Thiết kế kháng chấn

1 MỤC LỤC Danh mục bảng Danh mục hình LỜI MỞ ĐẦU Ý nghĩa thực tiễn đề tài Phương pháp nghiên cứu Phần một: VẬT LIỆU SỢI MÌ SPAGHETTI 1.1 Đặc tính vật lý 1.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén 1.3 So sánh kết Phần hai: PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA LÕI CỨNG BẰNG PHẦN MỀM ETABS 2.1 Thiết lập sơ đồ tính 2.2 Khảo sát lõi cứng khác 2.3 Nhận xét Phần ba: THIẾT KẾ MƠ HÌNH 3.1 Mơ tả mơ hình 3.2 Kiểm nghiệm bàn rung 11 Phần bốn: KẾT LUẬN 12 Tài liệu tham khảo 13 DANH MỤC BẢNG Bảng Kết lực nén tối đa cho mẫu sợi mì với chiều dài khác Bảng Kết tính tốn chuyển vị đỉnh lực cắt đáy DANH MỤC HÌNH Hình Các mẫu sợi mì dùng để thí nghiệm Hình Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén sợi mì Hình Mơ hình kết cấu phần mềm Etabs Hình Các phương án lõi với độ cứng khác Hình Lực dọc nguy hiểm cột Hình Mơ hình thử tải bàn rung 11 LỜI MỞ ĐẦU Ý nghĩa thực tiễn đề tài Thiết kế kháng chấn vấn đề đáng quan tâm kĩ sư kết cấu Có nhiều giải pháp kháng chấn, giải pháp áp dụng phổ biến điều kiện nước ta tăng cường lõi cứng cho kết cấu Tuy nhiên, việc lựa chọn độ cứng thích hợp cho lõi nhằm giúp kết cấu làm việc hài hòa tác dụng tải trọng động đất điều cần lưu ý Dựa mức chuyển vị ngang (Δ) hợp lí, tương ứng với tỉ số lực cắt đáy/trọng lượng thân kết cấu (V/W), nhóm thực đề tài đề xuất phương án lõi thích hợp Sau cùng, hiệu mơ hình kiểm nghiệm thơng qua mơ hình tính tốn phần mềm thí nghiệm bàn rung thực tế Phương pháp nghiên cứu Một giải pháp kháng chấn cơng trình áp dụng phổ biến điều kiện nước ta tăng cường lõi cứng cho kết cấu Nhằm kiểm nghiệm lý thuyết hiệu thực nghiệm lõi cứng, nhóm lập mơ hình kết cấu sợi mì spaghetti Bằng cách khảo sát trực tiếp mơ hình, nhóm nắm rõ ngun tắc làm việc kết cấu dựa vào để đưa biện pháp thích hợp giúp lõi cứng kết cấu làm việc hợp lí Thơng qua thơng số kết từ thí nghiệm, đề tài nêu lên ý nghĩa tầm quan trọng “lõi cứng”, nhà cao tầng, tác dụng tải trọng động đất Việc lựa chọn độ cứng thích hợp cho lõi giúp kết cấu làm việc hài hòa, giảm thiệt hại đáng kể mà động đất gây 4 Phần một: VẬT LIỆU SỢI MÌ SPAGHETTI 1.1 Đặc tính vật lý Mì sợi có chiều dài trung bình 26 cm đường kính chuẩn sợi 0,15 cm, sử dụng để thử nghiệm tiến hành dựng mơ hình Sợi mì 26 cm có khối lượng trung bình 0,8 g thể tích 0,46 cm3 từ có khối lượng riêng sợi mì 1,74 g/cm3 Qua trình thí nghiệm thử tải thực tế qua tài liệu tham khảo có, ta tính cường độ chịu kéo 140,61 kG/cm2; Modun đàn hồi E = 703070 kG/cm2 [1] 1.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén Ứng với chiều dài khác nhau, sợi mì có khả chịu uốn dọc khác Do đó, ta chia sợi mì thành chiều dài khác nhau, sau thử khả chịu nén theo đoạn L Ta chia mì thành đoạn sau: L, L/2, L/3, L/5 (hình 1) Lực nén sợi mì đo cân tiểu ly điện tử (hình 2), với độ nhạy xác cao Hình Các mẫu sợi mì dùng để thí nghiệm 5 Mẫu 1: L (26 cm) Mẫu 2: L/2 (13 cm) Mẫu 3: L/3 (8,7 cm) Mẫu 4: L/5 (5,2 cm) Hình Thí nghiệm xác định cường độ nén sợi mì 1.3 So sánh kết Kết lần đo, khả chịu nén mẫu có độ chênh lệch khơng đáng ̅ mẫu thể kể Từ đó, ta tính lực nén trung bình N Bảng Bảng Kết lực nén tối đa cho mẫu sợi mì với chiều dài khác Lần đo N(g) σ= A 𝜎 𝜎𝐿 20,3 20,2 19,7 1676 1,0 70,2 70,4 61,5 72,5 6161 3,6 170,6 159,0 172,2 166,5 168,0 14261 8,5 419,2 339,2 460,7 497,0 401,0 34050 20,3 Mẫu Dài (cm) L 18,8 19,8 20 L/2 68,1 81,5 L/3 197, L/5 384,0 N (g/cm ) Chú thích: L chiều dài ban đầu sợi mì (L = 26 cm) Ứng suất nén tối đa (hay cường độ chịu lực) σ cho mẫu chiều dài L tính 1676,77 g/cm2 Cường độ chịu lực mẫu với chiều dài ngắn tăng tỷ lệ nghịch với chiều dài Theo đó, cường độ mẫu L/2 gấp 3,7 ≈ 22 lần so với cường độ mẫu L (σL) Tương tự, cường độ mẫu L/3 L/5 gấp 8,5 ≈ 32 20,3 ≈ 52 lần σL Qua đó, ta thấy kết xác định từ thí nghiệm sát với tính tốn lý thuyết, chứng tỏ độ tin cậy thí nghiệm xác định cường độ chịu nén [2] Phần hai: PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA LÕI CỨNG BẰNG PHẦN MỀM ETABS 2.1 Thiết lập sơ đồ tính Với vật liệu sợi mì spaghetti tiết diện trịn, đường kính d = 0,15 cm chiều cao h = 26 cm, ta dựng mơ hình có kích thước 25×25×54 cm Mơ hình gồm tầng, với chiều cao tầng cm (hình 3) Sơ đồ tính cho mơ hình dựng phần mềm Etabs, từ kiểm tra, phân tích khả làm việc lõi (dựa hướng dẫn tài liệu tham khảo [3]) Hình Mơ hình kết cấu phần mềm Etabs 7 2.2 Khảo sát lõi cứng khác Có phương án độ cứng lõi tiến hành kiểm tra phân tích sau: • Phương án 1: mơ hình khơng có lõi cứng (hình 4a) • Phương án 2: bổ sung từ phương án cách thêm vào bên lõi cứng có kích thước 5×5 cm Độ cứng lõi quy định giằng chéo (hình 4b) Các lõi có tiết diện nhau, có đường kính d = 0,15 cm • Phương án 3: tương tự phương án 2, nhiên độ cứng lõi tăng lên lần (hình 4c) cách thay đổi đường kính tiết diện giằng thành d = 0,3 cm • Phương án 4: tương tự phương án 2, giảm độ cứng lõi xuống lần (hình 4d) cách giảm đường kính tiết diện giằng d = 0,075 cm K=0 K 4K K/4 Hình Các phương án lõi với độ cứng khác 2.3 Nhận xét Kết tính tốn từ phần mềm Etabs cho thấy, biến dạng mơ chuyển vị cao đỉnh lực cắt nguy hiểm đáy mơ hình (bảng 2) Dễ dàng nhận thấy, lõi cứng chịu phần lớn lực cắt đáy mơ hình Bảng Kết tính tốn chuyển vị đỉnh lực cắt đáy qlõi (kg) ∑q (kg) qlõi/∑q 54 θ = δ/h (rad) 49,6 0,01 21,5 54 0,4 0,01 0,01 0,6 1,2 54 0,02 0,01 0,01 0,0375 348,3 54 6,4 0,01 0,01 Phương án Lõi dmì δ(cm) h(cm) 0K 2679,9 K 0,15 4K K/4  Mơ hình [Khơng có lõi cứng] gây chuyển vị đỉnh (Δ = 2679,9 cm), cao nhiều lần so với mơ hình [Có lõi cứng K] (Δ = 21,5 cm), cho thấy hiệu lõi cứng việc khống chế chuyển vị ngang Chuyển vị giảm rõ ràng ta tăng tiết diện lõi cứng  Với mô hình [Độ cứng lõi 4K] góc lệch θ = Δ/H = 0,021 rad (trong H chiều cao mơ hình) giảm 18 lần so với θ mơ hình 0,39 rad  Mặt khác mơ hình [Độ cứng lõi K/4] θ = 6,45 tăng 16 lần so với θ mơ hình 9  Như vậy, nhóm lựa chọn góc lệch θ = 0,02 rad góc lệch hợp lý để áp dụng lựa chọn độ cứng lõi cho mơ hình thực tế Mơ hình có độ cứng 4K thỏa yêu cầu chuyển vị mà nhóm đề q trình thiết kế mơ hình [4] 10 Phần ba: THIẾT KẾ MƠ HÌNH 3.1 Mơ tả mơ hình Nhóm mong muốn mơ hình thực tế chịu tải trọng đứng Q = kG gia tốc phát sinh đỉnh a = 0,1g (trong g gia tốc trọng trường) Theo đó, lực qn tính ngang phát sinh đỉnh F = ma = 0,5 kG F Q H Q/8 Q/8 M/2B M/2B M B Hình Lực dọc nguy hiểm cột 11 Từ mơ hình trên, ta tiến hành tính tốn lực tác dụng cột gồm thành phần: • Do Q gây (bỏ qua trọng lượng thân): lấy xấp xỉ Q/8 mơ hình có cột: → 𝑄 = = 0,625 kG • Do M gây (giả sử tác dụng lên cột biên): → 1𝑀 2𝐵 = (𝐹×𝐻) 𝐵 = (0,5×54) 25 = 0,54 kG Vậy suy ra, tổng lực dọc tác dụng lên chân cột nguy hiểm nhất: Q (F×H) N= + B = 0,625 + 0,54 = 1,165 kG Như vậy, qua tính tốn sơ bộ, để chịu tải trọng kì vọng ta cần chịu lực nén khoảng 1,165 kG Tham khảo Bảng mì L/5 = 5,2 cm (xấp xỉ chiều cao tầng mơ hình cm) chịu 400 g, cần mì để thỏa yêu cầu lực nén Nhóm định lựa chọn tiết diện cột tầng gồm mì 12 3.2 Kiểm nghiệm bàn rung Mơ hình chịu tải tối đa kG nhỏ so với tải trọng kì vọng kG Mặt khác, góc lệch θ ước chừng 0,08 rad (đo mơ hình có chuyển vị cực đại trước bị phá hoại) (Hình 7) Hình Mơ hình thử tải bàn rung Có nhiều ngun nhân làm cho mơ hình khơng đạt đến tải trọng mong muốn: 13 • Neo chân đế với bàn rung nối buộc nên liên kết mô hình với bàn rung khơng phải liên kết ngàm lý thuyết • Liên kết sợi mì, nút giao dầm-cột nút giao dầm-cột-giằng không đạt mong muốn sợi mì liên kết với keo • Ngồi ra, tính giịn sợi mì đo cắt thủ cơng nên gây sai số mặt kích thước chất liệu sợi mì Do đó, phần lõi mơ hình chưa làm việc hết khả mà lõi làm Phần bốn: KẾT LUẬN Thơng qua việc gán nhiều độ cứng khác cho phần lõi, ta nhận thấy hiệu lõi việc khống chế chuyển vị ngang lực ngang tác dụng đỉnh cơng trình Bằng cách chọn lựa chuyển vị ngang hợp lý 0,02 rad, ta chọn kích thước cho tiết diện cột lõi mơ hình Qua thí nghiệm kiểm chứng mơ hình bàn rung, ta thấy mơ hình hoạt động tốt, vừa đủ độ cứng độ dẻo để chịu tải trọng mong muốn 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Karweit (22/10/2014) Material Testing Lab, Engineering innovation (A summer program for high school studens), Johns Hopkins University [2] Anil K Chopra (2009), Dynamics of Structures 4th Edition, Prentice-Hall [3] Michael Karweit (2014) Design and Construction of a Spaghetti Bridge, Department of Chemical Engineering, Johns Hopkins University,Website: http://slideplayer.com/slide/3503655/ [4] Đỗ Kiến Quốc Động lực học kết cấu, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG HCM  ... nghĩa thực tiễn đề tài Thiết kế kháng chấn vấn đề đáng quan tâm kĩ sư kết cấu Có nhiều giải pháp kháng chấn, giải pháp áp dụng phổ biến điều kiện nước ta tăng cường lõi cứng cho kết cấu Tuy nhiên,... cứu Một giải pháp kháng chấn cơng trình áp dụng phổ biến điều kiện nước ta tăng cường lõi cứng cho kết cấu Nhằm kiểm nghiệm lý thuyết hiệu thực nghiệm lõi cứng, nhóm lập mơ hình kết cấu sợi mì spaghetti... hình thực tế Mơ hình có độ cứng 4K thỏa u cầu chuyển vị mà nhóm đề q trình thiết kế mơ hình [4] 10 Phần ba: THIẾT KẾ MƠ HÌNH 3.1 Mơ tả mơ hình Nhóm mong muốn mơ hình thực tế chịu tải trọng đứng