Phân tích hiệu quả giảm chấn kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất sử dụng gối cô lập hai mặt trượt ma sát

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TÔN TRỌNG QUANG PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng Mã số : 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS HOÀNG PHƢƠNG HOA Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Tơn Trọng Quang ii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ix MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT (DFP) 1.1 SƠ LƢỢC VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 1.1.1 Các dạng kết cấu a Kết cấu khung chịu lực b Kết cấu tƣờng chịu lực c Kết cấu lõi chịu lực 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 Hệ kết cấu có hệ khung ghép 10 1.2 TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LÊN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 10 1.2.1 Sóng địa chấn truyền sóng 10 1.2.2 Đặc tính chuyển động động đất 13 a Gia tốc đỉnh (PGA) 14 b Nội dung tần số 15 c Thời gian kéo dài rung động mạnh 15 1.2.3 Ứng xử kết cấu chịu tác động tải trọng động đất 15 iii 1.3 CÁC GIẢI PHÁP CÁCH CHẤN CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP TRƢỢT MA SÁT 17 1.3.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu giải pháp gối lập dao động 17 a Tình hình nghiên cứu áp dụng nƣớc 17 b Tình hình nghiên cứu áp dụng nƣớc 18 1.3.2 Các giải pháp gối cô lập dao động 20 a Các nghiên cứu gối đàn hồi (Elastomeric bearings) 20 b Các nghiên cứu gối trƣợt ma sát (Friction sliding bearings) 21 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 22 CHƢƠNG MƠ HÌNH VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN GỐI CƠ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT DFP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 24 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24 2.1.1 Cơ sở tính tốn cơng trình chịu động đất 24 2.1.1.1 Mơ hình tính tốn 24 2.1.1.2 Phƣơng trình chuyển động 24 2.2 MƠ HÌNH TÍNH TỐN CỦA GỐI CƠ LẬP TRƢỢT MA SÁT 25 2.2.1 Cấu tạo dạng gối cô lập trƣợt ma sát đôi DFPt 25 2.2.2 Mơ hình xác định hệ số ma sát thiết bị gối trƣợt 26 2.2.2.1 Mơ hình Coulomb 26 2.2.2.2 Mơ hình Coulomb hiệu chỉnh 26 2.2.2.3 Mơ hình dẻo (Viscoplasticity model, mơ hình Bouc - Wen) 27 2.2.3 Lựa chọn phƣơng pháp số cho nghiên cứu 27 2.2.4 Phƣơng pháp Newmark 28 2.2.5 Phƣơng pháp Runge-Kutta 28 2.3 MƠ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG GỐI TRƢỢT MA SÁT KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT (GỐI HAI MẶT TRƢỢT (DFP, DOUBLE FRICTION PENDULUM) 29 2.3.1 Quan hệ lực chuyển vị ngang gối 29 2.4 MƠ HÌNH TÍNH TỐN KẾT CẤU GẮN GỐI DFP 32 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 33 CHƢƠNG VÍ DỤ TÍNH TỐN HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN GỐI CƠ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT DFP 35 3.1 HỆ BẬC TỰ DO 35 3.1.1 Thông số kết cấu 35 3.1.2 Thông số kỹ thuật gối DFP 35 3.1.3 Gia tốc phân tích 35 iv 3.1.4 Kết phân tích 36 3.1.4.1 Kết phân tích với trận động đất Northridge (NOW) 36 3.1.4.2 Kết phân tích với trận động đất TABAS, IRAN (TAB) 38 3.1.5 Tìm thơng số kỹ thuật hợp lý gối mặt trƣợt ma sát DFP để chịu đƣợc tải trọng động đất 39 3.1.5.1 Trƣờng hợp d thay đổi R cố định 40 3.1.5.2 Trƣờng hợp d cố định, R thay đổi 45 3.2 HỆ BẬC TỰ DO (NGHIÊN CỨU CHO GỐI DFP) 50 3.2.1 Kết phân tích với trận động đất Northridge (NOW) 50 3.2.2 Kết phân tích với trận động đất TABAS, IRAN (TAB) 51 3.2.3 Tìm thơng số kỹ thuật hợp lý gối mặt trƣợt ma sát DFP để chịu đƣợc tải trọng động đất 51 3.2.3.1 Trƣờng hợp d thay đổi R cố định 52 3.2.3.2 Trƣờng hợp d cố định R thay đổi 55 3.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Đơn vị g cm/s cm Giải thích ý nghĩa Gia tốc đỉnh Vận tốc đỉnh Chuyển vị đỉnh a H(t) m/s2 % Gia tốc Phần trăm gia tốc bình phƣơng tích lũy g mm/s2 Gia tốc trọng trƣờng u m Véc tơ chuyển vị u ü m/s STT Ký hiệu PGA PGV PGD m/s Véc tơ vận tốc Véc tơ gia tốc 10 K 11 C 12 M kN/m s/m N.s2/m Ma trận độ cứng Ma trận cản Ma trận khối lƣợng 13 T 14 R 15 d s mm mm Chu kỳ dao động Bán kinh mặt cong gối Khả chuyển vị mặt cong 16 17 18 19 20 21 22 23 % mm mm rad N, kN N, kN N, kN N, kN Hệ số ma sát Chiều cao lắc Bán kinh mặt cong hiệu gối Góc xoay lắc Lực cắt tầng (lực cắt ngang gối) Lực ma sát gối Lực phục hồi gối Lực va chạm gối 24 25 26 27 28 29 30 u g N, kN N, kN Ns2/m N/mm s/m m m/s Tổng trọng lƣợng kết cấu bên gối Phản lực đứng vị trí lắc Khối lƣợng bậc tự Độ cứng bậc tự Hệ số cản bậc tự Véc tơ chuyển vị Véc tơ vận tốc 31 üg 32 t m/s2 s Véc tơ gia tốc Bƣớc thời gian phân tích µ h Reff  F Ff Fk Fr W Fn m k c ug vi 33 Fb N, kN Tổng lực cắt đáy 34 Z Biến trễ lực ma sát 35 H 36 kr 37 mb kN/m Ns2/m Giá trị hàm heaviside Độ cứng lực va chạm Khối lƣợng phần tử gối 38 kb 39 ie kN/m % Độ cứng phần tử gối Hệ số ma sát phần tử gối 40 d ie mm Khả chuyển vị phần tử gối tƣơng đƣơng Số bậc tự 41 n 42  % Tỉ số cản 43 ∝ 44 A,β,γ η 45 Y 46 ux 47 uy 48 ub s/m Hệ số phụ thuộc vào áp lực bề mặt hệ số ma sát mm mm mm m Các đại lƣợng không thứ nguyên để xác định biến trễ Dịch chuyển dẻo để xác định biến trễ Z Chuyển vị gối theo phƣơng x Chuyển vị gối theo phƣơng y Tổng chuyển vị gối 49 N(t) kN Tổng trọng lƣợc kết cấu bên gối thay đổi theo mm kN/m s % thời gian Chuyển vị gối thiết kế Độ cứng hiệu kết cấu cách chấn Chu kỳ hiệu kết cấu cách chấn Tỉ số cản hiệu kết cấu cách chấn 50 51 52 53 Db Keff Teff βeff DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt SFP DFP TFP ASCE TCVN NRB HDR Giải thích ý nghĩa Single friction pendulum (Gối lắc ma sát đơn) Double friction pendulum (Gối lắc ma sát hai) Triple friction pendulum (Gối lắc ma sát ba) American Society of Civil Enginers (Hiệp hội kỷ sƣ xây dựng dân dụng Hoa Kỳ) Tiêu chuẩn Việt Nam Natural rubber bearing (Gối cao su tự nhiên) High – Damping Rubber (Gối cao su có độ cản nhớt lớn) vii LRB Lead rubber bearing (Gối cao su có lõi chì) PEER Pacific Earthquake Engineering Research (Trung tâm 10 1D nghiên cứu động đất Thái Bình Dƣơng đại học Berkeley) One Dimension (một chiều) 11 2D 12 EPS One Dimension (Hai chiều) Earthquake Protection Systems (Công ty sản xuất gối cách chấn, Mỹ) 13 SLE Service Level Earthquake (Cấp động đất nhỏ, chu kỳ lặp 72 năm) 14 DBE Design Basis Earthquake (Cấp động đất mạnh, chu kỳ lặp 475 năm) 15 MCE Maximum Considered Earthquake (Cấp động đất mạnh, chu kỳ lặp 2475 năm) Square Root of the Sum of the Squares (Căn bậc hai tổng bình phƣơng) 16 SRSS viii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 3.1 Thông số kết cấu 35 3.2 Dữ liệu trận động đất 36 ix DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Các dạng mặt kết cấu khung nhà cao tầng điển hình 1.2 Các dạng mặt kết cấu tƣờng chịu lực khung nhà cao tầng điển hình 1.3 Các dạng mặt kết cấu lõi cứng chịu lực khung nhà cao tầng điển hình 1.4 Kết cấu dạng ống chịu lực nhƣ conson 1.5 Hệ thống khung- giằng chịu lực nhà cao tầng 1.6 Hệ thống khung- vách chịu lực nhà cao tầng 1.7 Hệ kết cấu có dầm truyền nhà cao tầng 1.8 Hệ kết cấu có tầng cứng nhà cao tầng 10 1.9 Sóng khối: P, S, sóng mặt: Love, Rayleigh 11 1.10 Sóng P 12 1.11 Sóng S 12 1.12 Sóng L 13 1.13 Sóng R 13 1.14 Gia tốc, vận tốc chuyển vị theo thời gian trận động đất Imperial Valley (15/10/1979), đo trạm El Centro Array 14 1.15 Lực động đất tác dụng cơng trình 16 1.16 Các loại tải trọng tác động đến cơng trình 16 1.17 Dạng kết cấu cơng trình 17 1.18 Bằng sáng chế Jules Touaillon 19 1.19 Gối đàn hồi 20 1.20 Gối trƣợt ma sát đơn, SFP 21 1.21 Gối trƣợt ma sát đôi, DFP 21 1.22 Gối trƣợt ma sát ba, TFP 22 2.1 Mơ hình hệ kết cấu nhiều bậc tự chịu động đất 25 2.2 Gối trƣợt ma sát đôi, DFP 26 2.3 Hàm biến trễ Z hàm dấu sign 27 2.4 Chuyển động ngang gối DFP 30 2.5 Đƣờng ứng xử trễ gối DFP ( : giai đoạn I, II) 32 2.6 Mơ hình tính tốn kết cấu gắn gối DFP 32 u1=x(:,1);u2=x(:,3);u3=x(:,5);u4=x(:,7);u5=x(:,9);u6=x(:,11);u7=x(:,13); v1=x(:,2);v2=x(:,4);v3=x(:,6);v4=x(:,8);v5=x(:,10);v6=x(:,12);v7=x(:,14); z1=x(:,15); z2=x(:,16); mu1=fmax1e-(fmax1e-fmin1e)*exp(-a1e*abs(x(:,2))); mu2=fmax2e-(fmax2e-fmin2e)*exp(-a2e*abs(x(:,4)-x(:,2))); Fr1=kr.*(abs(x(:,1))-d1e).*sign(x(:,1)).*heaviside(abs(x(:,1))-d1e); Fr2=kr.*(abs(x(:,3)-x(:,1))-d2e).*sign(x(:,3)x(:,1)).*heaviside(abs(x(:,3)-x(:,1))-d2e); a1b=(-k11*x(:,1)-k12*(x(:,1)-x(:,3))-W*x(:,15).*mu1+W*x(:,16).*mu2Fr1+Fr2)./m11; a2b=(-k12*(x(:,3)-x(:,1))-W*x(:,16).*mu2-Fr2-k2*(x(:,3)-x(:,5))c2*(x(:,4)-x(:,6)))./m12; a1=(-k2*(x(:,5)-x(:,3))-c2*(x(:,6)-x(:,4))-k3*(x(:,5)-x(:,7))-c3*(x(:,6)x(:,8)))./m2; a2=(-k3*(x(:,7)-x(:,5))-c3*(x(:,8)-x(:,6))-k4*(x(:,7)-x(:,9))-c4*(x(:,8)x(:,10)))./m3; a3=(-k4*(x(:,9)-x(:,7))-c4*(x(:,10)-x(:,8))-k5*(x(:,9)-x(:,11))c5*(x(:,10)-x(:,12)))./m4; a4=(-k5*(x(:,11)-x(:,9))-c5*(x(:,12)-x(:,10))-k6*(x(:,11)-x(:,13))c6*(x(:,12)-x(:,14)))./m5; a5=(-k6*(x(:,13)-x(:,11))-c6*(x(:,14)-x(:,12)))./m6; F1b=k11*u1/W + mu1.*z1 + Fr1/W; F2b=(u2-u1)*k12/W + mu2.*z2 + Fr2/W; Fb=(F1b+F2b)/2; ub=u2; F1=k2*(u3-u2); F2=k3*(u4-u3); F3=k4*(u5-u4); F4=k5*(u6-u5); F5=k6*(u7-u6); %% PHAN TICH KET CAU NGAM CUNG x0=[0 0 0 0 0 0]'; options = odeset('RelTol',1e-5,'AbsTol',1e-5,'Stats','on'); [t,x]=ode15s('xdotFix_5s',tspan,x0,options); uf1=x(:,1); uf2=x(:,3); uf3=x(:,5); uf4=x(:,7); uf5=x(:,9); vf1=x(:,2); vf2=x(:,4); vf3=x(:,6); vf4=x(:,8); vf5=x(:,10); af1=(-c2*x(:,2)-k2*x(:,1)-k3*(x(:,1)-x(:,3))-c3*(x(:,2)-x(:,4)))./m2; af2=(-c3*(x(:,4)-x(:,2))-k3*(x(:,3)-x(:,1))-c4*(x(:,4)-x(:,6))k4*(x(:,3)-x(:,5)))./m3; af3=(-c4*(x(:,6)-x(:,4))-k4*(x(:,5)-x(:,3))-c5*(x(:,6)-x(:,8))k5*(x(:,5)-x(:,7)))./m4; af4=(-c5*(x(:,8)-x(:,6))-k5*(x(:,7)-x(:,5))-c6*(x(:,8)-x(:,10))k6*(x(:,7)-x(:,9)))./m5; af5=(-c6*(x(:,10)-x(:,8))-k6*(x(:,9)-x(:,7)))./m6; Ff1=k2*uf1; Ff2=k3*(uf2-uf1); Ff3=k4*(uf3-uf2); Ff4=k5*(uf4-uf3); Ff5=k6*(uf5-uf4); %% XUAT KET QUA % figure('Numbertitle','off','Name','UNG XU TRE','position',[10 10 800 300]); plot(ub/10,Fb,'-k','Color','b','LineWidth',2.5) set(gca,'FontSize',12); ylabel('\bfF/W'); xlabel('\bfu_b (cm)'); hold on; legend('DFP goi d1=d2=200mm',2) % figure('Numbertitle','off','Name','GIA TOC TANG 5','position',[10 10 800 300]); plot(t,af5/g,'-k','Color','m','LineWidth',1.5) set(gca,'FontSize',12); xlabel('\bfTime (s)'); ylabel('\bfAccl (g)'); hold on; plot(t,a5/g,'-k','Color','k','LineWidth',2.5) legend('Ket cau ngam cung','Ket cau duoc gan goi DFP') % figure('Numbertitle','off','Name','LUC CAT TANG 1','position',[10 10 800 300]); plot(t,Ff1/1000,'-k','Color','m','LineWidth',1.5) set(gca,'FontSize',12); xlabel('\bfTime (s)'); ylabel('\bfShear force (kN)'); hold on; plot(t,F1/1000,'-k','Color','b','LineWidth',2.5) legend('Ket cau ngam cung','Ket cau duoc gan goi DFP') 11 Chƣơng trình Matlab cho hệ bậc tự gắn gối DFP với trận động đất TAB (TABAS, IRAN, 09/16/78) d400 R800 clc close all clear all format long set(0,'defaultAxesFontName', 'Times New Roman') global kr d1e d2e A Y eta gama beta W k11 k12 k2 k3 k4 k5 k6 m2 m3 m4 m5 m6 m11 m12 c2 c3 c4 c5 c6 accl tstep fmax1e fmin1e a1e a2e fmax2e fmin2e Reff1 Reff2 N; %% DAC TRUNG KET CAU (Don vi: kN-mm) N=5; g=9810; k=80; m=450/g; zeta=0.05; ks=[k k k k k]; ms=[m m m m m]; %PHAN TICH CHU KY Mss=zeros(N); Ksa=zeros(N); Ksb=zeros(N);Ksc=zeros(N); for k=1:N Mss(k,k)=ms(k); Ksa(k,k)=ks(k); end for k=1:N-1 Ksb(k,k)=ks(k+1); Ksc(k,k+1)=-ks(k+1); end Kss=Ksa+Ksb+Ksc+transpose(Ksc); omega=(eig(Kss,Mss)).^0.5; T=2*pi./omega; ms=ms'; ks=ks'; cs=2*ms.*omega.*zeta; m2=ms(1); m3=ms(2); m4=ms(3); m5=ms(4); m6=ms(5); k2=ks(1); k3=ks(2); k4=ks(3); k5=ks(4); k6=ks(5); c2=cs(1); c3=cs(2); c4=cs(3); c5=cs(4); c6=cs(5); %% GIA TOC NEN load TAB % TABAS, IRAN, 09/16/78 tstep=dt; tf=30; tspan=0:tstep:tf; t1=length(X); t2=length(tspan);accl=zeros(1,t2); if t2