Khi chiều cao của nước “ho” so với chiều dài của thùng nước theo hướng kích rung “L” (hay đường kính “D” nếu là bể trịn) nhỏ hơn 0,15 thì được phân loại như là loại nước nơng, lớn hơn 0,15 thì được phân loại như là loại nước sâu.
Ngoài ra độ sâu của chất lỏng trong bể chứa có thể nơng hoặc sâu tùy thuộc tần số tự nhiên của kết cấu được kiểm sốt.
TLD đáy phẳng có mực nước nơng sẽ tiêu tán năng lượng thông qua cơ chế chuyển động của sóng ở bề mặt dẫn đến hiện tượng sóng vỡ. Hiện tượng sóng vỡ có thể xuất hiện trong q trình dao động khi biên độ của sóng lớn.
Đối với các TLD đáy phẳng có mực nước sâu thì các vách ngăn hoặc màn chắn thường được sử dụng để điều khiển dao động sóng. Do vậy sự tiêu tán năng lượng trong TLD đáy phẳng có mực nước sâu lại phụ thuộc vào cơ chế hoạt động của chất lỏng, vị trí các vách ngăn, kích thước và dạng vách ngăn.
Với TLD đáy phẳng có mực nước nơng, chiều cao chất lỏng trong bể thấp nên có tác dụng giảm dao động hiệu quả đối với các cơng trình chịu lực kích thích bên ngồi khơng lớn. Nhưng khi lực kích thích bên ngồi có một quy mơ lớn, do chiều cao chất lỏng trong bể thấp nên chất lỏng có tính chất ứng xử phi tuyến mạnh mẽ. Dẫn đến các lý thuyết phân tích tuyến tính khơng cịn áp dụng được nữa, gây khó khăn trong việc tìm ra lời giải nhằm tiên lượng chính xác chuyển vị của chất lỏng đặc biệt là ở mặt thống. Tuy nhiên trong trường hợp bể nước sâu thì quá trình chuyển động của nước vẫn được xem là tuyến tính cho một quy mơ lớn của lực kích thích.
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, khơng hạn chế đối với những dao động vô hướng; Tần số dao động riêng của TLD có thể được kiểm sốt 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.
Cùng với những ưu điểm đã được đề cập ở trên, cũng có một vài nhược điểm trong hệ thống TLD. Nhược điểm lớn nhất của hệ thống TLD là một phần khối lượng nước lớn không tham gia vào việc làm mất tác dụng của chuyển động trong kết cấu. Điều này dẫn tới việc có một khối lượng thêm vào mà khơng đem lại lợi ích nào. Ngồi ra tỷ trọng của nước khiến bể nước cồng kềnh, vì thế địi hịi tăng thêm khoảng khơng chứa nó.
Những nhược điểm trên của hệ TLD đáy phẳng hiện tại đã được khắc phục và đạt tới hiệu quả giảm chấn tối ưu. Một vài phương pháp đã được đưa ra như: Lắp đặt TLD ở vị trí thích hợp; Dùng TLD đáy phẳng nước nơng 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.
b) Hệ giảm chấn chất lỏng dạng đáy dốc [27]
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 ln 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. TLD đáy dốc có hai dạng, dốc vát theo hình chữ V như hình 1.9a, hoặc dốc theo hình chữ W - hình 1.9b.
a) Dốc vát theo hình chữ V b) Dốc theo hình chữ W
Hình 1.9. Hệ giảm chấn chất lỏng dạng đáy dốc [27]
c) Hệ giảm chấn chất lỏng dạng cột (TLCDs) [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;
- Khơng giống như mơ hình tốn học, định nghĩa định lượng động lực học của TLCDs có thể được xây dựng.
- Có thể kiểm sốt khả năng giảm chấn của TLCDs thơng qua việc kiểm sốt 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.
Hình 1.10. Hệ giảm chấn chất lỏng dạng cột [27]
d) Hệ giảm chấn chất lỏng dạng khối lượng lai [27]
Hệ giảm chấn chất lỏng sẽ tiêu hao nhiều năng lượng hơn khi sóng nước lớn hơn, điều này xảy ra khi TLD phải chịu một chuyển động biên độ lớn. Để sử dụng các đặc tính này, TLD được kết nối với một khối thứ cấp gắn với kết cấu chính thơng qua một hệ thống lị xo được thiết kế phù hợp. Hệ thống này được gọi là TLD khối lượng lai vì có cả khối thứ cấp và van điều tiết chất lỏng.
.. Ux
Hình 1.11.Van giảm chấn chất lỏng hỗn hợp (lai) [33]
TLD
Cc c
s
e) Hệ TLD chủ động [27]
Đây là một thiết bị kiểm soát chủ động, TLD thường được điều chỉnh theo một tần số cụ thể (tần suất dao động tự nhiên đầu tiên của kết cấu). Vì vậy sẽ chỉ hiệu quả khi tần số của lực tác dụng gần với tần số điều chỉnh. Nhưng trên thực tế, các lực tác dụng vào kết cấu thường được chia ra thành một dải các tần số. Điều này làm giảm bớt hiệu quả các van điều tiết của bộ giảm chấn. Để nâng cao hiệu quả của bộ giảm chấn dưới tác động của lực kích rung đa tần số, một thiết bị kiểm soát chủ động và bán chủ động được nghiên cứu.
Hệ TLD điều khiển được khác so với các hệ khác trong họ TLD ở điểm: Hệ sử dụng các thiết bị điện tử trong bộ giảm chấn để đo các lực kích động, từ đó gửi tín hiệu tới các hệ khởi động. Hệ này sẽ ứng sử sao cho kết cấu dao động theo phương mong muốn và chống lại lực kích động (gió hay động đất), có tác dụng kháng chấn cho cơng trình.
Nhận xét:
Qua việc phân tích các loại hệ giảm chấn trong họ TLD ở trên, nhận thấy rằng đối với nhà cao tầng, TLD đáy phẳng là phù hợp bởi những lí do sau:
(1) Hệ TLD đáy phẳng là một hệ dạng bị động, chủ yếu dựa vào dao động của chất lỏng trong bể khi chịu tải trọng ngang để giảm chấn cho kết cấu.
(2) Bể chứa nước là một dạng của bể chứa chất lỏng, phù hợp với công năng của nhà cao tầng, thường lắp đặt ở trên tầng mái nên không làm ảnh hưởng đến mỹ quan kiến trúc của cơng trình.
(3) Chi phí lắp đặt và thi công hệ TLD đáy phẳng khá đơn giản, không tốn kém như những hệ giảm chấn khác, phù hợp với điều kiện công nghệ xây dựng ở Việt Nam.
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 thông qua hoạt động nhớt của chất lỏng và sóng phá vỡ. Có thể được sử dụng trong các tòa 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 tịa 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 trịn. 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 ơng. 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:
f f f1 tần số trung tâm; f – f1 - bề rộng dải tần số o N 2 R N f0 i fi 1 – fi - khoảng cách tần số; y fs f0 f - Thông số off-tuning 0
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;
lỏng
- độ nhớt động học của chất
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