Khảo sát ảnh hưởng của thiết bị đệm cao su đến ứng xử kết cấu liền kề chịu động đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THÀNH TÂM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ ĐỆM CAO SU ĐẾN ỨNG XỬ KẾT CẤU LIỀN KỀ CHỊU ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành: Xây dựng Dân dụng Công nghiệp Mã số : 60.58.20 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2014 i Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trọng Phước Cán chấm nhận xét 1: TS Lương Văn Hải ………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Lê Văn Cảnh ………………………………………………………………………………………… Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 30 tháng 08 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Xuân Hùng TS Nguyễn Trọng Phước TS Lương Văn Hải PGS.TS Lê Văn Cảnh TS Nguyễn Trung Kiên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ THÀNH TÂM MSHV: 12210258 Ngày, tháng, năm sinh: 19/09/1988 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Xây dựng Dân dụng Công nghiệp Mã số: 60.58.20 I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ ĐỆM CAO SU ĐẾN ỨNG XỬ KẾT CẤU LIỀN KỀ CHỊU ĐỘNG ĐẤT II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu mơ hình ứng xử cao su tải trọng tác động - Áp dụng sử dụng cao su giảm xóc để giảm thiểu va đập hai cơng trình liền kề chịu động đất, giải tốn động lực học đánh giá kết - Viết chương trình máy tính ngơn ngữ MATLAB giải tốn động lực học - Đánh giá hiệu thiết bị đệm cao su giảm thiểu va đập hai kết cấu III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 6/2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC Tp HCM, ngày tháng năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM HỘI ĐỒNG NGÀNH TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG iii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn TS Nguyễn Trọng Phước Thầy tận tâm hướng dẫn, sửa động viên tơi suốt q trình nghiên cứu thực đề tài trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Những dẫn thầy không kiến thức khoa học quý báu mà kinh nghiệm tư khoa học, giải vấn đề để giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy, giảng dạy chương trình thạc sĩ chun ngành Xây dựng Dân dụng Cơng nghiệp khóa 2012 truyền đạt cho kiến thức vô quý báu Tôi xin cảm ơn đồng nghiệp khoa xây dựng trường Đại học Quang Trung, đặc biệt ThS Nguyễn Văn Nam anh Phạm Đình Trung, người nhiệt tình giúp đỡ tạo diều kiện thuận lợi cho tơi q trình làm luận văn Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn tất người thân, gia đình, thầy cơ, bạn bè khơng ngừng khuyến khích hỗ trợ tơi suốt q trình thực đề tài Tơi xin chân thành cảm ơn! iv TÓM TẮT “Khảo sát ảnh hưởng thiết bị đệm cao su đến ứng xử kết cấu liền kề chịu động đất” Luận văn phân tích hiệu giảm thiểu ảnh hưởng va đập thiết bị đệm cao su hai kết cấu liền kề chịu gia tốc động đất Ứng xử thiết bị đệm cao su mô mơ hình tác động phi tuyến đường cong lực - chuyển vị thu có dạng hàm số mũ, hệ số cản va đập xác định phụ thuộc vào vận tốc va đập hai kết cấu Phương trình chuyển động hai kết cấu liền kề có thiết bị đệm cao su chịu gia tốc động đất thiết lập giải phương pháp Newmark Một chương trình máy tính viết ngơn ngữ MATLAB để phân tích tốn động lực học kết cấu từ tìm kết bao gồm chuyển vị, vận tốc, gia tốc lực va đập hai kết cấu cho thấy hiệu giảm xóc thiết bị đệm cao su v ABSTRACT “The survey of the impact of rubber shock absorbers to adjacent structures during earthquakes” This thesis analysed the effectiveness of mitigating pounding of rubber shock absorbers between two adjacent structures during earthquakes The behavior of rubber shock absorbers is simulated by nonlinear impact model Inside that, line-force curved achieved transposition is exponential function The damping coefficient is set up based on impact speed between two structures The governing equations of motion of adjacent structures installed rubber shock absorbers during earthquakes is set up and solved by Newmark method A computer program was establish base on MATLAB to analyze dynamics response of structure and then the result of transposition, speed, acceleration and impact force between two structures is found Through that, we can realize the effectiveness of rubber shock absorbers vi MỤC LỤC Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Chương MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Chương TỔNG QUAN 2.1 GIỚI THIỆU 2.2 MƠ HÌNH VA ĐẬP KẾT CẤU 2.3 GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU VA ĐẬP KẾT CẤU 11 2.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY 14 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 3.1 GIỚI THIỆU 22 3.2 MÔ HÌNH KẾT CẤU 22 3.3 MƠ HÌNH CƠ HỌC 24 3.4 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG 25 3.5 XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ LỰC VA CHẠM 28 3.6 PHƯƠNG PHÁP GIẢI 35 3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 36 Chương VÍ DỤ SỐ 37 4.1 GIỚI THIỆU 37 4.2 KIỂM CHỨNG 37 4.3 VÍ DỤ SỐ 43 4.3.1 Phân tích đáp ứng kết cấu tải động đất Elcentro 45 4.3.2 Phân tích đáp ứng kết cấu tải động đất Hachinohe 51 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 58 Chương KẾT LUẬN 59 5.1 KẾT LUẬN 59 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 59 TÀI LIỆU THAM KHÁO 61 PHỤ LỤC vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Động đất Northridge (1994) Hình 1.2 Động đất Kobe (1995) Hình 1.3 Động đất Kocaeli (1999) Hình 1.4 Động đất Gujarat (2001) Hình 1.5 Động đất Sumatra (2005) Hình 1.6 Động đất Tứ Xuyên (2008) Hình 1.7 Động đất Haiti (2010) Hình 1.8 Động đất Đơng Bắc Nhật Bản (2012) Hình 1.9 Động đất Pakistan (2013) Hình 2.1 Mơ hình va đập kết cấu Hình 2.2 Đồ thị chuyển vị theo thời gian kết cấu khảo sát với mơ hình va đập khác Hình 2.3 Mơ hình kết cấu sử dụng hệ giằng bên Hình 2.4 Kết cấu sử dụng hệ cản ma sát Hình 3.1 Mơ hình kết cấu sử dụng gối cao su giảm xóc Hình 3.2 Mơ hình kết cấu n+m bậc tự Hình 3.3 Mơ hình kết cấu n bậc tự Hình 3.4 Kết thí nghiệm Kajita Hình 3.5 Mơ hình ứng xử cao su Hình 3.6 Thuật tốn xác định Cimp Hình 3.7 Mơ hình va chạm Hình 3.8 Lưu đồ thuật tốn Newkmark Hình 4.1 Biểu đồ kết giá trị vận tốc tương đối theo thời gian Hình 4.2 Biểu đồ mối quan hệ lực va đập chuyển vị tương đối Hình 4.3 Gia tốc Elcentro Hình 4.4 Phân tích phổ Elcentro Hình 4.5 Giá trị lực va đập với khoảng cách khác viii Hình 4.6 Giá trị gia tốc tầng với khoảng cách khác Hình 4.7 Đồ thị gia tốc Elcentro Hình 4.8 Phổ lượng Elcntro Hình 4.9 Đồ thị gia tốc Hachinohe Hình 4.10 Phổ lượng Hachinohe Hình 4.11 Giá trị gia tốc lớn kết cấu tải trọng Elcentro Hình 4.12 Hiệu (%) giảm gia tốc kết cấu tải trọng Elcentro Hình 4.13 Gia tốc tầng tải trọng Elcentro Hình 4.14 Gia tốc lớn tầng tải trọng Elcentro Hình 4.15 Chuyển vị tầng tải trọng Elcentro Hình 4.16 Chuyển vị trơi dạt tầng tải trọng Elcentro Hình 4.17 Lực va đập tầng tải trọng Elcentro Hình 4.18 Lực va đập lớn tầng tải trọng Elcentro Hình 4.19 Lực cắt tầng tải trọng Elcentro Hình 4.20 Lực cắt lớn tầng tải trọng Elcentro Hình 4.21 Giá trị gia tốc lớn kết cấu tải trọng Hachinohe Hình 4.22 Hiệu (%) giảm gia tốc kết cấu tải trọng Hachinohe Hình 4.23 Gia tốc tầng tải trọng Hachinohe Hình 4.24 Gia tốc lớn tầng tải trọng Hachinohe Hình 4.25 Chuyển vị tầng tải trọng Hachinohe Hình 4.26 Chuyển vị trôi dạt tầng tải trọng Hachinohe Hình 4.27 Lực va đập tầng tải trọng Hachinohe Hình 4.28 Lực va đập lớn tầng tải trọng Hachinohe Hình 4.29 Lực cắt tầng tải trọng Hachinohe Hình 4.30 Lực cắt lớn tầng tải trọng Hachinohe ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Thông số tác động cao su Bảng 4.2 Giá trị lực va đập tầng theo khoảng cách kết cấu Bảng 4.3 Thống kê giá trị gia tốc lớn tầng kết cấu tải Elcentro Bảng 4.4 Thống kê giá trị gia tốc lớn tầng kết cấu tải Elcentro Bảng 4.5 Thống kê giá trị lớn kết cấu tải Elcentro Bảng 4.6 Thống kê giá trị lớn kết cấu tải Elcentro Bảng 4.7 Thống kê giá trị gia tốc lớn tầng kết cấu tải Hachinohe Bảng 4.8 Thống kê giá trị gia tốc lớn tầng kết cấu tải Hachinohe Bảng 4.9 Thống kê giá trị lớn kết cấu tải Hachinohe Bảng 4.10 Thống kê giá trị lớn kết cấu tải Hachinohe x CHƯƠNG KẾT LUẬN 1.1 KẾT LUẬN Từ kết phân tích luận văn, số kết luận sơ lược rút sau: ™ Mơ hình ứng xử phi tuyến cao su tìm hiểu thể mối quan hệ lực tác dụng biến dạng nén cao su đường cong có dạng hàm số mũ; mơ hình rút từ thực nghiệm nghiên cứu tài liệu tham khảo ™ Luận văn phân tích hiệu giảm thiểu va đập hai kết cấu liền kề thiết bị đệm cao su Mơ hình tốn va đập hai kết cấu sử dụng thiết bị đệm cao su thiết lập Kết số hiệu giảm thiểu va đập so sánh với hai kết cấu liền kề không sử dụng gối cao su ™ Chương trình máy tính đựa ngơn ngữ lập trình MATLAB xây dựng để giải toán động lực học kết cấu theo thuật toán Newmark Độ tin cậy chương trình kiểm chứng thông qua sai số nhỏ toán đề cập ™ Hiệu giảm thiểu va đập cao su phụ thuộc vào kích thước khoảng cách địa chấn, đặc điểm trận động đất đặc tính động lực học kết cấu 1.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Luận văn thu kết tích cực khảo sát hiệu giảm thiểu va đập hai kết cấu liền kề thiết bị đệm cao su Tuy nhiên nhiều hạn chế cần nghiên cứu sâu hơn: 59 ™ Phân tích thêm hiệu giảm thiểu va đập kết hợp thiết bị đệm cao su với thiết bị tiêu tán lượng khác ™ Mơ hình đệm cao su dựa vào thực nghiệm, kiểm chứng thêm số mơ hình ứng xử khác qua thí nghiệm thiết lập 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Đỗ Kiến Quốc, Nguyễn Trọng Phước Các phương pháp số động lực học kết cấu, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP.HCM [2] Lê Thanh Cường, Nguyễn Trọng Phước “Phân tích tác động va đập kết cấu liền kề chịu động đất hiệu giảm va đập hệ cản lưu biến từ”, Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XI, thành phố Hồ Chí Minh, 2013, pp 282-292 TIẾNG ANH [3] Agarwal V.K, Niedzwecki J.M, Van de Lindt J.W “Earthquake induced pounding in friction varying base isolated buildings”, Engineering Structures, vol 29, pp 2825-2832, March 2007 [4] Anagnostopoulos S.A “Pounding of buildings in series during earthquakes”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, vol 16, pp 443-456, 1988 [5] Doğan Mizam, Günaydin Ayten “Pounding of adjacent RC buildings during seismic loads”, Journal of Engineering and Architecture Faculty of Eskişehir Osmangazi University, vol 22, pp 129-145, 2009 [6] Efraimiadou Sofia, Hatzigeorgiou G.D, Beskos D.E “Structural pounding between adjacent buildings subjected to strong ground motions”, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, vol 42, pp 1509-1528, 2013 [7] Efraimiadou Sofia, Hatzigeorgiou G.D “Structural pounding between adjacent buildings: The effects of different structures configurations and multiple earthquakes”, in 15th World Conference on Earthquake Engineering, Lisbon, 2012, pp 147-157 [8] Elsalam S.A, Eraky Atef “Control of adjacent isolated-buildings pounding using viscous dampers”, Journal of American Science, vol 12 , pp.1251-1259, 2012 [9] Hadi M.N, “Investigating the effects of pounding for inelastic base isolated adjacent buildings under earthquake excitations”, in Proceedings of the 21st Australian Conference on the Mechanics of Structures and Meterials, Melbourne, 2010, pp 329334 [10] Hameed A, Saleem M, “Mitigation of seismic pounding between adjacent buildings”, Pakistan Journal of Science, vol 64, pp 326-333, 2012 [11] Jankowski Robert, Wilde Krzysztof, Fujino Yozo, “Reduction of pounding e!ects in elevated bridges during earthquakes”, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, vol 29, pp 195-212, 2000 [12] Jankowski Robert “Non-linear viscoelastic modelling of earthquake-induced structural pounding”, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, vol 34, pp 595-611, 2005 [13] Jankowski Robert, “Pounding force response spectrum under earthquake excitation”, Engineering Structures, vol 28, pp 1149-1161, 2006 [14] Jankowski Robert, “Theoretical and experimental assessment of parameters for the nonlinear viscoelastic model of structural pounding”, in Journal of Theoretical and Applied Mechanics, Warsaw , 2007, pp 931-942 61 [14] Kajita Yukihide, Kitahara Takeshi, Nishimoto Yasushi, Otsuka Hisanori, “Estimation of maximum impactforce on natural rubber during collision of two steel bars”, in First European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Geneva , 2006, pp 488-496 [15] Khatiwada S, Chouw N, Butterworth J.W, “Development of pounding model for adjacent structures in earthquakes”, in Proceedings of the Ninth Pacific Conference on Earthquake Engineering Building an Earthquake-Resilient Society, Auckland, 2011, pp 80-88 [16] Komodromos Petros, Polycarpou P.C, Papaloizou Loizos, Phocas M.C, “Response of seismically isolated buildings considering poundings”, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, vol 36, pp 1605-1622, 2007 [17] Mahmoud Sayed, Abd-Elhamed Ayman, Jankowski Robert, “Earthquake-induced pounding between equal height multi-storey buildings considering soil-structure interaction”, Bulletin of Earthquake Engineering, vol 11, pp 1021-1048, 2013 [18] Muthukumar Susendar, Desroches Reginald, “Evaluation of impact models for seismic pounding”, in 13th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, 2004, pp 235-246 [19] Naserkhaki S, Ghorbani S.D, Tolloei D.T, “Heavier adjacent building pounding due to earthquake excitation”, Asian Journal of Civil Engineering , vol 14, pp 349-367, 2013 [20] Naserkhaki S, El-Rich M, Aziz F.N.A, Pourmohammad H “Separation gap, a critical factor in earthquake induced pounding betweenadjacent buildings”, Asian Journal of Civil Engineering , vol 14, pp 881-898, 2013 [21] Polycarpou C.P, Komodromos Petros, “A parametric study for the investigation of the effectiveness of rubbershock-absorbers as a mitigation measure for earthquake-induced structural poundings”, presented at 3rd Eccomas Thematic Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering, Corfu, Greece, 2011 [22] Polycarpou C.P, Komodromos Petros, Polycarpou A.C, “A nonlinear impact model for simulating the use of rubber shock absorbers for mitigating the effects of structural pounding during earthquakes”, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, vol 42 pp 81-100, 2013 [23] Raheem S.F.A, “Seismic Pounding between Adjacent Building Structures”, Electronic Journal of Structural Engineering, vol 6, pp 66-74, 2006 [24] Raheem S.F.A, “Pounding mitigation and unseating prevention at expansion joints of isolated multi-span bridges”, Engineering Structures, vol 31, pp 2345-2356, 2009 [25] Raheem S.F.A, “Mitigation measures for seismic pounding effects on adjacent buildings responses”, presented at 4th Eccomas Thematic Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering, Kos Island, Greece, 2013 [26] Sorace S, Terenzi G, “Damped Interconnection-Based Mitigation of Seismic Pounding between Adjacent R/C Buildings”, International Journal of Engineering and Technology, vol 5, pp 406-412, 2013 [27] Warnotte V, Stoica D, Majewski S, Voiculescu M, “State of the art in the pounding mitigation techniques”, Structural Mechanics, vol 4, pp 102-117, 2007 62 PHỤ LỤC Chương trình %% %% %% %% %% CHUONG TRINH TINH TOAN KET CAU NHIEU BAC TU DO CHIU TAI DONG DAT HOC VIEN : LE THANH TAM HUONG DAN : TS NGUYEN TRONG PHUOC DON VI TINH TOAN : N-m-Kg TAI DONG DAT : Hachinohe clear all clc %% NHAP SO LIEU DAU VAO si=0.05; n=8; m=8; n1=n+m; n2=n; n_double=n1+n2; l1=ones(n1,1);l2=ones(n2,1); l=ones(n_double,1); m1=[1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6]*1e5; m2=[1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6]*1e5; k1=[3 3 3 3 3 3 3 3 3]*1e8; k2=[3 3 3 3 3]*1e8; c1=zeros(n1,1); c2=zeros(n2,1); %% KET NOI MA TRAN BUIDING [M1,K1]=connection_matrices(m1,c1,k1,n1); [V1,eigenvalue1]=eig(K1,M1); omega1=sort(diag(sqrt(eigenvalue1)),'descend'); T1=2*pi*ones(n1,1)./omega1; f1=sort(omega1/(2*pi)); [zeta1]=Rayleigh(si,omega1); c1=2*m1'.*zeta1.*omega1; [M1,K1,C1]=connection_matrices(m1,c1,k1,n1); %% KET NOI MA TRAN BUIDING [M2,K2]=connection_matrices(m2,c2,k2,n2); [V2,eigenvalue2]=eig(K2,M2); omega2=sort(diag(sqrt(eigenvalue2)),'descend'); T2=2*pi*ones(n2,1)./omega2; f2=sort(omega2/(2*pi)); [zeta2]=Rayleigh(si,omega2); c2=2*m2'.*zeta2.*omega2; [M2,K2,C2]=connection_matrices(m2,c2,k2,n2); %% KET NOI MA TRAN TONG QUAT M=[M1 zeros(n1,n2);zeros(n2,n1) M2]; K=[K1 zeros(n1,n2);zeros(n2,n1) K2]; 63 C=[C1 zeros(n1,n2);zeros(n2,n1) C2]; %% PHAN CHIA BUOC THOI GIAN t_f=36; delta_t=0.00125; t=0.00125:delta_t:t_f; nt=length(t); %% LOAD GIA TOC NEN load Hachinohe00125.txt; Hachinohe=Hachinohe00125'; if length(Hachinohe)