BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH
~ &s«6 -
PHẠM ĐÌNH TRUNG
PHÂN TÍCH HIỆU QUÁ GIAM CHAN
CUA HE CAN LUU BIEN TU TRONG KET CAU KHUNG CHIU DONG DAT
Chuyén nganh : Xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp Mã số chuyên ngành : 60 58 20 08 LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI Hf HỦ TP.BCh THƯ VIỆN
Người hướng dẫn khoa học Tiến sĩ Nguyễn Trọng Phước
Trang 2TÓM TẮT
“PHAN TICH HIEU QUA GIAM CHAN CUA HE CAN LUU BIEN TU TRONG KET CAU KHUNG CHIU DONG DAT”
Pham Dinh Trung
Luận văn tập trung phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản lưu biến từ (Magneto-Rheological, MR) được bố trí trong khung chịu động đất Hệ kết cấu khung được xem xét gồm kết cấu khung phẳng và khung không gian; được rời rạc dựa trên nền tảng của phương pháp phần tử hữu hạn và lý thuyết của phần tử đầm Euler-Bernoulli Hệ cản lưu biến từ MR sử dụng mô hình hiệu chỉnh Bouc-Wen; được mô hình bởi các lò xo và cản nhớt; lực cản sinh ra từ mô hình này là một hàm phụ thuộc vào điện thế cung cấp và những thông số đặc trưng của thiết bị Ứng xử của hệ cản lưu biến từ MR được thể hiện bằng phương trình vi phân thường và giải bằng phương pháp Runge-Kutta trong mỗi bước thời gian Dữ liệu các băng gia tốc
nền được lựa chọn từ phân tích phổ năng lượng dựa trên biến đổi phổ biên độ
Fourier Phương trình chuyển động của hệ kết cấu gồm có kết cấu khung và thiết bị cản lưu biến từ MR chịu tác động của các băng gia tốc nền được thiết lập dựa trên sự cân bằng động và giải bằng phương pháp tích phân số NEWMARK trên toàn
miễn thời gian Một chương trình máy tính được viết ở đạng tổng quát bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB để phân tích phản ứng động của hệ kết cấu Độ tin cậy của
Trang 3Superstition 1987, Northridge 1994 trong trường hợp không gắn hệ cản và có gắn hệ cản lưu biến từ MR với hai trường hợp có hoặc không có điện thế cung cấp cho
thiết bị Kết quả thể hiện gồm có chuyển vị, vận tốc, gia tốc và nội lực của hệ khung
cho thấy sự hiệu quả giảm chấn của hệ cản lưu biến từ MR khi gắn trong khung Đồng thời, ứng xử trễ của hệ cản lưu biến từ dưới tác động của các băng gia tốc nền
trong trường hợp có hoặc không có điện thế cung cấp cho thiết bị cũng được xem
xét và cho thấy rằng hệ cản lưu biến từ MR tiêu tán phần lớn năng lượng trong hệ; điều này có nghĩa là hệ cản đã phát huy được tác dụng và đã bảo vệ cho kết cấu an toàn hơn Ngoài ra, độ chính xác của lời giải cũng được đánh giá thông qua sai số
Trang 4MỤC LỤC Danh mục công thức Danh mục hình và dé thi Danh mục bảng
Danh mục từ ViẾT tẮt .« -+.ee HH ErETE 1100.1001101101010144011010101101.8Tn11e Một số kết quả đạt được trong quá trình học và thực hiện luận văn
Chương 1 GIỚI THIỆU - 55 +vvvvtrtertrttttttrtrrrrrrrrrrrrrrrrriee b
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ reo seeseeeeessssssstsessssssssssssssssissensnensessess 1
1⁄2 MỤC TIÊU CUA LUAN VAN .-¿: ¿ tt O
1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN . -2222ttvkttriririrrirtirriirrrrrrree Chương 2 TỎNG QUAN 555cc
bc (0š: 15875 §
Trang 52.4 CAU TAO HE CAN MR 2.4.1 Cấu tao chung 2.4.2 Giá thành một số loại hệ cản MR 2.4.3 Mô hình cơ học hệ can MR Hư " 942000 )/09:i09i 600159787 Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYÊT -. .22:2525vScccstttxxterrrerrrrrrersrrrkkrerrrrr e 7Ô) Eicoyi 0
3.2 MƠ HÌNH KÉT CẤU -c¿£22252vsrteertrrterrrtrtrrrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrereerrev TƠ,
3.3 MƠ HÌNH PHÀN TỬ KHUNG PHẲNG -c -©25ccvcccsrerrxverrersreev sổ Í 3.4 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHUYỀN ĐỘNG . -c-ccccvccrrree 34
3.5 TINH TOAN LUC DIEU KHIEN MR :csssriccerrrrierrrrrierrrrrrree 35
3.6 CAC PHUONG PHAP SO GIAI HE PHUONG TRINH VI PHAN DONG LUC
3.6.1 Phuong phap tich phan Newmark ccscseseesesesseseesesesseseeseseensseeneseensneeneneees 37 3.6.2 Thuật toán giải phương trình vi phân chuyển động -:-. 3Ô k8 /c2n59/9) 611157 41 3.8 SO LIEU BANG GIA TOC NEN SU DUNG DE PHAN TICH KET CAU 41 3.8.1 Đánh giá sức mạnh động đất -cccccccseerrrrrrsrrrrrrrrree 4Ï 3.8.2 Phân tích đữ liệu của băng gia tốc nên -5522svvvvvrrrrrrrrrrrrrrrrrkee 42 k5 ‹z000/ 0109:0009 c7 .- Chong 4 VI DU SO ốỐố ` 4.1 GIGI THIEU
4.2 MO TA HE KET CAU KHUNG 4.2.1 Thông số mô hình khung
4.2.2 Thông số thiết bị cản MR
4.3 DU LIEU CAC TRẬN ĐỘNG ĐÁTT -ccccccccvrerrrrrerrrrrrrrrrrrrrrrrrree 47
4.4 KHAO SAT SO KIEM CHUNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 51 4.4.1 Mô hình kết cấu khung phẳng -5cccccrrrrrirrirrrrrierrrrrrcer 5Í
Trang 6
4.3.2 Mô hình kết cấu khung không gian 4.4.3 Nhận xét
4.5 CÁC TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT SÓ VÀ THÔNG SÓ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ HIỆU QUẢ CỦA HỆ CẢN MR TRONG KÉT CẤU KHƯNG - 52 4.5.1 Các trường hợp khảo sát sỐ -.ccccc Sex, 22)
4.5.2 Thông số đánh giá hiệu quả của hệ cản MR trong kết cấu khung 53
4.6 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KỆT CẤU KHUNG PHẲNG 53
4.6.1 Phân tích ứng xử của kết cấu đưới tác động của băng gia tốc nền Elcentro 53 4.6.1.1 Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR .¿-55555sc2 53 4.6.1.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR .- 65
4.6.1.3 cố .Ụ,
4.6.2 Phân tích ứng xử của kết cấu dưới tác động của băng gia tốc nền Northidge
4.6.2.1 Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR - - 6 4.6.2.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR 8Ù
L9 6c
4.6.3 Phân tích ứng xử của kết cầu dưới tác động của băng gia tốc nền Superstition
4.6.3.1 Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR - - 83
4.6.3.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR -
4.6.3.3 Nhận xét ke TH rrrrrrrerrre
4.7 PHAN TÍCH ỨNG XỬ CUA HE KET CẤU KHUNG KHÔNG GIAN
Trang 7
4.7.2.1 Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR 113 4.7.2.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR 125
4.7.2.3 Nhận xét cetheHerererererree 127
4.7.3 Phân tích ứng xử của kết cấu đưới tác động của băng gia tốc nền Superstition
4.7.3.1 Phân tích hiệu quả giảm chấn của hé can MR
4.7.3.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR -+ 140 4.7.3.3 Nhận xét 4.8 KÉT LUẬN CHƯƠNG Chương 5 KẾT LUẬN -s2c25555cccrrtrrrrrrrirrtrrrrrrirrriiiiiirrrrrriirrriiir E400) 0 144
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI -sc-52++ecccvverrerxrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrre 145 TÀI LIỆU THAM KHẢO -+222222222t!tttt191211.1.1 mree 146
PHU LUC 111 152
Trang 8/ DANH MUC CONG THUC Công thức 1.1 5 Công thức 2.1-2.2 21 Công thức 2.3-2.4 ch He 23 Công thức 2.5-2.6 tt 1H gi ri 24 Công thức 2.7-2.13 Công thức 3.1-3.3 Công thức 3.4-3.11 - set 3 Công thức 3.12 s- tình 22 Công thức 3.13-3.14 56c csctthrrtrirrriirrriirririrrirrrrririiriiriiriieeierroee 2 Công thức 3.15 222 22tr 3)
COng thie 3.16-3.17 eccseseeseseeeeseeeeeneeeeneeeeneeeeneenensenesssesseenenssessssesessesnsnesnsnesnensenenne 35 COng thie 3.18-3.23 eccseseccsssesccsssescssseesssseiecssseeessssesessseescsssneccsssecesssnecsssnseessnneessanees OO COng thie 3.24-3.27 esecsssescsnssecssvecsssvesssssverssssessssvesssssssesssssesssssescssneccssnneessaneeessnneens OT COng thie 3.28-3.30 ccescsecsseesssessssecssecsseessssessseessssesseessseessssessnecssneecsnecsneecsnecssessnes OB COng thie 3.31-3.33 ccecssesseesssecsssesssecssseesssesssessssesssseesssecsssccssvecsssecsnectaneessnessnnensnees OD Cong thie 3.34-3.35 cccsccsessssesssessseesssecsssecssssesssssssvesssessnessusesssesseesnsecsneessnecssneesaes 4 Công thức 3.36-3.4() ch HH Hư 43 Công thức 3.41-3.44 c cưng 44
Trang 9/ DANH MỤC HÌNH VÀ BO THI Hình 1.1 Động đất ở Northridge, California — 1994 cccrtrrrtriiiirerrrre 2 Hình 1.2 Động đất ở Kobe, Nhật Bản — 1995 cccvsrrrrrrrrrrrrrrrrrirrrre 3 Hình 1.3 Động đất ở Tứ Xuyên, Trung Quốc — 2008 Hình 1.4 Động đất ở Haiti — 2010 sesesaseessnseesanseesiaseesaneeesnneeesnneeesnasseenneseiise 4 Hình 1.5 Động đất 6 Déng Bac, Nhat Ban — 2012
Hình 2.1 Phân loại điều Khién két CAU ccccccccssssssssesscsssescsssseccsssseccesneccessnececsneeeessneeessens 9
Hình 2.2 Hệ điều khiển bị dong — Liquid Tuned Mass Damper
Hình 2.3 Hệ điều khiển bị động — Tuned Mass Damper - :-c-s+sc+csscseerex 11
Hình 2.4 Hệ điều khiển bị động — Viscous Fluid Dampers
Hình 2.5 Hệ điều khiển bị động — Base Isolafion -cccccccceerrrrxerrrrrrrrrer 12
Hình 2.6 Điều khiển chủ động - Tòa nhà Kyobashi SeiWa - sec 13 Hình 2.7 Điều khiển chủ động — Tòa nhà Applause -. -ec+ccccrcrrscrer 13
Hình 2.8 Cơ cấu điều khiển kết hợp khối lượng -++-+cccccvvvrrrrrrrrrree 14
Hình 2.9 Viện bảo tàng quốc gia Tokyo và thiết bị MR-30T - . 16 Hình 2.10 Cầu Dongting Lake và thiết bị MR Lord SD-1005 17 Hình 2.11 Cơ chế hoạt động của chất lưu c-: -cc+vvveeererxeertrrtrrkrrrrrrrrree 19
Hình 2.12 Cầu tạo chung hệ cản MR .- -55scccvrrtrtrkerrrrrirrrrrirrrrrrrrrrrree 20
Hình 2.13 Mô hình Bingham ::+£ 22 EvExtririrrrirrrrrrrrrrrrrrrrii 21
Trang 10Hình 2.16 Kết quả so sánh của mô hình Gamota và Filisko và thực nghiệm 23 Hình 2.17 Mô hình Bouc-WWen - 5252 S+*t tt 9313 111222 0 111 tre 24
Hình 2.18 Kết quả so sánh giữa mô hình Bouc-Wen và thực nghiệm
Hình 2.19 Mô hình hiệu chỉnh Bouc-WWen - ¿5:5 +c+c*t‡eeeertrrrrerederrrrree 25 Hình 2.20 Kết quả so sánh giữa mô hình hiệu chỉnh Bouc-Wen và thực nghiệm 27 Hình 3.1 Mô hình kết cấu khung có gắn hệ cân MR ccccccccrrrrrrrrrrrer 30
Hình 3.2 Mô hình phần tử khung phẳng,
Hình 3.3 Mô hình phần tử khung không gian . cc©ccccccvrrtrrerrrrrrrrrrrrer 34
Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán phân tích động lực học kết cầu khi có hệ cản MR
Hình 4.1 Mô hình kết cấu khung . . -555cc222ccccrerrrrrrrrtrrrrrrrrrr 4
Hình 4.2 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Elcentro 1940
Hình 4.3 Phổ năng lượng trận động đất Elcentro 1940 - - c.c-cccerrrrrrrr 48
Hình 4.4 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Superstition 1987 -errrrev 49 Hình 4.5 Phổ năng lượng trận động đất Superstition 1987 49 Hình 4.6 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Northrid 1994 ccrrrrrrrrer 50 Hình 4.7 Phổ năng lượng trận động đất Northrid 1994 -.cccccccerrrrrrrer 50
Hình 4.8 Mô hình kết cấu khung trong các trường hợp hệ cản MR khác nhau 53 Hinh 4.9 Chuyén vị động theo thời gian của nút phải trên cùng dưới tác động của trận
động đất Elcentro cccvccccccrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrirrrrrrrrrrir 53
Trang 11Hình 4.11 Độ giảm chuyển vị lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro selasssasasvecesconssvecnssnecnsoncsstenssnegucsoneossscessesavsssssasessensassssssnseassnecsseonssesnscatascagencenseneenesnesstones 55 Hình 4.13 Độ giảm chuyển vị trung bình của các nút tác động của trận động đất TÏC€PẨTO tt HH TH H0 00H01 111111111111111111111T11T11 0 56 Hình 4.14 Chuyển vị ngang tông bình phương trung bình của các nút tác động của trận động đất Elcenfro - -s:-2v+t222 vttErkxrttEktrrtrttrrrrrkkrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr 56 Hình 4.15 Độ giảm chuyển vị bình phương trung bình các tầng của kết cầu dưới tải trọng Elcentro
Hình 4.16 Gia tốc đỉnh phải của kết cấu tác động của trận động đất Elcentro
Hình 4.17 Gia tốc ngang lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro 58 Hình 4.18 Độ Độ giảm gia tốc lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro
Trang 12
Hình 4.26 Năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro 62 Hình 4.27 Cân bằng năng lượng của kết cầu trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro -+-522©+v+2+2222211121122212111 1.1111 63
Hình 4.28 Ứng xử trễ của hệ cản MR tác động của trận động dat Elcentro
Trang 13Hình 4.38 Chuyển vị ngang tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge ri 71
Hình 4.39 Độ giảm chuyển vị tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge -ss+- c2 re 72 Hình 4.40 Gia tốc đỉnh phải của kết cấu đưới tác động của trận động đất Northidge 72 Hình 4.41 Gia tốc ngang lớn nhất của các nút đưới tác động của trận động đất TNGT{hiEe àtnénnhHnHHHnH112111211117111.711T.017 0.1m 73 Hình 4.42 Độ giảm gia tốc lớn nhất của các nút đưới tác động của trận động đất Northidge Hình 4.43 Gia tốc ngang trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất NNorthÏỹe 5c nh H11211211011.111111011.0100 00111171 0000011001001 n1 74 Hình 4.44 Độ giảm gia tốc trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất TNorthiỹ6 5 + chnHhHHHH.1111.11111111110110101010 T001 0100001000007 n1 74 Hình 4.45 Gia tốc ngang tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge Hình 4.46 Độ giảm gia tốc tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động dAt Northidge w cccccsccccssssssssssseesssseseseessessnssnssnsessseseeecesssssssssnnsssesseeeceessssnanuane 75 Hình 4.47 Lực cắt cột tầng 1 của kết cấu dưới tác động của trận động đất Northidge 76
Trang 14Hình 4.51 Cân bằng năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tác
động của trận động đất Northiđge xxx nh re 78
Hình 4.52 Ứng xử trễ của hệ cản MR dưới tác động của trận động đất Northidge 78 Hình 4.53 Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
Trang 16Hình 4.76 Ứng xử trễ của hệ cản MR dưới tác động của trận động đất Superstition 93 Hình 4.77 Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition -. - 95
Hình 4.78 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition
Hình 4.79 Lực cắt cột tầng 1 của kết cấu khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition 96 Hình 4.80 Lực cắt lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động, đất Superstition - 96 Hinh 4.81 Chuyén vị động theo thời gian của nút phải trên cùng dudi tac động của trận động đất Elcentro 2c+tc 2v th n 011 1.1 .nrrrriier 99 Hình 4.82 Chuyển vị ngang lớn nhất của các nút dưới tác động của trận động đất TÏC€TTO tàng 11 00111021112111111111111171111011.10.01 TT 99 Hình 4.83 Độ giảm chuyển vị lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro
Trang 17Hình 4.89 Gia tốc ngang lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro 103 Hình 4.90 Độ Độ giảm gia tốc lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro
Hình 4.100 Ứng xử trễ của hệ cản MR tác động của trận động đất Elcentro
Hình 4.101 Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
Trang 18Hình 4.102 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
trường hợp Passive-on tác động của trận động, đất Elcentro -‹c-csscccssccr+ 110 Hình 4.103 Lực cắt cột tầng 1 của kết cấu khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro .- 11
Hình 4.104 Lực cắt lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động dat Elcentro Hình 4.106 Chuyển vị ngang lớn nhất của các nút dưới tác động của trận động đất - Northidge Hình 4.107 Độ giảm chuyển vị lớn nhất của các nút dưới tác động của trận động đất NOTTHhÌđ€ HH TH HH0 0111011114 111T1117111 1111k 115 Hình 4.108 Chuyển vị ngang trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất TNOT(hiE€ Sàn HH 111711111 1 115 Hình 4.109 Độ giảm chuyển vị trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge — T111 11 t1 1110 HH Hà re 116 Hình 4.110 Chuyên vị ngang tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động
của trận động đất Northidge 22+++222222 x21 EEErrrrrrrtrrrrrrrrrrrrrrre 116
Hình 4.111 Độ giảm chuyển vị tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động
của trận động đất Northidge „117
Trang 19
Hình 4.114 Độ giảm gia tốc lớn nhất của các nút đưới tác động của trận động đất Northidge tẠ1491301903805100440408481014000403109414041151400101100101301301104401404001000001000017000019001 118 Hình 4.115 Gia tốc ngang trung bình của các nút đưới tác động của trận động đất long 119 Hình 4.116 Độ giảm gia tốc trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge 119 Hình 4.117 Gia tốc ngang tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge 2222c+ccct+rvtrtrtErrttrrrrrkrrrrrirerrir 120 Hình 4.118 Độ giảm gia tốc tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge Hình 4.120 Lực cắt lớn nhất của cột trong kết cấu dưới tác động của trận động đất TNOTẨhi6 nành nành H1 010101 01 111111111111 H01111211111 01111011 121 Hình 4.121 Độ giảm lực cắt các tầng của kết cấu dưới tác động của trận động đất NorthidBe 5 tt HH1 de _—— 122 Hình 4.122 Năng lượng của kết cầu trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Northidge -:: ©2222v2vettEEEErtrrrtrttrrtrirtrrrrrrrtrrrrrerrrrrrree 122 Hình 4.123 Cân bằng năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Northidge -c-ccscc2xvtiitrttkriirrrrtrrririiirrri 123 Hình 4.124 Ứng xử trễ của hệ cản MR dưới tác động của trận động đất Northidge 123
Hình 4.125 Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
125
Trang 20Hình 4.126 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
„125
trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động dat Northidge
Hình 4.127 Lực cắt cột tầng 1 của kết cấu khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau
trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Northidge 126 Hình 4.128 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Northidge 126
Trang 21Hình 4.138 Độ giảm gia tốc lớn nhất của các nút dưới tác động của trận động đất Superstifion ccceeeeririrrrrrririiirrirrriiriiirrirrrrrrrrrrrre T38 Hình 4.139 Gia tốc ngang trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất „ ŸupersfitiOn -ccceriieeieeiieirirrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrer 134 Hình 4.140 Độ giảm gia tốc trung bình của các nút đưới tác động của trận động đất ĐðỦDöi015 101 Hình 4.141 Gia tốc ngang tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất ŠUP€TSÉÏẨÏON ch nnHHHH.012112112110121 01011 irrrriirtie 135 Hình 4.142 Độ giảm gia tốc tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động -Ö 135 của trận động đất Superstition Hình 4.143 Lực cắt cột tầng 1 của kết cấu dưới tác động của trận động đất Superstition 136 Hình 4.144 Độ giảm gia tốc tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Superstition ceeeeereerrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrree LỘ Hình 4.145 Độ giảm lực cắt các tầng của kết cấu dưới tác động của trận động đất Superstition 137 Hình 4.146 Năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition -ccsceeerrrrrrrrrrirrrirrrrrrrrrrrrrrioe, T377 Hình 4.147 Cân bằng năng lượng của kết cầu trong trường hợp Passive-on dưới tác _ động của trận động đất Superstition ccccccecsseesessessseeseseesesessssesseseeeseenenseeneensesseenees 138
Hình 4.148 Ứng xử trễ của hệ cản MR dưới tác động của trận động đất Superstition138
Trang 22Hình 4.150 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition 140
Hình 4.151 Lực cắt cột tầng 1 của kết cầu khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau
trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition
Hình 4.152 Lực cắt lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
Trang 23DANH MỤC BẢNG
Bang 1.1 Thiệt hại về người và tài sản một số trận động đất -cce 2
Bảng 2.1 Đơn gid thiét bi can MR.u sscssssssssssssssesesseseesssssssssnsesisesseeseesssssssnssneesssescesssees 20
Bảng 4.1 Dữ liệu các trận động ba
Bảng 4.2 So sánh kết quả khung phẳng giữa MATLAB và SAPS2000 51
Bang 4.3 So sánh kết quả khung không gian giữa MATLAB và SAPS2000 51 Bảng 4.4 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu tác động của trận động đất Elcentro .64 Bảng 4.5 Thống kê các giá trị AVR của kết cấu tác động của trận động đất Elcentro 64 Bảng 4.6 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu tác động của trận động đất Elcentro 64
Bảng 4.7 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu ứng với số lượng hệ cản MR khác
nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro 67
Bang 4.8 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu dưới tác động của trận động đất Northidge ccecssesssssssstecsssecsnessssesssessssecsssecsssecssssssssessssessessssesesssessseceaneceanecsanecsnnessnersnee 19 Bang 4.9 Thống kê các giá trị AVR của kết cấu đưới tác động của trận động đất (000 Bảng 4.10 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu dưới tác động của trận động đất bo
Bang 4.11 Thống kê các giá trị MAX của kết cầu ứng với số lượng hệ cản MR khác
nhau trong trường hợp Passive-on đưới tác động của trận động đất Northidge 82
Trang 24
Bang 4.13 Thống kê các giá trị AVR của kết cấu đưới tác động của trận động đất
ŠUP€TSfÏẨÏOH ng 1111111117117 94
Bảng 4.14 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu dưới tác động của trận động đất
ŠUperSfifÏOH HH Hư HH HH 1111111011011 94
Bảng 415 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu ứng với số lượng hệ cản MR khác
nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition 97
Bảng 4.16 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu tác động của trận động đất Elcentro
Bang 4.19 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu ứng với số lượng hệ cản MR khác
nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro 112
Bảng 4.20 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu dưới tác động của trận động đất Northidge Bang 4.21 Thống kê các giá trị AVR của kết cấu dưới tác động của trận động đất (On 124 Bang 4.220 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu đưới tác động của trận động đất NGTTHhiđEC tình 124 Bang 4.23 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu ứng với số lượng hệ cản MR khác ˆ nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Northidge sexy 127
Bảng 4.24 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu đưới tác động của trận động đất
Trang 25Bảng 4.26 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu đưới tác động của trận động đất
Trang 26DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MR : (Magneto-Rheological) Lưu biến từ
MAX :Lớnnhất
AVR :(Avarage) Trung bình
Trang 27Chương 1
GIỚI THIỆU
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Từ năm 2005 đến nay, trên lãnh thổ Việt Nam liên tục xảy ra các trận động
đất có cường độ vừa và nhỏ, đặc biệt từ năm 2007 trở lại đây các trận động đất xảy ra với mật độ ngày càng nhiều Vào ngày 07/03/2013, một trận động đất có độ lớn
3,6 độ Richter đã xảy ra tại khu vực gần thủy điện Sông Tranh 2 [1] Tiếp đó, ngày 25/11/2013 cũng đã xảy ra một trận động đất có cường độ 2 độ Richter ở khu vực thủy điện Sông Tranh 2 [2] Mới đây nhất, vào lúc 22h ngày 4/12/2013 tại thành
phố Điện Biên đã xảy ra một trận động đất manh 3,8 d6 Richter [3] Mac dầu cường
độ các trận động đất là chưa lớn và hậu quả chưa thật sự nghiêm trọng nhưng điều đó cũng chứng tỏ rằng vỏ địa chất ở Việt Nam thật sự khơng hồn tồn bình ồn Bên cạnh đó, cùng với tốc độ đơ thị hóa tồn cầu thì rõ ràng trong tương lai việc xảy ra động đất có thể sẽ gây ra những tổn thất lớn về nhân mạng và tài sản Một số thống kê các số liệu về tổn thất do những trận động đất đã xảy ra trên thế giới trong thời
gian tương đối gần đây được thể hiện trong Bảng 1.1 và hình ảnh tàn phá của các trận động đất cũng được thể hiện trên Hình 1.1 đến 1.5 [4]
Trang 28Bảng 1.1 Thiệt hại về người và tài sản của một số trận động đất [4]
Thời điểm Địa điểm Cường độ Con Tài sản
Trang 30
Hình 1.5 Động đất ở Đông Bắc, Nhật Bản — 2012
Từ những hình ảnh trên cho thấy sự tàn phá vô cùng khủng khiếp của động đất, gây thiệt hại cho cả con người, cơ sở hạ tằng, Vì vậy, bài toán ứng xử của kết cấu
—————— Ễễ _ _
Trang 31công trình xây dựng chịu động đất luôn là đề tài có tính thời sự và thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước cũng như ngoài
nước: lở và Liu 2003 [5], Li va Qu 2006 [6], Han và Li 2006 [7], Nguyễn 2006 [8], Bùi 2010 [9], Vương 2011 [10],
Một trong những giải pháp truyền thống trong việc thiết kế kết cấu chịu động đất là tăng độ cứng của kết cấu nhằm giải thiểu thiệt hại của công trình do tác động của động đất gây ra Tuy vậy, giải pháp này cũng thật sự chưa đem lại nhiều hiệu quả vì tăng độ cứng dẫn đến tăng trọng lượng kết cấu, góp phần tăng thêm tải trọng do lực quán tính Do đó, việc tìm ra các giải pháp kết cấu khác để chúng ứng xử tốt hơn với động đất và làm giảm bớt tổn thất do động đất gây ra cũng là một hướng nghiên cứu được quan tâm nhiều Một trong những hướng nghiên cứu có tính thời sự và cũng thật sự có ý nghĩa đó là gắn thêm các thiết bị lên kết cấu Mục đích để các thiết bị này hấp thu một phần năng lượng do động đất tác động, dẫn đến năng lượng còn lại của động đất tác động vào kết cấu chính sẽ giảm đi và vì vậy kết cấu
sẽ bớt nguy hiểm hơn
Vì vậy, sự ra đời của các hệ thống điều khiển kết cấu là cần thiết nhằm khắc phục các hạn chế trên, từ đó đem đến sự an toàn và hiệu quả hơn trong việc thiết kế
kết cấu các công trình chịu động đất Mục đích của việc điều khiển kết cấu là gắn thiết bị điều khiển vào kết cấu nhằm mục đích hấp thu năng lượng do tải trọng động đất Sự hấp thu năng lượng của thiết bị điều khiển có thể được mô tả thông qua mối quan hệ về năng lượng dựa trên khả năng bảo tồn như sau [4, 11]
E=E,+E,+E,+E, : (1.1)
trong dé E là tổng năng lượng kích thích công trình; #, là động năng công trinh; E, là năng lượng biến dạng đàn hồi; E, là năng lượng biến đạng không đàn hồi (kể đến hư hỏng của công trình); E¿ là năng lượng tiêu hao bởi thiết bị chống dao động Từ biểu thức (1.1) cho thấy, đối với kết cấu được thiết kế theo truyền thống thì vế phải
Trang 32của (1.1) chỉ bao gồm E,, E,va E, Do dé, bằng cách thông qua thiết bị giảm
chấn lắp đặt cho công trình thì sẽ bổ sung thêm vào năng lượng E„ hay nói cách
khác động năng và năng lượng biến dạng sẽ giảm xuống, từ đó thiết bị giảm chấn đã
hạn chế bớt sự phá hoại của kết cấu do động đất gây ra
Dựa trên các bối cảnh trên, Luận văn tập trung nghiên cứu thiết bị giảm chấn nhằm giảm thiểu tác động do động đất gây ra trên công trình Một trong các thiết bị
giảm chấn mà Luân văn đề xuất nghiên cứu là dạng thiết bị điều khiển bán chủ động; chính là hệ cản Lưu biến từ (MR ; Magneto-Rheological) khi được gắn trong kết cầu khung chịu gia tốc nền động đất
1⁄22 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN
Luận văn này phân tích sự hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR trong kết cấu khung chịu gia tốc nền động đất, với các mục tiêu cụ thể như sau
$* Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ kết cầu gồm hệ cản lưu biến từ và kết cấu khung được rời rạc dựa trên nền tảng của phương pháp
phần tử hữu hạn khi chịu gia tốc nền động đất
% Thực hiện các khảo sát số đối với mô hình kết cấu chịu các trận động đất
khác nhau, từ đó phân tích hiệu quả của hệ cản MR khi gắn trong kết cấu khung thông qua các kết quả gồm có: chuyền vị, vận tốc, gia tốc và nội lực bên trong hệ kết cấu
s* Đánh giá sự ảnh hưởng của điện thế cung cấp cho hệ cản MR khi gắn trong
kết cấu khung lên ứng xử động bên trong hệ kết cấu
“ Danh giá sự ảnh hưởng số lượng hệ cản MR khi gắn trong kết cấu khung lên ứng xử động bên trong hệ kết cấu
$% Phân tích ứng xử của hệ cản lưu biến từ thông qua quan hệ giữa lực với chuyển vị và lực với vận tốc
Trang 33
1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Trong Luận văn này tập trung phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR trong kết cấu khung phẳng chịu gia tốc nền động đất và chấp nhận một số các giả thiết sau
% Kết cấu khung làm việc trong miền đàn hồi tuyến tính và được rời rạc dua trên nền tảng lý thuyết phần tử hữu bạn của lý thuyết dầm Euler-Bernoulli 4 Gia tốc nền động đất chỉ được xem xét trong phương mặt phẳng khung có
gắn thiết bị cản MR, bỏ qua ảnh hưởng đồng thời của các phương tác động
khác
1.4 CAU TRUC CUA LUAN VAN Cấu trúc luận văn gồm 5 chương :
Chương I: giới thiệu sơ lược các vấn đề về đề tài, từ đó phát biểu các mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của Luận văn
Chương 2: giới thiệu tổng quan các vấn đề về điều khiển kết cấu đặc biệt là
dạng điều khiển sử dụng trong Luận văn, đồng thời so lược về cấu tạo và các mô hình cơ học của thiết bị cản MR, từ đó lựa chọn mô hình ứng xử của hệ cản MR và chỉ ra điểm khác biệt trong Luận văn
Chương 3: trình bày toàn bộ cơ sở lý thuyết cần thiết về mô hình kết cấu khung
và ứng xử hệ cản MR, từ đó thiết lập phương trình vi phân chuyển động tổng quát của hệ và năng lượng của hệ Dữ liệu các băng gia tốc nền được phân tích dựa trên phổ năng lượng từ việc biến đổi phổ biên độ Fourier Đồng thời luận văn cũng đánh giá các phương pháp giải phương trình vi phân chuyển động; từ đó lựa chọn phương pháp giải và trình bày sơ đồ thuật toán của lời giải đó
Chương 4: thực hiệc các khảo sát số và so sánh với kết quả của phần mềm
SAP2000, nhằm kiểm tra tính chính xác và độ tin cậy của chương trình máy tính đã
viết bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB Sau đó, Luận văn thực hiện các khảo sát số
Trang 34
dé phân tích ứng xử của hệ kết cấu khung đưới tác động của các trận động đất khác nhau Đồng thời, Luận văn cũng phẩn tích các số liệu về độ giảm đáp ứng động
trong kết cấu khung và các ứng xử của thiết bị cản MR, từ đó cho thấy hiệu quả của
hệ cản MR trong kết cấu khung chịu tác động của động đất
Chương 5: các nhận xét, kết luận, kiến nghị và hướng phát triển của đề tài Phần cuối của Luận văn là các tài liệu tham khảo sử dụng trong Luận văn, mã nguồn chương trình MATLAB
Trang 35Chương 2
TONG QUAN
2.1 GIỚI THIỆU
Chương này giới thiệu sơ lược các dang điều khiển kết cấu, cầu tạo chất lưu và
đặc tính của các mô hình cơ học của hệ cản Đồng thời cũng trình bày sơ lược tình
hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề sử dụng thiết bị cản MR trong điều
khiển kết cấu Từ đó, Luận văn lựa chọn mô hình cơ học của hệ cản MR dùng để phân tích ứng xử hệ cản MR trong kết cầu khung và chỉ ra các điểm khác biệt của Luận văn so với các nghiên cứu trước đó
2.2 TONG QUAN DIEU KHIEN KET CAU
Căn cứ vào các tính chất làm việc thực tế của các thiết bị điều khiển kết cấu, có thể chia làm 4 loại điều khiển cơ bản như sau [4]
ĐIÊU KHIÊN KET CAU Điều khiển Điều khiển Điều khiển chủ động bán chủ động kết hợp Hình 2.1 Phân loại điều khiển kết cấu 2.2.1 Điều khiển bị động
Các hệ thống thiết bị điều khiển bị động có kh năng hấp thu cũng như tiêu tán
năng lượng bên trong hệ, từ đó làm giảm ứng xử động bên trong hệ và mức độ hư hại của kết cấu Các thiết bị điều khiển bị động thường được lắp đặt cố định trong
Trang 36
các bộ phận kết cấu và các thông số của thiết bị được lựa chọn dựa vào đặc tính của từng loại thiết bị Do đó, hệ điều khiển bị động có nhược điểm là khi đã lắp đặt vào công trình thì không thể thay đổi các thông số của thiết bị để phù hợp với sự biến
đổi của các tác động kích thích bên ngoài Một số các dang thiết bị điều khiển bị động có thể được kể đến như sau [4]: Hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD (Tuned Mass Dampers) ; Hệ cản điều chỉnh chất lỏng TLD (Tuned Liquid Dampers); Hệ
can ma sat FD (Friction Dampers); Hé can déo bang kim loai MD (Metallic Dampers); Hé can dan nhét (Viscous-elastic Dampers); Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous-elastic Dampers); Hệ cô lập móng Một số dang thiết bị điều khiển cơ bản đã được ứng dụng trong các công trình, được thể hiện trên Hình 2.2 đến 2.5
Thiết bị điều khiển bị động tạo ra sự tiêu hao năng lượng một cách tự nhiên và tùy thuộc vào các đặc tính riêng của từng loại thiết bị Do đó, thiết bị điều khiển bị
động thường được xem như là một biện pháp điều chỉnh tối ưu để bảo vệ kết cấu
chống lại các tác động của tải trọng động tương ứng với các đặc tính của thiết bị
Hiện nay, hệ điều khiển bị động điều khiển bị động hiện đang được ứng dụng
rộng rãi và khá phổ biến trên thế giới Bởi vì, thiết bị điều khiển bị động thường là
đơn giản, dé hoạt động và có độ én định, đặc biệt là không cần cung cấp thêm nắng lượng cho thiết bị trong quá trình hoạt động Tuy nhiên, các thiết bị điều khiển bị động chỉ đạt hiệu quả tiêu tán năng lượng đối với một số tải trọng đặc biệt tương ứng với các đặc tính của thiết bị
Trang 38Hình 2.5 Hệ điều khiển bị
2.2.2 Điều khiển chủ động
động — Base Isolation
Điều khiển chủ động là hệ thống các thiết bị có khả năng tiếp nhận trạng thái
ứng xử của kết cầu để từ đó đưa ra các ứng xử tác động lên kết cấu để đưa kết cấu về trạng thái mong muốn Hệ thống các thiết bị này cần phải được cung cấp một nguồn năng lượng bên ngoài để từ đó sinh ra một lực kiểm soát, lực này được đặt
trực tiếp lên công trình nhằm giảm thiểu ứng xử của kết cấu
Phương pháp điều khiển chủ động trong công trình dân dụng lần đầu tiên được
giới thiệu vào năm 1972 bỡi Yao [12] Quá trình điều khiển chủ động là quá trình truyền lực thông qua lực tương tác giữa thiết bị và kết cấu, từ đó làm giảm tác động
của tải trọng lên kết cấu, điều này đồng nghĩa với việc hệ điều khiển chủ động làm giảm ứng xử trong kết cấu do sự thêm hoặc bớt năng lượng của hệ thống Đồng thời, quá trình điều khiển chủ động có khả năng điều khiển các dạng dao động khác
nhau và khả năng tiêu tán năng lượng lớn hơn quá trình điều khiển bị động
Điều khiển chủ động cũng đã được ứng dụng rất nhiều trong các công trình chịu tải trọng động, một số công trình tiêu biểu có thể kể đến như sau [4]: Tòa nhà Kyobashi Seiwa ở Tokyo vào năm 1989 (Hình 2.5); Tòa nhà Applause ở Osaka vào
năm 1992 (Hình 2.6), : "`
Trang 39Liat Bony si Máy tính i điều khiến Cam bién TD 'Hệ thẳng quan trắc Căm biến TÍN UUNHHNHMM ”.”” ý TNT Stopper ” t Control pe ., #e,panel BEE, S20 Tự Multistagerubber bearing as moving mass 2 — i < | se IS sl ide Hình 2.7 Điều khiển chủ động — Foa nha Applause
Dạng điều khiển chủ động được xem là giải pháp hiệu quả trong việc giảm thiểu tổn hại cho kết cấu, nhung dang điều khiển chủ động cũng chưa thật sự được
Trang 40
ứng dụng nhiều trong những năm gần đây Bởi vì, các thiết bị điều khiển chủ động tất phức tạp trong khâu thiết kế, lắp đặt, bảo dưỡng, đặc biệt là giá thành rất cao và cần phải cung cấp một nguồn năng lượng rất lớn
2.2.3 Điều khiển kết hợp
Điều khiển kết hợp là sự kết hợp giữa thiết bị điều khiển chủ động và bị động
Dạng điều khiển kết hợp thông thường: nhất là dạng điều khiển kết hợp về khối lượng, bao gồm thiết bị điều khiển bị động điều chỉnh khối lượng kết hợp với một cơ cấu điều chỉnh chủ động (Hình 2.8) Cociu điều chỉnh TU“ Cần nhớt Cam biến công Tín hiệu dao động Tín hiệu dao động Tin hiệu động đất
Căm biển thu nhận tín Ø2 NÊN ĐẮT VMAS A hiệu động đất
Hình 2.8 Cơ cấu thiết bị điều khiển kết hợp về khối lượng 2.2.4 Điều khiến bán chủ động
Các thiết bị điều khiển bán chủ động chính là sự kết hợp hiệu quả của cả hai thiết bị điều khiển bị động và chủ động, còn gọi là thiết bị điều khiển thông minh, quá trình tiêu hao năng lượng diễn ra một cách tự nhiên và chỉ cần một nguồn năng
lượng nhỏ để hoạt động Trong trường hợp khi nguồn năng lượng chính cung cấp
thiết bị gián đoạn thì thiết bị vẫn có thể hoạt động bình thường bởi năng lượng được
cung cấp bằng pin, vì vậy thiết bị luôn hoạt động ổn định trong mọi trường hợp Do
đó, thiết bị điều khiển bán chủ động được xem như là một thiết bị hữu ích trong việc
bảo vệ các công trình chống lại tác động của tải trọng động
TT rc lm re BR TOR a I UR IT 0008009006