Hiệu quả giảm chấn của gối cao su có độ cản cao kết hợp hệ cản khối lượng trong kết cấu khung chịu gia tốc nền

TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cô lập móng gối cao su có độ cản cao High Damping Rubber Bearing - HDRB kết hợp với hệ cản khối lượng Tuned Mass Damper - TM

PHẠM LÝ THÀNH

HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA GỐI CAO SU

CÓ ĐỘ CẢN CAO KẾT HỢP HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG TRONG KẾT CẤU KHUNG CHỊU GIA TỐC NỀN

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã ngành : 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS NGUYỄN HỒNG ÂN

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS NGUYỄN VĂN HIẾU

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 23 tháng 08 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS CHU QUỐC THẮNG

2 PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI

3 PGS.TS NGUYỄN VĂN HIẾU

4 PGS.TS ĐÀO ĐÌNH NHÂN

5 TS CAO VĂN VUI

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : KTXD công trình dân dụng và công nghiệp MN: 60580208

I TÊN ĐỀ TÀI:

Hiệu quả giảm chấn của gối cao su có độ cản cao kết hợp hệ cản khối lượng

trong kết cấu khung chịu gia tốc nền

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Tìm hiểu mô hình hệ kết cấu khi có gắn hệ cô lập móng, gắn hệ cản khốilượng trên mái, gắn hệ cô lập móng kết hợp hệ cản khối lượng trên mái

- Nghiên cứu, thiết lập bài toán kết cấu khung có gắn hệ cô lập móng với gốicao su có độ cản cao kết hợp hệ cản khối lượng trên mái chịu gia tốc nền

- Viết mã nguồn chương trình phân tích ứng xử động lực học kết cấu củakhung có gắn hệ cô lập móng kết hợp hệ cản khối lượng

- Khảo sát các thông số nghiên cứu của gối và hệ cản khối lượng ảnh hưởngđến giảm chấn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/09/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 17/06/2018

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: HD1: TS NGUYỄN HỒNG ÂN

Sau những ngày tháng học tập tại trường, luận văn tốt nghiệp này cũng là cột mốc cuối cùng trong chương trình đào tạo, tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM, Quý Thầy Cô khoa Kỹ Thuật Xây Dựng với những tri thức, lòng tâm huyết giảng dạy của quý Thầy Cô đã cho tôi rất nhiều kiến thức, kĩ năng và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt khóa học tập, nghiên cứu tại nhà trường

Để thực hiện được luận văn này, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy

PGS.TS Nguyễn Trọng Phước, TS Nguyễn Hồng Ân là những người thầy đã

dành cho tôi rất nhiều thời gian và công sức để giúp tôi hoàn thành luận văn này Quý Thầy không những truyền đạt, cung cấp cho tôi nhiều kiến thức, mà còn là người hướng dẫn, chỉ dạy cho tôi phương pháp nghiên cứu khoa học, giải quyết các vấn đề về khoa học một cách hiệu quả, đó là những yếu tố rất quan trọng để giúp tôi hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và các bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập

Mặc dù luận văn này được hoàn thành với sự nỗ lực, cố gắng hết khả năng của bản thân, tuy vậy không tránh khỏi những thiếu sót nhất định; Vì vậy tôi rất mong nhận được sự góp ý, sự chỉ bảo của quý Thầy Cô để tôi nâng cao kiến thức chuyên môn và hoàn thiện bài làm được tốt hơn

Xin trân trọng cảm ơn

Phạm Lý Thành

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cô lập móng gối cao su có độ cản cao (High Damping Rubber Bearing - HDRB) kết hợp với hệ cản khối lượng (Tuned Mass Damper - TMD) được gắn trong kết cấu chịu gia tốc nền động đất Hệ kết cấu khung được rời rạc hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn, xem độ cứng của các sàn là tuyệt đối cứng, xét bậc tự do động lực học là chuyển vị ngang tại các tầng Hệ cô lập móng gối cao su có độ cản cao xét đến độ cứng hữu hiệu của gối được gắn giữa kết cấu bên trên và móng, trên tầng mái của hệ kết cấu có gắn hệ cản khối lượng với nhiều thông số cản khác nhau, để tìm ra hiệu quả giảm chấn Phương pháp tích phân từng bước Newmark trên toàn miền thời gian để giải phương trình chuyển động của hệ kết cấu có gắn HDRB và TMD khi chịu gia tốc nền động đất với chương trình máy tính được viết bằng ngôn ngữ MATLAB Kết quả số cho ra

đã thấy rõ được hiệu quả giảm chấn của hệ khi có gắn hệ cô lập móng HDRB kết hợp hệ cản TMD trên mái Bên cạnh đó, luận văn còn khảo sát các thông số nghiên cứu như: đường kính gối, chiều cao gối và các tỉ số cản khối lượng dưới tác động của các trận động đất khác nhau, nhằm tìm ra các thông số nghiên cứu mang lại hiệu quả giảm chấn tốt hơn cho mỗi trận động đất khác nhau

This thesis presents the reductional vibration of High Damping Rubber Bearing and Tuned Mass Damper in frame structures under ground acceleration Frame structure is discretized by finite element method, the dynamic degrees of freedom are transverse horizontal at the floor The High Damping Rubber Bearing

is mounted between the upper structure and the foundation, the Tuned Mass Damper is applied on the roof of the structure Depending on the count of HDRB and the count of TMD, motion equations of the HDRB - TMD - structure system are solved by using the step-by-step Newmark’s method with computer program written in the MATLAB program language The results are compared with another studies with similar inputs, so that indicating the relevance of the solution It show that the reductional vibration of High Damping Rubber Bearing and Tuned Mass Damper in frame structures, these results are detailed in this thesis

Tôi cam đoan rằng đây là công trình do chính tôi thực hiện, dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Trọng Phước và TS Nguyễn Hồng Ân Các số liệu được tính toán chính xác, chương trình máy tính do tôi tự viết; các nhận xét là khách quan và các tài liệu tham khảo được trích dẫn đúng qui định

Tôi xin chịu trách nhiệm về luận văn của mình

Tác giả Luận văn

Phạm Lý Thành

MỤC LỤC

MỤC LỤC……… …i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……….……… iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……… ….………… viii

MỘT SỐ KÍ HIỆU VIẾT TẮT……….……….ix

CHƯƠNG I……….1

GIỚI THIỆU……… 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ……… 1

1.2 MỤC TIÊU LUẬN VĂN……… 3

1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN………4

1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN……….5

CHƯƠNG II……… 6

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU.………6

2.1 GIỚI THIỆU……….….6

2.2 HỆ CÔ LẬP MÓNG CAO SU CÓ ĐỘ CẢN CAO……… 6

2.2.1 Sơ lược hệ cô lập móng……… 6

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của gối HDRB……….….8

2.2.3 Ứng dụng gối cao su có độ cản cao trong thực tiễn…….….… 9

2.2.4 Nghiên cứu ngoài nước……… … 10

2.2.5 Nghiên cứu trong nước……….….12

2.3 HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG……… 12

2.3.1 Sơ lược cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của TMD………….12

2.3.2 Ứng dụng hệ cản TMD trong thực tiễn……… ……… 13

2.3.3 Nghiên cứu ngoài nước……….15

2.3.4 Nghiên cứu trong nước……… 16

2.4 ĐÁNH GIÁ TỔNG QUAN……….18

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG……… 18

CHƯƠNG III………19

CƠ SỞ LÝ THUYẾT……… 19

3.1 GIỚI THIỆU……… 19

3.2 HỆ CÔ LẬP MÓNG GỐI CAO SU CÓ ĐỘ CẢN CAO……… 19

3.2.1 Cơ sở lý thuyết gối cao su có độ cản cao HDRB……… 19

3.2.2 Mô hình hệ kết cấu nhiều bậc tự do gắn HDRB………22

3.3 MÔ HÌNH HỆ KẾT CẤU CÓ GẮN HỆ CẢN TMD……….….24

3.3.1 Cơ sở lý thuyết của hệ cản khối lượng……… 24

3.3.2 Mô hình hệ kết cấu nhiều bậc tự do gắn TMD……… 26

3.4 MÔ HÌNH HỆ KẾT CẤU CÓ GẮN HỆ CẢN HDRB + TMD……… 29

3.5 PHƯƠNG PHÁP GIẢI VÀ THUẬT TOÁN……… 30

3.5.1 Phương pháp giải……… 31

3.5.2 Thuật toán……… 32

3.5.3 Trình tự các bước tính toán ……… 33

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG……… 33

CHƯƠNG IV………34

THÍ DỤ SỐ……… 34

4.1 GIỚI THIỆU……… 34

4.2 KIỂM CHỨNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH……… ………34

4.2.1 Tần số và dạng dao động ri ng ……….34

4.2.2 Bài Toán hệ chịu động đất……….35

4.2.3 Bài Toán kết cấu gắn TMD………….……… 38

4.3 ĐÁP ỨNG CỦA HỆ GẮN HDRB+TMD CHỊU TẢI ĐIỀU HÒA …40

4.3.1 Đánh giá hiệu quả giảm chấn của hệ khi gắn HDRB+TMD….40 4.3.2 Khảo sát đường kính gối HDRB……… ….47

4.3.3 Khảo sát chiều cao gối HDRB……… ………… ….54

4.3.4 Khảo sát tỷ số khối lượng của TMD……….….55

4.3.5 Khảo sát tỷ số tần số ngoại lực……….….57

4.4 ĐÁP ỨNG CỦA HỆ GẮN HDRB+TMD CHỊU ĐỘNG ĐẤT HACHINOHE 59

4.4.1 Đánh giá hiệu quả giảm chấn của hệ khi gắn HDRB+TMD….59 4.4.2 Khảo sát đường kính gối HDRB……… ….67

4.4.3 Khảo sát chiều cao gối HDRB……… ………… ….70

4.4.4 Khảo sát tỷ số khối lượng của TMD……….….72

4.5 ĐÁP ỨNG CỦA HỆ GẮN HDRB+TMD CHỊU ĐỘNG ĐẤT SUPERSTITION 75

4.5.1 Đánh giá hiệu quả giảm chấn của hệ khi gắn HDRB+TMD….75 4.5.2 Khảo sát đường kính gối HDRB……… ….83

4.5.3 Khảo sát chiều cao gối HDRB……… ………… ….86

4.5.4 Khảo sát tỷ số khối lượng của TMD……….….88

4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG……… 89

CHƯƠNG V……….………90

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.……… 90

5.1 KẾT LUẬN……… 90

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN……….… 91

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1Error! No text of specified style in document Trận động đất Kobe gây ra,

Nhật Bản, năm 1995……… ………2

Hình 1.2 Mô hình hệ kết cấu khung có gắn HDRB + TMD……… 4

Hình 2.1 Gối ma sát đơn TFP(trái) và gối ma sát đôi DFP(phải)……….….…7

Hình 2.2 Gối cao su lõi chì LRB(trái) và gối cao su tự nhiên NRB(phải) 7

Hình 2.3 Gối cao su có độ cản cao- HDRB……….……….… …… 8

Hình 2.4 Cầu Kobe Sky có gắn gối HDRB……… ……….………9

Hình 2.5 Gối HDRB cách chấn cho cầu Kobe Sky……….… 9

Hình 2.6 Gối cao su độ cản cao (HDRB) chịu tải trọng cắt……….………….… 10

Hình 2.7 Mô hình lưu biến……… ………….11

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo của TMD……….…… ….…….12

Hình 2.9 Tòa nhà Taipei sử dụng TMD để giảm chấn……….14

Hình 2.10 Tòa nhà Shinjuku Mitsui lắp đặt 6 con lắc để giảm chấn ………… …14

Hình 2.11 Mô hình kết cấu khung gắn TMD + ER ……….… …16

Hình 2.12 Mô hình kết cấu khung gắn M-TMD ……… 17

Hình 3.1 Cấu tạo gối HDRB……… ……….20

Hình 3.2 Ứng xử lực – chuyển vị của gối HDRB ……… …….….………20

Hình 3.3 Mô hình hệ kết cấu khung cô lập gối HDRB………… ……….22

Hình 3.4 Mô hình hệ kết cấu gắn cản TMD……….24

Hình 3.5 Mô hình hệ kết cấu nhiều bậc tự do gắn cản TMD……… …….………26

Hình 3.6 Phân tích lực tác động lên hệ gắn TMD……… ………26

Hình 3.7 Mô hình hệ kết cấu nhiều bậc tự do gắn gối HDRB+TMD………….….29

Hình 4.1 Gia tốc nền động đất Elcentro 1940……….….36

Hình 4.2 Phổ năng lượng động đất Elcentro 1940……… ……….36

Hình 4.3 Mô hình tính toán khung 6 tầng gắn TMD……… ……… 38

Hình 4.4 Mô hình kết cấu khung16 tầng gắn HDRB+TMD……… ……… ……40

Hình 4.5 Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh theo thời gian chịu tải điều hòa…… … 41

Hình 4.6 Đáp ứng vận tốc tầng đỉnh theo thời gian chịu tải điều hòa…… …… 42

Hình 4.7 Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh theo thời gian chịu tải điều hòa……… … 42

Hình 4.8 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng chịu tải điều hòa ……… … 43

Hình 4.9 Vận tốc lớn nhất tại các tầng chịu tải điều hòa ……… … 44

Hình 4.10 Gia tốc lớn nhất tại các tầng chịu tải điều hòa ……… …… 44

Hình 4.11 Lực cắt lớn nhất tại các tầng chịu tải điều hòa ……… ….… 45

Hình 4.12 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng với d=1100 chịu tải điều hòa ……… 48

Hình 4.13 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng với d=1300 chịu tải điều hòa … … 48

Hình 4.14 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng với d=1700 chịu tải điều hòa …… 49

Hình 4.15 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng với d=1900 chịu tải điều hòa …… 49

Hình 4.16 Chuyển vị tại các tầng khi đường kính gối thay đổi chịu tải điều hòa 50

Hình 4.17 Lực cắt lớn nhất tại các tầng với d=1100 chịu tải điều hòa ……….….51

Hình 4.18 Lực cắt lớn nhất tại các tầng với d=1300 chịu tải điều hòa ……….….51

Hình 4.19 Lực cắt lớn nhất tại các tầng với d=1700 chịu tải điều hòa ……….….52

Hình 4.20 Lực cắt lớn nhất tại các tầng với d=1900 chịu tải điều hòa ………… 52

Hình 4.21 Lực cắt tại các tầng khi đường kính gối thay đổi chịu tải điều hòa 53

Hình 4.22 Chuyển vị tại các tầng khi chiều cao gối thay đổi chịu tải điều hòa 54

Hình 4.23 Lực cắt tại các tầng khi chiều cao gối thay đổi chịu tải điều hòa 55

Hình 4.24 Chuyển vị tại các tầng khi thay đổi tỷ số khối lượng………… 56

Hình 4.25 Lực cắt tại các tầng khi thay đổi tỷ số khối lượng………… 56

Hình 4.26 Khảo sát  với nhiều giá trị d……… 57

Hình 4.27 Khảo sát  với nhiều giá trị h……… 58

Hình 4.28 Gia tốc nền động đất Hachinohe……… 59

Hình 4.29 Phổ năng lượng động đất Hachinohe ……… 60

Hình 4.30 Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh chịu động đất Hachinohe …… … 60

Hình 4.31 Đáp ứng vận tốc tầng đỉnh chịu động đất Hachinohe ……… … 61

Hình 4.32 Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh chịu động đất Hachinohe ……… … 61

Hình 4.33 Chuyển vị lớn nhất các tầng chịu động đất Hachinohe…… … 63

Hình 4.34 Vận tốc lớn nhất các tầng chịu động đất Hachinohe …… … 64

Hình 4.35 Gia tốc lớn nhất các tầng chịu động đất Hachinohe………… …… 64

Hình 4.36 Lực cắt lớn nhất các tầng chịu động đất Hachinohe………… …… 65

Hình 4.37 Ảnh hưởng đường kính gối đến chuyển vị các tầng………… …… 68

Hình 4.38 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi thay đổi đường kính gối …… 68

Hình 4.39 Ảnh hưởng của đường kính gối HDRB đến lực cắt của mỗi tầng … 69

Hình 4.40 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi thay đổi đường kính gối ……… 70

Hình 4.41 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi thay đổi chiều cao gối ……… 71

Hình 4.42 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi thay đổi chiều cao gối… ……… 71

Hình 4.43 Ảnh hưởng của tỷ số khối lượng đến chuyển vị lớn nhất các tầng 72

Hình 4.44 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi thay đổi tỷ số khối lượng……… 73

Hình 4.45 Ảnh hưởng của tỷ số khối lượng đến lực cắt lớn nhất các tầng …… 74

Hình 4.46 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi thay đổi tỷ số khối lượng …… … 74

Hình 4.47 Gia tốc nền động đất Superstition ……… …… … 75

Hình 4.48 Phổ năng lượng động đất Superstition ……… …… 76

Hình 4.49 Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh chịu động đất Superstition …… …… 76

Hình 4.50 Đáp ứng vận tốc tầng đỉnh chịu động đất Superstition ……… 77

Hình 4.51 Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh chịu động đất Superstition ……… 77

Hình 4.52 Chuyển vị lớn nhất các tầng chịu động đất Superstition ………… 79

Hình 4.53 Vận tốc lớn nhất các tầng chịu động đất Superstition………… … 80

Hình 4.54 Gia tốc lớn nhất các tầng chịu động đất Superstition………… … 80

Hình 4.55 Lực cắt lớn nhất các tầng chịu động đất Superstition………… … 81

Hình 4.56 Ảnh hưởng của đường kính gối HDRB đến chuyển vị lớn nhất … 83

Hình 4.57 Chuyển vị lớn nhất khi đường kính gối HDRB thay đổi……… … 84

Hình 4.58 Ảnh hưởng của đường kính gối HDRB đến lực cắt lớn nhất ….… 85

Hình 4.59 Lực cắt lớn nhất khi đường kính gối HDRB thay đổi.… 86

Hình 4.60 Chuyển vị tại các tầng khi chiều cao gối thay đổi.…… 87

Hình 4.61 Lực cắt tại các tầng khi chiều cao gối thay đổi….…… 87

Hình 4.62 Chuyển vị tại các tầng khi tỷ số khối lượng thay đổi……… 88

Hình 4.63 Lực cắt tại các tầng khi tỷ số khối lượng thay đổi ……… 88

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Tần số dao động riêng của khung ….……….………35

Bảng 4.2: Chuyển vị lớn nhất của các tầng…….……….………37

Bảng 4.3: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại tầng 6 khi không gắn TMD………….…39

Bảng 4.4: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại tầng 6 khi gắn TMD……….… 39

Bảng 4.5: Chuyển vị lớn nhất các tầng chịu tải điều hòa……… ………… 46

Bảng 4.6: Vận tốc và gia tốc lớn nhất các tầng chịu tải điều hòa……….46

Bảng 4.7: Lực cắt lớn nhất các tầng chịu tải điều hòa……… 47

Bảng 4.8: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc lớn nhất tại tầng đỉnh……… ……….62

Bảng 4.9: Chuyển vị lớn nhất các tầng chịu động đất Hachinohe…….………… 66

Bảng 4.10: Vận tốc và gia tốc lớn nhất các tầng chịu động Hachinohe… ………66

Bảng 4.11: Lực cắt lớn nhất các tầng chịu động đất Hachinohe……… 66

Bảng 4.12: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc lớn nhất tại tầng đỉnh ……… 78

Bảng 4.13: Chuyển vị lớn nhất các tầng chịu động đất Superstition………82

Bảng 4.14: Vận tốc và gia tốc lớn nhất các tầng chịu động Superstition………….82

Bảng 4.15: Lực cắt lớn nhất các tầng chịu động đất Superstition……… 82

MỘT SỐ KÍ HIỆU VIẾT TẮT Một số chữ viết tắt

NRB Natural Rubber Bearings

m Khối lượng của kết cấu có một bậc tự do

m D Khối lượng của TMD

u g Gia tốc nền của động đất theo thời gian

Keff Độ cứng ngang hữu hiệu của gối HDRB

Q khả năng chịu cắt của gối

Dd là chuyển vị thiết kế

βeff tỷ số cản hữu hiệu của HDRB

W tải trọng theo phương đứng

Kh độ cứng của gối theo phương ngang

A Diện tích mặt cắt ngang gối

G mô đun cắt của gối cao su

TD chu kì dao động theo phương ngang của gối

CVD Hệ số gia tốc nền

BD Hệ số giảm chấn

g Gia tốc trọng trường

Có rất nhiều trận động đất trên thế giới gây ra những thiệt hại nặng nề, có thể

kể đến các trận điển hình như: Vào năm 1995, ở Nhật Bản một trận động đất có tên Kobe, có độ mạnh 6.8 độ richter đã làm hơn 6000 người thiệt mạng, gây thiệt hại nặng nề về nhà cửa và cơ sở vật chất, ước tính tổng thiệt hại lên tới gần 103 tỷ USD Gần đây hơn vào tháng 2/2016 một trận động đất khác cũng xảy ra tại Đài Loan, theo báo VNEXPRESS đưa tin trận động đất có độ mạnh 6.4 độ richter xảy ra

ở miền Nam đảo Đài Loan làm chung cư 17 tầng bị sập, có ít nhất 5 người thiệt mạng và khoảng gần 300 người đang bị mắc kẹt trong đống đổ nát Đây chỉ là hai ví

dụ, thực ra còn nhiều trận động đất được ghi nhận trên thế giới có thiệt hại còn lớn hơn nữa cho kết cấu công trình xây dựng và cả nhân mạng

Hiện tượng động đất xảy ra trên khắp các vùng lãnh thổ toàn thế giới Nguồn gốc của động đất cũng rất phức tạp, với sự hiểu biết của con người hiện nay thì chưa thể dự báo chính xác được là khi nào xảy ra động đất, ở đâu, cường độ như thế nào nên gần như phải chấp nhận ở mức độ gần đúng của địa chấn học Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp kết cấu công trình xây dựng để thích nghi hơn với động đất là vấn đề lớn, ở bất kỳ nơi nào trên thế giới

Hình 1.1 Trận động đất Kobe gây ra, Nhật Bản, năm 1995

Tại Việt Nam, theo thống kê và ghi nhận của Viện Vật Lý Địa Cầu Việt Nam, các trận động đất xảy ra ở nước ta ở mức độ trung bình và nhỏ, động đất thường xảy ra ở các tỉnh thành như: Điện Biên Phủ, Quảng Ninh, Quảng Trị, Thái Nguyên… các thiệt hại về người và vật chất do các trận động đất này gây ra là chưa nhiều tuy vậy cũng không khẳng định được là động đất ở Việt Nam là không gây nguy hiểm cho kết cấu công trình xây dựng Gần đây, nhà nước cũng đã ban hành tiêu chuẩn xây dựng 9386 về việc thiết kế kết cấu công trình xây dựng chịu động đất phần nào cho thấy tầm quan trọng của tác động này

Trước những thiệt hại mà động đất ra cho công trình xây dựng, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã đưa ra hàng loạt giải pháp để làm tăng tính thích nghi của kết cấu khi có động đất như: giải pháp giảm chấn và giải pháp cách chấn

Giải pháp giảm chấn: trong trường hợp năng lượng dao động từ bên ngoài

truyền trực tiếp vào công trình do không thể tách rời được, người ta có thể gia tăng

độ cản của bản thân công trình để giải phóng năng lượng dao động này bằng cách lắp cách thiết bị vào công trình, để thiết bị này tự tiêu tán năng lượng Có nhiều hình thức giảm chấn: thụ động, chủ động hay bán chủ động

Giải pháp cách chấn: khi động đất xảy ra các lớp đất đá sẽ bị dịch chuyển,

sinh ra ra một gia tốc nền Để hạn chế những ảnh hưởng của gia tốc nền lên kết cấu bên trên người ta đã bố trí các thiết bị cô lập móng nằm dưới kết cấu bên trên và

nằm trên móng Các thiết bị này có độ cứng theo phương đứng khá lớn để chịu được tải trọng đứng do kết cấu bên trên truyền xuống và độ cứng theo phương ngang nhỏ nên khi chịu gia tốc nền các thiết bị này có biến dạng lớn

Trong quá trình thu thập tài liệu các nghiên cứu liên quan đến hai giải pháp trên và tìm hiểu bản chất của quá trình thích nghi kết cấu, nhận xét rằng các nghiên cứu chủ yếu đưa ra hai giải pháp riêng lẻ ở trên như cô lập móng bằng gối cao su có

độ cản cao, hoặc sử dụng hệ cản khối lượng TMD để làm giảm phản ứng động của

hệ Để tiếp nối và phát triển thêm các giải pháp giảm phản ứng động cho kết cấu công trình khi chịu động đất, cũng như nhằm tìm ra hiệu quả giảm chấn tốt hơn cho kết cấu công trình; luận văn này kết hợp đồng thời giải pháp cách chấn và giảm chấn để phân tích hiệu quả giảm chấn của kết cấu công trình với hệ cô lập móng gối cao su có độ cản cao (HDRB) kết hợp với hệ cản khối lượng trên mái (TMD) khi chịu gia tốc nền

1.2 MỤC TIÊU LUẬN VĂN

Luận văn này phân tích hiệu quả giảm chấn với hệ cô lập móng gối cao su độ cản cao (HDRB) kết hợp với hệ cản khối lượng (TMD) trong kết cấu chịu gia tốc nền động đất Mô hình tính toán của hệ được thể hiện như hình 1.2 Để đạt được mục tiêu đề ra, các nội dung nghiên cứu trong luận văn được xác định như sau:

- Tìm hiểu các đặc trưng hình học, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của gối cao su

có độ cản cao (HDRB) và hệ cản khối lượng (TMD)

- Tìm hiểu mô hình tính toán cho kết cấu khung khi gắn hệ cô lập móng, hệ cản khối lượng, hệ cô lập móng kết hợp hệ cản khối lượng, thiết lập phương trình vi phân chuyển động của cả hệ

- Xây dựng chương trình tính toán được viết bằng ngôn ngữ MATLAB để giải quyết bài toán này

- Thực hiện phân tích số nhằm tìm ra hiệu quả giảm chấn cho kết cấu khung chưa gắn thiết bị kháng chấn, gắn hệ cô lập móng (HDRB), gắn hệ cản khối lượng (TMD), gắn đồng thời hệ cô lập móng (HDRB) kết hợp hệ cản khối lượng (TMD)

Hình 1.2 Mô hình hệ kết cấu khung có gắn HDRB + TMD

1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

Phương pháp nghiên cứu của luận văn này là lý thuyết Đầu tiên, nghiên cứu

mô hình tính toán lý thuyết, rời rạc hóa mô hình tính toán kết cấu khung thành nhiều bậc tự do, xem khối lượng tập trung tại mỗi tầng, trong ứng xử thật của hệ dưới tác động của động đất sinh ra các chuyển vị theo phương đứng, phương ngang,

góc xoay Tuy nhiên khi phân tích kết cấu công trình chịu động đất, lực quán tính theo phương ngang là một yếu tố gây bất lợi nhất cho kết cấu, do đó luận văn này chỉ xét đến gia tốc nền theo phương ngang Cơ sở lý thuyết của các hệ cao su có độ cản cao và hệ cản khối lượng cũng lần lượt được mô tả và ghép nối vào kết cấu chính thông qua nguyên lý cân bằng lực Gia tốc nền của các trận động đất cũng được lựa chọn có phổ tần số trội gần thông qua phân tích Fourier với tần số riêng của hệ kết cấu, phương trình chuyển động của kết cấu khung chịu gia tốc nền được thiết lập và giải bằng thuật toán Newmark trên toàn miền thời gian

1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Cấu trúc luận văn gồm có 5 chương, nội dung chính của mỗi chương như sau:

Chương 1 - Giới thiệu lí do chọn đề tài, trình bày mô hình tính toán, mục

tiêu nghiên cứu của đề tài

Chương 2 - Tổng quan giới thiệu tổng quan về hệ cô lập móng, cấu tạo và

nguyên lý hoạt động của gối HDRB và TMD, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài

Chương 3 - Cơ sở lý thuyết thiết lập phương trình chuyển động của hệ, trình

bày các công thức và mô hình tính toán khi hệ có gắn gối cao su có độ cản cao, gắn cản khối lượng, hệ gắn gối cao su có độ cản cao kết hợp hệ cản khối lượng

Chương 4 - Ví dụ số trình bày một số ví dụ tính toán để kiểm chứng độ tin

cậy của chương trình tính toán Tiếp đó, phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ kết cấu khi có gắn hệ cô lập móng gối HDRB kết hợp hệ cản khối lượng TMD, khảo sát các thông số thiết kế của gối HDRB và TMD

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển đánh giá các kết quả tính toán,

đưa ra hướng phát triển, mở rộng bài toán trong tương lai

Tài liệu tham khảo, mã nguồn MATLAB cũng được trình bày cuối luận văn

- Hệ cô lập móng gối HDRB: Giới thiệu tổng quan hệ cô lập móng; Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của gối HDRB; Ứng dụng gối cao su có độ cản cao trong thực tiễn; Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến gối HDRB

- Hệ cản khối lượng TMD: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của mô hình TMD; Ứng dụng của hệ cản khối lượng trong thực tiễn; Tổng quan các nghiên cứu trong

và ngoài nước

- Đánh giá tổng quan: Nhận xét tổng quan các nghiên cứu kháng chấn có liên quan đến đề tài

- Kết luận chương: sự khác biệt của luận văn với các nghiên cứu trước đây

2.2 HỆ CÔ LẬP MÓNG CAO SU CÓ ĐỘ CẢN CAO

pháp đƣợc đánh giá là đơn giản, tiết kiệm nhƣng mang lại hiệu quả giảm chấn cao Hiện nay, các gối cách chấn đƣợc chia làm hai nhóm chính: gối đỡ dạng trƣợt và gối đỡ đàn hồi Có nhiều gối đỡ dạng trƣợt nhƣ: FPS, gối ma sát đơn TFP, gối ma sát đôi DFP… Mô hình của các gối này khá đơn giản, đƣợc chế tạo từ các kim loại chống rỉ, nguyên lý hoạt động của các gối này nhƣ hệ thống con lắc ma sát

Hình 2.1 Gối ma sát đơn TFP (trái) và gối ma sát đôi DFP(phải) [9]

Nhóm gối đỡ đàn hồi có cấu tạo bởi nhiều lớp cao su kết hợp xen kẽ là các lá thép mỏng, có thể kể đến các loại gối đàn hồi nhƣ: gối cao su lõi chì (LRB), gối cao

su tự nhiên (NRB), gối cao su có độ cản cao (HDRB)

Hình 2.2 Gối cao su lõi chì LRB (trái) và gối cao su tự nhiên NRB(phải) [9]

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của gối HDRB

Hiện nay, gối cao su có độ cản cao (HDRB) được sản xuất có hình dạng là khối hình trụ và khối hình hộp chữ nhật, cấu tạo của gối gồm các lớp cao su đan xen

là các lớp thép mỏng, để lắp đặt gối vào hệ kết cấu mặt trên và mặt dưới của gối được thiết kế là 2 bản thép dày, để mặt trên gối liên kết được với cột và mặt dưới liên kết với móng

Các lớp thép mỏng trong gối có tác dụng để gối không bị biến dạng ngang khi chịu tải trọng từ kết cấu bên trên theo phương đứng, đồng thời cũng để tăng độ cứng của gối theo phương đứng, nhưng khi thiết kế chiều dày của các lớp thép trong gối cũng phải đảm bảo sao cho gối biến dạng cắt linh hoạt theo phương ngang

Quá trình hoạt động của gối HDRB phụ thuộc vào lực ngang tác dụng, do mođun chống cắt của cao su thấp nên độ cứng ngang và độ cản của gối thấp, vì đặc tính đó nên luận văn này đã sử dụng gối cao su có độ cản cao để cô lập hệ móng, nhằm mục đích cách ly được một phần năng lượng của gia tốc nền với kết cấu bên trên, kéo dài chu kì dao động của hệ Đồng thời làm mềm hóa liên kết giữa cột và móng, làm giảm chuyển vị tương đối giữa các tầng

Hình 2.3 Gối cao su có độ cản cao- HDRB

2.2.3 Ứng dụng gối cao su có độ cản cao trong thực tiễn

Gối cao su có độ cản cao (HDRB) đã được sử dụng làm gối cách chấn cho rất nhiều công trình dân dụng và cầu trên thế giới Ở Nhật Bản đã có rất nhiều công trình kết cấu cầu gắn gối HDRB để giảm chấn, điển như vào năm 1992 cây cầu Yammage Bridge ở tỉnh Tochigi, kết cấu cầu gồm 6 nhịp dài 246,3m đã gắn 7 gối cách chấn HDRB ở 7 trụ cầu với kết cấu bên trên Sau đó 3 năm, vào năm 1995 cây cầu Tokyo Bay Aqua-Line được xây dựng, nối từ thành phố Kawasaki tới thành phố kisarazu, với chiều dài cầu 4,4km, 21 nhịp trong đó có 11 nhịp được gắn gối HDRB, 10 nhịp gắn gối LRB Gần đây hơn, cầu Kobe Sky được xây dựng từ năm 2004-2006, với chiều dài cầu 1180m, chiều dài các nhịp khác nhau, nhịp dài nhất dài 160m, các mố trụ cầu đều được gắn các gối HDRB để giảm chấn kích thước gối lớn nhất được gắn vào gắn cấu 1770x1770x400mm

Hình 2.4 Cầu Kobe Sky có gắn gối HDRB [12]

Hình 2.5 Gối HDRB cách chấn cho cầu Kobe Sky [12]

2.2.4 Nghiên cứu ngoài nước

Vào năm 1976, gối cao su có độ cản cao đã được các nhà khoa học nghiên cứu các đặc tính kĩ thuật của gối, nhằm mục đích tìm ra các đặc tính cách chấn của gối để bảo vệ các công trình nhà và cầu chịu tác động của động đất Tiếp sau đó, những nghiên cứu để kiểm tra tốc độ lão hóa của cao su dưới tác động của môi trường và thời gian đã được Kojima và Fukahori [22] tiến hành vào năm 1989, các kết quả thí nghiệm cho thấy các đặc tính cơ học của gối HDRB không giảm quá 10% trong thời gian 60 năm, điều đó cho thấy các đặc tính bền của gối cao su có độ cản cao là khá tốt

Năm 1996, một nghiên cứu về gối HDRB được đánh giá là khá quan trọng, đưa ra mô hình mô tả lực phục hồi và lực cản được đề xuất Pan và Yang [21], các thí nghiệm đã sử dụng tải điều hòa để tìm ra các thông số và xác định được công thức tính lực phục hồi Đồng thời từ quan hệ lực cắt và chuyển dịch của các thí nghiệm đã vẽ được vòng trễ của gối, và từ diện tích của vòng trễ đã xác định được lực cản

Năm 1999, Naeim and Kelly [20] đã tiến hành kiểm chứng và đưa ra ứng xử chịu cắt của gối chịu lực theo phương ngang

Hình 2.6 Gối cao su độ cản cao (HDRB) chịu tải trọng cắt [20]

Năm 2000, trong tiêu AASHTO đã đề cập đến hướng dẫn thiết kế gối HDRB trong kết cấu cầu chịu tải động đất, từ đó gối cách chấn HDRB đã được lựa chọn và ứng dụng rộng rãi trong khi thiết kế kháng chấn cầu

Năm 2004, Damian Grant, Gregory L.Fenves and Ferdinando [15], tiến hành các thí nghiệm tìm ra mối quan hệ giữa lực và chuyển vị của gối, theo mô hình chuyển vị hai chiều

Đến năm 2009, mô hình lưu biến đã được nghiên cứu và đề xuất bởi A.R.Bhuiyan, Y.Okui, H.Mitamura, T.Imai [14] để xác định độ nhớt phi tuyến của gối cao su có độ cản cao

Hình 2.7 Mô hình lưu biến [14]

Năm 2010, Tatjana Isakovic, Jaka zevnik and Matej Fischinger [15], phân tích ảnh hưởng độ cứng, độ cản của gối HDRB cho hệ kết cấu một bậc tự do và nhiều bậc tự do với các trận động đất có mạnh lớn nhỏ khác nhau, từ đó tìm được các thông số kỹ thuật của gối phù hợp nhằm mang lại hiệu quả kháng chấn

Năm 2015, Dia Eddin Nassani and Mustafa Wassef Abdusmajeed [16], đưa

ra mô hình tính toán chi tiết cho kết cấu khung bê tông cốt thép 5 tầng khi có gắn hệ

cô lập móng với các loại gối khác nhau chịu tác động của động đất

2.2.5 Nghiên cứu trong nước

Tuy gối cao su có độ cản cao đã được ứng dụng rộng rãi cho các công trình xây dựng trên thế giới nhưng các đề tài nghiên cứu gối HDRB trong nước vẫn còn những hạn chế Năm 2006, Nguyễn Xuân Thành [4] đã nghiên cứu hiệu quả giảm chấn trong chế ngự dao động nhà cao tầng chịu động đất, mô hình nghiên cứu của tác giả có xét tính phi tuyến của các thiết bị

Năm 2007, luận văn thạc sĩ của Trần Tuấn Long [6] đã nghiên cứu dao động của kết cấu khung nhà nhiều tầng có thiết bị giảm chấn HDRB, đề tài đã đưa ra sơ

đồ và các bước thực hiện tính toán cho kết cấu khung có gắn gối HDRB

Gần đây nhất vào năm 2012, luận án tiến sĩ Lê Xuân Tùng [5] thiết kế một số gối kháng chấn cho công trình chịu động đất, tác giả đã xây dựng và thiết lập phương trình chuyển động của hệ kết cấu có gắn gối cách chấn với những trận động đất khác nhau, cũng như đã khảo sát nhiều thông số nghiên cứu để đưa ra bộ tham

số thích hợp trong thiết kế kháng chấn

2.3 HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG

2.3.1 Sơ lược cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của TMD

Hệ cản khối lượng (TMD) là một thiết bị giảm chấn, đã được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, được cấu tạo gồm một khối lượng, một lò xo và một hệ cản được gắn vào kết cấu nhằm tiêu tán một phần năng lượng, làm giảm dao động cho hệ kết cấu

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo của TMD

Khi chịu kích động của ngoại lực, hệ kết cấu chính và hệ cản TMD sẽ bị dao động, bản thân hệ TMD dao động sẽ tiêu tán bớt một phần năng lượng của ngoại lực và vì vậy năng lượng còn lại tác dụng lên kết cấu chính giảm đi và tất nhiên kết cấu chính an toàn hơn;

Nếu nhìn dưới góc độ phân tích lực tương tác giữa kết cấu và hệ cản TMD cũng có thể lập luận tương tự như sau: khi cả hệ kết cấu chính và hệ TMD chịu nguyên nhân ngoài, cả hai cùng dao động, lúc này kết cấu chính ngoài chịu tác động của lực ngoài còn chịu thêm một lực nữa chính là lực tương tác với hệ TMD; thường hai lực này không thể cùng pha nhau do tần số các hệ chính, hệ TMD và cả tải trọng cũng khác nhau và thiết bị TMD còn có cản nhớt nên không thể cùng pha;

vì vậy lực tương tác đó đóng vài trò tương tự như lực làm cho hệ chính giảm dao động

Rất nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng khi tần số dao động của hệ cản xấp xỉ tần số dao động của hệ kết cấu chính, tạo ra sự lệch pha giúp hệ TMD dao động biên độ lớn nhất và tiêu tán năng lượng nhờ lực quán tính của hệ TMD sinh ra

là lớn nhất do vậy hiệu quả giảm chấn là tốt trong trường hợp này

2.3.2 Ứng dụng hệ cản TMD trong thực tiễn

Trên thế giới việc sử dụng hệ cản TMD để giảm chấn cho các công trình xây dựng đã được ứng dụng rộng rãi Có thể kể đến như tòa nhà Taipei 101 được xây dựng từ năm 1998-2004, tại Đài Loan Với qui mô kết cấu 101 tầng, cao 508m, để giảm bớt sự rung và giảm dao động do tải gió, công trình đã sử dụng một khối thép nặng 660 tấn được tạo từ các lớp thép dày 12.5cm, được treo vào ở tầng 92 Kết quả cho thấy hiệu quả treo khối thép đã giảm được 40% rung động của tòa nhà

Gần đây, tại Nhật Bản năm 2011 tòa nhà Shinjuku Mitsui đã lắp đặt 6 con lắc thép khổng lồ trên mái, những con lắc này giảm chấn được 60% chấn động, giúp công trình đứng vững trước trận động có độ lớn 9 độ richter

Hình 2.9 Tòa nhà Taipei sử dụng TMD để giảm chấn [8]

Hình 2.10 Tòa nhà Shinjuku Mitsui lắp đặt 6 con lắc để giảm chấn [8]

2.3.3 Nghiên cứu ngoài nước

Năm 1909, những nghiên cứu về TMD được đề xuất bởi Hermann Frahm đã đưa những giải pháp nhằm hạn chế sự dao động cổng hưởng thân tàu trên biển Công trình sẽ rất nguy hiểm nếu tần số riêng của ngoại lực đạt gần đến giá trị tần số riêng của vật thể, do đó vào năm 1985 Den Hartog đã làm nhiều khảo sát nghiên cứu để đưa ra các thông số tối ưu cho TMD

Năm 2008, Wong.k [32], nghiên cứu phân tán năng lượng địa chấn của kết cấu đàn hồi bằng hệ cản TMD, phương pháp lực tương đương được đề xuất trong kết cấu đàn hồi, và đó là cơ sở để tính toán sự phân tán năng lựợng dẻo trong kết cấu Để đưa ra được kết luận hiệu quả giảm chấn của TMD tác giả đã phải khảo sát nhiều kết cấu khác nhau với những phổ năng lượng dẻo khác nhau Qua nhiều khảo sát, kết quả cho thấy TMD đạt hiệu giảm chấn khá tốt cho công trình khi chịu tác động của động đất

Sau đó, đến năm 2011 K.F.Wong, John L.Harris [35], nghiên cứu khả năng khắc phục chuyển động không đúng hướng trong dao động kết cấu gắn TMD Kết quả cho thấy cấu trúc TMD ảnh hưởng đến hướng di chuyển của kết cấu, để khắc phục tác giả đề xuất sử dụng TMD nghiên cứu thiệt hại động đất và phân tích sự bất

ổn của kết cấu với TMD dựa trên năng lượng dẻo, tác giả đã nghiên cứu khả năng tiêu tán năng lượng của khung thép 6 tầng khi không gắn TMD và gắn TMD Kết quả cho thấy hiệu quả của hệ TMD làm tăng khả năng chịu chấn động của kết cấu Vào năm 2013 nghiên cứu hiệu quả của TMD trong việc giảm đáp ứng động của kết cấu khi chịu động đất được nghiên cứu bởi Septimiu-george luca, Cristian pastia [37], tác giả xét mô hình kết cấu có một bậc tự do có gắn TMD trên mái chịu gia tốc nền và với hệ cản TMD là đàn hồi tuyến tính, nghiên cứu đã khảo sát với nhiều tỉ số cản, tần số khác nhau để từ đó đưa ra các thông số giảm chấn hiệu quả

Ngoài ra còn rất nhiều các nghiên cứu TMD ứng dụng cho các kết cấu cầu, năm 2015 Filippo Ubertini, Gabriele comanducci and simon laflamme [36], đưa ra phương pháp xác suất để thiết kế bộ giảm chấn khối lượng nhằm hạn chế rung động trong các nhịp cầu

2.3.4 Nghiên cứu trong nước

Các đề tài nghiên cứu hệ cản TMD trong nước khá nhiều, đã có nhiều luận văn thạc sĩ và các bài báo khoa học về hiệu quả giảm chấn cho kết cấu gắn TMD, điều khiển kết cấu chịu tải động đất, điển hình như có các tác giả:

Năm 2013, Nguyễn Trọng Phước và Huỳnh Tuấn Dũng [2], phân tích ảnh hưởng của hệ cản khối lượng với lưu biến điện trong khung phẳng chịu động đất, tác giả đã xây dựng và thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho kết cấu khung chịu động đất khi gắn hệ cản khối lượng chủ động TMD kết hợp với lưu biến điện ER, lời giải sử dụng phương pháp số Newmark Trong nghiên cứu chỉ ra rằng khi hệ kết cấu gắn hệ cản MR, các nhân tố điện thế cung cấp, chuyển vị, vận tốc của kết cấu sẽ làm ảnh hưởng đến lực điều khiển sinh ra

Hình 2.11 Mô hình kết cấu khung gắn TMD + ER [2]

Năm 2014, Lê Thị Phương Ngân [10] với đề tài đánh giá hiệu quả giảm chấn

hệ cản khối lượng TMD kết hợp với hệ thiết bị lưu biến từ MR và hệ cô lập móng, bên cạnh đó còn khảo sát thêm các thông số kỹ thuật của các thiết bị kháng chấn chịu tác động của động đất

Năm 2015, Hồ Thị Như Hiền [8], với đề tài luận văn thạc sĩ đánh giá hiệu quả giảm chấn của nhiều hệ cản khối lượng trong kết cấu chịu động đất, tác giả đã tìm hiểu và xây dựng mô hình gắn M- TMD ở các tầng sàn cho kết cấu khung 16 tầng, tiến hành khảo sát hiệu quả giảm chấn với nhiều tỉ số cản, nhiều trận động đất khác nhau để đưa ra các thông số khảo sát hiệu quả cho mỗi trận động đất

Hình 2.12 Mô hình kết cấu khung gắn M-TMD [8]

Ngoài ra còn rất nhiều luận văn thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa nghiên cứu khả năng giảm chấn của TMD cho kết cấu dầm, kết cấu khung

2.4 ĐÁNH GIÁ TỔNG QUAN

Tổng quan các tài liệu cho thấy, các nghiên cứu về gối cao su có độ cản cao (HDRB), hệ cản khối lượng (TMD) khá đa dạng và phong phú, các kết quả cho thấy tính hiệu quả khá cao khi hệ kết cấu có gắn gối HDRB, hệ cản TMD Các mô hình tính toán ngày càng sát với nhu cầu thực tế nhằm hạn chế dao động của kết cấu ở mức thấp nhất dưới tác động của gió bão và động đất, các kết quả nghiên cứu cũng

đã được áp dụng rộng rãi cho các công trình xây dựng nhà và cầu Nhằm mục đích đạt được hiệu quả giảm chấn tốt hơn cho các công trình chịu tác động của động đất, nên các giải pháp kết hợp bởi hai hay nhiều thiết bị giảm chấn ngày càng được phát triển rộng rãi

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Các đề tài gắn gối HDRB, hệ cản TMD vào hệ kết cấu nhằm tiêu tán năng lượng chịu động đất đã nhiều nhà khoa học nghiên cứu Nhằm mục đích tìm ra giải pháp giảm chấn hiệu quả hơn, luận văn này đề xuất mô hình giảm chấn cho kết cấu khung phẳng có cô lập hệ móng gối HDRB kết hợp với cản TMD đặt trên tầng mái Luận văn tiến hành xây dựng mô hình tính toán, khảo sát hiệu quả giảm chấn cho kết cấu khung phẳng 16 tầng chịu gia tốc nền khi: không gắn thiết bị giảm chấn, gắn gối HDRB, gắn TMD, gắn HDRB + TMD Đồng thời khảo sát các thông số thiết bị của HDRB và TMD ảnh hưởng đến hiệu quả giảm chấn như: đường kính gối, chiều cao gối, tỉ số của hệ cản TMD, khảo sát các thông số thiết bị với những trận động đất khác nhau

3.2 HỆ CÔ LẬP MÓNG GỐI CAO SU CÓ ĐỘ CẢN CAO

3.2.1 Cơ sở lý thuyết gối cao su có độ cản cao HDRB

Gối HDRB được cấu tạo từ các lớp cao su đan xen với các lớp thép mỏng, độ cứng của gối theo phương đứng gấp nhiều lần so với phương ngang, trước hết để chịu được sức nặng của trọng lượng tòa nhà; độ cứng ngang hữu hiệu Keff của gối HDRB được sử dụng để tính toán chuyển vị thiết kế [11], [15], [20] Độ cứng ngang hữu hiệu của gối HDRB được cho bởi phương trình sau

Hình 3.1 Cấu tạo gối HDRB [16]

Hình 3.2 Ứng xử lực – chuyển vị của gối HDRB [20]

Với: W là tải trọng theo phương đứng, Kh là độ cứng của gối theo phương ngang,

A là diện tích mặt cắt ngang gối, G là mô đun chịu cắt của gối cao su, TD là chu kì

dao động theo phương ngang của gối, CVD là hệ số gia tốc nền, BD là hệ số giảm

chấn, g là gia tốc trọng trường

2

4

VD D d

D

gC T D

K D Q

K g





3.2.2 Mô hình hệ kết cấu nhiều bậc tự do gắn HDRB

Mô hình hệ kết cấu khung phẳng N tầng, cô lập hệ móng gối cao su có độ cản cao được thể hiện như hình 3.3

Hình 3.3 Mô hình hệ kết cấu khung cô lập gối HDRB

Phương trình chuyển động của hệ kết cấu với các bậc tự do được rời rạc là các chuyển vị ngang các sàn tầng được cô lập móng gối HDRB chịu tác dụng của gia tốc nền được viết dạng như sau:

Mu+Cu+Ku=-Mru g (3.6)