CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BỂ CHỨA CHẤT LỎNG ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 1. Các tác động gây ra dao động cho kết cấu nhà cao tầng Trong thiết kế nhà cao tầng việc kiểm soát dao động của tòa nhà là cần thiết. Dao động của hệ kết cấu có thể có ích cho sự làm việc của chúng, cũng có thể gây nguy hại cho chính bản thân kết cấu. Việc thiết kế hoàn hảo một kết cấu làm việc có hiệu quả tốt hiện nay phải bao gồm cả việc xét đến các tác động động nhạy cảm như gió, động đất.
Do vậy mà việc điều khiển dao động có hại cho các hạng mục kết cấu nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của kết cấu trước các tác động này là yêu cầu không thể thiếu. Bài toán điều khiển dao động được gọi là đạt hiệu quả khi chủ yếu có thể kiểm soát được biên độ dao động hoặc giảm thời gian tắt dao động (làm cho dao động tắt nhanh) [2], [3], [4]: - Giảm mức độ nhạy cảm với dao động - Giảm mức độ nhạy cảm với tác động đầu ra - Có khả năng điều khiển hệ thống băng thông rộng. - Ổn định cho hệ không ổn định - Điều khiển hệ thống ứng xử lan truyền Để có thể điều khiển được các dao động của kết cấu, việc làm rõ được các dạng dao động của kết cấu và xác định các loại tác động động đối với kết cấu là hết sức cần thiết. Ở trạng thái dao động, trong các bộ phận của kết cấu phát sinh hiệu ứng quán tính dẫn tới việc gia tăng trị số nội lực và biến dạng, gây khó khăn cho việc khai thác bình thường, thậm chí trong những điều kiện cụ thể hiệu ứng quán tính là nguyên nhân dẫn đến các sự cố công trình [5], [6], [7].
Một hiện tượng cần được đặc biệt quan tâm trong bài toán điều khiển dao động là hiện tượng cộng hưởng. Nhiều nghiên cứu cho thấy hiệu ứng động lực trong kết cấu sẽ tăng lên rất nhanh khi tần số kích động ở trong khoảng xấp xỉ hoặc là bội số của tần số dao động riêng của kết cấu. Tác động gây ra dao động cho kết cấu nhà cao tầng bao gồm: - Tác động theo phương thẳng đứng gồm: Tĩnh tải gồm trọng lượng bản thân và các lớp hoàn thiện là tải trọng tác dụng thường xuyên, thường có vị trí, phương, chiều tác động không đổi trong quá trình sử dụng; Hoạt tải là tải trọng sử dụng tác động không thường xuyên. 6 - Tác động theo phương ngang gồm: tác động do gió và tác động do động đất Khác với tòa nhà thông thường, đối với tòa nhà cao tầng tải trọng ngang là yếu tố quan trọng.
Trong thiết kế nhà thấp tầng yếu tố tải trọng ngang nhìn chung được quan tâm ít hơn so với tải trọng đứng, nguyên nhân là do ảnh hưởng của tải trọng ngang lên kết cấu thấp tầng nhỏ. Khi chiều cao nhà tăng lên thì các nội lực và chuyển vị của công trình do tải trọng ngang (áp lực gió và tác động của động đất) gây ra, tăng lên nhanh chóng. Việc tạo ra hệ kết cấu để chịu các tải trọng này là vấn đề quan trong trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng. Hoặc đề xuất những giải pháp để giảm thiểu những tác động cho tải trọng ngang gây ra cũng là rất cần thiết.
Tác động do động đất Động đất là hiện tượng xảy ra bất thường với xác xuất tùy thuộc vào các khu vực vùng địa chấn khác nhau. Nhật Bản là một trong những quốc gia hứng chịu nhiều trận động đất nhất trên thế giới, còn tại Việt Nam, tuy các trận động đất xảy ra với số lượng không nhiều và độ mạnh ghi nhận không lớn như Nhật Bản nhưng việc thiết kế có xét đến ảnh hưởng của động đất là yêu cầu bắt buộc đã được qui định trong qui trình thiết kế các công trình xây dựng nói chung và công trình nhà cao tầng nói riêng. Do vậy mà vấn đề nghiên cứu điều khiển dao động cho kết cấu chịu tác động của đất đất cũng hết sức cần thiết. Động đất là tác động mang tính chất ngẫu nhiên gây mất ổn định mạnh cho kết cấu.
Cách thông thường nhất để mô tả động đất là sự thể hiện chuyển động của mặt đất theo thời gian mà đặc trưng bởi 3 tham số: gia tốc, vận tốc hoặc chuyển dịch, hoặc cả 3 yếu tố tổ hợp lại. Khi xảy ra động đất, tác động của động đất lên kết cấu công trình thể hiện bởi sự tác động liên tiếp của các loại sóng dao động khác nhau. Lực do động đất có hướng bất kỳ trong không gian và thay đổi theo thời gian cả về hướng, tốc độ tác dụng và trị số. Các tác dụng động đất theo hướng ngang thường gây ra các dao động ngang nguy hiểm, làm cho công trình bị mất ổn định mạnh như lật đổ hay dịch trượt [2], [8], [9].
Chuyển động theo thời gian của mặt đất ghi lại trong các trận động đất được sử dụng trực tiếp cho phân tích ứng xử theo thời gian của kết cấu. Các phương pháp phân tích ứng xử của kết cấu chịu tác động của động đất bao gồm: phân tích ứng xử theo thời gian, phân tích phổ ứng xử, và phân tích ứng xử theo tần số. Phân tích ứng xử theo thời gian được thực hiện để thiết lập ứng xử của kết cấu cho một phản ứng theo thời gian cụ thể của kích động khi sử dụng kỹ thuật vi phân như là tích phân 7 Duhamel, tích phân số từng bước theo thời gian và biến đổi Fourier [10], [11]. Phương pháp phân tích phổ ứng xử sử dụng dữ liệu từ các trận động đất ghi nhận được và thiết lập một bộ của các lực tác động (lực ngang tương đương) vào kết cấu mà gây ảnh hưởng lớn nhất tới chuyển động của mặt đất.
Phương pháp phân tích ứng xử theo tần số được thực hiện khi chuyển dịch của mặt đất được mô hình như một quá trình ngẫu nhiên ổn định. Sử dụng nguyên lý phân tích dao động ngẫu nhiên để đưa ra hàm mật độ phổ năng lượng cho phân tích bất kỳ tác động gây chuyển dịch mặt đất nào [12]. Các phương pháp này đều chỉ ra rằng khối lượng kết cấu, gia tốc động đất ảnh hưởng lớn đến ứng xử của kết cấu chịu tác động của động đất và thể hiện theo phương trình P(t) = m. Điều này có nghĩa là khối lượng kết cấu và gia tốc động đất càng lớn càng gây bất lợi cho kết cấu.
Bất kỳ kết cấu nào, tỷ số giữa tần số dao động riêng của kết cấu và tần số kích động là yếu tố quan trọng cần biết trong nghiên cứu về động đất. Theo phân tích miền tần số thì cách tiện lợi và dễ sử dụng nhất là dùng biến đổi Fourier từ hàm thời gian của chuyển động mặt đất. Và do vậy có thể thừa nhận rằng chuyển động của mặt đất theo thời gian lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng với khoảng thời gian của chuyển động mặt đất và bằng tổng của số lượng hữu hạn các hàm điều hòa [9]. Và wn: tần số góc thứ n Do vậy, bài toán điều khiển dao động cho kết cấu dưới tác động của động đất cũng có thể xét từ bài toán cơ bản khi phân tích ứng xử của kết cấu chịu tác động kích động của một hàm điều hòa.
Tác động do gió Nếu tác động của động đất mang tính ngẫu nhiên thì tác động của gió lại mang tính thường xuyên. Gió là hiện tượng diễn ra trong tự nhiên. Đặc trưng của dòng gió chủ yếu phụ thuộc vào địa hình gió đi qua, bề mặt chắn gió, vận tốc, gia tốc gió và các đặc tính của gió. Đặc tính biến động quan trọng của tốc độ gió là sự biến đổi của tốc độ gió theo chiều cao và theo mức độ gồ ghề của địa hình.
Sự tăng tốc độ gió theo chiều cao là yếu tố đáng quan tâm đặc biệt đối với các kết cấu nhà cao tầng [13]. 8 Khi gió thổi qua các bộ phận kết cấu, tùy theo đặc điểm hình dạng mặt cắt của bộ phận kết cấu mà dạng xoáy khí hình thành khác nhau và tại giá trị vận tốc gió nào đó mà gây ra dao động và có thể gây phá hoại kết cấu công trình. Các nghiên cứu chỉ ra rằng dao động xoáy chỉ xuất hiện trong phạm vi tốc độ gió bị hạn chế tương đối thấp, dao động tiến triển nhanh và dao động tròng trành chỉ xuất hiện khi vượt quá tốc độ gió nào đó. Đối với ảnh hưởng của góc tác dụng, khi góc tác dụng càng lớn thì dao động xoáy hay dao động phát tán càng dễ xuất hiện.
Ảnh hưởng của cường độ hỗn loạn tuỳ thuộc vào hình dạng mặt cắt kết cấu mà khác nhau nhưng có các xu hướng sau đây được công nhận đối với nhiều kết cấu. Có nghĩa là khi cường độ hỗn loạn tăng lên thì: - Biên độ dao động của phản ứng dao động giật tăng lên - Biên độ dao động xuất hiện của dao động xoáy giảm đi - Tốc độ gió xuất hiện của dao động phát tán tăng lên Đối với các yếu tố liên quan đến đặc trưng khí động lực học thì hình dạng mặt cắt kết cấu rất quan trọng. Nguyên nhân của các dao động của kết cấu chịu tác động của gió là do khi gió tác dụng lên kết cấu xuất hiện lực cản do áp suất. Khi vận tốc dòng thổi tăng lên thì tại một thời điểm nào đó, sự chảy quay vật thay đổi đột ngột, đằng sau vật xuất hiện các xoáy được tách ra khỏi vật và bị dòng cuốn ra xa, tạo thành các rãnh xoáy và tan đi ở một nơi nào đó cách xa vật, chảy vòng quanh vật và rãnh xoáy là dòng chảy thành lớp.
Với các vật có hình dạng đối xứng đằng sau vật thường hình thành hai xoáy có mômen xung lượng bằng nhau về môđun nhưng ngược chiều (theo định luật bảo toàn mômen xung lượng đối với hệ kín là vật - chất lưu). Chuyển động này có đặc điểm là không quy luật và luôn thay đổi theo thời gian cũng như theo không gian. Trong tính toán công trình thường dùng giá trị trung bình danh định của tốc độ gió. Phương trình gió tác động lên kết cấu được đề cập trong nhiều nghiên cứu với các tính toán chi tiết theo từng loại dao động do gió như dao động xoáy (vortex sheding), dao động tiến triển nhanh (galoping), dao động giật (gust).
Tuy nhiên tác động do gió đều gồm hai phần là tác động gió điều hòa và tác động gió ngẫu nhiên.