Phân tích khả năng kháng chấn của nước trong kết cấu tháp nước có xét sự tương tác chất lỏng và thành bể

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  NGUYỄN THÀNH TRUNG PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG KHÁNG CHẤN CỦA NƯỚC TRONG KẾT CẤU THÁP NƯỚC CÓ XÉT SỰ TƯƠNG TÁC CHẮT LỎNG VÀ THÀNH BỂ Chuyên ngành : KTXD CT Dân Dụng Công Nghiệp Mã số ngành : 60580208 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG - TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Phước Cán chấm nhận xét 1: TS.Hồ Đức Duy Cán chấm nhận xét 2: TS Đào Đình Nhân Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG, TP HCM Ngày 21 tháng 08 năm 2017 Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Bùi Công Thành PSG TS Lương Văn Hải PGS TS Nguyên Trung Kiên TS Hồ Đức Duy TS Đào Đình Nhân Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên nghành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGHÀNH TRƯỞNG KHOA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG MSHV: 7140756 Ngày, tháng, năm sinh: 26/07/1987 Nơi sinh: Quảng Bình Chuyên ngành: KTXD CT Dân Dụng Công Nghiệp Mã số : 60580208 TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích khả kháng chấn nước kết cấu tháp nước có xét tương tác chất lỏng thành bể 1- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: > Tìm hiểu mơ hình kết cấu tháp nước khơng gian ba chiều có xét tương tác chất lỏng thành bể chứa > Xây dựng mơ hình kết cấu tháp nước khơng gian chịu tải trọng động, mơ hình rời rác hóa phương pháp phần tử hữu hạn với phần tử khối kết cấu nước; phần mềm ANSYS với mã nguồn mở áp dụng để giải toán viết mã nguồn phần khai báo lựa chọn phương pháp giải > Phân tích hiệu giảm dao động hệ giảm chấn dạng chất lỏng kết cấu chịu tải điều hòa động đất, tốn với ẩn số lớn nên tiêu tốn nhiều tài ngun tính tốn, thơng số nghiên cứu giảm chấn mực nước bể chứa đặc trưng kết cấu với tải trọng động 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/08/2016 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 18/06/2017 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC Tp HCM, ngày tháng năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGHÀNH PGS.TS Nguyễn Trọng Phước TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG i LỜI CẢM ƠN Điều đầu tiên, xin đuợc gởi lời cảm ơn chân thành đến tất thầy giáo, nhiệt tình giảng dạy tạo điều kiện cho tơi suốt q trình học tập chuơng trình đào tạo Sau Đại Học, khoa Xây Dụng, Truờng Đại Học Bách Khoa Tp.HCM Đây thật sụ niềm vinh dụ lớn hội quý tơi có đuợc từ truớc tới Và hết, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Trọng Phuớc người gợi ý để hình thành hướng nghiên cứu cho đề tài hướng dẫn thực thời gian vừa qua, để tơi hồn thành tốt luận văn Thầy tạo điều kiện tốt nhanh chóng giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Và Thầy truyền thụ cho kiến thức hiểu biết sâu lĩnh vực mà tơi nghiên cứu tìm hiểu Thầy giúp tơi có thêm động lực để tiếp tục cố gắng cho bước tương lai đường nghiên cứu khoa học Đồng thời, muốn gửi lời cảm ơn chân thành dành cho Cha Mẹ, người thân, bạn bè đồng nghiệp người bên cạnh giúp đỡ động viên trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn ! TĨM TẮT LUẬN VĂN • Phân tích hiệu giảm dao động nuớc kết cấu tháp nuớc không gian đuợc thục luận văn Mơ hình tháp nuớc khơng gian chịu tác động tải trọng động theo thời gian, phân tích phản úng kết cấu chịu tác động tải trọng điều hòa động đất Hệ kết cấu tháp nuớc đuợc rời rạc hóa thành phần tử đuợc mô phần tử khối phần mềm mã nguồn mở ANSYS Phân tích chu kỳ dao động tự nhiên hệ kết cấu tháp nuớc khơng gian truờng hợp tháp có chúa mục nuớc khác Phân tích đáp úng hệ miền tần số chịu tác động tải trọng điều hòa Phân tích phản úng hệ với tải trọng điều hòa trận động đất cụ thể để xem xét đánh giá hiệu giảm dao động nuớc kết cấu tháp không gian, xem xét giá trị chuyển vị nội lục kết cấu Đồng thời khảo sát sụ ảnh huởng chiều cao mục khả làm giảm dao động kết cấu tháp nuớc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công việc tơi thực hướng dẫn Thầy PGS.TS Nguyễn Trọng Phước Các kết luận văn thực cách trung thực khách quan TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT .ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii DANH MỤC HÌNH VẼ xii DANH MỤC BẢNG BIÊU XV CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu luận văn 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu chương 2.2 Thiết bị giảm chấn sử dụng chất lỏng 2.2.1 Phân loại thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng 10 2.2.2 Các cơng trình sử dụng hệ TLD làm thiết bị giảm chấn 14 2.3 Tổng quan tài liệu giảm chấn sử dụng chất lỏng 17 2.3.1 Các nghiên cứu giới thiết bị TLD 17 2.3.2 Các nghiên cứu nước thiết bị TLD 21 2.3.3 Các nghiên cứu tương tác chất lỏng thành bể 22 2.4 Kết luận chương 24 CHƯƠNG 3: Cơ SỞ LÝ THUYẾT 25 3.1 Giới thiệu chương 25 3.2 Nguyên lý hoạt động thiết bị giảm chấn chất lỏng 25 3.3 Chuyển động chất lỏng bên bể chứa 26 3.3.1 Phương trình dao động sóng chất lỏng 26 3.3.2 Điều kiện biện chất lỏng 27 3.3.3 Hệ số cản chất lỏng 30 3.3.4 Phân loại sóng chất lỏng 30 3.4 Phương pháp phân tích hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng 32 3.4.1 Phương pháp phần tử hữu hạn kết cấu 32 3.4.2 Ma hận tương tác kết hợp kết cấu chất lỏng 35 3.4.3 Dạng phần tử hữu hạn miền chất lỏng 39 3.4.4 Lời giải hệ bể chứa - chất lỏng dao động theo miền thời gian 42 3.5 Giới thiệu tổng quan phần mềm ANSYS 44 3.5.1 Cấu trúc toán ANSYS 44 3.5.2 Phần tử bê tông phần tử nước ANSYS 45 3.6 Kết luận chương 49 59 P(t) = po sin (ú))t Trong đỏ : Po= 2e4 (N); ú) = 2ĩĩf(rad s"1) với / = 0.5 (Hz) Phân tích đáp ứng hệ với tải điều hòa có tỷ số cản Ị = trường hợp tháp không chứa nước để kiểm chứng kết phương pháp phân tích Các thơng số tính toán tháp nước lấy theo mục 4.2.1 cùa luận văn Nhận xét: Kết phân tích chuyển vị hệ ANSYS SAP2000 cỏ đường chuyển vị gần Vì phương pháp phân tích ANSYS đáng tin cậy cổ thể sử dụng để phân tích tốn 4.4.2 Phân tích đáp ứng tháp với mực nước khác với tần số ngoại lục khác Bài toán: Hệ kết cấu tháp nước chịu tác dụng tải trọng điều hòa P(t) = po sin (ú))t Trong đố : po= 3e4 (N), ú) = 2ỉĩf(rad s"1) với = 0.5 (Hz), f2 = 0.7 (Hz) Phân tích 60 đáp ứng tháp với tải điêu hòa có tỷ số cản ỉ = 0.05 trường hợp mực nước thay đổi, tháp không chứa nước, tháp chứa 1/3 nước, tháp chứa 2/3 nước, tháp đầy nước Các thơng số tính toán tháp nước lấy theo mục 4.2.1 luận văn Trường hợp 1: Phân tích đáp ứng chuyển vị tháp với mực nước thay đổi tần số ngoại lực f = 0.5fife Chuyển vị tháp theo phưong X, = 0.5Hz Hình 4.11: Đáp ứng chuyển vị tháp mực nước thay đổi, tải điều hòa tần số ngoại lực fx = 0.5 (Hz) 61 Biểu đồ chuyển vị lớn tháp theo phương X, = 0.5Hz Hình 4.12: So sánh chuyển vị lón tháp tải điều hòa tần số ngoại lực fl = 0.5ffe, với mức nước khác Vận tốc tháp theo phương trục X, fx= 0.5Hz - Tháp chứa 2/3 nước - Tháp đầy nước Hình 4.13: Đáp ứng vận tốc tháp mực nước thay đổi, tải điều hòa tần số ngoại lực fl = 0.5 (Hz) Biểu đồ vận tốc lởn tháp 62 theo phương trục X, f1= 0.5Hz Hình 4.14: So sánh vân tốc lớn tháp tải điều hòa cố tần số ngoại lực /i = 0.5 (Hz), với mức nước khác Biểu đà gia tốc tháp theo phưong X, fx=0.5 Hz Hình 4.15: Đáp ứng gia tốc tháp mực nước thay đồi, đổi với tải điều hòa tần số ngoại lực ft = 0.5 (Hz) 63 Hình 4.16: So sánh gia tốc lớn tháp mực nước thay đổi, tải điều hòa tần số ngoại lực ft = 0.5 (Hz) Hình 4.17: Biểu đồ lực cắt chân tháp với tải điều hòa tần số ngoại lực A = 0.5 (Hz) 64 Hình 4.18: Biểu đồ lực cắt lón với tải điều hòa tần số ngoại lực A = 0.5 (Hz) Trường hợp 2: Phân tích đáp ứng chuyển vị tháp cố mực nước thay đổi với tần số ngoại lực f2 = 0.7 Hz — Tháp không chứa nước ““ Tháp chứa 2/3 nước Tháp chứa 1/3 nước ““ Tháp đầy nước Hình 4.19: Đáp ứng chuyển vị tháp mực nước thay đồi, tải điều hòa tàn số ngoại lực A “ 0.7 Hz 65 Biểu đồ chuyển vị lớn tháp theo phương X, f2 = 0.7Hz Hình 4.20: So sánh chuyển vị tháp mực nước thay đổi, tải điều hòa tần số ngoại lực /2 = Vận tác tháp theo phương trục X, f2= 0.7Hz Hình 4.21: Đáp ứng vận tốc tháp mực nước thay đổi, tải điều hòa tần số ngoại lực /2 66 Hình 4.22: So sánh vận tốc lớn tháp khỉ mực nước thay đổi, đổi với tải điều hòa tần số ngoại lực /21 = 0.7£fe Hình 4.23: Đáp ứng gia tốc tháp mực nước thay đổi, tải điều hòa tần số ngoại lực f2 = 0.1Hz 67 Hình 4,24: So sánh gia tốc lớn tháp mực nước thay đổi, tải điều hòa tần số ngoại lực /2= 0.7 —Tháp không chứa nước Tháp chứa 1/3 nước Tháp chứa 2/3 nước Tháp đầy nước Hình 4.25: Biểu đồ lực cắt chân tháp với tải điều hòa tàn số ngoại lực f2 = 0.7 (Hz) 68 Hình 4.26: So sánh lực cắt lớn chân tháp với /2 = 0-7 (ỉỉz) Nhận xét: Khi tháp có mực nước thay đổi chịu tác động tải trọng điều hòa theo thời gian, giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc lực cắt chân tháp giảm chiều cao mực nước tăng lên Điều đỏ cho thấy hiệu giảm dao động nước kết cáu tháp chịu tác dụng tải trọng điều hòa Khỉ tần số ngoại lực gần với tần số cộng hường kết cấu, khả giảm chấn nước cho thấy hiệu giảm dao động rõ rệt biểu đồ (Hình 4.11.) giá trị chuyển vị hệ giảm đáng kể không tăng theo thời gian trường hợp tháp không chứa nước Đối với tần số ngoại lực xa tần số cộng hưởng (f=0.52 Hz) theo chiều tăng giá trị hiệu kháng chấn giảm dần 69 4.5 Phân tích đáp ứng kết cấu tháp nước với trận động đất cụ thể 4.5.1 Phân tích đáp ứng tháp với trận động đất Superstition, At=0.02s Dữ liệu trận động đất Superstition mô tả hình 4.27, với bước thời gian thu nhỏ At=0.02s Hình 4.28: Phơ lượng trận động đât SuperstitionHills 70 ——" Tháp không chứa nước Tháp chúa 2/3 nước ■^“Tháp chứa 1/3 nước - Tháp đầy nước Hình 4.29: Biểu đồ chuyển vị tháp trân động đất SuperstitionHills - Tháp không chứa nước ”~ Tháp chứa 1/3 nước Tháp chứa 2/3 nước - Tháp đầy nước Hình 4.30: Biểu đồ vận tốc tháp đối vối trận động đất SuperstitionHills 71 Biểu đồ gia tốc tháp Thời gian (s) ——Tháp không chứa nước — Tháp chứa 1/3 nước Tháp chứa 2/3 nước Tháp đầy nước Hình 4.31: Biểu đồ gia tốc tháp trận động đất Superstition, At=0.02s Biểu đồ lực cắt chân tháp — Tháp chứa 2/3 nước -Tháp đầy nước Hình 4.32: Biểu đồ lực cắt chân tháp trận động đất Superstition, At=0.02s 72 4.6 Kết luận chuong Từ kết việc phân tích chu kỳ dao động tháp nước thấy rằng, mực nước tháp tăng lên chu kỳ dao động hệ tăng theo, mực nước ảnh hưởng trực tiếp tới chu kỳ dao động tháp Khi phân tích phổ tần số, kết cho thấy giá trị chuyển vị đỉnh cộng hưởng tháp giảm xuống mực nước tháp tăng lên Nước tháp có khả làm giảm dao động kết cấu tháp nước lớn đến 36.4% Tần dao động ngoại lực ảnh hưởng nhiều tới chuyển vị đỉnh tháp mực nước thay đổi nằm khoảng từ 0Hz đến 1Hz , miền tần số khác ngoại lực không ảnh hưởng nhiều đến chuyển vị đỉnh tháp Khi chịu tác động tải trọng điều hòa, phản ứng nước tháp làm giảm chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực cắt chân tháp Khi chịu tác động trận động đất Superstition, giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc thay đổi không đáng kể trường hợp tháp có mực nước khác Nguyên nhân trận động đất Superstition có gia tốc đỉnh nằm khu vực có phổ tần số ngoại lực tác động làm thay đổi chu kỳ dao động hệ không đáng kể 73 CHƯƠNG KÉT LUẬN VÀ ĐÈ XUẤT 1.1 Kết luận Từ kết thu ửong luận văn phân tích ảnh hưởng nước tới khả kháng chấn cơng trình tháp nước khơng gian ba chiều, số kết luận trình bày sau: - Đã hồn thành nhiệm vụ luận văn: Tìm hiểu mơ hình kết cấu tháp, tìm hiểu mơ hình tương tác nước kết cấu, mơ phương pháp phần tử hữu hạn toán, giải toán đánh giá hiệu giảm chấn chi tiết - Phương pháp nghiên cứu hợp lý: sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho hệ kết cấu với số bậc tự lớn Phần tử bê tông mô phần tử Solid45 có điểm nút với nút có ba bậc tự chứa đặc trưng phần tử bê tông modul đàn hồi tỷ số poisson nước Fluid80 có điểm nút, nút có ba bậc tự có đặc trưng phần tử nước có modul đàn hồi Bulk hệ số nhớt - Kết số cho thấy khả kháng chấn nước kết cấu tháp đáng kể: Mơ hình hệ kết cấu tháp chịu ảnh hưởng tương tác chất lỏng tìm hiểu thơng qua ảnh hưởng giá trị tần số - Ket phân tích hệ kết cấu tháp nước khơng gian cho thấy mực nước ảnh hưởng tới tần số dao động tự nhiên hệ Nước có khả làm giảm đáng kể dao động kết cấu tháp thông qua việc thay đổi giá trị tần số - Một số khảo sát thực chiều cao mực nước thay đổi cho thấy hiệu chuyển vị, vận tốc gia tốc lực cắt tháp giảm đáng kể - Nhược điểm mơ hình chưa phân tích mơ tả ứng xử phi tuyến nước xảy tượng sóng vỡ ... cấu tháp nước có xét tương tác chất lỏng thành bể 1- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: > Tìm hiểu mơ hình kết cấu tháp nước khơng gian ba chiều có xét tương tác chất lỏng thành bể chứa > Xây dựng mơ hình kết cấu. .. tiết xem xét sau: - Lập mơ hình kết cấu tháp nước chịu tải trọng động; - Xem xét tương tác nước bên tháp kết cấu tháp; - Mơ hình tháp, mơ hình học nước tương tác này; - Giải toán kết cấu chịu... hiểu tương tác chất lỏng bên tháp nước ảnh hưởng tần số dao động tự nhiên kết cấu tháp, nội lực cơng trình trường hợp tháp có mực nước khác ửong q trình sử dụng 6 Từ đánh giá khả giảm chấn kết cấu