CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Nhằm hạn chế tác động của tải trọng động đất lên công trình xây dựng và đảm bảo tính an toàn của công trình thì đã có nhiều phương pháp nghiên cứu tính toán khác nhau. Trong đó, người ta đã nêu ra ý tưởng là gắn thêm vào công trình các bộ hấp thụ năng lượng khi công trình chịu tải trọng ngoài. Bộ hấp thụ thụ động dạng khối lượng (Tuned mass dampers- TMD) là một dạng đã và đang được nghiên cứu tính toán áp dụng vào thực tế. Hiện tại ở Việt Nam đã có khá nhiều tòa nhà cao tầng được xây dựng trên khắp cả nước và con số này không ngừng gia tăng đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh…nhằm để giảm áp lực về việc gia tăng dân số với quỹ đất hạn hẹp.
Nhằm để giảm bớt áp lực từ trọng lượng bản thân của công trình cao tầng lên nền đất, thì kết cấu của của công trình xây dựng làm tương đối nhẹ và linh hoạt. Dẫn đến công trình dể bị rung động nhiều hơn và chuyển vị của công trình lớn bởi tải trọng bên ngoài tác động vào như tải gió, tải động đất. Làm ảnh hưởng xấu đến sức khỏe cũng như cuộc sống của những người sống bên trong công trình. Nếu năng lượng áp đặt cho kết cấu bởi gió và tải động đất là tiêu tan hoàn toàn theo cách nào đó thì kết cấu sẽ rung động ít hơn.
Mỗi kết cấu tự nhiên giải phóng một số năng lượng thông qua các cơ chế khác nhau. Trong kết cấu hiện đại, tổng độ giảm xấp xỉ 5%. Các phương pháp kiểm soát rung động khác nhau bao gồm thụ động, tích cực, bán chủ động, lai. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến việc lựa chọn một loại thiết bị kiểm soát rung động đặc biệt là hiệu quả, tính chặt chẽ và trọng lượng, chi phí vốn, chi phí vận hành, các yêu cầu bảo trì và an toàn.
Một bộ giảm chấn khối lượng (TMD) là một hệ thống giảm chấn thụ động sử dụng một khối lượng thứ cấp gắn với một kết cấu chính thông thường thông qua spring và dashpot để giảm phản ứng động của kết cấu. Nó được sử dụng rộng rãi để 1 kiểm soát rung động trong các hệ thống cơ khí. Hiện nay, một lý thuyết về TMD đã được thông qua để giảm rung động của các tòa nhà cao tầng và các công trình xây dựng dân dụng khác. Hệ thống khối thứ cấp được thiết kế để có tần số tự nhiên, phụ thuộc vào khối lượng và độ cứng của nó, được điều chỉnh theo khối lượng của kết cấu chính.
Khi mà tần số đặc biệt của kết cấu được kích thích TMD sẽ cộng hưởng ra khỏi giai đoạn với chuyển động cơ cấu và giảm phản ứng của nó. Sau đó, lượng năng lượng dư thừa được xây dựng trong kết cấu có thể được chuyển thành khối lượng thứ yếu và bị tiêu tan bởi dashpot do chuyển động tương đối giữa chúng trong một thời gian sau đó. Khối lượng của hệ thống thứ cấp dao động từ 0.25% – 1% khối lượng kết cấu. Một trận động đất thì có nhiều tần số khác nhau.
Một bộ giảm chấn khối lượng TMD (tuned mass damper) được gắn thêm vào kết cấu để làm giảm biên độ dao động của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động, trọng tâm là tải trọng động đất El Centro 1940, tải động đất Kobe 1995.2 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Đối tượng được nghiên cứu là kết cấu khung phẳng - 2D có xét đến bộ làm giảm khối lượng dao động TMD. Thực hiện tích toán mô phỏng bằng phần mềm Matlab. Khảo sát khả năng điều khiển của TMD với ảnh hưởng của tỷ số khối lượng và tỷ số cản đến công trình.3 Bộ hấp thụ dao đông thụ động dạng khối lượng (TMD) Thiết bị giảm chấn TMD (Tuned – Mass – Damper) là thiết bị giảm chấn thụ động, bằng chuyển động tương đối của khối lượng bản thân so với hệ chính, TMD có hiệu quả trong việc làm tiêu tán năng lượng dao động của hệ chính. Bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh là một thiết bị hấp thụ năng lượng thụ động bao gồm khối lượng, lò xo và bộ giảm chấn nhớt được gắn vào một hệ thống kết cấu.
2 Biên độ dao động cực đại của hệ kết cấu có thể được hạ xuống nếu tần số của bộ giảm chấn được điều chỉnh phù hợp. Nguyên lý hoạt động của TMD là dựa vào khối lượng bản thân để tạo ra chuyển động tương đối với hệ kết cấu chính, từ đó làm tiêu tán năng lượng dao động của hệ kết cấu chính. Do đó, khi sử dụng TMD không làm thay đổi những tính chất cơ học của kết cấu. Bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh (TMD) có thể được mô tả bằng ba tham số: Tỷ số khối lượng: tỷ số khối lượng của bộ giảm chấn với khối lượng của hệ kết cấu tại vị trí đặt TMD.
Đây là điểm khá mới trong lý thuyết tính toán được áp dụng. Những nghiên cứu và những công trình đã được ứng dụng TMD đều áp dụng tỷ khối lượng là khối lượng của TMD với khối lượng của toàn bộ công trình (Frahm [1909]).1) M Tỷ số tần số tự nhiên: là tỷ số của tần số của bộ giảm chấn so với tần số dao động của kết cấu: 1 f t (1.2) 1 Tỷ số cản của TMD (Den Hartog, J.4 Phương pháp kiểm soát điều khiển thụ động Một số lượng lớn các kỹ thuật đã được thử để sản xuất kiểm soát tốt hơn chống lại kích thích gió và động đất. Nó có thể được phân thành bốn loại rộng: kiểm soát thụ động, kiểm soát hoạt động, kiểm soát bán chủ động và kiểm soát lai. Các thiết kế cơ khí đơn giản nhất mà đã được chấp nhận rộng rãi cho các ứng dụng kỹ thuật dân dụng đã được đưa vào chương trình kiểm soát và điều khiển dao động của hệ kiểm soát thụ động.
Hệ thống kiểm soát thụ động được định nghĩa: hệ thống không cần một nguồn điện bên ngoài. Tất cả các lực lượng áp đặt bởi các thiết bị kiểm soát thụ động phát triển như là phản ứng trực tiếp với chuyển động của kết cấu. Do đó, tổng năng lượng của cả thiết bị và hệ thống chính sẽ không đổi. Mục đích chính của các hệ thống này là giải phóng hiệu quả năng lượng rung động, và các phương pháp khác nhau để đạt được điều này có thể được phân loại theo hai cách.
Phương pháp đầu tiên bao gồm chuyển đổi năng lượng động học trực tiếp thành nhiệt, chẳng hạn như thông qua năng suất của kim loại, sự biến dạng của chất rắn và chất lỏng viscoelastic, hoặc việc thực hiện các thanh trượt ma sát. Phương pháp thứ hai hoạt động chuyển năng lượng giữa hai hoặc nhiều chế độ rung động của tòa nhà, thường đạt được bằng cách bổ sung một dao động bổ sung hấp thụ các rung động của kết cấu chính.5 Lịch sử nghiên cứu Cho đến nay đã có rất nhiều công trình đã được thực hiện trên một và nhiều khối giảm rung động. Khái niệm TMD lần đầu tiên được Frahm [1909] sử dụng để giảm chuyển động lăn của tàu cũng như sự rung động của vỏ tàu. Den Hartog [1956] phát triển về lý thuyết bộ hấp thụ thụ động dạng khối lượng có độ cản nhớt c, ông đã đưa ra các thông số tính toán tối ưu của bộ hấp thụ thụ động dạng khối lượng, với hệ một bậc tự do.
Hạn chế chính của một TMD duy nhất là tính nhạy cảm của nó về hiệu quả với lỗi trong tần số tự nhiên của cấu trúc và tỷ lệ giảm chấn của bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh. Hiệu quả của một bộ giảm chấn khối lượng được điều chỉnh giảm đáng kể do nhàn rỗi. Iwanami và Seto 4 [1984] đã nghiên cứu rằng hai bộ giảm chấn áp lực điều chỉnh hiệu quả hơn một bộ giảm chấn khối đơn giản và ông nghiên cứu với mô hình hệ một bậc tự do. Clark [1988] nghiên cứu phương pháp thiết kế nhiều bộ hấp thụ dạng khối lượng điều chỉnh để giảm phản ứng của tòa nhà.
Phương pháp được sử dụng dựa trên việc mở rộng công việc của Den Hartog từ một bậc tự do sang hệ nhiều bậc tự do. Kết quả chuyển vị của mô hình nghiên cứu khi được gắn thêm bộ hấp thụ thụ động dạng khối lượng là nhỏ hơn so với mô hình không được gắn thêm bộ hấp thụ thụ động dạng khối lượng và được kích thích bằng tải động đất El Centro 1940. T [1995] nghiên cứu hiệu quả của một hoặc nhiều TMDs để giảm thiểu tối đa sự rung động của kết cấu. Tải đầu vào xem xét là một tải điều hòa.
Kết luận rằng giảm nhẹ rung động của một kết cấu phụ thuộc vào việc đặt đúng vị trí TMD cùng với số lượng TMD.S [2012] đã nghiên cứu các thông số tối ưu của nhiều bộ hấp thụ thụ động dạng khối lượng MTMD. Các thông số tối ưu được tính toán từ nhiều tỷ lệ khối lượng khác nhau. Từ kết quả của nghiên cứu cho thấy rằng việc tăng tỉ số khối lượng của TMD đối với công trình thì sự dao động của kết cấu cũng giảm theo. Nguyễn Duy Chinh [2010] đã nghiên cứu giảm dao động cho công trình theo mô hình con lắc ngược chịu tác dụng của ngoại lực.
Nghiên cứu để xác định thông số tối ưu của hệ thống giảm dao động TMD với mục đích là giảm dao động rung lắc của các công trình có dạng con lắc ngược. Nghiên cứu này ứng dụng chính ở các công trình như hải đăng, nhà giàn… Nguyễn Xuân Đại, Vương Tuấn Hải, Nguyễn Văn Công [2016] đã phân tích tính toán thông số tối ưu của TMD thông qua giá trị hệ số khuếch đại dao động của kết cấu chính bằng phép giải tích và tính toán số. Nhóm tác giả đã nghiên cứu tính toán với hệ một bậc tự do. 5 Trần Phú Nhuần [2016] đã nghiên cứu giảm biên độ dao động của dầm thép nhịp lớn bằng hệ tuned mass damper (TMD).
Kết quả tính toán trên cho ta thấy rằng, với dạng dao động thứ 2, để giảm giá trị biên độ dao động thì hệ TMD phải được thiết kế với độ cứng và hệ số cản nhớt môi trường lớn hơn nhiều lần các giá trị tương ứng khi tính toán ở dạng dao động thứ nhất. Và kết luận của nghiên cứu này cũng chỉ đưa ra ứng dụng cho dầm nhịp lớn phù hợp với cầu hơn công trình dân dụng.