PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG GIẢM DAO ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG BẰNG CHẤT LỎNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐỒN MỘNG XANH PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG GIẢM DAO ĐỘNG CỦA CƠNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG BẰNG CHẤT LỎNG Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số : 60.58.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2015 Công trình đƣợc hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN Phản biện 1: TS TRẦN QUANG HƢNG Phản biện 2: TS ĐẶNG CÔNG THUẬT Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 26 tháng 12 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài - Trong năm gần đây, động đất xảy thƣờng xuyên với cƣờng độ mạnh nhiều nơi - Trong giải pháp kháng chấn, giải pháp sử dụng thiết bị giảm chấn chất lỏng (TLD) có hiệu + Áp dụng cho nhiều dạng cơng trình có kích thƣớc lớn nhỏ khác + Không làm ảnh hƣởng đến mỹ quan kiến trúc, khơng chiếm nhiều khơng gian sử dụng, đặc biệt sử dụng làm bể nƣớc mái + Tốn chi phí để xây dựng bảo trì + Hiệu cho dao động có biên độ nhỏ - "Phân tích khả giảm dao động cơng trình nhà cao tầng chất lỏng có nghĩa khoa học thực ti n Mục tiêu nghiên cứu Cần xác định chuyển vị tầng có đặt TLD Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Cơng trình 16 tầng sử dụng bể chứa nƣớc - Phạm vi nghiên cứu: Kết cấu khung không gian đƣợc lắp thêm bể chứa nƣớc hình chữ nhật Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết tính tốn giảm dao động cơng trình nhà cao tầng chất lỏng ng dụng vào phân tích cơng trình nhà cao tầng 16 tầng sử dụng bể chứa nƣớc Cấu trúc luận văn MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VIỆC SỬ DỤNG CÁC BỂ CH A CHẤT LỎNG ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG CHO CƠNG TRÌNH CHƢƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG GIẢM DAO ĐỘNG CHO CƠNG TRÌNH 16 TẦNG KHI SỬ DỤNG HỆ GIẢM DAO ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VIỆC SỬ DỤNG CÁC BỂ CHỨA CHẤT LỎNG ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG CHO CÔNG TRÌNH 1.1 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ GIẢM DAO ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG (TLD) - Bản chất làm việc TLD: làm tiêu hao lƣợng - Các tham số cấu tạo TLD: đặc điểm thùng cứng chứa chất lỏng chất lỏng thùng chứa - Thùng chứa hình chữ nhật ƣu việt áp dụng cho kết chịu tác động kích động chủ yếu theo hai phƣơng - Thùng chứa hình trịn: Chất lỏng thùng chuyển động theo nhiều phƣơng - Tỷ số h0/L phải thỏa mãn 1/20≤h0/L≤1/2 để chuyển động chất lỏng chuyển động sóng nƣớc nông - Tổng khối lƣợng chất lỏng / khối lƣợng kết cấu nam khoảng (1%-5%) 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỆ GIẢM DAO ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG TLD 1.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG Trên sở tổng quan thiết bị giảm dao động chất lỏng ứng dụng TLD thực tế thấy đƣợc tính ƣu việt TLD lựa chọn tham số hợp lý thiết kế TLD 4 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ GIẢM DAO ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG (TLD) 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG TRONG THÙNG CHỨA ĐỂ TẠO HIỆU QUẢ GIẢM DAO ĐỘNG 2.3 MƠ HÌNH TÍNH TỐN HỆ GIẢM DAO ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG (TLD) 2.4 CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ GIẢM DAO ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG(TLD) 2.4.1 Tần số dao động tự nhiên sóng Tần số tự nhiên chất lỏng văng té thùng hình chữ nhật: fTLD  1  2 2 h    L  L  g (2.26) Tần số tự nhiên chất lỏng văng té thùng chứa hình trịn: fTLD  1 1,17 g  1,17 h0     2 2 D  D  (2.27) 2.4.2 Biên độ chuyển động sóng bề mặt chất lỏng Biên độ dao động sóng chất lỏng:  4L   X L    x     sin( t)  x  n 2 2 g       (2.36) 2.4.3 Tỷ số cản sóng chất lỏng Tham số cản TLD, ξD đƣợc xác định theo công thức: D  11  h  fTLD  h 1    b (2.38) 2.4.4 Lực cắt đáy tác động sóng chất lỏng lên thành bể  Lực cắt đáy bể: Fx    g  h      h   2  (2.46) 2.5 PHƢƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA KẾT CẤU 2.5.1 Mơ hình hệ bậc tự Hình 2.6 Hệ bậc tự 2.5.2 Nguyên lý D’Alembert Hình 2.7 Lực tác dụng hệ bậc tự Các lực tác dụng lên hệ bậc tự đƣợc biểu diển nhƣ hình 7, đó, f s  ku   f D  c u , f L  mu , lần lƣợc lực đàn hồi, lực cản lực qn tính Phƣơng trình cân lực ta có: p(t )  f S  f D  f L    Hay: mu cu ku  p(t ) 2.5.3 Mơ hình hệ nhiều bậc tự Hình 2.8 Hệ n bậc tự (2.47) (2.48) 2.5.4 Mơ hình hệ nhiều bậc tự có đặt TLD u1(t) K1 c1 u2(t) K - K n-1 K2 m1 c2 m2 P1(t) c3 - cn-1 u3-n-1(t) m3 mn-1 P2(t) un(t) Kn cn uD(t) KD mn cD mD Pn(t) P3-n-1(t) Hình 2.10 Hệ n bậc tự có gắn 1TLD tầng un(t) u1(t) K1 c1 u2(t) K - K n-1 K2 m1 c2 P1(t) m2 c3 - cn-1 P2(t) K Dn u3-n-1(t) m3 mn-1 Kn cDn mn mDn uD1(t) K D1 cn P3-n-1(t) uDn(t) cD1 mD1 Pn(t) Hình 2.11.Hệ n bậc tự có gắn 1TLD tầng 2.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG Mơ hình tính tốn hệ giảm chấn chất lỏng TLD chủ yếu mô hình phi tuyến hoạt động chất lỏng sở lý thuyết sóng nƣớc nơng Tuy nhiên, việc phân tích tính tốn TLD thực theo mơ hình TMD tƣơng đƣơng Việc sử dụng hệ thiết bị giảm chấn khối lƣợng (TMD) đƣợc đề cập nhiều nghiên cứu hầu hết nghiên cứu thiết lập giảm chấn khối lƣợng TMD tƣơng đƣơng thay cho giảm chấn chất lỏng TLD nhƣng có xét đến đặc trƣng phi tuyến chuyển động dịng chất lỏng thơng qua tham số độ cứng tính cản TMD tƣơng đƣơng mang tính chất phi tuyến phân tích tính tốn thiết kế Các thông số đặc trƣng bể chứa chất lỏng là: tần số dao động tự nhiên, biên độ dao động sóng chất lỏng, hệ số cản vùng biên gần đáy bể, lực cắt đáy hình thành bể đƣợc tính tốn, phân tích theo chuyển động chất lỏng bên thùng chứa TLD Trong chƣơng giới thiệu mơ hình phƣơng trình cân hệ gồm n bậc tự có lắt đặt TLD tầng 8 CHƢƠNG PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG GIẢM DAO ĐỘNG CHO CƠNG TRÌNH 16 TẦNG KHI SỬ DỤNG HỆ GIẢM DAO ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG 3.1 CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA CƠNG TRÌNH Luận văn phân tích khả giảm dao động cho cơng trình 16 tầng lắp đặt bể chứa nƣớc Hình 3.1 Mặt cơng trình Chiều cao tầng 3,5m; tĩnh tãi = 0,15T/m2 ; hoạt tải = 0,24T/m2; hoạt tải sàn mái = 0,09T/m2 ; tĩnh tãi tƣờng = 1,05T/m2 Sàn dày 150mm; dầm = b x h = 300x600 (mm) Vách dày250mm;f=0,44Hz; kích thƣớc cột 700x700(mm) 3.2 XÁC ĐỊNH CHUYỂN VỊ NGANG TẦNG 16 KHI TẦNG 16 ĐƢỢC ĐẶT 1TLD 3.2.1 Thiết kế TLD 3.2.2 Trƣờng hợp 1: Đặt TLD lên tầng 16 với thông số nhƣ bảng 3.2 Sử dụng TLD với số liệu nhƣ sau: Bảng 3.2 Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp Trƣờng hợp Kích thƣớc thùng(m) LxBxh0 Khối lƣợng chất lỏng thùng m(T) Tần số dao động thùng fD(Hz) Hệ số cD Độ cứng kD Tham số cản ξi 3,5x2,5x1,47 12,9043 0,44 32,7041 98528 0,00046 Các thông số công trình nhƣ sau: Bảng 3.3 Các thơng số cơng trình Tầng Khối lƣợng tầng Độ cứng tầng Ks ξs Hệ số cản tầng 73,06794 144000 0,05 10257,57 73,06794 144000 0,05 10257,57 10 11 12 13 14 15 16 73,06794 73,06794 73,06794 73,06794 73,06794 73,06794 73,06794 73,06794 73,06794 73,06794 73,06794 73,06794 73,06794 52,08 144000 144000 144000 144000 144000 144000 144000 144000 144000 144000 144000 144000 144000 144000 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 10257,57 10257,57 10257,57 10257,57 10257,57 10257,57 10257,57 10257,57 10257,57 10257,57 10257,57 10257,57 10257,57 8659,977 Nhận xét : Dựa vào đồ thị Hình 3.4, nhận thấy chuyển vị tầng 16 cơng trình lắp đặt TLD nhỏ lúc cơng trình khơng lắp TLD Chuyển vị tầng 16 cơng trình đặt TLD giảm đƣợc 34,29% so với trƣờng hợp cơng trình không lắp TLD 10 0.5 He khong lap TLD He lap TLD 0.45 0.4 Chuyen vi tang 16 (cm) 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 15 Tan so f(Hz) Hình 3.4 Đồ thị thể chuyển vị tầng 16 cho trường hợp 3.2.3 Trƣờng hợp 2: Đặt TLD lên tầng 16 công trình với thơng số nhƣ bảng 3.4 Các thơng số cơng trình nhƣ trƣờng hợp Bảng 3.4 Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp Trƣờng hợp Kích thƣớc thùng(m) LxBxh0 Khối lƣợng chất lỏng thùng m(T) Tần số dao động thùng fD(Hz) Hệ số cD Độ cứng kD Tham số cản ξi 3,5x2,1x1,47 10,8396 0,44 29,3529 82763 0,00049 Nhận xét : Dựa vào đồ thị Hình 3.5, nhận thấy chuyển vị tầng 16 cơng trình lắp đặt TLD nhỏ lúc cơng trình khơng lắp TLD Chuyển vị tầng 16 cơng trình đặt TLD giảm đƣợc 30,56% so với trƣờng hợp cơng trình khơng lắp TLD 11 Chuyển vị tầng 16 trƣờng hợp thứ lớn trƣờng hợp thứ (0,36m>0,35m) 0.5 Khong lap TLD Lap TLD 0.45 0.4 Chuyen vi tang 16 (m) 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 15 Tan so (Hz) Hình 3.5 Đồ thị thể chuyển vị tầng 16 cho trường hợp 3.2.4 Trƣờng hợp 3: Đặt TLD với thông số nhƣ bảng 3.5 lên tầng 16 cơng trình Bảng 3.5 Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp Trƣờng hợp Kích thƣớc thùng(m) LxBxh0 Khối lƣợng chất lỏng thùng m(T) Tần số dao động thùng fD(Hz) Hệ số cD Độ cứng kD Tham số cản ξi 3x2,5x1,33 9,975 0,44 27,0117 76162 0,00049 Nhận xét : Dựa vào đồ thị Hình 3.6, nhận thấy chuyển vị tầng 16 công trình lắp đặt TLD nhỏ lúc cơng trình khơng lắp TLD Chuyển vị tầng 16 cơng trình đặt TLD giảm đƣợc 21,28% so với trƣờng hợp cơng trình khơng lắp TLD 12 Chuyển vị tầng 16 trƣờng hợp thứ lớn trƣờng hợp thứ (0,37m>0,35m) lớn trƣờng hợp thứ (0,37m>0,36m) 0.5 Khong lap TLD Lap TLD 0.45 0.4 Chuyen vi tang 16 (m) 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 15 Tan so(Hz) Hình 3.6 Đồ thị thể chuyển vị tầng 16 cho trường hợp 3.3 XÁC ĐỊNH CHUYỂN VỊ NGANG TẦNG 12 KHI TẦNG 12 ĐƢỢC ĐẶT 1TLD 3.3.1 Trƣờng hợp 1: Đặt TLD lên tầng 12 cơng trình với thông số nhƣ Bảng 3.6 Bảng 3.6 Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp Trƣờng hợp Kích thƣớc thùng(m) LxBxh0 3,5x2,5x1,47 Khối lƣợng chất lỏng thùng m(T) 12,9043 Tần số dao động thùng fD(Hz) 0,44 Hệ số cD Độ cứng kD Tham số cản ξi 32,7041 98528 0,00046 Nhận xét: Dựa vào đồ thị Hình 3.8, nhận thấy chuyển vị tầng 12 cơng trình lắp đặt TLD cơng trình khơng lắp TLD xấp xỉ 13 0.35 Khong lap dat TLD Lap dat TLD 0.3 Chuyen vi tang 12 (m) 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 15 Tan so (Hz) Hình 3.8 Đồ thị thể chuyển vị tầng 12 cho trường hợp 3.3.2 Trƣờng hợp 2: Đặt TLD lên tầng 12 cơng trình với thơng số nhƣ Bảng 3.7 Bảng 3.7 Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp Trƣờng hợp Kích thƣớc thùng(m) LxBxh0 Khối lƣợng chất lỏng thùng m(T) 3,5x2,1x1,47 10,8396 Tần số dao động thùng fD(Hz) 0,44 Hệ số cD Độ cứng kD Tham số cản ξi 29,3529 82763 0,00049 Nhận xét : Dựa vào đồ thị Hình 3.9, nhận thấy chuyển vị tầng 12 cơng trình lắp đặt TLD nhỏ lúc cơng trình khơng lắp TLD Chuyển vị tầng 12 cơng trình đặt TLD giảm đƣợc 4,5% so với trƣờng hợp cơng trình khơng lắp TLD Chuyển vị tầng 12 trƣờng hợp thứ nhỏ trƣờng hợp thứ (0,2625m