I. Hệ cản khối lượng và lưu biến điện trong kết cấu khung phẳng
Hệ cản khối lượng (TMD) và lưu biến điện (ER) là hai hệ thống giảm chấn được nghiên cứu để tăng khả năng chịu tải động đất của khung phẳng. TMD hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ năng lượng dao động thông qua khối lượng phụ, trong khi ER sử dụng điện thế để điều chỉnh lực cản. Sự kết hợp giữa TMD và ER mang lại hiệu quả cao trong việc giảm chuyển vị, gia tốc và nội lực của kết cấu khi chịu tải trọng động đất. Phương trình chuyển động của kết cấu có gắn TMD và ER được thiết lập dựa trên nguyên lý cân bằng động, giải bằng phương pháp tích phân số của Newmark.
1.1. Nguyên lý hoạt động của TMD và ER
TMD hoạt động bằng cách điều chỉnh khối lượng phụ để hấp thụ năng lượng dao động, trong khi ER sử dụng điện thế để thay đổi tính chất lưu biến của chất lỏng, tạo ra lực cản phụ thuộc vào chuyển vị và vận tốc của kết cấu. Sự kết hợp này giúp tối ưu hóa hiệu quả giảm chấn, đặc biệt trong các kết cấu chịu động đất.
1.2. Mô hình kết cấu khung phẳng
Mô hình khung phẳng được thiết lập với các thông số kết cấu cụ thể, bao gồm số tầng, độ cứng và khối lượng. Hệ thống TMD và ER được gắn vào kết cấu để phân tích phản ứng dưới tải trọng động đất. Kết quả cho thấy sự giảm đáng kể chuyển vị và gia tốc khi sử dụng hệ thống kết hợp này.
II. Phân tích ảnh hưởng của hệ cản trong điều kiện động đất
Phân tích ảnh hưởng của hệ cản khối lượng và lưu biến điện được thực hiện thông qua các trận động đất điển hình như ElCentro và Superstition. Kết quả cho thấy hệ thống TMD + ER giảm đáng kể chuyển vị, gia tốc và nội lực của kết cấu. Phổ năng lượng của động đất được phân tích bằng phương pháp FFT, giúp xác định tần số trội và hiệu quả của hệ cản.
2.1. Phân tích phản ứng kết cấu dưới tải động đất
Phản ứng của kết cấu khung phẳng được phân tích dưới tải trọng động đất ElCentro và Superstition. Kết quả cho thấy hệ thống TMD + ER giảm chuyển vị tầng đỉnh lên đến 30%, gia tốc giảm 25% và lực cắt giảm 20% so với kết cấu không có hệ cản.
2.2. Hiệu quả của hệ cản với các điện thế khác nhau
Hiệu quả của lưu biến điện phụ thuộc vào điện thế cung cấp. Khi điện thế tăng từ 0kV lên 5kV, lực cản tăng đáng kể, giúp giảm chuyển vị và gia tốc của kết cấu. Điều này chứng tỏ khả năng điều chỉnh linh hoạt của hệ thống ER trong các điều kiện tải trọng khác nhau.
III. Ứng dụng thực tiễn và giá trị của nghiên cứu
Nghiên cứu này mang lại giá trị thực tiễn cao trong việc thiết kế khung phẳng chịu động đất. Hệ thống TMD + ER không chỉ giúp tăng độ an toàn của công trình mà còn giảm chi phí xây dựng bằng cách tối ưu hóa kết cấu. Phương pháp phân tích và chương trình tính toán bằng MATLAB cung cấp công cụ hữu ích cho các kỹ sư trong việc đánh giá và thiết kế kết cấu chịu động đất.
3.1. Tối ưu hóa kết cấu chịu động đất
Việc sử dụng hệ cản khối lượng và lưu biến điện giúp tối ưu hóa kết cấu, giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản khi xảy ra động đất. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để áp dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng tại Việt Nam và các khu vực có nguy cơ động đất cao.
3.2. Phát triển chương trình tính toán
Chương trình tính toán bằng MATLAB được phát triển để phân tích phản ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất. Chương trình này có thể được sử dụng để kiểm tra và đánh giá hiệu quả của các hệ thống giảm chấn khác nhau, góp phần nâng cao chất lượng thiết kế kết cấu.
