Đánh giá khả năng của mô hình đàn nhớt tuyến tính trong việc dự đoán đáp ứng của gối cách chấn đáy có ứng xử đàn dẻo

1 CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Hiện tượng động đất kết chuyển động khối lớn cấu tạo lục địa, khối đá lớn cấu tạo địa khu vỏ trái đất đường yếu đứt đoạn vỏ trái đất có chấn động đột ngột xảy hai khối lớn Hiện tượng xảy nguyên nhân [7]: Nội sinh: Do vận động kiến tạo mảng kiến tạo vỏ Trái đất, dẫn đến hoạt động đứt gãy và/hoặc phun trào núi lửa đới hút chìm Ngoại sinh: Thiên thạch va chạm vào Trái Đất, vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn Nhân sinh: Hoạt động người gồm gây rung động không chủ ý, hay kích động có chủ ý khảo sát khai thác hay xây dựng, đặc biệt vụ thử hạt nhân lòng đất Về mặt vật lý, rung chuyển phải có biên độ đủ lớn, vượt giới hạn đàn hồi môi trường đất đá gây nứt vỡ Nó ứng với động đất có nguồn gốc tự nhiên, mở rộng đến vụ thử hạt nhân Nguyên nhân tự nhiên nội sinh liên quan đến vận động lớp khối Trái Đất Tuy chậm, lớp vỏ lòng Trái Đất chuyển động Khi ứng suất cao sức chịu đựng thể chất Trái Đất đứt gãy xảy ra, giải phóng lượng xảy động đất Hầu hết kiện động đất tự nhiên xảy đường ranh giới mảng kiến tạo phần thạch Trái Đất Các nhà khoa học dùng kiện vị trí trận động đất để tìm ranh giới Nó dẫn đến phân loại: Những trận động đất xảy ranh giới gọi động đất xuyên đĩa Những trận động đất xảy đĩa (hiếm hơn) gọi động đất đĩa Đặc điểm động đất Động đất xảy ngày Trái Đất, hầu hết không đáng ý không gây thiệt hại Động đất lớn gây thiệt hại trầm trọng tài sản nhân mạng nhiều cách Tác động trực tiếp trận động đất rung cuộn mặt đất (Ground roll), thường gây nhiều thiệt hại Các rung động có biên độ lớn, vượt giới hạn đàn hồi môi trường đất đá hay cơng trình gây nứt vỡ Tác động thứ cấp động đất kích động lở đất, lở tuyết, sóng thần, nước triều giả, vỡ đê Sau hỏa hoạn hệ thống cung cấp lượng (điện, ga) bị hư hại Trong hầu hết trường hợp, động đất tự nhiên chuỗi vụ động đất có cường độ khác nhau, kéo dài thời gian định, cỡ vài ngày đến vài tháng Trong chuỗi trận động đất mạnh gọi động đất (main shock), lần yếu gọi dư chấn Dư chấn trước động đất gọi tiền chấn (Fore shock), sau động đất gọi "Aftershock" tiếng Việt dùng từ "dư chấn" Năng lượng động đất trải dài diện tích lớn, trận động đất lớn trải hết tồn cầu Các nhà khoa học thường định điểm mà sóng địa chấn bắt đầu Điểm gọi chấn tiêu (hypocentre) Hình chiếu điểm lên mặt đất gọi chấn tâm (epicentre) Các trận động đất xảy đáy biển gây lở đất hay biến dạng đáy biển, làm phát sinh sóng thần Hình 1.1: Sóng khối: P, S, sóng mặt: Love, Rayleigh [7] Các nhà địa chấn phân chia bốn loại sóng địa chấn, xếp thành nhóm: loại gọi sóng khối (Body waves) loại gọi sóng bề mặt (Surface waves) hình 1.1 bên Sóng khối phát xuất từ chấn tiêu lan truyền khắp lớp Trái Đất Tại chấn tâm sóng khối lan đến bề mặt tạo sóng mặt Bốn sóng có vận tốc lan truyền khác nhau, trạm quan sát địa chấn ghi nhận theo thứ tự đến sau: Sóng P: Sóng sơ cấp (Primary wave) hay sóng dọc (Longitudinal wave) Sóng S: Sóng thứ cấp (Secondary wave) hay sóng ngang (Shear wave) Sóng Love: Một dạng sóng mặt ngang phân cực ngang Sóng Rayleigh: gọi rung cuộn mặt đất (Ground roll) Các địa chấn từ tâm động đất truyền phía gây rung chuyển khối đất đá với lực mạnh đo độ Richter Cường độ đo thang độ Mercalli cải tiến gồm 12 bậc.Tùy theo tình trạng ghi nhận sóng trạm, nhà địa chấn tính cường độ, khoảng cách độ sâu chấn tiêu với mức xác thô Kết hợp số liệu nhiều trạm quan sát địa chấn xác định cường độ tọa độ vụ động đất xác Các thang cường độ Bảng 1.1: Độ Richter - Dấu hiệu nhận biết Đ ộ Ri – 2 – 4 – 5 – 6 – D ấu hi K hơ ng C ó th M ặt đấ N hà cử M n R – ất m > R ất hi > C ực hi Ngồi ra, người ta có thang đo khác như: Thang độ lớn mô men (Mw), Thang Rossi-Forel (viết tắt RF), Thang Medvedev-SponheuerKarnik (viết tắt MSK), Thang Mercalli (viết tắt MM), Thang Shindo quan khí tượng học Nhật Bản, Thang EMS98 châu Âu Thiệt hại động đất Động đất xảy ngày Trái Đất hầu hết không đáng ý không gây hậu nghiêm trọng Động đất lớn gây thiệt hại trầm trọng gây tử vong nhiều cách Động đất nguyên nhân gây thiệt hại người lớn loại tai biến địa chất ảnh hưởng mạnh đến môi trường sống người sinh vật trái đất Động đất gây đất lở, đất nứt, sóng thần, nước triều giả, đê vỡ, hỏa hoạn Động đất gây thiệt hại nặng nề người sở vật chất kinh tế Hàng năm, động đất lấy sinh mạng hàng trăm nghìn người trái đất Những trận động đất phá hủy nhà cửa, ruộng vườn, trang trại, bệnh viện, nơi làm việc người, làm đảo lộn sống người Những người chết sau địa chấn lại chết đói rét khơng nơi ăn chốn Ở vụ động đất lớn thường có đợt chấn động khởi trước giúp cho nhà địa chấn học phân tích số liệu dự báo khả động đất lớn xảy ra, nhờ cộng đồng thực biện pháp dự phòng kịp thời để giảm nhẹ hậu thiên tai Trong biện pháp kể là: Cơng tác dự báo động đất công tác thiết kế kết cấu kháng chấn chịu trận động đất Dự báo động đất Dự báo động đất (Earthquake prediction) nỗ lực nhiều hệ nhà địa chấn học hướng đến thực hiện, nhằm dự báo thời gian, địa điểm, cường độ tính trạng khác, kể xây dựng phương pháp dự báo phương pháp VAN (VAN method) Song kết đạt đánh giá nguy xảy động đật vùng, thể đồ phân vùng nguy động đất Hiện chưa đạt dự báo cho vụ động đất thiên tai chưa thể dự báo trước [7] Cho nên người sống vùng có nguy động đất khơng thể tránh Có thơng tin nói số lồi động vật voi, chó, chồn, mèo, có hành vi tránh nạn trước xảy động đất sóng thần, chứng chúng bị thiệt mạng, song chưa nghiên cứu đầy đủ Động đất khơng thể dự báo trước, nên có số điều ta làm để trước, lúc, sau động đất để tránh giảm thương tích thiệt hại động đất gây Hiện Viện Vật lý địa cầu xây dựng 10 trạm quan sát địa chấn lãnh thổ Việt Nam, gửi số liệu theo thời gian thực Viện Viện có quan hệ trao đổi liệu với quốc gia vùng lãnh thổ khu vực, hợp tác với Trung tâm Cảnh báo sóng thần Thái Bình Dương (Pacific Tsunami Warning Center) Hawaii (Mỹ) Trung tâm Báo động sóng thần Đại Tây dương (Atlantic Ocean - Tsunami Alarm System) để nhận thông tin, xử lý đưa khuyến cáo Ở Việt Nam xảy trận động đất mạnh gây hậu nghiêm trọng cho người, nhiên lịch sử Viện Vật Lý Địa Cầu (Viện VLĐC) ghi nhận trận động đất xảy Việt Nam [5] Bảng 1.2: Bảng thống kê trận động đất xảy Việt Nam theo Viện VLĐC Đ T Đ ộ hi ộ n ệt Ri Động đất trước 1900 [5] Tr M ận s m đ = ộ 6, H N hi ều N tr M s = 5, Tr ận đ ộ n g Tr ận đ ộ n g đấ t N Tr ận đ ộ B M s ia = 5, c Tr ận đ ộ n g Đ M s ộ = n 5, g N M s ú = i 6, Đ a B N M s h = 6, Tr Ở M ận s b đ = ộ 5, n b g Động đất từ 1900 đến 2007 T Đ M s r ộ = ậ n 6, n g đ đ ộ ất Tr ận đ ộ n g đấ t L T r ậ n đ ộ n g C c tr Đ M s= â 5, y c ũ n m h hạ i v ừa m ột số n M s= 5, 5, M s = 5, 2/ 4/ T Đ M s r = ậ l 6, n ± đ tr 0, ộ o T C h r ưa ậ th n g đ hi M s = 52 , T M M s= r ứ 5, ậ c n đ đ ộ ộ p n h g 10 Hình 1.2 Các đới phát sinh động đất lãnh thổ Việt Nam khu vực kế cận (M≥5) [5] Trong đó, từ trước đến nay, chưa ghi nhận trận động đất xảy TP.HCM lan truyền chấn động từ trận động đất xảy khơi Bà Rịa - Vũng Tàu năm 2007 khiến tòa nhà cao tầng TP.HCM bị rung chuyển, khiến người dân hoảng sợ Biện pháp thiết kế kế cấu kháng chấn chịu động đất Đối với kết cấu nhà cao tầng, dao động kết cấu nhà nhiều tầng tác dụng tải trọng gió bão động đất ảnh hưởng lớn đến việc tính tốn thiết kế cơng trình xây dựng Trên giới có nhiều nghiên cứu đề xuất phương pháp khác để hạn chế dao động công trình Một phương pháp đơn giản tốn sử dụng hệ thống cách chấn đáy (base isolation) Thông thường hệ thống cách chấn đáy đặt móng hệ Kv>800 (kN/mm)=800(N/m) Qd=200 (kN)=200x103N Kd=0.5-1.4(kN/mm)=0.5…1.4 (N/m) Ke=10 x Kd = 5…14(N/m) Mơ hình xem bậc tự có khối lượng tập trung M=18x18x4x1.5x1.2=2332.8T Băng gia tốc có mã số NGA chọn từ tập hợp thiết kế 21 băng gia tốc mẫu đề nghị từ chương trình ATC-63 Mỹ tải xuống từ PEER-NGA (xem bảng 2) Hình 3.5: Hình chiếu hình chiếu đứng cơng trình ví dụ cần tính tốn Bảng 3.1: Bảng thông số gối cách chấn cao su lõi chì nhà sản xuất Mỹ DIS (Source: http://www.dis-inc.com) 3.2.1.Tính tốn hệ kết cấu với gối cách chấn cao su lõi chì theo mơ hình đàn nhớt tuyến tính: Trong phần tính tốn tuyến tính sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab, phần mềm phổ biến Thơng số đầu vào cho chương trình  Khối lượng tập trung hệ bật tự M  Băng gia tốc ( phương ngang, chọn lớn nhất)  Thơng số gối cách chấn lõi chì Qd, Kd  Thời gian lấy mẫu dt Thông số đầu  Chuyển vị lớn umax  Lực cắt đáy lớn Fmax Chương trình Giả sử uo, ta tính ED, ESOeq, ζeq, Keq, umax Vì ta trước giá trị lớn băng gia tốc nên ta phải sử dụng vòng lặp để giá trị tìm hội tụ với điều kiện dừng là: uomoi  uocu uomoi  0.01 Chạy chương trình Matlab với băng gia tốc mã NGA 0752 ta có kết sau: Hình 3.6: Biểu đồ băng gia tốc có mã NGA 0752, Hình 3.7: Biểu đồ chuyển vị tính theo tuyến tính phi tuyến, NGA 752 Hình 3.8:Biểu đồ lực-chuyển vị tính theo tuyến tính phi tuyến,NGA 752 Tương tự, tính tốn ta có kết cho 21 băng gia tốc thuộc nhóm ATC-63 xem kết bảng đồ thị Phụ lục 3.2.2.Tính tốn gối cách chấn lõi chì theo mơ hình đàn dẻo phi tuyến: Trong phần tính tốn theo mơ hình đàn dẻo cao su phi tuyến sử dụng ngơn ngữ lập trình phần mềm OpenSees, hệ bậc tự OpenSees hệ thống mở cho việc mô động đất, phần mềm với ngôn ngữ hướng đối tượng, mã nguồn mở Nó cho phép người sử dụng tạo theo song song máy tính theo phương pháp phần tử hữu hạn ứng dụng mô ứng xử kết cấu địa kỹ thuật động đất vùng nguy hiểm OpenSees viết ngôn ngữ C++, Fortran… thư viện số C cho việc giải hàm tuyến tính, vật liệu phần tử có hướng [3] Các thơng số đầu vào chương trình OpenSees  Khối lượng tập trung hệ bật tự M  Băng gia tốc (Theo phương ngang, chọn lớn nhất)  Thông số gối cách chấn lõi chì Qd, Kd  Thời gian lấy mẫu dt  Số lần lấy mẫu NPTS Thông số đầu  Chuyển vị lớn umax  Lực cắt đáy lớn Fmax Chạy chương trình ta với băng gia tốc mã NGA 0752 có kết sau (xem bảng 3) đồ thị bên đường màu xanh dương hình 3.7 3.8 Tương tự ta có kết qua cho 21 băng gia tốc ATC-63 xem kết Bảng đồ thị Phụ lục Bảng 3.2: Các thông số rút gọn băng gia tốc nhóm ATC-63 T h S M ời Số ã lần T g lấy N ia mẫu Sa n 06 N Fe P rn Fr iu 12 N li P It I m 16 N pe P ri I m 17 N pe P ri S up 72 N 11 er P sti S up 72 N er P sti L o 75 N m P a L o 76 N m P 9 84 N aL P an L an 90 N de 0 P rs, L an 11 95 N de P rs, N or 96 N th 0 P ri 11 N 11 P 11 N 4 16 P 11 N 48 P 11 N 58 P 12 N 44 P 8 2 14 85 16 02 16 33 17 87 0 0 0 0 N P N P N P N P 5 K ob e Ja K ob e Ja K oc ae li K oc ae li C hi C C hi C D uz M an H ec Bảng 3.3: Kết tính tốn chuyển vị, lực, sai số, sai số trung bình tuyentinh phituyen  saiso%  phituyen ST T 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 C C h h L u u M ự y ã y c ể ể n N n l G vị v A l 06 43n 19 40 23 12 27 06 58 06 16 46 21 36 26 17 59 32 09 30 72 63 36 52 36 72 34 11 03 11 75 31 09 26 11 76 32 10 53 11 84 44 20 41 24 90 11 0 81 81 77 95 90 59 88 62 96 35 0 12 56 16 11 32 11 10 84 08 11 29 16 08 75 12 11 24 48 08 58 12 11 56 58 30 38 33 12 20 44 58 96 77 14 35 85 13 62 17 16 33 02 11 99 18 16 54 33 29 92 27 17 35 87 12 24 13 Trung bình L ự c l n 48n 64 28 08 51 51 56 95 63 84 34 26 34 13 33 43 49 74 11 27 94 51 40 16 29 99 34 48 34 69 60 53 23 30 41 39 42 18 53 23 36 59 S S a a i s - s 18 16 71 20 18 86 22 28 32 10 10 10 26 36 03 - ố 10 76 0 10 83 11 49 13 10 13 19 18 100 Hình 3.9: Biểu đồ quan hệ chuyển vị lớn – sai số chuyển vị % sử dụng băng gia tốc nhóm ATC-63 Hình 3.10: Biểu đồ quan hệ lực cắt lớn – sai số lực cắt % sử dụng băng gia tốc nhóm ATC-63 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 4.1 Kết luận: Luận văn đánh giá khả mơ hình đàn – nhớt tuyến tính việc dự đốn chuyển vị đỉnh lực cắt đáy lớn gối lập móng có ứng xử đàn hồi – dẻo Thơng qua việc đánh giá đáp ứng với 21 băng gia tốc chuẩn ATC-63, luận văn rút số kết luận sau: Về chuyển vị:  Cách tính theo hai phương pháp tuyến tính phi tuyến có sai khác Đối với băng gia tốc khảo sát ATC-63 sai số trung bình chuyển vị -9.9%  Với tính tốn chuyển vị lớn sai số hai phương pháp bé, giá trị sai số phân bố phía phía trục hồnh (có giá trị âm dương)  Với tính toán chuyển vị bé, giá trị sai số phương pháp lớn, điểm sai số tập trung phía âm Điều cho thấy việc sử dụng mơ hình tuyến tính cho sai số lớn  Khi tính tốn gối cách chấn, giá trị chuyển vị thỏa tiêu chuẩn ứng với số băng gia tốc khơng thỏa băng gia tốc khác Do tính tốn phải xét đến vấn đề  Ta nhận thấy, giá trị chuyển vị lực cắt hệ đàn nhớt tuyến tính đơi lớn giá trị hệ đàn nhớt phi tuyến với khối lượng (tải trọng) chiếm 19% tổng số 21 băng gia tốc khảo sát - Với chu kỳ dài (Tn > Tf) vùng chuyển vị nhạy cảm phổ phản ứng, chuyển vị um hệ thống đàn dẻo phi tuyến độc lập so với f* y (f*y =fy/f 0=u y/u 0) tương đương với biến dạng đỉnh u hệ thống đàn nhớt tuyến tính; lúc um/u0≈1 - Đối với hệ thống có chu kỳ Tn, vùng nhạy cảm với tăng vận tốc phổ phản ứng, chuyển vị hệ thống đàn dẻo phi tuyến u m lớn nhỏ chuyển vị u0 hệ thống đàn nhớt tuyến tính ảnh hưởng khơng theo quy tắc thay đổi tỷ số f * y, hệ số dẻo µ=um/uy lớn nhỏ hệ số giảm cường độ chảy dẻo Ry=fo/fy=uo/uy - Đối với hệ thống làm việc vùng tăng tốc phổ phản ứng, chuyển vị hệ thống đàn dẻo phi tuyến um lớn chuyển vị u0 hệ thống đàn nhớt tuyến tính tỷ số um/uo tăng tương ứng với giảm tỷ số f*y Về lực cắt:  Cách tính theo hai phương pháp tuyến tính phi tuyến có sai khác Đối với băng gia tốc ATC-63 khảo sát, sai số trung bình lực cắt -5.3%  Với lực cắt lớn sai số hai phương pháp lớn, giá trị sai số phân bố phía phía trục hồnh (có giá trị âm dương), nhiên đến lớn sai số lại trở nhỏ  Với tính tốn lực bé, giá trị sai số phương pháp bé, điểm sai số tập trung phía âm Điều cho thấy việc sử dụng mơ hình tuyến tính cho sai số lớn  Đa số điểm tập trung phía âm, điều cho thấy việc sử dụng mơ hình tuyến tính cho giá trị bé giá trị mơ hình phi tuyến  Khi tính toán gối cách chấn, giá trị lực cắt thỏa đặc tính gối cách chấn ứng với số băng gia tốc khơng thỏa băng gia tốc khác Do tính tốn phải xét đến vấn đề 4.2 Hạn chế đề tài hướng phát triển Về mặt hạn chế đề tài:  Số lượng băng gia tốc khảo sát 21 băng, chưa nhiều, kết không bao quát trường hợp  Đây toán chiều Đáp ứng toán hai chiều khác với tốn chiều xét luận văn  Bài toán xét mơ hình hóa hệ bậc tự với toàn kết cấu bên xem cứng hệ lập móng Hướng phát triển luận văn:  Tập trung vào việc giải hạn chế nêu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.K Chopra, Dynamics of Structure: Theory and Applications to Earthquake Engineering, Prentice Hall International Inc, Englewood Cliffs, N.J, 2012 [2] Farzad Naeim, Ph.D, S.E; James M.Keelly, Ph.D, Design of seimic isolated structure: From Theory to Practice (1999) John Wiley & Sons, INC [3] OpenSees Command Language Manual, Silvia Mazzoni, Frank McKenna, Michael H Scott, Gregory L Fenves Et al 2007 [4] TS Đào Đình Nhân, Bài giảng Động lực học kết cấu, Trường Đại Học Kiến Trúc [5] Hoạt động động đất Việt Nam Peresan A, Cao Đình Triều, Mai Xuân Bách, Nguyễn Thế Hùng, Bùi Anh Nam, Nguyễn Xuân Bình, Đại học Tổng hợp Trieste, Italia;Viện Vật lý Địa cầu, Viện KH&CN Việt Nam, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội [6] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9386-2012, Thiết kế cơng trình chịu động đất [7] “Chapter 3: Earthquakes and their causes” Natural Hazards and Disasters (ấn 2) Brooks/Cole: Cengage Learning ISBN 0495316679 Donald Hyndman, David Hyndman (2009) [8] Thiết kế số dạng gối cách chấn cơng trình chịu động đất, Lê Xuân Tùng, Viện KH&CN Xây Dựng, Hà Nội -2012 [9] Khảo sát ảnh hưởng hệ giằng bê tông cốt thép lên hiệu chống động đất hệ thống lập móng –BIS, Nguyễn Văn Giang, Chu Quốc Thắng, Tạp chí phát triển KH&CN, Tập 9, số 8-2006 10] W Robinson and A Tucker, “A lead-rubber shear damper,” Bulletin of New Zealand National Society of Earthquake Engineering, vol 10, 1977 [11] W H Robinson, “Lead-rubber hysteretic bearings suitable for protecting” Earthquake Engineering & Structural Dynamics, vol.10, no 4, 1982 [12] Hwang, S., and Sheng, L H (1994) Equivalent Elastic Seismic Analysis of Base Isolated Bridges with Lead-Rubber Bearings Engineering Structures, 16(3), 201-209 [13] Weixiao Sun, B.Eng.SOC (4-2011), Performance assessment and design of lead rubber seismic isolators using a bilinear spectrum method, B.ENG.SOC (University of Ottawa); McMaster University April 2011 [14] J.C Simo & T.J.R Hughes, Computational Inelasticity; Standford University March 1998, Springer ... việc dự đốn đáp ứng gối cách chấn đáy có ứng xử đàn dẻo 12 1.3.1 Mục tiêu đề tài: Rút kết luận lời khuyên liên quan đến việc sử dụng mơ hình đàn nhớt tuyến tính 1.3.2 Nội dung nghiên cứu: Đánh giá. .. động đất xảy Hình 1.18: Các lực dụng lên gối cách chấn LRB q trình làm việc CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH ĐÀN NHỚT TUYẾN TÍNH VÀ MƠ HÌNH ĐÀN DẺO PHI TUYẾN CỦA GỐI CÁCH CHẤN CAO SU LÕI CHÌ 2.1 Mơ hình lập móng:... Nam sử dụng mơ hình đànnhớt tuyến tính tuyến tính từ mơ hình đàn dẻo phi tuyến Để tính tốn theo mơ hình đàn nhớt người ta tính độ cứng hệ tương đương Keq có mối tương quan với độ cứng Kd Ke thông