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 tốt nghiêp::̣ “Nghiên cứu hiệu ứng động lực học gió lên kết cấu giàn cao tầng có hư hỏng” làcông triǹ h nghiên cứu của bản thân tơi dưới sư :̣hướng dâñ của Phó Giáo sư, Tiến sy ̃Nguyêñ ViêṭKhoa Các kết quảnêu luận văn làtrung thưc,:̣ khơng phải làsao chép tồn văn của bất kỳtài liêu,:̣ công trinh̀ nghiên cứu khác màkhông chỉrõtrong tài liêu tham khảo Hà Nôi,,̣ ngày 09 tháng 10 năm 2015 Tác giảLVTN Cao Văn Mai ii iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo trường Đaịhoc:̣ Công nghê :̣– ĐHQGHN cũng thầy cô giảng viên kiêm nhiệm cán Viêṇ Cơ hoc:̣ – Viêṇ Hàn Lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam nói chung vàcác thầy cô giáo khoa Cơ hoc:̣ ky ̃thuâṭvàtư :̣đơng:̣ hóa nói riêng đa ̃tâṇ tinh̀ giảng day,:̣ trùn đaṭcho em kiến thức, kinh nghiêṃ quýbáu suốt thời gian học tập trường Đăc:̣ biêt,:̣ em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS TS Nguyêñ ViêṭKhoa, người thầy đa ̃ tâṇ tinh ̀ giúp đỡ, trưc:̣ tiếp chỉbảo, hướng dâñ em suốt quátrinh̀ nghiên cứu hoàn thành luận án tốt nghiêp:̣ Sau cùng, em xin giửi lời cảm ơn chân thành tới gia nh baṇ bèvàngười thân, những người đơng:̣ viên, đóng góp ýkiến vàgiúp̀ đỡem suốt qtriǹ h hoc:̣ tâp,:̣ nghiên cứu vàhoàn thành luận án tốt nghiêp:̣ Chúc thầy cô, gia đình, baṇ bèmanḥ khỏe vàthành 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 về tượng Flutter đối với kết cấu giàn cao tầng .4 1.2 Cơ sở lý thuyết về tượng Buffeting đối với kết cấu giàn cao tầng 1.3 Mô phỏng vận tốc gió 14 Kết luận chương 14 Chương SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 15 2.1 Xây dựng mơ 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 Kết luâṇ 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 Giải thích Diện tích mặt cắt Các hệ số tích phân Ma trâṇ liên :̣Boolean Ma trận cản Modul đàn hồi Vector lưc:̣ tổng thê Vector lưc:̣ phần tử Moment quán tính mặt cắt ngang Ma trận độ cứng tổng thê Ma trận độ cứng phần tử Độ dài của toàn kết cấu Độ dài của phần tử Ma trận khối lượng tổng thê Ma trận khối lượng phần tử Ma trận hàm dạng Phần tử hữu haṇ PTHH Hê s:̣ ốthay đổi điều kiêṇ biên Chuyên dicḥ Vận tốc Gia tốc U γ,β θ ω1;ω2 ξ2 ;ξ1 Hệ số của thuật tốn tích phân Newmark Góc xoay Tần số riêng thứ nhất thứ hai Hệ số cản modal tương ứng viii Kí hiệu λ,µ ∆t Giải thích Hệ số của cơng thức cản Rayleigh Bước thời gian tính tích phân ρ Khối lương:̣ riêng 3-D Không gian ba chiều F se Fb Fs CL CD CM ω Lực tự kích Lực Buffeting Lực gió tĩnh (thành phần lực gió trung bình) Hệ số nâng khí động học của phần tử Hệ số kéo khí động học của phần tử Hệ số mơ men khí động học của phần Tần số Flutter Mật độ phổ lượng phổ Van der Hoven Svv Ma trận độ cứng phần từ có vết nứt Ma trận K chuyên hệ truc tọa độ R V cr Vận tốt gió tới hạn 0.625 0.22 0.25 0.313 0.5 0.22 0.25 0.33 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# J#1 J#2 Section# eo 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]; y = [1 0.565 0.523 0.82 0.56 0.522 0.518 0.511 0.5015 0.5005 0.5005 0.517 0.51 0.501 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]; 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) +(z2- z1)*(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 ; h=2*E*Iz/L ; Kle=[ a 0 0 -a 0 0 a 0 0 %Mass 0 13*a 0 6*a^2 0 - 0 22*a 0 8*a^2 % %Damping % a=0 ; b=0 ; % if length(ep)==9 ; a=ep(8) ; b=ep(9) ; end 54 % Cle=a*Mle+b*Kle; %Element ez(2)-ez(1) if x1 == x2 & y1 == y2 if z2 else end else CXx CYx CZx D = CXy CYy CZy CXz CYz CZz 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; % beam else 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 0.56 0.522 0.517 0.51 0.501 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]; 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 A 0 %2 A 0 %3 A 0 %4 0 %5 0 %6 0 %7 0 %8 0 %9 0 %10 0 %11 0]; %12 Abue1=-B*L/30*[0 3*L*CL 21*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 ...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 Ngành: Cơ kỹ thuật Chuyên... gió động tác động lên kết cấu cao tầng dạng mảnh có hư hỏng chưa quan tâm nhiều Mục tiêu luận văn Trên sở đó, tác giả đề xuất đề tài: ? ?Nghiên cứu hiệu ứng động lực học gió lên cơng trình. .. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN VIỆT KHOA ` Hà Nội - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn tốt nghiêp::̣ ? ?Nghiên cứu hiệu ứng động lực học gió lên kết cấu giàn cao tầng có hư hỏng? ??