THIẾT KẾ MỘT SỐ DẠNG GỐI CÁCH CHẤN TRONG CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Thiết lập phương trình vi phân chuyển động và khảo sát ứng xử của gối đàn hồi chịu kích động động đất theo phương ngang.... Phương trình vi phân chuyển động của hệ khi gối đàn hồi chịu k

LÊ XUÂN TÙNG

THIẾT KẾ MỘT SỐ DẠNG GỐI CÁCH CHẤN

TRONG CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành: Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 62.58.20.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TSKH NGUYỄN ĐĂNG BÍCH

2 TS NGUYỄN ANH TUẤN

HÀ NỘI – 2012

LỜI CAM ĐOAN

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

Tác giả luận án

Lê Xuân Tùng

MỤC LỤC

Lời cam đoan……… i

Mục lục……… ii

Danh mục các hình vẽ trong luận án……… vi

Danh mục các bảng trong luận án……… xiii

Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt và thuật ngữ……… xiv

Chương 1: Tổng quan ……… 1

1.1 Tình hình nghiên cứu giải pháp giảm chấn……… 1

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu giải pháp cách chấn đáy……… 5

1.2.1 Tình hình nghiên cứu về giải pháp cách chấn đáy ngoài nước … 5 1.2.2 Tình hình nghiên cứu về giải pháp cách chấn đáy trong nước… 11 1.2.3 Một số nhận xét……… 19

1.3 Giới thiệu luận án……… 20

1.3.1 Mục đích của luận án 20

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu……… 20

1.3.3 Nội dung nghiên cứu……… 20

1.3.4 Phương pháp nghiên cứu……… 21

1.3.5 Phạm vi nghiên cứu……… 28

1.3.6 Những đóng góp mới của luận án……… 29

1.3.7 Cấu trúc luận án 30

Chương 2: Thiết kế gối cách chấn đàn hồi trong công trình chịu động đất……… 31

2.1 Tổng quan về gối cách chấn đàn hồi……… 31

2.1.1 Giới thiệu về gối cách chấn đàn hồi……… 31

2.1.2 Nguyên lý làm việc của gối đàn hồi 32

2.1.3 Mô hình ứng xử của gối đàn hồi chịu kích động động đất……… 32

2.1.4 Nội dung nghiên cứu về gối đàn hồi……… 33

2.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động và khảo sát ứng xử của gối đàn hồi chịu kích động động đất theo phương ngang 33

2.2.1 Tham số vật liệu của gối cách chấn đàn hồi trong khảo sát ứng xử dao động ngang……… 34

2.2.2 Phương trình vi phân chuyển động của hệ khi gối đàn hồi chịu kích động giả thiết là lực điều hòa theo phương ngang ……… 35

2.2.3 Phương trình vi phân chuyển động của hệ khi gối đàn hồi chịu

kích động động đất tính theo giản đồ gia tốc nền theo phương

ngang……… 37

2.2.4 Xác định độ cứng hữu hiệu, độ cản hữu hiệu, tỷ số cản hữu hiệu và chu kỳ hữu hiệu 37

2.2.5 Cơ sở chọn các tham số để khảo sát ……… 38

2.2.6 Các bước giải số trực tiếp……… 39

2.2.7 Khảo sát ứng xử của gối đàn hồi theo phương ngang với các bộ số khác nhau……… 40

2.2.8 Nhận định kết quả 48

2.3 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động và khảo sát ứng xử của gối đàn hồi chịu kích động động đất theo phương đứng……… 48

2.3.1 Tham số vật liệu của gối đàn hồi trong khảo sát ứng xử dao động theo phương thẳng đứng……… 49

2.3.2 Phương trình vi phân chuyển động của gối đàn hồi chịu kích động động đất giả thiết là lực điều hòa theo phương đứng 50

2.3.3 Phương trình vi phân chuyển động của gối đàn hồi chịu kích động động đất tính theo giản đồ gia tốc có phương thẳng đứng 51

2.3.4 Các bước giải số trực tiếp bằng chương trình Mathematica.7… 51

2.3.5 Khảo sát ứng xử của gối đàn hồi chịu kích động động đất theo phương đứng với các bộ số khác nhau……… 52

2.3.6 Nhận định kết quả……….……. 59

2.4 Quy trình thiết kế gối cách chấn đàn hồi……… 60

2.5 Kết luận……… 60

Chương 3: Thiết kế gối cách chấn dạng trượt đơn – FPS trong công trình chịu động đất……… 62

3.1 Tổng quan về gối cách chấn dạng trượt đơn – FPS……… 62

3.1.1 Giới thiệu gối cách chấn dạng trượt đơn – FPS……… 62

3.1.2 Đặc điểm cấu tạo……… 62

3.1.3 Nguyên lý làm việc của gối FPS……… 63

3.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của gối FPS……… 63

3.2.1 Mô hình Bouc-Wen……… 64

3.2.2 Mô hình tính toán của gối FPS chịu kích động động đất được giả thiết là lực điều hòa……… 65

3.2.3 Mô hình tính toán của gối FPS chịu kích động động đất tính theo giản đồ gia tốc nền……… 66

3.2.4 Ý nghĩa và cách xác định các tham số……… 67

3.3 Quy trình khảo sát phản ứng của gối FPS chịu kích động động đất…… 70

3.4 Giải phương trình vi phân chuyển động với các bộ số khác nhau……… 73

3.4.1 Khảo sát với trường hợp kích động động đất giả thiết là lực điều hòa……… 73

3.4.2 Khảo sát với trường hợp kích động động đất được tính theo giản đồ gia tốc nền……… 85

3.5 Nhận định kết quả……… 87

3.5.1 Với trường hợp kích động động đất được giả thiết là lực điều hòa……… 87

3.5.2 Với trường hợp kích động động đất được tính theo giản đồ gia tốc nền……… 88

3.6 Quy trình thiết kế gối FPS……… 88

3.7 Kết luận……… 89

Chương 4: Thiết kế gối cách chấn dạng trượt đôi – DCFP trong công trình chịu động đất……… 90

4.1 Tổng quan về gối cách chấn dạng trượt đôi – DCFP……… 90

4.1.1 Giới thiệu về gối cách chấn dạng trượt đôi – DCFP……… 90

4.1.2 Nguyên lý làm việc của gối DCFP……… 91

4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động……… 93

4.2.1 Mô hình tính toán của gối DCFP……… 93

4.2.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của gối DCFP…… 95

4.3 Ý nghĩa và cách xác định các tham số……… 96

4.3.1 Các hệ số ma sát và hệ số liên quan đến đường cong trễ……… 96

4.3.2 Khối lượng của phần kết cấu bên trên truyền lên gối, khối lượng của bán cầu trên và của khớp trượt……… 96

4.3.3 Bán kính của bán cầu trên và bán cầu dưới……… 96

4.3.4 Diện tích tiếp xúc giữa khớp trượt với bề mặt của bán cầu trên và bán cầu dưới……… 97

4.3.5 Xác định đặc trưng cho dịch chuyển dẻo……… 97

4.3.6 Độ cứng do khớp trượt va đập với vành hãm của bán cầu……… 97

4.4 Quy trình khảo sát phản ứng của gối FPS chịu kích động động đất…… 97

4.4.1 Lựa chọn công cụ giải số……… 97

4.4.2 Lựa chọn sơ bộ các tham số liên quan đến cấu tạo của gối DCFP……… 97 4.4.3 Xác định các tham số chọn trước làm tham số đầu để giải hệ

phương trình vi phân chuyển động……… 98

4.4.4 Giải hệ phương trình vi phân chuyển động……… 98

4.4.5 Khảo sát biên độ dao động……… 99

4.4.6 Khảo sát tính chất nghiệm……… 100

4.4.7 Khảo sát ứng xử trễ 100

4.4.8 Kiểm tra điều kiện làm việc của gối DCFP……… 100

4.4.9 Khảo sát với nhiều bộ tham số……… 103

4.5 Khảo sát ứng xử của gối DCFP với các bộ số khác nhau……… 104

4.5.1 Khảo sát với trường hợp kích động động đất giả thiết là lực điều hòa……… 104

4.5.2 Khảo sát với trường hợp kích động động đất được tính theo giản đồ gia tốc nền……… 116

4.6 Nhận định kết quả……… 120

4.7 Quy trình thiết kế gối DCFP……… 121

4.8 Kết luận……… 122

Chương 5: Tải trọng động đất tác dụng lên công trình có gối cách chấn và hiệu quả của các dạng gối cách chấn……… 123

5.1 Ví dụ áp dụng……… 123

5.1.1 Phân tích kết cấu công trình không cách chấn đáy……… 124

5.1.2 Phân tích nội lực của kết cấu bên trên chịu tĩnh tải và hoạt tải… 126 5.1.3 Thiết kế cách chấn đáy cho công trình sử dụng gối đàn hồi…… 127

5.1.4 Thiết kế cách chấn đáy cho công trình sử dụng gối FPS……… 131

5.1.5 Thiết kế cách chấn đáy cho công trình sử dụng gối DCFP…… 133

5.2 So sánh tính chất và hiệu quả của các loại gối cách chấn……… 135

Kết luận……… 137

1 Các kết quả chính đạt được ……… 137

2 Độ tin cậy của kết quả đạt được 138

3 Hướng phát triển của luận án……… 138

Danh mục công trình nghiên cứu của tác giả liên quan đến luận án…… 139

Tài liệu tham khảo……….………… 140

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN

Hình 1.1 Tác động của tải trọng động đất lên công trình 1

Hình 1.6 Diện tích mặt cắt ngang bị biến đổi của HDRB hình trụ tròn 15

Hình 2.2 Cách chấn đáy trong bảo vệ công trình chịu động đất 32

Hình 2.3 Mô hình phi tuyến Kelvin-Voigt với kích động động đất

⎡⎣ ,u [t]},{t,0,15}] - bộ số thứ ba 43

Hình 2.13 Đồ thị hàm[u t( ),{t,0,15}] - bộ số thứ tư 43

Hình 3.7 Mô hình phi tuyến của gối FPS chịu kích động động đất là

Hình 3.8 Mô hình phi tuyến của gối FPS chịu kích động động đất

Hình 3.10 Vòng trễ trong ứng xử của gối FPS 69

Hình 3.11 Phân bố lôgarit chuẩn các số liệu thí nghiệm đối với dịch

Hình 3.48 Sơ đồ mô tả quy trình thiết kế gối FPS 88

Hình 4.1 Mặt cắt gối cách chấn dạng trượt đôi – DCFP 90

Hình 4.3 Các giai đoạn chuyển dịch của gối DCFP 92

Hình 5.2 Sơ đồ kết cấu bên trên được liên kết ngàm với móng 124

Hình 5.4 Lực dọc chân cột do tĩnh tải và hoạt tải gây ra 126

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN

Bảng 1.1 So sánh tỷ số cản của các LRB với đường kính lõi chì khác

Bảng 1.2 Quan hệ giữa độ cứng của cao su và hằng số vật liệu 13

Bảng 2.1 Bảng số về giản đồ gia tốc nền tại trận động đất El Centro

Bảng 2.2 Bảng số về giản đồ gia tốc nền tại trận động đất El Centro

Bảng 5.1 Kết quả phân tích dao động riêng của kết cấu bên trên trong

Bảng 5.2 Tải trọng động đất tác dụng lên kết cấu bên trên trong

Bảng 5.3 Kích thước và số hiệu gối đàn hồi dùng cho công trình 127

Bảng 5.4 Độ cứng hữu hiệu, độ cản hữu hiệu của các gối và hệ thống

Bảng 5.5 Tải trọng động đất tác dụng lên các tầng trong trường hợp

công trình được cách chấn đáy bởi gối đàn hồi 131

Bảng 5.6 Độ cứng hữu hiệu, độ cản hữu hiệu của các gối và hệ thống

Bảng 5.7 Tải trọng động đất tác dụng lên các tầng trong trường hợp

công trình được cách chấn đáy bởi gối FPS 133

Bảng 5.8 Độ cứng hữu hiệu của các gối và hệ thống gối DCFP 134

Bảng 5.9 Tải trọng động đất tác dụng lên các tầng trong trường hợp

công trình được cách chấn đáy bởi gối DCFP 135

Bảng 5.10 Bảng tổng kết so sánh lực cắt đáy của công trình không

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

Ký hiệu chữ cái và chữ La tinh

k Độ cứng ngang hữu hiệu của HDRB

E Mô đun đàn hồi của HDRB

G Mô đun đàn hồi trượt của HDRB

r

t Chiều dày tổng cộng của các lớp cao su

t Chiều dày của mỗi lớp cao su

E Mô đun đàn hồi nén của hỗn hợp cao su thép

A Diện tích mặt cắt ngang thiết kế của HDRB

ε Độ giãn dài của cao su phá hoại

Asf Diện tích mặt cắt ngang bé nhất khi phá hoại do cắt của HDRB

re

A Diện tích mặt cắt ngang biến đổi do chuyển vị ngang

L,B Chiều dài, chiều rộng của HDRB chữ nhật

δ Chuyển vị theo phương đứng của gối FPS

δ Chiều sâu của bán cầu lõm

S

FP

d Đường kính vành của bán cầu lõm của gối FPS

R Bán kính cong của bán cầu lõm của gối FPS

R Hệ số phụ thuộc độ dẻo của kết cấu

xi Nút của lưới sai phân

b Bước của lưới sai phân

N Số bước nhảy

m Số bậc của thuật toán Runge – Kutta

δ Hàm Dirac delta

m Khối lượng phần kết cấu bên trên tác dụng lên gối đàn hồi

h Chiều cao của gối đàn hồi

d Đường kính của gối đàn hồi

m Khối lượng quy đổi

D Dịch chuyển thiết kế của gối đàn hồi

T Chu kỳ dao động riêng của công trình khi không có cách chấn đáy

x Biến dạng dọc của gối đàn hồi

c x Độ cản của gối đàn hồi theo phương đứng

Sn Diện tích mặt cắt ngang của gối đàn hồi

vo

ω Tần số góc dao động tự nhiên của hệ theo phương thẳng đứng

P Kích động động đất giả thiết là lực điều hòa

A,γ ,β Các đại lượng không thứ nguyên để điều chỉnh hình dạng của vòng trễ

n Tham số ảnh hưởng đến độ trơn của đường cong trễ

Y Đặc trưng cho dịch chuyển dẻo

g Gia tốc trọng trường

μ Hệ số ma sát giữa khớp trượt và bề mặt bán cầu lõm của gối FPS

W Trọng lượng phần kết cấu bên trên mặt cách chấn truyền lên gối

A Diện tích tiếp xúc giữa khớp trượt lên bề mặt bán cầu lõm,

p Áp lực bề mặt của khớp trượt lên bán cầu lõm

ε Hệ số điều chỉnh μmaxkhi chuyển tiếp giữa áp lực bề mặt của khớp

trượt lên bản cầu lõm từ tương đối thấp sang tương đối cao

α Hệ số điều chỉnh μ khi chuyển tiếp giữa tốc độ trượt tương đối thấp

sang tương đối cao

T Chu kỳ dao động cơ bản

Y Dịch chuyển dẻo của gối FPS

K Độ cứng sinh ra do khớp trượt va đập với thành hãm của bán cầu trên

khi dịch chuyển ra biên

α Hệ số điều chỉnh μ1 khi chuyển tiếp giữa tốc độ trượt tương đối thấp

sang tương đối cao

TMD Tuned Mass Damper

TLD Tuned Liquid Damper

NRB Natural rubber bearings

LRB Lead rubber bearings

HDRB High damping rubber bearings

NKV Nonlinear Kenlvin – Voigt

TCXDVN Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam

FPS Friction pendulum system

DCFP The double concave Friction Pendulum

Thuật ngữ

Công trình được cách chấn: Seismic isolated structure

Gối cách chấn đáy: Base isolator

Công trình được giảm chấn: Damped structure

Thiết bị giảm chấn: Damper

Giảm chấn thụ động: Passive control

Biến dạng dẻo của kim loại: Buckling restrained brace, stiffened shear

panelCản đàn nhớt: Viscous/visco-elastic damper

Đàn hồi tuyến tính: Linear spring

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu giải pháp giảm chấn

Để hạn chế tác động của tải trọng động đất lên công trình, từ nhiều năm qua các nhà nghiên cứu, kỹ sư xây dựng trên thế giới đã tìm kiếm và đề xuất các giải pháp giảm chấn cho công trình Mục đích của giải pháp là đảm bảo cho công trình xây dựng đủ khả năng chịu lực, không 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

u (t)g a) b)

Hình 1.1 Tác động của tải trọng động đất lên công trình

a) Kết cấu bên trên liên kết cứng với móng b) Kết cấu bên trên có biến dạng và nội lực lớn do tác động động đất

Theo quan điểm thiết kế công trình chịu động đất hiện đại, việc thiết kế một công trình xây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau:

- Đảm bảo kết cấu có khả năng chịu lực lớn trong miền đàn hồi;

- Đảm bảo cho kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng do động đất truyền vào, thông qua biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc thông qua các thiết bị hấp thu năng lượng

Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất hiện đại là tạo cho kết cấu công trình một độ bền đủ lớn và một độ dẻo thích hợp:

- Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả năng chịu lực của kết cấu

- Độ dẻo thích hợp nhằm giúp công trình có khả năng tiêu tán năng lượng và có

sự cân bằng hài hòa về mặt động lực học Bởi tác dụng rung lắc của động đất làm phát sinh chuyển vị và gia tốc trong công trình Nếu công trình có độ cứng quá lớn thì gia tốc sinh ra sẽ vô cùng lớn, gây rơi và nghiêng đổ đồ đạc bên trong nhà dẫn đến thiệt hại về mặt kinh tế Ngược lại, nếu công trình quá mềm thì chuyển vị tương đối giữa các tầng quá lớn, gây biến dạng đáng kể cho cả công trình, làm hư hại các nút liên kết của khung chịu lực, nứt tường, vênh cửa…, ngoài ra dao động của công trình cũng phát sinh đáng kể gây ảnh hưởng đến tâm lý của người sinh sống và làm việc trong tòa nhà

Như vậy, quan niệm thiết kế hiện đại đã lưu ý thêm phương diện năng lượng do động đất truyền vào công trình Việc thiết kế và tính toán sao cho kết cấu có khả năng tiêu tán phần năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp công trình làm việc hiệu quả nhất khi có động đất xảy ra

Với quan niệm trên, một số giải pháp thiết kế công trình chịu động đất được đưa

ra nhằm hấp thụ và tiêu tán đều năng lượng động đất cho toàn bộ công trình cũng như tránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại đó là giải pháp giảm chấn và cách chấn cho công trình [48]

- Giải pháp giảm chấn: trong trường hợp năng lượng dao động truyền trực tiếp

vào công trình do không được tách rời, người ta có thể gia tăng độ cản của bản thân

công trình để giải phóng năng lượng dao động này bằng cách lắp đặt các thiết bị giảm chấn vào công trình Có nhiều hình thức giảm chấn: thụ động, chủ động hay bán chủ động

Giảm chấn thụ động: đây là hình thức 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 có thể được tiêu tán nhờ cản ma sát, biến dạng dẻo của kim loại, cản đàn nhớt hoặc cản thủy lực

Giảm chấn chủ động: các thiết bị dạng này hoạt động được nhờ vào các nguồn

năng lượng từ bên ngoài (điện, khí nén…) Thông qua các cảm biến, thông tin về tải trọng, về dao động của công trình được đưa về bộ xử lý trung tâm Bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý tín hiệu và phát lệnh cho bộ phận thi hành để thực hiện việc tăng

độ cản hay phát lực điều khiển chống lại dao động, chẳng hạn như các hệ thống TMD, TLD…

- Giải pháp cách chấn: do chấn động lan truyền trong đất nền nên phương pháp

hiệu quả nhất để hạn chế tác động của động đất là tách rời hẳn công trình khỏi đất nền Tuy nhiên, do không thể tách rời hoàn toàn, người ta bố trí lớp thiết bị đặc biệt nằm bên dưới khối lượng chính của kết cấu (kết cấu bên trên) và nằm bên trên móng (kết cấu bên dưới) gọi là gối cách chấn đáy Thiết bị này có độ cứng theo phương đứng lớn nhưng độ cứng theo phương ngang thấp nên khi nền đất dao động, thiết bị có biến dạng lớn, kết cấu phía trên nhờ có quán tính lớn nên chỉ chịu một dao động nhỏ Hư hại kết cấu và thiết bị trong công trình do đó được giảm thiểu [30]

u (t) a) b)

Hình 1.2 Kết cấu bên trên được cách chấn đáy

a) Cách chấn đáy sử dụng gối đàn hồi b) Cách chấn đáy sử dụng gối dạng trượt Ngoài ra, người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn, cũng như đưa thêm khả năng chủ động vào hệ thống để tăng thêm hiệu quả giảm chấn cho công trình

Như vậy, đánh giá về tác động của động đất thì nguyên nhân chủ yếu gây ra hư hỏng hoặc sụp đổ công trình xây dựng khi động đất xảy ra là sự phản ứng của chúng đối với chuyển động của nền Chuyển động có gia tốc của nền sẽ sinh ra lực cắt đáy dưới chân công trình, do đó cách chấn đáy là một giải pháp mạnh mẽ nhất nhằm hạn chế việc truyền lực động đất vào kết cấu Hơn nữa, cơ chế hoạt động của gối cách chấn mang tính chất thụ động nên khá đơn giản, dễ dàng trong vận hành, bảo trì và

có giá thành rẻ Với lý do trên đề tài luận án “Thiết kế một số dạng gối cách chấn trong công trình chịu động đất” đã được hình thành

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu giải pháp cách chấn đáy

1.2.1 Tình hình nghiên cứu về giải pháp cách chấn đáy ngoài nước

Trong thời đại phát triển của khoa học công nghệ, kỹ thuật cách chấn đã nổi tiếng về tư duy sáng tạo và công nghệ tiên tiến vượt ra ngoài các giải pháp thông thường, cách chấn đáy là một công nghệ phù hợp Trong phần này, chúng ta sẽ nhìn vào lịch sử của giải pháp cách chấn đáy, nó được nghiên cứu như thế nào, ứng dụng

và hoạt động ra sao

1 Đối với gối đàn hồi

Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Động đất (EERC), bây giờ được gọi là Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Thái Bình Dương (PEER) của Đại học Berkeley ở California, là tổ chức đầu tiên tại Hoa Kỳ tiến hành một nghiên cứu về tính khả thi của gối cách ly bằng cao su thiên nhiên để bảo vệ các tòa nhà từ trận động đất Điều này là vào năm 1976

Một phương pháp cô lập địa chấn là sử dụng gối cách chấn đàn hồi, có cấu tạo bởi nhiều lớp cao su mỏng và xen kẹp là các lá thép để tăng độ cứng chịu nén cho gối và vẫn đảm bảo sự biến dạng cắt linh hoạt theo phương ngang (Naeim and Kelly 1999) [30] Hai loại gối đàn hồi phổ biến HDRB và LRB HDRB liên quan đến việc

sử dụng các hợp chất cao su có độ cản cao, trong khi gối LRB có một lõi chì ở trung tâm để tăng khả năng chịu nén (Naeim and Kelly 1999) [30]

Hình 1.3 HDRB chịu tải trọng cắt [49]

Hình 1.4 Gối cao su có lõi chì - LBR [29]

Về kiểm tra tốc độ lão hóa của cao su, nhiều nhà sản xuất tuyên bố tính chất cơ học của HDRB thay đổi không đáng kể theo thời gian Kojima and Fukahori (1989) [54] đã cho biết tính chất cơ học của HDRB thay đổi ít hơn 10% trong thời gian 60 năm

Có tương đối ít các mô hình phân tích HDRB theo lịch sử thời gian xảy ra động đất Có một mô hình được đề xuất bởi Pan and Yang (1996) [50], sử dụng hai phương trình với tổng cộng 11 thông số mô tả lực phục hồi và lực cản Những thông

số này được xác định từ thí nghiệm HDRB chịu tải trọng điều hòa Thực hiện tính toán lực phục hồi và đồng thời vẽ được vòng trễ từ quan hệ lực cắt và chuyển dịch, đối với lực cản thì được tính từ diện tích vòng trễ

Các mô hình toán học mô tả ứng xử của HDRB được đề xuất bởi Kikuchi and Aiken (1997) [50], một mô hình trễ đã được phân tích với mục đích dự báo chính xác phản ứng của gối cách chấn trước kích động động đất

Hwang et al (2002) [52] đã phát triển mô hình trễ của HDRB được đề xuất ban đầu bởi Pan and Yang (1996) [50], tuy nhiên các cơ sở vật lý của mô hình toán học

mô tả độ cứng và độ cản là không giải thích rõ ràng

Một số hướng dẫn chi tiết kỹ thuật (AASHTO, 2000) – thiết kế động đất với kết cấu cầu có HDRB đã được phát triển Trong các chi tiết kỹ thuật, các đặc tính phi tuyến của HDRB được thể hiện theo mô hình song tuyến tính

A.R Bhuiyan, Y Okui, H Mitamura, T Imai (2009) [53] đề xuất một mô hình lưu biến của HDRB nhằm xác định độ nhớt phi tuyến

W.H.Robinson (1982) [56] đã vẽ được vòng trễ của LRB

Nghiên cứu về hiệu quả của lõi chì trong LRB, Bong Yoo, Jae-Han Lee and Gyeong-Hoi Koo (2001) [55] đã có những kết luận rằng nếu tăng đường kính của lõi chì thì tỷ số cản của LRB sẽ tăng nhanh, kết quả thí nghiệm 3 loại gối LRB có đường kính của lõi chì khác nhau cho thấy tỷ số cản khác nhau đáng kể:

Loại LRB Đường kính lõi chì (mm) Tỷ số cản NRB (cao su tự nhiên) Không có lõi chì 4,5

Bảng 1.1 So sánh tỷ số cản của các LRB với đường kính lõi chì khác nhau

I.N Doudoumis, F Gravalas and Doudoumis (2005) [61] mô tả các thông số về

độ cứng đàn hồi cơ bản, độ cứng đàn dẻo và cường độ đặc trưng của LRB liên quan đến quan hệ lực ngang và chuyển vị theo quy luật song tuyến tính Các thông số này

có thể được dự báo với độ chính xác cao nhờ các công thức đơn giản, ngoại trừ độ cứng ban đầu là một hàm chủ yếu phụ thuộc vào các chi tiết cấu tạo và lõi chì của LRB

Ryan, Kelly and Chopra (2005) [62] quan sát thấy rằng cường độ đàn hồi của LRB phụ thuộc vào tải trọng dọc trục, chẳng hạn với tải trọng dọc trục bé thì cường

độ đàn hồi không đạt được giá trị như tính theo lý thuyết Ví dụ, Hwang and Hsu (2000) [63] nghiên cứu với một kết cấu 3 tầng được cách chấn đáy bằng LRB, thấy rằng đối với LRB chịu lực dọc lớn có tỷ số cản lớn hơn LRB chịu lực dọc nhỏ R.S Jangid (2005) [57] đã nghiên cứu phản ứng địa chấn của kết cấu nhà nhiều tầng được cách chấn bởi LRB, ứng xử của lực – chuyển vị của gối LRB được mô hình hóa song tuyến tính với cản đàn nhớt Phương trình vi phân chuyển động của kết cấu bên trên trước kích động động đất được giải bằng phương pháp Newmark Tuy nhiên các tính chất của LRB được lấy giả định

M C Constantinou, A S Whittaker, Y Kalpakidis, D M Fenz and G P Warn (2007) [29] đã nghiên cứu thực nghiệm đối với tính chất cơ học của các loại gối đàn hồi, đưa ra quy trình kỹ thuật phân tích và thiết kế gối đàn hồi Thực hiện quy trình

này là việc kiểm tra thỏa mãn các bất đẳng thức Do vậy quy trình không cho thấy được phản ứng của gối cách chấn chịu kích động động đất theo thời gian

Dinu Bratosin, Tudor Sireteanu (2002) [10], đã trình bày một mô hình phi tuyến Kenvin-Voigt với độ cứng và độ cản là hàm của chuyển vị

Dinu Bratosin (2003) [11], trình bày mô hình đàn nhớt cho ứng xử động lực học phi tuyến của vật liệu sử dụng cho cách chấn đáy

Dinu Bratosin (2004) [12], hệ gối cách chấn đàn hồi được cấu tạo từ nhiều lớp hỗn hợp, nên có đặc tính phi tuyến rõ ràng Tác giả phân tích hiệu quả của việc cách chấn kết cấu bằng cách mô hình hai bậc tự do, sử dụng mô phỏng số phi tuyến Dinu Bratosin (2005) [13], đánh giá tác động của sự thay đổi chu kỳ của kết cấu được cách chấn đáy, với đặc tính vật liệu từ các lớp cấu tạo gối đàn hồi là phi tuyến

2 Đối với gối dạng trượt đơn FPS

Một phương pháp phổ biến để cách ly địa chấn là sử dụng hệ thống con lắc FPS, một gối 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 (Naeim and Kelly 1999) [30] Thay đổi bán kính của bề mặt cong có thể điều chỉnh độ cứng và chu kỳ dao động cơ bản của hệ

Ưu điểm của việc sử dụng gối FPS để cách ly địa chấn là tạo ra được lực phục hồi, mô hình số đơn giản, độ cứng là tuyến tính trong một phạm vi di chuyển ngang vừa phải (Kim et al 2006) [58] Một ưu điểm nữa là ứng xử của gối FPS có chu trình lặp đi lặp lại, tính chất cơ học ổn định, bền, giảm được chiều cao của hệ thống gối cách chấn, tách biệt giữa lực phục hồi và lực cản, dễ kiểm soát chu kỳ dao động

cơ bản và công làm dịch chuyển bằng các thông số hình học đơn giản (Almazan and

De la Llera 2003) [59]

Anoop Mokha, Michalakis Constantinou, Associate Member, ASCE, and Andrei Reinhorn, Member, ASCE (1990) [60] đã mô tả tính chất ma sát bề mặt của một loại thép đặc biệt dùng để chế tạo gối FPS, một loạt thí nghiệm trong phòng được tiến hành để xác định ảnh hưởng của vận tốc, gia tốc, áp lực lên bề mặt và loại thép Kết quả thấy rằng gia tốc ảnh hưởng không đáng kể đến ma sát mà vận tốc và

áp lực bề mặt có ảnh hưởng quan trọng Ma sát sẽ tăng khi vận tốc tăng, nhưng vận tốc đạt đến một giá trị xa hơn thì ma sát sẽ không đổi Hơn nữa ma sát giảm xuống với áp lực ngày càng tăng với tỷ lệ giảm phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ Giá trị ma sát tĩnh lớn hơn giá trị ma sát trượt từ 2 đến 4 lần

Độ bền của thép đặc biệt có yếu tố quan trọng của gối FPS để có thể duy trì áp lực nén rất lớn trên bề mặt và có chu kỳ lặp hàng ngàn lần Các ứng xử cơ học của thép đặc biệt rất phức tạp, các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết được đề xuất bởi Mokha et al (1990) [60] and Constantinou et al.(1990) [32]

Panos C Dimizas and Vlasis K Koumousis (2005) [20] đã xác định các tham số

phi tuyến liên quan đến ứng xử trễ của gối FPS chịu kích động điều hòa theo mô hình Boun-Wen Đường lối của phương pháp xác định các tham số này được giải quyết bằng cách tối ưu hóa phi tuyến bằng thuật toán Levenberg-Marquardt

Nghiên cứu của M.C Constantinou, A.M Reinhorni, P Tsopblas and S Nagarajaiah (1999) [23] đã xác định biểu thức của lực phục hồi, biểu thức của hệ số

ma sát phụ thuộc vận tốc, phụ thuộc áp lực của khớp trượt lên bề mặt cong của gối FPS

Các biểu hiện phi tuyến được phát triển bởi Kim et al (2006) [59] với lực phục hồi là một hàm của chuyển dịch ngang

M.Rabiei (2008) [65] tiến hành kiểm tra phản ứng của kết cấu được cách ly bởi FPS chịu kích động động đất theo cả 3 phương Kết cấu bên trên được lý tưởng hóa như một tòa nhà không gian một tầng Các phương trình vi phân chuyển động được giải bằng phương pháp Newmark Tuy nhiên việc kiểm tra này không xét đến ứng

xử trễ của gối FPS

Yen-Po Wang, Lap-Loi Chung and Wei-Hsin Liao (1998) [66], đề xuất phương pháp thiết lập phương trình vi phân chuyển động thích nghi được hai cả trạng thái của FPS là tĩnh và động (trạng thái tĩnh - khi kích động ngoài không thắng được lực cản ma sát nên không xảy ra trượt, trạng thái động - khi kích động ngoài lớn hơn lực cản ma sát nên xảy ra trượt)

Almazan, J L., and De la Llera, J C (2002) [67] tập trung vào phát triển một phương trình toán học mô tả phản ứng động của kết cấu được cách ly bởi gối FPS,

đó là một mô hình lý thuyết có thể biểu diễn một cách hiệu quả sự chuyển dịch lớn

và hiệu ứng P− Δ

3 Đối với gối dạng trượt đôi DCFP

Gối cách chấn dạng trượt đôi - DCFP có cấu tạo gồm hai mặt lõm làm bằng thép không gỉ, một khớp trượt làm bằng vật liệu phi kim loại có bề mặt trên tiếp xúc với mặt lõm trên, mặt dưới tiếp xúc với mặt lõm dưới Đồng thời khớp trượt được cấu tạo gồm hai phần tiếp xúc nhau mà hai phần này có thể tự quanh quanh nhau (Daniel M Fenz and Michael C Constantinou (2006)) [43]

Một khái niệm đầu tiên đề cập đến sử dụng một gối có 2 bề mặt lõm xen kẹp một quả bóng lăn để cách ly một tòa nhà được thể hiện trên bằng sáng chế của Jules Touaillon năm 1870 ((Daniel M Fenz and Michael C Constantinou (2006)) [43]

Nhưng cho đến tận hơn 100 năm sau, Hyakuda et al (2001) [69] mô tả quan sát về

một tòa nhà ở Nhật Bản được cách ly bởi gối DCFP Đặc điểm của gối DCFP áp dụng trong công trình này là hai bề mặt lõm có cùng bán kính, nhưng đặc biệt là khớp trượt xen kẹp giữa hai mặt lõm lại không chia thành hai phần có thể tự quanh quanh nhau Rõ ràng sự tách biệt này là cần thiết

Các nghiên cứu của Hyakuda et al (2001) [69] và Tsai et al [64,70-72] mô tả

quan hệ lực ngang – chuyển dịch nhưng đã hạn chế sự trượt đồng thời trên cả hai mặt lõm

Theo Daniel M Fenz and Michael C Constantinou (2006) [43] mô tả bao quát các ứng xử của gối DCFP như sự khác nhau về bán kính của hai mặt lõm, cũng như

hệ số ma sát trên hai mặt trượt Hơn nữa còn kể đến ảnh hưởng của chiều cao khớp trượt, ma sát tại vị trí tiếp xúc giữa hai phần của khớp đến quan hệ lực ngang – chuyển dịch

M Malekzadeh; and T Taghikhany (2010) [44] thực hiện so sánh phản ứng của một kết cấu được cách ly bởi gối DCFP và trường hợp thay bằng gối FPS Theo

đó một loạt các phân tích động lực học phi tuyến được thực hiện Các công thức toán học liên quan đến phương trình vi phân phi tuyến được đề xuất để phân tích kết cấu được cách ly bởi gối DCFP

1.2.2 Tình hình nghiên cứu về giải pháp cách chấn đáy trong nước

Trong xây dựng công trình chịu động đất ở Việt Nam hiện nay chưa có công trình nào dùng gối cách chấn Riêng bệnh viện Phụ sản Trung ương do Liên xô cũ giúp Việt Nam xây dựng có sử dụng một lớp đá cuội sỏi đặt giữa bản mặt trên của móng và bản mặt dưới của đáy công trình đóng vai trò như là lớp cách chấn Từ đó đến nay tuy Hà Nội, TP HCM cũng như nhiều địa phương khác đã xây dựng nhiều công trình có quy mô lớn và tầm quan trọng đặc biệt như các Bảo tàng, Trung tâm Hội nghị Quốc gia, nhà máy lọc dầu, sân bay quốc tế vẫn nhưng chưa thấy có công trình nào dùng các thiết bị cách chấn đáy

Năm 2006, Bộ Xây dựng ban hành TCXDVN 375: 2006 – Thiết kế công trình chịu động đất, trong đó có chương 10 nêu những chỉ dẫn về thiết kế cách chấn đáy, xong việc áp dụng còn gặp nhiều khó khăn, một phần do độ phức tạp của công nghệ, thiết bị, một phần do người thiết kế chưa có điều kiện tìm hiểu sâu và chưa hoàn toàn tin tưởng vào tính khả thi của việc áp dụng

Trong thời gian qua, có một số tác giả trong nước nghiên cứu về cách chấn đáy như Đoàn Tuyết Ngọc, Nguyễn Thanh Tùng (1999) [3] đề cập đến các thiết bị cách

ly động đất và đưa ra một số khảo sát số minh họa về hiệu quả của cách chấn đáy Nguyễn Xuân Thành (2006) [4] nghiên cứu hiệu quả của đệm giảm chấn trong chế ngự dao động nhà cao tầng chịu tải trọng động đất Tác giả đã xét đến bài toán phi tuyến khi mô hình hóa thiết bị trong nghiên cứu của mình

Trần Tuấn Long (2007) [5] nghiên cứu dao động riêng của kết cấu khung nhà nhiều tầng có thiết bị cách chấn đáy HDRB, việc thiết kế HDRB thực hiện theo một quy trình kiểm tra kỹ thuật

Lê Xuân Huỳnh, Nguyễn Hữu Bình (2008) [1] nghiên cứu giải pháp cách chấn đáy với gối đàn hồi và gối FPS, chỉ ra quy trình kỹ thuật và tính tải trọng động đất lên kết cấu có cách chấn đáy theo TCXDVN 375: 2006 Tuy nhiên việc thực hiện thiết kế theo quy trình này mang tính chất kiểm tra, không cho biết ứng xử của hệ cách chấn trong thời gian xảy ra động đất

1 Quy trình thiết kế gối cách chấn đáy dạng gối đỡ đàn hồi – HDRB [1]

(i) Điều kiện đất nền

(ii) Chọn biến dạng cắt thiết kế γmax, tỷ số cản hữu hiệu βeff cho HDRB và chỉ tiêu chu kỳ hữu hiệu T D theo phương ngang cho kết cấu cách chấn

(iii) Độ cứng ngang hữu hiệu k eff được xác định từ T D

(iv) Lựa chọn những đặc tính vật liệu, bao gồm môđun đàn hồi E và mô đun đàn hồi trượt G từ báo cáo đặc tính sản phẩn của nhà sản xuất

(v) Tính toán chiều dày tổng cộng của cao su t r theo chuyển vị thiết kế D và biến dạng cắt thiết kế γmax:

max

r

D t

c

h r

k Độ cứng theo phương ngang của HDRB,

G Mô đun đàn hồi trượt, trong khoảng 0,4 đến 1,0Mpa,

E Mô đun đàn hồi, khoảng 1,5 đến 5,0 Mpa,

t Tổng chiều cao của các lớp cao su,

n Hệ số điều chỉnh, trong khoảng từ 1 đến 0,5,

H Hệ số hình dạng,

H =A A/ (1.4)

Trong phương trình (1.2) tỷ số độ cứng k v/k h yêu cầu phải lớn hơn 400 khi H > 10,

từ hiệu ứng P− Δ đã được bỏ qua trong tính toán độ cứng ngang K h Những hằng

số vật liệu G, E và n có thể liên quan đến độ cứng của cao su, tương tự như trong

bảng 1.2 Nếu không có cơ sở dữ liệu, thì G và E được xác định bằng thí nghiệm

Bảng 1.2 Quan hệ giữa độ cứng của cao su và hằng số vật liệu

b Xác định diện tích mặt cắt ngang hiệu quả A0 của gối cách chấn dựa vào ứng suất

P

A

σ = + ≤ = (1.5)

c Xác định diện tích mặt cắt ngang hiệu quả A1 của gối cách chấn từ điều kiện biến dạng cắt do tải trọng thẳng đứng P DL LL+ gây ra:

E A

ε

+ = ≤ (1.6) trong đó εb là độ giãn dài của cao su phá hoại

d Xác định diện tích mặt cắt ngang bé nhất khi phá hoại do cắt của gối cách chấn:

.

eff r sf

k t A

1 2cos s

Δ chuyển vị ngang của HDRB

e Diện tích mặt cắt ngang thiết kế của HDRB -A là giá trị lớn nhất trong 3 giá trị tính toán A0,A1,A2

f Chọn kích thước hợp lý cho các lớp cao su dựa vào diện tích thiết kế A

sΔ

β

Are

Hình 1.6 Diện tích mặt cắt ngang bị biến đổi của HDRB hình trụ tròn

(vii) Chọn chiều dày từng lớp t và số lớp cao su N :

a Sử dụng hệ số hình dạng H và những kích thước của lớp cao su để xác định bề dày của các lớp cao su riêng lẻ t:

2

L B H

L B t

= + đối với HDRB dạng hộp chữ nhật (1.11)

2 / 4 4

H

dt t

ππ

= = đối với HDRB dạng trụ tròn (1.12)

t chiều dày của những lớp cao su riêng lẻ

b Sử dụng t r =N t. để xác định số lớp cao su yêu cầu, N

(viii) Chiều dày tấm thép t s:

2

1

,

i i

t t+ bề dày lớp cao su trên và dưới của tấm thép,

F giới hạn chảy của tấm thép (=2,74,4 MN/m2),

A diện tích mặt cắt ngang biến đổi do chuyển vị ngang

(ix) Kiểm tra điều kiện biến dạng cắt và ổn định

Tất cả các tham số được xác định cho HDRB cần phải được kiểm tra biến dạng cắt và điều kiện ổn định ở phần dưới Nếu những yêu cầu này không thể thỏa mãn, lặp lại bước 2 đến bước 8, lặp đúng dần

a Những lớp cao su được chọn cần phải thỏa mãn biến dạng cắt yêu cầu dưới tác dụng tải trọng thẳng đứng P DL LL+

π

σ = - HDRB hình trụ tròn, (1.19)

6.

cr

r

G H L t

6

DL LL sc

c re

P H

E A

γ = + , (1.22)

eq

D t

γ = , (1.23)

γ biến dạng khi bị xoay,

θ góc xoay của HDRB gây ra bởi động đất,

Hình 1.7 HDRB khi bị trượt nghiêng

Để tránh lật xoay khỏi vị trí của HDRB, chuyển vị của nó dưới tác dụng của tải trọng động đất phải thỏa mãn điều kiện sau đây:

e

.

DL LL EQ roll out

Phương trình (1.25) có thể rút ra từ hai phương trình được thiết lập HDRB ở vị trí biến dạng, từ hình 1.7: