Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "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: Tóm tắt 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 Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Đặc biệt Mã số: 9580206 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2022
Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH 2. GS.TS. NGUYỄN TIẾN CHƯƠNG Phản biện 1: ……………………………………………… ……………………………………………………………. Phản biện 2 ……………………………………………… ………………………………………………………….. Phản biện 3: ……………………………………………… …………………………………………………………….. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại ………………………………………………………………… vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải
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 lớn 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. 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. Thiết kế kháng chấn nhà cao tầng nhằm thỏa mãn cả trạng thái giới hạn về cường độ và trạng thái giới hạn về biến dạng, là một thách thức đối với các kỹ sư thiết kế. 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 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, như tối ưu hóa kích thước của bể, chiều cao mực nước trong bể, số lượng bể, gối liên kết giữa bể và kết cấu tòa nhà, vị trí đặt bể trên chiều cao tòa nhà... khiến công tác tiêu chuẩn hóa các quy tắc thiết kế hệ giảm chấn chất lỏng TLD gặp nhiều khó khăn. Với các phân tích trên, Luận án đề xuất nội dung nghiên cứu là phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn nhà cao tầng khi chịu động đất, nghiên cứu các thông số tối ưu của bể nước như kích thước bể, 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 để 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
2 giảm chấn cho nhà cao tầng khi 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 đề xuất, Luận án nghiên cứu ảnh hưởng bể chứa chất lỏng lên kết cấu công trình chịu tác dụng của động đất - ảnh hưởng của liên kết giữa bể và kết cấu tòa nhà. Áp dụng các kết quả nghiên cứu để phân tích ảnh hưởng giảm chấn của bể nước cho một tòa nhà cao tầng cụ thể chịu tác dụng của động đất. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Bể nước đặt trên tòa nhà cao tầng, và liên kết giữa bể và kết cấu tòa nhà. 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 Phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp với phương pháp mô phỏng 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. Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp so sánh kiểm chứng một số kết quả nghiên cứu của Luận án với các kết quả thực nghiệm của các nghiên nghiên trước đó. 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 lượng bể, vị trí đặt bể theo chiều cao tòa nhà, đặc biệt là đề xuất thông số độ cứng gối liên kết giữa bể và tòa nhà, thông qua tỷ lệ khối lượng và tỷ lệ tần số giữa bể chứa và tòa nhà, để tăng hiệu quả giảm chấn cho toà nhà khi chịu động đất. b) Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể làm căn cứ trong thiết kế giảm
3 chấn cho kết cấu tòa nhà thông qua việc sử dụng bể chứa nước. Góp phần đẩy mạnh hướng nghiên cứu giải pháp ứng dụng bể chứa nước để giảm chấn cho kết cấu tòa nhà khi chịu động đất. 6. Cấu trúc của Luận án Luận án bao gồm Phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận, kiến nghị. Cụ thể là: Mở đầu Chương 1: 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 Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích chuyển động của bể chứa chất lỏng trên công trình chịu động đất Chương 3: Phân tích ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn cho kết cấu dưới tác dụng của động đất Chương 4: Nghiên cứu áp dụng bể nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất Kết luận và Kiến nghị CHƯƠNG 1: 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 1.1. Các tác động gây ra dao động cho kết cấu nhà cao tầng Tác động gây ra dao động cho kết cấu nhà cao tầng bao gồm tác động theo phương thẳng đứng và tác động theo phương ngang. Khác với tòa nhà thông thường, đối với tòa nhà cao tầng các tác động theo phương ngang là yếu tố quan trọng. Trong thiết kế nhà thấp tầng các tác động theo phương ngang nhìn chung được quan tâm ít hơn so với tác động theo phương đứng, nguyên nhân là do ảnh hưởng của tải trọng ngang lên kết cấu thấp tầng nhỏ. Khi chiều cao nhà tăng lên thì nội lực và chuyển vị của công trình do tác động theo phương ngang như áp lực gió và tác động của động đất gây ra, tăng lên nhanh chóng. Việc tạo ra hệ kết cấu để chịu các tác động này là vấn đề quan trọng trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng. Hoặc đề xuất những giải pháp để giảm thiểu những tác động theo phương ngang gây ra cũng là rất cần thiết.Trong phạm vi nghiên cứu của Luận án, xét ảnh hưởng của
4 động đất đến sự làm việc của nhà cao tầng. Từ đó đưa ra biện pháp giảm chấn cho nhà cao tầng, để giảm tác động của động đất. 1.2. Biện pháp giảm dao động cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất Dựa trên các thành tựu khoa học kỹ thuật của nhiều ngành khác nhau như vật liệu, năng lượng, cơ điện tử, cơ học, điều khiển học. Khá nhiều giải pháp chống dao động đã được nghiên cứu và phát triển. Mặt khác quá trình dao động của công trình là một quá trình tích lũy, chuyển hóa và tiêu tán năng lượng do các tác động bên ngoài cũng như do các nguyên nhân bên trong công trình gây ra. Vấn đề đặt ra là cần can thiệp như thế nào vào quá trình biến đổi năng lượng đó để có thể khống chế dao động của công trình trong giới hạn cho phép. Từ đó các giải pháp chống dao động cho kết cấu tòa nhà ra đời, cùng với các thiết bị hoạt động với cơ chế khác nhau [17], [18]. Giảm chấn theo cơ chế hoạt động: Thiết bị giảm chấn bị động (passive damper); Thiết bị giảm chấn chủ động (Active damper); Thiết bị giảm chấn bán chủ động (Semi – active damper) [19]. Giảm chấn theo các giải pháp giảm dao động: Giải pháp cách chấn; giải pháp giảm chấn [21],[22]. 1.3. Bể nước trên các tòa nhà cao tầng và tác dụng giảm chấn của nó Thông thường bể nước nước trên tòa nhà cao tầng được thiết kế với các mục đích để đảm bảo đủ cung cấp nước phục vụ sinh hoạt của tòa nhà; để cung cấp nước cho việc phòng cháy chữa cháy khi xảy ra hỏa hoạn, cháy nổ trên tòa nhà; sử dụng bể chứa nước trên tầng mái làm bể bơi phục vụ cho mục đích vui chơi, giải trí và một phần tăng thêm giá trị về mặt cảnh quan của tòa nhà cao tầng. Từ các kết quả nghiên cứu đã có về việc sử dụng bể chứa nước trên tòa nhà làm hệ giảm chấn chất lỏng (Tuned Liquid Damper – TLD), nội dung luận án đề xuất nghiên cứu bể chứa nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất.  Khái niệm hệ giảm chấn chất lỏng Hệ giảm chấn chất lỏng là một dạng thiết bị điều khiển dao động kiểu bị động – gọi tắt là TLD. Hệ thiết bị này có thể giảm các tác động động lực học như động đất, gió bão hay hoạt tải khi làm tăng đặc tính cản cho kết
5 cấu. Hệ giảm chấn có khả năng làm tiêu tan một phần năng lượng giải phóng của kết cấu khi chịu tải trọng động. Hệ giảm chấn chất lỏng gồm các bể chứa chất lỏng với chiều dài, chiều rộng bể chứa và chiều sâu chất lỏng tính toán phù hợp với mục đích làm tăng tính cản tương đương cần thiết cho kết cấu. Bể chứa nước là một trường hợp của hệ giảm chấn chất lỏng với chất lỏng sử dụng trong bể là nước có độ nhớt bằng không. [24], [25], [26].  Các loại hệ giảm chấn chất lỏng: Hình 1.7. Sơ đồ phân loại hệ thống thiết bị giảm chấn chất lỏng [27] 1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng  Tình hình nghiên cứu hệ giảm chấn chất lỏng 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).  Tình hình ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng Tòa nhà cao tầng nhất tại Hoa Kỳ sử dụng hệ TLCD gần 1300T để giảm chấn; Tòa nhà 69 tầng tại Indonesia sử dụng hệ giảm chấn chất lỏng TLD ~1150T, để giảm chấn; Cầu Bãi Cháy tại Việt Nam sử dụng hệ giảm chấn chất lỏng TLD VÀ MTLD được gắn cho các mố trụ cầu để điều khiển dao
6 động của mố trụ cầu dưới tác dụng của tải trọng ngang. 1.5. Kết luận chương 1 Vấn đề giảm chấn trên thế giới được tập trung vào các hướng như cách chấn, tiêu tán năng lượng, hay cân bằng động. Luận án nghiên cứu nghiên cứu giảm chấn cho kết cấu chịu động đất theo hướng tiêu tán năng lượng. Hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) là một trong các dạng thiết bị giảm chấn hoạt động theo cơ chế tiêu tán năng lượng. Tổng hợp từ những kết quả nghiên cứu tính toán cho hệ giảm chấn chất lỏng trước đó thì hệ có thể được phân tích tính toán theo các cách như sau:  Quy đổi tương đương hệ giảm chấn chất lỏng sang hệ khối lượng (TMD)  Quy đổi khối lượng nước trong bể thành các vật rắn cùng chuyển động độc lập với bể và có liên kết với bể bằng các lo xò có độ cứng xác định (như mô hình đề xuất của Houner). Khi chất lỏng trong bể được quy đổi rắn hóa qua các khối lượng thì sẽ không phản ánh được hoạt động của sóng chất lỏng trong bể, đồng thời giá trị của áp lực nước tác dụng lên thành bể và lực cắt đáy bể sẽ không chính xác. Mặt khác khi bể liên kết với kết cấu của công trình có thể liên kết cứng hoặc liên kết nữa cứng. Hiện nay, vấn đề này vẫn chưa được nghiên cứu làm rõ, khi xét ảnh hưởng của bể đến mức độ giảm chấn cho kết cấu công trình. Đồng thời trên kết cấu công trình hệ bể chứa chất lỏng có thể đặt một bể hoặc nhiều bể. Số lượng bể chứa cũng ảnh hưởng nhiều đến mức độ giảm chấn của kết cấu dưới tác dụng của động đất. Từ những phân tích ở trên, Luận án hướng tới giải quyết các vấn đề sau: (1) Xây dựng mô hình tính toán cho bể chứa chất lỏng bao gồm bể và chất lỏng trong bể. Mô hình đề xuất phản ánh bản chất sự chuyển động của sóng chất lỏng bên trong bể theo mô hình của cơ học chất lỏng. (2) Dựa trên mô hình được đề xuất, Luận án tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng giảm chấn của các thông số bể chứa chất lỏng lên kết cấu tòa nhà ứng với trường hợp hệ một bể và hệ nhiều bể. (3) Nghiên cứu ảnh hưởng của liên kết giữa bể và kết cấu tòa nhà (4) Áp dụng các kết quả nghiên cứu để phân tích ảnh hưởng giảm chấn của bể nước cho một kết cấu tòa nhà cao tầng cụ thể chịu động đất.
7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG CỦA BỂ CHỨA CHẤT LỎNG TRÊN CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT 2.1. Cơ chế hoạt động của hệ giảm chấn chất lỏng TLD Cơ chế cơ bản của hệ giảm chấn chất lỏng là làm giảm dao động cho kết cấu, bắt nguồn từ chuyển động của chất lỏng trong bể chứa và từ việc tản năng lượng thông qua tác động của lực nhớt nội tại và dao động của sóng vỡ. Khả năng giảm chấn phụ thuộc vào biên độ của chuyển động chất lỏng và dạng sóng phá vỡ [85]. 2.2. Cơ sở lý thuyết phân tích cho hệ một bể Cơ sở lý thuyết chính xác cho vấn đề dao động của chất lỏng dịch chuyển trong một bể chứa là vô cùng khó khăn và phức tạp. Do đó cơ sở lý thuyết có thể chia làm hai phần chính: - Lý thuyết phân tích dao động chất lỏng với biên độ nhỏ theo H. Norman Abramson 1966 - Lý thuyết phân tích gần đúng dao động chất lỏng với biên độ lớn Phạm vi nghiên cứu của Luận án sẽ giới hạn trong phần lý thuyết phân tích dao động chất lỏng với biên độ nhỏ, phân tích tuyến tính theo H.Norman Abramson 1966 áp dụng cho bể chứa dạng chữ nhật. a)Đặc trưng dao động riêng của bể chứa chất lỏng  Biên độ dịch chuyển thẳng đứng của mặt nước:    m  a   n  b  (2.13)  x , y    Amn cos   x     cos   y   m0 n0  a  2   b  2   Tần số dao động của sóng chất lỏng trong bể chứa:  (2.15b) 1  n2   n2   1 n  n fn  g  2  tanh   h  2    g tanh   h  2 b    b   2 b  b   b) Bể chứa chất lỏng dưới tác dụng của tải điều hòa.  Hàm thế năng
8   4a  2   (2.18) x  (1) 2  n 2 2   n0  (2n 1)  n 2         h     x0cos t   sin  2n 1 x cosh  2n 1  z      a   a  2       h  cosh  2n 1      a   Lực cắt đáy bể   (2.19)    FH x0 2  8tanh  2n  1  r1    1   f sin t 1     n0   2n  1 r1 3 2 WF h 3  fn     f   1     2.3. Cơ sở phân tích hệ nhiều bể chứa Thiết bị giảm chấn chất lỏng đa tần (Mutil Tuned Liquid Damper – MTLD) là tập hợp nhiều bể chứa chất lỏng đơn tần TLD có mực nước khác nhau cùng tham gia vào quá trình điều khiển tần số của kết cấu Hình 2.5. Phân bố tần số trong hệ MTLD f N  f1 f N  f1 (2.22);(2.23) f0  R  2 ; f0 i  f i 1  f i   f N  f1  /  N  1 (2.24) 2.4. Cơ sở lý thuyết phân tích gối liên kết giữa bể chứa chất lỏng và kết cấu Hai dạng tương tác giữa bể chứa chất lỏng và kết cấu: - Tương tác động học - Tương tác quán tính Mô hình nghiên cứu minh họa cho 2 dạng tương tác giữa bể và kết cấu.
9 Hình 2.7. Các mô hình phân tích tương tác giữa hệ sơ cấp và thứ cấp [99] Tiêu chí phân tích hệ thống ghép sơ cấp và thứ cấp: Hình 2.8. Tiêu chí mới để sử dụng trong phân tích giữa hệ sơ cấp và thứ cấp [99]
10 2.5. Các dạng mô hình phân tích bể chứa chất lỏng (1) Mô hình phân tích của SUN (2) Mô hình phân tích của YU 2.6. Các phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng (1) Phương pháp giải tích sử dụng mô hình hệ giảm chấn khối lượng tương đương (TMD) của Housner và Haroun. (2) Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm theo mô hình thực hoặc mô hình đồng dạng với mô hình thực. (3) Phương pháp PTHH – Mô phỏng số dòng chất lỏng 2.7. Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mô hình thí nghiệm * Mô hình thí nghiệm của Luboya (a) Mô hình có (b) Mô hình có TLD (c) Máy hiện sóng, máy phát tần TLD trên tầng 4 trên tầng 3 số, TLD và điện thoại đo dao động Hình 2.19. Mô hình và các thiết bị thí nghiệm *Kiểm chứng kết quả giữa mô phỏng theo PTHH trên ANSYS và mô hình thí nghiệm của tác giả Luboya - Kết quả biên độ phổ khi không đặt bể nước dưới tác dụng của tải điều hòa
11 a) Kết quả nghiên cứu của Luboya [119] b) Kết quả mô phỏng ANSYS APDL Hình 2.24. Phổ gia tốc theo tần số theo nghiên cứu của Luboya và phương pháp mô phỏng đề xuất cho luận án - Kết quả giá trị biên độ của phổ khi đặt bể nước dưới tác dụng của tải điều hòa +) Tỷ lệ khối lượng giữa bể và kết cấu 1% (a) Phổ gia tốc đỉnh công trình và tầng thứ 3 (b) Phổ gia tốc đỉnh công trình trong trong trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu µ=1% theo nghiên cứu của nước và kết cấu µ=1% theo phương Luboya [119], khi bể nước đặt ở tầng 3 và khi pháp mô phỏng sử dụng trong đề tài, khi đặt ở tầng 4 (tầng đỉnh công trình). bể nước đặt ở tầng 4(tầng đỉnh) 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% +) Tỷ lệ khối lượng giữa bể và kết cấu 2% (a) Phổ gia tốc đỉnh công trình và tầng thứ 3 (b) Phổ gia tốc đỉnh công trình trong trong trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể nước nước và kết cấu µ=2% theo nghiên cứu của và kết cấu µ=2% theo phương pháp mô Luboya [119], khi bể nước đặt ở tầng 3 và phỏng sử dụng trong đề tài, khi bể nước khi đặt ở tầng 4 (tầng đỉnh công trình) đặt ở tầng đỉnh 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%
12 2.8. Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mô hình đề xuất của Houner và Haroun Thực hiện phân tích bể chứa có kích thước a x b x hbể = 5 x 5 x 3 (m); chiều cao mực nước trong bể h = 2 (m); Chiều dày bản đáy bể  day  1( m );  thanh  0.5( m ) ; Điều kiện biên: Khống chế các chuyển vị xoay và chuyển vị theo phương đứng; Chỉ xét chuyển vị bể theo phương ngang, chỉ xét dạng dao động đầu tiên của kết cấu. . Hình 2.27. Mô hình bể chứa chất lỏng Từ kết quả phân tích theo phương pháp PTHH trên phần mềm ANSYS APDL và kết quả tính toán giải tích theo các giả thuyết, và công thức giải tích của H. Norman Abramson và Housner và Haroun được tổng hợp trong bảng 2.6 Bảng 2.6. Kết quả phân tích của bể chứa chất lỏng Kết quả số nghiên Kết quả số theo công thức giải cứu theo mô hình bể Đại lượng tích của H. Norman Abramson áp chứa mô phỏng trên nghiên cứu dụng cho mô hình bể chứa được phần mền ANSYS đề xuất bởi Housner và Haroun APDL Tần số dao động f1 = 0.364 (Hz) f1 = 0.315 (Hz) đầu tiên Giá trị lực cắt đáy FH   0.529  E 4  1.97  E 4  ( N ) FH  1.19  E 4  N  2.9. Kết luận chương 2 Nội dung chương 2 đã nghiên cứu cơ chế làm việc, cơ sở lý thuyết, các dạng mô hình điển hình, cùng với các phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng. Luận án đề xuất sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mô 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 tòa nhà chịu tác
13 dụng của động đất. Cụ thể đề xuất 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 là tính năng riêng biệt của phần mềm ANSYS so với các phần mềm khác. Độ tin cậy của phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho mô hình đề xuất này đã được khẳng định sau khi kiểm chứng so sánh với kết quả nghiên cứu theo mô hình thí nghiệm của Luboya và kết quả nghiên cứu theo mô hình khối lượng tương đương của Houner và Haroun. 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 Hình 3.1. Quy trình phân tích bể chứa chất lỏng 3.2. Xây dựng phương pháp phân tích  Hàm hiệu quả D F HHQ    TLD    TLD (3.1) DN 0 FN 0
14  Mô hình phân tích Hình 3.2. Mô hình đơn giản hóa mô phỏng trong ANSYS APDL Bảng 3.1. Các phần tử hữu hạn sử dụng trong phần mền ANSYS APDL Phần tử Tên phần tử trong Kích thước lưới Kết cấu hữu hạn ANSYS APDL chia phần tử Phần tử Đặc trưng của phần tử FLUID30 0.25m Solid chất lỏng Phần tử Đặc trưng cho tường tấm, vỏ SHELL181 0.25m thành bể và sàn đáy bể (shell) Phần tử Đặc trưng cho liên kết COMBIN14 Không áp dụng Spring giữa bể và công trình  Tác dụng của động đất Hình 3.3. Giản đồ gia tốc nền theo thời gian El Centro [121] Phổ tần số của El Centro tương đối rộng nên sẽ bao quát được các giá trị tần số của kết cấu, dễ xác định được trường hợp bất lợi nhất khi động
15 đất tác dụng lên kết cấu tòa nhà.  Phương pháp tính toán Trong nghiên cứu, phương pháp phân tích động đất được sử dụng là phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động của nền đất – time history analysis. Đồng thời phân tích động theo lịch sử thời gian được thực hiện với phương pháp phân tích trực tiếp đầy đủ trong ANSYS APDL, được kết hợp cùng với phương pháp Newmark đã được tích hợp sẵn. 3.3. Phân tích ảnh hưởng của bể nước theo các tham số (1) Ảnh hưởng kích thước bể và chiều cao mực nước trong bể Trường hợp 1: Khối lượng bể nước bằng 1% khối lượng kết cấu. Trường hợp 2: Khối lượng bể nước bằng 10% khối lượng kết cấu. Bảng 3.3. Số liệu phân tích các thông số bể nước Tham số Ký hiệu Đơn vị Giá trị tham số Chiều rộng bể chứa b m 5; 10; 15; 20; 25 Chiều cao mực nước trong bể h m 0.5; 1; 1.5; 2; 2.5 Chiều cao bể hb m 3.0 Chiều dày bê tông thành bể δthanh m 0.5 Chiều dày bê tông đáy bể δday m 1.0 Tần số quy chuẩn được xác định theo công thức như sau: f slosh 1 (3.9) f  f structure 1  Hiệu quả theo chuyển vị 99.5% 99.0% Tỷ lệ: DTLD/DNO (%) 98.5% 98.0% 97.5% 97.0% 96.5% 96.0% 95.5% 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Tần số quy chuẩn 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)
16 100.0% 95.0% 90.0% Tỷ lệ: DTLD/DNo(%) 85.0% 80.0% 75.0% 70.0% 65.0% 60.0% 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Tần số quy chuẩn Hình 3. 13. Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ chuyển vị tương đối lớn nhất của kết cấu khi đặt bể và khi không đặt bể nước với tần số quy chuẩn (Mb+Mn =10%M) -Hiệu quả theo lực 101% 101% 100% Tỷ lệ FTLD/FNO (%) 100% 99% 99% 98% 98% 97% 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Tần số quy chuẩn 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) 105% 100% Tỷ lệ: FTLD/FNO(%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 0 1 2 3 4 Tần số quy chuẩn Hình 3.17. 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 =10%M)
17 Bảng 3.11. Bảng tổng hợp kết quả phân tích cho tham số bể nước Trường hợp phân Kết quả phân tích đối Kết quả phân tích tích tính toán với chuyển vị đối với lực DTLD/DNO = (96% - FTLD/FNO = (97% - 101%); Tỷ lệ khối lượng: 98.9%); ứng với tần số ứng với tần số quy chuẩn (Mb+Mn)/M = 1% quy chuẩn bằng 1 thì tỷ lệ: bằng 1 thì tỷ lệ: DTLD/DNO = 96.5% FTLD/FNO = 98% DTLD/DNO = (71% - FTLD/FNO = (73% - 98%); Tỷ lệ khối lượng: 98.6%); ứng với tần số ứng với tần số quy chuẩn (Mb+Mn)/M = 10% quy chuẩn bằng 1 thì tỷ lệ: bằng 1 thì tỷ lệ: DTLD/DNO = 78% FTLD/FNO = 80% (2) Ảnh hưởng của số lượng bể đến mức độ giảm chấn  Chuyển vị 0.5 0.4 Chuyển vị tương đối của kết 0.3 0.2 Khi không đặt bể 0.1 chứa cấu (m) 0 Khi đặt 1 bể chứa -0.1 15*15*3m -0.2 Khi đặt 6 bể chứa -0.3 7.5*7.5*0.8m -0.4 -0.5 0 5 10 15 20 25 30 35 Thời gian (s) Hình 3.23. Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị tương đối của kết cấu theo thời gian  Lực 4000000 3000000 Lực cắt đáy kết cấu (N) 2000000 Khi đặt 6 bể nhỏ 1000000 0 Khi không có bể -1000000 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 Khi đặt 1 bể lớn -2000000 -3000000 -4000000 Thời gian (s) Hình 3.24. Đồ thị quan hệ giữa lực cắt đáy kết cấu theo thời gian
18 Việc chia nhỏ từ 1 bể to thành 6 bể nhỏ làm hiệu quả giảm chấn của bể tốt hơn cho kết cấu dưới tác dụng của động đất. 3.4. Ảnh hưởng của gối liên kết giữa bể nước và kết cấu đến mức độ giảm chấn Bảng giá trị độ cứng Kb của gối liên kết giữa bể chứa và kết cấu, tương ứng cho 7 trường hợp nghiên cứu Bảng 3.15. Giá trị tham số độ cứng Kb ứng với các trường hợp nghiên cứu Trường Độ cứng của liên kết lò xo Tỷ lệ độ cứng Tần số bể chứa hợp nghiên giữa bể và kết cấu – Kbi các trường hợp chất lỏng (Hz) cứu (N/m) Kbi / Kb3 TH1 1.76E+05 0.25 0.063 TH2 3.52E+05 0.5 0.089 TH3 7.03E+05 1 0.126 TH4 1.41E+06 2 0.178 TH5 7.03E+06 10 0.398 TH6 7.03E+07 100 1.260 TH7 7.03E+08 1000 3.984 * Kết quả tính toán * Chuyển vị 94% TH1 92% Tỷ lệ :DTLD /DNO (%) 90% TH7 88% TH6 86% TH5 TH2 84% 82% TH4 80% 78% TH3 76% 0.100 1.000 10.000 100.000 Tần số quy chuẩn Hình 3.31. Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ chuyển vị tương đối của kết cấu với tần số quy chuẩn