ĐẶT VẤN ĐỀ Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, với tốc độ đô thị hóa ngày càng cao thì ngày càng nhiều kết cấu công trình hạ tầng như nhà và cầu lớn được xây dựng để giải quyết nhu cầu ở, làm việc đi lại của con người. Để đạt được tốc độ phát triển cao về tăng trưởng kinh tế do sự tăng nhanh về dân số, con người đã tác động rất lớn vào thiên nhiên và cũng đã gây nên sự thay đổi lớn trong tự nhiên; khí hậu, thời tiết ngày càng thay đổi bất thường và khó dự báo hơn, từ đó có nhiều thiên tai hơn kể cả có qui luật tự nhiên và trái qui luật như: gió bão, động đất, sóng thần… đã ảnh hưởng đến trực tiếp đến con người và cơ sở hạ tầng phục vụ cho sự phát triển, trong số đó các công trình có mức độ nguy hiểm cao thường là nhà nhiều tầng. Trong những năm gần đây, thiên tai mà đặc biệt là động đất đã xảy ra thường xuyên hơn, với cường độ mạnh hơn và phạm vi tác động ngày càng rộng hơn, nó không còn là đặc thù của một vài quốc gia mà diễn ra tại nhiều nơi khác trên thế giới như và trong đó có Việt Nam. Từ đầu năm 2005 trở lại đây, tại Việt Nam có năm nhiều hơn 10 trận, và cường độ cũng tương đối lớn không có sự tăng giảm mạnh, ví dụ như năm 2007 ở ngoài khơi Vũng Tàu - Phan Thiết có 1 động đất 5,3 độ Richter, đầu năm 2011 cũng xảy ra một trận với cường độ 4,7 độ Richter (nguồn Báo Công đoàn Bộ khoa học và công nghệ).
Gần đây hơn, động đất kích thích do các công trình thủy điện cũng gây nguy hiểm đến các kết cấu hạ tầng xung quanh. Như thế vỏ trái đất ở Việt Nam cũng không hoàn toàn bình ổn, do đó để phục vụ cho việc phát triển hạ tầng thì cần phải chú trọng về vấn đề động đất để hạn chế thấp nhất những thiệt hại về người và tài sản khi có động đất xảy ra. Dưới đây là một số số liệu về các tổn thất của những trận động đất đã xảy ra trên thế giới trong thời gian gần đây và hình ảnh mình họa cho sự tàn phá của động đất.1 Thiệt hại về người và tài sản một số trận động đất Cường độ Con Tài sản Thời điểm Địa điểm (Richter) người (Tỉ USD) 17/01/1994 Northrid,California 6.7 57 20 17/01/1995 Kobe, Nhật Bản 6.434 147 17/8/1999 Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ 7.5 28/9/1999 Chi-Chi, Đài Loan 7.5 26/12/2003 Đông nam Iran 6.5 26/12/2004 Sumatra, Inđônêxia 9.106 200 12/5/2008 Tứ Xuyên, Trung Quốc 7.570 14 11/3/2012 Đông bắc, Nhật Bản 8.1 Động đất ở Northridge, California – 1994 (Nguồn Wikipedia) Hình 1.2 Động đất ở Kobe, Nhật Bản – 1995 (Nguồn Wikipedia) 3 Hình 1.3 Động đất ở Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ – 1999 (Nguồn Wikipedia) Hình 1.4 Động đất ở Haiti – 2010 (Nguồn Wikipedia) 4 Những số liệu, hình ảnh trên đã phác họa cho chúng ta thấy sự tàn phá khủng khiếp của động đất, vì thế bài toán ứng xử của kết cấu công trình khi chịu động đất luôn là đề tài có tính thời sự đối với các nhà khoa học trên thế giới cũng như trong nước, các giải pháp truyền thống để kết cấu chống lại tải động đất 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. Nhưng các giải pháp trên không thực sự hiệu quả vì đã làm tăng giá thành, trọng lượng kết cấu tăng góp phần tăng tải do lực quán tính gây ra khi có lực tác động ngang.
Khắc phục các hạn chế trên nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện, nhằm tìm ra các giải pháp tiêu tán một phần năng lượng do động đất gây nên, hạn chế truyền năng lượng có hại vào kết cấu, bằng cách lắp đạt các thiết bị điều khiển có khả năng phát sinh một lực trái chiều với lực động đất làm triệt tiêu một phần năng lượng truyền vào kết cấu, khi đó mối quan hệ về năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của kết cấu được thể hiện như sau E Ek E s E h E d (1.1) Trong đó E là tổng năng lượng tác động vào kết cấu; Ek là động năng của kết cấu; Es là năng lượng biến dạng đàn hồi của kết cấu; Eh là năng lượng biến dạng không đàn hồi (kể đến hư hỏng của công trình); Ed là năng lượng tiêu tán bởi thiết bị chống dao động. Qua mối quan hệ về năng lượng trên, với giá trị E bất kỳ và khi đó Ed càng lớn thì Eh càng nhỏ từ đó giảm thiểu năng lượng có hại cho kết cấu. Hiện nay dù có nhiều thiết bị điều khiển kết cấu khác nhau, song mục đích cuối cùng vẫn là làm sao cho các thiết bị đó hấp thu và tiêu tán một lượng lớn năng lượng sinh ra từ tải động đất làm giảm tối đa năng lượng có hại tác động vào kết cấu. Có rất nhiều giải pháp để điều khiển kết cấu khi chịu động đất đã được nghiên cứu trong khoảng vài thập niên gần đây.
Sơ lược có thể kể đến như cô lập móng, tạo liên kết với nền mềm hơn, thay thế bằng các gối cao su, lắp các hệ cản để tăng ma sát, hệ khối lượng để hấp thu năng lượng, dùng các chất lưu biến, 5 dùng hệ thống điện điều khiển,… Cho đến nay sự hiệu quả cũng đã có ý nghĩa, một số giải pháp đã ứng dụng, một số giải pháp còn đang giai đoạn nghiên cứu. Tuy nhiên sự ứng dụng thực sự thì chưa nhiều và đây cũng là hướng nghiên cứu thách thức các kỹ sư kết cấu trên toàn thế giới.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN Luận văn này là phân tích sự ảnh hưởng của hệ cản khối lượng, TMD và lưu biến điện, ER, khi gắn vào kết cấu khung phẳng chịu động đất. Sự hiệu quả của TMD cũng đã được một số nghiên cứu thực hiện và có ứng dụng. Việc gắn thêm thiết bị ER thì tương đối mới trong thời gian gần đây với kết quả cũng có sự hiệu quả giảm chấn.
Vì vậy, việc tìm hiểu thêm một giải pháp nữa kết nối TMD và ER trong khung phẳng ứng xử như thế nào khi có động đất được lựa chọn trong đề tài này. Chi tiết các nội dung thực hiện được sơ lược như sau: - Tìm hiểu mô hình ứng xử của TMD và ER từ các tài liệu tham khảo, lựa chọn mô hình phù hợp với phạm vi đề tài để phân tích. - Xem xét một hệ kết cấu nhiều bậc tự do có gắn TDM và TMD+ER chịu tải động đất. Xây dựng mô hình kết cấu, thiết lập phương trình chuyển động và chọn phương pháp giải.
- Thực hiện việc tính toán số khi kết cấu chịu gia tốc nền động đất, tìm chuyển vị, nội lực trong kết cấu. - Dùng sự phân tích phổ Fourier để đánh giá tần số trội của gia tốc nền, từ đó lựa chọn số liệu gia tốc nền phù hợp với khung kết cấu. - Phân tích tiêu tán năng lượng của hệ cản ER với điện áp khác nhau. Từ các mục tiêu trên, sự mong muốn đạt được của Luận văn cũng không nằm ngoài mục đích tìm hiểu sự hiệu quả các công cụ gắn thêm cho kết cấu.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Nội dung của Luận văn gồm 5 chương được mô tả sơ lược như sau.
Chương này giới thiệu sơ lược về nêu vấn đề, ý tưởng thực hiện luận văn. Tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan từ ngoài nước và trong nước được trình bày, trong chương 2 với nội dung từ ý chính của các tài liệu tham khảo. Chương 3 nêu cơ sở lý thuyết của Luận văn gồm mô hình kết cấu, phương trình chuyển động của kết cấu không gắn thêm hệ cản, có gắn thêm TMD, ER và TMD+ER; phân tích FFT để lựa chọn dữ liệu đầu vào cho bài toán; Thuật toán và sơ đồ khối cũng được mô tả trong chương này. Kết quả số được mô tả trong chương 4 của Luận văn, có khá nhiều bài toán được giải và kiểm chứng làm cơ sở cho các nhận định trong chương 5.
Phần tài liệu tham khảo và phụ lục mã nguồn chương trình cũng được đưa vào cuối Luận văn. 7 Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 GIỚI THIỆU : Chương này sẽ giới thiệu sơ lược quá trình hình thành và phát triển của điều khiển kết cấu, trình bày tính thời sự, thu hút, tiếp diễn của quá trình nghiên cứu các hệ cản chủ động TMD và hệ cản bán chủ động ER, phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về hai hệ cản nói trên, từ đó xác định ý tưởng ghép TMD và ER trong cùng một khung kết cấu phẳng chịu tải động đất của luận văn.2 TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU: Căn cứ vào tính chất làm việc có thể phân loại điều khiển kết cấu như sau: - Điều khiển bị động; - Điều khiển chủ động; - Điều khiển bán chủ động; - Điều khiển kết hợp; 8 2.1 Điều khiển bị động Các hệ thống điều khiển bị động có khả năng giúp kết cấu hấp thu và tiêu tán một phần năng lượng do các tác động từ bên ngoài như: gió, bão, động đất và các chấn động khác, từ đó làm giảm năng lượng truyền vào kết cấu. Hệ điều khiển này có ưu điểm là không cần nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài trong quá trình vận hành, tuy nhiên thiết bị điều khiển bị động thường được thiết kế tối ưu cho một tải trọng riêng biệt, nên nhược điểm của hệ bị động là khi đã lắp đặt vào công trình thì không có thể thay đổi các thông số cho phù hợp với sự thay đổi của tải trọng tác động. Sơ đồ làm việc của hệ thống điều khiển bị động như sau: Hệ thống điều khiển Bị động Ngoại lực tác Kết cấu Phản ứng của kết động cấu Các loại thiết bị tiêu tán năng lượng bị động được dùng phổ biến hiện nay bao gồm: Hệ cô lập móng ; Hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD (Tuned Mass Dampers) ; Hệ cản điều chỉnh chất lỏng TLD (Tuned Liquid Dampers); Hệ cản ma sát FD (Fiction Dampers); Hệ cản dẻo bằng kim loại MD (Metallic Dampers); Hệ cản đàn nhớt (Viscous-elastic Dampers); Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Dampers); 9 Hình 2.1 Hệ điều khiển bị động – Tuned Mass Damper (nguồn Internet) Hình 2.2 Hệ điều khiển bị động – Liquid Tuned Mass Damper (nguồn Internet,[22] ) 10 Hình 2.3 Hệ điều khiển bị động – Viscous Fluid Dampers (nguồn Internet ) 2.
