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

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 VỚI MÓNG Chuyên ngành: KTXD Cơng trình DD&CN Mã số ngành : 60580208 LN VĂN THẠC SĨ Thành phổ Hồ Chi Minh, tháng 06 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trọng Phước Cán chấm nhận xét 1: TS Đào Đình Nhân Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Đỗ kiến quốc Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM vào ngày 22 tháng 07 năm 2016 Thành phần hội đồng đánh giá luận vãn thạc sĩ gồm: PGS.TS Đỗ Kiến Quốc PGS TS Nguyễn Xuân Hùng PGS TS Nguyễn Trung Kiên TS Nguyễn Văn Hiếu TS Đào Đình Nhân CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA I TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG —oOo— CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: DƯƠNG HOÀNG PHƯƠNG MSHV: 7140162 Ngày, tháng, năm sinh: 24/04/1991 Nơi sinh: Bến Tre Chuyền ngành: KTXD Cơng 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 mơ hình tốn gồm có: hệ khung rời rạc hóa với bậc tự chuyển vị ngang, mơ hình bể nước mái với thông số động lực học mơ hình móng cọc bên > Xây dựng mơ hình kết cấu khung phẳng có gắn bể nước mái hệ giảm chấn dạng chất lỏng theo mơ hình phi tuyến xét đến tương tác móng cọc bên dưới, thiết lập phương trình chuyển động hệ chịu gia tốc động đất > Viết chương trình giải phương trình chuyển động ngơn ngữ lập trình MATLAB khảo sát thơng số ảnh hưởng; số kết kiểm chứng với 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 Tp HCM, ngày tháng năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN HỘI ĐỒNG NGÀNH TS Nguyễn Trọng Phước TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LỜI CÁM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc đến TS Nguyễn Trọng Phước Thầy tận tình giúp đỡ tơi, cho góp ý đáng giá giúp tơi nhận định vấn đề nghiên cứu cách tiếp cận nghiên cứu Tôi xin cám ơn quý thầy cô khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM truyền dạy tơi kiến thức q báo giúp tơi hồn thành tốt luận văn Đồng thời tơi xin cám ơn thầy cô, cán nhân viên thư viện trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM tạo điều kiện tốt để tơi tiếp cận nguồn tài liệu chung Cuối xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến gia đình, người thân bạn bè ln động viên tơi q trình học tập thực đề tài Tôi xin chân thành cám ơn! TÓM TẮT Luận văn đánh giá khả giảm chấn bể nước mái (TLD- Tuned Liquid Damper) khung phẳng xét đến tương tác với móng cọc bên TLD mơ TMD tương đương với thông số khối lượng, độ cứng tính cản phụ thuộc vào đặc tính chất lỏng gọi mơ hình (NSD-Nonlinear Stiffness Damping) Các thơng số móng cọc xác định dựa mơ hình Novak Dobry Kết cấu rời rạc hóa khối lượng tập trung tầng bậc tự động lực học xét chuyển vị ngang tầng Phương trình chuyển động kết cấu có gắn bể nước mái có xét đến tương tác với móng cọc bên thiết lập dựa nguyên lý cân động, phương trình giải phương pháp Newmark tồn miền thời gian Dùng chương trình Matlab (được kiểm chứng với số kết từ nghiên cứu khác thông số đầu vào) để phân tích phản ứng động kết cấu có gắn bể nước mái có xét đến tương tác với móng cọc bên chịu tải động đất Các kết số thu chuyển vị, gia tốc lực cắt khung phẳng cho thấy hiệu việc sử dụng bể nước mái ảnh hưởng xét đến tương tác với móng cọc bên Đồng thời khảo sát thơng số móng cọc khoảng cách cọc, đường kính cọc xem xét ảnh hưởng thông số khả giảm chấn TLD LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng việc tơi thực hướng dẫn Thầy TS Nguyễn Trọng Phước Các kết luận văn thực cách trưng thực 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 CHUƠNG 1: GIỚI THỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN cứu 1.3 PHUƠNG PHÁP THỤC HỆN 1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN CHUƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 GIỚI THIỆU 2.2 HỆ GIẢM CHẤN CHẤT LỎNG (TLD) 2.4 KẾT LUẬN 17 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 3.4 CHUYÊN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG TRONG BÊ 18 PHÂN LOẠI CÁC DẠNG SÓNG CHẤT LỎNG 23 3.5 MƠ HÌNH PHÂN TÍCH HỆ GIẢM CHẤN CHẤT LỎNG 24 3.6 MƠ 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 MƠ HÌNH 33 3.9 PHUƠNG PHÁP GIẢI VÀ THUẬT TOÁN GIẢI 39 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 - Mơ hình giảm chấn khối lượng tương đương với độ cứng cản phi tuyến SSI: Soil-Structure Interaction- Tương tác kết cấu bên đất bên DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ® Hàm vận tốc L Chiều dài sóng chất lỏng H Chiều cao sóng chất lỏng (O Tần số góc sóng chất lỏng f Tần số sóng chất lỏng T Chu kỳ dao động sóng chất lỏng 2a Chiều dài bể chứa B Chiều rộng bể chứa h Chiều cao chất lỏng bể chứa md Khối lượng mơ hình giảm chấn khối lượng tương đương kd Độ cứng mơ hình giảm chấn khối lượng tương đương cd Hệ số cản mô hình giảm chấn khối lượng tương đương fd Tần số mơ hình giảm chấn khối lượng tương đương Ẹd Tỷ số cản mơ 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 biên độ dao động Ms Ma ttận khối lượng kết cấu nhiều bậc tự Ks Ma ttận độ cứng kết cấu nhiều bậc tự 45 Đồ thị gia tốc thể hình sau: Hình 4.7.‘Gia tốc động đất El Centro 1940 Kết chuyển vị lớn tầng giải kiểm chứng với luận văn HT Dũng (2013) [37] Bảng 4.3:Chuyển vị lớn nhắt tầng Luận văn HT Luận vãn Dũng (2013) [37] U L u2 0.6902 0.714 -3.33 1.07 1.1 -2.72 1,27 1.287 -1.34 max u3 Chênh lệch (%) max Bảng 4.3 cho thấy kết chuyển vị lán tầng luận văn kết chuyển vị Luận văn HT Dũng (2013) [37] sai số không lớn, nhỏ 1.34% lớn 3.33% Kết cho thấy chương trình tính tốn viết đáng tin cậy cỗ thể dùng để phân tích động lực học cho ví dụ 4.2.3 Phân tích kết cấu có gắn TLD chịu động đất Mục đích mục kiểm chứng độ tin cậy chương trình tính tốn đặc trưng hệ có gắn TLD cách so sánh giá trị lớn chuyền vị, vận tốc gia tốc chương trình tính tốn với kết luận văn NN Viên [38] 46 Đài tốn xét mơ hình kết cấu 20 tầng Khối lượng tầng mi = 500x10s kg, độ cứng tầng Ki = 6xl08 N/m, tỷ số cản ị = 0.02 Tần số mode dao động khung fs = 0.422 Hz Kết cấu gắn vào TLD có thơng số bảng 4.4 Gia tốc trận động đất San Fernando thể hình 4.2 Bảng 4.4:Thơngsẩ đầu vào TLD Hình 4.3: Phổ lượng động đất San Fernando 47 Ket so sánh thể qua bảng sau: Bảng 4.5: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc lớn đỉnh 4.3 PHẢN ỨNG CỦA KHUNG PHẢNG GẮN TLD CÓ XÉT TƯƠNG TÁC NÈN MÓNG CỌC BÊN DƯỚI Nhằm khảo sát phản ứng khung phẳng gắn TLD có xét tương tác móng cọc bên dưới, luận văn xét mơ hình kết cấu 20 tầng hình 4.8 Khối lượng tầng mi = 500xl03 kg, độ cứng tầng Ki = 6xl08 N/m, tỷ số cản ệ = 0.02 chiều cao tầng 4m Tần số mode dao động khung fs = 0.422 Hz • Các thơng số đầu vào TLD: Bảng 4.6: Thông số đầu vào TLD • Các thơng số đầu vào hệ móng cọc đất bên 48 Hình 4.4: Mơ hình nhóm cọc 3x3 Sử dụng nhóm cọc 3x3 mơ tả hình 4.4 vối số liệu: Nền bán không gian đồng p=0.05;£'? / Es =1000, vận tốc sóng cắt đất Vs = 2ŨữmỊ s2 Cọc có đường kính d=1.0m, dài L=25d, vật liệu E=40xl06 kN/m2, khoảng cách tim cọc tới tim cọc S=10d hệ số poỉsson cọc V=0.4 Lấy ữQ=(ữd ỈVS=Ồ.5 • Mơ hình khung phẳng có gắn TLD xét đến tương tác móng cọc bên dưới: Hình 4.5: Mơ hình khung phàng cỏ gắn TLD xẻt đến tương tác mỏng cọc bên 49 4.3.1 Phản ứng hệ chịu tải điều hòa Cho kết cấu chịu tải điều hòa tất tầng /’(í) = miug (í), với mi khối lượng tầng thứ i, ug (í) = O.O5 sin(2tf-X 1.05X X í) = 0.05 sin(2.784í) Kết chuyển vị, vận tốc, gia tốc tầng đỉnh theo thời gian hệ chịu tải điều hòa trường hợp: khơng gắn hệ giảm chấn, hệ có gắn hệ giảm chấn TLD, hệ có gắn hệ giảm chấn TLD có xét tương tác móng cọc bên thể hình sau: Hình 4.7: Vận tốc tầng đỉnh chịu tải điều hòa Hình 4.8: Gia tốc tầng đỉnh chịu tải điều hòa 50 Hình 4.10: Lực cắt lởn cảc tầng chịu tải điều hòa Hỉnh 4.11: Độ giảm chuyển vị lởn tầng chịu tải điều hỏa Hình 4.12: Độ giảm chuyền vị lởn cảc tầng chịu tải điều hòa 51 Nhận xét: Luận văn chọn giá trị tần sổ tảỉ gần tần số hệ kết cấu nhằm mục đích xem xét ảnh hưởng tương tác mống cọc bên đến hiệu giảm chấn hệ TLD trường hợp hệ TLD làm việc hiệu Các kết cho ta thấy hiệu hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) khỉ xét khung phẳng liên kết cứng với mống làm giảm chuyển vị, vận tốc, gia tốc lực cắt khung phẳng Khỉ khung phẳng có gắn hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) xét tương tác móng cọc bên chuyển vị tăng thêm 41% tầng đỉnh, lực cắt giảm thêm 48% tầng so với khung phẳng có gắn hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) liên kết cứng với móng 4.3,2 Phản ứng hệ khỉ chịu tải động đất Superstition Trận động đất Superstition cỏ gia tốc hình sau: Hình 4.14: Phô lượng động đât Superstition 52 Kết phản ứng chuyển vị, vận tốc, gia tốc tầng đỉnh khung phẳng theo thời gian trường hợp: hệ không gắn hệ giảm chấn, hệ cố gắn hệ giảm chấn TLD, hệ có gẳn hệ giảm chấn TLD cố xét tương tác đất thể hình sau: Hình 4.16: Vận tốc tầng đỉnh chịu động đất Superstition Hỉnh 4.17: Gia tắc tầng đỉnh khỉ chịu động đất Superstition Kết phản ứng chuyển vị, lực cắt lớn tầng khung trường hợp: hệ khơng gắn hệ giảm chấn, hệ có gắn hệ giảm chấn TLD, hệ có gắn hệ giảm chấn TLD cố xét tương tác đất thể hình sau: 53 Hình 4.18: Chuyển vị lớn tầng chịu động đất Superstition Hỉnh 4.19: Lực cắt lởn tầng chịu đọng đất Superstition Độ giảm chuyển vị lán nhất, lực cắt lớn hệ có gắn hệ giảm chấn TLD, hệ có gắn hệ giảm chấn TLD cố xét tương tác mỏng cọc thề hình sau: Hỉnh 4.20: Độ giảm chuyền vị lớn khung phẳng cổ gắn TLD khỉ xét khơng xét tương tác móng cọc bên 54 Hình 4.21: Độ gỉảm lực cẳt lớn khung phẳng có gắn TLD xét khơng xét tương tác móng cọc bên 4.3.3 Phản ứng hệ chịu tải động đất Hachinole Các số liệu láy giống mục (4.3.1) Gia tốc phổ lượng động đất San Fernando thề hình sau: Hình 4.22: Gia tốc động đất Hachinoỉe Hình 4.23: Phổ lượng động đất Hachỉnole 55 Kết phản ứng chuyển vị, vận tốc, gia tốc tầng đỉnh khung phẳng theo thời gian trường hợp: hệ không gắn hệ giảm chấn, hệ cố gắn hệ giảm chấn TLD, hệ có gẳn hệ giảm chấn TLD cố xét tương tác đất thể hình sau: Hình 4,24: Chuyển vị tầng đỉnh chịu động đất Hachỉnole Hình 4.25: Vận tốc tầng đỉnh chịu động đất Hachinoỉe Hình 4.26: Gia tốc tầng đỉnh chịu động đấtHachinole 56 Kết phản ứng chuyển vị, lực cắt lớn tầng khung trường hợp: hệ không gắn hệ giảm chấn, hệ cỏ gắn hệ giảm chấn TLD, hệ cố gắn hệ giảm chấn TLD có xét tương tác đất thể hình sau: Hình 4.27: Chuyển vị lớn tầng chịu đọng đất Hachinoỉe Hình 4.28: Lực cắt lớn nhắt tầng chịu động đất Hachinoỉe Độ giảm chuyển vị lớn nhất, lực cắt lớn hệ có gắn hệ giảm chấn TLD, hệ có gắn hệ giảm chấn TLD cỏ xét tương tác móng cọc thề hình sau: 57 Hình 4.29: Độ giảm chuyển vị lớn khung phẳng cỏ gắn TLD xét không xét tương tác móng cọc bên Hình 4.30: Độ giảm lực cắt ỉởn khung phẳng có gắn TLD xét khơng xét tương tác móng cọc bên Nhận xét: Từ kết mục 4.3.2 4.3.3 cho ta thấy hiệu hệ giảm chấn TLD khung phẳng cỏ gắn TLD chịu tải động đất Hơn kết cho thấy hiệu giảm chấn TLD tăng lên khỉ xét thêm móng cọc bên dưới, cụ thể hai trường hợp chịu hai trận động đất khác cố độ giảm lực cắt khoảng 20- 35% Hiệu giảm chấn TLD xét tương tác móng cọc bên khác trường hợp tải điều hòa hai trận động đất khác Cụ thể kết ưong mục 4.3.1,4.3.2, 4.3.3 Đồng thời quan sát chuyển vị đỉnh cơng trình chuyển vị trường hợp 58 khung phằng cỏ gắn TLD xét tương tác mỏng cọc bên nhỏ trường hợp khung phằng cỏ gắn TLD xét liên kết cứng với móng Trường hợp xảy chuyển vị trường hợp khung phằng có gắn TLD xét tương tác mỏng cọc bên chưa kể đến chuyền vị ngang gốc xoay đáy khung phẳng 4.3.4 Khảo sát ảnh hưởng khoảng cách cọc Nhằm khảo sát ảnh hưởng khoảng cách cọc đến phản ứng khung phẳng gắn TLD chịu tải điều hòa động đất Ta xét trường hợp nhóm cọc 3x3 so sánh hai khoảng cách S=1 Od s=5d Các thông số khác không thay đổi Các số liệu lấy giống mục (4.3.1) • THlĩXét trường hựp khung chịu tải điều Các số liệu lấy giống mục (4.3.1) Kết thể qua đồ thị sau: Hình 4.31: Chuyển vị tầng đỉnh chịu tải điều hỏa 59 G in loe taqg 20 ■ ÍIHMIUIÌỘ Hình 4.32: Vận tốc tầng đỉnh chịu tải điều hòa Ch»iy Tìm hiểu mơ hình tốn gồm có: hệ khung rời rạc hóa với bậc tự... gắn bể nước mái có xét đến tương tác với móng cọc bên chịu tải động đất Các kết số thu chuyển vị, gia tốc lực cắt khung phẳng cho thấy hiệu việc sử dụng bể nước mái ảnh hưởng xét đến tương tác với. .. hình bể nước mái với thông số động lực học mô hình móng cọc bên > Xây dựng mơ hình kết cấu khung phẳng có gắn bể nước mái hệ giảm chấn dạng chất lỏng theo mơ hình phi tuyến xét đến tương tác móng