LỜI CAM ĐOAN
Học viên Nguyễn Đình Khoa
Sinh ngày: 21/03/1993, CMND số: 173894898, cấp ngày: 05/07/2010, tại Thanh Hóa
Q qn: Đơng Hồng – Đơng Sơn – Thanh Hóa
Nơi ở hiện tại: 55 Chính Kinh – Thanh Xn – Hà Nội
Cơng tác tại Viện Kỹ thuật Cơng trình
Xin cam đoan luận văn tốt nghiệp cao học “Ứng dụng gối cao su dạng lớp trong thiết
kế kháng chấn cơng trình xây dựng” là do cá nhân em thực hiện, mọi tham khảo đều
dùng trong các bài giảng của thầy giáo và các tài liệu công khai. Các số liệu, kết quả
trong luận văn hoàn toàn trung thực.
Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực của luận văn này.

Hà Nội, tháng 06/2019
Tác giả luận văn

Nguyễn Đình Khoa

i


LỜI CẢM ƠN
Em, Nguyễn Đình Khoa, xin chân thành cảm ơn các thầy, cô Trường Đại học Thủy lợi
đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý giá cho em và các học viên, đặc
biệt với sự hướng dẫn tận tình của Ts. Nguyễn Anh Dũng đã giúp em hoàn thành luận
văn này.
Em xin bày tỏ sự cảm động với sự giúp đỡ của các anh, các chị, em, và của các đồng
nghiệp để hoàn thành luận văn này.
Trong q trình nghiên cứu làm luận văn khó tránh khỏi sai xót hoặc nghiên cứu chưa
sâu, kính mong q thầy cô chỉ bảo và thông cảm!

Hà Nội, tháng 06/2019

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...............................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ..................................................................2
CHƯƠNG 1: SỰ PHÁT TRIỂN GỐI CÁCH CHẤN TRÊN THẾ GIỚI .......................3
1.1. Giới thiệu chung .......................................................................................................3
1.2. Gối cách chấn đáy ở Mỹ ...........................................................................................9
1.3. Gối cách chấn đáy ở Nhật Bản ...............................................................................20
1.4. Gối cách chấn đáy ở Châu Âu ................................................................................23
1.5. Gối cách chấn đáy ở New Zealand .........................................................................24
1.6. Gối cách chấn đáy ở Việt Nam ...............................................................................25
1.7. Công nghệ cách chấn hiện nay và sự cần thiết của đề tải nghiên cứu....................27
Kết luận chương 1 .........................................................................................................29
CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CƠ HỌC VÀ VIỆC MƠ HÌNH HĨA GỐI CÁCH CHẤN 30
2.1. Giới thiệu ................................................................................................................30
2.2. Đặc tính cơ học của gối đàn hồi .............................................................................30
2.3. Đặc tính cơ học của gối lõi chì ...............................................................................37
2.4. Đặc tính cơ học của hệ con lắc ma sát ....................................................................38
2.5. Mơ hình hóa gối cách chấn bằng mơ hình song tuyến tính ....................................41

2.5.1. Các tham số mơ hình song tuyến tính của gối cách chấn ....................................41
2.5.2. Một số yêu cầu của mơ hình song tuyến tính ......................................................45
2.6. Gối cách chấn cao su có độ cản cao .......................................................................58
2.6.1. Mơ hình gối cao su trong phân tích động ............................................................58
iii


2.6.2. Phản ứng động với gối cao su ............................................................................. 61
2.6.3. Kết quả ................................................................................................................ 63
Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 65
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG GỐI CÁCH CHẤN CAO SU DẠNG LỚP TRONG CƠNG
TRÌNH XÂY DỰNG .................................................................................................... 66
3.1. Mơ tả hệ kết cấu ..................................................................................................... 66
3.1.1. Đặc điểm cơng trình và chuyển động động đất ................................................... 66
3.1.2. Phần mềm tính tốn và phương pháp phân tích cơng trình ................................. 67
3.1.3. Lập mơ hình tính tốn ......................................................................................... 69
3.2. Phân tích kết cấu cơng trình sử dụng gối cách chấn cao su lõi chì ........................ 74
3.2.1. Thiết kế gối cao su lõi chì ................................................................................... 74
3.2.2. Phân tích phản ứng của cơng trình sử dụng gối cao su lõi chì ............................ 77
3.3. Phân tích kết cấu cơng trình sử dụng gối cách chấn cao su có độ cản cao ............ 78
3.3.1. Thiết kế gối cao su có độ cản cao........................................................................ 78
3.3.2. Phân tích kết cấu cơng trình sử dụng gối cao su có độ cản cao .......................... 82
3.4. Nhận xét và đánh giá .............................................................................................. 83
Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 85

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Trường Pestalozzi, Skopje, Macedonia. ...........................................................6
Hình 1.2 Gối sử dụng ở Trường Pestalozzi. ....................................................................7
Hình 1.3 Bộ truyền động đất sử dụng ở Pestalozzi School .............................................7
Hình 1.4 Trung tâm luật cơng đồng và tư pháp .............................................................10
Hình 1.5 Cơ sở điều khiến và chỉ huy cứu hỏa (FCCF), Los Angles, California .........11
Hình 1.6 Trung tâm hoạt động cấp cứu, Los Angelesm California ..............................12
Hình 1.7 Trung tâm chẩn đốn thương M. L. King/C. R. Drew, Willbowbrook,
California. ......................................................................................................................13
Hình 1.8 Cơ sở sàn xuất thiết bị mô phỏng bay, tp. Salt Lake, Utah. ...........................14
Hình 1.9 Tịa thị chính thành phố Oakland, California .................................................15
Hình 1.10 Tịa thị chính thành phố San Francisco, California ......................................16
Hình 1.11 Gối cách chấn ở tịa thị chính thành phố San Francisco...............................17
Hình 1.12 Tịa thị chính thành phố Los Angeles. ..........................................................18
Hình 1.13 Trường kỹ thuật mỏ Mackay, Reno, Nevada ...............................................19
Hình 1.14 Marina Apartments, San Francisco, California ............................................20
Hình 1.15 Tòa nhà Hội đồng phúc thẩm Hoa Kỳ, San Francisco, California. ..............20
Hình 1.16 Trung tâm bưu chính Tây Nhật Bản, Sanda, Nhật Bản ................................22
Hình 1.17 Viện nghiên cứu cơng nghệ Matsumura-Gumi ............................................23
Hình 1.18 Tổ hợp SIP, Ancona, Italy ............................................................................24
Hình 1.19 Union House, Auckland, New Zealand. .......................................................25
Hình 2.1 Sự giảm của mô đun nén Ec đối với một miếng cao su hình vịng .................33
Hình 2.2 Miếng cao su ở giữa các lớp giữ cứng khi chịu uốn thuần túy ......................34
Hình 2.3 Vịng trịn trễ từ thí nghiệm bàn rung cho loại gối FPS .................................39
Hình 2.4 Tham số của vịng trịn trễ cơ bản cho bài tốn ví dụ.....................................41
Hình 2.5.Độ cản hiệu dụng như là hàm cho chuyển vị và cho việc chọn độ cứng K1 .44
Hình 2.6 Độ cứng và cản nhớt của cách chấn cao su có độ cản cao .............................50
Hình 2.7 Các đặc tính hấp thụ năng lượng của cách chấn cao su có độ cản cao ..........51
v



Hình 2.8 Việc chọn các tham số của mơ hình – K1 và K2 ........................................... 54
Hình 2.9 So sánh giữa mơ hình phân tích và dữ liệu ghi được ..................................... 56
Hình 2.10. Độ nhạy của mơ hình với tần số chất tải ..................................................... 57
Hình 2.11 Ứng xử biến dạng lớn của mơ hình .............................................................. 58
Hình 2.12 Trụ cầu và hệ một bậc tự do ......................................................................... 59
Hình 2.13. Mơ hình song tuyến của JRA2002 .............................................................. 59
Hình 2.14. Mơ hình lưu biến của Nguyen (2015) ......................................................... 60
Hình 2.15. Gia tốc nền động đất (a) loại 1 và (b) loại 2................................................ 61
Hình 2.16. Quan hệ ứng suất biến dạng cắt ở đỉnh gối cao su dưới động đất (a) loại 1 và
(b) loại 2 ........................................................................................................................ 63
Hình 2.17. Biến dạng cắt theo thời gian ở đỉnh gối cao su dưới động đất (a) loại 1 và (b)
loại 2 .............................................................................................................................. 64
Hình 3.1 Mặt bằng tầng điển hình nhà kết cấu khung BTCT 10 tầng .......................... 66
Hình 3.2 Gia tốc nền động đất loại I ............................................................................. 67
Hình 3.3 Mơ hình tính tốn ........................................................................................... 69
Hình 3.4. Định nghĩa hàm lịch sử thời gian .................................................................. 70
Hình 3.5. Giản đồ giá trị ................................................................................................ 71
Hình 3.6. Định nghĩa trường hợp phân tích .................................................................. 71
Hình 3.7. Khai báo đặc tính gối cao su ......................................................................... 72
Hình 3.8. Khai báo hệ số theo phương đứng U1 của gối cao su ................................... 73
Hình 3.9. Khai báo hệ số theo phương thẳng ngang U2 của gối cao su ....................... 73
Hình 3.10. Kết quả so sánh gia tốc đỉnh theo phương Y tại điểm 34868 giữa mơ hình sử
dụng gối cách chấn LRB (4.58 m/s2) và khơng sử dụng gối cách chấn (8.84 m/s2) ..... 78
Hình 3.11. Kết quả so sánh gia tốc đỉnh theo phương Y tại điểm 34868 giữa mơ hình sử
dụng gối cách chấn HDRB (4.68 m/s2) và không sử dụng gối cách chấn (8.84 m/s2).. 82

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Tham số của mơ hình song tuyến tính ..........................................................59
Bảng 2.2. Tham số khơng phụ thuộc tốc độ của mơ hình lưu biến ...............................60
Bảng 2.3. Tham số phụ thuộc tốc độ của mơ hình lưu biến ..........................................61
Bảng 3.1 Hệ số vùng Fv (tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10) ..................................................75
Bảng 3.2. Bảng 17.5-1 của tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10 ................................................75
Bảng 3.3 Tham số trong Razzaq....................................................................................77
Bảng 3.4 Tham số của mô hình song tuyến tính ...........................................................77
Bảng 3.5. Lực cắt đáy của cơng trình do động đất theo phương Y gây ra ....................78
Bảng 3.6 Hệ số vùng Fv (tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10) ..................................................79
Bảng 3.7. Bảng 17.5-1 của tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10 ................................................80
Bảng 3.8. Tham số trong Nguyễn (2017) ......................................................................82
Bảng 3.9. Tham số của mơ hình song tuyến tính ..........................................................82
Bảng 3.10. Lực cắt đáy của cơng trình do động đất theo phương Y gây ra ..................82

vii



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Động đất là một trong những thảm họa khốc liệt do thiên nhiên gây ra đối với tính mạng
con người, cơng trình xây dựng và nền kinh tế nói chung. Trong lịch sử, thế giới đã
chứng kiến rất nhiều trận động đất mạnh xảy ra, cướp đi rất nhiều nhân mạng, hủy hoại
rất nhiều cơng trình xây dựng và hàng triệu đơla tổn thất của nền kinh tế hàng năm do
động đất. Những thảm họa động đất xảy ra gần đây cảnh báo chúng ta cần quan tâm chú
ý nhiều mặt về động đất, trong đó vấn đề đặt ra sao cho có thể phòng tránh và giảm thiểu
thiệt hại khi động đất xảy ra khi xây dựng cơng trình.
Ở Việt Nam, mặc dù không nằm trong “vành đai lửa” của các chấn tâm động đất mạnh
trên thế giới. Nhưng Việt Nam vẫn là quốc gia nằm trong khu vực có mối hiểm họa động
đất khá cao. Một số khu đô thị lớn hiện đang nằm trên các đới đứt gãy và có khả năng

xảy ra những trận động đất có cấp độ rất mạnh như Hà Nội, đang nằm trên các đới đứt
gãy sông Hồng, sông Chảy, sông Mã, Sơn La được dự báo phải chịu đựng chấn động
cấp độ 8 theo thang độ Richter. Gần đây, các dư chấn do động đất gây ra đã xuất hiện
nhiều trên các tỉnh thành, đặc biệt là Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, nơi
tập trung một số lượng lớn các nhà cao tầng, các cây cầu lớn và nhu cầu xây dựng các
cơng trình lớn ngày càng tăng về số lượng cũng như về chiều cao. Các loại cơng trình
này rất nhạy cảm với gia tốc nền của những trận động đất. Với những thực tế như trên,
các cơng trình xây dựng cần được thiết kế kháng chấn. Do đó, việc nghiên cứu và tìm
hiểu về chúng là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Kỹ thuật cách chấn đáy được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong vài thập niên gần
đây. Tuy nhiên, ý tưởng về kỹ thuật này đã xuất hiện cách đây hơn 100 năm. Trong
những năm gần đây, việc ứng dụng kỹ thuật cách chấn đáy vào các cơng trình chịu động
đất trở nên phổ biến ở các nước như Mỹ, Nhật, New Zealand,… và một số nước châu
Âu. Ở Việt Nam, cách chấn đáy được đề cập từ năm 2006 trong TCXDVN 375:2006.
Tuy nhiên nghiên cứu về cách chấn đáy vẫn còn rất hạn chế.

1


Với lý do trên, đề tài “Ứng dụng gối cao su dạng lớp trong thiết kế kháng chấn cơng
trình xây dựng” là đề tài mới, cần thiết nghiên cứu.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu các đặc tính cơ học đặc trưng của một số loại gối cách chấn cao su dạng lớp.
-Tìm hiểu việc mơ hình hóa các đặc tính cơ học của gối cao su dạng lớp.
-Tiến hành phân tích động với cơng trình cách chấn sử dụng gối cao su dạng lớp, qua
đó so sánh hiệu quả cách chấn giữa các loại gối cách chấn dạng lớp với nhau và với cơng
trình khơng cách chấn.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu: Công trình xây dựng sử dụng gối cách chấn cao su dạng lớp chịu
động đất.

Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu tổng quan về sự phát triển gối cách chấn trên thế giới.
- Nghiên cứu các đặc tính cơ học và việc mơ hình hóa một số dạng gối cách chấn cao su
dạng lớp.
- Phân tích hiệu quả cách chấn của cơng trình xây dựng sử dụng gối cách chấn cao su
dạng lớp khi chịu động đất.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Thu thập thông tin, tài liệu nghiên cứu: Tiêu chuẩn thiết kế cơng trình chịu động đất ở
Việt Nam TCVN 9386:2012, Tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10, các bài báo khoa học, giáo
trình, tài liệu tham khảo liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Phương pháp phân tích bằng phần mềm SAP 2000.
- Phương pháp tính tốn, xử lý, tổng hợp số liệu, từ đó rút ra kết luận và kiến nghị.

2


CHƯƠNG 1: SỰ PHÁT TRIỂN GỐI CÁCH CHẤN TRÊN THẾ GIỚI
1.1. Giới thiệu chung
Vào tháng 8 năm 1909, J. A. Calantarients, một tiến sĩ từ Scarborough, miền bắc nước
Anh, đã viết một bức thư đến giám đốc của Cơ quan địa chấn học Chile ở Santiago kêu
gọi sự chú ý đến một phương pháp xây dựng mà ông ta đã phát triển “các tồ nhà quan
trọng có thể được xây dựng ở các quốc gia có động đất theo nguyên tắc này với độ an
tồn tuyệt đối vì mức độ nguy hiểm của trận động đất mất đi qua sự tồn tại của các khớp
trượt tự do”[1]. Calantarients đã gửi đi đơn xin cấp bằng sáng chế đến văn phòng bằng
sáng chế Anh quốc cho phương pháp xây dựng của ơng ấy, với đề xuất rằng các tịa nhà
có thể xây dựng trên các “khớp tự do” và một lớp cát mịn, mica, hoặc bột talc cho phép
tịa nhà có thể trượt trong trận động đất, do đó làm giảm lực truyền đến chính tịa nhà.
Những thứ mà ơng ấy đã nêu ra là một ví dụ đầu tiên của thiết kế chống động đất được
biết đến như cách đáy hoặc cách chấn. Rất nhiều cơ cấu được phát minh ở thế kỷ vừa
qua cố gắng đạt đến mục đích làm tách rời toà nhà khỏi hư hỏng từ tác động của động

đất, ví dụ như con lăn, bóng, cáp, cột lắc, và cả cát. Các tòa nhà được xây dựng trên
bóng, bao gồm cả tịa nhà ở Sevastopol, Ukraine và ở một trường học 5 tầng ở Mexico
City. Tòa nhà ký túc xá 4 tầng cho Đài quan sát địa chấn quốc gia ở Bắc Kinh, đã được
xây trên lớp cát ở giữa tịa nhà và móng được thiết kế đặc biệt để có thể trượt trong khi
xảy ra động đất.
Tiến sĩ Calantarients có đề cập trong bức thư của ơng ấy rằng: “Tơi đã làm thí nghiệm
với các quả bóng nhiều năm trước khi nó được hồn thiện ở Nhật Bản, hoặc bất kỳ sự
kiện nào mà nó từng xuất hiện trên báo chí 25 năm qua”. Sự liên hệ đối với John Milne
- một người Anh, giáo sư về kỹ thuật khai thác mỏ ở Tokyo từ năm 1876 đến năm 1895.
Trong khoảng thời gian này Milne rất hứng thú với hiện tượng động đất, ông đã phát
minh và cải thiện một số lượng kính địa chấn và địa chấn ký. Milne là người tiên phong
nghiên cứu về địa chấn học, ơng cịn được biết đến như là “Cha đẻ của địa chấn học hiện
đại”. Ông ấy cũng đã suy nghĩ rất nhiều về thiết kế các tòa nhà trong khu vực hoạt động

3


địa chấn và các quy tắc được công bố cho việc xây dựng chống động đất vẫn còn giá trị
đến ngày hôm nay.
Trong thời gian ở Trường đại học Tokyo, ơng đã xây dựng một mẫu thí nghiệm của một
tịa nhà được cách chấn. Kết cấu được xây dựng trên những quả bóng “các tấm sắt đúc
với các cạnh giống như chiếc đĩa trên đầu cọc. Phía trên các quả bóng và được gắn vào
tịa nhà là các tấm được đúc bằng sắt hơi lõm nhưng tương tự với những tấm phía dưới”.
Tịa nhà được thiết kế và dường như trải qua được các biến động của động đất. Vào năm
1885 ơng ấy miêu tả thí nghiệm này trong một báo cáo đến Hiệp hội khoa học nâng cao
Anh Quốc. Rõ ràng là ơng ấy chưa hồn tồn hài lịng với sự thể hiện của mơ hình này
dưới tải trọng từ gió, vì vậy ơng ấy thay đổi hệ thống cách chấn, và năm 1886 ông ấy
miêu tả phiên bản mới trong một báo cáo tiếp theo đến hiệp hội. Những quả bóng đầu
tiên có kích thước đường kính 10 in, những quả bóng 8 in cũng đã được thử, và sau là
những quả 1 in. Cuối cùng căn nhà cũng được ngăn cách tại mỗi trụ của nó trên một số

mảng thép đúc, loại đường kính ¼ in. Điều này có nghĩa rằng tịa nhà trở nên ổn định
trước sức gió. Thiết kế cuối cùng hiển nhiên thành cơng dưới tác động của động đất
thực.
Khái niệm về cách chấn đã trở thành một thực tế thực dụng trong vòng 20 năm sau với
sự phát triển của gối đỡ đàn hồi đa lớp, được tạo ra bằng cách liên kết lưu hóa các tấm
cao su với các tấm gia cố thép mỏng. Những gối đỡ này rất cứng theo phương thẳng
đứng và có thể chịu được tải trọng đứng của tòa nhà nhưng lại rất linh hoạt theo phương
ngang, bằng cách ấy cho phép tịa nhà có thể di chuyển ở hướng ngang dưới sự dịch
chuyển mạnh của nền. Sự phát triển của họ là sự mở rộng của việc sử dụng gối đỡ đàn
hồi của cầu và gối đỡ cách chấn của các tòa nhà. Trong những năm vừa qua những hệ
thống khác đã được phát triển, đó là những sửa đổi của phương pháp trượt. Khái niệm
về cách chấn nay được chấp nhận rộng rãi ở trong các khu vực dễ bị động đất trên thế
giới để bảo vệ các cơng trình quan trọng khỏi sự dịch chuyển mạnh của nền, và có rất
nhiều mẫu thử ở Hoa Kỳ và Nhật Bản. Một số lượng ít các cơng trình được xây dựng ở
New Zealand và ở Italy, chủ yếu cho các cơng trình quan trọng. Dự án mẫu áp dụng các
hệ thống cách chấn chi phí thấp cho nhà ở công cộng ở các nước đang phát triển đã được
hoàn thành ở Chile, Trung Quốc, Indonesia và Armenia.
4


Không ngạc nhiên rằng hầu hết được ứng dụng cho các cơng trình quan trọng có các
thiết bị nhạy cảm. Các khó khăn cơ bản mà kỹ sư kết cấu đối mặt phải là việc cung cấp
khả năng kháng chấn cao cho tòa nhà sao cho giảm thiểu sự lệch tầng và gia tốc sàn. Sự
lệch tầng lớn gây ra thiệt hại cho các thành phần phi kết cấu và các thiết bị liên kết các
tầng. Sự lệch tầng có thể được giảm thiểu bằn cách làm cứng kết cấu, nhưng nó dẫn tới
sự khuếch đại sự dịch chuyển của nền, cũng dẫn tới tăng gia tốc sàn, có thể gây hư hỏng
các thiết bị nhạy cảm. Gia tốc sàn có thể được giảm bằng cách làm hệ thống linh hoạt
hơn, nhưng nó lại dẫn đến sự lệch tầng lớn hơn. Cách duy nhất thực tế của việc giảm
đồng thời sự lệch tầng và gia tốc sàn là sử dụng các gối cách chấn; hệ thống cách chấn
cung cấp sự linh hoạt cần thiết, với chuyển vị tập trung ở khu vực cách chấn.

Khái niệm của cách chấn khá đơn giản. Hệ thống tách riêng cơng trình hoặc kết cấu khỏi
các thành phần nằm ngang của sự dịch chuyển nền bằng cách xen kẽ các phần tử kết cấu
có độ cứng ngang thấp giữa cơng trình và nền móng. Điều này cho kết cấu một tần số
cơ bản thấp hơn nhiều so với tần số cố định và tần số cưỡng bức của chuyển động nền.
Dạng dao động đầu tiên của cấu trúc cách chấn làm cho biến dạng chỉ có ở hệ thống
cách chấn, kết cấu bên trên trở nên bền vững. Ở các dạng cao hơn tạo ra biến dạng trong
kết cấu là trực giao với dạng đầu tiên. Những dạng cao hơn không tham gia vào chuyển
động ở những tần số cao hơn này không thể truyền vào kết cấu. Hệ thống cách chấn
không hấp thụ năng lượng động đất, thay vào đó làm lệch hướng nó thông qua sự cơ
động của hệ thống, hiệu ứng này không phụ thuộc vào sự suy giảm, nhưng một mức độ
suy giảm nhất định là có lợi để ngăn chặn sự cộng hưởng có thể xảy ra ở tần số cách ly.
Hệ thống cách chấn cao su lần đầu được sử dụng vào năm 1969 cho một trường tiểu học
ở Skopje, Yugoslavia. Trường Pestalozzi, một cơng trình ba tầng được thiết kế và xây
dựng bởi các kỹ sư người Thụy Sĩ (hình 1.1), cách chấn bởi hệ thống được biết đến với
tên Swiss Full Base Isolation-3D (FBI-3D) System. Không giống như hầu hết các gối
cao su được phát triển gần đây, những khối cao su được sử dụng ở đây (Hình 1.2) hầu
như khơng được gia cố để trọng lượng của cơng trình làm chúng phình ra một bên. Các
khối thủy tinh hoạt động như những ngòi địa chấn được dự định phá vỡ khi tải trọng
động đất vượt quá ngưỡng nhất định. Bởi vì độ cứng theo phương đứng và ngang của
hệ thống là tương đương nhau, tòa nhà sẽ nảy lại và làm rung chuyển về phía trước và
5


sau trong một trận động đất. Những gối này được thiết kế khi công nghệ gia cường khối
cao su với tấm thép – như các gối cầu – không được phát triển cao hoặc hiểu biết sâu
rộng, và không chắc rằng cách tiếp cận này sẽ được sử dụng lại.

Hình 1.1 Trường Pestalozzi, Skopje, Macedonia.
Nhiều mẫu thử gần đây của các tòa nhà cách chấn sử dụng gối cao su nhiều lớp mỏng
với gia cố bằng lớp thép như một thành phần chịu tải của hệ thống. Do lớp gia cố bằng

các tấm thép, những gối này rất cứng ở phương đứng nhưng lại mềm ở phương ngang,
do đó tạo ra hiệu ứng cách ly. Dễ dàng chế tạo, những gối này khơng có các bộ phận
chuyển động, khơng bị ảnh hưởng bởi thời gian và có khả năng chống sự xuống cấp từ
môi trường.

6


Hình 1.2 Gối sử dụng ở Trường Pestalozzi.

Hình 1.3 Bộ truyền động đất sử dụng ở Pestalozzi School
Rất nhiều hệ thống cách chấn, đặc biệt những hệ thống sử dụng ở New Zealand và Nhật
Bản kết hợp gối cao su tự nhiên độ cản thấp với một dạng bộ giảm chấn cơ học. Những
gối này bao gồm bộ giảm chấn thủy lực, các thanh thép, cuộn thép hoặc lõi chì bên trong
gối. Nó có một số hạn chế khi sử dụng bộ giảm chấn cho kết cấu cách chấn: Mỗi loại bộ
7


giảm chấn – ngoại trừ loại lõi chì bên trong – yêu cầu bộ phận kết nối cơ học và bảo
dưỡng định kỳ, độ chảy của bộ giảm chấn kim loại cho một hệ phi tuyến làm phức tạp
phân tích phản ứng động của cơng trình được cách chấn, và chúng làm giảm mức độ
cách ly bằng cách gây ra phản ứng ở dạng cao hơn.
Ở Hoa Kỳ hệ thống cách chấn phổ biến nhất là gối cao su lõi chì. Những gối này là dạng
gối đa lớp đàn hồi mà có thể có một hoặc nhiều lỗ trịn. Các lõi chì được chèn vào trong
những lỗ này nhằm thêm độ cản cho hệ thống cách chấn. Mặc dù một vài dự án chỉ là
gối cao su lõi chì, chúng thường được sử dụng kết hợp với các gối đàn hồi đa lớp khơng
có lõi chì.
Nó cũng có thể kết hợp độ cản vào trong một hệ thống cách chấn bằng cách gồm cả độ
cản của bản thân các gối đàn hồi. Các tòa nhà ở Hoa Kỳ, Italy, Nhật Bản, Trung Quốc
và Indonesia được cách chấn bằng các gối cao su tự nhiên có độ cản cao và sự đơn giản

của phương pháp này là việc sử dụng nó có thể dự kiến được phổ biến nhanh. Tịa nhà
đầu tiên được cách chấn đáy ở Hoa Kỳ sử dụng loại gối cách chấn này là Trung tâm luật
công đồng và tư pháp (FCLJC).
Cả trước và sau khi bật đầu thực hiện cách chấn đáy kết cấu ở Hoa Kỳ, có một chương
trình nghiên cứu sâu rộng về đề tài này tại một số trường đại học. Nhiều cơng trình
nghiên cứu được tài trợ bởi tổ chức Khoa học nền móng Hoa Kỳ (NSF), cùng với các
khoản tài trợ khác từ các cơ quan như Bộ năng lượng Hoa Kỳ và Viện nghiên cứu Điện
lực.
Nghiên cứu này bao gồm một số thí nghiệm bàn lắc tại một trận động đất lớn được mô
phỏng ở Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật động đất (EERC) tại Đại học California ở
Berkeley. Chương trình thử nghiệm sử dụng một loạt các mơ hình tịa nhà ngày càng
lớn hơn, từ mơ hình 3 tầng 20 tấn cho đến mơ hình 9 tầng 60 tấn, với các mơ hình cách
chấn ngày càng thực tế của một số loại. Song song với các thí nghiệm bàn lắc, với các
mơ hình nhỏ của gối thường được sử dụng với hệ số tỉ lệ giữa 3 và 8, thử nghiệm tĩnh
được thực hiện trên một loạt các gối cách chấn ở kích thươc gần hơn với kích thước đầy
đủ. Những thử nghiệm này đã cho phép người dùng sử dụng gối cách chấn nghiên cứu
cơ chế hỏng hóc và ảnh hưởng của các thông số khác nhau lên các đặc tính cơ học của
8


gối cách chấn. Các kết quả của những chương trình thử nghiệm được báo cáo trong một
loạt các báo cáo của EERC.
Khái niệm của cách chấn đáy cũng đồng thời cung cấp một nguồn dồi dào về lý thuyết,
cả trong hệ thống cách chấn kết cấu động và cả bản thân hệ thống cách chấn cơ học.
Cơng trình lý thuyết này được phổ biến rộng rãi trong các tạp chí kỹ thuật kết cấu và kỹ
thuật động đất, đã dẫn dắt đến những hướng dẫn thiết kế cho các kết cấu được cách chấn
và những quy tắc thiết kế cho các gối cách chấn. Một vài quốc gia hiện tại đã xây dựng
các tiêu chuẩn thiết kế cho các kết cấu cách chấn.
Ở Hoa Kỳ tiêu chuẩn thiết kế đã được sử dụng từ năm 1986. Quá trình viết tiêu chuẩn
đã trải qua một sự phát triển qua một chuỗi các tiêu chuẩn bắt đầu với một quy định đơn

giản có tiêu đề “Yêu cầu thiết kế cách chấn thử nghiệm” dựa trên các phương pháp thiết
kế tĩnh tương đương, được sửa đổi đáng kể và trở thành phiên bản năm 1991 của Tiêu
chuẩn thiết kế cơng trình (Uniform Building Code – UBC) [2], “Quy tắc cho kết cấu
cách chấn”. Phiên bản năm 1994 và phiên bản cuối cùng năm 1997 của UBC càng được
hoàn thiện kỹ lưỡng hơn. UBC 1997 là một tiêu chuẩn cực kỳ phức tạp dựa chủ yếu vào
các phương thức thiết kế động. Tiêu chuẩn của Hiệp hội kỹ sư kết cấu Bắc California
1986 (SEAONC) rất minh bạch và đơn giản, với mục đích khuyến khích sử dụng cơng
nghệ mới này. Khi mà tiêu chuẩn đã phát triển, nó trở nên khó sử dụng, và hiện tại nó
gây nên một trở ngại đáng kể cho công nghệ cách chấn đáy ở Hoa Kỳ.
1.2. Gối cách chấn đáy ở Mỹ
Tòa nhà được cách chấn đáy đầu tiên ở Hoa Kỳ là Trung tâm luật công đồng và tư pháp
(FCLJC) một trung tâm dịch vụ pháp lý cho quận San Bernardino, đặt tại thành phố
Rancho Cucamonga, khoảng 97 km về phía đơng trung tâm thành phố Los Angeles.
Khơng chỉ là cơng trình được cách chấn đáy đầu tiên ở Hoa Kỳ, nó cũng là cơng trình
đầu tiên trên thế giới sử dụng gối cách chấn được làm từ cao su tự nhiên có độ cản cao.
Tịa nhà được thiết kế với các gối cao su theo yêu cầu của quận San Bernardino. Tòa
nhà chỉ cách đứt gãy San Andrea 21km, có khả năng tạo ra các trận động đất lớn trên
nhánh phía nam. Kết quả là, quận đã có nhiều năm là một trong những nơi có chương
trình chuẩn bị cho động đất tồn diện nhất ở Hoa Kỳ.

9


Hình 1.4 Trung tâm luật cơng đồng và tư pháp
Tịa nhà có diện tích xấp xỷ 15,794 m2 với bốn tầng nổi và tầng hầm, được thiết kế để
chịu được trận động đất 8,3 độ Richter. Được đặt ở một phần móng đặc biệt, tổng cộng
98 gối đã được sử dụng để cách ly tịa nhà. Q trình xây dựng tịa nhà bắt đầu từ đầu
năm 1984 và hồn thành vào giữa năm 1985 và tốn khoảng 38 triệu đô la.
Bốn hợp chất cao su độ cản cao được phát triển bởi Hiệp hội nghiên cứu chế tạo cao su
Malaysia (MRPRA) của Vương quốc Anh cho cơng trình này. Các gối được tạo ra từ

cao su tự nhiên đặc với các tính chât cơ học lý tưởng cho một hệ thống cách chấn. Độ
cứng cắt của cao su là cao ở biến dạng nhỏ nhưng giảm theo hệ số khoảng 4 hoặc 5 khi
biến dạng tăng, đạt giá trị ở mức biến dạng cắt 50%. Khi biến dạng lớn hơn 100%, độ
cứng bắt đầu tăng lần nữa. Do đó, với tải trọng nhỏ gây ra bở gió hoặc động đất có cường
độ thấp, hệ thống có độ cứng ngang cao và chu kỳ ngắn; khi cường độ tăng, độ cứng
giảm và chu kỳ thì kéo dài hơn. Với tải trọng rất lớn, ví dụ như tải trọng động đất tối đa
có thể (MCE), độ cứng lại tăng lần nữa, dẫn đến một hoạt động khơng an tồn. Độ cản
theo đó tương tự nhau, nhưng ít kịch tính hơn, giảm từ giá trị ban đầu khoảng 20% đến
mức tối thiếu khoảng 10% và sau đó tăng trở lại. Hệ thống được thiết kế sao cho giá trị
nhỏ nhất của động đất và độ cản được giả định, và phản ứng được lấy là tuyến tính. Độ
cứng cao ban đầu chỉ được sử dụng cho sự chống tải gió và phản ứng biến dạng cao chỉ
cho các hành động khơng an tồn.
10


Hệ thống gối cao su độ cản cao tương tự được thừa nhận cho một tòa nhà được đặt làm
bởi quận Los Angeles, Cơ sở điều khiến và chỉ huy cứu hỏa. Hệ thống thơng tin liên lạc
và máy tính của FCCF cho chương trình cứu hỏa của quận yêu cầu phải được duy trì
chức năng trong và sau một trận động đất. Tòa nhà được cách chấn trên cơ sở so sánh
các sơ đồ truyền thống và hệ cách chấn được thiết kể để cung cấp cùng một mức độ bảo
vệ. Trên cơ sở này, thiết kế cách chấn ước tính chi phí thấp hơn 6% so với thiết kế thông
thường. Hầu hết các dự án được thiết kế cách chấn thường có chi phí thấp hơn khoảng
5% khi so sánh với thiết kế thông thường; tuy nhiên, thiết kế này cung cấp mức độ bảo
vệ tối thiểu chống rung lắc mạnh, chỉ đảm bảo rằng tòa nhà sẽ khơng sụp đổ. Nó khơng
bảo vệ tịa nhà khỏi hư hỏng kết cấu. khi mức độ tương đương của hiệu quả thiết kế
được so sánh, một tòa nhà được cách chấn ln ln tiết kiệm chi phí hơn. Ngồi ra, đây
là những chi phí chính khi dự tính một hệ kết cấu, và khơng kể đến các chi phí vịng đời,
do đó cũng thuận hợi hơn khi một hệ thống cách chấn được sử dụng và so sánh với kết
cấu xây dựng thơng thường.


Hình 1.5 Cơ sở điều khiến và chỉ huy cứu hỏa (FCCF), Los Angles, California

11


Hình 1.6 Trung tâm hoạt động cấp cứu, Los Angelesm California
Tòa nhà cách chấn đáy thứ hai mới đây được hoàn thành cho Los Angeles tại một địa
điểm tương tự với FCCF. Trung tâm hoạt động cấp cứu (EOC) là một cơng trình hai
tầng bằng thép được cách chấn bởi 28 gối cao su tự nhiên độ cản cao được cung cấp bởi
Bridgestone Engineered Products Company.
Một ví dụ gần đây của một trung tâm cấp cứu được cách chấn là việc xây dựng một tòa
nhà hai tầng Trung tâm quản lý giao thông cho Caltrans ở Kearny Mesa, California, gần
San Diego. Kết cấu bên trên có một khung thép với các tầm đồng tâm được cố định ở
đường bao ngoài. Hệ thống cách chấn gồm 40 gối cao su độ cản cao có đường kính 600
mm (24 in) được cung cấp bởi Bridgestone Engineered Products Rubber Company. Chu
kỳ cách ly danh định khoảng 2.5s, và chuyển vị của gối MCE khoảng 254mm (10 in).
Thiết kế cắt đáy cho kết cấu bên trên khoảng 15% trọng lượng kết cấu. Thiết kế này khá
bảo tồn và kết cấu thì rất cứng. Độ lệch tầng mong muốn ở khi động đất có thể xảy ra
tối đa không được vượt quá 0.1%, nghĩa là sẽ có rất ít thiệt hại phi kết cấu, ngay cả khi
động đất mạnh có thể xảy ra.
Một số dự án cách chấn đáy khác ở California bao gồm một số bệnh viện. Trung tâm
chẩn đoán chấn thương M.L King/C. R. Drew ở Willowbrook là một tòa nhà năm tầng,
12


diện tích 13000 m2, kết cấu được đỡ trên 70 gối cao su tự nhiên độ cản cao và trên 12
gối dạng trượt tấm chì-đồng trượt trên bề mặt thép khơng gỉ. Được xây dựng cho Los
Angels và hồn thành vào năm 1995, tịa nhà đặt ở vị trí cách vết nứt NewportInglewood khoảng 5km, với khả năng xảy ra động đất lên đến 7.5 độ Richter. Gối có
đường kính 1m, tại thời điểm họ sản xuất nó là gối cách chấn lớn nhất được chế tạo ở
Hoa Kỳ.


Hình 1.7 Trung tâm chẩn đoán thương M. L. King/C. R. Drew, Willbowbrook,
California.
Một vài dự án cách chấn đáy cho các công trình xây dựng mới ở bên ngồi California,
Hoa Kỳ. Một trong những ví dụ gần đây là cơ sơ sản xuất thiết bị mô phỏng bay ở thành
phố Salt Lake được hồn thành năm 1988. Mục đích của hệ thống cách chấn là bảo vệ
hàng hóa tồn kho của hệ thống máy tính tại cơ sở này (giá trị khoảng 100 triệu đơ la
hàng hóa tại bất kỳ thời điểm nào). Tịa nhà ở vị trí rất gần với vết nứt Wastach, được
đánh giá là có khả năng xảy ra động đát từ 7.0 – 7.5 độ Richter với chu kỳ quay lại dài.
Cơng trình với bốn tầng, diện tích 10.800 m2 là một kết cấu thanh thép chống mô men.
Có tất cả 98 gối cách chấn: 50 gối vng kích thước cạnh 460 mm với lõi chì đường
kính 90 mm và được đặt dưới cột chống mô men. Những gối cịn lại là gối vng với
13


kích thước cạnh 380 mm, là các gối đàn hồi phẳng, được đặt dưới các cột trọng lực.
Chuyển vị ước tính yêu cầu cho hệ thống là 230 mm tại chu kỳ danh định 2.0s.
Một tòa nhà văn phòng lớn mới được hồn thành ở Memphis, Tennessee, cho cơng ty
bán lẻ các bộ phận của oto AutoZone. Tòa nhà tám tầng, diện tích 23.226 m2 của cơng
ty thiết bị máy tính. Hệ thống cách chấm gồm 24 gối cao su lõi chì và 19 gối cao su tự
nhiên độ cản cao. Bao gồm cả hệ thống cách chấn, tổng cộng chi phí xây dựng cơng
trình là 27 triệu đơ la. Một số dự án cách chấn đáy vừa được hoàn thành bao gồm hai
tòa nhà ở Oregon: một thư viện mới cho Portland Water Bureau và lắp đặt thêm cho
Campbell Hall, một tịa nhà trong khn viên của trường Western Oregon State ở
Monmouth, Oregon.

Hình 1.8 Cơ sở sàn xuất thiết bị mơ phỏng bay, tp. Salt Lake, Utah.
Ngồi các tịa nhà được miêu tả ở trên, có một số lượng các tòa nhà lớn ở California
được trang bị thêm hệ thống cách chấn đáy. Tịa thị chính thành phố Oakland được hoàn
tất trang bị thêm vào năm 1995 và quá trình trang bị thêm cho tịa thị chính thành phố

San Francisco được bắt đầu vào năm 1995. Cả hai tòa nhà đều bị hư hỏng trong trận
động đất Loma Prieta năm 1989.

14


Được xây dựng vào năm 1914, tịa thị chính thành phố Oakland là tòa nhà cao nhất bờ
tây tại thời điểm nó xây dựng. Chiều cao của nó đã bị tịa thị chính thành phố Los
Angeles vượt qua vào năm 1928. Tịa thị chính thành phố Oakland được cải tạo sử dụng
gối cách chấn đáy khi vừa mới hoàn thành, nó là tịa nhà cách chấn cao nhất trên thế
giới. Khi q trình cải tạo tịa thị chính thành phố Los Angeles hồn thành nó sẽ trở
thành tịa nhà được cách chấn đáy cao nhất thế giới.
Hệ thống cách chấn đáy cho tịa thị chính thành phố Oakland sử dụng 110 gối cao su
lõi chì với đường kính dao động từ 737mm đến 940 mm. Một hào sâu được xây dựng
xung quanh cơng trình nhằm tạo một khe hở địa chấn 508 mm. Quá trình lắp đặt các gối
đã chứng minh là rất phức tạp và yêu cầu công tác chống đỡ các cột, cắt các cột, và
chuyển tải trọng của các cột vào các gối đỡ tạm thời. Để bảo vệ nội thất, các cột được
nâng lên không quá 2.5mm trong q trình kích. Chi phí của q trình trang bị thêm rất
đáng kể - khoảng 84 triệu đô la – với chi phí cho gối cách chấn khoảng 2.5% số tiền
trên.

Hình 1.9 Tịa thị chính thành phố Oakland, California
15


Tịa thị chính thành phố San Francisco được thiết kế năm 1912 để thay thế tòa nhà cũ bị
phá hủy trong trận động đất San Francisco năm 1906. Một ví dụ kiến trúc cổ điển nổi
bật, nó chiếm hai khối lớn của thành phố và được ghi danh trong danh sách những Địa
điểm Lịch sử của Quốc gia. Thiệt hại đáng kể từ trận động đất Loma Prieta năm 1989
cần được sửa chữa và gia cường địa chấn. Chiến lược trang bị thêm được áp dụng cho

tòa nhà là sử dụng cách chấn đáy với việc gia cường kết cấu bên trên bằng việc sử dụng
các tường bê tông chịu cắt. Tịa nhà 5 tầng có một mái vịm 91m và mặt tiền ngoài được
phủ bằng đá granite Siera. Hệ thống kết cấu là một thanh thép với khối xây gạch khơng
gia cố với đá ốp granite. Có những bức tường gạch đất sét rỗng, và nhiều khoảng trống
bên trong được lót bằng những tấm đá vơi và đá cẩm thạch.

Hình 1.10 Tịa thị chính thành phố San Francisco, California
Một điều thú vị của hệ thống kết cấu ban đầu là ở sàn chính là một tầng mềm và có vẻ
như được dự định bởi các kỹ sư kết cấu để tập trung chuyển địa chấn ở sàn này. Tầng
dẻo đầu tiên tiếp cận tới thiết kế động đất là lần đầu tiên được đưa ra vào những năm
1930 và một lần nữa là tầng mềm đầu tiên vào những năm 1960 - ở một mức độ nhất
định nó là tiền thân của phương pháp cách chấn cơ bản.

16


Mục đích chính của chiến lược cải tạo là bảo tổn cấu trúc lịch sử của tòa nhà [3]. Nhiều
lựa chọn được cân nhắc và cách chấn đáy đã được chọn. Mặt phẳng cách chấn chỉ ở
ngay phía trên phần móng hiện trạng. Tịa nhà được cách ly bởi 530 gối cao su lõi chì
(Hình 1.11) và như ở dự án cải tạo tịa thị chính thành phố Oakland, q trình lắp đặt
của hệ thống cách chấn chứng minh là một quá trình phức tạp của cắt, chống đỡ và lắp
đặt. Nhiều cột được đỡ trên 4 gối cách chấn dưới một kết cấu thép dạng chữ thập. Quá
trình thi cơng bắt đầu từ năm 1994 và dự định hồn thành vào năm 1998.

Hình 1.11 Gối cách chấn ở tịa thị chính thành phố San Francisco
Tịa thị chính Los Angeles là một tịa nhà 28 tầng bằng thép được hồn thành năm 1928,
với tổng diện tích sàn xấp xỉ 83.000 m2. Sức chống ngang được cho bởi một vài phần tử
khác nhau, bao gồm cả dầm thép giằng chéo, tường bê tông cốt thép và tường gạch rỗng,
hầu hết độ cứng của kết cấu phần trên được cung cấp bởi các bức tường bao. Tòa nhà bị
hư hại trong trận động đất Northridge năm 1994, với những thiệt hại nghiêm trọng nhất

xảy ra trên tầng 25 và 26, là những tầng mềm đặc trưng. Kế hoạch cải tạo hệ cách chấn
đáy sẽ sử dụng khoảng 475 gối cao su có độ cản cao trong tổ hợp khoảng 60 bộ trượt và
được bổ sung bởi 52 bộ giảm nhớt cơ học tại mặt cách chấn. Ngoài ra, 12 bộ giảm nhớt
sẽ được lắp đặt ở giữa tầng 24 và 26 để kiểm soát độ lệch tầng tại các tầng mềm. Tổng
chi phí cải tạo ước tính khoảng 150 triệu đơ la, với 3.5 triệu đô la cho các gối cách chấn.
17