Đang tải... (xem toàn văn)
Do vậy, để công trình tồn tại, hoặc ta phải cấu tạo công trình thật cứng để kháng lực cắt lớn trên hoặc “làm mềm hóa” liên kết cột và móng, tức giảm các chuyển vị tương đối giữa móng v[r]
(1)TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ -2006 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ GIẰNG BÊ TÔNG CỐT THÉP LÊN HIỆU
QUẢ CHỐNG ĐỘNG ĐẤT CỦA HỆ THỐNG CƠ LẬP MĨNG – BIS (Base Isolation System)
Nguyễn Văn Giang (1), Chu Quốc Thắng (2)
(1) Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.HCM (2)Đại học Quốc Tế, ĐHQG- HCM
(Bài nhận ngày 18 tháng 01 năm 2006, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 03 tháng 09 năm 2006)
TĨM TẮT : Kết cấu cơng trình nhạy cảm với rung động móng, cần tác động nhỏ đến móng ảnh hưởng đến phần kết cấu bên trên, đặc biệt tải trọng tác động trực tiếp đến móng động đất Khi có động đất xảy ra, lực cắt lớn chân cột gây phá hoại trực tiếp cho liên kết cột móng Do vậy, để cơng trình tồn tại, ta phải cấu tạo cơng trình thật cứng để kháng lực cắt lớn “làm mềm hóa” liên kết cột móng, tức giảm chuyển vị tương đối móng đỉnh cơng trình Với ý tưởng vậy, tác giả khảo sát việc bố trí hệ giằng xiên hợp lý cơng trình (giải pháp làm cứng phần kết cấu bên trên) kết hợp với giải pháp làm mềm hóa phần liên kết bên móng cơng trình gối cao su có lõi chì để tìm giải pháp tốt nhằm nâng cao hiệu chống động đất cho cơng trình
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong năm gần đây, người ta nghiên cứu ứng dụng nhiều kỹ thuật
điều khiển kết cấu nhằm làm giảm phản ứng tải trọng gió động đất gây Lĩnh vực chia thành ba nhóm chính: lập móng (base isolation), cản bị động (passive damping), điều khiển chủđộng (active control) [1] Trong ba giải pháp giải pháp lập móng ứng dụng sớm phổ biến Các lĩnh vực nghiên cứu Mỹ năm 1970, Nhật từ năm 1980 Và hội nghị quốc tế lần thứ vềđiều khiển kết cấu tổ chức Pasadena, California - Mỹ vào tháng năm 1984 với 300
đại biểu từ 35 nước đến dự Còn Việt Nam, điều khiển kết cấu lĩnh vực mới, chưa
được nghiên cứu sâu Tuy nhiên, năm gần đây, Việt Nam xảy số
trận động đất, đặc biệt động đất 5,3 độ Richter xảy Lai Châu vào ngày 19/02/2001, gây thiệt hại hàng trăm tỉđồng, hàng ngàn nhà bị hư hỏng nặng Và gần trận động đất khơi Vũng Tàu đêm 07-11 dư chấn ngày 08-11 khiến người dân TP.HCM số
tỉnh hoảng loạn , lo lắng Do , áp dụng biện pháp kháng chấn cơng trình xây dựng, hoàn toàn giảm thiệt hại động đất gây
(2)Science & Technology Development, Vol 9, No.8- 2006
Hình 1b Các thiết bị cản phụ trợ dùng hiệu ứng quán tính
Con : controller – bộđiều khiển; a: actuator – tác động; S: sensor – cảm biến 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CƠ LẬP MĨNG
2.1 Phản ứng hệ bậc tự
Hình 2a Hệ bậc tự chịu tải trọng điều hịa
Hình 2b Hệ bậc tự chịu chuyển động gối tựa
Phương trình chuyển động của hệ như sau: m
u(t) + c
u(t) + ku(t) = p(t) (1) m
u(t) + c
u(t) + ku(t) = -mug (t) (2) Với : m, k, c khối lượng, độ cứng thông số cản nhớt hệ
p(t) tải trọng tác động lên hệ
u(t) chuyển vị hệ; ug(t) chuyển vị gối tựa (chuyển vị nền) Với : m, k, c khối lượng, độ cứng thông số cản nhớt hệ
p(t) tải trọng tác động lên hệ
u(t) chuyển vị hệ; )ug(t chuyển vị gối tựa (chuyển vị nền)
2.2.Phản ứng hệ nhiều bậc tự chịu tải trọng động đất
Phương trình chuyển động
Thực tế chuyển động theo phương ngang đứng xảy đồng thời trận động
đất, nhiên chuyển động ngang nguy hiểm hơn, ta xem chuyển động đứng
là lực cộng thêm vào tải trọng đứng cơng trình [3]
(3)TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ -2006 thiết đáp ứng kết cấu mode định Giả thiết thích hợp cho nhà thấp tầng (vì kết cấu nhà cao tầng, chuyển vị tương đối tầng lớn độ cứng kết cấu mảnh, khơng thểđơn giản hóa sơđồ kết cấu thực (hình 3a) sơđồ tính tốn đơn giản hệ bậc tự hình 3b) Sau ta khảo sát ảnh hưởng độ cứng gối đỡđến chuyển vị tương đối kết cấu u so với chuyển vị móng (ub + ug )
Hình Các mơ hình lập móng
a Kết cấu thực b Lý tưởng hóa thành dầm c Mơ hình khối lượng thu gọn
Các phương trình cho mơ hình khối lượng thu gọn bao gồm phương trình cân cho khối lượng, phương trình quan hệ lực cắt lò xo gối đỡ [1]:
m
u + c
u+ ku = − m (u b +
ug ) (3)
kb ub + cb
ub = ku + c
u (4)
Trong : k, kb ; c, cb độ cứng; cản kết cấu bên trên, móng
ub, ug chuyển vị móng, nền; u chuyển vị tổng 2.3.Thiết kế hệ thống cô lập
Các yêu cầu quan trọng cho hệ thống cô lập gồm có : tính mềm, tiêu tán lượng, độ cứng tác dụng tải trọng đứng nhỏ (vì nay, gối đỡ cao su chế tạo chịu tải trọng đứng nhỏ (thấp tầng, tải trọng truyền xuống chân cột nhỏ 500 tấn)) [4]
2.3.1.Tính mềm
Để gối đỡ có tính mềm người ta thường chế tạo gối vật liệu cao su Gối đỡ gồm nhiều lớp cao su dán vào thép (hình 4a,b) để giữ cao su khơng biến dạng ngang tác dụng tải trọng đứng, làm cho gối có độ cứng theo phương đứng lớn gấp nhiều lần theo phương ngang Độ cứng theo phương ngang giảm ta tăng chiều dày số lượng lớp cao su Cao su thiên nhiên vật liệu đàn nhớt phi tuyến,
biến dạng đến 300% mà khơng bị phá hoại [2] 2.3.2.Tính mềm dưới tác dụng của tải trọng nhỏ
Tăng độ mềm theo phương ngang hệ thống cách ly thường đạt hiệu động đất mạnh Lúc đó, chuyển động tương đối kết cấu móng đỡ lớn chuyển
động tuyệt đối nhỏ, làm “giảm cảm giác động đất” Tuy nhiên, tác dụng lực gió tình hình trở nên khác hẳn Gió tác dụng trực tiếp vào kết cấu, kết cấu có độ cứng ngang nhỏ chuyển vị ngang kết cấu lớn Do vậy, để giải vấn đề này, ta
thêm vào gối đỡ hệ cứng phụ trợ, hệ hoạt động tải trọng bình thường không hoạt
động tải trọng động đất (vì đó, lực động đất làm gối BIS chảy dẻo, vậy, chân cột công trình dù “tách rời” với móng khơng dịch chuyển mức cho phép) [1] Thực tế, hệ cứng phụ trợ thép (steel rod damper) tính tốn có
độ cứng ban đầu, sau bị chảy tải trọng ngang lớn (tải trọng động đất) Phổ biến thép kết hợp với lõi chì nằm gối đỡ cao su ( Lead Rubber Bearings – LRBs) (hình 4b)
(4)Science & Technology Development, Vol 9, No.8- 2006
Hình 4a Gối đỡ cao su thiên nhiên (NRB) Hình 4b Gối đỡ cao su có lõi chì (LRB)
2.3.3.Mơ hình hóa gối đỡ bằng cao su có lõi chì ( LRB) Ta xem LRB gồm hai phần tử (hình 5)
(i) phần tử đàn nhớt tuyến tính đại diện cho cao su (rubber) có độ cứng k1,
(ii) phần tử đàn–dẻo tuyệt đối đại diện cho lõi chì (lead) có độ cứng k2
Hình 5 Mơ hình gối đỡ cao su có lõi chì - đáp ứng giả tĩnh
Hình Gối đỡ LRBs chịu lực dọc trục (hình 6a) chịu cắt (hình 6b)
Cơng thức tính độ cứng dùng cho phần tử gối cao su (k1)
k(cao su) ≡ k1 = fdGs (5)
Nếu xem chì ứng xửđàn hồi tuyến tính (ban đầu) độ cứng lõi chì k(chì ) ≡ k2 =
p p p
h G A
(6a) - Ap , hp Gp diện tích mặt cắt ngang, chiều cao module chống cắt lõi chì
- Gs mơ-đun cắt vật liệu đàn nhớt
hình chiếu mặt bên hình chiếu mặt Hình 6c Mơ hình thiết bị cản đàn nhớt
- Đặc trưng hình học thiết bị
cản fd =
d
t wL
(6b)
Lõi chì Cao su Lá thép
Tấm đệm Cao su
(5)TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ -2006 Độ cứng cát tuyến liên hệ với độ cứng thành phần k1 , k2 (xem hình số 5) qua biểu thức
μ + =
1 s
k k
k (7)
với μ tỷ sốđộ dẻo
μ =
y y
ˆ u
uˆ γ
γ
= (8)
Trong :
- uy chuyển vịứng với thời điểm bắt dầu có biến dạng dẻo chì - y =
d y t u
: ứng suất cắt chịu cắt thiết bị cản, u = γtd hay uˆ = γˆ td
3 VÍ DỤ MINH HỌA
Cơng trình tính tốn minh họa có mặt 24x18m, gồm 05 tầng tầng cao 3m (H = 5x3 = 15m) Hệ giằng xiên bố trí hai trường hợp : dọc theo chu vi tầng suốt chiều cao công trình Các sơđồ kết cấu lập động đất gối cao su có lõi chì (Lead Rubber Bearings – LRBs) có chu kỳ LRB1: 1.5s; LRB2 : 2s; LRB3 : 2.5s; LRB4: 3s
Sử dụng phần mềm phân tích kết cấu Sap2000 NonLinear [5], [6] phân tích phản ứng kết cấu chịu trận động đất El Centro theo lịch sử thời gian, với bước thời gian Δt = 0,01s 12,5s; gia tốc chuyển động đồng thời theo hai phương, với phương X 30% gia tốc so với phương Y (theo qui phạm chống động đất nước Bắc Mỹ, Nhật Bản)
3.1.Kết tính tốn
Bảng 1. Giá trị chu kỳ mode (s)
Loại Ngàm cứng LRB1 LRB2 LRB3 LRB4
Không giằng 1.3281 2.0026 2.3958 2.8207 3.2605 Giằng 1.1182 1.8821 2.2977 2.7386 3.1964 Giằng góc 0.6596 1.6942 2.158 2.6201 3.0969
Bảng 2. Gia tốc cực đại theo phương Y (m/s2)
Loại Ngàm cứng LRB1 LRB2 LRB3 LRB4
Không giằng 10.3800 6.8839 5.7541 4.8873 4.2281 Giằng 10.6900 6.3512 5.2024 4.3648 3.7397 Giằng góc 12.5600 4.4454 3.4900 2.8745 2.4319
Bảng 3. Chuyển vị cực đại theo phương Y (cm)
Loại Ngàm cứng LRB1 LRB2 LRB3 LRB4
(6)Science & Technology Development, Vol 9, No.8- 2006
0 0,5 1,5 2,5 3,5
Chu
k
yø (s)
Ngàm cứng LRB1 LRB2 LRB3 LRB4 Hình Biểu đồ biểu diễn biến thiên chu kỳ Mode
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
Chu kyø (s)
Gi
a t
oác
(m
/s
2 )
Không giằng Giằng trệt Giằng 4 goc
Hình Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ gia tốc chu kỳ
0 10 15 20
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
Chu kyø (s)
ch
uy
ển
v
ị (
C
m
)
Không giằng Giằng trệt Giằng 4 góc
(7)TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ -2006 3.2.Nhận xét
3.2.1 Về phản ứng gia tốc của kết cấu cơng trình chịu động đất
• Giá trị gia tốc cực đại sơ đồ (hình 6) giảm theo gia tăng chu kỳ Trong đó, sơđồ kết cấu khơng bố trí giằng giảm tốc độ giảm nhiều rơi vào trường hợp sơđồ có bố trí hệ giằng góc nhà Như vậy, kết cấu cứng tốc
độ giảm phản ứng gia tốc nhanh hiệu
• Trên loại sơđồ, chu kỳ T ≤ (s) tốc độ giảm gia tốc nhiều (tương ứng
đường cong đồ thị có độ dốc lớn nhất) chu kỳở mức 2.5 đến 3.5 (s), tốc độ giảm khơng thay đổi (hình 6) Hiệu tốt tương ứng với chu kỳ thiết kế từ 1.5 đến 2.5 (s)
• Trong loại gối cô lập LRB1, LRB2, LRB3, LRB4 LRB4 (mềm nhất) có tỷ lệ giảm gia tốc nhiều (hơn 80%); LRB1 (hơn 35%) Điều chứng tỏ gối mềm (chu kỳ dài) việc giảm gia tốc có ý nghĩa Tuy nhiên, tăng độ mềm gối mà không tăng tính cản chuyển vị móng nhà tăng Lúc ta cần phải kết hợp tăng cảđộ mềm lẫn tính cản cho gối để giảm chuyển vị lẫn gia tốc Vì cao su thiên nhiên vốn có tính cản thấp, nên để tăng tỷ số cản hiệu gối thường tăng kích thước lõi chì,
điều ảnh hưởng đến giá thành việc cấu tạo gối, vấn đề cần xem xét cân nhắc thiết kế thực tế
3.2.2 Về phản ứng chuyển vị của kết cấu cơng trình chịu động đất
• Khi kết cấu có gắn gối cô lập, chuyển vị gia tăng theo gia tăng chu kỳ
(hình 7) Đặc biệt sơđồ kết cấu khung khơng bố trí hệ giằng tăng nhanh nhiều Điều chứng tỏ chu kỳ tỷ lệ thuận với chuyển vị, kết cấu mềm chuyển vị lớn
• Tất sơđồ kết cấu lập động đất có chuyển vị tuyệt đối tầng lớn chuyển vị tuyệt đối sơ đồ kết cấu bị ngàm móng(do ta chủ ý cho móng chuyển động) Tuy nhiên, điều quan trọng chuyển vị tương đối tầng kết cấu có lập lại giảm nhiều Chính vậy, biến dạng nội lực kết cấu giảm đáng kể, tăng mức độ an tồn cho cơng trình Đặc biệt, chu kỳ thứ kết cấu kéo dài tới s với gối cao su LRB4 phản ứng cịn khoảng 10%
• Trên biểu đồ hình cho thấy độ dốc thay đổi lớn từ sơđồ ngàm cứng đến sơđồ có gối LRB1 (Te=1.5 s) gối LRB2 ( Te = 2.0 s ), chứng tỏ hiệu giảm phản ứng khoảng cao Tuy nhiên, từ gối LRB2 đến LRB3 (Te = 2.5 s ) LRB4 (Te = 3.0 s ), hiệu giảm chuyển vị tương đối không cải thiện : biểu đồ gần nằm ngang
Như vậy, với kết cấu mức độđộng đất El Centro xem chu kỳ gối 2s (LRB2) tốt nhất.
3.2.3 Về khả năng tiêu tán năng lượng của gối LRBs
• Phần lượng gối cô lập tăng nhanh (nonlinear energy) hấp thu hầu hết lượng động đất tác động vào nhanh chóng tiến tới trị số lượng đầu vào Động có trị số nhỏ nhiều so với trường hợp khơng có gối lập tắt nhanh Như
vậy, gối cô lập hấp thu lượng tác động vào kết cấu, với tính cản thân kết cấu làm tắt nhanh dao động Chuyển vị tương đối kết cấu nội lực kết cấu giảm đáng kể, kết cấu không bị phá hoại
• Hiệu giảm tổng lực cắt chân cột Hiệu giảm tổng lực cắt cao (trên 80%)
Điều cho thấy gắn thiết bị lập móng sẽđảm bảo an tồn cho cơng trình có xảy trận động đất nguy hiểm với cấp độ trận động đất El Centro lịch sử Bởi vì, động