Khảo sát tác dụng kháng chấn của hệ cản chất lỏng nhớt

MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC Chương 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.4 TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU_MỘT QUAN ĐIỂM THIẾT KẾ HIỆN ĐẠI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU Các hệ thống điều khiển bị động Các hệ thống điều khiển chủ động bán chủ động VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ CẢN CHẤT LỎNG NHỚT 1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.6 TÓM TẮT NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN 2.1 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.5 HỆ CẢN CHẤT LỎNG NHỚT QUAN ĐIỂM NĂNG LƯNG KHI THIẾT KẾ KẾT CẤU CHỐNG ĐỘNG ĐẤT VỚI CÁC HỆ CẢN 2.2 CẤU TẠO HỆ CẢN CHẤT LỎNG NHỚT DÙNG TRONG CÔNG TRÌNH NHÀ CỬA VÀ CẦU Chương 10 ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ SỐ CẢN NHỚT ĐẾN ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU VỚI ĐỘNG ĐẤT 13 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ CẢN NHỚT TUYẾN TÍNH VÀ PHI TUYẾN 18 TỶ SỐ CẢN HIỆU QUẢ CỦA KẾT CẤU CÓ HỆ CẢN NHỚT Kết cấu có hệ cản nhớt tuyến tính Kết cấu có hệ cản nhớt phi tuyến 21 24 ÁP DỤNG LÝ THUYẾT DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN VÀO KẾT CẤU CÓ HỆ CẢN CHẤT LỎNG NHỚT 2.5.1 2.5.2 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.7 Mục lục Các trình ngẫu nhiên Quan hệ tác động đầu vào đáp ứng đầu 26 29 PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÓ CÁC HỆ CẢN NHỚT CHỊU ĐỘNG ĐẤT Phương pháp tải trọng ngang tương đương Phương pháp phân tích phổ phản ứng Phương pháp phân tích lị ch sử thời gian MỘT SỐ ỨNG DỤNG HỆ CẢN NHỚT TRONG THỰC TẾ 34 38 40 40 i Chương 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.6 3.7 Chương 4.1 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CÓ CÁC PHẦN TỬ PHI TUYẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP FNA MỞ ĐẦU 45 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CƠ BẢN CỦA KẾT CẤU CÓ CÁC PHẦN TỬ PHI TUYẾN 46 TÍNH TOÁN CÁC LỰC PHI TUYẾN 47 47 48 49 52 52 54 54 PHÉP CHUYỂN SANG HỆ TỌA ĐỘ SUY RỘNG THEO TỪNG MODE GIẢI CÁC PHƯƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG PHI TUYẾN Phương pháp tích phân xác đoạn Vấn đề sử dụng vector Ritz làm hàm dạng Thuật toán giải phương trình dao động phi tuyến SỰ HIỆU QUẢ CỦA PHƯƠNG PHÁP FNA TÓM TẮT CÁC TÍNH TOÁN BẰNG SỐ TÁC DỤNG CHỐNG ĐỘNG ĐẤT CỦA HỆ CẢN NHỚT VỚI NHIỀU CÁCH PHÂN BỐ HỆ SỐ CẢN THEO CHIỀU CAO CÔNG TRÌNH 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 Chương 5.1 5.2 Mô tả toán Xác đị nh thông số đặc trưng hệ cản Kết Nhận xét phân tích 55 56 58 61 TỶ SỐ CẢN HIỆU QUẢ CỦA KẾT CẤU CÓ HỆ CẢN NHỚT Đặt vấn đề Xác đị nh tỷ số cản hiệu theo phương pháp đơn giản Xác đị nh tỷ số cản hiệu từ phân tích động lực học Phân tích nhận xét 72 72 73 76 ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ TẬP TRUNG HỆ CẢN NHỚT Đặt vấn đề Sự khuếch đại lực dọc cột tập trung damper Chuyển vị gia tốc kết cấu, tỷ số cản hiệu Lực cắt moment cột, dầm Tóm tắt 78 79 81 83 88 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI KẾT LUẬN MỘT SỐ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 89 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO Mục lục ii CHƯƠNG TỔ NG QUAN 1.1 Điều khiển kết cấu _ quan điểm thiết kế đại Các công trình xây dựng nhà cửa cầu thường nhạy cảm với tác động môi trường gió bão, động đất, sóng biển Một thí dụ kinh điển tác hại tác động thiên nhiên dao động xoắn gió cầu Tacoma Narrows Tacoma, Washington khiến phải sụp đổ vào ngày tháng 11 năm 1940, hình 1.1 Hình 1.1 Cầu Tacoma sụp đổ ngày 07/11/1940 Một thí dụ khác tòa nhà 60 tầng John Hancock Tower Boston, Massachusetts có dao động ngang dao động xoắn lớn tác động gió, gia tốc sàn tầng vượt mức cho phép, gây ảnh hưởng xấu đến điều kiện sử dụng công trình Ngoài ra, kính từ 10000 cửa sổ bắt đầu bị tách rơi xuống mặt đất Hai hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD có khối lượng 300 lắp đặt vào năm 1977 để tăng tỷ số cản tòa nhà giảm gia tốc dao động [26] Các công trình xây dựng thường chịu tác động mạnh trận động đất, dẫn đến thiệt hại nặng nề người cải Những năm gần đây, hàng chục nghìn người chết hàng tỷ dollars tài sản bị tổn thất trận động đất Hình 1.2 minh họa hư hỏng sụp đổ công trình số trận động đất gần Các thiệt hại người trận động đất mạnh giới khoảng mười năm qua tóm tắt bảng 1.1 Bảng 1.1 Thiệt hại từ số trận động đất mạnh Địa điểm Northridge, California Kobe, Nhật Bản Kocaeli, Thổ Nhó Kỳ Chi-Chi, Đài Loan Bhuj, Ấn Độ Thời điểm Độ lớn Thiệt hại người 17/01/1994 6.8 60 17/01/1995 6.8 5502 17/08/1999 7.8 15637 28/09/1999 7.7 2400 26/01/2001 8.0 20005 ( Nguoàn : Trung tâm liệu địa vật lý NESDIS ) Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt Thiệt hại tài sản 20 tỷ USD 147 tyû USD 6.5 tyû USD 14 tyû USD 4.5 tyû USD Hình 1.2 Phá hoại công trình số trận động đất mạnh Giải pháp truyền thống để thiết kế kết cấu chống lại tác động thiên nhiên tăng độ cứng lẫn khả chịu lực kết cấu thông qua việc tăng kích thước tiết diện cấu kiện cột, dầm, vách cứng , thân kết cấu phải có khả biến dạng hấp thu lượng Như ta thấy với tác động mạnh động đất, sở dó kết cấu tồn có khả biến dạng không đàn hồi (deform inelastically), biến dạng dẫn tới gia tăng độ mềm khả tiêu tán lượng Tuy nhiên thật không may biến dạng không đàn hồi dẫn đến hư hỏng cục phận công trình có thân kết cấu hấp thu lượng động đất Do đó, có điều nghịch lý thiết kế truyền thống bảo vệ công trình cách cho hư hỏng! Các giải pháp thiết kế truyền thống có phạm vi sử dụng hạn chế dùng công trình quan trọng không cho phép phần tử kết cấu làm việc giới hạn đàn hồi, nhà máy điện nguyên tử, bảo tàng, công trình có tài sản quý giá, công trình có trang trí đặc biệt đắt tiền để hạn chế tối đa hư hỏng Các giải pháp thường tốn mà không chắn : giá thành công trình tăng khối lượng vật liệu kết cấu tăng, độ hiệu chưa thực bảo đảm Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt Với lý trên, vài thập niên gần người ta nghiên cứu ứng dụng nhiều hệ thống điều khiển kết cấu nhằm hạn chế tối đa mức độ nguy hiểm công trình chịu tác động thiên nhiên, đặc biệt động đất Năng lượng hấp thu tiêu tán không thân kết cấu mà hệ thống điều khiển kết cấu (structural control systems) Đây quan điểm tiến bộ, mở đường cho phát triển lónh vực điều khiển kết cấu (structural control hay control of structures): dùng hệ thống phụ trợ để điều chỉnh đặc trưng kết cấu / tác động để bảo đảm cho kết cấu có phản ứng mong muốn 1.2 Các hệ thống điều khiển kết cấu Các hệ thống điều khiển kết cấu chia thành ba nhóm điều khiển bị động, điều khiển chủ động điều khiển bán chủ động 1.2.1 Các hệ thống điều khiển bị động Các hệ thống điều khiển bị động có khả hấp thu tiêu tán lượng, từ giảm phản ứng mức độ hư hại kết cấu Tuy nhiên, nhược điểm hệ bị động lắp đặt vào công trình ta khả thay đổi thông số chúng cho phù hợp với thay đổi tác động Hình 1.3 minh họa số hệ thống điều khiển bị động công trình Thiết bị tiêu tán lượng bị động Hệ giằng bị động công trình Hệ cản điều chỉnh khối lượng bị động cô lập móng Hệ cô lập móng bị động Hệ cản khối lượng bị động Hình 1.3 Ví dụ hệ thống điều khiển bị động Hệ cô lập động đất hay cô lập móng (base isolation) loại hệ bị động thường đặt khoảng chân công trình móng, tức tách rời kết cấu bên khỏi móng “gối đỡ” Các gối đỡ thường làm cao su có lõi chì dùng gối lăn ma sát Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt trượt Do gối có khả biến dạng lớn theo phương ngang nên hệ thống làm mềm kết cấu cách kéo dài chu kỳ riêng nó, tạo hiệu ứng cô lập dao động Ngoài hệ cô lập làm tăng tính cản kết cấu với gối đỡ cao su có lõi chì cao su có tính cản cao Một loại hệ điều khiển bị động khác thiết bị tiêu tán lượng (damper) bố trí kết hợp với giằng phần tử kết cấu khác Các hệ cản kim loại (metallic damper) tiêu tán lượng thông qua biến dạng không đàn hồi kim loại thép mềm, chì hợp chất khác có ứng xử cản trễ (hysteretic damping) Các hệ cản ma sát (friction damper) ứng dụng nguyên lý lượng tiêu tán thành nhiệt trượt tương đối thép Các hệ cản đàn nhớt (viscoelastic damper) hệ cản chất lỏng nhớt (fluid viscous damper) tiêu tán lượng qua biến dạng cắt Ngoài ra, hệ cản bị động dùng hiệu ứng quán tính sử dụng hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD, hệ cản điều chỉnh chất lỏng TLD Các hệ thường đặt mái công trình để chuyển động khối lượng phụ trợ tạo lực cản làm giảm chuyển động kết cấu Các hệ điều khiển bị động nghiên cứu phát triển khoảng 30 năm với nhiều ứng dụng công trình thực tế 1.2.2 Các hệ thống điều khiển chủ động bán chủ động Công trình Bộ tác động điều khiển Hệ giằng chủ động Bộ tác động điều khiển Công trình Khối lượng Cảm biến Cô lập móng Bộ tác động điều khiển Hệ cô lập móng chủ động Hệ cản khối lượng chủ động Hình 1.4 Ví dụ hệ thống điều khiển chủ động Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt Hệ thống điều khiển chủ động (active structural control system) có khả thu nhận trạng thái kết cấu, từ định tác động để đưa trạng thái trạng thái mong muốn, chế điều khiển phải diễn ta kịp thời khoảng thời gian ngắn Như vậy, hệ chủ động có ưu điểm hệ bị động chỗ thích nghi với thay đổi môi trường (gió, động đất), điều khiển tác động trước Một hệ điều khiển chủ động gồm có ba thành phần sau: (1) Cảm biến (sensors), đo kích động đo phản ứng kết cấu; (2) Bộ điều khiển (controller), xử lý thông tin đưa chương trình hành động; (3) Bộ tác động (actuator), thực thi hướng dẫn mệnh lệnh từ điều khiển Hệ điều khiển chủ động có độ tin cậy không cao hiệu phụ thuộc nhiều vào ổn định nguồn lượng (thường điện) cần cung cấp cho hệ làm việc Hơn vấn đề bảo trì hệ thống thường phức tạp tốn Hình 1.4 minh họa số hệ thống điều khiển bị động Hệ thống điều khiển bán chủ động (semi-active structural control system) tận dụng ưu điểm hệ bị động độ tin cậy cao, đơn giản, lẫn ưu điểm hệ chủ động khả thích ứng với thay đổi tải trọng Hệ bán chủ động cần nguồn lượng thấp nhiều (thường dùng bình ắc-quy) so với hệ chủ động, nguồn lượng có bị hệ bán chủ động làm việc hệ bị động Thông thường, hệ bán chủ động thiết kế để làm việc theo nguyên lý bị động lực kích động nhỏ (động đất yếu), đến kích động lớn (động đất mạnh) hệ bán chủ động tự động chuyển sang làm việc hệ chủ động 1.3 Vài nét lịch sử phát triển hệ cản chất lỏng nhớt Đầu tiên, hệ cản chất lỏng nhớt (fluid viscous damper_ FVD) ứng dụng lónh vực quân Khi thời kỳ chiến trạnh lạnh sau chiến thứ II, Mỹ Nga khởi động chương trình phát triển tên lửa đạn đạo xuyên lục địa (ICBM) có trang bị đầu đạn hạt nhân Mặt dù vấn đề tranh cãi nhà phân tích cho học thuyết chiến lược quân Mỹ tên lửa Mỹ phóng đầu đạn đối phương phát nổ đất Mỹ Đi kèm với học thuyết giả thiết mục tiêu đối phương nhắm vào giàn phóng tên lửa Mỹ, phá hủy nhiều tốt đợt công Do đó, phía Mỹ đặt yêu cầu tên lửa họ phải có khả chịu công hạt nhân mà không bị phá hỏng Lúc đầu, tên lửa đặt lòng đất hầm kiên cố cần phải có hệ thống giảm sốc Các hệ thống cô lập (isolators) bao gồm lò xo cuộn đơn giản kết hợp với thiết bị cản dùng chất lỏng (fluid dampers) sử dụng để giảm chấn động cho tên lửa phận quan trọng giàn phóng Trong số trường hợp khác, kết cấu hầm phóng tên lửa cô lập khỏi dao động theo phương ngang lẫn phương đứng Vào vuối năm 1980, Mỹ chế tạo thiết bị cản chất lỏng với đường kính 180 mm có khả tạo đồng thời lực đàn hồi đến 50 lực cản đến 150 Áp lực chất lỏng thiết bị cản vận hành đạt đến 345 000 kPa Sự thành công hệ cản chất lỏng có tính mạnh dùng cho tên lửa mặt đất mở đường cho việc ứng dụng chúng vào tên lửa thiết bị liên quan tàu, kể tàu ngầm Vào cuối thời kỳ chiến tranh lạnh, tàu chiến hải quân Mỹ thường trang bị khoảng 1000 thiết bị cản chất lỏng nhớt để giảm sốc cho tên lửa hệ thống điện tử quan trọng Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt Những năm 1990, kết thúc chiến tranh lạnh với bầu không khí trị kinh tế tạo điều kiện cho việc ứng dụng kỹ thuật cản nhớt vào mục đích dân Các thị trường truyền thống công ty sản xuất thiết bị bảo vệ (thiết bị cản) Nga Mỹ bị thu hẹp Taylor Devices công ty hàng đầu New York, có nhiều kinh nghiệm thiết kế chế tạo thiết bị cản chất lỏng cỡ lớn dùng cho tên lửa, hệ thống điện tử kết cấu lớn chống lại tác động nổ vụ công, sẵn sàng áp dụng kỹ thuật kinh nghiệm vào công trình xây dựng để tăng khả chống gió bão động đất Các hệ thiết bị nghiên cứu để dùng lại cho ngành xây dựng bao gồm hệ cản dùng cho tên lửa đạn đạo MX cho không quân hay tên lửa có đầu đạn hạt nhân Tomahawk cho hải quân Các chương trình nghiên cứu hệ cản dùng cho công trình nhà cửa cầu kết hợp với Trung tâm nghiên cứu động đất quốc gia(NCEER) đặt trường đại học State University of New York Buffalo, gần trụ sở Taylor Devices Các nghiên cứu tiến hành thiết bị cản có quân sự, lắp vào mô hình kết cấu công trình đặt bàn rung cỡ lớn NCEER để tạo tác động động đất mô hình khảo sát Các thí nghiệm cho thấy hệ cản chất lỏng nhớt làm giảm đáng kể ứng suất lẫn biến dạng mô hình Ủy ban phòng thủ Mỹ tỏ hợp tác cho phép Taylor Devices công bố ứng dụng kỹ thuật nghiên cứu với NCEER Chẳng hạn tòa nhà kết cấu thép thử nghiệm với hệ cản vốn sản xuất cho máy bay ném bom B-2, tòa nhà kết cấu bêtông thử nghiệm với hệ cản tên lửa Tomahawk, số công trình cầu lắp đặt hệ cản tàu ngầm Hầu rào cản việc áp dụng kỹ thuật cản chất lỏng nhớt vào lónh vực xây dựng, kế thừa thành phát triển thời kỳ chiến tranh lạnh 1.4 Cấu tạo hệ cản chất lỏng nhớt dùng công trình nhà cửa cầu Hình 1.5 trình bày cấu tạo dạng hệ cản lợi dụng tính nhớt chất lỏng hãng Taylor Devices chế tạo Hình 1.5 Cấu tạo thiết bị cản nhớt hãng Taylor Devices Thiết bị cản nhớt 450 kN Thiết bị làm thép không gỉ nhiều vật liệu siêu bền khác để đạt tuổi thọ 40 năm Chất lỏng nhớt dùng hệ cản phải xếp vào loại có tính chống cháy, không bén lửa, không độc hại, ổn định nhiệt độ không bị thoái hóa theo thời gian Ngày nay, Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt chất lỏng có đầy đủ đặc tính thuộc họ silicone Chất lỏng silicone sản xuất từ trình chưng cất nên có tính đồng đều, thường có điểm bốc cháy 3400C, có tính trơ, hoàn toàn không độc ổn định nhiệt Chất lỏng silicone dùng hệ cản gần tương tự với silicone dùng loại kem mỹ phẩm Chất bít kín hệ cản (seal) sử dụng thiết kế công nghệ cấp sáng chế dựa nghiên cứu lónh vực vũ trụ, bảo đảm khả chống rò ró tuyệt đối Thiết kế trải qua trình kiểm tra khắt khe dùng 40 năm ứng dụng quân Tác dụng cản thiết bị tạo thành dòng chảy silicone qua đầu pistol làm đồng Đầu pistol chế tạo cho có khoảng hở mặt cylinder (xi-lanh) mặt đầu pistol, tạo thành lỗ hình vành khuyên gọi lỗ cản (damping orifice) Hình dạng đầu pistol định đặc trưng cản thiết bị Khi hệ cản chịu nén chất lỏng buộc phải chảy từ buồng sang buồng 1, hệ cản chịu kéo chất lỏng buộc phải chảy từ buồng sang buồng Chất lỏng chuyển động với vận tốc cao qua lỗ hình vành khuyên tạo chênh áp suất đầu pistol sinh lực cản Ngoài ra, cách chọn vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác cho đầu pistol thân cylinder, người ta lợi dụng thay đổi nhiệt độ lỗ cản để bù đắp lại thay đổi đặc trưng chất lỏng theo nhiệt độ 1.5 Ýù nghóa khoa học thực tiễn đề tài Các hệ thống điều khiển kết cấu chống động đất thøng sử dụng cô lập móng thiết bị cản (hay tiêu tán lượng) Tuy nhiên, hai hệ thống có số điểm khác : • Các hệ cản phân bố theo chiều cao kết cấu không tập trung đáy công trình hệ cô lập (hình 1.6) • Hệ cô lập có tác dụng chủ yếu kéo dài chu kỳ kết cấu (làm mềm kết cấu) tăng tính cản Trong đó, hệ cản phân bố kết cấu làm thay đổi chu kỳ kết cấu mà hiệu giảm phản ứng đạt tiêu tán lượng qua chế cản Hình 1.6 Bố trí damper với giằng chuyển động Hệ cô lập móng Theo quan điểm học, hệ cô lập làm việc nối tiếp với kết cấu hệ cản làm việc song song với kết cấu Hệ cô lập hấp thu “lọc” lượng động đất trước chuyển động truyền lên kết cấu Với kết cấu có hệ cản tất lượng truyền vào hệ kết Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt cấu+damper tiêu tán phụ thuộc đồng thời vào đặc trưng kết cấu damper Do đó, damper phải điều chỉnh tùy theo đặc trưng kết cấu nhằm đạt phản ứng tối ưu, làm cho việc thiết kế hệ cản trở nên khó nhiều so với hệ cô lập, chưa có “quy tắc vàng” để thiết kế tối ưu damper Tuy vậy, hệ cản sử dụng chúng để lắp đặt giá thành rẻ hệ cô lập, mặt khác với công trình không thích hợp dùng hệ cô lập dùng hệ cản Damper đặc biệt hiệu với kết cấu mềm có hệ thống chịu lực ngang yếu, thích hợp cho công trình xây dựng đất mềm Với tác động trực tiếp vào mặt công trình xung gió, bom nổ hệ cô lập móng tác dụng, lúc dùng damper phân bố theo chiều cao kết cấu Với tính chất phức tạp kết cấu có damper, nghiên cứu làm việc chúng vấn đề có ý nghóa khoa học thực tiễn Hệ cản chất lỏng nhớt FVD loại hệ cản phổ biến Thông qua việc phân tích phản ứng kết cấu với nhiều cách bố trí FVD hệ số cản FVD thay đổi, luận văn khảo sát hiệu giảm chấn hệ cản, từ đề xuất vài kiến nghị phạm vi áp dụng 1.6 Tóm tắt nhiệm vụ nội dung luận văn Chương cho nhìn khái quát điều khiển kết cấu lịch sử phát triển hệ cản chất lỏng nhớt đồng thời nêu bật ý nghóa khoa học thực tiễn để tài nghiên cứu Chương tìm hiểu sở lý thuyết thiết kế kháng chấn dùng hệ cản chất lỏng nhớt Đầu tiên, quan điểm thiết kế chống động đất dựa vào khả tiêu tán lượng đề cập Quan điểm giúp ta có nhìn ban đầu mặt định tính hiệu hệ cản nói chung Một số kết nghiên cứu nhiều tác giả tác dụng tỷ số cản nhớt đến đáp ứng động đất hệ bậc tự đàn hồi đàn hồi-dẻo chắt lọc để trình bày Các đặc trưng hệ cản chất lỏng nhớt tuyến tính phi tuyến minh họa qua quan hệ lực cản-chuyển vị Do hệ cản có khả làm tăng tính cản kết cấu nên ta tìm cách xác định tỷ số cản hiệu (hay tỷ số cản tương đương) kêt cấu có dùng hệ cản nhớt Các trường hợp xét từ đơn giản đến phức tạp, từ hệ bậc tự đến hệ nhiều bậc tự do, từ cản nhớt tuyến tính đến cản nhớt phi tuyến Một số phương pháp thiết kế chống động đất cho kết cấu có dùng hệ cản nhớt trình bày theo thứ từ đơn giản đến phức tạp, từ gần đến xác Trong phương pháp tải trọng ngang tónh tương đương phương pháp phân tích phổ phản ứng phương pháp gần thường đề cập quy phạm, phương pháp phân tích động lực học kết cấu có phần tử phi tuyến áp dụng cho thí dụ tính toán số luận văn Phần cuối chương cho thí dụ vài ứng dụng thực tế hệ cản chất lỏng nhớt công trình xây dựng Trong chương ta tìm hiểu sở lý thuyết thuật toán phương pháp phân tích phi tuyến nhanh FNA (Fast Nonlinear Analysis) Các hệ cản nhớt gắn kết cấu phần tử phi tuyến, việc phân tích động lưc học kết cấu phi tuyến thường phức tạp dùng phương pháp cũ FNA phương pháp số giáo sư E.L Wilson [22] đề xuất, dùng phần mềm đại học Berkeley ETABS SAP2000 Với kết cấu có gắn phần tử phi tuyến hệ cản tiêu tán lượng hệ cản nhớt, hệ cản đàn nhớt, hệ cản Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt Như vậy, phương damper nghiêng so với phương nằm ngang nên thành phần thẳng đứng lực cản damper gây lực dọc phụ thêm cột kề với damper Nếu dùng damper có hệ số cản lớn tập trung nhị p lực cản lớn, dẫn đến lực dọc phụ thêm cũ ng lớn theo, trường hợp damper Nếu ta phân bố lực cản cách dùng damper có hệ số cản nhỏ bố trí nhiều nhị p lực dọc cột giảm Để làm sáng tỏ thêm nhận xét trên, lực dọc cột trường hợp 2, 3, damper / tầng so sánh với trường hợp damper / tầng bảng 4.30 Hình 4.22 GIA TĂ NG LỰ C DỌ C CỘ T DO ĐỘ NG ĐẤ T LOMA PRIETA 70% ELCENTRO 63% Neartthquake / Nvertical 60% 49% 47% 50% 45% 51% 40% 42% 32% 30% 24% 25% 22% 20% 10% 0% No damper damper * C damper *C/2 damper *C/3 damper *C/4 Baûng 4.30 So sánh lực dọc cột động đất tùy theo mức độ tập trung damper Động đất Lực dọc cột động đất, chuẩn hóa theo trường hợp damper / taàng damper damper damper damper LOMA PRIETA ELCENTRO Độ giảm lực dọc cột so với trường hợp damper / tầng damper damper damper 0.63 0.49 0.43 37% 51% 57% 0.78 0.71 0.66 22% 29% 34% 4.3.3 Chuyển vị gia tốc kết cấu, tỷ số cản hiệu a Chuyển vị sàn Chuyển vị đỉnh tầng thứ 10 động đất liệt kê bảng 4.31 biểu diễn đồ thị hình 4.23, cho ta số nhận xét đáng ý sau : - Mặc dù mức độ tập trung damper trường hợp kết cấu có bố trí damper khác (thay đổi từ 1÷ damper / tầng) chuyển vị cực đại trường hợp (bỏ qua chênh lệch 1÷2 mm, rất bé, tương đương với 0%) Điều giải thích có lẽ độ cứng theo phương ngang hệ thống dầm sàn lớn, cân chuyển vị nút có gắn với damper nút không gắn với damper cao trình Mặt khác, lực cản hệ cản nhớt phụ thuộc vào vận tốc tương đối giữ a Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt 81 hai sàn, lệch pha với chuyển vị ngang Không có gia tăng chuyển vị ngang đột ngột nút có liên kết với damper, khác hoàn toàn với tập trung lực dọc cột phân tích mục 4.3.2 Các trường hợp có bố trí damper có tác dụng giảm chuyển vị cực đại khoảng 24% với động đất Loma Prieta 23% với động đất Elcentro - Bảng 4.31 Chuyển vị cực đại (mm) LOMA PRIETA ELCENTRO No damper damper * C damper * C/2 damper * C/3 damper * C/4 101 203 78 155 77 156 77 157 77 157 Hình 4.23 CHUYỂ N VỊ CỰ C ĐẠ I LOMA PRIETA ELCENTRO 250 umax (mm) 200 203 155 156 157 77 77 damper *C/2 damper *C/3 157 150 100 101 78 77 50 No damper damper * C damper *C/4 b Gia toác sàn Gia tốc đỉnh động đất tầng liệt kê bảng 4.32, từ gia tốc cực đại tất tầng thể đồ thị hình 4.24 Bảng 4.32 Gia tốc đỉnh tầng (m/s2) Động đất Loma Prieta Tầng Tầng Taàng Taàng Taàng Taàng Taàng Taàng Taàng Taàng 10 max No damper 0.842 1.729 2.387 2.632 2.338 2.446 2.359 2.749 3.087 3.994 3.994 damper 0.617 1.145 1.558 1.827 1.910 1.862 1.939 2.148 2.356 2.472 2.472 damper 0.561 1.060 1.442 1.681 1.781 1.798 1.897 2.099 2.249 2.342 2.342 damper 0.570 1.078 1.464 1.697 1.782 1.786 1.875 2.083 2.241 2.336 2.336 Động đất Elcentro damper 0.576 1.080 1.473 1.703 1.781 1.780 1.863 2.077 2.241 2.338 2.338 Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt No damper 2.536 4.624 4.926 5.336 5.902 5.349 4.728 4.155 4.701 5.896 5.902 damper 2.721 4.690 5.290 4.960 4.373 3.833 3.979 3.977 3.950 3.943 5.290 damper 2.324 3.955 4.592 4.529 4.139 3.630 3.786 3.899 3.974 4.011 4.592 damper 2.399 4.074 4.691 4.580 4.152 3.627 3.768 3.837 3.875 3.892 4.691 damper 2.442 4.132 4.744 4.613 4.167 3.632 3.757 3.800 3.817 3.825 4.744 82 Các phương án bố trí damper xét có tác dụng giảm gia tốc sàn, với hiệu trung bình 41% với động đất Loma Prieta 18% với động đất Elcentro Nếu chuyển vị max giữ a trường hợp tập trung damper gia tốc max chênh lệch tới 6% với động đất Loma Prieta hay 13% với động đất Elcentro Tuy nhiên, chênh lệch nhỏ nhiều so với chênh lệch lực dọc cột mức độ tập trung damper Hình 4.24 GIA TỐ C CỰ C ĐẠ I LOMA PRIETA ELCENTRO amax (m/s2) 5.902 5.290 3.994 2.472 4.592 4.691 2.342 2.336 4.744 2.338 No damper damper * C damper *C/2 damper *C/3 damper *C/4 c Tỷ số cản hiệu Bây ta xác đị nh tỷ số cản hiệu ξeff hệ kết cấu+damper theo phương pháp đề nghị toán : - - - (i) Phân tích theo lị ch sử thời gian kết cấu damper có tỷ số cản 20% ta chuyển vị cực đại umax = 80 mm động đất Loma Prieta umax = 163 mm động đất Elcentro Nếu tăng tỷ số cản thành 25% umax = 74 mm động đất Loma Prieta umax = 152 mm động đất Elcentro (ii) Theo kết chuyển vị cực đại từ phân tích động lực học phi tuyến kết cấu có damper cho bảng 4.31 umax = 77 mm động đất Loma Prieta umax = 156 mm động đất Elcentro So sánh (i) (ii) ta nội suy ξeff hệ kết cấu+damper 22.5% với động đất Loma Prieta 22.7% với động đất Elcentro Nếu ξeff xác đị nh theo phương pháp đơn giản dựa vào công thức (4.3) ta có ξeff = 20.7% cho trường hợp damper phân bố theo chiều cao (bảng 4.25 toán 2) Một lần nữ a, phương pháp đơn giản mà sở lý thuyết trình bày chương cho ước lượng sơ xác tỷ số cản hiệu quả! Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt 83 4.3.4 Lực cắt moment cột, dầm Mặc dù tập trung damper làm tăng lực dọc cột khảo sát 4.3.2 kết phân tích động lực học kết cấu có damper cho thấy tượng không xảy thành phần nội lực khác moment lực cắt cột, moment dầm Lực cắt lớn động đất cột tầng ứng với sơ đồ khảo sát cho bảng 4.33 4.34, đồ thị hình 4.25 4.26 Thứ tự cột từ trái sang phải Bảng 4.33 Lực cắt cột (kN) động đất Loma Prieta Coät Coät Coät Coät Cột Cột no damper damper ×C damper × C/2 damper × C/3 damper × C/4 236 285 286 286 285 236 179 218 224 212 206 168 179 209 209 209 209 169 175 216 212 209 207 171 173 224 215 210 206 172 Chênh lệch giữ a phương án damper ≤ 3% ≤ 7% ≤ 7% ≤ 1% ≤ 1% ≤ 2% Hiệu trung bình phương án damper 34% 31% 33% 36% 38% 39% Chênh lệch giữ a phương án damper ≤ 4% ≤ 1% ≤ 0% ≤ 3% ≤ 4% ≤ 2% Hiệu trung bình phương án damper 36% 37% 36% 37% 38% 42% Bảng 4.34 Lực cắt cột (kN) động đất Elcentro Coät Coät Coät Coät Coät Cột - - no damper damper ×C damper × C/2 damper × C/3 damper × C/4 550 663 666 666 663 550 395 481 490 475 468 383 413 481 488 490 489 390 408 484 488 488 486 388 405 487 489 487 483 387 Ảnh hưởng mức độ tập trung damper đến lực cắt cột nhỏ Khi thay đổi số damper từ tới cho tầng độ chênh lệch lực cắt cột ≤ (1÷7)% với động đất LomaPrieta ≤ (0÷4) % với động đất Elcentro Các phương án damper có tác dụng giảm lực cắt cột, trung bình khoảng 35% với động đất LomaPrieta 38% với động đất Elcentro, so với sơ đồ damper Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt 84 Hình 4.25 LỰ C CẮ T CỘ T, Loma Prieta No damper damper * C Coä t Coä t 2 damper *C/2 damper *C/3 damper *C/4 350 Vcolumn (kN) 300 250 200 150 100 50 Coä t Coä t Coä t Coä t Hình 4.26 LỰ C CẮ T CỘ T, Elcentro No damper damper * C damper *C/2 damper *C/3 damper *C/4 700 600 V column (kN) 500 400 300 200 100 Coä t Coä t Coä t Coä t Coä t Cộ t Với moment cột (bảng 4.35 & 4.36, đồ thị hình 4.27 & 4.28) moment dầm (bảng 4.37 & 4.38, đồ thị hình 4.29 & 4.30) ta cũ ng có nhận xét tương tự ảnh hưởng nhỏ mức độ tập trung damper Các dầm cột tầng một, thứ tự từ trái sang phải - Khi thay đổi số damper từ tới cho tầng độ chênh lệch moment cột moment dầm ≤ (2÷4)% với động đất LomaPrieta; chênh lệch moment cột ≤ (0÷4)% moment dầm ≤ (1÷3)% với động đất Elcentro - Các phương án damper có tác dụng giảm moment cột trung bình khoảng 35%, giảm moment dầm trung bình khoảng 30% (động đất LomaPrieta) 36% (động đất Elcentro) Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt 85 Bảng 4.35 Moment cột (kNm) động đất Loma Prieta Coät Coät Coät Coät Coät Cột no damper damper ×C damper × C/2 damper × C/3 damper × C/4 945 1017 1021 1021 1017 945 703 760 775 757 752 695 727 737 759 769 770 679 709 742 749 757 756 672 698 758 748 750 748 674 Chênh lệch giữ a phương án damper ≤ 4% ≤ 3% ≤ 3% ≤ 2% ≤ 3% ≤ 3% Hiệu trung bình phương án damper 33% 36% 35% 35% 34% 39% Chênh lệch giữ a phương án damper ≤ 3% ≤ 1% ≤ 0% ≤ 3% ≤ 4% ≤ 2% Hiệu trung bình phương án damper 34% 35% 34% 35% 35% 38% Bảng 4.36 Moment cột (kNm) động đất Elcentro Cột Coät Coät Coät Coät Coät no damper damper ×C damper × C/2 damper × C/3 damper × C/4 2189 2353 2361 2361 2353 2189 1605 1735 1755 1718 1696 1570 1622 1744 1759 1766 1763 1601 1648 1749 1758 1760 1753 1596 1639 1756 1756 1755 1745 1592 Hình 4.27 MOMENT COÄT, Loma Prieta No damper damper * C damper *C/2 damper *C/3 damper *C/4 1200 Mcolumn (kNm) 1000 800 600 400 200 Coät Cột Cột Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt Cột Cột Cột 86 Hình 4.28 MOMENT CỘT, Elcentro No damper damper * C damper *C/2 damper *C/3 damper *C/4 2500 Mcolumn (kNm) 2000 1500 1000 500 Coät Coät Coät Coät Coät Cột Hình 4.29 MOMENT DẦM, Loma Prieta No damper damper * C damper *C/2 damper *C/3 damper *C/4 400 350 Mbeam (kNm) 300 250 200 150 100 50 Daàm Daàm Daàm Dầm Dầm Hình 4.30 MOMENT DẦM, Elcentro Mbeam (kNm) No damper damper * C damper *C/2 damper *C/3 damper *C/4 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Daàm Dầm Dầm Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt Dầm Dầm 87 Bảng 4.37 Moment dầm (kNm) động đất Loma Prieta Daàm Daàm Daàm Daàm Daàm no damper damper ×C damper × C/2 damper × C/3 damper × C/4 370 352 353 352 370 286 277 268 275 284 288 278 277 278 285 284 273 273 274 275 281 270 270 271 279 Chênh lệch giữ a phương án damper ≤ 2% ≤ 3% ≤ 3% ≤ 3% ≤ 4% Hiệu trung bình phương án damper 30% 28% 30% 28% 32% Chênh lệch giữ a phương án damper ≤ 2% ≤ 1% ≤ 3% ≤ 2% ≤ 2% Hiệu trung bình phương aùn damper 36% 36% 37% 36% 37% Baûng 4.38 Moment dầm (kNm) động đất Elcentro Dầm Dầm Daàm Daàm Daàm no damper damper ×C damper × C/2 damper × C/3 damper × C/4 870 832 833 832 870 632 610 597 602 625 642 617 615 617 634 641 615 614 614 636 640 613 612 612 636 4.3.5 Toùm tắt Tập trung damper với hệ số cản lớn kết cấu khuếch đại lực dọc cột có động đất Lực dọc lớn nhiều so với trường hợp hệ cản Muốn hạn chế lực dọc động đất phân bố hệ cản thành nhiều damper với hệ số cản nhỏ Tuy nhiên, phương án bố trí hệ cản nhớt với mức độ tập trung damper khác cho hiệu giảm chuyển vị sàn nhau; hiệu giảm gia tốc sàn, lực cắt moment cột, dầm gần Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt 88 Chương KẾT LUẬN , HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt - - - - - Tiêu tán lượng bị động kỹ thuật bật để cải thiện ứng xử công trình cách thêm tính cản và, số trường hợp, độ cứng cho kết cấu Hệ cản nhớt loại thiết bị mà đáp ứng lực-chuyển vị phụ thuộc vào vận tốc tương đối giữ a hai đầu thiết bị cản nhớt Khác với hệ cô lập móng, tác dụng giảm phản ứng kết cấu hệ cản nhớt có làm gia tăng tính cản hay khả tiêu tán lượng động đất thay đổi tần số Ví dụ số toán cho thấy có damper lượng đầu vào (Input Energy) tăng mức độ hư hỏng cấu kiện kết cấu giảm nhiều hệ cản hấp thu phần lớn lượng Hệ cản bảo vệ kết cấu, làm giảm đáng kể phần lượng phải tiêu tán biến dạng dẻo kết cấu (hysteretic energy) với động cũ ng giảm theo Một ưu điểm damper thích hợp với kết cấu có độ cứng thấp kết cấu có chuyển vị lệch vận tốc lệch giữ a sàn tầng lớn, dễ dàng kích hoạt cho damper phát huy hiệu cản (xem phương trình (2.9) quan hệ lực cản vận tốc) Khi tăng hệ số cản damper hiệu cản cũ ng tăng theo, không tăng tuyến tính So sánh hiệu phương án phân bố hệ cản theo chiều cao - - Khác với hệ cô lập móng tập trung đáy công trình, hệ cản nhớt bố trí theo chiều cao công trình làm việc song song với kết cấu Đáp ứng với động đất hệ kết cấu có hệ cản nhớt phức tạp, không thay đổi tùy theo đặc trưng kết cấu hệ cản mà tùy vào cách phân bố damper mặt theo chiều cao công trình Ba cách phân bố hệ số cản damper theo chiều cao khảo sát toán đều, tam giác (tương tự phân bố trọng lượng công trình) tam giác ngược (tương tự phân bố lực động đất tương đương), cho hiệu kháng chấn tóm tắt bảng 5.1, hệ số cản damper nằm khoảng 5000 ÷ 10000 kNs/m (khoảng giá trị phổ biến), cho ta số nhận đị nh sau : o Hệ cản nhớt dễ dàng đưa tỷ số cản kết cấu từ giá trị ≤ 5% ban đầu lên giá trị ≥ 20%, với cách phân bố damper tam giác, làm giảm đáng kể phản ứng kết cấu o Cách phân bố tam giác tam giác ngược đòi hỏi tổng hệ số cản damper nhau, hiệu phương án tam giác ngược thấp khoảng từ 1.5 đến 2.5 lần so với phương án tam giác Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt 89 o - Cách phân bố tam giác đòi hỏi tổng hệ số cản damper 55% so với cách phân bố đều, cho hiệu giảm chuyển vị gia tốc khoảng 80÷ 85% so với cách phân bố Tuy nhiên, hiệu giảm lực cắt moment cột, dầm phương án tam giác không thua mà trội phương án phân bố damper Từ ta dự đoán rằng, tăng hệ số cản phương án tam giác cho với phương án phân bố hiệu giảm nội lực cột, dầm phương án tam giác vượt xa phương án phân bố Có thể kết luận phương án tập trung hệ số cản damper tầng giảm dần lên cao cách phân bố tam giác tỏ ưu việt Bảng 5.1 Hiệu kháng chấn phương án phân bố damper Đều Tam giác Tam giác ngược Tổng hệ số cản damper Tỷ số cản hiệu Giảm chuyển vị Giảm gia tốc Giảm lực cắt cột 33 ÷ 41 % 37 ÷ 42 % Giảm moment cột 24 ÷ 35 % 28 ÷ 35 % Giảm moment dầm 26 ÷ 38 % 26 ÷ 36% n 0.55n 20 ÷ 30 % 16 ÷ 24 % 37 ÷ 49 % 30 ÷ 42 % 36 ÷ 42 % 36 ÷ 38 % 0.55n 13 ÷ 18 % 23 ÷ 33 % 25 ÷ 28 % 23 ÷ 20 % 12 ÷ % 12 ÷ 13 % Ảnh hưởng mức độ tập trung damper mặt - - - - - Khi giảm số lượng damper, muốn bảo đảm hiệu tiêu tán lượng phải dùng damper với hệ số cản lớn hơn, cho lực cản lớn Lúc đó, thành phần theo phương thẳng đứng lực cản (do damper nghiêng so với phương ngang) khuếch đại lực dọc cột lân cận với damper Trong toán ví dụ 3, so với trường hợp damper trường hợp có damper tầng gây lực dọc gấp tới lần Khi ta phân damper có hệ số cản lớn thành nhiều damper có hệ số cản nhỏ tượng tập trung lực dọc cột giảm dần cách tương ứng nhỏ lực dọc damper Cần lưu ý đến tượng tăng lực dọc cột tập trung damper thiết kế cột cũ ng móng, quan tâm đến biện pháp chống lún lệch (nếu có) chênh lệch tải trọng Do độ cứng theo phương ngang hệ thống dầm sàn lớn cân chuyển vị giữ a nút có gắn với damper nút không gắn với damper cao trình, lực cản nhớt lệch pha với chuyển vị nên tập trung damper không làm gia tăng chuyển vị ngang! Sự tập trung damper cũ ng ảnh hưởng đến gia tốc sàn, lực cắt moment cột, dầm Giữ a phương án có mức độ tập trung damper khác nhau, chênh lệch gia tốc vào khoảng 10%, moment lực cắt vào khoảng 3% Các phương án tập trung damper khác có hiệu giảm gia tốc sàn, lực cắt moment cột, dầm Do việc giảm bớt số lượng damper cách dùng damper có hệ số cản lớn ảnh hưởng đến lực dọc số cột mà ảnh hưởng đến đáp ứng khác kết cấu, mặt khác giúp mở rộng không gian sử dụng công trình (nếu cần thiết) giá thành damper Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt 90 không hoàn toàn tỷ lệ với hệ số cản [10], nên thiết kế thực tế cần cân nhắc so sánh hiệu kinh tế phương án sử dụng damper + gia cố cục số cột móng với phương án sử dụng nhiều damper có hệ số cản nhỏ Phương pháp xác đị nh tỷ số cản hiệu kết cấu có hệ cản nhớt chị u động đất - Hệ số cản damper ước lượng dựa vào mode dao động thứ kết cấu Các phương pháp phân tích kết cấu đơn giản phương pháp tải trọng ngang tương đương hay phương pháp phổ phản ứng kể đến tác dụng damper cách tăng tỷ số cản ban đầu kết cấu thành tỷ số cản hiệu ξeff hay tỷ số cản tương đương xác đị nh theo phương pháp đơn giản trình bày chương 2, sau loại bỏ damper khỏi sơ đồ tính tiến hành phân tích kết cấu bình thường Kết so sánh toán cho thấy: o ξeff xác đị nh theo phương pháp đơn giản có sai số so với ξeff xác đị nh từ phân tích động lực học kết cấu theo lị ch sử thời gian o Mức độ sai số phụ thuộc vào cách phân bố hệ số cản damper theo chiều cao Sai số nhỏ hệ cản phân bố (10%), sai số lớn phân bố hệ số cản theo quy luật tam giác ngược (35%) o Với ví dụ khảo sát ξeff xác đị nh theo phương pháp đơn giản thường nhỏ ξeff xác đị nh theo phân tích lị ch sử thời gian, thiên an toàn đánh giá thấp tác dụng damper so với hiệu thực - Tuy nhiên, phương pháp đơn giản thích hợp cho kết cấu đối xứng, độ cứng khối lượng phân bố đặn Các hệ cản nhớt tuyến tính hay phi tuyến có quan hệ lực-chuyển vị phi tuyến Chính đặc trưng phi tuyến điều chỉnh đặc trưng động kết cấu Do đó, trường hợp, có thể, cần phân tích lị ch sử thời gian với sơ đồ kết cấu có damper mô tả cách thích hợp thấy rõ đáp ứng động kết cấu Vấn đề ứng dụng hệ cản chất lỏng nhớt vào công trình xây dựng - - Có thể dùng hệ cản nhớt cho công trình cho công trình cũ cần gia cố mà không cần phải tách rời phần móng hệ cô lập móng (base isolator) Các thí dụ tính toán số luận văn khảo sát trường hợp bố trí hệ cản nhớt giằng chéo Thực tế, hệ cản nhớt bố trí nằm ngang, tránh khuếch đại lực dọc cột (bài toán 3) Có trường hợp, hệ cản nối đỉnh tường hay vách tầng với dầm tầng trên, phương án đòi hỏi phải có khoảng hở giữ a đỉnh tường hệ dầm sàn nằm Thiết kế hệ cản cần quan tâm đến điều kiện môi trường: gió, tượng mỏi, nhiệt độ xung quanh, nhiệt độ khi thiết bị làm việc tác động khác Mặc dù việc sử dụng hệ thống điều khiển kết cấu nói chung hay hệ cản chất lỏng nhớt nói riêng quan tâm nhiều nước giới thập niên gần đây, vấn đề nhiều chuyên gia Việt Nam Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt 91 5.2 Một số hướng phát triển đề tài Ứng xử với tải trọng động kết cấu có trang bị hệ cản nhớt vấn đề phức tạp, đòi hỏi nhiều nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm nữ a để bảo đảm độ tin cậy giải pháp điều khiển này, từ ứng dụng vào thực tiễn cách hiệu tối ưu - Nghiên cứu thiết kế tối ưu hóa hệ cản cho nhiều hình dạng thể loại kết cấu Đây đề tài khó hướng dẫn cách bố trí cũ ng chọn thông số cho hệ cản mang tính chất gợi ý sơ - Khảo sát số hình thức khác việc ứng dụng hệ cản chất lỏng nhớt, ví dụ tường cản nhớt (viscous damping wall), kết hợp bình hình trụ chứa chất lỏng nhớt (cylindrical pot fluid damper) với lò xo xoắn ốc thép (helical steel spring) để làm hệ cô lập động đất, thêm hệ cản nhớt nằm ngang cho hệ cô lập móng gối cao su Nghiên cứu tương tác đất -móng - kết cấu - hệ cản nhớt với nhiều loại đất, giải pháp móng sơ đồ kết cấu khác Xem minh họa hình 5.1 Cản nhớt Bức tường cản nhớt kế t cấ u Cản nhớt Móng Cô lập móng Hình 5.1 Một số hình thức ứng dụng hệ cản nhớt Nền - Nghiên cứu tác dụng chống xoắn hệ cản chất lỏng nhớt cho kết cấu không đối xứng - Ở thí dụ tính toán luận văn này, ta giả thiết việc đưa hệ cản vào kết cấu giúp kết cấu làm việc giai đoạn đàn hồi, ứng xử phi tuyến tập trung hệ cản Cần nghiên cứu sâu tác dụng hệ cản nhớt kết cấu làm việc miền đàn hồi Lúc đó, xem xét hiệu chống phá hoại kết cấu damper thể chỗ hạn chế hình thành khớp dẻo giảm góc xoay khớp dẻo Dó nhiên, toán trở nên phức tạp nhiều - Ứng xử hệ cản phụ trợ chia thành hai loại phụ thuộc vận tốc (ví dụ thiết bị cản nhớt, cản đàn nhớt) phụ thuộc chuyển vị (ví dụ thiết bị cản ma sát, cản kim loại) Cần có khảo sát để so sánh hiệu hai loại hệ cản với nhiều mức độ mạnh yếu tải trọng động Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt 92 - - Khảo sát hiệu chống tác động nổ damper, với trường hợp phổ biến liên quan đến áp lực nổ bom đặt xe (hình 5.2) Bài toán có ý nghó a thực tiễn, giúp xác đị nh khoảng cách an toàn khoảng cách từ điểm đặt bom đến công trình cho ảnh hưởng vụ nổ gây hậu nhỏ Tìm hiểu , vận dụng lý thuyết dao động ngẫu nghiên vào toán động lực học kết cấu Hình 5.2 Tác động bom nổ lên công trình Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] Jerome J Connor, Introduction to Structural Motion Control, Massachusetts Institute of Technology , 2000 T.T Soong, G.F Dargush, Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, John Wiley & Sons , 1997 Hiroki Yamaguchi, Control of Structures, Asian Institute of Technology, 1991 R Clough, J Penzien, Dynamics of Structures, Second Edition, McGraw-Hill, 1993 Anil K Chopra , Dynamics of Structures, International Edition, Prentice -Hall , 1995 Stephen H Crandall, William D Mark, Random Vibration in Mechanical Systems, Academic Press Inc, 1973 Trevor E Kelly, In-Structure Damping and Energy Dissipation, Holmes Consulting Group, 2001 W.L He, A.K Agrawal, Energy Transfer Approach for the Design of Passive Energy Dissipation systems, 15th ASCE Engineering Mechanics Conference, 2002, New York Wenshen Pong, Mark G Vilcheck, Design Parameters for Multi-Story Structures with Damping Devices, CTBUH Review/Vol.1, No 3: Fall 2001 Douglas P Taylor, History, Design and Application of Fluid Dampers in Structural Engineering, Taylor devices inc., www.taylordevices.com Gregg Haskell, David Lee, Fluid Viscous Damping as an Alternative to Base Isolation, Taylor devices inc., www.taylordevices.com Dihong Shao, H Kit Miyamoto, Viscous Damper versus Friction Damper for Retrofit a Non-Ductile Reinforced Concrete Building with Unreinforced Masonry Infills, Proceedings of 68th Convention, Structural Engineers Association of California, Sacramento, CA, 1999 Rakesh K Goel, Influence of Inclined Viscous Damper on Column Axial Force, Structural Engineering and Applied Mechanics, Report No CP/SEAM-2002/03 D.S Hsu, S.X Zhang, Y.F Lee, T.L Huang, The Aseismatic Design of the Structural Fluid Dampers in Important and Public Buildings, Structural Engineering Kit Miyamoto, Robert D Hanson, Design of an Essential Facility with Steel Moment Frames and Viscous Dampers Using 2000 NEHRP, 71st Annual Structural Engineers Association of California Convention Santa Barbara, CA, 2002 Kit Miyamoto, RE Performance-based Design of Steel Pyramid using Viscous Damper, Proceedings of 65th Structural Engineers Association of California Annual Convention, October 1-6, 1996, Maui, Hawaii, pp 119-134 Wenshen Pong, Structural Design for Passive Seismic Control Utilization, CTBUH Review/Vol.1, No 1: May 2000 Wenshen Pong, Performance-based Design Examples for Steel Moment-Resisting Frames with Supplemental Damping, eJSE _ Electronic Journal of Structural Engineering (2002) Robert D Hanson, Ian D Aiken , State-of-the-Art and State-of-the-Practice in Seismic Energy Dissipation, Proceeding, ATC 17-1 Seminar on Seismic Isolation, Passive energy Dissipation, and Active Control, Applied Technology Council, San Francisco, California, March 1993 P Nawrotzki, Passive Control Systems for Buildings in Seismically Active Regions, European Conference on Computational Mechanics ECCM , 2001 NEHRP, Recommended Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings and Other Structures, FEMA 368, Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C Edward L Wilson , Three Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures , CSi Berkeley, California, USA , 2000 Ashour, Samir A., Elastic Seismic Response of Buildings with Supplemental Damping, Ph.D Dissertation, Department of Civil Engineering, University of Michigan, 1987 [24] Wu, Jian-ping, Statistical Study of the Inelastic Response of Structures with High Damping Subjected to Earthquake, Ph.D Dissertation, Department of Civil Engineering, University of Michigan, 1987 [25] Newmark, N.M and Hall, W.J., Earthquake Spectra and Design, Earthquake Engineering Research Institute, Oakland, CA, 1982 [26] Nguyeãn Hữ u Anh Tuấn, Khảo sát giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TMD, Luận văn thạc só khoa học kỹ thuật, ĐH Bách Khoa Tp HCM, 2002 [27] Ahsan Kareem, Tracy Kijewski, Yukio Tamura , Mitigation of Motions of Tall Buildings with Specific Examples of Recent Applications , Wind and Structures 2(3) , 1999 [28] A Parvin, Z Ma, The use of Helical Spring and Fluid Damper Isolation System for Bridge Structures Subjected to VerticalGround Motion, eJSE (2001) [29] Y.Y Lin , M.H Tsai , J.S Hwang, K.C Chang , Direct Displacement-based Design for Building with Passive Energy Dissipation Systems , Engineering Structures 25 (2003), 2002 [30] Computers and Structures, Inc., SAP2000 NonLinear, Software, Berkeley, California ... Với kết cấu có gắn phần tử phi tuyến hệ cản tiêu tán lượng hệ cản nhớt, hệ cản đàn nhớt, hệ cản Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt ma sát, hay hệ cô lập móng mà vị trí chúng xác... cập Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt Chương HỆ CẢN CHẤT LỎNG NHỚT 2.1 Quan điểm lượng thiết kế kết cấu chống động đất với hệ cản Ta mô tả tổng quát kết cấu trang bị hệ cản hình... lực cản không đổi Hình 2.16 nh hưởng chu kỳ T Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt 20 2.4 Tỷ số cản hiệu kết cấu có hệ cản nhớt Việc lắp đặt hệ cản nhớt vào kết cấu làm tăng tính cản