Ảnh hưởng của thông số kỹ thuật gối SFP đến phản ứng của kết cấu cách chấn

PGS. TS. Hoàng Phương Hoa Trường Ðại học Bách khoa - Ðại học Ðà Nẵng ThS. Nguyễn Văn Nam Trường Ðại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh Ths. Ngô Thanh Nhàn Sở kế hoạch và Đầu tư tinh Trà Vinh Người phản biện: TS. Nguyễn Lan TS. Trần Đình Quý

Tóm tắt: Sử dụng gối con lắc ma sát đơn SFP (single friction pendulum) trong kết cấu cách chấn mang lại hiệu quả cao trong thiết kế kháng chấn. Bài báo khảo sát ảnh hưởng của các thông số trong gối SFP bao gồm: Hệ số ma sát, bán kính cong và kích thước đến phản ứng của kết cấu thông qua phương pháp phân tích độ nhạy. Từ kết quả phân tích này, một thông số tối ưu của gối sẽ được lựa chọn, hiệu quả giảm chấn của thiết bị với thông số tối ưu cũng được đánh giá. Kết quả nghiên cứu được thực hiện trên phân tích kết cấu nhà thép 3 tầng cách chấn bằng gối SFP chịu bằng gia tốc nền Elcentro.

Từ khóa: Gối SFP, cách chấn đáy, kết cấu chống động đất, hệ số ma sát, thiết kế tối ưu.

Abstract: Using single friction pendulum (SFP) bearing in seismic isolated structures which delivers on high effectiveness in earthquake resistant design. This paper investigates the effect of the parameters of SFP bearing including: friction coefficient, the radius of spherical surfaces and size of the bearing on structural response through sensitivity analysis method. From the results of this analysis, the optimal parameters of the bearing are selected, the effectiveness of the device on seismic response reduction with the optimal parameters are also evaluated. Research results be implemented in the structural analysis of 3-storey steel building isolated by SFP bearings subjected to Elcentro ground acceleration.

Keywords: SFP bearings, base isolation, earthquake resistant structure, friction coefficient, optimal design.

1. Đặt vấn đề

Động đất được xem là một thảm họa khủng khiếp đến công trình xây dựng và tính mạng con người. Ở một số khu vực, tần suất xảy ra động đất được các chuyên gia đánh giá là đáng sợ trong thời gian gần đây. Chính vì vậy, thiết kế công trình chịu động đất là một yêu cầu và có một ý nghĩa rất lớn với các nhà thiết kế. Theo quan điểm hiện đại, thiết kế kháng chấn gắn với khái niệm điều khiển kết cấu. Không như thiết kế truyền thống, thiết kế kháng chấn hiện đại sử dụng các thiết bị điều khiển kết cấu nhằm mục đích giảm ảnh hưởng tác động của động đất lên kết cấu. Kết cấu phải thỏa mãn hai tiêu chí là: Đảm bảo khả năng chịu lực và khả năng phân tán năng lượng. Điều đó có nghĩa, kết cấu chịu lực đảm bảo khả năng chịu lực, trang thiết bị máy móc trong công trình vẫn không bị hư hỏng.

a) - Gối tháo rời	b) - Mặt cắt ngang
Hinh1.1: Gối SPF

 

 

 

 

 

 

 

 

Cách chấn đáy là một kỹ thuật điều khiển bị động kết cấu. Kết cấu cách chấn sẽ được thiết kế với các gối cách chấn có độ cứng ngang nhỏ đặt giữa phần móng và kết cấu bên trên. Chu kỳ cơ bản kết cấu như trên sẽ lớn, tránh xa các vùng chu kỳ trội của những trận động đất, từ đó ngắt được nguồn năng lượng do động đất truyền vào kết cấu. Gối SFP (Hình 1.1)là một trong những dạng gối phổ biến và hiệu quả trong kỹ thuật cách chấn công trình [1, 2, 4 và 7]. Nó được làm từ kim loại chống rỉ, bên trong được phủ một lớp vật liệu Teflon để đảm bảo hệ số ma sát trượt trong gối. Các thông số ảnh hưởng chính đến sự làm việc của gối và kết cấu bên trên là: Bán kính mặt cong R, hệ số ma sát giữa con lắc và mặt cong m và khả năng dịch chuyển d (kích thước của gối).  

Trong các nghiên cứu trước, chuyển động của gối, mô hình tính toán và hiệu quả giảm chấn của thiết bị được đánh giá cụ thể. Tuy nhiên, ảnh hưởng các thông số của gối đến phản ứng kết cấu chưa được làm rõ. Trong nghiên cứu này sẽ phân tích vấn đề trên, từ đó làm cơ sở để thiết kế tối ưu cho một gối trong kết cấu cách chấn.

2. Cơ sở tính toán

Chuyển động của gối SFP và mô hình tính toán kết cấu cách chấn bằng gối SFP được trình bày trong nghiên cứu [2, 7]. Ở đây, gối được mô phỏng như một khối lượng (m_b) dao động bao gồm phần tử lò xo có độ cứng k_b, phần tử lực ma sát có hệ số ma sát m và phần tử lực va chạm có khả năng dịch chuyển ngang d như Hình 2.1:

Hình 2.1:Môhình tính kết cấu cách chấn bằng gối SFP

 Độ cứng lò xo được xác định theo công thức (1) [2], trong đó: W - Tổng trọng lượng kết cấu bên trên gối:

 

 

Thành phần lực ma sát được xác định theo mô hình tổng quát, như công thức (2):

 

 

Trong đó, hệ số ma sát m xác định phụ thuộc theo vận tốc trượt và áp lực bề mặt [3] như phương trình (3):

 

 

Biến trễ Z xác định từ phương trình vi phân số (4) [3, 6], giá trị biến Z minh họa như Hình2.2.

Hình 2.2: Giá trị biến trễ Z

 

Khi dịch chuyển con lắc lớn (u_b > d), thành phần lực va chạm trong gối xuất hiện với giá trị được tính như phương trình 5, trong đó: k_r - Hệ số va chạm có giá trị lớn, H - Giá trị hàm Heaviside.

 

Hệ phương trình chuyển động của kết cấu chịu tác dụng của chuyển động nền được thiết lập theo nguyên lý D’Alembert. Sử dụng phương pháp số Runge-kutta bậc 4 (sử dụng hàm ode15s trong Matlab) để giải hệ các phương trình trên tìm ra đáp ứng của kết cấu theo lịch sử thời gian.

3. Phân tích ảnh hưởng của thông số gối sfp đến phản ứng của kết cấu

3.1. Thông số kết cấu

Kết cấu nhà 3 tầng bằng thép, với giả thiết bản sàn tuyệt đối cứng, khối lượng và độ cứng các tầng giả định giống nhau: Khối lượng m_i = 51Ns²/mm, độ cứng k_i = 100kN/mm, tỷ số cản `xi` = 2,5 %, chu kỳ cơ bản T₁ = 0,319s.

Các giá trị xác định giá trị biến trễ Z được cho như sau [3]: A = 1; Y = 0.25mm; `Gamma` = 0.9; `beta` = 0.1; `eta` = 2, a = 0.02s/mm.

3.2. Thông số gia tốc nền

Dữ liệu gia tốc nền phân tích là trận động đất Imperial Valley, được lấy từ  Trung tâm Nghiên cứu Động đất của Đại học Berkeley (Mỹ) [8] được tổng hợp ở Bảng 3.1, gia tốc đồ và phổ gia tốc như Hình 3.1và3.2, bước thời gian phân tích là 0,01s.

Bảng 3.1. Thông số gia tốc nền

Trận động đất	Vị trí	Thành phần	Gia tốc đỉnh
Imperial Valley-06 (10/15/1979)	El Centro Array #5		0,383g

Hình 3.1: Gia tốc nền trận động đất Imperial Valley

 

Hình 3.2: Phổ gia tốc nền trận động đất Imperial Valley

3.3. Phân tích tối ưu

Thông số của gối được xem là tối ưu khi phản ứng của kết cấu là nhỏ, bao gồm gia tốc trong các tầng, lực cắt trong các tầng và dịch chuyển của gối.

Ảnh hưởng của hệ số ma sát: Tiến hành phân tích kết cấu với trường hợp hệ số ma sát m thay đổi từ 0,03 đến 0,14. Bán kính cong R = 1500mm giữ cố định, khả năng dịch chuyển của gối d lấy đủ lớn để đảm bảo không có va chạm trong gối xảy ra. Kết quả phân tích thể hiện trong các Hình3.3, 3.4và3.5.

Hình 3.3: Gia tốc trong các tầng khi thay đổi hệ số ma sát

 

Hình 3.4: Lực cắt trong các tầng khi thay đổi hệ số ma sát

 

Hình 3.5: Dịch chuyển gối khi thay đổi hệ số ma sát

Từ kết quả phân tích trên, ta có thể chọn hệ số ma sát cho phản ứng nhỏ nhất kết cấu là m = 0,08.

Ảnh hưởng của bán kính cong R: Với hệ số ma sát m=0,08, ta cho bán kính cong R thay đổi từ 500mm đến 5.000mm. Ta tiến hành khảo sát các thông số kết cấu như trên. Kết quả thể hiện trong các Hình3.6, 3.7và3.8.

Hình 3.6: Gia tốc trongcáctầng khi thay đổi bán kính

 

Hình 3.7: Lực cắt trongcáctầng khi thay đổi bán kính

 

Hình 3.8: Dịch chuyển gối khi thay đổi bán kính

Khi bán kính cong tăng, gia tốc và lực cắt trong các tầng sẽ giảm, điều này sẽ tốt cho kết cấu. Tuy nhiên, dịch chuyển của gối sẽ tăng. Mặt khác, để đảm bảo cho khả năng phục hồi về trọng tâm của gối khi dịch chuyển, bán kính cong cũng phải đủ nhỏ [5], điều này thường được kiểm tra lại sau khi phân tích kết cấu. Ta có thể chọn bán kính cong R = 2.000mm là giá trị tốt cho gối trong trường hợp này.

Với hệ số ma sát m và bán kính cong R chọn như trên, khả năng dịch chuyển lớn nhất của gối khoản 265mm, thể hiện ở đường ứng xử trễ như Hình3.9. Nếu ta chọn d = 300 thì không có sự va chạm xảy ra.

Hình 3.9: Đường ứng xử trễ (d = 300mm)

 

Trong trường hợp ta chọn d không đủ lớn, sự va chạm trong gối sẽ xảy ra. Đường ứng xử trễ trong trường hợp này được vẽ như Hình3.10. Ta thấy, lực ngang trong gối là lớn. Phản ứng của kết cấu cũng sẽ lớn và hiệu quả giảm chấn của thiết bị không tốt. Trong trường hợp này ta nên chọn d > 265mm.

Hình 3.10: Đường ứng xử trễ (d = 255mm)

 

3.4. Hiệu quả của gối với kích thước tối ưu

Với các thông số của gối được lựa chọn như trên, hiệu quả giảm chấn của thiết bị được đánh giá qua phân tích kết cấu trong hai trường hợp: Ngàm cứng (không có gối) và Cách chấn (có gắn gối SFP). Hiệu quả giảm chấn được thể hiện trong các hình từ 3.11 đến 3.14.

Hình 3.11: Gia tốc tầng 3

 

Hình 3.12: Lực cắt tầng 1

 

Hình 3.13: Hiệu quả giảm lực cắt ở các tầng

 

Hinh 3.14: Hiệu quả giảm gia tốc ở các tầng

 

4. Kết luận

Trên cơ sở mô hình kết cấu cách chấn bằng gối SFP, ta tiến hành khảo sát ảnh hưởng các thông số kỹ thuật của gối đến phản ứng của kết cấu bằng phương pháp phân tích độ nhạy, kết quả được đánh giá cụ thể cho từng thông số. Từ đó, một gối có các thông số tối ưu cho một kết cấu chịu động đất được lựa chọn. Hiệu quả của thiết bị trong trường hợp này sẽ là rất tốt (hiệu quả xấp xỉ trên 80%), thể hiện ở các hình từ 3.11 đến 3.14. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong thiết kế kết cấu cách chấn bằng gối SFP.

Tài liệu tham khảo

[1]. Đỗ Kiến Quốc, Nguyễn Văn Nam (2009), Hiệu quả giảm chấn của thiết bị gối cô lập móng trượt ma sát FPS, Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc kỷ niệm 30 năm Viện Cơ học và 30 năm Tạp chí Cơ học, trang 365-372.

[2]. Nguyễn Văn Nam, Hoàng Phương Hoa, Phạm Duy Hòa (2015), Mô hình các dạng gối trượt ma sát trong kết cấu chịu động đất: Gối SFP, Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Đà Nẵng, 3-5/8, ISBN 978-604-84-1273-9, trang 286-290.

[3]. Constantinou, M., Mokha, A., Reinhorn, A. (1990), Teflon bearings in base isolation II: Modeling,  J.Struct. Eng, 116, 455-474.

[4]. Earthquake Protection Systems, Inc (2008), Friction pendulum seismic isolation.

[5]. Naeim F, Kelly JM. (1999), Design of seismic isolated structures: From theory to practice, John Wiley & Sons, Inc. New York, USA.

[6]. Park, Y.J., Wen, Y.K., Ang, A.H.S., (1986), Random vibration of hysteretic systems underbidirectional ground motions, Earthq. Eng. Struct. Dyn. 14(4)543-557.

[7]. Zayas, V.A., Low, S.S., Mahin, S.A. (1987), The FPS earthquake resisting systemexperimental report, EERC technical report, UBC/EERC-87/01.

[8]. http://www.ngawest2.berkeley.edu/site.