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

 Phân tích hiệu quả giảm dao động của hệ giảm chấn dạng chất lỏng khi kết cấuchịu tải điều hòa và động đất, bài toán với ẩn số khá lớn nên tiêu tốn khá nhiềutài nguyên tính toán, thông

NGUYỄN THÀNH TRUNG

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG KHÁNG CHẤN CỦA NƯỚC

TRONG KẾT CẤU THÁP NƯỚC

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

2 PSG TS Lương Văn Hải

3.PGS TS Nguyễn Trung Kiên

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

MSHV: 7140756 Nơi sinh: Quảng Bình

Họ và tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG

Ngày, tháng, năm sinh: 26/07/1987

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

TÊN ĐỀ TÀI:

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

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

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

 Xây dựng mô hình kết cấu tháp nước trong không gian chịu tải trọng động, môhình được rời rác hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn với phần tử khối củakết cấu và nước; phần mềm ANSYS với mã nguồn mở được áp dụng để giải bàitoán này khi viết mã nguồn phần khai báo và lựa chọn phương pháp giải

 Phân tích hiệu quả giảm dao động của hệ giảm chấn dạng chất lỏng khi kết cấuchịu tải điều hòa và động đất, bài toán với ẩn số khá lớn nên tiêu tốn khá nhiềutài nguyên tính toán, thông số nghiên cứu giảm chấn là mực nước trong bể chứa

và đặc trưng của kết cấu với tải trọng động

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/08/2016

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

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

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

Và trên hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Trọng Phước là người đã gợi ý để hình thành hướng nghiên cứu cho đề tài và hướng dẫn tôi thực hiện trong thời gian vừa qua, để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn của mình Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất và nhanh chóng nhất giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Và Thầy đã truyền thụ cho tôi những kiến thức và hiểu biết sâu hơn trong lĩnh vực mà tôi nghiên cứu tìm hiểu Thầy cũng đã giúp tôi có thêm động lực để có thể tiếp tục cố gắng cho những bước đi mới trong tương lai trên con đường nghiên cứu khoa học

Đồng thời, tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành dành cho Cha Mẹ, người thân, bạn bè và đồng nghiệp những người luôn bên cạnh giúp đỡ động viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Phân tích hiệu quả giảm dao động của nước đối với kết cấu tháp nước trong không gian được thực hiện trong luận văn Mô hình tháp nước trong không gian chịu tác động của tải trọng động theo thời gian, phân tích phản ứng của kết cấu khi chịu tác động của tải trọng điều hòa và động đất Hệ kết cấu tháp và nước được rời rạc hóa thành các phần tử và được mô phỏng bằng các phần tử khối trong phần mềm mã nguồn mở ANSYS Phân tích chu kỳ dao động tự nhiên của

hệ kết cấu tháp và nước trong không gian trong trường hợp tháp có chứa các mực nước khác nhau Phân tích đáp ứng của hệ trên miền tần số khi chịu tác động của tải trọng điều hòa Phân tích phản ứng của hệ với tải trọng điều hòa và một trận động đất cụ thể để xem xét đánh giá hiệu quả giảm dao động của nước trong kết cấu tháp trong không gian, xem xét giá trị chuyển vị và nội lực trong kết cấu Đồng thời khảo sát sự ảnh hưởng của chiều cao mực đối với khả năng làm giảm dao động trong kết cấu tháp nước

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Trọng Phước Các kết quả trong luận văn được thực hiện một cách trung thực và khách quan

TP Hồ Chí Minh, ngày……tháng năm 2017

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xv

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của luận văn 6

1.3 Phương pháp nghiên cứu 7

1.4 Cấu trúc luận văn 8

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 9

2.1 Giới thiệu chương 9

2.2 Thiết bị giảm chấn sử dụng chất lỏng 9

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

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

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

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

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

2.4 Kết luận chương 24

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 25

3.1 Giới thiệu chương 25

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

3.3 Chuyển động của chất lỏng bên trong bể chứa 26

3.3.1 Phương trình dao động của sóng chất lỏng 26

3.3.2 Điều kiện biện chất lỏng 27

3.3.3 Hệ số cản của chất lỏng 30

3.3.4 Phân loại sóng chất lỏng 30

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

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

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

3.4.3 Dạng phần tử hữu hạn của miền chất lỏng 39

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

3.5 Giới thiệu tổng quan về phần mềm ANSYS 44

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

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

3.6 Kết luận chương 49

4.1 Giới thiệu chương 50

4.2 Phân tích modal dao động tự nhiên của hệ 50

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

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

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

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

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

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

4.6 Kết luận chương 72

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73

5.1 Kết luận 73

5.2 Hướng phát triển 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 79

PHỤ LỤC 80

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

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

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

chất lỏng theo hai phương

TSD Tuned Sloshing Damper –Hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sóng bề

mặt

u, v, w Giá trị vận tốc theo trục tọa độ x, y, z

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

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

 Giá trị tuyệt đối của vector pháp tuyến tại biên theo hướng trục Y

N f Hàm dạng của chất lỏng

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

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

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

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

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

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

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

Hình 2.2: Thiết bị TLD dạng bị động 11

Hình 2.3: Thiết bị TLD dạng chủ động 12

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

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

Hình 2.6: Thiết bị TLD hình tròn 13

Hình 2.7: Thiết bị TLD hình chữ nhật 13

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

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

Hình 2.10: Khách sạn Shin Yokohama, Nhật Bản 16

Hình 2.11: Tháp hàng không Nagasaki, Nhật Bản 16

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

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

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

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

Hình 3.4: Mô hình phần tử Solid45 trong ANSYS 45

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

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

Hình 4.1: Chia lưới phần tử trong ANSYS 51

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

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

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

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

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

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

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

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

Hình 4.10: So sánh chuyển vị giữa ANSYS và SAP2000 với 59

Hình 4.11: Đáp ứng chuyển vị của tháp đối với tải điều hòa tần số ngoại lực 1 0.5 f  Hz, và với mức nước khác nhau 60

Hình 4.12: So sánh chuyển vị lớn nhất của tháp đối với tải điều hòa tần số ngoại lực 1 0.5 f  Hz, và với mức nước khác nhau 61

Hình 4.13: Đáp ứng vận tốc của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực 1 0.5 f  Hz, với mức nước khác nhau 61

Hình 4.14: So sánh vận tốc lớn nhất của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực , với mức nước khác nhau 62

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

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

Hình 4.17: Biểu đồ lực cắt tại chân tháp với 63

Hình 4.18: Biểu đồ lực cắt lớn nhất tại chân tháp với 64

Hình 4.19: Đáp ứng chuyển vị của tháp đối với tải điều hòa tần số ngoại lực

, với mức nước khác nhau 64 64

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

, với mức nước khác nhau 65

Hình 4.22: So sánh vận tốc lớn nhất của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực , với mức nước khác nhau 66

Hình 4.23: Đáp ứng gia tốc của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực , với mức nước khác nhau 66

Hình 4.24: So sánh gia tốc lớn nhất của tháp đối với tải điều hòa có tần số ngoại lực , với mức nước khác nhau 67

Hình 4.25: Biểu đồ lực cắt tại chân tháp với 67

Hình 4.26: So sánh lực cắt lớn nhất tại chân tháp với 68

Hình 4.27: Dữ liệu gia tốc nền trận động đất Superstition, ∆t=0.02s 69

Hình 4.28: Phổ năng lượng của trận động đất Superstition, ∆t=0.02s 69

Hình 4.29: Biểu đồ chuyển vị của tháp đối với trận động đất Superstition 70

Hình 4.30: Biểu đồ vận tốc của tháp đối với trận động đất Superstition 70

Hình 4.31: Biểu đồ gia tốc của tháp đối với trận động đất Superstition 71

Hình 4.32: Biểu đồ lực cắt chân tháp đối với trận động đất Superstition 71

Bảng 1.1 Bảng thống kê những thiệt hại do một số trận động đất trên thế giới 1

Bảng 2.1 Các công trình sử dụng TLD tại Nhật Bản 15

Bảng 3.1 Phân loại sóng chất lỏng 31

Bảng 4.1 Bảng thông số hình học của mô hình phân tích 50

Bảng 4.2 Bảng thông số vật liệu mô hình phân tích 50

Bảng 4.3 Bảng chia phần tử mô hình theo luận văn và theo bài báo 51

Bảng 4.4 Kết quả phân tích chu kỳ dao động của tháp và bài báo 51

Bảng 4.5 Bảng kết quả phân tích chu kỳ của tháp khi mực nước thay đổi 53

Bảng 4.6 Bảng so sánh chu kỳ dao động của tháp 1/3 nước 54

Bảng 4.7 Bảng so sánh chu kỳ dao động của tháp 2/3 nước 55

Bảng 4.8 Bảng so sánh chu kỳ dao động của tháp chứa đầy nước 56

Bảng 4.9 Bảng độ giảm chuyển vị đỉnh cộng hưởng của tháp 58

Vì những ảnh hưởng và thiệt hại lớn đối với công trình xây dựng và con người khi chịu tác động của tải trọng động thôi thúc các kỹ sư và các nhà khoa học nghiên cứu tìm hiểu các phương pháp giảm dao động cho kết cấu khi chịu ảnh hưởng của các tác động này gây ra trong quá trình sử dụng và vận hành công trình Một vài số liệu

và hình ảnh minh họa sau đây cho thấy sự tàn phá của tải trọng động đối với kết cấu công trình

Bảng 1.1: Bảng thống kê những thiệt hại do một số trận động đất trên thế giới Thời gian Địa điểm Độ Richter Thiệt hại về người và vật chất 26/12/2004 Sumatra,

Tohoku 9,0

15.893 người thiệt mạng, 6.152 người

bị thương, 2.572 người mất tích, 25.000 công trình bị hư hại và phá hủy

25/4/2015 Lamjung,

7347 người thiệt mạng, 14.000 người

bị thương, nhiều công trình bị hư hại

và phá hủy

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

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

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

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

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

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

Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về các phương pháp sử dụng các biện pháp kháng chấn cho công trình chịu tác động của tải động như động đất và gió bão Trong đó phương pháp sử dụng chất lỏng như một thiết bị giảm dao động là một trong số những phương pháp giảm chấn có hiệu quả và được sử dụng tương đối phổ biến trong một số công trình trên thế giới đã chứng minh sự hiệu quả giảm chấn tương đối Tại Việt Nam hiện nay phương pháp giảm chấn sử dụng chất lỏng chỉ mới ở mức độ sơ khai và đang được quan tâm nghiên cứu khá nhiều Với những ưu điểm nổi bật của thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng như: giá thành xây lắp rẻ hơn các thiết bị cùng loại, dễ lắp đặt và bảo trì, có thể áp dụng được cho phần lớn các công trình xây dựng, mang lại hiệu quả giảm dao động cho công trình khi đưa vào sử dụng

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

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

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

kết cấu tháp, nội lực của công trình trong các trường hợp tháp có mực nước khác nhau trong quá trình sử dụng Từ đó đánh giá khả năng giảm chấn của kết cấu tháp nước khi chịu tác động của ngoại lực là tải trọng động theo miền thời gian

1.2 Mục tiêu của luận văn

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

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

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

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

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

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

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, phương pháp nghiên cứu của luận văn được lựa chọn là lý thuyết Xây dựng cơ sở lý thuyết và thiết lập mô hình bài toán, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và lý thuyết động lực học để giải bài toán, so sánh kết quả với các nghiên cứu trước đây để đánh giá độ tin cậy của lời giải Công cụ để thực hiện cho việc mô phỏng và phân tích hệ kết cấu tháp nước trong không gian bằng việc thiết lập mô hình và phương pháp phân tích, sử dụng các công cụ mã nguồn mở trong ANSYS để thực hiện các yêu cầu trong luận văn Chi tiết như sau:

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

- Khảo sát đến sự tương tác của chất lỏng và kết cấu trong không gian với việc khảo sát mô hình tháp nước trong hệ không gian; tìm hiểu các thông

số đặc trưng có ảnh hưởng tới tần số dao động tự nhiên, đáp ứng động như chiều cao mực chất lỏng, tải trọng,… và có kết hợp với các nghiên cứu trước đây để lựa chọn thông số này

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

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

1.4 Cấu trúc luận văn

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

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

Chương 2: Trình bày tổng quan về các đặc trưng của hệ giảm chấn chất lỏng Sau đó tìm hiểu về những hướng nghiên cứu đã được thực hiện về hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng Những ứng dụng trong thực tế của hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết áp dụng đối với hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng Các phương pháp được sử dụng trong việc phân tích hệ kết cấu – chất lỏng trong không gian Lựa chọn mô hình tính toán phù hợp đối với việc phân tích

mô phỏng hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng trong không gian

Chương 4: Phân tích các ví dụ số, rút ra được kết quả và so sánh Đánh giá hiệu quả giảm chấn của hệ chất lỏng và kết cấu trong không gian Khảo sát sự ảnh hưởng của thông số chiều cao mực nước bên trong kết cấu đến hiệu quả giảm chấn Chương 5: Kết luận rút ra từ luận văn, đánh giá được ứng xử của kết cấu trong không gian chịu tác động của tải điều hòa và động đất Đánh giá sự ảnh hưởng của thông số chiều cao mực nước trong kết cấu đến khả năng kháng chấn của công trình Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo cho mô hình kháng chấn sử dụng chất lỏng trong không gian

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu chương

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

luận văn

2.2 Thiết bị giảm chấn sử dụng chất lỏng

Thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng đã được nghiên cứu và sử dụng từ rất lâu trong lĩnh vực hàng hải từ những năm 1950, trước khi được áp dụng cho việc giảm chấn cho công trình xây dựng Các giảm chấn bằng chất lỏng đầu tiên đã được

sử dụng với mục đích là giữ ổn định do chuyển động của tàu thuyền dưới tác động của tải trọng động như sóng biển và gió bão Mục đích của việc sử dụng hệ TLD trên tàu bè là để khống chế dao động của do tác động của sóng biển và gió bão, bằng cách sử dụng hai bể chứa chất lỏng được nối với nhau và có tần số dao động gần với tần số dao động cơ bản của tàu

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

Sau đó hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng được quan tâm nghiên cứu áp dụng trong lĩnh vực xây dựng nhằm giảm sự ảnh hưởng từ các tác động của tải trọng động như động đất và gió bão Năm 1984, Bauer đề xuất mô hình là bể chứa hình chữ nhật với hai loại chất lỏng không trộn lẫn vào nhau để giảm dao động của kết cấu Kareem và Sun (năm 1987), Modi và Welt (năm 1987) đã đề xuất nghiên cứu

và ứng dụng trong công trình xây dựng [35]

2.2.1 Phân loại thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng

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

 Khi phân theo cơ chế hoạt động thiết bị TLD được chia làm ba loại là: Thiết

bị kháng chấn bị động, thiết bị kháng chấn chủ động, thiết bị kháng chấn bán tự động [34]

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

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

Hình 2.2: Thiết bị TLD dạng bị động

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

qua một bộ phận điều khiển bên ngoài Bộ phận xử lý tín hiệu nhờ các cảm biến về dao động sẽ được cấp các thông số đầu vào và tập hợp phân tích tính toán tại bộ vi

xử lý trung tâm sau đó phát tín hiệu điều khiển Bộ điều khiển chính tiếp nhận và thực hiện điều khiển chống dao động (hình 2.3) Các thiết bị giảm chấn dạng này có những ưu điểm vượt trội so với thiết bị giảm chấn bị động nhờ các thiết bị có độ nhạy cao hơn, hiệu quả giảm chấn tốt hơn, nhưng chi phí chế tạo lắp đặt và bảo trì cao hơn Thiết bị sẽ mất khả năng điều khiển hoặc bị ảnh hưởng tới khả năng điều khiển nếu một trong số các bộ phận của hệ thống gặp sự cố

Hình 2.3: Thiết bị TLD dạng chủ động

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

thiết bị kháng chấn trên, trong đó thiết bị điều khiển đóng vai trò điều tiết tác động bên ngoài lên công trình trong các trường hợp nhất định

 Khi phân loại theo dạng điều chỉnh sóng, hệ giảm chấn được chia làm hai loại là: hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sóng bề mặt Tuned Sloshing Damper (TSD) và hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng Tuned Liquid Column Damper (TLCD) [35]

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

mà năng lượng truyền vào kết cấu được tiêu tán thông qua sự chuyển động của sóng

bề mặt chất lỏng và thông qua ma sát ở tầng biên của chất lỏng, có thể sinh ra hiện tượng sóng vỡ khi dao động sóng không ổn định Các sóng chất lỏng bề mặt vượt khỏi mặt dao động sóng hoặc do va đập vào thành bể sinh ra Trong những trường hợp này chuyển động sóng có tính phi tuyến mạnh, các mô hình tuyến tính đơn giản không thể mô tả ứng xử của chất lỏng

Hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sóng chất lỏng bề mặt được phân làm hai loại: Dựa vào tỷ số chiều cao mực chất lỏng trên bề rộng bể theo phương kích thích của ngoại lực để xác định, nếu tỷ số này nhỏ hơn 0.15 lần thì được xem là mực nước nông và ngược lại [33] Đối với thiết bị TLD có mực nước nông sự tiêu tán năng lượng dựa vào cơ chế chuyển động của sóng ở bề mặt và các hiện tượng sóng vỡ Đối với thiết bị TLD có mực nước sâu thì các vách ngăn hoặc màng ngăn thường được thêm vào để điều khiển dao động sóng, do đó sự tiêu tán năng lượng của TLD có mực nước sâu phụ thuộc vào cơ chế hoạt động của chất lỏng, vị trí của vách ngăn, kích thước và hình dạng vánh ngăn

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

chứa dạng ống, với hai cột chất lỏng thông với nhau (hình 2.4) Hình dạng thùng chứa có thể thay đổi sao cho phù hợp với từng loại công trình, tính cản của TLCD

có thể được kiểm soát thông qua việc thay đổi hình dạng của cột chất lỏng hoặc nhờ điều chỉnh lỗ mở giữa hai cột chất lỏng, nhằm điều chỉnh tần số của TLCD phù hợp với tần số dao động của kết cấu Để giảm chuyển động theo hai phương thiết bị TLCD có thể kết hợp hai thiết bị TLCD lại với nhau (hình 2.5) (Double Tuned Liquid Column Dampers – DTLCD) [35]

Hình 2.4: Thiết bị giảm chấn cột chất

lỏng (TLCD)

Hình 2.5: Thiết bị giảm chấn cột chất lỏng theo hai phương (DTLCD) Thiết bị kháng chấn bằng chất lỏng TLD có nhiều hình dạng khác nhau nhưng thông thường sử dụng bể chứa hình chữ nhật và hình trụ tròn Vì những hình dáng này thường dễ tính toán và lắp đặt hơn so với các mô hình phức tạp khác

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

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

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

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

Hình 2.8: Once Wall Center ở

Vancouver, British Columbia, Canada

(nguồn Wikipedia)

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

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

sử dụng TLD được liệt kê trong bảng sau:

Nhật Bản

Hình tròn

25 thùng Tháp hàng

Shin Yokohama Năm 1991 149 m Yokohama,

Hình 2.10: Khách sạn Shin Yokohama,

Nhật Bản (nguồn Wikipedia)

Hình 2.11: Tháp hàng không Nagasaki, Nhật Bản (nguồn Wikipedia) Tại Việt Nam công trình đầu tiên sử dụng thiết bị Multiple Tuned Liquid Damper (MTLD) giảm dao động do gió bão là cầu Bãi Cháy, ở tỉnh Quảng Ninh Với 344 thùng chứa có các mực chất lỏng khác nhau được lắp đặt ở cả hai tháp của cầu [34]

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

2.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới về thiết bị TLD

Hệ giảm dao động sử dụng chất lỏng được các nhà khoa học quan tâm nghiên

cứu từ những năm 1980 Bauer năm 1984 [1], là người đầu tiên nghiên cứu và ứng

dụng thiết bị TLD cho công trình xây dựng, với đề xuất sử dụng các thùng chứa chất lỏng hình chữ nhật được lấp đầy hoàn toàn với hai chất lỏng không thể trộn lẫn nhau, để giảm ứng xử dao động của kết cấu dưới tác động của tải trọng động Kết quả nghiên cứu cho thấy chuyển động bề mặt của chất lỏng có thể cản trở chuyển động kết cấu một cách có hiệu quả

Shimizu và Hayama (1986) [2], 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

Kareem (1987) [3], với những nghiên cứu về việc áp dụng các thùng chứa chất lỏng để giảm dao động do gió bằng việc nghiên cứu khả năng cản dao động của sóng chất lỏng

Modi và Welt (1988) [4], với nghiên cứu sử dụng TLD đặt bên trong các tòa nhà để giảm ứng xử do gió và động đất Tiếp theo đó Modi và Seto (1997) [5] đã giới thiệu nghiên cứu phân tích thực nghiệm và phương pháp số trên hệ TLD hình chữ nhật có xét đến ứng xử phi tuyến, bao gồm ảnh hưởng của 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

Modi và Munsi (1998) [6], đã giới thiệu một nghiên cứu thực nghiệm để chứng minh hiệu quả của TLD bằng việc đề xuất một hệ cản hai chiều, và các kết quả chỉ ra rằng sự phân tán năng lượng lên tới 60% năng lượng truyền vào

chất lỏng để giảm các dao động do gió của 2 tháp cao tầng, Nagasaki Airport Tower (chiều cao 42m) và Yokohama Marine Tower (chiều cao 101m), và kết quả chỉ ra rằng chuyển dịch của tháp giảm 50% so với khi không lắp đặt TLD

Toshihiro Wakahara, và các cộng sự (1993) [10, 11], đề xuất nghiên cứu cả lý

thuyết và thực nghiệm trong việc tối ưu TLD và thực nghiệm TLD với công trình khách sạn cao tầng "Shin Yokohama Prince (SYP) Hotel" ở Yokohama, Nhật Bản

Mô hình tương tác được xem xét dựa trên phương pháp phần tử biên BEM cho mô phỏng chuyển động của chất lỏng trong 1 thùng TLD, và hệ đa bậc tự do MDOFs cho mô phỏng chuyển động của kết cấu Việc thiết lập TLD trên tòa nhà có thể giảm ứng xử do gió chỉ còn một nữa so với ứng xử ban đầu của hệ không sử dụng TLD Sun và cộng sự (1995) [12], đã kiểm chứng mô hình giảm chấn sử dụng 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

Reed và cộng sự (1998) [13], 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 dẫn tới hiệu quả giảm dao động cao hơn

Yu (1997) [14], Yu và cộng sự (1999) [15], 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

việc giảm ứng xử của kết cấu chịu động đất, với các giá trị khác nhau của chu kỳ

tự nhiên và tỷ số cản của kết cấu Ông cũng thực hiện nghiên cứu để định nghĩa các thông số thiết kế phù hợp của thiết bị giảm chấn TLD trong trường hợp kết cấu chịu động đất, các thông số về tỷ số của sự văng té tuyến tính và tần số tự nhiên của kết cấu, tỷ số của khối lượng nước và kết cấu, tỷ số chiều sâu chất lỏng với tỷ

số chiều dài bể chứa

Kaneko S và Mizota Y (2000) [17], cũng đã mở rộng mô hình TLD nước

sâu hình chữ nhật đã phát triển cho mô hình TLD nước sâu hình tròn với 1 mực nước ngập được thiết lập trong khoảng giữa thùng chất lỏng hình tròn

Gardarsson và cộng sự (2001)[18], 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

Li và cộng sự (2002) [19], 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

K.C.Biswal và các cộng sự (2003) [20], xem xét một bể chứa chất lỏng hình trụ tròn bằng việc phân tích dao động tự do của chất lỏng, với các vách thông thường và so sánh với tần số tự nhiên của chất lỏng trong bể chứa không có vách Các thông số tần số văng té của chất lỏng được tính toán cho các khu vực khác nhau của màng ngăn trong bể chứa Kết quả cho thấy vách ngăn có ảnh hưởng đáng kể đến các thông số tần số văng té của chất lỏng khi được đặt gần với bề mặt

tự do của chất lỏng

Ikeda (2003) [21], nghiên cứu ứng xử phi tuyến của TLD khi gắn vào kết cấu đàn hồi chịu kích thích điều hòa theo phương đứng Ông quan sát thấy rằng khi lựa

thích điều hòa theo phương đứng

Ikeda và Ibrahim (2004) [22], đã phân tích số một cấu trúc đàn hồi cho một TLD hình tròn được đổ một phần chất lỏng, trong đó kết cấu bị tác động theo chiều dọc với một kích động ngẫu nhiên trong một dải tần số hẹp Họ đã giải quyết các phương trình hàm dạng bằng phân tích số sử dụng mô phỏng Monte Carlo, và thiết lập phân tích ứng xử tĩnh của hệ

Li và Wang (2004) [23], 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

Tait và cộng sự (2005) [24], tiến hành nghiên cứu ứng xử của TLD khi chịu các kích động theo một phương 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

Tait và các cộng sự (2007, 2008) [25, 26], nghiên cứu khả năng của TLD hoạt động theo hai hướng, khi thực hiện thí nghiệm trên mô hình kết cấu và thiết lập chuyển động của bề mặt tự do Kết quả nghiên cứu thu được lực cắt cơ sở được xác định cho giảm chấn chất lỏng bị tác động hai chiều với kết cấu đơn giản và ứng xử chuyển vị và gia tốc của hệ kết cấu Kết quả còn cho thấy hệ kết cấu TLD hai chiều tương ứng với sự cộng tuyến tính của hai hệ kết cấu một chiều

Love và Tait (2013) [27], nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình TLD có hình dạng bể chứa phức tạp chịu kích động điều hòa và ngẫu nhiên theo một phương và hai phương Phương trình chuyển động của hệ gồm kết cấu và TLD được phát triển dựa trên phương trình Lagrange Kết cấu được gắn TLD có hình dạng bể chứa phức tạp được xét đến Trường hợp bể có hình dạng không đối xứng theo hai phương và trường hợp bể đối xứng theo hai phương Tuy nhiên, ứng xử phi tuyến của chất lỏng không được đề cập đến trong nghiên cứu này

dụng đồng thời hai phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method) cho chất lỏng và phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) đối với bể chứa và kết cấu Kết hợp kiểm chứng bằng thực nghiệm và các mô hình đã được đề xuất trước đó Kết quả nghiên cứu 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

Raji Ruth Geoge và Asha Josegh (2016) [29], thực hiện phân tích động lực học chất lỏng với bể chứa nước hình chữ nhật có các mực nước khác nhau, đặt trên khung không gian, chịu tải trọng động bất kỳ theo thời gian là một trận động đất Nghiên cứu rút ra được một số kết quả, dưới điều kiện tải trọng tĩnh tác dụng biến dạng và ứng suât giảm khi mực nước giảm Tần số của kết cấu giảm khi gia tăng mực nước trong bể Biến dạng và ứng suất của bể chứa hình chữ nhật gia tăng khi mực nước gia tăng

2.3.2Các nghiên cứu trong nước về thiết bị TLD

Ở Việt Nam trong những năm gần đây việc tìm hiểu về hệ giảm dao động sử dụng chất lỏng cũng đã bắt đầu nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm

Ngô Ngọc Cường (2003) [30], nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng TLCD Nghiên cứu tìm hiểu về các thông số tối ưu của hệ cản TLCD khi chịu các kích động khác nhau Đề ra giải pháp trong việc nâng cao hiệu quả của hệ cản TLCD đã được đề xuất

Lê Ngọc Bảo (2007) [31], nghiên cứu giải pháp giảm dao động xoắn của công trình điều khiển cột chất lỏng TLCD Nghiên cứu đã tiến hành phân tích động lực học cho công trình có gắn thiết bị TLCD, kết quả cho thấy hiệu quả giảm dao động xoắn cho công trình của hệ TLCD

GS.TSKH Nguyễn Đông Anh (2009) [32], nghiên cứu ứng dụng giảm chấn chấn lỏng cho kết cấu tháp cầu dây văng Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng

dây văng Bãi Cháy có gắn TLD Chế tạo một thiết bị TLD thử nghiệm

Bùi Phạm Đức Tường (2010) [33], nghiên cứu hệ giảm chấn dạng bị động trong mô hình khung phẳng đối với kết cấu khung chịu tải trọng động có xét ảnh hưởng tương tác chất lỏng và thành bể mô phỏng bằng phần mềm ANSYS Nghiên cứu cho thấy sự ảnh hưởng tương tác chất lỏng và thành bể là không đáng kể so với hiệu quả giảm dao động của hệ TLD khi chịu tác động của tải trọng động

Nguyễn Đức Thu Định (2015) [34], tiến hành nghiên cứu cả lý thuyết và thực nghiệm đối với hệ giảm dao động đa tần số MTLD cho hệ kết cấu một bậc tự do, với nhiều khảo sát và kiểm chứng trên cầu Bãi Cháy, Quảng Ninh bằng phần mềm Midas Civil phân tích mode dao động cầu Kết luận được đưa ra cho thấy hiệu quả giảm dao động của hệ cản chất lỏng MTLD khi chịu tác động gió, động đất và hoạt tải

Nguyễn Ngọc Viên (2016) [35], nghiên cứu mô hình TLD áp dụng đối với kết cấu khung phẳng, kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả giảm dao động cho kết cấu phụ thuộc nhiều vào thông số tỷ số tần số dao động giữa TLD và kết cấu Chiều cao mực nước thay đổi thì hiệu quả giảm chấn của TLD thay đổi Nghiên cứu còn cho thấy tỉ số khối lượng từ 1% đến 4% thì TLD làm việc hiệu quả, khi tỉ số này lớn hơn 4% thì khả năng giảm chấn tăng nhưng không nhiều

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

Nghiên cứu về sự ảnh hưởng của tương tác chất lỏng và thành bể ít được đề cập đến trong các nghiên cứu về hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng Các nghiên cứu thường đơn giản hóa bằng cách đưa ra các giả thuyết để tiện cho việc tính toán như

bỏ qua ảnh hưởng tương tác chất lỏng và thành bể Housner (1967), bằng giả thuyết

bể tuyệt đối cứng, chất lỏng bên trong bể dao động đồng thời với bể chứa

Trong thực tế khi kết cấu chịu tải trọng động như động đất, các yếu tố ảnh hưởng do tương tác giữa chất lỏng và thành bể có sự ảnh hưởng đến kết cấu, gây