Đang tải... (xem toàn văn)
(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất(Luận án tiến sĩ) Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TRỊNH THỊ HOA PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BỂ NƯỚC ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TRỊNH THỊ HOA PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BỂ NƯỚC ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình đặc biệt Mã số: 9580206 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh GS TS Nguyễn Tiến Chương Hà Nội, 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 12 tháng 10 năm 2022 Tác giả Trịnh Thị Hoa ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập nghiên cứu, giúp đỡ quý thầy, cô Trường Đại học Giao thơng vận tải, tác giả hồn thành luận án tiến sĩ kỹ thuật: “Phân tích ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn nhà cao tầng chịu động đất” Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng đào tạo Sau đại học, Khoa Cơng trình, Bộ mơn Cơng trình Giao thơng Thành Phố Cơng trình thủy, cán tồn thể q thầy tham gia giảng dạy tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình học tập chương trình đào tạo Nghiên cứu sinh Đây hội quý báu mà tác giả có Tác giả mong muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh GS.TS Nguyễn Tiến Chương hai Thầy, Cô trực tiếp hướng dẫn tác giả chặng đường vừa qua để tác giả hoàn thành Luận án Hai Thầy, Cô tạo điều kiện tốt nhanh chóng giúp đỡ tác giả Và hết hai Thầy, Cô truyền thụ tinh thần hăng say làm việc để tác giả tiếp tục cố gắng cho nghiên cứu tương lai Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Bộ môn Kết cấu – Vật liệu, Bộ môn Xây dựng Dân dụng & Cơng nghiệp, Khoa Cơng trình, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải điều kiện giúp đỡ để tác giả hoàn thành Luận án Tác giả muốn dành cho Cha Mẹ lịng kính trọng thiết tha Cha, Mẹ hy sinh dành cho Những lời dạy Cha, Mẹ làm hành trang cho tác giả bước vào sống với tâm cao để đến ngày hôm Và cuối cùng, tác giả muốn gửi lời cảm ơn đến Người Bạn Đời Người ln động viên tác giả cố gắng khơng ngừng nghỉ giai đoạn làm Luận án, đặc biệt lúc gặp khó khăn Trong trình làm nghiên cứu Luận án, chắn khơng tránh khỏi sai sót hay khiếm khuyết Cho nên tác giả mong muốn nhận lời góp ý chân thành tất thầy, cô hay độc giả để Luận án hồn thiện Tác giả Trịnh Thị Hoa iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, VÀ CÁC KÝ HIỆU xiii MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết đề tài Tên mục tiêu nghiên cứu Luận án 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu Cấu trúc Luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BỂ CHỨA CHẤT LỎNG ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 1.1 Các tác động gây dao động cho kết cấu nhà cao tầng 1.1.1 Tác động động đất .6 1.1.2 Tác động gió 1.2 Biện pháp giảm dao động cho kết cấu nhà cao tầng tác dụng động đất 10 1.2.1 Giảm chấn theo chế hoạt động 10 1.2.2 Giảm chấn theo giải pháp giảm dao động 12 1.2.2.1 Giải pháp cách chấn 12 1.2.2.2 Giải pháp giảm chấn 13 1.3 Bể nước tòa nhà cao tầng tác dụng giảm chấn 15 1.3.1 Vai trò bể nước tòa nhà cao tầng 15 1.3.2 Khái niệm hệ giảm chấn chất lỏng 16 1.3.3 Phân loại hệ giảm chấn chất lỏng 16 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng 21 1.4.1 Tình hình nghiên cứu hệ giảm chấn chất lỏng .21 1.4.2 Tình hình ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng 32 1.5 Kết luận chương 35 iv CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG CỦA BỂ CHỨA CHẤT LỎNG TRÊN CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT 37 2.1 Cơ chế hoạt động hệ giảm chấn chất lỏng TLD 37 2.2 Cơ sở lý thuyết phân tích cho hệ bể .38 2.2.1 Tương tác sóng chất lỏng thành bể chứa 38 2.2.2 Cơ sở lý thuyết phân tích chung cho dạng bể chứa 39 2.2.3 Cơ sở lý thuyết phân tích cho bể chứa dạng hình chữ nhật 42 2.3 Cơ sở lý thuyết phân tích cho hệ nhiều bể .44 2.4 Cơ sở lý thuyết phân tích gối liên kết bể chứa chất lỏng kết cấu .46 2.5 Các dạng mơ hình phân tích bể chứa chất lỏng .52 2.5.1 Mơ hình phân tích Sun (Mơ hình sử dụng phương trình động lực học chất lỏng) 52 2.5.2 Mơ hình phân tích Yu (Mơ hình qui đổi khối lượng tương đương) 56 2.6 Các phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng 60 2.6.1 Phương pháp giải tích sử dụng mơ hình hệ giảm chấn khối lượng tương đương (TMD) Housner Haroun .60 2.6.2 Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm 62 2.6.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 63 2.7 Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mơ hình thí nghiệm .65 2.7.1 Mô hình thí nghiệm Luboya 65 2.7.2 Mơ hình tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn 67 2.7.3 Kết phân tích kết cấu khung tác dụng tải điều hòa 70 2.8 Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mơ hình đề xuất Houner Haroun .72 2.8.1 Xác định tần số dao động sóng chất lỏng bể chứa 74 2.8.2 Xác định giá trị lực cắt đáy bể tác dụng tải trọng điều hịa .76 2.8.3 Nhận xét phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng 79 2.9 Kết luận chương 80 CHƯƠNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG BỂ NƯỚC ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 82 3.1 Mục tiêu phân tích 82 3.2 Xây dựng phương pháp phân tích 83 v 3.2.1 Hàm hiệu 83 3.2.2 Mơ hình phân tích 83 3.2.3 Tác dụng động đất 85 3.2.4 Phương pháp tính tốn 86 3.3 Phân tích ảnh hưởng bể nước theo tham số 88 3.3.1 Ảnh hưởng kích thước bể chiều cao mực nước bể 88 3.3.2 Ảnh hưởng số lượng bể đến mức độ giảm chấn 104 3.4 Ảnh hưởng gối liên kết bể nước kết cấu đến mức độ giảm chấn 110 3.4.1 Lựa chọn số liệu phân tích 111 3.4.2 Ảnh hưởng gối liên kết bể nước kết cấu 113 3.5 Kết luận chương 119 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG BỂ NƯỚC ĐỂ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT .121 4.1 Lựa chọn kết cấu nhà cao tầng 121 4.2 Xây dựng mơ hình phân tích ảnh hưởng bể nước đến tịa nhà cao tầng123 4.2.1 Đề xuất mơ hình 123 4.2.2 Xác định thơng số mơ hình 124 4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng bể nước đến nhà cao tầng chịu động đất 131 4.3.1 Số liệu động đất 131 4.3.2 Ứng xử kết cấu nhà cao tầng không đặt bể chứa nước 131 4.3.3 Ứng xử tòa nhà cao tầng đặt bể nước 134 4.3.4 Hiệu vị trí đặt bể nước đến mức độ giảm chấn cho tòa nhà chịu động đất 137 4.4 Kết luận chương 141 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .142 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO .147 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 157 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ phân loại hệ giảm chấn theo chế hoạt động 12 Hình 1.2.Thiết kế cách ly cơng trình với thiết bị gối liên kết [21] 13 Hình 1.3 Sự làm việc kết cấu tác động động đất liên kết cứng với cách ly với [21] 13 Hình 1.4 Hệ giảm chấn khối lượng TMD áp dung cho cơng trình nhà nhiều tầng [22] 14 Hình 1.5 Hệ giảm chấn chất lỏng TLD lặp đặt cho kết cấu nhà nhiều tầng [23] 14 Hình 1.6 Hình ảnh vị trí đặt bể chứa nước tòa nhà cao tầng 15 Hình 1.7 Sơ đồ phân loại hệ thống thiết bị giảm chấn chất lỏng [27] 16 Hình 1.8 Các hình dạng bể chứa chất lỏng đáy phẳng 18 Hình 1.9 Hệ giảm chấn chất lỏng dạng đáy dốc [27] 19 Hình 1.10 Hệ giảm chấn chất lỏng dạng cột [27] 20 Hình 1.11.Van giảm chấn chất lỏng hỗn hợp (lai) [33] 20 Hình 1.12.Thiết bị MCC Aqua Damper tịa nhà Gold Tower [76] 32 Hình 1.13 Tồ nhà Comcast với TLD có 1.1 triệu lít nước [77] 33 Hình 1.14 Thiết bị TLD Shin Yokohama Tower [2] 34 Hình 1.15 Cầu Bãi Cháy với hệ MTLD [71] 34 Hình 1.16 Tồ nhà Gama với mơ hình TLD thí nghiệm 35 Hình 2.1 Cơ chế hoạt động hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) [85] 37 Hình 2.2 Dao động sóng bên hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) [86] 38 Hình 2.3 Hệ trục tọa độ Oxyz kích thước hình học bể chứa chữ nhật 42 Hình 2.4 Sơ đồ tính hệ MTLD 44 Hình 2.5 Phân bố tần số hệ MTLD 45 Hình 2.6 Quy tắc chung phân tích hệ thống thứ cấp sơ cấp [99] 46 Hình 2.7 Các mơ hình phân tích tương tác hệ sơ cấp thứ cấp [99] 48 Hình 2.8 Tiêu chí để sử dụng phân tích hệ sơ cấp thứ cấp [99] 51 Hình 2.9 Sơ đồ hệ TLD cho chuyển động ngang [33] 53 Hình 2.10 Lực cắt đáy chuyển động chất lỏng 55 Hình 2.11 Hệ thống DOF với hệ TLD [33] 56 Hình 2.12 a) Mơ hình TLD, b) Mơ hình tương đương (NSD) [33] 57 vii Hình 2.13 Đồ thị chuyển vị bể theo thời gian [33] 59 Hình 2.14 Hệ hai bậc tự a) Kết cấu với TLD; b) hệ NSD tương đương [33] 59 Hình 2.15 Mơ hình đề xuất cho bể chứa chất lỏng theo Housner [105] 60 Hình 2.16 Hệ kết cấu bể chứa nước tác dụng tải trọng điều hịa [105] 61 Hình 2.17 Mơ hình bể chứa chất lỏng ANSYS APDL 65 Hình 2.18 Kích thước mơ hình thí nghiệm (đơn vị - mm) 66 Hình 2.19 Mơ hình thiết bị thí nghiệm 66 Hình 2.20 Mơ hình hình học kết cấu mơ ANSYS 68 Hình 2.21 Quy trình mơ tính tốn phần mềm ANSYS APDL 68 Hình 2.22 Các dạng dao động riêng kết cấu Khung 69 Hình 2.23 Tạo liệu tải trọng phần mềm MATLAB 69 Hình 2.24 Phổ gia tốc theo tần số theo nghiên cứu Luboya phương pháp mô đề xuất cho luận án 70 Hình 2.25 Phổ gia tốc có xét tới hệ giảm chấn hai trường hợp tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu µ=1% 71 Hình 2.26 Phổ gia tốc có xét tới hệ giảm chấn hai trường hợp tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu µ=2% 72 Hình 2.27 Mơ hình bể chứa chất lỏng 73 Hình 2.28 Đồ thị quan hệ tần số dao động fn dạng dao động 74 Hình 2.29 Mơ hình bể chứa nước ANSYS APDL 75 Hình 2.30 Dạng dao động sóng nước áp lực nước lên thành bể theo mode 1,2 76 Hình 2.31 Mơ hình quy đổi bể chứa chất lỏng thành hệ khối lượng tương đương theo Houner Haroun 76 Hình 2.32 Đồ thị quan hệ chuyển vị lớn theo phương ox vị trí liên kết vị trí mặt nước thành bể với tần số tải trọng điều hòa 78 Hình 2.33 Đồ thị quan hệ lực lớn liên kết lò xo theo phương Ox với tần số tải trọng điều hòa 78 Hình 2.34 Đồ thị quan hệ Lực quán tính thân bể chứa với tần số tải trọng điều hòa 79 Hình 2.35 Đồ thị quan hệ lực cắt đáy bể với tần số tải trọng điều hịa 79 viii Hình 3.1 Quy trình phân tích bể chứa chất lỏng 82 Hình 3.2 Mơ hình đơn giản hóa mơ ANSYS APDL 84 Hình 3.3 Giản đồ gia tốc theo thời gian El Centro [121] 85 Hình 3.4 Độ dịch chuyển đất theo thời gian El Centro 86 Hình 3.5 Sai số tương đối chu kỳ ứng với trường hợp γ =1/2 [123] 88 Hình 3.6 Đồ thị quan hệ hiệu giảm chấn bể tỷ lệ khối lượng bể kết cấu 89 Hình 3.7 Đồ thị quan hệ tần số sóng nước thơng số bể 90 Hình 3.8 Đồ thị quan hệ tần số dao động riêng chiều cao tòa nhà [1] 91 Hình 3.9 Đồ thị quan hệ phổ chuyển vị với tần số dao động riêng kết cấu không đặt bể nước 92 Hình 3.10 Đồ thị quan hệ lực cắt đáy kết cấu với tần số quy chuẩn ứng với trường hợp tỷ lệ khối lượng 1% 93 Hình 3.11 Đồ thị quan hệ lực cắt đáy kết cấu lớn với tần số quy chuẩn ứng với trường hợp tỷ lệ khối lượng 10% 93 Hình 3.12 Đồ thị quan hệ tỷ lệ chuyển vị tương đối lớn kết cấu đặt bể nước không đặt bể nước với tần số quy chuẩn (Mb+Mn =1%M) 95 Hình 3.13 Đồ thị quan hệ tỷ lệ chuyển vị tương đối lớn kết cấu đặt bể nước không đặt bể nước với tần số quy chuẩn (Mb+Mn =10%M) 96 Hình 3.14 Đồ thị quan hệ chuyển vị tương đối kết cấu với kích thước bể nước (b) chiều cao mực nước bể h(m) (Mb+Mn =1%M) 97 Hình 3.15 Đồ thị quan hệ chuyển vị tương đối kết cấu với kích thước bể nước (b) chiều cao mực nước bể h(m) (Mb+Mn =10%M) 97 Hình 3.16 Đồ thị quan hệ tỷ lệ lực cắt đáy kết cấu lớn đặt bể nước không đặt bể nước với tần số quy chuẩn (Mb+Mn =1%M) 99 ... nước đến mức độ giảm chấn nhà cao tầng chịu động đất? ?? Mục tiêu nghiên cứu: Phân tích ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn nhà cao tầng chịu động đất Xây dựng đề xuất mơ hình tính tốn cho bể chứa... xét đến thiết bị giảm chấn chất lỏng cho tòa nhà cao tầng chịu tải trọng động đất Với phân tích trên, đề xuất nội dung nghiên cứu luận án phân tích ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn nhà cao. .. cứu ảnh hưởng bể nước đến nhà cao tầng chịu động đất 131 4.3.1 Số liệu động đất 131 4.3.2 Ứng xử kết cấu nhà cao tầng không đặt bể chứa nước 131 4.3.3 Ứng xử tòa nhà cao tầng đặt bể nước