6. Cấu trúc của Luận án
1.3. Bể nước trên các tòa nhà cao tầng và tác dụng giảm chấn
1.3.3. Phân loại hệ giảm chấn chất lỏng
Để ứng dụng được cơ chế giảm chấn chất lỏng một cách hiệu quả, có một số loại hệ giảm chấn chất lỏng đã được đề xuất trong hai thập kỷ vừa qua như trên hình 1.7.
Có nhiều loại hệ giảm chấn chất lỏng TLD khác nhau như trong Hình 1.7 được phân loại dựa trên cấu trúc của các ứng dụng, dựa trên hình dạng, độ sâu của chất lỏng và chức năng của chúng. Có phân loại như sau:
Bộ giảm chấn chất lỏng (TSDs) chủ yếu dựa vào sự va đập của chất lỏng khi cộng hưởng để hấp thụ và tiêu tán năng lượng rung động của kết cấu. Có hai loại TSDs:
- Hệ giảm chấn đáy phẳng - Hệ giảm chấn đáy dốc.
Trong hệ giảm chấn đáy phẳng được chia làm hai loại: một loại đáy phẳng sử dụng sóng nước nơng, một loại đáy phẳng sử dụng sóng nước sâu.
Bộ giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh (TLCDs) dựa trên chuyển động của cột chất lỏng trong một bình chứa có hình chữ U. Nó cho phép hạn chế các lực tác động lên kết cấu. Có nhiều loại cấu hình TLCD khác nhau:
- Bộ hấp thụ rung động cột chất lỏng (LCVA).
- Bộ giảm chấn cột lỏng được điều chỉnh kép (DTLCD). - Bộ giảm chấn cột lỏng điều chỉnh hỗn hợp (HTLCD). - Bộ giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh áp suất (PTLCD).
Hệ giảm chấn chất lỏng - Controllabe TLDs có thể điều khiển thường được điều chỉnh theo tần số tự nhiên đầu tiên của kết cấu và chỉ hiệu quả nếu tần số của lực tác dụng gần với tần số được điều chỉnh đó.
a) Hệ giảm chấn chất lỏng dạng đáy phẳng
Hệ giảm chấn chất lỏng dạng đáy phẳng được hình thành dựa trên nguyên tắc là sự hấp thụ năng lượng của chất lỏng ở mặt thoáng sẽ tạo ra dao động sóng và thay đổi đặc trưng động lực học kết cấu, mục tiêu tạo ra cộng hưởng để tiêu tán năng lượng kích động vào cơng trình (Fujino và cộng sự.,1988). Ngồi ra sự tiêu tán năng lượng trong kết cấu cịn thơng qua các cơ chế khác: Tiêu tán năng lượng do tính nhớt của chất lỏng, tiêu tán năng lượng do sóng vỡ, do tương tác chất lỏng và thành bể, do độ nhám đáy bể và một phần do dạng hình học của bể. TLD đáy phẳng thường có hình chữ nhật hay hình trịn và được lắp đặt ở trên tầng cao nhất của cơng trình dựa theo dạng dao động của tịa nhà và mục đích là kiểm sốt dao động. Hệ TLD đáy phẳng nói riêng và các hệ trong họ TLD nói chung được phân loại dựa vào độ cao của mực chất lỏng trên cơ sở lý thuyết sóng nước nơng. Theo đó TLD đáy phẳng có hai loại chính: Một loại dùng mực nước nông, một loại dùng mực nước sâu. [28], [29], [30], [31], [32]
Hình 1.8. Các hình dạng cơ bản của bể chứa chất lỏng đáy phẳng
Khi chiều cao của nước “ho” so với chiều dài của thùng nước theo hướng kích rung “L” (hay đường kính “D” nếu là bể trịn) nhỏ hơn 0,15 thì được phân loại như là loại nước nông, lớn hơn 0,15 thì được phân loại như là loại nước sâu.
Ngoài ra độ sâu của chất lỏng trong bể chứa có thể nơng hoặc sâu tùy thuộc tần số tự nhiên của kết cấu được kiểm soát.
TLD đáy phẳng có mực nước nơng sẽ tiêu tán năng lượng thơng qua cơ chế chuyển động của sóng ở bề mặt dẫn đến hiện tượng sóng vỡ. Hiện tượng sóng vỡ có thể xuất hiện trong q trình dao động khi biên độ của sóng lớn.
Đối với các TLD đáy phẳng có mực nước sâu thì các vách ngăn hoặc màn chắn thường được sử dụng để điều khiển dao động sóng. Do vậy sự tiêu tán năng lượng trong TLD đáy phẳng có mực nước sâu lại phụ thuộc vào cơ chế hoạt động của chất lỏng, vị trí các vách ngăn, kích thước và dạng vách ngăn.
Với TLD đáy phẳng có mực nước nơng, chiều cao chất lỏng trong bể thấp nên có tác dụng giảm dao động hiệu quả đối với các cơng trình chịu lực kích thích bên ngồi khơng lớn. Nhưng khi lực kích thích bên ngồi có một quy mơ lớn, do chiều cao chất lỏng trong bể thấp nên chất lỏng có tính chất ứng xử phi tuyến mạnh mẽ. Dẫn đến các lý thuyết phân tích tuyến tính khơng cịn áp dụng được nữa, gây khó khăn trong việc tìm ra lời giải nhằm tiên lượng chính xác chuyển vị của chất lỏng đặc biệt là ở mặt thoáng. Tuy nhiên trong trường hợp bể nước sâu thì quá trình chuyển động của nước vẫn được xem là tuyến tính cho một quy mơ lớn của lực kích thích.
Trong thực tế công cụ làm tiêu hao nguồn năng lượng thụ động của TLD đã đưa ra một vài ưu điểm so với các loại hệ thống giảm chấn khác như: Được áp dụng để kiểm soát các loại dao động khác nhau của hệ thống chuyển động đa cấp độ; Mỗi hệ thống có một tần số khác nhau đối với từng loại, thích hợp để sử dụng tạm thời, không hạn chế đối với những dao động vơ hướng; Tần số dao động riêng của TLD có thể được kiểm sốt bởi việc điều chỉnh độ sâu của chất lỏng và kích thước của bể chứa, nước ở trong bể chứa có thể được sử dụng cho mục đích sinh hoạt, cứu hỏa.
Cùng với những ưu điểm đã được đề cập ở trên, cũng có một vài nhược điểm trong hệ thống TLD. Nhược điểm lớn nhất của hệ thống TLD là một phần khối lượng nước lớn không tham gia vào việc làm mất tác dụng của chuyển động trong kết cấu. Điều này dẫn tới việc có một khối lượng thêm vào mà khơng đem lại lợi ích nào. Ngoài ra tỷ trọng của nước khiến bể nước cồng kềnh, vì thế địi hịi tăng thêm khoảng khơng chứa nó.
Những nhược điểm trên của hệ TLD đáy phẳng hiện tại đã được khắc phục và đạt tới hiệu quả giảm chấn tối ưu. Một vài phương pháp đã được đưa ra như: Lắp đặt TLD ở vị trí thích hợp; Dùng TLD đáy phẳng nước nơng để phá vỡ lớp sóng, bổ sung các hạt nổi gây cản trở chuyển động bề mặt sóng nước; Sử dụng lưới chìm và màn chắn; Sử dụng những tấm chắn (hay nắp đậy bể chứa); Tạo độ dốc cho bể chứa; Tăng độ nhám cho đáy bể bằng việc sử dụng đáy hình nêm; Sử dụng TLD dạng nón; Sử dụng một con lăn; Chèn cột chất lỏng.
b) Hệ giảm chấn chất lỏng dạng đáy dốc [27]
Hệ TLD đáy dốc đã sử dụng để khắc phục những hạn chế liên quan đến TLD đáy phẳng. Khái niệm này có nguồn gốc từ hiện tượng “bờ biển”. Vì một bãi biển dốc ln tiêu tan năng lượng hiệu quả, phần lớn các sóng biển bị tiêu tan dọc theo bờ biển, đặc biệt là do sóng vỡ. Các tính năng khác liên quan tới TLD đáy dốc là: Vì sự khuếch đại chiều cao sóng nước của bể đáy dốc lớn hơn so với bể đáy phẳng. Chuyển động sóng trong TLD đáy dốc cũng trở nên phi tuyến hơn TLD đáy phẳng. Với TLD đáy dốc, lực ngang lớn hơn có thể được tạo ra với khối lượng ít nước hơn. Hiện tượng đập cũng có thể giảm thiểu thơng qua TLD đáy dốc. TLD đáy dốc có hai dạng, dốc vát theo hình chữ V như hình 1.9a, hoặc dốc theo hình chữ W - hình 1.9b.
a) Dốc vát theo hình chữ V b) Dốc theo hình chữ W
Hình 1.9. Hệ giảm chấn chất lỏng dạng đáy dốc [27]
c) Hệ giảm chấn chất lỏng dạng cột (TLCDs) [27]
Hệ TLD dạng cột là một loại tiêu hao năng lượng của kết cấu bởi hoạt động kết hợp liên quan đến chuyển động của khối lượng chất lỏng trong ống, nơi mà lực khôi phục là do tác dụng trọng lực lên chất lỏng và hiệu ứng giảm chấn do mất áp
lực của nước do các lỗ được lắp đặt bên trong cột. Hệ thống giảm chấn TLCDs cung cấp một số ưu điểm so với các thiết bị giảm xóc khác, chẳng hạn như:
- TLCDs có thể lấy bất kỳ hình dạng tùy ý, nó có thể được gắn vào một kết cấu sẵn có một cách dễ dàng;
- Khơng giống như mơ hình tốn học, định nghĩa định lượng động lực học của TLCDs có thể được xây dựng.
- Có thể kiểm sốt khả năng giảm chấn của TLCDs thơng qua việc kiểm soát lỗ mở. Điều này cho phép chủ động kiểm soát khả năng giảm chấn của hệ TLCDs.
- Có thể điều chỉnh tần số của TLCDs bằng cách điều chỉnh chiều cao chất lỏng trong cột.
Hình 1.10. Hệ giảm chấn chất lỏng dạng cột [27]
d) Hệ giảm chấn chất lỏng dạng khối lượng lai [27]
Hệ giảm chấn chất lỏng sẽ tiêu hao nhiều năng lượng hơn khi sóng nước lớn hơn, điều này xảy ra khi TLD phải chịu một chuyển động biên độ lớn. Để sử dụng các đặc tính này, TLD được kết nối với một khối thứ cấp gắn với kết cấu chính thơng qua một hệ thống lị xo được thiết kế phù hợp. Hệ thống này được gọi là TLD khối lượng lai vì có cả khối thứ cấp và van điều tiết chất lỏng.
Hình 1.11.Van giảm chấn chất lỏng hỗn hợp (lai) [33]
s Cs
Ux..
TLD
e) Hệ TLD chủ động [27]
Đây là một thiết bị kiểm soát chủ động, TLD thường được điều chỉnh theo một tần số cụ thể (tần suất dao động tự nhiên đầu tiên của kết cấu). Vì vậy sẽ chỉ hiệu quả khi tần số của lực tác dụng gần với tần số điều chỉnh. Nhưng trên thực tế, các lực tác dụng vào kết cấu thường được chia ra thành một dải các tần số. Điều này làm giảm bớt hiệu quả các van điều tiết của bộ giảm chấn. Để nâng cao hiệu quả của bộ giảm chấn dưới tác động của lực kích rung đa tần số, một thiết bị kiểm soát chủ động và bán chủ động được nghiên cứu.
Hệ TLD điều khiển được khác so với các hệ khác trong họ TLD ở điểm: Hệ sử dụng các thiết bị điện tử trong bộ giảm chấn để đo các lực kích động, từ đó gửi tín hiệu tới các hệ khởi động. Hệ này sẽ ứng sử sao cho kết cấu dao động theo phương mong muốn và chống lại lực kích động (gió hay động đất), có tác dụng kháng chấn cho cơng trình.
Nhận xét:
Qua việc phân tích các loại hệ giảm chấn trong họ TLD ở trên, nhận thấy rằng đối với nhà cao tầng, TLD đáy phẳng là phù hợp bởi những lí do sau:
(1) Hệ TLD đáy phẳng là một hệ dạng bị động, chủ yếu dựa vào dao động của chất lỏng trong bể khi chịu tải trọng ngang để giảm chấn cho kết cấu.
(2) Bể chứa nước là một dạng của bể chứa chất lỏng, phù hợp với công năng của nhà cao tầng, thường lắp đặt ở trên tầng mái nên không làm ảnh hưởng đến mỹ quan kiến trúc của cơng trình.
(3) Chi phí lắp đặt và thi cơng hệ TLD đáy phẳng khá đơn giản, không tốn kém như những hệ giảm chấn khác, phù hợp với điều kiện công nghệ xây dựng ở Việt Nam.