Loại giảm chấn bị động đơn giản nhất là thiết bị giảm chấn thuỷ lực thường
được dùng cho cầu dây văng với hai loại giảm chấn đàn nhớt và giảm chấn cắt trễ
áp dụng cho các công trình dân dụng nhằm giảm ảnh hưởng của động đất. Đặc trưng cho loại này là thiết bị giảm chấn viscos-plastic.
Ngoài ra, còn có một nhóm thuộc loại cản va chạm. Các thiết bị giảm chấn này có nguyên lý hoạt động khá đơn giản. Đặc trưng cho loại này là thiết bị giảm chấn khối lượng điều chỉnh (TMDs - Turned mass dampers) và thiết bị giảm chấn do dao
động dập dềnh của chất lỏng (LSDs - Liquid sloshing dampers). Hai loại này đều có nguyên lý làm việc như nhau bao gồm một hệ dao động thứ cấp sử dụng khối lượng
đặc của vật rắn (TMDs) hoặc khối lượng của chất lỏng (LSDs).
3.3.1.1 Thiết bị giảm chấn theo khối lượng điều chỉnh (TMDs)
Ý tưởng của giảm chấn khối lượng điều chỉnh (TMDs) là tạo ra một hệ thứ
cấp nhỏ có tính chất cản đàn hồi khối lượng mà tần số dao động riêng của nó được
điều chỉnh đến tần số riêng ban đầu của công trình, qua đó năng lượng dao động của công trình sẽ được hấp thụ và tiêu tán thông qua hệ thứ cấp. Ý tưởng ban đầu đó
được Den Hartog áp dụng trong trường hợp kích động điều hoà đơn. Tuy nhiên, khi áp dụng vào các công trình xây dựng, lực kích động thường được mô tả như là một quá trình ngẫu nhiên với một độ rộng biên độ cho trước và từđó chọn các thông số
vật lý để thiết kế TMDs sao cho có thể phát huy được tác dụng của nó. Trong khoảng 30 năm gần đây, TMDs đã được áp dụng cho một số công trình tiêu biểu như: tháp Centrepoint ở Sydney, tháp CN ở Toronto, tháp Jonh Hancock ở Boston và tháp Citicrop Center ở New York,...và cũng dùng để giữổn định cho công trình trong quá trình xây dựng.
TMDs đặc biệt phát huy tác dụng khi công trình ở trạng thái dao động bình ổn trước khi cần một khoảng thời gian nào đấy để chuyển năng lượng dao động trước khi tiêu tán nó. Hiệu quả giảm chấn của TMDs sẽ giảm khi công trình dao động với lực kích động thay đổi liên tục như tải trọng xung và tải trọng động đất. TMDs có tác dụng cao nhất khi tần số riêng của nó đúng bằng tần số dao động của hệ. Tuy nhiên, chỉ cần một độ lệch nhỏ các tham số thiết kế cũng có thể làm giảm một cách
khá lớn thì khối lượng của hệ thứ cấp cũng sẽ lớn. Để phát huy hiệu quả giảm chấn thì hành trình di chuyển của TMDs cũng sẽ phải lớn theo. Nếu hạn chế chu trình thì TMDs cũng sẽ không phát huy đầy đủ tác dụng. Để khắc phục các nhược điểm trên, hệ TMDs được thiết kế và lắp đặt tại toà nhà Citicorp Center được biến thành một hệ điều khiển tựđộng. Dampers là một cơ cấu thuỷ lực khổng lồđểđiều khiển dao động của một công trình có khối lượng 400 tấn và được nâng đỡ bằng hệ thống thuỷ lực theo hai phương trực giao nhau. Khối lượng của hệ thứ cấp vào khoảng 1% khối lượng công trình.
3.3.1.2 Thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng
Ta có thể thay thế khối vật rắn của TMDs bằng một khối chất lỏng và lúc này gọi là giảm chấn bằng chất lỏng (TLDs). Trong trường hợp này, gia tốc trọng trường sẽ tạo ra một lực hồi phục tác dụng lên khối chất lỏng và tạo ra dao động sóng sánh trong một bể chứa và nó gọi là thiết bị giảm chấn do dao động sóng sánh của chất lỏng (TSDs - Turned Sloshing Dampers). Các TLDs đã được dùng trong ngành không gian vũ trụ và đôi khi còn được dùng để giữổn định cho các tàu biển lớn. Ưu điểm của TLDs là:
− TLDs có thể phát huy tác dụng ngay cả với các tín hiệu nhiễu rất nhỏ.
Đối với TMD thì đôi khi không làm việc với tín hiệu nhiễu nhỏ do lực cản ma sát tại các mặt cứng. Hay nói cách khác, TLDs “nhạy” hơn TMDs.
− Cấu tạo đơn giản và giá thành thấp.
− Một damper có thể giảm dao động của công trình theo hai hoặc nhiều hướng khác nhau.
− Dễ lắp đặt và di chuyển.
− Dễ bảo dưỡng do không có cơ cấu cơ khí phức tạp và hầu như không phải quan tâm đến vấn đề hóa già như phá hoại mỏi. Cũng giống như TMDs, các TLDs cũng cần phải điều chỉnh để có được tần số riêng phù hợp để phát huy tác dụng giảm chấn. Có hai dạng TLDs cơ bản sau:
+ Loại có mực chất lỏng nông đặt trong một bể chứa khá nhỏ: Năng lượng tiêu tán chủ yếu do sóng vỡ tại bề mặt chất lỏng khi dao động với biên độ lớn và đối với trường hợp này, tác dụng giảm chấn không cao. Tuy nhiên, đối với các dao động có biên độ nhỏ hơn thì nó phát huy tác dụng rất lớn khi điều chỉnh tần số dao động riêng của nó. Để dự báo được tần số riêng của nó với độ chính xác cao trừ trường
hợp sóng vỡ thì cần phải có kiến thức về lý thuyết mặt sóng phi tuyến;
+ Loại có mực nước cao đặt trong một bể chứa lớn: Phương trình dao động sóng sánh của mặt nước tương đối êm dịu. Để tăng độ cản của dampers thì thường dùng các lưới chắn, thanh chắn hoặc các loại vật cản khác bên trong bểđể tăng độ rối
đồng thời cũng có tác dụng làm tăng tần số riêng của damper. Để xác định tần số dao
động riêng này theo lý thuyết thì rất khó, tuy nhiên có thể xác định thông qua thí nghiệm. Cũng thuộc loại này nữa là giảm chấn cột chất lỏng có điều chỉnh (TLCDs), gồm một cột chất lỏng hình chữ U và coi đó như là một hệ dao động thứ cấp diện tích do Sakai đề xuất năm 1989. Tần số dao động riêng của nó có thể thay đổi bằng cách thay đổi mực nước trong bình; điều chỉnh áp suất của hai khối khí bên trên mặt nước hoặc lắp đặt bên trong nó một van thông đểđiều chỉnh lưu lượng nước.
3.3.2 Các thiết bị giảm chấn cho công trình cao tầng dạng chủ động
Thiết bị giảm chấn chủđộng đã được áp dụng cho máy bay và tàu vũ trụ. Tuy nhiên, việc áp dụng nó trong lĩnh vực xây dựng còn khá khiêm tốn. Các thiết bị
giảm chấn chủ động có thể dùng để điều khiển dao động công trình với nhiều loại tần số khác nhau và các dạng dao động khác nhau, do đó trong tương lai, các thiết bị
này chắc chắn sẽ được áp dụng một cách rộng rãi. Một trong những công trình xây dựng đầu tiên áp dụng thiết bị này đó là tòa nhà trung tâm thương mại quốc gia ở
New York, tòa tháp Crystal ở Osaka. Khoảng 10 năm gần đây, thiết bị này đã được áp dụng đểđiều khiển dao động của tháp cầu treo dây võng trong quá trình thi công
ở Nhật Bản. Các loại thiết bị giảm chấn chủ động này đặc biệt có hiệu quả trong trường hợp tần số dao động riêng của kết cấu thay đổi liên tục hoặc có hai hay nhiều dạng dao động xảy ra đồng thời.
Ngoài ra, còn có một dạng giảm chấn chủ động khác áp dụng điều khiển khí
động học chủ động nhằm giảm dao động của gió cho các công trình cầu và nhà cao tầng. Việc thêm vào các cách điều khiển cơ học cũng có tác dụng rất lớn trong việc
điều khiển dao động tròng trành của dầm cầu dưới tác dụng của gió hoặc nước. Hiện nay Viện Nghiên Cứu về xây cơ bản của trường Đại học kĩ thuật Sydney cũng sắp hoàn thành dự án vềđiều khiển tựđộng dao động công trình bằng thiết bị giảm chấn chủđộng.
3.3.2.1 Giảm chấn chủđộng không điều khiển (passive control)
bị giảm chấn được lấy từ chính năng lượng dao động của bản thân công trình. Năng lượng có thể được tiêu tán dưới dạng nhiệt năng của hiện tượng ma sát (friction damper), biến dạng dẻo của kim loại (buckling restrained brace, stiffened shear panel), tính cản nhớt (viscous/visco-elastic damper) hoặc độ cản thủy lực (oil damper). Có nhiều phương thức lắp đặt các thiết bị này trong công trình.
3.3.2.2 Giảm chấn chủđộng có điều khiển (active control)
Các thiết bị dạng này hoạt động được nhờ vào cấc nguồn năng lượng từ bên ngoài (điện, khí nén ....). Thông qua các cảm biến, thông tin về tải trọng, về dao
động của công trình được đưa về bộ xử lý trung tâm. Bộđiều khiển trung tâm sẽ xử
lý tín hiệu và phát lệnh cho bộ phận thi hành để thực hiện việc tăng độ cản hay phát lực điều khiển chống lại dao động, chẳng hạn như các hệ thống TMD (Tuned Mass Damper), LTD (Liquid Tuned Damper)...
Ngoài ra, người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn, cũng như đưa thêm khả năng chủ động vào hệ thống để tăng thêm hiệu quả
kháng chấn cho công trình. Do nhu cầu phát triển, càng ngày càng có nhiều giải pháp kháng chấn cho công trình dựa trên các thành tựu khoa học kỹ thuật mới. Mặc dù còn nhiều vấn đề phải giải quyết, song trong một tương lai không xa, thiết bị
kháng chấn sẽ được quan niệm như một bộ phận không thể thiếu được trong các
công trình cao tầng do lợi ích thiết thực và hiệu quả của chúng.
Như vậy, việc sử dụng các thiết bị trong thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng
được quan tâm rất nhiều ở các nước trên thế giới trong nhiều thập niên qua, ở Việt Nam vấn đề này ngày càng được các kỹ sư cũng như nhà nghiên cứu chú trọng nhiều hơn trong những năm gần đây. Vì lý do dân số và môi trường nên số lượng các công trình cao tầng đã tăng lên rất nhiều. Nếu như trước đây người ta chỉ nghĩ
tới việc làm sao tăng cường độ bê tông hay thép để thỏa mãn các điều kiện chịu lực thì xu thế trong những thập niên vừa qua người ta sử dụng các vật liệu nhẹ hơn, mảnh hơn để công trình xây dựng được cao hơn. Tuy nhiên khi các công trình ngày càng cao mà càng nhẹđi lại dẫn đến việc ảnh hưởng của tải trọng động tác dụng lên công trình càng tăng cao. Do vậy các thiết bị nhằm giảm các chấn động như gió hay
động đất cần phải được đưa vào sử dụng. Và từđây đã mở ra một chân trời nghiên cứu mới đáp ứng cho mục tiêu điều khiển dao động của kết cấu (Yao, 1972).
KẾT LUẬN
Trong chương 1, 2, 3 đã trình bày các vấn đề cơ bản về hệ kết cấu chịu lực cho nhà cao tầng, tổng quan về tải trọng động đất, đặc biệt là lý thuyết các phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất cùng với nội dung yêu cầu thiết kế kháng chấn, các biện pháp kháng chấn. Những nội dung này sẽ là cơ sở để nghiên cứu và tính toán cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng của động đất. Từ đó để tính toán và cấu tạo kháng chấn cho công trình theo lý thuyết tính toán kháng chấn.
CHƯƠNG IV: VÍ DỤ SỐ
4.1 Phân tích kết cấu nhà cao tầng chịu tác động của động đất 4.1.1 Thông tin công trình 4.1.1 Thông tin công trình
Tên công trình: CHUNG CƯ CAO CẤP PARCSPRING
Địa điểm: Đường Nguyễn Duy Trinh, Phường Bình Trưng Đông, Quận 2, TP. HCM
Hình 4.1 Vị trí công trình PARCSpring Quy mô công trình:
Diện tích khu đất: 6730 (m2). Diện tích xây dựng khối đế: 1533 (m2). Tổng diện tích sàn xây dựng: 18764 (m2). Số tầng cao: 1 tầng hầm + 17 tầng + 1 tầng mái. Chiều cao công trình: 62.8 (m). Thời gian hoàn thành: năm 2014. Đơn vị chủ đầu tư: CapitaLand.
Chung cư PARCSPRING tọa lạc tại trung tâm Quận 2, sát khu đô thị mới Thủ Thiêm là trung tâm hành chính tương lai của TP. HCM. Các tuyến đường từ
trung tâm Quận 1 kết nối đến dự án hiện đã được hoàn tất nhưđại lộ Võ Văn Kiệt, hầm Thủ Thiêm, đại lộ Mai Chí Thọ, đường Nguyễn Duy Trinh.
Hình 4.2 Mô hình 3D công trình
Bảng 4.1 Tổng hợp Mode dao động của công trình
TABLE: Modal Participating Mass Ratios
Case Mode Period UX UY RZ
sec Modal 1 2.173 0.144 0.439 0.056 Modal 2 2.154 0.004 0.094 0.539 Modal 3 2.066 0.474 0.112 0.041 Modal 4 0.634 0.000 0.000 0.108 Modal 5 0.556 0.014 0.128 0.000 Modal 6 0.503 0.130 0.015 0.001 Modal 7 0.326 0.000 0.000 0.044 Modal 8 0.252 0.004 0.052 0.000 Modal 9 0.219 0.056 0.004 0.000 Modal 10 0.207 0.000 0.000 0.023 Modal 11 0.150 0.002 0.028 0.000 Modal 12 0.149 0.000 0.000 0.015
Hình 4.3 Dạng dao động của công trình theo Mode 1
Hình 4.4 Dạng dao động của công trình theo Mode 2
Học viên dùng trận động đất Kobe 1995 để tác động vào công trình.
Hình 4.6 Gia tốc đồ trận động đất Kobe
Bài toán được sử dụng phương pháp tích phân trực tiếp có xét đến tính phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu để phân tích kết cấu chịu động đất trong chương này dưới sự hỗ trợ của phần mềm ETABS.
Học viên sẽ phân tích 3 trường hợp với 3 giá trị PGA khác nhau trên nền số liệu gốc của trận động đất Kobe, với mục đích là xác định kết cấu công trình bị phá hoại, sụp
đổ tại giá trị PGA nào.
Bảng 4.2 Các trường hợp phân tích tính toán
λ 1 1.2 1.5
Hình 4.7 Đưa số liệu động đất vào trong mô hình
Hình 4.9 Định nghĩa khớp dẻo cho cột
4.1.2 Trường hợp 1: PGA = 12.58 m/s2
Hình 4.11 Biểu đồ chuyển vịđỉnh công trình (TH1)
Thời gian đầu của trận động đất công trình gần như không có chuyển vị, từ 7s trởđi chuyển vị đỉnh công trình bắt đầu xuất hiện và tăng dần. Công trình đạt chuyển vị đỉnh lớn nhất lúc 10.13s, Ux = 938 mm.
Hình 4.12 Phản ứng của kết cấu tại thời điểm chuyển vị lớn nhất t =10.13s (TH1)
Các cột của công trình bắt đầu hình thành khớp dẻo, các cột ở ngoài biên chịu tác
động nhiều nhất với giai đoạn làm việc của khớp dẻo Hinge state từ B đến C (Những chấm màu đỏ).
Hình 4.13 Chuyển vị khung trục F (TH1)
Bảng 4.3 Tình trạng làm việc của khớp dẻo ở các cột bị phá hoại (TH1) Story Frame/Wall Generated
Hinge M3 R3 Plastic Hinge State Hinge Status TANG 18 C20 C20H4 312.1384 0.001599 B to C LS to CP TANG 17 C2 C2H36 252.9546 0.003039 B to C LS to CP TANG 17 C3 C3H36 262.6026 0.002969 B to C LS to CP TANG 17 C20 C20H35 330.2758 0.002642 B to C LS to CP TANG 17 C20 C20H36 234.7569 0.005515 B to C LS to CP TANG 16 C3 C3H6 289.3175 0.001386 B to C LS to CP TANG 16 C20 C20H5 313.9423 0.006058 B to C LS to CP TANG 15 C3 C3H8 324.0582 0.001278 B to C LS to CP TANG 15 C20 C20H7 327.4075 0.004556 B to C LS to CP TANG 14 C2 C2H10 404.1 0.005013 B to C LS to CP TANG 14 C3 C3H10 481.4162 0.002484 B to C LS to CP TANG 14 C20 C20H9 643.5879 0.001057 B to C LS to CP TANG 13 C3 C3H12 493.6791 0.001346 B to C LS to CP TANG 13 C21 C21H11 748.5789 0.000765 B to C LS to CP TANG 12 C21 C21H13 545.3697 0.001599 B to C LS to CP TANG 12 C21 C21H14 468.5174 0.001034 B to C LS to CP TANG 11 C3 C3H16 660.8411 0.000857 B to C LS to CP TANG 10 C2 C2H18 480.9002 0.001659 B to C LS to CP TANG 10 C8 C8H18 390.3091 0.00262 B to C LS to CP TANG 10 C17 C17H18 390.3964 0.003128 B to C LS to CP TANG 9 C2 C2H20 619.398 0.002154 B to C LS to CP TANG 9 C3 C3H20 587.6265 0.00096 B to C LS to CP TANG 9 C8 C8H20 394.4596 0.002126 B to C LS to CP TANG 9 C17 C17H20 400.6289 0.002484 B to C LS to CP TANG 8 C2 C2H22 589.7784 0 B to C LS to CP TANG 8 C3 C3H22 517.4713 0 B to C LS to CP