Khảo sát hiệu quả của damper lò xo thông qua thí nghiệm dao động tự do mô hình kết cấu thu nhỏ

Thiết bị damper gắn vào kết cấu có tác dụng tăng độ cứng và độ cản cho kết cấu. Bên cạnh đó, damper còn có vai trò hấp thu và tiêu tán năng lượng do tải trọng động (chẳng hạn như gió động, động đất) giúp kết cấu giảm nhẹ ảnh hưởng do các loại tải trọng trên gây ra. Đề tài này nhằm tìm hiểu hiệu quả của giải pháp giảm chấn bằng damper, thông qua thí nghiệm dao động tự do trên mô hình kết cấu mô phỏng khung nhà 1 nhịp 3 tầng.

KHẢO SÁT HIỆU QUẢ CỦA DAMPER LỊ XO THƠNG QUA THÍ NGHIỆM DAO ĐỘNG TỰ DO MƠ HÌNH KẾT CẤU THU NHỎ Trần Tuấn Nam1, Phạm Phương Nam2, Nguyễn Quang Phú2, Nguyễn Phan Nhật Trung2, Lê Liên Hưng2, Lê Quý Đồn3 Khoa Xây dựng, trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh (HUTECH) Lớp 18DXDB1, trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh (HUTECH) Lớp 16DXDA4, trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh (HUTECH) TÓM TẮT Thiết bị damper gắn vào kết cấu có tác dụng tăng độ cứng độ cản cho kết cấu Bên cạnh đó, damper cịn có vai trị hấp thu tiêu tán lượng tải trọng động (chẳng hạn gió động, động đất) giúp kết cấu giảm nhẹ ảnh hưởng loại tải trọng gây Đề tài nhằm tìm hiểu hiệu giải pháp giảm chấn damper, thông qua thí nghiệm dao động tự mơ hình kết cấu mô khung nhà nhịp tầng Các phương án khác số lượng độ cứng damper khảo sát Từ kết thí nghiệm, hiệu giảm chấn damper chứng minh Từ khóa: Damper, dao động tự do, độ cản, động đất, kháng chấn MỞ ĐẦU Kháng chấn nhiệm vụ quan trọng lĩnh vực thiết kế xây dựng, qua người thiết kế cần đưa giải pháp thiết kế cho cơng trình có khả chịu lực phân tán lượng hiệu có tải trọng tác dụng vào Trong thiết kế kháng chấn, ta không quan tâm tăng cường độ cứng (k) cho kết cấu mà lưu ý tăng độ cản (c) cơng trình Có nhiều phương pháp tăng độ cản, có phương pháp sử dụng damper (hay cịn gọi giảm chấn) Các thông tin phương pháp tính tốn kết cấu sử dụng damper tham khảo từ tài liệu [1-3] Nghiên cứu kế thừa triển khai tiếp kết nhóm tác giả [4] giúp minh họa chế làm việc damper dựa sở lý thuyết kết đo lường từ thí nghiệm dao động tự mơ hình kết cấu mơ khung nhà nhịp tầng Damper sử dụng thí nghiệm lò xo với độ cứng khác Bài báo giới thiệu kết thí nghiệm phương án kết cấu: không gắn damper, gắn damper với số lượng độ cứng khác CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phương tr nh chuyển động hệ bậc tự (SDOF) Trong trường hợp xảy động đất, đất bị chuyển động với gia tốc üg Lúc tải trọng tác dụng lên hệ kết cấu lực quán tính phát sinh đất chuyển động Xét hệ bậc tự (SDOF) có khối lượng m, độ cứng k, độ cản c chịu tác dụng gia tốc üg, ta có lực tác dụng lên kết cấu bao gồm (Hình 1): Hình Các lực tác dụng hệ bậc tự (SDOF) 510 Như phương trình cân thiết lập sau: fD  fS   fI (1) (1’) Phương trình chuyển động cho hệ SDOF là: (2) 2.2 Dao động tự hệ SDOF có cản (c > 0) Ứng xử động lực học hệ kết cấu phụ thuộc vào thông số m, c, k hệ Đối với hệ có cản (c > 0), xuất thêm đại lượng ξ = c/2mω gọi tỉ số cản Theo tài liệu [5-6], kết tính tốn cho hệ SDOF có cản thu phương trình dao động sau: (3) đó, ωD gọi tần số dao động có xét đến tính cản D     (4) –ξωt Thành phần gây tắt dần dao động hàm số e Nếu hệ có độ cản lớn (thơng qua việc gắn thêm –ξωt damper) tỉ số cản ξ tăng lên, hàm số e tăng độ ảnh hưởng, khiến dao động tự nhanh chóng tắt Thí nghiệm dao động tự thực nhằm kiểm chứng sở lý thuyết THÍ NGHIỆM DAO ĐỘNG TỰ DO 3.1 Thiết kế mơ hình Mơ hình kết cấu thiết kế dạng khung nhà nhịp tầng với kích thước chiều cao tầng từ lên 170 mm, 165 mm 165 mm (Hình 2) Mơ hình thiết kế từ vật liệu đơn giản, chẳng hạn cột làm từ thước thép dẻo có kích thước 500×26×1 mm; sàn làm từ ván gỗ la phông; thiết bị giảm chấn (damper) thiết kế từ lò xo kim loại Khung tầng nhịp Damper lò xo mềm Damper lị xo cứng Hình Quy cách mơ hình thí nghiệm loại damper lị xo với độ cứng khác 3.2 Quy trình thí nghiệm Thí nghiệm dao động tự thực qua phương án sau (Hình 3): Mơ h nh khung đơn (Model 0): khơng gắn damper Mơ hình khung giảm chấn loại 1a (Model 1a): gắn damper lò xo mềm 511 Mơ hình khung giảm chấn loại 2a (Model 2a): gắn damper lị xo mềm Mơ hình khung giảm chấn loại 1b (Model 1b): gắn damper lò xo cứng Mơ hình khung giảm chấn loại 2b (Model 2b): gắn damper lị xo cứng Model (khơng damper) Model 1a (1 damper mềm) Model 2a (2 damper mềm) Model 1b (1 damper cứng) Model 2b (2 damper cứng) Hình Các loại mơ hình thí nghiệm (khơng/có gắn damper lị xo) Mỗi mơ hình gán điều kiện ban đầu tương tự nhau, với vận tốc ban đầu 0, chuyển vị ban đầu u0 = 10 cm, sau dao động tự đến tắt hẳn Vì khơng có thiết bị đo đạc điện tử xác, việc đo chuyển vị thời gian thực thủ công cách ghi lại từ video quay hình lúc thí nghiệm 3.3 Kết thí nghiệm Để xác định xác chu kỳ dao động loại mơ hình, nhóm tác giả xác định hiệu số thời gian hai mốc biên độ đỉnh với độ xác đến 0,01 s, sau tính giá trị trung bình Ttb Kết cho thí nghiệm mơ hình thể Bảng Kết tin cậy, thể chất lý thuyết: mơ hình khung đơn cho giá trị chu kỳ lớn (0,423 s), gắn thêm lò xo độ cứng khung tăng lên, chu kỳ có xu hướng giảm xuống Mơ hình 2b gắn lị xo cứng nên có chu kỳ nhỏ (0,39 s) Bảng Chu kỳ dao động loại mô hình Mơ hình T1 (s) T2 (s) T3 (s) T4 (s) T5 (s) T6 (s) T7 (s) T8 (s) T9 (s) T10 (s) T11 (s) T12 (s) T13 (s) T14 (s) T15 (s) Ttb (s) Model 0,34 0,39 0,39 0,46 0,46 0,45 0,45 0,40 0,39 0,39 0,46 0,46 0,40 0,40 0,46 0,423 Model 1a 0,41 0,50 0,40 0,40 0,46 0,39 0,46 0,46 0,40 0,39 0,39 0,40 0,46 0,46 0,40 0,419 Model 2a 0,40 0,46 0,40 0,40 0,39 0,39 0,39 0,45 0,46 0,39 0,39 0,40 0,46 0,45 0,39 0,405 Model 1b 0,38 0,39 0,45 0,39 0,33 0,38 0,39 0,41 0,39 0,39 0,46 0,46 0,30 0,29 0,42 0,391 Model 2b 0,35 0,39 0,39 0,46 0,45 0,39 0,40 0,33 0,39 0,46 0,39 0,39 0,33 0,39 0,39 0,390 Hình mơ tả gần tiến trình thời gian (time-history) dao động tự loại mơ hình, chuyển vị đỉnh umax/min chu kỳ xác định trực tiếp từ kết thí nghiệm Mặt khác, để loại bỏ sai số xác định thời gian khơng xác đồng hồ thủ cơng, nhóm tác giả đề xuất thay mốc thời điểm tương ứng với chuyển vị đỉnh umax/min cách cộng khoảng giá trị chu kỳ trung bình Ttb xác định Bảng Kết từ Hình cho thấy: – Khi gắn thêm lò xo mềm (Model 1a), độ cứng không thay đổi đáng kể, chu kỳ không khác nhiều, nên biên độ dao động khung không khác biệt nhiều so với mơ hình khung đơn (Model 1) – Khi gắn thêm lò xo mềm (Model 2a), độ cứng có tăng lên, chu kỳ giảm xuống cịn 0,405 s, đồng thời biên độ dao động có xu hướng giảm nhẹ, thể ảnh hưởng độ cản lên kết cấu – Khi gắn thêm lò xo cứng (Model 1b 2b), độ cứng tăng lên đáng kể, nên chu kỳ dao động rút ngắn gần 10%, nên kết dao động lệch pha tắt dần nhanh so với mơ hình khung đơn (Model 1) Biên độ dao động giảm đáng kể, đặc biệt có thêm nhiều lị xo độ cản (c) tăng lên, khiến dao động có xu hướng tắt dần nhanh chóng, 512 10 Model 1a Model 2a Model u (cm) -5 -10 time (s) 10 Model 1b Model 2b Model u (cm) -5 -10 time (s) Hình Chuyển vị theo thời gian loại mơ hình Bảng Tỉ lệ phần trăm chuyển vị đỉnh so với biên độ ban đầu u0 10 u (cm) Model Model 1a Model 2a Model 1b Model 2b -2 -4 -6 -8 -10 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U10 U11 U12 U13 Hình So sánh chuyển vị đỉnh nửa chu kỳ loại mơ hình 3.4 So sánh nhận xét Bảng trình bày chuyển vị đỉnh (ui) đo sau nửa chu kỳ dao động, i thứ tự nửa chu kỳ dao động Tỉ số phần trăm thể bảng tính tỉ số ui/u0, với u0 chuyển vị ban đầu Các giá trị Bảng minh họa biểu đồ Hình 5, cột thể kết đo mơ hình khơng có damper có damper với số lượng/độ cứng khác 513 Từ kết thí nghiệm ta rút nhận xét: – Chuyển vị đỉnh sau chu kỳ có xu hướng giảm xuống, tính chất cản hệ Tuy nhiên, mức độ giảm có khác mơ hình, tùy vào số lượng độ cứng damper Mơ hình có nhiều damper tính chất cản thể rõ, chẳng hạn mơ hình có gắn damper cứng tỉ số cịn 20% chu kỳ 13, so với kết 33% mơ hình khơng damper – Như vậy, hiệu giảm chấn damper dựa tính tốn lý thuyết (đã trình bày mục 2.2, thơng –ξωt qua hàm số e ) nhanh chóng gây tắt dao động thí nghiệm kiểm chứng Vì điều kiện thời gian hạn hẹp, nên đề tài chưa tiến hành thí nghiệm thể loại damper khác để thấy rõ hiệu này, qua gợi mở hướng nghiên cứu – Hiệu đạt có gắn thêm damper cơng trình tăng tỉ số cản ξ, từ tăng lực hãm fD cho hệ Ngồi q trình dao động, damper có biến dạng dọc trục, qua tiêu tán bớt lượng ma sát nhiệt… góp phần làm giảm hệ, khiến mức độ dao động nhanh chóng giảm bớt KẾT LUẬN Do nhu cầu phát triển, ngày có nhiều giải pháp kháng chấn cho cơng trình dựa thành tựu khoa học kỹ thuật Trong đó, damper thiết bị giảm chấn có tiềm lớn việc thiết kế cơng trình chịu động đất Bài báo giới thiệu kết thí nghiệm khảo sát hiệu damper lò xo mơ hình kết cấu đơn giản, giúp kiểm chứng trực quan kiến thức lý thuyết ảnh hưởng độ cản (c) đến việc tắt dần dao động Thơng qua đó, báo gợi mở hướng nghiên cứu cho sinh viên, khảo sát loại damper có độ cứng lớn hơn, damper có tính chất cản nhớt Kết thí nghiệm dừng mức độ tham khảo chưa đủ điều kiện trang thiết bị đo đạc xác số liệu, thể nỗ lực sáng tạo sinh viên ý tưởng chế tạo mơ hình, ghi chép phân tích số liệu, từ giúp sinh viên thêm yêu thích kiến thức chuyên ngành kích thích tinh thần học hỏi, nghiên cứu, tìm tịi giải vấn đề TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Lê Ninh (2010) Động đất tính tốn cơng trình chịu động đất, NXB Khoa học kỹ thuật [2] Bộ Xây dựng (2012) Hướng dẫn thiết kế kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép chịu động đất theo TCXDVN 9386:2012, NXB Xây dựng [3] Nguyễn Lê Ninh (2011) Cơ sở lý thuyết tính tốn cơng trình chịu động đất, NXB Khoa học kỹ thuật [4] Trần Tuấn Nam, Nguyễn Văn Hùng (2017) Khảo sát hiệu kháng chấn damper thí nghiệm dao động tự mơ hình kết cấu thu nhỏ Tuyển tập báo cáo Hội thảo NCKH Sinh viên Hutech 2016-2017 [5] Anil K.Chopra (2012) Dynamics of structures – Theory and applications to earthquake engineering Prentice Hall [6] Amr S Elnashai, Luigi Di Sarno (2008) Fundamentals of earthquake engineering, John Wiley & Son, Ltd 514 ... (damper) thiết kế từ lò xo kim loại Khung tầng nhịp Damper lị xo mềm Damper lị xo cứng Hình Quy cách mơ hình thí nghiệm loại damper lị xo với độ cứng khác 3.2 Quy trình thí nghiệm Thí nghiệm dao. .. thành tựu khoa học kỹ thu? ??t Trong đó, damper thiết bị giảm chấn có tiềm lớn việc thiết kế cơng trình chịu động đất Bài báo giới thiệu kết thí nghiệm khảo sát hiệu damper lị xo mơ hình kết cấu đơn... tính tốn cơng trình chịu động đất, NXB Khoa học kỹ thu? ??t [4] Trần Tuấn Nam, Nguyễn Văn Hùng (2017) Khảo sát hiệu kháng chấn damper thí nghiệm dao động tự mơ hình kết cấu thu nhỏ Tuyển tập báo cáo