Từ đồ thị hiệu quả lực cắt tại các tầng, sẽ đưa ra được một số nhận xét như: - Khi đặt bể chứa nước, hiệu quả lực cắt giữa tầng 23 so với tầng 22 giảm lớn nhất đạt 25% (ứng với trường hợp khi đặt 6 bể trên đỉnh) và 20% (ứng với trường hợp khi đặt 3 bể trên đỉnh, 3 bể ở tầng 15). Việc này có tác dụng là giảm cốt thép trong thiết kế cột, vách giữa 2 tầng 22 và 23. Trong trường hợp không đặt bể nước, giá trị lực cắt giữa 2 tầng 22, 23 là 3.0E+7(N), giá trị lực cắt này không phải là lớn nhất.
- Lực cắt lớn nhất là giữa tầng 1 so với nền móng. Khi khơng có bể chứa, giá trị lực cắt lớn nhất đạt 5.5E+7(N). Khi đặt 6 bể trên đỉnh cơng trình giá trị lực cắt này giảm 5%, và khi đặt 3 bể trên đỉnh, 3 bể ở tầng 15 thì giá trị lực cắt này giảm 4%. Do vậy, việc thiết kế cốt thép các cột, vách giữa tầng 1 và móng sẽ giảm là 5%.
Tuy nhiên, tại một số tầng, khi đặt bể chứa lại làm tăng giá trị lực cắt giữa các tầng, đặc biệt là tại tầng mái (vì lúc này khối lượng tầng mái tăng, làm cho lực quán tính tăng lên). Điều này giải thích tại sao khi đặt 6 bể trên tầng mái thì lực cắt lại lớn hơn khi đặt 3 bể trên tầng mái và 3 bể tại tầng 15. Tuy nhiên việc tăng này không ảnh hưởng đến giá trị lực cắt lớn nhất (giá trị lực cắt lớn nhất xảy ra giữa tầng 1 và móng). Do đó khơng phải là vấn đề đáng lo ngại trong tính tốn thiết kế cơng trình.
4.4. Kết luận chương 4
Nội dung chương 4 đã nghiên cứu áp dụng bể nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất. Trước tiên nội dung chương đã nghiên cứu lựa chọn tịa nhà Bê tơng cốt thép có tổng chiều cao 108m tương đương 30 tầng để nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến tòa nhà khi chịu tác dụng của động đất. Nghiên cứu xây dựng mơ hình phân tích tương đương cho kết cấu tịa nhà 30 tầng sang mơ hình gồm các khối lượng được liên kết với nhau bởi lị xo có độ cứng K và độ cản C. Nghiên cứu xác định thông số ma trận độ cản C cho hệ nhiều bậc tự do theo Rayleigh. Các thông số bể nước và thông số gối liên kết giữa bể và kết cấu được xác định dựa trên các kết quả nghiên cứu cho bể nước ở nội dung chương 3.
Thực hiện nghiên cứu ứng xử của tịa nhà khi thay đổi vị trí đặt bể nước theo chiều cao tòa nhà dưới tác dụng của động đất El Centro. Nghiên cứu được thực hiện cho 2 trường hợp. Trường hợp 1 là đặt toàn bộ hệ bể nước trên tầng mái của tòa nhà và trường hợp 2 là chia hệ bể thành hai hệ nhỏ đặt tại hai tầng khác nhau (tầng mái và tầng 15). Kết quả nghiên cứu cho thấy trường hợp bố trí tồn bộ bể nước trên tầng mái sẽ mang lại hiệu quả giảm chấn hơn so với trường hợp bố trí bể chứa dọc theo chiều cao tịa nhà. Cụ thể các kết quả nghiên cứu có được như sau:
Khi đặt 06 bể nước trên đỉnh tòa nhà, chuyển vị tuyệt đối ở đỉnh tịa nhà giảm 10% so với khi khơng đặt bể. Khi chia ra, đặt 03 bể trên đỉnh tòa nhà và 03 bể ở tầng 15, chuyển vị tuyệt đối ở đỉnh tịa nhà chỉ giảm 7% so với khi khơng đặt bể.
Khi đặt 06 bể nước trên đỉnh tòa nhà, chuyển vị lệch tương đối giữa tầng 14 và 15 giảm được 6.8% so với khi không đặt bể. Khi chia ra, đặt 03 bể trên đỉnh tòa nhà và 03 bể ở tầng 15, chuyển vị tương đối giữa tầng 14 và 15 chỉ giảm 4.2 % so với khi không đặt bể (chuyển vị lệch này dễ gây ra phá hoại cục bộ của kết cấu).
Khi đặt 06 bể nước trên đỉnh tòa nhà, lực cắt giữa tầng 22 và 23 giảm 25% so với khi không đặt bể. Khi chia ra, đặt 03 bể trên đỉnh tòa nhà và 03 bể ở tầng 15, lực cắt giữa tầng 22 và 23 chỉ giảm 20% so với khi không đặt bể.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN
Luận án đã nghiên cứu phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của tòa nhà cao tầng khi chịu động đất. Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bể, chiều cao mực nước trong bể, số lượng bể, và gối liên kết giữa bể và kết cấu đến hiệu quả giảm chấn cho kết cấu khi chịu động đất.
Luận án đã nghiên cứu chức năng và cơ chế làm việc của hệ giảm chấn chất lỏng. Các cơ sở lý thuyết phân tích cho hệ một bể và hệ nhiều bể. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phân tích gối liên kết giữa bể và kết cấu. Nghiên cứu các dạng mơ hình điển hình áp dụng phân tích bể chứa chất lỏng như mơ hình đề xuất của SUN, của YU. Nghiên cứu các phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng như: Phương pháp giải tích thơng qua các cơng thức gần đúng với mơ hình các khối lượng tương đương được đề xuất bởi Houner và Haroun; Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm; Phương pháp phần tử hữu hạn. Thơng qua phân tích ưu, nhược điểm của từng phương pháp khi áp dụng phân tích cho bể chứa chất lỏng, Luận án đề xuất sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích cho các trường hợp nghiên cứu về bể chứa chất lỏng, và ảnh hưởng của bể chứa đến kết cấu. Cụ thể sử dụng phần mềm ANSYS APDL để mô phỏng số dòng chất lỏng trong bể chứa thông qua các phần tử chất lỏng được tích hợp trong phần mềm. Đây cũng là tính năng riêng biệt của phần mềm ANSYS so với các phần mềm khác để có thể mơ phỏng thực hoạt động của dòng chất lỏng bên trong bể chứa. Đồng thời để kiểm chứng độ tin cậy của phương pháp phần tử hữu hạn, Luận án đã nghiên cứu kiểm chứng phương pháp phần tử hữu hạn qua so sánh với kết quả nghiên cứu mơ hình thí nghiệm của tác giả Luboya, và kết quả nghiên cứu theo mơ hình đề xuất của Houner và Haroun.
Luận án đã nghiên cứu xây dựng hàm hiệu quả (hàm mục tiêu) về chuyển vị và lực của kết cấu để đánh giá mức độ giảm chấn của bể nước cho kết cấu khi chịu động đất. Từ đó, xây dựng các mơ hình phân tích theo phương pháp PTHH trên phần mềm ANSYS APDL gồm bể chứa nước và kết cấu, để nghiên cứu cho các trường hợp về ảnh hưởng của thông số bể chứa, số lượng bể chứa, và gối liên kết giữa bể và kết cấu đến kết cấu cơng trình thơng qua hai đại lượng lực và chuyển vị.
Luận án đã nghiên cứu áp dụng bể nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất. Thực hiện nghiên cứu ứng xử của tòa nhà khi thay đổi vị trí đặt bể chứa theo chiều cao tịa nhà dưới tác dụng của động đất.
Tải trọng động đất được đưa vào nghiên cứu là phổ gia tốc nền của trận động đất El Centro (Mỹ). Sử dụng phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian kết hợp với
họ phương pháp tích hợp thời gian của Newmark (phương pháp gia tốc trung bình AAM - Average Acceleration Method) để phân tích các trường hợp nghiên cứu.
Luận án đã bước đầu đưa ra kết quả nghiên cứu như sau:
(1) Luận án đã xây dựng đề xuất mơ hình tính cho bể chứa chất lỏng, và áp dụng phương pháp PTHH để phân tích nghiên cứu ảnh hưởng của bể chứa chất lỏng lên kết cấu chịu tác dụng của động đất. Để kiểm chứng độ tin cậy của mơ hình đề xuất khi tính theo phương pháp phần tử hữu hạn, Luận án đã làm kiểm chứng qua phân tích so sánh với kết quả nghiên cứu mơ hình thí nghiệm của tác giả Luboya, và kết quả nghiên cứu theo mơ hình đề xuất của Houner và Haroun. Khi nghiên cứu kiểm chứng với mơ hình thí nghiệm của Luboya kết quả so sánh được biểu diễn thông qua giá trị tần số dao động riêng của mơ hình và giá trị biên độ của phổ gia tốc tại đỉnh cơng trình. Kết quả cho thấy sự tương đồng cả về mặt quy luật biên thiên và giá trị của tần số dao động riêng cũng như giá trị phổ gia tốc tại đỉnh cơng trình. Khi nghiên cứu kiểm chứng với mơ hình đề xuất của Houner và Haroun kết quả nghiên cứu xác định được thông qua giá trị lực cắt đáy xác định theo phương pháp PTHH là 1.19.E4(N) nằm trong khoảng giá trị của lực cắt đáy xác định theo phương pháp giải tích là 0.529.E4- 1.97.E4(N). Và Giá trị tần số dao động đầu tiên của sóng nước trong bể giữa phương pháp PTHH và phương pháp giải tích của H. Norman Abramson và Housner và Haroun khác nhau 13.46%; Lý do là phân tích theo phương pháp PTHH đã xét đến sự dịch chuyển của nước trong bể chứa.
(2) Sử dụng mơ hình đề xuất để nghiên cứu ảnh hưởng của bể đến mức độ giảm chấn cho kết cấu chịu động đất thông qua các tham số của bể. Dựa trên các kết quả tính tốn phân tích bằng phương pháp PTHH cho mơ hình đề xuất của 50 trường hợp khác nhau về tham số bể nước, đưa ra được các kết luận như sau: Các tham số của bể nước như kích thước bể và chiều cao mực nước trong bể sẽ đem lại hiệu quả giảm chấn tốt nhất khi các giá trị tham số này được xác định sao cho tần số quy chuẩn nằm trong khoảng từ 0.8 đến 1.5 (~f = 0.8÷ 1.5) và tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu lớn trong khoảng 1%-10%. Trong trường hợp trận động đất Elcentro (Mỹ), nếu áp dụng các thông số trên, khi tần số quy chuẩn bằng 1, chuyển vị đỉnh lớn nhất của kết cấu giảm 22%, lực cắt đáy lớn nhất của kết cấu giảm 20%. Khi tần số quy chuẩn bằng 1.25 thì hiệu quả giảm chấn của bể chứa là tốt nhất, chuyển vị lớn nhất của kết cấu giảm 29%, lực cắt đáy kết cấu lớn nhất giảm 28%.
(3) Sử dụng mơ hình đề xuất và các kết quả của trường hợp nghiên cứu tham số bể nước. Lựa chọn một trường hợp tham số bể nước tối ưu ứng với tần số quy chuẩn bằng 1, để thực hiện nghiên cứu cho 7 trường hợp thay đổi độ cứng khác nhau của gối liên kết giữa bể và kết cấu. Dựa trên các kết quả tính tốn và phân tích mơ hình đề xuất của bể theo phương pháp PTHH của 7 trường hợp khác nhau của độ cứng gối liên kết, đưa ra được kết luận là: Độ cứng của gối liên kết giữa bể và kết cấu sẽ mang lại hiệu quả giảm chấn tốt nhất khi giá trị độ cứng của nó được xác định với tỷ lệ khối lượng và tần số quy chuẩn giữa bể nước và kết cấu đang xét tương ứng thuộc khoảng từ 1% đến 10%. Cụ thể phân tích kết cấu chịu tác dụng động đất El Centro (Mỹ) với trường hợp tỷ lệ khối lượng 10% và tần số quy chuẩn
f =1, độ cứng gối liên kết Kb=7.03E+05(N/m), thì chuyển vị đỉnh lớn nhất của kết cấu giảm 22%, lực cắt đáy lớn nhất của kết cấu giảm 20%.
(4) Sử dụng mơ hình đề xuất và các kết quả của trường hợp nghiên cứu tham số bể nước và độ cứng gối liên kết giữa bể nước và kết cấu để lựa chọn tham số nghiên cứu của bể nước cho trường hợp sử dụng một bể lớn và sử dụng nhiều bể nhỏ có cùng tần số và cùng khối lượng. Qua phân tích, xử lý số liệu, các nhận xét có được là: Cùng với một giá trị tần số dao động của bể và khối lượng bể, hệ bể nước chia nhỏ luôn đạt hiệu quả giảm chấn tốt hơn so với hệ một bể chứa lớn. Trường hợp trận động đất Elcentro (Mỹ), khi đặt một bể lớn, chuyển vị đỉnh lớn nhất của kết cấu giảm 22%, lực cắt đáy lớn nhất của kết cấu giảm 20%, khi chia bể lớn thành sáu bể nhỏ tương đương, chuyển vị đỉnh lớn nhất giảm 25.9%, lực cắt đáy lớn nhất của kết cấu giảm 54.2%.
(5) Nghiên cứu áp dụng các kết quả tính tốn của bể nước cho một cơng trình nhà cao tầng cụ thể chịu động đất. Sau khi xây dựng mơ hình, phân tích, xử lý số liệu đã đưa ra được các kết luận như sau: Khi phân tích kết cấu với dạng dao động đầu tiên (Mode 1), bố trí tồn bộ bể nước trên tầng mái sẽ đem lại hiệu quả giảm chấn tốt hơn so với bố trí bể nước dọc theo chiều cao tịa nhà. Trường hợp trận động đất Elcentro (Mỹ), khi đặt 06 bể chứa nước trên đỉnh tòa nhà 30 tầng, chuyển vị tuyệt đối ở đỉnh tòa nhà giảm 10% và lực cắt giữa tầng 22 và 23 giảm 25% so với khi không đặt bể. Khi chia ra đặt 03 bể trên đỉnh tòa nhà và 03 bể ở tầng 15, chuyển vị tuyệt đối ở đỉnh tòa nhà chỉ giảm 7% và lực cắt giữa tầng 22 và 23 chỉ giảm 20% so với khi không đặt bể.
2. KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO (1) Nghiên cứu cho hệ bể có nhiều tầng bể khác nhau.
(2) Nghiên cứu điều chỉnh số lượng bể tại các tầng khác nhau của kết cấu, ứng với các dạng dao động riêng khác nhau.
(3) Nghiên cứu cho bể có cấu tạo vật liệu bể khác nhau hoặc nghiên cứu các loại chất lỏng khác nhau để điều khiển được dao động của sóng chất lỏng trong bể theo hướng có lợi cho kết cấu.
(4) Nghiên cứu tính phi tuyến của sóng, cũng như tính phi tuyến của kết cấu đối với những kết cấu có tính riêng biệt.
(5) Thành lập nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm có qui mơ để có kết quả tin cậy kiểm chứng các kết quả nghiên cứu để có tính tổng qt hơn.
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1. Trịnh Thị Hoa, Nguyễn Thị Tuyết Trinh (2020), “Tổng quan các phương pháp tính toán giảm chấn chất lỏng (TLD)”, Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng 3 năm 2020.
2. 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 hịa có xét đến ảnh hưởng dao động của sóng nước trong bể”, Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng 8 năm 2020.
3. 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.
4. Trịnh Thị Hoa, Nguyễn Thị Tuyết Trinh,(2022), “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng gối liên kết giữa bể chứa chất lỏng với kết cấu nhà cao tầng khi chịu động đất”, Tạp chí Giao thông vận tải số tháng 01 năm 2022.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.B. R. Ellis, (1980), An assessment of the accuracy of predicting the fundamental natural frequencies of buildings and the implications concerning the dynamic analysis of structures, Proceedings of the Institution of Civil Engineers.
2.Nguyễn Đức Thị Thu Định, (2014), “Hệ giảm chấn lỏng ứng dụng cho kết cấu cầu dây văng”, Luận án tiến sĩ, Trường đại học GTVT.
3.Nguyễn Doãn Phước, (2009), Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tính, Nhà xuất bản Khoa học - Kỹ thuật.
4.Controlling buildings, (1997), A new frontier in feedback, IEEE Control Syst, 17(6), 19-35.
5.Reese-Roberson, (2014), Stabilisation of an existing structure using a liquid damper, Wiley-Interscience, New York.
6.Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà (2004), Thiết kế cầu treo dây võng, Nhà xuất bản XD.
7.H.N. Abramson, (1966), The dynamic behavior of liquids in moving containers, NASA SP-106.
8.Dixit P S N, (2013), Earthquake resistant design of structures, Wiley-Interscience, New York.
9.Datta T.K, (2010), Seismic Analysis of Structures, Wiley, Singapore,Hoboken, NJ. 10.Hall W.J, (1996), Dynamics of Structures—Theory and Applications to
Earthquake Engineering, Earthq Spectra, 12(3), 635-636.
11.Nguyễn Văn Khang, (1998), Dao động kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội.
12.Sun L.M, Fujino Y, Chaiseri P. et al, (1995), The properties of tuned liquid dampers using a TMD analogy, Earthq Eng Struct Dyn, 24(7), 967-976.
13.Simiu E and Scanlan R.H, (1996), Winds Effects on Structures Fundamentals and Applications to Design, Wiley-Interscience, New York.
14.Wakahara T and Yeh H, (1999), Spectral Characteristics of Wind-Induced