Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGÔ NGỌC CƯỜNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG KẾT CẤU VỚI HỆ CẢN ĐIỀU CHỈNH CỘT CHẤT LỎNG (TLCD) LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP Mà SỐ: 23 04 10 KHÓA : 2001 - 2003 TP HỒ CHÍ MINH Tháng 12 năm 2003 TÓM TẮC LUẬN VĂN Với phát triển khoa học kỹ thuật ngày cao, công trình dân dụng – công nghiệp sở hạ tầng ngày nâng cao số lượng chất lượng Các công trình cao tầng, cầu nhịp lớn, giàn khoan, tháp truyền hình, … vốn có tính cản thấp độ mềm cao, nhạy cảm với tác động môi trường nên phản ứng kết cấu lớn, dễ gây hư hỏng kết cấu ảnh hưởng đến tâm lý người sử dụng Các giải pháp truyền thống để khắc phục tác động môi trường tăng độï cứng khối lượng công trình, tỏ hiệu nhiều trường hợp Một quan điểm mẻ ‘ điều khiển kết cấu’, dùng hệ điều khiển bị động, chủ động bán chủ động để điều chỉnh đặc trưng kết cấu hoặc/ tác động đảm bảo kết cấu có phản ứng mong muốn Luận văn nghiên cứu giải pháp điều khiển kết cấu với hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng bị động TLCD, gồm nội dung sau đây: - Tìm hiểu đặc trưng đáp ứng chế cản khác vật liệu kết cấu, tiêu tán lượng hệ cản bị động - Viết phương trình chuyển động phi tuyến cho kết cấu, hệ cản bị động, khảo sát sai số hệ phi tuyến hệ tuyến tính hóa tương đương Tìm thông số tối ưu hệ cản trường hợp kích động khác phương pháp số tương ứng với kết cấu có cản không cản - Khảo sát tác dụng hiệu giảm phản ứng hệ cản TLCD kết cấu chịu kích động khác (tải điều hòa, xung hình sin, xung hình chữ nhật động đất) Sử dụng phần mềm Sap2000 Non Linear phân tích động lực học theo lịch sử thời gian So sánh kết với trường hợp sử dụng hệ cản TMD - Khảo sát tác dụng chống gió động hệ TLCD nhà cao tầng, hiệu giảm phản ứng kết cấu So sánh với trường hợp sử dụng TMD Từ kết nhận được, luận văn đưa số nhận xét kết luận quan trọng, có ý nghóa khoa học thực tiễn, tham khảo cho thực tế thiết kế Đề số giải pháp nhằm nâng cao hiệu giảm phản ứng hêï cản TLCD lónh vực điều khiển kết cấu cần nghiên cứu đề tài giải pháp khác / ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên: NGÔ NGỌC CƯỜNG Phái : Nam Ngày sinh: 29 – 08 – 1976 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: XÂY DỰNG DD & CN Khóa 12: (2001 – 2003) I.TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG KẾT CẤU VỚI HỆ CẢN ĐIỀU CHỈNH CỘT CHẤT LỎNG ( TLCD) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết tiêu tán lượng hệ cản bị động Chương 3: Xác định thông số hệ cản bị động TLCD phản ứng công trình Chương 4: Các ví dụ minh họa Chương 5: Kết luận, hướng phát triển đề tài III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18 – 06 – 2003 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 28 – 11 – 2003 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Chu Quốc Thắng VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT : VII HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT : Ngày tháng năm 2003 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Ngày tháng năm 2003 CÁN BỘ NHẬN XÉT Ngày tháng năm 2003 CÁN BỘ NHẬN XÉT PGS.TS CHU QUỐC THẮNG Nội dung đề cương luận văn cao học thông qua hội đồng chuyên ngành TRƯỞNG PHÒNG QLKH - SĐH Tp HCM, Ngày tháng năm 2003 CHỦ NHIỆM NGÀNH PGS.TS CHU QUỐC THẮNG CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS CHU QUỐC THẮNG Người chấm nhận xét 1: Người chấm nhận xét 2: Luận văn cao học bảo vệ HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN CAO HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2003 Có thể tìm hiểu luận văn thư viện Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM LỜI CẢM ƠN ! Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy Chu Quốc Thắng, thời gian qua Thầy hướng dẫn tận tình lời khuyên bảo quý báu để em hoàn thành luận văn Xin cảm ơn tất thầy cô nhà trường, cán phòng quản lý sau Đại Học thư viện tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập thời gian làm luận văn Cảm ơn Anh Chị khóa trước bạn bè giúp đỡ động viên thời gian học tập, trình thực luận văn Và xin cảm ơn tất người thân gia đình, đồng nghiệp Khoa Xây Dựng Ban Giám hiệu Trường Cao Đẳng Xây Dựng số tạo điều kiện để hoàn thành khóa học./ Tác giả Ngô Ngọc Cường MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết, ý nghóa khoa học thực tiễn luận văn 1.2 Tổng quan hệ thống điều khiển kết cấu 1.2.1 Hệ thống cô lập động đất ( Cô lập móng) 1.2.2 Các hệ thống tiêu tán lượng bị động (hệ cản bị động) 1.2.3 Các hệ thống điều khiển chủ động bán chủ động 1.2.4 Vật liệu thông minh (Smart materials) 1.3 Lịch sử phát triển hệ cản điều chỉnh chất lỏng bị động TLD TLCD 1.4 Vài ứng dụng hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng TLD TLCD lónh vực điều khiển kết cấu 1.5 Nhiệm vụ luận văn 1.6 Cấu trúc luận văn Chương 13 15 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ SỰ TIÊU TÁN NĂNG LƯNG CỦA HỆ CẢN BỊ ĐỘNG 2.1 Mở đầu 2.2 Đặc trưng đáp ứng tiêu tán lượng hệ cản chất lỏng TLD 2.2.1 Mô hình số TLD 2.2.2 Mô hình học TLD 2.3 Hiện tượng dao động lắc lư – va đập đột ngột 2.3.1 Chuyển động lắc lư chất lỏng 2.3.2 Va đập đột ngột chất lỏng vào thành thùng 2.3.3 Đề xuất mô hình Sloshing – Slamming ( S2 ) tương đương 2.3.4 So sánh kết thực nghiệm kết theo giả thiết Sloshing – Slamming ( S2 ) tương đương 2.4 Mô hình tác động đặc trưng Chương 2 7 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ CẢN BỊ ĐỘNG TLCD VÀ PHẢN ỨNG CỦA CÔNG TRÌNH 16 18 19 19 20 20 21 22 24 25 3.1 Xác định thông số hệ cản bị động TLCD 3.1.1 Mô hình kết cấu – hệ cản Hệ chịu kích động lực Fe(t) 27 27 27 •• Trường hợp hệ chịu kích động gia tốc x g 3.1.2 Tuyến tính hóa tương đương hệ số cản cf 3.1.3 Khảo sát độ xác tuyến tính hóa tương đương 3.2 Tối ưu thông số hệ cản bị động TLCD 3.2.1 Hệ chịu kích động white noise a Hệ cản b Hệ có cản 3.2.2 Hệ chịu kích động First order filter (FOF) 3.3 Xác định hệ số headloss tối ưu 3.4 Ứng xử hệ bậc tự với TLCD 3.4.1 Trường hợp 1: Hệ kết cấu không cản – TLCD không cản 3.4.2 Trường hợp 2: Kết cấu có cản tuyến tính với hệ TLCD không cản 3.4.3 Trường hợp 3: Kết cấu hệ cản TLCD có cản Chương 28 28 29 31 33 34 35 36 38 41 41 43 45 CÁC VÍ DỤ MINH HỌA 4.1 KHẢO SÁT TÁC DỤNG CỦA TLCD KHI KẾT CẤU CHỊU NHIỀU TÁC ĐỘNG KHÁC NHAU 4.1.1 Mô tả toán 48 4.1.2 Kết 50 4.1.3 Nhận xét 60 a Sự tắt dần dao động 60 b Tác dụng hệ cản TLCD việc giảm phản ứng 60 c nh hưởng việc tăng khối lượng hệ cản 64 4.2 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG CỦA NHÀ, KHỐI LƯNG CỦA HỆ CẢN TLCD ĐỐI VỚI TÁC DỤNG CHỐNG ĐỘNG ĐẤT 65 4.2.1 Mô tả toán 65 4.2.2 Nội dung khảo sát 65 4.2.3 Phân tích kết 67 a) Chu kỳ 67 b) Chuyển vị 69 c) Gia tốc 72 d) Lực cắt lớn chân cột 76 4.2.4 Nhận xét chung 78 4.3 TÁC DỤNG CHỐNG GIÓ ĐỘNG CỦA TLCD TRONG NHÀ CAO TẦNG 4.3.1 Mô tả toán 85 4.3.2 Nội dung khảo sát 88 4.3.3 Phân tích kết 89 a) Chu kỳ 89 b) Chuyển vị gia tốc tầng Tg = T1 89 c) Phổ phản ứng kết cấu 93 d) Giảm gia tốc đỉnh kết cấu 96 e) Sự tắt dần dao động 99 4.3.4 Đánh giá hiệu chống gió động hệ cản TLCD 102 Chương KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận 105 Hiệu hệ cản TLCD với tác động khác 105 Ảnh hưởng độ cứng độ mảnh kết cấu đến hiệu hệ cản TLCD 106 Ảnh hưởng chu kỳ xung gió động đến hiệu hệ cản TLCD 107 So sánh tác dụng chống gió động TLCD TMD nhà cao tầng 107 5.2 Các giải pháp cải tiến hệ bị động TLCD hướng phát triển đề tài 108 PHỤ LỤC TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : Ngô Ngọc Cường Ngày, tháng, năm sinh : 29 – 08 – 1976 Nơi sinh: Phú Yên Địa liên lạc : Khu tập thể Trường Cao Đẳng Xây Dựng số Số 24 Nguyễn Du – Phường – Thị xã Tuy Hòa – Tỉnh Phú Yên Điện thoại : 057 810973 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: - Từ tháng 10 năm 1994 đến tháng năm 2000 : Học Đại Học Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng – TP Đà Nẵng Chuyên ngành Xây Dựng Dân Dụng & Công nghiệp - Từ tháng 10 năm 2000 đến tháng năm 2001 : làm công tác giảng dạy Trường Cao Đẳng Xây Dựng số - Từ tháng 10 năm 2001 đến nay, tháng 12 năm 2003 : học Cao Học Xây Dựng Dân Dụng & Công nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Chương TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết, ý nghóa khoa học thực tiễn luận văn Trong xu hội nhập giao lưu phát triển giới khoa học kỹ thuật vấn đề thúc đẩy phát triển đất nước Nhu cầu nhà trung tâm kinh tế thương mại gia tăng số lượng mà đảm bảo chất lượng, mỹ quan, … Nhà cao tầng mọc lên để đáp ứng nhu cầu phát triển nên vấn đề vật liệu cường độ cao phương pháp phân tích kết cấu hợp lý để tạo điều kiện cho phát triển nhà cao tầng cần thiết Ngoài phải nâng cao sở hạ tầng, phục vụ cho phát triển nên công trình cầu nhịp lớn, tháp truyền hình, giàn khoan, … Những kết cấu nêu vốn có tính cản thấp độ mềm cao, nhạy cảm với tác động môi trường gió, động đất, sóng biển, … Các giải pháp truyền thống để chống lại hay giảm tác động môi trường gây chuyển vị, gia tốc, nội lực cho công trình tăng kích thước cấu kiện cột, dầm, vách cứng, … Như giải pháp truyền thống có nhiều nhược điểm mà hiệu giảm dao động không cao Các nhược điểm giải pháp truyền thống cụ thể sau: + Độ an toàn không cao: Khi chịu tác động môi trường lượng tiêu tán chủ yếu hư hỏng kết cấu hay phá hoại cục kết cấu kết cấu làm việc miền đàn hồi + Phạm vi sử dụng hạn chế: Không thể sử dụng cho công trình quan trọng, công trình có nội thất đắt tiền công trình có tài sản q giá không cho phép kết cấu làm việc miền đàn hồi, dễ bị phá hoại hư hỏng + Tốn không chắn: Giá thành xây dựng công trình cao mà không hiệu mặc giảm dao động, giảm gia tốc phá hoại Những thập niên gần người ta nghiên cứu ứng dụng nhiều hệ thống điều khiển kết cấu nhằm giảm tác động môi trường đến công trình động đất, gió, … Năng lượng môi trường gây tiêu tán thông qua hệ thống điều khiển kết cấu ( Control of Structures hay Structural Control ) Điều khiển kết cấu lónh vực mà khắc phục nhược điểm giải pháp truyền thống như: + Giảm thiểu ảnh hưởng tác động gió động đất gây + Kinh Tế: chi phí xây dựng công trình thấp + Phạm vi sử dụng rộng: Vì giảm ảnh hưởng môi trường dẫn tới kết cấu không làm việc miền đàn hồi nên an toàn sử dụng cho công trình Các hệ điều khiển kết cấu nghiên cứu như: hệ cô lập móng, hệ cản bị động : hệ cản ma sát, hệ cản đàn nhớt, hệ cản kim loại, hệ cản va chạm, hệ cản điều chỉnh Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD TMD 60% 50% 40% TLCD 54.7% 54.8% 54.3% 54.8% 54.8% 50.9% 53.0% 47.4% 54.3% 48.3% 54.3% 49.1% 45.0% 40.0% 49.9% 48.6% 49.0% 44.3% 48.2% 40.5% 30% 20% 10% 0% Xung Sin Caû n 1% Xung CN Caû n 1% Xung Sin Caû n 2% Xung CN Caû n 2% Xung Sin Caû n 3% Xung CN Caû n 3% Xung Sin Caû n 4% Xung CN Caû n 4% Xung Sin Caû n 5% Xung CN Cả n 5% Hình 4.3.19 Hiệu giảm gia tốc đỉnh tầng 20 Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD 104 Chương KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Các phân tích nhận xét cho mội toán trình bày chương Từ nhận xét tác giả đưa kết luận chung nhất, tổng quát Hiệu hệ cản TLCD với tác động khác Từ ví dụ 4.1 tác giả tổng hợp lại hiệu giảm phản ứng TLCD thành bảng 5.1 sau Bảng 5.1 Hiệu giảm phản ứng hệ cản TLCD Tác động Điều hòa Xung Sin Động đất Hiệu hệ cản TLCD 3% Giảm chuyển vị Giảm gia tốc 82.4% 82.7% 50.0% 49.8% 27.3% 9.5% Hiệu hệ cản TLCD 5% Giảm chuyển vị Giảm gia tốc 82.6% 86.4% 59.5% 59.3% 40.0% 12.8% (Các giá trị tác động động đất lấy trung bình trận động đất khảo sát) Từ bảng ta thấy hiệu giảm phản ứng hệ cản TLCD tốt tải trọng điều hòa Sở dó tải trọng điều hòa có tính liên tục biên độ không đổi đồng thời có tần số cộng hưởng với kết cấu Hiệu TLCD xung nửa hình sin tốt, nhiên không hiệu tải trọng điều hòa xung có tính chất đột ngột có chiều dương, phản ứng xảy đột ngột đạt cực đại thời gian ngắn Còn động đất hệ cản TLCD mang lại hiệu giảm phản ứng thấp so với trường hợp động đất mang tính ngẫu nhiên cao mà hệ cản điều khiển đến tầng số định, thường tần số mode thứ kết cấu So sánh thấy hiệu giảm chuyển vị TLCD 3% tải điều hòa gấp 1.7 lần so với xung sin gấp 3.0 lần so với động đất Hiệu giảm gia tốc TLCD 3% với tải trọng điều hòa gấp 1.7 lần so với xung sin gấp 8.7 lần so với động đất Tương tự cho hệ cản TLCD 5% có chênh lệch hiệu tác động Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD 105 Ngoài tác giả nhận thấy hiệu tác động điều hòa xung sin giảm chuyển vị gia tốc tương đương Trong động đất có chênh lệch lớn hai hiệu Tất điều nêu gợi ý hệ cản TLCD giải pháp tối ưu để giảm phản ứng cho công trình chịu động đất Tuy nhiên cho hiệu tốt công trình chịu gió động, dạng tải trọng điều hòa, xung sin Ảnh hưởng độ cứng độ mảnh kết cấu đến hiệu hệ cản TLCD Đối với động đất (Northridge) kết cấu có độ cứng lớn (T1=0.25s, 0.5s) hiệu giảm chuyển vị hệ cản TLCD thấp kết cấu có độ cứng nhỏ (T1=1.0s, 1.5s) ngược lại hiệu giảm gia tốc kết cấu lại lớn (ví dụ 4.2) Cũng từ ta thấy hiệu giảm phản ứng TLCD động đất nhạy cảm với độ cứng kết cấu Khi chu kỳ dao động kết cấu thay đổi ( tức độ cứng kết cấu thay đổi) hiệu giảm phản ứng thay đổi khác nhau, quy luật không tỷ lệ với khối lượng hệ cản Khi tăng tỷ số khối lượng hệ cản TLCD: _ Đối với động đất: tùy độ cứng nhà mà hiệu giảm phản ứng thay đổi khác Có thể tăng tỷ số khối lượng hiệu tăng ngược lại hiệu giảm ( ví dụ 4.2) Như tùy vào độ cứng nhà, đặc tính chuyển động nền, phổ động đất thiết kế / ghi gia tốc _ thời gian trận động đất điển hình khu vực xây dựng, đồng thời cần khảo sát so sánh nhiều trường hợp hệ cản TLCD để chọn khối lượng TLCD hợp lý cho công trình _ Đối với gió động: tăng khối lượng hệ cản hiệu giảm phản ứng tăng mức độ tăng chậm dần ( ví dụ 4.3) Từ gợi ý ta không nên chọn tỷ số khối lượng hệ cản lớn, tốt 1% ÷3% Sau bảng 5.2 thể hiệu giảm phản ứng xung gió động hình sin nhà tầng ( ví dụ 4.1) có chu kỳ mode thứ chưa có hệ cản 1s nhà 20 tầng (ví dụ 4.3) có chu kỳ mode thứ 2.3s Bảng 5.2 nh hưởng độ cứng độ mảnh kết cấu đến hiệu chống gió động TLCD Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD 106 Hiệu giảm chuyển vị gia tốc Hệ cản TLCD 3% Nhà tầng Nhà 20 tầng 50.0% 47.0% 52.2% 54.3% Hệ cản TLCD 5% Nhà tầng Nhà 20 tầng 59.5% 49.2% 59.3% 54.7% Từ ta thấy nhà 20 tầng có chu kỳ lớn nhà tầng ( tức nhà 20 tầng mềm hơn), đồng thời nhà 20 tầng mảnh nhà tầng hiệu giảm chuyển vị gia tốc tương ứng với trường hợp khối lượng hệ cản chênh lệch không đáng kể Như cho thấy hiệu giảm phản ứng hệ cản bị động TLCD gió động nhạy cảm độ cứng độ mảnh kết cấu cần điều khiển Ảnh hưởng chu kỳ xung gió động đến hiệu hệ cản TLCD Như khảo sát ví dụ 4.3, miền chu kỳ gió khỏa sát Tg/T1=0.2→ 2.5 mức độ giảm phản ứng cực đại xung quanh điểm cộng hưởng Ở ví dụ miền hiệu TLCD Tg/T1=0.9 ÷1.1 xung gió chữ nhật, 1.0 ÷1.2 xung gió hình sin Ngoài miền cộng hưởng hệ cản TLCD có tác dụng giảm phản ứng hiệu thấp nhiều.Ž So sánh tác dụng chống gió động TLCD TMD nhà cao tầng Bảng 5.3 Tác dụng chống gió động TLCD TMD nhà cao tầng Hiệu giảm chuyển vị gia tốc 1% 37.2% 42.1% Hệ cản TLCD 2% 3% 4% 43.3% 50.2% 43.9% 51.3% 44.8% 51.7% 5% 1% 46.4% 52.8% 40.5% 42.7% Heä caûn TMD 2% 3% 4% 46.0% 51.3% 47.3% 51.7% 48.8% 51.9% 5% 50.3% 52.4% Ta thấy hệ cản TLCD TMD có tác dụng giảm chuyển vị gia tốc đáng kể Tuy nhiên hiệu hệ TLCD thấp hệ TMD dộ chênh lệch không nhiều, chênh lệch hiệu chuyển vị 2.7% ÷4.0% chênh lệch gia tốc – 0.4% ÷0.6% ứng với tỷ số khối lượng từ 1→ 5% khối lượng mode thứ Tóm lại, tác động động đất gió động hiệu hệ TLCD thấp hệ TMD không nhiều với ưu điểm bậc hệ TLCD sau đây, tác giả nhận thấy cách tổng quát dùng hệ TLCD tốt tính kinh tế, tính tiện dụng Các ưu điểm hệ TLCD sau: - Tính cản hệ TLCD thay đổi dễ dàng cách điều chỉnh góc mở van Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD 107 - Điều chỉnh tần số hệ TLCD dễ dàng cách điều chỉnh chiều cao cột chất lỏng Đây điểm mạnh hệ TLCD có thay đổi chu kỳ ( thay đổi tần số) kết cấu trường hợp gia cường, … - Giá thành thấp so với dùng hệ cản TMD vật liệu nước bê tông hay thép Một ví dụ cụ thể là: hệ TMD tòa nhà Citicorp –Nhật Bản giá 1.5 triệu đô la ( giá năm 1977, giá năm 2001 5.0 triệu đo la) tiết kiệm 4.0 triệu đô la cho công trình (số tiền dùng để mua 28 thép lượng bê tông để tăng độ cứng khung sàn cho công trình), dùng hệ cản bị động TLCD ước tính giá 1/10 lần so với hệ TMD mà hiệu thực giảm phản ứng tương đương [6] - Chi phí cho bảo dưỡng, vận chuyển lắp đặt thấp Đồng thời không sử dụng tháo bỏ dễ dàng mà không ảnh hưởng đến kết cấu công trình - Có thể tận dụng nguồn nước hệ TLCD làm hồ dự trữ nước cho chữa cháy 5.2 Các giải pháp cải tiến hệ bị động TLCD hướng phát triển đề tài Hệ cản bị động TLCD có tác dụng tốt việc chống gió động tác động điều hòa, xung sin hiệu với tác động động đất Điều động đất mang tính ngẫu nhiên cao băng tần số rộng, biên độ thay đổi qui luật Khi công trình chịu động đất mode lớn đóng vai trò quan trọng có mode Vấn đề thể rõ công trình cao tầng, tức kết cấu mảnh mềm, hệ TLCD bị động có tần số, thường điều chỉnh đến tần số mode thứ kết cấu Phạm vi tần số hệ MTLCD Hình 5.1 Mô hình hệ MTLCD Để khắc phục nâng cao hiệu giảm phản ứng hệ cản bị động TLCD động đất tăng hiệu với gió động giải pháp dùng hệ MTLCD ( Multiple Tuned Liquid Column Dampers) gồm nhiều TLCD đơn (như hình 5.1), TLCD đơn ta điều chỉnh tần số đến giá trị Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD 108 Như có băng tần số hệ MTLCD tạo ra, phù hợp với băng tần số động đất + Hay dùng hệ TLCD bán chủ động hình 5.2 Hệ gồm TLCD kết hợp với thiết bị điều khiển để thay đổi góc mở van, nghóa thay đổi tính cản TLCD Nguồn lượng dùng để điều khiển không lớn, dùng ắc quy [6] Hình 5.2 Mô hình hệ TLCD bán chủ động + Hoặc dùng hệ TLCD chủ động, hình 5.3 dạng hệ TLCD chủ động Lúc việc điều khiển góc mở van chuyển động cột chất lỏng điều khiển để tạo tần số độ cản phù hợp với dao động công trình Quá trình điều khiển thực nhờ phận điều khiển sau nhận tín hiệu phản ứng công trình qua cảm biến Ngoài giải pháp điều khiển kết cấu cột chất lỏng nêu trên, nhiều giải pháp khác cần quan tâm nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm: + Nghiên cứu giải pháp điều khiển bán chủ động chủ động hệ tiêu tán lượng khác, hệ TMD + Kết hợp giải pháp TLCD với giải pháp khác hệ giằng cản ma sát, cản kim loại, cản nhớt, … Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD 109 b XD KD CD f(t) ⇒ Xs u(t) y Bộ khuếch đại kích động Bộ điều khiển MD Ms,Ks,Cs Cảm biến Hình 5.3 Hệ điều khiển TLCD chủ động (ATLCD) + Khảo sát hiệu TLCD kết cấu làm việc miền đàn hồi, lúc tần số TLCD thiết kế cho công trình miền đàn hồi không phù hợp Vấn đề cần nghiên cứu + Nghiên cứu tương tác đất – móng – kết cấu – hệ TLCD với nhiều loại đất nền, giải pháp móng sơ đồ kết cấu khác Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD 110 TÀI LIỆU THAM KHAÛO [1] Adrian Y.J.Won, Jose A Pirest and Medhat A Harount, Performance Assessment of Tuned Liquid Column Damper Under Random Seismic loading, Journal Non_Linear Mechanics, Vol.32, No 4, pp 745_758, 1997 [2] AnilK Chopra, Dynamics of Structures, Internation, Prentice-Hall,1995 [3] Caughey TK Equivalent Licariation techniques J Acust Soc Am 1963;35:1706_11 [4] C.C.Chang and C.T.Hsu , Control Performance of Liquid Column Vibration Absorbers, Engineering Structures, Vol.20 No 7, pp 580 – 586, 1998 [5] C.C.Chang, M Gu, Suppression of Vortex-excited Vibration of Tall Building Using Tuned Liquid Dampers, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 83, pp 225 – 237, 1999 [6] C.G Koh, S Mahatma and C M Wang, Reduction of structural Vibrations by Multible-Mode Liquid Dampers, Department of Civil Engineering, National University of Singapore, Revised Version January 1994 [7] Den Hartog JP Mechanical Vibrations 4th ed New York: Mcgraw_Hill Book Company, 1956 [8] Fahim Sadek, Bijan Mohraz, H.S.Lew, Single- and multible - Tuned Liquid Colunm Dampers for Seimic Applications, Earthquake Engng Struct Dyn 27, pp 439 - 463, 1998 [9] H.Gao and K.C.S Kwok, Optimum of Tuned Liquid Colunm Dampers, Engineering Structures, Vol 19 No 6, pp 476 – 486, 1997 [10] H Gao, K.S.C Kwok, B.Samali, Characteristics of Multible Tuned Liquid Column dampers In Suppressing structural Vibration, Engineering Structures 21, pp 316 – 331, 1999 [11] Hoäi thảo thiết kế xây dựng nhà cao tầng TP Hồ Chí Minh ( tập ), 1997 [12] Jerome J connor, Introduction to Structural Motion Control, Massachusetts Institute of Technology, 2000 [13] K.Shankar, T.Balendra, Application of the Energy Flow Method to Vibration Control of Buildings with Multible Tuned Liquid Dampers, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 90, pp 1893 – 1906, 2002 [14] K Sun, Earthquake response of buildings with liquid column dampers, Proc 5th U.S.National Conf on Earthquake Engineering, 10_14 July, Chicago, IL, Vol II, 1994, pp.441_420 [15] Nguyeãn Hoa Thịnh, Nguyễn Đông Anh, Vũ Đức Thanh, cố công trình nhìn từ góc độ phân tích động học, Hội nghị Toàn Quốc lần cố công trình, Hà nội, 2001 [16] Nguyễn Hữu Anh Tuấn, Khảo sát giải pháp điều khiển kết cấu với hệ cản điều chỉnh khối lïng TMD, Luận án cao học, ĐHBK TP Hồ Chí Minh 2002 [17] P.A Hitchcock, K.C.S Kwok, R.D Watkins, Characteristics of Liquid Column Vibration Absorbers (LCVA) - I, Engineering Structures, Vol 19 No 2, pp 126 – 134, 1997 [18] P.A Hitchcock, K.C.S Kwok, R.D Watkins, Characteristics of Liquid Column Vibration Absorbers (LCVA) - II, Engineering Structures, Vol 19 No 2, pp 135 – 144, 1997 [19] P.A Hitchcock, M.J.Glanville, K.C.S Kwok, R.D Watkins, B Samali, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 83, pp 183 – 196, 1999 [20] Rao S.S, The Finite Element Method in Engineering, 2nd edition, Pegamon Press, 1989 [21] Ryszad M Kowalczyk; Robert Sinn; MaxB Kilmister, Structural Systems for Tall Buildings, Lehigh University of USA, International Edition, 1995 [22] R.Clough ; J.Penzien, Dynamics of Structures, Second Edittion, Mc Graw- Hill, 1993 [23] Sap 2000 Analysis Reference Verson 7.42, Csi Berkeley, California, USA, 2000 [24] S.D>Xue, J.M Ko, Y.L Xu, Tuned Liquid Colunm Damper for Suppressing Pitching Motion of Structures, Engineering Structures , Vol.23, pp 1538-1551, 2000 [25] Shuguo Liang, Shengchun Liu, Q.S.Li, Liangliang Zhang, Ming Gu, Mathematical Model of acrosswind Dynamic Loads on Rectangular Tall Buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 90, pp 1757 – 1770, 2002 [26] Spanos PD Iwan WD On the existence and uniqueness of Solutions generated by equivalent Linearization Int J NonLinear Mech 1978;13:71_8 [27] Swaroop K.Yalla , Ahsan Kareem, Optimum Absober Parameters for Tuned Liquid Colunm Dampers, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.126, pp 1-20, No 8, Aug 2000 [28] Swaroop K Yalla, Ahsan Kareem, Jeffrey C Kantor, Semi-active Tuned Liquid Column Dampers for Vibration Control of Structures, Engineering Structures 23, pp 1469 – 1479, 2001 [29] Swaroop Krishna Yalla; B.Tech, M.S, liquid dampers for mitigation of Structural Respone, Department of Civil Engineering and geological Sciences Notre dam – Indiana, July 2001 [30] T Balendra, C.M Wang and H F Cheong, Effectiveness of Tuned Liquid Colunm Dampers for Vibration Control of Towers, Engineering Structures, Vol 17 No 9, pp 668 – 675, 1995 [31] T.Balendra, C.M.Wang, G Rakesh, Vibration Control of Tapered Building Using TLCD, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 77&78, pp 245 – 257, 1998 [32] T.Balendra, C.M.Wang, G Rakesh, Vibration Control of Various Types of Buildings Using TLCD, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 83, pp 197 – 208, 1999 [33] T.Balendra, C.M.Wang, G Rakesh, Effectiveness of TLCD on Various Structural Systems, Engineering Structures 21, pp 219 – 305, 1999 [34] T.Balendra, C.M.Wang, N.Yan, Control of Wind-Excited Towers by Active Tuned Liquid Column Damper, Engineering Structures 23, pp 1054 – 1067, 2001 [35] TCVN 2737 : 1995 tải trọng tác động Tiêu chuẩn thiết kế [36] TCXD 229: 1999 Chỉ dẫn tính toán thành phần động tải trọng gió [37] T.T.Song ; G.F.Dargush, Passive Enery Dissipation System in Structural Engineering, John Willey & Sons , 1997 [38] Uri Kirsch, Optimum Structural Design, McGraw-Hill Book Copany, 1981 PHỤ LỤC Phụ lục 1: ĐOẠN CHƯƠNG TRÌNH MATLAB ĐỂ NỘI SUY CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA HỆ TLCD Ở MỤC 4.1 (ví dụ 4.1) File NOISUY.m clc format short % Cac thong so noi suy cho truong hop ty so can cua ket cau chinh la 2% % % Dat ten ty so khoi luong co cac gia tri toi uu da biet la: m1, m2, m3, m4 % m1=0.01; m2=0.015; m3=0.02; m4=0.05; % Dat ten ty so dieu chinh toi uu da biet tuong ung la: gama1, gama2, gama3, gama4 % gama1 = 0.9921; gama2 = 0.9885; gama3 = 0.9850; gama4 = 0.964; % Dat ten ty so can toi uu da biet tuong ung la: Csi1, Csi2, Csi3, Csi4 % Csi1 = 0.0448; Csi2 = 0.0547; Csi3 = 0.0631; Csi4 = 0.0986; % Vec to cac tan so dieu chinh toi uu la GAMA % GAMA = [gama1 gama2 gama3 gama4]; % Vec to cac ty so can toi uu la CO-SI % cosi = [ Csi1 Csi2 Csi3 Csi4]; % Ma tran cua cac ty so khoi luong la MU % M =[m1^3 m1^2 m1 1; m2^3 m2^2 m2 1; m3^3 m3^2 m3 1; m4^3 m4^2 m4 1]; % Vec to tim cac he so de tinh tan so dieu chinh toi uu la A % A = inv(M)*GAMA'; % Vec to tim cac he so de tinh ty so can toi uu la A1 % A1 = inv(M)*cosi'; % cac ty so khoi luong can noi suy la mx[i], o day ta muon noi suy gia tri nhu sau: mx[1] =3%, mx[2] =4%, mx[3] =6% % mx=[0.03 0.04 0.06]; % Vec to ty so khoi luong cua tung mx[i] de tinh cac he so toi uu la MX % for i=1:3 MX=[mx(i)^3 mx(i)^2 mx(i) 1]; % Ty so tan so dieu chinh toi uu can tim la gamaMx[i] % gamaMx(i) = MX*A; % Ty so can toi uu can tim la csiMx[i] % csiMx(i) = MX*A1; end disp('Cac he so de xac dinh ty so dieu chinh toi uu la [A B C D] =') disp(A') disp('Cac he so de xac dinh ty so can toi uu la [A1 B1 C1 D1] =') disp(A1') disp('Cac thong so toi uu ung voi ty so khoi luong mx[3% 4% 6%] la ') disp('ket qua ty so dieu chinh toi uu gamaMx[3% 4% 6%]=') disp(gamaMx) disp('ket qua ty so can toi uu csiMx[3% 4% 6% ]=') disp(csiMx) Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD Phụ Lục Chạy File NOISUY sau: >> NOISUY ↵ Kết chạy Matlab File NOISUY sau: Cac he so de xac dinh ty so dieu chinh toi uu la [A B C D] = -50.0000 4.2500 -0.8025 0.9997 Cac he so de xac dinh ty so can toi uu la [A1 B1 C1 D1] = 395.2381 -47.7857 2.9869 0.0193 Cac thong so toi uu ung voi ty so khoi luong mx[3% 4% 6%] la ket qua ty so dieu chinh toi uu gamaMx[3% 4% 6%]= 0.9782 0.9713 0.9561 ket qua ty so can toi uu csiMx[3% 4% 6% ]= 0.0766 0.0876 0.1119 >> Phụ lục 2: CÁC SỐ LIỆU ĐỘNG ĐẤT MINH HỌA TRONG LUẬN VĂN Các số liệu chuyển động quan Quốc qia động đất Mỹ (NSMP) cung cấp, download từ Internet địa chỉ: http://wwww.nsmp.ucr.usgs.gov/data_sets/ Lịch sử thời gian trận động đất khảo sát luận văn vẽ lại phần mềm Matlab 6.5, đơn vị gia tốc cm/s2 thời gian s sau: Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD Phụ Lục Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD Phụ Lục Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD Phụ Lục Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD Phụ Luïc ... loại, hệ cản va chạm, hệ cản điều chỉnh Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản TLCD khối lượng TMD, hệ cản điều chỉnh chất lỏng TLD TLCD Ngoài hệ cản bán chủ động chủ động. .. - Hệ cản kim loại - Hệ cản ma sát - Hệ cản đàn nhớt - Hệ cản chất lỏng nhớt - Hệ cản va chạm - Hệ cản điều chỉnh khối lượng - Hệ cản điều chỉnh chất lỏng Điều khiển bán chủ động chủ động - Hệ. .. dụng vào mục đích khác Với hệ điều khiển kết cấu nêu hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng mẻ, đặc biệt Việt Nam mà cần nghiên cứu Như nghiên cứu hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng TLCD vấn đề có ý nghóa