Tính toán độ bền đài cọc bê tông cốt thép toàn khối

irrors from silver-coated float glass by wet-chemical technology - Specifications Kính gương - Phương pháp thử 18 TCVN 7625:2007 Mirrors - Method of test Kính xây dựng - Kính kéo 19 TCVN 7736:2007 Glass in building - Drawn sheet glass Kính xây dựng - Phương pháp xác định độ xuyên quang, độ phản quang, tổng năng lượng bức xạ mặt trời truyền qua và độ xuyên bức xạ tử ngoại 20 TCVN 7737:2007 Glass in building - Method for determination of light transmittance, light reflectance, total solar energy transmittance and ultraviolet transmittance ISO 9050:2003 Glass in building- Determination of light transmittance, solar direct transmittance, total energy transmittance and ultraviolet transmittance, and related glazing factors Kính xây dựng - Kính hộp gắn kín cách nhiệt 21 TCVN 8260:2009 Glass in building - Sealed in insulating glass JIS R 3209:1998 Sealed insulating glass Kính xây dựng - Phương pháp thử - Xác định ứng suất bề mặt và ứng suất cạnh của kính bằng phương pháp quang đàn hồi không phá hủy sản phẩm 22 TCVN 8261:2009 Glass in building - Test method for non-destructive photoelastic measurement of surface and edge stresses in flat glass ASTM C1279-05 Standard test method for non-destructive photoelastic measurement of edge and surface stresses in annealed, heat-strengthened and fully tempered flat glass 23 TCVN 8647:2011 Kính xây dựng - Hướng dẫn lắp đặt kính đảm bảo an toàn AS 1288-1989 Glass in buildings - Selection and installation 24 TCVN 8648:2011 Kính xây dựng - Các kết cấu kiến trúc có lắp kính - Phân loại theo khả năng chịu lửa BS EN 357:2004 Glass in building - Fire resistant glazed elements with transparent or translucent glass products - classification of fire resistance KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 19 Số hiệu tiêu chuẩn Tên tiêu chuẩn Tiêu chuẩn viện dẫn/tham chiếu 25 TCVN 9502:2013 Kính xây dựng - Xác định hệ số truyền nhiệt (U) - phương pháp tính BS EN 673:1998 26 TCVN 9808:2013 Kính xây dựng - Kính phủ bức xạ thấp GOST 30733:2000 Hard coating low emissivity glass - Specification GOST 31364:2007 Soft coating low emissivity glass - Specification Do thiếu hệ thống tiêu chuẩn nghiên cứu tính toán hệ vách kính, nên trong một số trường hợp việc sử dụng các tiêu chuẩn trên thế giới áp dụng tại Việt Nam dẫn đến sự không phù hợp, thiếu đồng bộ; và có thể không tương thích với mô hình vật lý như việc tính toán tải trọng [1]. Thông tin tại các trang web chính thức cho thấy hệ thống tiêu chuẩn về vách kính cũng như vật liệu kính xây dựng của Việt Nam hiện nay còn sơ sài so với một số nước/khu vực trên thế giới (số liệu đến tháng 7/2015) có áp dụng trên lãnh thổ Việt Nam (xem bảng 2) [7-9,11-14]. Bảng 2. Số lượng tiêu chuẩn về vách kính/vật liệu kính xây dựng của một số nước/khu vực trên thế giới Số lượng tiêu chuẩn hiện hành Quốc gia / Khu vực Kính trong xây dựng (glass in buildings) Gia công, lắp đặt kính (glazing) Vách kính (curtain wall) Anh 127 160 13 Canada 119 3 10 Cộng đồng Châu Âu 148 8 44 Đức 193 272 132 Hoa Kỳ (ASTM) 30 51 20 ISO 27 28 Úc 12 12 Các hệ tiêu chuẩn kể trên đều có riêng tiêu chuẩn áp dụng cho việc tính toán, lựa chọn và lắp đặt hệ vách kính (bảng 3). Bảng 3. Một số tiêu chuẩn hiện hành về tính toán kính/vách kính của một số nước trên thế giới Quốc gia Tiêu đề Số hiệu Năm ban hành Anh Glass in building. Determination of the load resistance of glass panes by calculation and testing BS EN 16612 6/2013 Canada Structural Design of Glass for Buildings CAN/CGSB-12.20-M89 12/1989 Hoa Kỳ Standard Practice for Determining Load Resistance of Glass in Building ASTM E 1300-12ae1 10/2012 Úc Glass in buildings - Selection and installation AS 1288-2006 1/2006 Bên cạnh các hệ thống tiêu chuẩn trên đây, một số hiệp hội nhà nghề của các quốc gia nói trên còn có các hệ thống quy định chung, hướng dẫn liên quan đến việc tính toán, lựa chọn, thí nghiệm vách kính cũng như kính xây dựng, ví dụ tại Hoa Kỳ: NFRC (National Fenestration Rating Council), AAMA (Americal Architectural Manufacturers Association), NAFS (North American Fenestration Standard), FEMA (Federal Emergency Management Agency), được thừa nhận khi áp dụng trong thực tế. Trong điều kiện tính năng kỹ thuật của vật liệu, công nghệ gia công, biện pháp thi công, được cải thiện liên tục, ngay hệ thống tiêu chuẩn của các nước/khu vực kể trên cũng đang tiếp tục được hoàn thiện, cập nhật phương pháp tính toán hệ vách kính nói chung và kính xây dựng nói riêng, (bảng 4). Bảng 4. Một số tiêu chuẩn tính toán vách kính đang được nghiên cứu, rà soát, hoàn thiện và cập nhật Quốc gia Tiêu đề Số hiệu Anh The load resistance of glass panes by calculation and testing BS EN 16612 Cộng đồng Châu Âu Design of glass panes prEN 13474 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 20 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 Quốc gia Tiêu đề Số hiệu Revision of E 1300-12ae1 (Standard Practice for Determining Load Resistance of Glass in Building) ASTM WK46776 Hoa Kỳ New guide for Structural use of Glass in Buildings ASTM WK37764 Úc Glass in buildings - Selection and installation AS 1288-2006 3. Tính toán, thiết kế vách kính tại Việt Nam Trước thực trạng hệ thống tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam còn sơ sài, năng lực của các đơn vị Tư vấn thiết kế trong nước còn hạn chế, phần lớn các công trình có sử dụng vách kính lớn là do Tư vấn thiết kế nước ngoài thực hiện. Chủ đầu tư, Tư vấn thiết kế là các chủ thể quyết định hệ tiêu chuẩn thiết kế được áp dụng cho công trình, thông thường Tư vấn thiết kế chọn các tiêu chuẩn quen thuộc với họ để thiết kế (việc thi công và nghiệm thu được trình bày trong phần 4, 5 của bài báo này). Với các công trình có Tư vấn thiết kế nước ngoài, phần mặt đứng công trình (façade) thường được các công ty thiết kế chuyên nghiệp thực hiện. Trong khi hầu hết các công trình, có sử dụng vách kính và do Tư vấn thiết kế trong nước thực hiện, hệ vách kính thông thường được lựa chọn trên cơ sở yêu cầu của kiến trúc, thẩm mỹ mà không được tính toán đầy đủ, đồng bộ ngay cả với yêu cầu: chịu lực, thẩm mỹ, tiện nghi môi trường (chiếu sáng, cách âm, cách nhiệt). Các tính toán kết cấu về vách kính hiện nay hầu hết dựa trên các giả thiết về sự làm việc độc lập của các thành phần cấu kiện tham gia vào hệ vách kính bao gồm: kết cấu chính của công trình, kết cấu phụ đỡ/liên kết vách kính, kết cấu lõi, hệ khung xương, kính và các phụ kiện [2]. Trình tự tính toán, kiểm tra cũng được thực hiện tương ứng. Xuất phát từ cách đặt vấn đề, tiếp cận và giải quyết bài toán kết cấu hệ vách kính nói chung và kính nói riêng, các tiêu chuẩn hiện hành trên thế giới đưa ra các phương pháp tính toán khác nhau; trong đó có cả phương pháp thực nghiệm (prEN 13474-3), phương pháp lý thuyết (ASTM E1300-12ae1), cả tính toán theo mô hình phi tuyến hay tuyến tính, cả theo trạng thái giới hạn (ULS) (AS1288-2006) hoặc ứng suất cho phép (prEN 13474-3). Hệ thống biểu đồ/bảng tra trong một số tiêu chuẩn hiện nay đang được áp dụng cho việc lựa chọn, xác định khả năng chịu tải của kính trong các điều kiện giới hạn nhất định, ví dụ như (ASTM E1300-12ae1): kính đặt đứng hoặc nghiêng (không áp dụng cho kính làm sàn, lan can, dưới nước ), tải trọng (lực) phân bố đều trên bề mặt tấm kính (bao gồm cả tải trọng bản thân ≤ 15 kPa), thời gian chịu tải ngắn hạn 3s (có hệ số chuyển đổi sang các thời gian khác), kính phẳng hình chữ nhật được kê liên tục (tự do trượt) trên các cạnh (4 cạnh đối với kính hộp), xác suất vỡ kính 0,8%. Vật liệu kính nói riêng và hệ vách kính nói chung nhạy cảm với chuyển vị, biến dạng, trong khi ứng suất cho phép của vật liệu kính xây dựng có thể lên tới 50 MPa (FT – fully tempered). Điều đó dẫn tới các yêu cầu đặc biệt khi tính toán, thiết kế hệ vách kính cho công trình nhiều tầng chịu tải trọng ngang, trong đó tải trọng gió cục bộ là thường gặp và dễ gây hư hỏng hệ vách kính. Vật liệu kính xây dựng có nhiều loại tùy theo mục đích sử dụng, do đó tính năng kỹ thuật và khả năng chịu lực hoàn toàn khác nhau (ví dụ kính tôi cường lực (tempered) có cường độ chịu uốn gấp 4 lần kính thường (annealed) tương ứng là 165,5 MPa và 41,4 MPa. Các công trình thiết kế mới, hiện đại và có yêu cầu chất lượng cao thường sử dụng kính tổ hợp (kính dán, kính hộp) để cải thiện tính năng, song các quy định tính toán, thiết kế vẫn chưa theo kịp. Các nhà sản xuất vật liệu kính có uy tín trên thế giới thường công bố các thông số kỹ thuật về quang học, truyền nhiệt cho các sản phẩm của mình và cung cấp một số công cụ tính toán, lựa chọn sản phẩm kèm theo. Thông số kỹ thuật khác về cách âm, cách nhiệt, chịu va đập, đạn bắn chưa có tính toán chính thức, có thể phải thông qua thí nghiệm, đo đạc thực tế để xác định. Thực tế tải trọng tác động là tổ hợp của nhiều tải trọng, các tải trọng tác động lên vách kính, ngoài tải trọng bản thân, còn là gió, nhiệt, ứng suất trong kính hộp, sử dụng/bảo trì, va chạm, dịch chuyển, chuyển vị lệch tầng, cháy, nổ, đạn bắn, động đất. Tổ hợp tải trọng (combination) có thể không tuyến tính do tính năng kỹ thuật của vật liệu khác nhau trong những điều kiện nhất định, ví dụ với tấm kính dán cách nhiệt thì sự phân bố tải trọng (giữa các tấm kính) bị ảnh hưởng lớn bởi chênh lệch nhiệt độ trong điều kiện áp lực thấp [4]. Mặt khác, theo thời gian sử dụng vật liệu kính cũng có sự thay đổi về khả năng chịu lực [3]. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 21 Trong điều kiện thời tiết ngày càng khắc nghiệt, có diễn biến bất ngờ thì việc nâng cao chất lượng công trình thông qua giai đoạn thiết kế là một trong những yêu cầu của quá trình phát triển bền vững và đáp ứng sự phát triển chung của xã hội. Việc xem xét, tính toán các tải trọng tác động đến vách kính cần được nghiên cứu, chuẩn hóa cho phù hợp với thực tế. Bên cạnh các tải trọng tác động lên hệ vách kính, việc tính toán cấu tạo các bộ phận liên kết như hệ khung đỡ (frame/profile), gioăng, vật liệu chèn, liên kết, để đảm bảo tính năng của cả hệ vách kính như kín khí, kín nước, cách nhiệt, cách âm, đảm bảo tuổi thọ cũng cần được nghiên cứu, chuẩn hóa. 4. Công tác kiểm tra, thí nghiệm vách kính Tại Việt Nam các thí nghiệm hệ vách kính được dựa trên các tiêu chuẩn nước ngoài, song còn khác biệt giữa các hệ (tiêu chuẩn) khác nhau, việc sử dụng tiêu chuẩn đánh giá nào tùy thuộc vào khách hàng và người thí nghiệm. Các thí nghiệm hệ vách kính thông thường gồm các thí nghiệm kiểm tra tính năng kết cấu (khung, kính), kiểm tra độ lọt khí, độ lọt nước trong các điều kiện áp lực tĩnh/động trong một số trường hợp có thực hiện các thí nghiệm về chịu lửa, cách âm. Bảng 5 dưới đây trình bày việc so sánh chỉ tiêu chuyển vị tối đa cho phép của hệ vách kính khi thí nghiệm kiểm tra theo các tiêu chuẩn khác nhau. Bảng 5. So sánh chỉ tiêu đánh giá kết cấu hệ vách kính theo một số tiêu chuẩn Điều kiện làm việc Chuyển vị tối đa cho phép (Maximum Allowable Deflection) Quy định cho ASTM E 1300-12ae1 a / 175 Khung kính Bản kê 2, 3, 4 cạnh a / 60 AS 1288-2006 Congson h / 30 Kính Kính đơn, kê 4 cạnh a / 125 BS 6262:1982 Kính hộp, kê 4 cạnh a / 175 Kính prEN 13474-3:2009 Trừ khi có chỉ định khác a / 65 hoặc 50 mm Kính UBC 1994 (section 2404.2) a / 175 hoặc 19 mm Khung kính SBC 2012 (section 2403.3) a / 175 hoặc 19,1 mm Khung kính Kính đơn L / 125 SS 212:2007 Kính hộp L / 175 Khung kính Cửa cho nhà thấp hơn 10 m L / 150 TCVN 7505:2005 Cửa cho nhà cao hơn 10 m L / 240 Khung kính trong đó: a - chiều dài nhịp kê hoặc kích thước cạnh kính; L - khoảng cách thông thủy giữa 2 gối đỡ; h - chiều cao lan can kính (hoặc chiều dài congson); prEN - bản dự thảo của European Standard (Châu Âu); UBC - Uniform Building Code (Hoa Kỳ); SBC - Seattle Building Code (Hoa Kỳ); SS - Singapore Standard (Singapore). Bên cạnh các chỉ tiêu kể trên, thông thường hệ vách kính và vật liệu kính xây dựng tại Việt Nam còn được yêu cầu thí nghiệm các chỉ tiêu: quang học (đo tại nước ngoài), khả năng chịu lửa, đo ứng suất bề mặt/cạnh, đo cách âm, độ bền va đập (tại Việt Nam). Bảng 5 cho thấy sự khác biệt giữa các hệ tiêu chuẩn khi áp dụng, trường hợp vận dụng vào công trình tại Việt Nam sẽ có mâu thuẫn trong việc đánh giá; đồng thời sẽ không đảm bảo sự vận dụng đồng bộ của hệ thống tiêu chuẩn cho quá trình triển khai dự án (thiết kế, thi công, thí nghiệm, nghiệm thu). 5. Công tác thi công, lắp đặt vách kính Phần lớn các nhà thầu Việt Nam thi công, lắp đặt theo kinh nghiệm (thường không theo kịp sự phát triển của công nghệ, vật liệu) mà không có sự nghiên cứu, đề xuất cho phù hợp điều kiện thực tế; hoặc gia công, lắp đặt không đúng ý tưởng thiết kế (đặc biệt các chi tiết liên kết), giảm hiệu quả của sản phẩm, hệ vách kính, hao phí vật liệu cao. Độ chính xác, chất lượng hệ vách kính không chỉ phụ thuộc vào bản thân nó mà còn bị ảnh hưởng bởi sai số phần thô/kết cấu chính, trong khi đó hệ vách kính (đặc biệt là vật liệu kính) có yêu cầu khắt khe về kích thước khi gia công, lắp đặt, các sai số thường phải nhỏ và không thể điều chỉnh/gia công lại. Do đó việc khảo sát, đề xuất giải pháp triển khai chi tiết là hết sức quan trọng; bên cạnh đó vật liệu kính rất nhạy cảm KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 22 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 với các tác động bên ngoài và dẫn đến rủi ro, hao hụt vật liệu lớn. Vật liệu kính chất lượng cao phải nhập từ nước ngoài, trong khi các dây chuyền gia công trong nước chưa được đầu tư hiện đại/đồng bộ, thời gian nhập khẩu dài do đó việc chuyển đổi/điều chỉnh trong quá trình thi công thường rất phức tạp, tốn kém. Hệ vách kính là tổ hợp của nhiều loại vật liệu có tính năng kỹ thuật, điều kiện sử dụng và lắp đặt khác nhau; việc kiểm soát chất lượng/sai số trong từng bước thi công là rất quan trọng. Trong khi đó tiêu chuẩn, quy định riêng cho hệ vách kính không đầy đủ, trên thực tế chỉ kiểm tra, nghiệm thu theo tiêu chuẩn hoàn thiện chung. 6. Công tác bảo trì vách kính Các hệ vách kính lớn hiện nay mới đưa vào sử dụng ở Việt Nam, thời gian sử dụng chưa nhiều, các khuyết tật/xuống cấp bộc lộ chưa hết. Hiện nay việc bảo trì mới dừng lại ở các thao tác đơn giản như vệ sinh bề mặt, thay thế kính vỡ,. Hệ vách kính bao gồm nhiều loại vật liệu có tuổi thọ khác nhau (thép, nhôm, silicon, kính, EPDM,), ngay bản thân vật liệu kính nói riêng và vật liệu chịu lực khác nói chung cũng sẽ bị xuống cấp, giảm khả năng làm việc/chịu lực theo thời gian. Chưa có hệ thống đánh giá khả năng làm việc sau thời gian sử dụng để có phương án thay thế các chi tiết cấu kiện hư hỏng, hết tuổi thọ sử dụng. Việc duy trì khả năng làm việc trong thời gian dài của vách kính, đối với các công trình sử dụng nhiều vách kính như hiện nay, là hết sức quan trọng và đòi hỏi có nghiên cứu sâu hơn nữa. Tài liệu bảo trì, theo quy định của pháp luật hiện hành, chưa được chuẩn hóa và cung cấp đầy đủ, chi tiết từ phía nhà thầu thi công cũng như Tư vấn thiết kế. 7. Các nhận xét và kiến nghị Trong thời gian chưa có hệ tiêu chuẩn Việt Nam cập nhật, thống nhất thì việc tính toán hệ vách kính nói chung và kính nói riêng khi sử dụng tiêu chuẩn nước ngoài cần được vận dụng phù hợp với điều kiện Việt Nam với lưu ý về các điều kiện áp dụng (kể cả các số liệu điều kiện tự nhiên đầu vào bắt buộc), trạng thái giới hạn, tải trọng (tần suất lặp lại, thời gian tác động). Cần cập nhật thường xuyên các thông tin, tính năng của vật liệu tham gia trong hệ vách kính để cung cấp cho việc tính toán, đảm bảo sử dụng vật liệu chính xác, hiệu quả. Đồng thời thiết lập, hoàn thiện các tiêu chuẩn, quy định tính toán hệ vách kính trong điều kiện Việt Nam (cả về tự nhiên, công nghệ, vật liệu, trình độ). Việc kiểm tra, thí nghiệm hệ vách kính cần gắn với thực tế điều kiện tự nhiên, sử dụng của Việt Nam; các tiêu chuẩn áp dụng cần đồng bộ, thống nhất từ thiết kế, thí nghiệm đến đánh giá. Lưu ý đến các tổ hợp tải trọng bất lợi do tính chất vật liệu khác nhau. Qua đó tổng hợp thành các quy trình, tiêu chuẩn áp dụng thống nhất trong cả nước. Công tác gia công, lắp đặt và bảo trì cần được nghiên cứu, chuẩn hóa để đảm bảo chất lượng hệ vách kính, đồng thời có khả năng áp dụng các công nghệ mới, hiện đại vào lĩnh vực xây dựng nói chung và kết cấu/vật liệu xây dựng nói riêng. Thiết kế cần có chỉ dẫn kỹ thuật thi công và quy trình bảo trì sửa chữa; việc thi công, nghiệm thu và vận hành sau này cần tuân thủ các chỉ dẫn kỹ thuật này. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Mạnh Cường, Đỗ Hoàng Lâm, Nguyễn Hồng Hải, Đặng Sỹ Lân. (2014), Tính toán tải trọng gió tác dụng lên hệ mặt dựng kính theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ và Châu Âu; Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng; Việt Nam. 2. Đỗ Thiều Quang, Trần Chủng, Nguyễn Hoàng Dương. (2013), Tính toán vách kính trong công trình xây dựng tại Việt Nam; Hội nghị khoa học kỷ niệm 50 năm ngày thành lập Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng. 3. Beason, W. L., and Morgan, J. R. (1985), "Glass Failure Prediction Model," Journal of Structural Engineering, Vol 111, No.9, pp.2058-2059. 4. Vallabhan, C.V.G., and Chou, G.D. (1986), "Interactive Nonlinear Analysis of Insulating Glass Units,” Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol 112, No.6, June, pp. 1313-1326. 5. 80483.htm 6. trung-tam-du-bao-kttv-tw-noi-gi-407488.vov 7. 8. 9. https://www.cen.eu/Pages/default.aspx 10. walkie-scorchie-melted-my-jag 11. 12. 13. 14. Ngày nhận bài: 19/8/2015. Ngày nhận bài sửa lần cuối: 29/9/2015. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 23 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ ĐỘNG CỦA KẾT CẤU VỚI HỆ GIẢM CHẤN CHẤT LỎNG ĐA TẦN SỐ MTLD SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM BÀN RUNG TS. NGUYỄN ĐỨC THỊ THU ĐỊNH, TS. NGUYỄN HỮU HƯNG, GS.TS. NGUYỄN VIẾT TRUNG Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Hiệu quả giảm dao động của hệ giảm chấn dùng chất lỏng (TLD) đã được đề cập trong một số nghiên cứu tại Việt Nam. Nghiên cứu về sự tương tác giữa kết cấu với hệ có nhiều giảm chấn lần đầu tiên được đề cập tại Việt Nam trong bài báo này. Hiệu quả giảm dao động của hệ giảm chấn chất lỏng đa tần số (MTLD) – hệ có nhiều thùng chứa chất lỏng với các thùng được đổ chiều sâu chất lỏng khác nhau và do vậy có tần số dao động khác nhau – được khảo sát trong nghiên cứu thông qua thí nghiệm mô hình trên thiết bị bàn rung. Các kết quả đo đạc trên mô hình thí nghiệm trên bàn rung được so sánh đối chiếu với kết quả phân tích số khi thiết lập hàm ứng xử tần số của hệ tương tác kết cấu và hệ MTLD. Từ khóa: Động lực học kết cấu, ứng xử động, giảm chấn chất lỏng, hệ giảm chấn chất lỏng đa tần số, bàn rung 1. Giới thiệu Nghiên cứu về hệ giảm chấn chất lỏng đa tần số (MTLD) được thực hiện trên cơ sở các nghiên cứu đầu tiên đối với giảm chấn khối lượng đa tần số (MTMD) mà điển hình là Igusa và Xu (1990) với đề xuất hệ gồm một số lượng hữu hạn các giảm chấn khối lượng (TMD) có tần số tự nhiên phân bố theo một dải nào đó xung quanh tần số tự nhiên cơ sở của kết cấu. Hiệu quả của MTMD đã được khảo sát số bởi Yamaguchi và Harpornchar (1992), và các công thức thiết kế cho MTMD đề xuất bởi Abe và Fujino (1993). Các nghiên cứu này đã khẳng định hệ nhiều TMD đặt song song là có hiệu quả hơn một TMD thông thường khi sử dụng trong điều khiển dao động cho kết cấu. Những nghiên cứu này đã đặt nền tảng cho ý tưởng nghiên cứu tiên phong cho hệ giảm chấn chất lỏng đa tần số (MTLD) đặt song song vào kết cấu mà khởi đầu là Fujino và Sun (1993). Hiệu quả của việc giảm dao động cho kết cấu khi sử dụng hệ MTLD được khẳng định thông qua việc phân tích số khi sử dụng hàm ứng xử tần số cho hệ tương tác kết cấu – MTLD. Các kết quả phân tích số này được so sánh đối chiếu với kết quả phân tích số dữ liệu đo đạc trên mô hình thí nghiệm trên bàn rung. Kết quả so sánh, phân tích chỉ ra được hiệu quả của MTLD so với hệ TLD và giá trị hợp lý của một số tham số của hệ MTLD trong điều khiển dao động. 2. Giảm chấn chất lỏng đa tần số (MTLD) và hệ tương tác giữa kết cấu - MTLD 2.1 Bộ giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD Giảm chấn chất lỏng đa tần số (MTLD) là thiết bị giảm chấn chất lỏng (TLD) có sự tham gia của nhiều thùng chứa chất lỏng mà mỗi thùng chứa chất lỏng (TLD đơn) có tần số dao động riêng khác nhau. Việc tạo ra tần số dao động riêng cho mỗi TLD đơn bằng cách điều chỉnh chiều sâu chất lỏng đựng trong các thùng chứa có kích thước như nhau [1]. Có thể mô tả như sau: mỗi TLD đơn có 1 tần số dao động riêng fi là tần số văng té tự nhiên của thùng chất lỏng thứ i trong bộ giảm chấn chất lỏng đa tần số. Với f1 là tần số dao động của thùng chất lỏng thứ 1 – tần số dao động riêng nhỏ nhất trong bộ giảm chấn, fN là tần số dao động của thùng chất lỏng thứ N – tần số dao động riêng lớn nhất trong bộ giảm chấn. Hình 1. Mô hình kết cấu và giảm chấn chất lỏng đa tần số (MTLD) Hình 2. Dải tần số của mỗi thùng chứa chất lỏng trong bộ giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD Kết cấu KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 24 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 Tần số tự nhiên của mỗi TLD đơn được thể hiện bởi lý thuyết tuyến tính theo Wakahara (1993) [4]. 01 2 2 2D hgf tanh a a         (1) Như vậy tần số của các TLD đơn trong bộ giảm chấn tạo thành một dải tần số mà khi thiết kế một tần số trung tâm của hệ f0, - tần số trung bình của các tần số tạo ra từ các TLD đơn trong bộ lấy là tần số đặc trưng cho thiết kế. Tần số trung tâm của bộ giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD được xác định theo công thức 2 (theo Fujino 1993 [5]): 1 2 N o f f f   (2) Độ chênh tần số dao động giữa các TLD đơn trong MTLD được thiết kế để tạo hệ có khoảng tần số cân bằng với:    i 1 i 1 f f – / 1 i Nf f N       (3) Bề rộng dải tần số là khoảng tần số hay hiệu của tỷ số tần số giữa tỷ số của TLD đơn có tần số dao động lớn nhất trên tần số trung tâm và tỷ số của TLD đơn có tần số nhỏ nhất trên tần số trung tâm của hệ trong bộ giảm chấn MTLD. 1 0 Nf fR f    (4) Trong một số trường hợp tần số dao động của bộ giảm chấn đa tần số (MTLD) - tần số trung tâm của hệ được tạo ra không như thiết kế ban đầu và cần thiết có một tham số điều chỉnh để xét đến hiệu quả của hệ trong các trường hợp này. Hệ số điều chỉnh này là: s o o f f f    (5) Tham số cản của TLD được xác định theo công thức của Fujino (1993) [3]: 0 D 0 D h1 1 υ ξ 1 h 2 πf b       (6) Trong đó: fD là tần số tự nhiên của TLD; h và là chiều sâu chất lỏng và độ nhớt động của chất lỏng. Chiều dài thùng chứa chất lỏng L = 2a, chiều rộng thùng chứa là b, g là gia tốc trọng trường, và các ký hiệu khác mD, D , kD, fD lần lượt là khối lượng, tham số cản, độ cứng và tần số dao động riêng của TLD. 2.2 Hàm ứng xử tần số cho mô hình tương tác giữa kết cấu và MTLD Phương trình hàm ứng xử tần số của hệ tương tác giữa kết cấu và giảm chấn chất lỏng đa tần số (MTLD) được thiết lập khi sử dụng phương trình Euler – Lagrange trên cơ sở các giả thiết cơ bản: - Kết cấu là một bậc tự do và mỗi TLD đơn là một bậc tự do, do vậy hệ làm việc chung giữa kết cấu và TLD là hệ tuyến tính với các bậc tự do giảm chấn đặt song song trên bậc tự do kết cấu. Tính chất phi tuyến của hoạt động chất lỏng trong các thùng TLD được chứng minh trong nhiều nghiên cứu là được thay thế bằng độ cứng và tính cản mang tính chất phi tuyến của hệ TMD tương đương của mỗi TLD đơn [3]. - Tỷ số khối lượng giữa tổng khối lượng chất lỏng trong các TLD so với khối lượng hình thái của kết cấu là 1%i    (Wakahara, 1993) [4]. Tùy thuộc vào số lượng của các thùng TLD đơn lẻ khác nhau trong hệ MTLD có: w1. wi ..wn, hoặc wmin...wi..wmax Ks Cs Ms m1 m2 mi mn-1 mn Ks Cs Ms k1 c1 m1 k2 c2 m2 ki ci mi kn cn mn Hình 3. Mô hình tương tác giữa kết cấu và MTLD ws/w (hoặc fs/f ) là véctơ tỷ số chỉ ra tỷ số giữa tần số của kết cấu và tần số kích động. wi/w (hoặc fi/f ) là véctơ chỉ ra tỷ số giữa tần số của các thùng TLD đơn lẻ của hệ MTLD và tần số kích động. Tần số trung tâm của các TLD trong hệ MTLD là w0= (wmax + wmin) /2. Bề rộng dải tần số R= (wmax – wmin) /w0 = 0.2 và i = w i+1 - wi = const Theo các phân tích thực nghiệm trong nghiên cứu của Fujino [3,5] về hệ MTLD, nhằm đánh giá kỹ hơn về sự tương tác giữa kết cấu và MTLD, tác giả đã tập trung xây dựng phương trình động học cho hệ làm việc chung kết cấu – MTLD khi sử dụng phương trình Lagrange: KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 25 Phương trình viết dưới dạng ma trận: 2 ns s i 1 1 1 11 1 2 2 2 n 1 n 1 n n n 2 ns i 1 1 1 2 2 n 1 n n c cm c c c 0m c c m c 0 c m c m c c k kk k k k k k k k k k s s i i n n x x x x x x x x                                                                                                 1 0 0 0 s s i n x F x x x                                                           (7) H(w) được gọi là hàm ứng xử tần số phức không thứ nguyên của hệ MTLD:   0 2 22 2 2 2 2 21 2 2 12 2 1 1 2 1 2 s i N i S ii s s s i i i F H f k fi ff f fi f f f f fi f w                                  (8) Hàm ứng xử tần số này chỉ ra được ứng xử của kết cấu khi có gắn bộ giảm chấn chất lỏng đa tần số mà cụ thể là thể hiện mối quan hệ giữa biên độ dao động với tỷ số tần số (tỷ số giữa tần số kích động và tần số dao động riêng của kết cấu). Sự biến đổi của các tham số trong hàm này sẽ cho ba đường biểu diễn gồm đường đồ thị ứng xử của kết cấu khi không gắn TLD, khi gắn bộ giảm chấn chất lỏng đơn tần số (STLD) và khi gắn MTLD. 3. Mô hình thí nghiệm và cơ sở thiết lập dữ liệu để so sánh, đánh giá hiệu quả của bộ giảm chấn chất lỏng đa tần số Mô hình kết cấu cho thí nghiệm là kết cấu được lắp dựng theo tỷ lệ 1:1 (mô hình tính toán phân tích và mô hình thí nghiệm trên cùng một đối tượng) làm cơ sở cho việc xây dựng dữ liệu thí nghiệm cho đánh giá [2]. Các kết quả thí nghiệm được đối chiếu với các dữ liệu phân tích lý thuyết trên cùng mô hình kết cấu nhằm khẳng định hiệu quả giảm chấn của bộ thiết bị giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD. Mô hình kết cấu này được tính toán để phù hợp với việc thực hiện thí nghiệm trên bàn rung. Các kết quả thu được từ thí nghiệm cho mô hình được so sánh đánh giá khi phân tích lý thuyết cho mô hình sử dụng hàm ứng xử tần số thiết lập cho hệ tương tác giữa kết cấu và MTLD. 3.1 Mô hình thí nghiệm và các dữ liệu đầu vào cơ bản cho thiết lập chương trình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm được lựa chọn là một cột thép tổ hợp hình chữ H. Cột thép được phân tích trong chương trình phân tích kết cấu thương mại Midas Civil. Các mode dao động, tần số dao động và biên độ dao động được chỉ ra từ phân tích trên phần mềm được sử dụng cho việc thiết kế MTLD. Các dữ liệu cơ sở này là dữ liệu ban đầu cho việc dùng hàm ứng xử tần số phức thiết lập để phân tích và đánh giá hiệu quả giảm dao động của cột khi có lắp đặt TLD. Sau đó dữ liệu phân tích lý thuyết này được so sánh với dữ liệu thí nghiệm cột trên bàn rung. Kết quả phân tích mô hình cột thí nghiệm trên phần mềm Midas Civil cho thấy: Bảng 1. Kết quả phân tích các mode dao động của mô hình cột thí nghiệm STT Mode Tần số dao động tự nhiên (Hz) Tỷ số cản 1 Mode 1 3.47 0.005 2 Mode 2 3.94 0.005 3 Mode 3 13.27 0.005 4 Mode 4 28.46 0.005 5 Mode 5 83.26 0.005 6 Mode 6 103.03 0.005 Trong thiết kế giảm chấn chất lỏng nhằm kiểm soát dao động cho mô hình lựa chọn mode dao động điển hình là mode 1 với tần số dao động tự nhiên của mô hình kết cấu là 3.47Hz. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 26 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 Hình 4. Mô hình kết cấu cột thép dạng chữ H cho thí nghiệm Mode 1-Tần số dao động là 3.47 Hz Mode 2-Tần số dao động là 3.94 Hz Mode 3-Tần số dao động là 13.27 Hz Mode 4-Tần số dao động là 28.46 Hz Mode 5-Tần số dao động là 83.26 Hz Mode 6-Tần số dao động là 103.03Hz Hình 5. Các mode và tần số dao động theo các mode của mô hình cột kết cấu cho thí nghiệm Do các vấn đề về sai số chế tạo, điều kiện liên kết mô hình kết cấu vào bàn rung nên vấn đề hiệu chỉnh mô hình kết cấu để xác định giá trị thực là hết sức cần thiết. Giá trị tần số dao động riêng thực của mô hình, tỷ số cản thực của mô hình có thể được xác định thông qua việc phân tích dữ liệu thu được khi tạo kích động cho bàn rung theo hàm định nghĩa với tần số kích động xung quanh giá trị tần số dao động riêng của kết cấu với biến đổi Hilbert [6]. Kết quả phân tích được: - Giá trị tần số dao động riêng của mô hình kết cấu thực là: f = 2.85Hz; - Tỷ số cản tính toán thực là: 0.0018. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 27 Hình 6. Sơ đồ hệ thống điều khiển bàn rung và mô hình thí nghiệm trên bàn rung và các giảm chấn Các trường hợp thí nghiệm được thiết lập để xây dựng đường thực nghiệm làm cơ sở so sánh với đường phân tích lý thuyết khảo sát ứng xử của kết cấu chịu tác động kích động dạng điều hòa. Tần số cộng hưởng của mô hình kết cấu cho thí nghiệm được xác định nhờ sử dụng chức năng có sẵn trong phần mềm điều khiển bàn rung trong phòng thí nghiệm. Chương trình này cho phép tìm kiếm tần số cộng hưởng và biên độ cộng hưởng thông qua một dải các giá trị tần số kích động cho bàn lắc khi có mô hình kết cấu đặt trên. Hàm kích động dạng được thiết lập là hàm dao động dạng điều hòa (dạng hàm sin) và được định nghĩa để tạo kích động truyền đến bàn rung dạng: y = A sin (w t). Các giá trị tần số kích động thiết lập cho bàn rung được lựa chọn sao cho có giá trị là bằng giá trị tần số dao động riêng của kết cấu (tần số này xác định trên kết cấu thực và là giá trị tần số tạo ra chuyển vị cộng hưởng với kết cấu) và các giá trị xung quanh giá trị cộng hưởng để tiện cho việc xây dựng đường thực nghiệm. Dựa vào phân tích lý thuyết, tần số kích động vào mô hình kết cấu cho thí nghiệm nằm trong dải: 0.8f/fs1.2 với 9 giá trị tương ứng là: f/fs= 0.8; f/fs= 0.85; f/fs= 0.9; f/fs= 0.95; f/fs= 1; f/fs= 1.05; f/fs= 1.1; f/fs= 1.15;f/fs= 1.2 (fs là tần số dao động riêng thực của kết cấu lấy là 2.85Hz). Biên độ dao động kích động được tạo ra sao cho chuyển động văng té của chất lỏng không trong vùng xảy ra phi tuyến mạnh và phù hợp với giới hạn đo của thiết bị đo, do vậy chọn: A = 0.1cm. Các trường hợp khảo sát này đều lấy bề rộng dải tần số R = 0.3. 3.2 Phân tích kết quả thí nghiệm và so sánh với dữ liệu phân tích lý thuyết khi sử dụng hàm ứng xử tần số cho hệ tương tác kết cấu – MTLD Trường hợp 0: Đo dao động, chuyển vị cột mô hình kết cấu cho thí nghiệm khi không gắn thiết bị TLD. Đồ thị với 2 đường lý thuyết (nét liền) và thí nghiệm (nét đứt) thể hiện cho trường hợp kết cấu không gắn giảm chấn chất lỏng có dạng tương đồng và giá trị tương đối sát nhau cho thấy việc sử dụng dữ liệu tần số dao động riêng của kết cấu thực đo được là khá phù hợp. Hình 7. Biểu đồ ứng xử của kết cấu khi không gắn TLD Trường hợp 1: Được đặt ra nhằm mục đích khảo sát ứng xử của mô hình kết cấu khi lắp đặt bộ giảm chấn chất lỏng đơn tần số - STLD. Cụ thể: KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 28 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 Trường hợp 1a: Đo dao động, chuyển vị cột mô hình kết cấu cho thí nghiệm khi có lắp đặt 1 thùng TLD. Kết quả phân tích lý thuyết và thiết kế bộ giảm chấn lắp đặt cho mô hình thể hiện trong bảng 2: Bảng 2. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu chỉ có gắn 1 thùng STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 140x80x80 5.1 0.57 2.85 0.005 Trường hợp 1b: Đo dao động, chuyển vị cột mô hình kết cấu cho thí nghiệm khi có lắp đặt 3 thùng TLD có tần số dao động như nhau (chiều sâu chất lỏng giống nhau - SLTD). Kết quả phân tích lý thuyết và thiết kế bộ giảm chấn lắp đặt cho mô hình thể hiện trong bảng 3: Bảng 3. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu chỉ có gắn 3 thùng giống nhau STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 80x60x60 2.3 0.48 2.85 0.009 2 Thùng 2 80x60x60 2.3 0.48 2.85 0.009 3 Thùng 3 80x60x60 2.3 0.48 2.85 0.009 Kết quả so sánh dữ liệu đo thu được trong trường hợp 1a, 1b trên biểu đồ với đường lý thuyết thiết lập khi sử dụng hàm ứng xử tần số cho thấy: Hình 8. Hiệu quả giảm dao động cho mô hình kết cấu thí nghiệm với 1 thùng TLD so sánh với trường hợp 3 thùng TLD giống nhau Dạng đường đồ thị của 2 trường hợp kết cấu khi lắp đặt 1 thùng TLD (1a) và 3 thùng TLD có chiều sâu chất lỏng giống nhau (1b) có dạng tương đồng với đường đồ thị phân tích lý thuyết, tuy nhiên không hoàn toàn trùng khít như theo phân tích lý thuyết. Lý do được dự đoán do sai số chế tạo thùng chứa chất lỏng và sai số chiều sâu chất lỏng khi đổ vào thùng. Trường hợp 2: Khảo sát ứng xử của mô hình kết cấu khi lắp đặt bộ giảm chấn chất lỏng đa tần số - MTLD. Bề rộng dải tần số lấy là R=0.3. Chi tiết số liệu thiết kế TLD cho trường hợp chỉ có N thùng có tần số dao động khác nhau cho mô hình cột thí nghiệm khi sử dụng hàm ứng xử tần số đã thiết lập được thể hiện từ trường hợp 2a đến 2f: Trường hợp 2a: Đo dao động, chuyển vị cột kết cấu thí nghiệm khi có lắp đặt 3 thùng TLD có tần số dao động khác nhau (3 thùng có chiều sâu chất lỏng khác nhau – bộ MTLD). Bảng 4. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu chỉ có gắn 3 thùng - MTLD TT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 80x60x60 1.4 0.07 2.423 0.016 2 Thùng 2 80x60x60 1.8 0.08 2.850 0.012 3 Thùng 3 80x60x60 2.1 0.10 3.278 0.010 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 29 Trường hợp 2b: Đo dao động, chuyển vị cột kết cấu thí nghiệm khi có lắp đặt 5 thùng TLD có tần số dao động khác nhau (5 thùng có chiều sâu chất lỏng khác nhau). Bảng 5. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu chỉ có gắn 5 thùng - MTLD STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 80x60x60 1.4 0.07 2.423 0.016 2 Thùng 2 80x60x60 1.6 0.08 2.636 0.014 3 Thùng 3 80x60x60 1.8 0.08 2.850 0.012 4 Thùng 4 80x60x60 2.0 0.09 3.064 0.011 5 Thùng 5 80x60x60 2.1 0.10 3.278 0.010 Trường hợp 2c: Đo dao động, chuyển vị cột kết cấu thí nghiệm khi có lắp đặt 7 thùng TLD có tần số dao động khác nhau (chiều sâu chất lỏng của mỗi thùng trong giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD là khác). Chi tiết số liệu thiết kế TLD cho trường hợp chỉ có 7 thùng có tần số dao động khác nhau cho mô hình cột thí nghiệm khi sử dụng hàm ứng xử tần số đã thiết lập: Bảng 6. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu chỉ có gắn 7 thùng - MTLD STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 80x60x60 1.4 0.07 2.423 0.016 2 Thùng 2 80x60x60 1.5 0.07 2.565 0.015 3 Thùng 3 80x60x60 1.6 0.08 2.708 0.013 4 Thùng 4 80x60x60 1.8 0.08 2.850 0.012 5 Thùng 5 80x60x60 1.9 0.09 2.993 0.011 6 Thùng 6 80x60x60 2.0 0.10 3.135 0.011 7 Thùng 7 80x60x60 2.1 0.10 3.278 0.010 Trường hợp 2d: Đo dao động, chuyển vị cột kết cấu thí nghiệm khi có lắp đặt 9 thùng TLD có tần số dao động khác nhau (chiều sâu chất lỏng của mỗi thùng trong giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD là khác). Chi tiết số liệu thiết kế TLD cho trường hợp chỉ có 9 thùng có tần số dao động khác nhau cho mô hình cột thí nghiệm khi sử dụng hàm ứng xử tần số đã thiết lập: Bảng 7. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu chỉ có gắn 9 thùng - MTLD STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 80x60x60 1.40 0.07 2.423 0.016 2 Thùng 2 80x60x60 1.50 0.07 2.529 0.015 3 Thùng 3 80x60x60 1.60 0.08 2.636 0.014 4 Thùng 4 80x60x60 1.70 0.08 2.743 0.013 5 Thùng 5 80x60x60 1.80 0.08 2.850 0.012 6 Thùng 6 80x60x60 1.90 0.09 2.957 0.012 7 Thùng 7 80x60x60 1.95 0.09 3.064 0.011 8 Thùng 8 80x60x60 2.05 0.10 3.171 0.010 9 Thùng 9 80x60x60 2.10 0.10 3.278 0.010 Trường hợp 2e: Đo dao động, chuyển vị cột kết cấu thí nghiệm khi có lắp đặt 11 thùng TLD có tần số dao động khác nhau (chiều sâu chất lỏng của mỗi thùng trong giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD là khác), bề rộng dải tần số R=0.3. Bảng 8. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu chỉ có gắn 11 thùng - MTLD STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 80x60x60 5.1 0.03373 0.323 0.011 2 Thùng 2 80x60x60 5.5 0.03612 0.334 0.010 3 Thùng 3 80x60x60 5.9 0.03858 0.346 0.009 4 Thùng 4 80x60x60 6.2 0.04111 0.357 0.008 5 Thùng 5 80x60x60 6.6 0.04371 0.369 0.008 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 30 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 6 Thùng 6 80x60x60 7.0 0.04639 0.380 0.007 7 Thùng 7 80x60x60 7.4 0.04913 0.391 0.007 8 Thùng 8 80x60x60 7.9 0.05194 0.403 0.006 9 Thùng 9 80x60x60 8.3 0.05481 0.414 0.006 10 Thùng 10 80x60x60 8.8 0.05775 0.426 0.006 11 Thùng 11 80x60x60 9.2 0.06075 0.437 0.005 Trường hợp 2f: Đo dao động, chuyển vị cột kết cấu thí nghiệm khi có lắp đặt 15 thùng TLD có tần số dao động khác nhau (chiều sâu chất lỏng của mỗi thùng trong giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD là khác), bề rộng dải tần số R=0.3. Bảng 9. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu chỉ có gắn 15 thùng - MTLD STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 80x60x60 5.1 0.03373 0.323 0.011 2 Thùng 2 80x60x60 5.4 0.03543 0.331 0.010 3 Thùng 3 80x60x60 5.6 0.03716 0.339 0.009 4 Thùng 4 80x60x60 5.9 0.03893 0.347 0.009 5 Thùng 5 80x60x60 6.2 0.04074 0.356 0.008 6 Thùng 6 80x60x60 6.5 0.04259 0.364 0.008 7 Thùng 7 80x60x60 6.7 0.04447 0.372 0.008 8 Thùng 8 80x60x60 7.0 0.04639 0.380 0.007 9 Thùng 9 80x60x60 7.3 0.04834 0.388 0.007 10 Thùng 10 80x60x60 7.6 0.05033 0.396 0.007 11 Thùng 11 80x60x60 7.9 0.05235 0.404 0.006 12 Thùng 12 80x60x60 8.2 0.05440 0.413 0.006 13 Thùng 13 80x60x60 8.6 0.05648 0.421 0.006 14 Thùng 14 80x60x60 8.9 0.05860 0.429 0.006 15 Thùng 15 80x60x60 9.2 0.06075 0.437 0.005 Kết quả so sánh dữ liệu đo thu được trong từng trường hợp từ 2a đến 2f trên biểu đồ so sánh với đường lý thuyết thiết lập khi sử dụng hàm ứng xử tấn số cho thấy: TH 2a: Hiệu quả giảm dao động cho mô hình kết cấu thí nghiệm với 3 thùng TLD có tần số dao động khác nhau, R=0.3 TH 2b: hiệu quả giảm dao động cho mô hình kết cấu thí nghiệm với 5 thùng TLD (tần số dao động của mỗi thùng khác nhau), R=0.3 TH 2c: Hiệu quả giảm dao động cho mô hình kết cấu thí nghiệm với 7 thùng TLD có tần số dao động khác nhau, R=0.3 TH 2d: hiệu quả giảm dao động cho mô hình kết cấu thí nghiệm với 9 thùng TLD (tần số dao động của mỗi thùng khác nhau), R=0.3 TH 2e: Hiệu quả giảm dao động cho mô hình kết cấu thí nghiệm với 11 thùng TLD có tần số dao động khác nhau, R=0.3 TH 2f: hiệu quả giảm dao động cho mô hình kết cấu thí nghiệm với 15 thùng TLD (tần số dao động của mỗi thùng khác nhau), R=0.3 Hình 9. Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của số lượng thùng chứa đến hiệu quả giảm dao động KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 31 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của số lượng thùng TLD trong MTLD đến hiệu quả giảm dao động cho thấy khá phù hợp về dạng so với đường đồ thị phân tích lý thuyết. Ứng xử của kết cấu tại vị trí tỷ số tần số bằng và xấp xỉ bằng 1, so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm là khá gần nhau, càng xa giá trị tỷ số tần số bằng 1 (thời điểm xảy ra cộng hưởng) các giá trị có xu hướng khác biệt nhiều hơn. Ứng với số lượng thùng chứa chất lỏng của bộ giảm chấn chất lỏng đa tần số cho thiết kế nằm trong khoảng từ N = 5-15 thùng thì hiệu quả của bộ giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD là khá tốt, nằm ngoài khoảng này, khi số thùng nhỏ hơn hoặc tăng lên nữa thì kết quả cho thấy hiệu quả giảm dao động của bộ giảm chấn là giảm và thậm chí không còn hiệu quả trong việc giảm dao động cho mô hình kết cấu. Trường hợp 3: Khảo sát ảnh hưởng của bề rộng dải tần số của bộ giảm chấn chất lỏng đa tần số (MTLD) đến hiệu quả giảm dao động cho mô hình kết cấu. Chi tiết số liệu thiết kế TLD cho trường hợp thay đổi bề rộng dải tần số R khảo sát cho trường hợp của số lượng thùng chứa hợp lý đã xác định trong trường hợp 2, N=3 như sau: Trường hợp 3a: Đo dao động, chuyển vị cột kết cấu thí nghiệm khi có 3 thùng giảm chấn chất lỏng TLD khác nhau (3 thùng được đổ lượng chất lỏng khác nhau), bề rộng dải tần số thay đổi so với trường hợp 2a, lấy là R=0.2. Bảng 10. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu với bề rộng dải tần số R=0.2 – MTLD STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 80x60x60 1.5 0.07 2.565 0.015 2 Thùng 2 80x60x60 1.8 0.08 2.850 0.012 3 Thùng 3 80x60x60 2.0 0.10 3.135 0.011 Trường hợp 3b: Đo dao động, chuyển vị cột kết cấu thí nghiệm khi có 3 thùng giảm chấn chất lỏng TLD khác nhau (3 thùng được đổ lượng chất lỏng khác nhau), bề rộng dải tần số thay đổi so với trường hợp 2a, lấy là R=0.1. Bảng 11. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu với bề rộng dải tần số R=0.1 - MTLD STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 80x60x60 1.6 0.08 2.708 0.013 2 Thùng 2 80x60x60 1.8 0.08 2.850 0.012 3 Thùng 3 80x60x60 1.9 0.09 2.993 0.011 Kết quả so sánh dữ liệu đo thu được trong trường hợp 3a, 3b trên biểu đồ được so sánh với đường lý thuyết thiết lập khi sử dụng hàm ứng xử tấn số cho thấy: TH 3a: Hiệu quả giảm dao động cho mô hình kết cấu thí nghiệm với 3 thùng TLD có tần số dao động khác nhau, R=0.2 TH 3b: hiệu quả giảm dao động cho mô hình thí nghiệm với 3 thùng TLD (tần số dao động của mỗi thùng khác nhau), R=0.1 Hình 10. Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của bề rộng dải tần số đến hiệu quả giảm dao động Khi bề rộng dải tần số thay đổi, dữ liệu thí nghiệm thể hiện khá nhạy cảm với sự thay đổi này. Đường thực nghiệm, đường lý thuyết là đồng dạng. So sánh với trường hợp 2a cho thấy: khi với số lượng thùng TLD đơn trong bộ giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD là đủ lớn và bề rộng dải tần số là nhỏ (R = 0.1), chênh tần số giữa các TLD đơn là nhỏ thì hiệu quả giảm dao động của MTLD là tương tự như SLTD. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 32 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 Mặt khác, khi số lượng của các TLD đơn là nhỏ và bề rộng dải tần số là đủ lớn (R = 0.3) thì hiệu quả của MTLD là tốt hơn của hệ SLTD. Do vậy, hiệu quả của hệ MTLD chỉ có thể đạt được tốt nhất ứng với giá trị nhất định nào đó của số lượng TLD đơn và bề rộng dải tần số phù hợp. Giá trị khảo sát kiến nghị là bề rộng dải tần số là 0.2 - 0.3 và độ chênh tần số giữa các thùng TLD đơn lẻ là  = 0.01 - 0.02. Trường hợp 4: Khảo sát ảnh hưởng của việc thiết kế giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD đến hiệu quả giảm dao động cho kết cấu. Thông thường giảm chấn chất lỏng được thiết kế để tạo ra được tần số dao động riêng bằng về giá trị với tần số dao động riêng của kết cấu để tạo ra hiệu quả tốt nhất. Khi khảo sát ảnh hưởng của tỷ số giữa giá trị tần số trung tâm của giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD và tần số dao động riêng của kết cấu không bằng 1 đến hiệu quả giảm dao động cho kết cấu với số lượng thùng chứa chất lỏng N = 7 TLD. Trường hợp 4a: Đo dao động, chuyển vị cột kết cấu thí nghiệm khi có 7 thùng TLD (khác nhau), bề rộng dải tần số R = 0.3 và tỷ số giữa tần số trung tâm của giảm chấn chất lỏng MTLD và tần số dao động riêng của kết cấu f/fs = 0.95. Bảng 12. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu với f/fs =0.95 - MTLD STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 80x60x60 1.3 0.06 2.301 0.018 2 Thùng 2 80x60x60 1.4 0.07 2.437 0.016 3 Thùng 3 80x60x60 1.5 0.07 2.572 0.015 4 Thùng 4 80x60x60 1.6 0.08 2.708 0.013 5 Thùng 5 80x60x60 1.8 0.08 2.843 0.012 6 Thùng 6 80x60x60 1.9 0.09 2.978 0.011 7 Thùng 7 80x60x60 2.0 0.10 3.114 0.011 Trường hợp 4b: Đo dao động, chuyển vị cột kết cấu thí nghiệm khi có 7 thùng TLD (khác nhau), bề rộng dải tần số R=0.3 và tỷ số giữa tần số trung tâm của giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD và tần số dao động riêng của kết cấu f/fs =1.05. Bảng 13. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp mô hình kết cấu với f/fs =1.05 - MTLD STT Thùng TLD Kích thước thùng LxB (mm) Chiều cao chất lỏng (cm) Trọng lượng nước trong thùng (kG) Tần số dao động tự nhiên của thùng (Hz) Tỷ số cản 1 Thùng 1 80x60x60 1.5 0.07 2.544 0.015 2 Thùng 2 80x60x60 1.6 0.08 2.693 0.013 3 Thùng 3 80x60x60 1.8 0.08 2.843 0.012 4 Thùng 4 80x60x60 1.9 0.09 2.993 0.011 5 Thùng 5 80x60x60 2.0 0.10 3.142 0.011 6 Thùng 6 80x60x60 2.1 0.10 3.292 0.010 7 Thùng 7 80x60x60 2.3 0.11 3.441 0.009 TH 4a: Hiệu quả giảm dao động cho mô hình kết cấu thí nghiệm với 7 thùng TLD (tần số dao động của mỗi thùng khác nhau, R=0.3, f/fs=0.95 TH 4b: hiệu quả giảm dao động cho mô hình thí nghiệm với 7 thùng TLD (tần số dao động của mỗi thùng khác nhau, R=0.3, f/fs=1.05 Hình 10. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ số giữa tần số trung tâm của MTLD và tần số dao động riêng KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 33 Khi tỷ số giữa tần số kích động với tần số dao động riêng của kết cấu không bằng một, dạng của đường đồ thị thí nghiệm và lý thuyết là khá phù hợp đường đồ thị thực nghiệm thể hiện khá nhạy cảm với sự thay đổi này. 4. Kết luận - Hiệu quả của MTLD là tốt hơn SLTD khi sử dụng nhiều thùng TLD với chiều sâu chất lỏng khác nhau hay tần số dao động riêng khác nhau (hệ MTLD có 1 tần số trung tâm trong dải tần số tính toán thiết kế của các TLD); - Tương quan giữa tỷ số tần số và chuyển vị (theo tần số) là phù hợp về qui luật với kết quả lý thuyết đã phân tích cho mô hình cột thí nghiệm; - Đường cong ứng xử của MTLD là khá phẳng, điều này chỉ ra rằng ứng xử của kết cấu có khả năng đáp ứng trên một dải rộng tần số và MTLD có tính cản cao hơn so với SLTD. Sự bằng phẳng này là do sự khác biệt pha nhỏ trong khoảng chuyển động của chất lỏng trong mỗi TLD của giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD; - Do hạn chế về kinh nghiệm thí nghiệm nên đường thực nghiệm xây dựng sai số khá lớn so với đường lý thuyết. Tuy nhiên sai số vẫn nằm trong giới hạn cho phép là từ 7-11% (<15%) là có thể chấp nhận được. Phân tích số hàm ứng xử tần số đã thiết lập để xác định được ảnh hưởng của các tham số đến hiệu quả giảm chấn như: số lượng thùng TLD N, bề rộng dải tần số R, và tỷ số tần số kích động và tần số dao động riêng của kết cấu. Đặc biệt đề xuất được số lượng thùng TLD trong hệ MTLD hợp lý cho thiết kế giảm chấn là N = 5-11 và chênh tần số giữa các thùng là là = 0.01 - 0.02 (bề rộng dải tần số R = 0.2-0.3). TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. L.M. SUN, Y. FUJINO, B.M. PACHECO, P. CHAISERI. (1992), “Modeling of Tuned Liquid Damper (TLD)”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, (41-44), pp. 1883-1894. 2. HARRY G. HARRIS và GAJANAN M. SABNIS. (1999), Model and experimental techniques, Second edition printed in USA. 3. L.M. SUN, Y. FUJINO, P. CHAISERI, B.M. PACHECO. (1995), “Properties of tuned liquid dampers using a TMD analogy”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 24 (7), pp. 967-976. 4. TOSHIHIRO WAKAHARA. (1993), “Wind-induced response of TLD-structure coupled system considering nonlinearity of liquid motion”, Shimizu Technology Research Bulletin, (12). 5. Y.FUJINO, L.M.SUN. (1993), “Vibration Control by Multiple Tuned Liquid Dampers (MTLDs)”, Journal of Structural Engineering, Vol. 119 (12), pp. 3482- 3500. 6. NGUYỄN HỮU HƯNG, NGUYỄN ĐỨC THỊ THU ĐỊNH. (2013), "Xác định tham số thực tế của công trình cầu thông qua kết quả phản ứng động lực học", Hội thảo "40 năm hợp tác Việt Nam - Nhật Bản trong xây dựng: Thành tựu và cơ hội ", Hà Nội, 8 & 9 /11/ 2013; ISBN: 978-604-82-0053-4. Ngày nhận bài: 03/5/2015. Ngày nhận bài sửa lần cuối: 22/9/2015.