Phân tích hoạt động và ứng dụng bộ giảm chấn TLCDs trong việc giảm chấn cho tháp

-1- MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU Trong thời gian gần đây, xu hướng phát triển công trình xây dựng có kết cấu mảnh việc áp dụng loại vật liệu cường độ cao tạo chạy đua chiều cao công trình, chiều dài nhịp cầu treo…Tuy nhiên, độ cản kết cấu công trình đại nhỏ chịu tác dụng động mạnh yếu tố môi trường gió bão, sóng biển động đất Chúng tạo dao động không mong muốn gây ổn định công trình (sự cố sụp cầu Tacoma năm 1940) ảnh hưởng đến hoạt động người phương tiện công trình trình thi công khai thác sử dụng Do việc nghiên cứu biện pháp làm tính cản, giảm dao động công trình phát triển vài thập kỷ qua đạt thành công không nhỏ Sản phẩm nghiên cứu lĩnh vực loại vật liệu cộng nghệ cao liên kết thông minh nhằm tăng tính cản thân kết cấu Bên cạnh việc phát triển thiết bị giảm chấn lắp đặt công trình Việc áp dụng loại vật liệu công nghệ cao liên kết thông minh cho công trình xây dựng nước ta dường giá thành cao Do đo, nghiên cứu thiết bị giảm chấn có giá thành thấp, dễ chế tạo đảm bảo hiệu giảm chấn cao Việt Nam tình hình xu tất yếu Các thiết bị giảm chấn nói chung hoạt động dựa nguyên lý: lượng dao động công trình tải trọng gây hấp thụ cách nhanh chóng biến thành lượng dao động phận hấp thu lượng, sau chúng bị triệt tiêu cách kịp thời tính cản thiết bị giảm dao động Theo nguyên lý thiết bị giảm chấn thực chất lắc đơn lắc lò xo gắn vào công trình Trong mô hình đầu tiên, vật nặng lắc khối lượng đặc (thép bê tông) gắn với hệ đàn-nhớt gọi thiết bị giảm chấn khối lượng (TMDs-Turned Mass Dampers) Các công trình lắp đặt TMDs điển hình tháp Jonh Hancock Boston Citicorp Building New http://www.ebook.edu.vn -2- York Sau này, người ta cải tiến cách thay khối lượng đặc khối chất lỏng gọi thiết bị giảm chấn chất lỏng điều chỉnh (TLDs-Turned Liquid Dampers), cấu đàn-nhớt tính chất đàn-nhớt chất lỏng Như vậy, thiết bị giảm chấn sử dụng chất lỏng trở nên đơn giản nhiều tốn chi phí lắp đặt tu bảo dưỡng Chúng áp dụng để giảm dao động cho nhà cao tầng, tháp cầu dầm cầu treo…Công trình Việt Nam áp dụng thiết bị giảm chấn TLDs tháp cầu Bãi Cháy TLCDs (Turned Liquid Colunm Dampers) dạng đặc biệt TLDs cho khối chất lỏng chuyển động bình thông có van điều chỉnh hệ số cản Sakai đề xuất năm 1989 Trong dao động TMDs tuyến tính chuyển động khối chất lỏng TLDs hay TLCDs dao động phi tuyến Do đo, để tận dụng kết nghiên cứu hệ tuyến tính cần phải áp dụng biện pháp tuyến tính hoá Tải trọng gió thường mô tả dạng phổ lượng nên áp dụng phương pháp phổ để phân tích dao động hệ tuyến tính Dao động tháp bậc tự mô tả dạng số Hiệu TLCDs hấp thu dao động xác định thông qua mức độ triết giảm chuyển vị hiệu dụng đỉnh tháp có gắn TLCDs Trong khuôn khổ luận văn, tác giả tính toán lý thuyết thực nghiệm giảm dao động cho mô hình tháp bậc tự dùng thiết bị giảm chấn TLCDs chịu kích động biên độ ban đầu kích động điều hoà Ngoài ra, tác giả tính toán lý thuyết dao động tháp cầu Bãi Cháy trình thi công khai thác sử dụng tác dụng tải trọng gió ngẫu nhiên thiết kế giảm chấn TLCDs cho tháp cầu ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Tải trọng gió tượng khí động học công trình - Bộ giảm chấn cột chất lỏng có điều chỉnh (TLCDs) - Mô hình tháp bậc tự MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI - Phân tích dao động phi tuyến giảm chấn TLCDs chịu kích động điều hoà kích động ngẫu nhiên http://www.ebook.edu.vn -3- - Phân tích dao động tự dao động cưỡng mô hình tháp bậc tự chịu kính động điều hòa có TLCDs - Lựa chọn tham số điều chỉnh TLCDs hiệu giảm chấn tốt - Thiết kế giảm chấn cho tháp giảm chấn TLCDs http://www.ebook.edu.vn -4- CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CÔNG TRÌNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIẢM CHẤN 1.1 Tổng quan nghiên cứu dao động công trình gió gây 1.1.1 Giới thiệu chung Nói đến dao động công trình, đặc biệt dao động công trình cầu gió gây ra, người ta thường nhắc đến vụ sụp cầu treo tiếng Tacoma Narrow cách 68 năm Kể từ đó, việc thiết kế xây dựng cầu lớn, cầu treo dây văng nhịp dài bị ám ảnh câu chuyện Tacoma Đồng thời nhà thiết kế tiến hành rà soát lại mô hình thực nghiệm phân tích lý thuyết dao động công trình Việc xét tác động gió lên công trình quan tâm nghiên cứu từ lâu công trình xây dựng Tuy nhiên, đến kỷ 18, tải trọng gió lần mô hình cách khoa học thiết kế công trình John Smeaton kĩ sư người Anh cho đời bảng tổng hợp lực gió cho công trình hoàng gia năm 1759 Bảng phân vùng gió Smeaton phát huy tác dụng kỉ sau Đến kỉ 19, thép hàn trở thành loại vật liệu xây dựng phổ biến chiều cao công trình xây dựng tăng, công thức mô tả lực gió phức tạp nhiều Sự sụp đổ cầu bắc qua vịnh Tay năm 1879 để lại nỗi kinh hoàng cho kỹ sư liên quan đến việc xác định tải trọng gió Điểm đánh dấu bước ngoặt thứ hai lịch sử nghiên cứu khí động học cầu sụp đổ cầu Tacoma Narrows vào năm 1940 Với chiều dài nhịp 845m, Tacoma cầu lớn lúc Cầu thiết kế với tải trọng gió ngang 2.4kPa tương đương với tốc độ gió thiết kế 50 m/s Tuy nhiên, cầu thiết kế chịu dao động uốn theo phương thẳng đứng với tốc độ gió lớn, chí trình thi công Vào ngày 7/11/1940, dao động uốn cầu đột ngột chuyển thành dạng dao động xoắn mãnh liệt cầu bị sụp đổ http://www.ebook.edu.vn -5- với tốc độ gió 20 m/s Đây vấn đề tải trọng gió tĩnh mà vấn đề ổn định động Hình 1-1 Hình ảnh dao động cầu Tacoma Narrows trước phá huỷ Hình 1-12.Hình ảnh phá hủy cầu Tacoma Narrows tác động gió Có thể nói rằng, cầu trước Tacoma thiết kế theo tiêu chuẩn chống lại tác dụng động gió nói cầu bị sụp đổ tác dụng động gió trước Cơn bão ngày 30/10/1836 làm sụp đổ bốn nhịp 78m cầu Brighton Chain Pier Anh Báo cáo tai nạn ghi lại có dao động xoắn mãnh liệt cầu sụp đổ mặt cầu cuối Một điều ngạc nhiên giống cách kì lạ hoạ ảnh chụp vụ sập cầu Tacoma diễn sau kỉ Trong thực tế, việc thiết kế cầu treo dây võng khoảng 200 năm lại nỗ lực chống lại tác động gió Rất nhiều công trình cầu treo lớn xây dựng kỷ 19 mà kể đến cầu bắc qua eo biển Menai Thomas Telford thiết kế bị phá hoại hư hỏng gió Jonh Röbling kĩ sư thành công vượt qua thử thách với gió việc thêm vào dầm nặng nhiều dây cáp văng để đảm bảo độ cứng tổng thể theo chiều cao công trình Cầu xe lửa Niagara (1855) cầu Brooklyn (1883) thành công vĩ đại ông Khó khăn công trình cầu thường liên quan đến chiều dài nhịp Trong khoảng 200 năm gần đây, chạy đua chiều dài nhịp không ngừng http://www.ebook.edu.vn -6- tiếp diễn Sự đột phá chiều dài nhịp xuất từ năm 1930 nhờ áp dụng lý thuyết biến dạng Khi giáo sư Melan phát triển lý thuyết có kể đến biến dạng mặt cầu phân tích ứng suất Ý tưởng có lẽ đơn giản làm tăng tính xác tính toán ứng suất Tuy nhiên, áp dụng cho cầu treo cho kết lạ: độ cứng dầm giảm ứng suất dầm giảm theo Theo triết lý thiết kế này, cầu George Washington (1931) xây dựng mà hoàn toàn hệ dầm cứng Đây cầu vượt nhịp 1000m Thành công cầu Golden Gate (1937) thiết kế theo nguyên lý Tiếp theo ý tưởng thiết kế cầu treo với hệ dầm cứng cầu Bronx-Whitestone (1939) Tacoma (1940) Tại thời điểm này, cảnh báo Röbling vấn đề ổn định cầu phụ thuộc vào trọng lượng công trình bị xem nhẹ dẫn đến tai nạn bất ngờ cầu Tacoma 1.1.2 Gió tự nhiên tác động gió lên công trình 1.1.2.1 Đặc điểm gió tự nhiên Gió chuyển động khối không khí bầu khí chênh lệch áp suất điểm khác trái đất Đặc điểm bật gió tự nhiên tính nhiễu loạn Nguyên nhân nhiễu loạn ma sát luồng không khí qua bề mặt Dòng không khí nhiễu loạn thay đổi cách phức tạp ngẫu nhiên không gian theo thời gian, thường biểu diễn dạng thống kê Vận tốc gió thời điểm biểu diễn dạng tổng vận tốc vận tốc biến đổi biểu diễn cho thành phần nhiễu loạn luồng không khí Trong hệ tọa độ Đề-các với trục x theo hướng gió, trục y nằm ngang trục z hướng lên trên, vận tốc gió độ cao z thời điểm t biểu diễn sau: − Theo hướng gió : U(z) + u(x, y, z, t) http://www.ebook.edu.vn -7- − Theo phương vuông góc hướng gió : v(x, y, z, t) − Theo phương thẳng đứng : w(x, y, z, t) Trong thành phần vận tốc U(z) phụ thuộc vào độ cao z, thành phần u, v w biểu diễn thành phần biến đổi luồng gió Vận tốc U(z) thành phần biến đổi theo hướng gió quan tâm đặc biệt chúng có tác động chủ yếu đến công trình Hình 1-3 Thành phần gió tĩnh gió động 2.3.1 Vận tốc gió Tốc độ gió trung bình khoảng thời gian định định nghĩa bởi: U (z ) = τ τ ∫ u (t )dt (1.1) Với τ khoảng thời gian lấy trung bình Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, đo tốc độ gió khoảng thời gian khác Nếu khoảng thời gian τ từ vài phút đến vài giờ, ta có vận tốc gió kéo dài, khoảng thời gian trung bình vài giây ta có vận tốc gió giật Có nhiều phương pháp xác định vận tốc gió Để tiện sử dụng, số Tiêu chuẩn gió sử dụng công thức kinh nghiệm sau để xác định vận tốc gió bản: http://www.ebook.edu.vn -8- ⎛ z U ( z ) = U h ⎜⎜ ⎝ z0 ⎞ ⎟⎟ ⎠ α (1.2) đó: Uh0 vận tốc gió độ cao tham chiếu thường lấy z = 10m Trị số α hệ số không thứ nguyên xác định tính nhám bề mặt địa hình Theo Tiêu chuẩn 2737-1995 Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế phân loại độ nhám bề mặt, cho trị số độ nhám α Bảng 1-2 Bảng 1-2 Phân loại độ nhám bề mặt theo tiêu chuẩn 2737-1995 Phân loại độ nhám bề mặt đất I II III IV Tình trạng bề mặt đất α Trên mặt biển, bờ biển Đồng ruộng, vườn cây, đất bãi rộng phẳng Khu vực có cối khối kiến trúc tầng thấp thưa thớt Khu vực có cối khối kiến trúc tầng thấp dầy đặc Khu vực có khối kiến trúc tầng trung tầng cao thưa thớt Khu vực đồi núi thoải 0.12 Khu vực có khối kiến trúc tầng trung, cao dầy đặc Khu đồi núi chia cắt mạnh 0.16 0.22 0.30 Trị số độ nhám bề mặt địa hình công trình cầu có thay đổi tương đối lớn phạm vi hẹp xác định theo nguyên tắc sau: − Khi phạm vi xét tồn hai loại hình có mức độ nhám chênh tương đối lớn, theo tỷ lệ diện tích lấy trị số bình quân chúng; − Khi phạm vi xét tồn hai loại hình có mức độ nhám gần kề nhau, lấy trị số loại nhỏ hơn; − Khi phía thượng, hạ lưu cầu tồn hai loại độ nhám khác nhau, lấy trị số bên phía tương đối nhỏ hơn; − Khi chiều rộng sông cần vượt tương đối nhỏ (như loại nhỏ 100 m), phải lấy trị số thấp mức độ nhám xác định theo mặt đất không http://www.ebook.edu.vn -9- gồm chiều rộng sông − Khi cầu vượt qua nơi có địa hình tương đối đặc biệt, thông qua thí nghiệm hầm gió địa hình mô phỏng, quan trắc tốc độ gió thực địa theo tài liệu tốc độ gió có liên quan để xác định tốc độ gió tiêu chuẩn thiết kế 2.3.2 Thành phần nhiễu loạn gió Gió lớp biên khí có nhiễu loạn, điều có nghĩa dòng khí dòng rối với chu kỳ ngẫu nhiên biến đổi từ nhỏ giây hàng phút Đặc tính ngẫu nhiên thành phần nhiễu loạn dòng khí xác định lý thuyết xác suất Việc mô tả cụ thể thành phần nhiễu loạn gió trình bày cụ thể chương 2.3.3 Tác động gió lên công trình Có nhiều kiểu dao động gió gây công trình cầu Chúng tìm thông qua thí nghiệm, đo đạc nghiên cứu thực nghiệm Các đáp ứng khác khác ứng xử khí động tương tác với kết cấu, đồng thời phụ thuộc nhiều vào loại kết cấu Có thể phân loại bảng Bảng 1-2 Đáp ứng công trình tác dụng gió Loại đáp ứng Đáp ứng tĩnh Biến dạng ngang/cong vênh Cầu treo Sự lật đổ Tháp, nhà cao tầng Mất ổn định Đáp ứng động Ví dụ Cong vênh Kết cấu tường Phân kì Các dầm mảnh Hiện tượng Buffeting Nhà cao tầng, mặt cầu Hiện tượng Vortex Ống khói, mặt cầu Mất ổn định Galloping Dây cáp, tháp cầu Xoắn Bản mặt cầu http://www.ebook.edu.vn - 10 - Flutter Kết cấu dạng cánh, mặt cầu Các ví dụ nêu không thiết phải nói đến kết cấu cầu Sự khác loại đáp ứng động quan trọng Có thể nhận chúng thông qua đặc trưng dao động 1.1.3 Sự phát triển trình nghiên cứu khí động học cầu Từ sau tai nạn cầu Tacoma đến nay, chuyên gia sâu vào phân tích nghiên cứu ổn định khí động học cho cầu treo Các nghiên cứu đưa mô hình thí nghiệm cầu hầm gió, qua không góp phần xây dựng lại thành công cầu Tacoma lần thứ hai, góp phần cải thiện hình dạng khí động cho công trình cầu lớn cầu Golden Gate, cầu George Wasighton cầu BronxWhitestone mà mở cho nghiên cứu thiết kế chống gió cho công trình cầu treo khác toàn giới Bên cạnh nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết nghiên cứu phát triển lý thuyết flutter Bleich (1949), lý thyết phân tích cong vênh Hirai (1947), phân tích buffeting Davenport (1958)…Các phân tích lý thuyết đòi hỏi phải có kiến thức tảng lực khí động tác dụng lên mặt cầu Bên cạch đó, có phát triển quan trọng lĩnh vực quan trắc, công nghệ máy tính lý thuyết độ tin cậy thống kê góp phần quan trọng việc phát triển lĩnh vực Một phát triển đáng ý cầu nhịp lớn khoảng bốn thập kỉ qua đua chiều dài nhịp cầu treo dây văng so với cầu treo dây võng cổ điển Khi tăng chiều dài nhịp vấn đề ổn định khí động trở nên đặc biệt quan trọng Nó không ảnh hưởng đến cầu trình khai thác mà giai đoạn thi công a Xu hướng nghiên cứu khí động học cầu thời gian gần : http://www.ebook.edu.vn - 66 - - Xác định gần độ cản C tháp Độ cản C tháp đại lượng không đo đếm được, nhiên xác định thông qua việc so sánh dạng dao động tháp biết độ cứng mô hình thực phương trình dao đông cuả tháp Trình tự xác định sau: + Đo dao động mô hình tháp vẽ đồ thị chuyển vị theo thời gian đỉnh tháp + Giải phương trình dao động tháp bậc tự với hệ số cản C thay đổi, vẽ đồ thị dao động ứng với giá trị C khác + Tìm dạng đồ thị gần với kết đo đạc ta xác định giá trị C tương ứng Hình 4-2 Dao động tự tháp đo 15s Hình 4-3 Đồ thị dao động tháp giải ứng với trường hợp C = 0.1 15s http://www.ebook.edu.vn 4.2 - 67 - Dao động mô hình tháp bậc tự có gắn TLCDs 4.2.1 Trường hợp dao động tự Phương trình dao động tháp có TLCD mδ ⎧ && + =0 y& y& + mωd2 y ⎪mα x + my&& 2L ⎨ ⎪⎩mα && +( M + m)ω p2 x = y +( M + m) && x + +Cx& (4.2) Với điều kiện đầu x (0) = x0 = 15mm; x& (0) = Dao động tự tháp có dạng dao động điều hoà, trình bày chương trước, dạng dao động TLCD dao động điều hoà Kết giải hệ phương trình ta dao động tháp có gắn TLCD trình bày dạng đồ thị Khi cho m=0 ta dao động tháp TLCD Kết giảm chấn lý thuyết thể hình 4-2 Hình 4-4 Dao động tự tháp có gắn TLCD theo lý thuyết http://www.ebook.edu.vn - 68 - Hình 4-5 Dao động tự tháp có gắn TLCD đo mô hình thực nghiệm thiết bị đo dao động Hình 4-6 Ảnh hưởng hệ số tổn thất cột áp đến việc giảm chuyển vị tháp dao động tự 4.2.2 Trường hợp hệ chịu kích động điều hoà Phương trình dao động tháp có TLCD http://www.ebook.edu.vn - 69 - mδ ⎧ && + =0 y& y& + mωd2 y ⎪mα x + my&& 2L ⎨ ⎪⎩mα && y +( M + m) && x + +Cx& +( M + m)ω p2 x = x0 sin(ωt ) (4.3) Với điều kiện đầu x (0) = 0; x& (0) = Trong trường hợp dao động kích động có tần số trùng với tần số dao động riêng hệ xảy cộng hưởng Kết giảm chấn lý thuyết thể hình 4-3 Hình 4-7 Dao động tháp có TLCD chịu kích động điều hoà Hình 4-8 Dao động tháp TLCD, chịu kích động điều hoà sau 15s đo mô hình thực thiết bị đo dao động http://www.ebook.edu.vn - 70 - Hình 4-9 Dao động tháp có TLCD, chịu kích động điều hoà sau 15s đo mô hình thực thiết bị đo dao động Hình 4-10 Ảnh hưởng hệ số tổn thất cột áp đến việc giảm chuyển vị tháp chịu kích động điều hoà http://www.ebook.edu.vn - 71 - 4.2.3 Trường hợp hệ chịu kích động tải trọng gió ngẫu nhiên Lực gió tác dụng lên tháp coi kích động ngẫu nhiên ồn trắng Áp dụng chuỗi kép Haris cho gió ngẫu nhiên, hàm mật độ phổ lượng gió cho công thức: 4π k0 F02 ⎛ U ⎞ S FF (ω ) = ω ⎜⎝ U z ⎟⎠ X (4.4) (2 + X ) 5/ Trong X = ωl x 2π U F0 = ρ A0C0U z2 k0 = hệ số cản mặt (k0 =0.03) lx = bước sóng (lx =1200m) ρ0 = mật độ không khí C0 = hệ số cản khí động, xác định thông qua thí nghiệm hầm gió ứng với dạng mặt cắt khác tháp A0 = diện tích chắn gió tháp U0, Uz = vận tốc gió trung bình cao độ chân tháp cao độ z (m) Để xác định ứng xử kết cấu phương pháp phổ, ta đặt: F ( t ) = F0 eiωt Trong đó, ω tần số kích thích ngẫu nhiên i = − Phương trình (4.1a) tuyến tính nên giải cách đặt ⎧⎪ x ( t ) = xe ⎧⎪ x& ( t ) = xi ˆ iωt ˆ ωeiωt ⇒⎨ ⎨ ˆ iωt ˆ ωeiωt ⎪⎩ y& ( t ) = yi ⎩⎪ y ( t ) = ye ⎧⎪ && x ( t ) = − xˆω eiωt ⎨ y ( t ) = − yˆω eiωt ⎪⎩ && (4.5) Thay các công thức 4.5 vào phương trình dao động tổng quát rút gọn ta được: ⎧ − mαω xˆ + ⎣⎡ m (ωd2 − ω ) + icω ⎦⎤ yˆ = ⎪ ⎨ (4.6) 2 − mω 2α yˆ = F0 ⎪⎩ ⎡⎣( M + m) (ω p − ω ) + iCω ⎤⎦ xˆ http://www.ebook.edu.vn - 72 - Để tiện cho việc tính toán, ta chuyển đại lượng thành không thứ nguyên cách đặt sau: x= m xˆ ω yˆ , y = ,μ = , Ω= d , M +m B ωp B β= ω , ωp c= c , mω p F0 F0Ω C = C= , F= ( M + m )ω p2 B 2( M + m ) gα ( M + m )ω p (4.7) Thay công thức (4.7) vào hệ phương trình (4.6): ⎧ −αβ x + ⎣⎡( Ω2 − β ) + cβ i ⎦⎤ y = ⎪ ⎨ − μαβ y = F ⎪⎩ ⎡⎣(1 − β ) + Cβ i ⎤⎦ x (4.8) Giải hệ phương trình (4.8) ta được: ⎧ ( Ω2 − β ) + cβ i F ⎪x = X + X 2i ⎪ ⎨ αβ ⎪ = y F ⎪ X + X 2i ⎩ (4.9) Trong đó, ( )( ) ( ) + c (1− β )⎤⎦ X = Ω − β − β − β μα β + cC ( X = β ⎡⎣C Ω2 − β ) Hàm đáp ứng tần số xác định sau: ⎧ ⎪H x (β ) = ⎪ ⎨ ⎪ ⎪H y (β ) = ⎩ 2 x ( Ω − β ) + cβ i = X + X 2i F y αβ = F X + X 2i Mô đun H x ( β ) hàm đáp ứng tần số: (4.10) http://www.ebook.edu.vn - 73 - ⎧ ⎪ H (β ) = ⎪⎪ x ⎨ ⎪ ⎪ H y (β ) = ⎪⎩ (Ω − β2) + c β2 2 X 12 + X 22 (4.11) αβ X 12 + X 22 Phổ lượng chuyển vị vận tốc biểu diễn sau: Sxx = H x SFF (4.12) S yy = H y SFF (4.13) S yy&& = β 2S yy (4.14) Trong đó, SFF mật độ phổ lượng lực gió Từ công thức (4.4) kết hợp với biểu thức (4.7), mật độ phổ lượng gió viết lại dạng không thứ nguyên: SFF ( β ) = Với Ur = 4π k0 F Ur2ψ (4.15) 5/ ⎡2 + ( Ψβ )2 ⎤ ⎣ ⎦ ωp l x U0 ψ = hệ số kể đến ảnh hưởng đặc trưng riêng 2πU0 Uz tháp vận tốc gió chân công trình đến phổ lượng gió Các giá trị ứng xử trung bình bình phương hay mô men đáp ứng bậc xác định sau: 2 ⎛σ ⎞ σ =⎜ y ⎟ = H y SFF d β ∫ ⎝ B ⎠ 2π −∞ y +∞ ⎛ σ ⎞ σ = ⎜ y& ⎟ = ⎜ Bωp ⎟ 2π ⎝ ⎠ y& ⎛σ ⎞ σx =⎜ x ⎟ = ⎝ B ⎠ 2π +∞ ∫β 2 H y SFF d β (4.16) (4.17) −∞ +∞ ∫H −∞ x SFF d β (4.18) http://www.ebook.edu.vn - 74 - ⎛ σ ⎞ σ = ⎜ &&x ⎟ = ⎜ Bωp ⎟ 2π ⎝ ⎠ && x +∞ ∫β H x SFF d β (4.19) −∞ Trong đó, hàm đáp ứng tần số H x H y chứa hệ số cản c = c mω p TLCD chưa biết Trong trường hợp lực kích động ngẫu nhiên ồn trắng ta xác định hệ số tuyến tính hoá hay độ cản c TLCD đại lượng phụ thuộc vào σ y& Khi áp dụng phương pháp tuyến tính hoá cổ điển hay phương pháp Caughey: c= mδ σ& π L x Mặt khác, với cách đặt y = c= $y σ y& ta có σ y& = , đó, Bω p B c = δασ y& mω p π (4.20) Thay (4.20) vào phương trình (4.17) ta phương trình tích phân : ⎧ δασ y& ⎪c = π ⎪ ⎨ +∞ ⎪σ 2y& = β H c S d β y FF ∫ ⎪⎩ 2π −∞ (4.21) () Phương trình (4.21) giải phương pháp số tích phân không tính giải tích Tìm σ y& c ta tính đáp ứng lại Khi TLCD, hàm đáp ứng tần số xác định cách thay μ = Ω = vào phương trình (4.9) , (4.10) , (4.11) Kết ta thu hàm đáp ứng tần số TLCD http://www.ebook.edu.vn - 75 - H x0 = (4.22) (1 − β ) + C β 2 Chuyển vị không thứ nguyên tháp xác định sau: ⎛ σ x0 ⎞ ⎟ = ⎝ B ⎠ 2π σ x0 = ⎜ +∞ ∫ H x0 SFF d β (4.23) −∞ Hiệu TLCD xác định thông qua tỷ số gia tốc hiệu dụng chuyển vị hiệu dụng tháp có TLCD Gọi tỷ số chuyển vị hiệu dụng hai trường hợp có TLCD biểu diễn σ xr , viết: 1/ ⎡ +∞ ⎤ ⎢ ∫ H x SFF d β ⎥ σ −∞ ⎥ σ xr = x = ⎢ +∞ ⎥ σ x0 ⎢ ⎢ ∫ H x0 SFF d β ⎥ ⎣ −∞ ⎦ (4.24) Để tiện cho việc tính toán so sánh, tác giả lấy ví dụ tính toán giảm chấn cho tháp cầu Bãi Cháy với thông số thiết kế sau: - Chiều cao tháp: H=90 m - Bề rộng tháp theo phương ngang cầu + Chân tháp: 6.7 m + Đỉnh tháp: 5.2 m - Bề rộng tháp theo phương dọc cầu: D =3 m - Diện tích chắn gió tháp : Ao=(6.7+5.2*h/H)*h/2 - Khối lượng tháp riêng bê tông: γ c =2500 kg/m3 - Độ rỗng tháp: k= 0.56 - Khối lượng tháp : M (1 − μ) = A* k * D *γ c - Cao độ chân tháp z0=50m - Cao độ đỉnh tháp Z=z0+H=140m http://www.ebook.edu.vn - 76 - 1/ ⎛ z⎞ - Vận tốc gió thiết kế: U0=50 m/s; Uz = Uo ⎜ ⎟ ⎝ 50 ⎠ 1/ U0 ⎛ 50 + h ⎞ =⎜ ⎟ ; Ur = Uz ⎝ 50 ⎠ - Hệ số cản khí động: C0 =1.2 - Mật độ không khí: ρ0 =1.17 kg/m3 Hình 4-11 Tháp cầu bãi cháy mô hình gió tĩnh Đối với tháp quy khối lượng đặt đỉnh tính chu kỳ dao động theo công thức gần sau: Tp = 2π ωp ≈ h 30 hay ωp ≈ 60π h Với h chiều cao từ chân tháp đến trọng tâm khối nặng đỉnh tháp Do đó, ta tính ωl ψ= px , 2πU0 F0 = ρ 0C0 AU z , F0 F0Ω F= = ω p BM gα M Thay giá trị vào (4.24) ta được: σ xr = f ( h, μ, Ω,α, C,δ ) (4.25) http://www.ebook.edu.vn - 77 - a) b) c) d) Hình 4-12 Ảnh hưởng hệ số mát cột áp đến việc giảm chuyển vị tháp Ảnh hưởng Ω, α μ σ xr thể hình 4-12 với hệ số mát cột áp khác h=90m, C = 0.02 Trên hình 4-12 với hệ số mát cột áp nào, độ giảm chuyển vị luôn cao đạt cực đại Ω = 1.0 tìm giá trị tối ưu cho δ Khi mà tần số dao động riêng TLCD không trùng toàn với tần số dao động riêng công trình (nghĩa Ω = 1.05 Ω = 0.95) cách điều chỉnh van thông trị số mở thích hợp cải thiện số đặc trưng TLCD Hình 4-12b 4-12c cho thấy đặc trưng TLCD tốt chọn giá trị α μ cao Điều cho thấy rằng, ứng http://www.ebook.edu.vn - 78 - với giá trị α μ chọn, đặc trưng TLCD thay đổi thông qua δ mà cụ thể điều chỉnh van thông So sánh hình 4-12c hình 4-12d thấy TLCD cho giá trị triết giảm gia tốc chuyển vị lên đến 50% tăng độ cứng tháp lên gấp đôi giảm phần nhỏ chuyển vị đỉnh tháp Tỷ lệ phần trăm độ giảm thay đổi nhẹ giảm chấn cấu trúc khác Tuy nhiên, xu hướng chung giống Do đó, TLCD cung cấp phương pháp tiện lợi việc giảm chuyển vị tháp Từ kết tính toán cho thấy yếu tố phi tuyến (δ ) nhỏ , làm thay đổi lớn hiệu giảm chấn Do đó, việc áp dụng phương pháp tuyến tính hoá Caughey trường hợp đáng tin cậy Ảnh hưởng độ mở van thông hay hệ số tổn thất cột áp hiệu giảm chấn “nhạy”, đo, cần điều chỉnh độ mở dải hẹp điều khiển dao động tháp http://www.ebook.edu.vn - 79 - KẾT LUẬN Hiệu việc sử dụng TLCD nhằm khử gia tốc dao động gió gây nên minh chứng việc áp dụng tháp có tần số dao động riêng khác Có thể thấy rằng, lượng giảm gia tốc dao động giống dạng tháp thường gặp thực tế, cho phép lựa chọn hệ số mở hợp lý van thông Hệ số mở làm giảm cách đáng kể chuyển vị Trong thực tế, hệ số mở nằm khoảng 1.0 đến 0.5 dạng tối ưu Các TLCD có tỷ số chiều rộng, chiều dài khối lượng lớn độ mức độ giảm gia tốc chuyển vị tăng Tuy nhiên, để kinh tế người ta lấy tỉ lệ khối lượng làm yếu tố định Để có dạng tốt tần số dao động TLCD phải đạt đến giá trị tần số dao động riêng tháp Thậm chí, tần số dao động TLCD chưa đạt đến tần số dao động riêng tháp cách điều chỉnh hệ số mở van thông dễ dàng đạt yêu cầu đặt TLCD Điều có lợi cho người thiết kế khó xác định cách xác tần số dao động riêng kết cấu giai đoạn thiết kế nữa, tần số dao động riêng kết cấu hằng số suốt thời gian khai thác công trình Luận văn tiến hành nghiên cứu, phân tích dao động công trình Từ tiến hành nghiên cứu biện pháp hạn chế dao động công trình Luận văn tập trung sâu sâu nghiên cứu biện pháp sử dụng thiết bị giảm chấn TLCD Các kết đạt luận văn bao gồm: - Nghiên cứu tổng quan gió tác động gió công trình cầu dây văng Xác định vai trò tượng khí động thiết kế thi công cầu - Nghiên cứu dao động phi tuyến chịu kích động ngẫu nhiên ồn trắng phương pháp tuyến tính hoá tương đương http://www.ebook.edu.vn - 80 - - Áp dụng TLCD điều khiển giảm dao động tháp Hướng nghiên cứu đề tài: - Nghiên cứu áp dụng TLCD để giảm dao động ngang gió gây công trình dạng tháp tháp cầu trình thi công khai thác sử dụng, dầm cầu, công trình quốc phòng DKI biển… - Hoàn thiện thí nghiệm TLCD để áp dụng công trình xây dựng Việt Nam - Nghiên cứu áp dụng nhiều giảm chấn TLCD lúc đặt lên công trình tương tác chúng - Nghiên cứu động lắc ngang dầm cầu gió gây cách lắp đặt TLCD lòng dầm hộp - Áp dụng TLCD để giảm dao động cho công trình biển đảo công trình DKI, giàn khoan dầu khí…nhằm giảm dao động ngang sóng biển… [...]... Loại giảm chấn bị động đơn giản nhất là thiết bị giảm chấn thuỷ lực thường được dùng cho cầu dây văng với hai loại giảm chấn đàn nhớt và giảm chấn cắt trễ áp dụng cho các công trình dân dụng nhằm giảm ảnh hưởng của động đất Đặc trưng cho loại này là thiết bị giảm chấn viscos-plastic Hình 1.8 Thiết bị giảm chấn viscos-plastic http://www.ebook.edu.vn - 18 - Hình 1.9 Vị trí lắp đặt thiết bị giảm chấn viscos-plastic... lắp đặt thiết bị giảm chấn TLCDs dưới động của gió ngẫu nhiên Luận văn cũng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hiệu quả giảm dao động cho mô hình mô hình tháp một bậc tự do dưới kích động biên độ ban đầu (dao động tự do) và kích động điều hoà từ đó xác định được các tham số tối ưu khi thiết kế TLCDs Sản phẩm của nghiên cứu là mô hình giảm dao động cho tháp bằng thiết bị giảm chấn TLCDs trong phòng thí... động dao động công trình bằng thiết bị giảm chấn chủ động Tại Việt Nam, Viện cơ học cũng đã hoàn thành đề tài giảm dao động cho các công trình DKI bằng thiết bị giảm chấn TMDs dưới tác dụng của tải trọng sóng biển Năm 2006, Trần Quốc Bảo cũng đã áp dụng TMDs để nâng cao ổn định khí động học của tháp cầu dây văng trong quá trình thi công Năm 2007, Nguyễn Duy Thảo đã áp dụng TMDs để giảm dao động của... giảm chấn chủ động khác áp dụng điều khiển khí động học chủ động nhằm giảm dao động của gió cho các công trình cầu và nhà cao tầng Việc thêm vào các cách điều khiển cơ học cũng có tác dụng rất lớn trong việc điều khiển dao động tròng trành của dầm cầu dưới tác dụng của gió hoặc nước Hiện nay viện nghiên cứu về xây cơ bản của trường Đại học kĩ thuật Sydney cũng sắp hoàn thành dự án về điều khiển tự động. .. động đã được áp dụng cho máy bay và tàu vũ trụ Tuy nhiên, việc áp dụng nó trong lĩnh vực xây dựng còn khá khiêm tốn Các thiết bị giảm chấn chủ động có thể dùng để điều khiển dao động công trình với nhiều loại tần số khác nhau và các dạng dao động khác nhau, do đó trong tương lai, các thiết bị này chắc chắn sẽ được áp dụng một cách rộng rãi Một trong những công trình xây dựng đầu tiên áp dụng thiết bị... với &x& , x& và x đồng thời M, C và K không phát sinh theo thời gian thì dao động của hệ là dao động tuyến tính Các kết quả về dao động tuyến tính đã được nghiên cứu rất kỹ và cho ra các công thức nghiệm cho từng trường hợp lực kích động và từng trường hợp riêng của C và K Khi bất kì một trong các tham số dao động M, C, K, F(t) là một hàm phụ thuộc vào một trong các thành phần &x& , x& và x hoặc M,... của hệ thứ cấp vào khoảng 1% khối lượng công trình 1.2.3.2 Thiết bị giảm chấn bằng chất lỏng Ta có thể thay thế khối vật rắn của TMDs bằng một khối chất lỏng và lúc này gọi là giảm chấn bằng chất lỏng (TLDs) Trong trường hợp này, gia tốc trọng trường sẽ tạo ra một lực hồi phục tác dụng lên khối chất lỏng và tạo ra dao động sóng sánh trong một bể chứa và nó gọi là thiết bị giảm chấn do dao động sóng sánh... Các phương pháp giảm dao động trên gọi là các phương pháp giảm chấn cấp một Hình 1.7 Giảm dao động dầm cầu do lắp đặt các cánh thoát gió Song song với cách làm trên thì người ta còn sử dụng các thiết bị giảm chấn cơ học áp dụng cho một hệ độc lập mà qua đó, một phần năng lượng dao động sẽ bị tiêu tán Phương pháp lắp đặt thêm các thiết bị giảm chấn nhân tạo để làm tiêu tán năng lượng cho một hệ độc lập... khi áp dụng vào các công trình xây dựng, lực kích động thường được mô tả như là một quá trình ngẫu nhiên với một độ rộng biên độ cho trước và từ đó chọn các thông số vật lý để thiết kế TMDs sao cho có thể phát huy được tác dụng của nó Trong khoảng 30 năm gần đây, TMDs đã được áp dụng cho một số công trình tiêu biểu như: tháp Centrepoint ở Sydney, tháp CN ở Toronto, tháp Jonh Hancock ở Boston và tháp. .. những phân tích trên cho thấy việc nghiên cứu phân tích dao động và ổn định khí động cho công trình ở nước ta còn nhiều hạn chế do đó đòi hỏi phải có sự đầu tư nghiên cứu đúng mức góp phần làm chủ thiết kế, thi công các công trình hiện đại Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu các tác động của gió đối với công trình nói chung, từ đó đi sâu nghiên cứu các hiện tượng dao động của tháp có xét đến việc lắp ... - Phân tích dao động phi tuyến giảm chấn TLCDs chịu kích động điều hoà kích động ngẫu nhiên http://www.ebook.edu.vn -3- - Phân tích dao động tự dao động cưỡng mô hình tháp bậc tự chịu kính động. .. định khí động học tháp cầu dây văng trình thi công Năm 2007, Nguyễn Duy Thảo áp dụng TMDs để giảm dao động dây văng Từ phân tích cho thấy việc nghiên cứu phân tích dao động ổn định khí động cho công... lực thường dùng cho cầu dây văng với hai loại giảm chấn đàn nhớt giảm chấn cắt trễ áp dụng cho công trình dân dụng nhằm giảm ảnh hưởng động đất Đặc trưng cho loại thiết bị giảm chấn viscos-plastic