>> StructDesignPro

structdesignpro · Site Admin

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 tưu 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. Bài báo này giới thiệu một số giải pháp chống dao động dựa trên những quan điểm khác nhau về sự làm việc của thiế bị.

1.Mở đầu
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.
2. Một số giải pháp chống dao động
Về mặt năng lượng cung cấp cho các thiết bị giảm chấn động, có thể phân thành 3 cơ chế hoạt động khác nhau:
- Cơ chế bị động;
- Cơ chế chủ động;
- Có chế nửa chủ động.
+ Thiết bị giảm chấn bị động: đây là các thiết bị giảm chấn mà nguồn năng lượng hoạt động của chúng được lấy từ chính năng lượng dao động của bản thân công trình, không cần bất kỳ một nguồn năng lượng nào từ bên ngoài. Do mong muốn lợi dụng khả năng tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt năng của hiện tượng ma sát, các loại thiết bị giảm chấn này thường được cấu tạo từ những vật liệu có khả năng nội ma sát lớn, hoặc từ những bộ phận phát sinh ma sát. ma sát ở đây được hiểu là ma sát Coulomb hạơc cản nhớt. Trong quá trình dao động của công trình, các bộ phận của thiết bị được gắn vào công trình sẽ chuyển động tương đối với nhau, tạo ra ma sát và toả nhiệt. Các thiết bị dạng này đã được ứng dụng tương đối rộng rãi từ khá lâu.
+ Thiết bị giảm chấn chủ động: Các thiết bị dạng này hoạt động được nhờ vào cấc nguồn năng lượng từ bên ngoài (điện, khí nén…). Thông qua các cảm biến, các thông tin về tải trọng, về dao động của công trình được đưa về bộ xử lý trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý tín hiệu và pháp lệnh cho bộ phận cháp hành để khởi phát lực điều khiển chống dao động.
Nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của các ngành tin học, cơ điện tử, điều khiển học…các thiết bị giảm chấn dạng này có những ưu điểm vượt trội so với thiết bị giảm chấn bị động: độ nhạy cao hơn, hiệu quả giảm chấn tốt hơn…song cũng kéo theo những chi phí cao cho việc chế tạo và bảo dưỡng thiết bị cảm biến, động cơ, trung tâm điều khiển.Chẳng hạn, các cảm biến cần đo đạc được các dao động của công trình với tần số thấp cỡ dưới 1Hz, có độ nhạy cao, không bị ảnh hưởng của thời tiết. Các bộ xử lý trung tâm phải tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến nhanh chóng và có độ chính xác cao, xử lý và phát tín hiệu lệnh trong thời gian thực, có độ tin cậy cao trong thời gian dài. Động cơ cũng là một bộ phận quan trọng, cần có khả năng phát lực nhanh chóng và chính xác theo yêu cầu, có độ tin cậy cao.
+ Thiết bị giảm chấn nửa chủ động: đây là giải pháp chống dao động tương đối mới, trong đó thiết bị đóng vai trò điều tiết tác động bên ngoài lên công trình.
Một thí dụ về dạng thiết bị này là thiết bị cản gió có điều khiển. Tuỳ theo chiều dao động của công trình so với chiều gió thổi mà thiết bị sẽ điều khiển đóng mở các cánh đón gió để tạo ra lực đối kháng thích hợp. Nguồn năng lượng bên ngoài không tạo ra trực tiếp lực đối kháng dao động của công trình, mà chỉ dùng để cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động đóng mở.
Khi xem xét các giải pháp chống dao động theo dạng tác động bên ngoài, chúng ta có thể phân loại như sau:
- Giải pháp cách chấn: do chấn động lan truyền trong nền, nên phương cách hay 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 thiết bị cách chấn giữa công trình và nền.
Thiết bị này có độ cứng thấp nên khi nền dao động, thiết bị có biến dạng lớn, công trình bên trên nhờ có quán tính lớn nên chỉ chịu một dao động nhỏ. Ngày nay, người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn, cũng như đưa thêm khả năng chủ động vào hệ thống để tăng thêm hiệu quả.
- Giải pháp giảm chấn: trong trường hợp gió tác dụng lên công trình, năng lượng dao động sẽ được truyền vào công trình mà không có khả năng cách ly. Do vậy, hoặc người kỹ sư phải tăng cường độ cứng của công trình để khống chế dao động, và nhờ độ cản của bản thân công trình để giải phóng năng lượng dao động này, hoặc bố trí các thiết bị giảm chấn (bị động, chủ động hay nửa chủ động) để tăng độ cản, hay phát sinh lực điều khiển chống lại dao động, chẳng hạn như các hệ thống TMD (Active or Pasive Tuned Mass Damper), LTD (Liquid Tuned Damper)…
3. Một vài ứng dụng trên thế giới.
Các công trình có sử dụng các thiết bị giảm chấn bị động đã được xây dựng từ khá lâu. Số lượng các công trình loại này cũng khá nhiều.
Một sân vận động mái che di động xếp lớp bằng thép, cao 54m, nặng 13.000tấn, diện tích 34.600m2. Toàn bộ công trình sử dụng 8 thiết bị giảm chấn bị động, mỗi chiếc có khả năng tạo lực cản nhớt 450tấn để có thể chịu được động đất tới cấo 8,5 độ Richte.
Năm 1989, công trình đầu tiên ứng dụng kỹ thuật điều khiển chủ động được xây dựng tại Tokyo, Nhật Bản. Đó là ngôi nhà 11 tầng Kyobashi – Seiwa, được lắp 2 thiết bị giảm chấn để chống dao động thẳng và dao động xoắn, được thiết kế để chống các cơn gió mạnh cũng như các trận động đất vừa phải.
Cho tới nay, có khoảng hơn 20 công trình nhà cao tầng đã được xây dựng có trang bị các thiết bị giảm chấn chủ động. Phần lớn được xây dựng tại Nhật Bản trong thập niên 90 của thế kỷ 20.
Công trình NTT-CRED MOTOMACHI, Nhật Bản, xây dựng xong năm 1993, cao 150m, 35 tầng, kết cấu chịu lực chính bằng thép, tổng diện tích sử dụng là 170.000m2, năng tới 83.000tấn, chu kỳ dao động riêng 3,6 giây. Công trình được trang bị 1 thiết bị giảm chấn chủ động dạng con lắc 2 tầng, nặng tới 80tấn (kể cả khung là 130 tấn). Biên độ dao động của cọn lắc có thể đạt tới 0,6m.
Trong tài liệu này, chúng tôi có đề cập đến công trình YOKOHAMA LAND MARK TOWER cao nhát nước Nhật, xây dựng tại Yokohama, Kanagawa năm 1993. Chiều cao của công trình 296m, nặng 260.610 tấn, gồm 70 tầng. Kết cấu chính của công trình là khung thép. Dao động của công trình được điều khiển bởi hệ thống giảm chấn hỗn hợp có tổng trọng lượng là 340tấn, hoạt động nhờ hệ thống servo motor.
4. Kết luận:
Do nhu cầu phát triển, càng ngày càng có nhiều giải pháp chống dao động cho công trình, dựa trên các thành tựu khoa học kỹ thuật mới. Mặc dù còn nhiều vấn đề phải giải quyết, song trong một tương ai không xa, nhiều thiết bị chống dao động sẽ được quan niệm như một bộ phận không thể thiếu được trong các công trình cao tầng do tính hiệu quả cao của chúng.
_________________
Mời bạn đến với bách khoa toàn thư về kết cấu:.
http://vi.ketcau.wikia.com