›
›

Nghiên cứu ứng xử công trình chịu động đất sử dụng gối cách chấn HDRB và gối FPS

pdf 16 trang phuongnguyen 120
Download
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu ứng xử công trình chịu động đất sử dụng gối cách chấn HDRB và gối FPS", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfnghien_cuu_ung_xu_cong_trinh_chiu_dong_dat_su_dung_goi_cach.pdf

Nội dung text: Nghiên cứu ứng xử công trình chịu động đất sử dụng gối cách chấn HDRB và gối FPS

  1. NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG GỐI CÁCH CHẤN HDRB VÀ GỐI FPS RESEARCH BEHAVEBUIDING RESISTANT EARTHQUAKES USE BASE ISOLATE HDRB AND FPS (1) Nguyễn Văn Hào, (2) Phan Đức Huynh (1) Công ty Cổ Phần KTEST,(2)Khoa Xây Dựng Và Cơ Học -Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM TÓM TẮT Đề tài này nghiên cứu phương pháp giảm dao động cho công trình khi có động đất sử dụng gối cách chấn đàn hồi HDRB và gối cách chấn trượt đợn FPS.Thiết lập và giải phương trình vi phân chuyển động dựa vào chương trình Matlab, Tác giả áp dụng cho công trình 9 tầng và 3 tầng chịu động đất ELCentrol Từ khóa : động đất, gối đàn hồi HDRB, gối trượt đơn FPS, phân tích tuyến tính theo thời gian ABSTRACT Research method for reducing vibrations in multiple-story buildings under earthquakes affect have use High Damping Ruber Bearing (HDRB), Friction Pendulum Systems (FPS). Set-up and the motion equations based on Matlab program, The author applied to buildings of 9 floors and 3 floors under earthquake ELCentrol. Keywords: earthquake, High Damping Ruber Bearing, Friction Pendulum Systems, linear time history analysis. 1. Giới thiệu Vượt qua hàng thập kỷ,động đất ảnh hưởng rất lớn đối với con người và cơ sở hạ tầng. Các chuyên gia đã tìm ra giải pháp để giảm chấn động cho công trình. Nhằm ổn định cho công trình khi có động đất,giảm tối thiểu thiệt hại về con người và tài sản. Một thiết bị cách chấn trở thành một yếu tố quan trọng của kết cấu, nâng khả năng hấp thụ năng lượng do động đất truyền vào công trình.Việc tính toán thiết kế công trình sao cho năng lượng đó được tiêu tán đảm bảo công trình hoạt động hiệu quả nhất khi có động đất xảy ra.Thiết bịcô lập địa chấn được sử dụng trong các công trình nhằm tách rời công trình khỏi mặt đất. Làm được vậy người ta bố trí một thiết bị cách chấn bên trên móng và bên dưới kết
  2. cấu(kết cấu bên trên móng) để giảm sự khuyếch đại năng lượng của động đất truyền lên kết cấu bên trên.Thiết bị này này còn gọi là “gối cách chấn”. 2. Phương pháp nghiên cứu -Phương pháp nghiên cứu là phương pháp số. Phương trình vi phân chuyển động được giải bằng thuật toánNewmark. Thuật toán Newmark được giải trong Matlab. 3.Phương trình vi phân chuyển động 3.1 Công trình chịu động đất không sử dụng gối cách chấn Cho công trình n tầng chịu tải trọng động đất m n m3 m 2 m 1 u u1 2 u3 un k1 k2 k3 k n m m m m ug 1 1 3 n c 1 c 2 c 3 c n ug ug ug ug Hình 1.Mô hình hệ n tầng Hình 2. Mô hình tương đương hệ n tầng - Theo [19] ta có phương trình dao động của hệ n tầng là: Mut ()()()  Cut   Kut   Kru  g  (1) Trong đó M  : Ma trận khối lượng,C : Ma trận cản, K : Ma trận độ cứng 1 k1 k 2 k 2 0 0 0 m1 0 0 k k k k 00 1 0m 0 2 2 3 3 2 ; ; r 1 k K 00 k3 k 3 k 4 k 4 m n 0 0 0 0 kn 1 - Để xác định ma độ cản C .Theo [32] độ cản là sự kết hợp của ma trận khối lượng M  và ma trận độ cứngK.Khi đóma trận độ cản được xác đinh như sau: CMK    ; , là các hằng số (2)
  3. Ta sử dụng 2 mode dao động đầu tiên để tính toán. Khi đó hệ số , được xác định thông qua 2 phương trình sau: 1    1 1 1 1 ; khi 12 thì hệ số được xác định như sau 2 2 1  2 2 2 ;  12  12 3.2 Công trình sử dụng gối HDRB Cho công trình n tầng có sử dụng gối HDRB m n m3 m 2 u ,u ub u b,u1 b 2 u b,u3 u b,un k k k k k m1 b 1 2 3 n mb m1 m1 m3 mn c b c 1 c 2 c 3 c n m b ug HDRB ug ug ug ug ug Hình 3.Mô hình hệ n tầng có gối HDRBHình 4. Mô hình tương đương hệ n tầng - Theo [33] phương trình chuyển động của hệ có gối cách chấn HDRB được tách thành 2 phương trình vi phân chuyển động khác nhau. Một là phương trình vi phân chuyển động kết cấu bên trên,hai là phương trình vi phân chuyển động của gối  Phương trình vi phân chuyển động cho kết cấu bên trên gối: Muts  s()()()()()  Cut s  s  Kut s s  Mrutut s   g  b  (3) Trong đó: M s : Ma trận khối lượng, Cs : Ma trận cản, Ks  : Ma trận độ cứng
  4. k1 k 2 k 2 0 0 0 1 m1 0 0 k2 k 2 k 3 k 3 00 1 0m 0 2 M  ; Ks  00 k3 k 3 k 4 k 4 ; r 1 s m n 0 0 0 0 kn 1 u1 u2 CMKs  s  s ;us  un  Phương trình chuyển động cho gối: T     (4) Mrs  ut s()()() m b  mutcuku nb  bbbb m b mut ng  - Từ 2 phương trình (3) và (4) ta kết hợp thành 1 phương trình sau: Mut ()()()()  Cut   Kut   Mrutrg    (5) Trong đó: ub T m m M r T b n  s   mmbn  0 u1 M  ;M r  ;u  0 M Mss r  M    s  un k 0T c 0T K b ; C b 0 Ks  0 Cs  + Tần số góc của gối: kb b (6) mmbn  +Độ cản của gối: cb 2 b ( m n m b ) b (7) - Để giải phương trình (5) ta sử dụng thuật toán Newmark để giải, việc giải được áp dụng trên phần mềm Matlab
  5. 3.2 Công trình sử dụng gối FPS Cho công trình n tầng có sử dụng gối FPS m n m3 m 2 u u ,u u b,u2 u ,u u ,u k b b 1 b 3 b n b k1 k 2 k3 k n m1 mb m1 m1 m3 mn Ff c 1 c 2 c 3 c n c b m b ug ug ug ug ug ug FPS Hình 5.Mô hình hệ n tầng có gối FPS Hình 6. Mô hình tương đương hệ n tầng - Theo [14] phương trình dao động của hệ có gối cách chấn FPSđược tách thành 2 phương trình vi phân chuyển động khác nhau. Một là phương trình vi phân chuyển động kết cấu bên trên,hai là phương trình vi phân chuyển động của gối  Phương trình vi phân chuyển động cho hệ bên trên gối: Muts  s()()()()()  Cut s  s  Kut s s  Mrutut s   g  b  (8) Trong đó: M s  : Ma trận khối lượng, Cs  : Ma trận cản, Ks  : Ma trận độ cứng k1 k 2 k 2 0 0 0 1 m1 0 0 k2 k 2 k 3 k 3 00 1 0m 0 2 M  ; Ks  00 k3 k 3 k 4 k 4 ; r 1 s m n 0 0 0 0 kn 1 u1 u2 CMKs  s  s ; us  un  Phương trình chuyển động cho gối: T     (9) Mrs  ut s()()() m b  mutcukuF nb  bbbbf m b mut ng  - Từ 2 phương trình (8) và (9) ta kết hợp thành 1 hệ phương trình sau:
  6. Mut ()()()()  Cut   Kut   Mrut    F (10) r g f Trong đó: ub T m m M r T b n  s   mmbn  0 u1 M  ; M r  ; u  0 M Mss r  M    s  un 1 T T kb 0 cb 0 0 K ; C ;   0 Ks  0 Cs   0 + Tần số góc của gối: kb b (11) mmbn  +Độ cản của gối: cb 2 b ( m n m b ) b (12) - Để giải phương trình (10) ta sử dụng thuật toán Newmark để giải, việc giải được áp dụng trên phần mềm Matlab 4.Kết quả và kết luận 4.1. Kết quả  Bài toán - Để đánh giá hiệu quả công trình có sử dụng gối cách chấn .Ta tìm hiểu 2 công trình ,công trình 9 tầng và 3 tầng, 2 công trình có mặt bằng giống nhau, đều sử dụng gối cách chấn vàchịu trận động đất ELCentrol 1940 9 F D250x400 C1 C2 C2 C1 8F  7F D250x400 3F C2 C3 C3 D200x300 C2 D200x300 D200x300 3F D200x300 2F  2F C1 C1 C2 D250x400 C2 1F    1F 0.000 0.000 Hình 7.Mặt bằng công trìnhHình 8.Mặt đứng công trình 9 tầng Hình 9. Mặt đứng công trình 3 tầng
  7. - Kích thước dầm cột cho bảng sau: Bảng kích thước dầm cột Tầng Cột C1 Cột C2 Cột C3 Dầm1 Dầm 2 Tầng 1,2,3 400x400 500x500 600x600 250x400 200x300 Tầng 4,5,6 400x400 400x400 400x400 250x400 200x300 Tầng 7,8,9 300x300 300x300 400x400 250x400 200x300 Bảng 1.Kích thước dầm cột công trình 9 tầng Bảng kích thước dầm cột công trình 3 tầng Tầng Cột C1 Cột C2 Cột C3 Dầm1 Dầm 2 Tầng1 ,2,3 300x300 300x300 400x400 250x400 200x300 Bảng 2.Kích thước dầm cột công trình 3 tầng - Gia tốc nền trận động đất EL Centrol 1940: Hình 10.Gia tốc nền EL Centrol 1940 - Khối lượng và độ cứng các tầng được tóm tắt ở bảng sau: Công BẢNG KHỐI LƯỢNG VÀ ĐỘ CỨNG CÁC TẦNG trình Tầng Trệt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9 tầng 8 9.288 9.288 9.288 8.489 8.489 8.489 7.8942 7.8942 7.8942 3 tầng Khối lượng (Kg)x10^4 8 7.8942 7.8942 7.8942 9 tầng 5.434 5.434 5.434 2.266 2.266 2.266 0.975 0.975 0.975 3 tầng Độ cứng K(N/m)x10^8 7.8942 7.8942 7.8942 Bảng 3.Khối lượng và độ cứng các tầng
  8.  Kết quả a) b) Hình 11 Chuyển vị công trình a. Công trình 9 tầng b. Công trình 3 tầng -Chuyển vị đỉnh theo thời gian: a) b) Hình 12.Chuyển vị đỉnh công trình theo thời gian a. Công trình 9 tầng b. Công trình 3 tầng
  9. - Chuyển vịgốiHDRB và gối FPS theo thời gian: a) b) Hình 13.Chuyển vị gối HDRB và gối FPS theo thời gian a. Công trình 9 tầng b. Công trình 3 tầng -Vận tốc đỉnh theo thời gian: a) b) Hình 14. Vận tốc đỉnh công trình theo thời gian a.Công trình 9 tầng b.Công trình 3 tầng - Gia tốc đỉnh theo thời gian a) b) Hình 15.Gia tốc đỉnh công trìnhtheo thời gian a. Công trình 9 tầng b. Công trình 3 tầng
  10. - Lực cắt đáy theo thời gian: a) b) Hình 16. Lưc cắt đáy công trình theo thời gian a.Công trình 9 tầng b. Công trình 3 tầng -Phân lực cắt đáy lên các tầng: +Công trình 9 tầng: a) b) c) Hình 17.Phân lực cắt đáy lên các tầng trong công trình 9 tầng a. Không sử dụng gối b. Sử dụng gối HDRB c. Sử dụng gối FPS +Công trình 3 tầng: a) b) c) Hình 18.Phân lực cắt đáy lên các tầng trong công trình 3 tầng a.Không sử dụng gối b.Sử dụng gối HDRB
  11.  Kết quả tính toán được tóm tắt ở bảng sau . Hiệu quả công trình 9 tầng sử dụng gối cách chấn được tóm tắt ở bảng sau: HIỂU QUẢ SỬ DỤNG GỐI CÔNG TRÌNH 9 TẦNG Đơn Không sử Gối Chênh lệch (%) STT vị dụng gối HDRB FPS HDRB FPS Chuyển vị đỉnh m 0.0998 0.0235 0.018 76.5 82 Vận tốc đỉnh m/s 1.1201 0.1816 0.1575 83.8 85.9 Gia tốc đỉnh m/s2 13.6786 2.2654 2.2257 83.4 83.7 Lực cắt đáy kn 4024 1020 801.2 74.7 80.1 Chuyển vị gối m 0.0602 0.0675 Bảng 4 .Hiệu quả công trình 9 tầng khi sử dụng gối cách chấn - Công trình sử dụng gối cách chấn hoạt động hiệu quả khi có động đất. Chuyển vị đỉnh giảm đáng kể,chuyển vị nằm trong giới hạn cho phép. Theo TCXDVN:198-1997 ta có u 1 d (Khung bê tông cốt thép) H 500 Trong đó: ud : Chuyển vị lớn nhất tại đỉnh công trình H: Tổng chiều cao công trình 0.0998 1 +Không sử dụng gối: 0.003 0.002 (Không đạt) 3.4x 9 500 0.0235 1 +Sử dụng gối HDRB: 0.00075 0.002 (đạt) 3.4x 9 500 - Gối FPS hoạt động hiệu quả hơn gối HDRB .Công trình sử dụng gối FPS có chuyển vị,vận tốc, gia tốc,lực cắt đáy đều giảm hơn so với công trình sử dụng gối HDRB - Chuyển vị gối FPS lớn hơn gối HDRB .Nhưngvẫn nằm trong giới hạn thiết kế uDgoi tk
  12. . Công trình 3 tầng: Hiệu quả công trình 3 tầng sử dụng gối cách chấnđược tóm tắt ở bảng sau: HIỂU QUẢ SỬ DỤNG GỐI CÔNG TRÌNH 3 TẦNG Đơn Không sử Gối Chênh lệch (%) STT vị dụng gối HDRB FPS HDRB FPS Chuyển vị đỉnh m 0.0357 0.0057 0.0053 84 85.2 Vận tốc đỉnh m/s 0.596 0.052 0.046 91.3 92.3 Gia tốc đỉnh m/s2 10.77 1.149 1.1566 89.3 89.3 Lực cắt đáy Kn 1634 331 284 79.7 82.6 Chuyển vị gối m 0.063 0.078 Bảng 5.Hiệu quả công trình 3 tầng khi sử dụng gối cách chấn 4.2 Kết luận - Công trình sử dụng gối cách chấn hoạt động hiệu quả khi có động đất. Chuyển vị đỉnh giảm đáng kể,chuyển vị nằm trong giới hạn cho phép. - Công trình sử dụng gối cách chấn hoạt động hiệu quả khi có động đất. - Hiệu quả sử dụng gối HDRB và gối FPS trong công trình thấp gần như nhau, chuyển vị, vận tốc,gia tốc của 2 gối chênh lệch không đáng kể Tài liệu tham khảo Tiếng việt [1]- Trần Tuấn Long (2007) “Thiết kế cách chấn đáy HDR cho khung nhà nhiều tần chịu tải trọng động đất” [2]- Lê Xuân Tùng (2010). “Thiết kế gối cách chấn dạng gối đỡ đàn hồi chịu động đấ với mô hình phi tuyến của vật liệu chế tạo”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng [3]- Lê Xuân Tùng (2012) “Thiết kế một số dạng gối cách chấn trong công trình chịu động đất” Luận án Tiến sĩ,Viện khoa học công nghệ xây dựng [4]- Nguyễn văn Khang (2004) -“Dao động kỹ thuật”, Nhà xuất bản xây dựng [5]- Nguyễn Trung Kiên (2012) - “Động lực học công trình”, Nhà xuất bản giao thông vận tải Tiếng nước ngoài [6]- Fani Chatzidaki,“Optimum design of base isolated RC structures”
  13. [7]- Farzad Naeim,Ph.D., Se và Jame M.Kelly,PH.D “Design of Seismic Isolated Structures From Theory to Practicea” [8]- Cataloge BRIDFESTONE “Seismic isolation product” [9]- TIAN Xue Min and LU Ming (2008), “Design of Base-Isolated Structure with Rubber-Bearing”. [10]- Daniel M. Fenz, and Michael C. Constantinou (2006) “Behaviour of the double concave Friction Pendulum bearing” [11]- SHIRULE. P. A, JAGTAP. L. P, SONAWANE. K. R, PATIL. T. D, JADWANIR. N and SONAR. S. K (2012) “Time History Analysis of Base Isolated Multi-Storyed Building” [12]-Mohd. Zameeruddin Mohd. Saleemuddin (2013)‟‟Estimation of Response of 2- DOF RCC Base Isolated Buildingnto Earthquake Loading„‟ISSN 2250-2459, ISO 9001:2008 Certified Journal, Volume 3, Issue 7, July 2013 [13]-Gordon P. Warn 1,* and Keri L. Ryan(2012)„‟A Review of Seismic Isolation for Buildings: Historical Development and Research Needs‟‟.ISSN 2075-5309 [14]-Navid Jamali(2008) „‟On the Numerical Simulation ofFriction-Isolated Structures‟‟ [15]- NITISH TAKALKAR(2012).”Seismic Response of Fictionpendulum Isolated Risemultistory Building‟‟. ISSN 0975-5462 Vol. 4 No.06 June 2012 [16]-C.P. Providakis(2008) „‟Effect of supplemental damping on LRB and FPS seismic isolators under near-fault ground motions‟‟. Applied Mechanics Laboratory, Department of Applied Sciences, Technical University of Crete, GR-73100 Chania, Greece [17]- Chong-Shien Tsai (2008)‟‟Advanced Base Isolation Systems forLight Weight Equipments‟‟ Department of Civil Engineering, Feng Chia University, Taichung,Taiwan [18]-A. B. M. Saiful Islam1 (2011), M. Jameel1, M. A. Uddin1 and Syed Ishtiaq Ahmad„‟Simplified design guidelines for seismic base isolation in multi-storey buildings for Bangladesh National Building Code (BNBC)‟‟ 1Department of Civil Engineering, University of Malaya, 50603 Kuala Lumpur, Malaysia. [19]- Mostafa Tazarv (2011).‟‟Linear Time History Analysis of MDOF Structure by ModeSuperposition Method‟‟. Carleton University [20]- Dinu BRATOSIN (2004).‟‟Non –Linear Effects In Seismic Base Isolation Volume 5, Number 3/2004, pp. 000-000
  14. [21]- Sriram Narasimhan 1,Satish Nagarajaiah 1, Member, ASCE,Henri Gavin2, Member,ASCE,and Erik A. Johnson 3, Assoc. Member, ASCE(2002)‟‟ Bencharm Problem For Control of Base Isolated Builing‟‟ [22]- Lyan-Ywan Lu(2003)‟‟Semi-active modal control for seismic structures with variablefriction dampers‟‟ Engineering Structures 26 (2004) 437–454 [23]- M. C. Constantinou1, A. S. Whittaker1, Y. Kalpakidis2, D. M. Fenz2 and G. P. Warn(2007)‟‟ Performance of Seismic Isolation Hardware under Service and Seismic Loading‟‟ [24]- Chauhan Kalpesh M.1, Dr.B.J.Sha (2013)‟‟ Exel Spreadsheet For Design of Lead Ruberbearing Use for Sesmic Isolation of Bridges .ISSN2249–8974 [25]- Jose .L.Almaza N1,S.Juanc.De La LLera1and JoseInaudi21997) ‟‟Modelling Aspecs of Structures Isolated With the Frictional Fendulum System‟‟Earthquake Engng. Struct.Dyn. 27, 845Ð867 (1998) [26]- MAURER Seismic Isolation with Sliding Isolation Devices for BridgeStructures(2012) [27]- Fanel_scheaua(1998) „‟ Friction Pendulum Dampers for Earthquake IsolatedStructuralSystems‟‟ Earthquake Engng. Struct.Dyn. 27, 845Ð867 (1998) [28]- Nobuo Murota, Maria Q. Feng and Gee-Yu Liu (2005).‟‟Experimental and Analytical Studies of Base Isolation Systems for Seismic Protection of Power Transformers‟‟ [29]-Michael D. Symans, PhD(2009) Seismic Protective Systems Seimic Isolaion [30]-B.Mohraz and Y c Jian (1992) „‟A Mode Superpostition procedure for seismic analysic of nonlinear base isolated structure‟‟. Earthquake Engineering ISBN 9054100605 [31] - William j.Hail - Dynamics of Structures – “Theory and Applications to Earthquake Engineering” [32] -A.Alipourand F.Zareian -Study Rayleigh Damping in Structure;Uncerratinties and Treatment”.World Conference on Earthquake Engineering [33] –James M.Kelly, M.EERI (1990) - Base isolation linear the theory and design”.Earthqueke Spectra, Vol.6, No.2 Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết):
  15. Họ tên: Nguyễn Văn Hào Điện thoại: 0932.665.345 Email: ksnguyenvanhao2012@gmail.com
  16. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.