Phân tích ảnh hưởng của bể nước trên nhà cao tầng chịu động đất và giải pháp bể nước giảm chấn tối ưu

Tên và mục tiêu nghiên cứu của Luận án

Dựa trên mô hình được đề xuất, Luận án tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng bể chứa chất lỏng (trường hợp 1 bể và nhiều bể) lên kết cấu công trình. Áp dụng các kết quả nghiên cứu để phân tích ảnh hưởng giảm chấn của bể nước cho một công trình nhà cao tầng cụ thể chịu tác dụng của động đất.

Phương pháp nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu: Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn nhà cao tầng khi chịu động đất. Mô hình đề xuất phản ánh đúng bản chất sự chuyển động của sóng chất lỏng bên trong bể theo mô hình cơ học chất lỏng.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu a) Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể làm căn cứ trong thiết kế biện pháp giảm chấn cho kết cấu công trình sử dụng bể chứa chất lỏng. Góp phần đẩy mạnh hướng nghiên cứu ứng dụng này với giải pháp sử dụng bể nước giảm chấn cho kết cấu công trình chịu tác dụng của động đất.

Cấu trúc của Luận án

Bể nước trên các tòa nhà cao tầng và tác dụng giảm chấn 1. Vai trò của bể nước đối với tòa nhà cao tầng

Trong thực tế công cụ làm tiêu hao nguồn năng lượng thụ động của TLD đã đưa ra một vài ưu điểm so với các loại hệ thống giảm chấn khác như: Được áp dụng để kiểm soát các loại dao động khác nhau của hệ thống chuyển động đa cấp độ; Mỗi hệ thống có một tần số khác nhau đối với từng loại, thích hợp để sử dụng tạm thời, không hạn chế đối với những dao động vô hướng; Tần số dao động riêng của TLD có thể được kiểm soát bởi việc điều chỉnh độ sâu của chất lỏng và kích thước của bể chứa, nước ở trong bể chứa có thể được sử dụng cho mục đích sinh hoạt, cứu hỏa. Một vài phương pháp đã được đưa ra như: Lắp đặt TLD ở vị trí thích hợp; Dùng TLD đáy phẳng nước nông để phá vỡ lớp sóng, bổ sung các hạt nổi gây cản trở chuyển động bề mặt sóng nước; Sử dụng lưới chìm và màn chắn; Sử dụng những tấm chắn (hay nắp đậy bể chứa); Tạo độ dốc cho bể chứa;. Tăng độ nhám cho đáy bể bằng việc sử dụng đáy hình nêm; Sử dụng TLD dạng nón;. Sử dụng một con lăn; Chèn cột chất lỏng. Hệ TLD đáy dốc đã sử dụng để khắc phục những hạn chế liên quan đến TLD đáy phẳng. Khái niệm này có nguồn gốc từ hiện tượng “bờ biển”. Vì một bãi biển dốc luôn tiêu tan năng lượng hiệu quả, phần lớn các sóng biển bị tiêu tan dọc theo bờ biển, đặc biệt là do sóng vỡ. Các tính năng khác liên quan tới TLD đáy dốc là: Vì sự khuếch đại chiều cao sóng nước của bể đáy dốc lớn hơn so với bể đáy phẳng. Chuyển động sóng trong TLD đáy dốc cũng trở nên phi tuyến hơn TLD đáy phẳng. Với TLD đáy dốc, lực ngang lớn hơn có thể được tạo ra với khối lượng ít nước hơn. Hiện tượng đập cũng có thể giảm thiểu thông qua TLD đáy dốc. Hệ giảm chấn chất lỏng dạng đáy dốc [27]. Hệ TLD dạng cột là một loại tiêu hao năng lượng của kết cấu bởi hoạt động kết hợp liên quan đến chuyển động của khối lượng chất lỏng trong ống, nơi mà lực khôi phục là do tác dụng trọng lực lên chất lỏng và hiệu ứng giảm chấn do mất áp. lực của nước do các lỗ được lắp đặt bên trong cột. Hệ thống giảm chấn TLCDs cung cấp một số ưu điểm so với các thiết bị giảm xóc khác, chẳng hạn như:. - TLCDs có thể lấy bất kỳ hình dạng tùy ý, nó có thể được gắn vào một kết cấu sẵn có một cách dễ dàng;. - Không giống như mô hình toán học, định nghĩa định lượng động lực học của TLCDs có thể được xây dựng. - Có thể kiểm soát khả năng giảm chấn của TLCDs thông qua việc kiểm soát lỗ mở. Điều này cho phép chủ động kiểm soát khả năng giảm chấn của hệ TLCDs. - Có thể điều chỉnh tần số của TLCDs bằng cách điều chỉnh chiều cao chất lỏng trong cột. d) Hệ giảm chấn chất lỏng dạng khối lượng lai [27].

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng 1. Tình hình nghiên cứu hệ giảm chấn chất lỏng

Các nghiên cứu của Fujii và các cộng sự [40], [41], [42] đã thể hiện việc thiết lập giảm chấn chất lỏng để giảm các dao động do gió của hai tòa tháp cao tầng, Nagasaki Airport Tower (chiều cao 42m) và Yokohama Marine Tower (chiều cao 101m), và kết quả chỉ ra rằng chuyển dịch của tháp giảm khoảng 1/2 so với khi không lắp đặt. Một vài loại khác của các giảm chấn chất lỏng cũng được đề xuất trong khoảng hai thập kỷ, trong đó giảm chấn cột chất lỏng (TLCDs), cái mà làm tiêu tan chuyển động do gió bởi sự phân tán năng lượng thông qua chuyển động của khối lượng chất lỏng trong một ống giống như thùng chứa nhưng trong bị đục lỗ thông nhau. Tuy nhiên giảm chấn cột chất lỏng TLCDs này không phải là thiết bị điều khiển dao động kiểu bị động mà thuộc loại thiết bị điều khiển dao động bán chủ động. b) Tình hình nghiên cứu hệ giảm chấn chất lỏng ở Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết phân tích gối liên kết giữa bể chứa chất lỏng và kết cấu Trong mô hình phân tích thực tế, sự tương tác của thiết bị giảm chấn và công

- Mô hình A (1DOF) tương ứng với trường hợp có thể bỏ qua tương tác quán tính và động học. Các mô hình phân tích tương tác giữa hệ sơ cấp và thứ cấp [99]. b) Phương trình chuyển động của hệ hai lò xo, hai khối lượng, có hai bậc tự do. Trong hệ thống thực tế, lò xo có độ cứng kp và khối lượng mp tạo thành hệ thống cơ cấp (kết cấu), lò xo có độ cứng ks và khối lượng ms tạo thành hệ thống thứ cấp (bể chứa nước - thiết bị giảm chấn TLD).

Các dạng mô hình phân tích bể chứa chất lỏng

Chất lỏng bên ngoài lớp ranh giới được xem là dòng chảy tiềm năng và vận tốc của dòng chảy này được xác định bởi Sun (1991). k: Là số sóng của chất lỏng; H: được xác định bởi công thức:. Dựa trên lý thuyết sóng nước nông,  Hàm thế được giả định là:. Điều kiện biên cho bề mặt tự do của chất lỏng Điều kiện biên về mặt động học:. Bỏ qua độ dày lớp biên  Phương trình u. Phương trình liên tục này có thể xấp xỉ được viết dưới dạng sau đây:. c) Phương trình chuyển động của chất lỏng ở dạng phân tích.  - là hệ số giảm chấn (Damping Co - efficient) được xác định do hiệu ứng của tường bên và bề mặt tự do của chất lỏng - công thức xác định:. S: Hệ số ô nhiễm bề mặt của chất lỏng; S =1 tương ứng với bề mặt bị ô nhiễm hoàn toàn. l : Tần số dao động tuyến tính cơ bản của chất lỏng. b: Bề rộng bể chứa chất lỏng. Các hệ số Cfr và Cda dùng khi vận tốc pha sóng nước thay đổi, sóng không ổn định. S - là chuyển vị lớn nhất của cấu trúc tại vị trí đặt bể chất lỏng khi không có TLD trong bể nước do tải trọng gây ra. d) Tần số cơ bản của hệ TLD. Tần số cơ bản của hệ TLD có thể được xác định theo phương trình sau:. Trong đó: g: Gia tốc trọng trường; h: Chiều cao mực nước trong bể L = 2a: Chiều dài bể theo hướng chuyển động của sóng nước. e) Lực cắt đáy bể cơ bản do sóng chất lỏng gây ra. Là lực gây ra trên thành bể chứa do sóng chất lỏng được xác định bởi công thức:. n : Độ cao bề mặt tự do của chất lỏng bên phải thành bể. f) Mô hình tương tác giữa kết cấu và bể chứa chất lỏng (xét với hệ một bậc tự do).

Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mô hình thí nghiệm

Mô hình hình học của kết cấu được mô phỏng trên ANSYS Phương pháp mô phỏng số trong đó bể nước được mô hình bằng phần tử fluid30 (dạng phần tử khối theo phương pháp thể tích hữu hạn FVM - Finite Volume Method) thể hiện đúng tương tác sóng nước lên thành bể. Để rút ngắn thời gian thực hiện mô phỏng, mô hình (kết cấu + vật liệu) được xây dựng bằng giao diện của ANSYS Workbench, sau đó ANSYS APDL được sử dụng để định nghĩa điều kiện biên, tải trọng và thực hiện tính toán theo lịch sử thời gian. - Quy trình mô phỏng và thực hiện tính toán trên phần mềm ANSYS APDL, được mô tả như trên hình 2.21. Quy trình mô phỏng và tính toán bằng phần mềm ANSYS APDL. - Từ việc thực hiện mô phỏng và phân tích tính toán trên phần mềm ANSYS APDL, sẽ xác định được giá trị của tần số tương ứng với ba dạng dao động riêng của hệ kết cấu khung được mô tả như trên hình 2.22. Các dạng dao động riêng của kết cấu Khung. - Bảng giá trị của tần số tương ứng với ba dạng dao động riêng được xác định từ phần mền ANSYS APDL. Giá trị tần số ứng với ba dạng dao động riêng của kết cấu Khung. Mode dao động mode1 mode2 mode3. Tải trọng điều hòa. Tải trọng điều hòa sử dụng trong nghiên cứu có khoảng tần số từ 0.5Hz đến 6.5 Hz. Hàm tải trọng được xây dựng dữ liệu trên phần mền Matlab. Tạo dữ liệu tải trọng bằng phần mềm MATLAB. Kết quả phân tích kết cấu khung dưới tác dụng của tải điều hòa. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng trong nghiên cứu của Luboya [119] được mô phỏng lại theo phương pháp mô phỏng bằng ANSYS APDL. Kết quả cho thấy, phương pháp mô phỏng trong luận án cho phổ gia tốc theo miền tần số khớp với kết quả thí nghiệm và nghiên cứu của Luboya [119]. a) Kết quả giá trị biên độ của phổ khi không đặt bể nước. Kết quả mô phỏng bằng ANSYS APDL. Phổ gia tốc theo tần số theo nghiên cứu của Luboya và phương pháp mô phỏng đề xuất cho luận án. b)Kết quả giá trị biên độ của phổ khi đặt bể nước.

Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mô hình đề xuất của Houner và Haroun

Nên mô hình được đề xuất trong nghiên cứu là mô hình hệ kết cấu bể nước được khống chế các dạng chuyển vị theo phương đứng, chuyển vị xoay…., chỉ cho bể nước chuyển vị theo phương Ox; Oy với mô hình không gian (hoặc tương đương chuyển vị theo phương ngang khi xét mô hình dạng phẳng). Xét riêng bể chứa nước hình chữ nhật có kích thước a x b x hbể với điều kiện biên khống chế các chuyển vị xoay, và chuyển vị theo phương đứng; chỉ cho bể dao động theo phương ngang. Mô hình bể chứa chất lỏng. Xác định tần số dao động của sóng chất lỏng trong bể chứa a) Tính toán theo lý thuyết của H. Đồ thị quan hệ giữa tần số dao động fn và dạng dao động. Tần số này phụ thuộc chiều cao mực nước trong bể chứa cũng như kích thước của bể chứa vì công thức H. Norman Abramson dựa trên lý thuyết chuyển vị rất nhỏ của sóng nước theo phương thẳng đứng. b) Tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng phần mềm ANSYS APDL). Mô hình bể chứa nước hình chữ nhật (phần tử nước trong bể được mô phỏng bằng phần tử Fluid30), Chiều cao mực nước trong bể h = 2.0 (m); Phần tử nước trong bể chứa bao gồm 2 loại: Những phần tử nước tiếp xúc với bể thì có bậc tự do chính là chuyển vị tại vị trí tiếp xúc với bể, những phần tử nước không tiếp xúc với bể thì không có bậc tự do. Mô hình bể chứa nước trong ANSYS APDL. • Các dạng dao động của nước trong bể chứa. Phần tử nước tiếp xúc với thành bể có xét đến chuyển vị và áp suất Phần tử nước không tiếp xúc và bể. Chỉ xét đến áp suất không xét đến chuyển vị. Dạng dao động của sóng nước và áp lực nước lên thành bể theo mode 1, mode 2. Lý do của sự chệnh lệch này là có tính đến dao động của nước trong bể. Xác định giá trị lực cắt đáy bể dưới tác dụng của tải trọng điều hòa a) Tính toán theo phương pháp giải tích. Xác định dịch chuyển và lực cắt đáy bể dưới tác dụng tải điều hòa theo Housner và Haroun. Mô hình quy đổi bể chứa chất lỏng thành hệ khối lượng tương đương theo Houner và Haroun. - Xác định độ dịch chuyển tuyệt đối của bể nước. b) Tính toán theo phương pháp PTHH trên phần mềm ANSYS APDL Việc sử dụng tải điều hòa và không xét đến hệ số cản nhớt c của chất lỏng trong bể chứa, nhằm khẳng định độ chính xác của kết quả phân tích khi áp dụng mô phỏng trên phần mền ANSYS APDL so với kết quả tính toán theo giải tích.

Xây dựng phương pháp phân tích 1. Hàm hiệu quả

Sử dụng phân tích Fourier và các kỹ thuật lọc tần số của sóng dao động, các nhà khoa học đã đưa ra nhận định dải tần số chính của sóng động đất El Centro nằm trong khoảng từ 0.1Hz đến 0.3Hz, khoảng giá trị này gần với dải tần số của các tòa nhà cao tầng. Mặt khác lựa chọn số liệu động đất dựa trên phổ tần số chứ không dựa trên giá trị cực đại của gia tốc nền của trận động đất đó, do vậy phổ tần số của El Centro tương đối rộng nên sẽ bao quát được các giá trị tần số của kết cấu, dễ xác định được trường hợp bất lợi nhất khi động đất tác dụng lên công trình.

Phân tích ảnh hưởng của bể nước theo các tham số

Khi thay đổi các thông số bể nước (kích thước bể - b và chiều cao mực nước. trong bể - h), hiệu quả giảm chấn bể nước đến kết cấu dưới tác dụng của động đất, khi phân tích nghiên cứu theo đại lượng lực có sự thay đổi đáng kể. Khi tần số quy chuẩn bằng 1, ứng với trường hợp tỷ lệ khối lượng bằng 1%, thì tỷ lệ lực cắt đáy kết cấu khi đặt bể và khi không đặt bể là 98%. Hiệu quả giảm lực cắt đáy cho kết cấu khi đặt bể nước tốt nhất khi giá trị tần số quy chuẩn nằm trong khoảng từ 0.8 đến 1.5. Hiệu ứng của lực cắt đáy kết cấu giống hoàn toàn so với hiệu quả đối với chuyển vị của kết cấu. Lực cắt đáy kết cấu có thể giảm chỉ còn 72.72% so với trường hợp không đặt bể. Việc này có ý nghĩa rất lớn khi thiết kế móng cho kết cấu. • Với lực cắt đáy bể. Biểu đồ thể hiện lực cắt đáy bể, lực cắt đáy bể này chính bằng lực trong lò xo liên kết giữa bể và kết cấu. Trong thực tế, chúng ta sẽ dùng lực này để thiết kế ra liên kết giữa bể và kết cấu. Biểu đồ lực cắt đáy bể theo tần số quy chuẩn có giá trị lớn nhất tại tần số quy chuẩn gần bằng 1. Khi đó, hiệu quả của bể TLD đối với chuyển vị kết cấu là cao nhất. Tuy nhiên, trong trường hợp đó, dao động của bể so với công trình cũng sẽ là lớn nhất. Điều này được thể hiện bằng độ lớn nhất của lực cắt đáy trong trường hợp tần số quy chuẩn gần 1. c) Tổng hợp kết quả phân tích ảnh hưởng tham số kích thước của bể nước. Tham số số lượng bể (n) được thay đổi để phân tích khảo sát ảnh hưởng của tham số này đến hiệu quả giảm chấn của bể nước đối với kết cấu. Các tham số được trình bày trong bảng 3.12. Tham số của mô hình hệ một bể chứa chất lỏng. Tham số Ký hiệu Đơn vị Giá trị. Chiều dày bê tông thành bể δthanh m 0.5. Cản nhớt giữa của gối liên kết giữa kết cấu và nền. Coi các đặc trưng hình học và cơ học, tỷ lệ khối lượng, tần số dao động của kết cấu và bể chứa chất lỏng có giá trị không đổi, chỉ thay đổi số lượng bể. Số lượng bể được thay đổi tương ứng với số liệu như trong bảng 3.13. Tham số của mô hình hệ gồm 6 bể nhỏ. Tham số Ký hiệu Đơn vị Giá trị. Chiều dày bê tông thành bể δthanh m 0.5. Cản nhớt của gối liên kết giữa bể và kết cấu. Cản nhớt giữa của gối liên kết giữa kết cấu và nền. cấu với nền. Phân tích ảnh hưởng của số lượng bể đến mức độ giảm chấn của bể chứa a) Chuyển vị.

Ảnh hưởng của gối liên kết giữa bể nước và kết cấu đến mức độ giảm chấn Khi nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến kết cấu nhà cao tầng chịu tác

 0 ứng với Kb = 0, - Ngược lại khi tần số quy chuẩn lớn hơn 1 hay tần số của bể lớn hơn tần số của kết cấu ở dạng dao động đầu tiên, thì ứng với độ cứng của gối liên kết giữa bể và kết cấu tương đối lớn (liên kết cứng), ảnh hưởng của bể chứa chất lỏng đến chuyển vị giảm dần và đạt đến một giá trị tiệm cận, giá trị này tương ứng với trường hợp liên kết giữa bể chứa chất lỏng với kết cấu là liên kết tuyệt đối cứng. Khi bể ngàm cứng tuyệt đối vào kết cấu, nước trong bể vẫn tương tác với kết cấu, hiệu quả giảm chấn của bể đối với kết cấu đạt gần 10% so với khi không đặt bể xét theo giá trị chuyển vị lớn nhất của kết cấu. b) Đối với giá trị lớn nhất của lực cắt đáy kết cấu. Ngược lại khi tần số quy chuẩn lớn hơn 1, hay tần số của bể lớn hơn tần số của kết cấu ở dạng dao động đầu tiên, ứng với độ cứng gối liên kết giữa bể và kết cấu tương đối lớn (liên kết cứng) thì ảnh hưởng của bể chứa chất lỏng đến kết cấu theo đại lượng lực cắt đáy giảm dần và đạt đến một giá trị tiệm cận, giá trị này tương ứng với trường hợp liên kết giữa bể chứa với kết cấu là liên kết tuyệt đối cứng.

Nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến nhà cao tầng khi chịu động đất 1. Số liệu động đất

Mn - Khối lượng nước trong bể chứa (T) c) Liên kết giữa các bể chứa nước với nhau:. Các bể chứa chất lỏng được coi là đặt độc lập, không liên kết với nhau. Nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến nhà cao tầng khi chịu động đất. Nghiên cứu mô hình kết cấu tương đương gồm các khối lượng liên kết với nhau bởi các lò xo và cản nhớt của tòa nhà 30 tầng, khi không đặt bể chứa nước dưới tác dụng của tải trọng động đất El Centro. a)Chuyển vị của tòa nhà khi không đặt bể chứa nước.  Giá trị của các kết quả chuyển vị tuyệt đối, chuyển vị tương đối, lực cắt các tầng R = max(MAX, abs(MIN)), và được so sánh với trường hợp không có bể nước. a) Chuyển vị của tòa nhà. • Chuyển vị tuyệt đối của kết cấu so với đất nền. Đồ thị chuyển vị tuyệt đối lớn nhất tại các tầng. Từ đồ thị chuyển vị tuyệt đối lớn nhất tại các tầng, sẽ đưa ra được một số nhận xét như:. - Chuyển vị tuyệt đối lớn nhất tại tất cả các tầng của trường hợp không đặt bể nước luôn đạt giá trị lớn nhất, và trường hợp khi đặt tất cả bể chứa trên tầng đỉnh của kết cấu thì chuyển vị tuyệt đối đạt giá trị nhỏ nhất. • Chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng. Đồ thị chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng. Từ đồ thị chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng, sẽ đưa ra được một số nhận xét như:. Chuyển vị tương đối giữa các tầng lớn ở các tầng dưới, càng lên cao giá trị này giảm dần. Chuyển vị tương đối lớn nhất giữa tầng 2 với tầng 1. Chuyển vị tương đối nhỏ nhất giữa tầng 30 với tầng 29. Ở các tầng dưới chuyển vị tương đối giữa các tầng lớn thì trường hợp khi 6 bể đặt trên đỉnh công trình luôn có giá trị nhỏ hơn so với khi đặt 3 bể tầng 15 và 3 bể tại đỉnh, và nhỏ hơn so với khi không đặt bể. Nhưng tại đỉnh công trình thì quy luật này. có sự thay đổi chuyển vị tương đối giữa các tầng trong trường hợp không đặt bể lại đạt giá trị nhỏ hơn so với trường hợp đặt 6 bể trên đỉnh và khi đặt 3 bể tại tầng 15, 3 bể tại tầng mái. Quy luật thay đổi này không ảnh hưởng nhiều đến sự làm việc của kết cấu vì tại các tầng mái giá trị của chuyển vị tương đối rất nhỏ, không đáng kể. b) Lực cắt lớn nhất tại các tầng của tòa nhà.

KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO (1) Nghiên cứu cho hệ bể có nhiều tầng bể khác nhau

Trịnh Thị Hoa, Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Nguyễn Tiến Chương, Nguyễn Thường Anh (2020), “Ứng dụng phần mền ANSYS phân tích tương tác của bể chứa nước dưới tác dụng của tải điều hòa có xét đến ảnh hưởng dao động của sóng nước trong bể”, Tạp chí Giao thông vận tải số tháng 8 năm 2020. Trịnh Thị Hoa, Nguyễn Thị Tuyết Trinh (2021), “Optimized design of tuned liquid damper for mitigating seismic induced vibration in case of high-rise building”, Kỷ yếu hội thảo CIGOS 2021 (Scopus), tháng 10/2021.