TẠP CHÍ CÔNG THƯƠNG ỨNG DỤNG THIẾT BỊ GIẢM CHẤN THỦY Lực ĐE giảm DAO ĐỘNG CHO NHÀ CAO TANG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG DAT • HOÀNG QUỐC THẮNG TÓM TẮT Để chống lại tác động của động đất cho các công trình xây[.]
TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG ỨNG DỤNG THIẾT BỊ GIẢM CHẤN THỦY Lực ĐE giảm DAO ĐỘNG CHO NHÀ CAO TANG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG DAT • HỒNG QUỐC THẮNG TĨM TẮT: Để chống lại tác động động đất cho cơng trình xây dựng, nhiều giải pháp thiết kế áp dụng như: cách chấn, giảm chấn sử dụng kết cấu, vật liệu hấp thụ tiêu tán lượng để giảm dao động Trong viết này, tác giả đề cập đến giải pháp giảm rung chấn cho nhà cao tầng chịu tải trọng động đất thiết bị cản dao động TLD (Tune Liquid Damper) Từ khóa: thiết kế nhà cao tầng, giảm chấn, thiết bị TLD, thiết kế chống động đất, thiết kế kháng chấn Đặt vâ'n đề Trong tính tốn thiết kế xây dựng nhà cao tầng, tải trọng tác dụng có thê kê đến như: Trọng lượng thân, hoạt tải sử dụng, gió, động đâ't v.v Trong tải trọng này, tải trọng động đất nguy hiểm nhất, xuất đột ngột không dự báo trước, giá trị hướng tác dụng thường xuyên thay đổi động đất xảy Đê’ chống lại tác động động ãất lên cơng trình xây dựng, nhiều giải pháp nghiên cứu ứng dụng biện pháp cách chân, giảm chấn hay sử dụng kết cấu, vật liệu hấp thụ tiêu tán lượng động đất gây để giảm dao động cho cơng trình Trong báo này, tác giả đề cập đến giải pháp để giảm dao động cho kết câu nhà cao tầng chịu tải trọng đất ứng dụng thiết bị cản dao động TLD (Tune Liquid Damper) 404 SỐ 12-Tháng 5/2022 Việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị cản dao động TLD có ý nghĩa khoa học thực tế giúp kỹ sư tư vấn thiết kế có thêm phương án để xem xét lựa chọn giải pháp tối ưu tính toán thiết kế nhà cao tầng Thiết bị cản dao động TLD (Tune Liquid Damper) 2.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị TLD Thiết bị TLD có cấu tạo đơn giản bể chứa chất lỏng hình chữ nhật Thành bể làm thép BTCT gắn chặt vào kết câu công trình Kích thước bể chứa (a,b,c) Chiều sâu chất lỏng chứa bể chứa h (Hình la) Có kết hợp việc sử dụng bể chứa nước phòng cháy đặt mái nhà làm thiết bị TLD phí tiết kiệm, lắp đặt tầng kỹ thuật khác để tăng thêm hiệu giảm chân cho kết câu KHOA HỌC-KỸ THUẬT Thiết bị TLD hoạt động dựa sơ đồ nguyên lý thể Hình Khi có lực kích thích vào kết cấu bể chứa chất lỏng (thiết bị TLD), nước bể chứa chuyển động văng ngược chiều với chiều chuyển động kết cấu, lực va đập tạo hiệu ứng tiêu tán lượng (Hình Ib) 2.2 Cơ sở lý thuyết Xét bể chứa chất lỏng mơ tả Hình 2: - Phương trình vi phân vận tốc dòng chảy áp dụng cho chát lỏng không nén được: du dw n + 77=0 dx dz (1) ^ + ^ + gz +j(tz2+w2) = /(z) Biểu diễn véc tơ lưu tốc dạng hàm điều hịa với tần số góc (ừ Giải phương trình điều kiện biên, xác định tần số dao động (Hình 3) n= (2n-l).(—Jtanhj7r(2n- !)•(-)] (3) Khi lựa chọn chiều dài bể tối ưu chọn dạng n=l (Hình 3) Khi tần số dao động tính theo cơng thức: Cú= /— đó: u Vận tốc theo phương x; w Vận tốc theo phương z - Thế dòng chảy điểm thể qua phương trình Bernoulli: (2) ya ) \a / (4) Từ điều kiện biên, nhận thấy véc tơ vận tốc theo Oz mặt thống biểu diễn qua véc tơ vận tốc theo Ox Hình 2: Dao động sóng nước áp lực lẽn thành bể chữa Số 12-Tháng 5/2022 405 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Hình 3: Các dạng dao động sóng bẽ chứa TLD Phương trình chuyển động liên tục chất lỏng [4]: ạsa + hgal^t)] = ỏi dx S + (1-Wu^ + C^ a (6) 4- ghơO^ Ĩ9 = —cd Au - xs ơxz ơx Phương trình đường mặt sóng viết sau: r/(x, t) = -7 [cos(kx + cúị) — cos(kx - ủ)ị)] (7) H chiều cao sóng, xác định thơng qua tính tốn độ dâng sóng thành bể theo George W.Housner (1963) đề nghị tính theo cơng thức: H = 2.0,84.4,.i 1_±(2 (8) Hiệu ứng lực va đập nước vào bể chứa FTLD trình dao động chất lỏng xác định theo cơng thức (9): FTLD=^(hf-/t|) (9) Trong đó: hl, hr chiều cao mực nước trước sau bể 2.3 Mơ hình tính tốn tham sơ TLD Khi nghiên cứu hiệu giảm chấn thiết bị TLD người ta xem bể chứa chât lỏng TLD hệ giảm chân quen thuộc, hệ giảm chấn khối lượng (TMD) Tác dụng giảm chân khơi lượng 40Ĩ SỐ 12-Tháng 5/2022 chất lỏng tương đương với khối lượng m2 gắn vào kết cấu với thông số độ cứng tương đương gọi kTLD độ cản tương đương gọi CTLD - Khối lượng chất lỏng bể chứa (m2) Tỷ số khối lượng p Hiệu tiêu tán lượng TLD phụ thuộc vào nhiều yếu tố Trước hết khôi lượng chất lỏng thiết bị TLD Khôi lượng chất lỏng bể chứa m2 phụ thuộc vào số lượng bể chứa (n); đặc trưng chiều dài bể (a), chiều rộng bể (b) độ sâu mực nước (h) xác định theo công thức (10): m2= n.a.b.h.yn (10) - Thông số tỷ số khối lượng p, xác định theo công thức (11): u = _E12_.100(%) mlJ (11) Trong đó: ni| khối lượng kết cấu chính; m2 khơi lượng nước bể chứa Nghiên cứu Roshni V Kartha p lớn hiệu giảm chân lớn Tuy nhiên, việc chọn giá trị p phụ thuộc vào không gian đặt bể Với nhà cao tầng mj lớn, người ta thường lấy p 2, nên để đơn giản hóa cho sơ đồ - Tần số dao động riêng Độ cứng tương tính, để dễ quan sát kết phân tích tính tốn đương thiết bị TLD xác định theo công xong mà đảm bảo độ tin cậy cần thiết ta thức (13): chọn phương án tính tốn theo sơ đồ khung phẳng Các thông số khai báo mô ETAB U>TLD - 2rrfTLD - • tanh(—); ^2 a bao gồm: - Tĩnh tải hoạt tải tác dụng (TCVN 2737k-TLD = mTLD * ^TLD (13) 1995) - Hệ Số cản thiết bị CTLD xác định theo Giá ưị tĩnh tải hoạt tải tác dụng lên sàn công trình quy tính tốn tác dụng lên khung K4 công thức (14): với dạng tải trọng phân bố với giá trị CTLD = 2vựkTLD * mTLD sau: với V =7Z-J5-(l + £) (14) Tĩnh tải: Sàn tầng điển hình: q-pp = 36,24 lĩ M Ttj a (kN/m): Sàn ban cơng tầng điển hình: q-n = 32.53 (kN/m); Sàn mái: qTT = 32,53 (kN/m) Trong đó: v> hệ số cản cơng trình xác Hoạt tải: Văn phòng: qHT = 17,28 (kN/m); Ban định theo công thức (14) công: qHT = 17,28 (kN/m); Mái không sử dụng: qHT C, hệ số nhớt động học chất lỏng = 7,02 (kN/m); Tổng khơi lượng cơng trình: TLD Chất lỏng bể chứa nước xét với 11037,539 (kN) nhiệt độ 30°C nên thường chọn C, - 0,0081 (cm2/s) Tải trọng động đất (TCVN 9386-2012) Nghiên cứu thử nghiệm sô' Chuyển động động đất điểm biểu 3.1 Phần phềm công cụ nghiên cứu diễn theo phương pháp phân tích phổ phản ứng gia Phần mềm sử dụng để thử nghiệm số phân tốc đàn hồi, khai báo ETABS theo tích nghiên cứu phần mềm tính tốn kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn ETABS Hình 5, Hình 2016 Khi xây dựng mơ hình tính tốn Etabs, 3.3 Mơ hình hóa thiết bị TLD Etabs việc rời rạc hóa kết câu liên tục thành số hữu Thiết bị TLD với thông số’ mTLD; KTLD; hạn phần tử với kích thước hữu hạn liên CTLD khai báo sơ đồ Hình S.tanh(ĩẶ mTLD n3Ộ • m2 SỐ 12-Tháng 5/2022 407 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Hình 5: Khai báo phổ phản ứng cơng trình Etabs EuroCodẽ - 2ỔG4 Function Definition Function Damping Ratio Ịcaugiẩy Function Name Damping Ratio Function Points ịỡ.05 Plot Options Acceleration Period (•) Linear X - Linear ¥ o Linear X-Log ¥ o Log X - Linear Y o Log X - Log Y Convert to User Defined OK I Cancel Hình 6: Chi tiết khung dầm Mặt tầng điển hình □b ẼB ch 408 SỐ 12 - Tháng 5/2022 3.4 Kết nghiên cứu chuyển vị cơng trình Qua phân tích thử nghiệm số cho thấy, nhìn chung biên độ dao động kết cấu nhà giảm Hiệu giảm dao động so sánh ứng với cấc độ sâu mực nưỡc h bể chứa khác theo tỷ lệ h/a Hình biểu diễn kết chuyển vị cơng trình với điểm quan sát tầng 11, với chiều sâu mực nước bể chứa thay đổi Kết cho thấy, với độ sâu mực nước h/a=0,2 cho hiệu giảm chấn tốt nhất, với biên độ dao động giảm từ 0.363 m xuống 0.280m Trong thực tế, chiều sâu mực nước bể chứa thay đổi việc giám sát trì mực nước bể chứa, nên tác dụng giảm dao động có thay đổi KHOA HỌC-KỸ THUẬT Hình 7: Mõ hình mơ thiết bị giảm chấn TLD Độcứngkno Hình 8: Chuyển vị kết cấu cơng trình Kết luận Qua kết nghiên cứu thử nghiệm số cho thấy hiệu rõ rệt biên độ dao động lớn tất tầng nhà giảm Chứng tỏ hiệu thiết bị TLD việc giảm dao động cho tịa nhà có động đất xảy Các thử nghiệm số chứng tỏ hiệu giảm chấn phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc điểm kết cấu tòa nhà; độ sâu mực nước h/a bể chứa, số lượng bể chứa, tính tốn lựa chọn thiết bị giảm chân TLD, phải kiểm tra để lựa chọn thông số tối ưu cho cơng trình cụ thể ■ TÀI LIỆU THAM KHẢO: Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9386:2012 (2012), Thiết kế cơng trình chịu động đất Hà Nội 2012 SỐ 12 - Tháng 5/2022 409 TẠP CHÍ CÔNG THƯƠNG Phan Văn Cúc, Nguyễn Lê Ninh (1994) Tính tốn cấu tạo kháng chấn cơng trình nhiều tầng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1994 Nguyễn Lê Ninh (2011) Cơ sở lý thuyết tính tốn cơng trình chịu động đất, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2011 Roshni V Kartha (2015) Tuned Liquid Damper to Control Earthquake Response in a Multi-Storied Building Frame ISSN2248-9622 (International journal of engineering research and applications) Vol 5, Issue (Part - 4), pp.49-56 Ngày nhận bài: 3/4/2022 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 21/4/2022 Ngày chấp nhận đăng bài: 15/5/2022 Thơng tin tác giả: ThS HỒNG QUỐC THANG Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội APPLICATION OF HYDRAULIC- DAMPER TO REDUCE THE VIBRATION FOR HIGH-RISE BUILDINGS UNDER EARTHQUAKE-LOAD • Master HOANG QUOC THANG Hanoi Architectural University ABSTRACT: To protect buildings from earthquakes, many solutions are applied including seismic resistant, damping, energy absorption materials and structures to reduce vibration This paper presents the use of Tune Liquid Damper equipment to reduce the vibration of high-rise buildings during earthquakes Keywords: design of high-rise buildings, damping, Tune Liquid Damper equipment, earthquake resistant design, seismic resistant design 410 So 12 - Tháng 5/2022 ... mơ thiết bị giảm chấn TLD Độcứngkno Hình 8: Chuyển vị kết cấu cơng trình Kết luận Qua kết nghiên cứu thử nghiệm số cho thấy hiệu rõ rệt biên độ dao động lớn tất tầng nhà giảm Chứng tỏ hiệu thiết. .. giảm Chứng tỏ hiệu thiết bị TLD việc giảm dao động cho tòa nhà có động đất xảy Các thử nghiệm số chứng tỏ hiệu giảm chấn phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc điểm kết cấu tòa nhà; độ sâu mực nước h/a... h/a=0,2 cho hiệu giảm chấn tốt nhất, với biên độ dao động giảm từ 0.363 m xuống 0.280m Trong thực tế, chiều sâu mực nước bể chứa thay đổi việc giám sát trì mực nước bể chứa, nên tác dụng giảm dao động