngang của gối SFP [34], [102] Cấu tạo gồm 2 mặt cong bán kính R và 1

R và 1 con lắc trượt trên 2 mặt cong có hệ số ma sát  Khả năng chuyển vị

ngang của gối là d out  d1 d2

a Cấu tạo bên trong b Mặt cắt ngang

Hình 1.8 Gối con lắc ma sát đôi, gối DFP (Fenz, 2008e)

Gối TFP được xem là một sự cải tiến lớn nhất của các dạng gối trượt ma sát,

có cấu tạo như Hình 1.9 Gối TFP chỉ được giới thiệu gần đây nhất [40] Cấu tạo gồm 4 mặt cong có bán kính R2 R3 R1 R4 và 3 con lắc trượt trên 4 mặt cong

có hệ số ma sát2 3 14 Khả năng chuyển vị trên từng mặt cong là d và i

trên toàn bộ gối là d out  d1 d2d3d4 Ưu điểm của gối này là ngoài khả năng chuyển vị ngang lớn như gối DFP nó còn thích nghi với nhiều cấp độ động đất khác nhau do có cấu tạo gồm nhiều bán kính cong và hệ số ma sát Trong nghiên cứu của Morgan [75], tác giả đề nghị đây là một thiết bị phù hợp trong thiết kế đa mục tiêu (theo tính năng công trình)

a Cấu tạo bên trong b Mặt cắt ngang

Hình 1.9 Gối con lắc ma sát ba, gối TFP (Fenz, 2008e)

1.2.3 Sơ lược về lịch sử ứng dụng kỹ thuật cách chấn đáy

Kỹ thuật cách chấn đáy được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong vài thập

niên gần đây Tuy nhiên, ý tưởng về kỹ thuật này xuất hiện cách đây hơn 100 năm Touaillon, một người Pháp, là người đầu tiên đưa ra sáng kiến sử dụng gối cách chấn đặt giữa kết cấu bên trên và nền đất cho các công trình chịu động đất được thực hiện vào năm 1870 Cấu tạo của những gối này là các viên bi tròn lăn trên 2 mặt cong đặt tại chân công trình và đã được cấp bằng sáng chế, Hình 1.10 [94] Vào năm 1906, Bechtold, một người Đức, đã đề nghị đặt những viên bi tròn bằng kim loại ngăn cách phần kết cấu với nền đất như là một lớp cách ly dao động của nền với công trình [29] Vào năm 1909, Calantarients, một bác sĩ người Anh cũng đã đề nghị xây dựng những công trình trên các lớp cát, mica để cho phép công trình có thể trượt khi chịu động đất [78] Những phát minh trên là nền tản ban đầu cho các nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật cách chấn đáy sau này Trong những năm gần đây, việc ứng dụng kỹ thuật cách chấn đáy vào các công trình chịu động đất trở nên phổ biến ở các nước như Mỹ, Nhật, New Zealand,… và mộ số nước châu Âu Vào năm

1969, Trường học ở Skopje, Macedonia là công trình đầu tiên trên thế giới đã sử dụng những khối cao su tự nhiên như những gối cách chấn NRB [78]

Hình 1.10 Bằng sáng chế của Touaillon

Tại Mỹ, tòa nhà Foothill Communities Law and Justice Center là công trình đầu tiên của Mỹ và là đầu tiên của thế giới sử dụng 98 gối đàn hồi có độ cản lớn để chống động đất được hoàn thành vào năm 1985 [59] Vào năm 1988, tòa nhà thứ 2

là The City and County Building, ở thành phố Salt Lake, sử dụng 208 gối đàn hồi

có lõi chì và 239 gối cao su tự nhiên cũng đã được xây dựng Ngày nay, theo các báo cáo, còn có rất nhiều công trình ở Mỹ sử dụng gối cách chấn để chịu động đất

Tại New Zealand, Tòa nhà William Clayton ở Wellington hoàn thành năm

1981, đây là công trình đầu tiên trên thế giới sử dụng gối đàn hồi có lõi chì để cách chấn Tiếp những năm sau đó, tòa nhà Union House (12 tầng) ở Auckland, Trạm cảnh sát (10 tầng) ở trung tâm thành phố Wellington cũng được xây dựng có sử dụng các hệ thống gối cách chấn

Ở Nhật, thiết kế chống động đất là một yêu cầu và là thế mạnh, rất nhiều kỹ thuật điều khiển kết cấu chống động đất được ứng dụng Gối cách chấn được sử dụng đầu tiên vào năm 1986 Năm 1990, số lượng công trình sử dụng gối cô lập đã

là 10, đến năm 1995 là khoảng 80 [78] Tòa nhà West Japan Postal Computer Center ở Sanda là công trình lớn nhất thế giới sử dụng gối cách chấn (47000 m2)

Các dạng gối trượt ma sát được sử dụng phổ biến hơn trong thời gian gần đây, đặc biệt là ở Mỹ Bệnh viện Peninsula như Hình 1.11 được xây dựng năm 2010

là một công trình tiêu biểu Công trình này sử dụng 176 gối con lắc ma sát ba và chịu được động đất cấp 8 [40] Ngoài ra, mộ số công trình khác cũng sử dụng các dạng gối con lắc ma sát cho kỹ thuật cách chấn như: sân bay quốc tế San Francisco,

bể chứa chất lỏng công nghiệp ở Ý, giàn khoan dầu khí ở Nga,… [40]

Hình 1.11 Dự án bệnh viện Peninsula (EPS, 2011)

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu gối cô lập trượt ma sát

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.3.1.1 Nghiên cứu về gối SFP

Gối SFP được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1987 bởi Zayas và cộng sự với tên gọi là FPS [109], cấu tạo của gối như Hình 1.7 Theo như nghiên cứu này, đây là một thiết bị cải tiến ở các đặc điểm như: khả năng phục hồi, sự tiêu tán năng lượng

và đặc biệt là hiệu quả cách ly dao động [109], [110] Dưới sự chuyển động đất nền, con lắc sẽ trượt trên mặt cong tạo ra sự cách ly và tiêu tán một phần năng lượng do động đất truyền vào kết cấu Khi kết thúc các trận động đất, con lắc dễ dàng về lại

vị trí cân bằng ban đầu dưới tác dụng lực phục hồi được tạo ra bởi độ cứng ngang

b

k của gối Chu kỳ tự nhiên của gối SFP được xác định phụ thuộc vào bán kính mặt

cong R như sau:

trong đó: g là gia tốc trọng trường

Khi gối trượt tạo ra một chuyển vị u, thành phần lực ngang F bên trong gối

bằng tổng lực phục hồi F và lực ma sát k F như phương trình 1.7, ứng xử trễ của f

gối SFP được giới thiệu trong Hình 1.5

công trình làm mới và sửa chữa cải tạo cũng được nghiên cứu lý thuyết và tiến hành các thí nghiệm kiểm chứng [108]

Tính toán thành phần lực ma sát bên trong gối là vấn đề quan tâm của nhiều nghiên cứu Trong phương trình 1.7, thành phần lực ma sát được tính theo mô hình Coulomb với hệ số ma sát là hằng số, điều này chưa thật sự phù hợp với vật liệu Teflon Các tác giả Mokha, Constantinou và Reinhorn đưa ra các nghiên cứu về mô hình tính toán lực ma sát và hệ số ma sát của vật liệu Teflon sử dụng cho gối SFP [35], [69], [70], [72] Theo như các nghiên cứu này, hệ số ma sát phụ thuộc vào vận tốc trượt và áp lực bề mặt, không phụ thuộc nhiều vào gia tốc Thành phần lực ma sát được tính toán theo mô hình Bouc - Wen hiệu chỉnh thay cho mô hình Coulomb Cũng trong các nghiên cứu này, các thông số để tính toán hệ số ma sát cho 16 trường hợp vật liệu Teflon và áp lực bề mặt được xác định thông qua thực nghiệm

Các nghiên cứu của Mokha (1991) [68], [71] và Nagarajaiah (1991) [79] thực hiện các mô hình thí nghiệm nhà 6 tầng được cách chấn bằng gối SFP đặt tại móng, tỉ lệ 1/4 Các mô hình tính toán phi tuyến với chuyển động theo 3 phương được kiểm chứng bằng thí nghiệm Hiệu quả giảm lực cắt và gia tốc ở các tầng được đánh giá là cao trong các mô hình này

Al-Hussaini và cộng sự thực hiện nghiên cứu cách chấn cho nhà nhiều tầng bằng gối SFP (1994) [20] Nghiên cứu phân tích mô hình lý thuyết và thực nghiệm trên 2 ngôi nhà 6 tầng và 7 tầng với các trường hợp gối SFP đặt tại móng và tầng 1 Trong tất cả các mô hình phân tích cho thấy hiệu quả giảm chấn của gối SFP sử dụng trong nhà nhiều tầng từ 4 đến 6 lần ứng với nhiều cấp độ động đất khác nhau Tsai (1997) [95] tiến hành phân tích ứng xử của gối một cách chi tiết và cải tiến hơn Ngoài các thành phần lực theo phương đứng và ngang, ảnh hưởng thành phần mômen cục bộ bên trong gối do các góc xoay nhỏ không được bỏ qua cũng được xem xét trong mô hình Wang, Chung và Liao (1998) [106], đề xuất phương pháp thiết lập phương trình vi phân chuyển động thích nghi được cả hai trạng thái của gối SFP là: trượt và dính Mô hình này được sử dụng để đánh giá hiệu quả của gối với kết cấu cầu dầm liên tục 3 nhịp Jangid (2001) [56] nghiên cứu một mô hình 2D với

kết cấu là 1 khối cứng chịu chuyển động điều hòa và gia tốc nền động đất theo 2 phương ngang Hệ số ma sát được tính theo mô hình Coulomb (bỏ qua ảnh hưởng vận tốc trượt và áp lực bề mặt) Tương tác của lực ma sát theo 2 phương được đánh giá rõ ràng Các nghiên cứu của Almazan and De la Llera (1998) [22] và (2002) [21] tập trung vào phát triển mô hình tính gối SFP Trong nghiên cứu [22], một mô hình tính toán có xét chuyển động theo 2 phương ngang và phương đứng, ảnh hưởng của sự biến dạng lớn bên trong gối cũng được xem xét Một mô hình vật lý của ngôi nhà 4 tầng cách chấn được phân tích có xét đến ảnh hưởng do sự va chạm

và nhấc lên khi gối chuyển vị quá lớn Trong trường hợp này sẽ dẫn đến tăng lực cắt trong các cột Nghiên cứu [21] đã xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng P-Δ trong gối khi chuyển vị ngang của gối lớn dưới các chuyển động nền chứa các xung Ảnh hưởng này làm tăng lực ngang trong gối và lực cắt trong các tầng từ 20% đến 50% Mosqueda (2004) [77] nghiên cứu mô hình phi tuyến với chuyển động theo 2 phương và được kiểm chứng bằng thực nghiệm Mô hình thí nghiệm là một khối lượng cứng tựa trên 4 gối SFP chịu các chuyển động là những quỹ đạo được điều chỉnh cụ thể (controlled-displacement orbits) và của các trận động đất Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp 2 thành phần trực giao trong mô hình rất quan trọng trong phân tích ứng xử của gối Cũng trong thí nghiệm này cho thấy ảnh hưởng của thành phần chuyển động nền theo phương đứng là không đáng kể đến ứng xử của gối Sự thay đổi của hệ số ma sát theo vận tốc trượt trong gối là không đáng kể khi vận tốc trượt trên 25mm/s, hệ số ma sát cũng giảm một phần khi nhiệt

độ trong gối tăng khi trượt Jangid (2005) [57] tiến hành phân tích động lực học một nhà nhiều tầng cách chấn bằng gối SFP chịu 6 băng gia tốc nền khác nhau theo 1 phương Mục đích của nghiên cứu là tìm ra sự thay đổi của gia tốc trong tầng đỉnh và chuyển vị gối khi thay đổi hệ số ma sát của gối Trên cơ sở này, giá trị tối ưu của hệ

số ma sát bên trong gối từ 0.05 đến 0.15 dưới các băng gia tốc nền gần phay đứt gãy Jamali (2008, 2010) [54, 55] tiếp tục nghiên cứu phát triển mô hình tính kết cấu cách chấn Nghiên cứu phân tích sâu chuyển động của gối ở các trạng thái trượt và không trượt tại từng thời điểm Kết quả phân tích phản ứng kết cấu trong miền thời gian cho

thấy hiệu quả cách chấn của gối trượt, qua đó giúp các kỹ sư thiết kế có thể tìm ra các giá trị tối ưu trong thiết kế kết cấu và gối cách chấn SFP

1.3.1.2 Nghiên cứu về gối DFP

Gối DFP giới thiệu như Hình 1.8 là một sự cải tiến cho gối SFP với mục đích tăng khả năng chuyển vị ngang của gối [46] Nó được phát triển từ sáng kiến của Touaillon năm 1870 [94] Dạng gối này sớm được sử dụng cho các công trình ở Nhật, đã được Hyakuda (2001) [53], tác giả đầu tiên nghiên cứu về gối DFP tại Nhật, mô tả Hiệu quả giảm chấn của các công trình ở Nhật cách chấn bằng gối DFP được Hyakuda trình bày trong báo cáo này Một gối có tên SFP cải tiến được Tsai cùng cộng sự (2002) [102] nghiên cứu lần đầu tiên được tiến hành Mô hình tính toán đơn giản của gối này được trình bày trong nghiên cứu này Các mô hình tính toán lý thuyết và thí nghiệm kiểm chứng về gối MFPS (một tên gọi khác của gối DFP) được Tsai và công sự tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong giai đoạn này [96

- 101], một thiết kế đặc biệt của con lắc bên trong với khớp trượt đã được giới thiệu lần đầu tiên bởi nghiên cứu của Tsai [99, 100] Khớp trượt của con lắc có tác dụng làm xoay con lắc để tăng thích nghi khi con lắc trượt trên mặt cong (đặc biệt là các mặt cong có hệ số ma sát khác nhau) Những thí nghiệm của ngôi nhà 3 tầng bằng thép có kích thước thật cách chấn bằng gối MFPS chịu nhiều băng gia tốc nền khác nhau được nhóm nghiên cứu của Tsai thực hiện để kiểm chứng các mô hình lý thuyết được đưa ra Hiệu quả giảm chấn của gối được nhóm nghiên cứu công bố đạt

từ 70% đến 90% dưới nhiều băng gia tốc khác nhau, ngay cả các băng gia tốc có chu kỳ trội lớn Một điều đặc biệt trong các thí nghiệm là gối MFPS được phủ một loại vật liệu Teflon cải tiến (khác với loại Teflon do Constantinou và Mokha nghiên cứu (1990) [35], [69]) Loại Teflon này có độ bền cao dưới tác dụng của áp lực lớn

và chuyển động với tần suất cao Các nghiên cứu của Constantinou (2004) [34] và Fenz (2006) [46] tiếp tục phát triển mô hình tính toán gối DFP và các thí nghiệm kiểm chứng Các nghiên cứu về ứng xử của gối, quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang được phát triển hơn so với các nghiên cứu của Tsai, cụ thể như: sự khác nhau

về bán kính cong của mặt trượt và hệ số ma sát, ảnh hưởng chiều cao của con lắc