Giải pháp giảm chấn cho nhà cao tầng dùng bể nước mái và vật liệu đàn hồi (cao su)

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - VƯƠNG THỊ VỸ DẠ GIẢI PHÁP GIẢM CHẤN CHO NHÀ CAO TẦNG DÙNG BỂ NƯỚC MÁI VÀ VẬT LIỆU ĐÀN HỒI (CAO SU) Chuyên nghành: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 29 tháng 09 năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS Phan Ngọc Châu PGS.TS Chu Quốc Thắng PGS.TS Đỗ Kiến Quốc TS Nguyễn Hồng Ân TS Đỗ Đại Thắng TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc Tp HCM, ngày 29 tháng 08 năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VƯƠNG THỊ VỸ DẠ Ngày, tháng, năm sinh : Chuyên ngành : 11 – 03 – 1984 Giới tính : Nữ Nơi sinh : Bình Thuận Xây Dựng Dân Dụng – Cơng Nghiệp MSHV : 02108482 Khoá: 2008 1- TÊN ĐỀ TÀI: GIẢI PHÁP GIẢM CHẤN CHO NHÀ CAO TẦNG DÙNG BỂ NƯỚC MÁI VÀ VẬT LIỆU ĐÀN HỒI (CAO SU) 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Chương 1: Tổng quan Chương 2: Lý thuyết phân tích dao động kết cấu chịu tải trọng động đất Chương 3: Lý thuyết TMD Chương 4: Phân tích thực nghiệm - Xác định đặc trưng cao su Chương 5: Ví dụ minh họa Chương 6: Kết luận – Hướng phát triển đề tài 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 03 – 07 – 2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 29 – 08 – 2011 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỞNG BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kết thúc trình hai năm học tập trường Đại học Bách khoa Tp.HCM Tuy nhiên, lại khởi đầu cho trải nghiệm đường nghiên cứu khoa học Trước tiên, em muốn gửi lời cảm ơn đến quý thầy nhiệt tình giảng dạy, hướng dẫn nghiên cứu thời gian em học tập trường Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh Cảm ơn bạn bè lớp Cao học XDDD & CN K2008 em chia sẻ kiến thức, tài liệu, giúp đỡ học tập, nghiên cứu Em đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy Đỗ Kiến Quốc, người gợi ý trực tiếp hướng dẫn luận văn cho em Em chân thành cảm ơn ban Tổng giám đốc đồng nghiệp công ty Decofi tạo điều kiện cho em hồn thành khố học Con cảm ơn ba mẹ, người chỗ dựa vững cho động lực lớn để hồn thành khố học Vì thời gian hồn thành luận văn có hạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót Mọi góp ý em xin ghi nhận cập nhật thời gian sớm để đề tài hoàn chỉnh Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 08 năm 2011 Vương Thị Vỹ Dạ MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: 1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU: [5], [20] 1.2.1 Điều khiển bị động (passive control) 1.2.2 Hệ điều khiển chủ động bán chủ động: 17 1.3 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP HỆ CẢN ĐIỀU CHỈNH KHỐI LƯỢNG BỊ ĐỘNG - TMD 18 1.4 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 23 Chương 2: 25 LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG KẾT CẤU CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 25 2.1 HỆ MỘT BẬC TỰ DO CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT [14] 25 2.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO [14] 28 Chương 3: LÝ THUYẾT TMD 3.1 MƠ HÌNH CỦA HỆ BỂ NUỚC MÁI KẾT HỢP CAO SU 3.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ TMD 3.2.1 Hệ bậc tự 3.2.2 Hệ nhiều bậc tự do: 3.3 CƠ SỞ THIẾT KẾ TMD 3.3.1 Phương trình điều khiển: 3.3.2 Nghiên cứu tham số: 31 31 31 32 32 33 34 35 36 CHƯƠNG 4: 41 PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM – XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CAO SU 41 4.1 MẪU THÍ NGHIỆM 41 4.1.1 Vật liệu 41 4.1.2 Đặc tính mẫu 41 4.2 MƠ TẢ THÍ NGHIỆM 43 4.2.1 Dụng cụ đo 43 4.2.2 Bố trí thiết bị đo 4.2.3 Quy trình gia tải 4.2.4 Nhận xét kết 4.3 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CAO SU 4.3.1 Hiện tượng trễ: [11] 43 43 46 46 46 Xác định đặc trưng k, ξ cao su: 46 4.3.2 Chương 5: VÍ DỤ MINH HOẠ 5.1 MƠ TẢ BÀI TỐN 5.2 PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG KẾT CẤU: 5.2.1 Dữ liệu trận động đất: 5.2.2 Xác định thông số TMD: 5.2.3 Đáp ứng kết cấu: CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 KẾT LUẬN 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 48 48 48 50 50 54 57 80 80 80 80 LỜI CẢM ƠN Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: Sự phát triển vật liệu có cường độ cao phương pháp phân tích kết cấu tạo điều kiện cho phát triển cơng trình cao tầng, tháp truyền hình… Những cơng trình có độ cản thấp nhạy cảm dễ phá hoại loại tải trọng động như: gió, cháy nổ…và đặc biệt động đất Dưới vài số hình ảnh cho thấy tổn thất nặng nề người tài sản động đất gây ra: Bảng 1.1: Thiệt hại người tài sản từ số trận động đất mạnh Cường độ Thời điểm Địa điểm Tài sản Con người (tỷ USD) (Richter) 17/01/1994 17/01/1995 17/08/1999 28/09/1999 26/01/2001 26/12/2003 Northridge, California Kobe, Nhật Bản Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ Chi-Chi, Đài Loan Gujarat, Ấn Độ Đông nam Iran CHƯƠNG TỔNG QUAN 6.8 60 20 6.9 5502 147 7.8 17118 6.5 7.6 2400 14 7.6 20085 4.5 6.6 26200 8.5 26/12/2004 12/05/2008 12/01/2012 Sumatra, Inđônêxia Tứ Xuyên, Trung Quốc Haiti 9.1 283106 200 7.9 69195 10 7.0 222570 Hình 1.1: Động đất Haiti, 2010 CHƯƠNG TỔNG QUAN Hình 1.2: Động đất Tứ Xuyên, Trung Quốc 2008 Hình 1.3: Động đất Kobe, Nhật Bản – 1995 CHƯƠNG TỔNG QUAN 76 DO THI SO SANH GIA TOC NUT DINH KHUNG - NORTHRIDGE-TH2 25 co TMD khong co TMD 20 15 Gia toc (m/s2) 10 -5 -10 -15 -20 10 15 Thoi gian (s) 20 25 30 Hình 5.41: Đồ thị so sánh gia tốc nút đỉnh khung - Northridge trường hợp DO THI SO SANH CHUYEN VI NGANG TANG 10 - NORTHRIDGE-TH2 0.4 co TMD khong co TMD 0.3 Chuyen vi (m) 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 10 15 Thoi gian (s) 20 25 30 Hình 5.42: Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tầng 10 – Northridge TH2 CHƯƠNG 5: VÍ DỤ MINH HOẠ 77 DO THI SO SANH VAN TOC TANG 10 - NORTHRIDGE-TH2 co TMD khong co TMD 1.5 Van toc (m/s) 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 10 15 Thoi gian (s) 20 25 30 Hình 5.43: Đồ thị so sánh vận tốc tầng 10 – Northridge TH2 DO THI SO SANH GIA TOC TANG 10 - NORTHRIDGE-TH2 20 co TMD khong co TMD 15 Gia toc (m/s2) 10 -5 -10 -15 -20 10 15 Thoi gian (s) 20 25 Hình 5.44: Đồ thị so sánh gia tốc tầng 10 – Northridge TH2 CHƯƠNG 5: VÍ DỤ MINH HOẠ 30 78 NORTHRIDGE Hiệu giảm (%) Có TMD Khơng có TMD TH TH TH TH Chuyển vị Max 0.926 0.783 0.805 15.4% 13.1% đỉnh (m) Min 0.849 0.768 0.778 9.5% 8.4% Vận tốc đỉnh Max 3.29 3.5 3.56 -6.4% -8.2% (m/s) Min 3.59 3.17 3.21 11.7% 10.6% Gia tốc đỉnh Max 20.97 23.02 23.15 -9.8% -10.4% (m/s2) Min 19.13 18.36 18.45 4.0% 3.6% Mmax (kN/m) 4231 3995 4038 5.6% 4.6% Qmax (kN) 1110 1149 1152 -3.5% -3.8% Bảng 5.8: Hiệu TMD (Northridge) Nhận xét: - Hệ hồ nước mái cao su tỏ hiệu việc làm giảm chuyển vị, vận tốc đỉnh min, gia tốc đỉnh min, momen trận Northridge Tuy nhiên lại không hiệu với vận tốc đỉnh max, gia tốc đỉnh max, lực cắt - Do tỷ số cản theo thí nghiệm nhỏ tỷ số cản yêu cầu nên hiệu không bằng, nhiên không lệch nhiều Nhận xét chung: - Đối với trận động đất khác nhau, hệ hồ nước mái + cao su cho hiệu giảm khác Ta thấy rõ, hệ có hiệu tốt với trận Hachinohe có gia tốc đỉnh nhỏ Và hiệu giảm dần trận có gia tốc đỉnh cao (amax hachinohe < amax Elcentro < amax Northridge) CHƯƠNG 5: VÍ DỤ MINH HOẠ 79 - Do tỷ số cản theo thí nghiệm nhỏ tỷ số cản yêu cầu nên hiệu không bằng, nhiên không lệch nhiều CHƯƠNG 5: VÍ DỤ MINH HOẠ 80 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 - KẾT LUẬN Do đặc tính ngẫu nhiên động đất mà hiệu hệ hồ nước mái cao su phụ thuộc nhiều vào đặc tính chuyển động Ta thấy rõ hệ tỏ có hiệu trận động đất có gia tốc đỉnh nhỏ Do đó, thiết kế chống động đất cho cơng trình dùng hệ ta cần dựa vào ghi gia tốc thời gian trận động đất điển hình cho vùng xây dựng cơng trình để đạt hiệu mong muốn - Hệ hồ nuớc mái cao su sử dụng để giảm chấn cho nhà cao tầng Hệ có chi phí thấp mà hiệu cao - Hạn chế hệ có tần số, để khắc phục ta dùng nhiều TMD tạo thành hệ MTMD (multiple tuned mass damper) Mỗi TMD điều chỉnh đến tần số ưu khác 6.2 - HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Thí nghiệm nhiều mẫu cao su khác để có nhiều lựa chọn phù hợp với cơng trình khác - Tiến hành khảo sát ứng xử hệ kết cấu – TMD độ cứng k phi tuyến - Tìm vị trí đặt tối ưu cho hệ cơng trình bất đối xứng - Kết hợp hệ với số giải pháp kháng chấn khác nêu chương - Nghiên cứu tương tác đất – móng – kết cấu với nhiều loại đất, giải pháp móng sơ đồ kết cấu khác - Khảo sát hệ Multiple Tuned Mass Damper CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – HUỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nam Hoang, Yozo Fujino, Pennung Warnitchai – Optimal tuned mass damper for seimic application and practical design formulas – Science Direct – Engineering Structures 30 (2008) 707-715 [2] Kainan K – Semi-empirical formula for the seimic characteristics of the ground – Bulletin of the Earthquake Research Institute, The University of Tokyo 1957;35:309-25 [3] Tajimi H – A statistical method of determining the maximum response of a building structure during an Earthquake – In: Proc nd world conf on earthquake engineering, vol II 1960 P 781-98 [4] S.L Burtscher , A Dorfmann - Compression and shear tests of anisotropic high damping – Science direct - Engineering Structures 26 (2004) 1979–1991 [5] Franklin Y.Chen, Hongping Jiang, Kanguy Lou – Smart Structures_ Innovative System for Seismic Response Control [6] Farzad Naeim, James M Kelly – Design of Seismic Isolated Structures From Theory to Practice [7] Chen-Liang-Lee, Yung-Tsang Chen, Lap-Loi Chung, Yen-Po Wang – Optimal design theories and application for turned mass dampers – Science Direct – Engineering Structures 28 (2006) 43-53 [8] A Dall’Asta, L Ragni - Experimental tests and analytical model of high damping rubber dissipating devices - Engineering Structures 28 (2006) 1874–1884 [9] R Clough, J Penzien – Dynamic of Structure – Second Edition, McGraw-Hill, 1993 [10] Felix Weber, Glauco Feltrin, and Olaf Huth - Guidelines for Structural Control - SAMCO Final Report 2006 – www.samco.org CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – HUỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82 [11] Nguyễn Hữu Trí – Cơng Nghệ Cao Su Thiên Nhiên – Nhà Xuất Bản Khoa học Kỹ Thuật 2004 [12] L M Sun , Y Fujino, B M Pacheco, and P Chaiseri - Modelling of Tuned Liquid Damper (TLD) - Journal of WindEngineering and lndustrial Aerodynamics, 41-44 (1992) 1883-1894 [13] Ching-Chang Chang - Structural Design of Taipei 101 Tower [14] Đỗ Kiến Quốc, Lương Văn Hải – Động Lực Học Kết Cấu – Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM [15] Đỗ Kiến Quốc, Nguyễn Trọng Phước – Các Phương Pháp Số Trong Động Lực Học Kết Cấu – Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM [16] Phạm Đình Ba, Nguyễn Tài Trung – Động lực học cơng trình – Nhà xuất Xây Dựng [17] Chu Quốc Thắng, Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 1997 [18] Tiêu Chuẩn Xây Dựng Việt Nam 375 - 2006 – Thiết kế công trình chịu động đất [19] Lê Đức Thanh – Xác định đặc trưng học vật liệu Mốp lựa chọn lý thuyết tính tốn kết cấu ba lớp – 1999 [20] Nguyễn Hữu Anh Tuấn – Khảo sát giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD – 2002 [21] Nguyễn Văn Giang – Khảo sát tác dụng chống động đất hệ thống lập móng BIS – 2002 [22] Nguyễn Văn Nam – Nghiên cứu giảm chấn cho cơng trình chịu tải trọng động đất thiết bị lập dao động có mặt lõm ma sát – 2008 http://peer.berkeley.edu/smcat/search.html http://www.mathworks.in/help/techdoc/math/brentm1-1.html CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – HUỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 83 PHỤ LỤC CODE MATLAB 1.1 Tính tỷ số cản ξ 1.2 Phổ gia tốc nền: 1.3 Fast Fourier Transform (FFT): KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – HUỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 84 84 84 85 86 84 CODE MATLAB 1.1 Tính tỷ số cản ξ %Tinh he so can si clc; format short; a11=2.06e10; a12=-2.11e9; a13=7.36e7; a14=-1.16e6; a15=6024; a16=60.63; a17=-0.0018; a21=3.6e10; a22=-3.7e9; a23=1.46e8; a24=-2.65e6; a25=20957; a26=-10.17; a27=-6.77e-4; D=0.0352; k=73; syms x b c; A1=int(a11*x^6+a12*x^5+a13*x^4+a14*x^3+a15*x^2+a16*x+a17,b,c); A2=int(a21*x^6+a22*x^5+a23*x^4+a24*x^3+a25*x^2+a26*x+a27,b,c); A3=abs(A1-A2)%dien tich vong tre; A=subs(A3,{b,c},{0,D}) si=A/(2*pi*k*D^2)%ti so can 1.2 Phổ gia tốc nền: fid=fopen('Hachinohe.txt','r'); %doc file gia toc nen t1=0.00125; t=0.00125:0.00125:36; n=length(t); CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – HUỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 85 U=zeros(n,1); i=1; while i