Phân tích động lực học của bể nước ngầm chịu gia tốc nền động đất

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

--------∞0∞--------

ĐẶNG DUY LINH

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA BỂ NƯỚC NGẦM

CHỊU GIA TỐC NỀN ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số chuyên ngành: 8 58 02 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

GIẤY XÁC NHẬN

Tôi tên là: Đặng Duy Linh

Ngày sinh: 22/09/1985

Tôi đồng ý cung cấp toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp hợp lệ về bản quyền cho

Thư viện trường đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh. Thư viện trường đại học Mở

Thành phố Hồ Chí Minh sẽ kết nối toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp vào hệ

thống thông tin khoa học của Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh.

Ký tên

Đặng Duy Linh

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã học viên: 1885802080007

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Ý KIẾN CHO PHÉP BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Trọng Phước

Học viên thực hiện: Đặng Duy Linh Lớp: MCON018B

Ngày sinh: 22/09/1985 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Tên đề tài: Phân tích động lực học của bể nước ngầm chịu gia tốc nền động đất.

Ý kiến của giáo viên hướng dẫn về việc cho phép học viên: Đặng Duy Linh

được bảo vệ luận văn trước Hội đồng:

Học viên Đặng Duy Linh đã hoàn thành được nội dung luận văn thạc sỹ; một phần kết

quả đã được công bố trong 01 bài báo đăng trên Tạp chí Xây dựng. Tôi đồng ý để Học viên

Linh bảo vệ Luận văn trước Hội đồng chấm Luận văn của Trường.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 7 năm 2021

Người nhận xét

Nguyễn Trọng Phước

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn “Phân tích động lực học của bể nước ngầm chịu

gia tốc nền động đất” là bài nghiên cứu của chính tôi.

Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi

cam đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được

công bố hoặc được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.

Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận

văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định.

Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các

trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.

TP. Hồ Chí Minh, năm 2021

Đặng Duy Linh

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tác giả muốn gởi lời cảm ơn chân thành đến 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 thạc sỹ của Ngành Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Mở TP. Hồ

Chí Minh. Đây là một trong những cơ hội quý báu nhất mà tác giả từng có được.

Và trên hết, tác giả mong muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS.

Nguyễn Trọng Phước là người đã trực tiếp hướng dẫn và đi cùng tác giả trên toàn

bộ chặng đường vừa qua để tác giả có thể hoàn thành được luận văn này. Thầy đã

tạo mọi điều kiện tốt nhất và nhanh chóng nhất giúp đỡ tác giả có từng tài liệu tham

khảo cũng như uốn nắn từng câu chữ. Và trên hết 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.

Cuối cùng, tôi xin ghi nhận sự giúp đỡ của gia đình đã luôn bên cạnh động

viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua.

Xin chân thành cảm ơn!

TP. Hồ Chí Minh, năm 2021

Đặng Duy Linh

ii

iii

TÓM TẮT

Nghiên cứu này phân tích ứng xử động của bể nước ngầm chịu tác động của

tải trọng động có xét tương tác nước và kết cấu. Kết cấu bể nước ngầm và nước

chứa trong bể được và nền đất bên dưới và xung được rời rạc hóa bằng phương

pháp phần tử hữu hạn khối của chất rắn và lỏng và chất rời, có xét đến hiện tượng

tương tác động đa môi trường trong phần mềm ANSYS có can thiệp bằng các mô

đun khác nhau. Tải trọng động được dùng là tải điều hòa có tần số thay đổi bao phủ

tần số riêng của hệ; gia tốc nền động đất được chọn có phổ tần số trội gần với tần số

riêng của kết cấu. Bài toán dao động tự nhiên, chuyển động khi chịu tải trọng động

được giải bằng mô đun phân tích động của ANSYS với tần số thay đổi cho đáp ứng

động của kết cấu trên miền tần số. Để đạt được kết quả phân tích cần rất nhiều tài

nguyên xử lý của máy tính do số lượng ẩn số chuyển vị trong bài toán là rất lớn lên

đến hàng chục triệu. Kết cấu này phân tích mô hình chi tiết bằng phần tử hữu hạn

khối nên có ý nghĩa khi mô tả ứng xử thật hơn của hệ.

Kết quả số cho thấy khi mực nước trong bể càng tăng thì tần số dao động

riêng giảm đi đáng kể, tức hệ mềm hơn và sự giảm này gần như tuyến tính với mực

nước trong bể chứa; Ngoài ra, chuyển vị động cũng tăng lên đáng kể khi hệ chịu cả

tải trọng điều hòa trong nhiều tình huống và gia tốc nền động đất, thiên về hướng

làm cho kết cấu trở nên nguy hiểm hơn khi có xét hiện tượng tương tác động này.

ABSTRACT

This study analyzes the dynamic behavior of underground water tanks under

the harmonic loads and ground acceleration of earthquakes considering water and

structural interactions. The structure of the underground water tank and the water in

the tank and soil of the foundation are discretized by the finite element method with

solid and liquid elements, taking into account the phenomenon of multi￾environment interactions using ANSYS software. The loads are applied as variable

frequency harmonic loads depending on the natural frequency of the structure and

ground acceleration of earthquakes peak frequency nearly chosen with the system.

The good numerical results heavily require computer processing resources because

the number of displacement unknowns in the problem is approximately tens of

millions. With the model by finite element method, the solutions are convergent to

the true behavior of the dynamic response of the system.

The numerical results show that the water level has a significant effect on the

dynamic characteristic of the structural system and the dynamic response of water

tank interaction under the dynamic loads and ground acceleration almost have more

increasing dynamic displacements than others without the effect of the interaction.

Therefore, it can be seen that the study has meaning practice.

iv

v

MỤC LỤC

Lời cam đoan .....................................................................................................i

Lời cảm ơn ....................................................................................................ii

Tóm tắt .................................................................................................. iii

Abstract ...................................................................................................iv

Mục lục ....................................................................................................v

Danh mục các bảng biểu và hình vẽ ................................................................vii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU .............................................................................1

1.1 Đặt vấn đề............................................................................................1

1.2 Mục tiêu của luận văn..........................................................................5

1.3 Phương pháp thực hiện........................................................................5

1.4 Cấu trúc luận văn.................................................................................6

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN............................................................................7

2.1 Giới thiệu chương................................................................................7

2.2 Các nghiên cứu về tương tác chất lỏng - kết cấu bể............................7

2.3 Một số nghiên cứu về bể chứa chất lỏng .............................................9

2.4 Kết luận chương ................................................................................19

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................................20

3.1 Giới thiệu chương..............................................................................20

3.2 Lý thuyết về các đặc trưng của chất lỏng ..........................................20

3.3 Lý thuyết về sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể.......................24

3.4 Phần mềm sử dụng để mô phỏng và phân tích kết cấu .....................29

3.5 Phần tử tương tác trong phần mềm Ansys.........................................32

3.6 Kết luận chương ................................................................................36

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC BỂ NƯỚC NGẦM..........37

4.1 Giới thiệu chương..............................................................................37

4.2 Các thông số của bể chứa nước ngầm ...............................................38

vi

4.3 Dao động tự do của bể chứa nước ngầm ...........................................41

4.3.1 Bể không chứa nước..............................................................42

4.3.2 Kiểm chứng lời giải của phần tử nước ..................................43

4.3.2 Ảnh hưởng của mực nước đến dao động riêng .....................46

4.4 Bể chịu tải điều hòa ...........................................................................49

4.4.1 Trường hợp bể nước ngầm không chứa nước ......................49

4.4.2 Trường hợp bể nước ngầm có mực nước thay đổi ...............50

4.5 Bể chịu gia tốc nền động đất .............................................................54

4.6 Bàn luận kết quả ................................................................................58

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.............................59

Tài liệu tham khảo ............................................................................................61

Bài báo công bố .................................................................................................64