Giới thiệu về thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng

Chương Tổng quan CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng Vấn đề thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng quan tâm nhiều nước giới nhiều thập niên qua Ở Việt Nam, vấn đề ngày kỹ sư nhà nghiên cứu trọng nhiều năm gần Vì lý dân số mơi trường nên số lượng cơng trình cao tầng tăng lên nhiều Nếu trước người ta nghĩ tới việc tăng cường độ bê tông hay thép để thỏa mãn điều kiện chịu lực xu thập niên qua người ta sử dụng vật liệu nhẹ hơn, mảnh để cơng trình xây dựng cao Tuy nhiên cơng trình ngày cao mà nhẹ lại dẫn đến việc ảnh hưởng tải trọng động tác dụng lên cơng trình tăng cao Do thiết bị nhằm giảm chấn động gió hay động đất cần phải đưa vào sử dụng Và từ mở chân trời nghiên cứu đáp ứng cho mục tiêu điều khiển dao động kết cấu (Yao, 1972) Các thiết bị kháng chấn có nhiều loại thiết bị cách chấn đáy, thiết bị kháng chấn chủ động, thiết bị kháng chấn bị động, thiết bị kháng chấn bán tự động … (Soong & Spencer, 2002) Thiết bị kháng chấn chất lỏng Tuned Liquid Dampers (TLD) hình 1.1 thiết bị kháng chấn dạng bị động, tức không cần sử dụng thêm lượng hay vật điều khiển trình hoạt động Chương Tổng quan Hình 1.1 – Thiết bị kháng chấn chất lỏng dạng bể chứa Nếu so sánh với thiết bị kháng chấn khác TLD có số khía cạnh đặc biệt chẳng hạn:  Có thể kết hợp sử dụng thiết bị TLD làm bể nước sinh hoạt hình 1.2  Tốn chi phí để xây dựng bảo trì so với thiết bị khác  Khơng chiếm nhiều không gian sử dụng  Thường lắp đặt mái nên không làm ảnh hưởng đến mỹ quan kiến trúc  Ngoài việc lắp đặt thiết bị dễ dàng TLD ngày phổ biến, đặc biệt ứng dụng cho nhiều dạng cơng trình có kích thước lớn nhỏ khác cách thay đổi kích thước bể chứa Trong ngành xây dựng dân dụng cơng trình cao tầng giới ứng dụng TLD cho thiết kế kháng chấn One Wall Center Vancouver, British Columbia (hình 1.3) Cơng trình có 48 tầng với bể chứa nước đặc biệt, bể có khoảng 50.000 gal (189.250 L) nước nằm tầng Penthouse cơng trình Chương Tổng quan Hình 1.2 – Tòa nhà One Rincon Hill cao 68 tầng cơng trình Hoa Kỳ sử dụng bể nước sinh hoạt thiết bị kháng chấn Có nhiều cách để phân loại TLD cách phổ biến phân theo cao độ mực chất lỏng Theo thiết bị TLD phân làm hai loại chính: (1) loại dùng mực nước nơng (2) loại cịn lại dùng mực nước sâu Khi tỷ số chiều cao mực chất lỏng bề rộng bể theo phương kích thích ngoại lực nhỏ 0.15 lần xem nước nơng ngược lại TLD có mực nước nơng tiêu tán lượng thơng qua chế chuyển động sóng bề mặt dẫn đến tượng sóng vỡ lực Đối với TLD có mực nước sâu vách ngăn ( Baffle) (Screen) thường sử dụng để điều khiển dao động sóng Do tiêu tán lượng TLD có mực nước sâu lại phụ thuộc vào chế hoạt động chất lỏng, vị trí vách ngăn, kích thước dạng vách ngăn Chương Tổng quan Hình 1.3 – Tịa nhà One Wall Center Vancouver, Canada với TLD Chương Tổng quan TLD hình thành dựa nguyên tắc hấp thụ lượng chất lỏng mặt thống tạo dao động sóng thay đổi đặc trưng động lực kết cấu mục tiêu tạo cộng hưởng để tiêu tán lượng kích động vào cơng trình (Fujino et al., 1988) Ngồi tiêu tán lượng kết cấu thông qua chế khác là: tiêu tán lượng tính nhớt chất lỏng, tiêu tán lượng sóng vỡ, tương tác chất lỏng – thành bể, độ nhám đáy bể dạng hình học bể Các tính chất TLD sử dụng mực nước nông là:  Chiều cao chất lỏng bể thấp để đạt sức cản lớn tần số tự nhiên vừa đủ nhỏ để phục vụ cho ngành xây dựng dân dụng lĩnh vực điều khiển dao động Tuy nhiên chiều cao chất lỏng thiết bị kháng chấn TLD thấp nên chất lỏng có tính chất ứng xử phi tuyến mạnh mẽ, dẫn đến lý thuyết phân tích tuyến tính khơng cịn áp dụng nữa, gây nhiều khó khăn việc tìm lời giải nhằm tiên lượng xác chuyển vị chất lỏng đặc biệt mặt thống  Sức cản thơng qua dao động sóng thơng số ảnh hưởng nhiều đến việc thiết kế TLD, thơng số cần đầu tư xem xét cẩn thận  Hiện tượng sóng vỡ xuất q trình dao động biên độ dao động sóng lớn Sự tiêu tán lượng thông qua tượng khẳng định thực nghiệm không nhỏ mơ hình tốn cho sóng vỡ cịn nhiều bất cập nên phải đầu tư nghiên cứu thêm 1.2 Các nghiên cứu thực với TLD Thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng thường sử dụng nhiều hai lĩnh vực là: hàng hải xây dựng Mặc dầu nghiên cứu lý thuyết vào năm 30 kỷ trước thực tế thiết bị dạng sử dụng sớm từ năm 1800 Mục Chương Tổng quan đích việc sử dụng TLD dùng để khống chế dao động tàu bè hai bồn nước liên thơng với có tần số dao động gần với tần số dao động tàu (hình 1.4) Hình 1.4 –Thiết bị sử dụng nguyên tắc kháng chấn chất lỏng dùng cho tàu bè Còn ứng dụng cho ngành xây dựng dân dụng TLD đề xuất Kareem Sun (1987) Modi et al (1987) Phần trình bày ba hướng nghiên cứu thường thực việc cứu bị kháng chấn sử dụng chất lỏng là:  Phân tích ứng xử sóng chất lỏng bên bể chứa  Tương tác sóng chất lỏng thành bể  Ứng dụng thiết bị TLD giảm chấn cơng trình cao tầng 1.2.1 Phân tích ứng xử sóng chất lỏng bên bể chứa Dao động sóng hình thành có ngoại lực tác dụng vào làm cho chất lỏng ổn định dẫn đến dao động, từ kéo theo thay đổi đặc trưng động lực hệ Nếu khống chế biên độ tần số sóng ổn định kết cấu xem điều khiển Vì xem sóng chất lỏng bể thông số quan trọng nghiên cứu Chương Tổng quan TLD, thơng số đầu tư xem xét nhiều Các nhà khoa học phát triển ba hướng nghiên cứu chuyển động chất lỏng bể hướng phân tích kiểu Lagrangian, phân tích kiểu Eulerian kết hợp hai hướng 1.2.1.1 Phân tích chuyển động chất lỏng phương pháp Eulerian Phương pháp Eulerian sử dụng nhiều phân tích chuyển động chất lỏng nhờ thuận lợi phương pháp biến dạng lớn kiểm soát dễ dàng lại làm cho khối lượng phương trình cần giải tăng lên nhiều việc tạo lại lưới phần tử sau bước thời gian tính tốn để đạt độ xác cho phép Thơng thường phương pháp Eulerian biến cần tìm áp suất nút chất lỏng (Zienkiewicz et al., 1983) Phương pháp Eulerian đề nghị Zienkiewicz Bettess, (1978) sử dụng áp suất làm biến cần tìm sau phân tích dẫn đến việc giải chuỗi ma trận không đối xứng, làm cho việc giải phương trình khơng đơn giản Trong đó, Olson Bath (1985) lại xem vận tốc biến cần tìm cịn áp suất thủy động biến phụ miền chất lỏng đưa toán dạng ma trận đối xứng, giúp giải phương trình dễ nhiều, số ẩn số toán lớn Bằng cách giả thiết chất lỏng không nén được, không nhớt, không xoay, Aslam (1981) sử dụng phương pháp vận tốc (lấy vận tốc làm ẩn) để phân tích sóng chất lỏng cơng trình chịu động đất bể chứa tuyệt đối cứng có dạng đối xứng trụ Trong nghiên cứu đó, Aslam đưa cịn ẩn số khó khăn tốn việc phải giải vấn đề phi tuyến sóng mặt thoáng chất lỏng Aslam lựa chọn phương pháp Eulerian đơn giản hóa cách bỏ qua mode bậc cao, nhiên cách áp dụng cho sóng chất lỏng có biên độ khơng lớn Ma trận tương tác tồn đạo hàm theo thời gian vận tốc chất lỏng chuyển vị kết cấu sử dụng để mô ứng xử mặt tương tác chất Chương Tổng quan lỏng – thành bể Phương pháp Aslam mở rộng Babu Bhattacharyya (1996) để xem xét ảnh hưởng tương tác chất lỏng thành bể q trình dao động sóng Phương pháp lặp đề xuất để tính tốn chuyển vị sóng chất lỏng ngoại lực tác động chuyển vị bể áp suất chất lỏng gây Theo hướng tiếp cận khác, Kock Olson (1991) đề xuất phương pháp vận tốc phi tuyến với khối lượng thu gọn để tính tốn chuyển vị chất lỏng Mặc dù nghiên cứu có nói đến khả ứng dụng rộng rãi phương pháp, ví dụ minh họa giới hạn cho trường hợp chuyển vị biên chất lỏng đủ nhỏ 1.2.1.2 Phân tích chuyển động chất lỏng phương pháp Lagrangian Bằng cách sử dụng chuyển vị biến cần tìm, phương pháp Lagrangian cho thấy mô tả rõ ràng cho mặt tương tác giải vấn đề dòng chảy chi tiết Thuận lợi lớn phương pháp Lagrangian so với Eulerian khả tương thích với phần mềm xây dựng tảng phương pháp PTHH hầu hết phần mềm ứng dụng phương pháp PTHH lấy chuyển vị làm ẩn số Nhưng vấn đề phương pháp Lagrangian sai số toán lớn lưới phần tử tạo không tốt Trong hướng tiếp cận trước đây, Hunt (1970 1971) đề cập đến lý thuyết phần tử chất lỏng sử dụng tính chất vật lý kết hợp trực quan để phân tích ảnh hưởng sóng chất lỏng 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 Hunt, tính chất khơng nén chất lỏng sử dụng để thiết lập điều kiện ràng buộc nhằm loại trừ số biến không cần thiết Hunt số kết tần số zero, sóng chất lỏng kể thêm vào tính tốn số tần số zero bị giảm Trên bản, phần tử chất lỏng phương pháp PTHH theo mơ hình chuyển vị (Displacement – based formulation) loại phần tử đàn hồi liên tục có mođun kháng cắt Chương Tổng quan zero có tính chất khơng nén (Zienkwick, 1978) Trong tốn phân tích động lực sử dụng hàm dạng, loại phần tử có lượng chuyển vị zero module kháng cắt chất lỏng “không” Các hàm dạng loại trừ cách ràng buộc phần tử chất lỏng khơng có chuyển vị xoay (Zienkiewickz Bettess, 1978) Dựa định lý Hamilton, Debongie (1986) thiết lập số phương trình dao động bao gồm chuyển động sóng chất lỏng lẫn rung động âm học Tuy nhiên, phương trình ứng dụng trường hợp sóng chất lỏng tuyến tính khơng xét đến ứng xử phi tuyến phần tử Đối với phần tử chất lỏng có chuyển vị lớn Bathe Hahn, 1979 đề xuất phương pháp Updated Lagrangian để phát triển phần tử đẳng tham số 2D 3D với số nút khác cách sử dụng lý thuyết khối lượng chất lỏng dạng thu gọn Trong phương pháp Bathe có sóng chất lỏng có biên độ dao động lớn việc tạo lưới phần tử bị ảnh hưởng khơng tốt dẫn đến giảm mức độ xác toán Việc cập nhật lưới phần tử không xét đến nghiên cứu tập trung vào việc phân tích độ cho chất lỏng phi tuyến ống Một khuynh hướng khác phương pháp phân tích theo Lagrangian việc xem vận tốc nút biến cần tìm (Johnson, 1979; Bach Hassager, 1985) kết hợp phương pháp hiệu chỉnh vận tốc (Kawahara Anjyu, 1988; Okamoto Kawahara, 1990) Kết họ cho thấy chuyển động sóng chất lỏng với biên độ lớn phân tích phương pháp Tuy nhiên, cách có khó khăn khơng kết hợp với phần mềm viết sở phương pháp PTHH 1.2.1.3 Phân tích chuyển động chất lỏng cách kết hợp hai phương pháp Cả hai phương pháp Lagrangian hay Eulerian có thuận lợi bất lợi riêng, khối lượng tính tốn q lớn lời giải xác hạn chế mơ hình tốn Cho nên phương pháp đời phương pháp kết hợp Eulerian – Lagrangian Chương Tổng quan có tên gọi Arbitrary Lagrangian – Eulerian (ALE) nhằm tận dụng ưu điểm phương pháp Lagrangian Eulerian Phương pháp Hughes et al giới thiệu lần đầu năm 1981 giải vấn đề dao động sóng chất lỏng phương pháp PTHH giả thiết chất lỏng nhớt không nén dựa tảng từ phương pháp Eulerian Hughes đề xuất năm 1978 Trong phương pháp ALE, việc cập nhật lại lưới phần tử, bên cạnh miền không gian miền vật liệu, Hughes giới thiệu thêm miền tham chiếu thành lập cách áp dụng hàm ánh xạ Khi lựa chọn miền tham chiếu hàm ánh xạ, việc mơ tả tính chất động học mặt thoáng chất lỏng vấn đề tương tác Chất Lỏng – Thành bể giải thỏa đáng Hàm nội suy tuyến tính phương pháp Eulerian trở thành phi tuyến phương pháp ALE Do đó, khối lượng tính tốn bị tăng lên nhiều Phương pháp ALE sau mở rộng Belytschko Flanagan (1982) cho phân tích độ chất lỏng dựa lý thuyết dòng chảy nhớt nén Các nghiên cứu trước sử dụng thuật ngữ “Quasi Eulerian” để nhấn mạnh cấu trúc phương trình chủ đạo dao động chất lỏng tương tự phương pháp Eulerian Và để giảm lại khối lượng tính tốn vấn đề phi tuyến đề cập hai tác giả áp dụng thuật tốn tích phân cầu điểm, nhiên vấn đề việc tạo lưới phần tử chưa giải triệt để Liu Ma, (1982) trình bày ứng dụng phương pháp ALE việc khảo sát chuyển vị ứng xử động lực chất lỏng bể chứa chữ nhật Trong phương pháp này, áp suất chưa biết chất lỏng nhớt loại bỏ nhờ giả thiết không nén chất lỏng Ứng dụng cho thành cơng phương pháp ALE phân tích dao động sóng chất lỏng với biên độ lớn thiết lập Huerta Liu năm 1988 Trong nghiên cứu họ, phương pháp kết hợp áp suất – vận tốc cộng thêm phương pháp dòng chảy tầng để cập nhật lưới phần tử dùng mơ mặt thống chất lỏng sóng bề mặt với biên độ lớn 10 Chương Tổng quan Vấn đề yếu phương pháp ALE làm cách để tìm thuật tốn thích hợp để miêu tả chuyển động khác miền tham chiếu, tạo lưới phần tử hình thành liên tục nhằm mơ xác chuyển động bề mặt để trì thường xuyên biến dạng phần tử chất lỏng Housner (1967) đề nghị phân bể chứa hình trụ tròn làm loại bể dạng thấp bể dạng cao, bể dạng thấp có H f / R �0.15 cịn bể dạng cao có H f / R  0.15 , H f chiều cao mực chất lỏng bể R bán kính bể chứa Với loại bể cao Housner xem có 0.15R phần chất lỏng bên dao động đồng thời với bể phần bên xem dao động riêng biệt Bằng cách sử dụng nghiên cứu Housner Epstein (1976) vẽ đường cong thiết kế để ước lượng biến dạng momen cực đại cho bể dạng trụ tròn dạng chữ nhật Housner (1967) hay Epstein (1976) dựa giả thuyết bể chứa tuyệt đối cứng tương tác chất lỏng – thành bỏ qua Tuy nhiên, chất lỏng bể ứng xử phức tạp nhiều, nên xem thành bể tuyệt đối cứng kỹ sư thiết kế bể khơng an tồn đặc biệt tượng cộng hưởng xảy Các nghiên cứu phát triển tiếp với tập trung vấn đề kích thước hình dạng bể Sayar Baumganter (1982) trình bày nghiên cứu cho sóng chất lỏng dao động tuyến tính lẫn phi tuyến cho bể chứa hình trịn dựa mơ hình Con Lắc (Pendulum Model) đề xuất họ năm 1981 Bauer (1984) giới thiệu mơ hình TLD cho bể chứa chữ nhật với mơ hình tải trọng dạng lò xo dựa giả thiết bể chứa dài vô hạn Modi đồng nghiệp (1987 1989) thực chuỗi thí nghiệm nghiên cứu phương pháp giải tích “thiết bị kháng chấn tự nhiên” với bể chứa hình vành khuyên chịu tải trọng động Họ khảo sát chế tiêu tán lượng thiết bị kháng chấn dạng cách sử dụng lý thuyết hàm vận tốc phi tuyến kết hợp với việc hiệu chỉnh điều kiện biên Và từ 11 Chương Tổng quan nghiên cứu người ta ứng dụng cho cơng trình sân bay Haneda Narita, Nhật Bản (1991) Sau Kwok Samali (1990) khảo sát ảnh hưởng thiết bị kháng chấn cột chất lỏng (TLCD) đề xuất Sakai Kareem năm 1989 kết hợp với thiết bị kháng chấn khối lượng (TMD) truyền thống Kết mô hình hiệu có tên gọi thiết bị kháng chấn khối lượng dạng cột chất lỏng (TLCMD) đời phân tích dao động tự thiết bị Ở Nhật Bản, Fujino et al (1988) nghiên cứu TLD sử dụng mực nước nông mơ hình tốn học Sun Limin (1992) giải triệt để cho kết tốt so với thí nghiệm bàn lắc tiến hành Sun Kết thí nghiệm gần trùng với kết tính tốn lý thuyết Phương pháp Sun LM phương pháp bán giải tích (Semianalytical) có tên gọi SOLA-VOF mơ tính chất phi tuyến chất lỏng bể với mơ hình vấn đề sóng vỡ chưa giải thỏa đáng Sun Limin (1992) không tiên lượng tượng sóng vỡ xảy cách đưa vào mơ hình hai hệ số phụ tượng sóng vỡ xảy kết cấu làm việc an tồn Các nhà nghiên cứu khác có cách tiếp cận riêng nhằm tránh việc quan niệm bể tuyệt đối cứng, chẳng hạn Veletsos Yang (1974, 1976 1977) giả thiết q trình sóng nước dao động bên bể bể có chuyển vị định Yang (1976) tổng hợp lại nghiên cứu lực thủy động hình thành bên bể cho kết cấu chịu tải trọng kích động theo phương ngang Điều kiện biên cho miền chất lỏng nghiên cứu lại Veletsos (1974) sở Jacobsen (1949) Trong nghiên cứu đó, Veletsos xem vận tốc chất lỏng mặt tương tác vận tốc chuyển động thành bể sở cho tốn nghiên cứu ảnh hưởng trường cặp đôi (Coupling effect) Bể Chứa – Kết Cấu lực 12 Chương Tổng quan thủy động khơng cịn giống giả thiết khối lượng nhân với gia tốc chuyển động Nghiên cứu Veletsos Tang (1987) giải cho hai loại bể chứa xem tuyệt đối cứng lẫn bể chứa dạng mềm Năm 1997, Jin Kyu Yu giải vấn đề phi tuyến sóng chất lỏng bể chứa cách xây dựng mơ hình lý thuyết từ thực nghiệm đưa phương pháp Nonlinear Stiffness Method (Phương pháp độ cứng phi tuyến) Random Choice Method (Phương pháp chọn ngẫu nhiên) để xét hết khía cạnh tính chất phi tuyến sóng chất lỏng bể chứa 1.2.2 Các nghiên cứu tương tác chất lỏng – thành bể Hầu hết nghiên cứu trước thập niên 1980 chủ yếu tập trung vào việc phân tích động lực sóng chất lỏng cho cung cấp cho kỹ sư công cụ đơn giản đủ độ xác để thiết kế bể chứa Bằng cách giả thiết bể chứa chất lỏng tuyệt đối cứng, chất lỏng bên xem dao động đồng thời với bể bỏ qua ảnh hưởng tạo tương tác Chất lỏng – Thành sơ đồ tính đơn giản nhằm tiện cho việc thiết kế nhanh chóng bể chứa nước hay xăng dầu vào thời điểm (Housner, 1967) Tuy nhiên, sau hư hỏng bể cơng trình trải qua động đất làm động lực thúc đẩy kỹ sư thiết kế nhà nghiên cứu phải xem xét lại giả thiết trước Bởi vì, dao động bể, chất lỏng không dao động đồng thời với bể mà toàn phần chất lỏng chia làm hai phần, phần chất lỏng bên dao động đồng thời với bể phần bên dao động tách rời so với bên phần gọi “sóng chất lỏng bề mặt” (Sloshing), phần sóng chất lỏng bề mặt dao động không đồng thời với phần chất lỏng bên mà gây tương tác chất lỏng – thành bể dẫn đến thay đổi đặc trưng động lực bể ngồi cịn tiêu tán phần lượng kích thích thơng qua tương tác 13 Chương Tổng quan Sun et al (1992) thiết lập mô hình tốn cho phân tích TLD với bể chứa chất lỏng có mực nước nơng có xét đến khả xuất hiện tượng sóng vỡ cách đưa thêm vào thơng số xác định từ thí nghiệm bàn lắc có kể đến ảnh hưởng tương tác chất lỏng – thành bể Nghiên cứu tương tác chất lỏng – thành bể nghiên cứu Chaiseri et al., 1989 dựa nghiên cứu trước Fujino Sun LM, 1988 mơ hình tốn học Trong nghiên cứu Chaiseri TLD gắn vào cơng trình chịu tải trọng tác động điều hòa, thực nghiệm tiến hành lại để xác định tính hiệu TLD ảnh hưởng tương tác chất lỏng – thành bể đến đặc trưng động lực hệ Nhờ phát triển ngày mạnh công nghệ máy tính, phương pháp số ứng dụng nhiều để giải toán kỹ thuật Phương pháp PTHH (Phần tử hữu hạn) trở nên vô mạnh mẽ nhờ cơng nghệ máy tính ngày nhiều cơng trình nghiên cứu TLD phương pháp PTHH đời, vấn đề tương tác chất lỏng thành bể mô dễ dàng nhiên tượng cần xem xét kỹ để ứng dụng áp dụng thực tế Swaroop K.Yalla Ahsan Kareem, 2001 có thêm nghiên cứu cách tiếp cận tượng thông qua ma trận khối lượng hệ liên hợp kết cấu – chất lỏng Và kết luận thú vị rút sức cản TLD đạt đến ngưỡng tượng tương tác khơng cịn tồn hợp tần số chất lỏng kết cấu thành tần số chung Gần hội nghị quốc tế lần thứ động đất tổ chức Đài Bắc, Đài Loan ngày 12-13 tháng 10 năm 2006, Hanjun Li Yingmin dùng phần mềm ADINA để mơ cơng trình có sử dụng TLD chịu động đất Tương tác chất lỏng thành bể gán vào thông qua điều kiện biên sẵn có Kết họ rút kết luận tương quan tỷ lệ 14 Chương Tổng quan khối lượng tỷ lệ tần số riêng mà TLD phát huy tối đa khả giúp cho việc thiết kế dễ dàng thuận lợi 1.2.3 Ứng dụng thiết bị TLD việc kháng chấn cho nhà cao tầng Một vài cơng trình sử dụng TLD xây dựng từ sớm Nhật Bản, ví dụ điển hình tịa nhà Gold Tower Chiba, Nhật sử dụng MCC Aqua Damper (hình 1.5) bể chứa nước dạng khối với lưới sợi thép bố trí dọc theo dịng chảy chất lỏng bên bể Lực kháng chấn hiệu chỉnh cách sử dụng số lượng bể chứa chất lỏng Cụ thể tòa nhà Golden Tower người ta dùng 16 bể chứa dạng tầng mái cơng trình (cao độ 158m) với tổng khối lượng chất lỏng lên đến 10 1/100 khối lượng toàn cơng trình Hình 1.5 – Thiết bị MCC Aqua Damper tòa nhà Chiba Sau thiết bị kháng chấn gán vào cơng trình người ta đo phản ứng kết cấu trước tác động tải trọng động giảm khoảng 50-60% so với không sử dụng thiết bị kháng chấn TLD TLD ứng dụng khách sạn Shin Yokohama Prince Nhật Bản gồm bể chứa chất lỏng có đường kính 2m chiều cao 22cm, chiều cao tổng cộng 2m giúp cho cơng trình giảm 50-70% dao động vận tốc gió 20m/s cịn giúp giảm tốc độ gió cao 15 Chương Tổng quan Gia tốc cơng trình không sử dụng TLD 0.01(m / s ) cịn có TLD 0.006(m / s ) Thiết bị TLD dạng ứng dựng cơng trình sân bay quốc tế Nagasaki, sân bay quốc tế Tokyo, tòa nhà Yokohama (Tamura et al., 1985) Hình 1.6 – Thiết bị TLD Shin Yokohama Tower (Tamura et al., 1995) Ngồi cịn có nhiều cơng trình khác sử dụng thiết bị kháng chấn chất lỏng dạng cột chất lỏng (Tuned Liquid Column Damper) chẳng hạn khách sạn Cosima Tokyo cơng trình thép cao 26 tầng với độ cao mái 106.2m Cơng trình có tỷ số chiều cao chiều rộng lớn nhạy cảm với tải gió động Ở cơng trình này, người ta sử dụng TLCD nặng 58 có tên MOVICS (hình 1.7) để kháng gió cho cơng trình Theo kết đo đạc gia tốc cơng trình giảm 50-70% nhờ thiết bị (Shimizu Tezura, 1994) 16 Chương Tổng quan Hình 1.7 - Thiết bị TLCD cơng trình khách sạn Cosima, Tokyo Thêm vào đó, thấy TLD có ứng dụng rộng rãi kể kết cấu dạng ống khói hay cơng trình ngồi khơi Hình 1.8 - Ống khói có sử dụng TLD để kháng chấn 17 Chương Tổng quan Tóm lại, thơng qua việc tóm tắt cơng trình nghiên cứu trước, rút tóm tắt thực TLD để từ đặt hướng nghiên cứu thực luận văn là: Thứ nghiên cứu chủ yếu tập trung vào lý thuyết phân tích tuyến tính chất lỏng mặt thoáng tức biên độ dao động sóng xem nhỏ, mơ hình tốn để phân tích tính chất phi tuyến sóng chưa tối ưu Để tránh phức tạp phân tích phi tuyến sóng chất lỏng ,một số nghiên cứu giả thiết xem TLD TMD nhiên điều chưa thỏa đáng mức độ tương đối Thứ hai phân tích thường dựa vào thực nghiệm để xây dựng mơ hình số sau giải vấn đề phương pháp giải tích Điều dẫn đến đầu tư nhiều tìm hiểu tốn học túy mà phức tạp – đặc biệt việc giải điều kiện biên – làm cho phương pháp giải tích khơng có khả tìm nghiệm cần thiết Các nghiên cứu thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng phong phú từ phân tích hình dạng bể chứa, chất lỏng sử dụng thiết bị, phương pháp tìm chuyển vị sóng chất lỏng phức tạp xét tương tác chất lỏng thành bể dự đốn tượng sóng vỡ … Tuy nhiên cịn rời rạc nghiên cứu xét cách toàn diện ứng xử cơng trình có sử dụng TLD làm thiết bị kháng chấn đặc biệt có xét đến hiệu ứng tương tác Điều làm cho thực tế sử dụng TLD để kháng chấn cịn giới hạn, khó đưa vào tiêu chuẩn thiết kế Sóng vỡ khẳng định tượng làm tiêu tán phần lượng không nhỏ truyền vào TLD việc tiên lượng tượng xảy mơ hình tốn chưa xác định Cuối nghiên cứu trước chưa xét hết tính chất TLD chẳng hạn tương tác chất lỏng với thành bể hay tương tác bể với kết cấu nghiên cứu gần việc ứng dụng tính chất vào thiết kế TLD dừng lại giai đoạn lý thuyết 18 Chương Tổng quan 1.3 Mục đích hướng nghiên cứu Luận văn nhằm mục đích khảo sát cách tổng quát hầu hết đặc trưng TLD từ tần số dao động tự nhiên chất lỏng, dao động sóng bề mặt, lực tác dụng lên thành bể, đến hệ số tiêu tán lượng bể sóng chất lỏng tạo Phương pháp PTHH dựa tảng chuyển vị nút phần tử dùng để giải tốn phân tích thơng số chất lỏng kết so sánh với lời giải giải tích nghiên cứu trước Luận văn nhấn mạnh đến tương tác chất lỏng thành bể cách thiết lập điều kiện biên cho phần tử chất lỏng chất rắn mặt tương tác Sau khảo sát ảnh hưởng tương tác gây cho thông số đặc trưng khác tần số tự nhiên Từ thiết lập mối liên hệ bể cứng bể mềm Sự tương tác nghiên cứu kết hợp với phương pháp nghiên cứu trước để ứng dụng điều khiển thông số đặc trưng bể phục vụ cho công tác thiết kế thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng xác Ngồi khía cạnh khác xét đến tương tác không xem thành bể tuyệt đối cứng nhằm phòng tránh phá hoại thành sóng chất lỏng dao động cộng hưởng với lực kích thích gây Phân tích chế hoạt động thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng so sánh với chế hoạt động thiết bị khác tương tự, để từ đưa thơng số cần xem xét tính tốn thiết kế TLD Bằng ví dụ phân tích cơng trình cụ thể chịu tải trọng động ngoại lực tác dụng điều hịa hay động đất Sau xem xét đáp ứng cơng trình theo thời gian phương pháp số lựa chọn dựa tiêu chí tính tốn dễ dàng đạt mức độ xác cần thiết nghiên cứu có sử dụng không sử dụng TLD để kháng chấn Cuối rút số liệu cụ thể khẳng định khả kháng chấn kết cấu có sử dụng TLD đề xuất kiến nghị cho việc thiết kế TLD 19 Chương Tổng quan 1.4 Tóm tắt luận văn Luận văn chia làm chương trình bày vấn đề sau: Chương giới thiệu nguyên lý hoạt động thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng, tóm tắt nghiên cứu thực trước thiết bị Từ lựa chọn phương pháp nghiên cứu đặt mục đích tiến đến Luận văn Chương nhằm xem xét cách tổng quát tính chất đặc trưng TLD, đặc biệt ý đến tần số dao động tự nhiên bể, thơng số chuyển động sóng chất lỏng bề mặt, áp suất chất lỏng bên bể nội lực xuất thành Chương trình bày tượng tương tác chất lỏng – thành bể ảnh hưởng tượng đến việc thiết kế thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng Qua đề xuất hệ số tương quan nhằm phân biệt bể cứng bể mềm phục vụ cho công tác thiết kế TLD rút ngắn thời gian Chương phân tích khả kháng chấn TLD thơng qua ví dụ cụ thể trường hợp cơng trình chịu lực kích thích điều hịa hay động đất so sánh với kết phân tích trước thực nghiệm tiến hành Chương tóm tắt kết đạt luận văn kiến nghị đề xuất cho việc thiết kế TLD mở hướng nghiên cứu tiếp tương lai 20 ... ) cịn có TLD 0.006(m / s ) Thiết bị TLD dạng cịn ứng dựng cơng trình sân bay quốc tế Nagasaki, sân bay quốc tế Tokyo, tòa nhà Yokohama (Tamura et al., 1985) Hình 1.6 – Thiết bị TLD Shin Yokohama... lỏng bể thơng số quan trọng nghiên cứu Chương Tổng quan TLD, thơng số đầu tư xem xét nhiều Các nhà khoa học phát triển ba hướng nghiên cứu chuyển động chất lỏng bể hướng phân tích kiểu Lagrangian,... lỏng Mặc dù nghiên cứu có nói đến khả ứng dụng rộng rãi phương pháp, ví dụ minh họa giới hạn cho trường hợp chuyển vị biên chất lỏng đủ nhỏ 1.2.1.2 Phân tích chuyển động chất lỏng phương pháp Lagrangian