Chương 1 nêu vấn đề, mục tiêu và cấu trúc của luận văn. Tổng quan về các giải pháp giảm thiểu va đập kết cấu cũng như các nghiên cứu gần đây về va đập kết cấu được trình bày trong chương 2. Chương 3 đưa ra mô hình kết cấu chịu động đất và thiết lập phương trình chủ đạo; các phương pháp số và các cơ sở lý thuyết để phân tích bài toán động lực học kết cấu cũng được đề cập. Các ví dụ tính toán để khảo sát hiệu quả giảm thiểu va đập của cao su được trình bày trong chương chương 4.
Chương 5 nêu các kết luận và hướng phát triển của đề tài. Cuối cùng là các tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn, mã nguồn chương trình MATLAB được sử dụng để giải bài toán. 5 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2. GIỚI THIỆU Chương này giới thiệu sơ lược về các mô hình va đập kết cấu.
Các giải pháp giảm thiểu va đập công trình liền kề trong động đất cũng được trình bày trong đó đề cập giải pháp sử dụng gối cao su nhằm giảm thiểu va đập. Tình hình nghiên cứu của các tác giả gần đây về vấn đề va đập kết cấu và các giải pháp phòng chống va đập kết cấu cũng được đề cập đến, từ đó dẫn đến ý tưởng của luận văn. MÔ HÌNH VA ĐẬP KẾT CẤU Các nghiên cứu về va đập kết cấu đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ khá sớm (Anagnostopoulos [4], Jankowski [12-13]) trong đó đề cập khi hai kết cấu xảy ra va chạm sẽ hình thành lò xo va chạm có độ cứng kimp và hệ cản với hệ số cản cimp được nối song song với nhau và với hai kết cấu xảy ra va chạm S12 S23 m1 m2 m3 C12 C23 K 2, C 2 K3, C3 K1, C1 Hình 2. Mô hình va đập kết cấu 6 2.
Mô hình cơ học lập thể (Stereomechanical model) Mô hình này sử dụng định luật bảo toàn động lượng, bỏ qua lực tác động trong suốt quá trình xảy ra va chạm. Vận tốc của các kết cấu sau khi va chạm được xác định thông qua hệ số phục hồi COR là tỉ số giữa vận tốc tương đối của 2 kết cấu trước và sau khi va đập.1b) m1 + m2 với v1' , v2' là vận tốc kết cấu sau khi va đập, v1 , v2 là vận tốc kết cấu trước khi va đập. Đây là mô hình cổ điển, đơn giản và dễ tính toán, nhưng mô hình này có nhược điểm là nó chỉ xác định được vận tốc kết cấu sau khi va đập mà không xác định được lực va chạm trong quá trình xảy ra va đập. Mô hình này cũng không xét đến tiêu hao năng lượng trong quá trình qua đập kết cấu nên thể hiện ứng xử kết cấu chưa chính xác so với thực tế.
Mô hình đàn hồi phi tuyến Để mô tả mối quan hệ lực – biến dạng của va đập kết cấu được chính xác hơn, một lò xo tác động đàn hồi phi tuyến được sử dụng, giả định lực va chạm tăng theo hàm số mũ với giá trị biến dạng δ(t), thông thường giá trị hàm mũ là 1. Do đó lực va chạm được xác định ) Fimp ( t ) = kimp .2) 7 ) Với tham số kimp phụ thuộc vào đặc tính vật liệu và hình học của kết cấu va chạm. Mô hình này tuy đơn giản nhưng nó có nhược điểm là hoàn toàn đàn hồi nên không thể hiện được sự tiêu tán năng lượng trong quá trình xảy ra va chạm. Mô hình đàn hồi nhớt phi tuyến Để khắc phục các nhược điểm của mô hình đàn hồi phi tuyến, một lò xo tác động đàn hồi phi tuyến được sử dụng, kết hợp với bộ cản tác động xuất hiện trong pha va chạm để mô tả tiêu hao năng lượng trong quá trình va chạm.
Do đó lực va chạm được xác định ) ) Fimp ( t ) = kimp .m cimp ( t ) = 2ξimp kimp .4b) 2 COR ( COR ( 9π − 16 ) + 16 ) Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô hình đàn hồi nhớt phi tuyến mô tả khá chính xác ứng xử kết cấu chịu va đập. Tuy nhiên khối lượng tính toán khi tính toán kết cấu theo mô hình này là khá lớn. Mô hình đàn hồi tuyến tính Mô hình này mô tả lò xo có độ cứng tuyến tính xuất hiện khi hai kết cấu va chạm, lực va chạm xác định dựa trên phương trình sau F = k .5b) Mô hình này xem xét mối quan hệ tuyến tính giữa lực va chạm và biến dạng kết cấu. Mô hình này thể hiện được giá trị lực va đập, và dễ tính toán nên thường được sử dụng trong các phần mềm thương mại, tuy nhiên mô hình này cũng không xem xét đến quá trình tiêu hao năng lượng trong quá trình va chạm của kết cấu nên ảnh hưởng đến độ chính xác khi mô tả kết cấu chịu va đập.
Mô hình đàn hồi nhớt tuyến tính Mô hình đàn hồi nhớt tuyến tính, hay còn gọi là mô hình Kelvin – Voigt, là một trong những mô hình phổ biến nhất được sử dụng trong va đập kết cấu. Mô hình này bao gồm một lò xo tác động tuyến tính và một bộ cản nhớt. Khi có va chạm xảy ra, lực va chạm được xác định Fimp ( t ) = kimp .6) với kimp là độ cứng của lò xo tác động, δ(t) là biến dạng vật thể va chạm, cimp là hệ số cản tác động, δ& ( t ) là vận tốc tương đối của hai kết cấu xảy va va chạm. Dựa trên định luật bảo toàn năng lượng, Anagnostopoulos [4] cung cấp phương trình xác định cimp như sau m1.m2 cimp = 2ξimp kimp (2.
Mô hình đàn hồi nhớt tuyến tính có ưu điểm dễ tính toán, nên nó được sử dụng khá phổ biến trong các bài toán va đập, tuy nhiên mô hình này có nhược điểm khá quan trọng là nó xác định giá trị lực cản âm ở cuối pha phục hồi, làm cho 2 vật thể kéo lại gần nhau, thay vì đẩy chúng ra. Tuy nhiên, đây là một mô hình đơn giản và dễ sử dụng nên nó được sử dụng rộng rãi cho mục đích mô phỏng va đập kết cấu.2 thể hiện kết quả chuyển vị kết cấu theo thời gian khi cho dầm cầu va chạm vào chân cầu [12]. Kết quả tính toán được so sánh với số liệu từ thực nghiệm để xác minh tính chính xác của các mô hình. Kết quả tính toán chỉ ra rằng mô hình đàn hồi nhớt tuyến tính và mô hình đàn hồi nhớt phi tuyến cho kết quả mô phỏng gần với thực tế nhất.
Đồ thị chuyển vị theo thời gian của kết cấu khi khảo sát với các mô hình va đập khác nhau [12]. CÁC GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU VA ĐẬP KẾT CẤU Một số phương pháp đã được đề xuất nhằm giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của va đập lên kết cấu. Các giải pháp có thể được chia làm ba nhóm chính sau: - Giải pháp tránh không để xảy ra va đập - Giải pháp tăng cường độ bền kết cấu nhằm chịu được va đập. - Giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng do va đập.
Giải pháp tránh không để xảy ra va đập Giải pháp truyền thống để phòng chống va đập kết cấu là quy định khoảng cách tối thiểu giữa các công trình để va đập không xảy ra. Quy định này được đề cập trong các tiêu chuẩn xây dựng như Eurocode 8, Uniform Building Code (BBC) và thường được quy định như sau: - Khoảng cách địa chấn ≥ (Tổng các chuyển vị riêng lẻ 2 kết cấu) x hệ số. Hệ số nhân này xét đến chuyển vị do các phản ứng không đàn hồi của kết cấu trong động đất. - Khoảng cách địa chấn ≥ Chiều cao tầng x hệ số.
Cách tiếp cận này xem chuyển vị công trình chỉ liên quan đến chiều cao tầng mà bỏ qua các thông số động lực học khác. - Khoảng cách địa chấn ≥ Hằng số cố định đủ để đặt cốp pha dầm, cột hoặc tường ở vị trí biên tòa nhà. - Khoảng cách địa chấn ≥ D12 + D22 với D1 và D2 là chuyển vị lớn nhất của hai kết cấu liền kề. Phương pháp này cho rằng các chuyển vị tối đa của hai 11 kết cấu không xảy ra cùng lúc và cho rằng giá trị D12 + D22 cung cấp khoảng cách địa chấn tốt nhất.
Giải pháp cung cấp khoảng cách địa chấn đủ rộng để tránh cho hai công trình liền kề khỏi va chạm rõ ràng là giải pháp tối ưu và đơn giản nhất. Tuy nhiên, vẫn tồn tại những hạn chế khi áp dụng trong thực tế. Trước hết là hạn chế về mặt kinh tế khi lãng phí đất đai nếu khoảng cách địa chấn quá lớn. Hoặc nếu hai công trình liền kề không cùng chủ sở hữu, hoặc xây dựng không đồng thời thì sẽ rất khó khăn để áp dụng quy định về khoảng cách địa chấn.
Giải pháp tăng cường độ cứng kết cấu Nếu khoảng cách địa chấn của hai kết cấu không đủ lớn, giải pháp tăng độ cứng của một hoặc cả hai kết cấu được xem xét. Việc tăng độ cứng sẽ làm giảm chu kỳ dao động và từ đó giảm chuyển vị kết cấu dẫn đến giảm khả năng va đập của 2 kết cấu liền kề.3 mô tả kết cấu sử dụng hệ giằng bên nhằm gia tăng độ cứng cho kết cấu nhằm giảm thiểu va đập. (a) Mô hình kết cấu sử dụng hệ giằng bên. (b) Chi tiết thanh giằng 12 Giải pháp này tỏ ra có hiệu quả trong việc giảm thiểu chuyển vị ngang kết cấu, tuy nhiên nó ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ công trình và làm gia tăng chi phí xây dựng công trình nên cần cân nhắc trước khi áp dụng.
Giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng do va đập Giải pháp tiêu tán năng lượng Giải pháp này sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lượng nhằm làm giảm tối đa chuyển vị các kết cấu, từ đó làm giảm khả năng va đập. Ngay cả khi các thiết bị tiêu tán năng lượng vẫn không giúp công trình tránh khỏi va đập thì nó vẫn giúp làm giảm nhẹ tác động do va đập gây nên.4 mô tả kết cấu sử dụng thiết bị cản ma sát (Friction dampers) trong thực tế nhằm giảm thiểu va đập cho kết cấu. Kết cấu sử dụng hệ cản ma sát Giải pháp kết nối các kết cấu với nhau Giải pháp này sử dụng các liên kết cố định các tòa nhà liền kề với nhau. Các liên kết làm tăng độ cứng của kết cấu từ đó giảm đáp ứng ứng kết cấu khi chịu gia tốc động đất.
Giải pháp này cũng tồn tại một số nhược điểm như làm phát sinh các lực liên kết 13 khá lớn tác động vào kết cấu.