Chương 1 Giới thiệu Hình 1.7 Động đất ở New Zealand 2011 Tại Việt Nam, từ năm 2005 đến nay đã xảy ra nhiều trận động đất với cường độ tương đối lớn. Theo thống kê của Trung tâm Báo tin động đất và Cảnh báo sóng thần (Viện Vật lý địa cầu), chỉ trong 9 tháng đầu năm 2014, cả nước xảy ra 27 trận động đất có độ lớn từ 2,5 đến 4,7 độ mô men. Huyện Bắc Trà My (Quảng Nam) là khu vực có tần xuất động đất nhiều nhất với 11 trận; Sơn La 9 trận; Điện Biên 2 trận; các địa phương Thừa Thiên - Huế, Lào Cai, Nghệ An, Quảng Ngãi mỗi tỉnh một trận. Mặc dù thiệt hại gây ra bởi các trận động đất gây ra ở Việt nam chưa thật sự lớn nhưng điều đó chứng tỏ rằng vỏ trái đất ở Việt Nam cũng không hoàn toàn ổn định.
Các nhà địa chấn học ở trong nước cũng quan tâm nhiều và lập nên bản phân vùng động đất, dãy đứt gãy động đất trên các vùng địa lý của Việt nam. Tiêu chuẩn Xây dựng cũng có ban hành cho công tác thiết kế các công trình của nước ta, đặc biệt là những công trình cao tầng tập trung số lượng người nhiều hay các công trình có tầm quan trọng lớn. Bộ Xây Dựng Việt Nam cũng đã ban hành tiêu chuẩn xây dựng: TCXDVN 375:2006 hướng dẫn cụ thể các trường hợp phải xét đến tác động của động đất, các biện pháp thiết kế kết cấu cho công trình xây dựng, được nghiên cứu, biên soạn trên cơ sở Tiêu chuẩn châu Âu và đồng bộ hóa hệ thống tiêu Đánh giá hiệu quả giảm chấn của nhiều hệ cản khối lượng 6 trong kết cấu chịu động đất Chương 1 Giới thiệu chuẩn xây dựng Việt Nam. Mặt khác, tốc độ đô thị hóa của nước ta đang tăng nhanh nên việc xảy ra những trận động đất trong tương lai có thể gây ra những tổn thất nghiêm trọng về nhân mạng và tài sản.
Từ đây, có thể thấy rằng lĩnh vực nghiên cứu về ứng xử của kết cấu công trình xây dựng chịu động đất đã và đang được quan tâm của rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuật kết cấu cả trên thế giới và Việt nam. Trong đó, những nghiên cứu về ứng xử động lực học cũng khá nhiều trong lĩnh vực này. Phương trình chuyển động của hệ kết cấu khi có động đất xảy ra được mô tả như sau: .1) Chi tiết phương trình này sẽ đề cập đến trong các chương tiếp sau, tuy nhiên có thể hiểu đơn giản là ngoại lực tác động chính là lực quán tính do động đất (vế phải của phương trình) sẽ phân chia cho môi trường xung quanh chịu một phần và chính bản thân hệ phải chịu một phần. Nếu phần do bản thân hệ chịu càng lớn thì sinh ra nội lực lớn và nguy hiểm.
Bài toán ứng xử động lực học của kết cấu chịu động đất luôn là đề tài có tính thời sự, thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. Việc tìm ra các giải pháp kết cấu mới để chúng ứng xử tốt hơn với động đất, làm giảm bớt tổn thất do động đất gây ra cũng là một hướng nghiên cứu thu hút nhiều sự quan tâm. Giải pháp kết cấu truyền thống để chịu được tải trọng lớn là tăng độ cứng và khả năng chịu lực của kết cấu bằng cách tăng tiết diện các cấu kiện chịu lực như dầm, cột, vách cứng. Tuy nhiên giải pháp này tỏ ra không thực sự hiệu quả lắm vì đã làm tăng giá thành, tăng trọng lượng kết cấu góp phần tăng thêm tải (vế phải phương trình 1.1) do lực quán tính gây ra khi có động đất.
Một trong những hướng nghiên cứu có tính thời sự và cũng có ý nghĩa đó là gắn thêm các thiết bị lên kết cấu để thiết bị này hấp thụ bớt một phần năng lượng do động đất tác động, nhờ vậy mà năng lượng tác động vào kết cấu chính được giảm đi phần nào và vì vậy kết cấu chính sẽ bớt nguy hiểm hơn. Luận văn này theo hướng thứ 2, đó là gắn thêm thiết bị để làm giảm chuyển vị của hệ khi chịu động Đánh giá hiệu quả giảm chấn của nhiều hệ cản khối lượng 7 trong kết cấu chịu động đất Chương 1 Giới thiệu đất. Trong các thiết bị gắn thêm này, hệ cản khối lượng (TMD-Tuned Mass Damper) được chứng minh là có hiệu quả nhất định và cũng đã được ứng dụng.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN Luận văn phân tích hiệu quả giảm chấn trong kết cấu chịu động đất có lắp đặt nhiều hệ cản khối lượng. Tìm hiểu về mô hình ứng xử của kết cấu có lắp đặt đồng thời nhiều hệ cản khối lượng M-TMD.
Các hệ cản khối lượng được gắn trên các tầng và thông số được xác định dựa trên các đặc tính động lực học của kết cấu chính và chính thiết bị TMD. Xây dựng mô hình kết cấu có gắn nhiều hệ cản khối lượng MTMD, thiết lập phương trình chuyển động và phương pháp giải; viết chương trình máy tính để phân tích ứng xử động lực học của hệ khi chịu gia tốc nền của động đất. Thực hiện việc tính toán số, kết quả số gồm có chuyển vị và nội lực ở các tầng của kết cấu cho thấy hiệu quả giảm chấn của các hệ cản khối lượng khi lắp đặt đồng thời trong kết cấu chịu động đất. Trong luận văn này, hệ kết cấu được mô tả như một hệ hữu hạn bậc tự do động lực học là các chuyển vị ngang của các tầng có gắn thêm hệ cản khối lượng tại mỗi tầng sàn.
Thực ra thì hệ kết cấu thật thường có khá nhiều bậc tự do, chuyển vị đứng, ngang và góc xoay cho mỗi nút; tuy nhiên trong bài toán động đất lực quán tính phương ngang chính là lực nguy hiểm nhất với kết cấu nên mô hình kết cấu với bậc tự do là chuyển vị ngang có độ chính xác vừa phải mà không phải phân tích quá nhiều bậc tự do. Thiết lập phương trình chuyển động của cả hệ khi chịu gia tốc nền của động đất. Bài toán động lực học được giải bằng phương pháp Newmark trong từng bước thời gian của gia tốc nền trên toàn miền thời gian bằng chương trình máy tính được viết bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB. Gia tốc nền cũng được lựa chọn từ những trận động đất với phổ tần số trội tương đối gần so với tần số riêng của kết cấu.
Đánh giá hiệu quả giảm chấn của nhiều hệ cản khối lượng 8 trong kết cấu chịu động đất Chương 1 Giới thiệu 1.3 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 một số nghiên cứu đã có trong và ngoài nước liên quan đến đề tài, sơ lược về hệ cản khối lượng MTMD. - Chương 3 Trình bày cơ sở lý thuyết và đưa ra mô hình tính toán, phương pháp số để phân tích ứng xử động lực học của hệ khi chịu động đất. - Chương 4 gồm các ví dụ tính toán để đánh giá hiệu quả của nhiều hệ cản khối lượng.
- 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. Đánh giá hiệu quả giảm chấn của nhiều hệ cản khối lượng 9 trong kết cấu chịu động đất Chương 2 Tổng quan CHƯƠNG 2.1 GIỚI THIỆU Chương này giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến Luận văn. Cụ thể là những nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về thiết bị cản khối lượng TMD.
Các nghiên cứu này phần lớn được trích dẫn từ các tài liệu tham khảo và có đánh giá để làm cơ sở để đưa ra hướng thực hiện Luận văn.2 HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG TMD Hệ cản TMD (hình 2.1) là thiết bị hấp thu năng lượng được sử dụng trong nhiều kết cấu, được mô tả bao gồm một khối lượng thứ cấp, một lò xo và một cản nhớt, TMD được gắn vào kết cấu chính để tiếu tán một phần năng lượng có hại.1 Hệ cản điều chỉnh khối lượng (TMD) Đánh giá hiệu quả giảm chấn của nhiều hệ cản khối lượng 10 trong kết cấu chịu động đất Chương 2 Tổng quan Tần số của hệ cản được điều chỉnh (tuned) đến một tần số riêng của kết cấu để khi tần số này được kích động thì hệ cản sẽ cộng hưởng lệch pha với chuyển động của kết cấu và năng lượng sẽ tiêu tán do lực quán tính của hệ cản tác dụng vào kết cấu. TMD được đề xuất lần đầu tiên bởi Hermann Frahm (1909), đề xuất này liên quan đến ý nghĩa của việc giảm dao động cộng hưởng phát sinh trong thân vật thể chịu những tác động mang tính chu kỳ mà cụ thể là làm giảm chuyển động của con tàu chịu tác động của bộ truyền động. Một kết cấu chỉ thực sự nguy hiểm khi tần số của lực kích thích xấp xỉ với tần số dao động riêng của vật thể (vì xảy ra cộng hưởng). Do đó, hiệu quả của TMD phụ thuộc vào tần số riêng của vật thể và tần số của lực tác động.
Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho TMD lần đầu tiên được Den Hartog (1985) đưa ra, kể từ đó các thông số tối ưu cho TMD được nghiên cứu rộng rãi. Sau đó lý thuyết về TMD được nghiên cứu và phát triển mạnh. Có rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu về TMD. McNamara đã công bố nghiên cứu trong bài báo Tuned Mass Damper for Buildings.
Trong nghiên cứu này, TMD được gắn vào hệ kết cấu một bậc tự do đại diện cho những nhà cao tầng đã được nghiên cứu. Phương trình hệ thống được xây dựng và giải quyết cho các tác động đầu vào khác nhau. Thông số thiết kế của hệ cản được đa dạng để nghiên cứu trong việc giảm phản ứng. Những kết quả trong hầm thí nghiệm gió được giới thiệu và ứng dụng thực tế của hệ cản theo tỉ lệ được minh họa.
Warburton (1981) nghiên cứu các thông số tối ưu của TMD với kết cấu hai bậc tự do. Thông số tối ưu được xác định cho thiết bị hấp thu năng lượng khi gắn hệ cản khối lượng vào hệ kết cấu chính có hai bậc tự do, thực hiện cực tiểu hóa đối với phản ứng điều hòa của khối lượng đó.
