Luận án Phân tích dao động cầu treo dân sinh và các giải pháp kiềm chế dao động

�2𝑙 2 ) − 𝑍 − 1 √𝑍 + 1 (𝑡ℎ 𝜆1𝑙 2 + 2𝑡ℎ 𝛽𝜆1𝑙 2 ) − �̄� 𝐸𝑐𝐹𝑐 𝛾3𝑙2𝐻𝑔 2 32√2𝑞𝑓 𝑍(𝑍3 − 1) = 0 (2-65) Nếu nhịp giữa dao động phản xứng thì hai nhịp bên sẽ dao động độc lập với nó. Khi đó tần số dao động của nhịp giữa được tính theo (2-61), còn đối với các nhịp bên thì được tính theo công thức: 𝜔1𝑛 = 𝑛2𝜋2 𝑙1 2 √ 𝑔 𝑞1 (𝐸𝐽1 + 𝐻𝑔𝑙1 2 𝑛2𝜋2 ) (n = 1, 2, 3, . ) (2-66) c) Ứng dụng phương pháp Ritz Phương pháp Ritz không những cho phép giảm được khối lượng tính toán mà còn cho thấy rõ sự phụ thuộc của tần số riêng đối với một thông số. Trước tiên hãy tính biên độ năng lượng của hệ. 43 Động năng của nhịp giữa: 𝑚𝑎𝑥 𝑇 = 𝑞 2𝑔 𝜔2 ∫ 𝑋2𝑑𝑥 𝑙 0 Thế năng đàn hồi uốn của dầm: 𝑉𝑑 = 1 2 𝐸𝐽𝑧 ∫ (𝑋 ′′)2𝑑𝑥 𝑙 0 Thế năng đàn hồi trong dây bằng công của các lực quán tính tác dụng trên dây: 𝑚𝑎𝑥 𝑉𝑐 = 1 2 𝐸𝐽𝑧 ∫ 𝑋𝑝𝑑𝑥 𝑙 0 Trong đó p là lực quán tính tác dụng trên một đơn vị dài (tính theo phương ngang) của dây. Từ điều kiện cân bằng của phân tố trên dây cáp, P được biểu diễn: 𝑞 + 𝑝 = −(𝐻𝑔 + 𝐻𝑑) 𝑑2(𝑦 + 𝑋) 𝑑𝑥2 = −(𝐻𝑔𝑦 ′′ + 𝐻𝑔𝑋 ′′ + 𝐻𝑑𝑦 ′′ + 𝐻𝑑𝑋 ′′) Nếu bỏ số hạng cuối và với chú ý: 𝑞 + 𝐻𝑔𝑦 ′′ = 0;𝑦 = − 4𝑓𝑥2 𝑙2 ;𝑦′′ = − 8𝑓 𝑙2 Lực quán tính p được viết: 𝑝 = −𝐻𝑔𝑋 ′′ + 8𝑓 𝑙2 𝐻𝑑 Từ đó: 𝑚𝑎𝑥 𝑉𝑐 = − 𝐻𝑔 2 ∫ 𝑋′′𝑑𝑥 𝑙 0 + 4𝑓2 𝑙2 𝐻𝑑 ∫ 𝑋𝑑𝑥 𝑙 0 Đối với hai nhịp bên ta cũng có các công thức như trên nhưng cần thay 𝑋, 𝑞 và 𝐽 bằng 𝑋1, 𝑙1 , 𝑞1 và 𝐽1. d) Dầm ba nhịp đối xứng (Hình 2-4b) Khi đó: 44 𝐿 = 𝑚𝑎𝑥 𝑇 − 𝑚𝑎𝑥 𝑉 = 1 2 [ 𝑞 𝑔 𝜔2 ∫ 𝑋2𝑑𝑥 − 𝐸𝐽𝑧 ∫ (𝑋 ′′)2𝑑𝑥 𝑙 0 𝑙 0 + 𝐻𝑔 ∫ 𝑋 ′′𝑋𝑑𝑥 𝑙 0 − 8𝑓 𝑙2 𝐻𝑑 ∫ 𝑋𝑑𝑥 𝑙 0 ] + 2 1 2 [ 𝑞1 𝑔 𝜔2 ∫ 𝑋1 2𝑑𝑥 𝑙1 0 − 𝐸𝐽1 ∫(𝑋1 ′′)2𝑑𝑥1 + 𝐻𝑔 ∫ 𝑋1 ′′𝑋1𝑑𝑥1 𝑙1 0 − 8𝑓1 𝑙2 𝐻𝑑 ∫ 𝑋1𝑑𝑥1 𝑙1 0 ] (2-67) Trong đó 𝐻𝑑 được tính theo (2-63). Đối với các dao động đối xứng, có thể giả thiết: 𝑋 = 𝑎1 𝑠𝑖𝑛 𝜋𝑥 𝑙 + 𝑎3 𝑠𝑖𝑛 3𝜋𝑥 𝑙 ;𝑋 = �̄�1 𝑠𝑖𝑛 𝜋𝑥1 𝑙1 (2-68) Sau khi thay vào (2-68) với các điều kiện: 𝜕𝐿 𝜕𝑎1 = 0; 𝜕𝐿 𝜕𝑎3 = 0; 𝜕𝐿 𝜕�̄�1 = 0 (2-69) Sẽ nhận được hệ ba phương trình thuần nhất sau đây: 𝐴1𝑎1 − 𝑠1 𝑠2 (𝑎1 + 𝑎3 3 + 2𝛽𝛽1�̄�1) = 0 𝐴2𝑎3 − 𝑠1 3𝑠2 (𝑎1 + 𝑎3 3 + 2𝛽𝛽1�̄�1) = 0 (2-70) 𝐴3�̄�1 − 𝑠1 𝑠2 𝛽2𝛽1 (𝑎1 + 𝑎3 3 + 2𝛽𝛽1�̄�1) = 0 Với 𝐴1 = 𝑠𝜔 2 − (𝐻𝑔 − 𝑃) 𝐴2 = 𝑠𝜔 2 − 9(𝐻𝑔 + 9𝑃) 𝐴3 = 𝛽 2𝛽1𝑠𝜔 2 − 𝛽2 𝛽2 𝑃 − 𝐻𝑔 (2-71) 𝑃 = 𝜋2𝐸𝐽𝑧 𝑙2 ; 𝑠1 = 32𝑓 𝜋3 ;𝑠2 = 𝜋𝑙 16𝑓 �̄� 𝐸𝑐𝐹𝑐 ; 𝛽 = 𝑙1 𝑙 ;𝛽1 = 𝑞1 𝑞 ; 𝛽2 = 𝐽1 𝐽𝑧 ;𝑠 = 𝑞𝑙2 𝑔𝜋2 45 Từ điều kiện định thức của hệ phương trình trên bằng không sẽ nhận được phương trình tần số: 9𝐴2𝐴9 (1 − 𝑠2 𝑠1 𝐴1) + (𝐴3 + 18𝛽 2𝛽1 2𝐴2)𝐴1 = 0 (2-72) e) Dầm một nhịp Đối với trường hợp này có thể sử dụng phương trình (2-70) bằng cách bỏ đi các số hạng có chứa 𝑎�̅�và bỏ đi phương trình thứ ba. Từ đó được phương trình tần số: 𝐴1𝑠1 + 9𝐴2(𝑠1 − 𝐴1�̄�2) = 0 (2-73) Với �̄�2 = 𝜋𝑙 16𝑓 𝐿 𝐸𝑐𝐹𝑐 Từ phương trình (2-73) nếu độ cứng uốn của dầm bé với giả thiết dây không dãn  cc FE , khi đó ta sẽ nhận được công thức gần đúng tính tần số riêng: 𝜔2 = (8.2𝐻𝑔 + 73𝑃) 𝑙 𝑠 (2-74) f) Dầm ba nhịp liên tục Cầu treo dây võng với ba nhịp liên tục, xem Hình 2-4c. Từ kết quả tính toán và thực nghiệm cho thấy rằng đối với các dao động đối xứng thì dao động của hệ ba nhịp liên tục và hệ với ba dầm tự do sẽ có dạng gần giống nhau. Đối với các dao động phản xứng là có thể giả thiết: 𝑋 = ∑ 𝑠𝑛𝛷𝑛 ∞ 𝑛=1 (2-75) Với 𝛷𝑛 = 1 𝑁𝑛 [ 𝑠𝑖𝑛 𝛾𝑛( 1 2 − 𝑥 𝑙 ) 𝑠𝑖𝑛 𝛾𝑛 2 − (1 − 2𝑥 𝑙 )] đối với nhịp giữa Và 𝛷𝑛 = 1 𝑁𝑛 [ 𝑠𝑖𝑛 𝛽𝛾𝑛 𝑥 𝑙 𝑠𝑖𝑛 𝛽𝛾𝑛 − 𝑥 𝑙1 ] đối với nhịp bên (2-76) Với các tham số n được xác định từ quan hệ: 46 𝛾𝑛 𝑡𝑔𝛽𝛾𝑛 − 𝛾𝑛 𝑡𝑔 𝛾𝑛 2 − 1 𝛽 − 2 = 0 (2-77) Và các hệ số NN được chọn sao cho thỏa mãn: ∫(𝛷𝑛 ′ ) 𝑙 2 𝑑𝑥 = 1 𝑙 với 𝑙 = 𝑙 + 2𝑙1 (2-78) Nghĩa là ta phải có : 𝑁𝑛 2 = 𝛽𝛾𝑛 2 𝑠𝑖𝑛2 𝛽 𝛾𝑛 + 𝛾𝑛 2 2 𝑠𝑖𝑛2 𝛾𝑛 2 − 1 𝛽 − 2 (2-79) Với giả thiết zJJ 1 ; qq 1 , mặt khác vì trong dao động phản xứng thì 0dH cho nên từ (2-67) có: 𝐿 = 1 2 { �̄� 𝑔 𝜔2 ∫𝑋2𝑑𝑥 𝑙 − 𝐸𝐽𝑧 ∫(𝑋 ′′)2𝑑𝑥 𝑙 + 𝐻𝑔 ∫𝑋 ′′𝑋𝑑𝑥 𝑙 } (2-80) Nếu chọn: 𝑋 = 𝑎1𝛷1 + 𝑎2𝛷2 Thì từ (2-79) tính 𝑁1, 𝑁2 rồi thay vào (2-75)(2-76) vào cuối cùng với các điều kiện: 𝜕𝐿 𝜕𝑎1 = 0; 𝜕𝐿 𝜕𝑎2 = 0. Ta nhận được hệ hai phương trình thuần nhất và từ điều kiện định thức bằng không sẽ có: 𝐴4𝐴5 − 𝐴6 2 = 0 (2-81) Trong đó kí hiệu: 𝐴4 = 𝑞 𝑔 𝜔2𝑙𝐶1 − 𝑃1−𝐻𝑔 𝑙 ;𝐴5 = 𝑞 𝑔 𝜔2𝑙𝐶2 − 𝑃2+𝐻𝑔 𝑙 ;𝐴6 = 𝑞 𝑔 𝜔2𝑙𝐶12;𝐶1 = 1 𝛾1 2 + 1+2𝛽 3𝑁1 2 ; 𝐶2 = 1 𝛾2 2 + 1+2𝛽 3𝑁2 2 ; 𝐶12 = 1+2𝛽 3𝑁1𝑁2 ; 𝑃1 = 𝛾1 2𝐸𝐽𝑧 𝑙2 ;𝑃2 = 𝛾2 2𝐸𝐽𝑧 𝑙2 . Nếu chỉ chọn 𝑋 = 𝑎1𝛷 thì ta sẽ nhận được công thức gần đúng (sai số khoảng 3%) biểu diễn tần số cơ bản dao động phản xứng của hệ: 𝜔 = 1 𝑙 √ 𝑔 𝑞𝐶1 ( 𝛾1 2𝐸𝐽𝑧 𝑙2 + 𝐻𝑔) (2-82) Bảng 2-1 cho ta giá trị của hệ số 𝐶1 và 𝛾1 theo 𝛽. Bảng 2-1: Giá t hệ số 𝐶1 và 𝛾1 theo 𝛽 47 𝛽 = 𝑙1 𝑙 𝛾1 2 𝐶1 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 80.8 75.7 71.3 67.2 63.3 59.5 55.6 51.7 47.6 43.4 39.5 0.0206 0.0218 0.0226 0.0231 0.0232 0.0231 0.0227 0.0224 0.0225 0.0235 0.0253 2.2.2. Yêu cầu giảm dao động trên cầu treo dây võng dân sinh Hiện nay, có nhiều phương pháp để giảm dao động trên cầu treo dân sinh, tuy nhiên đa số các phương pháp đều có thể tóm gọn về ba giải pháp chính: - Giải pháp thứ nhất đó là tăng cường cho kết cấu cầu treo bằng cách sử dụng các phương pháp truyền thống (phương pháp tăng cường không dựa trên phân tích dao động kết cấu) để tăng năng lực của cầu nhằm chống lại các kích thích gây ra dao động. - Giải pháp thứ hai là sử dụng các thiết bị điều khiển nhằm mục đích tiêu tán năng lượng. Trong những thập kỷ gần đây, nhiều hệ thống điều khiển, chẳng hạn như bộ giảm chấn chủ động, bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh, bộ giảm chấn nhớt, và bộ giảm chấn cột chất lỏng được điều chỉnh, đã được nghiên cứu để kiểm soát dao động cầu treo - Giải pháp thứ ba dựa trên lý thuyết khí động học từ đó đề ra các giải pháp tăng cường ổn định khí động học. Cả ba cách tiếp cận cũng có thể được sử dụng đồng thời để đạt được mục tiêu tối ưu. Các giải pháp giảm dao động luôn luôn có một số thách thức như chi phí và bảo trì, sự phụ vào bên ngoài, v.v 48 Kiểm soát dao động đã có những phát triển rất rộng trong những năm qua, đặc biệt sau sự cố sập cầu Tacoma, các dạng kiểm soát và hạn chế dao động cơ bản là kiểm soát chủ động, bị động và bán chủ động. Bố trí thiết bị giảm chấn là một giải pháp kinh tế cho bài toán ổn định dao động của công trình cầu dưới các tác dụng động lực học. Có rất nhiều hệ thống giảm chấn khác nhau đã ra đời nhưng đều tuân theo nguyên lý dao động cơ bản. Ứng dụng phổ biến nhất để giảm dao động cho cầu treo dây võng vẫn là bố trí thiết bị giảm chấn cho kết cấu nhịp. Thiết bị giảm chấn được sử dụng để giảm các tác động do gió bão, hoạt tải và tải trọng động đất. Với các công trình nằm tại vị trí ít chịu ảnh hưởng của động đất và gió bão thì chỉ cần nghiên cứu xem xét đến các tác động của hoạt tải. Tuy nhiên, tùy vào vị trí cầu, điều kiện kinh tế-xã hội hay năng lực thi công mà việc áp dụng các biện pháp giảm chấn là khác nhau. Điều này đặt ra thách thức lớn cho các đơn vị quản lý, khai thác và duy tu bảo dưỡng các công trình cầu treo dân sinh này. Những chiếc cầu treo không chỉ có sứ mệnh nối liền những thôn bản bị chia cắt bởi dòng nước mà còn góp phần tạo điều kiện thuận lợi thúc đẩy nhân dân tích cực phát triển kinh tế, xóa đói, giảm nghèo. Giờ đây, không khó để nhận ra hai bên cầu mới đã và đang có nhiều ngôi nhà được xây mới, cầu rộng, đẹp, giao thông thuận tiện nhiều hộ làm ăn khấm khá lên, có nhà mua được xe máy, xây được nhà tầng. Tại Việt Nam, trong những năm gần đây có rất nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng bộ giảm dao động cho kết cấu công trình đã được công bố nhưng chủ yếu cho kết cấu cơ khí, máy, nhà cao tầng, tàu biển, nhà dàn...do Viện Cơ học Việt Nam và một số trường đại học triển khai nghiên cứu. Trong đó tiêu biểu là đề tài cấp nhà nước mã số KC05.30 năm 2005 (GS. TSKH Nguyễn Đông Anh – chủ nhiệm đề tài) về "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị tiêu tán năng lượng chống dao động có hại phục vụ các công trình kỹ thuật" và sách chuyên khảo “Giảm dao động bằng thiết bị tiêu tán năng lượng” áp dụng cho cầu treo dây văng [44], [45]. Trong đó đã giới thiệu những kiến thức, nguyên tắc, của một số phương pháp giảm dao động, một số mô hình toán học của quá trình tiêu tán năng lượng, cơ sở lý thuyết và ứng dụng của một số loại thiết bị tiêu tán năng lượng trong đó tương đối phổ biến là TMD. Ngoài ra còn có một số báo cáo khoa học được thực hiện bởi GS.TS. Nguyễn Viết Trung về cơ sở thiết kế chống gió cho cầu dây văng nhịp lớn [46]. GS.TS. Nguyễn Viết Trung và PGS. TS. Hoàng Hà [43] về 49 phương pháp mô hình hoá và phân tích kết cấu của cầu dây văng dưới tác động của hoạt tải. Phạm Duy Hoà [47] đề xuất một số sơ đồ có thể tăng cường độ cứng của cầu treo bao gồm cầu treo dầm cứng có ba dây chủ và cầu treo dầm cứng có lớp dây dưới tăng cường. Những sơ đồ cầu treo đề xuất này có độ cứng khá tốt so với hệ cầu treo thông thường. Nghiên cứu cũng đã đề xuất các thông số hình học đối với cầu treo trung gian có chiều dài khoảng 200 mét. Đối với dạng cầu treo liên kết cứng với dây chủ, độ lệch tại giữa nhịp nên nằm trong khoảng từ 1/6 đến 1/8 chiều dài nhịp, trong khi đối với các dây dưới có tăng cường, độ lệch nên nằm trong khoảng từ 1/12 đến 1/15 chiều dài nhịp. Tỷ số độ cứng giữa dây dưới và dây chủ nên nằm khoảng 20-25%.... Kết quả của nghiên cứu cho thấy những sơ đồ kết cấu cầu treo đề xuất này có độ lệch và mô-men uốn giảm đáng kể dưới tác dụng của tải trọng so với các sơ đồ cầu treo thông thường. Một số năm gần đây bão nhiệt đới tại các vùng sâu vùng xa đã vượt khá xa so với vận tốc gió thiết kế. Trong điều kiện khai thác bình thường khi có xe máy và người đi bộ đi qua cầu có hiện tượng dao động với biên độ dao động khá lớn không những ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu lớp phủ mặt cầu và còn ảnh hưởng tới tâm lý của người đi trên cầu. Vì vậy, việc bổ sung nghiên cứu giảm dao động do hoạt tải, cụ thể là người đi bộ cho kết cấu cầu treo dây võng dân sinh là hết sức cần thiết để đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu quả khai thác cho công trình cầu treo dân sinh khác. 2.3. Giới thiệu một số biện pháp tăng cường kết cấu 2.3.1. Tổng quan một số biện pháp Mọi dao động quá mức của kết cấu do bất kỳ tác nhân nào gây ra đều nguy hiểm. Đối với cầu treo dây võng, kích thích tham số rất dễ xảy ra do sự có mặt của nhiều tần số thấp trong kết cấu dầm, tháp cầu và trong các dây cáp. Khi những điều kiện cộng hưởng xảy ra thì thậm chí một chuyển dịch được coi là nhỏ của kết cấu dầm và/hoặc các tháp cầu cũng có thể gây ra sự mất ổn định động và gây ra tình trạng dao động rất mạnh cho các bộ phận kết cấu. Cách hiệu quả nhất để giảm dao động không mong muốn là ngăn chặn hoặc thay đổi nguồn gây ra dao động. Tuy nhiên, biện pháp này thường khó thực hiện được. Cũng có thể tác động tới bản thân kết cấu để làm triệt tiêu các dao động quá mức của kết cấu: 50 - Tăng độ cứng của kết cấu, - Thay đổi khối lượng của kết cấu, - Thay đổi hình dáng kết cấu phù hợp hơn về khí động học. Bảng 2-2: Một số biện pháp giảm dao động Đối tượng Mục tiêu điều chỉnh Biện pháp Với kết cấu Tăng giảm rung TMD, TLD, AMD Tăng độ cứng Tăng diện tích mặt cắt của dầm cứng Tăng khối lượng Với tác động gió Diện tích mặt cắt Dầm hộp dạng khí động học Kết cấu bên trên Mặt mở Các công trình cầu dây có chiều dài vượt nhịp lớn rất nhạy cảm với tác động của tải trọng có tính chu kì. Dưới tác dụng của tải trọng như gió, mưa, gió mưa kết hợp, động đất, tải trọng cơ học làm giảm khả năng ổn định của cầu, gây ra hiện tượng mỏi, và các phá hoại cục bộ trong từng kết cấu chịu lực, dẫn đến làm giảm tuổi thọ của công trình. Trong điều khiển dao động cho kết cấu xây dựng công trình, có hai xu hướng thường được áp dụng; hướng thứ nhất là điều khiển ứng xử kết cấu thông qua việc cải tiến đặc tính hình học của chính các bộ phận kết cấu như sử dụng cấu kiện có đủ cường độ, tăng độ cứng của cấu kiện, tăng tính đàn hồi, và do vậy mà tăng khả năng chịu tác động nhạy cảm như gió và động đất. Hướng này được thực hiện cụ thể bằng việc tổ hợp các thành phần kết cấu như thêm các tường chịu cắt, thêm các tấm giằng chống, tấm kháng mô men, dầm ngang, giàn ngang để tăng cường chịu tải trọng ngang cho hệ thống kết cấu. Việc chọn vật liệu cho các cấu kiện cũng đóng vai trò khá quan trọng. Các vật liệu cần được bố trí vào vị trí làm việc hợp lý hơn của kết cấu nhờ đó mà hình dạng của các bộ phận kết cấu có thể thay đổi theo chiều hướng gọn nhẹ và thanh mảnh hơn. Do cách tiếp cận này có liên quan đến khả năng vốn có của kết cấu để phân tán các năng lượng sinh ra do các tác động động như động đất, gió nên ở mức độ nào đó việc xảy ra biến dạng và phá hủy có thể sẽ được chấp nhận. Nghiên cứu về giảm dao động cho kết cấu dưới tác động của gió và động đất đặc biệt cho kết cấu cầu dây nhận được sự quan tâm khá nhiều của các nhà nghiên cứu với 51 một số giải pháp được biết đến như GS.TSKH. Nguyễn Văn Khang [48], cải tiến trong thiết kế về cấu tạo cho các bộ phận kết cấu, chọn các thông số kỹ thuật cho phù mà điển hình là GS. Yozo Fujino – ĐH Tokyo Nhật Bản, GS. Matsasugu Nagai – ĐH Nagaoka Nhật Bản, GS Yamada – Trường Đại học Yokohama – Nhật Bản, TS. Toshihiro Wakahara – Viện công nghệ Shimizu – Nhật Bản. Hướng thứ hai trong điều khiển ứng xử của kết cấu bao gồm việc sử dụng các thiết bị gắn thêm vào các bộ phận kết cấu nhằm giảm ứng xử của kết cấu như giảm dao động hay giảm gia tốc, vận tốc, và chuyển vị, các thiết bị này gọi chung là thiết bị giảm chấn. Có thể phân loại các thiết bị này theo năng lượng tiêu tán gồm: thiết bị điều khiển dao động kiểu chủ động (active damper), kiểu bị đông (passive damper), và kiểu bán chủ động (semi active damper). Nhiều nghiên cứu về các loại thiết bị điều khiển này đã được quan tâm bởi các nhà khoa học Housner (1997), Spencer Jr. và Sain (1997)[49] và Spencer Jr. và Nagarajaiah (2003) [50]. 2.3.2. Sử dụng các thiết bị giảm chấn Hệ thống thiết bị điều khiển dao động cho kết cấu (gọi tắt là thiết bị giảm chấn) chủ yếu làm việc trên nguyên tắc tạo ra dao động nhằm giảm dao động cho kết cấu mà chính cách thức tạo ra dao động khác nhau của các giảm chấn hình thành nên sự phân loại như trên. Hiệu quả của việc áp dụng hệ thống giảm chấn cho các bộ phận kết cấu đã được chứng minh qua nhiều kết quả nghiên cứu đã công bố [45], [51], [52]. Có thể tóm tắt tính năng và nguyên lý hoạt động chung các loại giảm chấn như sau: 2.3.2.1. Thiết bị giảm chấn kiểu chủ động (active damper) Hoạt động nhờ được cung cấp một năng lượng đáng kể từ bên ngoài để vận hành thiết bị, truyền lực điều khiển cho kết cấu. Thiết bị này sử dụng ứng xử kết cấu đo được để xác định lực điều khiển mong muốn. Tuy nhiên, điều không mong đợi có thể xảy ra là do truyền năng lượng cho kết cấu nên có thể gây nên sự mất ổn định cho bản thân kết cấu. Thiết bị này có hiệu quả hơn các thiết bị bị động bởi khả năng thích ứng với các điều kiện tải trọng khác nhau và có thể điều khiển theo các hình thái dao động khác nhau. Tuy nhiên thì thiết bị này không thể hoạt động khi mất năng lượng cung cấp (như điện) đặc biệt trong các cơn địa chấn thì thiết bị giảm chấn kiểu bị động sẽ là hiệu quả hơn và giá thành duy tu bảo dưỡng của loại thiết bị này cũng khá tốn kém. Thiết bị này 52 bao gồm: giảm chấn chủ động dùng khối lượng (Active mass damper, viết tắt là AMD), và thiết bị điều khiển dạng Hybrid (Hybrid Control Devices). 2.3.2.2. Thiết bị giảm chấn kiểu bán chủ động (semi active damper) Thiết bị không truyền năng lượng vào hệ thống được điều khiển mà có tính chất cơ học để có thể điều khiển để cải thiện hiệu suất hay thay đổi tính chất cơ học của hệ thống trên cơ sở sự phản hồi thông tin (feedback) từ dữ liệu đo. Khi năng lượng bên ngoài được sử dụng để thay đổi đặc tính của thiết bị chẳng hạn như tính cản và độ cứng của thiết bị mà không tạo ra lực điều khiển, năng lượng yêu cầu thấp. Thiết bị này có hiệu suất tốt hơn so với thiết bị điều khiển dạng bị động, tính linh hoạt và khả năng thích ứng của thiết bị hoạt động mà không có các yêu cầu điện lớn, mang tính ổn định có kế thừa, và độ tin cậy, vì chúng hoạt động như các thiết bị bị động trong trường hợp mất điện. 2.3.2.3. Giảm chấn kiểu bị động (passive damper) Làm phân tán năng lượng, giảm dao đông cho kết cấu nhờ chính chuyển động của kết cấu tạo ra chuyển động tương đối trong thiết bị điều khiển hoặc biến đổi động năng thành nhiệt nhằm tạo ra hiệu quả giảm dao động. Giảm chấn bị động đặc biệt có ưu điểm là không dùng năng lượng từ bên ngoài cung cấp như điện nên hiệu quả thấy rõ khi mất điện đặc biệt rất hay xảy ra khi gặp thiên tai như động đất, bão lũ v.v Các thiết bị bị động được biết đến bao gồm: cách chấn (Base Isolation), giảm chấn dùng khối lượng (tuned mas damper - TMD), giảm chấn dùng chất lỏng (tuned liquid damper, viết tắt là TLD), giảm chấn dùng kim loại, giảm chấn nhớt và giảm chấn ma sát. Các biện pháp giảm dao động cho kết cấu được tổng hợp trong Bảng 2-3 dưới đây: Bảng 2-3: Các biện pháp giảm dao động cho kết cấu Phương thức Kiểu loại Các phương pháp Ghi chú Thiết kế khí động học Bị động Tăng cường các đặc trưng khí động học để giảm hệ số lực gió Làm vát góc và các lỗ hổng Thiết kế kết cấu Bị động Tăng khối lượng của tòa nhà để giảm tỷ số khối lượng khí trên tòa nhà Tăng chi phí nguyên liệu 53 Phương thức Kiểu loại Các phương pháp Ghi chú Tăng độ cứng hoặc tần số tự nhiên để giảm tốc độ gió không chiều hướng Các tường giằng chống, các thành phần dầy Thiết bị giảm chấn phụ trợ Bị động Thêm các vật liệu với các đặc trưng phân tán năng lượng, tăng tỷ số cản cho các tòa nhà. SD, SJD, LD, FD, VED, VD, OD Thêm hệ thống khối lượng phụ trợ để tăng mức độ cản trở TMD, TLD Chủ động Tạo ra lực điều khiển khi sử dụng các hiệu ứng quán tính để giảm thiểu cá ứng xử. AMD, AGS Tạo ra lực điều khiển khí động học để giảm hệ số lực cánh (biên) hoặc giảm thiểu ứng xử Rotor máy bay phản lực, phần khí động học phụ thêm Thay đổi độ cứng để tránh cộng hưởng AVS Hybrid ứng dụng một tổ hợp của cả hai hệ thống điều khiển bị động và chủ động để giảm bớt một số hạn chế và giới hạn tồn tại khi mỗi hệ thống bị kích một hoạt một mình Hybrid Base Isolation, Hybrid Mass Damper Bán chủ động Không thể điều chỉnh năng lượng cơ học vào trong hệ thống kết cấu được điều khiển (chẳng hạn bao gồm kết cấu và thiết bị điều khiển), nhưng có các đặc trưng có thể được điều khiển theo thời gian để giảm ứng xử của hệ một cách tối ưu VOD, VFD, TLCD, Ghi chú: SD: giảm chấn thép, SJD:giảm chấn nối thép, LD: Giảm chấn dẫn hướng (Lead dampers), FD: Giảm chấn ma sát, VED: giảm chấn đàn hồi – nhớt, VD: Giảm chấn nhớt, OD: giảm chấn dầu, TMD:giảm chấn điều chỉnh dùng khối lượng, TLD: giảm 54 chấn dùng chất lỏng, AMD:giảm chấn điều chỉnh khối lượng chủ động, AGS:Active Gyro Stabilizer, AVS: Tác động thay đổi độ cứng (Active Variable Stiffness), VOD: Variable Orifice Damper, VFD:giảm chấn ma sát thay đổi. Hình 2-5: Mô tả các mô hình tính toán sự làm việc chung của kết cấu và các loại giảm chấn khác nhau (giảm chấn kiểu bị động, kiểu bán chủ động, kiểu chủ động) Tùy theo yêu cầu giảm dao động cho các bộ phận kết cấu dưới các tác động động học khác nhau mà linh hoạt áp dụng các loại thiết bị điều khiển dao động kể trên cho phù hợp. a) Nguyên lí làm việc của thiết bị giảm chấn Có hai loại hệ thống thiết bị giảm chấn là hệ thống chủ động và hệ thống bị động. Ngoài ra, còn có hệ thống trung gian là hệ thống giảm chấn bán chủ động. Các hệ thống này còn được chia nhỏ dựa trên nguyên lý làm hao tán năng lượng của chúng cũng như các yêu cầu của hệ. (1) (2) (3) Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý các hệ thống giảm chấn (Con: bộ điều khiển, a: Cơ cấu chấp hành, Ex: Bộ kích động, S: Cảm biến) 55 b) Phương thức làm việc của các thiết bị giảm chấn Về cơ bản, có thể coi các kích động tác động vào cơ hệ như là sự truyền một năng lượng vào cơ hệ. Sự truyền một phần năng lượng từ hệ chính vào hệ phụ được coi như sự hấp thụ hoặc tiêu tán năng lượng dao động. Dưới đây, tác giả xin giới thiệu một số bộ thiết bị giảm chấn tiêu biểu, thường được áp dụng cho các công trình cầu khẩu độ nhịp vừa và nhỏ. Nhiều kiểu thiết bị giảm chấn có thể được áp dụng trên kết cấu nhịp nhằm giảm bớt biên độ dao động. Ví dụ đặt bộ giảm chấn trên đỉnh tháp để giảm bớt các biên độ dao động quá lớn ở đỉnh thápBộ giảm chấn được chế tạo theo nhiều nguyên tắc, ví dụ, theo nguyên tắc điều chỉnh khối lượng TMD (Tunned Mass Damper) hoặc theo nguyên lý thủy lực TLD (Tunned Liquid Damper) đã được sử dụng khá rộng rãi trong những năm gần đây. Bộ giảm chấn kiểu khối lượng chủ động AMD (Active Mass Damper) có thể hạn chế biên độ dao động trên dải tần số rộng, đã áp dụng trong nhiều cầu treo hiện đại. Ứng dụng phổ biến nhất để giảm dao động cho cầu treo dây võng vẫn là bố trí thiết bị giảm chấn cho kết cấu nhịp. Thiết bị giảm chấn được sử dụng để giảm các tác động do gió bão, hoạt tải và tải trọng động đất. Với các công trình nằm tại vị trí ít chịu ảnh hưởng của động đất và gió bão thì chỉ cần nghiên cứu xem xét đến các tác động của hoạt tải. Các phân tích dưới đây tập trung phân tích ảnh hưởng của tải trọng người đi bộ lên kết cấu cầu treo dây võng và phân tích lựa chọn thiết kế bộ giảm chấn động lực dạng khối lượng - lò xo (viết tắt là bộ giảm chấn TMD) để giảm dao động cho cầu treo dân sinh tại Việt Nam [51]. Với bộ giảm chấn TMD có khối lượng xấp xỉ 1% khối lượng của kết cấu nhịp có thể tránh được hiện tượng cộng hưởng, có thể giảm biên độ dao động đáng kể từ 0,5m (biên độ gần với biên độ xảy ra cộng hưởng) xuống còn gần 11mm sẽ tăng được năng lực khai thác, tuổi thọ khai thác cầu tránh hiện tượng hư hỏng do mỏi, tạo tâm lý thoải mái cho người đi bộ khi qua cầu. Kết quả tính toán cho thấy, sử dụng 3 bộ giảm chấn giảm biên độ dao động tốt hơn một bộ giảm chấn. Với kết quả phân tích, có thể sử dụng để lựa chọn thiết kế bộ giảm chấn động lực dạng khối lượng - lò xo cho cầu treo dây võng cho người đi bộ. Do các công trình cầu khác nhau có khối lượng và kích thước không hoàn toàn như nhau, nên việc chọn các tham số của bộ giảm chấn phải phù hợp với từng cầu. 56 Bên cạnh đó, bộ giảm chấn roto kép (TRD – Twin Rotor Damper) cũng là một giải pháp có hiệu quả trong việc giảm dao động cầu treo [52]. Cấu tạo là một bộ giảm chấn khối lượng chủ động, bao gồm hai khối lượng điều khiển quay tròn 𝑚𝑐 ∕ 2 (Hình 2-7) Hình 2-7: Bộ giảm chấn roto kép Hình 2-8: TRD được lắp đặt trên kết cấu có 1 bậc tự do Cả hai khối lượng có cùng giá trị 𝑚𝑐 ∕ 2 và chuyển động xoay tròn quanh hai trục song song với cùng bán kính 𝑟𝑐. Cơ chế hoạt động của TRD thường được sử dụng là cùng vận tốc góc nhưng ngược chiều nhau. Các dấu chấm thể hiện các khoảng chia của thời gian (Hình 2-8), vị trí (chuyển động tròn) 𝜑(𝑡) là như nhau ở tất cả các điểm trong vạch chia thời gian. Một lực điều khiển biến thiên điều hòa theo phương thẳng đứng được tạo ra và nó có thể được sử dụng cho việc làm tắt dao động. Biên độ của lực điều khiển bằng khối lượng điều khiển 𝑚𝑐 2⁄ nhân với bình phương của tích bán kính điều khiển 𝑟𝑐 nhân với tần số góc điều khiển �̇�(𝑡). Do đó, có phương trình như sau: 𝑓𝑐(𝑡) = 𝑚𝑐𝑟𝑐�̇�(𝑡) 2 cos 𝜑 (𝑡) (2-83) Trong cơ chế hoạt động được mô tả và do bộ điều khiển thông tin phản hồi được áp dụng, tần số góc điều khiển sẽ gần bằng tần số dao động riêng của kết cấu. Kết quả của tích số giữa bán kính điều khiển và khối lượng điều khiển là rung động điều khiển 𝑚𝑐𝑟𝑐. Rung động điều khiển này được chọn để đạt được biên độ mong muốn của lực điều khiển và do đó đạt được hiệu quả giảm chấn mong muốn. Việc lắp đặt TRD trên kết cấu có một bậc tự do, chuyển động của khối lượng 𝑚 + 𝑚𝑐 được xác định bởi hàm 57 chuyển vị 𝑞(𝑡). Phương trình chuyển động được xác định theo như phương trình (2-84) như sau: (𝑚 + 𝑚𝑐)�̈