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

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

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

Mã số: 85.80.205

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Phương Hoa

Phản biện 1: GVC.TS Nguyễn Văn Mỹ

Phản biện 2: TS Đặng Việt Dũng

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại Trường Đại học Bách

khoa vào ngày 24 tháng 11 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng - Cầu Đường, Trường Đại học Bách khoa -

ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

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 (Indonesia) với 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

Ở Việt Nam, mặc dù không nằm trong “vành đai lửa” của các chấn tâm động đất mạnh trên thế giới Tuy nhiên, Việt Nam vẫn là quốc gia nằm trong khu vực có mối hiểm họa động đất khá cao Tại Việt Nam, trong lịch sử đã ghi nhận một số trận động đất với cấp độ khá mạnh (6,7-6,8 độ richter) tại những đới đứt gãy dài hàng trăm

km, như đới đứt gãy: sông Hồng, sông Chảy, Sơn La, Sông Mã, đới đứt gãy 109…

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

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

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

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

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)

1.2 Kỹ thuật cách chấn bằng gối con lắc 2 mặt trượt ma sát – DFP

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

1.2.2.Tình hình nghiên cứu gối con lắc trượt ma sát – DPF a) Tình hình nghiên cứu ngoài nước

b) Tình hình nghiên cứu trong nước

c) Tình hình nghiên cứu công trình chịu lực kích động đứng 1.2.3 Nhận xét, đề xuất hướng nghiên cứu

1.3 Kết luận chương

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

a) Cơ sở tính toán công trình chịu động đất

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

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

i

u , vận tốc tuyệt đối: ui+ ug Gia tốc tương đối ui và gia tốc tuyệt

đối của khối lượng thứ i là: ui+ug

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]:

trong đó: [M] là ma trận khối lượng, [K] là ma trận độ cứng và

[C] là ma trận 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

a) Mô hình Coulomb

b) Mô hình Coulomb hiệu chỉnh

2.2 Lựa chọn phương pháp số cho nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp Newmark

2.2.2 Phương pháp Runge - Kutta

Đây là một phương pháp số được một số nghiên cứu đánh giá

là tốt để giải phương trình vi phân chuyển động Với phương trình vi

phân chuyển động cấp 2, ta có thể hạ bậc xuống phương trình vi

phân cấp 1 hoặc giải trực tiếp cấp 2 Phương pháp không hạ bậc có

thể trình bày phương pháp giải như sau [10]:

Nghiệm đã biết tại thời điểm i: ui, ui, 1

u =M− P−Cu −Ku Nghiệm tại thời điểm i+1 được xác định như sau:

i i i

Với 2 phương pháp trên, ta có thể chọn một để giải hệ phương

trình vi phân chuyển động dạng ma trận của kết cấu có xét đến thành

phần kích động đứng Tuy nhiên, với kết cấu cách chấn bằng các

dạng gối trượt ma sát sẽ chứa yếu tố phi tuyến ở các thành phần lực

trong gối con lắc 2 mặt trượt ma sát –DFP (lực ma sát, lực va chạm

và lực kích động đứng, trình bày trong Mục 2.3) nên khi ta dùng

phương pháp Newmark thì phải dùng cách giải lặp Với phương pháp

Runge - Kutta sẽ phù hợp hơn cho các phương trình phi tuyến trong

nghiên cứu vì đây là phương pháp tường minh (các đại lượng bước

thứ i+2 chỉ tính thông qua bước thứ i) Trong nghiên cứu này, ta sử

dụng tính chất: đạo hàm của chuyển vị bằng vận tốc (u = v) và đạo hàm của vận tốc bằng gia tốc (v a = ) để chuyển hệ phương trình vi phân cấp 2 về cấp 1 (hạ bậc) với biến là chuyển vị và vận tốc Ta sử

dụng hàm ode15s (hay ode45) trong Matlab [32] để giải chúng một cách nhanh chóng theo phương pháp Runge - Kutta Yếu tố phi tuyến

ở thành phần lực bên trong gối được lồng vào hệ phương trình vi phân cấp 1 và sẽ được cập nhật theo từng bước thời gian Chi tiết chương trình tính bằng ngôn ngữ Matlab được trình bày trong các Phụ lục

2.3 Mô hình chuyển động gối trượt ma sát khi chịu tác động của

tải trọng động đất 2.3.1 Gối hai mặt trượt (DFP, Double friction pendulum)

Mô hình gối DFP với ý tưởng xem gối DFP là 2 phần tử ma sát [23] Phần tử thứ nhất là sự trượt ở mặt 1 với các đặc trưng vật lý

là: khối lượng mb1, độ cứng kb1, hệ số ma sát  và khả năng trượt

là d1 Phần tử thứ hai là sự trượt ở mặt 2 với các đặc trưng vật lý là:

khối lượng mb2, độ cứng kb2, hệ số ma sát  và khả năng trượt là

d2

Kết nối mô hình của gối DFP và kết cấu ta có mô hình kết cấu gắn gối DFP như Hình 2.4 Hệ sẽ có (n+2) bậc tự do

a Mô hình kết cấu b Mô hình tính

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

Phân tích cấu tạo Gối DFP ta thấy: Hai mặt cong có bán kính

tương ứng R 1 cho mặt dưới và R 2 cho mặt trên, R 1 = R 2 Hệ số ma sát

tương ứng của hai mặt cong này là µ 1 và µ 2 , với µ 1 < µ 2 Khả năng

chuyển vị lớn nhất của 2 mặt cong là d1 và d2 Với cấu tạo như trên, chuyển động của gối dưới tác dụng của gia tốc nền được Fenz mô tả chi tiết trong các nghiên cứu [23] Sự trượt trong gối trải qua 3 giai đoạn trượt khác nhau

Giai đoạn I: Khi chuyển động nền đủ lớn, lực ngang trong gối

F lớn hơn lực ma sát F f1 của mặt 1, mặt 1 sẽ trượt trước (mặt 2 chưa

trượt), chuyển vị ngang của gối là u1

Giai đoạn II: Khi lực ngang trong gối F lớn hơn lực ma sát F f2 của mặt 2, mặt 2 sẽ trượt cùng với mặt 1 (cả hai mặt cùng trượt),

chuyển vị ngang của gối là u 1 + u 2

Giai đoạn III: Khi chuyển vị ngang trong mặt 1 là u1 đạt giá

trị lớn nhất (u 1 = d 1 ), xuất hiện lực va chạm F r1 ngăn chuyển động trong mặt 1, lúc này sự trượt chỉ còn xảy ra ở mặt 2 (mặt 1 dừng

F n1

u1

F f 1

F r1 F

trượt) Khi u 2 = d 2 , gối đạt chuyển vị u max = d 1 +d 2 , lực va chạm F r2

xuất hiện ở mặt 2 Các thành phần lực và chuyển vị ngang trong gối

được thể hiện trong Hình 2.5

Hình 2.5 Chuyển động trong gối DPF 2.2.2 Hệ phương trình vi phân chuyển động

Hệ phương trình vi phân chuyển động, gồm (n+2) phương

trình, của kết cấu cách chấn chịu gia tốc nền u g được viết như

Các thành phần lực ma sát trên các mặt cong trong các phương

trình (2.33) sẽ được xác định như sau:

Hệ phương trình vi phân chuyển động (2.33) sẽ được giải bằng

phương pháp số Runge - Kutta bậc 4 (sử dụng hàm ode15s trong

Matlab) để xác định phản ứng của kết cấu và gối DFP theo lịch sử

thời gian

2.3.2 Gối DFP chịu ảnh hưởng của lực kích động đứng

Trong quá trình chuyển động, nếu bỏ qua thành phần gia tốc

theo phương đứng thì tổng trọng lượng W là không đổi Khi xét thêm

thành phần kích động đứng, tổng trọng lượng bên trên gối W sẽ thay

đổi (cộng thêm thành phần lực quán tính do gia tốc nền theo phương

đứng A z gây ra) Thông thường, kết cấu có độ cứng dao động đứng

lớn hơn rất nhiều so với dao động theo phương ngang Khi xét kích

động đứng ta xem toàn bộ kết cấu bên trên như 1 khối cứng có trọng

lượng N(t) thay đổi và được xác định như sau [13]:

( ) (1 a gz)

N t W

g

trong đó: agzlà thành phần gia tốc nền theo phương đứng (tạo ra

- Trình bày chi tiết về cấu tạo và nguyên lý chuyển động của dạng gối trượt ma sát DFP Quan hệ giữa lực, chuyển vị ngang và thành phần lực kích động đứng của 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 có xét đến thành phần kích động đứng được

đề xuất

Chương 3

VÍ DỤ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN

GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƯỢT MA SÁT- DFP

3.1 Ảnh hưởng của thành phần kích động đứng đến công trình

3.1.1 Giới thiệu kết cấu

giống nhau: khối lượng m i =102Ns2/mm, độ cứng k i =150kN/mm, tỷ

số cản = Chu kỳ cơ bản T 1=0.992s Thông số kỹ thuật của gối DFP được lấy theo kinh nghiệm của một số thiết kế trước [40] như sau: R1 =2000; h1=40; Reff1= R1 – h1; d1 = 600; fmax1 = 0.08; fmin1 = 0.04; a1 = 0.02 Và R2 =2000; h2=40; Reff2= R2 – h2; d2 = 600; fmax2 = 0.08; fmin2 = 0.04; a2 = 0.02 Các đặc trưng hình học A =1; Yz = 0.25; gama = 0.9; Beeta = 0.1 và eta= 2 Trong Hình 3.1, giới thiệu gia tốc nền của trận động đất tuần tự theo các phương X và Z (phương Z là phương có xét ảnh hưởng của lực kích động đứng) [23]

Hình 3.1 Gia tốc nền theo phương ngang (A x ) và đứng (A z )

Phân tích phổ đồ thị của đường ứng xử trễ của gối chịu động đất lên công trình được trình bày trong các Hình 3.2 và 3.3 ta thấy đường phổ đồ thị khi có xét ảnh hưởng của lực kích động đứng (đường màu đỏ -XYZ) chuyển lệch và có trị số lớn so với đường phổ đồ thị (đường màu xanh -XY)

Kết quả tính toán được giới thiệu trong các Hình 3.2 và 3.3 cho thấy: thành phần lực kích động đứng có ảnh hưởng đáng kể đến

hệ kết cấu mà chúng ta không thể bỏ qua ảnh hưởng này Ảnh hưởng của lực kích động đứng đến các công trình xây dựng như trong các Hình 3.2 và 3.3, giới thiệu đường ứng xử trễ của kết cấu gối khi

không kể đến (các nghiên cứu trước kia bỏ qua ảnh hưởng của lực kích động đứng này) và có kể đến ảnh hưởng của lực kích động theo phương đứng

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