ĐẶT VẤN ĐỀ Từ năm 2007 đến nay các trận động đất có cường độ nhỏ và vừa với mật độ ngày càng nhiều đã xảy ra trên lãnh thổ Việt Nam. Đặc biệt từ ngày 3/09/2012 đến nay các trận động đất xảy ra liên tục tại thủy điện Sông Tranh 2 với cấp độ ngày càng tăng có gây hậu quả nhất định dù chưa thật sự nghiêm trọng. Một số trận động đất gần đây ở Trung Quốc, Lào cũng đã có ảnh hưởng nhất định đến nước ta… Điều đó chứng tỏ rằng vỏ trái đất ở Việt Nam cũng không hoàn toàn bình ổn.Cùng với tốc độ đô thị hóa thì rõ ràng việc xảy ra động đất trong tương lai có thể sẽ gây ra những tổn thất lớn về nhân mạng và tài sản.1 dưới đây trình bày vài số liệu về tổn thất của những trận động đất đã xảy ra trên thế giới tương đối gần đây.1Thiệt hại về người và tài sản một số trận động đất Cường Tài sản Con Thời điểm Địa điểm độ (Tỉ người (Richter) USD) 17/01/1994 Northrid,California 6.8 60 20 17/01/1995 Kobe, Nhật Bản 6.9 5502 147 17/08/1999 Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ 7.5 26/12/2003 Đông nam Iran 6.5 26/12/2004 Sumatra, Inđônêxia 9.1 283106 200 Tứ Xuyên, Trung 12/5/2008 7.9 69195 10 Quốc 12/1/2010 Haiti 7 222570 14 11/3/2012 Đông bắc, Nhật Bản 8.1 Động đất ở Northridge, California – 1994 3 Hình 1.2 Động đất ở Kobe, Nhật Bản – 1995 Hình 1.3 Động đất ở Tứ Xuyên, Trung Quốc – 2008 4 Hình 1.4 Động đất ở Haiti – 2010 Hình 1.5 Động đất ở Đông Bắc, Nhật Bản – 2012 Những hình ảnh trên phác họa cho chúng ta thấy sự tàn phá vô cùng khủng khiếp của động đất. Vì vậy bài toán ứng xử của kết cấu công trình xây dựng khi chịu động đất luôn là đề tài có tính thời sự đối với các nhà khoa học trên thế giới 5 cũng như trong nướcCho2004 [3],Chooi 2008 [4], Jansen 2000 [10],Leiman 1994 [13], Nguyễn 2006 [17], Vương 2011 [25]….
Giải pháp truyền thống để chống lại tác động của động đất là tăng độ bền, độ cứng của kết cấu để chịu được tác động trực tiếp này nhưng lại bộc lộ một số hạn chế như sau: Độ an toàn không cao, với động đất mạnh thì kết cấu làm việc ngoài miền đàn hồi, năng lượng được tiêu tán chủ yếu là do sự hư hỏng, phá hoại cục bộ của chính kết cấu. Phạm vi sử dụng tương đối hạn chế, không thể dùng được trong các công trình quan trọng vì không cho phép các phần tử kết cấu làm việc ngoài miền đàn hồi. Tốn kém, do tăng tiết diện kết cấu làm cho giá thành tăng nhưng hiệu quả vẫn không được như mong muốn. Vì những hạn chế trên sự ra đời của các hệ thống điều khiển kết cấu là cần thiết để đem đến sự an toàn và hiệu quả hơn trong thiết kế các công trình dân dụng.
Mục đích của điều khiển kết cấu là hấp thu năng lượng do tải trọng động gây nên. Mối quan hệ về năng lượng do Uang và Bereno 1988[24] đề xuất được xem xét trên khả năng bảo tồn như sau.1) trong đó E là tổng năng lượng kích thích công trình; Ek là động năng công trình; Es là năng lượng biến dạng đàn hồi; Eh là năng lượng biến dạng không đàn hồi (kể đến hư hỏng của công trình); Ed là năng lượng tiêu hao bởi thiết bị chống dao động. Đối với kết cấu theo truyền thống, vế phải của (1.1) chỉ bao gồm Ek , Es và Eh. Bằng cách thêm vào năng lượng Ed thông qua thiết bị giảm chấn lắp đặt cho công trình thì động năng và năng lượng biến dạng sẽ giảm xuống hay nói cách khác thiết bị giảm chấn đã hạn chế bớt sự phá hoại của kết cấu do động đất.
6 Hệ điều khiển chủ động, bị động và bán chủ động thường áp dụng cho từng công trình riêng biệt. Khi có nhiều công trình gần nhau, để tiêu tán năng lượng cho công trình ngoài giải pháp trên các nhà khoa học cònliên kết các công trình với nhau Bharti 2010[1], Kim 2006[11], Kim 2011 [12]. Khi có dao động xảy ra, tác động qua lại giữa các công trình thông qua các thiết bị liên kết có thể hạn chế chuyển động của công trình. Các liên kết này có độ cản và độ cứng phụ thuộc vào các yêu cầu thiết kế, có thể làm tiêu tán năng lượng cho công trình khi chịu tải trọng động.
Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của thiết bị điều khiển lưu biến từ MR được nối giữa hai công trình lên phản ứng động của hệ khi chịu động đất.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN Luận văn này phân tích sự hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR (Magneto- Rheological Damper, lưu biến từ) khi nối chúng giữa hai kết cấu chịu gia tốc nền động đất để từ đó xem xét và chọn một giải pháp kết cấu để chúng ứng xử tốt hơn với sự tác động của động đất. Các mục tiêu chi tiết của luận văn được sơ lược như sau. Tìm hiểu các mô hình ứng xử của hệ MR từ các tài liệu tham khảo và lựa chọn mô hình phù hợp với phạm vi đề tài. Xem xét sự làm việc đồng thời của hệ kết cấu được ghép nối như hệ một hệ nhiều bậc tự do, chịu tải động đất.
Xây dựng mô hình kết cấu, thiết lập phương trình chuyển động tổng quát và lực chọn phương pháp giải. Thực hiện việc tính toán số khi hệ kết cấu có MR chịu gia tốc nền động đất, tìm chuyển vị, vận tốc, gia tốc sàn tầng, mô men và lực cắt trong thanh. Dùng sự phân tích phổ Fourier để đánh giá tần số trội của gia tốc nền, từ đó lựa chọn số liệu đầu vào của bài toán kết cấu. Phân tích hiệu quả tiêu tán năng lượng của hệ cản MR ứng với các điện thế khác nhau.
7 Phân tích ảnh hưởng của số lượng điểm nối với độ giảm đáp ứng của hệ.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Trong luận văn này, hai kết cấu có số tầng khác nhau nhưng chiều cao tầng bằng nhau được gắn bởi hệ cản MR giữa các sàn tầng. Phương trình chuyển động của cả hệ khi chịu gia tốc nền của động đất được thiết lập. Bài toán động lực học và điều khiển được giải bằng phương pháp tích phân số trong từng bước thời gian và lặp trong mỗi bước thời gian. Gia tốc nền cũng được lựa chọn những trận động đất với phổ tần số tương đối so với tần số riêng của kết cấu.
Điều khác biệt trong luận văn này là sự ứng xử của thiết bị MR được phân tích một cách tường minh bằng phương pháp số trong từng bước thời gian chứ không dùng kỹ thuật mô phỏng ẩn như mô đun của phần mềm toán. Kết quả số của việc kết nối được so sánh với từng kết cấu tách rời và ảnh hưởng của vị trí đặt hệ cảncũng như điện áp điều khiển cũng được khảo sát. Sự hiệu quả của hệ cản và tính chính xác của phương pháp giải trong bluận văn cũng được đánh giá theo năng lượng của hệ. Cấu trúc luận văn gồm 5 chương : Chương 1 giới thiệu tổn thất của một số trận động đất tiêu biểu, mục tiêu luận văn và cấu trúc luận văn; Chương 2 giới thiệu một số nghiên cứu trong và ngoài nước, sơ lược về thiết bị cản MR và phân tích phương pháp giảm chấn sử dụng trong đế tài; Chương 3 đưa ra mô hình tính toán, các phương pháp số và cơ sở lý thuyết sử dụng để phân tích đáp ứng của hệ; Chương 4 gồm các ví dụ tính toán để khẳng định hiệu quả của phương pháp đã trình bày; Chương 5 nêu lên các nhận xét, kết luận, kiến nghị và hướng phát triển của đề tài.
Phần cuối là các tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn, mã nguồn chương trình Matlap. 8 Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 GIỚI THIỆU Chương nàygiới thiệu sơ lược quá trình hình thành và phát triển của điều khiển kết cấu từ đó chỉ ra những đặc tính ưu việt của thiết bị cản lưu biến từ MR. Phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề ghép nối kết cấu, giới thiệu một số công trình đã được xây dựng trên thế giới, từ đó dẫn đến ý tưởng của luận văn.2 TỒNG QUAN ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU Căn cứ vào tính chất làm việc có thể phân loại điều khiển kết cấu theo sơ đồ sau Hình 2.1Phân loại điều khiển kết cấu 9 2.1 Điều khiển bị động Các hệ thống điều khiển bị động có khẳ năng hấp thu và tiêu tán năng lượng, từ đó làm giảm phản ứng cũng như mức độ hư hại của kết cấu. Tuy nhiên, 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 tác động.
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-elastic Dampers); Hệ cô lập móng. Thiết bị giảm chấn bị động tạo ra sự tiêu hao tự nhiên bởi các lực điều khiển của chúng tùy theo đặc tính riêng của từng thiết bị. Thiết bị điều khiển bị động thường được điều chỉnh một cách tối ưu để bảo vệ kết cấu chống lại một tải trọng động đặc biệt vì vậy hiệu suất của các thiết bị này chỉ gần tối ưu đối với các tải trọng khác.2 Hệ điều khiển bị động – Liquid Tuned Mass Damper 10 Hình 2.3 Hệ điều khiển bị động – Viscous Fluid Dampers Hình 2.4 Hệ điều khiển bị động –Base Isolation Hệ điều khiển bị động là khá phổ biến, đã và đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Thiết bị điều khiển bị động bản thân nó vốn ổn định, bền, không cần cung cấp thêm năng lượng để hoạt động và đơn giản trong thiết kế và thi công.
Tuy nhiên, chúng chỉ đạt hiệu quả tiêu tán năng lượng đối với một số tải trọng đặc biệt.2 Điều khiển chủ động Điều khiển chủ động là hệ thống tiếp nhận trạng thái của kết cấu để từ đó đưa ra tác động để đưa kết cấu về trạng thái mong muốn. Hệ thống cần một nguồn năng lượng bên ngoài để sinh ra một lực kiểm soát, lực này được đặt trực tiếp lên công trình để giảm phản ứng của nó. 11 Năm 1972, Yao[28] là người đầu tiên trình bày phương pháp điều khiển chủ động cho các công trình dân dụng.
