Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Đánh giá hiệu quả giảm chấn của nhiều hệ cản khối lượng (Multi-Tuned Mass Dampers) trong kết cấu chịu động đất

Các nội dung được thực hiện như sau: - Tìm hiểu mô hình kết cấu có gắn hệ cản khối lượng TMD và các thông số củahệ TMD, từ đó đề xuất mô hình kết cấu có gắn nhiều hệ khối lượng MTMD,- Th

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Động đất là một trong những thảm họa thiên nhiên mà con người phải gánh chịu Trên thế giới, các trận động đất có sức tàn phá lớn có thể xuất hiện ở bất cứ lúc nào và ở khá nhiều nơi Đối với các công trình xây dựng, khi động đất xảy ra xuất hiện lực quán tính tác động lên kết cấu có vai trò như là ngoại lực tác động lên công trình Lực này phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn của trận động đất đó Thực tế, trên thế giới hiện tượng động đất xảy ra hàng ngày, hàng giờ Đó chỉ là những trận động đất nhỏ ít hoặc không gây nguy hiểm cho kết cấu công trình; chỉ một vài trận động đất lớn thực sự gây ra những thiệt hại lớn cho kết cấu công trình xây dựng và vì vậy nguy hiểm cho nhân mạng và thiệt hại về tài sản Ví dụ ở Nhật bản mỗi năm có hơn 10000 trận động đất lớn nhỏ nhưng chỉ khoảng vài trận là có tác động lớn và gây nguy hiểm, có thể rất nguy hiểm Bảng 1.1 (tham khảo từ internet) mô tả sơ lược về sự thiệt hại của một số trận động đất gần đây trên thế giới và có thể thấy rằng thiệt hại do động đất gây ra cho con người là lớn Bảng 1.1 cho thấy rõ hơn về sự nguy hiểm của động đất đối với công trình xây dựng.

Bảng 1.1 Thiệt hại về người và tài sản từ một số trận động đất mạnh

Thời điểm Địa điểm Cường độ

(Richter) Con người Tài sản

Dưới đây là một số hình ảnh tư liệu về những trận động đất gây ra những tổn thấy nhiều đã xảy ra trong lịch sử (tham khảo từ Internet):

Hình 1.1 Động đất ở Niigata, Nhật Bản (1964)

Hình 1.2 Động đất ở Northridge, California (1994)

Hình 1.3 Động đất ở Kobe, Nhật Bản (1995)

Hình 1.4 Động đất ở Tứ Xuyên, Trung Quốc (2008)

Hình 1.7 Động đất ở New Zealand 2011

Từ năm 2005 đến nay, Việt Nam ghi nhận nhiều trận động đất có cường độ tương đối lớn Theo thống kê trong 9 tháng đầu năm 2014, đã xảy ra 27 trận động đất với độ lớn từ 2,5 đến 4,7 độ mô men Huyện Bắc Trà My (Quảng Nam) là khu vực xảy ra động đất thường xuyên nhất với 11 trận, tiếp đến là Sơn La với 9 trận và Điện Biên với 2 trận Cũng trong thời gian này, Thừa Thiên - Huế, Lào Cai, Nghệ An và Quảng Ngãi mỗi tỉnh ghi nhận 1 trận động đất.

Mặc dù thiệt hại gây ra bởi các trận động đất gây ra ở Việt nam chưa thật sự lớn nhưng điều đó chứng tỏ rằng vỏ trái đất ở Việt Nam cũng không hoàn toàn ổn định Các nhà địa chấn học ở trong nước cũng quan tâm nhiều và lập nên bản phân vùng động đất, dãy đứt gãy động đất trên các vùng địa lý của Việt nam Tiêu chuẩn Xây dựng cũng có ban hành cho công tác thiết kế các công trình của nước ta,đặc biệt là những công trình cao tầng tập trung số lượng người nhiều hay các công trình có tầm quan trọng lớn Bộ Xây Dựng Việt Nam cũng đã ban hành tiêu chuẩn xây dựng: TCXDVN 375:2006 hướng dẫn cụ thể các trường hợp phải xét đến tác động của động đất, các biện pháp thiết kế kết cấu cho công trình xây dựng, được nghiên cứu, biên soạn trên cơ sở Tiêu chuẩn châu Âu và đồng bộ hóa hệ thống tiêu

Chương 1 Giới thiệu chuẩn xây dựng Việt Nam Mặt khác, tốc độ đô thị hóa của nước ta đang tăng nhanh nên việc xảy ra những trận động đất trong tương lai có thể gây ra những tổn thất nghiêm trọng về nhân mạng và tài sản.

Sự quan tâm nghiên cứu ứng xử công trình chịu động đất ngày càng gia tăng trong lĩnh vực kỹ thuật kết cấu toàn thế giới, bao gồm cả Việt Nam Các nghiên cứu động lực học đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực này Khi xảy ra động đất, phương trình chuyển động của hệ kết cấu được mô tả như sau: u g

Chi tiết phương trình này sẽ đề cập đến trong các chương tiếp sau, tuy nhiên có thể hiểu đơn giản là ngoại lực tác động chính là lực quán tính do động đất (vế phải của phương trình) sẽ phân chia cho môi trường xung quanh chịu một phần và chính bản thân hệ phải chịu một phần Nếu phần do bản thân hệ chịu càng lớn thì sinh ra nội lực lớn và nguy hiểm.

Bài toán ứng xử động lực học của kết cấu chịu động đất là đề tài thu hút nhiều sự quan tâm Tìm các giải pháp kết cấu mới để giảm thiểu tổn thất do động đất gây ra là hướng nghiên cứu được chú trọng Giải pháp truyền thống là tăng độ cứng và khả năng chịu lực bằng cách tăng tiết diện cấu kiện chịu lực, tuy nhiên giải pháp này làm tăng giá thành, trọng lượng kết cấu, góp phần tăng lực quán tính trong động đất.

Một trong những hướng nghiên cứu có tính thời sự và cũng có ý nghĩa đó là gắn thêm các thiết bị lên kết cấu để thiết bị này hấp thụ bớt một phần năng lượng do động đất tác động, nhờ vậy mà năng lượng tác động vào kết cấu chính được giảm đi phần nào và vì vậy kết cấu chính sẽ bớt nguy hiểm hơn Luận văn này theo hướng thứ 2, đó là gắn thêm thiết bị để làm giảm chuyển vị của hệ khi chịu động đất Trong các thiết bị gắn thêm này, hệ cản khối lượng (TMD-Tuned MassDamper) được chứng minh là có hiệu quả nhất định và cũng đã được ứng dụng.

Mục tiêu của luận văn

Luận văn phân tích hiệu quả giảm chấn trong kết cấu chịu động đất có lắp đặt nhiều hệ cản khối lượng.

 Tìm hiểu về mô hình ứng xử của kết cấu có lắp đặt đồng thời nhiều hệ cản khối lượng M-TMD Các hệ cản khối lượng được gắn trên các tầng và thông số được xác định dựa trên các đặc tính động lực học của kết cấu chính và chính thiết bị TMD.

 Xây dựng mô hình kết cấu có gắn nhiều hệ cản khối lượng MTMD, thiết lập phương trình chuyển động và phương pháp giải; viết chương trình máy tính để phân tích ứng xử động lực học của hệ khi chịu gia tốc nền của động đất.

 Thực hiện việc tính toán số, kết quả số gồm có chuyển vị và nội lực ở các tầng của kết cấu cho thấy hiệu quả giảm chấn của các hệ cản khối lượng khi lắp đặt đồng thời trong kết cấu chịu động đất.

Trong luận văn này, hệ kết cấu được mô tả như một hệ hữu hạn bậc tự do động lực học là các chuyển vị ngang của các tầng có gắn thêm hệ cản khối lượng tại mỗi tầng sàn Thực ra thì hệ kết cấu thật thường có khá nhiều bậc tự do, chuyển vị đứng, ngang và góc xoay cho mỗi nút; tuy nhiên trong bài toán động đất lực quán tính phương ngang chính là lực nguy hiểm nhất với kết cấu nên mô hình kết cấu với bậc tự do là chuyển vị ngang có độ chính xác vừa phải mà không phải phân tích quá nhiều bậc tự do Thiết lập phương trình chuyển động của cả hệ khi chịu gia tốc nền của động đất Bài toán động lực học được giải bằng phương phápNewmark trong từng bước thời gian của gia tốc nền trên toàn miền thời gian bằng chương trình máy tính được viết bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB Gia tốc nền cũng được lựa chọn từ những trận động đất với phổ tần số trội tương đối gần so với tần số riêng của kết cấu.

Cấu trúc luận văn

Cấu trúc luận văngồm 5 chương như sau:

- Chương 1 nêu vấn đề, mục tiêu luận văn và cấu trúc luận văn.

- Chương 2 Giới thiệu tổng quan một số nghiên cứu đã có trong và ngoài nước liên quan đến đề tài, sơ lược về hệ cản khối lượng MTMD.

- Chương 3 Trình bày cơ sở lý thuyết và đưa ra mô hình tính toán, phương pháp số để phân tích ứng xử động lực học của hệ khi chịu động đất.

- Chương 4 gồm các ví dụ tính toán để đánh giá hiệu quả của nhiều hệ cản khối lượng.

- Chương 5 Nêu các kết luận và hướng phát triển của đề tài.

- Phần cuối là các tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn, mã nguồn chương trình MATLAB.

TỔNG QUAN

Giới thiệu

Chương này giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đếnLuận văn Cụ thể là những nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về thiết bị cản khối lượng TMD Các nghiên cứu này phần lớn được trích dẫn từ các tài liệu tham khảo và có đánh giá để làm cơ sở để đưa ra hướng thực hiện Luận văn.

Hệ cản khối lượng TMD

Hệ cản TMD được tích hợp vào cấu trúc để hấp thụ năng lượng dư thừa, gồm có khối lượng thứ cấp, lò xo và cản nhớt Khi được gắn vào cấu trúc chính, TMD sẽ hấp thụ và tiêu tán một phần năng lượng có hại, giúp bảo vệ cấu trúc khỏi rung động và cộng hưởng.

Hình 2.1 Hệ cản điều chỉnh khối lượng (TMD)

Tần số của hệ cản được điều chỉnh (tuned) đến một tần số riêng của kết cấu để khi tần số này được kích động thì hệ cản sẽ cộng hưởng lệch pha với chuyển động của kết cấu và năng lượng sẽ tiêu tán do lực quán tính của hệ cản tác dụng vào kết cấu.

TMD được đề xuất lần đầu tiên bởi Hermann Frahm (1909), đề xuất này liên quan đến ý nghĩa của việc giảm dao động cộng hưởng phát sinh trong thân vật thể chịu những tác động mang tính chu kỳ mà cụ thể là làm giảm chuyển động của con tàu chịu tác động của bộ truyền động Một kết cấu chỉ thực sự nguy hiểm khi tần số của lực kích thích xấp xỉ với tần số dao động riêng của vật thể (vì xảy ra cộng hưởng) Do đó, hiệu quả của TMD phụ thuộc vào tần số riêng của vật thể và tần số của lực tác động Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho TMD lần đầu tiên được Den Hartog (1985) đưa ra, kể từ đó các thông số tối ưu cho TMD được nghiên cứu rộng rãi.

Sau đó lý thuyết về TMD được nghiên cứu và phát triển mạnh Có rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu về TMD Năm 1977, Robert J McNamara đã công bố nghiên cứu trong bài báo Tuned Mass Damper for Buildings Trong nghiên cứu này, TMD được gắn vào hệ kết cấu một bậc tự do đại diện cho những nhà cao tầng đã được nghiên cứu Phương trình hệ thống được xây dựng và giải quyết cho các tác động đầu vào khác nhau Thông số thiết kế của hệ cản được đa dạng để nghiên cứu trong việc giảm phản ứng Những kết quả trong hầm thí nghiệm gió được giới thiệu và ứng dụng thực tế của hệ cản theo tỉ lệ được minh họa Tiếp đó, G B.

Nghiên cứu của Warburton (1981) xác định thông số tối ưu cho hệ giảm chấn khối lượng điều hòa (TMD) có cấu trúc hai bậc tự do bằng cách cực tiểu hóa phản ứng điều hòa Abe và Igusa (1995) đã phân tích TMD cho cấu trúc với các tần số riêng gần nhau, chỉ ra rằng lý thuyết nhiễu có thể được áp dụng khi tần số riêng của cấu trúc cách nhau quá xa, nhưng cần nhiều TMD khi tần số riêng gần nhau Ngoài ra, Kaynia (1981) và Sladex & Klingner (1983) nhấn mạnh những hạn chế của TMD trong việc giảm chấn động đất.

K.K Wong (2008) đã nghiên cứu phân tán năng lượng địa chấn của kết cấu đàn hồi bằng TMD Phân tích theo thời gian của hệ một bậc tự do có và không có hệ cản khối lượng, kết quả chỉ ra rằng hệ số đỉnh phản ứng phụ thuộc chủ yếu vào hệ số cản và khoảng thời gian động đất Những phân tích giống nhau chỉ ra rằng giá trị hệ số phản ứng phân tán rộng và hệ số phản ứng trung bình đánh giá không đúng những tính toán dao động ngẫu nhiên ngừng thông thường Những cải tiến đạt được bằng cách xem phản ứng chuyển động và sự mở rộng của hàm cường độ phổ phản ứng được gây ra bởi sự cản Dựa trên những điều này, một mô hình xác suất thống kê được phát triển để phân phối lại đỉnh phản ứng của công trình được chỉnh sửa bằng cách thêm vào hệ cản khối lượng trong thời kì của sự phân phối giống nhau của những kết cấu không được điều chỉnh Đối với hệ đàn hồi, hệ cản khối lượng cho hiệu quả chống động đất nhỏ hơn Hsiang-Chuan Tsai (1994) tiếp tục nghiên cứu tìm các thông số tối ưu cho hệ cản TMD.

Trong nghiên cứu được công bố trong bài báo với lời tựa Seismic EnergyDissipation of Inelastic Structures with Tuned Mass Dampers, 2008 K.K Wong thực hiện nghiên cứu phân tán năng lượng địa chấn của kết cấu đàn hồi bằng TMD.

Năng lượng chuyển đổi quá trình của sử dụng TMD trong cải thiện khả năng của kết cấu không đàn hồi để tiêu tán năng động đất được nghiên cứu Ứng xử của kết cấu không đàn hồi được mô hình bằng cách sử dụng phương pháp lực tương đương, mà đó là cốt lõi của phân tích những đặc tính của sự tiêu tán năng lượng dẻo trong kết cấu Sự mô phỏng được thực hiện để nghiên cứu phản ứng năng lượng của kết cấu khi có và không có lắp đặt TMD Hiệu quả của TMD trong việc làm giảm năng lượng phản ứng cũng được nghiên cứu bằng việc sử dụng phổ năng lượng dẻo cho những mức độ dẻo khác nhau của kết cấu Kết quả chỉ ra rằng việc sử dụng TMD nâng cao khả năng của kết cấu trong việc lưu trưc một lượng lớn năng lượng bên trong TMD và sẽ được giải phóng sau đó dưới dạng năng lượng cản khi phản ứng không còn ở trạng thái tới hạn, tại đó, bằng cách làm gia tăng sự tiêu tán năng lượng cản trong khi làm giản sự tiêu tán năng lượng dẻo Sự giảm tiêu tán năng lượng dẻo này liên quan trực tiếp đến làm giảm sự nguy hại của kết cấu, và do đó, TMD được kết luận là khá hiệu quả trong việc bảo vệ kết cấu tránh khỏi sự phá hoại chính trong suốt thời gian động đất xảy ra Tuy nhiên, việc lưu trữ năng lượng trong TMD bị trả lại nếu kết cấu vượt giới hạn dẻo tại một mức độ chuyển vị nhỏ Trong trường hợp này, hiệu quả của TMD bị giảm bớt và ứng xử của kết cấu trở thanh giống hệ thực tế không có gắn hệ TMD.

Mặc dù việc thiết kế và ứng dụng hệ cản khối lượng trong hệ tuyến tính đã rất phát triển thì việc thiết kế và ứng dụng cho hệ phi tuyến vẫn đang trong giai đoạn phát triển Năng lượng tiêu tán thông qua hệ cản ma sát là biện pháp hiệu quả cho việc làm giảm dao động của kết cấu chịu động đất Năm 2009, Chi Chang Lin và các cộng sự đã công bố những nghiên cứu việc bảo vệ kết cấu chịu địa chấn bằng hệ bán chủ động TMD ma sát, các tác giả đã cho thấy hệ TMD ma sát có ưu điểm là làm tiêu hao năng lượng thông qua cơ chế ma sát mà không cần các thiết bị cản bổ sung Tuy nhiên, hệ cản TMD ma sát bị động (Passive Friction-TMD) có nhược điểm là độ ma sát được cố định và đã được xác định trước, không thể điều chỉnh được độ ma sát, do đó nó chỉ hiệu quả cho một tần số nhất định Hệ ma sát bán chủ động (Semi Active Friction-TMD) đã được các tác giả đưa ra để khắc phục những nhược điểm của hệ cản TMD ma sát bị động với các khả năng bao gồm:(1) các lực ma sát của SAF-TMD có thể được điều chỉnh phù hợp với phản ứng của kết cấu chịu địa chấn (2) Các lực ma sát có thể được khuếch đại thông qua hệ thống phanh (3) Lực dính lớn của TMD có thể được sử dụng để nâng cao việc thực hiện điều khiển Kết quả đã chứng minh rằng SAF-TMD hiệu quả hơn so với PF-TMD Một định luật điều khiển ma sát không dính có thể dùng để giữ SAF- TMD hoạt động suốt trận động đất với cường độ bất kì được áp dụng Những đặc tính của hệ PF-TMD và SAF-TMD trong việc bảo vệ kết cấu chịu động đất được thực hiện bằng khảo sát số Kết quả minh chứng rằng SAF-TMD thực hiện tốt hơn so với PF-TMD và có thể ngăn cản những lực dư mà có thể xuất hiện trong hệ PF- TMD Ging Long Lin và các cộng sự (2011) đã tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng việc kiểm soát rung động địa chấn khi sử dụng bộ điều khiển bán chủ động ma sát cản điều chỉnh khối lượng Để kiểm tra hiệu quả của TMD ma sát bán chủ động, một mẫu thử nghiệm SAF-TMD được chế tạo và sử dụng thử nghiệm, điều khiển ma sát thay đổi được thực hiện để SAF-TMD hoạt động với tải động đất có cường độ khác nhau Kết quả thu được chứng minh rằng, các kết quả thực nghiệm phù hợp với kết quả tính toán bằng lý thuyết, SAF-TMD là hiệu quả hơn PF-TMD với lực trượt cố định.

Nghiên cứu của Kevin K F Wong và John L Harris (2010) sử dụng năng lượng dẻo để phân tích thiệt hại do động đất và độ ổn định của cấu trúc có TMD Họ đã đánh giá hiệu quả của hệ thống giảm chấn khối lượng (TMD) trong việc cải thiện khả năng phân tán năng lượng động đất của cấu trúc Phương pháp lực tương đương được sử dụng để mô phỏng hành vi phi tuyến của vật liệu cấu trúc, đóng vai trò cốt lõi cho phân tích số về sự phân tán năng lượng dẻo Phân tích số được áp dụng vào khung thép kháng mô men 6 tầng có gắn và không gắn TMD, chịu tác động của 100 mô hình tải động đất Gaussian không dừng Kết quả cho thấy hiệu quả của TMD trong việc giảm ứng suất Nghiên cứu chứng minh rằng TMD có thể nâng cao khả năng chống động đất của cấu trúc, phân tán năng lượng cho các trận động đất có rung động nhẹ và ít hiệu quả hơn đối với trận động đất rung động mạnh.

Roffel, A., Lourenco, R., Narasimhan, S., and Yarusevych, S (2011) đã nghiên cứu khả năng khắc phục sự chuyển động không đúng hướng mong muốn trong dao động của TMD Sự điều hưởng, kết quả của sự suy giảm, đã vô tình thay đổi những đặc tính của kết cấu và những dự đoán thiết kế có thể dẫn đến mất mát quan trọng của việc sử dụng hệ cản TMDs Để khắc phục vấn đề này, một cơ chế bù mô phỏng dạng TMDs con lắc treo được đề xuất Hệ cản khối lượng dạng con lắc gắn vào là một con lắc hoạt động ba chiều, được tăng cường với một khung điều chỉnh để điều chỉnh tần số riêng của nó và hai hệ cản không khí có thể điều chỉnh được để điều chỉnh hệ cản Sự điều chỉnh sự bù cho tần số tự nhiên và hệ cản đạt được bằng việc sử dụng một hệ thống động cơ và vi điều khiển Có hai thành phần chính trong phương pháp đề xuất: đó là xác định và kiểm soát, được thực hiên theo tuần tự Việc xác định được thực hiện qua việc sử dụng thông tin phổ có được từ phản ứng gia tốc kết cấu Nghiên cứu này được thực hiện bằng cả thực nghiệm và mô phỏng Đóng góp chính của nghiên cứu là đã phát triển một phương pháp hiệu quả để khắc phục sự chuyển động không theo mong muốn của TMD nhưng vẫn giữ được sự đơn giản của hệ thống bị động TMD Phương pháp đề xuất cho phép con lắc TMDs điều chỉnh ở vị trí sử dụng các thuật toán và phần cứng tương đối đơn giản, chỉ dựa trên việc đo những dao động xung quanh.

Năm 2013, C Sun, R.P Eason, S.Nagarajaiah, A.J.Dick công bố những nghiên cứu về sự suy giảm ứng xử khi sử dụng TMD phi tuyến (Nonlinear TMD),TMD bán chủ động (Semiactive TMD) và kết hợp hai loại mắc song song(Multiple TMD) Một biên độ cao được tách ra từ tần số ứng xử của kết cấu chính trong trường hợp NTMD để khảo sát Bằng cách thêm một STMD vào NTMD và mắc song song, nghiên cứu chỉ ra rằng biên độ cao tách ra cộng hưởng có thể suy giảm đáng kể Sự kết hợp hai hệ mắc song song MTMD (NTMD+STMD) được nhận thấy là hiệu quả trong việc kìm hãm các phản ứng ở cả hai trạng thái ổn định và tứct thời Một nghiên cứu tham số của các thông số thiết kế của MTMD được thực hiện Nó cho thấy rằng kết quả của việc thêm vào một STMD với một tỷ lệ khối lượng nhỏ và tỷ số cản nhỏ mắc song song với một NTMD làm giảm đáng kể các phản ứng ở trạng thái ổn định Đối với việc giảm những phản ứng nhất thời,nghiên cứu chỉ ra rằng tỉ số cản của NTMD có những tác động đáng kể trong khi những tham số khác có tác động rất nhỏ Sự gia tăng tỉ số cản của hệ NTMD (tới một giá trị cực hạn) làm tăng tỉ lệ phá hoại của những phản ứng tức thời Những kết quả này chỉ ra rằng các thông số thiết kế cho các MTMD nên được lựa chọn một cách thích hợp để đảm bảo rằng MTMD làm suy giảm một cách hiệu quả các phản ứng ở cả trạng thái ổn định và trạng thái tức thời.

Roman Lewandowski, Justyna Grzymislawska thực hiện nghiên cứu ứng xử của nhiều hệ cản khối lượng TMD trước tải trọng gió Bài báo phân tích khả năng giảm dao động của kết cấu có gắn nhiều hệ cản khối lượng chịu tải trọng gió mạnh.

Lực gió ngẫu nhiên với đặc tính biến thiên tốc độ ảnh hưởng như lực kích thích Hàm mật độ phổ của gió theo đề xuất Davenport được ứng dụng Lý thuyết tương quan dao động ngẫu nhiên của Gaussian được sử dụng để xác định độ lệch chuẩn của biến vị và gia tốc Thông qua phân tích thực nghiệm số, các công thức tính toán hệ số tối ưu và đáp ứng của MTMD đã được thiết lập.

Dưới đây là một số công trình tiêu biểu đã được ứng dụng TMD để giảm phản ứng động trên thế giới.

“Tòa tháp Đài Bắc 101 trước đây còn được gọi là Trung tâm Tài chính Thế giới Đài Bắc Công trình có chiều cao tính đến mái là 449,2m, nếu tính cả phần cột ăng ten trên mái tòa nhà sẽ đạt chiều cao 509,2m Tòa nhà bao gồm 101 tầng phía trên mặt đất như tên gọi của mình cùng năm tầng hầm được xây dựng sâu vào lòng đất, đồng thời cũng đóng vai trò như một nền móng vững chắc nâng đỡ sức nặng cho toàn bộ công trình Nền móng của công trình được gia cố bởi 380 cọc lớn, mỗi chiếc cọc có đường kính 1,5m đâm sâu 80m xuống lòng đất, những chiếc cọc này còn xuyên sâu hơn 30m vào nền đá cứng phía bên dưới mặt đất và có thể chịu được tải trọng từ 1.000 đến 1.320 tấn Sự ổn định của thiết kế cũng được kiểm chứng thông qua một trận động đất xảy ra trong quá trình thi công tòa tháp vào ngày 31 tháng 3 năm 2002, trận động đất 6,8 độ Richter đã làm rung chuyển thành phố Đài Bắc Đã có hai cần cẩu xây dựng bị đổ tại tầng cao nhất của tòa tháp vào lúc bấy giờ, tầng 56, làm năm người chết, tuy nhiên những cuộc kiểm tra sau đó đã khẳng định rằng trận động đất không hề gây ảnh hưởng đến kết

Chương 2 Tổng quan cấu của toàn bộ công trình và việc xây dựng đã được xúc tiến trở lại không lâu sau tai nạn trên.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, đặc biệt là cao học Ngành Xây Dựng Dân dụng và Công nghiệp của trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã có nhiều luận văn về điều khiển dao động kết cấu chống tải trọng động đất với các loại hệ cản khác nhau.

Các luận văn về điều khiển dao động kết cấu chống tải trọng động đất với các loại hệ cản khác nhau có thể kể đến như sau:

Nguyễn Hữu Anh Tuấn (2002) với đề tài “ khảo sát giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản thay đổi khối lượng TMD”, luận văn trình bày cơ chế làm việc của hệ cản TMD trong quá trình điều khiển kết cấu công trình, khảo sát sự làm việc của hệ cản TMD dưới tác dụng của các loại tải khác nhau và trình bày các phương pháp chọn các thông số tối ưu của hệ cản TMD theo các quan điểm khác nhau.

Huỳnh Tuấn Dũng (2013) đã phân tích sự ảnh hưởng của hệ cản khối lượng và lưu biến điện trong khung phẳng chịu động đất, từng hệ cản TMD và ER được tìm hiểu và áp dụng, khi đó ER sinh ra lực điều khiển phụ thuộc vào điện thế cung cấp, và chuyển vị, vận tốc của kết cấu, thiết lập phương trình chuyển động kết cấu khung chịu gia tốc nền động đất có sử dụng TMD và ER, và giải bằng phương pháp số Newmark.

Phạm Hữu Nghĩa với đề tài Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản thay đổi khối lượng MTMD, Luận văn Thạc Sỹ, Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM, 2007 Luận văn phân tích sự làm việc của hệ cản MTMD dưới tác dụng của các loại tải trọng điều hòa, tải xung và tải động đất Mục tiêu của luận văn là khắc phục một số nhược điểm của hệ TMD, đó là hệ MTMD có thể điều khiển một dải rộng các tần số khác nhau, mỗi TMD trong MTMD điều khiển tần số khác nhau, nên hệ phản ứng tốt hơn với tải ngẫu nhiên có tần số thay đổi không biết trước là tải thường gặp trong thực tế. Đỗ Thị Ngọc Tam (2011) khảo sát khả năng giảm chấn cho nhà cao tầng sử dụng hồ nước mái đặt trên cao su lõi chì Trong luận văn này tác giả khảo sát

Chương 2 Tổng quan tải trọng động đất bằng cách tiến hành phân tích phi tuyến bài toán động lực học khung bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất với mô hình hệ nhiều bậc tự do, so sánh hiệu quả giảm đáp ứng của công trình khi có hồ nước mái đặt trên cao su lõi chì và khi không xét hồ nước mái đặt trên cao su lõi chì với các trận động đất điển hình.

Vương Thị Vỹ Dạ (2011) khảo sát khả năng giảm chấn cho nhà cao tầng sử dụng bể nước mái và vật liệu đàn hồi, vật liệu đàn hồi tác giả sử dụng là hệ cô lập cao su thiên nhiên Tác giả sử dụng phần mềm Etabs để mô hình công trình 20 tầng, qua đó khảo sát hiệu quả giảm chuyển vị và vận tốc của công trình.

Kết luận

Trên cơ sở kế thừa và tiếp thu những thành quả nghiên cứu hệ cản khối lượng TMD, Luận văn đề xuất một mô hình kết cấu dạng khung với sàn tuyệt đối cứng, hệ cản khối lượng được gắn trên tất cả các tầng, tiến hành khảo sát hiệu quả kháng chấn của hệ M-TMD, so sánh các trường hợp khi không có hệ cản, khi có hệ cản TMD đặt ở tầng đỉnh từ đó đưa ra kết luận chung về hiệu quả làm việc cho từng trường hợp cụ thể.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu

Chương này trình bày phần lý thuyết được sử dụng trong luận văn Mô hình vật lý và số liệu đặc trưng của hệ cản khối lượng TMD được thể hiện lại Mô hình của hệ kết cấu khung được rời rạc hóa bởi các bậc tự do động lực học theo phương ngang khi chịu gia tốc nền của động đất có gắn thiết bị được thiết lập.

Phương pháp tích phân trực tiếp giải phương trình chuyển động của kết cấu chịu gia tốc nền cũng được lựa chọn để làm cơ sở cho việc xây dựng thuật toán để viết chương trình máy tính giải bài toán này.

Hệ cản khối lượng

Hình 3.1 Mô hình của hệ cản khối lượng TMD

TMD là một thiết bị gồm có một khối lượng là m d được gắn vào kết cấu chính qua một lò xo có độ cứng k d và cản nhớt c d như trên hình 3.1 Trong thực tế,các công trình xây dựng thường được mô hình bởi các khối lượng các sàn tầng và hệ cản khối lượng thường được lắp đặt trên tầng mái của tòa nhà Khi hoạt động,kết cấu chính dao động dưới tác dụng động đất, theo dạng dao động chính tầng trên có chuyển vị lớn và hệ TMD cũng dao động và thường sinh ra lực tương tác(vai trò như là ngoại lực) ngược chiều với chiều chuyển động sẽ giúp hệ kết cấu giảm chuyển vị tuyệt đối Để hiệu quả của hệ TMD được phát huy đáng kể thì tần số của hệ cản khối lượng thường được chọn là xấp xỉ tần số riêng của dạng dao động thứ nhất của hệ kết cấu   d , điều này đã được đề cập trong nhiều tài liệu trích dẫn Phần tiếp theo trình bày phương pháp xác định thông số của TMD.

Mô hình bài toán gồm có kết cấu chính và hệ TMD như trên hình 3.2.

Các thông số động lực học của cấu trúc chính bao gồm khối lượng (m), độ cứng (k) và hệ số cản (c) Tương tự, hệ TMD cũng có khối lượng (m_d), độ cứng (k_d) và độ cản (c_d).

Hình 3.2 Hệ một bậc tự do với TMD

Các đặc trưng động lực học của kết cấu chính và hệ cản khối lượng lần lượt là k

  m , c d 2  d d m d (3.2) trong đó  , d lần lượt là tỉ số cản của kết cấu chính và hệ cản.

Phương trình chuyển động của hệ chính và hệ TMD được thiết lập dựa vào sự cân bằng động có dạng như sau:

Sắp xếp lại được hệ hai phương trình như sau:

Chương 3 Cơ sở lý thuyết

Hay viết dưới dạng ma trận là g d d d d d d d d d d d d d m u m u u u k k k k k u u u c c c c c u u u m m 

Trong đó: m: khối lượng chính của hệ k : độ cứng chính của hệ c: hệ cản chính của hệ m d khối lượng của hệ cản TMD u : chuyển động tương đối của hệ chính với nền u d chuyển động tương đối của TMD với hệ chính

Có thể thấy rằng khi gắn thêm hệ cản khối lượng, thì thêm một phương trình vi phân chuyển động của bản thân hệ này được thiết lập và kết hợp với hệ kết cấu chính đủ số lượng phương trình để tìm chuyển vị của cả hệ TMD và hệ chính.

Toàn hệ có thêm 1 bậc tự do so với hệ kết cấu chính.

Mô hình kết cấu

Trong thực tế, các kết cấu đều có khối lượng phân bố nên có vô hạn bậc tự do, vì vây, việc giải bài toán động lực học kết cấu rất phức tạp Để phân tích động lực học của kết cấu, người ta thường thay thế bằng mô hình hữu hạn bậc tự do bằng cách rời rạc hóa kết cấu nhằm làm cho việc giải bài toán trở nên đơn giản hơn.

Về nguyên tắc, hệ được mô hình càng nhiều bậc tự do thì càng chính xác,vì khi đó lực quán tính phân bố được thay thế bằng các lực tập trung đủ nhiều, nhưng quá trình tính cũng phức tạp hơn Bậc tự do động lực học của kết cấu là số thành phần chuyển vị phải xét để thể hiện được ảnh hưởng của tất cả các lực quán tính, nghĩa là có liên quan đến khối lượng Số khối lượng càng nhiều thì càng chính xác nhưng cũng càng phức tạp.

Trong luận văn này, khi phân tích toàn bộ hệ kết cấu nhiều bậc tự do được đưa về dạng console có khối lượng tập trung, độ cứng ngang tương đương và hệ số cản, hệ kết cấu được mô tả như một hệ hữu hạn bậc tự do động lực học là các chuyển vị ngang của các tầng có gắn thêm hệ cản khối lượng tại mỗi tầng sàn.

Thực ra thì hệ kết cấu thật thường có khá nhiều bậc tự do, chuyển vị đứng, ngang và góc xoay cho mỗi nút; tuy nhiên trong bài toán kết cấu chịu gia tốc nền động đất lực quán tính phương ngang chính là lực nguy hiểm nhất và là thành phần lực quan trọng đối với kết cấu nên mô hình kết cấu với bậc tự do là chuyển vị ngang có độ chính xác vừa phải mà không phải phân tích quá nhiều bậc tự do.

Hình 3.3 Mô hình kết cấu

Hình 3.4 Lực tác dụng của hệ n bậc tự do Trong đó:

- Lực đàn hồi: f s 1 k u 1 1 ; f s 2 k u 2 ( 2 u 1 ); …; f sn k u n ( n u n  1 ). - Lực cản: f D 1  c u 1 1  ; f D 2  c u 2 (  2  u  1 ); …; f Dn  c u n (  n  u  n  1 ). - Lực quán tính: f L 1  m u 1  1; f L 2  m u 2  2; …; f Ln  m u n  n

Phương trình cân bằng lực như sau:

Viết (3.8) và (3.9)dưới dạng ma trận như sau:

M u C u Ku P t      (3.10) fD2 fS1 fD1 fL1 p1

(t) fS2 fD3 fS2 fD2 fL1 p2

(t) fS3 fSn fDn fLn pn

Trong đó M, C, K lần lượt là ma trận khối lượng, cản và độ cứng của kết cấu, P(t) ma trận tải trọng tác dụng lên kết cấu, u,u,u là véctơ chuyển vị, vận tốc, gia tốc của kết cấu:

3.3.3 Phương trình chuyển động của cả hệ

Khi hệ này gắn thêm các hệ cản khối lượng tại tất cả các tầng, phương trình chuyển động của hệ kết cấu gồm kết cấu và hệ M-TMD chịu gia tốc nền cũng

Chương 3 Cơ sở lý thuyết u g u u u C K Mr

 r là véc tơ đơn vị;

 u g là gia tốc nền động đất theo thời gian

 Μ,C,Κ lần lượt là các ma trận khối lượng, cản và độ cứng tổng thể của hệ (cả kết cấu chính và hệ M-TMD) được xác định như sau.

Hệ thống S-TMD gồm nhiều tầng (i = 1, 2, 3,…) Mỗi tầng có khối lượng (m), độ cứng (k) và giá trị cản (c) Hệ cản S-TMD ở tầng thứ i có khối lượng (m$_{ii}$), độ cứng (k$_{ii}$) và giá trị cản (c$_{ii}$).

3.3.4 Thông số của hệ cản khối lượng

Nếu hệ kết cấu chính có nhiều dạng dao động riêng khác nhau, thông số TMD được xác định bằng cách cho TMD giảm chấn ở dạng dao động có tần số riêng i Hệ cản M-TMD được lắp đặt trên nhiều tầng để điều khiển dạng dao động thứ i có tần số riêng i.

Các đặc trưng của cả hệ cản tương ứng với dạng dao động thứ i được xác định dựa trên kết quả tối ưu của Roman và Justyna, 2009 [13] như sau

Trong đó M i : khối lượng suy rộng ứng với dạng dao động thứ i

K i : độ cứng suy rộng ứng với dạng dao động thứ i

Khi thiết kế hệ cản M-TMD thì tỷ số khối lượng μ của cả hệ cản được chọn trước,từ đó xác định các đặc trưng của hệ cản M-TMD như độ cứng, khối lượng và cản dựa vào các biểu thức trên.

Phương pháp giải và thuật toán

Đây là họ các phương pháp số được đề xuất bời Newmark vào năm 1959 và được sử dụng để giải các các phương trình vi phân chuyển động trong bài toán động lực học kết cấu Ý tưởng của phương pháp này là từ giá trị của nghiệm đã biết tại thời điểm i suy ra giá trị đó tại i  1 bằng các giả thiết khác nhau về sự biến thiên của gia tốc trong từng bước thời gian.

Dạng tổng quát của phương trình vi phân là

(3.22) Bằng cách xấp xỉ sự biến thiên của gia tốc trong mỗi bước thời gian, biểu thức của vậc tốc và chuyển vị trong mỗi bước thời gian được suy ra thông qua các phép tích phân từ phương trình gia tốc Giá trị của vận tốc và chuyển vị được đề xuất bởi phương trình sau: i+1= u + 1- Δ u + γΔ ui   γ t i t i+1

    là phương pháp gia tốc trung bình; 1 1

    là phương pháp gia tốc tuyến tính Trong luận văn này phương pháp gia tốc trung bình được sử dụng để giải nghiệm của phương trình chuyển động.

Thay thế phương trình (3.23) và (3.24) vào phương trình chuyển độ (3.22) đã được rời rạc tại thời điểm cuối bước thời gian i1, ta được effi+1 = eff

M u P (3.25) với K eff là khối lượng hiệu dụng; P eff là tải trọng hiệu dụng trong từng bước thời gian, được xác định như bởi công thức

Giải phương trình (3.25) thu được giá trị gia tốc tại thời điểm i +1 là u i+1 , thế vào phương trình (3.23) và (3.24) thu được vận tốc và gia tốc tại điểm cuối bước thời gian i +1.

Thuật toán giải phương trình chuyển động trong bài toán động lực học kết cấu theo phương pháp Newmark được mô tả như sau:

Bước 1 Xác định ma trận khối lươngM, ma trận cảnCvà ma trận độ cứng K.

Bước 2 Xác định gia tốc nền u g Bước 3 Chọn bước thởi gian t

Bước 4 Khai báo điều kiện ban đầu u u u1, ,1 1=M P Cu Ku -1  1- 1- 1 

Bước 5 Tính toán khối lượng hiệu dụng M eff

Bước 6 Tính toán tải trọng hiệu dụng P eff

Bước 7 Tính gia tốc tại thời điểm i +1 là u i+1 Bước 8 Tính toán giá trị của chuyển vị u i+1 và vận tốc u i+1 tại thời điểm i +1

Hình 3.5Lưu đồ thuật toán phân tích động lực học kết cấu khi có hệ cản MTMD

Nhập dữ liệu M C K , , , dữ liệu tải trọng u  g

Nhập thời gian phân tích t f , số gia thời gian t, số bước phân tích n  t f  t Điều kiện ban đầu

Tính lực điều khiển ban

Tính P eff theo công thức (3.27) và tính M eff theo công thức (3.26)

Tính gia tốc u i+1 theo công thức (3.25)

Tính chuyển vị u i+1 và vận tốc u i+1 theo công thức (3.23), (3.24)

Tính lại lực điều khiển f m

Tính lại P eff theo công thức (3.27) Tính M eff theo công thức (3.26) i n   1

3.5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT GIẢI BIẾN ĐỒI FOURIER

Phản ứng của các kết cấu phụ thuộc vào tỷ lệ giữa tần số riêng của kết cấu và tần số của lực tác động, điều quan trọng là biết được tần số của chuyển động mặt đất Cách hiệu quả nhất để xác định tần số trội của động đất là dùng Fourier tổng hợp chuyển động mặt đất theo thời gian Giả định rằng chuyển động mặt đất lặp lại với một khoảng thời gian bằng với thời gian chuyển động mặt đất, nó có thể được biểu diễn như là một tổng của vô số các hàm điều hòa (được gọi là chuỗi Fourier mở rộng của hàm tuần hoàn) qua công thức:

Trong đó: x(t): chuyển động của mặt đất theo thời gian (chuyển vị, vận tốc, gia tốc).

 n là tần số thứ n an và bn là hàm cosin và sin biên độ tương ứng với tần số thứ n a0là biên độ tương ứng với tần số = 0.

Biên độ a0, an, và bn được xác định bởi:

T: là thời gian của chuyển động mặt đất

Biên độ Fourier đưa ra biên độ của tần số tại n và được cho bởi:

Trong đó cn= An, c0=a0; n tan 1 n n b

  (3.35) Đồ thị của cn so với tần số  n được gọi là phổ biên độ Fourier và của  n so với

 n là phổ giai đoạn Fourier. Để có được những phổ biên độ Fourier của chuyển động mặt đất, các tích phân được đưa ra bởi phương trình 3.29, 3.30, 3.31 cần phải được thực hiện Lúc đó x (t) là một hàm không đều theo thời gian, sự tích phân được thực hiện bởi một phương pháp số Phép tính này hiện nay được thực hiện rất hiệu quả bằng cách chuyển đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transformation: DFT), đã được lập trình thành phương pháp FFT và có sẵn trong phần mềm toán học Matlab.

Trong chương này, thiết bị giảm chấn khối lượng điều chỉnh (TMD) gắn thêm được trình bày để giảm phản ứng động của hệ kết cấu chính khi chịu động đất Cơ sở lý thuyết, các phương trình mô tả ứng xử của TMD được đưa ra Mô hình kết cấu có gắn TMD được đề xuất, phương trình chuyển động tổng thể được thiết lập và thuật toán giải quyết bài toán được xây dựng.

Kết luận

Trong chương này, đặc tính của thiết bị TMD gắn thêm để làm giảm phản ứng động của hệ kết cấu chính khi chịu động đất đã được trình bày Cơ sở lý thuyết, các phương trình mô tả ứng xử chi tiết của thiết bị cũng đã được nêu ra Từ đó cũng đã đề ra một mô hình kết cấu có gắn thêm các TMD Phương trình chuyển động tổng thể được thiết lập và thuật toán để giải quyết bài toán cũng được xây dựng.

THÍ DỤ SỐ

Phần kiểm chứng

Luận văn thực hiện ví dụ số để kiểm chứng độ tin cậy của chương trình máy tính đã viết Trong ví dụ này, luận văn khảo sát tần số dao động riêng và vectơ dạng dao động của kết cấu Các ma trận tính chất được thể hiện như sau:

Bảng 4.2 Kết quả các tần số riêng và véc tơ dao động riêng

Đoạn tiếp theo phân tích phản ứng động (động thái thời gian) của kết cấu khung ba bậc tự do chịu tác động của gia tốc nền động đất Elcentro Hệ khung được xem xét là hệ khung phẳng ba tầng với các ma trận tính chất đã biết.

Khung được cho như Hình 4.7 chịu gia tốc nền động đất Elcentro biến thiên theo thời gian như hình 4.1.

Hình 4.7 Hệ khung phẳng Dạng

Clough (1993) Luận văn ω (rad/s) Vectơ dạng dao động ω (rad/s) Vectơ dạng dao động

Kết quả chuyển vị lớn nhất các tầng đã được giải và so sánh với nghiệm thu được từ tài liệu [6]

Bảng 4.3 Chuyển vị lớn nhất ở các tầng

Nhận xét: Từ kết quả số ở Bảng 4.3 cho thấy giá trị chuyển vị lớn nhất của luận văn gần giống với kết quả của bài báo [6, 2013], dù có sai số nhưng sai số này nhỏ, nguyên nhân là do chọn bước thời gian tính của hai lời giải khác nhau.

4.2.3 Kết cấu khi lắp TMD đặt ở tầng trên cùng

Mô hình cấu trúc 6 tầng được mô tả bởi hệ 6 bậc tự do với các thông số: khối lượng tầng m i =1x10 5 kg, độ cứng tầng k i=1x10 8 N/m, tỉ số cản ứng dạng dao động thứ nhất ξ =5% Khi chịu tác động gia tốc nền Elcentro, kết quả thu được được biểu diễn trong Bảng 4.4

Nhận xét: Từ kết quả so sánh ở Bảng 4.4 có thể thấy rằng giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của luận văn là tương đối phù hợp với tài liệu trích dẫn, chứng tỏ chương trình máy tính có độ tin cậy nhất định.

Việc giải lại các bài toán từ các tài liệu tham khảo khác nhau bao gồm dạng dao động của kết cấu, chuyển vị động của khung và chuyển vị tại đỉnh của kết cấu có gắn hệ cản khối lượng đặt ở tầng trên cùng chịu động đất, chương trình máy tính của Luận văn này đều cho số liệu tương tự như những số liệu đã công bố Tuy kết quả có sai số nhưng không đáng kể, nguyên nhân là do sự khác nhau trong lựa chọn bước thời gian tính trong bài toán động lực học Như vậy, có thể kết luận chương trình máy tính của Luận văn có độ tin cậy nhất định và có thể dùng để

Chuyển vị lớn nhất Tài liệu [6] Luận văn Sai số (%)

Bảng 4.4 Giá trị chuyển vị tại tầng đỉnh

Kết cấu Chuyển vị (cm)

Chuyển vị (cm) Luận văn

Khảo sát số

Luận văn này chọn cấu trúc 16 tầng và 26 tầng có chu kỳ khá nhỏ (0,49s và 0,47s) để ép tần số của kết cấu xấp xỉ với tần số trội của trận động đất Mục đích của việc này là đánh giá hiệu quả giảm chấn của hệ cản M-TMD trong kết cấu chịu động đất.

4.3.1 Hệ 16 tầng có gắn TMD

Luận văn thực hiện khảo sát một mô hình kết cấu được mô tả như Hình.4.8, hệ có 16 tầng với khối lượng mỗi tầng m i =1x10 5 kg, và có độ cứng các tầng k i =1.8x10 9 N/m Tỉ số cản lấy chung cho dạng dao động 1 và 2 là ξ = 5%, các dạng dao động cao hơn tính theo phương pháp Rayleigh.

Tiến hành khảo sát các trường hợp sau:

Trường hợp 1: Kết cấu không gắn hệ cản (Uncontrolled), Trường hợp 2: Kết cấu gắn hệ cản ở tầng trên cùng(S-TMD), Trường hợp 3: Kết cấu gắn hệ cản ở các tầng (M-TMD),

Thời gian phân tích là 25 giây với bước phân tích là ∆t = 0,00125 giây Hệ ban đầu được đặt ở trạng thái nghỉ Các tỷ số khối lượng mratio lần lượt được khảo sát bao gồm: 0,57%, 1,771%, 0,05%, 2,85%, 0,399% và 5,13%.

Hình 4.9 Mô hình hệ kết cấu 16 tầng với M-TMD Đại lượng đặc trưng cho sự gia tăng khối lượng của hệ TMD được xác định:

Chương 4 Thí dụ số s TMD ratio

Với: M TMD : tổng khối lượng của hệ cản M-TMD

M s : tổng khối lượng của kết cấu ban đầu

Bảng 4.5 Các đại lượng đặc trưng của hệ kết cấu 16 tầng

Số thứ tự tần số góc ω i Chu kì dao độngT Tần số dao động f i

4.3.1.1 Công trình chịu gia tốc nền Elcentro

Gia tốc nền Elcentro có tần số trội sau khi phân tích phổ Fourier là 2,027 Hz xấp xỉ tần số riêng thấp nhất của kết cấu đang xét và các đỉnh khác xấp xỉ 1,8Hz đến 2,6Hz.

Hình 4.10 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh với mratio=0.57%

Hình 4.15 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại các tầng với mratio=0.57%

Hình 4.20 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng với mratio=0.57%

Bảng 4.6 Độ giảm đáp ứng bên trong hệ ứng với dạng điều chỉnh thứ nhất dưới tải trọng Elcentro

Hình 4.25 Biểu đồ so sánh độ giảm chuyển vị tại đỉnh công trình ứng với các Tỷ số mratio

Giá trị max Độ giảm (%)

Lực cắt (KN) Giá trị max (x10 4) Độ giảm (%)

Hình 4.26 Biểu đồ so sánh độ giảm lực cắt đáy ứng với các mratiokhác nhau dưới tải trọng Elcentro

4.3.1.2 Công trình chịu gia tốc nền Northridge

Xét lại cấu trúc 16 tầng chịu tải trọng động đất Northridge, tần số trội của kết cấu sau khi phân tích phổ Fourier là 2,93 rad/s, kết quả đầu ra gồm chuyển vị và lực cắt dùng để đánh giá mức độ đáp ứng động của kết cấu.

Hình 4.40 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng với với mratio=3.99%

Bảng 4.7 Độ giảm đáp ứng bên trong hệ ứng với dạng điều chỉnh thứ nhất dưới tải trọng Northridge Tỷ số mratio

Hình 4.42 Biểu đồ so sánh độ giảm chuyển vị tại đỉnh ứng với các mratiokhác nhau dưới tải trọng Northridge

Hình 4.43 Biểu đồ so sánh độ giảm lực cắt tại đỉnh ứng với các mratiokhác nhau dưới tải trọng Northridge

4.3.1.3 Công trình chịu gia tốc nền Kobe

Tiếp tục khảo sát kết cấu 16 tầng đã nêu trên chịu tải trọng động đất Kobe.

Tương tự, so sánh các đáp ứng về chuyển vị và lực cắt Gia tốc nền Kobe có tần số trội sau khi phân tích phổ Fourier là 1.06 Hz.

Bảng 4.8 Độ giảm đáp ứng bên trong hệ ứng với dạng điều chỉnh thứ nhất dưới tải trọng Kobe Tỷ số mratio

Hình 4.59 Biểu đồ so sánh độ giảm chuyển vị tại đỉnh ứng với các mratiokhác nhau dưới tải trọng Kobe

Hình 4.60 Biểu đồ so sánh độ giảm lực cắt tại đỉnh ứng với các mratiokhác nhau dưới tải trọng Kobe Tỷ số mratio

Với kết cấu 16 tầng với các đặc trưng kết cấu đã cho ở trên khi chịu tác động của 3 trận động đất khác nhau, các nhận xét có thể được đưa ra như sau:

Với trận động đất nền Elcentro: từ hình 4.25 và 4.26 cho thấy với độ tăng khối lượng mratio < 5%, độ giảm chuyển vị đỉnh đạt hiệu quả tốt nhất ứng với độ tăng khối lượng mratio = 1.71%, độ giảm lực cắt đối với hệ S-TMD đạt hiệu quả tốt nhất ứng với mratio = 1.71% và giảm dần khi tăng mratio, trong khi độ giảm lực cắt của hệ M-TMD đạt hiệu quả cao nhất tại mratio = 3.99% Đồng thời, biểu đồ còn cho thấy hệ S-TMD rất nhạy, ứng với mỗi thay đổi mratio, độ giảm chuyển vị và lực cắt thay đổi khá lớn, trong khi hệ có M-TMD có một khoảng biến thiên tương đối nhỏ 1.715% < mratio< 4% Nhìn chung, hệ kết cấu có gắn hệ cản M-TMD đặt ở các tầng đạt hiệu quả tốt hơn so với hệ kết cấu có gắn S-TMD đặt ở tầng trên cùng.

Với trận động đất Northride: hình 4.42 và 4.43 cho thấy hiệu quả giảm chấn trong kết cấu có gắn hệ cản ở tầng trên cùng (S-TMD) đạt hiệu quả cao hơn so với hệ kết cấu có gắn hệ cản ở các tầng (chuyển vị lớn nhất tại đỉnh và lực cắt giảm nhiều hơn) và tăng dần theo độ tăng khối lượng mratio của hệ Chênh lệch về đáp ứng của hai hệ kết cấu khoảng 10%.

Với trận động đất Kobe: hình 4.59 và 4.60 cho thấy hiệu quả giảm chấn của hệ M-TMD so với hệ S-TMD Chuyển vị trong hệ M-TMD giảm 41.8% và độ giảm lực cắt là 41% ứng với độ tăng khối lượng là mratio=2.85% Với độ tăng khối lượng mratio =1.71%, độ giảm đáp ứng về chuyển vị lớn nhất tại đỉnh và lực cắt là xấp xỉ nhau, tuy nhiên, xét về hiệu quả thì hệ M-TMD đáp ứng tốt hơn cả về kĩ thuật và kết cấu.

Như vậy sơ bộ có thể thấy rằng hệ kết cấu có gắn hệ cản TMD đặt ở các tầng có những hiệu quả nhất định trong việc đánh giá hiệu quả giảm chấn cho công trình Hiệu quả của hệ M-TMD càng thể hiện rõ hơn so với hệ TMD khi tần số trội của trận động đất xấp xỉ tần số dao động riêng của kết cấu.

4.3.2 Hệ 26 tầng có gắn TMD

Luận văn tiếp tục thực hiện khảo sát mô hình kết cấu khác có 26 tầng với khối lượng mỗi tầng m i =1.5x10 6 kg, và có độ cứng các tầng k i =7.5x10 10 N/m Tỉ số cản lấy chung cho dạng dao động 1 và 2 là ξ = 5%, các dạng dao động cao hơn tính theo phương pháp Rayleigh.

Tiến hành khảo sát các trường hợp sau:

Trường hợp 1: Kết cấu không gắn hệ cản (Uncontrolled).

Trường hợp 2: Kết cấu gắn hệ cản ở tầng trên cùng(S-TMD).

Trường hợp 3: Kết cấu gắn hệ cản ở các tầng (M-TMD).

Tương tự, so sánh các đáp ứng về chuyển vị và lực cắt Thời gian phân tích là 25s, và bước thời gian phân tích ∆t =0.00125s Điều kiện ban đầu phân tích khung chịu tải trọng động đất là u0 = 0 và v=0 Thực hiện khảo sát với tỷ số mratio lần lượt 0.73%, 1.45%, 2.18%, 2.9%, 3.63%, 4.37% và 5.08%.

Bảng 4.9 Đặc trưng của hệ kết cấu 26 tầng

Số thứ tự tần số góc ωi tần số dao độngf i

Số thứ tự tần số góc ω i tần số dao độngf i

4.3.2.1 Công trình chịu gia tốc nền Elcentro

Bảng 4.10 Độ giảm đáp ứng bên trong hệ ứng với dạng điều chỉnh thứ nhất dưới tải trọng Elcentro

Hình 4.82 Biểu đồ so sánh độ giảm chuyển vị tại đỉnh ứng với các mratiokhác nhau dưới tải trọng Elcentro

Hình 4.83 Biểu đồ so sánh độ giảm chuyển vị tại đỉnh ứng với các mratiokhác Tỷ số mratio

4.3.2.2 Công trình chịu gia tốc nền Northridge

Bảng 4.11 Độ giảm đáp ứng bên trong hệ ứng với dạng điều chỉnh thứ nhất dưới tải trọng Northridge

Hình 4.105 Biểu đồ so sánh độ giảm chuyển vị tại đỉnh ứng với các mratiokhác nhau dưới tải trọng Northridge

Hình 4.106 Biểu đồ so sánh độ giảm chuyển vị tại đỉnh ứng với các mratiokhác nhau dưới tải trọng Northridge Tỷ số mratio

4.3.2.3 Công trình chịu gia tốc nền Kobe

Bảng 4.12 Độ giảm đáp ứng bên trong hệ ứng với dạng điều chỉnh thứ nhất dưới tải trọng Kobe

Hình 4.128 Biểu đồ so sánh độ giảm chuyển vị tại đỉnh ứng với các mratiokhác nhau dưới tải trọng kobe

Hình 4.129 Biểu đồ so sánh độ giảm chuyển vị tại đỉnh ứng với các mratiokhác Tỷ số mratio

Với kết cấu 26 tầng với các đặc trưng kết cấu đã cho ở trên khi chịu tác động của 3 trận động đất khác nhau, một số kết luận được đưa ra như sau:

Với trận động đất nền Elcentro, hệ kết cấu lắp đặt hệ giảm chấn khối S-TMD ở tầng trên cùng cho hiệu quả giảm chuyển vị đỉnh và lực cắt tốt hơn so với hệ gắn M-TMD ở các tầng khi độ tăng khối lượng mratio < 0,73% Tuy nhiên, khi tăng mratio lên vùng 5%, hệ cấu trúc lắp đặt M-TMD ở các tầng lại hiệu quả hơn, với hiệu suất cao nhất đạt được tại mratio = 2,18%, giảm 35,7% chuyển vị và 28,3% lực cắt.

Bàn luận kết quả

Qua số liệu đánh giá hiệu quả giảm chấn, hệ S-TMD cho khả năng giảm dao động mạnh hơn so với hệ M-TMD truyền thống các trường hợp lực tác động đột ngột, tức thời và tác động hài.

- Bài toán kết cấu chịu gia tốc nền động đất có nghĩa khi tần số trội của gia tốc nền gần với tần số riêng của hệ kết cấu chính; lúc này phản ứng động của hê tương đối lớn và kết cấu có khuynh hướng bất lợi; trường hợp ngược lại tần số trội động đất khác xa với tần số riêng thì phản ứng động của hệ không lớn và kết cấu ít nguy hiểm Vì vậy, bài toán giảm chấn trở nên quan trọng trong trường hợp tần số trội cùng bậc với tần số riêng của hệ.

- Phần lớn hệ cản khối lượng đều có hiệu quả giảm chấn Ứng với tỷ số khối lượng mratio < 1.5%, hệ cản S-TMD hiệu quả hơn so với hệ M- TMD, điều này cho thấy rằng khối lượng của hê TMD không lớn thì nên tập trung ở tầng trên cùng, nếu chia nhỏ hơn nữa cho các tầng (M-TMD) thì sự hiệu quả ít hơn Nếu khi tăng tỷ số khối lượng của hệ gắn thêm mratio > 1.5% thì nhiều hệ cản gắn trong kết cấu đạt hiệu quả tốt hơn so với gắn một hệ trên tầng mái.

Như vậy, có thể thấy rằng hiệu quả giảm chấn của nhiều hệ cản khối lượng đặt tại các tầng trong kết cấu chịu động đất có những hiệu quả nhất định và cao hơn so với hệ cản khối lượng đặt tại tầng đỉnh công trình nếu khối lượng hệ cản lớn

Tiêu đề	Đánh giá hiệu quả giảm chấn của nhiều hệ cản khối lượng (Multi-Tuned Mass Dampers) trong kết cấu chịu động đất
Tác giả	Hồ Thị Như Hiền
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Trọng Phước
Trường học	Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Xây Dựng Dân Dụng - Công Nghiệp
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	121
Dung lượng	5,5 MB