phân tích hiệu quả giảm chấn của bể nước mái có màn ngăn trong kết cấu chịu gia tốc nền động đất

Phân tích hiệu giảm chấn Bể nước mái có ngăn Kết cấu chịu gia tốc động đất Nguyễn Trọng Phước 2019 MỤC LỤC Chƣơng Giới thiệu 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Phương pháp nghiên cứu ý nghĩa đề tài 1.4 Nội dung báo cáo nghiệm thu đề tài Chƣơng Giảm chấn cho kết cấu bể nƣớc có ngăn 2.1 Giới thiệu chương 2.2 Tổng quan giảm chấn bể chất lỏng 2.3 Mơ hình phương trình chuyển động 2.4 Kết số 13 2.5 Kết luận chương 18 Chƣơng Giảm chấn dùng hệ cản bán chủ động cột chất lỏng 19 3.1 Giới thiệu chương 19 3.2 Mơ hình kết cấu cột chất lỏng 20 3.3 Kết số 27 3.4 Kết luận chương 31 Chƣơng Giảm chấn dùng hệ cản bán chủ động cải tiến cột chất lỏng 32 4.1 Giới thiệu chương 32 4.2 Cơ sở lý thuyết 32 4.3 Kết số 35 4.4 Kết luận chương 41 Chƣơng Kết luận 42 Tài liệu tham khảo 43 CHƢƠNG GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong suốt thời gian tồn tại, kết cấu cơng trình xây dựng chịu tác động từ tác nhân nguy hiểm bên ngồi gió bão động đất Đây tượng tự nhiên diễn nhiều khắp nơi giới với số lượng cường độ khác nhau, đặc biệt tác động tức thời bất ngờ động đất Ngồi ra, biến đổi khí hậu diễn khắp nơi hành tinh dẫn đến ngày nhiều bão mạnh tác động lên hầu hết vùng giới Lịch sử ghi nhận trận động đất lớn gây thiệt hại lớn nhân mạng tài sản Nước ta may mắn nằm khu vực địa lý chịu ảnh hưởng động đất mạnh Tuy vậy, Việt nam ghi nhận xảy nhiều trận động đất có cường độ lớn nhỏ khác nhau, có trận động đất cấp VIII, 11 trận cấp VII 60 trận cấp VI (thang cường độ MSK-64) Với trận động đất có độ vừa trên, gây tác động nguy hiểm lên cơng trình xây dựng Trong năm gần đây, tin tức trận thảm họa thiên nhiên có động đất xảy với tần suất nhiều có xu hướng phức tạp, khó dự đốn trước Việc dự báo động đất xảy nào, độ lớn toán khó liên quan đến kỹ sư ngành kết cấu cơng trình xây dựng mà chủ yếu liên quan đến ngành địa chấn học Mặc khác, giới xuất bão lớn năm gần Thậm chí có bão đặc biệt lớn, có ảnh hưởng nghiêm trọng đến kết cấu cơng trình xây dựng Việt Nam ta nằm khu vực hoạt động mạnh bão nhiệt đới Mỗi năm, chịu tác động hàng chục bão Dù khơng có sức phá hoại lớn động đất gió bão tác nhân gây nguy hiểm cho cơng trình xây dựng, làm giảm an toàn đặc biệt cơng trình xây dựng nhiều tầng Khác so với động đất mức độ nguy hiểm tính bất ngờ; tác động tải trọng gió thường dự báo trước với mức độ xác tốt Sự phát triển nhanh xã hội từ kinh tế, công nghiệp, tốc độ gia tăng dân số thành phố lớn thị hóa tất yếu hình thành; quỹ đất ngày hạn hẹp nên việc xây dựng nhiều cơng trình nhà nhiều tầng cấp thiết Ở quan điểm thiết kế truyền thống, để kết cấu nhà cao an toàn cần phải tăng độ bền, độ cứng dẫn đến phải tăng tiết diện cấu kiện kết cấu công trình; khối lượng cơng trình phải tăng theo lực qn tính chịu tải trọng động đặc biệt động đất lớn, nội lực bên kết cấu lớn, giải pháp hiệu Một giải pháp quan tâm từ lâu tiếp diễn xem xét nhiều tương lai, giảm chấn cho kết cấu xây dựng cơng trình, có hai xu hướng thường áp dụng: hướng thứ điều khiển ứng xử kết cấu thông qua việc cải tiến đặc tính hình học phận kết cấu sử dụng cấu kiện có đủ cường độ, tăng độ cứng cấu kiện, tăng tính đàn hồi, mà tăng khả chịu tác động nhạy cảm gió động đất Hướng thực cụ thể việc tổ hợp thành phần kết cấu thêm tường chịu cắt, thêm giằng chống, kháng môment, dầm ngang, giàn ngang để tăng cường độ chịu tải trọng ngang cho hệ thống kết cấu Cách tiếp cận xem xét đến hình dạng kết cấu thay từ hình vng, hình chữ nhật sang dạng hình khác L, U T Việc chọn vật liệu cho cấu kiện đóng vai trị quan trọng Các vật liệu cần bố trí vào vị trí làm việc hợp lý kết cấu nhờ mà hình dạng phận kết cấu thay đổi theo chiều hướng gọn nhẹ mảnh Hướng thứ hai điều khiển ứng xử kết cấu bao gồm việc sử dụng thiết bị giảm chấn, chúng có tác dụng khơng đảm bảo cho kết cấu có độ cứng khả chịu lực lớn miền đàn hồi mà cịn phải đảm bảo cho kết cấu có khả tiêu tán lượng động đất tải trọng ngồi truyền vào, thơng qua giảm ứng xử kết cấu giảm dao động hay chuyển vị tương đối lực tác động lên kết kết cấu Việc tính tốn cho kết cấu có khả tiêu tán lượng có ý nghĩa quan trọng Một số giải pháp làm giảm chấn kết cấu trình bày bảng 1.1 Qua bảng này, thấy có nhiều cách làm giảm chấn cho kết cấu, dạng / cách có ưu điểm định bộc lộ nhiều nhược điểm; số có nhiều giải pháp kinh điển đưa vào ứng dụng thực tế hình 1.1, mang lại hiệu định; nhiều hướng nghiên cứu Qua trình tìm hiểu hệ cản chất lỏng (Tuned Liquid Damper, TLD) từ tài liệu tham khảo, thấy nghiên cứu có liên quan chủ yếu tập trung vào mơ hình TLD truyền thống ứng dụng nhiều Những năm gần đây, nước nhiều nghiên cứu ngồi nước có số cơng bố liên quan đến hệ cản chất lỏng, có hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD), nhiều hệ cản chất lỏng (MTLCD),… Những từ khóa xuất nhiều cơng bố khoa học, tạp chí khoa học,… có nhiều thí nghiệm liên quan đến hướng thực công bố Qua phân tích trên, thấy rằng, hướng giảm chấn kết cấu bể chất lỏng cịn lĩnh vực có sức hấp dẫn lớn nhà nghiên cứu Vì chúng thực có ý nghĩa lý thuyết thực tiễn địi hỏi Tính cấp thiết đề tài thể rõ qua phân tích Cho đến nay, qua danh mục tài liệu tham khảo đề tài này, chưa có cơng bố liên quan đến hệ cản chất lỏng dùng bể nước có ngăn (TLDWSS) bể nước có cột chất lỏng với mơ hình cải tiến (iTLCD) mơ hình bán chủ động (sTLCD) giảm chấn cho kết cấu nhà nhiều tầng chịu động đất Hòa vào hướng nghiên cứu giảm chấn quan tâm nhiều nhà khoa học kỹ sư kết cấu, đề tài theo hướng nghiên cứu dùng bể nước, cột chất lỏng đặt tầng mái kết cấu để làm giảm chấn cho kết cấu khung chịu gia tốc động đất Bảng 1.1: Phân loại vài thiết bị giảm dao động cho kết cấu Cô lập địa chấn Gối đàn hồi (Elastomeric Bearings) Gối cao su - chì (Lead Rubber Bearings) Gối ma sát trượt (Sliding Friction Pendulum) Tiêu tán lƣợng Hệ cản kim loại (Metallic Dampers) Hệ cản ma sát (Friction Dampers) Hệ cản đàn nhớt (Viscoelastic Dampers) Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Dampers) Hệ cản khối lượng (Tuned Mass Dampers) Hệ cản chất lỏng (Tuned Liquid Dampers) Hệ giảm chấn Hệ giằng chủ động (Active Bracing Systems) Hệ cản khối lượng bán chủ động/chủ động (Semi-Active/Active Mass Dampers) Hệ có thay đổi độ cứng tính cản (Variable Stiffness or Damping Systems) Vật liệu thông minh (Smart Materials) Hình 1.1: Hệ cản bị động TMD lắp đặt cho tòa nhà Taipei 101 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Mục tiêu Đề tài phân tích hiệu giảm chấn hệ cản chất lỏng gồm có bể nước có vách ngăn, bể nước dạng cột chất lỏng lắp mái kết cấu nhà nhiều tầng chịu gia tốc động đất Có ba nội dung nghiên cứu bao gồm: - Giảm chấn bể nước có vách ngăn để tăng lực cản nước dao động làm tiêu tán lượng bên tác động; - Giảm chấn bể nước dạng cột chất lỏng với thuật toán điều khiển bán chủ động cho bể nước dạng cột chất lỏng; - Giảm chấn bể nước dạng cột chất lỏng với mơ hình cải tiến So với nội dung đăng ký thuyết minh nghiên cứu đề tài thực thêm nội dung sau thêm phần bể nước dạng cột chất lỏng 1.3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI Đề tài nghiên cứu theo hướng lý thuyết, đích đến phân tích số liệu thu để đánh giá hiệu giảm chấn từ kết lập trình tính tốn ngơn ngữ lập trình MATLAB Cách thức thực sau: - Tìm kiếm tài liệu nghiên cứu khoa học nước liên quan đến hướng nghiên cứu, từ tìm điểm mà nghiên cứu chưa đề cập đến Cụ thể đề tài toán giảm chấn cho kết cấu bể - nước mái có ngăn cột chất lỏng với mơ hình khác Dựa vào sở lý thuyết có, thiết lập phương trình tốn học mơ tả tốn Áp dụng phương giải thích hợp phương pháp số để giải - toán Thiết lập thuật toán từ viết chương trình máy tính để thực kết số Xây dựng chương trình tính ngơn ngữ lập trình MATLAB dựa phương trình thiết lập Kiểm chứng độ tin cậy chương trình cách so sánh kết với báo khoa học khác - Tiến hành khảo sát thông số tốn, sau đưa nhận xét Ý nghĩa đề tài góp phần tìm hiểu mơ hình kết cấu giảm chấn làm cho kết cấu trở nên an tồn có động đất; học thuật hướng nghiên cứu quan tâm từ lâu kéo dài ngày thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu; thực tiễn góp phần làm đa dạng thêm giải pháp giảm chấn cho kết cấu 1.4 NỘI DUNG BÀI BÁO CÁO NGHIỆM THU ĐỀ TÀI Nội dung báo cáo gồm có chương, sau chương mở đầu, toán giảm chấn kết cấu có lắp ngăn giới thiệu chương Các chương trình bày giải pháp giảm chấn cột chất lỏng với mơ hình điều khiển bán chủ động mơ hình cải tiến hệ bán chủ động Trong phần chuyên môn 2,3,4 có trình bày rõ sở lý thuyết, kết số việc giảm chấn kết đạt mơ hình Cuối cùng, kết luận đề tài trình bày chương báo cáo tổng kết CHƢƠNG GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU BẰNG BỂ NƢỚC CÓ MÀN NGĂN 2.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Mục đích chương phân tích hiệu giảm chấn bể chất lỏng để làm giảm phản ứng động kết cấu chịu gia tốc động đất Trong nghiên cứu này, bể chất lỏng với ngăn (Multi-Tuned Liquid Damper With Slat Screens, MTLDWSS) xem xét để phân tích ứng xử động kết cấu chịu gia tốc Phương trình chuyển động kết cấu hệ M-TLDWSS chịu gia tốc thiết lập dựa nguyên lý cân động giải phương pháp số toàn miền thời gian Ảnh hưởng tham số đặc trưng bể chất lỏng M-TLDWSS đến việc giảm dao động hệ kết cấu nghiên cứu Các kết thu nghiên cứu chứng minh M-TLDWSS có hiệu đáng kể để giảm phản ứng động kết cấu 2.2 TỔNG QUAN VỀ GIẢM CHẤN BỂ CHẤT LỎNG Hệ cản chất lỏng dạng bể (TLD) sử dụng làm thiết bị điều khiển bị động để giảm dao động kết cấu chịu tải trọng khác nhau, chẳng hạn gió, động đất tải động khác Cấu tạo TLD bể nước chất lỏng mái, kết nối cứng với kết cấu, với chất lỏng chứa đầy phần bể nước chất lỏng khác Chuyển động kết cấu kích thích tác nhân bên ngồi gây chuyển động (sóng sánh) chất lỏng bên bể Bằng cách điều chỉnh tần số TLD theo tần số tự nhiên kết cấu, lực quán tính tạo chất lỏng ngược pha với lực động bên ngồi, lực qn tính chất lỏng làm giảm phản ứng động hệ kết cấu TLD thu hút ý đáng kể để giảm dao động nhiều ứng dụng có nhiều ưu điểm so với thiết bị giảm chấn khác như: u cầu chi phí bảo trì vận hành thấp, dễ lắp đặt cấu trúc tòa nhà tại, áp dụng cho sử dụng tạm thời, khơng hạn chế kích thước hiệu dao động biên độ nhỏ [Li 2004, Kim 2006, Tait 2008, …] Tuy nhiên, nghiên cứu hệ kết cấu TLD, số tham số quan trọng phải xem xét như: tỷ số khối lượng định nghĩa tỷ lệ khối lượng chất lỏng trượt với khối lượng tổng quát kết cấu tương ứng, tần số tự nhiên chuyển động trượt chất lỏng tần số riêng kết cấu, tỷ số cản chất lỏng TLD Dựa ý tưởng hệ cản khối lượng TMD, áp dụng vào bể chất lỏng cách thay khối lượng TMD khối lượng chất lỏng trượt TLD Với TLD khơng có thiết bị tiêu tán lượng bổ sung, nguồn giảm chấn chủ yếu phát sinh từ tiêu tán nhớt lớp ranh giới thành đáy bể Tuy vậy, nguồn giảm thường đáng kể so với giá trị cần thiết, dẫn đến độ giảm chấn hiệu Vì vậy, để tăng cường lượng tiêu tán chất lỏng trượt chuyển động, số phương pháp làm tang hệ số cản giới thiệu như: làm nhám bề mặt thành, đáy tạo ngăn để giảm tượng sóng vỡ [Morsy 2008, Love 2010] Gần đây, việc bổ sung ngăn TLD áp dụng để tăng lượng tiêu tan chất lỏng trượt Các thiết bị giảm chấn bao gồm ngang cách để tạo thành ngăn Việc sử dụng xếp hình cụ thể cho phép khơng gian thay đổi đạt mức giảm chấn mục tiêu Do đó, giảm chấn chất lỏng đa điều chỉnh với ngăn (M-TLDWSS) sử dụng để giảm phản ứng động kết cấu động đất nội dung đề tài so với nghiên cứu trước trích dẫn 2.3 MƠ HÌNH VÀ PHƢƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG 2.3.1 Mơ hình hệ cản chất lỏng có ngăn Xét bể giảm chấn chất lỏng hình chữ nhật với ngăn, có chiều dài, độ sâu chất lỏng trạng thái tĩnh chiều rộng bể, thể hình 2.1 Giả định biên độ dao động chất lỏng nhỏ so với độ sâu chất lỏng ngăn gần trung tâm bể không làm thay đổi đáng kể dòng chảy chung chất lỏng trượt Các giả định dịng chảy khơng thể nén, sức căng bề mặt khơng đáng kể Hình 2.1 Mơ hình bể chất lỏng với ngăn Chuyển động kết cấu kích thích bên ngồi gây chuyển động trượt chất lỏng bên bể Sau đó, lượng hệ sóng cho L V  bg   x, t  dx; T 2 L         b    X       dxdz  h  x   z   (2.1) X vận tốc ngang bể,   x, z, t  độ dốc hàm vận tốc Xem xét số ngăn đặt vị trí riêng biệt, Hình 2.1 Giả sử số Cm , Cd Cl giá trị biểu thị hệ số quán tính, lực cản tổn thất tương ứng Động tổng thể chất lỏng trượt, biểu thị biểu thức sau   n  z  h     cosh   ns L  n x j      dzq T   Acs Cm  sin    n n  h   j 1  L   h  sinh      L    Dùng phương trình Lagrange’s tương ứng với Qn (2.2) lực khơng bảo tồn d  T  T V   Qn ,   dt  qn  qn qn n  1, 2, 3, (2.3) Kết phương trình chuyển động sau mn*qn  t   cn*qn  t   mn*n2 qn (t )   n* X t  (2.4) Trong mn* khối lượng suy rộng n tần số tự nhiên tương ứng với dạng thứ nth sóng chất lỏng cho mn*   bL2  n h  n    L  ; n2  n g  n h    L  L  (2.5) Và độ cứng suy rộng xác định kn*  mn*n2   bLg (2.6) 3.3.2 Tỷ số điều chỉnh () Tỷ số điều chỉnh (  ) định nghĩa tỷ số tần số hệ cản tần số kết cấu Các thơng số tính tốn lấy mục trước, riêng tải điều hòa cố định ug  t   0.2sin  0.95241  t  (m),(tỷ số tần số   0.9524 ) Kết phổ chuyển vị đỉnh khảo sát với trường hợp bị động TLCD thể Hình 3.8 Hình 3.8: Phổ chuyển vị tầng 20 với tải ĐH Hình 3.9: Phổ chuyển vị tầng 20 với tải ĐĐ Kết thể Hình 3.8 Hình 3.9 cho thấy kết cấu giảm chuyển vị tốt tần số hệ cản gần với tần số kết cấu ( 2  1 ) Ngồi tần số hệ cản xa phản ứng kết cấu giảm không nhiều, cịn phản tác dụng Đây sở để thuật toán điều khiển hệ bán chủ động sTLCD chọn tần số hệ cản nằm khoảng (0.9 1.1)1 3.3.3 Tỷ số khối lƣợng Tỷ số khối lượng định nghĩa tỷ số khối lượng (bể + chất lỏng) tham gia vào dao động với khối lượng kết cấu mode dao động quan tâm, trường hợp mode Các thơng số tính tốn lấy mục trước, riêng tỷ số khối lượng thay đổi từ 1-8% Kết thể Hình 3.10 Hình 3.11 cho thấy tỷ số khối lượng tăng chuyển vị đỉnh giảm Tuy nhiên chuyển vị giảm mạnh tỷ số khối lượng khoảng 1-5%, từ 5% trở chuyển vị giảm chậm 30 Hình 3.10: Chuyển vị tầng 20 - tải ĐH Hình 3.11: Chuyển vị tầng 20 tải ĐĐ 3.3.4 Tỷ số α Tỷ số  định nghĩa tỷ số bề ngang bể chiều dài cột nước bể Các toán khảo sát trước lấy   0.9 , mục khảo sát giá trị   0.1 Các thông số khác lấy giá trị tốt theo mục trước Kết phổ chuyển vị đỉnh thể hình 3.12 3.13 Hình 12: Chuyển vị tầng 20 với với tải ĐH Hình 3.13: Chuyển vị tầng 20 với với tải ĐĐ Kết thể Hình 3.12 Hình 3.13 cho thấy ứng với nhiều tỷ số khối lượng khác chuyển vị đỉnh kết cấu giảm tốt α gần 3.4 KẾT LUẬN Chương trình bày mơ hình cột chất lỏng (sTLCD) làm hệ giảm chấn kết cấu Hệ sTLCD mang lại hiệu giảm dao động đáng kể qua kết số Phản ứng kết cấu nhạy với thay đổi tần số tải trọng sTLCD mang lại hiệu cao tần số tự nhiên hệ cản điều chỉnh gần với tần số tự nhiên kết cấu (γ~1) thông qua biến đổi Fourier theo thời gian ngắn kết hợp thuật tốn điều khiển Ngồi ra, tỷ số khối lượng μ ảnh hưởng đáng kể 1-5%, 5% chuyển vị giảm chậm 31 CHƢƠNG GIẢM CHẤN DÙNG HỆ CẢN BÁN CHỦ ĐỘNG CẢI TIẾN CỦA CỘT CHẤT LỎNG 4.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Tiếp theo chương mô tả hệ cản cột chất lỏng bán chủ động sTLCD, chương đề tài trình bày phát triển hệ sTLCD có cải tiến thuật toán điều khiển tần số gọi bán chủ động cột chất lỏng cải tiến (improve Tuned Liquid Column Damper iTLCD) Thựa hệ iTLCD đề xuất gần nhà khoa học để làm hệ giảm chấn nhiều phát triển liên quan đến hướng Đề tài chọn dùng iTLCD để áp dụng cho kết cấu nhiều bậc tự động lực học đánh giá hiệu giảm chấn iTLCD với số trận động đất khác tìm hiểu thông số ảnh hưởng đến hiệu giảm chấn hệ 4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4.2.1 Mô hình hệ kết cấu iTLCD Xét hệ kết cấu bậc tự động lực học có gắn thêm hệ cột chất lỏng chịu gia tốc động đất hình Hệ bao gồm bể chứa giống ống với van (orifice) cài đặt Ống có diện tích mặt cắt ngang A, chiều ngang B, tổng chiều dài cột chất lỏng ống L mật độ chất lỏng Hệ số tổn thất kiểm soát tỷ lệ mở van  Bán chủ động trường hợp hệ số độ cứng cản gắn iTLCD với kết cấu có giá trị thay đổi theo thời gian k2 c2 Tổng khối lượng hệ cản ρAL + Mc, với Mc khối lượng bể (Sonmez et al., 2016) Gia tốc động đất ̈ Thông số hệ kết cấu khối lượng, cản độ cứng m, c, k Dựa cân động với mơ hình qui đổi, phương trình chuyển động iTLCD thiết lập ̈  √ ̇  { ̈ ̈ ̈ tần số vòng tự nhiên hệ iTLCD,  32 } (4.1) tỷ số kích thước hệ số cản qui đổi (đã tuyến tính hóa) cho  ̇ (4.2) √ Với  ̇ độ lệch chuẩn vận tốc ̇ Hình 4.1: Mơ hình kết cấu cột chất lỏng Phương trình chuyển động hệ cản cột chất lỏng cho { ̈ ̈  } ̈   ̇ ̈  (4.3) tỷ số khối lượng bể chứa khối lượng chất lỏng,  Trong  √  tần số tự nhiên tỷ số cản hệ cản Phương trình chuyển động kết cấu { ̈  ̈ }   ̇  {   ̇  } (4.4) tỷ số khối lượng hệ cản khối lượng kết cấu chính, thông số   tỷ số cản tần số dao động tụ nhiên kết cấu Từ bước trên, phương trình chuyển động hệ gồm có kết cấu hệ cột chất lỏng chịu gia tốc động đất được lập sau (Sonmez et al., 2016) [ ̈ ] { ̈} ̈ [ ̇ ] { ̇} ̇ [ Có thể đánh giá việc lựa chọn thơng số ]{ } {  } ̈ (4.5) ,  , hệ số tổn thất van  có tầm quan trọng đến hiệu hệ cản Vì vậy, tỷ số hiệu chỉnh  đề xuất Ghosh (2004) dựa giảm chuyển vị hệ bậc tự không cản dùng đề tài, từ thống số cịn lại xác định 33 4.2.2 Phƣơng trình chuyển động Dựa việc thiết lập cho hệ bậc tự do, phương trình chuyển động hệ có nhiều bậc tự có gắn hệ iTLCD chịu gia tốc động đất thiết lập dựa mơ hình học hình 4.2 Hình 4.2 Mơ hình hệ MDOF-iTLCD chịu gia tốc Với rời rạc hóa phần tử hữu hạn, phương trình chuyển động cho (Sonmez et al., 2016) [{ { { ̈ } [ ] } { } [ ̇ { ̇} ̇ ] { ̈} ̈ } { } ] { (  34 )} ̈ (4.6) véc tơ cột véc tơ có kích thước N thành phần tương ứng với số tầng kết cấu chính, phương trình (4.6) viết lại dạng gọn quen thuộc toán động lực học sau ̈ ̇ (4.7) Với M K ma trận khối lượng độ cứng hệ; F lực C ma trận cản kết cấu 4.3 KẾT QUẢ SỐ 4.3.1 Thông số kết cấu hệ cản Xét khung phẳng 20 tầng mơ hình hệ nhiều bậc tự động lực học với đặc trưng động lực học bảng 4.1 Tần số riêng dạng dao động khung 0.58Hz, tỷ số cản dạng dao động 5% Bảng 4.1 Thông số kết cấu Tầng Khối lượng tầng [kg] Độ cứng [N/m] 2-4 5-7 8-10 11-13 14-16 2.83x105 2.76x105 2.76x105 2.76x105 2.76x105 2.76x105 3.31x108 1.06x109 6.79x108 6.79x108 5.84x108 3.86x108 17-19 20 2.76x105 2.92x105 3.47x108 2.29x108 Tương ứng với thông số kết cấu, thông số hệ iTLCD lựa chọn theo tỷ số khối lượng hệ cản , tỷ số chiều cao chiều rộng cột chất lỏng , tỷ số điều chỉnh hệ cản lựa chọn  cột chất lỏng có , hệ số tổn thất  Các thông số khảo sát hiệu giảm chấn cho hệ với trận động đất khác 35 4.3.2 Dữ liệu gia tốc Đề tài quan tâm đến liệu trận động đất xảy ElCentro, Superstition, Northridge thể hình 4.3 Sau phân tích chuỗi Fourier liệu động đất thu tần số trội trận động đất 1.8Hz đến 2.6Hz (ElCentro), 0.48Hz đến 2Hz (Superstition), 0.47 đến 2.4Hz (Northridge) Lý chọn liệu động đất phổ tần số trội có chênh lệch với tần số riêng hệ theo tỷ lệ định, có gần xa với tần số riêng El-Centro earthquake Acceleration (m/s2) -1 -2 -3 10 15 Time (s) 20 25 1.5 Superstition earthquake Acceleration (m/s2) 0.5 -0.5 -1 -1.5 10 15 Time (s) 20 25 10 Northridge earthquake Acceleration (m/s2) -2 -4 -6 10 15 Time (s) 20 25 Fig 4.3: Gia tốc trận động đất 36 4.3.3 Ảnh hƣởng tỷ số khối lƣợng Tỷ số thông số tương đối quan trọng xác định quy mô hệ tương tự hệ TMD, thường thông số ảnh hưởng đến hiệu giảm chấn nhạy Kết ứng với trận động đất cho sau Max displacement(cm) 9.5 /L=10 /L=100 /L=500 /L=1000 8.5  7.5 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Hình 4.7: Ảnh hưởng tỷ số  đến chuyển vị lớn động đất ElCentro 10.5 /L=10 /L=100 /L=500 /L=1000 Max displacement(cm) 10 9.5 8.5  7.5 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Hình 4.8: Ảnh hưởng tỷ số  đến chuyển vị lớn động đất Superstition 37 100 Max displacement(cm) 95 90 85 80 /L=10 /L=100 /L=500 /L=1000  75 70 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Hình 4.7: Ảnh hưởng tỷ số  đến chuyển vị lớn động đất Northridge Từ kết trên, thông số biến thiên khoảng 0.015 đến 0.025 cho hiệu giảm chấn tốt Vậy, với tính tốn dùng 0.02 để phân tích 4.3.4 Hiệu giảm chấn với trận động đất khác Với thông số iTLCD chọn  tỷ số khối lượng , hiệu giảm chấn hệ iTLCD với trận động đất khác cho sau Có thể thấy iTLCD thay đổi đặc tính động tồn kết cấu kích thích trận động đất dựa việc điều chỉnh tỷ số tần số Do đó, làm giảm chuyển vị động lớn hầu hết trường hợp động đất phân tích, Hình 4.10 Tương tự cho lực cắt tầng, iTLCD có hiệu đáng kể việc giảm nội lực kết cấu, Hình 4.11 Cụ thể hơn, phụ thuộc vào đặc tính động kích thích động đất, chẳng hạn giảm lực cắt với trận động đất El-Centro khoảng 8% Northridge khoảng 15%; nhưng, trận động đất Superstition khoảng 60% (hình 4.11 4.12), đáng kể 38 None iTLCD 15 10 -5 -10 5 10 15 Time(s) 20 0 25 Max displacement(cm) 10 20 20 None iTLCD None iTLCD 15 15 10 Story Displacement(cm) 20 None iTLCD Story Displacement(cm) 10 10 -5 -10 -15 -20 10 15 Time(s) 20 10 15 Max displacement(cm) 20 40 60 80 Max displacement(cm) 100 None iTLCD 50 15 -50 -100 20 None iTLCD Story Displacement(cm) 100 0 25 10 5 10 15 Time(s) 20 25 0 20 Hình 4.10 Chuyển vị theo thời gian tầng mái lớn tầng trận động đất khác 39 x 10 20 15 Story Shear force (N) None iTLCD None iTLCD 10 -2 -4 -6 10 15 Time (s) 20 0 25 Shear force (N) x 10 x 10 20 None iTLCD 15 Story Shear force (N) None iTLCD 10 -2 -4 -6 -8 10 15 Time (s) 20 0 25 Shear force (N) x 10 x 10 20 None iTLCD 15 Story Shear force (N) None iTLCD 10 -1 -2 -3 -4 10 15 Time (s) 20 0 25 Shear force (N) x 10 Hình 4.11 Lực cắt theo thời gian tầng lớn tầng trận động đất khác 40 Vì có tượng khác biệt hiệu giảm chấn? dựa vào tương quan tần số riêng kết cấu tần số trội động đất Do đó, hiệu iTCLD rõ ràng trường hợp động đất Superstition (tần số tỷ lệ từ 0,8 đến 3,4) thấp trường hợp động đất El-Centro (tần số tỷ lệ từ 3,1 đến 4,5) Hiệu iTLCD phụ thuộc vào đặc tính động kết cấu tải kích thích Hơn nữa, phụ thuộc vào tham số đặc trưng iTLCD Do đó, tốn thiết kế thực tế, tham số thuộc tính kết cấu cố định sau tham số đặc trưng iTLCD chọn dựa tỷ lệ tối ưu để mang lại hiệu suất tốt để giảm thiểu phản ứng động cấu trúc kích thích động 10 60 10 0 Reduction(%) 40 Reduction(%) Reduction(%) 15 50 30 20 10 0 10 Story 15 20 25 -10 10 Story 15 20 25 -5 10 Story 15 20 25 Hình 4.12 Hiệu giảm lực cắt tầng với trận động đất khác 4.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương đề tài trình bày hiệu giảm chấn iTLCD kết cấu nhiều bậc tự chịu gia tốc động đất Các nội dung thực hiện: - Mơ hình hóa kết cấu, hệ iTLCD; lập phương trình chuyển động; - Kháo sát thông số ảnh hưởng tỷ số khối lượng, sát hiệu số trận động đất; - Đánh giá sơ hiệu giảm chấn hệ iTLCD 41 CHƢƠNG KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu đề tài này, kết luận trình bày sau: Đã thực đầy đủ nội dung nghiên cứu đăng ký, có thực thêm nội dung chưa đăng ký hướng giảm chấn bể chất lỏng cơng bố thành sản phẩm khoa học Mơ hình tốn sở lý thuyết hồn chỉnh phần thiết lập Qui trình giải tốn mã nguồn chương trình máy tính viết ngơn ngữ lập trình MATLAB thực Sự ảnh hưởng thông số nghiên cứu đến hiệu giảm chấn kết cấu khảo sát Khá nhiều kết trình bày đồ thị mô tả ảnh hưởng Kết đào tạo từ đề tài hổ trợ Học viên Nguyễn Vĩnh Phúc bảo vệ thành công LVThS vào tháng 8-2018, với tên luận văn: “Giảm chấn cho kết cấu sử dụng hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng bán chủ động”, người hướng dẫn chủ nhiệm đề tài Công bố báo khoa học nhiều nhiệm vụ đăng kí, danh mục Scopus, sau: Nguyễn Vĩnh Phúc, Nguyễn Trọng Phước, Giảm chấn cho kết cấu sử dụng hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng bán chủ động, Tạp chí Bộ Xây Dựng, Số 57 (604), 7-2018, trang 60-65 (Tạp chí danh mục HĐCDGSNN tối đa 1,0 điểm) Nguyen T Phuoc, Pham D Trung, Ngo K Tien, Effectiveness of multi tuned liquid dampers with slat screens for reducing dynamic responses of structures, IOP Conf Series: Earth and Environmental Science 143 (2018) 012023 doi :10.1088/1755-1315/143/1/012023 15pages Scopus Indexed Nguyen T Phuoc, Pham D Trung, Effectiveness of improved Tuned Liquid Column Damper on dynamic response of structure under earthquake excitations, accepted in International Journal of Advanced and Applied Sciences, ISI-ESCI 42 Tài liệu tham khảo Baneiji P, Murudi, Shah A H and Popplewell N (2000) Tuned liquid dampers for controlling earthquake response of structures Earthquake Engineering & Structural Dynamics 29 p 587-602 Cassolato M, Love J and Tait M (2010) Modelling of a Tuned Liquid Damper with inclined damping screens Structural Control and Health Monitoring, 18(6), 674-681 Deng X and Tait M (2008) Equivalent mechanical models of tuned liquid dampers with different tank geometries Canadian Journal of Civil Engineering 38 p 1088-1101 Felixa Jorge LP, Balthazar Jose´ M and Brasilc Reyolando MLRF (2000) On tuned liquid column dampers mounted on a structural frame under a non-ideal excitation Journal of Sound and Vibration, 282, 1285–1292 Fujino Y, Sun L, Pacheco B and Chaiseri P (1992) Tuned liquid damper (TLD) for suppressing horizontal motion of structures Journal of Sound and Vibration, 118(10), 2017–2030 Ghosh A and Basu B (2004) Seismic vibration control of short period structures using the liquid column damper, Engineering Structures, 26(13), 1905–1913 Guo YQ and Chen WQ (2007) Dynamic analysis of space structures with multiple tuned mass dampers, Engineering Structures, 29, 3390–3403 Han B and Li C (2006) Seismic response of controlled structures with active multiple tuned mass dampers, Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 5, 205–213 Kim YM, You KP, Ko NH and Yoon SW (2006) Use of TLD and MTLD for control of wind-induced vibration of tall building J of Mechanical Science and Technology, 20(9), 1346-1354 Li H and Wang Y (2004) Theoretical and experimental studies on reduction foe multi-modal seismic response of high-rise structure by tuned liquid dampers J of Vibration and Control, 10, 10-41 Love JS and Tait MJ (2015) Multiple tuned liquid dampers for efficient and robust structural control J Struct Eng 141(12), 1-6 Love J S, Tait M J (2010) Nonlinear simulation of a tuned liquid damper with damping screens using a modal expansion technique J Fluid Struct 26(7-8) p 1058-77 Love J S, Tait M J (2017) Estimating the added effective damping of SDOF systems incorporating multiple dynamic vibration absorbers with nonlinear damping Engineering Structures 130 p 154-161 Maravani M and Hamed MS (2011) Numerical modeling of sloshing motion in a tuned liquid damper outfitted with a submerged slat screen Int J Numer Methods Fluids, 65, 834-855 Morsy H, Marivani M, Hamed (2008) Effect of A Tuned Liquid Damper Screen configuration on structure response in Nineth International Congress of Fluid Dynamics & Propulsion - ASME Alexandria, Egypt Nagarajaiah S, Varadarajan N (2005) Short Time Fourier Transform algorithm for wind response control of buildings with variable stiffness TMD Engineering Structures 27 (3), 431-441 Nagarajaiah S (2000) Structural vibration damper with continuously variable stiffness US Patent No 6,098,969, August 8; 2000 Roman L and Justyna G (2009) Dynamic analysis of structures with multiple tuned mass dampers Journal of Civil Engineering and Management, 15(1), 77-86 Shum KM and Xu YL (2002) Multiple tuned liquid column dampers for torsional vibration control of structures: experimental investigation Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 31, 977–991 Sonmez E, Nagarajaiah S, Sun C and Basu B (2016) A study on semi-active Tuned Liquid Column Dampers (sTLCDs) for structural resp onse reduction under random excitations Journal of Sound and Vibration, 362, – 15 Sun C, Nagarajaiah S and Dick A (2014) Family of smart tuned mass dampers with variable frequency under harmonic excitations and ground motions: closedform evaluation Smart Structures and Systems, 13(2), 319– 341 Sun, S Nagarajaiah (2016) Study on semi-active tuned mass dampers with variable damping and stiffness under seismic excitations Structural Control and Health Monitoring 21 (6) (2014) 890-906 43 Sun L M, Fujino Y, Pacheco B M and Chaiseri P (1992) Modelling of Tuned Liquid Damper (TLD) Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 41-44 p 1883-1894 Tamura Y, Fujii K, Ohtsuki T, Wakahara T and Kohsaka R (1995) Effectiveness of tuned liquid dampers under wind excitation Engineering Structures 17(9) p 609-621 Tait M 2008 Modelling and preliminary design of a structure-TLD system Engineering Structures 30(10) p 26442655 Tait M, Damatty A, Isyumov (2005) An investigation of tuned liquid dampers equipped with damping screens under 2D excitation Earthquake Engineering and Structural Dynamics 34(7) p 719-735 Varadarajan N and Nagarajaiah S (2004) Wind response control of building with variable stiffness tuned mass damper using empirical mode decomposition/ hilbert transform Journal of Engineering Mechanics, ASCE 130(4), 451–458 Wakahara T, Ohyama T and Fujii K (1992) Suppression of wind-induced vibration of a tall building using Tuned Liquid Damper Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 43(1-3) p 1895-1906 Wu JC, Wang YP, Lee CL, Liao H and Chen YH (2008) Wind-induced interaction of a nonuniform tuned liquid column damper and a structure in pitching motion Engineering Structures, 30, 3555–3565 Wu JC, Shih MH, Lin YY and Shen YC (2005) Design guidelines for tuned liquid column damper for structures responding to wind Engineering Structures, 27, 1893–1905 Xue SD, Ko JM and Xu YL (2000) Tuned liquid column damper for suppressing pitching motion of structures Engineering Structures, 22, 1538–1551 Yalla SK, Kareem A and Kantor JC (2001) Semi-active tuned liquid column dampers for vibration control of structures, Engineering Structures, 23(11), 1469–1479 44 ... nhiều tầng chịu gia tốc động đất Có ba nội dung nghiên cứu bao gồm: - Giảm chấn bể nước có vách ngăn để tăng lực cản nước dao động làm tiêu tán lượng bên tác động; - Giảm chấn bể nước dạng cột... ứng động kết cấu chịu gia tốc động đất Trong nghiên cứu này, bể chất lỏng với ngăn (Multi-Tuned Liquid Damper With Slat Screens, MTLDWSS) xem xét để phân tích ứng xử động kết cấu chịu gia tốc. .. nước, cột chất lỏng đặt tầng mái kết cấu để làm giảm chấn cho kết cấu khung chịu gia tốc động đất Bảng 1.1: Phân loại vài thiết bị giảm dao động cho kết cấu Cô lập địa chấn Gối đàn hồi (Elastomeric