Áp dụng gối cô lập hai mặt trượt ma sát giảm chấn cho nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG DƯƠNG ANH ĐỨC ÁP DỤNG GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƯỢT MA SÁT GIẢM CHẤN CHO NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT Chun ngành: Xây dựng cơng trình DD&CN Mã số : 60.58.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2016 Cơng trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Phương Hoa Phản biện 1: TS Trần Quang Hưng Phản biện 2: TS Đặng Công Thuật Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng 08 năm 2016 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài - Động đất xem thảm họa lớn thiên nhiên đến tính mạng người kinh tế giới - Việc nghiên cứu ảnh hưởng tải trọng động đất giải pháp làm giảm chấn động tải trọng động đất đến nhà nhiều tầng cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Đây lý để em nghiên cứu đề tài: “Áp dụng gối cô lập hai mặt trượt ma sát giảm chấn cho nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất” Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu tổng quát: Đánh giá hiệu giảm chấn cho kết cấu nhà nhiều tầng sử dụng gối cô lập trượt ma sát, nghiên cứu với gối hai mặt trượt ma sát DCFP (Double Concave Friction Pendulum) - Mục tiêu cụ thể: Đưa mơ hình học, thiết lập phương trình chuyển động hệ kết cấu Đối tượng nghiên cứu - Gối DCFP cho kết cấu nhà nhiều tầng Việt Nam Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu phương pháp số, áp dụng để giải số trực tiếp phương trình vi phân chuyển động thuật tốn Runge-Kutta; - Mơ kết phần mềm Matlab Bố cục đề tài Mở đầu Chương 1: Tổng quan kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất biện pháp giảm chấn áp dụng gối cô lập trượt ma sát Chương 2: Mơ hình lý thuyết tính tốn gối lập hai mặt trượt ma sát Chương 3: Ví dụ tính tốn hiệu giảm chấn sử dụng gối cô lập hai mặt trượt ma sát Kết luận kiến nghị Tổng quan tài liệu nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP TRƯỢT MA SÁT 1.1 SƠ LƯỢC VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG 1.1.1 Các dạng kết cấu a Kết cấu khung b Kết cấu tường chịu lực c Kết cấu lõi d Kết cấu ống 1.1.2 Các dạng kết cấu hỗn hợp a Kết cấu khung- giằng b Kết cấu khung-vách c Kết cấu ống–lõi d Kết cấu ống tổ hợp 1.1.3 Các dạng kết cấu đặc biệt a Kết cấu có hệ dầm truyền b Kết cấu có tầng cứng c Kết cấu có hệ khung ghép 1.2 TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LÊN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG 1.2.1 Sóng địa chấn truyền sóng a Sóng dọc: sóng truyền nhờ thay đổi thể tích vật chất, gây biến dạng kéo nén lòng đất b Sóng ngang: sóng hướng chuyển động hạt vật chất vng góc với hướng sóng c Sóng Love sóng Q d Sóng Rayleigh sóng R 1.2.2 Đặc tính chuyển động động đất Hình 1.1 Gia tốc đồ trận động đất Elcentro (19/5/1940) a Gia tốc đỉnh (PGA) Gia tốc đỉnh gia tốc cực đại, phản ảnh độ mạnh dịch chuyển đất, thể cường độ động đất b Nội dung tần số c Thời gian kéo dài rung động mạnh 1.2.3 Ứng xử kết cấu chịu tác động tải trọng động đất 1.3 CÁC GIẢI PHÁP CÁCH CHẤN CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP TRƯỢT MA SÁT 1.3.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu giải pháp gối cô lập dao động Sử dụng gối cô lập dao động (cách chấn đáy) kết cấu kỹ thuật điều khiển bị động kết cấu Hình 1.2 Hiệu gối lập a Tình hình nghiên cứu nước b Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3.2 Các giải pháp gối lập dao động a Các nghiên cứu gối đàn hồi (Elastomeric bearings) b Các nghiên cứu gối trượt ma sát (Friction sliding bearings) * Gối trượt ma sát đơn (Single friction pendulum bearing, SFP) Hình 1.3 Gối trượt ma sát đơn, SFP * Gối trượt ma sát đôi (Double Concave friction pendulum bearing, DCFP) Hình 1.4 Gối trượt ma sát đôi, DCFP * Gối trượt ma sát ba (Trible friction pendulum bearing, TFP) Hình 1.5 Gối trượt ma sát ba, TFP 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Việc thiết kế kháng chấn nay, chia làm nhiều giải pháp thiết kế có biện pháp cách chấn đáy sử dụng gối cô lập dao động, nhằm đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với là: Bảo đảm kết cấu có khả chịu lực lớn miền đàn hồi, bảo đảm cho kết cấu có khả phân tán lượng động đất truyền vào, thông qua biến dạng dẻo giới hạn cho phép thiết bị hấp thu lượng - Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả chịu lực kết cấu; - Độ cứng thích hợp nhằm giúp cơng trình có cân hài hòa mặt động lực học CHƯƠNG MƠ HÌNH VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN GỐI CƠ LẬP TRƯỢT MA SÁT DCFP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 2.1 CÁC MÔ HÌNH TÍNH TỐN CỦA GỐI CƠ LẬP TRƯỢT MA SÁT 2.1.1 Cấu tạo dạng gối trượt ma sát a Gối trượt ma sát đơn (Single friction pendulum bearing, SFP) b Gối hai mặt trượt ma sát (Double concave friction pendulum bearing, DCFP) Gối DCFP giới thiệu sau gối SFP, cấu tạo gồm hai mặt cong có bán kính R1 R2 khác nhau, hệ số ma sát hai mặt cong m 1< m , hai lắc trượt hai mặt cong Hình 2.2 Hình 2.1 Cấu tạo gối trượt ma sát đơi, DCFP 2.1.2 Mơ hình xác định hệ số ma sát thiết bị gối trượt a Mơ hình Coulomb Ff = - mWsign(u& ) (2.1) b Mơ hình Coulomb hiệu chỉnh m s = mmax - ( m max - m )e- a u (2.3) Trong đó: m max m hệ số ma sát ứng với vận tốc trượt & lớn nhỏ Hệ số a số phụ thuộc vào áp lực bề mặt c Mơ hình dẻo (Viscoplasticity model, mơ hình Bouc - Wen) (2.4) Ff = - mWZ Trong đó: YZ& + g u& Z Z& + b uZ & - u& = (2.5) Hình 2.2.Hàm biến trễ Z 2.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP SỐ CHO NGHIÊN CỨU 2.2.1 Phương pháp Newmark [9], [27] 2.2.2 Phương pháp Runge-Kutta [9] 2.3 MƠ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG CÁC DẠNG GỐI TRƯỢT MA SÁT KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 2.3.1 Gối đơn (SFP, Single friction pendulum) a Quan hệ lực chuyển vị ngang gối SFP Viết phương trình cân lực theo phương ngang phương đứng vị trí lắc có dịch chuyển ngang u viết phương trình: F = Fn sin q + Ff cosq W = Fn cosq - Ff sin q (2.16) 10 ìïm1u&&1 + k1u1 + Ff + Fr + ks (u1 - u2 ) + cs (u&1 - u&2 ) = -m1a&&g í ïỵm2u&&2 + k s (u2 - u1 ) + cs (u&2 - u&1 ) = -m2 a&&g (2.23) Lực ma sát Ff lực va chạm Fr (2.23) xác định phương trình (2.24) Fr = kr ( u1 - d e ) sign(u1 ) H ( u1 - d e ) (2.25) F f = m sWZ 2.3.2 Gối hai mặt trượt (DCFP, Double concave friction pendulum) a Quan hệ lực chuyển vị ngang gối DFP Giai đoạn 1: Khi trượt mặt u1 q1 W F 2 F n2 F r2 F f1 u1 F n1 u2 F f1 F r1 F W q2 a Trượt mặt b Trượt mặt Hình 2.5 Chuyển động ngang gối DCFP F1 = W u1 + m1W Reff Reff = R1 - h1 kI = W Reff Giai đoạn 2: Khi trượt xảy mặt R m W + Reff m2W W F= u + eff 1 Reff + Reff Reff + Reff k II = W Reff + Reff Các thành phần lực va chạm xác định theo (2.36): (2.28) (2.29) (2.30) (2.34) (2.35) 11 ïì Fr1 = kr1 ( u1 - d1 ) sign(u1 ) H ( u1 - d1 ) í ïỵ Fr = kr ( u2 - d ) sign(u2 ) H ( u2 - d ) (2.36) Các thành phần lực ma sát xác định theo phương trình (2.37): ìï Ff = m s1WZ1 (2.37) í ïỵ Ff = m s 2WZ b Mơ hình tính tốn kết cấu có gắn gối DCFP W ì ï k1 = R eff ï í W ïk = ïỵ Reff u1 k1 m 1e d 1e m1 k2 m 2e d 2e (2.38) u2 m2 ks cs u3 m3 ag Hình 2.6 Mơ hình tính tốn kết cấu gắn gối DCFP &&g ) viết Phương trình chuyển động chịu động đất ( a sau: ìm1u&&1 + k1u1 + Ff + Fr1 - Fr - Ff + k2 (u1 - u2 ) = -m1a&&g ï ím2u&&2 + k2 (u2 - u1 ) + Ff + Fr + cs (u&2 - u&3 ) + ks (u2 - u3 ) = -m2a&&g (2.39) ï && ỵm3u3 + cs (u&3 - u&2 ) + ks (u3 - u2 ) = -m3a&&g Trong đó: ìï Fr1 = kr1 ( u1 - d1e ) sign(u1 ) H ( u1 - d1e ) í ïỵ Fr = kr ( u2 - u1 - d e ) sign(u2 - u1 ) H ( u2 - u1 - d e ) (2.40) ìï Ff = ms1eWZ1 í ïỵ Ff = m s eWZ (2.41) 12 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG - Gối cô lập kỹ thuật điều khiển kết cấu bị động mang lại hiệu cao cho cơng trình chống động đất (phương diện kỹ thuật kinh tế) - Các mơ hình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm gối đàn hồi gối trượt đơn (SFP) thực từ sớm, mang lại kết tích cực cho ứng dụng vào thiết kế cơng trình, cụ thể như: đặc trưng học gối chuyển động; mơ hình tốn; tính chất phi tuyến quan hệ lực chuyển vị; quy trình thiết kế làm rõ Với gối DCFP, nghiên cứu sau có đóng góp đáng kể Hiệu giảm chấn gối DCFP kết luận cao gối SFP Về cấu tạo kiến trúc gối DCFP phù hợp tăng chiều nhiều tầng 13 CHƯƠNG VÍ DỤ TÍNH TỐN HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN GỐI CÔ LẬP TRƯỢT MA SÁT DCFP 3.1 HỆ BẬC TỰ DO 3.1.1 Thông số kết cấu Bảng 3.1 Thông số kết cấu Khối lượng Độ cứng Tỉ số cản m (kN.s /mm) ks (kN/mm) ζ 1800/g 7.2437 Chu kỳ T (s) 5% Thông số hiệu chỉnh biến trễ z: A=1; uy=0.25; γ=0.9; β=0.1; η=2 [7, 24] Thông số hiệu chỉnh hệ số ma sát phụ thuộc vận tốc trượt: a=0,02s/mm 3.1.2 Thông số kỹ thuật gối R=1000mm µ= 0,02-0,04 d = 200mm 200 100 200 32 R1=R2 =1000mm µ1= 0,02-0,04; µ2= 0,04-0,08; d1 = 200mm; d2 = 200mm; h1 = 32 mm; h2 = 36mm 36 a 200 100 200 b a Gối SFP b Gối DCFP Hình 3.1 Kích thước dạng gối 14 3.1.3 Gia tốc phân tích Bảng 3.2 Dữ liệu trận động đất Giá trị đỉnh Vận Trận động đất Vị trí đo Gia Chuyển tốc tốc (g) vị (cm) (cm/s) IMPERIAL VALLEY, 5/19/40 EL CENTRO ARRAY #9 0.215 30.2 23.91 NORTHRIDGE, 1/17/94 SEPULVEDA VA 0.939 76.6 14.95 3.1.4 Kết phân tích a Kết phân tích với trận động đất Imperial Valley Hình 3.2 Đường ứng xử trễ 15 Hình 3.3 Gia tốc kết cấu Hình 3.4 Lực cắt kết cấu Hình 3.5 Chuyển vị kết cấu b Kết phân tích với trận động đất Northidge Hình 3.6 Đường ứng xử trễ 16 Hình 3.7 Gia tốc kết cấu Hình 3.8 Lực cắt kết cấu Hình 3.9 Chuyển vị kết cấu 3.2 SO SÁNH HIỆU QUẢ GỐI DCFP VỚI SFP Với mục đích so sánh cải tiến gối DCFP với SFP, tiến hành phân tích kết cấu cho trận động đất Imperial Valley Northidge với gia tốc giảm xuống thấp tăng lên cao (từ 17 0,1PGA đến 3PGA) Kết thu giới thiệu Hình từ: 3.4 đến 3.11 3.2.1 Kết so sánh gia tốc Bảng 3.3 Kết phân tích gia tốc trận động đất Imperial Valley PGA DCFP SFP FIX %DCFP %SFP 0.1 328.7 340 318.5 -3.20 -6.75 0.5 1382 1346 1596 13.41 15.66 2436 2488 3160 22.91 21.27 4288 5321 6314 32.09 15.73 8192 10990 9433 13.16 -16.51 Hình 3.10 Hiệu giảm gia tốc gối DCFP SFP, Imperial Valley Bảng 3.4 Kết phân tích gia tốc trận động đất Northidge GPA SFP DCFP FIX %SFP %DCFP 0.1 -0.0994 -0.0989 -0.1158 14.2055 14.5941 0.5 -0.4023 -0.3950 -0.5780 30.3867 31.6550 -0.8226 -0.7447 -1.1618 29.1896 35.8950 -1.6507 -2.0391 -2.3138 28.6585 11.8735 -2.4080 -2.8815 -3.4660 30.5251 16.8638 18 Hình 3.11.Hiệu giảm gia tốc gối DCFP SFP, Northidge 3.2.2 Kết so sánh lực cắt Bảng 3.5 Kết phân tích lực cắt trận động đất Imperial Valley PGA DCFP SFP FIX %DCFP %SFP 0.1 46.5 47.5 49.5 6.06 4.04 0.5 108.3 105 249 56.51 57.83 168 177 494 65.99 64.17 394 554 976 59.63 43.24 923 1482 1477 37.51 -0.34 Hình 3.12 Hiệu giảm lực cắt gối DCFP SFP, Imperial Valley 19 Bảng 3.6 Kết phân tích lực cắt trận động đất Northidge GPA SFP DCFP FIX %SFP %DCFP 0.1 -56.89 -56.27 -113.24 49.76 50.31 0.5 -159.86 -134.71 -552.59 71.07 75.62 -411.53 -235.59 -1148.17 64.16 79.48 -1647.23 -2187.17 -2239.51 26.45 2.34 -2525.51 -2264.21 -3354.26 24.71 32.50 Hình 3.13.Hiệu giảm lực cắt gối DCFP SFP,Northidge 3.3 HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO 3.3.1 Ví dụ hệ nhiều bậc tự chịu tải trọng đông đất Trong ví dụ mơ ví dụ số cho kết cấu nhà tầng với khối lượng tầng (mi=300kN/g) độ cứng ki=50kN/mm Mô với trận động đất Imperial Valley Chu kỳ T=0,64s Hình 3.14 Mơ hình tính tốn hệ bậc tự có gắn gối DCFP 20 Hình 3.15 Đường ứng xử trễ gối Hình 3.16 Lực cắt tầng Hình 3.17 Gia tốc tầng 3.3.2 Hiệu giảm lực cắt gia tốc kết cấu a Kết so sánh lực cắt lớn tầng Bảng 3.7 Kết so sánh lực cắt lớn tầng trận động đất Imperial Valley TẦNG FIX DCFP %FIX 91.96 23.72 74.21 87.28 16.07 81.58 77.00 16.42 78.68 61.81 14.28 76.90 43.41 12.66 70.84 22.54 13.19 41.49 21 Hình 3.18 Hiệu giảm lực cắt lớn tầng b Kết so sánh gia tốc lớn tầng Bảng 3.8 Kết so sánh gia tốc lớn tầng trận động đất Imperial Valley TẦNG FIX DCFP %FIX 0.7 0.61 12.86 0.67 0.65 2.99 0.48 0.45 6.25 0.59 0.36 38.98 0.68 0.63 7.35 0.76 0.53 30.26 Hình 3.19 Hiệu giảm gia tốc lớn tầng 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ a Về nghiên cứu lý thuyết - Đã nghiên cứu tổng quát hệ kết cấu nhà nhiều tầng, ứng xử cấu chịu tải trọng động đất - Đã nghiên tổng quát cấu tạo tác dụng dạng gối trượt ma sát sử dụng kỹ thuật kháng chấn cho cơng trình xây dựng - Đã tổng hợp, mơ q trình chuyển động gối trượt SFP DCFP - Đã thiết lập mơ hình tính tốn cho kết cấu gắn thiết bị gối lập Phương trình chuyển động kết cấu gắn thiết bị chịu tải trọng động đất - Đã đề xuất phương pháp số để giải phương trình vi phân chuyển động kết cấu, từ thu phản ứng kết cấu chịu tải trọng động đất, đánh giá hiệu thiết bị b Về mơ ví dụ số * Từ kết phân tích với hệ bậc tự - Mô ứng xử trễ gối SFP DCFP chịu động đất ta thấy hiệu giảm chấn gối DCFP so với gối SFP diện tích biểu đồ đường ứng xử trễ (đại diện mức tiêu hao lượng động đất) gối DCFP lớn gối SFP - Các dạng gối trượt cho hiệu giảm lực cắt gia tốc đáng kể kết cấu chịu động đất, đỉnh biểu đồ lực cắt giãn so với kết cấu ngàm cứng 23 * So sánh gối DCFP SFP - Với cấu tạo ví dụ số, hai gối có kích thước đường kính ngồi gần nhau, ta nhận thấy khả dịch chuyển ngang gối SFP nhở gối DCFP xảy va chạm Gối DCFP cải thiện khả dịch chuyền ngang lần Điều ý nghĩa với yêu cầu thiết kế - Từ kết ta thấy được, gối DCFP chịu động đất nhiều cấp độ (từ lớn đến nhỏ) so với gối SFP Tóm lại, hai chứng minh số đủ để kết luận gối DCFP có hiệu tốt nhiều so với gối SFP * Ví dụ hệ bậc tự Kết cấu nhà tầng có chu kỳ 0,64s Với chu kỳ này, gần nằm vùng chu kỳ trội tất trận động đất Vì phản ứng kết cấu lớn (gần miền cộng hưởng) Kết phân tích với kết cấu chịu động đất trận Imperial valley (PGA=0.215g) cho hiệu tốt Hiệu giảm chấn lực cắt gia tốc tầng giảm rõ rệt, dao động tầng tòa nhà giảm đáng kể Điều chứng tỏ gối DCFP đáp ứng tốt tiêu chí thiết kế cách chấn đáy cơng trình chịu tải trọng động đất c Những hướng nghiên cứu cần thiết tương lai Như phân tích trên, hiệu gối DCFP tốt gối SFP Tuy nhiên, cấu tạo phức tạp làm việc gối phức tạp Do đó, cần phải nghiên cứu kỹ có đánh giá xác dạng gối này, cụ thể 24 - Tối ưu hóa kích thước gối trượt - Nghiên cứu dịch chuyển chi tiết lắc bên gối - Tiếp tục nghiên cứu kỹ hệ số ma sát bên gối như: Phụ thuộc vào áp lực, nóng lên - Với trận động đất lớn, thành phần kích động đứng đáng kể Vì cần phải xây dựng mơ hình nghiên cứu cho trường hợp - Khi gối vượt khả chịu dịch chuyển ngang bị va vào thành, lúc lực va chạm Fr xuất Cách xác định lực Fr nghiên cứu hạn chế Cần có mơ hình nghiên cứu cho giai đoạn (sau giai đoạn 2) ... gối cô lập hai mặt trượt ma sát giảm chấn cho nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất” Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu tổng quát: Đánh giá hiệu giảm chấn cho kết cấu nhà nhiều tầng sử dụng gối cô. .. sát Chương 2: Mơ hình lý thuyết tính tốn gối lập hai mặt trượt ma sát Chương 3: Ví dụ tính tốn hiệu giảm chấn sử dụng gối cô lập hai mặt trượt ma sát Kết luận kiến nghị Tổng quan tài liệu nghiên... SFP) b Gối hai mặt trượt ma sát (Double concave friction pendulum bearing, DCFP) Gối DCFP giới thiệu sau gối SFP, cấu tạo gồm hai mặt cong có bán kính R1 R2 khác nhau, hệ số ma sát hai mặt cong