Ảnh hưởng việc mô hình hóa gối cao su đến kết quả tính toán của công trình cách chấn khi chịu động đất

Theo quan điểm thiết kế công trình chịu động đất hiện đại, việc thiết kế một công trìnhxây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau: + Đảm bảo kết cấu có khả năng chịu l

LỜI CAM ĐOAN

Em, Dương Xuân Hào

Sinh ngày: 29/11/1993, CMND số: 125496095, cấp ngày: 08/04/2009, tại Bắc NinhQuê quán: Tiên Sơn – Việt Yên – Bắc Giang

Nơi ở hiện tại: số 205 Vương Thừa Vũ – Thanh Xuân – Hà Nội

Công tác tại Công ty Cổ phần tư vấn và thiết kế xây dựng ACE

Xin cam đoan luận văn tốt nghiệp cao học “Ảnh hưởng việc mô hình hóa gối cao suđến kết quả tính toán của công trình cách chấn khi chịu động đất” là do cá nhân emthực hiện, mọi tham khảo đều dùng trong các bài giảng của thầy giáo và các tài liệucông khai Các số liệu, kết quả trong luận văn hoàn toàn trung thực

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực của luận văn này

Hà Nội, tháng 2 /2018

Tác giả luận văn

Dương Xuân Hào

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 3

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

4 Kết quả dự kiến đạt được 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÁCH CHẤN ĐÁY 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Các phương pháp giảm chấn 5

1.2.1 Phương pháp giảm chấn thụ động 5

1.2.2 Phương pháp giảm chấn chủ động 17

1.2.3 Phương pháp giảm chấn bán chủ động 20

1.3 Gối cách chấn bảo vệ công trình 22

1.3.1 Nguyên lý và hiệu quả của gối cách chấn 22

1.3.2 Các loại gối cách chấn 23

1.4 Sự phát triển của phương pháp sử dụng gối cách chấn để bảo vệ công trình trên thế giới 26

1.4.1 Đối với gối đàn hồi 26

1.4.2 Đối với dạng trượt đơn FPS 28

1.4.3 Đối với dạng trượt đôi DCFP 30

1.5 Gối cách chấn ở Việt Nam 31

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC MÔ HÌNH HÓA GỐI CAO SU TRONG CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 33

2.1 Nguyên lý làm việc và mô hình ứng sử của cách chấn đấy trong công trình chịu động đất 33

2.2 Thiết lập mô hình tính toán của cách chấn đáy theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012

và tiêu chuẩn JRA 2004, AASHTO 2010 33

2.2.1 Thiết lập mô hình tính toán của cách chấn đáy theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 33

2.2.2 Thiết lập mô hình tính toán của cách chấn đáy theo tiêu chuẩn JRA 2004, AASHTO 2010 .43

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HỆ CÁCH CHẤN ĐÁY 53

KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT 53

3.1 Ví dụ áp dụng 53

3.1.1 Giới thiệu công trình 53

3.1.2 Giới thiệu phần mềm ứng dụng tính toán SAP 2000 v14 53

3.1.3 Lập mô hình tính toán 54

3.1.4 Khai báo tải trọng động đất tác dụng lên công trình thông qua phần mềm SAP 55

3.1.5 Tiêu chí chọn gối cao su 58

3.1.6 Khai báo tính chất của gối cao su thông qua phần mềm SAP 59

3.2 Phân tích kết cấu công trình không cách chấn đáy 61

3.2.1 Kết quả chuyển vị từ mô hình phân tích 61

3.2.2 Kết quả gia tốc từ mô hình phân tích 62

3.3.3 Tải trọng chân cột từ mô hình phân tích 63

3.3 Phân tích kết cấu công trình sử dụng hệ cách chấn đáy 64

3.3.1 Kết quả chuyển vị từ mô hình phân tích 64

3.3.2 Kết quả gia tốc từ mô hình phân tích 64

3.3.3 Tải trọng chân cột từ mô hình phân tích 65

3.4 Nhận xét và đánh giá 66

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tác động của tải trọng động đất lên công trình 4

Hình 1.2 Nguyên lý cách chấn đáy công trình 6

Hình 1.3 Các loại thiết bị cách chấn đáy:(a) Gối đỡ đàn hồi;(b) Gối đỡ đàn hồi có lõi chì(LRB);(c) Gối đỡ dạng con lắc ma sát (FPS) 9

Hình 1.4 (a) Thiết bị cản nhớt; (b) Thiết bị cản ma sát 9

Hình 1.5 Thiết bị cản đàn nhớt trong khung thép 10

Hình 1.6 Mô hình cấu tạo hệ công trình một bậc tự do có gắn thiết bị TMD 11

Hình 1.7 Thiết bị TMD ở tòa nhà Taipei 101 12

Hình 1.8 Thiết bị giảm chấn khối lượng dự chỉnh của tòa nhà Fukuoka Tower, Fukuoka, Nhật Bản 12

Hình 1.9 Tháp điều khiển ở sân bay quốc gia Washington 13

Hình 1.10 Giảm chấn thụ động dao động dạng TLD 14

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống giảm chấn dao động dạng bộ giảm chấn va chạm .15

Hình 1.12 AMD trong tòa nhà Applause Tower , Osaka, Nhật Bản 18

Hình 1.13 Tòa nhà Kyobashi Seiwa sử dụng giảm chấn dao động chủ động 19

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý của AMD-TMD 19

Hình 1.15 Tòa nhà Shinsuk Park Tower sử dụng giảm chế dao động “lai” 20

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống giảm chấn dao động dạng bán chủ dộng 21

Hình 1.17 Các dạng thiết bị bán chủ động: 21

Hình 1.18 Thiết bị giảm chấn bán chủ động thực tế 21

Hình 1.19 Giảm chấn dao động bán chủ động tòa nhà Kajima Shizuoka 22

Hình 1.20 Cách chấn đáy trong bảo vệ công trình chịu động đất 23

a) Kết cấu thông thường, b) Kết cấu có cách chấn đáy 23

Hình 1.21 Hệ cách chấn từ vật liệu đàn hồi 24

Hình 1.22 Hệ cách chấn với lõi chì (LRB) 25

Hình 1.23 Hệ thống con lắc trượt ma sát 25

Hình 2.1 Lý tưởng hóa hệ thống trụ cầu cô lập địa chấn 44

Hình 2.2 Chu kỳ kết cấu kiểu 1 và 2 như 1 hàm của k2/k1(m1= 70 kN-s2/m, m2= 274kN-s2/m, and k1=26400 kN/m) 45

Hình 2.3 Phổ gia tốc tiêu chuẩn cho dịch chuyển động đất loại II của nền loại 2, cấp 2

(JRA, 2002) .46

Hình 2.4 Sơ đồ thiết kế cô lập địa chấn (JRA,2002) 48

Hình 2.5 Mối quan hệ song tuyến tính của lực cắt và chuyển vị đệm cô lập 49

Hình 3.1 Mô hình tính toán không sử dụng cách chấn đáy 54

Hình 3.2 Mô hình tính toán sử dụng hệ cách chấn đáy 55

Hình 3.3 Giản đồ giá trị (lấy ví dụ động đất CENTRO tương ứng với động đất cấp VIII và IX theo TCVN 9386:2012) 57

Hình 3.4 Định nghĩa trường hợp phân tích 57

Hình 3.5 Mặt cắt ngang của gối cao su 58

Hình 3.6 Khai báo đặc tính gối cao su 59

Hình 3.7 Khai báo hệ số theo phương thẳng đứng U1 của gối cao su 59

Hình 3.8 Khai báo hệ số theo phương thẳng ngang U2 của gối cao su 60

Hình 3.9 Khai báo hệ số theo phương thẳng ngang U3 của gối cao su 61

Hình 3.10 Mặt bằng Point tầng 12 (Z =39.6m) 61

Hình 3.11 Chuyển vị theo phương Y tại điểm 10192 (Z =39.6m) 62

Hình 3.12 Gia tốc theo phương Y tại điểm 10192 (Z =39.6m) 62

Hình 3.13 Chuyển vị theo phương Y tại điểm 10192 (Z =39.6m) 64

Hình 3.14 Gia tốc theo phương Y tại điểm 10192 (Z =39.6m) 64

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Cơ cấu cản trong TMD (trong 11 công trình ở Nhật Bản) 13Bảng 1.2 So sánh tỷ số cản của các LRB với đường kính lõi chì khác nhau 27

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Để hạn chế tác động của tải trọng động đất lên công trình, từ nhiều năm qua các nhànghiên cứu, kỹ sư xây dựng trên thế giới đã tìm kiếm và đề xuất các giải pháp giảmchấn cho công trình Mục đích của giải pháp là đảm bảo cho công trình xây dựng đủkhả năng chịu lực, không hư hại về kết cấu cũng như hư hỏng về thiết bị, đồ đạc sửdụng trong công trình, tồn tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động đất

Theo quan điểm thiết kế công trình chịu động đất hiện đại, việc thiết kế một công trìnhxây 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, thôngqua biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc thông qua các thiết bị hấp thụ nănglượng

Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đấthiện 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 cânbằng hài hòa về mặt động lực học Bởi tác dụng rung lắc của động đất làm phát sinhchuyển vị và gia tốc trong công trình Nếu công trình có độ cứng quá lớn thì gia tốcsinh ra sẽ vô cùng lớn, gây rơi và nghiêng đổ đồ đạc bên trong nhà dẫn đến thiệt hại vềmặt kinh tế Ngược lại, nếu công trình quá mềm thì chuyển vị tương đối giữa các tầngquá lớn, gây biến dạng đáng kể cho cả công trình, làm hư hại các nút liên kết củakhung chịu lực, nứt tường, vênh cửa…, ngoài ra dao động của công trình cũng phátsinh 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 độngđất 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 việchiệu 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 ranhằm hấp thụ và tiêu tán đều năng lượng động đất cho toàn bộ công trình cũng nhưtránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại đó là giải pháp giảm chấn và cáchchấn cho công trình.

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 côngtrình để giải phóng năng lượng dao động này bằng cách lắp đặt các thiết bị giảm chấnvào 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 thâncông trình Năng lượng có thể được tiêu tán nhờ cản ma sát, biến dạng dẻo của kimlọai, cản 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 vềtải trọng, về dao động của công trình được đưa về bộ xử lý trung tâm Bộ điềukhiển trung tâm sẽ xử lý tín hiệu và phát lệnh cho bộ phận thi hành để thực hiệnviệc tang độ cản hay phát lực điều khiển chống lại dao động, chẳng hạn như các hệthống 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 Tuynhiên, do không thể tách rời hoàn toàn, người ta bố trí lớp thiết bị đặc biệt nằm bêndưới khối lượng chính của kết cấu (kết cấu bên trên) và nằm bên trên móng (kết cấubên dưới) gọi là gối cách chấn đáy Thiết bị này có độ cứng theo phương đứng lớnnhưng độ cứng theo phương ngang thấp nên khi nền đất dao động, thiết bị có biếndạng lớn, kết cấu phía trên nhờ có quán tính lớn nên chỉ chịu một dao động nhỏ Hưhại kết cấu và thiết bị trong công trình do đó được giảm thiểu

Ngoài ra, người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn, cũngnhư đưa thêm khả năng chủ động vào hệ thống để tăng thêm hiệu quả giảm chấn chocông trình

Như vậy, đánh giá về tác động của động đất thì nguyên nhân chủ yếu gây ra hư hỏnghoặc sụp đổ công trình xây dựng khi động đất xảy ra là sự phản ứng của chúng đối vớichuyển động của nền Chuyển động có gia tốc của nền sẽ sinh ra lực cắt đáy dưới châncông trình, do đó cách chấn đáy là một giải pháp mạnh mẽ nhất nhằm hạn chế việctruyền lực động đất vào kết cấu Hơn nữa, cơ chế hoạt động của gối cách chấn mangtính 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 “Ảnh hưởng việc mô hình hóa gối cao su đến kết quả tính toán của công trình cách chấn khi chịu động đất.” đã được hình thành.

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết tính toán

Dùng các phương pháp tính toán để so sánh kết quả

Từ đó rút ra kết luận và kiến nghị

4 Kết quả dự kiến đạt được

Đánh giá được hiệu quả của công trình sử dụng cách chấn đáy khi chịu động đất vàảnh hưởng của việc mô hình hóa gối cao su theo các tiêu chuẩn khác nhau

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÁCH CHẤN ĐÁY

1.1 Giới thiệu chung

Để hạn chế tác động của tải trọng động đất lên công trình, từ nhiều năm qua các nhànghiên cứu, kỹ sư xây dựng trên thế giới đã tìm kiếm và đề xuất các giải pháp giảmchấn cho công trình Mục đích của giải pháp là đảm bảo cho công trình xây dựng đủkhả năng chịu lực, không hư hại về kết cấu cũng như hư hỏng về thiết bị đồ đạc sửdụng trong công trình, tồn tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động đất

Hình 1.1 Tác động của tải trọng động đất lên công trìnha) 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 trìnhxây 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,thôngqua biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc thông qua các thiết bị hấp thụ nănglượng

Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đấthiện 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 cânbằng hài hòa về mặt động lực học Bởi tác dụng rung lắc của động đất làm phát sinhchuyển vị và gia tốc trong công trình Nếu công trình có độ cứng quá lớn thì gia tốcsinh ra sẽ vô cùng lớn, gây rơi và nghiêng đổ đồ đạc bên trong nhà dẫn đến thiệt hại vềmặt kinh tế Ngược lại, nếu công trình quá mềm thì chuyển vị tương đối giữa các tầngquá lớn, gây biến dạng đáng kể cho cả công trình, làm hư hại các nút liên kết củakhung chịu lực, nứt tường, vênh cửa…, ngoài ra dao động của công trình cũng phátsinh 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 độngđất truyền vào công trình Việc thiết kế và tính toán sao cho kết cấu có khả năng tiêután phần năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp công trình làm việchiệu 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 ranhằm hấp thụ và tiêu tán đều năng lượng động đất cho toàn bộ công trình cũng nhưtránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại đó là giải pháp giảm chấn và cáchchấn cho công trình

1.2 Các phương pháp giảm chấn

Trong trường hợp năng lượng dao động truyền trực tiếp vào công trình do không đượctách rời, người ta có thể gia tăng độ cản của bản thân công trình để giải phóng nănglượng dao động này bằng cách lắp đặt các thiết bị giảm chấn vào công trình Có nhiềuhình thức giảm chấn: thụ động, chủ động hay bán chủ động

1.2.1 Phương pháp giảm chấn thụ động

Đây là hình thức giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của các thiết bị giảmchấn được lấy từ chính năng lượng dao động của bản thân công trình Năng lượng cóthể được tiêu tán nhờ cản ma sát, biến dạng dẻo của kim lọai, cản nhớt hoặc cản thủylực

Phương pháp giảm chấn thụ động sử dụng các thiết bị giảm chấn thụ động được đặt ởchân công trình (tại chân các cấu kiện chịu lực theo phương đứng) được gọi là phươngpháp cách chấn đáy Sự cách ly kết cấu nhằm tách rời hoặc hạn chế việc truyền lực

động đất vào kết cấu Các thiết bị này cũng hấp thụ một phần năng lượng của các trậnđộng đất để giảm thiểu phần năng lượng tác dụng vào kết cấu, do đó, kết cấu không bị

hư hỏng sau các trận động đất mạnh Trong quá trình hoạt động, nếu cần thiết, có thểthay thế các bộ phận hấp thụ năng lượng một cách dễ dàng Phương pháp cách chấnđáy được phất từ sớm và hiện đang được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới.Một hệ thống cách chấn đáy điển hình thường được đặt ở móng của kết cấu, nănglượng của trận động đất sẽ được hấp thụ phần lớn thông qua sự mềm dẻo và khả nănghấp thụ năng lượng của hệ thống trước khi nó được truyền tới kết cấu, dẫn đến việckhả năng chịu lực của kết cấu sẽ được tăng lên nguyên lý của phương pháp cách chấnđáy được thể hiện như sau:

Hình 1.2 Nguyên lý cách chấn đáy công trình

Hệ thống cách chấn đáy đầu tiên được nghiên cứu và sử dụng là hệ thống gối đỡ bằngsao su thiên nhiên có độ cản thấp (trạm điện 230kV ở miền nam California năm 1976,cầu Pelham tại Anh năm 1956).Các nghiên cứu thực nghiệm sau đó đã thêm các cấukiện vào hệ gối cao su đàn hồi như các lõi chì, hoặc sử dụng kết hợp với thiết bị cảnứng dụng chảy dẻo của thép hoặc thiết bị cản ứng dụng ma sát Các cấu kiện, thiết bịnày đóng vai trò tiêu tán năng lượng trong hệ Công trình đầu tiên được ứng dụng hệgối đỡ cao su có lõi chì là cầu Siera Point gần San Francisco Một thiết bị giảm chấndao động thụ động khác làm từ cao su có độ cản cao(High Damping Bearing –HDB)

được Hiệp hội Nghiên cứu sản xuất Cao su Malaisia (MRPRA) phát triển năm 1986.Nguyên lý giảm chấn của thiết bị dựa trên nhận xét rằng sự tăng độ cản trong toàn bộ

hệ thống các chấn đáy có thể được tự sinh ra bởi chính cao su có độ giảm chấn cao.Chương trình tính toán bằng máy tính đầu tiên dùng để phân tích kết cấu có sử dụng hệcách chấn đáy được trường đại học Buffalo phát triển vào năm 1991 Tại đây cũng đãtiến hành nghiên cứu việc kết hợp các hệ thống cách chấn đáy và cách ly rung động,

hệ thống này được gọi là hệ cản nhớt- lò xo Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số cảngiảm mạnh khi tần số tăng, tính chất quan trọng này cho phép hệ thống đóng vai tròvừa là cách chấn đáy (tần số thấp nên độ cản cao) và như là một hệ cách ly rung động(tần số cao nên độ cản thấp ) Hiện nay, theo tìm hiểu của nhóm nghiên cứu đề tài, cácchương trình có khả năng phân tích kết cấu sử dụng cách chấn đáy gồm có: 3D-BASIS, ETABS, ANSYS, SAP và ABAQUS

1.2.1.1 Một số phương pháp giảm chấn thụ động khác

Rất nhiều tiến bộ đã đạt được trong việc nghiên cứu và phát triển các phương phápgiảm chấn dao động thụ động khác cho các kết cấu xây dựng Cũng tương tự như kỹthuật cách chấn đáy, vai trò cơ bản của các thiết bị giảm chấn thụ động khi chúng tađược gắn vào kết cấu là hấp thụ hoặc tiêu tán năng lượng tác dụng vào, do đó sẽ làmgiảm lượng năng lượng phân bố vào các cấu kiện chịu lực chính của kết cấu, dẫn tớiviệc giảm thiểu các hư hại của kết cấu Tuy nhiên, khác với các thiết bị cách chấn đáy,các thiết bị này còn có tác dụng chống lại các tác động gió không kém gì so với tácđộng của động đất

Một số thiết bị giảm chấn dao động dạng thụ động đã được nghiên cứu bao gồm: cácthiết bị cản kim loại (Metallic Dampers-MD),các thiết bị cản ma sát (FrictionDampers-FD), thiết bị cản nhớt (Viscous Dampers-VD), thiết bị cản khối lượng dựchỉnh (Tuned Mass Dampers-TMD), thiết bị cản chất lỏng dự chỉnh (Tuned LiquidDampers-TLD)

Thiết bị cản ma sát FD dùng cho việc giảm chuyển động động đất trong công trình xâydựng được phát triển đầu tiên bởi Keigtley(1977-1979) Thiết bị này bao gồm các tấm

thép được liên kết với nhau bằng bu lông và các vòng đệm, các bề mặt được bôi trơnbằng dầu nhờn để chống kẹt rỉ Các nghiên cứu của Keigtley đã đặt ra nhiều câu hỏi và

gợi ý cho các nghiên cứu sau này, những câu hỏi được đặt ra về sự rão của hệ thống,

sự ổn định dài hạn của chất bôi trơn và sự ăn mòn của bề mặt trượt của thép có thể làmthiết bị mất tác dụng Một số các thiết bị FD khác cũng đã được phát triển bởiGrigorian(1993), Constantinou(1991), Nims(1993)

Hệ thống thiết bị con lắc ma sát (Friction Pendulum Systems-FPS) lại cho phép kếtcấu bên trên có thể trở lại vị trí ban đầu thông qua các mặt trượt có dạng một phần củamặt cầu Hệ FPS cho phép kết cấu cách ly dao động với nguyên lý tương tự như tronghiện tượng viên bi trờn đặt trên vành cứng hình bán nguyệt, khi tác dụng một lực làmvành cứng dao động ra khởi vị trí cân bằng thì viên bi sẽ di chuyển và có xu hướnglàm vành cứng nhanh chóng trở lại vị trí cân bằng ban đầu Lúc đầu người ta chỉ vậndụng nhưng phản ứng của con lắc trong tự nhiên Khi tác dụng một lực làm di chuyểnđiểm treo của con lắc thì con lắc cũng sẽ dao động và khi lực làm dịch chuyển vị trícủa điểm treo Cũng tương tự là hiện tượng viên bi tròn đặt trên nền cứng hình bánnguyệt, khi tác dụng một lực làm vành kính dao động ra khỏi vị trí cân bằng thì viên bi

sẽ di chuyển và có xu hướng làm vành cứng nhanh chóng trở lại vị trí cân bằng banđầu Tương tự, hiện tượng vật nặng cũng sẽ dao động và gây ra một lực trong các lò

xo, lực này được truyền vào nền và có hướng chống lại chuyển vị của nền Dưới đây làmột số thiết bị cách chấn đáy:

Hình 1.3 Các loại thiết bị cách chấn đáy: (a) Gối đỡ đàn hồi; (b) Gối đỡ đàn hồi có lõi

chì (LRB); (c) Gối đỡ dạng con lắc ma sát (FPS)Các vật liệu nhớt cũng được nghiên cứu sử dụng để làm các thiết bị giảm chấn Cácthiết bị giảm chấn loại này thông thường không góp vào độ cứng của công trình nhưng

nó sẽ tăng độ cản cho công trình, nó làm thay đổi ma trận cản C trong phương trìnhchuyển động dao động của kết cấu Do đó, phản ứng dao động của kết cấu sẽ tắt nhanhhơn Vật liệu nhớt thường được sử dụng là dầu nhớt vì tính ổn định theo chu trình cao

Hình 1.4 (a) Thiết bị cản nhớt; (b) Thiết bị cản ma sát

Vật liệu cản nhớt (acrylic polymers) đầu tiên được ứng dụng cho cản trên bề mặt kếtcấu Các thiết bị này được làm bởi các lớp vật liệu đàn nhớt được phát triển bởi công

ty 3M và được sử dụng để giảm chấn dao động do gió gây ra Gần đây, các thiết bị này

được nghiên cứu để ứng dụng phân tán năng lượng động đất Các thiết bị cản đàn nhớtphụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ, môi trường, tần số và biên độ dao động Đặc biệt, sựphụ thuộc vào nhiệt độ là một yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế cũng như cầnđược mô hình hóa rõ ràng trong việc phân tích động của hệ kết cấu sử dụng thiết bịcản đàn nhớt Kasai (1993) đã đề xuất một công thức vi phân với ảnh hưởng của nhiệt

độ cho thiết bị của 3M Một nghiên cứu khác về thiết bị này cũng đã được thực hiệnbởi Lorant Group tại Arizonava Hsu (1992)

Hình 1.5 Thiết bị cản đàn nhớt trong khung thépMột loại các thiết bị cản kim loại dùng trong hệ thống cách chấn đáy được thí nghiệmtại Đại học Berkeley vào cuối những năm 1970 Những năm gần đây, các thiết bị này

đã được thay đổi để ứng dụng cho việc phân tán năng lượng Thiết bị tăng độ cứng vàcản ( Added Damping anh Stiffness-ADAS) gồm các tấm thép có hình chữ X đã đượcthử nghiệm như là thiết bị phân tán năng lượng trong công trình (Bergman1987,Whittaker 1989) Một số thiết bị cản ứng dụng thềm chảy của kim loại được làm

từ các vật liệu khác như hợp kim Nitinol (Niken và Titan) và Cu-Zn-Al ( nhôm) đã được thí nghiệm và cho phép phân tán năng lượng khi chưa cần đạt đếnthềm chảy

đồng-kẽm-Khái niệm về thiết bị TMD được đề cập đến lần đầu tiên vào năm 1909 để giảm cácchuyển động xoay tròn của con tàu cũng như làm giảm độ rung lắc của tàu thủy Sau

đó, đến năm 1928 có những nghiên cứu chi tiết về thiết bị TMD với đề xuất điều chỉnh

tối ưu các thông số cản Lý thuyết ban đầu chỉ ứng dụng cho hệ một bậc tự do daođộng không có cản dưới tác dụng của một tuần hoàn dạng hình sin Sau đó, lý thuyết

đã được phát triển cho hệ một bậc tự do có cản Những nghiên cứu tiêu biểu đã đượcthực hiện bởi Randall (1981), Warbuton (1980,1981,1982), và Tsai và Lee (1993).Một thiết bị TMD điển hình gồm một khối lượng quán tính được gắn vào công trình tại

vị trí có chuyển vị lớn nhất (thông thường là ở gần đỉnh công trình) thông qua một lò

xo đàn hồi và một cơ cấu cản (thông thường là các pít-tông giảm chấn nhớt hoặc đànnhớt) Khối lượng hiệu quả của TMD phụ thuộc vào khối lượng của công trình, độcứng và độ giảm chấn của cơ cấu liên kết và được tính toán sao cho chu kỳ dao độngcủa TMD tương đơng với chu kỳ dao động của công trình Khi công trình dao động sẽgây ra chuyển vị tại các điểm liên kết giữa công trình và khối lượng của TMD, khốilượng này sẽ dao động lệch pha với dao động của công trình và tạo ra lực cản lại daođộng do tác nhân gây ra đối với công trình

Hình 1.6 Mô hình cấu tạo hệ công trình một bậc tự do có gắn thiết bị TMD Những nghiên cứu gần đây đã cho thấy hiệu quả của thiết bị TMD trong việc chế ngự phản ứng của động đất Năm 1983 đã có nghiên cứu ảnh hưởng của TMD cho cả hai trường hợp tuyến tính và phi tuyến Villaverde(1998) đã nghiên cứu khả năng va hiệu quả khi kết cấu được đặt thiết bị TMD ở trên đỉnh Kết quả nghiên cứu cho thấy thiết

bị TMD gấn trên đỉnh kết cấu đã giảm được tới 84% năng lượng động đất tác dụng vàokết cấu, điều này cũng có nghĩa là việc giảm năng lượng động đất đáng kể chỉ có thể xảy ra khi đặt thiết bị TMD ở trên đỉnh của kết cấu

Ứng dụng điển hình của TMD có thể kể đến là tòa nhà Taipei 101 cao nhất thế giới vớichiều cao 508m, 101 tầng có 50 thang máy Tòa nhà này có hệ thống TMD với quảcầu bằng sắt với đường kính 5,5m nặng 660 tấn, được đặt ở độ cao 382m(tầng 89).Tòa nhà có thể chịu được gió mạnh với 60m/s Cũng thể hiện một ứng dụng của thiết

bị giảm chấn dao động dạng TMD cho một công trình cao tầng ở Nhật Bản

Hình 1.7 Thiết bị TMD ở tòa nhà Taipei 101

Hình 1.8 Thiết bị giảm chấn khối lượng dự chỉnh của tòa nhà Fukuoka Tower,

Fukuoka, Nhật BảnTheo Kareem và Kline (1995), hiệu quả giảm chấn dao động càng tăng lên nếu sửdụng nhiều TMD được bố trí song song phù hơp với sự phân bố tần số dao động riêngcủa kết cấu Với cùng một khối lượng tổng cộng, một hệ nhiều TMD nhỏ sẽ làm tăng

độ giảm chấn tương đương cho công trình Theo Tamura (1997), ở Nhật Bản, đã cónhiều thiết bị TMD được sử dụng, trong đó cơ cấu dùng để liên kết khối lượng quán

tính với công trình thường là các pít-tông dầu (một số ít hơn sử dụng bộ giảm chấn nhớt hoặc đàn nhớt, xem bảng 1.1 hoặc Kitamura và các cộng sự 1995).

Bảng 1.1 Cơ cấu cản trong TMD (trong 11 công trình ở Nhật Bản)

Khối lượng quán tính trong thiết bị TMD đôi khi còn được gọi khối lượng thứ cấp.Khối lượng này thông thường chỉ chiếm tỷ lệ khoảng 0,2% đến 3% tổng khối lượngcủa công trình Tuy nhiên, một số công trình thực tế lại sử dụng luôn khối lượng của

bể nước hoặc các thiết bị đun trên mái làm khối lượng thứ cấp, ví dụ như công trìnhRokko-Island P&G Building ở kobe, Crystal Tower ở osaka(Nagase và Hisatoku1992), hoặc Sea Hawk hotel & Resort ở Fukuoka ( Nagase 1998)

Các thiết bị TLD cũng có nguyên lý làm việc như thiết bị TMD, tuy nhiên khối lượngđược thay bằng chất lỏng Các thiết bị TLD dạng này được chia làm 2 loại:(a)các bộgiảm chấn do va chạm chất lỏng được dự chỉnh ( Tuned Sloshing Damper-TSD), và(b) các bộ giảm chấn dạng cột chất lỏng được dự chỉnh (Tuned Liquid ColumnDamper-TLCD) Trong hai loại này, chuyển động của chất lỏng sẽ phân tán nănglượng khi kết cấu chịu tải trọng động và do đó làm tăng độ giảm chấn của kết cấu Cóthể tham khảo những ứng dụng đầu tiên của TLD vào những năm 1980 trong Modi vàWelt(1987), Tamura và các cộng sự (1988) Gần đây, các thiết bị TLD đã được ứngdụng rộng rãi (Tamura 1992, Isyumov 1993, Wakahara 1994) Giảm chấn dao động sửdụng các thiết bị TLD được minh họa trong hình

Hình 1.10 Giảm chấn thụ động dao động dạng TLD

Các TSD rất dễ áp dụng, hiện đang được đề xuất sử dụng trong các bể chứa nước trongcác tòa nhà bằng việc cấu tạo các phần bên trong bể thành nhiều bộ giảm chấn màkhông làm ảnh hưởng nhiều đến công năng của các bể chứa nước này Các thiết bị nàycùng với cũng có thể xem như các TMD với các khối lượng quán tính bé (nếu có) cóthể làm giảm phản ứng gia tốc công trình xuống còn một nửa hoặc một phần ba phảnứng ban đầu tùy theo lượng nước mà bể đang chứa (Tamura và các cộng sự 1995).Ngoài ra, các yêu cầu về bảo dưỡng thấp càng làm cho việc ứng dụng TSD càng trởnên phổ biến Đối với thiết bị TLCD, có một số hạn chế về chiều cao mực nước trongcột chất lỏng và gối chặt được thiết kế với kích thước xác định sao cho còn lại mộtkhoảng cách tối ưu giữa các khối lượng chuyển động và các gối chặn và cho phép vachạm xảy ra giữa chúng khi công trình khi dao động Khoảng cách tối ưu đóng vai tròquan trọng trong thiết kế hệ thống giảm chấn kiểu này Phương pháp giảm chấn daođộng này được sử dụng trong các tháp hoặc các công trình dạng tháp với các dao độngxảy ra trong mặt phẳng (Koss và Melbourne 1995) Tuy nhiên, theo Ying vàSemercigil(1991) thì phương pháp giảm chấn dao động này vẫn còn chưa được sửdụng nhiều trong các công trình lớn.

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống giảm chấn dao động dạng bộ giảm chấn va chạmNgoài ra, có một hướng giảm chấn dao động thụ động khác sử dụng nguyên lý hồichuyển của các vật thể Thiết bị trong bài toán giảm chấn dao động này là các conquay hồi chuyển (Gyroscope hoặc Gyro-stabilizer) Nguyên lý chủ yếu của loại giảm

đó năng lượng từ trận động đất truyền vào kết cấu công trình sẽ giảm đi Về mặt tíchtrữ năng lượng thì con quay hồi chuyển đạt hiệu quả tích trữ năng lượng trên một đơn

vị thể tích lớn đứng thứ ba chỉ sau tích trữ năng lượng trong hạt nhân và tích trữ trongcác phản ứng hóa học Tuy nhiên, các nghiên cứu ứng dụng con quay hồi chuyển trongngành xây dựng công trình hiện vẫn chưa nhiều, mà chỉ tập trung vào các ngành hànghải, hàng không, cơ học, máy…Cụ thể là, hiện nay Thụy sỹ đã có những chuyến xebuýt sử dụng bánh đà trong con quay hồi chuyển khi đi lại khi lên, xuống nhữngđường đồi Đặc tính tích trữ năng lượng của con quay hồi chuyển được thể hiện ở chỗkhi xe buýt xuống dốc thì năng lượng sữ được tích trữ dưới dạng quán tính của conquay hồi chuyển và năng lượng này sẽ được giải phóng khi xe đi lên dốc, do đó sẽ tiếtkiệm năng lượng xăng Hiện nay về kích thước của bể chứa nên cũng hạn chế về tần sốđiền chỉnh Shimizu và Teramura 1994 đề xuất một phương án cải tiến Ý tưởng mởrộng TLCD cho các phương pháp giảm chấn chủ động hiện đang được nghiên cứu ápdụng vào một công trình bằng thép cao 9 tầng (Honda và các cộng sự 1992) Ngoài ra,một số phương án khác nhau như LCVA (Hitchcock và Kwok 1993), TLCD thích nghi(Kareem 1994), các bộ giảm chấn bơm quán tính, thiết bị có khe van phụ thuộc vàobiên độ dao động và các thiết bị có nhiều khe van đã và đang được nghiên cứu

Nhiều nghiên cứu và thực nhiệm đã cho thấy, phản ứng của hệ TLD khi kết cấu daođộng nhỏ là dễ dàng nhận thấy Tuy nhiên, với những trường hợp dao động lớn (có thểxảy ra khi công trình chịu trận động đất rất mạnh), hệ TLD thể hiện những phản ứngrất phức tạp Sun (1985,1995) đã đề xuất khả năng phát triển một kỹ thuật có thể mô tảứng xử của hệ TLD Năm 1994 có một nghiên cứu thực nghiệm và tính toán ảnhhưởng của thiết bị TLD hình chữ nhật dưới các tác động của động đất Nghiên cứu này

đã xây dựng một mô hình tính toán bằng số áp dụng cho các thay dổi biên độ nhỏ củachuyển động nền

Một phương pháp giảm chấn dao động dạng thụ động khác là phương pháp sử dụngcác bộ giảm chấn (Impact Damper-ID) Các thiết bị ID này thường ở dạng các khốilượng vật rắn nhỏ trượt trên đỉnh công trình trên các ray dẫn hướng Các nhóm đề tàiđang nghiên cứu để ứng dụng con quay hồi chuyển vào bài toán giảm chấn dao độngcông trình theo dạng thụ động

1.2.2 Phương pháp giảm chấn chủ động

Giảm chấn dao động mới được nghiên cứu gần đây Phương pháp giảm chấn chủ động

là phương pháp sử dụng tín hiệu phản hồi từ các bộ cảm biến đo ứng xử của kết cấu,

sử lý các thông tin này và đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp đến các bộ kích thích cơhọc để khống chế ứng xử của các cấu kiện theo mong muốn Với các thiết bị củaphương pháp giảm chấn chủ động, ta phải luôn chắn chắn rằng có một nguồn nănglượng riêng cung cấp cho nó và các thiết bị đo phản ứng phải sẵn sàng hoạt động khi

có bất kỳ phản ứng nào của công trình, diều này đòi hỏi các chi phí lớn cho thiết bị banđầu và chi phí cho bảo trì, vận hành trong suốt thời gian sử dụng công trình Các bộkích thích cơ học hoạt động được bởi nguồn năng lượng cấp từ bên ngoài Vai trò của

hệ thống điều khiển chủ động là phát hiện những phản ứng bất lợi cảu kết cấu dưới tácđộng của gió to hay dộng đất, xử lý nhanh bằng máy tính điều khiển và đưa ra một lựcphản ứng làm giảm dao động của công trình Do đó sẽ làm tăng độ an toàn cho các tòanhà và sự thoải mái cho người sử dụng Nhược điểm của hệ thống này cần một nguồnđiện riêng và ổn định (ngay cả khi toàn bộ công trình chính có sự cố về điện) để cungcấp cho thiết bị điều khiển

Các thiết bị giảm chấn chủ động bao gồm thiết bị sử dụng khối lượng chủ động(Active Mass Damper-AMD), thiết bị sử dụng khối lượng dự chỉnh chủ động ( ActiveMass Tuned Damper-ATMD), thiết bị giằng chủ động (Active Brace-AB), thiết bị chủđộng thay đổi độ cứng (Active Variable Stiffness-AVS), thiết bị thay đổi chủ động(Active Variable Damper-AVD), thiết bị cách chấn đáy chủ động (Active BaseIsolation-ABI)

Khi khoa học công nghệ phát triển thiết bị TMD, vốn được coi là thiết bị giảm chấndao động thụ động, cũng được phát triển thành các thiết bị giảm chấn dao động có khảnăng chủ động phản ứng lại với các tác động của động đất Theo những yêu cầu củathiết kế như giới hạn về không gian lắp đặt, việc lắp đặt sử dụng thiết bị TMD có thểkhông khả thi, khi đó thiết bị giảm chấn dao động chủ động(AMD) được thiết kế vàlắp đặt như trường hợp ở tòa nhà Kyobashi Seiwa Bhilding ở Tokyo (Nhật Bản) haytoàn tháp Nanjing ở Nanjing (Trung Quốc) Tòa nhà Kyobashi Seiwa Bhilding là ứng

nhà 11 tầng với diện tích sàn là 423m2 Hệ thống điều kiển gồm có hai thiết bị AMD,trong đó thiết bị AMD đầu tiên có khối lượng 4 tấn được sử dụng cho giảm chấn daođộng ngang, thiết bị AMD thứ 2 có khối lượng làm giảm xoắn cho công trình Về cănbản, thiết bị AMD chính là cải tiến từ thiết bị TMD được gắn thêm các cảm biến, các

bộ kích thích cơ học và máy tính điều kiển Các tác giả Aizawa, Hayamizu, Higashino,Soga, Yamamoto, và Haniuda đã trình bày những nghiên cứu thực nghiệm về AMD,những ứng xử của hệ kết cấu được chế ngự chủ động với thiết bị AMD được gắn ởtrên đỉnh, đã được giảm một cách đáng kể ở dạng dao động thứ nhất và thứ hai theohướng y và dạng dao động thứ nhất theo hướng z

Reinhorn và Soong (1992) đã giới thiệu một hệ chế ngự chủ động (Active BracingSystem-ABS) được lắp đặt trong một kết cấu thử nghiệm ở Tokyo Kết cấu này đãchịu vài trận động đất và các phản ứng của nó đều được ghi lại trong hệ giảm chấn chủđộng tự động làm việc trong suốt thời gian xảy ra dộng đất Một thiết bị ATMD kiểuquả lắc cũng đã được phát triển bởi Matsumoto(1990), thiết bị này đã được lắp đặt tạitầng trên cùng của một tòa nhà 70 tầng (cao 296m) và đỉnh tháp của cầu AkashiKaikyo (cao 300m)

Hình 1.12 AMD trong tòa nhà Applause Tower , Osaka, Nhật Bản

Hình 1.13 Tòa nhà Kyobashi Seiwa sử dụng giảm chấn dao động chủ động

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý của AMD-TMD

Hình 1.15 Tòa nhà Shinsuk Park Tower sử dụng giảm chế dao động “lai”

Ví dụ của ứng dụng thiết bị HMD là tại tòa nhà Sendagaya Intes ở Nhật Bản vào năm

1991 Thiết bị HMD được đặt ở tầng 11 của tòa nhà gồm 2 khối lượng để chế ngựchuyển động ngang và chuyển động xoắn của công trình

1.2.3 Phương pháp giảm chấn bán chủ động

Hệ thống giảm chế dao động bán chủ động là thiết bị giảm chấn dạng như TMD nhưng

độ cứng k và độ cản nhớt của liên kết được liên tục điều chỉnh thay đổi phù hợp vớilực tác dụng lên công trình Hệ thống này yêu cầu nguồn năng lượng liên tục nhưngkhông cần lớn lắm nên có thể dùng nguồn năng lượng là pin trong trường hợp khẩncấp Các nghiên cứu và thực tế đã chứng minh rằng hệ thống giảm chấn dao động bánchủ động hoạt động tốt hơn và có hiệu quả cao hơn hệ thống thụ động

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống giảm chấn dao động dạng bán chủ dộng

Hình 1.17 Các dạng thiết bị bán chủ động:

(a) Thiết bị cản có khe van biến thiên; (b) Thiết bị cản ma sát khả biến; (c) Thiết bịcản chất lỏng dự chỉnh khả biến; (d) Thiết bị cản chất lỏng khả điều khiển

Hình 1.18 Thiết bị giảm chấn bán chủ động thực tế

Hình 1.19 Giảm chấn dao động bán chủ động tòa nhà Kajima Shizuoka

1.3 Gối cách chấn bảo vệ công trình

1.3.1 Nguyên lý và hiệu quả của gối cách chấn

Sự cách ly kết cấu nhằm tách rời hoặc hạn chế việc truyền lực động đất vào kết cấukhi sử dụng các thiết bị được đặt ở chân công trình (mặt cách chấn – bên dưới khốilượng chính của công trình) được gọi là giải pháp cách chấn đáy Hệ thống cách chấnđáy có một hoặc nhiều chức năng sau:

- Chịu tải trọng thẳng đứng kết hợp với kết hợp với độ dẻo theo phương ngang đượctăng cường và có độ cứng lớn theo phương đứng;

- Tiêu tán năng lượng, tạo cản nhớt hoặc ứng xử trễ;

- Lấy lại cân bằng;

- Tăng độ mềm theo phương ngang, tăng độ bền ổn định cho công trình

Khi có thiết bị cách chấn đáy, công trình có thêm một dạng giao động mới Cách chấn đáy có tác dụng kéo dài chu kỳ dao động cơ bản, giữ cho chu kỳ này độc lập và

không trùng với chu kỳ dao động cưỡng bức do tác động bên ngoài Trong quá trìnhhoạt động, nếu cần thiết có thể thay thế các bộ phận của hệ cách chấn một cách dễdàng.

Hình 1.20 Cách chấn đáy trong bảo vệ công trình chịu động đất

a) Kết cấu thông thường, b) Kết cấu có cách chấn đáy

1.3.2 Các loại gối cách chấn

Các thiết bị cách chấn hoạt động dựa trên nguyên lý sau: việc đưa ra một lớp cách lymềm theo phương ngang và rất cứng theo phương đứng làm tăng độ mềm theo phươngngang hoặc tăng khả năng ổn định theo phương đứng của kết cấu chính Và như vậy,một phần năng lượng được hấp thụ trong bản thân hệ cách chấn trước khi được tiêu tán

từ cơ chế hoạt động của cách chấn Do độ mềm theo phương ngang, các thiết bị cáchchấn tạo ra một mode dao động mới mà không chứa các dịch chuyển tương đối giữacác tầng quan trọng của hệ kết cấu chính Khả năng này sẽ làm tăng các chu kỳ cơ bảncủa hệ kết cấu và sẽ giữ cho toàn hệ xa với các thành phần chu kỳ trội của kích thíchnền đất

Các thiết bị cách chấn phù hợp với các tòa nhà có chiều cao từ thấp đến trung bình, vớicác mode dao động chủ yếu nằm trong một khoảng xác định Ví dụ, không thể tạođược độ mềm cần thiết theo phương ngang cho các kết cấu chịu các kích thích động

đất mà có các thành phần chu kỳ trội tương đối dài Cách chấn là hiệu quả chống lạidao động được truyền đến từ nền đất, chẳng hạn như từ động đất hoặc các hoạt độnggiao thông, nhưng nó không hiệu quả để chống lại tải trọng gió vì hệ quá mềm theophương ngang Các thiết bị cách chấn có thể được bố trí ở các vị trí khác nhau trêncông trình.

Có nhiều hệ thống cách chấn phổ biến với các cơ chế và ứng xử bao gồm: hệ cáchchấn từ vật liệu đàn hồi, hệ cách chấn từ cao su tự nhiên và tổng hợp có độ cản thấp(LDRBs), hệ cách chấn với lõi chì (LRBs), hệ cách chấn từ cao su tự nhiên có độ cảncao (HDNR), hệ cách chấn dựa trên hỗ tương trượt bề mặt, hệ cách chấn từ Teflon nốikhớp với thép không gỉ (TASS), hệ cách chấn dạng con lắc ma sát (FPSs), và hệ cáchchấn dạng cừ măng-xông (SPISs)

Hệ cách chấn từ vật liệu đàn hồi gồm các khối cao su tự nhiên lớn không có cốt thép

gia cường, được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1969 Sau đó, các tấm thép được thêmvào để cải thiện tính năng và tăng độ cứng theo phương đứng, đã có nhiều tòa nhà sửdụng thiết bị dạng này LDRB gồm có hai tấm thép dày ở phía ngoài và nhiều tấm thépchèn mỏng Các gối đỡ này đã được sử dụng ở Nhật, cùng với các thiết bị bổ sung cảndạng khác

Hình 1.21 Hệ cách chấn từ vật liệu đàn hồi

Hệ cách chấn LRB cũng giống như các hệ LDRB, nhưng có thêm một hoặc một số lỗ

tạo trước Một lõi chì được chêm vừa vào lỗ này sẽ bị biến dạng chịu cắt thuần túy khigối có dịch chuyển ngang, lõi chì bị chảy dẻo ở mức ứng suất thấp và tiêu tán nănglượng theo chu trình trễ có đặc trưng là rất ổn định sau nhiều vòng lặp (De la Cruz,2003) Hệ cách chấn này được ứng dụng thành công trong việc bảo vệ nhiều tòa nhàtrước các trận động đất

Hình 1.22 Hệ cách chấn với lõi chì (LRB)Năm 1982, các hệ cách chấn HDNR đã được giới thiệu sử dụng nhựa hoặc dầu đen cócác-bon rất mịn và chất nền độc quyền khác ở Anh, dẫn đến việc tăng tính chất cảnvốn có của hợp chất cao su tự nhiên, mà điều này lại dẫn đến việc không cần sử dụngthêm các thiết bị bổ sung tính chất cản khác.

Các hệ cách chấn dựa trên hiện tượng trượt với nguyên lý sử dụng các vật liệu như

poly-tetrafluoroethylene (PTFE hay Teflon) trên thép không gỉ Hiệu quả của các thiết

bị này phụ thuộc bởi các yếu tố như nhiệt độ, vận tốc chuyển động bề mặt tiếp xúc, độmài mòn và mức độ sạch sẽ trên bề mặt Các phân tích lý thuyết được thực hiện vớicác kết cấu có gắn thiết bị này

Hình 1.23 Hệ thống con lắc trượt ma sát

Ở Nhật đã phát triển hệ thống TASS Trong hệ thống này, toàn bộ tải trọng đứng được

đỡ bởi việc sử dụng các cấu kiện thép không và các lực tái định tâm được cho từ cácgối neoprene dạng phiến và không chịu lực Hệ cách chấn FPS kết hợp việc trượt vớimột lực phục hồi từ các sắp xếp hình học Nó bao gồm một bao gồm một khối trượtxoay được quanh khớp trượt trên một bề mặt dạng cầu được phủ bởi thép không gỉđược đánh nhẵn Do chuyển động của khối trượt trên bề mặt cầu, khối lượng sẽ bị đẩylên cao và tạo ra một lực tái định tâm cho hệ Hệ SPIS là một giải pháp làm giảm việctruyền dao động bằng các cừ thông qua việc tạo ra độ mềm theo phương ngang Trong

1.4 Sự phát triển của phương pháp sử dụng gối cách chấn để bảo vệ công trình trên thế giới

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, cáchchấn đáy là một công nghệ phù hợp Trong phần này, chúng ta sẽ nhìn vào lịch sử củagiải pháp cách chấn đáy, nó được nghiên cứu như thế nào, ứng dụng và hoạt động rasao

1.4.1 Đối với gối đàn hồi

Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Động đất (EERC), bây giờ đmợc gọi là Trung tâmNghiên cứu Kỹ thuật Thái Bình Dmơng (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 lybằng cao su thiên nhiên để bảo vệ các tòa nhà từ trận động đất Điều này là vào năm1976

Một phương pháp cô lập địa chấn là sử dụng gối cách chấn đàn hồi, có cấu tạo bởinhiều lớp cao su mỏng và xen kẹp là các lá thép để tăng độ cứng chịu nén cho gối vàvẫn đảm bảo sự biến dạng cắt linh hoạt theo phương ngang (Naeim and Kelly 1999).Hai loại gối đàn hồi phổ biến HDRB và LRB HDRB liên quan đến việc sử dụng cáchợp chất cao su có độ cản cao, trong khi gối LRB có một lõi chì ở trung tâm để tăngkhả năng chịu nén (Naeim and Kelly 1999)

Về kiểm tra tốc độ lão hóa của cao su, nhiều nhà sản xuất tuyên bố tính chất cơ học củaHDRB thay đổi không đáng kể theo thời gian Kojima and Fukahori (1989) đã cho biếttính 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), sử dụng hai phương trình vớitổng cộng 11 thông số mô tả lực phục hồi và lực cản Những thông số này được xácđịnh từ thí nghiệm HDRB chịu tải trọng điều hòa Thực hiện tính toán lực phục hồi vàđồng thời vẽ được vòng trễ từ quan hệ lực cắt và chuyển dịch đối với lực cản thì đượctính từ diện tích vòng trễ

Các mô hình toán học mô tả ứng xử của HDRB được đề xuất bởi Kikuchi and Aiken

(1997), một mô hình trễ đã được phân tích với mục đích dự báo chính xác phản ứngcủa gối cách chấn trước kích động động đất.

Hwang et al (2002) đã phát triển mô hình trễ của HDRB được đề xuất ban đầu bởi Panand Yang (1996), tuy nhiên các cơ sở vật lý của mô hình toán học mô tả độ cứng và độcản là không giải thích rõ ràng

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

A R Bhuiyan, Y Okui, H Mitamura, T Imai (2009) đề xuất một mô hình lưu biếncủa HDRB nhằm xác định độ nhớt phi tuyến

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

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

Gyeong-Bảng 1.2 So sánh tỷ số cản của các LRB với đường kính lõi chì khác nhau

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 làmột hàm chủ yếu phụ thuộc vào các chi tiết cấu tạo và lõi chì của LRB

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