Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:174

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất" trình bày tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng bể chứa chất lỏng đến giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng của động đất; Cơ sở lý thuyết phân tích chuyển động của bể chứa chất lỏng trên công trình chịu động đất; Phân tích ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn cho kết cấu dưới tác dụng của động đất; Nghiên cứu áp dụng bể nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRỊNH THỊ HOA PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BỂ NƯỚC ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRỊNH THỊ HOA PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BỂ NƯỚC ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CỦA NHÀ CAO TẦNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình đặc biệt Mã số: 9580206 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh 2. GS. TS. Nguyễn Tiến Chương Hà Nội, 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 12 tháng 10 năm 2022 Tác giả Trịnh Thị Hoa
ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của quý thầy, cô Trường Đại học Giao thông vận tải, tác giả đã hoàn thành luận án tiến sĩ kỹ thuật: “Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm của chấn nhà cao tầng chịu động đất”. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng đào tạo Sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Công trình Giao thông Thành Phố và Công trình thủy, các cán bộ và toàn thể quý thầy cô tham gia giảng dạy đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập chương trình đào tạo Nghiên cứu sinh. Đây là một trong những cơ hội quý báu nhất mà tác giả từng có được. Tác giả mong muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh và GS.TS. Nguyễn Tiến Chương là hai Thầy, Cô đã trực tiếp hướng dẫn và đi cùng tác giả trên chặng đường vừa qua để tác giả hoàn thành được Luận án này. Hai Thầy, Cô đã tạo điều kiện tốt nhất và nhanh chóng nhất giúp đỡ tác giả. Và trên hết hai Thầy, Cô đã truyền thụ một tinh thần hăng say làm việc để tác giả có thể tiếp tục cố gắng cho những nghiên cứu trong tương lai. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Bộ môn Kết cấu – Vật liệu, Bộ môn Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp, Khoa Công trình, và Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải đã luôn tại điều kiện giúp đỡ để tác giả hoàn thành được Luận án. Tác giả muốn dành cho Cha Mẹ mình lòng kính trọng thiết tha vì những gì Cha, Mẹ đã hy sinh dành cho các con. Những lời dạy của Cha, Mẹ đã làm hành trang cho tác giả bước vào cuộc sống với quyết tâm cao nhất để đi đến ngày hôm nay. Và cuối cùng, tác giả muốn gửi lời cảm ơn đến Người Bạn Đời của mình. Người luôn động viên tác giả cố gắng không ngừng nghỉ trong từng giai đoạn làm Luận án, đặc biệt trong những lúc gặp khó khăn nhất. Trong quá trình làm nghiên cứu Luận án, chắc chắn không tránh khỏi những sai sót hay khiếm khuyết. Cho nên tác giả mong muốn nhận được lời góp ý chân thành của tất cả thầy, cô hay độc giả để Luận án này có thể được hoàn thiện hơn. Tác giả Trịnh Thị Hoa
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... xi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, VÀ CÁC KÝ HIỆU ............................................ xiii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1 2. Tên và mục tiêu nghiên cứu của Luận án ...........................................................3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................3 4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu ...................................................3 6. Cấu trúc của Luận án ..........................................................................................4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BỂ CHỨA CHẤT LỎNG ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT .........................................................5 1.1. Các tác động gây ra dao động cho kết cấu nhà cao tầng .................................5 1.1.1. Tác động do động đất ...............................................................................6 1.1.2. Tác động do gió ........................................................................................7 1.2. Biện pháp giảm dao động cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất 10 1.2.1. Giảm chấn theo cơ chế hoạt động ..........................................................10 1.2.2. Giảm chấn theo các giải pháp giảm dao động ........................................12 1.2.2.1. Giải pháp cách chấn ........................................................................12 1.2.2.2. Giải pháp giảm chấn........................................................................13 1.3. Bể nước trên các tòa nhà cao tầng và tác dụng giảm chấn ...........................15 1.3.1. Vai trò của bể nước đối với tòa nhà cao tầng .........................................15 1.3.2. Khái niệm hệ giảm chấn chất lỏng .........................................................16 1.3.3. Phân loại hệ giảm chấn chất lỏng ...........................................................16 1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng ..........................21 1.4.1. Tình hình nghiên cứu hệ giảm chấn chất lỏng .......................................21 1.4.2. Tình hình ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng ..........................................32 1.5. Kết luận chương 1 ..........................................................................................35
iv CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG CỦA BỂ CHỨA CHẤT LỎNG TRÊN CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT ........................37 2.1. Cơ chế hoạt động của hệ giảm chấn chất lỏng TLD ......................................37 2.2. Cơ sở lý thuyết phân tích cho hệ một bể .......................................................38 2.2.1. Tương tác giữa sóng chất lỏng và thành bể chứa. ..................................38 2.2.2. Cơ sở lý thuyết phân tích chung cho các dạng bể chứa. ........................39 2.2.3. Cơ sở lý thuyết phân tích cho bể chứa dạng hình chữ nhật ....................42 2.3. Cơ sở lý thuyết phân tích cho hệ nhiều bể .....................................................44 2.4. Cơ sở lý thuyết phân tích gối liên kết giữa bể chứa chất lỏng và kết cấu .....46 2.5. Các dạng mô hình phân tích bể chứa chất lỏng .............................................52 2.5.1. Mô hình phân tích của Sun (Mô hình sử dụng phương trình động lực học chất lỏng) ...................................................................................................52 2.5.2. Mô hình phân tích của Yu (Mô hình qui đổi khối lượng tương đương) 56 2.6. Các phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng ..............................................60 2.6.1. Phương pháp giải tích sử dụng mô hình hệ giảm chấn khối lượng tương đương (TMD) của Housner và Haroun. .................................................60 2.6.2. Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm ...................................................62 2.6.3. Phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................63 2.7. Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mô hình thí nghiệm .....................................................................................................65 2.7.1. Mô hình thí nghiệm của Luboya ............................................................65 2.7.2. Mô hình tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn ..........................67 2.7.3. Kết quả phân tích kết cấu khung dưới tác dụng của tải điều hòa ...........70 2.8. Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mô hình đề xuất của Houner và Haroun .....................................................................72 2.8.1. Xác định tần số dao động của sóng chất lỏng trong bể chứa .................74 2.8.2. Xác định giá trị lực cắt đáy bể dưới tác dụng của tải trọng điều hòa .....76 2.8.3. Nhận xét phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng ..............................79 2.9. Kết luận chương 2 ..........................................................................................80 CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG BỂ NƯỚC ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT...........................82 3.1. Mục tiêu phân tích .........................................................................................82 3.2. Xây dựng phương pháp phân tích ..................................................................83
v 3.2.1. Hàm hiệu quả ..........................................................................................83 3.2.2. Mô hình phân tích ...................................................................................83 3.2.3. Tác dụng của động đất ............................................................................85 3.2.4. Phương pháp tính toán ............................................................................86 3.3. Phân tích ảnh hưởng của bể nước theo các tham số ......................................88 3.3.1. Ảnh hưởng kích thước bể và chiều cao mực nước trong bể ...................88 3.3.2. Ảnh hưởng của số lượng bể đến mức độ giảm chấn ............................104 3.4. Ảnh hưởng của gối liên kết giữa bể nước và kết cấu đến mức độ giảm chấn ....110 3.4.1. Lựa chọn số liệu phân tích....................................................................111 3.4.2. Ảnh hưởng của gối liên kết giữa bể nước và kết cấu ...........................113 3.5. Kết luận chương 3 ........................................................................................119 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG BỂ NƯỚC ĐỂ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ...............121 4.1. Lựa chọn kết cấu nhà cao tầng.....................................................................121 4.2. Xây dựng mô hình phân tích ảnh hưởng của bể nước đến tòa nhà cao tầng123 4.2.1. Đề xuất mô hình ...................................................................................123 4.2.2. Xác định các thông số của mô hình ......................................................124 4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến nhà cao tầng khi chịu động đất ...131 4.3.1. Số liệu động đất ....................................................................................131 4.3.2. Ứng xử của kết cấu nhà cao tầng khi không đặt bể chứa nước ............131 4.3.3. Ứng xử của tòa nhà cao tầng khi đặt bể nước ......................................134 4.3.4. Hiệu quả của vị trí đặt bể nước đến mức độ giảm chấn cho tòa nhà khi chịu động đất ............................................................................................137 4.4. Kết luận chương 4 ........................................................................................141 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................142 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ..................................146 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................147 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN .........................................................................................157
vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Sơ đồ phân loại hệ giảm chấn theo cơ chế hoạt động ..................... 12 Hình 1.2.Thiết kế cách ly công trình với nền bởi thiết bị gối liên kết [21] ... 13 Hình 1.3. Sự làm việc của kết cấu dưới tác động của động đất khi liên kết cứng với nền và khi cách ly với nền [21] ....................................... 13 Hình 1.4. Hệ giảm chấn khối lượng TMD áp dung cho công trình nhà nhiều tầng [22] .......................................................................................... 14 Hình 1.5. Hệ giảm chấn chất lỏng TLD lặp đặt cho kết cấu nhà nhiều tầng [23] 14 Hình 1.6. Hình ảnh vị trí đặt bể chứa nước trên tòa nhà cao tầng .................. 15 Hình 1.7. Sơ đồ phân loại hệ thống thiết bị giảm chấn chất lỏng [27] ........... 16 Hình 1.8. Các hình dạng cơ bản của bể chứa chất lỏng đáy phẳng ................ 18 Hình 1.9. Hệ giảm chấn chất lỏng dạng đáy dốc [27].................................... 19 Hình 1.10. Hệ giảm chấn chất lỏng dạng cột [27] .......................................... 20 Hình 1.11.Van giảm chấn chất lỏng hỗn hợp (lai) [33] .................................. 20 Hình 1.12.Thiết bị MCC Aqua Damper ở tòa nhà Gold Tower [76] ............. 32 Hình 1.13. Toà nhà Comcast với TLD có 1.1 triệu lít nước [77] ................... 33 Hình 1.14. Thiết bị TLD ở Shin Yokohama Tower [2] .................................. 34 Hình 1.15. Cầu Bãi Cháy với hệ MTLD [71] ................................................. 34 Hình 1.16. Toà nhà Gama với mô hình TLD thí nghiệm ............................... 35 Hình 2.1. Cơ chế hoạt động của hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) [85] ............ 37 Hình 2.2. Dao động của sóng bên trong hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) [86] 38 Hình 2.3. Hệ trục tọa độ Oxyz và kích thước hình học của bể chứa chữ nhật 42 Hình 2.4. Sơ đồ tính hệ MTLD ....................................................................... 44 Hình 2.5. Phân bố tần số trong hệ MTLD ....................................................... 45 Hình 2.6. Quy tắc chung phân tích giữa hệ thống thứ cấp và sơ cấp [99] ...... 46 Hình 2.7. Các mô hình phân tích tương tác giữa hệ sơ cấp và thứ cấp [99] ... 48 Hình 2.8. Tiêu chí mới để sử dụng trong phân tích giữa hệ sơ cấp và thứ cấp [99] .................................................................................................. 51 Hình 2.9. Sơ đồ hệ TLD cho chuyển động ngang [33] ................................... 53 Hình 2.10. Lực cắt đáy do chuyển động của chất lỏng ................................... 55 Hình 2.11. Hệ thống DOF cùng với hệ TLD [33]........................................... 56 Hình 2.12. a) Mô hình của một TLD, b) Mô hình tương đương (NSD) [33] . 57
vii Hình 2.13. Đồ thị chuyển vị của bể theo thời gian [33].................................. 59 Hình 2.14. Hệ hai bậc tự do a) Kết cấu với TLD; b) hệ NSD tương đương [33] . 59 Hình 2.15. Mô hình đề xuất cho bể chứa chất lỏng theo Housner [105] ........ 60 Hình 2.16. Hệ kết cấu bể chứa nước dưới tác dụng của tải trọng điều hòa [105] . 61 Hình 2.17. Mô hình bể chứa chất lỏng trong ANSYS APDL......................... 65 Hình 2.18. Kích thước mô hình thí nghiệm (đơn vị - mm)............................. 66 Hình 2.19. Mô hình và các thiết bị thí nghiệm ............................................... 66 Hình 2.20. Mô hình hình học của kết cấu được mô phỏng trên ANSYS ...... 68 Hình 2.21. Quy trình mô phỏng và tính toán bằng phần mềm ANSYS APDL.... 68 Hình 2.22. Các dạng dao động riêng của kết cấu Khung................................ 69 Hình 2.23. Tạo dữ liệu tải trọng bằng phần mềm MATLAB ......................... 69 Hình 2.24. Phổ gia tốc theo tần số theo nghiên cứu của Luboya và phương pháp mô phỏng đề xuất cho luận án ............................................... 70 Hình 2.25. Phổ gia tốc có xét tới hệ giảm chấn trong hai trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu µ=1% ..................................... 71 Hình 2.26. Phổ gia tốc có xét tới hệ giảm chấn trong hai trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu µ=2% ..................................... 72 Hình 2.27. Mô hình bể chứa chất lỏng ............................................................ 73 Hình 2.28. Đồ thị quan hệ giữa tần số dao động fn và dạng dao động ............ 74 Hình 2.29. Mô hình bể chứa nước trong ANSYS APDL ............................... 75 Hình 2.30. Dạng dao động của sóng nước và áp lực nước lên thành bể theo mode 1,2 .......................................................................................... 76 Hình 2.31. Mô hình quy đổi bể chứa chất lỏng thành hệ khối lượng tương đương theo Houner và Haroun ....................................................... 76 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 ........................................................................................... 78 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 .................................. 78 Hình 2.34. Đồ thị quan hệ giữa Lực quán tính của bản thân bể chứa với tần số của tải trọng điều hòa ................................................................. 79 Hình 2.35. Đồ thị quan hệ giữa lực cắt đáy bể với tần số của tải trọng điều hòa .. 79
viii Hình 3.1. Quy trình phân tích bể chứa chất lỏng ............................................ 82 Hình 3.2. Mô hình đơn giản hóa mô phỏng trong ANSYS APDL ................. 84 Hình 3.3. Giản đồ gia tốc nền theo thời gian El Centro [121] ........................ 85 Hình 3.4. Độ dịch chuyển của nền đất theo thời gian của El Centro .............. 86 Hình 3.5. Sai số tương đối của chu kỳ ứng với trường hợp γ =1/2 [123] ....... 88 Hình 3.6. Đồ thị quan hệ giữa hiệu quả giảm chấn của bể và tỷ lệ khối lượng giữa bể và kết cấu ................................................................. 89 Hình 3.7. Đồ thị quan hệ giữa tần số đầu tiên của sóng nước và thông số bể 90 Hình 3.8. Đồ thị quan hệ giữa tần số dao động riêng và chiều cao tòa nhà [1] .... 91 Hình 3.9. Đồ thị quan hệ giữa phổ chuyển vị với tần số dao động riêng của kết cấu khi không đặt bể nước ........................................................ 92 Hình 3.10. Đồ thị quan hệ giữa lực cắt đáy kết cấu với tần số quy chuẩn ứng với trường hợp tỷ lệ khối lượng 1% ........................................ 93 Hình 3.11. Đồ thị quan hệ giữa lực cắt đáy kết cấu lớn nhất với tần số quy chuẩn ứng với trường hợp tỷ lệ khối lượng 10% ............................ 93 Hình 3.12. Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ chuyển vị tương đối lớn nhất của kết cấu khi đặt bể nước và khi không đặt bể nước với tần số quy chuẩn (Mb+Mn =1%M) ............................................................................... 95 Hình 3.13. Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ chuyển vị tương đối lớn nhất của kết cấu khi đặt bể nước và khi không đặt bể nước với tần số quy chuẩn (Mb+Mn =10%M) ............................................................................. 96 Hình 3.14. Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị tương đối của kết cấu với kích thước bể nước (b) và chiều cao mực nước trong bể h(m) (Mb+Mn =1%M) ............................................................................................ 97 Hình 3.15. Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị tương đối của kết cấu với kích thước bể nước (b) và chiều cao mực nước trong bể h(m) (Mb+Mn =10%M) .......................................................................................... 97 Hình 3.16. Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ lực cắt đáy kết cấu lớn nhất khi đặt bể nước và khi không đặt bể nước với tần số quy chuẩn (Mb+Mn =1%M) ............................................................................................ 99
ix Hình 3.17. Đồ thị quan hệ giữa tỷ số lực cắt đáy chân kết cấu khi đặt bể nước và khi không đặt bể nước với tần số quy chuẩn f (Mb+Mn =10%M) ........................................................................................ 100 Hình 3.18. Đồ thị quan hệ giữa lực cắt đáy bể lớn nhất với tần số quy chuẩn ứng với tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu là 1% .............. 101 Hình 3.19. Đồ thị quan hệ giữa lực cắt đáy bể lớn nhất với tần số quy chuẩn ứng với tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu là 10% ............ 102 Hình 3.20. Mô hình nghiên cứu cho hệ một bể chứa chất lỏng .................... 105 Hình 3.21. Mô hình nghiên cứu cho hệ nhiều bể chứa chất lỏng ................. 105 Hình 3.22. Đồ thị quan hệ giữa các chuyển vị của kết cấu theo thời gian.... 108 Hình 3.23. Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị tương đối của kết cấu theo thời gian 108 Hình 3.24. Đồ thị quan hệ giữa lực cắt đáy kết cấu theo thời gian............... 109 Hình 3.25. Mô phỏng gối liên kết giữa bể chứa chất lỏng và kết cấu toà nhà110 Hình 3.26. Đồ thị quan hệ giữa tần số bể nước với độ cứng của gối liên kết giữa bể và kết cấu.......................................................................... 112 Hình 3.27. Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị tương đối của bể so với kết cấu với tần số quy chuẩn ..................................................................... 113 Hình 3.28. Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị tương đối của bể so với kết cấu với độ cứng của gối liên kết (Kb) .................................................. 114 Hình 3.29. Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị tương đối của kết cấu với độ cứng gối liên kết (Kb) ............................................................................. 114 Hình 3.30. Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị tương đối của kết cấu với tần số quy chuẩn.............................................................................................. 115 Hình 3.31. Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ chuyển vị tương đối của kết cấu với tần số quy chuẩn............................................................................ 115 Hình 3.32. Đồ thị quan hệ giữa lực cắt đáy lớn nhất của kết cấu với độ cứng của gối liên kết ..................................................................... 116 Hình 3.33. Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ lực cắt đáy lớn nhất kết cấu với độ cứng Kb của gối liên kết ................................................................ 117 Hình 3.34. Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ lực cắt đáy kết cấu lớn nhất với tần số quy chuẩn ...................................................................................... 117 Hình 4.1. Mô hình kết cấu tòa nhà trên phần mềm ETABS ......................... 122
x Hình 4.2. Mô hình chuyển đổi tương đương của kết cấu ............................. 124 Hình 4.3. Mô hình hai tầng liên kề cần xác định độ cứng trên ETABS ....... 125 Hình 4.4. Mô hình tương đương của kết cấu mô phỏng trên ANSYS APDL127 Hình 4.5. Quan hệ giữa tỷ lệ giảm chấn với tần số riêng của kết cấu [133] . 129 Hình 4.6. Đồ thị quan hệ giữa gia tốc với thời gian trong trận động đất El Centro. ........................................................................................... 131 Hình 4.7. Đồ thị chuyển vị tuyệt đối lớn nhất của kết cấu khi không đặt bể nước132 Hình 4.8. Đồ thị chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng khi không đặt bể nước ............................................................................................... 133 Hình 4.9. Đồ thị chuyển vị của kết cấu theo thời gian khi không đặt bể nước ... 133 Hình 4.10. Đồ thị giá trị lực cắt lớn nhất và nhỏ nhất tại các ....................... 134 Hình 4.11. Các mô hình phân tích ảnh hưởng của bể nước trên ANSYS APDL135 Hình 4.12. Đồ thị chuyển vị tuyệt đối lớn nhất tại các tầng ......................... 135 Hình 4.13. Đồ thị chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng ..................... 136 Hình 4.14. Đồ thị lực cắt lớn nhất tại các tầng ............................................. 137 Hình 4.15. Đồ thị hiệu quả chuyển vị tuyệt đối của các tầng ....................... 138 Hình 4.16. Đồ thị hiệu quả chuyển vị tương đối giữa các tầng .................... 139 Hình 4.17. Đồ thị hiệu quả Lực cắt tại các tầng............................................ 140
xi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Bảng tổng hợp các thiết bị giảm chấn theo cơ chế hoạt động [20] 11 Bảng 2.1. Các giá trị được liên kết với đồ thị phân tích động [99] ............... 52 Bảng 2.2. Tính chất vật liệu của Thép ............................................................ 66 Bảng 2.3. Kết quả thí nghiệm xác định tần số dao động riêng của khung ..... 67 Bảng 2.4. Thông số bể nước thiết kế theo tỷ lệ khối lượng và tần số dao động riêng .............................................................................................. 67 Bảng 2.5. Giá trị tần số ứng với ba dạng dao động riêng của kết cấu Khung 69 Bảng 2.6. Kết quả phân tích của bể chứa chất lỏng ........................................ 80 Bảng 3.1. Các phần tử hữu hạn sử dụng trong phần mền ANSYS APDL ..... 84 Bảng 3.2. Các phương pháp thường dùng trong họ phương pháp Newmark [123] ..................................................................................... 87 Bảng 3.3. Số liệu phân tích các thông số bể nước .......................................... 89 Bảng 3.4. Bảng kết quả tính toán tần số quy chuẩn tương ứng với các trường hợp thay đổi kích thước bể và chiều cao mực nước trong bể ....... 92 Bảng 3.5. Kết quả tính tỷ lệ chuyển vị tương đối lớn nhất tại đỉnh của kết cấu khi đặt bể chứa nước và khi không đặt bể chứa nước (Mb+Mn =1%M) .......................................................................................... 95 Bảng 3.6. Kết quả tính tỷ lệ chuyển vị tương đối lớn nhất tại đỉnh kết cấu khi đặt bể chứa nước và khi không đặt bể chứa nước (Mb+Mn =10%M) ........................................................................................ 96 Bảng 3.7. Kết quả tính tỷ lệ của lực cắt đáy kết cấu lớn nhất khi đặt bể nước và khi không đặt bể nước (Mb+Mn =1%M) .................................. 99 Bảng 3.8. Kết quả tính tỷ lệ của lực cắt đáy kết cấu lớn nhất khi đặt bể nước và khi không đặt bể nước (Mb+Mn =10%M) .............................. 100 Bảng 3.9. Kết quả tính giá trị lực cắt đáy bể lớn nhất trong liên kết giữa bể nước và kết cấu (Mb+Mn =1%M) ............................................... 101 Bảng 3.10. Giá trị lực cắt đáy bể lớn nhất trong liên kết giữa bể nước và kết cấu (Mb+Mn =10%M) ................................................................. 102 Bảng 3.11. Bảng tổng hợp kết quả phân tích cho tham số bể nước .............. 104 Bảng 3.12. Tham số của mô hình hệ một bể chứa chất lỏng ........................ 106 Bảng 3.13. Tham số của mô hình hệ gồm 6 bể nhỏ ...................................... 107
xii Bảng 3.14. Số liệu số không đổi cho bài toán phân tích ảnh hưởng của gối liên kết giữa bể và kết cấu đến mức độ giảm chấn của bể nước ....... 111 Bảng 3.15. Giá trị tham số độ cứng Kb ứng với các trường hợp nghiên cứu 112 Bảng 3.16. Bảng tổng hợp các trường hợp nghiên cứu gối liên kết giữa bể nước và kết cấu dưới tác dụng của động đất............................... 118 Bảng 4.1. Bảng thông số tòa nhà cao tầng .................................................... 121 Bảng 4.2. Bảng thông số dao động riêng của kết cấu ................................... 123 Bảng 4.3. Bảng khối lượng các tầng của kết cấu .......................................... 125 Bảng 4.4. Kết quả tính của tham số độ cứng Ki từ tầng 1 đến tầng 15 ......... 126 Bảng 4.5. Kết quả tính của tham số độ cứng Ki từ tầng 16 đến tầng 30 ....... 126 Bảng 4.6. Kết quả phân tích dao động mô hình tương đương của tòa nhà trên ANSYS APDL ............................................................................ 127 Bảng 4.7. Bảng thông số của bể và chiều cao mực nước trong bể ............... 130
xiii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, VÀ CÁC KÝ HIỆU TLD: Hệ giảm chấn dùng chất lỏng STLD: Giảm chấn chất lỏng đơn tần số MTLD: Giảm chấn chất lỏng đa tần số NSD: Mô hình TMD tương đương của mô hình TLD với độ cứng và tính cản phi tuyến AMD: Giảm chất dùng khối lượng kiểu chủ động TMD: Giảm chấn dùng khối lượng kiểu bị động SD: Giảm chấn thép SJD: Giảm chấn nối thép LD: Giảm chấn dẫn hướng (Lead dampers) FD: Giảm chấn ma sát VED: Giảm chấn đàn hồi - nhớt VD: Giảm chấn nhớt OD: Giảm chấn dầu AGS: Active Gyro Stabilizer AVS: Tác động thay đổi độ cứng (Active Variable Stiffness) VOD: Variable Orifice Damper VFD: Giảm chấn ma sát thay đổi E: Năng lượng F: Ngoại lực tác động vào kết cấu Mb: Khối lượng bể chứa fstructure -1: Tần số dao động riêng của kết cấu fslosh: Tần số dao động của sóng chất lỏng f : Tần số quy chuẩn m: Khối lượng chất lỏng b : Chiều rộng thùng chứa chất lỏng L : Chiều dài thùng chứa hình chữ nhật D : Đường kính của thùng chứa hình tròn hb: Chiều cao của thùng chứa h: Chiều sâu chất lỏng trong bể chứa
xiv x(t): Chuyển dịch của mặt đất theo thời gian (chuyển dịch, vận tốc, gia tốc)  : Tần số góc thứ n Mctr : Khối lượng kết cấu ρ: Mật độ chất lỏng (kg/m3)  : Hệ số nhớt của chất lỏng S : Tỷ số cản của kết cấu (%) k: Độ cứng kD: Độ cứng của giảm chấn kS: Độ cứng của kết cấu kW: Độ cứng tuyến tính cơ sở của giảm chấn chất lỏng TLD m: Khối lượng mS: Khối lượng của kết cấu mD: Khối lượng của giảm chấn C: Hệ số cản c: Vận tốc pha sóng được định nghĩa  : Chuyển động tự do của chất lỏng (biến đổi theo thời gian t). L: Chiều dài sóng H: Chiều cao sóng : Hàm thế Wm: Khối lượng hình thái có hiệu Wi: Khối lượng hình thái có hiệu ứng với mode dao động thứ i i: Mode dao động thứ i của kết cấu : Bước sóng g: Gia tốc trọng trường T: Chu kỳ dao động V: Vận tốc n: Số lượng thùng chứa chất lỏng trong giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD fi: Tần số dao động của thùng chứa chất lỏng f0: Tần số dao động trung tâm của các thùng chứa chất lỏng trong giảm chấn chất
xv lỏng đa tần số (MTLD) i = fi+1 - fi: Độ chênh các tần số của các thùng TLD trong giảm chấn chất lỏng đa tần số. R: Bề rộng dải tần số trong giảm chấn chất lỏng đa tần số : Tỷ số tần số kích thích ( = fe/fs) : Tỷ số chiều sâu chất lỏng (=h/L) : Góc pha : Tỷ số tần số giảm chấn ( = fD/fs) : Tỷ số khối lượng (mD/ms) : Tỷ số cứng hóa độ cứng hay độ cứng không thứ nguyên của giảm chấn : Tần số góc e: Tần số góc của lực kích thích D: Tần số góc tự nhiên của giảm chấn S: Tần số góc tự nhiên của kết cấu : Tỷ số tần số : Tỷ số cản S: Tỷ số cản của kết cấu D: Tỷ số cản của giảm chấn w: Tần số góc tự nhiên cơ sở tuyến tính của TLD kw: Độ cứng cơ sở tuyến tính của TLD ccr: Độ cản giới hạn của TLD : Tỷ số tần số : Tỷ số giảm chấn mS: Khối lượng của kết cấu trong thiết lập phương trình chuyển động cS: Tính cản của kết cấu trong thiết lập phương trình chuyển động kS: Độ cứng của kết cấu trong thiết lập phương trình chuyển động
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Một trong những mục tiêu chính của thiết kế các tòa nhà cao tầng, ngoài việc chịu được các tải trọng thông thường ra là chịu các tải trọng đặc biệt như gió và động đất. Những quy định cho các kết cấu chịu các loại tải trọng đặc biệt này được phản ánh trong Bộ luật Xây dựng Quốc tế (IBC) - 03 hay Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 8 - Thiết kế chống động đất cho kết cấu, Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 về động đất, TCVN 229:1999 về gió động, TCVN 2737:2020 về tải trọng và tác động. Vấn đề về thiết kế kháng chấn của các tòa nhà, phân tích ứng xử của chúng dưới các biến dạng chu kỳ không đàn hồi lớn được qui định trong các điều khoản thiết kế của ASCE 7-02 (IBC-03, NFPA 5000), UBC-97 hay Euro Code 2008, đưa ra các yêu cầu chi tiết để đảm bảo hiệu suất kháng chấn ngoài phạm vi biến dạng đàn hồi, được phân tích bằng các phương pháp tĩnh, động và lịch sử thời gian. Trong thiết kế kháng chấn nhà cao tầng, tác dụng của động đất là một vấn đề quan trọng do những thiệt hại mà nó gây ra cho kết cấu tòa nhà. Trường hợp xảy ra động đất mạnh, kết cấu có thể có các hiện tượng chuyển vị như chuyển vị tương đối của kết cấu tòa nhà so với nền móng hoặc chuyển vị lệch giữa các tầng. Trên thực tế, tần số dao động riêng đầu tiên của kết cấu tòa nhà cao tầng và siêu cao tầng thường nhỏ (khoảng 0.1- 0.3 Hz do BR Ellis,1980 [1] thống kê trên 163 tòa nhà cao tầng) và gần với tần số dao động của các trận động đất có cường độ lớn. Do đó, phản ứng của nó thường rất quan trọng vì sự cộng hưởng có thể xảy ra. Để thỏa mãn cả trạng thái giới hạn về cường độ và trạng thái giới hạn về biến dạng, đây là một thách thức đối với các kỹ sư thiết kế kết cấu tòa nhà cao tầng chống động đất. Do toà nhà cao tầng có thể cao tới cả gần nghìn mét nên ngay cả khi kết cấu có biến dạng nhỏ thì chuyển vị tương đối so với tầng hầm có thể vẫn rất lớn. Ngoài ra, toà nhà cao tầng thường có công năng làm văn phòng nên không hoàn toàn sử dụng tường chịu lực, khi đó không thể áp dụng nguyên tắc sử dụng tường chống tải trọng ngang được. Hiện nay có nhiều giải pháp thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng, trong đó giải pháp giảm chấn chất lỏng (TLD) là một trong số các giải pháp được sử dụng nhiều nhất nhờ tính hiệu quả và chi phí hợp lý. Tuy nhiên, sự phức tạp trong việc tối ưu hóa các thông số thiết kế của bể chứa chất lỏng (hệ giảm chấn chất lỏng), như tối ưu hóa kích thước hình học của bể, chiều cao mực nước trong bể, gối liên kết giữa bể và kết cấu tòa nhà, số lượng bể, vị trí đặt bể trên chiều cao tòa nhà... khiến công tác tiêu chuẩn hóa các
2 quy tắc thiết kế hệ giảm chấn chất lỏng TLD gặp nhiều khó khăn. Do đó vấn đề quan trọng là phân tích tối ưu bể chứa chất lỏng. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu đưa ra phương pháp phân tích hay mô hình phân tích cũng rất quan trọng, để có thể áp dụng thuận tiện khi thiết kế hệ bể chứa chất lỏng giảm chấn cho công trình nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất. Theo phân tích tổng quan, hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam có ba hướng nghiên cứu chính liên quan đến giảm chấn chất lỏng (TLD) bao gồm: - Nghiên cứu dao động sóng chất lỏng trong bể chứa và tương tác giữa sóng chất lỏng với thành bể. - Nghiên cứu bể mềm - thành bể biến dạng tác động ngược lại vào chất lỏng bên trong bể. - Nghiên cứu hiệu quả giảm chấn của hệ nhiều bể chứa (MTLD). Ứng dụng của TLD nói chung và hệ MTLD nói riêng trong việc nâng cao hiệu quả giảm chấn kết cấu và phân tích ứng xử động bên trong bể chứa cho hệ thống này cần có quy trình để tối ưu được hình dạng, kích thước, vị trí, số lượng bể. Các phương pháp để quy đổi hệ TLD thành hệ TMD, hoặc phương pháp quy đổi chất lỏng thành khối lượng theo mô hình của Houner và Haroun có xét tương tác của chất lỏng với thành bể chứa thông qua độ cứng của lò so liên kết khối lượng quy đổi với thành bể cũng đã được áp dụng khi tính toán bể, tuy nhiên chỉ dừng lại ở mức độ ứng xử sóng chất lỏng là tuyến tính. Mặt khác, ở các nghiên cứu trước luôn mặc định liên kết giữa bể chứa với kết cấu là liên kết tuyệt đối cứng, và cũng chưa đi xem xét ảnh hưởng liên kết giữa bể với kết cấu đến mức độ giảm chấn của bể chứa chất lỏng. Đây cũng là vấn đề cần được quan tâm khi nghiên cứu giảm chấn cho kết cấu khi dùng bể chứa chất lỏng. Ở nước ta, các số liệu nghiên cứu cho thấy, việc ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) còn ít, chủ yếu là nghiên cứu cơ bản và xác định hiệu quả, các công trình thực tế áp dụng hệ giảm chấn chất lỏng ở các dự án thường do các kỹ sư nước ngoài thiết kế. Các kỹ sư trong nước chưa được tiếp cận nhiều hoặc chưa được đầu tư nghiên cứu nhiều về phương pháp lựa chọn, thiết kế, bố trí hệ giảm chấn chất lỏng. Ngoài ra, các nghiên cứu trước đây cũng chưa mang lại cho kỹ sư thiết kế một cái nhìn rõ nét hơn khi xét đến các thiết bị giảm chấn chất lỏng cho tòa nhà cao tầng chịu tải trọng động đất. Với các phân tích trên, đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án là phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn nhà cao tầng khi chịu động đất, nghiên cứu các căn cứ đề xuất các thông số tối ưu của bể chứa như kích thước bể,
3 chiều cao mực nước trong bể, số lượng bể và gối liên kết giữa bể và kết cấu. Đặc biệt nghiên cứu đề xuất phương pháp và mô hình tính toán thuận tiện cho hệ giảm chấn chất lỏng và phản ánh đúng bản chất làm việc của sóng chất lỏng trong bể chứa, mang lại hiệu quả giảm chấn tốt nhất cho tòa nhà khi chịu động đất. 2. Tên và mục tiêu nghiên cứu của Luận án Tên của Luận án: “Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất” Mục tiêu nghiên cứu: Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn nhà cao tầng khi chịu động đất Xây dựng đề xuất mô hình tính toán cho bể chứa chất lỏng bao gồm bể và chất lỏng bên trong bể. 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. 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. Nghiên cứu ảnh hưởng của liên kết nửa cứng giữa bể và 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. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng của động đất. b) Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu bể chứa nước hình chữ nhật, dạng đáy phẳng, đặt trên nhà cao tầng chịu tác dụng của động đất. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô hình số để nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng của động đất 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu a) Ý nghĩa khoa học Luận án nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn cho tòa nhà cao tầng khi chịu tác dụng của động đất. Luận án đã xây dựng, đề xuất mô hình tính toán phản ánh sự chuyển động thực của chất lỏng bên trong bể theo mô hình cơ học chất lỏng. Kết quả nghiên cứu đã đề xuất các thông số bể chứa chất lỏng, số