(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất

(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất(Luận văn thạc sĩ) Phân tích đáp ứng kết cấu khung nhà cao tầng với sự hiện diện TMD dưới tác dụng tải trọng động đất

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Trần Văn Thiên ii LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp xem tổng kết quan trọng học viên nhằm đánh giá lại kiến thức thu nhặt thành cuối thể nỗ lực cố gắng học viên cao học suốt trình học tập Để có ngày hơm nay, em xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy Khoa Xây Dựng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt cho em kiến thức quý báu, giúp em mở rộng thêm tầm hiểu biết để em hồn thành tốt luận văn Do khối lượng cơng việc thực tương đối lớn, thời gian thực trình độ cá nhân hữu hạn nên làm khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong lượng thứ tiếp nhận dạy, góp ý kiến quý thầy cô bạn bè Em chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Hoài Sơn - giáo viên hướng dẫn chính, thầy tận tâm bảo, hướng dẫn em trình làm luận văn để em hồn thành luận văn thời gian quy định Những đóng góp, ý kiến, hướng dẫn thầy quan trọng góp phần hồn thành luận văn Xin gửi lời cám ơn đến bố mẹ, người thân gia đình bạn bè động viên, cổ vũ tinh thần giúp vượt qua khó khăn suốt q trình học tập hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! iii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Ngành xây dựng cần có dạng kết cấu tốt để đảm bảo tính bền vững cho cơng trình nhà cao tầng xây dựng khắp giới Nhằm để giảm bớt áp lực từ trọng lượng thân cơng trình nhà cao tầng lên đất, kết cấu của cơng trình xây dựng làm tương đối nhẹ linh hoạt, dẫn đến công trình dể bị rung động nhiều tải trọng bên ngồi tác động vào tải gió, tải động đất Một xu hướng được nêu gắn thêm vào cơng trình hấp thụ thụ động dạng khối lượng (TMD) để làm giảm dao động công trình cơng trình bị tác động tải trọng gió, động đất Trong cơng trình này, tác giả nghiên cứu tác động hấp thụ thụ động dạng khối lượng (TMD) lên kết cấu cơng trình, cụ thể khung 2D với TMD sử dụng tải động đất theo lịch sử thời gian El Centro 1940, Kobe để nghiên cứu dao động cơng trình Thay đổi tỉ số khối lượng khác để tính tốn so sánh chuyển vị cơng trình với tỉ số cản nhớt cơng trình từ 1% đến 5% Từ việc nghiên cứu tác giả nhận thấy rằng, hấp thụ thụ động dạng khối lượng điều khiển dao động cơng trình theo chiều hướng tốt bị tác động tải trọng động đất Ở vị trí khác kết cấu khả điều khiển dao động đến cơng trình khác iv ABSTRACT The construction needs a better structure to ensure the sustainability of highrise buildings that are being built around the world In order to reduce the pressure from the weight of the high buildings to the ground, the structure of the building is done relatively light and flexible, the buildings is very easily vibrated by external loads acting on the load such as wind, earthquake loads One tendency is to add a tuned mass damper (TMD) to building to reduce the oscillation of a building when it is impacted by wind or earthquake loads In the study, the author studies impact of the tuned mass damper (TMD) to the structure, especially 2D frame with TMD Using ElCentro 1940 and Kobe historical time earthquake loads is to research the vibration of the building Changing the different mass ratios is to calculate and compare the displacement of the building with damper ratios of the building from 1% to 5% From the study, the author found that the tuned mass damper can control the vibration of buildings with a good way when impacted by earthquake load At different positions in the structure, the ability to vibration control to the structure is different v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC KÝ HIỆU xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu 1.3 Bộ hấp thụ dao đông thụ động dạng khối lượng (TMD) 1.5 Lịch sử nghiên cứu 1.6 Những cơng trình ứng dụng Tuned mass damper 1.6.1 Taipei 101 - 509m (Taipei) 1.6.2 Trump World Tower, New York 1.6.3 Crystal Tower, Japan: hai TMD 1.6.4 John Hancock Tower, Boston 10 1.6.5 Citicorp Tower, New York City 11 CHƯƠNG 12 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ KẾT CẤU NHIỀU BẬC TỰ DO 12 2.1 Chuyển động kết cấu MDOF 12 2.1.1 Phương trình vi phân chuyển động 12 2.1.2 Newmark’s method 15 CHƯƠNG TUNED MASS DAMPER (TMD) VỚI HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO 16 vi A LÝ THUYẾT 16 3.1 Chuyển động kết cấu MDOF với TMD 16 3.1.1 Phương trình vi phân chuyển động 16 3.1.2 Newmark’s method với Tuned mass damper 17 B LÝ THUYẾT 20 3.2 Phương trình dao động hệ 20 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 23 A THỰC HIỆN TÍNH TỐN VỚI LÝ THUYẾT 23 4.1 Dao động cơng trình khơng có TMD 23 4.2 Xác định vị trí đặt TMD 24 4.3 Dao động cơng trình với TMD 26 B TÍNH TỐN VỚI LÝ THUYẾT 37 C SO SÁNH KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG CƠNG TRÌNH CỦA TMD ĐỐI VĨI HAI LÝ THUYẾT 40 D THỰC HIỆN TÍNH TỐN VỚI CÁC TẢI ĐỘNG ĐẤT KHÁC NHAU 42 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 48 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Đài Bắc 101 vơi Tuned mass damper (TMD) 07 Hình 1.2: TMD với tịa nhà Trump World Tower 08 Hình 1.3: TMD với tòa nhà Crystal Tower 09 Hình 1.4: TMD với tòa nhà John Hancock Tower 10 Hình 1.5: TMD với tịa nhà Citicorp Tower 11 Hình 2.1: Hệ kết cấu MDOF 12 Hình 3.1: Hệ kết cấu MDOF với TMD 16 Hình 3.2: Hệ kết cấu MDOF với TMD 20 Hình 4.1: Chuyển vị đỉnh cơng trình với tỷ số cản khác 24 Hình 4.2: Chuyển vị đỉnh cơng trình với tỷ số cản khác 26 Hình 4.3: So sánh chuyển vị đỉnh cơng trình với tỷ số cản khác 27 Hình 4.4: Biểu đồ phân bố phần trăm thay đổi chuyển vị đỉnh cơng trình với tỷ số khối lượng khác 29 Hình 4.5: Biểu đồ phần trăm thay đổi chuyển vị đỉnh cơng trình với tỷ số cản 29 Hình 4.6: Biên độ dao động tầng với tỷ số cản tỷ số khối lượng 31 Hình 4.7: Biên độ dao động tầng với tỷ số cản tỷ số khối lượng 31 Hình 4.8: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 1%, tỷ số khối lượng 1% 32 Hình 4.9: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 1%, tỷ số khối lượng 5% 32 Hình 4.10: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 1%, tỷ số khối lượng 10% 33 Hình 4.11: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 2%, tỷ số khối lượng 1% 33 Hình 4.12: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 2%, tỷ số khối lượng 5% 34 viii Hình 4.13: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 2%, tỷ số khối lượng 10% 34 Hình 4.14: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 5%, tỷ số khối lượng 1% 35 Hình 4.15: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 5%, tỷ số khối lượng 5% 35 Hình 4.16: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 5%, tỷ số khối lượng 7% 36 Hình 4.17: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 5%, tỷ số khối lượng 10% 36 Hình 4.18: Chuyển vị đỉnh cơng trình với tỷ số cản khác 38 Hình 4.19: So sánh chuyển vị đỉnh cơng trình với tỷ số cản khác 39 Hình 4.20: So sánh chuyển vị đỉnh cơng trình u=0.01, zeta = 0.01 41 Hình 4.21: So sánh chuyển vị đỉnh cơng trình u=0.01, zeta = 0.02 41 Hình 4.22: So sánh chuyển vị đỉnh cơng trình u=0.01, zeta = 0.05 42 Hình 4.23: Gia tốc động đất Kobe 1995 42 Hình 4.24: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 2%, tỷ số khối lượng 1% tải động đất Kobe 1995 43 Hình 4.25: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 2%, tỷ số khối lượng 15% tải động đất Kobe 1995 43 Hình 4.26: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 5%, tỷ số khối lượng 1% tải động đất Kobe 1995 44 Hình 4.27: Biểu đồ chuyển vị với tỷ số cản 5%, tỷ số khối lượng 15% tải động đất Kobe 1995 44 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Khối lượng độ cứng kết cấu 23 Bảng 4.2: Chuyển vị đỉnh cơng trình khơng có TMD 23 Bảng 4.3: Chuyển vị đỉnh cơng trình đặt TMD vị trí tầng khác với   0.01 25 Bảng 4.4: Chuyển vị đỉnh cơng trình thay đổi tỷ số khối lượng TMD 26 Bảng 4.5: Phần trăm thay đổi chuyển vị đỉnh cơng trình 28 Bảng 4.6: Chuyển vị cơng trình với tầng khác 30 Bảng 4.7: Khối lượng độ cứng kết cấu 37 Bảng 4.8: Chuyển vị đỉnh cơng trình khơng có TMD 37 Bảng 4.9: Chuyển vị đỉnh cơng trình thay đổi tỷ số khối lượng TMD 38 Bảng 4.10: So sánh chuyển vị cơng trình hai nhóm lý thuyết 40 x DANH MỤC KÝ HIỆU MDOF SDOF Hệ nhiều bậc tự (Muttiple degree of freedom system) Hệ bậc tự (Singgle degree of freedom system) TMD Bộ hấp thụ thụ động dạng khối lượng (Tuned mass damper) Mt Khối lượng TMD M Khối lượng hệ kết cấu Ct Ma trận cản TMD C Ma trận cản kết cấu Kt Ma trận độ cứng TMD K Ma trận độ cứng kết cấu m Khối lượng SDOF c Độ cản SDOF k Độ cứng SDOF  Tỷ số khối lượng f Tỷ số tần số tự nhiên t Tỷ số cản u , u, u : Lần lượt vec-tơ gia tốc, véc-tơ vận tốc véc-tơ chuyển vị hệ kết cấu ug Véc-tơ gia tốc đất  Là dạng dao động riêng kết cấu  Là tần số dao động tự nhiên kết cấu xi PHỤ LỤC Chương trình tính matlab clear all; close all;clc; g=9.81;%m/s2 k=75870.5;%kN/m m=96.8;%tan zeta=5/100; % TINH MATRIX MASS AND SIFFNES M_diag= [m m m m m m m m m m ]; nh=length(M_diag); M=zeros(nh,nh); for i=1:nh M(i,i)=M_diag(i); end Me=sum(M_diag); disp( 'mass matix'); M; K_diag= [k k k k k k k k k k ]; K=zeros(nh,nh); K(1,1)=K_diag(1) + K_diag(2); K(1,2)=-K_diag(2); K(nh,nh)=K_diag(nh); K(nh,nh-1)=-K_diag(nh); for i=2:nh-1 K(i,i-1)=-K_diag(i); K(i,i)=K_diag(i) + K_diag(i+1); K(i,i+1)=-K_diag(i+1); end disp('stiffness matrix'); 48 K; % TÍNH TAN SO DAO DONG RIÊNG [ff w]=eig(K,M); disp ('the natural frequency'); omega=(diag(sqrt(w)))'; for i=1:nh T=2*pi/omega(:,i); Tn(i,:)=T; end disp(' Tn matrix'); Tn; % TINH DANG DAO DONG RIENG [V_mode JH]=polyeig(K,M); I=ones(nh,1); cc=V_mode'*2*zeta*(M*K)^0.5*V_mode; %DAMPING MATRIX mm=V_mode'*M*V_mode; kk=V_mode'*K*V_mode; %Newmark's method load ElCentro.txt; load kobe.txt; ug=ElCentro(:,2)*g; %ug=kobe(:,2)*g; L=length(ug); dt=0.01; anpha=0.5; beta=1/4; F=V_mode'*M*I*ug'; Q(:,1)=zeros(nh,1);%CHUYEN VI 49 V(:,1)=zeros(nh,1);% VAN TOC a1=mm + cc*dt*anpha + kk*dt*dt*beta; a2= cc*dt*(1- anpha) + kk*dt*dt*(0.5 - beta); a3=cc + kk*dt; a4=kk; A=(mm^-1)*(-F(:,1) - cc*V(:,1) - kk*Q(:,1)); for i=1:L-1 FC(:,i)=-F(:,i+1) - a2*A(:,i) - a3*V(:,i) - a4*Q(:,i); A(:,i+1)=a1^-1*FC(: , i); Q(:,i+1)=Q(:,i) + dt*V(:,i) + dt*dt*((0.5-beta)*A(:,i) + beta*A(:,i+1)); V(:,i+1)=V(:,i) + dt*(1-anpha)*A(:,i) + dt*anpha*A(:,i+1); U(:,i+1)=V_mode*Q(:,i+1); end %A LÝ THUYẾT % TÍNH DAO DONG VOI TMD %TÍNH THÀNH PHAN CUA TMD muy =0.01;% ti so khoi luong Omegat = omega(1)*(1/(1 + muy)); zetat = sqrt(3*muy/(8*(1 + muy))); mt = muy*mm(1);%khoi luong tmd kt = mt*omegat^2;%do cung tmd ct = 2*zetat*(mt*kt)^0.5;% can tmd %TÍNH CÁC MA TRAN CUA TMD 50 Kt= zeros(nh,1); Ct= zeros(nh,1); Kt(n,1)= kt; Ct(n,1)= ct; % CÁC GÍA TRi BAN DAU CUA HE THONG q(:,1)=zeros(nh,1);%chuyen vi ban dau cua he thong v(:,1)=zeros(nh,1);% van toc ut=0;%chuyen vi ban dau cua tmd vt=0;% van toc ban dau cua tmd % TÍNH CÁC GIÁ TRI A1 ĐẾN A13 A1=mm + cc*dt*anpha + kk*dt*dt*beta; A2= cc*dt*(1- anpha) + kk*dt*dt*(0.5 - beta); A3=cc+kk*dt; A4=kk; A5=Ct*dt*anpha + Kt*dt*dt*beta; A6=Ct*dt*(1-anpha) + Kt*dt*dt*(0.5 - beta); A7=Ct + Kt*dt; A8=Kt; A9= mt + ct*dt*anpha + kt*dt*dt*beta; A10= ct*dt*(1- anpha)+ kt*dt*dt*(0.5 - beta); A11= ct + kt*dt; A12= kt; A13=mt; L1=A5*A13/A9 A1(:,n)=A1(:,n)-L1; a=(mm^-1)*(-F(:,1)+Ct*vt+Kt*ut-cc*v(:,1)-kk*q(:,1)); %(gia toc ban dau cua he thong) at=((mt)^-1)*( mt*ug(1)- mt*a(n,1)- ct*vt - kt*ut); %(gia toc ban dau cua tmd) 51 for i=1:L-1 FA(:,i)=-F(:,i+1)+A6*at(i)+A7*vt(i)+A8*ut(i)-A2*a(:,i)-A3*v(:,i)-A4*q(:,i); FB(i)=n1*mt*ug(i+1)+A10*at(i)+A11*vt(i)+A12*ut(i); L2(:,i)=FA(:,i)-(A5*FB(i))/A9; a(:,i+1)=A1^-1*L2(:,i); %(gia toc cua he thong voi t+1) at(:,i+1)=(A13*a(n,i+1)-FB(i))/A9; %(gia toc cua tmd voi t+1) q(:,i+1)=q(:,i)+dt*v(:,i)+dt*dt*((0.5-beta)*a(:,i)+beta*a(:,i+1)); v(:,i+1)=v(:,i)+dt*(1-anpha)*a(:,i)+dt*anpha*a(:,i+1); ut(i+1)=ut(:,i)+dt*vt(:,i)+dt*dt*(0.5-beta)*at(:,i)+dt*dt*beta*at(:,i+1); vt(i+1)=vt(:,i)+dt*(1-anpha)*at(:,i)+dt*anpha*at(:,i+1); u(:,i+1)=V_mode*q(:,i+1); end % B LÝ THUYẾT muy =0.01;% ti so khoi luong Omegat = omega(1)*(1/(1 + muy)); zetat = sqrt(3*muy/(8*(1 + muy))); mt = muy*mm(1);%khoi luong tmd kt = mt*omegat^2;%do cung tmd ct = 2*zetat*(mt*kt)^0.5;% can tmd M1_diag= [m m m m m m m m m m mt]; hh=length(M1_diag); M1=zeros(hh,hh); for i=1:hh M1(i,i)=M1_diag(i); end Mee=sum(M1_diag); disp( 'mass matix'); M1; 52 K1_diag= [k k k k k k k k k k kt ]; K1=zeros(hh,hh); K1(1,1)=K1_diag(1) + K1_diag(2); K1(1,2)=-K1_diag(2); K1(hh,hh)=K1_diag(hh); K1(hh,hh-1)=-K1_diag(hh); for i=2:hh-1 K1(i,i-1)=-K1_diag(i); K1(i,i)=K1_diag(i) + K1_diag(i+1); K1(i,i+1)=-K1_diag(i+1); end disp('stiffness matrix'); K1; % TÍNH TAN SO DAO DONG RIÊNG [ff w1]=eig(K1,M1); disp ('the natural frequency'); omegaa=(diag(sqrt(w1)))'; % TINH DANG DAO DONG RIENG [v_mode HH]=polyeig(K1,M1); I=ones(nh,1); cc1=v_mode'*2*zeta*(M1*K1)^0.5*v_mode; %DAMPING MATRIX mm1=v_mode'*M1*v_mode; kk1=v_mode'*K1*v_mode; %TÍNH THÀNH PHAN CUA TMD Q1(:,1)=zeros(hh,1);%CHUYEN VI V1(:,1)=zeros(hh,1);% VAN TOC a11=mm1+cc1*dt*anpha+kk1*dt*dt*beta; 53 a22= cc1*dt*(1-anpha)+kk1*dt*dt*(0.5-beta); a33=cc1+kk1*dt; a44=kk1; I1=ones(hh,1); F=v_mode'*M1*I1*ug'; AA=(mm1^-1)*(-F(:,1)-cc1*V1(:,1)-kk1*Q1(:,1)); for i=1:L-1 FCC(:,i)=-F(:,i+1)-a22*AA(:,i)-a33*V1(:,i)-a44*Q1(:,i); AA(:,i+1)=a11^-1*FCC(:,i); Q1(:,i+1)=Q1(:,i)+dt*V1(:,i)+dt*dt*((0.5-beta)*AA(:,i)+beta*AA(:,i+1)); V1(:,i+1)=V1(:,i)+dt*(1-anpha)*AA(:,i)+dt*anpha*AA(:,i+1); U1(:,i+1)=v_mode*Q1(:,i+1); end 54 S K L 0 ... (tuned mass damper) gắn thêm vào kết cấu để làm giảm biên độ dao động kết cấu tác dụng tải trọng động, trọng tâm tải trọng động đất El Centro 1940, tải động đất Kobe 1995 1.2 Đối tượng, phạm... động đất Trong cơng trình này, tác giả nghiên cứu tác động hấp thụ thụ động dạng khối lượng (TMD) lên kết cấu cơng trình, cụ thể khung 2D với TMD sử dụng tải động đất theo lịch sử thời gian El... lớn tải trọng bên ngồi tác động vào tải gió, tải động đất Làm ảnh hưởng xấu đến sức khỏe sống người sống bên cơng trình Nếu lượng áp đặt cho kết cấu gió tải động đất tiêu tan hồn tồn theo cách kết