Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng của bể nước đến giảm chấn nhà cao tầng chịu động đất - Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tính cấp thiết của đề tài Một trong những mục tiêu chính của thiết kế các tòa nhà cao tầng, ngoài việc chịu được các tải trọng thông thường ra là chịu các tải trọng đặc biệt như gió và động đất. Những quy định cho các kết cấu chịu các loại tải trọng đặc biệt này được phản ánh trong Bộ luật Xây dựng Quốc tế (IBC) - 03 hay Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 8 - Thiết kế chống động đất cho kết cấu, Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 về động đất, TCVN 229:1999 về gió động, TCVN 2737:2020 về tải trọng và tác động. Vấn đề về thiết kế kháng chấn của các tòa nhà, phân tích ứng xử của chúng dưới các biến dạng chu kỳ không đàn hồi lớn được qui định trong các điều khoản thiết kế của ASCE 7-02 (IBC-03, NFPA 5000), UBC-97 hay Euro Code 2008, đưa ra các yêu cầu chi tiết để đảm bảo hiệu suất kháng chấn ngoài phạm vi biến dạng đàn hồi, được phân tích bằng các phương pháp tĩnh, động và lịch sử thời gian. Trong thiết kế kháng chấn nhà cao tầng, tác dụng của động đất là một vấn đề quan trọng do những thiệt hại mà nó gây ra cho kết cấu tòa nhà.

Trường hợp xảy ra động đất mạnh, kết cấu có thể có các hiện tượng chuyển vị như chuyển vị tương đối của kết cấu tòa nhà so với nền móng hoặc chuyển vị lệch giữa các tầng. Trên thực tế, tần số dao động riêng đầu tiên của kết cấu tòa nhà cao tầng và siêu cao tầng thường nhỏ (khoảng 0.3 Hz do BR Ellis,1980 [1] thống kê trên 163 tòa nhà cao tầng) và gần với tần số dao động của các trận động đất có cường độ lớn. Do đó, phản ứng của nó thường rất quan trọng vì sự cộng hưởng có thể xảy ra. Để thỏa mãn cả trạng thái giới hạn về cường độ và trạng thái giới hạn về biến dạng, đây là một thách thức đối với các kỹ sư thiết kế kết cấu tòa nhà cao tầng chống động đất.

Do toà nhà cao tầng có thể cao tới cả gần nghìn mét nên ngay cả khi kết cấu có biến dạng nhỏ thì chuyển vị tương đối so với tầng hầm có thể vẫn rất lớn. Ngoài ra, toà nhà cao tầng thường có công năng làm văn phòng nên không hoàn toàn sử dụng tường chịu lực, khi đó không thể áp dụng nguyên tắc sử dụng tường chống tải trọng ngang được. Hiện nay có nhiều giải pháp thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng, trong đó giải pháp giảm chấn chất lỏng (TLD) là một trong số các giải pháp được sử dụng nhiều nhất nhờ tính hiệu quả và chi phí hợp lý. Tuy nhiên, sự phức tạp trong việc tối ưu hóa các thông số thiết kế của bể chứa chất lỏng (hệ giảm chấn chất lỏng), như tối ưu hóa kích thước hình học của bể, chiều cao mực nước trong bể, gối liên kết giữa bể và kết cấu tòa nhà, số lượng bể, vị trí đặt bể trên chiều cao tòa nhà.

khiến công tác tiêu chuẩn hóa các 2 quy tắc thiết kế hệ giảm chấn chất lỏng TLD gặp nhiều khó khăn. Do đó vấn đề quan trọng là phân tích tối ưu bể chứa chất lỏng. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu đưa ra phương pháp phân tích hay mô hình phân tích cũng rất quan trọng, để có thể áp dụng thuận tiện khi thiết kế hệ bể chứa chất lỏng giảm chấn cho công trình nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất. Theo phân tích tổng quan, hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam có ba hướng nghiên cứu chính liên quan đến giảm chấn chất lỏng (TLD) bao gồm: - Nghiên cứu dao động sóng chất lỏng trong bể chứa và tương tác giữa sóng chất lỏng với thành bể.

- Nghiên cứu bể mềm - thành bể biến dạng tác động ngược lại vào chất lỏng bên trong bể. - Nghiên cứu hiệu quả giảm chấn của hệ nhiều bể chứa (MTLD). Ứng dụng của TLD nói chung và hệ MTLD nói riêng trong việc nâng cao hiệu quả giảm chấn kết cấu và phân tích ứng xử động bên trong bể chứa cho hệ thống này cần có quy trình để tối ưu được hình dạng, kích thước, vị trí, số lượng bể. Các phương pháp để quy đổi hệ TLD thành hệ TMD, hoặc phương pháp quy đổi chất lỏng thành khối lượng theo mô hình của Houner và Haroun có xét tương tác của chất lỏng với thành bể chứa thông qua độ cứng của lò so liên kết khối lượng quy đổi với thành bể cũng đã được áp dụng khi tính toán bể, tuy nhiên chỉ dừng lại ở mức độ ứng xử sóng chất lỏng là tuyến tính.

Mặt khác, ở các nghiên cứu trước luôn mặc định liên kết giữa bể chứa với kết cấu là liên kết tuyệt đối cứng, và cũng chưa đi xem xét ảnh hưởng liên kết giữa bể với kết cấu đến mức độ giảm chấn của bể chứa chất lỏng. Đây cũng là vấn đề cần được quan tâm khi nghiên cứu giảm chấn cho kết cấu khi dùng bể chứa chất lỏng. Ở nước ta, các số liệu nghiên cứu cho thấy, việc ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) còn ít, chủ yếu là nghiên cứu cơ bản và xác định hiệu quả, các công trình thực tế áp dụng hệ giảm chấn chất lỏng ở các dự án thường do các kỹ sư nước ngoài thiết kế. Các kỹ sư trong nước chưa được tiếp cận nhiều hoặc chưa được đầu tư nghiên cứu nhiều về phương pháp lựa chọn, thiết kế, bố trí hệ giảm chấn chất lỏng.

Ngoài ra, các nghiên cứu trước đây cũng chưa mang lại cho kỹ sư thiết kế một cái nhìn rõ nét hơn khi xét đến các thiết bị giảm chấn chất lỏng cho tòa nhà cao tầng chịu tải trọng động đất. Với các phân tích trên, đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án là phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn nhà cao tầng khi chịu động đất, nghiên cứu các căn cứ đề xuất các thông số tối ưu của bể chứa như kích thước bể, 3 chiều cao mực nước trong bể, số lượng bể và gối liên kết giữa bể và kết cấu. Đặc biệt nghiên cứu đề xuất phương pháp và mô hình tính toán thuận tiện cho hệ giảm chấn chất lỏng và phản ánh đúng bản chất làm việc của sóng chất lỏng trong bể chứa, mang lại hiệu quả giảm chấn tốt nhất cho tòa nhà khi chịu động đất. Tên và mục tiêu nghiên cứu của Luận án Tên của Luận án: “Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn của nhà cao tầng chịu động đất” Mục tiêu nghiên cứu: Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn nhà cao tầng khi chịu động đất Xây dựng đề xuất mô hình tính toán cho bể chứa chất lỏng bao gồm bể và chất lỏng bên trong bể.

Mô hình đề xuất phản ánh đúng bản chất sự chuyển động của sóng chất lỏng bên trong bể theo mô hình cơ học chất lỏng. Dựa trên mô hình được đề xuất, Luận án tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng bể chứa chất lỏng (trường hợp 1 bể và nhiều bể) lên kết cấu công trình. Nghiên cứu ảnh hưởng của liên kết nửa cứng giữa bể và công trình. Áp dụng các kết quả nghiên cứu để phân tích ảnh hưởng giảm chấn của bể nước cho một công trình nhà cao tầng cụ thể chịu tác dụng của động đất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng của động đất. b) Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu bể chứa nước hình chữ nhật, dạng đáy phẳng, đặt trên nhà cao tầng chịu tác dụng của động đất. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô hình số để nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng của động đất 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu a) Ý nghĩa khoa học Luận án nghiên cứu ảnh hưởng của bể nước đến mức độ giảm chấn cho tòa nhà cao tầng khi chịu tác dụng của động đất.

Luận án đã xây dựng, đề xuất mô hình tính toán phản ánh sự chuyển động thực của chất lỏng bên trong bể theo mô hình cơ học chất lỏng. Kết quả nghiên cứu đã đề xuất các thông số bể chứa chất lỏng, số 4 lượng bể, vị trí đặt bể theo chiều cao tòa nhà, đặc biệt là đề xuất thông số độ cứng gối liên kết giữa bể và tòa nhà, thông qua tỷ lệ khối lượng và tỷ lệ tần số giữa bể chứa và tòa nhà, để tăng hiệu quả giảm chấn cho toà nhà khi chịu động đất. b) Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể làm căn cứ trong thiết kế biện pháp giảm chấn cho kết cấu công trình sử dụng bể chứa chất lỏng. Góp phần đẩy mạnh hướng nghiên cứu ứng dụng này với giải pháp sử dụng bể nước giảm chấn cho kết cấu công trình chịu tác dụng của động đất.

Cấu trúc của Luận án Luận án bao gồm Phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận, kiến nghị. Cụ thể là: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng bể chứa chất lỏng đến giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tác dụng của động đất Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích chuyển động của bể chứa chất lỏng trên công trình chịu động đất Chương 3: Phân tích ảnh hưởng bể nước đến mức độ giảm chấn cho kết cấu dưới tác dụng của động đất Chương 4: Nghiên cứu áp dụng bể nước để giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất Kết luận và Kiến nghị 5 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. Các tác động gây ra dao động cho kết cấu nhà cao tầng Trong thiết kế nhà cao tầng việc kiểm soát dao động của tòa nhà là cần thiết. Dao động của hệ kết cấu có thể có ích cho sự làm việc của chúng, cũng có thể gây nguy hại cho chính bản thân kết cấu.

Việc thiết kế hoàn hảo một kết cấu làm việc có hiệu quả tốt hiện nay phải bao gồm cả việc xét đến các tác động động nhạy cảm như gió, động đất. Do vậy mà việc điều khiển dao động có hại cho các hạng mục kết cấu nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của kết cấu trước các tác động này là yêu cầu không thể thiếu.