Luận án tiến sĩ: Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất

• Tác giả: Trịnh Thị Hoa
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Đặc Biệt
• Đề tài: Phân Tích Ảnh Hưởng Của Bể Nước Đến Mức Độ Giảm Chấn Của Nhà Cao Tầng Chịu Động Đất
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, VÀ CÁC KÝ HIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BỂ CHỨA CHẤT LỎNG ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
• 1.1. Các tác động gây ra dao động cho kết cấu nhà cao tầng
• 1.2. Tác động do động đất
• 1.3. Tác động do gió
• 1.4. Biện pháp giảm dao động cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất
• 1.4.1. Giảm chấn theo cơ chế hoạt động
• 1.4.2. Giảm chấn theo các giải pháp giảm dao động
• 1.4.3. Giải pháp cách chấn
• 1.4.4. Giải pháp giảm chấn
• 1.5. Bể nước trên các tòa nhà cao tầng và tác dụng giảm chấn
• 1.5.1. Vai trò của bể nước đối với tòa nhà cao tầng
• 1.5.2. Khái niệm hệ giảm chấn chất lỏng
• 1.5.3. Phân loại hệ giảm chấn chất lỏng
• 1.5.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng
• 1.5.4.1. Tình hình nghiên cứu hệ giảm chấn chất lỏng
• 1.5.4.2. Tình hình ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG CỦA BỂ CHỨA CHẤT LỎNG TRÊN CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT
• 2.1. Cơ chế hoạt động của hệ giảm chấn chất lỏng TLD
• 2.2. Cơ sở lý thuyết phân tích cho hệ một bể
• 2.3. Tương tác giữa sóng chất lỏng và thành bể chứa
• 2.4. Cơ sở lý thuyết phân tích chung cho các dạng bể chứa
• 2.5. Cơ sở lý thuyết phân tích cho bể chứa dạng hình chữ nhật
• 2.6. Cơ sở lý thuyết phân tích cho hệ nhiều bể
• 2.7. Cơ sở lý thuyết phân tích gối liên kết giữa bể chứa chất lỏng và kết cấu
• 2.8. Các dạng mô hình phân tích bể chứa chất lỏng
• 2.8.1. Mô hình phân tích của Sun (Mô hình sử dụng phương trình động lực học chất lỏng)
• 2.8.2. Mô hình phân tích của Yu (Mô hình qui đổi khối lượng tương đương)
• 2.9. Các phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng
• 2.9.1. Phương pháp giải tích sử dụng mô hình hệ giảm chấn khối lượng tương đương (TMD) của Housner và Haroun
• 2.9.2. Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm
• 2.9.3. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.9.4. Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mô hình thí nghiệm
• 2.9.5. Mô hình thí nghiệm của Luboya
• 2.9.6. Mô hình tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.9.7. Kết quả phân tích kết cấu khung dưới tác dụng của tải điều hòa
• 2.9.8. Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mô hình đề xuất của Houner và Haroun
• 2.9.9. Xác định tần số dao động của sóng chất lỏng trong bể chứa
• 2.9.10. Xác định giá trị lực cắt đáy bể dưới tác dụng của tải trọng điều hòa
• 2.9.11. Nhận xét phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng
• 2.10. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG BỂ NƯỚC ĐẾN MỨC ĐỘ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
• 3.1. Mục tiêu phân tích
• 3.2. Xây dựng phương pháp phân tích
• 3.3. Hàm hiệu quả
• 3.4. Mô hình phân tích
• 3.5. Tác dụng của động đất
• 3.6. Phương pháp tính toán
• 3.7. Phân tích ảnh hưởng của bể nước theo các tham số
• 3.7.1. Ảnh hưởng kích thước bể và chiều cao mực nước trong bể
• 3.7.2. Ảnh hưởng của số lượng bể đến mức độ giảm chấn
• 3.7.3. Ảnh hưởng của gối liên kết giữa bể nước và kết cấu đến mức độ giảm chấn
• 3.7.4. Lựa chọn số liệu phân tích
• 3.7.5. Ảnh hưởng của gối liên kết giữa bể nước và kết cấu
• 3.8. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG BỂ NƯỚC ĐỂ GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
• 4.1. Lựa chọn kết cấu nhà cao tầng
• 4.2. Xây dựng mô hình phân tích ảnh hưởng của bể nước đến tòa nhà cao tầng
• 4.3. Đề xuất mô hình
• 4.4. Xác định các thông số của mô hình
• 4.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến nhà cao tầng khi chịu động đất
• 4.5.1. Số liệu động đất
• 4.5.2. Ứng xử của kết cấu nhà cao tầng khi không đặt bể chứa nước
• 4.5.3. Ứng xử của tòa nhà cao tầng khi đặt bể nước
• 4.5.4. Hiệu quả của vị trí đặt bể nước đến mức độ giảm chấn cho tòa nhà khi chịu động đất
• 4.6. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC TÍNH TOÁN

I. Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng bể chứa chất lỏng trong giảm chấn nhà cao tầng

Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến giảm chấn nhà cao tầng chịu động đất là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng. Bể nước được sử dụng như một hệ thống giảm chấn chất lỏng (TLD), giúp giảm thiểu tác động của động đất lên kết cấu nhà cao tầng. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích cơ chế hoạt động của TLD, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả giảm chấn, và ứng dụng thực tiễn trong thiết kế công trình. Bể nước không chỉ đóng vai trò là nguồn cung cấp nước mà còn là một thiết bị giảm chấn hiệu quả, đặc biệt trong các khu vực có nguy cơ động đất cao.

1.1. Tác động của động đất và gió lên kết cấu nhà cao tầng

Động đất và gió là hai yếu tố chính gây ra dao động cho kết cấu nhà cao tầng. Động đất tạo ra các lực ngang và dọc, gây ra chuyển vị và biến dạng lớn trong kết cấu. Gió cũng gây ra dao động, đặc biệt là ở các tòa nhà cao tầng, nơi tần số dao động riêng thấp. Các biện pháp giảm dao động như giảm chấn theo cơ chế hoạt động và giải pháp cách chấn được áp dụng để tăng cường độ bền và an toàn cho công trình.

1.2. Vai trò của bể nước trong giảm chấn

Bể nước trên các tòa nhà cao tầng không chỉ có chức năng cung cấp nước mà còn đóng vai trò như một hệ thống giảm chấn chất lỏng (TLD). Khi xảy ra động đất, sóng nước trong bể tạo ra lực cản, giúp giảm thiểu dao động của kết cấu. Nghiên cứu này phân tích các yếu tố như kích thước bể, chiều cao mực nước, và số lượng bể để tối ưu hóa hiệu quả giảm chấn.

II. Cơ sở lý thuyết phân tích chuyển động của bể chứa chất lỏng

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết để phân tích chuyển động của bể chứa chất lỏng trên công trình chịu động đất. Các mô hình phân tích bao gồm mô hình động lực học chất lỏng và mô hình khối lượng tương đương (TMD). Nghiên cứu cũng đề cập đến tương tác giữa sóng chất lỏng và thành bể, cũng như các phương pháp phân tích như phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) và phương pháp thí nghiệm thực nghiệm.

2.1. Cơ chế hoạt động của hệ giảm chấn chất lỏng TLD

Hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) hoạt động dựa trên nguyên lý dao động của sóng nước trong bể. Khi kết cấu dao động do động đất, sóng nước tạo ra lực cản, giúp giảm thiểu chuyển vị của công trình. Nghiên cứu này phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của TLD, bao gồm tần số dao động của sóng nước và độ cứng của gối liên kết giữa bể và kết cấu.

2.2. Phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng

Các phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng bao gồm phương pháp giải tích, phương pháp thí nghiệm thực nghiệm, và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Nghiên cứu này sử dụng PTHH để mô phỏng và kiểm chứng hiệu quả của TLD trong việc giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng.

III. Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn

Chương này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác động của động đất. Nghiên cứu xem xét các yếu tố như kích thước bể, chiều cao mực nước, số lượng bể, và độ cứng của gối liên kết. Kết quả cho thấy bể nước có hiệu quả cao trong việc giảm chấn, đặc biệt khi được thiết kế tối ưu.

3.1. Ảnh hưởng của kích thước bể và chiều cao mực nước

Kích thước bể và chiều cao mực nước là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả giảm chấn của bể nước. Nghiên cứu chỉ ra rằng bể có kích thước lớn và mực nước cao hơn sẽ tạo ra lực cản lớn hơn, giúp giảm thiểu dao động của kết cấu.

3.2. Ảnh hưởng của số lượng bể và gối liên kết

Số lượng bể và độ cứng của gối liên kết cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả giảm chấn. Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng nhiều bể nhỏ có thể tăng cường hiệu quả giảm chấn, đặc biệt khi các bể được thiết kế với tần số dao động phù hợp với tần số dao động riêng của kết cấu.

IV. Nghiên cứu áp dụng bể nước để giảm chấn cho nhà cao tầng

Chương này trình bày kết quả nghiên cứu áp dụng bể nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác động của động đất. Nghiên cứu sử dụng mô hình phân tích trên phần mềm ETABS và ANSYS để đánh giá hiệu quả của bể nước trong việc giảm chấn. Kết quả cho thấy bể nước có thể giảm thiểu đáng kể chuyển vị và lực cắt đáy của kết cấu.

4.1. Ứng xử của kết cấu khi không đặt bể nước

Khi không đặt bể nước, kết cấu nhà cao tầng chịu tác động của động đất sẽ có chuyển vị và lực cắt đáy lớn hơn. Nghiên cứu này so sánh kết quả phân tích giữa trường hợp có và không có bể nước để đánh giá hiệu quả giảm chấn của bể nước.

4.2. Hiệu quả của vị trí đặt bể nước

Vị trí đặt bể nước cũng ảnh hưởng đến hiệu quả giảm chấn. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc đặt bể nước ở các tầng cao hơn sẽ giúp giảm thiểu chuyển vị tương đối giữa các tầng, từ đó tăng cường độ bền và an toàn cho kết cấu.