MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.Tính cấp thiết của đề tài: Như ta đã biết, động đất là một trong những thảm họa ghê gớm. Gần đây tần suất xảy ra các trận động đất trên thế giới ngày càng cao. Động đất làm thiệt mạng hàng nghìn người, phá hoại nhiều công trình và gây thiệt hại về nền kinh tế rất lớn. Chính vì vậy, việc thiết kế các công trình có khả năng chịu được động đất để giảm thiệt hại về người và của là hết sức cần thiết.
Gần đây Bộ Xây Dựng có ban hành tiêu chuẩn “Thiết kế công trình chịu động đất”-TCXDVN375 – 2006, và quy trình thiết kế cầu 22TCN272-05 đều đề cập đến việc xét đến yếu tố động đất khi thiết kế công trình. Trong khi đó,các nước trên thế giới đã đưa yếu tố động đất vào trong thiết kế từ rất sớm. Dưới tác dụng của động đất làm cho kết cấu cầu phát sinh năng lượng, để tiểu tán năng lượng này, một trong những giải pháp là dùng các thiết bị cản nhớt (viscous damper)[3]. Đồng thời, dưới tác dụng của động đất có sự tương tác giữa đất-kết cấu (Soil-Structure Interaction: SSI) nguyên nhân là do đất và móng không phải lúc nào cũng gắn chặt[1].
Chính vì vậy, phân tích cầu chịu động đất có thiết bị cản nhớt xét tới biến dạng của đất là sát với thực tế làm việc của hệ: Đất-kết cấu cầu.Phương pháp nghiên cứu của đề tài: -Đề tài là sự kết hợp của phương pháp nghiên cứu lý thuyết, giải tích về thiết bị cản nhớt, SSI, thành lập phương trình dao động của hệ. - Kết hợp với phương pháp thực nghiệm mô phỏng SSI bằng CyclicTP và phản ứng của mô hình kết cấu cầu bằng Mathlab-Simulink, sau đó đem so sánh và kiểm chứng với kết quả của các tác giả.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: -Phản ứng của móng-kết cấu dưới tác dụng của động đất (đề tài chỉ xét đến trường hợp móng nông) mô phỏng bằng phần mềm CyclicTP. - Phản ứng của kết cấu phần trên mô phỏng dưới dạng các thông số tập trung có xét đến SSI có các thông số thay đổi, phân tích bằng phần mềm Mathlab Simulink. Độ tin cậy đề tài: -Khi mô phỏng và thành lập phương trình dao động của kết cấu đã tham khảo [1].
- Kiểm tra độ chính xác của phương trình dao động và thuật toán mô phỏng bằng chính Mathlab Simulink và bằng tay. - Cùng với sự cẩn thận của sinh viên và giáo viên hướng dẫn trong quá trình làm đề tài, chúng em hi vọng đề tài đảm bảo độ chính xác.1 Giới thiệu chung về thiết bị cản nhớt (Fluid viscous damper) [16]Thiết bị cản nhớt được dùng khá phổ biến không chỉ trong lĩnh vực công trình mà trong hầu hết các lĩnh vực cần giảm dao động khác như Giao thông vận tải, công nghiệp, thiết bị máy móc, hàng không quốc phòng,…Hầu hết thiết bị cản nhớt ứng dụng trong các lĩnh vực này đều có dạng một trục, chất lỏng được nén với áp suất cao khi chảy qua các khe hẹp sẽ tiêu tán năng lượng. Loại thiết bị này có cấu tạo bên trong khá phức tạp để có thể đạt được đặc trưng mong muốn với kích cỡ nhỏ.1, là mô hình thiết bị cản nhớt dạng một trục. Một số bộ phận chính như sau: Piston rod-cần piston; Cylinder-Xilanh; Compressible silicone fluid-Dầu chịu nén silicone; Accumulator housing-Khoang tích lũy; Seal retainer-Gioăng làm kín; High strength acetal resin seal-Gioăng cường độ cao; Chamber 1-Khoang 1; Champer 2-khoang 2; Piston head with orifices-đầu piston với các khe hẹp; Control valve-Van điều khiển; Rod make up accumulator-Khoang tích lũy.1 Mô hình thiết bị cản nhớt dạng một trục Thiết bị trên hình 1.1 chứa dầu silicone.
Khi piston chuyển động tương đối với xi lanh sẽ đẩy dầu qua khe hẹp trên đầu piston, gây ra tiêu tán năng lượng. Cấu tạo của đầu piston trên thực tế rất phức tạp với hệ thống các khe được tính toán kỹ, đồng thời với cơ cấu điều nhiệt để đảm bảo đặc trưng của thiết bị ổn định với nhiệt độ. Thêm vào đó, thiết bị còn có một khoang tích lũy để đảm bào dầu không bị nén khi bị chiếm chỗ bởi thanh piston trong quá trình đi vào. Thiết bị đòi hỏi gioăng là kín cường độ rất cao và được bố trí đặc biệt để đảm bảo dầu không bị rò rỉ khi chịu áp suất lớn.
Vì có cấu tạo đặc biệt như vậy nên sản phẩm có giá thành khá đắt. Nhưng ưu điểm chính là có đặc trưng động ổn định, khả năng tiêu tán năng lượng cao, kích cỡ gọn, khối lượng bé và tuổi thọ cao. Lực trong thiết bị cản nhớt được xác định bằng công thức 𝑓𝐷 = 𝐶𝛼 𝑠𝑔𝑛(𝑢̇ )|𝑢̇ |𝛼 (1.1) Trong đó Clà hệ số cản nhớt , 𝑢̇ là vận tốc thiết bị cản nhớt, sgn. ) là hàm ký hiệu, sgn(𝑢̇ ) =1 khi 𝑢̇ >0 và sgn(𝑢̇ ) = -1 khi 𝑢̇ < 0, và là hệ số mũ cản nhớt có giới hạn từ 0.
Khi phương trình (1.1) trở thành 𝑓𝐷 = 𝐶1 𝑢̇ gọi là lực cản nhớt tuyến tính. Do đó, số mũ thể hiện cho tính phi tuyến của thiết bị cản nhớt.2 Sơ lược về SSI [13]Dưới tác dụng của tải trọng, kết cấu móng sẽ tương tác với đất. Tùy thuộc vào tải trọng tác dụng mà tương tác giữa đất và kết cấu (Soil-Structure Interaction- SSI) được phân ra làm hai loại: SSI tĩnh (static SSI) và SSI động (dynamic SSI). SSI tĩnh đơn giản hơn nhiều so với SSI động.
Tuy nhiên, để đơn giản trong thiết kế người ta dùng các hệ số an toàn để bỏ qua ảnh hưởng của SSI. Nhưng những công trình có yêu cầu đặc biệt không thể bỏ qua SSI, do đó cần phải xét đến SSI một cách cẩn thận và đầy đủ. Kết cấu truyền lực xuống nền tạo nên biến dạng xoắn, thẳng đứng, ngang và xoay. Tuy nhiên, thành phần đứng và xoắn ít ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu nên ở đây chủ yếu xét đến biến dạng ngang, xoay và xem xét ảnh hưởng của những biến dạng đó đến kết cấu phần trên.
SSI đối với móng nông và móng cọc khác nhau. Với móng nông, để đơn giản người ta quy về móng tròn để khảo sát. Với móng cọc, để đơn giản người ta hay mô hình tương tác giữa cọc với đất bằng mô hình lò xo. Ngoài ra người ta còn dùng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng thực kết cấu và móng-đất.1 Tương tác tĩnh giữa đất với kết cấu Xét hệ khung, hình 2.1, đặt trên hệ móng bè hoặc móng đơn.
Khi phân tích, ta thường coi khung gắn cứng với móng, móng và nền được xem là một.1 Khung trên móng bè Hình 1.2 Khung trên móng đơn Nhưng phương pháp phân tích này cho ta kết quả đúng không? Sai sót cơ bản trong phương pháp phân tích này có thể là việc giả định rằng cột được cố định với nền. Vì móng làm việc chung với kết cấu phần trên và nằm dưới đất thì khi vật liệu biến dạng sẽ ảnh hưởng đến mô men và lực cắt trong kết cấu phần trên. Do đó, chúng ta nên xem biến dạng trong đất ảnh hưởng đến các thông số ứng suất trong kết cấu phần trên và ngược lại. Vậy tương tác giữa đất với kết cấu/ hệ móng nên được xét tới trong trường hợp này.
Trước đây người ta coi độ lún dưới móng là đều, do đó kết cấu không chịu thêm bất kỳ ứng suất nào. Nhưng khi độ lún xuất hiện khác nhau hoặc áp lực tiếp xúc ở các điểm khác nhau của móng thay đổi thì việc phân tích kết cấu phần trên giả định cột nền gắn chặt nhau có thể không mang lại kết quả thực.2 Áp lực tiếp xúc không đều Xét bộ khung đặt trên móng liên tục đỡ nhiều cột. Dựa trên sự phân phối áp lực tiếp xúc mô men trong khung có thể thay đổi như trên hình 1. Nếu móng liên tục đỡ khung lún đều thì ở đó không ảnh hưởng đến khung nhưng nếu ở đó thay đổi áp lực tiếp xúc phụ thuộc vào độ cứng tương đối của đất và móng thì móng có thể biến dạng như một hình cung (thể hiện bằng đường đứt) khi ấy nó sẽ ảnh hưởng đến mô men và lực cắt cuối cùng đến khung.
Hiện tượng này nhắc chúng ta nên nghiên cứu đến tương tác giữa kết cấu và nền để hiểu nhiều hơn và chính xác hơn về chúng.3 Biến dạng của móng dưới áp lực tiếp xúc không đều 1.3 Khi nào cần phân tích SSI Veletsos và Meek (1974) kiến nghị rằng, cần phải phân tích động SSI khi 𝑉𝑠 ≤ 20 (1.2) 𝑓ℎ Trong đó 𝑉𝑠 là vận tốc sóng cắt của đất; f tần số cơ bản của kết cấu có nền cố định; h là chiều cao của kết cấu. Với 𝑇 = 1/𝑓, ta được 𝑉𝑠 𝑇 ≤ 20 (1.3) ℎ Với kết cấu khung nhiều tầng có nền cố định thì chu kỳ bằng (0.1𝑛), với n là số tầng và dó đó 𝑉𝑠 𝑛 ≤ 200 (1.4) ℎ Với công trình dân dụng bình thường thì tỷ số trung bình của ℎ/𝑛 (tỷ số ℎ chiều cao:tầng) vào khoảng từ 3 đến 3. Do đó xét = 3, ta có 𝑛 𝑉𝑠 ≤ 600 𝑚/𝑠𝑒𝑐 (1.5) Từ đây ta kết luận rằng với kết cấu khung bất kỳ, khi vận tốc sóng cắt nhỏ hơn hoặc bằng 600 𝑚/𝑠𝑒𝑐 thì xét đến hiện tượng SSI.4 Biểu đồ đánh giá SSI cho ống khối bằng bê tông và thép Với kết cấu công xon (Cantileverstructures) như bể chứa cao, ống khói, …có mặt cắt ngang đều thì chu kỳ T xác định bằng công thức 𝑚ℎ4 𝑇 = 1.6) 𝐸𝐼 Trong đó, m là khối lượng trên một đơn vị chiều dài của hệ; h là chiều cao của kết cấu; EI là độ cứng chịu uốn của hệ. Thay vào phương trình (1.
𝐴, trong đó A là diện tích mặt cắt ngang; r là bán kính quán tính; ρ khối lượng riêng của vật liệu, ta có 11.8) ℎ Với kết cấu thép công thức trên trở thành, 𝑉𝑠 ≤ 57580/𝜆, trong đó 𝜆 = ℎ/𝑟 là độ mảnh của kết cấu. Với kết cấu bê tông ta có 𝑉𝑠 ≤ 12397/𝜆, kết quả lập thành biểu đồ như hình 1.3Phần mềm CyclicTP 1.1 Giới thiệu chung về CyclicTP Phần mềm CyclicTP cho phép phân tích tương tác giữa đất và kết cấu (SSI) dưới tác dụng của tải trọng động đất, nhưng chỉ xét cho bài toán móng nông. Phần mềm do Giáo sư Elgamal, Tiến sỹ Jinchi Lu, và Zhaohui Yang viết từ năm 2004, bản quyền thuộc về trường đại học California, San Diego, Hoa Kỳ. Hiện nay đã có bản quyền năm 2012, có thể tham khảo tại địa chỉ sau : http://cyclic.edu/CyclicTP/copyright.html Phần mềm dùng để mô phỏng bằng số địa kỹ thuật dưới tác dụng của động đất theo phương pháp phần tử hữu hạn.