Phân tích hiệu quả giảm chấn kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất sử dụng gối cô lập một mặt trượt ma sát

TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP MỘT MẶT TRƯỢT MA SÁT SFP .... PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS HOÀNG PHƯƠNG HOA

Đà Nẵng - Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Lê Hoàng Phước

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP MỘT MẶT TRƯỢT MA SÁT (SFP) 3

1.1 SƠ LƯỢC VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 3

1.1.1 Các dạng kết cấu cơ bản 3

a Kết cấu khung chịu lực 3

b Kết cấu tường chịu lực gồm có những yếu tố 3

c Kết cấu lõi chịu lực gồm có những yếu tố 4

d Kết cấu ống 5

1.1.2 Các dạng kết cấu hỗn hợp 6

a Kết cấu khung – giằng 6

b Kết cấu khung- vách 6

c Kết cấu ống - lõi 7

d Kết cấu ống tổ hợp 7

1.1.3 Các dạng kết cấu đặc biệt 7

a Kết cấu có hệ dầm truyền 7

b Kết cấu có các tầng cứng 8

c Hệ kết cấu có hệ khung ghép 9

1.2 TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LÊN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 9

1.2.1 Sóng địa chấn và sự truyền sóng 9

1.2.2 Đặc tính của chuyển động nền trong động đất 12

a Gia tốc đỉnh (PGA) 13

b Nội dung tần số 13

c Thời gian kéo dài của rung động mạnh 13

d Ứng xử của kết cấu khi chịu tác động của tải trọng động đất 14

1.3 CÁC GIẢI PHÁP CÁCH CHẤN CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP TRƯỢT MA SÁT 15

1.3.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu giải pháp gối cô lập dao động 15

a Tình hình nghiên cứu áp dụng trong nước 16

b Tình hình nghiên cứu áp dụng nước ngoài 17

1.3.2 Các giải pháp gối cô lập dao động 19

a Các nghiên cứu về gối đàn hồi (Elastomeric bearings) 19

b Các nghiên cứu về gối trượt ma sát (Friction sliding bearings) 20

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GỐI CÔ LẬP MỘT MẶT TRƯỢT MA SÁT (SFP) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 23

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23

2.1.1 Cơ sở tính toán công trình chịu động đất 23

2.1.2 Phương trình chuyển động 23

2.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA GỐI CÔ LẬP MỘT MẶT TRƯỢT MA SÁT 24

2.2.1 Cấu tạo gối cô lập một mặt trượt ma sát 24

2.2.2 Mô hình xác định hệ số ma sát trong các thiết bị gối trượt 25

a Mô hình Coulomb 25

b Mô hình Coulomb hiệu chỉnh 25

c Mô hình dẻo (Viscoplasticity model, mô hình Bouc - Wen) 26

2.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP SỐ CHO NGHIÊN CỨU 26

2.3.1 Phương pháp Newmark 27

2.3.2 Phương pháp Runge-Kutta 27

2.4 MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG CÁC DẠNG GỐI CÔ LẬP MẶT TRƯỢT MA SÁT KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 28

2.4.1 Quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang trong gối SFP 28

2.4.2 Mô hình tính toán kết cấu có gắn gối SFP 30

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 31

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN GỐI CÔ LẬP TRƯỢT MA SÁT SFP 32

3.1 HỆ 1 BẬC TỰ DO 32

3.1.1 Thông số kết cấu 32

3.1.2 Thông số kỹ thuật của gối 32

3.1.3 Gia tốc nền phân tích 33

3.1.4 Kết quả phân tích 33

3.1.4.1 Kết quả phân tích với trận động đất Northridge 34

3.1.4.2 Khảo sát với trận động đất Elcentro 1940 36

3.2 HỆ 6 BẬC TỰ DO (NGHIÊN CỨU CHO GỐI SFP) 37

3.2.1 Với trận đông đất Northridge 38

a Xét trường hợp d=90mm 38

b Xét trường hợp d=95mm 40

c Xét trường hợp d=99mm 41

d Xét trường hợp d=102mm 43

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN(bản sao)

PHỤ LỤC

14 R mm Bán kinh mặt cong của gối

15 d mm Khả năng chuyển vị trên mặt cong

16 µ % Hệ số ma sát

17 h mm Chiều cao con lắc

18 Reff mm Bán kinh mặt cong hiệu quả của gối

19  rad Góc xoay của con lắc

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

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

44 A,β,γ và η Các đại lượng không thứ nguyên để xác định biến

trễ

45 Y mm Dịch chuyển dẻo để xác định biến trễ Z

46 ux mm Chuyển vị gối theo phương x

47 uy mm Chuyển vị gối theo phương y

48 ub m Tổng chuyển vị gối

49 N(t) kN Tổng trọng lược kết cấu bên trên gối thay đổi theo

thời gian

50 Db mm Chuyển vị gối thiết kế

51 Keff kN/m Độ cứng hiệu quả của kết cấu cách chấn

52 Teff s Chu kỳ hiệu quả của kết cấu cách chấn

53 βeff % Tỉ số cản hiệu quả kết cấu cách chấn

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Từ viết tắt Giải thích ý nghĩa

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

2 DFP Double friction pendulum (Gối con lắc ma sát hai)

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

4 ASCE American Society of Civil Enginers (Hiệp hội kỷ sư xây

dựng dân dụng Hoa Kỳ)

5 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

6 NRB Natural rubber bearing (Gối cao su tự nhiên)

7 HDR High – Damping Rubber (Gối cao su có độ cản nhớt lớn)

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

9 PEER Pacific Earthquake Engineering Research (Trung tâm

nghiên cứu động đất Thái Bình Dương của đại học Berkeley)

10 1D One Dimension (một chiều)

11 2D One Dimension (Hai chiều)

12 EPS Earthquake Protection Systems (Công ty sản xuất gối

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.1 Các dạng mặt bằng kết cấu khung nhà cao tầng điển hình 4

1.2 Dạng mặt bằng kết cấu tường chịu lực khung nhà cao tầng

1.20 Gối trượt ma sát đơn, SFP 20 1.21 Gối trượt ma sát đôi, DFP 21 1.22 Gối trượt ma sát ba, TFP 21 2.1 Mô hình hệ kết cấu nhiều bậc tự do chịu động đất 24 2.2 Cấu tạo gối trượt ma sát đơn SFP 25 2.3 Hàm biến trễ Z và hàm sign 26 2.4 Chuyển động ngang gối SFP 29 2.5 Đường ứng xử trễ trong gối SFP 30 2.6 Mô hình tính toán kết cấu gắn gối SFP 30

Số hiệu

3.2 Đường ứng xử trễ trong gối 34 3.3 Đáp ứng gia tốc trong kết cấu 34 3.4 Đáp ứng lực cắt trong kết cấu 35 3.5 Đáp ứng chuyển vị trong kết cấu 35 3.6 Đường ứng xử trễ của gối 36 3.7 Đáp ứng gia tốc trong kết cấu 36 3.8 Đáp ứng lực cắt trong kết cấu 37 3.9 Đáp ứng chuyển vị trong kết cấu 37 3.10 Mô hình tính toán hệ 6 bậc tự do có gắn gối SFP 38 3.11 Đường ứng xử trễ trong gối 38 3.12 Đáp ứng lực cắt tầng 1 39 3.13 Đáp ứng gia tốc tầng 5 39 3.14 Đường ứng xử trễ trong gối 40 3.15 Đáp ứng lực cắt tầng 1 40 3.16 Đáp ứng gia tốc tầng 5 41 3.17 Đường ứng xử trễ trong gối 41 3.18 Đáp ứng lực cắt tầng 1 42 3.19 Đáp ứng gia tốc tầng 5 42 3.20 Đường ứng xử trễ trong gối 43 3.21 Đáp ứng lực cắt tầng 1 43 3.22 Đáp ứng gia tốc tầng 5 44

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP MỘT MẶT TRƯỢT

MA SÁT

Học viên: Lê Hoàng Phước Chuyên ngành: Xây dựng công trình giao thông

Mã số: 021 Khóa: K31 Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Thiên tai, sự biến động của thời tiết đã ảnh hưởng không nhỏ đến sự

tồn vong của loài người Một trong những thiên tai đó được kể đến là Động đất, kết cấu công trình được thiết kế trước đây hiện nay chưa phù hợp một số quốc gia thường xuyên có động đất xảy ra Các công trình nghiên cứu khoa học và ứng dụng kiểm chứng qua thực tiễn Các nhà sản xuất đã cho ra đời các gối cô lập mặt trượt nhằm giảm chấn cho tất cả các công trình xây dựng Gối cô lập một mặt trượt ma sát được biết đến như một thiết bị giảm chấn rất hiệu quả cho các kết cấu xây dựng Thiết bị này đã được nghiên cứu phát triển mạnh trong thời gian gần đây Gối SFP (Single friction pendulum) được xem như là một cải tiến, nó thích nghi lớn với nhiều cấp độ động đất khác nhau Từ phần mềm Matlab lập trình các phương trình tính toán theo phương pháp Runge – Kutta biến mô hình tính toán kết cấu có gắn gối SFP mang lại hiệu quả cho kết cấu chịu được tải trọng động đất có: đường ứng xử trễ, gia tốc, vận tốc, lực cắt đảm bảo đáp ứng trong kết cấu Bằng biện pháp so sánh cho nhiều giá trị d,

R từ phần mềm Matlab cho ra kết quả đường ứng xử trễ, gia tốc, vận tốc, lực cắt trong kết cấu so sánh kết quả tìm thông số kỹ thuật d, R tối ưu của gối SFP cho nhà sản xuất

ra gối

Từ khóa: Gối cô lập trượt ma sát, hiệu quả chống động đất, nhà cao tầng, giảm

chấn, biện pháp so sánh thông số kỹ thuật d, R

ANALYTICAL ANALYSIS OF EFFICIENT STRUCTURAL STRUCTURAL STRUCTURAL STRUCTURAL ANALYSIS OF LAND GROUPS USING THE

TWO SURFACE MAINTENANCE PLATES Summary: Natural disasters and weather changes have had a great impact on human survival One of these natural disasters is the earthquake, the structure of the previously designed design is not suitable for some earthquake often occur Scientific research and application verified by practice Manufacturers have released sliding isolation pillows to reduce the impact of all construction works The friction isolating pillow is known as an effective damping device for building structures This device has been studied and thrived in recent times The single friction pendulum (SFP) pillow is considered as an improvement, it is adapted to many different levels of earthquakes From the Matlab software, the Runge-Kutta algorithm calculates the structural model of the SFP bearing structure, which is effective for earthquake load bearing structures such as: delay response path, acceleration , velocity, cutting force ensure the response in the structure By comparison method for many values of d, R from Matlab software produces the result of hysteresis, acceleration, velocity, of the SFP pillow for the pillow manufacturer

Keywords: friction slip isolation pillow, effective anti-seismic, high-rise

buildings, shock absorbers, measures compare specifications d, R

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Từ 1900 đến nay trên Thế giới có trên 100 trận động đất có số người chết trên

1000 người và 32 trận động đất có số người chết trên 10.000 người Trận động đất tại Kobe Nhật Bản 17/01/1995: Có khoảng 6.434 người bị thiệt mạng Đây là trận động đất tồi tệ nhất ở Nhật Bản kể từ khi trận động đất Kanto năm 1923 với khoảng 140.000 người thiệt mạng Trận động đất gây thiệt hại khoảng 10.000 tỉ Yên bằng khoảng 2,5% GDP của Nhật Bản lúc đó, tương đương 102,5 tỉ USD Cũng tại Nhật Bản, ngày 11/3/2011 trận động đất có tâm chấn tại phía Đông bán đảo Oshika có cường độ lên đến 9.0 độ Richter Trận động đất và sóng thần này đã làm: 15.854 người thiệt mạng, 9.677 người bị thương và 3.155 người mất tích tại 18 tỉnh của Nhật Bản Hơn 125.000 công trình nhà ở bị hư hại hoặc phá hủy hoàn toàn Trận động đất đã di chuyển đảo Honshu 2,4m về phía đông và làm lệch trục trái đất khoảng 10cm Theo WB tổng thiệt hại vào khoảng 235 (309) tỉ USD Tại Sumatra, Indonesia, trận động đất mạnh 9.0 độ Richter, xảy ra ngày 26/12/2004 đã cướp đi tính mạng của hơn 230.000 người và chấn động của nó đã lan tới Ấn Độ, Thái Lan, Sri Lanka và còn ghi nhận được ở tận Kenya

Việt Nam vẫn là quốc gia nằm trong khu vực có mối hiểm họa động đất khá cao Theo thống kê của các chuyên gia về động đất Tại Việt Nam chỉ trong vòng nửa cuối của năm 2014 đã xảy ra 27 trận động đất lớn nhỏ 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 Đối với nguy cơ sóng thần ở Việt Nam, theo các nhà khoa học thuộc Viện Vật lý địa cầu: Động đất có thể gây sóng thần nguy hiểm nhất cho vùng ven biển Việt Nam là động đất xảy ra tại đới hút chìm Manila

Nhu cầu xây dựng các công trình lớn ngày càng tăng về số lượng cũng như về chiều cao thì điều khiển kết cấu bền vững dưới tác động của ngoại lực vẫn còn là lĩnh vực mới mẻ Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động đất và giải pháp làm giảm chấn động của tải trọng động đất đến công trình xây dựng là rất cần thiết, có

ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao Đây chính là lý do để em nghiên cứu đề tài: “Phân

tích hiệu quả giảm chấn kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất sử dụng gối cô lập một mặt trượt ma sát”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Mục tiêu tổng quát: Đánh giá hiệu quả giảm chấn cho kết cấu xây dựng khi sử dụng gối cô lập một mặt trượt ma sát

- Mục tiêu cụ thể: Đưa ra mô hình cơ học, thiết lập phương trình chuyển động của hệ kết cấu có lắp đặt thiết bị, xác định các đại lượng cơ học (gia tốc, chuyển vị,…) của kết cấu thông qua việc giải phương trình vi phân chuyển động lập trên bằng phương pháp số Runge-Kutta, Phát triển mô hình lắp đặt thiết bị, định hướng thiết kế

từ đó đánh giá được hiệu quả giảm chấn của thiết bị sử dụng cho nhà cao tầng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Gối SFP cho các kết cấu xây dựng ở nhà cao tầng Việt Nam

Đề tài sẽ tập trung vào các vấn đề trọng tâm như sau: Nghiên cứu phát triển mô hình lý thuyết về chuyển động của gối cô lập một mặt trượt ma sát khi có động đất xảy

ra

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp số, áp dụng để giải số trực tiếp các phương trình vi phân chuyển động bằng thuật toán Runge-Kutta

5 Kết quả dự kiến

Việc nghiên cứu ứng dụng của đề tài giúp ứng dụng vào thực tiễn cho nhà cao tầng để chống động đất đảm bảo công trình không bị đổ ngã, tránh thảm họa xãy ra gây thiệt hại cho người và vật chất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP

MỘT MẶT TRƯỢT MA SÁT (SFP)

1.1 SƠ LƯỢC VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

1.1.1 Các dạng kết cấu cơ bản

a Kết cấu khung chịu lực

- Hệ thống kết cấu khung bao gồm hệ thống các cột, các dầm và sàn chịu tải trọng thẳng đứng, tải trọng ngang và các tải trọng khác (gió lốc xoáy…) Hệ kết cấu khung thường được sử dụng cho các công trình có không gian lớn được bố trí, trang trí

để bố trí nội thất bên trong cho nhiều loại công trình khác nhau

- Về nhược điểm của kết cấu khung là chịu lực cắt theo phương ngang kém, hệ thống dầm khung vượt nhịp lớn chiều cao dầm phải lớn để vượt nhịp cho nên chiếm nhiều không gian, dẫn đến chiều cao tầng lớn Mặt khác đối với công trình nhà cao tầng chịu động đất cao từ cấp 8 trở lên cần phải giảm chiều cao các tầng để chiều cao công trình giảm xuống, kết cấu công trình sẽ khỏe thêm chịu tải trọng động đất lớn thêm

+ Đối với nhà cao tầng có kết cấu khung thép là không quá 30 tầng

+ Đối với nhà cao tầng có kết cấu khung bê tông cốt thép là không quá 20 tầng + Chiều cao công trình còn phụ thuộc vào nhịp của dầm, độ lớn của dầm, tỷ lệ chiều cao và chiều rộng của công trình

- Thực tế các kết cấu khung của công trình làm việc theo sơ đồ không gian Việc lựa chọn mặt bằng công trình tùy thuộc vào diện tích chiếm chỗ khu đất mà chúng ta bố trí cho hợp lý Trên thực tế thường bố trí có nhiều dạng như sau: (Hình 1.1)

b Kết cấu tường chịu lực gồm có những yếu tố

- Tường chịu lực hay còn gọi là vách cứng là hệ thống mà vừa làm nhiệm vụ chịu lực thẳng đứng, chịu lực ngang và làm tường ngăn cách, xem Hình 1.2

- Đối với nhà thấp tầng: tường chịu lực thường dùng kết cấu tường gạch có khả năng chịu nén tốt, nhưng chịu kéo kém

Hình 1.1 Các dạng mặt bằng kết cấu khung nhà cao tầng điển hình

- Đối với nhà cao tầng: tường chịu lực thường dùng kết cấu tường bê tông cốt thép có khả năng chịu kéo và nén khá tốt Thông thường người ta thường gọi là vách cứng

Hình 1.2 Dạng mặt bằng kết cấu tường chịu lực khung nhà cao tầng điển hình

c Kết cấu lõi chịu lực gồm có những yếu tố

- Những kết cấu khung chịu lực hoặc tường chịu lực được tính toán bố trí cho công trình không hiệu quả về công năng sử dụng, cũng như thỏa mãn về mặt kết cấu chịu lực ta cần bố trí kết cấu lõi chịu lực

- Lõi cứng đóng vai trò chịu tải trọng chính theo hướng thẳng đứng và tải trọng ngang của công trình

- Thông thường lõi cứng được bố trí ngay trung tâm ngôi nhà hoặc trọng tâm của lõi cứng trùng với trục đi qua trọng tâm của ngôi nhà để chống lại momen xoắn hiệu quả cao nhất

- Các dầm, sàn liên kết với lõi cứng thông qua các dầm conson liên kết trực tiếp vào dầm cột tại vị trí xung quanh lõi cứng

Hình 1.3 Các dạng mặt bằng kết cấu lõi cứng chịu lực khung nhà cao tầng điển hình

d Kết cấu ống

- Ở những công trình cao tầng để vươn lên cao người ta thường thiết kế bố trí dày đặt các cột để chịu lực theo phương đứng và phương ngang lớn, các cột bố trí xung quanh chu vi nhà Liên kết giữa các cột đó lại bằng các hệ dầm ngang được gọi là kết cấu ống Kết cấu ống có cột cấm thẳng vào hệ thống móng, móng được ngàm chặt vào lòng đất tạo nên sơ đồ chịu lực như dạng một conson chịu lực dọc trục cột và tải trọng ngang (như Hình 1.4)

- Hiện nay kết cấu ống được bố trí bằng thép thích hợp cho nhà cao tầng có thể đạt đến 60 tầng

- Khi cột được bố trí khoảng cách thưa nhau, được gọi là công trình có kết cấu chịu lực theo sơ đồ khung

Hình 1.4 Kết cấu dạng ống chịu lực như một conson

1.1.2 Các dạng kết cấu hỗn hợp

a Kết cấu khung – giằng

Hình 1.5 Hệ thống khung- giằng chịu lực nhà cao tầng

- Khi hệ thống khung chịu lực (dầm, cột) không đủ tốt, để chống lại lực cắt ngang và momen xoắn của công trình người ta bố trí hệ thống giằng cho các tầng

- Ưu điểm: của hệ kết cấu này là tăng cường khả năng tối đa cho công trình chịu tải trọng ngang và xoắn lớn

- Nhược điểm: Tính thẩm mỹ của kết cấu không đẹp, nhiều thanh giằng xiên gây cản trở công năng sử dụng công trình

b Kết cấu khung- vách

- Để tăng cường khả năng chịu lực cho công trình hỗ trợ cùng hệ thống cột, dầm, sàn người ta thường thiết kế hệ thống tường chịu lực hay còn gọi là vách Đó là một dạng kết cấu vừa chịu tải trọng thẳng đứng, vừa chịu tải trọng ngang, mà đặc biệt

là tải trọng gió bão, động đất vừa là tường ngăn cách

- Hệ thống khung cột, dầm có khả năng chống uốn và cắt, nhưng trong đó chống uốn là cao nhất, chống cắt hạn chế

- Hệ thống vách có khả năng chống uốn và cắt, nhưng trong đó chống cắt cao nhất, chống uốn hạn chế

Việc bố trí hỗn hợp 2 kết cấu khung và vách sẽ tạo hiệu ứng chịu lực tốt nhất cho công trình

Hình 1.6 Hệ thống khung- vách chịu lực nhà cao tầng

c Kết cấu ống - lõi

- Để cho kết cấu ống làm việc hiệu quả hơn, xây dựng nhà cao tầng hơn, người

ta đưa kết cấu lõi vào bên trong khu vực trung tâm công trình

- Lõi cứng khi đưa vào đóng vai trò quan trọng cùng hệ thống cột kết cấu ống chịu lực rất tốt chịu tải trọng đứng, tải trọng ngang mà đặc biệt là tải trọng ngang dưới chân công trình

- Sự tương tác giữa kết cấu ống và lõi giống như sự tương tác giữa kết cấu khung và vách Tuy nhiên kết cấu ống- lõi chịu lực khỏe hơn nhiều so với hệ khung- vách

d Kết cấu ống tổ hợp

Trong nhà cao tầng có kết cấu ống người ta bố trí thêm các dãy hàng cột dày đặt bên trong theo 1 hoặc 2 phương để tăng cường khả năng chịu lực theo phương ngang của công trình Theo cách này cách chúng ta tạo ra một dạng kết cấu một dạng như hình hộp gồm nhiều ngăn bên trong làm giảm lực biến dạng mặt trượt trong công trình, các vách ngoài làm cho sự phân bố các nội lực trong các hàng cột ngoài một cách đều đặn hơn .Kết cấu rất phù hợp cho công trình siêu cao tầng và có mặt bằng lớn

1.1.3 Các dạng kết cấu đặc biệt

a Kết cấu có hệ dầm truyền

Để tăng không gian của các tầng bên dưới thì ta bố trí các tầng dưới có bước cột thưa hơn, các tầng trên có bước cột dày đặt để giảm kích thước của dầm Việc bố trí các cột dày truyền qua hệ dầm xuống tầng dưới có bố trí cột thưa thông qua hệ dầm, hệ dầm ấy gọi là hệ dầm truyền Đây là hệ kết cấu phức tạp so với các kết cấu thông thường vì dầm truyền chịu tải trọng tập trung lớn tại những điểm cần bố trí cột tầng trên

Hình 1.7 Hệ kết cấu có dầm truyền trong nhà cao tầng

b Kết cấu có các tầng cứng

- Trong kết cấu ống- lõi, ống và lõi được xem là conson ngàm xuống đất, nhưng

do các hệ dầm sàn nhỏ chịu lực yếu so với các ống – lõi bên trong, nên phần lớn toàn

bộ các tải trọng đứng và ngang do lõi cứng gánh chịu Mặt khác khoảng cách từ lõi cứng đến ống ngoài cùng lớn dẫn đến kết cấu ống ngoài cùng làm việc chưa hiệu quả, làm việc không đồng bộ trong tổng thể chung của kết cấu toàn công trình

- Để khắc phục tình trạng này người ta thiết kế một số tầng có dầm ngang hoặc giàn có độ cứng lớn nối các lõi cứng với ống ngoài

- Dưới tác dụng của tải trọng ngang lõi cứng bị uốn làm cho các dầm này bị chuyển vị theo phương thẳng đứng và tác dụng lên các cột có độ chống uốn nhỏ Khi

bố trí các ống ngoài cứng có độ cứng dọc trục lớn nên chống lại chuyển vị ngang của

cả công trình

- Trên thực tế người ta bố trí tại các tầng kỹ thuật có chiều cao bằng cả các tầng nhà nên người ta thường gọi là các tầng cứng Số tầng cứng trong công trình nhà cao tầng thường là 1, 2 hoặc 3 tầng Trường hợp bố trí 1 tầng cứng thì được bố trí sát tầng mái; 2 tầng cứng thì bố trí 1 tầng mái cứng và khoảng 1/2 chiều cao công trình bố trí 1 tầng cứng; 3 tầng cứng bố trí 1 tầng mái cứng và khoảng 1/2 và 2/3 chiều cao công

trình bố trí tầng cứng

Hình 1.8 Hệ kết cấu có tầng cứng trong nhà cao tầng

(Bố trí tầng cứng tầng mái; 2 tầng ở vị trí 1/2 công trình và tầng mái;

Bố trí tầng cứng 3 tầng ở vị trí 1/3 công trình và 2/3 công trình cùng với ống lõi

giữa công trình)

c Hệ kết cấu có hệ khung ghép

Hiện nay trên thế giới để thi công nhanh, hệ khung chịu lực khỏe người ta áp dụng một dạng đăc biệt đó là hệ khung ghép Điểm khác nhau giữa hệ khung ghép với khung thường ở chỗ:

- Hệ khung thường: Do các dầm và cột tạo thành, các dầm cột đồng thời chịu tác động của tải trọng đứng và ngang Tình trạng chịu lực giữa các dầm, cột gần như nhau, vật liệu do vậy gần như đồng đều cho các cấu kiện

- Hệ khung ghép: được cấu tạo theo cách liên kết một số tầng và một số nhịp cần thiết tính toán để có độ cứng của tầng lớn, khả năng vượt nhịp lớn của dầm, cột để tạo không gian lớn phù hợp với công năng sử dụng của công trình Khung ghép có độ cứng lớn, là kết cấu chịu lực chính của công trình Khung tầng trong trường hợp này được xem là hệ kết cấu thứ cấp chủ yếu là để truyền tải trọng đứng lên hệ khung ghép

1.2 TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LÊN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

1.2.1 Sóng địa chấn và sự truyền sóng

- Năng lượng của động đất được trải dài trong một diện tích lớn, và trong các trận động đất lớn có thể trải hết toàn cầu Các nhà khoa học thường có thể định được điểm mà các sóng địa chấn được bắt đầu Điểm này được gọi là chấn tiêu (hypocentre) Hình chiếu của điểm này lên mặt đất được gọi là chấn tâm (epicentre), xem Hình 1.9

- Các trận động đất xảy ra dưới đáy biển có thể gây ra lở đất hay biến dạng đáy biển, làm phát sinh sóng thần

- Các nhà địa chấn phân chia ra bốn loại sóng địa chấn, được xếp thành 2 nhóm:

2 loại gọi là sóng khối (Body waves) và 2 loại gọi là sóng bề mặt (Surface waves)

Hình 1.9 Chấn tâm, chấn tiêu và độ sâu chấn tiêu

- Sóng khối phát xuất từ chấn tiêu và lan truyền ra khắp các lớp của Trái Đất Tại chấn tâm thì sóng khối lan đến bề mặt sẽ tạo ra sóng mặt Bốn sóng này có vận tốc lan truyền khác nhau, và tại trạm quan sát địa chấn ghi nhận được theo thứ tự đi đến như sau:

* Sóng P (Sóng sơ cấp (Primary wave) hay sóng dọc (Longitudinal wave): Là sóng truyền nhờ sự thay đổi thể tích vật chất, gây ra biến dạng kéo nén trong lòng đất Chuyển động của nó giống như chuyển động của sóng âm trong chất lỏng Sóng P có vận tốc truyền nhanh nhất và có thể truyền qua cả ba môi trường: rắn, lỏng, khí

Hình 1.10 Sóng P

* Sóng S (Sóng thứ cấp (Secondary wave) hay sóng ngang (Shear wave)): Là sóng hướng chuyển động của cát hạt vật chất vuông góc với hướng đi của sóng Các sóng này gây ra hiện tượng xoắn và cắt mà không thay đổi thể tích môi trường truyền sóng Vì vậy, sóng này còn có tên là sóng cắt Ở các điểm quan trắc sóng ngang đến sau sóng dọc nên còn gọi là sóng thứ cấp Ở mặt đất các sóng S có thể chuyển động theo phương đứng lẫn ngang

Hình 1.11 Sóng S

* Sóng Love (Một dạng sóng mặt ngang phân cực ngang): Chuyển động loại này về cơ bản giống như loại sóng S nhưng không có thành phần thẳng đứng Nó làm cho các phần tử vật chất chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang song song với mặt đất, vuông góc với hướng truyền sóng Các sóng này chỉ gây ra ứng suất cắt

Hình 1.12 Sóng Love

* Sóng Rayleigh (còn gọi là rung cuộn mặt đất (Ground roll)): Đây là loại sóng

làm cho các phần tử chuyển động theo một quỹ đạo hình elip trong mặt phẳng đứng song song với phương truyền sóng Chuyển động này tương tự như chuyển động của sóng biển, có thể gây ra nén hoặc kéo và cắt trong nền đất

Hình 1.13 Sóng Rayleigh

- Tùy theo tình trạng ghi nhận sóng của trạm, nhà địa chấn tính ra cường độ, khoảng cách và độ sâu chấn tiêu với mức chính xác thô Kết hợp số liệu của nhiều trạm quan sát địa chấn sẽ xác định được cường độ và tọa độ vụ động đất chính xác hơn

1.2.2 Đặc tính của chuyển động nền trong động đất

Khi động đất xảy ra chuyển động của đất được thể hiện bằng lịch sử thời gian hoặc biểu đồ động đất dưới dạng gia tốc, vận tốc hay chuyển vị của một điểm nhất định trong trận động đất Biểu đồ lịch sử theo thời gian gồm các thông tin về sự chuyển dịch của đất theo 3 phương x, y, z Gia tốc thường được đo bằng gia tốc kế biên độ lớn, còn vận tốc và chuyển vị thường được đo bằng phương pháp tích phân liên tiếp gia tốc ghi được Các gia tốc được ghi tại các vị trí mà có cùng khoảng cách

so với chấn tâm thì có thể khác nhau về thời gian, cường độ, tần số, vì còn tùy thuộc vào tính chất của đất

Hình 1.14 Gia tốc đồ của trận động đất Elcentro (19/5/1940)

Như vậy nhìn từ gốc độ kết cấu công trình thì các thông số quan trọng ảnh hưởng đến cường độ động đất bao gồm: gia tốc đỉnh của nền đất (Peak Ground Acceleration – PGA), sự duy trì tần số và thời gian kéo dài của rung động mạnh

a Gia tốc đỉnh (PGA)

Gia tốc đỉnh là gia tốc cực đại, phản ảnh độ mạnh của sự dịch chuyển nền đất, cũng chính là thể hiện cường độ của động đất Đỉnh gia tốc nền theo phương ngang thường được quan tâm hơn theo phương đứng do khả năng chịu tải trọng đứng công trình đủ an toàn để chịu thêm tải trọng động đất theo phương đứng Hiện nay, người ta thường dùng gia tốc đỉnh hơn là vận tốc đỉnh và chuyển vị đỉnh vì nó có thể đo trực tiếp được, trong khi hai thông số trên phải qua tính toán tích phân bổ sung Hơn nữa gia tốc đỉnh có liên quan trực tiếp đến tải trọng động đất, đặc biệt là các công trình có

độ cứng lớn

b Nội dung tần số

Nội dung tần số là số lần gia tốc bằng không trong mỗi giây Khi tần số của lực kích thích bằng với số tần số của dao động riêng của kết cấu (cộng hưởng), dao động của kết cấu tăng lên nhiều lần và hiệu ứng giảm chấn có thể trở nên không đáng kể Chuyển động của đất nền không phải là dạng hình sin (nghĩa dao động không tuần hoàn), thế nhưng thường vẫn có một chu kỳ có ảnh hưởng lớn đến phản ứng của kết cấu

c Thời gian kéo dài của rung động mạnh

Thời gian kéo dài của rung động mạnh là khoảng thời gian giữa đỉnh đầu và đỉnh cuối, và giá trị này vượt qua một giá trị đủ lớn cho trước (nghĩa là khoảng thời gian kéo dài của rung động mạnh) Định nghĩa này là phương pháp trực tiếp để xác định khoảng thời gian kéo dài của rung động mạnh Năm 1978, R.Dobry, I.Idriss & E.Ng định nghĩa đó là thời gian cần thiết để tích lũy từ 5%-95% năng lượng của gia tốc biểu diễn qua số đo cường độ Aria: 2

( )

t A

I a t dt g



Trong đó: t là khoảng thời gian diễn ra động đất

Khoảng thời gian rung động mạnh của nền đất còn được hiểu là khoảng thời gian cần để giải phóng năng lượng biến dạng tích lũy của đứt gãy Khoảng thời gian này tỷ lệ thuận với độ cứng của đất Khi khoảng thời gian này càng dài thì năng lượng ảnh hưởng đến kết cấu càng lớn Nếu năng lượng biến dạng đàn hồi được hấp thụ bởi kết cấu càng hạn chế, nghĩa là hệ kết cấu có độ cứng nhỏ, thì những trận động đất mạnh và dài sẽ có khả năng làm cho kết cấu chuyển qua phi đàn hồi (gây phá hoại công trình)

d Ứng xử của kết cấu khi chịu tác động của tải trọng động đất

Động đất gây ra sự dịch chuyển của nền đất, vì vậy kết cấu công trình được xây dựng trên nền đất phải chịu sự dịch chuyển theo hướng móng của nó Mặc dù móng được dịch chuyển theo sự dịch chuyển của nền đất nhưng phần mái của ngôi nhà có khuynh hướng đứng yên tại vị trí gốc ban đầu của nó Do công trình là hệ khung liên hoàn nhau nên khi móng dịch chuyển thì cột, đà, tường, mái phải dịch chuyển theo Tuy nhiên trong công trình thường thì cột và tường có độ cứng hữu hiệu nên sự dịch chuyển của mái khác so với dịch chuyển của nền đất

Xét một công trình có phần mái gối lên cột hình… khi nền đất chuyển động ngôi nhà bị giật lại về phía sau và mái chịu tác động của lực quán tính: Fqt= Mxag (M

là khối lượng và ag là gia tốc nền đất tác dụng lên công trình) Lực quán tính Fqt có phương ngược với phương chuyển động của gia tốc, rõ ràng khi công trình có khối lượng càng lớn thì lực quán tính càng lớn, nên tác động tải trọng động đất lên công trình càng lớn Và ngược lại công trình có khối lượng bé thì ảnh hưởng của động đất lên công trình sẽ càng nhỏ

Hình 1.15 Ứng xử kết cấu khi chịu tải trọng động đất

Đối với công trình nhà nhiều tầng thì khối lượng tập trung tại cao trình các mức sàn của mỗi tầng nên lực quán tính phát sinh tại công trình các mức sàn

Lực động đất gây ra tăng dần theo độ giảm chiều cao công trình (tại đỉnh công trình thì lực ngang nhỏ nhất và tại vị trí chân cột thì động đất sẽ đạt giá trị cực đại) Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng (tỉnh tải, hoạt tải, .) làm cho dầm bị uốn và gây căng căng các thớ tại vị trí khác nhau (căng dưới tại nhịp và căn trên tại gối) Trong khi đó dưới tác động của tải trọng ngang (gió, động đất, .) làm cho dầm, cột căng thớ ngược lại so với tải trọng thẳng đứng Tại gối dầm, độ lớn của momen do động đất gây ra có thể lớn hơn độ lớn của tải trọng thẳng đứng gây ra, dẫn đến dầm có thể bị căng dưới tại gối Do đó trong kết cấu khung BTCT cần chú ý bố trí cốt thép và cấu tạo nút khung

a Momen do tải trọng thẳng đứng b Momen do tải trọng ngang

Hình 1.16 Momen do tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang (động đất)

1.3 CÁC GIẢI PHÁP CÁCH CHẤN CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP TRƯỢT MA SÁT

1.3.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu giải pháp gối cô lập dao động

Sử dụng gối cô lập dao động (cách đáy chấn) trong kết cấu là kỹ thuật điều khiển bị động kết cấu Gối cô lập có độ cứng dịch chuyển ngang nhỏ, thông thường được lắp đặt vào giữa phần móng và kết cấu bên trên Kết cấu được gắn thiết bị này có chu kỳ cơ bản tăng lên (từ 2 đến 4 giây), kết cấu được làm mềm đi Với chu kỳ dao động của kết cấu cô lập tăng lên sẽ giúp cho kết cấu tránh xa các vùng chu kỳ trội của các trận động đất, có thể tránh được vùng cộng hưởng tải trọng So với kết cấu ngàm cứng thông thường (không gắn gối cô lập), kết cấu được cô lập sẽ có gia tốc và dịch chuyển tương đối trong kết cấu sẽ giảm đi rất nhiều Kết cấu cô lập sẽ duy trì được sự làm việc trong miền đàn hồi hay gần miền đàn hồi, gia tốc nhỏ sẽ làm cho thiết bị sử dụng công trình không bị hư hỏng lớn như Hình 1.17.b

a Kết cấu ngàm cứng b Kết cấu được cô lập

Hình 1.17 Kết cấu ngàm cứng và kết cấu được cô lập

a Tình hình nghiên cứu áp dụng trong nước

- Hiện tại ở Việt Nam chưa có công trình nào sử dụng gối cách chấn

- Một vài công trình đã sử dụng lớp cách chấn cũng giống như gối cách chấn đó

là các công trình do Nga thiết kế: Bệnh viện phụ sản Trung Ương

- 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 Mặt khác, 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 Tuy nhiên, đây cũng là bước ngoặt

mở ra cho những nghiên cứu thiết bị này cho các công trình xây dựng ở Việt Nam Các nghiên cứu có thể kế đến như: Đào Ngọc Tuyết, Nguyễn Thanh Tùng (1999) trong báo cáo [4] đã giới thiệu các giải pháp cô lập động đất đang dùng trên thế giới; Tác giả Nguyễn Văn Giang và Chu Quốc Thắng (2006) [1] khảo sát sát hệ cô lập móng chống động đất bằng gối cô lập BIS; Nguyễn Xuân Thành (2006) [6] đã nghiên cứu gối cách chấn cho nhà cao tầng; Trần Tuấn Long (2007) [3] 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; Các tác giả: Lê Xuân Huỳnh, Nguyễn Hữu Bình (2008) [2] 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; Ở nghiên cứu [5], tác giả đã công bố hiệu quả gối cô lập trượt ma sát FPS Tuy nhiên, nghiên cứu này còn hạn chế so với các nghiên cứu trên thế giới (chỉ dừng lại ở gối đơn); Trong báo cáo (2012) của tác giả đã nghiên cứu hiệu quả giảm chấn của gối trượt TFP, cho thấy hiệu quả gối này cao hơn gối FPS; trong những nghiên cứu của mình tác giả Lê Xuân Tùng (2012) [7] đã nghiên

cứu và đưa ra quy trình thiết kế một số dạng gối cách chấn trong công trình chịu động đất

Trên đây là toàn bộ các nghiên cứu tiêu biểu về gối cô lập dao động công trình chịu động đất Nhìn chung, các nghiên cứu chỉ dừng lại ở vấn đề lý thuyết và mô phỏng bằng phần mềm máy tính, chưa có báo cáo nào thực hiện các thí nghiệm kiểm chứng Tuy các nghiên cứu này chưa thật sự nổi bật so với thế giới và cũng chưa được triển khai trong thực tế, nhưng bước đầu hình thành phong trào nghiên cứu thiết bị này cho công trình chịu động đất và hứa hẹn sẽ được nghiên cứu áp dụng kỹ hơn trong tương lai

b Tình hình nghiên cứu áp dụng nước ngoài

Ý tưởng đầu tiên sử dụng gối cô lập đặt giữa kết cấu bên trên và nền đất được một nhà khoa học Pháp có tên Jules Touaillon thực hiện vào năm 1870 Thiết bị cô lập này là các viên bi tròn lăn trên 2 mặt cong đặt tại chân công trình và đã được cấp bằng sáng chế [35] Vào năm 1906, Jakob Bechtold đã đề nghị đặt như viên bi tròn bằng kim loại ngăn cách phần kết cấu với nền đất như là một lớp cách ly dao động [26] Vào năm 1909, J.A.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 [24,26] Đó là những ý tưởng sơ khai về sử dụng gối cô lập cho công trình chịu động đất

Tuy những ý tưởng này mang tính chất kinh nghiệm là chủ yếu, chưa có nghiên cứu kỹ về lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng nhưng nó góp phần rất lớn vào các nghiên cứu sau này 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 [24] Tiếp theo những năm sau đó, nghiên cứu ứng dụng gối cô lập được thực hiện ở các nước như: New Zealand, Mỹ, Nhật, Trung Quốc và một số nước Châu Âu…

- Tại New Zealand Cây cầu Motu ở North Island, là công trình đầu tiên sử dụng gối cách chấn được xây dựng vào năm 1974 [24] 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 theo những năm sau đó, tòa nhà Union House (12 tầng) ở Auckland, Wellington Central Police Station (10 tầng) cũng được xây dựng có

sử dụng các hệ thống gối cách chấn

- 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 hoàn thành vào năm 1985 [24] Vào năm 1989, tòa nhà thứ 2 là The City and County Building, ở Salt Lake City, sử dụng 208 gối đàn hồi có lõi chì và 239

gối cao su tự nhiên Ngày nay, có rất nhiều công trình ở Mỹ sử dụng gối cách chấn để chống động đất

- Tại 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 đƣợc ứng dụng Gối cô lập đƣợc sử dụng đầu tiên vào năm 1986 Năm 1990, số lƣợng công trình sử dụng gối cô lập đã là 10, đến năm 1995 là khoảng 80 [24] Tòa nhà West Japan Postal Computer Center ở Sanda là công trình lớn nhất thế giới sử dụng gối cô lập (6 tầng, 47.000m2

)

Báo cáo tổng quan đầu tiên về gối cô lập đƣợc thực hiện bởi Kelly (1979) tại hội nghị lần thứ 2 về phòng chống động đất tại đại học Stanford, và cũng chỉ có một vài báo cáo khác trong hội nghị này Nhƣng trong các hội nghị quốc tế về phòng chống động đất, số lƣợng các báo cáo thuộc lĩnh vực này rất lớn, với 390 bài báo công bố vào năm 1990 và trên 1000 bài công bố vào năm 1992 [17] Qua đó cho thấy sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này là rất đáng kể Hiện nay, trên thế giới có 2 loại gối cách chấn đƣợc nghiên cứu kỹ và sử dụng nhiều vào các công trình đó là: Gối đàn hồi (Elastomeric bearings) và gối trƣợt ma sát (Friction sliding bearings)

Hình 1.18 Bằng sáng chế của Jules Touaillon

1.3.2 Các giải pháp gối cô lập dao động

a Các nghiên cứu về gối đàn hồi (Elastomeric bearings)

Thiết bị gối đàn hồi gồm 3 loại: Gối cao su có độ cản lớn (High-damping rubber, HDR); Gối cao su tự nhiên (Natural rubber, NR) và Gối cao su có lõi chì (Lead rubber, LR) Nghiên cứu đầu tiên về gối đàn hồi được thực hiện ở New Zealand, những nghiên cứu này được báo cáo bởi: Skinner, Kelly và Heine (1975) [32]; Skinner, Beck, và Bycroft (1975) [32] Tiêu điểm của các nghiên cứu là phát triển thiết

bị gối đàn hồi dùng cho công trình chịu động đất

Hình 1.19 Gối đàn hồi

Gối cao su có lõi chì (LR) được nghiên cứu và giới thiệu lần đầu tiên bởi Robinson (1977) [29, 30] Gối LR 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 theo phương ngang Vòng trễ mô tả sự tiêu tán năng lượng do biến dạng dẻo của lõi chì được nghiên cứu bởi Nagarajaiah S, Reinhorn A.M, Constantinou M.C (1991) [25] Mô hình Bouc-Wen được sử dụng trong để mô phỏng quan hệ giữa lực cắt và biến dạng ngang của gối LR Các tác giả Kalpakidis, I.V; Constantinou, M.C đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự nóng lên của lõi chì khi gối chuyển động, kết quả là cường độ lõi chì bị giảm [18, 19] Ứng xử cơ học của các dạng gối đàn hồi được Kelly mô tả (1996) [21] Các ứng xử bao gồm: biến dạng do lực cắt, lực dọc trục; tính không ổn định của gối Tác giả cũng đã đưa ra phương pháp thiết kế các dạng gối này Clark và các cộng sự (1997) [23] đã thực hiện mô hình thực nghiệm trên nhà 3 tầng sử dụng gối đàn hồi, kết quả đã chỉ ra ứng xử của các dạng gối đàn hồi

Kelly (1999) [22] nghiên cứu gối cao su có sợi gia cường thay thế cho những lá thép trong gối, tác giả đưa ra kết luận về hiệu quả của dạng gối này vẫn cao, trọng lượng và giá thành giảm hơn so với gối đàn hồi trước đó

Ryan, Kelly and Chopra (2005) [28] quan sát thấy rằng cường độ đàn hồi của

LR 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 toán theo lý thuyết

Warn, G.P.; Whittaker, A.S (2006) [36], thực hiện một nghiên cứu ứng xử của gối cao su có độ cản thấp (NR) kết hợp theo các phương ngang đứng

A.R Bhuiyan, Y Okui, H Mitamura, T Imai (2009) [10] đề xuất một mô hình lưu biến của gối HDR nhằm xác định độ nhớt phi tuyến Nhóm tác giả Kalpakidis, I.V.; Constantinou, M.C.; Whittaker, A.S (2010) [20] tiếp tục nghiên cứu sự giảm cường độ của gối LR do sự nóng lên của lõi chì trong quá trình chuyển động tiêu tán năng lượng Mô hình lý thuyết và thực nghiệm xây dựng ứng xử trễ của gối có xét đến

sự nóng lên của lõi chì

b Các nghiên cứu về gối trượt ma sát (Friction sliding bearings)

Hiện nay, các nghiên cứu về gối cô lập trượt ma sát trên thế giới tập trung vào 3 loại như sau [33]:

1/ Gối trượt ma sát đơn (Single friction pendulum bearing, SFP)

Hình 1.20 Gối trượt ma sát đơn, SFP

2/ Gối trượt ma sát đôi (Double friction pendulum bearing, DFP)

Hình 1.21 Gối trượt ma sát đôi, DFP

3/ Gối trượt ma sát ba (Trible friction pendulum bearing, TFP)

Hình 1.22 Gối trượt ma sát ba, TFP

So với gối đàn hồi, các dạng gối trượt ma sát được phát minh sau Những nghiên cứu về gối trượt phát triển mạnh trong những năm gần đây Hiện tại, các nghiên cứu trên thế giới về gối cô lập trượt ma sát đạt được những thành tựu rất lớn, đặc biệt là các nước Bắc Mỹ, Đài Loan Đi đầu là các tác giả Constantinou, M.C, Mokha, A, Nagarajaiah, TSai C.S, Zayas, V…

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

- Kết cấu công trình chống động đất được nghiên cứu tính toán rất phức tạp Thiết kế kháng chấn phải đảm bảo các mục đích: công trình xây dựng đảm bảo đủ khả năng chịu lực, không chịu 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 hiện đại, việc thiết kế kháng chấn 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 Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại là tạo cho kết cấu công trình một độ bền đủ lớn và một độ cứng thích hợp:

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

- Độ cứng thích hợp nhằm giúp công trình có sự cân bằng hài hòa về mặt động lực học Bởi vì, 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 vãi đồ đạc thiết bị bên trong nhà dẫn đến thiệt hại về mặt kinh tế và gây cảm giác khó chịu cho con người 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

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GỐI CÔ LẬP MỘT MẶT

TRƯỢT MA SÁT (SFP) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.1 Cơ sở tính toán công trình chịu động đất

Trong phân tích động lực công trình, kết cấu xây dựng thường là một hệ phân

bố khối lượng dao động và sẽ có vô hạn bậc tự do Tuy nhiên, để việc tính toán đơn giản, ta chấp nhận một số giả thiết mang tính gần đúng nhưng đảm bảo tính an toàn trong thiết kế, hệ kết cấu sẽ được đưa về hữu hạn bậc tự do (hệ nhiều bậc tự do)

Đối với công trình xây dựng nhiều tầng chịu động đất, ta có thể mô hình hóa đơn giả khi chấp nhận các giả thiết như sau:

- Bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó, có khối lượng m i;

- Các cột hay những bộ phận thẳng đứng chịu lực xem như không có khối

lượng, chỉ có tổng độ cứng ngang k i, bỏ qua biến dạng dọc của chúng;

- Cơ cấu phân tán năng lượng được được biểu diễn bằng bộ phận giảm chấn

thủy lực c i Với giả thiết này, mỗi tầng của công trình có thể xem như một khối lượng

có ba bậc tự do là hai chuyển vị ngang và một chuyển vị xoay quanh trục thẳng đứng Nếu công trình dạng đối xứng về phân bố khối lượng và độ cứng, ta có thể bỏ qua thành phần chuyển vị xoay và hệ kết cấu còn lại hai bậc tự do cho một tầng

Trong trường hợp bài toán phẳng, mỗi tầng sẽ có một bậc tự do là chuyển vị ngang Mô hình tính toán của một kết cấu nhà n tầng chịu tải trọng động đất (chịu chuyển động nền với gia tốc là u ) sẽ được trình bày như hình 2.1a là khung thực n g

tầng, Hình 2.1b là mô hình tính toán lý tưởng sau khi chấp nhận các giả thiết như trên Hình 2.1c là mô hình tính toán đơn giản thay thế cho mô hình 2.1b

2.1.2 Phương trình chuyển động

Phương trình vi phân chuyển động của mô hình kết cấu sẽ được thiết lập theo phương pháp chuyển vị (phương pháp ma trận độ cứng)

a Khung thực n tầng; b Mô hình tính toán lý tưởng; c.Mô hình tương đương

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

Khi chịu động đất, móng công trình xem như tuyệt đối cứng chịu một chuyển vị

nền cưỡng bức là u g , chuyển vị ngang tương đối là u i và chuyển vị ngang tuyệt đối sẽ

là u g +u i Vận tốc tương đối u , vận tốc tuyệt đối i u i+ u Gia tốc tương đối g u i và gia

tốc tuyệt đối của khối lượng thứ i là u + i u g

Các thành phần lực tác dụng lên khối lượng thứ i bao gồm: Lực quán tính do gia

tốc tuyệt đối, lực đàn hồi do chuyển vị tương đối và lực cản do vận tốc tương đối Áp dụng nguyên lý cân bằng động d’Alembert cho mỗi khối lượng, ta sẽ có các phương trình chuyển động như sau:

gia tốc tương đối

2.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA GỐI CÔ LẬP MỘT MẶT TRƯỢT MA SÁT

2.2.1 Cấu tạo gối cô lập một mặt trượt ma sát

Cấu tạo gối trượt ma sát được làm bằng kim loại chống rỉ Bao gồm con lăn trượt trên mặt cong được phủ 1 lớp hóa chất tạo ma sát theo phương ngang khi chịu tải trọng động đất

Gối trượt ma sát trên mặt cong được thiết kế và sản xuất tại EPS, Inc (Vallejo, California94592,http://www.earthquakeprotection.com)

Phạm vi nghiên cứu đề tài này gối cô lập một mặt trượt ma sát SFP

a Gối trượt ma sát đơn (Single friction pendulum bearing, SFP)

Gối SFP được giới thiệu sớm nhất, vào năm 1987 [38] Cấu tạo gồm một mặt

cong bán kính R và một con lắc trượt trên mặt cong có hệ số ma sát , như Hình 2.2

Hình 2.2 Cấu tạo gối trượt ma sát đơn SFP

2.2.2 Mô hình xác định hệ số ma sát trong các thiết bị gối trượt

Lực ma sát trong chuyển động có quy luật tự nhiên tương đối phức tạp Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Bề mặt vật liệu, áp lực, vận tốc trượt và lịch sử tải trọng

Có nhiều mô hình được thiết lập để xác định lực ma sát động

u là vận tốc trượt Hàm dấu sign được xác định như phương trình (2.2)

x x x

b Mô hình Coulomb hiệu chỉnh

Mô hình Coulomb với hệ số ma sát là hằng số phản ảnh không đúng với thiết bị trượt của gối Constantinou và cộng sự đã nghiên cứu thực nghiệm và chỉ ra hệ số ma sát thay đổi trong quá trình trượt [11], nó phụ thuộc vào gia tốc, vận tốc và áp lực bề mặt Vận tốc trượt là yếu tố quan trọng, tác giả đưa ra công thức tính hệ số ma sát như sau:

Trong đó: max và min là hệ số ma sát ứng với vận tốc trượt lớn nhất và nhỏ

nhất Hệ số a hằng số phụ thuộc vào áp lực bề mặt

c Mô hình dẻo (Viscoplasticity model, mô hình Bouc - Wen)

Mô hình này được đưa ra bởi Bouc (1971) và được Wen phát triển (1976) [37]

nhằm hiệu chỉnh cho mô hình Coulomb (thay thế hàm sign bằng biến trễ Z), nó được xác định như phương trình (2.4) Biến trễ Z mô tả hệ số ma sát thay đổi khi vận tốc

trượt chậm dần về 0 và đổi chiều trượt trong con lắc chính xác hơn so với hàm dấu

sign, điều này được minh họa trên Hình 2.3

Kết hợp với mô hình Bouc-Wen và thực nghiệm, Constantinou và cộng sự đưa

ra mô hình xác định lực ma sát trong các thiết bị gối trượt tương đối chính xác, cụ thể

hệ số ma sát được xác định như phương trình (2.3), lực ma sát xác định trong phương

trình (2.4) Các hằng số trong phương trình (2.5) bao gồm Y,  và  cũng được tác

giả xác định từ thực nghiệm [11], [23]

2.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP SỐ CHO NGHIÊN CỨU

Trong nghiên cứu này, các đại lượng chuyển vị (u), vận tốc (u) và gia tốc (u) của kết cấu cần được xác định Các đại lượng này được xác định từ việc giải các hệ phương trình vi phân (cấp 2) chuyển động của kết cấu Có 2 nhóm phương pháp cho lời giải này là phương pháp giải tích và phương pháp số Với hệ phương trình vi phân chuyển động kết cấu thường phức tạp, tải trọng tác dụng cho dạng rời rạc (tải động đất) nên phương pháp giải tích sẽ phức tạp Ngược lại, phương pháp số sẽ thuận tiện hơn, nghiệm phương pháp số được xác định tại các thời điểm cụ thể, đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu và khả năng lập trình bằng máy tính cho phương pháp số là dễ dàng Chính vì vậy phương pháp số sẽ được lựa chọn trong nghiên cứu này Có 2 nhóm phương pháp số tương đối mạnh trong lời giải bài toán động lực học kết cấu là: Phương pháp Newmark (phương pháp dạng ẩn) và phương pháp Runge-Kutta (bậc 4, phương pháp tường minh)

Nghiệm đã biết tại thời điểm i: u i, u i, ui  M1( Pi  Cui  Kui)

Nghiệm tại thời điểm i+1 đƣợc xác định nhƣ sau: