Kết cấu tường kép được sử dụng phổ biến trong nhà nhiều tầng nhờ khả năng chịu lực và độ cứng ngang lớn. Khi động đất xảy ra, dầm nối thường là bộ phận bị hư hỏng đầu tiên, đồng thời đây cũng là cấu kiện khó sửa chữa sau động đất. Vì vậy, việc nghiên cứu sự làm việc của dầm nối và các thiết bị giảm chấn gắn tại dầm khi tường kép chịu tác động động đất được quan tâm gần đây. Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của đặc trưng thiết bị giảm chấn gắn tại dầm nối, với thiết bị được đặt trên tất cả các tầng của kết cấu tường kép 30 tầng.
Trong thiết kế kháng chấn hiện đại, vấn đề cốt lõi không chỉ là tăng khả năng chịu lực của kết cấu, mà dần chuyển sang mục tiêu kiểm soát ứng xử và tiêu tán năng lượng động đất truyền vào công trình. Công trình được thiết kế kháng chấn hiệu quả cần đạt được sự cân bằng hợp lý giữa độ cứng, độ bền và độ dẻo, đồng thời đảm bảo sinh mạng con người, hạn chế hư hỏng cấu kiện cũng như duy trì khả năng làm việc sau động đất.
Tại Việt Nam, mặc dù không nằm trong khu vực có hoạt động địa chấn cực mạnh, nhiều vùng vẫn chịu ảnh hưởng đáng kể của động đất kiến tạo. Cùng với xu hướng gia tăng các công trình có chiều cao lớn, việc nghiên cứu các giải pháp kết cấu kháng chấn trong thiết kế nhà cao tầng đang trở thành yêu cầu cần thiết trong thực tiễn kỹ thuật xây dựng.
Đối với các công trình xây dựng cao tầng, kết cấu chịu tải trọng ngang có ý nghĩa rất đặc biệt, đóng vai trò quan trọng trong hệ kết cấu chịu lực, nên các tấm tường chịu lực đều được thiết kế để chịu tải trọng ngang và tải trọng đứng. Tường chịu cắt thường được bố trí đối xứng để giảm các tác động xoắn vào công trình. Kết cấu tường kép bao gồm hai hay nhiều tường đơn được kết nối bằng dầm hoặc các bản sàn theo chiều cao tầng. Ứng xử của kết cấu tường kép ảnh hưởng bởi độ cứng, độ bền và độ dẻo của dầm nối.
Ảnh minh họa: Internet
Khi công trình sử dụng hệ tường kép chịu tác động của tải trọng động đất, các dầm nối bị biến dạng, từ đó phát sinh các lực cắt lớn [1]. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi xảy ra động đất, dầm nối thường là cấu kiện bị hư hỏng đầu tiên trong hệ tường cắt liên kết, đồng thời đây cũng là bộ phận khó sửa chữa sau động đất. Ngoài ra, Thomas Paulay cho thấy các dầm có tỷ số nhịp trên chiều cao nhỏ cùng với kết cấu bê tông cốt thép thông thường thường có xu hướng phá hoại giòn [2].
Nhằm cải thiện khả năng dẻo của dầm, Paulay và John Binney đã đề xuất sử dụng cốt thép đặt chéo trong dầm [3]. Hạn chế chính của giải pháp cốt thép chéo là việc bố trí và cấu tạo cốt thép tương đối phức tạp. Để khắc phục nhược điểm này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đề xuất các phương án bố trí cốt thép hợp lý hơn, như nghiên cứu của Tassios và cộng sự [4]. Bên cạnh đó, dầm thép cũng được ứng dụng nhờ khả năng làm việc dẻo và tiêu tán năng lượng vượt trội của vật liệu thép, điển hình như các nghiên cứu của Harries [5].
Ngoài ra, nhiều loại thiết bị giảm chấn khác nhau cũng đã được ứng dụng trong kết cấu nhằm giảm thiểu ảnh hưởng do động đất gây ra, như thiết bị cản nhớt, thiết bị cản ma sát, thiết bị cản kim loại hoặc các hệ kết hợp giữa thiết bị cản kim loại và thiết bị cản nhớt, cũng như thiết bị cản kim loại kết hợp với cao su cường độ cao [6].
Bên cạnh nghiên cứu thực nghiệm, nghiên cứu lý thuyết tường kép với dầm nối có gắn thiết bị giảm chấn cũng đã được một số tác giả thực hiện trong thời gian gần đây [6]. Điểm chung của những nghiên cứu này là sử dụng những phần mềm tính toán kết cấu phổ biến hiện nay như SAP2000, OpenSees, ANSYS, ABAQUS… phân tích sự làm việc của tường kép có gắn thiết bị giảm chấn chịu tác động của động đất, từ đó đưa ra nhận xét về tính hiệu quả của giải pháp sử dụng gắn thiết bị để giảm chấn cho công trình. Việc bố trí thiết bị giảm chấn trong dầm nối được chứng minh có khả năng nâng cao hiệu quả tiêu tán năng lượng và cải thiện khả năng kháng chấn của hệ tường kép.
Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở mức độ tính toán cho từng trường hợp thiết bị giảm chấn riêng mà chưa có các nghiên cứu về ảnh hưởng của các tham số của đặc trưng thiết bị đến ứng xử của kết cấu tường kép chịu tác động động đất. Nghiên cứu này tập trung khảo sát ảnh hưởng của các đặc tính thiết bị giảm chấn đến hiệu quả kháng chấn, bao gồm: Lực chảy và độ cứng của thiết bị, độ cứng của dầm thép.
Kết cấu tường kép 30 tầng, chiều cao mỗi tầng 3,2 m, chiều dài tường 14,0 m được chọn để phân tích. Thiết bị giảm chấn được đặt trên mỗi tầng với các đặc tính cản khác nhau nhằm làm rõ ảnh hưởng của đặc trưng thiết bị đến hiệu quả giảm dao động. Các chỉ tiêu đánh giá gồm chuyển vị ngang tương đối theo tầng, ứng xử của thiết bị giảm chấn, nhằm cung cấp cơ sở khoa học của việc lựa chọn thiết bị hiệu quả trong thiết kế kháng chấn tường kép.
Để đánh giá chi tiết về ảnh hưởng của đặc trưng thiết bị giảm chấn đến khả năng kháng chấn của tường kép, nghiên cứu tiến hàng khảo sát thay đổi lực chảy và độ cứng ban đầu thiết bị, độ cứng dầm nối, dưới tác động của trận động đất Northridge (gia tốc nền CAST360_DBE). Kết quả phân tích cho thấy, hiệu quả giảm dao động cho kết cấu tường kép nhà nhiều tầng phụ thuộc vào đặc trưng thiết bị giảm chấn, cụ thể:
- Từ kết quả khảo sát nhận thấy, khi lực chảy ygiảm chấn thấp giá trị chuyển vị ngang tương đối theo tầng giảm xuống (giảm 30% so với TB1), nhưng nếu y Q của thiết bị Q quá thấp thì giá trị này lại tăng;
- Kết quả phân tích cho thấy, thiết bị có độ cứng 1k lớn (tăng 70%), hiệu quả kháng chấn sẽ tăng do chuyển vị ngang tương đối theo tầng giảm, tuy nhiên nếu thiết bị quá cứng thì cũng không hiệu quả;
- Qua kết quả phân tích ở trên, có thể thấy rằng sự thay đổi độ cứng của dầm nối có ảnh hưởng đến khả năng kháng chấn của tường kép gắn thiết bị giảm chấn. Trong đó, với các trường hợp khảo sát, khi tỉ số nhịp dầm trên chiều cao tiết diện dầm bằng 2,0 thì giá trị chuyển vị ngang tương đối theo tầng là nhỏ nhất.
- Dựa trên các kết quả khảo sát tại nghiên cứu, có thể nhận thấy độ cứng k1 của thiết bị và độ cứng dầm thép chi phối nhiều hơn đến hiệu quả kháng chấn của kết cấu tường kép khi chịu tác động động đất, so với lực chảy Qy. Cụ thể, giá trị chuyển vị ngang tương đối theo tầng giảm 3,557% và 3,952% tương ứng khi tăng độ cứng k1 và sử dụng D4 (có tỉ số nhịp trên chiều cao tiết diện dầm bằng 2,0), trong khi đó với trường hợp khi giảm lực chảy Qy độ giảm chuyển vị ngang tương đối theo tầng là 2,657%.
Từ kết quả nghiên cứu có thể khẳng định rằng, khi gắn thiết bị giảm chấn trên mỗi tầng, với các đặc tính cản khác nhau của thiết bị ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả giảm dao động của kết cấu tường kép. Các kết quả nghiên cứu này không chỉ khẳng định thêm hiệu quả kháng chấn của việc sử dụng thiết bị giảm chấn gắn tại từng tầng của kết cấu tường kép mà còn cung cấp nền tảng khoa học để nâng cấp các hướng dẫn thiết kế kháng chấn hiện hành.
Xem chi tiết Bài nghiên cứu TẠI ĐÂY:
BuilData
