ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU KHUNG
NHIỀU TẦNG CÓ THIẾT BỊ GIẢM CHẤN HDR

Ths. TRẦN TUẤN LONG
Trường cao đẳng xây dựng công trình đô thị

1. Đặt vấn đề

Dao động của công trình cao có ảnh hưởng rất lớn và mang tính quyết định đến việc tính toán,
thiết kế và sử dụng kết cấu. Khi thiết kế các công trình cao tầng, chúng ta phải kiểm soát được các
đặc trưng dao dộng trong phạm vi cho phép để thỏa mãn điều kiện kỹ thuật và sử dụng của công
trình.
Khi công trình dao động thì biến dạng, chuyển vị và nội lực của công trình sẽ thay đổi theo thời
gian. Tuỳ thuộc theo chiều cao, các đặc tính về hình học, kết cấu, mà công trình sẽ chịu các tác
động khác nhau của tải trọng động. Một trong những tải trọng có mức độ ảnh hưởng lớn đến công trình
là tải trọng động đất.
Chế ngự dao động công trình là một hướng nghiên cứu đang phát triển và được áp dụng ở Châu
Á, Châu Âu, Mỹ – nơi mà những phương pháp luận đã được đánh giá, được tối ưu và ứng dụng
thành công trong thực tế. Ở Việt Nam, Bộ Xây dựng đã ban hành tiêu chuẩn nhà nước 375 – 2006 về
thiết kế công trình chịu động đất. Trong đó tại chương X, có đề cập nguyên tắc sử dụng giải pháp
cách chấn đáy nhằm hạn chế ảnh hưởng bất lợi do dao động.
Hệ thống giải biện pháp chế ngự dao động được chia thành sáu nhóm thiết bị [3] gồm: (thiết bị
cản ứng dụng thềm chảy của kim loại - Metallic Yield Dampers, thiết bị cản ma sát - Friction Damper,
thiết bị cản đàn nhớt - Visco - Elastic Dampers, thiết bị cản lỏng nhớt - Visco - Fluid Damper, cách
chấn đáy -

Base Isolation System, thiết bị điều chỉnh dao động bằng khối chất lỏng - Tuned Liquid
Damper).
Dao động riêng của công trình, với hai đặc trưng (chu kỳ hoặc tần số và dạng dao động) là những
đặc trưng động học quan trọng của kết cấu công trình. Một công trình có n bậc tự do thì có n tần số
dao động riêng tương ứng với mỗi tần số dao động riêng ta có một dạng chính, do vậy hệ có n dạng

chấn. HDR được giả thiết là đàn hồi tuyến tính và đẳng hướng trong thiết kế sơ bộ [5].
Hình 1
. Cách chấn đáy dạng HDR

Hình 2.
Bố trí thiết bị cách chấn đáy trong công trình
Một hệ thống cách chấn đáy thực tế cần phải có ba yêu cầu sau:
- Đảm bảo tính linh hoạt theo phương ngang để tăng chu kỳ kết cấu và phổ yêu cầu, trừ những
vùng đất rất yếu;
- Khả năng phân tán năng lượng để giới hạn chuyển vị ngang thông qua cách chấn đáy;
- Có độ cứng thích hợp để kết cấu có cách chấn đáy không khác về hình thức so với kết cấu thông
thường dưới tác dụng của tải trọng thông thường.
Một thiết kế đầy đủ cho cách chấn đáy cần phải đảm bảo cách chấn đáy có thể chịu được tải
trọng thông thường cực đại của kết cấu suốt đời sống của nó, và cách chấn đáy có thể đáp ứng hai
chức năng thay đổi chu kỳ và phân tán năng lượng cña c«ng tr×nh trong suèt thêi gian ®éng ®Êt.
2.2. Sơ đồ tính
Để giảm lực động đất lên hệ chịu lực ngang, có thể sử dụng các giải pháp: tăng chu kỳ cơ bản
của kết cấu bằng cách điều chỉnh dạng dao động cơ bản, tăng độ cản, hoặc tổ hợp các cách trên.
Hệ cách chấn đáy gồm các phần tử đàn hồi và các phần tử cản tuyến tính hoặc phi tuyến. Hình 3.
Sơ đồ tính kết cấu khung có thiết bị giảm chấn HDR


1
>> K
2

X

HDR

Y

Z

Cột
K
1

C
1

C
2

C
2

Trong đó:











s
b
K
k
K
0
0

T
r 01
; và


T
b
vvq 
, 1
T
M
s
1 = M

t
t
d
)(sin)(
1
)(
)(
0




(2)
Trong đó: tần số dao động riêng , tần số giảm chấn , và hệ số giảm chấn được cho
bởi:
M
K


,
2
1


d
,


M
C

thiết bị giảm chấn HDR. Việc khảo sát số được thực hiện đối với hàm chu kỳ với đầy đủ các tham số:
T = f (E
b
, b
c
, h
c
, b
b
, h
b
,

s
,

eff
,

max
, K
eff
, K
v
,

, IRHD, h, d,) (5)
Trong đó các tham số lần lượt là: mô đun đàn hồi của bê tông cốt thép, kích thước cột, kích thước
dầm, chiều dày sàn, tỉ số cản hiệu quả, biến dạng cắt cực đại của những tấm laminat cao su, độ
cứng hiệu quả theo phương ngang, đứng của HDR, chuyển vị cho phép của HDR, các đặc trưng của

thước và độ cứng của đệm giảm chấn là K
eff
, K
v
,

, h. Giải bài toán dao động tự do theo phần mềm
Sap 2000 với mô hình hóa hệ khung và gán phần tử HDR.
4. Ví dụ minh hoạ
Công trình cao 12 tầng bê tông cốt thép, xây dựng trên nền đá loại B và cách xa những nơi có đứt
gãy hoạt động. Hệ số R
I
= 2, Mặt bằng cho bởi hình 4, chiều cao tầng là 3,3m. Kích thước các cột,
dầm, tường và sàn cho như sau: Cột trong C
1
: 1,0 x 0,8m, cột biên C
2
: 1,0 x 0,6m, dầm chính: 0,3 x
0,6m, dầm phụ: 0,3 x 0,45m, chiều dày tường tương đương: 0,165m, chiều dày sàn: 0,15m. Toà nhà
có mặt bằng điển hình có bước cột theo phương x là 5,4m. Theo phương y có hai kích thước bước
cột 6,5m và 3m. Tổng trọng lượng toàn phần của toà nhà là W
T
= 141560 kN, chuyển vị ngang tương
đối cho phép của nhà với móng là 30cm. 5 4 0 0 5 4 0 0 5 4 0 0 5 4 0 0 5 4 0 0
6500 3000 6500
3 0 x 4 5 c m
30 x 60 cm

=
1,6362s ; T
Dpy
= 1,4473s.
Thay đổi các giá trị của các tham số sẽ làm thay đổi chu kỳ dao động riêng của công trình. 1.4473
1.4439
1.4409
1.4395
1.4368
1.4333
1.6323
1.6309
1.6333
1.6338
1.6349

1.6282
1.6322
1.6362
1.41
1.415
1.42
1.425
1.43
1.435
1.44
1.445
1.45
1 2 3 4 5 6
1.605
1.61
1.615
1.62
1.625
1.63
1.635
1.64
TY
TXHình 7.
Ảnh hưởng đồng thời của 4 tham số HDR với chu kỳ dao động
Hình 5.

Ảnh h

kết cấu có thể xem mức độ ảnh hưởng là không nhiều đến nội lực và biến dạng kết cấu, và có
những tham số như chiều cao của HDR, hay tham số

đã được tính toán khá chính xác trong khâu
thiết kế và thiết bị HDR cũng có công nghệ chế tạo và vật liệu tiên tiến nên khá an toàn và đáng tin
cậy.
Việc thiết kế công trình có cách chấn đáy sẽ làm tăng chu kỳ dao động của công trình và tăng
chuyển vị đỉnh của công trình (nên cần phải có mặt bằng và khoảng cách an toàn với các công trình
khác), tuy nhiên sẽ giảm được chuyển vị tương đối giữa các tầng và thực tế tính toán cho lực cắt đáy
của công trình cũng như lực động đất tác dụng lên các tầng giảm.
Việc thiết kế HDR tuân thủ các điều kiện về biến dạng, chuyển vị, chu kỳ của hệ kết cấu (như chu
kỳ cơ bản của công trình khi thiết kế không có HDR, ràng buộc về chuyển vị của móng, chuyển vị của
HDR, về biến dạng của HDR, vật liệu để chế tạo HDR cũng dựa vào tải trọng, và các điều kiện ràng
buộc biến dạng của vật liệu).
Trong điều kiện thực tế hiện nay ở Việt Nam, sử dụng phương pháp chế ngự dao động dạng thụ
động là hợp lý vì các thiết bị này đơn giản trong vận hành, bảo trì và mang tính dự phòng là chủ yếu.
Các khảo sát của nước ngoài cho thấy hiệu quả của giải pháp này tiết kiệm khoảng 5 – 6% giá trị
công trình.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. NGUYỄN XUÂN THÀNH. Hiệu quả của đệm giảm chấn trong chế ngự dao động kết cấu nhà
cao tầng chịu tải trọng động đất, Hội nghị khoa học toàn quốc cơ học vật rắn biến dạng lần thứ
8, 2006.

2. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 375 : 2006. Thiết kế công trình chịu động đất, NXB Xây
dựng, Hà Nội, 2006.
3. TRẦN TUẤN LONG. Dao động tự do của kết cấu khung nhà nhiều tầng có thiết bị giảm chấn
HDR. Luận văn thạc sỹ, Trường Đại học Xây dựng, 2007
4. J.M. Kelly. The role of damphing in seismic isolation, Earthquake Engineering Research
Center, University of California, Berkeley, CA 94804, n¨m1997.
5. Yeong-Bin Yang and Kuo-Chun Chang. Base Isolation, Earthquake Engineering Handbook,