Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Đánh giá khả năng giảm chấn của bể nước mái (TLD) trong khung phẳng xét đến tương tác với móng

thang, năm sinh: 24/04/1991 Nơi sinh: Bến TreChuyên ngành: KTXD Công trình DD&CN Mã số : 60580208TÊN ĐÈ TÀI: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG GIAM CHAN CUA BÉ NƯỚC MAI TLD TRONG KHUNG PHÁNG XÉT ĐÉN TƯƠ

DƯƠNG HOÀNG PHƯƠNG

DANH GIÁ KHẢ NĂNG GIAM CHAN CUA BE NƯỚC MAI(TLD) TRONG KHUNG PHANG XET DEN TUONG TAC

TRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA — ĐHQG — HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trọng Phước

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Đào Dinh Nhân

—=============== NHIEM VU LUAN VAN THAC SI

-000 -Ho và tên học viên: DƯƠNG HOANG PHƯƠNG MSHV: 7140162Ngày thang, năm sinh: 24/04/1991 Nơi sinh: Bến TreChuyên ngành: KTXD Công trình DD&CN Mã số : 60580208TÊN ĐÈ TÀI:

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG GIAM CHAN CUA BÉ NƯỚC MAI (TLD) TRONG

KHUNG PHÁNG XÉT ĐÉN TƯƠNG TÁC VỚI MÓNG1- NHIEM VỤ LUẬN VĂN:

> Tìm hiểu mô hình bài toán gồm có: hệ khung được rời rạc hóa với các bậc tự dochuyền vị ngang, mô hình bể nước mái với các thông số động lực học và mô hìnhnền móng cọc bên dưới

> Xây dựng mô hình kết cau khung phang có gan bé nước mái như hệ giảm chandạng chất lỏng theo mô hình phi tuyến và xét đến tương tác nền móng cọc bêndưới, thiết lập phương trình chuyển động của hệ khi chịu gia tốc nền động đất.> Viết chương trình giải phương trình chuyển động bằng ngôn ngữ lập trình

MATLAB và khảo sát thông số ảnh hưởng: một số kết quả cũng được kiểm

chứng với các nghiên cứu khác.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VU : 11/01/20164- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU : 17/06/20165- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DÂN: TS NGUYÊN TRỌNG PHƯỚC

Trước tiên, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sac đến TS Nguyễn TrọngPhước Thầy đã tận tình giúp đỡ tôi, cho những góp ý đáng giá giúp tôi có thể nhận

định đúng những van đê nghiên cứu va cách tiêp cận những nghiên cứu đó.

Tôi xin cám ơn quý thay cô khoa Kỹ Thuật Xây Dung, Trường Dai Hoc BachKhoa Tp.HCM đã truyền dạy tôi những kiến thức quý báo giúp tôi có thể hoàn thànhtốt luận văn Đồng thời tôi cũng xin cám ơn thầy cô, cán bộ nhân viên thư viện trườngĐại Học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể tiếp cận nguồn

tài liệu chung.

Cuôi cùng tôi xin gui lời cám ơn sâu sắc đên gia đình, người than ban bè đã luôn

động viên tôi trong quá trình học tập và thực hiện dé tai này

Tôi xin chân thành cam on!

Luận văn nay đánh giá khả năng giảm chấn của bể nước mái (TLD- Tuned LiquidDamper) trong khung phăng xét đến tương tác với móng cọc bên dưới TLD được môhình như một TMD tương đương với các thông số khối lượng, độ cứng và tính cảnphụ thuộc vào đặc tính của chat lỏng được gọi là mô hình (NSD-Nonlinear StiffnessDamping) Các thông số móng cọc được xác định dựa trên các mô hình của Novakva Dobry Kết cấu chính được rời rac hóa bởi các khối lượng tập trung tại các tangvà bậc tự do động lực học được xét là chuyển VỊ ngang của các tang Phuong trinhchuyển động của kết cau có gan bé nước mái có xét đến tương tác với móng cọc bêndưới được thiết lập dựa trên nguyên lý cân bằng động, và phương trình này được giảibăng phương pháp Newmark trên toàn miễn thời gian Dùng chương trình Matlab(được kiểm chứng với một số kết quả từ các nghiên cứu khác khi cùng thông số đầuvào) dé phân tích phản ứng động của kết cau có gan bé nước mái có xét đến tươngtác với móng cọc bên dưới khi chịu tải động đất Các kết quả số thu được là chuyểnvi, gia tốc va lực cắt của khung phăng cho thấy hiệu quả của việc sử dụng bể nướcmái va ảnh hưởng khi xét đến tương tác với móng cọc bên dưới Đồng thời khảo sátcác thông số móng cọc như khoảng cách cọc, đường kính cọc xem xét sự ảnh hưởng

của các thông sô trên đôi với khả năng giảm chân của TLD.

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫncủa Thầy TS Nguyễn Trọng Phước Các kết quả trong luận văn được thực hiện một

cách trung thực và khách quan.

TP Hồ Chi Minh ngày tháng năm 2016

Dương Hoàng Phương

LOL CÁM ƠN Q1 11111211 111101111 01111111111 HH tt ai i190 1 iiLOI CAM DOAN ouuocececccecececscscscssececececscscscecscececscecucsesuvevevsvevsvsvevivevevivevsvevevivevevevevaceveceees iiiMỘT SO CHỮ VIET TAT u ccccccccccccccseseceseccsescecececesvevevscscececusvsvevevecavsvavesevcesnavavevevereen VvDANH MỤC CÁC KY HIEU o.icecccceccsesesssesecscesscsvecscevecscecscsessesesesvsvevsvsvevivsvivivavivevevivevens VvDANH MỤC HINH VE wu ceccccccsecececesesescececcevsvecececscvcvsvssececscuavevecacicetesvavevecacatavavavensees ViiiM.90581/10/9:7.9/65:i 500 x1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIEU oo.ccccccccccccceccceceseseceseseseseseseseseseseessescevsvevevsvstivivevivevevivetens |1.1 ĐẶT VAN ĐẼ c ch TT TT HH HH HH HH tưyu |1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU + + SE SE SEEEEEE KT HH Hit 31.3 PHƯƠNG PHÁP THUC HIEN cccccccccscscscsescseseecsesesceeseeveeseevsvsesvivsvevivevevieavens 31.4 CÂU TRÚC LUẬN VAN oiecccccccccscscsessssseseseseescececcetsescseseevevsveviviesvicivevivevevieavens 32 CHƯƠNG 2: TONG QUAN oecccccccsccescssecceeseseeccsescecescstsevscsceccasstsceecetsecavstseuevsttenaeeees 52.1 GIỚI THIEU ocecccccccccccccccscececececsesececscscecscecsesessecsevsvevevsvevsvsvevsvsvevivevsvivevivivevess 52.2 HỆ GIAM CHAN CHAT LONG (TLD) u ccecccsccesecesesesvecececeseevscececesesveveveceeeeen 52.4 KET LUAN oooccccccccccceccccsesesssesesesescsesescevsesvevscevivsvscivevsveverssevevevevveveveveveseserenes 173 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LY THUYÊT c1 11111111111 E1111111111111211E1 1E prrre 183.1 GIỚI THIỆU c1 S12111112111112111111111 1111111111111 gu 183.2 NGUYÊN LY HOẠT DONG CUA HỆ GIAM CHAN CHAT LỎNG 183.3 CHUYEN DONG CUA CHAT LONG TRONG BE u ccccccccsescseseseseseeeeeseseseees 183.4 PHAN LOẠI CÁC DANG SÓNG CHAT LỎNG - S5 2c re: 233.5 MÔ HÌNH PHAN TICH HỆ GIAM CHAN CHẤT LONG 5-5: 243.6 MÔ HÌNH TƯƠNG TAC CUA HỆ KET CÂU VÀ NEN MONG CỌC 273.7 HỆ SÓ ĐỘ CỨNG VÀ HỆ SO CAN CUA NEN CỌC 5c Seo 283.8 PHAN TÍCH MÔ HÌNH S5 S1 12311111311 E11111 1111111111011 1EEEkrrre 333.9 PHƯƠNG PHÁP GIẢI VÀ THUẬT TOÁN GIẢI ¿5c sec crerersee 394 CHƯƠNG 4: VI DỤ SỐ L1 S111 1111111111111 011 11111111 ga 43AL GIỚI THIỆU - 5 Sc SE ST TT HH HH HH g HH Hit 434.2 KIEM CHUNG CHƯƠNG TRÌNH TINH S5 22t S221 EEEEEEEree, 434.3 PHÁN UNG CUA KHUNG PHANG GAN TLD CÓ XET TƯƠNG TÁC NÊN

MONG COC BEN DƯỚI - 5 5 S3 1211111 1EEE115111112111 1011851 121.111 47

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG - 2c S1 E11 E111 T1 E110 111111 rig 73CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VA HƯỚNG PHAT TRIÊN - 2 ST SE E2 E32 E32 E32 Esz 2z xse2 74

TLD: Tuned Liquid Damper — Hệ giảm chan điều chỉnh chat lỏng.TLCD: Tuned Liquid Column Damper — Hệ giảm chan điều chỉnh cột chất longTMD: Tuned Mass Damper —Hé giảm chấn điều chỉnh khối lượng.

NSD: Nonlinear Stiffness Damping — Mô hình giảm chan khối lượng tương đương

với độ cứng và cản phi tuyên

SSI: Soil-Structure Interaction- Tương tác giữa kết cấu bên trên và đất nền bên dưới

co @

S

2a

hMdka

Chiều rộng bể chứaChiều cao chất lỏng trong bề chứaKhối lượng của mô hình giảm chan khối lượng tương đươngĐộ cứng của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương

Hệ số cản của mô hình giảm chan khối lượng tương đươngTan số của mô hình giảm chan khối lượng tương đươngTỷ số can của mô hình giảm chan khối lượng tương đươngTỷ số điều chỉnh độ cứng

Biên độ dao độngGia tri không thứ nguyên của biên độ dao độngM; Ma trận khôi lượng của kêt cầu nhiêu bậc tự do

KsMa trận độ cứng của kết câu nhiêu bac tự do

weMa trận cản của kết câu nhiều bậc tự doVector chuyển vị của kết câu nhiều bậc tự doVector vận tốc của kết câu nhiều bậc tự doVector gia tốc của kết câu nhiều bậc tự doMa trận khôi lượng của hệ sôm kết câu và giam chanMa trận độ cứng cua hệ gom két cau va giam chanMa tran can cua hé gom két cau va giảm chânVector chuyền vi của hệ gồm kết câu và giảm chanVector vận toc của hệ gôm kết cau và giảm chan

Vector gia toc của hệ gôm kết câu và giam chân

í,Af Thời gian, bước thời gian

j Số nguyên, thê hiện giá tri của các đại lượng tại thời điểm /¡+1 SỐ nguyên, thé hiện 21a tri của các đại lượng tại thời điểm ¿+ Ar

Au SO gia chuyên vi giữa hai thời điểm i và 7+1Au SO gia vận toc giữa hai thời điêm ¡ và 7+1Au SO gia gia toc giữa hai thời diém i và 7+1

I,

Gia tốc nên của động dat theo thời gianKhôi lượng của kết câu có một bậc tự doĐộ cứng của kết câu có một bậc tự doHệ số can của kết câu có một bậc tự doTỷ số can của kết cau

Lực đàn hôi

Lực can

Lực quan tính

K.,, Ma trận độ cứng hiệu dungP.„ Vector tải trọng hiệu dụng

K} Ma trận độ cứng cat tuyếnK' Ma trận độ cứng tiếp tuyến

C; Ma trận can cát tuyên

C; Ma trận can tiép tuyên

u_ Tỷ số khối lượngy Tỷ số tần sốk_.c, Hệ số độ cứng, hệ số can theo phương đứngkK.,C, Hệ số độ cứng, hệ số can theo phương ngangk„,c; Hệ số độ cứng, hệ số can theo phương xoayI » Lamoment quan tinh cua mat cat ngang đối với trục trọng tâm của cọc

V =JG/p: vận tốc sóng cat của đất

V Vận tốc sóng cắt của cọcE, Modun đàn hồi Young của cọcKỹ Độ cứng nhóm cọc theo phương ngang

Kỳ Độ cứng cọc đơn theo phương ngang

C° Hệ số nhóm coc theo phương ngangKỹ Độ cứng nhóm cọc theo phương xoayKẺ Độ cứng cọc đơn theo phương đứng

CC Hệ số nhóm cọc theo phương xoay

DANH MỤC HèNH VEHỡnh 1.1: Động đất Northridge, năm 1994 - + S+E+E*E SE SE EExekrkrreg 2Hỡnh 1.2: Động đất Nepal, 2015 - ¿+ + s+s S51 1S 15111112111 511111111111 teg 2Hỡnh 2.1: Hệ giảm chan điều chỉnh súng chất lỏng[ I] 5 - 55s + se ÊsÊ+x+eÊes4 6Hỡnh 2.2: Hệ giảm chan điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD) - 5-5 se Ê+xss s4 7Hỡnh 2.3: Thiết bi MCC Aqua Damper ở tũa nhà Gold Tower - - - s55: 8Hỡnh 2.4: Hệ giảm chan TLD ở Shin Yokohama Tower[3] - 5 sec sessÊes4 8

Hỡnh 2.5: Thỏp Yokohama Marine và khỏch san Yokohama Prince su dụng TLD 9

Hỡnh 2.6: Ảnh hưởng của tương tỏc động[2 ẽ ] ¿- ¿+ 6E xsxEsE ve ceeseeees 13

Hỡnh 2.7: Dao động của cụng trènh - 13 3110133 1111111111131 11111115555 x2 14

Hỡnh 3.1: Cỏc tham số trong chuyển động súng - + xxx cevseekes 19Hỡnh 3.2: Súng trong bộ chữ nhật chịu chuyển vị ngang[2] 5 - sex: 21

Hỡnh 3.3: Mụ hỡnh TLD (a) và mụ hỡnh NSD tương đương (b) 25

Hỡnh 3.4: Biểu đỗ chuyờn vi theo thời gian để xỏc định A [6] - - <5: 26Hỡnh 3.5: Mụ hỡnh kết cau một bậc tự do cú gan TLD va mụ hỡnh NSD 27Hỡnh 3.6: Mụ hỡnh tương tỏc của hệ kết cầu N tang và nền múng cọc[35] 27Hỡnh 3.7: Mụ hỡnh cọc tương tỏc trong đất[3⁄2] ¿+ 6s xsx sex cevseeees 29Hỡnh 3.8: Hệ số độ cứng va độ cản động nhúm cọc 2 x2 theo phương ngang[35] 31Hỡnh 3.9: Hệ số độ cứng va độ cản động nhúm cọc 3x3 theo phương ngang[35] 31Hỡnh 3.10: Hệ số độ cứng và độ cản động nhúm cọc 2 x2 theo phương xoay 32Hỡnh 3.11: Hệ số độ cứng và độ cản động nhúm cọc 3x3 theo phương xoay 33Hỡnh 3.12: Mụ hỡnh khung phang n tang cú gan TLD và xột tương tỏc nền múng cọc

0901000255 qIr ồ :.ờờồí€đí 34

Hỡnh 4.1:Gia tốc nền động đất El Centro 1940 ôset vs ceserkeo 45Hỡnh 4.2: Gia tốc nền động đất San Fernanido ¿- ¿+ + x cv Eevsecevserkes 46Hỡnh 4.3: Phố năng lượng động đất San Fernando - - - 2+ +s+s+s+eÊecserxd 46

Hỡnh 4.4: Mụ hỡnh nhúm cọc 3X3 - c c1 SE SYSS 1n ve rva 48

Hỡnh 4.5: Mụ hỡnh khung phăng cú gắn TLD và xột đến tương tỏc nền múng cọc

0901000255 qIr ồ :.ờờồí€đí 48

Hỡnh 4.6: Chuyến vị tầng đỉnh khi chịu tải điều hũa - 5-2-5 2 +s+s+sÊeÊsesed 49Hỡnh 4.7: Vận tốc tầng đỉnh khi chịu tải điều hũa - 5-5 52c xe reesered 49Hỡnh 4.8: Gia tốc tầng đỉnh khi chịu tải điều hũa 5-5 S6 + Êeesered 49Hỡnh 4.9: Chuyến vị lớn nhất tại cỏc tầng khi chịu tải điều hũa -5- 50Hỡnh 4.10: Lực cat lớn nhất tại cỏc tầng khi chịu tải điều hũa eee 50Hỡnh 4.11: Độ giảm chuyền vị lớn nhất tại cỏc tầng khi chịu tải điều hũa 50Hỡnh 4.12: Độ giảm chuyền vị lớn nhất tại cỏc tang khi chịu tải điều hũa 50Hỡnh 4.13: Gia tốc nền động đất Supersfition c- + SE vo 51Hỡnh 4.14: Phố năng lượng động đất Superstition ceecesesseseseeseceseecseeeeeeen 51Hỡnh 4.15: Chuyộn vị tang đỉnh khi chịu động dat Superstition eee 52Hỡnh 4.16: Vận tốc tang đỉnh khi chịu động dat Superstition - ôse: 52Hỡnh 4.17: Gia tốc tang đỉnh khi chịu động đất Supersfition -s ôse: 52Hỡnh 4.18: Chuyộn vi lớn nhất tại cỏc tầng khi chịu động đất Superstition 53

Hình 4.20: Độ giảm chuyền vị lớn nhất của khung phăng có gắn TLD khi xét vàkhông xét tương tác nền móng cọc bên dướii - - = + + kxskEsE ke cevserkes 53Hình 4.21: Độ giảm lực cắt lớn nhất của khung phăng có gắn TLD khi xét và

không xét tương tác nền móng cọc bên dướii - - = + + kxkEsE vs cvvserkes 54Hình 4.22: Gia tốc nền động đất Hachinole ¿- ¿+ +6 + xk£sE#k+EeEsecevseexes 54Hình 4.23: Phố năng lượng động đất Hachinole ¿2 2 + +£+E+E+e+e£e£sered 54Hình 4.24: Chuyến vị tầng đỉnh khi chịu động đất Hachinole 5¿ 55Hình 4.25: Vận tốc tang đỉnh khi chịu động đất Hachinole 5-5-2 2 +s¿ 55Hình 4.26: Gia tốc tang đỉnh khi chịu động đất Hachinole -.- c5 se zssz s52 55Hình 4.27: Chuyén vị lớn nhất tại các tầng khi chịu động dat Hachinole 56Hình 4.28: Lực cắt lớn nhất tại các tang khi chịu động đất Hachinole 56Hình 4.29: Độ giảm chuyền vị lớn nhất của khung phăng có gắn TLD khi xét vàkhông xét tương tác nền móng cọc bên dướii - - = + + kxkEsE vs cvvserkes 57Hình 4.30: Độ giảm lực cắt lớn nhất của khung phăng có gắn TLD khi xét và

không xét tương tác nền móng cọc bên dướii - - = + + kxkEsE vs cvvserkes 57Hình 4.31: Chuyến vị tầng đỉnh khi chịu tải điều hòa ¿ 5 2 2 5552 £s£+esed 58Hình 4.32: Vận tốc tang đỉnh khi chịu tai điều hòa eeeceseseecseeeeseeeeees 59Hình 4.33: Gia tốc tang đỉnh khi chịu tải điều hòa 5-5525 s+s+e+e£e£sesed 59Hình 4.34: Chuyén vị lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hoa ee 59Hình 4.35: Lực cắt lớn nhất tai các tang khi chịu tải điều hòa - 5 c5 c5 52 60Hình 4.36: Độ giảm chuyền vị khi khi xét khoảng cách cọc từ 10d và 5d 60Hình 4.37: Độ giảm lực cắt khi xét khoảng cách cọc từ 10d và 5d 60Hình 4.38: Chuyến vị tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition - 61Hình 4.39: Vận tốc tầng đỉnh khi chịu động dat Superstition - 5c: 61Hình 4.40: Gia tốc tang đỉnh khi chịu động dat Supersfition -s «se: 61Hình 4.41: Chuyén vi lớn nhất tại các tầng khi chịu động dat Superstition 62Hình 4.42: Lực cat lớn nhất tai các tang khi chịu động đất Superstition 62Hình 4.43: Độ giảm chuyền vị lớn nhất của khung phăng có gắn TLD khi xét

khoang cach coc tty 10d va Sd FẾAÃllaaii 62

Hình 4.44: Độ giảm lực cat lớn nhất của khung phang có gan TLD khi xét khoảng

cách cọc từ 10d và ŠC c c0 Q13 S HH HH TH kh nh nh kế 63

Hình 4.45: Chuyến vị tầng đỉnh khi chịu động đất Hachinole 5 5¿ 63Hình 4.46: Vận tốc tang đỉnh khi chịu động đất Hachinole 2-5-2 s52 63Hình 4.47: Gia tốc tang đỉnh khi chịu động đất Hachinole - se se zss se: 64Hình 4.48: Chuyén vị lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Hachinole 64Hình 4.49: Lực cat lớn nhất tại các tang khi chịu động đất Hachinole 64Hình 4.50: Độ giảm chuyền vị lớn nhất của khung phăng có gắn TLD khi xét

khoang cach coc tty 10d va Sd FẾAÃllaaii 65

Hình 4.51: Độ giảm lực cat lớn nhất của khung phang có gan TLD khi xét khoảng

cách cọc từ 10d và ŠC c c0 Q13 S HH HH TH kh nh nh kế 65

Hình 4.52: Chuyến vị tầng đỉnh khi chịu tải điều hòa -¿ 5 2 2 5552 £scsesed 66Hình 4.53: Vận tốc tang đỉnh khi chịu tải điều hòa ceceseseeceeeeeseeeeees 66

Hình 4.56: Lực cắt lớn nhất tại các tang khi chịu tải điều hòa - 5 c5 c5 52 67Hình 4.57: Độ giảm chuyển vị lớn nhất của khung phăng có gắn TLD khi xét đường

DANH MỤC BANG BIEUBang 1.1: Thiệt hại về người và tài sản qua một số trận động đẤT ác con sec reeea ]Bảng 3.1: Phân loại sóng chất long[2] ccccceeccccssesesessecscessscscssecscevscesevscteeeven 23

Bảng 3.2: Bảng giá tri của harhortor tor theo Novak(1974) «- «<5 29

Bang 4.1:Khối lượng và độ cứng của khung 3 tầng - 5 sex sex 43Bảng 4.2:Tần số dao động riêng của khung - c- + SE SE SE cevseekes 44Bảng 4.3:Chuyén vị lớn nhất các tầng - G1 Ev SE 1g ng cưng ru 45Bảng 4.4:Thông số đầu vào của TLD - G1 E1 ng ng ru 46Bảng 4.5: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc lớn nhất tại đỉnh - -s-scss+scssssessesez 47Bảng 4.6:Thông số đầu vào của TLD - G1 Ev E1 ng ng ru 47

1.1 ĐẶT VẤN DE

Động dat gây ra thiệt hai vô cùng lớn và xảy ra ở nhiêu quoc gia trên thé giới,

những trận động đất lớn có thể tàn phá những công trình xây dựng gây ra thiệt hại

lớn về người và tiên bạc Vi vậy một trong những vân dé trong việc thiệt kê nhà cao

tang là việc chống lại ảnh hưởng của động đất Nhiều thiết bị kháng chan được đưanhưng thiết bị kháng chan sử dụng bể nước mái (xem như hệ giảm chan TLD) có

nhiêu ưu điêm về giá thành, ít tot chi phí bảo trì, Trên thê giới đã có nhiều nghiêncứu vê TLD và có nhiêu công trình được ứng dung Hau het các nghiên cứu trước khi

xét mô hình công trình sử dụng TLD điều là liên kết cứng với móng Trên thực tế hầuhết các công trình cao tầng điều sử dụng móng cọc Khi chiu tải trọng động thì kết

câu bên trên và nên móng cọc bên dưới có ảnh hưởng với nhau Mục đích luận văn

này là khảo sát khả năng kháng chan của công trình có xét đến ảnh hưởng tương tác

móng cọc bên dưới Điêu này có ý nghĩa đưa mô hình gân với thực tê hơn.

Một số hình ảnh và số liệu về thiệt hại do động đất gây ra:

Bang 1.1: Thiệt hại về người và tài sản qua mot số trận động đất

Địa điểm Thời gian cường độ Con người tải sản

(Richter) (ty USD)

Northidge, California 17/01/1994 6.8 60 20Kobe, Nhat Ban 17/01/1995 6.8 5502 147

——.`

Mục tiêu nghiên cứu của luận van là đánh giá khả năng giảm chan của bề nướcmái đóng vai trò như hệ giảm chan chất lỏng và có xét đến tương tác của nền mongcọc bên đưới Dé hoàn thành luận văn cần thực hiện các nhiệm vụ sau đây: Tìm hiểuxác định các thông số động lực học của bể nước và mô hình tương đương hệ giảmchan chat lỏng (TLD) Tìm hiểu mô hình tương tác động lực học của kết cấu bên trênvà nên móng cọc bên dưới Xây dựng mô hình kết cau khung phăng có gắn bề nướcmái như hệ giảm chấn dạng chất lỏng và xét đến tương tác nền móng cọc bên dưới,lập phương trình chủ đạo Phân tích hiệu quả giảm dao động của hệ giảm chấn dạngchất lỏng (TLD) khi khung phăng chịu tải động đất dựa trên chương trình tính toánđược xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB.

1.3 PHUONG PHÁP THỰC HIỆNPhương pháp thực hiện luận văn này là lý thuyết và phân tích số liệu từ lập trình.Đầu tiên là tìm hiểu cơ sở lý thuyết về thông số động lực học của bé nước và mô hìnhtương đương hệ giảm chan chất lỏng (TLD), mô hình tương tác động lực học của kếtcầu bên trên và nền móng cọc bên dưới Phương trình chủ đạo của kết cấu gắn TLDcó xét tương tác nền móng cọc bên dưới được thiết lập dựa trên sự cân bang dong, vimô hình là phi tuyến nên phương trình này là phương trình vi phan phi tuyến và giảibăng phương pháp từng bước Newmark, gia tốc nền được lựa chọn là những trậnđộng dat có phố tần số tương đối gần với tần số riêng của kết cấu Các kết quả số thuđược về chuyền vị, vận tốc, gia tốc và nội lực giup ta nhận xét về khả năng giảm chanbể nước mái có xét đến tương tác nền móng cọc bên dưới

1.4 CẤU TRÚC LUẬN VANCau trúc luận van gôm 5 chương bao gồm:

e Chương 1: Dat van dé, nêu lý do chọn dé tài, trình bày mục tiêu nghiên cứu,

phương pháp thực hiện.

e Chương 2: Giới thiệu về hệ giảm chan TLD, một số công trình ứng dụng TLD

dé giảm chan, tìm hiệu tinh hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đên hệ

nền móng cọc bên dưới, một số nghiên cứu về ảnh hưởng của tương tác nền móng

coc.

e Chương 3: Trình bay co sở lý thuyết về hệ giảm chan TLD, ảnh hưởng củatương tác nền móng cọc Từ đó, lựa chọn mô hình tính toán, phương pháp số đểphân tích đáp ứng của hệ khi có gắn TLD liên kết cứng dưới móng và khi có gắnTLD có xét tương tác nền móng cọc

e Chương 4: Trình bày các vi dụ số dé kiểm chứng chương trình tính toán vàphân tích hiệu quả của giải pháp giảm chấn băng bể nước mái khi có xét tương tácnền móng cọc bên dưới Đông thời khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số móngcọc như đường kính cọc và khoảng cách các cọc đối với khả năng giảm chấn của

TLD.

e Chương 5: Nêu ra một số kết luận rút ra được từ luận văn Đánh giá sự ảnhhưởng của thông số số lượng cọc, đường kính cọc và khoảng cách các cọc đối vớikhả năng giảm chấn của TLD khi chịu tải trọng động đất Từ đó, đưa ra hướngphát triển đề tài trong tương lai

2.1 GIỚI THIEUTrong chương này trình bày tong quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến luậnvăn Sơ lược về hệ giảm chan chất lỏng TLD, lich sử phát triển va ứng dụng trongthực tiễn của hệ cản chất lỏng TLD Đồng thời chương này cũng trình bay sơ lược về

ảnh hưởng tương tác móng cọc bên dưới công trình.

2.2 HỆ GIÁM CHAN CHAT LỎNG (TLD)2.2.1 Giới thiệu hệ giảm chan chất long (TLD)

Hệ giảm chan chất long là thiết bị giảm chan kiểu bị động-tức là không cần dùngthêm năng lượng hay vật gì trong quá trình hoạt động được lắp đặt vào kết cau dégiảm dao động cho kết cau dưới tác dụng của tai trọng động như gió bão, độngđất Trong thực tế, hệ giảm chấn chất lỏng đã được sử dụng từ những năm 1950nhăm khống chế dao động của các tàu bè Đến cuối những năm 1970, hệ giảm chấnnày bắt đầu được sử dung trong xây dựng nhằm giảm dao động cho kết cấu dưới tác

dung của tải trọng động Tur đó, rat nhiêu nhà nghiên cứu quan tâm dén vân dé này.

Bauer (1984) dé xuất sử dụng các bể chứa chữ nhật chứa hai loại chất lỏng khôngtrộn lẫn nhau để giảm ứng xử dao động cho kết cau Kareem va Sun (1987), Toshiyukivà Tanaka, Modi và Welt (1987) là những nhà nghiên cứu đầu tiên ứng dụng hệ giảmchan chat lỏng trong kết cau xây dựng

2.2.2 Phân loại hệ giảm chan chat lỏngHệ giảm chan điều chỉnh chất lỏng được chia thành hai dạng chính: hệ giảm chanđiều chỉnh chuyển động sóng chất lỏng bề mặt (Tuned Sloshing Damper — TSD) vàhệ giảm chan điều chỉnh cột chat long (Tuned Liquid Column Damper — TLCD)

e Hệ giám chấn điều chỉnh chuyền động song chat lỏng bề mặtHệ giảm chan điều chỉnh chuyên động sóng chat lỏng bề mặt (TSD) tiêu tán nănglượng thông qua ma sát ở tầng biên của chất lỏng, sự chuyển động của sóng bề mặtvà thông qua hiện tượng sóng vỡ (Sóng vỡ là hiện tượng chất lỏng dao động không

truyền sóng, các chất điểm vượt khỏi mặt dao động của sóng Trong trường hợp nàycác mô hình tuyến tinh đơn giản không thé mô tả ứng xử của chất lỏng [1]) Thiết bịTSD có thé phân thành hai loại tùy theo cao độ mực chất lỏng (theo Sun và cộng sự

1992)[2]: (1) một loại dùng sóng nước nông, (2) loại còn lại dùng sóng nước sâu: sử

dụng các vách ngăn (Baffle) hoặc man (Screen) dé điều khiến dao động sóng Khi tysố h/L nam trong khoảng 1/25—1/20< »/L<1/2 được xem là sóng nước nông, với h

là chiêu cao mực nước, ¿ là chiêu dai sóng theo phương chuyên động.

Hình 2.1: Hệ giảm chan diéu chỉnh sóng chất lỏng[1]e Hé giảm chan điều chỉnh cột chat lỏng

Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng sử dụng chuyển động của chất lỏng bêntrong thùng chứa dạng hình ống gồm hai cột chất lỏng thông với nhau nhờ van điềuchỉnh Thiết bị này có một số ưu điểm như: Hình dạng thùng chứa có thể điều chỉnhlinh hoạt để phù hop cho kết câu đã xây dựng, tính cản của TLCD có thé được kiểmsoát nhờ điều chỉnh lỗ mở giữa hai cột chất long, tần số của TLCD có thé thay đổibang cách điều chỉnh cột chat lỏng bên trong thing chứa Ngoài ra, có thé kết hợp haithiết bị TLCD để giảm chuyển động theo hai phương khác nhau (Double Tuned

Liquid Column Dampers — DTLCD).

| x† | |F +? wvị9

chứa.

e Có khả năng hoạt động theo nhiều phương khác nhau.e Có thé kết hợp làm bề nước sinh hoạt

Nhược điểm:Khi tỷ số A/L nhỏ hơn 0.15 thì sự tiêu tán năng lượng sẽ lớn hơn Tuy nhiên, mựcnước quá nông không thích hop để kết hợp TSD làm bể nước sinh hoạt vì như thế sẽlãng phí diện tích vốn hạn hep ở các tòa nhà cao tang

2.2.4 Ứng dụng hệ giảm chan chất lỏng trong thực tế

Toa nha Gold Tower ở Chiba-Nhat Ban sử dụng MCC Aqua Damper, người ta

dùng 16 bể chứa ở tang mái công trình (cao độ 158m) với tong khối lượng chat lỏnglên đến 10 tấn và bằng 1/100 khối lượng của toàn bộ công trình công trình, bề chứanước dạng khối với các lưới sợi thép được bồ trí dọc theo dòng chảy chất lỏng bêntrong bề Sau khi các thiết bị kháng chan trên được gan vào công trình thì người ta đo

60% so với khi không sử dụng thiết bị kháng chan TLD.

Khách sạn Shin Yokohama Prince ở Nhật Bản, có TLD được lắp đặt gôm 9 bểchứa chất lỏng có đường kính 2m chiều cao 22cm, chiều cao tong cộng là 2m đã giúpcho công trình giảm được 50-70% dao động khi vận tốc gió là 20m/s và còn giúpgiảm hơn nữa nếu tốc độ gió cao hơn Gia tốc công trình khi không sử dụng TLD là0.01( m/s?) còn khi có TLD là 0.006(m/s?) Thiết bị TLD dạng này còn được ứngdụng trong các công trình ở sân bay quốc tế Nagasaki, sân bay quốc tế Tokyo, và tòa

nhà Yokohama (Tamura và cộng sự, 1995){5 |.

Hình 2.4: Hệ giảm chan TLD ở Shin Yokohama Tower[3]

chứa dạng hình trụ tròn Tần số chuyển động của chat lỏng trong bé được điều chỉnhgan như sát với tần số dao động tự nhiên thấp nhất của tháp Tong khói lượng chatlỏng trong các bé là 1.53x10° kg, xấp xi 1% khối lượng của kết câu Kết qua đo đạtcho thấy khi tốc độ gió là 20 m/s, giá trị bình phương tối thiểu của biên độ gia tốcgiảm đi 1/3 so với khi không lắp đặt TLD.

Hình 2.5: Tháp Yokohama Marine và khách san Yokohama Prince sử dụng TLD

Ngoài ra, TLD con được ứng dụng tại một số công trình trên thé giới như: tòa nha

One Ricon Hill, San Francisco; toa nhà One Wall Center ở Vancouver, BritishColumbia.

2.2.5 Tong quan tai liệu về hệ giảm chan chat longe L.M Sun (1992)[2] dé xuất mô hình phi tuyến sử dụng lý thuyết sóng nướcnông đê giải quyết phương trình Navier — Stokes và phương trình liên tục Hơn nữa,ông đưa ra hai hệ số thực nghiệm để giải thích cho sự ảnh hưởng của hiện tượng sóng

chất lỏng thấp, phân tích số không thật sự chính xác và có sự sai khác lớn giữa kết

quả tính toán và thực nghiệm.

e L.M Sun và cộng sự (1995)[5] đã kiếm chứng mô hình giảm chan khối lượngtương đương bao gồm các đại lượng khối lượng, độ cứng và tính cản từ các số liệuthực nghiệm của bề hình chữ nhật, hình tròn và hình vành khuyên chịu tác động củakích thích điều hòa

e Yu (1997)[6], Yu và cộng sự (1999)[7] đề xuất một mô hình giảm chan khốilượng tương đương với độ cứng và tính cản phi tuyến được tính toán dựa vào sựtương đồng về năng lượng Mô hình này có thể mô tả được ứng xử của TLD dưới

kích thích có biên độ lớn và cả khi sóng vỡ xảy ra.

e Gardarsson và cộng sự (2001)[8]mở rộng ý tưởng bang việc nghiên cứu ứngxử của TLD có đáy dốc 30° Nghiên cứu thực nghiệm cho thay khối lượng chất lỏngtham gia vào chuyên động sóng nhiều hơn nên năng lượng tiêu tán trong mô hình nay

cũng lớn hơn.e Reed và cộng sự (1998){9] nghiên cứu ứng xử cua TLD chịu kích động có biên

độ lớn thông qua thí nghiệm và so sánh kết quả với một mô hình số dựa trên phươngtrình sóng nước nông phi tuyến Nghiên cứu chỉ ra tần số của TLD tăng khi biên độkích động tăng và để TLD đạt hiệu quả tốt nhất thì tần số của TLD được điều chỉnhnhỏ hon tần số riêng của kết cau, và khi đó tần số phi tuyến thật của TLD sé gần vớitan số riêng của kết cau

e Li và cộng sự (2002) [10] giải phương trình liên tục và phương trình động

lượng của chất lỏng có mực nước nông sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Họđơn giản hóa bai toán trong không gian ba chiều bằng cách xét bài toán theo mộtphương, điều này có nhiều thuận lợi trong quá trình tính toán Tuy nhiên, nghiên cứunày không được kiểm chứng bằng thực nghiệm

e Cassolato và cộng sự (2010)[11] đề xuất sử dụng các man ngăn bên trong détăng tỷ số cản của TLD Họ tính toán hệ số tốn hao ứng suất cho các màn ngăn vaước lượng năng lượng tiêu tán bởi các màn ngăn đồng thời phát triển mô hình mô tảtrạng thái 6n định của chất lỏng Mô hình đó cho thấy rang một TLD được trang bịcác màn ngăn điều chỉnh được có thê tạo ra một tỷ số cản không đôi trên một dai của

biên độ kích thích.

e Li và Wang (2004)[12] dé xuất sử dung nhiều TLD dé giảm phan ứng củanhiều mode dao động của các kết cau cao tầng khi chịu kích thích của động dat CácTLD được điều chỉnh cho phù hợp với các mode dao động đầu tiên của kết cau Kếtquả lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra răng với cùng một tỷ số khối lượng, hệ gồm nhiềuTLD sẽ cho hiệu qua tốt hơn hệ chỉ gôm một TLD.

e Tait và cộng sự (2005, 2007)[13, 14] tiễn hành nghiên cứu ứng xử theo hai

phương của TLD TLD được cho chịu các kích động theo một phương va hai phương

năm ngang Đặc trưng động của nước trong bé chứa được mô tả bởi chuyển động củamặt thoáng, lực cắt đáy va năng lượng tiêu tán Kết quả cho thay TLD ứng xử táchrời theo hai phương Điều đó cho phép sử dụng bể chứa hình chữ nhật để giảm phanứng động theo hai phương vuông góc của kết cấu

e Banerji và cộng sự (2000)[15] nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số quantrọng của TLD dựa trên mô hình được đề xuất bởi Sun và cộng sự (1992)[2] Gia tritối ưu của chiều sâu chat lỏng, ty số giữa khối lượng TLD va tong khối lượng kết cau,ty số giữ tần số của bể và tan số dao động tự nhiên của kết câu được xác định thôngqua thực nghiệm Sau đó, một quy trình thiết kế TLD trong thực tế được kiến nghị đểgiảm phan ứng động cho kết cau khi chịu động dat

e Chang và Gu (1999)[16] tiễn hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xácđịnh các thông số tối ưu của TLD được lắp đặt trên đỉnh của kết câu chịu kích độngvortex (một trường hợp đặc biệt của tải trọng gió) Một loạt các thí nghiệm ham gióvới các hình dạng khác nhau của TLD được thực hiện Ho đề xuất tỷ số giữa tần sốTLD và tần số kết cau nam trong khoảng 0.9 đến 1 và tỷ số khối lượng là 2.3%

e Love va Tait (2013)[17] nghiên cứu lý thuyết và kiểm chứng băng thực nghiệmtrên mô hình gồm kết cau và TLD có hình dạng bể chứa phức tap Phương trìnhchuyển động của hệ gồm kết cau va TLD được phát triển dựa trên phương trìnhLagrange Kết cau được cho chịu kích động điều hòa và ngẫu nhiên theo một phươngvà hai phương Hai TLD có hình dạng bé chứa phức tạp được xét đến Trường hopthứ nhất, bể có hình dạng không đối xứng theo hai phương Trường hop còn lại, bểđối xứng theo hai phương Tuy nhiên, ứng xử phi tuyến của chất lỏng không được đề

cập đên trong nghiên cứu này.

e Malekghasemi và cộng sự (2013)[18] đề xuất mô hình số sử dụng đồng thờiphương pháp thé tích hữu hạn (Finite Volume Method) cho chat lỏng và phương phápphân tử hữu hạn (Finite Element Method) cho bề chứa và kết cau Mô hình được kiểmchứng băng thực nghiệm và một số mô hình đã được dé xuất trước đó Kết quả chothay mô hình mô ta gần như chính xác ứng xử của TLD dưới tác dụng của kích độngđiều hòa và động đất Nghiên cứu này cũng cho thấy trong các mô hình được dé xuấtbởi Sun (1992), Yu (1997), Xin (2009) thì mô hình đề xuất bởi Yu (1997) cho kếtquả gần với thực nghiệm nhất.

Tại Việt Nam, thời gian gan đây một vài tác gia đã nghiên cứu về hệ giảm chanTLD như:

e Phân tích khả năng kháng chan của công trình sử dụng các bé chứa trong đócó xét đến sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể, luận văn thạc sĩ, Bùi Phạm ĐứcTường, 2010[1] nghiên cứu các đặc trưng của TLD như tan số dao động sóng, biênđộ sóng, lực cắt đáy bể sử dụng phương pháp phan tử hữu hạn với sự trợ giúp củaphan mềm ANSYS, từ đó ứng dụng TLD làm thiết bị giảm chan cho công trình

e Nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong kiểm soát dao động chocầu dây văng tại Việt Nam, luận án tiễn sĩ, Nguyễn Đức Thị Thu Định, 2015[19].Luận án nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình kết cầu một bậc tự do cógan nhiều hệ giảm chan TLD

2.3 TƯƠNG TÁC GIỮA MONG COC BEN DƯỚI VÀ KET CÂU BEN

TREN2.3.1 Giới thiệu tương tac giữa kết cấu bên trên nền móng bên dưới

Trong thiết kế nhà cao tang, người kỹ sư tính riêng phan thân công trình và phanmóng Thực tế, kết câu bên trên và đất nền bên dưới sẽ làm việc đồng thời và có sựtương tác lẫn nhau Theo (Chowdhury, 2009) [20] khi kết cầu dao động dưới các tácnhân động học thì sẽ làm phát sinh dịch chuyển ở đáy móng dịch chuyển này cũngtạo ra sự trao đối năng lượng và tương tác giữa kết câu bên trên và đất nền bên dưới(Soil-Structure Interaction, viết tắt là SSI ) Những ảnh hưởng SSI này làm cho kết

cau “dẻo” hon va lam cho chu ki dao động va tỉ sô can của két câu lớn thêm so vớikhi không xét đến đến ảnh hưởng của SSI.

2.3.2 Các dạng tương tác

Theo Clough và Penzien (2003)[21]c6 hai dạng tương tác: Tương tác động

Dynamics interaction) và tương tac quán tinh (Inertial interaction).

e Tương tác động (Dynamics interaction): Tương tác giữa móng va chuyển độngđất nền Tương tác động gây ra bởi độ cứng của móng hay phần ngầm của công trình,do đó bỏ qua khối lượng khi xét đến tương tác này Chính độ cứng kháng uốn củamóng hay phần ngầm này làm cho quá trình truyền sóng, đặc biệt là sóng cắt trongdat bên dưới và lân cận móng bị anh hương.

(a) (b) (c)

( —- as! =>

Hình d: Dịch chuyển xoay trong đấte Tương tác quán tính (Inertial interaction) do lực quán tính tạo ra bởi khối lượngtập trung của kết câu gây ra trong quá trình dao động Lực quán tính truyền tải độngxuống móng, nếu nên tuyệt đối cứng thì chuyển vị của móng sẽ không xảy ra dẫn đếnkhông xét đến tương tác này, còn nếu nên có độ cứng hữu hạn thì phải kế đến tươngtác này Thực tế, chuyên vị tại day móng là tổng chuyền vi ban thân của nền, chuyểnvị gây ra do tương tac động và do tương tác quan tính Năng lượng hap thu do tương

tác quán tính nay sẽ tiêu tan trong đất nhờ vào can do tán xạ (Radiation damping)

(Betbeder, 2003) [22].

Hình 2.7: Dao động của công trình

Trong hầu hết móng của kết câu thì ảnh hưởng của tương tác động là không đángkế và có thé bỏ qua trong tính toán Do đó, tương tác giữa kết câu và nền chỉ còn là

tương tac quan tính (Datta, 2010) [23].

2.3.3 Anh hưởng tương tác nền đến ứng xứ của kết cauSự anh hướng tương tác của kết câu — dat nên làm cho kêt câu “dẻo” hơn va lam

cho chu kì dao động va tỉ sô can cua kêt câu lớn thêm so với khi không xét đên anh

hương của tương tác Những nghiên cứu chỉ ra điêu nay:

e Xét chu ky va độ cứng hiệu chinh- Hệ 1 bậc tự do

Chu kì dao động của kết câu tăng khi độ cứng của kết cầu giảm Do đó Valetsos vàMeek (1974)[24] đề nghị công thức tinh gần đúng Công thức này cũng được sử dụngtrong thiết kế sơ bộ khi xem kết cau chịu sự tương tác của phan lực nên, thông quadịch chuyển ngang và xoay

2nh = | (2.1)

Ss 8

2hai (2.2)

k,

Theo Kramer (2004) tỉ số cản khi xét đến ảnh hưởng của tương tác nền được tinh

boi:

Tin ng (2.3)

Trong đó:

ế : tỉ số cản tương đương khi xét ảnh hưởng của SSI

é : tỉ số can khi kết cầu liên kết cứng ở đáy móng¢ $9: tỉ số can ngang và xoay của đất

Nhận xét: Khi xét công trình ngàm vào đất nền bên dưới thì #,„#¿ =%

>L=L¿=£

2.3.4 Tình hình nghiên cứu trên thế giớie Veletsos va Wei (1971) [24], Luco và Westmann (1972) [25] đã cung cấp lờigiải chính xác cho bài toán móng tròn đặt trên bán không gian đàn hồi chịu tác dụng

của tai động, với các tan số va hệ số Poisson khác nhau trong khoảng rộng Lời giảinày sau đó đã được ứng dụng và bồ sung dé phù hợp với yêu câu của việc xây dựng

nhà máy điện hạt nhân và các công trình ngoài khơi.

e Những năm gần đây, xem xét ảnh hưởng của DSSI băng thí nghiệm ban rung

(Shaking-table tests) được thực hiện Phương pháp này thực hiện theo cách tương tự

như phương pháp phân tích trực tiếp với miền đất nền hữu hạn được mô hình cùngvới kết câu bên trên (Qiang, 2008) [26]

e Đối với nên móng cọc Việc xác định ứng xử động của cọc đơn hay nhóm cọcdựa vào mô hình đơn giản, dầm trên nền đàn hồi Winkler (mô hình BDWE ) va dựavào phương pháp chính xác băng hàm green Nhiều mô hình khác được đưa ra và kếtquả đưa được so sánh với lời giải chính xác này Một số nghiên cứu về mô hình nền

móng cọc được trình bày sau đây.

e Nghiên của cua Novak, 1974 [27] đã đưa ra cách xác định hệ số tương tac tĩnhcủa nhóm cọc Tuy nhiên, hệ số tương tac nay chỉ phù hợp với những dao động cótần số thấp Với những dao động có tần số cao nó sẽ bị lỗi và không còn phù hợp

e Sau đó, nghiên cứu đầu tiên Wolf and Van Arx, 1978 [28] chỉ ra rang anhhưởng tương tác động của nhóm cọc cho kết quả lớn hơn nhiều so với ảnh hưởngtương tác fĩnh Kết quả này được kiểm chứng cũng giống với kết quả của các nghiêncứu tiếp theo Kaynia & Kausel, 1982a và b)[29, 30].(Sen, Davies & Banerjee, 1985)

[31]và các nghiên cứu khác.

e Va nghiên cứu cua George Gazetas & cộng sự 1988[32] đã đưa ra phươngpháp chung để phân tích tương tắc của nên móng cọc Phương pháp đã chỉ ra cáchxac định hệ sô độ cứng và hệ sô can của nhóm cọc với sô lượng lớn.

2.3.5 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

e Đỗ Kiến Quốc va Thân Tân Thanh (2010)[33] đã phân tích ứng xử động củakết cầu chịu động đất có xét đến biến dạng nền Nghiên cứu tìm hiểu ứng xử độngcủa đất nền khi chịu động đất với công trình bằng cách xác định độ cứng và độ cảntheo cả 2 phương ngang và xoay Thiết lập phương trình tính toán xét đến sự tươngtác của đất nên với kết câu bang cách xét đến biến dạng ngang và xoay của móng.Xây dựng chương trình tính so sánh ứng xử của kết cau khi xét và không xét đến

biến dạng của nên Các kết quả được rút ra: Ứng xử động của hệ kết cau — đấtkhông chỉ phụ thuộc vào đặc trưng của kết cầu mà còn phụ thuộc vào đặc trưng củamóng và đặc trưng của nên Trong đó vận tốc sóng cat là nhân tố vô cùng quantrọng quyết định đến ứng xử của toàn bộ hệ Chuyén vi của kết cau khi xét đến SSIluôn lớn hơn chuyên vị khi xét kết cau liên kết ngàm Do đó tan số dao động của kếtcau khi xét ảnh hưởng SSI sẽ lớn hơn.

e Lương Van Hải và Phạm Ngọc Tân (2012)[34] đã phân tích động lực học kếtcầu chịu tải trọng động có xét tương tac với đất nên được gia cường Topbase

Nghiên cứu đã đưa ra mô hình va công thức tính hệ số độ cứng, hệ số can của nênđược gia cường bằng Topbase Phân tích động lực học kết câu chịu động đất ở 2trường hợp liên kết cứng và tương tác kết cau — nền Topbase Khao sat ứng xử củakết cầu khi các đặc trưng của kết câu thay đổi, số lớp Topbase gia cường nên thayđổi và đặc tính đất nền thay đồi Các kết quả được rút ra: Khi nền được gia cườngTopbase thì độ cứng và độ can của hệ kết câu — nền Topbase được tăng lên Từ đóchu ky dao động và chuyển vị đỉnh của công trình giảm đáng ké so với khi chưa giacường Topbase Số lớp Top ase càng nhiều thì nền sẽ càng cứng Tuy nhiên, tácdụng tăng lên không đáng kế khi tăng từ 1 lớp lên 2 lớp và 3 lớp Mô hình Topbasechỉ có tác dụng đáng kế khi điều kiện dia chất đất nền tương đối tốt Vì nền yếu môhình này sẽ mất tác dụng

2.4 KET LUẬNCác nghiên cứu trên trước khi xét mô hình công trình sử dung TLD điều là liênkết ngàm với móng Trong khi các nghiên cứu về tương tác nền-công cũng cho thấyảnh hưởng không nhỏ của SSI khi phân tích động lực học kết câu Mục đích luậnvăn nay là khảo sát khả năng kháng chan của công trình có xét đến ảnh hưởng củaphan móng cọc bên dưới Điều nay có ý nghĩa đưa mô hình gan với thực tế hơn Vìthé dé tài nghiên cứu được chon là: “ Đánh giá khả năng giảm chan của bé nướcmái (TLD) trong khung phẳng xét đến tương tác với móng”

CHUONG 3: CO SỞ LY THUYET3.1 GIỚI THIEU

Chương nay trình bảy cơ sở lý thuyết về nguyên lý hoạt động của hệ giảm chanchất long(TLD), chuyển động của chất lỏng trong bể chứa, mô hình phân tích hệ giảmchất long (TLD) và cách xác định các thông số mô hình đó Đồng thời giới thiệu môhình động lực học của khung phăng chịu động đất khi xét đến ảnh hưởng tương tácvới nền móng cọc, xác định các thông số trong mô hình Từ đó đưa ra mô hình độnglực học khung phang được giảm chan bang TLD và xét đến tương tác nền móng cọc

bên dưới.

3.2 NGUYÊN LÝ HOAT ĐỘNG CUA HE GIAM CHAN CHAT LỎNGHoat dong cua hé giam chan chat long dựa trên hoạt động của chất lỏng bên trongbé chứa Khi chịu tác dụng của kích thích bên ngoài, TLD chuyển động kéo theo chatlỏng bên trong bể chứa chuyển động ở dạng sóng Các sóng hình thành bên trong bểchứa có thể là sóng nông, sóng sâu, sóng dải và đôi khi hình thành cả sóng vỡ Cácloại chuyển động khác nhau sẽ tạo hiệu quả giảm dao động của TLD cho kết cấu làkhác nhau Hiệu quả nay được đánh giá thông qua lực xuất hiện trong hệ khi các chấtđiểm của chất lỏng chuyển động hop lại theo nguyên lý cộng tác dụng [19] Các lựchình thành nên do chuyển động sóng trong bé chứa gây ra các áp lực lên thành bé vàáp lực nảy đóng vai trò là lực quán tính làm cho hệ trở về trạng thái cân băng Ngoàira ở TLD còn tiêu hao một phan năng lượng thông qua ma sát ở lớp biên, dao độngcủa sóng bề mặt và sóng vỡ

3.3 CHUYEN ĐỘNG CUA CHAT LỎNG TRONG BÉKhao sát sóng nước nông tuyến tinh: Xét dòng sóng 2D (mặt phang xoz), chiềusâu chất lỏng là h, và z= 0 tại bề mặt chất lỏng khi mực nước tĩnh, n mô tả chuyểnđộng mặt thoáng của chất long, là một hàm của vi tri x va biến đổi theo thời gian t.L và H thể hiện chiều dài và chiều cao sóng Biên độ của sóng được giả định là rất

nhỏ đên nồi mà các chuyên động của sóng có thê được xem là tuyên tinh[2].

tan sô tự nhiên và chu ky tự nhiên của chuyên động sóng.

Thay công thức (3.2) vào (3.1), số hang dau tiên là hàm chỉ chứa x, số hạng thứ hai

là hàm chỉ chứa z, do vậy có thê viet lại là:

Các hệ sô A, B, C, D sẽ được xác định theo các điêu kiện biên Điêu kiện biên dướilà:

w= sọ (3.5)Oz

Thay các công thức (3.4) va (3.5) vào (3.3), ta được:

Trong đó po là áp lực lên mặt tự do Phương trình Bernoulli biéu diễn cho ham thé ®

a 2la) (&œ)j La” (3.9)

Trong đó p là trọng lượng riêng và g là gia tốc trọng trường Khi biên độ sóng nhỏ,

Thay các công thức (3.2), (3.4a), (3.6) vào công thức (3.10) va so sánh với công

thức (3.14), các hệ số trong công thức (3.4) được xác định là

Từ các công thức (3.9) va (3.16), áp lực phân bố được biểu diễn:

_ cosh(k(z +”))cosh(kh)P(x, 2,0) =—pg(z 71) (3.17)

Xác định tần số dao động tự nhiên của song nông:Xét bề chữ nhật có thành tuyệt đối cứng như hình 3.2, bé có chiều dài 2a, chiều caomực nước ban đầu bang h, chiu chuyén vi ngang xs Hệ toa độ như hình trên hình vẽ

n= 5 {sin(kx + ot) —sin(Ax — ø)} (3.19)

= H cos(kx)sin(at)

Trong trường hợp bê chứa chịu chuyển động theo phương ngang, chi có hàmdạng sóng không đối xứng bị kích thích, khi đó (3.19) được viết lại là:

7= H cos(kx)sin(at)(3.20)

Tương ứng có hàm thế vận tốc theo thời gian:

gH cosh(k(z+h))

D(x, z,t) = sin(kx) cos(at 21(52,1) = SE sin) cost (3.21)

Đề thỏa mãn điều kiện biên ở thành bề thi đạo ham theo x của (3.21) phải bằng

Trong đó ø là sô các mode khác nhau cua dao động sóng chat long.

Khi ø=l tần số dao động cơ bản đầu tiên theo (3.25) là:

3.4 PHAN LOẠI CÁC DANG SÓNG CHAT LONGDạng sóng nước hình thành phụ thuộc vào chiều sâu của nước trong hệ đang xét.Có hai trường hợp cực hạn, chiều sâu h lớn hơn nhiều hay nhỏ hơn nhiều chiều daisóng, dạng thứ nhất gọi là sóng nước sâu (hay sóng mặt) và dạng thứ hai gọi là sóngdai (hay sóng rất nông) Một cách tổng quát, các sóng nam trong dai h/L>1/2 đượcgọi là sóng nước sâu và các sóng nam trong dải #⁄7<1/20-1/25 được gọi là sóng dài.

Bang 3.1: Phân loại sóng chất long[2]

h/L 1/20-1/25 1/2Loai song Song dai Song nước Sóng nước sâu

(sóng rất nông) nông (sóng mặt)Tham sô điều khiến h, H/h H/h, H/L H/L, L

Đôi với sóng nước sau, tan sô tự nhiên cua sóng trong công thức (3.26) được viết lại:

_ J2zs

O= T (3.27)

Tân sô của sóng nước sâu không phụ thuộc vào chiêu sâu chat long, h

Đối với sóng dài, tần số tự nhiên của sóng trong công thức (3.26) được viết lại:

@ =4|sk?h =k gh (3.28)

Tân sô của sóng nước sâu phụ thuộc vào chiêu sâu chat lỏng, ở

3.5 MÔ HÌNH PHAN TÍCH HE GIAM CHAN CHAT LONGVi ứng xử của chat lỏng mang tinh phi tuyến cao nên việc xem xét đến tính phituyến khi nghiên cứu về TLD là vô cùng quan trọng Do đó, mô hình được lựa chọnlà mô hình có xét đến tính phi tuyến và hiện tượng sóng vỡ.

3.5.1 Các mô hình TLD đã được đề xuấtCó hai hướng tiếp cận phố biến đã được sử dụng dé mô hình ứng xử của chất lỏngtrong bể chứa Hướng thứ nhất là giải quyết các phương trình động lực học của chất

lỏng, còn hướng thứ hai là mô hình TLD như một TMD tương đương với các thông

số khối lượng, độ cứng và tính cản phụ thuộc vào đặc tính của chất lỏng và được xâydựng dựa trên nghiên cứu thực nghiệm Luận văn này sử dụng hướng tiếp cận thứ haidé phân tích ứng xử của TLD Một số nhà nghiên cứu đã đề xuất mô hình TMD tươngđương để mô tả ứng xử của TLD Sun và cộng sự (1995) tìm các thông số của hệgiảm chan khối lượng tương đương dựa vào phương trình Navier — Stokes phi tuyếnvà lý thuyết sóng nước tuyến tính Tuy nhiên, các thí nghiệm trong nghiên cứu đó cònhạn chế Casciati và cộng sự (2003) đề xuất mô hình tuyến tính làm sáng tỏ ứng xửcủa TLD trong bể chứa hình chop cụt dưới tác động tác nhân bên ngoai có biên độnhỏ Tait (2008) pháp triển một mô hình cơ học tuyến tính tương đương để tính toánnăng lượng tiêu tan bởi các mang (screen) khi chịu kích động điều hòa va ngẫu nhiên

3.5.2 Mô hình Nonlinear Stiffness Damping - NSD

J.K Yu (1997)[6] và sau đó J.K Yu cùng các cộng sự (1999) [7]dé xuất mô hìnhTLD như một hệ giảm chan khối lượng tương đương với các thông số độ cứng vatính cản phi tuyến (Nonlinear Stiffness Damping - NSD) Trong đó mạ, ka, và ca lầnlượt là khối lượng, độ cứng, và hệ số cản của mô hình NSD Mô hình này mô tả được

ứng xu cua TLD trong một dải rộng của biên độ kích động Tuy nhiên, khó khăn cua

mô hình nay là xác định các thông số của mô hình NSD

A kg

2TLD y

2

⁄ TỊ2 ia

NSD, Co=2maoa là hệ số cản tới han, wa = 22 là tan số góc của NSD

Đặt ¢ = Sa , gọi là tỷ số điều chỉnh tan số, với f= | /78 tanh (=)

th "Qn 2a 2a

= k, *°® 1Á 2 AK oA 2 ^ z re 2Dat «= ra là ty số điêu chỉnh độ cứng, với &, =m,,(27f,,)

Độ cứng va ty số cản tương đương được biểu diễn thông qua một hàm phụ thuộc vàochiều cao song, chiều sâu mực nước, biên độ kích động và kích thước của bề chứa.Giá trị không thứ nguyên của biên độ là thông số quan trọng nhất diễn tả độ cứng vàtỷ số cản:

A=-4 (3.29)

2øTrong đó, A là biên độ kích động va a là nửa chiều dai của bể Để tìm A, như hình3.5, mỗi lần biéu dé chuyén vị của bé cat qua truc thoi gian, chuyén vị lớn nhất suốtnửa chu kỳ trước Xmaxi-1 được xác định và giá tri tuyệt đối của Xmaxi-1 được xem làbiên độ A cho nửa chu ky thứ i tiếp theo, từ đó xác định được A Các đại lượng tỷ số

cản và ty sô điều chỉnh độ cứng được tính toán theo A.

ế=1.59A°?5 khi A >0.003 ee)

Đối với mô hình nay, A từ phương trình (3.29) được xác định dựa vào chuyén vị củakết cau (vi tri gắn TLD) Vi thé mỗi lần biểu đỗ chuyên vị có giá trị bang không thìđộ cứng hệ số cản sẽ thay đối theo các phương trình (3.30), (3.31), (3.32)

Đề hiểu rõ hơn cách xác định các thông số của mô hình NSD, xét hệ kết câu một bậctự do được gắn TLD chịu tải trọng ngang như hình 3.5 là mô hình NSD tương đươngcủa TLD Phương trình chuyển động của hệ gồm kết cau và hệ giảm chan được thiết

lập như sau:

fo ml 0m, |\|%X, —C, C+, ||X„ —k, & +k„||X„ 0Le ceeds, xe4| | di 629

Trong đó, #,„€,„k ,X „X „X, lần lượt là khối lượng, hệ số cản, độ cứng, chuyển vị,vận toc, gia toc của kêt cau; m,„©,„K,.X,.X„.X lần lượt là khôi lượng (ma=my), hệ

sô can, độ cứng, chuyên vi, vận tôc, gia toc của mô hình NSD Gia thiệt rang ms, cs,ks, mạ đã được xác định trước.

AAAA

VVVVY

TỊ |im Cs LÌ Cs

Hình 3.6: Mô hình tương tác của hệ kết cấu N tang va nên móng coc[35]Giả thuyết khi chịu động đất, công trình bị rung lắc và tác động xuống nền móngcọc Do thời gian tac động ngăn nên xem nên móng cọc van ứng xử như vật liệu dan