Đánh giá khả năng của mô hình đàn nhớt tuyến tính trong việc dự đoán đáp ứng của gối cách chấn đáy có ứng xử đàn dẻo

1

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Hiện tượng động đất là kết quả của sự chuyển động các khối lớn cấu tạo các
lục địa, các khối đá lớn cấu tạo các địa khu của vỏ trái đất trên các đường yếu của
các đứt đoạn của vỏ trái đất khi có các chấn động đột ngột xảy ra giữa hai khối
lớn. Hiện tượng xảy ra bởi các nguyên nhân [7]:
Nội sinh: Do vận động kiến tạo của các mảng kiến tạo trong vỏ Trái đất, dẫn
đến các hoạt động đứt gãy và/hoặc phun trào núi lửa ở các đới hút chìm.
Ngoại sinh: Thiên thạch va chạm vào Trái Đất, các vụ trượt lở đất đá với
khối lượng lớn.
Nhân sinh: Hoạt động của con người gồm cả gây rung động không chủ ý,
hay các kích động có chủ ý trong khảo sát hoặc trong khai thác hay xây dựng, đặc
biệt là các vụ thử hạt nhân dưới lòng đất.
Về mặt vật lý, các rung chuyển đó phải có biên độ đủ lớn, có thể vượt giới
hạn đàn hồi của môi trường đất đá và gây nứt vỡ. Nó ứng với động đất có nguồn
gốc tự nhiên, hoặc mở rộng đến các vụ thử hạt nhân.
Nguyên nhân tự nhiên nội sinh liên quan đến vận động của các lớp và khối
của Trái Đất. Tuy rất chậm, các lớp vỏ và trong lòng Trái Đất vẫn luôn chuyển
động. Khi ứng suất cao hơn sức chịu đựng của thể chất Trái Đất thì sự đứt gãy xảy
ra, giải phóng năng lượng và xảy ra động đất.
Hầu hết mọi sự kiện động đất tự nhiên xảy ra tại các đường ranh giới của
các mảng kiến tạo là các phần của thạch quyển của Trái Đất. Các nhà khoa học
dùng dữ kiện về vị trí các trận động đất để tìm ra những ranh giới này. Nó dẫn đến
phân loại:
Những trận động đất xảy ra tại ranh giới được gọi là động đất xuyên đĩa
Những trận động đất xảy ra trong một đĩa (hiếm hơn) được gọi là động đất
trong đĩa.

2

Đặc điểm của động đất
Động đất xảy ra hằng ngày trên Trái Đất, nhưng hầu hết không đáng chú ý
và không gây ra thiệt hại. Động đất lớn có thể gây thiệt hại trầm trọng về tài sản
và nhân mạng bằng nhiều cách.
Tác động trực tiếp của trận động đất là rung cuộn mặt đất (Ground roll),
thường gây ra nhiều thiệt hại nhất. Các rung động này có biên độ lớn, vượt giới
hạn đàn hồi của môi trường đất đá hay công trình và gây nứt vỡ. Tác động thứ cấp
của động đất là kích động lở đất, lở tuyết, sóng thần, nước triều giả, vỡ đê. Sau
cùng là hỏa hoạn do các hệ thống cung cấp năng lượng (điện, ga) bị hư hại.
Trong hầu hết trường hợp, động đất tự nhiên là chuỗi các vụ động đất có
cường độ khác nhau, kéo dài trong thời gian nhất định, cỡ vài ngày đến vài tháng.
Trong chuỗi đó thì trận động đất mạnh nhất gọi là động đất chính (main shock),
còn những lần yếu hơn thì gọi là dư chấn. Dư chấn trước động đất chính gọi
là tiền chấn (Fore shock), còn sau động đất chính gọi là "Aftershock" nhưng trong
tiếng Việt hiện dùng từ "dư chấn".
Năng lượng của động đất được trải dài trong một diện tích lớn, và trong các
trận động đất lớn có thể trải hết toàn cầu. Các nhà khoa học thường có thể định
được điểm mà các sóng địa chấn được bắt đầu. Điểm này được gọi là chấn
tiêu (hypocentre). Hình chiếu của điểm này lên mặt đất được gọi là chấn
tâm (epicentre).
Các trận động đất xảy ra dưới đáy biển có thể gây ra lở đất hay biến
dạng đáy biển, làm phát sinh sóng thần.


3

Hình 1.1: Sóng khối: P, S, và sóng mặt: Love, Rayleigh [7]
Các nhà địa chấn phân chia ra bốn loại sóng địa chấn, được xếp thành 2

nhóm: 2 loại gọi là sóng khối (Body waves) và 2 loại gọi là sóng bề mặt (Surface
waves) như hình 1.1 bên trên.
Sóng khối phát xuất từ chấn tiêu và lan truyền ra khắp các lớp của Trái Đất.
Tại chấn tâm thì sóng khối lan đến bề mặt sẽ tạo ra sóng mặt. Bốn sóng này có
vận tốc lan truyền khác nhau, và tại trạm quan sát địa chấn ghi nhận được theo thứ
tự đi đến như sau:
Sóng P: Sóng sơ cấp (Primary wave) hay sóng dọc (Longitudinal wave).
Sóng S: Sóng thứ cấp (Secondary wave) hay sóng ngang (Shear wave).
Sóng Love: Một dạng sóng mặt ngang phân cực ngang.
Sóng Rayleigh: còn gọi là rung cuộn mặt đất (Ground roll)


4

Các địa chấn từ tâm động đất được truyền đi các phía gây rung chuyển cả
khối đất đá với các lực mạnh được đo bằng độ Richter. Cường độ được đo bằng
thang độ Mercalli cải tiến gồm 12 bậc.Tùy theo tình trạng ghi nhận sóng của trạm,
nhà địa chấn tính ra cường độ, khoảng cách và độ sâu chấn tiêu với mức chính xác
thô. Kết hợp số liệu của nhiều trạm quan sát địa chấn sẽ xác định được cường độ
và tọa độ vụ động đất chính xác hơn.
Các thang cường độ
Bảng 1.1: Độ Richter - Dấu hiệu nhận biết
Đ
ộ
Ri
1
–
2
2
–

4
4
–
5
5
–
6
6
–
8

D
ấu
hi
K
hô
ng
C
ó
th
M
ặt
đấ
N
hà
cử
M
ạ

n

8 R
– ất
9
m
> R
9 ất
hi
> C
1 ực
0 hi


5

Ngoài ra, người ta còn có các thang đo khác như: Thang độ lớn mô
men (Mw), Thang Rossi-Forel (viết tắt là RF), Thang Medvedev-SponheuerKarnik (viết tắt là MSK), Thang Mercalli (viết tắt là MM), Thang Shindo của cơ
quan khí tượng học Nhật Bản, Thang EMS98 tại châu Âu.

Thiệt hại do động đất
Động đất xảy ra hằng ngày trên Trái Đất nhưng hầu hết không đáng chú ý và
không gây ra hậu quả nghiêm trọng. Động đất lớn có thể gây thiệt hại trầm trọng
và gây tử vong bằng nhiều cách. Động đất là một trong những nguyên nhân gây
thiệt hại về người lớn nhất trong các loại tai biến địa chất cũng như ảnh hưởng
mạnh nhất đến môi trường sống của con người và sinh vật trên trái đất. Động đất
có thể gây ra đất lở, đất nứt, sóng thần, nước triều giả, đê vỡ, và hỏa hoạn.
Động đất gây thiệt hại nặng nề về con người cũng như cơ sở vật chất và kinh
tế. Hàng năm, động đất có thể lấy đi sinh mạng của hàng trăm nghìn người trên
trái đất. Những trận động đất phá hủy nhà cửa, ruộng vườn, trang trại, bệnh viện,
nơi làm việc của con người, làm đảo lộn cuộc sống của con người. Những người
có thể thoát chết sau cơn địa chấn thì lại chết vì đói và rét do không còn nơi ăn

chốn ở.
Ở các vụ động đất lớn thường có các đợt chấn động khởi trước giúp cho các
nhà địa chấn học phân tích các số liệu và dự báo khả năng động đất lớn xảy ra,
nhờ đó cộng đồng có thể thực hiện các biện pháp dự phòng kịp thời để giảm nhẹ
hậu quả của thiên tai. Trong các biện pháp đó có thể kể ra là: Công tác dự báo
động đất và công tác thiết kế kết cấu kháng chấn chịu được trận động đất.
Dự báo động đất
Dự báo động đất (Earthquake prediction) là nỗ lực được nhiều thế hệ nhà địa
chấn học hướng đến thực hiện, nhằm dự báo thời gian, địa điểm, cường độ và các
tính trạng khác, kể cả xây dựng ra phương pháp dự báo như phương pháp VAN
(VAN method). Song kết quả chính đạt được là đánh giá nguy cơ xảy ra động đật


6

của từng vùng, thể hiện ở bản đồ phân vùng nguy cơ động đất. Hiện vẫn chưa đạt
được dự báo cho từng vụ và động đất là một thiên tai chưa thể dự báo trước được.
[7] Cho nên những người sống ở vùng có nguy cơ động đất không thể tránh nó
được.
Có những thông tin nói về một số loài động vật như voi, chó, chồn, mèo,...
có hành vi tránh nạn trước khi xảy ra động đất và sóng thần, bằng chứng là chúng
ít bị thiệt mạng, song chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Động đất không thể dự báo trước, nên có một số điều ta có thể làm để trước,
trong lúc, và sau động đất để tránh hoặc giảm thương tích và thiệt hại do động đất
gây ra.
Hiện nay Viện Vật lý địa cầu đã xây dựng 10 trạm quan sát địa chấn trên
lãnh thổ Việt Nam, gửi số liệu theo thời gian thực về Viện.
Viện cũng có quan hệ trao đổi dữ liệu với các quốc gia và vùng lãnh thổ
trong khu vực, hợp tác với Trung tâm Cảnh báo sóng thần Thái Bình
Dương (Pacific Tsunami Warning Center) tại Hawaii (Mỹ) và Trung tâm Báo

động sóng thần Đại Tây dương (Atlantic Ocean - Tsunami Alarm System) để
nhận thông tin, xử lý và đưa ra khuyến cáo.
Ở Việt Nam ít xảy ra những trận động đất mạnh có thể gây ra những hậu
quả nghiêm trọng cho con người, tuy nhiên trong lịch sử Viện Vật Lý Địa Cầu
(Viện VLĐC) vẫn ghi nhận những trận động đất đã từng xảy ra ở Việt Nam [5].


7

Bảng 1.2: Bảng thống kê các trận động đất đã xảy ra tại Việt Nam theo Viện
VLĐC.
Đ T Đ
ộ hi ộ
n ệt Ri
Động đất
trước
1900 [5]
Tr là M
ận
s
m
đ
=
ộ
6,
H N
hi
à
ều
N tr

M
s
=
5,

Tr
ận
đ
ộ
n
g
Tr
ận
đ
ộ
n
g
đấ
t
N
Tr
ận
đ
ộ

B M
s
ia
=

ở 5,
0
c

Tr
ận
đ
ộ
n
g

Đ M
s
ộ
=
n 5,
1
g

N M
s
ú
=
i 6,
7
Đ
a
B
N M
s

h
=
à 6,


8

Tr Ở M
ận
s
b
đ
=
ộ ờ 5,
n
1
b
g
Động đất
từ 1900
đến 2007
T Đ M
s
r ộ
=
ậ n 6,
8
n g
đ đ
ộ ất

Tr
ận
đ
ộ
n
g
đấ
t
L
T
r
ậ
n
đ
ộ
n
g
C
á
c
tr

Đ M
s=
â
5,
y 4
c
ũ
n

là
m
h
ư
hạ
i
v
ừa
m
ột
số
n

M
s=
5,
3
5,
9

M
s
=
5,
3


9

1

2/
4/
1
9
7
T Đ M
s
r á
=
ậ l 6,
7
n ở
±
đ tr 0,
2
ộ o
T C
h
r
ưa
ậ th
ấy
n
g
đ hi

M
s
=
52

,

T M M
s=
r ứ
5,
ậ c 3
n đ
đ ộ
ộ p
n h
g á


10

Hình 1.2 Các đới phát sinh động đất ở lãnh thổ Việt Nam và các khu vực
kế cận (M≥5) [5]
Trong khi đó, từ trước đến nay, chúng ta chưa ghi nhận trận động đất nào
xảy ra ở TP.HCM nhưng lan truyền chấn động từ các trận động đất xảy ra ngoài
khơi Bà Rịa - Vũng Tàu năm 2007 đã khiến các tòa nhà cao tầng tại TP.HCM bị
rung chuyển, khiến người dân hoảng sợ.
Biện pháp thiết kế kế cấu kháng chấn chịu được động đất
Đối với kết cấu nhà cao tầng, dao động của kết cấu nhà nhiều tầng dưới
tác dụng của tải trọng gió bão và động đất ảnh hưởng rất lớn đến việc tính toán
thiết kế công trình xây dựng. Trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu đề xuất các
phương pháp khác nhau để hạn chế dao động công trình. Một trong những phương
pháp đơn giản và ít tốn kém là sử dụng hệ thống cách chấn đáy (base
isolation). Thông thường một hệ thống cách chấn đáy được đặt giữa móng và hệ

11

kết cấu chính của công trình, làm tăng độ mềm theo phương ngang, tăng độ
bền và ổn định cho công trình.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các loại thiên tai, động đất là một trong những loại gây nên thảm
họa nặng nề cho con người. Đó là một hiện tượng xảy ra tại vỏ trái đất và thảm
họa này không hề có sự báo trước. Tại Việt Nam trong lịch sử trước đây và thời
gian gần đây, hiện tượng động đất đã xảy ra ở một số địa phương. Vì vậy, cần biết
mức độ thiệt hại và tác động phá hoại của động đất để có các giải pháp phòng
chống, giảm nhẹ thảm họa.
Về mặt phát triển nhà ở khu đô thị, hiện nay, nhiều tòa nhà cao tầng mọc
lên nhiều, có mật độ người sống trong tòa nhà cao, nếu động đất xảy ra sẽ gây
thiệt hại cao. Do đó nghiên cứu các biện pháp đề phòng và giảm thiểu tác động
phá hoại tại Việt Nam là điều cần thiết cho hiện tại và tương lai.
Để giảm thiểu rủi ro của động đất lên cấu trúc kết cấu của tòa nhà, trên
thế giới có nhiều biện pháp để giảm ảnh hưởng như Bộ cản khối lượng (TMD),
gối cách chấn (BIS), Bộ cản khối lượng cột chất lỏng (TLCD), sử dụng giằng để
tiêu tán năng lượng…
Trong đề tài này tập trung nghiên cứu kháng chấn của công trình sử dụng
gối cách chấn (BIS). BIS là phương pháp phổ biến nhất để bảo vệ kết cấu công
trình chống lại những xung lực của động đất [1].Việc sử dụng các gối đỡ BIS để
cô lập động đất đã đem lại hiệu quả cao. Các gối đỡ đã làm giảm gia tốc dao động
của phần kết cấu bên trên cũng như làm giảm tổng lực cắt phá hoại tại chân cột.
1.3. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu và đánh giá khả năng của mô hình đàn nhớt tuyến tính
trong việc dự đoán đáp ứng của gối cách chấn đáy có ứng xử đàn dẻo.

12

1.3.1. Mục tiêu của đề tài:
Rút ra các kết luận và lời khuyên liên quan đến việc sử dụng mô
hình đàn nhớt tuyến tính.
1.3.2. Nội dung nghiên cứu:
Đánh giá chuyển vị, lực cắt đáy được tính toán từ mô hình đàn nhớt
tuyến tính so với kết quả nhận được từ mô hình đàn dẻo phi tuyến của gối
cách chấn.
1.3.3. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp định lượng: dựa vào nghiên cứu lý thuyết và
mô hình kết hợp phương pháp tính Newmark, phương pháp lặp, sử dụng
ngôn ngữ lập trình Matlab và OpenSees để tính toán.
1.4. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
1.4.1 Về mặt biện pháp giảm chấn cho công trình:
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều biện pháp để giảm chấn cho công trình
cũng như giảm thiểu tác hại của động đất lên công trình. Có thể thống kê một số
biện pháp phổ biến như bảng dưới đây.
Bảng 1.3: Một số phương pháp giảm chấn cho công trình.
P
h
ư
ơ
T
hi
ết
kế
k

T

h
i
ế

K
iể
u
Bị

C
ác
p
h
T
ăn
đ g
ộ cư
n ờ
g T
ăn
g
B kT
ăn
ị g
đ
ộ
đT
hê
m
cá

G
hi
ch
ú
L
à
m
vá
t
T
ăn
g
ch
C
ác
tư
ờn
g
S
D,
SJ
D,


13

T
h
iế

t
b
ị
g
iả
m
c
h
ấ
n
p
h
ụ
tr
ợ

số
cả
BT T
hê M
ị m D,
hệ
T T
A
ạo M
ra D,
lự A
c G
C T R
ạo ot

h ra or
ủ lự m
c áy
T A
ha V
đ y S
đ H
ộ Ứ
n yb
g ri
d d
ụ B
H n as
y g e
dr m
id ộK Is
V
h O
ô D,
n V
g F
B t D,
á h T
ể L
n đ C
iề D
SD: giảm chấn thép, SJD: giảm chấn nối thép, LD (Leads Damper): giãm

chấn chì, FD: Giảm chấn ma sát, VED: Giảm chấn đàn hồi - nhớt, VD: Giảm chấn
nhớt, OD: Giảm chấn dầu, TMD: giảm chấn điều chỉnh dùng khối lượng, TLD:

giảm chấn dùng chất lỏng, AMD: Giảm chấn điều chỉnh dùng khối lượng chủ
động, AGS (Active Gyro Stabilizer): Ổn định chủ động theo kiểu con quay hồi
chuyển, AVS (Active Variable Stiffness): Tác động thay đổi độ cứng, VOD
(Variable Orifice Damper) Giảm chấn thay đổi đường kính lỗ, VFD: Giảm chấn
ma sát thay đổi.


14

Hình 1.3: Phân loại hệ thống điều khiển đáp ứng lên kết cấu.


15

Trong phạm vi nghiên cứu này chỉ nghiên cứu về gối cách chấn (BIS) lõi
chì.
1.4.2. Về mặt ứng dụng và lắp đặt thực tế:
Phần trình bày này tham khảo tài liệu [1]
Trên thế giới, nhiều hệ thống cách chấn đáy công trình đã được lắp đặt và
sử dụng như:
Ở NewZealand, Nhật bản thường sử dụng giảm chấn bằng thủy lực
(hydraulic damper), thép (steel bars), cuộn thép (steel coil), gối cao su thép với lõi
chì (lead plug).
Ở Mỹ thường dùng cách chấn có lõi chì.
Các tòa nhà ở Mỹ, Italy, Nhật Bản, Trung Quốc, và Indonesia sử dụng Cao
su thiên nhiên giảm chấn cao (High-damping nature rubber bearing).
Một số công trình trên thế giới:
Tại Mỹ:
-Tòa nhà Foothill Communities Law and Justice Center, Rancho
Cucamonga, California

-Tòa nhà Fire Command and Control Facility, Los Angeles,
California
-Tòa nhà Emergency Operation Center, Los Angeles, California
Diagnostics Trauma -Center, willobrook, California.
-Tòa nhà Oakland City Hall, Oakland, California
-Tòa nhà San Francisco City Hall, San Francisco, California
-Tòa nhà Los Angeles City Hall
Tại Nhật:
-Tòa nhà West Japan Postal Center, Sanda, Japan
-Tòa nhà Matsumura-Gumi Technical research Institute
Tại Châu Âu;
-Tòa nhà The SIP Complex, Acona, Italy
Tại New Zealand
-Tòa nhà Union House, Auckland, New Zealand


-Tòa nhà M.I.King/C.R.Drew
Tại Việt Nam: Thường sử dụng cho các cầu, các viện.
1.4.3. Về mặt mô hình toán học:
Trên thế giới:
Liên quan đến các mô hình về ứng xử trễ và tính phi tuyến của độ cứng ta có
các mô hình đã được nghiên cứu sau:
- Mô hình tuyến tính kép (Bi-linear)

Hình 1.4: Đặc tính chuyển vị của mô hình tuyến tính kép (Bi-linear) (a).
Mô hình đàn dẻo (Elasto-plastic model); (b). Mô hình tuyến tính kép (Bilinear
model); (c). Mô hình tuyến tính kép hạ (Degrading bilinear model).
- Mô hình Ramberg-Osgood

Hình 1.5: Đặc tính chuyển vị của mô hình Ramberg-Osgood

- Mô hình tam tuyến tính hạ:

Hình 1.6: Đặc tính chuyển vị của mô hình tam tuyến tính hạ (Degrading
tri-linear) (a). Trước khi đạt đến điểm chảy dẻo; (b). Sau khi đạt đến điểm
chảy dẻo.
- Mô hình Cough & Jonhson (1966)

Hình 1.7: Đặc tính chuyển vị của mô hình Cough & Jonhson (1966)
(a). Mô hình Cough sau khi hiệu chỉnh; (b). Mô hình Cough.


- Mô hình Takeda

Hình 1.8: Đặc tính chuyển vị của mô hình Takeda
(a). Dỡ tải sau khi xảy ra nứt ở một phương ; (b). Dỡ tải sau khi xảy ra
chảy dẻo ở một phương; (c) & (b). Biên độ tải trọng nhỏ
- Mô hình tuyến tính kép (bi-linear) Takeda:

Hình 1.9: Đặc tính chuyển vị của mô hình tuyến tính kép Takeda


-

Mô hình Pivot

Hình 1.10: Đặc tính chuyển vị của mô hình Pivot.
Tại Việt Nam:
Năm 2012, Bộ Xây dựng ban hành TCVN 9386:2012– Thiết kế công trình

chịu động đất, trong đó có chương 10 nêu những chỉ dẫn về thiết kế cách chấn
đáy, xong việc áp dụng còn gặp nhiều khó khăn, một phần do độ phức tạp của
công nghệ, thiết bị, một phần do người thiết kế chưa có điều kiện tìm hiểu sâu, mô
hình hóa lý thuyết toán học gần đúng nhất và chưa hoàn toàn tin tưởng vào tính
khả thi của việc áp dụng.
Trong thời gian qua, có một số tác giả trong nước nghiên cứu về cách chấn
đáy như Nguyễn Văn Giang, Chu Quốc Thắng (2006) -> sử dụng mô hình đàn
nhớt của gối cách chấn lõi chì kết hợp với hệ giằng xiên để khảo sát khả năng chịu
động đất sử dụng băng gia tốc Elcentro; Đoàn Tuyết Ngọc, Nguyễn Thanh Tùng


(1999); Nguyễn Xuân Thành (2006); Trần Tuấn Long (2007); Lê Xuân Huỳnh,
Nguyễn Hữu Bình (2008) đã nghiên cứu giải pháp cách chấn đáy với gối đàn hồi,
với lý thuyết về mô hình và quy trình kỹ thuật và tính tải trọng động đất lên kết
cấu có cách chấn đáy theo TCXDVN 375: 2006.
Tuy nhiên các đề tài tính toán gối cách chấn sử dụng lõi chì tại Việt Nam
thường dùng mô hình tuyến tính đàn nhớt trong tính toán, trong khi ứng xử của
gối cách chấn thực tế thử nghiệm là theo mô hình đàn dẻo có vòng trễ của tổ hợp
vật liệu cấu tạo nên. Do đó việc tính toán dẫn đến nhiều khi không chính xác trong
một số trường hợp nếu sử dụng mô hình tuyến tính đàn nhớt.
1.5. Cơ sở lý thuyết
1.5.1. Nguyên lý cách chấn đáy
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 được đặt ở chân công trình (mặt cách chấn-bên
dưới khối lượng chính của kết cấu) được gọi là giải pháp cách chấn đáy
Mục đích của cách chấn đáy là cô lập kết cấu ra khỏi ảnh hưởng trực tiếp
của gia tốc nền, kéo dài chu kỳ cơ bản của cả hệ kết cấu và do đó phân tán năng
lượng động đất tác dụng vào công trình.

Hình 1.11: Chuyển vị của kết cấu truyền thống & kết cấu với gối cách chấn

1.5.2. Cấu tạo:
Các thiết bị cách chấn đáy được chia làm hai nhóm chính: nhóm các gối đỡ
đàn hồi (elastomeric bearings) và nhóm các gối đỡ dạng trượt (sliding bearings).
Các thiết bị này thường được chế tạo từ các chế phẩm cao su, có độ cứng theo
phương ngang bé, và độ cứng theo phương đứng lớn. Nhóm gối đỡ đàn hồi được
sử dụng sớm nhất làm từ cao su tự nhiên được lưu hóa gọi là NRB (natural rubber
bearings) nhưng loại này có độ giảm chấn thấp và thường bị phình bụng khi nén.
Do đó để cải tiến người ta cho thêm lõi chì (LRB, lead rubber bearings) hoặc sử
dụng chế phẩm cao su được xử lý đặc biệt có độ cản giảm chấn hiệu quả cao
(HDR, high damping rubber bearings).
Gối cách chấn cao su lõi chì được phát triển như là một hệ thống cách chấn
đáy vào những năm 1970s. Gồm 3 thành phần cơ bản – một lõi chì, cao su và lá
thép được đặt dưới dạng các lớp đan xen.
Lớp cao su thể hiện tính đàn hồi và có khả năng phục hồi về vị trí ban đầu
của nó. Cuối trận động đất, nếu vị trí của tòa nhà không trở về vị trí ban đầu, tác
dụng của lớp cao su sẽ từ từ đưa tòa nhà về vị trí ban đầu, tuy nhiên nó sẽ mất
nhiều tháng.
Lõi chì được chọn vì đặc tính dẻo của chì, nó bị biến dạng theo sự dịch
chuyển của đất khi động đất xảy ra, nó có thể trở về hình dạng ban đầu, chì có thể
biến dạng nhiều lần mà không giảm cường độ. Trong suốt thời gian động đất,
động năng của động đất được hấp thụ và trở thành nhiệt năng tiêu tán thông qua
chì.
Lá thép: việc sử dụng các lớp thép xen kẽ lớp cao su chịu đựng tải trọng
công trình và tăng độ cứng theo phương đứng và dịch chuyển theo phương ngang
khi xảy ra động đất.


Hinh 1.12: Giới thiệu cấu tạo của gối cách chấn cao su lõi chì

Hinh 1.13: Gối cách chấn cao su lõi chì chịu tác dụng của tải trọng
1.5.3. Hoạt động:
Hệ thống cách chấn đáy tách kết cấu với nền đất và phải truyền tải tất cả và
phải truyền tải tất cả các tải trọng của kết cấu xuống nền đất.
Dịch chuyển đất nền làm cho cách chấn đáy biến dạng và dịch chuyển, nhờ
lực ma sát trong các lớp cấu tạo mà một phần năng lượng của động đất bị hấp thụ,
nên lực tác dụng lên kết cấu bên trên sẽ nhỏ đi.
Chu kỳ cơ bản của hệ kết cấu được tính như sau:


T M
2

(1.1)

K
Để kéo dài chu kỳ cơ bản của hệ kết cấu tức T tăng thì với khối lượng công
trình là M cố định, độ cứng của công trình K sẽ giảm và thể hiện qua đặc tính gối
cách chấn (giảm độ cứng ngang-> tăng chu kỳ ngang Tn).

Hình 1.14: Sự ảnh hưởng của giảm chấn đối với gia tốc [2]


Hình 1.15: Sự ảnh hưởng của sự dịch chuyển chu kỳ đối với gia tốc [2]
Ảnh hưởng của chu kỳ [2]
Hầu hết các thiết bị, tải trọng càng nhỏ thì ảnh hưởng chu kỳ càng ngắn.
Nếu khối lượng (M) của hệ nhỏ thì K cũng phải nhỏ theo và do đó hầu hết
các gối cách chấn rất là khó để thiết kế với độ cứng K nhỏ.
Đối với kết cấu có trọng lượng nhẹ, như nhà một tầng hoặc nhà thép trọng

lượng nhẹ 2 hoặc 3 tầng sẽ rất khó để cách chấn với chu kỳ lớn hơn 1.0 tới 1.5
giây.
Đối với nhà cao tầng tải trọng lớn, gối cách chấn trong chu kỳ từ 2.5 đến
3.0 giây.
Tuy nhiên hầu hết các tòa nhà cao tầng thường đặt ra chu kỳ có thời gian
giảm chấn trong khoảng 1.5 đến 2.5 giây.


Đặc tính giảm chấn
Ta thấy mô hình gần với thực tế của gối cách chấn lõi chì hoạt động như
sau:

Hình 1.16: Đặc tính chuyển vị của gối cách chấn lõi chì (phi tuyến)
Tại giai đoạn OA: Gối cách chấn chịu lực tăng dần (lõi chì, cao su, tấm
thép cùng tham gia chịu lực) đến điểm A là điểm chảy giới hạn.
Tại giai đoạn AB: Gối cách chấn chỉ còn một thành phần lõi chì làm việc,
hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt năng và chì bắt đầu chảy dẻo.
Hầu hết các loại gối cách chấn có đáp ứng vòng trễ và đường đặc tuyến f-u
(lực - chuyển vị) xấp xỉ với mô hình bi-linear như trên.Đặc tính giảm chấn với
chuyển vị sau khi đạt tới đỉnh sẽ là chuyển vị tương đối nhỏ nhất.
Với một trận động đất lớn sẽ gây ra chuyển vị lớn và vì vậy cần phải khống
chế chuyển vị. Nếu giá trị chảy dẻo quá lớn nó, gối cách chấn, sẽ ít có tác dụng
đối với những trận động đất tương đối nhỏ. Bởi vì hệ thống cách chấn sẽ không
làm việc cho đến khi đạt tới ngưỡng chảy dẻo.
Với đặc tính này trở nên vấn đề khó khi thiết kế với 2 cấp động đất, chẳng
hạn như cấp DBE và MCE, theo UBC [2]:
Cấp động đất DBE, độ giám chấn từ 15% đến 20%