phân tích hiệu quả kháng chấn của hệ cản lưu biến từ kết hợp hệ cản khối lượng trong kết cấu liền kề chịu động đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - VÕ HỒNG THIỆN PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KHÁNG CHẤN CỦA HỆ CẢN LƯU BIẾN TỪ KẾT HỢP HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG TRONG KẾT CẤU LIỀN KỀ CHỊU ĐỘNG ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Thành phố Hồ Chí Minh, Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Trọng Phước, công thức biến đổi số liệu tính tốn trung thực khách quan Ngoài trừ tài liệu tham khảo trích dẫn theo qui định Luận văn này, tơi cam đoan tồn phần hay phần nhỏ Luận văn chưa nộp để nhận cấp trường Đại học sở đào tạo khác Thành phố Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 2017 Học viên Võ Hồng Thiện II LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc đến người hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Trọng Phước Thầy luôn tận tâm hướng dẫn, tạo điều kiện cho học tập, nghiên cứu thực đề tài Trường Đại Học Mở TP.HCM Chỉ dẫn Thầy giúp tiếp thu thêm kiến thức khoa học quý báu để hoàn thành Luận văn mà Thầy giúp tơi nhiều khả tư lĩnh vực mà nghiên cứu Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy, Cô giảng dạy chương trình sau đại học nghành Xây dựng dân dụng khóa IV - Đại học Mở truyền đạt cho tơi kiến thức q báu để tơi hình thành tư nghiên cứu định hướng nghiên cứu Luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến anh Th.S Phạm Đình Trung học viên cao học nghành Xây dựng dân dụng khóa II- Đại học Mở tận tình bảo hướng dẫn thêm cho tơi kiến thức chương trình MATLAB để tơi vận dụng Luận văn Đồng thời cảm ơn đến bạn học viên chia sẻ trao đổi kiến thức bổ ích suốt thời gian qua Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn tất người thân, gia đình bạn bè đồng nghiệp khuyến khích, động viên tơi suốt trình học tập, nghiên cứu khoa học thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn ! III TĨM TẮT Luận văn phân tích hiệu giảm chấn hệ cản lưu biến từ (MagnetoRheological, MR) kết hợp hệ cản khối lượng (Tuned Mass Dampers, TMD) kết cấu liền kề chịu động đất Mô hình hệ gồm có hai kết cấu khung phẳng liền kề lắp thêm hệ TMD nối với tầng hệ MR Hệ cản khối lượng TMD mơ hình khối lượng md, lò xo đàn hồi kd, hệ cản cd Hệ cản lưu biến từ MR sử dụng mô hình hiệu chỉnh Bouc-Wen, mơ hình lò xo cản nhớt, lực cản sinh từ mô hình hàm phụ thuộc vào điện cung cấp thông số đặc trưng thiết bị Dữ liệu băng gia tốc toán động lực học hệ lựa chọn dựa phổ lượng từ việc biến đổi phổ biên độ Fourier Một chương trình máy tính viết dạng tổng qt ngơn ngữ lập trình MATLAB, ngồi vòng lặp thuật tốn Newmark tồn miền thời gian, chương trình phải tính vòng lặp theo phương pháp Runge-Kutta để tìm lực điều khiển bước thời gian Số liệu đánh giá chuyển vị đỉnh, chuyển vị tầng lực cắt lớn khảo sát cho kết cấu tác động băng gia tốc Elcentro 1940, Kobe 1995, Northridge 1994 với tình cản khác Kết cho thấy hiệu giảm chấn kết cấu gắn hệ cản M_TMD kết cấu gắn hệ cản MR tốt kết cấu gắn đồng thời hệ cản MR kết hợp hệ cản M_TMD hiệu giảm chấn kết cấu vượt trội Đồng thời, Luận văn khảo sát số thơng số đặc tính hệ cản, số lượng hệ cản đến hiệu giảm va đập IV MỤC LỤC Nhận xét GVHD I Lời cam đoan II Lời cảm ơn III Tóm tắt IV Mục lục V Danh mục công thức VIII Danh mục hình đồ thị IX Danh mục bảng XIV Danh mục từ viết tắt XV Chương GIỚI THIỆU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Chương TỔNG QUAN 2.1 GIỚI THIỆU 2.2 TỔNG QUAN GIẢM CHẤN KẾT CẤU 2.2.1 Giảm chấn bị động 2.2.2 Giảm chấn chủ động 12 2.2.3 Giảm chấn kết hợp 13 2.2.4 Giảm chấn bán chủ động 14 2.3 HỆ CẢN LƯU BIẾN TỪ 16 2.3.1 Cấu tạo chất lưu biến từ 16 2.3.2 Cơ chế hoạt động chất lưu 16 2.3.3 Cấu tạo hệ cản lưu biến từ 17 V 2.3.4 Mơ hình học hệ cản MR 18 2.4 HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG 23 2.4.1 Sơ lược hệ cản khối lượng 23 2.4.3 Ứng dụng hệ cản khối lượng thực tiễn 24 2.5 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 25 2.5.1 Các nghiên cứu nước 25 2.5.2 Các nghiêng cứu nước 29 2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 31 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 32 3.1 GIỚI THIỆU 32 3.2 MƠ HÌNH KẾT CẤU 32 3.2.1 Mơ hình hệ cản TMD 33 3.2.2 Phương trình chuyển động hệ kết cấu chịu động đất 36 3.3 TÍNH TỐN LỰC ĐIỀU KHIỂN MR 45 3.4 PHƯƠNG PHÁP SỐ GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ĐỘNG LỰC HỌC 47 3.4.1 Phương pháp tích phân Newmark 48 3.4.2 Phương pháp tích phân Runge Kutta 49 3.4.3 Thuật toán giải phương trình vi phân chuyển động 51 3.5 NĂNG LƯỢNG 53 3.6 ĐÁNH GIÁ BĂNG GIA TỐC NỀN 53 3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 54 Chương VÍ DỤ SỐ 55 4.1 GIỚI THIỆU 55 4.2 HỆ KẾT CẤU 55 4.2.1 Thơng số mơ hình kết cấu 55 4.2.2 Thông số thiết bị cản MR 55 VI 4.2.3 Các trường hợp khảo sát số 56 4.3 DỮ LIỆU TRẬN ĐỘNG ĐẤT 58 4.4 KHẢO SAT SỐ KIỂM CHỨNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 62 4.5 PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU 63 4.5.1 Phân tích hiệu tỉ số khối lượng  63 4.5.2 Phân tích hiệu đáp ứng kết cấu tác động băng gia tốc Elcentro 64 4.5.3 Phân tích hiệu đáp ứng kết cấu TMD tác động băng gia tốc Northdge 71 4.5.4 Phân tích hiệu đáp ứng kết cấu tác động băng gia tốc Kobe 77 4.5.5 Phân tích hiệu điện hệ cản MR tác động băng gia tốc Elcentro 83 4.5.6 Phân tích hiệu số lượng MR tác động băng gia tốc Elcentro 87 4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 91 Chương KẾT LUẬN 92 5.1 KẾT LUẬN 92 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 VII DANH MỤC CƠNG THỨC Cơng thức 1.1 Công thức 2.1-2.2 20 Công thức 2.3 21 Công thức 3.1-3.6 34 Công thức 3.7-3.10 36 Công thức 3.11-3.14 38 Công thức 3.15 39 Công thức 3.16-3.17 40 Công thức 3.18-3.22 41 Công thức 3.23-3.26 42 Công thức 3.27-3.30 43 Công thức 3.31-3.35 44 Công thức 3.36-3.37 45 Công thức 3.38-3.42 46 Công thức 3.43-3.46 47 Công thức 3.47-3.49 48 Công thức 3.50-3.52 49 Công thức 3.53-3.56 50 Công thức 3.57 51 Công thức 3.58-3.59 53 VIII DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Động đất Kobe, Nhật Bản – 1995 Hình 1.2 Động đất Tứ Xuyên, Trung Quốc – 2008 Hình 1.3 Động đất Haiti – 2010 Hình 1.4 Động đất Nepal – 2015 Hình 1.5 Động đất Ecuador – 2016 Hình 2.1 Phân loại Giảm chấnkết cấu Hình 2.2 Hệ Giảm chấnbị động – Liquid Tuned Mass Damper Hình 2.3 Hệ Giảm chấnbị động – Tuned Mass Damper 10 Hình 2.4 Hệ Giảm chấnbị động – Viscous Fluid Dampers 10 Hình 2.5 Hệ Giảm chấnbị động – Base Isolation 10 Hình 2.6 Shanghai World Financial Center (1997-2008) 11 Hình 2.7 John Hancock Tower (1968-1976) 11 Hình 2.8 CN Tower TV antenna, Toronto, Canada (1973) 11 Hình 2.9 Giảm chấnchủ động – Tòa nhà Kyobashi Seiwa 12 Hình 2.10 Giảm chấnchủ động – Tòa nhà Applause 13 Hình 2.11 Cơ cấu thiết bị Giảm chấnkết hợp khối lượng 13 Hình 2.12 Viện bảo tàng quốc gia Tokyo thiết bị MR-30T 15 Hình 2.13 Cầu Dongting Lake thiết bị MR Lord SD-1005 15 Hình 2.14 Cơ chế hoạt động chất lưu 17 Hình 2.15 Cấu tạo chung hệ cản MR 18 Hình 2.16 Mơ hình Bingham 19 Hình 2.17 Mơ hình Gamota Filisko (1991) 19 Hình 2.18 Mơ hình Bouc-Wen 19 Hình 2.19 Kết so sánh mơ hình Bouc-Wen thực nghiệm 20 IX Hình 2.20 Mơ hình hiệu chỉnh Bouc-Wen 21 Hình 2.21 Kết so sánh mơ hình hiệu chỉnh Bouc-Wen thực nghiệm 22 Hình 3.1 Mơ hình hai kết cấu có gắn M_TMD liên kết với hệ cản MR 32 Hình 3.2 Mơ hình hệ cản TMD 33 Hình 3.3 Mơ hình học kết cấu n+m bậc tự sử dụng thiết bị cản M_TMD+MR 37 Hình 3.4 Mơ hình lực tác dụng lên kết cấu n+m bậc tự 38 Hình 3.5 Mơ hình học kết cấu n bậc tự sử dụng thiết bị cản M_TMD+ MR 40 Hình 3.6 Mơ hình hiệu chỉnh Bouc-Wen 45 Hình 3.7 Lưu đồ thuật tốn phân tích động lực học kết cấu có hệ cản MR+M_TMD 52 Hình 4.1 Mơ hình kết cấu không gắn hệ cản 57 Hình 4.2 Mơ hình kết cấu với M_TMD 57 Hình 4.3 Mơ hình kết cấu ghép nối sử dụng hệ cản MR 57 Hình 4.4 Mơ hình kết cấu ghép nối sử dụng hệ cản MR + M_TMD 58 Hình 4.5 Đồ thị gia tốc trận động đất Elcentro 1940 59 Hình 4.6 Phổ lượng trận động đất Elcentro 1940 60 Hình 4.7 Đồ thị gia tốc trận động đất Kobe 1995 60 Hình 4.8 Phổ lượng trận động đất Kobe 1995 60 Hình 4.9 Đồ thị gia tốc trận động đất Northrid 1994 61 Hình 4.10 Phổ lượng trận động đất Northrid 1994 61 Hình 4.11 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn tầng đỉnh kết cấu ứng với trường hợp μ tải trọng Elcentro 63 Hình 4.12 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn tầng đỉnh kết cấu với (μ=0.03%) tải trọng Elcentro 66 Hình 4.13 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn tầng đỉnh kết cấu với (μ=0.03%) tải trọng Elcentro 65 Hình 4.14 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn tầng kết cấu với (μ=0.03%) tải trọng Elcentro 66 X [Ms_1,Ks_1,Ds_1]=connection_matrices(ms_1,cs_1,ks_1,n_1); %% Ket cau Ms_2, Ks_2, Ds_2 [Ms_2,Ks_2]=connection_matrices(ms_2,cs_2,ks_2,n_2); [V_2,eigenvalue_2]=eig(Ks_2,Ms_2); omega_2=sort(diag(sqrt(eigenvalue_2)),'ascend'); chuky_2=a_2./omega_2; frequency_2=sort(omega_2/(2*pi)); [zeta2_s]=Rayleigh(si,omega_2); cs_2=2*ms_2'.*zeta2_s.*omega_2; [Ms_2,Ks_2,Ds_2]=connection_matrices(ms_2,cs_2,ks_2,n_2); %% KET NOI CAC MA TRAN TONG QUAT Ms, Ks, Ds Ms=[Ms_1 zeros(n_1,n_2); zeros(n_2,n_1) Ms_2]; Ks=[Ks_1 zeros(n_1,n_2); zeros(n_2,n_1) Ks_2]; Ds=[Ds_1 zeros(n_1,n_2); zeros(n_2,n_1) Ds_2]; %% Tinh matran dang chinh ket cau phi1=zeros(n_1,n_1); vn1=zeros(n_1-1,1); avn1=ones(n_1-1,1); for i=1:n_1 E=Ks_1-omega_1(i,1)^2*Ms_1; E00=E(2:n_1,2:n_1); E01=E(2:n_1,1); vn1(:,1)=-(E00)^-1*E01; phi1(:,i)=[1 vn1']; end %% Tinh matran dang chinh ket cau phi2=zeros(n_2,n_2); vn2=zeros(n_2-1,1); avn2=ones(n_2-1,1); for i=1:n_2 E=Ks_2-omega_2(i,1)^2*Ms_2; E00=E(2:n_2,2:n_2); E02=E(2:n_2,1); vn2(:,1)=-(E00)^-1*E02; phi2(:,i)=[1 vn2']; end %% Khoi luong va cung suy rong ket cau for i=1:n_1 Ms_phi1(i,1)=phi1(:,i)'*Ms_1*phi1(:,i); Ks_phi1(i,1)=phi1(:,i)'*Ks_1*phi1(:,i); omega_phi1(i,1)=sqrt(Ks_phi1(i,1)/Ms_phi1(i,1)); end %% Khoi luong va cung suy rong ket cau for i=1:n_2 Ms_phi2(i,1)=phi2(:,i)'*Ms_2*phi2(:,i); Ks_phi2(i,1)=phi2(:,i)'*Ks_2*phi2(:,i); omega_phi2(i,1)=sqrt(Ks_phi2(i,1)/Ms_phi2(i,1)); end %% Thong so TMD cua ket cau % muy=0.005/100; % Ty so khoi luong cua TMD idk=1; % Dang dao dong can dieu khien 104 m_tmd1=muy*Ms_phi1(idk,1)/n_1; k_tmd1=m_tmd1*omega_phi1(idk,1)^2; omega_tmd1=sqrt(k_tmd1/m_tmd1); gama1=sqrt((muy*(4+3*muy))/(8*(1+muy)*(2+muy))); c_tmd1=2*gama1*omega_tmd1*m_tmd1; muy_mtmd1=m_tmd1/(ms_1(1,1))*100; % Ty so khoi luong cua TMD doi voi toan ket cau %% Thong so TMD cua ket cau m_tmd2=muy*Ms_phi2(idk,1)/n_2; k_tmd2=m_tmd2*omega_phi2(idk,1)^2; omega_tmd2=sqrt(k_tmd2/m_tmd2); gama2=sqrt((muy*(4+3*muy))/(8*(1+muy)*(2+muy))); c_tmd2=2*gama2*omega_tmd2*m_tmd2; muy_mtmd2=m_tmd2/(ms_2(1,1))*100; % Ty so khoi luong cua TMD doi voi toan ket cau %% PHAN CHIA BUOC THOI GIAN t_f=25; delta_t=0.00125; t=0:delta_t:t_f; nt=length(t); % % LOAD GIA TOC NEN load ElCentro_data_00125 Hachinohe=Hachinohe'; if length(ElCentro)