Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Đánh giá khả năng giảm chấn của kết cấu với hệ cản khối lượng và một số thiết bị

TÓM TẮT Luận văn phân tích hiệu quả giảm dao động của hệ cản khối lượng Tuned Mass Damper, TMD khi kết hợp với một số thiết bị khác là thiết bị lưu biến từ Magneto-Rheologcal, MR và gối

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Trên thế giới, các trận động đất có sức mạnh phá hoại các công trình xây dựng rất lớn và chúng có thể xuất hiện ở bất cứ lúc nào và ở đâu Lịch sử cũng đã ghi nhận đây là một dạng thảm họa đối với của con người Trên khía cạnh công trình xây dựng, thì khi động đất xảy ra xuất hiện lực quán tính tác động lên kết cấu có vai trò như là ngoại lực tác động lên công trình Lực này phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn của trận động đất đó và vì vậy nếu động đất lớn thì lực này lớn chính nó gây ra sự sụp đổ các công trình Trong lịch sử, có khá nhiều trận động đất xảy ra trên thế giới đã được ghi nhận tuy nhiên chỉ có số ít gây nguy hiểm cho kết cấu công trình xây dựng; thí dụ như ở Nhật bản mỗi năm có hơn 10000 trận động đất lớn nhỏ nhưng chỉ khoảng vài trận là có tác động lớn và gây nguy hiểm, có thể rất nguy hiểm Và ở nhiều nước trên khắp thế giới, động đất đã và có thể sẽ xảy ra, các mảng lục địa như Nam Mỹ, Bắc Mỹ, Đông và Đông Nam Châu Á, Tây Á, Châu Âu, Châu Úc, Châu Phi đều đã xảy ra động đất lớn và rất lớn Dưới đây là một số hình ảnh tư liệu về những trận động đất rất lớn gây thương vong nhiều đã xảy ra trong lịch sử:

Hình 1.1: Động đất ở New Zealand 2011

Tại Việt Nam, động đất là hiện tượng đã và có khả năng xảy ra trong tương lai Trong những năm gần đây, đã xảy ra nhiều trận động đất từ nhỏ đến vừa phải, trong đó trận lớn nhất đạt tới 5 độ Richter, đủ khả năng gây nguy hiểm cho các công trình xây dựng Các trận động đất nhỏ hơn thường xảy ra trên các đứt gãy như Mường Lay - Bắc Yên, Cao Bằng-Tiên Yên, đứt gãy sông Mã, Sông Cả Những số liệu gần đây cho thấy hoạt động động đất vẫn diễn ra tương đối thường xuyên.

 3/4/2014, tại tỉnh Quảng Nam đã xảy ra một trận động đất có độ lớn 3,4 độ richter

 15/5/2014, tại huyện miền núi A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế, Viện Vật lý Địa cầu Việt Nam đã có thông báo đó là trận động đất có cấp độ 4,7 độ richter Điều đó cho thấy rằng vỏ trái đất Việt Nam cũng không hoàn toàn ổn định

Qua các sơ lược như trên, có thể thấy rằng sự tác động của động đất lên các công trình xây dựng là nguy hiểm và cũng khó biết trước được khi nào thì xảy ra động đất trong tương lai và chúng xảy ra ở đâu Có nhiều nghiên cứu về địa chấn học để dự báo động đất sẽ xảy ra với cấp độ bao nhiêu ở khu vực nào, tuy nhiên chưa thể đạt được độ chính xác cao được Do đó việc đầu tư cho các kế hoạch và biện pháp nhằm giảm nhẹ thiệt hại do động đất gây ra đang trở thành một vấn đề mang tính chất thời sự và rất cấp bách tại nhiều quốc gia trên thế giới nói chung, cũng như ở Việt Nam nói riêng Quan trọng hơn, các kế hoạch này cần phải được thực hiện ngay khi động đất còn chưa xảy ra, nếu không muốn phải trả cho những chi phí lớn hơn rất nhiều lần cho các hoạt động cứu hộ trong quá trình xảy ra động đất hay các hoạt động tái thiết và phục hồi sau động đất

Song song với nghiên cứu dạng này, cũng có khá nhiều nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật xây dựng là tìm ra giải pháp kết cấu mới để chúng ứng xử tốt hơn với động đất Ở Việt nam, Bộ Xây Dựng cũng đã ban hành tiêu chuẩn xây dựng: TCXDVN 375:2006 hướng dẫn cụ thể các trường hợp phải xét đến tác động của động đất, các biện pháp thiết kế kết cấu cho công trình xây dựng, được nghiên cứu, biên soạn trên cơ sở Tiêu chuẩn châu Âu và đồng bộ hóa hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam Trong bài toán kết cấu chịu động đất, phương trình chuyển động của hệ kết cấu khi có động đất xảy ra được mô tả như sau:

Chi tiết phương trình này sẽ đề cập đến trong các chương tiếp theo, tuy nhiên có thể hiểu đơn giản là ngoại lực tác động chính là lực quán tính do động đất (vế phải của phương trình) sẽ phân chia cho môi trường xung quanh chịu một phần và chính bản thân hệ phải chịu một phần Nếu phần do bản thân hệ chịu càng lớn thì sinh ra nội lực lớn và nguy hiểm Như vậy câu hỏi đặt ra cho các nhà nghiên cứu bằng cách nào để giảm hư hại do động đất tác dụng lên kết cấu, một số giải pháp được đề xuất như sau:

- Bằng cách tăng độ cứng của hệ như vậy sẽ tăng khối lượng, đó cũng chính là giải pháp kháng chấn truyền thống nhưng lại bộc lộ một số hạn chế sau: Tăng chính lực quán tính là ngoại lực, Tăng chi phí xây dựng, do tăng tiết diện dầm cột,vách cứng làm tăng khối lượng làm cho giá thành tăng nhưng hiệu quả vẫn ít được như mong muốn Giải pháp này cũng có thể phát triển nữa bằng cách tăng độ bền (giới hạn bền của vật liệu) tức là vật liệu chịu lực tốt hơn và chấp nhận có biến dạng lớn nhưng thực ra cũng tốn khá nhiều chi phí

Bằng cách gắn thêm một số thiết bị có khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượng do động đất truyền vào, các thiết bị này sẽ tạo ra một lực f được mô tả trong phương trình (1.2).

Mục đích của các thiết bị này là giảm chuyển vị của kết cấu trong quá trình động đất bằng cách chúng sẽ hấp thu bớt một phần lực quán tính bên ngoài và vì vậy kết cấu chính sẽ trở nên an toàn hơn Cho đến nay, hướng này đã đạt được hiệu quả khá khả quan, bằng chứng là có rất nhiều công trình trên thế giới đang sử dụng các thiết bị điều khiển kết

Luận văn này theo hướng thứ 2 là gắn thêm thiết bị để làm giảm chuyển vị của hệ khi chịu động đất.

Mục tiêu của luận văn

Luận văn phân tích hiệu quả của hệ cản khối lượng (Tuned Mass Damper, TMD) và một số thiết bị như hệ lưu biến từ (Magneto-Rheological, MR) và gối cô lập móng (Base Isolation, BI) được lắp đặt thêm lên hệ kết cấu khi chịu động đất

Các công việc chi tiết hơn được sơ lược như sau:

 Tìm hiểu về mô hình ứng xử của hệ cản khối lượng TMD, hệ cản lưu biến từ MR, từ các tài liệu tham khảo và lựa chọn mô hình phù hợp với phạm vi đề tài

 Xây dựng mô hình kết cấu có gắn thêm các thiết bị, thiết lập phương trình chuyển động và phương pháp giải; viết chương trình máy tính để phân tích ứng xử động lực học của hệ khi chịu gia tốc nền của động đất

Tiến hành tính toán số để khảo sát ảnh hưởng của các thông số nghiên cứu đến ứng xử động của công trình thông qua so sánh các trường hợp kết cấu khi: không có thiết bị, có thiết bị TMD, có thiết bị TMD + BI, TMD + BI + MR Các thông số nghiên cứu ở đây bao gồm các đặc tính của tòa nhà, thiết bị TMD (TMD) và hệ thống cách ly ở chân đế (BI, MR) Nghiên cứu này nhằm đánh giá hiệu quả của các thiết bị giảm chấn và cách ly trong việc giảm thiểu rung động của tòa nhà khi chịu tác động động lực (động đất, gió, ).

Bằng phương pháp tích phân số Range Kutta bậc 4, hệ kết cấu được thiết lập phương trình chuyển động dưới tác động của gia tốc nền địa chấn Để giải bài toán động lực học, sử dụng hệ cản điều chỉnh lưu biến MR tại móng và gối cách chấn BI dưới chân kết cấu Ngoài ra, gia tốc nền được chọn dựa trên phổ tần số trận động đất có tần số trội tương cận tần số riêng của kết cấu.

- Chương 1 Trình bày về tổn thất của một số trận động đất tiêu biểu, mục tiêu luận văn và cấu trúc luận văn

- Chương 2 Giới thiệu một số nghiên cứu đã có trong và ngoài nước, sơ lược về hệ cản khối lượng TMD, gối cách chấn BI, và thiết bị lưu biến từ MR (Magneto-Rheological Damper)

- Chương 3 Trình bày cơ sở lý thuyết và đưa ra mô hình tính toán, phương pháp số để phân tích đáp ứng của hệ

- Chương 4 Gồm các ví dụ tính toán để khẳng định hiệu quả của phương pháp đã trình bày

- Chương 5 Nêu lên các nhận xét, kết luận, kiến nghị và hướng phát triển của đề tài

- Phần cuối Là các tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn, mã nguồn chương trình MATLAB.

Cấu trúc luận văn

Chương này giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến Luận văn Cụ thể hơn, những nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về thiết bị cản khối lượng TMD, thiết bị lưu biến từ MR và hệ cô lập móng BI Các nghiên cứu này phần lớn được trích dẫn từ các tài liệu tham khảo và có đánh giá để làm cơ sở để đưa ra hướng thực hiện Luận văn

2.2 HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG TMD

Hệ cản khối lượng, là một thiết bị giảm chấn kết cấu khi chịu động đất hoặc gió bão, được ra đời từ rất sớm, vào năm 1909 Frahm đề xuất lần đầu tiên, kể từ đó nó nhận được nhiều sự quan tâm của các tác giả trong và ngoài nước tìm mọi cách để tìm hiểu tối ưu các thông số trong hệ Có hàng nghìn nghiên cứu liên quan TMD và phát triển nó dưới nhiều dạng khác nhau Thậm chí hiện nay chúng cũng đã được ứng dụng khá rộng rãi trong thực tế Hiện nay, các nghiên cứu về TMD cũng tiếp tục được công bố trong thời gian gần và rất gần liên tục trên những diễn đàn khoa học Dưới góc nhìn của Luận văn này, chỉ một số khía cạnh của hệ TMD được đề cập là việc đánh giá hiệu quả của nó kết hợp với một số thiết bị khác

Roman Lewandowski, Justyna Gr zymis ławska[19] bài báo phân tích ứng xử của nhiều hệ cản TMD trước tải trọng gió và lực kích thích, từ việc phân

TỔNG QUAN

Giới thiệu

Chương này giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến Luận văn Cụ thể hơn, những nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về thiết bị cản khối lượng TMD, thiết bị lưu biến từ MR và hệ cô lập móng BI Các nghiên cứu này phần lớn được trích dẫn từ các tài liệu tham khảo và có đánh giá để làm cơ sở để đưa ra hướng thực hiện Luận văn.

Hệ cản khối lượng TMD

Hệ cản khối lượng, là một thiết bị giảm chấn kết cấu khi chịu động đất hoặc gió bão, được ra đời từ rất sớm, vào năm 1909 Frahm đề xuất lần đầu tiên, kể từ đó nó nhận được nhiều sự quan tâm của các tác giả trong và ngoài nước tìm mọi cách để tìm hiểu tối ưu các thông số trong hệ Có hàng nghìn nghiên cứu liên quan TMD và phát triển nó dưới nhiều dạng khác nhau Thậm chí hiện nay chúng cũng đã được ứng dụng khá rộng rãi trong thực tế Hiện nay, các nghiên cứu về TMD cũng tiếp tục được công bố trong thời gian gần và rất gần liên tục trên những diễn đàn khoa học Dưới góc nhìn của Luận văn này, chỉ một số khía cạnh của hệ TMD được đề cập là việc đánh giá hiệu quả của nó kết hợp với một số thiết bị khác

Roman Lewandowski, Justyna Gr zymis ławska[19] bài báo phân tích ứng xử của nhiều hệ cản TMD trước tải trọng gió và lực kích thích, từ việc phân tích tính toán số liệu tác giả đã thiết lập công thức tính toán các hệ số tối ưu và ứng xử của MTMD

Fahim Sadek, Bijan Mohraz, Andrew W.Taylor and Riley M.Chung

[14] đề ra phương pháp tính toán tối ưu các hệ số của TMD dưới tác dụng của lực kích thích động đất, trong bài báo đã đưa công thức tính toán tối ưu tỉ lệ khối lượng, độ cứng, hệ cản TMD Phân tích hệ kết cấu một bậc tự do và nhiều bậc tự do, với các gia tốc nền khác nhau và đã đạt được kết quả tốt

Tiếp theo nghiên cứu của Rashmi Mishra 2011 [18] phân tích hệ khung với dầm consol với TMD, khung 2D với TMD, sau đó 2012 Paramanada Kudu [17] khảo sát ứng xử kết cấu với nhiều hệ cản khối lượng MTMD, với 3 dạng mô hình như sau : dầm consol với TMD, khung 2D với TMD, khung 2D với DTMD, ứng với các hệ số khối lượng, độ cứng, độ cản của TMD khác nhau,

P Xiang & A Nishitani [16] đã kết hợp TMD với hệ cản VSFLD và gối cách chấn trong việc giảm chuyển vị và nội lực trong thiết kế kháng chấn cho kết cấu

Nguyễn Trọng Phước , Huỳnh Tuấn Dũng (2013) [10] bài báo phân tích ảnh hưởng của hệ cản khối lượng và lưu biến điện trong khung phẳng chịu động đất, từng hệ cản TMD Và ER được tìm hiểu và áp dụng, khi đó ER sinh ra lực điều khiển phụ thuộc vào điện thế cung cấp, và chuyển vị , vận tốc của kết cấu , thiết lập phương trình chuyển động kết cấu khung chịu gia tốc nền động đất có sử dụng TMD và ER, và giải bằng phương pháp số Newmark

Dưới đây là một số công trình đã được ứng dụng TMD để giảm phản ứng động trên thế giới

Hình 2.2 Shanghai World Hình 2.3 John Hancock Tower

Năm 1999, hệ thống giảm chấn khối lượng được lắp đặt ở tầng trên cùng của tòa nhà Taipei Financial Center Điểm đặc biệt của công trình này là hệ TMD có hình dạng như một quả cầu màu vàng nặng 728 tấn được bố trí từ tầng 58 đến tầng 60, và được trưng bày ra bên ngoài Hệ thống giảm chấn khối lượng cũng được lắp ở Shanghai World Financial Center và John Hancock Tower.

Nghiên cứu ứng xử của thiết bị giảm chấn khối lượng điều chỉnh (TMD) theo đặc tính của chính TMD là một hướng nghiên cứu phát triển và hoàn thiện, mở ra triển vọng cho các thử nghiệm kiểm chứng kết quả Việc này tuy đòi hỏi nhiều công sức và chi phí nhưng mang lại độ tin cậy cao cho thiết bị TMD, tạo tiền đề cho ứng dụng thực tế Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đang hướng tới việc kết hợp TMD với các thiết bị giảm chấn khác để đánh giá hiệu quả giảm chấn tổng thể cho kết cấu chính Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này còn hạn chế và chưa được phổ biến rộng rãi trong các giải pháp thực tế.

Thiết bị lưu biến từ MR

2.3.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Hệ cản lưu biến từ là một hệ cản đa năng, có thể hoạt động ở nhiều trạng thái, bị động chủ động, bán chủ động tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng

Hệ cản này được Rabinow khám phá và phát triển đầu tiên vào năm 1940 tại cục Tiêu Chuẩn Quốc Gia Hoa Kỳ, có dạng là các hạt sắt trôi lơ lửng trong dung môi đặc biệt và có thể chuyển từ lỏng sang rắn khi có lực từ đi qua từ đó sinh ra giới hạn đàn hồi cho chất lưu, giá trị này phụ thuộc vào độ từ hóa trong chất lưu (Dyke 1996), Có rất nhiều nghiên cứu có liên quan đến MR và phát triển nó dưới nhiều dạng khác nhau Ngoài ra hiện nay chúng cũng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, phần lớn các nghiên cứu xét đến sự ảnh hưởng của cản MR gắn bên trong kết cấu

S.J Dyke (1996)[22] nói lên sự ưu việt của thiết bị điều khiển bán chủ động nói chúng thiết bị lưu biến từ nói riêng so với các thiết bị điều khiển khác, trong việc giảm tác dụng của địa chấn đối với kết cấu

Simon Laflamme ( 2007) [23] đưa ra thật toán giải phương trình ứng xử của hệ cản lưu biến từ, bằng cách viết lại phương trình động lực học dưới dạng không gian trạng thái và dùng công cụ Simulink trong MATLAB để mô phỏng chuyển động hệ kết cấu hay ứng xử của hệ điều khiển

Nguyễn Minh Hiếu (2007)[8] đã giới thiệu các thuật giải điều khiển MR qua các nguyên cứu mô hình dự đoán ứng xử, như mô hình Bingham, mô hình Gamota và Filishko, mô hình Bouc-Wen, và cuối cùng là mô hình cải tiến Bouc- Wen

Để giảm thiểu tác động va đập do động đất gây ra, Lê Thanh Cường (2012) đã áp dụng hệ thống cản lưu biến nối giữa hai kết cấu Nghiên cứu đã phân tích các trận động đất lớn như Elcentrol, Northrid và Superstition thông qua phép biến đổi FFT (Fast Fourier Transform) Từ đó, tác giả xác định được tần số có độ trội hoặc năng lượng cao nhất Thông tin này giúp lựa chọn thông số kết cấu một cách hợp lý để giảm hiệu quả va đập do động đất.

Phạm Đình Trung và Nguyễn Trọng Phước (2013)[12] đã khảo sát Hiệu quả giảm chấn của hệ cản lư biến từ kết hợp gối trượt ma sát trong kết cấu chịu động đất trong bài báo này tác giả đã sử dụng gối trượt ma sát TFP (Triple Friction Pendulum)

2.3.2 Cấu tạo, thành phần và cơ chế hoạt động của thiết bị lưu biến từ

Hệ MR là thiết bị tiêu tán năng lượng bán chủ động, hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại với hình dạng và giá thành khác nhau như: WRF-140CG, MRF- 122EG, MRF-132DG, RD-8041-1, RD-3002-03, RD-2013-02… Nhưng nó có chung cấu tạo được thể hiện ở Hình 2.4 như sau:

 Piston, có khả năng dịch chuyển trong môi trường chất lưu MR khi chịu tác dụng của các điện thế khác nhau

 Cuộn dây cảm biến, được nối với thiết bị cung cấp điện, khi có dòng điện chạy qua, sẽ phát sinh ra từ trường làm cho chất lưu chuyển hóa trạng thái từ lỏng sang rắn,

 Bộ phận khí nén (accumulator), giúp cho piston di chuyển dễ dàng,

 Vách ngăn (diaphragm) cách bộ phận khí nén với chất lưu Khớp nối

Luồng chất lưu Bạc đạn và vòng đệm

Vách ngăn Cuộn cảm ứng

Thành ph ầ n thi ế t b ị lưu biế n t ừ

 Các dạng hình cầu hoặc elip với kích thước nhỏ vài micrometer (3-5 micrometer ) có thể bị từ hóa Loại hạt được sử dụng nhiều nhất là các hạt sắt nguyên chất (pure iron)

 Dung môi chứa các hạt trên, làm môi trường cho các hạt di chuyển, thông thương là dầu khoáng hoặc silicon

 Ngoài hai thành phần chính trên, người ta còn đưa thêm một số phụ gia vào để tránh hiện tượng các hạt chìm xuống do tác dụng của trọng lực và tăng khả năng treo lơ lửng của các hạt trong dung môi

Cơ chế ho ạt độ ng

Trong điều kiện bình thường không có từ trường đi qua, các hạt phân bố ngẫu nhiên, nhưng khi có từ trường đi qua các hạt được sắp xếp theo thứ tự dọc theo đường sức của từ trường, và có hướng vuông góc với hướng chuyển động của chất lưu, đồng nghĩa với tăng độ nhớt của chất lưu, cơ chế này được biểu diễn qua

Hình 2.5 Cơ chế hoạt động của chất lưu Đường sức

Chất lưu MR Dòng chảy parabol

Lớp trượt (Ứng suất trượt và giới hạn chảy)

Lớp trượt (Ứng suất trượt và giới hạn chảy)

Nút (Ứng suất trượt và giới hạn chảy)

KHI KHÔNG CÓ ĐIỆ N TH Ế

2.3.3 Mô hình dự đoán kết quả của hệ lưu biến từ

Trong mô hình ma sát được trình bày trong Hình 2.6, có sự kết hợp giữa lực ma sát Coulomb và lực cản nhớt Lực cản tổng hợp được biểu diễn bằng công thức sgn( ) 0 c n, trong đó là vận tốc của pít tông và c là hằng số cản nhớt.

F  f x c x f (2.1) với x, x  lần lượt là giá trị chuyển vị và vận tốc của piston c 0 là hệ cản, f c lực ma sát liên qua đến ứng suất chảy dẻo của chất lưu, f 0 là giá trị để bù lại lực sinh ra bởi bộ phận khí nén

Tiến hành so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm được kết quả sau: ko

Hình 2.7 Kết quả so sánh mô hình Bingham với thực nghiệm

Mô hình không thể hiện được tính phi tuyến của đặc tính lực-vận tốc khi vận tốc gần bằng không Mối quan hệ lực-vận tốc của mô hình là một-một, trong khi thực tế không phải vậy Điều này dẫn đến những hạn chế đáng kể trong khả năng mô phỏng tính phi tuyến.

Lực (N) Lực (N) b) Lực-Chuyển vị b) Lực-Vận tốc

Chuyển vị (cm) Vận tốc (cm/s) a) Lực-Thời gian Thời gian (s)

Mô hình Gammota và Filisko

Kết luận

Trên cơ sở kế thừa những thành quả nghiên cứu hệ cản khối lượng TMD, hệ cản lưu biết từ MR, và hệ cô lập móng BI, Luận văn đề xuất một mô hình kết cấu dạng khung với sàn tuyệt đối cứng, hệ cản khối lượng được gắn trên tầng mái, hệ cản lưu biến từ được gắn ở móng cùng với hệ cô lập móng, sau đó tiến hành khảo sát hiệu quả kháng chấn của các thiết bị điều khiển kết hợp, so sánh các trường hợp khi không có hệ cản, khi có hệ cản TMD, khi có hệ cản BI, khi kết hợp TMD+BI, và khi TMD+BI+MR, từ đó đưa ra kết luận chung về hiệu quả làm việc cho từng trường hợp cụ thể.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu

Chương này trình bày phần lý thuyết được sử dụng trong Luận văn Mô hình và số liệu đặc trưng của hệ cản khối lượng TMD, hệ lưu biến từ MR và gối cách chấn BI được nêu chi tiết Mô hình của hệ kết cấu được rời rạc hòa bởi các bậc tự do động lực học theo phương ngang khi chịu gia tốc nền của động đất có gắn các thiết bị trên cũng được thiết lập Phương pháp tích phân trực tiếp giải phương trình chuyển động của kết cấu chịu gia tốc nền cũng được nêu lại để làm cơ sở cho việc xây dựng thuật toán để viết chương trình máy tính giải bài toán này

3.2 HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG (TUNED MASS DAMPER, TMD)

Hình 3.1 Mô hình của hệ cản khối lượng TMD

TMD là hệ thống gồm khối lượng md liên kết với kết cấu chính bởi lò xo có độ cứng kd và giảm chấn cd Khi kết cấu chịu tác động động đất, khối lượng tầng mái sẽ có chuyển vị lớn, TMD sẽ tạo ra lực ngược chiều chuyển động, giúp giảm chuyển vị tuyệt đối của kết cấu Hiệu quả TMD tối ưu khi tần số của hệ giảm chấn gần bằng tần số riêng của dao động thứ nhất của kết cấu (ω ≈ ωd).

Mô hình bài toán gồm có kết cấu chính và hệ TMD như trên hình 3.2 Các đặc trưng động lực học của kết cấu chính lần lượt là khối lượng, độ cứng và hệ số cản là m k c, , Tương tự các đặc trưng của hệ TMD cũng là khối lượng, độ cứng, độ cản lần lượt là m k c d , d , d

Hình 3.2 Hệ một bậc tự do với TMD

Các đặc trưng hình học của kết cấu chính là k , (3.1)

Các đặc trưng hình học của hệ TMD là d d d k

  m , c d 2  d d m d (3.2) trong đó  , d lần lượt là tỉ số cản của kết cấu chính và hệ cản Phương trình chuyển động của kết cấu và hệ cản chịu tác dụng của ngoại lực động p được thiết lập như sau

 m là tỉ số khối lượng của hệ TMD và khối lượng của kết cấu Nếu hệ kết cấu chính có nhiều bậc tự do và có nhiều dạng dao động riêng khác nhau thì thông số TMD được xác định bằng cách cho hệ TMD tham gia giảm chấn ở dạng dao động thứ i có tần số riêng  i , khi này các đặc trưng của cả hệ cản tương ứng với dạng dao động thứ i , thông thường hệ cản TMD điều khiển dạng dao động thứ nhất, và được xác định như sau

Giá trị của hệ số cản được xác định bởi d 2 d d c   m , (4 3 )

  (3.6) với M K i , i lần lượt là khối lượng và độ cứng suy rộng ứng với dạng dao động thứ i cho bởi công thức

Thông thường để xác định các thông số của TMD trước hết giả thuyết tỷ số khối lượng  của cả hệ cản, từ đó làm cơ sở xác định các thông số khác còn lại của hệ cản TMD như độ cứng và hệ số cản

3.3 HỆ CẢN LƯU BIẾN TỪ (MAGNETO-RHEOLOGICAL, MR)

Mô hình động lực học của hệ cản lưu biến từ MR [18] được đề xuất để phân tích động lực học

Hình 3.3 Mô hình cải tiến Bouc-Wen

Trong mô hình này k 1 được đặc trưng độ cứng của bộ phận khí nén (accumulator), c 1 đại diện cho hệ sô cản của bộ phận giảm chấn ứng với vận tốc nhỏ, k 0 là độ cứng của bộ phận giảm chấn ứng với vận tốc lớn, còn c 0 là hệ sô cản nhớt ứng với vận tốc lớn, x  là vận tốc giữa hai hệ cản, x là chuyển vị giữa hai đầu hệ cản, z là biến thay đổi của hệ MR và x 0 là chuyển vị ban đầu của lò xo

Các thông số  , , ,n A là các thông số hình dạng của chu trình trễ được hiệu chỉnh từ thực nghiệm, việc hiệu chỉnh này nhằm mục đích làm cho các đường quan hệ Lực-Vận tốc có được từ việc dự đoán dựa vào mô hình càng gần với kết quả thí nghiệm càng tốt

Lực sinh ra trên cả hai mặt thanh cứng là như nhau và được xác định bởi phương trình

1 0( ) 0( ) c y zk xy c x y (3.8) trong đó biến z được xác định bởi công thức

| || || | n 1 ( ) | | n ( ) z  x y z z   x y z A xy (3.9) Từ (3.8), có thể biến đổi thành

Tổng lực sinh từ hệ MR được xác định bằng tổng các lực ở phần trên và phần dưới

F zc xc x y k xx k xx (3.11) hay F c y 1 k x 1 ( x 0 ) trong đó các hệ số  , c 0 ,c 1 được xác định như sau

(3.12) khi đó u là điện áp đưa vào bộ điều khiển hiện hành, được tính thông qua bộ lọc bậc một phụ thuộc vào điện áp hiện có trong bộ điều khiển (v), xác định bằng biểu thức:

Với  là điện áp cung cấp cho hệ cản

 a , b ,c 0a ,c 0b ,c 1a , c 1b là các thông số thực nghiệm

Tiến hành so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm được kết quả sau:[20]

Hình 3.4.So sánh kết quả thực nghiệm với mô hình Bouc-Wen

Kết quả mô hình dự đoán của Bouc-Wen cho thấy sự trùng khớp cao với kết quả thực nghiệm, bao gồm cả tính phi tuyến trong mối quan hệ lực-vận tốc Điều này chứng minh tiềm năng của hệ cản MR trong thiết kế giảm chấn cho các công trình trong tương lai.

3.4 GỐI CÁCH CHẤN (BASE ISOLATION)

Thời gian (s) a) Lực-Thời gian b) Lực-Chuyển vị c) Lực-Vận tốc

Chuyển vị (cm) Vận tốc (cm/s)

Gối cách chấn bao gồm các phần tử lò xo và liên kết cản nối kết các khối lượng chúng khống chế chuyển vị theo hai phương Hình 3.5

Xác định thông số của g ối cách chấn Để đơn giản tình toán, giả thuyết toàn bộ hệ kết cấu bên trên là vật rắn tuyệt đối, chuyển dịch phía trên gối cách chấn, chu kỳ hữu hiệu theo tiêu chuẩn TCXDVN 375 : 2006 eff 2 eff

M khối lượng kết cấu bên trên, bao gồm khối lượng của móng, T eff chu kỳ hữu hiệu của dịch chuyển, K eff độ cứng hữu hiệu theo phương ngang của gối Chu kỳ hữu hiệu T eff thỏa mãn điều kiện

Với T f chu kỳ cơ bản của kết cấu bên trên

Khi phân tích toàn bộ hệ kết cấu nhiều bậc tự do, hệ kết cấu được đưa về dạng console có khối lượng tập trung m, độ cứng ngang tương đương k và hệ số cản c Hệ kết cấu nhiều bậc tự do được thể hiện trên sơ đồ tính và sơ đồ chuyển vị trong Hình 3.5.

Trong đó hệ cản khối lượng gắn trên tầng mái, hệ cản MR được bố trí liên kết giữa móng với đất nền và gối cách chấn BI dưới chân cột để chịu gia tốc tốc nền Đây chính là mô hình kết cấu được dùng để khảo sát sự hiệu quả giảm chấn của hệ cản khối lượng với một số thiết bị khác trong Luận văn này

Phương trình chuyển động của hệ kết cấu chính khi đặt trên gối cách chấn, có hệ TMD đặt ở tầng đỉnh và hệ MR liên kết với đất nền qua vách cứng, được thể hiện ở Hình 3.5 có dạng như sau m m g u  u  u  D f  ru Μ  C  K M  (3.19) trong đó: f m là vectơ của lực sinh ra từ thiết bị lưu biến từ MR, D m là ma trận thể hiện vị trí đặt MR, u  g là gia tốc nền của động đất theo thời gian, u u u , , lần lượt là vectơ gia tốc, vận tốc, và chuyển vị của các bậc tự do, r là vectơ cột đơn vị, và các ma trận M, C, K lần lượt là các ma trận khối lượng, cản và độ cứng của hệ và được xác định theo các ma trận con như sau

Hình 3.5 Mô hình kết cấu

(3.23) Để giải phương trình trên (3.19), bước đầu tiên phải xác định được giá trị của lực f m , như đã trình bày ở mục (3.2), lực này sinh ra từ hệ MR

0 0( ) 0( 0) 1( 0) f m zc xc x y k xx k xx (3.24) hay f m c y 1  k x 1 ( x 0 ) Để giải phương trình (3.34) dùng phương pháp Runge-Kutta bậc 4 bằng việc sử dụng lệnh ode45 trong MATLAB, và sau đó giải phương trình vi phân động học

Mô hình tính toán

Khi phân tích toàn bộ hệ kết cấu nhiều bậc tự do, được đưa về dạng console có khối lượng tập trung m, và độ cứng ngang tương đương k và hệ số cản c Sơ đồ tính và sơ đồ chuyển vị của hệ nhiều bậc tư do được thể hiện trong Hình 3.5

Trong đó hệ cản khối lượng gắn trên tầng mái, hệ cản MR được bố trí liên kết giữa móng với đất nền và gối cách chấn BI dưới chân cột để chịu gia tốc tốc nền Đây chính là mô hình kết cấu được dùng để khảo sát sự hiệu quả giảm chấn của hệ cản khối lượng với một số thiết bị khác trong Luận văn này

Phương trình chuyển động của hệ kết cấu chính khi đặt trên gối cách chấn, có hệ TMD đặt ở tầng đỉnh và hệ MR liên kết với đất nền qua vách cứng, được thể hiện ở Hình 3.5 có dạng như sau m m g u  u  u  D f  ru Μ  C  K M  (3.19) trong đó: f m là vectơ của lực sinh ra từ thiết bị lưu biến từ MR, D m là ma trận thể hiện vị trí đặt MR, u  g là gia tốc nền của động đất theo thời gian, u u u , , lần lượt là vectơ gia tốc, vận tốc, và chuyển vị của các bậc tự do, r là vectơ cột đơn vị, và các ma trận M, C, K lần lượt là các ma trận khối lượng, cản và độ cứng của hệ và được xác định theo các ma trận con như sau

Hình 3.5 Mô hình kết cấu

(3.23) Để giải phương trình trên (3.19), bước đầu tiên phải xác định được giá trị của lực f m , như đã trình bày ở mục (3.2), lực này sinh ra từ hệ MR

0 0( ) 0( 0) 1( 0) f m zc xc x y k xx k xx (3.24) hay f m c y 1  k x 1 ( x 0 ) Để giải phương trình (3.34) dùng phương pháp Runge-Kutta bậc 4 bằng việc sử dụng lệnh ode45 trong MATLAB, và sau đó giải phương trình vi phân động học

Khi loại bỏ các thiết bị trong mô hình 3.5, phương trình chuyển động trở nên đơn giản hơn Nếu bỏ hết các thiết bị, phương trình chỉ còn lại cấu trúc chính.

M u   C u   K u   Mr u  g (3.25) trong đó u  g là gia tốc nền của động đất theo thời gian, u u u , , lần lượt là vectơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị của các bậc tự do, r vectơ đơn vị, M C K, , lần lượt là các ma trận khối lượng, cản và độ cứng của kết cấu chính được xác định bởi:

Ma trận C được xác định từ điều kiện trực giao theo Rayleigh

M K lần lượt là ma trận khối lượng, độ cứng của hệ và   0 , 1 được xác định theo công thức

    lần lượt là tần số dao động riêng và tỉ số cản của mode dao động thứ

, m n, việc xác định các hệ số ma trận cản C rất khó khăn, trong thực tế thường chọn giá trị của tỉ số cản  (được suy ra từ điều kiện cộng hưởng) tùy vào loại vật liệu và dạng kết cấu, ví dụ kết cấu thép có tỉ số cản =5%

Trong Luận văn này giả thiết tỉ số cản ở hai dạng dao động đầu tiên  1  2  khi đó ta có các công thức đơn giản:

Phương pháp giải và thuật toán

Luận văn này dùng phương pháp Newmark để giải bài toán đặt ra trên toàn miền thời gian Chi tiết các công thức của phương này đã được trình bày rất rõ trong các tài liệu tham khảo liên quan Ngoài ra, mô hình kết cấu trong Luận văn có thiết bị MR thể hiệu qua việc ứng xử khá phức tạp bởi liên hệ vi phân cấp 1 và phải xác định lặp trong mỗi bước thời gian, vì vậy phương pháp Runge Kutta bậc 4 cũng được lựa chọn để phân tích ứng xử của hệ MR trong mỗi bước thời gian

Quy trình giải phương trình thường vi ngốn khá nhiều tài nguyên máy tính do mỗi bước lặp trên toàn miền lại có thêm bước lặp con bên trong sử dụng công thức Runge Kutta.

Nhập dữ liệu kết cấu M C K, , dữ liệu tải trọng u 

Chọn trận động đất phân tích

Thiết lập ma trận khối lương, độ cứng , cản cho toàn hệ bao gồm TMD+BI+MR theo 3.37, 3.36, 3.38

Dùng phương pháp Newmark trên toàn miền thời gian t f

Phương Pháp Runge Kutta bậc 4 trên mổi bước thời gian  t

Nhập thời gian phân tích t f số gia thời gian  t số bước, số bước phân tích n t f

Xác định được chuyển vị theo từng bước thời gian  t

Giả thuyết lực điều khiển f m

Kết luận

Trong chương này, đặc tính của một số thiết bị gắn thêm để làm giảm phản ứng động của hệ kết cấu chính khi chịu động đất đã được trình bày Cơ sở lý thuyết, các phương trình mô tả ứng xử chi tiết của từng thiết bị cũng đã được nêu rõ Từ đó, một mô hình kết cấu có gắn thêm các thiết bị được đề xuất, phương trình chuyển động tổng thể cũng được thiết lập Thuật toán để giải quyết bài toán cũng được xây dựng.

THÍ DỤ SỐ

Giới thiệu

Dựa vào cơ sở lý thuyết và thuật toán đã trình bày trong chương 3, một chương trình máy tính đã được viết bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB để phân tích số trong Luận văn này Chương này trình bày một số kết quả số của Luận văn

Các kết quả số gồm có phần kiểm chứng độ tin cậy của chương trình máy tính đã viết bằng cách so sánh với các nghiên cứu khác trong cùng một số bài toán và phần chủ yếu là khảo sát sự hiệu quả của mô hình kết cấu trong Luận văn này với các thiết bị giảm chấn khác nhau như hệ cản khối lượng, hệ lưu biến từ và hệ cô lập móng.

Phần kiểm chứng

Hình.4.1a Hệ khung phẳng Hình 4.1b Đồ thị gia tốc nền Elcentro 1940

Cho một hệ khung phẳng ba tầng chịu gia tốc nền động đất Elcentro với khối lượng và độ cứng được cho như Hình 4.1

Các ma trận tính chất của khung này được cho bởi

Và gia tốc nền được thể hiện trên Hình 4.1b Kết quả chuyển vị lớn nhất các tầng đã được giải và so sánh với nghiệm thu được từ tài liệu [7]

Bảng 4.1.Chuyển vị lớn nhất ở các tầng

Nhận xét: Từ kết quả số ở Bảng 4.1 cho thấy giá trị chuyển vị lớn nhất của Luận văn gần giống với kết quả của bài báo [7, 2013], tuy có khác nhau, nhưng sai số không đáng kể, nguyên nhân là do chọn bước thời gian tính của hai thuật toán khác nhau

Xét hệ kết cấu khung 3 tầng, với thông số được cho trên Hình 4.2

Ma trận độ cứng khung:

Bảng 4.2 Tần số riêng và vectơ dạng dao động

(rad/s) Vectơ dạng dao động

Nhận xét: Từ Bảng 4.2, cho thấy kết quả tần số riêng, dạng dao động của Luận văn xấp xỉ với kết quả của tài liệu [2], điều này chứng tỏ được rằng chương trình tính toán có độ tin cậy nhất định và có thể dùng để phân tích một số bài toán khác

4.2.3 Khi kết cấu có lắp gối cách chấn

Xét hệ kết cấu khung 5 tầng Hình 4.3 (6 bậc tự do kể cả móng), với cá thông số được cho trong Bảng 4.3, sau khi phân tích động cho hệ kết quả số được thể hiện qua Bảng 4.4

Bảng 4.3 Thông số mô hình mẫu hệ 6 bậc tự do

Bảng 4.4.Chu kỳ của [1] và chu kỳ Luận văn

Mode Tài liệu [1, 2013] Luận văn Sai số (%)

Nhận xét :Từ Bảng 4.4, cho thấy kết quả tần số riêng, dạng dao động của Luận văn xấp xỉ với kết quả của tài liệu [1], điều này chứng tỏ được rằng chương trình tính toán có độ tin cậy nhất định và có thể dùng để phân tích một số bài toán khác

4.2.3 Kết cấu khi lắp TMD

Trong ví dụ này kết cấu 6 tầng có khối lượng độ cứng chiều cao mỗi tầng là như nhau Hình 4.3 với giá trị khối lượng m i =1x10 5 kg, và độ cứng k 2 =1x10 8 N/m, tỉ số cản ứng với mode 1 và có cùng tỉ số cản 5%, sau khi phân tích động kết quả thu được thể hiện trong Bảng 4.5 như sau:

Bảng 4.5 Giá trị chuyển vị tại tầng đỉnh

Chuyển vị (cm) Tài liệu [5, 2014]

Chuyển vị (cm) Luận văn

Nhận xét: Từ kết quả so sánh ở Bảng 4.6 có thể thấy rằng giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của Luận văn là tương đối phù hợp với tài liệu trích dẫn, chứng tỏ chương trình máy tính có độ tin cậy nhất định

Từ các ví dụ số phần này, chuyển vị của kết cấu chịu động đất, dạng dao động của kết cấu, chuyển vị kết cấu có gắn thiết bị gối cách chấn chịu động đất và chuyển vị kết cấu có gắn hệ cản khối lượng chịu động đất từ các bái toán đã có lời giải từ các tài liệu tham khảo khác nhau; chương trình máy tính của Luận văn này đều cho số liệu tương tự như những số liệu đã công bố, có thể có sai số nhưng phần lớn là thấp do bước thời gian tính trong bài toán động lực học; vì vậy sơ bộ có thể nhận xét rằng chương trình máy tính của Luận văn có độ tin cậy nhất định và có thể dùng để khảo sát các phần tiếp theo.

Khảo sát hiệu quả giảm chấn của TMD kết hợp với các thiết bị

Tiếp theo Luận văn sẽ khảo sát một mô hình kết cấu được mô tả như

Hình.4.5, hệ có 11 tầng với khối lượng mỗi tầng m i =1.1x10 5 kg, và có độ cứng các tầng k i =1.0x10 8 N/m, tần số riêng thấp nhất 0.65 Hz và chịu tác dụng gia tốc nền Elcentro, tỉ số cản tương ứng với hai dạng dao động 1 và 2  1  2 =5%, các dạng dao động cao hơn tính theo phương pháp Rayleigh, tiến hành khảo sát các trường hợp sau:

Trường hợp 1: Khi tỉ lệ khối lượng của TMD là = 0.015, thông số gối cách chấn m b =1.5x10 5 kg T b =2.5s, các thông số khác được tính theo công thức

Trường hợp 2: Thông số gối cách chấn T b =2.5s, m b =1.5x10 5 kg,  lần lượt 0.005, 0.01, 0.015, 0.02, 0.025, để xét ảnh hưởng của thông số  đối với phản ứng động của hệ

Trường hợp 3: Tiếp theo là cho T b lần lượt là các giá trị 1.0s, 1.5s, 2.0s,

2.5s, 3.0s, tương ứng với thông số TMD = 0.015 để xét ảnh hưởng của thông số

T b đối với phản ứng động của hệ

Trong các trường hợp nghiên cứu, các giả thiết được khảo sát bao gồm: hệ thống không có thiết bị, hệ thống có TMD, hệ thống có BI, hệ thống có TMD + BI, hệ thống có TMD + BI + MR khi không có điện thế và hệ thống có TMD + BI + MR với điện thế 6V.

Hình 4.5 Khung phẳng 11 tầng TMD+BI+MR

Sau khi tiến hành phân tích động cho hệ kết cấu, kết quả số thu được trong từng trường hợp như sau:

Biểu đồ chuyển vị tầng đỉnh và chuyển vị lớn nhất các tầng, được thể hiện qua hình Hình 4.5, Hình 4.6, Biểu đồ lực cắt và gia tốc ứng với từng tầng được thể hiện qua hình Hình 4.7, Hình 4.8

Hình 4.6 Chuyển vị tầng đỉnh theo thời gian dưới tải trọng Elcentro

Qua Hình 4.6 cho thấy rằng chuyển vị tầng đỉnh hệ kết hợp TMD+MR+BI đạt hiệu quả cao trong 15s đầu tiên, nhưng sau 15s tiếp theo tuy có hiệu quả nhưng không nhiều, đặc biệt khi hệ có TMD tỏ ra hiệu quả chuyển vị không kém so hệ kết hợp TMD+MR+BI ở điện thế 6v, điều này được thể hiện rõ hơn qua Bảng 4.7, ứng với đỉnh 1 hệ kết hợp TMD+MR+BI ở điện thế 6v giảm 76%, đỉnh 2 giảm 70% trong khi đó hệ TMD giảm 80%, còn ở đỉnh 3 hệ kết hợp giảm 40%, trong khi đó hệ chỉ có TMD giảm trong khoảng 35%-65%, hệ có TMD + BI giảm 20%- 70% tương ứng trong 3 đỉnh khảo sát

Bảng 4.6 Chuyển vị tầng đỉnh theo thời gian dưới tải trong Elcentro

Chuyển vị đỉnh 1 Chuyển vị đỉnh 2 Chuyển vị đỉnh 3

Hình 4.7 Chuyển vị lớn nhất các tầng dưới tải trong Elcentro

Hình 4.8 Lực cắt lớn nhất các tầng dưới tải trong Elcentro

Hình 4.9 Gia tốc các tầng dưới tải trong Elcentro

Trong Hình 4.7 cho thấy ứng với hệ có hệ TMD đạt hiệu quả cao trong việc giảm chuyển vị của hệ, tuy nhiên độ dốc của đồ thị của TMD cao so với các trường hợp còn lại, cho nên nội lực của hệ chỉ có TMD cao hơn so với các trường hợp còn lại,đặc biệt hệ kết hợp TMD+MR+BI đạt hiệu quả cao trong việc giảm lực cắt cho hệ được thể hiện qua Hình 4.8 Còn trong Hình 4.9 cho thấy rằng gia tốc của hệ có giảm, tuy nhiên đối với hệ BI, TMD+BI, TMD+MR+BI có giá trị tương tự nhau trong từng trường hợp

Hình 4.10 Ứng xử MR khi có điện thế v=6v

Hình 4.11 Ứng xử MR khi không có điện thế

Hình 4.9 và Hình 4.11 thể hiện ứng xử của hệ cản MR, trong trường hợp có điện thế cung cấp cung cấp cho thiết bị MR làm tăng nhanh khả năng hóa rắn của chất lưu, nên sinh ra lực lớn hơn so với trường hợp không có điện thế, thể hiện ở chổ độ dốc của biểu đồ trong trường hợp có điện thế có độ dốc cao hơn trong trường hợp không có hiệu điện thế

Chuyển vị (cm) Vận tốc (cm/s)

Chuyển vị (cm) Vận tốc (cm/s)

Bảng 4.7 Chuyển vị, gia tốc, lực cắt dưới tải trọng Elcentro

Chuyển vị (cm) Gia tốc(m/s2) Lực cắt (KN)

Bảng 4.8 cho thấy khi kết hợp các biện pháp giảm chấn động (TMD), giảm tác động (BI) và tăng cứng (MR), hệ thống có thể đạt được hiệu quả giảm chấn động và lực cắt tại móng đáng kể Cụ thể, việc sử dụng kết hợp TMD và BI giúp giảm chấn động tại đỉnh hệ từ 20-50% và lực cắt tại móng từ 75-85% Trong khi đó, việc kết hợp TMD, BI và MR mang lại hiệu quả giảm chấn động tại đỉnh hệ lên đến 60%.

Khi cho giá trị  thay đổi giá trị khác nhau, ứng xử của hệ khác nhau thông qua biểu đồ Chuyển vị, Lực cắt được thể hiện qua các Hình 4.12, 4.13

Hình 4.12 Chuyển vị các tầng dưới tải trọng Elcentro

CHUYỂN VỊ TẦNG CHUYỂN VỊ TẦNG CHUYỂN VỊ TẦNG

Qua Hình 4.12, Hình 4.13 cho thấy rằng chuyển vị của hệ với các thông số

 khác nhau, thì hệ chỉ có TMD phản ứng khác nhau, với =0.01 trong trường hợp hệ chỉ có gắn thiết bị TMD đạt hiệu quả nhất, khi >0.025 hệ TMD không phát huy được hiệu quả của nó Tuy nhiên với các giá trị khác nhau của  trong các trường hợp được khảo sát ở trên thì ứng xử của hệ kết hợp TMD+BI+MR (6v) đều phát huy được hiệu quả cách chấn cho hệ, tuy có khác nhau nhưng ở mức độ vừa phải được thể hiện qua Bảng 4.8

Bảng 4.8 Chuyển vị, gia tốc dưới tác dụng tải trọng Elcentro

Chuyển vị tầng đỉnh (cm)

Gía trị Độ giảm (%) Gía trị Độ giảm (%)

Trường hợp 3: Khi T b lần lượt là các giá trị 1.0s, 1.5s, 2.0s, 3.0 với thông số

TMD = 0.015, biểu đồ Chuyển vị, Lực cắt được thể hiện qua Hình 4.13, 4.15

Hình 4.15 Lực cắt các tầng dưới tải trọng Elcentro

Qua Hình 4.14,4.15 cho thấy tần số gối cách chấn T b ảnh hưởng rất lớn đối với phản ứng động của hệ chỉ có BI, khi cho T b 2s gối cách chấn có xu hướng mềm đi, hệ bị trượt dưới tác dụng của gia tốc nền, khi lắp thêm hệ MR sẽ tiêu tán một phần năng lượng do động đất truyền vào cho nên hệ kết hợp sẽ phát huy hiệu quả làm việc của chúng, khi hệ T b >3s gối cách chấn có xu hướng mềm đi hầu như hệ bị trượt ngang dưới tác dụng gia tốc nền, do độ dốc của hệ BI, TMD+BI, TMD+BI+MR nhỏ

Bảng 4.9 Chuyển vị, lực cắt dưới tải trọng Elcentro

Chuyển vị tầng đỉnh (cm)

Gía trị Độ giảm (%) Gía trị Độ giảm (%)

Qua Bảng 4.9 giá trị chuyển vị của hệ kết hợp ít thay đổi khi T b thay đổi, khi 1.0s0.015 hệ TMD lại có tác dụng ngược lại làm tăng chuyển vị trong hệ, nhưng phản ứng của hệ TMD+BI+MR(6v) lại tỏ ra hiệu quả trong 4 trường hợp  khảo sát như hình trên, thông qua sơ đồ lực cắt Hình 4.18

Hình 4.18 Lực cắt lớn nhất các tầng dưới tải trọng Northrid

Bảng 4.10 Chuyển vị, gia tốc, lực cắt dưới tải trọng Northrid

Gía trị Độ giảm (%) Gía trị Độ giảm (%)

Theo Bảng 4.10, giá trị  ảnh hưởng đến độ giảm chuyển vị lớn nhất ở tầng đỉnh và lực cắt ở móng Trong số các trường hợp khảo sát, hệ kết hợp TMD+BI+MR(6v) với =0.020 cho hiệu quả tối ưu nhất về các thông số này.

Hệ có thông số gối cách chấn m b =1.5x10 5 kg và T b lần lượt là các giá trị 1.0s, 1.5s,

2.0s, 3.0, phản ứng động của hệ thu được thể hiện qua biểu đồ Chuyển vị, Lực cắt tương ứng Hình 4.19, 4.20,như sau:

Hình 4.19 Chuyển vị lớn nhất các tầng dưới tải trọng Northrid

Kết luận

Hệ thống kết cấu được tích hợp các giải pháp giảm chấn thụ động gồm: hệ cản khối lượng điều chỉnh (TMD) tại tầng mái, hệ lưu biến biến dạng-phụ thuộc chuyển động (MR) tại móng và gối cách chấn giữa móng với nền đất (BI) Các kết quả phân tích cho thấy sự tác động tích cực của các giải pháp giảm chấn này trong việc cải thiện hiệu suất giảm chấn của hệ kết cấu, giúp giảm biên độ dao động và gia tốc truyền xuống móng.

1 Một mô hình kết cấu có gắn thêm một số thiết bị chịu động đất đã được đề xuất Kết cấu được mô tả như hệ có hữu hạn bậc tự do động lực học là chuyển vị ngang các sàn tầng Hệ cản khối lượng TMD được gắn trên tầng trên cùng, hệ lưu biến từ MR được lắp ở móng và hệ cô lập móng được bố trị dưới móng để khống chế chuyển vị của kết cấu bên trên, và so sánh các trường hợp làm việc của hệ khi kết cấu không lắp thiết bị điều khiển, khi lắp TMD, BI, TMD+BI, TMD+BI+MR Phương trình chuyển động được thiết lập và được giải bằng phương pháp số để tìm ứng xử động trên toàn miền thời gian

2 Các đặc tính của từng thiết bị được tìm hiểu về cơ sở lý thuyết, mô hình toán học ứng xử, và chương trình máy tính được viết bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB để phân tích ứng xử động lực học của cả hệ

Chương trình cũng được kiểm chứng thông qua việc so sánh kết quả với các tác giả khác.