Chương 1 TỔNG QUAN 1. Giải pháp thiết kế công trình chịu động đất Với các thảm họa do động đất như đã đề cập, thiết kế công trình chịu động đất là một nhiệm vụ, một thách thức lớn cho các nhà thiết kế kết cấu xây dựng. Thiết kế kháng chấn phải đảm bảo các mục đích: công trình xây dựng đảm bảo đủ khả năng chịu lực, không bị 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 kháng chấn truyền thống, người thiết kế chỉ quan tâm đến vấn đề lực tác dụng, chưa quan tâm đến vấn đề năng lượng.
Để đảm bảo khả năng chịu lực, các cấu kiện chịu lực như dầm, cột thường được sử dụng các loại vật liệu cứng và tiết diện tăng lên. Điều này sẽ làm tăng lực tác động lên công trình vì khối lượng kết cấu tăng lên, tăng độ cứng cũng sẽ làm cho gia tốc các tầng tăng lên và sẽ ảnh hưởng đến điều kiện sử dụng bình thường. Giá thành và yêu cầu kỹ thuật cho thiết kế theo quan điểm này sẽ không tốt [1], [2]. Theo quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại, việc thiết kế kháng chấn cho một công trình xây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan chặt chẽ với nhau: bảo đảm kết cấu có khả năng chịu lực lớn trong miền đàn hồi; bảo đảm cho kết cấu có khả năng phân tán năng lượng do động đất truyền vào, thông qua sự biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép hoặc các thiết bị hấp thu năng lượng [3], [2].
Ngày nay, quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại thường gắn với kỹ thuật điều khiển kết cấu [1]. Kỹ thuật này làm giảm các dao động có hại của kết cấu thông qua việc lắp đặt những thiết bị điều khiển vào kết cấu. Các thiết bị này sẽ hấp thu, tiêu tán hay có thể cách ly nguồn năng lượng do động đất truyền vào kết cấu. Mối liên hệ giữa các nguồn năng lượng trong kết cấu được Soong và cộng sự (1994) [4] thể hiện như Phương trình (1.1) trong đó: E là năng lượng do động đất truyền vào kết cấu, Ek năng lượng dạng động năng, Es năng lượng do biến dạng đàn hồi (thế năng biến dạng), Eh năng lượng tiêu tán do biến dạng dẻo trong kết cấu và Ed là năng lượng tiêu tán do thiết bị điều khiển kết cấu đặt vào.
Ở Việt Nam, tuy là một quốc gia chưa thật sự phát triển trong lĩnh vực này nhưng trong thời gian gần đây cũng có những nghiên cứu theo hướng điều khiển kết cấu [5], [6]. Các nghiên cứu này có thể chưa được ứng dụng rộng rãi nhưng nó là tiền đề cho các nhóm nghiên cứu sau phát triển hơn. 22 Trong kỹ thuật điều khiển kết cấu, ta có thể chia thành 3 nhóm chính như sau: điều khiển bị động (passive control), điều khiển chủ động (active control) và điều khiển bán chủ động (semiactive control). Kỹ thuật cách chấn đáy 1.
Khái niệm về cách chấn đáy 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 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, được minh họa như Hình 1. Tuy nhiên, do kết cấu được làm mềm đi nên chuyển vị tương đối của toàn bộ kết cấu so với nền sẽ tăng lên, như Hình 1. Sa Taêng chu kyø Sd Taêng chu kyø T T a. Phổ gia tốc b.
Phổ chuyển vị Hình 1. Phổ thiết kế Với kết cấu ngàm cứng tại móng thông thường (không gắn gối cô lập), khi chịu động đất, chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng sẽ lớn, dẫn đến khả năng kết cấu bị phá hoại sẽ lớn. Trong khi đó, kết cấu được cách chấn sẽ có chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng trong kết cấu sẽ giảm đi rất nhiều, toàn bộ kết cấu bên trên như một khối cứng cùng chuyển vị tương đối so với nền. Kết cấu được cách chấn sẽ duy trì được sự làm việc trong miền đàn hồi hay gần miền đàn hồi, và đảm bảo kết cấu không bị phá hoại, được minh họa trong Hình 1.
Bên cạnh đó, gia tốc trong các tầng sẽ được giảm đi, làm cho thiết bị sử dụng trong công trình không bị hư hỏng lớn. Kết cấu ngàm cứng b. Kết cấu được cô lập Hình 1. Hiệu quả giảm chấn của gối cách chấn (Wang, 2002) Trong thiết kế, để đảm bảo kết cấu cách chấn chịu được tải trọng ngang do gió và dễ dàng phục hồi về vị trí cân bằng ban đầu, các gối cách chấn được cấu tạo với một độ cứng ngang nhất định ban đầu (cung cấp một độ cứng ngang hay sự ma sát trong gối).
Điều này sẽ làm giảm đi một phần về sự cách ly dao động. Tuy nhiên, với cấu tạo của gối như vậy, sẽ có sự tiêu tán năng lượng xảy ra bên trong gối, được thể hiện trong một dạng đường ứng xử trễ của gối như Hình 1. Một dạng đường ứng xử trễ trong gối cách chấn 1. Các dạng gối sử dụng trong kỹ thuật cách chấn đáy Các dạng gối sử dụng trong kỹ thuật cách chấn cho công trình thường gồm hai dạng phổ biến: gối cao su (gối đàn hồi) và gối con lắc ma sát.
Gối cao su được phát triển sớm hơn, từ năm 1969 [9], nó dựa vào tính mềm của cao su để đạt được độ cứng ngang nhỏ cho gối. Gối cao su thường được chia thành ba loại [9], [10]: gối cao su tự nhiên (Natural rubber bearing, NRB), gối cao su có độ cản nhớt lớn (High-damping rubber, HDR), và gối cao su có lõi chì (Lead rubber bearing, LRB). Những thành phần chính của các dạng gối cao su là các lớp cao su (tự nhiên hay tổng hợp) được dán xen kẽ những tấm thép mỏng để đảm bảo độ cứng yêu cầu theo phương ngang và phương đứng, đồng thời giữ sự ổn định, không bị biến dạng của cao su khi chịu tải trọng đứng. Gối LRB được chế tạo bằng cách thêm lõi chì vào bên trong gối cao su tự nhiên có độ cản thấp, lõi chì có tác dụng tăng khả năng chịu lực dọc trục và tăng khả năng tiêu tán năng lượng do biến dạng dẻo khi chịu lực cắt ngang.
So với gối cao su, gối con lắc ma sát phát triển sau. Nó được giới thiệu đầu tiên vào năm 1987 bởi Zayas [12]. Gối con lắc ma sát hiện đang được nghiên cứu bao gồm ba dạng: gối con lắc ma sát đơn (Single Friction Pendulum, SFP), gối con lắc ma sát 24 đôi (Double Friction Pendulum, DFP) và gối con lắc ma sát ba (Triple Friction Pendulum,TFP) [13], [14], [15]. Các dạng gối này được chế tạo từ kim loại chống rỉ.
Chuyển động của chúng như dạng con lắc. Gối có cấu tạo gồm một hay nhiều con lắc trượt trên những mặt cong có bán kính R. Trên bề mặt các mặt cong và con lắc được phủ một lớp vật liệu Teflon để đảm bảo có một hệ số ma sát nhỏ giữa chúng. Bán kính R kết hợp với các thành phần lực theo phương đứng tạo nên độ cứng ngang cho gối, tạo ra lực phục hồi đưa con lắc về vị trí trung tâm.
Trong khi đó, hệ số ma sát trong gối tạo ra độ cứng ngang ban đầu để giữ ổn định cho gối và đóng vai trò tiêu tán một phần năng lượng động đất khi gối chuyển động. Bán kính của những mặt cong và hệ số ma sát bên trong gối là những thông số kỹ thuật quan trọng của gối, nó quyết định đến ứng xử của gối và kết cấu bên trên.4 giới thiệu cấu tạo gối SFP, nó được giới thiệu sớm nhất, vào năm 1987 [12]. Cấu tạo của gối gồm một mặt cong bán kính R và một con lắc trượt trên mặt cong có hệ số ma sát . Khả năng chuyển vị ngang lớn nhất cùa gối là d.
Cấu tạo bên trong b. Mặt cắt ngang Hình 1. Gối con lắc ma sát đơn, gối SFP. Gối DFP có cấu tạo như Hình 1.
Nó bắt nguồn từ sáng kiến của Touaillon năm 1870 [16], sử dụng những viên bi tròn lăn trên những mặt cong như một hệ cô lập móng. Gối DFP được giới thiệu sau gối SFP với mục đích cải thiện khả năng chuyển vị ngang của gối SFP [13], [15]. Cấu tạo gồm 2 mặt cong bán kính R1 và R2 và 1 con lắc trượt trên 2 mặt cong có hệ số ma sát 1 2. Khả năng chuyển vị ngang của gối là dout d1 d 2.
Cấu tạo bên trong b. Mặt cắt ngang Hình 1. Gối con lắc ma sát đôi, gối DFP. 25 Gối TFP được xem là một sự cải tiến lớn nhất của các dạng gối con lắc ma sát, có cấu tạo như Hình 1.
Gối TFP chỉ được giới thiệu gần đây nhất [14]. Cấu tạo gồm 4 mặt cong có bán kính R2 R3 R1 R4 và 3 con lắc trượt trên 4 mặt cong có hệ số ma sát 2 3 1 4. Khả năng chuyển vị trên từng mặt cong là d i và trên toàn bộ gối là dout d1 d2 d3 d4. Ưu điểm của gối này là ngoài khả năng chuyển vị ngang lớn như gối DFP nó còn thích nghi với nhiều cấp độ động đất khác nhau do có cấu tạo gồm nhiều bán kính cong và hệ số ma sát.
Trong nghiên cứu của Morgan [17], tác giả đề nghị đây là một thiết bị phù hợp trong thiết kế đa mục tiêu (theo tính năng công trình). Cấu tạo bên trong b. Mặt cắt ngang Hình 1. Gối con lắc ma sát ba, gối TFP.
Những nghiên cứu trước về gối con lắc ma sát Như nội dung ở Mục 1.2, gối con lắc ma sát được những tác giả nghiên cứu và phát triển rất mạnh trong thời gian gần đây. Những kết quả nghiên cứu đã nêu bật được hiệu quả giảm chấn cho công trình chịu động đất.
