Khảo sát hiệu quả giảm chấn của hệ cản bể chất lỏng khi có xét đến sự làm việc phi tuyến của kết cấu

TLD được mô hình như hệ TMD Tuned Mass Damper tương đương với các khối lượng, tính cản và độ cứng phụ thuộc vào đặc tính của chất lỏng được gọi là mô hình NSD Nonlinear Stiffness Damping

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

PHẠM NGỌC TRẠNG

KHẢO SÁT HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA HỆ CẢN

BỂ CHẤT LỎNG KHI CÓ XÉT ĐẾN SỰ LÀM VIỆC

PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU

(Investigating the effectiveness of tuned liquid dampers in

reducing seismic responses of nonlinear structures)

Chuyên ngành: KTXD công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số ngành : 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.HCM, 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn 1: PGS.TS Đào Đình Nhân

Cán bộ hướng dẫn 2: TS Nguyễn Hồng Ân

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Chu Quốc Thắng

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Trần Minh Thi

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, ngày 23 tháng 08 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

PGS.TS Lương Văn Hải 1

PGS.TS Chu Quốc Thắng 2

PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu 3

TS Cao Văn Vui 4

TS Trần Minh Thi 5

PGS.TS Lương Văn Hải

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHẠM NGỌC TRẠNG MSHV : 1571029

Ngày, tháng, năm sinh: 10/02/1984 Nơi sinh: Quãng Ngãi

Chuyên ngành: KTXD công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60580208

I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA HỆ CẢN BỂ CHẤT

LỎNG KHI CÓ XÉT ĐẾN SỰ LÀM VIỆC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU

(INVESTIGATING THE EFFECTIVENESS OF TUNED LIQUID DAMPERS IN

REDUCING SEISMIC RESPONSES OF NONLINEAR STRUCTURES).

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

1 Trình bày cở sở lý thuyết, tìm hiểu mô hình cơ học tương đương và xác định các

thông số động lực học của hệ giảm chấn chất lỏng (TLD)

2 Xây dựng phương trình vi phân chuyển động kết cấu khung phẳng nhà nhiều

tầng lý tưởng hóa thành khung chịu cắt nhiều bậc tư do gắn TLD khi chịu động đất

Thiết lập các thuật toán, phương pháp giải và viết chương trình tính toán bằng ngôn ngữ

Matlab giải phương trình vi phân chuyển động Kiểm chứng chương trình và thực hiện

các bài toán khảo sát để đánh giá ảnh hưởng của hệ kết cấu gắn TLD có xét đến tính

phi tuyến vật liệu của kết cấu

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : / /2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : / /2018

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Đào Đình Nhân & TS Nguyễn Hồng Ân

Tp HCM, ngày tháng 06 năm 2018

PGS.TS.Đào Đình Nhân TS Nguyễn Hồng Ân

TRƯỞNG KHOA

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Đào Đình Nhân

& TS Nguyễn Hồng Ân , các Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài và Thầy góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn

đề nghiên cứu, cũng như cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn

Tp HCM, ngày tháng năm 2018

Phạm Ngọc Trạng

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Phân tích hiệu quả giảm chấn cho kết cấu có gắn bể nước mái được mô hình như hệ giảm chấn chất lỏng (TLD – Tuned Liquid Damper) có xét đến sự làm việc phi tuyến vật liệu của kết cấu là nội dung được thực hiện trong luận văn này TLD được mô hình như hệ TMD (Tuned Mass Damper) tương đương với các khối lượng, tính cản và

độ cứng phụ thuộc vào đặc tính của chất lỏng được gọi là mô hình NSD (Nonlinear Stiffness Damping), mô hình này được sử dụng để phân tích hiệu quả giảm chấn hệ TLD khi gắn vào kết cấu nhà nhiều tầng có xét đến tính phi tuyến của kết cấu Kết cấu chính được rời rạc thành các khối lượng tập trung tại các tầng và bậc tự do động lực học được xét là chuyển vị ngang của các tầng Phương trình chuyển động của kết cấu có gắn bể nước mái được thiết lập dựa trên nguyên lý cân bằng động, và được giải bằng phương pháp số Newmark trên toàn miền thời gian thông qua việc thiết lập các thuật toán ứng

xử phi tuyến của mỗi tầng được lý tưởng hóa thành ứng xử song tuyến tính (bilinear) Kết quả khảo sát cho thấy hiệu quả của bể chất lỏng trong kết cấu phi tuyến không có qui luật rõ ràng và phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Đào Đình Nhân & TS Nguyễn Hồng Ân

Các kết quả trong luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Tp HCM, ngày tháng năm 2018

Phạm Ngoc Trạng

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC BẢNG x

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1.Đặt vấn đề 1

1.2.Mục tiêu nghiên cứu 4

1.3.Phương pháp thực hiện 5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 6

2.1 Hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) 6

2.1.1 Giới thiệu hệ giảm chất lỏng (TLD) 6

2.1.2 Phân loại hệ giảm chấn chất lỏng 6

2.1.3 Ưu điểm của thiết bị giảm chấn dạng chất lỏng(TLD): 8

2.1.4 Ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong thực tế 9

2.2 Tổng quan nghiên cứu về hệ giảm chấn chất lỏng 13

2.3 Kết luận 17

CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

3.1 Mô hình hệ giảm chấn chất lỏng (TLD); 18

3.1.1 Nguyên lý hoạt động của giảm chấn chất lỏng 18

3.1.2 Chuyển động của chất lỏng trong bể chứa 19

3.1.3 Phân loại các dạng sóng chất lỏng 23

3.1.4 Mô hình phân tích hệ giảm chấn chất lỏng 24

3.2 Phương trình vi phân của kết cấu nhà nhiều tầng lý tưởng hóa thành khung chịu cắt nhiều bậc tự do có gắn TLD 28

3.2.1 Các giả thuyết tính toán 28

3.2.2 Mô hình phân tích kết cấu nhà nhiều tầng gắn TLD được lý tưởng hóa thành khung chịu cắt nhiều bậc tư do gắn NSD 28

3.3 Phương pháp giải phương trình vi phân chuyển động kết cấu gắn TLD và thuật toán điều chỉnh [K] trong ứng xử phi tuyến kết cấu 35

3.3.1 Phương pháp giải phương trình vi phân chuyển động kết cấu 35

3.3.2 Thuật toán Ánh xạ hồi qui (Return Mapping) để xác định trạng thái của vật liệu phi tuyến đàn dẻo tái bền 38

3.3.3 Thuật toán lặp Newton – Raphson cho bài toán kết cấu phi tuyến 48

3.4 Qui trình tính toán 49

3.5 Kết luận chương 50

CHƯƠNG 4: VÍ DỤ SỐ 51

4.1.Kiểm chứng chương trình tính 51

4.1.1.Bài toán tần số riêng của kết cấu 51

4.1.2 Bài toán phân tích kết cấu khi chịu động đất 52

4.2.Lựa chọn kết cấu để khảo sát 55

4.3.Khảo sát hiệu quả giảm chấn của bể chất lỏng TLD trong kết cấu đàn hồi 56

4.4.Khảo sát hiệu quả giảm chấn của bể chất lỏng TLD trong kết cấu phi tuyến 60

4.4.1 Khảo sát hiệu quả cho hệ số ứng xử q = 4 60

4.4.2 Các phản ứng của hệ kết cấu phi tuyến ứng với q=4 62

4.4.3 Khảo sát hiệu quả trong kết cấu phi tuyến 64

4.4.4 Khảo sát hiệu quả trong kết cấu phi tuyến khi thay đổi tỷ số khối lượng TLD so với kết cấu 68

4.5 Kết luận chương 70

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71

5.1 Kết luận 71

5.2 Hướng phát triển 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 78

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Động đất Northridge, 1994 [www.vibrationdata.com] 2

Hình 1 2 Động đất Kobe, 1995[ www.movieweb.m] 2

Hình 1 3 Động đất Sumatra, Indonesia, năm 2004 [www.abc.net.au] 3

Hình 1 4 Động đất Nepal, 2015[www.india.com] 3

Hình 2 1 Hệ giảm chấn điều chỉnh sóng chất lỏng TLD [Nadine,2008] 7

Hình 2 2 Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD) [Nanda, 2008] 8

Hình 2 3 Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng (DTLCD) [Nanda, 2008] 8

Hình 2 4 Hệ giảm chấn TLD gắn đỉnh Tòa nhà One Rincon Hill [techeblog.com] 9

Hình 2 5 MCC Aqua Damper ở tòa nhà Gold Tower [https://www3.nd.edu] 10

Hình 2.6 Tháp Yokohama Marine và khách sạn Yokohama Prince ………

[https://www3.nd.edu] 10

Hình 2 7 TLD ở Yokohama Marine, Shin Yokohama Tower [Tamura,1995] 11

Hình 2 8 Sơ đồ gắn TLD Tháp Yokohama Marine [Yamahoto, Kawahara,1999] 11 Hình 2 9 Tòa tháp Millennium Tower,Tokyo Bay [https://www3.nd.edu] 12

Hình 2 10 Cầu Bãi Cháy, Quảng Ninh [https://tedi.vn] 12

Hình 3 1 Hiện tượng sóng vỡ [Soong and Dargush(1997)] 18

Hình 3 2 Định nghĩa các tham số trong chuyển động sóng[Sun, 1992] 19

Hình 3 3 Sóng trong bể chữ nhật chịu chuyển vị ngang [Sun, 1992] 22

Hình 3 4 Mô hình TLD (a), mô hình NSD (b) [J.K Yu & cộng sự (1999)] 26

Hình 3 5 Biểu đồ chuyển vị theo thời gian để xác định A [J.K Yu (1997)] 26

Hình 3 6 Mô hình kết cấu có gắn TLD (a), mô hình NSD (b) [J.K Yu (1997)] 27

Hình 3 7 Kết cấu thật (a), Mô hình tương đương (b) 29

Hình 3 8 Sơ đồ cân bằng lực tại nút tầng 1 29

Hình 3 9 Mô hình cơ học tương đương (a) và phân tích lực tác dụng lên hệ (b) 30

Hình 3 10 Cản Rayleigh [Anil K Chopra, 1995] 34

Hình 3 11 Giá trị ứng suất tại một biến dạng xác định tượng ứng với các lộ trình ứng suất biến dạng khác nhau [D.D Nhân, 2017] 39

Hình 3 12 Mô hình vật liệu dẻo- tái bền (a), quan hệ ứng suất biến dạng trong mô hình dẻo tái bền (b) [ D.D Nhân, 2017] 39

Hình 3 13 Ứng xử vật liệu (a), Sự phát triển mặt chảy dẻo (b) trong mô hình đàn dẻo tái bền đẳng hướng [D.D Nhân, 2017] 41

Hình 3 14 Ứng xử vật liệu (a), Sự phát triển mặt chảy dẻo (b) trong mô hình đàn dẻo tái bền động học [D D Nhân, 2017] 42

Hình 3 15 Ứng xử nút khung (a), Quan hệ lực - chuyển vị tầng (b) 44

Hình 3 16 Thuật toán ánh xạ hồi qui (Return Mapping) [D D Nhân, 2017] 47

Hình 4 1 Gia tốc nền động đất Superstition 52

Hình 4 2 Chuyển vị đỉnh lớn nhất tầng 20 (m) 53

Hình 4 3 Vận tốc tương đối lớn nhất tầng 20 (m/s) 53

Hình 4 4 Gia tốc đỉnh lớn nhất tầng 20 (m/s2) 54

Hình 4 5 Mô hình kết cấu nhà 20 tầng có gắn hệ giảm chấn TLD 55

Hình 4 6 Chuyển vị tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 56

Hình 4 7 Vận tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 56

Hình 4 8 Gia tốc tuyệt đối tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 57

Hình 4 9 Gia tốc đỉnh lớn nhất khi chịu trận động đất Superstition 57

Hình 4 10 Chuyển vị lệch tầng lớn nhất khi chịu trận động đất Superstition 58

Hình 4 11 Lực cắt tầng lớn nhất khi chịu trận động đất Superstition 58

Hình 4 12 Độ giảm lực cắt tầng tầng khi gắn TLD 59

Hình 4 13 Độ giảm chuyển vị lệch tầng khi gắn TLD 59

Hình 4 14 Độ giảm gia tốc đỉnh các tầng khi chịu trận động đất Superstition 60

Hình 4 15 Lịch sử chuyển vị lệch tầng 3 61

Hình 4 16 Lịch sử lực cắt tầng 3 (N) 61

Hình 4 17 Vòng lặp trễ (Hysteresis Loop) lực cắt- chuyển vị lệch tầng 3 62

Hình 4 18 Gia tốc đỉnh lớn nhất khi chịu trận động đất Superstition (q=4) 62

Hình 4 19 Chuyển vị lệch tầng lớn nhất khi chịu trận động đất Superstition (q=4) 63

Hình 4 20 Độ giảm chuyển vị lệch tầng khi có gắn và không gắn hệ TLD (q=4) 63

Hình 4 21 Độ giảm gia tốc đỉnh khi có gắn và không gắn hệ TLD (q=4) 64

Hình 4 22 Độ giảm gia tốc đỉnh lớn nhất các tầng ứng với các q 65

Hình 4 23 Độ giảm chuyển vị lệch tầng lớn nhất các tầng ứng với các q 65

Hình 4 24 Độ giảm gia tốc đỉnh lớn nhất, chuyển vị lệch tầng lớn nhất theo tầng 66

Hình 4 25 Độ giảm gia tốc đỉnh lớn nhất, chuyển vị đỉnh lớn nhất theo q 66

Hình 4 26 Tương quan độ giảm Acc và hệ số ứng xử q 67

Hình 4 27 Tương quan độ giảm Drift và hệ số ứng xử q 67

Hình 4 28 Tương quan độ giảm Drift và hệ số ứng xử q với các TLD khác nhau 69

Hình 4 29 Tương quan độ giảm Drift và hệ số ứng xử q với các TLD khác nhau 69

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Thiệt hại về người và tài sản qua một số trận động đất [cafef.vn] 1

Bảng 3 1 Phân loại sóng chất lỏng [Sun,1992] 24

Bảng 4 1 Khối lượng và độ cứng của khung 3 tầng 51

Bảng 4 2 Tần số dao động riêng của khung 52

Bảng 4 3 Bảng thông số TLD gắn vào kết cấu khu chịu băng gia tốc Superstition 53

Bảng 4 4 Bảng so sánh các phản ứng kết cấu công trình khi gắn TLD 54

Bảng 4 5 Thông số của hệ giảm chấn TLD 55

Bảng 4 6 Thông số TLD dùng để phân tích hiệu quả tỷ số giảm khối lượng khi hệ kết cấu chịu động đất Superstition 68

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

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

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

TMD Tuned Mass Damper –Hệ giảm chấn điều chỉnh khối lượng

NSD Nonlinear Stiffness Damping – Mô hình giảm chấn khối lượng tương

đương với độ cứng và cản phi tuyến

Acc Acceleration – Gia tốc (m/s2)

T Chu kỳ dao động của sóng chất lỏng

2a Chiều dài bể chứa

h Chiều cao chất lỏng trong bể chứa

Khối lượng của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương

Độ cứng của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương

Hệ số cản của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương Tần số của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương

Tỷ số cản của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương

Tỷ số điều chỉnh độ cứng

Ʌ Giá trị không thứ nguyên của biên độ dao động

Ma trận khối lượng của kết cấu nhiều bậc tự do

Ma trận độ cứng của kết cấu nhiều bậc tự do

Ma trận cản của kết cấu nhiều bậc tự do Vector chuyển vị của kết cấu nhiều bậc tự do

̇ Vector gia tốc của kết cấu nhiều bậc tự do

̈ Vector gia tốc của kết cấu nhiều bậc tự do

Ma trận khối lượng của hệ gồm kết cấu và giảm chấn

K Ma trận độ cứng của hệ gồm kết cấu và giảm chấn

C Ma trận cản của hệ gồm kết cấu và giảm chấn

Vector chuyển vị của hệ gồm kết cấu và giảm chấn

̇ Vector vận tốc của hệ gồm kết cấu và giảm chấn

̇ ̇ Vector gia tốc của hệ gồm kết cấu và giảm chấn

, ∆ Thời gian, bước thời gian

i Số nguyên, thể hiện giá trị của các đại lượng tại thời điểm t

i+1 Số nguyên, thể hiện giá trị của các đại lượng tại thời điểm t + ∆t

∆ Số gia chuyển vị giữa hai thời điểm i và i +1

∆ ̇ Số gia vận tốc giữa hai thời điểm i và i +1

∆ ̇ ̇ Số gia gia tốc giữa hai thời điểm i và i +1

̈ Gia tốc nền của động đất theo thời gian

Độ cứng của kết cấu có một bậc tự do

Hệ số cản của kết cấu có một bậc tự do

Tỷ số cản của kết cấu Lực đàn hồi

Lực cản Lực quán tính

Ma trận độ cứng hữu hiệu Vector tải trọng hiệu dụng

∆ Số gia Vector tải trọng hiệu dụng

Tỷ số tần số

Ký hiệu trong Mô hình ứng xử vật liệu phi tuyến

E, K Mô đun đàn hồi vật liệu, Độ cứng khung

E , K Mô đun tiếp tuyến vật liệu, Độ cứng tiếp tuyến khung

H Mô đun đàn hồi phần tử tái bền

H Mô đun đàn hồi phần tử tái bền đẳng hướng

HK Mô đun đàn hồi phần tử tái bền động học

, F Ứng suất pháp, Lực cắt nút

σ∗, F∗ Ứng suất pháp, Lực cắt tại 1 thời điểm cụ thể

σ , F Ứng suất pháp, Lực cắt trong mô hình đàn hồi

σ , F Ứng suất pháp, Lực cắt trong phần tử

σ , F Ứng suất chảy dẻo, Lực cắt dẻo

σ , F Ứng suất, Lực cắt trong phần tử tái bền

q Ứng suất tịnh tiến hàm biến dạng

̇ Số gia ứng suất tịnh tiến hàm biến dạng

Biến dạng tích lũy trong phần tử tái bền

̇ Biến dạng tích lũy trong phần tử tái bền

Biến dạng dài

̇ Số gia biến dạng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Động đất là một trong số những thảm họa thiên nhiên gây thiệt hại nặng nề nhất Vì vậy một trong những vấn đề trong việc thiết kế nhà cao tầng là việc chống lại ảnh hưởng của động đất Qua một số liệt kê thảm họa do động đất gây ra theo ghi nhận đến hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật mới để tăng cường kết cấu do động đất gây ra là cần thiết để tránh tổn thất về kinh tế, cũng như con người Sự cần thiết này không chỉ trong điều kiện ở trong nước mà cả trên toàn thế giới Thật vậy, hiện nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về TLD và có nhiều công trình được ứng dụng

hệ giảm chấn điều chỉnh chất lỏng (TLDs) như các thiết bị điều khiển thụ động hoặc bán thụ động trong các tòa nhà cao tầng và có nhiều ưu điểm về giá thành, ít tốt chi phí bảo trì,

Một số hình ảnh về thiệt hại của các trận động đất điển hình trên thế giới (Hình 1.1 đến Hình 1.4) được thống kê như trong Bảng 1.1

Bảng 1 1 Thiệt hại về người và tài sản qua một số trận động đất [cafef.vn]

Hình 1 1 Động đất Northridge, 1994 [www.vibrationdata.com]

Hình 1 2 Động đất Kobe, 1995[ www.movieweb.m]

Hình 1 3 Động đất Sumatra, Indonesia, năm 2004 [www.abc.net.au]

Hình 1 4 Động đất Nepal, 2015[www.india.com]

TLD là thiết bị hấp thụ năng lượng thụ động đã được sử dụng để kiểm soát dao động của các kết cấu nhà cao tầng TLD bao gồm một bể cứng với một chất lỏng nông Chất lỏng này, có thể là nước hoặc chất lỏng khác, nằm bên trong bể được kết nối liên kết với kết cấu Cơ chế kiểm soát dao động trong các kết cấu gắn TLD dựa trên hiện tượng của sự dịch chuyển chất lỏng và hiện tượng sóng vỡ Những hiện tượng này tiêu tan một phần năng lượng gây ra bởi động đất Hiện nay, hệ kháng chấn chất lỏng

được sử dụng kết hợp để ứng dụng trong các kết cấu cao tầng với các lợi thế rõ rệt của chúng, chẳng hạn như: chi phí thấp khi so sánh với các giải pháp khác, dễ lắp đặt… TLD đã được nghiên cứu bởi nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới và trong nước để ứng dụng như thiết bị kiểm soát đáp ứng động đất trong các tòa nhà, tuy nhiên các nghiên cứu theo nhiều hướng khác nhau và sự làm việc phi tuyến của vật liệu khi phân tích ứng

xử kết cấu gắn TLD chịu động đất chưa nghiên cứu rộng rãi Từ nhận định trên, luận

văn này chọn đề tài “Khảo sát hiệu quả giảm chấn của hệ cản bể chất lỏng khi có xét đến sự làm việc phi tuyến của kết cấu”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu: là phân tích hiệu quả làm việc của hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) đến khả năng kháng chấn của kết cấu công trình có xét đến sự làm việc phi tuyến vật liệu; khảo sát sự ảnh hưởng của TLD đến hiệu quả giảm chấn khi thay đổi các thông

• Các ví dụ số tính toán nhằm đánh giá ứng xử của kết cấu, mức độ hiệu quả giảm đáp ứng của hệ cản chất lỏng có xét đến tính phi tuyến vật liệu

Hướng nghiên cứu: Để đạt được mục tiêu trên, các công việc cụ thể được đề

ra như sau: tìm hiểu mô hình của bể nước mái trong kết cấu, xác định các thông số động lực học tương đương của bể nước(LTD); xây dựng mô hình kết cấu khung phẳng có gắn bể nước chịu tải trọng động với bậc tự do là chuyển vị ngang các sàn tầng, thiết lập phương trình chủ đạo và lựa chọn phương pháp giải; phân tích hiệu quả giảm dao động của TLD khi kết cấu chịu băng gia tốc động đất dựa trên chương trình tính toán được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB

1.3 Phương pháp thực hiện

Mục tiêu của luận văn này là theo hướng lý thuyết, nên phương pháp thực hiện

là lý thuyết và phân tích số liệu từ lập trình Trước hết tìm hiểu cơ sở lý thuyết, các mô hình tính toán của bể nước, lựa chọn mô hình cho bể nước Ứng dụng mô hình NSD (Nonlinear Stiffness Damping) – mô hình hệ giảm chấn khối lượng tương đương với thông số độ cứng và tính cản phi tuyến để phân tích TLD Phương trình chủ đạo của kết cấu gắn TLD được thiết lập dựa trên sự cân bằng động, xây dựng các thuật toán xử lý vật liệu khi kết cấu làm việc phi tuyến và giải phương trình vi phân bằng phương pháp

số Newmark Thông qua các kết quả số thu được, bàn luận về tính hiệu quả của TLD Nội dung luận văn gồm 5 chương, gồm:

Chương 1: Đặt vấn đề, nêu lý do chọn đề tài Giới thiệu sơ lược về hệ giảm chấn TLD Qua đó trình bày mục tiêu nghiên cứu, phương pháp thực hiện

Chương 2: Tổng quan về hệ giảm chấn TLD Trình bày một số công trình ứng dụng TLD để giảm chấn Đồng thời tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hệ giảm chấn trên

Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết về hệ giảm chấn TLD Từ đó, lựa chọn mô hình tính toán; xây dựng phương pháp để phân tích đáp ứng của hệ phi tuyến khi không gắn TLD và khi có gắn TLD

Chương 4: Trình bày các ví dụ số để kiểm chứng code chương trình chính và phân tích hiệu quả của bể chất lỏng xem như hệ giảm chấn cho kết cấu phi tuyến Bên cạnh đó, khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số tỷ số khối lượng của TLD đến hiệu quả giảm chấn

Chương 5: Nêu ra một số kết luận quan trọng rút ra được từ luận văn Đánh giá

sự ảnh hưởng của thông số tỷ số khối lượng đến ứng xử của hệ làm việc phi tuyến khi chịu tải trọng động đất Từ đó, đưa ra hướng phát triển đề tài trong tương lai

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

Chương này trình bày sơ lược về hệ giảm chấn chất lỏng, lịch sử phát triển và ứng dụng hệ giảm chấn này trong thực tiễn Đồng thời tìm hiểu tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hệ giảm chấn chất lỏng

2.1 Hệ giảm chấn chất lỏng (TLD)

2.1.1 Giới thiệu hệ giảm chất lỏng (TLD)

Hệ giảm chấn chất lỏng là thiết bị giảm chấn kiểu bị động được lắp đặt vào kết cấu để giảm dao động cho kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động như gió bão, động đất, nổ… Trong thực tế, hệ giảm chấn chất lỏng đã được sử dụng từ những năm 1950 nhằm khống chế dao động của các tàu bè Đến cuối những năm 1970, hệ giảm chấn này bắt đầu được sử dụng trong xây dựng nhằm giảm dao động cho kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động Từ đó, rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến vấn đề này Bauer (1984) [1] đề xuất sử dụng các bể chứa chữ nhật chứa hai loại chất lỏng không trộn lẫn nhau để giảm ứng xử dao động cho kết cấu Kareem và Sun (1987) [2], Toshiyuki và Tanaka [3], Modi và Welt (1987) [4] là những nhà nghiên cứu đầu tiên ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong kết cấu xây dựng

2.1.2 Phân loại hệ giảm chấn chất lỏng

Hệ giảm chấn điều chỉnh chất lỏng được chia thành hai dạng chính: hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sóng chất lỏng bề mặt (Tuned Sloshing Damper – TSD) [5] và

hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng (Tuned Liquid Column Damper – TLCD) [6]

a) Hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sóng chất lỏng bề mặt (TSD)

Hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sóng chất lỏng bề mặt [7] tiêu tán năng lượng thông qua ma sát ở tầng biên của chất lỏng (Hình 2.1), sự chuyển động của sóng

bề mặt và thông qua hiện tượng sóng vỡ (Sóng vỡ là hiện tượng chất lỏng dao động không ổn định hay sóng không tồn tại ở trạng thái cũ, vận tốc của chất điểm lớn hơn vận tốc truyền sóng, các chất điểm vượt khỏi mặt dao động của sóng Trong trường hợp này các mô hình tuyến tính đơn giản không thể mô tả ứng xử của chất lỏng [8])

Hình 2 1 Hệ giảm chấn điều chỉnh sóng chất lỏng TLD [Nadine,2008] Thiết bị TSD có thể phân thành hai loại tùy theo cao độ mực chất lỏng: (1) một

loại dùng sóng nước nông, (2) loại còn lại dùng sóng nước sâu Khi tỷ số h/L nằm trong khoảng 1/ 25 -1/ 20 < h / L <1/ 2 được xem là sóng nước nông, với h là chiều cao mực nước, L là chiều dài sóng theo phương chuyển động (Sun và cộng sự ,1992 [9]) Những nghiên cứu gần đây (Banerji và cộng sự, 2000 [10]…) cho thấy rằng khi tỷ số h/L nhỏ

hơn 0.15 thì sự tiêu tán năng lượng sẽ lớn hơn Tuy nhiên, mực nước quá nông không thích hợp để kết hợp TSD làm bể nước sinh hoạt vì như thế sẽ lãng phí diện tích vốn hạn hẹp ở các tòa nhà cao tầng Dưới tác động với biên độ lớn, thiết bị TSD sử dụng sóng nước nông tiêu tán phần lớn năng lượng bởi ứng xử phi tuyến của chất lỏng thông qua hiện tượng sóng vỡ ( [11])

b) Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng(TLCD)

Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng [12] sử dụng chuyển động của chất lỏng bên trong thùng chứa dạng hình ống gồm hai cột chất lỏng thông với nhau nhờ van điều chỉnh (Hình 2.1) Thiết bị này có một số ưu điểm như: Hình dạng thùng chứa có thể điều chỉnh linh hoạt để phù hợp cho kết cấu đã xây dựng, tính cản của TLCD có thể được kiểm soát nhờ điều chỉnh lỗ mở giữa hai cột chất lỏng, tần số của TLCD có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh cột chất lỏng bên trong thùng chứa

Hình 2 2 Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD) [Nanda, 2008] Ngoài ra, Thực tế khi áp dụng người ta có thể kết hợp hai thiết bị TLCD (Double Tuned Liquid Column Dampers – DTLCD) để giảm chuyển động theo hai phương khác nhau cho công trình (Hình 2.2)

Hình 2 3 Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng (DTLCD) [Nanda, 2008]

2.1.3 Ưu điểm của thiết bị giảm chấn dạng chất lỏng(TLD):

 Tốn ít chi phí lắp đặt và bảo trì

 Không chiếm nhiều không gian sử dụng

 Thường được lắp đặt ở trên mái nên không làm ảnh hưởng đến mỹ quan kiến trúc

 Có khả năng hoạt động theo nhiều phương khác nhau

 Hiệu quả dù biên độ kích động nhỏ (Sun và cộng sự, 1992)

 Có thể kết hợp làm bể nước sinh hoạt [Hình 2.4 ]

 Ngoài ra việc lắp đặt thiết bị khá dễ dàng cho nên TLD ngày càng phổ biến, đặc biệt do có thể ứng dụng cho nhiều dạng công trình có kích thước lớn nhỏ khác nhau bằng cách thay đổi kích thước của bể chứa

2.1.4 Ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong thực tế

Trong ngành xây dựng dân dụng thì công trình cao tầng đầu tiên trên thế giới ứng dụng TLD cho thiết kế kháng chấn là One Wall Center ở Vancouver, British Columbia (Hình 2.4) Công trình có 48 tầng cùng với 2 bể chứa nước rất đặc biệt, mỗi

bể có khoảng 50.000 gal (189.250 L) nước nằm trên tầng Penthouse của công trình

Hình 2 4 Hệ giảm chấn TLD gắn đỉnh Tòa nhà One Rincon Hill [techeblog.com] Tại Nhật Bản, một vài công trình sử dụng TLD đã được xây dựng từ rất sớm, ví

dụ điển hình là tòa nhà Gold Tower ở Chiba sử dụng MCC Aqua Damper (Hình 2.5) đó

là bể chứa nước dạng khối với các lưới sợi thép được bố trí dọc theo dòng chảy chất lỏng bên trong bể Lực kháng chấn được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng một số lượng các bể chứa chất lỏng Cụ thể ở tòa nhà Golden Tower đã sử dụng dùng 16 bể chứa dạng này ở tầng mái công trình (cao độ 158m) với tổng khối lượng chất lỏng lên đến 10 tấn

và bằng 1/100 khối lượng của toàn bộ công trình Sau khi các thiết bị kháng chấn trên được gắn vào công trình thì kết quả đo được phản ứng của kết cấu trước tác động của

tải trọng động đã giảm đi khoảng 50-60% so với khi không sử dụng thiết bị kháng chấn TLD

Hình 2 5 MCC Aqua Damper ở tòa nhà Gold Tower [https://www3.nd.edu] Trong công trình khách sạn Shin Yokohama Prince ở Nhật Bản (Hình 2.6), TLD được lắp đặt gồm 9 bể chứa chất lỏng có đường kính 2m chiều cao 22cm, chiều cao tổng cộng là 2m (Hình 2.7) đã giúp cho công trình giảm được 50-70% dao động khi vận tốc gió là 20m/s và còn giúp giảm hơn nữa nếu tốc độ gió cao hơn Gia tốc công trình khi không sử dụng TLD là 0.01(m/s2) còn khi có TLD là 0.006(m/s2) Thiết bị TLD dạng này còn được ứng dựng trong các công trình ở sân bay quốc tế Nagasaki, sân bay quốc tế Tokyo, và tòa nhà Yokohama (Tamura và cộng sự, 1995) [13]

Hình 2.6 Tháp Yokohama Marine và khách sạn Yokohama Prince [https://www3.nd.edu]

Hệ giảm chấn TLD ứng dụng cho công trình tháp Yokohama Marine gồm 39

bể chứa dạng hình trụ tròn (Hình 2.7), chuyển động của chất lỏng bên trong hệ giảm chấn TLD sinh ra bởi kích thích bên ngoài tạo ra lực đẩy xung quanh làm giảm dao động và chuyển vị của tòa nhà (Hình 2.8)

Hình 2 7 TLD ở Yokohama Marine, Shin Yokohama Tower [Tamura,1995] Khi lắp đặt hệ thống bể gắn với tòa nhà, tần số chuyển động của chất lỏng trong

bể được điều chỉnh gần như sát với tần số dao động tự nhiên thấp nhất của tháp Tổng khối lượng chất lỏng trong các bể là 1.53x103 kg, xấp xỉ 1% khối lượng của kết cấu Kết quả đo đạt cho thấy khi tốc độ gió là 20 m/s, giá trị bình phương tối thiểu của biên

độ gia tốc giảm đi 1/3 so với khi không lắp đặt TLD

Hình 2 8 Sơ đồ gắn TLD Tháp Yokohama Marine [Yamahoto, Kawahara,1999]

Ngoài ra, TLD còn được ứng dụng tại một số công trình trên thế giới như: tòa nhà Shangai Financial Trade Center ở Trung Quốc, Tòa nhà One Wall Center ở Vancouver, British Columbia, Tòa tháp Millennium Tower, Tokyo Bay, Nhật Bản (Hình 2.9),…

Hình 2 9 Tòa tháp Millennium Tower,Tokyo Bay [https://www3.nd.edu]Tại Việt Nam, hệ giảm chấn chất lỏng lần đầu tiên được ứng dụng tại cầu Bãi Cháy, Quảng Ninh Hệ giảm chấn được lắp đặt gồm 344 thùng chứa chất lỏng có chiều dài 1400mm và chiều rộng thay đổi 300mm, 400mm và 500mm được phân bổ cho hai tháp cầu [14]

Hình 2 10 Cầu Bãi Cháy, Quảng Ninh [https://tedi.vn]

2.2 Tổng quan nghiên cứu về hệ giảm chấn chất lỏng

Đầu những năm 1980, hệ giảm chấn chất lỏng được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Bauer (1984) [1] là một trong số người đầu tiên ứng dụng TLD để giảm chấn cho công trình xây dựng với đề xuất sử dụng các bể chứa hình chữ nhật chứa hai loại chất lỏng không lẫn lộn nhau để giảm ứng xử dao động cho kết cấu Tamura và cộng sự (1995) [13] chỉ ra sự hiệu quả của TLD khi được lắp đặt vào kết cấu thật như tháp hàng không Nagasaki, tháp Yokohama Marine và khách sạn Shin Yokohama Prince

Shimizu và Hayama (1986) [15] đã đưa ra một mô hình số để giải các phương trình Navier – Stokes và phương trình liên tục dựa vào lý thuyết sóng nước nông Họ rời rạc hóa các phương trình chính và giải chúng bằng phương pháp số

L.M Sun (1991) [9] đã đề xuất mô hình phi tuyến sử dụng lý thuyết sóng nước nông để giải quyết phương trình Navier – Stokes và phương trình liên tục Hơn nữa, họ đưa ra hai hệ số thực nghiệm để giải thích cho sự ảnh hưởng của hiện tượng sóng vỡ Modi và Seto (1997) [16]cũng đề xuất một nghiên cứu số có xét đến ứng xử phi tuyến của TLD, bao gồm ảnh hưởng củas sự phân tán sóng cũng như ma sát tầng biên tại thành bể, tương tác giữa các vật nổi tại bề mặt và sóng vỡ Tuy nhiên, khi chiều cao chất lỏng thấp, phân tích số không thật sự chính xác và có sự sai khác lớn giữa kết quả tính toán và thực nghiệm

L.M Sun và cộng sự (1995) [17] đã kiểm chứng mô hình giảm chấn khối lượng tương đương bao gồm các đại lượng khối lượng, độ cứng và tính cản từ các số liệu thực nghiệm của bể hình chữ nhật, hình tròn và hình vành khuyên chịu tác động của kích thích điều hòa

Yu (1997) [18], Yu và cộng sự (1999) [19] đã đề xuất một mô hình giảm chấn khối lượng tương đương với độ cứng và tính cản phi tuyến được tính toán dựa vào sự tương đồng về năng lượng Mô hình này có thể mô tả được ứng xử của TLD dưới kích thích có biên độ lớn và cả khi sóng vỡ xảy ra

Gardarsson và cộng sự (2001) [20] mở rộng ý tưởng bằng việc nghiên cứu ứng

xử của TLD có đáy dốc 30o Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khối lượng chất lỏng tham gia vào chuyển động sóng nhiều hơn nên năng lượng tiêu tán trong mô hình này

cũng lớn hơn

Reed và cộng sự (1998) [21] nghiên cứu ứng xử của TLD chịu kích động có biên

độ lớn thông qua thí nghiệm và so sánh kết quả với một mô hình số dựa trên phương trình sóng nước nông phi tuyến Nghiên cứu chỉ ra tần số của TLD tăng khi biên độ kích động tăng và để TLD đạt hiệu quả tốt nhất thì tần số của TLD được điều chỉnh nhỏ hơn tần số riêng của kết cấu, và khi đó tần số phi tuyến thật của TLD sẽ gần với tần số riêng của kết cấu

Li và cộng sự (2002) [22] giải phương trình liên tục và phương trình động lượng của chất lỏng có mực nước nông sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Họ đơn giản hóa bài toán trong không gian ba chiều bằng cách xét bài toán theo một phương, điều này có nhiều thuận lợi trong quá trình tính toán Tuy nhiên, nghiên cứu này không được kiểm chứng bằng thực nghiệm

Tait (2008) [23] phát triển một mô hình cơ học tuyến tính tương đương để tính toán năng lượng tiêu tán bởi các màn ngăn (screen) khi chịu kích động điều hòa và ngẫu nhiên Mô hình này được kiểm chứng lại bằng thực nghiệm và một quy trình thiết kế sơ

bộ TLD với các màn ngăn đã được đề xuất

Cassolato và cộng sự (2010) [24] đề xuất sử dụng các màn ngăn bên trong để tăng tỷ số cản của TLD Họ tính toán hệ số tổn hao ứng suất cho các màn ngăn và ước lượng năng lượng tiêu tán bởi các màn ngăn đồng thời phát triển mô hình mô tả trạng thái ổn định của chất lỏng Mô hình đó cho thấy rằng một TLD được trang bị các màn ngăn điều chỉnh được có thể tạo ra một tỷ số cản không đổi trên một dải của biên độ kích thích

Li và Wang (2004) [25] đề xuất sử dụng nhiều TLD để giảm phản ứng của nhiều mode dao động của các kết cấu cao tầng khi chịu kích thích của động đất Các TLD được điều chỉnh cho phù hợp với các mode dao động đầu tiên của kết cấu Kết quả lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng với cùng một tỷ số khối lượng, hệ gồm nhiều TLD sẽ cho hiệu quả tốt hơn hệ chỉ gồm một TLD Koh và cộng sự (1995)[27] cũng đã nghiên cứu hệ giảm chấn gồm nhiều TLD với tần số được điều chỉnh phù hợp với tần số các mode dao động của kết cấu Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng nhiều TLD hiệu quả hơn một TLD Hơn nữa, họ cho thấy rằng sự làm việc của TLD phụ thuộc nhiều vào

kích thích tự nhiên và vị trí lắp đặt

Tait và cộng sự (2005, 2007) [26] [27] tiến hành nghiên cứu ứng xử theo hai phương của TLD TLD được cho chịu các kích động theo một phương và hai phương nằm ngang Đặc trưng động của nước trong bể chứa được mô tả bởi chuyển động của mặt thoáng, lực cắt đáy và năng lượng tiêu tán Kết quả cho thấy TLD ứng xử tách rời theo hai phương Điều đó cho phép sử dụng bể chứa hình chữ nhật để giảm phản ứng động theo hai phương vuông góc của kết cấu

Banerji và cộng sự (2000) [10] nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số quan trọng của TLD dựa trên mô hình được đề xuất bởi Sun và cộng sự (1992) [11] Giá trị tối ưu của chiều sâu chất lỏng, tỷ số giữa khối lượng TLD và tổng khối lượng kết cấu,

tỷ số giữ tần số của bể và tần số dao động tự nhiên của kết cấu được xác định thông qua thực nghiệm Sau đó, một quy trình thiết kế TLD trong thực tế được kiến nghị để giảm phản ứng động cho kết cấu khi chịu động đất

Chang và Gu (1999) [28] tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định các thông số tối ưu của TLD được lắp đặt trên đỉnh của kết cấu chịu kích động vortex (một trường hợp đặc biệt của tải trọng gió) Một loạt các thí nghiệm hầm gió với các hình dạng khác nhau của TLD được thực hiện Họ đề xuất tỷ số giữa tần số TLD và tần số kết cấu nằm trong khoảng 0.9 đến 1 và tỷ số khối lượng là 2.3%

Love và Tait (2013) [29] nghiên cứu lý thuyết và kiểm chứng bằng thực nghiệm trên mô hình gồm kết cấu và TLD có hình dạng bể chứa phức tạp Phương trình chuyển động của hệ gồm kết cấu và TLD được phát triển dựa trên phương trình Lagrange Kết cấu được cho chịu kích động điều hòa và ngẫu nhiên theo một phương và hai phương Hai TLD có hình dạng bể chứa phức tạp được xét đến Trường hợp thứ nhất, bể có hình dạng không đối xứng theo hai phương Trường hợp còn lại, bể đối xứng theo hai phương Tuy nhiên, ứng xử phi tuyến của chất lỏng không được đề cập đến trong nghiên cứu này

Malekghasemi và cộng sự (2015) [30] đề xuất mô hình số sử dụng đồng thời phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method) cho chất lỏng và phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) cho bể chứa và kết cấu Mô hình được kiểm chứng bằng thực nghiệm và một số mô hình đã được đề xuất trước đó Kết quả cho thấy

mô hình mô tả gần như chính xác ứng xử của TLD dưới tác dụng của kích động điều hòa và động đất Nghiên cứu này cũng cho thấy trong các mô hình được đề xuất bởi Sun (1992), Yu (1997), Xin (2009) thì mô hình đề xuất bởi Yu (1997) cho kết quả gần với thực nghiệm nhất

Tại Việt Nam, thời gian gần đây một vài tác giả đã nghiên cứu về hệ giảm chấn TLD Các công trình nghiên cứu về hệ TLCD gồm có:

Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD), luận văn thạc sĩ, Ngô Ngọc Cường, 2003 [31] Nội dung Luận văn nghiên cứu về các thông số ảnh hưởng của hệ cản bị động TLD và phản ứng của công trình , kết quả cho thấy hệ cản bị động TLD có tác dụng rất tốt trong việc kháng gió động và chịu các tải điều hòa nhưng kém hiệu quả với tác động của động đất; có thể điều chỉnh tần số của hệ TLCD dễ dàng bằng cách điều chỉnh chiều cao của cột chất lỏng và hiệu quả của hệ TLCD và hệ TMD là không chênh nhau nhiều giá thành thấp hơn so với dùng hệ cản TMD

Nghiên cứu giải pháp giảm dao động xoắn của công trình bằng hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng TLCD, luận văn thạc sĩ, Lê Ngọc Bảo, 2007 [32] Nội dung Luận văn nghiên cứu về một trong những giải pháp điều khiển dao động công trình: đó là sử dụng

hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD), với các nội dung cơ bản sau: Phân tích dao động xoắn kết hợp (torsionally coupled vibration) của công trình, đưa ra mô hình phân tích tổng quát để có thể sử dụng công cụ mô phỏng Simulink trong Matlab giải quyết bài tóan dao động bất kỳ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của hệ cản TLCD kín tổng quát

có hình dạng bất kỳ dựa vào phương trình Bernoulli của chất lỏng trong TLCD Nêu ra

sự tương tự giữa TLCD và hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD để có thể áp dụng những kết quả của TMD vào TLCD một cách đơn giản Sử dụng hệ cản TLCD để điều khiển dao động công trình, đưa ra cơ sở lý thuyết đối với các trường hợp sử dụng TLCD khác nhau Xây dựng chương trình tính toán để phân tích ứng dụng hệ cản TLCD vào điều khiển kết cấu bằng ngôn ngữ lập trình Matlab

Phân tích khả năng kháng chấn của công trình sử dụng các bể chứa trong đó có xét đến sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể, luận văn thạc sĩ, Bùi Phạm Đức Tường,

2010 [33] Nội dung luận văn nghiên cứu các đặc trưng của TLD như tần số dao động

sóng, biên độ sóng, lực cắt đáy bể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của phần mềm ANSYS, từ đó ứng dụng TLD làm thiết bị giảm chấn cho công trình Giải pháp giảm chấn cho nhà cao tầng dùng bể nước mái và vật liệu đàn hồi (cao su); luận văn thạc sĩ, Vương Thị Vỹ Dạ, 2011 [34] Nội dung luận văn nghiên cứu hiệu quả của việc sử dụng hồ nước mái và cao su trong việc giảm chấn cho nhà cao tầng; kết quả cho thấy bể nước mái và cao su có thể sử dụng giảm chấn cho nhà cao tầng có phụ thuộc vào nhiều đặc tính chuyển động nền; chi phí thấp mà hiệu quả cao

Nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong kiểm soát dao động cho cầu dây văng tại Việt Nam, luận án tiến sĩ, Nguyễn Đức Thị Thu Định, 2015 [14] Luận án nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình kết cấu một bậc tự do có gắn nhiều

hệ giảm chấn TLD

Đánh giá khả năng giảm chấn của bể nước mái (TLD) trong khung phẳng xét đến tương tác với móng, luận văn thạc sĩ, Dương Hoàng Phương, 2016 [35] Nội dung luận văn đánh giá khả năng giảm chấn của bể nước mái (TLD- Tuned Liquid Damper) trong khung phẳng xét đến tương tác với móng cọc bên dưới TLD được mô hình như một TMD tương đương với các thông số khối lượng, độ cứng và tính cản phụ thuộc vào đặc tính của chất lỏng được gọi là mô hình (NSD-Nonlinear Stiffness Damping)

2.3 Kết luận

Chương này đã giới thiệu tổng quan về hệ giảm chấn điều chỉnh chất lỏng, ứng dụng thực tiễn và tình hình nghiên cứu liên quan Qua các nghiên cứu về TLD được trình bày ở trên, có thể rút ra một số nhận xét như sau: các nghiên cứu tuy đã rất phong phú từ phân tích hình dạng bể chứa, chất lỏng sử dụng trong thiết bị, phương pháp giải các phương trình động lực học của chất lỏng,…Tuy nhiên các nghiên cứu trên đây đều chỉ khảo sát hiệu quả của hệ cản chất lỏng cho kết cấu đàn hồi Hiệu quả của chúng khi làm việc phi tuyến chưa được nghiên cứu và khảo sát rộng rãi Đề tài này sẽ phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản bể chất lỏng trong một mô hình kết cấu nhiều tầng được

lý tưởng hóa thành khung chịu cắt nhiều bậc tự do có kể sự làm việc phi tuyến của mỗi tầng

CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết được sử dụng để phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ kết cấu có gắn TLD Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ giảm chấn chất lỏng(TLD), chuyển động của chất lỏng trong bể chứa, mô hình cơ học hóa tương đương

và xác định các thông số động lực học của mô hình; xây dựng phương trình vi phân chuyển động kết cấu khung phẳng nhà nhiều tầng lý tưởng hóa thanh công xôn nhiều bậc tư do gắn TLD khi chịu động đất Thiết lập thuật toán ánh xạ hồi qui (Return Mapping Algorithm), thuật toán lặp Newton –Raphson để giải bài toán phi tuyến, phương pháp Newmark giải phương trình vi phân chuyển động

3.1 Mô hình hệ giảm chấn chất lỏng (TLD);

3.1.1 Nguyên lý hoạt động của giảm chấn chất lỏng

Hoạt động của giảm chấn chất lỏng dựa trên hoạt động của chất lỏng bên trong

bể chứa Khi chịu tác dụng của kích thích bên ngoài, TLD chuyển động kéo theo chất lỏng bên trong bể chứa chuyển động ở dạng sóng Các sóng hình thành bên trong bể chứa có thể là sóng nông, sóng sâu, sóng dài và đôi khi hình thành cả sóng vỡ Các loại chuyển động khác nhau sẽ tạo hiệu quả giảm dao động của TLD cho kết cấu là khác nhau Hiệu quả này được đánh giá thông qua lực xuất hiện trong hệ khi các chất điểm của chất lỏng chuyển động hợp lại theo nguyên lý cộng tác dụng [14] Các lực hình thành nên do chuyển động sóng trong bể chứa gây ra các áp lực lên thành bể và áp lực này đóng vai trò là lực quán tính làm cho hệ trở về trạng thái cân bằng Ngoài ra ở TLD còn tiêu hao một phần năng lượng thông qua ma sát ở lớp biên, dao động của sóng bề mặt và sóng vỡ (Hình 3.1)

Hình 3 1 Hiện tượng sóng vỡ [Soong and Dargush(1997)]

3.1.2 Chuyển động của chất lỏng trong bể chứa

Việc tính toán tác động của chất lỏng trong bể chứa dựa trên cơ sở lý thuyết sóng gồm các lý thuyết tuyến tính đối với các chuyển động của sóng được thể hiện nhằm hiểu

rõ các đặc trưng cơ sở của chuyển động như tần số dao động tự nhiên, áp lực phân bố lên thành bể

a) Khảo sát sóng nước nông tuyến tính:

Xét dòng sóng 2D như trên hình 3.1 (mặt phẳng xoz), chiều sâu chất lỏng là h,

và z = 0 tại bề mặt chất lỏng khi mực nước tĩnh, η mô tả chuyển động mặt thoáng của chất lỏng, là một hàm của vị trí x và biến đổi theo thời gian t, L và H thể hiện chiều dài

và chiều cao sóng Biên độ của sóng được giả định là rất nhỏ đến nỗi mà các chuyển động của sóng có thể được xem là tuyến tính [9]

Hình 3 2 Định nghĩa các tham số trong chuyển động sóng[Sun, 1992] Chuyển động của chất lỏng được giả thiết là không nhớt, không xoay và không nén được Do vậy, hàm thế Φ tồn tại và thỏa phương trình Laplace:

Trong đó: ω = 2πf = 2π/T, là tần số góc của chuyển động sóng, f và T lần lượt là

tần số tự nhiên và chu kỳ tự nhiên của chuyển động sóng

Thay công thức (3.2) vào (3.1), số hạng đầu tiên là hàm chỉ chứa x, số hạng thứ

hai là hàm chỉ chứa z, do vậy có thể viết lại là:

= − = − (3.3)

Nghiệm X và Z được giả thiết là:

( ) = + (3.4) Các hệ số A, B, C, D sẽ được xác định theo các điều kiện biên Điều kiện biên dưới là:

= = 0 (3.5)

Thay các công thức (3.4) và (3.5) vào (3.3), khi đó hàm Z(z) được viết lại như sau:

Z z 2Cekhcosh( (k z h )) (3.6) Tại mặt thoáng z= η(x, t) có hai điều kiện biên, một là điều kiện biên động học:

nhỏ, các số hạng phi tuyến có thể bỏ qua Vì thế mặt thoáng η có dạng :

(3.9)

Mặc khác, bỏ qua số hạng thứ hai từ công thức (3.8), khi đó điều kiện biên động học viết lại như sau:

2 cosh( )

gH kh

)) ( cosh(

( )

, ,

kh

h z k z

g t

z x

b) Xác định tần số dao động tự nhiên của sóng nông:

Xét bể chữ nhật có thành tuyệt đối cứng như hình 3.2, bể có chiều dài 2a, chiều cao mực nước ban đầu bằng h, chịu chuyển vị ngang x Hệ tọa độ như hình trên hình vẽ

( hình 3.3)

Điều kiện biên tại thành bể:

0

u x

Vậy: