Góc chia sẻ Cộng Đồng HCT

CHU KỲ DAO ĐỘNG RIÊNG CƠ BẢN THỨ NHẤT LÀ GÌ?

     Trong thiết kế công trình chịu tác động của gió, đặc biệt đối với nhà cao tầng, tháp, trụ và các kết cấu mảnh, ảnh hưởng động của gió là yếu tố không thể bỏ qua. Không giống như tải trọng tĩnh, gió là tải trọng biến đổi theo thời gian, có khả năng gây ra dao động cho công trình, làm tăng nội lực, chuyển vị và ảnh hưởng đến sự thoải mái cũng như an toàn sử dụng.

     Theo TCVN 2737:2023 – Tải trọng và tác động, áp lực gió tác dụng lên công trình được xác định theo công thức:

     Trong đó:

•  - là áp lực gió trong 3 giây, với chu kỳ lặp 10 năm, được xác định theo quan hệ:

•  - là áp lực gió cơ bản theo vùng gió;
•  - là hệ số kể đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao và điều kiện địa hình, phản ánh sự gia tăng vận tốc gió khi lên cao và ảnh hưởng của môi trường xung quanh;
•  - là hệ số khí động, phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và đặc điểm bề mặt của công trình;
•  - là hệ số hiệu ứng giật của gió, dùng để xét đến ảnh hưởng động do sự dao động của vận tốc gió theo thời gian.

     Trong các thành phần trên, việc xác định hệ số hiệu ứng giật Gf một cách chính xác và phù hợp với thực tế là một bài toán phức tạp, bởi hệ số này không chỉ phụ thuộc vào đặc trưng của gió mà còn chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ đặc tính động lực học của công trình.

     Đặc biệt, để xác định đúng hệ số hiệu ứng giật, chu kỳ dao động riêng cơ bản thứ nhất T1  của công trình là thông số mang tính quyết định. Giá trị T1 phản ánh mức độ cứng hay mềm của kết cấu, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến cách lựa chọn và tính toán hệ số Gf. Việc xác định đúng  giúp kỹ sư phân loại kết cấu, áp dụng đúng quy định của tiêu chuẩn và đảm bảo kết quả tính toán tải gió vừa an toàn, vừa hợp lý về kinh tế.

1. Chu kỳ giao động riêng cơ bản thứ nhất là gì?

     Trong cơ học kết cấu, dao động riêng là dao động của hệ kết cấu khi không chịu tác động của ngoại lực biến đổi theo thời gian, mà chỉ dao động do lực quán tính và lực đàn hồi bên trong hệ sau khi bị kích thích ban đầu.

     Chu kỳ dao động riêng của công trình, ký hiệu là T, được hiểu là:

     Khoảng thời gian cần thiết để kết cấu thực hiện một dao động toàn phần trong điều kiện dao động tự do.

     Mỗi công trình không chỉ có một mà có nhiều chu kỳ dao động riêng, tương ứng với các dạng dao động riêng (mode shapes) khác nhau. Mỗi dạng dao động mô tả một hình thức biến dạng đặc trưng của công trình trong quá trình dao động.

     Trong số các chu kỳ dao động riêng đó, chu kỳ dao động riêng cơ bản thứ nhất T1 có ý nghĩa quan trọng nhất, bởi:

• Đây là chu kỳ lớn nhất trong các chu kỳ dao động riêng;
• Tương ứng với dạng dao động thấp nhất, trong đó phần lớn khối lượng công trình cùng tham gia dao động;
• Chi phối chủ yếu đến phản ứng động của công trình dưới tác động của các tải trọng biến đổi theo thời gian, đặc biệt là tải trọng gió.

     Về mặt vật lý, giá trị chu kỳ dao động riêng phản ánh mối quan hệ giữa độ cứng và khối lượng của kết cấu. Với cùng một khối lượng, công trình càng cứng thì chu kỳ dao động riêng càng nhỏ; ngược lại, công trình càng mềm thì chu kỳ dao động riêng càng lớn. Do đó, chu kỳ dao động riêng có thể được xem là một chỉ tiêu tổng hợp đánh giá mức độ linh hoạt hay cứng vững của kết cấu.

     Trong thiết kế công trình chịu gió theo TCVN 2737:2023, chu kỳ dao động riêng cơ bản thứ nhất T1 được sử dụng để:

• Phân loại kết cấu thành kết cấu cứng hoặc kết cấu mềm;
• Lựa chọn phương pháp xác định hệ số hiệu ứng giật gió Gf;
• Đánh giá mức độ nhạy cảm của công trình đối với tác động động của gió.

     Vì vậy, việc xác định đúng và đáng tin cậy chu kỳ dao động riêng, đặc biệt là T1, là bước nền tảng trong quá trình phân tích và tính toán tải trọng gió cho công trình.

2. Cách xác định chu kỳ dao động riêng như thế nào?

     Để xác định chu kỳ dao động riêng của công trình, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, từ các công thức kinh nghiệm cho đến phân tích số. Trong đó, phương pháp sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu như ETABS được đánh giá là chính xác và đáng tin cậy nhất, do mô hình phản ánh đầy đủ đặc điểm hình học, vật liệu, sơ đồ chịu lực và điều kiện làm việc thực tế của công trình.

     Trong ETABS, chu kỳ dao động riêng của công trình được xác định thông qua phân tích dao động riêng (Modal Analysis). Để kết quả phân tích dao động có ý nghĩa và phản ánh đúng hành vi thực tế của kết cấu, việc xác định đúng khối lượng tham gia dao động là yêu cầu bắt buộc.

     Cụ thể, khi xác định chu kỳ dao động riêng cơ bản thứ nhất T1 trong ETABS, kỹ sư cần:

• Khai báo đầy đủ nguồn khối lượng (Mass Source) cho mô hình;
• Đảm bảo khối lượng tham gia dao động được trích xuất từ tĩnh tải, một phần hoạt tải và các tải trọng thường xuyên khác theo đúng quy định của tiêu chuẩn;
• Kiểm tra tỷ lệ khối lượng tham gia dao động theo các phương chính, nhằm bảo đảm các dạng dao động thu được là đại diện cho chuyển động tổng thể của công trình.

     Việc xác định không đầy đủ hoặc sai lệch khối lượng tham gia dao động sẽ dẫn đến kết quả chu kỳ dao động riêng không chính xác, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến việc phân loại kết cấu cứng – mềm và tính toán hệ số hiệu ứng giật gió Gf theo TCVN 2737:2023.

3. Cách xác định chu kỳ dao động riêng như thế nào?

Khai báo khối lượng tham gia dao động (Mass Source) trong ETABS

Trong ETABS, chu kỳ dao động riêng của công trình được xác định thông qua phân tích dao động riêng (Modal Analysis). Để kết quả phân tích phản ánh đúng đặc tính động của công trình, trước hết cần khai báo chính xác nguồn khối lượng tham gia dao động (Mass Source).

Các bước thực hiện như sau:

• Truy cập Define → Mass Source.
• Chọn Add New Mass Source hoặc chỉnh sửa Mass Source mặc định.
• Khai báo các thành phần tải trọng được quy đổi thành khối lượng, bao gồm:
  • Dead Load (tĩnh tải);
  • Super Dead Load (nếu có);
  • Một phần Live Load theo quy định của tiêu chuẩn áp dụng (thường lấy 50%);
• Đảm bảo tùy chọn Include Self Weight Multiplier = 1.0 để xét đầy đủ trọng lượng bản thân kết cấu.
• Xác nhận và lưu Mass Source.

Hình 1 – Ví dụ minh họa về khai báo Mass Source

Trong ví dụ cần tích vào ô Element Self Mass để khai báo trọng lượng bản thân cấu kiện, nếu không tích vào cần khai báo thủ công như các tải trọng khác. SDL và BW là tải trọng lớp hoàn thiện và tải trọng tường. LL là hoạt tải (lấy 50%).

Hình 2 – Đặt mặc định cho Mass Source

• Trong mục Default Mass Source, chọn Mass Source vừa khai báo.

Thiết lập bài toán phân tích dao động riêng (Modal Case)

Sau khi khai báo Mass Source, tiến hành thiết lập bài toán phân tích dao động riêng trong ETABS v22:

• Vào Define → Load Cases.
• Chọn Add New Load Case.
• Đặt tên Load Case (ví dụ: MODAL).
• Trong mục Load Case Type, chọn Modal.
• Tại Modal Analysis Method, chọn Eigen (Eigenvector).
• Khai báo Number of Modes:
  • Thông thường từ 12 đến 20 mode đối với nhà cao tầng;
• Kiểm tra để đảm bảo Mass Source vừa khai báo được sử dụng cho bài toán modal.
• Nhấn OK để hoàn tất khai báo.

            Hình 3 – Mô tả khai báo Modal Case

Thực hiện phân tích và xác định chu kỳ dao động

Sau khi hoàn thành việc khai báo, tiến hành chạy phân tích:

• Chọn Run Analysis.

Khi phân tích xong, xem kết quả:

• Vào Display → Show Tables.
• Chọn nhóm Modal Results.
• Mở bảng Modal Participating Mass Ratios.

Xét lấy chuyển vị lớn nhất theo tường phương UX và UY và lấy giá trị của Modal dao động tương ứng để tính cho phương đó.

Hình 4 – Mở bảng Modal Participating Mass Ratios

Hình 5 –Bảng Modal Participating Mass Ratios