CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG 1. GIỚI THIỆU Cùng theo nhịp bước phát triển của xã hội và sự gia tăng dân số đòi hỏi sự phát triển của cơ sở hạ tầng tương ứng. Theo đó, tài nguyên đất đai ngày càng khan hiếm và các công trình cao tầng là giải pháp hữu ích cho việc sử dụng nguồn tài nguyên quý giá này.
Với sự biến đổi khí hậu và các thảm họa mà thiên nhiên gây ra đặc biệt là động đất và sóng thần. Một yêu cầu đặt ra cho các nhà thiết kế là thiết kế công trình cao tầng nhưng cũng có khả năng chịu được những tác động của thiên nhiên này đặt biệt là động đất. vì vậy lĩnh vực điều khiển dao động đã và đang được nghiên cứu đưa vào sử dụng thực tế một cách mạnh mẽ trong gần một thập kỷ gần đây do tính ưu việt về tính giảm chấn của nó cho công trình đáp ứng nhu cầu xã hội và của các nhà thiết kế. Điều khiển dao động gắn liền với các loại hệ cản mà công trình được trang bị.
Mỗi loại hệ cản điều có những đặc trưng hay ưu và khuyết điểm riêng đối với từng loại tải trọng (tải trọng gió, tải trọng động đất, hay tải trọng dạng xung), từng dạng công trình (cao hoặc thấp tầng), hay cách thức điều khiển chính hệ cản đó. Việt Nam nằm trong khu vực ít chịu ảnh hưởng của động đất. Các trận động đất mạnh từng xảy ra trong lịch sử thường tập trung ở các tỉnh miền núi và trung du phía Bắc. Tuy nhiên, trong những năm gần đây Việt Nam cũng chịu ảnh hưởng của những trận dư chấn mạnh từ động đất ở Philippines,Thailand, Myanmar… Bên cạnh đó, trước xu hướng phát triển của đô thị hiện đại với những tòa nhà cao tầng nhiều chức năng, việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp chống động đấtđang trở thành đòi hỏi cần thiết.
Để giúp công trình có thể chống lại các tác động bên ngoài thì chúng ta có hai phương pháp sau. Phương pháp thứ nhất là tăng độ cứng của công trình, bằng cách kết hợp các cấu kiện với nhau như tường cứng, giằng, sàn cứng,. khi thiết kế còn có thể xem xét đến hình dáng của công trình, với mặt bằng công trình hình dáng vuông Trang1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG hay chữ nhật thì có khả năng chịu tác động của động đất tốt hơn là các hình dạng khác. Việc chọn vật liệu cho công trình cũng rất quan trọng, vật liệu dễ uốn như thép thì tốt hơn các loại vật liệu giòn như bê tông.
Ngoài ra, đặc trưng nền đất bên dưới công trình cũng ảnh hưởng đến dao động của công trình bên trên nên chúng cần phải được xem xét khi thiết kế kết cấu. Phương pháp thiết kế truyền thống dựa trên các đặc trưng động lực học của bản thân công trình ( khối lượng, độ cứng và vật liệu) để chống lại tác động bên ngoài thì phải chấp nhận một phần hư hại nhất định của công trình. Vì vậy, để bảo vệ kết cấu tốt hơn, người ta sử dụng phương pháp thứ hai đó là dùng các thiết bị điều khiển để hỗ trợ cho kết cấu trong quá trình tiêu tán năng lượng của tải trọng bên ngoài tác động vào công trình. Dựa trên các thành tựu khoa học kỹ thuật của nhiều ngành khác nhau như vật liệu, năng lượng, cơ học, điều khiển học,… khá nhiều giải pháp giảm dao động đã được nghiên cứu và phát triển, khi xét về cách thức giảm dao động thì có thể phân thành hai loại sau: Giải pháp cách chấn: do chấn động lan truyền trong nền, nên cách hiệu quả nhất để chống dao động là cách ly hẳn công trình khỏi nền.
Vì không thể hoàn toàn cách ly được công trình khỏi nền, nên người ta bố trí các thiết bị cách chấn giữa công trình và nền. Do thiết bị này có độ cứng thấp nên khi nền dao động nó có biến dạng lớn, nhờ vậy công trình bên trên (có quán tính lớn) chỉ chịu dao động nhỏ. Loại hệ cản điển hình này là hệ cô lập móng (Base isolation). Giải pháp giảm chấn: Trong trường hợp tải trọng gió, tải trọng dạng xung (cháy, nổ) tác dụng lên công trình, năng lượng của tải trọng này sẽ được truyền trực tiếp vào kết cấu bên trên của công trình mà không có khả năng cách ly.
Do vậy, người kỹ sư phải tăng độ cứng của công trình để khống chế dao động, phải nhờ vào độ cản của bản thân công trình để giải phóng năng lượng tải trọng này, hoặc bố trí các thiết bị giảm chấn được điều khiển bị động, chủ động hay bán chủ động để phát sinh lực nhằm điều khiển công trình có được đáp ứng như mong muốn.Khi xét về mặt năng lượng cung cấp cho thiết bị, ta có thể phân các thiết bị giảm chấn thành các loại sau: + Điều khiển bị động ( passive control ): Thiết bị được điều khiển bị động là loại thiết bị không cần nguồn năng lượng cung cấp cho nó. Thiết bị này sử dụng Trang2 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG chính dao động của bản thân kết cấu để tạo ra chuyển động tương đối bên trong thiết bị và tiêu tán năng lượng. Các loại thiết bị điều khiển bị động thường dùng là: hệ cản khối lượng (Mass dampers), hệ cản cột chất lỏng (Column liquid dampers), hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous fluid dampers), hệ cản ma sát (FrictionDissipators)… Hình 1-1: Điều khiển bị động với Viscous Fluied Dampers Trang3 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG Hình 1-2: Điều khiển bị động với Tuned Mass Dampers Hình 1-3: Điều khiển kết cấu với Base Isolation, Friction Damper. Trang4 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG + Điều khiển chủ động (active control): Thiết bị này sử dụng nguồn năng lượng rất lớn để vận hành thiết bị nhằm tạo ra lực điều khiển.
Loại thiết bị này có khả năng thích ứng với các loại tải trọng khác nhau và dễ điều khiển được dao động của công trình. Tuy nhiên, do phải sử dụng nguồn năng lượng để tạo ra lực điều khiển lớn từ bên ngoài nên độ tin cậy của thiết bị không cao khi có động đất xẩy ra (do có khả năng mất nguồn năng lượng cung cấp) và chi phí vận hành, bảo trì cũng nhiều hơn các thiết bị khác. + Điều khiển bán chủ động (semi – active control) là loại thiết bị không đưa trực tiếp lực điều khiển từ bộ sinh lực (actuator) vào công trình để kiểm soát mà chỉ cần cung cấp năng lượng làm thay đổi trạng thái cơ học (chuyển vị, vận tốc, gia tốc) của hệ cản để từ đó hệ cản sinh ra lực điều khiển như mong muốn. Vì lý do này mà năng lượng cung cấp cho thiết bị sinh lực trong điều khiển bán chủ động là nhỏ hơn nhiều so với điều khiển chủ động mà vẫn giữa được ưu điểm của thiết bị chủ động đó là kiểm soát được đáp ứng của kết cấu trong từng bước thời gian cũng như ứng với từng giai đoạn tải trọng khác nhau.
Các loại thiết bị thường dùng là:hệ cản độ cứng thay đổi (controlled-stiffness dampers), hệ cản điều chỉnh khối lượng (semi-active tuned mass dampers), hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (tuned liquid column dampers), hệ cản ma sát biến thiên (variable friction dampers), hệ cản chất lỏng nhớt biến thiên (variable viscous fluid dampers),… TAÛI TROÏNG TAÙC ÑOÄNG LÖÏC ÑIEÀU KHIEÅN ÑAÙP ÖÙNG ÑAÀU RA BOÄ SINH LÖÏC COÂNG TRÌNH BOÄ ÑO ÑAÏC CAÛM BIEÁN TÍN HIEÄU ÑIEÀU KHIEÅN BOÄ ÑIEÀU KHIEÅN Hình 1-4: Những thành phần cơ bản của vòng lặp trong điều khiển chủ động. + Điều khiển hỗn hợp (Hybrid control) là hệ thống kết hợp giữa hệ cản chủ động và hệ cản bị động, hoặc kết hợp giữa hệ cản bán chủ động và hệ cản bị động. Khi lực kích thích nhỏ (động đất yếu) thì hệ làm việc như hệ bị động, khi Trang5 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG chịu lực kích thích lớn thì hệ chuyển sang làm việc như hệ bán chủ động. Nội dung của luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu loại điều khiển hỗn hợp này.
Hình 1-5: Điều khiển hỗn hợp giữa chủ động hoặc bán chủ động và cách ly dao động Ngày nay, người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn cũng như đưa thêm các thiết bị sinh lực chủ động vào kết cấu để tăng thêm hiệu quả giảm đáp ứng của công trình. Xét về cách thức giảm dao động, điều khiển kết cấu có thể phân thành các loại theo sơ đồ sau (Hình 1-6): ÑIEÀU KHIEÅN KEÁT CAÁU ÑIEÀU KHIEÅN BÒ ÑOÄNG ÑIEÀU KHIEÅN CHUÛ ÑOÄNG ÑIEÀU KHIEÅN HOÃN HÔÏP VAØ BAÙN CHUÛ ÑOÄNG (CHUÛ ÑOÄNG + BÒ ÑOÄNG) COÂ LAÄP MOÙNG VFD (Heä caûn chaát loûng nhôùt) FD (Heä caûn ma saùt) THIEÁT BÒ TIEÂU TAÙN NAÊNG LÖÔÏNG TMD (Heä caûn ñieàu chænh khoái löôïng) CSD (Heä caûn coù ñoä cöùng thay ñoåi) MR (Heä caûn löu bieán töø) Hình 1-6: Sơ đồ tổng quan về điều khiển kết cấu Trang6 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG 1. MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI 1. Tình hình nghiên cứu Các nghiên cứu về điều khiển dao động rất đa dạng về chủng loại hệ cản.
Rất nhiều nghiên cứu đã được đưa vào áp dụng trong các công trình thực tế: Base Isolation Systems ( Hệ cô lập dao động), Viscous Fluid Dampers (Hệ cản chất lỏng nhớt), Tuned Mass Dampers (Hệ cản điều chỉnh khối lượng), Controlled Stiffness Dampers (Hệ cản có độ cứng thay đổi…Nhưng hầu hết các nghiên cứu về điều khiển dao động chỉ dừng lại ở từng hệ cản riêng lẻ có thể kể đến như: Hệ cản điều chỉnh khối lượng: K. Samali– Performance of tuned mass dampers under wind loads[4]. Hệ cản chất lỏng nhớt: Robert J. MCNAMARA and Douglas P.
Taylor – Fluid viscous dampers for high-rise buildings[6]. Hệ cản ma sát: Servio Tulio de la Cruz Chaùidez – Contribution to the Assessment of the Efficiency of Friction Dissipators for Seismic Protection of Buildings[7]. Hệ cản độ cứng thay đổi kết hợp hệ cản ma sát: Y. Ribakov – Semi-Active predictive control of nonlinear structures with controlled stiffness devices and friction dampers[9].
Seismic response of adjacent buildings connected with dampers - A. Earthquake Performance of Isolated Buildings Connected with MR Dampers - S. Và đặc biệt là cao học Ngành Dân dụng và Công nghiệp của Đai học Bách Khoa Tp.HCM đã có nhiều luận văn về điều khiển dao động kết cấu chống tải trọng động đất với các loại hệ cản khác nhau. Các luận văn về điều khiển dao động kết cấu chống tải trọng động đất với các loại hệ cản khác nhau có thể kể đến như [13] [14] [15] [16] [17] [18].
Trang7 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG 1.
