Bài viết nghiên cứu về hiệu quả giảm chấn của bể nước mái trong kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động với thiết bị là hệ thống giảm chấn sử dụng chất lỏng (Tuned Liquid Damper - TLD) của chính bể nước.
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nNgày nhận bài: 17/6/2021 nNgày sửa bài: 14/7/2021 nNgày chấp nhận đăng: 04/8/2021 Phân tích động lực học khung 20 tầng có xét bể chất lỏng Dynamic analysis of 20 stories frame strucrure considering tuned liquid damper > PGS TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC1, THS VĂNG QUỐC KHÁNH2, THS SHARMA KUMAR GREESH3 Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mở TP.HCM Email: phuoc.nguyen@ou.edu.vn Sở Xây dựng An Giang Email: quockhanh260993@gmail.com Procurement and Contract Managementh, Individual Consultant Email: gksharmagk@yahoo.co.in TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu hiệu giảm chấn bể nước mái kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động với thiết bị hệ thống giảm chấn sử dụng chất lỏng (Tuned Liquid Damper - TLD) bể nước Kết cấu nhà nhiều tầng chọn để mô khung không gian 20 tầng chịu tác dụng tải trọng động với tần số thay đổi Hệ thống giảm chấn sử dụng chất lỏng hoạt động nguyên lý tiêu tán lượng thông qua yếu tố như: độ nhớt chất lỏng, tương tác chất lỏng thành bể, biến dạng thành bể, hình dạng bể chứa, thể tích chất lỏng bể chứa Các mơ hình thiết lập thơng qua ANSYS Workbench, việc phân tích tiến hành sở sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Kết số cho thấy bể nước có hiệu giảm chấn định thơng số ảnh hưởng đến kết nhận dạng Từ khóa: Hệ giảm chấn chất lỏng có nổi, hệ kết cấu kết hợp cản chất lỏng có nổi, phần tử hữu hạn, tải điều hòa ABSTRACT This paper analyses the reductional vibration of Tuned Liquid Damper with Floating Roof in 3D frame structures for harmonic loading TLD and frame structure are simulated by ANSYS open code software, the structure and water in tower are discretized by solid elements considering the interaction The system to hamornic loading is solved by finite element method and dynamic balance to analyse the reductional vibration to dynamic responses of structures The parameters are the level of water and frequency of loadings to natural frequency and dynamic responses of structures Key words: Tuned liquid damper, frame structure, finite element method, harmonic loadings 76 08.2021 ISSN 2734-9888 GIỚI THIỆU Trong lĩnh vực kỹ thuật kết cấu, đặc biệt kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng ngang có ý nghĩa thực tiễn liên quan đến thiết kế, học thuật lạ Hầu hết thiết kế kết cấu dạng quy đổi tải trọng dạng tĩnh để kể đến tính chất động xét thêm hệ số động Tuy vậy, lời giải gần dù có tiện lợi cho người thiết kế chưa mô tả hết chất thực tải trọng Do lời giải ứng xử động kết cấu chịu tải trọng động quan tâm gần đây, kết cấu chịu tải trọng tác động gió theo phương ngang động đất, gây dao động cho kết cấu làm cho kết cấu trở nên nguy hiểm Do đó, việc phân tích ứng xử động lực học kết cấu phải nghiên cứu, tìm hiểu để thu thập kết mà qua thu ứng xử kết cấu dạng tải trọng phức tạp để từ đề xuất giải pháp cần thiết có giải pháp xử lý nhằm gia tăng độ an toàn cho kết cấu Theo giải pháp phổ biến thường áp dụng, để cơng trình an tồn chịu tải trọng ngang có tính chất động, kết cấu cơng trình thường thiết kế tăng tiết diện để tăng độ bền, giảm ứng suất mức độ chịu đựng cấu kiện Tuy nhiên, giải pháp mang lại hiệu chưa cao tăng tiết diện cấu kiện dẫn đến khối lượng tăng, nghĩa lực quán tính tăng theo hệ chịu tải trọng động cần có giải pháp khác để giải toán Trong hướng nghiên cứu này, vấn đề giảm chấn cho kết cấu nhà khoa học quan tâm nhiều Để đảm bảo an toàn cho kết cấu chịu lực phương pháp thường sử dụng sử dụng thiết bị làm giảm dao động Cùng với phát triển khoa học công nghệ, nhà khoa học, kỹ sư nghiên cứu đưa nhiều loại thiết bị kháng chấn hiệu thiết bị cách chấn đáy, thiết bị giảm chấn có điều khiển, thiết bị giảm chấn khơng có điều khiển kết hợp thiết bị cách chấn với thiết bị giảm chấn Hệ tiêu tán lượng bị động thiết bị hệ cản kim loại, hệ cản ma sát, hệ cản đàn nhớt, hệ cản chất lỏng nhớt, hệ cản khối lượng, hệ cản chất lỏng Hệ khơng cần phụ thuộc thuật tốn điều khiển nguồn lượng cung cấp trình hoạt động Theo đó, chức hệ tiêu tán lượng bị động thay đổi đặc trưng kết cấu tính cản độ cứng Do dễ dàng lắp đặt mang lại hiệu cao việc giảm dao động cho kết cấu nên hệ tiêu tán lượng bị động thường áp dụng cơng trình xây dựng dân dụng Thiết bị giảm chấn hệ cản chất lỏng (Tuned Liquid Dampers, TLD) loại thiết bị dạng hệ tiêu tán lượng bị động thuộc loại đơn giản, dễ dàng sử dụng lắp đặt linh hoạt vào công trình xây dựng Giải pháp xuất giới lâu ứng dụng nhiều cơng trình thực tế Tuy nhiên, giải pháp vấn đề thời lĩnh vực giảm chấn cho kết cấu chịu động đất Nghiên cứu Asgari (2020) thực phân tích phản ứng động bể chứa chất lỏng chữ nhật có xét đến tương tác đất, kết cấu chất lỏng, nghiên cứu thực lý thuyết kết hợp thực nghiệm cho thấy gia tăng thêm chuyển vị hệ động đất, song song đó, số tham số nghiên cứu thêm thông qua phương pháp phần tử hữu hạn khơng gian hai chiều Livaoglu [2007, 2008] tính tốn phản ứng động lực học hệ chất lỏng - bể chữ nhật - đất/móng phương pháp phân tích địa chấn đơn giản nhanh chóng Hệ tương đương khối lượng Housner sử dụng để làm mơ hình tính cho chất lỏng mơ hình hình nón để làm mơ hình tính cho cho hệ đất nền/móng Với tiếp cận này, tác giả xác định chuyển vị theo độ cao xung khối lượng, chuyển vị sóng chất lỏng lực đáy trường hợp đất mềm đất cứng Thêm vào đó, tác giả cịn thực so sánh lực tác dụng lên đáy bể phản ứng dao động sóng hai trường hợp đất mềm đất cứng Kết nghiên cứu cho thấy chuyển vị lực cắt đáy giảm độ cứng đất giảm, nhiên tác giả lại phát biểu bám dính đất, độ uốn tường khơng ảnh hưởng đến chuyển vị dao động sóng Naveen Gomez [2015] nghiên cứu tác dụng thủy động lực lên đài nước bê tông cốt thép Độ dẻo u cầu dầm tính tốn riêng để xác định tiết diện an tồn Phân tích khả kháng chấn bể nước thực phần mềm ANSYS Kết nghiên cứu cho thấy, tác dụng hiệu ứng thủy động lực học nên độ dẻo yêu cầu hệ chống đỡ tăng Tiwari Hora [2015] phân tích độ hệ đài nước - chất lỏng - đất Để tính tốn nguyên lý ứng suất phận đài nước khối đất đỡ đài nước, mơ hình phân tích tương tác 3D hệ đài nước - chất lỏng - lớp đất mô lại phần mềm ANSYS Các giá trị độ võng, ứng suất Von-mises, tần số tự nhiên bể nước tính tốn ngồi giá trị gia tốc ước lượng phương pháp phân tích độ điều kiện thể tích chất lỏng bể khác đài nước Nghiên cứu rằng, tần số dao động tự nhiên hệ tương tác giảm trọng lượng nước bể tăng từ suy tiêu chuẩn phá hoại khác lượng nước bể khác Dhumal Suryawanshi [2016] cho phương pháp phân tích phần tử hữu hạn kỹ thuật số hữu ích việc giải vấn đề kết cấu phức tạp Cụ thể tác giả thực mô bể chứa nước hình chữ nhật có màng chắn mơ hình phần tử hữu hạn phần mềm ANSYS Những thông số độ dày chắn, khoảng cách chắn, so sánh tác dụng bể chứa có chắn bể chứa khơng có chắn tập trung nghiên cứu Kết nghiên cứu cho thấy rằng, tần số tự nhiên chu kỳ thời gian bể tăng có màng chắn, ngồi ứng suất biến dạng ứng suất cắt dọc theo cạnh dài bể giảm đáng kể có màng chắn Hình Mơ hình TLD tác giả Livaoglu, Naveen, Tiwari Dhumar Hình Mơ hình nghiên cứu Mehboob Kumar ISSN 2734-9888 08.2021 77 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Mehboob cộng [2013] Nội dung nghiên cứu bao gồm khảo sát phản ứng dao động mơ hình khơng gian cơng trình có bể nước mái Việc nghiên cứu thực cách xem bể nước mái hệ cản chất lỏng (TLD) Gia tốc hai trận động đất El Centro (1940) Muzafrabad Kashmir (2005) sử dụng để mô lại tác dụng động đất lên cơng trình Khảo sát thực mơ hình khung khác số tầng, bể nước đặt vị trí khác tầng mái cơng trình mực nước bể khác Qua khảo sát, tác giả đưa số kết luận bể nước mái làm tốt vai trị hệ cản chất lỏng, với điều kiện thơng số vị trí, lượng nước bể hệ số khối lượng phải ăn khớp vơí nhau, Khi lượng nước bể từ 1/4 đến 1/2 chiều cao bể phản ứng cực đại kết cấu có xu hướng giảm đi, lượng nước nhiều 1/2 bể xu hướng giảm khơng ổn định, mức nước bể nằm khoảng từ 0,32h đến 0,81h giả dao động kết cấu khung bê tông cốt thép chịu tác dụng động đất Kumar cộng [2017] Thực nghiên cứu tính khả thi việc xem bể nước mái TLD thụ động nhằm mục đích tìm mực nước tối ưu việc giảm phản ứng kết cấu cơng trình chịu động đất Nghiên cứu sử dụng hai mơ hình tầng tầng khung bê tông cốt thép chịu lực, mơ hình xây dựng phần mềm SAP2000 Kết nghiên cứu mực nước từ tối ưu để giảm phàn ứng cơng trình chịu động đất kiến nghị phát triển công cụ để thiết kế TLD cho toàn nhà, nhằm tăng khả chịu động đất Bài báo phân tích giảm chấn bể nước mái kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng điều hòa phương pháp phần tử hữu hạn Kết cho thấy bể nước tác dụng giảm chấn đáng kể với phổ tần số tải điều hịa nhiên có mực nước gây tác dụng ngược CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương trình chuyển động hệ kết cấu tổng thể chịu tác dụng tải trọng động thiết lập dạng tổng quát sau �𝑚𝑚��𝑢𝑢� � � �𝑐𝑐��𝑢𝑢� � � �𝑘𝑘��𝑢𝑢� � ������ Trong ma trận khối lượng, cản độ cứng hệ véc tơ tải trọng xây dựng dựa phương pháp phần tử hữu hạn Trong toán này, kết cấu rời rạc dạng phần tử khối ba chiều phần tử hai chiều phần tử chiều Nước bể chứa rời rạc phần tử Fluid80 Trong phương pháp bước thời gian, phương pháp Newmark’s sử dụng Với mục tiêu phân tích mơ hình làm việc cơng trình cao tầng có lắp bể nước mái, phần tử sử dụng để mô hệ khung bê tông cốt thép cơng trình gồm cột, dầm, sàn, thành phần cấu tạo bể chứa nước gồm thành bể, nắp bể dùng phần tử SOLID65 để mô phòng Đối với chất lỏng bể chứa sử dụng phần tử Fluid80 để mô nước bể hình Phần tử SOLID65 thuộc phần mềm Ansys Workbench phần tử chuyên mô vật liệu có khả chịu nén lớn nhiều khả chịu kéo bê tơng, đá,… Nó mô cốt thép gia cường bê tông (hoặc thép lưới, thép hình…), với tượng kéo nứt nén vỡ vật liệu Đây phần tử 3D - điểm nút dựa tảng phần tử SOLID65 bổ sung thêm tham số tính bê tơng tổ hợp thức mơ hình cốt thép Phần tử SOLID65 nhiều định nghĩa ba loại vật liệu gia cố khác nhau, tức phần tử cho phép đồng thời dùng lúc bốn loại vật liệu Vật liệu bê tơng có khả nứt, nén vỡ, biến dạng dẻo xoắn; vật liệu gia cường có khả chịu kéo nén, khơng có khả chịu lực cắt Hình Phần tử SOLID65 khối bê tông cốt thép không gian phần tử FLUID80 chất lỏng không gian Phần tử FLUID80 sử dụng để mơ hình hóa mơi trường chất lỏng bề mặt tương tác chất lỏng kết cấu; Phần tử Fluid80 sử dụng modul đàn hồi Bulk hệ số nhớt chất lỏng; Các ứng dụng điển hình bao gồm truyền sóng động lực học kết cấu Phương trình điều khiển lan truyền, gọi phương trình sóng 3D, rời rạc xét đến kết hợp áp suất lan truyền chuyển động kết cấu bề mặt tiếp xúc chất lỏng kết cấu Phần tử có tám nút góc với bốn bậc tự cho nút: chuyển động tịnh tiến nút x, y, z áp suất Các chuyển động tịnh tiến áp dụng nút bề mặt tiếp xúc chất lỏng kết cấu Lựa chọn phần tử đặt tên khai báo vật liệu cho phần tử, khai báo liên kết phần tử chia lưới cho hệ kết 78 08.2021 ISSN 2734-9888 cấu cơng trình cao tầng có bể nước mái Chọn liên kết cho hệ kết cấu công trình cao tầng có bể nước mái chân cột Khai báo gia tốc cho hệ kết cấu cơng trình cao tầng có bể nước máivề độ lớn, điểm đặt, phương truyền lực Thiết lập thời gian, bước thời gian, số phân tích bước thời gian khảo sát cho hệ kết cấu cơng trình cao tầng có bể nước mái Xác định vị trí nút cần trích xuất liệu kết hệ kết cấu công trình cao tầng có bể nước mái xuất kết để tiến hành khảo sát KẾT QUẢ SỐ Để xác định giá trị tần số hệ kết cấu, dựa vào thông số đầu vào mơ hình kết cấu Hình 4, tiến hành tạo mơ hình chia lưới phần tử Ansys Workbench, so sánh kết với phần mềm ETABS Độ tin cậy chương trình tính đánh giá thơng qua kết chu kỳ dạng dao động ANSYS ETABS Kết tính trình bày Bảng Nhận xét: Kết phân tích dạng dao động ANSYS ETABS có kết tương đương Kết chu kỳ dạng dao động kết cấu ANSYS ETABS xấp xỉ Từ kết tần số riêng kết cấu cho thấy mô hình ANSYS tin cậy Tải trọng điều hịa tác dụng lên hệ kết cấu cơng trình cao tầng có bể nước mái P (t ) P0 sin t Trong P0 1000 kN 2 f ( rad s 1 ) với f 3( Hz ) Trong mục này, tiếp tục kiểm chứng lại độ tin cậy chương trình tính thơng qua việc đánh giá phản ứng cơng trình khơng có nước chịu tải trọng điều hịa hai phần mềm ANSYS ETABS Tiến hành tạo mơ hình chia lưới phần tử Ansys Workbench so sánh kết với phần mềm ETABS Nội dung kiểm chứng thực trường hợp công trình cao tầng có bể nước mái bể khơng chứa nước Từ kết phản ứng cơng trình với tải trọng điều hòa, tổng hợp kết biên độ dao động cực đại tương ứng với mực nước cụ thể Bảng Bảng Kết phân tích chu kỳ dao động ANSYS ETABS Dạng dao động ANSYS ETABS Sai số (%) 2,281 2,275 1,811 0,733 0,732 0,591 2,288 2,288 1,883 0,700 0,700 0,588 0,31 0,57 3,82 4,50 4,37 0,51 Bảng Kết phân tích chuyển vị lớn hệ kết cấu Mực nước Chuyển vị cực đại Tỷ lệ giảm (mm) (%) (m) 0,00 158,223 0,00 0,05 158,540 0,20 0,50 124,443 -21,35 1,00 105,776 -33,15 1,50 96,256 -39,16 2,00 81,057 -48,77 2,50 79,963 -49,46 2,80 326,209 106,17 Hình Biểu đồ so sánh phản ứng cơng trình ETABS ANSYS Nhận xét: Kết phân tích phản ứng cơng trình khơng có nước chịu tải trọng điều hịa phần mềm ANSYS ETABS có kết tương đương Kết biên độ dao động kết cấu chịu tác dụng tải trọng điều hòa ANSYS ETABS xấp xỉ Tuy nhiên, phản ứng cơng trình so sánh kết hai phần mềm có sai số định, nguyên nhân việc chia lưới phần tử khơng đồng sai số phần mềm khác nhau,… Tóm lại, từ kết phản ứng cơng trình cao tầng có bể nước mái (trường hợp bể khơng chứa nước) chịu tải trọng điều hòa cho thấy việc sử mơ hình ANSYS để thực khảo sát tin cậy Hình 4: Mơ hình chia lưới phần tử ANSYS Hình Chuyển vị lớn kết cấu mực nước bể m với tần số khác ISSN 2734-9888 08.2021 79 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình Chuyển vị lớn kết cấu mực nước bể 2,8 m với tần số khác dụng ANSYS cho kết phù hợp dù tốn nhiều tài nguyên máy tính - Mô lại tương tác chất lỏng kết cấu, qua đánh giá ảnh hưởng đến phản ứng cơng trình - Các giá trị chuyển vị cơng trình với mực nước khác tần số tải trọng khác phân tích, kết cho thấy bể nước có khả giảm chấn cho kết cấu hầu hết chiều cao mực nước; nhiên có trường hợp gây tác dụng ngược lại khu mực nước cao Do cần đánh giá cụ thể TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Phạm Đức Tường, “Ứng dụng bể chứa chất lỏng có thành mỏng việc kháng chấn điều khiển dao động cơng trình.”, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật T PHCM, VN, 2020 Lê Ngọc Linh, “Ảnh hưởng bể nước mái có gắn lên kết cấu khung phẳng chịu tải trọng động”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP HCM, VN, 2018 Hình Chuyển vị lớn kết cấu với mực nước khác tần số ngoại lực khác Ngô Khánh Tiễn, “Hiệu giảm dao động cho kết cấu nhiều hệ cản chất lỏng có chắn”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP HCM, VN, 2017 Nguyễn Đức Thu Định, “Nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng kiểm soát dao động cho cầu dây văng Việt Nam”, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Giao thông Vận tải, 2015 Văng Quốc Khánh, “Phân tích ảnh hưởng bể nước mái kết cấu nhà nhiều tầng chịu gia tốc động đất”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP HCM, VN, 2019 Asgari, Khodakarami, Vahdani, “The Effect of Topographic Irregularities on Seismic Response of the Concrete Rectangular Liquid Storage Tanks Incorporating Soil–Structure–Liquid Interaction”, Iranian J of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering, 2020 Hình Hiệu giảm chấn bể nước Nhận xét: Giá trị chuyển vị đỉnh cơng trình giảm xuống mực nước tháp tăng lên (xấp xỉ từ 0,05m đến khoảng 2,5m) Mực nước bể có khả làm giảm dao động trường hợp khảo sát, tỷ lệ giảm chuyển vị lớn lên đến khoảng 49% Tuy nhiên, bên cạnh thấy, trường hợp mực nước gần đầy bể làm tăng chuyển vị đỉnh cơng trình, cụ thể theo khảo sát tỷ lệ tăng lên đến khoảng 106% với trường hợp nước bể có mực nước cao 2,8m Tần số dao động ngoại lực tác dụng có ảnh hưởng lớn đến chuyển vị đỉnh cơng trình trường hợp mực nước khác nhau, nhìn chung miền tần số nằm khoảng từ 0,25Hz đến 1,25Hz , miền tần số khác có ảnh hưởng đến chuyển vị cơng trình, nhiên ảnh hưởng không đáng kể KẾT LUẬN Việc mô lại kết cấu nhà nhiều tầng thực tế sử dụng hệ giảm chấn chất lỏng chịu gia tốc động đất nghiên cứu phù hợp điều kiện chi phí thấp kết nghiên cứu toàn diện, tổng quát phản ứng kết cấu với tải trọng động dạng điều hòa, số kết sau: - Dùng phương pháp phần tử hữu hạn lý thuyết động lực học để giải tốn thơng qua phần mềm chuyên 80 08.2021 ISSN 2734-9888 Dhumal and Suryawanshi, “A Study of Effect of Baffle Wall on Dynamic Response of Elevated Water Tank using Ansys 16”, International Journal for Innovative Research in Science & Technology, 2016 Livaoglu, “Investigation of seismic behaviour of fluid-rectangular tanksoil/foundation systems in frequency domain”, Soil Dynamic and Earthquake Engineering, Vol 28 (2), pp.134-146, 2008 Livaoglu and Dogangun, “Effect of foundation embedment on seismic behaviour of elevated tanks considering fluid-structure-soil interaction”, Soil dynamics and earthquake engineering, Vol 27 (9), pp 855-863, 2007 Mehboob, Khan, Tahir, Ahmad, “Investigation of Water Tank as TLD for Vibration Control of Frame Structure under Seismic Excitations”, Life Science Journal, (2013) Naveen and Gomez, “Study of hydrodynamic effect on RC elevated water tanks under seismic excitation”, International journal of engineering and research, (2015) Tiwari and Hora, “Transient analysis of elevated intze water tank-fluid-soil system”, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, (2015) ... vực giảm chấn cho kết cấu chịu động đất Nghiên cứu Asgari (202 0) thực phân tích phản ứng động bể chứa chất lỏng chữ nhật có xét đến tương tác đất, kết cấu chất lỏng, nghiên cứu thực lý thuyết... vị hệ động đất, song song đó, số tham số nghiên cứu thêm thông qua phương pháp phần tử hữu hạn không gian hai chiều Livaoglu [200 7, 200 8] tính tốn phản ứng động lực học hệ chất lỏng - bể chữ... diện an tồn Phân tích khả kháng chấn bể nước thực phần mềm ANSYS Kết nghiên cứu cho thấy, tác dụng hiệu ứng thủy động lực học nên độ dẻo yêu cầu hệ chống đỡ tăng Tiwari Hora [201 5] phân tích độ hệ