Phân tích khả năng giảm dao động của công trình nhà cao tầng bằng chất lỏng (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐOÀN MỘNG XANH

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG GIẢM DAO ĐỘNG
CỦA CÔNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG
BẰNG CHẤT LỎNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng
và công nghiệp
Mã số :

60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2015


Công trình đƣợc hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS. NGUYỄN XUÂN TOẢN

Phản biện 1: TS. TRẦN QUANG HƢNG

Phản biện 2: TS. ĐẶNG CÔNG THUẬT

Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công

nghiệp họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 26 tháng 12 năm
2015.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
- Trong những năm gần đây, động đất đã xảy ra thƣờng xuyên
với cƣờng độ mạnh hơn ở nhiều nơi.
- Trong các giải pháp kháng chấn, giải pháp sử dụng thiết bị
giảm chấn bằng chất lỏng (TLD) rất có hiệu quả vì.
+ Áp dụng cho nhiều dạng công trình có kích thƣớc lớn nhỏ
khác nhau.
+ Không làm ảnh hƣởng đến mỹ quan kiến trúc, không chiếm
nhiều không gian sử dụng, đặc biệt có thể sử dụng làm bể nƣớc mái.
+ Tốn rất ít chi phí để xây dựng và bảo trì.
+ Hiệu quả cho các dao động có biên độ nhỏ.
- "Phân tích khả năng giảm dao động của công trình nhà
cao tầng bằng chất lỏng có nghĩa khoa học và thực ti n
2. Mục tiêu nghiên cứu
Cần xác định chuyển vị của tầng có đặt TLD.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu: Công trình 16 tầng sử dụng các bể
chứa nƣớc.
- Phạm vi nghiên cứu: Kết cấu khung không gian đƣợc lắp
thêm các bể chứa nƣớc hình chữ nhật.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết tính toán về giảm dao động của công
trình nhà cao tầng bằng chất lỏng ng dụng vào phân tích công
trình nhà cao tầng 16 tầng sử dụng các bể chứa nƣớc.
5. Cấu trúc của luận văn
MỞ ĐẦU
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VIỆC SỬ DỤNG CÁC


2

BỂ CH A CHẤT LỎNG ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG CHO
CÔNG TRÌNH.
CHƢƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT
CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG GIẢM DAO ĐỘNG
CHO CÔNG TRÌNH 16 TẦNG KHI SỬ DỤNG HỆ GIẢM DAO
ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VIỆC SỬ DỤNG CÁC BỂ CHỨA
CHẤT LỎNG ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG CHO CÔNG TRÌNH
1.1. GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ GIẢM DAO ĐỘNG BẰNG
CHẤT LỎNG (TLD)
- Bản chất sự làm việc của TLD: là làm tiêu hao năng lƣợng.
- Các tham số cấu tạo cơ bản của TLD: đặc điểm của thùng
cứng chứa chất lỏng và chất lỏng trong thùng chứa.

- Thùng chứa hình chữ nhật ƣu việt khi áp dụng cho kết chịu
tác động kích động chủ yếu theo hai phƣơng
- Thùng chứa hình tròn: Chất lỏng trong thùng có thể chuyển
động theo nhiều phƣơng
- Tỷ số h0/L phải thỏa mãn 1/20≤h0/L≤1/2 để chuyển động
của chất lỏng là chuyển động của sóng nƣớc nông.
- Tổng khối lƣợng của chất lỏng / khối lƣợng của kết cấu nam
trong khoảng (1%-5%).
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỆ GIẢM
DAO ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG TLD
1.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Trên cơ sở tổng quan về thiết bị giảm dao động bằng chất lỏng
và những ứng dụng của TLD trong thực tế chúng ta có thể thấy đƣợc
tính ƣu việt của TLD và có thể lựa chọn các tham số hợp lý khi thiết
kế TLD.


4

CHƢƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ GIẢM DAO
ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG (TLD)
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG CỦA
CHẤT LỎNG TRONG THÙNG CHỨA ĐỂ TẠO HIỆU QUẢ
GIẢM DAO ĐỘNG
2.3. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN HỆ GIẢM DAO ĐỘNG BẰNG
CHẤT LỎNG (TLD)
2.4. CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ GIẢM DAO
ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG(TLD)

2.4.1. Tần số dao động tự nhiên của sóng
Tần số tự nhiên của chất lỏng văng té trong một thùng hình
chữ nhật:

fTLD 

1
1

2 2

h 
tanh  0 
L
 L 

g

(2.26)

Tần số tự nhiên của chất lỏng văng té trong một thùng chứa
hình tròn:

fTLD 

1
1 1,17 g
 1,17 h0 

tanh 


2 2
D
 D 

(2.27)

2.4.2. Biên độ chuyển động sóng bề mặt của chất lỏng
Biên độ dao động sóng chất lỏng:

 4L  2 
X
L

  x     2 0 sin( t)  x  2 . n
2
2
g

    

(2.36)

2.4.3. Tỷ số cản của sóng chất lỏng
Tham số cản của TLD, ξD đƣợc xác định theo công thức:
D 

11

h 2  fTLD

 h
1  
 b

(2.38)


5

2.4.4. Lực cắt đáy do tác động của sóng chất lỏng lên thành
bể.



1
2

Lực cắt đáy bể: Fx    g  h      h  
2

2



(2.46)

2.5. PHƢƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA KẾT CẤU
2.5.1. Mô hình hệ 1 bậc tự do

Hình 2.6. Hệ một bậc tự do
2.5.2. Nguyên lý D’Alembert

Hình 2.7. Lực tác dụng của hệ một bậc tự do
Các lực tác dụng lên hệ một bậc tự do đƣợc biểu diển nhƣ hình
2 7, trong đó,

f s  ku





f D  c u , f L  mu

, lần lƣợc là lực đàn hồi, lực cản

và lực quán tính Phƣơng trình cân bằng lực ta có:
p(t )  f S  f D  f L  0




Hay: mu cu ku  p(t )
2.5.3. Mô hình hệ nhiều bậc tự do

Hình 2.8. Hệ n bậc tự do

(2.47)
(2.48)

6

2.5.4. Mô hình hệ nhiều bậc tự do có đặt TLD
u1(t)
K1
c1

u2(t)
K 3 - K n-1

K2
m1

c2

m2

P1(t)

c3 - cn-1

u3-n-1(t)
m3
.....
mn-1

P2(t)

un(t)

Kn
cn

uD(t)

KD
mn

cD

mD

Pn(t)

P3-n-1(t)

Hình 2.10. Hệ n bậc tự do có gắn 1TLD ở tầng trên cùng
un(t)
u1(t)
K1
c1

u2(t)
K 3 - K n-1

K2
m1

c2
P1(t)

m2

c3 - cn-1
P2(t)

K Dn

u3-n-1(t)
m3
.....
mn-1

Kn

cDn
mn

mDn

uD1(t)

K D1

cn
P3-n-1(t)

uDn(t)

cD1

mD1

Pn(t)

Hình 2.11.Hệ n bậc tự do có gắn 1TLD ở tầng trên cùng
2.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Mô hình tính toán hệ giảm chấn chất lỏng TLD chủ yếu là các
mô hình phi tuyến do hoạt động của chất lỏng trên cơ sở lý thuyết
sóng nƣớc nông. Tuy nhiên, việc phân tích tính toán TLD có thể thực
hiện theo mô hình TMD tƣơng đƣơng
Việc sử dụng hệ thiết bị giảm chấn khối lƣợng (TMD) đƣợc đề
cập trong nhiều nghiên cứu và hầu hết các nghiên cứu đều thiết lập
một giảm chấn khối lƣợng TMD tƣơng đƣơng thay thế cho giảm
chấn chất lỏng TLD nhƣng có xét đến đặc trƣng phi tuyến do chuyển
động của dòng chất lỏng thông qua tham số độ cứng và tính cản của
TMD tƣơng đƣơng mang tính chất phi tuyến trong phân tích và tính
toán thiết kế.
Các thông số đặc trƣng cơ bản nhất của bể chứa chất lỏng đó
là: tần số dao động tự nhiên, biên độ dao động của sóng chất lỏng, hệ
số cản tại vùng biên gần đáy bể, lực cắt đáy hình thành trong bể cũng


7

đã đƣợc tính toán, phân tích theo chuyển động chất lỏng bên trong
thùng chứa TLD.
Trong chƣơng này đã giới thiệu mô hình và phƣơng trình cân

bằng của hệ gồm n bậc tự do có lắt đặt TLD ở tầng trên cùng.


8

CHƢƠNG 3
PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG GIẢM DAO ĐỘNG CHO
CÔNG TRÌNH 16 TẦNG KHI SỬ DỤNG HỆ GIẢM DAO
ĐỘNG BẰNG CHẤT LỎNG
3.1. CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA CÔNG TRÌNH
Luận văn sẽ phân tích khả năng giảm dao động cho công trình
16 tầng khi lắp đặt các bể chứa nƣớc.

Hình 3.1. Mặt bằng công trình
Chiều cao tầng 3,5m; tĩnh tãi = 0,15T/m2 ;
hoạt tải = 0,24T/m2; hoạt tải sàn mái = 0,09T/m2 ;
tĩnh tãi tƣờng = 1,05T/m2
Sàn dày 150mm; dầm = b x h = 300x600 (mm)
Vách dày250mm;f=0,44Hz; kích thƣớc cột 700x700(mm).
3.2. XÁC ĐỊNH CHUYỂN VỊ NGANG TẦNG 16 KHI TẦNG 16
ĐƢỢC ĐẶT 1TLD
3.2.1. Thiết kế TLD
3.2.2. Trƣờng hợp 1: Đặt TLD lên tầng 16 với các thông số
nhƣ bảng 3.2. Sử dụng TLD với số liệu nhƣ sau:


9

Bảng 3.2. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp 1

Trƣờng
hợp

Kích thƣớc
thùng(m)
LxBxh0

Khối
lƣợng chất
lỏng
trong
thùng m(T)

Tần số
dao
động
của
thùng
fD(Hz)

Hệ số
cD

Độ
cứng
kD

Tham
số cản
ξi

1

3,5x2,5x1,47

12,9043

0,44

32,7041

98528

0,00046

Các thông số của công trình nhƣ sau:
Bảng 3.3. Các thông số của công trình
Tầng

Khối lƣợng
mỗi tầng

Độ cứng
mỗi tầng
Ks

ξs

Hệ số
cản

từng tầng

1

73,06794

144000

0,05

10257,57

2

73,06794

144000

0,05

10257,57

3
4
5
6
7
8
9
10

11
12
13
14
15
16

73,06794
73,06794
73,06794
73,06794
73,06794
73,06794
73,06794
73,06794
73,06794
73,06794
73,06794
73,06794
73,06794
52,08

144000
144000
144000
144000
144000
144000
144000
144000

144000
144000
144000
144000
144000
144000

0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05

10257,57
10257,57
10257,57
10257,57
10257,57
10257,57
10257,57
10257,57

10257,57
10257,57
10257,57
10257,57
10257,57
8659,977

Nhận xét : Dựa vào đồ thị Hình 3.4, có thể nhận thấy chuyển
vị của tầng 16 khi công trình lắp đặt TLD nhỏ hơn lúc công trình
không lắp TLD. Chuyển vị của tầng 16 khi công trình đặt TLD có
thể giảm đƣợc 34,29% so với trƣờng hợp công trình không lắp TLD.


10
0.5
He khong lap TLD
He lap TLD
0.45

0.4

Chuyen vi tang 16 (cm)

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0

5

10

15

Tan so f(Hz)

Hình 3.4. Đồ thị thể hiện chuyển vị của tầng 16 cho trường hợp 1
3.2.3. Trƣờng hợp 2: Đặt TLD lên tầng 16 của công trình với
các thông số nhƣ bảng 3.4. Các thông số của công trình nhƣ trƣờng
hợp 1.
Bảng 3.4. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp 2

Trƣờng
hợp

Kích thƣớc
thùng(m)

LxBxh0

Khối
lƣợng
chất lỏng
trong
thùng
m(T)

Tần số
dao
động
của
thùng
fD(Hz)

Hệ số
cD

Độ
cứng
kD

Tham
số cản
ξi

2

3,5x2,1x1,47

10,8396

0,44

29,3529

82763

0,00049

Nhận xét :
Dựa vào đồ thị Hình 3.5, có thể nhận thấy chuyển vị của tầng
16 khi công trình lắp đặt TLD nhỏ hơn lúc công trình không lắp
TLD. Chuyển vị của tầng 16 khi công trình đặt TLD có thể giảm
đƣợc 30,56% so với trƣờng hợp công trình không lắp TLD.


11

Chuyển vị của tầng 16 trong trƣờng hợp thứ 2 lớn hơn trƣờng
hợp thứ nhất (0,36m>0,35m).
0.5
Khong lap TLD
Lap TLD
0.45

0.4

Chuyen vi tang 16 (m)

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0

5

10

15

Tan so (Hz)

Hình 3.5. Đồ thị thể hiện chuyển vị của tầng 16 cho trường hợp 2
3.2.4. Trƣờng hợp 3: Đặt TLD với các thông số nhƣ bảng 3.5
lên tầng 16 của công trình

Bảng 3.5. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp 3

Trƣờng
hợp

Kích thƣớc
thùng(m)
LxBxh0

Khối
lƣợng chất
lỏng
trong
thùng
m(T)

Tần số
dao
động
của
thùng
fD(Hz)

Hệ số
cD

Độ
cứng
kD

Tham
số cản
ξi

3

3x2,5x1,33

9,975

0,44

27,0117

76162

0,00049

Nhận xét :
Dựa vào đồ thị Hình 3.6, có thể nhận thấy chuyển vị của tầng
16 khi công trình lắp đặt TLD nhỏ hơn lúc công trình không lắp
TLD. Chuyển vị của tầng 16 khi công trình đặt TLD có thể giảm
đƣợc 21,28% so với trƣờng hợp công trình không lắp TLD.


12

Chuyển vị của tầng 16 trong trƣờng hợp thứ 3 lớn hơn trƣờng
hợp thứ nhất (0,37m>0,35m) và lớn hơn trƣờng hợp thứ 2
(0,37m>0,36m).

0.5
Khong lap TLD
Lap TLD
0.45

0.4

Chuyen vi tang 16 (m)

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0

5

10

15

Tan so(Hz)

Hình 3.6. Đồ thị thể hiện chuyển vị của tầng 16 cho trường hợp 3
3.3. XÁC ĐỊNH CHUYỂN VỊ NGANG TẦNG 12 KHI TẦNG
12 ĐƢỢC ĐẶT 1TLD
3.3.1. Trƣờng hợp 1: Đặt TLD lên tầng 12 của công trình với
các thông số nhƣ Bảng 3.6
Bảng 3.6. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp 1

Trƣờng
hợp

Kích thƣớc
thùng(m)
LxBxh0

1

3,5x2,5x1,47

Khối
lƣợng chất
lỏng
trong
thùng
m(T)
12,9043

Tần số
dao
động
của
thùng
fD(Hz)
0,44

Hệ số
cD

Độ
cứng
kD

Tham số
cản
ξi

32,7041

98528

0,00046

Nhận xét: Dựa vào đồ thị Hình 3.8, có thể nhận thấy chuyển vị
của tầng 12 khi công trình lắp đặt TLD và khi công trình không lắp
TLD là xấp xỉ nhau.

13
0.35
Khong lap dat TLD
Lap dat TLD

0.3

Chuyen vi tang 12 (m)

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0

5

10

15

Tan so (Hz)

Hình 3.8. Đồ thị thể hiện chuyển vị của tầng 12 cho trường hợp 1
3.3.2. Trƣờng hợp 2: Đặt TLD lên tầng 12 của công trình với
các thông số nhƣ Bảng 3.7
Bảng 3.7. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp 2

Trƣờng
hợp

Kích thƣớc
thùng(m)
LxBxh0

Khối lƣợng
chất lỏng
trong
thùng m(T)

2

3,5x2,1x1,47

10,8396

Tần số
dao
động
của
thùng

fD(Hz)
0,44

Hệ số
cD

Độ
cứng
kD

Tham
số cản
ξi

29,3529

82763

0,00049

Nhận xét : Dựa vào đồ thị Hình 3.9, có thể nhận thấy chuyển
vị của tầng 12 khi công trình lắp đặt TLD nhỏ hơn lúc công trình
không lắp TLD. Chuyển vị của tầng 12 khi công trình đặt TLD có
thể giảm đƣợc 4,5% so với trƣờng hợp công trình không lắp TLD.
Chuyển vị của tầng 12 trong trƣờng hợp thứ 2 nhỏ hơn trƣờng
hợp thứ nhất (0,2625m<0,275m).


14

0.35
Khong lap TLD
Lap TLD

0.3

Chuyen vi tang 12 (m)

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0

5

10

15

Tan so (Hz)

Hình 3.9. Đồ thị thể hiện chuyển vị của tầng 12 cho trường hợp 2
3.3.2. Trƣờng hợp 3: Đặt TLD lên tầng 12 của công trình với
các thông số nhƣ Bảng 3.8
Bảng 3.8. Số liệu thiết kế TLD cho trường hợp 3
Tần số
Khối lƣợng
Kích thƣớc
Trƣờng

dao động
chất lỏng
của

thùng(m)
hợp

trong thùng
LxBxh0

Độ

Tham

cứng

số cản

kD

ξi

76162

0,00049

Hệ số
cD
thùng

m(T)
fD(Hz)
3

3x2,5x1,33

9,975

0,44

27,0117

Nhận xét : Dựa vào đồ thị Hình 3.10, có thể nhận thấy chuyển
vị của tầng 12 khi công trình lắp đặt TLD nhỏ hơn lúc công trình


15

không lắp TLD. Chuyển vị của tầng 1 khi công trình đặt TLD có thể
giảm đƣợc 6,8% so với trƣờng hợp công trình không lắp TLD.
Chuyển vị của tầng 16 trong trƣờng hợp thứ 2 lớn hơn trƣờng

hợp thứ nhất (0,25625m<0,275m) và lớn hơn trƣờng hợp thứ 2
(0,25625m<0,2625m).

0.35
Khong lap TLD
Lap TLD

0.3

Chuyen vi tang 12 (m)

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0

5

10

15

Tan so (Hz)

Hình 3.10. Đồ thị thể hiện chuyển vị của tầng 12 cho trường hợp 3
3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3.
Qua phân tích ở trên, có thể nhận thấy chuyển vị của công
trình đƣợc giảm đi khi lắp đặt TLD Khi TLD đƣợc đặt trên tầng 16
thì chuyển vị của tầng 16 đƣợc giảm nhiều hơn chuyển vị của tầng
12 khi TLD đƣợc đặt trên tầng 12.


16

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. KẾT LUẬN
- Luận văn đã tổng quan về thiết bị giảm dao động TLD. Tổng
quan lý thuyết về hệ thống giảm chấn chất lỏng TLD, xem xét các
đặc tính và cơ chế tạo lực cản làm giảm dao động của kết cấu.

- Việc thiết kế TLD về căn bản là khá đơn giản và không tốn
nhiều thời gian Hơn nữa, phạm vi áp dụng của thiết bị TLD là hầu
nhƣ không bị giới hạn cho mọi loại công trình nhờ khả năng điều
chỉnh tần số rất d dàng thông qua việc hiệu chỉnh kích thƣớc bể
hoặc tỷ số chiều cao mực nƣớc trên bề rộng thành.
- Trong trƣờng hợp tải trọng tam giác và điều hòa nhƣ đã khảo
sát ở trên việc dùng TLD để giảm dao động cho công trình là có
hiệu quả.
2. KIẾN NGHỊ
- Mô hình phân tích trong luận văn chỉ mới dừng lại áp dụng
cho bể chứa dạng chữ nhật, cần phải xét thêm trong trƣờng hợp với

các hình dạng bể chứa khác nhau, để từ đó chọn ra dạng bể chứa có
thể xem là tối ƣu cho hiệu quả giảm dao động cao nhất.
- Trong luận văn chỉ mới khảo sát trƣờng hợp công trình đƣợc
lắp 1TLD, mà chƣa khảo sát với số lƣợng lớn TLD.