Hiệu quả giảm chấn của hệ cản lưu biến từ kết hợp với gối cách chấn nối giữa hai kết cấu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH CAO PHI HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA HỆ CẢN LƯU BIẾN TỪ KẾT HỢP VỚI GỐI CÁCH CHẤN NỐI GIỮA HAI KẾT CẤU Chun ngành: KTXD CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Mã ngành: 60580208 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học 1: TS NGUYỄN HỒNG ÂN Cán hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS ĐÀO ĐÌNH NHÂN Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 23 tháng 08 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS CHU QUỐC THẮNG - Chủ tịch Hội đồng PGS.TS ĐÀO ĐÌNH NHÂN - Ủy viên (Phản biện 1) PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI - Ủy viên (Phản biện 2) PGS.TS NGUYỄN VĂN HIẾU - Ủy viên TS CAO VĂN VUI - Thư ký 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 Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : NGUYỄN THANH CAO PHI MSHV : 1570650 Năm sinh : 22/03/1991 Nơi sinh : Đak Lak Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp Mã số : 60580208 I TÊN ĐỀ TÀI: HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA HỆ CẢN LƯU BIẾN TỪ KẾT HỢP VỚI GỐI CÁCH CHẤN NỐI GIỮA HAI KẾT CẤU II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Tìm hiểu mơ hình ứng xử hệ cản lưu biến từ MR gối cao su lõi chì LRB, quan hệ đầu vào đầu với thông số vật lý tương ứng Áp dụng hệ cản lưu biến từ MR kết hợp với gối cao su lõi chì LRB vào mơ hình kết cấu gồm có hai kết cấu liền kề có gắn thiết bị chịu gia tốc động đất, thiết lập phương trình chuyển động hệ Viết chương trình máy tính ngơn ngữ MATLAB giải phương trình chuyển động phương pháp Newmark có bước lặp bước thời gian phương pháp Runge Kutta bậc 4 Khảo sát đánh giá hiệu gối cao su lõi chì LRB kết hợp với hệ cản lưu biến từ MR nối hai kết cấu III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 26/02/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 17/06/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS.NGUYỄN HỒNG ÂN PGS.TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN NGUYỄN HỒNG ÂN Tp HCM, ngày … tháng … năm 2018 HỘI ĐỒNG NGÀNH NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập thực luận văn Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TPHCM, với bảo, động viên quý Thầy Cô, gia đình bạn bè để vượt qua khó khăn định; cuối tơi hồn thành luận văn Để có điều đó, lời tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy hướng dẫn, Thầy Nguyễn Trọng Phước, Thầy Nguyễn Hồng Ân Các Thầy tận tâm hướng dẫn kiến thức chuyên môn động viên, tạo điều kiện cho học hỏi, nghiên cứu để thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Phạm Đình Trung, người hổ trợ tơi nhiều trình trao đổi để thực luận văn Tiếp đó, tơi gửi lời cảm ơn đến q thầy giảng dạy lớp cao học xây dựng, dẫn quý Thầy không kiến thức khoa học giúp tơi hồn thành chương trình đào tạo mà cịn giúp tơi nhiều khả tư học tập Sau cùng, xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi bên cạnh động viên khuyến khích tơi suốt thời gian học tập vừa qua Mặc dù cố gắng thực luận văn với tất lực mình, khơng thể tránh khỏi thiếu sót Mọi góp ý tơi xin ghi nhận kính mong nhận bảo quý Thầy Cô Tôi xin chân thành cảm ơn! Tp HCM, ngày 18 tháng 06 năm 2018 Tác giả Nguyễn Thanh Cao Phi ii TÓM TẮT Luận văn đánh giá hiệu giảm chấn hệ cản lưu biến từ (MagnetoRheological, MR) kết hợp gối cao su lõi chì (Lead Rubber Bearing, LRB) kết cấu liền kề chịu gia tốc động đất Trong mơ hình này, hệ cản lưu biến từ nối hai kết cấu gối cao su lõi chì đặt chân cột kết cấu thứ Mơ hình học gối cao su lõi chì với thông số liên quan đến độ cứng cản gối hệ cản lưu biến từ với mơ hình hiệu chỉnh Bouc-Wen trình bày chi tiết sở lý thuyết; Sơ đồ tính gồm có hai kết cấu liền kề thiết bị giảm chấn chịu gia tốc động đất đề xuất Từ đó, phương trình vi phân chuyển động tổng qt hệ lượng hệ thiết lập Dữ liệu băng gia tốc phân tích dựa phổ lượng từ việc biến đổi phổ biên độ Fourier Một chương trình máy tính để giải tốn, dựa ngơn ngữ lập trình Matlab, ngồi vịng lặp thuật tốn Newmark tồn miền thời gian, vịng lặp theo phương pháp Runge-Kutta để tìm lực tương tác hai kết cấu bước thời gian viết Kết phân tích số khảo sát cho kết cấu tác động băng gia tốc Elcentro 1940, Kobe 1995, Northridge 1994 trường hợp: Không gắn hệ cản; Kết cấu gắn hệ cản MR hệ kết cấu kết hợp hệ cản MR với gối cao su lõi chì LRB Kết thể gồm: Chuyển vị đỉnh, chuyển vị tầng lực cắt lớn cho thấy hiệu giảm chấn kết cấu gắn hệ cản MR tốt; kết cấu gắn đồng thời hệ cản MR kết hợp gối cao su lõi chì LRB hiệu giảm chấn kết cấu cao Các kết xác nhận thông qua ứng xử trễ hệ cản lưu biến từ tiêu tán phần lượng nguyên nhân gây ii ABSTRACT This thesis analysed dynamic reduction of MR damper (Magneto-Rheological) combined LRB (Lead Rubber Bearing) which set between two structures under ground motion Inline floors are rigidly connected through MR dampers, and lead rubber bearing system has been installed at the foundation level of building The mechanical model of lead rubber bearing with parameters related to the stiffness, damping and the magneto rheological damper with the modified Bouc-Wen model are detailed in the theoretical framework; The model structural include structural control system in adjacent buildings under dynamic loads especially earthquake The governing equations of motion of the coupled system is established base on principle of dynamic balancing A computer program is written in MATLAB programming language to analyze this problem, this equations are solved using Newmark’s step-by step method assuming linear variation of acceleration over a small time interval, the fourth order Runge–Kutta method is used to solve equations The results of numerical analysis investigated for the structure under the effect of real earthquake ground motions, namely, Elcentro 1940 ,Kobe 1995, Northridge 1994 in the following cases such as: single structure, the adjacent structures with MR damper, the adjacent structures with MR damper and lead rubber bearing The results showed that: maximum peak displacement, maximum displacement each other story and maximum shear force showed that the effectiveness of the adjacent structure with MR damper was good and the effectiveness of LRB combine with MR damper in structures was even higher iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu tơi thực hướng dẫn TS Nguyễn Hồng Ân PGS.TS Nguyễn Trọng Phước Các kết luận văn thực xác, chương trình máy tính tơi tự viết Các nhận xét kết khách quan số liệu từ tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ TP Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2018 Nguyễn Thanh Cao Phi iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN .ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xvii KÝ HIỆU VIẾT TẮT xviii CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Phương pháp thực 1.4 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu 2.2 Tổng quan điều khiển kết cấu 2.3 Gối cao su lõi chì LRB 2.3.1 Quá trình phát triển nguyên lý hoạt động gối cao su lõi chì 2.3.2 Ứng dụng gối cao su lõi chì thực tiễn 10 2.3.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 12 2.4 Hệ cản lưu biến từ MR 15 2.4.1 Quá trình phát triển nguyên lý hoạt động hệ cản lưu biến từ 15 2.4.2 Ứng dụng gối cao su lõi chì thực tiễn 16 2.4.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 17 2.5 Kết luận chương 21 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 3.1 Giới thiệu 22 3.2 Mơ hình kết cấu 22 3.2.1 Mơ hình hệ nhiều bậc tự đặt gối cao su lõi chì 24 3.2.2 Phương trình chuyển động hệ kết cấu gắn MR+LRB 26 3.3 Mơ hình gối cao su lõi chì LRB 32 v 3.4 Mơ hình cản MR 33 3.5 Các phương pháp tích phân số giải hệ phương trình vi phân động lực học 35 3.5.1 Phương pháp tích phân Newmark 35 3.5.2 Thuật toán giải phương trình chuyển động 37 3.6 Năng lượng 39 3.7 Đánh giá băng gia tốc 39 3.8 Kết luận chương 41 CHƯƠNG VÍ DỤ SỐ 42 4.1 Giới thiệu 42 4.2 Mô tả liệu trận động đất 42 4.3 Kiểm chứng 45 4.3.1 Bài toán tần số dao động riêng 45 4.3.2 Bài tốn phân tích khung phẳng chịu động đất 46 4.3.2 Bài tốn khung phẳng có gắn thiết bị cách chấn LRB 47 4.3 Khảo sát 49 4.4.1 Khảo sát hiệu giảm đáp ứng với gia tốc Elcentro 51 4.4.2 Khảo sát ảnh hưởng thay đổi điện MR với gia tốc Elcentro 61 4.4.3 Khảo sát ảnh hưởng số lượng MR với gia tốc Elcentro 65 4.4.4 Khảo sát ảnh hưởng loại gối LRB với gia tốc Elcentro 69 4.4.5 Khảo sát hiệu giảm đáp ứng với gia tốc Kobe 73 4.4.6 Khảo sát ảnh hưởng thay đổi điện MR với gia tốc Kobe 83 4.4.7 Khảo sát ảnh hưởng số lượng MR với gia tốc Kobe 87 4.4.8 Khảo sát hiệu giảm đáp ứng với gia tốc Northdge 91 4.4.9 Khảo sát ảnh hưởng thay đổi điện MR với gia tốc Northdge100 4.4.10 Khảo sát ảnh hưởng số lượng MR với gia tốc Northdge 104 4.4 Kết luận chương 108 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 109 5.1 Kết luận 109 5.2 Hướng phát triển 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 vi PHỤ LỤC A 115 PHỤ LỤC B 117 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Kiến Quốc, Nguyễn Trọng Phước (2010), Các phương pháp số động lực học kết cấu, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh [2] Đỗ Kiến Quốc, Lương Văn Hải (2010), Động lực học kết cấu, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh [3] Phạm Đình Trung và Nguyễn Trọng Phước (2013), Hiệu quả giảm chấn hệ cản lưu biến từ kết hợp gối tựa ma sát kết cấu chịu động đất, 13th Conference on Science and Technology – Structure & Architecture Sections, 2013 [4] Lê, Thanh Cường Nguyễn, Trọng Phước (2012) Phân tích hiệu quả giảm chấn hệ cản MR nối hai kết cấu Hội nghị học tồn quốc lần thứ [5] Võ Hờng Thiện (2016), Phân tích hiệu kháng chấn hệ cản lưu biến từ kết hợp với hệ cản khối lượng kết cấu liền kề chịu động đất Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TPHCM [6] Nguyễn Văn Giang, Chu Quốc Thắng (2006), “Khảo sát ảnh hưởng hệ giằng bê tông cốt thép lên hiệu quả chống động đất hệ thống cô lập móng – BIS”, Phát Triển Khoa Học và Công Nghệ, vol 9(8), pp 43-51 [7] Bùi Lê Lệ Hằng (2015), Phân tích hiệu giảm chấn hệ lập móng cao su lỗi chì kết hợp với hệ cản khối lượng kết cấu chịu động đất Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Tôn Đức Thắng TPHCM [8] Lê Thị Phương Ngân (2014), Đánh giá khả giảm chấn kết cấu với hệ cản khối lượng số thiết bị, Luận văn thạc sỹ, Đại Học Bách Khoa Tp Hờ Chí Minh [9] Lê Xn Toản (2012), Thiết kế số dạng gối cách chấn cơng trình chịu động đất, Luận án tiến sĩ, Viện khoa học công nghệ xây dựng Hà Nội 112 [10] Anil K Chopra (2012), Dynamics of structures -theory and applications to earthquake engineering, Fourth Edition, Prentice Hall, New Jerse [11] S Rajasekaran (2009), Structural dynamics of earthquakeengineering Theory and application using MATHEMATICA and MATLAB, First published 2009, Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC [12] M.K Shrimali , S.D Bharti , S.M Dumne(2015) Seismic response analysis of coupled building involving MR damper and elastomeric base isolation Ain Shams Engineering Journal (2015) 6, 457–470 [13] S.D Bharti, S.M Dumnc, M.K.Shrimali (2010) Seismic response analysis of adjacent buildings connected with MR dampers.Ertgmem/ig Structures 30 1240-1249 [14] Uz,Mehmet(2012), Optimum design of scmi-activc dampers between adjacent buildings of different sizes subjected to seismic loading including soil-structure interaction Doctor of Philosophy thesis, School of Civil, Mining and Environmental Engineering, University of Wollongong, 2012 [15] San-Wan Cho (2004) Simple control algorithms for MR dampers and smart passive control system Doctoral Thesis, Korea Advanced Institute of Science and Technolog)' [16] Carlson, J.D., and Spencer Jr., B.F., Magneto-rheological fluid dampers for semi-active seismic control, Proc 3rd International Conference on Motion and Vibration Control, Chiba, Japan, 3, 35–40, 1996 [17] Spencer, B F., Jr., Yang, G., Carlson, J D., and Sain, M K., ‘Smart’ dampers for seismic protection of structures: A full-scale study, Proc., 2nd World Conf Structural Control, Wiley, New York, 1, 417-426, 1999 [18] Sodeyama, H., Sunakoda, K., Fujitani, H., Soda, S., Iwata, N., and Hata, H., Dynamic tests and simulation of magneto-rheological dampers, Comput Aided Civ Infrastruct Eng., 18, 45-57, 2003 113 [19] Kim G C., Kang J W., Seismic response control of adjection building by using hybrid control algorithm of MR Damper Procedia Engineering 14, 1013-1020, 2011 [20] Yang G, Spencer J B., Carlson J D., Sain MK., 2002 Large-scale MR fluid dampers: modeling and dynamic performance considerations Eng Struct 24, 309-323 [21] C.P Providakis (2008), “ Effect of LRB isolators and supplemental viscous dampers on seismic isolated buildings under near-fault excitations”, Engineering Structures, vol 30(2008), pp 1187-1198 [22] Doudoumis, I.N., Gravalas, F., Doudoumis, N.I (2005), “Analytical modeling of elastomeric Lead – Rubber Bearings with the use of finite element micro models”, Journal of Civil Engineering, vol 29(2), pp 1-8 [23] Dinu Bratosin (2004), “Non-linear effects in seismic base isolations”, Proceedings of the Romanian Academy, 5, 3, pp.297-309 [24] Hwang, J.S., Hsu, T.Y (2000), “Experimental study of isolated building under triaxial ground excitations”, Journal of Civil Engineering, vol 126(8), pp 879-886 [25] Jangid, R S (2005) “Optimum friction pendulum system for near-fault”, Engineering Structures, vol 27(6), pp 349-359 [26] Ryan, K.L., Kelly, J.K., Chopra, A.K (2005), “Nonlinear model for Lead – Rubber Bearings including axial-load effects”, Journal of Engineering Mechanics, vol 9(14), pp 1270-1278 [27] Toyama J et al Shinozaki Y, Hosozawa O A design of tall building with semi-active base-isolation system In Fifth World Conference on Structural Control and Monitoring Tokyo, 2010 [28] Bong Yoo, Jae-Han Lee and Gyeong-Hoi Koo (2001), “Effects of Lead Plug in Lead Rubber Bearing on Seismic Response for an isolated Test structure”, Transaction, SMIRT 16, Washington DC,p.p1789-1795 114 [29] F Industriale, "Lead Rubber Bearings," ed, 2016 [30] Động đất Alaska, 1964, “https://en.wikipedia.org/wiki/1964_Alaska_earthquake” [31] Động đất Christchurch, 2011, “https://en.wikipedia.org/wiki/2011_Christchurch_earthquake” [32] Động đất Nepal, 2015, “https://en.wikipedia.org/wiki/April_2015_Nepal_earthquake” [33] Động đất Điện Biên, 2018, “ https://vnexpress.net/tin-tuc/thoi-su/dien-biendong-dat-3-9-do-richter 3695779.html?vn_source=rcm_detail&vn_medium =thoisu&vn _campaign =rcm&ctr=rcm_detail_env_4_click_thoisu ” [34] Bệnh viện Facade of Tsushima, Corun Turkey, “http://www4.kke.co.jp/stde/en/consulting/seismic_isolation.html” 115 PHỤ LỤC A THÔNG SỐ GỐI LRB Luận văn tham khảo catalogue gối cao su lõi chì (LRB) Tập đồn Fip Industriale S.p.A, Ý Gối LRB kí hiệu kí hiệu S SN ba số hiệu theo sau Loại S có module kháng cắt 0.4 MPa, loại SN có module kháng cắt 0.6 MPa Số hiệu đại diện cho đường kính ngồi (mm) Số hiệu thứ hai tổng chiều dày lớp cao su (mm) Số hiệu thứ ba đường kính lõi chì Hình A.1 Gối cao su lõi chì LRB 116 117 PHỤ LỤC B CODE MATLAB  Đoạn code chính của bài toán chịu động đất Elcentro % PHAN TICH KET CAU : clc close all clear all disp('LUAN VAN CAO HOC'); disp('Hoc vien thuc hien: Nguyen Thanh Cao Phi'); disp('Ma so hoc vien: 1570650'); disp('De tai: Hieu qua giam chan cua he can luu bien ket hop voi goi cach chan noi giua hai ket cau'); %% NHAP SO LIEU DAU VAO si=0.05; n=8; m=8; n_1=n+m; n_2=m; n_double=n_1+n_2; l_1=ones(n_1,1) ; l_2=ones(n_2,1) ; l=ones(n_double,1); for i=1:n_1 ms_1(1,i)=1.6*1e5; ks_1(1,i)=3*1e8; end for i=1:n_2 ms_2(1,i)=1.6*1e5; ks_2(1,i)= 3*1e8; end cs_1=zeros(n_1,1); cs_2=zeros(n_2,1); a_1=2*pi*ones(n_1,1); a_2=2*pi*ones(n_2,1); %% KET NOI CAC MA TRAN Building1 Ms_1, Ks_1, Ds_1 [Ms_1,Ks_1]=connection_matrices(ms_1,cs_1,ks_1,n_1); [V_1,eigenvalue_1]=eig(Ks_1,Ms_1); omega_1=sort(diag(sqrt(eigenvalue_1)),'descend'); chuky_1=a_1./omega_1; frequency_1=sort(omega_1/(2*pi)); [zeta1_s]=Rayleigh(si,omega_1); cs_1=2*ms_1'.*zeta1_s.*omega_1; [Ms_1,Ks_1,Ds_1]=connection_matrices(ms_1,cs_1,ks_1,n_1); %% KET NOI CAC MA TRAN Building2 Ms_2, Ks_2, Ds_2 [Ms_2,Ks_2]=connection_matrices(ms_2,cs_2,ks_2,n_2); [V_2,eigenvalue_2]=eig(Ks_2,Ms_2); omega_2=sort(diag(sqrt(eigenvalue_2)),'descend'); chuky_2=a_2./omega_2; frequency_2=sort(omega_2/(2*pi)); [zeta2_s]=Rayleigh(si,omega_2); cs_2=2*ms_2'.*zeta2_s.*omega_2; [Ms_2,Ks_2,Ds_2]=connection_matrices(ms_2,cs_2,ks_2,n_2); %% KET NOI CAC MA TRAN TONG QUAT Ms, Ks, Ds Ms=[Ms_1 zeros(n_1,n_2); zeros(n_2,n_1) Ms_2]; Ks=[Ks_1 zeros(n_1,n_2); zeros(n_2,n_1) Ks_2]; Ds=[Ds_1 zeros(n_1,n_2); zeros(n_2,n_1) Ds_2]; 118 %% PHAN CHIA BUOC THOI GIAN t_f=25; delta_t=0.00125; t=0:delta_t:t_f; nt=length(t); %% LOAD GIA TOC NEN load ElCentro_data_00125 %Hachinohe=Hachinohe'; if length(ElCentro)