6. Cấu trúc của Luận án
1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng
1.4.1. Tình hình nghiên cứu hệ giảm chấn chất lỏng
a) Tình hình nghiên cứu hệ giảm chấn chất lỏng trên thế giới
Đến nay TLD đã được nghiên cứu bởi một số nhà nghiên cứu và đã có một số kết quả nhất định. Soong và Dargush [34] cung cấp một đánh giá toàn diện về các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm được thực hiện trên TLD và hệ thống TLD và kết cấu. Bauer [35] là người đầu tiên đề xuất một thiết bị giảm xóc bao gồm một thùng chứa chất lỏng chứa hai chất lỏng bất biến, trong đó chuyển động của chất
lỏng có thể làm giảm dao động của kết cấu một cách hiệu quả. Modi và Wetl [36] cũng là một trong những người đầu tiên đề xuất sử dụng TLD trong các tòa nhà để giảm phản ứng tổng thể trong khi gió mạnh hoặc động đất năm 1987. Sau này các nghiên cứu tiếp theo của ông gồm: Modi và Munsi [37] đã giới thiệu một nghiên cứu thực nghiệm để chứng minh hiệu quả của TLD bằng việc đề xuất một hệ cản hai chiều, và các kết quả chỉ ra rằng sự phân tán năng lượng lên tới 60%. Modi và Set [38] đã giới thiệu nghiên cứu số trên hệ TLD hình chữ nhật, tính tốn cho các hiệu ứng phi tuyến. Chúng bao gồm các hiệu ứng của sóng phân tán như là các lớp biên tại tường của thùng, tương tác giữa các vật nổi tại bề mặt và sóng vỡ. Modi và các cộng sự [39] đã khảo sát việc tăng cường hiệu quả phân tán năng lượng của một giảm chấn chất lỏng hình chữ nhật thơng qua việc giới thiệu mơ hình nêm hai chiều. Từ thí nghiệm này ơng chỉ ra rằng nêm làm tăng hệ số cản và nêm nhám thì hệ số cản càng tăng hơn.
Kareem [30] tiến hành nghiên cứu về TLD đáy phẳng để giảm dao động của kết cấu do tải trọng gió gây ra. Một mơ hình phần tử hữu hạn đã được nghiên cứu về chuyển động của chất lỏng bao gồm: ảnh hưởng phi tuyến của bề mặt tự do, độ nhớt và sự tiêu tán năng lượng. Tác giả đã đưa ra kết luận rằng TLD đáy phẳng là một thiết bị giảm chấn cho hệ kết cấu cơng trình. Nó tiêu tan năng lượng gây ra dao động cho kết cấu thơng qua hoạt động nhớt của chất lỏng và sóng phá vỡ. Có thể được sử dụng trong các tịa nhà cao tầng, tháp, cầu và cơng trình trên biển.
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. Tác giả đã thiết lập hàm phản ứng tần số của TLD đáy phẳng. Mơ hình đề xuất cho tính tốn hệ này cũng nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học bao gồm cả các nghiên cứu nhằm hiệu chỉnh hoặc xác định giá trị tối ưu cho các tham số ảnh hưởng đến hoạt động của hệ giảm chấn chất lỏng, mà điển hình là: Wakahara, và các cộng sự [32] đã đưa ra những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để thiết kế tối ưu TLD và xác nhận TLD với ứng dụng chính xác cho một khách sạn cao tầng "Shin Yokohama Prince (SYP) Hotel" ở Yokohama. Mơ hình tương tác được xem xét dựa trên phương pháp phần tử biên cho mô phỏng chuyển động của chất lỏng trong một thùng TLD, và hệ đa bậc tự do (Multi Degrees of Freedom - MDOFs) cho mô phỏng chuyển động của kết cấu. Việc thiết lập TLD trên tịa nhà có thể giảm ứng
xử do gió tới một nửa so với giá trị ban đầu.
Kaneko và Ishikawa [43] đã giới thiệu nghiên cứu phân tích trên TLD với lưới ngập nước. Họ đã áp dụng một mơ hình chất lỏng trên cơ sở lý thuyết sóng nước nơng phi tuyến. Họ đã kiểm tra các kết quả của sự phân tán năng lượng một cách lý thuyết mà được thiết lập bằng thực nghiệm. Họ cũng đã thấy rằng hệ số cản tối ưu, như trường hợp của hệ TMD, có thể được lấy ra từ mạng lưới thiết lập cho chất lỏng bên trong thùng và cho thấy hệ TLD là có hiệu quả hơn trong việc giảm dao động cho kết cấu khi khơng có TLD. Kaneko S.và MizotaY [44] cũng đã mở rộng mơ hình TLD nước sâu hình chữ nhật đã được phát triển cho mơ hình TLD nước sâu hình trịn với một mức nước ngập được thiết lập trong khoảng giữa thùng chất lỏng tròn. Trong phân tích ứng dụng lý thuyết sóng biên độ hữu hạn và phương pháp Galerkin trong trường hợp thùng hình trịn, họ đã thu được lực thủy động học và cao độ bề mặt tự do. Sau đó, sự tổ hợp các lực thủy động với phương trình chuyển động của kết cấu, tỷ số cản được tính tốn. Các kết quả tính tốn đã thiết lập do vậy được so sánh với các kết quả thí nghiệm, bởi vậy mà hiệu quả của phương pháp mơ hình hóa được xác nhận.
Sun và các cộng sự [31], [45] đã đo chuyển động của chất lỏng trong hệ TLD nơng, bao gồm thùng hình chữ nhật, hình trịn và thùng hình khun chịu tác động của kích động dạng điều hịa. Khi sử dụng TMD tương đương, họ đã hiệu chuẩn các tham số của TLD từ kết quả thí nghiệm. Sun tiếp tục phát triển thành cơng một mơ hình phân tích cho TLD trên cơ sở lý thuyết sóng nước nơng, điều mà được chứng minh là rất có hiệu quả nếu sóng khơng bị vỡ và mở rộng mơ hình này để tính tốn cho ảnh hưởng của sóng vỡ khi giới thiệu 2 hệ số cơ bản được xác định bằng thực nghiệm.
Các phương trình cơ bản khác nhau đã được bắt nguồn từ phương trình Navier Stokes và phương trình liên tục. Các điều kiện biên để giải các phương trình đó cũng được nêu trong nghiên cứu của ông. Fr là phép tính tốn hai sóng phá vỡ. Các hệ số cda và cfr từ các bộ dữ liệu thí nghiệm đã được đề xuất. Cuối cùng tác giả kết luận rằng TLD rất thích hợp để ngăn chặn dao động của kết cấu. Mơ hình TLD được sửa đổi có thể dự đốn phản ứng kết cấu rất tốt ngay cả khi có sự xuất hiện của sóng vỡ.
Fujino và Sun [46], [40] tiến hành nghiên cứu trên nhiều TLD thực nghiệm, bằng thí nghiệm kích thích cưỡng bức và thử nghiệm tương tác kết cấu MTLDs.
Thông qua thử nghiệm, ông thấy rằng một MTLDs với dải tần số thích hợp khơng làm giảm hiệu quả của nó ngay cả khi khơng điều chỉnh tần số. Các công thức tham số khác nhau được trình bày ở đó:
tần số trung tâm; - bề rộng dải tần số
1
i fi fi
- khoảng cách tần số; - Thơng số off-tuning
Trong đó: fi - Tần số dao động tự nhiên riêng biệt của TLD thứ i; f1 và fn là giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của fi ; N - số TLDs; fs - tần số tự nhiên của kết cấu; fTLD - Tần số tự nhiên của hệ TLD; h - chiều sâu của chất lỏng; - độ nhớt động học của chất lỏng
V. J. Modi [47] nghiên cứu TLD đáy phẳng bằng mô phỏng số và đưa ra kết quả TLD đáy phẳng có thể giảm biên độ trên 85% khi cộng hưởng dựa trên phân tích phi tuyến cũng như phân tích sóng nước nơng.
Reed và Gardarsson [48] trình bày một nghiên cứu về TLD bằng hai thí nghiệm và đưa ra nhận định: Bể chứa chất lỏng là hệ giảm chấn tiêu tán năng lượng trên một dải tần số rộng rất hiệu quả, tạo ra biên độ kích thích lớn. Tần số thiết kế van điều tiết phải được điều chỉnh với giá trị thấp hơn giá trị của tần số tự nhiên kết cấu.
Tait và các cộng sự [49] đã thảo luận mơ hình dịng số của ứng xử TLD bao gồm chuyển động bề mặt tự do mà kết quả là lực cắt cơ sở và năng lượng phân tán bởi TLD với các màng ngăn. Cả hai mơ hình phân tích tuyến tính và phi tuyến cho TLD được kiểm tra và so sánh với dữ liệu thí nghiệm. Kết quả chỉ ra rằng mơ hình tuyến tính có khả năng thiết lập đặc tính phân tán năng lượng của một TLD, nhưng có thể khơng thiết lập được ứng xử thực của bề mặt tự do cho các biên độ khảo sát khác nhau trong thí nghiệm. Mơ hình phi tuyến có thể mơ tả chính xác chuyển động bề mặt tự do, kết quả là xác định được lực cắt cơ sở và năng lượng phân tán qua một dải các biên độ kích động. Mơ hình phi tuyến có xem xét đến ảnh hưởng của nhiều màng ngăn và nhiều vị trí lắp đặt màng ngăn khác nhau bên trong thùng cứng đến hiệu quả giảm chấn.
Tait và các cộng sự [50] đã nghiên cứu khả năng của TLD hoạt động theo hai hướng. khi thực hiện thí nghiệm trên mơ hình kết cấu - TLD (2D) - hai hướng và thiết lập chuyển động của bề mặt tự do, kết quả là các lực cắt cơ sở được xác định
1 2 o N f f f f 1 0 R N f f f 0 0 s f f y f
cho các giảm chấn chất lỏng bị tác động hai chiều (2D TLD) với kết cấu đơn giản và ứng xử chuyển vị và gia tốc của hệ kết cấu - TLD hai chiều. ứng xử của một hệ kết cấu - TLD 2D bị kích động hai chiều cho thấy tương ứng với sự cộng tuyến tính trong hai hệ kết cấu - TLD 1D. Nghiên cứu này chỉ ra rằng bằng cách chọn tỉ lệ thích hợp cho các TLD, chúng có thể được sử dụng để giảm các ứng xử kết cấu trong hai mode của dao động một cách đồng thời theo hình dạng của nó.
Yamamoto và Kawahar [51] đã xem xét một mơ hình dịng chất lỏng khi sử dụng phương trình Navier - Stokes ở dạng cơng thức Euler-Lagrrang tùy ý. Cho tích phân phương trình Navier - Stokes, họ đã sử dụng phương thức cân bằng ten sơ khuếch tán được cải tiến và phương pháp phân đoạn. Với sự ổn định của chương trình tính tốn, làm mượt bề mặt tự do cũng đã được thực hiện. Phương pháp Newmark’s đã được sử dụng cho tích phân theo thời gian. Khi sử dụng một mơ hình số của tháp Yokohama Marine để khảo sát hiệu quả của mơ hình TLD, họ đã nhận thấy rằng mơ hình này có thể phân tích hệ TLD một cách có hiệu quả.
Chang và Gu [52] đã nghiên cứu thực nghiệm điều khiển các hiệu ứng của hệ TLD hình chữ nhật được thiết lập trên tịa nhà cao tầng dao động do bị kích động xốy (vortex). Họ đã nhận thấy rằng TLD hình chữ nhật là có hiệu quả trong việc giảm dao động dạng kích động xốy cho các tịa nhà cao tầng, đặc biệt khi tần số của nó được điều chỉnh trong phạm vi dải tối ưu. Tần số tối ưu của TLD nằm trong dải giữa 0.9 và 1.0 của mơ hình tịa nhà mà được xem xét với phân tích đưa ra ban đầu.
Biswal và các cộng sự [53] đã thực hiện phân tích dao động tự do của chất lỏng đổ trong thùng cứng hình trịn với các vách thơng thường và so sánh với tần số tự nhiên của chất lỏng trong thùng khơng có vách ngăn. Các tham số tần số văng té của chất lỏng được tính tốn cho các khu vực khác nhau của màng ngăn trong thùng cứng. Kết quả cho thấy rằng các vách ngăn có ảnh hưởng đáng kể đến các thông số tần số văng té của chất lỏng khi được đặt rất gần với bề mặt tự do chất lỏng. Sau này Biswal và các cộng sự đã nghiên cứu một mơ hình phần tử hữu hạn hai chiều phân tích cho đặc tính phân tích động của chất lỏng đổ trong thùng chứa hình chữ nhật với các màng ngăn sử dụng công thức thế lưu tốc và lý thuyết sóng nước tuyến tính. Tần số văng té của chất lỏng trong thùng hình chữ nhật khi khơng có và khi có màng ngăn (tấm hình chữ nhật mỏng) được xem xét đánh giá. Hệ thùng - màng ngăn được xem xét là cứng. ứng xử văng té của chất lỏng được nghiên cứu dưới kích động cơ sở hình sin tĩnh ổn định. Các tần số văng té của chất lỏng được tính tốn cho các kích thước khác nhau và các vị trí màng ngăn khác nhau.
Jin Kyu Yu và các cộng sự [54] đã đề xuất một mơ hình giảm chấn khối lượng mà chúng có thể tham chiếu tới mơ hình có độ cứng và tính cản phi tuyến (NSD) phù hợp với TLD. Mơ hình này là một mở rộng của TMD. Chúng hiệu chuẩn các đặc trưng phi tuyến của mơ hình NSD từ thí nghiệm bàn rung.
Banerji và các cộng sự [55] đã sử dụng các công thức được đề nghị bởi Sun và các cộng sự để nghiên cứu hiệu quả của TLD hình chữ nhật trong việc giảm ứng xử của kết cấu chịu động đất với các giá trị khác nhau của chu kỳ tự nhiên và tỷ số cản của kết cấu. Hơn thế nữa, một nỗ lực được thực hiện để định nghĩa các tham số thiết kế phù hợp của TLD để có hiệu quả trong điều khiển ứng xử của kết cấu chịu động đất. Các tham số này bao gồm tỷ số của sự văng té tuyến tính và tần số tự nhiên của kết cấu (gọi là tỷ số điều chỉnh), tỷ số của khối lượng nước / kết cấu (gọi là tỷ số khối lượng) và chiều sâu chất lỏng với tỷ số chiều dài thùng TLD (gọi là tỷ số chiều sâu).
Reed và các cộng sự [56] đã giới thiệu các nghiên cứu để khảo sát hiệu quả và sự tiện dụng của TLD trên một dải rộng của các biên độ kích động. Từ các nghiên cứu đó, tác giả đã đưa ra tần số ứng xử của hệ TLD tăng khi biên độ kích động tăng. Cũng với thí nghiệm này đã hé lộ rằng ứng xử lớn nhất xuất hiện tại một tần số cao hơn cái đã được thiết lập bởi lý thuyết sóng nước tuyến tính. Một hệ quả của đặc trưng này là TLD phân tán năng lượng mạnh trên một phạm vi tần số rộng.
Tamura và các cộng sự [57] đã chỉ ra rằng tỷ số cản của tháp hàng không Tokyo cao 77.6m được tăng thêm tới 7.6% từ 1% bởi việc sử dụng TLD.
Frandsen [58] đã thừa nhận một thùng 2D mang đầy đủ tính phi tuyến chuyển động theo cả 2 hướng nằm ngang và thẳng đứng bằng việc sử dụng hệ tọa độ chuyển đổi cho mơ hình chất lỏng. Tác giả đã phân tích mơ hình cho giá trị chiều cao chất lỏng khác nhau với TLD nước sâu và TLD nước nơng. Tuy nhiên, mơ hình ở trên bị giới hạn bởi việc sử dụng các giả định động năng dòng chảy, cả hai yếu tố là chuyển động văng té và chuyển động quay của chất lỏng khơng thể thấy được bởi mơ hình đã giới thiệu ở trên.
Koh và các cộng sự [25] đã giới thiệu nghiên cứu số để khảo sát ảnh hưởng được tổ hợp khi sử dụng các giảm chấn chất lỏng mà được điều chỉnh cho các tần số dao động khác nhau của kết cấu nhiều bậc tự do. Một cách số, hiệu quả của các giảm chấn là phụ thuộc vào tần số của phổ động đất và các vị trí nơi các giảm chấn được lắp đặt.
Hong -Nan Li [59] đã trình bày các cơng thức tính tốn mơ phỏng đơn giản cho TLD bằng cách sử dụng phương trình chuyển động sóng chất lỏng của Navier-
Stakes. Điều này đã được giải quyết bằng khối lượng chất lỏng. Các phương trình áp lực chất lỏng động có nguồn gốc từ bản thân kết cấu rất có lợi cho việc giảm dao động cho kết cấu.
Young-Moon Kim, Ki-Pyo You, Ji-Eun Cho & Dong-Pyo Hong [60] nghiên cứu TLD đáy phẳng và TLCDs thực nghiệm, thấy rằng TLCDs kiểm soát dao động của kết cấu hiệu quả hơn TLD đáy phẳng. Tần số tự nhiên khác nhau được đưa ra:
- Đối với bể chứa hình chữ nhật và hình vng:
(1.4) Với g: Gia tốc trọng trường (m/s2); h: Chiều cao mực nước trong bể (m); L: Chiều dài bể chứa (m).
- Đối với bể chứa hình trịn:
(1.5) Với g: Gia tốc trọng trường (m/s2); h: Chiều cao mực nước trong bể (m); R: đường kính bể chứa (m).
- Đối với bể chứa dạng cột TLCDs:
(1.6) Với g: Gia tốc trọng trường (m/s2)); L: Chiều dài bể chứa (m).