Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến khả năng kháng chấn của công trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------

NGUYỄN NGỌC VIÊN

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BỂ NƯỚC
ĐẾN KHẢ NĂNG KHÁNG CHẤN CỦA CƠNG TRÌNH
Chun ngành : Xây Dựng Dân Dụng – Công Nghiệp
Mã số ngành : 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Trọng Phước

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Chu Quốc Thắng

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. HCM
Ngày 19 tháng 02 năm 2016

Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Ngô Hữu Cường
2. PGS.TS. Chu Quốc Thắng

3. PGS. TS. Lương Văn Hải
4. TS. Lê Trung Kiên
5. TS. Cao Văn Vui
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
nghành sau khi luận văn được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Ngơ Hữu Cường

TRƯỞNG KHOA


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---o0o---

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN NGỌC VIÊN

MSHV: 7140176

Ngày, tháng, năm sinh: 28/02/1989

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng - Công Nghiệp

Mã số : 60580208

TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BỂ NƯỚC ĐẾN KHẢ NĂNG KHÁNG
CHẤN CỦA CƠNG TRÌNH
1- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
 Tìm hiểu mơ hình của bể nước mái trong kết cấu, xác định các thông số động lực
học của bể nước, tương đương hệ giảm chấn chất lỏng (TLD).
 Xây dựng mơ hình kết cấu khung phẳng có gắn bể nước mái như hệ giảm chấn
dạng chất lỏng, lập phương trình chủ đạo, viết chương trình tính.
 Phân tích hiệu quả giảm dao động của hệ giảm chấn dạng chất lỏng khi kết cấu
chịu tải điều hòa và động đất dựa trên chương trình tính tốn được xây dựng
bằng ngơn ngữ lập trình MATLAB.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/07/2015
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 04/12/2015
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC
Tp. HCM, ngày….. tháng ….. năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Nguyễn Trọng Phước
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


i

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Trọng

Phước. Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài và Thầy
góp ý cho tơi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu,
cũng như cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường
Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy cho tôi những kiến thức quý giá, đó
cũng là những kiến thức vơ cùng hữu ích trên con đường nghiên cứu khoa học và sự
nghiệp của tôi sau này.
Tôi cũng xin cảm ơn các anh chị quản lý thư viện đã tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi được tham khảo nguồn tài liệu quý giá của trường, cám ơn các anh chị
phòng đào tạo Sau đại học tạo nhiều điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình tôi theo
học.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân, gia đình và
bạn bè đã ln cổ vũ động viên tơi trong suốt q trình học tập, nghiên cứu khoa
học và thực hiện đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn !


ii

TĨM TẮT
Phân tích hiệu quả giảm dao động cho kết cấu của bể nước mái được mơ
hình như hệ giảm chấn chất lỏng (TLD – Tuned Liquid Damper) là nội dung được
thực hiện trong luận văn này. Mơ hình với các thông số cản và độ cứng phi tuyến
của bể nước NSD (Nonlinear Stiffness Damping) được sử dụng để phân tích ứng xử
của hệ giảm chấn TLD. Kết cấu chính được rời rạc hóa bởi các khối lượng tập trung
tại các tầng và bậc tự do động lực học được xét là chuyển vị ngang của các tầng.
Phương trình chuyển động của kết cấu có gắn bể nước mái được thiết lập dựa trên
nguyên lý cân bằng động, và phương trình này được giải bằng phương pháp từng
bước Newmark trên tồn miền thời gian. Dựa trên ngơn ngữ lập trình MATLAB,
một chương trình máy tính được viết để phân tích phản ứng động của kết cấu có gắn

bể nước mái khi chịu tải điều hịa và động đất, chương trình này được kiểm chứng
với một số kết quả từ các nghiên cứu khác khi cùng thông số đầu vào. Kết quả số
thu được là chuyển vị, gia tốc và nội lực của kết cấu cho thấy hiệu quả của việc sử
dụng bể nước mái. Đồng thời khảo sát các yếu tố tỷ số khối lượng (dung tích nước)
so với tổng khối lượng kết cấu, tỷ số tần số của bể nước so với tần số dao động
riêng của kết cấu nhằm tìm ra các thơng số phù hợp cho sự làm việc hiệu quả của
bể.


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
Thầy TS. Nguyễn Trọng Phước. Các kết quả trong luận văn được thực hiện một cách trung
thực và khách quan.

TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

Nguyễn Ngọc Viên

năm 2016


iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
TÓM TẮT .................................................................................................................. ii

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU................................................................................. viii
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................x
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................xv
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU .........................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu .........................................................................................7
1.3. Phương pháp thực hiện .....................................................................................7
1.4. Cấu trúc luận văn ..............................................................................................8
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN .......................................................................................9
2.1. Giới thiệu ..........................................................................................................9
2.2. Hệ giảm chấn chất lỏng ....................................................................................9
2.2.1. Phân loại hệ giảm chấn chất lỏng ...............................................................9
2.2.2. Ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong thực tế ......................................11
2.2.3. Tổng quan tài liệu về hệ giảm chấn chất lỏng ..........................................13
2.4. Kết luận chương ..............................................................................................18
CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................19
3.1. Giới thiệu ........................................................................................................19
3.2. Nguyên lý hoạt động của giảm chấn chất lỏng ...............................................19
3.3. Chuyển động của chất lỏng trong bể chứa......................................................19
3.3.1. Sóng nước nơng tuyến tính.......................................................................20
3.3.2. Tần số dao động tự nhiên của sóng nơng .................................................22
3.3.3. Phân loại sóng chất lỏng ...........................................................................24
3.4. Mơ hình phân tích hệ giảm chấn chất lỏng .....................................................25
3.5. Mơ hình phân tích kết cấu có gắn TLD ..........................................................29


v

3.6. Phương pháp giải và thuật toán ......................................................................33
3.6.1. Phương pháp giải ......................................................................................34
3.6.2. Thuật toán .................................................................................................36
3.7. Kết luận chương ..............................................................................................36
CHƯƠNG 4 VÍ DỤ SỐ ...........................................................................................37
4.1. Giới thiệu ........................................................................................................37
4.2. Kiểm chứng chương trình tính ........................................................................37
4.2.1. Bài tốn tần số riêng và dạng dao động riêng của kết cấu .......................37
4.2.2. Bài toán phân tích kết cấu khi chịu động đất ...........................................38
4.2.3. Bài tốn kết cấu có gắn TLD chịu động đất .............................................40
4.3. Phân tích đáp ứng của hệ gắn TLD chịu tải điều hòa .....................................42
4.3.1. Đánh giá hiệu quả giảm chấn của TLD cho kết cấu.................................42
4.3.2. Khảo sát tỷ số khối lượng TLD ................................................................49
4.3.3. Khảo sát tỷ số giữa tần số TLD và tần số kết cấu ....................................52
4.3.4. Khảo sát chiều cao mực nước ..................................................................55
4.3.5. Phân tích đáp ứng trên miền tần số ..........................................................58
4.3.6. Đánh giá TLD khi chiều cao mực nước trong các bể khác nhau .............59
4.4. Phân tích đáp ứng của hệ gắn TLD chịu động đất Superstition .....................64
4.4.1. Đánh giá hiệu quả giảm chấn của TLD cho kết cấu.................................65
4.4.2. Khảo sát tỷ số khối lượng TLD ................................................................70
4.4.3. Khảo sát tỷ số giữa tần số của TLD và tần số kết cấu..............................73
4.4.4. Khảo sát chiều cao mực nước trong các bể chứa .....................................76
4.4.5. Đánh giá TLD khi chiều cao mực nước trong các bể khác nhau .............79
4.4. Phân tích đáp ứng của hệ gắn TLD chịu động đất San Fernando ..................81
4.4.1. Đánh giá hiệu quả giảm chấn của TLD cho kết cấu.................................82
4.4.2. Khảo sát tỷ số khối lượng TLD ................................................................87
4.5.3. Khảo sát tỷ số giữa tần số TLD và tần số kết cấu ....................................90
4.5.4. Khảo sát chiều cao mực nước trong các bể chứa .....................................93
4.5.5. Đánh giá TLD khi chiều cao mực nước trong các bể khác nhau .............95
4.6. Kết luận chương ..............................................................................................97

vi
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................99
5.1. Kết luận ...........................................................................................................99
5.2. Hướng phát triển ...........................................................................................100
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................101
PHỤ LỤC ................................................................................................................105


vii

MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT
TLD

Tuned Liquid Damper – Hệ giảm chấn điều chỉnh chất lỏng

TLCD

Tuned Liquid Column Damper – Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất
lỏng

TMD

Tuned Mass Damper –Hệ giảm chấn điều chỉnh khối lượng

NSD

Nonlinear Stiffness Damping – Mơ hình giảm chấn khối lượng tương
đương với độ cứng và cản phi tuyến

viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Φ

Hàm thế vận tốc

L

Chiều dài sóng chất lỏng

H

Chiều cao sóng chất lỏng



Tần số góc của sóng chất lỏng

f

Tần số của sóng chất lỏng

T

Chu kỳ dao động của sóng chất lỏng

2a

Chiều dài bể chứa

B

Chiều rộng bể chứa

h

Chiều cao chất lỏng trong bể chứa

md

Khối lượng của mơ hình giảm chấn khối lượng tương đương

kd

Độ cứng của mơ hình giảm chấn khối lượng tương đương

cd

Hệ số cản của mô hình giảm chấn khối lượng tương đương

fd

Tần số của mơ hình giảm chấn khối lượng tương đương

d

Tỷ số cản của mơ hình giảm chấn khối lượng tương đương



Tỷ số điều chỉnh độ cứng

A

Biên độ dao động



Giá trị không thứ nguyên của biên độ dao động

Ms

Ma trận khối lượng của kết cấu nhiều bậc tự do

Ks

Ma trận độ cứng của kết cấu nhiều bậc tự do

Cs

Ma trận cản của kết cấu nhiều bậc tự do

us

Vector chuyển vị của kết cấu nhiều bậc tự do

us

Vector vận tốc của kết cấu nhiều bậc tự do

us

Vector gia tốc của kết cấu nhiều bậc tự do

M

Ma trận khối lượng của hệ gồm kết cấu và giảm chấn

K

Ma trận độ cứng của hệ gồm kết cấu và giảm chấn

C

Ma trận cản của hệ gồm kết cấu và giảm chấn

u

Vector chuyển vị của hệ gồm kết cấu và giảm chấn


ix
u

Vector vận tốc của hệ gồm kết cấu và giảm chấn

u

Vector gia tốc của hệ gồm kết cấu và giảm chấn

t , t

Thời gian, bước thời gian

i

Số nguyên, thể hiện giá trị của các đại lượng tại thời điểm t

i 1

Số nguyên, thể hiện giá trị của các đại lượng tại thời điểm t  t

u

Số gia chuyển vị giữa hai thời điểm i và i  1

u

Số gia vận tốc giữa hai thời điểm i và i  1

u

Số gia gia tốc giữa hai thời điểm i và i  1

ug

Gia tốc nền của động đất theo thời gian

ms

Khối lượng của kết cấu có một bậc tự do

ks

Độ cứng của kết cấu có một bậc tự do

cs

Hệ số cản của kết cấu có một bậc tự do



Tỷ số cản của kết cấu

fs

Lực đàn hồi

fD

Lực cản

fL

Lực quán tính

K eff

Ma trận độ cứng hiệu dụng

Peff

Vector tải trọng hiệu dụng

K si

Ma trận độ cứng cát tuyến

K ti

Ma trận độ cứng tiếp tuyến

Csi

Ma trận cản cát tuyến

Cti

Ma trận cản tiếp tuyến



Tỷ số khối lượng



Tỷ số tần số

x

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Động đất Northridge, năm 1994 .................................................................2
Hình 1.2 Động đất Kobe, năm 1995 ..........................................................................2
Hình 1.3 Động đất Sumatra, Indonesia, năm 2004 ...................................................3
Hình 1.4 Động đất Nepal, 2015 .................................................................................3
Hình 1.5 Cơng trình bị phá hoại do bão tại Keokuk, Mỹ, năm 2011………………4
Hình 1.6 Tần suất xuất hiện của bão biển trên thế giới từ năm 1980 đến 2000 ........5
Hình 2.1 Hệ giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD) ......................................10
Hình 2.2 Hệ giảm chấn điều chỉnh sóng chất lỏng ..................................................11
Hình 2.3 Thiết bị MCC Aqua Damper ở tịa nhà Gold Tower ................................12
Hình 2.4 TLD ở Shin Yokohama Tower (Tamura et al, 1995) ...............................12
Hình 2.5 Tháp Yokohama Marine và khách sạn Yokohama Prince sử dụng TLD.13
Hình 3.1 Định nghĩa các tham số trong chuyển động sóng.....................................20
Hình 3.2 Sóng trong bể chữ nhật chịu chuyển vị ngang .........................................22
Hình 3.3 Sự phụ thuộc của tần số vào kích thước bể và tỷ số chiều sâu mực nước24
Hình 3.4 Mơ hình TLD (a) và mơ hình NSD tương đương (b) ..............................26
Hình 3.5 Biểu đồ chuyển vị theo thời gian để xác định A ......................................27
Hình 3.6 Mơ hình kết cấu một bậc tự do có gắn TLD và mơ hình NSD ................28
Hình 3.7 Sơ đồ khối xác định các thông số của mơ hình NSD ...............................29
Hình 3.8 Kết cấu thật (a) và mơ hình kết cấu (b) ....................................................30
Hình 3.9 Mơ hình cơ học tương đương ...................................................................30
Hình 3.10 Phân tích lực tác động lên hệ ..................................................................30
Hình 4.1 Gia tốc nền động đất El Centro 1940 .......................................................39
Hình 4.2 Phổ năng lượng động đất El Centro 1940 ................................................39
Hình 4.3 Gia tốc nền động đất El Centro 1940 .......................................................41
Hình 4.4 So sánh chuyển vị tầng 3 với bài báo [2] .................................................41

Hình 4.5 So sánh gia tốc tầng 3 với bài báo [2] ......................................................42
Hình 4.6 Mơ hình kết cấu 20 tầng có gắn TLD .......................................................43
Hình 4.7 Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh theo thời gian ............................................44
Hình 4.8 Đáp ứng vận tốc tầng đỉnh theo thời gian ................................................44


xi
Hình 4.9 Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh theo thời gian .................................................44
Hình 4.10 Sự thay đổi của hệ số ξd theo thời gian ..................................................45
Hình 4.11 Sự thay đổi của hệ số κ theo thời gian....................................................45
Hình 4.12 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng ..............................................................46
Hình 4.13 Độ giảm chuyển vị lớn nhất tại các tầng ................................................46
Hình 4.14 Vận tốc lớn nhất tại các tầng ..................................................................46
Hình 4.15 Độ giảm vận tốc lớn nhất tại các tầng ....................................................47
Hình 4.16 Gia tốc lớn nhất tại các tầng ...................................................................47
Hình 4.17 Độ giảm gia tốc lớn nhất tại các tầng .....................................................47
Hình 4.18 Lực cắt lớn nhất tại các tầng ...................................................................48
Hình 4.19 Độ giảm lực cắt lớn nhất tại các tầng .....................................................48
Hình 4.20 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi .......................................49
Hình 4.21 Độ giảm chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi.........................50
Hình 4.22 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi............................................50
Hình 4.23 Độ giảm gia tốc lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi .............................50
Hình 4.24 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi ...........................................51
Hình 4.25 Độ giảm lực cắt lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi..............................51
Hình 4.26 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi γ thay đổi .......................................52
Hình 4.27 Độ giảm chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi γ thay đổi .........................53
Hình 4.28 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi γ thay đổi ............................................53
Hình 4.29 Độ giảm gia tốc lớn nhất tại các tầng khi γ thay đổi ..............................53
Hình 4.30 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi γ thay đổi ............................................54
Hình 4.31 Độ giảm lực cắt lớn nhất tại các tầng khi γ thay đổi ..............................54

Hình 4.32 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi .......................................55
Hình 4.33 Độ giảm chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi .........................56
Hình 4.34 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi ............................................56
Hình 4.35 Độ giảm gia tốc lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi ..............................56
Hình 4.36 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi ...........................................57
Hình 4.37 Độ giảm lực cắt lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi ..............................57
Hình 4.38 Đáp ứng tần số của hệ với nhiều tỷ số khối lượng .................................58


xii
Hình 4.39 Đáp ứng tần số của hệ với nhiều tỷ số tần số .........................................58
Hình 4.40 Đáp ứng tần số của hệ với nhiều chiều cao mực nước ...........................59
Hình 4.41 Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh khi chịu tải điều hịa ................................61
Hình 4.42 Đáp ứng vận tốc tầng đỉnh khi chịu tải điều hịa ....................................61
Hình 4.43 Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh khi chịu tải điều hịa .....................................61
Hình 4.44 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hịa ............................62
Hình 4.45 Độ giảm chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hịa ..............62
Hình 4.46 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hịa .................................62
Hình 4.47 Độ giảm gia tốc lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hịa ...................63
Hình 4.48 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hịa .................................63
Hình 4.49 Độ giảm lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu tải điều hịa ...................63
Hình 4.50 Gia tốc nền động đất Superstition ..........................................................64
Hình 4.51 Phổ năng lượng động đất Superstition ...................................................64
Hình 4.52 Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh khi kết cấu chịu Superstition ...................66
Hình 4.53 Đáp ứng vận tốc tầng đỉnh khi kết cấu chịu Superstition.......................66
Hình 4.54 Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh khi kết cấu chịu Superstition .......................66
Hình 4.55 Độ gảm chuyển vị, vận tốc và gia tốc khi chịu Superstition ..................67
Hình 4.56 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu Superstition ............................68
Hình 4.57 Độ giảm chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu Superstition ..............68
Hình 4.58 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi chịu Superstition.................................68

Hình 4.59 Độ giảm gia tốc lớn nhất tại các tầng khi chịu Superstition...................69
Hình 4.60 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu Superstition ................................69
Hình 4.61 Độ giảm lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu Superstition...................69
Hình 4.62 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi .......................................70
Hình 4.63 Độ giảm chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi.........................71
Hình 4.64 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi............................................71
Hình 4.65 Độ giảm gia tốc lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi .............................71
Hình 4.66 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi ...........................................72
Hình 4.67 Độ giảm lực cắt lớn nhất tại các tầng khi µ thay đổi..............................72
Hình 4.68 Chuyển vị lớn nhất tại các tần khi γ thay đổi .........................................73


xiii
Hình 4.69 Độ giảm chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi γ thay đổi .........................74
Hình 4.70 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi γ thay đổi ............................................74
Hình 4.71 Độ giảm gia tốc lớn nhất tại các tầng khi γ thay đổi ..............................74
Hình 4.72 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi γ thay đổi ............................................75
Hình 4.73 Độ giảm lực cắt lớn nhất tại các tầng khi γ thay đổi ..............................75
Hình 4.74 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi .......................................77
Hình 4.75 Độ giảm chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi .........................77
Hình 4.76 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi ............................................77
Hình 4.77 Độ giảm gia tốc lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi ..............................78
Hình 4.78 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi ...........................................78
Hình 4.79 Độ giảm lực cắt lớn nhất tại các tầng khi h thay đổi ..............................79
Hình 4.80 Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh khi chịu Superstition ...............................79
Hình 4.81 Đáp ứng vận tốc tầng đỉnh khi chịu Superstition ...................................80
Hình 4.82 Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh khi chịu Superstition ....................................80
Hình 4.83 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu Superstition ............................80
Hình 4.84 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi chịu Superstition.................................81
Hình 4.85 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu Superstition ................................81

Hình 4.86 Gia tốc nền động đất San Fernando........................................................82
Hình 4.87 Phổ năng lượng động đất San Fernando.................................................82
Hình 4.88 Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh khi chịu động đất San Fernando .............83
Hình 4.89 Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh khi chịu động đất San Fernando ..................83
Hình 4.90 Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh khi chịu động đất San Fernando ..................84
Hình 4.91 Độ giảm chuyển vị, vận tốc và gia tốc khi chịu động đất San Fernando
...................................................................................................................................85
Hình 4.92 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất San Fernando ..........85
Hình 4.93 Độ giảm chuyển vị tại các tầng khi chịu động đất San Fernando ..........86
Hình 4.94 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất San Fernando ...............86
Hình 4.95 Độ giảm gia tốc tại các tầng khi chịu động đất San Fernando ...............86
Hình 4.96 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu động đất San Fernando ..............87
Hình 4.97 Độ giảm lực cắt tại các tầng khi chịu động đất San Fernando ...............87


xiv
Hình 4.98 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando với μ thay đổi .88
Hình 4.99 Độ giảm chuyển vị tại các tầng khi chịu San Fernando với μ thay đổi..88
Hình 4.100 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando với μ thay đổi ....88
Hình 4.101 Độ giảm gia tốc tại các tầng khi chịu San Fernando với μ thay đổi ....89
Hình 4.102 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando với μ thay đổi ....89
Hình 4.103 Độ giảm lực cắt tại các tầng khi chịu San Fernando với μ thay đổi.....90
Hình 4.104 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando với γ thay đổi 91
Hình 4.105 Độ giảm chuyển vị tại các tầng khi chịu San Fernando với γ thay đổi 91
Hình 4.106 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando với γ thay đổi .....91
Hình 4.107 Độ giảm gia tốc tại các tầng khi chịu San Fernando với γ thay đổi .....92
Hình 4.108 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando với γ thay đổi ....92
Hình 4.109 Độ giảm lực cắt tại các tầng khi chịu San Fernando với γ thay đổi .....92
Hình 4.110 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando với h thay đổi 93
Hình 4.111 Độ giảm chuyển vị tại các tầng khi chịu San Fernando với h thay đổi 93

Hình 4.112 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando với h thay đổi.....94
Hình 4.113 Độ giảm gia tốc tại các tầng khi chịu San Fernando với h thay đổi .....94
Hình 4.114 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando với h thay đổi ....94
Hình 4.115 Độ giảm lực cắt tại các tầng khi chịu San Fernando với h thay đổi .....95
Hình 4.116 Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh khi chịu San Fernando ..........................95
Hình 4.117 Đáp ứng vận tốc tầng đỉnh khi chịu San Fernando ..............................96
Hình 4.118 Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh khi chịu San Fernando ...............................96
Hình 4.119 Chuyển vị lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando .......................96
Hình 4.120 Gia tốc lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando ............................97
Hình 4.121 Lực cắt lớn nhất tại các tầng khi chịu San Fernando ...........................97


xv

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thiệt hại về người và tài sản qua một số trận động đất .............................1
Bảng 3.1 Phân loại sóng chất lỏng ..........................................................................25
Bảng 4.1 Khối lượng và độ cứng của khung 3 tầng ................................................37
Bảng 4.2 Tần số dao động riêng của khung ............................................................38
Bảng 4.3 Các dạng dao động riêng của khung ........................................................38
Bảng 4.4 Chuyển vị lớn nhất các tầng ....................................................................39
Bảng 4.5 Thông số TLD trong trường hợp dùng 1 TLD .........................................40
Bảng 4.6 Thông số TLD trong trường hợp dùng 3 TLD .........................................40
Bảng 4.7 Thông số TLD dùng đánh giá hiệu quả khi hệ chịu tải điều hòa .............43
Bảng 4.8 Thơng số TLD dùng khảo sát µ ...............................................................49
Bảng 4.9 Thông số TLD dùng để khảo sát γ ...........................................................52
Bảng 4.10 Thông số TLD dùng để khảo sát chiều cao mực nước............................55
Bảng 4.11 Thông số TLD khi chiều cao mực nước trong các bể khác nhau...........60
Bảng 4.12 Thông số TLD dùng đánh giá hiệu quả khi hệ chịu động đất Superstition
...................................................................................................................................65

Bảng 4.13 Chuyển vị, vận tốc và gia tốc lớn nhất tại tầng đỉnh khi chịu Superstition
...................................................................................................................................67
Bảng 4.14 Thông số TLD dùng khảo sát γ khi chịu Superstition............................73
Bảng 4.15 Thông số TLD dùng khảo sát chiều cao mực nước khi chịu Superstition
...................................................................................................................................76
Bảng 4.16 Chuyển vị, vận tốc là gia tốc lớn nhất tại tầng đỉnh khi chịu San
Fernando ....................................................................................................................84


1

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Động đất là sự chuyển động của nền đất, gió bão do sự thay đổi khí hậu và vì
vậy chúng có ảnh hưởng đến cơng trình xây dựng trên nền đất, có thể ảnh hưởng
khá lớn. Các trận động đất lớn gây sụp đổ các cơng trình xây dựng do lực qn tính
của chính khối lượng cơng trình gây ra; gió bão gây ra áp lực lớn lên bề mặt và có
thể nguy hiểm cho cơng trình. Trong những thập niên gần đây, với sự phát triển
mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, ngành vật liệu xây dựng đã tạo ra những vật liệu có
trọng lượng nhẹ hơn mà cường độ chịu lực cao hơn; nên kết cấu dùng vật liệu này
có khuynh hướng tăng độ mảnh, tiết diện nhỏ đi. Xét trên khía cạnh đặc trưng động
lực học có thể thấy rằng tần số riêng của hệ có thể nhỏ hơn và trở nên nguy hiểm
hơn khi chịu tác động của tải trọng động như gió và động đất. Hơn nữa, gió và cả
động đất đã và đang xuất hiện nhiều nơi trên thế giới, cũng không hạn chế vùng
miền; và trong quá khứ cũng như gần đây chúng gây ra khá nhiều tổn thất nặng nề
về người và cơng trình xây dựng; một số ví dụ như trong bảng 1.1 và các hình vẽ
Bảng 1.1 Thiệt hại về người và tài sản qua một số trận động đất
Cường độ

Thời gian

Northidge, California

17/01/1994

6.8

60

20

Kobe, Nhật Bản

17/01/1995

6.8

5502

147

Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ

17/08/1999

7.8

17118

6.5

Chi-Chi, Đài Loan

28/09/1999

7.6

2400

14

Gujarat, Ấn Độ

26/01/2001

7.6

20085

4.5

Sumatra, Inđônêxia

26/12/2004

9.1

283106

200

Haiti

12/01/2012

7.0

222570

14

(Richter)

Con người

Tài sản

Địa điểm

(tỷ USD)


2

Hình 1.1 Động đất Northridge, năm 1994

Hình 1.2 Động đất Kobe, năm 1995

3

Hình 1.3 Động đất Sumatra, Indonesia, năm 2004

Hình 1.4 Động đất Nepal, 2015


4

Hình 1.5 Cơng trình bị phá hoại do bão tại Keokuk, Mỹ, năm 2011
Tại Việt Nam đã từng ghi nhận hai trận động đất có cường độ mạnh. Một là
động đất Điện Biên (năm 1935) với cường độ 6.75 độ Richter xảy ra trên đới đứt
gãy sông Mã. Hai là động đất Tuần Giáo (năm 1983) với cường độ 6.8 độ Richter
xảy ra trên đứt gãy Sơn La. Từ năm 2005 trở lại đây, ngày càng xuất hiện nhiều trận
động đất hơn, có năm nhiều hơn đến 10 trận. Ví dụ, năm 2007 ở ngoài khơi Vũng
Tàu – Phan Thiết xảy ra động đất 5.3 độ Richter, đầu năm 2011 cũng xảy một trận
với cường độ 4.7 độ Richter. Ngoài ra, Việt Nam nằm trong khu vực có tần suất
xuất hiện bão nhiệt đới lớn nhất trên thế giới (hình 1.6), mỗi năm có hàng chục cơn
bão và đã tác động lên nhiều cơng trình xây dựng và cũng đã gây nguy hại cho một
số cơng trình.


5

Hình 1.6 Tần suất xuất hiện của bão biển trên thế giới từ năm 1980 đến 2000
Qua một số nhận xét trên, có thể thấy rằng sự tác động của gió bão và động
đất đối với các cơng trình xây dựng là quan trọng. Với trình độ khoa học kỹ thuật
hiện tại, khó có thể dự báo khi nào xảy ra động đất, cấp độ là bao nhiêu; hay khi nào
xảy ra bão lớn, nhiều hay ít một cách chính xác; nên việc tìm giải pháp kết cấu để
an tồn hơn khi chịu tác động của các nguyên nhân này rất cần thiết. Sự cần thiết

này không chỉ trong điều kiện ở trong nước mà cả ở nước ngoài. Nên hướng nghiên
cứu này có tính thời sự đối với các kỹ sư kết cấu và ngày càng thu hút sự quan tâm.
Để kết cấu có thể phù hợp hơn với các tác động trên, giải pháp truyền thống
là tăng độ cứng và khả năng chịu lực của kết cấu bằng cách tăng kích thước tiết diện
của các cấu kiện như cột, dầm, vách cứng. Tuy nhiên, giải pháp này có nhược điểm
là tăng trọng lượng bản thân kết cấu kéo theo tăng chi phí xây dựng mà hiệu quả đạt
được là khơng cao. Vì lý do đó, trong thời gian gần đây các nhà khoa học và kỹ sư
đã nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp giảm chấn cho kết cấu, nhằm hạn chế bớt
những hư hỏng mà công trình phải gánh chịu do các tác động của tự nhiên, đặc biệt
là do động đất gây ra. Các giải pháp giảm chấn có thể chia thành ba nhóm chính:
Giải pháp dạng bị động, giải pháp dạng chủ động và giải pháp dạng bán chủ động.
Hai giải pháp sau đòi hỏi phải phối hợp nhiều ngành khoa học liên quan xây dựng,


6
tự động, điện,… nên hiện nay đang được quan tâm nhưng cịn rất nhiều khó khăn và
kết quả cũng cịn nhiều hạn chế. Sự thành công của giải pháp đầu tiên, giảm chấn bị
động đã đóng góp nhiều trong ngành cả về cơ sở lý thuyết và một số ứng dụng cụ
thể.
Trong các giải pháp giảm chấn dạng bị động, giải pháp dùng chất lỏng rất có
hiệu quả bởi các lý do như khả năng hấp thụ cũng như tiêu tán năng lượng dao động
cao ngay cả với các kích động nhỏ; có thể kết hợp TLD làm bể nước sinh hoạt; tốn
rất ít chi phí xây dựng và bảo trì hơn các thiết bị khác, giá thành thấp nên khá phù
hợp trong điều kiện nước ta. Trên thế giới việc áp dụng giảm chấn dạng chất lỏng
để giảm dao động cho các cơng trình xây dựng đã nhận được sự quan tâm nghiên
cứu của nhiều nhà khoa học và cũng đã được ứng dụng; hơn nữa các nghiên cứu về
hướng này gần đây cũng được công bố tương đối nhiều trên các tạp chí khoa học .
Ở Việt Nam, năm 2006, lần đầu tiên hệ giảm chấn chất lỏng được áp dụng để giảm
dao động do gió cho tháp cầu dây văng Bãi Cháy. Tuy nhiên việc nghiên cứu về hệ
giảm chấn có nhiều ưu điểm này cịn hạn chế. Các cơng trình nghiên cứu ở Việt

Nam về hệ giảm chấn dạng chất lỏng trong thời gian gần đây có thể kể đến như sau:
-

Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản điều chỉnh
cột chất lỏng (TLCD), luận văn thạc sĩ, Ngô Ngọc Cường, 2003

-

Nghiên cứu giải pháp giảm dao động xoắn của công trình bằng hệ cản
điều chỉnh cột chất lỏng TLCD, luận văn thạc sĩ, Lê Ngọc Bảo, 2007

-

Phân tích khả năng kháng chấn của cơng trình sử dụng các bể chứa
trong đó có xét đến sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể, luận văn
thạc sĩ, Bùi Phạm Đức Tường, 2010

-

Nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong kiểm soát dao động
cho cầu dây văng tại Việt Nam, luận án tiến sĩ, Nguyễn Đức Thị Thu
Định, 2015

Trong các nghiên cứu trên, nghiên cứu của Ngô Ngọc Cường và Lê Ngọc
Bảo nghiên cứu về hệ giảm chấn ở dạng điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD). Nghiên
cứu của Bùi Phạm Đức Tường tập trung phân tích dao động của sóng chất lỏng bên
trong bể chứa khi nhấn mạnh đến sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể hơn là


7

đánh giá tính hiệu quả của hệ giảm chấn điều chỉnh chất lỏng. Nghiên cứu của tác
giả Nguyễn Đức Thị Thu Định tập trung giải quyết bài toán hệ một bậc tự do có gắn
TLD chịu tải trọng điều hịa. Từ nhận định trên, luận văn này chọn đề tài Phân tích
ảnh hưởng của bể nước đến khả năng kháng chấn của cơng trình nhằm chú trọng
giải quyết bài tốn kết cấu nhiều bậc tự do có gắn TLD chịu tải điều hòa và động
đất.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích sự ảnh hưởng của bể nước,
đóng vai trị như hệ giảm chấn đến khả năng kháng chấn của kết cấu cơng trình;
khảo sát sự ảnh hưởng của TLD đến hiệu quả giảm chấn khi thay đổi các thông số
liên quan.
Để đạt được mục tiêu trên, các công việc cụ thể được đề ra như sau: tìm hiểu
mơ hình của bể nước mái trong kết cấu, xác định các thông số động lực học của bể
nước theo mơ hình phi tuyến; xây dựng mơ hình kết cấu khung phẳng có gắn bể
nước chịu tải trọng động với bậc tự do là chuyển vị ngang các sàn tầng, thiết lập
phương trình chủ đạo và lựa chọn phương pháp giải; phân tích hiệu quả giảm dao
động của TLD khi kết cấu chịu tải điều hòa và động đất dựa trên chương trình tính
tốn được xây dựng bằng ngơn ngữ lập trình MATLAB.
1.3. Phương pháp thực hiện
Mục tiêu của luận văn này là theo hướng lý thuyết, nên phương pháp thực
hiện là lý thuyết và phân tích số liệu từ lập trình. Trước hết tìm hiểu cơ sở lý thuyết,
các mơ hình tính tốn của bể nước, lựa chọn mơ hình cho bể nước. Ứng dụng mơ
hình NSD (Nonlinear Stiffness Damping) – mơ hình hệ giảm chấn khối lượng tương
đương với thông số độ cứng và tính cản phi tuyến để phân tích TLD. Phương trình
chủ đạo của kết cấu gắn TLD được thiết lập dựa trên sự cân bằng động, vì mơ hình
là phi tuyến nên phương trình này là phương trình vi phân phi tuyến và giải bằng
phương pháp từng bước Newmark, gia tốc nền được lựa chọn là những trận động
đất có phổ tần số tương đối gần với tần số riêng của kết cấu. Thông qua các kết quả
số thu được, bàn luận về tính hiệu quả của TLD.