(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD

(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD(Luận văn thạc sĩ) Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD

1 Tổng quan Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Thảm họa động đất từ lâu xếp vào thảm họa khốc liệt tự nhiên mà hết người sống hành tinh phải chịu nhiều đau thương tổn thất gây Mặc dù ngày khoa học kỹ thuật có tiến vượt bậc, đứng trước thảm họa động đất thật hiểu sống người thật mỏng manh thấy rõ tầm quan trọng việc ứng dụng thành tựu ngành khoa khác vào ngành xây dựng giới nói chung Việt Nam nói riêng, đặc biệt kỹ thuật tiên tiến nhận dạng, tối ưu hóa hệ thống Trong kỹ thuật đó, quan tâm nhiều năm gần kỹ thuật nhận dạng, phân tích tham số dao động (modal) cho hệ thống cơng trình nhà cao tầng, cầu, trụ tháp, giàn khoan xa bờ, đập v.v… Để thấy rõ tính cấp thiết việc ứng dụng kỹ thuật nói vào lĩnh vực xây dựng, ta cần điểm lại thiệt hại to lớn tính sơ 10 trận động lớn khắp nơi giới thời gian từ năm 1755 đến năm 2005 có 5,227,000 người chết, thiệt hại tài sản tỷ 100 triệu USD Gần nhất, khơng qn hình ảnh đau thương hậu trận động đất với cường độ lớn lịch sử Nhật Bản, trận động đất mạnh với cường độ lên tới 9,0 độ Richter kéo theo đợt sóng thần cao 10 m cướp sinh mạng nhiều người (trên 100,000 người chết) Thiệt hại lên tới 100 tỷ USD, 20 tỷ USD thiệt hại dân thường 40 tỷ USD thiệt hại hạ tầng sở,…Nổi kinh hoàng nhân loại chưa dứt, đến ngày 23 tháng 10 năm 2011 trận động đất 7,2 độ Richter làm 459 người thiệt mạng địa chấn miền đông Thổ Nhĩ Kỳ 1 Tổng quan Trong đó, Việt Nam động đất chưa gây thiệt hại to lớn Tuy nhiên, thời gian gần thường xuyên xảy động đất gây hoang mang sợ hãi cho dân chúng như: trận động đất Tuần Giáo – Lai Châu ngày 24 tháng năm 1983, trận động đất ngày ngày tháng năm 2005 khơi biển Vũng Tàu gây ảnh hưởng thành Phố Hồ Chí Minh, Nha Trang, Vũng Tàu, Đồng Nai Trận động đất Vân Nam-Trung Quốc gây ảnh hưởng đến Lào Cai ngày 16 tháng năm 2005 Ba năm sau đó, đầu tháng năm 2008 trận động đất xuất Lai Châu Nhận thức tầm quan trọng tính cấp bách việc đề phương án phòng chống, ứng phó với động đất, nhằm góp phần bảo vệ tính mạng tài sản nhân dân, ngày 19 tháng năm 2012, phó chủ tịch UBND TP HCM Lê Minh Trí vừa ký định ban hành phương án "Phịng ngừa, ứng phó khắc phục hậu động đất, sóng thần địa bàn thành phố" Theo chuyên gia địa chất, TP HCM nằm vùng động đất thuộc vùng đứt gãy sơng Sài Gịn - đứt gãy có khả phát sinh động đất mạnh đến 5,5 độ Richter, gây chấn động cấp khu vực TP HCM vùng lân cận Trước đó, ngày 11 tháng năm 2012 dư chấn trận động đất mạnh 8,9 độ Richter Indonesia gây rung lắc tòa nhà cao tầng Việt Nam khiến nhiều người hoảng hốt bỏ chạy xuống đất Trong hàng triệu người dân thành phố Hồ Chí Minh chưa quên cảm giác hoảng sợ thăng bằng, chao đảo, tức ngực, chóng mặt bên nhà bị rung lắc sóng lan truyền động đất từ Indonesia gần tháng sau hàng ngàn người dân miền Trung lại tiếp tục sống tâm trạng lo âu, sợ nhà sập lũ quét nhà cửa họ rung lên dội sau những tiếng nỗ kinh hoàng trận động đất 4,2 độ Richter với độ chấn tiêu sâu 7,3 km xảy bên phải đập hồ chứa thủy điện Sông Tranh xã Trà Đốc, huyện Bắc Trà My vào lúc 20 46 phút ngày tháng năm 2012 Để đối phó với thảm họa động đất, tìm kỹ thuật, công nghệ tiên tiến nhằm khống chế giảm thiểu tác hại dư chấn động đất ảnh hưởng lên cơng trình xây dựng từ lâu nhà khoa học nước quan tâm Tổng quan Trong đó, phải kể đến vai trị cơng trình nghiên cứu nhận dạng tham số động lực học cơng trình, chuẩn đoán số hư hại, tiên đoán ứng xử cơng trình có dư chấn xảy Để làm điều đó, kỹ thuật nhận dạng tham số động lực học cơng trình rút nhờ rung động bên tác động lên cơng trình (ambient vibration) hỗ trợ phương pháp phân giải miền tần số (Frequency Domain Decomposition) Kỹ thuật áp dụng phổ biến cho đối tượng tòa nhà cao tầng, cầu, trụ tháp,… có chi phí thấp, lại cho kết đạt mức xác cao Để góp phần vào cơng tác nghiên cứu, sử dụng phương pháp khả thi vào việc nhận dạng tham số động học quan trọng tòa nhà tần số tự nhiên mode dao động, độ cứng tầng Các thông số nguồn thơng tin hữu ích cho nhà kiến trúc, nhà xây dựng cần quan tâm tiến hành gia cố tầng có độ cứng khơng đảm bảo, đặc biệt cơng trình “có tuổi” cần ưu tiên bảo vệ chống lại tác hại động đất, hay lốc xốy, gió bão Những tầng yếu phát hiện, chúng nguy gây nên hư hại sụp đổ tịa nhà có địa chấn làm rung lắc cơng trình Ngồi thơng số nhận dạng có ý nghĩa quan trọng cho việc nghiên cứu lắp đặt ứng dụng thuật toán điều khiển hấp thụ dao động cho tòa nhà, chẳng hạn TMD, MR Damper Từ góp phần làm giảm thiểu tránh tác hại xảy cho tịa nhà động đất gây Do đó, học viên định chọn đề tài nghiên cứu “Nhận dạng tham số động học tòa nhà phương pháp FDD” Trước tiến hành nghiên cứu chi tiết ứng dụng kỹ thuật này, đồng thời để minh chứng tính hợp lý việc lựa chọn phương pháp FDD để nghiên cứu, ta cần nghiên cứu cách tổng quan kỹ thuật ứng dụng để nhận dạng, chuẩn đốn hư hại cơng trình, góp phần làm giảm thiểu tác hại dư chấn lên nhà cao tầng Tổng quan 1.2 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu Nhận dạng cơng trình dùng mạng nơ ron nhân tạo Năm 1997, Olivera Jovanovié khoa kỹ thuật khí trường đại học Montenegro dùng mạng nơron lan truyền ngược để nhận dạng hệ thống động lực học [1] Mạng nơron huấn luyện kiểm tra cách ghi nhận tín hiệu phản hồi cơng trình thật suốt q trình xảy động đất Kết đạt cho thấy mạnh việc ứng dụng mạng nơron nhận dạng hệ thống Biến trạng thái Y (k ) tải động f (k ) hồn tồn xác định bước Y (k  1) Điều có nghĩa ngõ vào mạng chọn Y (k ) f (k ) ngõ mạng hội tụ Y (k  1) thơng qua q trình huấn luyện mạng Tuy nhiên, phương pháp chưa đưa tham số động học cơng trình độ cứng, tần số tự nhiên Nhận dạng hệ thống dựa mạng nơron GADALINE Một mạng nơ ron phần tử tuyến tính thích nghi tổng qt hóa( generalized Adaptive Linear Element- GADALINE) [2] phương pháp nhận dạng online để ước lượng tham số hệ thống thay đổi theo thời gian ADALINE tổng quát hóa ngõ vào bao gồm ngõ vào hệ thống ngõ hệ thống hồi tiếp về, cho tốc độ hội tụ việc học nhanh hơn, đồng nghĩa với việc bám theo tham số hệ thống thay đổi theo thời gian Độ phức tạp tính tốn khơng cao phương pháp phù hợp với nhận dạng hệ thống ứng dụng điều khiển thích nghi theo thời gian Vì GADALINE kiểu hồi quy tuyến tính mạng nơ ron Việc học thích ghi cộng với đại lượng động lượng (momentum term) để điều chỉnh trọng số GADALINE Nhận dạng tham số động lực học cơng trình phương pháp phân giải miền tần số(FDD) Tổng quan Trên giới, suốt hai thập kỷ qua nhà khoa học quan tâm nhiều đến việc sử dụng rung động xung quanh (ambient vibration) so với kỹ thuật truyền thống (dùng rung động cưỡng bức) để phân tích modal cơng trình xây dựng (modal analysis of structures) Ngày phương pháp phân giải miền tần số (Frequency Domain Decomposition-FDD) sử dụng rộng rãi việc phân tích modal tính xác đơn giản Năm 2004, ba nhà khoa học Clotaire Michel, Philippe Guéguen Pierre-Yves Bard tiến hành đo đạc đáp ứng tòa nhà rung động xung quanh gây để từ xác định tham số động lực học tòa nhà tầng làm xi măng cốt thép Genoble(Pháp) [3] Nhận dạng tham số cơng trình phương pháp ARX RARX Năm 2010, Maosheng Gong, Jing Sun, Kashima, T Lili Xie dùng phương pháp ARX (Auto-Regression with eXogenous variables) off-line phương pháp RARX (Recursive ARX) hồi quy online để chuẩn đoán hư hại dư chấn cho tịa nhà xây bê tơng cốt thép tầng (Hachinoche City Hall) Cả tham số thời gian bất biến tham số thay đổi theo thời gian nhận dạng từ ghi nhận đáp ứng dư chấn Các tín hiệu đo xem liệu ngõ vào, tín hiệu đo mái tòa nhà xem liệu ngõ cho mục đích nhận dạng hệ thống Phương pháp nhận dạng online RARX giải thuật hệ thống để ước lượng tham số mơ hình ARX cách sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu hồi quy (Recursive Least Squares), nhận dạng mức độ hư hại cách sử dụng số liệu ghi nhận từ đáp ứng dư chấn trận động đất Độ cứng tương đương tần số tự nhiên tòa nhà giảm dần suốt thời gian có dư chấn, có hư hại xuất mức độ giảm cịn cao [4] Năm 2011, V Volkovas, K Petkevicius công bố cơng trình mơ hình hóa nhận dạng nhược điểm cấu trúc tòa nhà [5] Nghiên cứu đưa kết Tổng quan phân tích sức bền động lực học mơ hình có cấu trúc tầng Các kết nhận tạo hội cho giải thuật chuẩn đốn phát triển Trong tình hình đó, Việt Nam vị trí địa lý có thuận lợi so với nước thường xuyên bị động đất, công tác nghiên cứu kháng chấn sớm nhà khoa học nước quan tâm xác định công tác thiếu nghiên cứu khoa học công xây dựng đất nước, đặc biệt nhu cầu cường độ xây dựng cơng trình nước ta ngày tăng cao Nhiều cơng trình nghiên cứu kháng chấn để bảo vệ cơng trình đạt nhiều kết khả quan, ứng dụng trực tiếp vào thực tiễn công bố tạp chí khoa học Trong số cơng trình đó, ta nêu lên cơng trình tiêu biểu sau: Phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động tính tốn nhà cao tầng chịu động đất [6] Năm 2010, TS Nguyễn Đại Minh thuộc Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng công bố cơng trình “Phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động tính tốn nhà cao tầng chịu động đất theo TCXDVN 375:2006” Việc ứng dụng phương nêu lên sở lý thuyết phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động áp dụng tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 hay UBC:1997 Cơ sở để đưa công thức xác định tổng khối lượng hay tổng trọng lượng hữu hiệu kết cấu ứng với dạng dao động riêng tổ hợp dạng dao động thiết kế kháng chấn trình bày cụ thể Trong tính tốn động đất nhà cao tầng thực theo phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động theo quy định TCXDVN 375:2006, cần thiết phải kiểm tra lại theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương đặc biệt phần nền-móng (do tải tác dụng lên cọc ảnh hưởng mô-men uốn chân nhà lớn), kết cấu cấu kiện tầng từ 1/2 chiều cao nhà trở xuống Tổng quan Việc nhận biết tham số động lực học cơng trình (một tịa nhà hay cầu) hữu ích ta điều chỉnh đặc tính đàn hồi nó, để có phương án chỉnh sửa ứng xử sau xây lắp bị hư hỏng, cuối ta để tiên đốn ứng xử tác động động đất Ứng xử động lực học tuyến tính mô tả cách đầy đủ tham số modal tần số cộng hưởng, dạng modal (dạng dao động) tỉ số đàn hồi Trong đó, tham số phụ thuộc chủ yếu vào khối lượng tầng, mà khối lượng không thay đổi cho dù trạng thái cơng trình hay tịa nhà phụ thuộc độ cứng tầng Nó có khả thể chất lượng nguyên liệu (như mô đun đàn hồi bê tông bị nứt bê tông không bị hư hỏng) chất lượng việc thiết kế xây dựng (chẳng hạn không đặn cường độ chịu lực cắt hay có tầng có độ cứng yếu) Trong đó, độ cứng tham số cần phải phác họa lên đường cong chịu đựng tịa nhà, tảng phương pháp đánh giá nhạy cảm với thang đo rộng gần [7,8] Một khó khăn lớn phương pháp thiếu thơng tin tịa nhà Trong phạm vi đánh giá nhạy cảm, phải bàn đến câu hỏi tuổi, thiết kế xây dựng, chất lượng nguyên liệu trạng thái tịa nhà Vì việc ước định độ cứng tầng tòa nhà điểm định cho việc đánh giá đặc tính động lực học tịa nhà hữu Từ giúp ích cho người thiết kế cơng trình am hiểu cơng việc Các rung động từ bên ngồi cung cấp thơng tin tham số modal cơng trình mà sử dụng phương pháp phân tích modal Có nhiều kỹ thuật khác để xác định mode “tự nhiên” cơng trình, chia thành phương pháp có tham số khơng thơng số Trong phương pháp thứ nhất, thơng số mơ hình quan tâm cập nhật để khớp với liệu ghi nhận miền tần số hay thời gian [9] Trong loại thứ hai, phương pháp sử dụng cơng cụ xử lý tín hiệu chúng có nhiều thân thiện với người dùng dễ thực thi Tổng quan Ví dụ, phương pháp chọn lọc đỉnh (Peak Picking) bao gồm việc lấy đỉnh tần số phổ trung bình cảm biến đặt điểm khác Phương pháp phân tích miền tần số (FDD) cải tiến Nó bao gồm phân tích ma trận mật độ phổ công suất thành hệ thống bậc tự giải thuật phân giải giá trị kỳ dị (SVD) Phương pháp sử dụng rung động từ bên để ước lượng tham số động lực học tòa nhà dựa ước lượng tham số modal cho chi phí thấp hiệu phân tích modal hoạt động, phương pháp rung động từ bên ngồi thích nghi tốt cho việc phân tích cho tập lớn tịa nhà… Phương pháp FDD phương pháp số phương pháp hữu hiệu tập lớn phương pháp tồn Trong suốt nhiều năm qua việc ghi nhận rung động xung quanh quan tâm nghiên cứu chi phí thấp Chúng sử dụng để xác định ứng xử cơng trình (các tần số dạng modal) [10, 11], để lượng hóa độ hư hại sau trận động đất để đánh giá lợi ích việc cải tiến cơng trình Các rung động xung quanh tạo nguồn tự nhiên chẳng hạn điều kiện khí địa phương (chẳng hạn gió biển) hoạt động người (chẳng hạn giao thông nhà máy) Việc ghi nhận rung động xung quanh điểm khác cơng trình kỹ thuật dân dụng (ví dụ cầu, tịa nhà ống khói nhà máy,…) cho phép xác định mode dao dộng thông qua kỹ thuật phân tích modal hoạt động [12] Hiệu thuật tốn phân tích modal với ngõ cho chi phí thấp thử nghiệm rung động từ bên tiềm rộng ứng dụng nguyên nhân việc sử dụng chúng rộng rãi ngày Từ phân tích nhận định ta thấy nhu cầu cấp thiết việc ứng dụng kỹ thuật tiên tiến nhận dạng vào ngành khoa học xây dựng hồn tồn Tổng quan có sở Ta biết thân thể người, chí robot, tịa nhà có tham số khối lượng tập trung [M], độ giảm chấn [C] độ cứng [K] đặc trưng riêng cho đối tượng cụ thể Ba tham số định ứng xử hệ chịu tác động ngoại lực Riêng tịa nhà có động đất, gió giật, gió xốy hư hỏng phá hủy hay nhiều có liên quan đến tham số Tuy nhiên ba tham số đó, tham số độ cứng [K] định bền vững tịa nhà Vì ln quan tâm nhiều đề tài nhận dạng, góp phần giảm thiểu tác hại dư chấn cho nhà cao tầng Từ nghiên cứu tổng quan, ta thấy để nhận dạng tham số động lực học tòa nhà có nhiều phương pháp thực Tuy nhiên phương pháp có chi phí thấp dễ thực phương pháp phân giải miền tần số (Frequency Domain Decomposition-FDD) Chính vậy, học viên định chọn phương pháp phân giải miền tần số để nhận dạng tham số động lực học tòa nhà tầng 1.3 Mục tiêu giới hạn đề tài Mục tiêu đề tài nghiên cứu ứng dụng phương pháp phân giải miền tần số (FDD) để nhận dạng tham số động học mơ hình tịa nhà tầng Trong đó, mục tiêu cụ thể xây dựng mơ hình tốn học tòa nhà tầng hai tầng n tầng, dùng thiết bị thu thập liệu NI-USB 9234 National Instruments kết hợp với phần mềm LabVIEW 2011 để thu thập liệu cách dễ dàng, xác từ cảm biến gia tốc (accelerometer) dùng để đo đáp ứng mơ hình tịa nhà sau chịu tác động rung động từ bên ngồi Sau đó, liệu tiếp tục xử lý phân tích chủ yếu phần mềm Matlab/Simulink (vì linh hoạt hỗ trợ đầy đủ cơng cụ xử lý tín hiệu nâng cao phần mềm này) Giới hạn đề tài nhận dạng dạng mode dao động (modal) theo phương dọc chiều cao tịa nhà (longitudinal) (vì hạn chế số lượng cảm biến, cảm biến dùng loại trục), nhận dạng tần số dao động riêng mode tương ứng, nhận dạng độ cứng tầng tòa nhà hai tầng (với giả thiết Tổng quan theo mơ hình lực cắt dầm) tịa nhà hai tầng có kết cấu đối xứng, cấu trúc giảm chấn yếu 1.4 Phương pháp nghiên cứu: Người thực đề tài sử dụng phương pháp sau đây:  Khảo sát, phân tích tổng hợp: Tham khảo thu thập thông tin từ sách, tạp chí, báo khoa học, mạng internet  Phương pháp mơ máy tính: Khảo sát mơ hình, mơ có mạng internet, đồ án có liên quan đến phạm vi nghiên cứu Từ đó, tự viết chương trình mơ phần mềm Matlab/Simulink, LabVIEW để so sánh đối chiếu kết để rút trích kinh nghiệm cho cơng tác nghiên cứu  Phương pháp thực nghiệm: Xuất pháp từ ý tưởng, sở lý thuyết, vốn kiến thức thân với hướng dẫn, định hướng cán hướng dẫn khoa học, học viên bước thiết kế mơ hình thực nghiệm Để từ rút giá trị tham số động lực học tòa nhà  Phân tích đánh giá kết dựa mơ thực nghiệm 1.5 Nội dung luận văn: Phần lại nội dung luận văn bao gồm: Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương trình bày sơ lược phân tích modal cơng trình, lý thuyết phân giải miền tần số (FDD), lý thuyết phân giải giá trị kỳ dị (Singular Value Decomposition-SVD), tiêu đảm bảo modal (MAC), Chương 3: Mơ hình tốn học tòa nhà ma trận độ cứng Các bước xây dựng phương trình tốn học tịa nhà tầng hai tầng, quy đổi cấp độ động đất gia tốc nền, ma trận độ cứng suy từ tham số modal Phần cuối chương thể kết mơ đáp ứng tồn nhà hai tầng tác dụng lực gió giả định tác đụng vào tầng đất rung chuyển Chương 4: Xây dựng mơ hình thực nghiệm 10 Nhận dạng tham số modal độ cứng tòa nhà Ta định lại trục biên độ đồ thị Hình 5.11 để quan sát phổ tần số thấp Single-Sided Amplitude Spectrum of y nen(t),y 1(t),y 2(t) 0.2 Pho bien cua y0 Pho bien cua y1 Pho bien cua y2 0.15 |Y(f)| 1,688 Hz 0.1 4,625 Hz 0.05 0 10 20 30 40 Tan so Hz 50 60 70 Hình 5.12 Tần số 1,688Hz 4,625 Hz nhận dạng Các tần số cộng hưởng nhận dạng trường hợp là: 1,688 Hz, 4,625 Hz, 62,69 Hz Ta dễ dàng nhận thấy rằng, phổ tần số 62,69 Hz xuất rõ mạnh Nguyên nhân động rung mạnh làm cho tòa nhà rung theo với tần số rung động Khi động ngừng rung, hai tầng tòa nhà dao động tự dao động nhận dạng hai phổ tần số 1,688 Hz 4,625 Hz Mặc dù biên độ nhỏ dạng phổ chúng có dạng hình chng rõ Để dễ quan sát tần số dao động riêng ta phóng đại khu vực tần số cần quan sát để có dạng phổ Hình 5.13 69 Nhận dạng tham số modal độ cứng tòa nhà Single-Sided Amplitude Spectrum of y nen(t),y 1(t),y 2(t) 0.035 Pho bien cua y0 Pho bien cua y1 Pho bien cua y2 0.03 1,688 Hz 0.025 4,625 Hz |Y(f)| 0.02 0.015 0.01 0.005 -0.005 -0.01 10 Tan so Hz 12 14 16 18 Hình 5.13 Tần số 1,688 Hz 4,625 Hz phóng đại Do tầng tầng dao động tự sau kích thích, tịa nhà rung với biên độ thấp gần zero nên ta quan tâm đến phổ tầng tầng nhận dạng modal Vì ma trận mật độ phổ cơng suất có kích thước 2 5.2.2 Nhận dạng dạng mode độ cứng tầng Để minh họa, sau ta phân tích liệu để nhận dạng dạng mode tập liệu thứ 10 lần đo  Phân giải giá trị kỳ dị ma trận mật độ phổ công suất tần số 1,688 Hz  PSD11 (1.688 ) CSD12 (1.688 )  0.0008902 0.001316 [Y (1.688 )]     CSD21 (1.688 ) PSD22 (1.688 )  0.001316 0.00195  (5.16) Sau phân giải giá trị kỳ dị ta ma trận dạng mode tần số 1,688 Hz: - 0.559680043214494 - 0.828708784331035 u1.688    - 0.830498671333802 0.559680043214493  (5.17)  0.002838778966504  s1.688   0.000001421033496  (5.18) 70 Nhận dạng tham số modal độ cứng tòa nhà - 0.834394681959439 0.551167410790774 v1.688     0.551167410790774 0.834394681959439 (5.19) Mật độ phổ công suất đáp ứng vẽ Hình 14 -3 Bien 4 -2 -2 10 -3 x 10 20 Tan so [Hz] csd21 30 40 -4 10 20 Tan so [Hz] psd22 30 40 10 20 Tan so [Hz] 30 40 -3 x 10 0 -2 -2 -4 csd12 x 10 -4 Bien -3 psd11 x 10 10 20 Tan so [Hz] 30 40 -4 Hình 5.14 Mật độ phổ công suất đáp ứng gia tốc tầng 1,  Phân giải giá trị kỳ dị ma trận mật độ phổ công suất tần số 4,625 Hz  PSD11 ( 4.625 ) CSD12 ( 4.625 )   0.002427 - 0.001602 [Y ( 4,625 )]     (5.20) CSD21 ( 4.625 ) PSD22 ( 4.625 ) - 0.001602 0.00106  Kết phân giải giá trị kỳ dị - 0.834394681959439 0.551167410790774 u 4.625     0.551167410790774 0.834394681959439 (5.21)  0.003485216466593  s 4.625   0.000001783533407  (5.22)  - 0.834394681959440 0.551167410790774 v4.625     0.551167410790774 0.834394681959440 (5.23) Từ kết phân tích ta có thơng số dạng mode tịa nhà nhận dạng phương pháp FDD trường hợp dùng động rung để kích thích rung cho tịa nhà 71 Nhận dạng tham số modal độ cứng tịa nhà Bảng 5.4 Thơng số dao động nhận dạng dùng động rung Mode 1st 2nd f(Hz) 1,688 4,625 Floor i {  i1 } { i2 } - 0,559680043214494 - 0,828708784331035 - 0,83049867133802 0,559680043214493 Từ số liệu nhận dạng ta phác họa dạng mode tịa nhà nhận dạng Hình 5.15 sau phân tích tập liệu thứ 10 tập liệu đo z z y y x x Floor Floor Floor Floor Ground Ground 1,688 Hz 4,625 Hz Hình 5.15 Hai dạng mode nhận dạng dùng động tạo rung Độ cứng tầng nhận dạng cách phân tích phần Bảng 5.5 thể thông số vectơ dạng dao động nhận dạng 72 Nhận dạng tham số modal độ cứng tòa nhà Bảng 5.5 Độ cứng tầng theo mode ứng với lần đo thứ Mode 1st 2nd f (Hz) 1,688 4,625 Độ cứng tầng 1: k1 (N/m) 3290,98563 3380,62366 Độ cứng tầng 2: k2 (N/m) 1326,64491 3961,78428 Ta tiếp tục phân tích độc lập 10 tập liệu thu thập để nhận dạng tần số dao động riêng độ cứng tầng ứng với trường hợp, kết tổng hợp Bảng 5.6 Bảng 5.6 Kết nhận dạng tổng hợp kích thích rung động Mode 1st 2nd Lần đo thứ i (i=1÷10) Tần số (Hz) Tần số (Hz) Độ cứng (N/m) f1 k1: 3301,22725 1,688 (kích rung lần) k2: 1326,64491 k1:3408,04151 4,625 k1: 3258,14338 1,688 (kích rung lần liên tiếp) k2: 1326,64491 (kích rung lần liên tiếp) k2: 1326,64491 k2: 1326,64491 73 k2:3944,31129 k1:3374,32447 4,625 k1: 3290,98563 1,688 k2:3951,82461 k1:3428,66474 4,625 k1: 3311,66957 1,688 (kích rung lần liên tiếp) Độ cứng (N/m) f2 k2:3964,06783 k1: 3380,62366 4,625 k2:3949,41634 Nhận dạng tham số modal độ cứng tòa nhà Mode 1st 2nd Lần đo thứ i (i=1÷10) Tần số (Hz) Tần số (Hz) Độ cứng (N/m) f1 k1: 3319,40948 1,688 (kích rung lần) k2: 1326,64491 (kích rung lần liên tiếp) k2: 1326,64491 (kích rung lần) k2: 1326,64491 (kích rung lần) k2: 1326,64491 (kích rung lần) k2: 1326,64491 10 (kích rung lần) k2: 1326,64491 f : 1,688 4,625 d_f1: 0,0 d_k2 : 0,0 k2:3953,80044 k1:3393,90294 4,625 k2:3956,96464 k : 3620,982399 f : 4,625 d_k1: 21,36425835 Độ lệch chuẩn k2:3923,06045 k1:3402,60951 4,625 k : 3303,395950 k : 1326,644910 k2:3932,97064 k1:3486,71800 k1: 3312,67250 1,688 k2:3926,46824 k1:2459,69619 4,625 k1: 3281,51724 1,688 (d) 4,625 k1: 3308,69071 1,688 k2: 3966,61903 k1:3477,43610 k1: 3308,66625 1,688 trung bình k1:3367,28129 4,625 k1: 3340,97749 1,688 Giá trị Độ cứng (N/m) f2 k : 3917,751464 d_k1 : 304,2966412 d_f2: 0,0 d_k2: 15,09067199 Ta so sánh kết trung bình sau nhận dạng tham số modal hai trường hợp: lực kích thích rung búa cao su cứng động rung Kết sai lệch thể Bảng 5.7 74 Nhận dạng tham số modal độ cứng tòa nhà Bảng 5.7 So sánh giá trị trung bình nhận dạng Mode 1st Lần đo thứ i 2nd (i=1÷10) Tần số f1 Độ cứng Tần số f2 Độ cứng (Hz) (N/m) (Hz) (N/m) Giá trị k1: 3317,091572 trung bình 1,688 k2: 1326,644910 k1: 3414,902460 4,625 k2: 3949,381102 (dùng búa cao su cứng) Giá trị k1: 3303,395950 trung bình 1,688 k2: 1326,644910 k1: 3620,982399 4,625 k2: 3917,751464 (dùng động tạo rung) E_k1:13,69562 Độ sai lệch (E) E_f1: 0,0 E_k2 :0,0 E_k1 :206,07993 E_f2 : 0,0 E_k2 : 31,62963 Nhận xét: Từ kết phân tích nhận dạng được, ta nhận thấy phương pháp FDD cho kết nhận dạng tốt cho đa dạng dao động kích rung từ bên ngồi tác động vào hệ thống mơ hình tịa nhà Các kết hai trường hợp dùng búa cao su cứng kích rung tầng dùng động rung cho kết có độ sai lệch chấp nhận Riêng độ cứng tầng mode dao động thứ hai (4,625 Hz) có độ lệch chuẩn khoảng 206,07993 N/m Sự sai lệch có liên quan trực tiếp đến vec tơ dạng mode bị kích rung từ động Độ sai lệch khoảng 5% so với trị trung bình, giá trị nhận dạng chấp nhận 75 Kết luận hướng phát triển Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận: Mục đích nghiên cứu luận văn ứng dụng phương pháp phân giải miền tần số để nhận dạng tham số dạng dao động hay gọi tham số modal (tần số cộng hưởng gọi tần số dao động riêng, dạng mode) Từ nhận dạng độ cứng tầng theo dạng dao động Để thực điều này, ta đo đáp ứng ngõ tòa nhà sau bị kích thích búa nhỏ cao su cứng Dữ liệu thu thập thông qua phần cứng NI-USB 9234 National Instruments môi trường LabVIEW 2011 Sau phần mềm Matlab học viên sử dụng để xử lý liệu nhận dạng tham số modal độ cứng Trong thí nghiệm với trường hợp kích thích rung cho mơ hình tịa nhà dùng búa nhỏ cao su cứng tác dụng ngẫu nhiên vào tầng tòa nhà có khối lượng tầng 2: m1=m2=11,9737 kg Kết nhận dạng hai tần số dao động riêng 1,688Hz 4,625 Hz với sai số chấp nhận Dạng mode độ cứng ứng hai mode nhận dạng Ngoài ra, trình làm thực nghiệm học viên cịn thay đổi lực tác dụng vào tầng 1, đến tòa nhà kết nhận dạng dạng mode tương tự, tần số dao động riêng hai tần số nhận dạng trình bày luận văn Tuy nhiên, kích thích rung phải thõa điều kiện lực tác động phải đủ lớn để tầng tầng dao động tự thật sau tịa nhà bị kích thích ngoại lực Ngồi ra, thí nghiệm với trường hợp tịa nhà có khối lượng tầng tầng 2: m1=m2=11,9737 kg, dùng động 24VDC tạo rung để kích thích Kết nhận dạng tần số cộng hưởng là: 1,688 Hz 4,625 Hz Độ cứng tầng trường hợp nhận dạng trình bày chương 76 Kết luận hướng phát triển Kết nhận dạng hai trường hợp dùng búa cao su cứng kích thích rung động tạo rung có sai lệch nhỏ, chấp nhận Tần số dao động riêng không sai lệch cho hai dạng mode Trong đó, độ cứng tầng mode có độ sai lệch 13,69562 N/m , độ cứng tầng mode có độ sai lệch N/m, độ cứng tầng mode có độ sai lệch 206,07993 N/m, độ cứng tầng mode có độ sai lệch 31,62963 N/m (kết Bảng 5.7) Phân tích modal với kỹ thuật FDD cho phép ta dễ dàng nhận dạng tham số modal cách nhanh chóng xác Điều thực với việc đo đáp ứng tòa nhà (hay kết cấu cần nhận dạng) chịu tác dụng ngoại lực, không cần biết đến biên độ chí khơng cần đo lực kích thích Phương pháp cung cấp cho ta mẫu biến dạng dạng mode không tỷ lệ xích (not scaled mode shapes) Mặc dù vậy, khơng ảnh hưởng đến kết tính tốn độ cứng theo dạng mode Các phân tích thực với kích thích biết giúp tìm mode có tỷ lệ xích theo lực ngõ vào 6.1.1 Các kết đạt đề tài - Mơ đáp ứng hệ thống tịa nhà tầng dựa phương trình tốn học - Thiết kế thi cơng mơ hình thực nghiệm để nhận dạng tham số tòa nhà tầng thành công - Thu thập liệu thiết bị hỗ trợ NI-USB 9234 hãng National Instruments cho kết thu thập tốt môi trường LabVIEW 2011 - Nhận dạng tần số dao động riêng Số lượng dạng mode nhận dạng tính tốn lý thuyết Bởi vì, tịa nhà có n tầng dạng dao động riêng thứ m có (m-1) điểm nút Trong thí nghiệm tịa nhà hai tầng, có hai dạng dao động riêng Dạng dao động riêng thứ (khơng có điểm nút), dạng dao động riêng thứ m= có (2-1)=1 điểm nút Giữa lý thuyết thực nghiệm có phù hợp 77 Kết luận hướng phát triển - Nhận dạng độ cứng tầng theo dạng mode dao động mục tiêu đề 6.1.2 Hạn chế - Do hạn chế số lượng cảm biến, cảm biến sử dụng thí nghiệm loại trục nên ta nhận dạng mode biến dạng (building bending), mode xoắn (building torsion) không quan tâm chúng có với biên độ nhỏ - Mặt khác, mục tiêu nghiên cứu tìm độ cứng tầng nên luận văn dùng phương pháp FDD để nhận dạng tần số dao động riêng dạng dao động Phương pháp FDD nhận dạng tỷ số giảm chấn, để nhận dạng tỷ số giảm chấn phải dùng giải thuật suy giảm logarithm phương pháp EFDD (FDD tăng cường) 6.2 Hướng phát triển đề tài Đề tài “Nhận dạng tham số động học tòa nhà phương pháp FDD” phát triển thêm sau: - Nhận dạng tham số động học tòa nhà phương pháp phân giải miền tần số tăng cường (EFDD - Enhanced Frequency Domain Decomposition) - Nhận dạng tham số modal độ cứng nhà cao tầng phương pháp EFDD hỗ trợ thu thập liệu không dây - Nhận dạng các tham số modal kỹ thuật tham số, kỹ thuật nhận dạng không gian ngẫu nhiên (SSI - Stochastic Subspace Identification) - Nhận dạng tham số động học tòa nhà điều khiển giảm chấn theo từ tính (MR - Magnetorheological Damper) mạng neural nhân tạo để hấp thụ dao động cho tịa nhà hay cơng trình, giảm thiểu hư hại dư chấn động đất gây - Nhận dạng tham số động học tòa nhà dùng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO - Particle Swarm Optimazation) để tối ưu hóa tham số điều khiển 78 Kết luận hướng phát triển PID điều khiển giảm chấn hấp thụ dao động (TMD - Tuned Mass Damper) chống lại ảnh hưởng dư chấn động đất cho nhà cao tầng 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Olivera Jovanović, “Identification of dynamic system using neural network”, Architecture and Civil Engineering Vol.1, No 4, 1997 pp 525 – 532 [2] Wenle ZHANG, “System Identification Based on Generalized ADALINE Neural Network”, International Journal Of Intelligent Control And Systems Vol 11, No 1, March 2006, 17-25 [3] Clotaire Michel, Philippe Guéguen Pierre-Yves Bard, “Dynamic parameters of structures extracted from ambient vibration measurements: an aid for the seismic vulnerability assessment of existing buildings in moderate seismic hazard regions”, Submitted for publication in Soil Dynamic and Earthquake Engineering, Laboratoire Central des Ponts-et-Chaussées, Paris, France, Corresponding author, cmichel@obs.ujf-grenoble.fr 2004 [4] Gong Maosheng, Sun Jing , Toshihide Kashima , Xie Lili , “Application of ARX and RARX Methods in Structural Parameter Identification”, 2010 Third International Conference on Information and Computing [5] V Volkovas, K Petkevicius, “Modeling and Identification of Building's Construction Defects”, Modeling and Identification of Building's Construction Defects, Proceedings of the World Congress on Engineering 2011 Vol III, WCE 2011, July - 8, 2011, London, U.K [6] TS Nguyễn Đại Minh, “Phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động tính tốn nhà cao tầng chịu động đất theo TCXDVN375 : 2006”, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, 2010 [7] FEMA HAZUS Earthquake loss estimation methodology Federal Emergency Management Agency, Washington D.C., 1999 80 [8] RISK-UE An advanced approach to earthquake risk scenarios with applications to different european towns European Project EVK4-CT-2000-00014, 2003 [9] Peeters B System Identification and Damage Detection in Civil Engineering PhD thesis, Katholieke Universiteit Leuven, 2000 [10] Brownjohn J Ambient vibration studies for system identification of tall buildings Earthquake Engineering and Structural Dynamics 2003; 32(1):71–95 [11] Ventura C., Liam Finn W.-D., Lord J.F., Fujita N Dynamic characteristics of a base isolated building from ambient vibration measurement and low level earthquake shaking Soil Dynamics and Earthquake Engineering 2003; 23:313–322 [12] Brincker R., Ventura C., Andersen P Why output-only modal testing is a desirable tool for a wide range of practical applications In: 21st International Modal Analysis Conference (IMAC), Kissimmee, Florida, 2003 [13] Classon CH, Pacoste C, Littbrand G Klara 03 – Kongress, Stockholm: Rapport angående den dynamiska analysen ELU: Danderyd, 2007 [14] CHOPRA, A K Dynamic of structures, Prentice Hall International, US, 2001, 844 p [15] Brincker R., Ventura C., Andersen P Why output-only modal testing is a desirable tool for a wide range of practical applications In: 21st International Modal Analysis Conference (IMAC), Kissimmee, Florida, 2003 [16] Welch P.D The use of Fast Fourier Transform for the estimation of power spectra: method based on time averaging over short, modified periodograms IEEE Trans Audio Electroacoust 1967, AU-15:70-73 [17] Palle Andersen, Rune Brincker, Carlos Ventura, Reto Cantieni, Modal Estimation 81 of Civil Structures Subject to Ambient and Harmonic Excitation, 2010 [18] Carlo Rainieri and Giovanni Fabbrocino, Operational modal analysis for the characterization of heritage structures, UDC 550.8.013, GEOFIZIKA VOL 28, 2011 [19] Jing Hang , Operational modal identification technique based on independent component analysis, This paper appears in : Electric Technology and Civil Engineering (ICETCE), 2011 International Conference on, 2011 82 ... sử dụng phương pháp khả thi vào việc nhận dạng tham số động học quan trọng tòa nhà tần số tự nhiên mode dao động, độ cứng tầng Các thông số nguồn thơng tin hữu ích cho nhà kiến trúc, nhà xây... hành đo đạc đáp ứng tòa nhà rung động xung quanh gây để từ xác định tham số động lực học tòa nhà tầng làm xi măng cốt thép Genoble (Pháp) [3] Nhận dạng tham số cơng trình phương pháp ARX RARX Năm... dị (SVD) Phương pháp sử dụng rung động từ bên để ước lượng tham số động lực học tòa nhà dựa ước lượng tham số modal cho chi phí thấp hiệu phân tích modal hoạt động, phương pháp rung động từ bên