VIỆn khoa học công nghệ XÂy dựng lê xuân tùng thiết kế MỘt số DẠng gối cách chấn trong công trình chịU ĐỘng đẤt chuyên ngành: Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp

HÀ NỘI - 2012

Công trình được hoàn thành tại

Người hướng dẫn khoa học:

1. GS.TSKH. Nguyễn Đăng Bích – Viện KHCN Xây dựng

2. TS. Nguyễn Anh Tuấn – Viện KHCN Xây dựng

Phản biện 1: GS.TS. Trần Ích Thịnh – ĐHBK Hà Nội

Phản biện 2: GS.TSKH. Nguyễn Trâm – ĐH Kiến trúc Hà Nội

Phản biện 3: GS.TS. Hoàng Xuân Lượng – HVKT Quân Sự

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Phòng họp 2 – Viện KHCN Xây dựng, 81 Trần Cung, Nghĩa Tân, Cầu Giấy, Hà Nội.

Vào hồi…….giờ…….ngày…….tháng……năm 2012.

Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc Gia Việt Nam

Thư viện Viện KHCN Xây dựng

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Phương pháp hiệu quả nhất để hạn chế tác động của động đất là tách rời hẳn công trình khỏi đất nền. Tuy nhiên, do không thể tách rời hoàn toàn, người ta bố trí lớp thiết bị đặc biệt nằm bên dưới khối lượng chính của kết cấu (kết cấu bên trên) và nằm bên trên móng (kết cấu bên dưới) gọi là gối cách chấn đáy. Thiết bị này có độ cứng theo phương đứng lớn nhưng độ cứng theo phương ngang thấp nên khi nền đất rung động, thiết bị có biến dạng lớn, kết cấu phía trên nhờ có quán tính lớn nên chỉ chịu một dao động nhỏ. Hư hại kết cấu và thiết bị trong công trình do đó được giảm thiểu.

a) b)

a) Cách chấn đáy sử dụng gối đàn hồi

b) Cách chấn đáy sử dụng gối dạng trượt

Ngoài ra, người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn, cũng như đưa thêm khả năng chủ động vào hệ thống để tăng thêm hiệu quả giảm chấn cho công trình.

Như vậy, đánh giá về tác động của động đất thì nguyên nhân chủ yếu gây ra hư hỏng hoặc sụp đổ công trình xây dựng khi động đất xảy ra là sự phản ứng của chúng đối với chuyển động của nền. Chuyển động có gia tốc của nền sẽ sinh ra lực cắt đáy dưới chân công trình, do đó cách chấn đáy là một giải pháp mạnh mẽ nhất nhằm hạn chế việc truyền lực động đất vào kết cấu. Hơn nữa, cơ chế hoạt động của gối cách chấn mang tính chất thụ động nên khá đơn giản, dễ dàng trong vận hành, bảo trì và có giá thành rẻ.

Với lý do trên đề tài luận án “Thiết kế một số dạng gối cách chấn trong công trình chịu động đất” đã được hình thành.

Trong phần này, chúng ta sẽ nhìn vào lịch sử của giải pháp cách chấn đáy, nó được nghiên cứu như thế nào, ứng dụng và hoạt động ra sao.

Một phương pháp cô lập địa chấn là sử dụng gối cách chấn đàn hồi, có cấu tạo bởi nhiều lớp cao su mỏng và xen kẹp là các tấm thép để tăng độ cứng chịu nén cho gối và vẫn đảm bảo sự biến dạng cắt linh hoạt theo phương ngang (Naeim and Kelly 1999). Hai loại gối đàn hồi phổ biến là high-damping rubber bearings (HDRB) và lead plug rubber bearings (LRB). HDRB liên quan đến việc sử dụng các hợp chất cao su có độ cản cao, trong khi gối LRB có một lõi chì ở trung tâm để tăng khả năng chịu nén (Naeim and Kelly 1999).

Nghiên cứu về các tính chất vật liệu và tính chất cơ học của gối đàn hồi có các tác giả và nhóm tác giả: Kojima and Fukahori (1989); I.N. Doudoumis, F. Gravalas (2005); Bong Yoo, Jae-Han Lee and Gyeong-Hoi Koo (2001), Ryan, Kelly, and Chopra (2005); M. C. Constantinou, A. S. Whittaker, Y. Kalpakidis, D. M. Fenz and G. P. Warn (2007)…

Nghiên cứu về mô hình toán học của gối đàn hồi, đến ứng xử trễ và tính phi tuyến của độ cứng, độ cản có các tác giả và nhóm tác giả: Pan and Yang (1996); Kikuchi and Aiken (1997); Hwang et al. (2002); A.R. Bhuiyan, Y. Okui, H. Mitamura, T. Imai (2009); W.H.Robinson (1982); R.S. Jangid (2005); M. C. Constantinou, A. S. Whittaker, Y. Kalpakidis, D. M. Fenz and G. P. Warn (2007); Dinu Bratosin, Tudor Sireteanu (2002); Dinu Bratosin (2003, 2004, 2005,2008,2009)…

Đưa ra quy trình thiết kế kỹ thuật của gối đàn hồi có nhóm tác giả: M. C. Constantinou, A. S. Whittaker, Y. Kalpakidis, D. M. Fenz and G. P. Warn (2007)…

Một phương pháp phổ biến để cách ly địa chấn là sử dụng hệ thống con lắc - friction pendulum systems (FPS), một gối FPS có một bề mặt cong trượt, có khả năng tạo ra lực phục hồi, trọng lượng của kết cấu bên trên được đặt trên một khớp trượt, có thể trượt trên bề mặt cong, ma sát giữa khớp trượt và bề mặt cong tạo ra độ cản cho gối FPS (Naeim and Kelly 1999). Thay đổi bán kính của bề mặt cong có thể điều chỉnh độ cứng và chu kỳ dao động cơ bản của hệ.

Nghiên cứu về cấu tạo và vật liệu của gối FPS có các tác giả và nhóm tác giả sau: Anoop Mokha, Michalakis Constantinou, Associate Member, ASCE, and Andrei Reinhorn, Member, ASCE (1990); Mokha et al.(1990)…

Nghiên cứu về mô hình toán học, ứng xử trễ, biểu thức lực phục hồi có các nhóm tác giả sau: Kim et al. (2006); Almazan and De la Llera 2003); Panos C. Dimizas and Vlasis K. Koumousis (2005); M.C. Constantinou, A.M. Reinhorni, P. Tsopblas and S. Nagarajaiah (1999); M.Rabiei (2008); Yen-Po Wang, Lap-Loi Chung and Wei-Hsin Liao (1998); Almazan, J. L., and De la Llera, J. C. (2002)…

Gối cách chấn dạng trượt đôi - DCFP (The double concave Friction Pendulum) có cấu tạo gồm hai mặt lõm làm bằng thép không gỉ, một khớp trượt làm bằng vật liệu phi kim loại có bề mặt trên tiếp xúc với mặt lõm trên, mặt dưới tiếp xúc với mặt lõm dưới. Đồng thời khớp trượt được cấu tạo gồm hai phần tiếp xúc nhau mà hai phần này có thể tự quanh quanh nhau (Daniel M. Fenz and Michael C. Constantinou (2006))…

Nghiên cứu về cấu tạo của gối DCFP có các tác giả và nhóm tác giả sau: Hyakuda et al (2001); Daniel M. Fenz and Michael C. Constantinou (2006)…

Nghiên cứu về mô hình toán học của gối DCFP có các tác giả và nhóm tác giả sau: Hyakuda et al (2001); Tsai et al (2004, 2004, 2005); Daniel M. Fenz and Michael C. Constantinou (2006); M. Malekzadeh; and T. Taghikhany (2010)…

Năm 2006, Bộ Xây dựng ban hành TCXDVN 375: 2006 – Thiết kế công trình chịu động đất, trong đó có chương 10 nêu những chỉ dẫn về thiết kế cách chấn đáy, xong việc áp dụng còn gặp nhiều khó khăn, một phần do độ phức tạp của công nghệ, thiết bị, một phần do người thiết kế chưa có điều kiện tìm hiểu sâu và chưa hoàn toàn tin tưởng vào tính khả thi của việc áp dụng.

Trong thời gian qua, có một số tác giả trong nước nghiên cứu về cách chấn đáy như Đoàn Tuyết Ngọc, Nguyễn Thanh Tùng (1999); Nguyễn Xuân Thành (2006); Trần Tuấn Long (2007); Lê Xuân Huỳnh, Nguyễn Hữu Bình (2008) đã nghiên cứu giải pháp cách chấn đáy với gối đàn hồi và gối FPS, chỉ ra quy trình kỹ thuật và tính tải trọng động đất lên kết cấu có cách chấn đáy theo TCXDVN 375: 2006. Tuy nhiên việc thực hiện thiết kế theo quy trình này mang tính chất kiểm tra, không cho biết ứng xử của hệ cách chấn trong thời gian xảy ra động đất.

1.3. Một số nhận xét

- Trong công trình nghiên cứu trong nước đã đưa ra quy trình thiết kế kỹ thuật HDRB và FPS, các quy trình này có những đặc điểm sau:

+ Quy trình mang tính chất kiểm tra kỹ thuật, cần được làm rõ ảnh hưởng của các thông số liên quan đến vật liệu, cấu tạo của các dạng gối cách chấn đến chức năng làm việc của chúng.

+ Quy trình không cho thấy được phản ứng của gối cách chấn chịu kích động động đất theo thời gian, ứng xử trễ, cũng như hiện tượng cộng hưởng và các tính chất đặc biệt khác.

- Trong các công trình nghiên cứu nước ngoài có những đặc điểm sau:

+ Đi sâu nghiên cứu từng vấn đề của các dạng gối cách chấn, chưa nghiên cứu tổng thể phản ứng của gối cách chấn có đặc trưng phi tuyến và ứng xử trễ khác nhau.

+ Chưa cho thấy các hiệu ứng đặc biệt trong ứng xử của gối cách chấn trước kích động động đất.

+ Chưa cho thấy quy trình lựa chọn tối ưu các thông số của gối cách chấn.

- Thiết lập phương trình chuyển động và tìm nghiệm thông qua việc giải số phương trình vi phân chuyển động ứng với các bộ số khác nhau.

- Nghiên cứu tính chất nghiệm tìm các hiệu ứng đặc biệt trong ứng xử của gối cách chấn, chọn bộ tham số thích hợp, lập quy trình thiết kế gối cách chấn thỏa mãn yêu cầu giảm chấn.

- Tính tải trọng động đất tác dụng lên công trình khi có gối cách chấn, so sánh với trường hợp không có gối cách chấn.

Các dạng gối cách chấn đáy cho công trình có quy mô thấp tầng và tầm quan trọng đặc biệt (nhà máy lọc dầu, nhà máy điện nguyên tử, cảng hàng không, bảo tàng, trung tâm hội nghị, bệnh viện, nhà chứa hóa chất độc hại …).

- Tìm hiểu nguyên lý làm việc của các dạng gối cách chấn.

- Cơ sở chọn các thông số cấu tạo của mỗi dạng gối cách chấn.

- Thiết lập phương trình chuyển động của các dạng gối cách chấn chịu kích động động đất trong hai trường hợp: kích động động đất giả thiết là lực điều hòa và tính theo giản đồ gia tốc nền.

- Tìm nghiệm thông qua việc giải số các phương trình và hệ phương trình vi phân phi tuyến mô tả chuyển động. Khảo sát phản ứng của mỗi dạng gối cách chấn với nhiều bộ tham số khác nhau.

- Căn cứ vào tính chất nghiệm, chọn dạng gối thích hợp, thỏa mãn yêu cầu giảm chấn.

- Đưa ra quy trình thiết kế các dạng gối cách chấn.

- Tính toán tác động động đất lên công trình khi sử dụng các dạng gối cách chấn theo tinh thần của TCXDVN 375: 2006, so sánh hiệu quả của các dạng gối cách chấn.

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp số, áp dụng để giải số trực tiếp các phương trình vi phân chuyển động bằng thuật toán Runge-Kutta-Nyström nhờ chương trình Mathematica.7.