Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp: Ảnh hưởng việc mô hình hóa gối cao su đến kết quả tính toán của công trình cách chấn khi chịu động đất

LỜI CAM ĐOAN

Em, Dương Xuân Hào

Sinh ngày: 29/11/1993, CMND số: 125496095, cấp ngày: 08/04/2009, tại Bắc Ninh Quê quán: Tiên Sơn — Việt Yên - Bắc Giang

Noi ở hiện tại: số 205 Vương Thừa Vũ — Thanh Xuân — Hà Nội Công tác tại Công ty Cổ phan tư van và thiết kế xây dựng ACE

Xin cam đoan luận văn tot nghiệp cao học “Anh hưởng việc mô hình hóa gôi cao su

đên kêt quả tính toán của công trình cách chân khi chịu động đât” là do cá nhân em

thực hiện, mọi tham khảo đêu dùng trong các bài giảng của thây giáo và các tài liệu

công khai Các số liệu, kết quả trong luận văn hoàn toàn trung thực.

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực của luận văn này.

Hà Nội, tháng 2 /2018

Tác giả luận văn

Dương Xuân Hào

LỜI CẢM ON

Em, Dương Xuân Hào xin khắc cất ghỉ lâm công ơn dạy bảo, nh cảm thân thương

của Ts Nguyễn Anh Dũng, cùng quý thầy, quý cô của trường Dai học Thủy Lợi.

Em xin bàtỏ sự cảm động với sự giúp dỡ vô điều kiện của các anh, các chị, em, vàcủa các đồng nghiệp để hoàn thành luận văn nay,

“Trong quá trình nghiên cứu làm luận văn khó tránh khỏi sai xót hoặc nghiên cứu chưa

sâu, kính mong quý thầy cô chỉ bảo và thông cảm!

Hà Nội, tháng 2/2018

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu4 KẾt quả dự kiến đạt được

CHUONG 1: TONG QUAN VE THIẾT KE CÁCH CHAN DAY

1.1, Giới thiệu chung,

1.2 Các phương pháp giảm chắn.

1.2.1, Phương pháp giảm chấn thụ động,1.2.2, Phương pháp giảm chin chủ động1.2.3, Phương pháp giảm chấn bán chủ độ

1.3 Gối cách chắn bảo vệ công trình.

1.3.1 Nguyên lý và hiệu quả của gối cách chấn

1.3.2 Các loại gỗi cách chin

1.42 Đối với dang trượt đơn FPS 1.4.3 Déi với dang trượt đôi DCFP 1.5 Gối cách chắn ở Việt Nam

CHUONG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CUA VIỆC MÔ HÌNH HÓA GÓI CAO SU TRONG CÁC TIÊU CHUAN THIET KE, 332.1 Nguyên lý làm việc và mô hình ứng sử của cách chấn day trong công tinh chịu

2.2 Thiết lập mô hình tinh toán của cách chấn đáy theo tiêu chun TCVN 9386/2012và tiêu chuẩn JRA 2004, AASHTO 2010 3

2.2.1 Thiết lập mô hình tính toán cin cách chin đáy theo tigu chuẩn TCVN3.1.1 Giới thiệu công trình 53

3.1.2 Giới thiệu phần mém ứng dung tính toán SAP 2000 v1 53

3.13 Lập mô hình tính toán 54

3.14 Khai báo ti trong động dt sé dung én công tinh thông qua phần mém

SAP 55

3.15 Tiêu chi chon gồi cao su 38

3.1.6 Khai báo tin chit của gối cao su thông qua phần mm SAP 59

3.2 Phân tích kết cầu công tình không cách chin đầy 61

3.2.1 Kết quả chuyển vị từ mô hình phân tích 613.2.2 Kết qua gia tốc từ mô hình phan tfc e3.3.3 Tải trong chân cột từ mô hình phân ích 6

3.3 Phân tích kết cầu công tinh sử dụng hệ cách chắn đấy, 64

3.3.1 Kết quả chuyển vj từ m6 hình phân ích 643.3.2 Kết quả gia tố từ mô hình phân tích ot

3.3.3 Tai trong chân cột từ mô hình phân tích 65

3.4, Nhận xét và đánh giá 66

DANH MỤC HÌNH VE

Hình 1.1 Tác động của tải trọng động đất lên công tỉnh, 4Hình 1.2 Nguyên lý cách chin đáy công tinh 6

Hình 1.3 Các loại thiết bị cách chin déyc(a) Gói đỡ đàn hồi(b) Gối đỡ đản hồi có lõi chi(LRB),(c) Gối đỡ dạng con lắc ma sắt (FPS) 9 Hình 14 (a) Thiết bị cản nhớc (b) Thiết bj cân ma sát 9

Hình 1.5 Thiết bj cân in nhớt trong khung thép 10

Hình 1.6 Mô hình edu tạo hệ công trình một bậc tự do có gắn thiết bị TMD " Hình 1.7 Thiết bị TMD ở tòa nhà Taipei 101 2 Hình 1.8 Thiết bị giảm chấn khối lượng dự chỉnh của tòa nhà Fukuoka Tower,

Hình 1.12 AMD trong tòa nhà Applause Tower, Osaka, Nhật Ban, Is

Hình 1.13 Ta nhà Kyobashi Seiwa sử dung giảm chấn dao động chủ động »

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý của AMD-TMD 19Hình 1.15 Tỏa nhà Shinsuk Park Tower sử dụng giảm chế dao động "ai" 20

Hình 1.16 So đồ hệ thông giảm chắn dao động dạng bán chủ dong 21

Hình 1.17 Các dang thiết bi bán chủ động; 2Hình 1.18 Thiết bi giảm chấn bản chủ động thực tỶ 2lHình 1.19 Giảm chấn dao động bán chủ động tỏa nhà Kajima Shizuoka 2

Hình 1.20 Cách chin đáy trong bảo vệ công trình chịu động dit 23 3) Kết cầu thông thường, b) Kết cấu có cách chin đáy 23 Hình 1.21 Hệ cách chắn từ vật liu dn hồi 4 Hình 1.22 Hệ cách chắn với lõi chi (LRB) 25 Hình 1.23 Hg thống con lắc trượt ma sắt 3

Hình 2.1 Lý tưởng hóa hệ thống trụ cầu cô lập địa chắn 44

Hình 2.2 Chu ky kết cấu kiểu 1 và 2 như 1 hàm của k2/k1(m1= 70 KN-s2/m, m2= 274.

KN-s2/m, and k1=26400 kN/m) 45

inh 2.3 Phổ gia the tiêu chuỗn cho dich chayén động đất loi II của nén loại 2, GRA, 2002)

Hình 2.4 Sơ dé thiết kể cô lập địa chắn (JRA,2002), 48 inh 2.5 Mỗi quan hệ song tuyén tinh cia lực et và chuyển vị đệm cô lập 49 Hình 3.1 Mô hinh tinh toán không sử dụng cách chấn diy “4

inh 3.2 Mô hình tính ton sử dụng hệ cách chấn đáy 5s

Hình 3.3 Giản đồ gi tri ấy ví dụ động đắt CENTRO tương ứng với động đất cắp VILL

và IX theo TCVN 9386-2012), 37Hình 3.4 Định nghĩa trường hợp phân tích 37

Hình 3.5 Mặt cắt ngang của gối cao su 58 Hình 3.6 Khai báo đặc tinh gối cao su 59 Hình 3.7 Khai báo hg số theo phương thẳng đứng Ul của gối cao su 39

Hình 3.8 Khai bảo hetheo phương thẳng ngang U2 của gối cao su 60Hình 3.9 Khai báo hệ số theo phương thẳng ngang U3 của g6i cao su 61

inh 3.10 Mặt bằng Point ting 12 (2 =39.6m) 1 in 3.11 Chuyển vj theo phương ¥ tại diém 10192 (Z.=39.6m) @ Hình 3.12 Gia tốc theo phương Y tại điểm 10192 (Z =39.6m) 62

Hình 3.13 Chuyển vị theo phương Y tại điểm 10192 (Z =39.6m) 6Hình 3.14 Gia tốc theo phương Y tai điểm 10192 (Z =39.6m) 6

DANH MỤC BANG

Bing 1.1 Co edu cân trong TMD (trong 11

Bảng 1.2 So sánh tỷ số cản của các LRB với đường kính lõi chi khác nhau.

ng tình ở Nhật Bản)l3

2

MO ĐẦU

1 Tính cắp thiết của đề tài

"Để hạn chế tác động của ải trong động đắt lên công trnh, từ nhiễu năm qua các nhà nghiên cứu, ky sư xây dựng trên thé giới đã tìm kiếm và đề xuất các giải pháp giảm.

chin cho công trình Mục dich của giải pháp là đảm bio cho công,nh xây dựng đủ

khả nang chịu lực, không hư hại về kết edu cũng như hư hỏng về thiết bị, đồ đạc sử dụng trong công trình, tn tại và đứng ving dưới tác dung của tải trọng động đắt.

“Theo quan diém thiết kế công trình chịu động đắt hiện dai, iệc thiết kể một công tỉnh xây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau;

++ Dam bảo kết cầu có khả năng chịu he lớn trong miễn dan hồi;

++ Dim bảo cho kết cầu có khả năng tiêu tn năng lượng do động đắt truyền vào, thông qua bién dang déo trong giới hạn cho phép hoặc thông qua các thiết bị hấp thụ năng

Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

"hiện đại là tạo cho kết cầu công trình một độ bền đủ lớn và một độ déo thích hợp: + Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả năng chịu lực của kết cầu.

+ Độ déo thích hợp nhằm giúp công trình có khả năng tiêu tân năng lượng va 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 rong công trình Nếu công trình có độ cứng quá lớn thì gia tố sinh ra sẽ vô cùng lớn, gây rơi và nghiêng đổ đổ đạc bên trong nhà dẫn đến thiệt ai về mặt kinh tế Ngược lại, nếu công trình quá mềm thì chuyển vị tương đối giữa các ting

«qua lớn, gây bién dang đáng kể cho cả công ình, lâm hu hai các nút liên kết củakhung chịu lực, nút tường, vênh cửa ngoài ra dao động của công trình cũng phátsinh đáng kể gây ảnh hưởng đến tâm lý của người sinh sống và lim việc trong tồa nhà,

Như vậy, quan niệm thiết kế hiện đại đã lưu ý thêm phương điện năng lượng do động. đất truyền vào công tình Việc thiết kế và tỉnh toán sao cho kết sấu cổ khả năng tiêu tán phần năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp công trình làm việc hiệu quả nhất khi số động đất xây ra

Với quan ni chịu động đất được daran trên, một số giải pháp thiết kế côngnhằm hap thụ và tiêu tin đều năng lượng động dit cho toin bộ công trình cũng như

tránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại đỏ là giải pháp giảm chấn và cách chin cho công tinh

Gi pháp giảm chấn: trong trường hop năng lượng dao động truyền trực tiếp vào.

công trình do không được tách rời, người ta có thé gia tăng độ căn của bản thân công

trình dé giải phóng năng lượng dao động này bằng cách lắp đặt các thiết bị giảm chắn vào công tình, Có nhiều hình thức giảm chấn: thụ động, chủ động hay bán chủ động + Giảm chấn thy động: đây là hình thức giảm chắn ma nguồn năng lượng hoạt động

của các thit 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, biển dạng dẻo của kim

loại, cân nhớt hoặc cán thủy lực.

+ Giảm chấn chủ động: các thiết bị dạng này hoạt động được nhờ vào các nguồn năng lượng từ bên ngoài (điện, khinén ) Thông qua các cảm biến, thông tin về tải trọng, vỀ dao động của công trinh được đưa về bộ xử lý trung tâm Bộ điều

khiển trung tâm sẽ xử lý tin biệu va phát lệnh cho bộ phận thi hảnh dé thực hiện

iệc tang độ cản hay phit lực điều khiển chống lại dao động, chẳng bạn như các hệ

thống TMD, TLD.

Giải pháp cách chấn: do chin động lan truyền trong đất nn nên phương pháp hiệu

quả nhất để hạn chế tác động của động dat là tách rời hẳn công trình khỏi đất nền Tuy

nhiên, do không th tích rồi hoàn toàn, người 1a bổ ti lớp thit 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 chin 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 cổ biến

dạng lớn, kết cấu phía trên nhờ có quán tinh lớn nên chỉ chịu một dao động nhỏ Hu

hạik ja và thết bị trong công trình do đ được giảm thiêu.

Ngoài ra, người ta còn sử đụng kết hợp thiết bị giảm chấn vớ thiết bị cách chin, cũng: như đưa thêm khả năng chủ động vào hệ thing dé tang thêm hiệu quả giảm chấn cho

công trình.

Như vậ „ đảnh giá v tác động của động đất thì nguyên nhân chủ yéu gây ra hư hồng

hoặc sup đổ công trình xây dựng khi động đắt xảy ra là sự phản ứng của chúng đối với

chuyển động của nén, Chuyển động có gia te của nỀn sẽ sinh ra lực cất đáy dưới chân sông trình, do đồ cách chin đấy là một giải pháp mạnh mẽ nhất nhằm hạn chế việc truyền lực động đất vio kết cấu Hơn nữa, cơ chế hoạt động của gối cách chắn mang tinh chất thụ động nên khá đơn gián, dễ ding trong vận hành, bảo trì và có giá thành rẻ, Với lý do trên đ tài luận án “Anh hưởng việc mô hình héa gấi cao su đẫn kết quả tính tán cia công trình cách chấn khỉ chịu động đắt ” đã được hình thành

2 Mục đích của để tài

Tìm hiểu các đặc trưng của gối cách chấn và đánh giá những wu điểm của nó khi vận đụng vào thiết kế công trình chịu động đắt

Nghiên cứu về phương pháp mô hình hóa gối cao su trong các tiêu chun

kháng chin khác nhau, qua đó đánh giá ảnh hưởng của việc mô hình hóa này đến kết <q tn toán công trình cách chấn chịu động đất,

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứuNghiên cứu lý thuyẾt tinh toán

Ding các phương pháp tính toán để so sinh kết quả

Từ đó rút ra kếtluận và kiến nghị

4 Kết quả dự kiến đạt được

Đánh giá được hiệu quả của công trình sử dụng cách chin đáy khi chịu động đất và

cảnh hưởng của việc mô hình hóa gối cao su theo các tiêu chuẩn khác nhau.

CHƯƠNG 1:

1.1 Giới thiệu chung

‘ONG QUAN VE THIẾT KE CÁCH CHAN DAY

Dé hạn chế tác động của tải trong động đắt lên công trình, tử nl năm qua các nhà nghiên cứu, kỹ sư xây đựng trên thé giới đã tìm kiếm và đỀ xuất các giải pháp giảm

chắn cho công trình Mục đích của giải pháp là đảm bảo cho công trình xây đựng 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 ving dưới tác dụng của tải trong động đất.

b) Kết cau bên trên có biển dạng và nội lực lớn do tác động động đất

‘Theo quan điểm thiết kế công tình chịu động đất hiện đại, việc thiết kế một công tỉnh

xây dựng cần đảm bảo hai tiêu chỉ lên quan chit chẽ với nhau:

+ Đảm bảo kết ấu có khả năng chịu lực lớn trong miền din hồi:

+ Đảm bảo cho kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng do động đất truyé vàoghông

qua biển dạng déo trong giới hạn cho phép hoặc thông qua các thiết bị hip thy nang

Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuấn thiết kế công tinh chịu động hiện dai là tạo cho kết cầu công trình một độ bên đủ lớn và một độ déo thích hợp:

+ Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả năng chịu lực của kết cấu4

+ Độ đèo thích hợp nhằm giúp công tình có Khả năng tiêu tin năng lượng và cỏ sự cân

bằng hai hỏa về mặt động lực học Bởi tác dụng rung lắc của động đất tim phát sinh

chuyển vị và gia tốc rong công trình Néu công trình cố độ cứng quá lớn thi gi tốc sinh ra sẽ v6 cũng lớn, gây rơi và nghiêng đổ đồ đạc bên trong nhà dẫn đến thiệt hai về

mặt kinh tế Ngược lại, nếu công trình quá mềm thì chuyển vị tương đối giữa các tầng.

«qua lớn, gây bién dang đáng kể cho cả công ình, làm hư hại các nút liên kết cakhung chịu lực, nứt tường, vénh cửa ngoài ra dao động của công tinh cũng phátsinh ding kể gây ảnh hưởng đến tâm lý của người sinh sống và làm việc trong tôn nhà.Như vậy, quan niệm thiết kế hiện đại đã lưu ý thêm phương diện năng lượng do động.

đắt truyền vào công trình Việc thiết kế vàtính toán sao cho kết ou có khả năng tiều tân phần năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp công trình làm việc hiệu quả nhất khi có động đất xây ra

'Với quan niệm trên, một số giải pháp thiết kế công trình chịu động đất được đưa ra nhằm hip 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 chắn và cách.

chấn cho công trình

1.2 Các phương pháp giảm chin

“rong trường hợp năng lượng dao động truyền trực tiếp vào công tình do không được

tách rồi, người ta có thể gia tăng độ can 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 bình thức giảm chấn: thụ động, chủ động hay bán chủ động.

12.1 Phương pháp giảm chin thy động

mn năng lượng hoạt động của các thiết bị gi

iy là hình thức giảm chấn mà

chắn được lay từ chính năng lượng dao động của bản thân công trình Năng lượng có.

thể được tiêu tn nhờ cản ma sit, biến dang d&o của kim loi, cân nhớt hoc cản thủy

Phương pháp giảm chin thụ động sử dụng các thiết bị giảm chấn thụ động được đặt ở

chân công trình (tại chân các edu kiện chịu lực theo phương đứng) được gọi là phương

pháp cách chin day Sự cấu nhằm tách rời hoặc hạn chế việc truyền lực

it vào kí

động cấu Các thiết bị nay cũng hip thụ một phần năng lượng của các trận động đất để giảm thiêu phin năng lượng tác dụng vào kết cầu, do đó, kết cấu không bị hư hông sau cóc trận động đất mạnh Trong quá trình hoạt động, nếu cần thiết, có thể thay thé các bộ phận hấp thụ năng lượng một cách dễ ding Phương pháp cách chấn đáy được phat từ sớm và hiện đang được ứng dụng rộng rai ở nhiều nơi trên thế giới

Một hệ thống cách clday điển hình thường được đặt ở mồng của kết„ năng

lượng của trận động đắt sẽ được hip thụ phần lớn thông qua sự mềm đèo và khả năng ết cầu, dẫn đến việc hip thụ năng lượng của hệ thống trước khi nó được truyễn t

khả năng chịu lực của kết cấu sẽ được tăng lên nguyên lý của phương pháp cách chin

đây được thể hiện như sau

Hình L2 Nguyên lý cách chấn đầy công trình

Hệ thống cách chin đáy đầu tiên được nghiên cứu va sử dụng là hệ thống gối do bằng

sao su thiên hiền có độ cn thắp (tram điện 230kV ở miễn nam California năm 1976,

cầu Pelham tại Anh năm 1956).Các nghiên cứu thực nghiệm sau đó đã thêm các cấu kiện vào hệ gỗi cao su din hồi như các li chỉ, hoặc sử dong kết hợp với

ng dụng chảy đềo của thép hoặc thiết bi cản ứng dụng ma sắt Các edu kiện, thiết bị

này đóng vai trò tiêu tán năng lượng trong hệ Công trình đầu tiên được ứng dung higỗi đỡ cao su có lõi chỉ là cầu Siera Point gần San Francisco, Một thiết bị giảm chấn

đao động thụ động kháe làm từ cao su cỏ độ cản cao(High Damping Bearing -HDB)

được Hiệp hội Nghiên cứu sản xuất Cao su Malaisia (MRPRA) phát triển năm 1986.

Nguyên lý giảm chắn của thiết bị dựa trên nhận xét rằng sự tăng độ cản trong toàn bội

hệ thống các chắn đáy có thể được tự sinh ra bởi chính cao su có độ giảm chấn cao.

“Chương trình tính toán bằng máy tính đầu tiên đồng để phân ích kết cấu có sử dung hệ

cách chin day được trường đại học BufTalo phát tvào năm 1991 Tại đây cũng đã

tiến hành nghiên cứu việc kết hợp các hệ thống cách chấn day và cách ly rung động, hệ thống này được gọi là hệ cản nhớt- lỏ xo Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số cản giảm mạnh khi tin số tăng, tính chất quan trong nay cho phép hệ thống đồng vai trở vita là cách chấn đây (tin số thấp nên độ cản cao) và như là một hệ cách ly rung động (tin số cao nên độ cân thấp ) Hiện nay theo tim higu của nhóm nghiên cứu đ ti, các

chương trình có khả năng phân tích kết cấu sử dụng cách chấn đầy gồm có: 3D-BASIS, ETABS, ANSYS, SAP và ABAQUS

1.2.1.1 Một số phương phip giảm chắn thu động khác

Rat nhiều tiến bộ đã đạt được trong việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp. giảm chin dao động thụ động khác cho các kết cẫu xây dựng Cũng tương tự như kỹ thuật cách chin đầy, vai trỏ cơ bản của các thiết bị giảm chấn thụ động khi chúng ta cược gắn vào kết cấu là hip thy hoặc tiêu tin năng lượng tác dung vào, do đồ sẽ làm giảm lượng năng lượng phân bổ vào các cấu kiện chịu lực chính của kết edu, dẫn tối việc giảm thiểu các hư hại của kết cấu Tuy nhiên, khác với các thiết bị cách chấn đáy, sắc thiết bị này côn cổ tác dụng ching lại các tác động gid không km gi so với tác

dong của động đất

Một thiết bị giảm chắn dao động dạng thụ động đã được nghiên cứu bao gồn: các thiết bị cản kim loại (Metallic Dampers-MD),các thiết bị cản ma sát (Friction Dampers-FD), thiết bị cin nhớt (Viscous Dampers-VD), thiết bị cản khối lượng dự chỉnh (Tuned Mass Dampers-TMD), thiết bị cản chất lỏng dự chỉnh (Tuned Liquid

Thiết bị cán ma sit FD dùng cho việc giảm chuyển động động đất trong công trình xây dựng được phát triển đầu tiên bởi Keigtley(1977-1979) Thiết bị này bao gồm các tim

thép được liên kết với nhau bằng bu lông và các vòng đệm, các bé mặt được bôi tron

bằng dẫu nhờn để chống kẹt ri Các nghiên cứu của Keigtley đã đặt ra nhiều câu hoi và

7

gợi ý choác nghiên cứu sau nay, những câu hỏi được đặt ra vé sự rão của hithing.

sự ổn định dai hạn của chất bôi trơn và sự ăn mòn của bề mặt trượt của thép có thé làm thiết bị mắt tác dụng Một số các thiết bị FD khác cũng đã được phát iển bởi

Grigorian(1993), Constantinou(1991), Nims(1993).

Hệ thống thiết bị con lắc ma sát (Friction Pendulum Systems-FPS) lai cho phép kết

cấu bên trên có thể trở lại vị trí ban đầu thông qua các mặt trượt có dang một phần của

mặt clu, Hệ FPS cho phép kết cầu cách ly dao động với nguyên lý tương tự như trong

hiện tượng viên bi trờn đặt trên vành cứng hình bán nguyệt, khi tác dụng một lực làmvành cứng dao động ra khởi vị trí cân bằng thì viên bi sẽ di chuyển và có xu hướng

lâm vành cũng nhanh chống trở lại vị trí cân bằng ban dẫu Lúc đầu người ta chỉ vận

dạng nhưng phan ứng của con ắc trong tự nhiên Khi tác dung một lực lâm di chuyển

điểm treo của con lắc thì con lắc et ig sẽ dao động và khi lực làm dịch chuyển vị trí

của điểm treo Cũng tương tự là hiện tượng viên bi trên đặt trên nền cứng hình bin

nguyệt, khi tác đụng một lực làm vành kính dao động ra khỏi vị trí cân bằng thi viên bi

sẽ đi chuyển và o6 xu hướng làm vành cứng nhanh chống tr lạ vị tr cân bằng ban

đầu Tương tự, hiện tượng vật nặng cũng sẽ dao động và gây ra một lực trong các lò

xo, lực này được truyền vào nén và có hướng chống lại chuyển vị của nên Dưới đầy là một số thiết bị cách chin đầy:

(09 Lead-ubbertecing

(© Friction pendulum system (FPS) bearing

Hình 1.3 Các loại thiết bj cách chắn đáy: (a) Gối đờ đàn hồi; (6) Gói đỡ đàn hồi có lõi chi (LRB); (c) Gối đỡ dạng con lắc ma sát (FPS)

CCác vật liệu nhớt cũng được nghiên cứu sử dụng để lim các thiết bị giảm chắn Cae thiết bị giảm chắn loại này hông thường không góp vào độ cứng của công tỉnh nhưng

nó sẽ tăng độ cân cho công tình, nó làm thay đổi ma trận cân C trong phương trình

chuyển động dao động của kết cấu Do đó, phản ứng dao động của kết cấu sẽ tắt nhanh.

hơn Vật liệu nhớt thường được sử dụng là đầu nhớt vì tính én định theo chu trình cao.

Hình 1.4 (a) Thiết bị cản nhớt; (b) Thiết bị cản ma sắt

Vật liệu cản nhớt (acrylic polymers) đầu tiên được ứng đụng cho cân trên bễ mặt kết sấu, Các thiết bị này được làm bởi các lớp vật liệu đản nhớt được phát triển bởi công ty 3M và được sử dụng để giảm chin dao động do gió gay ra Gần day, các thiết bị này

°

được nghĩ ăn năng lượng động dit Cc thiết bị cản din nhótcứu để ứng dụng phân

phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ, môi trường, thn số và biên độ dao động Đặc biệt, sự phụ thuộc vào nhiệt độ là một yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế cũng như cần được mô hình hóa rõ ràng trong việc phân tích động của hệ kết cấu sử dụng thiết bị can đàn nhớt, Kasai (1993) đã đề xuất một công thức vi phân với ảnh hưởng của nhiệt độ cho thiết bị của 3M Một nghiên cứu khác về thiết bị nay cũng đã được thực hiện

bởi Lorant Group tại Arizonava Hsu (1992)

Hình L.5 Thiết bị cân đàn nhớt trong khung thép

"Một loại các thết bị cản kim loại ding trong hệ thống cách chin đáy được thí nghiệm tại Dai học Berkeley vào cuối những năm 1970, Những năm gần đây, các thết bị này đã được thay ddi để ứng dung cho việc phân tin năng lượng Thiết bị tang độ cổng và sản (Added Damping anh Sifiness.ADAS) g6m các tắm thép có hình chữ X đã được thir nghiệm như là thết bị phân tán năng lượng trong công trình (Bergman 1987,Vhitaker 1989) Một số thiết bị cân ứng dụng chảy của kim loại được làm

từ các vật liệu Khác như hợp kim Nitinol (Niken và Titan) và Cu-Zn-Al (

đồng-kẽm-nhôm) đã được thí nghiệm và cho phép phân tin năng lượng khi chưa cần đạt đếnthêm chảy.

Khái niệm về thiết bi TMD được đ cập đến lần đầu tí

chuyển động xoay tròn của con thu cũng nh làm giảm độ rung lắc của tàu thủy Sau

vào năm 1909 để giảm các

4, đến năm 192 có những nghiên cứu chỉ tiết về thiết bi TMD với để xuất điều chính

10

tối ưa các thông số cản Lý thuyết ban đầu chỉ ứng dụng cho hệ một bie tự do dao

động không có cin dưới tác dung của một tain hoàn dang hinh sin, Sau đồ, lý thuyết43 được phát triển cho hệ một bậc tr do có cản Những nghiễn cứu tiêu biểu đã đượcthực hiện bởi Randall (1981), Warbuton (1980,1981,1982), và Tsai và Lee (1993)

Một thiết bị TMD điển hình gồm một khối lượng quán tính được gắn vào công trình tại

vit có chuyển vị lớn nhất (thông thường là ở gin định công tình) thông qua một lò

xo dan hồi và một cơ cầu cản (thông thường là các pitt6ng giảm chin nhớt hoặc đàn

nhớU Khối lượng hiệu quả của TMD phụ thuộc vào khối lượng của công trình, độcứng và độ giảm chắn của cơ cầu liên kết và được tinh toán sao cho chu ky dao động

của TMD tương đơng với chủ kỳ dao động của công trình Khi công trình đao động sẽ

gây ra chuyển vị tại các điểm liên kết giữa công tình và khối lượng của TMD, khối

lượng này sẽ dao động lệch pha với dao động của công tình và tạo ra lực cân lại dao

động do ác nhân gây ra đối với công nh.

"Hình 1.6 Mô hình cấu tạo hệ công trình một bậc tự do có gắn thiết bị TMD Những nghiên cứu gin đây đã cho thấy hiệu quả củ thiết bị TMD trong việc chế ngự phản ứng của động đắc Năm 1983 đã có nghiên cứu ảnh hướng của TMD cho cả bai

tính và phi tuy

ấu được đặt thiết bị TMD ở trên định Kết quả nghiên cứu cho thấy thiết

trường hợp tu in Villaverde(1998) đã nghiên cứu khả năng va hiệu

quả khi kế

bị TMD gắn trên định kết cầu đã giảm được tới 84% năng lượng động đất tác dụng vào

kết cấu, điều này cũng có nghĩa li việc giảm năng lượng động đất đáng ké chỉ có thể

Xây ra khi đặt thiết bị TMD ở trên đình của kết cầu.

ng dụng điễn hình của TMD có thể kể đến là tòa nhà Taipei 101 cao nhất thé giới với

chiều cao 508m, 101 ting có 50 thang máy Tòa nhà này có hệ thống TMD với quả cầu bằng sit với đường kính 5.5m nặng 660 tin, được đặt ở độ cao 382m(ting 89)

Tòa nhà có thể chịu được gió mạnh với 60m/s Cũng thể hiện một ứng dụng của thit

bị giảm chin dao động dang TMD cho một công trình cao ting ở Nhật Bản.

Hình 1.8 Thiết bị giảm chắn khối lượng dự chỉnh của tỏa nhà Fukuoka Tower,

Fukuoka, Nhật Bin

Theo Kareem và Kline (1995), hiệu quả giảm chin dao động cảng tăng lên nếu sử

dụng nhiều TMD được bố tri song song phù hop với sự phân bổ tin số dao động riêng của kết cấu Với cùng một khối lượng tổng cộng, một hệ nhiều TMD nhỏ sẽ làm tăng độ giảm chin tương dương cho công trình Theo Tamura (1997), ở Nhật Bản, đã có nhiều thiết bị TMD được sử dụng, trong đó cơ edu dùng để liên kết khối lượng quán

hon sử dụng bộ giảm chấn.tính với công trình thường là các pítông dẫu (một s

nhớt hoặc đàn nhớt, xem bảng 1.1 hoặc Kitamura và các cộng sự 1995).

Bang 1.1 Cơ cấu cản trong TMD (trong 11 công trình ở Nhật Bản)Đông dẫu wii Ti.

Bộ giảm chấn din nhốt 2m 18%

Bộ giảm chan nhớt WL 9%

"TMD Không những được sử dụng trong các công trình nhà cao tầng mà còn được sử

‘dung trong các công trình khác.

Hình 1.9 Tháp điều khiển ở sân bay quốc gia Washington

Banavikar và Isyumov(1998) chỉ ra việc sử dang TMD trong công tỉnh Thấp điều

kiến sân bay Quốc gia Washington 4 làm tăng độ giảm chấn từ 0,5% lên 3%, Đi vớiSkybridgesông trình cầu cũng vay Breukelman và các cộng sự (1998) chỉ raring ©

nối hai tháp đối Petronas Towers rit nhạy cảm với các uỗng khí xoáy, nhưng khi sử cđụng TMD thì tổng độ giảm chắn đã tăng lên 0,5% để đủ chống chịu lại các dao động

xoáy và không thể bị phá hoại.

B

Khối lượng quán tinh tong thiết bị TMD đôi khỉ còn được gọi khối lượng thứ cấp Khối lượng nảy thông thường chỉ chiếm tỷ lệ khoảng 0,2% đến 3% tổng khỏi lượng. của công tinh, Tuy nhiên, một số công tinh thực tẾ lại sử dụng luôn Khối lượng cũn bể nước hoặc các thiết bị đun trên mái làm khối lượng thứ cấp, ví dụ như công nh

Rokko-Island P&G Building ở kobe, Crystal Tower ử osaka(Nagase và Hisoku1992), hoặc Sea Hawk hotel & Resort ở Fukuoka ( Nagase 1998).

Các thiết bị TLD cũng có nguyên lý làm việc như thiết bị TMD, tuy nhiên khối lượngđược thay bằng chất lỏng Các thiết bị TLD dang này được chia làm 2 loại:(a)eác bộgiảm chin do va chạm chất lỏng được dự chỉnh ( Tuned Sloshing Damper-TSD), và

(b) các bộ giảm chấn dạng cột chất lỏng được dự chỉnh (Tuned Liquid Column

Dampet-TLCD) Trong hai loại này, chuyển động của chất long sẽ phân tán năng

lượng khi kết cầu chịu tải trong động và do đó làm tăng độ giảm ch Cóin của kếtthể tham khảo những ứng dụng đầu tiên của TLD vào những năm 1980 trong Modi và

Welt(1987), Tamura và các cộng sự (1988) Gần diy, các thiết bị TLD đã được ứng dụng rộng ri (Tamura 1992, Isyumov 1993, Wakahara 1994) Giảm chin dao động sử

dụng các thiết bị TLD được minh họa trong hình

Hình 1.10 Giảm chấn thụ động dao động dang TLD14

'Các TSD rit đễ áp dụng hiện đang được đề xuất sử dung trong các bể chứa nước trongcác tòa nhà bằng việc cấu tạo các phin bên trong bể thành nhiều bộ giảm chấn mà

Không làm ảnh hướng nhiễu đến công năng của các b chứa nước này Các thiết bị này

cùng với cũng có thé xem như các ‘TMD với các khối lượng quần tính bé (nêu có) có

thể fim giảm phản ứng gia tốc công tình xuống còn một nữa hoặc một phn ba phân

ứng ban đầu tủy theo lượng nước mà bể dang chữa (Tamura vàcông sự 1995).Ngoài ra, các yêu cầubảo dưỡng thấp càng làm cho việc ứng dụng TSD càng trở

phổ biển, DSi với thiết bị TLCD, có một số hạn chế cao mực nước trongcột chất long và gố chặt được hết kế với kích thước xác định sao cho còn lại một

khoảng cách tối ưu giữa các khối lượng chuyển động và các gối chặn và cho phép va chạm xiy ra giữa chúng khi công tình khi dao động Khoảng cách tối wu đồng vai trồ ‘quan trọng trong thiết kế hệ thống giảm chấn kiểu này Phương pháp giảm chấn dao

động này được sử dụng trong các thấp hoặ:ác công trình dạng tháp với các dao độngxảy ra trong mặt phẳng (Koss và Melbourne 1995) Tuy nhiên, theo Ying và

Semercigil(1991) thì phương pháp giảm chin dao động này vẫn còn chưa được sử

‘dung nhiều trong các công tình lớn.

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên ý hệ thống giảm chin dao động dạng bộ giảm chấn va chạm

NeAi ra, có một hướng giảm chin dao động thụ động khác sử dụng nguyên lý hồi

chuyển của các vật thể Thiết bị trong bài toán giảm chin dao động này là các con

quay hồi chuyển (Gyroscope hoặc Gyro-stabilizer) Nguyên lý chủ yếu của loại giảm

chấn này sử dụng các bánh da trong con quay hồi chuyển để tích trữ năng lượng, khi

15

đó năng lượng từ trận động đất truyền vào ông ình sẽ giảm di VỀ mặt tích

trữ năng lượng thì con quay hồi chuyển đạt hiệu qua tích trữ năng lượng trên một đơnvị thể tích lớn đứng thứ ba chỉ sau tích trữ năng lượng trong hạt nhân và tích trữ trongcác phản ứng hóa học Tuy nhiên, các nghiên cứu ứng dụng con quay hồi chuyển trong

ngành xây dựng công trình hiện vẫn chưa nhiều, mà chỉ tập trung vào các ngành hàng.

hải, hàng không, cơ học, máy Cụ thể là, hiện nay Thụy sỹ đã có những chuyến xebuýt sử dụng bánh đã trong con quay hồi chuyển khi đi lại khi lên, xuống những

đường đồi Đặc tính tích rỡ năng lượng của con quay hồi chuyển được thể hiện ở chỗ

khi xe buýt xuống dốc thi năng lượng sữ được tích ti dưới dạng quấn tính của conquay hồi chuyên và năng lượng này sẽ được giải phóng khi xe di lên dốc, do đỏ sẽ tiết

kiệm năng lượng xing Hiện nay về kích thước của b& chứa nên cũng hạn chế về tin số điền chỉnh Shimizu và Teramura 1994 đề xuất một phương án cải tiến Ý tưởng mo

rong TLCD cho các phương phip giảm chắn chủ động hiện đang được nghiên cửu áp

dụng vào một công tinh bằng thép cao 9 ting (Honda và các cộng sự 1992) Ngoài ra một số phương án khác nhau như LCVA (Hitchcock và Kwok 1993), TLCD thích nghỉ.

(Kareem 1994), các bộ giảm chắn bơm quán tính, thiết bị có khe van phụ thuộc vào

biên độ dao động và các thiết bị có nhiều khe van đã và đang được nghiên cứu.

Nhiều nghiên cứu và thực nhiệm đã cho thấy, phản ứng của hệ TLD khi kết cầu dao động nhỏ là dễ dàng nhận thấy, Tuy nhĩ với những trường hợp dao động lớn (có thểxây ra khi công trình chịu trận động mạnh), hệ TLD thể hiện những phan ứng.

rt phic tạp Sun (1935.1995) da đề xuất khả năng phất tiễn một ky thật sổ th mô tả

ứng xử của hệ TLD, Năm 1994 có một nghiên cứu thực nghiệm vàtoán ảnhhưởng của thiết bj TLD hình chữ nhật dui các tác động của động đắt Nghiên cứu nàyđã xây dựng một mô hình tính toán bằng số áp dụng cho các thay dồi biên độ nhỏ củachuyển động nền.

Một phương pháp giảm chắn dao động dang thụ động khác là phương pháp sử dụngcác bộ giảm chin (Impact Damper-ID) Các thiết bị ID này thường ở dạng các kt

lượng vật rin nhỏ trượt trên định công tình trên các ray dẫn hướng Các nhóm đề tài dang nghiên cứu để ứng dung con quay hồi chuyển vào bài toán giảm chắn dao động

công trình theo dang thụ động,

1.2.2 Phương pháp giảm chấn chủ động

Giảm chin dao động mới được nghiên cứu gin đây Phương pháp giảm chin chủ động

là phương pháp sử dụng tín hiệu phân hồi từ các bộ cảm bién do ứng xử của kết cầu,

sử ý các hông tin này và đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp đến các bộ kích thích cơ học để khống chế ứng xử của các cấu kiện theo mong muốn Với các thiết bị của phương pháp giảm chin chủ động, ta phải luôn chin chin rằng có một nguồn năng lượng riêng cung cấp cho nó và các thit bị đo phản ứng phải sin sàng hoạt động khi s6 bắt kỳ phản ứng nào của công tình, iễu này đồi hỏi các chỉ ph lớn cho thiết bị ban

đầu và chỉ phí cho bảo tủ, vận hành ong suốt thời gian sử dụng công trình Các bộ

kích thích cơ học hoạt động được bởi nguồn năng lượng cắp từ bên ngoài Vai trò của "hệ thống điều khiển chủ động là phát hiện những phần ứng bắt lợi câu kết cầu đưới tác động của gió to hay động đất, xử lý nhanh bằng máy tính điều khiển và đưa ra một lực

phân ứng làm giảm dao động của công trình Do đó sẽ kim tăng độ an toàn cho các tòanhà và sự thoải mái cho người sử dụng Nhược điểm của hệ

ng này cần một nguồn

iêng và én định (ngay cả khi toàn bộ công trình chính có sự cổ về điện) để cung

cắp cho thất bị didu khiển

Các thiết bị giảm chấn chủ động bao gồm thiết bị sử dụng khối lượng chủ động (Active Mass Damper-AMD), thiết bi sử dụng khối lượng dự chỉnh chủ động ( Active

Mass Tuned Damper-ATMD), thiết bị ging chủ động (Active Brace-AB), thiết bị chủđộng thay đổi độ cứng (Active Variable Stiffness-AVS), thi

(Active Variable Damper-AVD), thiế

bị thay đổi chủ độngbị cách chấn diy chủ ding (Active Base

Khi khoa học công nghệ phát triển thiết bị TMD, vốn được coi là thiết bị giảm chin

đạo động thụ động, cũng được phát triển thành các thiết bị giảm chan dao động có khả.

năng chủ động phần ứng lại với các tác động của động đất Theo những yêu cầu của thiết kế như giới hạn về không gian lắp đặc việc lắp đặt sử dụng thiết bị TMD có thể không khả thí, khi đó thiết bị giảm chin dao động chủ động(AMD) được thiết kế và

iwa Bhilding ở Tokyo (Nhật Bản) hayKyobashi Seiwa Bhilding là ứng

dụng quy mô lớn dầu tiên công nghệ giảm chin dao động chủ động Dây là một tòa lắp đặt nhữ trường hợp ở tòa nhà Kyobadhi

toàn tháp Nanjing ở Nanjing (Trung Quốc) Tòa nl

7

nhà 11 tng với di tích sin là 423m Hệ thống điều kiễn gm có hủ thiết bị AMD, trong đó thiết bị AMD đầu iên có khối lượng 4 tin được sử dụng cho giảm chin dao động ngang, thiết bị AMD thứ 2 có khỗi lượng làm giảm xoắn cho công trình VỀ căn bản, thiết bị AMD chính là cả tiến từ thiết bị TMD được gắn thêm cúc cảm biển, các

bộ kích thích cơ học và máy tính điều kiễn Các te giả Aizawa, Hayamizu, Higashino,Soga, Yamamoto, và Haniuda đã trinh bảy những nghiên cứu thực nghiệm về AMD,

những ứng xử của hệ kết cấu được chế ngự chủ động với thiết bị AMD được gin ở trên đỉnh, đã được giảm một cách đáng kể ở dạng dao động thứ nhất và thứ hai theo

hướng y và dạng dao động thứ nhất theo hướng 2.

Reinhorn và Soong (1992) đã giới thiệu một hệ chế ngự chủ động (Active Bracing

System-ABS) được lắp đặt tong một kết cấu thử nghiệm ở Tokyo Kết cấu này đã chịu vài trân động đất và các phản ứng của nó đều được ghi lại trong hệ giảm chắn chủ

thoi gian xảy ra động đất Một thiết bị ATMD kiểu.quả lắc cũng đã được phát widn bởi Matsumoto(1990), thiết bị này đã được lắp đặt tại

động tự động làm việc trong s

tầng trên cùng của một tòa nhà 70 tầng (cao 296m) và đỉnh tháp của cẩu Akashi

Kaikyo (cao 300m).

Cam vế Ổ

Sapte gen] Aneneese

che buildina Boor

Hình 1.15 Tòa nhà Shinsuk Park Tower sử dụng giảm chế dao động “lai

‘Vi dụ của ứng dụng thiết bj HMD là tại tòa nhà Sendagaya Intes ở Nhật Bản vào năm

1991 Thiết bị HMD được đặt ở ting 11 của tòa nhà gồm 2 khối lượng để chế ngự

chuyển động ngang và chuyén động xoắn của công

Ấn bán chủ động

1.2.3 Phương pháp giảm el

Hệ thống giảm chế dao động bán chủ động là thiết bị giảm chắn dạng như TMD nhưng độ cứng k và độ cân nhớt của lién kết được lin tục điều chỉnh thay dỗi phù hợp với lực tác dụng lên công trình Hệ thống này yêu cầu nguồn năng lượng liên tục nhưng không cần lớn lắm nên só thể đồng nguồn năng lượng là pin tong trường hợp khẩn cắp Các nghiên cứu và thự tế đã chứng mình rằng hệ thống giảm chin dao động bán chủ động hoạt động ốt hơn và có hiệu quả cao hơn hệ thống thụ động,

20

Hình 1.19 Giảm chắn dao động bin chủ động tba nhà Kajima Shizuoka

1.3 Gối cách chin bảo vệ công trình

1.3.1 Nguyên lý và hiệu quả của gối cách chin

Sự cách ly kết cấu nhằm tách rời hoặc hạn chế việc truyễn lực động đắt vào kết cầu

khi sử dung các thiết bị được đặt ở chân công trình (mặt cách chấn ~ bên dưới khối

lượng chính của công trình) được gọi là giải pháp cách chắn đáy Hệ thống cách chắn

đây có một hoặc nhiều chức năng sau

~ Chịu tải trong thẳng đứng kết hợp với kết hợp với độ déo theo phương ngang đượctăng cường và có độ cứng lớn theo phương đứng:

~ Tiêu tần năng lượng, tạo cản nhớt hoặc ứng xử trễ:

- Liy lại cân bằng:

- Tang độ mềm theo phương ngang, tăng độ bền ôn định cho công tinh

Khi có thiết bị cách chắn đáy, công trình có thêm một dạng giao động mới Cách

chấn day có tác dụng kéo dài chu ky dao động cơ bản, giữ cho chu kỳ nay độc lập và2

không trùng với chu ky dao động cưỡng bức do tác động bên ngoài Trong quá trình

hoạt động, nếu cin thiết có thể thay thé các bộ phận của hệ cách chấn một cách dễ

f ra +

* a ae ee see ae

8) »)

Hình 1.20 Cách chấn đầy trong bảo vệ công trình chịu động đất 3) Kết cấu thông thưởng, b) Kết cầu có cách chấn đây 1.3.2 Các loại gỗi cách chắn

Cc thiết bị cách chin hoạt động dựa trên nguyên lý sau: việc đưa ra một lớp cách ly "mềm theo phương ngang và rit cứng theo phương đúng lim tăng độ mềm theo phương ngang hoặc tăng khả năng én định theo phương đứng của kết cấu chính Và như vậy,

ich el

một phần năng lượng được hip thụ trong bản thin trước khi được tiêu tần

ết bị cách tử eơ chế hoạt động của cách chắn Do độ mềm theo phương ngang các

chắn tạo ra một mode dao động mới mà không chứa các dịch chuyển tương đối giữa

sấc ting quan trong của hệ kết cấu chính Khả năng này sẽ làm ting các chu kỷ cơ bản

của hệ kết cấu và sẽ giữ cho toàn hệ xa với các thành phẩn chu kỳ trội của kích thích

nền đất

“Các thiết bị cách chắn phù hợp với các tòa nhà có chiễu cao từ thắp đến tung bình, với

các mode dao động chủ yếu nằm trong một khoảng xác định Ví dụ, không tđạo

urge độ mềm cần thiết theo phương ngang cho các kết cấu chịu các kích thích động

23

đất mà thành phin chu kỳ tội tương đối di Cách hiệu quả chống lạ dao động được trayễn đến từ nén đất, chẳng hạn như từ động đất hoặc các hoạt động giao thông, nhưng nó không hiệu quả để chống lại tải trong gió vì hệ quá mềm theo phương ngang Các thết bị cách chấn có thé được bổ trí ở các vị trí khác nhan trên

công tình.

Cón hệ thống cách chin phổ biến với các cơ chế và ứng xử bao gồm: hệ cách chắn từ vật liệu đàn hồi, hệ cách chắn từ cao su tự nhiên và tổng hợp có độ cản thấp (LDRB), hệ cách chắn với lõi chi (LRBs) hệ cách chan tir cao su tự nhiên có độ cản cao (HDNR), hệ cách chắn dựa trên hỗ tương trượt bé mặt, hệ cách chin tir Teflon nổi khớp với thép không gi (TASS), hệ cách chấn dạng con lắc ma sát (FPSs), và hệ cách

chin dạng cit mãng xông (SPISs).

Hệ cách chan từ vật liệu đàn hỏi gồm các khỗi cao su tự nhiên lớn không có cốt thép gia cường, được giới thiệu ln đầu tiên vio năm 1969 Sau đó, các tắm thép được thêm

vào để cái thiện tinh năng và tăng độ cứng theo phương đứng, đã có nhiễu tòa nhà sử

dụng thiết bị dạng này LDRB gồm có bai tắm thép dày ở phía ngoài và niu tắm thép,

chèn mỏng Cácdạng khác

i đỡ này đã được sử dụng ở Nhật, cùng với các thiết bị bd sung cản

Hình 1.21 Hệ cách chắn từ vật liệu đản hỗi

Hé cách chắn LRB cũng giỗng như các hệ LDRB, nhưng có thêm một hoặc một số lỗ tạo trước Một lõi chỉ được chêm vừa vào lỗ này sẽ bị biển dạng chịu cất thuẫn túy kh gối có dich chuyển ngang, lõi ch bị chảy déo ở mức ứng suit thấp và iêu tan năng lượng theo chu tinh trễ có đặc trưng là rit ổn định sau nhiều vòng lap (De la Cruz, 2003) Hệ cách chin này được ứng dụng thành công trong việc bảo vệ nhi tòa nhà

trước các trận động đất

24

St Pa ms

Hình 1.22 Hệ cách chin với lai chi (LRB)

âu den có

Năm 1982, các hệ cách chin HDNR đã được giới thiệu sử dụng nhựa hoặc

sác bon rất mịn và chit nền độc quyền khác ở Anh, dẫn đến việc tăng tính chit cản vốn có của hợp chất cao su tự nhiên, mà điều này lại dẫn đến việc không cần sử dụng thêm các thiết bị bổ sung tinh chất cản khác

Các hệ cách chắn dựa trên hiện tượng trượt với nguyên lý sử dụng các vật liệu như poly-tetrafluoroethylene (PTFE hay Teflon) trên thép không gi Hiệu quả của các thiết bị này phụ thuộc bởi các yếu tổ như nhiệt độ, vận tốc chuyển động bề mặt tiếp xúc, độ mài mòn và mức độ sạch sẽ trên bề mặt Các phân tích lý thuyết được thực hiện với các kết cầu có gin thiết bị này.

Self Lubricating ————¬ Concave plateBearing Material

Circular Retainer

Stainless Steel

Concave Surface Slider Housing Plate

Hình 1.23 Hệ thông con lắc trượt ma sát

G Nhật đã phát triển hệ thống“Trong hệ thống này, toàn bộ tải trong đứng đượcđỡ bởi việc sử dụng các cấu kiện thép không và các lực tái định tâm được cho từ các

gối neoprene dạng phiến và không chịu lực Hệ cách chấn FPS kết hợp việc trượt với một lực phục hồi từ các sắp xếp hình học, Nó bao gồm một bao gồm một khối trượt xoay được quanh khớp trượt trên một bé mặt dạng cầu được phủ bởi thép không gi .được đánh nhẫn Do chuyển động của khối trượt trên bé mặt edu, khối lượng sẽ bị đầy

lên cao và tao ra một lực tái định tâm cho hệ Hệ SPIS là một giải pháp làm giảm việctruyền dao động bằng các cử thông qua việc tạo ra độ mdm theo phương ngang Trong

lồng này, cử được đặt trong Ống vách với khe hớ phù hợp.

25

14, Sự phát

trên thế gi

n của phương pháp sir dụng gối cách chin để bảo vệ công trình

Trong thời đại phát tiễn của khoa học công nghệ, kỹ thuật cách chin đã ủi tiếng về tu duy sing tạo và công nghệ tin tiền vượt ra ngoài các giải pháp thông thường, cách chấn day là một công nghệ phù hợp Trong phần này, cl ing ta sẽ nhìn vào lịch sử củagiải pháp cách chắn diy, nó được nghiên cứu như thé nào, ứng dụng và hoạt động ra

1.4.1 Đối với gối dan hồi

Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Động đắt (EERC), bây giờ dmge gọi là Trung tâm

"Nghiên cứu Kỹ thuật Thái Bình Dmong (PEER) của Dai học Berkeley ở California, là

tổ chức đầu tiên tại Hoa Ky tiền hành một nghiên cứu vé tính khả thi của gối cách ly bằng cao su thiên nhiên để bảo vé các tòa nhà từ trận động đắt Điễu này là vào năm,

cấu tạo bởi Mat phương pháp cô lập địa chắn là sử dụng gối cách chin din hồ

nhiều lớp cao su mông và xen kẹp là các la thép để tăng độ cứng chịu nén cho gối và

vẫn dim bảo sự biển dạng cắt lính hoạt theo phương ngang (Nacim and Kelly 1999) Hai loại gối din hdi phổ biển HDRB và LRB HDRB liên quan đến việc sử dụng các hợp chất cao su có độ cản cao, trong khi gối LRB có một lõi chi ở trung tâm dé tăng

khả năng chịu nén (Naeim and Kelly 1999).

_Về kiểm tra tốc độ lão hóa của cao su, nhiều nhà sản xuất tuyên bổ tính chất cơ học của.

HDRB thay đổi không đáng kể theo thoi gian Kojima and Fukahori (1989) đã cho biết

tính chất cơ học của HDRB thay đổi ít hơn 10%rong thời gian 60 năm

Có tương đối ít các mô hình phân tính HDRB theo lich sử thời gian xủy ra động đắt

C6 một mô hình được đề xuất bởi Pan and Yang (1996), sử dụng hai phương trình với tổng cộng 11 thông số mô tả lực phục hii và lực cản Những thông số này được xác định từ thí nghiệm HRB chịu tả trọng điều hòa Thực hiện tinh toán lực phục hồi và đồng thời về được vòng trễ từ quan hệ lục et và chuyển dịch đối với lực en thi được tính từ diện tích vòng trễ

Các mô bình toán học mô tả ứng sử cia HDRB được đề xuất bởi Kikuchi and Aiken

26

(1997), một mô hình trễ đã được phân tích với mục đích dự báo chính xác phản ứngcủa gối cách chắn trước kích động động đất.

Hwang et al (2002) đã phát triển mô hình trễ của HDRB được đỀ xuất ban đầu bởi Pan

and Yang (1996), tuy nhiên các oo sở vật lý của mô hình toán học mô ti độ cứng và độcần là không giải thích rõ rằng

Một số hướng dẫn chỉ tết kỹ thuật (AASHTO, 2000) ~ thiết kế động đắt với kết cầu ci có HDRB đã được phát triển Trong các chỉ it kỹ thuật, các đặc tính phi tuyến

của HDRB được thể hiện theo mô hình song tuyển tính.

ALR Bhuiyan, Y, Oks, H, Miamara,T: Imai (2009) đề xuất một mô hình lưu biến của HRB nhằm xác định độ nhớt phí tuyển

W.H Robinson (1982) đã vẽ được vòng trễ của LRB.

Nghiên cứu về hiệu quả của lõi chi trong LRB, Bong Yoo, Jae-Han Lee and

Gyeong-Hoi Koo (2001) đã có nhăng kết luận rằng nếu tăng đường kính của lõi ch tỷ số cân

của LRB sẽ tang nhanh, kết quả thí nghiệm 3 loại sỗi LRB cố đường kính của lõi chỉ Khác nhau cho thấy tỷ số cân khác nhau đồng kể

Bảng 1.2 So sánh tỷ số cản của các LRB với đường kính lõi chi khác nhau.Loại LRB Đường kính lõi chi (mm) Tỷ số cảnRB (cao su tự nhiên) Không có lõi chỉ 45

LRB I 2 8

LRB2 37 +

LRB 3 48 33

EN, Doudoumis, F Gravalas and Doudoumis (2005) mô tả các thông số về độ cứng

dn hồi sơ bản, độ cứng din déo và cường độ đặc tưng của LRB liên quan đến quan "hệ lực ngang và chuyển vị theo quy luật song tuyến tính Các thông số này có thể được

A báo với độ chính xác cao nhờ các công thức đơn gin, ngoại trừ độ cũng ban đầu là

một hàm chủ yếu phụ thuộc vào các chỉ tit ấu tạo và lõi chỉ của LRB.

Ryan, Kelly and Chopra (2005) quan sát thấy ring cường độ din hồ của LRB phụ

thuộc vào tải trọng dọc trục, chẳng hạn với tải trọng dọc trục bé thi cường độ đàn hồi

7

không đạt được giá tị như tính theo lý thuyết Ví dụ, Hwang and Hsu (2000) nghiên cứu với một kết cấu 3 ting được cách chin đáy bằng LRB, thấy rằng đối với LRB chịu

ue dọc lớn có tỷ số cán lớn hơn LRB chịu lực dọc nhỏ.

của kết cấu nhà nhiề

RS Jangid (2005) đã nghiên cứu phan ứng địa chất tầng được cách chắn bởi LRB, ứng xử của lực ~ chuyển vị của ỗi LRB được mô hình hóa song

tuyển tívới cin din nhớt Phương trình vi phân chuyển động của kết cấu bên trên

trước kich động động đất được giải bằng phương pháp Newmark Tuy nhiên các tính

chất của LRB được lấy giả định.

‘M,C Constantinou, A, S Whittaker, Y, Kalpakidis, D M Fenz and G P, Wam(2007)đã nghiên cứu thực nghiệm đối với tính chất cơ học của các loại gối đàn hi

quy trình kỹ thuật phân tích và thiết kế gối đàn hồi Thực hiện quy trình này là việc kiếm tra thỏa mãn các bất đẳng thức Do vậy quy trinh không cho thấy được phân ứng của gối cách chin chịu kích động động đất theo thi gìam.

Dinu Bratosin, Tudor Sireteanu (2002), đã trinh bảy một mô hình phi tuyển KenvinVoigt với độ cứng và độ cán là ham của chuyển vị

Dinu Bratosin (2003), trình bảy mô hình din nhớt cho ứng xử động lực học phi tuyển của vậtliệu sử dụng cho cách chắn đầy,

Dinu Bratosin (2004), ệ gối cách chin din hồi được cầu tạo từ nhiều lớp hỗn hợp nên có đặc tính phi tuyến rõ ràng Tác giả phân tích hiệu qua của việc cách chấn kết cầu

bằng cách mô hình ha bậc tự do sử dụng mô phỏng sổ phi tuyển

Dinu Bratosin (2005), đánh giá tác động của sự thay đối chu kỳ của kết

chin đây, với đặc tinh vit ig từ các lớp cầu tạo gối din hồ là phi tuyển 1.4.2 Đối với dạng trượt đơn FPS

Xột phương pháp phổ biến để cách ly dia chin là sử dụng hệ thống con lắc FPS, một

FPS có một bé mặt cong trượt, có khả năng tạo ra lực phục hồi, trọng lượng củacấu bêtrên được đặt trên một khớp trượt, có thể trượt trên bé mặt cong, ma sátgiữa khớp trượt và bé mặt cong tạo ra độ cản cho gỗi FPS (Naeim and Kelly 1999)

‘Thay đổi bán kính của bể mặt cong có thể điều chỉnh độ cứng và chủ kỳ dao động cơ

bản của hệ,

28

Ưu điểm của việc sử dụng gối FPS để cách ly dia chin là tạo ra được lực phục hồi, mô hình số đơn giản, độ cứng là tuyển tính rong một phạm vi di chuyển ngang vừa phải

(Kim et al, 2006) Một uu điểm nữa là ứng xử của gối FPS có chủ trình lặp đi lặp li,

tính chất co học én định, bén, giảm được chiễu cao của hệ thống gối cách chắn, tách biệt giữa lực phục hồi và lực cản, dễ kiểm soát chu kỳ dao động cơ bản và công làm.

Ih hge đơn giản (Almazan and De la Llera, 2003)

dịch chuyển bằng các thông số

Anoop Mokha, Michalakis Constantinou, Associate Member, ASCE, and AndreiReinhom, Member, ASCE (1990) đã mô ti tinh chất ma sit bề mặt của một loại thép

đặc biệt dùng để chế tạo gối FPS, một loạt thí nghiệm trong phòng được tiến hành để

xác định ảnh hướng của vận „gia ấp lực lên bề mặt và loại thép Kết quả thấy

ring gia tốc ảnh hưởng không ding ké đến ma sát mà vận tốc và áp lực bề mặt có ảnh hưởng quan trọng Ma sát sẽ ting khi vận tốc tăng, nhưng vận tốc đạt đến một giá trị xa hơn thì ma sát sẽ không đổi Hơn nữa ma sét giảm xuống với áp lục ngày cing tăng với t lệ giảm phụ thuộc it nhiễu vào tốc độ Giá trị ma sắt tĩnh lớn hơn gi tị ma ít trượt từ 2 đến 4 lần.

Độ bền của thép đặc biệt có yếu tổ quan trọng của gối FPS để có thể duy trì áp lực nén rit lớn trên bề mặt và có chu kỷ lặp hàng ngàn lẫn Các ứng xử cơ học của thép đặc biệt rất phức tạp, các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết được để xuất bởi Mokha

ct al (1990) and Constantinou et al(1990)

Panos C Dimizas and Viasis K Koumousis (2005

ch động đi

tham số này được giải quyết bằng cách

) đã xác định các tham số phi tuyến

hòa theo mô hình

Boun-liên quan đến ứng xử tể của gối FPS chịu

Wen Đường Idi của phương pháp xác định cát

tối ưu hóa phi uyển bằng thuật toán Levenborg: Marquardt

Nghiên cứu của M.C Constantinou, A.M Reinhorni, P Tsopblas and S Nagarajaiah

(1999) đã xác định

vận tốc, phụ thuộc áp lực của khớp trượt lên bé mặt cong của gối FPS.

thức của lực phục hồi, biểu thức của hệ số ma sát phụ thuộc.

Cée biểu hiện phi tuyến được phát trién bởi Kim et al (2006) với lực phục hồi là mộtham của chuyển dịch ngang.

M Rabiei (2008) tién hành kiểm tra phan ứng của kết cấu được cách ly bởi FPS chịu29

kích động động dit theo cả 3 phương Kết cầu bên trên được lý tung hóa như mội tồn

nhà không gian một ting Các phương tình vi phân chuyển động được giải bằngphương pháp Newmark Tuy nhiễn việc kiểm tra này không xét đến ứng xử trễ của gốiFPS

Yen-Po Wang, Lap-Loi Chung and Wei-Hsin Liao (1998), đề xuất phương pháp thiết

lập phương trình vi phân chuyển động thích nghỉ được hai ca trang thái của FPS là tinh

và động (ưạng thái tĩnh - khi kích động ngoài không thắng được lực cản ma sát nên

không xảy ra trượt, rạng thái động - khi kích động ngoài lớn hom lực cản ma sit nÊn

xây ra trun)

Almazan, J Land De la Llera, J C (2003) tập trung vào phát triển một phương trình

toán học mô tả phân ứng động của kết cấu được cách ly bởi sối FPS, đó là một mô.Hình lý thuyết có thể biểu điễn một cách hiệu quả sự chuyển dịch lớn và hi

1.4.3 Đi với dang trượt đôi DCFP

ứng

P-Gối cách chắn dạng trượt đôi DCEP có cấu tạohep không

si một khốp trượt làm bằng vật liệu phi kim loại có bŠ mặt trên tiếp xúc với mặt lõm

trên, mặt dưới tiếp xúc với mặt lõm dud, Đồng thời khớp trượt được cấu tạo gồm hai

phần tiếp xúc nhau mà bai phần này có thể tự quay quanh nhau (Daniel M

Michael C Constantinou (2006).

Fenz and.

Một khái niệm đầu tiên để cập đến sử dụng một gối có 2 bE mặt lõm xen kẹp một quả bóng lan để cách ly một tôa nhà được thể hiện trên bằng sing chế của Jules Touailon năm 1870 ((Daniel M Fenz and Michael C Constantinou (2006)) Nhưng cho đến tận hơn 100 năm sau, Hyakuda et al (2001) mô tả quan sét về một tòa nhà ở Nhật Bản được cách ly bởi gối DCFP, Đặc điểm của gối DCEP áp dụng trong công tình này là hai bé mặt lõm có cùng bán kính, nhưng đặc biệt là khớp trượt xen kẹp giữa hai mặt

Jom lại không chia thành bai phần có thể tw quanh quanh nhan, RO ràng sự tích bitnày là cần thiết

Các nghiên cứu của Hyakuda et al (2001) và Tsai et al mô tả quan hệ lực ngang —

chuyển dich nhưng đã hạn chế ự trượt đồng thi trên cả ha mặt lõm,

30