Ứng dụng bể chứa chất lỏng có thành mỏng trong việc kháng chấn và điều khiển dao động công trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÙI PHẠM ĐỨC TƯỜNG ỨNG DỤNG BỂ CHỨA CHẤT LỎNG CÓ THÀNH MỎNG TRONG VIỆC KHÁNG CHẤN VÀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG CƠNG TRÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: CƠ KỸ THUẬT Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÙI PHẠM ĐỨC TƯỜNG ỨNG DỤNG BỂ CHỨA CHẤT LỎNG CÓ THÀNH MỎNG TRONG VIỆC KHÁNG CHẤN VÀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG CƠNG TRÌNH NGÀNH: CƠ KỸ THUẬT Hướng dẫn khoa học: TS PHAN ĐỨC HUYNH PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 09 năm 2020 (Ký tên ghi rõ họ tên) Bùi Phạm Đức Tường i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả muốn gởi lời cảm ơn chân thành đến tất Thầy Cơ nhiệt tình giảng dạy tạo điều kiện nghiên cứu thời gian tác giả học tập chương trình đào tạo Nghiên Cứu Sinh Khoa Xây Dựng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Đây hội quý báu mà tác giả có Tác giả mong muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Phan Đức Huynh PGS.TS Lương Văn Hải hai Thầy trực tiếp hướng dẫn tác giả chặng đường vừa qua để tác giả hoàn thành Luận án Hai Thầy tạo điều kiện tốt nhanh chóng giúp đỡ tác giả Và hết hai Thầy truyền thụ tinh thần hăng say làm việc để tác giả tiếp tục cố gắng cho nghiên cứu tương lai Tác giả xin ghi nhận giúp đỡ Th.S Nguyễn Văn Đồn đóng góp nhiều ý kiến sâu sắc, bổ ích cho tác giả Ngoài ra, tác giả gửi lời tri ân đến thành viên Lab Mô Phỏng Động Đất thuộc Khoa Xây Dựng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM ngày làm việc Tác giả muốn dành cho Cha Mẹ lịng kính trọng thiết tha Cha Mẹ hy sinh dành cho Những lời dạy bảo Cha Mẹ làm hành trang cho tác giả bước vào sống với tâm cao để đến ngày hôm Và cuối cùng, tác giả muốn gởi lời cảm ơn đến Người Bạn Đời Mẹ Sydney người động viên tác giả cố gắng không ngừng nghỉ giai đoạn làm luận án đặc biệt lúc gặp nhiều khó khăn Nhưng kiến thức cịn hạn chế chắn khơng tránh khỏi sai sót hay khiếm khuyết Cho nên tác giả mong muốn nhận lời góp ý chân thành tất Thầy Cơ hay độc giả để luận án hồn thiện Bùi Phạm Đức Tường ii TĨM TẮT Bể nước mái đóng vai trị thiết bị giảm chấn chất lỏng-Tuned Liquid Damper (TLD) nghiên cứu ứng dụng thực tiễn nhiều thập niên gần đây, thiết bị có ưu điểm dễ chế tạo, dễ lắp đặt, giá thành rẻ, khơng cần bảo trì nhiều, tốn khơng gian ứng dụng cho hầu hết loại cơng trình với quy mô khác kể cơng trình đưa vào sử dụng chưa trang bị TLD Đây thiết bị dạng bị động hoạt động dựa nguyên tắc điều chỉnh chất lỏng bể chứa để chịu dao động kết cấu Thiết bị có nhiều đặc điểm phù hợp với khả ứng dụng Việt Nam Trước TLD thường giả thiết tuyệt đối cứng thể tích nước đủ nhỏ, ngày TLD ngày lớn nên giả thiết cần phải xem xét lại nhằm tránh xảy hư hỏng thiết bị không hoạt động thiết kế Để phân tích ảnh hưởng vấn đề thành bể mềm tương tác sóng chất lỏng-kết cấu (Fluid Structure Interaction-FSI), phương pháp số thiết lập cho hai miền rắnlỏng Luận Án mối quan hệ độ dày thành bể với tần số riêng bể chứa, sau thực phân tích đặc trưng riêng đáp ứng dao động sóng chất lỏng Ngồi ra, phương pháp số đề xuất gần Finite Volume Method/Finite Element Method-FVM/FEM sử dụng để giải phương trình điều kiện biên mặt tương tác Kết phân tích đối chiếu với Tiêu Chuẩn Xây Dựng phổ biến giới nghiên cứu thực tác giả khác Thiết bị giảm chấn chất lỏng đa tần số (Multi-TLD) chứng tỏ có hiệu thiết bị đơn tần số 1-TLD Luận án đề xuất quy trình thiết kế MTLD gồm hai bước: (1) thiết kế MTLD phương pháp khối lượng thu gọn, (2) kiểm tra làm việc hệ kết cấu-MTLD FVM/FEM FVM/FEM có ưu điểm giúp phân tích đáp ứng dao động hệ kết cấu chuẩn xác có xét FSI nhược điểm tốn nhiều tài ngun tính tốn, nên cần phương pháp khối lượng thu gọn thiết kế sở trước Việc phân tích TLD với thành bể mềm có xét FSI điểm luận án Khi thành bể đủ mềm làm thay đổi tần số tự nhiên bể chứa áp suất động sóng chất lỏng tác dụng lên thành bể Trong đó, thiết iii bị hoạt động dựa vào tần số nên tần số thay đổi dẫn đến thiết bị hiệu quả, thực tế áp lực động sóng gây phá hoại thành bể trình thiết kế thường giả thiết bể chứa tuyệt đối cứng bỏ qua FSI Bên cạnh đó, thí nghiệm kiểm tra khả giảm chấn TLD/MTLD tiến hành bàn lắc tự chế tạo phục vụ cho luận án Khoa Xây Dựng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Kết thí nghiệm so sánh với phương pháp số cho thấy hiệu giảm chấn MTLD tính hợp lý quy trình thiết kế thiết bị đề xuất bên iv ABSTRACT A tuned liquid damper (TLD) constitutes a tank filled with liquid that relies on the sloshing of that liquid to dissipate vibration energy This device boasts many advantages, including its low cost, ease of installation and infrequent need for maintenance TLDs can be applied to almost any structure, for example, high-rise buildings, towers, wind tourbine and chimneys, including an existing structure In previous research on TLDs, the effect of the liquid pressure acting on the tank walls was ignored by assuming rigid tank walls, thereby neglecting the fluidstructure interaction (FSI) phenomenon However, this could lead to errors in designing TLDs and the failure of the water tanks serving as TLDs In this study, the effect of FSI on the specific characteristics of the tank, as well as the effect on the dynamic response of fluid containers, are taken into account incorporating wall flexibility For this purpose, a numerical method was developed to model the structure as well as the liquid and investigated the thickness of the tank wall to describe the relations of rigid and flexible tank Besides that, the Finite Volume/Finite Element (FVM/FEM) method is proposed, by using finite volume and finite element approaches to represent fluid and solid domains, respectively In this model, the fluid and solid domains are discretized independently and the interaction between the two domains are provided by the staggered iterations at the interface The results from FVM/FEM are compared to the Design Code and previous study of another researcher The multiple TLD (MTLD), which consists of a number of TLD with natural frequencies distributed over certain range around the natural frequency of the structure is also investigated by simulation of the MTLD-structure interaction MTLD is insensitive to the tuning condition This dissertation focuses on proposing the solution and process of designing MTLD in practice with two steps: first, this damper is designed by lumped-mass method then second, it is checked by FVM/FEM By this method, the response of liquid sloshing, as well as the structure, are more accurate because the FSI is considered This phenomenon is important and could not be v ignored by making assumption of a rigid tank wall When a tank wall is thin enough, FSI phenomenon affects remarkably to the characteristic of the TLD In this case, the damper is inactivated during the earthquake This should be noticed in designing TLD The shaking table is designed and created at the Faculty of Civil Engineering of HCMC University of Technology and Education for researching purposes It can create the base displacement as harmonic loading or ground motion to investigate the top displacement of the structure with and without MTLD There is a fairly reasonable agreement between the FVM/FEM model predictions and experimental results confirming the functionality of the FVM/FEM method as a reliable tool in capturing the TLD-structure interaction vi CÁC KẾT QUẢ ĐÃ CÔNG BỐ Bài Báo Quốc Tế ISI/Scopus B P D Tuong and P D Huynh, "Experimental Test and Numerical Analysis of a Structure Equipped with a Multi-Tuned Liquid Damper Subjected to Dynamic Loading," International Journal of Structural Stability and Dynamics, vol 20, p 2050075, 2020 B P D Tuong, P D Huynh, T.-T Bui, and V Sarhosis, "Numerical Analysis of the Dynamic Responses of Multistory Structures Equipped with Tuned Liquid Dampers Considering Fluid-Structure Interactions," The Open Construction and Building Technology Journal, vol 13, 2019 Hội nghị Khoa Học Quốc Tế Tuong B.P.D, Huynh P.D, Doan N.V, (11/2018) “Effectiveness Of Multi Tuned Liquid Dampers In Theory And Experiment Considering Fluid – Structure Interaction”, Tuyển tập báo cáo Hội Nghị Khoa Học Quốc Tế, Kỷ Niệm 55 năm thành lập Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng Tuong B.P.D, Huynh P.D (08/2016) “Seismic resistance for high-rise buildings using water tanks considering the liquid - tank wall interaction”, ICCM 2016, UC Berkeley, USA Bài Báo Trong Nước Tuong B.P.D, Huynh P.D, (01/2019) “Dynamic analysis of liquid storage tank under seismic considering fluid – structure interaction”, Tạp chí xây dựng – Số 1/2019 Tuong B.P.D, “Phân tích khả kháng chấn thiết bị giảm chấn chất lỏng lý thuyết thực nghiệm”, Tạp chí xây dựng – Số 2/2017 Tuong B.P.D, Huynh P.D, Hai L.V, Doan N.V, Chinh L.V “Khảo sát kháng chấn hệ kết cấu khung – bể chứa nước bàn rung tự chế tạo dao động tự do”, Tạp Chí Xây Dựng – Số 9/2016 Tuong B.P.D, Huynh P.D, Hai L.V “Điều khiển kết cấu chịu tải trọng điều hòa bể chứa chất lỏng làm việc đồng thời”, Tạp chí Xây Dựng – Số 10/2015 vii Hội Nghị Khoa Học Trong Nước Tuong B.P.D, Huynh P.D, Duong N.T, Hai L.V, (04/2019) “Phân tích khả giảm chấn kết cấu thiết bị MTLD lý thuyết MTMD & Thí nghiệm kiểm tra”, Tuyển tập báo cáo Hội Nghị Cơ Học Toàn Quốc 2019, Tiểu ban Động Lực Học Điều Khiển 10 Tuong B.P.D, Huynh P.D, Khoi N.Đ, Hai L.V, (04/2019) “Điều khiển dao động kết cấu bể nước mái thiết bị kháng chấn đa tần môi trường đa tương tác”, Tuyển tập báo cáo Hội Nghị Cơ Học Toàn Quốc 2019, Tiểu ban Động Lực Học Điều Khiển 11 Tuong B.P.D, Huynh P.D, Doan N.V, (12/2017) “Khả kháng chấn hệ bể chứa đa tần số phân tích thực nghiệm bàn rung”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Cơ học Toàn quốc lần thứ X, Hà Nội – Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự 89/12/2017 12 Tuong B.P.D, Huynh P.D, Hai L.V, (10/2015) “Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động bể chứa chất lỏng làm việc đồng thời”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ 14 Khoa Xây Dựng – ĐH Bách Khoa Tp.HCM 30/10/2015 13 Tuong B.P.D, Huynh P.D, (11/2015) “Điều khiển kết cấu chịu tác động tải trọng điều hòa, động đất bể chứa chất lỏng” Tr.838, Vol 1, Tuyển tập báo cáo Hội nghị khí tồn quốc – ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM 06/11/2015 viii [175] Z Zhang, "Numerical and experimental investigations of the sloshing modal properties of sloped-bottom tuned liquid dampers for structural vibration control," Engineering Structures, vol 204, p 110042, 2020/02/01/ 2020 [176] A Roy, Z Zhang, A Ghosh, and B Basu, "On the nonlinear performance of a tuned sloshing damper under small amplitude excitation," Journal of Vibration and Control, vol 25, pp 2695-2705, 2019 [177] F Harlow and J Welch, "Volume tracking methods for interfacial flow calculations," Physics of fluids, vol 8, pp 21-82, 1965 [178] C W Hirt and B D Nichols, "Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries," Journal of Computational Physics, vol 39, pp 201-225, 1981/01/01/ 1981 [179] R Eymard, T Gallouët, and R Herbin, "Finite volume methods," in Handbook of Numerical Analysis vol 7, ed: Elsevier, 2000, pp 713-1018 [180] C Ansys, "Release 11.0: ANSYS CFX-Solver theory guide," ANSYS Inc., USA, 2010 [181] W C Ray and P Joseph, "Dynamics of structures," Computers & Structures, Berkeley, CA, USA, 2003 [182] K.-J Bathe, Finite element procedures: Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1996, 2006 [183] M M Selim, R P Koomullil, and D R McDaniel, "Linear Elasticity Finite Volume Based Structural Dynamics Solver," in AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference, ed, 2017 [184] Y Chang, "Analytical and Experimental Investigations of Modified Tuned Liquid Dampers (MTLDs)," Civil Engineering, University of Toronto, 2015 [185] B P D Tuong and P D Huynh, "Experimental Test and Numerical Analysis of a Structure Equipped with a Multi-Tuned Liquid Damper Subjected to Dynamic Loading," International Journal of Structural Stability and Dynamics, vol 20, p 2050075, 2020 187 [186] Z Song and C Su, "Computation of Rayleigh Damping Coefficients for the Seismic Analysis of a Hydro-Powerhouse," Shock and Vibration, vol 2017, 2017 [187] C.-C Yu and A S Whittaker, "Analytical Solutions for Seismic Fluid-Structure Interaction of Head-Supported Cylindrical Tanks," Journal of Engineering Mechanics, vol 146, p 04020112, 2020 [188] J Colombo and J Almazán, "Simplified 3D model for the uplift analysis of liquid storage tanks," Engineering Structures, vol 196, p 109278, 2019 [189] A Pabarja, M Vafaei, S C Alih, M Y M Yatim, and S A Osman, "Experimental study on the efficiency of tuned liquid dampers for vibration mitigation of a vertically irregular structure," Mechanical Systems and Signal Processing, vol 114, pp 84-105, 2019 [190] S S Rao, Mechanical Vibrations Laboratory Manual: Year, Edition Addison-Wesley Publishing Company, 1995 [191] D K Pandey, M K Sharma, and S K Mishra, "A compliant tuned liquid damper for controlling seismic vibration of short period structures," Mechanical Systems and Signal Processing, vol 132, pp 405-428, 2019 [192] N K Rai, G R Reddy, and V Venkatraj, "Tuned Sloshing Water Dampers as Displacement Response Reduction Device: Experimental Verification," International Journal of Structural Stability and Dynamics, vol 17, p 1750026, 2017 188 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÙI PHẠM ĐỨC TƯỜNG ỨNG DỤNG BỂ CHỨA CHẤT LỎNG CÓ THÀNH MỎNG TRONG VIỆC KHÁNG CHẤN VÀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG CƠNG TRÌNH NGÀNH:... Tương tác Sóng Chất Lỏng – Thành Bể bên bể chứa chất lỏng Khả điều khiển dao động TLD có xét tương tác đa trường 1.2.1 Ứng dụng thực tiễn TLD cơng trình cao tầng Các cơng trình có sử dụng TLD thiết... tải trọng động có xét đến độ mềm thành bể thiết bị làm việc, áp lực thủy động sóng chất lỏng đủ lớn gây biến dạng thành bể làm thành bể dao động Điều đặc biệt nguy hiểm sóng thành bể cộng hưởng