Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần kích động đứng của các trận động đất mạnh đến phản ứng kết cấu công trình khi sử dụng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát DFP

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG QUỐC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÀNH PHẦN KÍCH ĐỘNG ĐỨNG CỦA CÁC TRẬN ĐỘNG ĐẤT MẠNH ĐẾN PHẢN ỨNG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH KHI SỬ DỤNG GỐI CO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀNG QUỐC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÀNH PHẦN KÍCH ĐỘNG ĐỨNG CỦA CÁC TRẬN ĐỘNG ĐẤT MẠNH ĐẾN PHẢN ỨNG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH KHI SỬ DỤNG

GỐI CON LẮC 2 MẶT TRƯỢT MA SÁT – DFP

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Đà Nẵng - 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀNG QUỐC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÀNH PHẦN KÍCH ĐỘNG ĐỨNG CỦA CÁC TRẬN ĐỘNG ĐẤT MẠNH

ĐẾN PHẢN ỨNG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH KHI SỬ DỤNG

GỐI CON LẮC 2 MẶT TRƯỢT MA SÁT – DFP

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Với thời gian nghiên cứu và năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tồn tại Học viên rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn Trân trọng cảm ơn !

LỜI CAM ĐOAN

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

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

Tác giả luận án

Nguyễn Hoàng Quốc

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÀNH PHẦN KÍCH ĐỘNG ĐỨNG CỦA CÁC TRẬN ĐỘNG ĐẤT MẠNH ĐẾN PHẢN ỨNG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH KHI

SỬ DỤNG GỐI CON LẮC 2 MẶT TRƯỢT MA SÁT – DFP

RESEARCHING EFFECTS OF VERTICAL ACTIVITY COMPONENTS OF STRONG SOIL ACTIVITIES TO REACTIVATE THE CONSTRUCTING CONSTRUCTION WHEN USING THE 2-SIDE CUTTING PILLOW - DFP

Học viên: Nguyễn Hoàng Quốc Chuyên ngành: Xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85.80.205 Khóa: K36.XGT.TV Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN TÓM TẮT:

Gối cách chấn DFP (Double Friction Pendulum) là dạng gối con lắc trượt ma sát đôi, được biết đến như một thiết bị giảm chấn hiệu quả cho các công trình xây dựng chịu động đất Trong báo cáo này, hiệu quả giảm chấn của thiết bị sử dụng trong nhà cao tầng chịu tải trọng động đất được đánh giá Những nghiên cứu trước đây, thành phần gia tốc nền theo phương đứng thường bị bỏ qua trong phân tích, điều này dẫn đến

có sai số đáng kể trong kết quả tính toán với những trận động đất mạnh, đặc biệt các công trình tại gần tâm chấn Trong nghiên cứu này, tác giả sẽ phân tích ảnh hưởng của thành phần kích động đứng đến phản ứng kết cấu Những kết quả nghiên cứu sẽ được

mô phỏng bằng việc phân tích động lực học một ngôi nhà 9 tầng bằng thép gắn gối DFP chịu động đất xét cả ba thành phần X, Y và thành phần đứng

Từ khóa: Gối ma sát DFP, cách chấn đáy, ảnh hưởng thành phần đứng của

động đất, chịu động đất, nhà cao tầng

ABSTRACT:

Double Friction Pendulum (Double Friction Pendulum) is a double friction slider pendulum, known as an effective damping device for earthquake-resistant buildings In this report, the damping effect of equipment used in high-rise buildings is assessed by earthquake load Previous studies, vertical component of ground acceleration are often ignored in the analysis, which leads to significant errors in the calculation results with strong earthquakes, especially those near epicenter In this study, the author will analyze the effect of agitation components on structural response The research results will be simulated by dynamic analysis of a 9-storey house with DFP bearing steel subjected to earthquakes considering all three components X, Y and vertical components

Keywords: DFP friction bearings, base isolation, effects of vertical component

of earthquake, earthquake resistant, high-rise building

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH CHỐNG ĐỘNG ĐẤT 6

1.1.1 Động đất 6

1.1.2 Giải pháp công trình chịu động đất 7

1.2 KỸ THUẬT CÁCH CHẤN BẰNG GỐI CON LẮC 2 MẶT TRƯỢT MA SÁT 14

1.2.1 Sơ lược về lịch sử ứng dụng kỹ thuật cách chấn 14

a) Khái niệm về kỹ thuật cách chấn 16

1.2.2.Tình hình nghiên cứu gối con lắc trượt ma sát – DPF 18

Hình 1.11: Cấu tạo Gối con lắc ma sát đôi, gối DFP (Fenz, 2008e) 18

1.2.3 Nhận xét, đề xuất hướng nghiên cứu 21

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22

Chương 2 24

MÔ HÌNH VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 24

GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƯỢT MA SÁT - DFP 24

2.1 CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA GỐI CÔ LẬP TRƯỢT MA SÁT 24

2.1.1 Cấu tạo dạng gối cô lập 2 mặt trượt ma sát –DFP 24

2.1.2 Mô hình xác định hệ số ma sát trong thiết bị gối trượt 26

2.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP SỐ CHO NGHIÊN CỨU 27

2.2.1 Phương pháp Newmark 28

2.2.2 Phương pháp Runge - Kutta 28

2.3 MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG GỐI TRƯỢT MA SÁT KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 30

2.3.1 Gối hai mặt trượt (DFP, Double friction pendulum) 30

2.2.2 Hệ phương trình vi phân chuyển động 33

2.3.2 Gối DFP chịu ảnh hưởng của lực kích động đứng 34

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 35

Chương 3 36

VÍ DỤ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN 36

GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƯỢT MA SÁT- DFP 36

3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN KÍCH ĐỘNG ĐỨNG ĐẾN CÔNG TRÌNH 36

3.1.1 Giới thiệu kết cấu 36

3.1.2 Gia tốc nền phân tích 36

3.1.3 Ảnh hưởng của thành phần kích động đứng 37

3.1.4 Đánh giá ảnh hưởng của kích động đứng 41

3.1.5 Hiệu quả giảm lực cắt và gia tốc trong kết cấu 43

3.2 THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU GỐI DFP CÓ XÉT KÍCH ĐỘNG ĐỨNG 43

3.2.1 Giới thiệu chung 43

3.2.2 Thiết kế thông số kỹ thuật hợp lý của gối 2 mặt trượt ma sát DFP có xét kích động đứng để chịu được tải trọng động đất mạnh 43

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 1

H(t) % Phần trăm gia tốc nền bình phương tích lũy

D s Khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh của một

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

D m Chiều dài trung bình của đứt gãy

E erg Năng lượng trận động đất

Rrup km Khoảng cách gần nhất đến đứt gãy

Rjp km Khoảng cách ngắn nhất đến hình chiếu đứt gãy lên

tT s Toàn bộ thời gian chuyển động nền

tD s Thời gian chuyển động nền cần xác định

d mm Khả năng chuyển vị trên mặt cong

Reff m Bán kính mặt cong hiệu quả của gối

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

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

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

Z

Ux mm Chuyển vị gối theo phương x

Uy mm Chuyển vị gối theo phương y

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

thời gian

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Giải thích ý nghĩa

OCHA Office for the Coordination of Humanitarian Affairs (Văn phòng

Liên hợp quốc điều phối các vấn đề nhân đạo) TFP Triple friction pendulum (Gối con lắc ma sát ba)

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

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

ASCE American Society of Civil Engineers

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

NRB Natural rubber bearing (Gối cao su tự nhiên)

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

PEER Pacific Earthquake Engineering Research (Trung tâm nghiên cứu

động đất Thái Bình Dương của đại học Berkeley) EPS Earthquake Protection Systems (Công ty sản xuất gối cách chấn, Mỹ)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1 Hình 1.1 Bản đồ phân vùng gia tốc lãnh thổ Việt Nam 5

2 Hình 1.2 Tác động của tải trọng động đất lên công trình 7

3 Hình 1.3 Kết cấu bên trên được cách chấn đáy 9

4 Hình 1.4 Gia tốc, vận tốc và chuyển vị theo thời gian của trận

động đất Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm

El Centro Array

10

5 Hình 1.5 Phổ phản ứng băng gia tốc nền của trận động đất

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

11 Hình 1.11 Cấu tạo Gối con lắc ma sát đôi, gối DFP (Fenz,

2008e)

18

12 Hình 2.1 Mô hình hệ kết cấu nhiều bậc tự do chịu động đất 25

13 Hình 2.2 Hệ số ma sát phụ thuộc vào vận tốc trượt 27

14 Hình 2.3 Hàm biến trễ Z so sánh hàm dấu sign 27

15 Hình 2.4 Mô hình tính toán nhà cao tầng gắn gối DFP 30

17 Hình 2.6 Đường ứng xử trễ gối DFP ( : giai đoạn I, II) 33

18 Hình 3.1 Gia tốc nền theo phương ngang (Ax) và đứng (Az) 37

19 Hình 3.2 Đường ứng xử trễ của gối theo phương X khi không

25 Hình 3.8 Hiệu quả giảm lực cắt lớn nhất trong các tầng 41

26 Hình 3.9 Gia tốc tuyệt đối tầng 9 theo phương X với ảnh

34 Hình 3.17 So sánh chuyển vị trong kết cấu 48

35 Hình 3.18 So sánh đường ứng xử trễ trong kết cấu 49

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Động đất là sự chuyển động bất ngờ của bề mặt trái đất ở một nơi nào đó tùy thuộc vào khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng của đất đá Nguyên nhân chính gây ra động đất là sự chuyển động của các mảng kiến tạo, phun trào núi lửa, giãn nở của quả đất, vụ nổ hạt nhân, tích nước vào hồ chứa lớn, sập hang động ngầm

Một số thảm họa động đất thiên tai gần đây ở châu Á là rất đáng quan ngại: Ngày 27/9/2018: thảm họa kép động đất và sóng thần xảy ra trên đảo Sulawesi Công tác cứu hộ kết thúc ngày 26/10 với thống kê: hơn 2.100 người chết, 1.300 người mất tích, 4.400 người bị thương nặng, 133.000 người phải bỏ xứ ra đi Trong vòng một năm, Indonesia gặp hai thảm họa lớn có sức tàn phá khủng khiếp Ngày 11/3/2011: thảm họa kép động đất kèm sóng thần xảy ra ở Nhật Bản 15.000 người chết và thiệt hại của Nhà máy điện hạt nhân Fukushima đến nay vẫn còn nặng nề Theo OCHA, năm 2011 cũng là năm 90% các thảm họa thiên nhiên lớn xảy ra ở châu Á Ngày 25/10/2010: động đất và sóng thần ở Mentawai, Indonesia làm 435 người chết Ngày 17/7/2006: động đất và sóng thần ở Pangandaran làm 668 người chết Ngày 26/12/2004: thảm họa kép động đất kéo theo sóng thần trên Ấn Độ Dương đánh vào

bờ biển 10 nước trong đó có Indonesia, Thái Lan làm chết 225.000 người

nam)

(https://www.msn.com/vi-vn/news/world/hai-vùng-sóng-thần-nguy-hiểm-đối-với-việt-Căn cứ vào Bản đồ phân vùng động đất lãnh thổ Việt Nam, Việt Nam là nước có khả năng xảy ra động đất, thậm chí một số vùng thuộc khu vực phía Bắc có khả năng động đất cấp 8 Năm 1983, Hà Nội bị ảnh hưởng của dư chấn động đất cường độ 4-5

độ Richter Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam, trong vòng gần một thế kỷ không bị bất kỳ cơn địa chấn nào, tuy nhiên từ năm 2005 đến nay, hàng loạt trận động đất đã xảy ra tại Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam

Đối với nguy cơ thiên tai đặc biệt 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 hoi/454494/Viet-Nam-co-nguy-co-dong-dat-kha-cao.html)

(http://tuoitre.vn/Chinh-tri-Xa-Khi động đất từ 6-7 độ Richter các dư chấn do động đất gây ra đã xuất hiện nhiều trên các tỉnh, thành phố lớn nơi tập trung một số lượng lớn các nhà cao tầng, các cây cầu lớn và nhu cầu xây dựng các công trình lớn ngày càng tăng về số lượng cũng như về chiều cao Các loại công trình này rất nhạy cảm với gia tốc nền của những trận động đất ảnh hưởng hầu hết các công trình, đặc biệt là kết cấu phần dưới bị hư hỏng Tuy nhiên, nếu các công trình được thiết kế kháng chấn tốt thì hư hỏng cũng được hạn

chế và quan trọng nhất là cứu được sinh mạng của con người nên việc điều khiển kết cấu bền vững dưới tác động của ngoại lực vẫn còn là lĩnh vực mới mẻ

Với những thực tế như trên, các công trình xây dựng cần được thiết kế kháng chấn, đặc biệt là thiết kế kháng chấn theo quan điểm hiện đại, khái niệm này gắn với thuật ngữ “điều khiển dao động kết cấu” và tương đối còn mới mẻ ở Việt Nam

Do đó, việc nghiên cứu tìm hiểu về về 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: “Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần kích động đứng của các trận động đất mạnh đến phản ứng kết cấu công trình khi sử dụng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát - DFP”

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP có xét đến thành phần kích động đứng chịu tác động của các trận động đất mạnh Đánh giá hiệu quả giảm chấn cho công trình xây dựng khi sử dụng các gối cách chấn trên Từ đó, có thể nghiên cứu ứng dụng gối DFP cho các công trình nhà cao tầng xây dựng ở Việt Nam

Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu hiệu quả giảm chấn của gối con lắc 2 mặt trượt

ma sát – DFP khi có xét thành phần kích động đứng của các trận động đất mạnh

Mục tiêu cụ thể:

➢ Tính toán hiệu quả giảm chấn khi dùng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP

➢ Tính toán tối ưu hóa kích thước kết cấu gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP

có xét đến thành phần kích động đứng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu cách chấn đáy cho gối DFP cho các kết cấu xây dựng ở Việt Nam

Đề tài sẽ tập trung vào các vấn đề trọng tâm như sau: Nghiên cứu phản ứng của kết cấu cách chấn bằng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát - DFP khi có động đất mạnh xảy ra đối với công trình nhà nhiều tầng

4 Phương pháp nghiên cứu

Xây dựng mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát - DFP Đánh giá chi tiết hiệu quả giảm chấn dạng gối này cho công trình

Nghiên cứu mô hình tính toán lý thuyết, kết quả nghiên cứu được mô phỏng bằng ngôn ngữ Matlab, áp dụng để giải số trực tiếp các phương trình vi phân chuyển động bằng thuật toán Runge-Kutta dùng code tính của trường Đại học Berkeley (Mỹ)

5 Kết quả dự kiến

Xác định hiệu quả giảm chấn khi dùng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP Tối ưu hóa kích thước kết cấu gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP

Kết luận, kiến nghị

Cuối cùng là phần tài liệu tham khảo và phụ lục chương trình tính toán

7 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Động đất và nghiên cứu các giải pháp công trình chịu tác động của tải trọng động đất là một chủ đề được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu Kết quả nghiên cứu động đất được thể hiện trong các công trình nghiên cứu của các tác giả ngoài nước như: “Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering - Anil K Chopra (1995)”; “Earthquake-resistant concrete structures - Penelis, G.G and Kappos, A.J (1997)”

Hiện nay, trong các tiêu chuẩn kháng chấn trên thế giới như AASHTO LRFD

2012, EUROCODE 8 và JRA 2002

Bên cạnh đó mỗi nước đều ban hành các tiêu chuẩn tính động đất riêng xuất phát

từ chiến lược phát triển kinh tế xã hội cũng như cơ sở vật chất kỹ thuật của nước mình Tại Việt Nam, nghiên cứu động đất được Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng -

Bộ Xây dựng biên soạn, Bộ Xây dựng đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [11] (được chuyển đổi từ TCXDVN 375:2006): Thiết kế công trình chịu động đất được biên soạn trên cơ sở chấp nhận EUROCODE 8: Design of structures for earthquake resistance có bổ sung hoặc thay thế các phần mang tính đặc thù Việt Nam Eurocode 8 có 6 phần:

EN1998 - 1: Quy định chung, tác động động đất và quy định đối với kết cấu nhà; EN1998 - 2: Quy định cụ thể cho cầu;

EN1998 - 3: Quy định cho đánh giá và gia cường kháng chấn những công trình hiện hữu;

EN1998 - 4: Quy định cụ thể cho silô, bể chứa, đường ống;

EN1998 - 5: Quy định cụ thể cho nền móng, tường chắn và những vấn đề địa kỹ thuật;

EN1998 - 6: Quy định cụ thể cho công trình dạng tháp, dạng cột, ống khói

Trong lần ban hành này mới đề cập đến các điều khoản đối với nhà và công trình tương ứng với các phần của Eurocode 8 như sau:

Phần 1 tương ứng với EN1998 - 1;

Phần 2 tương ứng với EN1998 - 5;

Các phần bổ sung hoặc thay thế cho nội dung Phần 1:

Phụ lục E: Mức độ và hệ số tầm quan trọng

Phụ lục F: Phân cấp, phân loại công trình xây dựng

Phụ lục G: Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam

Phụ lục H: Bảng Phân vùng gia tốc nền theo địa đanh hành chính

Phụ lục I: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất

Các tiêu chuẩn tham khảo chung trích dẫn ở điều 1.2.1 chưa được thay thế bằng các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam, vì cần đảm bảo tính đồng bộ giữa các tiêu chuẩn trong hệ thống tiêu chuẩn Châu Âu Hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam tiếp cận hệ thống tiêu chuẩn Châu Âu sẽ lần lượt ban hành các tiêu chuẩn trích dẫn này

Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam là kết quả của đề tài độc lập cấp Nhà nước “Nghiên cứu dự báo động đất và dao động nền ở Việt Nam do Viện Vật lý địa cầu thiết lập và chịu trách nhiệm pháp lý đã được Hội đồng Khoa học cấp Nhà nước nghiệm thu năm 2005 Bản đồ sử dụng trong tiêu chuẩn có độ tin cậy và pháp lý tương đương là một phiên bản cụ thể của bản đồ cùng tên đã được chỉnh lý theo kiến nghị trong biên bản đánh giá của Hội đồng nghiệm thu Nhà nước

Trong bản đồ phân vùng gia tốc, đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR trên lãnh thổ Việt Nam được biểu thị bằng các đường đẳng trị Giá trị agR giữa hai đường đẳng trị

được xác định theo nguyên tắc nội suy tuyến tính Ở những vùng có thể có tranh chấp

về gia tốc nền, giá trị agR do Chủ đầu tư quyết định

Từ đỉnh gia tốc nền agR có thể chuyển đổi sang cấp động đất theo thang

MSK-64, thang MM hoặc các thang phân bậc khác, khi cần áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế chịu động đất khác nhau

Theo giá trị gia tốc nền thiết kế ag = I x agR, chia thành ba trường hợp động

đất:

- Động đất mạnh ag ≥ 0,08g, phải tính toán và thiết kế cấu tạo kháng chấn;

- Động đất yếu 0,04g ≤ ag < 0,08g, chỉ cần áp dụng các giải pháp kháng chấn đã

được giảm nhẹ;

- Động đất rất yếu ag < 0,04g, không cần thiết kế kháng chấn

Trong Eurocode 8 kiến nghị dùng hai dạng đường cong phổ, đường cong phổ

dạng 1 dùng cho những vùng có cường độ chấn động Ms ≥ 5,5, đường cong phổ dạng

2 dùng cho những vùng có cường độ chấn động Ms < 5,5 Trong tiêu chuẩn sử dụng

đường cong phổ dạng 1 vì phần lớn các vùng phát sinh động đất của Việt Nam có

cường độ chấn động Ms ≥ 5,5

Không thiết kế chịu động đất như nhau đối với mọi công trình mà công trình khác nhau thiết kế chịu động đất khác nhau Tùy theo mức độ tầm quan trọng của công trình đang xem xét để áp dụng hệ số tầm quan trọng I thích hợp Trường hợp có thể

có tranh chấp về mức độ tầm quan trọng, giá trị I do chủ đầu tư quyết định.[11]

1

Hình 1.1: Bản đồ phân vùng gia tốc lãnh thổ Việt Nam

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH CHỐNG ĐỘNG ĐẤT

1.1.1 Động đất

Động đất được hiểu là các rung chuyển bất ngờ của bề mặt trái đất ở một nơi nào

đó đủ mạnh trên diện tích đủ lớn, ở mức nhiều người cảm nhận được, tùy thuộc vào khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng của đất đá có để lại các dấu vết phá hủy hay nứt đất ở vùng đó Về mặt vật lý, các rung chuyển đó phải có biên độ đủ lớn, có thể vượt giới hạn đàn hồi của môi trường đất đá và gây nứt vỡ Ứng với động đất có nguồn gốc tự nhiên là sự chuyển động của các mảng kiến tạo, phun trào núi lửa, giãn

nở của quả đất, hoặc mở rộng đến các vụ nổ thử hạt nhân, tích nước vào hồ chứa lớn, sập hang động ngầm [7]

a) Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo [1] [7]:

Năm 1960, các nhà địa chấn đưa ra thuyết kiến tạo mảng (plate tectonics) để giải thích nguồn gốc và vị trí các trận động đất xảy ra, đấy là sự thừa nhận và phát triển từ thuyết trôi dạt các lục địa (continental driff) do Alfred Wegener đưa ra vào năm 1912 Theo thuyết này, lúc đầu (cách đây 270 triệu năm) các lục địa gắn với nhau gọi là Pangaea, sau đó (cách đây khoảng 200 triệu năm) chúng tách ra thành nhiều mảng, gồm 6 mảng lớn (Châu Phi, Châu Mỹ, Châu Nam cực, Úc-Ấn, Á- Âu, Thái Bình Dương) và 14 mảng nhỏ hơn (như mảng Caribbean, mảng Cocos, mảng Philippine,…)

di chuyển chậm tương đối so với nhau Trong quá trình dịch chuyển, biến dạng dần dần được tích lũy (xảy ra chậm và liên tục) Gộp chung một số mảng nhỏ gần nhau hoặc có cùng xu hướng trôi dạt, vỏ Trái đất có thể chia ra làm 11 mảng như sau: mảng

Á – Âu, mảng Châu Phi, mảng Châu Úc, mảng Philippine, mảng Thái Bình Dương, mảng Cocos, mảng Nazca, mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ, mảng Caribe và mảng Nam cực

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

b) Động đất có nguồn gốc từ các đứt gãy [1] [7]:

Trong cấu trúc nền đá của lớp vỏ trái đất tại những chỗ có các vỉa đá có đặc tính khác nhau gối đầu vào nhau hay tựa lên nhau theo mặt tiếp xúc giữa chúng Sự cắt ngang cấu trúc địa chất như vậy gọi là đứt gãy (phay địa chất - Fault)

Các đứt gãy có chiều dài vài mét tới hàng trăm kilômét, chiều sâu có thể từ mặt đất đến hàng chục kilômét bên trong mặt đất Sự tồn tại các đứt gãy chứng tỏ giữa các phần của lớp vỏ trái đất có chuyển động tương đối với nhau Các chuyển động từ từ sẽ không sinh ra động đất Các chuyển động, trượt đột ngột thường sẽ sinh ra động đất

c) Động đất phát sinh từ các nguồn gốc khác:

Động đất có hai nguồn gốc chính như trên Ngoài ra, động đất còn do một số

nguyên nhân khác gây ra như: do sự dãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất; do các

vụ nổ; do hoạt động của núi lửa; do sụp đổ nền đất; do tích nước vào các hồ chứa nước

lớn [1] [7]:

1.1.2 Giải pháp công trình chịu động đất

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

ug(t))

Hình 1.2: 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 cách

chấn cho 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 cách chấn cho 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 [18]

a) 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…

b) 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 [29]

Hình 1.3: 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

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 [12]

Khi một trận động đất xảy ra, các thông số sau có ý nghĩa quan trọng trong thiết

kế kháng chấn công trình

Thông số thứ nhất - Biên độ lớn nhất [7] - Biên độ lớn nhất thông thường thể hiện dưới các dạng đỉnh của chuyển động nền, bao gồm: gia tốc đỉnh (PGA, Peak Ground Acceleration), vận tốc đỉnh (PGV, Peak Ground Velocity) và chuyển vị đỉnh (PGD, Peak Ground Displacement) Trong đó, đại lượng gia tốc đỉnh thường có ý

nghĩa quan trọng hơn, các kỹ sư thiết kế thường quan tâm đến thông số này Tải trọng động đất tác dụng vào công trình thường tỉ lệ với gia tốc đỉnh, đặc biệt là các công trình có độ cứng lớn Hai đại lượng vận tốc đỉnh và chuyển vị đỉnh thì ít ảnh hưởng hơn, nó thường chỉ có ý nghĩa với những kết cấu mềm, nhà cao tầng Những đại lượng này thu được trên cơ sở các số ghi địa chấn Hình 1.4 giới thiệu các đại lượng này của

trận động đất Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array [30]

Hình 1.4: Gia tốc, vận tốc và chuyển vị theo thời gian của trận động đất Imperial

Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array Thông số thứ 2 - Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh [7]

- Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh là khoảng thời gian cần để

giải phóng năng lượng của trận động đất, một thông số quan trọng trong đánh giá phản ứng của kết cấu, đặc biệt là kết cấu làm việc phi tuyến Những kết cấu có hiện tượng sụt giảm độ cứng và cường độ vật liệu thì rất nhạy cảm với tải trọng lặp của động đất

Có nhiều cách xác định khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh, trong đó phổ

biến nhất:

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

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

2 0 2 0

( )( )

Thông số thứ 3 - Nội dung tần số [7] - Tải trọng động đất thường phức tạp, dàn

trải trên một miền tần số rộng Nội dung tần số mô tả cách thức phân bố biên độ chuyển động nền giữa các tần số khác nhau Nội dung tần số của một băng gia tốc thường được các nhà thiết kế thể hiện dưới dạng phổ phản ứng Hình 1.5 trình bày phổ phản ứng của băng gia tốc El Centro trên Hình 1.1 Trên phổ phản ứng, vùng chu kỳ trội của các trận động đất sẽ được nhìn thấy rõ ràng, điều này có ý nghĩa rất lớn trong thiết kế

Hình 1.5: Phổ phản ứng băng gia tốc nền của trận động đất Imperial Valley

(15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array Thông số thứ 4 - Độ lớn động đất [7]

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

Mw được xác định như sau:

0

2log 10.73

1102

E= M −

(1.4) Thông số thứ 5 - Khoảng cách đến đứt gãy

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

dụng gồm: Rjp là khoảng cách ngắn nhất đến hình chiếu đứt gãy lên mặt bằng) và Rrup

là khoảng cách gần nhất đến đứt gãy Căn cứ vào Rrup, các nhà thiết kế và địa chấn học

phân chia chuyển động nền gồm: chuyển động gần phay (near-fault) và xa phay fault) Các chuyển động gần phay thường chứa các xung trong các lịch sử gia tốc, vận tốc và chuyển vị Nó ảnh hưởng nhiều đến các phản ứng của kết cấu, đặc biệt là các kết cấu mềm (nhà cao tầng hay kết cấu cách chấn) [16]

(far-Thông số thứ 6 - Điều kiện đất nền tại vị trí đang xét - Điều kiện đất nền tại vị trí

đang xét liên quan đến tốc độ truyền sóng động đất Nó sẽ ảnh hưởng đến phản ứng kết cấu khác nhau trong điều kiện đất nền khác nhau Để định nghĩa các loại nền đất, các tiêu chuẩn thiết kế thường dựa vào vận tốc truyền sóng cắt trung bình trong 30 m

(100 ft) trên cùng của nền đất [11]

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

Với các thảm họa do động đất như đã đề cập, thiết kế công trình chịu động đất là một nhiệm vụ, một thách thức lớn cho các nhà thiết kế kết cấu xây dựng Thiết kế kháng chấn phải đảm bảo các mục đích: công trình xây dựng đảm bảo đủ khả năng chịu lực, không bị hư hại về kết cấu cũng như hư hỏng về thiết bị đồ đạc sử dụng trong công trình, tồn tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động đất

Theo quan điểm thiết kế kháng chấn truyền thống, người thiết kế chỉ quan tâm đến vấn đề lực tác dụng, chưa quan tâm đến vấn đề năng lượng Để đảm bảo khả năng chịu lực, các cấu kiện chịu lực như dầm, cột thường được sử dụng các loại vật liệu cứng và tiết diện tăng lên Điều này sẽ làm tăng lực tác động lên công trình vì khối lượng kết cấu tăng lên, tăng độ cứng cũng sẽ làm cho gia tốc các tầng tăng lên và sẽ ảnh hưởng đến điều kiện sử dụng bình thường Giá thành và yêu cầu kỹ thuật cho thiết

kế theo quan điểm này sẽ không tốt [17]

Theo quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại, việc thiết kế kháng chấn cho một công trình xây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau: bảo đảm kết cấu có khả năng chịu lực lớn trong miền đàn hồi; bảo đảm cho kết cấu có khả năng phân tán năng lượng do động đất truyền vào, thông qua sự biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc các thiết bị hấp thu năng lượng [8] Ngày nay, quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại thường gắn với kỹ thuật điều khiển kết cấu [17] Kỹ thuật này làm giảm các dao động có hại của kết cấu thông qua việc lắp đặt những thiết bị điều khiển vào kết cấu Các thiết bị này sẽ hấp thu, tiêu tán hay có thể cách ly nguồn năng lượng

do động đất truyền vào kết cấu Mối liên hệ giữa các nguồn năng lượng trong kết cấu được Soong và cộng sự (1994) [18] thể hiện như Phương trình 1.5

trong đó: E là năng lượng do động đất truyền vào kết cấu, Ek năng lượng dạng động năng, Es năng lượng do biến dạng đàn hồi (thế năng biến dạng), Eh năng lượng tiêu tán do biến dạng dẻo trong kết cấu và Ed là năng lượng tiêu tán do thiết bị điều khiển kết cấu đặt vào

Ở Việt Nam, tuy là một quốc gia chưa thật sự phát triển trong lĩnh vực này nhưng trong thời gian gần đây cũng có những nghiên cứu theo hướng điều khiển kết cấu [5] Các nghiên cứu này có thể chưa được ứng dụng rộng rãi nhưng nó là tiền đề cho các nhóm nghiên cứu sau phát triển hơn

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

Nhóm 1 - Điều khiển bị động (Passive control): Hệ điều khiển bị động giúp kết cấu hấp thu, tiêu tán hoặc cách ly một phần năng lượng do gió bão, động đất,… thông qua các thiết bị điều khiển được gắn vào kết cấu Thiết bị này thường được thiết kế tối

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

Các hệ cản bị động được sử dụng phổ biến hiện nay: hệ cách chấn đáy (cô lập móng), hệ tiêu tán năng lượng bị động (như: hệ cản kim loại - Metallic damper, hệ cản chất lỏng nhớt - Viscous fluid damper, hệ cản chất rắn đàn nhớt - Solid Viscoelastic Damper, hệ cản ma sát - Friction Damper,…), hệ cản điều chỉnh khối lượng (Tuned Mass Damper, TMD),… [28]

Nhóm 2 - Điều khiển chủ động (Active control): Hệ điều khiển chủ động thu nhận trạng thái của kết cấu thông qua các cảm biến đo đạc, từ đó đưa ra quyết định điều khiển lực (thông quan hệ thống điều khiển) để đưa kết cấu về trạng thái mong muốn Cơ chế điều chỉnh trên phải diễn ra kịp thời trong khoảng thời gian rất ngắn Với đặc điểm này, hệ chủ động có ưu điểm hơn hệ bị động là có thể thích nghi với các thay đổi của môi trường và điều khiển được các tác động không biết trước Tuy nhiên,

độ tin cậy của loại điều khiển này không cao vì nó phụ thuộc vào sự ổn định của nguồn năng lượng cung cấp mà nguồn năng lượng này thường có công suất lớn Mặt khác, việc bảo trì cũng khá tốn kém và phức tạp Thông thường, hệ cản chủ động cần một nguồn năng lượng lớn để vận hành [33], [35]

Nhóm 3 - Điều khiển bán chủ động (Semiactive control): Hệ cản bán chủ động ra đời nhằm tận dụng những ưu điểm của hệ cản bị động và hệ cản chủ động Hệ cản này

có độ tin cậy cao, nguồn năng lượng cần cung cấp thấp hơn nhiều so với hệ cản chủ động Một khi nguồn năng lượng này mất đi vì lý do nào đó thì hệ vẫn làm việc như hệ cản bị động Thông thường, hệ cản này được thiết kế theo nguyên lý bị động khi lực kích động nhỏ (động đất yếu), đến khi lực kích động lớn (động đất mạnh) thì hệ bán chủ động sẽ chuyển sang làm việc như hệ chủ động và nó được gắn trực tiếp vào kết cấu Khi làm việc, ta có thể thay đổi các đặc tính cơ học của hệ cản thông qua một nguồn năng lượng nhỏ [35]

1.2 KỸ THUẬT CÁCH CHẤN BẰNG GỐI CON LẮC 2 MẶT TRƯỢT MA SÁT

Các dạng gối sử dụng trong kỹ thuật cách chấn cho công trình thường gồm hai dạng phổ biến: gối cao su (gối đàn hồi) và gối trượt ma sát (dạng con lắc)

So với gối cao su, gối trượt ma sát phát triển sau Nó được giới thiệu đầu tiên vào năm 1987 bởi Zayas [41] Gối trượt ma sát hiện đang được nghiên cứu bao gồm ba dạng: gối con lắc ma sát đơn (Single Friction Pendulum, SFP), gối con lắc ma sát đôi (Double Friction Pendulum, DFP) và gối con lắc ma sát ba (Triple Friction Pendulum,TFP) [18], [20] Các dạng gối này được chế tạo từ kim loại chống rỉ Chuyển động của chúng như dạng con lắc Gối có cấu tạo gồm một hay nhiều con lắc trượt trên những mặt cong có bán kính R Trên bề mặt các mặt cong và con lắc được phủ một lớp vật liệu Teflon để đảm bảo có một hệ số ma sát nhỏ giữa chúng Bán kính

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

xử của gối và kết cấu bên trên

1.2.1 Sơ lược về lịch sử ứng dụng kỹ thuật cách chấn

Kỹ thuật cách chấn đáy được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong vài thập niên gần đây Tuy nhiên, ý tưởng về kỹ thuật này xuất hiện cách đây hơn 100 năm Touaillon, một người Pháp, là người đầu tiên đưa ra sáng kiến sử dụng gối cách chấn đặt giữa kết cấu bên trên và nền đất cho các công trình chịu động đất được thực hiện vào năm 1870 Cấu tạo của những gối này là các viên bi tròn lăn trên 2 mặt cong đặt tại chân công trình và đã được cấp bằng sáng chế, Hình 1.6 [36] Vào năm 1906, Bechtold, một người Đức, đã đề nghị đặt những viên bi tròn bằng kim loại ngăn cách phần kết cấu với nền đất như là một lớp cách ly dao động của nền với công trình [14] Vào năm 1909, Calantarients, một bác sĩ người Anh cũng đã đề nghị xây dựng những

công trình trên các lớp cát, mica để cho phép công trình có thể trượt khi chịu động đất [29] Những phát minh trên là nền tảng ban đầu cho các nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật cách chấn đáy sau này Trong những năm gần đây, việc ứng dụng kỹ thuật cách chấn đáy vào các công trình chịu động đất trở nên phổ biến ở các nước như Mỹ, Nhật, New Zealand,… và mộ số nước châu Âu Vào năm 1969, Trường học ở Skopje, Macedonia

là công trình đầu tiên trên thế giới đã sử dụng những khối cao su tự nhiên như những gối cách chấn NRB [29]

Hình 1.6: Bằng sáng chế của Touaillon

Tại Mỹ, tòa nhà Foothill Communities Law and Justice Center là công trình đầu tiên của Mỹ và là đầu tiên của thế giới sử dụng 98 gối đàn hồi có độ cản lớn để chống động đất được hoàn thành vào năm 1985 [25] Vào năm 1988, tòa nhà thứ 2 là The City and County Building, ở thành phố Salt Lake, sử dụng 208 gối đàn hồi có lõi chì

và 239 gối cao su tự nhiên cũng đã được xây dựng Ngày nay, theo các báo cáo, còn có

rất nhiều công trình ở Mỹ sử dụng gối cách chấn để chịu động đất

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

Ở Nhật, thiết kế chống động đất là một yêu cầu và là thế mạnh, rất nhiều kỹ thuật điều khiển kết cấu chống động đất được ứng dụng Gối cách chấn được sử dụng đầu tiên vào năm 1986 Năm 1990, số lượng công trình sử dụng gối cô lập đã là 10, đến

năm 1995 là khoảng 80 [29] Tòa nhà West Japan Postal Computer Center ở Sanda là công trình lớn nhất thế giới sử dụng gối cách chấn (47000 m2)

Ngoài ra, một số công trình khác cũng sử dụng các dạng gối con lắc ma sát cho

kỹ thuật cách chấn như: sân bay quốc tế San Francisco (Hình 1.7), bể chứa chất lỏng công nghiệp ở Ý, giàn khoan dầu khí ở Nga,… [20]

Hình 1.7: Sân bay Quốc tế San Francisco (mã IATA: SFO; mã ICAO: KSFO, 2000)

a) Khái niệm về kỹ thuật cách chấn

Kỹ thuật cách chấn gối cô lập dao động (cách chấn cô lập móng) trong kết cấu là

là kỹ thuật điều khiển bị động kết cấu, rất hiệu quả cho thiết kế công trình chịu động đất Ý tưởng chính của kỹ thuật này là cách ly kết cấu bên trên với nền bằng cách sử dụng các gối mềm, gọi là gối cách chấn Gối cách chấn có độ cứng chuyển vị ngang nhỏ, thông thường sẽ được lắp vào giữa phần móng và kết cấu bên trên để cách ly kết cấu với chuyển động nền, ngắt bớt nguồn năng lượng động đất truyền vào kết cấu Kết cấu được gắn thiết bị này sẽ có chu kỳ cơ bản tăng lên, kết cấu được làm “mềm” đi Với chu kỳ dao động của kết cấu cô lập tăng lên sẽ giúp cho kết cấu cách chấn tránh

xa các vùng chu kỳ trội của các trận động đất, tránh xa vùng cộng hưởng của tải trọng,

từ đó giảm tác động của tải trọng động đất vào kết cấu, được minh họa như Hình 1.8a Tuy nhiên, do kết cấu được làm mềm đi nên chuyển vị tương đối của toàn bộ kết cấu

so với nền sẽ tăng lên, như Hình 1.8b [14], [29]

Sa Taêng chu kyø

đi, làm cho thiết bị sử dụng trong công trình không bị hư hỏng lớn

a Kết cấu ngàm cứng b Kết cấu được cô lập

Hình 1.9: Hiệu quả giảm chấn của gối cách chấn (Wang, 2002)

Trong thiết kế, để đảm bảo kết cấu cách chấn chịu được tải trọng ngang do gió và

dễ dàng phục hồi về vị trí cân bằng ban đầu, các gối cách chấn được cấu tạo với một

độ cứng ngang nhất định ban đầu (cung cấp một độ cứng ngang hay sự ma sát trong gối) Điều này sẽ làm giảm đi một phần về sự cách ly dao động Tuy nhiên, với cấu tạo của gối như vậy, sẽ có sự tiêu tán năng lượng xảy ra bên trong gối, được thể hiện trong một dạng đường ứng xử trễ của gối như Hình 1.10 [14]

W Reff1

u

Hình 1.10: Đường trễ trong gối DFP

b) Kỹ thuật cách chấn gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DPF

Gối cách chấn DFP (Double Friction Pendulum) là dạng gối con lắc trượt ma sát đôi, được biết đến như một thiết bị giảm chấn hiệu quả cho các công trình xây dựng chịu động đất Trong các nghiên cứu, ứng dụng và thiết kế móng công trình với kết cấu cách chấn, hiệu quả giảm chấn của thiết bị gối ma sát 2 mặt trượt DFP sử dụng trong nhà cao tầng chịu tải trọng động đất được đánh giá

Gối DFP là một thiết bị cách chấn, nó được đặt vào giữa phần móng công trình

và kết cấu bên trên để cách ly chuyển động của nền với công trình bên trên [13]

1.2.2.Tình hình nghiên cứu gối con lắc trượt ma sát – DPF

Gối DFP bắt nguồn từ sáng kiến của Touaillon năm 1870 [36], sử dụng những viên bi tròn lăn trên những mặt cong như một hệ cô lập móng Gối DFP được giới thiệu sau gối SFP với mục đích cải thiện khả năng chuyển vị ngang của gối SFP [39] Cấu tạo gồm 2 mặt cong bán kính R1

và R2

và 1 con lắc trượt trên 2 mặt cong có hệ số

ma sát12 Khả năng chuyển vị ngang của gối là d out =d1+d2

a Cấu tạo gôi tháo rời b Mặt cắt ngang

Hình 1.11: Cấu tạo Gối con lắc ma sát đôi, gối DFP (Fenz, 2008e)

a) Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Gối DFP giới thiệu như Hình 1.11 là một sự cải tiến cho gối SFP với mục đích tăng khả năng chuyển vị ngang của gối [23] Nó được phát triển từ sáng kiến của Touaillon năm 1870 [36] Dạng gối này sớm được sử dụng cho các công trình ở Nhật,

đã được Hyakuda (2001) [24], tác giả đầu tiên nghiên cứu về gối DFP tại Nhật, mô tả Hiệu quả giảm chấn của các công trình ở Nhật cách chấn bằng gối DFP được Hyakuda trình bày trong báo cáo này Một gối có tên SFP cải tiến được Tsai cùng cộng sự (2002) [39] nghiên cứu lần đầu tiên được tiến hành Mô hình tính toán đơn giản của gối này được trình bày trong nghiên cứu này Các mô hình tính toán lý thuyết và thí nghiệm kiểm chứng về gối MFPS (một tên gọi khác của gối DFP) được Tsai và cộng

sự tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong giai đoạn này [37], một thiết kế đặc biệt của con lắc bên trong với khớp trượt đã được giới thiệu lần đầu tiên bởi nghiên cứu của Tsai [38] Khớp trượt của con lắc có tác dụng làm xoay con lắc để tăng thích nghi khi con lắc trượt trên mặt cong (đặc biệt là các mặt cong có hệ số ma sát khác nhau) Những thí nghiệm của ngôi nhà 3 tầng bằng thép có kích thước thật cách chấn bằng gối MFPS chịu nhiều băng gia tốc nền khác nhau được nhóm nghiên cứu của Tsai thực hiện để kiểm chứng các mô hình lý thuyết được đưa ra Hiệu quả giảm chấn của gối được nhóm nghiên cứu công bố đạt từ 70% đến 90% dưới nhiều băng gia tốc khác nhau, ngay cả các băng gia tốc có chu kỳ trội lớn Một điều đặc biệt trong các thí nghiệm là gối MFPS được phủ một loại vật liệu Teflon cải tiến (khác với loại Teflon

do Constantinou và Mokha nghiên cứu (1990) [19]) Loại Teflon này có độ bền cao dưới tác dụng của áp lực lớn và chuyển động với tần suất cao Các nghiên cứu của Constantinou (2004) [18] và Fenz (2006) [23] tiếp tục phát triển mô hình tính toán gối DFP và các thí nghiệm kiểm chứng Các nghiên cứu về ứng xử của gối, quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang được phát triển hơn so với các nghiên cứu của Tsai, cụ thể như: sự khác nhau về bán kính cong của mặt trượt và hệ số ma sát, ảnh hưởng chiều cao của con lắc đến bán kính cong và sự xoay của con lắc đến quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang Các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu này cũng tiến hành với nhiều thông số kỹ thuật khác nhau của gối DFP để chứng minh sự phức tạp trong ứng xử của gối, điều này chưa được đề cập trong các nghiên cứu trước

Hai nhóm nghiên cứu Tsai và Constantinou được xem như là có hệ thống về gối DFP Ngoài ra, còn nhiều nghiên cứu riêng lẻ về gối này cũng đáng quan tâm Kim và Yun (2007) [26] đã nghiên cứu về ưu điểm của ứng xử tam tuyến tính (trường hợp hệ

số ma sát 2 mặt cong là khác nhau) so với song tuyến tính (trường hợp hệ số ma sát 2 mặt cong là như nhau) của gối DFP dưới các chuyển động mạnh của nền Nghiên cứu cho rằng với ứng xử tam tuyến tính có thể giảm được lực cắt trong kết cấu từ 15% đến 40% so với song tuyến tính Malekzadeh (2010) [27], đã đưa ra những ưu điểm của

gối DFP so với SFP thông qua phân tích ứng xử của các gối này Nghiên cứu tiến hành

mô phỏng dưới nhiều cấp độ động đất khác nhau, kết quả cho thấy hiệu quả giảm chấn cũng như khả năng chuyển vị ngang của gối DFP là cao hơn gối SFP Các nghiên cứu của Faramarz (2010, 2014) [21], [22] xét đến ảnh hưởng của thành phần gia tốc nền theo phương đứng đến phản ứng ngang của kết cấu cách chấn bằng gối DFP Kết quả cho thấy, tùy vào tính chất các băng gia tốc nền và đặc trưng động học của kết cấu mà sai số nếu bỏ qua thành phần kích động đứng từ 5% đến 22% [22] Faramarz tiếp tục nghiên cứu sự khác nhau của ứng xử tam tuyến tính so với song tuyến tính và hiện tượng va chạm với kết cấu lân cận [21] Theo tác giả, với ứng xử tam tuyến tính sẽ cho giá trị lực cắt trong kết cấu nhỏ hơn ứng xử song tuyến tính (giống như nghiên cứu của Kim và Yun (2007) [26]) Tuy nhiên, chuyển vị của gối sẽ tăng lên khoảng 57% với ứng xử tam tuyến tính Khi chuyển vị của gối tăng, hiện tượng va chạm với kết cấu lân cận xuất hiện sẽ làm tăng lực cắt trong kết cấu lên Các nghiên cứu ứng dụng và thực nghiệm về gối DFP cũng được tiến hành ở Ý trong giai đoạn gần đây bởi Casarotti (2013) [15] và Ponzo (2014) [31] Ứng xử của kết cấu có mặt bằng rộng lớn gồm nhiều khối được kết nối bằng sàn cứng trên các gối cách chấn DFP được Casarotti nghiên cứu Mô hình thí nghiệm nhà thép một tầng với tỉ lệ 1/3 tựa trên 4 gối DFP được thực hiện trong nghiên cứu của Ponzo Mục đích của nghiên cứu để tìm ra phản ứng của kết cấu trong trường hợp khác nhau về hình dạng kết cấu và điều kiện trượt bên trong gối DFP Kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả phân tích lý thuyết bằng phần mềm máy tính

b) Tình hình nghiên cứu 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 nay là tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 [11] – Thiết kế công trình chịu động đất, trong đó có mục số 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 kể đến như: Đào Ngọc Tuyết, Nguyễn Thanh Tùng (1999) [2] trong báo cáo 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) [4] khảo sát sát hệ cô lập móng chống động đất bằng gối cô lập BIS; Nguyễn Xuân Thành (2006) [3] đã nghiên cứu gối cách chấn cho nhà cao tầng; Trần Tuấn Long (2007) [6] 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) [5] nghiên cứu giải pháp cách chấn đáy với gối kỹ thuật và tính tải trọng động đất; Ở nghiên cứu của tác giả Nguyễn Lê Ninh (2007) [7], tác giả đã công bố hiệu quả đàn hồi và gối FPS, chỉ ra quy trình 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 của tác giả Nguyễn Lê Ninh (2011) [9] 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) [12] 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

c) Tình hình nghiên cứu công trình chịu lực kích động đứng

Những nghiên cứu trước đây, thành phần gia tốc nền theo phương đứng thường

bị bỏ qua trong phân tích, điều này dẫn đến có sai số đáng kể trong kết quả tính toán với những trận động đất mạnh, đặc biệt các công trình tại gần tâm chấn

Trong quá trình chuyển động, nếu bỏ qua thành phần gia tốc theo phương đứng thì tổng trọng lượng khối công trình là không đổi Khi xét thêm thành phần kích động đứng, tổng trọng lượng khối công trình bên trên gối sẽ thay đổi (cộng thêm thành phần lực quán tính do gia tốc nền theo phương đứng Az gây ra) Thông thường, kết cấu có

độ cứng dao động đứng lớn hơn rất nhiều so với dao động theo phương ngang

1.2.3 Nhận xét, đề xuất hướng nghiên cứu

Qua những phân tích như trên, một số nhận xét có thể rút ra như sau:

- Động đất là một hiểm họa thiên nhiên đối với con người và công trình xây dựng Thiết kế công trình chịu động đất là một yêu cầu khách quan cho các nhà thiết

kế kết cấu công trình Quan điểm thiết kế kết cấu truyền thống, như đã trình bày ở trên,

có những hạn chế nhất định Trong thời gian gần đây, quan điểm thiết kế hiện đại gắn với kỹ thuật điều khiển kết cấu được áp dụng rộng rãi, mang lại hiệu quả cao so với quan điểm thiết kế truyền thống

- Cách chấn đáy là một kỹ thuật điều khiển bị động được nghiên cứu và áp dụng trong điều khiển dao động công trình chịu động đất mang lại hiệu quả cao Điều này đã được các nghiên cứu lý thuyết và kiểm chứng thực nghiệm

- Thiết bị gối trượt ma sát dạng con lắc sử dụng trong kỹ thuật cách chấn đáy với

những ưu điểm của nó đã được nghiên cứu và sử dụng nhiều trong thời gian gần đây Các dạng gối này ra đời sau so với các loại gối khác nên nó có những cải tiến đáng kể

về mặt kỹ thuật

Những nghiên cứu về gối trượt ma sát dạng con lắc đã được các nhà khoa học triển khai rất nhiều, đem lại những kết quả tích cực trong thiết kế công trình chịu động đất Tuy nhiên, những đặc điểm kỹ thuật cũng như ứng xử của kết cấu cách chấn đáy

và gối trượt ma sát cũng cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để hoàn thiện hơn về mặt lý thuyết và ứng dụng Một số nghiên cứu cần thiết và sẽ được triển khai trong đề tài này như sau:

- Xây dựng mô hình tính toán và phương trình vi phân chuyển động của kết cấu nhà cao tầng gắn gối DFP có xét thêm thành phần kích động đứng Viết chương trình tính toán cho kết cấu nhà thép 9 tầng Đây là cơ sở để khảo sát phản ứng kết cấu và đánh giá hiệu quả giảm chấn của gối

- Tính toán hiệu quả giảm chấn của gối DFP có xét kích động đứng lắp đặt trong nhà cao tầng Với các ưu điểm của gối DFP có xét kích động đứng là ổn định trong làm việc, chịu được tải trọng kích động đứng lớn và có kích thước tối ưu hơn so với các loại gối chưa tính toán kích động đứng trên thị trường cho kết cấu móng công trình, ta có thể đề xuất sử dụng cho các công trình ở Việt Nam

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trước kia, khi chúng ta không có được các nghiên cứu đầy đủ hơn về ảnh hưởng của lực kích động đứng đối với các công trình và con người cũng chưa có được các phương tiện nghiên cứu đủ hiện đại để xem xét đến ảnh hưởng này Ngày nay, khi chúng ta có đầy đủ các điều kiện để nghiên cứu, lực kích động đứng đối với công trình xây dựng khi động đất xảy ra là không thể bỏ qua Thông qua kết quả nghiên cứu, ảnh hưởng của thành phần kích động đứng là đáng kể đối với công trình cao tầng và đặc biệt các công trình đặt gần tâm chấn của các trận động đất mạnh

Với những nội dung nghiên cứu trong chương 1, những kết luận được rút ra như sau:

- Cơ sở lý thuyết tính toán công trình chịu động đất bao gồm: mô hình tính toán, phương trình vi phân chuyển động và phương pháp số để xác định phản ứng của kết cấu được chỉ ra

- Trình bày chi tiết về cấu tạo và nguyên lý chuyển động của các dạng gối trượt

ma sát DFP Quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang và kích động đứng của các dạng gối này được thiết lập Mô hình tính toán và phương trình vi phân chuyển động kết cấu cách chấn bằng các dạng gối trượt ma sát chịu động đất được thiết lập Phương pháp

số để giải các phương trình vi phân chuyển động để tìm ra phản ứng của kết cấu được

đề xuất

- Một ví dụ mô phỏng bằng số được thực hiện bằng chương trình tính Matlab để minh họa kết quả mô hình lý thuyết được thực hiện Kết quả được tính toán cho nhiều băng gia tốc khác nhau Qua kết quả phân tích này, hiệu quả giảm chấn của các dạng gối trượt ma sát có xét kích động đứng được đánh giá chi tiết, kết quả này là rất tốt và phù hợp với các nghiên cứu trước Cũng trong bước nghiên cứu này, những ưu điểm của gối DFP có xét kích động đứng được đánh giá là tốt hơn so với các dạng gối trượt

khác có mặt trên thị trường

- Mô tả chi tiết chuyển động các dạng gối trượt ma sát DFP có xét kích động đứng được thiết lập quan hệ giữa các hệ lực, chuyển vị ngang, kể cả kích động đứng của các gối trượt ma sát DFP Mô hình tính toán với ứng xử một chiều của kết cấu cách chấn gối DFP có xét kích động đứng được thiết lập Ứng xử của kết cấu cách chấn và gối sẽ được tính toán, mô phỏng Qua phân tích này, hiệu quả giảm chấn của gối DFP có xét kích động đứng cần được đánh giá một cách chi tiết, đánh giá những

ưu điểm của gối DPF có xét kích động đứng so với các dạng gối trượt khác không xét lực kích động đứng

- Cần nghiên cứu phát triển một mô hình cải tiến hơn cho gối DFP từ mô hình đơn giản của các nghiên cứu trước để có một công cụ tính toán đầy đủ và chính xác hơn Mô hình chi tiết sau này phải có đủ độ tin cậy và cải tiến hơn so với các mô hình tính toán hiện có

Chương 2

MÔ HÌNH VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƯỢT MA SÁT - DFP 2.1 CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA GỐI CÔ LẬP TRƯỢT MA SÁT

2.1.1 Cấu tạo dạng gối cô lập 2 mặt trượt ma sát –DFP

Gối DFP được giới thiệu sau gối SFP (Single Friction Pedulum) với mục đích cải

thiện khả năng chuyển vị ngang của gối SFP Cấu tạo gồm 2 mặt cong bán kính R1 và R2 và 1 con lắc trượt trên 2 mặt cong có hệ số ma sát µ1 < µ2 Khả năng chuyển vị ngang của gối là dout = d1+d2 Hai mặt bán kính cong tạo ra lực phục hồi đưa con lắc

về trọng tâm của mặt cong, giữa ổn định cho gối khi làm việc, hệ số ma sát làm tiêu tán một phần năng lượng do động đất Với cấu tạo như vậy, độ cứng dịch chuyển ngang của gối nhỏ hơn rất nhiều so với độ cứng của kết cấu Kết cấu sẽ “mềm” đi khi được lắp đặt thiết bị này Nghĩa là chu kỳ cơ bản của kết cấu lúc này sẽ tăng lên, tránh được vùng chu kỳ trội của các trận động đất, từ đó sẽ làm giảm tác động của động đất vào kết cấu Hay nói cách khác, kết cấu được cách ly dao động của đất nền do các trận động đất gây ra

a) 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 giản khi chấp nhận các giả thiết như sau: bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của

nó, có khối lượng mi ; các cột hay những bộ phận thẳng đứng chịu lực xem như không

có khối lượng, chỉ có tổng độ cứng ngang ki , bỏ qua biến dạng dọc của chúng; cơ cấu

phân tán năng lượng được biểu diễn bằng bộ phận giảm chấn thủy lực c Với giả thiết i

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 [6], [8]

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 ug) sẽ được trình bày như Hình 2.1 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

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

b) 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)

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

nền cưỡng bức là ug, chuyển vị ngang tương đối là ui và chuyển vị ngang tuyệt đối sẽ là: ug+ ui Vận tốc tương đối u , vận tốc tuyệt đối: i u + i u Gia tốc tương đối g u và gia i 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 [9]:

cản { u }, { u } và { u } lần lượt là các vec tơ chuyển vị tương đối, vận tốc tương đối và

gia tốc tương đối

c) Phương pháp xác định phản ứng của kết cấu

Có nhiều phương pháp tính toán phản ứng kết cấu chịu động đất khác nhau Mỗi phương pháp có độ chính xác, độ phức tạp và mức độ tiêu tốn thời gian khác nhau Trong các phương pháp trên thì phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển

động (phân tích theo lịch sử thời gian) là phương pháp cho kết quả chính xác nhất, phản ánh đúng bản chất bài toán động, phù hợp cho các bài toán nghiên cứu Đây là phương pháp tổng quát cho các bài toán tuyến tính và phi tuyến Tuy nhiên, đây cũng

là phương pháp tương đối phức tạp và mất thời gian [9] Ngày nay, với sự phát triển mạnh của các phương pháp số và phần mềm máy tính nên những khó khăn trong phương pháp này hầu hết được khắc phục Đây là phương pháp được lựa chọn trong nghiên cứu này

2.1.2 Mô hình xác định hệ số ma sát trong 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

a) Mô hình Coulomb

Đây là mô hình đơn giản và được Coulomb giới thiệu sớm nhất Theo tác giả, lực

ma sát được xác định như Phương trình 2.3

(2.4)

b) Mô hình Coulomb hiệu chỉnh

Lực ma sát được tính như mô hình Coulomb (Phương trình 2.3) với hệ số ma sát

là hằng số phản ánh không đúng với ma sát trượt của gối Constantinou và công sự đã nghiên cứu thực nghiệm và chỉ ra hệ số ma sát thay đổi trong quá trình trượt [19], nó phụ thuộc vào gia tốc, vận tốc và áp lực bề mặt Vận tốc trượt là yếu tố quan trọng Thành phần lực ma sát sẽ được tính như Phương trình 2.3 nhưng trong đó hệ số ma sát

 được tính toán như Phương trình 2.5 Hình 2.2 thể hiện hệ số ma sát của một loại vật liệu phụ thuộc vào vận tốc trượt



  = max − ( max − min) e− u (2.5)

trong đó: max và min là hệ số ma sát ứng với vận tốc trượt lớn nhất và nhỏ nhất của con lắc trên mặt cong, (s/m) là một hằng số phụ thuộc vào áp lực bề mặt ứng với

mỗi vật liệu và u là vận tốc trượt

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

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

Mô hình này được đưa ra bởi Bouc (1971) và được Wen (1976) phát triển [40]

nhằm hiệu chỉnh cho mô hình Coulomb (thay thế hàm sign bằng biến trễ Z) Lực ma

sát được xác định như Phương trình 2.6

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, nó chính xác hơn so với hàm dấu sign, điều này được minh họa trên Hình 2.3 Giá trị hàm Z được xác định từ Phương trình vi phân 2.7 và hệ số

ma sát được xác định theo Phương trình 2.5

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 có độ chính xác cao, cụ thể hệ

số ma sát được xác định như Phương trình 2.5, lực ma sát xác định trong Phương trình

2.6 Các hằng số trong Phương trình 2.7 bao gồm A, Y,   và  cũng được tác giả xác định từ thực nghiệm [35]

a

u

b

a Đồ thị hàm sign b Đồ thị hàm Z

Hình 2.3 Hàm biến trễ Z so sánh hàm dấu sign

2.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP SỐ CHO NGHIÊN CỨU

Phản ứng của kết cấu sẽ được xác định thông qua các đại lượng chuyển vị u,

vận tốc uvà gia tốc u của kết cấu Các đại lượng này được xác định từ việc giải hệ các phương trình vi phân (cấp 2) chuyển động 2.1 hay 2.2 của kết cấu Có 2 nhóm phương pháp cho lời giải này là phương pháp giải tích và phương pháp số Với hệ phương