P HƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN TRựC TIếP PHƯƠNG TRÌNH CHUYểN ĐộNG
Phản ứng của các hệ kết cấu chịu tác động bất kỳ hoặc động đất có thể xác
Phương pháp tích phân trực tiếp cho phép xác định 35 định bằng cách phân tích phương trình chuyển động theo thời gian mà không cần biến đổi chúng sang hệ có một hoặc nhiều bậc tự do, như trong phương pháp phân tích dạng dao động.
Các phương pháp tích phân trực tiếp theo thời gian nhằm xác định giá trị gần đúng của nghiệm cho một tập hợp các giá trị thời gian t đã chọn Nguyên tắc chính của các phương pháp này là giả định các hàm mô tả sự biến thiên của chuyển vị, vận tốc và gia tốc trong một khoảng thời gian nhất định, với các phương trình chuyển động chỉ thỏa mãn trong khoảng thời gian không đổi t, được gọi là bước thời gian Tại mỗi bước thời gian, phương trình chuyển động được giải với các điều kiện ban đầu là chuyển vị và vận tốc từ bước trước Quá trình tính toán diễn ra tuần tự cho tất cả các bước, và độ chính xác, tính ổn định của nghiệm cùng thời gian tính toán phụ thuộc vào độ dài bước thời gian và lựa chọn hàm số mô tả sự biến thiên.
Phương pháp tích phân trực tiếp theo thời gian là một kỹ thuật linh hoạt có thể áp dụng cho cả hệ kết cấu tuyến tính và phi tuyến Đây được coi là phương pháp tổng quát duy nhất để tính toán phản ứng động của các hệ kết cấu dưới tác động của tải trọng bất kỳ.
Các bước tính toán có thể tóm lược như sau:
− Thiết lập phương trình lượng gia chuyển động của hệ kết cấu
− Tích phân phương trình lượng gia chuyển động bằng một trong các phương pháp tích phân số.
− Xác định các lượng gia chuyển vị, vận tốc và gia tốc ở bước thời gian đang xét.
Để xác định chuyển vị, vận tốc và gia tốc tại thời điểm cuối của bước thời gian đang xem xét, cần dựa vào các điều kiện ban đầu của bài toán hoặc các kết quả tính toán thu được từ bước thời gian trước đó.
− Xác định trạng thái ứng suất với chuyển vị toàn phần ở cuối thời gian.
Dựa trên các vector chuyển vị và tốc độ tại cuối bước thời gian, chúng ta cần xác định lại các ma trận độ cứng tiếp tuyến và cản tiếp tuyến khi cần thiết.
− Lặp lại quá trình tính toán ở trên cho tất cả các bước tính toán.
P HƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐẩY DầN (P USHOVER ANALYSIS )
Phương pháp này đặc trưng bởi quá trình biến dạng phi tuyến của kết cấu dưới tác động của một hàm lực ngang tăng dần, trong khi tải trọng đứng vẫn giữ nguyên Hàm lực ngang có thể được áp dụng dưới dạng lực hoặc chuyển vị ngang, mô phỏng các lực quán tính Độ lớn của lực này được gia tăng cho đến khi đạt được chuyển vị ngang mục tiêu tại nút kiểm tra hoặc lực cắt đáy mục tiêu tương ứng với cấp công năng của công trình Trong suốt quá trình này, biến dạng và nội lực của kết cấu được giám sát liên tục.
Phương pháp tính toán này giúp theo dõi quá trình chảy dẻo và phá hoại của các cấu kiện trong hệ kết cấu, đồng thời xác định sự phân bố chuyển vị ngang không đàn hồi trên chiều cao công trình Nó cũng mô tả cách thức sụp đổ của hệ kết cấu, trong khi khả năng chịu lực và độ dẻo cần thiết ở chuyển vị mục tiêu được sử dụng để kiểm tra tính chính xác trong thiết kế Đường cong khả năng, thể hiện mối quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị ngang tại cao trình mái, là công cụ quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của kết cấu.
P HƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐẩY DầN ĐộNG
Phương pháp tính toán đẩy dần động giúp xác định khả năng chịu lực và biến dạng của hệ kết cấu trong điều kiện động đất Phương pháp này cung cấp cái nhìn liên tục về phản ứng của kết cấu từ giai đoạn làm việc đàn hồi đến chảy dẻo và cuối cùng là sụp đổ.
Phương pháp này cho phép mô hình kết cấu chịu tác động của nhiều địa chấn đồ đã được điều chỉnh, nhằm đạt được các cấp tác động khác nhau Qua nhiều lần phân tích động, phản ứng thu được sẽ được biểu diễn theo các cấp tác động của địa chấn đồ Các đường cong này, được gọi là đường cong đẩy dần động, cung cấp thông tin về trạng thái giới hạn của kết cấu ở tất cả các cấp tác động của động đất.
L ựA CHọN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
Phương pháp tích phân trực tiếp cho hệ kết cấu không đàn hồi là phương pháp chính xác nhất, xét đến tính chất không đàn hồi và phi tuyến hình học Tuy nhiên, nó phức tạp và tốn thời gian Ngược lại, phương pháp tĩnh lực ngang tương đương đơn giản nhưng độ chính xác kém, chỉ phù hợp cho các kết cấu đều đặn có chu kỳ ngắn Hiện nay, phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến (đẩy dần) đang được áp dụng rộng rãi trong các phòng thiết kế quốc tế.
37 Trong các tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất việc lựa chọn phương pháp tính toán thường dựa vào 2 tiêu chí sau:
− Mức độ phức tạp của kết cấu.
Bảng 2.1 Phương pháp tính toán động đất dựa vào mức độ phức tạp kết cấu
Các kết cấu nhỏ, đơn giản
Các kết cấu lớn và phức tạp dần
Các kết cấu lớn, phức tạp
− Tính đều đặn của công trình.
Bảng 2.2 Phương pháp tính toán động đất dựa vào tính đều đặn công trình
Loại kết cấu Đều đặn
C ÁC YÊU CầU CHUNG CHO THIếT Kế KHÁNG CHấN
Mục tiêu thiết kế và cách thức đạt được mục tiêu thiết kế
Chất lượng công trình phụ thuộc vào các yếu tố có thể kiểm soát như hình dạng, phương pháp tính toán, cấu tạo các bộ phận kết cấu, và chất lượng thi công, do đó có độ tin cậy cao Ngược lại, cường độ nền đất lại có độ tin cậy thấp hơn nhiều.
Quan điểm thiết kế kháng chấn hiện nay tập trung vào việc chấp nhận tính không chắc chắn của động đất, nhằm đảm bảo an toàn cho con người và hạn chế hư hỏng ở các công trình xây dựng Các công trình này cần có độ cứng, độ bền và độ dẻo phù hợp để bảo vệ sinh mạng, giảm thiểu thiệt hại và duy trì hoạt động của các công trình quan trọng trong trường hợp xảy ra động đất Mục tiêu chính là giảm thiểu xác suất hư hỏng ở các công trình khi có động đất trung bình và chấp nhận hư hại lớn nhưng không sụp đổ ở các kết cấu chịu lực trong các trận động đất mạnh Các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế, bao gồm TCVN 9386:2012, khuyến nghị phương pháp thứ hai cho các vùng động đất từ trung bình trở lên, trong khi phương pháp đầu tiên chỉ phù hợp với vùng động đất yếu Mặc dù có thể thiết kế công trình chịu được động đất mạnh mà không hư hỏng, nhưng điều này thường không kinh tế và hợp lý do tần suất xảy ra động đất mạnh rất thấp.
Các nguyên tắc cơ bản của thiết kế theo quan niệm hiện đại
Các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế kháng chấn công trình có thể trình bày dưới dạng các trạng thái giới hạn thiết kế kháng chấn (Bảng 2.1):
Bảng 3.1 Các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế kháng chấn Động đất a Trạng thái giới hạn làm việc:
Công trình cần đảm bảo khả năng chịu đựng các trận động đất yếu mà không gây hư hỏng cho kết cấu chịu lực và không chịu lực, đồng thời vẫn duy trì hoạt động bình thường cho các thiết bị bên trong Điều này có nghĩa là trong suốt thời gian xảy ra động đất yếu, tất cả các bộ phận cấu trúc của công trình phải hoạt động trong giới hạn đàn hồi Bên cạnh đó, cần chú trọng đến trạng thái giới hạn cuối cùng hoặc trạng thái giới hạn kiểm soát hư hỏng để đảm bảo an toàn cho công trình.
Công trình được thiết kế để chịu đựng các trận động đất có cường độ vượt quá mức giới hạn làm việc mạnh trung bình, với các hư hỏng chỉ ở mức rất nhẹ và có thể dễ dàng sửa chữa.
Trong các công trình xây dựng, các bộ phận kết cấu chịu lực và không chịu lực đều có thể gặp phải tình trạng giới hạn sụp đổ hoặc tồn tại khi xảy ra động đất mạnh Hệ kết cấu chịu lực và thiết bị bên trong có thể bị hư hỏng nghiêm trọng, và trong một số trường hợp, những hư hỏng này có thể không thể sửa chữa được Tuy nhiên, công trình vẫn phải đảm bảo không bị sụp đổ.
Bảng 3.2 Các yêu cầu thiết kế công trình chịu động đất
Làm việc bình thường Kiểm soát hư hỏng
Thiết kế kháng chấn công trình chịu động đất theo TCVN 9386:2012 41
Trong tiêu chuẩn Quốc Gia TCVN 9386:2012 về "Thiết kế công trình chịu động đất", có hai yêu cầu cơ bản và hai tiêu chí tương hợp cần được tuân thủ.
Việc thiết kế công trình xây dựng chịu động đất được chia thành hai cấp độ, với mục tiêu chính là đảm bảo không xảy ra sụp đổ Mục tiêu này nhằm bảo vệ sinh mạng con người khi có động đất, bằng cách ngăn chặn sự sụp đổ toàn bộ hoặc một phần của kết cấu Công trình cần duy trì tính nguyên vẹn và khả năng chịu tải sau khi trải qua những biến dạng nhất định, đồng thời vẫn giữ được khả năng chịu tải trọng đứng, độ bền ngang và độ cứng cần thiết để bảo vệ an toàn cho con người.
Trong trường hợp xảy ra dư chấn mạnh từ động đất, việc sửa chữa các công trình có thể không mang lại hiệu quả kinh tế Để hạn chế hư hỏng, cần giảm thiểu thiệt hại tài sản bằng cách bảo vệ các bộ phận kết cấu chịu lực và không chịu lực Các cấu trúc và thành phần của chúng cần được duy trì độ cứng và độ bền, tránh biến dạng ngang dư, từ đó không cần sửa chữa sau động đất Mặc dù các cấu kiện không chịu tải có thể bị hư hỏng, nhưng việc sửa chữa chúng vẫn có thể thực hiện một cách dễ dàng và kinh tế Hai cấp công năng tương ứng với hai trạng thái giới hạn được xác định bởi hai cấp tác động động đất, trong đó tác động động đất thiết kế ngăn ngừa sụp đổ và tác động động đất làm việc hạn chế hư hỏng Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 quy định áp dụng cho các công trình xây dựng thông thường với hệ số tầm quan trọng γ1 = 1,0.
− Tác động động đất thiết kế là tác động động đất có xác suất vượt quá 10% trong 50 năm (chu kỳ lặp trung bình 475 năm);
− Tác động động đất làm việc là tác động động đất có xác suất vượt quá 10% trong 10 năm (chu kỳ lặp trung bình 95 năm).
Tác động của động đất đối với các công trình thông thường được xác định qua động đất quy ước, với chu kỳ lặp trung bình được gọi là chu kỳ lặp quy ước.
Tác động động đất quy ước được xác định dựa trên đỉnh gia tốc nền quy ước agR trên nền loại A Đối với các công trình có tầm quan trọng khác nhau, tác động động đất có thể được điều chỉnh bằng cách nhân với hệ số γ I, lớn hơn 1,0 cho công trình quan trọng hơn và nhỏ hơn 1,0 cho công trình ít quan trọng hơn Điều này dẫn đến việc kéo dài hoặc rút ngắn chu kỳ lặp động đất so với chu kỳ quy ước Gia tốc nền thiết kế để xác định tác động động đất cho các công trình quan trọng khác thường là ag = γ1agR trên nền đất loại A Đối với cấp công năng hạn chế hư hỏng, tác động động đất làm việc được xác định gián tiếp qua hệ số chiết giảm, với v = 0,4 cho các công trình có cấp quan trọng.
Theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012, để đáp ứng hai yêu cầu cơ bản về công năng cho các cấp III và IV với v = 0,5, cần thực hiện các tiêu chí tương hợp Các tiêu chí này bao gồm các yêu cầu liên quan đến khả năng sụp đổ, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong thiết kế công trình.
Cấp công năng không sụp đổ là trạng thái giới hạn quan trọng, vượt qua nó có thể dẫn đến sụp đổ công trình và nguy hiểm cho tính mạng Để đảm bảo an toàn, công trình được thiết kế dựa trên lực theo hai phương pháp, trong đó có phương pháp thiết kế để tiêu tán năng lượng và có độ dẻo theo TCVN 9386:2012 Phương pháp này cho phép công trình có biến dạng không đàn hồi lớn khi chịu tác động động đất, miễn là không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của các cấu kiện và hệ kết cấu Thiết kế kháng chấn dựa trên lực với độ dẻo sử dụng phổ phản ứng không đàn hồi của hệ có một bậc tự do, thể hiện qua đường cong lực (F) - chuyển vị đàn hồi.
Phổ phản ứng không đàn hồi, hay còn gọi là phổ thiết kế, được sử dụng để xác định lực tác động của động đất lên công trình Đặc biệt, phổ phản ứng đàn hồi được điều chỉnh thông qua hệ số ứng xử q, giúp đảm bảo tính dẻo tuyệt đối khi tăng tải đều.
Hệ số ứng xử q là tỷ số giữa lực lớn nhất trong hệ MBTD khi làm việc đàn hồi (Fe) và khi làm việc đàn hồi - dẻo (Fy), được tính bằng q = Fe/Fy Hệ số này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm lực quán tính tác động lên hệ làm việc đàn hồi, tương đương với việc giảm các nội lực phát sinh Trong tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Hoa Kỳ, hệ số này được gọi là hệ số giảm tải hoặc điều chỉnh phản ứng, giúp xác định nội lực do động đất gây ra trong các cấu kiện kết cấu thông qua phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính Để đạt được sự giảm tải này, hệ kết cấu cần có khả năng chuyển vị tổng thể ít nhất bằng chuyển vị tổng thể nhân với hệ số độ dẻo, trong đó phá hoại và y - chuyển vị chảy đầu tiên trong hệ làm việc đàn hồi - dẻo Khả năng này, gọi là khả năng biến dạng dẻo hoặc khả năng tiêu tán năng lượng, cho phép các cấu kiện và toàn bộ hệ kết cấu tiêu tán một phần năng lượng động đất thông qua cản trễ.
Không phải tất cả các vùng hoặc phần kết cấu đều có khả năng làm việc dẻo và tiêu tán năng lượng trễ Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 cung cấp phương pháp thiết kế theo khả năng để kiểm soát cơ cấu phá hoại kết cấu, xác định vị trí các vùng sẽ bị biến dạng chảy và cách thức phá hoại xảy ra Các vùng cấu kiện được chỉ định để phân tán năng lượng trễ gọi là vùng tới hạn hoặc vùng tiêu tán, được thiết kế để có khả năng biến dạng dẻo và tiêu tán năng lượng cần thiết Các phần cấu kiện còn lại được thiết kế theo tiêu chuẩn không kháng chấn, như TCXDVN 5574:2012 Độ dẻo và thiết kế theo khả năng là hai nội dung chính của tiêu chuẩn TCVN 9386:2012.
Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 cho phép thiết kế công trình chịu động đất theo phương pháp truyền thống mà không cần tuân thủ các quy định về khả năng tiêu tán năng lượng và độ dẻo Đối với thiết kế này, tác động động đất ngang được xác định từ phổ phản ứng với hệ số ứng xử q = 1,5 ÷ 2, áp dụng cho kết cấu thép hoặc liên hợp thép bê tông Các công trình được thiết kế theo tiêu chuẩn không kháng chấn, như TCXDVN 5574:2012, được gọi là kết cấu phân tán năng lượng hạn chế (thấp) Tuy nhiên, tiêu chuẩn quy định rằng các công trình này chỉ được xây dựng tại các vùng động đất rất yếu, với gia tốc nền thiết kế trên nền đất loại A, ag < 0,04g hoặc agS < 0,05g.
Tác động của động đất gây ra biến dạng cho các cấu kiện chịu lực, dẫn đến hư hỏng cho cả cấu kiện chịu lực và không chịu lực trong công trình Khác với thiết kế theo trạng thái giới hạn không sụp đổ dựa trên lực, các tiêu chí kiểm tra trạng thái giới hạn hạn chế hư hỏng tập trung vào biến dạng Để giảm thiểu hư hỏng ở các cấu kiện không chịu lực, điều kiện kiểm tra yêu cầu giới hạn chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng Giá trị giới hạn này được xác định bằng cách nhân giá trị chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng với hệ số chiết giảm v.
C ÁC TIÊU CHÍ THIếT Kế KHÁNG CHấN CHO NHÀ BÊ TÔNG CốT THÉP
Điều kiện chịu lực cục bộ
Tất cả các vùng tới hạn của kết cấu cần đảm bảo độ bền cao hơn các tác động xuất hiện tại những khu vực này do lực động đất thiết kế gây ra.
Quy định thiết kế theo khả năng
Tất cả các hình thức phá hoại dòn và các loại phá hoại không mong muốn khác cần được ngăn chặn bằng các biện pháp thích hợp Để đạt được tiêu chí này, quy trình thiết kế kết cấu phải được thực hiện một cách nghiêm ngặt.
Điều kiện dẻo cục bộ
Để đảm bảo hệ kết cấu có độ dẻo tổng thể cần thiết, các vùng có khả năng hình thành khớp dẻo, được gọi là vùng khớp dẻo tiềm năng, cần phải có khả năng chuyển vị.
46 xoay dẻo lớn Tiêu chí này được cụ thể hóa như sau:
Tất cả các vùng tới hạn của các cấu kiện kháng chấn chính, bao gồm cả đầu mút cột, cần có độ dẻo uốn μφ đủ lớn để đảm bảo khả năng tạo thành khớp dẻo Độ dẻo uốn μφ được xác định là tỷ lệ giữa độ cong khi mômen uốn đạt 85% giá trị bền cực hạn sau đàn hồi và độ cong tại giới hạn đàn hồi, với điều kiện rằng biến dạng của bêtông và cốt thép không vượt quá giới hạn ε cu và ε su Để đảm bảo điều kiện này, độ dẻo uốn μφ của các vùng tới hạn tối thiểu phải đạt các giá trị μφ = 2 q o −1 và μφ = 1 + 2(q 0 − 1) ⋅T C T 1.
Trong đó: q0: Giá trị cơ bản của hệ số ứng xử;
T1: Chu kỳ cơ bản của công trình nhà;
(giá trị q0 và T1 đều lấy trong mặt phẳng thẳng đứng xảy ra uốn);
Tc: Chu kỳ tại giới hạn trên trong miền gia tốc không đổi của phổ phản ứng.
− Không để cho cốt thép chịu dọc nén trong các vùng khớp dẻo tiềm năng của các cấu kiện kháng chấn chính bị uốn dọc;
− Để bảo đảm cho độ dẻo cục bộ, bêtông và cốt thép sử dụng phải có các đặc tính sau:
+ Cốt thép sử dụng trong các vùng tới hạn của các cấu kiện kháng chấn chính phải có độ dãn dài dẻo lớn và đồng đều;
+ Tỷ số giữa cường độ chịu kéo và giới hạn đàn hồi của cốt thép sử dụng trong các vùng tới hạn cần phải lớn hơn một;
Bê tông cốt thép cho các cấu kiện kháng chấn chính cần có cường độ chịu nén phù hợp, đồng thời biến dạng khi phá hoại phải lớn hơn biến dạng tương ứng với cường độ chịu nén cực đại.
Tính siêu tĩnh của kết cấu
Để tối ưu hóa khả năng phân tán và tăng cường năng lượng, các kết cấu cần có tính siêu tĩnh cao và khả năng phân bố lại nội lực Vì vậy, đối với những hệ kết cấu có tính siêu tĩnh thấp, hệ số làm việc q nên được chọn với giá trị nhỏ.
T HIếT Bị KHÁNG CHấN CHO NHÀ CAO TầNG
Các thiết bị giảm chấn cho công trình cao tầng dạng bị động
Thiết bị giảm chấn thuỷ lực là loại giảm chấn bị động đơn giản nhất, thường được sử dụng cho cầu dây văng Hai loại giảm chấn chính là giảm chấn đàn nhớt và giảm chấn cắt trễ, thường áp dụng cho các công trình dân dụng để giảm thiểu tác động của động đất Một đặc trưng nổi bật của loại này là thiết bị giảm chấn viscos-plastic.
Có một nhóm thiết bị giảm chấn thuộc loại cản va chạm, bao gồm thiết bị giảm chấn khối lượng điều chỉnh (TMDs) và thiết bị giảm chấn do dao động dập dềnh của chất lỏng (LSDs) Cả hai loại này đều hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự, sử dụng hệ dao động thứ cấp với khối lượng đặc của vật rắn cho TMDs và khối lượng của chất lỏng cho 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 từ đó 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 giữ ổn định cho công trình trong quá trình xây dựng.
TMDs phát huy tác dụng tối ưu khi công trình ở trạng thái dao động ổn định, cho phép chuyển năng lượng dao động trước khi tiêu tán Tuy nhiên, hiệu quả giảm chấn của TMDs sẽ giảm sút khi công trình chịu tác động từ các lực kích thích thay đổi liên tục như tải trọng xung hoặc động đất TMDs đạt hiệu quả cao nhất khi tần số riêng của chúng khớp với tần số dao động của hệ thống Một sự sai lệch nhỏ trong các tham số thiết kế có thể làm giảm đáng kể hiệu quả của TMDs, đặc biệt đối với các công trình xây dựng lớn.
Khi khối lượng hệ thứ cấp lớn, hiệu quả giảm chấn của TMDs cũng cần phải được tối ưu hóa thông qua hành trình di chuyển lớn Nếu chu trình bị hạn chế, TMDs sẽ không đạt được tác dụng tối đa Để khắc phục những nhược điểm này, hệ TMDs tại toà nhà Citicorp Center đã được thiết kế thành một hệ thống điều khiển tự động Dampers, với khối lượng 400 tấn, là cơ cấu thuỷ lực khổng lồ giúp điều khiển dao động của công trình, được nâng đỡ bằng hệ thống thuỷ lực theo hai phương trực giao nhau, với khối lượng hệ thứ cấp chỉ khoảng 1% khối lượng công trình.
3.3.1.2 Thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng
TLDs (thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng) có thể thay thế khối vật rắn của TMDs bằng khối chất lỏng, trong đó gia tốc trọng trường tạo ra lực hồi phục lên khối chất lỏng, tạo ra dao động sóng sánh trong bể chứa Thiết bị giảm chấn do dao động sóng sánh của chất lỏng (TSDs) đã được ứng dụng trong ngành không gian vũ trụ và để ổn định các tàu biển lớn Ưu điểm nổi bật của TLDs là khả năng giảm thiểu rung động hiệu quả.
TLDs có khả năng hoạt động hiệu quả ngay cả khi gặp tín hiệu nhiễu rất nhỏ, trong khi TMD đôi khi không hoạt động tốt với các tín hiệu nhiễu nhỏ do lực cản ma sát tại các bề mặt cứng Điều này cho thấy rằng TLDs "nhạy" hơn so với 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.
TLDs dễ bảo trì nhờ vào cấu trúc đơn giản, không có cơ cấu cơ khí phức tạp và không lo lắng về hiện tượng hóa già hay phá hoại mỏi Tương tự như TMDs, TLDs cũng cần được điều chỉnh để đạt được tần số tối ưu nhằm phát huy hiệu quả giảm chấn Có hai loại TLDs cơ bản.
Loại chất lỏng nông trong bể chứa nhỏ chủ yếu tiêu tán năng lượng do sóng vỡ tại bề mặt khi dao động với biên độ lớn, dẫn đến tác dụng giảm chấn không cao Tuy nhiên, với các dao động có biên độ nhỏ hơn, tác dụng giảm chấn trở nên rất quan trọng trong việc điều chỉnh tần số dao động riêng Để dự đoán chính xác tần số riêng, ngoại trừ trường hợp sóng vỡ, cần có kiến thức về lý thuyết mặt sóng phi tuyến.
Loại giảm chấn có mực nước cao trong bể chứa lớn cho thấy phương trình dao động sóng sánh của mặt nước tương đối êm dịu Để tăng độ cản của dampers, thường sử dụng lưới chắn, thanh chắn hoặc các vật cản khác để tăng độ rối và tần số riêng của damper Mặc dù việc xác định tần số dao động riêng theo lý thuyết là khó khăn, nhưng có thể thực hiện thông qua thí nghiệm Một dạng khác là giảm chấn cột chất lỏng có điều chỉnh (TLCDs), bao gồm cột chất lỏng hình chữ U, được xem như hệ dao động thứ cấp do Sakai đề xuất năm 1989 Tần số dao động riêng của TLCDs có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh mực nước trong bình, áp suất của hai khối khí trên mặt nước, hoặc lắp đặt van thông để điều chỉnh lưu lượng nước.
Các thiết bị giảm chấn cho công trình cao tầng dạng chủ động
Thiết bị giảm chấn chủ động đã được ứng dụng thành công trong máy bay và tàu vũ trụ, nhưng vẫn chưa phổ biến trong lĩnh vực xây dựng Những thiết bị này có khả năng điều khiển dao động của công trình với nhiều tần số và dạng dao động khác nhau, hứa hẹn sẽ được áp dụng rộng rãi trong tương lai Một trong những công trình đầu tiên sử dụng công nghệ này là tòa nhà trung tâm thương mại quốc gia ở New York và tòa tháp Crystal ở Osaka Trong khoảng 10 năm qua, thiết bị giảm chấn chủ động đã được áp dụng để điều khiển dao động của tháp cầu treo dây võng trong quá trình thi công tại Nhật Bản Chúng đặc biệt hiệu quả khi tần số dao động riêng của kết cấu thay đổi liên tục hoặc khi có nhiều dạng dao động xảy ra đồng thời.
Một phương pháp giảm chấn chủ động khác là điều khiển khí động học nhằm giảm dao động do gió cho cầu và nhà cao tầng Việc áp dụng các cơ chế điều khiển cơ học có tác dụng lớn trong việc kiểm soát dao động của dầm cầu dưới tác động của gió và nước Hiện tại, Viện Nghiên Cứu Xây Dựng Cơ Bản thuộc Đại học Kỹ thuật Sydney đang hoàn thành dự án nghiên cứu về việc điều khiển tự động dao động công trình bằng thiết bị giảm chấn chủ động.
3.3.2.1 Giảm chấn chủ động không điều khiển (passive control) Đây là hình thức giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của các thiết
50 bị giảm chấn sử dụng năng lượng dao động của công trình để tiêu tán năng lượng, bao gồm các phương pháp như ma sát (friction damper), biến dạng dẻo của kim loại (buckling restrained brace, stiffened shear panel), tính cản nhớt (viscous/visco-elastic damper) và độ cản thủy lực (oil damper) Các thiết bị này có thể được lắp đặt theo nhiều phương thức khác nhau trong công trình.
3.3.2.2 Giảm chấn chủ động có điều khiển (active control)
Các thiết bị này hoạt động dựa vào nguồn năng lượng bên ngoài như điện hoặc khí nén Thông qua cảm biến, thông tin về tải trọng và dao động của công trình được gửi đến bộ xử lý trung tâm Bộ điều khiển trung tâm xử lý tín hiệu và phát lệnh cho bộ phận thi hành nhằm tăng độ cản hoặc phát lực điều khiển để chống lại dao động, ví dụ như các hệ thống TMD (Tuned Mass Damper) và LTD (Liquid Tuned Damper).
Kết hợp thiết bị giảm chấn và thiết bị cách chấn, cùng với việc tích hợp khả năng chủ động, sẽ nâng cao hiệu quả kháng chấn cho công trình Nhu cầu phát triển dẫn đến sự xuất hiện ngày càng nhiều giải pháp kháng chấn dựa trên các thành tựu khoa học kỹ thuật mới Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng trong tương lai gần, thiết bị kháng chấn sẽ trở thành phần không thể thiếu trong các công trình cao tầng nhờ vào lợi ích và hiệu quả mà chúng mang lại.
Việc sử dụng thiết bị kháng chấn cho nhà cao tầng đã được quan tâm trên toàn thế giới trong nhiều thập niên qua, và ngày càng được chú trọng ở Việt Nam Sự gia tăng dân số và nhu cầu xây dựng đã dẫn đến số lượng công trình cao tầng tăng lên đáng kể Trước đây, các kỹ sư chỉ tập trung vào việc tăng cường độ bê tông và thép, nhưng hiện nay, xu hướng là sử dụng vật liệu nhẹ hơn để xây dựng công trình cao hơn Tuy nhiên, việc này cũng làm tăng tải trọng động tác dụng lên công trình, do đó cần thiết phải áp dụng các thiết bị giảm chấn để kiểm soát ảnh hưởng của gió và động đất, mở ra một hướng nghiên cứu mới trong việc điều khiển dao động của kết cấu.