Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: 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

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG- Tìm hiểu mô hình hệ kết cấu khi có gắn hệ cô lập móng, gắn hệ cản khối lượng trên mái, gắn hệ cô lập móng kết hợp hệ cản khối lượng trên mái.- Nghiên cứu, thiết lập

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong bối cảnh hiện tại động đất đã và đang xảy ra ở nhiều nơi trên thế giới, ảnh hưởng của động đất lên kết cấu công trình xây dựng là rất lớn, động đất ở cấp độ nhẹ làm kết cấu công trình bị hƣ hỏng một số bộ phận, và nếu động đất mạnh hơn có thể dẫn tới sụp đổ kết cấu công trình để lại thiệt hại nặng nề về con người và vật chất Bài toán hạn chế những thiệt hại mà động đất gây ra cho công trình xây dựng là vấn đề thời sự mà các chuyên gia về kỹ thuật kết cấu trong và ngoài nước đang rất quan tâm

Có rất nhiều trận động đất trên thế giới gây ra những thiệt hại nặng nề, có thể kể đến các trận điển hình nhƣ: 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, ƣớc 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 đƣa 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 đƣợc ghi nhận trên thế giới có thiệt hại còn lớn hơn nữa cho kết cấu công trình xây dựng và cả nhân mạng

Hiện tƣợng 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 nhƣ 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 đƣợc 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 nhƣ: 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 lƣợng dao động này bằng cách lắp cách thiết bị vào công trình, để thiết bị này tự tiêu tán năng lƣợng 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 đƣa ra hai giải pháp riêng lẻ ở trên nhƣ cô lập móng bằng gối cao su có độ cản cao, hoặc sử dụng hệ cản khối lƣợng 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 nhƣ 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 lƣợng trên mái (TMD) khi chịu gia tốc nền.

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 lƣợng (TMD) trong kết cấu chịu gia tốc nền động đất Mô hình tính toán của hệ đƣợc thể hiện nhƣ hình 1.2 Để đạt đƣợc mục tiêu đề ra, các nội dung nghiên cứu trong luận văn đƣợc xác định nhƣ sau:

- Tìm hiểu các đặc trƣng hình học, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của gối cao su có độ cản cao (HDRB) và hệ cản khối lƣợng (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 chƣa gắn thiết bị kháng chấn, gắn hệ cô lập móng (HDRB), gắn hệ cản khối lƣợng (TMD), gắn đồng thời hệ cô lập móng (HDRB) kết hợp hệ cản khối lƣợng (TMD)

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

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 lƣợng 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 lƣợng cũng lần lƣợt đƣợc 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 đƣợc 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.

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 lƣợng, hệ gắn gối cao su có độ cản cao kết hợp hệ cản khối lƣợng

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 lƣợng 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 đƣợc trình bày cuối luận văn.

GIỚI THIỆU

Chương này gồm có 04 phần, giới thiệu sơ lược về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, cũng như những ứng dụng thực tiễn của gối cao su có độ cản cao và hệ cản khối lƣợng, cụ thể nhƣ sau

- 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 lƣợng TMD: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của mô hình TMD; Ứng dụng của hệ cản khối lƣợng 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.

HỆ CÔ LẬP MÓNG CAO SU CÓ ĐỘ CẢN CAO

Thiết kế hệ cô lập móng nhằm mục đích cách ly đƣợc phần nào các tác động của động đất đến kết cấu công trình bên trên, là một trong các giải pháp cách chấn đã đƣợc ứng dụng rất nhiều cho các công trình xây dựng trên thế giới, là một giải 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) đƣợc 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 đƣợc một phần năng lƣợng 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 đƣợc 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 nhƣ 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 đƣợc xây dựng, nối từ thành phố Kawasaki tới thành phố kisarazu, với chiều dài cầu 4,4km, 21 nhịp trong đó có 11 nhịp đƣợc gắn gối HDRB, 10 nhịp gắn gối LRB Gần đây hơn, cầu Kobe Sky đƣợc 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 đƣợc 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]

Vào năm 1976, gối cao su có độ cản cao đã đƣợc 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 đƣợc đánh giá là khá quan trọng, đƣa ra mô hình mô tả lực phục hồi và lực cản đƣợc đề xuất Pan và Yang [21], các thí nghiệm đã sử dụng tải điều hòa để tìm ra các thông số và xác định đƣợc công thức tính lực phục hồi Đồng thời từ quan hệ lực cắt và chuyển dịch của các thí nghiệm đã vẽ đƣợc vòng trễ của gối, và từ diện tích của vòng trễ đã xác định đƣợc lực cản

Năm 1999, Naeim and Kelly [20] đã tiến hành kiểm chứng và đƣa 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 đƣợc 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 đƣợc 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], đƣa 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

Tuy gối cao su có độ cản cao đã đƣợc 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 đƣa ra sơ đồ và các bước thực hiện tính toán cho kết cấu khung có gắn gối HDRB

HỆ CẢN KHỐI LƢỢNG

Hệ cản khối lƣợng (TMD) là một thiết bị giảm chấn, đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, đƣợc cấu tạo gồm một khối lƣợng, một lò xo và một hệ cản đƣợc gắn vào kết cấu nhằm tiêu tán một phần năng lƣợng, 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 lƣợng của ngoại lực và vì vậy năng lƣợng 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 lƣợng 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 đƣợc ứng dụng rộng rãi Có thể kể đến nhƣ tòa nhà Taipei 101 đƣợc 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 đƣợc tạo từ các lớp thép dày 12.5cm, đƣợc treo vào ở tầng 92 Kết quả cho thấy hiệu quả treo khối thép đã giảm đƣợc 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 đƣợc 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]

Năm 1909, những nghiên cứu về TMD đƣợc 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 đƣa ra các thông số tối ƣu cho TMD

Năm 2008, Wong.k [32], nghiên cứu phân tán năng lƣợng 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 đƣa ra đƣợc kết luận hiệu quả giảm chấn của TMD tác giả đã phải khảo sát nhiều kết cấu khác nhau với những phổ năng lƣợng 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 lƣợng dẻo, tác giả đã nghiên cứu khả năng tiêu tán năng lƣợng 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 đƣợc 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 đƣa 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], đƣa ra phương pháp xác suất để thiết kế bộ giảm chấn khối lượng nhằm hạn chế rung động trong các nhịp cầu

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 nhƣ 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 Nhƣ Hiền [8], với đề tài luận văn thạc sĩ đánh giá hiệu quả giảm chấn của nhiều hệ cản khối lƣợng 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 đƣa 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.

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 lƣợng (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 đƣợc áp dụng rộng rãi cho các công trình xây dựng nhà và cầu Nhằm mục đích đạt đƣợc 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 đƣợc phát triển rộng rãi.

KẾT LUẬN CHƯƠNG

Các đề tài gắn gối HDRB, hệ cản TMD vào hệ kết cấu nhằm tiêu tán năng lƣợng 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

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết để phân tích hiệu quả giảm chấn cho kết cấu khung gắn hệ cô lập móng gối cao su có độ cản cao kết hợp hệ cản khối lƣợng trên mái chịu gia tốc nền Trình bày cấu tạo và các công thức tính toán của gối HDRB, hệ cản TMD Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ khi gắn từng thiết bị và gắn đồng thời các thiết bị giảm chấn, đồng thời đưa ra một phương pháp giải, thuật toán giải bằng phương pháp số để tìm nghiệm của chương trình tính toán trong luận văn

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 đƣợc 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 đƣợc sức nặng của trọng lƣợng tòa nhà; độ cứng ngang hữu hiệu K eff của gối HDRB đƣợc 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

Với: Q là khả năng chịu cắt của gối, D d là chuyển vị thiết kế, t là tổng chiều dày các lớp cao su, β eff là tỷ số cản hữu hiệu của HDRB, λ là hệ số 0,05÷0.1

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, K h 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, T D là chu kì dao động theo phương ngang của gối, C VD là hệ số gia tốc nền, B D là hệ số giảm chấn, g là gia tốc trọng trường

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 đƣợc thể hiện nhƣ 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 đƣợc cô lập móng gối HDRB chịu tác dụng của gia tốc nền đƣợc viết dạng nhƣ sau:

Mu+Cu+Ku=-Mr u g (3.6) trong đó:

  M ( N   1) ( N  1) : ma trận khối lƣợng của kết cấu

  K ( N   1) ( N  1) : ma trận độ cứng của kết cấu

  C ( N   1) ( N  1) : ma trận cản của kết cấu u, u u, : vector chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ u g : gia tốc nền theo thời gian r: vector cột đơn vị Với các ma trận tính chất đƣợc cho bởi các biểu thức sau:

3.3 MÔ HÌNH KẾT CẤU CÓ GẮN HỆ CẢN TMD 3.3.1 Cơ sở lý thuyết của hệ cản khối lƣợng

Xét mô hình hệ kết cấu có khối lƣợng m, độ cứng k, độ cản c có gắn hệ cản khối lƣợng TMD gồm khối lƣợng là m D , một lò xo có độ cứng k D và cản c D nhƣ Hình 3.4 dưới đây

Hình 3.4 Mô hình hệ kết cấu gắn cản TMD

Các đặc trƣng động lực học của kết cấu chính đƣợc thể hiện bởi k

Các đặc trƣng động lực học của hệ cản TMD là

Với:  , D lần lƣợt là tỉ số cản của kết cấu chính và hệ cản TMD

Phương trình chuyển động của hệ chính là

(3.13) Phương trình chuyển động của hệ TMD được thiết lập bởi

Trong đó: mm D /m (3.15) Để hiệu quả của hệ TMD đƣợc phát huy đáng kể thì tần số của hệ cản khối lƣợng phải thường được chọn là xấp xỉ tần số riêng của dạng dao động thứ nhất của hệ kết cấu   D , điều này đã đƣợc đề cập trong nhiều nghiên cứu và tài liệu trích dẫn

Trong đó M i : khối lƣợng suy rộng ứng với dạng dao động thứ i

K i : độ cứng suy rộng ứng với dạng dao động thứ i

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

Kết cấu khung phẳng có N tầng đƣợc mô hình nhƣ Hình 3.5 Trong đó m i , k i , c i lần lƣợt là khối lƣợng, độ cứng và độ cản của tầng thứ i (i=1-N) Trong đó m Di , k Di , c Di lần lƣợt là khối lƣợng, độ cứng và độ cản của hệ TMD

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

Hình 3.6 Phân tích lực tác động lên hệ gắn TMD

Phương trình dao động cho hệ chính:

Viết lại (3.25) dưới dạng ma trận:

M, C, K: ma trận khối lƣợng, ma trận cản, ma trận độ cứng của kết cấu , u, u u: vector chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ u g : gia tốc nền của động đất theo thời gian r : vector đơn vị các phần tử đều bằng 1

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

Xét mô hình cho hệ kết cấu hệ nhiều bậc tự do có gắn hệ cô lập móng cao su có độ cản cao HDRB giữa móng và kết cấu bên trên kết hợp với hệ cản khối lƣợng TMD trên tầng mái đƣợc thể hiện nhƣ Hình 3.7

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

Phương trình chuyển động của hệ có gắn gối HDRB kết hợp TMD trên mái chịu tải trọng động hoặc gia tốc nền động đất có dạng nhƣ sau:

M, C, K: ma trận khối lƣợng, ma trận cản, ma trận độ cứng của kết cấu , u, u u: vector chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ kết cấu u g : gia tốc nền của động đất theo thời gian r : vector đơn vị các phần tử đều bằng 1

3.5 PHƯƠNG PHÁP GIẢI VÀ THUẬT TOÁN

Sử dụng phương pháp số được đề xuất bởi Newmark vào năm 1959 để giải phương trình vi phân chuyển động trong bài toán Ý tưởng của phương pháp này là từ giá trị của nghiệm đã biết tại thời điểm i suy ra giá trị của nó tại thời điểm i+1 bằng các giả thiết khác nhau về sự biến thiên của gia tốc trong từng bước thời gian

Phương trình chuyển động của kết cấu:

Mu t Cu +Ku( P t (3.34) Điều kiện ban đầu tại t=0 là (u t0)u(0); (u t0)u(0).Nghiệm của phương trình gồm chuyển vị, vận tốc, gia tốc cần đƣợc tìm

Rời rạc hóa (3.34) theo thời gian, phương trình chuyển động tại thời điểm t ký hiệu chữ số là i đƣợc viết lại nhƣ sau:

Mu i Cu +Ku i i P i (3.35) Phương trình số gia giữa hai thời điểm i và i+1 được biểu diễn là:

Mu i  Cu +Ku i  i  P i  (3.36) Lấy phương trình (3.36) trừ đi phương trình (3.35) ta được:

M u   i C u +K u i    i P i (3.37) Giá trị của vận tốc và chuyển vị tại cuối bước thời gian được xấp xỉ bởi các phương trình sau:

GIỚI THIỆU

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết để phân tích hiệu quả giảm chấn cho kết cấu khung gắn hệ cô lập móng gối cao su có độ cản cao kết hợp hệ cản khối lƣợng trên mái chịu gia tốc nền Trình bày cấu tạo và các công thức tính toán của gối HDRB, hệ cản TMD Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ khi gắn từng thiết bị và gắn đồng thời các thiết bị giảm chấn, đồng thời đưa ra một phương pháp giải, thuật toán giải bằng phương pháp số để tìm nghiệm của chương trình tính toán trong luận văn.

HỆ CÔ LẬP MÓNG GỐI CAO SU CÓ ĐỘ CẢN CAO

Gối HDRB đƣợc 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 đƣợc sức nặng của trọng lƣợng tòa nhà; độ cứng ngang hữu hiệu K eff của gối HDRB đƣợc 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

Với: Q là khả năng chịu cắt của gối, D d là chuyển vị thiết kế, t là tổng chiều dày các lớp cao su, β eff là tỷ số cản hữu hiệu của HDRB, λ là hệ số 0,05÷0.1

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, K h 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, T D là chu kì dao động theo phương ngang của gối, C VD là hệ số gia tốc nền, B D là hệ số giảm chấn, g là gia tốc trọng trường

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 đƣợc thể hiện nhƣ 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 đƣợc cô lập móng gối HDRB chịu tác dụng của gia tốc nền đƣợc viết dạng nhƣ sau:

Mu+Cu+Ku=-Mr u g (3.6) trong đó:

  M ( N   1) ( N  1) : ma trận khối lƣợng của kết cấu

  K ( N   1) ( N  1) : ma trận độ cứng của kết cấu

  C ( N   1) ( N  1) : ma trận cản của kết cấu u, u u, : vector chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ u g : gia tốc nền theo thời gian r: vector cột đơn vị Với các ma trận tính chất đƣợc cho bởi các biểu thức sau:

MÔ HÌNH HỆ KẾT CẤU CÓ GẮN HỆ CẢN TMD

3.3 MÔ HÌNH KẾT CẤU CÓ GẮN HỆ CẢN TMD 3.3.1 Cơ sở lý thuyết của hệ cản khối lƣợng

Xét mô hình hệ kết cấu có khối lƣợng m, độ cứng k, độ cản c có gắn hệ cản khối lƣợng TMD gồm khối lƣợng là m D , một lò xo có độ cứng k D và cản c D nhƣ Hình 3.4 dưới đây

Hình 3.4 Mô hình hệ kết cấu gắn cản TMD

Các đặc trƣng động lực học của kết cấu chính đƣợc thể hiện bởi k

Các đặc trƣng động lực học của hệ cản TMD là

Với:  , D lần lƣợt là tỉ số cản của kết cấu chính và hệ cản TMD

Phương trình chuyển động của hệ chính là

(3.13) Phương trình chuyển động của hệ TMD được thiết lập bởi

Trong đó: mm D /m (3.15) Để hiệu quả của hệ TMD đƣợc phát huy đáng kể thì tần số của hệ cản khối lƣợng phải thường được chọn là xấp xỉ tần số riêng của dạng dao động thứ nhất của hệ kết cấu   D , điều này đã đƣợc đề cập trong nhiều nghiên cứu và tài liệu trích dẫn

Trong đó M i : khối lƣợng suy rộng ứng với dạng dao động thứ i

K i : độ cứng suy rộng ứng với dạng dao động thứ i

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

Kết cấu khung phẳng có N tầng đƣợc mô hình nhƣ Hình 3.5 Trong đó m i , k i , c i lần lƣợt là khối lƣợng, độ cứng và độ cản của tầng thứ i (i=1-N) Trong đó m Di , k Di , c Di lần lƣợt là khối lƣợng, độ cứng và độ cản của hệ TMD

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

Hình 3.6 Phân tích lực tác động lên hệ gắn TMD

Phương trình dao động cho hệ chính:

Viết lại (3.25) dưới dạng ma trận:

M, C, K: ma trận khối lƣợng, ma trận cản, ma trận độ cứng của kết cấu , u, u u: vector chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ u g : gia tốc nền của động đất theo thời gian r : vector đơn vị các phần tử đều bằng 1

MÔ HÌNH HỆ KẾT CẤU CÓ GẮN HỆ CẢN HDRB + TMD

Xét mô hình cho hệ kết cấu hệ nhiều bậc tự do có gắn hệ cô lập móng cao su có độ cản cao HDRB giữa móng và kết cấu bên trên kết hợp với hệ cản khối lƣợng TMD trên tầng mái đƣợc thể hiện nhƣ Hình 3.7

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

Phương trình chuyển động của hệ có gắn gối HDRB kết hợp TMD trên mái chịu tải trọng động hoặc gia tốc nền động đất có dạng nhƣ sau:

M, C, K: ma trận khối lƣợng, ma trận cản, ma trận độ cứng của kết cấu , u, u u: vector chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ kết cấu u g : gia tốc nền của động đất theo thời gian r : vector đơn vị các phần tử đều bằng 1

PHƯƠNG PHÁP GIẢI VÀ THUẬT TOÁN

Sử dụng phương pháp số được đề xuất bởi Newmark vào năm 1959 để giải phương trình vi phân chuyển động trong bài toán Ý tưởng của phương pháp này là từ giá trị của nghiệm đã biết tại thời điểm i suy ra giá trị của nó tại thời điểm i+1 bằng các giả thiết khác nhau về sự biến thiên của gia tốc trong từng bước thời gian

Phương trình chuyển động của kết cấu:

Mu t Cu +Ku( P t (3.34) Điều kiện ban đầu tại t=0 là (u t0)u(0); (u t0)u(0).Nghiệm của phương trình gồm chuyển vị, vận tốc, gia tốc cần đƣợc tìm

Rời rạc hóa (3.34) theo thời gian, phương trình chuyển động tại thời điểm t ký hiệu chữ số là i đƣợc viết lại nhƣ sau:

Mu i Cu +Ku i i P i (3.35) Phương trình số gia giữa hai thời điểm i và i+1 được biểu diễn là:

Mu i  Cu +Ku i  i  P i  (3.36) Lấy phương trình (3.36) trừ đi phương trình (3.35) ta được:

M u   i C u +K u i    i P i (3.37) Giá trị của vận tốc và chuyển vị tại cuối bước thời gian được xấp xỉ bởi các phương trình sau:

Trong (3.38) và (3.39), độ lớn của bước thời gian là t; giá trị gia tốc tại các thời điểm t t,  t tương ứng kí hiệu chỉ số lần lượt là i i, 1được kí hiệu lần lượt là

, 1 i i u u Các đại lượng ;  là các thông số của phương pháp Newmark.Trong đó,

    ứng với phương pháp gia tốc trung bình; 1 1

    ứng với phương pháp gia tốc tuyến tính Luận văn sử dụng phương pháp gia tốc trung bình để tính toán

Từ hai phương trình (3.38) và (3.39), suy ra biểu thức số gia giữa hai thời điểm i và i+1 của gia tốc  u i u i  1 u i và của vận tốc  u i u i  1 u i theo các đại lƣợng còn lại nhƣ sau:

 u u u   u   u   u i (3.41) Thay hai phương trình (3.40) và (3.41) vào (3.37), kết quả thu được phương trình đại số tuyến tính với ẩn số là số gia chuyển vị giữa hai thời điểm i và i+1, u i có dạng:

Với   K eff i là độ cứng hiệu dụng vàP eff  i là số gia tải trọng hiệu dụng trong từng bước thời gian, chúng được xác định bởi các biểu thức dưới đây:

Trong phương trình (3.43) có đại lượng ma trận độ cứng cát tuyến K s i chưa biết nhưng có thể xấp xỉ bằng giá trị tiếp tuyến tại thời điểm i Giải hệ phương trình đại số tuyến tính (3.42) thu đƣợc giá trị của số gia chuyển vị u i Thay tiếp vào (3.40) và (3.41) sẽ tìm được vận tốc và gia tốc tại điểm cuối bước thời gian.Như vậy từ nghiệm đã biết tại thời điểm trước là i, nghiệm tại thời điểm i+1 được tìm

1 Khai báo các ma trận khối lƣợng M, ma trận cản C và ma trận độ cứng K của hệ kết cấu

2 Mô tả hàm tải trọng theo thời gian (điều hòa hoặc động đất)

3 Khai báo điều kiện ban đầu u 0 , u u 0 , 0 4 Chọn bước thời gian t

B Trong từng bước thời gian

1 Xác định ma trận độ cứng hiệu dụng theo (3.43) 2 Tìm số gia véctơ tải trọng hiệu dụng tại i+1 theo (3.44) 3 Giải hệ phương trình đại số tuyến tính (3.42) để tìm số gia chuyển vịu i 4 Tìm các giá trị vận tốc và gia tốc tại thời điểm i+1 theo các phương trình (3.40) và (3.41)

3.5.3 Trình tự các bước tính toán

Các bước tiến hành tính toán:

- Bước 1: Xác định các thông số của hệ kết cấu khung, của gối HDRB và của TMD

- Bước 2: Chọn gia tốc nền tác động vào hệ

- Bước 3: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ kết cấu

- Bước 4: Sử dụng phương pháp Newmark để giải bài toán

- Bước 5: Xác định các giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực cắt của hệ

- Bước 6: Nhận xét và đánh giá các kết quả từ tính toán.

KẾT LUẬN CHƯƠNG

Nội dung trong chương này trình bày các cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của gối cao su có độ cản cao và hệ cản khối lượng, từ đó thiết lập phương trình chuyển động của hệ kết cấu khung phẳng với các bậc tự do rời rạc có gắn hệ cô lập móng gối HDRB kết hợp hệ TMD trên mái Các đặc trƣng cơ học chi tiết của thiết bị cô lập và cản đều được mô tả chi tiết dưới dạng mô hình tính và phương trình ứng xử Phương trình chuyển động của cả hệ kết cấu chịu tải trọng động cũng được thiết lập Cuối cùng, thuật toán để viết chương trình máy tính giải quyết bài toán cũng đƣợc suy ra.

KIỂM CHỨNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH

Dựa trên cơ sở lý thuyết của chương 3, các phân tích số của luận văn được thực hiện trong chương này Đầu tiên, các ví dụ số để kiểm tra độ chính xác của chương trình tính toán bằng cách so sánh với các nghiên cứu trước đây đã công bố đƣợc thực hiện Thông qua các giá trị kết quả lực cắt, gia tốc, vận tốc, chuyển vị của kết cấu chịu gia tốc nền trong các trường hợp: không gắn thiết bị cản, gắn gối HDRB, gắn TMD, gắn HDRB + TMD để phân tích hiệu quả giảm chấn của kết cấu khung khi gắn HDRB kết hợp TMD Đồng thời, chương này còn khảo sát thêm sự ảnh hưởng của thông số thiết bị giảm chấn như: đường kính gối cao su, chiều cao gối cao su, tỉ số cản của TMD

4.2 KIỂM TRA CHƯƠNG TRÌNH TÍNH

4.2.1 Tần số và dạn o n n Để kiểm tra độ tin cậy của chương trình t nh tần số dao động riêng và d ng dao động riêng của hệ khung, uận văn khảo sát ô hình hệ khung ba tầng hối ƣợng:m 1 1.78 kN.s /cm ,  2  m 2=1.5m m 1, 3=2 m 1 k 11070 kN/cm ,   k 2 2 , k k 1 33 k 1 Ma trận khối ƣợng, độ cứng của hệ là:

Bảng 4.1 thể hiện kết quả: tần số dao động riêng của hệ khung ba tầng và đƣợc so sánh với kết quả tha khảo của tác giả [7]

Tần số dao động riêng

Luận văn Tác giả [7] Chênh lệch

Kết quả tần số dao động của hệ xấp xỉ tác giả [7], chệch lệch lớn nhất không quá 0.24% Kết quả cho thấy độ chính xác nhất định của chương trình t nh toán

4.2.2 Bài toán hệ chịu n ất

Luận văn xét hệ khung phẳng ba tầng chịu gia tốc nền của trận động đất Elcentro với các ma trận khối ƣợng, ma trận độ cứng và ma trận cản nhƣ sau:

Kết quả chuyển vị lớn nhất của các tầng đƣợc tính toán và kiểm tra với tác giả [9] Đồ thị gia tốc nền đƣợc thể hiện nhƣ Hình 4.1

Hình 4 2: Phổ ă lượ ất Elcentro 1940

Bảng 4 2: Chuyển vị lớn nhất của các tầng u max (cm) Luận văn Tác giả [9] Chênh lệch (%)

Kết quả giá trị chuyển vị thể hiện t i bảng 4.2, từ đó cho thấy kết quả chuyển vị lớn nhất ở các tầng của luận văn và kết quả chuyển vị của tác giả [9] sai số khá nhỏ, chênh lệch bé nhất à 1.32% và chênh lệch lớn nhất là 3.22%

4.2.3 Bài toán kết cấu gắn TMD

Mục này, xét mô hình kết cấu 6 tầng, chiều cao mỗi tầng 4m, khối ƣợng mỗi tầng m1.0 10 5 kg, độ cứng các tầng k1.0 10 8 N m/ , tỉ số cản   5%

Hệ kết cấu chịu tác động của trận động đất Elcentro, với hệ số cản TMD chọn μ 0.01

Hình 4.3 Mô hình tính toán khung 6 tầng gắn TMD

Bảng 4.3: Kết quả chuyển vị, vận tốc, gia tốc t i tầng 6 khi không gắn TMD Đƣợc so sánh kết quả với bài báo [2]

Bảng 4 3: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc t i tầng 6 khi không gắn TMD

Thông số Luận văn Bài báo [2] Chênh lệch (%)

Bảng 4 4: Kết quả chuyển vị, vận tốc, gia tốc t i tầng 6 khi gắn TMD Đƣợc so sánh kết quả với bài báo [2]

Bảng 4 4: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc t i tầng 6 khi gắn TMD

Thông số Luận văn Bài báo [2] Chênh lệch (%)

Kết quả so sánh ở bảng 4.3, bảng 4.4, cho thấy kết quả của luận văn và bài báo [2] có giá trị xấp xỉ nhau, chênh lệch nhỏ nhất 0,02% chênh lệch lớn nhất 0.15%

Kết quả này cho thấy độ tin cậy của chương trình t nh toán.

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

4.3.1 Đánh á h ệu quả giảm chấn của hệ khi gắn HDRB + TMD

Trong mục này, luận văn xét ô hình kết cấu khung phẳng 16 tầng nhƣ Hình 4.4 Khối ƣợng mỗi tầng m i = 1x10 5 kg, độ cứng mỗi tầng k i = 1.8x10 8 N/m, tỷ số cản ξ = 0.05, khối ƣợng sàn tầng móng m b = 1.5x10 5 kg Tần số của mode dao động đầu tiên của hệ là f S = 0.641 Hz Gia tốc nền à hà điều hòa:

( ) 0.02sin(2 1.05 ) 0.02sin(4.226 ) g s u t   f   t t , thông số khối ƣợng của hệ cản TMD chọn à=1 (%)

Hình 4.4 Mô hình kết cấu khung 16 tầng gắn HDRB + TMD

Thông số gối HDRB gắn cho kết cấu: đường kính gối HDRB d00mm, chiều cao gối h00mm, modul cắt của cao su G=0.385 N/mm 2 Kết quả chuyển vị, vận tốc, gia tốc ở các tầng đỉnh theo thời gian khi chịu tải điều hòa trong các trường hợp sau: không gắn hệ cản, gắn gối HDRB, gắn TMD, gắn HDRB+TMD Đƣợc thể hiện qua các hình 4.5, hình 4.6, hình 4.7

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

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

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

Hình 4.5, Hình 4.6, Hình 4.7 cho thấy, trong 4 giây đầu tiên các hệ gắn thiết bị cản không đ t hiệu quả, nhƣng sau đó hệ gắn HDRB+TMD và hệ chỉ gắn HDRB đ t hiệu quả khá tốt

Chuyển vị lớn nhất của hệ nhƣ sau: khi không gắn hệ cản chuyển vị lớn nhất 2.32 cm, chỉ gắn TMD 1.33 cm giảm 42.67%, chỉ gắn HDRB 0.82 cm giảm 64.65%, gắn HDRB+TMD 0.75 cm giảm 67.67%

Vận tốc lớn nhất của hệ: khi không gắn hệ cản 9.66 cm/s, chỉ gắn TMD 5.68 cm/s giảm 41.20%, hệ chỉ gắn HDRB và hệ gắn HDRB+TMD xấp xỉ nhau 3.33 cm/s giảm 65.52%

Gia tốc lớn nhất của hệ: khi không gắn hệ cản 40.20 cm/s 2 , chỉ gắn TMD 19.3 cm/s 2 giảm 52.01%, gắn HDRB 9.88 cm/s 2 giảm 75.47%, hệ gắn kết hợp HDRB +TMD 12.5 cm/s 2 giảm 68.92%

Kết quả chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực cắt lớn nhất ở các tầng theo thời gian khi chịu tải điều hòa trong các trường hợp sau: không gắn hệ cản, gắn gối HDRB, gắn TMD, gắn HDRB+TMD Đƣợc thể hiện qua các hình 4.8, hình 4.9, hình 4.10, hình 4.11

Hình 4.8 Chuyển vị lớn nhất t i các tầng chịu tải điều hòa

Hình 4.9 Vận tốc lớn nhất t i các tầng chịu tải điều hòa

Hình 4.10 Gia tốc lớn nhất t i các tầng chịu tải điều hòa

Hình 4.11 Lực cắt lớn nhất t i các tầng chịu tải điều hòa

Hình 4.8, Hình 4.9, Hình 4.10 cho thấy kết quả chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ giảm đáng kể khi hệ có gắn thiết bị cản và đ t hiệu quả khá tốt trong trường hợp hệ chỉ gắn gối HDRB và hệ gắn HDRB+TMD Kết quả chuyển vị tuyệt đối của hệ khi chưa gắn hệ cản và khi gắn HDRB+TMD giảm 66.8%, chuyển vị tương đối của hệ khi gắn HDRB+TMD so với chƣa gắn hệ cản giảm 93.33%, vận tốc giảm từ 40.32% đến 69.54%, gia tốc giảm từ 39.5% đến 75%

Kết quả đƣợc thể hiện nhƣ Bảng 4.5 và Bảng 4.6, qua đó cho thấy hiệu quả sử dụng gối HDRB kết hợp TMD để giảm chấn cho kết cấu là rất tốt

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

Chuyển vị tuyệt đối (cm) Chuyển vị tương đối (cm)

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

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

Vận tốc (cm/s) Gia tốc (cm/s 2 )

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

Hình 4.11 cho thấy đáp ứng lực cắt của hệ khi có gắn hệ cản giảm m nh, cụ thể khi hệ chỉ gắn HDRB và hệ gắn HDRB+TMD giảm gần 82%, hệ gắn TMD giảm 31.77% so với hệ không gắn cản Từ đó cho thấy lực cắt của hệ giảm tốt khi có gắn HDRB, HDRB+TMD Kết quả đƣợc thể hiện ở bảng 4.7

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

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

4.3.2 Khảo sát ường kính gối HDRB

Trong ví dụ này luận văn khảo sát mô hình kết cấu khung phẳng 16 tầng nhƣ Hình 4.4 Khối ƣợng mỗi tầng m i = 1x10 5 kg, độ cứng mỗi tầng k i = 1.8x10 8 N/m, tỷ số cản ξ = 0.05, khối ƣợng sàn tầng móng m b =1.5x10 5 kg Tần số của mode dao động đầu tiên của hệ là f S = 0.641 Hz Gia tốc nền động đất à hà điều hòa:

( ) 0.02sin(2 1.05 ) 0.02sin(4.226 ) g s u t   f   t t , thông số khối ƣợng của hệ cản

Luận văn khảo sát các thông số gối HDRB gắn cho kết cấu nhƣ sau: d00mm, d00mm, d00mm, d00mm, chiều cao gối h00mm, modul cắt của cao su G=0.385 N/mm 2

Hình 4.12 Chuyển vị lớn nhất t i các tầng với d00mm chịu tải điều hòa

Hình 4.13 Chuyển vị lớn nhất t i các tầng với d00mm chịu tải điều hòa

Hình 4.14 Chuyển vị lớn nhất t i các tầng với d00mm chịu tải điều hòa

Hình 4.15 Chuyển vị lớn nhất t i các tầng với d00mm chịu tải điều hòa

Từ Hình 4.11 đến Hình 4.15 cho thấy kết quả cho thấy giá trị chuyển vị khi hệ chỉ gắn HDRB và HDRB+TMD xấp xỉ nhau, khi k ch thước đường kính gối tăng làm chuyển vị tuyệt đối của hệ giảm khi hệ chỉ gắn HDRB và HDRB+TMD, cụ thể như sau: Đường kính gối d00mm chuyển vị giả 78.26%, đường kính gối d00 chuyển vị giả 76.08%, đường kính gối d00 chuyển vị giảm 71.73%, đường kính gối d00 chuyển vị giảm 69.56%

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

Tầng d00 d00 d00 d00 d00 hi thay đổi đường kính gối HDRB thì lực cắt của hệ cũng thay đổi, các kết quả đƣợc thể hiện nhƣ các biểu đồ hình 4.17 đến hình 4.20

Hình 4.17 Lực cắt lớn nhất t i các tầng với d00mm chịu tải điều hòa

Hình 4.18 Lực cắt lớn nhất t i các tầng với d00mm chịu tải điều hòa

Hình 4.19 Lực cắt lớn nhất t i các tầng với d00mm chịu tải điều hòa

Hình 4.20 Lực cắt lớn nhất t i các tầng với d00mm chịu tải điều hòa

Qua Hình 4.17 đến Hình 4.20 thấy rằng, khi thay đổi đường kính gối thì lực cắt của hệ khi gắn HDRB và HDRB+TMD thay đổi Cụ thể, với đường kính gối d00, d00 lực cắt của hệ khi gắn HDRB, HDRB+TMD có kết quả xấp xỉ nhau, giá trị lực cắt giảm nhiều nhất lần ƣợt 89,74%, 87,17% so với hệ không gắn hệ cản Hình 4.19 và hình 4.20 với đường kính gối d00, d00 hệ gắn HDRB+TMD lực cắt giảm giảm 81,53%, 78,02% so với hệ không gắn cản, nhìn vào biểu đồ thấy lực cắt của hệ gắn HDRB đ t hiệu quả hơn so với hệ gắn HDRB+TMD Qua các ví dụ khảo sát cho thấy khi hệ gắn HDRB và HDRB+TMD với k ch thước đường kính gối d00 đến d00 đ t được hiệu quả giảm chấn tốt so với hệ không gắn cản dưới tác động của tải điều hòa

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

4.3.3 Khảo sát chiều cao gối HDRB

Trong mục này luận văn khảo sát mô hình kết cấu khung phẳng 16 tầng nhƣ hình 4.4 Khối ƣợng mỗi tầng m i = 1x10 5 kg, độ cứng mỗi tầng k i = 1.8x10 8 N/m, tỷ số cản ξ = 0.05, khối ƣợng sàn tầng móng m b =1.5x10 5 kg Tần số của mode dao động đầu tiên của hệ là fS = 0.641 Hz Gia tốc nền động đất à hà điều hòa:

( ) 0.02sin(2 1.05 ) 0.02sin(4.226 ) g s u t   f   t t , thông số khối ƣợng của hệ cản

Luận văn khảo sát các thông số gối HDRB gắn cho kết cấu nhƣ sau: chiều cao gối h00mm, h00mm, h00mm, h00mm, h00mm, đường kính gối d00mm, modul cắt của cao su G=0.385 N/mm 2 Hình 4.22, Hình 4.23 thể hiện đáp ứng chuyển vị và lực cắt của hệ khi gắn HDRB+TMD với các trường hợp chiều cao gối khác nhau

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

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

Từ Hình 4.22, Hình 4.23 cho thấy, khi tăng chiều cao gối HDRB cho hệ kết cấu gắn HDRB+TMD thì chuyển vị và lực cắt hệ giả , do đó uốn tăng hiệu quả chuyển vị và lực cắt của hệ thì ta nên tăng chiều cao của gối Đáp ứng chuyển vị, lực cắt của hệ khi thay đổi chiều cao gối đƣợc thể hiện nhƣ hình 4.22 và hình 4.23

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

4.4.1 Đánh á h ệu quả giảm chấn của hệ khi gắn HDRB + TMD

Trong mục này, luận văn xét ô hình kết cấu khung phẳng 16 tầng nhƣ Hình 4.4 Khối ƣợng mỗi tầng m i = 1x10 5 kg, độ cứng mỗi tầng k i = 1.8x10 8 N/m, tỷ số cản ξ = 0.05, khối ƣợng sàn tầng móng m b =1.5x10 5 kg Tần số của ode dao động đầu tiên của hệ là f S = 0.641 Hz Gia tốc nền động đất Hachinohe, thông số khối ƣợng của hệ cản TMD chọn à=1 (%)

Thông số gối HDRB gắn cho kết cấu: đường kính gối HDRB d00mm, chiều cao gối h00mm, modul cắt của cao su G=0.385 N/mm 2

Hình 4.28 Gia tốc nền động đất Hachinohe

Hình 4.29 Phổ năng ƣợng động đất Hachinohe

Kết quả chuyển vị, vận tốc, gia tốc ở các tầng đỉnh theo thời gian khi chịu động đất Hachinohe trong các trường hợp sau: không gắn hệ cản, gắn gối HDRB, gắn TMD, gắn HDRB+TMD đƣợc thể hiện qua các hình 4.30, hình 4.31, hình 4.32

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

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

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

Hình 4.30, Hình 4.31, Hình 4.32 cho thấy trong khoảng 2 giây đầu tiên hệ gắn thiết bị cản hầu nhƣ không hiệu quả, nhƣng sau đó đ t hiệu quả khá tốt, khoảng từ giây thứ 20 các giá trị đáp ứng của hệ đ t ở mức ổn định Các giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ đều giả đi đáng kể, giảm nhiều nhất trong trường hợp hệ gắn HDRB+TMD, kết quả đƣợc thể hiện nhƣ bảng 4.8 Trong đó đỉnh 1 à đỉnh có giá trị dương ớn nhất, đỉnh 2 à đỉnh có giá trị âm lớn nhất, đỉnh 3 à đỉnh có giá trị dương ớn thứ 2, đỉnh 4 à đỉnh có giá trị âm lớn thứ 2

Bảng 4.8: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc lớn nhất t i tầng đỉnh

Chuyển vị Vận tốc Gia tốc

Không gắn hệ cản Đỉnh 1 11.88 0 56.17 0 257.96 0 Đỉnh 2 11.78 0 50.88 0 337.05 0 Đỉnh 3 11.12 0 54.89 0 246.76 0 Đỉnh 4 11.08 0 48.96 0 316.82 0

Gắn HDRB Đỉnh 1 7.62 -35.85 23.35 -58.43 112.23 -56.49 Đỉnh 2 8.65 26.57 19.32 62.03 250.04 25.82 Đỉnh 3 7.34 -33.99 21.06 -61.63 102.63 -58.41 Đỉnh 4 6.79 38.71 18.37 62.48 137.21 56.69

Gắn TMD Đỉnh 1 7.50 -36.86 38.04 -32.28 250.03 -3.07 Đỉnh 2 8.03 31.83 35.65 29.93 248.94 26.14 Đỉnh 3 6.65 -40.19 30.45 -44.53 244.42 -0.95 Đỉnh 4 7.64 31.04 34.76 29 237.75 24.96

TMD Đỉnh 1 6.34 -46.63 21.04 -62.54 130.34 -49.47 Đỉnh 2 8.23 30.13 21.98 56.8 245.86 27.06 Đỉnh 3 6.05 -45.59 17.98 -67.24 118.96 -51.79 Đỉnh 4 7.82 29.42 18.16 62.91 139.72 55.9

Kết quả chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực cắt lớn nhất ở các tầng theo thời gian khi chịu động đất Hachinohe trong các trường hợp sau: không gắn hệ cản, gắn gối HDRB, gắn TMD, gắn HDRB+TMD đƣợc thể hiện qua các hình 4.33, hình 4.34, hình 4.35, hình 4.36

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

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

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

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

Từ hình 4.33 đến hình 4.36 cho thấy rằng, nhìn chung khi hệ có gắn hệ cản thì hiệu quả giảm chấn đ t khá tốt cụ thể nhƣ sau: khi hệ có gắn TMD chuyển vị tuyệt đối của hệ giảm 35.22%, hệ gắn HDRB+TMD chuyển vị tương đối giảm 76.96% , vận tốc và gia tốc của hệ khi gắn HDRB+TMD giảm lần ƣợt là 61.39%, 28.94% so với hệ không gắn hệ cản

Lực cắt t i các tầng cũng giả đáng kể, khi hệ gắn HDRB, HDRB+TMD lực cắt giảm tối đa ần ƣợt 69.91%, 74.47% Tuy nhiên, khi hệ gắn TMD thì đáp ứng về lực cắt t i tầng 15 và tầng 16 tỏ ra kém hiệu quả hơn so với không gắn hệ cản Các kết quả đƣợc thể hiện từ bảng 4.9 đến bảng 4.11

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

Chuyển vị tuyệt đối (cm) Chuyển vị tương đối (cm)

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

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

Vận tốc (cm/s) Gia tốc (cm/s 2 )

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

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

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

4.4.2 Khảo sát ường kính gối HDRB

Trong mục này, luận văn khảo sát sự ảnh hưởng của đường kính gối HDRB đến hiệu quả giảm chấn của hệ, xét mô hình kết cấu khung phẳng 16 tầng nhƣ Hình 4.4 Khối ƣợng mỗi tầng m i = 1x10 5 kg, độ cứng mỗi tầng k i = 1.8x10 8 N/m, tỷ số cản ξ = 0.05, khối ƣợng sàn tầng móng m b =1.5x10 5 kg Tần số của ode dao động đầu tiên của hệ là f S = 0.641 Hz Gia tốc nền động đất Hachinohe, thông số khối ƣợng của hệ cản TMD chọn à=1 (%)

Luận văn khảo sát các thông số gối HDRB gắn cho kết cấu nhƣ sau: d00mm, d00mm, d00mm, d00mm, chiều cao gối h00mm, modul cắt của cao su G=0.385 N/mm 2

Hình 4.37 thể hiện ảnh hưởng của đường kính gối HDRB đến chuyển vị lớn nhất t i các tầng khi chịu động đất Hachinohe d00mm d00mm d00mm d00mm

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

Từ hình 4.37 cho thấy, khi thay đổi đường kính gối HDRB thì chuyển vị tuyệt đối và tương đối giữa các tầng thay đổi Khi tăng đường kính gối chuyển vị tương đối của hệ gắn HDRB+TMD giảm so với hệ không gắn cản, cụ thể nhƣ: với d00 hệ giảm 45.28%, d00 hệ giảm 38.68%, d00 hệ giảm 22.64%, d00 hệ giảm 21.7%

Hình 4.38: Chuyển vị lớn nhất t i các tầng khi thay đổi đường kính gối

Tần d00 d00 d00 d00 hi đường kính gối HDRB thay đổi, đáp ứng lực cắt của hệ khi gắn HDRB+TMD dưới tác động của động đất Hachinohe cũng thay đổi, kết quả được thể hiện nhƣ hình 4.39 d00mm d00mm d00mm d00mm

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

Nhận xét: Đồ thị hình 4.39 cho thấy, khi thay đổi đường kính gối thì đáp ứng lực cắt của hệ thay đổi, hệ khi gắn HDRB+TMD lực cắt giả đi đáng kể so với hệ không gắn hệ cản, cụ thể: với gối d00mm lực cắt giảm lớn nhất 82.19%, d00 giảm 80.82%, d00 giảm 69.40%, d00 giảm 65.75%

Hình 4.40: Lực cắt lớn nhất t i các tầng khi thay đổi đường kính gối

4.4.3 Khảo sát chiều cao gối HDRB

Trong mục này, luận văn khảo sát sự ảnh hưởng của chiều cao gối HDRB đến hiệu quả giảm chấn của hệ, xét mô hình kết cấu khung phẳng 16 tầng nhƣ Hình 4.4 Khối ƣợng mỗi tầng m i = 1x10 5 kg, độ cứng mỗi tầng k i = 1.8x10 8 N/m, tỷ số cản ξ = 0.05, khối ƣợng sàn tầng móng m b =1.5x10 5 kg Tần số của mode dao động đầu tiên của hệ là fS = 0.641 Hz Gia tốc nền động đất Hachinohe, thông số khối ƣợng của hệ cản TMD chọn à=1 (%)

Luận văn khảo sát các thông số gối HDRB gắn cho kết cấu nhƣ sau: h00mm, h00mm, h00mm, d00 , đường kính gối d00mm, modul cắt của cao su G=0.385 N/mm 2

Hình 4.41 và Hình 4.42 thể hiện sự ảnh hưởng của chiều cao gối HDRB đến chuyển vị, lực cắt lớn nhất t i các tầng khi chịu động đất Hachinohe

Hình 4.41: Chuyển vị lớn nhất t i các tầng khi thay đổi chiều cao gối

Hình 4.42: Lực cắt lớn nhất t i các tầng khi thay đổi chiều cao gối

Từ kết quả hình 4.41 và hình 4.42 cho thấy, khi tăng chiều cao gối thì chuyển vị và lực cắt của hệ khi gắn HDRB+TMD giảm, do đó uốn phát huy hiệu quả giảm chấn của gối HDRB thì ta nên tăng chiều cao gối

4.4.4 Khảo sát tỷ số khố lượng của TMD Để khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ số khối ượng đến hiệu quả giảm chấn của hệ, trong mục này xét mô hình kết cấu khung phẳng 16 tầng nhƣ Hình 4.4

Thông số gối HDRB gắn cho kết cấu như sau: h00 , đường kính gối d00mm, modul cắt của cao su G=0.385 N/mm 2 Luận văn khảo sát các tỷ số khối ƣợng TMD gắn cho kết cấu nhƣ sau: à=0.03, à=0.02, à=0.01, à=0.005

Hình 4.43 và Hình 4.44 thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ số khối ượng đến chuyển vị, lực cắt lớn nhất t i các tầng khi chịu động đất Hachinohe à=0.03 à=0.02 à=0.01 à=0.005

Hình 4.43: Ảnh hưởng của tỷ số khối ượng đến chuyển vị lớn nhất các tầng

Hình 4.44: Chuyển vị lớn nhất t i các tầng khi thay đổi tỷ số khối ƣợng

Từ hình 4.43 cho thấy khi thay đổi tỉ số khối ƣợng thì chuyển vị của hệ thay đổi, trong vớ dụ này thấy rằng hệ gắn HDRB+TMD đ t hiệu quả khi à0.03 đỏp ứng chuyển vị tỏ ra kộ hiệu quả hơn so với hệ khụng gắn hệ cản Cỏc kết quả đƣợc thể hiện nhƣ hình 4.43 và hình 4.44

Lực cắt của hệ HDRB+TMD bị thay đổi khi tỷ số khối ƣợng thay đổi, đƣợc thể hiện nhƣ hình 4.45 và hình 4.46 à=0.03 à=0.02

Hình 4.45: Ảnh hưởng của tỷ số khối ượng đến lực cắt lớn nhất các tầng

Hình 4.46: Lực cắt lớn nhất t i các tầng khi thay đổi tỷ số khối ƣợng

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

4.5.1 Đánh á h ệu quả giảm chấn của hệ khi gắn HDRB + TMD

Trong mục này, luận văn xét ô hình kết cấu khung phẳng 16 tầng nhƣ Hình 4.4 Khối ƣợng mỗi tầng m i = 1x10 5 kg, độ cứng mỗi tầng k i = 1.8x10 8 N/m, tỷ số cản ξ = 0.05, khối ƣợng sàn tầng móng m b =1.5x10 5 kg Tần số của mode dao động đầu tiên của hệ là fS = 0.641 Hz Thông số khối ƣợng của hệ cản TMD chọn à=1 (%), đường kớnh gối HDRB d00mm, chiều cao gối h00mm, modul cắt của cao su G=0.385 N/mm 2 Đồ thị gia tốc nền động đất Superstition và phổ năng ƣợng đƣợc thể hiện nhƣ hình 4.47 và hình 4.48

Hình 4.47 Gia tốc nền động đất Superstition

Hình 4.48 Phổ năng ƣợng động đất Superstition

Kết quả đáp ứng chuyển vị, vận tốc, gia tốc ở các tầng đỉnh theo thời gian khi chịu động đất Superstition trong các trường hợp sau: không gắn hệ cản, gắn gối HDRB, gắn TMD, gắn HDRB+TMD đƣợc thể hiện qua các hình 4.49, hình 4.50, hình 4.51

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

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

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

Kết quả hình 4.49 cho thấy, đáp ứng chuyển vị của hệ khi gắn thiết bị cản tỏ ra không hiệu quả Tuy nhiên, ở giây thứ 10 đến 12 khi hệ gắn TMD và hệ gắn HDRB+TMD chuyển vị giảm lớn nhất khoảng 32.46% Hình 4.50 và hình 4.51 cho thấy, sau 5 giây đầu tiên hệ gắn HDRB+TMD đ t hiệu quả so với hệ không gắn cản, vận tốc giảm lớn nhất 59.39%, gia tốc giảm lớn nhất 44.9%

Các kết quả thể hiện như bảng 4.12, trong đó đỉnh 1 à đỉnh có giá trị dương lớn nhất, đỉnh 2 à đỉnh có giá trị âm lớn nhất, đỉnh 3 là đỉnh có giá trị dương ớn thứ 2, đỉnh 4 à đỉnh có giá trị âm lớn thứ 2

Bảng 4.12: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc lớn nhất t i tầng đỉnh

Chuyển vị Vận tốc Gia tốc

Không gắn hệ cản Đỉnh 1 7.75 0 30.07 0 174.67 0 Đỉnh 2 7.25 0 34.05 0 245.56 0 Đỉnh 3 7.12 0 28.96 0 150.14 0 Đỉnh 4 7.15 0 30.94 0 181.26 0

Gắn HDRB Đỉnh 1 11.02 +42.19 21.68 27.9 94.56 45.86 Đỉnh 2 11.3 +55.86 21.64 36.45 108.2 55.94 Đỉnh 3 10.86 +52.53 20.02 30.87 90.76 39.55 Đỉnh 4 10.88 +52.17 21.04 32 100.8 44.39

Gắn TMD Đỉnh 1 4.98 35.74 21.62 28.1 92.45 0.04 Đỉnh 2 5.02 30.76 18.12 46.78 112.32 0.22 Đỉnh 3 4.12 42.13 20.01 30.9 53.44 7.51 Đỉnh 4 4.84 32.31 17.65 42.95 100.26 19.03

TMD Đỉnh 1 9.87 +27.35 18.24 39.34 112.34 35.68 Đỉnh 2 8.64 +19.17 19.12 43.85 145.68 40.67 Đỉnh 3 6.68 6.18 11.76 59.39 100.04 33.37 Đỉnh 4 6.76 5.45 18.34 40.72 99.87 44.9

Kết quả đáp ứng chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực cắt lớn nhất ở các tầng theo thời gian khi chịu động đất Superstition trong các trường hợp sau: không gắn hệ cản, gắn gối HDRB, gắn TMD, gắn HDRB+TMD đƣợc thể hiện qua các hình 4.52, hình 4.53, hình 4.54, hình 4.55

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

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

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

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

Từ hình 4.52, hình 4.53 và hình 4.54 cho thấy, khi hệ gắn HDRB và gắn HDRB+TMD chuyển vị tương đối giảm lần ượt 68.1%, 69.4% so với hệ không gắn hệ cản Bên c nh đó đáp ứng về vận tốc và gia tốc của hệ cũng giảm m nh, cụ thể nhƣ hệ gắn HDRB+TMD vận tốc giảm lớn nhất 44.88%, gia tốc giảm lớn nhất 45.39%

Hình 4.55 cho thấy, lực cắt t i các tầng cũng giả đáng kể, khi hệ gắn TMD lực cắt giảm lớn nhất 25.8%, hệ gắn HDRB lực cắt giảm 58.53%, hệ gắn

HDRB+TMD lực cắt giảm 63.72% so với hệ không gắn cản Tuy nhiên, khi hệ gắn TMD đáp ứng lực cắt tỏ ra không hiệu quả ở tầng 16, giá trị lực cắt tăng ên hơn 2 lần so với hệ không gắn cản

Kết quả đáp ứng chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực cắt lớn nhất của hệ dưới tác động của động đất Superstition đƣợc thể hiện ở bảng 4.13, bảng 4.14, bảng 4.15

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

Chuyển vị tuyệt đối (cm) Chuyển vị tương đối (cm)

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

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

Vận tốc (cm/s) Gia tốc (cm/s 2 )

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

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

Lực cắt (KN) Giá trị Max Độ tăng (+) Độ giảm

4.5.2 Khảo sát ường kính gối HDRB

Trong mục này luận văn khảo sát sự ảnh hưởng của đường kính gối HDRB đến hiệu quả giảm chấn của hệ, xét mô hình kết cấu khung phẳng 16 tầng nhƣ Hình 4.4 Với các thông số gối HDRB gắn cho kết cấu nhƣ sau: d00 , d00mm, d00mm, d00mm, chiều cao gối h00mm, modul cắt của cao su G=0.385 N/mm 2

Hình 4.56 thể hiện ảnh hưởng của đường kính gối HDRB đến chuyển vị lớn nhất t i các tầng khi chịu động đất Superstition d00mm d00mm d00mm d00mm

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

Từ hình 4.56 cho thấy đường kính gối cao su HDRB ảnh hưởng tới chuyển vị của hệ gắn HDRB+TMD, các kết quả khảo sát trên thấy rằng với đường kính gối d00mm mang l i hiệu quả đáp ứng chuyển vị nhất cho hệ chịu động đất Superstition vì chuyển vị tuyệt đối nhỏ nhất

Cụ thể chuyển vị tuyệt đối lớn nhất của hệ với đường kính gối d00, d00, d00, d00 lần ƣợt là 11.45, 8, 10.8, 16 (cm)

Hình 4.57: Chuyển vị lớn nhất khi đường kính gối HDRB thay đổi hi thay đổi đường kính gối HDRB không những à thay đổi chuyển vị, mà còn ảnh hưởng đến lực cắt của hệ gắn HDRB+TMD Kết quả được thể hiện như hình 4.58

Tần d00 d00 d00 d00 d00mm d00mm d00mm d00mm

Hình 4.58: Ảnh hưởng của đường kính gối HDRB đến lực cắt lớn nhất

Hình 4.58 thể hiện sự ảnh hưởng đường kính gối HDRB đến lực cắt khi hệ gắn HDRB+TMD Cụ thể, khi hệ gắn HDRB+TMD với đường kính gối d00 lực cắt giảm lớn nhất 66.92%, đường kính gối d00 lực cắt giả 75.33%, đường kính gối d00 lực cắt giả 55.38%, đường kính gối d00 lực cắt giảm 30.76% so với hệ không gắn thiết bị cản

Hình 4.59: Lực cắt lớn nhất khi đường kính gối HDRB thay đổi

4.5.3 Khảo sát chiều cao gối HDRB

Trong mục này luận văn khảo sát sự ảnh hưởng của chiều cao gối HDRB đến hiệu quả giảm chấn của hệ, xét mô hình kết cấu nhƣ Hình 4.4 Luận văn khảo sát các thông số gối HDRB gắn cho kết cấu nhƣ sau: chiều cao gối h00mm, h00mm, h00mm, h00mm, h00mm, đường kính gối d00mm, modul cắt của cao su G=0.385 N/mm 2

Hình 4.60, Hình 4.61 thể hiện đáp ứng chuyển vị và lực cắt lớn nhất của hệ khi gắn HDRB+TMD với các trường hợp chiều cao gối khác nhau

Hình 4.60: Chuyển vị t i các tầng khi chiều cao gối thay đổi

Hình 4.61: Lực cắt t i các tầng khi chiều cao gối thay đổi

Từ hình 4.60, hình 4.61 cho thấy với hệ kết cấu gắn HDRB+TMD khi tăng chiều cao gối HDRB thì đáp ứng chuyển vị và lực cắt của hệ giảm m nh Qua đó có thể nhận thấy rằng, muốn phát huy hiệu quả của gối HDRB ta nên tăng chiều cao của gối

4.5.4 Khảo sát tỷ số khố lượng

Mục này luận văn khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ số khối ượng đến hiệu quả giảm chấn của hệ, xét mô hình kết cấu nhƣ Hình 4.4 Luận văn khảo sát các tỷ số khối ƣợng TMD gắn cho kết cấu nhƣ sau: à=0.03, à=0.02, à=0.01, à=0.005, à=0.001

Hình 4.62 và Hình 4.63 thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ số khối ượng đến chuyển vị, lực cắt lớn nhất t i các tầng khi chịu động đất Superstition

Hình 4.62: Chuyển vị t i các tầng khi tỷ số khối ƣợng thay đổi

Hình 4.63: Lực cắt t i các tầng khi tỷ số khối ƣợng thay đổi

Hình 4.62, hình 4.63 cho thấy khi thay đổi tỷ số khối ƣợng thì chuyển vị và lực cắt của hệ gắn HDRB+TMD bị thay đổi và đáp ứng động học của hệ rất nh y với tỷ số khối ƣợng.

KẾT LUẬN CHƯƠNG

Dưới sự tác động của gia tốc nền là tải trọng điều hòa, tải động đất Hachinohe, tải động đất Superstition lên hệ kết cấu khung phẳng 16 tầng có gắn hệ cô lập móng cao su có độ cản cao kết hợp với hệ cản khối ƣợng trên tầng mái Các ví dụ số đã đƣa ra các kết quả đáp ứng của hệ nhƣ: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc và lực cắt Bên c nh đó, trong ục này còn sử dụng chương trình t nh toán ch nh để khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số thiết bị cản lên hệ kết cấu như: đường kính gối, chiều cao gối và tỷ số khối ƣợng Qua đó đánh giá đƣợc hiệu quả giảm chấn của hệ gắn HDRB+TMD so với hệ không gắn cản và gắn cản riêng biệt.

KẾT LUẬN

Từ các kết quả thu được của đề tài phân tích 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, một số nhận xét được trình bày như sau:

- Đã hoàn thành được luận văn: tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị cản gắn vào hệ kết cấu, xây dựng mô hình và thiết lập được phương trình chuyển động của hệ khi không gắn thiết bị cản, chỉ gắn gối HDRB, chỉ gắn TMD và gắn gối cao su HDRB kết hợp với TMD

- Kiểm tra chương trình máy tính: kết quả từ chương trình được viết trong luận văn đã được so sánh với các công bố khác cùng thông số đầu vào, cho thấy chương trình này có độ chính xác nhất định

- Các ví dụ số cho thấy, hệ kết cấu khi gắn đồng thời gối cao su có độ cản cao kết hợp với hệ cản khối lượng thì các đáp ứng về chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực cắt giảm đi đáng kể so với hệ không gắn hệ cản

- Thông số nghiên cứu là kích thước gối cao su: khi kích thước thay đổi làm thay đổi độ cứng của gối, có ảnh hưởng đến các đáp ứng động học của hệ khi gắn HDRB+TMD, do đó cần lựa chọn các thông số đường kính và chiều cao gối HDRB sao phù hợp, để mang lại hiệu quả giảm chấn cho kết cấu khi chịu gia tốc nền

- Thông số khối lượng của hệ cản TMD cũng ảnh hưởng rất lớn đến các đáp ứng động của hệ, phần lớn với các thông số khác nhau đều có hiệu quả giảm chấn nhất định, trong luận văn này khi lựa chọn tỷ số khối lượng khoảng 0.005