Đánh giá khả năng giảm chấn của bể nước mái (TLD) trong khung phẳng xét đến tương tác với móng

> Xây dựng mô hình kết cấu khung phẳng có gắn bể nước mái như hệ giảm chấn dạng chất lỏng theo mô hình phi tuyến và xét đến tương tác nền móng cọc bên dưới, thiết lập phương trình chuyển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

DƯƠNG HOÀNG PHƯƠNG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG GIẢM CHẤN CỦA BỂ NƯỚC MÁI (TLD) TRONG KHUNG PHẲNG XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC

I

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trọng Phước

3 PGS TS Nguyễn Trung Kiên

4 TS Nguyễn Văn Hiếu

5 TS Đào Đình Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

—oOo—

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: DƯƠNG HOÀNG PHƯƠNG MSHV: 7140162

Ngày, tháng, năm sinh: 24/04/1991 Nơi sinh: Bến Tre

Chuyền ngành: KTXD Công trình DD&CN Mã số : 60580208

TÊN ĐỀ TÀI:

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG GIẢM CHẤN CỦA BỂ NƯỚC MÁI (TLD) TRONG

KHUNG PHẲNG XÉT ĐẾN TƯƠNG TÁC VỚI MÓNG 1- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

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

> Xây dựng mô hình kết cấu khung phẳng có gắn bể nước mái như hệ giảm chấn dạng chất lỏng theo mô hình phi tuyến và xét đến tương tác nền móng cọc bên dưới, 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 VỤ : 11/01/2016

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 17/06/2016

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

LỜI CÁM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc đến TS Nguyễn Trọng Phước Thầy đã tận tình giúp đỡ tôi, cho những góp ý đáng giá giúp tôi có thể nhận định đúng những vấn đề nghiên cứu và cách tiếp cận những nghiên cứu đó

Tôi xin cám ơn quý thầy cô khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy tôi những kiến thức quý báo giúp tôi có thể hoàn thành tốt luận văn Đồng thời tôi cũng xin cám ơn thầy cô, cán bộ nhân viên thư viện trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể tiếp cận nguồn tài liệu chung Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến gia đình, người thân bạn bè đã luôn động viên tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài này

Tôi xin chân thành cám ơn!

TÓM TẮT

Luận văn này đánh giá khả năng giảm chấn của bể nước mái (TLD- Tuned Liquid Damper) trong khung phẳng xét đến tương tác với móng cọc bên dưới TLD được mô hình như một TMD tương đương với các thông số khối lượng, độ cứng và tính cản phụ thuộc vào đặc tính của chất lỏng được gọi là mô hình (NSD-Nonlinear Stiffness Damping) Các thông số móng cọc được xác định dựa trên các mô hình của Novak và Dobry Kết cấu chính được rời rạc hóa bởi các khối lượng tập trung tại các tầng và bậc tự do động lực học được xét là chuyển vị ngang của các tầng Phương trình chuyển động của kết cấu có gắn

bể nước mái có xét đến tương tác với móng cọc bên dưới được thiết lập dựa trên nguyên

lý cân bằng động, và phương trình này được giải bằng phương pháp Newmark trên toàn miền thời gian Dùng chương trình Matlab (được kiểm chứng với một số kết quả từ các nghiên cứu khác khi cùng thông số đầu vào) để phân tích phản ứng động của kết cấu có gắn bể nước mái có xét đến tương tác với móng cọc bên dưới khi chịu tải động đất Các kết quả số thu được là chuyển vị, gia tốc và lực cắt của khung phẳng cho thấy hiệu quả của việc sử dụng bể nước mái và ảnh hưởng khi xét đến tương tác với móng cọc bên dưới Đồng thời khảo sát các thông số móng cọc như khoảng cách cọc, đường kính cọc xem xét

sự ảnh hưởng của các thông số trên đối với khả năng giảm chấn của TLD

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS Nguyễn Trọng Phước Các kết quả trong luận văn được thực hiện một cách trưng thực và khách quan

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016

Dương Hoàng Phương

iv

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN i

TÓM TẮT ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU V DANH MỤC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC BÀNG BIÊU X 1

CHUƠNG 1: GIỚI THỆU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN cứu 3

1.3 PHUƠNG PHÁP THỤC HỆN 3

1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN 3

2 CHUƠNG 2: TỔNG QUAN 5

2.1 GIỚI THIỆU 5

2.2 HỆ GIẢM CHẤN CHẤT LỎNG (TLD) 5

2.4 KẾT LUẬN 17

3 CHUƠNG 3: Cơ SỞ LÝ THUYẾT 18

3.1 GIỚI THIỆU 18

3.2

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ GIẢM CHẤN CHẤT LỎNG 18

3.3 CHUYÊN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG TRONG BÊ 18

3.4 PHÂN LOẠI CÁC DẠNG SÓNG CHẤT LỎNG 23

3.5 MÔ HÌNH PHÂN TÍCH HỆ GIẢM CHẤN CHẤT LỎNG 24

3.6 MÔ HÌNH TUƠNG TÁC CỦA HỆ KẾT CẤU VÀ NỀN MÓNG CỌC 27

3.7 HỆ SỐ ĐỘ CỨNG VÀ HỆ SỐ CÀN CỦA NỀN CỌC 28

3.8 PHÂN TÍCH MÔ HÌNH 33

3.9 PHUƠNG PHÁP GIẢI VÀ THUẬT TOÁN GIẢI 39

4 CHUƠNG 4: VÍ DỤ SỐ 43

4.1 GIỔI THIỆU 43

4.2 KIÊM CHÚNG CHUƠNG TRÌNH TÍNH 43

4.3 PHẢN ÚNG CỦA KHUNG PHẲNG GẮN TLD CÓ XÉT TUƠNG TÁC NỀN MÓNG CỌC BÊN DƯỚI 47

4.4 KẾT LUẬN CHUƠNG 73

CHUƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HUỔNG PHÁT TRIỂN 74

V

MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT

TLD: Tuned Liquid Damper - Hệ giảm chấn điều chỉnh chất lỏng

TLCD: Tuned Liquid Column Damper - Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng TMD:

Tuned Mass Damper -Hệ giảm chấn điều chỉnh khối lượng

NSD: Nonlinear Stiffness Damping - Mô hình giảm chấn khối lượng tương đương với

T Chu kỳ dao động của sóng chất lỏng

2a Chiều dài bể chứa

B Chiều rộng bể chứa

h Chiều cao chất lỏng trong bể chứa

md Khối lượng của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương

kd Độ cứng của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương

c d Hệ số cản của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương

f d Tần số của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương

Ẹ d Tỷ số cản của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương

K Tỷ số điều chỉnh độ cứng

A Biên độ dao động

A Giá trị không thứ nguyên của biên độ dao động

Ms Ma ttận khối lượng của kết cấu nhiều bậc tự do

Ks Ma ttận độ cứng của kết cấu nhiều bậc tự do

vi

Cs Ma trận cản của kết cấu nhiều bậc tự do u s Vector chuyển vị của kết cấu nhiều bậc

tự do 1 Vector vận tốc của kết cấu nhiều bậc tự do ủs Vector gia tốc của kết cấu nhiều

bậc tự do M Ma trận khối lượng của hệ gồm kết cấu và giảm chấn K Ma trận độ cứng của hệ gồm kết cấu và giảm chấn c Ma trận cản của hệ gồm kết cấu và giảm chấn u Vector chuyển vị của hệ gồm kết cấu và giảm chấn ì’ Vector vận tốc của hệ gồm kết

cấu và giảm chấn ú Vector gia tốc của hệ gồm kết cấu và giảm chấn t, Át Thời gian,

bước thời gian i Số nguyên, thể hiện giá trị của các đại lượng tại thời điểm t i+1 Số

nguyên, thể hiện giá trị của các đại lượng tại thời điểm t+At Au Số gia chuyển vị giữa

hai thời điểm ị và ỉ+1

Số gia vận tốc giữa hai thời điểm ị và ỉ+1

Số gia gia tốc giữa hai thời điểm ị và ỉ+1 úg Gia tốc nền của động đất theo thời

gian m s Khối lượng của kết cấu có một bậc tự do k s Độ cứng của kết cấu có một bậc tự

do c, Hệ số cản của kết cấu có một bậc tự do ệ Tỷ số cản của kết cấu f s Lực đàn hồi f D

, c x Hệ số độ cứng, hệ số cản theo phương ngang

kỹ, Cg Hệ số độ cứng, hệ số cản theo phương xoay

Ip Là moment quán tính của mặt cắt ngang đối với trục họng tâm của cọc

V s =ỳGIp ; vận tốc sóng cắt của đất

vii

V c Vận tốc sóng cắt của cọc

E p Modun đàn hồi Young của cọc

Kỵ Độ cứng nhóm cọc theo phương ngang

Kỵ Độ cứng cọc đơn theo phương ngang

Cỵ Hệ Số nhóm cọc theo phương ngang

Kg Độ cứng nhóm cọc theo phương xoay

K x Độ cứng cọc đơn theo phương đứng

Hệ số nhóm cọc theo phương xoay

8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Động đất Northridge, năm 1994 2

Hình 1.2: Động đất Nepal, 2015 2

Hình 2.1: Hệ giảm chấn điều chỉnh sóng chất lỏng[l] 6

Hình 2.2: Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD) 7

Hình 2.3: Thiết bị MCC Aqua Damper ở tòa nhà Gold Tower 8

Hình 2.4: Hệ giảm chấn TLD ở Shin Yokohama Tower[3] 8

Hình 2.5: Tháp Yokohama Marine và khách sạn Yokohama Prince sử dụng TLD 9

Hình 2.6: Ảnh hưởng của tương tác động[21] 13

Hình 2.7: Dao động của công trình 14

Hình 3.1: Các tham số trong chuyển động sóng 19

Hình 3.2: Sóng trong bể chữ nhật chịu chuyển vị ngang[2] 21

Hình 3.3: Mô hình TLD (a) và mô hình NSD tương đương (b) 25

Hình 3.4: Biểu đồ chuyển vị theo thời gian để xác định A [6] 26

Hình 3.5: Mô hình kết cấu một bậc tự do có gắn TLD và mô hình NSD 27

Hình 3.6: Mô hình tương tác của hệ kết cấu N tầng và nền móng cọc[35] 27

Hình 3.7: Mô hình cọc tương tác trong đất[32] 29

Hình 3.8: Hệ số độ cứng và độ cản động nhóm cọc 2 x2 theo phương ngang[35] 31

Hình 3.9: Hệ số độ cứng và độ cản động nhóm cọc 3x3 theo phương ngang[35] 31

Hình 3.10: Hệ số độ cứng và độ cản động nhóm cọc 2 x2 theo phương xoay 32

Hình 3.11: Hệ số độ cứng và độ cản động nhóm cọc 3x3 theo phương xoay 33

Hình 3.12: Mô hình khung phang n tầng có gắn TLD và xét tương tác nền móng cọc bên dưới 34

Hình 4.1:Gia tốc nền động đất El Centro 1940 45

Hình 4.2: Gia tốc nền động đất San Fernando 46

Hình 4.3: Phổ năng lượng động đất San Fernando 46

Hình 4.4: Mô hình nhóm cọc 3x3 48

Hình 4.5: Mô hình khung phang có gắn TLD và xét đến tương tác nền móng cọc bên dưới 48

Hình 4.6: Chuyển vị tầng đỉnh khi chịu tải điều hòa 49

Hình 4.7: Vận tốc tầng đỉnh khi chịu tải điều hòa 49

Hình 4.8: Gia tốc tầng đỉnh khi chịu tải điều hòa 49

Hình 4.9: Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hòa 50

Hình 4.10: Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hòa 50

Hình 4.11: Độ giảm chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hòa 50

Hình 4.12: Độ giảm chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hòa 50

Hình 4.13: Gia tốc nền động đất Superstition 51

Hình 4.14: Phổ năng lượng động đất Superstition 51

Hình 4.15: Chuyển vị tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 52

Hình 4.16: Vận tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 52

Hình 4.17: Gia tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 52

Hình 4.18: Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Superstition 53

ix

Hình 4.19: Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Superstition 53

Hình 4.20: Độ giảm chuyển vị lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét và không xét tương tác nền móng cọc bên dưới 53

Hình 4.21: Độ giảm lực cắt lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét và không xét tương tác nền móng cọc bên dưới 54

Hình 4.22: Gia tốc nền động đất Hachinole 54

Hình 4.23: Phổ năng lượng động đất Hachinole 54

Hình 4.24: Chuyển vị tầng đỉnh khi chịu động đất Hachinole 55

Hình 4.25: Vận tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Hachinole 55

Hình 4.26: Gia tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Hachinole 55

Hình 4.27: Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Hachinole 56

Hình 4.28: Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Hachinole 56

Hình 4.29: Độ giảm chuyển vị lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét và không xét tương tác nền móng cọc bên dưới 57

Hình 4.30: Độ giảm lực cắt lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét và không xét tương tác nền móng cọc bên dưới 57

Hình 4.31: Chuyển vị tầng đỉnh khi chịu tải điều hòa 58

Hình 4.32: Vận tốc tầng đỉnh khi chịu tải điều hòa 59

Hình 4.33: Gia tốc tầng đỉnh khi chịu tải điều hòa 59

Hình 4.34: Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hòa 59

Hình 4.35: Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hòa 60

Hình 4.36: Độ giảm chuyển vị khi khi xét khoảng cách cọc từ lOd và 5d 60

Hình 4.37: Độ giảm lực cắt khi xét khoảng cách cọc từ lOd và 5d 60

Hình 4.38: Chuyển vị tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 61

Hình 4.39: Vận tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 61

Hình 4.40: Gia tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 61

Hình 4.41: Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Superstition 62

Hình 4.42: Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Superstition 62

Hình 4.43: Độ giảm chuyển vị lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét khoảng cách cọc từ lOd và 5d 62

Hình 4.44: Độ giảm lực cắt lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét khoảng cách cọc từ lOd và 5d 63

Hình 4.45: Chuyển vị tầng đỉnh khi chịu động đất Hachinole 63

Hình 4.46: Vận tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Hachinole 63

Hình 4.47: Gia tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Hachinole 64

Hình 4.48: Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Hachinole 64

Hình 4.49: Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Hachinole 64

Hình 4.50: Độ giảm chuyển vị lớn nhất của khung phẳng có gắn TLD khi xét khoảng cách cọc từ lOd và 5d 65

Hình 4.51: Độ giảm lực cắt lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét khoảng cách cọc từ lOd và 5d 65

Hình 4.52: Chuyển vị tầng đỉnh khi chịu tải điều hòa 66

Hình 4.53: Vận tốc tầng đỉnh khi chịu tải điều hòa 66

X

Hình 4.54: Gia tốc tầng đỉnh khi chịu tải điều hòa 67

Hình 4.55: Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hòa 67

Hình 4.56: Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hòa 67

Hình 4.57: Độ giảm chuyển vị lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét đường kính cọc d=l 2m và d=l Om 68

Hình 4.58: Độ giảm lực cắt lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét đường kính cọc d=l 2m và d=l Om 68

Hình 4.59: Chuyển vị tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 68

Hình 4.60: Vận tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 69

Hình 4.61: Gia tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Superstition 69

Hình 4.62: Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu động đấtSuperstition 69

Hình 4.63: Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Superstition 70

Hình 4.64: Độ giảm chuyển vị lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét tương tác nền móng cọcl 2m và cọc lm 70

Hình 4.65: Độ giảm lực cắt lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét tương tác nền móng cọcl 2m và cọc lm 70

Hình 4.66: Chuyển vị tầng đỉnh khi chịu động đất Hachonile 71

Hình 4.67: Vận tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Hachonile 71

Hình 4.68: Gia tốc tầng đỉnh khi chịu động đất Hachonile 71

Hình 4.69: Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Hachonile 72

Hình 4.70: Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất Hachonile 72

Hình 4.71: Độ giảm chuyển vị lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét tương tác nền móng cọcl.2m và cọc lm 72

Hình 4.72: Độ giảm lực cắt lớn nhất của khung phang có gắn TLD khi xét tương tác nền móng cọcl 2m và cọc lm 73

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thiệt hại về người và tài sản qua một số ttận động đất 1

Bảng 3.1: Phân loại sóng chất lỏng[2] 23

Bảng 3.2: Bảng giá trị của Zti>Zt2’/ới’/ớ2theo Novak(1974) 29

Bảng 4.1:Khối lượng và độ cứng của khung 3 tầng 43

Bảng 4.2:Tần số dao động riêng của khung 44

Bảng 4.3:Chuyển vị lớn nhất các tầng 45

Bảng 4.4:Thông số đầu vào của TLD 46

Bảng 4.5: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc lớn nhất tại đỉnh 47

Bảng 4.6:Thông số đầu vào của TLD 47

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

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

Bảng 1.1: Thiệt hại về người và tài sản qua một sổ trân động đất

2

Hình 1.1: Động đẩt Northridge, năm 1994

Hình 1.2: Động đất Nepal, 2015

3

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá khả năng giảm chấn của bể nước mái đóng vai trò như hệ giảm chấn chất lỏng và có xét đến tương tác của nền móng cọc bên dưới Để hoàn thành luận văn cần thực hiện các nhiệm vụ sau đây: Tìm hiểu xác định các thông số động lực học của bể nước và mô hình tương đương hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) Tìm hiểu mô hình tương tác động lực học của kết cấu bên trên và nền móng cọc bên dưới Xây dựng mô hình kết cấu khung phẳng có gắn bể nước mái 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 dạng chất lỏng (TLD) khi khung phẳng chịu tải động đất dựa trên chương trình tính toán được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB

Phương 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 bể nước và mô hình tương đương hệ giảm chấn chất lỏng (TLD), mô hình tương tác động lực học của kết cấu bên trên và nền móng cọc bên dưới Phương trình chủ đạo của kết cấu gắn TLD có xét tương tác nền móng cọc bên dưới được thiết lập dựa trên sự cân bằng động, vì mô hình là phi tuyến nên phương trình này là phương trình vi phân phi tuyến và giải bằng phương pháp từng bước Newmark, gia tốc nền được lựa chọn là những trận động đất có phổ tần số tương đối gần với tần số riêng của kết cấu Các kết quả số thu được về chuyển

vị, vận tốc, gia tốc và nội lực giúp ta nhận xét về khả năng giảm chấn bể nước mái có xét đến tương tác nền móng cọc bên dưới

Cấu trúc luận văn gồm 5 chương bao gồm:

• Chương 1: Đặt vấn đề, nêu lý do chọn đề tài, trình bày mục tiêu nghiên cứu, phương pháp thực hiện

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

để giảm chấn, tìm hiểu tình hình nghiên cứu ừong và ngoài nước liên quan đến hệ

4 giảm chấn TLD Đồng thời luận văn cũng giới thiệu về ảnh hưởng của tương tác nền móng cọc bên dưới, một số nghiên cứu về ảnh hưởng của tương tác nền móng cọc

• Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết về hệ giảm chấn TLD, ảnh hưởng của tương tác nền móng cọc Từ đó, lựa chọn mô hình tính toán, phương pháp số để phân tích đáp ứng của hệ khi có gắn TLD liên kết cứng dưới móng và khi có gắn TLD có xét tương tác nền móng cọc

• Chương 4: Trình bày các ví dụ số để kiểm chứng chương trình tính toán và phân tích hiệu quả của giải pháp giảm chấn bằng bể nước mái khi có xét tương tác nền móng cọc bên dưới Đồng thời khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số móng cọc như đường kính cọc và khoảng cách các cọc đối với khả năng giảm chấn của TLD

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

5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

Trong chương này trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến luận văn

Sơ lược về hệ giảm chấn chất lỏng TLD, lịch sử phát triển và ứng dụng trong thực tiễn của hệ cản chất lỏng TLD Đồng thời chương này cũng trình bày sơ lược về ảnh hưởng tương tác móng cọc bên dưới công trình

2.2.1 Giới thiệu hệ giảm chấn chất lỏng (TLD)

Hệ giảm chấn chất lỏng là thiết bị giảm chấn kiểu bị động-tức là không cần dùng thêm năng lượng hay vật gì trong quá trình hoạt động được lắp đặt vào kết cấu để giảm dao động cho kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động như gió bão, động đất Trong thực tế,

hệ giảm chấn chất lỏng đã được sử dụng từ những năm 1950 nhằm khống chế dao động của các tàu bè Đến cuối những năm 1970, hệ giảm chấn này bắt đầu được sử dụng trong xây dựng nhằm giảm dao động cho kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động Từ đó, rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến vấn đề này

Bauer (1984) đề xuất sử dụng các bể chứa chữ nhật chứa hai loại chất lỏng không trộn lẫn nhau để giảm ứng xử dao động cho kết cấu Kareem và Sun (1987), Toshiyuki và Tanaka, Modi và Welt (1987) là những nhà nghiên cứu đầu tiên ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng ttong kết cấu xây dựng

2.2.2 Phân loại hệ giảm chấn chất lỏng

Hệ giảm chấn điều chỉnh chất lỏng được chia thành hai dạng chính: hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sóng chất lỏng bề mặt (Tuned Sloshing Damper - TSD) và hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng (Tuned Liquid Column Damper - TLCD)

• Hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sóng chất lỏng bề mặt

Hệ giảm chấn điều chỉnh chuyển động sóng chất lỏng bề mặt (TSD) tiêu tán năng lượng thông qua ma sát ở tầng biên của chất lỏng, sự chuyển động của sóng bề mặt và thông qua hiện tượng sóng vỡ (Sóng vỡ là hiện tượng chất lỏng dao động không ổn định hay sóng không tồn tại ở trạng thái cũ, vận tốc của chất điềm lớn hơn vận tốc truyền sóng,

6 các chất điểm vượt khỏi mặt dao động của sống Trong trường hợp này các mô hình tuyến tính đơn giản không thể mô tả ứng xử của chất lỏng [1]) Thiết bị TSD cố thể phân thành hai loại tùy theo cao độ mực chất lỏng (theo Sun và cộng sụ 1992)[2]: (1) một loại dùng sóng nước nông, (2) loại còn lại dùng sóng nước sâu: sử dụng các vách ngăn (Baffle) hoặc

mân (Screen) để điều khiển dao động sống Khỉ tỷ số h/L nằm trong khoảng l/25-l/20</i /L < 1 / 2được xem là sóng nước nông, với h là chiều cao mực nước, L là chiều dài sóng

theo phương chuyển động

• Dễ dàng điều chỉnh bằng cách thay đổi chiều cao mực nước hoặc kích thước bể chứa

• Có khả năng hoạt động theo nhiều phương khác nhau

• Có thề kết hợp làm bề nước sinh hoạt

Nhược điểm:

Khi tỷ số h/L nhỏ hơn 0.15 thì sự tiêu tán năng lượng sẽ lớn hơn Tuy nhiên, mực nước

quá nông không thích hợp để kết hợp TSD làm bể nước sinh hoạt vì như thế sẽ lãng phí diện tích vốn hạn hẹp ở các tòa nhà cao tầng

2.2.4 ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong thực tế

Tòa nhà Gold Tower ở Chiba-Nhật Bản sử dụng MCC Aqua Damper, người ta dùng

16 bể chứa ở tầng mái công trình (cao độ 158m) với tổng khối lượng chất lỏng lên đến 10 tấn và bằng 1/100 khối lượng của toàn bộ công trình công trình, bể chứa nước dạng khối với các lưới sợi thép được bố trí dọc theo dòng chảy chất lỏng bên trong bể Sau khi các thiết bị kháng chấn trên được gắn vào công trình thì người ta đo

8 được phản ứng của kết cấu trước tác động của tải ưọng động đã giảm đỉ khoảng 50- 60%

so với khi không sử dụng thiết bị kháng chấn TLD

Hình 2.3: Thiết bị MCC Aqua Damper ở tòa nhà Gold Tower

Khách sạn Shin Yokohama Prince ờ Nhật Bản, có TLD được lắp đặt gồm 9 bể chứa chất lỏng có đường kính 2m chiều cao 22cm, chiều cao tổng cộng là 2m đã giúp cho công trình giảm được 50-70% dao động khi vận tổc gió là 20m/s và còn giúp giảm hơn nữa nếu tốc độ gió cao hơn Gia tốc công trình khỉ không sử dụng TLD là 0.01( m/s2) còn khi có TLD là 0.006(m/s2) Thiết bị TLD dạng này còn được ứng dụng trong các công trình ở sân bay quốc tế Nagasaki, sân bay quốc tế Tokyo, và tòa nhà Yokohama (Tamura và cộng sự, 1995)[3J

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

Hệ giảm chấn TLD úng dụng cho công trình tháp Yokohama Marine gồm 39 bề chứa dạng hình trụ tròn Tần số chuyền động của chất lồng trong bể được điều chỉnh gần như sảt vối tần số dao động tự nhiên thấp nhất của tháp Tổng khối lượng chất lỏng trong các

9

bể là 1.53x10s kg, xấp xỉ 1% khối lượng của kết cấu Kết quả đo đạt cho thấy khi tốc độ gió là 20 m/s, giá trị bình phương tối thiểu của biên độ gia tốc giảm đi 1/3 so với khi không lắp đặt TLD

Hình 2.5: Tháp Yokohama Marine và khảch sạn Yokohama Prince sử dụng TLD

Ngoài ra, TLD còn được ứng dụng tại một số công trình trên thế giới như: tòa nhà One Ricon Hill, San Francisco; tòa nhà One Wall Center ở Vancouver, British Columbia

2.2.5 Tổng quan tài liệu về hệ giảm chấn chất lỏng

• L.M Sun (1992)[2] đề xuất mô hình phi tuyến sử dụng lý thuyết sóng nước nông

đê giải quyết phương trình Navỉer - Stokes và phương trình liên tục Hơn nữa, ông đưa ra hai hệ số thực nghiêm để giải thích cho sự ảnh hưởng của hiện tượng sóng vỡ

• Modi và Seto (1997)[4] đề xuất một nghiên cứu số cỏ xét đến ứng xử phi tuyến của TLD, bao gồm ảnh hưởng của sụ phân tán sóng cũng như ma sát tầng biên tại thành bể, tương tác giữa các vật nổi tại bề mặt và sóng vỡ Tuy nhiên, khi chiều cao 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

• L.M Sun và cộng sự (1995)[5] đã kiểm chứng mô hình giảm chấn khối lượng tương đương bao gồm các đại lượng khối lượng, độ cứng và tính cản từ các số liệu thực nghiệm của bể hình chữ nhật, hình tròn và hình vành khuyên chịu tác động của kích thích điều hòa

• Yu (1997)[6], Yu và cộng sự (1999)[7] đề xuất một mô hình giảm chấn khối lượng

10 tương đương với độ cứng và tính cản phi tuyến được tính toán dựa vào sự tương 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

• Gardarsson và cộng sự (2001)[8]mở rộng ý tưởng bằng việc nghiên cứu ứng xử của TLD có đáy dốc 30° Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khối lượng chất lỏng tham gia vào chuyển động sóng nhiều hơn nên năng lượng tiêu tán trong mô hình này cũng lớn hơn

• Reed và cộng sự (1998)[9] nghiên cứu ứng xử của TLD chịu kích động có biên độ lớn thông qua thí nghiệm và so sánh kết quả với một mô hình số dựa trên phương trình sóng nước nông phi tuyến Nghiên cứu chỉ ra tần số của TLD tăng khi biên độ kích động tăng và để TLD đạt hiệu quả tốt nhất thì tần số của TLD được điều chỉnh nhỏ hơn tần số riêng của kết cấu, và khi đó tần số phi tuyến thật của TLD sẽ gần với tần số riêng của kết cấu

• 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 Họ đơn giản hóa bài toán trong không gian ba chiều bằng cách xét bài toán theo một phương, điều này có nhiều thuận lợi trong quá trình tính toán Tuy nhiên, nghiên cứu này không được kiểm chứng bằng thực nghiệm

• Cassolato và cộng sự (2010)[l 1] đề xuất sử dụng các màn ngăn bên trong để tăng

tỷ số cản của TLD Họ tính toán hệ số tổn hao ứng suất cho các màn ngăn và ước lượng năng lượng tiêu tán bởi các màn ngăn đồng thời phát triển mô hình mô tả ttạng thái ổn định của chất lỏng Mô hình đó cho thấy rằng một TLD được ttang bị các màn ngăn điều chỉnh được có thể tạo ra một tỷ số cản không đổi trên một dải của biên độ kích thích

• Li và Wang (2004)[12] đề xuất sử dụng nhiều TLD để giảm phản ứng của nhiều mode dao động của các kết cấu cao tầng khi chịu kích thích của động đất Các TLD được điều chỉnh cho phù hợp với các mode dao động đầu tiên của kết cấu Kết quả lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng với cùng một tỷ số khối lượng, hệ gồm nhiều TLD sẽ cho hiệu quả tốt hơn hệ chỉ gồm một TLD

• Tait và cộng sự (2005, 2007)[13, 14] tiến hành nghiên cứu ứng xử theo hai phương của TLD TLD được cho chịu các kích động theo một phương và hai phương nằm ngang Đặc trưng động của nước trong bể chứa được mô tả bởi chuyển động của mặt thoáng, lực cắt đáy và năng lượng tiêu tán Kết quả cho thấy TLD ứng xử tách rời theo hai phương

11 Điều đó cho phép sử dụng bể chứa hình chữ nhật để giảm phản ứng động theo hai phương vuông góc của kết cấu

• Banerji và cộng sự (2000)[ 15] nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số quan trọng của TLD dựa trên mô hình được đề xuất bởi Sun và cộng sự (1992)[2] Giá trị tối

ưu của chiều sâu chất lỏng, tỷ số giữa khối lượng TLD và tổng khối lượng kết cấu, tỷ số giữ tần số của bể và tần số dao động tự nhiên của kết cấu được xác định thông qua thực nghiệm Sau đó, một quy trình thiết kế TLD trong thực tế được kiến nghị để giảm phản ứng động cho kết cấu khi chịu động đất

• Chang và Gu (1999)[ 16] tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định các thông số tối ưu của TLD được lắp đặt trên đỉnh của kết cấu chịu kích động vortex (một trường hợp đặc biệt của tải trọng gió) Một loạt các thí nghiệm hầm gió với các hình dạng khác nhau của TLD được thực hiện Họ đề xuất tỷ số giữa tần số TLD và tần số kết cấu nằm ttong khoảng 0.9 đến 1 và tỷ số khối lượng là 2.3%

• Love và Tait (2013)[17] nghiên cứu lý thuyết và kiểm chứng bằng thực nghiệm trên mô hình gồm kết cấu và TLD có hình dạng bể chứa phức tạp Phương trình chuyển động của hệ gồm kết cấu và TLD được phát triển dựa trên phương trình Lagrange Kết cấu được cho chịu kích động điều hòa và ngẫu nhiên theo một phương và hai phương Hai TLD có hình dạng bể chứa phức tạp được xét đến Trường hợp thứ nhất, bể có hình dạng không đối xứng theo hai phương Trường hợp còn lại, bể đối xứng theo hai phương Tuy nhiên, ứng xử phi tuyến của chất lỏng không được đề cập đến trong nghiên cứu này

• Malekghasemi và cộng sự (2013)[l 8] đề xuất mô hình số sử dụng đồng thời phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method) cho chất lỏng và phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) cho bể chứa và kết cấu Mô hình được kiểm chứng bằng thực nghiệm và một số mô hình đã được đề xuất trước đó Kết quả cho thấy mô hình mô tả gần như chính xác ứng xử của TLD dưới tác dụng của kích động điều hòa và động đất Nghiên cứu này cũng cho thấy trong các mô hình được đề xuất bởi Sun (1992), Yu (1997), Xin (2009) thì mô hình đề xuất bởi Yu (1997) cho kết quả gần với thực nghiệm nhất

Tại Việt Nam, thời gian gần đây một vài tác giả đã nghiên cứu về hệ giảm chấn TLD như:

• Phân tích khả năng kháng chấn của công trình sử dụng các bể chứa trong đó có xét đến sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể, luận văn thạc sĩ, Bùi Phạm Đức Tường, 2010[

12 1] nghiên cứu các đặc trưng của TLD như tần số dao động sóng, biên độ sóng, lực cắt đáy

bể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của phần mềm ANSYS, từ đó ứng dụng TLD làm thiết bị giảm chấn cho công trình

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

2.3 TƯƠNG TÁC GIỮA MÓNG cọc BÊN DƯỚI VÀ KẾT CẤU BÊN TRÊN 2.3.1 Giói thiệu tương tác giữa kết cấu bên trên nền móng bên dưới

Trong thiết kế nhà cao tầng, người kỹ sư tính riêng phần thân công trình và phần móng Thực tế, kết cấu bên trên và đất nền bên dưới sẽ làm việc đồng thời và có sự tương tác lẫn nhau Theo (Chowdhury, 2009) [20] khi kết cấu dao động dưới các tác nhân động học thì

sẽ làm phát sinh dịch chuyển ở đáy móng, dịch chuyển này cũng tạo ra sự trao đổi năng lượng và tương tác giữa kết cấu bên trên và đất nền bên dưới (Soil-Structure Interaction, viết tắt là SSI ) Những ảnh hưởng SSI này làm cho kết cấu “dẻo” hơn và làm cho chu kì dao động và ti số cản của kết cấu lớn thêm so với khỉ không xét đến đến ảnh hưởng của SSL

2.3.2 Các dạng tương tác

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

Dynamics interaction) và tương tác quán tính (Inertial interaction)

• Tương tác động (Dynamics interaction): Tương tác giữa móng và chuyển động đất nền Tương tác động gây ra bởi độ cứng của móng hay phần ngầm của công trình, do đó

bỏ qua khối lượng khỉ xét đến tương tấc này Chính độ cứng kháng uốn của móng hay phần ngầm này làm cho quá trình truyền sóng, đặc biệt là sóng cắt trong đất bên dưới và lân cận móng bị ảnh hường

13

iđi

Hình 2.6: Ảnh hưởng của tương tảc động[21 ]

Chú thích:

Hình a: Sóng truyền theo phương ngang bị thay đổi

Hình b: Sóng truyền theo phương dọc bị thay đổi bởi phần ngầm của công trình

Hình c: Môi trường truyền sóng bên dưới công trình bị thay đổi

Hình d: Dịch chuyển xoay trong đất

• Tương tác quán tính (Inertial interaction) do lực quán tính tạo ra bởi khối lượng tập trung của kết cấu gây ra trong quá trình dao động Lực quán tính truyền tải động xuống móng, nếu nền tuyệt đối cứng thì chuyển vị của móng sẽ không xảy ra dẫn đến không xét đến tương tác này, còn nếu nền có độ cứng hữu hạn thì phải kể đến tương tác này Thực

tế, chuyển vị tại đáy móng là tổng chuyển vị bản thân của nền, chuyển vị gây ra do tương tác động và do tương tác quán tính, Năng lượng hấp thu do tương

14 tác quán tính này sẽ tiêu tán trong đất nhờ vào cản do tán xạ (Radiation damping) (Betbeder, 2003) [22],

Hình 2.7: Dao động của công trình

Trong hầu hết móng của kết cấu thì ảnh hưởng của tương tác động là không đáng kể

và có thể bỏ qua trong tính toán Do đó, tương tác giữa kết cấu và nền chỉ còn là tương tác quán tính (Datta, 2010) [23],

2.3.3 Ảnh hưởng tương tác nền đến ứng xử của kết cấu

Sự ảnh hưởng tương tác của kết cấu - đất nền làm cho kết cấu “dẻo” hơn và làm cho chu kì dao động và tỉ số cản của kết cấu lớn thêm so với khi không xét đến ảnh hưởng của tương tác Những nghiên cứu chỉ ra điều này:

• Xét chu kỳ và độ cứng hiệu chỉnh- Hệ 1 bậc tự do Chu kì dao động của kết cấu tăng khi độ cứng của kết cấu giảm Do đó Valetsos và Meek (1974) [24] đề nghị công thức tính gần đúng Công thức này cũng được sử dụng ttong thiết kế sơ bộ khi xem kết cấu chịu sự tương tác của phản lực nền, thông qua dịch chuyển ngang và xoay

15 T: chu kỳ của kết cấu khi xem liên kết cứng ở đáy móng

k: độ cứng của kết cấu khi xem liên kết cứng ở đáy móng

h: chiều cao hay khoảng cách từ khối lượng tập trung đến đáy móng

k x ,kg: hệ số độ cứng đàn hồi của nền theo phương ngang và xoay

k : độ cứng tương đương của kết cấu khi xét đến ảnh hưởng của SSL

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

£ : tỉ số cản khi kết cấu liên kết cứng ở đáy móng

CxXí: tỉ số cản ngang và xoay của đất

Nhận xét: Khi xét công trình ngàm vào đất nền bên dưới thì k x ,kg = 00 *k=k,ỉ = £

2.3.4 Tình hình nghiên cứu trên thế giói

• Veletsos và Wei (1971) [24], Luco và Westmann (1972) [25] đã cung cấp lời giải chính xác cho bài toán móng ttòn đặt trên bán không gian đàn hồi chịu tác dụng của tải động, với các tần số và hệ số Poisson khác nhau trong khoảng rộng Lời giải này sau đó đã được ứng dụng và bổ sung để phù hợp với yêu cầu của việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân và các công trình ngoài khơi

• Những năm gần đây, xem xét ảnh hưởng của DSSI bằng thí nghiệm bàn 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 cùng với kết cấu bên trên (Qiang, 2008) [26],

16

• Đối với nền móng cọc Việc xác định ứng xử động của cọc đơn hay nhóm cọc dựa vào mô hình đơn giản, dầm trên nền đàn hồi Winkler (mô hình BDWF ) và dựa vào phương pháp chính xác bằng hàm green Nhiều mô hình khác được đưa ra và kết quả 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

• Nghiên của của Novak, 1974 [27] đã đưa ra cách xác định hệ số tương tác tĩnh của nhóm cọc Tuy nhiên, hệ số tương tác này chỉ phù hợp với những dao động có tần

số thấp Với những dao động có tần số cao nó sẽ bị lỗi và không còn phù hợp

• Sau đó, nghiên cứu đầu tiên Wolf and Van Arx, 1978 [28] chỉ ra rằng ảnh hưởng tương tác động của nhóm cọc cho kết quả lớn hơn nhiều so với ảnh hưởng tương tác tĩnh Kết quả này được kiểm chứng cũng giống với kết quả của các nghiên cứu tiếp theo Kaynia & Kausel, 1982a và b)[29, 30],(Sen, Davies & Banerjee, 1985) [31]và các nghiên cứu khác

• Và nghiên cứu của George Gazetas & cộng sự 1988[32] đã đưa ra phương pháp chung để phân tích tương tác của nền móng cọc Phương pháp đã chỉ ra cách xác định

hệ số độ cứng và hệ so cản của nhóm cọc với số lượng lớn

2.3.5 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

• Đỗ Kiến Quốc và Thân Tấn Thành (2010)[33] đã phân tích ứng xử động của kết cấu chịu động đất có xét đến biến dạng nền Nghiên cứu tìm hiểu ứng xử động của đất nền khi chịu động đất với công trình bằng cách xác định độ cứng và độ cản theo cả

2 phương ngang và xoay Thiết lập phương trình tính toán xét đến sự tương tác của đất nền với kết cấu bằng cách xét đến biến dạng ngang và xoay của móng Xây dựng chương trình tính so sánh ứng xử của kết cấu khi xét và không xét đến biến dạng của nền Các kết quả được rút ra: ứng xử động của hệ kết cấu - đất không chỉ phụ thuộc vào đặc trưng của kết cấu mà còn phụ thuộc vào đặc trưng của móng và đặc trưng của nền Trong đó vận tốc sóng cắt là nhân tố vô cùng quan họng quyết định đến ứng xử của toàn bộ hệ Chuyển vị của kết cấu khi xét đến SSI luôn lớn hơn chuyển vị khi xét kết cấu liên kết ngàm Do đó tần số dao động của kết cấu khi xét ảnh hưởng SSI sẽ lớn hơn

• Lương Văn Hải và Phạm Ngọc Tân (2012)[34J đã phân tích động lực học kết cấu chịu tải trọng động có xét tương tác với đất nền được gia cường Topbase Nghiên cứu

17

đã đưa ra mô hình và công thức tính hệ số độ cứng, hệ số cản của nền được gia cường bằng Topbase Phân tích động lực học kết cấu chịu động đất ở 2 trường hợp liên kết cứng và tương tác kết cấu - nền Topbase Khảo sát ứng xử của kết cấu khi các đặc trưng của kết cấu thay đổi, số lớp Topbase gia cường nền thay đổi và đặc tính đất nền thay đổi Các kết quả được rút ra: Khi nền được gia cường Topbase thì độ cứng và độ cản của hệ kết cấu - nền Topbase được tăng lên Từ đó chu kỳ dao động và chuyển vị đỉnh của công trình giảm đáng kể so với khi chưa gia cường Topbase số lớp Top ase càng nhiều thì nền sẽ càng cứng Tuy nhiên, tác dụng tăng lên không đáng kể khi tăng

từ 1 lớp lên 2 lớp và 3 lớp Mô hình Topbase chỉ có tác dụng đáng kể khi điều kiện địa chất đất nền tương đối tốt Vì nền yếu mô hình này sẽ mất tác dụng

Các nghiên cứu trên trước khi xét mô hình công trình sử dụng TLD điều là liên kết ngàm với móng Trong khi các nghiên cứu về tương tác nền-công cũng cho thấy ảnh hưởng không nhỏ của SSI khi phân tích động lực học kết cấu Mục đích luận văn này

là khảo sát khả năng kháng chấn của công trình có xét đến ảnh hưởng của phần móng cọc bên dưới Điều này có ý nghĩa đưa mô hình gần với thực tế hơn Vì thế đề tài

nghiên cứu được chọn là: “ Đánh giá khả năng giảm chấn của bể nước mái (TLD)

trong khungphẳng xét đến tương tác với móng”

CHƯƠNG 3: cơ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về nguyên lý hoạt động của hệ giảm chấn chất lỏng(TLD), chuyển động của chất lỏng trong bể chứa, mô hình phân tích hệ giảm chất lỏng (TLD) và cách xác định các thông số mô hình đó Đồng thời giới thiệu mô hình động lực học của khung phẳng chịu động đất khi xét đến ảnh hưởng tương tác với nền móng cọc, xác định các thông số trong mô hình Từ đó đưa ra mô hình động lực học khung phẳng được giảm chấn bằng TLD và xét đến tương tác nền móng cọc bên dưới

Hoạt động của hệ giảm chấn chất lỏng dựa trên hoạt động của chất lỏng bên trong

bể chứa Khi chịu tác dụng của kích thích bên ngoài, TLD chuyển động kéo theo chất

18 lỏng bên trong bể chứa chuyển động ở dạng sóng Các sóng hình thành bên trong bể

chứa có thể là sóng nông, sóng sâu, sóng dài và đôi khi hình thành cả sóng vỡ Các loại

chuyển động khác nhau sẽ tạo hiệu quả giảm dao động của TLD cho kết cấu là khác

nhau Hiệu quả này được đánh giá thông qua lực xuất hiện trong hệ khi các chất điểm

của chất lỏng chuyển động hợp lại theo nguyên lý cộng tác dụng [19], Các lực hình

thành nên do chuyển động sóng trong bể chứa gây ra các áp lực lên thành bể và áp lực

này đóng vai trò là lực quán tính làm cho hệ trở về trạng thái cân bằng Ngoài ra ở TLD

còn tiêu hao một phần năng lượng thông qua ma sát ở lớp biên, dao động của sóng bề

mặt và sóng vỡ

Khảo sát sóng nước nông tuyến tính: Xét dòng sóng 2D (mặt phẳng xoz), chiều sâu

chất lỏng là h, và z= 0 tại bề mặt chất lỏng khi mực nước tĩnh, r| mô tả chuyển động

mặt thoáng của chất lỏng, là một hàm của vị trí X và 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 đến

nỗi mà các chuyển động của sóng có thể được xem là tuyến tính[2]

19

Hình 3.1: Các tham số trong chuyển động sóng

Chuyển động của chất lỏng được giả thiết là không nhớt, không xoay và không nén được Do vậy, hàm thế tồn tại và thỏa phương trình Laplace:

là hàm theo vị trí (x, z) và thời gian (t) Phương trình này được giải theo các điều kiện biên

Giả thiết hàm được viết dưới dạng sau (L.M Sun 1992)[2]:

(3.2)

Trong đó: (O = 2itf = 2 TĨ /T, là tần số góc của chuyển động sóng, fvà.T lần lượt là

tần số tự nhiên và chu kỳ tự nhiên của chuyển động sóng

Thay công thức (3.2) vào (3.1), số hạng đầu tiên là hàm chỉ chứa X, số hạng thứ hai là hàm chỉ chứa z, do vậy có thể viết lại là:

g2x g2z_ k 2 ôx 2 ôz 2

Nghiệm X và z được giả thiết là:

X(x) = Ae ikx +Be Z(z) = Ce kz + De~ b