Nghiên cứu giảm chấn cho công trình chịu động đất bằng thiết bị cô lập dao động có mặt lõm ma sát
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.53 MB, 99 trang )
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
NGUYỄN VĂN NAM
NGHIÊN CỨU GIẢM CHẤN CHO CƠNG TRÌNH
CHỊU ĐỘNG ĐẤT BẰNG THIẾT BỊ CƠ LẬP DAO
ĐỘNG CĨ MẶT LÕM MA SÁT.
Chuyên ngành : XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CƠNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2008
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC
Cán bộ chấm nhận xét 1 : .......................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : .......................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI
HỌC BÁCH KHOA, ngày 28 tháng 8 năm 2008
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
------------------oOo--Tp. HCM, ngày
tháng năm 2008
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN VĂN NAM
Giới tính : Nam
Ngày, tháng, năm sinh : 01/11/1981
Nơi sinh : Bình Định .
Chuyên ngành : Xây dựng Dân dụng & Cơng nghiệp
Khố (Năm trúng tuyển) : 2006
1- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU GIẢM CHẤN CHO CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT
BẰNG THIẾT BỊ CƠ LẬP DAO ĐỘNG CĨ MẶT LÕM MA SÁT.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Gồm 5 chương
Chương1: Tổng quan
Chương 2: Lý thuyết phân tích dao động kết cấu chịu tải trọng động đất
Chương 3: Cơ sở lý thuyết thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát
Chương 4: Các ví dụ minh họa
Chương 5: Kết luận, hướng phát triển đề tài.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2008
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 25/6/2008
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
Lời cảm ơn
Sau nhiều tháng nghiên cứu tích cực, với sự giúp đỡ và dạy bảo
của thầy cô và bạn bè, tơi đã vượt qua những khó khăn và hồn
thành luận văn cao học theo như kế hoạch nhà trường.
Sau khi hồn thành xong luận văn, tơi đã học hỏi và tích lũy
được rất nhiều kiến thức rất quý báu cho bản thân. Để có được điều
này, tơi cần sự giúp đỡ và chỉ dẫn tận tình của thầy cơ và bạn bè tại
Khoa kỹ thuật xây dựng, đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh, đặc
biệt là thầy PGS.TS Đỗ Kiến Quốc, người đã gợi ý và trực tiếp
hướng dẫn luận văn cho tôi.
Tôi cũng chân thành cảm ơn các thầy cô trong thư viện của
trường ĐH Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh, cảm ơn các thầy cơ Khoa
Xây dựng trường Cao đẳng Giao thông vận tải 3 đã giúp tôi hồn
thành luận văn này.
Và sau cùng, tơi xin chân thành cảm ơn những người thân trong
gia đình đã tạo cho tôi điều kiện học tập và nghiên cứu tại ĐH Bách
khoa Tp.Hồ Chí Minh trong những năm qua.
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Động đất là một thảm họa gây thiệt hại rất lớn cho người và tài sản. Mặc dù
những biện pháp phòng chống và giảm nhẹ thảm hại do động đất được nhiều quốc
gia quan tâm nhưng các thảm họa do động đất vẫn liên tục xảy ra. Mới đây nhất,
ngày 12/5/2008 trận động đất 7,8 độ Richter xảy ra tại Tứ Xuyên (Trung Quốc) đã
cướp đi gần 300.000 sinh mạng và gây tổn hại trên 10 tỷ USD.
Tại Việt Nam, một vài năm gần đây, các chấn động đã xảy ra tại Hà Nội và
Tp.Hố Chí Minh đã đặt ra các yêu cầu về chống động đất cho các cơng trình cần
được quan tâm hơn. Nghiên cứu các giải pháp chống động đất cho các cơng trình ở
Việt Nam là việc làm còn mới mẻ và cũng hết sức cần thiết trong lúc này. Luận văn
sẽ nghiên cứu giảm chấn cho cơng trình chịu động đất bằng thiết bị cơ lập dao
động có mặt lõm ma sát, với các nội dung như sau:
-Giới thiệu tổng quan về điều khiển kết cấu và tình hình phát triển hệ cơ lập
dao động có mặt lõm ma sát.
-Giới thiệu lý thuyết phân tích dao động kết cấu chịu động đất
-Xây dựng cơ sở lý thuyết thiết bị cô lập dao động có mặt lõm ma sát
-Khảo sát hiệu quả giảm chấn của kết cấu một bậc tự do và nhiều bậc tự do,
sử dụng phần mềm Matlab và số liệu các trận động đất của Đại học Illinois (Mỹ).
Đáp ứng kết cấu giải bằng phương pháp Time_Newmark.
Từ kết quả thu được, luận án sẽ đưa ra những kết luận về hiệu quả giảm chấn
của thiết bị và một số hạn chế của thiết bị. Nêu ra một vài hướng phát triển đề tài.
MUÏC LUÏC
Chương 1: TỔNG QUAN --------------------------------------------------------------------1.
1.1. Đặt vấn đề -----------------------------------------------------------------------------1
1.2. Tổng quan về điều khiển kết cấu ----------------------------------------------- 4
1.2. 1 Các giải pháp điều khiển kết cấu ------------------------------------------4
1.2.2. Sự tiêu tán năng lượng trong kết cấu có hệ cản bị động--------------- 9
1.3. Tình hình phát triển hệ cơ lập móng có mặt lõm ma sát ------------------12
1.4. Nhiệm vụ luận văn ----------------------------------------------------------------15
Chương 2: LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG KẾT CẤU CHỊU TẢI
TRỌNG ĐỘNG ĐẤT-------------------------------------------------------------------------16
2.1. Hệ kết cấu đàn hồi một bậc tự do ----------------------------------------------16
2.1.1. Hệ chịu tải trọng bất kỳ----------------------------------------------------16
2.1.2. Hệ chịu tải trọng động đất-------------------------------------------------17
2.1.3. Dao động tự do--------------------------------------------------------------18
2.1.4. Dao động cưỡng bức-------------------------------------------------------20
2.1.5. Sự cộng hưởng và Sự cô lập dao động ---------------------------------25
2.1.6. Phổ phản ứng động đất của hệ kết cấu đàn hồi------------------------26
2.2. Hệ kết cấu đàn hồi nhiều bậc tự do --------------------------------------------28
2.2.1. Dao động kết cấu chịu tải trọng bất kỳ----------------------------------28
2.2.2. Dao động kết cấu chịu động đất----------------------------------------- 30
Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT BỊ CÔ LẬP DAO ĐỘNG CÓ MẶT
LÕM MA SÁT--------------------------------------------------------------------------------- 32
3.1. Giới thiệu sơ lược thiết bị --------------------------------------------------------32
3.2. Thiết lập phương trình cân bằng chuyển động------------------------------ 34
3.2.1. Hệ một bậc tự do----------------------------------------------------------- 34
3.2.2. Hệ nhiều bậc tự do--------------------------------------------------------- 37
3.2.3. Điều kiện trượt và dính của khớp trượt và mặt lõm -------------------39
3.3. Chu kỳ dao động Tb, độ cứng chuyển vị ngang Kb của FPDC & FPSC 40
3.3.1. Trường hợp FPSC----------------------------------------------------------40
3.3.2. Trường hợp FPDC--------------------------------------------------------- 41
3.3.3. Sự cô lập dao động của thiết bị------------------------------------------ 42
3.4. Ứng xử trễ của thiết bị ------------------------------------------------------------43
3.4.1. Trường hợp gối FPSC----------------------------------------------------- 43
3.4.2. Trường hợp gối FPDC---------------------------------------------------- 44
Chương 4: VÍ DỤ TÍNH TOÁN MINH HỌA------------------------------------------ 47
4.1. Với hệ 1 bậc tự do----------------------------------------------------------------- 47
4.1.1. Mô tả kết cấu và thiết bị cô lập-------------------------------------------47
4.1.2. Gia tốc nền cộng hưởng--------------------------------------------------- 48
4.1.3. Gia tốc dạng xung nửa hình sin------------------------------------------ 50
4.1.4. Gia tốc nền động đất------------------------------------------------------- 52
4.1.5. Ảnh hưởng hệ số ma sát đến hiệu quả giảm lực cắt ----------------- 60
4.1.6. Ảnh hưởng chu kỳ kết cấu đến hiệu quả giảm lực cắt--------------- 61
4.2. Với hệ 3 bậc tự do -----------------------------------------------------------------65
4.2.1. Mô tả kết cấu và thiết bị cô lập------------------------------------------- 65
4.2.2. Đáp ứng kết cấu với các trận động đất ---------------------------------66
4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng hệ số ma sát µ ------------------------------------70
4.2.4. Khảo sát trường hợp thay đổi gia tốc đỉnh----------------------------- 70
4.2.5. Khảo sát trường hợp thay chu kỳ cơ bản kết cấu ----------------------70
4.3. Với hệ 5 bậc tự do -----------------------------------------------------------------77
4.3.1. Mơ tả kết cấu ---------------------------------------------------------------77
4.3.2. Phân tích kết cấu với trận động đất Hachinohe -----------------------78
4.3.3. Phân tích kết cấu với trận động đất Elcentro --------------------------79
4.3.4. Phân tích kết cấu với trận động đất Kobe ------------------------------80
4.3.5. Phân tích kết cấu với trận động đất Northridge----------------------- 81
Chương 5:KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI--------------------------- 83
5.1. Kết luận ------------------------------------------------------------------------------83
5.2. Hướng phát triển đề tài -----------------------------------------------------------84
Tài liệu tham khảo---------------------------------------------------------------------------- 85
Phụ lục------------------------------------------------------------------------------------------- 87
Chương 1: Tổng quan
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, cùng với sự phát triển rất nhanh của khoa học kỹ thuật nói chung,
ngành xây dựng nói riêng đã tạo ra các cơng trình xây dựng như: nhà cao tầng, dàn
khoan dầu, cầu nhịp lớn, …với những loại vật liệu xây dựng cường độ cao dẫn đến
cơng trình này thường có độ mảnh lớn. Chính vì vậy, những cơng trình này rất nhạy
cảm và rất dễ phá hoại dưới các loại tải trọng động như: Gió, cháy nổ, sóng thần…
và đặc biệt là động đất.Vì vậy khi thiết kế chúng ta cần phải quan tâm đến tải trọng
động tác dụng vào kết cấu. Dưới đây là một vài con số và hình ảnh cho chúng ta
thấy những tổn hại về người và tài sản do động đất để lại:
Bảng 1.1. Các thiệt hại về người và của từ một số trận động đất mạnh :
Địa điểm
Thời điểm
Northridge,
California
17/01/1994
Kobe, Nhật
Bản
Cường độ
Con người
Tài sản
6.8
60
20 tỷ USD
17/01/1995
6.8
5502
147 tỷ USD
Kocaeli, Thổ
Nhĩ Kỳ
17/08/1999
7.8
17118
6.5 tỷ USD
Chi-Chi, Đài
Loan
28/09/1999
7.6
2400
14 tỷ USD
Gujarat, Ấn
Độ
26/01/2001
7.6
20085
4.5 tỷ USD
Đông Nam
Iran
26/12/2003
6.6
26200
8.5 tỷ USD
Sumatra,
Inđônêxia
26/12/2004
9.1
283106
200 tỷ USD
(Richter)
(Nguồn tư liệu thu thập từ trung tâm USGS của Mỹ)
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-1-
Chương 1: Tổng quan
Mới đây nhất, ngày 12/5/2008, trận động đất 7,8 độ Richter xảy ra tại Tứ
Xuyên (Trung Quốc) đã cướp đi gần 300.000 người và tổn hại trên 10 tỷ USD.
Hình 1.1. Động đất ở Niigata, Japan 1964
Hình 1.2. Động đất ở Loma Prieta, CA 1989
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-2-
Chương 1: Tổng quan
Hình 1.3. Động đất ở Northridge, CA 1994
Hình 1.4. Động đất ở Kobe, Japan 1995
Chúng ta thử nghĩ, nếu chỉ dùng các giải pháp kết cấu truyền thống là thuần
túy sử dụng vật liệu để chịu đựng tải trọng động như trên thì có mang lại hiệu quả
khơng? Rõ ràng là khơng, bởi vì những giải pháp kết cấu như vậy sẽ tốn rất nhiều
vật liệu làm ảnh hưởng đến kinh tế, kích thước kết cấu sẽ lớn ảnh hưởng tới kiến
trúc, và đặc biệt trọng lượng bản thân kết cấu sẽ tăng làm nguy hiểm cho kết cấu khi
chịu động đất (tăng lực quán tính).
Với các lý do vừa nêu trên, trong những thập niên gần đây các nhà khoa học
đã nghiên cứu và ứng dụng những hệ thống điều khiển kết cấu, nhằm hạn chế đến
mức tối đa những hư hỏng mà cơng trình phải gánh chịu do các tác động của tự
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-3-
Chương 1: Tổng quan
nhiên, đặc biệt là do động đất gây ra. Mục đích của điều khiển kết cấu là sử dụng
các thiết bị để cô lập hay tiêu tán năng lượng sinh ra do động đất. Đây là quan
điểm mới và tiến bộ, mở đường cho sự phát triển các giải pháp kết cấu chống động
đất. Các hệ thống điều khiển kết cấu phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây:
Tính năng kỹ thuật: Phải đảm bảo cho kết cấu vẫn đứng vững, không bị phá
hoại hay sụp đổ ngay cả khi có động đất mạnh, đảm bảo khả năng cơng nghệ...
Tính kinh tế: Các chi phí thiết bị, lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng phải nhỏ
hơn chi phí của giải pháp truyền thống.
Ở Việt Nam, các dư chấn do động đất gây ra đã xuất hiện nhiều trên các tỉnh,
thành, đặc biệt là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh nơi tập trung một số lượng
lớn các nhà cao tầng và nhu cầu xây dựng về nhà cao tầng ngày càng tăng về số
lượng cũng như về chiều cao thì điều khiển kết cấu vẫn cịn là lĩnh vực mới mẻ. Do
đó, việc nghiên cứu và tìm hiểu về chúng là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và
thực tiễn cao và đây cũng là động cơ rất lớn để tác giả nghiên cứu đề tài: “Nghiên
cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất bằng thiết bị cơ lập dao động có
mặt lõm ma sát” nhằm đưa ra một giải pháp làm giảm tác hại do động đất gây ra
cho cơng trình.
1.2. Tổng quan về điều khiển kết cấu [7], [9], [13], [15]
1.2. 1 Các giải pháp điều khiển kết cấu
Các hệ thống điều khiển kết cấu có thể chia thành 3 nhóm chính sau :
-Điều khiển bị động (Passive Control).
-Điều khiển chủ động (Active Control).
-Điều khiển bán chủ động (Semi_active Control).
1.2.1.1 Điều khiển bị động (Passive Control):
Hệ điều khiển bị động giúp kết cấu hấp thu một phần năng lượng do gió bão,
động đất,…. Thiết bị tiêu tán năng lượng được gắn vào kết cấu sẽ tiêu tán các năng
lượng này, thiết bị này thường được thiết kế tối ưu với một tải trọng động riêng biệt,
do đó ta khơng có khả năng thay đổi các thông số của chúng cho phù hợp với sự
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-4-
Chương 1: Tổng quan
thay đổi của tác động. Loại hệ cản này rất phổ biến, được con người sử dụng từ lâu
và nó khơng cần năng lượng bên ngồi để vận hành, giá thành tương đối rẻ.
Các hệ cản bị động được sử dụng phổ biến hiện nay :
1.Hệ cô lập móng (base isolation):
Hệ này là một gối đỡ thường đặt giữa kết cấu bên trên và phần móng dưới.
Do gối đỡ này có độ cứng theo phương ngang rất nhỏ nên làm kéo dài chu kỳ kết
cấu từ đó làm tránh vùng chu kỳ trội của tải động tác dụng vào kết cấu, ngồi ra hệ
này cịn có thể tiêu tán một phần năng lượng do ma sát tại gối. Đây cũng là giải
pháp được nghiên cứu trong luận văn này.
.
Hình 1.5. Gối cơ lập móng
2. Hệ tiêu tán năng lượng bị động: hệ này bao gồm
-Hệ cản kim loại (Metallic Damper): Hệ cản này tiêu tán năng lượng thông
qua biến dạng không đàn hồi của kim loại như: thép mềm, chì và các hợp chất
khác…Hệ cản này cũng làm tăng độ cứng kết cấu (Hình 1.6)
-Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Damper): hệ cản này lợi dụng đặc tính
nhớt của chất lỏng. Năng lượng tiêu tán là do chuyển động chất lỏng qua lại buồng
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-5-
Chương 1: Tổng quan
1 và 2 sinh ra lực cản và sự ma sát giữa chất lỏng và các thành phần khác của thiết
bị. (Hình 1.7)
a. Hệ cản ADAS
(Added Damping and
Stiffness)
b.Hệ
cản
TADAS
(Triangular-plate Added
Damping and Stiffness )
c. Kết cấu với hệ cản kim
loại.
Hình 1.6. Hệ cản kim loại
Hình 1.7. Hệ cản chất lỏng nhớt
-Hệ cản chất rắn đàn nhớt (Solid Viscoelastic Damper): Hệ cản này dùng vật
liệu polymer dán ở giữa các tấm thép. Khi dao động thì các tấm thép sẽ chuyển
động tương đối với nhau sinh ra lực cản làm tiêu tán năng lượng. Hệ cản này
thường được bố trí trong các giằng chéo của cơng trình. Hệ cản này ngồi việc tiêu
tán năng lượng cịn làm tăng độ cứng kết cấu. (Hình 1.8)
-Hệ cản ma sát (Friction Damper) : Ứng dụng nguyên lý lực ma sát giữa 2 bề
mặt trượt tương đối lẫn nhau, năng lượng vào được tiêu tán bỡi lực ma sát này.
Hình 1.9 là thiết bị cản ma sát do Sumitomo và Pall phát minh.
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-6-
Chương 1: Tổng quan
Hình 1.8. Hệ cản Solid Viscoelastic
Hình 1.9. Hệ cản ma sát
-Hệ cản điều chỉnh khối lượng (Tuned Mass Damper): Hệ gồm 1 khối lượng
gắng vào cơng trình tại nơi có chuyển động lớn nhất (thường là tầng trên cùng)
thông qua liên kết đàn hồi và liên kết cản. Tần số của hệ được điều chỉnh đế một tần
số riêng của kết cấu để tạo sự công hưởng lệch pha với chuyển động kết cấu khi có
lực tác động vào (Hình 1.10)
-Hệ cản điều chỉnh chất lỏng (Tuned Liquid Damper): Gần như TMD, đây
cũng là hệ cản quán tính. Nhóm hệ càn này thường có 2 loại chính là: Cản điều
chỉnh chuyển động của chất lỏng (TSD: Tuned sloshing damper) và Cản điều chỉnh
cột chất lỏng (TLCD: Tuned liquid colomn damper). TSD thường được dùng nhiều
trong nhà cao tầng vì tận dụng các bể chứa nước trên mái. Thiết bị TCLD có thể
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-7-
Chương 1: Tổng quan
đặt thêm hệ thống điều chỉnh chu kỳ và có tên gọi là TLCD_PAE (Tuned liquid
colomn damper with period adjustment equipment) (Hình 1.11).
Hình 1.10. Hệ cản TMD
Hình 1.11. Hệ cản TLCD_PAE
1.2.1.2.Điều khiển chủ động (Active Control):
Hệ điều khiển chủ động thu nhận trạng thái của kết cấu thơng qua các sensor
đo đạc, từ đó đưa ra quyết định điều khiển lực (thông qua hệ thống điều khiển) để
đưa kết cấu về trạng thái mong muốn. Cơ chế điều chỉnh trên phải diễn ra kịp thời
trong khoảng thời gian rất ngắn. Với đặc điểm này, hệ chủ động có ưu điểm hơn hệ
bị động là có thể thích nghi với các thay đổi của môi trường và điều khiển được các
tác động không biết trước. Tuy nhiên, độ tin cậy của loại điều khiển này khơng cao
vì nó phụ thuộc vào sự ổn định của nguồn năng lượng cung cấp mà nguồn năng
lượng này thường có cơng suất lớn. Mặt khác, việc bảo trì cũng khá tốn kém và
phức tạp. Thông thường, hệ cản chủ động cần một nguồn năng lượng lớn để vận
hành.
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-8-
Chương 1: Tổng quan
1.2.1.3.Điều khiển bán chủ động (Semiactive Control):
Hệ cản bán chủ động ra đời nhằm tận dụng những ưu điểm của hệ cản bị
động và hệ cản chủ động. Hệ cản này có độ tin cậy cao, nguồn năng lượng cần cung
cấp thấp hơn nhiều so với hệ cản chủ động. Một khi nguồn năng lượng này mất đi
vì lý do nào đó thì hệ vẫn làm việc như hệ cản bị động. Thông thường, hệ cản này
được thiết kế theo nguyên lý bị động khi lực kích động nhỏ (động đất yếu), đến khi
lực kích động lớn (động đất mạnh) thì hệ bán chủ động sẽ chuyển sang làm việc như
hệ chủ động và nó được gắn trực tiếp vào kết cấu. Khi làm việc ta có thể thay đổi
các đặc tính cơ học của hệ cản thơng qua một nguồn năng lượng nhỏ.
Hình 1.12. Điều khiển chủ động (hay bán chủ động) của TMD
1.2.2. Sự tiêu tán năng lượng trong kết cấu có hệ cản bị động [9], [13].
Cản là hệ thống vật lý tiêu tán và hấp thu năng lượng từ tác động bên ngoài.
cản làm giảm năng lượng biến dạng , đặc biệt là gần điều kiện cộng hưởng. Hình
1.13 minh họa ảnh hưởng của cản đối với năng lượng biến dạng của kết cấu có khối
lượng 1kg và chu kỳ 1s chịu tác động gia tốc nền trận Elcentro. Khảo sát 3 trường
hợp tỷ số cản khác nhau (cùng một năng lượng đầu vào EI (Energy input)). Với
trường hợp tỷ số cản nhỏ (2%) ở hình 1.13a, năng lượng tiêu tán ED (Energy
dissipated) trong một chu kỳ sẽ nhỏ, nên năng lượng tích lũy trong kết cấu ES
(Energy stored) sẽ tăng cao trong những chu kỳ đầu, vì vậy mất nhiều chu kỳ thì
năng lượng mới tiêu tán hết. Nếu kết cấu có tỷ số cản lớn (hình 1.13c), thì sẽ ngược
lại, năng lượng đầu vào sẽ bị tiêu tán nhanh trong các chu kỳ đầu, do đó năng lượng
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-9-
Chương 1: Tổng quan
tích lũy sẽ giảm. Với ví dụ này khi tỷ số cản tăng từ 2% tới 10% thì năng lượng tích
lũy giảm 3.7 lần. Chú ý, Với gia tốc nền khác nhau (EI khác nhau) thì phản ứng kết
cấu sẽ khác nhau (Hình 1.14 sẽ khác so với Hình 1.13a ).
Hình 1.13. Biểu đồ năng lượng với trận Elcentro
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-10-
Chương 1: Tổng quan
Hình 1.14. Biểu đồ năng lượng với trận Northridge (tỷ số cản 2%)
Khảo sát đáp ứng năng lượng hệ một bậc tự do:
Phương trình chuyển động kết cấu khơng có thiết bị cản bị động chịu động
đất (gia tốc nền &x&0 (t ) ):
m &x&(t ) +c x& (t ) +kx(t) = -m &x&0 (t )
(1.1)
Dạng cân bằng năng lượng:
EK + ED + ES = EI
(1.2)
Trong đó:
EK (Kinetic energy): Động năng
ED (Damped energy): Năng lượng tiêu tán do tính cản của kết cấu
ES (Strain energy): Năng lượng biến dạng
EK (Input energy): Năng lượng đầu vào do động đất
Khi năng lượng đầu vào nhỏ, kết cấu sẽ tiêu tán hết phần năng lượng này qua
các chu kỳ dao động, lúc này kết cấu làm việc trong miền đàn hồi. Khi năng lượng
đầu vào tăng lên (động đất mạnh), lúc này năng lượng biến dạng kết cấu sẽ tăng lên,
vật liệu sẽ xuất hiện biến dạng dẻo (kết cấu làm việc ngoài miền đàn hồi), lúc này
cản trễ xuất hiện. Trong giai đoạn này, năng lượng được tiêu tán do tính cản nhớt và
trễ vật liệu.Với thời gian kéo dài hay năng lượng đầu vào tiếp tục tăng thì cản trễ sẽ
phát triển nhanh, biến dạng dẻo kết cấu tăng lên làm phá hoại kết cấu.
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-11-
Chương 1: Tổng quan
Như vậy, theo quan điểm về năng lượng, khi thiết kế kết cấu ta phải làm nhỏ
phần năng lượng do cản trễ (hạn chế biến dạng dẻo). Muốn vậy, ta phải làm nhỏ
năng lượng đầu vào bằng cách sử dụng gối cơ lập móng, hay dùng các thiết bị cản
(như Friction damper, TMD, Metallic damper…) đặt thêm vào kết cấu để tiêu tán
phần năng lượng này (cản trễ giảm xuống) (Hình 1.15)
Hình 1.15. Đáp ứng năng lượng kết cấu với hệ cản
1.3. Tình hình phát triển hệ cơ lập móng có mặt lõm ma sát [4],[25].
Gối cơ lập có mặt lõm ma sát có thể xem là một thiết bị đầu tiên cho hệ cơ
lập móng. Vào năm 1870, Jules Touaillon đã chế tạo thiết bị cô lập là các viên bi
tròn lăn trên 2 mặt cong đặt tại chân cơng trình và đã được cấp bằng sáng chế (Hình
1.16), đây có thể xem là cơ sở đầu tiên cho những nghiên cứu sau này về thiết bị cơ
lập móng. Hiện nay, thiết bị này đang được nghiên cứu tai Đại học Feng Chia ( Đài
Loan) bỡi Giáo sư C. S. Tsai và các cộng sự. Tại Đại học Buffalo, Giáo sư M. C.
Constantinou, Daniel M. Fenz cũng đang nghiên cứu thiết bị này. Công ty EPS
(Earthquake protection systems) ở Mỹ là nhà sản xuất, cung cấp hàng đầu thiết bị
này trên 20 năm. Các cơng trình đã sử dụng thiết bị này như:
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-12-
Chương 1: Tổng quan
Hình 1.16. Bằng sáng chế của Jules Touaillon
1. Nhà đón khách Sân bay quốc tế San Francisco: Cơng trình này thiết kế
chịu động đất cấp 8. Thiết bị cô lập là 267 gối trượt ma sát đặt vào. Chi phí là thấp
nhất trong các phương án giảm chấn mà nhà đầu tư đã lập. Sử dụng gối cô lập này
sẽ tiết kiệm khoản 680 tấn thép so với sử dụng gối bằng cao su (elastomeric
bearings).
Hình 1.17. Sân bay quốc tế San Francisco
2. Sửa chữa nhà bảo tàng lịch sử Pasadena City Hall: Tầng hầm cũ được
tháo bỏ. Tầng hầm mới với 240 gối được lắp vào phần móng cũ của cơng trình.
Phương án này sẽ an tồn và nhanh chóng, mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-13-
Chương 1: Tổng quan
Hình 1.18. Nhà bảo tàng lịch sử Pasadena City Hall
3. Bolu Viaducts, Turkey:
Hình 1.19. Bolu Viaducts, Turkey
4. Sakhalin Offshore Platforms, Russia:
Hình 1.20. Sakhalin Offshore Platforms, Russia
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-14-
Chương 1: Tổng quan
1.4. Nhiệm vụ luận văn.
Nhiệm vụ của luận văn: Nghiên cứu giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát, bao gồm các nội dung sau:
Chương1: Tổng quan
Chương này sẽ giới thiệu sơ lược về điều khiển kết cấu, tình hình phát triển
thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát .
Chương 2: Lý thuyết phân tích dao động kết cấu chịu tải trọng động đất
Trình bày lý thuyết phân tích dao động kết cấu 1 bậc tự do và nhiều bậc tự do
chịu động đất.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết thiết bị cô lập dao động có mặt lõm ma sát
Xây dựng cơ sở lý thuyết của hệ kết cấu có gắng thiết bị cơ lập dao động có
mặt lõm ma sát.
Chương 4: Các ví dụ minh họa
Khảo sát các ví dụ của hệ một bậc tự do và nhiều bậc tự do với thiết bị bằng
phần mềm Matlab để xác định hiệu quả giảm chấn thiết bị.
Chương 5: Kết luận, hướng phát triển đề tài.
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-15-
Chương 2: Lý thuyết phân tích dao động kết cấu chịu tải trọng động đất
Chương 2
LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG KẾT CẤU
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
2.1. Hệ kết cấu đàn hồi một bậc tự do [10], [17].
2.1.1. Hệ chịu tải trọng bất kỳ
2.1.1.1. Mơ hình tính tốn
Các mơ hình tính tốn của hệ kết cấu đàn hồi chịu tải trọng động điều phải
thể hiện các đặc trưng vật lý sau:
Khối lượng:
m
Độ cứng:
k
Hệ số cản:
c
Lực kích động:
F(t)
Dưới tác dụng lực F(t) biến thiên theo thời gian, khối lượng m sẽ chuyển vị
x(t). Các lực đàn hồi FH(t), lực quán tính FQ(t), lực cản FC(t) được sinh ra.
x(t)
x(t)
k
c
m
F(t)
F(t)
FH(t)
FQ(t)
F(t)
FC(t)
Hình 2.1. Mơ hình tính tốn
2.1.1.2. Phương trình chuyển động
Lực đàn hồi FH(t) tỷ lệ với chuyển vị: FH(t) = -kx(t)
(2.1)
Lực cản FC(t) tỷ lệ với tốc độ:
FC(t) = -c x& (t )
(2.2)
Lực quán tính FQ(t) tỷ lệ với gia tốc:
FQ(t) = -m &x&(t )
(2.3)
Lực tác động biến thiên theo thời gian: F(t)
Các giá trị &x&(t ) , x& (t ) , x(t) tương ứng là gia tốc, vận tốc, chuyển vị của khối
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-16-
Chương 2: Lý thuyết phân tích dao động kết cấu chịu tải trọng động đất
lượng m so với chân hệ kết cấu. Thiết lập phương trình cân bằng lực ta có phương
trình chuyển động của hệ kết cấu như sau:
FQ(t)+ FC(t)+ FH(t) = F(t)
(2.4)
Hay
m &x&(t ) +c x& (t ) +kx(t) = F(t) (2.5)
Đặt :
2.β = c/m ; ω2 = k/m thì phương trình (2.5) viết lại như sau :
&x&(t ) +2β x& (t ) + ω2x(t) = F(t)/m
(2.6)
Chú ý: Các đại lượng m, k, c trong các phương trình trên là các đặc trưng
riêng của kết cấu và được giả thiết là khơng đổi trong q trình dao động (kết cấu
làm việc trong giai đoạn đàn hồi).
2.1.2. Hệ chịu tải trọng động đất
Trong trường hợp xảy ra động đất, nền đất bị chuyển động với một gia tốc
&x&0 (t ) , chuyển vị tại chân là x0(t). Lúc này lực tác động lên kết cấu sẽ là lực quán
tính do chuyển động đất nền gây ra. Lực đàn hồi và lực cản khơng đổi, lực qn tính
(2.3) được xác định lại như sau:
FQ(t) = -m[ &x&(t ) + &x&0 (t ) ]
(2.7)
x(t)
k
c
F H (t)
m
m[x(t)+xo(t)]
F C(t)
x o(t)
Hình 2.2. Mơ hình tính tốn hệ một bậc tự do chịu động đất
Phương trình cân bằng lực của hệ kết cấu như sau:
FQ(t)+ FC(t)+ FH(t) = 0
(2.8)
Thế các đại lượng chuyển động vào (2.8) ta có :
m &x&(t ) +c x& (t ) +kx(t) = -m &x&0 (t )
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
(2.9)
-17-
Chương 2: Lý thuyết phân tích dao động kết cấu chịu tải trọng động đất
Hay :
&x&(t ) +2β x& (t ) + ω2x(t) = - &x&0 (t )
(2.10)
Hệ chịu động đất (2.9) hoàn toàn giống như hệ chịu lực bất kỳ như (2.5)
nhưng thay lực F(t) bằng lực ảo: -m &x&0 (t ) .Vậy để xác định phản ứng động đất của hệ
kết cấu, ta phải biết biến thiên gia tốc theo thời gian (gia tốc đồ của động đất).
2.1.3. Dao động tự do
2.1.3.1. Hệ không cản (c = 0)
Hay :
m &x&(t ) + kx(t) = 0
(2.11)
&x&(t ) + ω2x(t) = 0
(2.12)
Nghiệm tổng quát của (2.12) như sau:
x(t) = Acosωt + Bsinωt
(2.13)
Với A, B được xác định từ điều kiện ban đầu: A = x0, B =
x& 0
ω
Do đó nghiệm tổng quát của (2.12) sẽ là:
x(t) = x0cosωt +
Chu kỳ dao động riêng: T =
x& 0
ω
2.π
ω
sinωt
= 2.π
(2.14)
m 1
=
k
f
x (t)
xo
xo
t
T
Hình 2.3. Dao động hệ một BTD khơng lực cản
2.1.3.2. Hệ có lực cản (c ≠ 0)
Phương trình chuyển động của hệ dao động tự do có cản như sau :
Nghiên cứu sự giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát.
-18-
