Ứng xử ngang của gối cách chấn đàn hồi cốt sợi không liên kết hình khối hộp chịu chuyển vị lớn

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE 2020. 14 (1V): 81–92

ỨNG XỬ NGANG CỦA GỐI CÁCH CHẤN ĐÀN HỒI CỐT SỢI
KHÔNG LIÊN KẾT HÌNH KHỐI HỘP CHỊU CHUYỂN VỊ LỚN
Vũ Quang Việta , Ngô Văn Thuyếtb,∗
a

Khoa Công trình, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, số 484 Lạch Tray, quận Lê Chân, Hải Phòng, Việt Nam
b
Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi, số 175 Tây Sơn, quận Đống Đa, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 03/12/2019, Sửa xong 27/12/2019, Chấp nhận đăng 31/01/2020

Tóm tắt
Gối cách chấn đàn hồi cốt sợi không liên kết (gọi tắt là gối U-FREI) là một loại gối cách chấn tương đối mới
đang được phát triển trên thế giới. Các nghiên cứu về gối U-FREI ở Việt Nam mới chỉ xem xét gối U-FREI chịu
chuyển vị ngang với giá trị nhỏ (nhỏ hơn 1,0tr , trong đó tr là tổng chiều dày các lớp cao su trong gối U-FREI).
Trong nghiên cứu này, ứng xử ngang của gối U-FREI hình khối hộp chịu đồng thời tải trọng thẳng đứng có giá
trị không đổi và chuyển vị ngang vòng lặp dạng hàm điều hòa có độ lớn tăng dần đến giá trị 2,0tr được khảo sát
bằng phương pháp phân tích mô hình số. Nghiên cứu chỉ ra rằng tại các chuyển vị nhỏ, độ cứng ngang của gối
U-FREI giảm xuống do gối cách chấn có biến dạng cuộn, nhưng ở các chuyển vị lớn, độ cứng ngang của gối
U-FREI tăng lên.
Từ khoá: gối cách chấn; gối cách chấn đàn hồi cốt sợi không liên kết; biến dạng cuộn; ứng xử ngang; chuyển vị
ngang lớn.
HORIZONTAL RESPONSE OF A SQUARE UN-BONDED FIBER REINFORCED ELASTOMERIC ISOLATOR UNDER LARGE DISPLACEMENT
Abstract
Un-bonded fiber reinforced elastomeric isolator (U-FREI) is relatively new seismic isolator which has been
developed in the world. In Vietnam, research related to this U-FREI only focused on investigating its horizontal
response under low displacement but not large displacement (lesser than 1.0tr , where tr is total height of elastomer). In this study, the horizontal response of a square U-FREI under the simultaneous action of a constant
vertical load and cyclic horizontal displacement with increasing amplitudes up to 2.0tr is investigated by finite
element analysis. This study indicates that at low amplitudes of displacement, the horizontal stiffness of the
U-FREI is decreased due to rollover deformation; however, at large amplitudes of displacement, its horizontal

stiffness is increased.
Keywords: base isolator; un-bonded fiber reinforced elastomeric isolator; rollover deformation; horizontal response; large horizontal displacement.
c 2020 Trường Đại học Xây dựng (NUCE)

1. Giới thiệu
Gối cách chấn đa lớp là một trong những thiết bị cách chấn đáy được sử dụng phổ biến hiện nay để
giảm hư hỏng cho công trình chịu động đất. Gối cách chấn thường được đặt bên trên phần đài móng
và bên dưới phần thân công trình. Gối cách chấn có độ cứng theo phương ngang có giá trị thấp nên
công trình chịu được chuyển vị theo phương ngang với giá trị lớn của các trận động đất, nhưng có độ
∗

Tác giả chính. Địa chỉ e-mail: (Thuyết, N. V.)

81


Việt, V. Q., Thuyết, N. V. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

cứng theo phương đứng cao nên vẫn đảm bảo chịu được trọng lượng công trình. Nhờ sử dụng hệ gối
cách chấn nên chu kỳ dao động theo phương ngang của công trình cách chấn đáy được tăng lên. Các
gối cách chấn đa lớp thường được cấu tạo bởi các lá thép mỏng xen kẹp và gắn kết với các lớp cao su,
và hai tấm đế thép dày ở đáy và đỉnh gối để liên kết với phần đài móng và phần thân công trình. Các
gối cách chấn đa lớp thường nặng, giá thành cao và phức tạp trong thi công xây lắp nên chúng thường
được sử dụng cho các công trình có tầm quan trọng cao và đắt tiền.
Một loại gối cách chấn đa lớp mới đang được phát triển hiện nay là gối cách chấn đàn hồi cốt sợi
(fiber reinforced elastomeric isolator – gọi tắt là gối FREI). Gối FREI được đề xuất lần đầu tiên vào
năm 1999 bởi Kelly [1]. Gối FREI có cấu tạo tương tự như gối cách chấn đa lớp thông thường nhưng
các lớp sợi (thường là sợi cacbon) thay thế cho các lớp lá thép mỏng. Sợi cacbon có trọng lượng riêng
khoảng 1600 kg/m3 thấp hơn nhiều so với thép là 7850 kg/m3 nên các gối FREI có trọng lượng thấp
hơn nhiều so với các gối cách chấn đa lớp thông trường cùng kích thước. Việc chế tạo sợi cacbon cũng

đơn giản hơn so với gia công các lá thép. Gối FREI đang được nghiên cứu, phát triển theo hai dạng:
gối FREI liên kết (Bonded fiber reinforced elastomeric isolator, gọi tắt là gối B-FREI) và gối FREI
không liên kết (gọi tắt là gối U-FREI). Trong khi gối B-FREI có hai tấm đế thép dày ở đáy và đỉnh
gối để liên kết với phần móng và phần thân công trình thì gối U-FREI đã loại bỏ hai tấm đế thép này.
Gối U-FREI được đặt trực tiếp lên bên trên phần đài móng và dưới phần thân công trình mà không
cần bất kì một liên kết nào giữa chúng. Nhờ loại bỏ hai tấm đế thép dày, gối U-FREI có trọng lượng
nhẹ hơn, dễ dàng thi công lắp dựng vào công trình hơn so với gối B-FREI. Gối U-FREI được kì vọng
sử dụng cho các công trình dân dụng trung và thấp tầng với chi phí rẻ ở những nước đang phát triển.
Nghiên cứu về ứng xử ngang của gối U-FREI đã được thực hiện bằng cả thí nghiệm và phân tích
mô hình số trong hơn chục năm qua. Dezfuli và Alam [2] đã tiến hành thí nghiệm điều tra các đặc tính
cơ học trong ứng xử ngang của các gối U-FREI. Strauss và cs. [3] đã thí nghiệm điều tra ảnh hưởng
của mô-đun cắt đến ứng xử ngang của các loại gối cách chấn đa lớp. Thuyet và cs. [4, 5] đã nghiên cứu
thực nghiệm và mô hình số để đánh giá độ cứng ngang hiệu dụng và ảnh hưởng của phương chuyển
vị ngang đến ứng xử ngang của nguyên mẫu gối U-FREI hình khối hộp. Ở Việt Nam, một vài nghiên
cứu mô hình số về nguyên mẫu gối U-FREI cũng đã được thực hiện [6, 7]. Trong các nghiên cứu này,
độ lớn của chuyển vị ngang tác dụng vào gối cách chấn thường có giá trị nhỏ, nhỏ hơn 1,0tr (tr là tổng
chiều dày của các lớp cao su trong gối cách chấn). Dao động nền đất của các trận động đất lớn có thể
gây ra chuyển vị lớn cho gối cách chấn. Vì vậy, ứng xử ngang của gối U-FREI chịu chuyển vị ngang
có giá trị lớn nên được tiếp tục nghiên cứu.
Nghiên cứu này trình bày ứng xử ngang của gối U-FREI hình khối hộp chịu đồng thời tải trọng
thẳng đứng có giá trị không đổi và chuyển vị ngang dạng hàm điều hòa có giá trị độ lớn tăng dần đến
2,0tr bằng phân tích mô hình số đồng thời phân tích quá trình làm việc của gối U-FREI.
2. Cấu tạo chi tiết của gối cách chấn U-FREI
Gối cách chấn đàn hồi cốt sợi hình khối hộp có cạnh là a = 250 mm, tổng chiều cao là h = 100
mm. Gối U-FREI được cấu tạo từ 18 lớp cao su xen kẹp và gắn kết với 17 lớp sợi cacbon hai hướng
vuông góc (0◦ /90◦ ). Mỗi lớp cao su và sợi cacbon dày tương ứng là 5 và 0,55 mm. Mặt cắt dọc theo
phương đứng và kích thước của gối cách chấn được miêu tả trong Hình 1. Các thông số chi tiết về kích
thước và vật liệu của gối cách chấn được cho trong Bảng 1.

82

là h = hai
100 hướng
mm. Gối
U-FREI
cấu0tạo
từ 18
lớpcao
caosu
suvà
xensợi
kẹp
và gắndày
kết với
17 lớp sợicao
cacbon
vuông
gócđược
(00/90
). Mỗi
lớp
cacbon
tương
0
0
17
lớp
sợi
cacbon

hai
hướng
vuông
góc
(0
/90
).
Mỗi
lớp
cao
su
và
sợi
cacbon
dày
tương
ứng là 5 và 0,55 mm. Mặt cắt dọc theo phương đứng và kích thước của gối cách chấn
ứng là 5 và 0,55 mm. Mặt cắt dọc theo phương đứng và kích thước của gối cách chấn
được miêu tả trong Hình 1. Các thông số chi tiết về kích thước và vật liệu của gối cách
được miêu tả trong Hình 1. Các thông số chi tiết về kích thước và vật liệu của gối cách
V. Q., 1.
Thuyết, N. V. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
chấn được
cho trongViệt,
Bảng
chấn được cho trong Bảng 1.

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE
(a)(a)
CấuCấu

tạo các
caolớp
su và
sợi su
cacbon
tạolớp
các
cao
và sợi

(b) Kích
thướccủa
của gối
cacbon
(b) Kích
thước
gối(mm)
(đơn vị:
(a) Cấu tạo các lớp cao su
và
sợi
cacbon
(b)
Kích
thước
của
gối
(đơn
vị:
mm)

Mô-đun
củacách
caochấn
su theo
phương
(MPa)
Hình 1. Cấu
tạo chi cắt
tiết gối
đàn hồi
cốt sợi ngang, G

mm)

0

hồi gối
củacách
hỗn chấn
hợp cao
Hình 1.Mô-đun
Cấu tạođàn
chi tiết
đàn su-sợi
hồi cốtcacbon
sợi
(GPa)
trong
gối
cách

chấn
theo
phương
ngang,
E
Hình
1.
Cấu
tạo
chi
tiết
gối
cách
chấn
đàn
hồi
cốt
sợi
Bảng 1. Chi tiết các thông số kích thước và vật liệu của gối U-FREI

Bảng 1. Chi tiết các thông số kích thước và vật liệu của gối U-FREI

số poisson
của
gối, μvà vật liệu
Thông
số tiết cácHệ
Đơn của
vị gối U-FREI
Giá trị

Bảng
1. Chi
thông
số kích
thước
Thông số

Kích thước của gối

Đơn vị

Giá trị

0

(mm)

250 × 250 × 100
250×250×100
Giá
18 trị
Sốmột
lớplớp
caocao
su,su,
ne te Gối cách chấn đàn hồi cốt
18 kích thước nêu trê
Chiều dày
(mm)
sợi(mm)

không liên 250×250×100
kết 5,0
với
Kích
thướcdày
của
gối
Tổng chiều
lớp
cao
su,
t
(mm)
90
r
Chiều dày một sát
lớp ứng
cao su,
5,0có giá trị không đổi
e
xử tngang
chịu đồng thời tải (mm)
trọng thẳng đứng
Số lớp
lớp sợi
1718
Số
caocacbon,
su, nen f
ngang

vòng
lặp
dạng
hàm
điều
hòa
hình
sin
có
giá
trị độ lớn tăng dần đ
Tổng
chiều
dày
lớp
cao
su,
t
(mm)
90
r
Chiều dày của một lớp sợi cacbon, t f
(mm)
0,55
Chiều
lớp
su,
Mô-đundày
cắt
của sợi

cao
sucao
theo
phương
ngang,
0,90
phương
môGphỏng số sử (MPa)
dụng(mm)
phần mềm kết cấu
ANSYS v.14.0.
Số một
lớp
cacbon,
nf te pháp
175,0
Mô-đun đàn hồi của hỗn hợp cao su-sợi cacbon
(GPa)
40
Tổng
chiều dày lớp cao
su,
(mm)
90
r chọn loại phần tử
Lựatngang,
trong gối cách chấn theo 3.1.
phương
E
Hệlớp

số poisson
của gối,nµf
0,20
Số
sợi cacbon,
17quá trình làm việ
Cao su trong gối cách chấn có biến dạng lớn trong

Kích thước của3.gối
(mm)
Mô hình gối cách chấn và tải trọng
Thông
số
Đơn
vị
Số lớp cao
su, ne

su được mô hình bằng 3phần tử khối SOLID185 với 8 nút. Phần tử này có
3. Mô hình gối cách chấn vàhình
tải trọng
hóa vật liệu siêu đàn hồi và ứng xử biến dạng lớn của vật liệu. Sợ
cường được mô hình bằng phần tử khối SOLID46 với 8 nút và có khả n
Gối cách chấn đàn hồi cốt sợi không liên kết với kích thước nêu trên được khảo sát ứng xử ngang
3 một tấm. Chú ý rằng phần tử sợi cacbon được
trong
chịu đồng thời tải trọng thẳng nhiều
đứng cólớp
giámỏng
trị không

đổi và chuyển vị ngang vòng lặp dạng hàm điều
0 phương
hòa hình sin có giá trị độ lớn tăng
dầnvuông
đến 2,0t
bằng
phỏng
sử miêu
dụng phần
mềmHình 2. Ha
hướng
góc
(0
và 900)pháp
trongmômột
lớpsố
như
tả trong
r
kết cấu ANSYS v.14.0.
dày (coi như rất cứng) được mô hình ở đáy và đỉnh gối, để mô phỏng
3.1. Lựa chọn loại phần tử móng và phần thân công trình, cũng được mô hình bằng phần tử SOLID18

Cao su trong gối cách chấn có biến dạng lớn
trong quá trình làm việc. Ở đây, cao su được mô
hình bằng phần tử khối SOLID185 với 8 nút. Phần
tử này có khả năng mô hình hóa vật liệu siêu
đàn hồi và ứng xử biến dạng lớn của vật liệu. Sợi
cacbon gia cường được mô hình bằng phần tử khối
SOLID46 với 8 nút và có khả năng mô hình nhiều

lớp mỏng trong một tấm. Chú ý rằng phần tử sợi
cacbon được đan theo hai hướng vuông góc (0◦ và
Hình
2. Các
lớp và phương
củacacbon
sợi cacbon
trong
lớp
và phương
của sợi
trong
gối U-FREI
90◦ ) trong một lớp như miêu tả trong Hình 2.Hình
Hai 2. Các
gối U-FREI
tấm đế thép dày (coi như rất cứng) được
môU-FREI
hình
Do gối
đặt trực tiếp lên trên phần đài móng và dưới phần th

(các bệ đỡ) mà không có bất kì liên kết vật lý nào nên khi mô hình gối U
83 các phần tử tiếp xúc mặt-tới-mặt được sử dụng. Phầ
phần mềm ANSYS
CONTA173 được dùng để định nghĩa cho các mặt của lớp cao su ngoài c
cao su tiếp xúc với phần đài móng và phần thân công trình) và phần


Việt, V. Q., Thuyết, N. V. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

ở đáy và đỉnh gối, để mô phỏng cho phần đài móng và phần thân công trình, cũng được mô hình bằng
phần tử SOLID185.
Do gối U-FREI đặt trực tiếpTạp
lênchítrên
phần đài móng và dưới phần thân công trình (các bệ đỡ) mà
Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE
không có bất kì liên kết vật lý nào nên khi mô hình gối U-FREI trong phần mềm ANSYS các phần
tử tiếp xúc mặt-tới-mặt được sử dụng. Phần tử tiếp xúc CONTA173 được dùng để định nghĩa cho các
Cácsuthông
vật liệu
Bảng
được
dụngđài
để móng
mô hình
ANSYS.
mặt của lớp cao
ngoàisốcùng
(mặtcho
màtrong
cao su
tiếp1xúc
vớisửphần
và trong
phần thân
công trình)
Cao
su
trong

gối
U-FREI
có
ứng
xử
phi
tuyến
khi
chịu
chuyển
vị
lớn
nên
được
môtiếp xúc
và phần tử tiếp xúc TARGE170 được dùng để định nghĩa cho các mặt của hai đế thép ở vị trí
hìnhchấn.
bằng Mô
mô hình
siêu đàn hồi
và mô
hình để
vậttruyền
liệu đàn
Vậtcác
liệu
đàntiếp
hồixúc đến
với gối cách
hình vật

maliệu
sát Coulomb
được
sử dụng
lựcnhớt.
cắt từ
mặt
siêu
cao
dùng
để
mô
phỏng
các
vật
liệu
có
thể
chịu
biến
dạng
đàn
hồi
lớn
mà
vẫn
phục
các mặt mục tiêu với hệ số ma sát bằng 0,85.
hồi được. Vật liệu giống như cao su và nhiều vật liệu polymer khác thuộc loại này. Vật
3.2. Mô liệu

hìnhsiêu
vật đàn
liệu hồi có độ cứng thay đổi theo mức độ của ứng suất. Các nghiên cứu [8,9]
Các thông
số vật
liệu cho
Bảng 13-term
được sử
để mô
ANSYS.
trong gối
cho thấy
sử dụng
mô trong
hình Ogden
vàdụng
mô hình
ứnghình
xử trong
cắt đàn
nhớt đểCao
mô su
hình
U-FREI cho
có ứng
xử
phi
tuyến
khi
chịu

chuyển
vị
lớn
nên
được
mô
hình
bằng
mô
hình
vật
liệu
vật liệu cao su trong gối cách chấn là tương đối phù hợp. Trong nghiên cứu này,siêu đàn
hồi và mô
hình
liệu
đànmô
nhớt.
Vậtbằng
liệu đàn
hồi siêu
cao 3-term
dùng đểvàmô
có thể chịu
cao
su vật
cũng
được
hình
mô hình

Ogden
môphỏng
hình các
ứng vật
xử liệu
cắt đàn
biến dạng
đàn
hồi
lớn
mà
vẫn
phục
hồi
được.
Vật
liệu
giống
như
cao
su
và
nhiều
vật
liệu
polymer
nhớt với các thông số như sau:
khác thuộc loại này. Vật liệu siêu đàn hồi có độ cứng thay đổi theo mức độ của ứng suất. Các nghiên
2
2

μ1hình
= 1,89
× 1063-term
(N/m2);vàμ2mô
= 3600
); μcắt
-30000
); hình cho
3 =đàn
cứu [8, 9] choOgden
thấy sử(3-term):
dụng mô
Ogden
hình(N/m
ứng xử
nhớt(N/m
để mô
vật liệu cao su trong gối cách chấn
là tương
Trong nghiên cứu này, cao su cũng được mô
α1 = 1,3
; α2 đối
= 5 phù
; αhợp.
3 = -2 ;
hình bằng mô hình Ogden 3-term và mô hình ứng xử cắt đàn nhớt với các thông số như sau:
Mô hìnhµứng
xử cắt đàn nhớt: 2a1 = 0,3333; t1 = 0,04;
a2 = 0,3333; t2 = 100;
2

2
- Ogden (3-term):
1 = 1,89 × 106 (N/m ); µ2 = 3600 (N/m ); µ3 = −30000 (N/m ); α1 = 1,3; α2 =
5; α3 = −2;
3.3. Tải trọng
- Mô hình ứng xử cắt đàn nhớt: a1 = 0,3333; t1 = 0,04; a2 = 0,3333; t2 = 100.
Ứng xử ngang của gối U-FREI được khảo sát chịu đồng thời tải trọng thẳng đứng
giá trị không đổi và chuyển vị ngang vòng lặp. Tải trọng đứng thiết kế cho gối là
3.3. Tải có
trọng
kN (tương
ứngU-FREI
với áp lực
thẳng
lên bề
mặtthời
gốitải
là 5,6
MPa),
trong
Ứng 350
xử ngang
của gối
được
khảođứng
sát chịu
đồng
trọng
thẳngkhông
đứngđổi

có giá
trị không
suốt
quá
trình
điều
tra.
Tải
trọng
thẳng
đứng
đại
diện
cho
lực
dọc
tại
chân
cột
tác
đổi và chuyển vị ngang vòng lặp. Tải trọng đứng thiết kế cho gối là 350 kN (tương ứng với dụng
áp lực thẳng
gối cách
Chuyểnkhông
vị ngang
X dạng
hòatrọng
hình sin
theo
đứng lênvào

bề mặt
gối làchấn.
5,6 MPa),
đổi theo
trongphương
suốt quá
trình hàm
điều điều
tra. Tải
thẳng
đứng đại
trong
cáccột
tiêu
hànhcách
[10,11]
công trình
cách chấn
hai vòng
diện choquy
lực định
dọc tại
chân
tácchuẩn
dụng hiện
vào gối
chấn.vềChuyển
vị ngang
theo đáy,
phương

X dạng hàm
điều hòacho
hìnhmột
sin độ
theolớn
quy
định trong
các gán
tiêu vào
chuẩn
hiệnđếhành
vềcủa
công
chấn đáy,
chuyển
vị, được
phần
thép[10,
phía11]
trên
gốitrình
cáchcách
chấn.
hai vòngChuyển
cho mộtvịđộngang
lớn chuyển
vị,ởđược
vàochuyển
phần đế
của Hình

gối cách
chấn.
vòng lặp
một gán
độ lớn
vị thép
đượcphía
miêutrên
tả như
3. Chu
kỳChuyển
vị ngangcủa
vòng
lặp
ở
một
độ
lớn
chuyển
vị
được
miêu
tả
như
Hình
3.
Chu
kỳ
của
chuyển

vị
ngang lấy
chuyển vị ngang lấy bằng T = 1s (hay tần số f = 1 Hz) là phù hợp với chu kỳ trội
bằng T =của
1 lịch
s (hay
số fvị=thường
1 Hz) xảy
là phù
hợpvới
vớicác
chucông
kỳ trội
sửtrung
chuyển
thường
sử tần
chuyển
ra đối
trìnhcủa
dânlịch
dụng
và vị
thấp
tầng xảy ra
đối với các
công
trình
dân
dụng

trung
và
thấp
tầng
trong
thực
tế.
Giá
trị
độ
lớn
chuyển
vị
trong thực tế. Giá trị độ lớn chuyển vị ngang được tăng dần từ 0 mm đến 180 ngang
mm được
tăng dần(2,0t
từ 0 mm
đến
180
mm
(2,0t
).
Phần
chân
đế
thép
phía
dưới
được
giữ

cố
định.
r dưới được giữ cố định.
). Phần chân đế thép phía
r

Hình 3. Chuyển vị ngang ở một giá trị độ lớn gán vào gối U-FREI

84
5


(Font
chữ
trong
hình
Times
New
Roman,
không
viết
đậm)
(Font
chữ
trong
hình
Times
New
Roman,
không

viết
đậm)

3.4.
Kích
thước
lưới
chia
phần
tử tử
3.4.
Kích
thước
lưới
chia
phần
Ảnh
hưởng
củacủa
kích
thước
lưới
tửhọc
đến
kết
quả
phân
tích
Ảnh
hưởng

kích
thước
lưới
tử
đến
kết
quả
phân
tíchứng
ứngxửxửngang
ngang
Việt,
V.
Q.,
Thuyết,
N. chia
V. /chia
Tạpphần
chíphần
Khoa
Công
nghệ
Xây
dựng
củacủa
gối U-FREI
được
phân
tích
thông

qua
baba
cách
chia
sau:
(a)(a)
kích
thước
lưới
chia
lớn;
U-FREI
được
tích
thông
qua
cách
chia
sau:
kích
thước
lưới
chia
lớn;
3.4.gối
Kích
thước lưới
chiaphân
phần tử
(b)(b)

kích
thước
chia
nhỏ
vàvà
(c)(c)
kích
thước
lưới
chia
rấtrất
nhỏ.
Trong
cảcảbabacách
kích
thước
chia
nhỏ
kích
thước
lưới
chia
nhỏ.
Trong
cáchchia
chianày,
này,
Ảnh hưởng của kích thước lưới chia phần tử đến kết quả phân tích ứng xử ngang của gối U-FREI
cáccác
lớplớp

cao
su
đều
được
chia
theo
cả
phương
chiều
dày
vàlớn;
phương
lớp
cao
su
đều
được
chia
theo
cả
phương
chiều
dày
và
phương
nằmngang;
ngang;
lớp
được
phân

tích
thông
qua ba
cách
chia
sau:
(a)
kích thước
lưới
chia
(b) kíchnằm
thước
chia
nhỏcác
vàcác
(c)
kích
thước
rất nhỏ.
Trong
cảmỏng
ba cách
chiamm)
này,
các
lớp
cao
su
đều
được

chia
theonằm
cả
phương
sợisợi
cacbon
dolưới
cóchia
chiều
dày
khá
mỏng
(0,55
nên
chỉ
chia
theo
phương
ngang,
cacbon
do
có
chiều
dày
khá
(0,55
mm)
nên
chỉ
chia

theo
phương
nằm
ngang,
chiều dày và phương nằm ngang; các lớp sợi cacbon do có chiều dày khá mỏng (0,55 mm) nên chỉ
phương
chiều
dày nằm
không
chia.
Theo
đó,dày
ở không
cách
chia
(a),
(b),ở (c)
cao(c)sucác
phương
không
ở cách
chia
(a),
(c)các
cáclớp
lớp
suvàlớp
vàsợisợi
chia theochiều
phươngdày

ngang, chia.
phươngTheo
chiều đó,
chia.
Theo
đó,(b),
cách
chia
(a),
(b),cao
cacbon
chia
theo
phương
nằm
ngang
kích
thước
là là10
mm,
mm,
cao su
và
sợi
cacbon
chia theo
phương
nằm
ngang
kích lần

thước
lần
lượt
là10
10
mm,8 88
mm,
vàvàvà
cacbon
chia
theo
phương
nằm
ngang
kích
thước
lầnlượt
lượt
mm,
mm,66 mm;
6mm;
mm;
phương
chiều
dày
của
các
cao
sucao
chia

thành
2thành
phần.
Mô
gối
U-FREI
đã
chia
phần
tử theo
bachia
phương
chiều
dày
củacủa
cáclớp
lớp
cao
susu
chia
2 phần.
Mô
gối
U-FREI
đãđãchia
phương
chiều
dày
các
lớp

chia
thành
2hình
phần.
Môhình
hình
gối
U-FREI
cách chia trên được thể hiện như Hình 4.
phần
tử tử
theo
baba
cách
chia
trên
được
thểthể
hiện
như
Hình
4. 4.
phần
theo
cách
chia
trên
được
hiện
như

Hình

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE
(a) Kích thước lưới chia lớn
Kích
thước
lưới
chia
(a)(a)
Kích
thước
lưới
chia
lớnlớn

(b) Kích thước lưới chia vừa
Kích
thước
lưới
chia
vừa
(b)(b)
Kích
thước
lưới
chia
vừa

6 6

(c) Kích thước lưới chia rất nhỏ

(c) Kích thước lưới chia rất nhỏ
Hình 4. Kích thước các cách chia lưới gối U-FREI

Hình 4. Kích thước các cách chia lưới gối U-FREI
Kết quả chuẩn hóa ứng suất (tức là tỷ85số ứng suất với áp lực thẳng đứng) S33/p ở
lớp cao su và lớp sợi cacbon ở khoảng giữa chiều dày gối U-FREI theo phương chuyển
vị tại độ lớn 135 mm (1,50tr) của chuyển vị ngang được thể hiện trong các Hình 5 và 6.


Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE

Kết quả chuẩn hóa ứng suất (tức là tỷ số ứng suất với áp lực thẳng đứng) S33/p ở
lớp cao su và lớp sợi cacbon ở khoảng giữa chiều dày gối U-FREI theo phương chuyển
Q., Thuyết,
N. chuyển
V. / Tạp chí
học được
Công nghệ
vị tại độ lớn 135Việt,
mmV.(1,50t
vịKhoa
ngang
thể Xây
hiệndựng
trong các Hình 5 và
r) của
6.quả
Trong

cáchóa
hình
này,
chiều
là tỷ
vị đứng)
trí củaS điểm
đang xét với
Kết
chuẩn
ứng
suấtchuẩn
(tức làhóa
tỷ số
ứng rộng
suất với
áp lệ
lựcgiữa
thẳng
33 /p ở lớp cao su và lớp
chiều
rộng
gối
U-FREI
theo
phương
của
chuyển
vị
ngang.

Kết
quả
từ
các
hình
sợi cacbon ở khoảng giữa chiều dày gối U-FREI theo phương chuyển vị tại độ lớn 135 này
mmcho
(1,50tr )
của chuyển
vị ngang
thể hiện
và 6. Trong
cácU-FREI
hình này,
chuẩn
hóa chiều
rộng là
thấy rằng
ứng được
suất trong
lớptrong
cao các
su ởHình
giữa5chiều
dày gối
theo
phương
chuyển
tỷ lệ giữa
vị trí của

điểm
U-FREI
phương
của
chuyển
vị ngang
tại độ
lớnđang
135 xét
mmvới
có chiều
dạng rộng
biểu gối
đồ và
giá trịtheo
tương
tự như
nhau
với vị
cácngang.
cách Kết
quả từchia
các hình
này
cho
thấy
rằng
ứng
suất
trong

lớp
cao
su
ở
giữa
chiều
dày
gối
U-FREI
theo
lưới khác nhau. Tuy nhiên, ứng suất trong lớp sợi cacbon ở giữa chiều dày gối phương
Uchuyển vị ngang tại độ lớn 135 mm có dạng biểu đồ và giá trị tương tự như nhau với các cách chia
FREI theo phương chuyển vị ngang tại độ lớn 135 mm có giá trị đỉnh ứng suất nén
lưới khác nhau. Tuy nhiên, ứng suất trong lớp sợi cacbon ở giữa chiều dày gối U-FREI theo phương
các cách
chia
nhaucólàgiágần
chỉnén
khác
vềcác
dạng
biểu
trong
chuyểntheo
vị ngang
tại độ
lớnkhác
135 mm
trị như
đỉnh nhau,

ứng suất
theo
cách
chiađồ;
khác
nhauđó,
là gần
dạng
biểu
đồ
của
cách
chia
lưới
(c)
là
mịn
và
trơn
nhất.
Các
dạng
biểu
đồ
ứng
suất
của
như nhau, chỉ khác về dạng biểu đồ; trong đó, dạng biểu đồ của cách chia lưới (c) là mịn và trơn nhất.
cáchbiểu
chiađồ

lưới
(c)suất
tương
phù
hợp
với(c)
cáctương
kết quả
tíchvới
ứngcác
suất
gốiphân
U-FREI
Các dạng
ứng
củađối
cách
chia
lưới
đối phân
phù hợp
kếtvềquả
tích ứng
suất vềcủa
gốicác
U-FREI
của
các
nghiên
cứu

[12,
13].
Vì
vậy,
cách
chia
lưới
phần
tử
(c)
được
chọn
sử dụng
nghiên cứu [12,13]. Vì vậy, cách chia lưới phần tử (c) được chọn sử dụng
trong nghiên
cứu này.
trong nghiên
cứu này.

Khoa
nghệ
Xây
dựng
NUCE
5. Chuẩn
ứng
suất
S33học
/p
cao

su
giữa
chiều
dày theo
gối U-FREI
theo vị
Hình Hình
5. Chuẩn
hóa ứnghóa
suấtTạp
S 33chí
/p
ở lớp
caoởCông
sulớp
giữa
chiều
dày
gối
U-FREI
phương chuyển
tại
độ
lớn
135
mm
theo
các
cách
chia

khác
nhau
phương chuyển vị tại độ lớn 135 mm theo các cách chia khác nhau

7giữa
Hình Hình
6. Chuẩn
hóa ứnghóa
suấtứng
S 33 /p
sợiởcacbon
chiều giữa
dày gối
U-FREI
phương chuyển
6. Chuẩn
suấtở lớp
S33/p
lớp sợi
cacbon
chiều
dày theo
gối U-FREI
theo vị
tại
độ
lớn
135
mm
theo

các
cách
chia
khác
nhau
phương chuyển vị tại độ lớn 135 mm theo các cách chia khác nhau

Với cách chia lưới phần tử (c), lớp sợi cacbon chia lưới theo phương nằm ngang kích thước là 6
Với cách chia lưới phần tử (c), lớp sợi cacbon chia lưới theo phương nằm ngang
86 là 0,55 mm, tỷ lệ giữa chiều dài nhất và
kích thước là 6 mm, theo chiều dày kích thước
chiều ngắn nhất của phần tử là xấp xỉ 10,1 lần. Tỷ lệ này tuy lớn nhưng vẫn có thể
chấp nhận được trong phân tích mô hình số. Do bài toán trong nghiên cứu này phân
tích vật liệu làm việc trong miền phi tuyến và phân tích động nên yêu cầu về cấu hình


Việt, V. Q., Thuyết, N. V. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

mm, theo chiều dày kích thước là 0,55 mm, tỷ lệ giữa chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của phần tử
là xấp xỉ 10,1 lần. Tỷ lệ này tuy lớn nhưng vẫn có thể chấp nhận được trong phân tích mô hình số. Do
bài toán trong nghiên cứu này phân tích vật liệu làm việc trong miền phi tuyến và phân tích động nên
yêu cầu về cấu hình thiết bị và thời gian phân tích là tương đối lớn. Vì vậy, có thể coi cách chia lưới
phần tử (c) là hợp lý, phù hợp nhất trong ba cách chia cho phân tích bài toán ở nghiên cứu này.
3.5. Sự tách lớp giữa các lớp cao su và sợi cacbon trong gối U-FREI

Tạp

Đối với các gối cách chấn đa lớp thông thường, liên kết giữa các lớp lá thép với các lớp cao su
cần có kỹ thuật/công nghệ sản xuất và chất kết dính đặc biệt để trong quá trình làm việc gối cách
Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE

chấn không bị tách lớp. Ở gối cách chấn dạng này, chiều dày lớp lá thép cũng lớn hơn chiều dày lớp
sợi trong gối FREI nên việc tách lớp giữa các lớp lá thép và lớp cao su có thể xảy ra ở các chuyển vị
ngang có giá trị nhỏ.
nén này. Chuyển vị ngang vòng lặp có giá trị độ lớn tăng dần từ 20 mm
Tuy nhiên, đối với gối U-FREI, chiều dày lớp sợi là tương đối nhỏ (trong nghiên cứu này chiều
vòng lặp cho mỗi giá trị độ lớn của chuyển vị (như Hình 3). Trong thí
dày một lớp sợi cacbon là 0,55 mm), liên kết giữa các lớp sợi với các lớp cao su có độ bám dính tốt
vịthép
ngang
lớn lớp
nhất
mẫuliên
gốikếtcách
chấn
80 mm (nhỏ
hơn nhiều so với liên kết giữachuyển
các lớp lá
với các
caogán
su; vào
kỹ thuật
và hóa
chấtchỉ
đểlà
liên
chí
Khoa
học
Công
nghệ

Xây
dựng
NUCE
kết giữa các lớp sợi với các lớptrịcao
su cũng
đơn giản
nênphương
việc tách pháp
lớp giữa
lớp sợi
trong
nghiên
cứuhơn
bằng
môcáchình
số),vớilàcác
dolớp
mẫu gối các
cao su cũng ít xảy ra hơn. Hơnsử
nữa,
gối
FREI
làm
việc
trong
điều
kiện
không
liên
kết

nên
việc
tách
lớp
dụng vào công trình thực tế sau khi thí nghiệm nên yêu cầu mẫu gối c
giữa các lớp cao su và các lớp sợi xảy ra ở những chuyển vị ngang có giá trị lớn. Chẳng hạn như trong
phá hoại
trong
suốt
quá trình
thí nghiệm.
nghiên cứu [14], các mẫu gối bị
U-FREI
tách lớp
ở giá
trị chuyển
vị ngang
khoảng trên 2,75tr . Ở nghiên
cứu này, giá trị chuyển vị ngang lớn nhất xét đến là 2,0tr . Do vậy, mô hình gối U-FREI trong ANSYS
ở nghiên cứu này không xét đến (bỏ qua) khả năng tách lớp giữa lớp sợi cacbon với lớp cao su.

gang vòng lặp có giá trị độ lớn tăng dần từ 20 mm tới 80 mm, hai
trị độ lớn của chuyển vị (như Hình 3). Trong thí nghiệm, độ lớn
4. Kiểm chứng kết quả phân tích mô hình số
nhất gán
vào mẫu gối cách chấn chỉ là 80 mm (nhỏ hơn so với giá
Kết quả ứng xử ngang của gối U-FREI ở các chuyển vị nhỏ (≤ 80 mm) xác định từ kết quả phân
bằng phương
mômềm
hình

số),
dovớimẫu
sẽ kết
được
tích mô hìnhpháp
số bằng phần
ANSYS
đượclà
so sánh
kết quảgối
từ thí cách
nghiệm đểchấn
kiểm chứng
quả phân tích mô hình số.
h thực tế Mẫu
saugốikhi
thíthínghiệm
nên
cầu
mẫu
gối
cách
không
U-FREI
nghiệm: Hai mẫu
gối yêu
cách chấn
U-FREI
với các
thông

số hìnhchấn
học và thông
Hình
7. Mẫu
gốitrong
U-FREI
dùngđược
trong
nghiệm
số vật liệu như Bảng 1 được sản xuất. Hình ảnh mẫu gối
U-FREI
dùng
thí nghiệm
thểthí
hiện
t quá trình
thí7.nghiệm.
trong Hình

Hình 8. Mô hình thí nghiệm
ình 7. Mẫu gối U-FREI dùng trong thí nghiệm
Hình 7. Mẫu gối U-FREI dùng trong thí nghiệm

Hình 8. Mô hình thí nghiệm

Biến dạng của
87 mẫu gối U-FREI tại độ lớn 80 mm của chuyển vị ng
mô hình số và thí nghiệm được thể hiện trong Hình 9. Khi gối U-FREI
ngang, các mặt của lớp cao su ngoài cùng ở đáy và đỉnh gối có một phần
(không liên kết) với các mặt của các tấm thép để tạo ra biến dạng cuộn

Việt, V. Q., Thuyết, N. V. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

Mô hình thí nghiệm: Hai mẫu gối cách chấn được thí nghiệm ứng xử ngang trong phòng thí
nghiệm Kết cấu, Khoa Công trình, Học viện Công nghệ Guwahati - Ấn Độ. Mô hình thí nghiệm được
miêu tả trong Hình 8. Hai mẫu gối cách chấn được đặt chồng lên nhau theo phương đứng và ngăn cách
bởi một khung thép ở giữa. Các mẫu gối cách chấn được đặt trực tiếp lên các mặt của các tấm thép
phía dưới và phía trên mà không có bất kì một liên kết vật lý nào. Một bộ truyền động thủy lực được
liên kết với khung thép ở giữa hai mẫu gối cách chấn theo phương ngang. Chuyển vị ngang vòng lặp
dạng hàm điều hòa hình sin được truyền vào mẫu gối cách chấn thông qua bộ truyền động này. Toàn
bộ hệ thống nằm bên trong một máy nén thủy lực. Tải trọng thẳng đứng với giá trị không đổi bằng
350 kN được truyền vào hai mẫu gối cách chấn thông qua máy nén này. Chuyển vị ngang vòng lặp có
giá trị độ lớn tăng dần từ 20 mm tới 80 mm, hai vòng lặp cho mỗi giá trị độ lớn của chuyển vị (như
Hình 3). Trong thí nghiệm, độ lớn chuyển vị ngang lớn nhất gán vào mẫu gối cách chấn chỉ là 80 mm
(nhỏ hơn so với giá trị trong nghiên cứu bằng phương pháp mô hình số), là do mẫu gối cách chấn sẽ
được sử dụng vào công trình thực tế sau khi thí nghiệm nên yêu cầu mẫu gối cách chấn không bị phá
hoại trong suốt quá trình thí nghiệm.
Biến dạng của mẫu gối U-FREI tại độ lớn 80 mm của chuyển vị ngang xác định từ mô hình số và
thí nghiệm được thể hiện trong Hình 9. Khi gối U-FREI chịu chuyển vị ngang, các mặt của lớp cao
su ngoài cùng ở đáy và đỉnh gối có một phần không tiếp xúc (không liên kết) với các mặt của các tấm
thép để tạo ra biến dạng
Biến học
dạngCông
của gối
U-FREI
từ phân
tích mô hình số và thí nghiệm là
Tạpcuộn.
chí Khoa

nghệ
Xây dựng
NUCE
tương tự nhau.
Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE

(a) Từ phân tích mô hình số
(a) Từ phân
tích
mô tích
hìnhmô
số hình số
(a) Từ
phân

thí nghiệm
(b)(b)
TừTừ
thí
nghiệm
(b)
Từ
thí nghiệm

Hình 9. Biến dạngTạp
củachígối
U-FREI
tại nghệ
độ lớn
80dựng

mmNUCE
của chuyển vị ngang
Khoa
học
Hình 9. Biến
củadạng
gối của
U-FREI
tạiCông
độ
lớn
80
mm
vị ngang
Hìnhdạng
9. Biến
gối
U-FREI
tại Xây
độ
lớn
80của
mmchuyển
của chuyển
vị ngang

Hình
So sánh
vòng lặpxác
trễđịnh

của gối
U-FREI
xác hình
định số và từ thí nghiệm
Hình 10. So sánh vòng
lặp 10.
trễ của
gối U-FREI
từ phân
tích mô
từ phân tích mô hình số và từ thí nghiệm
Mối quan
hệ giữa
lực cắt
ngang
và 88
chuyển
ngang
gối U-FREI
định từ
Hình
10. So
sánh
vòng
lặp trễvịcủa
gốicủa
U-FREI
xácxác
định

Hình
lặp trễ
gối trong
U-FREI
định
phân
tích10.
mô So
hìnhsánh
số và vòng
thí nghiệm
đượccủa
thể hiện
Hình xác
11. Các
giá trị lực cắt

phân
tíchcắtmô
hìnhlớnsốnhất
và và
từ nhỏ
thí nghiệm
ngang trong Hình 11 từ
là giá
trị lực
ngang
nhất trong vòng lặp trễ
từ
phân

tích
mô
hình
số
và
từ
thí
nghiệm
(Hình 10) ứng với một giá trị độ lớn của chuyển vị ngang. Kết quả cho thấy mối quan

(Font chữ trong hình Times New Roman, không viết đậm, biến in nghiêng giống trong


Hình 10. So sánh vòng lặp trễ của gối U-FREI xác định
tích
mô
hình
vàhọc
từCông
thí nghiệm
Việt, V.từ
Q.,phân
Thuyết,
N. V.
/ Tạp
chí số
Khoa
nghệ Xây dựng
Mối
quan

lựcU-FREI
cắt ngang
chuyển
ngangvàcủa
gốitích
U-FREI
xácsốđịnh
từ trị
So sánh
vòng
lặphệ
trễgiữa
của gối
xácvà
định
từ thí vị
nghiệm
phân
mô hình
khi giá
độ lớn
chuyển
ngang
dầnthí
từ nghiệm
20 mm đến
80 thể
mm hiện
được trong
thể hiện

trong
lặp cắt
trễ thể
phân
tích vị
mô
hìnhtăng
số và
được
Hình
11.Hình
Các10.
giáVòng
trị lực
hiệnngang
mối quan
hệ
giữa
lực
cắt
ngang
và
chuyển
vị
ngang
trong
gối
cách
chấn.
Từ

Hình
10
cho
thấy
trong Hình 11 là giá trị lực cắt ngang lớn nhất và nhỏ nhất trong vòng lặp trễ sự
khác biệt giữa kết quả vòng lặp trễ từ thí nghiệm và phân tích mô hình số là rất nhỏ.
(Hình 10) ứng với một giá trị độ lớn của chuyển vị ngang. Kết quả cho thấy mối quan
Mối quan hệ giữa lực cắt ngang và chuyển vị ngang của gối U-FREI xác định từ phân tích mô
cắt ngang
và hiện
chuyển
ngang
định
từ phân
hìnhhệ
số giữa
và thílực
nghiệm
được thể
trongvịHình
11.của
Cácgối
giá U-FREI
trị lực cắtxác
ngang
trong
Hình tích
11 làmô
giá trị
hình

số
và
thí
nghiệm
là
tương
đối
phù
hợp.
lực cắt ngang lớn nhất và nhỏ nhất trong vòng lặp trễ (Hình 10) ứng với một giá trị độ lớn của chuyển
vị ngang. Kết
quả kết
cho quả
thấy so
mốisánh
quanvềhệbiến
giữadạng,
lực cắtvòng
nganglặp
vàtrễ
chuyển
vị ngang
gối U-FREI
Từ các
và mối
quan của
hệ giữa
lực cắt xác
định từ phân tích mô hình số và thí nghiệm là tương đối phù hợp.
ngang và chuyển vị ngang của gối U-FREI ở trên cho thấy rằng kết quả ứng xử ngang

Từ các kết quả so sánh về biến dạng, vòng lặp trễ và mối quan hệ giữa lực cắt ngang và chuyển
của gối
xác ởđịnh
phânrằng
tíchkết
môquả
hình
dụng của
phần
ANSYS
và từbằng
vị ngang
củaU-FREI
gối U-FREI
trênbằng
cho thấy
ứngsốxửsửngang
gốimềm
U-FREI
xác định
làsố
tương
đốiphần
phù mềm
hợp. ANSYS
Do vậy,vàmô
số đề làxuất
ở trên
là chính
xácvậy,

và mô
phânthí
tíchnghiệm
mô hình
sử dụng
từ hình
thí nghiệm
tương
đối phù
hợp. Do
hìnhđáng
số đềtin
xuất
trên làviệc
chính
xác tích
và đáng
trong
ứng
xửhồi
ngang
gối cách
cậyở trong
phân
ứng tin
xử cậy
ngang
củaviệc
gốiphân
cáchtích

chấn
đàn
cốt của
sợi dạng
chấnkhông
đàn hồiliên
cốtkết.
sợi dạng không liên kết.

Hình 11. So sánh
hệ giữa
lực quan
cắt ngang
và chuyển
vị ngang
U-FREI
định của
từ phân tích mô
Hìnhmối
11.quan
So sánh
mối
hệ giữa
lực cắt
ngangcủa
vàgối
chuyển
vịxác
ngang
hình số và từ thí nghiệm

gối U-FREI xác định từ phân tích mô hình số và từ thí nghiệm

5. Kết quả phân tích và bình luận
5. Kết quả phân tích và bình luận
5.1. Biến dạng của gối U-FREI

11
Biến dạng của gối U-FREI ở các giá trị độ lớn khác nhau của chuyển vị ngang được thể hiện trong
Hình 12. Khi gối cách chấn chịu chuyển vị ngang, các mặt của lớp cao su ngoài cùng của gối bắt đầu
tách rời với hai đế thép ở đáy và đỉnh gối để tạo ra biến dạng cuộn. Biến dạng cuộn là đặc trưng cơ bản
của gối cách chấn đàn hồi cốt sợi không liên kết. Từ Hình 12 cho thấy, khi giá trị độ lớn của chuyển
vị ngang tăng lên thì vùng biến dạng cuộn cũng tăng lên, đồng thời vùng lớp cao su ngoài cùng của
gối cách chấn tiếp xúc với các đế thép cũng giảm đi, điều này sẽ làm giảm độ cứng ngang hiệu dụng
của gối U-FREI. Khi giá trị độ lớn của chuyển vị ngang đạt đến một giá trị độ lớn nhất định, các mặt
bên (mặt hông) của gối U-FREI bắt đầu tiếp xúc với các đế thép. Đến một giá trị độ lớn nào đó của
chuyển vị ngang, toàn bộ mặt bên của gối U-FREI tiếp xúc hoàn toàn với các đế thép (Hình 12(d)).
Việc tiếp xúc giữa các mặt bên của gối U-FREI với các đế thép sẽ làm gia tăng lực cắt ngang và đồng
thời làm tăng độ cứng ngang của gối cách chấn. Các giai đoạn của quá trình ứng xử ngang của gối
U-FREI sẽ được trình bày chi tiết hơn ở mục tiếp theo.

89


5. Kết quả phân tích và bình luận
5. Kết quả phân tích và bình luận
Kết quả
phân
tích
và

bình
luận
5. 5.
Kết
phân
và
bình
luận
5.1.
Biếnquả
dạng
củatích
gốiU-FREI
U-FREI
5.1.
Biến
dạng
của
gối

5.1. Biến dạng của gối U-FREI
5.1. Biến
Biến dạng
của
dạngcủa
củagối
gốiU-FREI
U-FREIở ởcác
các giá trị độ lớn
khác nhau

của
chuyển
vị ngang
BiếnBiến
dạng
gối
U-FREI
chuyển
ngang
dạng của
gối
U-FREI ở cácgiágiátrịtrịđộđộlớn
lớnkhác
khác nhau
nhau của
của chuyển
vịvịngang
Biến
dạng
củaHình
gốiQ.,U-FREI
ở V.
các
giáchítrịKhoa
độ lớn
khácnghệ
nhauXây
của
chuyển vị ngang
Việt,

V.
Thuyết, N.
/ Tạp
học Công
dựng
đượcthể
thể
hiện
trong
12.
được
trong
Hình
12.
đượchiện
thể hiện
trong
Hình
12.
được thể hiện trong Hình 12.

(a)
mm)
rr (40
(a)uu=0,44t
=0,44t
0,44t
mm)
r (40
(a)

(40
mm)
(a)
mm)
(a)uuu===0,44t
0,44tr r(40
(40
mm)

(b)
mm)
rr (90
(b)
uu==1,00t
1,00t
mm)
(b)
=1,00t
1,00t
mm)
r (90
(b)
(90
mm)
r (90
(b)
uu==u
1,00t
r (90 mm)

(c) u = 1,50tr (135 mm)

(d) u = 2,00tr (180 mm)
uu
=2,00t
mm)
(d)
uu==
2,00t
mm)
rr (180
r (180
(d)(d)
(180
mm)
(d)
=2,00t
2,00t
mm)
r (180
Hình 12. Biến dạng của gối U-FREI tại các độ lớn khác nhau của chuyển vị ngang
Hình
12.
Biến
dạng
của
gối
U-FREI
tại
các

độ
lớn
khác
nhau
của
chuyển
ngang
Hình
12.
Biến
dạng
của
gối
U-FREI
các
độ
lớnlớn
khác
nhau
của
chuyển
vị
ngang
Hình
12.
Biến
dạng
của
gối
U-FREItại

tại
các
độđộ
lớn
khác
nhau
của
chuyển
vị vị
ngang
Hình
12.
Biến
dạng
của
gối
U-FREI
tại
các
khác
nhau
của
chuyển
vị ngang
Khi gối cách chấn chịu chuyển vị ngang, các mặt của lớp cao su ngoài cùng của
Khi
gốicách
cáchchấn
chấnchịu
chịuchuyển

chuyển vị
vị ngang,
ngang, các
mặt
của
lớp
cao
susungoài
cùng
củacủa
Khi
gối
mặt
của
lớpra
cao
ngoài
cùng
gối
bắt
đầucách
tách chấn
rời vớichịu
hai chuyển
đế thép ởvị
đáy
và các
đỉnh
gối
để của

tạo
biến
cuộn.
Biến
Khi
gối
ngang,
các
mặt
lớp
caodạng
su ngoài
cùng của
gối
bắt
đầu
tách
rời
với
hai
đế
thép
ở
đáy
và
đỉnh
gối
để
tạo
ra

biến
dạng
cuộn.
Biến
5.2. gối
Quan
hệ
giữa
lực
cắt
ngang
và
chuyển
vị
ngang
bắt
đầu
tách
rời
với
hai
đế
thép
ở
đáy
và
đỉnh
gối
để
tạo

ra
biến
dạng
cuộn.
BiếnBiến
dạng
cuộn
là
đặc
trưng
cơ
bản
của
gối
cách
chấn
đàn
hồi
cốt
sợi
không
liên
kết.
Từ
Hình
gốidạng
bắtcuộn
đầu làtách
rời
vớicơhai

đế
thép
ở đáy
vàđàn
đỉnh
gối
để
tạo
ra biến
dạng
cuộn.
đặc
trưng
bản
của
gối
cách
chấn
hồi
cốt
sợi
không
liên
kết.
Từ
Hình
dạng
cuộn
làlà
đặc

trưng
của
gối
chấn
đàn
hồi
cốt
sợigối
không
liên
kết.
Từ
Hình
12
cho
thấy,
khingang
giácơtrịbản
lớntrịcủa
chuyển
vị ngang
tăng
lên
thì
vùng
biến
dạng
Quan
hệ
giữa

lực
cắt
vàđộgiá
độ cách
lớn
chuyển
vịđàn
ngang
của
U-FREI
được
thểcuộn
hiệnHình
trong
dạng
cuộn
đặc
cách
hồi
cốt
không
kết.
Từ
12 cho
thấy,
khi trưng
giá trịcơ
độbản
lớn của
của gối

chuyển
vịchấn
ngang
tăng
lên
thìsợi
vùng
biếnliên
dạng
cuộn
cũng
tăng
lên,
đồng
thời
vùng
lớp
cao
su
ngoài
cùng
của
gối
cách
chấn
tiếp
xúc
với
các
khi

giá
trịtrịđộđộ
lớn
của
chuyển
vịnghệ
ngang
tăng
lênlên
thì thì
vùng
biếnbiến
dạng
cuộn
Hình12
13.cho
Lưuthấy,
ý rằng
trong
tích
kết
quả
mô
hình
số
bằng
ANSYS,
lực
cắt
ngang

trong
gối
U-FREI
Tạp
chí
Khoa
Xây dựng
NUCE
12
cho
thấy,
khi
giáphân
lớn
của
chuyển
vị
ngang
vùng
cũng
tăng
lên,
đồng
thời vùng
lớp
caohọc
suCông
ngoài
cùng
của tăng

gối
cách chấn
tiếp xúc
vớidạng
các cuộn
đượccũng
lấy bằng
tổng
của
tất
cả
các
lực
ngang
ở
tất
cả
các
nút
ở
tấm
thép
phía
trên
của
gối
cách
chấn.
đế
thép

cũng
giảm
đi,
điều
này
sẽ
làm
giảm
độ
cứng
ngang
hiệu
dụng
của
gối
U-FREI.
tăng lên, đồng thời vùng lớp cao su ngoài cùng của gối cách chấn tiếp xúc với các
cũng
tăngcũng
lên, giảm
đồngđi,
thời
vùng
lớp
caogiảm
su ngoài
cùng
củahiệu
gối dụng
cách của

chấngốitiếp
xúc với các
đế Khi
thép
điều
này
sẽ
làm
độ
cứng
ngang
U-FREI.
giá trịgiảm
độ lớn
chuyển
vị làm
ngang
đạt đến
một giá
trị độhiệu
lớn dụng
nhất định,
các mặt
bên
đế thép cũng
đi,của
điều
này sẽ
giảm
độ cứng

ngang
của gối
U-FREI.
giácũng
trị độgiảm
lớn
của
chuyển
vị
ngang
đạt
đến với
một
giáđế
trịngang
độ lớn
nhất
định,
các
mặt
bên
đếKhi
thép
đi,U-FREI
điều này
sẽđầu
làm
giảm
độ các
cứng

hiệu
dụng
của
gối
U-FREI.
(mặt
hông)
của
gối
bắt
tiếp
xúc
thép.
Đến
một
giá
trị
độ
lớn
nào
Khi giá trị độ lớn của chuyển vị ngang đạt đến một giá trị độ lớn nhất định, các mặt bên
(mặt
U-FREI
bắtvịđầu
tiếp xúc
đếgiá
thép.
mộtnhất
giá trị
độ lớn

Khi
giáhông)
trị độcủa
lớngối
của
chuyển
ngang
đạt với
đếncác
một
trịĐến
độ lớn
định,
cácnào
mặt bên
=1,50t
1,50t
(135
(c)u(c)
1,50t
(135mm)
mm)
(c)
mm)
r rr(135
(c)
uu==u=1,50t
mm)
r (135

(mặt hông) của gối U-FREI bắt đầu tiếp xúc với các đế thép. Đến một giá trị độ lớn nào
(mặt hông) của gối U-FREI bắt đầu tiếp xúc với các đế thép. Đến một giá trị độ lớn nào
12
12

12
12

Hình
hệ giữa
giữa lực
lực cắt
cắt ngang
ngang và
và chuyển
chuyểnvị
vịngang
ngangcủa
củagối
gốiU-FREI
U-FREI
Hình 13.
13. Quan
Quan hệ
Từ kết quả trong Hình 13, quá trình ứng xử ngang của gối U-FREI khi chịu

Từ kết chuyển
quả trong
Hình có
13,giá

quá
ngang
gốira U-FREI
khi đoạn.
chịu chuyển
vị ngang có
vị ngang
trị trình
độ lớnứng
tăngxửdần
có thểcủa
chia
thành 4 giai
Trong giai
giá trị độ lớn
tăng
có chuyển
thể chiavịracóthành
giai gối
đoạn.
Trongchưa
giaixuất
đoạnhiện
đầu,
ở các
đoạn
đầu,dần
ở các
giá trị4nhỏ,
U-FREI

biến
dạngchuyển
cuộn, vị có giá
trị nhỏ, gốicác
U-FREI
chưa
xuất
hiện
biến
dạng
cuộn,
các
mặt
cao
su
ngoài
cùng
của
gối
mặt cao su ngoài cùng của gối cách chấn vẫn tiếp xúc với các bệ đỡ. Ứngcách
xử chấn vẫn
tiếp xúc với
các của
bệ đỡ.
xử ngang
U-FREI
là tương
đối này.
tuyếnQuá
tính

trong
ngang
gối Ứng
U-FREI
là tươngcủa
đốigối
tuyến
tính trong
giai đoạn
trình
nàygiai
tiếp đoạn này.
Quá trình này
tiếp
diễn
đến
một
giá
trị
chuyển
vị
mà
ở
đó
các
lớp
cao
su
ngoài
cùng

của
gối U-FREI
diễn đến một giá trị chuyển vị mà ở đó các lớp cao su ngoài cùng của gối U-FREI bắt
bắt đầu tách
rời
các
bệ
đỡ
để
tạo
ra
biến
dạng
cuộn.
Giá
trị
chuyển
vị
đó
được
kí
hiệu
đầu tách rời các bệ đỡ để tạo ra biến dạng cuộn. Giá trị chuyển vị đó được kí hiệu là ulàr, ur , ở đây
ur = 18 mm
(0,20t
trị rchuyển
vịtrịtiếp
tục tăng
lên,
biếnvùng

dạngbiến
cuộn
cũng
tăng lên và
ở đây
ur =r ).18Khi
mmgiá
(0,20t
). Khi giá
chuyển
vị tiếp
tụcvùng
tăng lên,
dạng
cuộn
diện tích vùng
cao
su
ngoài
cùng
tiếp
xúc
với
các
đế
thép
cũng
giảm
xuống.
Điều

này
làm
cũng tăng lên và diện tích vùng cao su ngoài cùng tiếp xúc với các đế thép cũng giảm cho ứng
xử của gối xuống.
U-FREI
trở này
nên làm
phi cho
tuyến
vàxử
đồng
độ cứngtrở
ngang
gối U-FREI
Điều
ứng
củathời
gối U-FREI
nên của
phi tuyến
và đồngcũng
thời giảm
độ xuống.
Đến một giá
trị
độ
lớn
nhất
định
của

chuyển
vị,
kí
hiệu
là
u
,
các
mặt
bên
của
gối
U-FREI
bắt đầu
c
cứng ngang của gối U-FREI cũng giảm xuống. Đến một giá trị độ lớn nhất định của
tiếp xúc với các bệ đỡ, việc tiếp xúc này sẽ làm tăng lực cắt ngang của gối cách chấn tức là tăng độ
chuyển vị, kí hiệu là uc, các mặt bên của gối U-FREI bắt đầu tiếp xúc với các bệ đỡ,
cứng của gối U-FREI. Trong nghiên cứu này, uc = 126 mm (1,40tr ) gối U-FREI bắt đầu có sự tiếp
việc tiếp xúc này sẽ làm tăng lực cắt ngang của gối cách chấn tức là tăng độ cứng của
gối U-FREI. Trong nghiên cứu này, uc =90
126 mm (1,40tr) gối U-FREI bắt đầu có sự
tiếp xúc giữa các mặt bên và các bệ đỡ. Khi chuyển vị tiếp tục tăng lên, vùng tiếp xúc
giữa mặt bên của gối với các bệ đỡ càng tăng. Đến một giá trị rất lớn của chuyển vị, kí
hiệu là uf, toàn bộ mặt bên của gối tiếp xúc với các mặt của bệ đỡ. Ở đây, uf = 168 mm
(1,87tr hoặc 1,68h). Khi chuyển vị tiếp tục tăng lên (u > uf), biến dạng của gối không


Việt, V. Q., Thuyết, N. V. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

xúc giữa các mặt bên và các bệ đỡ. Khi chuyển vị tiếp tục tăng lên, vùng tiếp xúc giữa mặt bên của
gối với các bệ đỡ càng tăng. Đến một giá trị rất lớn của chuyển vị, kí hiệu là u f , toàn bộ mặt bên của
gối tiếp xúc với các mặt của bệ đỡ. Ở đây, u f = 168 mm (1,87tr hoặc 1,68h). Khi chuyển vị tiếp tục
tăng lên (u > u f ), biến dạng của gối không thay đổi, tức là toàn bộ mặt bên của gối tiếp xúc với các
mặt của bệ đỡ, nhưng độ lớn của lực cắt ngang tăng lên, tức là tăng độ cứng của gối U-FREI. Trong
giai đoạn chuyển vị tăng từ uc đến u f , độ cứng ngang của gối chịu ảnh hưởng của hai yếu tố: độ cứng
giảm xuống nhờ biến dạng cuộn và độ cứng tăng lên nhờ tiếp xúc giữa các mặt bên và các mặt của bệ
đỡ. Do đó, tồn tại một giá trị chuyển tiếp giữa sự giảm đi và tăng lên của độ cứng đó, kí hiệu là uh , ở
đây uh = 155 mm (1,70tr ). Khi u > uh việc tăng độ cứng của gối do tiếp xúc giữa các mặt bên và các
Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE
mặt của bệ đỡ bắt đầu vượt qua việc
giảm độ cứng do biến dạng cuộn. Theo [15], giá trị chuyển vị uh
được xem là giá trị chuyển vị lớn nhất có thể chịu được của hệ kết cấu sử dụng gối cách chấn đàn hồi
trị chuyển
vị lớn nhất có thể chịu được của hệ kết cấu sử dụng gối cách chấn đàn hồi
cốt sợi không
liên kết.
cốt sợi không liên kết.

5.3. Độ cứng
ngang
5.3. Độ
cứng ngang
Độ dốc củaĐộ
đường
quan
hệ giữa
chuyển
vị ngang
thể hiện

Hình 13 chính
dốc của
đường
quanlực
hệ cắt
giữangang
lực cắtvàngang
và chuyển
vị ngang
thểtrong
hiện trong
là độ cứngHình
tiếp13
tuyến
của
gối
cách
chấn.
Độ
cứng
tiếp
tuyến
của
gối
U-FREI
được
tính
chính là độ cứng tiếp tuyến của gối cách chấn. Độ cứng tiếp tuyến của gối U-toán từ kết
quả ANSYS
và được

được tính
thể hiện
kèm
các giá trị
ur , ukèm
và ucác
Hình 14. Như
c , uhtheo
f như
FREI
toán từ
kếttheo
quả ANSYS
và chuyển
được thểvịhiện
giá trong
trị chuyển
đã phân tích,
độ
cứng
của
gối
U-FREI
giảm
dần
khi
chuyển
vị
tăng
từ

không
đến
u
và
tăng dần khi
h giảm
vị ur, uc, uh và uf như trong Hình 14. Như đã phân tích, độ cứng của gối U-FREI
chuyển vị dần
tăngkhi
từ chuyển
uh đến vị
2,0t
r . từ không đến u và tăng dần khi chuyển vị tăng từ u đến 2,0t .
tăng
h

h

r

Hình
chuyển vị
vị ngang
ngang của
của gối
gối U-FREI
U-FREI
Hình14.
14. Quan
Quan hệ

hệ giữa
giữa độ
độ cứng
cứng tiếp
tiếp tuyến
tuyến và
và chuyển
Từ Hình 14 thấy rằng độ cứng tiếp tuyến của gối U-FREI luôn có giá trị dương

Từ Hình
thấy vịrằng
độ tăng
cứngtừtiếp
tuyến
gối
luôn
giá).trị
dương khi chuyển vị
khi 14
chuyển
ngang
không
đến của
giá trị
rấtU-FREI
lớn là 180
mmcó
(2,0t
r Theo [16], gối
ngang tăngU-FREI

từ không
đến giá trị rất lớn là 180 mm (2,0tr ). Theo
[16], gối U-FREI bị mất ổn định lật
bị mất ổn định lật tại giá trị chuyển vị ngang
nào đó (lớn hơn không) khi độ
tại giá trị chuyển vị ngang nào đó (lớn hơn không) khi độ cứng ngang tiếp tuyến của gối U-FREI về
cứng ngang tiếp tuyến của gối U-FREI về giá trị bằng không ở chuyển vị ngang đó.
giá trị bằng không ở chuyển vị ngang đó. Quan sát từ Hình 14 thấy rằng gối U-FREI không bị mất ổn
Quan sát từ Hình 14 thấy rằng gối U-FREI không bị mất ổn định lật ứng với tải trọng
định lật ứng với tải trọng đứng thiết kế (350 kN).
đứng thiết kế (350 kN).
6. Kết luận

6. Kết luận

Nghiên cứu này trình bày ứng xử ngang của gối cách chấn đàn hồi cốt sợi không

Nghiênliên
cứukếtnày
xửtảingang
gốiđứng
cáchkhông
chấn đàn
hồichuyển
cốt sợivịkhông
kết khi chịu
khitrình
chịu bày
đồngứng
thời

trọngcủa
thẳng
đổi và
ngangliên
vòng
đồng thời lặp
tải trọng
không
đổikhông
và chuyển
vịr ngang
vòngtích
lặpmô
có hình
giá trị
có giá thẳng
trị độ đứng
lớn tăng
dần từ
đến 2,0t
bằng phân
số.độ
Kếtlớn
quảtăng dần từ
không đếnphân
2,0trtích
bằng
phân
tích
mô

hình
số.
Kết
quả
phân
tích
cho
thấy
gối
U-FREI
có
ứng
cho thấy gối U-FREI có ứng xử ngang phi tuyến khi chịu chuyển vị nhỏ nhờ xử ngang
phi tuyến khi
chịudạng
chuyển
vị Ởnhỏ
dạng
cuộn.
các ngang
giá trị của
chuyển
vị nhỏ, giảm
độ cứng ngang
có biến
cuộn.
cácnhờ
giá có
trị biến
chuyển

vị nhỏ,
độỞcứng
gối U-FREI
của gối U-FREI
giảm
dần.
Khi
giá
trị
chuyển
vị
ngang
tăng
lên
đến
một
giá
trị
nhất
dần. Khi giá trị chuyển vị ngang tăng lên đến một giá trị nhất định, độ cứng ngang định,
của độ cứng
gối cách chấn tăng lên nhờ sự tiếp xúc giữa các mặt bên của gối U-FREI với các mặt
91
của các phần móng và phần thân công trình. Tồn tại một giá trị chuyển vị ngang (uh)
mà ở đó sự giảm độ cứng của gối U-FREI do biến dạng cuộn và sự tăng độ cứng của
gối cách chấn do tiếp xúc giữa các mặt bên của gối và các mặt của bệ đỡ là bằng nhau.


Việt, V. Q., Thuyết, N. V. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

ngang của gối cách chấn tăng lên nhờ sự tiếp xúc giữa các mặt bên của gối U-FREI với các mặt của
các phần móng và phần thân công trình. Tồn tại một giá trị chuyển vị ngang (uh ) mà ở đó sự giảm độ
cứng của gối U-FREI do biến dạng cuộn và sự tăng độ cứng của gối cách chấn do tiếp xúc giữa các
mặt bên của gối và các mặt của bệ đỡ là bằng nhau. Giá trị chuyển vị (uh ) được xem là giá trị chuyển
vị lớn nhất có thể chịu được của hệ kết cấu sử dụng gối cách chấn đàn hồi cốt sợi không liên kết.
Tài liệu tham khảo
[1] Kelly, J. M. (1999). Analysis of fiber-reinforced elastomeric isolators. Journal of Seismology and Earthquake Engineering, 2(1):19–34.
[2] Hedayati Dezfuli, F., Alam, M. S. (2014). Performance of carbon fiber-reinforced elastomeric isolators
manufactured in a simplified process: experimental investigations. Structural Control and Health Monitoring, 21(11):1347–1359.
[3] Strauss, A., Apostolidi, E., Zimmermann, T., Gerhaher, U., Dritsos, S. (2014). Experimental investigations
of fiber and steel reinforced elastomeric bearings: Shear modulus and damping coefficient. Engineering
Structures, 75:402–413.
[4] Thuyet, N. V., Dutta, A., Deb, S. K. (2017). Evaluation of horizontal stiffness of fibre-reinforced elastomeric isolators. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 46(11):1747–1767.
[5] Thuyet, N. V., Deb, S. K., Dutta, A. (2018). Effect of horizontal loading direction on performance of prototype square unbonded fibre reinforced elastomeric isolator. Structural Control and Health Monitoring,
25(3):e2112.
[6] Thuyet, N. V. (2018). Effect of shear modulus on the performance of prototype un-bonded fiber reinforced
elastomeric isolators. Journal of Science and Technology in Civil Engineering (STCE) - NUCE, 12(5):
10–19.
[7] Thuyết, N. V. (2018). Nghiên cứu ứng xử ngang của nguyên mẫu gối cách chấn đàn hồi cốt sợi không liên
kết. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 12(6):39–48.
[8] Ogden, R. W. (1972). Large deformation isotropic elasticity–on the correlation of theory and experiment
for incompressible rubberlike solids. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and
Physical Sciences, The Royal Society London, 326(1567):565–584.
[9] Holzapfel, G. A. (1996). On large strain viscoelasticity: continuum formulation and finite element applications to elastomeric structures. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 39(22):
3903–3926.
[10] ASCE/SEI 7-05 (2006). Minimum design load for buildings and other structure. American Society of
Civil Engineers, Virginia, USA.
[11] International Building Code.
[12] Toopchi-Nezhad, H., Tait, M. J., Drysdale, R. G. (2011). Bonded versus unbonded strip fiber reinforced
elastomeric isolators: finite element analysis. Composite Structures, 93(2):850–859.

[13] Osgooei, P. M., Tait, M. J., Konstantinidis, D. (2014). Finite element analysis of unbonded square fiberreinforced elastomeric isolators (FREIs) under lateral loading in different directions. Composite Structures, 113:164–173.
[14] de Raaf, M. G. P., Tait, M. J., Toopchi-Nezhad, H. (2011). Stability of fiber-reinforced elastomeric bearings in an unbonded application. Journal of Composite Materials, 45(18):1873–1884.
[15] Toopchi-Nezhad, H., Tait, M. J., Drysdale, R. G. (2008). Testing and modeling of square carbon fiberreinforced elastomeric seismic isolators. Structural Control and Health Monitoring, 15(6):876–900.
[16] Kelly, J. M., Calabrese, A. (2012). Mechanics of fiber reinforced bearings. PEER Report, Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, USA.

92