6. Cấu trúc của Luận án
1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng
1.4.2. Tình hình ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng
Hầu hết hệ giảm chấn chất lỏng được nghiên cứu và ứng dụng cho các cơng trình xây dựng và chủ yếu là cơng trình dân dụng với một số cơng trình dân dụng lớn điển hình được áp dụng. Khả năng áp dụng của hệ giảm chấn có thể thấy rõ hơn thơng qua việc phân tích một số cơng trình thực tế đã được lắp đặt hệ giảm chấn chất lỏng nhằm giảm dao động cho kết cấu dưới tác dụng của tải trọng.
- Tòa nhà Gold Tower tại thành phố Udatsu Nhật Bản [76]
Các cơng trình có sử dụng TLD như thiết bị giảm chấn đã được xây dựng rất sớm ở Nhật Bản, ví dụ điển hình là tịa nhà Gold Tower thành phố Udatsu sử dụng TLD có tên MCC Aqua Damper (Hình 1. 12) là bể chứa nước dạng khối với các 6 màn ngăn bằng thép được bố trí dọc theo dịng chảy chất lỏng bên trong bể. Cụ thể Gold Tower dùng 16-TLD nặng 9.6 tấn có tần số 0.42 Hz ở tầng mái (cao độ 136 m) với tổng khối lượng chất lỏng xấp xỉ 1% khối lượng của tồn bộ cơng trình. Sau khi ứng dụng thiết bị kháng chấn trên vào cơng trình thì phản ứng của kết cấu trước tác dụng của tải trọng động giảm khoảng 50-60% so với khi không sử dụng thiết bị TLD.
Hình 1.12.Thiết bị MCC Aqua Damper ở tòa nhà Gold Tower [76] - Tòa nhà Comcast Building tại Mỹ
Ở Bắc Mỹ, nơi thường xun có động đất thì tồ nhà Comcast Building (Hình 1. 13) tại bang Pennsylvania cao 305 m hồn thành năm 2008 có sử dụng bể nước mái lớn đến 300.000 gallons (1.135.600 lít) được dùng như thiết bị giảm chấn. Kích thước rất lớn của bể nước này địi hỏi việc nghiên cứu tính tốn cẩn thận cho kết cấu thành bể khi sóng chất lỏng dao động trong quá trình làm việc của TLD. Tổng mức đầu tư cho hệ thống giảm chấn này vào khoảng 2 triệu USD. [77]
Hình 1.13. Tồ nhà Comcast với TLD có 1.1 triệu lít nước [77] - Khách sạn Shin - Yokohama Prince - Nhật Bản (SYPH) [2]
Khách sạn được xây dựng năm 1992 tại một vị trí gần với nhà ga Shin - Yokohama của tuyến đường mới Tokaido (Shinkansen). Tòa nhà là một cấu trúc hình trụ trịn với chiều cao 149m và đường kính 38.2m. Khối lượng tổng quát của tòa nhà là MS1 = 10.5106 kg.
Hệ giảm chấn chất lỏng được lắp đặt tại tòa nhà năm 1992 với 30 TLD có bình chứa hình trụ trịn đường kính 2m và chiều cao gần 2m. Mỗi bình lại được chia thành 9 lớp, mỗi lớp 0.22m. Mỗi lớp chỉ bao gồm chất lỏng nhưng có 12 vách chắn để ngăn chuyển động xoáy và để thiết lập thêm các năng lượng phân tán trong bình. Một chuỗi các thí nghiệm đã được tiến hành để xác định số bình và tần số văng té của chất lỏng trong bình. Chiều sâu chất lỏng trong mỗi lớp là 0.124m được điều chỉnh để có được tần số của hệ sát với tần số tự nhiên thấp nhất của tòa nhà. Tổng khối lượng nước là 101.7103 kg, bằng 1% khối lượng tổng quát của tòa nhà. Tỷ số cản của giảm chấn D đượctính tốn bởi mơ hình TLD được xem như là TMD
tương đương để tối ưu hóa trong dải gia tốc 0.02 - 0.03 m/s2.
Hiệu quả của TLD được thể hiện bằng việc so sánh về biên độ và giá trị bình phương tối thiểu của gia tốc. TLD có thể làm giảm dao động của kết cấu với giá trị bình phương tối thiểu của gia tốc khi tốc độ gió lớn hơn 25m/s tới 50%. Các đặc trưng thông thường của TLD với chất lỏng là chuyển động trở nên có hiêu quả hơn khi tốc độ gió lớn. Điều này có thể được giải thích rằng khả năng phân tán năng lượng của chất lỏng tại biên độ thấp duy trì khơng đủ, nhưng chúng tăng theo biên
độ, do vậy trở nên tiến sát tới giá trị tối ưu.
Hình 1.14. Thiết bị TLD ở Shin Yokohama Tower [2] - Tháp cầu Bãi Cháy Việt Nam [71]
Với cơng trình cầu, việc áp dụng giảm chấn chất lỏng là chưa nhiều; các cơng trình được biết đến một cách điển hình trên thế giới và tại Việt Nam như cầu Sakitama - Nhật Bản (lắp đặt năm 1991) và cầu Bãi Cháy - Việt Nam (lắp đặt năm 2006).
Việc áp dụng hệ giảm chấn chất lỏng tại cầu Bãi Cháy - Quảng Ninh - Việt Nam từ năm 2006 đã đặt nền tảng cho các kỹ sữ, nhà khoa học Việt Nam trong các nghiên cứu sau này. Hệ giảm chấn chất lỏng lắp đặt tại cầu Bãi Cháy bao gồm 344 thùng có chiều dài 1400mm và chiều rộng thay đổi 300, 400, và 500mm được phân bổ cho 2 tháp. Các thùng này được đổ cùng một lượng chất lỏng (cùng chiều sâu chất lỏng như nhau) và được bố trí dọc theo chiều cao tháp. Hiệu quả của hệ này đã giảm chuyển vị đỉnh tháp xuống ½ giá trị lớn nhất dưới tác động của gió.
Hình 1.15. Cầu Bãi Cháy với hệ MTLD [71] - Tòa nhà Gama ở Indonesia
Ngày nay TLD đã phổ biến và được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới kể cả ở những nước đang phát triển như Indonesia với toà nhà Gama tower ở Jakarta chiều cao 310 m (69 tầng) như Hình1. 23 đã hồn thành và đưa vào sử dụng năm 2016.
Hình 1.16. Tồ nhà Gama với mơ hình TLD thí nghiệm
Qua những phân tích trên, rõ ràng có thể thấy rằng việc ứng dụng hệ giảm chấn dùng chất lỏng (TLD) ở nước ta hiện nay cịn ít, chủ yếu là nghiên cứu cơ bản và xác định hiệu quả, số ít các cơng trình thực tế áp dụng ở các dự án lại thường được thực hiện do các kỹ sư nước ngoài thiết kế. Các kỹ sư trong nước ít được tiếp cận hoặc chưa được đầu tư nghiên cứu nên hiểu biết trong tính tốn thiết kế, bố trí, lắp đặt và lựa chọn là chưa nhiều.
Mặt khác ở hầu hết các nghiên cứu chưa giúp người kỹ sư thiết kế kết cấu nhà cao tầng có một cái nhìn tổng quan khi muốn xét đến mức độ giảm chấn của bể chứa nước - hệ TLD đối với tòa nhà dưới tác động của tải trọng ngang. Vì vậy nội dung nghiên cứu chính của luận án sẽ làm rõ và đưa ra một kết quả tối ưu từ một mơ hình đề xuất, giúp kỹ sư thiết kế có một tài liệu tham khảo khi xét đến mức độ giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng dưới ảnh hưởng dao động của sóng nước trong bể chứa.