Luận án phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất tt

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 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2022 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH GS.TS NGUYỄN TIẾN CHƯƠNG Phản biện 1: ……………………………………………… …………………………………………………………… Phản biện ……………………………………………… ………………………………………………………… Phản biện 3: ……………………………………………… …………………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp ………………………………………………………………… vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Một mục tiêu thiết kế tịa nhà cao tầng, ngồi việc chịu tải trọng thông thường chịu tải trọng đặc biệt gió lớn động đất Những quy định cho kết cấu chịu loại tải trọng đặc biệt phản ánh Bộ luật Xây dựng Quốc tế (IBC) - 03 hay Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode - Thiết kế chống động đất cho kết cấu, Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 động đất, TCVN 229:1999 gió động, TCVN 2737:2020 tải trọng tác động Trong thiết kế kháng chấn nhà cao tầng, tác dụng động đất vấn đề quan trọng thiệt hại mà gây cho kết cấu tòa nhà Thiết kế kháng chấn nhà cao tầng nhằm thỏa mãn trạng thái giới hạn cường độ trạng thái giới hạn biến dạng, thách thức kỹ sư thiết kế Hiện có nhiều giải pháp thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng, giải pháp giảm chấn chất lỏng (TLD) giải pháp sử dụng nhiều nhờ tính hiệu chi phí hợp lý Tuy nhiên, phức tạp việc tối ưu hóa thơng số thiết kế bể chứa chất lỏng, tối ưu hóa kích thước bể, chiều cao mực nước bể, số lượng bể, gối liên kết bể kết cấu tịa nhà, vị trí đặt bể chiều cao tịa nhà khiến cơng tác tiêu chuẩn hóa quy tắc thiết kế hệ giảm chấn chất lỏng TLD gặp nhiều khó khăn Với phân tích trên, Luận án đề xuất nội dung nghiên cứu phân tích ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn nhà cao tầng chịu động đất, nghiên cứu thông số tối ưu bể nước kích thước bể, chiều cao mực nước bể, số lượng bể gối liên kết bể kết cấu Đặc biệt nghiên cứu đề xuất phương pháp mơ hình tính toán thuận tiện cho hệ giảm chấn chất lỏng để phản ánh chất làm việc sóng chất lỏng bể chứa, mang lại hiệu giảm chấn tốt cho tòa nhà chịu động đất Tên mục tiêu nghiên cứu Luận án Tên Luận án: “Phân tích ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn cho 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 chất lỏng bao gồm bể chất lỏng bên bể Mô hình đề xuất phản ánh chất chuyển động sóng chất lỏng bên bể theo mơ hình học chất lỏng Dựa mơ hình đề xuất, Luận án nghiên cứu ảnh hưởng bể chứa chất lỏng lên kết cấu cơng trình chịu tác dụng động đất - ảnh hưởng liên kết bể kết cấu tòa nhà Áp dụng kết nghiên cứu để phân tích ảnh hưởng giảm chấn bể nước cho tòa nhà cao tầng cụ thể chịu tác dụng động đất Đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Bể nước đặt tòa nhà cao tầng, liên kết bể kết cấu tòa nhà b) Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu bể chứa nước hình chữ nhật, dạng đáy phẳng, đặt nhà cao tầng chịu tác dụng động đất Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp với phương pháp mô số để nghiên cứu ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng động đất Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp so sánh kiểm chứng số kết nghiên cứu Luận án với kết thực nghiệm nghiên nghiên trước Ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu a) Ý nghĩa khoa học Luận án nghiên cứu ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn cho tòa nhà cao tầng chịu tác dụng động đất Luận án xây dựng, đề xuất mô hình tính tốn phản ánh chuyển động thực chất lỏng bên bể theo mơ hình học chất lỏng Kết nghiên cứu đề xuất thông số bể chứa chất lỏng, số lượng bể, vị trí đặt bể theo chiều cao tịa nhà, đặc biệt đề xuất thông số độ cứng gối liên kết bể tịa nhà, thơng qua tỷ lệ khối lượng tỷ lệ tần số bể chứa tịa nhà, để tăng hiệu giảm chấn cho tồ nhà chịu động đất b) Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu Luận án làm thiết kế giảm chấn cho kết cấu tịa nhà thơng qua việc sử dụng bể chứa nước Góp phần đẩy mạnh hướng nghiên cứu giải pháp ứng dụng bể chứa nước để giảm chấn cho kết cấu tòa nhà chịu động đất Cấu trúc Luận án Luận án bao gồm Phần mở đầu, chương phần kết luận, kiến nghị Cụ thể là: Mở đầu Chương 1: Tổng quan nghiên cứu ứng dụng bể chứa chất lỏng đến giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng động đất Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích chuyển động bể chứa chất lỏng cơng trình chịu động đất Chương 3: Phân tích ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn cho kết cấu tác dụng động đất Chương 4: Nghiên cứu áp dụng bể nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng tác dụng động đất Kết luận Kiến nghị CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BỂ CHỨA CHẤT LỎNG ĐẾN 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 Tác động gây dao động cho kết cấu nhà cao tầng bao gồm tác động theo phương thẳng đứng tác động theo phương ngang Khác với tịa nhà thơng thường, tòa nhà cao tầng tác động theo phương ngang yếu tố quan trọng Trong thiết kế nhà thấp tầng tác động theo phương ngang nhìn chung quan tâm so với tác động theo phương đứng, nguyên nhân ảnh hưởng tải trọng ngang lên kết cấu thấp tầng nhỏ Khi chiều cao nhà tăng lên nội lực chuyển vị cơng trình tác động theo phương ngang áp lực gió tác động động đất gây ra, tăng lên nhanh chóng Việc tạo hệ kết cấu để chịu tác động vấn đề quan trọng thiết kế kết cấu nhà cao tầng Hoặc đề xuất giải pháp để giảm thiểu tác động theo phương ngang gây cần thiết.Trong phạm vi nghiên cứu Luận án, xét ảnh hưởng động đất đến làm việc nhà cao tầng Từ đưa biện pháp giảm chấn cho nhà cao tầng, để giảm tác động động đất 1.2 Biện pháp giảm dao động cho kết cấu nhà cao tầng tác dụng động đất Dựa thành tựu khoa học kỹ thuật nhiều ngành khác vật liệu, lượng, điện tử, học, điều khiển học Khá nhiều giải pháp chống dao động nghiên cứu phát triển Mặt khác q trình dao động cơng trình q trình tích lũy, chuyển hóa tiêu tán lượng tác động bên ngun nhân bên cơng trình gây Vấn đề đặt cần can thiệp vào q trình biến đổi lượng để khống chế dao động cơng trình giới hạn cho phép Từ giải pháp chống dao động cho kết cấu tòa nhà đời, với thiết bị hoạt động với chế khác [17], [18] Giảm chấn theo chế hoạt động: Thiết bị giảm chấn bị động (passive damper); Thiết bị giảm chấn chủ động (Active damper); Thiết bị giảm chấn bán chủ động (Semi – active damper) [19] Giảm chấn theo giải pháp giảm dao động: Giải pháp cách chấn; giải pháp giảm chấn [21],[22] 1.3 Bể nước tòa nhà cao tầng tác dụng giảm chấn Thơng thường bể nước nước tịa nhà cao tầng thiết kế với mục đích để đảm bảo đủ cung cấp nước phục vụ sinh hoạt tòa nhà; để cung cấp nước cho việc phòng cháy chữa cháy xảy hỏa hoạn, cháy nổ tòa nhà; sử dụng bể chứa nước tầng mái làm bể bơi phục vụ cho mục đích vui chơi, giải trí phần tăng thêm giá trị mặt cảnh quan tòa nhà cao tầng Từ kết nghiên cứu có việc sử dụng bể chứa nước tòa nhà làm hệ giảm chấn chất lỏng (Tuned Liquid Damper – TLD), nội dung luận án đề xuất nghiên cứu bể chứa nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng tác dụng động đất  Khái niệm hệ giảm chấn chất lỏng Hệ giảm chấn chất lỏng dạng thiết bị điều khiển dao động kiểu bị động – gọi tắt TLD Hệ thiết bị giảm tác động động lực học động đất, gió bão hay hoạt tải làm tăng đặc tính cản cho kết cấu Hệ giảm chấn có khả làm tiêu tan phần lượng giải phóng kết cấu chịu tải trọng động Hệ giảm chấn chất lỏng gồm bể chứa chất lỏng với chiều dài, chiều rộng bể chứa chiều sâu chất lỏng tính tốn phù hợp với mục đích làm tăng tính cản tương đương cần thiết cho kết cấu Bể chứa nước trường hợp hệ giảm chấn chất lỏng với chất lỏng sử dụng bể nước có độ nhớt khơng [24], [25], [26]  Các loại hệ giảm chấn chất lỏng: Hình 1.7 Sơ đồ phân loại hệ thống thiết bị giảm chấn chất lỏng [27] 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng  Tình hình nghiên cứu hệ giảm chấn chất lỏng Phân tích tổng quan, giới Việt Nam có ba hướng nghiên cứu liên quan đến giảm chấn chất lỏng (TLD) bao gồm: Nghiên cứu dao động sóng chất lỏng bể chứa tương tác sóng chất lỏng với thành bể; Nghiên cứu bể mềm – thành bể biến dạng tác động ngược lại vào chất lỏng bên bể; Nghiên cứu hiệu giảm chấn hệ nhiều bể chứa (MTLD)  Tình hình ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng Tòa nhà cao tầng Hoa Kỳ sử dụng hệ TLCD gần 1300T để giảm chấn; Tòa nhà 69 tầng Indonesia sử dụng hệ giảm chấn chất lỏng TLD ~1150T, để giảm chấn; Cầu Bãi Cháy Việt Nam sử dụng hệ giảm chấn chất lỏng TLD VÀ MTLD gắn cho mố trụ cầu để điều khiển dao động mố trụ cầu tác dụng tải trọng ngang 1.5 Kết luận chương Vấn đề giảm chấn giới tập trung vào hướng cách chấn, tiêu tán lượng, hay cân động Luận án nghiên cứu nghiên cứu giảm chấn cho kết cấu chịu động đất theo hướng tiêu tán lượng Hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) dạng thiết bị giảm chấn hoạt động theo chế tiêu tán lượng Tổng hợp từ kết nghiên cứu tính tốn cho hệ giảm chấn chất lỏng trước hệ phân tích tính toán theo cách sau:  Quy đổi tương đương hệ giảm chấn chất lỏng sang hệ khối lượng (TMD)  Quy đổi khối lượng nước bể thành vật rắn chuyển động độc lập với bể có liên kết với bể lo xị có độ cứng xác định (như mơ hình đề xuất Houner) Khi chất lỏng bể quy đổi rắn hóa qua khối lượng khơng phản ánh hoạt động sóng chất lỏng bể, đồng thời giá trị áp lực nước tác dụng lên thành bể lực cắt đáy bể không xác Mặt khác bể liên kết với kết cấu cơng trình liên kết cứng liên kết cứng Hiện nay, vấn đề chưa nghiên cứu làm rõ, xét ảnh hưởng bể đến mức độ giảm chấn cho kết cấu cơng trình Đồng thời kết cấu cơng trình hệ bể chứa chất lỏng đặt bể nhiều bể Số lượng bể chứa ảnh hưởng nhiều đến mức độ giảm chấn kết cấu tác dụng động đất Từ phân tích trên, Luận án hướng tới giải vấn đề sau: (1) Xây dựng mơ hình tính tốn cho bể chứa chất lỏng bao gồm bể chất lỏng bể Mơ hình đề xuất phản ánh chất chuyển động sóng chất lỏng bên bể theo mơ hình học chất lỏng (2) Dựa mơ hình đề xuất, Luận án tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng giảm chấn thông số bể chứa chất lỏng lên kết cấu tòa nhà ứng với trường hợp hệ bể hệ nhiều bể (3) Nghiên cứu ảnh hưởng liên kết bể kết cấu tòa nhà (4) Áp dụng kết nghiên cứu để phân tích ảnh hưởng giảm chấn bể nước cho kết cấu tòa nhà cao tầng cụ thể chịu động đất CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG CỦA BỂ CHỨA CHẤT LỎNG TRÊN CƠNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT 2.1 Cơ chế hoạt động hệ giảm chấn chất lỏng TLD Cơ chế hệ giảm chấn chất lỏng làm giảm dao động cho kết cấu, bắt nguồn từ chuyển động chất lỏng bể chứa từ việc tản lượng thông qua tác động lực nhớt nội dao động sóng vỡ Khả giảm chấn phụ thuộc vào biên độ chuyển động chất lỏng dạng sóng phá vỡ [85] 2.2 Cơ sở lý thuyết phân tích cho hệ bể Cơ sở lý thuyết xác cho vấn đề dao động chất lỏng dịch chuyển bể chứa vơ khó khăn phức tạp Do sở lý thuyết chia làm hai phần chính: - Lý thuyết phân tích dao động chất lỏng với biên độ nhỏ theo H Norman Abramson 1966 - Lý thuyết phân tích gần dao động chất lỏng với biên độ lớn Phạm vi nghiên cứu Luận án giới hạn phần lý thuyết phân tích dao động chất lỏng với biên độ nhỏ, phân tích tuyến tính theo H.Norman Abramson 1966 áp dụng cho bể chứa dạng chữ nhật a)Đặc trưng dao động riêng bể chứa chất lỏng  Biên độ dịch chuyển thẳng đứng mặt nước:    m  a  x , y    Amn cos  m0 n0  fn  b) a   n   x     cos     b b    y     (2.13) Tần số dao động sóng chất lỏng bể chứa: 2   n2   n2   g     h      b   b   2  g n  n   h  b  b Bể chứa chất lỏng tác dụng tải điều hòa  Hàm (2.15b)     2  4a n  x  (1)  2 2  (2 n  1)   n   n           h      x0cos t  sin  2n 1 x cosh  2n 1  z   a  a          h   cosh  2n 1    a     (2.18) Lực cắt đáy bể      8tanh  2n  1  r1  FH x0    f sin t 1     3 WF h  fn   n0   2n  1 r1   f   1      (2.19) 2.3 Cơ sở phân tích hệ nhiều bể chứa Thiết bị giảm chấn chất lỏng đa tần (Mutil Tuned Liquid Damper – MTLD) tập hợp nhiều bể chứa chất lỏng đơn tần TLD có mực nước khác tham gia vào trình điều khiển tần số kết cấu Hình 2.5 Phân bố tần số hệ MTLD f0  f N  f1 ; R  f N  f1 f0 i  f i 1  f i   f N  f1  /  N  1 (2.22);(2.23) (2.24) 2.4 Cơ sở lý thuyết phân tích gối liên kết bể chứa chất lỏng kết cấu Hai dạng tương tác bể chứa chất lỏng kết cấu: - Tương tác động học - Tương tác qn tính Mơ hình nghiên cứu minh họa cho dạng tương tác bể kết cấu 11 a) Kết nghiên cứu Luboya [119] b) Kết mơ ANSYS APDL Hình 2.24 Phổ gia tốc theo tần số theo nghiên cứu Luboya phương pháp mô đề xuất cho luận án - Kết giá trị biên độ phổ đặt bể nước tác dụng tải điều hòa +) Tỷ lệ khối lượng bể kết cấu 1% (a) Phổ gia tốc đỉnh cơng trình tầng thứ trường hợp tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu µ=1% theo nghiên cứu Luboya [119], bể nước đặt tầng đặt tầng (tầng đỉnh công trình) (b) Phổ gia tốc đỉnh cơng trình trường hợp tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu µ=1% theo phương pháp mơ sử dụng đề tài, bể nước đặt tầng 4(tầng đỉnh) 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% +) Tỷ lệ khối lượng bể kết cấu 2% (a) Phổ gia tốc đỉnh cơng trình tầng thứ trường hợp tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu µ=2% theo nghiên cứu Luboya [119], bể nước đặt tầng đặt tầng (tầng đỉnh cơng trình) (b) Phổ gia tốc đỉnh cơng trình trường hợp tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu µ=2% theo phương pháp mơ sử dụng đề tài, bể nước đặt tầng đỉnh 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% 12 2.8 Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mơ hình đề xuất Houner Haroun Thực phân tích bể chứa có kích thước a x b x hbể = x x (m); chiều cao mực nước bể h = (m); Chiều dày đáy bể  day  1( m );   0.5( m ) ; Điều kiện biên: Khống chế chuyển vị xoay chuyển vị theo phương đứng; Chỉ xét chuyển vị bể theo phương ngang, xét dạng dao động kết cấu Hình 2.27 Mơ hình bể chứa chất lỏng Từ kết phân tích theo phương pháp PTHH phần mềm ANSYS APDL kết tính tốn giải tích theo giả thuyết, cơng thức giải tích H Norman Abramson Housner Haroun tổng hợp bảng 2.6 Bảng 2.6 Kết phân tích bể chứa chất lỏng Đại lượng nghiên cứu Kết số theo cơng thức giải tích H Norman Abramson áp dụng cho mơ hình bể chứa đề xuất Housner Haroun Kết số nghiên cứu theo mơ hình bể chứa mơ phần mền ANSYS APDL Tần số dao động f1 = 0.364 (Hz) f1 = 0.315 (Hz) Giá trị lực cắt đáy FH   0.529  E  1.97  E  ( N ) FH  1.19  E  N  2.9 Kết luận chương Nội dung chương nghiên cứu chế làm việc, sở lý thuyết, dạng mơ hình điển hình, với phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng Luận án đề xuất sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mơ hình đề xuất bể chứa, để phân tích cho trường hợp nghiên cứu bể chứa chất lỏng ảnh hưởng bể chứa đến kết cấu tòa nhà chịu tác 13 dụng động đất Cụ thể đề xuất sử dụng phần mềm ANSYS APDL để mơ số dịng chất lỏng bể chứa thơng qua phần tử chất lỏng tích hợp phần mềm, tính riêng biệt phần mềm ANSYS so với phần mềm khác Độ tin cậy phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho mơ hình đề xuất khẳng định sau kiểm chứng so sánh với kết nghiên cứu theo mơ hình thí nghiệm Luboya kết nghiên cứu theo mơ hình khối lượng tương đương Houner Haroun CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG BỂ NƯỚC ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 3.1 Mục tiêu phân tích Hình 3.1 Quy trình phân tích bể chứa chất lỏng 3.2 Xây dựng phương pháp phân tích  Hàm hiệu D F HHQ    TLD    TLD DN FN (3.1) 14  Mơ hình phân tích Hình 3.2 Mơ hình đơn giản hóa mơ ANSYS APDL Bảng 3.1 Các phần tử hữu hạn sử dụng phần mền ANSYS APDL Phần tử hữu hạn Phần tử Solid Phần tử tấm, vỏ (shell) Phần tử Spring  Tên phần tử ANSYS APDL Kết cấu Kích thước lưới chia phần tử FLUID30 Đặc trưng phần tử chất lỏng 0.25m SHELL181 Đặc trưng cho tường thành bể sàn đáy bể 0.25m COMBIN14 Đặc trưng cho liên kết bể cơng trình Khơng áp dụng Tác dụng động đất Hình 3.3 Giản đồ gia tốc theo thời gian El Centro [121] Phổ tần số El Centro tương đối rộng nên bao quát giá trị tần số kết cấu, dễ xác định trường hợp bất lợi động 15 đất tác dụng lên kết cấu tịa nhà  Phương pháp tính tốn Trong nghiên cứu, phương pháp phân tích động đất sử dụng phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động đất – time history analysis Đồng thời phân tích động theo lịch sử thời gian thực với phương pháp phân tích trực tiếp đầy đủ ANSYS APDL, kết hợp với phương pháp Newmark tích hợp sẵn 3.3 Phân tích ảnh hưởng bể nước theo tham số (1) Ảnh hưởng kích thước bể chiều cao mực nước bể Trường hợp 1: Khối lượng bể nước 1% khối lượng kết cấu Trường hợp 2: Khối lượng bể nước 10% khối lượng kết cấu Bảng 3.3 Số liệu phân tích thơng số bể nước Tham số Chiều rộng bể chứa Chiều cao mực nước bể Chiều cao bể Chiều dày bê tông thành bể Chiều dày bê tông đáy bể Ký hiệu Đơn vị Giá trị tham số b m 5; 10; 15; 20; 25 h hb δthanh δday m m m m 0.5; 1; 1.5; 2; 2.5 3.0 0.5 1.0 Tần số quy chuẩn xác định theo công thức sau: f slosh 1 f  f structure 1 Tỷ lệ: DTLD/DNO (%)  (3.9) Hiệu theo chuyển vị 99.5% 99.0% 98.5% 98.0% 97.5% 97.0% 96.5% 96.0% 95.5% 0.5 1.5 2.5 3.5 Tần số quy chuẩn 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) 16 100.0% Tỷ lệ: DTLD/DNo(%) 95.0% 90.0% 85.0% 80.0% 75.0% 70.0% 65.0% 60.0% 0.5 1.5 Tần số quy chuẩn 2.5 3.5 Hình 13 Đồ thị quan hệ tỷ lệ chuyển vị tương đối lớn kết cấu đặt bể không đặt bể nước với tần số quy chuẩn (Mb+Mn =10%M) -Hiệu theo lực 101% Tỷ lệ FTLD/FNO (%) 101% 100% 100% 99% 99% 98% 98% 97% 0.5 1.5 2.5 3.5 Tần số quy chuẩn Tỷ lệ: FTLD/FNO(%) 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) 105% 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% Tần số quy chuẩn Hình 3.17 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 =10%M) 17 Bảng 3.11 Bảng tổng hợp kết phân tích cho tham số bể nước Trường hợp phân tích tính tốn Tỷ lệ khối lượng: (Mb+Mn)/M = 1% Tỷ lệ khối lượng: (Mb+Mn)/M = 10% Kết phân tích chuyển vị DTLD/DNO = (96% 98.9%); ứng với tần số quy chuẩn tỷ lệ: DTLD/DNO = 96.5% DTLD/DNO = (71% 98.6%); ứng với tần số quy chuẩn tỷ lệ: DTLD/DNO = 78% Kết phân tích lực FTLD/FNO = (97% - 101%); ứng với tần số quy chuẩn tỷ lệ: FTLD/FNO = 98% FTLD/FNO = (73% - 98%); ứng với tần số quy chuẩn tỷ lệ: FTLD/FNO = 80% Chuyển vị tương đối kết cấu (m) (2) Ảnh hưởng số lượng bể đến mức độ giảm chấn  Chuyển vị 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 Khi không đặt bể chứa Khi đặt bể chứa 15*15*3m Khi đặt bể chứa 7.5*7.5*0.8m 10 15 20 25 30 35 Thời gian (s) Hình 3.23 Đồ thị quan hệ chuyển vị tương đối kết cấu theo thời gian  Lực Lực cắt đáy kết cấu (N) 4000000 3000000 2000000 Khi đặt bể nhỏ 1000000 Khi khơng có bể -1000000 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 -2000000 25.00 30.00 35.00 Khi đặt bể lớn -3000000 -4000000 Thời gian (s) Hình 3.24 Đồ thị quan hệ lực cắt đáy kết cấu theo thời gian 18 Việc chia nhỏ từ bể to thành bể nhỏ làm hiệu giảm chấn bể tốt cho kết cấu tác dụng động đất 3.4 Ảnh hưởng gối liên kết bể nước kết cấu đến mức độ giảm chấn Bảng giá trị độ cứng Kb gối liên kết bể chứa kết cấu, tương ứng cho trường hợp nghiên cứu Bảng 3.15 Giá trị tham số độ cứng Kb ứng với trường hợp nghiên cứu Trường hợp nghiên cứu TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 TH7 Độ cứng liên kết lò xo bể kết cấu – Kbi (N/m) 1.76E+05 3.52E+05 7.03E+05 1.41E+06 7.03E+06 7.03E+07 7.03E+08 Tỷ lệ độ cứng Tần số bể chứa trường hợp chất lỏng (Hz) Kbi / Kb3 0.25 0.063 0.5 0.089 0.126 0.178 10 0.398 100 1.260 1000 3.984 * Kết tính tốn * Chuyển vị 94% Tỷ lệ :DTLD /DNO (%) 92% TH1 90% 88% 86% TH5 TH2 TH6 TH7 84% 82% TH4 80% 78% TH3 76% 0.100 1.000 Tần số quy chuẩn 10.000 100.000 Hình 3.31 Đồ thị quan hệ tỷ lệ chuyển vị tương đối kết cấu với tần số quy chuẩn 19  Lực Tỷ lệ: FTLD /FNO (%) 96% TH1 94% 92% TH6 90% 88% TH5 TH2 86% 84% 82% TH7 TH4 80% 78% 0.100 TH3 1.000 10.000 100.000 Tần số quy chuẩn Hình 3.34 Đồ thị quan hệ tỷ lệ lực cắt đáy kết cấu lớn với tần số quy chuẩn Đánh giá theo độ cứng gối liên kết bể kết cấu cho bảy trường hợp nghiên cứu tương ứng, trình bày tổng hợp bảng 3.16 Bảng 3.16 Bảng tổng hợp trường hợp nghiên cứu gối liên kết bể nước kết cấu tác dụng động đất Trường hợp nghiên cứu Độ cứng gối liên kết bể kết cấu – Kbi (N/m) Tỷ lệ độ cứng trường hợp khảo sát Kbi / Kb3 Kết phân tích chuyển vị – DTLD/DNO(%) Kết phân tích lực – FTLD/FNO(%) TH1 1.76E+05 0.25 93% 94% TH2 3.52E+05 0.5 86% 87% TH3 7.03E+05 78% 80% TH4 1.41E+06 82% 84% TH5 7.03E+06 10 87% 89% TH6 7.03E+07 100 89% 91% TH7 7.03E+08 1000 89% 91% Ảnh hưởng bể nước đến kết cấu tác dụng động đất đạt hiệu độ cứng gối liên kết Kb3, ứng với trường hợp tần số quy chuẩn tỷ lệ khối lượng bể kết cấu 10%(TH3), 20 hiệu giảm chấn bể nước đạt 22% chuyển vị 20% lực 3.5 Kết luận chương Chương đề xuất hàm hiệu chuyển vị lực kết cấu để đánh giá mức độ giảm chấn bể nước Đồng thời xây dựng mơ hình phân tích cho bể nước kết cấu theo phương pháp PTHH Luận án sử dụng phổ gia tốc trận động đất El Centro (Mỹ) để nghiên cứu cho kết cấu, áp dụng phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian kết hợp với họ phương pháp tích hợp thời gian Newmark để phân tích 50 trường hợp thơng số bể chứa 02 trường hợp số lượng bể chứa khác, với 07 trường hợp thay đổi độ cứng gối liên kết bể kết cấu Kết nghiên cứu tổng hợp sau: - Hiệu giảm chấn bể nước đến kết cấu tốt giá trị tần số qui chuẩn nằm khoảng từ 0.8 đến 1.5 - Tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu lớn hiệu giảm chấn bể đến kết cấu tốt Tuy nhiên, hiệu giảm chấn phát huy tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu khoảng từ 1% đến 10%, cịn tỷ lệ vượt q 10% không mang lại hiệu giảm chấn - Cùng với giá trị tần số dao động bể khối lượng bể, hệ nhiều bể chứa nhỏ (bể chứa lớn chia nhiều ngăn) đạt hiệu giảm chấn tốt so với hệ bể chứa lớn (bể chứa khơng có ngăn) Cụ thể đặt bể lớn, chuyển vị đỉnh lớn kết cấu giảm 22%, lực cắt đáy lớn kết cấu giảm 20% Khi đặt sáu bể nhỏ tương đương, chuyển vị đỉnh lớn giảm 25.9%, lực cắt đáy lớn kết cấu giảm 54.2% - Độ cứng gối liên kết (Kb) với tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu tương ứng từ 1% đến 10% tần số quy chuẩn 1, hiệu giảm chấn bể nước đến kết cấu tốt Cụ thể ứng với tần số quy chuẩn 1, tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu 10%, có Kb=7.03E+05(N/m), chuyển vị đỉnh lớn kết cấu giảm 22%, lực cắt đáy lớn kết cấu giảm 20% 21 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG BỂ NƯỚC ĐỂ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 4.1 Lựa chọn kết cấu nhà cao tầng Tòa nhà lựa chọn nghiên cứu, áp dụng bể nước để giảm chấn tác dụng động đất, có kích thước: Chiều rộng mặt B = 22 (m); chiều dài mặt L = 58.8 (m) chiều cao tòa nhà h = 108 (m) (30 tầng) 4.2 Xây dựng mơ hình phân tích ảnh hưởng bể nước đến tịa nhà cao tầng  Đề xuất mơ hình a) Các giả thiết phân tích với mơ hình tương đương cho kết cấu - Chuyển vị dọc trục tác dụng tải trọng thẳng đứng không đáng kể - Chuyển vị góc xoay nhỏ bỏ qua - Giả thiết chuyển vị theo phương đứng nhỏ bỏ qua - Chỉ xét đến chuyển vị theo phương ngang, phương trục ox (phương có độ cứng uốn bé) - Khối lượng tập trung chủ yếu tầng, khối lượng cột chia cho hai tầng liên quan đến cột b) Đề xuất mơ hình tương đương cho hệ kết cấu nhà cao tầng Hình 4.2 Mơ hình chuyển đổi tương đương kết cấu 22  Xác định thơng số mơ hình +) Thơng số mơ hình kết cấu tịa nhà +) Thơng số bể nước 4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng bể nước đến nhà cao tầng chịu động đất a) Số liệu động đất (sử dụng số liệu trận động đất El Centro) b) Hiệu giảm chấn bể nước đến kết cấu tòa nhà - Hiệu chuyển vị Lực Khi đặt bể so với khơng đặt bể nước Hình 4.15 Đồ thị hiệu chuyển vị tuyệt đối tầng Hình 4.16 Đồ thị hiệu chuyển vị tương đối tầng 23 Hình 4.17 Đồ thị hiệu Lực cắt tầng 4.4 Kết luận chương Nội dung chương nghiên cứu áp dụng bể nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu động đất Các thông số bể nước thông số gối liên kết bể kết cấu xác định dựa kết nghiên cứu chương Thực nghiên cứu ứng xử tòa nhà thay đổi vị trí đặt bể nước theo chiều cao tòa nhà tác dụng động đất El Centro Cụ thể kết nghiên cứu có sau: Bố trí tồn bể chứa nước đỉnh nhà mang lại hiệu giảm chấn tốt so với bố trí bể chứa dọc theo chiều cao tòa nhà Cụ thể đặt 06 bể nước đỉnh tòa nhà, chuyển vị tuyệt đối đỉnh tòa nhà giảm 10%, chuyển vị tương đối tầng 14 15 giảm 6.8%, lực cắt lớn tầng 22 23 giảm 25% Khi đặt 03 bể đỉnh tòa nhà 03 bể tầng 15, chuyển vị tuyệt đối đỉnh tòa nhà giảm 7%, chuyển vị tương đối tầng 14 15 giảm 4.2 % (chuyển vị lệch dễ gây phá hoại cục kết cấu), lực cắt tầng 22 23 giảm 20% so với không đặt bể 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận án phân tích sở lý thuyết, đề xuất sử dụng mơ hình mơ số dịng chất lỏng tính tốn phương pháp PTHH qua phần mềm ANSYS APDL để phân tích tính tốn cho bể chứa chất lỏng Sử dụng hàm hiệu chuyển vị lực kết cấu để đánh giá mức độ giảm chấn bể chứa chất lỏng Áp dụng phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian để nghiên cứu 50 trường hợp thông số bể, 07 trường hợp độ cứng gối liên kết bể tòa nhà trường hợp thay đổi vị trí đặt bể theo chiều cao tịa nhà, kết nghiên cứu thu sau: Hiệu giảm chấn bể nước cho kết cấu tốt giá trị tỷ lệ tần số dao động riêng bể nước kết cấu nằm khoảng từ 0,8 đến 1,5; Tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu lớn hiệu giảm chấn bể nước cho kết cấu tốt Tuy nhiên, hiệu giảm chấn phát huy tỷ lệ khối lượng nằm khoảng từ 1% đến 10%; Hệ nhiều bể nước nhỏ hệ bể nước lớn nhiều ngăn đạt hiệu giảm chấn cho kết cấu tốt so với hệ bể nước lớn khơng có ngăn; Khi độ cứng gối liên kết bể nước kết cấu xác định tương ứng với tỷ lệ khối lượng bể nước kết cấu từ 1% đến 10% tỷ lệ tần số dao động riêng bể nước kết cấu 1, hiệu giảm chấn bể nước cho kết cấu tốt nhất; Khi xét dạng dao động tịa nhà, phương án bố trí tồn bể nước đỉnh tồ nhà có hiệu giảm chấn tốt so với phương án bố trí bể nước dọc theo chiều cao tịa nhà KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO (1) Nghiên cứu cho hệ bể có nhiều tầng bể khác (2) Nghiên cứu điều chỉnh số lượng bể tầng khác kết cấu, ứng với dạng dao động riêng khác (3) Nghiên cứu cho bể có cấu tạo vật liệu bể khác nghiên cứu loại chất lỏng khác để điều khiển dao động sóng chất lỏng bể theo hướng có lợi cho kết cấu (4) Nghiên cứu tính phi tuyến sóng, tính phi tuyến kết cấu kết cấu có tính riêng biệt (5) Thành lập nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm có qui mơ để có kết tin cậy kiểm chứng kết nghiên cứu để có tính tổng qt DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ Trịnh Thị Hoa, Nguyễn Thị Tuyết Trinh (2020), “Tổng quan phương pháp tính tốn giảm chấn chất lỏng (TLD)”, Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng năm 2020 Trịnh Thị Hoa, Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Nguyễn Tiến Chương, Nguyễn Thường Anh (2020), “Ứng dụng phần mền ANSYS phân tích tương tác bể chứa nước tác dụng tải điều hòa có xét đến ảnh hưởng dao động sóng nước bể”, Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng năm 2020 Trịnh Thị Hoa, Nguyễn Thị Tuyết Trinh (2021), “Optimized design of tuned liquid damper for mitigating seismic induced vibration in case of high-rise building”, Kỷ yếu hội thảo CIGOS (Scopus), tháng 10/2021 Trịnh Thị Hoa, Nguyễn Thị Tuyết Trinh,(2022), “Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng gối liên kết bể chứa chất lỏng với kết cấu nhà cao tầng chịu động đất”, Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng 01 năm 2022 ... hiệu giảm chấn tốt cho tòa nhà chịu động đất Tên mục tiêu nghiên cứu Luận án Tên Luận án: ? ?Phân tích ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn cho nhà cao tầng chịu động đất? ?? Mục tiêu nghiên cứu: Phân. .. nghiên cứu Luận án, xét ảnh hưởng động đất đến làm việc nhà cao tầng Từ đưa biện pháp giảm chấn cho nhà cao tầng, để giảm tác động động đất 1.2 Biện pháp giảm dao động cho kết cấu nhà cao tầng tác... cấu nhà cao tầng chịu tác dụng động đất Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích chuyển động bể chứa chất lỏng cơng trình chịu động đất Chương 3: Phân tích ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn cho