Phân tích khả năng kháng chấn của nước trong kết cấu tháp nước có xét sự tương tác chất lỏng và thành bể

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VỆT NAM KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG MSHV: 71

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



NGUYỄN THÀNH TRUNG

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG KHÁNG CHẤN CỦA NƯỚC

TRONG KẾT CẤU THÁP NƯỚC

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG - TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Phước

2 PSG TS Lương Văn Hải

3 PGS TS Nguyên Trung Kiên

4 TS Hồ Đức Duy

5 TS Đào Đình Nhân Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên nghành sau khi luận văn được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG MSHV: 7140756

Ngày, tháng, năm sinh: 26/07/1987 Nơi sinh: Quảng Bình

Chuyên ngành: KTXD CT Dân Dụng và Công Nghiệp Mã số : 60580208

TÊN ĐỀ TÀI:

Phân tích khả năng kháng chấn của nước trong kết cấu tháp nước có xét sự

tương tác chất lỏng và thành bể 1- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

> Tìm hiểu mô hình của kết cấu tháp nước trong không gian ba chiều có xét sự tương tác chất lỏng và thành bể chứa

> Xây dựng mô hình kết cấu tháp nước trong không gian chịu tải trọng động, mô hình được rời rác hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn với phần tử khối của kết cấu và nước; phần mềm ANSYS với mã nguồn mở được áp dụng để giải bài toán này khi viết

mã nguồn phần khai báo và lựa chọn phương pháp giải

> Phân tích hiệu quả giảm dao động của hệ giảm chấn dạng chất lỏng khi kết cấu chịu tải điều hòa và động đất, bài toán với ẩn số khá lớn nên tiêu tốn khá nhiều tài nguyên tính toán, thông số nghiên cứu giảm chấn là mực nước trong bể chứa và đặc trưng của kết cấu với tải trọng động

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/08/2016

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 18/06/2017

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

i

LỜI CẢM ƠN

Điều đầu tiên, tôi xin đuợc gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả các thầy cô giáo, đã nhiệt tình giảng dạy và tạo điều kiện cho tôi suốt quá trình học tập trong chuơng trình đào tạo Sau Đại Học, khoa Xây Dụng, Truờng Đại Học Bách Khoa Tp.HCM Đây thật sụ là niềm vinh dụ lớn cũng là cơ hội quý giá mà tôi có đuợc từ truớc tới nay

Và trên hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Trọng Phuớc là người đã gợi ý để hình thành hướng nghiên cứu cho đề tài và hướng dẫn tôi thực hiện trong thời gian vừa qua, để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn của mình Thầy

đã tạo điều kiện tốt nhất và nhanh chóng nhất giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Và Thầy đã truyền thụ cho tôi những kiến thức và hiểu biết sâu hơn trong lĩnh vực mà tôi nghiên cứu tìm hiểu Thầy cũng đã giúp tôi có thêm động lực để có thể tiếp tục cố gắng cho những bước đi mới trong tương lai trên con đường nghiên cứu khoa học

Đồng thời, tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành dành cho Cha Mẹ, người thân, bạn

bè và đồng nghiệp những người luôn bên cạnh giúp đỡ động viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn !

tử và đuợc mô phỏng bằng các phần tử khối trong phần mềm mã nguồn mở ANSYS Phân tích chu kỳ dao động tự nhiên của hệ kết cấu tháp và nuớc trong không gian trong truờng hợp tháp có chúa các mục nuớc khác nhau Phân tích đáp úng của hệ trên miền tần số khi chịu tác động của tải trọng điều hòa Phân tích phản úng của hệ với tải trọng điều hòa và một trận động đất cụ thể để xem xét đánh giá hiệu quả giảm dao động của nuớc trong kết cấu tháp trong không gian, xem xét giá trị chuyển vị và nội lục trong kết cấu Đồng thời khảo sát sụ ảnh huởng của chiều cao mục đối với khả năng làm giảm dao động trong kết cấu tháp nuớc.

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn

của Thầy PGS.TS Nguyễn Trọng Phước Các kết quả trong luận văn được thực hiện một cách trung thực và khách quan

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017

4

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ xii

DANH MỤC BẢNG BIÊU XV CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của luận văn 6

1.3 Phương pháp nghiên cứu 7

1.4 Cấu trúc luận văn 8

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 9

2.1 Giới thiệu chương 9

2.2 Thiết bị giảm chấn sử dụng chất lỏng 9

2.2.1 Phân loại thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng 10

2.2.2 Các công trình sử dụng hệ TLD làm thiết bị giảm chấn 14

2.3 Tổng quan về tài liệu giảm chấn sử dụng chất lỏng 17

2.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới về thiết bị TLD 17

2.3.2 Các nghiên cứu trong nước về thiết bị TLD 21

2.3.3 Các nghiên cứu về tương tác chất lỏng và thành bể 22

2.4 Kết luận chương 24

CHƯƠNG 3: Cơ SỞ LÝ THUYẾT 25

3.1 Giới thiệu chương 25

3.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng 25

3.3 Chuyển động của chất lỏng bên trong bể chứa 26

3.3.1 Phương trình dao động của sóng chất lỏng 26

3.3.2 Điều kiện biện chất lỏng 27

3.3.3 Hệ số cản của chất lỏng 30

3.3.4 Phân loại sóng chất lỏng 30

3.4 Phương pháp phân tích hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng 32

3.4.1 Phương pháp phần tử hữu hạn đối với kết cấu 32

3.4.2 Ma hận tương tác kết hợp giữa kết cấu và chất lỏng 35

3.4.3 Dạng phần tử hữu hạn của miền chất lỏng 39

3.4.4 Lời giải của hệ bể chứa - chất lỏng dao động theo miền thời gian 42

3.5 Giới thiệu tổng quan về phần mềm ANSYS 44

3.5.1 Cấu trúc cơ bản của một bài toán trong ANSYS 44

3.5.2 Phần tử bê tông và phần tử nước trong ANSYS 45

3.6 Kết luận chương 49

vi

CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ SỐ 50

4.1 Giới thiệu chương 50

4.2 Phân tích modal dao động tự nhiên của hệ 50

4.2.1 Phân tích modal dao động và kiểm chứng kết quả 50

4.2.2 Khảo sát modal dao động với mực nước thay đổi 53

4.3 Phân tích đáp ứng của hệ trên miền tần số 57

4.4 Phân tích đáp ứng của hệ đối với tải điều hòa 59

4.4.1 Kiểm chứng kết quả phân tích trong ANSYS với phần mềm SAP2000.59 4.4.2 Phân tích đáp ứng của hệ với các mực nước khác nhau và với các tần số kích động khác nhau 60

4.5 Phân tích đáp ứng của hệ kết cấu tháp với trận động đất SuperstitionHills 69

4.6 Kết luận chương 72

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73

5.1 Kết luận 73

5.2 Hướng phát triển 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 79

PHỤ LỤC 80

7

MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT

TLD Tuned Liquid Damper - Hệ giảm chấn điều chỉnh chất lỏng

MTLD Multiple Tuned Liquid Damper - Hệ giảm chấn điều chỉnh chất lỏng

TLCD Tuned Liquid Column Damper - Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng

DTLCD Double Tuned Liquid Column Damper - Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng

theo hai phương TSD Tuned Sloshing Damper -Hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sóng bề mặt

u, V, w Giá trị vận tốc theo trục tọa độ X, y, z

dx, dy, dz Đạo hàm theo phương trục X, y, z

X

u Chuyển vị

FD Lực cản

[X] Ma trận ngoại lực

If] Ma ưận áp lực nước tương đương

[X] Ma ưận hợp lực của ngoại lực

[0] Ma ưận liên hệ giữa áp lực và lực tác dụng

Giá trị tuyệt đối của vector pháp tuyến tại biên theo hướng trục X p Giá trị tuyệt

đối của vector pháp tuyến tại biên theo hướng trục Y Nf Hàm dạng của chất lỏng

xi

N{ Hàm dạng của phần tử chất lỏng

N Hàm dạng của kết cấu

a, , Pi và /, Cosin chỉ phương của nút phần tử

r\ Điều kiện biên thành bể

r2 Điều kiện biên mặt thoáng

r Điều kiện biên phần tử

, H‘ Hệ số hằng số chất lỏng

ị Vector gia tốc của nút tại phần tử biên

Ug Vector gia tốc tác dụng vào kết cấu

12

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hình ảnh minh họa cho thiệt hại do trận động đất ở Kobe, Nhật Bản 2

Hình 1.2: Hình ảnh minh họa cho thiệt hại do trận đất ở Nepal năm 2015 2

Hình 1.3: Hình ảnh minh họa cho thiệt hại do trận động đất ở Chile 3

Hình 1.4: Hình ảnh minh họa cho thiệt hại do trận động đất ở Đài Loan 3

Hình 1.5: Tháp truyền hình bị phá hủy do gió bão tại tỉnh Quảng Bình, Việt Nam 4

Hình 1.6: Tháp truyền hình gãy đổ do gió bão tại tỉnh Quảng Ninh, Việt Nam 4

Hình 2.1: Thiết bị TLD giữ thăng bằng sử dụng cho tàu bè 9

Hình 2.2: Thiết bị TLD dạng bị động 11

Hình 2.3: Thiết bị TLD dạng chủ động 12

Hình 2.4: Thiết bị giảm chấn cột chất lỏng (TLCD) 13

Hình 2.5: Thiết bị giảm chấn cột chất lỏng theo hai phương (DTLCD) 13

Hình 2.6: Thiết bị TLD hình tròn 13

Hình 2.7: Thiết bị TLD hình chữ nhật 13

Hình 2.8: Once Wall Center ở Vancouver, British Columbia, Canada 14

Hình 2.9: One Rincon Hill Ở San Fransisco, California, USA 14

Hình 2.10: Khách sạn Shin Yokohama, Nhật Bản 16

Hình 2.11: Tháp hàng không Nagasaki, Nhật Bản 16

Hình 2.12: cầu Bãi Cháy, Quảng Ninh, Việt Nam 16

Hình 3.1 : (a) Hệ trục tọa độ tổng thể và (b) Dao động sóng trong bể hình trụ 26

Hình 3.2: Điều kiện biên của phần tử hai chiều tại miền tương tác chất lỏng và kết cấu 36

Hình 3.3: Minh họa dưới dạng giản đồ miền chất lỏng và miền biên 39

Hình 3.4: Mô hình phần tử Solid45 trong ANSYS 45

Hình 3.5: Mô hình phần tử 8 nút của phần tử Solid 46

Hình 3.6: Mô hình phần tử Fluid80 trong ANSYS 47

13

Hình 3.7: Mô hình phần tử 8 nút của phần tử Fluid 48

Hình 4.1: Chia lưới phần tử trong ANSYS 51

Hình 4.2: Mode dao động của tháp không chứa nước (Mode 1,2,3,4,5,6) 52

Hình 4.3: So sánh chu kỳ của tháp với bài báo và phần mềm SAP2000 52

Hình 4.4: Chu kỳ của tháp khi mực nước thay đổi 53

Hình 4.5: So sánh chu kỳ của luận văn với bài báo khi tháp chứa 1/3 nước 54

Hình 4.6: So sánh chu kỳ của luận văn với bài báo khi tháp chứa 2/3 nước 55

Hình 4.7: So sánh chu kỳ của luận văn với bài báo khi tháp đầy nước 56

Hình 4.8: Đáp ứng của hệ trên miền tần số 0Hz đến 2Hz 57

Hình 4.9: Chuyển vị đỉnh cộng hưởng trên miền tần số 0Hz đến 2Hz 58

Hình 4.10: So sánh chuyển vị giữa ANSYS và SAP2000 với f = 0.5 (Hz) 59

Hình 4.11: Đáp ứng chuyển vị của tháp đối với tải điều hòa tần số ngoại lực f ỵ = Q.5Hz, và với mức nước khác nhau 60

Hình 4.12: So sánh chuyển vị lớn nhất của tháp đối với tải điều hòa tần số ngoại lực f ỵ = Q.5Hz, và với mức nước khác nhau 61

Hình 4.13: Đáp ứng vận tốc của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực f ỵ = Q.5Hz, với mức nước khác nhau 61

Hình 4.14: So sánh vận tốc lớn nhất của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực /ĩ = 0.5 (Hz}, với mức nước khác nhau 62

Hình 4.15: Đáp ứng gia tốc của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực = 0.5 (Hz}, với mức nước khác nhau 62

Hình 4.16: So sánh gia tốc lớn nhất của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực = 0.5 (Hz}, với mức nước khác nhau 63

Hình 4.17: Biểu đồ lực cắt tại chân tháp với = 0.5 (Hz} 63

Hình 4.18: Biểu đồ lực cắt lớn nhất tại chân tháp với /ĩ = 0.5 (Hz} 64

Hình 4.19: Đáp ứng chuyển vị của tháp đối với tải điều hòa tần số ngoại lực f 2 = 0.7 (Hz), với mức nước khác nhau 64

Hình 4.20: So sánh chuyển vị lớn nhất của tháp đối với tải điều hòa tần số ngoại lực /2 = 0.7 (Hz), với mức nước khác nhau 65

14

Hình 4.21: Đáp ứng vận tốc của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực

f 2 = 0.7 (Hz) , với mức nước khác nhau 65

Hình 4.22: So sánh vận tốc lớn nhất của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực /2 =

0.7 (Hz), với mức nước khác nhau 66

Hình 4.23: Đáp ứng gia tốc của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực

/2 = 0.7 (Hz), với mức nước khác nhau 66

Hình 4.24: So sánh gia tốc lớn nhất của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực f 2 =

0.7 (Hz), với mức nước khác nhau 67

Hình 4.25: Biểu đồ lực cắt tại chân tháp với f 2 = 0.7 (Hz) 67

Hình 4.26: So sánh lực cắt lớn nhất tại chân tháp với f 2 = 0.7 (Hz) 68

Hình 4.27: Dữ liệu gia tốc nền trận động đất Superstition, At=0.02s 69 Hình 4.28: Phổ năng lượng của trận động đất Superstition, At=0.02s 69 Hình 4.29: Biểu đồ chuyển vị của tháp đối với trận động đất Superstition 70 Hình 4.30: Biểu đồ vận tốc của tháp đối với trận động đất Superstition 70 Hình 4.31: Biểu đồ gia tốc của tháp đối với trận động đất Superstition 71 Hình 4.32: Biểu đồ lực cắt chân tháp đối với trận động đất Superstition 71

XV

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng thống kê những thiệt hại do một số trận động đất trên thế giới 1 Bảng 2.1 Các công trình sử dụng TLD tại Nhật Bản 15 Bảng 3.1 Phân loại sóng chất lỏng 31 Bảng 4.1 Bảng thông số hình học của mô hình phân tích 50 Bảng 4.2 Bảng thông số vật liệu mô hình phân tích 50 Bảng 4.3 Bảng chia phần tử mô hình theo luận văn và theo bài báo 51 Bảng 4.4 Kết quả phân tích chu kỳ dao động của tháp và bài báo 51 Bảng 4.5 Bảng kết quả phân tích chu kỳ của tháp khi mực nước thay đổi 53 Bảng 4.6 Bảng so sánh chu kỳ dao động của tháp 1/3 nước 54 Bảng 4.7 Bảng so sánh chu kỳ dao động của tháp 2/3 nước 55 Bảng 4.8 Bảng so sánh chu kỳ dao động của tháp chứa đầy nước 56 Bảng 4.9 Bảng độ giảm chuyển vị đỉnh cộng hưởng của tháp 58

mô các công trình được nâng lên, do đó yêu cầu cấp thiết để đảm bảo cho công trình làm việc an toàn chịu được những tảc động của tải trọng động như gió bão, động đất và các hoạt động khác của con người là cần thiết Vì những ảnh hưởng và thiệt hại lớn đối với công trình xây dựng và con người khi chịu tảc động của tải trọng động thôi thức các kỹ sư

và cảc nhà khoa học nghiên cứu tìm hiểu các phương pháp giảm dao động cho kết cấu khỉ chịu ảnh hưởng của các tác động này gây ra trong quá trình sử dụng và vận hành công trình Một vài số liệu và hình ảnh minh họa sau đây cho thấy sự tàn phá của tải trọng động đối với kết cấu công trình

Bảng 1.1: Bảng thống kê những thiệt hại do một số trận động đất trên thế giới

2

Hình 1.1: Hình ảnh minh họa cho thiệt hại do trận động đất ở Kobe, Nhật Bản

Hình 1.2: Hình ảnh minh họa cho thiệt hại do trận động đất ờ Nepal năm 2015

3

Hình 1.3: Hình ảnh minh họa cho thiệt hại do trận động đất ở Chile

Hình 1.4: Hình ảnh minh họa cho thiệt hại do trận động đất ở Đài Loan

4

Hình 1.5: Tháp truyền hình bị phá hủy do gió bão tại tỉnh Quảng Bình, Việt Nam

Hình 1.6: Tháp truyền hình gãy đổ do gió bão tại tỉnh Quảng Ninh,Việt Nam

5

Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về các phương pháp sử dụng các biện pháp kháng chấn cho công trình chịu tác động của tải động như động đất và gió bão Trong đó phương pháp sử dụng chất lỏng như một thiết bị giảm dao động là một ửong

số những phương pháp giảm chấn có hiệu quả và được sử dụng tương đối phổ biến ửong một số công trình trên thế giới đã chứng minh sự hiệu quả giảm chấn tương đối Tại Việt Nam hiện nay phương pháp giảm chấn sử dụng chất lỏng chỉ mới ở mức độ sơ khai và đang được quan tâm nghiên cứu khá nhiều Với những ưu điểm nổi bật của thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng như: giá thành xây lắp rẻ hơn các thiết bị cùng loại, dễ lắp đặt

và bảo trì, có thể áp dụng được cho phần lớn các công trình xây dựng, mang lại hiệu quả giảm dao động cho công trình khi đưa vào sử dụng

Các công trình tháp nước đã được xây dựng từ rất lâu đời và vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay Trên thế giới có rất nhiều công trình tháp nước được xây dựng ở các thành phố lớn để cung cấp nước sinh hoạt cho người dân và các mục đích khác như dự trữ nước cho thành phố, dùng trong phòng cháy chữa cháy và các mục đích công nghiệp khác Ngày nay khi các tòa nhà cao tầng được xây dựng nhiều hơn, các khu công nghiệp được phát triển và mở rộng, các công trình tháp dùng để lưu giữ nước và các chất lỏng khác cũng được xây dựng để đáp ứng nhu cầu trên

Kết cấu tháp nước được xây dựng với nhiều hình dáng kiến trúc khác nhau, nhưng thông thường có các bộ phận chính là phần trụ chịu lực và phần đài để tích trữ nước Khi chịu tác động do tải trọng động gây ra kết cấu tháp nước có thể bị phá hoại hoặc gãy đổ nếu tác động là đủ lớn hoặc xảy ra hiện tượng cộng hưởng

Qua các phân tích trên, có thể thấy rằng đề tài đánh giá hiệu quả giảm chấn của kết cấu tháp nước là có ý nghĩa cả về khoa học và thực tiễn Thu hút được sự quan tâm khá nhiều các nhà khoa học về giảm dao động và kể cả các kỹ sư thiết kế Luận văn này chọn hướng nghiên cứu này, tìm hiểu về sự tương tác của chất lỏng bên trong tháp nước ảnh hưởng như thế nào đối với tần số dao động tự nhiên của kết cấu tháp, nội lực của công trình trong các trường hợp tháp có mực nước khác nhau ửong quá trình sử dụng

6

Từ đó đánh giá khả năng giảm chấn của kết cấu tháp nước khi chịu tác động của ngoại lực là tải trọng động theo miền thời gian

1.2 Mục tiêu của luận văn

Luận văn nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của sự tương tác chất lỏng và kết cấu đến việc giảm chấn của kết cấu khi chịu tải trọng động Các nội dung chi tiết được xem xét như sau:

- Lập mô hình kết cấu tháp nước chịu tải trọng động;

- Xem xét sự tương tác giữa nước bên trong tháp và kết cấu tháp;

- Mô hình tháp, mô hình cơ học của nước và sự tương tác này;

- Giải bài toán kết cấu chịu tải bằng phương pháp phần tử hữu hạn;

- Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số nghiên cứu đến hiệu quả giảm chấn của kết cấu chính;

7

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, phương pháp nghiên cứu của luận văn được lựa chọn

là lý thuyết Xây dựng cơ sở lý thuyết và thiết lập mô hình bài toán, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và lý thuyết động lực học để giải bài toán, so sánh kết quả với các nghiên cứu trước đây để đánh giá độ tin cậy của lời giải Công cụ để thực hiện cho việc

mô phỏng và phân tích hệ kết cấu tháp nước trong không gian bằng việc thiết lập mô hình và phương pháp phân tích, sử dụng các công cụ mã nguồn mở trong ANSYS để thực hiện các yêu cầu trong luận văn Chi tiết như sau:

- Thiết lập mô hình kết cấu tháp trụ, dùng phần tử khối solid không gian để thu được lời giải tin cậy nhất

- Khảo sát đến sự tương tác của chất lỏng và kết cấu trong không gian với việc khảo sát mô hình tháp nước trong hệ không gian; tìm hiểu các thông số đặc trưng có ảnh hưởng tới tần số dao động tự nhiên, đáp ứng động như chiều cao mực chất lỏng, tải trọng, và có kết hợp với các nghiên cứu trước đây để lựa chọn thông số này

- Khảo sát ảnh hưởng của thông số chiều cao mực nước, từ đó xác định áp dụng cho việc nghiên cứu ứng dụng các thông số đặc trưng của bể chứa nước, trong việc thiết kế thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng cho công trình chịu tải trọng động

- Giải bài toán động lực học trong miền thời gian, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với các giả thuyết cho trước

8

1.4 Cấu trúc luận văn

Luận văn được trình bày trong 5 chương với những nội dung sau:

Chương 1: Nêu vấn đề và lý do lựa chọn đề tài, qua đó trình bày mục tiêu và hướng nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Trình bày tổng quan về các đặc trưng của hệ giảm chấn chất lỏng Sau

đó tìm hiểu về những hướng nghiên cứu đã được thực hiện về hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng Những ứng dụng trong thực tế của hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng

Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết áp dụng đối với hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng Các phương pháp được sử dụng trong việc phân tích hệ kết cấu - chất lỏng trong không gian Lựa chọn mô hình tính toán phù hợp đối với việc phân tích mô phỏng hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng trong không gian

Chương 4: Phân tích các ví dụ số, rút ra được kết quả và so sánh Đánh giá hiệu quả giảm chấn của hệ chất lỏng và kết cấu trong không gian Khảo sát sự ảnh hưởng của thông số chiều cao mực nước bên trong kết cấu đến hiệu quả giảm chấn

Chương 5: Kết luận rút ra từ luận văn, đánh giá được ứng xử của kết cấu trong không gian chịu tác động của tải điều hòa và động đất Đánh giá sự ảnh hưởng của thông

số chiều cao mực nước trong kết cấu đến khả năng kháng chấn của công trình Đồ xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo cho mô hình kháng chấn sử dụng chất lỏng trong không gian

9

CHƯƠNG 2

TỒNG QUAN

2.1 Giói thiệu chương

Chương này giới thiệu tổng quan về thiết bị giảm chấn sử dụng chất lỏng Tuned Liquid Damper (TLD), các công tành sử dụng chất lỏng làm thiết bị giảm chấn Trình bày các hướng nghiên cứu đã thực hiện trên thế giới và trong nước về thiết bị giảm chấn

sử dụng chất lỏng Tù đố tìm ra hướng nghiên cứu đề thực hiện luận văn

2.2 Thiết bị giảm chấn sử dụng chất lỏng

Thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng đã được nghiên cứu và sử dụng từ rất lâu trong lĩnh vực hàng hảỉ từ những năm 1950, trước khi được áp dụng cho việc giảm chấn cho công trình xây dựng Các giảm chấn bằng chất lỏng đầu tiên đã được sử dụng với mục đích là giữ ổn định do chuyển động của tàu thuyền dưới tác động của tải trong động như sóng biển và giố bão Mục đích của việc sử dụng hệ TLD trên tàu bè là để khống chế dao động của do tác động cùa sống biển và gió bão, bằng cách sử dụng hai bể chứa chất lỏng được nối với nhau và có tần số dao động gần với tần số dao động cơ bản của tàu

Hình 2.1: Thiết bị TLD giữ thằng bằng sử dụng cho tàu bè

Sau đỗ hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng được quan tâm nghiên cứu áp dụng trong

10

lĩnh vực xây dựng nhằm giảm sự ảnh hường từ các tác động của tải trọng động như động đất và gió bão Năm 1984, Đauer đề xuất mô hình là bề chứa hình chữ nhật với hai loại chất lỏng không trộn lẫn vào nhau để giảm dao động của kết cấu Kareem và Sun (năm 1987), Modi và Welt (năm 1987) đã đề xuất nghiên cứu và ứng dụng trong công trình xây dựng [35]

2.2.1 Phân loại thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng

Cổ nhiều cách để phân loại thiết bị giảm chấn sử dụng chất lỏng

❖ Khỉ phân theo cơ chế hoạt động thiết bị TLD được chia làm ba loại là: Thiết bị kháng chấn bị động, thiết bị kháng chấn chủ động, thiết bị kháng chấn bán tự động [34]

Thiết bị giảm chấn bị động’ Là các thiết bị giảm chấn mà năng lượng hoạt động

của thiết bị được sinh ra từ chính năng lượng dao động của bản thân công trình, không

cố thêm nguồn năng lượng nào khác từ bên ngoài tác động vào Sự tiêu tán năng lượng thông qua hiện tượng ma sát và chuyển động của chất lỏng, các loại thiết bị giảm chấn này thường được cấu tạo từ những vật liệu có khả năng nội ma sát lớn, hoặc có độ cản nhớt

Hình 2.2: Thiết bị TLD dạng bị động

Thiết bị giảm chấn chủ động: Là thiết bị hoạt động và được điều khiển thông qua

một bộ phận điều khiển bên ngoài Bộ phận xử lý tín hiệu nhờ các cảm biến về dao động

sẽ được cấp các thông số đầu vào và tập hợp phân tích tính toán tại bộ vỉ xử lý trung tâm

hệ thống gặp sự cố

Hình 2.3: Thiết bị TLD dạng chủ động

Thiết bị giảm chấn bán chủ động: Đây là thiết bị kháng chấn kết hợp hai loại thiết

bị kháng chấn trên, trong đỏ thiết bị điều khiển đống vaỉ trò điều tiết tác động bên ngoài lên công trình trong cảc trường hợp nhất định

♦♦♦ Khi phân loại theo dạng điều chình sống, hệ giảm chấn được chia làm hai loại là: hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sống bề mặt Tuned Sloshing Damper (TSD)

và hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng Tuned Liquid Column Damper (TLCD) [35]

Hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sóng chất lỏng bề mặt (TSD): Là hệ mà

năng lượng truyền vào kết cấu được tiêu tán thông qua sự chuyển động của sóng bề mặt chất lỏng và thông qua ma sát ở tầng biên của chất lỏng, có thể sinh ra hiện tượng sóng

vỡ khi dao động sóng không ổn định Các sóng chất lỏng bề mặt vượt khỏi mặt dao động sóng hoặc do va đập vào thành bể sinh ra Trong những trường hợp này chuyển động

và ngược lại [33], Đối với thiết bị TLD có mực nước nông sự tiêu tán năng lượng dựa vào cơ chế chuyển động của sóng ở bề mặt và các hiện tượng sóng vỡ Đối với thiết bị TLD có mực nước sâu thì các vách ngăn hoặc màng ngăn thường được thêm vào để điều khiển dao động sóng, do đó sự tiêu tán năng lượng của TLD có mực nước sâu phụ thuộc vào cơ chế hoạt động của chất lỏng, vị trí của vách ngăn, kích thước và hình dạng vánh ngăn

Hệ giảm chẩn điều chỉnh cột chất lỏng: Chất lỏng chứa bên trong thùng chứa dạng

ống, với hai cột chất lỏng thông với nhau (hình 2.4) Hình dạng thùng chứa có thể thay đổi sao cho phù hợp với từng loại công trình, tính cản của TLCD có thể được kiểm soát thông qua việc thay đổi hình dạng của cột chất lỏng hoặc nhờ điều chỉnh lỗ mở giữa hai cột chất lỏng, nhằm điều chỉnh tần số của TLCD phù hợp với tần số dao động của kết cấu Để giảm chuyển động theo hai phương thiết bị TLCD có thể kết hợp hai thiết bị TLCD lại với nhau (hình 2.5) (Double Tuned Liquid Column Dampers - DTLCD) [35]

13

Hình 2.6: Thiết bị TLD hình tròn Hình 2.7: Thiết bị TLD hình chữ nhật

Thiết bị kháng chấn bằng chất lỏng TLD cố nhiều hình dạng khác nhau nhưng thông thường sử dụng bể chứa hình chữ nhật và hình trụ tròn Vì những hình dáng này thường dễ tính toán và lắp đặt hơn so với các mô hình phức tạp khác

Hình 2.4: Thiết bị giảm chấn cột chất

lỏng (TLCD)

Hình 2.5: Thiết bị giảm chấn cột chất lỏng theo hai phương (DTLCD)

ơ

14

2.2.2 Các công trình sử dụng hệ TLD làm thiết bị giảm chấn

Hệ giảm chấn TLD đã được nghiên cứu ứng dụng trong ngành xây dựng, áp dụng nhiều cho các công trình cao tầng và các kết cấu có độ mảnh lón để giảm tác động cùa giỏ và động đất Một số công trình trên thế giới áp dụng TLD trong thiết kế kháng chấn

là tòa nhà Once Wall Center (hình 2.5), ở Vancouver, British Columbia, Canada vối 48 tầng, chiều cao công trình 157.8 m sử dụng hai bể chứa đặc biệt, mỗi bể có khoảng 189.250 lít nước đặt ở tầng trên cùng của công trình Tòa nhà One Rincon Hill (hình 2.6 ), ở San Fransisco, California, USA Được hoàn thành năm 2008 với 68 tầng cao 195m

sử dụng bể chứa nước sinh hoạt làm thiết bị giảm chấn

Hình 2.8: Once Wall Center ở Vancouver, British Columbia, Canada

(nguồn Wikipedia)

Hình 2.9: One Rincon Hill Ở San Fransisco, California, USA (nguồn Wikipedia)

15

Nhiều công trình ở Nhật Bản đã sử dụng rất hiệu quả thiết bị giảm chấn TLD trong việc hạn chế tác động do giỏ và động đất gây ra Một số công trình điển hình sử dụng TLD được liệt kê trong bảng sau:

Bảng 2.1 Cấc công trình sử dụng TLD tạỉ Nhật Bản [34]

16

Tại Việt Nam công trình đầu tiên sử dụng thiết bị Multiple Tuned Liquid Damper (MTLD) giảm dao động do gió bão là cầu Bãi Cháy, ờ tỉnh Quảng Ninh Với 344 thùng chứa có các mực chát lỏng khác nhau được lắp đặt ở cả hai tháp của cầu [34]

2.3 Tổng quan về tài liệu giảm chấn sử dụng chất lỏng

Hình 2.10: Khách sạn Shin Yokohama,

Nhật Bản (nguồn Wikipedia)

Hình 2.11: Tháp hàng không Nagasaki, Nhật Bản (nguồn Wikipedia)

El

Hình 2.12: cầu Bãi Cháy, Quảng Ninh, Việt Nam