Phân tích đáp ứng động lực học có xét đến phi tuyến vật liệu của công trình sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt chịu tải trọng động đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA W X LÊ MINH THÀNH PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CÓ XÉT ĐẾN PHI TUYẾN VẬT LIỆU CỦA CƠNG TRÌNH SỬ DỤNG HỆ CẢN CHẤT LỎNG NHỚT CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT Chuyên Ngành : Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng Và Cơng Nghiệp Mã s ố : 605820 LUẬN VĂN THẠC SỸ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS TS CHU QUỐC THẮNG Cán chấm nhận xét : TS Lương Văn Hải Cán chấm nhận xét : TS Nguyễn Trọng Phước Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 31 tháng 01 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Đỗ Kiến Quốc PGS TS Chu Quốc Thắng PGS TS Nguyễn Xuân Hùng TS Lương Văn Hải TS Nguyễn Trọng Phước CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Đỗ Kiến Quốc TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Ngày, tháng, năm sinh: Lê Minh Thành MSHV:11216074 06/01/1988 Nơi sinh:Tp.HCM Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng cơng nghiệp I TÊN ĐỀ TÀI: Phân Tích Đáp Ứng Động Lực Học Có Xét Đến Phi Tuyến Của Vật Liệu Của Cơng Trình Sử Dụng Hệ Cản Chất Lỏng Nhớt (VFD) Chịu Tải Trọng Động Đất II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Khảo sát phân tích đáp ứng động lực học kết cấu xét đến ứng xử miền đàn hồi, có khơng có hệ cản chất lỏng nhớt chịu tải trọng động đất tác động vào công trình III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2012 IV NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/12/2012 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS CHU QUỐC THẮNG Tp HCM, ngày 25 Tháng 12 năm 2012 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS TS CHU QUỐC THẮNG BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LỜI CẢM ƠN LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập thực luận văn, tận tình bảo, động viên thầy bạn bè để vượt qua khó khăn, tác giả hoàn thành luận văn theo định Phòng Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại Học Bách Khoa – Thành Phố Hồ Chí Minh Nhưng để có kiến thức q báo hơm trường, xin chân thành cám ơn tất bạn bè, thầy cô khoa giúp đỡ học tập thực luận văn này, đặc biệt xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS.TS CHU QUỐC THẮNG thầy hướng dẫn Th.S PHẠM NHÂN HÒA tận tình bảo truyền đạt kiến thức quý báu cho Tôi chân thành cảm ơn thầy cô thư viện trường ĐH Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho tơi tìm tài liệu để thực luận văn bạn học khóa ln sát cánh bên tơi ngày học tập khó khăn Sau cùng, tơi xin cảm ơn gia đình tơi tạo điều kiện cho học tập động viên tơi gặp khó khăn Chân thành cảm ơn tất cả! Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012 Trang i TÓM TẮT LUẬN VĂN TÓM TẮT LUẬN VĂN Các giải pháp chống động đất cho cơng trình giới quan tâm từ lâu, đặc biệt hoàn cảnh giới có nhiều trận động đất xảy với cường độ lớn biến đổi khí hậu tồn cầu Điều khiển dao động cơng trình trở thành lĩnh vực kỹ sư ngày quan tâm nhằm tăng khả kháng chấn cho công trình Sự hấp dẫn Điều Khiển Kết Cấu với biến đổi môi trường trận động đất xảy thời gian gần đặc biệt Việt Nam với mật độ ngày nhiều thúc đẩy tác giả thực đề tài luận văn thạc sĩ Phân Tích Đáp Ứng Động Lực Học Có Xét Đến Phi Tuyến Của Vật Liệu Của Cơng Trình Sử Dụng Hệ Cản Chất Lỏng Nhớt (VFD) Chịu Tải Trọng Động Đất Phương pháp TimeNewmark sử dụng để tính đáp ứng kết cấu xét đến ứng xử ngồi miền đàn hồi, có khơng có hệ cản chất lỏng nhớt Phần ví dụ tính tốn minh họa, luận văn phân tích đáp ứng động lực học toán kết cấu thép mẫu (Benchmark problems) nhà dân dụng công nghiệp có xét đến ứng xử ngồi miền đàn hồi, có khơng có hệ cản chất lỏng nhớt để từ thấy đáp ứng thực kết cấu hiệu hệ cản sử dụng ứng với loại tải trọng khác Trang ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ABSTRACT The solution against earthquake for buildings has been studied for a long time, especially there are strong earthquakes which have recently occurred due to climate change and global warming Structural control of buildings has gradually become the field which motivates more and more civil engineers and scientists all around the world in order to research on and apply it to civil structures in attempts to enhance an ability of resisting the motion of ground As a result of more and more earthquakes which have happened during the past few years in Vietnam and reaping many benefits of structural control, I have conducted my research - Master’s thesis “Analysis the Nonlinear Dynamics Response of a Structure using Viscous Fluid Dampers Subjected to Seismic Loading” The thesis presents the two improved Time-New Mark numerical methods based on the classical Time-New Mark method on purpose of calculating the response of a structure characterized by both the nonlinear model of the column material and the passive VFD modal To illustrate the theory, in the numerical examples, the thesis analyzes the dynamics nonlinear response of steel benchmark buildings using viscous fluid dampers which behave as both one of the two steel models consisting of elastic-plastic model or elastic-hardening model and the passive VFD model The samples also assess effectiveness of the structures equipped with passive viscous dampers and draw conclusions about the advantages and disadvantages of these smart structures Trang iii TĨM TẮT LUẬN VĂN LỜI CAM ĐOAN Tơi tên Lê Minh Thành, học viên cao học chuyên ngành Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp, khố 2011 trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan rằng, luận văn tơi thực Các số liệu luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố, sử dụng để bảo vệ học vị Các thơng tin, tài liệu trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn kết nghiên cứu luận văn Học viên LÊ MINH THÀNH Trang iv MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i  TÓM TẮT LUẬN VĂN ii  ABSTRACT iii  LỜI CAM ĐOAN iv  MỤC LỤC v  1.  TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG 1  1.1.  GIỚI THIỆU 1  1.1.1.  Điều khiển bị động 1  1.1.2.  Điều khiển chủ động bán chủ động (active & semi-active control): 3  1.1.3.  Điều khiển hỗn hợp (Hybrid control) 3  1.1.4.  Tóm tắt 4  1.2.  MỤC TIÊU VÀ SỰ CẦN THIẾT CỦA LUẬN VĂN: .5  1.2.1.  Tình hình nghiên cứu ngồi nước 5  1.2.2.  Tình hình nghiên cứu nước 5  1.3.  TỔ CHỨC VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN: .7  2.  GIỚI THIỆU HỆ CẢN NHỚT VÀ CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN .8  2.1.  Hệ CẢN NHỚT (VFD) ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG [12][17][21] 8  2.2.  CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN 10  2.2.1.  Mơ hình tính kết cấu 10  2.2.2.  Các đặc trưng vật liệu .11  2.2.3.  Moment kháng uốn dẻo tiết diện chữ I .12  3.  HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO SỬ DỤNG HỆ CẢN VFD CÓ XÉT ĐẾN SỰ LÀM VIỆC NGOÀI MIỀN ĐÀN HỒI 13  3.1.  PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG: 13  3.1.1.  Mơ hình tính: .13  3.1.2.  Mơ hình học: 13  3.1.3.  Phương trình cân hệ bậc tự do: 14  3.2.  THUẬT TỐN GIẢI PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG: 15  3.3.  ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA BÀI TOÁN 23  3.3.1.  Các sai số q trình tính tốn 23  3.3.2.  Kiểm tra sai số toán phương pháp lượng 24  Trang v MỤC LỤC 4.  VÍ DỤ TÍNH TỐN .25  4.1.  KẾT CẤU TẦNG 27  4.1.1.  Đáp ứng kết cấu với dao động tự 28  4.1.2.  Đáp ứng kết cấu với tải trọng điều hòa .29  4.1.3.  Đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Kobe .33  4.1.4.  Đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Elcentro ứng với mô hình làm việc vật liệu 37  4.1.5.  Đánh giá sai số kết tính tốn 39  4.2.  PHÂN TÍCH KẾT CẤU TẦNG 41  4.2.1.  Mô tả kết cấu .41  4.2.2.  Đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Elcentro 43  4.2.3.  Đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Northidge 47  4.2.4.  Đáp ứng kết cấu tải trọng xung .51  4.2.5.  Phân tích đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Kobe thay đổi tham số điều khiển hệ cản VFD .55  4.3.  PHÂN TÍCH KẾT CẤU TẦNG 57  4.3.1.  Mô tả kết cấu .57  4.3.2.  Đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Hachinole 59  4.3.3.  Đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Northidge 64  4.3.4.  Đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Northidge thay đổi hệ số cản VFD 69  4.3.5.  Đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Northidge trường hợp độ cứng tầng bị “giảm yếu” 72  4.3.6.  Đáp ứng kết cấu tải trọng gió .73  4.4.  PHÂN TÍCH KẾT CẤU 20 TẦNG 77  4.4.1.  Mô tả kết cấu .77  4.4.2.  Đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Kobe .79  4.4.3.  Đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Northidge 83  4.4.4.  Đáp ứng kết cấu tải trọng động đất Kobe trường hợp độ cứng tầng bị “giảm yếu” 87  4.4.5.  Đáp ứng kết cấu tải trọng gió 88  5.  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .91  Trang vi MỤC LỤC 5.1.  KẾT LUẬN 91  5.2.  HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 92  TÀI LIỆU THAM KHẢO 93  PHỤ LỤC .95  Trang vii TÀI LIỆU THAM KHẢO [13] Robert J MCNAMARA and Douglas P Taylor – Fluid Viscous Dampers to Reduce Wind-Included Vibration in Tall Building-2009 [14] Servio Tulio de la Cruz Chaùidez – Contribution to the Assessment of the Efficiency of Friction Dissipators for Seismic Protection of Buildings-2000 [15] Y Ohtori, R E Christenson, B F Spencer–Benchmark Control Problems for Seismically Excited Nonlinear Buildings – JOURNAL OF ENGINEERING MECHANICS © ASCE / APRIL 2004 [16] Y Ribakov–Semi-Active Predictive Control of Nonlinear Structures with Controlled Stiffness Devices and Friction Dampers-2006 C Các nguồn tài liệu khác Luận văn [17] Bùi Đơng Hồn – Khảo sát tác dụng kháng chấn hệ cản chất lỏng nhớt – Luận văn cao học – 2003 [18] Đặng Duy Khanh – Điều khiển kết cấu với giải pháp kết hợp hệ cản chất lỏng nhớt hệ cản có độ cứng thay đổi – Luận văn cao học – 2010 [19] Hồ Hoàng Đức Thịnh – Điều khiển chủ động hệ cản đàn nhớt – Luận văn cao học – 2009 [20] Phạm Nhân Hoà – Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản ma sát biến thiên – Luận văn cao học – 2006 [21] Ngô Minh Khôi – Assessment of the Efficiency of Fluid Viscous Damper for Seismic Protection of Building – Luận văn cao học EMMC – 2007 Trang 94 PHỤ LỤC PHỤ LỤC (Mã nguồn chương trình Mathlab) Input_data.m clear clc commandwindow close all %% MDF n=3; H1=3.96; %% Mass ms=[957 957 1040]'*1e3; %% Stiffness ks=[1 1]'*2603*1e5; cs=zeros(n,1); %% Mass,stiffness,damping Matrix [Ms,Ks]=connection_matrices(ms,cs,ks,n); [V,eigenvalue]=eig(Ks,Ms); omega_n=diag(eigenvalue.^0.5); T_n=(2*pi)./omega_n; %% Evaluate the damping matrix with Rayleigh method zeta_s=ones(2,1)*0.03; % Damping ratios for first and second modes a_0=zeta_s(1)*(2*omega_n(1)*omega_n(2))/(omega_n(1)+omega_n(2)); a_1=zeta_s(1)*2/(omega_n(1)+omega_n(2)); Ds=a_0*Ms+a_1*Ks; %% Column Properties f_p=[66 66 66]'*10^5; % N k_p=zeros(n,1); xs_limit=f_p/ks*ones(n,1); Mp=[132 132 132]'*10^5; %Nm C_pro=[ks k_p f_p xs_limit Mp]; %% Time steps t_s=0.0; t_f=20; delta_t=0.00125; t=t_s:delta_t:t_f ; nt=((t_f-t_s)/delta_t)+1 ; %% Error epsilon=1e-6; %% Input load % ElCentro_data_00125 load ElCentro_data_00125 if length(ElCentro)=C_pro(1,3) fs(1,j)=C_pro(1,3); state(1,j)=1; elseif fs(1,j)=C_pro(1,5) Ms_c(1,j)=C_pro(1,5); elseif Ms_c(1,j)=C_pro(i,3) fs(i,j)=C_pro(i,3); state(i,j)=1*i; elseif fs(i,j)=C_pro(1,3) fs(1,j)=C_pro(1,3); state(1,j)=1; elseif fs(1,j)=C_pro(1,5) Ms_c(1,j)=C_pro(1,5); elseif Ms_c(1,j)=C_pro(i,3) fs(i,j)=C_pro(i,3); state(i,j)=1*i; elseif fs(i,j)