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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ HỒNG PHƢỚC PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP MỘT MẶT TRƢỢT MA SÁT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ HOÀNG PHƢỚC PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP MỘT 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 Lê Hồng Phƣớc ii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Kết dự kiến Bố cục đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP MỘT MẶT TRƢỢT MA SÁT (SFP) 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 gồm có yếu tố c Kết cấu lõi chịu lực gồm có yếu tố 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 1.2 TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LÊN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG iii 1.2.1 Sóng địa chấn truyền sóng 1.2.2 Đặc tính chuyển động động đất 12 a Gia tốc đỉnh (PGA) 13 b Nội dung tần số 13 c Thời gian kéo dài rung động mạnh 13 d Ứng xử kết cấu chịu tác động tải trọng động đất 14 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 15 1.3.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu giải pháp gối lập dao động 15 a Tình hình nghiên cứu áp dụng nƣớc 16 b Tình hình nghiên cứu áp dụng nƣớc 17 1.3.2 Các giải pháp gối cô lập dao động 19 a Các nghiên cứu gối đàn hồi (Elastomeric bearings) 19 b Các nghiên cứu gối trƣợt ma sát (Friction sliding bearings) 20 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 22 CHƢƠNG MÔ HÌNH VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN GỐI CƠ LẬP MỘT MẶT TRƢỢT MA SÁT (SFP) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 23 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 2.1.1 Cơ sở tính tốn cơng trình chịu động đất 23 2.1.2 Phƣơng trình chuyển động 23 2.2 MƠ HÌNH TÍNH TỐN CỦA GỐI CƠ LẬP MỘT MẶT TRƢỢT MA SÁT 24 2.2.1 Cấu tạo gối cô lập mặt trƣợt ma sát 24 2.2.2 Mơ hình xác định hệ số ma sát thiết bị gối trƣợt 25 a Mơ hình Coulomb 25 b Mơ hình Coulomb hiệu chỉnh 25 c Mơ hình dẻo (Viscoplasticity model, mơ hình Bouc - Wen) 26 2.3 LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP SỐ CHO NGHIÊN CỨU 26 2.3.1 Phƣơng pháp Newmark 27 2.3.2 Phƣơng pháp Runge-Kutta 27 2.4 MƠ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG CÁC DẠNG GỐI CÔ LẬP MẶT TRƢỢT MA SÁT KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 28 2.4.1 Quan hệ lực chuyển vị ngang gối SFP 28 2.4.2 Mơ hình tính tốn kết cấu có gắn gối SFP 30 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 31 CHƢƠNG VÍ DỤ TÍNH TỐN HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN GỐI CÔ LẬP TRƢỢT MA SÁT SFP 32 iv 3.1 HỆ BẬC TỰ DO 32 3.1.1 Thông số kết cấu 32 3.1.2 Thông số kỹ thuật gối 32 3.1.3 Gia tốc phân tích 33 3.1.4 Kết phân tích 33 3.1.4.1 Kết phân tích với trận động đất Northridge 34 3.1.4.2 Khảo sát với trận động đất Elcentro 1940 36 3.2 HỆ BẬC TỰ DO (NGHIÊN CỨU CHO GỐI SFP) 37 3.2.1 Với trận đông đất Northridge 38 a Xét trƣờng hợp d=90mm 38 b Xét trƣờng hợp d=95mm 40 c Xét trƣờng hợp d=99mm 41 d Xét trƣờng hợp d=102mm 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN(bản sao) PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 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 u mm/s2 m Gia tốc trọng trƣờng Véc tơ chuyển vị u ü m/s Véc tơ vận tốc STT Ký hiệu PGA PGV PGD m/s 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 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 s mm mm % mm mm rad N, kN N, kN N, kN N, kN N, kN N, kN Chu kỳ dao động Bán kinh mặt cong gối Khả chuyển vị mặt cong 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 Tổng trọng lƣợng kết cấu bên gối Phản lực đứng vị trí lắc 26 27 28 29 30 u g Ns2/m N/mm s/m m m/s 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 T R d 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 Tỉ số cản 43 ∝ 44 A,β,γ η s/m Hệ số phụ thuộc vào áp lực bề mặt hệ số ma sát 45 Y 46 ux 47 uy mm mm mm 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 48 ub 49 N(t) m kN Tổng chuyển vị gối Tổng trọng lƣợc kết cấu bên gối thay đổi theo thời gian 50 51 52 53 mm kN/m s % 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 41 n 42  Db Keff Teff βeff DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt SFP DFP TFP ASCE TCVN 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 vii NRB Natural rubber bearing (Gối cao su tự nhiên) HDR High – Damping Rubber (Gối cao su có độ cản nhớt lớn) LRB PEER Lead rubber bearing (Gối cao su có lõi chì) Pacific Earthquake Engineering Research (Trung tâm nghiên cứu động đất Thái Bình Dƣơng đại học 10 1D 11 2D Berkeley) One Dimension (một chiều) One Dimension (Hai chiều) 12 EPS 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) 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) 15 MCE 16 SRSS viii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1 Thông số kết cấu 32 3.2 Dữ liệu trận động đất 33 accl=1*g*accl; %% THONG SO KY THUAT GOI SFP kr=10^5; m11=m; W=6*m*g; R=3000; d=99; %(mb = m11; kb = k11) fmax=0.08; fmin=0.04; a=0.02; A=1; Y=0.25; gama=0.9; beta=0.1; eta=2; Reff=R; k11=W/Reff; d1e=d; fmax1e=fmax; fmin1e=fmin; a1e=0.02; %% PHAN TICH KET CAU CACH CHAN BANG GOI SFP x0=[0 0 0 0 0 0 0]'; options = odeset('RelTol',1e-6,'AbsTol',1e-6,'Stats','on'); [t,x]=ode15s('xdotSFP_5s',tspan,x0,options); u1=x(:,1); u2=x(:,3); u3=x(:,5);u4=x(:,7);u5=x(:,9);u6=x(:,11); v1=x(:,2); v2=x(:,4); v3=x(:,6);v4=x(:,8);v5=x(:,10);v6=x(:,12); z=x(:,13); Fr=kr.*(abs(x(:,1))-d1e).*sign(x(:,1)).*heaviside(abs(x(:,1))-d1e); mu=fmax1e-(fmax1e-fmin1e)*exp(-a1e*abs(x(:,2))); ab=(-k11*x(:,1)-k2*(x(:,1)-x(:,3))-c2*(x(:,2)-x(:,4))-W*x(:,13).*mu-Fr)./m11; a1=(-k2*(x(:,3)-x(:,1))-c2*(x(:,4)-x(:,2))-k3*(x(:,3)-x(:,5))-c3*(x(:,4)x(:,6)))./m2; a2=(-k3*(x(:,5)-x(:,3))-c3*(x(:,6)-x(:,4))-k4*(x(:,5)-x(:,7))-c4*(x(:,6)x(:,8)))./m3; a3=(-k4*(x(:,7)-x(:,5))-c4*(x(:,8)-x(:,6))-k5*(x(:,7)-x(:,9))-c5*(x(:,8)x(:,10)))./m4; a4=(-k5*(x(:,9)-x(:,7))-c5*(x(:,10)-x(:,8))-k6*(x(:,9)-x(:,11))-c6*(x(:,10)x(:,12)))./m5; a5=(-k6*(x(:,11)-x(:,9))-c6*(x(:,12)-x(:,10)))./m6; Fb=k11*u1/W + mu.*z + Fr/W; ub=u1; F1=k2*(u2-u1); F2=k3*(u3-u2); F3=k4*(u4-u3); F4=k5*(u5-u4); F5=k6*(u6-u5); %% PHAN TICH KET CAU NGAM CUNG x0=[0 0 0 0 0 0]'; options = odeset('RelTol',1e-6,'AbsTol',1e-6,'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); %% -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('SFP Bearings d=99mm',4) % -figure('Numbertitle','off','Name','GIA TOC TANG ','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('Fixed Base','SFP Base') % -figure('Numbertitle','off','Name','LUC CAT TANG ','position',[10 10 800 300]); plot(t,Ff1/1000,'-k','Color','m','LineWidth',2.5) set(gca,'FontSize',12); xlabel('\bfTime (s)'); ylabel('\bfShear force (kN)'); hold on; plot(t,F1/1000,'-k','Color','b','LineWidth',2.5) legend('Fixed Base','SFP Base') b.Với d=102mm clc close all clear all format long set(0,'defaultAxesFontName', 'Times New Roman') global fmax1e fmin1e a1e tstep tf kr d1e A Y eta gama beta W k11 k2 k3 k4 k5 k6 c2 c3 c4 c5 c6 m11 m2 m3 m4 m5 m6 tspan accl N Reff; %% DAC TRUNG KET CAU (Don vi: kN, mm, s) 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 NOS % ELC NOS NOW LOM KOB TAB tstep=dt; tf=30; tspan=0:tstep:tf; t1=length(X); t2=length(tspan);accl=zeros(1,t2); if t2