Mô hình mới để đánh giá hiệu quả giảm chấn của kết cấu cách chấn chịu động đất :Báo cáo tổng kết đề tài Khoa học cấp trường

BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Mô hình mới để đánh giá hiệu quả giảm chấn của kết cấu cách

chấn chịu động đất

Mã số đề tài: 171.1051

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Văn Nam

Đơn vị thực hiện: Khoa Kỹ thuật Xây dựng

Tp. Hồ Chí Minh, 2018

1

LỜI CÁM ƠN

Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp Tp. Hồ

Chí Minh đã hỗ trợ nguồn khinh phí thực hiện Đề tài. Nhóm cũng xin cảm ơn Phòng

Quản lý khoa học và Hợp tác quốc tế của Trường đã có những hỗ trợ tích cực trong

quá trình tổ chức thực hiện Đề tài. Nhóm xin cảm ơn Tiểu ban khoa học Cơ khí - Xây

dựng của Nhà trường, Thành viên trong Hội đồng nghiệm thu, tập thể giảng viên Khoa

Kỹ thuật Xây dựng và những Nhà khoa học trong và ngoài Trường đã có những góp ý

chuyên môn sâu sắc để nhóm hoàn chỉnh Đề tài.

2

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài: Mô hình mới để đánh giá hiệu quả giảm chấn của kết cấu cách chấn

chịu động đất.

1.2. Mã số: 171.1051

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT

Họ và tên

(học hàm, học vị)

Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 TS. Nguyễn Văn Nam

Khoa Kỹ thuật

Xây dựng, Trường

Đại học Công nghiệp

Tp.Hồ Chí Minh

Chủ trì

2 TS. Nguyễn Huy Cung

Khoa Kỹ thuật

Xây dựng, Trường

Đại học Công nghiệp

Tp.Hồ Chí Minh

Thành viên

3 PGS. TS. Đào Đình Nhân

Khoa Xây dựng,

Trường Đại học Kiến

trúc Tp.Hồ Chí Minh

Thành viên

4 ThS. Huỳnh Lê Em

Khoa Kỹ thuật Xây

dựng, Trường Đại học

Công nghiệp Tp.Hồ

Chí Minh

Thành viên

5 ThS. Lê Văn Hưng

Khoa Kỹ thuật Xây

dựng, Trường Đại học

Công nghiệp Tp.Hồ

Chí Minh

Thành viên

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Kỹ thuật Xây dựng - Trường Đại học Công nghiệp Tp.Hồ

Chí Minh.

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 4 năm 2017 đến tháng 3 năm 2018

1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng 9 năm 2018

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 4 năm 2017 đến tháng 9 năm 2018

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): không

1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 50.000.000 đ (Năm mươi triệu đồng).

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

Cách chấn đáy (cô lập móng) là kỹ thuật điều khiển bị động kết cấu, rất hiệu quả

cho thiết kế công trình chịu động đất. Ý tưởng chính của kỹ thuật này là cách ly kết

cấu bên trên với nền bằng cách sử dụng các gối mềm, gọi là gối cách chấn. Gối cách

chấn có độ cứng chuyển vị ngang nhỏ, thông thường sẽ được lắp vào giữa phần móng

3

và kết cấu bên trên để cách ly kết cấu với chuyển động nền, ngắt bớt nguồn năng

lượng động đất truyền vào kết cấu. Kết cấu được gắn thiết bị này sẽ có chu kỳ cơ bản

tăng lên, kết cấu được làm “mềm” đi. Với chu kỳ dao động của kết cấu cô lập tăng lên

sẽ giúp cho kết cấu cách chấn tránh xa các vùng chu kỳ trội của các trận động đất,

tránh xa vùng cộng hưởng của tải trọng, từ đó giảm tác động của tải trọng động đất

vào kết cấu.

Từ những kết quả nghiên cứu trước ta thấy, động đất luôn là một hiểm họa thiên

nhiên đối với con người và công trình xây dựng. Thiết kế công trình chịu động đất là

một yêu cầu khách quan cho các nhà thiết kế kết cấu công trình. Quan điểm thiết kế

kết cấu truyền thống có những hạn chế nhất định. Trong thời gian gần đây, quan điểm

thiết kế hiện đại gắn với kỹ thuật điều khiển kết cấu được áp dụng rộng rãi, mang lại

hiệu quả cao so với quan điểm thiết kế truyền thống. Cách chấn đáy là một kỹ thuật

điều khiển bị động được nghiên cứu và áp dụng trong điều khiển dao động công trình

chịu động đất mang lại hiệu quả cao. Điều này đã được các nghiên cứu lý thuyết và

kiểm chứng thực nghiệm. Thiết bị gối con lắc ma sát sử dụng trong kỹ thuật cách chấn

đáy với những ưu điểm của nó đã được nghiên cứu và sử dụng nhiều trong thời gian

gần đây. Các dạng gối này ra đời sau so với các loại gối khác nên nó có những cải tiến

đáng kể về mặt kỹ thuật. Những nghiên cứu về gối con lắc ma sát đã được các nhà

khoa học tập trung trong thời gian này, nó đã mang lại những kết quả tích cực trong

thiết kế công trình chịu động đất. Tuy nhiên, những nghiên cứu về gối con lắc ma sát

cũng còn một số tồn tại và cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để hoàn thiện hơn về mặt lý

thuyết và ứng dụng.

Mặt khác, ở Việt Nam tuy hiện nay thiết kế kháng chấn công trình là bắt buộc

nhưng các nhà thiết kế cũng đang dừng ở quan điểm thiết kế kháng chấn truyền thống,

chưa mang lại hiệu quả cao. Nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển kết cấu nói chung và

kỹ thuật cách chấn đáy là những quan điểm hiện đại trong thiết kế kháng chấn cho

công trình. Nó cần triển khai nhiều hơn nữa trong điều kiện nước ta hiện nay, điều này

có ý nghĩa lớn về mặt lý luận và thực tiễn. Đây là lý do thực hiện nghiên cứu này.

2. Mục tiêu

a. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu sử dụng hiệu quả các dạng gối con lắc ma sát

SFP (Single friction pendulum, con lắc ma sát đơn), DFP (Double friction pendulum,

con lắc ma sát đôi) và TFP (Triple friction pendulum, con lắc ma sát ba) trong thiết kế

công trình chịu động đất.

b. Mục tiêu cụ thể: Xây dựng mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng các dạng

gối con lắc ma sát chịu tải trọng động đất. Từ đó, nghiên cứu đánh giá hiệu quả của

các dạng gối này nói chung và cho các công trình xây dựng ở Việt Nam. Bên cạnh đó,

việc tìm ra bộ thông số hợp lý cho gối con lắc ma sát trong những điều kiện thiết kế cụ

thể cũng rất cần thiết.

4

3. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình tính toán lý thuyết, kết quả nghiên cứu được mô phỏng bằng

phần mềm Matlab và được so sánh kiểm chứng bằng một mô hình thí nghiệm của

nhóm tác giả khác đã được công bố bởi NEES (Network for Earthquake Engineering

Simulation). Trên cơ sở mô hình được thiết lập, ta tiến hành tìm ra bộ thông số hợp lý

cho gối và đánh giá hiệu quả giảm chấn của thiết bị gối con lắc ma sát trong việc bảo

vệ công trình khi động đất xảy ra.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu của Đề tài như sau:

4.1. Mô hình kết cấu cách chấn bằng các dạng gối con lắc ma sát

Gối con lắc ma sát sử dụng trong công trình kháng chấn gồm 3 loại: Gối con lắc

ma sát đơn (gối SFP), Gối con lắc ma sát đôi (gối DFP) và Gối con lắc ma sát ba (gối

TFP). Mô hình cho từng gối như sau:

a. Mô hình cho gối SFP

Phát triển từ mô hình 1-D (One - Dimension) , mô hình kết cấu bằng gối SFP khi

xét theo mô hình 2-D (Two - Dimensions) được thiết lập như sau:

kx

cx m

agx

kb

e

de

ubx ux

mb

ky

cy

agy

kb

e

de

uby

mb

uy

x

y

z

Goái SFP

Goái SFP

Hình 1. Mô hình 2-D của kết cấu cách chấn bằng gối SFP

Sử dụng nguyên lý cân bằng d'Alembert để thiết lập phương trình vi phân chuyển

động theo từng phương như sau:

Phương trình chuyển động theo phương x:

       

    



      

( ) ...

... ( )

( ) ( )

b bx b bx fx rx x bx x

x bx x b gx

x x x bx x x bx gx

m u k u F F k u u

c u u m a

ma k u u c u u ma

(1a)

5

Tương tự cho phương y,

       

    



      

( ) ...

... ( )

( ) ( )

b by b by fy ry y by y

y by y b gy

y y y by y y by gy

m u k u F F k u u

c u u m a

ma k u u c u u ma

(1b)

b. Mô hình cho gối DFP

Tương tự như gối SFP, phát triển từ mô hình 1-D, mô hình kết cấu bằng gối DFP

khi xét theo mô hình 2-D được thiết lập như sau:

ksy

csy

kb1

e

d1e

ub1y

mb1

ugx

ugy

usy

Goái DFP

Goái DFP

mb2

e

d2e

kb2

e

d2e

ub2y

mb2

x

y

z

ksx

csx

ms

kb1

e

d1e

ub1x usx

mb1

kb2

ub2x

Hình 2. Mô hình 2-D của kết cấu cách chấn bằng gối DFP

Phương trình vi phân chuyển động theo từng phương như sau:

Phương trình chuyển động theo phương x:

1 1 1 1 1 2 1 2

2 1 2 1

2 2 2 2 1 2 2

2 2 2

2 2

...

... ( )

( ) ...

... ( ) ( )

( ) ( ) s

x x r x r x f x f x

x x gx

x x x r x f x

sx sx sx sx gx x x

s sx sx sx sx sx gx x x

m u k u F F F F

k u u m u

m u k u u F F

k u u c u u m u

m u c u u k u u m u



















     

   

    

     

     

(2a)

6

Tương tự cho phương y,

1 1 1 1 1 2 1 2

2 1 2 1

2 2 2 2 1 2 2

2 2 2

2 2

...

...

...

... ( )

( )

( ) ( )

( ) ( ) s

y y r y r y f y f y

y y gy

y y y r y f y

sy sy sy sy gy y y

s sy sy sy sy sy gy y y

m u k u F F F F

k u u m u

m u k u u F F

k u u c u u m u

m u c u u k u u m u









 









     

   

   

     

     

(2b)

c. Mô hình cho gối TFP

Phát triển từ mô hình kết cấu cách chấn bằng gối TFP theo 1 chiều, Mô hình tính

toán tổng quát của kết cấu 1 tầng được cách chấn bằng gối TFP chịu chuyển động nền

theo 2 phương x và y được thể hiện trong Hình 3.

Các thông số vật lý của gối được tính toán và thông số chuyển động bao gồm

chuyển vị, vận tốc và gia tốc được xét cho cả 2 phương x và y.

Từ mô hình tính toán ở Hình 3, hệ phương trình vi phân chuyển động của kết cấu

gắn gối TFP chịu gia tốc nền theo từng phương được thiết lập trên cơ sở của nguyên lý

d’Alembert. Mỗi khối lượng sẽ có 2 thành phần chuyển vị theo 2 phương và phương

trình cân bằng động tại mỗi khối lượng được viết như sau.

Theo phương x:

1 1 1 1 1 1 2

2 2 1 2

2 2 2 2 1 2 2

3 3 3 2 3

3 3 3 3 2 3 3

3

( ) ...

( )

( )

... ( ) 0

( ) ...

... ( ) 0

( ) ...

... (

b b x b b x f x gx r x r x

f x b b x b x

b b x b b x b x f x gx r x

f x r x e x x

b b x b b x b x f x gx r x

sx x

m u u k u F F F

F k u u

m u u k u u F F

F F k u u

m u u k u u F F

c u

 





   

  

    

   

    

 4 3 4

3 3 ( )

) ( ) 0

( ) ( ) 0

x x x sx

s sx gx sx sx sx sx b x b x

u k u u

m u u c u u k u u























 



  

    

(3a)

Theo phương y:

1 1 1 1 1 1 2

2 2 1 2

2 2 2 2 1 2 2

3 3 3 2 3

3 3 3 3 2 3 3

3

( ) ...

( )

( )

... ( ) 0

( ) ...

... ( ) 0

( ) ...

... (

b b y b b y f y gy r y r y

f y b b y b y

b b y b b y b y f y gy r y

f y r y e y y

b b y b b y b y f y gy r y

sy y

m u u k u F F F

F k u u

m u u k u u F F

F F k u u

m u u k u u F F

c u

 





   

  

    

   

    

 4 3 4

3 3 ( )

) ( ) 0

( ) ( ) 0

y y y sy

s sy gy sy sy sy sy b y b y

u k u u

m u u c u u k u u























 



  

    

(3b)

7

ksx

csx

ms

kb1

e

d1e

ub1x usx

mb1

kb3

ub3x

kb2

ub2x

ksy

csy

kb1

e

d1e

ub1y

mb1

ugx

ugy

usy

Goái TFP

Goái TFP

mb2 mb3

e e

d2e d3e

kb2

e

d2e

ub2y

mb2

kb3

e

d3e

ub3y

mb3

x

y

z

Hình 3. Mô hình 2-D của kết cấu cách chấn bằng gối TFP

Với mô hình nhà n tầng, mô hình và phương trình vi phân chuyển động theo 2

phương được lập luận tương tự. Mỗi phương sẽ có (n + 3) phương trình vi phân

chuyển động có dạng như Phương trình (3).

d. Xác định thành phần lực ma sát và lực va chạm trong gối

Thành phần lực ma sát trong các hệ phương trình vi phân chuyển động trên theo

2 phương x và y được xác định theo mô hình dẻo (Viscoplasticity model, mô hình Bouc

- Wen hiệu chỉnh) như sau:

ie

ie





  



  

fix ix

fiy iy

F WZ

F WZ

(4)

trong đó: hệ số ma sát ie được xác định phụ thuộc vào vận tốc trượt và áp lực bề mặt

theo nghiên cứu của Constantinou và Mokha. Vận tốc trượt trong phương trình này

được tổng hợp từ 2 thành phần theo 2 phương x và y và được xác định theo

Nagarajaiah như sau:

2 2

i ix iy u u u  

(5)

W là tổng trọng lượng kết cấu bên trên.