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

hệ số giảm chấn, độ cứng và tần số dao động riêng của kết cấu; XS: chuyển vị tương đối của kết cấu so với mặt đất là chuyển vị gây ra dao động sóng chất lỏng trong bể TLD; ag: gia tốc nền; F: lực cắt đáy bể do sóng chất lỏng gây ra. Các phương trình (2.43); (2.44); (2.50) phải được giải quyết đồng thời để tìm ứng xử của kết cấu với bể chứa chất lỏng. Từ gia tốc của kết cấu ở mỗi bước thời gian các phương trình (2.43), (2.44) được giải quyết bằng phương pháp Runge - Kutta - Gill và FTLD được tính toán dựa vào  . Sử dụng giá trị của FTLD hệ thống SDOF được tính bằng phương pháp Newmark, từ phương trình (2.49) gia tốc được tìm thấy để sử dụng trong qui trình tính toán tiếp theo. 2.5.2. Mô hình phân tích của Yu (Mô hình qui đổi khối lượng tương đương) Yu (1997) và Yu và cộng sự (1999) [33] đã mô hình hóa TLD dạng khối lượng rắn có thể mô tả hệ phi tuyến về độ cứng và giảm chấn chuyển động của chất lỏng. Hệ thống này có thể mô tả một khoảng rộng về biên độ kích thích và là một công cụ tốt để thiết kế TLD. Một mô hình tương đương được đề xuất thông qua một năng lượng tương thích - Nonlinear - Stiffness - Damping (NSD) với năng lượng tiêu tán bằng với năng lượng tiêu tán trên TLD. 57 Hình 2.12. a) Mô hình của một TLD, b) Mô hình tương đương (NSD) [33] Trong mô hình NSD kd, cd và md lần lượt là độ cứng, độ cản và khối lượng của mô hình NSD. Một khó khăn trong mô hình này là việc xác định các thông số NSD mô tả đúng ứng xử của TLD tương ứng. Như trên hình 2.12 mô hình sử dụng NSD trong mô phỏng dựa trên lực tương tác gây ra bởi sự trượt của chất lỏng trong bể chứa. Xem hệ TLD làm việc tuyến tính, lực tương tác này sẽ đặc trưng bởi biên độ và pha. Năng lương tiêu tán trong mỗi chu kỳ được mô tả trong công thức (2.51) và đối với hệ phi tuyến năng lượng tiêu tán được tính theo công thức (2.52) w w ST E F dx  (2.51)     ' w w 2 w1 / 2 w EE m A  (2.52) Trong đó: dx: Là khoảng lấy tích phân, chạy suốt chiều dài bể chứa; Fw: Lực sinh ra ở mỗi chu kỳ do sự trượt của các lớp chất lỏng mw: Khối lượng của chất lỏng w: Tần số góc của bàn rung kích thích; A: Biên độ của lực kích thích Sự tiêu hao năng lượng của mô hình NSD được đặc trưng bằng tham số E’d, được xác định thông qua mô hình NSD khi cho mô hình chịu tác động của lực cưỡng bức điều hòa có tỉ lệ tần số  , biên độ 'dF và pha  được xác định thông qua lực tương tác của bể chứa và được tính như sau:      2 2 2 6 ' 2 2 4 1 4 1 4 1 4 2 d d d d F               (2.53)   3 1 2 2 2tan 1 1 4 d d               (2.54) 58 Trong đó: e d f f   tỉ lệ tần số kích thích, ef là tần số lực kích thích, 1 2 d d d kf m  là tần số dao động riêng của hệ NSD. dd rd c c   là tỷ lệ độ cản nhớt của hệ NSD. 2 wrd d dc m là hệ số cản tới hạn. w 2d df là tần số góc cơ bản tuyến tính. md, kd, cd lần lượt là khối lượng, độ cứng, và hệ số cản của hệ NSD. Năng lượng tiêu tán trong từng chu kỳ của lực kích thích: ' '2 sind dE F  (2.55) ' dE được trang bị thay cho 'wE đáp ứng với tần số kích thích của ngoại lực lớn thông qua phép biến đổi bình phương tối thiểu. Trong trường hợp này md = mw, d df  ; độ cứng và hệ số cản vẫn như cũ. Các kết quả được phân tích thông qua hai tỷ số, đầu tiên là tỷ số chuyển đổi tần số được xác định bởi: w df f   (2.56) Trong đó: fw: Là tần số cơ bản tuyến tính của chất lỏng và được định nghĩa là: w 1 tanh 2 2 2 g hf a a         (2.57) Trong đó: h là chiều cao mực nước trong bể. Tỷ lệ thứ hai là độ cứng tỷ lệ K được định nghĩa là: w dkK k  (2.58) Với:  2w w w2k m f Mô hình trên được áp dụng cho một loạt các thử nghiệm thực nghiệm để đánh giá độ cứng tương đương và tỷ lệ giảm chấn cho mô hình NSD. Độ cứng tương đương và tỷ lệ cản nhớt được nghiên cứu như một hàm của chiều cao sóng, độ sâu của mực nước, biên độ của lực kích thích tác dụng lên bể chứa. Giá trị được mô tả như sau: 2 A a  (2.59) Trong đó: A là biên độ của lực kích thích và a là ½ chiều dài bể theo hướng chuyển động. Để tính toán A xem hình 2.13, mỗi thời điểm đường chuyển vị cắt 59 trục thời gian, tính toán được chuyển vị lớn nhất trong nửa chu kỳ trước xmax, i-1, giá trị tuyệt đối của nó được xem là biên độ A của chu kỳ thứ i để tính toán giá trị của  theo công thức (2.59). Hình 2.13. Đồ thị chuyển vị của bể theo thời gian [33] Sau khi tìm thấy các giá trị tương ứng của  và K từ phương trình (2.56) và (2.58), sẽ vẽ họ đường cong  và chọn đường cong nhất để tính toán cho các phương trình cản nhớt và tỷ lệ độ cứng. Yu (1997) và Yu et al (1999) thu được tỷ lệ giảm chấn như sau: 0.350.5d   (2.60) Khi độ cứng thay đổi tỷ lệ đáng kế khi 0.03 (tương ứng với sóng yếu) và sau đó 0.03 (tương ứng với sóng mạnh). Yu (1997) và Yu et al (1999) thu được phương trình cho K như sau: - Sóng yếu: 0.0071.075 , 0.03K    (2.61) - Sóng mạnh: 0.252.52 , 0.03K    (2.62) Cuối cùng, mô hình hệ hai bậc tự do như trên hình 2.14 cho thấy sự tương tác của bể chứa và kết cấu. Hình 2.14. Hệ hai bậc tự do a) Kết cấu với TLD; b) hệ NSD tương đương [33] Thời gian Chuyển vị của bể 60 2.6. Các phương pháp phân tích bể chứa chất lỏng Để thuận tiện cho việc tính toán thiết kế bể chứa chất lỏng, một số phương pháp tính toán đã được đề xuất nghiên cứu như sau: 2.6.1. Phương pháp giải tích sử dụng mô hình hệ giảm chấn khối lượng tương đương (TMD) của Housner và Haroun. a) Mô hình tính toán theo đề xuất của Housner và Haroun [105], [106], [107], [108], [109], [110] Mô hình bài toán này chất lỏng được thay thế bằng khối lượng xung (implusive mass), khối lượng này liên kết cứng với thành bể, và khối lượng đối lưu (convective mass), khối lượng này liên kết với thành bể thông qua lò xo có độ cứng nhất định. Hình 2.15. Mô hình đề xuất cho bể chứa chất lỏng theo Housner [105] mv - Khối lượng bể chứa rỗng; mss- Khối lượng của kết cấu; k1 - là độ cứng của kết cấu; k2 = kc; m2 = mc ; m1 = mi +mv +0.66mss b) Xác định chuyển vị của bể chứa chất lỏng theo mô hình Housner và Haroun. [105], [106], [107], [108], [109], [110] Mô hình tương tác của Housner và Haroun mô tả nước thông qua hai khối lượng: khối lượng đối lưu và khối lượng xung. Khối lượng đối lưu được liên kết với bể thông qua một lò xo với độ cứng kc. Trong trường hợp chỉ tính đến một dạng dao động đầu tiên của sóng nước thì độ cứng kc được tính theo công thức (2.63): 22 .cc c c c c c kf k m m       (2.63) Trong trường hợp xét đến nhiều dạng dao động của sóng nước, thì số lượng đối lưu và lò xo kc được thêm vào tương ứng. Đối với khối lượng xung, khối lương nước này được gắn chặt vào thành bề và dao động cùng với bể nước. 61 Hình 2.16. Hệ kết cấu bể chứa nước dưới tác dụng của tải trọng điều hòa [105] Phương trình Động lực học:       .. .. tt tM q K q M D      (2.64) Với: 0 0 c m M m       ; c c c c k k k K k k       ;       t t c t x q x         ; 1 1        ; Thay vào (2.64) thu được phương trình tương đương:         .. .. 0 0 1 0 0 1 t tc c c cc c c t c t x xk k km m m mk k xx                                          (2.65) Trong đó: mc: khối lượng đối lưu; mi: Khối lượng xung; mbể: Khối lượng bể chứa; mnước: Khối lượng của nước; k: Độ cứng của kết cấu; kc: độ cứng lò xo của khối lượng đối lưu Khi phân tích điều hòa, dưới tác dụng tải dạng chuyển vị cưỡng bức:         .. 0 0sin sint tD D t D D t      Khi đó độ dịch chuyển của bể nước là:                 .. .. 2 2 0 0sin . sin ; sin . sint c tc ct c tx X t x X t x X t x X t              Thay vào phương trình (2.65) thu được phương trình sau:   0 02 2 0 0 0 2 0 0 02 2 0 00 0 1 0 1 . .0 . 0 . . c c c cc c c c c c cc c c cc X k k k Xm m D m mX k k X X k k k m D Xm B inv A mX k k Xm D                                                                                (2.66) Với: 2 02 2 0 . .0 ; 0 . . c c c c c c k k k m Dm A B m k k m D                            L h x(t) L h D(t) x(t) k x (t)c kc mc 62 Vậy chuyển vị tuyệt đối của bể nước được tính theo công thức:       t t t tx x D  (2.67) Ưu điểm: Cho phép tính toán chuyển vị và lực liên kết giữa bể và kết cấu có xét đến dao động của nước trong bể (tần số dao động của nước trong bể lấy bằng tần số dao động của khối lượng đối lưu. Nhược điểm: Khối lượng đối lưu là một thông số quan trọng và kết quả phụ thuộc nhiều vào thông số này. Về lý thuyết thì khối lượng này không được biết trước khi tính toán. Do đó, việc xác định thông số này thông qua biểu đồ thí nghiệm sẽ mang lại kết quả sai khác nhiều so với thực tế. 2.6.2. Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm Thí nghiệm được tiến hành nhằm tìm kiếm những thông tin, kiến thức chưa biết có liên quan đến một đối tượng để tìm ra giải pháp hay câu trả lời cho một vấn đề. Bằng cách quan sát, đo đạc các tính chất của đối tượng hay một phần đối tượng trong quá trình thí nghiệm, ta thu được dữ liệu. Sau khi phân tích, xử lý dữ liệu này, ta có thể có được những hiểu biết sâu sắc hơn về đối tượng, như các tính chất đặc trưng, mối quan hệ giữa các thông số được thể hiện qua các phương trình, công thức, đồ thị. Từ đó ta có thể khai thác, sử dụng đối tượng một cách có hiệu quả hơn. [111] Với bài toán phân tích ảnh hưởng của bể nước đến kết cấu, phương pháp thí nghiệm phải đi xây dựng mô hình kết cấu thực tế được quy đổi theo mô hình đồng dạng để đi tiến hành thí nghiệm với bể chứa chất lỏng, và bể chứa chất lỏng và kết cấu. Phương pháp này cho phép tác động lên đối tượng nghiên cứu một cách chủ động. Tải trọng tác dụng lên mô hình thí nghiệm có thể sử dụng tải điều hòa hoặc tải động đất. Kết quả thu được là tần số dao động riêng của mô hình kết cấu, các đặc tính dao động của chất lỏng trong bể chứa, và ảnh hưởng của bể chứa đến kết cấu dưới tác dụng của tải trọng. Các kết quả này được sử dụng để kiểm chứng với các kết quả tính toán theo các phương pháp khác để làm tăng độ tin cậy của kết quả nghiên cứu thu được. Ưu điểm: Phương pháp có tính chính xác từ mô hình thực nghiệm và việc chủ động trong việc kiểm soát mô hình, tải trọng tác dụng và kết quả nghiên cứu. Nhược điểm: Đa số thực hiện với các mô hình nhỏ. Thực tế mô hình kết cấu công trình là những mô hình rất lớn nên để đảm bảo tính chính xác của kết quả, phương pháp này cần áp dụng thêm thuật toán đồng dạng. Từ thuật toán này sẽ xác định được các mô hình đồng dạng tương đương với mô hình kết cấu thực tế. Nhưng thuật toán này khá phức tạp và khó khăn khi áp dụng. 63 2.6.3. Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số gần đúng để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải tích. Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của bài toán, bằng cách chia nó thành nhiều miền con (phần tử). Các phần tử này được liên kết với nhau tại các điểm nút chung. Trong phạm vi của mỗi phần tử Nghiệm được chọn là một hàm số nào đó được xác định thông qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút của phần tử gọi là hàm xấp xỉ thoả mãn điều kiện cân bằng của phần tử. Tập tất cả các phần tử có chú ý đến điều kiện liên tục của sự biến dạng và chuyển vị tại các điểm nút liên kết giữa các phần tử. Kết quả dẫn đến một hệ phương trình đại số tuyến tính mà ẩn số chính là các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút. Giải hệ phương trình này sẽ tìm được các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử, nhờ đó hàm xấp xỉ hoàn toàn được xác định trên mỗi một phần tử. Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần (PT VPTP) và phương trình tích phân, ví dụ như phương trình truyền nhiệt. Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, vân vân. PPPTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V của nó mà chỉ trong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định của hàm. Trong PPPTHH miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là phần tử. Các miền này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên của phần tử được gọi là nút. Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử. Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán. Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là ổn định số học (numerically stable), nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu và tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra trở nên vô nghĩa. Có rất nhiều cách để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm. 64 PPPTHH là sự lựa chọn tốt cho việc giải phương trình vi phân từng phần trên những miền phức tạp (giống như những chiếc xe và những đường ống dẫn dầu) hoặc khi những yêu cầu về độ chính xác thay đổi trong toàn miền. Ví dụ, trong việc mô phỏng thời tiết trên Trái Đất, việc dự báo chính xác thời tiết trên đất liền quan trọng hơn là dự báo thời tiết cho vùng biển rộng, điều này có thể thực hiện được bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn [112], [113]. Phương pháp Phần tử hữu hạn thường được dùng trong các bài toán Cơ học (cơ học kết cấu, cơ học môi trường liên tục) để xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể. Ngoài ra, phương pháp phần tử hữu hạn cũng được dùng trong vật lý học để giải các phương trình sóng, như trong vật lý plasma, các bài toán về truyền nhiệt, động lực học chất lỏng, trường điện từ [112], [113]. Ưu điểm của phương pháp PTHH: Phương pháp PTHH cho phép phân tích và đánh giá ứng xử động lực học của kết cấu chính xác và sát với thực tế hơn các phương pháp giải tích sử dụng nhiều giả thuyết đơn giản hóa. Phương pháp PTHH có thể mô phỏng gần đúng các kết cấu có cấu trúc phức tạp, bất đối xứng. Phương pháp PTHH cho phép tính toán các mô hình có kích thước lớn mà phương pháp thực nghiệm không thực hiện được. Các tham số của mô hình được hiệu chỉnh dựa trên số liệu đo của các mô hình thí nghiệm có kích thước nhỏ, sau đó được áp dụng phân tích các mô hình lớn. Với sự hỗ trợ của máy tính điện tử và các thuật toán hiện đại, phương pháp PTHH cho phép phân tích phi tuyến (phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) chịu tác dụng của tải trọng phức tạp (va chạm, động đất, gió bão, tải trọng nổ, sụp đổ lũy tiến). Phương pháp PTHH kết hợp với phương pháp thể tích hữu hạn, có xét tới dao động và tương tác giữa nước với kết cấu, cho phép phân tích chính xác ứng xử động lực học của hệ kết cấu - bể nước. Kết quả đạt được là chính xác và thực tế hơn kết quả giải tích, đồng thời có thể áp dụng để mô phỏng các kết cấu lớn, nhiều bậc tự do mà không thể tiến hành thí nghiệm. Phương pháp mô phỏng đề xuất trong đề tài cho phép phân tích kết cấu có nhiều bậc tự do và giảm thời gian tính toán so với mô hình đầy đủ các thành phần của tòa nhà và bể nước. Nhược điểm của phương pháp PTHH: Bên cạnh đó phương pháp PTHH cũng tồn tại nhược điểm đó là: Tính chính xác của mô hình phụ thuộc vào khả năng xây dựng và kiểm soát mô hình của người thực hiện. Vì vậy, tính phổ thông và dễ áp dụng của phương pháp này cho bài toán tương tác giữa kết cấu và chất lỏng chưa cao. Dựa vào phân tích ưu, nhược điểm của các phương pháp cũng như những yêu cầu khi phân tích tính toán bể chứa chất lỏng, luận án đề xuất sử dụng mô hình 65 mô phỏng số dòng chất lỏng tính toán bằng phương pháp PTHH. Cụ thể là đề xuất ra một mô hình tính toán phù hợp cho bể chứa chất lỏng. Mô hình này sẽ được kiểm chứng qua các phương pháp tính toán khác. Cụ thể Luận án nghiên cứu sử dụng mô phỏng số trên phần mềm ANSYS APDL để phân tích mô hình đề xuất, tính toán ảnh hưởng của bể chứa chất lỏng đến kết cấu. Đề xuất mô hình phân tích bể chứa để mô phỏng theo phương pháp PTHH qua phần mềm ANSYS APDL với phần tử nước là phần tử Flui30 [114], [115], [116], [117], [118]. Kết quả tính toán cho tần số dao động riêng của bể chứa, đặc tính dao động của chất lỏng trong bể dưới tác dụng của tải trọng điều hòa, là dẫn chứng cho sự phù hợp của phương pháp PTHH. Hình 2.17. Mô hình bể chứa chất lỏng trong ANSYS APDL 2.7. Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mô hình thí nghiệm Trong phần này, luận án tóm tắt quy trình và kết quả thí nghiệm dao động của kết cấu khi có sử dụng và không sử dụng hệ giảm chấn chất lỏng dưới tác dụng của tải điều hòa, được tiến hành bởi tác giả Luboya [119]. Kết quả thí nghiệm của nghiên cứu trên được sử dụng để kiểm chứng phương pháp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS được sử dụng xuyên suốt đề tài. 2.7.1. Mô hình thí nghiệm của Luboya Hệ kết cấu dạng khung gồm 04 tầng được thiết kế và tiến hành thí nghiệm trong nghiên cứu của Luboya [119]. Mô hình thí nghiệm bao gồm bốn tấm gỗ với cùng kích thước 485 mm x 240 mm x 18 mm, kết nối với bốn cột làm bằng thép với diện tích mặt cắt ngang là 10 mm2. Trọng lượng của mẫu thí nghiệm là 6.95 kg. Các 66 tính chất vật liệu của thép được sử dụng được trình bày trong bảng 2.2. Bảng 2.2. Tính chất vật liệu của Thép Mô đun đàn hồi (GPa) Trọng lượng riêng (kg/m3) Hệ số poisson 210 7800 0.3 Hình 2.18. Kích thước mô hình thí nghiệm (đơn vị - mm) Thiết lập thử nghiệm như được hiển thị trong Hình 2.18, bao gồm mô hình với TLD được đặt ở tầng ba và tầng bốn. Mô hình được thử nghiệm dưới tác động của tải trọng điều hòa thông qua bộ kích tải đặt ở tầng 1. Gia tốc tại đỉnh công trình được ghi lại bằng thiết bị VinSensor (khối lượng 0.163kg) đặt tại tầng 4. Ba tần số dao động riêng đầu tiên của kết cấu được xác định. Mô hình và thiết bị thí nghiệm được mô tả trên hình 2.19. (a) Mô hình có TLD trên tầng 4 (b) Mô hình có TLD trên tầng 3 (c) Máy hiện sóng, máy phát tần số, TLD và điện thoại đo dao động Hình 2.19. Mô hình và các thiết bị thí nghiệm 67 Bảng 2.3. Tổng hợp kết quả 03 tần số dao động riêng đầu tiên của kết cấu. Hệ số cản nhớt được xác định theo phương pháp Half-power từ kết quả đo dao động. Bảng 2.3. Kết quả thí nghiệm xác định tần số dao động riêng của khung Tần số Thí nghiệm phòng thí nghiệm (Hz) Hệ số cản nhớt (%) f1 1.221 0.820 f2 3.613 0.692 f3 5.459 0.651 Từ tần số dao động riêng đầu tiên của kết cấu, kích thước và chiều cao mực nước của hệ TLD được tính toán sao cho dao động riêng của bể nước trùng với dao động riêng đầu tiên của kết cấu. Bảng 2.4 tổng hợp các thông số thiết kế bể nước theo tỷ lệ khối lượng µ (giữa khối lượng bể nước và kết cấu) và tần số dao động riêng của bể nước. Bảng 2.4. Thông số bể nước thiết kế theo tỷ lệ khối lượng và tần số dao động riêng Tỷ lệ khối lượng giữa bể và kết cấu:µ (%) mf (kg) L(mm) b(mm) h (mm) fw (Hz) 1 0.090 125 70 9.686 1.221 2 0.151 145 80 13.124 1.221 Các thông số kỹ thuật liên quan tới mô hình thí nghiệm đã được tóm tắt và tổng hợp đầy đủ. Trong phần tiếp theo, kết quả thí nghiệm sẽ được sử dụng để kiểm chứng tính chính xác của phương pháp mô hình đề xuất cho toàn bộ nghiên cứu này. 2.7.2. Mô hình tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn 2.7.2.1. Xây dựng mô hình Phương pháp phần tử hữu hạn cụ thể được đề xuất là sử dụng mô phỏng trên phần mền ANSYS APDL. 68 Hình 2.20. Mô hình hình học của kết cấu được mô phỏng trên ANSYS Phương pháp mô phỏng số trong đó bể nước được mô hình bằng phần tử fluid30 (dạng phần tử khối theo phương pháp thể tích hữu hạn FVM - Finite Volume Method) thể hiện đúng tương tác sóng nước lên thành bể. Để rút ngắn thời gian thực hiện mô phỏng, mô hình (kết cấu + vật liệu) được xây dựng bằng giao diện của ANSYS Workbench, sau đó ANSYS APDL được sử dụng để định nghĩa điều kiện biên, tải trọng và thực hiện tính toán theo lịch sử thời gian. - Quy trình mô phỏng và thực hiện tính toán trên phần mềm ANSYS APDL, được mô tả như trên hình 2.21. Hình 2.21. Quy trình mô phỏng và tính toán bằng phần mềm ANSYS APDL - Từ việc thực hiện mô phỏng và phân tích tính toán trên phần mềm ANSYS APDL, sẽ xác định được giá trị của tần số tương ứng với ba dạng dao động riêng của hệ kết cấu khung được mô tả như trên hình 2.22. 69 Hình 2.22. Các dạng dao động riêng của kết cấu Khung - Bảng giá trị của tần số tương ứng với ba dạng dao động riêng được xác định từ phần mền ANSYS APDL. Bảng 2.5. Giá trị tần số ứng với ba dạng dao động riêng của kết cấu Khung Mode dao động mode1 mode2 mode3 Tần số (Hz) 1.22 3.64 5.63 2.7.2.2. Tải trọng điều hòa Tải trọng điều hòa sử dụng trong nghiên cứu có khoảng tần số từ 0.5Hz đến 6.5 Hz. Hàm tải trọng được xây dựng dữ liệu trên phần mền Matlab. Hình 2.23. Tạo dữ liệu tải trọng bằng phần mềm MATLAB 70 2.7.3. Kết quả phân tích kết cấu khung dưới tác dụng của tải điều hòa Kết quả thí nghiệm và mô phỏng trong nghiên cứu của Luboya [119] được mô phỏng lại theo phương pháp mô phỏng bằng ANSYS APDL. Hình 2.24 mô tả phổ gia tốc theo tần số được xác định qua gia tốc đỉnh theo thời gian của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng điều hòa có dải tần số từ 0.5Hz đến 6.5Hz (mô tả trên Hình 2.23). Kết quả cho thấy, phương pháp mô phỏng trong luận án cho phổ gia tốc theo miền tần số khớp với kết quả thí nghiệm và nghiên cứu của Luboya [119]. a) Kết quả giá trị biên độ của phổ khi không đặt bể nước. a. Kết quả nghiên cứu của Luboya [119] b. Kết quả mô phỏng bằng ANSYS APDL Hình 2.24. Phổ gia tốc theo tần số theo nghiên cứu của Luboya và phương pháp mô phỏng đề xuất cho luận án b) Kết quả giá trị biên độ của phổ khi đặt bể nước. Phổ gia tốc tại đỉnh công trình và tại tầng thứ 3 khi kết cấu có gắn bộ giảm chấn chất lỏng theo hai trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu µ=1% và µ=2% được thể hiện trên Hình 3.8. Kết quả nhận được bằng ANSYS APDL là sát với kết quả thí nghiệm và mô phỏng theo nghiên cứu của Luboya. Cần lưu ý B iê n độ p hổ Tần số 71 rằng phương pháp mô phỏng bằng mã lệnh theo ANSYS APDL cho phép tùy biến các tham số đầu vào như độ cứng các liên kết giữa bể nước và lò xo, kích thước bể nước, tỷ lệ khối lượng µ, linh hoạt và hiệu quả hơn phương pháp mô phỏng trên ANSYS Workbench mà tác giả Luboya đã sử dụng trong nghiên cứu. - Trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể chứa và kết cấu bằng 1% a. Phổ gia tốc đỉnh công trình và tầng thứ 3 trong trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu µ=1% theo nghiên cứu của Luboya [119], khi bể nước đặt ở tầng 3 và khi đặt ở tầng 4 (tầng đỉnh công trình) b. Phổ gia tốc đỉnh công trình trong trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu µ=1% theo phương pháp mô phỏng sử dụng trong đề tài, khi bể nước đặt ở tầng 4 (tầng đỉnh) Hình 2.25. Phổ gia tốc có xét tới hệ giảm chấn trong hai trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu µ=1% B iê n độ p hổ Tần số 72 - Trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể chứa và kết cấu bằng 2% a. Phổ gia tốc đỉnh công trình và tầng thứ 3 trong trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu µ=2% theo nghiên cứu của Luboya [119], khi bể nước đặt ở tầng 3 và khi đặt ở tầng 4 (tầng đỉnh công trình) b. Phổ gia tốc đỉnh công trình trong trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu µ=2% theo phương pháp mô phỏng sử dụng trong đề tài, khi bể nước đặt ở tầng đỉnh Hình 2.26. Phổ gia tốc có xét tới hệ giảm chấn trong hai trường hợp tỷ lệ khối lượng giữa bể nước và kết cấu µ=2% Từ kết quả phân tích, nhận thấy sự phù hợp của phương pháp mô phỏng dao động của kết cấu có xét tới tương tác của sóng nước trong bể bằng ANSYS APDL được kiểm chứng qua việc so sánh với kết quả thí nghiệm và mô hình của nghiên cứu đi trước. Phương pháp mô phỏng được đề xuất vì thế là đáng tin cậy cho các bài toán khảo sát mức độ giảm chấn của bể nước lên kết cấu có kích thước thật trong các chương tiếp theo. 2.8. Kiểm chứng phương pháp PTHH để phân tích bể chứa chất lỏng qua mô hình đề xuất của Houner và Haroun Thực hiện phân tích bể chứa có kích thước a x b x hbể = 5 x 5 x 3 (m); chiều cao mực nước trong bể h = 2 (m); Chiều dày bản đ