Ảnh hưởng của bể nước mái có gắn tấm nổi lên kết cấu khung phẳng chịu tải trọng động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ NGỌC LINH

ẢNH HƯỞNG CỦA BỂ NƯỚC MÁI CÓ GẮN TẤM NỔI LÊN
KẾT CẤU KHUNG PHẲNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG

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

: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1-2019


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Trọng Phước
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Đào Đình Nhân
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Lương Văn Hải
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.Hồ Chí Minh, ngày
20 tháng 01 năm 2019.
Thành phần Hội đồng đánh giá đề cương luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Chu Quốc Thắng
2. PGS.TS. Đào Đình Nhân
3. PGS.TS. Lương Văn Hải
4. PGS.TS. Nguyễn Văn Hiếu

5. TS. Cao Văn Vui

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:Lê Ngọc Linh

MSHV: 1570101

Ngày, tháng, năm sinh: 24/05/1991

Nơi sinh: Bình Thuận

Chuyên ngành: KTXD công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60580208
I. TÊN ĐỀ TÀI:Ảnh hưởng của bể nước mái có gắn tấm nổi lên kết cấu khung
phẳng chịu tải trọng động
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Tìm hiểu mô hình TLD có lắp tấm nổi lên bể nước mái (Tuned Liquid Damper With
Floating Roof-ILDFR) và tác động của tấm nổi lên phản ứng chất lỏng.

2. Thiết lập mô hình chuyển động cho hệ kết Cấu-TLDFR.
3. Xây dựng chương trình tính tương tác giữa kết cấu và TLDFR bằng sự mô phỏng
Ansys từ đó đánh giá hiệu quả giảm dao động cho kết cấu.
4. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả giảm dao động của TLDFR bao gồm
lượng nước trong bể, ảnh hưởng của tấm nổi dưới tác động của tải điều hòa, tải động
đất.
III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
: 26/02/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/12/2018
V.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. Nguyễn Trọng Phước
Tp. HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH

PGS.TS. Nguyễn Trọng Phước

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người hướng dẫn luận văn này, thầy
PGS.TS. Nguyễn Trọng Phước. Với sự tận tụy và nhiệt tình, Thầy đã giúp tôi phát triển
các ý tưởng, định hướng đề tài, hướng dẫn chi tiết và giúp đỡ tôi trong việc tìm tài liệu
cần thiết.

Luận văn này được hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân cùng với không ít sự giúp
đỡ từ gia đình, bạn bè và các cá nhân khác. Tôi xin chân thành cảm ơn Anh (Chị) các
khóa trước, những luận văn mà Anh (Chị) để lại là nguồn tài liệu tham khảo quý giá, là
sự định hướng cho Tôi thực hiện luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình
và người thân, họ đã dành cho tôi những sự ủng hộ nhất định.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đại học
Bách Khoa Tp.HCM đã truyền đạt những kiến thức quý giá cho tôi; Luận văn này đã
hoàn thành trong thời hạn với sự nỗ lực của bản thân, tuy vậy không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức
và hoàn thiện bản thân mình hơn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Tp. HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2018

Lê Ngọc Linh


3

TÓM TẮT
Giảm chấn cho kết cấu bằng cản chất lỏng ( Tuned Liquid Damper-TLD) ngày càng
phổ biến trong những năm gần đây. TLD-FR bao gồm TLD truyền thống với việc bổ
sung một tấm cứng nổi trên mặt nước, được thiết kế với một vật liệu mỏng, mật độ nhỏ
(giảm trọng lượng và nổi trên chất lỏng). Ý tưởng đằng sau điều này vì tấm nổi cứng hơn
nhiều so với nước, nó sẽ ngăn chặn sóng vỡ, do đó làm cho phản ứng tuyến tính hơn
ngay cả ở biên độ lớn. Tấm nổi cũng có thể bổ sung các thiết bị cản (thụ động, bán chủ
động hoặc chủ động) có thể tăng cường cản đáng kể.
Mô hình kết cấu trong luận văn này bao gồm kết cấu bên dưới và bể nước có tấm nổi
(Tuned Liquid Damper With Floating Roof -TLDFR) chịu tải trọng động. Kết cấu chính
được mô tả bởi sự rời rạc hóa phần tử bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong ANSYS.
Đặc trưng của tấm nổi được thể hiện thông qua độ cứng. Chuyển vị của phần tử nước bề

mặt và phần tử tấm là một. Thông qua ví dụ số trên kết cấu 7 tầng chịu nhiều tải trọng
động khác nhau, hiệu quả giảm chấn được đánh giá thông qua kết quả tính chuyển vị khi
hệ chịu kích động của tải điều hòa và động đất.


4

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy
PGS.TS. Nguyễn Trọng Phước.
Các kết quả trong Luận văn được thực hiện chính xác, các nhận xét là khách quan. Tôi
xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.

Tp. HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2018

Lê Ngọc Linh


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ............................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. II
TÓM TẮT ..................................................................................................................... III
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................IV
MỤC LỤC ....................................................................................................................... V
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. VII
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... X
DANH MỤC KÝ HIỆU ................................................................................................XI
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ............................................................................................. 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................................... 1
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................................... 6

1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ............................................................................. 7
1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN........................................................................................ 7
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ............................................................................................ 9
2.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................................... 9
2.2 PHÂN LOẠI CẢN CHẤT LỎNG ......................................................................... 9
2.2.1 Hệ cản cột chất lỏng ........................................................................................... 10
2.2.2 Hệ cản sử dụng sóng chất lỏng TSD................................................................ 11
2.2.3 Các công trình sử dụng TLD để giảm chấn..................................................... 13
2.3

TỔNG QUAN VỀ GIẢM CHẤN SỬ DỤNG CHẤT LỎNG......................... 17

2.3.1 Nghiền cứu ngoài nước ...................................................................................... 17
2.3.2 Nghiền cứu trong nước ...................................................................................... 19
2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 20
CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................................................. 22
3.1 GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 22
3.2 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA TLDFR ................................................... 22
3.2.1 Giói thiệu về bể nước mái có gắn tấm nổi TLD-FR ....................................... 22


vi
3.3 PHƯƠNG PHÁP PHẰN TỬ HỮU HẠN ........................................................... 26
3.4 PHẦN TỬ BÊ TÔNG VÀ PHẰN TỬ NƯỚC TRONG ANSYS .....................30
3.5 BIẾN ĐỔI FOURIER FFT .................................................................................. 32
3.6 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA ANSYS ..................................................................38
3.6.1 Một số nét cơ bản về phần mềm ANSYS ......................................................... 38
3.6.2 Quy trình và phương pháp mô hình hệ kết Cấu-TLDFR .............................. 39
3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 41
CHƯƠNG 4 VÍ DỤ SỐ ................................................................................................. 42

4.1 GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 42
4.2 KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH TÍNH ...................................................................... 42
4.2.1 Bài toán dạng dao động riêng ........................................................................... 42
4.2.2 Bài toán hệ kết Cấu-TLD chịu tải động đất .................................................... 45
4.3 MỰC NƯỚC THAY ĐỔI .................................................................................... 48
4.3.1 Chu kì dao động ................................................................................................. 48
4.3.2 Phân tích đáp ứng của hệ trên miền tần số ....................................................49
4.3.3 Phân tích đáp ứng của hệ dưới tác động gia tốc nền Elcentro .....................50
4.3.4 Phân tích đáp ứng của hệ dưới tác động gia tốc nền tải động Sanfernando.....
......................................................................................................................................... 55
4.4

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TẤM NỔI.................................................. 60

4.4.1 Ảnh hưởng của tấm nổi khi hệ chịu tải trọng điều hòa .................................. 60
4.4.2 Ảnh hưởng của tấm nổi khi hệ chịu tải trọng động đất Elcentro .................. 63
4.4.3 Ảnh hưởng của tấm nổi khi hệ chịu tải trọng động đất Sanfersico............... 67
^9

•

•

•

^9

•

^9

4.5 Kết luận chương .................................................................................................... 71
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................. 72
5.1 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 72
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 74
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .......................................................................................... 79
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 80


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hĩnh 1.1: Trận động đất mạnh 6,4 độ ở Đài Loan ngày 08-02-2018 ............................... 3
Hình 1.2: Trần động đẩt tại Tứ Xuyên mạnh 7,9 độ ngày 12-05-2008............................. 3
Hĩnh 1.3: Động đẩt ở Mexico mạnh 8,1 độ ngày 07-09-2017 ......................................... 4
Hình 2.1: Thiết bị TLD giữ thẵng bằng sử dụng cho tàu bè ........................................... 10
Hĩnh 2.2: Mô tả cho hệ cản cột chẩt lỏng ....................................................................... 11
Hĩnh 2.3: Ví dụ hĩnh ảnh sóng vỡ thực tế. ...................................................................... 12
Hĩnh 2.4: Tháp hàng không Nagasaki, Nhật Bản ........................................................... 13
Hĩnh 2.5: Tháp Yokohama Marine tại Yokohama, Nhật Bản ......................................... 14
Hĩnh 2.6: Khách sạn Shi Yokohama Prince tại Yokohama, Nhật Bản .......................... 14
Hĩnh 2.7: Tòa nhà Once Wall Centre ở Vancouver, British Columbia, Canada ........... 15
Hĩnh 2.8: Tòa nhà One Rincon Hill Ở San Fransisco, California, USA ........................ 16
Hĩnh 2.9: cầu Bãi Cháy, Quảng Ninh, Việt Nam ........................................................... 17
Hình 3.1 Sơ đồ TLD-FR hình chữ nhật ........................................................................... 23
Hình 3.2 Sơ đồ của lưới trùng giữa chất lỏng, tấm nổi và ví dụ minh họa cho ma trận cản
của hệ .............................................................................................................................. 24
Hình 3.3: Mô hình hệ kết Cẩu-TLDFR ........................................................................... 26
Hĩnh 3.4: Phần tử dầm Beaml89 biến dạng tuyến tính ................................................... 31

Hình 3.5: Phẩn tủ tẩm Shelll81 biến dạng tuyến tính ..................................................... 31
Hình 3.6: Mô hình phần tủ Fluid80 trong không gian.................................................... 32
Hình 4.1: Chia lưới phần tủ trong ANSYS ..................................................................... 43
Hình 4.2: Chu kỳ dao động riêng của kết cẩu................................................................. 44
Hình 4.3: Dạng dao động riêng của kết cẩu (Dạng dao động 1,2,3,4,5,6) ................... 44
Hình 4.4: Dữ liệu gia tốc nền trận động đẩt ElCentro .................................................. 45
Hình 4.5: Phố năng lượng của trận động đẩt ElCentro ................................................. 46
Hình 4.6: Biểu đồ chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLD 7 tầng ỉm nước dưới tác động trận
động đẩt Elcentro ............................................................................................................ 46


viii
Hĩnh 4.7: Biểu đồ chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLD 5 tầng ỉm nước dưới tác động trận
động đất ElCentro ........................................................................................................... 47
Hình 4.8: Biểu đồ đáp ứng chu kỳ của hệ Kết Cấu-TLDFR .......................................... 48
Hĩnh 4.9: So sảnh đáp ứng tần số của hệ Kết Cẩu-TLDFR ........................................... 49
»A

t

1

9

S' 1 A A r.,. -

(JJ

Hĩnh 4.10: Bảng chuyên vị đỉnh cộng hưởng của hệ kêt câu-TLDFR điêu chỉnh = ....50
Cữ

Hĩnh 4.11: Dữ liệu gia tốc nền trận động đất Elcentro .................................................. 50
Hĩnh 4.12: Phổ năng lượng của trận động đẩt Elcentro ................................................ 51
Hĩnh 4.13: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLDFR ................................... 51
Hĩnh 4.14: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLDFR ................................... 52
Hĩnh 4.15: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLDFR ................................... 53
Hĩnh 4.16: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLDFR ................................... 53
Hĩnh 4.17: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLDFR ................................... 53
Hĩnh 4.18: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLDFR ................................... 54
Hĩnh 4.19: Độ giảm chuyển vị tại đỉnh lớn nhẩt khỉ chịu động đẩt Elcentro ................. 55
Hĩnh 4.20: Dữ liệu gia tốc nền trận động đẩt Sanfemando ........................................... 56
Hĩnh 4.21: Phổ năng lượng của trận động đẩt Sanfemando .......................................... 56
Hình 4.22: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cấu-TLDFR ................................... 57
Hĩnh 4.23: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLDFR ................................... 57
Hình 4.24: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cấu-TLDFR ................................... 58
Hình 4.25: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLDFR ................................... 58
Hình 4.26: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLDFR ................................... 59
Hình 4.27: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLDFR ................................... 59
Hình 4.28: Độ giảm chuyển vị tại đỉnh lớn nhất khi chịu động đẩt Sanfernando ......... 60
Hình 4.29: Đáp ủng của hệ kết Cẩu-TLD trên miền tan so 1Hz đến 3Hz ..................... 61
Hình 4.30: Đáp ứng biên độ của hệ kết cẩu với 2 thiết bị TLDFR và thiết bị TLD khi mực
nước 0.25m ...................................................................................................................... 61
Hình 4.31: Đáp ứng biên độ của hệ kết cẩu với 2 thiết bị TLDFR và thiết bị TLD khi mực
nước 0.5m ........................................................................................................................ 61
Hình 4.32: Đáp ứng biên độ của hệ kết cẩu với 2 thiết bị TLDFR và thiết bị TLD khỉ mực


ix
nước 0.75m .......................................................................................................................62
Hình 4.33: Đáp ứng biên độ của hệ kết cấu với 2 thiết bị TLDFR và thiết bị TLD khỉ bể

nước đầy ...........................................................................................................................62
Hĩnh 4.34: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLD .........................................64
Hĩnh 4.35: Độ giảm chuyển vị tại đỉnh lớn nhẩt khỉ chịu động đất Elcentro ................ 64
Hĩnh 4.36: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết cẩu khỉ sử dụng 2 thiết bị giảm chẩn ở
mực nước 0.25m ...............................................................................................................66
Hĩnh 4.37: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết cẩu khỉ sử dụng 2 thiết bị giảm chẩn ở
mực nước 0.5m .................................................................................................................66
Hĩnh 4.38: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết cẩu khỉ sử dụng 2 thiết bị giảm chẩn ở
mực nước 0.75m ...............................................................................................................67
Hĩnh 4.39: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết cẩu khỉ sử dụng 2 thiết bị giảm chấn
khi bể đầy nước ................................................................................................................67
Hĩnh 4.40: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLD .........................................68
Hĩnh 4.41: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết Cẩu-TLD .........................................69
Hĩnh 4.42: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết cẩu khỉ sử dụng 2 thiết bị giảm
chẩn khỉ bể 0.25m nước ...................................................................................................69
Hình 4.43: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết cẩu khi sử dụng 2 thiết bị giảm chấn
khi bể 0.5m nước ..............................................................................................................70
Hình 4.44: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết cẩu khi sử dụng 2 thiết bị giảm chấn
khi bể 0.75m nước ............................................................................................................70
Hình 4.45: Kết quả phân tích chuyển vị của hệ kết cẩu khi sử dụng 2 thiết bị giảm
chấn khi bể đầy nước .......................................................................................................71


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Một số công trình nhà cao tầng hoàn thành ở Việt Nam .................................. 1
Bảng 4.1 Thông số khung ............................................................................................... 42
Bảng 4.2 Thông số vật liệu ............................................................................................. 42
Bảng 4.3 Thông số tính toán của bể nước ....................................................................... 43
Bảng 4.4: Kết quả phân tích chu kỳ dao động của công trình bằng ANSYS và ETABS
......................................................................................................................................... 43

Bảng 4.5: So sánh chuyển vị lớn nhất tại đỉnh mái hệ kết Cấu-TLD lm nước ............... 47
Bảng 4.6: So sánh chuyển vị lớn nhất tại mái hệ kết cấu ............................................... 47
Bảng 4.7: Kết quả phân tích chu kỳ dao động của hệ ..................................................... 48
Bảng 4.8: Kết quả phân tích Biên độ dao động của hệ kết Cấu-TLDFR ........................ 50
Bảng 4.9: Kết quả phân tích biên độ dao động của hệ kết Cấu-TLD ............................. 61
Bảng 4.10: Bảng độ giảm chuyển vị đỉnh cộng hưởng của hệ kết cấu ........................... 64
Bảng 4.11: Bảng độ giảm chuyển vị đỉnh lớn nhất của hệ kết cấu khi chịu tải động đất
Elcentro .......................................................................................................................... 68
Bảng 4.12: Bảng độ giảm chuyển vị đỉnh lớn nhất của hệ kết cấu khi chịu tải động đất
Sanfersico....................................................................................................................... 71


xi

DANH MỤC KÝ HIỆU
• Các chữ cái La Mã in đậm được sử dụng để phân biệt vectơ có hướng và không
in đậm là vô hướng:
T/

Tọa độ phụ trự phần tử
Thể tích chất lỏng

r

Đặt trưng phần tử

p

Áp suất chất lỏng

p

Dung trọng riêng của chất lỏng


Vận tốc chất lỏng

n

Thế của lực bảo toàn

u,v

Vecto chuyển vị

i',

Vecto vận tốc
Vecto gia tốc
Vecto phần tử

n

Hàm khối lượng
x,z

Trục tọa độ

N Vecto hàm nội suy tuyến tính

g

Gia tốc trọng trường

X

Vecto chứa tọa độ X

a,p , ỵ Là cosin chỉ phương của nút phần tử với mặt tương tác
Fp Lực tác dụng vào bể từng phần tử
Fữ Tổng lực tác dụng vào bể
Chiều rộng bể

d
t

thời gian

T

chu kỳ dao động; động năng

o

Mode dao động

a>

Tần số tự nhiên

ệ

Tỉ lệ giảm xóc


xii
Y
K

Ma trận nhận diện
Độ cứng tổng thể

c

Cản

M

Khối lượng tổng thể

E

Modun đàn hồi

I

I

Moment quán tính
Chiều dài phần tử tương ứng

R

Ma trận sắp xếp thứ tự của cột i*

Ke

Độ cứng phần tử

Me

Khối lượng phần tử

Fl

Lực quán tính của phần tử

FD

Lực cản

Fs

Lực đàn hồi
Áp suất thủy tĩnh

f
fl
fe
Q

u
s

Lực tác động vào hệ
Lực nút của mỗi phần tử
Liên hệ giữa áp lực và lực tác dụng
Chuyển vị dọc theo mặt tương tác
Chuyển vị phần tử

• Ký hiệu chỉ số
o

Phần tử tại thoáng chất lỏng

p
Tì

Phần tử tại đáy và thành bể
Tọa độ phụ trợ trong FEM

s

f

Chất lỏng
Tấm nổi

g

nền đất

Damper,i Thứ tự cột Ith của ma trận cản tấm nổi
a
e

Thiết bị giảm chấn TLD-FR
Phần tử của kết cấu


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Với xu hướng ngày càng phát triển, việc đô thị hóa là qui luật tất yếu của xã hội. Tại
các thành phố lớn hoặc các khu đô thị mới, các tòa nhà văn phòng làm việc hay chung cư có
số tầng tương đối lớn luôn được ưu tiên xây dựng. Các nhà nhiều tầng này làm tăng hiệu
quả sử dụng đất và cũng được coi như là một biểu tượng sức mạnh kinh tế cho khu vực đó.
Cùng sự phát triển kinh tế, đô thị ở Việt Nam hình thành ngày càng nhiều lên, mật độ các
công trình xây dựng với số tầng tương đối nhiều là có xu hướng tăng lên, số lượng và kể cả
số tầng như trong bảng 1.1. Chưa kể hàng loạt những chung cư có số tầng thấp hơn, khoảng
từ 20-30 tầng xuất hiện với mật độ khá dày tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh,
Hà nội, Nha trang, Đà nẵng,...
Bảng 1.1: Một số công trình nhà cao tầng hoàn thành ở Việt Nam
Chiều cao
STT
Tòa nhà
Số tầng
Năm hoàn thành

1

2
3
4
5

The Landmark 81 Tp.Hồ Chí
461.2m
minh
Keangnam
Landmark 72 Hanoi
Lotte Center Hà Nội
Bitexco Financial Tower TP.
Hồ Chí Minh
Vietcombank Tower TP. Hồ
Chí Minh

81

Đang hoàn thiện

336m

72

2011

265m

65

2014

262m

68

2010

206m

35

2015


2
Trong lĩnh vực thiết kế kết cấu các công trình xây dựng dạng nhà nhiều tầng, thường
tài trọng ngang như gió bão và động đất có vai trò rất quan trọng và là sự thách thức với
các kỹ sư. Dù các tiêu chuẩn ngành cũng khá đầy đủ, tuy nhiên việc tìm hiểu rõ hơn ứng
xử của kết cấu nhà nhiều tầng chịu tác nhân này là rất cần thiết. Đặt biệt, với hiện tượng
biến đổi khí hậu, các tác động gió bão và động đất diễn ra càng ngày càng phức tạp về cả
cường độ và tầm hoạt động. Tuy Việt Nam không nằm trong khu vực hoạt động mạnh của
động đất nhưng nước ta từng phải chịu trên 1000 trận động đất có cường độ lớn nhỏ khác
nhau, đặt biệt thời gian gần đây bắt đầu xuất hiện nhiều trận động đất khá lớn. Kể tới như
khu vực Sơn La, Điện Biên năm 1983 từng ghi nhận trận động đất 6.8 độ richter tương
đương độ lớn động đất ở Kobe làm chết 4400 người. PGS TS Nguyễn Hồng Phương, Phó
giám đốc Trung tâm Báo tin động đất và cảnh báo sóng thần Việt Nam dự báo có thể có
động đất cực đại lên tới 7 độ richter. Vùng có động đất mạnh nhất nằm ở khu vực Tây Bắc.
Mặt khác, Việt Nam lại nằm trong khu vực hoạt động mạnh của bão nhiệt đới và gió

bão cũng là tác nhân nguy hiểm lớn cho các công trình xây dựng. Thực tế, một số công
trình bị phá hoại do động đất gây ra một số hình ảnh minh họa thiệt hại do động đất.


3

Hình 1.2: Trần động đất tại Tứ Xuyên mạnh 7,9 độ ngày 12-05-2008


4

Hình 1.3: Động đất Ở Mexico mạnh 8,1 độ ngày 07-09-2017
Khỉ kết cấu chịu tải trọng ngang lán, đặc biệt là tải trọng động gây ra dao động cho kết
cấu và có thể làm cho kết cấu trở nên nguy hiểm hơn; việc phân tích ứng xử động lực học
phải được thực hiện để thu được ứng xử phù hợp hơn và có những giải pháp cần thiết để gia
tăng độ an toàn cho kết cấu. Thường để an toàn hơn khỉ chịu tải trọng ngang lán, kết cấu
thường tăng tiết diện để tăng độ bền, giảm ứng suất và mức độ chịu đựng của cấu kiện; tuy
nhiên giải pháp này mang lại hiệu quả chưa cao do tăng tiết diện cấu kiện thì khối lượng
tăng điều đỗ dẫn đến lực quán tính cũng tăng theo khỉ hệ chịu tải trọng động do vậy cần cố
giải pháp khác hơn để giải quyết bài toán này.
Giải pháp được đề xuất đỗ là giảm chấn. Để đảm bảo sự an toàn cho kết cấu chịu lực
phương pháp thường sử dụng là sử dụng thiết bị làm giảm dao động. Thiết bị làm giảm dao
động cho kết cấu được chia thành ba loại chính như sau:
• Hệ cô lập địa chấn thường như là các thiết bị gối đàn hồi, gối cao su- chì, gối ma sát
trượt là loại thiết bị cách ly kết cấu với kích thích dưới nền móng như là động đất và


5
thường được đặt tại chân móng công trình.
• Hệ điều khiển chủ động & bán chủ động như là các thiết bị hệ giằng chủ động, hệ cản

khối lượng bán chủ động & chủ động, hệ có thể thay đổi độ cứng hoặc tính cản, vật
liệu thông minh. Hệ điều khiển chủ động cần thuật toán điều khiển và nguồn cung cấp
điện để hoạt động. Hệ bán chủ động cũng yêu cầu nguồn điện tuy nhiên thấp hơn so
với hệ chủ động. Khi ngưng cung cấp điện, hệ bán chủ động làm việc như hệ bị động.
• Hệ tiêu tán năng lượng bị động như là các thiết bị hệ cản kim loại, hệ cản ma sát, hệ
cản đàn nhớt, hệ cản chất lỏng nhớt, hệ cản khối lượng, hệ cản chất lỏng. Hệ không
cần phụ thuộc thuật toán điều khiển cũng như nguồn điện cung cấp trong quá trình hệ
kết cấu chịu nguyên nhân động.
Chức năng chính của hệ tiêu tán năng lượng bị động là thay đổi đặc trưng của kết cấu
như tính cản và độ cứng. Do dễ dàng lắp đặt và mang lại hiệu quả cao trong việc giảm dao
động cho kết cấu nên hệ tiêu tán năng lượng bị động thường được áp dụng trong ngành xây
dựng dân dụng. Thiết bị giảm chấn bằng hệ cản chất lỏng (Tuned Liquid Dampers, TLD) là
loại thiết bị dạng hệ tiêu tán năng lượng bị động thuộc loại đơn giản, dễ dàng sử dụng và lắp
đặt linh hoạt vào các công trình xây dựng đã hoàn thành trước đó với chi phí thấp. Giải pháp
này cũng đã xuất hiện trên thế giới khá lâu và được ứng dụng nhiều công trình thực tế.
Ngoài ra, bể chứa phần chất lỏng bên trong thường là nước nên nó có thể được sử dụng cho
mục đích sinh hoạt hoặc chữa cháy khi cần thiết. Tuy nhiên, cho đến này giải pháp này vẫn
đang là vấn đề thời sự trong lĩnh vực giảm chấn cho kết cấu chịu gió bão và động đất.
Đã có nhiều nghiên cứu về thiết bị TLD chủ yếu tập trung vào phát triển lý thuyết mô tả
ứng xử của TLD. Sau đó, các nghiên cứu tập trung vào phát triển thiết bị TLD truyền thống
nhằm tăng thêm hiệu quả giảm chấn cho thiết bị ví dụ như việc sử dụng nhiều bể nước thay
vì một bể, nhiều thí nghiệm được thực hiện để đưa ra mô hình của bể nước, thêm màn ngăn
vào nước tăng cản cho nước hay là việc đặt nhiều bể trên nhiều tầng khác nhau của công
trình...
Cho đến nay, một hướng nghiên cứu của TLD đó là thay đổi cấu tạo của bể nước để
làm tăng tính cản của bể, tạo ra sự tiêu tán năng lượng nhiều hơn dẫn đến kết cấu chính an
toàn hơn được phát triển trong thời gian rất gần đây. Như TLD có màn ngăn, cột chất lỏng


6

TLD, ... Trong các giải pháp này thì có một công bố liên quan đến TLD được trang bị tấm
nổi trên bề mặt TLD được cho thấy là khá mới, từ một Luận án tiến sĩ ở nước ngoài và các
công bố trên tạp chí cũng chưa nhiều. Do đó luận văn này theo hướng nghiên cứu này, đó là
tìm hiểu hệ cản chất lỏng được lắp tấm nổi bên trên bể chứa {Tuned Liquid Damper with
Floating Roof) gọi tắt là TLDFR gắn trên mái của kết cấu khung nhà nhiều tầng. Từ đó,
đánh giá hiệu quả giảm dao động do TLDFR mang lại cho kết cấu.

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN cứu
Mục tiêu của luận văn này là đánh giá hiệu quả giảm dao động của thiết bị TLDFR lên
kết cấu đang xét trong không gian chịu tác dụng của tải trọng động gồm có tải điều hòa và
gia tốc nền động đất. Các nội dung chi tiết của nghiên cứu được sơ lược như sau:
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của thiết bị TLDFR, tương tác giữa chất lỏng, bể và tấm nổi;
tương tác giữa kết cấu và thiết bị TLDFR, mô hình mô tả thiết bị TLDFR và tác động của
tấm nổi lên phản ứng của chất lỏng, cơ chế tiêu tán năng lượng của thiết bị TLDFR.
- Tìm hiểu dự đoán các thông số ảnh hưởng hiệu quả giảm chấn của kết cấu: Hệ kết cấu
khung bê tông không gian được chia nhỏ thành các phần tử nút và hệ lưới theo phương pháp
phần tử hữu hạn, liên kết giữa kết cấu với đất là liên kết ngàm cứng, phần tử tấm nổi cũng
được chia nhỏ thành các phần tử nút, các phần tử nút này trùng phản ứng với các phần tử
nước bề mặt, tấm nối không liên kết với thành bể.
- Dùng chương trình mã nguồn mở ANSYS để viết chương trình máy tính giải quyết
mục tiêu đặt ra và mã nguồn MATLAB để phân tích dữ liệu đầu vào của gia tốc nền động
đất, xây dựng hệ mô hình tương tác khung và thiết bị TLDFR dạng không gian bằng phần
mềm ANSYS, kiểm chứng chương trình...
- Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả giảm dao động của TLDFR bao gồm mực
nước, ảnh hưởng của tấm nổi, dưới tác dụng tải điều hòa và tải động đất...

1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
Phương pháp thực hiện của luận văn được lựa chọn là lý thuyết. Xây dựng cơ sở lý thuyết

7
và tiến hành mô hình bài toán dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và lý thuyết động lực
học, so sánh kết quả với các nghiên cứu khác để đánh giá độ tin cậy của lời giải. Công cụ để
thực hiện mô phỏng và phân tích hệ kết Cấu-TLDFR trong không gian là các công cụ mã
nguồn mở trong ANSYS. Chi tiết như sau:
- Thiết lập mô hình kết Cấu-TLDFR, dùng phần tử khối solid không gian để thu được
lời giải tin cậy nhất.
- Khảo sát sự tương tác của thiết bị và kết cấu trong không gian bằng việc khảo sát mô
hình được thiết lập trong không gian; phân tích các thông số ảnh hưởng tới tần số dao động
tự nhiên, đáp ứng động như chiều cao mực chất lỏng, tải trọng,... và kết hợp với các tài liệu
nghiên cứu trước đây để lựa chọn thông số này.
- Khảo sát ảnh hưởng của chiều cao mực nước, ảnh hưởng của tấm nổi, từ đó xác định
ảnh hưởng cho việc nghiên cứu ứng dụng các thông số đặc trưng của thiết bị TLDFR, trong
thiết kế thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng cho công trình chịu tải họng động.
1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Luận văn này được trình bày trong 5 chương với những nội dung sau:
Chương 1: Chương đầu tiên giới thiệu sơ lược về đề tài, nêu ra vấn đề giảm dao động
cho kết cấu và lựa chọn đề tài.
Chương 2: Tổng quan về các hệ giảm chấn chất lỏng. Tìm hiểu về lịch sử hình thành và
những nghiên cứu đã được thực hiện về các hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng. Những ứng
dụng của hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng trong thực tế.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết liên quan đến TLDFR, mô tả cấu tạo bể TLD, tấm nổi, và
liên kết các thành phần của thiết bị .Trình bày cơ sở lý thuyết áp dụng đối với hệ giảm chấn
sử dụng chất lỏng. Các phương pháp được sử dụng trong việc phân tích hệ kết cấu - chất
lỏng trong không gian. Lựa chọn mô hình tính toán phù hợp đối với việc phân tích mô
phỏng hệ giảm chấn sử dụng chất lỏng trong không gian.
Chương 4: Kiểm chứng đánh giá chương trình tính, so sánh với các nghiên cứu trước


8

đây. Phân tích và khảo sát các ví dụ số, rút ra được kết quả và so sánh. Đánh giá hiệu quả
giảm chấn của thiết bị TLDFR và kết cấu trong không gian. Khảo sát sự ảnh hưởng của
thông số chiều cao mực nước, đánh giá khác biệt khi có tấm nổi và không có tấm nổi lên
khả năng giảm chấn cho kết cấu.
Chương 5: Kết luận rút ra được từ luận văn, đánh giá được ứng xử của kết cấu trong
không gian chịu tác động của tải điều hòa và động đất. Đánh giá sự ảnh hưởng của thiết bị
TLDFR đến khả năng kháng chấn của công trình. Đánh giá ảnh hưởng của thông số mực
nước bể, ảnh hưởng tấm nổi lên khả năng kháng chấn của thiết bị. Đề xuất các hướng
nghiên cứu tiếp theo cho mô hình kháng chấn sử dụng chất lỏng trong không gian.


9

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN
2.1 GIỚI THIỆU
Chương này trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài của luận văn.
Trước hết, một số loại cản chất lỏng làm giảm dao động của kết cấu và sự ứng dụng của nó
trong một số công trình thực tế trên thế giới được sơ lược qua. Tiếp theo, tổng quan về tình
hình nghiên cứu liên quan đến giảm chấn bằng cản chất lỏng được đề cập tương đối chi tiết
qua danh mục tài liệu tham khảo trong đề tài, kể cả các nghiên cứu trong nước và ngoài nước.
Cuối cùng, sự khác biệt của luận văn với các nghiên cứu trích dẫn cũng được phân tích trong
chương này.
2.2 PHÂN LOẠI CẢN CHẤT LỎNG
Cản chất lỏng đã được sử dụng trong ngành vận tải kể từ đầu thế kỷ 20 để ngăn cản sự
lắc lư của các tàu lớn. Hình 2.1 thể hiện thiết bị chống lắc lư được sử dụng cho các tàu biển.
Nó bao gồm hai bể chứa thông nhau bằng một ống dẫn nước ở dưới và một ống dẫn khí ở
trên, mỗi bể chỉ chứa một phần nước. Đây có thể xem là ứng dụng đầu tiên của hệ cản cột
chất lỏng (TLCD). Tác dụng của hệ TLD trên tàu bè là để khống chế dao động do tác động
của sóng biển và gió bão, bằng cách sử dụng hai bể chứa chất lỏng được nối với nhau và có

tần số dao động gần với tần số dao động cơ bản của tàu.


10

Hình 2.1: Thiết bị TLD giữ thăng bằng sử dụng cho tàu bè
Sau đó hệ giảm chấn chát lỏng được nghiên cứu và áp dụng vào lĩnh vực xây dựng
nhằm giảm sự ảnh hường của tải trọng động như động đất và gió bão. Hệ cản chất lỏng
được chỉa thành hai dạng chính: hệ cản sử dụng sống chất lỏng {Tuned Sloshing DamperTSD) và hệ cản cột chất lỏng {Tuned Liquid Column Damper-TLCD).
2.2.1 Hệ cản cột chất lỏng
Mô hình hệ cản cột chất lỏng (TLCD) cố bể chứa dạng ổng như Hình 2.2, hệ là sự kết
hợp của chuyển động của chất lỏng gây ra bồi trọng lực và lực cản do áp suất van điều
chỉnh được đặt bên trong ống. Ưu điểm của thiết bị này là: hình dạng bể chứa cố thể điều
chỉnh lỉnh hoạt để phù hợp với hình dạng kết cấu đã xây dựng; ứng xử của thiết bị cũng
tương đổi đơn giản; tính cản của thiết bị TLCD được kiểm soát nhờ điều chỉnh lỗ mở bên
trong ống; bằng cách điều chỉnh cột chất lỏng bên trong ống cố thể điều chỉnh tần số của
TLCD cho phù hợp.


11

Hĩnh 2.2: Mô tả cho hệ cản cột chất lỏng
2.2.2 Hệ cản sử dụng sóng chất lỏng TSD
Khác với thiết bị TLCD chất lỏng chuyển động theo phương đứng, thiết bị TSD dựa
vào chuyển động theo phương ngang của chất lỏng để làm giảm dao động.
Tiêu tán năng lượng của thiết bị cản chất lỏng TSD thông qua ma sát của chất lỏng và
thành bể, thông qua chuyển động của sóng bề mặt và thông qua hiện tượng sóng vỡ. Sóng
vỡ là hiện tượng một số phần tử chất lỏng rời khỏi bề mặt dao động do chuyển động chất
lỏng không ổn định, vận tốc của một số phần tử chất lỏng lớn hơn vận tốc truyền sóng, các
phần tử này vượt khỏi mặt thoáng của chất lỏng. Khi xảy ra hiện tượng này các mô tả tuyến

tính không còn hợp lý nữa.