Tài liệu phân tích ảnh hƣởng tld và tải trọng do động đất trong ứng xử kết cấu khung nhà cao tầng

LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CỬU LONG ………………… LÊ BÁ CƢỜNG PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG TLD VÀ TẢI TRỌNG DO ĐỘNG ĐẤT TRONG ỨNG XỬ KẾT CẤU KHUNG NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHỆP NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN VĨNH LONG, NĂM 2016 HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang i LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn, ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Thầy thực sự là một nhà khoa học mẫu mực, luôn quan tâm, động viên và khích lệ tôi khi gặp khó khăn cả trong công việc và trong cuộc sống, cùng học trò chia sẻ cả thất bại lẫn thành công. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào Tạo trƣờng Đại Học Học Cửu Long, Tỉnh Vĩnh Long đã tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành chƣơng trình đào tạo bậc cao học. Trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp, tôi xin chân thành cám ơn quý thầy cô phụ trách chƣơng trình đào tạo thạc sĩ đã truyền đạt những kiến thức quý báu, cung cấp nguồn tài liệu đầy đủ và kịp thời, đồng thời tôi cũng xin cám ơn vì luôn nhận đƣợc sự động viên giúp đỡ của tập thể cán bộ Khoa Khoa Xây Dựng Dân Dụng & CN của Trƣờng đã tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành chƣơng trình đào tạo bậc cao học. Tôi cũng mong muốn đƣợc cám ơn bạn bè, đồng nghiệp và ngƣời thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn. Xin chân thành cám ơn! Vĩnh Long, tháng 9 năm 2016 HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang ii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, đƣợc thực hiện với sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình khác nào. Vĩnh Vĩnh Long, ngày … tháng 09 năm 2016 Học viên LÊ BÁ CƢỜNG HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang iii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN MỤC LỤC Đề mục Trang LÝ LỊCH KHOA HỌC HỌC VIÊN SAU ĐẠI HỌC.................................................. i LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ iv LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ v MỤC LỤC .................................................................................................................. iv DANH SÁCH CÁC HÌNH ........................................................................................ vi DANH SÁCH CÁC BẢNG ......................................................................................vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................... viii Chƣơng 1. MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1 1.1 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ................................................................ 1 1.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ: ............................................................................... 2 1.3 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...................................................... 2 1.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................... 3 1.5 KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ...................................................... 3 Chƣơng 2. TỔNG QUAN ........................................................................................... 4 2.1 TỔNG QUAN VỀ VAN ĐIỀU CHỈNH CHẤT LỎNG (TLD) ........................... 4 2.1.1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 4 2.1.1.1 Hệ thông thƣờng ........................................................................................................ 4 2.1.1.2 Hệ cô lập ...............................................................................................................................4 2.1.1.3 Hệ giảm chấn phụ ................................................................................................................5 2.1.1.3.1 Hệ chủ động ......................................................................................................................5 2.1.1.3.2 Hệ thụ động ............................................................................................................. 5 2.1.1.4 Cơ cấu thụ động ......................................................................................................... 5 2.1.2 VAN ĐIỀU CHỈNH CHẤT LỎNG TLD .......................................................... 6 2.1.2.1 Lịch Sử Phát Triển ..................................................................................................... 6 2.1.2.2 Tuned Liquid Column Dampers ................................................................................ 7 2.1.2.3 Tuned Sloshing Damper ............................................................................................ 8 2.1.2.4 TLD chủ động ............................................................................................................ 9 2.1.2.5 TLD trong thực tế ...................................................................................................... 9 HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang iv LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN 2.2 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG, NGOÀI NƢỚC VÀ MÔ TẢ THÍ NGHIỆM GIẢM CHẤN CÔNG TRÌNH .............................................. 9 2.2.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc ngoài ...................................................................... 9 2.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ..................................................................... 16 2.3.3 Mô tả thí nghiệm và hình ảnh .......................................................................... 20 Chƣơng 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 22 3.1 GIẢI PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG ............................ 22 3.1.1 Mô hình Sun................................................................................................................ 23 3.1.2 Mô hình Yu. ................................................................................................................ 28 3.1.3 Mô hình của Xin............................................................................................... 33 3.2 Mô hình TMD ..................................................................................................... 35 3.2.1 Khái niệm cơ bản của hệ thống TMD. ............................................................. 35 3.2.2 Lực kích thích điều hòa .................................................................................... 36 3.2.3 Gia tốc nền ....................................................................................................... 38 Chƣơng 4. KẾT QUẢ SỐ ......................................................................................... 39 4.1 TLD - Cơ cấu chịu động đất................................................................................ 39 4.2 TMD- Cơ cấu chịu động đất ............................................................................... 42 4.2.1 Mô hình toán .................................................................................................... 42 4.2.1.1 Với hệ NDOF ................................................................................................ 42 4.2.1.2 Với hệ SDOF ................................................................................................. 42 4.2.2 Kết quả ............................................................................................................. 43 4.2.2.1 Hệ 1 bậc tự do ............................................................................................... 43 4.2.2.2 Hệ nhiều bậc tự do ........................................................................................ 44 4.2.3 TMD Chịu động đất ......................................................................................... 47 Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 48 5.1 Kết luận: .............................................................................................................. 48 5.2 Kiến nghị: ............................................................................................................ 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 50 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 53 HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang v LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình .................................................................................................................... trang Hình 3-1 Kích thƣớc của hình chữ nhật TLD .......................................................... 24 Hình 3-2: Sơ đồ hệ thống SDOF với một TLD Kèm theo đó .................................. 27 Hình 3-3: Sơ đồ của một a) TLD và b ) tƣơng đƣơng mẫu NSD ............................ 28 Hình 3-4: Lƣợc Đồ Chuyển Vị Để Tính Toán A ..................................................... 31 Hình 3-5: Hệ hai bậc tự do a) Cơ cấu với TLD b) Cơ cấu với NSD mẫu .............. 32 Hình 3-6: Sơ đồ cho Xác định các thông số NSD..................................................... 33 Hình 3-7: Mô hình tƣơng đƣơng của bể đáy dốc ...................................................... 34 Hình 3-8: Sơ đồ giảm chấn 1 bậc tự do..................................................................... 35 Hình 3-9: Tỉ Số Biên Độ ........................................................................................... 37 Hình 4-1: Đáp ứng dao động đỉnh công trình khi không và có TLD ....................... 40 Hình 4-2: So sánh chuyển vị đỉnh công trình........................................................... 41 Hình 4-3: So sánh mômen Mz phía trái khung ........................................................ 41 Hình 4-4 : Hệ TMD một bậc tự do ............................................................................ 42 Hình 4-5: Ảnh hƣởng của TMD đến hệ một bậc tự do. ........................................... 44 Hình 4-6: Hệ nhiều bậc tự do ................................................................................... 45 Hình 4-7: Chuyển vị của đỉnh khi chịu lực tam giác ngƣợc trƣờng hợp 1,2,3 ........ 46 Hình 4-8 : Chuyển vị của đỉnh khi chịu lực toàn bộ cơ hệ trƣờng hợp 4,5,6 ........... 46 Hình 4-9 : Tác dụng của TMD đến chuyển vị của tầng đỉnh khi chịu tải động đất .. 47 HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang vi LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng ................................................................................................................... Trang Bảng 2-1: Hệ Thống Bảo Vệ Chống Động Đất .......................................................... 4 Bảng 2-2: Một Số Loại Giảm Chấn Thụ Động .......................................................... 6 Bảng 2-3: Thống kê các công trình đã đƣợc lắp đặt TLD trên thế giới và Việt Nam17 HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang vii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT H độ sâu cảu nƣớc không bị xáo trộn L chiều dài bƣớc sóng a chiều dài 1 nửa của hồ chứa b bề rộng hồ chứa u vận tốc của chất lỏng theo phƣơng x w vận tốc của chất lỏng theo phƣơng z g gia tốc trọng trƣờng p áp suất ρ khối lƣợng riêng của chất lỏng v độ nhớt động học của chất lỏng Φ hàm thế năngk: số lƣợng sóng η độ cao bề mặt tự do trong hồ chứa n độ cao bề mặt tự do trong thành hồ chứa bên phải 0 độ cao bề mặt tự do trong thành hồ chứa bên trái  hệ số giảm chấn 1 tần số cơ bản của chất lỏng S hệ số yếu tố ảnh hƣởng bề mặt ms khối lƣợng cấu trúc cs giảm chấn tự thân của cấu trúc ks độ cứng cấu trúc s hệ số giảm chấn cấu trúc ws tần số dao động tự nhiên của cấu trúc xs chuyển vị của cấu trúc & xs Vận tốc của cấu trúc & & xs gia tốc của cấu trúc ag gia tốc nền HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang viii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN F lực cắt TLD kd độ cứng của NDS cd giảm chấn của NDS md khối lƣợng của NDS Ew năng lƣợng tiêu tán trong 1 chu kỳ Fw lực gây ra do sự dao động của chất lỏng mw khối lƣợng của chất lỏng w tần số góc lực kích thích A biên độ kích thích hình sin  pha lực tƣơng tác NSD  hệ số tỉ lệ tần số kích thích fe tần số kích thích fd tần số tự nhien của NSD d hệ số giảm chấn của NSD ccr hệ số giảm chấn tới hạn wd tần số tuyến tính cơ bản của NSD  hệ số chuyển đổi tần số fd tần số tuyến tính cơ bản của chất lỏng  hệ số tỉ lệ độ cứng L' chiều dài nền hồ chứa B' chiều rộng nền hồ chứa H' chiều cao mực nƣớc trong hồ Vw Tổng thể tích nƣớc trong hồ chứa & & y gia tốc mode đầu tiên của sự chuyển động trƣợt của nƣớc HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang ix LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN Chƣơng 1. MỞ ĐẦU 1.1 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Van điều chỉnh chất lỏng (TLD) và van điều chỉnh khối lƣợng (TMD) là các thiết bị năng lƣợng thụ động sử dụng để giảm rung động trong các cấu trúc hoặc các thành phần cấu trúc nhƣ các tòa nhà công nghiệp, hệ thống sàn, móng máy và loại công trình khác. Đã có một số nghiên cứu về hiệu quả của TLD và TMD trong việc giảm tác động động đất cho các nhà cao tầng. Ngày nay, thiết bị kháng chấn cho các công trình dân dụng, đặc biệt nhà cao tầng đang đƣợc quan tâm và đầu tƣ nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới. Thiết kế kháng chấn đƣợc hiểu nhƣ việc đƣa ra giải pháp thiết kế sao cho công trình xây dựng đảm bảo đủ khả năng chịu lực, không gây hƣ hại về kết cấu, tồn tại và đứng vững dƣới tác dụng của tải trọng động đất, quan niệm thiết kế hiện đại là có thêm phƣơng diện năng lƣợng do động đất truyền vào công trình, việc thiết kế sao cho kết cấu có khả năng hấp thụ và phân tán năng lƣợng này giúp cho công trình làm việc hiệu quả khi có động đất xảy ra. Trong những thập niên vừa qua xu thế tìm kiếm sử dụng các vật liệu xây dựng nhẹ, mảnh hơn để thay thế vật liệu bê tông cốt thép tuyền thống nhằm kiến tạo các công trình có số tầng ngày càng cao, tuy nhiên khi các công trình ngày càng cao và khối lƣợng của toàn công trình càng nhẹ thì việc ảnh hƣởng của tải trọng động tác dụng lên công trình càng tăng cao. Do vậy vấn đề thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng đƣợc quan tâm rất nhiều ở các nƣớc trên thế giới. Việc sử dụng bể nƣớc mái nhƣ giải pháp kháng chấn cho công trình đƣợc xem là một trong những phƣơng pháp có nhiều ƣu điểm vì thiết bị này có giá thành rẻ, ít bảo trì, dễ lắp đặt và không tốn nhiều không gian sử dụng, đặc biệt là khả năng ứng dụng cho hầu hết các công trình với quy mô khác nhau. Bể chứa chất lỏng đƣợc thiết kế sao cho tần số dao động tự nhiên gần bằng tần số dao động riêng của công trình nhằm mục đích tạo ra cộng hƣởng khi dao động, khi đó biên độ dao động sóng đạt giá trị cực đại và ngƣợc chiều với ngoại lực tác động lên công trình. HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN Trong những năm gần đây ở Việt Nam, xu hƣớng xây dựng các nhà cao tầng cũng bắt kịp với nhịp độ xây dựng của thế giới do vậy vấn đề thiết kế kháng chấn càng đƣợc các kỹ sƣ cũng nhƣ nhà nghiên cứu chú trọng. Do tính thời sự của vấn đề cùng với mong muốn tìm hiểu công nghệ, tác giả chọn đề tài “Phân tích ảnh hƣởng TLD và tải trọng do động đất trong ứng xử kết cấu khung nhà cao tầng” để thực hiện đề tài tốt nghiệp của mình. 1.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ:  Mục tiêu: Nghiên cứu chi tiết về hệ giảm chấn chất lỏng bao gồm: cấu tạo, đặc tính làm việc và các thông số có liên quan tới hiệu quả giảm dao động cho công trình cao tầng. Lập trình tính toán cho kết cấu sử dụng nhiều bể chứa làm việc đồng thời nhƣ hệ giảm chấn nhiều khối lƣợng (MTLD).  Nhiệm vụ: - Nghiên cứu, xây dựng lý thuyết tính toán, bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. - Nghiên cứu phƣơng pháp giải quyết bài toán tƣơng tác đa trƣờng chất lỏng – thành bể. - So sánh đánh giá giữa lý thuyết và thực tế về hiệu quả giảm chấn của các công trình có ứng dụng TLD ở Việt Nam, rút ra kết luận và các hƣớng phát triển đề tài trong tƣơng lai. - Thực hiện một thí nghiệm mô hình đặt trên bàn lắc nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu đối chứng với kết quả khảo sát lý thuyết đã phân tích đƣợc và các hƣớng phát triển đề tài trong tƣơng lai. 1.3 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tƣợng nghiên cứu: Kết cấu khung nhiều tầng có bố trí TLD chịu tác động của tải trọng động đất. HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hệ giảm chấn chất lỏng bao gồm: cấu tạo, đặc tính làm việc và các thông số có liên quan tới hiệu quả làm giảm dao động cho công trình cao tầng. 1.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lí thuyết: Phân tích lý thuyết dựa trên việc tham khảo, tìm kiếm các bài báo và các tài liệu trong nƣớc và quốc tế có liên quan đến việc sử dụng kháng chấn dùng TLD và MTLD, nhằm giải quyết các vấn đề chính sau đây: - Nghiên cứu, xây dựng lý thuyết tính toán bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho hệ nhà cao tầng có TLD. - Xây dựng giải thuật và viết chƣơng trình giải quyết bài toán bằng ngôn ngữ lập trình Matlab. 1.5 KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đề tài “Phân Tích Ảnh Hưởng Tld Và Tải Trọng Do Động Đất Trong Ứng Xử Kết Cấu Khung Nhà Cao Tầng”. Gồm có 5 chƣơng và phần phụ lục. - Chƣơng 1: Mở đầu - Chƣơng 2: Tổng quan - Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết - Chƣơng 4: Kết quả số - Chƣơng 5: Kết luận và kiến nghị - Tài liệu tham khảo - Phụ lục code Matlab HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN Chƣơng 2. TỔNG QUAN 2.1 TỔNG QUAN VỀ VAN ĐIỀU CHỈNH CHẤT LỎNG (TLD) 2.1.1 GIỚI THIỆU Nhu cầu ngày càng cao của việc xây dựng những tòa nhà cao tầng có những đặc tính giảm chấn tƣơng đối thấp đã thu hút sự quan tâm tìm ra những các hiệu quả và tiết kiệm để giảm rung động của cấu trúc dƣới những tải động (ví dụ nhƣ gió và động đất). Những hệ thống khác nhau đƣợc đề xuất để tăng giảm chấn cấu trúc chống lại tải theo phƣơng ngang. Sau đây là Bảng tóm tắt về những hệ thống bảo vệ chống địa chấn thông thƣờng (Ba loại hệ thống bảo vệ địa chấn đã đƣợc thực hiện, theo Christopoulos và Filiatrault 2006). Bảng 2-1 Hệ Thống Bảo Vệ Chống Động Đất Hệ thông thƣờng Hệ dẻo Hệ cắt Hệ giằng Hệ cô lập Hệ dẻo Hệ lò xo nhựa Hệ lò xo nhựa cƣờng độ cao Hệ kim loại Hệ nhớt Hệ con lắc Hệ giảm chấn phụ Thụ động Chủ động Hệ kim loại Hệ ma sát Hệ dẻo Hệ nhớt Hệ trọng lƣợng Hệ chất lỏng Hệ trọng tâm Hệ thanh giằng Hệ trọng lƣợng Hệ chất lỏng Hệ biến chất Hệ rắn Hệ điện Hệ lƣu biến 2.1.1.1 Hệ thông thƣờng Những hệ thống này dựa trên những khái niệm truyền thống và sử dụng phi đàn hồi ổn định để làm tiêu tán năng lƣợng. Cơ cấu này có thể đạt đƣợc bởi bản lề dẽo (plastic hinging) của những cây cột, dầm và những bức tƣờng, trong suốt ứng xử dọc trục của những phần tử thanh dằn bằng cách tạo ra sức kéo hoặc sự bất ổn định trong việc nén hay thông qua những bản lề cắt của những phần tử thép. 2.1.1.2 Hệ cô lập Những hệ cô lập thƣờng đƣợc dùng giữa nền và những phần tử cơ sở của tòa nhà và giữa sàn và trụ cầu. Những hệ thống này đƣợc thiết kế để có khối lƣợng độ cứng ngang tƣơng đối với cấu trúc chính ít hơn để hấp thụ năng lƣợng động đất HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN nhiều hơn. Một hệ thống giảm chấn phụ có thể đƣợc cài vào hệ cô lập để giảm chuyển vị của cấu trúc cô lập nhƣ là một tổng thể. 2.1.1.3 Hệ giảm chấn phụ Hệ giảm chấn phụ có thể đƣợc phân loại thành 3 nhóm là hệ thụ động, hệ chủ động và hệ bán chủ động. Những giảm chấn này đƣợc kích hoạt bởi chuyển động của cấu trúc và giảm chuyển vị của cấu trúc bởi việc làm tiêu tán năng lƣợng thông qua những cơ cấu khác nhau. 2.1.1.3.1 Hệ chủ động Hệ chủ động quan sát ứng xử của cấu trúc, và sau khi xử lý thông tin, trong một khoảng thời gian ngắn, tạo ra một tập các lực để điều chỉnh trạng thái hiện tại của cấu trúc. Nói chung, một hệ điều khiển chủ động đƣợc tạo bởi 3 thành phần: một hệ thống quan sát có thể nhận thấy trạng thái của cấu trúc và ghi dữ liệu sử dụng một hệ thu dữ liệu điện tử; một hệ điều khiển quyết định những lực phản ứng lại để áp đặt lên cấu trúc dự trên dữ liệu đầu ra từ hệ quan sát và; một hệ dẫn động để đặt tải vật lý vào cấu trúc. Để thực hiện tất cả những điều này, một hệ điều khiển chủ động cần nguồn năng lƣợng bên ngoài liên tục. Việc mất năng lƣợng, có thể làm cho những hệ thống này mất tác dụng. 2.1.1.3.2 Hệ bán chủ động Những hệ bán chủ động cũng tƣơng tự nhƣ hệ chủ động ngoài trừ việc là so với hệ chủ động thì chúng cần năng lƣợng ngoài ít hơn. Thay vì sử dụng những lực phụ cho hệ cấu trúc, hệ bán chủ động điều khiển dao động bằng cách điều chỉnh tính chất của cấu trúc (ví dụ điều chỉnh giảm chấn bằng cách điều khiển dạng hình học của những cửa trong giảm chấn chất lỏng). Yêu cầu cho nguồn năng lƣợng bên ngoài cũng hạn chế việc ứng dụng của hệ bán chủ động. 2.1.1.4 Cơ cấu thụ động Hệ thụ động làm tiêu tán một phần năng lƣợng đầu vào do địa chấn lên cấu trúc mà không cần bất kỳ nguồn năng lƣợng bên ngoài nào. Những tính chất của nó là không thay đổi trong suốt quá trình chuyển động địa chấn của cấu trúc và không thể điều chỉnh. Những thiết bị điều khiển thụ động đƣợc thấy là làm việc một cách HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN hiệu quả; mạnh và tiết kiệm. Do đó, chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong cấu trúc xây dựng. Những loại chính của hệ tiêu tán năng lƣợng thụ động có thể xem ở Bảng 2-2 (Christopoulos và Filiatrault 2006). Bảng 2-2 Một Số Loại Giảm Chấn Thụ Động Chuyển vi cƣỡng bức thụ động Giảm chấn bằng kim loại Ma sát giảm chấn Giảm chấn trọng tâm Giảm chấn bằng nhớt Vật tốc kích hoạt Truyền động Giảm chấn bằng nhớt Giảm chất bằng trọng khối lƣợng Giảm chấn bằng nhớt Giảm chất bằng chất lỏng Những thiết bị chuyển vị cƣỡng bức thụ động hấp thụ năng lƣợng thông qua chuyển vị tƣơng đối giữa những điểm mà chúng kết nối với cấu trúc, ứng xử của chúng thƣờng độc lập với tần số chuyển động và nằm trong pha với những nội lực lớn nhất đƣợc tạo ra ở cuối mỗi chu kỳ dao động tƣơng ứng với biến dạng lớn nhất của cấu trúc. Giảm chấn kim loại, giảm chấn ma sát, giảm chất tự định tâm, và giảm chất nhớt là những thiết bị chính trong nhóm này. Những thiết bị Vận tốc kích hoạt (Velocity-activated devices) hấp thụ năng lƣợng thông qua vận tốc tƣơng đối giữa những điểm kết nối của chúng, ứng xử của những giảm chấn này thƣờng phụ thuộc vào tần số chuyển động và ngoài pha với những nội lực lớn nhất đƣợc tạo ra ở cuối mỗi chu kỳ dao động tƣơng ứng với biến dạng lớn nhất của cấu trúc. Điều này gây ra một mức độ lực thiết kế thấp hơn cho những phần tử cấu trúc và nền móng, giảm chấn nhớt và giảm chấn đàn nhớt là những ví dụ điển hình trong nhóm này. 2.1.2 VAN ĐIỀU CHỈNH CHẤT LỎNG TLD 2.1.2.1 Lịch Sử Phát Triển Kể tử những năm 1950 giảm chấn chất lỏng đã đƣợc sử dụng để ổn định tàu biển hay để điều khiển chuyển động lắc của vệ tinh. Những năm cuối 1970 TLD bắt đầu đƣợc sử dụng trong xây dựng đẻ giảm chuyển động của cấu trúc; Vandiver và Mitome (1979) đã sử dụng TLD để giảm dao động do gió của một sân ga. Thêm HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN nữa, Mei (1978) và Yamamoto cùng đồng nghiệp quan sát những tƣơng tác của sóng cấu trúc sử dụng những phƣơng pháp số. Những năm đầu 1980, những tham số quan trọng nhƣ chiều cao chất lỏng, khối lƣợng, tần số và giảm chấn cho một TLD đƣợc gắn vào hệ thống ngoài biển đã đƣợc nghiên cứu bởi Lee và Reddy (1982). Bauer (1984) đã giới thiệu một bể chứa hình chữ nhật chứa đầy 2 chất lỏng không trộn lẫn cho một cấu trúc tòa nhà. Kareeem và Sun, Sato, Toshiya và Tanaka, Modi và Welt là một trong những nhà nghiên cứu đầu tiên đề nghị sử dụng TLD trong cấu trúc xây dựng. Những TLD có thể đƣợc sử dụng nhƣ một thiết bị chủ động hoặc thụ động và đƣợc chia làm 2 nhóm chính: Tuned Sloshing Dampers (TSD) và Tuned Liquid Dampers (TLCDs). 2.1.2.2 Tuned Liquid Column Dampers TLCD kết hợp ảnh hƣởng của chuyển động chất lỏng trong ống, điều này tạo ra một lực phục hồi sử dụng ảnh hƣởng trọng lực của chất lỏng và ảnh hƣởng giảm chấn đƣợc tạo ra bởi sự mất áp suất thủy động (Sakai và đồng nghiệp) Ƣu điểm của TLCD: - Nó có thể có một vài hình dạng tùy ý giúp cho nó dễ dàng phù hợp với một cấu trúc đang tồn tại. - Ứng xử của nó hoàn toàn dễ hiểu. - Giảm chấn TLCD có thể đƣợc điêu khiển bởi việc hiệu chỉnh mở cửa. - Tần số TLCD có thể đƣợc hiệu chỉnh bởi việc điều chỉnh cột chất lỏng trong ống. - Một Double Tuned Liquid Column Damper (DTLCD) đƣợc tạo thành từ 2 TLCD theo 2 hƣớng chuyển động (Kim và đồng nghiệp). Vì vậy DTLCD hoạt động trong nhiều hơn một hƣớng giúp loại bỏ giới hạn của TLDC một hƣớng thông thƣờng. HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN 2.1.2.3 Tuned Sloshing Damper Một TSD làm tiêu tán năng lƣợng thông qua ma sát lớp biên chất lỏng, việc nhiểm bẩn bề mặt tự do và bẽ gãy sóng (do thành phần phƣơng ngang của vận tốc chất lỏng liên quan tới chuyển động sóng, đỉnh sóng giảm khi biên độ tăng, ở điểm này những mô hình tuyến tính đơn giản không thể diễn tả ứng xử chất lỏng). Một TSD có thể hoạt động ở chỗ nông hoặc giảm chấn nƣớc sâu. Ngƣời ta cho là sóng trong khoảng ½ >h/L> 1/20 tới 1/25 là sóng nƣớc nông, trong đó h là độ sâu nƣớc và L là chiều dài sóng (Sun và đồng nghiêp ). Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng một tỷ lệ bằng hoặc thấp hơn 0.5 cho ra một lƣợng giảm chấn nhiều hơn tƣơng ứng với tiêu tán năng lƣợng nhiều hơn. Dƣới những kích thích biên độ cao, TSD nƣớc nông tiêu tán một lƣợng lớn năng lƣợng nhờ vào ứng xử phi tuyến của nó tƣơng ứng với việc bẽ gãy sóng. Mặt khác một ứng xử phi tuyến có thể đƣợc nhìn thấy trong trƣờng hợp nƣớc sâu thậm chí dƣới kích thích cao. Tần số chất lỏng đóng vai trò quan trọng ứng xử TLD, những nghiên cứu thực nghiệm trƣớc đây cho thấy rằng giá trị tối ƣu của tần số chất lỏng là một giá trị gần với tần số kích thích, ở đó chất lỏng cộng hƣởng với chuyển động của bễ chứa. Vì vậy, việc hòa hợp tần số TLD với tần số tự nhiên của cấu trúc sẽ giúp tiêu tán một lƣợng năng lƣợng đáng kể. Tỷ số khối lƣợng (tỷ số của khối lƣợng nƣớc với khối lƣợng của toàn thể cấu trúc) là một thông số quan trọng khác ảnh hƣởng đến ứng xử của hệ cấu trúc TLD. Nó cho thấy rằng với một tỷ số khối lƣợng tƣơng đối nhỏ (vd 4%), không có đóng góp quan trọng cho gia tốc toàn thể của hệ thống, việc giảm đáp ứng cấu trúc hiệu quả có thể đạt đƣợc. So với những giảm chấn thụ động khác TSD có một vài ƣu điểm: - Dễ dàng thiết đặt với chi phí thấp. - Dễ hòa hợp bằng cách thay đổi mực chất lỏng hoặc kích thƣớc của bễ chứa. - Khả năng hoạt động nhƣ là một giảm chấn 2 chiều. - Hiệu quả ngay cả dƣới dao động biên độ nhỏ. - Có thể đƣợc dùng nhƣ là kho chứa nƣớc của tòa nhà để phòng cháy. HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN Mặt khác TSD có một vài vấn đề: - Ứng xử phức tạp do chuyển động sloshing của chất lỏng có độ phi tuyến cao. - Giảm chấn đƣợc tạo ra bởi chính chất lỏng có thể không đủ cho ứng dụng thực tế. Để giải quyết vấn đề này, khung cảnh, hình dạng bễ chứa hiệu quả và khối tam giác ở đáy bễ chứa đã đƣợc giới thiệu để tăng giảm chấn. - Không hiệu quả trong quá trình động đất dạng xung, khi chuyển động của nƣớc không có cơ hội để tiêu tán đủ năng lƣợng. - Hiện tƣợng đập trong đó một phần của năng lƣợng hấp thụ bởi giảm chấn sẽ trả về cho cấu trúc sau khi kích thích dừng. Một dạng đáy dốc sử dụng mật độ chất lỏng biến đối đã đƣợc đề xuất để giải quyết 2 vấn đề sau cùng ở trên. 2.1.2.4 TLD chủ động TLD cũng có thể đƣợc khảo sát nhƣ những thiết bị chủ động và bán chủ động bằng cách sử dụng chất lỏng từ tính, hoặc thông qua việc sử dụng chân vịt (cánh quạt). 2.1.2.5 TLD trong thực tế TLD đã và đang đƣợc sử dụng trong một vài kết cấu xây dựng. Vào năm 1987, tòa tháp sân bay Nagasaki (NAT) là công trình có thiết lập TLD đầu tiên lên một kết cấu mặt đất thực sự. Một trƣờng hợp khác, cũng tƣơng tự nhƣ NAT, một TLD đƣợc thiết lập vào tháng 7 năm 1987 lên tòa táp Yokohama Marin (YMT) ở công trình này TLD đƣợc làm từ 39 bễ chứa chất lõng nhiều lớp hình trụ, với chiều cao 0.5m và đƣờng kính 0.49m. Một ứng dụng khác của TLD là khách sạn cao tầng Shin Yokohama Prince (SYP) ở yokohama, trong đó tham số thiết kế ảnh hƣởng ứng xử của TLD đã đƣợc khảo sát. TLD cũng đƣợc dùng cho các công trình cầu nhƣ: cầu Ikuchi và Sakitama ở Nhật Bản. 2.2 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG, NGOÀI NƢỚC 2.2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NƢỚC NGOÀI Kể từ đầu những năm 1980 TLD đã đƣợc nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học. Lee nghiên cứu những tham số TLD hiệu quả bao gồm chiều cao chất lỏng, HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang 9 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN khối lƣợng, tần số và giảm chấn cho một TLD gắn vào platforms ngoài biển. Bauer là một trong những nhà nghiên cứu đầu tiên ứng dụng TLD vào những công trình xây dựng trên mặt đất bằng việc đƣa ra một bễ chứa hình chữ nhật chứa đầy 2 chất lỏng không trộn lẫn để giảm dao động kết cấu.Wakahara và đồng nghiệp và tamamura cùng đồng nghiệp đã chỉ ra những hiệu quả của TLD đƣợc thiết đặt trong cấu trúc thật nhƣ Nagasaki airport Tower, Yokohama Marine Tower, và khách sạn Shin Yokohama Prince (SYP) để giảm dao động kết cấu. Shimizu và hayama (1986) trình bài một mô hình số để giải bài toán Navier-Stoke và phƣơng trình liên tục dựa trên lý thuyết sóng nƣớc nông. Họ rời rạc những phƣơng trình chính và giải chúng bằng số. Sun và đồng nghiệp đề xuất một mô hình phi tuyến mà nó sử dụng lý thuyết sóng nƣớc nông và giải Navier-Stokes và những phƣơng trình liên tục với nhau. Hơn nữa, họ đã giới thiệu những hệ số thực nghiệm để tính đến hiệu quả của việc bẻ gây sóng, một khuyết điểm quan trọng những mô hình khác. Modi và Seto (1997) cũng đề xuất môt nghiên cứu số xem xét ứng xử phi tuyến của TLD, nó bao gồm những ảnh hƣởng của phân tán sóng cũng nhƣ lớp biên ở những bức tƣờng, các tƣơng tác hạt nỗi ở bề mặt tự do và việc gãy sóng. Tuy nhiên, phân tích không tính đến ảnh hƣởng động lực học của sóng đánh vào tƣờng bề chứa. Hơn nữa, ở những độ cao chất lỏng thấp, tƣơng ứng với việc xãy ra hiện tƣợng gãy sóng, phân tích số không đƣợc chính xác lắm và một sai lệch lớn tồn tại giữa kết quả số và kết quả thực nghiệm. Sun và đồng nghiệp (1995) đã xác định khối lƣợng tƣơng đƣơng, độ cứng và giảm chấn của TLD sử dụng một TMD tƣơng tự từ dữ liệu thực nghiệm của những bễ chứa hình khuyên, hình tròn và hình chữ nhật phụ thƣợc kích thích nền điều hòa. Yu (1999) giới thiệu một mô hình dựa trên TLD cân bằng với độ cứng và giảm chấn phi tuyến đƣợc tính toán từ thủ tục tƣơng hợp năng lƣợng (energy matching procedure). Nó cho thấy rằng mô hình có thể bắt đƣợc ứng xử TLD dƣới những kích thích biên độ lớn và suốt quá trình gãy sóng. HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS. NGUYỄN HOÀI SƠN Gardarsson và đồng nghiệp (2001) khảo sát hiệu quả của TLD đáy dốc với một góc nghiên 30 độ cho nền bễ chứa. Nó cho thấy rằng mặc dù ứng xử lò xo đƣợc làm cứng của TLD hình chữ nhật, TLD đáy dốc ứng xử nhƣ một lò xo mềm. Thêm nữa, ngƣời ta quan sát thấy rằng khối lƣợng chất lỏng nhiều hơn tham gia vào lực sloshing trong trƣờng hợp đáy dốc dẫn đến việc tiêu tán năng lƣợng nhiều hơn. Reed và đồng nghiệp (1998) khảo sát ứng xử TLD dƣới kích thích biên độ lớn thông qua những thí nghiệm và so sánh kết ủa với một mô hình số dựa trên những phƣơng trình sóng nƣớc nông. Ngƣời ta thấy rằng đáp ứng tần số TLD tăng khi biên độ kích thích tăng và TLD ứng xử nhƣng một lò xo đƣợc làm cứng. Bên cạnh đó, ngƣời ta cũng nhận thấy rằng để đạt đƣợc hệ mạnh nhất, tần số TLD nên đƣợc hòa hợp với một giá trị thấp hơn tần số đáp ứng của cấu trúc; nhƣ thế, tần số TLD phi tuyến thực sự phù hợp với đáp ứng của đáp ứng cấu trúc. Olson và Reed (2001) nghiên cứu TLD đáy dốc sử dụng mô hình giảm chấn và độ cứng phi tuyến đƣợc phát triển bởi Yu (1999), ứng xử của lò xo đƣợc làm mềm của hệ đáy dốc đƣợc xác nhận. Ngƣời ta cũng kết luận rằng bễ chứa đáy dốc nên đƣợc hòa hợp cao hơn một chút so với tần số cơ sở của cấu trúc để cho giảm chấn hiệu quả nhất. Xin và đồng nghiệp (2009) đề xuất một TLD biến đổi tỷ trọng với đáy dốc và khảo sát thực nghiệm nó trên một tỉ lệ 1/4, cấu trúc 3 tầng, hệ điều khiển tỷ trọng thay đổi đƣợc thấy là hiệu quả hơn và mạnh mẽ hơn một TLD nƣớc phẳng đáy bằng tƣơng ứng trong việc giảm gia tốc sàn và lệch tần của cấu trúc. Yamamoto và Kawahara (1999) sử dụng dạng Lagrange-Eulerian của phƣơng trình Navier-Stokes để dự đoán chuyển động của chất lỏng. Những phƣơng pháp fractional-steps và Improved-balancing-tensordiffusivity đƣợc sử dụng để rời rạc và giải những phƣơng trình Navier-Stokes trong không gian và phƣơng pháp Beta của Newmark đƣợc dùng trong miền thời gian để dự đoán đáp ứng tƣơng tác cấu trúc TLD. Tuy nhiên, mô hình không đƣợc kiểm tra với thực nghiệm. HVTH: Lê Bá Cƣờng Trang 11