Đặt vấn đề Động đất là sự chuyển động của nền đất, gió bão do sự thay đổi khí hậu và vì vậy chúng có ảnh hưởng đến công trình xây dựng trên nền đất, có thể ảnh hưởng khá lớn. Các trận động đất lớn gây sụp đổ các công trình xây dựng do lực quán tính của chính khối lượng công trình gây ra; gió bão gây ra áp lực lớn lên bề mặt và có thể nguy hiểm cho công trình. Trong những thập niên gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, ngành vật liệu xây dựng đã tạo ra những vật liệu có trọng lượng nhẹ hơn mà cường độ chịu lực cao hơn; nên kết cấu dùng vật liệu này có khuynh hướng tăng độ mảnh, tiết diện nhỏ đi. Xét trên khía cạnh đặc trưng động lực học có thể thấy rằng tần số riêng của hệ có thể nhỏ hơn và trở nên nguy hiểm hơn khi chịu tác động của tải trọng động như gió và động đất.
Hơn nữa, gió và cả động đất đã và đang xuất hiện nhiều nơi trên thế giới, cũng không hạn chế vùng miền; và trong quá khứ cũng như gần đây chúng gây ra khá nhiều tổn thất nặng nề về người và công trình xây dựng; một số ví dụ như trong bảng 1.1 và các hình vẽ Bảng 1.1 Thiệt hại về người và tài sản qua một số trận động đất Cường độ Tài sản Địa điểm Thời gian Con người (Richter) (tỷ USD) Northidge, California 17/01/1994 6.8 60 20 Kobe, Nhật Bản 17/01/1995 6.8 5502 147 Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ 17/08/1999 7.5 Chi-Chi, Đài Loan 28/09/1999 7.5 Sumatra, Inđônêxia 26/12/2004 9.1 Động đất Northridge, năm 1994 Hình 1.2 Động đất Kobe, năm 1995 3 Hình 1.3 Động đất Sumatra, Indonesia, năm 2004 Hình 1.4 Động đất Nepal, 2015 4 Hình 1.5 Công trình bị phá hoại do bão tại Keokuk, Mỹ, năm 2011 Tại Việt Nam đã từng ghi nhận hai trận động đất có cường độ mạnh. Một là động đất Điện Biên (năm 1935) với cường độ 6.75 độ Richter xảy ra trên đới đứt gãy sông Mã. Hai là động đất Tuần Giáo (năm 1983) với cường độ 6.8 độ Richter xảy ra trên đứt gãy Sơn La. Từ năm 2005 trở lại đây, ngày càng xuất hiện nhiều trận động đất hơn, có năm nhiều hơn đến 10 trận.
Ví dụ, năm 2007 ở ngoài khơi Vũng Tàu – Phan Thiết xảy ra động đất 5.3 độ Richter, đầu năm 2011 cũng xảy một trận với cường độ 4. Ngoài ra, Việt Nam nằm trong khu vực có tần suất xuất hiện bão nhiệt đới lớn nhất trên thế giới (hình 1.6), mỗi năm có hàng chục cơn bão và đã tác động lên nhiều công trình xây dựng và cũng đã gây nguy hại cho một số công trình.6 Tần suất xuất hiện của bão biển trên thế giới từ năm 1980 đến 2000 Qua một số nhận xét trên, có thể thấy rằng sự tác động của gió bão và động đất đối với các công trình xây dựng là quan trọng. Với trình độ khoa học kỹ thuật hiện tại, khó có thể dự báo khi nào xảy ra động đất, cấp độ là bao nhiêu; hay khi nào xảy ra bão lớn, nhiều hay ít một cách chính xác; nên việc tìm giải pháp kết cấu để an toàn hơn khi chịu tác động của các nguyên nhân này rất cần thiết. Sự cần thiết này không chỉ trong điều kiện ở trong nước mà cả ở nước ngoài.
Nên hướng nghiên cứu này có tính thời sự đối với các kỹ sư kết cấu và ngày càng thu hút sự quan tâm. Để kết cấu có thể phù hợp hơn với các tác động trên, giải pháp truyền thống là tăng độ cứng và khả năng chịu lực của kết cấu bằng cách tăng kích thước tiết diện của các cấu kiện như cột, dầm, vách cứng. Tuy nhiên, giải pháp này có nhược điểm là tăng trọng lượng bản thân kết cấu kéo theo tăng chi phí xây dựng mà hiệu quả đạt được là không cao. Vì lý do đó, trong thời gian gần đây các nhà khoa học và kỹ sư đã nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp giảm chấn cho kết cấu, nhằm hạn chế bớt những hư hỏng mà công trình phải gánh chịu do các tác động của tự nhiên, đặc biệt là do động đất gây ra.
Các giải pháp giảm chấn có thể chia thành ba nhóm chính: Giải pháp dạng bị động, giải pháp dạng chủ động và giải pháp dạng bán chủ động. Hai giải pháp sau đòi hỏi phải phối hợp nhiều ngành khoa học liên quan xây dựng, 6 tự động, điện,… nên hiện nay đang được quan tâm nhưng còn rất nhiều khó khăn và kết quả cũng còn nhiều hạn chế. Sự thành công của giải pháp đầu tiên, giảm chấn bị động đã đóng góp nhiều trong ngành cả về cơ sở lý thuyết và một số ứng dụng cụ thể. Trong các giải pháp giảm chấn dạng bị động, giải pháp dùng chất lỏng rất có hiệu quả bởi các lý do như khả năng hấp thụ cũng như tiêu tán năng lượng dao động cao ngay cả với các kích động nhỏ; có thể kết hợp TLD làm bể nước sinh hoạt; tốn rất ít chi phí xây dựng và bảo trì hơn các thiết bị khác, giá thành thấp nên khá phù hợp trong điều kiện nước ta.
Trên thế giới việc áp dụng giảm chấn dạng chất lỏng để giảm dao động cho các công trình xây dựng đã nhận được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và cũng đã được ứng dụng; hơn nữa các nghiên cứu về hướng này gần đây cũng được công bố tương đối nhiều trên các tạp chí khoa học. Ở Việt Nam, năm 2006, lần đầu tiên hệ giảm chấn chất lỏng được áp dụng để giảm dao động do gió cho tháp cầu dây văng Bãi Cháy. Tuy nhiên việc nghiên cứu về hệ giảm chấn có nhiều ưu điểm này còn hạn chế. Các công trình nghiên cứu ở Việt Nam về hệ giảm chấn dạng chất lỏng trong thời gian gần đây có thể kể đến như sau: - Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD), luận văn thạc sĩ, Ngô Ngọc Cường, 2003 - Nghiên cứu giải pháp giảm dao động xoắn của công trình bằng hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng TLCD, luận văn thạc sĩ, Lê Ngọc Bảo, 2007 - Phân tích khả năng kháng chấn của công trình sử dụng các bể chứa trong đó có xét đến sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể, luận văn thạc sĩ, Bùi Phạm Đức Tường, 2010 - Nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong kiểm soát dao động cho cầu dây văng tại Việt Nam, luận án tiến sĩ, Nguyễn Đức Thị Thu Định, 2015 Trong các nghiên cứu trên, nghiên cứu của Ngô Ngọc Cường và Lê Ngọc Bảo nghiên cứu về hệ giảm chấn ở dạng điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD).
Nghiên cứu của Bùi Phạm Đức Tường tập trung phân tích dao động của sóng chất lỏng bên trong bể chứa khi nhấn mạnh đến sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể hơn là 7 đánh giá tính hiệu quả của hệ giảm chấn điều chỉnh chất lỏng. Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Đức Thị Thu Định tập trung giải quyết bài toán hệ một bậc tự do có gắn TLD chịu tải trọng điều hòa. Từ nhận định trên, luận văn này chọn đề tài Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến khả năng kháng chấn của công trình nhằm chú trọng giải quyết bài toán kết cấu nhiều bậc tự do có gắn TLD chịu tải điều hòa và động đất. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích sự ảnh hưởng của bể nước, đóng vai trò như hệ giảm chấn đến khả năng kháng chấn của kết cấu công trình; khảo sát sự ảnh hưởng của TLD đến hiệu quả giảm chấn khi thay đổi các thông số liên quan.
Để đạt được mục tiêu trên, các công việc cụ thể được đề ra như sau: tìm hiểu mô hình của bể nước mái trong kết cấu, xác định các thông số động lực học của bể nước theo mô hình phi tuyến; xây dựng mô hình kết cấu khung phẳng có gắn bể nước chịu tải trọng động với bậc tự do là chuyển vị ngang các sàn tầng, thiết lập phương trình chủ đạo và lựa chọn phương pháp giải; phân tích hiệu quả giảm dao động của TLD khi kết cấu chịu tải điều hòa và động đất dựa trên chương trình tính toán được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB. Phương pháp thực hiện Mục tiêu của luận văn này là theo hướng lý thuyết, nên phương pháp thực hiện là lý thuyết và phân tích số liệu từ lập trình. Trước hết tìm hiểu cơ sở lý thuyết, các mô hình tính toán của bể nước, lựa chọn mô hình cho bể nước. Ứng dụng mô hình NSD (Nonlinear Stiffness Damping) – mô hình hệ giảm chấn khối lượng tương đương với thông số độ cứng và tính cản phi tuyến để phân tích TLD.
Phương trình chủ đạo của kết cấu gắn TLD được thiết lập dựa trên sự cân bằng động, vì mô hình là phi tuyến nên phương trình này là phương trình vi phân phi tuyến và giải bằng phương pháp từng bước Newmark, gia tốc nền được lựa chọn là những trận động đất có phổ tần số tương đối gần với tần số riêng của kết cấu. Thông qua các kết quả số thu được, bàn luận về tính hiệu quả của TLD. Cấu trúc luận văn Nội dung luận văn gồm 5 chương, được trình bày sơ lược như sau: Chương 1: Đặt vấn đề, nêu lý do chọn đề tài. Giới thiệu sơ lược về hệ giảm chấn TLD.
Qua đó trình bày mục tiêu nghiên cứu, phương pháp thực hiện. Chương 2: Tổng quan về hệ giảm chấn TLD. Trình bày một số công trình ứng dụng TLD để giảm chấn. Đồng thời tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hệ giảm chấn trên.
Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết về hệ giảm chấn TLD. Từ đó, lựa chọn mô hình tính toán, phương pháp số để phân tích đáp ứng của hệ khi không gắn TLD và khi có gắn TLD. Chương 4: Trình bày các ví dụ số để kiểm chứng code chương trình chính và phân tích hiệu quả của giải pháp giảm chấn bằng bể nước mái. Bên cạnh đó, khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số tỷ số khối lượng của TLD, tỷ số giữa tần số TLD và tần số dao động tự nhiên của kết cấu, chiều sâu mực nước trong bể đến hiệu quả giảm chấn.
Chương 5: Nêu ra một số kết luận quan trọng rút ra được từ luận văn. Đánh giá sự ảnh hưởng của thông số tỷ số khối lượng, tỷ số tần số, chiều sâu mực nước đến ứng xử của hệ khi chịu tải trọng điều hòa và động đất. Từ đó, đưa ra hướng phát triển đề tài trong tương lai. 9 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.