Tài liệu ảnh hưởng việc mô hình hóa gối cao su đến kết quả tính toán của công trình cách chấn khi chịu động đất

LỜI CAM ĐOAN Em, Dương Xuân Hào Sinh ngày: 29/11/1993, CMND số: 125496095, cấp ngày: 08/04/2009, tại Bắc Ninh Quê quán: Tiên Sơn – Việt Yên – Bắc Giang Nơi ở hiện tại: số 205 Vương Thừa Vũ – Thanh Xuân – Hà Nội Công tác tại Công ty Cổ phần tư vấn và thiết kế xây dựng ACE Xin cam đoan luận văn tốt nghiệp cao học “Ảnh hưởng việc mô hình hóa gối cao su đến kết quả tính toán của công trình cách chấn khi chịu động đất” là do cá nhân em thực hiện, mọi tham khảo đều dùng trong các bài giảng của thầy giáo và các tài liệu công khai. Các số liệu, kết quả trong luận văn hoàn toàn trung thực. Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực của luận văn này. Hà Nội, tháng 2 /2018 Tác giả luận văn Dương Xuân Hào i LỜI CẢM ƠN Em, Dương Xuân Hào xin khắc cốt ghi tâm công ơn dạy bảo, tình cảm thân thương của Ts Nguyễn Anh Dũng, cùng quý thầy, quý cô của trường Đại học Thủy Lợi. Em xin bày tỏ sự cảm động với sự giúp đỡ vô điều kiện của các anh, các chị, em, và của các đồng nghiệp để hoàn thành luận văn này. Trong quá trình nghiên cứu làm luận văn khó tránh khỏi sai xót hoặc nghiên cứu chưa sâu, kính mong quý thầy cô chỉ bảo và thông cảm! Hà Nội, tháng 2/2018 ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................v DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...........................................................................................1 2. Mục đích của đề tài ..................................................................................................3 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ..............................................................3 4. Kết quả dự kiến đạt được .........................................................................................3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÁCH CHẤN ĐÁY ...............................4 1.1. Giới thiệu chung ....................................................................................................4 1.2. Các phương pháp giảm chấn .................................................................................5 1.2.1. Phương pháp giảm chấn thụ động ..................................................................5 1.2.2. Phương pháp giảm chấn chủ động ................................................................17 1.2.3. Phương pháp giảm chấn bán chủ động .........................................................20 1.3. Gối cách chấn bảo vệ công trình......................................................................22 1.3.1. Nguyên lý và hiệu quả của gối cách chấn ....................................................22 1.3.2. Các loại gối cách chấn ..................................................................................23 1.4. Sự phát triển của phương pháp sử dụng gối cách chấn để bảo vệ công trình trên thế giới........................................................................................................................26 1.4.1 Đối với gối đàn hồi ........................................................................................26 1.4.2 Đối với dạng trượt đơn FPS ...........................................................................28 1.4.3 Đối với dạng trượt đôi DCFP ........................................................................30 1.5. Gối cách chấn ở Việt Nam ..................................................................................31 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC MÔ HÌNH HÓA GỐI CAO SU TRONG CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ ....................................................................33 2.1. Nguyên lý làm việc và mô hình ứng sử của cách chấn đấy trong công trình chịu động đất ......................................................................................................................33 iii 2.2 Thiết lập mô hình tính toán của cách chấn đáy theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 và tiêu chuẩn JRA 2004, AASHTO 2010 .................................................................. 33 2.2.1 Thiết lập mô hình tính toán của cách chấn đáy theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 ............................................................................................................... 33 2.2.2 Thiết lập mô hình tính toán của cách chấn đáy theo tiêu chuẩn JRA 2004, AASHTO 2010. ...................................................................................................... 43 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HỆ CÁCH CHẤN ĐÁY ................................................... 53 KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT ............................................................................................... 53 3.1. Ví dụ áp dụng ...................................................................................................... 53 3.1.1. Giới thiệu công trình..................................................................................... 53 3.1.2. Giới thiệu phần mềm ứng dụng tính toán SAP 2000 v14 ............................ 53 3.1.3. Lập mô hình tính toán................................................................................... 54 3.1.4. Khai báo tải trọng động đất tác dụng lên công trình thông qua phần mềm SAP ......................................................................................................................... 55 3.1.5. Tiêu chí chọn gối cao su ............................................................................... 58 3.1.6. Khai báo tính chất của gối cao su thông qua phần mềm SAP ...................... 59 3.2. Phân tích kết cấu công trình không cách chấn đáy ............................................. 61 3.2.1 Kết quả chuyển vị từ mô hình phân tích........................................................ 61 3.2.2 Kết quả gia tốc từ mô hình phân tích ............................................................ 62 3.3.3 Tải trọng chân cột từ mô hình phân tích........................................................ 63 3.3. Phân tích kết cấu công trình sử dụng hệ cách chấn đáy ..................................... 64 3.3.1 Kết quả chuyển vị từ mô hình phân tích........................................................ 64 3.3.2 Kết quả gia tốc từ mô hình phân tích ............................................................ 64 3.3.3 Tải trọng chân cột từ mô hình phân tích........................................................ 65 3.4. Nhận xét và đánh giá........................................................................................... 66 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tác động của tải trọng động đất lên công trình ................................................4 Hình 1.2 Nguyên lý cách chấn đáy công trình ................................................................6 Hình 1.3 Các loại thiết bị cách chấn đáy:(a) Gối đỡ đàn hồi;(b) Gối đỡ đàn hồi có lõi chì(LRB);(c) Gối đỡ dạng con lắc ma sát (FPS) .............................................................9 Hình 1.4 (a) Thiết bị cản nhớt; (b) Thiết bị cản ma sát ...................................................9 Hình 1.5 Thiết bị cản đàn nhớt trong khung thép..........................................................10 Hình 1.6 Mô hình cấu tạo hệ công trình một bậc tự do có gắn thiết bị TMD ...............11 Hình 1.7 Thiết bị TMD ở tòa nhà Taipei 101................................................................12 Hình 1.8 Thiết bị giảm chấn khối lượng dự chỉnh của tòa nhà Fukuoka Tower, Fukuoka, Nhật Bản ........................................................................................................12 Hình 1.9 Tháp điều khiển ở sân bay quốc gia Washington ...........................................13 Hình 1.10 Giảm chấn thụ động dao động dạng TLD ....................................................14 Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống giảm chấn dao động dạng bộ giảm chấn va chạm .......................................................................................................................................15 Hình 1.12 AMD trong tòa nhà Applause Tower , Osaka, Nhật Bản .............................18 Hình 1.13 Tòa nhà Kyobashi Seiwa sử dụng giảm chấn dao động chủ động ...............19 Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý của AMD-TMD .................................................................19 Hình 1.15 Tòa nhà Shinsuk Park Tower sử dụng giảm chế dao động “lai” ..................20 Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống giảm chấn dao động dạng bán chủ dộng .............................21 Hình 1.17 Các dạng thiết bị bán chủ động: ...................................................................21 Hình 1.18 Thiết bị giảm chấn bán chủ động thực tế .....................................................21 Hình 1.19 Giảm chấn dao động bán chủ động tòa nhà Kajima Shizuoka .....................22 Hình 1.20 Cách chấn đáy trong bảo vệ công trình chịu động đất .................................23 a) Kết cấu thông thường, b) Kết cấu có cách chấn đáy .................................................23 Hình 1.21 Hệ cách chấn từ vật liệu đàn hồi ..................................................................24 Hình 1.22 Hệ cách chấn với lõi chì (LRB) ....................................................................25 Hình 1.23 Hệ thống con lắc trượt ma sát .......................................................................25 Hình 2.1 Lý tưởng hóa hệ thống trụ cầu cô lập địa chấn ..............................................44 Hình 2.2 Chu kỳ kết cấu kiểu 1 và 2 như 1 hàm của k2/k1(m1= 70 kN-s2/m, m2= 274 kN-s2/m, and k1=26400 kN/m). ....................................................................................45 v Hình 2.3 Phổ gia tốc tiêu chuẩn cho dịch chuyển động đất loại II của nền loại 2, cấp 2 (JRA, 2002). .................................................................................................................. 46 Hình 2.4 Sơ đồ thiết kế cô lập địa chấn (JRA,2002) ..................................................... 48 Hình 2.5 Mối quan hệ song tuyến tính của lực cắt và chuyển vị đệm cô lập................ 49 Hình 3.1 Mô hình tính toán không sử dụng cách chấn đáy........................................... 54 Hình 3.2 Mô hình tính toán sử dụng hệ cách chấn đáy ................................................. 55 Hình 3.3 Giản đồ giá trị (lấy ví dụ động đất CENTRO tương ứng với động đất cấp VIII và IX theo TCVN 9386:2012) ....................................................................................... 57 Hình 3.4 Định nghĩa trường hợp phân tích ................................................................... 57 Hình 3.5 Mặt cắt ngang của gối cao su ......................................................................... 58 Hình 3.6 Khai báo đặc tính gối cao su .......................................................................... 59 Hình 3.7 Khai báo hệ số theo phương thẳng đứng U1 của gối cao su .......................... 59 Hình 3.8 Khai báo hệ số theo phương thẳng ngang U2 của gối cao su ........................ 60 Hình 3.9 Khai báo hệ số theo phương thẳng ngang U3 của gối cao su ........................ 61 Hình 3.10 Mặt bằng Point tầng 12 (Z =39.6m) ............................................................. 61 Hình 3.11 Chuyển vị theo phương Y tại điểm 10192 (Z =39.6m) ................................ 62 Hình 3.12 Gia tốc theo phương Y tại điểm 10192 (Z =39.6m)..................................... 62 Hình 3.13 Chuyển vị theo phương Y tại điểm 10192 (Z =39.6m) ................................ 64 Hình 3.14 Gia tốc theo phương Y tại điểm 10192 (Z =39.6m)..................................... 64 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Cơ cấu cản trong TMD (trong 11 công trình ở Nhật Bản) ...........................13 Bảng 1.2 So sánh tỷ số cản của các LRB với đường kính lõi chì khác nhau ................27 vii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Để hạn chế tác động của tải trọng động đất lên công trình, từ nhiều năm qua các nhà nghiên cứu, kỹ sư xây dựng trên thế giới đã tìm kiếm và đề xuất các giải pháp giảm chấn cho công trình. Mục đích của giải pháp là đảm bảo cho công trình xây dựng đủ khả năng chịu lực, không hư hại về kết cấu cũng như hư hỏng về thiết bị, đồ đạc sử dụng trong công trình, tồn tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động đất. Theo quan điểm thiết kế công trình chịu động đất hiện đại, việc thiết kế một công trình xây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau: + Đảm bảo kết cấu có khả năng chịu lực lớn trong miền đàn hồi; + Đảm bảo cho kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng do động đất truyền vào, thông qua biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc thông qua các thiết bị hấp thụ năng lượng. Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất hiện đại là tạo cho kết cấu công trình một độ bền đủ lớn và một độ dẻo thích hợp: + Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả năng chịu lực của kết cấu. + Độ dẻo thích hợp nhằm giúp công trình có khả năng tiêu tán năng lượng và có sự cân bằng hài hòa về mặt động lực học. Bởi tác dụng rung lắc của động đất làm phát sinh chuyển vị và gia tốc trong công trình. Nếu công trình có độ cứng quá lớn thì gia tốc sinh ra sẽ vô cùng lớn, gây rơi và nghiêng đổ đồ đạc bên trong nhà dẫn đến thiệt hại về mặt kinh tế. Ngược lại, nếu công trình quá mềm thì chuyển vị tương đối giữa các tầng quá lớn, gây biến dạng đáng kể cho cả công trình, làm hư hại các nút liên kết của khung chịu lực, nứt tường, vênh cửa…, ngoài ra dao động của công trình cũng phát sinh đáng kể gây ảnh hưởng đến tâm lý của người sinh sống và làm việc trong tòa nhà. Như vậy, quan niệm thiết kế hiện đại đã lưu ý thêm phương diện năng lượng do động đất truyền vào công trình. Việc thiết kế và tính toán sao cho kết cấu có khả năng tiêu tán phần năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp công trình làm việc hiệu quả nhất khi có động đất xảy ra. 1 Với quan niệm trên, một số giải pháp thiết kế công trình chịu động đất được đưa ra nhằm hấp thụ và tiêu tán đều năng lượng động đất cho toàn bộ công trình cũng như tránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại đó là giải pháp giảm chấn và cách chấn cho công trình. Giải pháp giảm chấn: trong trường hợp năng lượng dao động truyền trực tiếp vào công trình do không được tách rời, người ta có thể gia tăng độ cản của bản thân công trình để giải phóng năng lượng dao động này bằng cách lắp đặt các thiết bị giảm chấn vào công trình. Có nhiều hình thức giảm chấn: thụ động, chủ động hay bán chủ động. + Giảm chấn thụ động: đây là hình thức giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của các thiết bị giảm chấn được lấy từ chính năng lượng dao động của bản thân công trình. Năng lượng có thể được tiêu tán nhờ cản ma sát, biến dạng dẻo của kim lọai, cản nhớt hoặc cản thủy lực. + Giảm chấn chủ động: các thiết bị dạng này hoạt động được nhờ vào các nguồn năng lượng từ bên ngoài (điện, khí nén…). Thông qua các cảm biến, thông tin về tải trọng, về dao động của công trình được đưa về bộ xử lý trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý tín hiệu và phát lệnh cho bộ phận thi hành để thực hiện việc tang độ cản hay phát lực điều khiển chống lại dao động, chẳng hạn như các hệ thống TMD, TLD… Giải pháp cách chấn: do chấn động lan truyền trong đất nền nên 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 dao 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. 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. 2 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 “Ảnh hưởng việc mô hình hóa gối cao su đến kết quả tính toán của công trình cách chấn khi chịu động đất.” đã được hình thành. 2. Mục đích của đề tài Tìm hiểu các đặc trưng của gối cách chấn và đánh giá những ưu điểm của nó khi vận dụng vào thiết kế công trình chịu động đất. Nghiên cứu về phương pháp mô hình hóa gối cao su trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn khác nhau, qua đó đánh giá ảnh hưởng của việc mô hình hóa này đến kết quả tính toán công trình cách chấn chịu động đất. 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết tính toán. Dùng các phương pháp tính toán để so sánh kết quả. Từ đó rút ra kết luận và kiến nghị. 4. Kết quả dự kiến đạt được Đánh giá được hiệu quả của công trình sử dụng cách chấn đáy khi chịu động đất và ảnh hưởng của việc mô hình hóa gối cao su theo các tiêu chuẩn khác nhau. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÁCH CHẤN ĐÁY 1.1. Giới thiệu chung Để hạn chế tác động của tải trọng động đất lên công trình, từ nhiều năm qua các nhà nghiên cứu, kỹ sư xây dựng trên thế giới đã tìm kiếm và đề xuất các giải pháp giảm chấn cho công trình. Mục đích của giải pháp là đảm bảo cho công trình xây dựng đủ khả năng chịu lực, không hư hại về kết cấu cũng như hư hỏng về thiết bị đồ đạc sử dụng trong công trình, tồn tại và đứng vững dưới tác dụng của tải trọng động đất. Hình 1.1 Tác động của tải trọng động đất lên công trình a) Kết cấu bên trên liên kết cứng với móng b) Kết cấu bên trên có biến dạng và nội lực lớn do tác động động đất Theo quan điểm thiết kế công trình chịu động đất hiện đại, việc thiết kế một công trình xây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau: + Đảm bảo kết cấu có khả năng chịu lực lớn trong miền đàn hồi; + Đảm bảo cho kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng do động đất truyền vào,thông qua biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc thông qua các thiết bị hấp thụ năng lượng. Một trong những quy định cơ bản của các tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất hiện đại là tạo cho kết cấu công trình một độ bền đủ lớn và một độ dẻo thích hợp: + Độ bền đủ lớn nhằm gia tăng khả năng chịu lực của kết cấu. 4 + Độ dẻo thích hợp nhằm giúp công trình có khả năng tiêu tán năng lượng và có sự cân bằng hài hòa về mặt động lực học. Bởi tác dụng rung lắc của động đất làm phát sinh chuyển vị và gia tốc trong công trình. Nếu công trình có độ cứng quá lớn thì gia tốc sinh ra sẽ vô cùng lớn, gây rơi và nghiêng đổ đồ đạc bên trong nhà dẫn đến thiệt hại về mặt kinh tế. Ngược lại, nếu công trình quá mềm thì chuyển vị tương đối giữa các tầng quá lớn, gây biến dạng đáng kể cho cả công trình, làm hư hại các nút liên kết của khung chịu lực, nứt tường, vênh cửa…, ngoài ra dao động của công trình cũng phát sinh đáng kể gây ảnh hưởng đến tâm lý của người sinh sống và làm việc trong tòa nhà. Như vậy, quan niệm thiết kế hiện đại đã lưu ý thêm phương diện năng lượng do động đất truyền vào công trình. Việc thiết kế và tính toán sao cho kết cấu có khả năng tiêu tán phần năng lượng này có một ý nghĩa quan trọng nhằm giúp công trình làm việc hiệu quả nhất khi có động đất xảy ra. Với quan niệm trên, một số giải pháp thiết kế công trình chịu động đất được đưa ra nhằm hấp thụ và tiêu tán đều năng lượng động đất cho toàn bộ công trình cũng như tránh hiện tượng suy yếu cục bộ dẫn đến phá hoại đó là giải pháp giảm chấn và cách chấn cho công trình. 1.2. Các phương pháp giảm chấn Trong trường hợp năng lượng dao động truyền trực tiếp vào công trình do không được tách rời, người ta có thể gia tăng độ cản của bản thân công trình để giải phóng năng lượng dao động này bằng cách lắp đặt các thiết bị giảm chấn vào công trình. Có nhiều hình thức giảm chấn: thụ động, chủ động hay bán chủ động. 1.2.1. Phương pháp giảm chấn thụ động Đây là hình thức giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của các thiết bị giảm chấn được lấy từ chính năng lượng dao động của bản thân công trình. Năng lượng có thể được tiêu tán nhờ cản ma sát, biến dạng dẻo của kim lọai, cản nhớt hoặc cản thủy lực. Phương pháp giảm chấn thụ động sử dụng các thiết bị giảm chấn thụ động được đặt ở chân công trình (tại chân các cấu kiện chịu lực theo phương đứng) được gọi là phương pháp cách chấn đáy. Sự cách ly kết cấu nhằm tách rời hoặc hạn chế việc truyền lực 5 động đất vào kết cấu. Các thiết bị này cũng hấp thụ một phần năng lượng của các trận động đất để giảm thiểu phần năng lượng tác dụng vào kết cấu, do đó, kết cấu không bị hư hỏng sau các trận động đất mạnh. Trong quá trình hoạt động, nếu cần thiết, có thể thay thế các bộ phận hấp thụ năng lượng một cách dễ dàng. Phương pháp cách chấn đáy được phất từ sớm và hiện đang được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới. Một hệ thống cách chấn đáy điển hình thường được đặt ở móng của kết cấu, năng lượng của trận động đất sẽ được hấp thụ phần lớn thông qua sự mềm dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng của hệ thống trước khi nó được truyền tới kết cấu, dẫn đến việc khả năng chịu lực của kết cấu sẽ được tăng lên. nguyên lý của phương pháp cách chấn đáy được thể hiện như sau: Hình 1.2 Nguyên lý cách chấn đáy công trình Hệ thống cách chấn đáy đầu tiên được nghiên cứu và sử dụng là hệ thống gối đỡ bằng sao su thiên nhiên có độ cản thấp (trạm điện 230kV ở miền nam California năm 1976, cầu Pelham tại Anh năm 1956).Các nghiên cứu thực nghiệm sau đó đã thêm các cấu kiện vào hệ gối cao su đàn hồi như các lõi chì, hoặc sử dụng kết hợp với thiết bị cản ứng dụng chảy dẻo của thép hoặc thiết bị cản ứng dụng ma sát. Các cấu kiện, thiết bị này đóng vai trò tiêu tán năng lượng trong hệ. Công trình đầu tiên được ứng dụng hệ gối đỡ cao su có lõi chì là cầu Siera Point gần San Francisco. Một thiết bị giảm chấn dao động thụ động khác làm từ cao su có độ cản cao(High Damping Bearing –HDB) 6 được Hiệp hội Nghiên cứu sản xuất Cao su Malaisia (MRPRA) phát triển năm 1986. Nguyên lý giảm chấn của thiết bị dựa trên nhận xét rằng sự tăng độ cản trong toàn bộ hệ thống các chấn đáy có thể được tự sinh ra bởi chính cao su có độ giảm chấn cao. Chương trình tính toán bằng máy tính đầu tiên dùng để phân tích kết cấu có sử dụng hệ cách chấn đáy được trường đại học Buffalo phát triển vào năm 1991. Tại đây cũng đã tiến hành nghiên cứu việc kết hợp các hệ thống cách chấn đáy và cách ly rung động, hệ thống này được gọi là hệ cản nhớt- lò xo. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số cản giảm mạnh khi tần số tăng, tính chất quan trọng này cho phép hệ thống đóng vai trò vừa là cách chấn đáy (tần số thấp nên độ cản cao) và như là một hệ cách ly rung động (tần số cao nên độ cản thấp ). Hiện nay, theo tìm hiểu của nhóm nghiên cứu đề tài, các chương trình có khả năng phân tích kết cấu sử dụng cách chấn đáy gồm có: 3DBASIS, ETABS, ANSYS, SAP và ABAQUS. 1.2.1.1. Một số phương pháp giảm chấn thụ động khác Rất nhiều tiến bộ đã đạt được trong việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp giảm chấn dao động thụ động khác cho các kết cấu xây dựng. Cũng tương tự như kỹ thuật cách chấn đáy, vai trò cơ bản của các thiết bị giảm chấn thụ động khi chúng ta được gắn vào kết cấu là hấp thụ hoặc tiêu tán năng lượng tác dụng vào, do đó sẽ làm giảm lượng năng lượng phân bố vào các cấu kiện chịu lực chính của kết cấu, dẫn tới việc giảm thiểu các hư hại của kết cấu . Tuy nhiên, khác với các thiết bị cách chấn đáy, các thiết bị này còn có tác dụng chống lại các tác động gió không kém gì so với tác động của động đất. Một số thiết bị giảm chấn dao động dạng thụ động đã được nghiên cứu bao gồm: các thiết bị cản kim loại (Metallic Dampers-MD),các thiết bị cản ma sát (Friction Dampers-FD), thiết bị cản nhớt (Viscous Dampers-VD), thiết bị cản khối lượng dự chỉnh (Tuned Mass Dampers-TMD), thiết bị cản chất lỏng dự chỉnh (Tuned Liquid Dampers-TLD). Thiết bị cản ma sát FD dùng cho việc giảm chuyển động động đất trong công trình xây dựng được phát triển đầu tiên bởi Keigtley(1977-1979). Thiết bị này bao gồm các tấm thép được liên kết với nhau bằng bu lông và các vòng đệm, các bề mặt được bôi trơn bằng dầu nhờn để chống kẹt rỉ. Các nghiên cứu của Keigtley đã đặt ra nhiều câu hỏi và 7 gợi ý cho các nghiên cứu sau này, những câu hỏi được đặt ra về sự rão của hệ thống, sự ổn định dài hạn của chất bôi trơn và sự ăn mòn của bề mặt trượt của thép có thể làm thiết bị mất tác dụng. Một số các thiết bị FD khác cũng đã được phát triển bởi Grigorian(1993), Constantinou(1991), Nims(1993). Hệ thống thiết bị con lắc ma sát (Friction Pendulum Systems-FPS) lại cho phép kết cấu bên trên có thể trở lại vị trí ban đầu thông qua các mặt trượt có dạng một phần của mặt cầu. Hệ FPS cho phép kết cấu cách ly dao động với nguyên lý tương tự như trong hiện tượng viên bi trờn đặt trên vành cứng hình bán nguyệt, khi tác dụng một lực làm vành cứng dao động ra khởi vị trí cân bằng thì viên bi sẽ di chuyển và có xu hướng làm vành cứng nhanh chóng trở lại vị trí cân bằng ban đầu. Lúc đầu người ta chỉ vận dụng nhưng phản ứng của con lắc trong tự nhiên. Khi tác dụng một lực làm di chuyển điểm treo của con lắc thì con lắc cũng sẽ dao động và khi lực làm dịch chuyển vị trí của điểm treo. Cũng tương tự là hiện tượng viên bi tròn đặt trên nền cứng hình bán nguyệt, khi tác dụng một lực làm vành kính dao động ra khỏi vị trí cân bằng thì viên bi sẽ di chuyển và có xu hướng làm vành cứng nhanh chóng trở lại vị trí cân bằng ban đầu. Tương tự, hiện tượng vật nặng cũng sẽ dao động và gây ra một lực trong các lò xo, lực này được truyền vào nền và có hướng chống lại chuyển vị của nền. Dưới đây là một số thiết bị cách chấn đáy: 8 Hình 1.3 Các loại thiết bị cách chấn đáy: (a) Gối đỡ đàn hồi; (b) Gối đỡ đàn hồi có lõi chì (LRB); (c) Gối đỡ dạng con lắc ma sát (FPS) Các vật liệu nhớt cũng được nghiên cứu sử dụng để làm các thiết bị giảm chấn .Các thiết bị giảm chấn loại này thông thường không góp vào độ cứng của công trình nhưng nó sẽ tăng độ cản cho công trình, nó làm thay đổi ma trận cản C trong phương trình chuyển động dao động của kết cấu. Do đó, phản ứng dao động của kết cấu sẽ tắt nhanh hơn. Vật liệu nhớt thường được sử dụng là dầu nhớt vì tính ổn định theo chu trình cao. Hình 1.4 (a) Thiết bị cản nhớt; (b) Thiết bị cản ma sát Vật liệu cản nhớt (acrylic polymers) đầu tiên được ứng dụng cho cản trên bề mặt kết cấu. Các thiết bị này được làm bởi các lớp vật liệu đàn nhớt được phát triển bởi công ty 3M và được sử dụng để giảm chấn dao động do gió gây ra. Gần đây, các thiết bị này 9 được nghiên cứu để ứng dụng phân tán năng lượng động đất. Các thiết bị cản đàn nhớt phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ, môi trường, tần số và biên độ dao động. Đặc biệt, sự phụ thuộc vào nhiệt độ là một yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế cũng như cần được mô hình hóa rõ ràng trong việc phân tích động của hệ kết cấu sử dụng thiết bị cản đàn nhớt. Kasai (1993) đã đề xuất một công thức vi phân với ảnh hưởng của nhiệt độ cho thiết bị của 3M. Một nghiên cứu khác về thiết bị này cũng đã được thực hiện bởi Lorant Group tại Arizonava Hsu (1992) Hình 1.5 Thiết bị cản đàn nhớt trong khung thép Một loại các thiết bị cản kim loại dùng trong hệ thống cách chấn đáy được thí nghiệm tại Đại học Berkeley vào cuối những năm 1970. Những năm gần đây, các thiết bị này đã được thay đổi để ứng dụng cho việc phân tán năng lượng. Thiết bị tăng độ cứng và cản ( Added Damping anh Stiffness-ADAS) gồm các tấm thép có hình chữ X đã được thử nghiệm như là thiết bị phân tán năng lượng trong công trình (Bergman 1987,Whittaker 1989). Một số thiết bị cản ứng dụng thềm chảy của kim loại được làm từ các vật liệu khác như hợp kim Nitinol (Niken và Titan) và Cu-Zn-Al ( đồng-kẽmnhôm) đã được thí nghiệm và cho phép phân tán năng lượng khi chưa cần đạt đến thềm chảy. Khái niệm về thiết bị TMD được đề cập đến lần đầu tiên vào năm 1909 để giảm các chuyển động xoay tròn của con tàu cũng như làm giảm độ rung lắc của tàu thủy. Sau đó, đến năm 1928 có những nghiên cứu chi tiết về thiết bị TMD với đề xuất điều chỉnh 10 tối ưu các thông số cản. Lý thuyết ban đầu chỉ ứng dụng cho hệ một bậc tự do dao động không có cản dưới tác dụng của một tuần hoàn dạng hình sin. Sau đó, lý thuyết đã được phát triển cho hệ một bậc tự do có cản. Những nghiên cứu tiêu biểu đã được thực hiện bởi Randall (1981), Warbuton (1980,1981,1982), và Tsai và Lee (1993). Một thiết bị TMD điển hình gồm một khối lượng quán tính được gắn vào công trình tại vị trí có chuyển vị lớn nhất (thông thường là ở gần đỉnh công trình) thông qua một lò xo đàn hồi và một cơ cấu cản (thông thường là các pít-tông giảm chấn nhớt hoặc đàn nhớt). Khối lượng hiệu quả của TMD phụ thuộc vào khối lượng của công trình, độ cứng và độ giảm chấn của cơ cấu liên kết và được tính toán sao cho chu kỳ dao động của TMD tương đơng với chu kỳ dao động của công trình. Khi công trình dao động sẽ gây ra chuyển vị tại các điểm liên kết giữa công trình và khối lượng của TMD, khối lượng này sẽ dao động lệch pha với dao động của công trình và tạo ra lực cản lại dao động do tác nhân gây ra đối với công trình. Hình 1.6 Mô hình cấu tạo hệ công trình một bậc tự do có gắn thiết bị TMD Những nghiên cứu gần đây đã cho thấy hiệu quả của thiết bị TMD trong việc chế ngự phản ứng của động đất. Năm 1983 đã có nghiên cứu ảnh hưởng của TMD cho cả hai trường hợp tuyến tính và phi tuyến . Villaverde(1998) đã nghiên cứu khả năng va hiệu quả khi kết cấu được đặt thiết bị TMD ở trên đỉnh. Kết quả nghiên cứu cho thấy thiết bị TMD gấn trên đỉnh kết cấu đã giảm được tới 84% năng lượng động đất tác dụng vào kết cấu, điều này cũng có nghĩa là việc giảm năng lượng động đất đáng kể chỉ có thể xảy ra khi đặt thiết bị TMD ở trên đỉnh của kết cấu. 11 Ứng dụng điển hình của TMD có thể kể đến là tòa nhà Taipei 101 cao nhất thế giới với chiều cao 508m, 101 tầng có 50 thang máy. Tòa nhà này có hệ thống TMD với quả cầu bằng sắt với đường kính 5,5m nặng 660 tấn, được đặt ở độ cao 382m(tầng 89). Tòa nhà có thể chịu được gió mạnh với 60m/s. Cũng thể hiện một ứng dụng của thiết bị giảm chấn dao động dạng TMD cho một công trình cao tầng ở Nhật Bản. Hình 1.7 Thiết bị TMD ở tòa nhà Taipei 101 Hình 1.8 Thiết bị giảm chấn khối lượng dự chỉnh của tòa nhà Fukuoka Tower, Fukuoka, Nhật Bản Theo Kareem và Kline (1995), hiệu quả giảm chấn dao động càng tăng lên nếu sử dụng nhiều TMD được bố trí song song phù hơp với sự phân bố tần số dao động riêng của kết cấu. Với cùng một khối lượng tổng cộng, một hệ nhiều TMD nhỏ sẽ làm tăng độ giảm chấn tương đương cho công trình. Theo Tamura (1997), ở Nhật Bản, đã có nhiều thiết bị TMD được sử dụng, trong đó cơ cấu dùng để liên kết khối lượng quán 12