Luận văn Phân tích khả năng giảm dao động của công trình nhà cao tầng bằng chất lỏng

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: 0 1 1 tanh 2 2 TLD hg f L L            (2.26) Tần số tự nhiên của chất lỏng văng té trong một thùng chứa hình tròn: 0 1,171 1 1,17 tanh 2 2 TLD hg f D D            (2.27) 2.4.2. Biên độ chuyển động sóng bề mặt của chất lỏng Biên độ dao động sóng chất lỏng: 2 2 0 2 2 4 sin( t) . 2 n XL L x x 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: 1 1 1 2 D TLD h h f b           (2.38) (2.38) 5 2.4.4. Lực cắt đáy do tác động của sóng chất lỏng lên thành bể. Lực cắt đáy bể:     2 21 2 xF g h h       (2.46) (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, sf ku Df cu   , Lf mu   , lần lƣợc là lực đàn hồi, lực cản và lực quán tính Phƣơng trình cân bằng lực ta có: ( ) 0S D Lp t f f f    (2.47) Hay: ( )mu cu ku p t      (2.48) 2.5.3. Mô hình hệ nhiều bậc tự do Hình 2.8. Hệ n bậc tự do 6 2.5.4. Mô hình hệ nhiều bậc tự do có đặt TLD Hình 2.10. Hệ n bậc tự do có gắn 1TLD ở tầng trên cùng 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 P2(t) u1(t) K1 c1 K2 c2 K3 - Kn-1 c3 - cn-1 Kn cn KD cD m1 m2 m3 ..... mn-1 mn mD P1(t) P3-n-1(t) Pn(t) u2(t) u3-n-1(t) un(t) uD(t) P2(t) u1(t) K1 c1 K2 c2 K3 - Kn-1 c3 - cn-1 Kn cn KD1 cD1 m1 m2 m3 ..... mn-1 mn mD1 P1(t) P3-n-1(t) Pn(t) u2(t) u3-n-1(t) un(t) uDn(t) KDn cDn mDn uD1(t) 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 73,06794 144000 0,05 10257,57 4 73,06794 144000 0,05 10257,57 5 73,06794 144000 0,05 10257,57 6 73,06794 144000 0,05 10257,57 7 73,06794 144000 0,05 10257,57 8 73,06794 144000 0,05 10257,57 9 73,06794 144000 0,05 10257,57 10 73,06794 144000 0,05 10257,57 11 73,06794 144000 0,05 10257,57 12 73,06794 144000 0,05 10257,57 13 73,06794 144000 0,05 10257,57 14 73,06794 144000 0,05 10257,57 15 73,06794 144000 0,05 10257,57 16 52,08 144000 0,05 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 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. 0 5 10 15 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 C h u y e n v i ta n g 1 6 ( c m ) Tan so f(Hz) He khong lap TLD He lap TLD Hình 3.4. Đồ thị thể hiện chuyển vị của tầng 16 cho trường hợp 1 11 Chuyển vị của tầng 16 trong trƣờng hợp thứ 2 lớn hơn trƣờng hợp thứ nhất (0,36m>0,35m). 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. 0 5 10 15 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Tan so (Hz) C h u y e n v i ta n g 1 6 ( m ) Khong lap TLD Lap TLD Hình 3.5. Đồ thị thể hiện chuyển vị của tầng 16 cho trường hợp 2 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). 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 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 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. 0 5 10 15 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Tan so(Hz) C h u y e n v i ta n g 1 6 ( m ) Khong lap TLD Lap TLD 13 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) 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 3.9, 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). 0 5 10 15 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 C h u y e n v i ta n g 1 2 ( m ) Tan so (Hz) Khong lap dat TLD Lap dat TLD Hình 3.8. Đồ thị thể hiện chuyển vị của tầng 12 cho trường hợp 1 14 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 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 3.10, có thể nhận thấy chuyển vị của tầng 12 khi công trình lắp đặt TLD nhỏ hơn lúc công trình 0 5 10 15 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Tan so (Hz) C hu ye n vi t an g 12 ( m ) Khong lap TLD Lap TLD Hình 3.9. Đồ thị thể hiện chuyển vị của tầng 12 cho trường hợp 2 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). 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. 0 5 10 15 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Tan so (Hz) C h u y e n v i ta n g 1 2 ( m ) Khong lap TLD Lap TLD Hình 3.10. Đồ thị thể hiện chuyển vị của tầng 12 cho trường hợp 3 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.