Khảo sát tác dụng chống động đất của hệ thống cô lập móng bis

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  -NGUYỄN VĂN GIANG ĐỀ TÀI KHẢO SÁT TÁC DỤNG CHỐNG ĐỘNG ĐẤT CỦA HỆ THỐNG CÔ LẬP MÓNG - BIS LUẬN ÁN CAO HỌC CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ : 23.04.10 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 12-2002 Chương Tổng quan CHƯƠNG GIỚI THIỆU PHẦN I : TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU Trong năm gần đây, người ta nghiên cứu ứng dụng nhiều giải pháp kỹ thuật nhằm giảm phản ứng công trình tác động gió động đất Động đất thảm họa khủng khiếp loài người, phá hỏng công trình, gây thiệt hại người cải mà để lại tổn thất nặng nề mà người cần phải khắc phục thời gian dài Một quan điểm tiến để giúp công trình chống lại cá tác động thiên nhiên sử dụng hệ thống điều khiển kết cấu Các hệ thống tiêu tán phần lớn lượng gió, động đất… bảo đảm an toàn cho công trình Khi thiết kế kết cấu có độ mảnh lớn(ví dụ nhà cao tầng, cầu nhịp lớn…), ta cần quan tâm đến giới hạn dao động mà cảm giác người chịu được, chẳng hạn người ta cảm thấy khó chịu gia tốc vượt giới hạn (theo qui phạm Mỹ giới hạn 0,02g với g gia tốc trọng trường) [14] Các hệ thống điều khiển kết cấu phân vào ba nhóm chính: cô lập dao động đáy móng (base isolation), cản bị động (passive damping) điều khiển chủ động kết cấu (active control) Trong ba nhóm giải pháp cô lập móng nghiên cứu sớm nhất, nhiên việc ứng dụng rộng rãi phát triển vào năm thập niên 1980 từ công nghệ chế tạo dụng cụ thiết bị phát triển nhanh chóng Hệ cô lập dao động đáy móng: nhằm tách rời kết cấu bên móng bên gối đỡ mềm, kéo dài chu kỳ dao động riêng kết cấu, tránh xa chu kỳ lực kích thích, từ tránh tượng cộng hưởng Hiện nay, cô lập móng giải pháp khả thi kinh tế nhiều nhà thiết kế ứng dụng, đặc biệt Nhật Bản, nhằm giảm thiểu tổn hại động đất Hệ thống hấp thụ lượng bị động: dùng vật liệu thiết bị để gia tăng tính cản, độ cứng cường độ, sử dụng công trình nhằm hạn chế tác động tác động thiên nhiên việc nâng cấp, sữa chữa công trình hữu Trong năm gần đây, người ta nghiên cứu, chế tạo, lắp đặt hệ thống vào nhiều công trình giới Tác dụng làm tiêu tán lượng có động chuyển thành nhiệt trượt ma sát, chuyển pha kim loại, biến dạng vật liệu đàn nhớt [26] Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang Chương Tổng quan Trong số hệ thống tiêu tán lượng bị động sử dụng nước Mỹ dẫn đầu hệ thống thiết bị dựa biến dạng vật liệu polyme đàn nhớt Ban đầu chúng sử dụng công nghiệp quân sự, sau chúng dùng cho công trình xây dựng dạng hệ giằng tiêu tán lượng hệ cô lập để hạn chế ảnh hưởng động đất [26] Ngoài thiết bị hấp thu tiêu tán lượng trực tiếp trên, có số thiết bị tiêu tán lượng cách gián tiếp như: hệ cản điều chỉnh khối lượng (Tuned Mass Damper, TMD) bao gồm khối lượng phụ gắn vào đỉnh công trình thông qua lò xo cấu có tính cản nhằm làm hạn chế dao động Gần đây, việc áp dụng thiết bị cản điều chỉnh khối lượng áp dụng cho công trình nhà cửa mà sử dụng cho công trình tháp trụ, ống khói cao, công trình cầu Hệ làm giảm dao động gió tác động vào kết cấu cách có hiệu Hệ cản điều chỉnh chất lỏng (Tuned Liquid Damper, TLD) dạng hệ cản quán tính cách đặt bể nước mái công trình Chất lỏng bể vừa đóng vai trò khối lượng, vừa tạo tính cản nhờ hiệu ứng nhớt lớp biên Đồng thời lực trọng trường đóng vai trò liên kết đàn hồi có xu hướng đưa khối chất lỏng lắc lư vị trí cân Khi chiều cao bể nước lớn, ta đặt thêm lưới vào hồ, lúc tính cản tạo chảy rối chất lỏng qua lớp lưới [2] Điều khiển kết cấu chủ động: Song song với giải pháp bị động từ năm 1980 Mỹ Nhật Bản nghiên cứu phát triển giải pháp điều khiển chủ động (active control) bán chủ động (semi-active control) để bảo vệ kết cấu chống lại gió, động đất tai họa khác Việc điều khiển chủ động kết cấu thông qua điều khiển khối lượng chủ động (Active Mass Damper) hay thay đổi độ cứng hệ cách chủ động (Active Variable Stiffness System) [2] Hệ có độ cứng thay đổi chủ động loại hệ điều khiển dao động kết cấu tránh tượng cộng hưởng động đất, động đất mạnh thông qua tác động điều khiển Quá trình lắp đặt thiết bị yêu cầu phải đặt giằng lớn hình chữ V tầng hai đầu kết cấu nhằm hạn chế chuyển vị ngang Mỗi thiết bị lắp đặt gắn dụng cụ thay đổi độ cứng, kích hoạt cách mở van bên Khi van đóng, hệ bị khóa Khi phân tích chuyển động mặt đất động đất, thiết bị điều khiển tối ưu thay đổi tần số kết cấu cách lựa chọn độ cứng thích hợp cho công trình nhằm đóng mở giằng khác Do cộng hưởng bị triệt tiêu thông qua điều chỉnh độ cứng kết cấu [2] Hệ cản hỗn hợp (Hybrid Mass Dampers, HMD) bao gồm thiết bị cản khối lượng (TMD) kết hợp với điều khiển tác động (control actuator) Tác dụng giảm Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang Chương Tổng quan dao động thiết bị phụ thuộc chủ yếu vào chuyển động thiết bị cản khối lượng, mà khối lượng thiết bị lại điều khiển nhờ lực chủ động từ điều khiển tác động (actuator), khiến cho hệ cản hỗn hợp làm tăng tính cản kết cấu cách có hiệu [2] Chẳng hạn, công trình xây dựng cầu Rainbow Bridge Tower, dùng TMD bị động khối lượng TMD 1% khối lượng công trình, dùng HMD cần tỉ số khối lượng 0,14% Một loại thiết bị cản hỗn hợp khác áp dụng cho công trình 14 tầng chịu tải trọng gió, tòa nhà Ando Nishikicho Building Việc sử dụng thiết bị cản nhớt chất lỏng đệm cao su nhiều lớp nhằm điều khiển đồng thời chuyển động theo hai phương, lắp đặt gần đỉnh công trình có tác dụng cô lập hạn chế dao động Nếu dùng hệ cản bị động TMD cần có khối lượng 18 tấn, xấp xỉ khoảng 0,3 – 0,8% khối lượng công trình, dùng HMD cần khối lượng tấn, khoảng 10 –15% khối lượng TMD Các thiết bị nghiên cứu ứng dụng rộng rãi Nhật Bản Một ứng dụng thú vị điều khiển chủ động cần trục thi công nhà cao tầng Thí dụ trình thi công tòa nhà Landmark Tower (cao Nhật Bản 296m) vị trí cần trục điều khiển chủ động nhờ hệ thống quạt Hệ thống quạt ngăn ngừa chuyển vị xoay mức panel trình cẩu lắp đặt, điều kiện gió lớn Cần trục làm việc hiệu hơn, góp phần làm giảm thời gian thi công Ngoài ra, tòa nhà Landmark Tower lắp đặt thiết bị cản khối lượng bán chủ động (HMD) để giảm gia tốc dao động Nói tóm lại, việc điều khiển kết cấu nghiên cứu ứng dụng nước giới, đặc biệt Nhật Bản Mỹ, nơi thường xuyên xảy động đất Ở Việt Nam, điều khiển kết cấu lónh vực mới, chưa nghiên cứu nhiều Tuy nhiên, năm gần đây, Việt Nam xảy số trận động đất, đặc biệt động đất 5,3 độ Richter thực xảy Lai Châu vào ngày 19/02/2001, gây thiệt hại hàng trăm tỉ đồng, hàng ngàn nhà bị hư hỏng nặng Để giảm bớt tai họa động đất gây ra, luận án này, tác giả khảo sát giải pháp đơn giản có hiệu để chống động đất sử dụng hệ thống cô lập động đất chân công trình với đề tài “Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng (Base Isolator System), từ đề xuất kết xây dựng hay sửa chữa công trình vùng có nguy động đất 1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ CÔ LẬP ĐỘNG ĐẤT TẠI MÓNG Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang Chương Tổng quan Hệ thống cô lập bảo vệ công trình khỏi bị hư hỏng nặng ảnh hưởng động đất cách “tách rời” phần kết cấu bên móng bên Mặc dù ý tưởng đề cập tới cách 100 năm, nhiên, năm gần đây, cô lập dao động ngày ứng dụng nhiều cho nhà cửa công trình cầu vùng động đất cao Mục đích cô lập nhằm tách rời hạn chế việc truyền lực động vào kết cấu cách sử dụng vài dạng gối đỡ mềm đặt đáy móng Các gối làm cho tần số dao động riêng kết cấu thấp tần số riêng kết cấu ngàm chặt đáy móng, thấp nhiều so với tần số dao động động đất Từ chu kì dao động kết cấu lớn chu kì dao động động đất tránh tượng cộng hưởng Mode dao động thứ kết cấu bị cô lập, liên quan biến dạng hệ cô lập, kết cấu bên đảm bảo cứng Những mode cao tạo biến dạng bên kết cấu trực giao với mode thứ Những mode cao không tham gia vào chuyển động, động đất có lượng cao ứng với tần số cao này, lượng không truyền vào kết cấu [12] Ngoài ra, gối đỡ hệ cô lập cung cấp tính cản lớn so với tính cản kết cấu nguyên thủy Điều có ý nghóa việc giảm phản ứng kết cấu; độ cứng hệ cô lập thấp gây chuyển vị tương đối công trình so với mặt đất lớn động đất có cường độ cao, thân hệ cô lập phải có khả tiêu tán lượng để làm giảm biến dạng đáy móng [14] Để tăng tính cản, vài năm gần đây, Nhật Bản Mỹ, người ta kết hợp đệm đàn hồi nhiều lớp với hay số loại thiết bị cản trễ, sử dụng đệm có lõi chì (Lead Rubber Bearing, LRB) có tác dụng làm tắt nhanh dao động đáy móng [11], [14] Việc nghiên cứu phát triển đệm cao su thiên nhiên cho công trình bị cô lập động đất nghiên cứu từ năm 1976 trung tâm nghiên cứu động đất (Earthquake Engineering Research Center, EERC) Đại học Berkeley California [12] Việc chế tạo đệm cô lập cao su cách cho cao su lưu hóa kết dính với thép dát mỏng để gia cường Các đệm cứng theo phương đứng mềm theo phương ngang Dưới tải trọng động đất, đệm cô lập công trình theo thành phần ngang chuyển vị mặt đất thành phần thẳng đứng truyền vào kết cấu không thay đổi Mặc dù gia tốc theo phương đứng không ảnh hưởng công trình, đệm cô lập công trình dao động tần số cao theo phương đứng phát sinh xe cộ lưu thông đường Tuy nhiên, đệm cao su thích hợp cho công trình cao tối đa 10 tầng Một phương pháp cô lập dao động khác sử dụng đệm trượt Hệ thực nhằm giới hạn lực cắt truyền vào kết cấu thông qua mặt trượt Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang Chương Tổng quan cô lập, thường đặt tầng Phương pháp áp dụng thành công từ xa xưa đền Parthenon kiến trúc cổ chống động đất Các nhà xây dựng Hy Lạp cổ khoảng 400 năm trước công nguyên nhận tầm quan trọng đền tiếng chịu tải trọng ngang, cách kết hợp chốt kim loại khớp với để liên kết với khối cột lăng trụ đá lắp đoạn cột Các đền Hy Lạp, chẳng hạn đền Parthenon cột gắn chốt sắt bọc chì bên nhằm đạt mục đích Các đóa đá hoa cương đặt chân cột trượt theo phương ngang động đất, trì khả chịu tải trọng đứng tác động kết cấu Trong suốt trình chuyển động này, lực cắt truyền vào lõi chì cản ma sát phát sinh hai đóa đá hoa cương tạo cấu tiêu tán lượng Thiết bị gia tăng độ cứng tính cản, sử dụng số thép chịu uốn dẻo ghép nối để chịu cắt [2] Hầu chịu động đất biến dạng dẻo phân phối sang thiết bị gia tăng độ cứng tính cản, hư hỏng công trình bị giới hạn Các thiết bị sử dụng Nhật Bản New Zealand Hiện nay, việc ứng dụng hệ cô lập móng thực số công trình giới như: Toà nhaø Salt Lake City Building (Mayer et al 1987, Water et al 1986) Đây công trình kiến trúc cổ xây dựng từ năm 1892 đến 1894 Công trình cao tầng, kết cấu gạch không cốt thép, có tháp cao 12 tầng gạch Tòa nhà Salt Lake City Building Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang Chương Tổng quan Để trùng tu công trình, người ta dùng kết hợp 208 đệm cao su có lõi chì (Lead Rubber Bearing, LBD) 239 đệm cao su thiên nhiên (Natural Rubber Bearing, NRB) để cách ly kết cấu khỏi móng Kết cấu sau gia cố chịu động đất với gia tốc thiết kế 0,2g (g gia tốc trọng trường) Người ta tính toán rằng, không dùng hệ thống cô lập tổng chi phí việc sữa chữa sau cố động đất vào khoảng 24 triệu USD Trong đó, chi phí cho giải pháp trùng tu có dùng hệ thống cô lập nhà thầu báo giá 4,14 triệu USD (đã bao gồm chi phí cho 447 thiết bị cô lập) [14] Toaø nhaø The Toushin 24 Ohmori Building (Kajima, 1989) Toaø nhà có tầng tầng hầm dùng làm garage Cạnh bên công trình đường ray xe lửa náo nhiệt Tokyo Mục đích hệ thống cô lập để giảm dao động xe cộ động đất Ở hệ thống cô lập này, người ta dùng kết hợp gối cao su tự nhiên nhiều lớp thiết bị cản thép [14] The Toushin 24 Ohmori Building Toà nhà Bridgestone Toranomon Building (Shimizu, 1987) Toaø nhaø Bridgestone Toranomon Building laø văng phòng tập đoàn Bridgestone, nhà cung cấp sản phẩm cao su (kể gối đỡ cho công trình) hàng đầu giới Hệ thống cô lập gồm có 12 gối cao su nhiều lớp, 25 thiết bị cản thép (steel damper) thiết bị cản nhớt (dùng dầu) Thiết bị cản nhớt dùng để tiêu tán lượng gió lực kích động cường độ yếu Ở cấp tải thiết bị cản thép thiết kế để làm việc giai đoạn đàn hồi, chủ yếu để tạo độ cứng cho kết cấu Đến cấp tải trọng động đất mạnh lượng tiêu tán chủ yếu nhờ thiết bị cản thép [14] Công trình San Francisco City Hall (1994) Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang Chương Tổng quan San Francisco City Hall công trình mang tính lịch sử cần trùng tu Người ta lắp thêm vào kết cấu hữu hệ thống cô lập động đất bao gồm 530 gối đỡ cao su có lõi chì để chịu động đất với gia tốc 0,5g (g gia tốc trọng trường) Chi phí cho việc trùng tu kết cấu khoảng 105 triệu USD [14] Việc nghiên cứu ứng dụng hệ cô lập dao động Nhật Bản ngày phát triển nhanh chóng, đặc biệt sau công trình bị cô lập lần hoàn thành vào năm 1986 Mặc dù công trình Nhật Bản đòi hỏi phải có chấp thuận đặc biệt Bộ Xây Dựng, vào ngày 30 tháng 06 năm 1998, có 550 công trình cô lập đáy móng chấp thuận cho xây dựng [12] Hệ cô lập dao động đáy móng phát triển thuận lợi Nhật Bản nhiều nguyên nhân Việc nghiên cứu phát triển thiết bị cô lập đòi hỏi kỹ thuật cao có ý nghóa đặc biệt quan trọng, công ty xây dựng lớn tự tin vào kỹ thuật này, trình xây dựng công trình cô lập móng trình tiêu chuẩn hóa không phức tạp Đặc biệt, Nhật Bản nước nằm vùng động đất cao đòi hỏi người Nhật Bản phải có sống an toàn thời gian dài tổn thất cho công trình thấp Gần đây, công trình cô lập dao động đáy móng lớn giới trung tâm máy tính West Japan Postal Computer Center Sanda, Kobe Công trình có tầng với diện tích 47000 m2 đặt 120 thiết bị cô lập đàn hồi với số thiết bị cản thép chì Công trình sau bị cô lập có chu kỳ T = 3,9s cách tâm chấn động đất Kobe năm 1995 khoảng 30 km, xem động đất dội Gia tốc cực đại thiết bị cô lập 0,41g (400 cm/s2) giảm xuống cô lập 0,13g (127cm/s2) tầng thứ Chuyển vị thiết bị cô Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang Chương Tổng quan lập khoảng 12cm Công trình không bị phá hủy, công trình lân cận có kết cấu ngàm cứng đáy móng bị phá hủy [12] Việc sử dụng thiết bị cô lập tiếp tục gia tăng, đặc biệt sau trận động đất Kobe, ngày có nhiều công trình cho phép gắn thiết bị cô lập móng, kể tòa nhà chung cư Một số hình ảnh kết cấu công trình bị sụp đổ sau trận động đất Kobe Toàn công trình bị sụp đổ hoàn toàn Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang Chương Tổng quan Một số đường cao tốc bị sụp đổ Hình ảnh đường cao tốc bị phá hủy sau trận động đất Tp Kobe năm 1994 Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A K Chopra (1995), Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering, Prentice Hall International Inc, Englewood Cliffs, N.J [2] Ahsan Kareem, Tracy Kijiewski, Yukio Tamura (1999), Mitigation of Motions of Tall Buildings with Specific Examples of recent Applications , Wind and Structures 2(3) [3] Bungale S Taranath (1998), Steel-Concrete and Composite Design of Tall Buildings, Mc Graw-Hill, Pubs Co [4] Chu Quốc Thắng (1997), Phương pháp phần tử hữu hạn, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật [5] D Key (1997), Thực hành thiết kế chống động đất cho công trình xây dựng, Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội [6] Đỗ Kiến Quốc, Bài giảng động lực học kết cấu, Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [7] E L Wilson (1997), Sap 2000 Version 6.1 User’s Manual, Computer and Structures, Inc Berkeley, California, USA [8] E L Wilson (2000), Sap 2000 Version 6.11 User Guide-Analysis Reference-Static and Dynamic Finite Element Analysis of Structures, Computer and Structures Inc Berkeley, California, USA [9] Erik A Johnson, Juan C Ramallo, Billie F Spencer Jr and Michael K Sain (1998), Intelligent Base Isolation Systems, The Second World Conference on Structural Control, Kyoto, Japan [10] Hiroky Yamabuchi (1991), Control of Structures, National Information Service for Earthquake Engineering, Asian Institute of Technology, Thailand [11] Hsiang-Chuan Tsai and James M.Kelly (1993), Seismic Response of Heavily Damped Base Isolation Systems, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol 22, 633-645 [12] James M Kelly (1998), Base Isolation: Origins and Development, National Information Service for Earthquake Engineering, University of California, Berkeley [13] James M Kelly (1996), Earthquake Resistant Design with Rubber, 2nd edition, Springer-Verlag, London [14] Jemore J Connor (2000), Introduction to Structural Motion control, Massachusetts, Institute of Technology, USA [15] Mai Taâm, Khả động đất Việt Nam, Báo Phụ nữ ngaøy 04-11-1999 [16] Mehmet Celebi (1996), Successful Performance of a Base-Isolated Hospital Building during the 17 January 1994 Northridge Earthquake, The Structural Design of Building, Vol.5, 95-109, John Wiley and Son, Ltd [17] Nguyễn Huy Côn, Các biện pháp xây dựng vùng động đất, Tạp chí Xây Dựng, năm thứ 41, số 405 tháng 11/2001 [18] Nguyễn Thị Dung, Một giải pháp cho kết cấu nhà cao tầng chịu động đất, Luận án Cao học Khóa ngành XDDD & CN, thaùng 03/2001 [19] Peter Clark (1997), Response of Base Isolated Buildings, National Information Service for Earthquake Engineering, University of California, Berkeley Tài liệu tham khảo [20] Phạm Dương, Bích Hoan, Lai Châu: Động đất 5,3 độ Richter – Ở Việt Nam vùng xảy động đất, Báo Người Lao Động ngày 21-02-2001 [21] Phạm Gia Lộc (1985), Cơ sở động đất tính toán công trình chịu tải trọng động đất, Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội [22] R Clough and W J Penzien (1993), Dynamics of Structures, McGraw-Hill, Pubs Co [23] S S Rao (1989), The Finite Element Method in Engineering, Pergamon Press [24] Soong T T and G F Dargush (1997), Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, Wiley & Son, NewYork [25] Tsung-Wulin and Chao-Chi-Hone (1993), Base Isolation by Free Rolling Rods Under Basement, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol 22, 261-273 [26] Y Fujino, T T Soong and B F Spencer Jr (1996), Structural Control: Basic Concept and Application, Proceeding of Structures Congress XIV, ASCE, Chicago, USA [27] Base Isolation of Structures: Design Guidelines, Holmes Consulting Group Ltd, Revision 0: July 2001 Phụ lục PHỤ LỤC I PHỤ LỤC SỬ DỤNG PHẦN TỬ ISOLATOR CỦA PHẦN MỀM SAP2000 HOẶC ETABS ĐỂ MÔ TẢ GỐI CAO SU TRONG HỆ THỐNG CÔ LẬP ĐỘNG ĐẤT Đặc tính NonLinear phần tử Isolator1 Các phần mềm PTHH đại Sap2000, Etabs có phần tử Isolator Nếu thông số phần tử cho dạng Linear ta mô tả phần tử cản đàn nhớt (có thể dùng hệ cản TMD) Nếu thông số phần tử cho dạng NonLinear theo kiểu song tuyến tính (bilinear) mô tả đặc trưng cản trễ gối cao su Đặc trưng cản trễ mô tả theo hai phương ngang X Y (biaxial hysteristic), thích hợp cho toán không gian, theo phương thẳng đứng ta dùng độ cứng đàn hồi Mô hình đàn –dẻo dựa ứng xử trễ vật liệu theo đề nghị Wen (1976); Park, Wen, Ang (1986), khuyến cáo áp dụng để phân tích cho hệ cô lập móng chuyên gia Nagarajaiah, Rienhorn Constantinou (1991) Quan hệ lực-chuyển vị phần tử mô tả hình Hình Đặc trưng phần tử Isolator1 biến dạng cắt theo trục Đối với biến dạng cắt bậc tự phân tích mà không phụ thuộc ứng xử tuyến tính phi tuyến : : fu2 = α2ku2du2 + (1 - α2)fy2z2 fu3 = α3ku3du3 + (1 - α2)fy3z3 (1.1) (1.2) ku; kr độ cứng đàn hồi độ cứng chảy dẻo mô tả chương (xem hình vẽ 2) Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ lục ku2; ku3 độ cứng đàn hồi theo phương phương (hai phương ngang) fy2; fy3 lực chảy dẻo theo phương phương lực Kr Fy Qd K u K eff ∆y chuyển vị ∆ Hình Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ độ cứng LRB độ cứng sau ngưỡng dẻo độ cứng đàn hồi k α2 = r ku k α3 = r ku3 α= z2, z3 biến số tương ứng trình (1.2a) (1.2b) (1.2c) z 22 + z 32 ≤ 1, với mặt chảy dẻo mặt có phương z 22 + z 32 = giá trị ban đầu z2 z3 0, đường bao xác định đạo hàm hệ phương trình sau :    − β z 22  z2  =     z  − β z z  3 − β z z3   1- β Z 32   ku   k du2    r2    ku3 d   k r u  (1.3) :  nế u d u2 z > β2 =  0 cho trường hợp khác (1.4a)  nế u d u3 z > β3 =  0 cho trường hợp khác (1.4b) Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ lục II PHỤ LỤC GIA TỐC NỀN CỦA ĐỘNG ĐẤT EL CENTRO (California , 1940) Hình Phổ gia tốc trận động đất El Centro Trong bảng sau, dòng có cặp số liệu (thời gian, gia tốc nền) Thời gian theo đơn vị giây (s), gia tốc theo đơn vị gia tốc trọng trường (g) 0.0108 0.042 0.001 0.097 0.0159 0.161 -0.0001 0.221 0.0189 0.263 0.0001 0.291 0.0059 0.332 -0.0012 0.374 0.02 0.429 -0.0237 0.471 0.0076 0.581 0.0425 0.623 0.0094 0.665 0.0138 0.72 -0.0088 0.7201 -0.0256 0.789 -0.0387 0.7891 -0.0568 0.872 -0.0232 0.8721 -0.0343 0.941 -0.0402 0.9411 -0.0603 0.997 -0.0789 1.066 -0.0666 1.0661 -0.0381 1.094 -0.0429 1.168 0.0897 1.315 -0.1696 1.384 -0.0828 1.412 -0.0828 1.44 -0.0945 1.481 -0.0885 1.509 -0.108 1.537 -0.128 1.628 0.1144 1.703 0.2355 1.8 0.1428 1.855 0.1777 1.924 -0.261 2.007 -0.3194 2.215 0.2952 2.27 0.2634 2.32 -0.2984 2.395 0.0054 2.45 0.2865 Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ lục 2.519 -0.0469 2.575 0.1516 2.652 0.2077 2.708 0.1087 2.769 -0.0325 2.893 0.1033 2.976 -0.0803 3.068 0.052 3.129 -0.1547 3.212 0.0065 3.253 -0.206 3.386 0.1927 3.419 -0.0937 3.53 0.1708 3.599 -0.0359 3.668 0.0365 3.738 -0.0736 3.835 0.0311 3.904 -0.1833 4.014 0.0227 4.056 -0.0435 4.106 0.0216 4.222 -0.1972 4.314 -0.1762 4.416 0.146 4.471 -0.0047 4.618 0.2572 4.665 -0.2045 4.756 0.0608 4.831 -0.2733 4.97 0.1779 5.039 0.0301 5.108 0.2183 5.199 0.0267 5.233 0.1252 5.302 0.129 5.33 0.1089 5.343 -0.0239 5.454 0.1723 5.51 -0.1021 5.606 0.0141 5.69 -0.1949 5.773 -0.0242 5.8 -0.005 5.809 -0.0275 5.869 -0.0573 5.883 -0.0327 5.925 0.0216 5.98 0.0108 6.013 0.0235 6.085 -0.0665 6.132 0.0014 6.174 0.0493 6.188 0.0149 6.1881 -0.02 6.229 -0.0381 6.279 0.0207 6.326 -0.0058 6.368 -0.0603 6.382 -0.0162 6.409 0.02 6.459 -0.0176 6.478 -0.0033 6.52 0.0043 6.534 -0.004 6.562 -0.0099 6.575 -0.0017 6.603 -0.017 6.645 0.0373 6.686 0.0457 6.714 0.0385 6.728 0.0009 6.769 -0.0288 6.7691 0.0016 6.811 0.0113 6.852 0.0022 6.908 0.0092 6.991 -0.0996 7.074 0.036 7.121 0.0078 7.143 -0.0277 7.149 0.0026 7.171 0.0272 7.226 0.0576 7.295 -0.0492 7.37 0.0297 7.406 0.0109 7.425 0.0186 7.461 -0.0253 7.525 -0.0347 7.572 0.0036 7.6 -0.0628 7.641 -0.028 7.669 -0.0196 7.691 0.0068 7.752 -0.0054 7.794 -0.0603 7.835 -0.0357 7.877 -0.0716 7.96 -0.014 7.987 -0.0056 8.001 0.0222 8.07 0.0468 8.126 0.026 8.1261 -0.0335 8.195 -0.0128 8.223 0.0661 8.278 0.0305 Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ luïc 8.334 0.0246 8.403 0.0347 8.458 -0.0369 8.533 -0.0344 8.596 -0.0104 8.638 -0.026 8.735 0.1534 8.818 -0.0028 8.86 0.0233 8.882 -0.0261 8.915 -0.0022 8.956 -0.1849 9.053 0.126 9.095 0.032 9.123 0.0955 9.15 0.1246 9.253 -0.0328 9.289 -0.0451 9.427 0.1301 9.441 -0.1657 9.51 0.0419 9.635 -0.0936 9.704 0.0816 9.815 -0.0881 9.898 0.0064 9.939 -0.0006 9.995 0.0586 10.022 -0.0713 10.05 -0.0448 10.0501 -0.0221 10.105 0.0093 10.1051 0.0024 10.188 0.051 10.272 -0.1243 10.382 0.0587 10.424 0.0133 10.452 0.0386 10.465 0.1164 10.507 -0.0374 10.534 -0.0572 10.645 0.0308 10.701 0.0223 10.714 0.0515 10.77 0.0903 10.839 -0.0194 10.922 0.0471 10.9221 -0.0677 10.964 -0.0794 10.991 -0.012 11.074 0.0608 11.088 -0.0269 11.116 -0.0416 11.207 0.0293 11.2071 0.0552 11.227 0.0756 11.268 0.0431 11.324 0.0208 11.434 0.118 11.573 -0.0999 11.656 -0.1247 11.725 -0.2094 11.7251 -0.1418 11.78 -0.1163 11.808 11.877 0.0762 11.919 0.057 11.988 0.1354 12.043 0.0673 12.113 0.0865 Khaûo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ lục PHỤ LỤC MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA GỐI CAO SU 3.1 Đặc tính kỹ thuật gối cao su có lõi chì SHEAR FORCE Gối cao su lõi chì chịu chuyển vị ngang sinh 01 vòng trễ mà vòng trễ 01 kết hợp mối quan hệ đàn hồi tuyến tính lực - chuyển vị gối cao su cộng với tính đàn hồi – dẻo trễ hoàn toàn lõi chì chịu lực cắt Lõi chì không sinh vùng trễ hình chữ nhật hoàn toàn hạn chế hữu hiệu “lực cắt chậm (trễ) (shear lag)” sinh miếng đệm thép bên gối cao su Do vậy, kết ta có 01 đường cong đồ thị hình 9, đường cong độ dỡ tải phục hồi tải trọng Khi thiết kế phân tích người ta sử dụng xấp xỉ song tuyến tương đương (equivalent bilinear) diện tích vòng trễ trên, mà tính cản giá trị diện tích vòng trễ SHEAR DISPLACEMENT Hình Vòng trễ gối cao su có lõi chì 3.1 Modun chống cắt Gối cao su nhiều lớp gối cao su có lõi chì chế tạo cao su có modun chịu cắt có biến dạng hoàn toàn 100% chịu áp lực từ 0.4 ÷ 1.2 Mpa Đặc biệt, gối cao su có lõi chì bị biến dạng chịu tải trọng khác với cao su có tính cản cao có biến dạng lớn (xem hình 9) Trên hình vẽ 9, thay đổi modun chịu cắt so với biến dạng cắt cao su thông thường có modun chịu cắt 0.4 Mpa Modun chịu cắt cao 10% so với cao su có modun chịu cắt 0.4 Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ lục SHEAR MODULUS, G (Mpa) Mpa (ứng với biến dạng 50%) biến dạng tăng 250% đến 400% modun chịu cắt cao modun chịu cắt cao su thông thường 30% APPLIED SHEAR STRAIN (%) Hình Modun chịu cắt cao su Còn gối cao su nhiều lớp, có vài loại phụ thuộc vào tải trọng đứng Trừ phi tải trọng đứng lớn, bình thường thay đổi modun chịu cắt khoảng 10% hầu hết khoảng 5% 3.2 Tính cản cao su nhiều công bố kỹ thuật đặc trung cao su liên hệ đến góc tổn thất Góc tổn thất δ định nghóa góc lệch pha đường ứng suất biến dạng cao su Đó tỷ số diện tích vòng trễ lượng biến dạng đàn hồi (between the loss modulus and the storage modulus) G" Tanδ = ' G (3.1) Trong G” phần phase modun chịu cắt, G’ phần phase modun chịu cắt Đây giá trị cản vật liệu Tiêu chuẩn ASTM D2231-94 cung cấp giá trị cản thiết kế Để thu giá trị cản gối cao su nhiều lớp người ta sử dụng kết thí nghiệm gối cao su sử dụng thông số ASTM D2231 hệ số không kể đến ảnh hưởng thép đặt gối cao su góp phần tiêu tán lượng (hình 10) Do tính cản tính từ thí nghiệm tỷ số diện tích vòng trễ với lượng biến dạng đàn hồi Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ lục Hình 10 Gối đỡ cao su có lõi chì (LRB) Hầu hết gối cao su có lõi chì sử dụng cao su tự nhiên có modun chịu cắt từ trung bình đến thấp Loại cao su không giống cao su tổng hợp mà có tính cản trễ cao Lý sử dụng loại cao su tự nhiên tính cản gối lõi chì định 3.3 Các đặc tính chịu kéo gối cao su có lõi chì Nếu trình sản xuất kiểm soát chất lượng chặt chẽ gối đỡ chịu ứng suất kéo lớn mà không bị phá hoại Ví dụ loại gối đỡ lõi chì hãng Skellerup làm thí nghiệm phá hoại lực kéo bị phá hoại mức biến dạng 150% hình 11 Độ cứng chịu kéo giai đoạn đàn hồi tưong ứng mức Mpa biến dạng xấp xỉ 15% Và biến dạng vượt 150% độ cứng giảm nhanh mức thấp Gối đỡ hình 11 sử dụng cao su có modun chịu cắt G = Mpa Gối đỡ sử dụng hệ cô lập phải có ứng suất nén tối thiểu 3G ứng suất kéo Mpa Hình 11 Thí nghiệm kéo gối đỡ nhiều năm Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ lục Một số thông số sức chịu cắt chịu kéo gối cao su có lõi chì củ hãng Skellerup cho bảng 3.1 Bảng 3.1 Loại A 920 549 0.89 (2.4G) Đường kính (mm) Lực kéo (KN) ng suất kéo (Mpa) Loại B 970 608 0.88 (2.4G) Chuyển vị (mm) 686 686 Biến dạng cắt 225% 225% 3.4 biến dạng cắt cực đại kết từ thí nghiệm gối đỡ có lõi chì hãng Skeelerup cho bảng 3.2 Tên gối Loại gối Đường kính (mm) HITEC 681 KN HITEC 2270 KN HITEC 3405 KN PEL JQT Tension JQT Shear/Tens JQT Shear/Comp LRB LRB LRB HDR R R R R R R R 450 620 620 450 350 350 500 500 500 500 500 ng suất nén (Mpa) Chuyể n vị cực ñaïi (mm) 4.7 8.0 12.0 8.8 -5.5 -2.7 2.5 7.5 10.0 15.0 20.0 335 434 381 305 84 140 250 250 400 250 250 Biến dạng cắt 320% 339% 190% 340% 155% 250% 250% 250% 400% 250% 250% Diện tích tương đương Ah 0.11 0.16 0.24 0.22 Vert 0.61 0.40 0.40 0.11 0.40 0.40 Tổng biến dạng Ghi 925% 795% 314% 762% Strain 363% 282% 347% 854% 444% 509% (1) (1) (2) (2) (3) (4) (5) 3.5 Biến dạng theo phương đứng tác dụng tải trọng ngang Khi gối chịu tải trọng ngang có thêm biến dạng theo phương đứng Tuy nhiên biến dạng nhỏ Hình 12 thể mối quan hệ lực cắt chuyển vị theo phương ngang Gối đỡ bị dịch chuyển trượt (chuyển vị cắt) 508mm tác dụng tải trọng đứng 2500 KN Biến dạng đứng chịu tải tác dụng 2.5mm, tăng dần đạt giá trị cực đại xấp xỉ 4.6mm mức chuyển vị 508mm Biến dạng đứng tối đa 12.4 mm chuyển vị ngang 686mm Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ lục Hình 12 Biểu đồ biểu diễn thí nghiệm cắt nén gối cao su có lõi chì 3.6 Chuyển vị tải trọng gió Đối với gối cao su có lõi chì pthành phần kháng lại tải trọng gió độ cứng đàn hồi lõi chì Chuyển vị tải trọng gió gây có giá trị từ 3.5mm (đối với tải trọng 0.01W) đến 11mm (đối với tải trọng gió 0.03W) lõi chì thường đạt đến ngưỡng dẻo mức chịu tải trọng gió cao 50% giá trị tải trọng gió thiết kế 3.2 Đặc tính kỹ thuật gối cao su có tính cản cao (HDR) Gối cao su có tính cản cao (HDR) loại chế tạo bở cao su tổng hợp đặc biêt mà cung cấp tính cản tương đương từ 10%  20% (xem hình 13) Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ lục Hình 13 Vòng trễ cao su có tính cản cao (HDR) Trái với gối cao su có lõi chì không cải tiến vài năm trở lại đây, HDR lại cải tiến công nghệ lưu hóa cao su ngày phát triển Dù giới có nhiều thông tin HDR, liệu dùng thiết kế lại hạn chế chưa kiểm chứng nhiều gối cao su có lõi chì (LRB) Những liệu sau tài liệu công bố hãng Skellerup xây dựng công trình missouri botanical garden bang ohio (Mỹ) 3.2.1 Modun chịu cắt Modun chịu cắt HDR hàm phụ thuộc vào biến dạng cắt (như hình 14) mức biến dạng thấp, 10% modun chịu cắt 1.2 Mpa cao chút Khi biến dạng cắt gia tăng khoảng từ 150% đến 200% modun chịu cắt giảm dần tiệm cận giá trị cực tiểu 0.4 Mpa Nếu biến dạng cắt tiếp tục tăng modun chịu cắt tăng tiếp khoảng 0.6 Mpa (ứng với biến dạng cắt 340%) Đặc tính modun chịu cắt cao lúc ban đầu ưu điểm HDR điều cho phép gối chống lại tải trọng tác dụng tải gió mà không cần phải chuyển vị mức Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ lục Hình 14 Modun chịu cắt tính cản HDR 3.2.2 Tính cản Mặc dù phần lớn tính cản HDR phần trễ cao su thiên nhiên đáp ứng bên cạnh thành phần nhớt lại phụ thuộc vào tần số Các đặc tính nhớt ảnh hưởng đến tính cản tổng làm tính cản gia tăng đến 20% Tính cản nhớt tính phần diện tích giới hạn đường chuyển vị ứng với lượng cần thiết gia tăng đường chuyển vị tăng ứng với mức tần số tải trọng tác dụng số Hình 15 cho thấy cản nhớt tương đương tần số tải trọng 0.1 Hz (tốc độ tải trọng thấp mức này, cản nhớt tương đương giả thiết không đáng kể Khi biến dạng tăng tới 100%, tương ứng với tần số tải trọng 0.4 Hz (tương ứng chu kỳ 2.5(s)), giá trị tần số mức trung bình giá trị thiết kế hệ cô lập Tính cản tần số 0.4 Hz cao tính cản tần số 0.1 Hz hệ số hiệu chỉnh Nguyên nhân cao gia tăng biến dạng mức biến dạng 25%, hệ số 1.05 mức biến dạng 100% hệ số 1.23 Tính cản nhớt phụ thuộc vào vận tốc mà vận tốc phụ thuộc vào tần số, tần số tăng làm tăng tính cản gối cao su (do vận tốc gia tăng tỷ lệ với tần số) Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 Phụ lục Hình 15 nh hưởng tính cản nhớt HDR 3.2.3 Biến dạng cắt cực đại Biến dạng cắt LRB thường thí nghiệm kiểm chứng gần sát với giá trị biến dạng cắt thiết kế Những giới hạn biến dạng có lõi chì không áp dụng cho gối HDR Đối với HDR giới hạn biến dạng xấp xỉ 300% tải trọng MCE so với 250% giới hạn LRB 3.2.4 Chuyển vị tải trọng gió Gối HDR cung cấp modun chịu cắt cao từ đầu để chống lại tải trọng gió không cần tới lõi chì Chuyển vị gió tính toán đồ thị modun chịu cắt biến dạng cắt Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 13 ... luận án này, tác giả khảo sát giải pháp đơn giản có hiệu để chống động đất sử dụng hệ thống cô lập động đất chân công trình với đề tài ? ?Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng (Base... sửa chữa công trình vùng có nguy động đất 1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ CÔ LẬP ĐỘNG ĐẤT TẠI MÓNG Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang Chương Tổng quan Hệ thống cô lập bảo vệ công trình... Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng Trang 10 Chương Tổng quan PHẦN II : MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN Mục tiêu luận án “ Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống cô lập móng? ?? cách sử dụng