Đánh giá khả năng giảm chấn của kết cấu với hệ cản khối lượng và một số thiết bị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - LÊ THỊ PHƯƠNG NGÂN ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG GIẢM CHẤN CỦA KẾT CẤU VỚI HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG VÀ MỘT SỐ THIẾT BỊ Chuyên ngành : Xây Dựng Dân Dụng – Công Nghiệp Mã số ngành : 60 58 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành Phố Hồ Chí Minh tháng 09 năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: Cán hướng dẫn 1: TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC Cán hướng dẫn 2: PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC Cán chấm nhận xét 1: TS LƯƠNG VĂN HẢI Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS NGUYỄN XUÂN HÙNG Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM vào ngày 30 tháng 08 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC PGS.TS NGUYỄN XUÂN HÙNG TS LƯƠNG VĂN HẢI TS NGUYỄN SỸ LÂM PGS.TS LÊ VĂN CẢNH CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG 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: LÊ THỊ PHƯƠNG NGÂN MSHV: 12210251 Ngày, tháng, năm sinh: 04/12/1983 Nơi sinh: An Giang Chun ngành: Xây Dựng Cơng Trình DD&CN Mã số: 60 58 20 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG GIẢM CHẤN CỦA KẾT CẤU VỚI HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG VÀ MỘT SỐ THIẾT BỊ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu đặc tính, mơ hình hệ cản khối lượng (Tuned Mass Damper, TMD) số thiết bị hệ lưu biến từ (Magneto-Rheological, MR) gối cách chấn (Base Isolation, BI) Thiết lập giải toán kết cấu có gắn hệ cản TMD số thiết bị chịu gia tốc động đất từ sở để đánh giá hiệu hệ cản số thiết bị Viết chương trình máy tính ngơn ngữ MATLAB giải tốn động lực học dùng để giải đề tài III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20 - 01 - 2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20 - 06 - 2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS ĐỖ KIẾN QUỐC TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC Tp HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KT XÂY DỰNG LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Đỗ Kiến Quốc, T.S Nguyễn Trọng Phước, hai Thầy tận tâm hướng dẫn, động viên tạo điều kiện cho học tập Những tài liệu tham khảo kiến thức quý báu Thầy mang lại giúp tơi có cách nhận định đắn vấn đề nghiên cứu Bên cạnh tơi xin cảm ơn q Thầy Cơ Khoa đào tạo sau đại học ngành Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp-Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM truyền đạt kiến thức quý giá trình giảng dạy, đồng thời cảm ơn anh chị đồng khóa học giúp đỡ tơi q trình học tập suốt thời gian qua Cuối xin cảm ơn tất người thân, gia đình, thầy cơ, bạn bè ln bên cạnh động viên khuyến khích tơi suốt thời gian học tập nghiên cứu thực đề tài Mặc dù cố gắng hồn thiện Luận văn với tất lực mình, khơng thể tránh khỏi thiếu sót chưa sâu, kính mong nhận bảo Thầy Cô Tôi xin chân thành cảm ơn ! TĨM TẮT Luận văn phân tích hiệu giảm dao động hệ cản khối lượng (Tuned Mass Damper, TMD) kết hợp với số thiết bị khác thiết bị lưu biến từ (MagnetoRheologcal, MR) gối cách chấn (Base Isolation, BI), lắp vào kết cấu chịu gia tốc động đất Mô hình hệ bao gồm kết cấu mơ tả hệ hữu hạn bậc tự chuyển vị ngang tầng có gắn thêm hệ cản khối lượng tầng thiết bị khác Hệ chịu gia tốc động đất theo thời gian Phương trình chuyển động thiết lập giải phương pháp số Newmark tồn miền thời gian, với hệ có thiết bị MR bước thời gian có bước lặp để mô tả ứng xử MR bước thời gian Một chương trình máy tính dựa vào ngơn ngữ lập trình MATLAB xây dựng để phân tích ứng xử động lực học hệ Sự ảnh hưởng thông số đặc trưng cho loại thiết bị, thông số khối lượng TMD, chu kỳ gối cách chấn, hiệu điện thiết bị lưu biến từ lên phản ứng động hệ khảo sát chi tiết cho thấy hiệu hệ ABSTRACT The thesis is analyzed effectively to reduce vibration damper by Tuned Mass Damper in combination with some other devices are Magneto - Rheologcal and base isolation, that are mounted in the same structure under seismic ground acceleration The model is included a structural system described as a finite degree of freedom that is the horizontal displacement of the floor, this structure is fixed Tuned mass damper on the top floor and other devices The structure is effected by seismic acceleration in history finite Equations structure system dynamic are set up and solved by numerical Newmark’s method throughout the time domain The system add MR devices in each step iteration of time to describe the MR behavior in step-by-step of time A computer program is based on MATLAB software was set up to analyze the behavior of the whole dynamic system is such as The influence of the specific parameters for each divice the ratio of TMD mass parameters, The period of base isolation, the voltage of Magneto-Rheologcal acted on the dynamic behavior of the system that is surveyed in detailed showed the effectiveness of the system LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn tơi tìm hiểu phát triển dựa vào tài liệu tham khảo trích dẫn Các thơng tin, kết nghiên cứu người khác sử dụng luận văn điều trích dẫn quy định Kết Luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cơng việc thực Tác giả luận văn Lê Thị Phương Ngân 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 2.1 Giới thiệu 2.2 Hệ cản khối lượng TMD 2.3 Thiết bị lưu biến từ MR 11 2.4 Gối cách chấn BI 20 2.5 Kết luận 24 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 25 3.1 Giới thiệu 25 3.2 Hệ cản khối lượng TMD 25 3.3 Thiết bị lưu biến từ MR 28 3.4 Gối cách chấn BI 31 3.5 Mơ hình tính tốn 32 3.6 Phương pháp giải thuật toán 37 3.7 Kết luận 38 CHƯƠNG THÍ DỤ SỐ 39 4.1 Giới thiệu 39 4.2 Phần kiểm chứng 39 4.3 Khảo sát hiệu giảm chấn TMD kết hợp với thiết bị 45 4.4 Kết luận 66 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 5.1 Kết luận 67 5.2 Hướng phát triển 68 Tài liệu tham khảo 69 Phụ lục 70 i DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Động đất New Zealand 2011 Hình 1.2 Động đất Hati 2010 Hình 2.1 Taipei Financial Center Hình 2.2 Shanghai World Financial Center 10 Hình 2.3 John Hancock Tower 11 Hình 2.4.Cấu tạo chung thiết bị MR 13 Hình 2.5 Cơ chế hoạt động chất lưu 14 Hình 2.6 Mơ hình Bingham 14 Hình 2.7.Kết so sánh mơ hình Bingham với thực nghiệm 15 Hình 2.8 Mơ hình Gamota Filisko 16 Hình 2.9 Kết so sánh Gammota Filisko với thực nghiệm 17 Hình 2.10 Mơ hình Bouc-Wen 17 Hình 2.11 Kết so sánh mơ hình Bouc-Wen với thực nghiệm 18 Hình 2.12 Viện bảo tàng Tokyo Cầu Dongting Lake 19 Hình 2.13 Cách chấn cho cơng trình 20 Hình 2.14 Gối trượt ma sát 21 Hình 2.15 Gối đàn hồi 21 Hình 2.16 Oakland City Hall 22 Hình 2.17 SF City Hall 22 Hình 2.18 The U.S Court of Appeals building 23 Hình 3.1.Mơ hình điều khiển TMD 26 Hình 3.2 Hệ bậc tự với TMD 27 Hình 3.3 Mơ hình hiệu chỉnh Bouc-Wen 29 Hình 3.4 So sánh kết thực nghiệm với mơ hình Bouc-Wen 30 ii Hình 3.5 Gối đỡ chịu lực dọc trục lực cắt 31 Hình 3.6 Sơ đồ tính kết cấu cần khảo sát 33 Hình.4.1a Hệ khung phẳng 40 Hình 4.1b Đồ thị gia tốc Elcentro 1940 40 Hình 4.2 Khung phẳng tầng 42 Hình 4.3 Mơ hình kết cấu tầng 43 Hình 4.4 Khung phẳng tầng 44 Hình 4.5 Khung phẳng 11 tầng với TMD+BI+MR 47 Hình 4.6 Chuyển vị tầng đỉnh theo thời gian tải trọng Elcentro 48 Hình 4.7 Chuyển vị tầng theo thời gian tải trọng Elcentro 50 Hình 4.8 Lực cắt tầng lớn theo thời gian tải trọng Elcentro 50 Hình 4.9 Gia tốc theo thời gian tải trọng Elcentro 51 Hình 4.10 Ứng xử MR có điện v=6v 52 Hình 4.11 Ứng xử MR có điện v=0v 52 Hình 4.12 Chuyển vị tầng lớn tải trọng Elcentro 54 Hình 4.13 Lực cắt tầng lớn tải trọng Elcentro 55 Hình 4.14 Chuyển vị tầng lớn tải trọng Elcentro 57 Hình 4.15 Lực cắt tầng lớn tải trọng Elcentro 58 Hình 4.16 Đồ thị gia tốc trận động đất Northrid 1994 60 Hình 4.17 Chuyển vị tầng lớn tải trọng Northrid 61 Hình 4.18 Lực cắt tầng lớn tải trọng Northrid 62 Hình 4.19 Chuyển vị tầng lớn tải trọng Northrid 64 Hình 4.20 Lực cắt tầng lớn tải trọng Northrid 65 iii Phụ lục udotdb(:,i+1)=udotdb(:,i)+(1gam)*dt*udot2db(:,i)+gam*dt*udot2db(:,i+1); udb(:,i+1)=udb(:,i)+udotdb(:,i)*dt+(1/2beta)*dt^2*udot2db(:,i)+beta*dt^2*udot2db(:,i+1); u_inter=udb(:,i+1); udot_inter=udotdb(:,i+1); F_o=zeros(n,1); %% TINH LAI GIA TRI LUC MR delta_u=u_inter(1,1); delta_udot=udot_inter(1,1); % delta_udot=delta_u/delta_t; V_mr(1,i+1)=delta_udot; CV_mr(1,i+1)=delta_u; u_mr=[delta_u delta_udot]; h=[0 delta_t 0 0]; h(4)=Z_mr(1,1); h(5)=Y_mr(1,1); options = odeset('RelTol',1e-4,'AbsTol',[1e-4 1e-4 1e-4]); [T,Y] = ode45('spencer',[h(1) h(2)],[h(3) h(4) h(5)], options); z=Y(:,2); y=Y(:,3); Ydot=zeros(length(z),1); k_end=length(z); co=coa+cob*Y(:,1); c1=c1a+c1b*Y(:,1); alpha_o=alpha_oa+alpha_ob*Y(:,1); Ydot(k_end)=1/(co(k_end)+c1(k_end))*(alpha_o(k_end,1)*z(k_end)+co (k_end)*u_mr(2)+ko*(u_mr(1)-y(k_end))); f(k_end)=c1(k_end,1)*Ydot(k_end)+k1*(u_mr(1)-xo); %% fmr(1,1)=f(k_end); Fmr(1,i+1)=fmr(1,1); U_mr(1,1)=Y(k_end,1); Z_mr(1,1)=Y(k_end,2); Y_mr(1,1)=Y(k_end,3); Đánh giá khả giảm chấn kết cấu 87 Phụ lục F_o(1,1)=-fmr(1,1); %% TINH VECTO LUC F(:,i+1)=F_o; Peff=-Ms_tmd*l_tmd*udot2g(:,i+1)-Ks_tmd*udb(:,i+1)(Ds_tmd+Ks_tmd*dt)*udotdb(:,i+1)-Ds_tmd*(1gam)*dt*udot2db(:,i+1)-Ks_tmd*(1/2-beta)*dt^2*udot2db(:,i+1)+F_o; Meff=Ms_tmd+Ds_tmd*gam*dt+Ks_tmd*beta*dt^2; dem_off=i end Newmarkpas.m function [udb,udotdb,udot2db,V_mr,CV_mr,F]=Newmarkpas(udot2g,Ms_tmd,Ks_tmd ,Ds_tmd,delta_t,n,t,l_tmd) global u_mr dienthe n_mr=1; dienthe=6; gam=1/2 ; beta=1/4; dt =delta_t; F=zeros(n,length(t)); Fmr=zeros(n_mr,length(t)); V_mr=zeros(n_mr,length(t)); CV_mr=zeros(n_mr,length(t)); %% TINH LUC MR BAN DAU udb=zeros(n,length(t)); udotdb=zeros(n,length(t)); udot2db=zeros(n,length(t)); %% U_mr=zeros(n_mr,1); Z_mr=zeros(n_mr,1); Y_mr=zeros(n_mr,1); %% F_o=zeros(n,1); for j=1:1:n_mr delta_u=0; Đánh giá khả giảm chấn kết cấu 88 Phụ lục delta_udot=0; V_mr(j,1)=delta_udot; CV_mr(j,1)=delta_u; u_mr=[delta_u delta_udot]; h=[0 delta_t 0 0]; options = odeset('RelTol',1e-4,'AbsTol',[1e-4 1e-4 1e-4]); [T,Y] = ode45('spencer',[h(1) h(2)],[h(3) h(4) h(5)], options); %% THONG SO MR ko=0.0054*1e3; k1=0.0087*1e3; xo=0.18; alpha_oa=8.7*1e3; alpha_ob=6.4*1e3; coa=50.3*1e3; cob=48.7*1e3 ; c1a=8106.2*1e3; c1b=7807.9*1e3; co=coa+cob*Y(:,1); c1=c1a+c1b*Y(:,1); alpha_o=alpha_oa+alpha_ob*Y(:,1); %% Y1=Y(:,1); z1=Y(:,2); y1=Y(:,3); Ydot=zeros(length(Y1),1); f=zeros(length(Y1),1); for k=1:length(Y1) Ydot(k)=1/(co(k)+c1(k))*(alpha_o(k,1)*z1(k)+co(k)*u_mr(2)+ko*(u_m r(1)-y1(k))); f(k)=c1(k,1)*Ydot(k)+k1*(u_mr(1)-xo); end fmr(1,j)=f(k); Fmr(j,1)=f(k); F_o(j,1)=-fmr(1,j); end %% CHUONG TRINH CHINH % D=zeros(n,1); Đánh giá khả giảm chấn kết cấu 89 Phụ lục % D(3,1)=1; % F_o=-D*fmr ; F(:,1)=F_o; Peff=-Ms_tmd*l_tmd*udot2g(:,1)-Ks_tmd*udb(:,1)(Ds_tmd+Ks_tmd*dt)*udotdb(:,1)-Ds_tmd*(1-gam)*dt*udot2db(:,1)Ks_tmd*(1/2-beta)*dt^2*udot2db(:,1)+F_o; Meff=Ms_tmd+Ds_tmd*gam*dt+Ks_tmd*beta*dt^2; for i = 1:(length(t)-1) %% VONG LAP NEWMARK [LL UU]=lu(Meff); utemp=LL\Peff; udot2db(:,i+1)=UU\utemp; udotdb(:,i+1)=udotdb(:,i)+(1gam)*dt*udot2db(:,i)+gam*dt*udot2db(:,i+1); udb(:,i+1)=udb(:,i)+udotdb(:,i)*dt+(1/2beta)*dt^2*udot2db(:,i)+beta*dt^2*udot2db(:,i+1); u_inter=udb(:,i+1); udot_inter=udotdb(:,i+1); F_o=zeros(n,1); %% TINH LAI GIA TRI LUC MR delta_u=u_inter(1,1); delta_udot=udot_inter(1,1); % delta_udot=delta_u/delta_t; V_mr(1,i+1)=delta_udot; CV_mr(1,i+1)=delta_u; u_mr=[delta_u delta_udot]; h=[0 delta_t 0 0]; h(4)=Z_mr(1,1); h(5)=Y_mr(1,1); options = odeset('RelTol',1e-4,'AbsTol',[1e-4 1e-4 1e-4]); [T,Y] = ode45('spencer',[h(1) h(2)],[h(3) h(4) h(5)],options); z=Y(:,2); y=Y(:,3); Ydot=zeros(length(z),1); k_end=length(z); Đánh giá khả giảm chấn kết cấu 90 Phụ lục co=coa+cob*Y(:,1); c1=c1a+c1b*Y(:,1); alpha_o=alpha_oa+alpha_ob*Y(:,1); Ydot(k_end)=1/(co(k_end)+c1(k_end))*(alpha_o(k_end,1)*z(k_end)+co (k_end)*u_mr(2)+ko*(u_mr(1)-y(k_end))); f(k_end)=c1(k_end,1)*Ydot(k_end)+k1*(u_mr(1)-xo); %% fmr(1,1)=f(k_end); Fmr(1,i+1)=fmr(1,1); U_mr(1,1)=Y(k_end,1); Z_mr(1,1)=Y(k_end,2); Y_mr(1,1)=Y(k_end,3); F_o(1,1)=-fmr(1,1); %% TINH VECTO LUC F(:,i+1)=F_o; Peff=-Ms_tmd*l_tmd*udot2g(:,i+1)-Ks_tmd*udb(:,i+1)(Ds_tmd+Ks_tmd*dt)*udotdb(:,i+1)-Ds_tmd*(1gam)*dt*udot2db(:,i+1)-Ks_tmd*(1/2-beta)*dt^2*udot2db(:,i+1)+F_o; Meff=Ms_tmd+Ds_tmd*gam*dt+Ks_tmd*beta*dt^2; dem_off=i end Rayleigh.m function [zeta_s]=Rayleigh(si,omega) zeta_s=zeros(length(omega),1); zeta_s(1:2)=si*ones(2,1); omega=sort(omega); %a1=[1/omega(1) omega(1);1/omega(2) omega(2)]; %a2=2.*[si;si]; %a=inv(a1)*a2; a(1)=si*2*omega(1)*omega(2)/(omega(1)+omega(2)); a(2)=si*2/(omega(1)+omega(2)); for i=3:length(omega) zeta_s(i)=(1/2)*a(1)*(1/omega(i))+(1/2)*a(2)*(omega(i)); Đánh giá khả giảm chấn kết cấu 91 Phụ lục end Spencer.m function dy = spencer(t,y) global u_mr dienthe dy = zeros(3,1); % a column vector %% THONG SO MRD alpha_oa=8.7*1e3; alpha_ob=6.4*1e3; coa=50.3*1e3; cob=48.7*1e3; c1a=8106.2*1e3; c1b=7807.9*1e3;nuy=195; ko=0.0054*1e3; gamma=496; dy(1) = -nuy*(y(1)-dienthe); beta=496; A=810.5; % U y(1)=0; co=coa+cob*y(1); c1=c1a+c1b*y(1); alpha_o=alpha_oa+alpha_ob*y(1); dy(2) = -gamma*abs(u_mr(2)-dy(3))*y(2)*abs(y(2))-beta*(u_mr(2)dy(3))*y(2)^2+A*(u_mr(2)-dy(3)); %zdot dy(3)=1/(co+c1)*(alpha_o*y(2)+co*u_mr(2)+ko*(u_mr(1)y(3))) ;%ydot Kiemtraketqua.m % PHAN TICH KET CAU : % clear all clc close all format long %% NHAP SO LIEU DAU VAO n0=3; % So tang %% PHAN CHIA BUOC THOI GIAN t_f=28; delta_t=0.00125; t=0:delta_t:t_f; nt=length(t); %% LOAD GIA TOC NEN load ElCentro_data_00125% if length(ElCentro)