Giải pháp sử dụng gối cách chấn trong công trình chịu động đất - Đại học Thuỷ lợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơng Trình
Bộ mơn Xây dựng dân dụng và cơng nghiệp

TS. NGƠ VĂN THUYẾT

TS. NGUYỀN ANH DŨNG

GIẢI PHÁP SỬ DỤNG GĨI CÁCH CHẤN
TRONG CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

HÀ NỘI - 08/2018


MỤC LỤC

Mục lục..................................................................................................................................
Lời nói đầu...........................................................................................................................
Chương 1 : Một số giải pháp thiết kế kháng chấn hiện đại......................................

i-ii
iii
01

1.1.
Giới thiệu chung..............................................................................................
1.2.
Các phương pháp giảm chấn...........................................................................
1.2.1.
Phương pháp giảm chấn thụ động.................................................................
1.2.2.

Phương pháp giảm chấn chủ động.................................................................
1.2.3. Phương pháp giảm chấn bán chủ động..........................................................
1.3.
Gối cách chấn bảo vệ cơng trình....................................................................
1.3.1.
Giới thiệu việc sử dụng gối cách chấn...........................................................
1.3.2. Nguyên lý và hiệu quả của gối cách chấn......................................................
1.3.3.
Các loại gối cách chấn....................................................................................
1.4.
Sự phát triển của biện pháp sử dụng gối cách chấn trên thế giới..............
1.4.1.
Đối với gối đàn hồi..........................................................................................
1.4.2.
Đối với gối dạng trượt đơn FPS.....................................................................
1.4.3.
Đối với gối dạng trượt đôi DCFP..................................................................
1.5.
ứng dụng gối cách chấn ở các quốc gia trên thế giới..................................
1.5.1.
Gối cách chấn ở Hoa Kỳ.................................................................................
1.5.2.
Gối cách chấn ở Nhật Bản..............................................................................
1.5.3.
Gối cách chấn ở Châu Âu...............................................................................
1.5.4.
Gối cách chấn ở New Zealand.......................................................................
1.5.5
Gối cách chấn ở Ản Độ....................................................................................
1.5.6. Gối cách chấn ở Việt Nam...............................................................................

Tài liệu tham khảo chương 1..............................................................................................
Chương 2 : Đặc tính cơ học và mơ hình hóa của gối cách chấn.............................

02
02
02
11
14
16
16
19
21
22
23
24
25
26
26
35
37
38
39
41
43
47

2.1.
Giới thiệu..........................................................................................................
47
2.2.

Các đặc tính cơ học của gối cách chấn đàn hồi...........................................
47
2.3.
Đặc tính cơ học của gối lõi chì......................................................................
53
2.4.
Đặc tính cơ học của hệ cách chấn con lắc ma sát (FPS).............................
54
2.5.
Mơ hình gối cách chấn bằng mơ hình song tuyến tính...............................
56
2.6.
Các hệ quả của mơ hình song tuyến tính......................................................
59
2.6.1. Năng lượng hấp thụ trong gối cao su có độ cản cao....................................
60
2.6.2.
Điều chỉnh mơ hình đế tính đến sự cứng hóa tại biến dạng lớn................
63
2.6.3.
So sánh với số liệu thí nghiệm........................................................................
64
Tài liệu tham khảo chương 2..............................................................................................
67
Chương 3: Đại cương về sự ổn định của gối cách chấn đàn hồi..................
69
3.1.
Giới thiệu về sự ổn định của gối cách chấn đàn hồi........................
69
3.2.

Ảnh hưởng của lực nén đến độ cứng ngang của gối cách chấn đàn hồi ....
72
3.3
Phương pháp xác định lực giới hạn ổn định của gối cách chấn đàn hồi
73
khi chịu chuyển vị ngang lớn.......................................................................
3.4.
Ồn định lật.............................................................................................
75

i


Tài liệu tham khảo chương 3..............................................................................................
ChưoTig 4 : Gối cách chấn cao su có độ cản cao.........................................................
4.1.
Các đặc tính cơ học của thiết bị cách chấn đáy cóđộ cản cao.....................
4.1.1.
Điếm các nghiên cứu về gối cao su có độ cản cao......................................
4.1.2. Các đặc trưng cơ bản của gối cao su có độ cản cao......................................
4.1.3.
Quy trình thiết kế gối cao su có độ cản cao..................................................
4.1.4. Quy trình kiểm tra gối cao su..........................................................................
4.2.
Các mơ hình của thiết bị cách chấn đáy có độcản cao.................................
4.2.1.
Mơ hình tuyến tính tương đương...................................................................
4.2.2.
Mồ hình song tuyến tính.................................................................................
4.2.3.

Mồ hình lưu biến của Nguyen và cs (2015)..................................................
4.3.
Ví dụ cơng trình sử dụng gối cách chấn có độ cản cao...............................
Tài liệu tham khảo chương 4..............................................................................................
Chương 5: Gối cách chấn đàn hồi cốt sọi....................................................................
5.1.
Giới thiệu về gối cách chấn đàn hồi cốt sợi..................................................
5.2.
Đặc tính cơ học của gối FREI.........................................................................
5.3.
Hiệu quả của gối FREI.....................................................................................
5.3.1
Thế hiện qua ứng xử của gối cách chấn..........................................................
5.3.2. Thế hiện qua ứng xử của cơng trình sử dụng gối cách chấn chịu động đất
5.4.
Ánh hưởng của phương tải trọng ngang đến ứng xử của gối U-FREI có
mặt cắt ngang hình vng...............................................................................
5.5.
Ổn định của gối U-FREI.................................................................................

78
79
79
79
80
82
83
87
88
89

89
94
104
107
107
108
112
112
114
126

Tài liệu tham khảo chương 5...............................................................................................
Chương 6: Quy trình chọn kích thước gối cách chấn đàn hồi.................................
6.1.
Các tiêu chuẩn thiết kế gối cách chấn đàn hồi..............................................
6.2.
Các đặc tính cơ học của gối cách chấn đàn hồi...........................................
6.3.
Quy trình chọn kích thước gối cách chấn đàn hồi cho cơng trình chịu
động đất ở Việt Nam theo tiêu chuẩn ASCE/SEI7-10...............................
6.4.
Các ví dụ tính tốn...........................................................................................
6.4.1. Ví dụ 6.1: Lựa chọn kích thước gối cách chấn đàn hồi loại SREI.............
6.4.2.
Ví dụ 6.2: Lựa chọn kích thước gối cách chấn đàn hồi cốt sợi FREI.......
Phụ lục H tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 - Phần 1............................................................

131
135
135

136
137
142
142
145
148

Tài liệu tham khảo chương 6...............................................................................................

167

ii

130


LỜI NÓI ĐẦU
Giảm chấn thụ động là một trong các phương pháp giảm chấn đang được sử dụng phố biến
hiện nay để giảm hư hỏng cho cơng trình chịu động đất. Trong phương pháp này, nguồn
năng lượng hoạt động của các thiết bị giảm chấn được lấy từ chính năng lượng dao động
của bản thân cơng trình. Gối cách chấn đáy là một thiết bị phô biến của phương pháp giảm
chấn thụ động. Mặc dù gối cách chấn đã được nghiên cứu và áp dụng vào cơng trình chịu
động đất ở nhiều nước trên thế giới trong hơn một thế kỷ qua, nhưng đây vẫn là một biện
pháp tương đối mới ở Việt Nam.

Tiêu chuẩn thiết kế cơng trình chịu động đất của Việt Nam TCVN 9386:2012 đã đề cập
đến việc sử dụng gối cách chấn đáy đế chế ngự hư hỏng cho cơng trình khi động đất xảy
ra. Tuy nhiên, những quy định trong tiêu chuẩn vẫn còn mang tính tổng quát, chưa chi tiết
cụ thê đê hướng dẫn các kỹ sư thiết kế, cán bộ kỹ thuật xây dựng biết cách áp dụng gối
cách chấn vào cơng trình dân dụng thiết kế chịu động đất ở nước ta.

Cuốn sách “GIẢI PHÁP sử DỤNG GỐI CÁCH CHẤN TRONG CÔNG TRÌNH CHỊU
ĐỘNG ĐẦT” được biên soạn nhằm cung cấp cho bạn đọc những vấn đề cơ bản về nguyên
lý làm việc của gối cách chấn, những đặc tính cơ học và mơ hình hóa của gối cách chấn, sự
ồn định trong quá trình làm việc của gối cách chấn, quy trình lựa chọn kích thước gối cách
chấn đàn hồi và giới thiệu chuyên sâu về một số loại gối cách chấn đàn hồi mới đang được
áp dụng trong thực tế trên thế giới.
Cuốn sách này được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho học viên sau đại học ngành xây
dựng của các trường đại học kỹ thuật và cũng là tài liệu tham khảo của môn học “Kết cấu
nhà Bêtông cốt thép” cho học viên cao học ngành Kỹ thuật xây dựng của Trường Đại học
Thủy lợi. Sách cũng được dùng như tài liệu hướng dẫn thiết kế công trình chịu động đất sử
dụng gối cách chấn cho các kỹ sư thiết kế, cán bộ kỳ thuật xây dựng.
Cuốn sách do hai tác giả TS. Ngô Văn Thuyết và TS. Nguyễn Anh Dũng (đồng chủ biên)
biên soạn. Sách được phân công biên soạn như sau:

TS. Ngô Văn Thuyết viết các chương 3, 5, 6 và tập hợp phần phụ lục.
TS. Nguyễn Anh Dũng viết các chương 1, 2, 4.

Các tác giả chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Bộ môn Xây dựng dân dụng và công
nghiệp - Trường Đại học Thủy lợi đã có nhiều ý kiến đóng góp trong q trình biên soạn
cuốn sách này. Trong q trình biên soạn, khơng thế tránh khởi những thiếu sót, các tác giả
mong nhận được những ý kiến phê bình, đóng góp của đồng đảo bạn đọc.

Hà Nội, tháng 11 năm 2018

CÁC TÁC GIẢ

iii


iv

Chương 1:
MỘT SÓ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN HIỆN ĐẠI
1.1 GIỚI THIỆU CHƯNG
Đe giảm ảnh hưởng nguy hiêm của động đất lên các cơng trình cầu giao thơng và cơng
trình dân dụng, từ nhiều năm trước đây, các kỹ sư và các nhà khoa học đã nghiên cứu, đề
xuất các phương pháp nhằm cải thiện khả năng kháng chấn của cơng trình. Mục tiêu của
các phương pháp này là đảm bảo cơng trình an tồn khơng bị hư hỏng hoặc có hư hỏng
trong khoảng giới hạn. Các phương pháp tiếp cận truyền thống đã thế hiện rằng mặc dù giá
thành cao nhưng cơng trình vẫn chịu các hư hỏng nghiêm trọng bởi các trận động đất, ví dụ
như trận động đất Loma Prieta năm 1989, trận động đất Northridge năm 1994 và trận động
đất Kobe năm 1995. Các phương pháp truyền thống này cần phải được thay thế bởi một
phương pháp tốt hơn.

Hình l.la Phổ phản ứng gia tốc khi là hàm

Hình l.lb Phổ phản ứng chuyển vị là hàm

của sự cản-damping (được định nghĩa theo
EC8 cho gia tốc nền 0,8g, đất trung bình)

của sự cản-damping (được định nghĩa theo
EC8 cho gia tốc nền 0,8g, đất trung bình)

Dựa vào quan sát trong tự nhiên, các lá cây được liên kết với cành cây bằng các liên kết
mềm, các liên kết mềm này có thể chịu được tải trọng động như gió hay động đất rất tốt.
Con người cũng mong muốn tạo ra được các liên két mềm như vậy cho cơng trình với mục
đích là hấp thụ được năng lượng sinh ra bởi các trận động đất và có thể gia tăng chu kỳ dao
động riêng của cơng trình nhằm tránh hiện tượng cộng hưởng với các tải trọng kích động

bên ngồi. Tiếp cận theo phương pháp này, kỹ thuật cách chấn nối lên như là sự thay thế
có tính thực hành và kinh kế cho phương pháp tiếp cận truyền thống. Nội dung chính của
phương pháp này là chia tách cơng trình khỏi thành phần theo phương ngang của chuyển
động nền đất bằng cách chèn các cấu kiện kết cấu (là các gối cách chấn) giữa cơng trình và
phần móng của nó. Kỹ thuật cách chấn được thế hiện qua tính dẻo và khả năng giảm chấn.
Các gối cách chấn có tính dẻo nên có thế chuyến dịch chu kỳ dao động riêng của cơng
trình để giảm phản ứng gia tốc, trong khi khả năng giảm chấn có thể giới hạn chuyển vị
ngang tương ứng. Các đặc tính này được diễn tả trong Hình 1.1 a và l.lb. Có nhiều nghiên
cứu về gối cách chấn đã được thực hiện cả về thực nghiệm và phân tích số đê nghiên cứu

1


ảnh hưởng của kỹ thuật cách chấn lên việc giảm phản ứng gia tốc của cơng trình và họ đã
chỉ ra các ưu điểm của kỹ thuật cách chấn trong thiết kế kháng chấn. Cho đến nay, kỹ thuật
cách chấn này đã được ứng dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng.
Theo quan điếm thiết kế cơng trình chịư động đất hiện đại, việc thiết kế một cơng trình xây
dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau:

+ Đảm bảo kết cấu có khả năng chịu lực lớn trong miền đàn hồi;

+ Đảm bảo kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng do động đất truyền vào, thông qua biến
dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc thông qua các thiết bị hấp thụ năng lượng.

Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế cơng trình chịu động đất hiện
đại là tạo cho kết cấu cơng trình một độ bền đủ lớn và một độ dẻo thích hợp:
+ Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả năng chịu lực của kết cấu.

+ Độ dẻo thích hợp nhằm giúp cơng trình có khả năng tiêu tán năng lượng và có sự cân
bằng hài hòa về mặt động lực học. Bởi tác dụng rung lắc của động đất làm phát sinh

chuyển vị và gia tốc trong cơng trình. Nếu cơng trình có độ cứng q lớn thì gia tốc sinh ra
sẽ vơ cùng lớn, gây rơi, nghiêng, đổ đồ đạc bên trong cơng trình dẫn đến thiệt hại về mặt
kinh tế. Ngược lại, nếu cơng trình q mềm thì chuyến vị tương đối giữa các tầng quá lớn,
gây biến dạng đáng kể cho cả cơng trình, làm hư hại các nút liên kết của khung chịu lực,
nứt tường, vênh cửa..Ngoài ra, dao động của cơng trình cũng phát sinh đáng kế gây ảnh
hưởng đến tâm lý của người sinh sống và làm việc trong cơng trình.
Như vậy, quan niệm thiết kế hiện đại đã lưu ý thêm phương diện năng lượng do động đất
truyền vào cơng trình. Việc thiết kế và tính tốn sao cho kết cấu có khả năng tiêu tán phần
năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp cơng trình làm việc hiệu quả nhất
khi có động đất xảy ra.

Với quan niệm trên, một số giải pháp thiết kế cơng trình chịu động đất được đưa ra nhằm
hấp thụ và tiêu tán đều năng lượng động đất cho tồn bộ cơng trình cũng như tránh hiện
tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại. Đó là các giải pháp giảm chấn và cách chấn cho
cơng trình.

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM CHẤN
Trong trường họp năng lượng dao động truyền trực tiếp vào cơng trình do khơng được tách
rời, người ta có thế gia tăng độ cản của bản thân cơng trình đế giải phóng năng lượng dao
động này bằng cách lắp đặt các thiết bị giảm chấn vào cơng trình. Có nhiều phương pháp
giảm chấn: thụ động, chủ động hay bán chủ động.
1.2.1 Phương pháp giảm chấn thụ động

Đây là phương pháp giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của các thiết bị giảm chấn
được lấy từ chính năng lượng dao động của bản thân cơng trình. Năng lượng có thể được
tiêu tán nhờ biến dạng dẻo, cản ma sát, cản nhớt hoặc cản thủy lực.
Phương pháp giảm chấn thụ động sử dụng các thiết bị giảm chấn thụ động được đặt ở chân
cơng trình (tại chân các cấu kiện chịu lực theo phương đứng) được gọi là phương pháp

2

cách chấn đáy. Sự cách ly kết cấu nhằm tách rời hoặc hạn chế việc truyền lực động đất vào
kết cấu phần thân cồng trình. Các thiết bị này cũng hấp thụ một phần năng lượng của các
trận động đất đế giảm thiếu phần năng lượng tác dụng vào kết cấu phần thân, do đó, kết
cấu khơng bị hư hỏng sau các trận động đất mạnh. Trong quá trình hoạt động, nếu cần
thiết, có thể thay thế các bộ phận hấp thụ năng lượng một cách dễ dàng. Phương pháp cách
chấn đáy được phát triển khá sớm (đầu thế kỷ XX) và hiện đang được ứng dụng rộng rãi ở
nhiều nơi trên thế giới. Một hệ thống cách chấn đáy điên hình thường được đặt ở bên trên
móng và dưới phần thân của kết cấu, năng lượng của trận động đất sẽ được hấp thụ phần
lớn thông qua sự mềm dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng của hệ thống cách chấn trước
khi nó được truyền tới kết cấu, dẫn đến việc khả năng chịu lực của kết cấu sẽ được táng
lên. Nguyên lý của phương pháp cách chấn đáy được thế hiện như sau:
Hệ thống cách chấn đáy đầu tiên được nghiên cứu và sử dụng là hệ thống gối cách chấn
bằng sao su thiên nhiên có độ cản thấp (trạm điện 230kV ở miền nam California năm 1976,
cầu Pelham tại Anh năm 1956). Các nghiên cứu thực nghiệm sau đó đã thêm một số cấu
kiện vào hệ gối cao su đàn hồi như các lõi chì hoặc sử dụng kết hợp với thiết bị cản - ứng
dụng chảy dẻo của thép hoặc thiết bị cản - ứng dụng ma sát. Các cấu kiện, thiết bị này
đóng vai trị tiêu tán năng lượng trong hệ. Cơng trình đầu tiên áp dụng hệ gối đỡ cao su có
lõi chì là cầu Siera Point gần San Francisco. Một thiết bị giảm chấn thụ động khác làm từ

cao su có độ cản cao (High Damping Rubber Bearing - HDRB) được Hiệp hội Nghiên cứu
sản xuất Cao su Malaysia (MRPRA) phát triên từ năm 1986, hiện nay đang được ứng dụng
rộng rãi tại ở Nhật bản. Nguyên lý giảm chấn của thiết bị dựa trên nhận xét rằng sự tăng độ
cản trong toàn bộ hệ thống cách chấn đáy được tự sinh ra bởi chính cao su có độ cản cao.

Hình 1.2 Ngun lý cách chấn đáy cơng trình

Chương trình tính tốn bằng máy tính đầu tiên dùng để phân tích kết cấu có sử dụng hệ
cách chấn đáy được trường đại học Buffalo phát triến vào năm 1991. Tại đây cũng đã tiến

hành nghiên cứu việc kết hợp các hệ thống cách chấn đáy và cách ly rung động, hệ thống
này được gọi là hệ cản nhớt-lò xo. Ket quả nghiên cứu cho thấy hệ số cản giảm mạnh khi

3


tần số tăng, tính chất quan trọng này cho phép hệ thống đóng vai trị vừa là cách chấn đáy
(tần số thấp nên độ cản cao) và vừa là một hệ cách ly rung động (tần số cao nên độ cản
thấp ). Hiện nay, theo tìm hiếu của nhóm tác giả, các chương trình có khả năng phân tích
kết cấu sử dụng cách chấn đáy gồm có: 3D-BASIS, ETABS, ANSYS, SAP2000,

ABAQƯS...

Một số phương pháp giảm chấn thụ động khác
Có rất nhiều tiến bộ đã đạt được trong việc nghiên cứu và phát triến các phương pháp giảm
chấn thụ động khác cho các kết cấu xây dựng. Cũng tương tự như kỹ thuật cách chấn đáy,
vai trò cơ bản của các thiết bị giảm chấn thụ động khi được gắn vào kết cấu là hấp thụ hoặc
tiêu tán năng lượng, do đó sẽ làm giảm năng lượng truyền vào các cấu kiện chịu lực chính
của kết cấu, dẫn tới việc giảm thiểu các hư hại của kết cấu. Tuy nhiên, khác với các thiết bị
cách chấn đáy, các thiết bị này cịn có tác dụng chống lại các tác động của gió khơng kém
gì so với tác động của động đất.

Một số thiết bị giảm chấn thụ động đã được nghiên cứu bao gồm: các thiết bị cản kim loại
(Metallic Dampers - MD), các thiết bị cản ma sát (Friction Dampers - FD), thiết bị cản
nhớt (Viscous Dampers - VD), thiết bị cản khối lượng dự chỉnh (Tuned Mass Dampers TMD), thiết bị cản chất lỏng dự chỉnh (Tuned Liquid Dampers - TLD).
Thiết bị cản ma sát FD dùng cho việc giảm chuyển động động đất trong cơng trình xây
dựng được phát triển đầu tiên bởi Keigtley (1977-1979) [5, 6]. Thiết bị này bao gồm các
tấm thép được liên kết với nhau bằng bulơng và các vịng đệm, các bề mặt được bôi trơn
bằng dầu nhờn để chống kẹt rỉ. Các nghiên cứu của Keigtley đã đặt ra nhiều câu hỏi và gợi
ý cho các nghiên cứu sau này, những câu hỏi được đặt ra về sự rão của hệ thống, sự ôn

định dài hạn của chất bôi trơn và sự ăn mịn của bề mặt trượt của thép có thể làm thiết bị
mất tác dụng. Một số các thiết bị FD khác cũng đã được phát triển trong các tài liệu [7,8,

9].
Hệ thống thiết bị con lắc ma sát (Friction Pendulum Systems - FPS) lại cho phép kết cấu
bên trên có thế trở lại vị trí ban đầu thơng qua các mặt trượt có dạng một phần của mặt cầu.
Hệ FPS cho phép kết cấu cách ly dao động với nguyên lý tương tự như trong hiện tượng

viên bi trượt đặt trên vành cứng hình bán nguyệt, khi tác dụng một lực làm vành cứng dao
động ra khởi vị trí cân bằng thì viên bi sẽ di chuyến và có xu hướng làm vành cứng nhanh
chóng trở lại vị trí cân bằng ban đầu. Một số thiết bị cách chấn đáy được thể hiện trong
hình 1.3.
Các vật liệu nhớt cũng được nghiên cứu sử dụng đế làm các thiết bị giảm chấn. Các thiết bị
giảm chấn loại này thồng thường khơng đóng góp vào độ cứng của cơng trình nhưng nó sẽ
tăng độ cản cho cơng trình, làm thay đối ma trận cản c trong phương trình chuyển động
dao động của kết cấu. Do đó, phản ứng dao động của hệ kết cấu sẽ tắt nhanh hon. Vật liệu
nhớt thường được sử dụng là dầu nhớt vì tính ổn định theo chu trình cao. Hình 1.4 thể hiện
các thiết bị giảm chấn sử dụng vật liệu nhớt.
Vật liệu đàn nhớt (acrylic polymers) là vật liệu đầu tiên được ứng dụng cho cản trên bề mặt
kết cấu. Các thiết bị này được làm từ các lớp vật liệu đàn nhớt được phát triến bởi công ty

4


3M và được sử dụng để giảm chấn dao động do gió gây ra. Gần đây, các thiết bị này được
nghiên cứu đế ứng dụng phân tán năng lượng động đất. Các thiết bị cản đàn nhớt phụ
thuộc rất lớn vào nhiệt độ, môi trường, tần số và biên độ dao động. Đặc biệt, sự phụ thuộc
vào nhiệt độ là một yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế cũng như cần được mơ hình hóa
rõ ràng trong việc phân tích động của hệ kết cấu sử dụng thiết bị cản đàn nhớt. Kasai [10]
đã đề xuất một công thức vi phân với ảnh hưởng của nhiệt độ cho thiết bị của 3M.

(b) Gối cao su lõi chỉ

(a) Gối đàn hồi

(c) Gối hệ con lác ma sát (FPS)
Hình 1.3 Các loại thiết bị cách chấn đáy: (a) Gối đỡ đàn hồi; (b) Gối đỡ đàn hồi có lõi
chì(LRB); (c) Gối đỡ dạng con lắc ma sát (FPS)

Hình 1.4 (a) Thiết bị cản nhớt; (b) Thiết bị cản ma sát

Một loại các thiết bị cản kim loại sử dụng trong hệ thống giảm chấn được thí nghiệm tại
Đại học Berkeley vào cuối những năm 1970. Những năm gần đây, các thiết bị này đã được
cải tiến đê ứng dụng cho việc phân tán năng lượng. Thiết bị tăng độ cứng và cản (Added
Damping anh Stiffness - ADAS) gồm các tấm thép có hình chữ X đã được thử nghiệm như
là thiết bị phân tán năng lượng trong cơng trình [11]. Một số thiết bị cản ứng dụng thềm
chảy của kim loại được làm từ các vật liệu khác như họp kim Nitinol (Niken và Titan) và
Cu-Zn-Al ( đồng-kẽm-nhơm) đã được thí nghiệm và cho phép phân tán năng lượng khi

5


chưa cần đạt đến thềm chảy. Hình 1.5 thể hiện một thiết bị cản đàn nhớt trong kết cấu cơng

trình khung thép.

Hình 1.5 Thiết bị cản đàn nhớt trong khung thép

Khái niệm về thiết bị cản khối lượng dự chỉnh TMD được đề cập đến lần đầu tiên vào năm
1909 để giảm các chuyển động xoay tròn của con tàu cũng như làm giảm độ rung lắc của

tàu thủy. Sau đó, đến năm 1928 có những nghiên cứu chi tiết về thiết bị TMD với đề xuất
điều chỉnh tối ưu các thông số cản. Lý thuyết ban đầu chỉ ứng dụng cho hệ một bậc tự do
dao động khơng có cản dưới tác dụng của một tuần hồn dạng hình sin. Sau đó, lý thuyết
đã được phát triến cho hệ một bậc tự do có cản. Những nghiên cứu tiêu biểu đã được thực
hiện bởi [12, 13, 14]. Một thiết bị TMD điên hình gồm một khối lượng qn tính được gắn
vào cơng trình tại vị trí có chuyến vị lớn nhất (thơng thường là ở gần đỉnh cơng trình)
thơng qua một lò xo đàn hồi và một cơ cấu cản (thơng thường là các pít-tơng giảm chấn
nhớt hoặc đàn nhớt). Khối lượng hiệu quả của TMD phụ thuộc vào khối lượng của cơng
trình, độ cứng và độ giảm chấn của cơ cấu liên kết và được tính tốn sao cho chu kỳ dao
động của TMD tương đơng với chu kỳ dao động của cơng trình. Khi cơng trình dao động
sẽ gây ra chuyến vị tại các diêm liên kết giữa cơng trình và khối lượng của TMD, khối
lượng này sẽ dao động lệch pha với dao động của công trình và tạo ra lực cản lại dao động
do tác nhân gây ra đối với cơng trình.

Những nghiên cứu gần đây đã cho thấy hiệu quả của thiết bị TMD trong việc chế ngự phản
ứng của động đất. Năm 1983 đã có nghiên cứu ảnh hưởng của TMD cho cả hai trường hợp
tuyến tính và phi tuyến. Villaverde [15] đã nghiên cứu khả năng và hiệu quả khi kết cấu
được đặt thiết bị TMD ở trên đỉnh. Ket quả nghiên cứu cho thấy thiết bị TMD gắn trên

6


đỉnh kết cấu đã giảm được tới 84% năng lượng động đất tác dụng vào kết cấu, điều này
cũng có nghĩa là việc giảm năng lượng động đất đáng kể chỉ có thể xảy ra khi đặt thiết bị
TMD ở trến đỉnh của kết cấu.

Hình 1.6 Mơ hình cấu tạo hệ cơng trình một bậc tự do có gắn thiết bị TMD
ứng dụng điển hình của TMD có thế kế đến là tòa nhà Taipei 101 cao nhất thế giới với
chiều cao 508m, 101 tầng có 50 thang máy. Tịa nhà này có hệ thống TMD với quả cầu
bằng sắt với đuờng kính 5,5m nặng 660 tấn, đuợc đặt ở độ cao 382m (tầng 89). Tịa nhà có

thế chịu được gió mạnh với vận tốc 60m/giây.
Theo [16], hiệu quả giảm chấn dao động càng tăng lên nếu sử dụng nhiều TMD được bố trí
phù hợp với sự phân bố tần số dao động riêng của kết cấu. Với cùng một khối lượng tổng
cộng, một hệ nhiều TMD nhỏ sẽ làm tăng độ giảm chấn tương đương cho cơng trình. Theo
[17], ở Nhật Bản, đã có nhiều thiết bị TMD được sử dụng, trong đó cơ cấu dùng để liên kết
khối lượng qn tính với cơng trình thường là các pít-tơng dầu (một số ít hơn sử dụng bộ
giảm chấn nhớt hoặc đàn nhớt, xem bảng 1.1).

Bảng 1.1 Cơ cấu cản trong TMD (trong 11 cơng trình ở Nhật Bản)
Pít-tơng dầu

8/11

73%

Bộ giảm chấn đàn nhớt

2/11

18%

Bộ giảm chấn nhớt

1/11

9%

TMD không những được sử dụng trong các cơng trình nhà cao tầng mà cịn được sử dụng
trong các cơng trình khác. Banavlkar và Isyumov [18] chỉ ra việc sử dụng TMD trong cơng
trình Tháp điều kiển sân bay Quốc gia Washington đã làm tăng tỉ số cản từ 0,5% lên 3%.

Đối với công trình cầu cũng vậy, [19] chỉ ra rằng cầu Skybridge nối hai tháp đôi Petronas
Towers rất nhạy cảm với các luồng khí xốy, nhưng khi sử dụng TMD thì tổng tỉ số cản đã
tăng lên 0,5% để đủ chống chịu lại các dao động xoáy.

7


Hình 1.7 Thiết bị TMD ở tịa nhà Taipei 101
Khối lượng qn tính trong thiết bị TMD đơi khi cịn được gọi khối lượng thứ cấp. Khối
lượng này thông thường chỉ chiếm tỷ lệ khoảng 0,2% đến 3% tổng khối lượng của cơng
trình. Tuy nhiên, một số cơng trình thực tế lại sử dụng luôn khối lượng của bể nước hoặc

các thiết bị đặt trên mái làm khối lượng thứ cấp, ví dụ như cơng trình Rokko-Island P&G
Building ở kobe, Crystal Tower ở Osaka, hoặc Sea Hawk hotel & Resort Ở Fukuoka.

8


Hình 1.8 Tháp điều khiến ở sân bay quốc gia Washington

Các thiết bị cản chất lỏng dự chỉnh TLD cũng có nguyên lý làm việc như thiết bị TMD, tuy
nhiên khối lượng được thay bằng chất lỏng. Các thiết bị TLD dạng này được chia làm 2
loại: (a) các bộ giảm chấn do va chạm chất long được dự chỉnh (Tuned Sloshing Damper TSD), và (b) các bộ giảm chấn dạng cột chất lỏng được dự chỉnh (Tuned Liquid Column
Damper - TLCD). Trong hai loại này, chuyến động của chất lỏng sẽ phân tán năng lượng
khi kết cấu chịu tải trọng động và do đó làm tăng độ giảm chấn của kết cấu. Có thế tham
khảo những ứng dụng đầu tiên của TLD vào những năm 1980 trong [17, 20]. Sau đó, các
thiết bị TLD đã được ứng dụng rộng rãi [21, 22, 23]. Giảm chấn dao động sử dụng các
thiết bị TLD được minh họa trong Hình 1.19.
Các TSD rất dễ áp dụng, hiện đang được đề xuất sử dụng trong các bể chứa nước trong các
tòa nhà bằng việc cấu tạo các phần bên trong bể thành nhiều bộ giảm chấn mà không làm

ảnh hưởng nhiều đến công năng của các bể chứa nước này. Các thiết bị này có thế xem như
các TMD với các khối lượng qn tính bé (nếu có), có thể làm giảm phản ứng gia tốc cơng
trình xuống cịn một nửa hoặc một phần ba phản ứng ban đầu tùy theo lượng nước mà bế
đang chứa [24]. Ngoài ra, các yêu cầu về bảo dường thấp càng làm cho việc ứng dụng TSD
trở nên phổ biến. Đối với thiết bị TLCD, có một số hạn chế về chiều cao mực nước trong
cột chất lỏng; gối chận được thiết kế với kích thước xác định sao cho còn lại một khoảng
cách tối ưu giữa các khối lượng chuyến động và các gối chặn; cho phép va chạm xảy ra
giữa chúng khi cơng trình dao động. Khoảng cách tối ưu đóng vai trị quan trọng trong
thiết kế hệ thống giảm chấn kiếu này. Phương pháp giảm chấn dao động này được sử dụng
trong các tháp hoặc các cơng trình dạng tháp với các dao động xảy ra trong mặt phang
[25]. Tuy nhiên, theo Ying và Semercigil thì phương pháp giảm chấn dao động này vẫn

9


cịn chưa được sử dụng nhiều trong các cơng trình lớn. Hạn chế về kích thước của bể chứa
nên cũng hạn chế về tần số điều chỉnh. Shimizu và Teramura [26] đề xuất một phương án
cải tiến. Ý tưởng mở rộng TLCD cho các phương pháp giảm chấn chủ động hiện đã được
nghiên cứu áp dụng vào một cơng trình bằng thép cao 9 tầng. Ngoài ra, một số phương án
khác nhau như LCVA [27], TLCD thích nghi, các bộ giảm chấn bơm qn tính, thiết bị có
khe van phụ thuộc vào biên độ dao động và các thiết bị có nhiều khe van đã và đang được

nghiên cứu.

Nhiều nghiên cứu và thực nhiệm đã cho thấy, phản ứng của hệ TLD khi kết cấu dao động
nhỏ là dễ dàng nhận thấy. Tuy nhiên, với những trường hợp dao động lớn (có thể xảy ra
khi cơng trình chịu trận động đất rất mạnh), hệ TLD thê hiện những phản ứng rất phức tạp.
Năm 1994 có một nghiên cứu thực nghiệm và tính tốn ảnh hưởng của thiết bị TLD hình
chữ nhật dưới các tác động của động đất. Nghiên cứu này đã xây dựng một mơ hình tính
tốn bằng số áp dụng cho các thay dôi biên độ nhỏ của chuyên động nền.

Hình 1.9 Giảm chấn thụ động dao động dạng TLD

Ngồi ra, có một hướng giảm chấn thụ động khác sử dụng nguyên lý hồi chuyển của các
vật thể. Thiết bị trong bài toán giảm chấn này là các con quay hồi chuyến (Gyroscope hoặc
Gyro-stabilizer). Nguyên lý chủ yếu của loại giảm chấn này sử dụng các bánh đà trong con
quay hồi chuyển để tích trữ năng lượng, khi đó năng lượng từ trận động đất truyền vào kết
cấu cơng trình sẽ giảm đi. về mặt tích trữ năng lượng thì con quay hồi chuyển đạt hiệu quả

tích trữ năng lượng trên một đơn vị thê tích lớn đứng thứ ba chỉ sau tích trữ năng lượng
trong hạt nhân và tích trữ trong các phản ứng hóa học. Tuy nhiên, các nghiên cứu ứng dụng
con quay hồi chuyển trong ngành xây dựng cơng trình hiện vẫn chưa nhiều, mà chỉ tập
trung vào các ngành hàng hải, hàng khồng, cơ học, máy... Cụ thế là, hiện nay Thụy sỳ đã
có những chuyến xe buýt sử dụng bánh đà trong con quay hồi chuyển khi đi lại, khi lên

10


xuống những đường đồi. Đặc tính tích trữ năng lượng của con quay hồi chuyển được thể
hiện ở chỗ khi xe bt xuống dốc thì năng lượng sẽ được tích trữ dưới dạng quán tính của
con quay hồi chuyến và năng lượng này sẽ được giải phóng khi xe đi lên dốc, do đó sẽ tiết
kiệm năng lượng xăng. Các nhóm đề tài đang nghiên cứu để ứng dụng con quay hồi
chuyến vào bài toán giảm chấn dao động cồng trình theo dạng thụ động.

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống giảm chấn dao động dạng bộ giảm chấn va chạm

Một phương pháp giảm chấn thụ động khác là phương pháp sử dụng các bộ giảm chấn
(Impact Damper - ID). Các thiết bị ID này thường ở dạng các khối lượng vật rắn nhỏ trượt
trên đỉnh cơng trình trên các ray dẫn hướng.
1.2.2 Phương pháp giảm chấn chủ động

Phương pháp giảm chấn chủ động là phương pháp sử dụng tín hiệu phản hồi từ các bộ cảm
biến đo ứng xử của kết cấu, xử lý các thồng tin này và đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp
đến các bộ kích thích cơ học đế khống chế ứng xử của các cấu kiện theo mong muốn. Với
các thiết bị của phương pháp giảm chấn chủ động, ta phải luôn chắc chắn rằng có một
nguồn năng lượng riêng cung cấp cho nó và các thiết bị đo phản ứng phải sẵn sàng hoạt
động khi có bất kỳ phản ứng nào của cơng trình. Điều này địi hỏi các chi phí lớn cho thiết
bị ban đầu và chi phí cho bảo trì, vận hành trong suốt thời gian sử dụng cơng trình. Các bộ
kích thích cơ học hoạt động được bởi nguồn năng lượng cấp từ bên ngồi. Vai trị của hệ
thống điều khiên chủ động là phát hiện những phản ứng bất lợi của kết cấu dưới tác động
của gió to hay động đất, xử lý nhanh bằng máy tính điều khiển và đưa ra một lực phản ứng

làm giảm dao động của cơng trình. Do đó, phương pháp sẽ làm tăng độ an tồn cho các tịa
nhà và sự thoải mái cho người sử dụng. Nhược điếm của hệ thống này cần một nguồn điện
riêng và ổn định (ngay cả khi tồn bộ cơng trình chính có sự cố về điện) đế cung cấp cho
thiết bị điều khiển.

Các thiết bị giảm chấn chủ động bao gồm thiết bị sử dụng khối lượng chù động (Active
Mass Damper-AMD), thiết bị sử dụng khối lượng dự chỉnh chủ động (Active Mass Tuned
Damper-ATMD), thiết bị giằng chủ động (Active Brace-AB), thiết bị chủ động thay đổi độ

11


cứng (Active Variable Stiffness-AVS), bộ giảm xóc thay đồi chủ động (Active Variable
Damper-AVD), thiết bị cách chấn đáy chủ động (Active Base Isolation-AB I).

Hình 1.11 AMD trong tịa nhà Applause Tower , Osaka, Nhật Bản
Spring

Driving command

damper

Building sensor

Vibration signal
Vibration signal

Earthquake signal

control
computer

Earthquake motion sensor
Ground

W7/

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý của AMD-TMD
Khi khoa học công nghệ phát triển thiết bị TMD, vốn được coi là thiết bị giảm chấn thụ
động, cũng được phát triến thành các thiết bị giảm chấn có khả năng chủ động phản ứng lại
với các tác động của động đất. Theo những yêu cầu của thiết kế như giới hạn về không
gian lắp đật, việc lắp đặt sử dụng thiết bị TMD có thê khơng khả thi, khi đó thiết bị giảm
chấn chủ động (AMD) được thiết kế và lắp đặt như trường họp ở tòa nhà Kyobashi Seiwa
Bhilding ở Tokyo (Nhật Bản) hay toàn tháp Nanjing ở Nanjing (Trung Quốc). Tòa nhà
Kyobashi Seiwa Bhilding là ứng dụng quy mô lớn đầu tiên công nghệ giảm chấn chủ động.
Đây là một tịa nhà 11 tầng với diện tích sàn là 423m2. Hệ thống điều kiến gồm có hai thiết
bị AMD, trong đó thiết bị AMD đầu tiên có khối lượng 4 tấn được sử dụng cho giảm chấn
dao động ngang, thiết bị AMD thứ 2 có khối lượng làm giảm xoắn cho cồng trình, về căn
bản, thiết bị AMD chính là cải tiến từ thiết bị TMD được gắn thêm các cảm biến, các bộ

12


kích thích cơ học và máy tính điều kiển. Các tác giả Aizawa, Hayamizu, Higashino, Soga,
Yamamoto, và Haniuda đã trình bày những nghiên cứu thực nghiệm về AMD, những ứng
xử của hệ kết cấu được chế ngự chủ động với thiết bị AMD được gắn ở trên đỉnh, đã được
giảm một cách đáng kể ở dạng dao động thứ nhất và thứ hai theo hướng y; và dạng dao
động thứ nhất theo hướng z.

CíMKvphial Diajyam u1ìhc AMI) System

«■n-BcjfeiikyK fariAfr

ActwkH

-

%:£iLk1
Scfiwf Sckmw Mgjnal

Si.-r.viH

i'l.mlrcl ỉonDpoBer

íínmnd nwti«i

Hình 1.13 Tịa nhà Kyobashi Seiwa sử dụng giảm chấn dao động chủ động
Reinhorn và Soong [28] đã giới thiệu một hệ chế ngự chủ động (Active Bracing SystemABS) được lắp đặt trong một kết cấu thử nghiệm ở Tokyo. Ket cấu này đã chịu vài trận
động đất và các phản ứng của nó đều được ghi lại trong hệ giảm chấn chủ động tự động
làm việc trong suốt thời gian xảy ra động đất. Một thiết bị ATMD kiểu quả lắc cũng đã

được phát triển bởi Matsumoto [29], thiết bị này đã được lắp đật tại tầng trên cùng của một
tòa nhà 70 tầng (cao 296m) và đỉnh tháp của cầu Akashi Kaikyo (cao 300m).

Ví dụ của ứng dụng thiết bị HMD là tại tòa nhà Sendagaya Intes ở Nhật Bản vào năm
1991. Thiết bị HMD được đặt ở tầng 11 của tòa nhà gồm 2 khối lượng để chế ngự chuyển
động ngang và chuyến động xoắn của cơng trình.

13


Hình 1.14 Tịa nhà Shinjuku Park Tower sử dụng giảm chế dao động “lai”

1.2.3 Phuong pháp giảm chấn bán chủ động
Hệ thống giảm chấn bán chủ động là thiết bị giảm chấn dạng như TMD nhưng độ cứng k
và hệ số cản nhớt c của liên kết được liên tục điều chỉnh thay đối phù họp với lực tác dụng
lên cơng trình. Hệ thống này u cầu nguồn năng lượng liên tục nhưng khơng cần lớn lắm
nên có thể dùng nguồn năng lượng là pin trong trường họp khẩn cấp. Các nghiên cứu và
thực tế đã chứng minh rằng hệ thống giảm chấn bán chủ động hoạt động tốt hơn và có hiệu
quả cao hơn hệ thống giảm chấn thụ động.

Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống giảm chấn

dao động dạng bán chủ động

Hình 1.16 Thiết bị giảm chấn bán chủ động
thực tế

14

Hình 1.17 Các dạng thiết bị bán chủ động:
(a) Thiết bị cản có khe van biến thiên; (b) Thiết bị cản ma sát khả biến; (c) Thiết bị cản
chất lỏng dự chỉnh khả biến; (d) Thiết bị cản chất lỏng khả điều khiển

Hình 1.18 Giảm chấn dao động bán chù động tòa nhà Kajima Shizuoka

1.3 GỐI CÁCH CHẤN BẢO VỆ CƠNG TRÌNH

1.3.1 Giới thiệu việc sử dụng gối cách chấn

Vào tháng 8 năm 1909, J. A. Calantarients, một tiến sĩ từ Scarborough, miền bắc nước
Anh, đã viết một bức thư đến giám đốc của Co quan địa chấn học Chile ở Santiago kêu gọi
sự chú ý đến một phương pháp xây dựng mà ơng ta đã phát triển “các tồ nhà quan trọng
có thể được nhấc lên ở các quốc gia có động đất theo nguyên tắc này với độ an tồn tuyệt
đối vì mức độ nghiêm trọng của trận động đất mất đi qua sự tồn tại của các khớp tự do
được bôi trơn”. Calantarients đã gửi đơn xin cấp bằng sáng chế đến văn phòng bằng sáng

15


chế Anh quốc cho phương pháp xây dựng của ông ấy, với đề xuất rằng các tịa nhà có thể
xây dựng trên các “khớp tự do” và một lớp cát mịn, mica, hoặc bột talc mà có thế cho phép
tịa nhà trượt trong trận động đất, do đó làm giảm lực truyền đến chính tịa nhà.

Những thứ mà ơng ấy đã nêu ra là một ví dụ đầu tiên của thiết kế chống động đất được biết
đến như cách đáy hoặc cách chấn. Rất nhiều cơ cấu được phát minh ở thế kỷ vừa qua đê
cố gắng đạt đến mục đích làm tách rời tồ nhà khỏi hư hỏng từ tác động của động đất, ví
dụ như, con lăn, bóng, cáp, cột lắc, và cả cát. Các tòa nhà được xây dựng trên bóng, bao
gồm cả tịa nhà ở Sevastopol, Ukraine và ở một trường học 5 tầng ở Mexico City. ít nhất
một tịa nhà, ký túc xá 4 tầng cho Đài quan sát địa chấn quốc gia ở Bắc Kinh, đã được xây

trên lớp cát ở giữa tòa nhà và móng được thiết kế đặc biệt đê có thế trượt trong khi xảy ra
động đất.
Tiến sĩ Calantarients có đề cập trong bức thư của ông ấy rằng: “Tôi làm thí nghiệm với các
quả bóng nhiều năm trước khi nó được hoàn thiện ở Nhật Bản, hoặc bất kỳ sự kiện nào mà
nó từng xuất hiện trên báo chí 25 năm qua”. Sự liên hệ gần như chắc chắn với John Milne một người Anh, giáo sư về kỹ thuật khai thác mở ở Tokyo từ năm 1876 đến năm 1895.
Trong khoảng thời gian này Milne rất hứng thú với hiện tượng động đất, ông đã phát minh
và cải thiện một số lượng địa chấn kế. Milne là người tiên phong nghiên cứu về địa chấn
học, ơng cịn được biết đến như là “Cha đẻ cùa địa chấn học hiện đại”. Ông ấy cũng đã suy
nghĩ rất nhiều về thiết kế các tòa nhà trong khu vực hoạt động địa chấn và các quy tắc được
công bố cho việc xây dựng chống động đất vẫn còn giá trị đến ngày hôm nay.

Trong thời gian ở Trường đại học Tokyo, ông đã xây dựng một mẫu thí nghiệm của một
tịa nhà được cách chan. Ket cấu được xây dựng trên những quả bóng “các tấm sắt đúc với
các cạnh giống như chiếc đĩa trên đầu cọc. Phía trên các quả bóng và được gắn vào tòa nhà
là các tấm được đúc bằng sắt hơi lõm nhưng tương tự với những tấm phía dưới”. Tịa nhà
được thiết kế và dường như trải qua được các biến động của gió. Vào năm 1885, ông ấy
miêu tả thí nghiệm này trong một báo cáo đến Hiệp hội khoa học nâng cao Anh Quốc. Rõ
ràng là ơng ấy chưa hồn tồn hài lịng với sự thế hiện của mơ hình này dưới tải trọng từ
gió, vì vậy ơng ấy thay đối hệ thống cách chấn, và năm 1886 ông ấy miêu tả phiên bản mới
trong một báo cáo tiếp theo đến Hiệp hội. Những quả bóng đầu tiên có kích thước đường
kính 10 in., những quả bóng 8 in. cũng đã được thử, và sau đó là những quả 1 in. Cuối
cùng tịa nhà được ngăn cách tại mỗi trụ của nó trên một số mảng thép đúc, loại đường
kính % in. Điều này có nghĩa rằng tòa nhà trở nên on định trước sức gió. Thiết kế cuối
cùng hiên nhiên thành cơng dưới tác động của động đất thực.
Khái niệm về cách chấn đã trở nên thông dụng hơn trong 20 năm sau với sự phát triển của
gối cách chấn đàn hồi đa lóp, được tạo ra bằng cách liên kết lưu hóa các tấm cao su với các
tấm thép mỏng gia cường. Những gối cách chấn này rất cứng theo phương thăng đứng nên
có thể chịu được trọng lượng của tịa nhà, nhưng lại rất linh hoạt (mềm) theo phương
ngang nên cho phép tịa nhà có thế di chuyển theo phương ngang dưới sự dịch chuyển
mạnh của nền đất từ các trận động đất. Với sự phát triển này, gối cách chấn đàn hồi đa lớp

đã mở rộng sử dụng cho các cây cầu trong ngành giao thơng và các tịa nhà dân dụng.
Trong những năm vừa qua, những hệ thống giảm chấn khác đã được phát triển, đó là

16


những cải tiến của phương pháp trượt. Khái niệm về cách chấn đã được chấp nhận rộng rãi
ở trong các khu vực dễ bị động đất trên thế giới để bảo vệ các cơng trình quan trọng khỏi
sự dịch chun mạnh của nền đất, ví dụ như ở Hoa Kỳ, Nhật Bản và một số lượng ít các
cơng trình xây dựng ở New Zealand, Italia,... nhưng chủ yếu cho các cơng trình quan
trọng. Các dự án mẫu về áp dụng các hệ thống cách chấn với chi phí thấp cho cơng trình
cơng cộng ở các nước đang phát triển đã được hoàn thành như ở Ấn Độ, Chile, Trung
Quốc, Indonesia và Armenia.
Những khó khăn cơ bản mà kỹ sư kết cấu phải đối mặt là việc cung cấp khả năng kháng
chấn cao cho tòa nhà sao cho giảm thiểu chuyển vị tương đối tầng và gia tốc sàn. Chuyển
vị tương đối tầng lớn gây ra hư hỏng cho các thành phần phi kết cấu và các thiết bị liên kết
các tầng. Chuyển vị tương đối tầng có thể được giảm thiểu bằn cách làm cứng kết cấu,
nhưng nó dẫn tới sự khuếch đại sự dịch chuyến của nền, cũng dẫn tới tăng gia tốc sàn, có
thể gây hư hỏng các thiết bị nhạy cảm. Gia tốc sàn có thê được giảm bằng cách làm hệ kết
cấu mềm hơn, nhưng nó lại dẫn đến chuyển vị tương đối tầng lớn hơn. Cách duy nhất của
việc giảm đồng thời chuyến vị tương đối tầng và gia tốc sàn là sử dụng các gối cách chấn
đáy. Hệ cách chấn đáy cung cấp sự linh hoạt cần thiết với các chuyển vị tập trung chủ yếu
ở gối cách chấn.
Khái niệm về cách chấn khá đơn giản là tách riêng cơng trình hoặc kết cấu khỏi các thành
phần nằm ngang của sự dịch chuyên nền đất bằng cách chèn thêm các thiết bị giảm chấn có
độ cứng ngang thấp vào giữa phần thân cơng trình và phần móng. Điều này dẫn đến kết
cấu có một tần số cơ bản khác nhiều so với tần số cố định và tần số cưỡng bức của chuyển
động nền. Dạng dao động đầu tiên của kết cấu cách chấn làm cho biến dạng chỉ có ở các
gối cách chấn, kết cấu bên trên trở nên bền vững. Ớ các dạng dao động cao hơn tạo ra biến
dạng trong kết cấu là trực giao với dạng dao động đầu tiên.

Hệ thống cách chấn cao su lần đầu được sử dụng vào năm 1969 cho một trường tiếu học
Pestalozzi ở Skopje, Yugoslavia, Macedonia. Trường Pestalozzi là một cơng trình ba tầng
được thiết kế bởi các kỹ sư người Thụy Sĩ, sử dụng hệ cách chấn với tên Swiss Full Base
Isolation-3D (FBI-3D) System. Không giống như hầu hết các gối cao su được phát triển
gần đây, những khối cao su được sử dụng ở đây (Hình 1.19) hầu như khơng được gia cố
cho nên trọng lượng của cơng trình làm chúng phình ra một bên. Bởi vì độ cứng theo hai
phương ngang của gối cao su là tương đương nhau, tòa nhà sẽ dao động và di chuyển về
phía trước và sau trong một trận động đất. Những gối này được thiết kế khi công nghệ gia
cường khối cao su bằng các tấm thép - như các gối cách chấn đàn hồi đa lớp - không được
phát triên cao hoặc hiếu biết sâu rộng và không chắc rằng cách tiếp cận này sẽ được sử
dụng lại.

17


Hình 1.19 Gối cao su sử dụng ở Trường Pestalozzi

Hình 1.20 Dịch chuyển của gối cao su trong Trường Pestalozzi
Nhiều mẫu gối cách chấn sau đó được chế tạo từ nhiều lớp cao su mỏng và gia cường bằng
nhiều lớp thép xen kẽ để tăng khả năng chịu nén của gối. Do có lớp gia cường bằng các
tấm lá thép thép nên những gối này rất cứng theo phương đứng nhưng lại mềm theo
phương ngang, rất phù hợp mới mục đích cách chấn. Các gối này khơng có các bộ phận
chuyển động, it bị thay đổi theo thời gian và có khả năng chống sự xuống cấp từ mơi

trường.

18


Gối cao su tự nhiên độ cản thấp được sử dụng ở New Zealand và Nhật Bản kết hợp với

một dạng bộ giảm chấn cơ học, bao gồm bộ giảm chấn thủy lực, các thanh thép, cuộn thép
hoặc lõi chì bên trong gối. Có một số hạn chế khi sử dụng bộ giảm chấn cho kết cấu cách
chấn: Mỗi loại bộ giảm chấn (ngoại trừ loại lõi chì bên trong) yêu cầu bộ phận kết nối cơ
học và bảo dưỡng định kỳ, độ chảy của bộ giảm chấn kim loại cho một hệ phi tuyến làm
phức tạp phân tích phản ứng động của cơng trình được cách chấn.

0 Hoa Kỳ, hệ cách chấn phố biến nhất là sử dụng gối cao su lõi chì. Những gối này là dạng
gối đa lớp đàn hồi và có thêm một hoặc nhiều lỗ trịn. Các lõi chì được chèn vào trong
những lỗ này nhằm làm tăng độ cản cho hệ cách chấn. Mặc dù một vài dự án chỉ sử dụng
gối cao su lõi chì, nhưng chúng thường được sử dụng kết hợp với các gối đàn hồi đa lớp
khơng có lõi chì trong một hệ cách chấn. Cũng có thể kết hợp các thiết bị cản vào hệ cách
chấn sử dụng gối đàn hồi.
1.3.2. Nguyên lý và hiệu quả của gối cách chấn

Sự cách ly kết cấu nhằm tách rời hoặc hạn chế việc truyền lực động đất vào kết cấu khi sử
dụng các thiết bị cách chấn được đặt ở chân cơng trình (bên trên phần đài móng và bên
dưới phần thân cơng trình) được gọi là giải pháp cách chấn đáy. Hệ thống cách chấn đáy có
một hoặc nhiều chức năng sau:
- Chịu tải trọng thẳng đứng với độ cứng lớn theo phương đứng kết hợp với độ dẻo theo
phương ngang được tăng cường;

- Tiêu tán năng lượng, tạo cản nhớt hoặc ứng xử trễ;
- Lấy lại cân bằng;
- Tăng độ bền ổn định cho cơng trình.

Các gối cách chấn hoạt động dựa trên nguyên lý sau: Gối cách chấn có tính mềm theo
phương ngang nên chịu được sự dịch chuyến lớn của nền đất từ các trận động đất, nhưng
vẫn đảm bảo độ cứng lớn theo phương đứng nên chịu được trọng lượng của cồng trình và
tăng khả năng ổn định theo phương đứng của kết cấu chính. Một phần năng lượng của các
trận động đất được hấp thụ bởi bản thân hệ cách chấn trước khi được tiêu tán từ cơ chế

hoạt động của gối cách chấn. Do độ mềm theo phương ngang, các thiết bị cách chấn tạo ra
một mode dao động mới mà không chứa các dịch chuyển tương đối giữa các tầng của hệ
kết cấu chính. Khả năng này sẽ làm tăng các chu kỳ dao động cơ bản của hệ kết cấu và sẽ
giữ cho chu kỳ dao động của toàn hệ xa với các thành phần chu kỳ dao động cưỡng bức
của tải trọng bên ngoài.

Các gối cách chấn phù hợp với các tịa nhà có chiều cao từ thấp đến trung bình, với các dao
động nằm trong một khoảng xác định. Chăng hạn, không thể tạo được độ dẻo cần thiết theo
phương ngang cho kết cấu chịu các dao động cưỡng bức từ tải trọng bên ngồi mà có các
thành phần chu kỳ tương đối dài. Cách chấn là phương pháp hiệu quả chống lại dao động
được truyền đến từ nền đất, chẳng hạn như từ động đất hoặc các hoạt động giao thơng,
nhưng nó khơng hiệu quả đế chống lại tải trọng gió vì hệ q mềm theo phương ngang.

19


Hình 1.21 Cách chấn đáy trong bảo vệ cơng trình chịu động đất
a) Ket cấu thông thường, b) Ket cấu có cách chấn đáy

1.3.3. Các loại gối cách chấn
Có nhiều dạng gối cách chấn nhưng được chia ra làm hai loại chính là: gối cách chấn đàn
hồi và gối cách chấn trượt, trong đó gối cách chấn đàn hồi được sử dụng phổ biến hơn. Gối
cách chấn đàn hồi có nhiều dạng như: Gối cao su tự nhiên (Nuteral Rubber Bearing NRB), gối cách chấn lõi chì (Lead Rubber Bearing - LRB), gối cách chấn cao su có độ cản
cao (Hingh Damping Rubber Bearing - HDRB), gối cách chấn đàn hồi cốt sợi (Fiber
Reinforced Elastomeric Isolator - FREI). Gối cách chan trượt có các dạng như: gối con lắc
đơn (Friction Pendulum System - FPS), gối dạng trượt đôi (Double Concave Friction
Pendulum - DCFP).

Gối cách chấn đàn hồi: Gối được giới thiệu lần đầu tiên năm 1969, ban đầu gối có cấu tạo
chỉ gồm các khối cao su tự nhiên lớn khơng có các tấm thép gia cường. Sau đó, các tấm

thép mỏng được thêm vào xen kẹp với các lớp cao su đế tăng độ cứng theo phương đứng
cho gối. Như vậy, gối cách chấn đàn hồi được cấu tạo từ nhiều lớp cao su nằm xen kẽ và
gắn kết với nhiều tấm/lớp lá thép mởng và có hai tấm đế thép dày ở đáy và đỉnh gối để liên
kết với phần móng và phần thân cồng trình thơng qua liên kết bu lồng. Gối cách chấn đàn
hồi có nhiều dạng như gối cao su tự nhiên (NRB), gối cách chấn lõi chì (LRB), gối cao su
cản nhớt cao (HDRB), gối cách chấn đàn hồi cốt sợi (FREI).
Gối cao su tự nhiên (NRB), xem Hình 1.22, là một dạng của gối cách chấn đàn hồi.
Những gối này được nghiên cứu và sử dụng đầu tiên trong lịch sử phát triến của gối cách
chấn đàn hồi. Gối cao su tự nhiên thường được sử dụng kết hợp với các thiết bị bổ sung
cản dạng khác trong cơng trình.

20