Ứng dụng bể chứa chất lỏng có thành mỏng trong việc kháng chấn và điều khiển dao động công trình tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÙI PHẠM ĐỨC TƯỜNG ỨNG DỤNG BỂ CHỨA CHẤT LỎNG CÓ THÀNH MỎNG TRONG VIỆC KHÁNG CHẤN VÀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÙI PHẠM ĐỨC TƯỜNG

ỨNG DỤNG BỂ CHỨA CHẤT LỎNG CÓ THÀNH MỎNG TRONG VIỆC KHÁNG CHẤN

VÀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG CÔNG TRÌNH

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGÀNH: CƠ KỸ THUẬT

MÃ SỐ: 9520101

Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2020

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Ngày tháng năm 2020

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 5

1.1 Giới thiệu về thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng 5

1.2 Các nghiên cứu đã thực hiện với thiết bị giảm chấn chất lỏng (Tuned Liquid Damper – TLD) 5

1.3 Mục đích của Luận Án 6

1.4 Tính mới của Luận Án 6

1.5 Tóm tắt Luận Án 7

CHƯƠNG 2 8

2.1 Giới thiệu 8

2.2 Các thông số đặc trưng quan trọng của TLD 8

2.2.1 Tần số dao động riêng của sóng chất lỏng 8

2.2.2 Biên độ dao động của sóng chất lỏng 10

2.2.3 Áp suất thành bể và lực cắt đáy bể 11

2.3 Phân tích hiệu quả giảm chấn MTMD tương tự MTLD 12

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của MTMD 12

2.3.2 Phương pháp điều khiển 13

2.3.3 Tính toán khung chịu dao động 14

2.3.4 Ứng dụng PP PTHH cho hệ MDOF sử dụng MTMD 15

2.3.5 Ví dụ áp dụng 16

2.3.6 Kết luận hiệu quả giảm chấn MTMD 22

2.4 Phương pháp quy đổi MTLD tương đương MTMD 23

2.4.1 Phương pháp khối lượng tập trung 23

2.4.2 Đặc trưng cản của sóng chất lỏng 24

2.4.3 Ứng dụng SAP2000 khi quy đổi TLD 24

2.5 Tóm tắt chương 2 27

CHƯƠNG 3 29

3.1 Tầm quan trọng của tương tác chất lỏng – thành bể 29

3.2 Phương pháp giải tích phân tích đặc trưng bể chứa mềm 29

3.3 Tính toán áp lực bể chứa thành mềm theo Tiêu Chuẩn 30

3.4 PP PTHH phân tích đặc trưng riêng bể chứa có xét FSI 30

3.5 Ví dụ tính toán tính toán bằng phương pháp số 35

3.6 Tóm tắt chương 3 37

CHƯƠNG 4 39

4.1 Giới thiệu chung 39

4.2 Các nghiên cứu giảm chấn kết cấu sử dụng TLD có xét FSI 39

4.3 Phương pháp PTHH phân tích quá độ khi có MTLD 39

4.4 Tối ưu các tham số trong thiết kế TLD 42

4.5 Ví dụ phân tích khả năng giảm chấn của MTLD 43

4.6 Ảnh hưởng của thành bể mềm đến đặc trưng riêng và sự làm việc TLD 49 4.6.1 Khung chịu tải điều hòa 50

4.6.2 Khung chịu động đất Elcentro 52

4.7 Tóm tắt chương 4 55

CHƯƠNG 5 57

5.1 Giới thiệu 57

5.2 Cơ sở lý thuyết chế tạo bàn lắc (shaking table) 57

5.3 Thiết lập mô hình thí nghiệm 58

5.4 Tiến hành thí nghiệm khung trên bàn lắc 60

5.5 Tóm tắt chương 5 65

CHƯƠNG 6 66

6.1 Kết Luận 66

6.2 Kiến nghị 67

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng

Các thiết bị giảm chấn hiện nay có rất nhiều loại: chủ động, bị động, bán chủ động [1] … Thiết bị giảm chấn chất lỏng-Tuned Liquid Damper (TLD) làm việc dựa trên nguyên tắc như Hình 1 1

Hình 1 1 Nguyên lý hoạt động TLD

1.2 Các nghiên cứu đã thực hiện với thiết bị giảm chấn chất lỏng

Có các hướng nghiên cứu chính đối với thiết bị TLD Đó là:

 Ứng dụng bể chứa chất lỏng trong việc điều khiển dao động

 Thiết kế bể có kể đến tương tác sóng chất lỏng-thành bể (FSI)

 Thiết kế giảm chấn sử dụng MTLD có xét FSI

 Thí nghiệm khả năng làm việc MTLD

Thông qua việc tóm tắt các hướng nghiên cứu chính, có thể rút ra một số nhận xét như sau:

 TLD hoặc Multiple-TLD là công cụ hiệu quả giúp điều khiển dao động công trình, các đặc trưng riêng của TLD đã được khảo sát bằng nhiều phương pháp giải tích lẫn FEM Tuy nhiên vẫn còn một vài điểm cần nghiên cứu thêm Việc so sánh mô phỏng số với thí nghiệm trên bàn lắc còn tương đối ít ở Việt Nam

 Quy trình thiết kế MTLD trong việc nâng cao hiệu quả giảm chấn và tối ưu bài toán thiết kế cần đơn giản nhưng phải đủ độ chính xác Ngoài

ra sau khi thiết kế, cần đánh giá áp lực động của sóng trong bể đặc biệt

là bể thành mềm Có không nhiều các nghiên cứu tập trung vấn đề này

Structure Liquid motion Liquid motion

 Vấn đề tương tác chất lỏng và thành bể đối với TLD chỉ được khảo sát gần đây Sự tương tác này ảnh hưởng lớn đến hiệu quả làm việc của thiết bị thông qua tần số bể và áp lực nước tác dụng lên thành bể Ngoài

ra các Tiêu Chuẩn xây dựng chưa cho thấy tầm quan trọng đặc trưng động lực học của bể chứa nói chung và TLD nói riêng [2]

 Cuối cùng là việc nghiên cứu bằng thực nghiệm khả năng giảm chấn của thiết bị còn rất hạn chế ở Việt Nam mặc dù TLD cho thấy sự phù hợp rất tốt trong điều kiện xây dựng tại Việt Nam

1.3 Mục đích của Luận Án

Từ những nhận xét trên, Luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

 Phân tích ảnh hưởng của vấn đề thành bể từ dày (cứng) tới mỏng (mềm) đến đặc trưng riêng và áp lực động của sóng lên thành bể khi bể chứa chất lỏng chịu tải trọng động đất

 Ứng dụng phương pháp FVM/FEM trong đó FVM mô phỏng miền chất lỏng kết hợp FEM mô phỏng miền kết cấu để phân tích phản ứng dao động của công trình sử dụng TLD/MTLD làm thiết bị giảm chấn

 Khảo sát khả năng điều khiển dao động của TLD/MTLD có xét tương tác đa trường đặc biệt trong trường hợp thành bể đủ mỏng (mềm) dẫn đến thiết bị làm việc không đúng theo thiết kế

 Thí nghiệm trên bàn lắc khảo sát phản ứng động của kết cấu khi có sử dụng và không sử dụng TLD Kết quả thí nghiệm được so sánh với mô phỏng số

 Đề xuất quy trình thiết kế MTLD để tiết kiệm tài nguyên tính toán

1.4 Tính mới của Luận Án

 Đề xuất quy trình thiết kế MTLD có xét FSI bằng cách áp dụng phương pháp khối lượng tập trung để lựa chọn ban đầu số lượng TLD, chiều cao nước, kích thước bể chứa sau đó kết hợp phương pháp FVM/FEM phân tích phản ứng động của kết cấu

 Khẳng định sự ảnh hưởng đáng kể của vấn đề thành bể mềm khi xét FSI đến đặc trưng riêng của bể chứa và áp lực sóng chất lỏng tác dụng lên thành bể Đây là điểm cần lưu ý đối với kỹ sư thiết kế bể chứa chất lỏng nói chung và thiết kế TLD nói riêng

 Thí nghiệm kiểm tra khả năng của TLD/MTLD trong việc điều khiển dao động kết cấu bằng bàn lắc tự chế tạo

1.5 Tóm tắt Luận Án

Luận án chia làm 6 chương trình bày lần lượt các vấn đề:

Chương 1 giới thiệu TLD và các nghiên cứu đã thực hiện trước đây Sau đó trình bày mục đích cũng như hướng nghiên cứu trong Luận Án Chương 2 trình bày phương pháp giải tích tính toán thông số đặc trưng

bể chứa chất lỏng như tần số dao động riêng, chiều cao sóng, áp suất chất lỏng tác dụng lên thành bể Sau đó xem MTLD như thiết bị giảm chấn khối lượng Multi Tuned Mass Damper-MTMD nhằm mục đích phân tích đơn giản và lựa chọn nhanh chóng hệ thiết bị (chọn tỷ số khối lượng thiết bị với kết cấu, số lượng bể chứa, băng tần số …) Cũng trong chương này, phương pháp quy đổi MTLD thành MTMD của Sun và cộng sự (1995) [3] kết hợp

đề xuất của Novo và cộng sự (2014) [4] được áp dụng để mô phỏng toàn

bộ cơ hệ bằng SAP2000, kết quả cho thấy khả năng giảm chấn của MTLD

là đáng kể

Chương 3 phân tích tầm quan trọng của việc xét tương tác chất thành bể đặc biệt đối với thành bể mềm khi bể chứa chất lỏng dao động Phân tích bể chứa chất lỏng chịu động đất bằng nhiều tiêu chuẩn thiết kế khác nhau (ACI, Eurocode, Indian Standard) có xét yếu tố thành bể mềm,

lỏng-từ đó đưa ra một vài nhận xét đóng góp để các tiêu chuẩn thiết kế bể chứa chất lỏng nói chung và thiết kế TLD nói riêng có thể hoàn thiện hơn Tất

cả các thông số quan trọng của bể chứa và áp lực động của sóng được tính toán bằng phương pháp FVM/FEM, kết hợp so sánh với nghiên cứu của các tác giả khác

Chương 4 phân tích khả năng giảm chấn công trình chịu tải trọng động xét tương tác đa trường trong trường hợp có sử dụng và không sử dụng MTLD để giảm chấn Thêm vào đó, khảo sát TLD trong khung thép 8 tầng

có xét FSI đặc biệt khi thành bể mỏng (làm thay đổi đặc trưng của TLD) làm thiết bị mất khả năng làm việc

Chương 5 thí nghiệm kiểm tra sự làm việc của khung thép 1 tầng dưới tác dụng của tải trọng động khi sử dụng và không sử dụng MTLD và khả năng tắt dần dao động khi khung dao động tự do

Chương 6 tóm tắt các kết luận rút ra được từ Luận Án và một số hướng nghiên cứu tiếp theo trong tương lai

CHƯƠNG 2 KHẢ NĂNG GIẢM CHẤN CỦA HỆ THIẾT BỊ ĐA TẦN MTLD 2.1 Giới thiệu

Nguyên lý làm việc TLD tương tự thiết bị giảm chấn con lắc ngược (Tuned Mass Damper – TMD)

Nguyên lý của Thiết bị giảm chấn TLD hoàn toàn tương tự TMD

Nội dung chương 2 gồm ba vấn đề chính là: (1) phân tích các đặc trưng riêng của bể chứa nói chung và MTLD nói riêng để có thể quy đổi MTLD thành MTMD; (2) ứng dụng FEM phân tích hệ nhiều bậc tự do MDOF sử dụng MTMD và (3) mô hình quy đổi MTLD thành MTMD từ (1) kết hợp SAP2000 mô phỏng kết cấu có sử dụng MTMD đánh giá khả năng giảm chấn và so sánh thí nghiệm

2.2 Các thông số đặc trưng quan trọng của TLD

2.2.1 Tần số dao động riêng của sóng chất lỏng

Hình 2 2 Quan hệ chiều cao chất lỏng và tần số riêng của bể

Đồ thị ở Hình 2 2 cho thấy khi h tăng thì tần số bể chứa chất lỏng tăng theo, tuy nhiên đến một chiều cao h nhất định tần số trong bể chứa không còn tăng nữa Lúc đó để tăng h phải thay đổi kích thước bể

Ví dụ 2.2: Bể chứa chất lỏng có kích thước như hình vẽ

Hình 2 3 Bể chứa chất lỏng 7.776 m3 (thông thuỷ 18mx48mx9m)

 Chiều dài L Y 50 (m), rộng L X 20 (m), cao H Z 10 (m), bề dày thành tw  1( ) m , mực nước h  9 (m)

0.4

0.6

0.8

1 1.2

 Bê tông 3

2400 ( kg m / )

  , module E  2.1 10 ( /  10 N m2), hệ số poisson  0.17, tỉ số cản   3%

Khi đó tần số dao động riêng của bể là:

2.2.2 Biên độ dao động của sóng chất lỏng

Chiều cao sóng chất lỏng ảnh hưởng đến áp suất chất lỏng tác dụng lên thành bể, từ đó ảnh hưởng đến giá trị lực cắt đáy Đây là lực đưa kết cấu về

vị trí cân bằng khi kết cấu chịu tải trọng động Theo [6], chiều cao sóng 

được tính như sau:

2 2

Hình 2 5 Chiều cao sóng tại tần số cộng hưởng f=1.11Hz lời giải giải

tích và ANSYS

2.2.3 Áp suất thành bể và lực cắt đáy bể

Áp suất của chất lỏng ở vị trí bất kỳ (bỏ qua áp suất tĩnhgz) là:

Hình 2 6 Lực cắt đáy tác dụng lên bể F=Po + Pn

Áp suất chất lỏng ở xL/ 2 là:

-0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15

 

2 2

L L

Ví dụ 3b: Bể 0.2m x 0.3m có chiều cao chất lỏng h, chịu dao động điều

hoà X t( )X osint3.0mmsint Tính áp suất chất lỏng

Hình 2 7 Áp lực sóng tại tần số cộng hưởng f=1.1Hz, x=L/2

2.3 Phân tích hiệu quả của thiết bị giảm chấn đa tần

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của MTMD

Các nghiên cứu trước đây chỉ dừng lại ở việc xét hệ một bậc tự do- SDOF

có 1-TLD (Hình 2 8) hoặc SDOF có nhiều bể chứa chất lỏng làm việc như thiết bị kháng chấn (Multi Tuned Liquid Dampers – MTLD) hoặc hệ nhiều

bậc tự do (Multi Degree of Freedom – MDOF) với 1-TLD (Hình 2 9)

Hình 2 8 Hệ SDOF có gắn thêm 1-TLD

-0.3

-0.15

0 0.15

x(t)

K0

C0

k c

Hình 2 9 Hệ MDOF có gắn thêm n-TLD

Trong nghiên cứu này thì hệ MDOF có MTMD được sử dụng để giảm chấn khi cơ hệ chịu tải trọng động Thông qua nghiên cứu khả năng kháng chấn của MTMD, sẽ tối ưu hoá được MTLD Từ đó xác định được số lượng tối

ưu bể chứa và dãi tần số MTLD hoạt động hiệu quả

2.3.2 Phương pháp điều khiển

Hình 2 10 Sơ đồ tính của hệ MDOF và n-TLD

Hình 2 11 Kết cấu được điều khiển dao động bởi MTLD

Tần số tự nhiên của 1-TLD tính từ mục 2.2 là:

1

tanh2

với dải tần sốF  f f1, 2, f3, , fs, , fN tương ứng là các tần số riêng (theo thứ tự tăng dần) được tạo ra nhờ tập hợp các bể chứa đơn, Như vậy

vấn đề đặt ra là miền F xác định như thế nào là hiệu quả nhất Sự phân bố

tần số của hệ MTLD có thể được đặc trưng bởi ba thông số: (1) tần số trung tâm fo , (2) bề rộng băng tần R , và (3) khoảng tần số  Hình 2 12 ibiểu diễn dải tần số trong hệ MTLD

12

Hình 2 12 Mô hình tương tác kết cấu sử dụng MTLD

2.3.3 Tính toán khung chịu dao động

Hình 2 13 mô hình MTLD làm việc trong dãi tần số

Trong đó X X1 X2 X N = vecto chuyển vị với X i chuyển vị

tại tầng thứ i, F blà lực cắt đáy của TLD và P t = vecto lực kích thích M

C K là các ma trận trực chuẩn Vec tơ xác định lực kích động nền:

 t  M0 1z z t0  

i i

NM M

a Phân tích bài toán trên miền tần số

Đầu tiên, phương trình dao động của cơ hệ được tính toán với TMD để có thông số tối ưu cho tần số trung tâm và hệ số cản của TMD Sau đó, giải quyết bài toán với hệ n-TMD với tần số trung tâm bằng với tần

1-số của hệ cản TMD vừa giải quyết ở trên

Bảng 2 1 Tối ưu kết quả cho hệ 1-DOF

n

1

c n

Hình 2 15 Đáp ứng tần số của hệ 1 bậc tự do 1DOF

Hình 2 16 Đáp ứng tần số của hệ 5DOF

Hình 2 17 Đáp ứng tần số của hệ 10 bậc tự do 10DOF

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 0

5 10 15

0 50 100 150

0 200 400 600 800 1000

b Phân tích kết cấu chịu tải điều hòa

Chuyển động nền điều hòa như sau:

  0sin

Hình 2 18 Dao động điều hòa

Kết quả được chỉ ra ở Hình 2 19, Hình 2 20, Hình 2 21 cho đáp ứng chuyển vị đỉnh của công trình Sau khi điều khiển, hệ MTLD chứng tỏ phát huy rất tốt khả năng điều khiển dao động điều hòa

Hình 2 19 Chuyển vị đỉnh hệ SDOF khi không & có MTLD

Hình 2 20 Chuyển vị đỉnh hệ 5DOF khi có và không có MTLD

0 5 10 15 20 25 30 -60

-40 -20 0 20 40 60

-1000

-500 0 500 1000 1500

Hình 2 21 Chuyển vị đỉnh hệ 10DOF khi có và không có MTLD

Để thấy rõ được khả năng giảm dao động và tính ổn định của MTLD, khảo sát cơ hệ có 5 bậc tự do và được điều khiển dao động với MTLD Kết quả được thể hiện ở Hình 2 22

Hình 2 22 Hệ 5 bậc tự do có sử dụng MTMD

Kết quả cho thấy công trình càng sử dụng nhiều TMD thì càng giảm chấn tốt, tuy nhiên giữa 11-21-31TMD không có sự chênh lệch nhiều về hiệu quả giảm chấn, nên có thể xem 11 TMD là tối ưu

0 5 10 15 20 25 30 -7500

-5000

-2500

0 2500 5000 7500

c Kết cấu chịu tải trọng động đất

Tín hiệu động đất thể hiện trong Hình 2 23

Đồ thị ở

Hình 2 24 chỉ ra rằng dao động khung khi có MTLD được giảm đáng kể

so với khi không sử dụng thiết bị điều khiển, đặc biệt sau 7 giây Càng nhiều bể chứa chất lỏng thì chuyển vị đỉnh càng giảm thêm Tuy nhiên 11 TLD được xem là số lượng tối ưu vì tăng thêm TLD, hiệu quả tăng không đáng kể

2.3.6 Kết luận hiệu quả giảm chấn MTMD

Điều khiển bị động cho công trình chịu tải trọng điều hòa kích thích bằng cách sử dụng hệ MTMD với phương pháp xem các bể chứa chất lỏng như quả nặng khối lượng đã được nghiên cứu, phát triển và lập trình tính toán trong phần này

Khi phân tích đáp ứng trên miền tần số, đồ thị Hình 2 15 cho thấy nếu công trình không sử dụng thiết bị kháng chấn thì chuyển bị đỉnh tiến đến vô hạn khi   0 Tuy nhiên, nếu công trình được điều khiển bởi 1-TMD (Hình 2 15, Hình 2 16 và Hình 2 17) thì xuất hiện 2 giá trị cực đại của chuyển vị đỉnh, và nếu sử dụng nhiều TMD hơn nữa thì đường đáp ứng trên miền tần số có độ dốc giảm dần và tiến đến nằm ngang

Kết quả tương tự đối với phân tích đáp ứng trên miền thời gian; Đồ thị ở Hình 2 19, Hình 2 20, Hình 2 21 và Hình 2 22 cho thấy càng nhiều

TMD thì điều khiển dao động càng hiệu quả, tuy nhiên khi số TMD lớn hơn 11 thì hiệu quả giảm chấn thay đổi không đáng kể, vì vậy số TMD trong ví dụ này tối ưu là 11

Hình 2 24 cho thấy với tải động đất, MTMD có tác dụng điều khiển dao động tốt, càng nhiều TMD thì khả năng điều khiển dao động của thiết

bị càng cao 11 TMD tiếp tục được khẳng định là số lượng tối ưu

2.4 Phương pháp quy đổi MTLD tương đương MTMD

2.4.1 Phương pháp khối lượng tập trung

Hình 2 25 Mô hình quy đổi bể chứa chất lỏng thành hệ m-c-k

Đối với bể chứa chữ nhật, các thông số này có thể được quy đổi theo công thức của Jin và cộng sự [7]:

 

 0

f f f

f f

1

2

1 0 33

2 2

f

f f

f

m L / .

M h

H h

m L L

Với M là tổng khối lượng nước bể chứa,  2 0. và  1 33. là những

hệ số do momen uốn do áp lực thuỷ động tác dụng

2.4.3 Ứng dụng SAP2000 khi quy đổi TLD

Quy đổi hệ TLD thành TMD dựa trên các giả thiết sau:

1) Một liên kết lò xo đặc trưng cho sự cản được định nghĩa nhằm mục đích mô phỏng tính chất cản tương đương cho một TLD

2) Mỗi một lò xo được liên kết với hệ kết cấu bể chứa thông qua một phần tử thanh có độ cứng k theo công thức số (2.26)

3) Khối lượng tập trung được sắp xếp với phần khối lượng tĩnh nằm ở cuối mô hình còn khối lượng động lực nằm ở trung tâm

Hình 2 26 Biểu đồ mô hình TLD quy đổi thành TMD tương đương

Ví dụ: Khung thép 1.1m với sàn dày 5mm kích thước 0.65x0.65 như hình

2.28, chịu tải điều hoà và động đất Tính toán chuyển vị đỉnh khung trong

trường hợp có và không sử dụng thiết bị kháng chấn

Khung thép thí nghiệm Khung thép mô phỏng số

Hình 2 27 Khung thép 1 tầng

Kết quả chuyển vị đỉnh khung

Hình 2 28 Chuyển vị đỉnh khung với MTLD với SAP2000

Trường hợp có 1,3,5 TLD

Hình 2 29 Hiệu quả kháng chấn khi sử dụng MTLD

 Khung thép chịu dao động nền kích thích

Khung thép chịu tải trọng động đất với gia tốc nền như bên dưới

0 10 20 30 40

Thí nghiệm giảm chấn MTLD

1TLD - TN 3TLD - TN 5TLD - TN

Hình 2 30 Gia tốc đỉnh khung sử dụng dùng trong phân tích

Hiệu quả MTLD thí nghiệm

W/O TLD 1TLD 3TLD 5TLD

Tất cả các đặc trưng quan trọng của bể chứa chất lỏng được khảo sát

và tính toán đặc biệt nhấn mạnh đến tần số dao động riêng của bể chứa, chiều cao của sóng chất lỏng khi dao động cũng như áp lực của sóng tác dụng lên thành bể Tất cả các thông số được tính toán bằng lời giải giải tích kết hợp đối chiếu phương pháp phần tử hữu hạn có sự hỗ trợ của ANSYS lẫn kết quả đi trước cho thấy sự đúng đắn trong việc phân tích các đặc trưng riêng của bể chứa chất lỏng Từ đó có thể khẳng định rằng phần mềm ANSYS có độ chuẩn xác cao, được lựa chọn để sử dụng cho việc mô phỏng tính toán xuyên suốt nghiên cứu này

Thiết bị giảm chấn chất lỏng MTLD được quy đổi thành thiết bị giảm chấn khối lượng MTMD nhằm mục đích điều khiển dao động kết cấu khi chịu tải trọng dao động điều hoà và dao động nền kích thích Kết quả từ đồ thị Hình 2 29 và Hình 2 31 cho thấy khả năng làm việc rất tốt của thiết bị khi tỷ số khối lượng TLD bằng 1-5% khối lượng kết cấu và dải tần số nằm trong khoảng   R 0 0.2 Việc quy đổi tương đương giữa MTLD và MTMD là hoàn toàn phù hợp khi so sánh với kết quả dao động trên bàn lắc, đặc biệt đối với dao động điều hoà, chuyển vị đỉnh kết cấu giữa thí nghiệm

và mô phỏng số trên SAP2000 cho thấy sự đồng nhất cao

Đối với dao động nền kích thích, chuyển vị đỉnh khung tuy chưa cho giá trị như nhau tại mỗi thời điểm nhưng chuyển vị đỉnh cực đại bằng nhau Kết quả phân tích với khung 1.1x1.1m cho số lượng bể đa tần tối ưu là 5

bể Bằng phương pháp mô phỏng số các kỹ sư thiết kế có thể tính toán nhanh số lượng bể chứa tối ưu cho một công trình, kích thước các bể và tỷ

số khối lượng chất lỏng-kết cấu, việc này giúp tiết kiệm thời gian rất nhiều

so với việc mô phỏng bể chứa chất lỏng và tính toán Nguyên nhân là vì khi giải quyết bài toán tương tác đa trường kết cấu-bể chứa-chất lỏng nếu không được định hướng các thông số tối ưu của thiết bị MTLD thì sẽ mất rất nhiều chi phí và thời gian tính toán

Phương pháp khối lượng tập trung thiết kế MTLD trình bày trong chương này là đơn giản, dễ áp dụng bằng cách thay đổi chiều cao mực nước trong bể Hạn chế của phương pháp quy đổi là chưa xét được sự tương tác giữa dao động của sóng chất lỏng và thành bể đàn hồi mà dựa trên giả thiết thành bể chứa là tuyệt đối cứng

CHƯƠNG 3

BỂ CHỨA CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG CÓ XÉT TƯƠNG TÁC

CHẤT LỎNG – THÀNH BỂ 3.1 Tầm quan trọng của tương tác chất lỏng – thành bể

Phân tích FSI đối với bể thành mềm khi bể chứa chất lỏng đóng vai trò thiết bị giảm chấn TLD là một trong những nét mới của Luận Án

3.2 Phương pháp giải tích phân tích đặc trưng bể chứa mềm

Điều kiện biên dọc thành bể cần được thoả mãn bởi hàm thế sau đây:

1 1

n

f

n n

2 4

Giả sử chất lỏng luôn tiếp xúc với thành bể trong suốt quá trình dao động thì phương trình (2.28) phải luôn thoả mãn với x   a 2 Kết quả của điều kiện biên này dẫn đến hệ

00

Sau khi giải quyết được được (2.34) thì có thể viết lại U là phương trình

dao động của thành bể trong quá trình tương tác rắn lỏng

3.3 Tính toán áp lực bể chứa thành mềm theo Tiêu Chuẩn

Hình 3 1 Đồ thị so sánh áp lực động chất lỏng tiêu chuẩn thiết kế

3.4 PP PTHH phân tích đặc trưng riêng bể chứa có xét FSI

3.4.1 Giới thiệu tổng quan

Bể thành mềm t=1.0 m

Bể tuyệt đối cứng

Hình 3 2 Tương tác một chiều và hai chiều của thành bể

Trong Luận Án, phương pháp tích phân trực tiếp ngầm ẩn được lựa chọn

3.4.2 Phương trình dao động cho bể chứa và chất lỏng xét FSI

Xem xét hệ kết cấu có n bậc tự do dao động theo hướng như Hình 3 2

Hình 3 3 Hệ có n bậc tự do dao động theo phương y

Phương trình cân bằng nội ngoại lực là:

 M U t  C U  K U f t   (2.35)

Với {f(t)} là ngoại lực tác dụng vào kết cấu

Nếu có thêm gia tốc nền tác dụng vào trong hệ, (2.35) viết lại thành:

 M U t  C U  K U f t   M U g (2.36)

Khi ngoại lực tác dụng vào kết cấu là chất lỏng, {f(t)} có thể phân ra thành

áp suất động lực chất lỏng {f} và phần còn lại của ngoại lực là {f1} (2.36)

có thể viết lại thành:

3.4.3 Phương trình trường cặp đôi hệ chất lỏng – thành bể mềm

Ma trận trường cặp đôi mô tả áp suất chất lỏng và lực là:

{f} là lực do áp suất động lực chất lỏng tác dụng lên thành bể gây ra

Hình 3 3 chỉ ra phần tử đường thẳng mô tả biên tương tác Đối với phần tử

có độ dày đơn vị như trong Hình 3 4, có thể viết lại như sau:

1 1

2 2

T e

u v

u v

Hình 3 4 Phần tử tương tác trên biên chất lỏng – thành bể

Viết lại u và v rút ra dạng dao động của kết cấu:

Q

 

  &  e

p là ma trận trường cặp đôi & áp suất sóng trên mặt tiếp xúc

Ma trận trường cặp đôi tổng quát  Q có bằng cách tập hợp e

s f s f s

3.4.4 Phân tích quá độ cho cho hệ bể chứa chất lỏng

Giả thiết rằng nước trong bể là không nén được và bỏ qua độ nhớt, cơ chế chuyển động của sóng biên độ nhỏ như sau:

Trong đó Hl là chiều cao của sóng chất lỏng

Sử dụng sự rời rác hoá phần từ sau đó thế (2.47) và (2.48) vào (2.49), thu được phương trình áp suất chất lỏng ở dạng ma trận như sau:

Lực {F} phụ thuộc điều kiện biên của mặt tiếp xúc chất lỏng – bể chứa và

có thể tính toán được bằng cách sử dụng phương trình (2.48):

3.5 Ví dụ tính toán tính toán bằng phương pháp số

Bể 20x50x9m có độ dày thành bể thay đổi thì tần số dao động riêng khi có xét FSI sẽ thay đổi theo Điều này thể hiện qua bảng 3.1 và Hình 3 5

Bảng 3 1 Ảnh hưởng của độ dày thành đến tần số riêng của bể

STT Độ dày

thành (m)

Tần số riêng khi có xét FSI (Hz)

Tần số riêng khi không xét FSI (Hz)

Hình 3 5 Ảnh hưởng của FSI đến tần số riêng của bể

Độ dày thành bể không chỉ ảnh hưởng đến tần số tự nhiên của bể mà còn làm áp lực động tác dụng lên bể cũng thay đổi Điều này được chỉ ra ở Hình

3 6 Điều này phù hợp với kết luận gần đây của Kabiri và cộng sự, ở [2], tác giả khẳng định việc tính toán áp lực động tác dụng lên bể khi thiết kế cần kể đến tần số tự nhiên của bể chứa chất lỏng

Hình 3 6 Ảnh hưởng FSI đến áp lực động của sóng

Hình 3 7 So sánh kết quả áp lực lên thành bể với nghiên cứu của

Hình 3 8 Áp lực bể lớn nhất tại độ dày thành t=1.05m

3.6 Tóm tắt chương 3

Trong chương 3, các thông số đặc trưng chính của bể chứa chất lỏng như tần số tự nhiên, chiều cao sóng và áp lực động có xét FSI đã được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các đặc trưng khác của bể đều được tính toán thông qua các thông số chính này, có thể xem thêm tại nghiên cứu của Sun (1991) [8]

Việc phân tích, thiết kế bể chứa chất lỏng bằng các tiêu chuẩn khác nhau được làm rõ qua ví dụ, kết quả cụ thể ở đồ thị Hình 3 6 Các tiêu chuẩn phổ biến ngày nay hầu hết đều dựa trên mô hình cơ học tương đương của Housner (1963) [5] Tuy nhiên các tiêu chuẩn đều xem xét sự tương tác

là một chiều, và chỉ có sự tác động của sóng chất lỏng lên thành bể mềm (FSI 1-chiều), còn sự dao động của thành bể mềm ảnh hưởng ngược lại dao động sóng chưa được xem xét (FSI 2-chiều) Để xét FSI 2-chiều, trong chương này, phương trình trường cặp đôi có chứa ma trận tương tác mô tả

sự biến dạng thành bể đàn hồi trong quá trình dao động được thiết lập cho phương pháp phần tử hữu hạn

Ví dụ trình bày trong chương cho thấy sự ảnh hưởng của tw đến tần số dao động riêng khi xét FSI Mở rộng hơn, chính sự thay đổi tần số tự nhiên

sẽ làm cho bể chứa chất lỏng khi đóng vai trò thiết bị kháng chấn TLD

Tuyệt đối cứng có xét FSI

Tuyệt đối cứng không xét FSI