THIẾT KẾ MỘT SỐ DẠNG GỐI CÁCH CHẤN TRONG CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

LÊ XUÂN TÙNG

THIẾT KẾ MỘT SỐ DẠNG GỐI CÁCH CHẤN
TRONG CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành: Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp
Mã số: 62.58.20.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TSKH. NGUYỄN ĐĂNG BÍCH
2. TS. NGUYỄN ANH TUẤN

HÀ NỘI – 2012


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết
quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.

Tác giả luận án

Lê Xuân Tùng


ii

MỤC LỤC

Lời cam đoan…………………………………………………………………
Mục lục……………………………………………………………………….
Danh mục các hình vẽ trong luận án………………………………………….
Danh mục các bảng trong luận án…………………………………………….
Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt và thuật ngữ…………………………………
Chương 1: Tổng quan ……………………………………………………………..

1.1. Tình hình nghiên cứu giải pháp giảm chấn………………………………
1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu giải pháp cách chấn đáy……………
1.2.1. Tình hình nghiên cứu về giải pháp cách chấn đáy ngoài nước …
1.2.2. Tình hình nghiên cứu về giải pháp cách chấn đáy trong nước….
1.2.3. Một số nhận xét………………………………………………….
1.3. Giới thiệu luận án………………………………………………………...
1.3.1. Mục đích của luận án....................................................................
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu……………………………………………
1.3.3. Nội dung nghiên cứu…………………………………………….
1.3.4. Phương pháp nghiên cứu………………………………………...
1.3.5. Phạm vi nghiên cứu……………………………………………...
1.3.6. Những đóng góp mới của luận án……………………………….
1.3.7. Cấu trúc luận án.............................................................................
Chương 2: Thiết kế gối cách chấn đàn hồi trong công trình chịu động

đất…………………………………………………………………………….
2.1. Tổng quan về gối cách chấn đàn hồi……………………………………..
2.1.1. Giới thiệu về gối cách chấn đàn hồi……………………………..
2.1.2. Nguyên lý làm việc của gối đàn hồi..............................................
2.1.3. Mô hình ứng xử của gối đàn hồi chịu kích động động đất………
2.1.4. Nội dung nghiên cứu về gối đàn hồi…………………………….
2.2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động và khảo sát ứng xử của gối
đàn hồi chịu kích động động đất theo phương ngang................................
2.2.1. Tham số vật liệu của gối cách chấn đàn hồi trong khảo sát ứng
xử dao động ngang………………………………………………
2.2.2. Phương trình vi phân chuyển động của hệ khi gối đàn hồi chịu
kích động giả thiết là lực điều hòa theo phương ngang ………...

Trang
i
ii
vi
xiii
xiv
1
1
5
5
11
19
20
20
20
20
21

28
29
30
31
31
31
32
32
33
33
34
35


iii

2.2.3.

Phương trình vi phân chuyển động của hệ khi gối đàn hồi chịu
kích động động đất tính theo giản đồ gia tốc nền theo phương
ngang…………………………………………………………….
2.2.4. Xác định độ cứng hữu hiệu, độ cản hữu hiệu, tỷ số cản hữu hiệu
và chu kỳ hữu hiệu........................................................................
2.2.5. Cơ sở chọn các tham số để khảo sát …………………………….
2.2.6. Các bước giải số trực tiếp………………………………………..
2.2.7. Khảo sát ứng xử của gối đàn hồi theo phương ngang với các bộ
số khác nhau…………………………………………………….
2.2.8. Nhận định kết quả.........................................................................
2.3. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động và khảo sát ứng xử của gối
đàn hồi chịu kích động động đất theo phương đứng…………………….

2.3.1. Tham số vật liệu của gối đàn hồi trong khảo sát ứng xử dao
động theo phương thẳng đứng…………………………………..
2.3.2. Phương trình vi phân chuyển động của gối đàn hồi chịu kích
động động đất giả thiết là lực điều hòa theo phương đứng...........
2.3.3. Phương trình vi phân chuyển động của gối đàn hồi chịu kích
động động đất tính theo giản đồ gia tốc có phương thẳng đứng...
2.3.4. Các bước giải số trực tiếp bằng chương trình Mathematica.7…..
2.3.5. Khảo sát ứng xử của gối đàn hồi chịu kích động động đất theo
phương đứng với các bộ số khác nhau…………………………..
2.3.6. Nhận định kết quả……………………………………………….…….
2.4. Quy trình thiết kế gối cách chấn đàn hồi…………………………………
2.5. Kết luận…………………………………………………………………..
Chương 3: Thiết kế gối cách chấn dạng trượt đơn – FPS trong công
trình chịu động đất…………………………………………………………..
3.1. Tổng quan về gối cách chấn dạng trượt đơn – FPS………………………
3.1.1. Giới thiệu gối cách chấn dạng trượt đơn – FPS…………………
3.1.2. Đặc điểm cấu tạo………………………………………………...
3.1.3. Nguyên lý làm việc của gối FPS………………………………...
3.2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của gối FPS……………….
3.2.1. Mô hình Bouc-Wen……………………………………………...
3.2.2. Mô hình tính toán của gối FPS chịu kích động động đất được
giả thiết là lực điều hòa………………………………………….
3.2.3. Mô hình tính toán của gối FPS chịu kích động động đất tính
theo giản đồ gia tốc nền…………………………………………

37
37
38
39
40

48
48
49
50
51
51
52
59
60
60
62
62
62
62
63
63
64
65
66


iv

3.2.4. Ý nghĩa và cách xác định các tham số…………………………..
3.3. Quy trình khảo sát phản ứng của gối FPS chịu kích động động đất…….
3.4. Giải phương trình vi phân chuyển động với các bộ số khác nhau……….
3.4.1. Khảo sát với trường hợp kích động động đất giả thiết là lực điều
hòa……………………………………………………………….
3.4.2. Khảo sát với trường hợp kích động động đất được tính theo giản
đồ gia tốc nền……………………………………………………

3.5. Nhận định kết quả………………………………………………………..
3.5.1. Với trường hợp kích động động đất được giả thiết là lực điều
hòa……………………………………………………………….
3.5.2. Với trường hợp kích động động đất được tính theo giản đồ gia
tốc nền…………………………………………………………...
3.6. Quy trình thiết kế gối FPS……………………………………………….
3.7. Kết luận…………………………………………………………………..
Chương 4: Thiết kế gối cách chấn dạng trượt đôi – DCFP trong công
trình chịu động đất…………………………………………………………..
4.1. Tổng quan về gối cách chấn dạng trượt đôi – DCFP…………………….
4.1.1. Giới thiệu về gối cách chấn dạng trượt đôi – DCFP…………….
4.1.2. Nguyên lý làm việc của gối DCFP………………………………
4.2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động…………………………….
4.2.1. Mô hình tính toán của gối DCFP………………………………..
4.2.2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của gối DCFP……
4.3. Ý nghĩa và cách xác định các tham số……………………………………
4.3.1. Các hệ số ma sát và hệ số liên quan đến đường cong trễ………..
4.3.2. Khối lượng của phần kết cấu bên trên truyền lên gối, khối lượng
của bán cầu trên và của khớp trượt……………………………...
4.3.3. Bán kính của bán cầu trên và bán cầu dưới……………………...
4.3.4. Diện tích tiếp xúc giữa khớp trượt với bề mặt của bán cầu trên
và bán cầu dưới………………………………………………….
4.3.5. Xác định đặc trưng cho dịch chuyển dẻo………………………..
4.3.6. Độ cứng do khớp trượt va đập với vành hãm của bán cầu………
4.4. Quy trình khảo sát phản ứng của gối FPS chịu kích động động đất…….
4.4.1. Lựa chọn công cụ giải số………………………………………..
4.4.2. Lựa chọn sơ bộ các tham số liên quan đến cấu tạo của gối
DCFP…………………………………………………………….
4.4.3. Xác định các tham số chọn trước làm tham số đầu để giải hệ

67
70
73
73
85
87
87
88
88
89
90
90
90
91
93
93
95
96
96
96
96
97
97
97
97
97
97


v

phương trình vi phân chuyển động………………………………
4.4.4. Giải hệ phương trình vi phân chuyển động……………………...
4.4.5. Khảo sát biên độ dao động………………………………………
4.4.6. Khảo sát tính chất nghiệm……………………………………….
4.4.7. Khảo sát ứng xử trễ.......................................................................
4.4.8. Kiểm tra điều kiện làm việc của gối DCFP……………..............
4.4.9. Khảo sát với nhiều bộ tham số…………………………………..
4.5. Khảo sát ứng xử của gối DCFP với các bộ số khác nhau………………..
4.5.1. Khảo sát với trường hợp kích động động đất giả thiết là lực điều
hòa……………………………………………………………….
4.5.2. Khảo sát với trường hợp kích động động đất được tính theo giản
đồ gia tốc nền……………………………………………………
4.6. Nhận định kết quả………………………………………………………...
4.7. Quy trình thiết kế gối DCFP……………………………………………..
4.8. Kết luận…………………………………………………………………..
Chương 5: Tải trọng động đất tác dụng lên công trình có gối cách chấn
và hiệu quả của các dạng gối cách chấn……………………………………
5.1. Ví dụ áp dụng…………………………………………………………….
5.1.1. Phân tích kết cấu công trình không cách chấn đáy……………...
5.1.2. Phân tích nội lực của kết cấu bên trên chịu tĩnh tải và hoạt tải….
5.1.3. Thiết kế cách chấn đáy cho công trình sử dụng gối đàn hồi…….
5.1.4. Thiết kế cách chấn đáy cho công trình sử dụng gối FPS………..
5.1.5. Thiết kế cách chấn đáy cho công trình sử dụng gối DCFP……...
5.2. So sánh tính chất và hiệu quả của các loại gối cách chấn………………..
Kết luận………………………………………………………………………
1. Các kết quả chính đạt được ……………………………………………..
2. Độ tin cậy của kết quả đạt được................................................................
3. Hướng phát triển của luận án……………………………………………
Danh mục công trình nghiên cứu của tác giả liên quan đến luận án…….

Tài liệu tham khảo……………………………………………….………….

98
98
99
100
100
100
103
104
104
116
120
121
122
123
123
124
126
127
131
133
135
137
137
138
138
139
140

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN
Trang
Hình 1.1

Tác động của tải trọng động đất lên công trình

1

Hình 1.2

Kết cấu bên trên được cách chấn đáy

3

Hình 1.3

HDRB chịu tải trọng cắt

5

Hình 1.4

Gối cao su có lõi chì - LBR

6

Hình 1.5

Diện tích tải tự do Af

13

Hình 1.6

Diện tích mặt cắt ngang bị biến đổi của HDRB hình trụ tròn

15

Hình 1.7

HDRB khi bị trượt nghiêng

17

Hình 2.1

Các dạng gối đàn hồi

31

Hình 2.2

Cách chấn đáy trong bảo vệ công trình chịu động đất

32

Hình 2.3

Mô hình phi tuyến Kelvin-Voigt với kích động động đất
theo phương ngang

34

Hình 2.4

Đồ thị hàm [u (t ) , {t ,0,15}] - bộ số thứ nhất

40

Hình 2.5

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ nhất

40

Hình 2.6

Đồ thị hàm [10 −6 F0 sin ωt , u[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ nhất

41

Hình 2.7

Đồ thị hàm [u (t ) , {t ,0,15}] - bộ số thứ hai

41

Hình 2.8

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ hai

41

Hình 2.9

Đồ thị hàm ⎡⎣10−5 F0 sin ωt , u[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ hai

42

Hình 2.10

Đồ thị hàm [u (t ) , {t ,0,15}] - bộ số thứ ba

42

Hình 2.11

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ ba

43

Hình 2.12

Đồ thị hàm ⎡⎣5.10−5 F0 sin ωt , u[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ ba

43

Hình 2.13

Đồ thị hàm [u (t ) , {t ,0,15}] - bộ số thứ tư

43


vii

Hình 2.14

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ tư

44

Hình 2.15

Đồ thị hàm ⎡⎣5.10−5 F0 sin ωt , u[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ tư

44

Giản đồ gia tốc theo phương ngang tại trận động đất
ELCentro 1940

45

Hình 2.17

Đồ thị hàm [u (t ) , {t , 0, 6}] - bộ số thứ năm

47

Hình 2.18

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t , 0, 6}] - bộ số thứ năm

47

Hình 2.19

Đồ thị hàm [u (t ) , {t , 0, 6}] - bộ số thứ sáu

47

Hình 2.20

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t , 0, 6}] - bộ số thứ sáu

48

Hình 2.21

Mô hình phi tuyến Kelvin-Voigt với kích động động đất
theo phương đứng

49

Hình 2.22

Đồ thị hàm [ x[t ] , {t ,0,15}] - bộ số thứ nhất

53

Hình 2.23

Đồ thị hàm [{x[t ] , 5 x[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ nhất

53

Hình 2.24

Đồ thị hàm ⎡⎣{3.10−6 P0 sin ωt , x[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ nhất

53

Hình 2.25

Đồ thị hàm [ x[t ] , {t ,0,15}] - bộ số thứ hai

54

Hình 2.26

Đồ thị hàm [{x[t ] , 5 x[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ hai

54

Hình 2.27

Đồ thị hàm ⎡⎣10−6 P0 sin ωt , x[t ]} , {t ,0,15}]- bộ số thứ hai

54

Hình 2.28

Đồ thị hàm [ x[t ] , {t ,0,15}] - bộ số thứ ba

55

Hình 2.29

Đồ thị hàm [{x[t ] , 5 x[t ]} , {t ,0,15}] - bộ số thứ ba

55

Hình 2.30

Đồ thị hàm ⎡⎣{2.10−6 P0 sin ωt , x[t ]} , {t ,0,15}]- bộ số thứ ba

55

Giản đồ gia tốc theo phương đứng tại trận động đất
ELCentro 1940

56

Hình 2.32

Đồ thị hàm [ x[t ] , {t ,0, 8}] - bộ số thứ tư

58

Hình 2.33

Đồ thị hàm [{x[t ] , 5 x[t ]} , {t ,0, 8}] - bộ số thứ tư

58

Hình 2.16

Hình 2.31


viii

Hình 2.34

Đồ thị hàm [ x[t ] , {t ,0, 8}] - bộ số thứ năm

58

Hình 2.35

Đồ thị hàm [{x[t ] , 5 x[t ]} , {t ,0, 8}] - bộ số thứ năm

59

Hình 2.36

Sơ đồ mô tả quy trình thiết kế gối đàn hồi

60

Hình 3.1

Mặt cắt của gối FPS

62

Hình 3.2

Hình ảnh của gối FPS

63

Hình 3.3

Kết cấu công được cách chấn bởi gối FPS

63

Hình 3.4

Đồ thị hàm z theo u

64

Hình 3.5

 )

Đồ thị hàm sign(uz

65

Hình 3.6

Sơ đồ cân bằng lực của gối FPS

65

Hình 3.7

Mô hình phi tuyến của gối FPS chịu kích động động đất là
lực điều hòa

66

Mô hình phi tuyến của gối FPS chịu kích động động đất
được tính theo giản đồ gia tốc nền

67

Hình 3.9

Quan hệ giữa μmax và áp lực p

68

Hình 3.10

Vòng trễ trong ứng xử của gối FPS

69

Hình 3.11

Phân bố lôgarit chuẩn các số liệu thí nghiệm đối với dịch
chuyển dẻo

69

Hình 3.12

Thông số kích thước của gối FPS

70

Hình 3.13

Đồ thị hàm μmax

73

Hình 3.14

Đồ thị quan hệ μ và vận tốc của khớp u

74

Hình 3.15

Đồ thị hàm ⎡⎣ μ (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ nhất

74

Hình 3.16

Thông số kích thước của gối FPS

75

Hình 3.17

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ nhất

75

Hình 3.18

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ),5u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ nhất

76

Hình 3.19

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ),10−3 z (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ nhất

76

Hình 3.8

ix

Hình 3.20

Đồ thị hàm ⎡⎣ F = 10−7 sin ωt , u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ nhất

76

Hình 3.21

Đồ thị hàm [μRz (t ),10u (t ), {t ,0,20}] - Bộ số thứ nhất

77

Hình 3.22

Đồ thị hàm ⎡⎣50u (t ), μ (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ nhất

77

Hình 3.23

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ hai

78

Hình 3.24

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ),5u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ hai

78

Hình 3.25

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ),3.10−2 z (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ hai

78

Hình 3.26

Đồ thị hàm ⎡⎣ F = 10−5 sin ωt , u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ hai

79

Hình 3.27

Đồ thị hàm ⎡⎣ μ Rz (t ), u (t ), {t , 0, 20}⎤⎦ - Bộ số thứ hai

79

Hình 3.28

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ), μ (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ hai

79

Hình 3.29

Đồ thị hàm ⎡⎣ μ (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ hai

80

Hình 3.30

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ ba

80

Hình 3.31

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ),5u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ ba

81

Hình 3.32

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ),3.10−2 z (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ ba

81

Hình 3.33

Đồ thị hàm ⎡⎣ F = 10−5 sin ωt , u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ ba

81

Hình 3.34

Đồ thị hàm [μRz (t ),10u (t ), {t ,0,20}] - Bộ số thứ ba

82

Hình 3.35

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ), μ (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ ba

82

Hình 3.36

Đồ thị hàm ⎡⎣ μ (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ ba

82

Hình 3.37

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ tư

83

Hình 3.38

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ), 2u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ tư

83

Hình 3.39

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ),3.10−2 z (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ tư

84

Hình 3.40

Đồ thị hàm ⎡⎣ F = 10−7 sin ωt , u (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ tư

84


x

Hình 3.41

Đồ thị hàm [μRz (t ),10u (t ), {t ,0,20}] - Bộ số thứ tư

84

Hình 3.42

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ), μ (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ tư

85

Hình 3.43

Đồ thị hàm ⎡⎣ μ (t ), {t , 0,15}⎤⎦ - Bộ số thứ tư

85

Hình 3.44

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ), {t , 0,9}⎤⎦ - Bộ số thứ năm

86

Hình 3.45

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ),5u (t ), {t , 0,9}⎤⎦ - Bộ số thứ năm

86

Hình 3.46

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ), {t , 0,9}⎤⎦ - Bộ số thứ sáu

87

Hình 3.47

Đồ thị hàm ⎡⎣u (t ),5u (t ), {t , 0,9}⎤⎦ - Bộ số thứ sáu

87

Hình 3.48

Sơ đồ mô tả quy trình thiết kế gối FPS

88

Hình 4.1

Mặt cắt gối cách chấn dạng trượt đôi – DCFP

90

Hình 4.2

Hình ảnh hai nửa gối của gối DCFP

91

Hình 4.3

Các giai đoạn chuyển dịch của gối DCFP

92

Hình 4.4

Sơ đồ cân bằng lực

93

Hình 4.5

Mô hình tính toán của gối DCFP

94

Hình 4.6

Đồ thị hàm [u[t ] , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ nhất

105

Hình 4.7

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ nhất

106

Hình 4.8

Đồ thị hàm [{F = 2.10−7 F0 sin ωt , u[t ]} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ
nhất

106

Hình 4.9

Đồ thị hàm [u 2 [t ] , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ nhất

106

Hình 4.10

Đồ thị hàm [{u2 [t ] , 5u2 [t ]} , {t , 0 , 20}] - Bộ số thứ nhất

107

Hình 4.11

Đồ thị hàm [{VP1tgh , 10VT 1tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ nhất

107

Hình 4.12

Đồ thị hàm [{VP2tgh , 10VT 2tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ nhất

107

Hình 4.13

Đồ thị hàm [u[t ] , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ hai

108

Hình 4.14

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ hai

108

Hình 4.15

Đồ thị hàm [{F = 2.10−6 F0 sin ωt , u[t ]} , {t , 0 , 20}] - Bộ số thứ

xi

hai

109

Hình 4.16

Đồ thị hàm [u 2 [t ] , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ hai

109

Hình 4.17

Đồ thị hàm [{u2 [t ] , 5u2 [t ]} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ hai

109

Hình 4.18

Đồ thị hàm [{VP1tgh , VT 1tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ hai

110

Hình 4.19

Đồ thị hàm [{VP2tgh , VT 2tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ hai

110

Hình 4.20

Đồ thị hàm [u[t ] , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ ba

111

Hình 4.21

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ ba

111

Hình 4.22

Đồ thị hàm [{F = 2.10−6 F0 sin ωt , u[t ]} , {t , 0 , 20}] - Bộ số thứ
ba

111

Hình 4.23

Đồ thị hàm [u 2 [t ] , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ ba

112

Hình 4.24

Đồ thị hàm [{u2 [t ] , 5u2 [t ]} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ ba

112

Hình 4.25

Đồ thị hàm [{VP1tgh , VT1tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ ba

112

Hình 4.26

Đồ thị hàm [{VP2tgh , VT 2tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ ba

113

Hình 4.27

Đồ thị hàm [u[t ] , {t , 0 , 15}]- Bộ số thứ tư

113

Hình 4.28

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ tư

114

Hình 4.29

Đồ thị hàm [{F = 2.10−6 F0 sin ωt , u[t ]} , {t , 0 , 20}] - Bộ số thứ
tư

114

Hình 4.30

Đồ thị hàm [u 2 [t ] , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ tư

114

Hình 4.31

Đồ thị hàm [{u2 [t ] , 5u2 [t ]} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ tư

115

Hình 4.32

Đồ thị hàm [{VP1tgh , VT1tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ tư

115

Hình 4.33

Đồ thị hàm [{VP 2tgh , VT 2tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ tư

116

Hình 4.34

Đồ thị hàm [u[t ] , {t , 0 , 15}]- Bộ số thứ năm

116

Hình 4.35

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t , 0 , 7}] - Bộ số thứ năm

117

Hình 4.36

Đồ thị hàm [u 2 [t ] , {t , 0 , 7}] - Bộ số thứ năm

117

Hình 4.37

Đồ thị hàm [{VP1tgh , 10VT 1tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ năm

117


xii

Hình 4.38

Đồ thị hàm [{VP2tgh , VT 2tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ năm

118

Hình 4.39

Đồ thị hàm [u[t ] , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ sáu

118

Hình 4.40

Đồ thị hàm [{u[t ] , 5u[t ]} , {t , 0 , 7}] - Bộ số thứ sáu

119

Hình 4.41

Đồ thị hàm [u 2 [t ] , {t , 0 , 7}] - Bộ số thứ sáu

119

Hình 4.42

Đồ thị hàm [{VP1tgh , 10VT 1tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ sáu

119

Hình 4.43

Đồ thị hàm [{VP 2tgh , VT 2tgh} , {t , 0 , 15}] - Bộ số thứ sáu

120

Hình 4.44

Sơ đồ mô tả quy trình thiết kế gối DCFP

121

Hình 5.1

Mặt bằng kết cấu tầng điển hình

124

Hình 5.2

Sơ đồ kết cấu bên trên được liên kết ngàm với móng

124

Hình 5.3

Sơ đồ kết cấu bên trên mặt cách chấn đáy

126

Hình 5.4

Lực dọc chân cột do tĩnh tải và hoạt tải gây ra

126

xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN

Trang
So sánh tỷ số cản của các LRB với đường kính lõi chì khác
nhau

7

Bảng 1.2

Quan hệ giữa độ cứng của cao su và hằng số vật liệu

13

Bảng 2.1

Bảng số về giản đồ gia tốc nền tại trận động đất El Centro

Bảng 1.1

1940 theo phương ngang

46

Bảng số về giản đồ gia tốc nền tại trận động đất El Centro
1940 theo phương đứng

57

Kết quả phân tích dao động riêng của kết cấu bên trên trong
trường hợp liên kết ngàm với móng

125

Tải trọng động đất tác dụng lên kết cấu bên trên trong
trường hợp liên kết ngàm với móng

125

Bảng 5.3

Kích thước và số hiệu gối đàn hồi dùng cho công trình

127

Bảng 5.4

Độ cứng hữu hiệu, độ cản hữu hiệu của các gối và hệ thống
gối đàn hồi

128

Tải trọng động đất tác dụng lên các tầng trong trường hợp
công trình được cách chấn đáy bởi gối đàn hồi

131

Độ cứng hữu hiệu, độ cản hữu hiệu của các gối và hệ thống
gối FPS

132

Tải trọng động đất tác dụng lên các tầng trong trường hợp
công trình được cách chấn đáy bởi gối FPS

133

Bảng 5.8

Độ cứng hữu hiệu của các gối và hệ thống gối DCFP

134

Bảng 5.9

Tải trọng động đất tác dụng lên các tầng trong trường hợp
công trình được cách chấn đáy bởi gối DCFP

135

Bảng 2.2
Bảng 5.1
Bảng 5.2

Bảng 5.5
Bảng 5.6
Bảng 5.7

Bảng 5.10 Bảng tổng kết so sánh lực cắt đáy của công trình không
cách chấn đáy và được cách chấn đáy

136


xiv

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

Ký hiệu chữ cái và chữ La tinh
Chương 1
γ max

Biến dạng cắt thiết kế

β eff

Tỷ số cản hữu hiệu của HDRB

TD

Chu kỳ hữu hiệu của HDRB

keff

Độ cứng ngang hữu hiệu của HDRB

E

Mô đun đàn hồi của HDRB

G

Mô đun đàn hồi trượt của HDRB

tr

Chiều dày tổng cộng của các lớp cao su

t

Chiều dày của mỗi lớp cao su

H

Hệ số hình dạng của HDRB

kv

Độ cứng theo phương đứng của HDRB

kh

Độ cứng theo phương ngang của HDRB

Ec

Mô đun đàn hồi nén của hỗn hợp cao su thép

A

Diện tích mặt cắt ngang thiết kế của HDRB

n

Hệ số điều chỉnh

Af

Diện tích tự do xung quanh HDRB

A0,1,2

Diện tích mặt cắt ngang hiệu quả của HDRB

σc

Ứng suất nén cho phép của HDRB

PDL + LL

Tải trọng trên gối do tĩnh tải và hoạt tải gây ra

PDL + LL + EQ

Tải trọng trên gối do tĩnh tải, hoạt tải và động đất gây ra

εb

Độ giãn dài của cao su phá hoại

A sf

Diện tích mặt cắt ngang bé nhất khi phá hoại do cắt của HDRB

Are

Diện tích mặt cắt ngang biến đổi do chuyển vị ngang


xv

L,B

Chiều dài, chiều rộng của HDRB chữ nhật

d

Đường kính của HDRB hình tròn

Δs

Chuyển vị ngang của HDRB

ts

Chiều dày tấm thép

Fy

Giới hạn chảy của tấm thép

εc

Biến dạng nén

Δc

Chuyển vị nén của HDRB

εb

Độ giãn dài của cao su khi phá hoại

γ sc

Biến dạng cắt khi nén

γ eq

Biến dạng cắt dưới tải trọng động đất

γ sr

Biến dạng khi bị xoay

δ roll −out

Chuyển vị tương ứng khi lệch ra khỏi vị trí cân bằng

SD

Hệ số địa chấn

BD

Hệ số giảm chấn

δv

Chuyển vị theo phương đứng của gối FPS

δ

Chiều sâu của bán cầu lõm

d FPS

Đường kính vành của bán cầu lõm của gối FPS

R

Bán kính cong của bán cầu lõm của gối FPS

TDpx , TDpy

Chu kỳ dao động riêng theo 2 phương của toàn bộ hệ thống

Vb

Lực cắt đáy tại mặt cách chấn dưới

Vs

Lực cắt đàn hồi tại mặt cách chấn trên

RI

Hệ số phụ thuộc độ dẻo của kết cấu

xi

Nút của lưới sai phân

b

Bước của lưới sai phân

N

Số bước nhảy

m

Số bậc của thuật toán Runge – Kutta

δ

Hàm Dirac delta


xvi

Π

Hàm Boxcar

R( x)

Hàm Ramp

∗

Tích chập

Chương 2
γ

Biến dạng cắt của gối đàn hồi

G (γ )

Mô đun chống cắt

D(γ )

Tỷ số cản phụ thuộc biến γ

k (γ )

Độ cứng chống cắt

c(γ )

Độ cản khi cắt

m

Khối lượng phần kết cấu bên trên tác dụng lên gối đàn hồi

h

Chiều cao của gối đàn hồi

d

Đường kính của gối đàn hồi

J0

Mômen quán tính của gối

Ip

Mômen quán tính cực

ωh 0

Tần số góc dao động tự nhiên của hệ theo phương ngang

F0

Biên độ lực kích động động đất

ωh

Tần số góc của lực kích động động đất

u

Dịch chuyển tương đối giữa mặt cách chấn trên và mặt cách chấn dưới

ug (t )

Giản đồ gia tốc nền theo phương ngang

k (u )

Độ cứng của gối đàn hồi theo phương ngang

c(u )

Độ cản của gối đàn hồi theo phương ngang

m*

Khối lượng quy đổi

D

Dịch chuyển thiết kế của gối đàn hồi

kheff

Độ cứng hữu hiệu của gối đàn hồi theo phương ngang

cheff

Độ cứng hữu hiệu của gối đàn hồi theo phương ngang

β heff

Tỷ số cản hữu hiệu của gối đàn hồi theo phương ngang

Theff

Chu kỳ hữu hiệu của gối đàn hồi theo phương ngang


xvii

Tf

Chu kỳ dao động riêng của công trình khi không có cách chấn đáy

x

Biến dạng dọc của gối đàn hồi

E ( x)

Mô đun đàn hồi của vật liệu gối đàn hồi

D( x)

Tỷ số cản theo phương đứng

k ( x)

Độ cứng của gối đàn hồi theo phương đứng

c( x)

Độ cản của gối đàn hồi theo phương đứng

Sn

Diện tích mặt cắt ngang của gối đàn hồi

ωvo

Tần số góc dao động tự nhiên của hệ theo phương thẳng đứng

P

Kích động động đất giả thiết là lực điều hòa

P0

Biên độ của lực kích động theo phương đứng

ωv

Tần số góc của lực kích động theo phương đứng

xg (t )

Giản đồ gia tốc nền theo phương thẳng đứng

kv

Độ cứng của gối đàn hồi theo phương đứng

Tv

Chu kỳ cơ bản theo phương đứng

ωv 0

Tần số góc dao động tự nhiên của hệ theo phương đứng

Chương 3
k

Độ cứng của gối FPS

c

Độ cản của gối FPS

f

Lực kích động ngoài

F0

Biên độ của lực kích động

ω

Tần số của lực kích động

a

Hệ số độ cứng đàn dẻo

z

Biến trễ phụ

A ,γ , β

Các đại lượng không thứ nguyên để điều chỉnh hình dạng của vòng trễ

n

Tham số ảnh hưởng đến độ trơn của đường cong trễ

Y

Đặc trưng cho dịch chuyển dẻo

g

Gia tốc trọng trường


xviii

μ

Hệ số ma sát giữa khớp trượt và bề mặt bán cầu lõm của gối FPS

W

Trọng lượng phần kết cấu bên trên mặt cách chấn truyền lên gối

TFPS

Chu kỳ dao động tự nhiên của gối FPS

Fr

Lực hãm do độ cứng của gối FPS

Ff

Lực hãm do ma sát giữa khớp trượt và bề mặt bán cầu lõm của gốiFPS

μmax 0

Hệ số ma sát khi áp lực của khớp trượt lên bề mặt bản cầu lõm bằng
không

μmax p

Hệ số ma sát khi có áp lực lớn nhất của khớp trượt lên bản cầu lõm

μmax

Hệ số ma sát ứng với khi khớp trượt có vận tốc lớn

μ min

Hệ số ma sát ứng với khi khớp trượt có vận tốc rất bé

r

Bán kính của khớp trượt

ACS

Diện tích tiếp xúc giữa khớp trượt lên bề mặt bán cầu lõm,

p

Áp lực bề mặt của khớp trượt lên bán cầu lõm

ε

Hệ số điều chỉnh μmax khi chuyển tiếp giữa áp lực bề mặt của khớp
trượt lên bản cầu lõm từ tương đối thấp sang tương đối cao

α

Hệ số điều chỉnh μ khi chuyển tiếp giữa tốc độ trượt tương đối thấp
sang tương đối cao

T

Chu kỳ dao động cơ bản

Y

Dịch chuyển dẻo của gối FPS

Ps

Lực pháp tuyến phụ

DFPS

Dịch chuyển thiết kế của gối FPS

k FPS−eff

Độ cứng hữu hiệu của gối FPS

TFPS−eff

Chu kỳ hữu hiệu của gối FPS

Tf

Chu kỳ dao động riêng của công trình khi không có cách chấn đáy

β FPS−eff

Tỷ số cản hữu hiệu của gối FPS

ug

Gia tốc nền theo phương ngang

ω0

Tần số góc dao động tự nhiên của hệ


xix

Chương 4
R1

Bán kính cong của bán cầu trên gối DCFP

R2

Bán kính cong của bán cầu dưới gối DCFP

D1

Dịch chuyển thiết kế của FPS trên

D2

Dịch chuyển thiết kế của FPS dưới

h1

Chiều cao của khớp trượt âm gối DCFP

h2

Chiều cao của khớp trượt dương gối DCFP

μ1

Hệ số ma sát giữa khớp trượt và bề mặt bán cầu trên của gối DCFP

μ2

Hệ số ma sát giữa khớp trượt và bề mặt bán cầu dưới của gối DCFP

u1

Dịch chuyển của bán cầu trên so với khớp trượt

u2

Dịch chuyển của khớp trượt trên bán cầu dưới

ms

Khối lượng của khớp trượt

m1

Khối lượng của bán cầu trên

Reff 1

Bán kính hiệu dụng của bán cầu trên

Reff 2

Bán kính hiệu dụng của bán cầu dưới

K r1

Độ cứng sinh ra do khớp trượt va đập với thành hãm của bán cầu trên
khi dịch chuyển ra biên

Kr2

Độ cứng sinh ra do khớp trượt va đập với thành hãm của bán cầu dưới
khi dịch chuyển ra biên

Fr1

Lực hãm của FPS trên

Fr 2

Lực hãm của FPS dưới

H

Hàm Heaviside

A1 , γ 1 , β1

Các đại lượng không thứ nguyên để điều chỉnh hình dạng vòng trễ của
FPS trên

A2 , γ 2 , β 2

Các đại lượng không thứ nguyên để điều chỉnh hình dạng vòng trễ của
FPS dưới

z1

Biến trễ phụ của FPS trên


xx

z2

Biến trễ phụ của FPS dưới

Y1

Dịch chuyển dẻo của FPS trên

Y2

Dịch chuyển dẻo của FPS dưới

n1

Tham số ảnh hưởng đến độ trơn của đường cong trễ của FPS trên

n1

Tham số ảnh hưởng đến độ trơn của đường cong trễ của FPS dưới

r

Bán kính của khớp trượt

ACS

Diện tích tiếp xúc giữa khớp trượt lên bề mặt bán cầu lõm

μ1max

Hệ số ma sát của FPS trên ứng với khi khớp trượt có vận tốc lớn

μ2max

Hệ số ma sát của FPS dưới ứng với khi khớp trượt có vận tốc lớn

μ1min

Hệ số ma sát của FPS trên ứng với khi khớp trượt có vận tốc rất bé

μ2min

Hệ số ma sát của FPS dưới ứng với khi khớp trượt có vận tốc rất bé

α1

Hệ số điều chỉnh μ1 khi chuyển tiếp giữa tốc độ trượt tương đối thấp
sang tương đối cao

α2

Hệ số điều chỉnh μ2 khi chuyển tiếp giữa tốc độ trượt tương đối thấp
sang tương đối cao

DDCFP

Chuyển dịch thiết kế của gối DCFP

k DCFP

Độ cứng hữu hiệu của gối DCFP

TDCFP

Chu kỳ hữu hiệu của gối DCFP

β DCFP −eff

Tỷ số cản hữu hiệu của gối DCFP

μe max

Hệ số ma sát hiệu quả lớn nhất của gối DCFP

Chương 5
Ti X

Chu kỳ của dạng dao động thứ i theo phương X

Ti Y

Chu kỳ của dạng dao động thứ i theo phương Y

a gR

Đỉnh gia tốc nền tham chiếu

γI

Hệ số tầm quan trọng

S

Hệ số nền

q

Hệ số ứng xử


xxi

Fi X

Tải trọng động đất theo phương X ứng với dạng dao động thứ i

FiY

Tải trọng động đất theo phương Y ứng với dạng dao động thứ i

Ni

Lực dọc chân cột thứ i

Ds

Chuyển vị địa chấn

S a (Teff , β eff )

Gia tốc nền tại chu kỳ Teff ứng với độ cản β eff

S a (Teff ,5%)

Gia tốc nền tại chu kỳ Teff ứng với độ cản 5%

Fx

Lực động đất phân lên tầng thứ x trong công trình có cách chấn đáy

Wx , Wi

Lrọng lượng tại mức sàn thứ x và thứ i

hx , hi

Chiều cao của các mức sàn thứ x và i so với mặt cách chấn trên

Chữ viết tắt
TMD

Tuned Mass Damper

TLD

Tuned Liquid Damper

NRB

Natural rubber bearings

LRB

Lead rubber bearings

HDRB

High damping rubber bearings

NKV

Nonlinear Kenlvin – Voigt

TCXDVN

Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam

FPS

Friction pendulum system

DCFP

The double concave Friction Pendulum

VT 1TGH

Vế trái 1 trong giới hạn

VT 2TGH

Vế trái 2 trong giới hạn

VT 1GH

Vế trái 1 giới hạn

VT 2GH

Vế trái 2 giới hạn

ĐH

Đàn hồi


xxii

Thuật ngữ
Công trình được cách chấn:

Seismic isolated structure

Gối cách chấn đáy:

Base isolator

Công trình được giảm chấn:

Damped structure

Độ cản:

Damping

Thiết bị giảm chấn:

Damper

Giảm chấn thụ động:

Passive control

Giảm chấn chủ động:

Active control

Cản ma sát:

Friction damper

Biến dạng dẻo của kim loại:

Buckling restrained brace, stiffened shear
panel

Cản đàn nhớt:

Viscous/visco-elastic damper

Cản thủy lực:

Oil damper

Đàn hồi tuyến tính:

Linear spring

Phần tử ma sát dẻo lý tưởng phụ

A

thuộc vận tốc:

friction element

Phần tử dự trữ:

Gap element.

velocity-dependent

perfectly

plastic


1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1. Tình hình nghiên cứu giải pháp giảm chấn
Để hạn chế tác động của tải trọng động đất lên công trình, từ nhiều năm qua các
nhà nghiên cứu, kỹ sư xây dựng trên thế giới đã tìm kiếm và đề xuất các giải pháp
giảm chấn cho công trình. Mục đích của giải pháp là đảm bảo cho công trình xây
dựng đủ khả năng chịu lực, không hư hại về kết cấu cũng như hư hỏng về thiết bị đồ
đạc sử dụng trong công trình, tồn tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động
đất.

ug(t)

a)

b)

Hình 1.1. Tác động của tải trọng động đất lên công trình
a) Kết cấu bên trên liên kết cứng với móng
b) Kết cấu bên trên có biến dạng và nội lực lớn do tác động động đất
Theo quan điểm thiết kế công trình chịu động đất hiện đại, việc thiết kế một
công 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 cho 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
thu năng lượng.


2

Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu
động đất hiện đại là tạo cho kết cấu công 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 công 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 công trình. Nếu công trình có độ cứng quá
lớn thì gia tốc sinh ra sẽ vô cùng lớn, gây rơi và nghiêng đổ đồ đạc bên trong nhà
dẫn đến thiệt hại về mặt kinh tế. Ngược lại, nếu công trình quá mềm thì chuyển vị
tương đối giữa các tầng quá lớn, gây biến dạng đáng kể cho cả công trình, làm hư
hại các nút liên kết của khung chịu lực, nứt tường, vênh cửa…, ngoài ra dao động
của công trình cũng phát sinh đáng kể gây ảnh hưởng đến tâm lý của người sinh
sống và làm việc trong tòa nhà.
Như vậy, quan niệm thiết kế hiện đại đã lưu ý thêm phương diện năng lượng do
động đất truyền vào công trình. Việc thiết kế và tính toán sao cho kết cấu có khả
năng tiêu tán phần năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp công trình
làm việc hiệu quả nhất khi có động đất xảy ra.
Với quan niệm trên, một số giải pháp thiết kế công trình chịu động đất được đưa
ra nhằm hấp thụ và tiêu tán đều năng lượng động đất cho toàn bộ công trình cũng
như tránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại đó là giải pháp giảm chấn và
cách chấn cho công trình [48].
- Giải pháp giảm chấn: trong trường hợp năng lượng dao động truyền trực tiếp
vào công trình do không được tách rời, người ta có thể gia tăng độ cản của bản thân
công trình để giải phóng năng lượng dao động này bằng cách lắp đặt các thiết bị
giảm chấn vào công trình. Có nhiều hình thức giảm chấn: thụ động, chủ động hay
bán chủ động.
Giảm chấn thụ động: đây là hình thức 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 công trình. Năng lượng có thể được tiêu tán nhờ cản ma sát, biến dạng dẻo của
kim loại, cản đàn nhớt hoặc cản thủy lực.