Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích động lực học công trình chịu tải trọng động đất có xét đến phi tuyến vật liệu và sử dụng tầng mái như hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD

Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung Š tầng khi không TMDvà có TMD chịu tải trọng động dat Northridge...- 2c sccccccĐồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không TMDvà có

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINHTRUONG DAI HOC BACH KHOA

BUI NGUYEN TRONG TOAN

PHAN TICH DONG LUC HOC CONG TRINH CHIU TAITRONG DONG DAT CO XET DEN PHI TUYEN VAT LIEU VA

SU DUNG TANG MAI NHU HE CAN DIEU CHINH KHOI

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:Cán bộ hướng dẫn 1: TS Lương Văn HảiCán bộ hướng dẫn 2: PGS.TS Nguyễn Thời Trung

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Đỗ Kiến QuốcCán bộ cham nhận xét 2: TS Nguyễn Trọng PhướcLuận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bach Khoa, DHQG Tp HCMvào ngày 30 tháng 08 năm 2014.

Thành phan Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:1 PGS.TS Đỗ Kiến Quốc

2 PGS.TS Nguyễn Xuân Hùng3 TS Nguyễn Sỹ Lâm

4 TS Nguyễn Trọng Phước

5 TS Lương Văn Hải

CHỦ TỊCH HỘI DONG TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: BÙI NGUYÊN TRỌNG TOÀN MSHV: 12210266Ngày, tháng, năm sinh: 26/09/1989 Nơi sinh: An GiangChuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 605820

I TÊN ĐÈ TÀI: Phần tích động lực học công trình chịu tải trọng động đất cóxét dén phi tuyên vật liệu và sử dung tang mái như hệ can điêu chỉnh khôi

lượng TMDIl NHIỆM VU VA NỘI DUNG

1 Thiét lập các ma tran khối lượng, ma trận độ cứng và ma trận cản cho các phần

tử khung phẳng sử dụng phương pháp phân tử hữu hạn FEM (Finite ElementMethod).

2 Phat triển thuật toán, lập trình tính toán bằng chương trình Matlab dé giải hệphương trình động lực tổng thể của bài toán

3 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bang cách so sánh kết quả của chươngtrình với Sap2000.

4 Tiến hành thực hiện các ví dụ số nhằm khảo sát các đáp ứng quan trọng của kếtcâu sử dụng hệ can TMD, từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị

HI.NGÀY GIAO NHIỆM VU : 20/02/2014IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU : 20/06/2014

V HO VÀ TÊN CÁN BO HUONG DAN: TS Lương Văn Hải

PGS TS Nguyễn Thời Trung

- Tp HCM, ngày tháng năm 2014

CÁN BO HUONG DAN BAN QUAN LY CHUYEN NGANH

TS Lương Văn Hải PGS.TS Nguyễn Thời Trung

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CÁM ƠNTrước tiên, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thay TS LuongVăn Hải và Thầy PGS.TS Nguyễn Thời Trung Thầy đã hướng dẫn giúp tôi hìnhthành nên ý tưởng của dé tài, hướng dẫn tôi phương pháp tiếp cận nghiên cứu Thayđã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu và giúp đỡ tôi rat nhiều trong suốt chặngđường vừa qua.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thay Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trườngĐại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôitrong suốt khóa Cao học vừa qua

Mặc dù bản thân đã cố găng nghiên cứu và hoàn thiện, tuy nhiên không thểkhông có những thiếu sót nhất định Kính mong quý Thay Cô chỉ dẫn thêm dé tôibồ sung những kiến thức và hoan thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn quý Thay Cô

Tp HCM, ngày 14 tháng 09 năm 2014

Bùi Nguyễn Trọng Toàn

TOM TAT LUAN VAN THAC SiTrong những năm gan đây, giải pháp giảm chan cho công trình đã được nghiên cứunhiều Tuy nhiên, phan lớn nghiên cứu déu tập trung vào các thiết bị giảm chanđược sản xuất sẵn với chi phí khá đắt Hơn nữa, các nghiên cứu về thiết bị giảmchan đều tập trung vào ứng xử dan hôi của kết câu mà chưa xét nhiều đến ứng xửphi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu của kết câu Do đó, Luận văn này nhămnghiên cứu ứng dụng hệ kết câu có sẵn của công trình và thiết bị hệ cô lập đơn giảnvới chi phí rẻ để giảm chấn cho công trình Đồng thời, xem xét ứng xử của côngtrình khi kế đến yếu tố phi tuyến Việc phân tích được thực hiện băng cách xâydựng mô hình khung phẳng chịu tác dụng của tải trọng động đất theo thời gian.Ngôn ngữ lập trình Matlab được sử dụng để xây dựng chương trình tính toán vàphân tích kết quả Để thấy rõ hiệu quả giảm chấn cho công trình, các ví dụ số sẽđược trình bày cho công trình chịu các trận động đất khác nhau Các kết quả phântích sẽ cho thấy hiệu quả giảm chan khi thiết kế tầng mái của công trình như hệ cảnTMD.

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn củaThay TS Lương Văn Hải và Thay PGS.TS Nguyễn Thời Trung

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiêncứu khác.

Tôi xin chịu trách nhiệm vê công việc thực hiện của mình.

Tp HCM, ngày 14 tháng 09 năm 2014

Bùi Nguyễn Trọng Toàn

MỤC LỤCNHIỆM VỤ LUẬN VĂN THAC SỈĨ 12c 21T E211 HH1 HH ri |LOI CAM ON 1 1 1n n1 E1 1 1111101 1111111111111 ng iTOM TAT LUẬN VĂN THAC SỈĨ 5 1 E1 2211212181112 211kg iiLOI CAM DOAN ieeececcccscccsecscscsescecsscsvsssucecevscevsesveusesssecevecevevscevsesvenseviveveveveveeeen iiiMỤC LUC wocccccccccccccccccccecscscsssssescesevssevevscesevesececssiesesveveavsvsnsvsvsesssesvsvevevesineeetess ivDANH MỤC CAC HINH VE uo.eeececccccecscsesesscscseseseecscseecessevevsvessvsesevesevevesevevensvenees viiDANH MỤC CAC BANG BIEU o0 ccececececscsessecsesescseseecesessssececevevsvsvissesesesesenesevens XVMOT SO KY HIỆU VIET TẮTT ST S11 EEE1212121 1112111111111 11th XViiiMOT SỐ KY HIỆU VIET TẮTT ST S11 EEE1212121 1112111111111 11th XViiiCHƯƠNG 1 TONG QUAN 2 2 212111211151 111111111111 15111 811 8H HH |1.1 Đặt vấn đỀ TT HT HH1 tt 1n 11g ngu tàa |1.2 Tổng quan về điều khiển dao động ¿- + cs SE EEEEEEESEEEEEEEEEErksrki 51.2.1 Điều khiến bị động - c1 SnE 111511112111 1818111101112 1 k1 re 51.2.2 Điều khiến chủ động oo cccccececeececevecececescsesessececeveevevevsseeeren 71.2.3 Điều khiến bán chủ động St SE SE SE EEE511151111x 1p Hư 81.2.4 Điều khiến hỗn hop cceccccceccccescescsesceceescesesescsescsseseveeeevevsveseresen 81.3 Ứng dung TMD trong thực té 0.0.c.cccccccccccescsesesesesescsesvsvsvsvsvsvevevevevsvevevseeeees 81.4 Tình hình nghiên cứu về TMD cece ccececceccsceceseseecececcesesesesveceveceseeeees 111.4.1 Tinh hình nghiên cứu nước ngOảI -‹ - 2< +55 52 111.4.2 Tinh hình nghiên cứu trong nưỚc - - - <2 141.5 Mục tiêu và hướng nghiên cứu Luận văn 5+ c‡‡‡+‡‡‡++s2 15l.6 Luận Vane ceccccecceccscesccecccuccutcescuseeueeasceseueccaseaeeetereeesceteeateeaens 16CHUONG 2 CƠ SỞ LÝ THUYÊT - - - St E1 2EEE1511112151E11 E111 172.1 Hệ cô lập cao su lõi chì C2222 112112111111 1111111111111 11 111111111 k2 172.2 Ung dụng hệ cô lập cao su lõi chì trong thực tẾ -cscz sec xrxrrerez 202.3 Mô hình tầng mái đóng vai trò như TMD - 5252 SE EEESEsxzxskred 212.4 Phương trình vi phân chuyển động của TMD cceccseseecseeeeeeeeeeeeeees 22

2.4.1 Hệ một bậc tự doo cece cece 2 2n Hn HS TH 1k v ng 11 khen 222.4.2 Hệ nhiều bậc tự do - ¿552 5: 2221 2212212212212 te 232.5 Cơ sở thiết kế TMD 2.2L 1 211212111112111112112112 21111 e 252.6 Một số giả thiết trong phân tích khung phẳng 5 5222 scszezsx2 252.7 Xây dựng ma trận tinh chat phan tử khung phăng :- cszszss¿ 262.7.1 Ma trận độ cứng đàn hôi phan tử khung phăng 5 262.7.2 Ma trận độ cứng hình học phân tử khung phăng 292.7.3 Ma trận độ cứng phân tử khung phăng có xét đến phi tuyến vậtII —— 29

2.7.4 Ma trận khối lượng tương thích ¿+ s k3 SE resrrree 302.7.5 Ma trận Cản cc cQ ĐH HS TH TH nh Ty kh nh nền 312.8 Phương trình vi phân chuyển dOng oo cccccccccseecsceceecsesesvecececeseeesvessesees 322.9 Mô hình vat liệu bê tÔng ccc 1 112121222111 11111122 1111 1n key 322.10 Giải phương trình vi phân chuyển động băng phương pháp số 342.10.1 Các phương pháp BIảiI -c- cà 2c 2221222212111 18 11118 xxx reg 342.10.2 Phương pháp tích phân Newmark - 22 ‡2 + ssssxs2 352.11 Phân tích khung phẳng chịu tải trọng động đất 5 sec scsrersx2 392.11.1 Phân tích khung không xét đến phi tuyến ¿c2 sccsz sec: 392.11.2 Phân tích khung xét đến phi tuyến hình học - scs s5 392.11.3 Phân tích khung xét đến phi tuyến vật liệu - se, 4]2.12 Sơ đồ khối phân tích khung bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất 41CHƯƠNG 3 VI DỤ SỐ -0.-222 12221 212212122211211111211221 re 433.1 So sánh kết quả với chương trình Sap2000 - 2c x2 2 2E2EcEEsree 463.1.1 So sánh kết quả khung dao động tự đo - 5 sec ccsssxcee 463.1.2 So sánh kết quả khung chịu tải trọng động đất Elcentro 49

3.2 Phân tích khung 5 tâng, 2 nhịp chịu tải trọng động | can: 52

3.2.1 Phân tích khung chiu tải trong Northridge - - 523.2.2 Phân tích khung chịu tải trọng Hachinohe - - 613.2.3 Phân tích khung chiu tải trong Kobe -cc 222222 c2 70

3.3.6 So sánh hiệu quả của TMD với khung 10 tầng chịu các trậnđộng đất khác nhau - 5 1 111111135111 15EEE1111511111111 1111511111 E1E HH 100

3.3.7 Xét ảnh hưởng của tỉ số cản -¿ s th E1 rreg 1023.3.6 So sánh hiệu quả cua TMD khi có dùng và không dùng hệ côIbIsi«:19E.)08 (0) Re 0) 1053.4 Phân tích khung 15 tang, 3 nhịp chịu tải trọng động đất 1053.4.1 Phân tích khung chịu tải trọng EÏcentro -. -: 1053.4.2 Phân tích khung chịu tải trong Northridge - - - 1053.5 So sánh hiệu quả của tầng mái đóng vai trò như TMD khi tang này

được đặt đối xứng và bat đối xứng -+ + knSà SE EEE 11g 1103.6 Phân tích khung 15 tang có lệch tang, 3 nhịp chịu tải trọng động đất 1123.7 Xét ảnh hưởng của chiều cao tầng đến hiệu quả của TMD 115CHUONG 4 KẾT LUẬN VÀ HUONG PHAT TRIỄN -:-5-: 117AV (‹{CÀ.aaiiiiiiiiiiiiiiẳiẳaẳẳầẳầẳáẳậẳIAIIIÁẶÁẶĂV 1174.2 Huong phat triển luận văn - cceccscesesescscscececevescevsvecevevseeseeseseees 118TÀI LIEU THAM KHẢO :5:222 22212212212122212112211111121 1 119LY LICH TRÍCH NGANG 1 c Hn H1 121151151151 15151 1115511811551 ng 126

Hinh 1.1.Hinh 1.2.Hinh 1.3.Hinh 1.4.Hinh 1.5.Hinh 1.6.Hinh 1.7.Hinh 1.8.Hinh 1.9.Hinh 1.10.Hinh 1.11.Hinh 1.12.Hinh 2.1.Hinh 2.2.Hinh 2.3.Hinh 2.4.

Hinh 2.5.Hinh 2.6.Hinh 2.7.Hinh 2.8.Hinh 2.9.Hinh 2.10.Hinh 3.1.Hinh 3.2.Hinh 3.3.Hinh 3.4.

DANH MUC CAC HINH VE

Động dat ở Haiti (2010) o.e.ccccccccccececcsesesescesesesesesessesesessevseseeveveeeseevevees 2Động dat ở Tứ Xuyên, Trung Quốc (2008) 7 cty 2Động dat ở Kobe, Nhật Bản (1995) 2T 111 111 118111111101 ng 3Động dat ở Northridge, California (1994) ¿- ¿+ cc tt re 3Động dat ở Niigata, Nhật Bản (1964) 5c cv E HH rrg 3So đồ tổng quan về cách thức điều khiển kết câu -5- 5+: 5Hệ can điều chỉnh khối lượng (Tuned Mass Damper) - 6Hệ can điều chỉnh chat lỏng (Tuned Liquid Damper) s5: 6Hệ cô lập móng (Base Isolafion) 2 2-2222 * 222 E+xxksxeseses 7Cơ chế hoạt động của hệ cản điều chỉnh chủ động 7Hệ can điều khiến hỗn hop (Hybrid contro]) - 5s se scs se 8Hệ can điều chỉnh khối lượng (TMD) - 5 5c 22212 11Câu tạo hệ cô lập cao su lõi chì . 22-22 2112211113111 EEEkrsrsea 17Câu tạo hệ cô lập cao su thiên nhiên 2 ‡‡‡‡2‡ + xcxsss2 18Mô hình song tuyến tính của cao su lõi Chi cece ceeeeseeeseeeeeeeen 19Hệ cô lập cao su lõi chì trong công trình The Toushin 24 Ohmori20515052 21Mô hình tầng mái đóng vai trò như TMD 5c sec zzvxzxsxsee: 21Mô hình cơ học của tang mái đóng vai trò như TMD - 22Mô hình hệ nhiều bậc tự do ¿5525:2522 2222221221212 23Phan tử khung phang trong hệ trục tọa độ tổng thẺ -. - 26Góc nghiêng của phân tử khung phang ¿c2 c2 xcczzcxe2 28Mô hình vật liệu theo Karayannis Karayannis (1994) 33Đồ thị gia tốc nên trận động đất Hachinohe 2 2+2 se E21 E 2E 2z sss2 44Cường độ năng lượng phô trận động dat Hachinohe -: 44Đồ thị gia tốc nên trận động dat Northridge - ¿2c s xxx sec: 45Cường độ năng lượng phô trận động dat Northridge -: 45

Hinh 3.5.Hinh 3.6.

Hinh 3.7.

Hinh 3.8.

Hinh 3.9.

Hinh 3.10.Hinh 3.11.

Hinh 3.12.Hinh 3.13.

Chuyén vị tại đỉnh khung 5 tang theo chương trình Sap2000 Đồ thị so sánh chuyên vị tại đỉnh khung 5 tang chịu tải trọng độngGat ELCOMtrO 1

Chuyén vị tại đỉnh khung 5 tang theo chương trình Sap2000 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi khôngxét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệuchịu tải trọng động dat Northridge - +: St keyĐồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xétvà có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịutải trọng động dat Northridge - 5 sct SE 211121111111 te trhĐồ thị so sánh gia tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xétvà có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịutải trọng động dat Northridge - 5 sct SE 211121111111 te trhĐồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung 5 tâng khi không xét vàcó xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tảitrọng động dat Northridge - + E3 x S111 E1 181112111111 grhĐồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không xét vàcó xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tảitrọng động dat Northridge - + E3 x S111 E1 181112111111 grhĐồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi khôngTMD và có TMD chịu tải trọng động dat Northridge -:

Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung Š tầng khi không TMD

và có TMD chịu tải trọng động dat Northridge - 2c sccccccĐồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không TMDvà có TMD chịu tải trọng NorthrIdge - c c2Đồ thị so sánh hiệu qua của TMD khi kết câu làm việc dan hồi vàkhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến -cccscE xe,Biểu đồ so sánh chuyển vị tầng c1 11211 2E xiBiểu đồ so sánh độ lệch tâng St E 121 151111111 trênĐồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi khôngxét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệuchịu tải trọng động đất Hachinohe s- - 2 12s HE SE EESE E21 E SE crsxgĐồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xétvà có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịutải trọng động dat Hachinohe - + cv S21 1211 EEEEEkEEretrenĐồ thị so sánh gia tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xétvà có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịutải trọng động dat Hachinohe - + cv S21 1211 EEEEEkEEretrenĐồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung 5 tâng khi không xét vàcó xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tảitrọng động đất Hachinohe ¿+ 2 S3 x SE SE E1 E211 21111 crtĐồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không xét vàcó xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tảitrọng động đất Hachinohe ¿+ 2 S3 x SE SE E1 E211 21111 crtĐồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi khôngTMD và có TMD chu tai trọng động đất Hachinohe

Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung Š tầng khi không TMD

và có TMD chu tải trọng động đất Hachinohe 2222 c se 22s seĐồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không TMDvà có TMD chu tải trọng động đất Hachinohe 2222 c se 22s seĐồ thị so sánh hiệu qua của TMD khi kết câu làm việc dan hồi vàkhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến -cccscE xe,Biểu đồ so sánh chuyển vị tầng c1 11211 2E xiBiểu đồ so sánh độ lệch tâng St E 121 151111111 trênĐồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi khôngxét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệuchịu tải trọng động đất Kobe - - 1 TH TH TS g TH KH HT HH nhe ekiĐồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xétvà có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịutải trọng động dat Kobe - c1 Tnc 1111111111181 11111211111 ttĐồ thị so sánh gia tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xétvà có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịutải trọng động dat Kobe - c1 Tnc 1111111111181 11111211111 ttĐồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung 5 tâng khi không xét vàcó xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tảitrọng động đất Kobe - 1k s11 S S111 111111 1118181511111 1 kgĐồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không xét vàcó xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tảitrọng động đất Kobe - 1k s11 S S111 111111 1118181511111 1 kgĐồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi khôngTMD và có TMD chu tai trọng động đất Kobe - 22s can se sec

Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung Š tầng khi không TMD

và có TMD chu tải trọng động đất <0) 0 ST n2 S2 senĐồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không TMDvà có TMD chu tải trọng động đất <0) 0 ST n2 S2 senĐồ thị so sánh hiệu qua của TMD khi kết câu làm việc dan hồi vàkhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến -cccscE xe,Biểu đồ so sánh chuyển vị tầng c1 11211 2E xiBiểu đồ so sánh độ lệch tâng St E 121 151111111 trênBiểu đồ so sánh hiệu quả của TMD khi ti số khối lượng thay đổi Biểu đồ so sánh hiệu quả của TMD với khung 5 tang chịu các trậnđộng đất khác nhau -.- ¿c1 SE E13 121 1125E5E1E5111E111111 8.1511 keSơ đồ hình học khung 10 tầng, 2 nhịp, 1 tầng mái đóng vai trò nhưĐồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 10 tang khi khôngxét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệuchịu tải trọng động đất ElcenfrO + T s TS 112111111111 cexiĐồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi không xétvà có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịutải trọng động dat ElcentrO c S3 SE E151 181111151 12kgĐồ thị so sánh gia tốc ngang tại đỉnh khung 10 tâng khi không xétvà có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịutải trọng động dat ElcentrO c S3 SE E151 181111151 12kg

Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung 10 tầng khi không xét và

có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tảitrọng động đất ElcenfrO - s11 11111111111 EE11E11112111 1118

Hinh 3.66.

Hinh 3.67.

Hinh 3.68.Hinh 3.69.Hinh 3.70.

Hình 3.75.

Hình 3.76.Hình 3.77.

Hình 3.78.

Hình 3.79.

Hình 3.80.Hình 3.81.

Hình 3.82.

Hình 3.83.

Hình 3.84.

Hình 3.85.Hình 3.86.

Đồ thị so sánh hiệu quả của TMÙ 2 c2 2 2222232 segĐồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 15 tầng khi khôngTMD và có TMD chịu tải trong động dat Northridge Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 15 tầng khi khôngTMD và có TMD chịu tải trong động dat Northridge Đồ thị so sánh hiệu qua của TMD khi kết câu làm việc dan hồi vàkhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến - 5c x2 EkeEkrexrreSơ đồ hình học khung 15 tầng, 3 nhịp, 1 tang mái bất đối xứngđóng vai trò như TMD

Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi đặt đối xứng và bất đối

Hình 3.91.

Hình 3.92.

Hình 3.93.Hình 3.94.

So đồ hình học khung 15 tang có lệch tầng, 3 nhịp, 1 tang mái batđối xứng đóng vai trò như TMD 5 SE EEEEEEErekrkeerkred 113Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi đặt đối xứng và bất đốiĐồ thị so sánh chuyển vi khi có TMD và không TMD 115Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi số tang thay đổi 115

Bang 1.1.Bang 1.2.Bang 3.1.Bang 3.2.Bang 3.3.Bang 3.4.Bang 3.5Bang 3.6.Bang 3.7.

Bang 3.8.Bang 3.9.

Bang 3.10.Bang 3.11.Bang 3.12.

Bang 3.13.Bang 3.14.

Bang 3.15.Bang 3.16.Bang 3.17.

Bang 3.18.Bang 3.19.

DANH MUC CAC BANG BIEUThiét hại về người va tài sản từ một số trận động đất mạnh |Cac công trình sử dụng hệ can TMD bị động - s55: 9Thông số các trận động dat điển hình 5 + Sx E2 xerrrers2 43Bang so sánh tân số dao động riêng St SEEEsEeErren 46Bang so sánh chuyền vị đỉnh khung ¿- St + EeE+Erxesrssree 47Bang so sánh chuyền vị đỉnh khung ¿- St + EeE+Erxesrssree 48Bảng so sánh chuyển vị đỉnh khung chịu tải trong Elcentro 49Bang so sánh chuyền vị đỉnh khung ¿- St + EeE+Erxesrssree 50Bang phân tích khung khi kết cấu làm việc đàn hồi (không TMD)và khi kết câu làm việc có xét phi tuyến (không TMD) - 55Bang so sánh phân tích khung khi không TMD và có TMD 57Bang so sánh hiệu quả của TMD khi kết cau làm việc đàn hồi vakhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến -cccscE xe, 58Bang phân tích hiệu qua giảm chuyền vị tang của TMD 59Bang phân tích hiệu quả giảm độ lệch tầng của TMD 60Bang phân tích khung khi kết cấu làm việc đàn hồi (không TMD)và kết câu làm việc có xét phi tuyến (không TMD) 64Bang phân tích khung khi không TMD và có TMID 66Bang so sánh hiệu quả của TMD khi kết cau làm việc đàn hồi vakhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến -cccscE xe, 67Bang phân tích hiệu qua giảm chuyền vị tang của TMD 68Bang phân tích hiệu quả giảm độ lệch tầng của TMD 68Bang phân tích khung khi kết cấu làm việc đàn hồi (không TMD)và khi kết câu làm việc có xét phi tuyến (không TMD) - 72Bang phân tích khung khi không TMD và có TMID 75Bang so sánh hiệu quả của TMD khi kết câu làm việc đàn hồi vakhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến -cccscE xe, 75

Bảng 3.20.Bang 3.21.Bang 3.22.Bang 3.23.

Bang 3.24.

Bang 3.25.Bang 3.26.

Bang 3.27.Bang 3.28.Bang 3.29.

Bang 3.30.

Bảng 3.31.Bảng 3.32.Bang 3.33.

Bang 3.34.

Bang 3.35.

Bang 3.36.

Bang 3.37.Bang 3.38.

Bang phân tích hiệu qua giảm chuyền vị tang của TMD 76Bang phân tích hiệu quả giảm độ lệch tầng của TMD 77Bang so sánh hiệu quả của TMD khi tỷ số khối lượng thay đồi 78Bảng so sánh hiệu quả của TMD với khung 5 tầng chịu các trậnđộng đất khác nhau -.- ¿c1 SE E13 121 1125E5E1E5111E111111 8.1511 ke 79Bang phân tích khung khi kết cấu làm việc đàn hồi (không TMD)và khi kết câu làm việc có xét phi tuyến (không TMD) - 84Bang phân tích khung khi không TMD và có TMID 85Bang so sánh hiệu quả của TMD khi kết cau làm việc đàn hồi vakhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến -cccscE xe, 86Bang phân tích hiệu quả giảm chuyền vị tang của TMD 87Bang phân tích hiệu quả giảm độ lệch tầng của TMD 88Bảng phân tích khung khi không TMD và khi có TMD (Có xétđến phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) -cccsxsscsss2 90Bang so sánh hiệu quả của TMD khi kết cau làm việc đàn hồi vakhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến -cccscE xe, 91Bang phân tích hiệu quả giảm chuyền vị tang của TMD 92Bang so sánh hiệu quả giảm chuyén vị tang của TMD 93Bang phân tích khung khi không TMD và khi có TMD (Có xétđến phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) -cccsxsscsss2 95Bang so sánh hiệu quả của TMD khi kết cau làm việc đàn hồi vakhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến -cccscE xe, 95Bảng phân tích khung khi không TMD và có TMD (Có xét đếnphi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) ¿5 cssscscszsrssen 97Bang so sánh hiệu quả của TMD khi kết cau làm việc đàn hồi vakhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến -cccscE xe, 98Bang so sánh hiệu quả của TMD khi tỷ số khối lượng thay déi 99Bảng so sánh hiệu quả của TMD với khung 10 tầng chịu các trậnđộng đất khác nhau 5k St SE SE E311E155EEEEE51111155111 1111 1Er 100

Bảng 3.47.

Bảng so sánh phân tích khung khi tỉ số cản thay đổi (Có xét đếnphi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) - 5s sec:Bang so sánh phân tích khung khi có hệ cô lập cao su lõi chi vàkhông có hệ cô lập cao su lõi chì 2222 22113 xxxxxxrsesBảng phân tích khung khi không TMD và có TMD (Có xét đếnphi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) - 5s sec:Bang so sánh hiệu quả của TMD khi kết cau làm việc đàn hồi vakết cầu làm việc có xét phi tuyẾn -¿c c cv SE 1E:Bảng phân tích khung khi không TMD và có TMD (Có xét đếnphi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) - 5s sec:Bang so sánh hiệu quả của TMD khi kết cau làm việc đàn hồi vakhi kết cầu làm việc có xét phi tuyến - 5c x2 EkeEkrexrreBang so sánh hiệu quả của TMD khi đặt đối xứng và bat đối xứng Bảng phân tích khung khi không TMD và khi có TMD (Có xétđến phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) -ccxsssc+2Bang so sánh hiệu quả của TMD khi đặt đối xứng và bat đối xứng

Chữ viết tắtFEM

TMDDOFLRBNRBBTCT

MOT SO KY HIEU VIET TAT

Phương pháp phan tir hữu han (Finite Element Method)Hệ can điều chỉnh khối lượng (Tuned Mass Damper)Bậc tự do (Degree of Freedom)

Cao su lõi chi (Lead Rubber Bearing)Cao su tu nhién (Natural Rubber Bearing)Bê tông cốt thép

Ma trận và vec tơ

< ^ # z = = =n

®nx AK

Ky hiéu

¬ m & h5 S|

Vectơ chuyển vị tong théVectơ vận tốc tông thểVectơ gia tốc tổng thểVectơ chuyển vị phan tửMa trận khối lượng tong théMa trận độ cứng tong théMa trận cản tổng théMa trận khối lượng phan tử khungMa trận cản phan tử khung

Ma trận độ cứng phần tử khungVec tơ tải trọng tong thé

Khối lượng trên một đơn vị chiều dai của phan tử khungTiết diện phan tử

Chiều dài phần tửMô đun đàn hồi Young của vật liệuMô men quán tính của vật liệu

Cường độ chịu nén của mẫu trụChiều cao hiệu quả của tiết diện bê tông cốt thépChiều cao từ trọng tâm nhóm cốt thép chịu kéo đến bề mặt bê tôngchịu nén

VỊ trí trục trung hòaTi số mô đun đàn hồi của thép và bê tôngTỉ số thép chịu nén

Tỉ số thép chịu kéoDiện tích thép chịu kéoDiện tích thép chịu nénBé rộng tiết diện bê tông cốt thépKhối lượng của hệ kết câu chínhKhối lượng của TMD

Độ cứng của hệ kết câu chínhĐộ cứng của TMD

Tần số của hệ kết câu chínhTan số của TMD

Tỷ số khối lượng của TMD và khối lượng của kết cầu chính

1.1 Đặt vần đềTừ năm 2005 đến nay, các trận động đất có cường độ nhỏ và vừa xảy ra cảng nhiềuở nước ta Các trận động đất này dù chưa gây ra những thiệt hại nghiêm trọngnhưng đó là lời cảnh báo cho công tác thiết kế các công trình của nước ta, đặc biệtlà những công trình cao tầng tập trung số lượng người nhiều hay các công trình cótâm quan trọng lớn Mặt khác, tốc độ đô thị hóa của nước ta đang tăng rất nhanh thìviệc xảy ra những trận động đất trong tương lai có thé gây ra những ton thất nghiêmtrọng về nhân mạng va tai sản Bảng 1.1 cung cap những dữ liệu ton that nặng né về

người và tài sản do các trận động đất gây ra Hình 1.1, Hình 1.2, Hình 1.3, Hình 1.4,

Hình 1.5 thể hiện sự tàn phá nghiêm trong của động dat

Bang 1.1 Thiệt hại về người và tài sản từ một số trận động đất mạnh„ „ Cường độ Tài sảnThời diém Dia điêm Con người

(Richter) (ty USD)

Northridge,17/01/1994 6.8 60 20

CaliforniaKobe, Nhat17/01/1995 6.9 5502 147

BanKocaeli, Thô17/08/1999 7.8 17118 6.5

Nhi Ky28/09/1999 Chi-Chi, Dai 7.6 2400 14

Tổng quan 2

„ „ Cường độ Tài sản

Thời diém Dia điêm Con người

(Richter) (ty USD)

LoanGujarat, An26/01/2001 7.6 20085 4.5

Độ

26/12/2003 Đông nam Iran 6.6 26200 8.5

Sumatra,26/12/2004 9.1 283106 200

InđônêxIaTứ Xuyên,12/05/2008 , 7.9 69195 10

Trung Quôc

12/01/2012 Haiti 7.0 222570

Tổng quan 3

Tổng quan 4

Từ các bảng trên cho thây các bài toán ứng xử của kết cấu công trình xâydựng khi chịu động đất là van dé đáng lưu tâm của các nhà thiết kế và khoa học trênthế giới cũng như trong nước Khi thiết kế công trình chịu các lực kích thích như tảitrọng gió hay tải trọng động đất, chúng ta thường có hai giải pháp Giải pháp thứnhất là giải pháp truyền thông để kết cấu có khả năng chống lại các tác động trên làtăng độ cứng của hệ kết cấu, băng cách tăng kích thước tiết diện của các câu kiệnnhư dam, cột, vách cứng, lõi cứng Ngoài ra hình dáng công trình và đặc trưng vậtliệu của kết cấu cũng góp phan đáng kể vào khả năng chống lại các tác động bênngoài Tuy nhiên, hạn chế của giải pháp truyền thống này là việc tăng tiết diện củacác câu kiện làm tăng trọng lượng của công trình Do đó, lực quán tính tác động vàocông trình sẽ lớn hơn khi chịu tải trọng gió và động đất Hơn nữa, dưới tác động củatải trọng ngoài, đặc biệt là tai trọng động đất, chúng ta phải chấp nhận một phan hưhỏng hoặc một phân sụp đồ của công trình Xu hướng phát triển ngày nay các côngtrình xây dựng áp dụng nhiều loại vật liệu mới, nhẹ và có cường độ cao dé congtrình được cao hon, kích thước các câu kiện chịu lực được thu nhỏ lại, nhẹ hon vacó hình dáng phức tạp Do đó, các công trình này có độ mảnh lớn, độ cản thấp, làmgiảm khả năng kháng chan của công trình

Từ những ly do đó, để tăng khả năng kháng chan của công trình, giải phápthứ hai được sử dung, đó là sử dụng các hệ cô lập hay các thiết bị điều khiển dé hỗtrợ cho kết cau trong quá trình tiêu tán năng lượng Kha nhiều giải pháp giảm daođộng cho công trình đã được nghiên cứu và sử dụng trên thế giới Ở Việt Nam, điềukhiến kết câu vẫn còn là lĩnh vực mới Do đó, ngành xây dựng nước ta cần có nhiềunghiên cứu và ứng dụng điều khiển kết cấu vào tính toán giảm chấn cho các côngtrình xây dựng Ngành cao học xây dựng của trường ĐH Bách Khoa Tp Hồ ChíMinh cũng đã có vai nghiên cứu về dé tài điều khiển kết cấu trong những năm ganđây Tuy nhiên, đa số các dé tài trước đều sử dụng các thiết bị giảm chan của nướcngoài với các thông số sẵn có của nhà sản xuất Trong phạm vi ứng dụng tại ViệtNam, tận dụng tính đàn hồi của vật liệu (địa phương sẵn có) như cao su kết hợp vớitang mái làm hệ cản điều chỉnh khối lượng — TMD dé giảm chan cho nhà cao tang.Hệ can TMD gồm có khối lượng (mass) + liên kết đàn hôi (spring) + liên kết cản

Tổng quan 5(damper), được gắn vào kết câu để lam giảm dao động của kết cấu Tan số của hệcản được điều chỉnh đến 1 tần số riêng của kết câu dé khi tần số này được kích độngthì hệ cản sẽ cộng hưởng lệch pha với chuyển động của kết cấu Năng lượng sẽ tiêután do lực quán tính của hệ cản tác dụng kết cấu Giải pháp sử dụng tang mái kếthợp với hệ cao su lõi chì cũng làm việc dựa trên nguyên lý đó.

1.2 Téng quan về điều khiển dao độngXét về cách thức giảm dao động cho công trình, điều khiển kết câu có thể phânthành các dạng như sơ đồ như Hình 1.6 Các dạng điều khiến có thé liệt kê như sau:Điều khiến bị động, điều khiển chủ động va bán chủ động, điều khiển hỗn hợp

ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU

aL s¿

—>| ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CHU ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN HON HỢP

VÀ BÁN CHỦ ĐỘNG (CHU ĐỘNG + BỊ ĐỘNG)

>} CO LẬP MONG

| THIET BỊ TIÊU TAN NANG LƯỢNG

—>\ HỆ CAN KHỐI LƯỢNG

Hình 1.6 Sơ đồ tong quan vé cách thức điều khiển kết cầu1.2.1 Điều khiến bị động

Hệ thống điều khiển bị động là hệ thống tự vận hành mà không cần nguồn nănglượng bên ngoài Mục đích chính của hệ thống điều khiến bị động là tiêu tán nănglượng thông qua các phương pháp khác nhau được chia làm hai loại: Phương phápdau tiên là biến đối năng lượng động lực thành năng lượng nhiệt, chang han thôngqua chảy dẻo của kim loại, thanh trượt ma sát hay dịch chuyển của chất lỏng.Phương pháp thứ hai là hoạt động dựa trên việc truyền năng lượng giữa hai haynhiều dang dao động của công trình băng cách thêm vào một thiết bị bổ sung dé hapthụ năng lượng của kết câu chính Một số hệ cản thuộc dạng điều khiển bi động baogồm: hệ cản điều chỉnh khối lượng (Tuned Mass Damper) (Hình 1.7), hệ cản điều

Tổng quan 6chỉnh chất lỏng (Tuned Liquid Damper) như Hình 1.8, hệ cản chất lỏng nhớt(Viscous Fluid Damper), hệ cô lập móng (Base Isolation) như Hình 1.9

Hạn chế của hệ cản này là chỉ thích ứng với một số băng tần số nhất định

Do đó, hệ cản này được thiết kế tối ưu cho trận động đất này nhưng chưa chắc đã

hiệu quả cho trận động đất khác

Hinh 1.8 Hé can diéu chinh chat long (Tuned Liquid Damper)

Tổng quan 7

Liên kết ngàm Cô lập móng

Dịch chuyên đât nên

Hình 1.9 Hệ cô lập mong (Base Isolation)1.2.2 Điều khiển chủ động

Hệ thống điều khiển này đòi hỏi một nguồn năng bên ngoài dé vận hành, các tínhiệu được gởi đến thiết bị điều khiến va thu nhận thông tin phản hôi từ các cảm biếnđược lắp đặt trên kết cầu Ưu điểm của hệ thống này là thích ứng với nhiều băng tầnsố khác nhau, khắc phục được nhược điểm của hệ điều khiển bị động Nhược điểmcủa hệ thông nay là phụ thuộc vao năng lượng bên ngoài nên khi xảy ra động đất thinguồn năng lượng bên ngoài dé bị ngắt Do đó, làm mat đi hiệu quả của hệ cản Cơchế hoạt động của hệ cản chủ động như Hình 1.10

TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG

LUC ;

DIEU KHIEN ĐÁP UNG ĐẦU RA

BO SINH LUC CONG TRINH BỘ DO DAC CAM BIEN

Hinh 1.10.Co ché hoat động của hệ can điều chỉnh chủ động

Tổng quan 81.2.3 Điều khién bán chủ động

Hệ thống này là sự kết hợp những thuận lợi của hệ điều khiển chủ động va bi động.Hệ thống này hoạt động theo cơ chế tương tự hệ điều khiển chủ động nhưng nhucầu cung cấp năng lượng bên ngoài nhỏ hơn nhiêu, và khi nguồn điện bên ngoài bị

ngắt thi hệ thống này vẫn sẽ hoạt động như hệ điều khiến bị động

1.2.4 Điều khiến hỗn hợpĐiều khiển hỗn hop là hệ thông kết hợp giữa hệ cản điều khiển chủ động và hệ cảnđiều khiển bị động hoặc là sự kết hợp giữa hệ cản điều khiển bán chủ động và hệcản điều khiến bị động Khi lực tác động nhỏ thì hệ làm việc như hệ điều khiển bịđộng, khi lực kích thích đủ lớn thì hệ chuyển sang làm việc như hệ điều khiển bánchủ động wie

Cam bién

a

|

l||

Tổng quan

Bảng 1.2 Các công trình sử dụng hệ can TMD bị động

Loại và số lượn Thông tin khác (tan

Tên côngtrình Vịtrí "hñeoán Ý Năm lắp đặt số tự nhiên, khối

building) no TMD~1%

(278m) with TMD~4%

Sydney Tower = Sydney, passive tuned 1980/1 0.10, 0.50 Hz

(305 m) Australia mass damper 220 t

(pendulum type)

Al Khobar Saudi Arabia passive tuned 1982 0.44 Hz

2 chimnies mass damper 7t(120 m)

Ruwais Utilities Abu Dhabi passive tuned 1982 0.49 Hzchimney mass damper 10t

Deutsche Nornberg, — passive tuned 1982 0.67 HzBundespost Germany mass damper 1.5t

cooling tower(278 m)

Yanbu Cement Saudi Arabia passive tuned 1984 0.49 Hz

Plant mass damper 10tchimney (81 m)

Hydro-Quebee Canada passive tuned 1985 0.7-1.2 Hzwind generator mass damper 18t

Chiba Port Chiba, Japan 2 passive tuned 1986 0.43-0.44 HzTower mass dampers 10, 15t

(125m)

Pylon, Aratsu Japan passive tuned 1987

-Bridge mass damper(cable-stayed)

Pylon, Yokohama, passive tuned 1988 Yokohama Bay Japan mass damper

-Bridge(cable-stayed)

Tổng quan 10

Loại và sô lượng Thông tin khác (tânTên công trình VỊ trí ar Nam lắp đặt số tự nhiên, khốihệ cản

lượng )

Bin Quasim Pakistan passive tuned 1988 0.99 Hz

Thermal Power mass damper ASt

Station(70 m)

Tiwest Rutile Australia passive tuned 1989 0.92 Hz

Plant mass damper 0.5tchimney (43 m )

Fukuoka Tower Fukuoka, 2 passive tuned 1989 0.31-0.33 Hz

(151 m) Japan mass dampers 25,30t

Higashiyama Nagoya, passive tuned 1989 0.49-0.55 Hz

Sky Tower Japan mass damper 20t

(134 m)Pylon, Japan passive tuned 1990 -Bannaguru mass damper

Bridge(cable-stayed)

Crystal Tower Osaka, Japan 2 passive tuned 1990 0.24-0.28 Hz

(100 m) Belgium mass damper 8.5t

Siemens power Killingholme passive tuned 1992 0.88 Hzstation , UK mass damper 7t

(70 m)

Rokko islandP Kobe, Japan passive tuned 1993 0.33-0.62 Hz& G mass damper ( 270 t

(117 m) pendulum type)

Chifley Tower Sydney, passive tuned 1993 A400 t

(209 m) Australia mass damper (

pendulum type)

Tổng quan 111.4 Tình hình nghiên cứu về TMD1.4.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoàiHệ cản TMD (Hình 1.12) là thiết bị hấp thu năng lượng được sử dụng trong nhiều

kết câu, được mô tả bao gdm một khối lượng thứ cấp, một lò xo và một cản nhót,

TMD được gắn vào kết câu chính dé tiếu tán một phan năng lượng có hai

Sau đó lý thuyết về TMD được phát triển mạnh, có nhiều nhà nghiên cứu quan tâmđến thiết bị này, McNamara (1977) [3] nghiên cứu sự làm việc của TMD dưới tacdụng của tải trọng gió Warburton (1981) [4] nghiên cứu các thông số tối ưu củaTMD với kết câu 2 bậc tự do, và đã cho thay răng các thông số xác định cho kết cau2 bậc tự do là gần đúng với những nghiên cứu kết cấu 1 bậc tự do nếu tỷ lệ của haitân số riêng của kết cau là hop lý Abe và Igusa (1995) [5] cũng đã cho thấy rangvới kết câu nhiều bậc tự do có tần số riêng cách nhau lớn, thì gần đúng với kết câu 1bậc tự do chịu nhiều tải trọng nối tiếp và cách khắc phục là dùng nhiều TMD chokết cầu Abe và Igusa (1995) [5] cũng cho thấy răng các kết cau có tan số riêng gần

Tổng quan 12nhau thì tần số riêng thấp nhất là cần thiết được chọn để phân tích Kaynia (1981)

[6] Sladex & Klingner (1983) [7] nghiên cứu cho thấy nhược điểm của hệ TMDtrong việc giảm chan đối với tải động đất Hsiang-Chuan Tsai (1994) [8] tiếp tụcnghiên cứu tìm các thông số tối ưu cho hệ cản TMD

K.K Wong (2008) [9] đã nghiên cứu phân tán năng lượng địa chân của kết câu đànhồi bằng TMD, nghiên cứu đã chỉ ra răng kết cấu đàn hồi được mô hình hóa bằngphương pháp lực tương đương, là cốt lõi của phân tích tiêu hao năng lượng dẻotrong kết câu Hiệu quả của TMD trong việc giảm những phản ứng năng lượng cũngđược nghiên cứu băng cách sử dụng phổ năng lượng dẻo khác nhau cho các kết cấukhác nhau Kết quả cho thấy việc sử dụng TMD sẽ tăng cường khả năng chịu lựccủa kết cấu, vì đã tiêu tán một lượng lớn năng lượng bởi TMD cho đến khi phảnứng không còn ở trạng thái nguy hiểm Do đó, làm tăng việc tiêu tán năng lượngchan động và giảm năng lượng đẻo của kết cầu Giảm năng lượng dẻo của kết cấuliên quan trực tiếp đến việc giảm thiệt hại của kết cầu Do đó, TMD được kết luận là

khá hiệu quả trong việc bảo vệ kết câu trong việc chịu động đất Tuy nhiên, sự tiêu

tan năng lượng của TMD sẽ bi hạn chế nếu kết cầu vượt giới hạn dẻo.Chi Chang Lin và các cộng sự (2009) [10] đã nghiên cứu việc bảo vệ kết câu chịuđịa chân băng hệ bán chủ động TMD ma sát, tác giả đã cho thay hệ TMD ma sát cóưu điểm là làm tiêu hao năng lượng thông qua cơ chế ma sát mà không can các thiếtbị cản bố sung Tuy nhiên, hệ can TMD ma sat bị động (Passive Friction-TMD) cónhược điểm là độ ma sát được cố định và đã được xác định trước, không thé điềuchỉnh được độ ma sát từ đó nó chỉ hiệu quả cho một tần số nhất định Đề khắc phụcđược van dé nêu trên, tác giả đã đưa ra hệ TMD ma sát bán chủ động (Semi ActiveFriction-TMD) với các kha năng như: các lực ma sat của SAF-TMD có thể đượcđiều chỉnh phù hợp với phản ứng của kết cấu chịu địa chấn, các lực ma sát có théđược khuếch đại thông qua hệ thống phanh Lực dính lớn của TMD có thể được sửdụng dé nâng cao hiệu quả TMD Kết qua đã chứng minh răng SAF-TMD hiệu quảhơn so với PF-TMD.

Kevin K F Wong va John L Harris (2010) [11] nghiên cứu thiệt hai động dat vaphân tích su bat 6n của kết câu với TMD dựa trên năng lượng dẻo, sử dụng phân

Tổng quan 13tích số dé nghiên cứu các ứng xử toan phan và tiêu tan năng lượng cục bộ chốnguốn của khung thép 6 tầng có gắn TMD và không gắn TMD cho 100 mô hìnhkhông cô định Gaussian chịu tải động đất Hiệu quả cua TMD được đánh giá dựatrên sự giảm ứng xử của kết câu đối với chấn động Kết quả nghiên cứu đã chứngminh, TMD có thể nâng cao khả năng chịu chân động của kết câu, tiêu tán nănglượng ở các trận động đất có mức rung chuyên thấp, và ít hiệu quả hơn đối với trậnđộng đất có mức độ rung chuyển mạnh.

Ging Long Lin và các cộng sự (2011) [12] đã tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm kiểmchứng việc kiểm soát rung động địa chân khi sử dụng bộ điều khiển bán chủ độngma sát cản điều chỉnh khối lượng Dé kiểm tra hiệu quả của TMD ma sát bán chủđộng, một mẫu thử nghiệm SAF-TMD được chế tạo và sử dụng thử nghiệm, điềukhiến ma sát thay đổi được thực hiện để SAF-TMD hoạt động với tải động đất cócường độ khác nhau Kết quả thu được chứng minh rằng, các kết quả thực nghiệmphù hợp với kết quả tính toán băng lý thuyết, SAF-TMD là hiệu quả hơn PF-TMDvới lực trượt cố định

Roffel và các cộng sự (2011) [13] đã nghiên cứu khả năng khắc phục sự chuyểnđộng không đúng hướng mong muốn trong dao động của TMD Nghiên cứu chỉ rarang từ sự suy giảm, thay đổi ngoài ý muốn các thuộc tính của cau trúc và thiết kếcủa TMD có thé dẫn đến sự giảm hiệu suất đáng ké của nó Dé khắc phục van dénày tác giả đã dé xuất phướng pháp khắc phục, đó là TMD con lac hoạt động bachiều trong một hệ khung có thể điều chỉnh tần số dao động riêng của nó và hai cảndé điều chỉnh hệ thông Nghiên cứu này đã phát triển một phương pháp hiệu quả dékhắc phục sự chuyển động không theo mong muốn của TMD nhưng vẫn giữ đượcsự đơn giản của hệ thống bị động TMD

Sun và các cộng sự (2013) [14] nghiên cứu về việc giảm dao động khi sử dụngTMD phi tuyến (Nonlinear TMD), TMD bán chủ động (Semiactive TMD) và kếthợp hai loại mắc song song (Multiple TMD) Một biên độ đỉnh dao động của kếtcầu được chon dé khảo sát, nghiên cứu chỉ ra rang MTMD là giảm biên độ đỉnhđáng kể MTMD có hiệu quả trong việc làm giảm phản ứng của kết cấu chịu địachân, tac gia cũng đã nghiên cứu về các thông sô thiệt kê MTMD, và tìm thay việc

Tổng quan 14bồ sung STMD với tỷ lệ nhỏ trong MTMD thì giảm đáng kể ứng xử của kết câu sovới sử dụng chỉ NTMD.

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nướcNguyễn Hữu Anh Tuan (2002) [15] đã khảo sát giải pháp điều khiến bi động kếtcâu với hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD trong Luận văn Thạc sĩ tại Đại HọcBách Khoa Tp.HCM Luận văn giới thiệu về hệ cản TMD, các giải pháp điều khiểnTMD Đỗ Thị Ngọc Tam (2011) [16] khảo sát khả năng giảm chắn cho nhà cao tângsử dụng hồ nước mái đặt trên cao su lõi chì Tác giả phân tích, so sánh hiệu quảgiảm chuyền vi và vận tốc của công trình khi có hỗ nước mái đặt trên cao su lõi chìvà khi không xét hồ nước mái đặt trên cao su lõi chì với các trận động dat điển hình.Vương Thị Vỹ Dạ (2011) [17] khảo sát khả năng giảm chấn cho nhà cao tầng sửdụng bề nước mái và vật liệu dan hỏi, vật liệu đàn hồi tác giả sử dụng là hệ cô lậpcao su thiên nhiên Tác giả sử dung phần mềm Etabs dé mô hình công trình 20 tang,qua đó khảo sát hiệu quả giảm chuyển vi và vận tốc của công trình

Trên cơ sở tìm hiểu các bài báo, luận văn trong và ngoài nước, tác giả nhận thấy cácnghiên cứu trước đây về TMD chủ yếu tập trung vào phân tích đáp ứng của kết câutrong miễn đàn hồi, nhưng trong thực tế khi động đất xảy ra thì phan lớn kết cấulàm việc trong miễn phi tuyến Do đó, thực hiện nghiên cứu mô hình tính toán kết

câu làm việc trong miền phi tuyến của vật liệu dé kết câu làm việc gân hơn với thực

tế là điều cần thiết Hơn nữa, trong các nghiên cứu trước đây về TMD, các tác giảchỉ xem xét TMD ở dạng con lắc hay hồ nước mái của công trình mà ít xem xét sửdụng hệ kết câu sẵn có của công trình để làm hệ cản TMD Có một vài nghiên cứusử dụng tầng mái ở dang tầng mềm dé làm TMD cho kết câu Tuy nhiên, hiệu quảlại không cao Nhược điểm của TMD ở dạng con lắc là sử dụng nhiều không giancủa công trình, nhược điểm của TMD ở dạng hồ nước mái là khối lượng hỗ nước sẽthay đổi so với thiết kế ban dau do nhu cầu sử dụng nước của con người sống trongcông trình nên sẽ không đảm bảo hiệu quả so với thiết kế ban đầu Nhược điểm khibồ trí tang mái ở dạng tầng mém và liên kết trực tiếp với kết cấu chính là tỉ số cảncủa tầng mềm quá thấp Việc thêm vào tầng mái cho công trình để làm hệ cảnTMD, và bô sung hệ cô lập cao su lõi chi đê liên két tang mái va két câu chính sẽ

Tổng quan 15khăc phục được các nhược điêm của các giải pháp trên, do khôi lượng tâng luôndam bao so với thiệt kê ban đâu và tỉ sô cản được tăng lên rat nhiêu từ 101 chì Tangđóng vai trò như TMD hoàn toan có thé được sử dụng như các tang thông thường.

1.5 Mục tiêu và hướng nghiên cứu Luan văn

Mục tiêu chính của Luận văn nhăm phân tích các đáp ứng của công trình chịu tảitrọng động đất Đồng thời, công trình sử dụng tầng mái như hệ can TMD có kể đếnyếu tO phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu Luận văn sử dụng phương phápphan tử hữu han FEM dé mô hình khung phẳng va sử dung mô hình vật liệu bê tôngcủa Karayannis (1994) [27] dé kế đến yếu tố phi tuyến trong bai toán Các van dénghiên cứu cụ thể trong Luận văn này bao gồm:

o Khảo sát va so sánh các đáp ứng quan trọng của công trình như chuyến vi,

vận tốc, gia tốc, nội lực giữa mô hình đàn hồi và mô hình phi tuyến

o Phân tích và so sánh hiệu quả giảm chuyển vị, vận tốc, nội lực, độ lệchtang của kết câu khi có TMD và không có TMD

o Đánh giá hiệu của TMD khi kết cấu làm việc trong miễn đàn hôi và khi kếtcau làm việc có xét đến phi tuyến

o Xem xét mối tương quan giữa số tang và hiệu quả của TMD.o Xem xét hiệu quả của tầng mái đóng vai trò như TMD có bồ sung hệ cô lập

cao su lõi chì so với khi bố trí tang mái ở dạng tầng mém, liên kết trực tiếpvới kết câu chính

Các bước dé tiễn hành như sau:

a) Thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma trận cản cho

các phan tử khung phẳng sử dụng phương pháp phan tử hữu hạn FEM(Finite Element Method).

b) Phat triển thuật toán, lập trình tính toán bang chương trình Matlab dé giảihệ phương trình động tong thể của bài toán

c) Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả củachương trình với kết quả của phần mềm Sap2000

d) Tiến hành thực hiện các ví dụ số nhằm khảo sát các đáp ứng quan trọngcủa kết câu sử dụng hệ cản TMD, từ đó rút ra kết luận và kiến nghị

Tổng quan 16

1.6 Luan van

Nội dung trong Luan van được trình bày như sau:Chương 1: Nhăm giới thiệu sơ lược về điều khiển kết cấu, lịch sử hệ cản điều chỉnhkhói lượng (Tuned mass damper — TMD)

Chương 2: Chương nay trình bay các cơ sở lý thuyết của phan tử hữu han, phươngpháp thiết lập các hàm dạng, các ma trận tính chat của phan tử khung phang đồngthời giới thiệu lý thuyết thiết kế hệ cô lập cao su lõi chì và lý thuyết thiết kế TMD.Chương 3: Chương này trình bày các kết quả số đạt được tính bằng chương trìnhMatlab, xem xét các đáp ứng quan trọng của kết cầu khi sử dụng hệ can TMD.Chương 4: Từ kết quả số đạt được trong Chương 4, tiến hành đưa ra các kết luậnquan trọng đạt được trong Luận văn và kiến nghị hướng phát triển của đề tai

Tài liệu tham khảo: trích dẫn các tai liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiêncứu của dé tải

Phụ lục: Trình bày một số đoạn mã lập trình Matlab chính dé tính toán các ví dụ sốtrong Chương 3.

2.1 Hệ cô lập cao su lõi chì

Hệ cô lập cao su lõi chì (Lead Rubber Bearing - LRB) như Hình 2.1 là thiết bi dungđể cô lập dao động cho công trình hoặc một bộ phận của công trình LRB được cầutạo từ nhiều lớp thép mỏng và cao su mỏng đan xen với nhau, hệ có lõi chì hình trụtròn để tăng độ cứng và độ cản so với hệ NRB (Natural Rubber Bearing) như Hình2.2.

Tam thép day

Cao su mongTam thép mong Lõi chì

61 chì

Cao su bao quanh

Bé dày của tam thép khoảng 2.54cm, và bé day lớp cao su ở giữa những tam thépkhoảng 7.62 — 19.05cm So sánh NLB chỉ có cao su, khi ta sử dụng tâm thép thì

Cơ sở lý thuyết 18biến dạng theo phương đứng giảm di đáng kẻ, và giữ cho những lớp cao su không bịphông ra hai bên Vì những tam thép ko ngăn can lớp cao su chuyền vị theo phươngngang nên độ cứng ngang không bị ảnh hưởng nhiều so với độ cứng theo phươngđứng.

NRB sản xuất dễ đàng, chi phí tương đối rẻ so với những vật liệu chịu lực khác.Nhưng đặc tính cơ học của nó lại phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian, tỷ số cản thậpkhoảng 2% - 3% nên NRB chỉ chịu được những tải ngang nhỏ Do vậy, phải gắnthêm thiết bị cản dé có thể điều khiến chuyển vị cao hơn Những bat lợi về thuộctính cản thấp của NRB có thể khắc phục băng cách thêm lõi chì vào giữa NRB vàđược gọi là cao su lõi chì (Lead Ruber Bearing — LRB) như Hình 2.1.

Tắm thép dày

Cao su mỏng ~

Tâm thép mỏng —=””

Cao su bao quanh = SO”

Hình 2.2 Câu tao hệ cô lập cao su thiên nhiênHiệu quả chịu lực của LRB phụ thuộc vào lực ngang tác dụng vào Khi lực tác dụngcòn nhỏ, lõi chi sẽ giữ những tam thép lại không cho dịch chuyển, độ cứng ngangLRB lúc này lớn Nhưng khi lực tác dụng lớn hon, lực do tam thép tác dụng vào lõichì sẽ làm cho lõi chi biến dang hay chuyền sang dẻo, sự cản trễ bắt dau phát triểnvà lõi chì sẽ hấp thu năng lượng Do đó, độ cứng ngang của LRB sẽ giảm xuống.Hệ số cản tương đương của LRB dao động trong khoảng 15% - 35%, và mô hìnhsong tuyến tính được dùng dé mô tả cho thuộc tính cơ học của LRB

Một số lợi ích của hệ cao su lõi chi:o Giảm 1/4 - 1⁄2 đáp ứng với tải trọng động dat so với kết câu truyền thống.o_ Tiết kiệm 5-20 % chi phí dau tư cho công trình