Nghiên cứu giảm biên độ dao động của dầm thép nhịp lớn bằng hệ tuned mas damper (TMD) (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI - TRẦN PHÚ THUẦN NGHIÊN CỨU GIẢM BIÊN ĐỘ DAO ĐỘNG CỦA DẦM THÉP NHỊP LỚN BẰNG HỆ TUNED MASS DAMPER (TMD) LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI - TRẦN PHÚ THUẦN KHÓA: 2014 – 2016 NGHIÊN CỨU GIẢM BIÊN ĐỘ DAO ĐỘNG CỦA DẦM THÉP NHỊP LỚN BẰNG HỆ TUNED MASS DAMPER (TMD) Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ HỮU THANH Hà Nội 2016 Hà Nội 2016 LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc HàNội, thầy cô Khoa sau đại học với thầy giáo, cô giáo cácKhoa, môn giảng dạy tạo điều kiện để em hoàn thành khóa học2014 - 2016 Đặc biệt em cảm ơn thầy Tiến sĩ Lê Hữu Thanh người trực tiếp hướngdẫn khoa học luận văn tạo điều kiện, dành nhiều thời gian, nhiệt tìnhgiúp đỡ đầu tư tài liệu để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Cảm ơn thầy giáo, cô giáo Bộ môn Sức bền –Kết cấu Trường Đại họcKiến trúc Hà Nội, thầy cô tiểu ban bảo vệ đề cương, thầy cô trongtiểu ban kiểm tra tiến độ luận văn, có ý kiến góp ý quý báu cho nộidung luận văn Em chân thành cảm ơn Trường Cao đẳng Xây dựng Nam định, đồngnghiệp gia đình tạo điều kiện thuận lợi, động viên giúp đỡ thời gianhọc tập, làm luận văn tốt nghiệp Vì thời gian thực luận văn có hạn nên không tránh khỏi hạnchế, thiếu sót Nhưng em xin hứa đầu tư nghiên cứu thêm vấn đề cònhạn chế, thiếu sót để hoàn thiện thêm kiến thức em trình làm việcsau Hà Nội, ngày , tháng năm 2016 Học viên Trần Phú Thuần LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ công trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Phú Thuần MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng, biểu Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết đề tài  Mục đích nghiên cứu đề tài  Phạm vi nghiên cứu  Phƣơng pháp nghiên cứu  Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài  Cấu trúc luận văn đề tài NỘI DUNG CHƢƠNG 1: DẦM THÉP NHỊP LỚN VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA DẦM 1.1 Khái niệm 1.2 Tải trọng tác động 1.2.1 Tải trọng đứng 1.2.2 Tải trọng ngang 10 1.2.3 Các loại tải trọng khác 11 1.3 Độ võng cho phép dầm 11 1.4 Đặc điểm dao động tự dầm 12 1.4.1 Dao động dầm có bậc tự 12 1.4.2 Dao động dầm có khối lượng độ cứng phân bố theo chiều dài 20 1.4.3 Dao động dầm kể tới biến dạng trượt quay (Dầm Timoshenko) 22 1.4.4 Dao động dầm tác động tải trọng cưỡng 22 1.5 Giảm biên độ dao động tự dầm hệ giảm dao động 25 1.5.1 Giảm biên độ dao động tự dầm 25 1.5.2 Các hệ giảm dao động kết cấu công trình 29 CHƢƠNG 2: HỆ GIẢM DAO ĐỘNG TUNED MASS DAMPER (TMD) 34 2.1 Khái niệm phân loại 34 2.1.1 Hệ TMD chuyển động 34 2.1.2 Hệ TMD lắc 35 2.1.3 Hệ TMD có điều khiển 35 2.1.4 Hệ TMD bán điều khiển 36 2.2 TMD cho hệ kết cấu có bậc tự 36 2.2.1 Hệ kết cấu hệ TMD không xét tới độ cản nhớt 36 2.2.2 Hệ kết cấu không kể tới hệ TMD có kể tới độ cản nhớt môi trường 39 2.2.3 Hệ kết cấu hệ TMD có kể tới độ cản nhớt môi trường 46 2.3 TMD cho hệ kết cấu có nhiều bậc tự 48 CHƢƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ GIẢM DAO ĐỘNG TMD CHO DẦM 54 3.1 Quy trình thực 54 3.2 Ví dụ tính toán (hệ có bậc tự do) 56 3.2.1 Thông số tính toán dầm 56 3.2.2 Kết tính toán giải tích 57 3.2.3 Khảo sát kết tính toán phương pháp số 58 3.3 Ví dụ tính toán (hệ có nhiều bậc tự do) 69 3.3.1 Các phương trình tính toán 69 3.3.2 Tính toán hệ giảm dao động TMD cho dạng dao động thứ 71 3.3.3 Tính toán hệ giảm dao động TMD cho dạng dao động thứ 73 3.3.4 Khảo sát tính toán phần mềm SAP 2000 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Tên đầy đủ A Diện tích mặt cắt ngang c Hệ số cản nhớt (damping cofficient) E Module đàn hồi (Young’s modulus) f Tần số dao động tự g Gia tốc trọng trường G Module đàn hồi trượt k Độ cứng lò xo m Khối lượng p(t) Tải trọng theo thời gian 10 PTHH Phần tử hữu hạn 11 T Chu kỳ dao động 12 TMD Tuned Mass Damper 13 u Chuyển vị phương ngang (trục X) 14 v Chuyển vị theo phương đứng (trục Y) 15  Biến dạng 16  Độ dài sóng 17  Hệ số poisson 18  Tần số góc (trong dao động tự do) 19  Độ lệch pha DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU Số liệu bảng, biểu Tên bảng, biểu Bảng 1.1 Hệ số vượt tải số tĩnh tải tác dụng lên dầm cầu Bảng 1.2 Trọng lượng riêng số loại vật liệu (Bảng TCN 3.4.1-2) Bảng 1.3 Vận tốc gió theo vùng (TCVN 2737:1995) Bảng 1.4 Hệ số điều chỉnh vận tốc gió cho dầm cầu Bảng 1.5 Độ võng cho phép dầm Bảng 3.1 Tần số chu kỳ dao động dầm có bậc tự Chu kỳ tần số dao động tự dầm có nhiều bậc tự Bảng 3.2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số liệu hình Tên hình Hình 1.1 Cầu đường dầm thép chữ I có nhịp lớn [13] Hình 1.2 Cầu hành vượt qua cao tốc D1, Praha, Cộng hòa Séc [14] Hình 1.3 Cầu đường sắt Belgrade bắc qua sông Rava [12] Hình 1.4 Cầu vượt nút giao Thái Hà – Chùa Bộc, Hà Nội, Việt Nam [11] Hình 1.5 Dao động dầm có bậc tự Hình 1.6 Dao động tuần hoàn dầm có bậc tự Hình 1.7 Dao động tự dầm kể tới không kể tới độ cản nhớt môi trường [3] Hình 1.8 Dầm có khối lượng tải trọng thay đổi theo chiều dài Hình 1.9 Dao động tự dầm hai đầu khớp – gối di động Hình 1.10 Dao động tự dầm hai đầu khớp – gối di động Hình 1.11 Dao động dầm với giá trị khác độ cản nhớt Hình 1.12 Biên độ dao động dầm Hình 1.13 Hiện tượng cộng hưởng xảy cầu Tacoma, Mỹ, 1940 [15] Hình 1.14 Giảm dao động kết cấu xuống dao động mong muốn [8] Hình 1.15 Giảm dao động kết cấu xuống dao động mong muốn [8] Hình 1.16 Gối giảm dao động chống động đất [15] Hình 1.17 Gối giảm dao động chống động đất ma sát [15] Hình 1.18 Dao động dầm sử dụng hệ TMD Hình 1.19 Dầm consol sử dụng hệ giảm dao động TMD [15] Hình 2.1 Hệ TMD chuyển động Số liệu hình Tên hình Hình 2.2 Hệ TMD lắc Hình 2.3 Hệ TMD có điều khiển Hình 2.4 Hệ TMD bán điều khiển Hình 2.5 Hệ bậc tự có gắn TMD (không kể tới độ cản nhớt) [8] Hình 2.6 Hệ bậc tự có gắn TMD (kể tới độ cản nhớt) [8] Hình 2.7 Giá trị H2 theo β Hình 2.8 Điều chỉnh giá trị tối ưu hệ TMD Hình 2.9 Hệ bậc tự TMD có kể tới độ cản nhớt môi trường Hình 2.10 Hệ có hai bậc tự điều chỉnh chuyển vị TMD Hình 3.1 Thiết kế TMD cho dầm đơn giản có bậc tự Hình 3.2 Mode dao động thứ dầm có bậc tự Hình 3.2 Mode dao động thứ dầm có bậc tự Hình 3.3 Mode dao động thứ dầm có bậc tự Hình 3.4 Mode dao động thứ dầm có bậc tự Hình 3.5 Quan hệ biên độ dao động β dầm Hình 3.6 Quan hệ fopt m Hình 3.7 Quan hệ 1,2 opt Hình 3.8 Quan hệ d opt Hình 3.9 Quan hệ H opt giá trị m Hình 3.10 Quan hệ H opt giá trị m Hình 3.11 Quan hệ biên độ H2 vàβ dao động thứ dầm giá trị m giá trị m Số liệu hình Tên hình Hình 3.12 Quan hệ biên độ H2 vàβ dao động thứ dầm Hình 3.13 Thiết kế TMD cho dầm đơn giản nhiều bậc tự Hình 3.14 Mô hình phân tích TMD SAP 2000 Hình 3.15 Khai báo Link/Support SAP 2000 Hình 3.16 Mô hệ TMD SAP 2000 MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết đề tài Trong tính toán thiết kế động lực học kết cấu cấu trình, việc giảm biên độ dao động tự docủa công trình đặc biệt công trình có chiều cao lớn (nhà cao tầng, tháp truyền hình), công trình có nhịp lớn (cầu giao thông, cầu hành) thách thức kỹ sư thiết kế nhà nghiên cứu Việc giảm yếu tố giúp công trình bền vững tác động nguyên nhân tải trọng động Giúp công trình giảm thiểu hư hỏng, đứt gãy, hay phá hủy chuyển vị lớn gây Hệ giảm dao động Tunned Mass Damper (TMD) giải pháp lựa chọn sử dụng nhiều công trình giới TMD xem hệ lắc giảm dao động, cấu tạo gồm khối lượng (m), hệ lò xo đàn hồi (k) chất cản nhớt (c) Hệ TMD thường gắn vào công trình vị trí có biên độ dao động bất lợi lớn Các số m, k c hệ điều chỉnh phụ thuộc vào đặc điểm công trình để phù hợp với tần số dao động tự nhiên công trình Trên giới, hệ giảm dao độngTMD nghiên cứu ứng dụng thành công cho công trình nhà cao tầng cầu từ sớm Hệ TMD sử dụng để điều chỉnh dao động tự hệ sàn composite nhà nhịp lớn[5] Áp dụng hệ TMD thành công để giảm dao độngtrong cầu hành [7] Thiết kế, tính toán hệ TMD cho công trình cầu [8] Đặc điểm chung công trình sử dụng phương án TMD thiết kế giảm dao động là: giảm rõ rệt biên độ dao động tự do, giúp công trình chịu lực tốt đạt chiều cao nhịp thiết kế lớn[10] Tại Việt Nam năm gần đây, có nhiều ưu điểm thi công lắp dựng, kết cấu thép công trình cầu đường sử dụng ngày nhiều Cũng yêu cầu thực tế sử dụng, kết cấu dầm đòi hỏi phải có độ lớn thiết kế cho cầu vượt, cầu qua sông hay cầu hành Với nhịp thiết kế lớn dẫn tới biên độ dao động tự dầm lớn Việc tăng chiều cao làm việc dầm giải pháp mang lại hiệu không cao thiết kế kết cấu gặp phải tình Thông thường, hệ giảm dao động hệ TMD mang lại hiệu cao giúp kỹ sư thiết kế giải vấn đề Thiết kế giảm dao động đề cập hệ thống tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam [4], hay thực đề tài nghiên cứu cấp nhà nước [1] Tuy nhiên, nghiên cứu nước ta hệ TMD hầu hết áp dụng thiết kế giảm chấn, giảm dao động chonhà cao tầng.Do vậy, việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn TMD sử dụng kết cấu dầm nhịp lớn công trình giao thông cầu hành giúp kỹ sư thiết kế giải vấn đề hóc búa tồn Xuất phát từ thực tế tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giảm biên độ dao động dầm thép nhịp lớn hệ Tuned Mass Damper” làđối tượng nghiên cứu luận văn  Mục đích nghiên cứu đề tài Đề tài nghiên cứu thực với mục tiêu: - Thiết lập toán thiết kế ứng dụng hệ giảm dao động TMD cho dầm thép nhịp lớn sử dụng công trình giao thông Việt Nam - Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ giảm dao động TMD sử dụng cho dầm nhịp lớn phù hợp với điều kiện thiết kế thi công Việt Nam 3 - Đề xuất góp ý cho trình thiết kếbiện pháp giảm dao động kết cấu dầm vượt nhịp lớn  Phạm vi nghiên cứu Đề tài thực nhằm nghiên cứu tính toán ứng dụng giải pháp TMD để giảm biên độ dao động tự kết cấu dầm thép vượt nhịp lớn sử dụng công trình giao thông Việt Nam  Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết xây dựng toán phân tích thiết kế giảm dao động theo phương pháp TMD cho cấu kiện dầm thép vượt nhịp lớn Trên sở này, đề tài xây dựng chương trình tính toán thiết kế giảm dao động TMD cho dầm ngôn ngữ Matlab Kết tính toán (với ví dụ cụ thể) chương trình thiết lập luận văn so sánh với kết tính toán phần mềm phát triển thành công sử dụng  Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đề tài lựa chọn nhằm đáp ứng nhu cầu công tác thiết kế, sử dụng kết cấu dầm thép nhịp lớn phục vụ công tác phát triển mở rộng hạ tầng giao thông Việt Nam Đồng thời, kết đề tài sử dụng cho mục đích công việc học tập tác giả sau hoàn thành khóa học  Cấu trúc luận văn đề tài Đề tài xây dựng lý thuyết tính toán thiết kế giảm chấn cho dầm theo phương pháp TMD, với cấu trúc luận văn chia thành chương sau: MỞ ĐẦU: Trình bày lý lựa chọn, cần thiết phạm vi nghiên cứu đề tài ý nghĩa thực tiễn khoa học đề tài NỘI DUNG CHƢƠNG 1: Dầm thép nhịp lớn đặc điểm dao động dầm CHƢƠNG2:Hệ giảm dao động Tuned mass damper (TMD) CHƢƠNG3: Ví dụ tính toán thiết kế hệ giảm dao động TMD cho dầm THÔNG BÁO Để xem phần văn tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội Email: digilib.hau@gmail.com TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Việc nghiên cứu ứng dụng hệ giảm dao động TMD cho kết cấu dầm thép nhịp lớn cần thiết mang lại hiệu cao sử dụng vận hành thiết kế loại kết cấu Luận văn thực nghiên cứu với kết đạt luận văn là: 1) Thiết lập toán thiết kế ứng dụng hệ giảm dao động TMD cho dầm thép nhịp lớn sử dụng công trình giao thông Việt Nam 2) Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ giảm dao động TMD sử dụng cho dầm nhịp lớn phù hợp với điều kiện thiết kế thi công Việt Nam 3) Kết tính toán cho ta thấy rằng, với dạng dao động thứ 2, để giảm giá trị biên độ dao động, hệ TMD phải thiết kế với độ cứng hệ số cản nhớt môi trường lớn nhiều lần giá trị tương ứng tính toán dạng dao động thứ 4) Các giá trị hệ TMD thiết kế cho dầm trường hợp xem dầm có nhiều bậc tự nhỏ trường hợp xem dầm có bậc tự Trong điều kiện xây dựng Việt Nam nay, việc sử dụng hệ giảm dao động TMD nhiều hạn chế, Tuy nhiên việc sử dụng hệ TMD giúp dầm khắc phục trạng thái guy hiểm cộng hưởng xảy công trình đồng thời việc giảm biên độ dao động tự giúp dầm có ứng xử tốt làm việc Trên sở luận văn có số kiến nghị sau: 5) Giải pháp giảm dao động TMD cần ứng dụng kết cấu dầm thép vượt nhịp lớn chịu tác dụng nguyên nhân tải trọng động thay đổi theo thời gian 79 6) Đối với công trình công cộng cầu hành, cầu vượt có nhịp lớn kết cấu có khả xuất hiện tượng cộng hưởng (nguyên nhân tải trọng gió, người qua cầu …) cần phải thiết kế bổ sung hệ TMD để tránh cố TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Lê Xuân Huỳnh Nguyễn Hữu Bình, "Nghiên cứu công nghệ chế ngự dao động kết cấu công trình nhà cao tầng phù hợp điều kiện Xây dựng Hà Nội," Viện KHCN Kinh tế, Hà Nội, 2008 Nguyễn Văn Liên, Đinh Trọng Bằng Nguyễn Phương Thành, Sức Bền Vật Liệu, Hà Nội: Nhà xuất Xây dựng, 2011 TS Lê Hữu Thanh, Bài giảng Ổn định Động lực học Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCVN 9386:2012 Thiết kế công trình chịu động đất, Nhà xuất Xây dựng, 2012 Tiếng Anh A C Webster and R Vaicaitis, "Application of Tuned Mass Dampers to Control Vibration of Composite Floor Systems," American Institute of Steel Construction , 2003 A K Chopra, Dynamic of Structures: Theory and Application to Earthquake Engineering, New Jersey: Prentice-Hall, Inc, 1995 C Meinhardt, "Application of Tuned Mass Dampers for Bridge Decks," in Gerb Vibration Control Systems , Essen, Germany J J Connor, in Introduction to Structural Motion Control, Prentice Hall, 2003, pp 217-279 R Lourenco, "Design, Construction and Testing of an Adaptive Pendulum Tuned Mass Damper," Mater thesis submitted to Mechanical Engineering, Waterloo, Ontario, Canada, 2011 10 R W Clough and J Penzien, Dynamics of Structures, New York: Computer and Structure, Inc, US, 2003 Website 11 "Báo giao thông - Bộ Giao thông," [Online] Available: http://www.baogiaothong.vn/cau-vuot-nhe-giam-un-tac-giao-thong-taithu-do-d49208.html [Accessed Feb 2016] 12 Berka, "Steel girder pedestrian," [Online] Available: http://www.123rf.com/ [Accessed Feb 2016] 13 "Civil Engineering Blog," [Online] Available: http://erkrishneelram.wordpress.com [Accessed Feb 2016] 14 "Steel girder bride," TOP CON SERVIS, [Online] Available: http://www.topcon.cz [Accessed Feb 2016] 15 "Wikipedia," [Online] Available: https://en.wikipedia.org [Accessed 2016]  ... động dầm kể tới biến dạng trượt quay (Dầm Timoshenko) 22 1.4.4 Dao động dầm tác động tải trọng cưỡng 22 1.5 Giảm biên độ dao động tự dầm hệ giảm dao động 25 1.5.1 Giảm biên độ dao động tự dầm. .. 1.14 Giảm dao động kết cấu xuống dao động mong muốn [8] Hình 1.15 Giảm dao động kết cấu xuống dao động mong muốn [8] Hình 1.16 Gối giảm dao động chống động đất [15] Hình 1.17 Gối giảm dao động. .. Hình 1.9 Dao động tự dầm hai đầu khớp – gối di động Hình 1.10 Dao động tự dầm hai đầu khớp – gối di động Hình 1.11 Dao động dầm với giá trị khác độ cản nhớt Hình 1.12 Biên độ dao động dầm Hình