Ðề: Tính toán tải trọng khi phân tích dẻo?
Giảm chấn (Active or passive control) chỉ đến phương pháp khống chế lực động đất lên công trình không phải đặc điểm của công trình. Ví dụ người ta dùng TMD(tuned mass damper hay Lead Rubber Bearing(LRD)) để điều chỉnh tính chất giao động và damping của công trình. Hoặc cũng có thể dùng cơ chế phá hủy cho phép sinh ra khớp dẻo (plastic hinge) để hấp thụ năng lượng động đất. Đây là những hình thức giảm chấn chủ động và thụ động.
Tiêu năng (energy dissipation) là nói đến năng lực hấp thụ năng lượng của kết cấu (kể cả của thiết bị giảm chấn như LRB như nói trên). Khi động đất xảy ra do có giao động của kết cấu có khối lượng sẽ sinh ra năng lượng (động năng mv2) năng lượng này lan truyền trong kết cấu và được hấp thụ bởi 2 cơ chế : 1) là do biến dạng, phá hoại của cấu kiện như các quá trình nứt, chảy thép,...có lẽ cả sinh nhiệt 2)là năng lượng được truyền xuống nền qua hệ thống móng và được nền hấp thụ.
Như vậy hai khái niệm trên nói đến phương pháp và tính chất của kết cấu liên quan đến kháng chấn. Nói như Haikcvncc sẽ làm những người không hiểu về kháng chấn khó hiểu. Vì Snip 2-81 của Nga là tiêu chuẩn về tải trọng động đất nếu mình không nhầm và nó không liên quan gì đến giảm chấn và tiêu năng như các bạn nói.
Chết chết haikcvncc mà nói thế này thì lính mới trong làng kết cấu chưa học kháng chấn họ chạy mất hết. Mặc dù tôi mường tượng ra ông định nói gì nhưng ông đem gộp cả mớ bòng bong vào rồi viết chung chung đến mức đọc cứ ù hết cả tai.
Phải gỡ nó và nói nó theo ngôn ngữ bình thường thì mới hiểu rõ được.
Thứ nhất là chuyện hệ số q của Haikcvncc. KHông phải là chuyện khung chịu mômen đặc biệt này nọ gì cả mà chuyện này liên quan đến hệ đàn hồi và đàn dẻo. Trước kia người ta đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra sau trận động đất các cấu kiện chịu tải trọng hơn đến cả 5 đến 8 lần so với sức chịu tải nếu tính toắn theo đàn hồi vậy mà kết cấu vẫn không "băng". Điều này sau này đã được biết là do cơ chế hấp thụ năng lượng của kết cấu khi bị chảy dẻo. Nói chuyện năng lượng chắc nhiều người đọc vẫn không dễ chịu vì nó xa vời với thiết kế thông thường. Tôi sẽ diễn nó bằng ngôn ngữ dân dã hơn nữa ra ở đây.
Hình dưới là ví dụ một cái tháp nước chịu tác dụng của trận động đất tôi lấy ví dụ này đơn giản là để dễ hình dung . Dưới tác động của sóng gia tốc nền nó sẽ lắc sang hai bên. Lực động P và chuyển vị d sẽ thay đổi theo thời gian.
Nếu cái cột của tháp nước làm bằng vật liệu đàn hồi lý tưởng thì quan hệ P-d sẽ như hình a. Hình a cho thấy quan hệ Lực-chuyển vị là đường thẳng. Khi tháp nước chuyển vị cực đại tức là điểm D trên hình a thì chuyển động sẽ dừng lại và đổi hướng. Ở thời điểm này toàn bộ năng lượng của hệ được "trữ" dưới dạng thế năng vì tốc độ bằng 0 nên không có động năng. Thế năng này chính bằng công do lực tác dụng Pe sinh ra trên quãng đường de và U=Pe.de/2 đây chính là diện tích tam giác ODE. Sau đó tháp sẽ chuyển động ngược lại và đi qua điểm o tức là qua vị trí cân bằng ở đây toàn bộ năng lượng sẽ chuyển thành động năng vận tốc tại thời điểm này là lớn nhất.
Nếu vật liệu của tháp là phi tuyến tính và có chảy như cấu kiện BTCT thì phản ứng sẽ như hình b. quan hệ P-d sẽ vẽ ra một hình có đường bao đại loại như hình vẽ (tùy vào tính chất cấu kiện). Hình b cho thấy ở hệ này khi lực tác dụng đạt tới Py quan hệ P-d trượt trên đoạn AB. Sau đó tháp sẽ đạt chuyển vị lớn nhất và đổi hướng. Tuy nhiên khác với hệ đàn hồi trên đường quay lại nó không trượt qua điểm gốc nữa. Tại chuyển vị cực đại tức là điểm B trên hình b năng lượng của hệ là diện tích hình thang OABC. KHi lực quay về 0 để chuyển hướng ta thấy chỉ có một phần năng lượng được "nhả lại" để biến thành động năng đó là diện tích của tam giác GBC trên hình b. Một phần lớn năng lượng bằng diện tích của hình thoi OABG trên hình b đã bị tiêu hao nó biến thành nhiệt hay các dạng năng lượng khác không hồi phục lại trong hệ thống. Đây chính là vấn đề liên quan đến tiêu năng mà các bạn bàn ở trên. Do năng lượng bị tiêu hao phần năng lượng còn lại sẽ nhỏ hơn ban đầu nên không sinh ra được thế năng hay động năng lớn như trước nữa hệ sẽ bớt bị chuyển vị hơn.
Ở hình c tôi vẽ chung quan hệ tuyến tính và phi tuyến vào một và tập trung quan tâm vào góc phần tư thứ nhất để phân tích dẫn đến hệ số q của haikcvncc. Đầu tiên bạn đừng quan tâm đến đường đỏ mà hãy nhìn vào hình thang OABC và tam giác ODE. Tồn tại lý thuyết cho rằng đối với 1 trận động đất thì tháp có vật liệu đàn hồi sẽ có mức năng lượng bằng năng lượng ở tháp có vật liêu phi tuyến(còn một thuyết nữa sẽ bàn với các bạn dịp khác). Nói cách khác diện tích tam giác ODE và hình thang OABC ở hình c là bằng nhau. Đây là thuyết cân bằng năng lượng (equal energy concept).
Bây giờ ta định nghĩa q=Pe/Py tức là q là tỷ số giữa lực ở hệ đàn hồi với lực ở hệ đàn dẻo. Đây chính là hệ số giảm dộ lớn tải trọng ở hệ đàn dẻo.
Tiếp đến định nghĩa m=du/dy giá trị này gọi là ductility
Với hai định nghĩa trên và dựa vào tính toắn hình học do diện tích tam giác và hình thang bằng nhau ta sẽ có kết quả
q=1/SQRT(2m-1)
Như vậy thay vì thiết kế một hệ đàn hồi ta có thể thiết kế một hệ đàn dẻo cùng chịu nổi một trận động đất. Tuy nhiên sự khác biệt là ở hệ đàn dẻo lực tác dụng sẽ nhỏ hơn và hệ sẽ bị biến dạng chảy dẻo. Ductility m càng lớn tức là du lớn thì diện tích hình thang OABC càng lớn khi đó Py có thể nhỏ đi trông thấy so với Pe mà vẫn đảm bảo diện tích của tam giác ODE và hình thang OABC là bằng nhau. Như vậy là ta có thể thiết kế cấu kiện có khả năng chịu tải nhỏ mà vẫn chịu được động đất lớn nếu ductility của nó lớn.
Cuối cùng là ductility là bao nhiêu thì vừa? đây chính là câu hỏi liệu ta cho phép cấu kiện phá hoại đến đâu.
The Quest for ductility and untimate damage condition begin
Trên đây hy vọng tôi đã làm sáng tỏ phần nào cái mớ bòng bong của kháng chấn và biết đâu sẽ có người đã chán nó lại quay lại khi đọc bài này . Thực ra mọi thứ đơn giản hơn nhiều nếu ta xem nó ở góc độ kết cấu. Vấn đề sẽ "phức tạp" và "hầm hố" lên quá mức khi đọc mấy cái tiêu chuẩn "vô hồn" về động đất.
À quên mất còn cái đường đỏ là vết của điểm B cho các cấu kiện có Py khác nhau. Hy vọng bạn đọc ngoại đạo động đất lý giải được câu này và mường tượng được các hệ có Py khác nhau sẽ thế nào.
Have a nice day
HNTuanJP
Nguyên văn bởi haikcvncc
Tiêu năng (energy dissipation) là nói đến năng lực hấp thụ năng lượng của kết cấu (kể cả của thiết bị giảm chấn như LRB như nói trên). Khi động đất xảy ra do có giao động của kết cấu có khối lượng sẽ sinh ra năng lượng (động năng mv2) năng lượng này lan truyền trong kết cấu và được hấp thụ bởi 2 cơ chế : 1) là do biến dạng, phá hoại của cấu kiện như các quá trình nứt, chảy thép,...có lẽ cả sinh nhiệt 2)là năng lượng được truyền xuống nền qua hệ thống móng và được nền hấp thụ.
Như vậy hai khái niệm trên nói đến phương pháp và tính chất của kết cấu liên quan đến kháng chấn. Nói như Haikcvncc sẽ làm những người không hiểu về kháng chấn khó hiểu. Vì Snip 2-81 của Nga là tiêu chuẩn về tải trọng động đất nếu mình không nhầm và nó không liên quan gì đến giảm chấn và tiêu năng như các bạn nói.
Nguyên văn bởi haikcvncc
Phải gỡ nó và nói nó theo ngôn ngữ bình thường thì mới hiểu rõ được.
Thứ nhất là chuyện hệ số q của Haikcvncc. KHông phải là chuyện khung chịu mômen đặc biệt này nọ gì cả mà chuyện này liên quan đến hệ đàn hồi và đàn dẻo. Trước kia người ta đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra sau trận động đất các cấu kiện chịu tải trọng hơn đến cả 5 đến 8 lần so với sức chịu tải nếu tính toắn theo đàn hồi vậy mà kết cấu vẫn không "băng". Điều này sau này đã được biết là do cơ chế hấp thụ năng lượng của kết cấu khi bị chảy dẻo. Nói chuyện năng lượng chắc nhiều người đọc vẫn không dễ chịu vì nó xa vời với thiết kế thông thường. Tôi sẽ diễn nó bằng ngôn ngữ dân dã hơn nữa ra ở đây.
Hình dưới là ví dụ một cái tháp nước chịu tác dụng của trận động đất tôi lấy ví dụ này đơn giản là để dễ hình dung . Dưới tác động của sóng gia tốc nền nó sẽ lắc sang hai bên. Lực động P và chuyển vị d sẽ thay đổi theo thời gian.
Nếu cái cột của tháp nước làm bằng vật liệu đàn hồi lý tưởng thì quan hệ P-d sẽ như hình a. Hình a cho thấy quan hệ Lực-chuyển vị là đường thẳng. Khi tháp nước chuyển vị cực đại tức là điểm D trên hình a thì chuyển động sẽ dừng lại và đổi hướng. Ở thời điểm này toàn bộ năng lượng của hệ được "trữ" dưới dạng thế năng vì tốc độ bằng 0 nên không có động năng. Thế năng này chính bằng công do lực tác dụng Pe sinh ra trên quãng đường de và U=Pe.de/2 đây chính là diện tích tam giác ODE. Sau đó tháp sẽ chuyển động ngược lại và đi qua điểm o tức là qua vị trí cân bằng ở đây toàn bộ năng lượng sẽ chuyển thành động năng vận tốc tại thời điểm này là lớn nhất.
Nếu vật liệu của tháp là phi tuyến tính và có chảy như cấu kiện BTCT thì phản ứng sẽ như hình b. quan hệ P-d sẽ vẽ ra một hình có đường bao đại loại như hình vẽ (tùy vào tính chất cấu kiện). Hình b cho thấy ở hệ này khi lực tác dụng đạt tới Py quan hệ P-d trượt trên đoạn AB. Sau đó tháp sẽ đạt chuyển vị lớn nhất và đổi hướng. Tuy nhiên khác với hệ đàn hồi trên đường quay lại nó không trượt qua điểm gốc nữa. Tại chuyển vị cực đại tức là điểm B trên hình b năng lượng của hệ là diện tích hình thang OABC. KHi lực quay về 0 để chuyển hướng ta thấy chỉ có một phần năng lượng được "nhả lại" để biến thành động năng đó là diện tích của tam giác GBC trên hình b. Một phần lớn năng lượng bằng diện tích của hình thoi OABG trên hình b đã bị tiêu hao nó biến thành nhiệt hay các dạng năng lượng khác không hồi phục lại trong hệ thống. Đây chính là vấn đề liên quan đến tiêu năng mà các bạn bàn ở trên. Do năng lượng bị tiêu hao phần năng lượng còn lại sẽ nhỏ hơn ban đầu nên không sinh ra được thế năng hay động năng lớn như trước nữa hệ sẽ bớt bị chuyển vị hơn.
Ở hình c tôi vẽ chung quan hệ tuyến tính và phi tuyến vào một và tập trung quan tâm vào góc phần tư thứ nhất để phân tích dẫn đến hệ số q của haikcvncc. Đầu tiên bạn đừng quan tâm đến đường đỏ mà hãy nhìn vào hình thang OABC và tam giác ODE. Tồn tại lý thuyết cho rằng đối với 1 trận động đất thì tháp có vật liệu đàn hồi sẽ có mức năng lượng bằng năng lượng ở tháp có vật liêu phi tuyến(còn một thuyết nữa sẽ bàn với các bạn dịp khác). Nói cách khác diện tích tam giác ODE và hình thang OABC ở hình c là bằng nhau. Đây là thuyết cân bằng năng lượng (equal energy concept).
Bây giờ ta định nghĩa q=Pe/Py tức là q là tỷ số giữa lực ở hệ đàn hồi với lực ở hệ đàn dẻo. Đây chính là hệ số giảm dộ lớn tải trọng ở hệ đàn dẻo.
Tiếp đến định nghĩa m=du/dy giá trị này gọi là ductility
Với hai định nghĩa trên và dựa vào tính toắn hình học do diện tích tam giác và hình thang bằng nhau ta sẽ có kết quả
q=1/SQRT(2m-1)
Như vậy thay vì thiết kế một hệ đàn hồi ta có thể thiết kế một hệ đàn dẻo cùng chịu nổi một trận động đất. Tuy nhiên sự khác biệt là ở hệ đàn dẻo lực tác dụng sẽ nhỏ hơn và hệ sẽ bị biến dạng chảy dẻo. Ductility m càng lớn tức là du lớn thì diện tích hình thang OABC càng lớn khi đó Py có thể nhỏ đi trông thấy so với Pe mà vẫn đảm bảo diện tích của tam giác ODE và hình thang OABC là bằng nhau. Như vậy là ta có thể thiết kế cấu kiện có khả năng chịu tải nhỏ mà vẫn chịu được động đất lớn nếu ductility của nó lớn.
Cuối cùng là ductility là bao nhiêu thì vừa? đây chính là câu hỏi liệu ta cho phép cấu kiện phá hoại đến đâu.
The Quest for ductility and untimate damage condition begin
Trên đây hy vọng tôi đã làm sáng tỏ phần nào cái mớ bòng bong của kháng chấn và biết đâu sẽ có người đã chán nó lại quay lại khi đọc bài này . Thực ra mọi thứ đơn giản hơn nhiều nếu ta xem nó ở góc độ kết cấu. Vấn đề sẽ "phức tạp" và "hầm hố" lên quá mức khi đọc mấy cái tiêu chuẩn "vô hồn" về động đất.
À quên mất còn cái đường đỏ là vết của điểm B cho các cấu kiện có Py khác nhau. Hy vọng bạn đọc ngoại đạo động đất lý giải được câu này và mường tượng được các hệ có Py khác nhau sẽ thế nào.
Have a nice day
HNTuanJP
Ghi chú