Ứng Xử Công Trình Chịu Động Đất Sử Dụng Thiết Bị Cô Lập Địa Chấn.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN HÀO

ỨNG XỬ CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT
SỬ DỤNG THIẾT BỊ CƠ LẬP ĐỊA CHẤN

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208

S K C0 0 4 7 4 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN HÀO

ỨNG XỬ CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG
THIẾT BỊ CÔ LẬP ĐỊA CHẤN

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP
Hướng dẫn khoa học:
TS.PHAN ĐỨC HUYNH

Tp. Hồ Chí Minh, Ngày 24 tháng 10 năm 2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Nguyễn Văn Hào

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/10/1988

Nơi sinh: Quảng Trị

Quê quán: Nghĩa Thắng –ĐăkRLấp- ĐăkNông

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 8/9 đường 61,Phước Long B, Quận 9
Điện thoại :0932.665.345
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2007 đến 10/2012

Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Mở TP HCM
Ngành học: Kỹ thuật xây dựng dân dụngvà công nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế tòa nhà văn phòng Rossel
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 2/2015 tại ĐH Mở TP
HCM
Người hướng dẫn:Tiến Sĩ Nguyễn Trọng Phước
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

6/2012-1/2013

Công ty xây dựng Trung Quốc

Giám sát

2/2013-12/2014

Công ty TNHH TM Soutthern

Thiết kế

Công ty Cổ Phần KTEST

Thi công

3/2015-Nay


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn
Nguyễn Văn Hào

i


LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành đươ ̣c luâ ̣n văn tố t nghiê ̣p , em đã nhâ ̣n đươ ̣c nhiề u sự giúp đỡ
về mo ̣i mă ̣t tinh thầ n và vâ ̣t chấ t , cũng như chuyên môn của các thầy cô . Do đó em
viế t lời cảm ơn này để cảm ơn tấ t cả những sự giúp đỡ mà em đã đươ ̣c nhâ ̣n .
Đầu tiên em xin chân thành cám ơn nhà trường và khoa xây dựng đã tạo mọi
điề u kiê ̣n cho em. Nhờ đó em mới có đủ kiế n thức để hoàn thành tố t bài luâ ̣n văn tố t
nghiê ̣p của mình.
Kế đế n , em rấ t cám ơn TSPHAN ĐỨC HUYNH đã tâ ̣n tâm chỉ bảo em
nhiề u điề u bổ ích và đã giúp em làm tố t bài luâ ̣n văn này

. Trong khoảng thời gian

qua là khoảng thời gian có ý nghiã nhấ t với em vì đã đươ ̣c làm viê ̣c chung với Thầ y ,
học hỏi được nhiều kinh nghiệm quý báu và củng cố lại kiến thức cho mình . Mơ ̣t
lầ n nữa em xin chân thành cám ơn Thầ y .
Cuố i lời, em chúc cho nhà trường luôn gă ̣t hái đươ ̣c nhiề u thành công
xin chúc các thầ y các cô ở khoa và đă ̣c biê ̣t là các thầ y đã g

. Em

iúp em hoàn thành bài

luâ ̣n văn tố t nghiê ̣p luôn khoẻ ma ̣nh để truyề n đa ̣t những kinh nghiê ̣m quý báo cho
các lớp đàn em sau này…!

TP.HCM, tháng 10 năm 2015

i


MỤC LỤC
Tựa trang

Trang

LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………………………..i
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ TỰ

iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

ix

Chƣơng 1 Tổng quan
1.1. Giới thiệu

1

1.2. Tìm hiểu các dạng gối cách chấn

2

1.2.1. Gối cách chấn đàn hồi

2

1.2.2. Gối cách chấn dạng trượt

4

1.3. Kết quả nghiên cứu trong nước và nước ngoài

6

1.3.1. Đề tài nghiên cứu trong nước

6

1.3.2. Đề tài nghiên cứu nước ngoài

6

1.4. Hướng nghiên cứu đề tài

7

1.4.1. Nội dung nghiên cứu đề tài

7

1.4.2. Phương pháp nghiên cứu

7

Chƣơng 2: Quy trình thiết kế gối cách chấn
2.1. Gối đàn hồi HDRB

10

2.1.1. Tính chất cơ học của gối đàn hồi HDRB

10

2.1.2. Quy trình thiết kế gối đàn hồi HDRB

11

2.2. Gối cách chấn trượt đơn FPS

15

2.2.1. Tính chất cơ học của gối trượt đơn FPS

15

2.2.2. Quy trình thiết kế gối trượt đơn FPS

15

Chƣơng 3: Xây dựng phƣơng trình vi phân chuyển động
3.1. Xây dựng phương trình vi phân chuyển động cơng trình chịu động đất

18

3.1.1. Mơ hình hóa

18

3.1.2. Phương trình vi phân chuyển động

19

3.1.3. Chuyển vị,gia tốc,vận tốc, lưc cắt

22

3.2. Xây dựng hương trình vi phân chuyển động cơng trình có sử dụng gối HDRB23
3.2.1. Mơ hình hóa

23

3.2.2. Phương trình vi phân chuyển động

24

ii


3.2.3. Chuyển vị ,vận tốc,gia tốc, lực cắt

26

3.3. Xây dựng phương trình vi phân chuyển động cơng trình có sử dụng gối FPS 28
3.3.1. Mơ hình hóa

28

3.3.2. Phương trình vi phân chuyển động

29

3.3.3. Chuyển vị ,vận tốc,gia tốc, lực cắt

30

Chƣơng 4 : Hiệu quả của cơng trình khi sử dụng gối cách chấn và ảnh hƣởng

chu kỳ dao động của gối đến cơng trình
4.1. Hiệu quả cơng trình khi sử dụng gối cách chấn

32

4.1.1. Ví dụ áp dụng

32

4.1.2. Kết quả đạt được

39

4.1.3.Độ tin cậy kết quả tính tốn

44

4.2. Ảnh hưởng chu kỳ dao động của gối đến cơng trình

53

4.2.1. Gối HDRB

53

4.2.2. Gối FPS

54

Chƣơng 5 : Kết luận

5.1. Kết quả đạt được

56

5.2. Những vấn đề còn tồn động và hướng phát triển

56

TÀI LIỆU THAM KHẢO

57

PHỤ LỤC

61

iii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ TỰ
Chƣơng 1 :Tổng quan
HDRB

- High Damping Ruber Bearing

FPS

-Friction Pendulum Systems

DFPS

- Double Friction Pendulum Systems

SI

-Sliding Isolation



- Hằng số Newmark



-Hằng số Newmark

Chƣơng 2: Quy trình thiết kế gối cách chấn

D

- Đường kính ngồi của gối

Di

-Đường kính lổ ở tâm gối

tr

-Chiều dày các lớp cao su

ts

-Chiều dày lớp thép

nr

- Số lớp cao su trong gối HDRB

H

-Tổng chiều dày các lớp cao su

Ht

-Chiều cao của gối HDRB

kv

-Độ cứng theo phương đứng

kh

-Độ cứng theo phương ngang



-Tỉ số cản

E0

-Modun đàn hồi của vật liệu cao su

E

- Mô đun bulkling vật liệu



-Hệ số hiệu chỉnh vật liệu

Geq

- Mô đun cắt của vật liệu

S1

- Hệ số hình dáng

Aeff

- Diện tích mặt trên gối

Afree

- Diện tích xung quang gối

XD

- Chuyển dịch thiết kế gốitheo phương ngang

iv

fh

-Tần số dao động gối theo phương ngang,

fv

- Tần số dao động gối theo phương đứng

P

- Lực nén lớn nhất (hoạt tải và tĩnh tải)

Pcr

-Tải trọng tới hạn

I

eff

-Mô men quán tính hữu hiệu

S2

- Hệ số hình dáng

A 'eff

-Diện tích hiệu quả khi gối dịch chuyển

R

- Bán kính cầu lõm



- Hệ số ma sát

F

- Lực phục hồi

Ff

- Lực ma sát

K eff

- Độ cứng hữu hiệu theo phương ngang của gối

 eff

-Hệ số cản hữu hiệu

v

- Chuyển vị theo phương đứng

Chƣơng 3: Xây dựng phƣơng trình vi phân chuyển động
ug

- Chuyển vị do gia tốc nền

un

- Chuyển vị do khối lượng các tầng gây ra

kn

-Độ cứng các tầng

cn

-Độ cản các tầng

mn

- Khối lượng các tầng

M 

-Ma trận khối lượng

C 

-Ma trận cản

K 

-Ma trận độ cứng

f ij

-Lực tại tầng j ứng với mode dao dộng thức i

Vb

- Lực cắt đáy

Dtk

-Chuyển vị gối thiết kế

v


b

ub

-Chuyển vị gối

kb

- Độ cứng gối

cb

- Độ cản gối

- Hệ số cản gối
mb

-Khối lượng tầng trên gối

b

-Tần số góc của gối

wx

-Trọng lượng sàn thứ x

hx

- Chiều cao sàn thứ x

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Chƣơng 1 :Tổng quan
Hình 1.1. Cơng trình sử dụng gối cách chấn ........................................... 1
Hình 1.2. Các dạng gối cách chấn ........................................................... 2
Hình 1.3. Gối cao su NRB ....................................................................... 3
Hình 1.4. Gối cao su lõi chì LRB ............................................................ 3
Hình 1.5. Gối cao su giảm chấn cao HDRB ............................................ 4
Hình 1.6. Gối cách chấn dạng trượt SI ................................................... 5

Hình 1.7. Gối cách chấn dạng trượt FPS ................................................. 5
Hình 1.8. Gối cách chấn dạng trượt đôi DFPS ........................................ 6
Chƣơng 2

: Quy trình thiết kế gối cách chấn

Hình 2.1 Gối đàn hồi HDRB ................................................................. 10
Hình 2.2. Sự dich chuyển gối đàn hồi ................................................... 13
Hình 2.3. Cấu tạo gối trượt đơn FPS ..................................................... 15
Hình 2.4 Mơ hình làm việc gối FPS ...................................................... 15
Chƣơng 3: Xây dựng phƣơng trình vi phân chuyển động
Hình 3.1 Hệ n bậc tự do......................................................................... 18
Hình 3.2 Mơ hình tương đương hệ n bậc tự do ..................................... 18
Hình 3.3. Hệ n tầng có sử dụng gối HDRB ........................................... 23
Hình 3.4. Mơ hình tương đương hệ n tầng có gối HDRB ..................... 24
Hình 3.5. Hệ n tầng có sửdụng gối FPS ................................................ 28
Hình 3.6. Mơ hình tương đương hệ n tầng có gối FPS ......................... 28
Chƣơng 4 : Hiệu quả của cơng trình khi sử dụng gối cách chấn và ảnh hƣởng
chu kỳ dao động của gối đến cơng trình
Hình 4.1. Mặt bằng cơng trình .............................................................. 32
Hình 4.2. Mặt đứng cơng trình 9 tầng ................................................... 33
Hình 4.3. Mặt đứng cơng trình 3 tầng ................................................... 33
Hình 4.4. Gia tốc nền EL Centrol 1940 ................................................. 34
Hình 4.5.Chuyển vị cơng trình .............................................................. 40
Hình 4.6.Chuyển vị đỉnh cơng trình theo thời gian ............................... 40
vii


Hình 4.7.Chuyển vị gối HDRB và gối FPS theo thời gian ................... 41
Hình 4.8. Vận tốc đỉnh cơng trình theo thời gian .................................. 41

Hình 4.9.Gia tốc đỉnh cơng trình theo thời gian .................................... 42
Hình 4.10. Lưc cắt đáy cơng trình theo thời gian .................................. 42
Hình 4.11.Phân lực cắt đáy lên các tầng trong cơng trình 9 tầng.......... 43
Hình 4.12.Phân lực cắt đáy lên các tầng trong cơng trình 3 tầng.......... 43
Hình 4.13. Chuyển vị đỉnh khơng sử dụng gối ..................................... 46
Hình 4.14. Chuyển vị đỉnh sử dụng gối HDRB .................................... 46
Hình 4.15. Chuyển vị đỉnh sử dụng gối FPS ......................................... 46
Hình 4.16. Chuyển vị gối HDRB .......................................................... 47
Hình 4.17. Chuyển vị gối FPS ............................................................... 47
Hình 4.18. Vận tốc đỉnh khơng sử dụng gối ......................................... 48
Hình 4.19. Vận tốc đỉnh sử dụng gối HDRB ........................................ 48
Hình 4.20. Vận tốc đỉnh sử dụng gối FPS ............................................. 49
Hình 4.21. Gia tốc đỉnh khơng sử dụng gối .......................................... 49
Hình 4.22. Gia tốc đỉnh sử dụng gối HDRB ......................................... 50
Hình 4.23. Gia tốc đỉnh sử dụng gối FPS .............................................. 50
Hình 4.24. Lực cắt đáy khơng sử dụng gối ........................................... 51
Hình 4.25. Lực cắt đáy sử dụng gối HDRB .......................................... 51
Hình 4.26. Lực cắt đáy sử dụng gối FPS ............................................... 52
Hình 4.27. Chuyển vị cơng trình có gối HDRB khi chu kỳ gối thay đổi53
Hình 4.28. Chuyển vị cơng trình có gối FPS khi chu kỳ gối thay đổi .. 55

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Chƣơng 4 : Hiệu quả của công trình khi sử dụng gối cách chấn và ảnh hƣởng
chu kỳ dao động của gối đến cơng trình
Bảng 4.1. Kích thước dầm, cột cơng trình 9 tầng.................................. 34
Bảng 4.2. Kích thước dầm, cột cơng trình 3 tầng.................................. 34
Bảng 4.3. Khối lượng và độ cứng các tầng ........................................... 34

Bảng 4.4. Đặc tính cao su gối HDRB.................................................... 35
Bảng 4.5. Thơng số kỹ gối HDRB tại cột C3 ........................................ 36
Bảng 4.6. Độ cứng hữu hiệu của gối HDRB trong cơng trình 9 tầng ... 37
Bảng 4.7. Độ cứng hữu hiệu của gối HDRB trong cơng trình 3 tầng ... 37
Bảng 4.8. Thơng số của gối FPS tại cột C3 cơng trình 9 tầng .............. 38
Bảng 4.9 .Độ cứng hữu hiệu của gối FPS trong cơng trình 9 tầng........ 39
Bảng 4.10. Độ cứng hữu hiệu của gối FPS trong cơng trình 3 tầng...... 39
Bảng 4.11.Hiệu quả cơng trình 9 tầng khi sử dụng gối cách chấn ........ 44
Bảng 4.12. Hiệu quả cơng trình 3 tầng khi sử dụng gối cách chấn ....... 45
Bảng 4.13. Độ tin cậy kết quả tính tốn ................................................ 52
Bảng 4.14. Độ cứng hữu hiệu gối HDRB khi chu kỳ gối thay đổi ....... 53
Bảng 4.15. Hiệu quả sử dụng gối HDRB khi chu kỳ gối thay đổi ........ 54
Bảng 4.16. Độ cứng hữu hiệu gối FPS khi chu kỳ gối thay đổi ............ 54
Bảng 4.17. Hiệu quả sử dụng gối FPS khi chu kỳ gối thay đổi ............ 55

ix


Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu
Vượt qua hàng thập kỷ,động đất ảnh hưởng rất lớn đối với con người và cơ sở
hạ tầng.Các chuyên gia đã tìm ra giải pháp để giảm chấn động cho cơng trình.Nhằm
ổn định cho cơng trình khi có động đất,giảm tối thiểu thiệt hại về con người và tài
sản.
Một thiết bị cách chấn trở thành một yếu tố quan trọng của kết cấu, nâng khả
năng hấp thụ năng lượng do động đất trùn vào cơng trình.Việc tính tốn thiết kế
cơng trình sao cho năng lượng đó được tiêu tán đảm bảo cơng trình hoạt động hiệu
quả nhất khi có động đất xảy ra.Thiết bịcơ lập địa chấn được sử dụng trong các
cơng trình nhằm tách rời cơng trình khỏi mặt đất. Làm được vậy người ta bố trí một

thiết bị cách chấn bên trên móng và bên dưới kết cấu(kết cấu bên trên móng) để
giảm sự khuyếch đại năng lượng của động đất truyền lên kết cấu bên trên.Thiết bị
này này còn gọi là “gối cách chấn”.

a)

b)

Hình 1.1. Cơng trình sử dụng gối cách chấn
a.Kết cấu khơng sử dụng thiết bị cách chấn
b.Kết cấu có sử dụng thiết bị cách chấn

1


1.2. Tìm hiểu các dạng gối cách chấn
Có hai loại gối cách chấn cơ bản: gối cách chấn đàn hồi (cao su) và gối cách chấn
dạng trượt.Một cơng trình,thiết bị cách chấn có thể sử dụng gối cách chấn đàn hồi
hoặc gối cách chấn dạng trượt,đơi khi có thể kết hợp vừa gối cách chấn đàn hồi và
gối cách chân dạng trượt.

a)

b)

Hình 1.2. Các dạng gối cách chấn
a. Gối cách chấn đàn hồi
b. Gối cách chấn dạng trượt
1.2.1. Gối cách chấn đàn hồi
Gối đàn hồi bao gồm các lớp cao su và lớp thép xếp đan xen nhau.Lớp cao su được

bao bọc xung quanh.Lớp cao su tạo độ linh động còn lớp thép tạo độ cứng,đảm bảo
khả năng chịu nén và biến dạng theo phương ngang.Trong một vài trường hợp một
lõi chì được đặt ở giữa nhằm tăng khả năng chịu nén và tiêu tán năng lượng.
Có 3 loại gối đàn hồi:
+ Gối cao su tự nhiên (NRB)
+ Gối cao su có lõi chì (LRB)
+ Gối cao su giảm chấn cao(HDRB)
 Gối cao su tự nhiên (NRB)
Chúng có các lớp cao su và các lớp thép xếp chồng xen kẻ nhau.Các lớp thép ngăn
cho các lớp cao su không bị phồng lên đồng thời tăng độcứng theo phương
đứng.Lớp cao su tăng khả năng biến dạng theo phương ngang.
Khi chịu tải trọng lớn các lớp cao su có xu hướng phình ra, ảnh hưởng trực tiếp
đếnkhả năng chịu nén.

2


Mặt trên và dưới gối đàn hồi NRB có 2 bản thép.Một mặt được liên kết với kết cấu
bên trên một mặt được liên kết với móng cơng trình.

Hình 1.3. Gối cao su NRB
 Gối cao su lõi chì (LRB)
- Gối cao su lõi chì chúng có cấu trúc tương tự gối cao su tự nhiên
NLB.Nhưng gối cao su LBR lại có một hay nhiều lõi đặt trung tâm.Lõi này được
làm bằng chì nhằm tăng khả năng chịu nén, tăng khả năng tiêu tán năng lượng.
Chính vì có lõi chì ở giữa nên khả năng chịu nén gối LRB tốt hơn gối NRB.Thơng
thường đường kính của lõi dẫn là 15% -33% đường kính tổng thể của gối.
Để đảm bảo được một thiết bị giảm chấn nó cần đáp ứng được 3 u cầu:
- Chúng có thể chịu đựng tồn bộ trọng lượng của tịa nhà trong khi ở móng
vẫn dịch chuyển theo phương ngang.

- Khả năng khôi phục lại trạng thái ban đầu.
-Giảm chấn động cho tòa nhà, hấp thụ năng lượng khi có động đất

Hình 1.4. Gối cao su lõi chì LRB

3


 Gối cao su giảm chấn cao (HDRB)
Sự phát triển của một hợp chất cao su tự nhiên nhằm tăng yếu tố giảm chấn
trong trong gối cao su. Lớp cao su đặc biệt này được thêm carbon đen, dầu hoặc
nhựa tạo ra một hợp chất cao su đặc biệt. Tính chất đặc biệt các lớp cao su tạo ra độ
cản lớn nhằm giảm chấn động cơng trình,tiêu tán năng lượng.
Cấu tạo của gối đàn hồi HDRB tương tự gối cao su NRB thay vì nó sử dụng
những lớp cao su tự nhiên, gối cao su HDRB sẽ sử dụng loại cao su đặc biệt.

Hình 1.5. Gối cao su giảm chấn cao HDRB
1.2.2. Gối cách chấn dạng trƣợt
Hệ thống trượt có cấu tạo rất đơn giản.Gồm 2 mặt trên và dưới chúngtrượt lên
nhau qua con lắc trượt.Mặt trên gối trượt, chúng tiếp xúc với kết cấu bên mặt dưới
được gắn với móng cơng trình.
Chúng trượt lên nhau để tạo ra ma sát hạn chế việc sinh ra gia tốc do tải trọng
động đất.Gối cách chấn dạng trượt thường sử dụng hai bề mặt hình cầu hoặc trượt
trên bề mặt phẳng.
Hiện nay gối cách chấn dạng trượt thơng thường có 3 loại:
- Gối cách chấn trượt (SI)
- Gối cách chấn trượt đơn cịn gọi là FPS
- Gối cách chân trượt đơihay cịn gọi là DFPS
 Gối cách chấn trượt SI
Đây là gối cách chấn được phát hiện sớm nhất và đơn giản nhất.Hệ thống sử

dụng một phần trượt để tách rời cấu trúc bên trên với nền chúng hoạt động theo
nguyên tắc ma sát trượt.
4


Gối cách chấn SI chịu tải trọng đứng là chủ yếu,tải trong ngang thì hoạt động
linh hoạt,nhờ ma sát làm tiêu tán năng lượng. Nhược điểm lớn nhất của dạng gối
này là khơng có khả năng trở về vị trí tâm ban đầu.

Hình 1.6. Gối cách chấn dạng trƣợt SI
 Gối cách chấn trượt đơn FPS:
Dạng gối trượt hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển động con lắc, phụ thuộc vào
bán kính mặt cong. Cấu trúc bên trên được tách rời với nền thông qua một thanh
trượt dạng khớp. Gối trượt FPS có một bề mặt cong trượt có khả năng tạo ra lực
phục hồi, trọng lượng của kết cấu bên trên được đặt trên một khớp trượt có thể trượt
trên bề mặt cong, ma sát giữa khớp trượt và bề mặt cong tạo ra độ cản cho gối FPS.

Hình 1.7. Gối cách chấn dạng trƣợt FPS
 Gối cách chấn đơi DFPS
Gối cách chấn DFPS có cấu tạo gồm 2 mặt lõm,bề mặt này làm bằng thép
khơng rỉ,chúng có bán kính cong tương ứng có thể bằng nhau hoặc khác nhau.
Hai bề mặt lõm trượt quanh nhau bằng 1 khớp trượt(khớp trượt âm dương).
Chúng hoạt động theo phương ngang linh hoạt hơn gối SI và FPS.Gối DFPS có
khả năng đáp ứng được dịch chuyển lớn theo phương ngang.

5


Hình 1.8. Gối cách chấn dạng trƣợt đơi DFPS
1.3. Kết quả nghiên cứu trong nƣớc và nƣớc ngoài

1.3.1. Đề tài nghiên cứu trong nƣớc
Một số đề tài nghiên cứu trong nước
- Trần Tuấn Long(2007) “Thiết kế cách chấn đáy HDR cho khung nhà nhiều
tầng chịu tải trọng động đất”. Bài báo khoa học. Nghiên cứu và thiết kếgối
HDR theo một quy trình”.
- Lê Xuân Tùng (2010). “Thiết kế gối cách chấn dạng gối đỡ đàn hồi chịu động
đấtvới mơ hình phi tuyến của vật liệu chế tạo”. Tạp chí Khoa học Cơng nghệ
Xây dựng. Nghiên cứu phương trình phi tuyến gối khi chịu kích động.
1.3.2. Đề tài nghiên cứu nƣớc ngoài
Một số đề tài nghiên cứu ở nước ngoài
-Tian Xue Min and Lu Ming (2008), “Design of Base-Isolated Structure with
Rubber-Bearing”.Sử dụng phần mềm để phân tích đánh giá hiệu quản cơng
trình khi sử dụng gối cao su. Kết quả đạt được gối cao su hoạt động hiệu quả
trong cơng trình động đất.
- Daniel M. Fenz, and Michael C. Constantinou (2006), “Behaviour of the
double concave Friction Pendulum bearing”. Kết quả đạt được gối cách chấn
DFPS ứng xử giống như gối FPS nó chịu ảnh hưởng của độ cơng và bán kính
của hai bề mặt lõm.
-Sirule.P.A,

Jagtap.L.P,SonaWana.K.R,Patil.T.D,

Jadwanir.N

and

Sonar.S.K(2012), “Time History Analysis of Base Isolated Multi-Storyed
Building” Sử dụng phần mềm phân tích .Kết quả là gối cao su hoạt động hiệu
trong các trận động đất
…..

6


1.4. Hƣớng nghiên cứu đề tài
1.4.1. Nội dung nghiên cứu đề tài
- Tìm hiểu và thiết kế các thơng số gối cách chấn HDRB và FPS.
- Tìm đáp ứng cơng trình theo thời gian có sử dụng gối cách chấn HDRB và
FPS
- Ảnh hưởng chu kỳ dao động của gối đến cơng trình.
1.4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu là phương pháp số. Phương trình vi phân chuyển
động được giải bằng thuật toánNewmark. Thuật toán Newmark được giải trong
Matlab.
- Trong năm 1959 Newmark phát triển phương pháp biến đổi thời gian theo
từng bước dựa trên 2 phương trình cơ bản sau:
ui 1  ui  (1   )t  ui  (t )ui 1

(1.1)

 1

i  
i 1
ui 1  ui  (t )ui  (   )(t ) 2  u
 (t ) 2  u

 2


(1.2)

Trong đó:
Các hằng số  , 

được xác định là sự biến đổi từng bước theo thời

gian.Chúng được lựa chọn theo Newmark.

1
2

+ ; 

1
2

+ ; 

1
Theo phương pháp gia tốc trung bình
4

1
Theo phương pháp gia tốc tuyến tính
6
1
2

- Ta chọn hệ số  ,  theo phương pháp gia trung bình để giải   ;  

u( ) 

1
(ui 1  ui )
2

u ( )  ui 
ui 1



(ui 1  ui )
2
t
(ui 1  ui )
 ui 
2

u ( )  ui  ui 

2
4

(ui 1  ui )

7

1
4

ui 1  ui  ui t 

2
(ui 1  ui )
4

(1.3)

- Phương trình vi phân chuyển động hệ tại thời điểm bất kỳ:

i  cui  kui  pi
mu

(1.4)

- Tại thời điểm kế tiếp:

i 1  cui 1  kui 1  pi 1
mu

(1.5)

- Ta lấy phương trình (1.5) - (1.4) được:

i  cui  k ui  pi
mu

(1.6 )

- Từ phương trình (1.1) ta viết lại như sau:

i  (t )u
i
ui  ui 1  ui  tu

(1.7)

- Từ phương trình (1.2) ta viết lại như sau:
ui  ui 1  ui  (t )ui 

1 2
i   (t ) 2 u
i
t u
2

(1.8)

- Từ phương trình (1.8) ta có:
i 
u

1
1
1
i
ui 
u
u 

2
2
 (t )
t

(1.9)

- Thay phương trình(1.9) vào (1.7) ta được:
ui 




i
ui  ui  t (1 
)u
t

2

(1.10)

- Thay phương trình (1.10) và (1.9) vào phương trình (1.6) ta được:
 1
 
1
1 


ui 

ui  ui  t (1 
m
ui 
ui   c 
)ui
2



(
t
)
t
2
t
2











  k ui  pi


(1.11)

Từ (1.11) ta viết lại:
 m


 m
 
 

c 
1
i
c
m  ui  pi  

 t 
 1 c  u
k 
 ui  
2
t
t


 t  
 2
 
 2

Đặt:
a

 

m
m
c
 ; b
 t 
 1 c
2
t 
 2


i
pˆ i   pi 1  pi   aui  bu

8

(1.12)



1
kˆ  k 
c
m
t

t 2
- Khi đó (1.12) trở thành:

kˆui  pˆ i

(1.13)

- Chuyển vị tại thời điểm i là :
Từ phương trình (1.13) ta có:
pˆ
ui  i
kˆ

(1.14)

-Theo (1.9) gia tốctại thời điểm i được xác định theo phương trình sau:
i 
u

1

 (t ) 2

u 

1

t

ui 

1
i
u
2

(1.15)

-Theo (1.10) vận tốc tại thời điểm i được xác định theo phương trình sau:
ui 




i
ui  ui  t (1 
)u
2
t


(1.16)

9


Chƣơng 2
QUY TRÌNH THIẾT KẾ GỐI CÁCH CHẤN
2.1. Gối đàn hồi HDRB
2.1.1. Tính chất cơ học của gối đàn hồi HDRB

Hình 2.1 Gối đàn hồi HDRB
 Các thơng số của gối đàn hồi:
- Đường kính ngồi D
- Đường kính lổ ở tâm Di
- Chiều dày các lớp cao su và thép lần lượt là tr , ts
- Số lớp cao su trong gối HDRB nr
- Tổng chiều dày các lớp cao su là h
- Chiều cao của gối HDRB là H t
- Độ cứng theo phương đứng là kv
- Độ cứng theo phương ngang là k h
- Hệ số cản là 
 Độ cứng theo phương đứng kv và theo phương ngang k h được tính tốn theo
phương trình sau:

Kv 
Kh 

Ec Aeff
h
Geq Aeff

(2.1)

h

10


Trong đó:

- Ec 

Aeff 


4

E0 (1  2 S12 )
E0 (1  2 S12 )
1
E

D 2 hay Aeff 

-


4

(2.2)

( D  Di )2

(2.3)

1
 D2
Aload
D
4



S1 
4tr
 Dtr
Afree

(2.4)

h  nr tr

. E0 :Mô đun đàn hồi của vật liệu cao su
. E : Mô đun bulkling vật liệu
.

 : Hệ số hiệu chỉnh vật liệu

.

Geq :

Mô đun cắt của vật liệu

. S1 : Hệ số hình dáng
.

Aeff

: Diện tích mặt trên gối

. Afree : Diện tích xung quang gối

2.1.2. Quy trình thiết kế gối đàn hồi HDRB
2.1.2.1. Thiết kế sơ bộ
Theo [7] chu kỳ dao động gốicách chấntheo phương ngang được thiết lập
trong khoảng từ 2 đến 3s.Với chu kỳ dao động như vậy thì chuyển vị thiết kế của
gối X D từ150mm đến 300mm
Yếu tố hình dạng S1 thường ảnh hưởng đến độ cứng theo phương đứng, Theo
[21] tần số theo phương đứng của gối f v thường nằm trong khoảng 12  f v  20
Các bước thiết kế được tóm tắt như sau:
 Điều kiện yêu cầu :
. Chọn tần số dao động theo phương ngang f h 

11

1
, 2s  Th  3s
Th


. Chọn tần số dao động theo phương đứng 12hz  fv  20hz
. Chọn chuyển vị thiết kế gối X D
.Chọn biến dạng cắt



. Lực nén lớn nhất P (hoạt tải tĩnh và tĩnh tải)
.Các đặc tính cao su G ; E0 ;  ; E
 Quy trình thiết kế:
- Bƣớc 1: Xác định tổng chiều dày các lớp cao su:

h

XD
D

(2.5)

- Bƣớc 2: Xác đinh hệ số hình dáng S1 :
Theo [21] – Hệ số hình dáng S1 được xác định như sau:
2

 f v  K v Ec
E0 (1  2 S12 ) E



 
2
 f h  K v G G  E0 (1  2 S1 )  E 
1

E

2
2
 G (1  E )  E 
Kv  fv 
0
 ; 
 S1  

 
Kv  fh 
 2 ( E  G ) 





(2.6)

- Bƣớc 3: Xác định đường kính D:

4Kh h
G

D

(2.7)

4 2 f h2 P
Kh 
g

(2.8)

- Bƣớc 4: Xác định tổng chiều dày cao su tr và số lớp cao su nr :
tr 

D
4S1

(2.9)

nr 

h
tr

(2.10)

nr :Giá trị cần phải làm tròn

12