Cơ sở thiết kế công trình chịu động đất bài giảng cao học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơng trình Bộ mơn Xây dựng dân dụng Công nghiệp TS NGUYỄN ANH DŨNG CƠ SỞ THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI LỜI NÓI ĐẦU Thiết kế cơng trình chịu động đất lĩnh vực phức tạp, tài liệu tiếng Việt liên quan tới lĩnh vực nước ta chưa có nhiều Trên lãnh thổ Việt Nam nhiều khu vực phải xét tới tác động động đất Bộ Xây dựng ban hành Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 “Thiết kế cơng trình chịu động đất" Theo tiêu chuẩn này, quan niệm thiết kế kháng chấn có thay đổi chấp nhận phá hoại có kiểm sốt, khả phân tán lượng cơng trình chịu động đất Cuốn sách biên tập với mong muốn làm sáng tỏ quan niệm thiết kế giúp người đọc có nhìn tổng quan việc thiết kế cơng trình chịu động đất theo quan niệm đại theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012, giới thiệu giải pháp kháng chấn đại theo hướng tiêu tán lượng cơng trình có động đất Cuốn sách sử dụng làm tài liệu giảng dạy thức cho mơn học “Cơ sở thiết kế cơng trình chịu động đất" hệ cao học ngành Kỹ thuật xây dựng làm tài liệu tham khảo cho môn học liên quan tới kết cấu công trình, đặc biệt ngành Kỹ thuật cơng trình xây dựng trường Đại học Thủy lợi Bên cạnh đó, sách nguồn tham khảo hữu ích cho khối ngành cơng trình nói riêng cho kỹ sư, cán kỹ thuật ngành xây dựng nói chung Cấu trúc tài liệu bao gồm chương, viết sở tài liệu thiết kế kháng chấn nước Cụ thể: Chương khái niệm chung động đất; Chương toán chuyển động biên soạn dựa tài liệu Anil K Chopra “Dynamics of Structures"; Chương biên soạn theo nội dung tiêu chuẩn kháng chấn TCVN 9386:2012; Chương giải pháp kháng chấn đại Tác giả mong nhận ý kiến phản hồi, góp ý bạn đọc nội dung tài liệu qua email: dung.kcct@tlu.edu.vn! Tác giả TS Nguyễn Anh Dũng Chương KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỘNG ĐẤT 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Động đất tượng thiên nhiên gây nhiều thảm họa cho người cơng trình xây dựng Trong suốt chiều dài phát triển nhân loại, người phải chứng kiến hàng loạt trận động đất mạnh ấn tượng nặng nề chúng nguồn gốc huyền thoại, truyền thuyết truyện cổ tích dân tộc sớm có văn minh phát triển Một truyền thuyết tiếng, nhà bác học cổ Hy Lạp Platon ghi lại vào kỷ thứ III trước Cơng ngun (TCN), tích hịn đảo Atlăngtích nằm Đại Tây Dương Seneca (4 TCN-65 SCN) nhận xét: “Động đất việc xấu, xảy khắp nơi khơng thể tránh phá hủy tất …” Nếu ngày xưa, người sinh hoạt thành bầy đàn hang động hay túp lều đơn sơ, tai họa xảy họ ít, tai họa ngày tăng cơng trình mọc lên ngày nhiều Với trình độ khoa học - công nghệ nay, người chưa có khả dự báo cách xác động đất xảy lúc nào? đâu? mạnh đến mức nào? Động đất với thay đổi bất lợi khác môi trường sống thập niên gần đặt người trước thách thức ngày nghiêm trọng Hoạt động động đất có khuynh hướng ngày gây nhiều thiệt hại nặng cho tính mạng, tâm lý người cải xã hội quy mơ khu vực tồn cầu Trong bối cảnh đó, người thay phải thay đổi chiến lược phịng chống động đất, thay nghiên cứu hoàn thiện phương pháp dự báo người chuyển sang tìm biện pháp tích cực để sống chung với Vì vậy, mục đích việc thiết kế kháng chấn phải thay đổi, chuyển từ bảo vệ cơng trình sang bảo vệ sinh mạng người, hạn chế hư hỏng trì hoạt động cơng trình quan trọng có chức bảo vệ dân Điều đồng nghĩa với việc phải thay đổi yêu cầu thiết kế kháng chấn cơng trình, chuyển từ khơng hư hỏng sang khơng sụp đổ hạn chế đến mức tối đa hư hỏng Để khơng bị sụp đổ, cơng trình phải có khả hấp thụ phân tán lượng động mà nhận thời gian xảy động đất Đây quan điểm thiết kế kháng chấn nước tiên tiến nghiên cứu ứng dụng, nhiên mẻ Việt Nam Việt Nam xác định nằm vùng có hoạt động động đất trung bình yếu Trên lãnh thổ Việt Nam xảy 1000 trận động đất có cường độ khác nhau, có trận động đất cấp VIII, 11 trận động đất cấp VII 60 trận động đất cấp VI (theo thang MSK-64) [1] Các kết nghiên cứu cho thấy nhiều vùng lãnh thổ Việt Nam thiết kế cơng trình xây dựng phải xét tới tác động động đất Bộ Xây dựng ban hành Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 “Thiết kế cơng trình chịu động đất” [2] Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 biên soạn sở chấp nhận tiêu chuẩn châu Âu “Eurocode 8: thiết kế kháng chấn cơng trình” viết tắt EN 1998-1:2004 [3] có bổ sung thay phần mang tính đặc thù Việt Nam Tiêu chuẩn EN 1998-1:2004 đánh giá tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn tiên tiến nay, phản ánh kết thu từ nhiều chương trình nghiên cứu rộng lớn thực thập niên gần châu Âu giới lĩnh vực kháng chấn cơng trình 1.2 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG ĐẤT VÀ NGUỒN GỐC ĐỘNG ĐẤT 1.2.1 Khái niệm động đất Động đất tượng dao động mạnh đất xảy nguồn lượng lớn giải phóng thời gian ngắn nứt rạn đột ngột phần vỏ phần áo Trái đất 1.2.2 Nguồn gốc động đất 1.2.2.1 Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo Từ năm 60 kỷ XX, nhà địa chất địa chấn học đưa thuyết kiến tạo mảng hay gọi thuyết trơi dạt lục địa để giải thích cho nguồn gốc trận động đất xuất giới Theo thuyết này, lúc đầu lục địa gắn liền với gọi Pangaea, sau cách khoảng chừng 200 triệu năm chúng tách thành nhiều mảng cứng di chuyển chậm tương đối so với lớp dung nham dạng thể lỏng, nhiệt độ cao để có hình dạng ngày Tuỳ thuộc vào đặc thù hoạt động kiến tạo, ranh giới phân chia mảng thường có dạng: gờ đại dương, đứt gẫy, vịng cung đảo vùng orogenic Tại vùng gờ đại dương, dung nham nóng chảy phần áo trào lên bề mặt Trái đất sau nguội đi, bồi dần mở rộng mảng thạch theo phương ngang Tại đứt gẫy, mảng kiến tạo chuyển động tương đối so với bị hút vào phần áo Trái đất vùng Orogenic Các thành tựu khoa học kỹ thuật, đặc biệt mạng lưới địa chấn kế quan trắc địa chất giới chứng minh tính đắn thuyết kiến tạo mảng Do vịng 10 năm tiếp theo, lý thuyết giới khoa học chấp nhận cách rộng rãi xem thành tựu khoa học lớn nhân loại kỷ XX Theo giả thiết thuyết kiến tạo mảng, bề mặt Trái đất tập hợp từ số khối lớn gọi mảng; mảng châu lục đại dương Các mảng chuyển động tương đối so với Tồn vỏ Trái đất hình dung chia thành 15 mảng có 11 mảng lớn (vĩ mảng) sau: mảng Âu - Á, mảng châu Phi, mảng châu Úc, mảng Philipin, mảng Thái Bình Dương, mảng Cocos, mảng Nazca, mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ, mảng Caribe mảng Nam Cực Các mảng lớn lại chia thành mảng bé (vi mảng) qua vết đứt gẫy nông Tại vùng phân chia mảng xuất biến dạng tương đối vùng hẹp Các biến dạng xảy chậm liên tục xảy cách đột ngột dạng trận động đất Các nhà khoa học xác định ba kiểu biến dạng ba kiểu chuyển động sau bờ biên mảng sau: a) Chuyển động tách giãn Tại số vùng, mảng di chuyển rời xa nhau, dung nham nóng chảy phần áo trào lên bề mặt Trái đất sau nguội đi, bồi dần mở rộng mảng thạch theo phương ngang Vùng bờ biên mảng có tên gọi vùng gờ mở rộng thường nằm đại dương Ví dụ mảng Bắc Mỹ Nam Mỹ trượt phía Tây, xa dần mảng Á - Âu châu Phi Vùng gờ mở rộng (đứt gẫy) chạy dọc Đại Tây Dương tạo nên núi lửa ngầm biển; dung nham lỏng tràn lên bề mặt, nguội bồi rộng thêm mảng làm cho Đại Tây Dương ngày rộng Tốc độ chuyển động tách rời mảng khoảng đến 18 cm/năm; vùng gờ mở rộng ven Thái Bình Dương có tốc độ chuyển động lớn b) Chuyển động hút chìm Do kích thước Trái đất giữ ngun khơng đổi, nên việc mở rộng mảng số bờ biên phải bù lại việc thu hẹp mảng số bờ biên khác Điều quan sát thấy qua chuyển động hút chìm hai mảng kề Có hai loại chuyển động hút chìm:  Chuyển động trườn: mảng chuyển động rúc xuống mảng khác Ví dụ 11 mảng Ấn - Úc rúc xuống mảng Á - Âu làm cho dãy Hymalaya bị đẩy cao dần lên, năm khoảng cm [1];  Chuyển động rúc đồng quy: hai mảng chuyển động rúc xuống Ví dụ, mảng Cocos Caribe chuyển động hút chìm xuống theo đứt gẫy dọc bờ Tây Trung Mỹ Vùng chuyển động hút chìm thường nằm kề thềm lục địa Khi tốc độ chuyển động đồng quy mảng lớn, vùng biên xuất rãnh sâu Khi tốc độ chuyển động đồng quy chậm, trầm tích bồi lắng phủ kín rãnh sâu c) Chuyển động trượt ngang Chuyển động trượt ngang xuất mảng di chuyển tương đối so với mảng khác theo phương ngang mà không làm sinh phần vỏ làm phần vỏ cũ Có hai loại chuyển động ngang: - Chuyển động trượt tương đối đứt gẫy; - Chuyển động va chạm Ví dụ mảng Á - Âu mảng châu Phi tiến gần gây biến dạng nén vùng Địa Trung Hải Trong trình mảng dịch chuyển tương đối so với nhau, biến dạng tích lũy lại vùng khác vỏ Trái đất Khi vật chất tạo nên vỏ Trái đất tới trạng thái biến dạng tới hạn, phá hoại đột ngột xảy Thế biến dạng tức thời chuyển thành động động đất xuất Như theo thuyết kiến tạo mảng, trận động đất chủ yếu phát sinh vùng ranh giới mảng xảy đá rơi vào trạng thái tới hạn cường độ dẫn tới bị phá hoại đột ngột Do đó, trận động đất vùng biên mảng gọi động đất rìa mảng Các trận động đất mạnh xảy Chilê, Peru, Trung Mỹ, Đông Caribe, Nam Mexico, California, Nam Alaska, Nhật Bản, Đài Loan, Philippine, Indonesia, New Zealand vành đai Alpine Caucase - Hymalaya thuộc loại 1.2.2.2 Động đất có nguồn gốc từ đứt gẫy Khi quan sát địa hình ta thường gặp thay đổi đột ngột cấu trúc đá Ở số chỗ, vỉa đá có đặc tính khác gối đầu vào tựa lên dọc theo mặt tiếp xúc chúng Sự cắt ngang cấu trúc địa chất gọi đứt gẫy phay địa chất Các đứt gẫy có chiều dài từ vài mét tới hàng trăm kilơmét kht sâu vào lịng đất tới vài chục kilơmét Chúng nhận biết qua khảo sát trạng thái địa hình mặt đất, nhiều khó phát cách quan sát đứt gẫy nằm sâu vỏ Trái đất khơng kéo lên tới bề mặt Các vết đứt gẫy chia làm hai loại: hoạt động không hoạt động Đứt gẫy hoạt động đứt gẫy mà khối vật chất hai bên mặt đứt gẫy chuyển động tương đối so với nhau, lượng biến dạng đàn hồi q trình kiến tạo tích luỹ đến lúc giải phóng đột ngột, gây động đất Đứt gẫy không hoạt động đứt gẫy khứ hoạt động, khơng cịn chuyển động không gây động đất Đứt gẫy địa chấn tiếng giới thuộc loại hoạt động đứt gẫy San Andreas California (Hoa Kỳ) Đứt gẫy có chiều dài 300 km trượt ngang 6,4 m, gây trận động đất San Francisco năm 1906 nhiều trận động đất tiếp sau Tốc độ trượt trung bình đứt gẫy hoạt động thay đổi từ 10-100 mm/năm Một số đứt gẫy chuyển động liên tục, số khác chuyển động động đất xảy Các đứt gẫy hoạt động phân loại dựa dạng hình học hướng trượt tương đối chúng Có thể phân chuyển động đứt gẫy dạng đứt gẫy thành loại sau: a) Trượt nghiêng Trượt nghiêng dịch chuyển xảy theo phương song song với độ dốc đứt gẫy (hoặc vng góc với đường mạch ngang giao tuyến mặt đứt gẫy mặt nằm ngang) Tuỳ thuộc vào hướng chuyển động tương đối mảng nằm hai bên mặt đứt gẫy mà đứt gẫy phân loại sau:  Đứt gẫy bình thường cịn gọi đứt gẫy thuận: lớp đá cứng phía mặt nghiêng đứt gẫy trượt xuống so với lớp nằm Các đứt gẫy có mặt trượt gần thẳng đứng xếp vào loại này; 10 Bhuiyan [34] đề xuất mơ hình lưu biến HDRBs nhằm xác định độ nhớt phi tuyến Sau mơ hình Nguyen đồng nghiệp hoàn thiện Nguyen [35] Nghiên cứu hiệu lõi chì LRBs, Bong Yoo, Jae-Han Lee Gyeong-Hoi Koo (2001) có kết luận tăng đường kính lõi chì tỷ số cản LRBs tăng nhanh, kết thí nghiệm loại gối LRBs có đường kính lõi chì khác cho thấy tỷ số cản khác đáng kể Bảng 4.2 So sánh tỷ số cản LRBs với đường kính lõi chì khác Loại LRB Đường kính lõi chì (mm) Tỷ số cản NRB (cao su tự nhiên) Khơng có lõi chì 4,5 LRB 27 LRB 37 24 LRB 48 33 I.N Doudoumis, F Gravalas Doudoumis (2005) mô tả thông số độ cứng đàn hồi bản, độ cứng đàn dẻo cường độ đặc trưng LRBs liên quan đến quan hệ lực ngang chuyển vị theo quy luật song tuyến tính Các thơng số dự báo với độ xác cao nhờ công thức đơn giản, ngoại trừ độ cứng ban đầu hàm chủ yếu phụ thuộc vào chi tiết cấu tạo lõi chì LRBs Ryan, Kelly Chopra (2005) quan sát thấy cường độ đàn hồi LRBs phụ thuộc vào tải trọng dọc trục, chẳng hạn với tải trọng dọc trục bé cường độ đàn hồi khơng đạt giá trị tính theo lý thuyết Ví dụ, Hwang Hsu (2000) nghiên cứu với kết cấu tầng cách chấn đáy LRBs, thấy LRBs chịu lực dọc lớn có tỷ số cản lớn LRB chịu lực dọc nhỏ R.S Jangid (2005) nghiên cứu phản ứng địa chấn kết cấu nhà nhiều tầng cách chấn LRB, ứng xử lực - chuyển vị gối 146 LRB mơ hình hóa song tuyến tính với cản đàn nhớt Phương trình vi phân chuyển động kết cấu bên trước kích động động đất giải phương pháp Newmark Tuy nhiên tính chất LRB lấy giả định M C Constantinou, A S Whittaker, Y Kalpakidis, D M Fenz G P Warn (2007) nghiên cứu thực nghiệm tính chất học loại gối đàn hồi, đưa quy trình kỹ thuật phân tích thiết kế gối đàn hồi Thực quy trình việc kiểm tra thỏa mãn bất đẳng thức Do quy trình khơng cho thấy phản ứng gối cách chấn chịu kích động động đất theo thời gian Dinu Bratosin, Tudor Sireteanu (2002), trình bày mơ hình phi tuyến Kenvin-Voigt với độ cứng độ cản hàm chuyển vị Dinu Bratosin (2003), trình bày mơ hình đàn nhớt cho ứng xử động lực học phi tuyến vật liệu sử dụng cho cách chấn đáy Dinu Bratosin (2004), hệ gối cách chấn đàn hồi cấu tạo từ nhiều lớp hỗn hợp, nên có đặc tính phi tuyến rõ ràng Tác giả phân tích hiệu việc cách chấn kết cấu cách mơ hình hai bậc tự do, sử dụng mô số phi tuyến Dinu Bratosin (2005), đánh giá tác động thay đổi chu kỳ kết cấu cách chấn đáy, với đặc tính vật liệu từ lớp cấu tạo gối đàn hồi phi tuyến 4.4.2 Đối với dạng trượt đơn FPS Một phương pháp phổ biến để cách ly địa chấn sử dụng hệ thống lắc FPS, gối FPS có bề mặt cong trượt, có khả tạo lực phục hồi, trọng lượng kết cấu bên đặt khớp trượt, trượt bề mặt cong, ma sát khớp trượt bề mặt cong tạo độ cản cho gối FPS (Naeim Kelly, 1999) Thay đổi bán kính bề mặt cong điều chỉnh độ cứng chu kỳ dao động hệ 147 Ưu điểm việc sử dụng gối FPS để cách ly địa chấn tạo lực phục hồi, mơ hình số đơn giản, độ cứng tuyến tính phạm vi di chuyển ngang vừa phải (Kim et al 2006) Một ưu điểm ứng xử gối FPS có chu trình lặp lặp lại, tính chất học ổn định, bền, giảm chiều cao hệ thống gối cách chấn, tách biệt lực phục hồi lực cản, dễ kiểm sốt chu kỳ dao động cơng làm dịch chuyển thơng số hình học đơn giản (Almazan De la Llera 2003) Anoop Mokha, Michalakis Constantinou, Associate Member, ASCE, Andrei Reinhorn, Member, ASCE (1990) mơ tả tính chất ma sát bề mặt loại thép đặc biệt dùng để chế tạo gối FPS, loạt thí nghiệm phịng tiến hành để xác định ảnh hưởng vận tốc, gia tốc, áp lực lên bề mặt loại thép Kết thấy gia tốc ảnh hưởng không đáng kể đến ma sát mà vận tốc áp lực bề mặt có ảnh hưởng quan trọng Ma sát tăng vận tốc tăng, vận tốc đạt đến giá trị xa ma sát khơng đổi Hơn ma sát giảm xuống với áp lực ngày tăng với tỷ lệ giảm phụ thuộc nhiều vào tốc độ Giá trị ma sát tĩnh lớn giá trị ma sát trượt từ đến lần Độ bền thép đặc biệt có yếu tố quan trọng gối FPS để trì áp lực nén lớn bề mặt có chu kỳ lặp hàng ngàn lần Các ứng xử học thép đặc biệt phức tạp, kết nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết đề xuất Mokha et al (1990) Constantinou et al (1990) Panos C Dimizas Vlasis K Koumousis (2005) xác định tham số phi tuyến liên quan đến ứng xử trễ gối FPS chịu kích động điều hịa theo mơ hình Boun-Wen Đường lối phương pháp xác định tham số giải cách tối ưu hóa phi tuyến thuật tốn Levenberg-Marquardt Nghiên cứu M.C Constantinou, A.M Reinhorni, P Tsopblas S Nagarajaiah (1999) xác định biểu thức lực phục hồi, biểu thức hệ số ma sát phụ thuộc vận tốc, phụ thuộc áp lực khớp trượt lên bề mặt cong gối FPS 148 Các biểu phi tuyến phát triển Kim et al (2006) với lực phục hồi hàm chuyển dịch ngang M.Rabiei (2008) tiến hành kiểm tra phản ứng kết cấu cách ly FPS chịu kích động động đất theo phương Kết cấu bên lý tưởng hóa tịa nhà khơng gian tầng Các phương trình vi phân chuyển động giải phương pháp Newmark Tuy nhiên việc kiểm tra không xét đến ứng xử trễ gối FPS Yen-Po Wang, Lap-Loi Chung and Wei-Hsin Liao (1998), đề xuất phương pháp thiết lập phương trình vi phân chuyển động thích nghi hai trạng thái FPS tĩnh động (trạng thái tĩnh - kích động ngồi khơng thắng lực cản ma sát nên không xảy trượt, trạng thái động - kích động ngồi lớn lực cản ma sát nên xảy trượt) Almazan, J L., De la Llera, J C (2002) tập trung vào phát triển phương trình tốn học mơ tả phản ứng động kết cấu cách ly gối FPS, mơ hình lý thuyết biểu diễn cách hiệu chuyển dịch lớn hiệu ứng P- ∆ 4.4.3 Đối với dạng trượt đôi DCFP Gối cách chấn dạng trượt đơi DCFP có cấu tạo gồm hai mặt lõm làm thép không gỉ, khớp trượt làm vật liệu phi kim loại có bề mặt tiếp xúc với mặt lõm trên, mặt tiếp xúc với mặt lõm Đồng thời khớp trượt cấu tạo gồm hai phần tiếp xúc mà hai phần tự quay quanh (Daniel M Fenz Michael C Constantinou (2006)) Một khái niệm đề cập đến sử dụng gối có bề mặt lõm xen kẹp bóng lăn để cách ly tòa nhà thể sáng chế Jules Touaillon năm 1870 (Daniel M Fenz Michael C Constantinou, 2006) Nhưng tận 100 năm sau, Hyakuda et al (2001) mô tả quan sát tòa nhà Nhật Bản cách ly gối DCFP Đặc điểm gối DCFP áp dụng công trình hai bề 149 mặt lõm có bán kính, đặc biệt khớp trượt xen kẹp hai mặt lõm lại không chia thành hai phần tự quay quanh Rõ ràng tách biệt cần thiết Các nghiên cứu Hyakuda et al (2001) Tsai et al mô tả quan hệ lực ngang - chuyển dịch hạn chế trượt đồng thời hai mặt lõm Theo Daniel M Fenz Michael C Constantinou (2006) mô tả bao quát ứng xử gối DCFP khác bán kính hai mặt lõm, hệ số ma sát hai mặt trượt Hơn kể đến ảnh hưởng chiều cao khớp trượt, ma sát vị trí tiếp xúc hai phần khớp đến quan hệ lực ngang - chuyển dịch M Malekzadeh T Taghikhany (2010) thực so sánh phản ứng kết cấu cách ly gối DCFP trường hợp thay gối FPS Theo loạt phân tích động lực học phi tuyến thực Các cơng thức tốn học liên quan đến phương trình vi phân phi tuyến đề xuất để phân tích kết cấu cách ly gối DCFP 4.5 GỐI CÁCH CHẤN Ở VIỆT NAM Gối cách chấn Việt Nam sử dụng số dự án có vốn vay ODA Nhật thực tổ chức JICA Đầu tiên dự án sửa chữa cầu tỉnh phía Bắc thực năm 1996 Cơng trình lớn Việt Nam sử dụng gối cách chấn cầu Nhật Tân hồn thành năm 2011 Các cơng trình đường sắt cao xây dựng Thành phố Hồ Chí Minh sử dụng công nghệ cách chấn Các gối cách chấn cung cấp cho dự án Công ty Kawakin Nhật Bản Công ty có trụ sở Hà Nội có nhà máy Hưng n Trong xây dựng cơng trình nhà cao tầng chịu động đất Việt Nam chưa có cơng trình sử dụng gối cách chấn Riêng bệnh viện Phụ sản Trung ương Liên Xô cũ giúp Việt Nam xây dựng có sử dụng lớp đá cuội sỏi đặt mặt móng mặt đáy cơng trình đóng vai trị lớp cách chấn Từ đến Hà 150 Nội, Thành phố Hồ Chí Minh nhiều địa phương khác xây dựng nhiều cơng trình có quy mơ lớn tầm quan trọng đặc biệt Bảo tàng, Trung tâm Hội nghị Quốc gia, nhà máy lọc dầu, sân bay quốc tế chưa thấy có cơng trình nhà cao tầng dùng thiết bị cách chấn đáy Năm 2012, Bộ Xây dựng ban hành TCVN 9386:2012 - Thiết kế cơng trình chịu động đất, có Chương 10 nêu dẫn thiết kế cách chấn đáy xong việc áp dụng cịn gặp nhiều khó khăn, phần độ phức tạp công nghệ, thiết bị, phần người thiết kế chưa có điều kiện tìm hiểu sâu chưa hồn tồn tin tưởng vào tính khả thi việc áp dụng Trong thời gian qua, có số tác giả nước nghiên cứu cách chấn đáy Đoàn Tuyết Ngọc, Nguyễn Thanh Tùng (1999) đề cập đến thiết bị cách ly động đất đưa số khảo sát số minh họa hiệu cách chấn đáy Nguyễn Xuân Thành (2006) nghiên cứu hiệu đệm giảm chấn chế ngự dao động nhà cao tầng chịu tải trọng động đất Tác giả xét đến tốn phi tuyến mơ hình hóa thiết bị nghiên cứu Trần Tuấn Long (2007) nghiên cứu dao động riêng kết cấu khung nhà nhiều tầng có thiết bị cách chấn đáy HDRB, việc thiết kế HDRB thực theo quy trình kiểm tra kỹ thuật Lê Xuân Huỳnh, Nguyễn Hữu Bình (2008) nghiên cứu giải pháp cách chấn đáy với gối đàn hồi gối FPS, quy trình kỹ thuật tính tải trọng động đất lên kết cấu có cách chấn đáy theo TCXDVN 375:2006 Tuy nhiên việc thực thiết kế theo quy trình mang tính chất kiểm tra, không cho biết ứng xử hệ cách chấn thời gian xảy động đất Nhìn chung, nước, nghiên cứu lĩnh vực chế ngự dao động cơng trình cịn lẻ tẻ, tập trung chủ yếu vào toán lý 151 thuyết Về số lượng, kể nghiên cứu tác giả khác lĩnh vực khí máy, máy cơng nghiệp, ơtơ , chưa nhiều Việc tiếp tục nghiên cứu chế ngự dao động nhà cao tầng cần thiết có ý nghĩa Việt Nam Chính vậy, Viện Khoa học Cơng nghệ Kinh tế Xây dựng Hà Nội kết hợp với Trường Đại học Xây dựng tiến hành nghiên cứu “Cơng nghệ chế ngự dao động kết cấu cơng trình nhà cao tầng phù hợp với điều kiện xây dựng Hà Nội” 152 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Lê Ninh, 2013 Động đất thiết kế cơng trình chịu động đất Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [2] TCVN 9386 2012 Thiết kế cơng trình chịu động đất - Tiêu chuẩn thiết kế [3] Euro Code 8: Design of structures for earthquake resistance [4] Chopra, A.K., 2012 Dynamics of structures Theory and Applications to Earthquake Engineering 4th edition, Prentice Hall, New Jersey [5] Keightley, W.O., 1977 Building damping by Coulomb friction 6th WCEE, New elhi, India, Jan [6] Keightley, W.O., 1979 Prestressed walls for damping earthquake motions in buildings Report of Dept of Civil Engrg., Montana State Univ to National Science Foundation, Sept [7] Constantnou, M.C., Reinhorn, A.M., Mokha, A and Watson, R., 1991 Displacement control device for base-isolated bridge Earthquake Spectra, 7(2) [8] Grigorian, C.E and Popov, E.P., 1993 Slotted bolted connections for energy dissipation Proc ATC-17-1 Seminar on Seismic Isolation, Oassive Energy Dissipation, and Actice Control, San Francisco, March [9] Nims, D.K., Inaudi, J.A., Richter, P.J and Kelly, J.M., 1993 Application of the energy issipation restraint to buildings Proc ATC-17-1 Seminar on Seismic Isolation, Oassive Energy Dissipation, and Actice Control, San Francisco, March 153 [10] Kasai, K Munshi, J.A., Lai, M.L and Maison, B.F., 1993 Viscoelastic damper hysteretic model: theory, experiment, and application Proc ATC-17-1 Seminar on Seismic Isolation, Oassive Energy Dissipation, and Actice Control, San Francisco, March [11] Bergman, D.M and Goel, S.C., 1987 Evaluation of cyclic testing of steelplate-devices for added damping and stiffness Report UMCE 87-10, Univ of Michigan, Nov [12] Waburton, G.B., and Ayorinde, E O., 1980 Optimum absorber parameters for simple systems Eathquake Engrg And Struct Dyn., 8, pp.197-217 [13] Randall, S E., Halste, D M., and Taylor, D L., 1981 Optimum vibration absorbers for linear damped systems J Mech Des., 103, pp.908-913 [14] Tsai, C.S and Lee, H.H., 1993 Application of viscoelastic dampers to high-rise buildings ASCE J Struct Eng., 119(4), pp.1222-1233 [15] Villaverde, R., 1998 Roof isolation system to reduce to reduce seismic response of buildings: a premilinary assessment Earthquake Spectra 14(3), pp.521-532 [16] Kareem, A., and S Kline., 1995 Performance of Multiple Mass Dampers Under Random Loading Journal of Structural Engineering, 121(2), pp.348-361 [17] Tamura, Y., Fuji, K., Sato, T., Wakahara, T and M Kosugi., 1988 Wind Induced Vibration of Tall Towers and Practical Applications of Tuned Sloshing Dampers, Proceedings of Symposium/Workshop on Serviceability of Buildings, Ottawa, Canada, 1(228) [18] Banavalkar, P V and N Isyumov., 1998 Tuned Mass Damping System to Control Wind-Induced Accelerations of Washington National Airport Air Traffic Tower Control Tower Proceedings of Structural Engineers World congress San Francisco, CD-Rom: T179-2 154 [19] Breukeman, B., Irwin, P., Gamble, S., and G Stone., 1998 The Practical Application of Vibration Absorbers in Controlling Wind Serviceability & Fatigue Problems Proceedings of Structural Engineers World Congress, San Francisco, CD-Rom: T179-2 [20] Modi, V.J and F Welt., 1987 Vibration Control Using Nutation Dampers International Conference on Flow Induced Vibrations, London, England, pp.369-376 [21] Tamura, K., et al., 1992 Study on application of hybrid mass damper system to a tall builing Trans, Japan National Symposium on Active Structural Control, March (in Japanese) [22] Isyumov, N., 1993 Criteria for Acceptable Wind-Induced Motions of Tall Buildings International Coference on Tall Buildings, Council on Tall Buildings and urban Habitat, Rio de Janerio [23] Wakahara, T., Shimada, K., and Y Tamura., 1994 Practical Application of Tuned Liquid Damper for Tall Buildings, ASCE Structures Congress & IASS Interational Symposium, Atlanta [24] Tamura, Y., Fuji, K., Ohtsuki, T Wakahara, T and R Kohsaka., 1995 Effectiveness of Tuned Liquid Dampers Under Wind Excitation Engineering Structures, 17(9), pp.609-621 [25] Koss, L.L and W.H Melbourne., 1995 Chain Dampers for Control of Wind-Induced Vibration of Tower and Mast Structures Engineering Structures, 17(9), pp.622-625 [26] Shimizu, K and A Teramura., 1994 Development of Vibration Control system using U-shaped tank Proceedings of the 1st International Workshop and Seminar on Behavior of Steel Structures in Seismic Areas, Timisoara, Romania [27] Hichcock, P.A and K.C.S Kwok., 1993 Vibration control of structures using liquid column vibration absorber, Asia-Pacific Vibration Conference, Kita-Kyushu 155 [28] Reihorn A.M., Soong, T.T., 1992 Active Bracing Sytem: A Full Scale Implementation of Active Control Report NCEER-92-0020, National Center for Earthquake Engineering Research, Buffalo, NY [29] Matsumoto, T., 1990 Study on power passive mass damper for high-rise builing Proc AIJ Annual Meeting, Oct (in Japanese) [30] Kikuchi, M., Aiken, I.D., 1997 An analytical hysteresis model for elastomeric seismic isolation bearings Earthquake Engineering and Structural Dynamics 26, pp215–231 [31] Hwang, J.S., Wu, J.D., Pan, T.C., Yang, G., 2002 A mathematical hysteretic model for elastomeric isolation bearings Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 31, pp 771-789 [32] American association of state highways and transportation officials (AASHTO), 2010 3rd Edition Washington DC: Guide Specification for Seismic Isolation Design [33] Japan road association (JRA), 2012 Bearing support design guide for highway bridges (in Japanese) Tokyo: Maruzen [34] Bhuiyan, A.R., Okui, Y., Mitamura, H., Imai, T A rheology model of high damping rubber bearings for seismic analysis: Identification of nonlinear viscosity International Journal of Solid and Structures, 46, (2009), pp 1778-1792 [35] Nguyen, D.A., Dang, J., Okui, Y., Amin, A.F.M.S., Okada, S., Imai, T An improved rheology model for the description of the ratedependent cyclic behavior of high dampung rubber bearings, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 77, (2015), pp 416-431 156 MỤC LỤC Trang Lời nói đầu CHƯƠNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỘNG ĐẤT 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Khái niệm động đất nguồn gốc động đất 1.2.1 Khái niệm động đất 1.2.2 Nguồn gốc động đất 1.3 Sóng địa chất truyền sóng 11 1.3.1 Sóng khối 12 1.3.2 Sóng bề mặt 15 1.4 Đánh giá sức mạnh động đất 19 1.4.1 Cấp độ chấn động 19 1.4.2 Cường độ 24 1.5 Động đất lãnh thổ Việt Nam 26 1.5.1 Cấu trúc kiến tạo Việt Nam 26 1.5.2 Các đứt gãy lãnh thổ Việt Nam 27 1.5.3 Các trận động đất xảy Việt Nam 29 1.5.4 Một số kết nghiên cứu động đất đạt 30 CHƯƠNG PHÂN TÍCH CƠNG TRÌNH DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 33 2.1 Bài toán chuyển động phương pháp giải 33 2.1.1 Các kết cấu đơn giản 33 2.1.2 Hệ bậc tự 37 157 2.1.3 Quan hệ lực - chuyển vị 38 2.1.4 Lực cản nhớt 42 2.1.5 Phương trình chuyển động ngoại lực 45 2.1.6 Hệ khối lượng-lò xo-giảm chấn 47 2.1.7 Phương trình chuyển động động đất tác dụng 48 2.1.8 Các phương pháp giải 51 2.2 Lời giải số phản ứng động 52 2.2.1 Phương pháp bước thời gian 52 2.2.2 Phương pháp sai phân trung tâm 53 2.2.3 Phương pháp Newmark 57 2.2.4 Sự ổn định lỗi tính tốn 62 2.2.5 Phân tích phản ứng phi tuyến: Phương pháp sai phân trung tâm 65 2.2.6 Phân tích phản ứng phi tuyến: Phương pháp Newmark 66 CHƯƠNG THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT THEO TCVN 9386:2012 74 3.1 Mục tiêu thiết kế kháng chấn 74 3.1.1 Quan niệm thiết kế đại thiết kế kháng chấn 74 3.1.2 Các yêu cầu thiết kế kháng chấn Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 82 3.2 Điều kiện đất tác động động đất 84 3.2.1 Điều kiện đất 84 3.2.2 Tác động động đất 85 3.3 Quy định chung cho thiết kế nhà chịu động đất 94 3.3.1 Những nguyên tắc thiết kế sở 94 3.3.2 Các cấu kiện kháng chấn phụ 97 3.3.3 Tiêu chí tính đặn kết cấu 98 158 3.3.4 Các hệ số tổ hợp tác động thay đổi 103 3.3.5 Mức độ hệ số tầm quan trọng 104 3.4 Các phương pháp xác định tác động động đất lên cơng trình 104 3.4.1 Phân loại lựa chọn phương pháp tính tốn 104 3.4.2 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương 106 3.4.3 Phân tích phổ phản ứng dạng dao dộng 110 3.4.4 Các phương pháp phi tuyến 112 3.4.5 Tổ hợp hệ thành phần tác động động đất 116 CHƯƠNG MỘT SỐ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN HIỆN ĐẠI 120 4.1 Giới thiệu chung 120 4.2 Các phương pháp giảm chấn 123 4.2.1 Phương pháp giảm chấn thụ động 123 4.2.2 Phương pháp giảm chấn chủ động 135 4.2.3 Phương pháp giảm chấn bán chủ động 139 4.3 Gối cách chấn bảo vệ cơng trình 141 4.3.1 Nguyên lý hiệu gối cách chấn 141 4.3.2 Các loại gối cách chấn 142 4.4 Sự phát triển phương pháp sử dụng gối cách chấn để bảo vệ cơng trình giới 144 4.4.1 Đối với gối đàn hồi 145 4.4.2 Đối với dạng trượt đơn FPS 147 4.4.3 Đối với dạng trượt đôi DCFP 149 4.5 Gối cách chấn Việt Nam 150 TÀI LIỆU THAM KHẢO 153 159 CƠ SỞ THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI Trụ sở: Ngõ 17, Tạ Quang Bửu, Quận Hai Bà Trưng, Hà Nội Điện thoại: 024.38684569; Fax: 024.38684570 Email: http://www.nxbbk.hust.edu.vn Chịu trách nhiệm xuất Giám đốc – Tổng biên tập: TS BÙI ĐỨC HÙNG Biên tập: NGỤY THỊ LIỄU ĐINH THỊ PHƯỢNG Sửa in: ĐINH THỊ PHƯỢNG Thiết kế bìa: ĐINH XUÂN DŨNG In 220 cuốn, khổ 17  24 cm, Công ty TNHH In Khuyến học, số 9/64, ngõ 35, Cát Linh, Đống Đa, Hà Nội Số xuất bản: 2242-2018/CXBIPH/01-56/BKHN, ISBN: 978-604-95-0541-6 Số QĐXB: 82/QĐ - ĐHBK - BKHN cấp ngày 4/7/2018 In xong nộp lưu chiểu Quý III năm 2018 160 ... lượng cơng trình có động đất Cuốn sách sử dụng làm tài liệu giảng dạy thức cho mơn học ? ?Cơ sở thiết kế cơng trình chịu động đất" hệ cao học ngành Kỹ thuật xây dựng làm tài liệu tham khảo cho môn học. .. 9386:2012 ? ?Thiết kế cơng trình chịu động đất" Theo tiêu chuẩn này, quan niệm thiết kế kháng chấn có thay đổi chấp nhận phá hoại có kiểm sốt, khả phân tán lượng cơng trình chịu động đất Cuốn sách... Các kết nghiên cứu cho thấy nhiều vùng lãnh thổ Việt Nam thiết kế cơng trình xây dựng phải xét tới tác động động đất Bộ Xây dựng ban hành Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 ? ?Thiết kế cơng trình chịu động