• Các dạng dao động của nước trong bể chứa. Mode 1: f 1 = 0.315 Hz; Mode 2: f 2 = 0.365Hz
a. Kết quả tần số dao động của nước trong bể chứa ứng với dạng dao động thứ nhất - mode 1 (f1 = 0.315 Hz)
Phần tử nước tiếp xúc với thành bể có xét đến chuyển vị và áp suất Phần tử nước không tiếp xúc và bể
b. Kết quả tần số dao động mode 2 (f2 = 0.365 Hz)
Hình 2.30. Dạng dao động của sóng nước và áp lực nước lên thành bể theo mode 1, mode 2.
Nếu không xét đến sự tương tác giữa chất lỏng và bể, có thể tính tốn hệ bể với nước và lị xo như hệ một bậc tự do, có m bể = 187350 kg và độ cứng lò xo là k = 981725.61N/m, Từ đó tần số đầu tiên f1 = 0.364 Hz. Tuy nhiên, ở đây mode 1 có kết quả tần số f1 = 0.315 Hz. Lý do của sự chệnh lệch này là có tính đến dao động của nước trong bể.
2.8.2. Xác định giá trị lực cắt đáy bể dưới tác dụng của tải trọng điều hịa a) Tính tốn theo phương pháp giải tích
Xác định dịch chuyển và lực cắt đáy bể dưới tác dụng tải điều hịa theo Housner và Haroun.
Hình 2.31. Mơ hình quy đổi bể chứa chất lỏng thành hệ khối lượng tương đương theo Houner và Haroun
H
- Xác định độ dịch chuyển tuyệt đối của bể nước
Từ phương trình (2.66) và (2.67), xác định được biên độ dịch chuyển tuyệt đối của bể nước. Ở đây, việc xác định khối lượng đối lưu được thực hiện thông qua biểu đồ số A.4.a, phụ lục A, Tiêu chuẩn Euro Code8, phần 4 [120]: Tính tốn silo, bể chứa và đường ống dẫn, phù hợp với giá trị của thông số = 2H/L. Trong trường hơp đang nghiên cứu, = 0.8, do đó, Khối lượng đối lưu lấy bằng (0.5-
/+15%) lần khối lượng nước, tức là biến thiên từ 44.5% đến 57.5% khối lượng nước. Tương ứng với dải khối lượng này, giá trị dịch chuyển tuyệt đối của bể là 0.0121m (tương ứng với 44.5%) và 0.0450m (tương ứng với 57.5%).
- Lực cắt đáy bể được tính theo cơng thức (2.19) khi xét với
n 110 : FH x0 f 2 sin 8 tanh 2n 1 r1 1 ; W h t 1 32n 13 r f 2 F n0 1 n 1 f
Với tần số của tải điều hịa f = 0.307 (Hz) thì biên độ dao động của bể chứa
x0 0.0121 0.0450 (m) . Tính
được F 0.529 E 4 1.97 E 4( N )
b) Tính tốn theo phương pháp PTHH trên phần mềm ANSYS APDL
Việc sử dụng tải điều hịa và khơng 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 mơ phỏng trên phần mền ANSYS APDL so với kết quả tính tốn theo giải tích.
Phân tích điều hịa cho tần số từ 0.1 Hz đến 1.0Hz (có nghĩa là dạng tải là dịch chuyển cưỡng bức điều hịa có phương trình D 1sin(t) với (0.11.0)(Hz) .
Với kết quả có được có thể so sánh chuyển vị tại vị trí đặt lực, chuyển vị tại mặt nước tiếp xúc với thành bể, lực cắt đáy bể tương ứng với các tần số để kiểm tra kết quả với các giả thiết tính tốn giải tích.
- Kết quả chuyển vị lớn nhất tại nút liên kết và của thành bể tại vị trí mặt
nước khi phân tích điều hịa cho tần số từ 0.1Hz đến 1.0 Hz, được trình bày như trên hình 2.32.
0.04 5 0.04 0 0.03 5 0.03 0 0.02 5 0.02 0 0.01 5 0.01 0 0.00 5 0.00 0
Ux- Chuyển vị lớn nhất của thành bể tại vị trí mặt nước (m) và chuyển vị lớn nhất tại liên kết (nút trung tâm của bể)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Tần số của tải điều hòa (Hz) Fx_Lực trong liên kết lò xo (N) 4.00E+04 3.50E+04 3.00E+04 2.50E+04 2.00E+04 1.50E+04 1.00E+04 5.00E+03 0.00E+00 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Tần số của tải điều hịa (Hz)
0.46, 0.0394
0.307, 0.0273
Hình 2.32. Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất theo phương ox tại vị trí liên kết và tại vị trí mặt nước của thành bể với tần số của tải trọng điều hòa
- Kết quả lực lớn nhất trong liên kết lị xo được trình bày như trên hình 2.33.
0.307, 2.58E+04
Hình 2.33. Đồ thị quan hệ giữa lực lớn nhất trong liên kết lò xo theo phương Ox với tần số của tải trọng điều hòa
Về lý thuyết giá trị lực này bằng tổng lực cắt của thành bể do áp lực nước lên thành bể và lực quán tính của bể: Flò xo = Fthành bể + F quán tính bể chứa
Áp lực ngang tác dụng lên thành bể: Fthành bể = Flị xo - Fqn tính Với F
qn tính của bể chứa = mbê tông bể * d 2
X dt2
; với X X0 sin(t). Như
vậyF quán tính
xác định theo sự biến đổi của :
C hu yể n vị ( m ) L ự c tr on g li ên k ết lị x o (N )
Fqt - lực qn tính (N) 5.00E+04 4.50E+04 4.00E+04 3.50E+04 3.00E+04 2.50E+04 2.00E+04 1.50E+04 1.00E+04 5.00E+03 0.00E+00 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Tần số của tải điều hòa (Hz) FH - Lực cắt đáy bể (N) 1.50E+04 1.00E+04 5.00E+03 0.00E+00 . . . . .2 -5.00E+03 -1.00E+04
Tần số của tải điều hịa (Hz)
H
H
0.307, 1.40E+04
Hình 2.34. Đồ thị quan hệ giữa Lực quán tính của bản thân bể chứa với tần số của tải trọng điều hịa
Từ đó có được kết quả tổng Lực cắt đáy bể được trình bày như trên hình 2.35.
0.307, 1.19E+04
0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1
Hình 2.35. Đồ thị quan hệ giữa lực cắt đáy bể với tần số của tải trọng điều hòa
Lực cắt đáy bể F 1.19 E 4 N ; giá trị này thuộc khoảng giá trị khi xác định theo
các giả thiết trong giải tích F 0.529 E 4 1.97 E 4(N )
2.8.3. Nhận xét phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng
Từ kết quả phân tích theo phương pháp PTHH trên phần mềm ANSYS APDL và kết quả tính tốn giải tích theo các giả thiết, và cơng thức giải tích của H. Norman Abramson và Housner và Haroun được tổng hợp trong bảng 2.6.
L ự c qu án t ín h (N ) L ự c cắ t đá y bể (N )
H H
H
Bảng 2.6. Kết quả phân tích của bể chứa chất lỏng
Kết quả số theo cơng thức giải tích Đại lượng
nghiên cứu
Tần số dao
của H. Norman Abramson áp dụng cho mơ hình bể chứa được đề
xuất bởi Housner và Haroun
Kết quả số nghiên cứu theo mơ hình bể chứa mơ phỏng trên
phần mền ANSYS APDL động đầu tiên f1 = 0.364 (Hz) f1 = 0.315 (Hz) Giá trị lực cắt đáy F 0.529 E 4 1.97 E 4( N ) F 1.19 E 4 N
Kết quả phân tích bể chứa nước theo phương pháp phần tử hữu hạn qua phần mền ANSYS APDL và kết quả tính tốn theo phương pháp giải tích với các giả thiết tính tốn phù hợp với mơ hình thực tế. Tần số dao động riêng của bể chứa ở một số dạng dao động là trùng hợp nhau, cụ thể với dạng dao động đầu tiên kết quả phân tích theo giải tích có được f1 = 0.364(Hz); cịn phân tích theo mơ hình f1 = 0.310 (Hz); khác nhau là 13.46%.
Khi phân tích bể chứa nước dưới tác dụng của tải trọng điều hịa, nếu tính tốn theo lý thuyết của Housner và Haroun, khoảng biên độ dịch chuyển tuyệt đối của bể chứa x0 0.0121 0.0450m , với số dạng dao động n 110 ; tần số của tải điều hòa f = 0.307 (Hz); Áp dụng cơng thức tính được khoảng giá trị lực của cắt đáy
F 0.529 E 4 1.970 E 4( N ) . Kết quả tính tốn theo phương pháp PTHH
trên phần mềm ANSYS APDL là FH = 1.190 E4 (N). Vậy kết quả phân tích trên phần mềm ANSYS APDL nằm trong khoảng giá trị khi xác định theo phương pháp giải tích.
2.9. Kết luận chương 2
Nội dung chương 2 đã nghiên cứu cơ chế làm việc của hệ giảm chấn chất lỏng, cơ sở lý thuyết phân tích cho hệ bể chứa chất lỏng. Nghiên cứu các dạng mơ hình điển hình áp dụng phân tích bể chứa chất lỏng. Các phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng. 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 kết hợp mơ hình đề xuất của bể chứa, để phân tích cho các trường hợp nghiên cứu về bể chứa chất lỏng, và ảnh hưởng của bể chứa đến kết cấu chịu tác dụng của động đất. Cụ thể sử dụng phần mềm ANSYS APDL để mô phỏng số dòng chất lỏng trong bể chứa thơng 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 đúng bản chất hoạt động của dịng chất lỏng bên trong bể chứa.
Đồng thời để kiểm chứng độ tin cậy của phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn cho mơ hình đề xuất tương ứng, nội dung chương đã nghiên cứu kiểm chứng 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. Cụ thể kết quả thu được như sau:
- Khi 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 biến thiên và giá trị của tần số dao động riêng cũng như giá trị phổ gia tốc tại đỉnh cơng trình.
- Khi 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 1.19E4 (N) nằm trong khoảng giá trị của lực cắt đáy xác định theo phương pháp giải tích là 0.529E4 ÷1.97E4 (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%. Có sự sai khác là do phân tích theo phương pháp PTHH đã xét đến sự dịch chuyển của nước trong bể chứa.
Từ các phân tích trên, đề xuất sử dụng cơng thức giải tích của H. Norman Abramson với mơ hình đề xuất của Housner và Haroun để hỗ trợ cho công tác thiết kế sơ bộ các thơng số bể chứa. Từ đó áp dụng phương pháp PTHH cho mơ hình đề xuất của bể chứa chất lỏng để thực hiện nghiên cứu các thông số bể chứa chất lỏng, độ cứng gối liên kết giữa bể và kết cấu, để làm rõ mức độ giảm chấn của bể chứa đến kết cấu khi chịu tác dụng của động đất trong các nội dung ở các chương tiếp theo của Luận án.
Phân tích ảnh hưởng của bể chứa chất lỏng đến mức độ giảm chấn của kết cấu khi chịu tác dụng của động đất
CHƯƠNG 3
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG BỂ NƯỚC ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
3.1. Mục tiêu phân tích
Trong quan niệm thiết kế cơng trình, động đất ngày càng trở thành một vấn đề đáng quan tâm vì những thiệt hại do động đất gây ra cho cơng trình xây dựng nói chung và cơng trình nhà. Hiện nay có nhiều giải pháp thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng, cũng như các cơng trình xây dựng. Bộ giảm chấn bể chứa chất lỏng - TLD được coi là một giải pháp hữu hiệu nhằm giảm dao động cho cơng trình nằm trong vùng động đất, nhờ tính hiệu quả và chi phí lắp dựng rẻ. Tuy nhiên, việc cịn thiếu các tiêu chuẩn hoặc nguyên lý tính tốn thiết kế cho hệ giảm chấn chất lỏng - TLD, có thể khiến việc áp dụng hệ bể nước giảm chấn cho cơng trình cịn gặp nhiều khó khăn.
Việc tối ưu hóa các thơng số của bể chứa nước (TLD), chẳng hạn như kích thước hình học bể, chiều cao mực nước trong bể được tiến hành phân tích thơng qua các mơ hình đơn giản hóa, để phân tích cho nhiều trường hợp bể chứa có các thơng số khác nhau, dưới tác dụng của động đất.
Mục tiêu bài tốn phân tích tối ưu bể nước là đi xây dựng mơ hình, phương pháp phân tích cho bể chứa chất lỏng, hoặc giải pháp thiết kế thuận tiện trong việc áp dụng thiết kế hệ bể chứa nước giảm chấn cho cơng trình nhà nhiều tầng dưới tác dụng của động đất. Căn cứ trên mục tiêu đặt ra, quy trình phân tích ảnh hưởng của bể nước được đưa ra như sơ đồ hình 3.1.