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 tịa 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 thông 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.
1.3. Bể nước trên các tòa nhà cao tầng và tác dụng giảm chấn
1.3.1. Vai trò của bể nước đối với tòa nhà cao tầng
Đối với nhà cao tầng, vấn đề thiết kế hệ thống bể chứa cung cấp nước cho tịa nhà có vai trị quan trọng. Hệ thống này thường được bố trí tại tầng mái của tịa nhà, hoặc đối với một số tịa nhà có chiều cao lớn thì hệ thống bể chứa nước sẽ được phân bố đặt thêm tại các tầng kỹ thuật của tòa nhà để đảm bảo điệu kiện áp lực nước đủ cung cấp cho tồn bộ các vị trí trên tịa nhà.
Thơng thường bể nước trên tịa nhà cao tầng được thiết kế với các mục đích như sau: Thứ nhất để đảm bảo đủ cung cấp nước phục vụ sinh hoạt của tòa nhà; thứ hai để cung cấp nước cho việc phòng cháy chữa cháy khi xảy ra hỏa hoạn, cháy nổ trên tịa nhà; thứ ba có thể sử dụng bể chứa nước trên tầng mái làm bể bơi phục vụ cho mục đích vui chơi, giải trí và một phần tăng thêm giá trị về mặt cảnh quan của tòa nhà cao tầng.
Tòa nhà One Rincon Hill với bể nước mái
Cơng trình The Vista cao 100 tầng với 6 bể chứa nước.
Hình 1.6. Hình ảnh vị trí đặt bể chứa nước trên tòa nhà cao tầng
tốn thiết kế nhà cao tầng thì bể chứa nước được coi như là một tải trọng tĩnh tác dụng lên cơng trình. Do đó để tăng khả năng chịu lực của kết cấu cũng như khả
năng giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng. Từ các kết quả nghiên cứu đã có về việc sử dụng bể chứa nước trên tòa nhà làm hệ giảm chấn chất lỏng (Tuned Liquid Damper - TLD), nội dung luận án đề xuất nghiên cứu sử dụng bể chứa nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất.
Bể chứa nước để phục vụ cho mục đích giảm chấn được thiết kế tách riêng với các bể phục vụ cung cấp nước cho sinh hoạt, phòng cháy chữa cháy, hoặc làm bể bơi, nhằm mục đích ln duy trì được lượng nước tối ưu nhất với mục đích giảm chấn cho kết cấu.
1.3.2. Khái niệm hệ giảm chấn chất lỏng
Hệ giảm chấn chất lỏng là một dạng thiết bị điều khiển dao động kiểu bị động - gọi tắt là TLD (Tuned liquid damper). Hệ thiết bị này có thể giảm các tác động động lực học như động đất, gió bão hay hoạt tải khi làm tăng đặc tính cản cho kết cấu. Hệ giảm chấn này có khả năng làm tiêu tan một phần năng lượng giải phóng của kết cấu khi chịu tải trọng động. Hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) thể hiện rất có hiệu quả và là cơng nghệ đơn giản để tăng tính cản cho kết cấu.
Hệ giảm chấn chất lỏng gồm các bể chứa chất lỏng với chiều dài, chiều rộng bể chứa và chiều sâu chất lỏng tính tốn phù hợp với việc tăng tính cản tương đương cần thiết cho kết cấu. TLD có thể đáp ứng tốt dưới tác động của các dao động ở mức thấp, còn ứng xử của chúng với các dao động lớn hơn là khá phức tạp. Đặc biệt khi có sự xuất hiện của bề mặt sóng vỡ, hiệu quả của TLD sẽ giảm đi đáng kể. Vậy bể chứa nước là một trường hợp của hệ giảm chấn chất lỏng với chất lỏng sử dụng trong bể là nước có độ nhớt bằng không. [24], [25], [26].
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 nơng, một loại dùng mực nước sâu. [28], [29], [30], [31], [32]