Nghiên cứu hiệu ứng động lực học của gió lên công trình giàn cao tần có hư hỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ CAO VĂN MAI NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA GIĨ LÊN CƠNG TRÌNH GIÀN CAO TẦNG CĨ HƯ HỎNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ CAO VĂN MAI NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA GIĨ LÊN CƠNG TRÌNH GIÀN CAO TẦNG CÓ HƯ HỎNG Ngành: Cơ kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 60 52 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN VIỆT KHOA ` Hà Nội - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn tố t nghiêp: ̣ “Nghiên cứu hiệu ứng động lực học gió lên kết cấu giàn cao tầng có hư hỏng” là cơng trình nghiên cứu của bản thân tơi dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư, Tiế n sỹ Nguyễn Viê ̣t Khoa Các kế t quả nêu luận văn là trung thực, không phải là chép toàn văn của bấ t kỳ tài liêu, ̣ công triǹ h nghiên cứu nào khác mà không chỉ rõ tài liêụ tham khảo Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2015 Tác giả LVTN Cao Văn Mai ii iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn chân thành đến các thầ y cô giáo trường Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣ – ĐHQGHN cũng các thầ y cô giảng viên kiêm nhiệm cán Viê ̣n Cơ ho ̣c – Viê ̣n Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam nói chung và các thầ y cô giáo khoa Cơ ho ̣c kỹ thuâ ̣t và tự đô ̣ng hóa nói riêng đã tâ ̣n tin ̀ h giảng da ̣y, truyề n đa ̣t cho em kiế n thức, kinh nghiê ̣m quý báu suố t thời gian học tập trường Đă ̣c biê ̣t, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắ c đế n thầ y giáo PGS TS Nguyễn Viê ̣t Khoa, người thầ y đã tâ ̣n tiǹ h giúp đỡ, trực tiế p chỉ bảo, hướng dẫn em suố t quá trin ̣ ̀ h nghiên cứu hồn thành luận án tớ t nghiêp Sau cùng, em xin giửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình ba ̣n bè và người thân, những người đô ̣ng viên, đóng góp ý kiế n và giúp đỡ em suố t quá trình ho ̣c tâ ̣p, nghiên cứu và hoàn thành luận án tố t nghiê ̣p Chúc thầ y cô, gia đình, ba ̣n bè ma ̣nh khỏe và thành công! Em xin chân thành cảm ơn! iv v MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆN TƯỢNG FLUTTER VÀ BUFFETING TÁC ĐỘNG LÊN KẾT CẤU CAO TẦNG CÓ HƯ HỎNG 1.1 Cơ sở lý thuyết tượng Flutter kết cấu giàn cao tầng 1.2 Cơ sở lý thuyết tượng Buffeting kết cấu giàn cao tầng 1.3 Mô vận tốc gió 14 Kết luận chương 14 Chương SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 15 2.1 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn giàn cao tầng dạng mảnh .15 2.1.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn 15 2.1.2 Thiết lập toán động lực học kết cấu giàn cao tầng dạng mảnh chịu tải trọng gió .15 2.1.3 Rời rạc hóa kết cấu thiết lập ma trận phần tử .16 2.2 Giải toán động lực học phương pháp Newmark 20 2.2.1 Giới thiệu phương pháp Newmark .20 2.2.2 Phương pháp giải toán động lực học dầm Newmark 21 Kế t luận chương 24 Chương MÔ PHỎNG SỐ VÀ KẾT QUẢ 25 3.1 So sánh phần mềm Wind Effects với phần mềm SAP2000 27 3.2 Phân tích Flutter 29 3.2.1 Phân tích chuyển động Flutter kết cấu nguyên vẹn 29 3.2.2 Phân tích chuyển động Flutter kết cấu có hư hỏng 30 3.3 Phân tích phản ứng động Buffeting 32 3.3.1 Phân tích phản ứng động Buffeting kết cấu nguyên vẹn .32 vi 3.3.2 Phân tích phản ứng động Buffeting kết cấu có hư hỏng .33 Kết luận chương 36 Chương KẾT LUẬN 38 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu A a1 , a2 , , a9 Giải thích Diện tích mặt cắt Các hệ số tích phân [b] Ma trâ ̣n liên ̣ Boolean C Ma trận cản E Modul đàn hồ i F Vector lực tổ ng thể Fe Vector lực phần tử I Moment quán tính mặt cắt ngang K Ma trận độ cứng tổng thể Ke Ma trận độ cứng phần tử L Độ dài toàn kết cấu l Độ dài phần tử M Ma trận khối lượng tổng thể Me Ma trận khối lượng phần tử N PTHH Ma trận hàm dạng Phầ n tử hữu ̣n sk Hê ̣ số thay đổ i điề u kiê ̣n biên U Chuyể n dich ̣ U Vận tốc U Gia tốc  ,  Hệ số thuật tốn tích phân Newmark Góc xoay 1 ; 2 Tần số riêng thứ thứ hai  ;1 Hệ số cản modal tương ứng viii Kí hiệu ,  Giải thích Hệ số công thức cản Rayleigh t Bước thời gian tính tích phân  Khớ i lươ ̣ng riêng 3-D Khơng gian ba chiều Fsee Lực tự kích Fb Lực Buffeting Fs Lực gió tĩnh (thành phần lực gió trung bình) CL Hệ số nâng khí động học phần tử CD Hệ số kéo khí động học phần tử CM Hệ số mơ men khí động học phần f Tần số Flutter Svv Mật độ phổ lượng phổ Van der Hoven Kc Ma trận độ cứng phần từ có vết nứt R Ma trận chuyển hệ trục tọa độ Vcr Vận tốt gió tới hạn 49 % Undeformed structure -[Ex,Ey,Ez]=coordxtr(Edof,Coord,Dof,2); eldraw3(Ex,Ey,Ez,[1 0]);grid off; rotate3d on; camzoom(1.5); box off; title('Geometry: 3-D Frame Structure'); % Thong so gio Un=20; % Van toc gio trung binh % beta - goc tao boi phan tu va huong gio (beta=0~cung chieu Ox) beta = 0; % Vecto chi phuong cua huong gio uw=[cos(beta) sin(beta) 0]; f= [0.001 0.0025 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.0075 0.008 0.009 0.0095 0.01 0.015 0.02 0.02 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.095 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.24286 0.32857 0.37143 0.41429 0.5 0.6 0.66667 0.7 0.83333 0.9 1];% 1.2 1.4 1.6 1.8 2.42857 2.85714 3.28572 3.71429 4.14286 4.57143 8]; Sv=[0.6 3.875 1.54 1.75 0.75 0.875 3.688 4.125 3.3125 2.8125 1.5 1.5 1.5 1.25 1.0625 1.37 4.5 4.75 2.375 1.54 1.6 1.125 1.75 4.625 1.7 1.625 0.875 4.315 1.6 1.875 0.75 50 0.625 0.22 0.25 0.313 0.5 0.22 0.25 0.33 0.4375 0.21 0.25 0.38 0.375 0.3125 0.23];% 0.24 0.25 0.26 0.4 0.4375]; 0.282 0.25 0.247 0.25 0.28 0.292 f=f/3600; %cycles/second f=f; %cycles/hours Suu=Sv./f; iu=size(Suu); fidws = fopen('vantocnew.txt','r'); windspeed = fgets(fidws); formatSpec = '%i %f'; windspeed = fscanf(fidws,formatSpec,[2 inf]); windspeed = reshape(windspeed',[],2);% Frame# Section# eo J#1 J#2 nstep=size(windspeed,1); for i=1:nstep u(i)=windspeed(i,2); end % Thong so chan gio hinh hoc x = [0 0.7 1.4 2.1 2.8 3.5 4.4 5.8 0.1 0.8 1.5 2.2 2.9 3.6 4.6 6]; 0.2 0.9 1.6 2.3 3.7 4.8 0.3 1.7 2.4 3.1 3.8 0.4 1.1 1.8 2.5 3.2 3.9 5.2 0.5 1.2 1.9 2.6 3.3 5.4 0.6 1.3 2.7 3.4 4.2 5.6 y = [1 0.565 0.523 0.82 0.56 0.522 0.73 0.555 0.5215 0.665 0.545 0.521 0.626 0.538 0.52 0.6 0.53 0.519 0.58 0.525 0.517 51 0.518 0.511 0.5015 0.5005 0.5005 z = [0 0.13 0.085 0.064 0.045 0.035 0.03 0.03 0.517 0.516 0.51 0.506 0.501 0.50055 0.5005 0.5005 0.5005]; -0.17 -0.12 -0.08 -0.062 -0.042 -0.034 -0.03 -0.03]; -0.185 -0.115 -0.078 -0.06 -0.041 -0.033 -0.03 0.515 0.504 0.5005 0.5005 0.514 0.503 0.5005 0.5005 0.513 0.5025 0.5005 0.5005 -0.176 -0.11 -0.076 -0.058 -0.04 -0.032 -0.03 -0.165 -0.105 -0.075 -0.056 -0.039 -0.031 -0.03 -0.15 -0.1 -0.07 -0.0555 -0.037 -0.03 -0.03 0.512 0.502 0.5005 0.5005 -0.14 -0.09 -0.068 -0.05 -0.036 -0.03 -0.03 - %% Tính toan ban dau -K=zeros(numb_dof); M=zeros(numb_dof); C=zeros(numb_dof); F=zeros(numb_dof,1); for ip=1:ne indice=[Ele1(ip,2) Ele1(ip,3)] ; elementDof=[6*indice(1)-5 6*indice(1)-4 6*indice(1)-3 6*indice(1)-2 6*indice(1)-1 6*indice(1) 6*indice(2)-5 6*indice(2)-4 6*indice(2)-3 6*indice(2)-2 6*indice(2)-1 6*indice(2)] ; x1=Coord(indice(1),1); y1=Coord(indice(1),2); 52 z1=Coord(indice(1),3); x2=Coord(indice(2),1); y2=Coord(indice(2),2); z2=Coord(indice(2),3); b=Fse(Ele1(ip,4),3); %width of the element h=Fse(Ele1(ip,4),4); % Thickness of the element A=b*h;% Tiet dien chu nhat Iz=b*h^3/12; Iy=h*b^3/12; % Momen quan tinh Xoan cua tiet dien chu nhat J=Iz+Iy; L = sqrt((x2-x1)*(x2-x1) + (y2-y1)*(y2-y1) +(z2z1)*(z2-z1)); %Stiffness a=E*A/L ; b=12*E*Iz/L^3 ; c=6*E*Iz/L^2; d=12*E*Iy/L^3 ; e=6*E*Iy/L^2 ; f=G*J/L; g=2*E*Iy/L ; Kle=[ a ; h=2*E*Iz/L 0 0 -a 0 ; b 0 c -b 0 d -e 0 -d 0 f 0 0 -f 0 ; 0 -e 2*g 0 e g ; c 0 2*h -c 0 h ; -a 0 0 a 0 0 ; -b 0 -c b 0 -c ; 0 -d e 0 d e ; 0 -f 0 0 f 0 ; 0 -e g 0 e 2*g ; 0 0 0 0 c ; -e ; 53 c 0 h -c 0 2*h]; 35 %Mass a=L/2; rx2=J/A; Mle=rho*A*a/105* [70 0 0 0 0 78 0 22*a 27 0 78 -22*a 0 0 0 0 0 0 27 0 0 ; 6*a^2 70*rx2 -35*rx2 ; -22*a 8*a^2 0 0 0 0 27 0 -13*a 0 0 0 78 0 78 ; 22*a 8*a^2 13*a -6*a^2; 35 0 0 70 ; 13*a -22*a; 22*a 0 8*a^2 0 27 -13*a 0 -35*rx2 ; 0 0 0 0 0 ; 0 70*rx2 ; 13*a -13*a % ; 0 0 -13*a; 13*a 0 -6*a^2 0 22*a -6*a^2 -22*a 8*a^2]; %Damping % a=0 ; b=0 ; % if length(ep)==9 ; a=ep(8) ; b=ep(9) ; end 0 - 54 % Cle=a*Mle+b*Kle; %Element Force ez(2)-ez(1) ]; b=[ ex(2)-ex(1); ey(2)-ey(1); if x1 == x2 & y1 == y2 if z2 > z1 Lambda = [0 ; ; -1 0]; else Lambda = [0 -1 ; ; 0]; end else CXx = (x2-x1)/L; CYx = (y2-y1)/L; CZx = (z2-z1)/L; D = sqrt(CXx*CXx + CYx*CYx); CXy = -CYx/D; CYy = CXx/D; CZy = 0; CXz = -CXx*CZx/D; CYz = -CYx*CZx/D; CZz = D; Lambda = [CXx CYx CZx ;CXy CYy CZy ;CXz CYz CZz]; end R = [Lambda zeros(3,9); zeros(3) Lambda zeros(3,6); zeros(3,6) Lambda zeros(3);zeros(3,9) Lambda]; % Ke=R'*Kle*R; % Me=R'*Mle*R; % K=assem(Edof(ip,:),K,Ke); % M=assem(Edof(ip,:),M,Me); 55 K(elementDof,elementDof)=K(elementDof,elementDof)+R'*Kle*R ; M(elementDof,elementDof)=M(elementDof,elementDof)+R'*Mle*R ; end [La,Egv] = eigen(K,M,bcc); Freq=sqrt(La)/(2*pi); n=6; sfac=90; figure(1), clf, grid, title('The Eigenmode'), Edb=extract(Edof,Egv(:,n)); eldisp3(Ex,Ey,Ez,Edb,[1 0],sfac); % eldraw3(Ex,Ey,Ez,[2 0]); % FreqText=num2str(Freq(n)); text(.5,1.75,FreqText); disp(num2str(Freq(1))); disp(num2str(Freq(2))); disp(num2str(Freq(3))); disp(num2str(Freq(4))); disp(num2str(Freq(5))); disp(num2str(Freq(6))); disp(num2str(Freq(7))); %1.14890 1.15656 1.80779 5.12602 6.27873 6.47842 56 % [La,Egv] = eigen1(K,M,bcc); % Freq=sqrt(La)/(2*pi); % n=1; % sfac=100; % figure(1), clf, grid, title('Eigenmodes'), % disp(Freq(1)); % disp(Freq(2)); % % Edb=extract(Edof,Egv(:,n)); % eldisp3(Ex,Ey,Ez,Edb,[1 2],sfac); % % eldraw3(Ex,Ey,Ez,[2 1]); % nmax=10; % So mode tinh f= Freq(1:nmax); Ln=diag(f.*f); phi= Egv(:,1:10); nw=100; U=zeros(nw,numb_dof); I=eye(nmax); for iw=1:nw iw w=iw*0.1; As=zeros(numb_dof); Abu=zeros(numb_dof,1); 57 for ip=1:ne eo1 = Ele1(ip,5); e=[Ex(ip,2)-Ex(ip,1) Ey(ip,2)-Ey(ip,1) Ez(ip,2)Ez(ip,1)]; L=sqrt(e*e'); % Length of the element B=Fse(Ele1(ip,4),3); % Local coordinate systems eo = E0(eo1,:); e3 = eo; if Ez(ip,2)> Ez(ip,1) e1=e; else e1=-e; end e2= cross(e1,e3); w2= uw*e2'*e2; % Hinh chieu cua gio len truc w3= uw*e3'*e3; % Hinh chieu cua gio len truc w23=w2+w3; % Hinh chieu cua gio len mp 23 if eo1==1 % colum alp=beta; B=b; else % beam cosalp=abs(w23*w2'/((w23*w23')*(w2*w2'))); alp=acosd(cosalp); if alp > 45 B=b; else B=h; 58 end end nalpha=size(alpha',1); for nal =1:nalpha if alpha(nal)alp CL=(CLt(nal+1)-CLt(nal))/(alpha(nal+1)alpha(nal))*(alp-alpha(nal))+CLt(nal); CD=(CDt(nal+1)-CDt(nal))/(alpha(nal+1)alpha(nal))*(alp-alpha(nal))+CDt(nal); CM=0; if nal==1 CDc=0; else CDc=CDt(nal+1)-CDt(nal)/(alpha(nal+1)alpha(nal)); end end end K=w*B/Un; [As,Abu]=tinhAB(CL,CD,CM,CDc,B,L,K,eo,e,Edof,As,Abu); end Asen=phi'*As*phi; Qb=phi'*Abu*u; % u - Van toc gio H = pinv(-w*w*(I+Asen)+Ln); Q=H'*fft(Qb); 59 Qt=ifft(Q); end %% end end function [As,Abu]=tinhAB(CL,CD,CM,CDc,B,L,K,eo,e,Edof,As,Abu) x = [0 0.7 1.4 2.1 2.8 3.5 4.4 5.8 0.1 0.8 1.5 2.2 2.9 3.6 4.6 6]; y = [1 0.565 0.523 0.518 0.511 0.5015 0.5005 0.5005 0.82 0.73 0.56 0.555 0.522 0.5215 0.517 0.516 0.51 0.506 0.501 0.50055 0.5005 0.5005 0.5005]; z = [0 0.13 0.085 0.064 0.045 0.035 0.03 0.03 -0.17 -0.12 -0.08 -0.062 -0.042 -0.034 -0.03 -0.03]; 0.2 0.9 1.6 2.3 3.7 4.8 -0.185 -0.115 -0.078 -0.06 -0.041 -0.033 -0.03 0.3 1.7 2.4 3.1 3.8 0.4 1.1 1.8 2.5 3.2 3.9 5.2 0.5 1.2 1.9 2.6 3.3 5.4 0.6 1.3 2.7 3.4 4.2 5.6 0.665 0.545 0.521 0.515 0.504 0.5005 0.5005 0.626 0.538 0.52 0.514 0.503 0.5005 0.5005 0.6 0.53 0.519 0.513 0.5025 0.5005 0.5005 0.58 0.525 0.517 0.512 0.502 0.5005 0.5005 -0.176 -0.11 -0.076 -0.058 -0.04 -0.032 -0.03 -0.165 -0.105 -0.075 -0.056 -0.039 -0.031 -0.03 -0.15 -0.1 -0.07 -0.0555 -0.037 -0.03 -0.03 -0.14 -0.09 -0.068 -0.05 -0.036 -0.03 -0.03 - 60 ks = K/2; Fk=interp1(x,y,ks); Gk=interp1(x,z,ks); Hs1 = -pi()*Fk/ks; Hs2 = pi()/(4*ks)*(1+Fk+2*Gk/ks); Hs3 = pi()/(2*ks*ks)*(Fk-ks*Gk/2); Hs4 = pi()/2*(1+2*Gk/ks); Hs5 = 1/K*CL; Hs6 = 0; Ps1 = -1/K*CD; Ps2 = 1/(2*K)*CDc; Ps3 = 1/(2*K*K)*CDc; Ps4 = 0; Ps5 = 1/(2*K)*CDc; Ps6 = 0; As1 = -pi()*Fk/(4*ks); As2 = -pi()/(16*ks)*(1-Fk-2*Gk/ks); As3 = -pi()/(8*ks*ks)*(Fk-ks*Gk/2); As4 = -pi()*Gk/(4*ks); As5 = -1/K*CM; As6 = 0; CLh = Hs4+Hs1*1i; CLp = Hs6+Hs5*1i; CLa = Hs3+Hs2*1i; 61 CDh = Ps6+Ps5*1i; CDp = Ps4+Ps1*1i; CDa = Ps3+Ps2*1i; CMh = As4+As1*1i; CMp = As6+As5*1i; CMa = As3+As2*1i; A1 = CLh; A2 = CLp; A3 = B*CLa; A4 = CDh; A5 = CDp; A6 = B*CDa; A7 = B*CMh; A8 = B*CMp; A9 = B*B*CMa; % 12 Ase1= [ 0 %1 0 0 10 11 0 A1 A2 A3 0 0 0 0 %2 A4 A5 A6 0 0 0 0 %3 A7 A8 A9 0 0 0 0 %4 0 0 0 0 0 0 %5 62 0 0 0 0 0 0 %6 0 0 0 0 0 0 %7 0 0 0 A1 A2 A3 0 %8 0 0 0 A4 A5 A6 0 %9 0 0 0 A7 A8 A9 0 %10 0 0 0 0 0 0 %11 0]; %12 0 0 0 0 0 Abue1=-B*L/30*[0 21*CL 21*CD 20*B*CM -3*L*CD 3*L*CL 9*CL 9*CD 10*B*CM -2*L*CD 2*L*CL 21*CL 9*CL 21*CD 9*CD 10*B*CM -2*L*CD 2*L*CL 20*B*CM -3*L*CD 3*L*CL]'; n1=e/L; lc=sqrt(eo*eo'); n3=eo/lc; n2(1)=n3(2)*n1(3)-n3(3)*n1(2); n2(2)=-n1(3)*n3(1)+n1(1)*n3(3); n2(3)=n3(1)*n1(2)-n1(1)*n3(2); An=[n1; n2; n3]; % G=[ An zeros(3) zeros(3) zeros(3) zeros(3); An zeros(3) zeros(3); 63 zeros(3) zeros(3) An zeros(3) zeros(3) zeros(3) zeros(3); An ]; Abue1=Abue1*[1 1]'; Ase=G'*Ase1*G;Abue=G'*Abue1; [nie,n]=size(Edof); t=Edof(:,2:n); for i = 1:nie As(t(i,:),t(i,:)) = As(t(i,:),t(i,:))+Ase; Abu(t(i,:))=Abu(t(i,:))+Abue; end end