Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Mối tương quan giữa chuyển vị dự đoán theo mô hình phi tuyến và chuyển vị dự đoán theo mô hình đàn – nhớt tuyến tính của gối ma sát con lắc đơn chịu động đất

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:55

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn là khảo sát mối tương quan giữa chuyển vị của gối cách chấn ma sát con lắc đơn được dự đoán bằng mô hình tuyến tính với chuyển vị được dự đoán bằng mô hình phi tuyến đồng thời đánh giá độ tin cậy của chuyển vị tính theo mô hình tuyến tính.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Mối tương quan giữa chuyển vị dự đoán theo mô hình phi tuyến và chuyển vị dự đoán theo mô hình đàn – nhớt tuyến tính của gối ma sát con lắc đơn chịu động đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM  TRẦN LÊ NGUYÊN MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA CHUYỂN VỊ DỰ ĐOÁN THEO MÔ HÌNH PHI TUYẾN VÀ CHUYỂN VỊ DỰ ĐOÁN THEO MÔ HÌNH ĐÀN – NHỚT TUYẾN TÍNH CỦA GỐI MA SÁT CON LẮC ĐƠN CHỊU ĐỘNG ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KTXD Công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã ngành: 60 58 02 08 TP. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM  TRẦN LÊ NGUYÊN MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA CHUYỂN VỊ DỰ ĐOÁN THEO MÔ HÌNH PHI TUYẾN VÀ CHUYỂN VỊ DỰ ĐOÁN THEO MÔ HÌNH ĐÀN – NHỚT TUYẾN TÍNH CỦA GỐI MA SÁT CON LẮC ĐƠN CHỊU ĐỘNG ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KTXD Công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã ngành: 60 58 02 08 CÁN BỘ HDKH: TS. ĐÀO ĐÌNH NHÂN TP. Hồ Chí Minh, tháng10 năm 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. ĐÀO ĐÌNH NHÂN Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.HCM ngày .... tháng ... năm 2016. Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: Chức danh TT Họ và tên Hội đồng 1 TS Khổng Trọng Toàn Chủ tịch 2 PGS.TS Lương Văn Hải Phản biện 1 3 TS. Phạm Hồng Ân Phản biện 2 4 PGS.TS Nguyễn Xuân Hùng Ủy viên 5 TS Nguyễn Văn Giang Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN LÊ NGUYÊN Giới tính: nam Ngày, tháng, năm sinh: 03/07/1974 Nơi sinh: TP HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng MSHV: 1341870044 công trình dân dụng và công nghiệp I. Tên đề tài Mối tương quan giữa chuyển vị dự đoán theo mô hình phi tuyến và chuyển vị dự đoán theo mô hình đàn – nhớt tuyến tính của gối ma sát con lắc đơn chịu động đất. II. Nhiệm vụ và nội dung Nhiệm vụ của luận văn là khảo sát mối tương quan giữa chuyển vị của gối cách chấn ma sát con lắc đơn được dự đoán bằng mô hình tuyến tính với chuyển vị được dự đoán bằng mô hình phi tuyến đồng thời đánh giá độ tin cậy của chuyển vị tính theo mô hình tuyến tính. Để thực hiện được điều này, luận văn sẽ phân tích chuyển vị của nhiều gối ma sát con lắc đơn với các thông số khác nhau chịu tác động của khoảng 3500 băng gia tốc ghi được từ các trận động đất trên khắp thế giới. Cả mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến đều được sử dụng. Kết quả phân tích sẽ được sử dụng để phân tích, xử lý để xây dựng công thức biểu diễn mối tương quan giữa chuyển vị được dự đoán theo hai mô hình này. Đáp ứng của hệ cách chấn đáy và gối cách chấn với động đất được phân tích bằng phần mềm chuyên dụng OpenSees. III. Ngày giao nhiệm vụ: .../... /2016 IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: .../.../2016 V. Cán bộ hướng dẫn: Tiến sĩ Đào Đình Nhân CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH Tiến sĩ Đào Đình Nhân
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Đào Đình Nhân. 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. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả TRẦN LÊ NGUYÊN
ii LỜI CẢM ƠN Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy dạy các môn của lớp 13SXD21, nhờ các thầy đã trang bị cho kiến thức nền đã giúp em thuận lợi hơn cho việc thực hiện đề tài Thạc sĩ. Rất cảm ơn các bạn cùng lớp đã chia sẻ, trao đổi, phản biện trong quá trình làm bài, nhờ đó giúp cho nội dung phân tích được tốt hơn. Đặc biệt, luận văn này không thể thực hiện được nếu thiếu sự hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Đào Đình Nhân. Cảm ơn thầy với lòng nhiệt tình, đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm bổ ích để em hoàn thành bài luận này. Tác giả cũng rất mong sự góp ý chân thành của các thành viên Hội đồng khoa học để Luận văn này có thể được hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. TRẦN LÊ NGUYÊN
iii TÓM TẮT * Tên đề tài Mối tương quan giữa chuyển vị của gối cách chấn ma sát con lắc đơn được dự đoán bằng mô hình tuyến tính với chuyển vị được dự đoán bằng mô hình phi tuyến đồng thời đánh giá độ tin cậy của chuyển vị tính theo mô hình tuyến tính * Từ khoá: Mô hình đàn hồi – nhớt tuyến tính, ma sát con lắc đơn chịu tác động của động đất, mô hình cứng – dẻo tái bền, mô hình đàn hồi – nhớt tuyến tính tương đương * Tóm tắt: Luận văn này khảo sát mối tương quan giữa chuyển vị tính theo mô hình đàn hồi – nhớt tuyến tính với chuyển vị tính theo mô hình cứng – dẻo tái bền của gối cách chấn ma sát con lắc đơn chịu tác động của động đất. Hệ cách chấn được lý tưởng hóa thành hệ một bậc tự do chịu tác động của chuyển vị nền theo một phương ngang. Để phân tích đáp ứng chuyển vị của hệ một bậc tự do này, luận văn đã sử dụng hai loại mô hình: mô hình cứng – dẻo tái bền được xây dựng từ các thông số của hệ cách chấn và mô hình đàn hồi – nhớt tuyến tính tương đương được xây dựng từ mô hình cứng – dẻo tái bền tương ứng. Hệ số ma sát của hệ cách chấn biến thiên từ 0,02 đến 0,2 và chu kỳ con lắc của chúng biến thiên từ 2,0 đến 5,0 giây. Tổng cộng 1264 băng gia tốc từ cơ sở dữ liệu của PEER đã được sử dụng trong phân tích. Tổng số bài toán phân tích phi tuyến lên đến 121.464 bài. Tất cả những phân tích, kể cả tuyến tính và phi tuyến, này đều được thực hiện trong phần mềm mô phỏng OpenSees. Việc phân tích tương quan giữa các chuyển vị tính từ hai mô hình này cho thấy về phương diện trung bình thì chuyển vị lớn nhất của mô hình phi tuyến chỉ bằng khoảng 90% chuyển vị lớn nhất được dự đoán từ mô hình tuyến tính. Mối quan hệ này ứng với nhiều độ tin cậy khác nhau cũng đã được thiết lập.
iv ABSTRACT * Subject: Evaluated the relationship between the peak displacements predicted by a linear viscous-elastic model and a nonlinear model of seismic base isolation systems using single friction pendulum bearings subjected to earthquake motions.* Keywords: Linear viscous-elastic model, single friction pendulum bearings subjected to earthquake motions, the rigid – plastic model, the equivalent linear viscous elastic model * Abstract: This thesis evaluated the relationship between the peak displacements predicted by a linear viscous-elastic model and a nonlinear model of seismic base isolation systems using single friction pendulum bearings subjected to earthquake motions. The isolated structures was modeled by a single degree of freedom system subjected to unidirectional ground motions. Two bearing models were employed to analyze the displacement of the isolation system: the rigid – plastic model and the equivalent linear viscous elastic model. The parameters of these models were calculated from the bearing’s properties, including friction coefficient and pendulum period. The friction coefficient of bearings ranges from 0,02 to 0,2 while the pendulum period ranges from 2,0 s to 5,0 s. A total number of 1264 ground motions in the PEER database were used for the analysis. The number of nonlinear dynamic analysis reaches 121 464 runs. The dynamic analysis of the models was done in OpenSees platform. The analysis of the results indicated that in the average sense, the peak displacement of the nonlinear model approximately equals 90 percent of the peak displacement predicted from the equivalent linear model. This relationship at different degree of certainties was also developed.
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii TÓM TẮT ................................................................................................................. iii ABSTRACT .............................................................................................................. iv MỤC LỤC ...................................................................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... viii CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU ...............................................................................................1 1.1Giới thiệu ............................................................................................................1 1.1.1Đặt vấn đề ....................................................................................................1 1.1.2Tính cấp thiết của đề tài ...............................................................................4 1.2Tổng quan về tình hình nghiên cứu ....................................................................4 1.3Mục tiêu của luận văn và phương pháp nghiên cứu ...........................................6 1.4Nội dung của luận văn ........................................................................................7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................8 2.1Cấu tạo của gối con lắc ma sát đơn ....................................................................8 2.2Phương trình vi phân chủ đạo của hệ một bậc tự do được cách chấn bởi gối ma sát con lắc chịu tác động của gia tốc nền ................................................................8 2.3Mô hình đàn nhớt tuyến tính tương đương của gối con lắc ma sát đơn ...........11 2.4Phương trình vi phân chủ đạo của hệ đàn nhớt tuyến tính ...............................16 2.5Các phương pháp giải phương trình vi phân chủ đạo của hệ ...........................17 2.6Phương pháp Newmark ....................................................................................19 CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ KHẢO SÁT..............................................22 3.1Mô hình khảo sát ..............................................................................................22 3.2Các băng gia tốc đầu vào ..................................................................................23 3.3Phân tích đáp ứng của các mô hình ..................................................................24 3.3.1Tính toán chuyển vị lớn nhất của mô hình phi tuyến ................................24 3.3.2Kiểm tra độ tin cậy của mô hình phi tuyến................................................24 3.3.3Tính toán chuyển vị lớn nhất của mô hình tuyến tính tương đương .........28 3.4Kết quả khảo sát ...............................................................................................28
vi CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................36 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................37
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Số lượng các băng gia tốc được sử dụng để phân tích .............................24 Bảng 3.2. Thông số của hệ một bậc tự do dùng để đối chứng ..................................24 Bảng 3.3. Các băng gia tốc đầu vào dùng để đối chứng ...........................................25 Bảng 3.4. Các thông số thống kê của tỉ số chuyển vị ...............................................32 Bảng 3.5. Tỉ số chuyển vị ứng với các xác xuất tích lũy ....................................32 Bảng 3.6. Các thông số thống kê của tỉ số chuyển vị khi ....34 Bảng 3.7. Tỉ số chuyển vị ứng với các xác xuất tích lũy , ...................................35 Bảng 3.8. Chuyển vị lớn nhất của mô hình phi tuyến tính theo mô hình tuyến tính (dựa trên dữ liệu nhận được khi ) .........................................35
viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Giải pháp cách chấn đáy ..............................................................................2 Hình 1.2 Tác dụng giảm đáp ứng với động đất của hệ cách chấn đáy. ......................3 Hình 1.3 Sự gia tăng chuyển vị của hệ cách chấn đáy. ...............................................3 Hình 1.4. Ứng xử của gối ma sát con lắc đơn. ............................................................6 Hình 2.1. Cấu tạo của gối cách chấn con lắc ma sát đơn ............................................8 Hình 2.2. Lực tác dụng lên con trượt ..........................................................................9 Hình 2.3. Vòng trễ chuẩn hóa của gối cách chấn con lắc ma sát một mặt trượt theo phương trình (2.5) .....................................................................................................10 Hình 2.4. Ứng xử cứng – dẻo tái bền của gối cách chấn ma sát ...............................11 Hình 2.5. Sự biến thiên của chuyển vị ( , vận tốc , lực đàn hồi ( và lực cản ( ) của hệ một bậc tự do trong một chu kỳ dao động bình ổn ................................13 Hình 2.6. Quan hệ giữa lực và chuyển vị trong hệ đàn nhớt tuyến tính tương đương ...................................................................................................................................14 Hình 2.7. Vòng ứng xử trễ của gối cách chấn trong một chu kỳ ..............................15 Hình 2.8. Hệ một bậc tự do chịu tải động đất ...........................................................16 Hình 3.1. Mô hình của hệ được khảo sát ..................................................................22 Hình 3.2. Mô hình của hệ tuyến tính tương đương ...................................................23 Hình 3.3. Lịch sử các băng gia tốc đối chứng ...........................................................25 Hình 3.4. Kết quả phân tích của Gandelli và cộng sự (2014) với các băng gia tốc đối chứng. ........................................................................................................................26 Hình 3.5. Kết quả phân tích của mô hình sử dụng trong luận văn với các băng gia tốc đối chứng. ............................................................................................................26 Hình 3.6. Đáp ứng chuyển vị của các hệ có khối lượng khác nhau ..........................28 Hình 3.7. Đáp ứng chuyển vị của hệ phi tuyến và hệ tuyến tính tương đương ........29 Hình 3.8. Lực trong gối tựa của hệ phi tuyến và hệ tuyến tính tương đương ...........29 Hình 3.9. Vòng ứng xử trễ của hệ phi tuyến và hệ tuyến tính tương đương ............30 Hình 3.10. Phân bố tần suất của tỉ số chuyển vị .......................................................31 Hình 3.11. Phân bố xác suất của tỉ số chuyển vị .......................................................31 Hình 3.12. Xác suất tích lũy của tỉ số chuyển vị .......................................................32
ix Hình 3.13. Tương quan giữa tỉ số chuyển vị và chuyển vị tuyến tính ......................33 Hình 3.14. Phân bố xác suất của tỉ số chuyển vị khi ...........34 Hình 3.15. Phân bố xác suất của tỉ số chuyển vị khi ...........34
1 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Đặt vấn đề Động đất là hiện tượng rung động mạnh của vỏ trái đất. Nó là kết quả của việc lan truyền sóng cơ học trong lớp vỏ này. Thuyết đới kiến tạo hiện nay cho rằng lớp vỏ trái đất được tạo thành bởi các mảng kiến tạo lớn. Các mảng này luôn luôn chuyển động tương đối đối với nhau. Tuy nhiên, do sự ma sát giữa các bề mặt của các đới mà sự chuyển vị tương đối này bị cản trở. Khi đó vật liệu tại bề mặt tiếp xúc giữa các đới sẽ bị biến dạng và tích lũy thế năng biến dạng. Khi biến dạng đủ lớn, vượt quá biến dạng cho phép của vật liệu thì một phần bề mặt tiếp xúc này sẽ bị phá hoại và thế năng biến dạng đàn hồi sẽ được giải phóng và lan truyền ra môi trường xung quanh dưới dạng sóng địa chấn. Sóng này khi truyền đến bề mặt sẽ gây ra sự rung động mạnh và có thể phá hoại công trình, nhà cửa, gây nguy hiểm cho con người. Trong khoảng 10 năm trở lại đây, thế giới đã trãi qua nhiều trận động đất mang tính hủy diệt như trận động đất Tứ Xuyên (Trung Quốc) năm 2008, động đất Haiti (Haiti) năm 2010, động đất Chi Lê (Chi Lê) năm 2010, động đất Tohoku (Nhật Bản) năm 2011, động đất Christchurch (New Zealand) năm 2011, động đất Emilia (Ý) năm 2012, động đất Nepal năm 2015… Các trận động đất này đã gây ra cái chết cho hàng trăm đến hàng chục ngàn người và thiệt hại hàng chục đến hàng trăm tỉ đô la. Để giảm tác hại của động đất, hiện nay người ta có bốn giải pháp chính: 1. Tăng cường độ của kết cấu. Đây là giải pháp truyền thống và là giải pháp kém hiệu quả nhất. Giải pháp này làm gia tăng chi phí cho việc chế tạo công trình. Ngoài ra, giải pháp này thường kèm theo việc tăng độ cứng của kết cấu, dẫn đến giảm chu kỳ dao động cơ bản, vô tình gây bất lợi cho kết cấu dưới tác dụng của động đất. 2. Gia tăng sự tiêu tán cơ năng của kết cấu bằng cách gia tăng độ dai (ductility) của nó hoặc gắn thêm vào nó những thiết bị tiêu tán cơ năng (dampers). Các thiết bị này có tác dụng chuyển hóa cơ năng dao động của kết cấu sang nhiệt năng. Nhờ đó làm giảm nội lực và biến dạng cho kết cấu.
2 3. Cách li kết cấu với năng lượng động đất bằng cách sử dụng hệ cách chấn đáy (seismic base isolation system, BIS). Giải pháp này có tác dụng tách rời công trình khỏi nền đất theo phương ngang, nhờ đó giảm thiểu năng lượng ngang của động đất truyền lên công trình. 4. Gắn vào kết cấu các hệ thống tạo lực để cân bằng lại với lực quán tính do động đất gây ra. Trong số những giải pháp nêu trên, giải pháp cách chấn đáy được xem như hiệu quả nhất vì bảo vệ công trình từ gốc, tức là triệt tiêu nguồn năng lượng truyền lên công trình. Giải pháp này sử dụng các thiết bị cách chấn đáy (isolators, bearings) có độ cứng theo phương ngang khá bé để nâng đỡ công trình (Hình 1.1a). Các gối cách chấn có thể là gối cao su (Hình 1.1b) hoặc gối ma sát (Hình 1.1c). Xét trên quan điểm động lực học, giải pháp này có mục đích kéo dài chu kỳ dao động của công trình (vì làm giảm độ cứng của nó), chuyển nó từ vùng có hệ số lực cắt đáy cao đến vùng có hệ số lực cắt đáy thấp trong phổ thiết kế (Hình 1.2). Ngoài ra, sự gia tăng tỉ số cản do sự làm việc phi tuyến dẻo của các gối cách chấn cũng tham gia vào việc giảm đáp ứng của công trình. Tuy nhiên, việc kéo dài chu kỳ dao động của công trình sẽ kéo theo hệ quả là chuyển vị của toàn bộ công trình sẽ rất lớn (Hình 1.3), dễ gây ra sự va chạm giữa công trình với các công trình lân cận. Chính vì vậy, việc dự đoán chính xác chuyển vị của công trình là một việc quan trọng cần thiết khi thiết kế hệ cách chấn đáy. b) CT.Caùch chaán Goái.Caùch chaán a) c) Hình 1.1 Giải pháp cách chấn đáy Công trình được cách chấn đáy, b) Gối cách chấn cao su, c) gối cách chấn con lắc ma sát
3 CT.Khoâng söû duïng goái caùch chaán Sa CT.Söû duïng Heä soá caûn goái caùch chaán T Hình 1.2 Tác dụng giảm đáp ứng với động đất của hệ cách chấn đáy. Sa CT.Khoâng söû duïng Heä soá caûn goái caùch chaán CT.Söû duïng goái caùch chaán T Hình 1.3 Sự gia tăng chuyển vị của hệ cách chấn đáy. Hiện nay để tính toán chuyển vị của công trình được cách chấn đáy người ta có thể sử dụng phương pháp phân tích trực tiếp mô hình phi tuyến trong miền thời gian. Tuy nhiên, việc làm này tốn khá nhiều thời gian và nhiều kỹ sư vẫn đang sử dụng hệ tuyến tính tương đương để mô hình các gối cách chấn. Các công thức dùng cho thiết kế hệ cách chấn đáy trong các tiêu chuẩn thiết kế của nhiều nước tiên tiến cũng được suy ra từ mô hình tuyến này (ASCE 7, EN 1998).
4 Đã có nhiều đề xuất cho mô hình tuyến tính tương đương của gối cách chấn, trong đó mô hình đàn hồi – nhớt tuyến tính dựa trên chuyển vị lớn nhất (E. Rosenblueth và I. Herrera, 1964) đang được sử dụng khá rộng rãi. Việc đánh giá khả năng dự đoán chuyển vị của hệ tuyến tính này cũng đã được thực hiện, cả trong và ngoài nước (T. Liu và cộng sự, 2014, T. V. Sang, 2016). Tuy nhiên việc kiểm tra độ tin cậy của mô hình này trong việc dự đoán chuyển vị của gối cách chấn ma sát con lắc đơn trên một số lớn các băng gia tốc chưa được thực hiện. Luận văn này nhằm khảo sát mối tương quan giữa chuyển vị được dự đoán từ mô hình tuyến tính và chuyển vị được dự đoán từ mô hình phi tuyến. Từ đó kiến nghị công thức hiệu chỉnh cho chuyển vị tính từ mô hình tuyến tính cũng như đánh giá độ tin cậy của chuyển vị hiệu chỉnh này. Kết quả dự kiến được rút ra từ việc phân tích đáp ứng của hệ một bậc tự do được cách chấn đáy chịu tác dụng của khoảng 3500 băng gia tốc được ghi lại từ các trận động đất khắp nơi trên thế giới trong cơ sở dữ liệu của trung tâm nghiên cứu động đất Thái Bình Dương (Pacific Earthquake Engineering Research Center, PEER). 1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài Như bên trên đã nêu, việc dự đoán chuyển vị lớn nhất của hệ cách chấn đáy là rất quan trọng để bố trí khe hở giữa công trình được cách chấn với các công trình lân cận. Ngoài ra chuyển vị lớn nhất cũng là cơ sở để thiết kế gối cách chấn. Hiện nay nhiều kỹ sư thiết kế, thậm chí nhiều nhà nghiên cứu, đang sử dụng mô hình tuyến tính để mô hình hóa gối cách chấn (vốn có ứng xử phi tuyến) và phân tích đáp ứng của hệ được cách chấn. Vì vậy việc đánh giá độ tin cậy của mô hình này trong việc dự đoán đáp ứng của gối cách chấn là cần thiết để nâng cao cảm nhận của người phân tích về kết quả nhận được. Đề tài này được thực hiện để góp một phần vào công việc cần thiết này. 1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu Ngày nay, cách chấn đáy là kỹ thuật giảm chấn đang được sử dụng rộng rãi tại các khu vực chịu ảnh hưởng mạnh của động đất. Ý tưởng của việc sử dụng kỹ thuật cách chấn đáy để bảo vệ công trình khi động đất xảy ra đã được xem xét bởi Giáo sư J. Milne khi ông đang làm việc ở đại học Tokyo từ năm 1876 – 1895 (F. Naeim và J.M. Kelly, 1999). Đến năm 1906, J. A. Calantarients, một bác sĩ y khoa,
5 đã nộp một hồ sơ sáng chế đến sở sáng chế Anh về một phương pháp xây dựng để giảm đáp ứng của công trình do động đất. Phương pháp mà Calantarients đưa ra là đặt công trình trên một lớp mềm tạo bởi các loại vật liệu rời như cát, bột talc… để giúp công trình có thể chuyển động được khi có động đất, từ đó giúp chúng an toàn hơn (J. A. Calantarients, 1909). Tuy nhiên, kỹ thuật cách chấn chỉ được áp dụng vào thực tế vào những năm 1960, khi mà ngành công nghiệp chế tạo có thể chế tạo được các gối cách chấn có độ tin cậy cao trong ứng xử. Công trình đầu tiên được cách chấn là một trường học ở Skopje, Yugoslavia (cộng hòa Macedonia ngày nay) vào năm 1969 (F. Naeim và J.M. Kelly, 1999). Công trình này sử dụng gối cao su làm hệ cách chấn. Kể từ đó, hàng loạt nghiên cứu, kể cả lý thuyết lẫn thực nghiệm, đã ra đời để phân tích, cải tiến… nhằm đẩy mạnh việc ứng dụng kỹ thuật cách chấn đáy vào thực tế. Hiện nay, các gối cách chấn được xếp vào hai loại: gối cao su và gối ma sát. Gối ma sát gồm hai loại: gối trượt phẳng và gối trượt dạng con lắc. Sáng chế về ý tưởng của gối cách chấn dạng con lắc đã được cấp cho A. L. K. Penkuhn vào năm 1967 (A.L.K Penkuhn, 1967). Tuy nhiên, các gối tựa dạng con lắc ma sát đang được sử dụng hiện nay trên thế giới đã được phát minh bởi V. A. Zayas vào năm 1987 (V. A. Zayas, 1987). Các gối con lắc ma sát đang phổ biến gồm gối ma sát con lắc đơn, gối ma sát con lắc đôi và gối ma sát con lắc ba, ở đó tên của mỗi loại gối dùng để chỉ số cơ cấu con lắc mà gối tựa có thể hình thành. Gối ma sát con lắc đơn (Hình 1.1c) có cấu tạo gồm một bản thép có mặt cầu lõm bên dưới được nối với móng và một bản thép bên trên được nối với công trình. Giữa hai bản thép này được nối với nhau bằng một con trượt. Khi công trình chịu tác dụng của lực ngang bé (do gió hoặc động đất yếu gây ra), lực ma sát giữa con trượt và các bản thép sẽ giữ không cho công trình bị trượt, khi đó công trình có thể được xem như ngàm cứng (fixed). Khi có động đất lớn xảy ra, lực ngang do động đất gây ra thắng được lực ma sát giữa con trượt và các bản thép, khi đó công trình bị trượt và xem như được cách li một phần với đất nền. Do bản thép bên dưới của gối tựa được cấu tạo như một chõm cầu nên nó sẽ phát sinh ra lực hồi phục có khuynh hướng kéo công trình về vị trí ban đầu trước khi có động đất xảy ra. Ứng xử một chiều theo phương ngang của gối tựa ma sát con lắc đơn được biểu diễn như trên
6 Hình 1.4. Trong hình vẽ này, là hệ số ma sát giữa con trượt và bản thép bên dưới, là lực đứng tác dụng lên gối tựa, là bán kính cong của gối tựa. Chi tiết về cách xây dựng quan hệ này có thể tham khảo trong công bố của T. A. Morgan và S.A. Mahin (2011). 𝐹 𝑊 𝜇𝑊 𝑅 𝑢 Hình 1.4. Ứng xử của gối ma sát con lắc đơn. Để đơn giản trong phân tích và thiết kế, người ta thường tuyến tính hóa ứng xử trên Hình 1.4. Có nhiều cách tuyến tính hóa đã được đề xuất, trong đó cách tuyến tính hóa dựa vào độ cứng cát tuyến tương ứng với chuyển vị cực đại, được đề xuất bởi E. Rosenblueth và I. Herrera (1964) được sử dụng rộng rãi trong thiết kế và nghiên cứu hiện nay. Việc khảo sát độ chính xác của mô hình này trong việc dự đoán chuyển vị của gối cách chấn có ứng xử song tuyến tính đã được khảo sát bởi T. Liu và cộng sự (2014). Ở trong nước, luận văn của tác giả Trần Văn Sang (2016) đã khảo sát khả năng dự đoán chuyển vị của mô hình này đối với một số băng gia tốc của một gối cách chấn cao su lõi chì cụ thể. Sự khảo sát khả năng của mô hình này trong việc dự đoán chuyển vị của gối cách chấn ma sát con lắc đơn có ứng xử như trên Hình 1.4 trên số lượng lớn các băng gia tốc chưa được khảo sát. 1.3 Mục tiêu của luận văn và phương pháp nghiên cứu Mục tiêu của luận văn là khảo sát mối tương quan giữa chuyển vị của gối cách chấn ma sát con lắc đơn được dự đoán bằng mô hình tuyến tính với chuyển vị được dự đoán bằng mô hình phi tuyến đồng thời đánh giá độ tin cậy của chuyển vị tính theo mô hình tuyến tính. Để thực hiện được điều này, luận văn sẽ phân tích chuyển vị của nhiều gối ma sát con lắc đơn với các thông số khác nhau chịu tác động của khoảng 3500 băng gia tốc ghi được từ các trận động đất trên khắp thế giới. Cả mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến đều được sử dụng. Kết quả phân tích sẽ
7 được sử dụng để phân tích, xử lý để xây dựng công thức biểu diễn mối tương quan giữa chuyển vị được dự đoán theo hai mô hình này. Đáp ứng của hệ cách chấn đáy và gối cách chấn với động đất được phân tích bằng phần mềm chuyên dụng OpenSees. 1.4 Nội dung của luận văn Nội dung của luận văn được bố cục thành bốn chương với nội dung chính như sau: Chương 1: Mở đầu. Chương này giới thiệu chung về đề tài và tổng quan về tình hình nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về hệ gối cách chấn ma sát con lắc đơn và phương trình vi phân chủ đạo của hệ cách chấn bằng gối ma sát con lắc đơn. Ứng xử phi tuyến (quan hệ lực – chuyển vị) của gối cách chấn cũng được suy ra từ phương trình vi phân chủ đạo này. Chương này cũng trình bày cách chuyển đổi từ mô hình phi tuyến sang mô hình tuyến tính tương đương. Chương 3: Mô hình và kết quả khảo sát. Đây là nội dung quan trọng của luận văn, trình bày chi tiết về mô hình sử dụng để khảo sát, số liệu đầu vào, cách xử lý kết quả và các nhận xét. Chương 4: Kết luận và kiến nghị. Chương này trình bày các kết luận, đề ra các kiến nghị và gợi ý một số nghiên cứu tiếp theo.