thiet bi giam chan voi cong trinh cau

thiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cauthiet bi giam chan voi cong trinh cau

Trang 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIẢM CHẤN CHO CÁC KẾT CẤU CẦU CÓ

1.1 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CHỊU LỰC CỦA CÁC KẾT CẤU CẦU CÓ ĐỘ MẢNH LỚN Error! Bookmark

not defined.

1.1.2 Cầu treo dây võng Error! Bookmark not defined.

1.1.3 Kết cấu cầu có độ mảnh lớn khác Error! Bookmark not defined 1.2 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY DAO Đ ỘNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU Error! Bookmark not defined 1.2.1 Khái quát về ảnh hưởng của các tác động động lực đối với công trình cầu Error! Bookmark not defined.

1.2.2 Ảnh hưởng của các tác động do hoạt tải Error! Bookmark not defined.

1.2.3 Ảnh hưởng của tác động gió Error! Bookmark not defined.

1.2.5 Ảnh hưởng do tác dụng động đất Error! Bookmark not defined.

1.2.6 Ảnh hưởng của va xô tàu bè đi lại dưới sông và va chạm của xe cộ vào lan can hay trụ cầu Error! Bookmark not defined.

1.3 CÁC BIỆN PHÁP GIẢM CHẤN ĐỐI VỚI CÁC KẾT CẤU CẦU CÓ ĐỘ MẢNH LỚN 3

1.3.4 Sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lượng (TBTTNL) 5

2.1.2 Cản do lắp đặt thêm các thiết bị giảm dao động 10

2.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ GIẢM CHẤN 11

2.2.1.1 Giảm chấn khối lượng điều chỉnh (Tuned mass damper - TMD) 14

2.2.1.3 Gi ảm chấn nhớt (Viscous Damping Device - VDD) 27

2.3 Ứng dụng các thiết bị giảm chấn cho các kết cấu cầu có độ mảnh lớn 34

2.3.3 Sử dụng thiết bị giảm chấn giảm dao động cho dây 35

2.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 36

Trang 2

2.4.1 Hiệu quả thiết bị TLD ứng dụng ở cầu Bãi Cháy – Việt Nam 36 2.4.2 Hiệu quả thiết bị giảm chấn lắp trên cầu Akashi Kaikyo – Nhật Bản 40 2.4.3 Hiệu quả thiết bị giảm chấn lắp trên cầu Thiên Niên Kỷ - Anh 41

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ GIẢM CHẤN

3.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ VIỆC ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ GIẢM CHẤN ĐỐI VỚI KẾT CẤU CÔNG

3.2 TÍNH TOÁN HI ỆU QUẢ GIẢM CHẤN BẰNG PHẦN MỀM MIDAS/CIVIL 45

3.2.1 Giới thiệu về công trình Cầu Kiền – Hải Phòng – Việt Nam 46 3.2.2 Kết cấu cầu khi không bố trí thiết bị giảm chấn 51

3.3 KH ẢO SÁT VỊ TRÍ LẮP ĐẶT THIẾT BỊ GIẢM CHẤN TỐI ƯU 60

3.5 KẾT LUẬN CÁC KẾT QUẢ KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN Error! Bookmark not defined.

Trang 3

chủ yếu là sử dụng các mặt cắt có khả năng thoát gió tốt

Mối quan tâm đến các hiệu ứng do gió là động lực cho nhiều nghiên cứu về quan hệ

giữa đặc tính khí động của kết cấu và dao động của kết cấu do gió gây ra Thông thường, các sửa đổi khí động về hình dạng của mặt cắt ngang của kết cấu, sự thay đổi của mặt cắt theo chiều cao hoặc đơn giản là kích thước mặt cắt cũng có thể giảm dao động Các sửa đổi khí động này bao gồm bố trí các khe thoát gió, vát góc, bố trí cánh hướng gió …

Hình 1.8: Các dạng mặt cắt thoát gió tốt (1) Mặt cắt cơ bản (2) mặt cắt bổ sung cánh hướng gió (3) bổ sung cánh hướng gió có lỗ ( 4) bổ sung vát góc có lỗ thoát gió

(5), (6) vát góc

Các loại mặt cắt trong hình trên đều làm cho lực khí động giảm đáng kể Các nghiên cứu cho thấy, các sửa đổi ở góc mặt cắt như bố trí khe thoát gió góc, vát góc đều làm giảm rõ rệt hiệu ứng khí động theo hướng gió và theo hướng vuông góc với hướng

1.3.2.1 Tăng khối lượng

Trong trường hợp tải trọng va chạm, gió việc tăng khối lượng sẽ làm giảm gia tốc

do các lực này sinh ra, từ đó giảm được chuyển dịch và gia tốc kết cấu Tuy nhiên, trường

hợp này không có tác dụng với trường hợp tải trọng động đất[6]

Giải pháp tăng khối lượng là một giải pháp ít được sử dụng vì làm tăng giá thành

vật liệu cũng như giá thành móng Hơn thế nữa, khi xảy ra động đất thì tăng khối lượng là một giải pháp có nhiều rủi ro

o Đủ cứng theo phương thẳng đứng để chịu được tất cả các tải do trọng lực

o Đủ cứng khi chịu tải trọng ngang với cường độ nhỏ như tải trọng gió

o Đủ mềm khi chịu tải trọng ngang với cường độ lớn như động đất

Để thỏa mãn đồng thời điều kiện thứ hai và thứ ba người ta phải chế tạo các thiết bị cách ly có độ cứng ban đầu lớn hoặc sử dụng thêm các thiết bị tiêu tán năng lượng nếu

cần thiết Ví dụ, người ta có thể sử dụng lõi chì đối với các thiết bị cách ly sử dụng các

Các TBTTNL không chỉ hiệu quả giảm dao động mà còn có tác dụng tăng độ tin

cậy của thiết kế Nguyên nhân là do tính bất định của cản nội kết cấu Với các kết cấu không có TBTTNL, trong khi các đặc trưng về khối lượng và độ cứng có thể được mô hình với độ chính xác chấp nhận được thì mô hình hóa cản kết cấu khó khăn hơn rất nhiều Cản kết cấu được sinh ra bởi cản vật liệu, các liên kết không lý tưởng cũng như hàng loạt các thành phần khác trong kết cấu Cản kết cấu phải được xác định bằng thí nghiệm và người ta thấy rằng nó có độ bất định lên tới 70% [Haviland 1976, Davenport 1986] Điều này sẽ dẫn tới sai số đáng kể khi tính toán đáp ứng động và giảm độ tin cậy

của thiết kế Các TBTTNL làm cho phần lớn cản tập trung vào thiết bị này và giúp tăng

độ tin cậy của các kết quả tính

1.3.5 Giải pháp điều khiển chủ động, bán chủ động

Đối với kết cấu công trình, điều khiển tích cực là giải pháp điều khiển dao động

bằng cách sử dụng các máy kích động (được điều khiển bởi máy tính) tạo ra các lực tác động vào kết cấu hoặc sử dụng các TBTTNL có thể điều khển được Sơ đồ của giải pháp được tóm tắt như trên Hình 1.10 Theo sơ đồ, đáp ứng của kết cấu cũng như kích động ngoài sẽ được đo và chuyển vào máy tính Trên cơ sở kết quả đo, dựa vào thuật toán nhất định máy tính sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển gửi đến các máy kích động hoặc các TBTTNL được điều khiển để tác động vào kết cấu[9]

Trang 7

Hình 1.10: Sơ đồ diều khiển tích cực và nửa tích cực

So với các giải pháp trước, giải pháp điều khiển chủ động và bán chủ động có các đặc điểm khác biệt được thể hiện qua ba bước: đầu tiên các tín hiệu đo vật lý được biến đổi thành các tín hiệu số, sau đó các tín hiệu số này được xử lý bởi một thuật toán điều khiển nhất định và cuối cùng các tín hiệu số được chuyển thành các tín hiệu điều khiển máy kích động

1.3.6 Kết luận

Trong các giải pháp giảm chấn đối với các kết cấu cầu có độ mảnh lớn ở trên, mỗi

giải pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm Giải pháp sử dụng các thiết bị giảm chấn

có một số ưu điểm nổi bật như:

o Có hiệu quả giảm cả chuyển dịch lẫn gia tốc,

o Có thể đạt được mục tiêu điều khiển tối ưu,

o Chống lại những dịch chuyển lớn do động đất và gió gây ra một cách

có hiệu quả,

o Dễ dàng điều chỉnh được chu kỳ dao động,

o Sự phá hoại của hệ thống rất hiếm khi xảy ra, thiết bị có tuổi thọ cao,

o Không đắt tiền và dễ dàng bảo dưỡng

Sử dụng thiết bị giảm chấn là giải pháp có nhiều ưu điểm nổi bật Vì vậy, trong

luận văn của mình tác giả tập trung tìm hiểu và nghiên cứu về giải pháp này đối với các

kết cấu cầu có độ mảnh lớn ngày càng được sử dụng nhiều ở Việt Nam

Máy tính điều khiển Máy kích động

tầng, cầu hay các công trình khác Năng lượng tiêu tán có thể do nhiều nguyên nhân như:

o Sự đàn hồi không đồng nhất của vật liệu công trình

o Sự suất hiện vùng dẻo và ma sát do chuyển vị nhỏ của các nút

o Nội ma sát của vật liệu

o Ma sát tại các gối di động của cầu

o Sự cản khí động lực

o Tính chất phi tuyến của kết cấu, ví dụ như các dây cáp

o Năng lượng tiêu tán thông qua nền, móng và các kết cấu chống đỡ khác

o Các thiết bị giảm chấn nhân tạo được lắp đặt trên kết cấu

Các phương pháp lý thuyết cũng đã đạt được một số kết quả tính toán nhất định trong một vài lĩnh vực về đánh giá hiệu quả giảm chấn dựa trên các quan sát thực nghiệm Tuy nhiên, do tính phức tạp và sự tương tác lẫn nhau giữa các bộ phận công trình, các đo đạc thực tế trên công trình thực là rất quan trọng trong việc tìm ra độ cản chung hợp lý của một công trình phức tạp

2.1.1.1 Cản do vật liệu

Tính cản do vật liệu luôn luôn tồn tại và phụ thuộc vào độ dẻo và độ đàn - nhớt của vật liệu Độ nhớt quy ước độ cản (ς ) hay thành phần cản tới hạn thong thường được xác định từ kết quả thí nghiệm:

Bảng 2.1: Độ cản vật liệu

Vật liệu Độ cản quy ước (ς )

Trang 9

Khi ứng suất tăng, nếu vượt quá giới hạn đàn hồi tuyến tính thì độ cản của vật liệu sẽ tăng Khả năng cản của vật liệu có thể định nghĩa là độ tiêu tán năng lượng ΔW sau mỗi chu kỳ và đạt giá trị lớn nhất của năng lượng tích lũy trong chu kỳ đó Hình 2.1

Trong trường hợp xuất hiện chu trình trễ do vật liệu không tuyến tính như trong Hình 2.2, diện tích (A) được bao quanh bởi một vòng kín chứng tỏ rằng có một lượng năng lượng tiêu tán sau mỗi chu kì

Khi quan hệ ứng suất – biến dạng theo công thức ' E d''

suất – biến dạng có dạng elip như trên Hình 2.2 và A= σ ε∫ d

Có một số loại hợp kim đặc biệt gọi là hợp kim có độ cản cao Trong các hợp kim này, để tăng tính cản thì thường đi đôi với việc tăng độ cứng, cường độ, độ bền, khả năng chống gỉ, giá thành…và thường ít sử dụng cho các công trình xây dựng Chúng cũng thường có tính phi tuyến cao và chịu nhiệt tốt

Ngoài ra người ta còn sử dụng các v ật liệu liên hợp được sự kết hợp giữa hai hay nhiều vật liệu thành một loại vật liệu đồng nhất hoặc các loại vật liệu dẻo để làm tăng tính cản của vật liệu

Hình 2.1: Năng lượng tích lũy trong

mỗi chu kỳ

Hình 2.2: Vòng trễ ứng suất – biến

dạng

T 0

∆ = ∫ =∫ 

Trang 10

2.1.1.2 Cản ma sát Coulumb

Một lượng lớn năng lượng có thể mất mát do ma sát tại các liên kết của công trình như các liên kết bulông, đinh tán hoặc giữa các mặt tiếp xúc của các bộ phận công trình, các vỏ bọc liên kết Độ lớn của lực cản trong mỗi trường hợp này tỷ lệ thuận với hệ số

ma sát (μ ) giữa các mặt tiếp xúc, áp lực đơn vị (PN) giữa các mặt ma sát và diện tích tiếp xúc (S ) theo công thức:

Nói chung, hệ số ma sát có xu hướng lớn hơn khi các bộ phận dao động Trong trường hợp dao động đều, trong mỗi chu kì, vận tốc sẽ có 2 lần đạt giá trị bằng 0 và như

vậy, ảnh hưởng của hệ số ma sát sẽ giảm giữa 2 điểm cực trị

Dao động tự do có cản Coulumb hoàn toàn không phụ thuộc thời gian:

y: biên độ ban đầu

Phụ thuộc vào sự lan truyền năng lượng từ công trình xuống nền đất phía dưới Độ

lớn của năng lượng giải phóng phụ thuộc vào đặc điểm của nền đất cũng như các kết cấu

Trong đó: f1, f2: là các hàm của ωα/Vs như trên Hình 2.1 với Vs= G /ρ

G: Mô đun chống cắt của môi trường dẻo ρ: mật độ của môi trường dẻo

Trang 11

α: bán kính tương đương của móng trong môi trường dẻo

Hình 2.3: Biểu diễn các hàm f1, f2

1 2

f2f

ς =

khi xác định độ cản bức xạ qua nền

Hệ số cản bức xạ qua nền được cho bởi công thức:

Một số nghiên cứu gần đây đã tìm ra nguồn gốc của độ cứng động cũng như cản bức

xạ đối với các dạng móng khác nhau và xét đến ảnh hưởng của độ lún Chúng còn được

gọi là sự tương tác giữa nền đất và công trình

2.1.1.4 Cản khí động lực

Cản khí động học xuất hiện khi công trình chuyển động trong không khí hoặc khi có gió thổi qua công trình Độ cản trong trường hợp gió tĩnh thì có thể bỏ qua nhưng ảnh hưởng này lại rất lớn khi xét hệ trong môi trường chất lỏng hay còn gọi là cản thuỷ động

lực

Độ lớn của cản khí động lực lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào vận tốc gió, biên độ dao động và hình dạng công trình Độ cản khí động lực thông thường đối với công trình nhà cao tầng là 1% và đối với công trình cầu là 5% nhưng đôi khi nó có tác dụng ngược lại gây nên hiện tượng mất ổn định khí động lực

2.1.2 Cản do lắp đặt thêm các thiết bị giảm dao động

Ngoài ra, một biện pháp hữu hiệu để tăng tính cản của công trình mà không phải thay đổi trạng thái ban đầu của nó là lắp đặt các thiết bị giảm dao động lên công trình

nhằm kiểm soát dao động của công trình Đây gọi là lĩnh vực nghiên cứu về điều khiển dao động Các thiết bị cản gắn thêm vào kết cấu tại một số vị trí nào đó để góp phần hấp thu và tiêu tán năng lượng, các hệ này có thể làm việc theo nguyên lý chủ động, bị động hoặc bán chủ động Các hệ cản bị động thường là cản nhớt, cản kim loại có tính trễ, cản

Trang 12

ma sát, cản điều chỉnh khối lượng (TMD), cản dựa vào chuyển động của chất lỏng trong bình (TLD, TLCD)

Sơ đồ giải pháp điều khiển kết cấu (Structure Control)

2.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ

- Điều khiển chủ động ngược lại với điều khiển bị động, dựa trên khả năng triệt tiêu năng lượng một cách chủ động trong các thiết bị đặc biệt phụ thuộc vào nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài Điều khiển chủ động về cơ bản dựa trên việc tránh sự tác động của các lực bằng cách thay đổi dao động bằng nhiều cách Hệ

thống chủ động hoàn toàn sử dụng máy tính để điều khiển các cảm biến và nguồn phát động trên kết cấu để sinh ra các lực để trung hoà các ngoại lực tác dụng Mặc

Hệ cô lập Seimic Isolate

+ Gối đàn hồi + Gối ma sát

dạng điều khiển ở trên[9]

Kiểu bị động Kiểu bán chủ động Kiểu chủ động Hình 2.4: Mô hình hoạt động của 3 dạng điều khiển kết cấu Trong đó:

Con : bộ điều khiển

a : máy phát

Ex : nguồn kích thích

S : bộ phận cảm ứng

Trang 14

Quá trình thiết kế thiết bị giảm chấn[6]:

Nắm bắt các vấn đề của

kết cấu

• Các thông số yêu cầu

• Thí nghiệm tại hiện trường

• Nhớt, nhớt – đàn hồi, từ, điện từ

• Các thông số yêu cầu

• Thí nghiệm tại hiện trường

• Kinh nghiệm thực tế

Trang 15

2.2.1 Giảm chấn kiểu bị động

2.2.1.1 Giảm chấn khối lượng điều chỉnh (Tuned mass damper - TMD)

Mục tiêu của việc gắn thiết bị giảm chấn khối lượng điều chỉnh lên kết cấu là để làm tham gia triệt tiêu năng lượng của các phần tử kết cấu cơ bản dưới tác dụng của ngoại lực kích thích Giảm chấn khối lượng điều chỉnh (TMD) ở dạng đơn giảm nhất là thiết bị gồm có một vật nặng, một lò xo và một giảm chấn được gắn lên kết cấu nhằm mục đích làm giảm ứng xử động học của kết cấu Tần số của giảm chấn được điều chỉnh tới 1 tần số đặc biệt của kết cấu để khi tần số này bị kích thích thì giảm chấn sẽ cộng hưởng ngược pha với dịch chuyển của kết cấu Năng lượng được triệt tiêu nhờ lực quán tính của giảm chấn tác dụng lên kết cấu

Khái niệm TMD được nhà nghiên cứu Frahm đưa ra lần đầu tiên vào năm 1909

nhằm làm giảm dịch chuyển tròng trành của các con tàu cũng như các dao động của thân tàu Lý thuyết về TMD được Ormondroy và Den Hartog đưa ra sau đó vào năm 1928, sau

đó là cuốn sách “Các dao động cơ học” của Den Hartog năm 1940 bàn về các thông số giảm chấn và điều chỉnh tối ưu Den Hartog nghiên cứu lý thuyết về các thiết bị hấp thu dao động động lực học không giảm chấn và có giảm chấn không có sự giảm chấn ở kết

cấu chính Ông đã phát triển những nguyên lý cơ bản và quá trình lựa chọn chính xác các thông số của thiết bị Lý thuyết này được áp dụng cho một hệ có hai bậc tự do không được giảm chấn chịu tác dụng của lực kích thích hình sin Một số nhà nghiên cứu đã nghiên cứu mở rộng lý thuyết này cho các hệ có hai bậc tự do có giảm chấn như Randal cùng các công sự (1981), Warburton (1980, 1981, 1982) và Tsai và Lin (1993)

Hình 2.5: Thiết bị TMD gắn trên kết cấu chịu tác dụng của kích thích tuần hoàn do Frahm đưa ra năm 1909 Hình 2.4 thể hiện sơ đồ cấu tạo của thiết bị hấp thu dao động gồm có một khối lượng nhỏ m và lò xo với độ cứng k gắn lên khối lượng chính M với lò xo có độ cứng K Dưới tác dụng của một tải trọng tuần hoàn đơn giản, ta có thể thấy khối lượng cơ bản M

- Cấu tạo gọn nhẹ, đơn giản

- Có thể lắp đặt lên kết cấu đã thiết kế hoàn chỉnh, thậm chí đã xây dựng xong

- Khả năng giảm chấn cao với khối lượng nhỏ

- Không ảnh hưởng đến độ cứng cũng như cường độ tĩnh của kết cấu

- Mô hình phân tích đơn giản

- Có thể áp dụng nhiều dạng vật liệu hoặc cấu tạo khác nhau để tạo nên một họ TMD phong phú

Thiết bị TMD đã được ứng dụng rất nhiều trong việc ổn định dao động cho các kết

cấu, trong đó có kết cấu dầm chủ của cầu dây văng Sự phong phú đa dạng của hệ thống TMD đáp ứng được gần như mọi yêu cầu khắt khe nhất cho việc lựa chọn thiết bị phù hợp cho các loại dầm chủ khác nhau

2.2.1.1.1 TMD thông thường

Thiết bị TMD cơ bản gồm các bộ phận sau đây:

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo của TMD thông thường

Giảm chấn và lò xo có tác dụng gắn vật nặng với kết cấu chính và tạo ra các cơ

cấu hồi phục và triệt tiêu cần thiết để điều chỉnh hệ thống ứng xử gần tối ưu dưới tác

dụng của các dạng kích thích động lực học khác nhau[9]

2.2.1.1.2 TMD tịnh tiến (Translational TMD, T-TMD)

TMD tịnh tiến thường có cấu tạo gồm các bộ phận cơ bản như sau:

Hình 2.9: Cấu tạo của một giảm chấn TMD tịnh tiến TMD tịnh tiến hoạt động theo nguyên lý như sau: Vật nặng đặt trên các gối đỡ có chức năng như những con lăn cho phép vật nặng tịnh tiến trễ tương đối so với dầm Các

lò xo và giảm chấn được lồng vào giữa vật nặng và các thành phần gối đỡ thẳng đứng

liền kề truyền lực lệch pha trễ với dầm và sau đó lồng vào trong khung kết cấu Các giảm

chấn tịnh tiến theo 1 phương gồm có các lò xo / giảm chấn ở 2 phương vuông góc với nhau và tạo ra khả năng điều khiển dịch chuyển của kết cấu theo 2 mặt phăng trực giao

Tháp cảng Chiba được hoàn thành năm 1986 là toà tháp đầu tiên ở Nhật Bản được

gắn thiết bị TMD tịnh tiến Công trình cao 125m nặng 1950m3

tấn và có mặt bằng dạng hình thoi với chiều dài mỗi cạnh là 15m Chu kỳ của dạng thứ nhất và thứ 2 là 2,25s và

Trang 18

0,51s theo phương X và là 2,7s và 0.57s theo phương Y Mức độ giảm chấn cho dạng thức cơ bản ước tính là 0,5% Các tỷ số giảm chấn tương ứng với các tần số được giả định cho các dạng thức cao hơn trong việc phân tích Mục đích gắn TMD là để tăng

cường sự giảm chấn theo cả phương X và Y của dạng thức đầu tiên

Hình 2.10: Cấu tạo thiết bị TMD tịnh tiến lắp ở Tháp cảng Chiba - Nhật Bản

Thiết bị được công ty Sản xuất thép Mitsubishi sản xuất có các tỷ số khối lượng về khối lượng hình thái của dạng thức đầu tiên là khoảng 1/120 theo phương X và 1/80 theo phương Y, các tần số theo phương X và Y lần lượt là 2,24 và 2,72s, tỷ số giảm chấn của thiết bị là 15% Chuyển vị tương đối lớn nhất của thiết bị đối với tháp là khoảng ±1m theo mỗi phương Thiết bị được thiết kế để giảm được từ 30 đến 40% chuyển vị của tầng thượng và 30% mômen uốn cực trị

Một số dạng đặc biệt của TMD tịnh tiến:

- TMD khống chế dao động thẳng đứng kiểu KYANCHI (kiểu thông thường):

Hình 2.11: TMD khống chế dao động thẳng đứng (kiểu KYANCHI)

Vật nặng đặt trên tay đòn gối trên trục quay lên và xuống, di chuyển vật nặng để điều chỉnh TMD Lò xo có dạng cuộn / lõi

- TMD khống chế dao động thẳng đứng kiểu dẹt:

Vật nặng được đặt trên các tấm đệm cao su nhiều lớp, điều chỉnh lò xo để điều

chỉnh TMD Khi tần số dao động thấp, sử dụng các tấm đệm cao su nhiều lớp Lò xo có

dạng các tấm / lá lò xo, đệm cao su nhiều lớp hoặc con lắc treo

2.2.1.1.3 TMD tịnh tiến cải tiến

Hình 2.14: Cấu tạo của một TMD tịnh tiến cải tiến

nhẹ, điều khiển đơn giản, làm việc theo nhiều phương, dễ dàng lắp đặt và sửa đổi

Hình 2.15: TMD tịnh tiến cải tiến lắp ở tháp Huis Ten Bosch - Nagasaki - Nhật Bản

2.2.1.1.4 TMD con lắc trục (TMD roller pendulum , TMD-RD)

Thiết bị TMD-RD gồm có các gối con lăn dạng kết cấu con lắc trục, vật nặng và

một giảm chấn nhớt Thiết bị triệt tiêu dao động hoặc hấp thụ năng lượng dao động xảy

ra do gió mạnh hoặc động đất bằng làm cho vật nặng của giảm chấn di chuyển ngược hướng với dịch chuyển của kết cấu Thiết bị được chế tạo gọn nhẹ nhưng có hiệu quả

giảm dao động rất tốt

Trang 21

Hình 2.16: Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của TMD con lắc trục

2.2.1.2 Giảm chấn chất lỏng (Liquid damper)

Trong các giải pháp giảm chấn được áp dụng thì giải pháp bố trí các thiết bị giảm

chấn rất phù hợp với cột tháp cầu dây văng Hiện nay, có rất nhiều thiết bị giảm chấn

hoạt động theo các nguyên lý khác nhau Thiết bị giảm chấn chất lỏng (Liquid damper) là

dạng thiết bị giảm chấn đang được ứng dụng khá rộng rãi cho các công trình nhà cao tầng, cột ống khói lớn và cột tháp cầu dây văng trên thế giới

2.2.1.2.1 Giảm chấn chất lỏng điều chỉnh (Tuned liquid damper - TLD)

TLD là thiết bị điều khiển bị động thường được sử dụng để khống chế dao động của các kết cấu Thiết bị này triệt tiêu năng lượng dao động của kết cấu thông qua sự tròng trành của chất lỏng chứa trong những thùng chứa cục bộ được đặt trên kết cấu Hơn

nữa, lực trượt do quán tính của khối chất lỏng làm giảm ứng xử kết cấu Việt điều chỉnh

tần số tròng trành tự nhiên của chất lỏng cùng với tần số tự nhiên của kết cấu tạo ra sự tối

ưu hoá về hiệu quả cho giảm chấn

Các giảm chấn chất lỏng ngày càng được ứng dụng nhiều hơn là do một số ưu điểm như sau: giá thành thấp, dễ dàng lắp đặt lên các kết cấu sẵn có và có hiệu quả ngay

cả với những dao động nhỏ

a/ Cấu tạo:

Thiết bị giảm chấn chất lỏng điều chỉnh (TLD) thường có cấu tạo gồm các bộ

phận cơ bản như sau:

- Thùng chứa:

Trang 22

o Thường làm bằng kim loại, chất dẻo được gia cường bằng sợi thuỷ tinh (GFRP), nhựa HDPE… được hàn kín hoặc có nắp mở để chứa chất lỏng bên trong

Hình 2.19: TLD có thùng chứa hình trụ

tròn (lắp ở tháp khách sạn Shin

Yokohama Prince - Nhật Bản)

Hình 2.20: TLD có thùng chứa hình khối hộp có thành được dập lồi lõm (lắp ở các nhà cao tầng

tại Hàn Quốc)

Trang 23

Hình 2.21: TLD có thùng chứa hình vành khuyên lắp ở cột ống khói

o Hình dáng đa dạng: tuỳ theo hình dáng kết cấu, mục đích sử dụng và ý đồ kiến trúc của công trình

o Thành thùng chứa có thể thẳng hoặc được tạo hình lồi lõm nhằm để kiểm soát sự tròng trành của chất lỏng bên trong

- Chất lỏng:

o Có thể là nước sạch, chất lưu, dầu… có đặc tính đàn nhớt

o Chiều cao của chất lỏng trong thùng chứa ảnh hưởng tới kiểu hoạt động của thiết bị: TLD nước nông có tỷ số giữa chiều cao chất lỏng và chiều dài thùng chứa lớn nhỏ 0,15; TLD nước sâu có tỷ số giữa chiều cao chất lỏng

và chiều dài thùng chứa lớn hơn 0,15

- Vách ngăn bên trong thùng chứa, chia thùng thành các buồng nhỏ chứa chất lỏng

chấn phụ thêm cho thiết bị

- Ngoài ra, nếu điều kiện môi trường xung quanh kết cấu có nhiệt độ thấp, đạt tới điểm hoá đông của chất lỏng trong thùng chứa thì cần có thêm chất chống đông hoà trong chất lỏng nhằm tránh hiện tượng chất lỏng bị đông kết trong thùng chứa

lỏng mà hấp thụ và triệt tiêu năng lượng dao động của kết cấu Sự chuyển động của chất

lỏng được điều chỉnh có cùng tần số tự nhiên với dao động của kết cấu, tạo ra hiện tượng cộng hưởng với nhưng ngược pha giúp Ngoài ra, đặc tính nhớt của loại chất lỏng sử dụng cũng tạo ra tính triệt tiêu dao động cho kết cấu khi thiết bị giảm chấn được lắp đặt lên kết cấu ) Chất lỏng chuyển động bên trong thùng chứa, tác dụng lên các thành biên, thành đỉnh và đáy của thùng chứa và được giải thiết là không nén được

Chiều cao chất lỏng trong thùng chứa ảnh hưởng đến tần số và biên độ chuyển động tối ưu cho chất lỏng trong việc hấp thụ và triệt tiêu dao động của kết cấu Khối lượng tổng cộng của chất lỏng và thùng chứa chiếm khoảng từ 1% đến 3% khối lượng tổng cộng của kết cấu Tỷ số khối lượng này có liên quan tuyến tính đến tỷ số giảm chấn của thiết bị

TLD nước nông làm việc chủ yếu dựa vào tính nhớt nội tại và chuyển động trong trành của chất lỏng để gây ra hao tán năng lượng, làm giảm dao động của kết cấu

TLD nước sâu được cấu tạo thêm các vách ngăn hoặc màng ngăn bên trong để nâng cao hiệu quả giảm chấn cho thiết bị Chính vì vậy, tính năng của TLD sẽ phụ thuộc vào biên độ dao động của chất lỏng, kiểu chuyển động của chất lỏng, hình dạng của vách ngăn Nhược điểm lớn nhất của TLD loại này là phần lớn chất lỏng không tham gia vào việc giảm chấn mà chỉ làm tăng thêm tĩnh tải cho kết cấu

2.2.1.2.2 Giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh (Tuned liquid coulum damper -TLCD) a/ Cấu tạo

Thiết bị TLCD gồm có các bộ phận cơ bản sau đây:

Trang 25

Hình 2.23: Mô hình cấu tạo của TLCD

- Thùng chứa: TLCD thực chất là một trường hợp đặc biệt của TLD với thùng chứa

có dạng bình thông nhau hình chữ U Mặt cắt ngang của thùng chứa thường có

dạng hình vuông hoặc tròn

Hình 2.24: Sơ đồ cấu tạo của TLCD Trong đó:

L : chiều dài cột nước trong ống chữ U, m

B : khoảng cách giữa tim hai ống, m

- Van điều khiển có tác dụng điều chỉnh (mở rộng hoặc thu hẹp) dòng chảy của chất

lỏng đi qua van truyền từ ống này sang ống kia

Hình 2.25: TLCD không có van điều chỉnh

Trang 26

Hình 2.26: TLCD có van điều chỉnh

- Buồng khí và thiết bị điều chỉnh chu kỳ: Khi thùng chứa dịch chuyển theo phương

nằm ngang thì chất lỏng bên trong lại dịch chuyển theo cả phương nằm ngang và thẳng đứng do đó áp suất sẽ tăng lên ở 1 buồng khí và giảm đi ở buồng còn lại Sự biến thiên áp lực theo hình sin làm cho chất lỏng bên trong thùng chứa hình chữ U

dịch chuyển, gây ra sự dịch chuyển của van, tay đòn và lò xo tác dụng tới kết

cấu[9]

Hình 2.27: Mặt cắt ngang và cơ cấu hoạt động của TLCD có buồng khí

lắp ở tháp khách sạn Sofitel Tokyo - Nhật Bản b/ Nguyên lý hoạt động

TLCD làm tắt dần dao động của kết cấu nhờ vào dao động của chất lỏng bên trong thùng chứa có dạng ống chữ U

Năng lượng dao động được truyền từ kết cấu qua thành thùng chứa tới chất lỏng bên trong làm cho chất lỏng bị kích thích Dao động của kết cấu được TLCD hấp thụ thông qua một lực hồi phục hấp dẫn tác dụng lên chất lỏng Sự tương tác nhớt giữa chất

giảm đáng kể các ứng xử tịnh tiến và xoắn của kết cấu, phù hợp cho những kết cấu có tần

số xoắn lớn hơn tần số tịnh tiến

Hình 2.28: Nguyên lý hoạt động của TLCD có thùng chứa hình trụ tròn

bị động và còn cho cả các hệ thống điều khiển bán chủ động

- Khi kết cấu cơ bản thay đổi những đặc trưng động lực học sau khi thi công xong

hoặc sau khi xảy ra biến cố (ví dụ như động đất), TLCD có thể dễ dàng thay đổi các thông số cơ bản là khối lượng và tần số bằng cách điều chỉnh chiều cao của

chất lỏng trong thùng chứa dạng ống chữ U

Trang 28

- Tính linh động của chất lỏng không yêu cầu kích thích tác độn g lên kết cấu phải đạt tới một giới hạn nhất định (ngưỡng kích thích) thì thiết bị mới hoạt động (TMD chỉ hoạt động khi nguồn kích thích đạt tới một giới hạn nhất định)

- Chất lỏng chứa trong thùng chứa có thể tận dụng cho mục đich khẩn cấp như cứu

hoả (với loại thùng chứa có nắp đậy)

- Thùng chứa có thể cấu tạo thành một thùng lớn hoặc nhiều nhóm thùng nhỏ phù

hợp với không gian bố trí thiết bị

2.2.1.3 Giảm chấn nhớt (Viscous Damping Device - VDD)

a/ Cấu tạo

Có hai loại thiết bị giảm chấn nhớt chính: giảm chấn nhớt bằng chất lỏng và giảm

chấn nhớt vật liệu đàn hồi có cấu tạo như ở hình 2.29 và hình 2.30:

Trang 29

2.2.1.4 Gối chống động đất

Mục đích của việc tăng cường ổn định chống động đất cho công trình cầu là hạn chế

những dịch chuyển quá mức của công trình do động đất gây ra, giảm thành phần lực do động đất gây ra trong tổ hợp tải trọng tác dụng lên kết cấu

- Gối chống động đất (Isolation Bearing): gồm những tấm cao su đặc biệt có chốt

bằng chì chứa trong hộp thép có khả năng có khả năng chịu tải trọng như gối cầu thông thường và cách ly dao động của kết cấu phần dưới do dao động đất gây ra với kết cấu phần trên

- Thiết bị phân cách với nền (base isolation): gồm giảm chấn nhớt hoặc các lớp chất

nhớt đàn hồi được bố trí tại vùng tiếp xúc của kết cấu với nền để ngăn cản kết cấu cùng dịch chuyển hoặc dịch chuyển chậm pha/ngược pha với nền khi xảy ra động đất

- Thiết bị giảm chấn chống động đất (Anti – Earthquake): gồm những thiết bị giảm

chấn bị động hoặc bán chủ động để hạn chế dao động nguy hiểm của kết cấu

Xu hướng hiện nay là kết hợp sử dụng nhiều loại thiết bị trên cùng một kết cấu để đạt được hiệu quả điều khiển tối ưu

Hình 2.31: Gối cao su

Trang 30

Hình 2.32: Gối cao su lõi chì

Hình 2.33: Gối tiếp tuyến

Hình 2.34: Bố trí gối cô lập động đất cho cầu dầm liên tục Nguyên lý hoạt động của các loại gối này chủ yếu dựa trên nguyên tắc: gối có độ cứng lớn theo phương thẳng đứng và độ cứng nhỏ theo phương ngang Trong điều kiện bình thường gối có thể chịu được các tải trọng theo phương ngang Khi có động đất làm cho nền móng công trình có chuyển dịch theo phương ngang Lúc này gối cho phép biến

Trang 31

dạng hoặc chuyển dịch lớn theo phương ngang, làm giảm chuyển dịch theo của công trình đối với nền móng dẫn đến chuyển vị tuyệt đối của công trình nhỏ làm giảm các tác động do chuyển vị nền gây ra Năng lượng của động đất truyền vào công trình một phần được tiêu tán thông quan biến dạng của gối

2.2.2 Giảm chấn kiểu chủ động

Thiết bị giảm chấn khối lượng chủ động AMD (Active Mass Damper) đặc trưng cho giảm chấn kiểu chủ động

a) Cấu tạo

Cấu tạo của một AMD điển hình như hình 2.35:

Hình 2.35: Sơ đồ cấu tạo AMD

Trang 32

Hình 2.36: AMD lắp trên tháp Yokohama – Nhật Bản

Hình 2.37: AMD lắp trên tòa nhà Kyobashi Seiwa – Nhật Bản b) Nguyên lý hoạt động

Khi kết cấu chịu một kích thích động lực học bên ngoài Nhờ các thiết bị cảm biến phát hiện các dịch chuyển của kết cấu, ví dụ như gia tốc kế, và một máy tính điều khiển

Trang 33

hệ thống di chuyển một khối lượng lớn để tạo ra một lực ngăn chặn đối tượng gây ra dịch chuyển từ đó hạn chế chuyển dịch của kết cấu Thiết bị AMD được kết nối với nguồn điện đủ để cung cấp năng lượng cho thiết bị Chìa khóa để để đam đến thành công cho AMD là các thiết bị cảm ứng nhanh, các thuật toán điều khiển ổn định và hệ thống khởi tạo phản ứng nhạy Phạm vi thay đổi khối lượng cho trước có thể thay đổi sự giảm chấn trong một phạm vi lớn hơn so với hệ thống TMD là một ưu điểm của hệ thống này

o Hệ thống AMD điển hình có giá thành đắt hơn hệ thống TMD và yêu cầu mức

độ bảo dưỡng cao hơn

Trang 34

yêu cầu các nguồn năng lượng lớn tập trung Thực tế, nhiều thiết bị có thể hoạt động nhờ năng lượng pin, đóng vai trò quyết định khi xảy ra động đất mà các nguồn năng lượng chính bị hư hỏng

2.2.3.2 Hệ thống giảm chấn từ tính (Magnetorheoligical – MR)

Giảm chấn MR là những môi trường được làm từ những chất lưu MR, trong đó có

bột sắt từ có thể phân cực thuận từ trong môi trường nước, dầu hoặc silicon, Đặc trưng nổi bật của những chất lỏng này khả năng thay đổi từ trạng thái tự do (chảy) sang trạng thái nửa rắn khi có sự tác dụng của từ trường trong một vài mili – giây và trở lại trạng thái ban đầu khi từ trường mất đi Khi có một tín hiệu từ trường vào trong chất lưu thì

những dây truyền hạt được hình thành và chất lưu trở thành nửa đặc và thể hiện tính nhớt dẻo

Hình 2.38: Cấu tạo giảm chấn MR

Cấu tạo chung của các giảm chấn MR gồm: một thiết bị hình trụ với một pittông là

một chất lưu một chất lưu có thể điều khiển được, có thể thay đổi đặc tính lưu biến, nó gồm bốt sắt từ có thể phân cực thuận từ kích thước siêu nhỏ trong các chất lỏng như: nước, glycol, dầu khoáng, v.v

Nguyên lý hoạt động của giảm chấn MR là sự hao tán năng lượng của hệ thống dao động thông qua ma sát Năng lượng động học được thay đổi thành nhiệt năng Khi một tín hiệu được đưa vào trong hệ thống thì một từ trường được tạo ra dọc theo pit tông, sự tương tác giữa các cực từ làm cho các hạt từ sắp xếp lại thành dạng cột song song với các đường sức, những cấu trúc này như những dây chuyền hạn chế sự chuyển động lỏng làm tăng thêm những đặc tính nhớt và thay đổi tính lưu biến của chất lưu Thực chất là chất lưu đã thay đổi tính chất từ một dạng lỏng trở thành một chất giống như chất rắn khi có

một từ trường tác dụng Tính nhớt phụ thuộc vào cường độ của từ trường Sự biến đổi

Trang 35

tớnh chất của chất lưu cú thể được diễn ra khỏ nhanh, do vậy những chất lưu này được sử

dụng trong nhiều lĩnh vực

2.3 Ứng dụng cỏc thiết bị giảm chấn cho cỏc kết cấu cầu cú độ mảnh lớn

Các thiết bị giảm chấn có thể được lắp đặt để tăng sự ổn định, chống dao động cho các dây văng, cho dầm chủ hay cho cột tháp cầu

2.3.1 Sử dụng thiết bị giảm chấn cho thỏp cầu

Thỏp cầu là kết cấu dạng cột rất thanh mảnh dễ dao động dưới cỏc tỏc dụng động

lực học Để tăng ổn định cho thỏp cầu thường bố trớ cỏc thiết bị giảm chấn như TMD, AMD, TLD hay TLCD lờn đỉnh của thỏp

Hỡnh 2.39: TLCD lắp trờn thỏp cầu 2.3.2 Sử dụng thiết bị giảm chấn cho dầm cầu

Để tăng ổn định và giảm dao động cho dầm cầu dưới tỏc động của cỏc yếu tố động lực học thường sử dụng cỏc thiết bị giảm chấn như:

o Lắp thiết bị giảm chấn trong dầm hộp: lắp thiết bị TMD trong dầm hộp

o Lắp thiết bị ở đỏy dầm: lắp TMD ở đỏy dầm, lắp thiết bị giảm chấn nhớt,

giảm chấn ma sỏt ở đỏy dầm liờn kết dầm với gối đỡ

Trang 36

(a) Khống chế dao động thẳng đứng (b) Khống chế dao động nằm ngang

Hình 2.40: Bố trí TMD trong dầm hộp

Hình 2.41: Lắp giảm chấn nhớt ở đáy dầm

2.3.3 Sử dụng thiết bị giảm chấn giảm dao động cho dây

Dây là bộ phận rất dễ dao động trước các tác động của gió, mưa, hoạt tải, động đất

Vì vậy cần bố trí các thiết bị giảm chấn để tránh (giảm) hiện tượng mỏi cho dây Thông thường các thiết bị giảm chấn được bố trí tại vị trí neo dây với dầm hoặc gần vị trí neo Các thiết bị giảm chấn được sử dụng cho dây thường là giảm chấn nhớt (VDD), giảm chấn ma sát (FR), giảm chấn từ tính (MR)

Hình 2.42: Giảm chấn MR cho dây văng trên cầu

Dongtinh Lake Trung Quốc

Trang 37

Hình 2.43: Giảm chấn nhớt lắp trên cầu Arthur Ravenel Jr ở nam California – Mỹ 2.3.4 Sử dụng thiết bị cô lập móng

Sử dụng các thiết bị cô lập móng nhằm giảm thiểu tác dụng của động đất đối với công trình cầu

Hình 2.44: Sử dụng hệ thống cô lập móng trong công trình cầu

2.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

2.4.1 Hiệu quả thiết bị TLD ứng dụng ở cầu Bãi Cháy – Việt Nam

Cầu Bãi Cháy – Quảng Ninh – Việt Nam - kết cấu cầu dây văng một mặt phẳng dây được xây dựng năm 2006 với sơ đồ cầu chính là 215,5 + 435 + 215,5, tỷ lệ Lb/Lc = 0,496, Kích thước tháp theo phương ngang cầu là 3m, trong khi chiều cao tháp là 90m tính từ đỉnh mặt cầu và trọng lượng tháp là 3034.76T Tháp được đặt tại khu vực sát vịnh

Hạ Long – Việt Nam, tốc độ gió thiết kế cho tháp cầu là 50m/s Dạng kết cấu thanh

mảnh, một mặt phẳng dây đặt giữa mặt cắt ngang dầm hộp tuy không làm cản trở sự

Hình 2.46: Mô hình cầu Bãi Chay trong phần mềm phân tích kết cấu Midas civil 7.01

Trang 39

Hình 2.47: Mô hình biến dạng của tháp cầu Bãi Chay

trong phần mềm Midas civil 7.01

Lần đầu tiên tại Việt Nam hệ giảm chấn chất lỏng TLD được lắp đặt tại tháp cầu Bãi Cháy nhằm giảm dao động, biến dạng của tháp cầu dưới tác động của gió động Hình

dạng thùng chứa chất lỏng trong thiết bị TLD là hình chữ nhật với chiều dài của thùng

chứa chất lỏng là L =1400mm Chiều rộng thùng chứa chất lỏng tương ứng là 300, 400,

và 500mm Chiều sâu chất lỏng trong thùng trong khảo sát tính toán tác giả đề xuất là h0

= 40, 35, 30 mm để tạo ra được sóng nước nông theo tỷ lệ h0/L = 1/20-1/25;

Hình 2.48: Tháp cầu Bãi Cháy – Quảng Ninh – Việt Nam

TLD được bố trí dọc theo chiều cao tháp Qua phân tích chuyển vị của tháp theo các mode dao động thấy chuyển vị tháp là lớn nhất tại đỉnh tháp và một số vị trí khác như

giữa và 1/4 chiều dài đoạn tháp có bố trí neo cáp văng Dọc theo chiều cao này số lượng

của TLD được bố trí là khác nhau chẳng hạn như 20 TLDs được lắp đặt trên đỉnh tháp ngay điểm neo của cáp văng có chiều dài lớn nhất, 20 TLDs được lắp rải rác gần vị trí 1/4