Tài liệu Phân tích hiệu quả giảm chấn kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất sử dụng gối cô lập hai mặt trượt ma sát

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- TÔN TRỌNG QUANG PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số : 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. HOÀNG PHƢƠNG HOA Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Tôn Trọng Quang ii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i MỤC LỤC ......................................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ................................................................... v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ ix MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT (DFP) ...................................................................................................................... 4 1.1. SƠ LƢỢC VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG ......................................................... 4 1.1.1. Các dạng kết cấu cơ bản .................................................................................... 4 a. Kết cấu khung chịu lực ....................................................................................... 4 b. Kết cấu tƣờng chịu lực ........................................................................................ 5 c. Kết cấu lõi chịu lực ............................................................................................. 5 d. Kết cấu ống ......................................................................................................... 6 1.1.2. Các dạng kết cấu hỗn hợp ................................................................................. 7 a. Kết cấu khung – giằng ........................................................................................ 7 b. Kết cấu khung - vách .......................................................................................... 7 c. Kết cấu ống - lõi .................................................................................................. 8 d. Kết cấu ống tổ hợp .............................................................................................. 8 1.1.3. Các dạng kết cấu đặc biệt .................................................................................. 8 a. Kết cấu có hệ dầm truyền .................................................................................... 8 b. Kết cấu có các tầng cứng .................................................................................... 9 c. Hệ kết cấu có hệ khung ghép ............................................................................ 10 1.2. TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LÊN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG ............................................................................................................................ 10 1.2.1. Sóng địa chấn và sự truyền sóng ..................................................................... 10 1.2.2. Đặc tính của chuyển động nền trong động đất ................................................ 13 a. Gia tốc đỉnh (PGA) ........................................................................................... 14 b. Nội dung tần số ................................................................................................. 15 c. Thời gian kéo dài của rung động mạnh............................................................. 15 1.2.3. Ứng xử của kết cấu khi chịu tác động của tải trọng động đất ......................... 15 iii 1.3. CÁC GIẢI PHÁP CÁCH CHẤN CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP TRƢỢT MA SÁT ................................. 17 1.3.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu giải pháp gối cô lập dao động ................ 17 a. Tình hình nghiên cứu áp dụng trong nƣớc ........................................................ 17 b. Tình hình nghiên cứu áp dụng nƣớc ngoài ....................................................... 18 1.3.2. Các giải pháp gối cô lập dao động .................................................................. 20 a. Các nghiên cứu về gối đàn hồi (Elastomeric bearings) .................................... 20 b. Các nghiên cứu về gối trƣợt ma sát (Friction sliding bearings) ....................... 21 1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ....................................................................................... 22 CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT DFP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT ........................... 24 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................. 24 2.1.1. Cơ sở tính toán công trình chịu động đất ........................................................ 24 2.1.1.1. Mô hình tính toán ..................................................................................... 24 2.1.1.2. Phƣơng trình chuyển động ....................................................................... 24 2.2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA GỐI CÔ LẬP TRƢỢT MA SÁT......................... 25 2.2.1. Cấu tạo dạng gối cô lập trƣợt ma sát đôi DFPt ............................................... 25 2.2.2. Mô hình xác định hệ số ma sát trong các thiết bị gối trƣợt ............................. 26 2.2.2.1. Mô hình Coulomb .................................................................................... 26 2.2.2.2. Mô hình Coulomb hiệu chỉnh .................................................................. 26 2.2.2.3. Mô hình dẻo (Viscoplasticity model, mô hình Bouc - Wen)................... 27 2.2.3. Lựa chọn phƣơng pháp số cho nghiên cứu ..................................................... 27 2.2.4. Phƣơng pháp Newmark ................................................................................... 28 2.2.5. Phƣơng pháp Runge-Kutta ............................................................................. 28 2.3. MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG GỐI TRƢỢT MA SÁT KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT (GỐI HAI MẶT TRƢỢT (DFP, DOUBLE FRICTION PENDULUM) ............................................................................................ 29 2.3.1. Quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang của gối ................................................ 29 2.4. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU GẮN GỐI DFP............................................ 32 2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ....................................................................................... 33 CHƢƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT DFP ............................................................................ 35 3.1. HỆ 1 BẬC TỰ DO ................................................................................................. 35 3.1.1. Thông số kết cấu ............................................................................................. 35 3.1.2. Thông số kỹ thuật của gối DFP ....................................................................... 35 3.1.3. Gia tốc nền phân tích....................................................................................... 35 iv 3.1.4. Kết quả phân tích ............................................................................................ 36 3.1.4.1. Kết quả phân tích với trận động đất Northridge (NOW) ......................... 36 3.1.4.2. Kết quả phân tích với trận động đất TABAS, IRAN (TAB) ................... 38 3.1.5. Tìm thông số kỹ thuật hợp lý của gối 2 mặt trƣợt ma sát DFP để chịu đƣợc tải trọng động đất ........................................................................................................... 39 3.1.5.1. Trƣờng hợp d thay đổi R cố định ............................................................. 40 3.1.5.2. Trƣờng hợp d cố định, R thay đổi............................................................ 45 3.2. HỆ 5 BẬC TỰ DO (NGHIÊN CỨU CHO GỐI DFP)........................................... 50 3.2.1. Kết quả phân tích với trận động đất Northridge (NOW) ................................ 50 3.2.2. Kết quả phân tích với trận động đất TABAS, IRAN (TAB) .......................... 51 3.2.3. Tìm thông số kỹ thuật hợp lý của gối 2 mặt trƣợt ma sát DFP để chịu đƣợc tải trọng động đất ........................................................................................................... 51 3.2.3.1. Trƣờng hợp d thay đổi R cố định ............................................................ 52 3.2.3.2. Trƣờng hợp d cố định R thay đổi ............................................................. 55 3.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ....................................................................................... 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Đơn vị g cm/s cm Giải thích ý nghĩa Gia tốc đỉnh Vận tốc đỉnh Chuyển vị đỉnh 4 a 5 H(t) m/s2 % Gia tốc Phần trăm gia tốc nền bình phƣơng tích lũy 6 g mm/s2 Gia tốc trọng trƣờng 7 u m Véc tơ chuyển vị 8 u 9 ü m/s STT 1 2 3 Ký hiệu PGA PGV PGD m/s Véc tơ vận tốc 2 Véc tơ gia tốc 10 K 11 C 12 M kN/m s/m N.s2/m Ma trận độ cứng Ma trận cản Ma trận khối lƣợng 13 T 14 R 15 d s mm mm Chu kỳ dao động Bán kinh mặt cong của gối Khả năng chuyển vị trên mặt cong 16 17 18 19 20 21 22 23 % mm mm rad N, kN N, kN N, kN N, kN Hệ số ma sát Chiều cao con lắc Bán kinh mặt cong hiệu quả của gối Góc xoay của con lắc Lực cắt tầng (lực cắt ngang trong gối) Lực ma sát trong gối Lực phục hồi trong gối Lực va chạm trong gối 24 25 26 27 28 29 30 u g N, kN N, kN Ns2/m N/mm s/m m m/s Tổng trọng lƣợng kết cấu bên trên gối Phản lực đứng tại vị trí con lắc Khối lƣợng của một bậc tự do Độ cứng của một bậc tự do Hệ số cản của một bậc tự do Véc tơ chuyển vị nền Véc tơ vận tốc nền 31 üg 32 t m/s2 s Véc tơ gia tốc nền Bƣớc thời gian phân tích µ h Reff  F Ff Fk Fr W Fn m k c ug vi 33 Fb N, kN Tổng lực cắt đáy 34 Z Biến trễ lực ma sát 35 H 36 kr 37 mb kN/m Ns2/m Giá trị hàm heaviside Độ cứng lực va chạm Khối lƣợng phần tử gối 38 kb 39 ie kN/m % Độ cứng phần tử gối Hệ số ma sát trong phần tử gối 40 d ie mm Khả năng chuyển vị của phần tử gối tƣơng đƣơng Số bậc tự do 41 n 42  % Tỉ số cản 43 ∝ 44 A,β,γ và η 45 Y 46 ux 47 uy 48 ub s/m Hệ số phụ thuộc vào áp lực bề mặt của hệ số ma sát mm mm mm m Các đại lƣợng không thứ nguyên để xác định biến trễ Dịch chuyển dẻo để xác định biến trễ Z Chuyển vị gối theo phƣơng x Chuyển vị gối theo phƣơng y Tổng chuyển vị gối 49 N(t) kN Tổng trọng lƣợc kết cấu bên trên gối thay đổi theo mm kN/m s % thời gian Chuyển vị gối thiết kế Độ cứng hiệu quả của kết cấu cách chấn Chu kỳ hiệu quả của kết cấu cách chấn Tỉ số cản hiệu quả kết cấu cách chấn 50 51 52 53 Db Keff Teff βeff DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT 1 2 3 4 Từ viết tắt SFP DFP TFP ASCE 5 TCVN 6 NRB 7 HDR Giải thích ý nghĩa Single friction pendulum (Gối con lắc ma sát đơn) Double friction pendulum (Gối con lắc ma sát hai) Triple friction pendulum (Gối con lắc ma sát ba) American Society of Civil Enginers (Hiệp hội kỷ sƣ xây dựng dân dụng Hoa Kỳ) Tiêu chuẩn Việt Nam Natural rubber bearing (Gối cao su tự nhiên) High – Damping Rubber (Gối cao su có độ cản nhớt lớn) vii 8 LRB Lead rubber bearing (Gối cao su có lõi chì) 9 PEER Pacific Earthquake Engineering Research (Trung tâm 10 1D nghiên cứu động đất Thái Bình Dƣơng của đại học Berkeley) One Dimension (một chiều) 11 2D 12 EPS One Dimension (Hai chiều) Earthquake Protection Systems (Công ty sản xuất gối cách chấn, Mỹ) 13 SLE Service Level Earthquake (Cấp động đất nhỏ, chu kỳ lặp 72 năm) 14 DBE Design Basis Earthquake (Cấp động đất mạnh, chu kỳ lặp 475 năm) 15 MCE Maximum Considered Earthquake (Cấp động đất rất mạnh, chu kỳ lặp 2475 năm) Square Root of the Sum of the Squares (Căn bậc hai các tổng bình phƣơng) 16 SRSS viii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 3.1. Thông số kết cấu 35 3.2. Dữ liệu các trận động đất 36 ix DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1. Các dạng mặt bằng kết cấu khung nhà cao tầng điển hình 4 1.2. Các dạng mặt bằng kết cấu tƣờng chịu lực khung nhà cao tầng điển hình 5 1.3. Các dạng mặt bằng kết cấu lõi cứng chịu lực khung nhà cao tầng điển hình 6 1.4. Kết cấu dạng ống chịu lực nhƣ một conson 6 1.5. Hệ thống khung- giằng chịu lực nhà cao tầng 7 1.6. Hệ thống khung- vách chịu lực nhà cao tầng 8 1.7. Hệ kết cấu có dầm truyền trong nhà cao tầng 9 1.8. Hệ kết cấu có tầng cứng trong nhà cao tầng 10 1.9. Sóng khối: P, S, và sóng mặt: Love, Rayleigh 11 1.10. Sóng P 12 1.11. Sóng S 12 1.12. Sóng L 13 1.13. Sóng R 13 1.14. Gia tốc, vận tốc và chuyển vị theo thời gian của trận động đất Imperial Valley (15/10/1979), đo tại trạm El Centro Array 14 1.15. Lực động đất tác dụng công trình 16 1.16. Các loại tải trọng tác động đến công trình 16 1.17. Dạng kết cấu công trình 17 1.18. Bằng sáng chế của Jules Touaillon. 19 1.19. Gối đàn hồi 20 1.20. Gối trƣợt ma sát đơn, SFP. 21 1.21. Gối trƣợt ma sát đôi, DFP. 21 1.22. Gối trƣợt ma sát ba, TFP. 22 2.1. Mô hình hệ kết cấu nhiều bậc tự do chịu động đất 25 2.2. Gối trƣợt ma sát đôi, DFP 26 2.3. Hàm biến trễ Z và hàm dấu sign. 27 2.4. Chuyển động ngang trong gối DFP 30 2.5. Đƣờng ứng xử trễ trong gối DFP (----: giai đoạn I, II) 32 2.6. Mô hình tính toán kết cấu gắn gối DFP 32 x Số hiệu Tên hình hình Trang 3.1. Đƣờng ứng xử trễ 36 3.2. Đáp ứng lực cắt trong kết cấu 36 3.3. Đáp ứng gia tốc trong kết cấu 37 3.4. Đáp ứng vận tốc trong kết cấu 37 3.5. Đáp ứng chuyển vị trong kết cấu 37 3.6. Đƣờng ứng xử trễ 38 3.7. Đáp ứng lực cắt trong kết cấu 38 3.8. Đáp ứng gia tốc trong kết cấu 38 3.9. Đáp ứng vận tốc trong kết cấu 39 3.10. Đáp ứng chuyển vị trong kết cấu 39 3.11. So sánh đƣờng ứng xử trễ trong kết cấu 40 3.12. So sánh lực cắt trong kết cấu 41 3.13. So sánh gia tốc trong kết cấu 42 3.14. So sánh vận tốc trong kết cấu 43 3.15. So sánh chuyển vị trong kết cấu 44 3.16. So sánh đƣờng ứng xử trễ trong kết cấu 45 3.17. So sánh lực cắt trong kết cấu 46 3.18. So sánh gia tốc trong kết cấu 47 3.19. So sánh vận tốc trong kết cấu 48 3.20. So sánh chuyển vị trong kết cấu 49 3.21. Đƣờng ứng xữ trễ trong kết cấu 50 3.22. Đáp ứng gia tốc tầng 5 50 3.23. Đáp ứng lực cắt tầng 1 50 3.24. Đƣờng ứng xữ trễ trong kết cấu 51 3.25. Đáp ứng lực gia tốc tầng 5 51 3.26. Đáp ứng lực cắt tầng 1 51 3.27. So sánh đƣờng ứng xử trễ trong kết cấu 52 3.28. So sánh gia tốc tầng 5 trong kết cấu 53 3.29. So sánh lực cắt tầng 1 trong kết cấu 54 3.30. So sánh đƣờng ứng xử trễ trong kết cấu 55 3.31. So sánh gia tốc tầng 5 trong kết cấu 56 3.32. So sánh lực cắt tầng 1 trong kết cấu 57 xi PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT Học viên: Tôn Trọng Quang. Chuyên ngành: Xây dựng công trình giao thông Mã số: 022. Khóa: K31. Trƣờng Đại học Bách Khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Động đất đƣợc xem là thảm họa lớn đối với loài ngƣời, việc thiết kế các kết cấu công trình trƣớc đây hiện nay chƣa phù hợp một số quốc gia thƣờng xuyên có động đất xãy ra. Từ thực tiễn đó các nhà khoa học đã nghiên cứu các gối cô lập mặt trƣợt nhằm giảm chấn cho tất cả các công trình xây dựng. Gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát đƣợc biết đến nhƣ một thiết bị giảm chấn rất hiệu quả cho các kết cấu xây dựng. Thiết bị này đã đƣợc nghiên cứu phát triển mạnh trong thời gian gần đây. Gối DFP (Double friction pendulum) đƣợc xem nhƣ là một cải tiến, nó thích nghi lớn với nhiều cấp độ động đất khác nhau. Từ phần mềm Matlab lập trình các phƣơng trình tính toán theo phƣơng pháp Runge – Kutta biến mô hình tính toán kết cấu có gắn gối DFP mang lại hiệu quả cho kết cấu chịu đƣợc tải trọng động đất có: đƣờng ứng xử trễ, gia tốc, vận tốc, lực cắt đảm bảo đáp ứng trong kết cấu. Bằng biện pháp so sánh cho nhiều giá trị d, R từ phần mềm Matlab cho ra kết quả đƣờng ứng xử trễ, gia tốc, vận tốc, lực cắt trong kết cấu so sánh kết quả tìm thông số kỹ thuật d, R tối ƣu của gối DFP cho nhà sản xuất ra gối. Từ khóa: Gối cô lập trượt ma sát, hiệu quả chống động đất, nhà cao tầng, giảm chấn, biện pháp so sánh thông số kỹ thuật d, R. ANALYTICAL ANALYSIS OF EFFICIENT STRUCTURAL STRUCTURAL STRUCTURAL STRUCTURAL ANALYSIS OF LAND GROUPS USING THE TWO SURFACE MAINTENANCE PLATES Summary: Earthquakes are considered a major disaster for human beings, the design of structures that were previously unsuitable for some earthquake-prone countries. From that practice scientists have studied sliding surface isolation pillows to reduce the damping of all construction works. Double friction friction cushioning is known as an effective damping device for building structures. This device has been extensively researched recently. The double friction pendulum (DFP) pillow is considered as an improvement, it is adapted to many different levels of earthquakes. From the Matlab software, programmable Runge-Kutta computational equations for the DFP knee-joint structural calculation model are effective for earthquake load-bearing structures with: delay response paths, acceleration , Velocity, cutting force ensure the response in the structure. By comparison method for many values of d, R from Matlab software produces the result of hysteresis, acceleration, velocity, Of the DFP pillow for the pillow manufacturer. Keywords: friction slip isolation pillow, effective anti-seismic, high-rise buildings, shock absorbers, measures compare specifications d, R. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay động đất có thể xem nhƣ là một thảm họa lớn nhất của thiên nhiên đến tính mạng con ngƣời và nền kinh tế của thế giới. Nó càng nguy hiểm hơn khi vấn đề dự báo động đất gặp khó khăn về mức độ và thời gian xảy ra thảm họa. Hàng trăm nghìn ngƣời chết và mất tích, tổn thất của nền kinh tế hàng năm do động đất là rất lớn. Trận động đất ngày 12 tháng 05 năm 2008 tại Tứ Xuyên, Trung Quốc. Theo tổng kết từ chính phủ Trung Quốc, trận động đất này có số ngƣời chết và mất tích là trên 87.000 ngƣời, cần khoảng 137,5 tỷ đôla dùng để tái thiết sau động đất. Ngoài ra trong lịch sử, con ngƣời còn hứng chịu rất nhiều thảm họa ở các trận động đất, nhƣ: Trận động đất và sóng thần ở Nhật Bản (năm 2011) chịu thiệt hại nặng nề với 16.000 ngƣời chết và hàng nghìn ngƣời mất tích. Theo báo France24, trong năm 2012, vẫn còn khoảng 300.000 ngƣời sống sót phải sống trong các khu nhà tạm, và những nỗ lực xây nhà mới cho họ có thể phải mất thêm 10 năm nữa; Trận động đất ở thành phố Đƣờng Sơn, Trung Quốc (1976), trận động đất ở Haiti (2010),. Nhƣ mới đây là trận động đất kinh hoàng ở Nepal ngày 25/4/2015 không chỉ cƣớp đi sinh mạng của hơn 7.200 ngƣời, mà còn gây thiệt hại nặng nề về vật chất. Theo thống kê, trận động đất ở Nepal đã khiến gần 161.000 ngôi nhà bị phá hủy, 143.673 ngôi nhà bị hƣ hỏng, 16.000 trƣờng học bị hỏng. Theo ƣớc tính, chi phí tái thiết lên đến 5 tỷ USD. (http://fica.vn/infographic/infographics-thong-ke-thiet-hai-cua-tran-dong-dat-o-nepal29889.html). Ở Việt Nam, mặc dù không nằm trong “vành đai lửa” của các chấn tâm động đất mạnh trên thế giới. Tuy nhiên, Việt Nam vẫn là quốc gia nằm trong khu vực có mối hiểm họa động đất khá cao. Đó là báo cáo của các nhà khoa học tại Hội thảo quốc tế "Nguy hiểm động đất, sóng thần và các hệ thống cảnh báo sớm khu vực Châu Á – Thái Bình Dƣơng" do Viện Vật lý địa cầu-Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam tổ chức trong hai ngày (5 và 6-9.2011). Hội thảo có sự tham dự của nhiều nhà khoa học đến từ các nƣớc nhƣ Nga, New Zealand, Indonesia, Italia... nhằm trao đổi, chia sẻ kinh nghiệm, tìm ra những phƣơng pháp cảnh báo sớm các thiên tai cho cộng đồng, giúp hạn chế tối đa những thiệt hại về vật chất và con ngƣời. Tại Việt Nam, trong lịch sử đã ghi nhận một số trận động đất với cấp độ khá mạnh (6,7-6,8 độ richter) tại những đới đứt gãy dài hàng trăm km, nhƣ đới đứt gãy: sông Hồng, sông Chảy, Sơn La, Sông Mã, đới đứt gãy 109… Một số khu đô thị lớn hiện đang nằm trên các đới đứt gãy và có khả năng xảy ra những trận động đất có cấp độ rất mạnh nhƣ Hà Nội, đang nằm trên các đới đứt gãy 2 sông Hồng, sông Chảy, sông Mã, Sơn La đƣợc dự báo phải chịu đựng chấn động cấp độ 8 theo thang độ richter. Đối với nguy cơ sóng thần ở Việt Nam, theo các nhà khoa học thuộc Viện Vật lý địa cầu: Động đất có thể gây sóng thần nguy hiểm nhất cho vùng ven biển Việt Nam là động đất xảy ra tại đới hút chìm Manila. (http://tuoitre.vn/Chinh-tri-Xahoi/454494/Viet-Nam-co-nguy-co-dong-dat-kha-cao.html). Các dƣ chấn do động đất gây ra đã xuất hiện nhiều trên các tỉnh, thành, đặc biệt là Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng nơi tập trung một số lƣợng lớn các nhà cao tầng, các cây cầu lớn và nhu cầu xây dựng các công trình lớn ngày càng tăng về số lƣợng cũng nhƣ về chiều cao thì điều khiển kết cấu bền vững dƣới tác động của ngoại lực vẫn còn là lĩnh vực mới mẻ. Do đó, việc nghiên cứu ảnh hƣởng của tải trọng động đất và giải pháp làm giảm chấn động của tải trọng động đất đến công trình xây dựng là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Đây chính là lý do để em nghiên cứu đề tài: “Phân tích hiệu quả giảm chấn kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất sử dụng gối cô lập hai mặt trượt ma sát”. 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu tổng quát: Đánh giá hiệu quả giảm chấn cho kết cấu xây dựng khi sử dụng gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát. Mục tiêu cụ thể: Đƣa ra mô hình cơ học, thiết lập phƣơng trình chuyển động của hệ kết cấu có lắp đặt thiết bị, xác định các đại lƣợng cơ học (gia tốc, chuyển vị,…) của kết cấu thông qua việc giải phƣơng trình vi phân chuyển động lập trên bằng phƣơng pháp số Runge-Kutta, Phát triển mô hình lắp đặt thiết bị, định hƣớng thiết kế từ đó đánh giá đƣợc hiệu quả giảm chấn của thiết bị sử dụng cho nhà cao tầng. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Gối DFP cho các kết cấu xây dựng ở Việt Nam. Đề tài sẽ tập trung vào các vấn đề trọng tâm nhƣ sau: Phân tích hiệu quả giảm chấn kết cấu nhà nhiều tầng sử dụng gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát khi có động đất xảy ra. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Xây dựng mô hình lý thuyết chuyển động của các con lắc trong gối. Mô phỏng kết quả bằng phần mềm Matlab, áp dụng để giải số trực tiếp các phƣơng trình vi phân chuyển động bằng thuật toán Runge-Kutta dùng code tính của trƣờng Đại học Berkeley (Mỹ). Từ phần mềm Matlab cho ra kết quả đƣờng ứng xữ trễ trong kết cấu, lực cắt trong kết cấu, gia tốc trong kết cấu, chuyển vị trong kết cấu để so sánh lựa chọn các thông số kỹ thuật hợp lý cho nhà sản xuất. 3 5. Bố cục đề tài Luận văn ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, còn gồm 3 chƣơng với các nội dung sau: Chƣơng 1. Tổng quan về kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất khi sử dụng gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát (DFP); Chƣơng 2. Mô hình và lý thuyết tính toán gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát DFP chịu tải trọng động đất; Chƣơng 3. Ví dụ tính toán hiệu quả giảm chấn gối cô lập hai mặt trƣợt ma sát DFP. Cuối cùng là phần tài liệu tham khảo và phụ lục chƣơng trình tính toán. 6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu Động đất và nghiên cứu các giải pháp công trình chịu tác động của tải trọng động đất là một chủ đề đƣợc nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc quan tâm nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu động đất đƣợc thể hiện trong các công trình nghiên cứu của các tác giả ngoài nƣớc nhƣ: “Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering - Anil K. Chopra (1995)”; “Earthquake-resistant concrete structures Penelis, G.G. and Kappos, A.J (1997)”. Bên cạnh đó mỗi nƣớc đều ban hành các tiêu chuẩn tính động đất riêng xuất phát từ chiến lƣợc phát triển kinh tế xã hội cũng nhƣ cơ sở vật chất kỹ thuật của nƣớc mình. Tại Việt Nam, nghiên cứu động đất đƣợc Viện Vật lý địa cầu thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia tiến hành. Hệ thống các thông số cơ bản của động đất, mục lục động đất ở Việt Nam, quy luật cơ bản về tính động đất đã đƣợc nghiên cứu và khái quát trong các công trình: “Nghiên cứu dự báo động đất và dao động nền ở Việt Nam”; “Động đất trên lãnh thổ Việt Nam – Nguyễn Đình Xuyên năm 1985”. Năm 2006, Bộ Xây dựng ban hành Tiêu chuẩn thiết kế động đất TCXDVN 375:2006 trên cơ sở chấp nhận Eurocode 8. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT KHI SỬ DỤNG GỐI CÔ LẬP HAI MẶT TRƢỢT MA SÁT (DFP) 1.1. SƠ LƢỢC VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 1.1.1. Các dạng kết cấu cơ bản a. Kết cấu khung chịu lực Hệ thống kết cấu khung bao gồm hệ thống các cột, các dầm và sàn chịu tải trọng thẳng đứng, tải trọng ngang và các tải trọng khác (gió lốc xoáy…). Hệ kết cấu khung thƣờng đƣợc sử dụng cho các công trình có không gian lớn đƣợc bố trí, trang trí để bố trí nội thất bên trong cho nhiều loại công trình khác nhau. Về nhƣợc điểm của kết cấu khung là chịu lực cắt theo phƣơng ngang kém, hệ thống dầm khung vƣợt nhịp lớn chiều cao dầm phải lớn để vƣợt nhịp cho nên chiếm nhiều không gian, dẫn đến chiều cao tầng lớn. Mặt khác đối với công trình nhà cao tầng chịu động đất cao từ cấp 8 trở lên cần phải giảm chiều cao các tầng để chiều cao công trình giảm xuống, kết cấu công trình sẽ khỏe thêm chịu tải trọng động đất lớn thêm. + Đối với nhà cao tầng có kết cấu khung thép là không quá 30 tầng. + Đối với nhà cao tầng có kết cấu khung bê tông cốt thép là không quá 20 tầng. + Chiều cao công trình còn phụ thuộc vào nhịp của dầm, độ lớn của dầm, tỷ lệ chiều cao và chiều rộng của công trình. Thực tế các kết cấu khung của công trình làm việc theo sơ đồ không gian. Việc lựa chọn mặt bằng công trình tùy thuộc vào diện tích chiếm chỗ khu đất mà chúng ta bố trí cho hợp lý. Trên thực tế thƣờng bố trí có nhiều dạng nhƣ sau: Hình 1.1. Các dạng mặt bằng kết cấu khung nhà cao tầng điển hình 5 b. Kết cấu tường chịu lực Tƣờng chịu lực hay còn gọi là vách cứng là hệ thống mà vừa làm nhiệm vụ chịu lực thẳng đứng, chịu lực ngang và làm tƣờng ngăn cách. Đối với nhà thấp tầng: tƣờng chịu lực thƣờng dùng kết cấu tƣờng gạch có khả năng chịu nén tốt, nhƣng chịu kéo kém. Đối với nhà cao tầng: tƣờng chịu lực thƣờng dùng kết cấu tƣờng bê tông cốt thép có khả năng chịu kéo và nén khá tốt. Thông thƣờng ngƣời ta thƣờng gọi là vách cứng. Hình 1.2. Các dạng mặt bằng kết cấu tường chịu lực khung nhà cao tầng điển hình c. Kết cấu lõi chịu lực Những kết cấu khung chịu lực hoặc tƣờng chịu lực đƣợc tính toán bố trí cho công trình không hiệu quả về công năng sử dụng, cũng nhƣ thỏa mãn về mặt kết cấu chịu lực ta cần bố trí kết cấu lõi chịu lực. Lõi cứng đóng vai trò chịu tải trọng chính theo hƣớng thẳng đứng và tải trọng ngang của công trình. Thông thƣờng lõi cứng đƣợc bố trí ngay trung tâm ngôi nhà hoặc trọng tâm của lõi cứng trùng với trục đi qua trọng tâm của ngôi nhà để chống lại momen xoắn hiệu quả cao nhất. Các dầm, sàn liên kết với lõi cứng thông qua các dầm conson liên kết trực tiếp vào dầm cột tại vị trí xung quanh lõi cứng. 6 Hình 1.3. Các dạng mặt bằng kết cấu lõi cứng chịu lực khung nhà cao tầng điển hình d. Kết cấu ống Ở những công trình cao tầng để vƣơn lên cao ngƣời ta thƣờng thiết kế bố trí dày đặt các cột để chịu lực theo phƣơng đứng và phƣơng ngang lớn, các cột bố trí xung quanh chu vi nhà. Liên kết giữa các cột đó lại bằng các hệ dầm ngang đƣợc gọi là kết cấu ống. Kết cấu ống có cột cấm thẳng vào hệ thống móng, móng đƣợc ngàm chặt vào lòng đất tạo nên sơ đồ chịu lực nhƣ dạng một conson chịu lực dọc trục cột và tải trọng ngang (nhƣ hình 1.4) Hiện nay kết cấu ống đƣợc bố trí bằng thép thích hợp cho nhà cao tầng có thể đạt đến 60 tầng. Hình 1.4. Kết cấu dạng ống chịu lực như một conson Khi cột đƣợc bố trí khoảng cách thƣa nhau, đƣợc gọi là công trình có kết cấu chịu lực theo sơ đồ khung. 7 1.1.2. Các dạng kết cấu hỗn hợp a. Kết cấu khung – giằng Hình 1.5. Hệ thống khung- giằng chịu lực nhà cao tầng Khi hệ thống khung chịu lực (dầm, cột) không đủ tốt, để chống lại lực cắt ngang và momen xoắn của công trình ngƣời ta bố trí hệ thống giằng cho các tầng. Ƣu điểm: của hệ kết cấu này là tăng cƣờng khả năng tối đa cho công trình chịu tải trọng ngang và xoắn lớn. Nhƣợc điểm: Tính thẩm mỹ của kết cấu không đẹp, nhiều thanh giằng xiên gây cản trở công năng sử dụng công trình. b. Kết cấu khung - vách Để tăng cƣờng khả năng chịu lực cho công trình hỗ trợ cùng hệ thống cột, dầm, sàn ngƣời ta thƣờng thiết kế hệ thống tƣờng chịu lực hay còn gọi là vách. Đó là một dạng kết cấu vừa chịu tải trọng thẳng đứng, vừa chịu tải trọng ngang, mà đặc biệt là tải trọng gió bão, động đất . . . vừa là tƣờng ngăn cách. Hệ thống khung cột, dầm có khả năng chống uốn và cắt, nhƣng trong đó chống uốn là cao nhất, chống cắt hạn chế. Hệ thống vách có khả năng chống uốn và cắt, nhƣng trong đó chống cắt cao nhất, chống uốn hạn chế. 8 Việc bố trí hỗn hợp 2 kết cấu khung và vách sẽ tạo hiệu ứng chịu lực tốt nhất cho công trình. Hình 1.6. Hệ thống khung- vách chịu lực nhà cao tầng c. Kết cấu ống - lõi Để cho kết cấu ống làm việc hiệu quả hơn, xây dựng nhà cao tầng hơn, ngƣời ta đƣa kết cấu lõi vào bên trong khu vực trung tâm công trình. Lõi cứng khi đƣa vào đóng vai trò quan trọng cùng hệ thống cột kết cấu ống chịu lực rất tốt chịu tải trọng đứng, tải trọng ngang mà đặc biệt là tải trọng ngang dƣới chân công trình. Sự tƣơng tác giữa kết cấu ống và lõi giống nhƣ sự tƣơng tác giữa kết cấu khung và vách. Tuy nhiên kết cấu ống- lõi chịu lực khỏe hơn nhiều so với hệ khung- vách. d. Kết cấu ống tổ hợp Trong nhà cao tầng có kết cấu ống ngƣời ta bố trí thêm các dãy hàng cột dày đặt bên trong theo 1 hoặc 2 phƣơng để tăng cƣờng khả năng chịu lực theo phƣơng ngang của công trình. Theo cách này cách chúng ta tạo ra một dạng kết cấu một dạng nhƣ hình hộp gồm nhiều ngăn bên trong làm giảm lực biến dạng mặt trƣợt trong công trình, các vách ngoài làm cho sự phân bố các nội lực trong các hàng cột ngoài một cách đều đặn hơn. . .Kết cấu rất phù hợp cho công trình siêu cao tầng và có mặt bằng lớn. 1.1.3. Các dạng kết cấu đặc biệt a. Kết cấu có hệ dầm truyền Để tăng không gian của các tầng bên dƣới thì ta bố trí các tầng dƣới có bƣớc cột thƣa hơn, các tầng trên có bƣớc cột dày đặt để giảm kích thƣớc của dầm. Việc bố trí các cột dày truyền qua hệ dầm xuống tầng dƣới có bố trí cột thƣa thông qua hệ dầm, hệ dầm ấy gọi là hệ dầm truyền. Đây là hệ kết cấu phức tạp so với các kết cấu thông thƣờng vì dầm truyền chịu tải trọng tập trung lớn tại những điểm cần bố trí cột tầng trên.