Phân tích động lực học công trình chịu tải trọng động đất sử dụng hệ cô lập móng trượt phục hồi thông minh (srsbis)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

LÊ HẢI ĐĂNG

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CHỊU TẢI
TRỌNG ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG HỆ CƠ LẬP MĨNG TRƢỢT
PHỤC HỒI THƠNG MINH (SRSBIS)
Chun ngành : Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số ngành

: 60 58 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM, 12 - 2014


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học:
Cán bộ hƣớng dẫn: TS. Lƣơng Văn Hải

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Sỹ Lâm
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Đào Đình Nhân
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
vào ngày 23 tháng 01 năm 2015.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS. TS. Đỗ Kiến Quốc
2. TS. Nguyễn Sỹ Lâm
3. TS. Đào Đình Nhân
4. TS. Nguyễn Văn Hiếu
5. TS. Nguyễn Hồng Ân
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS. TS. Đỗ Kiến Quốc


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: LÊ HẢI ĐĂNG

MSHV: 12210234

Ngày, tháng, năm sinh: 29/12/1989

Nơi sinh: Cà Mau

Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp

Mã số: 605820

I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích động lực học kết cấu cơng trình chịu tải trọng
động đất sử dụng hệ cơ lập móng trƣợt phục hồi thông minh (SRSBIS)
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Thiết lập các phƣơng trình động học cho hệ SRSBIS chịu tải trọng động đất.
2. Lập trình tính tốn bằng chƣơng trình Mathlab để giải các ví dụ số cụ thể, với
các thông số của kết cấu và hệ cô lập đã đƣợc xác định trƣớc.
3. Khảo sát sự thay đổi ứng xử của kết cấu đƣợc cơ lập móng với SRSBIS khi thay
đổi các thông số của hệ cô lập SRSBIS.
4. So sánh ứng xử kết cấu của hệ đƣợc cô lập bằng SRSBIS với hệ đƣợc cô lập
bằng mặt lõm ma sát (FPS) khi chúng có cùng các thơng số thiết kế, từ đó rút ra
các kết luận và đánh giá mức độ hiệu quả của hệ cơ lập móng SRSBIS.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 18/08/2014

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 07/12/2014
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. Lƣơng Văn Hải
TP. HCM, ngày tháng năm 201

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. Lƣơng Văn Hải
TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

i

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS. Lƣơng
Văn Hải. Thầy đã hƣớng dẫn giúp tơi hình thành nên ý tƣởng của đề tài, hƣớng dẫn
tôi các phƣơng pháp tiếp cận nghiên cứu. Thầy cũng đã có nhiều ý kiến đóng góp
q báu và giúp đỡ tơi rất nhiều trong suốt chặng đƣờng thực hiện luận văn vừa
qua.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trƣờng
Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi
trong suốt khóa học Cao học vừa qua.
Mặc dù bản thân đã rất cố gắng nỗ lực trong nghiên cứu và hoàn thành luận văn
này, tuy nhiên khơng thể khơng có những thiếu sót nhất định. Vì thế kính mong q
Thầy Cơ chỉ dẫn thêm để tơi bổ sung và hồn thiện luận văn này một cách tốt nhất
có thể và từ đó tích lũy những kinh nghiệm q báu cho bản thân.
Xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô.
TP. HCM, ngày tháng năm 201

Lê Hải Đăng


ii

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hệ cơ lập móng (Base Isolation System – BIS) hay còn gọi là hệ cách chấn đáy, là
một thiết bị vô cùng quan trọng đối với các cơng trình ở những vùng thƣờng xun
xảy ra động đất. Bởi hiệu quả của BIS đã đƣợc chứng minh qua các cơng trình
nghiên cứu và ứng dụng của BIS trong các cơng trình thực tế. Hệ cơ lập móng trƣợt
phục hồi thơng minh (Smart Restorable Sliding Base Isolation System – SRSBIS) là

một loại hệ cơ lập móng trong số các loại hệ cơ lập móng đã đƣợc biết đến nhƣng
đây là hệ còn khá mới mẻ, chỉ vừa mới đƣợc đề xuất và nghiên cứu phát triển trong
những năm gần đây. SRSBIS làm việc thông qua sự kết hợp của gối trƣợt phẳng ma
sát (Flat Sliding Bearing – FSB) và dây đƣợc làm bằng hợp kim nhớ hình dạng
(Shape Memory Alloy – SMA). Trong đó FSB có tác dụng chịu toàn bộ tải trọng
đứng do trọng lƣợng của cơng trình bên trên gây ra, ngồi ra FSB sẽ cho phép cơng
trình bên trên trƣợt trên mặt trƣợt của gối để làm giảm ảnh hƣởng của động đất tác
động lên kết cấu cơng trình và lực ma sát do sự trƣợt tại gối sẽ tiêu tán một phần
năng lƣợng của động đất. Cịn dây SMA trong SRSBIS có tác dụng tạo ra một độ
cứng ngang cần thiết cho cả hệ, giúp hệ kiểm soát đƣợc chuyển vị tối đa của cơng
trình ở một mức độ cơ lập nhất định cũng nhƣ giúp cơng trình phục hồi lại vị trí ban
đầu sau khi động đất kết thúc. Các khảo sát đƣợc thực hiện trong Luận văn này bao
gồm khảo sát ứng xử của các cơng trình khác nhau đƣợc trang bị SRSBIS, trong đó
các thơng số thiết kế của SRSBIS cũng đƣợc thay đổi để xem xét ảnh hƣởng của các
thơng số đó lên ứng xử của cơng trình. Sau cùng tiến hành so sánh hiệu quả làm
việc của SRSBIS và hệ cô lập mặt lõm ma sát (Friction Pendulum System – FPS)
khi cả hai hệ lần lƣợt đƣợc trang bị cho cùng một cơng trình với các thơng số thiết
kế của hai hệ cô lập là giống nhau. Từ các kết quả khảo sát có đƣợc tác giả nhận
thấy rằng SRSBIS là một hệ cơ lập móng có hiệu quả trong việc giảm tác động do
các trận động đất gây ra cho cơng trình và có thể ứng dụng đƣợc trong thực tế để
bảo vệ các cơng trình ở những khu vực thƣờng xuyên xảy ra động đất.


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tơi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của
Thầy TS. Lƣơng Văn Hải.
Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chƣa đƣợc công bố ở các nghiên
cứu khác.

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.
TP. HCM, ngày tháng năm 201

Lê Hải Đăng


iv

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ........................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .............................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................xii
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT.............................................................................. xiii
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 16
1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................... 16
1.2 Các loại gối cơ lập ........................................................................................ 19
1.3 Tình hình nghiên cứu ................................................................................... 21
1.3.1 Các cơng trình nghiên cứu trong nƣớc ..............................................21
1.3.2 Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới ............................................22
1.4 Mục tiêu và hƣớng nghiên cứu .................................................................... 27
1.5 Luận văn ....................................................................................................... 28
CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ HỆ SRSBIS.......................................................... 29
2.1 Hệ SRSBIS ................................................................................................... 29
2.2 Gối trƣợt phẳng (FSB) ................................................................................. 31
2.3 Hợp kim nhớ hình dạng (SMA) ................................................................... 31
CHƢƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 36

3.1 Các giả định trong mô hình tính tốn........................................................... 36
3.2 Phƣơng trình động học của hệ ngàm cứng ở móng ..................................... 37
3.3 Phƣơng trình động học của hệ có cơ lập móng dạng tổng qt ................... 38
3.3.1 Hệ 1 bậc tự do (SDOF) .....................................................................38
3.3.2 Hệ nhiều bậc tự do (MDOF) .............................................................39
3.4 Thiết kế sơ bộ SRSBIS ................................................................................ 43


v
3.5 Phƣơng pháp Newmark................................................................................ 44
3.6 Các bƣớc tính tốn bằng phƣơng pháp Newmark trong Luận văn .............. 46
3.6.1 Cơng trình ngàm cứng ở móng .........................................................47
3.6.2 Cơng trình đƣợc cơ lập móng với FPS ..............................................47
3.6.3 Cơng trình đƣợc cơ lập móng với SRSBIS .......................................48
3.7 Lập trình và lƣu đồ tính tốn ........................................................................ 48
CHƢƠNG 4. CÁC VÍ DỤ SỐ ................................................................................ 51
4.1 Kiểm tra ứng xử của các cơng trình có trang bị hệ cơ lập móng
SRSBIS với các thơng số thiết kế của hệ cơ lập khác nhau ......................... 53
4.1.1 Bài tốn 1: Cơng trình 1 tầng ............................................................54
4.1.2 Bài tốn 2: Cơng trình 3 tầng ............................................................58
4.1.3 Bài tốn 3: Cơng trình 5 tầng ............................................................69
4.1.4 Bài tốn 4: Cơng trình 10 tầng ..........................................................78
4.2 Bài toán so sánh: So sánh hiệu quả của SRSBIS và FPS ............................ 85
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 108
5.1 Kết luận ...................................................................................................... 108
5.2 Kiến nghị .................................................................................................... 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 111
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 116
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................................... 129

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Trận động đất ở Tứ Xuyên (2008) .........................................................16

Hình 1.2.

Trận động đất ở Haiti (2010) .................................................................17

Hình 1.3.

Trận động đất ở Northridge (1994) ........................................................17

Hình 1.4.

Trận động đất ở Kobe (1995) .................................................................18

Hình 1.5.

Trận động đất ở Chuetsu (2004) ............................................................18

Hình 1.6.

Ứng xử của cơng trình bình thƣờng (a) và có cơ lập móng (b) .............19

Hình 1.7.

Gối cao su tự nhiên hay nhân tạo cản thấp (LDNRB) ...........................20

Hình 1.8.

Gối cao su lõi chì (LRB) ........................................................................20

Hình 1.9.

Gối mặt lõm ma sát (FPS) ......................................................................21

Hình 1.10. Gối trƣợt phẳng (FSB) ...........................................................................21
Hình 1.11. Gối trƣợt phẳng (FSB) làm việc kết hợp với gối cao su tự nhiên
cản cao (HDNRB) trong cơng trình thực tế ...........................................23
Hình 1.12. Hệ cơ lập móng đƣợc đề xuất bởi Choi et al. (2006) [3] .......................23
Hình 1.13. Hệ cơ lập móng đƣợc đề xuất bởi Shook et al. (2008) [4].....................24
Hình 1.14. Hệ cơ lập móng đƣợc đề xuất bởi Dezfuli và Alam (2013) [5] .............24
Hình 1.15. Hệ cơ lập móng đƣợc đề xuất bởi Casciati et al. (2007) [6] ..................25
Hình 1.16. Hệ cơ lập móng đƣợc đề xuất bởi Xue và Li (2007) [7]........................25
Hình 1.17. Hệ cơ lập móng đƣợc đề xuất bởi Attanasi và Auricchio (2011) [8] ....26
Hình 2.1.

Hệ SRSBIS khi đƣợc trang bị cho cơng trình ........................................29

Hình 2.2.

Các thành phần của SRSBIS-v đơn vị ...................................................30

Hình 2.3.

Biểu đồ thể hiện đặc tính siêu đàn hồi và nhớ hình dạng của hợp

kim nhớ hình dạng (Rofooei et al., 2011 [17]) ......................................34

Hình 2.4.

Các trạng thái biến đổi của hợp kim nhớ hình dạng theo nhiệt độ ........34

Hình 2.5.

Hình dạng của tinh thể trong quá trình biến đổi (a), (b), (c) và một
thực nghiệm về khả năng ghi nhớ hình dạng (d) của hợp kim nhớ
hình dạng ................................................................................................35

Hình 3.1.

Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của hệ số ma sát  vào vận tốc trƣợt ....36


vii

Hình 3.2.

Mơ hình hệ một bậc tự do (SDOF) có cơ lập móng ..............................38

Hình 3.3.

Mơ hình hệ nhiều bậc tự do (MDOF) đƣợc cơ lập móng ......................39

Hình 3.4.

Giá trị của hàm dấu ................................................................................42

Hình 3.5.

Biến dạng của dây nhớ hình dạng và các thành phần lực tƣơng ứng ....43

Hình 3.6.

Lƣu đồ tính tốn cho cơng trình bị ngàm cứng ở móng ........................49

Hình 3.7.

Lƣu đồ tính tốn cho cơng trình đƣợc cơ lập móng với SRSBIS ..........50

Hình 4.1.

Biểu đồ gia tốc nền của trận Elcentro (1940) ........................................52

Hình 4.2.

Biểu đồ gia tốc nền của trận Northridge (1994) ....................................52

Hình 4.3.

Biểu đồ gia tốc nền của trận Kobe (1995) .............................................53

Hình 4.4.

Biểu đồ gia tốc nền của trận Hachinohe (1968).....................................53

Hình 4.5.

Mơ hình cơng trình 1 tầng đƣợc trang bị SRSBIS .................................54

Hình 4.6.

Đáp ứng chuyển vị, gia tốc của cơng trình 1 tầng ứng với trận
Elcentro ..................................................................................................55

Hình 4.7.

Đáp ứng chuyển vị, gia tốc của cơng trình 1 tầng ứng với trận
Northridge ..............................................................................................55

Hình 4.8.

Đáp ứng chuyển vị, gia tốc của cơng trình 1 tầng ứng với trận
Kobe .......................................................................................................56

Hình 4.9.

Đáp ứng chuyển vị, gia tốc của cơng trình 1 tầng ứng với trận
Hachinohe ..............................................................................................56

Hình 4.10. Mơ hình cơng trình 3 tầng đƣợc trang bị SRSBIS .................................58
Hình 4.11. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 3 tầng chịu
trận động đất Elcentro ...........................................................................61
Hình 4.12. Sự thay đổi gia tốc ở các tầng theo tỉ số lực rp (a), theo hệ số ma
sát  (b) của công trình 3 tầng chịu trận động đất Elcentro ..................61
Hình 4.13. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 3 tầng chịu
trận động đất Northridge .......................................................................62

Hình 4.14. Sự thay đổi chuyển vị (a), gia tốc (b) ở các tầng theo rp của cơng
trình 3 tầng chịu trận động đất Northridge ............................................63
Hình 4.15. Sự thay đổi chuyển vị (a), gia tốc (b) ở các tầng theo hệ số ma sát
 của cơng trình 3 tầng chịu trận động đất Northridge..........................63


viii
Hình 4.16. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 3 tầng chịu
trận động đất Kobe ................................................................................64
Hình 4.17. Sự thay đổi chuyển vị (a), gia tốc (b) ở các tầng theo rp của cơng
trình 3 tầng chịu trận động đất Kobe .....................................................64
Hình 4.18. Sự thay đổi chuyển vị (a), gia tốc (b) ở các tầng theo hệ số ma sát
 của cơng trình 3 tầng chịu trận động đất Kobe ..................................65

Hình 4.19. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 3 tầng chịu
trận động đất Hachinohe .......................................................................65
Hình 4.20. Sự thay đổi chuyển vị (a), gia tốc (b) ở các tầng theo rp của cơng
trình 3 tầng chịu trận động đất Hachinohe .............................................66
Hình 4.21. Sự thay đổi chuyển vị (a), gia tốc (b) ở các tầng theo hệ số ma sát
 của công trình 3 tầng chịu trận động đất Hachinohe ..........................66

Hình 4.22. Độ trôi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của công trình 3 tầng chịu trận động đất Elcentro ..................67
Hình 4.23. Độ trôi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của công trình 3 tầng chịu trận động đất Northridge ..............67
Hình 4.24. Độ trôi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của công trình 3 tầng chịu trận động đất Kobe .......................68
Hình 4.25. Độ trôi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của công trình 3 tầng chịu trận động đất Hachinohe ..............68
Hình 4.26. Mơ hình cơng trình 5 tầng đƣợc trang bị SRSBIS .................................69

Hình 4.27. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 5 tầng chịu
trận động đất Elcentro ...........................................................................72
Hình 4.28. Sự thay đổi chuyển vị (a), gia tốc (b) ở các tầng theo hệ số ma sát
 của cơng trình 5 tầng chịu trận động đất Elcentro..............................73

Hình 4.29. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 5 tầng chịu
trận động đất Northridge .......................................................................73
Hình 4.30. Sự thay đổi gia tốc ở các tầng theo rp (a), theo  (b) của cơng trình
5 tầng chịu trận động đất Northridge .....................................................74


ix
Hình 4.31. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 5 tầng chịu
trận động đất Kobe ................................................................................74
Hình 4.32. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 5 tầng chịu
trận động đất Hachinohe .......................................................................75
Hình 4.33. Độ trơi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của cơng trình 5 tầng chịu trận động đất Elcentro ..................76
Hình 4.34. Độ trơi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của cơng trình 5 tầng chịu trận động đất Northridge ..............76
Hình 4.35. Độ trơi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của cơng trình 5 tầng chịu trận động đất Kobe .......................77
Hình 4.36. Độ trơi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của cơng trình 5 tầng chịu trận động đất Hachinohe ..............77
Hình 4.37. Mơ hình cơng trình 10 tầng đƣợc trang bị SRSBIS ...............................78
Hình 4.38. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 10 tầng chịu
trận động đất Elcentro ...........................................................................81
Hình 4.39. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 10 tầng chịu
trận động đất Northridge .......................................................................81
Hình 4.40. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 10 tầng chịu

trận động đất Kobe ................................................................................82
Hình 4.41. Đáp ứng chuyển vị (a) và gia tốc (b) của cơng trình 10 tầng chịu
trận động đất Hachinohe .......................................................................83
Hình 4.42. Độ trơi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của cơng trình 10 tầng chịu trận động đất Elcentro ................83
Hình 4.43. Độ trơi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của cơng trình 10 tầng chịu trận động đất Northridge ............84
Hình 4.44. Độ trơi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của cơng trình 10 tầng chịu trận động đất Kobe .....................84
Hình 4.45. Độ trơi dạt tầng ứng với các trƣờng hợp khi thay đổi rp (a) và thay
đổi  (b) của cơng trình 10 tầng chịu trận động đất Hachinohe ............84


x
Hình 4.46. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Elcentro ứng
với hệ số ma sát   0.02 ........................................................................86
Hình 4.47. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Elcentro ứng
với hệ số ma sát   0.03 ........................................................................87
Hình 4.48. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Elcentro ứng
với hệ số ma sát   0.04 ........................................................................88
Hình 4.49. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của công trình chịu trận động đất Elcentro ứng
với hệ số ma sát   0.05 ........................................................................89
Hình 4.50. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Elcentro ứng
với hệ số ma sát   0.06 ........................................................................90
Hình 4.51. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị

tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Northridge
ứng với hệ số ma sát   0.02 .................................................................92
Hình 4.52. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Northridge
ứng với hệ số ma sát   0.03 .................................................................93
Hình 4.53. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Northridge
ứng với hệ số ma sát   0.04 .................................................................94
Hình 4.54. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của công trình chịu trận động đất Northridge
ứng với hệ số ma sát   0.05 .................................................................95
Hình 4.55. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Northridge
ứng với hệ số ma sát   0.06 .................................................................96


xi
Hình 4.56. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Kobe ứng với
hệ số ma sát   0.02 ..............................................................................97
Hình 4.57. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Kobe ứng với
hệ số ma sát   0.03...............................................................................98
Hình 4.58. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Kobe ứng với
hệ số ma sát   0.04 ..............................................................................99
Hình 4.59. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Kobe ứng với
hệ số ma sát   0.05.............................................................................100
Hình 4.60. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị

tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Kobe ứng với
hệ số ma sát   0.06 ............................................................................101
Hình 4.61. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của công trình chịu trận động đất Hachinohe
ứng với hệ số ma sát   0.02 ...............................................................103
Hình 4.62. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Hachinohe
ứng với hệ số ma sát   0.03 ...............................................................104
Hình 4.63. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Hachinohe
ứng với hệ số ma sát   0.04 ...............................................................105
Hình 4.64. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Hachinohe
ứng với hệ số ma sát   0.05 ...............................................................106
Hình 4.65. Đáp ứng lực cắt đáy max (a), độ trôi dạt tầng max (b), chuyển vị
tầng base max (c) của cơng trình chịu trận động đất Hachinohe
ứng với hệ số ma sát   0.06 ...............................................................107


xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Thành phần hóa học và nhiệt độ biến đổi của một số hợp kim nhớ
hình dạng (Alam, 2007 [10]) .................................................................32
Bảng 2.2. Các thơng số cơ bản của một số loại hợp kim nhớ hình dạng
(Dezfuli et al., 2013 [11]) ......................................................................33
Bảng 4.1. Các trận động đất sử dụng trong các ví dụ số ........................................52
Bảng 4.2. Tóm tắt các thơng số Bài tốn 1 ............................................................54
Bảng 4.3. Kết quả đáp ứng của cơng trình 1 tầng ..................................................57
Bảng 4.4. Tóm tắt các thơng số Bài tốn 2 ............................................................58

Bảng 4.5. Độ giảm (%) đáp ứng của cơng trình 3 tầng khi thay đổi tỉ số lực rp ....59
Bảng 4.6. Độ giảm (%) đáp ứng của cơng trình 3 tầng khi thay đổi hệ số ma
sát  ........................................................................................................59
Bảng 4.7. Độ giảm (%) độ trơi dạt tầng max của cơng trình 3 tầng khi thay
đổi hệ số ma sát  ..................................................................................69
Bảng 4.8. Tóm tắt các thơng số Bài tốn 3 ............................................................70
Bảng 4.9. Độ giảm (%) đáp ứng của cơng trình 5 tầng khi thay đổi tỉ số lực rp ....70
Bảng 4.10. Độ giảm đáp ứng của cơng trình 5 tầng khi thay đổi hệ số ma sát  ....71
Bảng 4.11. Độ giảm (%) trơi dạt tầng max của cơng trình 5 tầng khi thay đổi
hệ số ma sát  ........................................................................................78
Bảng 4.12. Tóm tắt các thơng số Bài tốn 4 ............................................................79
Bảng 4.13. Độ giảm (%) đáp ứng của cơng trình 10 tầng khi thay đổi tỉ số lực
rp .............................................................................................................79

Bảng 4.14. Độ giảm (%) đáp ứng của cơng trình 10 tầng khi thay đổi hệ số ma
sát  ........................................................................................................80
Bảng 4.15. Độ giảm (%) trơi dạt tầng max của cơng trình 10 tầng khi thay đổi
hệ số ma sát  ........................................................................................85


xiii

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
SRSBIS

Hệ cô lập móng trƣợt phụ hồi thơng minh (Smart Restorable Sliding
Base Isolation System)

FSB

Hệ gối trƣợt phẳng (Flat Sliding Bearing)

SMA

Hợp kim nhớ hình dạng (Shape memory Alloy)

FPS

Hệ mặt lõm ma sát (Friction Pendulum System)

EB

Gối đàn hồi (Elastomeric Bearing)

SB

Gối trƣợt (Sliding Bearing)

LDNRB

Gối cao su tự nhiên cản thấp (Low Damping Natural Rubber
Bearing)

HDNRB

Gối cao su tự nhiên cản cao (High Damping Natural Rubber
Bearing)

LRB

Gối cao su lõi chì (Lead Rubber Bearing)

VD

Cản nhớt (Viscous Damping)

TMD

Cản điều khiển khối lƣợng (Tuned Mass Damper)

TLCD

Cản điều khiển cột chất lỏng(Tuned Liquid Column Damper)

BIS

Hệ cô lập (Base Isolation System)

PGA

Đỉnh gia tốc nền (Peak Ground Acceleration)

FPB

Gối mặt lõm ma sát (Friction Pendulum Bearing)

MRD

Cản lƣu biến từ (Magnetorheological Damper)

PGA

Đỉnh gia tốc nền (Peak Ground Acceleration)

SDOF

Một bậc tự do (Single Degree of Freedom)

MDOF

Nhiều bậc tự do (Multi Degree of Freedom)

IS

Hệ cô lập (Isolation System)

BIS

Hệ cơ lập móng (Base Isolation System)


xiv

Ma trận và véc tơ
Mf

Ma trận khối lƣợng tổng thể của kết cấu bị ngàm cứng

Cf

Ma trận cản tổng thể của kết cấu bị ngàm cứng

Kf

Ma trận độ cứng tổng thể của kết cấu bị ngàm cứng

xf

Véc tơ chuyển vị của kết cấu bị ngàm cứng

xf

Véc tơ vận tốc của kết cấu bị ngàm cứng

xf

Véc tơ gia tốc của kết cấu bị ngàm cứng

M

Ma trận khối lƣợng tổng thể của kết cấu đƣợc cơ lập móng

C

Ma trận cản tổng thể của kết cấu đƣợc cơ lập móng

K

Ma trận độ cứng tổng thể của kết cấu đƣợc cơ lập móng

x

Véc tơ chuyển vị của kết cấu đƣợc cơ lập móng

x

Véc tơ vận tốc của kết cấu đƣợc cơ lập móng

x

Véc tơ gia tốc của kết cấu đƣợc cơ lập móng



Véc tơ đơn vị

F

Véc tơ lực ma sát

Meff

Ma trận khối lƣợng hiệu dụng

Peff

Ma trận tải trọng hiệu dụng

Keff

Ma trận độ cứng hiệu dụng

Ký hiệu
u

Chuyển vị của khối lƣợng tập trung so với vị trí ban đầu

x

Chuyển vị tƣơng đối của khối lƣợng tập trung so với mặt đất nền

xb

Chuyển vị của tầng base

xb

Gia tốc của tầng base

mb

Khối lƣợng của tầng base

cb

Hệ số cản của hệ cô lập

kb

Độ cứng của hệ cô lập

m1

Khối lƣợng của tầng 1

c1

Hệ số cản của tầng 1


xv

k1

Độ cứng của tầng 1

mm

Khối lƣợng của tầng m

cm

Hệ số cản của tầng m

km

Độ cứng của tầng m

xg

Gia tốc nền

mi

Khối lƣợng của tầng thứ i

Ff

Lực ma sát tại gối trƣợt

Ff max

Lực ma sát max tại gối trƣợt

L

Chiều dài yêu cầu tối thiểu của dây SMA



Góc hợp bởi dây SMA thiết kế và mặt phẳng nằm ngang

ˆ

Biến dạng tƣơng đối lớn nhất của dây SMA



Chuyển vị thiết kế của gối cô lập

TeffSRSBIS

Chu kỳ hữu hiệu của hệ cô lập SRSBIS

K effSRSBIS

Độ cứng hữu hiệu của hệ cô lập SRSBIS

W

Tổng trọng lƣợng của kết cấu cơng trình đặt trên hệ cơ lập kể cả
base

g

Gia tốc trọng trƣờng



Hệ số ma sát

ˆ

Ứng suất lớn nhất trong giới hạn đàn hồi của dây SMA

n

Số dây SMA đƣợc bố trí trong hệ cơ lập

Aw

Diện tích mặt cắt ngang của dây SMA

ˆ

Góc nghiêng của dây SMA so với mặt phẳng nằm ngang tại vị trí ˆ

Fv

Lực căng của dây chiếu theo phƣơng thẳng đứng

Fh

Lực căng của dây chiếu theo phƣơng nằm ngang

,

Hằng số trong phƣơng pháp gia tốc trung bình của Newmark

t

Bƣớc thời gian

rp

Tỉ số giữa lực căng lớn nhất trong dây SMA và lực ma sát max của
mặt trƣợt

Chương 1: Tổng quan

16

CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Thiệt hại do các trận động đất mạnh gây ra là vô cùng khủng khiếp, động đất có thể
phá hủy tồn bộ các cơng trình cơ sở hạ tầng và đặc biệt là đe dọa nghiêm trọng đến
tính mạng của con ngƣời ở bên trong lẫn bên ngồi cơng trình do sự sụp đổ của các
cấu kiện hoặc có thể là cả cơng trình. Điển hình những trận động đất mạnh trong
lịch sử cũng nhƣ trong những năm gần đây nhƣ [1]: trận động đất ở Tứ Xuyên,
Trung Quốc xảy ra vào ngày 12/05/2008 (Hình 1.1) làm 88.000 ngƣời thiệt mạng và
ít nhất 375.000 ngƣời bị thƣơng và gây thiệt hại ƣớc tính khoảng 86 tỷ USD; trận
động đất ở Haiti xảy ra vào ngày 12/01/2010 (Hình 1.2) đã cƣớp đi sinh mạng của
230.000 ngƣời và còn rất nhiều các trận động đất khác nữa nhƣ trận ở Northridge
California xảy ra vào năm 1994 (Hình 1.3); trận ở Kobe, Nhật Bản xảy ra vào năm
1995 (Hình 1.4); trận ở Chuetsu, Nhật Bản xảy ra vào năm 2004 (Hình 1.5)...

Hình 1.1. Trận động đất ở Tứ Xuyên (2008)


Chương 1: Tổng quan

17

Hình 1.2. Trận động đất ở Haiti (2010)

Hình 1.3. Trận động đất ở Northridge (1994)

Chương 1: Tổng quan

18

Hình 1.4. Trận động đất ở Kobe (1995)

Hình 1.5. Trận động đất ở Chuetsu (2004)


Chương 1: Tổng quan

19

Để giảm thiểu đến mức tối đa thiệt hại do các trận động đất gây ra, các kỹ sƣ và
các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu, đề xuất rất nhiều giải pháp trong đó
có hệ cơ lập móng (Base Isolation System – BIS) hay còn gọi là hệ cách chấn đáy
để trang bị cho cơng trình đƣợc thể hiện nhƣ Hình 1.6 (b). Nhìn chung thì giải pháp
trang bị hệ cơ lập móng cho cơng trình cũng đã đạt đƣợc những thành cơng nhất
định, song bên cạnh đó vẫn cịn tồn tại một số những khuyết điểm và các mặt hạn
chế cần phải khắc phục. Điển hình là ứng xử của cơng trình đƣợc trang bị hệ cơ lập
móng có thể tốt đối với một vài trận động đất nhất định, còn đối với một số trận
động đất khác thì khơng hiệu quả hoặc hiệu quả rất thấp.
Những hạn chế nhƣ đã nêu ở trên làm thôi thúc tác giả nghiên cứu và thực hiện
Luận văn này, với mong muốn đóng góp một phần cơng sức của mình vào nghiên
cứu khoa học để tìm ra những giải pháp bảo vệ cơng trình một cách tốt nhất, hoàn
thiện nhất sao cho những thiệt hại về con ngƣời và tài sản là thấp nhất.

(a)

(b)

Hình 1.6. Ứng xử của cơng trình bình thƣờng (a) và có cơ lập móng (b)
1.2 Các loại gối cơ lập
Hệ gối cơ lập móng (BIS) ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng
nhiều hơn bởi hiệu quả của BIS đã đƣợc chứng minh thơng qua các cơng trình
nghiên cứu và ứng dụng trong các cơng trình thực tế. Thay vì tăng sức chịu đựng
của kết cấu cơng trình nhƣ cách làm truyền thống thì hệ cơ lập móng có nhiệm vụ


Chương 1: Tổng quan

20

làm giảm các tác động do các trận động đất gây ra lên cơng trình. Hệ gối cơ lập
đƣợc chia thành 2 loại chính đó là gối đàn hồi (Elastomeric Bearing – EB) và gối
trƣợt (Sliding Bearing – SB).
 Gối đàn hồi (EB)
-

Gối cao su tự nhiên hay nhân tạo cản thấp (Low Daming Natural Rubber
Bearing – LDNRB) đƣợc thể hiện ở Hình 1.7

-

Gối cao su tự nhiên cản cao (High Damping Natural Rubber Bearing –
HDNRB)

-

Gối cao su lõi chì (Lead Rubber Bearing – LRB) đƣợc thể hiện ở Hình 1.8

 Gối trƣợt (SB)
-

Gối trƣợt mặt lõm ma sát (Friction Pendulum System – FPS) đƣợc thể hiện
ở Hình 1.9

-

Gối trƣợt phẳng (Flat Sliding Bearing – FSB) đƣợc thể hiện ở Hình 1.10

Hình 1.7. Gối cao su tự nhiên hay nhân tạo cản thấp (LDNRB)

Hình 1.8. Gối cao su lõi chì (LRB)


Chương 1: Tổng quan

21

Hình 1.9. Gối mặt lõm ma sát (FPS)

Hình 1.10. Gối trƣợt phẳng (FSB)

1.3 Tình hình nghiên cứu
1.3.1 Các cơng trình nghiên cứu trong nƣớc
Tuy nƣớc ta hầu nhƣ không chịu nhiều ảnh hƣởng của động đất, cũng nhƣ chƣa
có thiệt hại gì đáng kể do các trận động đất gây ra và ảnh hƣởng của động đất đối
với cơng trình chỉ mới đƣợc đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây khi các dƣ

chấn của động đất xuất hiện ở nƣớc ta ngày càng nhiều. Nhƣng nƣớc ta cũng đã có
một số lƣợng đáng kể các nghiên cứu về các giải pháp giúp bảo vệ công trình trƣớc
các cơn địa chấn do động đất gây ra, tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu là về tăng
cƣờng khả năng kháng chấn cho cơng trình bằng cách gắn thêm các loại hệ cản nhƣ
cản nhớt (Viscous Damping – VD) vào hệ khung chịu lực của cơng trình; cản điều
chỉnh khối lƣợng (Tuned Mass Damper – TMD); cản điều khiển cột chất lỏng
(Tuned Liquid Column Damper – TLCD);… Còn các nghiên cứu về hệ cơ lập móng


Chương 1: Tổng quan

22

(BIS) thì rất ít, điển hình nhƣ chỉ có luận văn của Nguyễn Văn Giang – Giảm chấn
cho nhà cao tầng bằng hệ cơ lập móng (Base Isolation System – BIS), Đại Học
Bách Khoa TP HCM, 2002; Phạm Nhân Hòa – Điều khiển kết cấu chịu tải trọng
động đất với hệ cản ma sát biến thiên, Đại Học Bách Khoa TP HCM, 2007; Nguyễn
Văn Nam – Nghiên cứu giảm chấn cho cơng trình chịu động đất bằng thiết bị cơ lập
dao động có mặt lõm ma sát, Đại Học Bách Khoa TP HCM, 2008; Trần Tuấn Long
– Dao Động tự do của kết cấu khung nhà nhiều tầng có thiết bị cách chấn HDRB
(High damping rubber bearings), Trƣờng Đại Học Xây dựng, 2007…
1.3.2 Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới
Trong số rất nhiều các loại thiết bị cơ lập móng đã đƣợc nghiên cứu và thử
nghiệm nhƣ đã nêu ở trên, thì chỉ có một số loại đƣợc nghiên cứu sâu và áp dụng
cho các công trình trong thực tế nhƣ hệ gối cao su lõi chì (LRB), hệ gối mặt lõm ma
sát (FPS). Số thiết bị cơ lập cịn lại thì vẫn đang đƣợc tiếp tục nghiên cứu phát triển
hoặc cải tiến khi chúng làm việc kết hợp với các giải pháp cô lập, các giải pháp
kháng chấn khác.
Hệ gối trƣợt phẳng (FSB) đã đƣợc biết đến từ rất lâu nhƣng hầu nhƣ là không
đƣợc sử dụng nếu chỉ có duy nhất hệ FSB làm việc độc lập. Nguyên nhân là do hệ

FSB có rất nhiều nhƣợc điểm cụ thể là khơng có khả năng phục hồi lại vị trí cân
bằng ban đầu sau khi động đất kết thúc, chuyển vị ngang của cơng trình đặt trên hệ
rất lớn và rất khó kiểm sốt. Vì những hạn chế đó nên hệ FSB khơng có hiệu quả
khi làm việc độc lập và ít đƣợc ứng dụng trong các cơng trình thực tế hơn so với hệ
cơ lập mặt lõm ma sát (FPS). Hệ FSB chỉ đƣợc sử dụng trong thực tế khi làm việc
kết hợp với các giải pháp cô lập khác nhằm làm tăng khả năng tiêu tán năng lƣợng
cho hệ cơ lập, điển hình là FSB làm việc kết hợp với HDNRB (Hình 1.11).