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 Cơng 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


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
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG CỦA BỂ CHỨA
CHẤT LỎNG TRÊN CƠNG 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 mơ hình phân tích bể chứa chất lỏng....................................................52
2.5.1. Mơ hình phân tích của Sun (Mơ hình sử dụng phương trình động lựchọc chất
lỏng)……………............................................................................................................ 52
2.5 2. Mơ hình phân tích của Yu (Mơ 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 mơ 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 mơ hình thí
nghiệm.............................................................................................................................65
2.7.1. Mơ hình thí nghiệm của Luboya...........................................................................65
2.7.2. Mơ hình tính tốn 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 mơ 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
3.2.1. Hàm hiệu quả.........................................................................................................83
3.2.2. Mơ hình phân tích................................................................................................. 83
3.2.3. Tác dụng của động đất.......................................................................................... 85
3.2.4. Phương pháp tính tốn.......................................................................................... 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 mơ hình phân tích ảnh hưởng của bể nước đến tịa nhà cao tầng…….123

4.2.1. Đề xuất mơ hình.................................................................................................. 123
4.2.2. Xác định các thơng số của mơ 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 CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ....................................... 146
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ 147
PHỤ LỤC TÍNH TỐN...............................................................................................157


i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai cơng bố trong bất kỳ cơng 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 thơng vận tải, tác giả đã hồn 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, Phịng đào tạo Sau
đại học, Khoa Cơng trình, Bộ mơn Cơng trình Giao thơng Thành Phố và Cơng trình
thủy, các cán bộ và tồn thể q thầy cơ 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 lịng 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 Cơng trình, và Trường Đại học Cơng nghệ Giao thơng 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 lịng 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 ln động viên tác giả cố gắng khơng ngừng nghỉ trong từng giai đoạn làm
Luận án, đặc biệt trong những lúc gặp khó khăn nhất.
Trong q trình làm nghiên cứu Luận án, chắc chắn khơng 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, cơ hay độc giả để Luận án này có thể được hoàn thiện hơn.
Tác giả

Trịnh Thị Hoa

iii
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 mơ 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 trịn
hb: Chiều cao của thùng chứa
h: Chiều sâu chất lỏng trong bể chứa


iv
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


v
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 khơng 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

DANH MỤC HÌNH ẢNH


vi
Hình 1.1. Sơ đồ phân loại hệ giảm chấn theo cơ chế hoạt động......................12
Hình 1.2.Thiết kế cách ly cơng 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 cơng 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 tịa 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 tịa nhà Gold Tower [76]...............32
Hình 1.13. Tồ 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. Tồ nhà Gama với mơ 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 mơ 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) Mơ hình của một TLD, b) Mơ 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. Mơ 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. Mơ hình bể chứa chất lỏng trong ANSYS APDL....................65
Hình 2.18. Kích thước mơ hình thí nghiệm (đơn vị - mm).............................66
Hình 2.19. Mơ hình và các thiết bị thí nghiệm................................................66
Hình 2.20. Mơ hình hình học của kết cấu được mơ phỏng trên ANSYS........68
Hình 2.21. Quy trình mơ phỏng và tính tốn 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 mơ 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. Mơ 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. Mơ 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. Mơ 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 hịa...........................................................................................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 hịa...................................78
Hình 2.34. Đồ thị quan hệ giữa Lực quán tính của bản thân bể chứa với tần
số của tải trọng điều hịa..................................................................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. Mơ hình đơn giản hóa mơ 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 thơng số bể 90
Hình 3.8. Đồ thị quan hệ giữa tần số dao động riêng và chiều cao tịa nhà [1]....91
Hình 3.9. Đồ thị quan hệ giữa phổ chuyển vị với tần số dao động riêng của
kết cấu khi khơng 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. Mơ hình nghiên cứu cho hệ một bể chứa chất lỏng.....................105

Hình 3.21. Mơ 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. Mơ phỏng gối liên kết giữa bể chứa chất lỏng và kết cấu tồ 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. Mơ hình kết cấu tịa nhà trên phần mềm ETABS..........................122


x
Hình 4.2. Mơ hình chuyển đổi tương đương của kết cấu..............................124
Hình 4.3. Mơ hình hai tầng liên kề cần xác định độ cứng trên ETABS........125
Hình 4 4. Mơ hình tương đương của kết cấu mơ 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 khơng đặt bể nước132
Hình 4.8. Đồ thị chuyển vị tương đối lớn nhất giữa các tầng khi khơng 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 mơ 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 thơng số bể nước...........................................89
Bảng 3.4. Bảng kết quả tính tốn 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 mơ hình hệ một bể chứa chất lỏng.........................106
Bảng 3.13. Tham số của mơ hình hệ gồm 6 bể nhỏ......................................107


xii
Bảng 3.14. Số liệu số khơng đổi cho bài tốn 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 thơng số tịa 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 mơ hình tương đương của tịa nhà trên
ANSYS APDL............................................................................127
Bảng 4.7. Bảng thơng số của bể và chiều cao mực nước trong bể................130


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Một trong những mục tiêu chính của thiết kế các tịa nhà cao tầng, ngồi việc
chịu được các tải trọng thơng 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 tịa 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 tịa 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 tịa 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 tồ 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. Ngồi ra, tồ
nhà cao tầng thường có cơng năng làm văn phịng nên khơng hồn tồn sử dụng tường
chịu lực, khi đó khơng 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
thơng 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 tịa
nhà, số lượng bể, vị trí đặt bể trên chiều cao tịa nhà... khiến cơng 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 mơ 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
cơng 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 mơ 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 tốn 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) cịn ít, chủ yếu là nghiên cứu cơ bản và xác định hiệu quả, các cơng
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.
Ngồi 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 mơ hình tính tốn 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 mơ hình tính tốn cho bể chứa chất lỏng bao gồm bể và
chất lỏng bên trong bể. Mơ hình đề xuất phản ánh đúng bản chất sự chuyển động
của sóng chất lỏng bên trong bể theo mơ hình cơ học chất lỏng.
Dựa trên mơ 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 cơng trình.
Áp dụng các kết quả nghiên cứu để phân tích ảnh hưởng giảm chấn của bể
nước cho một cơng 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 mơ 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 mơ hình
tính tốn phản ánh sự chuyển động thực của chất lỏng bên trong bể theo mơ hình cơ
học chất lỏng. Kết quả nghiên cứu đã đề xuất các thông số bể chứa chất lỏng, số

4
lượng bể, vị trí đặt bể theo chiều cao tịa nhà, đặc biệt là đề xuất thông số độ cứng
gối liên kết giữa bể và tịa nhà, thơng 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 biện pháp
giảm chấn cho kết cấu cơng trình sử dụng bể chứa chất lỏng. Góp phần đẩy mạnh
hướng nghiên cứu ứng dụng này với giải pháp sử dụng bể nước giảm chấn cho kết
cấu cơng trình chịu tác dụng của 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
cơng 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


5
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
1.1. Các tác động gây ra dao động cho kết cấu nhà cao tầng

Trong thiết kế nhà cao tầng việc kiểm soát dao động của tòa nhà là cần thiết.
Dao động của hệ kết cấu có thể có ích cho sự làm việc của chúng, cũng có thể gây
nguy hại cho chính bản thân kết cấu. Việc thiết kế hoàn hảo một kết cấu làm việc có
hiệu quả tốt hiện nay phải bao gồm cả việc xét đến các tác động động nhạy cảm như
gió, động đất. Do vậy mà việc điều khiển dao động có hại cho các hạng mục kết cấu
nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của kết cấu trước các tác động này là yêu cầu
không thể thiếu. Bài toán điều khiển dao động được gọi là đạt hiệu quả khi chủ yếu
có thể kiểm sốt được biên độ dao động hoặc giảm thời gian tắt dao động (làm cho
dao động tắt nhanh) [2], [3], [4]:
- Giảm mức độ nhạy cảm với dao động
- Giảm mức độ nhạy cảm với tác động đầu ra
- Có khả năng điều khiển hệ thống băng thông rộng.
- Ổn định cho hệ không ổn định
- Điều khiển hệ thống ứng xử lan truyền
Để có thể điều khiển được các dao động của kết cấu, việc làm rõ được các
dạng dao động của kết cấu và xác định các loại tác động động đối với kết cấu là hết
sức cần thiết. Ở trạng thái dao động, trong các bộ phận của kết cấu phát sinh hiệu
ứng quán tính dẫn tới việc gia tăng trị số nội lực và biến dạng, gây khó khăn cho
việc khai thác bình thường, thậm chí trong những điều kiện cụ thể hiệu ứng quán
tính là nguyên nhân dẫn đến các sự cố cơng trình [5], [6], [7].
Một hiện tượng cần được đặc biệt quan tâm trong bài toán điều khiển dao
động là hiện tượng cộng hưởng. Nhiều nghiên cứu cho thấy hiệu ứng động lực trong
kết cấu sẽ tăng lên rất nhanh khi tần số kích động ở trong khoảng xấp xỉ hoặc là bội
số của tần số dao động riêng của kết cấu.
Tác động gây ra dao động cho kết cấu nhà cao tầng bao gồm:
- Tác động theo phương thẳng đứng gồm: Tĩnh tải gồm trọng lượng bản
thân và các lớp hoàn thiện là tải trọng tác dụng thường xun, thường có vị trí,
phương, chiều tác động khơng đổi trong q trình sử dụng; Hoạt tải là tải trọng sử
dụng tác động không thường xuyên.

6
- Tác động theo phương ngang gồm: tác động do gió và tác động do động đất
Khác với tịa nhà thơng thường, đối với tịa nhà cao tầng tải trọng ngang là
yếu tố quan trọng. Trong thiết kế nhà thấp tầng yếu tố tải trọng ngang nhìn chung
được quan tâm ít hơn so với tải trọng đứng, nguyên nhân là do ảnh hưởng của tải
trọng ngang lên kết cấu thấp tầng nhỏ. Khi chiều cao nhà tăng lên thì các nội lực và
chuyển vị của cơng trình do tải trọng ngang (áp lực gió và tác động của động đất)
gây ra, tăng lên nhanh chóng. Việc tạo ra hệ kết cấu để chịu các tải trọng này là vấn
đề quan trong trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng. Hoặc đề xuất những giải pháp để
giảm thiểu những tác động cho tải trọng ngang gây ra cũng là rất cần thiết.
1.1.1. Tác động do động đất
Động đất là hiện tượng xảy ra bất thường với xác xuất tùy thuộc vào các khu
vực vùng địa chấn khác nhau. Nhật Bản là một trong những quốc gia hứng chịu
nhiều trận động đất nhất trên thế giới, còn tại Việt Nam, tuy các trận động đất xảy ra
với số lượng không nhiều và độ mạnh ghi nhận không lớn như Nhật Bản nhưng việc
thiết kế có xét đến ảnh hưởng của động đất là yêu cầu bắt buộc đã được qui định
trong qui trình thiết kế các cơng trình xây dựng nói chung và cơng trình nhà cao
tầng nói riêng. Do vậy mà vấn đề nghiên cứu điều khiển dao động cho kết cấu chịu
tác động của đất đất cũng hết sức cần thiết.
Động đất là tác động mang tính chất ngẫu nhiên gây mất ổn định mạnh cho
kết cấu. Cách thông thường nhất để mô tả động đất là sự thể hiện chuyển động của
mặt đất theo thời gian mà đặc trưng bởi 3 tham số: gia tốc, vận tốc hoặc chuyển
dịch, hoặc cả 3 yếu tố tổ hợp lại. Khi xảy ra động đất, tác động của động đất lên kết
cấu cơng trình thể hiện bởi sự tác động liên tiếp của các loại sóng dao động khác
nhau. Lực do động đất có hướng bất kỳ trong khơng gian và thay đổi theo thời gian
cả về hướng, tốc độ tác dụng và trị số. Các tác dụng động đất theo hướng ngang
thường gây ra các dao động ngang nguy hiểm, làm cho cơng trình bị mất ổn định
mạnh như lật đổ hay dịch trượt [2], [8], [9].
Chuyển động theo thời gian của mặt đất ghi lại trong các trận động đất được

sử dụng trực tiếp cho phân tích ứng xử theo thời gian của kết cấu. Các phương pháp
phân tích ứng xử của kết cấu chịu tác động của động đất bao gồm: phân tích ứng xử
theo thời gian, phân tích phổ ứng xử, và phân tích ứng xử theo tần số. Phân tích ứng
xử theo thời gian được thực hiện để thiết lập ứng xử của kết cấu cho một phản ứng
theo thời gian cụ thể của kích động khi sử dụng kỹ thuật vi phân như là tích phân


7
Duhamel, tích phân số từng bước theo thời gian và biến đổi Fourier [10], [11].
Phương pháp phân tích phổ ứng xử sử dụng dữ liệu từ các trận động đất ghi nhận
được và thiết lập một bộ của các lực tác động (lực ngang tương đương) vào kết cấu
mà gây ảnh hưởng lớn nhất tới chuyển động của mặt đất. Phương pháp phân tích
ứng xử theo tần số được thực hiện khi chuyển dịch của mặt đất được mơ hình như
một quá trình ngẫu nhiên ổn định. Sử dụng nguyên lý phân tích dao động ngẫu
nhiên để đưa ra hàm mật độ phổ năng lượng cho phân tích bất kỳ tác động gây
chuyển dịch mặt đất nào [12].
Các phương pháp này đều chỉ ra rằng khối lượng kết cấu, gia tốc động đất
ảnh hưởng lớn đến ứng xử của kết cấu chịu tác động của động đất và thể hiện theo
phương trình P(t) = m. ag. Điều này có nghĩa là khối lượng kết cấu và gia tốc động
đất càng lớn càng gây bất lợi cho kết cấu.
Bất kỳ kết cấu nào, tỷ số giữa tần số dao động riêng của kết cấu và tần số
kích động là yếu tố quan trọng cần biết trong nghiên cứu về động đất. Theo phân
tích miền tần số thì cách tiện lợi và dễ sử dụng nhất là dùng biến đổi Fourier từ hàm
thời gian của chuyển động mặt đất. Và do vậy có thể thừa nhận rằng chuyển động
của mặt đất theo thời gian lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng với khoảng thời gian của
chuyển động mặt đất và bằng tổng của số lượng hữu hạn các hàm điều hòa [9].


x(t)  ao 

  a cos w
n

n

t + b n sin w nt

(1.1)


n 1

Trong đó:
x(t): là chuyển động của mặt đất theo thời gian (chuyển dịch, vận tốc, gia tốc).
Và wn: tần số góc thứ n
Do vậy, bài tốn điều khiển dao động cho kết cấu dưới tác động của động đất
cũng có thể xét từ bài tốn cơ bản khi phân tích ứng xử của kết cấu chịu tác động
kích động của một hàm điều hịa.
1.1.2. Tác động do gió
Nếu tác động của động đất mang tính ngẫu nhiên thì tác động của gió lại
mang tính thường xun.
Gió là hiện tượng diễn ra trong tự nhiên. Đặc trưng của dịng gió chủ yếu phụ
thuộc vào địa hình gió đi qua, bề mặt chắn gió, vận tốc, gia tốc gió và các đặc tính
của gió. Đặc tính biến động quan trọng của tốc độ gió là sự biến đổi của tốc độ gió
theo chiều cao và theo mức độ gồ ghề của địa hình. Sự tăng tốc độ gió theo chiều
cao là yếu tố đáng quan tâm đặc biệt đối với các kết cấu nhà cao tầng [13].


Khi gió thổi qua các bộ phận kết cấu, tùy theo đặc điểm hình dạng mặt cắt
của bộ phận kết cấu mà dạng xốy khí hình thành khác nhau và tại giá trị vận tốc

gió nào đó mà gây ra dao động và có thể gây phá hoại kết cấu cơng trình. Các
nghiên cứu chỉ ra rằng dao động xốy chỉ xuất hiện trong phạm vi tốc độ gió bị hạn
chế tương đối thấp, dao động tiến triển nhanh và dao động tròng trành chỉ xuất hiện
khi vượt quá tốc độ gió nào đó. Đối với ảnh hưởng của góc tác dụng, khi góc tác
dụng càng lớn thì dao động xoáy hay dao động phát tán càng dễ xuất hiện. Ảnh
hưởng của cường độ hỗn loạn tuỳ thuộc vào hình dạng mặt cắt kết cấu mà khác
nhau nhưng có các xu hướng sau đây được công nhận đối với nhiều kết cấu. Có
nghĩa là khi cường độ hỗn loạn tăng lên thì:
- Biên độ dao động của phản ứng dao động giật tăng lên
- Biên độ dao động xuất hiện của dao động xốy giảm đi
- Tốc độ gió xuất hiện của dao động phát tán tăng lên
Đối với các yếu tố liên quan đến đặc trưng khí động lực học thì hình dạng
mặt cắt kết cấu rất quan trọng. Nguyên nhân của các dao động của kết cấu chịu tác
động của gió là do khi gió tác dụng lên kết cấu xuất hiện lực cản do áp suất. Khi vận
tốc dịng thổi tăng lên thì tại một thời điểm nào đó, sự chảy quay vật thay đổi đột
ngột, đằng sau vật xuất hiện các xoáy được tách ra khỏi vật và bị dòng cuốn ra xa,
tạo thành các rãnh xốy và tan đi ở một nơi nào đó cách xa vật, chảy vịng quanh
vật và rãnh xốy là dịng chảy thành lớp. Với các vật có hình dạng đối xứng đằng
sau vật thường hình thành hai xốy có mơmen xung lượng bằng nhau về môđun
nhưng ngược chiều (theo định luật bảo tồn mơmen xung lượng đối với hệ kín là
vật - chất lưu).
Chuyển động này có đặc điểm là không quy luật và luôn thay đổi theo thời gian
cũng như theo khơng gian. Trong tính tốn cơng trình thường dùng giá trị trung bình
danh định của tốc độ gió. Phương trình gió tác động lên kết cấu được đề cập trong nhiều
nghiên cứu với các tính tốn chi tiết theo từng loại dao động do gió như dao động xoáy
(vortex sheding), dao động tiến triển nhanh (galoping), dao động giật (gust). Tuy nhiên
tác động do gió đều gồm hai phần là tác động gió điều hịa và tác động gió ngẫu nhiên.
Một số nghiên cứu cơ bản đều thừa nhận gió là hàm điều hịa [14], [15], một số khác đã
chi tiết hóa khi xem xét tác động ngẫu nhiên do gió [16].
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của gió tác động lên kết cấu nhà, nhất là thành

phần gió động chủ yếu được thực hiện đối với các kết cấu nhà cao tầng bởi đặc tính