Tính toán hệ số cản nhớt tối ưu trong dầm chịu tác dụng của tải trọng động (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN NGHĨA TÍNH TỐN HỆ SỐ CẢN NHỚT TỐI ƯU TRONG DẦM CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG & CƠNG NGHIỆP Hà Nội 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN NGHĨA KHÓA: 2016 – 2018 TÍNH TỐN HỆ SỐ CẢN NHỚT TỐI ƯU TRONG DẦM CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG & CƠNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ HỮU THANH Hà Nội 2018 LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, thầy cô Khoa sau đại học với thầy giáo, cô giáo Khoa, môn giảng dạy tạo điều kiện để em hồn thành khóa học 2016 - 2018 Đặc biệt em cảm ơn thầy TS Lê Hữu Thanh người trực tiếp hướng dẫn khoa học luận văn tạo điều kiện, dành nhiều thời gian, nhiệt tình giúp 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 học Kiến trúc Hà Nội, thầy cô tiểu ban bảo vệ đề cương, thầy cô tiểu ban kiểm tra tiến độ luận văn, có ý kiến góp ý quý báu cho nội dung luận văn Vì thời gian thực luận văn có hạn nên khơng tránh khỏi hạn chế, thiếu sót Nhưng em xin hứa đầu tư nghiên cứu thêm vấn đề hạn chế, thiếu sót để hồn thiện thêm kiến thức em trình làm việc sau Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Văn Nghĩa LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ cơng 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 Nguyễn Văn Nghĩa MỤC LỤC Lời cám ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viêt tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn đề tài NỘI DUNG CHƯƠNG 1: HỆ SỐ CẢN NHỚT TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU DẦM 1.1 Hệ số cản mơi trường kết cấu cơng trình 1.2 Lực cản môi trường kết cấu dầm 1.3 Hệ số cản tối ưu 10 1.4 Hệ số cản mơi trường mơ hình tính tốn 14 CHƯƠNG 2: HỆ SỐ CẢN NHỚT TỐI ƯU TRONG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU DẦM 20 2.1 Các khái niệm chung 20 2.2 Động lực học kết cấu dầm 20 2.3 Ảnh hưởng hệ số cản tới dao động dầm 27 2.3.1 Biên độ dao động 27 2.3.2 Hiện tượng cộng hưởng 28 2.3.3 Phạm vi điều chỉnh đại lượng giảm dao động hệ kết cấu 29 2.3.4 Hệ điều chỉnh độ cản môi trường kết cấu dầm 31 2.4 Độ cứng dầm 39 2.4.1 Bài toán tĩnh định 39 2.4.2 Bài toán động lực học 46 2.5 Xác định lực cản môi trường dầm 48 2.5.1 Lực cản nhớt 48 2.5.2 Lực cản ma sát 49 2.5.3 Lực cản tính trễ vật liệu 50 2.5.4 Lực cản môi trường vật liệu có tính nhớt 51 2.6 Xác định lực cản môi trường dầm thực nghiệm 55 CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TỐN 59 3.1 Tính tốn hệ số cản nhớt tối ưu dầm 59 3.1.1 Các đặc điểm dao động tự dầm 59 3.1.2 Ảnh hưởng tỉ số cản tới biên độ dầm 61 3.1.3 Ảnh hưởng độ cứng kết cấu tới biên độ dầm 63 3.1.4 Tính tốn hệ số cản tối ưu cho dầm 68 3.2 Tính tốn giảm dao động dầm hệ điều khiển 69 3.3 Nhận xét thảo luận 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 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 Mô đun đàn hồi trượt k Độ cứng lo xo m Khối lượng p(t) 10 PTHH Phần tử hữu hạn 11 T Chu kỳ dao động 12 TMD 13 u Chuyển vị theo phương ngang (trục X) 14 v Chuyển vị theo phương đứng (trục Y) 15 ε Biến dạng 16 λ Độ dài sóng 17 ν Hệ số poisson 18 ω Tần số góc ( dao động tự do) 19 Φ độ lệch pha Tải trọng theo thời gian Tuned Mass Damper DANH MỤC CÁC BẢNG Số thứ tự bảng Nội dung bảng Bảng Hệ số cản môi trường loại vật liệu[4] Bảng Hệ số cản môi trường theo trạng thái làm việc vật liệu [4] DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số thứ tự Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Nội dung hình vẽ Hệ ‘kích’ bổ sung hệ số cản cơng trình[13] Lực cản nhớt hệ Tunned Mass Damper (TMD) [14] Lực cản tính đàn dẻo ma sát vật liệu gối cách chấn[15] Dầm thép chữ I cầu giao thông đường bộ[17] Dầm hộp sử dụng cho cầu tổ hợp từ nhiều cấu kiện Dầm sử dụng hệ giảm chấn Tuned Mass Damper TMD [18] Dao động tự dầm tắt dần tác dụng lực cản môi trường [3] Thay đổi biên độ dao động hệ kết cấu với giá trị khác lực cản môi trường[3] Sự phát triển lượng hệ dao động El Centro[7] Hình 1.10 Cơ cấu hoạt động hệ cản nhớt[7] Hình 1.11 Cấu tạo thực tế hệ cản nhớt mơi trường[19] Hình 1.12 Cấu tạo hệ cản ma sát[7] Hình 1.13 Cấu tạo thực tế hệ cản ma sát [20] Hình 1.14 Hệ cản nhớt trễ[7] Hình 1.15 Hệ cản nhớt trễ bố trí kết cấu cơng trình [7] Hình Mơ hình tính dao động hệ có bậc tự Hình 2 Hình Dao động điều hòa hệ không kể tới lực cản môi trường Dao động tự hệ kể tới độ cản mơi trường Hình Ảnh hưởng hệ số cản tới biên độ dao động Hình Biên độ dao động tượng cộng hưởng Hình Phạm vi điều chỉnh đại lượng kết cấu để giảm biên độ dao động Hình Biên độ dao động tượng cộng hưởng Hình Nguyên lý cấu tạo hệ điệu chỉnh bị động Hình 10 Nguyên lý cấu tạo hệ điệu chỉnh chủ động Hình 2.11 Hệ bậc tự có gắn hệ điều chỉnh dao động[7] Hình 2.12 Mơ hình dầm Consol có lắp đặt hệ TMD Hình 2.13 Giá trị H2 theo β[7] Hình 2.14 Điều chỉnh giá trị tối ưu hệ TMD[7] Hình 2.15 Các đại lượng chuyển vị dầm chịu uốn [7] Hình 2.16 Biến dạng phần tử dầm [7] Hình 2.17 Dầm consol [7] Hình 2.18 Các thành phần nội lực đoạn dầm [7] Hình 2.19 Lực cản nhớt Hình 2.20 Lực cản ma sát chuyển vị hệ Hình 2.21 Lực cản tính trễ vật liệu chuyển vị hệ Hình 2.22 Hình 2.23 Hình 2.24 Hình 2.25 Vòng lặp hệ cản tính trễ vật liệu a) Hệ số cản uyến tính (b) Hệ số cản phi tuyến Mối liên hệ ứng suất biến dạng vật liệu theo trạng thái a) Đàn hồi tuyến tính, (b) Vật liệu nhớt c) Vật liệu dẻo Mối liên hệ ứng Lực cản môi trường F chuyển vị vật liệu dẻo Ứng xử hệ kết cấu có bậc tự ảnh hửng hệ số cản kết cấu hệ số cản nhớt Hình 2.26 Hình 2.27 Hình 2.28 Thí nghiệm xác định độ cản mơi trường dầm consol [12] Thí nghiệm xác định hệ số cản mơi trường dầm có gắn hệ TMD [10] Hệ TMD gắn đầu dầm thí nghiệm trình bày Hình 2.27 Hình 3.1 Mơ hình kết cấu dầm thép chịu tải trọng động Hình 3.2 Mode dao động cơng trình Hình 3.3 Hệ số động kd lực cản môi trườngkhông đáng kể Hình 3.4 Hệ số động kd hệ số cản < 1% Hình 3.5 Hệ số động kd hệ số cản