ĐẶT VẤN ĐỀ Một trong những tác nhân gây phá hoại lớn đối với kết cấu công trình đó là động đất. Động đất là chuyển động của nền đất dưới công trình nguyên nhân do sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo hoặc do hoạt động của con người gây ra như các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân. Động đất xảy ra trong khoảng thời gian ngắn một cách ngẫu nhiên về thời gian, địa điểm, cường độ; vì vậy rất khó dự đoán và thường gây thiệt hại lớn.1 thống kê thiệt hại về người và tài sản từ một số trận động đất trên thế giới trong thời gian gần đây.1 Thiệt hại về người và tài sản từ một số trận động đất Cường độ Tài sản Thời điểm Địa điểm Con người (Richter) (tỷ USD) 12/05/2008 Tứ Xuyên, Trung Quốc 7.34 27/02/2010 Miền trung Chi Lê 8.8 800 30 25/10/2010 Tây Sumatra, Indonexia 7.7 300 - 11/03/2011 Miền bắc Nhật Bản 9 15896 360 03/08/2014 Vân Nam, Trung Quốc 6.9 8964 10 06/02/2016 Đài Loan, Trung Quốc 6.1 Động đất ở Haiti 2010 Hình 1.2 Động đất ở Chile 2010 2 Hình 1.3 Động đất gây sóng thần ở Nhật Bản 2011 Hình 1.4 Động đất ở Mexico 2017 3 Việt Nam không phải là vùng thường xuyên xảy ra động đất lớn nhưng với những thống kê trong lịch sử và gần đây cho thấy động đất vẫn xảy ra với tần suất có thể xuất hiện tương đối. Theo Trung tâm báo tin động đất và cảnh báo sóng thần (Viện vật lý địa cầu) tháng 4 năm 2017 các trận động đất liên tục xảy ra tại Quảng Ninh, Quảng Trị, Thái Nguyên và Điện Biên với cường độ từ 2 đến 4 độ Richter.
Trước đó, đã có những trận động đất có cường độ tương đối dù chưa thật sự gây nguy hiểm với các công trình xây dựng và con người. Cho đến nay, các nhà địa chấn học, vật lý địa cầu trên thế giới nghiên cứu về qui luật, vị trí địa lý, khả năng xuất hiện, cường độ mạnh yếu của động đất,… vẫn chưa có thông tin chắc chắn là vùng nào có động đất, xảy ra khi nào, cấp độ là bao nhiêu. Ngành khoa học này cũng tiếp tục duy trì và thậm chí phát triển nhiều để con người hiểu biết hơn về sự tác động này. Hướng phát triển song song với ngành khoa học này, để hạn chế bớt thiên tai này chỉ còn cách là nghiên cứu các giải pháp kết cấu công trình xây dựng thích nghi hơn với động đất.
Dưới góc độ kỹ thuật kết cấu công trình xây dựng, việc nghiên cứu đề xuất giải pháp kết cấu thích nghi hơn với tác hại của động đất là một lĩnh vực đã ra đời từ lâu và vẫn luôn được chú trọng quan tâm. Tại Việt Nam, với việc ban hành tiêu chuẩn xây dựng TCXDVN 375:2006 về thiết kế công trình chịu động đất của Bộ Xây Dựng cho thấy sự quan tâm và nghiên cứu về ứng xử của kết cấu chịu động đất là cần thiết và phù hợp với nhu cầu xã hội cũng như khuynh hướng phát triển khoa học về kết cấu công trình xây dựng. Trong lĩnh vực này, bài toán động lực học kết cấu chịu động đất là phần cơ bản và từ đó cung cấp nhiều giải pháp kết cấu phù hợp hơn. Phương trình chuyển động của hệ kết cấu khi chịu động đất mô tả như sau: Mu Cu Ku Mrug (1.1) Ngoại lực tác dụng lên kết cấu do động đất gây nên là lực quán tính (vế phải phương trình 1.
Nếu kết cấu có độ cứng lớn để đảm bảo khả năng chịu lực thì tiết diện phải tăng lên (do cường độ vật liệu tăng chậm hơn) nên lực quán tính cũng tăng theo lại gây ra nội lực lớn hơn nữa nên giải pháp này gặp khá nhiều khó khăn. 4 Từ đây, bài toán làm giảm ứng xử động lực học của kết cấu chịu động đất là đề tài thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, việc nghiên cứu bài toán này nhằm giảm bớt thiệt hại do động đất gây ra. Từ phương trình 1.1 khi tăng độ cứng và giảm khối lượng kết cấu thì mang lại hiệu quả giảm chấn để giải quyết vấn đề này là ứng dụng vật liệu mới có độ cứng lớn và trọng lượng nhẹ, đòi hỏi vật liệu tốt hơn, tuy nhiên giải pháp này cũng khó khăn. Ngoài hướng nghiên cứu trên, thì giải pháp sử dụng hệ cản gắn thêm với hệ kết cấu rất được quan tâm.
Giải pháp này là hệ cản gắn thêm có tác dụng tiêu tán một phần năng lượng do tác nhân động đất gây ra, như vậy kết cấu chính tiếp nhận năng lượng ít hơn do đó nội lực giảm đi và có thể an toàn hơn. Hướng phát triển này đã và đang nghiên cứu và đã có công trình ứng dụng thực tế. Một trong những hệ cản được phát triển từ rất sớm đó là hệ cản khối lượng (Tuned Mass Damper – TMD), được phát hiện cách đây vài chục năm và đã có rất nhiều kết cấu dùng nó trong thực tiễn và cho đến nay vẫn là hướng nghiên cứu thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu do những thông số phức tạp của hệ cản này, kết cấu chính và cả nguyên nhân tác động vì thiết kế kết cấu dành cho tương lai. Dựa vào ý tưởng gắn nhiều hệ cản khối lượng lên kết cấu, hướng nghiên cứu của luận văn này là khảo sát hiệu quả giảm chấn của hệ kết cấu khung có gắn nhiều hệ cản khối lượng (M-TMD – Multiple Tuned Mass Damper) và ảnh hưởng của thông số khối lượng của hệ cản đến hiệu quả giảm chấn.
MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN Luận văn phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ kết cấu có gắn nhiều hệ cản khối lượng, sự khác biệt của đề tài ở chỗ là đặc trưng nhiều hệ cản khối lượng gắn thêm được xác định dựa trên kết quả phân tích dao động tự do của hệ kết cấu chính. Các nội dung được thực hiện như sau: - Xây dựng một mô hình kết cấu phẳng chịu gia tốc nền động đất và tải trọng điều hòa với các bậc tự do là chuyển vị ngang ở các sàn tầng. 5 - Tìm hiểu đặc trưng dao động tự do, tần số và dạng dao động của kết cấu chính; từ đó làm cơ sở để xác định số lượng và độ lớn của hệ cản gắn thêm lên kết cấu chính theo biên độ của dạng dao động. - Xác định mô hình tính của hệ kết cấu và các thông số đặc trưng của hệ cản nhiều khối lượng M-TMD và Thiết lập phương trình dao động của hệ kết cấu có gắn hệ cản M-TMD, các ma trận tổng thể của hệ.
- Chọn phương pháp giải phương trình chuyển động và lập thuật toán để viết chương trình máy tính giải bài toán. - Khảo sát hiệu quả giảm chấn của hệ có gắn hệ cản M-TMD và các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả giảm chấn, đồng thời phân tích ảnh hưởng của thông số khối lượng μ đến hiệu giảm chấn; kết quả phân tích thể hiện qua biểu đồ chuyển vị và lực cắt trong kết cấu chính. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN Luận văn được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết. Mô hình tính của hệ kết cấu khung được quy thành hệ rời rạc với bậc tự do động lực học là chuyển vị ngang các tầng với khối lượng tập trung tại các tầng.
Đối với kết cấu chịu động đất thì tải trọng ngang sinh ra là lực quán tính là nguy hiểm với hệ nên chỉ xét chuyển vị ngang của kết cấu, do đó số bậc tự do động của hệ là hữu hạn là các chuyển vị ngang. Lập phương trình chuyển động của hệ có gắn hệ cản, để giải phương trình vi phân cấp 2 dùng phương pháp giải Newmark để giải bài toán tìm chuyển vị của hệ. Lời giải được lập trình tính toán bằng phần mềm MATLAB. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Cấu trúc luận văn gồm 5 chương như sau: - Chương 1 Nêu vấn đề, mục tiêu luận văn và cấu trúc luận văn.
- Chương 2 Giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu hệ cản nhiều khối lượng M-TMD. - Chương 3 Trình bày cơ sở lý thuyết, đưa ra thuật toán để giải bài toán. - Chương 4 Kiểm chứng và thực hiện khảo sát số - Chương 5 Nêu các kết luận và hướng phát triển của đề tài. - Phần cuối là các tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn, mã nguồn chương trình MATLAB.
7 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2. GIỚI THIỆU Chương này trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài của luận văn. Đầu tiên, giới thiệu sơ lược về hệ cản khối lượng TMD được gắn lên kết cấu và bản chất của việc giảm chấn bởi hệ TMD. Tiếp theo đó, tóm tắt tình hình nghiên cứu hệ cản khối lượng TMD trong và ngoài nước và các công trình ứng dụng thực tế hệ cản này.
Cuối cùng, sự khác biệt của nội dung luận văn với các nghiên cứu trích dẫn cũng được thể hiện. HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG Hệ cản khối lượng TMD là một hệ gồm có khối lượng dao động, một lò xo hoặc các cấu tạo tương đương lò xo và thiết bị cản gắn trực tiếp lên kết cấu chính và cùng dao động với kết cấu chính khi có tác nhân động tác dụng.1 là thiết bị TMD với các thông số đặc trưng độ cứng kT, khối lượng mT và hệ số cản cT được gắn vào hệ kết cấu để giảm chấn dao động khi kết cấu chịu tải trọng động. Như vậy, khi cả hệ kết cấu dao động thì hệ gắn thêm có dao động và vì vậy hệ này có tiêu thụ một nguồn năng lượng nhất định; do đó năng lượng của tải trọng tác dụng lên kết cấu chính sẽ giảm đi và làm cho kết cấu chính trở nên an toàn hơn. Sự hiệu quả giảm chấn này nếu nhìn dưới góc độ phân tích lực trong quá trình dao động như sau: Khối lượng hệ cản dao động, lò xo hệ cản có biến dạng do vậy sinh lực đàn hồi và lực cản của thiết bị cùng tác dụng lên kết cấu chính; nhưng thường lực này lệch pha so với ngoại lực nên cùng thời điểm kết cấu chính chịu tác động của một ngoại lực bên ngoài và một ngoại lực từ hệ TMD thường là lệch pha nên có 8 thể làm cho kết cấu có chuyển vị bé hơn.
Sự hiệu quả này phụ thuộc vào các thông số đặc trưng của hệ cản TMD, rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi tần số của riêng hệ TMD xấp xỉ với tần số của kết cấu chính thì sự hiệu quả là khá tốt, nên các thông số của hệ TMD được chọn sao cho có tỷ lệ phù hợp. Và sự hiệu quả nhiều hay ít do độ lớn của hệ cản này mang lại.
