6. Cấu trúc của Luận án
1.2. Biện pháp giảm dao động cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất
Vấn đề thiết kế kháng chấn cho kết cấu được quan tâm rất nhiều ở các nước trên thế giới trong nhiều thập niên qua. Ở Việt Nam, vấn đề này ngày được nghiên cứu chú trọng nhiều hơn trong những năm gần đây. Nếu như trước đây người ta chỉ nghĩ đến việc tăng tiết diện, cường độ bê tông hay hàm lượng cốt thép để thỏa mãn yêu cầu chịu lực thì xu thế trong những thập niên vừa qua người ta sử dụng các vật liệu nhẹ hơn, mảnh hơn để làm giảm tải trọng bản thân, giảm tải trọng ngang để cơng trình xây dựng được cao hơn. Tuy nhiên các cơng trình càng cao, độ mảnh càng lớn thì ảnh hưởng của tải trọng động tác dụng lên cơng trình càng tăng cao. Do vậy các thiết bị nhằm giảm chấn do tác động của gió và động đất cần được nghiên cứu và đưa vào sử dụng cho hệ kết cấu của tòa nhà cao tầng.
Dựa trên các thành tựu khoa học kỹ thuật của nhiều ngành khác nhau như vật liệu, năng lượng, cơ điện tử, cơ học, điều khiển học...v.v. Khá nhiều giải pháp chống dao động đã được nghiên cứu và phát triển. Mặt khác quá trình dao động của cơng trình là một q trình tích lũy, chuyển hóa và tiêu tán năng lượng do các tác động bên ngoài cũng như do các nguyên nhân bên trong cơng trình gây ra. Vấn đề đặt ra là cần can thiệp như thế nào vào q trình biến đổi năng lượng đó để có thể khống chế dao động của cơng trình trong giới hạn cho phép. Từ đó các giải pháp chống dao động cho cơng trình ra đời cùng với các thiết bị hoạt động với cơ chế khác nhau. [17], [18]
1.2.1. Giảm chấn theo cơ chế hoạt động
Về mặt năng lượng cung cấp cho các thiết bị giảm chấn động có thể phân thành 3 cơ chế hoạt động khác nhau: Cơ chế bị động; Cơ chế chủ động; Cơ chế bán chủ động 1.2.1.1. Thiết bị giảm chấn bị động (passive damper)
Là thiết bị giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của chúng được lấy từ chính năng lượng dao động của bản thân cơng trình, khơng cần bất kỳ một nguồn năng lượng nào từ bên ngoài. Do mong muốn lợi dụng khả năng tiêu tán năng lượng, các loại thiết bị giảm chấn này thường được cấu tạo từ những vật liệu có khả năng nội ma sát lớn, hoặc từ những bộ phận phát sinh ma sát. Ma sát ở đây được hiểu là ma sát Coulomb hoặc cản nhớt. Trong q trình dao động của cơng trình, các bộ phận của thiết bị được gắn vào cơng trình sẽ chuyển động tương đối với nhau tạo ra ma sát và sinh năng lượng. Các dạng thiết bị này đã được ứng dụng tương đối rộng rãi từ khá lâu như hệ giảm chấn khối lượng TMD, giảm chấn chất lỏng TLD, MD... [19]
1.2.1.2. Thiết bị giảm chấn chủ động (Active damper)
điện, khí nén.... Thơng qua các cảm biến, các thông tin về tải trọng, về dao động của cơng trình được đưa về bộ xử lý trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý tín hiệu và phát lệnh cho bộ phận chấp hành để khởi phát lực điều khiển chống dao động. Nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của các ngành tin học, cơ điện tử, điều khiển học.... Các thiết bị giảm chấn chủ động có độ nhạy cảm cao hơn, hiệu quả giảm chấn tốt hơn. Song cũng kèm theo những yêu cầu cao hơn cho việc chế tạo và bảo dưỡng các thiết bị cảm biến, động cơ, trung tâm điều khiển. [19]
1.2.1.3. Thiết bị giảm chấn bán chủ động (Semi - active damper)
Là một giải pháp chống dao động tương đối mới. Trong đó thiết bị đóng vai trị điều tiết tác động bên ngồi lên cơng trình. Một số thí dụ về dạng thiết bị này là thiết bị cản gió có điều khiển, tùy theo chiều cao cơng trình so với hướng gió thổi mà thiết bị sẽ điều khiển đóng mở các cánh đón gió để tạo ra lực đối kháng thích hợp. Nguồn năng lượng bên ngồi khơng tạo ra trực tiếp lực đối kháng dao động của cơng trình, mà chỉ dùng để cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động đóng mở. [19]
Tổng hợp các thiết bị giảm chấn theo cơ chế hoạt động được trình bày như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Bảng tổng hợp các thiết bị giảm chấn theo cơ chế hoạt động [20]
Cơ chế hoạt động Phương thức giảm chấn Tên thiết bị
Thiết bị giảm chấn bị động (passive
damper)
Bổ sung các vật liệu có đặc tính tiêu hao năng lượng, làm tăng tỷ lệ giảm chấn cho kết cấu
SD, SJD, LD, FD, VED, VD, OD Thêm hệ thống khối lượng phụ trợ
để tăng mức độ giảm chấn TMD, TLD
Thiết bị giảm chấn chủ động (Active
damper)
Tạo ra lực điều khiển bằng cách sử dụng hiệu ứng quán tính để giảm thiểu phản ứng của kết cấu.
AMD, AGS, AVS Tạo ra lực điều khiển khí động học
để giảm hệ số lực hoặc giảm thiểu phản ứng cho kết cấu. Rotorjet, Aerodynamic Appendages Thiết bị giảm chấn bán chủ động (Semi - active damper)
Không thể đưa năng lượng cơ học vào hệ thống kết cấu được điều khiển (nghĩa là bao gồm cả kết cấu và thiết bị điều khiển), nhưng có các đặc tính có thể được điều khiển trong thời gian thực để giảm thiểu phản ứng của hệ thống một cách tối ưu.
VOD, VFD, Controllable TLD, Controllable Fluid Damper (employing Electro Rheological & Magneto Rheological fluid), Semi active Impact Dampers
SD: Giảm chấm thép, SJD: Giảm chấn nối thép, LD: Giảm chấn dẫn hướng, FD: Giảm chấn ma sát, VED: Giảm chấn đàn hồi - nhớt, VD: Giảm chấn nhớt, OD: Giảm chấn dầu, TMD: Giảm chấn khối lượng, TLD: Giảm chấn chất lỏng; AMD: Giảm chấn dùng khối lượng kiểu chủ động, AGS: Active Gyro Stabilizer (giảm chấn dạng con quay), AVS: Tác động thay đổi độ cứng - Active Variable Stiffness, VOD: Bộ giảm chấn có thể thay đổi - Variable Orifice Damper, VFD: Giảm chấn ma sát thay đổi - Variable Friction Damper.
Hình 1.1. Sơ đồ phân loại hệ giảm chấn theo cơ chế hoạt động
Cùng với một số ưu điểm, tất cả các thiết bị này đều có một số hạn chế và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, việc sử dụng Bộ giảm chấn chất lỏng (TLD), đang được áp dụng rộng rãi như một phương pháp phù hợp để kiểm soát dao động cho kết cấu. [20]
1.2.2. Giảm chấn theo các giải pháp giảm dao động
Xem xét theo các giải pháp giảm dao động, ta có thể phân loại gồm hai giải pháp: giải pháp cách chấn và giải pháp giảm chấn.
1.2.2.1. Giải pháp cách chấn
Do chấn động lan truyền trong nền cơng trình, nên phương cách hay nhất để giảm dao động là cách ly cơng trình với móng. Vì khơng thể hồn tồn cách ly được
cơng trình khỏi nền móng nên người ta bố trí thiết bị cách chấn giữa cơng trình và nền móng. Thiết bị này có độ cứng tương đối nhỏ nên khi nền dao động thiết bị có biến dạng lớn, cơng trình bên trên nhờ có qn tính lớn nên chỉ chịu một dao động nhỏ. Do cách ly cơng trình với móng nên giải pháp này ít dùng cho nhà nhiều tầng vì sẽ rất dễ gây lật, chỉ dùng cho cơng trình thấp tầng có tầm quan trọng ví như: Nhà máy điện hạt nhân, bảo tàng...v.v. [21]
a) Hệ thống cách ly cơng trình với nền b) Cấu tạo gối cách ly Hình 1.2.Thiết kế cách ly cơng trình với nền bởi thiết bị gối liên kết [21]
a) Cơng trình thơng thường b) Cơng trình cách ly với nền
Hình 1.3. Sự làm việc của kết cấu dưới tác động của động đất khi liên kết cứng với nền và khi cách ly với nền [21]
1.2.2.2. Giải pháp giảm chấn
Đối với nhà cao tầng, trong trường hợp động đất, gió tác dụng lên cơng trình, năng lượng dao động sẽ được truyền vào cơng trình mà khơng có khả năng cách ly. Do vậy hoặc phải tăng cường độ cứng của cơng trình để giảm dao động và nhờ độ cản của bản thân cơng trình để giải phóng năng lượng dao động này hoặc bố trí các thiết bị giảm chấn bị động; chủ động hay bán chủ động để làm tăng độ cản, hay phát sinh lực điều khiển hạn chế lại dao động do tải trọng ngồi gây ra cho cơng trình. Các hệ thống giảm chấn chính được đề xuất bao gồm: Hệ giảm chấn khối lượng
(TMD), hệ giảm chấn chất lỏng (TLD).
Hệ thống giảm chấn khối lượng TMD là phương pháp dùng khối lượng phần phụ đặt theo phương ngang, hoặc con lắc đơn đặt theo phương đứng (Hình 1.4), hệ giảm chấn chất lỏng (hình 1.5). [22]
+) Hệ giảm chấn khối lượng TMD
a. Hệ “Con lắc thép khổng lồ” cho cơng trình Shinjuku
b. Quả cầu thép 730 tấn của tòa nhà Taipei 101, Đài Loan
Hình 1.4. Hệ giảm chấn khối lượng TMD áp dung cho cơng trình nhà nhiều tầng [22]
+) Hệ giảm chấn chất lỏng TLD
Hình 1.5. Hệ giảm chấn chất lỏng TLD lặp đặt cho kết cấu nhà nhiều tầng [23] Hệ TMD được tương tác với cơng trình thơng qua các thơng số như khối lượng phần phụ (m), độ cứng của lị xo và độ cản hệ pít tơng, sao cho dao động của khối lượng phần phụ luôn cùng tần số nhưng ngược pha với dao động của cơng trình. Điều kiện này ln thỏa mãn khi áp dụng kết hợp với giải pháp điều khiển chủ động. Công nghệ này khá phức tạp, khó phổ biến trong điều kiện Việt Nam.
Tùy theo yêu cầu giảm dao động cho kết cấu dưới tác động động học khác nhau mà linh hoạt áp dụng các loại thiết bị điều khiển dao động kể trên cho phù
hợp. Tuy nhiên liên quan đến yếu tố kinh tế, giá thành khi lắp đặt các hệ thống và cả yếu tố linh hoạt có thể thay đổi khi các yếu tố tác động thay đổi như gió; động đất, mà luận án tập trung nghiên cứu loại thiết bị giảm chấn kiểu bị động dùng chất lỏng (gọi tắt là TLD) - cụ thể là nghiên cứu ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn cho nhà cao tầng. Do đó nội dung luận án sẽ đi nghiên cứu hệ giảm chấn chất lỏng TLD để khẳng định tính ưu việt và khả năng áp dụng cho các cơng trình nhà dân dụng nói chung và nhà cao tầng nói riêng tại Việt Nam.