Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp lên dự đoán phản ứng động của nhà cao tầng sử dụng gối cao su

Bài viết này nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ của môi trường tác động lên việc xác định tham số của mô hình mô phỏng gối cao su, qua đó làm ảnh hưởng tới việc dự báo phản ứng động của công trình trong quá trình tính toán thiết kế.

BÀI BÁO KHOA HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THẤP LÊN DỰ ĐOÁN PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA NHÀ CAO TẦNG SỬ DỤNG GỐI CAO SU Nguyễn Anh Dũng1, Trần Duy Hùng2 Tóm tắt: Mặc dù sử dụng phổ biến nhiều năm số đặc tính học gối cách chấn cao su dạng lớp chưa nghiên cứu đầy đủ, có thay đổi đặc tính học nhiệt độ khác gối Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ môi trường tác động lên việc xác định tham số mơ hình mơ gối cao su, qua làm ảnh hưởng tới việc dự báo phản ứng động cơng trình q trình tính tốn thiết kế Một phân tích động nhà 12 tầng theo phương pháp lịch sử thời gian tiến hành -30oC, -10oC, 23oC phần mềm Sap2000 So sánh kết thu ba nhiệt độ rằng, nhiệt độ thấp lực cắt đáy chân cột chân vách thang máy gia tăng gia tăng độ cứng gối cao su Các kết phân tích rằng, lực cắt đáy chân cột nhiệt độ môi trường -30oC gia tăng đáng kể so sánh với lực cắt đáy xác định nhiệt độ 23oC Đây khuyến cáo quan trọng cho kỹ sư thiết kế cơng trình sử dụng gối cao su khu vực lạnh có nguy động đất Từ khoá: Ảnh hưởng nhiệt độ, gối cao su, phân tích động ĐẶT VẤN ĐỀ * Gối cách chấn ghi nhận giải pháp kháng chấn hiệu Có nhiều loại cách chấn sản xuất với mục đích nhằm dịch chuyển chu kỳ dao động riêng hấp thụ lượng cho cơng trình Gần có gối cao su dạng ứng dụng rộng rãi thiết bị cách chấn cho cầu nhà, đặc biệt sau trận động đất Kobe năm 1995, mà khả kháng chấn trụ cầu nhà có đệm gối cao su ghi nhận tốt Có ba loại gối cao su dạng tấm: gối cao su tự nhiên (natural rubber bearings-RB), gối cao su lõi chì (lead rubber bearings-LRB), gối cao su có độ cản cao (high damping rubber bearings-HDRB) Trong HDRB sử dụng rộng rãi Nhật có tính dẻo cao khả giảm chấn lớn (Nguyễn Phạm, 2018) Trong năm gần vật liệu cao su có độ cản cao lên loại vật liệu đầy hứa hẹn cho việc hấp thụ lượng mà không cần chèn Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thuỷ lợi Học viên cao học, Phân hiệu Trường Đại học Thuỷ lợi thêm lõi chì loại gối LRB Thêm vào đó, số cơng bố gần (Kalpakidis and Constantinou, 2009-I&II) khả hấp thụ lượng gối LRB sau vòng tải trọng bị giảm ảnh hưởng tượng tự nóng lên bên gối lõi chì (self-heating), điều đặt câu hỏi khả làm việc gối LRB trận động đất có thời gian tác động dài trận động đất Tohoku 2011 mà băng gia tốc lên tới 500 giây, lớn nhiều trận động đất thông thường 45 giây Sự xuất cao su có độ cản cao dẫn việc ứng dụng HDRB cơng trình xây dựng trở lên rộng rãi giới coi hệ thiết bị giảm chấn với nhiều ưu điểm, thiết bị có đặc tính học khơng đàn hồi mà đàn nhớt, đàn dẻo Ngược lại so sánh với LRB, mà ảnh hưởng tốc độ tải trọng ảnh hưởng lên đặc tính học gối LRB, kể nhiệt độ thấp (Robinson, 1982; Razzaq et al, 2012) ảnh hưởng nhiệt độ tốc độ tải trọng lớn gối cao su HDRB (Nguyen et al, 2011) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) Các quan sát thực nghiệm (Imai et al, 2010) đặc tính học HDRB phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường, hình Theo đó, nhiệt độ thấp độ cứng tương đương HDRB tăng đáng kể, -30oC tăng gần lần so với nhiệt độ phòng 23oC, nhiệt độ cao 40oC độ cứng thay đổi không đáng kể so sánh nhiệt độ phịng Tương tự kết thí nghiệm ứng suất-biến dạng thể hình 1(a), gia tăng diện tích vịng trịn trễ thể rõ ảnh hưởng nhiết độ thấp Theo quan niệm hệ thống cách chấn đáy, độ cứng cao có nghĩa linh hoạt, khơng phải đặc tính thuận lợi HDRB, gây phản ứng mạnh kết cấu phía tiêu hao lượng Do đó, gia tăng độ cứng nhiệt độ thấp dẫn đến vấn đề bất lợi khơng mong muốn q trình vận hành cơng trình Hình Sự phụ thuộc nhiệt độ HDRB: (a) vòng tròn trễ ứng suất biến dạng, (b) độ cứng tương đương (Imai et al, 2010) Hình Mơ hình song tuyến tính gối cách chấn Trong tiêu chuẩn dẫn kỹ thuật (AASHTO, 2010; EC8, 2004; JRA, 2004; TCVN 9386, 2012) đặc tính học gối cao su mơ mơ hình song tuyến tính hình Mơ hình song tuyến tính có ba tham số: độ cứng ban đầu K1, độ cứng thứ hai K2 lực chảy gối Qy Các tham số thiết kế xác định từ vòng trịn trễ ứng suất-biến dạng thu thí nghiệm tải trọng hình sin lên gối cao su sản xuất ngun mẫu có kích thước thiết kế theo tiêu chuẩn ISO 2005 nhiệt độ phòng Như (Imai et al, 2010) vòng tròn trễ phụ thuộc vào nhiệt độ thấp rõ ràng hình 1(a), câu hỏi cho kỹ sư với quy trình xác định tham số nhiệt độ phịng có cịn xác thiết kế cho cơng trình nhiệt độ thấp hay khơng Trong báo này, thí nghiệm tải hình sin tiến hành -30oC, -10oC, 23oC Trên sở kết thí nghiệm ba tham số mơ hình song tuyến tính xác định ba nhiệt độ Một phân tích động tồ nhà 12 tầng có sử dụng gối cao su theo phương pháp lịch sử thời gian tiến hành thông qua phần mềm Sap 2000 Kết tính tốn phản ứng động nhà nhiệt độ khác thể ảnh hưởng nhiệt độ thấp lên việc dự đốn phản ứng cơng trình thực hành thiết kế cơng trình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THAM SỐ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG GỐI CAO SU Theo quy trình thiết kế, thí nghiệm tải hình sin tiến hành nhiệt độ phịng, mẫu thí nghiệm sản xuất theo ISO, 2005 Trong nghiên cứu thí nghiệm tiến hành Hiệp hội cao su Nhật Bản theo Hình Tải thí nghiệm tải hình sin Hình thể ứng suất thu từ ba thí nghiệm ba nhiệt độ khác Kết thí nghiệm thể rõ gia tăng ứng suất gia tăng độ cứng HDRB nhiệt độ thấp Vòng tròn trễ ứng suất-biến dạng từ thí nghiệm sử dụng để xác định ba tham số mơ hình song tuyến tính Việc xác định thực cách thay đổi tham số mơ hình để cho mơ hình gần số liệu thí nghiệm Kết xác định tham số yêu cầu tiêu chuẩn quy định Hình thể tải hình sin tiến hành -30oC, -10oC 23oC Các thí nghiệm -30oC, -10oC tiến hành 11 vòng tải, nhiệt độ phịng 23oC thí nghiệm tiến hành vịng Để phân biệt thí nghiệm này, thời gian bắt đầu tải vẽ lệch giây Hình Ứng suất thu từ thí nghiệm thể hình bảng Bảng Tham số mơ hình song tuyến tính (a) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) (b) (c) Hình Xác định tham số mơ hình song tuyến tính nhiệt độ: (a) -30oC (b) -10oC (c) 23oC PHÂN TÍCH ĐỘNG NHÀ NHIỀU TẦNG SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN CAO SU 3.1 Các thơng số phân tích ban đầu Cơng trình tồ nhà hỗn hợp dịch vụ cơng cộng nhà gồm 11 tầng tầng bán ngầm, hệ chịu lực khung bê tông cốt thép (BTCT) kết hợp lõi BTCT vị trí thang máy, sàn BTCT khơng dầm (chỉ có dầm biên) Cơng trình sử dụng phương án sàn phẳng khơng dầm Kích thước cấu kiện: Cột chủ yếu với kích thước 700x700mm, 400x400mm kích thước dầm bo 220x650mm 220x550mm Mơ hình 3D mơ cơng trình trình bày hình Dựa vào bước thiết kế gối cách chấn (Ngô, 2018), kích thước gối HDRB sử dụng cho cơng trình tính tốn thiết kế chi tiết Giả thiết gối cao su HDRB đặt chân cột cơng trình vị trí thang máy sử dụng gối cách chấn, bước thiết kế cho kết 32 gối cao su có kích thước 300x300 (mm2) tổng chiều dày cao su gối 26 (mm) Trong phân tích động có hai loại động đất sử dụng Đây hai loại động đất qui định tiêu chuẩn thiết kế Nhật Bản (JRA, 2004) Loại I trận động đất khu vực Kanto năm 1923, loại II trận động đất Kobe 1995 Biểu đồ gia tốc đại diện hai loại có dạng hình Theo bảng I.1 phụ lục I TCVN 9386, loại I tương đương động đất cấp VIII-IX, loại II tương đương động đất cấp X thang MM Hình Mơ hình 3D cơng trình (a) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) (b) Hình Gia tốc động đất (a) loại I (b) loại II 3.2 Kết phân tích động Để thuận tiện cho việc so sánh, lực cắt đáy cơng trình ba nhiệt độ khác loại động đất gây vẽ hình, đó, màu đỏ thể thiện lực cắt đáy 30oC, màu xanh-blue nét đứt thể lực cắt đáy nhiệt độ -10oC, màu đen thể lực cắt đáy nhiệt độ phịng 23oC Thêm để dễ nhìn, lực cắt đáy thu nhiệt độ vẽ lệch 0,5 giây hình vẽ Lực cắt đáy cơng trình thể hình 8&9 Trong hình thể lực chân cộtnút số sơ đồ tính hình thể lực cắt đáy chân vách thang máy-nút số 31 Từ hình ta thấy nhiệt độ thấp lực cắt đáy chân cột chân vách thang máy tăng lên đáng kể so với nhiệt độ phòng Tại chân cột nút số lực cắt đáy lớn động đất loại I 479,1 kN -30oC, nhiệt độ phòng lực cắt đáy lớn động đất loại I gây 321,6 kN Tương tự lực cắt đáy lớn động đất loại II gây -30oC 378,3 kN 23oC 248 kN, nghĩa tăng 1,49 lần 1,52 lần tác động động đất loại I động đất loại II Điều giải thích độ cứng gối cao su HDRB tăng lên nhiệt độ giảm nên tải tăng theo cứng (a) (b) Hình Lực cắt đáy chân cột: (a) động đất loại I, (b) động đất loại II KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) KẾT LUẬN Một phân tích động tồ nhà 12 tầng có sử dụng gối cách chấn HDRB thực Các tham số mơ hình mơ gối HDRB xác định ba nhiệt độ khác nhau: -30oC; -10oC; 23oC Cơng trình phân tích động theo lịch sử thời gian tác động hai loại động đất quy định tiêu chuẩn thiết kế Nhật Bản loại I loại II Các phản ứng động cơng trình tính thơng qua phân tích động nhiệt độ rằng, lực cắt đáy chân cột chân thang máy tăng lên so với lực cắt đáy tính nhiệt độ phịng Trong đó, lực cắt đáy chân cột nhiệt độ bên môi trường -30oC lớn 1,49 lần 1,52 lần tác động động đất loại I động đất loại II so sánh với lực cắt đáy xác định nhiệt độ phòng Đây lưu ý quan trọng cho kỹ sư thiết kế với công trình có sử dụng gối cách chấn vùng lạnh, mùa lạnh lực cắt đáy tăng lên u cầu móng, cột tăng theo (a) (b) Hình Lực cắt đáy chân thang máy: (a) động đất loại I, (b) động đất loại II LỜI CẢM ƠN Các thí nghiệm tải hình sin thực Hiệp hội gối cao su Nhật Bản Các tác giả xin chân thành cảm ơn hợp tác Hiệp hội việc thực thí nghiệm Công việc hỗ trợ giáo sư Okui Trường Đại học Saitama-Nhật Bản TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngô Văn Thuyết (2018) “Phương pháp thiết kế kích thước gối cách chấn đàn hồi sử dụng cho cơng trình dân dụng chịu động đất Việt Nam”, Tạp chí KHCN Xây dựng, Viện KHCN Xây dựng, Bộ Xây dựng, ISSN: 1859-1566, số 3/2018 Nguyễn Anh Dũng, Phạm Thu Hiền (2018) Nghiên cứu ứng dụng thiết bị cách chấn đáy có độ cản cao áp dụng cho nhà cao tầng chịu động đất Việt Nam Đề tài sở Trường Đại học Thuỷ lợi Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9386:2012 Thiết kế cơng trình chịu động đất – Phần 1: quy định chung, tác động động đất quy định kết cấu nhà 10 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) American association of state highways and transportation officials (AASHTO), 2010 3rd Edition Washington DC: Guide Specification for Seismic Isolation Design Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings (EN 1998-1:2004) European Committee for Standardization Imai, T., Bhuiyan, A.R., Razzaq, M.K., Okui, Y., Mitamura H., 2010 Experimental studies of ratedependent mechanical behavior of laminated rubber bearings Joint conference proceedings 7CUEE&5ICEE, March 3-5, Tokyo Institude of Technology, Tokyo, Japan, 1921-1928 International organization of standardization (ISO), 2005 Elastomeric seismic protection isolators Part 1: test methods; 2005 Japan road association (JRA), 2004 Specifications for highway bridges Part V: seismic design Tokyo: Maruzen Kalpakidis I, Constantinou M Effects of heating on the behavior of lead-rubber bearings I: theory J Struct Eng ASCE 2009;135(12):1440–49 Kalpakidis I, Constantinou M Effects of heating on the behavior of lead-rubber bearings II: verification of theory J Struct Eng ASCE 2009;135(12):1450–61 Nguyen, D.A., J., Okui, Y., Amin, A.F.M.S., Okada, S., Imai, T (2015), An improved rheology model for the description of the rate-dependent cyclic behavior of high damping rubber bearings, Soil Dynamics and Earthquake Engineering Razzaq MK, Okui Y, Bhuiyan AR, Amin A, Mitamura H, Imai, T Application of rheology modeling to natural rubber and lead rubber bearings: a simplified model and low temperature behavior Struct Eng/Earthq Eng JSCE 2012;29(2):40-55 Robinson WH Lead rubber hysteretic bearings suitable for protecting structures during earthquakes Earthq Eng Struct Dyn 1982;10(4):593-604 Abstract: LOW TEMPERATURE EFFECT ON PREDICTION OF SEISMIC RESPONSES OF BUILDINGS WITH HIGH DAMPING RUBBER BEARINGS Although rubber bearings have been widely used for many years, some mechanical properties of rubber bearings have not been fully studied, including low temperature effect on mechanical properties This paper studies the effect of temperature changes on the seismic responses of buildings using rubber bearings A seismic analysis of a 12-storey building was conducted at -30oC, -10oC, 23oC The comparison of the results obtained at three temperatures shows that, at low temperature, the base shear forces increase due to the increase in stiffness of the rubber bearing The base shear force at -30oC increases by 1.5 times the forces at room temperature 23oC This is an important note for engineers who design structures with rubber bearings in cold areas and high seismic activity Keywords: Low temperature dependence, rubber bearing, seismic analysis Ngày nhận bài: 23/8/2021 Ngày chấp nhận đăng: 30/9/2021 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) 11 ... ba nhiệt độ Một phân tích động tồ nhà 12 tầng có sử dụng gối cao su theo phương pháp lịch sử thời gian tiến hành thông qua phần mềm Sap 2000 Kết tính tốn phản ứng động nhà nhiệt độ khác thể ảnh. .. đáy lớn động đất loại II gây -30oC 378,3 kN 23oC 248 kN, nghĩa tăng 1,49 lần 1,52 lần tác động động đất loại I động đất loại II Điều giải thích độ cứng gối cao su HDRB tăng lên nhiệt độ giảm... sử dụng gối cách chấn, bước thiết kế cho kết 32 gối cao su có kích thước 300x300 (mm2) tổng chiều dày cao su gối 26 (mm) Trong phân tích động có hai loại động đất sử dụng Đây hai loại động đất