Phân tích hiệu quả giảm chấn kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất sử dụng gối cô lập hai mặt trượt ma sát
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.22 MB, 116 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------
TÔN TRỌNG QUANG
PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN KẾT CẤU
NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT
Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông
Mã số
:
60.58.02.05
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. HOÀNG PHƢƠNG HOA
Đà Nẵng - Năm 2017
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Tôn Trọng Quang
ii
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i
MỤC LỤC ......................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ................................................................... v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ ix
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI
TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA
SÁT (DFP) ...................................................................................................................... 4
1.1. SƠ LƢỢC VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG ......................................................... 4
1.1.1. Các dạng kết cấu cơ bản .................................................................................... 4
a. Kết cấu khung chịu lực ....................................................................................... 4
b. Kết cấu tƣờng chịu lực ........................................................................................ 5
c. Kết cấu lõi chịu lực ............................................................................................. 5
d. Kết cấu ống ......................................................................................................... 6
1.1.2. Các dạng kết cấu hỗn hợp ................................................................................. 7
a. Kết cấu khung – giằng ........................................................................................ 7
b. Kết cấu khung - vách .......................................................................................... 7
c. Kết cấu ống - lõi .................................................................................................. 8
d. Kết cấu ống tổ hợp .............................................................................................. 8
1.1.3. Các dạng kết cấu đặc biệt .................................................................................. 8
a. Kết cấu có hệ dầm truyền .................................................................................... 8
b. Kết cấu có các tầng cứng .................................................................................... 9
c. Hệ kết cấu có hệ khung ghép ............................................................................ 10
1.2. TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LÊN KẾT CẤU NHÀ CAO
TẦNG ............................................................................................................................ 10
1.2.1. Sóng địa chấn và sự truyền sóng ..................................................................... 10
1.2.2. Đặc tính của chuyển động nền trong động đất ................................................ 13
a. Gia tốc đỉnh (PGA) ........................................................................................... 14
b. Nội dung tần số ................................................................................................. 15
c. Thời gian kéo dài của rung động mạnh............................................................. 15
1.2.3. Ứng xử của kết cấu khi chịu tác động của tải trọng động đất ......................... 15
iii
1.3. CÁC GIẢI PHÁP CÁCH CHẤN CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG
ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP TRƢỢT MA SÁT ................................. 17
1.3.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu giải pháp gối cô lập dao động ................ 17
a. Tình hình nghiên cứu áp dụng trong nƣớc ........................................................ 17
b. Tình hình nghiên cứu áp dụng nƣớc ngoài ....................................................... 18
1.3.2. Các giải pháp gối cô lập dao động .................................................................. 20
a. Các nghiên cứu về gối đàn hồi (Elastomeric bearings) .................................... 20
b. Các nghiên cứu về gối trƣợt ma sát (Friction sliding bearings) ....................... 21
1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ....................................................................................... 22
CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GỐI CÔ LẬP HAI
MẶT TRƢỢT MA SÁT DFP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT ........................... 24
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................. 24
2.1.1. Cơ sở tính toán công trình chịu động đất ........................................................ 24
2.1.1.1. Mô hình tính toán ..................................................................................... 24
2.1.1.2. Phƣơng trình chuyển động ....................................................................... 24
2.2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA GỐI CÔ LẬP TRƢỢT MA SÁT......................... 25
2.2.1. Cấu tạo dạng gối cô lập trƣợt ma sát đôi DFPt ............................................... 25
2.2.2. Mô hình xác định hệ số ma sát trong các thiết bị gối trƣợt ............................. 26
2.2.2.1. Mô hình Coulomb .................................................................................... 26
2.2.2.2. Mô hình Coulomb hiệu chỉnh .................................................................. 26
2.2.2.3. Mô hình dẻo (Viscoplasticity model, mô hình Bouc - Wen)................... 27
2.2.3. Lựa chọn phƣơng pháp số cho nghiên cứu ..................................................... 27
2.2.4. Phƣơng pháp Newmark ................................................................................... 28
2.2.5. Phƣơng pháp Runge-Kutta ............................................................................. 28
2.3. MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG GỐI TRƢỢT MA SÁT KHI CHỊU TÁC ĐỘNG
CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT (GỐI HAI MẶT TRƢỢT (DFP, DOUBLE
FRICTION PENDULUM) ............................................................................................ 29
2.3.1. Quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang của gối ................................................ 29
2.4. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU GẮN GỐI DFP............................................ 32
2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ....................................................................................... 33
CHƢƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN GỐI CÔ LẬP
HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT DFP ............................................................................ 35
3.1. HỆ 1 BẬC TỰ DO ................................................................................................. 35
3.1.1. Thông số kết cấu ............................................................................................. 35
3.1.2. Thông số kỹ thuật của gối DFP ....................................................................... 35
3.1.3. Gia tốc nền phân tích....................................................................................... 35
iv
3.1.4. Kết quả phân tích ............................................................................................ 36
3.1.4.1. Kết quả phân tích với trận động đất Northridge (NOW) ......................... 36
3.1.4.2. Kết quả phân tích với trận động đất TABAS, IRAN (TAB) ................... 38
3.1.5. Tìm thông số kỹ thuật hợp lý của gối 2 mặt trƣợt ma sát DFP để chịu đƣợc
tải trọng động đất ........................................................................................................... 39
3.1.5.1. Trƣờng hợp d thay đổi R cố định ............................................................. 40
3.1.5.2. Trƣờng hợp d cố định, R thay đổi............................................................ 45
3.2. HỆ 5 BẬC TỰ DO (NGHIÊN CỨU CHO GỐI DFP)........................................... 50
3.2.1. Kết quả phân tích với trận động đất Northridge (NOW) ................................ 50
3.2.2. Kết quả phân tích với trận động đất TABAS, IRAN (TAB) .......................... 51
3.2.3. Tìm thông số kỹ thuật hợp lý của gối 2 mặt trƣợt ma sát DFP để chịu đƣợc
tải trọng động đất ........................................................................................................... 51
3.2.3.1. Trƣờng hợp d thay đổi R cố định ............................................................ 52
3.2.3.2. Trƣờng hợp d cố định R thay đổi ............................................................. 55
3.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ....................................................................................... 58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Đơn vị
g
cm/s
cm
Giải thích ý nghĩa
Gia tốc đỉnh
Vận tốc đỉnh
Chuyển vị đỉnh
4 a
5 H(t)
m/s2
%
Gia tốc
Phần trăm gia tốc nền bình phƣơng tích lũy
6 g
mm/s2
Gia tốc trọng trƣờng
7 u
m
Véc tơ chuyển vị
8 u
9 ü
m/s
STT
1
2
3
Ký hiệu
PGA
PGV
PGD
m/s
Véc tơ vận tốc
2
Véc tơ gia tốc
10 K
11 C
12 M
kN/m
s/m
N.s2/m
Ma trận độ cứng
Ma trận cản
Ma trận khối lƣợng
13 T
14 R
15 d
s
mm
mm
Chu kỳ dao động
Bán kinh mặt cong của gối
Khả năng chuyển vị trên mặt cong
16
17
18
19
20
21
22
23
%
mm
mm
rad
N, kN
N, kN
N, kN
N, kN
Hệ số ma sát
Chiều cao con lắc
Bán kinh mặt cong hiệu quả của gối
Góc xoay của con lắc
Lực cắt tầng (lực cắt ngang trong gối)
Lực ma sát trong gối
Lực phục hồi trong gối
Lực va chạm trong gối
24
25
26
27
28
29
30 u g
N, kN
N, kN
Ns2/m
N/mm
s/m
m
m/s
Tổng trọng lƣợng kết cấu bên trên gối
Phản lực đứng tại vị trí con lắc
Khối lƣợng của một bậc tự do
Độ cứng của một bậc tự do
Hệ số cản của một bậc tự do
Véc tơ chuyển vị nền
Véc tơ vận tốc nền
31 üg
32 t
m/s2
s
Véc tơ gia tốc nền
Bƣớc thời gian phân tích
µ
h
Reff
F
Ff
Fk
Fr
W
Fn
m
k
c
ug
vi
33 Fb
N, kN
Tổng lực cắt đáy
34 Z
Biến trễ lực ma sát
35 H
36 kr
37 mb
kN/m
Ns2/m
Giá trị hàm heaviside
Độ cứng lực va chạm
Khối lƣợng phần tử gối
38 kb
39 ie
kN/m
%
Độ cứng phần tử gối
Hệ số ma sát trong phần tử gối
40 d ie
mm
Khả năng chuyển vị của phần tử gối tƣơng đƣơng
Số bậc tự do
41 n
42
%
Tỉ số cản
43 ∝
44 A,β,γ và η
45 Y
46 ux
47 uy
48 ub
s/m
Hệ số phụ thuộc vào áp lực bề mặt của hệ số ma sát
mm
mm
mm
m
Các đại lƣợng không thứ nguyên để xác định biến trễ
Dịch chuyển dẻo để xác định biến trễ Z
Chuyển vị gối theo phƣơng x
Chuyển vị gối theo phƣơng y
Tổng chuyển vị gối
49 N(t)
kN
Tổng trọng lƣợc kết cấu bên trên gối thay đổi theo
mm
kN/m
s
%
thời gian
Chuyển vị gối thiết kế
Độ cứng hiệu quả của kết cấu cách chấn
Chu kỳ hiệu quả của kết cấu cách chấn
Tỉ số cản hiệu quả kết cấu cách chấn
50
51
52
53
Db
Keff
Teff
βeff
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
1
2
3
4
Từ viết tắt
SFP
DFP
TFP
ASCE
5 TCVN
6 NRB
7 HDR
Giải thích ý nghĩa
Single friction pendulum (Gối con lắc ma sát đơn)
Double friction pendulum (Gối con lắc ma sát hai)
Triple friction pendulum (Gối con lắc ma sát ba)
American Society of Civil Enginers (Hiệp hội kỷ sƣ xây
dựng dân dụng Hoa Kỳ)
Tiêu chuẩn Việt Nam
Natural rubber bearing (Gối cao su tự nhiên)
High – Damping Rubber (Gối cao su có độ cản nhớt lớn)
vii
8 LRB
Lead rubber bearing (Gối cao su có lõi chì)
9 PEER
Pacific Earthquake Engineering Research (Trung tâm
10 1D
nghiên cứu động đất Thái Bình Dƣơng của đại học
Berkeley)
One Dimension (một chiều)
11 2D
12 EPS
One Dimension (Hai chiều)
Earthquake Protection Systems (Công ty sản xuất gối cách
chấn, Mỹ)
13 SLE
Service Level Earthquake (Cấp động đất nhỏ, chu kỳ lặp
72 năm)
14 DBE
Design Basis Earthquake (Cấp động đất mạnh, chu kỳ lặp
475 năm)
15 MCE
Maximum Considered Earthquake (Cấp động đất rất
mạnh, chu kỳ lặp 2475 năm)
Square Root of the Sum of the Squares (Căn bậc hai các
tổng bình phƣơng)
16 SRSS
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
Tên bảng
bảng
Trang
3.1.
Thông số kết cấu
35
3.2.
Dữ liệu các trận động đất
36
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
Tên hình
hình
Trang
1.1.
Các dạng mặt bằng kết cấu khung nhà cao tầng điển hình
4
1.2.
Các dạng mặt bằng kết cấu tƣờng chịu lực khung nhà cao tầng
điển hình
5
1.3.
Các dạng mặt bằng kết cấu lõi cứng chịu lực khung nhà cao
tầng điển hình
6
1.4.
Kết cấu dạng ống chịu lực nhƣ một conson
6
1.5.
Hệ thống khung- giằng chịu lực nhà cao tầng
7
1.6.
Hệ thống khung- vách chịu lực nhà cao tầng
8
1.7.
Hệ kết cấu có dầm truyền trong nhà cao tầng
9
1.8.
Hệ kết cấu có tầng cứng trong nhà cao tầng
10
1.9.
Sóng khối: P, S, và sóng mặt: Love, Rayleigh
11
1.10.
Sóng P
12
1.11.
Sóng S
12
1.12.
Sóng L
13
1.13.
Sóng R
13
1.14.
Gia tốc, vận tốc và chuyển vị theo thời gian của trận động đất
Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array
14
1.15.
Lực động đất tác dụng công trình
16
1.16.
Các loại tải trọng tác động đến công trình
16
1.17.
Dạng kết cấu công trình
17
1.18.
Bằng sáng chế của Jules Touaillon.
19
1.19.
Gối đàn hồi
20
1.20.
Gối trƣợt ma sát đơn, SFP.
21
1.21.
Gối trƣợt ma sát đôi, DFP.
21
1.22.
Gối trƣợt ma sát ba, TFP.
22
2.1.
Mô hình hệ kết cấu nhiều bậc tự do chịu động đất
25
2.2.
Gối trƣợt ma sát đôi, DFP
26
2.3.
Hàm biến trễ Z và hàm dấu sign.
27
2.4.
Chuyển động ngang trong gối DFP
30
2.5.
Đƣờng ứng xử trễ trong gối DFP (----: giai đoạn I, II)
32
2.6.
Mô hình tính toán kết cấu gắn gối DFP
32
x
Số hiệu
Tên hình
hình
Trang
3.1.
Đƣờng ứng xử trễ
36
3.2.
Đáp ứng lực cắt trong kết cấu
36
3.3.
Đáp ứng gia tốc trong kết cấu
37
3.4.
Đáp ứng vận tốc trong kết cấu
37
3.5.
Đáp ứng chuyển vị trong kết cấu
37
3.6.
Đƣờng ứng xử trễ
38
3.7.
Đáp ứng lực cắt trong kết cấu
38
3.8.
Đáp ứng gia tốc trong kết cấu
38
3.9.
Đáp ứng vận tốc trong kết cấu
39
3.10.
Đáp ứng chuyển vị trong kết cấu
39
3.11.
So sánh đƣờng ứng xử trễ trong kết cấu
40
3.12.
So sánh lực cắt trong kết cấu
41
3.13.
So sánh gia tốc trong kết cấu
42
3.14.
So sánh vận tốc trong kết cấu
43
3.15.
So sánh chuyển vị trong kết cấu
44
3.16.
So sánh đƣờng ứng xử trễ trong kết cấu
45
3.17.
So sánh lực cắt trong kết cấu
46
3.18.
So sánh gia tốc trong kết cấu
47
3.19.
So sánh vận tốc trong kết cấu
48
3.20.
So sánh chuyển vị trong kết cấu
49
3.21.
Đƣờng ứng xữ trễ trong kết cấu
50
3.22.
Đáp ứng gia tốc tầng 5
50
3.23.
Đáp ứng lực cắt tầng 1
50
3.24.
Đƣờng ứng xữ trễ trong kết cấu
51
3.25.
Đáp ứng lực gia tốc tầng 5
51
3.26.
Đáp ứng lực cắt tầng 1
51
3.27.
So sánh đƣờng ứng xử trễ trong kết cấu
52
3.28.
So sánh gia tốc tầng 5 trong kết cấu
53
3.29.
So sánh lực cắt tầng 1 trong kết cấu
54
3.30.
So sánh đƣờng ứng xử trễ trong kết cấu
55
3.31.
So sánh gia tốc tầng 5 trong kết cấu
56
3.32.
So sánh lực cắt tầng 1 trong kết cấu
57
xi
PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI
TRỌNG ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT
Học viên: Tôn Trọng Quang. Chuyên ngành: Xây dựng công trình giao thông
Mã số: 022. Khóa: K31. Trƣờng Đại học Bách Khoa - ĐHĐN
Tóm tắt: Động đất đƣợc xem là thảm họa lớn đối với loài ngƣời, việc thiết kế các kết cấu công
trình trƣớc đây hiện nay chƣa phù hợp một số quốc gia thƣờng xuyên có động đất xãy ra. Từ thực tiễn
đó các nhà khoa học đã nghiên cứu các gối cô lập mặt trƣợt nhằm giảm chấn cho tất cả các công trình
xây dựng. Gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát đƣợc biết đến nhƣ một thiết bị giảm chấn rất hiệu quả cho
các kết cấu xây dựng. Thiết bị này đã đƣợc nghiên cứu phát triển mạnh trong thời gian gần đây. Gối
DFP (Double friction pendulum) đƣợc xem nhƣ là một cải tiến, nó thích nghi lớn với nhiều cấp độ
động đất khác nhau. Từ phần mềm Matlab lập trình các phƣơng trình tính toán theo phƣơng pháp
Runge – Kutta biến mô hình tính toán kết cấu có gắn gối DFP mang lại hiệu quả cho kết cấu chịu đƣợc
tải trọng động đất có: đƣờng ứng xử trễ, gia tốc, vận tốc, lực cắt đảm bảo đáp ứng trong kết cấu. Bằng
biện pháp so sánh cho nhiều giá trị d, R từ phần mềm Matlab cho ra kết quả đƣờng ứng xử trễ, gia tốc,
vận tốc, lực cắt trong kết cấu so sánh kết quả tìm thông số kỹ thuật d, R tối ƣu của gối DFP cho nhà
sản xuất ra gối.
Từ khóa: Gối cô lập trượt ma sát, hiệu quả chống động đất, nhà cao tầng, giảm chấn, biện
pháp so sánh thông số kỹ thuật d, R.
ANALYTICAL ANALYSIS OF EFFICIENT STRUCTURAL
STRUCTURAL STRUCTURAL STRUCTURAL ANALYSIS OF LAND
GROUPS USING THE TWO SURFACE MAINTENANCE PLATES
Summary: Earthquakes are considered a major disaster for human beings, the design of
structures that were previously unsuitable for some earthquake-prone countries. From that practice
scientists have studied sliding surface isolation pillows to reduce the damping of all construction
works. Double friction friction cushioning is known as an effective damping device for building
structures. This device has been extensively researched recently. The double friction pendulum (DFP)
pillow is considered as an improvement, it is adapted to many different levels of earthquakes. From
the Matlab software, programmable Runge-Kutta computational equations for the DFP knee-joint
structural calculation model are effective for earthquake load-bearing structures with: delay response
paths, acceleration , Velocity, cutting force ensure the response in the structure. By comparison
method for many values of d, R from Matlab software produces the result of hysteresis, acceleration,
velocity, Of the DFP pillow for the pillow manufacturer.
Keywords: friction slip isolation pillow, effective anti-seismic, high-rise buildings, shock
absorbers, measures compare specifications d, R.
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay động đất có thể xem nhƣ là một thảm họa lớn nhất của thiên nhiên
đến tính mạng con ngƣời và nền kinh tế của thế giới. Nó càng nguy hiểm hơn khi vấn
đề dự báo động đất gặp khó khăn về mức độ và thời gian xảy ra thảm họa. Hàng trăm
nghìn ngƣời chết và mất tích, tổn thất của nền kinh tế hàng năm do động đất là rất lớn.
Trận động đất ngày 12 tháng 05 năm 2008 tại Tứ Xuyên, Trung Quốc. Theo tổng kết
từ chính phủ Trung Quốc, trận động đất này có số ngƣời chết và mất tích là trên
87.000 ngƣời, cần khoảng 137,5 tỷ đôla dùng để tái thiết sau động đất. Ngoài ra trong
lịch sử, con ngƣời còn hứng chịu rất nhiều thảm họa ở các trận động đất, nhƣ: Trận
động đất và sóng thần ở Nhật Bản (năm 2011) chịu thiệt hại nặng nề với 16.000 ngƣời
chết và hàng nghìn ngƣời mất tích. Theo báo France24, trong năm 2012, vẫn còn
khoảng 300.000 ngƣời sống sót phải sống trong các khu nhà tạm, và những nỗ lực xây
nhà mới cho họ có thể phải mất thêm 10 năm nữa; Trận động đất ở thành phố Đƣờng
Sơn, Trung Quốc (1976), trận động đất ở Haiti (2010),. Nhƣ mới đây là trận động đất
kinh hoàng ở Nepal ngày 25/4/2015 không chỉ cƣớp đi sinh mạng của hơn 7.200
ngƣời, mà còn gây thiệt hại nặng nề về vật chất. Theo thống kê, trận động đất ở Nepal
đã khiến gần 161.000 ngôi nhà bị phá hủy, 143.673 ngôi nhà bị hƣ hỏng, 16.000
trƣờng học bị hỏng. Theo ƣớc tính, chi phí tái thiết lên đến 5 tỷ USD.
( />Ở Việt Nam, mặc dù không nằm trong “vành đai lửa” của các chấn tâm động
đất mạnh trên thế giới. Tuy nhiên, Việt Nam vẫn là quốc gia nằm trong khu vực có
mối hiểm họa động đất khá cao. Đó là báo cáo của các nhà khoa học tại Hội thảo quốc
tế "Nguy hiểm động đất, sóng thần và các hệ thống cảnh báo sớm khu vực Châu Á –
Thái Bình Dƣơng" do Viện Vật lý địa cầu-Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam tổ
chức trong hai ngày (5 và 6-9.2011). Hội thảo có sự tham dự của nhiều nhà khoa học
đến từ các nƣớc nhƣ Nga, New Zealand, Indonesia, Italia... nhằm trao đổi, chia sẻ kinh
nghiệm, tìm ra những phƣơng pháp cảnh báo sớm các thiên tai cho cộng đồng, giúp
hạn chế tối đa những thiệt hại về vật chất và con ngƣời.
Tại Việt Nam, trong lịch sử đã ghi nhận một số trận động đất với cấp độ khá
mạnh (6,7-6,8 độ richter) tại những đới đứt gãy dài hàng trăm km, nhƣ đới đứt gãy:
sông Hồng, sông Chảy, Sơn La, Sông Mã, đới đứt gãy 109…
Một số khu đô thị lớn hiện đang nằm trên các đới đứt gãy và có khả năng xảy ra
những trận động đất có cấp độ rất mạnh nhƣ Hà Nội, đang nằm trên các đới đứt gãy
2
sông Hồng, sông Chảy, sông Mã, Sơn La đƣợc dự báo phải chịu đựng chấn động cấp
độ 8 theo thang độ richter.
Đối với nguy cơ sóng thần ở Việt Nam, theo các nhà khoa học thuộc Viện Vật
lý địa cầu: Động đất có thể gây sóng thần nguy hiểm nhất cho vùng ven biển Việt Nam
là động đất xảy ra tại đới hút chìm Manila. ( />Các dƣ chấn do động đất gây ra đã xuất hiện nhiều trên các tỉnh, thành, đặc biệt
là Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng nơi tập trung một số lƣợng lớn các
nhà cao tầng, các cây cầu lớn và nhu cầu xây dựng các công trình lớn ngày càng tăng
về số lƣợng cũng nhƣ về chiều cao thì điều khiển kết cấu bền vững dƣới tác động của
ngoại lực vẫn còn là lĩnh vực mới mẻ. Do đó, việc nghiên cứu ảnh hƣởng của tải trọng
động đất và giải pháp làm giảm chấn động của tải trọng động đất đến công trình xây
dựng là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Đây chính là lý do để em
nghiên cứu đề tài: “Phân tích hiệu quả giảm chấn kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải
trọng động đất sử dụng gối cô lập hai mặt trượt ma sát”.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát: Đánh giá hiệu quả giảm chấn cho kết cấu xây dựng khi sử
dụng gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát.
Mục tiêu cụ thể: Đƣa ra mô hình cơ học, thiết lập phƣơng trình chuyển động
của hệ kết cấu có lắp đặt thiết bị, xác định các đại lƣợng cơ học (gia tốc, chuyển vị,…)
của kết cấu thông qua việc giải phƣơng trình vi phân chuyển động lập trên bằng
phƣơng pháp số Runge-Kutta, Phát triển mô hình lắp đặt thiết bị, định hƣớng thiết kế
từ đó đánh giá đƣợc hiệu quả giảm chấn của thiết bị sử dụng cho nhà cao tầng.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Gối DFP cho các kết cấu xây dựng ở Việt Nam.
Đề tài sẽ tập trung vào các vấn đề trọng tâm nhƣ sau: Phân tích hiệu quả giảm
chấn kết cấu nhà nhiều tầng sử dụng gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát khi có động đất
xảy ra.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Xây dựng mô hình lý thuyết chuyển động của các con lắc trong gối.
Mô phỏng kết quả bằng phần mềm Matlab, áp dụng để giải số trực tiếp các
phƣơng trình vi phân chuyển động bằng thuật toán Runge-Kutta dùng code tính của
trƣờng Đại học Berkeley (Mỹ). Từ phần mềm Matlab cho ra kết quả đƣờng ứng xữ trễ
trong kết cấu, lực cắt trong kết cấu, gia tốc trong kết cấu, chuyển vị trong kết cấu để so
sánh lựa chọn các thông số kỹ thuật hợp lý cho nhà sản xuất.
3
5. Bố cục đề tài
Luận văn ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, còn gồm 3 chƣơng với
các nội dung sau:
Chƣơng 1. Tổng quan về kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất khi sử
dụng gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát (DFP);
Chƣơng 2. Mô hình và lý thuyết tính toán gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát DFP
chịu tải trọng động đất;
Chƣơng 3. Ví dụ tính toán hiệu quả giảm chấn gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát
DFP.
Cuối cùng là phần tài liệu tham khảo và phụ lục chƣơng trình tính toán.
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Động đất và nghiên cứu các giải pháp công trình chịu tác động của tải trọng
động đất là một chủ đề đƣợc nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc quan tâm nghiên cứu.
Kết quả nghiên cứu động đất đƣợc thể hiện trong các công trình nghiên cứu của các tác
giả ngoài nƣớc nhƣ: “Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake
Engineering - Anil K. Chopra (1995)”; “Earthquake-resistant concrete structures Penelis, G.G. and Kappos, A.J (1997)”. Bên cạnh đó mỗi nƣớc đều ban hành các tiêu
chuẩn tính động đất riêng xuất phát từ chiến lƣợc phát triển kinh tế xã hội cũng nhƣ cơ
sở vật chất kỹ thuật của nƣớc mình.
Tại Việt Nam, nghiên cứu động đất đƣợc Viện Vật lý địa cầu thuộc Trung tâm
khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia tiến hành. Hệ thống các thông số cơ bản của
động đất, mục lục động đất ở Việt Nam, quy luật cơ bản về tính động đất đã đƣợc
nghiên cứu và khái quát trong các công trình: “Nghiên cứu dự báo động đất và dao
động nền ở Việt Nam”; “Động đất trên lãnh thổ Việt Nam – Nguyễn Đình Xuyên năm
1985”. Năm 2006, Bộ Xây dựng ban hành Tiêu chuẩn thiết kế động đất TCXDVN
375:2006 trên cơ sở chấp nhận Eurocode 8.
4
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP
HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT (DFP)
1.1. SƠ LƢỢC VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG
1.1.1. Các dạng kết cấu cơ bản
a. Kết cấu khung chịu lực
Hệ thống kết cấu khung bao gồm hệ thống các cột, các dầm và sàn chịu tải trọng
thẳng đứng, tải trọng ngang và các tải trọng khác (gió lốc xoáy…). Hệ kết cấu khung
thƣờng đƣợc sử dụng cho các công trình có không gian lớn đƣợc bố trí, trang trí để bố
trí nội thất bên trong cho nhiều loại công trình khác nhau.
Về nhƣợc điểm của kết cấu khung là chịu lực cắt theo phƣơng ngang kém, hệ
thống dầm khung vƣợt nhịp lớn chiều cao dầm phải lớn để vƣợt nhịp cho nên chiếm
nhiều không gian, dẫn đến chiều cao tầng lớn. Mặt khác đối với công trình nhà cao
tầng chịu động đất cao từ cấp 8 trở lên cần phải giảm chiều cao các tầng để chiều cao
công trình giảm xuống, kết cấu công trình sẽ khỏe thêm chịu tải trọng động đất lớn
thêm.
+ Đối với nhà cao tầng có kết cấu khung thép là không quá 30 tầng.
+ Đối với nhà cao tầng có kết cấu khung bê tông cốt thép là không quá 20 tầng.
+ Chiều cao công trình còn phụ thuộc vào nhịp của dầm, độ lớn của dầm, tỷ lệ
chiều cao và chiều rộng của công trình.
Thực tế các kết cấu khung của công trình làm việc theo sơ đồ không gian. Việc
lựa chọn mặt bằng công trình tùy thuộc vào diện tích chiếm chỗ khu đất mà chúng ta
bố trí cho hợp lý. Trên thực tế thƣờng bố trí có nhiều dạng nhƣ sau:
Hình 1.1. Các dạng mặt bằng kết cấu khung nhà cao tầng điển hình
5
b. Kết cấu tường chịu lực
Tƣờng chịu lực hay còn gọi là vách cứng là hệ thống mà vừa làm nhiệm vụ chịu
lực thẳng đứng, chịu lực ngang và làm tƣờng ngăn cách.
Đối với nhà thấp tầng: tƣờng chịu lực thƣờng dùng kết cấu tƣờng gạch có khả
năng chịu nén tốt, nhƣng chịu kéo kém.
Đối với nhà cao tầng: tƣờng chịu lực thƣờng dùng kết cấu tƣờng bê tông cốt
thép có khả năng chịu kéo và nén khá tốt. Thông thƣờng ngƣời ta thƣờng gọi là vách
cứng.
Hình 1.2. Các dạng mặt bằng kết cấu tường chịu lực
khung nhà cao tầng điển hình
c. Kết cấu lõi chịu lực
Những kết cấu khung chịu lực hoặc tƣờng chịu lực đƣợc tính toán bố trí cho
công trình không hiệu quả về công năng sử dụng, cũng nhƣ thỏa mãn về mặt kết cấu
chịu lực ta cần bố trí kết cấu lõi chịu lực.
Lõi cứng đóng vai trò chịu tải trọng chính theo hƣớng thẳng đứng và tải trọng
ngang của công trình.
Thông thƣờng lõi cứng đƣợc bố trí ngay trung tâm ngôi nhà hoặc trọng tâm của
lõi cứng trùng với trục đi qua trọng tâm của ngôi nhà để chống lại momen xoắn hiệu
quả cao nhất.
Các dầm, sàn liên kết với lõi cứng thông qua các dầm conson liên kết trực tiếp
vào dầm cột tại vị trí xung quanh lõi cứng.
6
Hình 1.3. Các dạng mặt bằng kết cấu lõi cứng chịu lực
khung nhà cao tầng điển hình
d. Kết cấu ống
Ở những công trình cao tầng để vƣơn lên cao ngƣời ta thƣờng thiết kế bố trí dày
đặt các cột để chịu lực theo phƣơng đứng và phƣơng ngang lớn, các cột bố trí xung
quanh chu vi nhà. Liên kết giữa các cột đó lại bằng các hệ dầm ngang đƣợc gọi là kết
cấu ống. Kết cấu ống có cột cấm thẳng vào hệ thống móng, móng đƣợc ngàm chặt vào
lòng đất tạo nên sơ đồ chịu lực nhƣ dạng một conson chịu lực dọc trục cột và tải trọng
ngang (nhƣ hình 1.4)
Hiện nay kết cấu ống đƣợc bố trí bằng thép thích hợp cho nhà cao tầng có thể
đạt đến 60 tầng.
Hình 1.4. Kết cấu dạng ống chịu lực như một conson
Khi cột đƣợc bố trí khoảng cách thƣa nhau, đƣợc gọi là công trình có kết cấu
chịu lực theo sơ đồ khung.
7
1.1.2. Các dạng kết cấu hỗn hợp
a. Kết cấu khung – giằng
Hình 1.5. Hệ thống khung- giằng chịu lực nhà cao tầng
Khi hệ thống khung chịu lực (dầm, cột) không đủ tốt, để chống lại lực cắt
ngang và momen xoắn của công trình ngƣời ta bố trí hệ thống giằng cho các tầng.
Ƣu điểm: của hệ kết cấu này là tăng cƣờng khả năng tối đa cho công trình chịu
tải trọng ngang và xoắn lớn.
Nhƣợc điểm: Tính thẩm mỹ của kết cấu không đẹp, nhiều thanh giằng xiên gây
cản trở công năng sử dụng công trình.
b. Kết cấu khung - vách
Để tăng cƣờng khả năng chịu lực cho công trình hỗ trợ cùng hệ thống cột, dầm,
sàn ngƣời ta thƣờng thiết kế hệ thống tƣờng chịu lực hay còn gọi là vách. Đó là một
dạng kết cấu vừa chịu tải trọng thẳng đứng, vừa chịu tải trọng ngang, mà đặc biệt là tải
trọng gió bão, động đất . . . vừa là tƣờng ngăn cách.
Hệ thống khung cột, dầm có khả năng chống uốn và cắt, nhƣng trong đó chống
uốn là cao nhất, chống cắt hạn chế.
Hệ thống vách có khả năng chống uốn và cắt, nhƣng trong đó chống cắt cao
nhất, chống uốn hạn chế.
8
Việc bố trí hỗn hợp 2 kết cấu khung và vách sẽ tạo hiệu ứng chịu lực tốt nhất
cho công trình.
Hình 1.6. Hệ thống khung- vách chịu lực nhà cao tầng
c. Kết cấu ống - lõi
Để cho kết cấu ống làm việc hiệu quả hơn, xây dựng nhà cao tầng hơn, ngƣời ta
đƣa kết cấu lõi vào bên trong khu vực trung tâm công trình.
Lõi cứng khi đƣa vào đóng vai trò quan trọng cùng hệ thống cột kết cấu ống
chịu lực rất tốt chịu tải trọng đứng, tải trọng ngang mà đặc biệt là tải trọng ngang dƣới
chân công trình.
Sự tƣơng tác giữa kết cấu ống và lõi giống nhƣ sự tƣơng tác giữa kết cấu khung
và vách. Tuy nhiên kết cấu ống- lõi chịu lực khỏe hơn nhiều so với hệ khung- vách.
d. Kết cấu ống tổ hợp
Trong nhà cao tầng có kết cấu ống ngƣời ta bố trí thêm các dãy hàng cột dày đặt
bên trong theo 1 hoặc 2 phƣơng để tăng cƣờng khả năng chịu lực theo phƣơng ngang
của công trình. Theo cách này cách chúng ta tạo ra một dạng kết cấu một dạng nhƣ
hình hộp gồm nhiều ngăn bên trong làm giảm lực biến dạng mặt trƣợt trong công trình,
các vách ngoài làm cho sự phân bố các nội lực trong các hàng cột ngoài một cách đều
đặn hơn. . .Kết cấu rất phù hợp cho công trình siêu cao tầng và có mặt bằng lớn.
1.1.3. Các dạng kết cấu đặc biệt
a. Kết cấu có hệ dầm truyền
Để tăng không gian của các tầng bên dƣới thì ta bố trí các tầng dƣới có bƣớc cột
thƣa hơn, các tầng trên có bƣớc cột dày đặt để giảm kích thƣớc của dầm. Việc bố trí
các cột dày truyền qua hệ dầm xuống tầng dƣới có bố trí cột thƣa thông qua hệ dầm, hệ
dầm ấy gọi là hệ dầm truyền. Đây là hệ kết cấu phức tạp so với các kết cấu thông
thƣờng vì dầm truyền chịu tải trọng tập trung lớn tại những điểm cần bố trí cột tầng
trên.
9
Hình 1.7. Hệ kết cấu có dầm truyền trong nhà cao tầng
b. Kết cấu có các tầng cứng
Trong kết cấu ống- lõi, ống và lõi đƣợc xem là conson ngàm xuống đất, nhƣng
do các hệ dầm sàn nhỏ chịu lực yếu so với các ống – lõi bên trong, nên phần lớn toàn
bộ các tải trọng đứng và ngang do lõi cứng gánh chịu. Mặt khác khoảng cách từ lõi
cứng đến ống ngoài cùng lớn dẫn đến kết cấu ống ngoài cùng làm việc chƣa hiệu quả,
làm việc không đồng bộ trong tổng thể chung của kết cấu toàn công trình.
Để khắc phục tình trạng này ngƣời ta thiết kế một số tầng có dầm ngang hoặc
giàn có độ cứng lớn nối các lõi cứng với ống ngoài.
Dƣới tác dụng của tải trọng ngang lõi cứng bị uốn làm cho các dầm này bị
chuyển vị theo phƣơng thẳng đứng và tác dụng lên các cột có độ chống uốn nhỏ. Khi
bố trí các ống ngoài cứng có độ cứng dọc trục lớn nên chống lại chuyển vị ngang của
cả công trình.
Trên thực tế ngƣời ta bố trí tại các tầng kỹ thuật có chiều cao bằng cả các tầng
nhà nên ngƣời ta thƣờng gọi là các tầng cứng. Số tầng cứng trong công trình nhà cao
tầng thƣờng là 1, 2 hoặc 3 tầng. Trƣờng hợp bố trí 1 tầng cứng thì đƣợc bố trí sát tầng
mái; 2 tầng cứng thì bố trí 1 tầng mái cứng và khoảng 1/2 chiều cao công trình bố trí 1
tầng cứng; 3 tầng cứng bố trí 1 tầng mái cứng và khoảng 1/2 và 2/3 chiều cao công
trình bố trí tầng cứng.
10
Hình 1.8. Hệ kết cấu có tầng cứng trong nhà cao tầng
(Bố trí tầng cứng tầng mái; 2 tầng ở vị trí 1/2 công trình và tầng mái;
Bố trí tầng cứng 3 tầng ở vị trí 1/3 công trình và 2/3 công trình cùng với ống lõi giữa
công trình)
c. Hệ kết cấu có hệ khung ghép
Hiện nay trên thế giới để thi công nhanh, hệ khung chịu lực khỏe ngƣời ta áp
dụng một dạng đăc biệt đó là hệ khung ghép. Điểm khác nhau giữa hệ khung ghép với
khung thƣờng ở chỗ:
Hệ khung thƣờng: Do các dầm và cột tạo thành, các dầm cột đồng thời chịu tác
động của tải trọng đứng và ngang. Tình trạng chịu lực giữa các dầm, cột gần nhƣ nhau,
vật liệu do vậy gần nhƣ đồng đều cho các cấu kiện.
Hệ khung ghép: đƣợc cấu tạo theo cách liên kết một số tầng và một số nhịp cần
thiết tính toán để có độ cứng của tầng lớn, khả năng vƣợt nhịp lớn của dầm, cột để tạo
không gian lớn phù hợp với công năng sử dụng của công trình. Khung ghép có độ
cứng lớn, là kết cấu chịu lực chính của công trình. Khung tầng trong trƣờng hợp này
đƣợc xem là hệ kết cấu thứ cấp chủ yếu là để truyền tải trọng đứng lên hệ khung ghép.
1.2. TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LÊN KẾT CẤU NHÀ CAO
TẦNG
1.2.1. Sóng địa chấn và sự truyền sóng
Năng lƣợng của động đất đƣợc trải dài trong một diện tích lớn, và trong các trận
động đất lớn có thể trải hết toàn cầu. Các nhà khoa học thƣờng có thể định đƣợc điểm
mà các sóng địa chấn đƣợc bắt đầu. Điểm này đƣợc gọi là chấn tiêu (hypocentre).
Hình chiếu của điểm này lên mặt đất đƣợc gọi là chấn tâm (epicentre).
Các trận động đất xảy ra dƣới đáy biển có thể gây ra lở đất hay biến dạng đáy
biển, làm phát sinh sóng thần.
11
Hình 1.9. Sóng khối: P, S, và sóng mặt: Love, Rayleigh
Các nhà địa chấn phân chia ra bốn loại sóng địa chấn, đƣợc xếp thành 2 nhóm:
2 loại gọi là sóng khối (Body waves) và 2 loại gọi là sóng bề mặt (Surface waves).
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 đƣợc theo thứ tự đi đến
nhƣ sau:
* Sóng P (Sóng sơ cấp (Primary wave) hay sóng dọc (Longitudinal wave)):
Là sóng truyền nhờ sự thay đổi thể tích vật chất, gây ra biến dạng kéo nén trong lòng
12
đất. Chuyển động của nó giống nhƣ chuyển động của sóng âm trong chất lỏng. Sóng P
có vận tốc truyền nhanh nhất và có thể truyền qua cả ba môi trƣờng: rắn, lỏng, khí.
Hình 1.10. Sóng P
* Sóng S (Sóng thứ cấp (Secondary wave) hay sóng ngang (Shear wave)): Là
sóng hƣớng chuyển động của cát hạt vật chất vuông góc với hƣớng đi của sóng. Các
sóng này gây ra hiện tƣợng xoắn và cắt mà không thay đổi thể tích môi trƣờng truyền
sóng. Vì vậy, sóng này còn có tên là sóng cắt. Ở các điểm quan trắc sóng ngang đến
sau sóng dọc nên còn gọi là sóng thứ cấp. Ở mặt đất các sóng S có thể chuyển động
theo phƣơng đứng lẫn ngang.
Hình 1.11. Sóng S
* Sóng Love (Một dạng sóng mặt ngang phân cực ngang): Chuyển động loại
này về cơ bản giống nhƣ loại sóng S nhƣng không có thành phần thẳng đứng. Nó làm
cho các phần tử vật chất chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang song song với mặt
đất, vuông góc với hƣớng truyền sóng. Các sóng này chỉ gây ra ứng suất cắt.
13
Hình 1.12. Sóng L
* Sóng Rayleigh (còn gọi là rung cuộn mặt đất (Ground roll)): Đây là loại sóng
làm cho các phần tử chuyển động theo một quỹ đạo hình elip trong mặt phẳng đứng
song song với phƣơng truyền sóng. Chuyển động này tƣơng tự nhƣ chuyển động của
sóng biển, có thể gây ra nén hoặc kéo và cắt trong nền đất.
Hình 1.13. Sóng R
Tùy theo tình trạng ghi nhận sóng của trạm, nhà địa chấn tính ra cƣờng 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 đƣợc cƣờng độ và tọa độ vụ động đất chính
xác hơn.
1.2.2. Đặc tính của chuyển động nền trong động đất
Khi động đất xảy ra chuyển động của đất đƣợc thể hiện bằng lịch sử thời gian
hoặc biểu đồ động đất dƣới dạng gia tốc, vận tốc hay chuyển vị của một điểm nhất
định trong trận động đất. Biểu đồ lịch sử theo thời gian gồm các thông tin về sự
chuyển dịch của đất theo 3 phƣơng x, y, z. Gia tốc thƣờng đƣợc đo bằng gia tốc kế
biên độ lớn, còn vận tốc và chuyển vị thƣờng đƣợc đo bằng phƣơng pháp tích phân
liên tiếp gia tốc ghi đƣợc. Các gia tốc đƣợc ghi tại các vị trí mà có cùng khoảng cách
so với chấn tâm thì có thể khác nhau về thời gian, cƣờng độ, tần số, vì còn tùy thuộc
vào tính chất của đất.
