Đánh giá hiệu quả giảm chấn của nhiều hệ cản khối lượng (multi tuned mass dampers) trong kết cấu chịu động đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - HỒ THỊ NHƯ HIỀN ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA NHIỀU HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG (MULTI-TUNED MASS DAMPERS) TRONG KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành Mã số ngành : Xây Dựng Dân Dụng - Công Nghiệp : 60 58 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh tháng 01 năm 2015 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Cán hướng dẫn : TS Nguyễn Trọng Phước Cán chấm nhận xét 1: TS Đào Đình Nhân Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Sỹ Lâm Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM vào ngày 23 tháng 01 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Đỗ Kiến Quốc TS Nguyễn Hồng Ân TS Đào Đình Nhân TS Nguyễn Sỹ Lâm TS Nguyễn Văn Hiếu CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Trọng Phước, người hướng dẫn Luận văn này; Thầy tận tâm hướng dẫn, động viên tạo điều kiện tốt để thực Luận văn; Những tài liệu tham khảo kiến thức Thầy cung cấp giúp nhận định đắn việc nghiên cứu Bên cạnh đó, tơi gửi lời cảm ơn q Thầy Cơ giảng dạy lớp cao học ngành XDDD-CN, Trường Đại Học Bách Khoa truyền đạt cho nhiều kiến thức quý giá chuyên ngành; đồng thời cảm ơn bạn khóa học đồng hành tơi trải qua chương trình đào tạo Cuối cùng, tơi xin ghi nhận giúp đỡ gia đình, ln bên cạnh động viên khuyến khích tơi suốt thời gian học tập vừa qua Xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Bài luận văn tơi tự phát triển dựa vào tài liệu tham khảo trích dẫn với hướng dẫn TS Nguyễn Trọng Phước; Kết Luận văn hoàn toàn khách quan trung thực thực từ chương trình máy tính tơi tự viết Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cơng việc thực Tác giả luận văn Hồ Thị Như Hiền ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HỒ THỊ NHƯ HIỀN MSHV: 12210239 Ngày, tháng, năm sinh: 20/05/1984 Nơi sinh: BR-VT Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình DD&CN Mã số: 60 58 20 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA NHIỀU HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG (MULTI - TUNED MASS DAMPERS) TRONG KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Luận văn khảo sát hiệu giảm chấn nhiều hệ cản khối lượng (MTMD) kết cấu chịu động đất Các nội dung thực sau: - Tìm hiểu mơ hình kết cấu có gắn hệ cản khối lượng TMD thông số hệ TMD, từ đề xuất mơ hình kết cấu có gắn nhiều hệ khối lượng (MTMD), - Thiết lập phương trình chuyển động cho hệ kết cấu có gắn nhiều hệ cản khối lượng chịu gia tốc động đất viết chương trình máy tính ngơn ngữ lập trình MATLAB để giải toán đặt - Kiểm tra độ xác chương trình đánh giá hiệu giảm chấn nhiều hệ cản khối lượng thơng qua thí dụ số, từ rút kết luận III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07 - 07 - 2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07 - 01 - 2015 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC Tp HCM, ngày 07 tháng 01 năm 2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH TRƯỞNG KHOA KT XÂY DỰNG TÓM TẮT Luận văn phân tích hiệu giảm chấn nhiều hệ cản khối lượng (Multi - Tuned Mass Dampers, M-TMD) kết cấu chịu gia tốc động đất Mơ hình hệ bao gồm kết cấu mô tả hệ hữu hạn bậc tự chuyển vị ngang tầng có gắn thêm hệ cản khối lượng tầng sàn Hệ kết cấu chịu gia tốc động đất theo thời gian Thông số đặc tính thiết bị TMD phân tích đề tài Phương trình chuyển động thiết lập dựa nguyên lý cân động giải phương pháp số Newmark toàn miền thời gian Một chương trình máy tính viết ngơn ngữ lập trình MATLAB để phân tích ứng xử động lực học hệ Kết số gồm có chuyển vị lực cắt tầng kết cấu cho thấy hiệu giảm chấn nhiều hệ cản khối lượng lắp đặt đồng thời kết cấu chịu động đất ABSTRACT This thesis analyses the reduction of vibration of MTMD in structures under a ground acceleration of earthquakes The model is included a structural system described as a multi degrees of freedom with the lateral displacement adding the tuned mass dampers at each floor The structure is affected by seismic acceleration in history finite The governing equation of motion of the system is derived and solved by numerical Newmark’s method in the time domain A computer program based on MATLAB software is developed to analyze the dynamic behavior of the system The numerical results including lateral displacement and base shear show the effectiveness of the system MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu luận văn 1.3 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 10 2.1 Giới thiệu 10 2.2 Hệ cản khối lượng TMD 10 2.3 Tình hình nghiên cứu nước 20 2.4 Kết luận 22 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .23 3.1 Giới thiệu 23 3.2 Hệ cản khối lượng 23 3.3 Mơ hình kết cấu 25 3.3.1 Mơ hình kết cấu 25 3.3.2 Phương trình chuyển động 26 3.3.3 Phương trình chuyển động hệ 28 3.3.4 Thông số hệ cản khối lượng 30 3.4 Phương pháp giải thuật toán 30 3.5 Cơ sở lý thuyết thuật giải biến đổi Fourier 34 3.6 Kết luận 35 CHƯƠNG THÍ DỤ SỐ 36 4.1 Giới thiệu 36 4.2 Phần kiểm chứng 38 4.2.1 Dạng dao động khung 38 4.2.2 Chuyển vị động khung 39 4.2.3 Kết cấu lắp TMD đặt tầng 40 4.2.4 Kết luận 40 4.3 Khảo sát số 41 4.3.1 Hệ 16 tầng có gắn TMD 42 4.3.1.1 Cơng trình chịu gia tốc Elcentro 43 4.3.1.2 Công trình chịu gia tốc Northridge 49 4.3.1.3 Cơng trình chịu gia tốc Kobe 54 4.3.1.4 Nhận xét 60 4.3.2 Hệ 26 tầng có gắn TMD 61 4.3.2.1 Cơng trình chịu gia tốc Elcentro 62 4.3.2.2 Cơng trình chịu gia tốc Northridge 69 4.3.2.3 Cơng trình chịu gia tốc Kobe 76 4.3.2.4 Nhận xét 83 4.4 Bàn luận kết 84 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 85 5.1 Kết luận 85 5.2 Hướng phát triển 86 Tài liệu tham khảo 87 Phụ lục 91 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Động đất Niigata, Nhật Bản (1964) Hình 1.2 Động đất Northridge, California (1994) .3 Hình 1.3 Động đất Kobe, Nhật Bản (1995) .4 Hình 1.4 Động đất Tứ Xuyên, Trung Quốc (2008) Hình 1.5 Động đất Hati 2010 .5 Hình 1.6 Động đất Hati 2010 .5 Hình 1.5 Động đất Newzealand 2011 Hình 2.1 Hệ cản điều chỉnh khối lượng (TMD) 10 Hình 2.2 Taipei Financial Center (1999-2004) 17 Hình 2.3 Shanghai World Financial Center (1997-2008) 11 Hình 2.4 John Hancock Tower 22 Hình 2.5 CN Tower TV antenna, Toronto, Canada (1973) 22 Hình 2.6 Nishi-Shinjuku, Shinjuku, Tokyo (1974 - 1978) 23 Hình 3.1 Mơ hình hệ cản khối lượng TMD 23 Hình 3.2 Hệ bậc tự với TMD 24 Hình 3.3 Mơ hình kết cấu 26 Hình 3.4 Lực tác dụng hệ n bậc tự 26 Hình 3.5 Lưu đồ thuật tốn phân tích động lực học kết cấu có hệ cản MTMD 33 Hình.4.1 Đồ thị gia tốc trận động đất Elcentro 37 Hình 4.2 Cường độ lượng phổ trận động đất Elcentro 37 Hình 4.3 Đồ thị gia tốc trận động đất Northridge 37 Hình 4.4 Cường độ lượng phổ trận động đất Northridge 37 Hình 4.5 Đồ thị gia tốc trận động đất Kobe 38 Hình 4.6 Cường độ lượng phổ trận động đất Kobe 38 Hình 4.7 Hệ khung phẳng 39 Hình 4.8 Khung phẳng tầng 41 Hình 4.9 Mơ hình kết cấu 16 tầng với M-TMD 42 Hình 4.10 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn đỉnh cơng trình với mratio=0.57% (μ=0.01%) tải trọng Elcentro 43 Hình 4.11 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn đỉnh công trình với mratio=1.71% (μ=0.03%) tải trọng Elcentro 44 Hình 4.12 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn đỉnh cơng trình với mratio=2.85% (μ=0.05%) tải trọng Elcentro 44 Hình 4.13 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn đỉnh công trình với mratio=3.99% (μ=0.07%) tải trọng Elcentro 44 Hình 4.14 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn đỉnh cơng trình với mratio=5.13% (μ=0.09%) tải trọng Elcentro 44 Hình 4.15 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn tầng với mratio=0.57% (μ=0.01%) tải trọng Elcentro .45 Hình 4.16 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn tầng với mratio=1.71% (μ=0.03%) tải trọng Elcentro .45 Hình 4.17 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn tầng với mratio=2.85% (μ=0.05%) tải trọng Elcentro .45 Hình 4.18 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn tầng với mratio=3.99% (μ=0.07%) tải trọng Elcentro .45 Hình 4.19 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn tầng với mratio=5.13% (μ=0.09%) tải trọng Elcentro .46 Hình 4.20 Đồ thị so sánh lực cắt lớn tầng với mratio=0.57% (μ=0.01%) tải trọng Elcentro .46 Hình 4.21 Đồ thị so sánh lực cắt lớn tầng với mratio=1.71% (μ=0.03%) tải trọng Elcentro .46 Hình 4.22 Đồ thị so sánh lực cắt lớn tầng với mratio=2.85% (μ=0.05%) tải trọng Elcentro .46 ... TÀI: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA NHIỀU HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG (MULTI - TUNED MASS DAMPERS) TRONG KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Luận văn khảo sát hiệu giảm chấn nhiều hệ cản khối lượng. .. tích hiệu giảm chấn nhiều hệ cản khối lượng (Multi - Tuned Mass Dampers, M-TMD) kết cấu chịu gia tốc động đất Mơ hình hệ bao gồm kết cấu mô tả hệ hữu hạn bậc tự chuyển vị ngang tầng có gắn thêm hệ. .. Hệ cản khối lượng (Single tuned mass damper) M-TMD Hệ cản nhiều khối lượng (Multi tuned mass damper) Un Uncontrol S S-TMD M M-TMD Ký hiệu md Khối lượng TMD kd Độ cứng TMD cd Hệ số cản TMD m Khối