Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tần số dao động của bể chứa chất lỏng có xét đến tương tác chất lỏng và thành bể sử dụng lý thuyết kết hợp thực nghiệm

Trong luận văn này, khảo sát các đặc trưng của bể chứa chất lỏng như tần số dao động tự nhiên của chất lỏng trong bể, biên độ dao động của sóng chất lỏng, sự tiêu tán năng lượng và lực c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN VĂN NGUYÊN

PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

TẦN SỐ DAO ĐỘNG CỦA BỂ CHỨA CHẤT LỎNG

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn 1: PGS TS Lương Văn Hải

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Nguyễn Trọng Phước

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Song Giang

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

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

1 PGS TS Bùi Công Thành - Chủ tịch Hội Đồng

2 TS Châu Đình Thành - Thư ký

3 PGS TS Nguyễn Trọng Phước - Ủy viên (Phản biện 1)

4 PGS TS Lê Song Giang - Ủy viên (Phản biện 2)

5 PGS TS Nguyễn Trung Kiên - Ủy viên

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN VĂN NGUYÊN MSHV: 7140739

Ngày, tháng, năm sinh: 01/06/1990 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60580208

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tần số dao động của bể chứa chất lỏng có xét đến ảnh hưởng tương tác chất lỏng và thành bể sử dụng lý thuyết kết hợp thực nghiệm

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Giới thiệu tổng quan về hệ cản chất lỏng, khảo sát tổng quát các đặc trưng của

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/07/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 22/06/2018

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Lương Văn Hải

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho Học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Đó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học Để hoàn thành đề luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn đến tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó

Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt khóa Cao học vừa qua

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS TS Lương Văn Hải Thầy đã hướng dẫn giúp tôi hình thành nên ý tưởng của đề tài, hướng dẫn tôi phương pháp tiếp cận nghiên cứu Thầy đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt chặng đường vừa qua

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS ThS Bùi Phạm Đức Tường đã có nhiều đóng góp trao đổi giúp tôi hiểu rõ về bản chất đề tài, và gia đình tôi đã động viên tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này

Mặc dù bản thân đã cố gắng nghiên cứu và hoàn thiện, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót nhất định 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 quý Thầy Cô

Tp HCM, ngày 22 tháng 06 năm 2018

Nguyễn Văn Nguyên

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Các công trình nhà cao tầng hiện nay sử dụng bể nước mái nhằm mục đích kháng chấn và đã được áp dụng nhiều nơi trên thế giới Mặc dù loại kết cấu này rất phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam, nhưng hầu như chưa được sử dụng nhiều

Khi công trình chịu tải trọng động, thì dao động của sóng trong bể là vấn đề đã

và đang được nghiên cứu, và vấn đề này chiếm ưu thế trong nhiều lĩnh vực Sóng chất lỏng có thể gây ra nội lực lớn và biến dạng trong thành bể, đặc biệt khi tần số ngoại lực gần bằng tần số tự nhiên của sóng chất lỏng Khi đó, tường bể có thể phát sinh hư hỏng từ áp lực động lực của chất lỏng như là kết quả của hiện tượng cộng hưởng Trong luận văn này, khảo sát các đặc trưng của bể chứa chất lỏng như tần số dao động tự nhiên của chất lỏng trong bể, biên độ dao động của sóng chất lỏng, sự tiêu tán năng lượng và lực cắt đáy hình thành trong bể … Các nghiên cứu trước đây cho thấy, các thông số đặc trưng của bể chứa chất lỏng có thể được điều khiển khi chịu tải trọng bất kỳ

Trước đây, các bể chứa được thiết kế theo giả thiết thành bể tuyệt đối cứng để đơn giản trong quá trình tính toán, thường bỏ qua sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể Tuy nhiên, sự tương tác này đã có những tác hại không nhỏ xảy ra trong thực tế Từ những hư hỏng của kết cấu trở thành mục tiêu để phân tích sự dao động của bể chứa chất lỏng dưới tác dụng của tải trọng động, trong đó sự tương tác của chất lỏng và thành bể là một trong những điểm được nhấn mạnh trong luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Lương Văn Hải

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 22 tháng 06 năm 2018

Nguyễn Văn Nguyên

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Phân tích ứng xử của sóng chất lỏng bên trong bể chứa 4

1.2.1 Phân tích chuyển động chất lỏng bằng phương pháp Eulerian 4

1.2.2 Phân tích chuyển động chất lỏng bằng phương pháp Lagrangian 5

1.2.3 Phân tích chuyển động chất lỏng bằng cách kết hợp cả hai phương pháp 6

1.3 Các nghiên cứu về sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể 9

1.4 Mục tiêu và hướng nghiên cứu 11

1.5 Tóm tắt luận văn 12

CHƯƠNG 2 ĐẶC TRƯNG CỦA BỂ CHỨA CHẤT LỎNG 13

2.1 Dao động sóng và tần số dao động tự nhiên của chất lỏng 13

2.2 Khảo sát các thông số khác của bể 17

2.2.1 Biên độ chuyển động của sóng bề mặt chất lỏng 17

2.2.2 Hệ số cản của sóng chất lỏng 19

2.2.3 Lực cắt đáy do tác động của sóng chất lỏng lên thành bể 22

2.3 Tổng quan về hệ cản chất lỏng TLD 24

2.3.1 Giới thiệu về TLD 24

2.3.2 Cơ chế hoạt động của TLD 25

2.3.3 Mô hình TLD 26

2.4 Hệ cản chất lỏng đa tần số MTLD 35

2.5 Tính toán khung chịu dao động 38

CHƯƠNG 3 SỰ TƯƠNG TÁC CHẤT LỎNG VÀ THÀNH BỂ 41

3.1 Tổng quan về sự tương tác chất lỏng – thành bể 41

3.1.1 Sự khác nhau giữa bể có thành tuyệt đối cứng và bể có thành mềm 42

3.1.2 Ma trận khối lượng phụ trợ 44

3.1.3 Các tính chất đặc trưng của bể chứa chất lỏng dạng mềm 47

3.2 Áp dụng phương pháp PTHH để xét sự tương tác chất lỏng – thành bể 50

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 54

4.1 Bàn rung giả lập dao động 54

4.1.1 Thiết lập bàn rung 54

4.1.2 Cơ chế hoạt động của bàn rung 56

4.1.3 Phương pháp kết nối điều khiển của bàn rung 58

4.2 Mô hình khung thực nghiệm 60

4.3 Bố trí mô hình thí nghiệm 61

4.4 Kiểm tra tính đúng đắn của mô hình thí nghiệm 62

4.4.1 Thí nghiệm xác định tần số riêng và tỉ số cản của khung 63

4.4.2 Chuyển vị cực đại tại đỉnh sàn khi chịu kích thích điều hòa 66

4.5 Khảo sát các yếu tố ảnh hướng đến dao động của hệ cản chất lỏng TLD 68

4.5.1 Khảo sát ứng xử khi thay đổi chiều cao mực nước trong bể 68

4.5.2 Khảo sát ứng xử khi thay đổi loại chất lỏng trong bể 70

4.5.3 Khảo sát ứng xử khi có và không có vách ngăn (baffles) 72

4.6 Khảo sát ứng xử của TLD khi chịu tải trọng điều hòa tác động 76

4.6.1 Trường hợp chiều cao mực nước thay đổi 76

4.6.2 Khảo sát ứng xử khi thay đổi loại chất lỏng 77

4.6.3 Trường hợp TLD có và không có vách ngăn 79

4.7 Khảo sát ứng xử của hệ MTLD khi chịu tải trọng động 80

4.7.1 Thiết kế hệ các bể chứa 80

4.7.2 Thực nghiệm khảo sát hiệu quả giảm dao động của MTLD với

tải điều hòa 82

4.7.3 Thực nghiệm khảo sát hiệu quả giảm dao động của MTLD với tải động đất 95

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

5.1 Kết luận 99

5.2 Kiến nghị 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC 106

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 115

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tòa nhà One Rincon Hill cao 68 tầng 1

Hình 1.2 Tòa nhà One Wall Center 2

Hình 1.3 Mô hình bể chứa chất lỏng bằng hệ SDOF 3

Hình 1.4 Sóng chất lỏng bề mặt trong bể tuyệt đối cứng 3

Hình 2.1 Sóng chất lỏng dao động trong bể 13

Hình 2.2 Hệ số cản ở biên h b gần đáy bể 20

Hình 2.3 Lực cắt đáy tác dụng lên thành bể F = P o + P n 23

Hình 2.4 Cơ chế hoạt động của thiết bị TLD tương tự TMD 25

Hình 2.5 Mô hình bể chứa nước 2D 26

Hình 2.6 Mô hình hóa khối lượng nước hữu hiệu m i theo phương pháp của Gaham & Rodiguez 32

Hình 2.7 Quan hệ phụ thuộc giữa tỷ số m i /mwvà kích thước bể thông qua hệ số thứ nguyên α =L h/ 32

Hình 2.8 Quan hệ phụ thuộc giữa tỷ số m c n, /mwvà kích thước bể thông qua hệ số thứ nguyên α = /L h ứng với 3 dạng mode đầu tiên 35

Hình 2.9 Mô hình bể nước thực 2D về khối lượng thành phần 35

Hình 2.10 Kết cấu được gắn thiết bị MTMD 36

Hình 2.11 Mô hình thí nghiệm MTLD 36

Hình 2.12 Tần số phân bố trong hệ MTLD 37

Hình 2.13 Mô hình đơn giản của hệ kết cấu khung 38

Hình 2.14 Dao động tự do cản ít 39

Hình 3.1 Tương tác giữa chất lỏng – thành bể 43

Hình 3.2 Mô hình 2D bằng cách cắt một dải theo phương ngang 47

Hình 4.1 Bàn rung với các chi tiết trước khi được lắp đặt 55

Hình 4.2 Hình chiếu cạnh mô tả công tác truyền động từ động cơ đến bánh

đà liên kết với trục khuỷu, hình chiếu đứng thể hiện cấu tạo cơ cấu trục khuỷu, hình chiếu bằng mô tả thanh truyền liên kết với

bàn 56

Hình 4.3 Cơ chế kết nối trục khuỷu thanh truyền tạo chuyển động kích thích cho bàn rung 57

Hình 4.4 Mô hình hóa tính toán cơ chế hoạt động của kết cấu trục khuỷu – thanh truyền 58

Hình 4.5 Sơ đồ làm việc 59

Hình 4.6 Biến tần (a) và động cơ (b) 59

Hình 4.7 Bàn rung chế tạo thực nghiệm (a) và động cơ dẫn động (b) 59

Hình 4.8 Khởi tạo gia tốc nền điều hòa đo bằng bộ cảm biến gia tốc đặt tại chân bàn rung với độ lệch tâm 5mm 60

Hình 4.9 Khung thực nghiệm (a) và mô hình khung trong SAP2000 (b) 61

Hình 4.10 Mô hình thí nghiệm 61

Hình 4.11 Cảm biến và thiết bị thu nhận tín hiệu 62

Hình 4.12 Toàn cảnh mô hình thí nghiệm 62

Hình 4.13 Khai báo tỷ số cản vào trong phần mềm SAP2000 65

Hình 4.14 Chuyển vị tại đỉnh sàn đo bằng thực nghiệm và SAP2000 65

Hình 4.15 So sánh dao động tắt dần giữa thực nghiệm và lý thuyết bằng SAP2000 66

Hình 4.16 Khai báo điều kiện hàm theo thời gian đưa vào kết cấu 67

Hình 4.17 Chuyển vị đỉnh giữa thực nghiệm và SAP2000 67

Hình 4.18 Kích thước bể TLD thí nghiệm 69

Hình 4.19 Dao động tắt dần ứng với các mực nước khác nhau 69

Hình 4.20 Dao động tắt dần ứng với nước nông và nước sâu 70

Hình 4.21 Dao động tắt dần ứng với nước và nhớt khi h = 2cm 71

Hình 4.22 Dao động tắt dần ứng với nước và nhớt khi h = 4cm 71

Hình 4.23 Vách ngăn bên trong bể TLD 72

Hình 4.24 Dao động tắt dần khi có và không có vách ngăn ứng với h = 3cm 73

Hình 4.25 Dao động tắt dần khi có và không có vách ngăn ứng với h = 5cm 73

Hình 4.26 Dao động tắt dần khi có và không có vách ngăn ứng với h = 10cm 74

Hình 4.27 Ảnh hưởng tỷ số d/h khi h/L = 0.2 75

Hình 4.28 Ảnh hưởng tỷ số d/h khi h/L = 0.4 75

Hình 4.29 Dao động điều hòa khi thay đổi chiều cao mực nước 76

Hình 4.30 Dạng dao động của sóng chất lỏng 77

Hình 4.31 Dao động điều hòa ứng với nước và nhớt khi h = 2cm 77

Hình 4.32 Dao động điều hòa ứng với nước và nhớt khi h = 4cm 78

Hình 4.33 Dao động điều hòa ứng với nước và nhớt khi h = 10cm 78

Hình 4.34 Dạng dao động của sóng chất lỏng 79

Hình 4.35 Dao động điều hòa khi có và không vách ngăn với h = 3cm 79

Hình 4.36 Dao động điều hòa khi có và không vách ngăn với h = 5cm 80

Hình 4.37 Dao động điều hòa khi có và không vách ngăn với h = 10cm 80

Hình 4.38 Mô hình hệ cản đa bể MTLD 81

Hình 4.39 Mô hình thí nghiệm với 1 TLD trung tâm 83

Hình 4.40 Sóng vỡ xảy ra bên trong 1 TLD 84

Hình 4.41 Chuyển vị đỉnh của khung so sánh khi có 1 TLD 84

Hình 4.42 Mô hình thí nghiệm với 2 TLD 85

Hình 4.43 Dao động sóng bên trong 2 TLD 86

Hình 4.44 Chuyển vị đỉnh của khung so sánh khi có 2 TLD 86

Hình 4.45 Mô hình thí nghiệm với 3 TLD theo cụm bể một phía và bố trí xiên 87

Hình 4.46 Dạng dao động của sóng trong 3 TLD 88

Hình 4.47 Chuyển vị đỉnh của khung so sánh khi có 3 TLD 89

Hình 4.48 Mô hình thí nghiệm với 4 TLD 89

Hình 4.49 Dạng dao động sóng trong 4 TLD 91

Hình 4.50 Chuyển vị đỉnh của khung so sánh khi có 4 TLD 91

Hình 4.51 Mô hình thí nghiệm với 5 TLD 92

Hình 4.52 Chuyển vị đỉnh của khung so sánh khi có 5 TLD 94

Hình 4.53 So sánh hiệu quả cản giữa các loại TLD với nhau 94

Hình 4.54 Dữ liệu trận động đất Elcentro 95

Hình 4.55 Mô hình thí nghiệm với 5 TLD cho trường hợp động đất 95

Hình 4.56 Chuyển vị đỉnh khung MTLD dưới tải trọng động đất 97

Hình 4.57 Dạng dao động sóng trong 5 TLD (sóng cuộn) 98

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Chi tiết các bộ phận của kết cấu bàn rung 56

Bảng 4.2 Thông số khung chế tạo 60

Bảng 4.3 Thông số kích thước tương đối của vách ngăn 74

Bảng 4.4 Kích thước hình học của bể chứa đa tần số MTLD 81

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

TLD Hệ cản bằng chất lỏng (Tuned Liquid Dampers)

STLD Hệ cản chất lỏng đơn bể (Simple Tuned Liquid Dampers)

MTLD Hệ cản chất lỏng đa bể, đa tần số (Multiple Tuned Liquid Dampers) SDOF Hệ một bậc tự do (Single Degree of Freedom)

MDOF Hệ nhiều bậc tự do (Multi Degrees of Freedom)

h h, Chiều cao sóng ở bên trái và bên phải tính từ đáy

d Chiều cao của vách ngăn

L Chiều dài bể nước

,

B b Chiều rộng của bể

u Vận tốc truyền sóng ngang

g Gia tốc trọng trường

Hình 1.1 Tòa nhà One Rincon Hill cao 68 tầng

Hình 1.2 Tòa nhà One Wall Center

Các phân tích động lực học của bể chứa chất lỏng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng khái niệm hệ một bậc tự do (SDOF) để mô tả dao động của bể chứa (Hình 1.3)

Hình 1.3 Mô hình bể chứa chất lỏng bằng hệ SDOF

Bề mặt chất lỏng trong một bể chứa có thể chuyển động qua lại tại tần số tự nhiên riêng biệt Dao động của chất lỏng ở tần số thấp được định nghĩa là sóng chất

lỏng bề mặt (sloshing) (Hình 1.4)

Hình 1.4 Sóng chất lỏng bề mặt trong bể tuyệt đối cứng Các nghiên cứu gần đây về bể chứa chất lỏng cho thấy công dụng của bể chứa chất lỏng có thể dùng để ứng dụng trong trong nhiều lĩnh vực Không chỉ đơn giản

là dùng để chứa các loại chất lỏng cần thiết, mà còn được ứng dụng để kháng chấn trong hàng hải và xây dựng Trong nhiều thập kỉ vừa qua, các nghiên cứu về bể

chứa để ứng dụng trong kháng chấn cho xây dựng ngày một phát triển hơn, và đã cho được nhiều kết quả thực tiễn

1.2 Phân tích ứng xử của sóng chất lỏng bên trong bể chứa

Dao động sóng được hình thành khi có ngoại lực tác dụng vào và làm cho chất lỏng mất ổn định dẫn đến dao động, từ đó kéo theo sự thay đổi các đặc trưng động lực của hệ Nếu như có thể khống chế được biên độ cũng như tần số của sóng thì ổn định của kết cấu xem như được điều khiển Vì vậy, có thể xem sóng chất lỏng trong bể là thông số quan trọng nhất khi nghiên cứu về bể chứa chất lỏng, do

đó thông số này được đầu tư xem xét rất nhiều Các nhà khoa học phát triển ba hướng nghiên cứu chính về chuyển động của chất lỏng trong bể là hướng phân tích kiểu Lagrangian, phân tích kiểu Eulerian hoặc kết hợp cả hai hướng trên

Phương pháp Eulerian được sử dụng nhiều nhất trong phân tích chuyển động của chất lỏng nhờ thuận lợi của phương pháp này là biến dạng lớn được kiểm soát dễ dàng nhưng lại làm cho khối lượng phương trình cần giải tăng lên nhiều hơn do việc tạo lại lưới phần tử sau mỗi bước tính toán để đạt được độ chính xác cho phép Thông thường trong phương pháp Eulerian thì biến cần tìm là

áp suất ở nút của chất lỏng (Zienkiewicz et al., 1983) Phương pháp Eulerian đề nghị bởi Zienkiewicz và Bettess (1978) sử dụng áp suất làm biến cần tìm sau khi phân tích dẫn đến việc giải quyết một chuỗi các ma trận không đối xứng, làm cho việc giải phương trình không đơn giản Trong khi đó, Olson và Bath (1985) thì lại xem t h ế vận tốc như biến cần tìm còn áp suất thủy động là biến phụ trong miền chất lỏng và đưa bài toán về dạng ma trận đối xứng, giúp giải quyết phương trình dễ hơn nhiều, ngay cả khi số ẩn số trong bài toán là lớn

Bằng cách giả thiết chất lỏng không nén được, không nhớt, không xoay,

Aslam (1981) sử dụng phương pháp thế vận tốc (lấy vận tốc làm ẩn) để phân tích

sóng chất lỏng khi công trình chịu động đất trong bể chứa tuyệt đối cứng có dạng đối xứng trụ Trong nghiên cứu đó, Aslam đã đưa về còn một ẩn số duy nhất và khó khăn chính trong bài toán này là việc phải giải quyết vấn đề phi tuyến của

sóng ở mặt thoáng chất lỏng Aslam đã lựa chọn phương pháp Eulerian và đơn giản hóa bằng cách bỏ qua các mode bậc cao, tuy nhiên cách này chỉ có thể áp dụng cho sóng chất lỏng có biên độ không lớn Ma trận tương tác trong đó tồn tại đạo hàm theo thời gian của vận tốc chất lỏng và chuyển vị kết cấu được sử dụng để mô phỏng ứng xử tại mặt tương tác chất lỏng – thành bể Phương pháp của Aslam được mở rộng bởi Babu và Bhattacharyya (1996) để xem xét ảnh hưởng tương tác chất lỏng và thành bể trong quá trình dao động của sóng Phương pháp lặp được đề xuất để tính toán chuyển vị của sóng chất lỏng do ngoại lực tác động và chuyển vị của bể do áp suất chất lỏng gây ra Theo hướng tiếp cận khác, Kock và Olson (1991) đề xuất phương pháp thế vận tốc phi tuyến với khối lượng thu gọn để tính toán chuyển vị của chất lỏng Mặc dù nghiên cứu này có nói đến khả năng ứng dụng rộng rãi của phương pháp, nhưng ví dụ minh họa chỉ giới hạn cho trường hợp chuyển vị biên chất lỏng là đủ nhỏ

Bằng cách sử dụng chuyển vị như biến cần tìm, phương pháp Lagrangian cho thấy sự mô tả rõ ràng hơn cho mặt tương tác và giải quyết vấn đề dòng chảy chi tiết hơn Thuận lợi lớn của phương pháp Lagrangian so với Eulerian là khả năng

tương thích với các phần mềm xây dựng trên nền tảng phương pháp PTHH (Phần

tử hữu hạn), bởi vì hầu hết các phần mềm ứng dụng phương pháp PTHH đều lấy chuyển vị làm ẩn số Nhưng vấn đề của phương pháp Lagrangian là sai số của bài toán sẽ rất lớn khi lưới phần tử tạo ra không tốt Trong các hướng tiếp cận trước đây, Hunt (1970 và 1971) đã đề cập đến lý thuyết phần tử chất lỏng sử dụng tính chất vật lý kết hợp trực quan để phân tích ảnh hưởng của sóng chất lỏng và

sức căng bề mặt (Structural theory of fluid using physical reasoning and

intuition to account for the effect of sloshing, surface tension) (Cook et al., 1973) Trong phương pháp của Hunt, tính chất không nén được của chất lỏng đã được

sử dụng để thiết lập các điều kiện ràng buộc nhằm loại trừ một số các biến không cần thiết Hunt chỉ ra rằng một số kết quả tần số là bằng “0”, và khi sóng chất lỏng được kể thêm vào tính toán thì số tần số bằng “0” sẽ bị giảm đi

Trên cơ bản, phần tử chất lỏng trong phương pháp PTHH theo mô hình

chuyển vị (Displacement – based formulation) là loại phần tử đàn hồi liên tục có

mô-đun kháng cắt bằng “0” và có tính chất không nén được (Zienkwick, 1978) Trong bài toán phân tích động lực sử dụng hàm dạng, loại phần tử này có năng lượng chuyển vị là bằng “0” do module kháng cắt của chất lỏng bằng “0” Các hàm dạng như vậy có thể được loại trừ bằng cách ràng buộc phần tử chất lỏng không có chuyển vị xoay (Zienkiewickz và Bettess, 1978) Dựa trên định lý Hamilton, Debongie (1986) đã thiết lập một số phương trình về dao động bao gồm cả chuyển động của sóng chất lỏng lẫn rung động âm học Tuy nhiên, các phương trình này chỉ có thể ứng dụng trong trường hợp sóng chất lỏng tuyến tính và không xét đến ứng xử phi tuyến của phần tử Đối với các phần tử chất lỏng có chuyển vị lớn thì Bathe và Hahn (1979) đề xuất phương pháp Updated Lagrangian để phát triển các phần tử đẳng tham số 2D và 3D với số nút khác nhau bằng cách sử dụng lý thuyết

về khối lượng chất lỏng dạng thu gọn Trong phương pháp đó, Bathe có chỉ ra rằng khi sóng chất lỏng có biên độ dao động lớn thì việc tạo lưới phần tử có thể bị ảnh hưởng không tốt và dẫn đến giảm mức độ chính xác của bài toán Việc cập nhật lưới phần tử đã không được xét đến khi nghiên cứu tập trung vào việc phân tích quá

độ cho chất lỏng phi tuyến trong ống

Một khuynh hướng khác của phương pháp phân tích theo Lagrangian là việc xem vận tốc ở nút như biến cần tìm (Johnson, 1979; Bach và Hassager, 1985) kết hợp phương pháp hiệu chỉnh vận tốc (Kawahara và Anjyu, 1988; Okamoto và Kawahara, 1990) Kết quả của họ cho thấy chuyển động sóng chất lỏng với biên độ lớn có thể được phân tích bằng phương pháp này Tuy nhiên, cách này có khó khăn

là không kết hợp được với các phần mềm viết trên cơ sở phương pháp PTHH

Cả hai phương pháp Lagrangian hay Eulerian đều có những thuận lợi và những bất lợi riêng, hoặc là khối lượng tính toán quá lớn hoặc là lời giải kém chính xác do hạn chế về mô hình toán Cho nên một phương pháp mới được ra đời là phương pháp kết hợp Eulerian – Lagrangian có tên gọi Arbitrary Lagrangian – Eulerian (ALE) nhằm tận dụng được ưu điểm của hai phương pháp trên Phương

pháp này được Hughes et al giới thiệu lần đầu năm 1981 và giải quyết vấn đề dao động sóng chất lỏng bằng phương pháp PTHH trên giả thuyết chất lỏng nhớt và không nén được dựa trên nền tảng từ phương pháp Eulerian của chính Hughes đề xuất năm 1978 Trong phương pháp ALE, đối với việc cập nhật lại lưới phần tử, bên cạnh miền không gian và miền vật liệu, Hughes còn giới thiệu thêm miền tham chiếu được thành lập bằng cách áp dụng hàm ánh xạ Khi lựa chọn đúng miền tham chiếu và hàm ánh xạ, việc mô tả tính chất động học của mặt thoáng chất lỏng và vấn

đề tương tác của Chất lỏng – Thành bể sẽ được giải quyết thỏa đáng Hàm nội suy tuyến tính trong phương pháp Eulerian trở thành phi tuyến trong phương pháp ALE

Do đó, khối lượng tính toán bị tăng lên rất nhiều

Phương pháp ALE sau này được mở rộng bởi Belytschko và Flanagan (1982) cho phân tích quá độ chất lỏng dựa trên lý thuyết dòng chảy nhớt và nén được Các nghiên cứu trước đây sử dụng thuật ngữ “Quasi Eulerian” để nhấn mạnh rằng cấu trúc của phương trình chủ đạo dao động chất lỏng tương tự như phương pháp Eulerian Và để giảm khối lượng tính toán do vấn đề phi tuyến đã đề cập ở trên thì hai tác giả đã áp dụng thuật toán tích phân cầu một điểm, tuy nhiên vấn đề việc tạo lưới phần tử vẫn chưa giải quyết triệt để Liu và Ma (1982) trình bày về ứng dụng của phương pháp ALE trong việc khảo sát chuyển vị và ứng xử động lực của chất lỏng trong bể chứa chữ nhật Trong phương pháp này, áp suất chưa biết của chất lỏng nhớt được loại bỏ nhờ giả thiết không nén được của chất lỏng

Ứng dụng được cho là thành công nhất của phương pháp ALE trong phân tích dao động sóng chất lỏng với biên độ lớn được thiết lập bởi Huerta và Liu (1988) Trong nghiên cứu của họ, phương pháp kết hợp áp suất – vận tốc cộng thêm phương pháp dòng chảy tầng để cập nhật lưới phần tử có thể dùng mô phỏng mặt thoáng chất lỏng và sóng bề mặt với biên độ lớn

Vấn đề chính yếu trong phương pháp ALE là làm cách nào để tìm được thuật toán thích hợp để miêu tả chuyển động khác nhau của miền tham chiếu, trong khi

đó sự tạo lưới phần tử được hình thành liên tục nhằm mô phỏng chính xác chuyển động bề mặt và để duy trì thường xuyên biến dạng của phần tử chất lỏng Housner (1967) đề nghị phân bể chứa hình trụ tròn ra làm 2 loại là bể dạng thấp và

bể dạng cao, bể dạng thấp có H f /R≤ 0.15 còn bể dạng cao có H f /R> 0.15, trong

đó H f là chiều cao của mực chất lỏng trong bể và R là bán kính của bể chứa Với loại bể cao thì Housner xem như chỉ có 0.15R phần chất lỏng bên dưới là dao động đồng thời với bể còn phần bên trên thì xem như là dao động riêng biệt Bằng cách sử dụng các nghiên cứu của Housner thì Epstein (1976) đã vẽ ra đường cong thiết kế để ước lượng biến dạng và momen cực đại cho bể dạng trụ tròn và dạng chữ nhật Housner (1967) hay Epstein (1976) đều dựa trên giả thuyết là bể chứa tuyệt đối cứng và tương tác của Chất lỏng – Thành bể được bỏ qua Tuy nhiên, chất lỏng trong bể ứng xử phức tạp hơn rất nhiều, nên nếu xem thành bể là tuyệt đối cứng thì các kỹ sư đã thiết kế bể không an toàn và đặc biệt là khi hiện tượng cộng hưởng xảy ra

Các nghiên cứu được phát triển tiếp với sự tập trung về vấn đề kích thước cũng như hình dạng bể Sayar và Baumganter (1982) đã trình bày các nghiên cứu cho cả sóng chất lỏng dao động tuyến tính lẫn phi tuyến cho bể chứa hình

tròn dựa trên mô hình Con Lắc (Pendulum Model) được đề xuất bởi chính họ

(Coupling effect) của Bể Chứa – Kết Cấu và lực thủy động không còn là giống

như giả thiết bằng khối lượng nhân với gia tốc chuyển động nền Nghiên cứu này được chính Veletsos và Tang (1987) giải quyết cho cả hai loại bể chứa xem như tuyệt đối cứng lẫn bể chứa dạng mềm

Năm 1997, Jin Kyu Yu đã giải quyết vấn đề phi tuyến của sóng chất lỏng trong bể chứa bằng cách xây dựng mô hình lý thuyết đi từ thực nghiệm và đưa ra

2 phương pháp là Phương pháp độ cứng phi tuyến (Nonlinear Stiffness Method)

và Phương pháp chọn ngẫu nhiên (Random Choice Method) để xét hết các khía

cạnh tính chất phi tuyến của sóng chất lỏng trong bể chứa

1.3 Các nghiên cứu về sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể

Hầu hết các nghiên cứu trước thập niên 1980 chủ yếu tập trung vào việc phân tích động lực của sóng chất lỏng sao cho cung cấp cho kỹ sư một công cụ đơn giản nhưng đủ độ chính xác để thiết kế bể chứa Bằng cách giả thiết rằng bể chứa chất lỏng là tuyệt đối cứng, chất lỏng bên trong được xem như dao động đồng thời với

bể và bỏ qua ảnh hưởng được tạo ra do sự tương tác của Chất lỏng – Thành bể cho nên sơ đồ tính rất đơn giản nhằm tiện cho việc thiết kế nhanh chóng các bể chứa nước hay xăng dầu vào thời điểm đó (Housner, 1967) Tuy nhiên, sau này do các

hư hỏng của bể khi công trình trải qua động đất đã làm động lực thúc đẩy các kỹ

sư thiết kế và các nhà nghiên cứu phải xem xét lại các giả thiết trước đây Bởi vì, khi dao động trong bể, chất lỏng không dao động đồng thời với bể mà toàn bộ phần chất lỏng được chia ra làm hai phần, phần chất lỏng bên dưới thì dao động đồng thời với bể còn phần bên trên dao động tách rời so với bên dưới và phần đó được

gọi là “sóng chất lỏng bề mặt” (Sloshing), phần sóng chất lỏng bề mặt này dao

động không những không đồng thời với phần chất lỏng bên dưới mà còn gây ra tương tác giữa chất lỏng – thành bể dẫn đến sự thay đổi đặc trưng động lực của bể

và ngoài ra còn tiêu tán một phần năng lượng kích thích thông qua sự tương tác này

Các nghiên cứu về ứng xử của bể chứa chất lỏng khi chịu tác động của tải

trọng động Housner (1963) đã đề xuất một mô hình đơn giản dạng lò xo (mass

spring model) và mô hình này vẫn còn sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay Chất

lỏng được chia làm hai phần: thành phần xung cứng (impulsive) sát với đáy bể, gắn

cố định với thành bể coi là tuyệt đối cứng, thành phần đối lưu (convective hay

sloshing) gần với mặt thoáng của chất lỏng, gắn với thành bể bằng các lò xo

Trong các nghiên cứu tiếp theo, Housner đã điều chỉnh mô hình trên khi kể tới

độ mềm của thành bể (hay biến dạng của thành bể) và được Veletsos và Yang

(1976) phát triển Haroun (1983) xây dựng mô hình bằng cách chia thành phần xung cứng thành hai phần, một phần liên kết gắn cứng với đáy bể và một phần còn lại tham gia vào quan hệ dịch chuyển có kể tới biến dạng của thành bể cùng với thành phần đối lưu Tiếp theo là mô hình do Veletsos (1984) đề xuất phát triển từ mô hình của Housner, chia chất lỏng thành các thành phần bao gồm thành phần xung cứng

gắn cố định với thành bể, còn thành phần đối lưu được chia thành n phần gắn với

thành bể bằng các lò xo Mô hình này có tính đến biến dạng của thành bể

Nhờ sự phát triển ngày càng mạnh của công nghệ máy tính, phương pháp

số được ứng dụng nhiều hơn để giải các bài toán trong kỹ thuật Phương pháp PTHH (Phần tử hữu hạn) trở nên vô cùng mạnh mẽ nhờ công nghệ máy tính và ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu về bể chứa chất lỏng bằng phương pháp PTHH được ra đời, vấn đề tương tác chất lỏng và thành bể được mô phỏng dễ dàng hơn tuy nhiên hiện tượng này vẫn cần được xem xét kỹ hơn nữa để có thể ứng dụng trong áp dụng thực tế Swaroop K.Yalla và Ahsan Kareem (2001) đã có thêm những nghiên cứu mới về cách tiếp cận hiện tượng này thông qua ma trận khối lượng của hệ liên hợp kết cấu – chất lỏng

Các nghiên cứu về hệ cản chất lỏng TLD tuy đã rất phong phú từ phân tích về hình dạng của bể chứa, chất lỏng sử dụng, dự đoán về hiện tượng sóng vỡ, hay với những ưu điểm trong việc điều chỉnh dao động đã được nghiên cứu thực nghiệm rất nhiều trên thế giới Tuy nhiên, đối với Việt Nam chúng ta, đa phần các công tác khảo sát chỉ dừng lại ở những phân tích số dựa trên nền tảng PTHH và rất ít nghiên cứu xét đến ứng xử của công trình khi có sử dụng TLD đặc biệt là khi có xét đến các hiệu ứng tương tác Mặt khác, ở khu vực phía Bắc cũng có một mô hình thí nghiệm về TLD của tác giả Nguyễn Đức Thị Thu Định tại trường Đại học Giao Thông Vận Tải Hà Nội, tuy nhiên mô hình này dùng cho khảo sát ảnh hưởng dành riêng cho công trình cầu Trên cơ sở đó, mô hình thực nghiệm đặt tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.HCM được kiểm chứng phù hợp với với công trình nhà nhiều tầng về độ chính

xác so với những kết quả đạt được từ phân tích số (kết quả từ mô hình SAP2000)

1.4 Mục tiêu và hướng nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn nhằm xây dựng mô hình thực nghiệm phù hợp cho việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả giảm dao động của hệ cản chất

lỏng TLD (Tuned Liquid Dampers) có xét đến sự tương tác giữa chất lỏng và thành

bể Các vấn đề nghiên cứu cụ thể trong phạm vi luận văn này bao gồm:

• Xây dựng mô hình tính toán đối với hệ cản chất lỏng bằng lý thuyết cơ học chất lưu, đồng thời phân tích các thành phần chủ yếu có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng cản của TLD

• Giới thiệu các thiết bị cần thiết để xây dựng mô hình thực nghiệm, bao gồm: bàn rung giả lập dao động, khung kết cấu và bể nước khảo sát, bộ xử

lý kết dữ liệu, và các chi tiết liên quan Bố trí và hoàn thiện mô hình trong điều kiện phòng thí nghiệm

• Kiểm chứng tính đúng đắn của khung kết cấu so với lý thuyết tính toán dựa trên chương trình SAP2000 cũng như các chi tiết cấu thành mô hình

• Khảo sát ứng xử của khung khi có bố trí hệ cản chất lỏng TLD Phân tích

tương tự đối với hệ đa bể và đa tần số MTLD (Multiple Tuned Liquid

Dampers) trong hai trường hợp tải trọng kích thích điều hòa và động đất

1.5 Tóm tắt luận văn

Nội dung trong luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: trình bày sơ lược về đề tài Tóm tắt các nghiên cứu đã thực hiện trước đây về bể chứa chất lỏng Từ đó, đưa ra hướng tiếp cận, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu của đề tài

Chương 2: giới thiệu tổng quát về các tính chất đặc trưng của bể chứa chất lỏng Chú ý đến các thông số quan trọng nhất của bể chứa từ tần số dao động tự nhiên, biên độ của sóng chất lỏng, … Giới thiệu tổng quát về hệ cản chất lỏng TLD và MTLD

Chương 3: trình bày về hiện tượng tương tác giữa chất lỏng – thành bể

và ảnh hưởng của hiện tượng này đến các thông số của bể chứa Qua đó, đề xuất hệ số tương quan nhằm phân biệt giữa bể cứng và bể mềm

Chương 4: giới thiệu tổng quan về mô hình thí nghiệm như: cơ chế hoạt động, phương pháp điều khiển…, mô tả sơ bộ bố trí mô hình thí nghiệm, và kiểm tra tính đúng đắn của mô hình trước khi tiến hành các thí nghiệm kiểm chứng, và tóm tắt các kết quả thí nghiệm đã đạt được

Chương 5: kết luận và đưa ra các kiến nghị đề xuất và mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo trong tương lai

CHƯƠNG 2.

ĐẶC TRƯNG CỦA BỂ CHỨA CHẤT LỎNG

Chương hai giới thiệu về các phần lý thuyết đối với bể chứa nói chung và sóng chất lỏng trong bể nói riêng Chương này sẽ được sử dụng làm nền tảng cho các phân tích khảo sát bể chứa trong các chương tiếp theo Các thông số quan trọng nhất của bể chứa chất lỏng từ tần số dao động tự nhiên, biên độ sóng chất lỏng, áp suất tác động lên thành bể, lực cắt đáy sẽ được trình bày và thảo luận Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán các thông số cho lý thuyết kể trên Các mục cụ thể trong chương là:

Tần số dao động tự nhiên của bể chứa

Các thông số cần được xem xét trong bể chứa chất lỏng: biên độ sóng chất lỏng, sự tiêu tán năng lượng và lực cắt đáy bể, …

2.1 Dao động sóng và tần số dao động tự nhiên của chất lỏng

Tần số dao động tự nhiên của chất lỏng trong bể là thông số quan trọng đầu tiên cần được khảo sát thật kỹ lưỡng vì tất cả các thông số khác đều được tính toán dựa trên tần số tự nhiên Ngoài ra, khi xuất hiện hiện tượng cộng hưởng do tần số dao động riêng của bể bằng tần số của ngoại lực tác dụng sẽ làm rạn nứt hoặc phá hoại thành bể Mục đích phần này là phân tích tần số dao động tự nhiên và các hệ số làm ảnh hưởng đến tần số Xét bể chứa chất lỏng có dạng như Hình 2.1

Hình 2.1 Sóng chất lỏng dao động trong bể

Khi sóng chất lỏng dao động có dạng tuyến tính, chuyển động của chất lỏng có thể vận tốc φ thỏa mãn phương trình Laplace:

trình trên được tìm thấy bằng cách kết hợp các điều kiện biên Giả thiết rằng hàm vận tốc φ có dạng:

Các thông số A, B, C, D được xác định từ các điều kiện biên

• Điều kiện biên ở đáy bể

• Điều kiện biên ở mặt thoáng chất lỏng

Tại Z =η( )x t, bể đứng yên không có dao động sóng vì vậy tồn tại hai điều

kiện biên là:

Điều kiện biên động lực học:

với p o là áp suất ở mặt thoáng chất lỏng

Phương trình Bernoulli biểu diễn cho hàm thế φ có dạng như sau:

12

Thế (2.2), (2.4) và (2.7) vào (2.11), sau đó so sánh phương trình (2.15) với (2.11) thu được:

( )

0

12

2

kh

B

gh ACe

• Điều kiện biên ở thành bể

Xét bể có dạng tuyệt đối cứng nên xem như biến dạng cũng như chuyển vị của thành bể bằng “0”, vì vậy:

Trường hợp bể chứa có cơ chế chuyển động nền phương ngang, chỉ có hàm dạng sóng không đối xứng bị kích thích Khi đó (2.20) được viết lại như sau:

Để thỏa mãn điều kiện biên ở thành bể thì đạo hàm theo x của (2.22) phải bằng

trong đó n là số các mode khác nhau của dao động sóng chất lỏng

Khi n = 1 tần số dao động cơ bản đầu tiên theo (2.26)

2.2 Khảo sát các thông số khác của bể

Phần này trình bày các thông số cơ bản khác không kém phần quan trọng so với tần số dao dộng tự nhiên của bể, như là:

Biên độ chuyển động của sóng bề mặt của chất lỏng

Sự tiêu tán năng lượng trong bể chứa thông qua dao động của sóng

Áp suất tác dụng lên thành bể

Lực cắt đáy hình thành trong bể

Để khảo sát biên độ dao động của sóng, cho một ngoại lực kích thích đủ lớn

để mặt thoáng chất lỏng dao động Giả sử bể chứa chất lỏng bị kích thích bởi

một xung lực điều hòa X t( )=X osinωt với X o là biên độ dao động và ω là tần số kích thích, phương trình Laplace ∇2φ = 0

∂ ∂ , tại z=η( )x t, (điều kiện biên động lực học) (2.31)

Kết hợp hai điều kiện biên ở mặt thoáng chất lỏng (2.30) và (2.31) thu được:

2 2

ππ

Thế (2.34) vào (2.33) thu được:

z h x

2 0

1 4

n o



Để đơn giản nhưng vẫn đạt được mức độ chính xác cần thiết chỉ cần xét mode

dao động cơ bản của TLD tức là khi n=0, khi đó tại phía thành bể trên mặt thoáng x=L/2 biên độ dao động của sóng chất lỏng được viết lại như sau:

2 2

2

4

o L

x

n

t x g

Vì vậy, hệ số này cần được xem xét kỹ khi mô phỏng bể chứa – hệ cản chất lỏng TLD Để thiết lập được hệ số cản của chất lỏng λ, xuất phát từ phương trình cơ học môi trường liên tục cho dao động của một chất điểm:

Kết hợp phương trình Navier – Stokes cho dòng chảy hai chiều trong đó u, v lần lượt là vận tốc của chất điểm theo phương x và z Đối với các chất lỏng có

độ nhớt nhỏ như nước thì ảnh hưởng của lực nội ma sát trong chất long chỉ đáng kể ở vùng biên gần đáy bể (Josson 1996) Từ nhận xét đó, xem chất lỏng bên ngoài vùng biên trên như là thế vận tốc, (2.38) trở thành

2 2

Bên ngoài vùng biên gần đáy bể, theo Shimizu và Hayama (1987), hàm thế vận tốc có thể được viết dưới dạng sau cho chất lỏng có mực nước nông:

(x z t) ( )x t (k h( z) )

Từ (2.43) vận tốc theo phương đứng của chất lỏng w và các đạo hàm của w có thể được biểu diễn theo vận tốc phương ngang u bằng cách tích phân phương trình theo biến z từ đáy bể lên đến mặt thoáng như sau:

( )

0

u h

φ ηη

1

22

σ =tanh ,φ =tanh +η tanh , =tanh +η

Sự tiêu tán năng lượng trong phương trình (2.45) có thể viết lại là:

chất lỏng hình thành trong bể Phương trình (2.47) có thể được viết lại như sau:

( )

2 2

b

h h

h

u dz

Khi hệ cản chất lỏng TLD hoạt động, nó sản sinh ra tải trọng động của chất lỏng Khi biên độ kích thích lên chất lỏng bé thì có thể xem như áp lực chất lỏng lên thành bể là áp lực tĩnh Nhưng đối với một dãi các tần số nào đó thì hiện tượng sóng vỡ sẽ xuất hiện ở một thời điểm nào đó Và tải trọng động này

là nguyên nhân gây ra áp suất lên thành bể

Áp suất tác dụng lên thành bể hay đôi khi còn gọi là lực cắt đáy được xác định như là phản lực của thành bể, nó được tạo ra bởi cơ chế dao động của chất lỏng khi sóng bề mặt hình thành và đập vào thành bể (Hình 2.3) Sóng bề mặt

chất lỏng bao gồm 1 sóng đơn và 1 nhóm các sóng đối xứng dạng sin Áp suất

của chất lỏng tại 1 vị trí bất kỳ nào đó (bỏ qua áp suất tĩnh gzρ ) là:

4

22

2 2

2 0

2 2

2 0

L L

3 3

L

h

n L

tanh sin

(2.53)

với m f =ρLlh là khối lượng thể tích tổng cộng

Thế (2.37) vào (2.53) lực cắt đáy bể có thể viết lại đơn giản là:

12

x

2.3 Tổng quan về hệ cản chất lỏng TLD

2.3.1 Giới thiệu về TLD

Hệ cản chất lỏng TLD (Tuned Liquid Damper) thuộc nhóm thiết bị cản bị

động thường được sử dụng trong các công trình nhà cao tầng để điều chỉnh dao động TLD được thiết kế dưới dạng bể nước hình chữ nhật và bố trí ở đỉnh công trình Hệ TLD có khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượng qua các lớp ma sát biên, sóng vỡ và dao động sóng bề mặt Dựa trên tỷ số chiều cao mực chất lỏng trên bề

rộng bể theo phương kích thích của ngoại lực (h/L), TLD có thể được chia thành 2 loại, cản nước nông (h/L < 0.5) và cản nước sâu (h/L > 0.5)

Thông số quan trọng nhất của TLD là tần số dao động sóng Bằng cách điều chỉnh tần số này về tần số tự nhiên của kết cấu, dao động của sóng và hiện tượng sóng vỡ sẽ xảy ra ngày càng mạnh và nhiều Do đó, phần lớn dao động của hệ tương ứng bị phân tán đáng kể từ hoạt động này Theo Hadi Malekghasemi (2011) đề xuất nên đưa tỷ lệ này về khoảng 1 – 1.2 thì hệ TLD sẽ duy trì được hiệu quả kháng chấn

của nó Bên cạnh đó, tỷ lệ khối lượng (Khối lượng nước/Tổng khối lượng của công

trình) cũng là một thông tin quan trọng Trong nghiên cứu của Banerji, Murudi, Shah và Popplewell (2000), đã chỉ ra tỷ lệ khối lượng hiệu qủa nằm trong khoảng 1% đến 5%

TLD về cơ bản có nhiều lợi thế hơn so với các hệ cản bị động khác:

Giá thành thấp, dễ lắp đặt và sửa chữa

Dễ dàng thay đổi tần số sóng bằng cách thay đổi mực nước hoặc kích thước bể

TLD tỏ ra hiệu quả trên dải biên độ và tần số rộng

TLD có thể điểu chỉnh kích thước dễ dàng

Có thể tận dụng nguồn nước cho hoạt động chữa cháy khi xảy ra hỏa hoạn