Luận án tiến sĩ ứng dụng bể chứa chất lỏng có thành mỏng trong việc kháng chấn và điều khiển dao động công trình

Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng dụng bể chứa chất lỏng có thành mỏng trong việc kháng chấn và điều khiển dao động công trình, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề

• Tác giả: Bùi Phạm Đức Tường
• Người hướng dẫn: TS. Phan Đức Huynh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây Dựng
• Đề tài: Ứng dụng bể chứa chất lỏng mỏng trong kháng chấn và điều khiển dao động công trình
• Loại tài liệu: Luận án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng bể chứa chất lỏng mỏng trong kháng chấn

Bể chứa chất lỏng mỏng, hay còn gọi là Tuned Liquid Damper (TLD), đã trở thành một giải pháp hiệu quả trong việc kháng chấn và điều khiển dao động cho các công trình xây dựng. Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh chất lỏng trong bể chứa để giảm thiểu dao động của kết cấu. Với những ưu điểm như dễ chế tạo, lắp đặt và bảo trì, TLD đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều công trình, đặc biệt là các công trình cao tầng. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các khía cạnh của TLD, từ nguyên lý hoạt động đến ứng dụng thực tiễn.

1.1. Nguyên lý hoạt động của bể chứa chất lỏng mỏng

Bể chứa chất lỏng mỏng hoạt động dựa trên nguyên lý dao động của chất lỏng bên trong bể. Khi có tác động từ bên ngoài, chất lỏng sẽ dao động và tạo ra lực phản kháng, giúp giảm thiểu dao động của kết cấu. Nguyên lý này cho phép TLD hoạt động hiệu quả trong việc kháng chấn cho các công trình xây dựng.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng TLD trong xây dựng

Việc sử dụng TLD mang lại nhiều lợi ích cho các công trình xây dựng. Đầu tiên, thiết bị này có chi phí thấp và dễ dàng lắp đặt. Thứ hai, TLD không yêu cầu bảo trì thường xuyên, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho chủ đầu tư. Cuối cùng, TLD có thể được áp dụng cho nhiều loại công trình khác nhau, từ nhà cao tầng đến cầu và các công trình công nghiệp.

II. Thách thức trong việc ứng dụng bể chứa chất lỏng mỏng

Mặc dù TLD có nhiều ưu điểm, nhưng việc ứng dụng nó cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là sự tương tác giữa sóng chất lỏng và kết cấu, hay còn gọi là Fluid Structure Interaction (FSI). Khi thành bể chứa quá mềm, tần số dao động của bể có thể thay đổi, dẫn đến hiệu quả kháng chấn giảm sút. Nghiên cứu này sẽ phân tích các thách thức và đề xuất giải pháp để khắc phục.

2.1. Tương tác giữa sóng chất lỏng và kết cấu

Tương tác giữa sóng chất lỏng và kết cấu là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của TLD. Khi sóng chất lỏng tác động lên thành bể, áp lực động có thể gây ra hư hỏng cho kết cấu. Do đó, việc tính toán chính xác áp lực động và tần số dao động là rất cần thiết để đảm bảo hiệu quả của thiết bị.

2.2. Ảnh hưởng của độ dày thành bể đến hiệu quả kháng chấn

Độ dày của thành bể chứa cũng ảnh hưởng đến hiệu quả kháng chấn của TLD. Nếu thành bể quá mỏng, tần số dao động có thể thay đổi, dẫn đến việc thiết bị không hoạt động hiệu quả. Nghiên cứu này sẽ chỉ ra mối quan hệ giữa độ dày thành bể và tần số dao động của bể chứa.

III. Phương pháp thiết kế bể chứa chất lỏng mỏng hiệu quả

Để tối ưu hóa hiệu quả của TLD, việc thiết kế bể chứa chất lỏng mỏng là rất quan trọng. Nghiên cứu này sẽ đề xuất quy trình thiết kế bao gồm hai bước chính: thiết kế bể chứa bằng phương pháp khối lượng thu gọn và kiểm tra sự làm việc của hệ kết cấu-TLD bằng phương pháp số. Quy trình này sẽ giúp đảm bảo rằng TLD hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau.

3.1. Quy trình thiết kế bể chứa chất lỏng mỏng

Quy trình thiết kế bể chứa chất lỏng mỏng bao gồm việc xác định các thông số quan trọng như tần số dao động và áp lực động. Bằng cách sử dụng phương pháp khối lượng thu gọn, thiết kế có thể được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả kháng chấn cao nhất.

3.2. Kiểm tra hiệu quả của TLD qua mô phỏng số

Mô phỏng số là một công cụ hữu ích để kiểm tra hiệu quả của TLD. Bằng cách sử dụng phương pháp Finite Volume Method/Finite Element Method (FVM/FEM), có thể phân tích đáp ứng dao động của hệ kết cấu và TLD, từ đó đưa ra các điều chỉnh cần thiết để tối ưu hóa thiết kế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bể chứa chất lỏng mỏng trong xây dựng

TLD đã được ứng dụng thành công trong nhiều công trình xây dựng, đặc biệt là các tòa nhà cao tầng. Việc sử dụng TLD không chỉ giúp giảm thiểu dao động mà còn nâng cao độ bền vững cho công trình. Nghiên cứu này sẽ trình bày một số ví dụ điển hình về ứng dụng TLD trong thực tiễn.

4.1. Các công trình cao tầng sử dụng TLD

Nhiều tòa nhà cao tầng trên thế giới đã áp dụng TLD để giảm thiểu dao động do gió và động đất. Ví dụ, tòa nhà One Rincon Hill ở San Francisco đã sử dụng TLD để cải thiện khả năng kháng chấn, giúp công trình đứng vững trước các tác động từ môi trường.

4.2. Kết quả nghiên cứu và thí nghiệm thực tế

Các thí nghiệm trên bàn lắc đã chứng minh hiệu quả của TLD trong việc giảm thiểu dao động. Kết quả cho thấy rằng TLD có thể giảm đáng kể độ dịch chuyển của kết cấu khi chịu tác động từ động đất, từ đó khẳng định tính khả thi của thiết bị trong thực tiễn.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo về TLD

Nghiên cứu về bể chứa chất lỏng mỏng trong kháng chấn và điều khiển dao động đã chỉ ra rằng TLD là một giải pháp hiệu quả cho các công trình xây dựng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu thêm, đặc biệt là trong việc tối ưu hóa thiết kế và ứng dụng TLD trong các điều kiện khác nhau. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để cải thiện hiệu quả của TLD.

5.1. Tương lai của nghiên cứu TLD

Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các mô hình TLD mới với khả năng kháng chấn tốt hơn. Việc áp dụng công nghệ mới trong thiết kế và chế tạo TLD sẽ giúp nâng cao hiệu quả của thiết bị trong thực tiễn.

5.2. Đề xuất các phương pháp nghiên cứu mới

Các phương pháp nghiên cứu mới như mô phỏng số và thí nghiệm thực tế sẽ được áp dụng để kiểm tra hiệu quả của TLD trong các điều kiện khác nhau. Điều này sẽ giúp cải thiện quy trình thiết kế và ứng dụng TLD trong xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Trong những thập niên qua, các chuyên gia điều khiển dao động kết cấu đã có nhiều phát triển trong việc nghiên cứu tìm hiểu thiết bị giảm chấn dạng bị động như thiết bị cách chấn đáy, thiết bị giảm chấn bằng khối lượng-Tuned Mass Damper (TMD), thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng-Tuned Liquid Damper (TLD) v.v… Bể chứa chất lỏng làm việc như thiết bị giảm chấn có nhiều ưu điểm như: chi phí thấp, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, dễ bảo trì, tốn ít không gian, ứng dụng được cho các công trình đã xây dựng mà chưa có thiết bị điều khiển dao động. Đặc biệt có thể kết hợp sử dụng TLD làm bể nước sinh hoạt lẫn phòng cháy chữa cháy như tòa nhà One Rincon Hill cao 60 tầng ở San Francisco, Hoa Kỳ sử dụng bể nước mái 189. 1 như một TLD. 1 Tòa nhà One Rincon Hill với bể nước mái là TLD 1.1 Giới thiệu về thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng Điều khiển dao động nhà cao tầng được quan tâm ở các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam những năm qua vì số lượng công trình cao tầng ngày một tăng.

Nếu trước đây các thiết kế chỉ quan tâm việc tăng cường độ bê tông hay thép để thỏa yêu cầu chịu lực thì xu thế trong những thập niên vừa qua, kỹ sư sử dụng vật liệu nhẹ hơn, mảnh hơn để công trình cao hơn. Tuy nhiên do nhẹ và cao hơn nên dẫn đến sự 1 “nhạy cảm” của nhà cao tầng với tải trọng động vì vậy thiết bị giảm chấn ra đời. Từ đây mở ra lĩnh vực nghiên cứu mới đáp ứng mục tiêu điều khiển dao động kết cấu. Các thiết bị giảm chấn hiện nay có rất nhiều loại như thiết bị cách chấn đáy, thiết bị giảm chấn chủ động, bị động, bán chủ động v.

Thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng là thiết bị dạng bị động vì không cần sử dụng thêm năng lượng hay vật điều khiển gì để kích hoạt sự làm việc [1]. TLD hoạt động dựa trên nguyên lý dao động sóng chất lỏng ngược pha với hướng dao động nền như Hình 1. 2, và điều khiển công trình trở về vị trí cân bằng thông qua việc giảm thiểu chuyển vị ở đỉnh công trình. Soùng chaát loûng Soùng chaát loûng Dao ñoäng Dao ñoäng khung khung Hình 1.

2 Nguyên lý hoạt động của TLD Khi đó sóng chất lỏng bên trong TLD sẽ dao động như ở Hình 1. Thông qua cơ chế này, năng lượng do ngoại lực bên ngoài truyền vào trong bể sẽ tiêu tán bằng cách hình thành áp lực sóng trong bể. 3 Dao động của sóng bên trong TLD Không những vậy sự tiêu tán năng lượng kích thích vào trong kết cấu còn thông qua các cơ chế khác như: tiêu tán năng lượng do tính nhớt của chất lỏng, do sóng vỡ, do tương tác chất lỏng-thành bể hay Fluid-Structure Interaction (FSI), do chuyển động 2 của sóng ở mặt thoáng, do độ nhám đáy bể và do cả dạng hình học của bể. Thiết bị TLD có thể được phân ra làm hai loại chính: một loại dùng mực nước nông và loại còn lại dùng mực nước sâu.

Khi chiều cao chất lỏng hf chia cho bề rộng bể 2a theo phương kích thích của ngoại lực nhỏ hơn 0. TLD có mực nước nông tiêu tán năng lượng thông qua lực cản nhớt sinh ra trong lòng chất lỏng và do cơ chế chuyển động của sóng chất lỏng ở bề mặt. Đối với TLD có mực nước sâu để có thể giảm dao động như hình thì các vách ngăn hoặc màn ngăn như ở Hình 1. 4 thường được sử dụng [3-6].

Vách ngăn (a) (b) Hình 1. 4 TLD (a) với các vách ngăn (b) Một trong những công trình đầu tiên ứng dụng TLD để giảm chấn là tòa nhà Nagasaki Airport Tower cao 42m ở Nhật Bản được xây dựng năm 1987, sử dụng 25 TLD nặng xấp xỉ 1 tấn có tần số dao động riêng 1. Ngày nay có rất nhiều công trình trên thế giới sử dụng TLD để điều khiển dao động, trong đó có thể kể đến hai tòa nhà Comcast Centre cao 58 tầng hoàn thành 2008, Comcast Technology Centre cao 60 tầng (2019) cùng ở Philadelphia, Hoa Kỳ; tòa nhà Gama (2016) cao 69 tầng và 4 hầm ở Jakarta, Indonesia. Công trình cao nhất thế giới hiện nay có sử dụng thiết bị TLD để giảm chấn là tòa nhà The Vista ở thành phố Chicago, Hoa Kỳ, dự kiến được hoàn thành vào năm 2020 như Hình 1.

5 với 6 TLD và tổng lượng nước trong bể lên đến 1500 tấn. Theo các số liệu được công bố thì TLD giúp giảm 24% dao động do gió gây ra ở tòa nhà The Vista. 5 Công trình The Vista cao 100 tầng với 6-TLD Các TLD có kích thước lớn như trên cần được thiết kế không chỉ nhằm mục đích giảm chấn mà còn phải thiết kế như bể chứa chất lỏng chịu tải trọng động có xét đến độ mềm của thành bể. Vì khi thiết bị hoạt động, áp lực thủy động của sóng chất lỏng đủ lớn gây biến dạng thành bể và làm thành bể dao động theo.

Điều này đặc biệt nguy hiểm khi sóng và thành bể cộng hưởng với nhau làm dao động cả hai miền rắn-lỏng đạt giá trị cực đại dẫn đến mất ổn định và phá hoại TLD. Ngoài ra, các đặc trưng riêng của bể như là tần số tự nhiên sẽ bị thay đổi do hiện tượng FSI trong bể thành mềm [8], khi đó TLD không còn làm việc đúng như thiết kế ban đầu và mất tác dụng điều khiển dao động [9]. Việc phân tích FSI trong TLD thành mềm là một trong những nét mới của luận án này.2 Nghiên cứu đã thực hiện với TLD và bể chứa thành mềm TLD được đề xuất sử dụng từ những năm 1800, ứng dụng cho việc khống chế dao động của tàu thuyền. Trong đó, hai bồn chứa nước liên thông nhau được sử dụng và tần số dao động của hai bồn này gần với tần số dao động cơ bản của thuyền (Hình 1.

6) hoặc tàu không gian (Hình 1. Còn trong ứng dụng cho kết cấu dân dụng thì TLD được đề xuất từ thập niên 80 của thế kỷ trước. Đến nay TLD trở thành thiết bị giảm chấn phổ biến được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới [1, 10]. Phi thuyền Thiết bị giảm chấn Hình 1.

6 TLD dùng trên tàu biển Hình 1. 7 TLD dùng trên phi thuyền Các bể chứa chất lỏng cũng như sóng dao động trong bể đã được nghiên cứu rất sớm, vào những năm 30 của thế kỷ trước, ảnh hưởng của sóng bề mặt được khảo sát nhiều trong các bể chứa nước hay các con đập, kênh dẫn nước dưới tác dụng của lực động đất. Trong phần này, luận án tóm tắt các nghiên cứu đã thực hiện về bể chứa chất lỏng chịu tải trọng động nói chung và bể chứa đóng vai trò như thiết bị giảm chấn chất lỏng nói riêng, cụ thể:  Ứng dụng TLD trong các công trình cao tầng  Các hướng nghiên cứu đã thực hiện đối với TLD  Tương tác của sóng chất lỏng-thành bể khi bể dao động  Khả năng điều khiển dao động của TLD có xét tương tác đa trường 1.1 Ứng dụng thực tiễn của TLD trong các công trình cao tầng Các công trình có TLD giảm chấn đã được xây dựng rất sớm ở Nhật Bản [11]. Ví dụ điển hình là tòa nhà Gold Tower thành phố Udatsu sử dụng TLD có tên MCC Aqua Damper (Hình 1.

8) là bể chứa nước dạng khối với các màn ngăn bằng thép 5 được bố trí dọc theo dòng chảy chất lỏng bên trong bể. Gold Tower dùng 16-TLD nặng 9.6 tấn có tần số 0.42 Hz ở đỉnh mái (cao độ 136 m) với tổng khối lượng chất lỏng xấp xỉ 1% khối lượng của toàn bộ công trình. Sau khi ứng dụng thiết bị giảm chấn trên vào công trình thì phản ứng của kết cấu trước tác dụng của tải trọng động giảm khoảng 50-60% so với khi không sử dụng thiết bị TLD. 8 Thiết bị MCC Aqua Damper ở tòa nhà Gold Tower TLD còn được ứng dụng ở khách sạn Shin Yokohama-Nhật Bản với 9 (chín) bể chất lỏng đường kính 2 m và chiều cao mỗi TLD 22 cm (Hình 1.

9), giúp công trình giảm 50-70% phản ứng động khi vận tốc gió 20 m/s và nhiều hơn nữa nếu tốc độ gió lớn hơn. Gia tốc công trình không sử dụng TLD là 0.01 m/s2 còn khi có TLD là 0. Thiết bị này còn được sử dụng ở tháp điều khiển không lưu Tokyo International Airport Tower cao 77.237x106 kg với 1404 TLD kích thước 60. 9 Thiết bị TLD ở Shin Yokohama Tower 6 Ngoài ra còn rất nhiều công trình khác sử dụng thiết bị giảm chấn chất lỏng dạng cột chất lỏng Tuned Liquid Column Damper (TLCD) như khách sạn Cosima ở Tokyo là công trình thép 26 tầng (106.

Công trình có chiều cao so với chiều rộng lớn vì vậy nhạy cảm với gió động và các kỹ sư thiết kế sử dụng thiết bị TLCD 58 tấn có tên là MOVICS (Hình 1. 10) để kháng gió. Kết quả đo được gia tốc đỉnh giảm 50-70% nhờ thiết bị này [10]. 10 Thiết bị TLCD trong công trình khách sạn Cosima, Tokyo Ở Bắc Mỹ, nơi thường xuyên có động đất thì toà nhà Comcast Building (Hình 1.

11) tại bang Pennsylvania cao 305 m hoàn thành năm 2008 có sử dụng bể nước mái lên đến 300.600 lít) được dùng như thiết bị giảm chấn. Kích thước rất lớn của bể nước này đòi hỏi việc nghiên cứu tính toán cẩn thận cho kết cấu thành bể khi sóng chất lỏng dao động trong quá trình làm việc của TLD. Tổng mức đầu tư cho hệ thống giảm chấn vào khoảng 2 triệu USD. 7 Dao Dao động TLD động nền Mô hình TLD Mặt cắt tòa nhà Sơ đồ tính kết cấu - TLD Tòa nhà thực tế Hình 1.

11 Toà nhà Comcast với TLD có 1.1 triệu lít nước Ngày nay TLD đã phổ biến và được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới kể cả ở những nước đang phát triển như Indonesia với toà nhà Gama ở Jakarta chiều cao 310 m (69 tầng) như Hình 1. 12 đã hoàn thành và đưa vào sử dụng năm 2016. 12 Toà nhà Gama với mô hình TLD thí nghiệm 1.2 Các hướng nghiên cứu đã thực hiện đối với TLD TLD có khả năng ứng dụng cho hầu hết các loại công trình với các quy mô khác nhau bằng cách điều khiển tần số tự nhiên của bể chất lỏng bằng tần số của công trình cần điều khiển. Do đó thiết bị này trong những thập niên qua được đầu tư nghiên cứu rất nhiều nhằm đáp ứng cho nhu cầu xây dựng công trình ngày càng cao tầng của 8 các thành phố đông dân cư [1].