Đặt vấn đề Một chuyển động lặp lại trong một khoảng thời gian được gọi là dao động. Sự đong đưa của con lắc là ví dụ cơ bản về hiện tượng dao động. Lý thuyết dao động liên quan đến việc nghiên cứu chuyển động dao động của một vật và lực tác dụng lên nó. Dao động là một hiện tượng rất phổ biến trong tự nhiên và trong kỹ thuật.
Hiện tượng dao động xuất hiện trong rất nhiều lĩnh vực của khoa học, không chỉ trong vật lý, cơ học, mà còn trong điện, điện tử, hóa học, sinh học, thiên văn học và trong lĩnh vực xây dựng… Các tòa nhà cao tầng, các cây cầu, các phương tiện giao thông (ô tô, tàu thủy, máy bay,…),… là các hệ dao động mà chúng ta hay gặp trong cơ khí, xây dựng và giao thông. Nếu không được kiểm soát (điều khiển), dao động có thể dẫn đến những tình huống hư hỏng. Chẳng hạn, dao động của máy công cụ hoặc máy công cụ bị rơ (chuyển động lạch cạch) có thể dẫn đến gia công không đúng các chi tiết. Sự phá hoại kết cấu có thể xảy ra do các ứng suất động lớn phát triển trong các trận động đất hoặc thậm chí dao động do gió gây ra.
Những rung động quá mức của máy bơm, máy nén và các máy công nghiệp khác có thể gây ra dao động của cấu trúc xung quanh, dẫn đến hoạt động kém hiệu quả cho máy, đồng thời tiếng ồn mà chúng tạo ra có thể gây khó chịu cho con người. Các nghiên cứu về dao động luôn gắn chặt với kỹ thuật hiện đại và đóng vai trò quan trọng trong thiết kế, chế tạo, đánh giá ổn định, độ bền của công trình. Đây là nhiệm vụ phức tạp vì có nhiều yếu tố ngẫu nhiên có ảnh hưởng đáng kể đến hệ kỹ thuật hoặc kết cấu, khó xác định nó rõ ràng. Có rất nhiều hệ kết cấu chịu các tác động ngẫu nhiên như các kết cấu trên biển chịu tác động của gió và sóng, các phương tiện giao thông chịu tác động ngẫu nhiên gây ra bởi mặt đường không bằng phẳng,… Vì các hệ đều được thiết kế để chịu được, với xác suất nhất định, các mức độ khắc nghiệt ngẫu nhiên có của kích động luan an 8 mà chúng có thể gặp trong suốt quá trình vận hành, nên ảnh hưởng của các kích động ngẫu nhiên luôn được quan tâm.
Do đặc điểm của các tải trọng này là ngẫu nhiên theo thời gian, nên các bài toán dao động được mô hình hóa dựa trên lý thuyết xác suất và quá trình ngẫu nhiên. Do kích động là các lực ngẫu nhiên nên các đáp ứng như dịch chuyển, vận tốc cũng có tính chất ngẫu nhiên. Bởi vậy, trong phân tích dao động ngẫu nhiên, kết quả của các đáp ứng được biểu diễn dưới dạng trung bình theo nghĩa xác suất. Sự tồn tại nghiệm chính xác rất quan trọng, thứ nhất nó cho phép khẳng định tính đúng đắn của mô hình được thiết lập khi đối chiếu với các số liệu đo đạc trong thực tế, thứ hai nó cho phép ước lượng được các thông số cần điều chỉnh và điều khiển trong các bài toán thiết kế sơ bộ, thiết kế chính xác hay kiểm tra.
Quá trình dao động của công trình là một quá trình tích luỹ, chuyển hoá và tiêu tán năng lượng do các tác động bên ngoài cũng như do các nguyên nhân bên trong công trình gây ra. Vấn đề đặt ra là các kỹ sư xây dựng can thiệp như thế nào vào quá trình biến đổi năng lượng đó, để có thể khống chế dao động của công trình trong giới hạn cho phép. Từ đó, các giải pháp chống dao động cho công trình ra đời cùng với các thiết bị hoạt động theo các cơ chế khác nhau. Trong thời đại ngày nay, kỹ thuật điều khiển dao động công trình đã trở thành một lĩnh vực ngày càng được các kỹ sư xây dựng quan tâm.
Dựa trên thành tựu khoa học kỹ thuật của nhiều ngành khác nhau như vật liệu, năng lượng, cơ điện tử, cơ học, điều khiển học… khá nhiều giải pháp chống dao động đã được nghiên cứu và phát triển. Tổng quan về các giải pháp chính để giảm dao động Dao động và va chạm là hai hiện tượng thường gặp trong tự nhiên và kỹ thuật. Dao động và va chạm có thể có ích hoặc có hại tùy thuộc vào trường hợp cụ thể. Đối với các hệ kỹ thuật, rất nhiều dạng dao động và va chạm có hại.
Trong lĩnh vực xây dựng công trình quốc phòng, các công trình như sở chỉ huy chịu tác dụng của sóng xung kích…, nhà giàn DKI, các thiết bị quân sự như các loại súng cỡ lớn hoặc xe chở súng đều cần được giảm giật để tăng luan an 9 độ chính xác và tăng hiệu quả chiến đấu, các tàu chiến cần có hệ thống cân bằng và ổn định tự động vì các loại tàu này có sự thay đổi vận tốc và quỹ đạo rất lớn. Các hệ thống cân bằng và ổn định đều dựa trên kỹ thuật hiện đại về chống các dao động có hại. Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, các công trình hiện đại ngày càng cao và dài nên khả năng dao động càng lớn. Những loại công trình cao, dài, nhẹ và mảnh trở nên rất phổ biến như các tháp vô tuyến, các cao ốc, các cầu nhịp lớn, cầu dây văng, cầu treo, ống khói, các tháp cẩu trong quá trình xây dựng… Đối với loại công trình này, các tải trọng động như tải trọng do gió, dòng chảy, sóng, động đất, phương tiện giao thông, va đập…, sẽ gây ra các dao động nguy hiểm cho công trình.
Các phương pháp giảm dao động và va chạm thường dựa trên cơ sở giảm hoặc cách ly lực kích động, thay đổi tần số riêng để tránh cộng hưởng, tăng cản cho cơ hệ. Một số giải pháp chính để giảm dao động cụ thể như sau [4], [5]: 1. Các giải pháp về hình học Đây là giải pháp áp dụng cho các loại tải trọng như sóng, gió. Vì tải trọng sóng, gió phụ thuộc vào diện tích và hình dạng mặt chắn nên nếu thay đổi những yếu tố này thì có thể giảm được tác động của sóng gió.
Ví dụ các nhà cao tầng có thể sử dụng các giải pháp như vát góc, tạo các lỗ thoát gió, tạo các rìa, sườn…để giảm hệ số khí động từ đó sẽ giúp làm giảm các đáp ứng. - Kích thước nhà phải hợp lý, tránh nhà mảnh và dài. Bố trí mặt bằng các bộ phận cần hợp lý, nên bố trí mặt bằng nhà đơn giản dạng chữ nhật, tránh mặt bằng có thể tạo túi hứng gió như mặt bằng hình chữ L, chữ T và chữ U. - Khi bố trí nhà tập trung thành cụm nên bố trí các nhà so le tránh bố trí thẳng hàng vì dễ hình thành túi gió hoặc luồng gió xoáy.
- Có thể bố trí các cửa sổ tường đối diện nhau, có thể bố trí cửa trên mái để gió vào nhà không tạo không gian nhà thành túi gió. Từ đó có thể giảm được khả năng tốc mái và áp lực của gió tác dụng lên tường. - Ngoài ra có thể điều chỉnh hình dạng của các tường bao che bên ngoài luan an 10 để giảm tác động của tải trọng gió lên tường như tường chắn hình răng cưa, tường chắn có lỗ, tường chắn góc. Các giải pháp về kết cấu 1.
Tăng khối lượng kết cấu Việc tăng khối lượng sẽ làm giảm gia tốc do các lực sinh ra dưới tác dụng của tải trọng sóng, gió…Tuy nhiên, việc tăng khối lượng kết cấu không có tác dụng với trường hợp tải gia tốc nền. Dù sao, giải pháp tăng khối lượng kết cấu là một giải pháp ít được sử dụng vì làm tăng giá thành vật liệu cũng như giá thành móng. Hơn thế nữa, khi xảy ra động đất thì tăng khối lượng là một giải pháp có nhiều rủi ro. Tăng độ cứng k cho kết cấu Tăng độ cứng kết cấu có thể được thực hiện bằng việc sử dụng các dầm, cột với đường kính lớn hơn, sử dụng các thanh giằng, dầm chia, tường chống trượt, trụ đỡ.
Tăng độ cứng sẽ làm giảm thành phần chuyển dịch tĩnh, làm giảm chuyển dịch và gia tốc. Tuy nhiên, giải pháp này rất ít có hiệu quả giảm gia tốc nếu cản quá bé, ít có tác dụng giảm gia tốc trong dao động tự do. Ngoài ra còn góp phần làm tăng tần số dao động. Giải pháp cách ly nền Mục đích là giảm độ cứng kết cấu.
Đây là giải pháp áp dụng đối với tải dạng gia tốc nền. Theo đó các thiết bị cách ly được đặt giữa kết cấu với nền, qua đó làm giảm tác động của tải gia tốc nền theo phương ngang tác động vào kết cấu. Giải pháp sử dụng các thiết bị cách ly được sử dụng rất rộng rãi để giúp kết cấu có khả năng chống lại động đất. Các thiết bị cách ly cần có 3 tính chất chủ yếu sau: - Đủ cứng theo phương thẳng đứng để chịu được tất cả các tải do trọng lực gây ra; - Đủ cứng khi chịu tải trọng ngang với cường độ nhỏ như tải gió; luan an 11 - Đủ mềm khi chịu tải trọng ngang với cường độ lớn như động đất.
Tuy nhiên, giải pháp này chỉ áp dụng với trường hợp tải gia tốc nền như động đất. Không giảm được đáp ứng tĩnh. Giải pháp sử dụng các TBTTNL Mục đích là nhằm làm tăng độ cản kết cấu. Các TBTTNL không chỉ có hiệu quả giảm dao động cả chuyển dịch lẫn gia tốc mà còn có tác dụng tăng độ tin cậy của thiết kế.
Tuy nhiên, không có hiệu quả đối với đáp ứng tĩnh, nếu cản lớn quá gây hiện tượng cản quá tới hạn, không giảm được dao động tự do. Giải pháp điều khiển tích cực, nửa tích cực Giải pháp này là sử dụng các thiết bị sinh ra các lực được điều khiển, tác động vào kết cấu để giảm dao động. Giải pháp có ưu điểm là có thể đạt được mục tiêu điều khiển tối ưu. Tuy nhiên, công nghệ phức tạp, đòi hỏi các đầu đo trực tuyến, bộ điều khiển tốc độ cao, máy tạo lực lớn và các thuật toán điều khiển ổn định.
Phương pháp sử dụng các TBTTNL Các TBTTNL hoạt động trên nguyên tắc năng lượng, được lắp đặt với mục đích hấp thụ và chuyển một phần năng lượng của hệ kết cấu thành dạng năng lượng khác, từ đó làm giảm dao động hoặc va chạm có hại của hệ kết cấu đó.