Ảnh hưởng của hệ số hình dạng đến ứng xử ngang của gối cách chấn đàn hồi composite FREI vuông chịu tải trọng vòng lặp

Trong nghiên cứu này, so sánh ứng xử ngang của hai gối cách chấn FREI vuông có hệ số hình dạng khác nhau chịu cùng một tải trọng vòng lặp được thực hiện. Kết quả cho thấy độ cứng ngang hiệu dụng của gối có hệ số hình dạng cao hơn là cao hơn so với giá trị của gối có hệ số hình dạng thấp hơn.

KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ HÌNH DẠNG ĐẾN ỨNG XỬ NGANG CỦA GỐI CÁCH CHẤN ĐÀN HỒI COMPOSITE FREI VUÔNG CHỊU TẢI TRỌNG VỊNG LẶP TS NGƠ VĂN THUYẾT Đại học Thủy lợi Tóm Tắt: Gối cách chấn đàn hồi composite FREI nhẹ hơn, đơn giản chế tạo so với gối cách chấn đàn hồi thép dạng SREI áp dụng xây dựng cơng trình kháng chấn Ứng xử ngang gối cách chấn FREI chịu ảnh hưởng từ kích thước gối hay hệ số hình dạng Tuy nhiên, chưa có tài liệu nghiên cứu vấn đề Trong nghiên cứu này, so sánh ứng xử ngang hai gối cách chấn FREI vng có hệ số hình dạng khác chịu tải trọng vòng lặp thực Kết cho thấy độ cứng ngang hiệu dụng gối có hệ số hình dạng cao cao so với giá trị gối có hệ số hình dạng thấp Từ khóa: gối cách chấn, gối đàn hồi FREI, hệ số hình dạng, ứng xử ngang, độ cứng ngang hiệu dụng Abstract: Fiber reinforced elastomeric isolator (FREI) is lighter in weight, more simple in terms of manufacturing in comparison with conventional steel reinforced elastomeric isolator (SREI) and is applied in mitigation of seismic vulnerability of buildings Horizontal response of FREI is affected by its geometrical dimensions or the shape factor However, no study on this problem has been found In this study, the comparison of the horizontal response of two types of square FREI with different shape factors under the same cyclic loading has been conducted It shows that the effective horizontal stiffness of isolator with higher shape factor is bigger than that of isolator with lower shape factor Đặt vấn đề Gối cách chấn phương pháp hữu hiệu để giảm hư hỏng cho cơng trình động đất xảy Gối cách chấn thường đặt phần nối tiếp phần móng phần thân cơng trình Do gối cách chấn có độ cứng theo phương ngang thấp nên cơng trình chịu chuyển vị lớn trận 16 động đất Hơn nữa, hệ số cản nhớt cao hệ thống gối cách chấn làm tiêu tán lượng trận động đất truyền lên phần thân cơng trình Có nhiều loại gối cách chấn gối cách chấn đàn hồi, gối cách chấn trượt, gối cách chấn đàn hồi sử dụng phổ biến Gối cách chấn đàn hồi phát triển với nhiều dạng khác Gối cách chấn FREI loại gối cách chấn đàn hồi kỳ vọng giảm trọng lượng, giá thành dễ dàng chế tạo so với gối cách chấn đàn hồi thông thường SREI Gối FREI đề xuất lần Kelly [5], sau nhiều tác giả giới nghiên cứu, phát triển Về mặt cấu tạo, gối FREI có cấu tạo tương tự gối cách chấn đàn hồi thông thường SREI lớp thép mỏng gối SREI thay lớp sợi (thường sợi carbon) đặt xen kẽ gắn kết với lớp cao su Sợi carbon nhẹ thép có q trình gia cơng đơn giản nên gối FREI thường nhẹ có giá thành rẻ gối SREI Do vậy, gối FREI kỳ vọng áp dụng cho cơng trình thấp tầng nước phát triển Việt Nam Trong thời gian qua, giới có số tác giả nghiên cứu ứng xử ngang gối cách chấn FREI thí nghiệm phân tích mơ hình số Tác giả Nezhad [7] chế tạo điều tra ứng xử ngang mẫu gối FREI thu nhỏ phòng thí nghiệm Osgooei [11] nghiên cứu gối FREI hình tròn phương pháp phần tử hữu hạn (PTTT) sử dụng phần mềm MSC Marc Tác giả Ngo [8,9] nghiên cứu ứng xử nguyên mẫu gối FREI thí nghiệm phân tích mơ hình số Ở Việt Nam, có vài nghiên cứu gối cách chấn đàn hồi thông thường SREI tác giả Lê Xuân Huỳnh Nguyễn Hữu Bình [1], Lê Xuân Tùng [3] Tác giả Ngô Văn Thuyết [2] nghiên cứu ứng xử ngang nguyên mẫu gối FREI Một yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử ngang gối cách chấn hệ số hình dạng (shape Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG factor) Theo Naeim Kelly [6], hệ số hình dạng (S) định nghĩa tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang gối với tổng diện tích xung quanh mặt bên lớp cao su Nghiên cứu ảnh hưởng hệ số hình dạng đến ứng xử ngang gối cách chấn có ý nghĩa việc lựa chọn kích thước gối cách chấn cho nhà thiết kế Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu xem xét ảnh hưởng hệ số hình dạng đến ứng xử ngang gối FREI thực Nghiên cứu trình bày ảnh hưởng hệ số hình dạng đến ứng xử ngang gối cách chấn đàn hồi FREI vng chịu tải trọng vòng lặp Các gối FREI có chiều cao lớp cấu tạo nhau, có kích thước mặt cắt ngang khác nhau, tức có hệ số hình dạng khác nhau, chịu đồng thời áp lực thẳng đứng chuyển vị ngang vòng lặp phân tích mơ hình số Các đặc trưng học gối cách chấn vòng lặp trễ, độ cứng ngang hiệu dụng hệ số cản nhớt tính tốn so sánh Từ đó, nghiên cứu ảnh hưởng hệ số hình dạng đến làm việc gối cách chấn FREI Cấu tạo chi tiết gối cách chấn đàn hồi FREI Hai loại gối cách chấn FREI vng, đặt tên gối A B, có chiều cao 100 mm, có kích thước mặt cắt ngang khác nhau, cụ thể: gối A 250x250 mm gối B 310x310 mm Các gối cấu tạo từ lớp cao su mỏng xen kẽ gắn kết với lớp sợi carbon hai hướng vng góc Mỗi gối có 17 lớp sợi carbon, lớp sợi dày 0.55 mm 18 lớp cao su, lớp cao su dày mm Mặt cắt dọc theo phương đứng gối FREI miêu tả hình Hệ số hình dạng gối A B 12.5 15.5 Các thông số đặc trưng vật liệu hai gối FREI Chi tiết kích thước thông số đặc trưng vật liệu gối cho bảng Hình Cấu tạo lớp cao su sợi carbon gối FREI Bảng Chi tiết kích thước thơng số vật liệu loại gối FREI Gối A Gối B 250x250x100 310x310x100 Số lớp cao su, ne 18 18 Chiều dày lớp cao su, te , (mm) 5.0 5.0 Tổng chiều dày lớp cao su, tr , (mm) 90 90 Số lớp sợi carbon, nf 17 17 Chiều dày lớp sợi carbon, tf , (mm) 0.55 0.55 Hệ số hình dạng, S 12.5 15.5 Mơ đun cắt cao su, G, (MPa) 0.90 0.90 Mô đun đàn hồi gối, E, (GPa) Hệ số poisson gối, µ 40 0.20 40 0.20 Thơng số Kích thước gối, (mm) Mơ hình gối cách chấn đàn hồi FREI tải trọng ngang gối FREI tiết kiệm chi phí cao Ứng xử ngang gối cách chấn đàn hồi việc thực nghiên cứu phòng thí FREI chịu đồng thời tải trọng theo phương đứng nghiệm Sử dụng phân tích mơ hình số điều chuyển vị ngang vòng lặp nghiên cứu tra chi tiết ứng suất chuyển vị lớp cao su phương pháp PTHH sử dụng phần mềm kết cấu sợi carbon gối cách chấn Độ hợp lí kết ANSYS v.14.0 Sử dụng PTHH để phân tích ứng xử phân tích ứng xử ngang gối cách chấn Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 17 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG lớn trình làm việc Do vậy, cao su gối FREI có ứng xử phi tuyến chịu chuyển vị lớn Vì vậy, mơ hình mơ hình vật liệu siêu đàn hồi (hyper-elastic) vật liệu đàn nhớt (visco-elastic) cho phép ứng xử phi tuyến Trong nghiên cứu này, cao su mơ hình mơ hình Ogden 3-terms [10] mơ hình ứng xử cắt mơ hình phần tử khối SOLID185 với nút Sợi đàn nhớt (Prony Viscoelastic Shear Response) FREI phần mềm ANSYS kiểm chứng thực nghiệm nghiên cứu Ngo [8,9] 3.1 Lựa chọn loại phần tử Cao su gối cách chấn FREI có biến dạng o o carbon hai hướng vng góc (0 90 ) lớp, miêu tả hình 2, mơ hình phần tử khối nhiều lớp SOLID46 Hai đế thép mơ hình đỉnh đáy gối, để mơ cho phần thân phần móng cơng trình, mơ hình phần tử SOLID185 Áp lực thẳng đứng chuyển vị ngang vòng lặp gán vào phần đế thép phía Phần đế thép phía giữ cố định Mơ hình gối cách chấn FREI loại A (đã chia phần tử) miêu tả hình Hình Các lớp phương sợi carbon gối cách chấn đàn hồi FREI x Hình Mơ hình gối cách chấn FREI loại A (đã chia phần tử) 3.2 Mơ hình vật liệu Các thơng số đặc trưng vật liệu cho bảng sử dụng mơ hình vật liệu Cao su 18 Prony Shear Response: a1 = 0.333; t1 = 0.04; a2 = 0.333; t2 = 100 3.3 Tải trọng Để nghiên cứu ảnh hưởng hệ số hình dạng đến làm việc gối cách chấn, tải trọng gán vào hai gối A B phải tương tự Các gối cách chấn chịu đồng thời áp lực thẳng đứng chuyển vị theo phương ngang trình làm việc Các tải trọng gán vào phần đế thép phía gối Áp lực thẳng đứng lên bề mặt gối với giá trị 5.6 MPa Chuyển vị ngang theo phương X dạng hình sin gán vào gối với giá trị độ lớn tăng dần từ 20 mm đến 90 mm, độ lớn chuyển vị gồm có hai vòng lặp Chuyển vị ngang vòng lặp miêu tả hình Hình Chuyển vị ngang gán vào gối z y với thông số sau: Ogden (3-terms): µ1 = 1.89 x 10 (N/m ); µ2 = 2 3600 (N/m ); µ3 = -30000 (N/m ); α1 = 1.3; α2 = 5; α3 = -2; Kết phân tích bình luận 4.1 Vòng lặp trễ quan hệ lực ngang chuyển vị ngang Ứng xử ngang phi tuyến gối cách chấn thể qua vòng lặp trễ trình bày quan hệ lực cắt ngang chuyển vị ngang Lực cắt ngang gối FREI tính tổng tất Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG lực cắt ngang tất nút phần đế thép phía gối Kết so sánh vòng lặp trễ loại gối FREI thu từ phân tích mơ hình số thể hình Hình So sánh vòng lặp trễ gối A B Từ hình cho thấy giá trị lớn lực cắt ngang gối A (S = 12.5) nhỏ giá trị tương ứng gối B (S = 15.5) độ lớn chuyển vị ngang Từ dẫn đến độ cứng ngang hiệu dụng gối A nhỏ gối B độ lớn chuyển vị ngang Điều làm rõ phần 4.2 Độ cứng ngang hiệu dụng hệ số cản nhớt Theo Tiêu chuẩn IBC [4], độ cứng ngang hiệu h dụng, Keff , gối cách chấn độ lớn chuyển vị ngang tính theo cơng thức sau: K h eff F  Fmin  max umax  u (1) Hệ số cản nhớt, , tính thơng qua lượng tiêu tán chu kì chuyển vị, Wd Năng lượng tiêu tán chu kì chuyển vị tính diện tích vòng lặp trễ hình Hệ số cản nhớt tính cơng thức sau:   đó, Wd h 2 K eff  2max (2)  max   umax  umin  / Độ cứng ngang hiệu dụng hệ số cản nhớt gối A B độ lớn khác chuyển vị ngang tính tốn theo cơng thức (1) (2); cho kết bảng Các giá trị cho bảng giá trị trung bình cho độ lớn đó: Fmax, Fmin giá trị lớn nhất, nhỏ lực cắt ngang umax, umin giá trị lớn nhỏ chuyển vị ngang chuyển vị ngang So sánh thay đổi độ cứng ngang hiệu dụng hai gối với tăng dần độ lớn chuyển vị ngang miêu tả hình Bảng So sánh đặc trưng học gối A B Gối A (S = 12.5) Độ lớn chuyển vị u/tr (mm) Gối B (S = 15.5) β Keffh β (kN/m) (%) (kN/m) (%) Keff h 20.0 0.22 528.12 7.51 829.81 6.80 40.0 0.44 486.13 9.03 760.60 7.77 60.0 0.67 452.65 10.52 707.36 9.08 90.0 1.00 414.90 11.42 646.09 10.31 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 19 KẾT CẤU - CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG Hình Quan hệ độ cứng ngang hiệu dụng với độ lớn chuyển vị ngang hai gối A B Kết bảng hình cho thấy độ cứng ngang hiệu dụng gối FREI giảm hệ số cản nhớt tăng lên độ lớn chuyển vị ngang tăng lên So sánh kết hai gối A B cho thấy độ lớn chuyển vị ngang nhau, gối A ln có độ cứng ngang hiệu dụng thấp giá trị tương ứng gối B, hệ số cản nhớt gối A cao gối B Cụ thể, độ cứng ngang hiệu dụng gối B cao gối A 57.1% 55.7% độ lớn chuyển vị ngang tương ứng 20 90 mm, đó, hệ số hình dạng gối B (S = 15.5) cao gối A (S = 12.5) 24% Từ kết cho thấy hệ số hình dạng có ảnh hưởng đến ứng xử ngang gối cách chấn FREI Điều có ý nghĩa việc thiết kế lựa chọn kích thước gối cách chấn FREI Theo Naeim Kelly [6], gối cách chấn áp dụng cho cơng trình thực tế thường có hệ số hình dạng nằm khoảng từ 10 đến 20 (a) Gối A 4.3 Biến dạng ứng suất lớp cao su gối FREI Gối FREI chịu chuyển vị ngang theo phương X Quy ước phương hệ quy chiếu địa phương 1, 2, song song với phương tổng thể X, Y, Z Biến dạng ứng suất S11 lớp cao su gối cách chấn A B chuyển vị ngang có độ lớn 90 mm thể hình Để quan sát rõ ràng, kết nửa gối cách chấn thể Phân tích ứng suất cho thấy ứng suất nén gối FREI nằm phần lõi, xuyên suốt từ đáy lên đỉnh gối vùng nối chồng đáy đỉnh gối Trong ứng suất kéo nằm ngồi vùng nối chồng So sánh kết ứng suất gối A B cho thấy ứng suất kéo nén lớn gối A lớn gối B độ lớn chuyển vị ngang (b) Gối B Hình Biến dạng ứng suất S11 (N/m ) lớp cao su nửa gối cách chấn FREI độ lớn chuyển vị ngang 90 mm (giá trị dương thể chịu kéo) Kết luận Nghiên cứu trình bày ảnh hưởng hệ số hình dạng đến ứng xử ngang gối cách chấn đàn hồi FREI chịu tải trọng vòng lặp Các gối FREI 20 vng có chiều cao lớp cấu tạo nhau, khác kích thước mặt cắt ngang, chịu đồng thời áp lực thẳng đứng chuyển vị ngang vòng lặp Ứng xử ngang Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 KẾT CẤU - CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG gối FREI phân tích phương pháp PTHH sử dụng phần mềm kết cấu ANSYS So sánh ứng xử ngang hai loại gối tiến hành Các kết luận rút từ nghiên cứu sau: tuyến vật liệu chế tạo", Tạp chí KHCN Xây dựng, số (153), năm thứ 38, ISSN 1859-1566 [4] International Building Code, USA, (2000) [5] Kelly J.M (1999), "Analysis of fiber-reinforced - Độ cứng ngang hiệu dụng gối FREI giảm hệ số cản nhớt tăng lên độ lớn chuyển vị ngang tăng lên; elastomeric isolators", Earthquake Engineering Research - Ở độ lớn chuyển vị ngang, độ cứng ngang hiệu dụng gối có hệ số hình dạng nhỏ ln thấp giá trị tương ứng gối có hệ số hình dạng lớn hơn, đó, hệ số cản nhớt gối có hệ số hình dạng nhỏ lại lớn giá trị tương ứng gối có hệ số hình dạng lớn độ lớn chuyển vị ngang; [6] - Ứng suất nén gối FREI nằm phần lõi, xuyên suốt từ đáy lên đỉnh gối vùng nối chồng đáy đỉnh gối Ứng suất kéo nằm ngồi vùng nối chồng đó; [8] University of California, Naeim F., Kelly J.M (1999), "Design of Seismic Isolated Structures: From Theory to Practice", John Wiley & Sons, INC [7] Nezhad H.T., Tait M.J., Drysdale R.G (2008), "Testing and Modeling of Square Carbon Fiberreinforced Elastomeric Seismic Isolators", Journal of Structural Control and Health Monitoring, Vol 15, pp 876-900 Ngo V.T, Deb S.K., Dutta A., Ray N., Mitra A.J (2016), "Performance evaluation of fiber reinforced elastomeric isolators under cyclic load" th Proceedings of the World Congress on Joints, Bearing - Giá trị ứng suất kéo nén lớn gối có hệ số hình dạng nhỏ ln lớn giá trị tương ứng gối có hệ số hình dạng lớn độ lớn chuyển vị ngang Center, Berkeley, USA, JSEE, Vol 2(1), pp 19-34 and Seismic Structures, Atlanta, September), Systems Georgia, paper for Concrete USA, (25-29 8-51, th website: http://www.ijbrc.org/ [9] Ngo V.T., Dutta A., Deb S.K (2017) "Evaluation of horizontal stiffness of fibre reinforced elastomeric TÀI LIỆU THAM KHẢO isolators" Journal of Earthquake Engineering and [1] Lê Xuân Huỳnh, Nguyễn Hữu Bình (2008), "Nghiên Structural Dynamics, DOI: 10.1002/eqe.2879, Vol cứu công nghệ chế ngự dao động kết cấu cơng 46, pp 1747-1767 trình nhà cao tầng phù hợp điều kiện xây dựng [10] Hà Nội", Báo cáo tổng kết đề tài, mã số 01C-04/09- [2] 2007-3, Viện KHCN Kinh tế Xây dựng - Việt Nam experiment for incompressible rubber-like solids", Ngô Văn Thuyết (2017) "Phân tích ứng xử ngang Proc R Soc Lond A., Vol 326, pp 565-584 nguyên mẫu gối cách chấn đàn hồi FREI" [3] Ogden R.W (1972), "Large deformation isotropic elasticity - on the correlation of theory and [11] Osgooei P.M., Tait M.J., Konstantinidis D (2014), Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cán trẻ "Three-dimensional finite element lần thứ XIV - 2017, Viện Khoa học Công nghệ Xây circular fiber-reinforced elastomeric bearings under dựng, Bộ Xây dựng, ISBN: 978-604-82-2300-7, tr compression", Composite Structures, Vol 108, pp 170-177 191-204 Lê Xuân Tùng (2010), "Thiết kế gối cách chấn Ngày nhận bài: 05/03/2018 dạng gối đỡ đàn hồi chịu động đất với mơ hình phi Ngày nhận sửa lần cuối: 05/7/2018 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 analysis of 21 ... bày ảnh hưởng hệ số hình dạng đến ứng xử ngang gối cách chấn đàn hồi FREI vng chịu tải trọng vòng lặp Các gối FREI có chiều cao lớp cấu tạo nhau, có kích thước mặt cắt ngang khác nhau, tức có hệ. .. 0.20 Thơng số Kích thước gối, (mm) Mơ hình gối cách chấn đàn hồi FREI tải trọng ngang gối FREI tiết kiệm chi phí cao Ứng xử ngang gối cách chấn đàn hồi việc thực nghiên cứu phòng thí FREI chịu đồng... sánh Từ đó, nghiên cứu ảnh hưởng hệ số hình dạng đến làm việc gối cách chấn FREI Cấu tạo chi tiết gối cách chấn đàn hồi FREI Hai loại gối cách chấn FREI vuông, đặt tên gối A B, có chiều cao 100