Luận án tiến sĩ: Ứng dụng bể chứa chất lỏng thành mỏng cho kháng chấn và điều khiển dao động công trình - Bùi Phạm Đức Tường

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 12 năm 2020 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Bùi Phạm Đức Tường i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả muốn gởi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các Thầy Cô đã nhiệt tình giảng dạy và tạo điều kiện nghiên cứu trong thời gian tác giả học tập ở chương trình đào tạo Nghiên Cứu Sinh của Khoa Xây Dựng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Đây là một trong những cơ hội quý báu nhất mà tác giả từng có được.

Tác giả mong muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Phan Đức Huynh và PGS. Lương Văn Hải là hai Thầy đã trực tiếp hướng dẫn và đi cùng tác giả trên chặng đường vừa qua để tác giả hoàn thành được Luận án này. Hai Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất và nhanh chóng nhất giúp đỡ tác giả.

Và trên hết hai Thầy đã truyền thụ một tinh thần hăng say làm việc để tác giả có thể tiếp tục cố gắng cho những nghiên cứu trong tương lai. Tác giả cũng xin được ghi nhận sự giúp đỡ của Th. Nguyễn Văn Đoàn đã đóng góp nhiều ý kiến sâu sắc, bổ ích cho tác giả. Ngoài ra, tác giả gửi lời tri ân đến những thành viên của Lab Mô Phỏng Động Đất thuộc Khoa Xây Dựng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM trong những ngày cùng làm việc.

Tác giả muốn dành cho Cha Mẹ mình lòng kính trọng thiết tha vì những gì Cha Mẹ đã hy sinh dành cho các con. Những lời dạy bảo của Cha Mẹ đã làm hành trang cho tác giả bước vào cuộc sống với quyết tâm cao nhất để đi đến ngày hôm nay. Và cuối cùng, tác giả muốn gởi lời cảm ơn đến Người Bạn Đời của mình. Mẹ của Sydney luôn là người đã luôn động viên tác giả cố gắng không ngừng nghỉ trong từng giai đoạn làm luận án đặc biệt trong những lúc gặp nhiều khó khăn nhất.

Nhưng do kiến thức còn hạn chế cho nên chắc chắn không tránh khỏi những sai sót hay khiếm khuyết. Cho nên tác giả mong muốn nhận được lời góp ý chân thành của tất cả Thầy Cô hay độc giả để luận án này có thể được hoàn thiện hơn Bùi Phạm Đức Tường ii TÓM TẮT Bể nước mái đóng vai trò như thiết bị giảm chấn chất lỏng-Tuned Liquid Damper (TLD) được nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn khá nhiều trong các thập niên gần đây. Bởi vì thiết bị có những ưu điểm như dễ chế tạo, dễ lắp đặt, giá thành rẻ, không cần bảo trì nhiều, tốn ít không gian và ứng dụng được cho hầu hết các loại công trình với quy mô khác nhau kể cả đối với các công trình đã được đưa vào sử dụng nhưng chưa trang bị thiết bị giảm chấn. Đây là thiết bị dạng bị động hoạt động dựa trên nguyên tắc điều chỉnh chất lỏng trong bể chứa để chịu dao động của kết cấu.

Thiết bị có nhiều đặc điểm phù hợp với khả năng ứng dụng tại Việt Nam. Trước đây các TLD thường được giả thiết là tuyệt đối cứng do thể tích nước đủ nhỏ, ngày nay các TLD ngày càng lớn nên giả thiết này cần phải xem xét lại nhằm tránh xảy ra hư hỏng hoặc thiết bị không hoạt động như thiết kế. Để phân tích ảnh hưởng của vấn đề thành bể mềm cũng như sự tương tác giữa sóng chất lỏng-kết cấu (Fluid Structure Interaction-FSI), phương pháp số được thiết lập cho cả hai miền rắn- lỏng. Luận Án chỉ ra mối quan hệ giữa độ dày thành bể với tần số riêng bể chứa, sau đó thực hiện phân tích các đặc trưng riêng và đáp ứng dao động của sóng chất lỏng.

Ngoài ra, một phương pháp số mới được đề xuất gần đây Finite Volume Method/Finite Element Method-FVM/FEM được sử dụng để giải phương trình điều kiện biên tại mặt tương tác. Kết quả phân tích được đối chiếu với các Tiêu Chuẩn Xây Dựng phổ biến trên thế giới và các nghiên cứu đã thực hiện bởi các tác giả khác. Thiết bị giảm chấn chất lỏng đa tần số (Multi-TLD) được chứng tỏ là có hiệu quả hơn thiết bị đơn tần số 1-TLD. Luận án đề xuất quy trình thiết kế MTLD gồm hai bước: (1) thiết kế MTLD bằng phương pháp khối lượng thu gọn, (2) kiểm tra sự làm việc của hệ kết cấu-MTLD bằng FVM/FEM.

FVM/FEM có ưu điểm giúp phân tích đáp ứng dao động của hệ kết cấu chuẩn xác hơn vì có xét FSI nhưng nhược điểm là tốn nhiều tài nguyên tính toán, nên cần phương pháp khối lượng thu gọn thiết kế cơ sở trước. Việc phân tích TLD với thành bể mềm có xét FSI là một trong những điểm mới của luận án. Khi thành bể đủ mềm sẽ làm thay đổi tần số tự nhiên của bể chứa cũng như áp suất động của sóng chất lỏng tác dụng lên thành bể. Trong khi đó, thiết iii bị này hoạt động dựa vào tần số nên nếu tần số thay đổi sẽ dẫn đến thiết bị mất hiệu quả, ngoài ra trong thực tế áp lực động của sóng có thể gây phá hoại thành bể do quá trình thiết kế thường giả thiết bể chứa tuyệt đối cứng và bỏ qua FSI.

Bên cạnh đó, thí nghiệm kiểm tra khả năng giảm chấn của TLD/MTLD được tiến hành trên bàn lắc tự chế tạo phục vụ cho luận án tại Khoa Xây Dựng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Kết quả thí nghiệm được so sánh với phương pháp số cho thấy hiệu quả giảm chấn của MTLD và tính hợp lý của quy trình thiết kế thiết bị được đề xuất bên trên. iv ABSTRACT A tuned liquid damper (TLD) constitutes a tank filled with liquid that relies on the sloshing of that liquid to dissipate vibration energy. This device boasts many advantages, including its low cost, ease of installation and infrequent need for maintenance.

TLDs can be applied to almost any structure, for example, high-rise buildings, towers, wind tourbine and chimneys, including an existing structure. In previous research on TLDs, the effect of the liquid pressure acting on the tank walls was ignored by assuming rigid tank walls, thereby neglecting the fluid- structure interaction (FSI) phenomenon. However, this could lead to errors in designing TLDs and the failure of the water tanks serving as TLDs. In this study, the effect of FSI on the specific characteristics of the tank, as well as the effect on the dynamic response of fluid containers, are taken into account incorporating wall flexibility.

For this purpose, a numerical method was developed to model the structure as well as the liquid and investigated the thickness of the tank wall to describe the relations of rigid and flexible tank. Besides that, the Finite Volume/Finite Element (FVM/FEM) method is proposed, by using finite volume and finite element approaches to represent fluid and solid domains, respectively. In this model, the fluid and solid domains are discretized independently and the interaction between the two domains are provided by the staggered iterations at the interface. The results from FVM/FEM are compared to the Design Code and previous study of another researcher.

The multiple TLD (MTLD), which consists of a number of TLD with natural frequencies distributed over certain range around the natural frequency of the structure is also investigated by simulation of the MTLD-structure interaction. MTLD is insensitive to the tuning condition. This dissertation focuses on proposing the solution and process of designing MTLD in practice with two steps: first, this damper is designed by lumped-mass method then second, it is checked by FVM/FEM. By this method, the response of liquid sloshing, as well as the structure, are more accurate because the FSI is considered.

This phenomenon is important and could not be v ignored by making assumption of a rigid tank wall. When a tank wall is thin enough, FSI phenomenon affects remarkably to the characteristic of the TLD. In this case, the damper is inactivated during the earthquake. This should be noticed in designing TLD.

The shaking table is designed and created at the Faculty of Civil Engineering of HCMC University of Technology and Education for researching purposes. It can create the base displacement as harmonic loading or ground motion to investigate the top displacement of the structure with and without MTLD. There is a fairly reasonable agreement between the FVM/FEM model predictions and experimental results confirming the functionality of the FVM/FEM method as a reliable tool in capturing the TLD-structure interaction. vi CÁC KẾT QUẢ ĐÃ CÔNG BỐ Bài Báo Quốc Tế ISI/Scopus 1.

Huynh, "Experimental Test and Numerical Analysis of a Structure Equipped with a Multi-Tuned Liquid Damper Subjected to Dynamic Loading," International Journal of Structural Stability and Dynamics, vol. Sarhosis, "Numerical Analysis of the Dynamic Responses of Multistory Structures Equipped with Tuned Liquid Dampers Considering Fluid-Structure Interactions," The Open Construction and Building Technology Journal, vol. 13, 2019 Hội nghị Khoa Học Quốc Tế 3.V, (11/2018) “Effectiveness Of Multi Tuned Liquid Dampers In Theory And Experiment Considering Fluid – Structure Interaction”, Tuyển tập báo cáo Hội Nghị Khoa Học Quốc Tế, Kỷ Niệm 55 năm thành lập Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng 4.D (08/2016) “Seismic resistance for high-rise buildings using water tanks considering the liquid - tank wall interaction”, ICCM 2016, UC Berkeley, USA Bài Báo Trong Nước 5.D, (01/2019) “Dynamic analysis of liquid storage tank under seismic considering fluid – structure interaction”, Tạp chí xây dựng – Số 1/2019 6.D, “Phân tích khả năng kháng chấn của thiết bị giảm chấn chất lỏng bằng lý thuyết và thực nghiệm”, Tạp chí xây dựng – Số 2/2017 7.V “Khảo sát kháng chấn của hệ kết cấu khung – bể chứa nước trên bàn rung tự chế tạo khi dao động tự do”, Tạp Chí Xây Dựng – Số 9/2016 8.V “Điều khiển kết cấu chịu tải trọng điều hòa bằng các bể chứa chất lỏng làm việc đồng thời”, Tạp chí Xây Dựng – Số 10/2015 vii Hội Nghị Khoa Học Trong Nước 9.V, (04/2019) “Phân tích khả năng giảm chấn kết cấu của thiết bị MTLD bằng lý thuyết MTMD & Thí nghiệm kiểm tra”, Tuyển tập báo cáo Hội Nghị Cơ Học Toàn Quốc 2019, Tiểu ban Động Lực Học và Điều Khiển.V, (12/2017) “Khả năng kháng chấn của hệ bể chứa đa tần số trong phân tích thực nghiệm trên bàn rung”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Cơ học Toàn quốc lần thứ X, Hà Nội – Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự 8- 9/12/2017 11.V, (10/2015) “Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động bằng các bể chứa chất lỏng làm việc đồng thời”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và công nghệ lần thứ 14 Khoa Xây Dựng – ĐH Bách Khoa Tp.D, (11/2015) “Điều khiển kết cấu chịu tác động của tải trọng điều hòa, động đất bằng bể chứa chất lỏng” Tr.838, Vol 1, Tuyển tập báo cáo Hội nghị cơ khí toàn quốc – ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM 06/11/2015 viii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. iii CÁC KẾT QUẢ ĐÃ CÔNG BỐ .vii MỤC LỤC.

ix DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT. xiii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH .