Đề tài này phát triển vào việc sử dụng các giải pháp điều khiển bán chủ động- giải pháp tích cực và hiệu quả hơn, nhằm nâng cao khả năng kháng chân cho công trình chịu tai trong dong da
Trang 1be es a ue ĐẠI HỌC QUỐC G GIA TP HCM _ = : :
ˆ Mã số đề tài: - ¬
_Thời gian thực hiện đề tài: I 1/2006 - 52007
Chi nhiệm đề tài: `PCS.TS Chu Quốc Thắng -
HE VỮNG Han ee tác viên ThS Nguyễn Văn Giang
EU uy Ho na _ _ Th§ Phạm Nhân Hòa ne
Trang 3
ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HCM
TRUONG DAI HQC QUOC TE
#»]e& -
G2A 1162
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP SỬ DỤNG HỆ CÁN MA SÁT
DE GIAM CHAN CHO CONG TRINH CHIU TAI TRONG DONG DAT
Mã số đề tài:
-_ Thời gian thực « hiện đề tài: 11/2006 — 5/2007
Chú nhiệm đề tài: PGS.TS Chu Quốc Thắng Cộng tác viên: ThS Nguyễn Văn Giang
ThS Phạm Nhân Hòa
ThS Nguyễn Trọng Phước
TH U VIEN TRƯỜNG ĐH KÝ THUAT CONG NGHỆ TP.HCM
Trang 4
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯƠNG ĐẠI HỌC QUỐC TẺ Độc Lập = Tự Do ~ Hạnh Phúc
Sé: 53 /ĐHQT-QHQT&QLKH - Tp Hỗ Chí Minh, ngày 24 tháng !1 năm 2006
HOP DONG TRIEN KHAI NHIỆM VU KHOA HOC CÔNG NGHỆ
Dé tai cấp: Trường Năm thực hiện: 2006
-_ Căn cứ quyết định số 252/QĐ-ĐHQT-QHQT&QLKH ngày 22 tháng II năm 2006 về
việc giao.nhiệm vu và kinh phí NCKH năm 2006
- Sau khi xem xét mục tiêu, nội dung nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu các giải pháp
sử dụng hệ cần ma sát để giảm chấn cho công trình chịu tải trọng động đất”
Hôm nay Chúng tôi gdm:
Bên A: Trường Dại học Quốc tế - Dai học Quốc Gia TP.HCM,
Do Ong: GS.TSKH Phan Quốc Khánh
Chức vụ: Hiệu Trưởng làm đại diện
Bên B: Ông (bà): PGS.TS Chu Quốc Thắng làm Chủ nhiệm dễ tài,
Đã thông nhất ký hợp dòng triển khai nhiệm vụ khoa học công nghệ năm 2006 với các diều cọ: ki
khoản như sau:
N
Diéu 1: Nội dung công việc
Bê ju tric idm t4 chive-trién khai các nội dung nghiên cứu cụ thể dưới dây:
- Tim hiéu, nghiên cứu các giải pháp giảm chan băng các thiết bi can ma sat
- Di sâu tìm hiểu và nghiên cứu khảo sát hiệu quả giảm chấn của thiết bị can ma
sát biển thiên với thuật toán điều khiển: thích hợp
-_ Thực hiện các tính toán khảo sát, so sánh hiệu quả giảm chắn của các giải pháp
- Dé xuat các kiến nghị liên quan,
Diéu 2: Sin phim
Bên B nộp cho bên A các sản phẩm khoa học sau dây:
` ~ Một hoặc hai bài khoa học đăng trên các Tạp chí Khoa học trong hoặc ngoài nước
~ Một luận văn Cao học ngành Xây dựng dân dụng và công nghiệp
Thời hạn nộp sản phẩm: Trước ngày LŠ tháng 05 năm 2007
Điêu 3: Giá trị hợp đồng và thể thức thanh toán
Bên A cap cho bên l3 một lần số tiên là 20 triệu dong
Bên B có trách nhiệm thanh toán kinh phí theo quy dịnh về tải chính
Điều 4: Kiêm tra thực hiện hợp đông
Hai bên thỏa thuận kiêm tra việc thực hiện hợp dông vào trước các thời điểm sau:
Lần thứ nhất: ngày | tháng 02 năm 2007 Lân thứ hai: ngảy 15 tháng 05 năm 2007
Trang 5
Trong quá trình thực hiện hợp đồng, hai bên sẽ thông báo cho nhau những thông tin có liên
quan và những vẫn đề nảy sinh để cùng bản bạc giải quyết
Điều 5: Nghiệm thu, thanh toán
Sau khi hoàn thành nhiệm vụ ghi ở điều | va điều 2, hai bên chịu trách nhiệm cùng tổ chức -
đánh giá nghiệm thu sản phẩm theo đúng các qui định về thể thức đánh giả nghiệm thu các
công trình nghiên cứu khoa học theo quyết định số 282/QĐ ngày 20/06/1980 của
UBKHKTNN (nay là Bộ KHCN) Nếu san phẩm bên B dược hội déng nghién ctru khoa hoc
cấp trường công nhận có ÿ nghĩa khoa học và có giá trị sử dụng thì sản phẩm đó được coi là
chứng từ để thanh toán hợp déng
-Nếu thời gian thực hiện hợp đông hơn một năm, hàng năm (theo năm tải chính hai bên chịu
trách nhiệm cùng tô chức đánh giá nghiệm thu những nội dung đã thực hiện trong năm làm cơ
Sở cho việc câp kinh phí nghiên cứu tiếp theo)
Thời hạn thanh toán kinh phí: trước ngày 15 tháng 05 năm 2007
Điều 6: Thực hiện
Hai bên cam kết thực hiện đúng các điều khoản đã được ghi trong hợp đồng Nếu bên nảo vi
phạm phải bồi hoàn thiệt hại và phải chịu trách nhiệm theó các qui định ban hành tại quyết
định số 901/QD ngày 04/08/1989 của Bộ Giáo Dục và Dào Tạo
Điều 7: Điều khoản chung |
Hop đông này được lập thành 4 bản có g1á trị ngang nhau, mỗi bên giữ 1 bản, 2 bản gửi Phòng ÍŒ ⁄„
TP.HCM, ngày-<24 tháng 1L., năm 2006 TP.HCM, ngày 35 tháng 41 năm 2006 —— |
Trang 6ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUOC TE
THUYET MINH DE TAI NGHIÊN CUU KHOA HOC CAP TRU ‘ONG NAM 2006
i | TEN DETAI: i) MA SO:
Nghiên cứu các giải pháp su dụng hệ cần mà sát để giảm
chin cho công trình chịu tải trọng động đất
CƠ QUAN CHỦ TRÍ: TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TE
Địa chỉ: Nhà điều hành , Khu phé 6, Phuong Linh Trung, Q.Thủ Đức, TP HCM
Học hàm: Phó giáo sư Học vị: Tiên sĩ
Chức vụ: Phó hiệu trưởng Khoa/Bộ phận:
Địa chỉ: 45A Cửu Long, Phường 2, Quận Tan Binh, Thanh pho Ho Chi Minh
Điện thoại: 8449421 Fax: 7242 195
Email: cgthane@hemiu.cdu.va pn
Trang 7
7_] NHIỆM VỤ NHỮNG NGƯỜI THAM GIA DE TAI:
H và fen Don vi cone tac ˆ “Địa chỉ, điện thoại Nhiệm vụ Chữ ký cua
( ghi rõ học hàm, (ghi rõ Khoa/Trung tâm, a - người tham
ma ˆ liên lạc được giao XÃ vận
ThS Nguyễn Văn BM Công trình, Khoa KT
Giang Công trình, Trường DH 0903-812-354 Tham gia
3 1 CO QUAN PHÓI HỢP TRÔNG, NGOÀI NƯỚC VÀ NỘI DUNG PHÓI HỢP
Phối hợp đảo tạo Sau đại học, Semina
1 Trường Đại học Bách Khoa-ÐE IQG TpHCM, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Bộ môn Sức bên kết cau va
Bộ môn Công trình, Chương trình Cao học Bi-Việt EMMC
2 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TpHCM, Khoa Kỹ thuật Công trình, Bộ môn Công trình
phát triển cao như Mỹ, Nhật, Canada Puy nhiền, việc nghiên cứu này còn mới được bat dau trong nước
tai Dai hoc Bách Khoa TpHCM và tập trung vào nghiền cứu các piải pháp điều khiến bị dộng Đề tài này
phát triển vào việc sử dụng các giải pháp điều khiển bán chủ động- giải pháp tích cực và hiệu quả hơn, nhằm nâng cao khả năng kháng chân cho công trình chịu tai trong dong dat,
10 | MUC TIEU CUA DE TAI
Thực hiện nghiên cứu và khảo sát hiệu quả giảm chân của các giải pháp sử dụng thiết bị cản ma sát bị động
và thiết bị cần ma sát biến thiên điều khiến bán chủ động Xây dựng thuật toán diều khiến thích hợp nhằm
“đâm bảo hiệu quả giảm chân khi sử dụng các thiết bị cản ma sát biến thiên điều khiển bán chủ động
11 | TOM TAT NOI DUNG CUA DE TAL VA QUA TRINH THUC LEN
-Các giải pháp kháng chan
-CAc thiét bi can ma sat bi dong (FD) va thiet bi can ma sat biến thiên diều khiến bán chú động(VFD)
-Phân tích và tính toán khảo sát hiệu quả giảm chân của hệ cán ma sát bị động FD
-Phân tích va xây dựng thuật toán diều khiển thiết bi can ma sát biến thiên (VFD) nhằm thực hiện diều khiển bán chủ động kết cau
-Thực hiện khảo sát hiệu quả giảm chắn của hệ cản bán chủ động VFD
-Đưa ra các khuyến nghị nhằm ứng dụng trong thực tiễn thiết kế công trình
NHŨ CẤU KINH TẾ XÃ HỘI LIÊN QUAN TRỰC TIEP DEN DE TAT
Những cơn dịa chân và dộng đất vốn íLoặp trong lịch sử xảy ra gần đây trong khu vực và ở Việt Nam, cả Ở
Trang 8
các tỉnh miễn núi và trung du phía Bắc và đặc biệt ở Nam bộ đang buộc các nhà quan ly do thi, cac nha thiét
kế, các nhà khoa học nhiệm vụ nhanh chóng tìm ra các giải pháp nhằm hạn chế các ảnh hưởng rất tiêu cực
của động dat lên các công trình Đây là van dé còn chưa được quan tâm đúng mức ở VN Trước khi có
những quyết sách mang tính hệ thống, đồng bộ và to lớn thì việc sử dụng giải pháp giảm chân bằng các loại
hệ cản diều khiển dao động công trình là những giải pháp rất hiệu quả cần thiết được khảo sát nghiên cứu và
đưa vào ứng dụng Để tài này là một trong những nghiên cứu (Lôi về lĩnh vực này
13] DỰ KIÊN SÀN PHÁM NGHIÊN CỨU CỦA DE TÀI VÀ KHẢ NÀNG ƯNG DỤNG
- Hai bai báo hoặc báo cáo khoa học trên các tạp chí khoa học công nghệ hoặc hội nạhị khoa học
- Để xuất các giải pháp và khuyến cáo phủ hợp ú ứng dụng tăng cường khả năng kháng chan chống
động đất và gió bão cho các công trình nhà cao tang
- Một luận văn Cao học
14 | KINH PHÍ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ THUYẾT MINH SÚ DUNG
e Nguồn trường: 20.000.000 dong
e Các nguồn khác:
e Thuyết minh sử dụng kinh phí: 1 Xác định đẻ tài và hoạt động nghiên cứu: 14.700.000 dồng
2,Tổng kết nghiệm thu: 4.300.000 dong
3 Quản lý đề tải: 1.000 000 déng
qe:
Ngay 28 thang 2 nam 2006 Ngày thắng năm 200 *
ges é PGS TS Chu Quốc Thắng
Ngày tháng năm 200 Ngày y táng Z2 năm 20( 1B
Chủ nhiệm chương trình (nêu có) Ban Giảm Hiệu
Ghi chú: 1 Các mục trên cần phải ghí day đủ, chính xác, rõ rang, khong tẩy xoá dễ tiện cho việc quản lý
KHCN và những thủ tục cần thiết sau này
2 Cần ký đóng dấu, shi rõ họ tên
3$ Dùng bản chính để dăng ký
4, Nếu cần thuyết mình thêm có thể phí vào các tờ khai dính kẽm,
Trang 9
DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐẺ TÀI
1 Chủ Nhiệm dé tai: PGS.TS Chu Quốc Thắng
Trường Đại Học Quốc tê
2 Cộng tác viên: ThS Nguyễn Văn Giang
Bộ môn Công Trình, Khoa Xây Dựng, Trường Đại Học Kỹ Thuật Công nghệ Tp HCM
3 Cộng tác viên: ThS Phạm Nhân Hòa
Chương trình EMMC Đại học Bách Khoa, TpHCM
4 Cộng tác viên: ThS Nguyễn Trọng Phước
Bộ môn Sức bên Kêt câu, Khoa Xây dựng Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG TpHCM
Trang 10
TOM TAT CAC SAN PHAM CU THE CUA DE TAI
1 Luận văn Cao học- chuyên nghành Xây dựng dân dụng và công nghiép- Dai hoc Bach
Khoa TpHé Chi Minh: (Đã nộp và đợi bảo vệ)
“ Điễu khiến bán chủ động kết cầu chịu động đất với hệ cản ma sát biến thiên
Người thực hiện : Th§ Phạm Nhân Hòa „
Người hướng dẫn: PGS.TS Chu Quốc Thắng
2 Ba bài báo đăng Tạp chí “Phát triển Khoa học và Công nghệ” Đại học Quốc gia -
HCM: (đã gửi đăng)
Phạm Nhân Hòa, Chu Quốc Thắng “Đánh giá hiệu quả của hệ cản ma sát biến thiên với
công trình chịu tải trọng động đất”
Phạm Nhân Hòa, Chu Quốc Thắng “Đánh giá hiệu quả giảm chấn của hệ cản ma
sát điều khiến bị động với công trình chịu tải trọng động đất”
Phạm Nhân Hòa, Chu Quốc Thắng “ Các phương án sử dụng hệ cản ma sát trong
kết cầu 9 tang”
3 Báo cáo khoa học tại Hội nghỉ Cơ học toàn quốc- lần thứ 8, Hà Nội, 12/2007
( Đã đăng ký và gửi Tóm tắt Báo cáo )
Phạm Nhân Hòa, Chu ¡Quốc Thắng “Đánh giá hiệu quả giảm chắn cho công trình
chịu tải trọng động đất sử dụng hệ cản ma sát bị động và hệ cản ma sát biến thiên
(bản chủ động) ”
Trang 111.1 Y nghĩa khoa học và thy tién ctta dé tai: oo cccccsssssesscccsssssseeescsssssetecessveessssansevesene 1
1.2 Tóm tắt mục tiêu và nội dung nghiên cứu: -.- + con re roi 1
2.1: Dinh nghia hệ cản ma sát: Q TH HT T110 11111121111 1151 211111511101 EE 1151111 tre 2
2.2 Các thiết bị cản ma sát bị động (ED) LH KH Hàn TH TH ng TT ng TH Tàn 2
2.2.1 Hệ cản ma sát do sự trượt của bu lông (LSB)- He 2
2.2.2 _Hệ cản ma sát của PalÌ, nTnHnH TT HT 1x 1111117111111 111115151 Exe 2
2.2.3 He cản ma sat Ca SUMITOMO? ec ecceeccesesceseesecsesssecsesssescscscssssssnseseevevseaneeaeaes 4
2.3 Cac thiét bị cản ma sát biến thiên (VED): 55 2t 21121 eeeeree 4
3.1 Phan tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản ma sát bị động: .- 5
3.1.1 Mô hình tính toán của kết cấu: senssngenssesessnesnussasesenassanssnnnesssnecenanecearecentesenietaeessnesss 5
3.1.2 Thuật toán giải phương trình chuyển động: H 419 1111 111 HT TT T111 11x rào 7
3.2 Thuật toán điều khiển và 1 dap ứng của kết cầu sử dụng VED: ccccvrscee 9
3.2.1 Đặc điểm của kết cấu được trang bị hệ cản ma sát biến thiên 2tr2 xa 9
3.22 - Xác định luật điều khiến trong mô hỉnh điều khiến bán chủ động 10
3.3 Tim đáp ú ứng của kết cầu được trang bị hệ cán ma sát biến thiên: 2s 11
4 VÍ DỤ TÍNH TOÁN ocee “ "—¬ - 12
ro 41 T ham số điều khiển của hệ cản ma sát: G211 0211221221115 121011111 coe 12
42 Kết cầu 3 tang: T TH T9 1 TT KT KT Tà TT TT ng ch 13
43 Kết cấu 9 thas re 16
4.3.1 Lựa chọn các phương án thiết kế + S0 TH 2H 1110.711012 16
4.3.2 Đáp ứng của kết cầu với các phổ gia tốc nền khác: .- 22 c2sacsse 22s 19
44 Với kết cầu 20 tầng: TH 22 H221 xeeerrreeereree 20
4.4.1 Đáp ứng của kết cầu với tải trọng động đất ELCentro: 2-2 ©sctvrxvzxtzszss 21
4.4.2 Đáp ứng của kết cấu với tải trọng động đất Kobe: -2-22t cv rrccrecoee 22
51 Kết luận: S199 11111 TH HH TH Tà TH HH TT Tà HT TH TT HH HT TT Tư rà 23
5.2 Phạm vi ứng dụng của đỀ tài: c c1 11.21110111 Eeeye " 24
5.3 Hướng phát triển của để tài: 2 HE eey TH HH KH N11 11111 1n 6 như 24
Trang 12
ĐẶT VẤN ĐỀ
+
1.1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
._ Những cơn địa chấn và động đất vốn ít gặp trong lịch sử xảy ra gần đây trong khu vực và
ở Việt Nam, cá ở các tính miễn núi và trung du phía Bắc và đặc biệt ở Nam bộ đang buộc các nhà
quản lý đô thị, các nhà thiết kế, các nhà khoa học nhanh chóng tìm ra các giải pháp nhằm hạn chế
các ảnh hưởng rất tiêu cực của động đất lên các công trình Đây là vấn đề còn chưa được quan
tâm đúng mức ở VN Trước khi có những quyết sách mang tính hệ thông, đồng bộ và to lớn thì
việc sử dụng giải pháp giảm chân bằng các loại hệ cản để điều khiến đao động công trình là
những giải pháp rất hiệu quả, cần thiết được khảo sát, nghiên cứu và đưa vào ứng dụng Đề tải
nảy là một trong những nghiên cứu ít ôi về lĩnh vực này
Với ưư điểm về giá thành rẻ va dé diéu khién [8], FD thích hop giảm chân cho công trình
thấp tầng và chịu tải trọng động đất ở mức độ trung bình Nhưng để đánh giá đặc điểm của hệ cản
ma sát bị động (FD), ta cần phải có một mô hình tính toán và thuật giải tìm đáp ứng đúng đề từ
đó đưa ra cách xác định lực điều khiển sao cho FD làm việc hiệu quả Do vậy, việc xây dựng mô
hình tính toán và thuật giải để tìm đáp ứng là vấn để cần thiết và quan trọng trước khi đánh giá
mức độ hiệu quả cia FD
Còn đối với hệ cản ma sát biên thiên (VED) được điều khiến bán chủ động thì hiệu quả
giảm đáp ứng là lớn hơn nhiều so với FD Thuật toán dùng dé điều khiển chủ động cũng là thuật
toán dùng trọng điều khiên bán chủ động, thuật toán điều khiển chủ động chỉ dừng lại trong việc
xác định trực tiếp lực điều khiến kết cầu (u), trong khi đó, đối với điều khiến bán chủ động, ngoài
việc xác định u thì ta còn phải tìm ra mối quan hệ giữa lực điều khiển và yếu tố gây ra lực điều
khiến Do vậy, van dé quan tâm trong các bài toán điều khiến bán chủ động là tìm ra các thuật
toán điều khiển hệ cán đê kết cầu cho kết quả giảm đáp ứng theo mong muôn
1.2 Tóm tắt mục tiêu và nội dung nghiên cứu:
Đề tài tập trung nghiên cứu và khảo sát L hiệu quả giảm chắn cho công trình chịu tai trọng
động đất khi sử dụng các FD và VED được điều khiến bán chủ động Xây dựng thuật toán điều
khiến cho hệ điệu khiển bán chủ động nhằm đảm báo hiệu quả giảm chấn tốt nhất
Đề tài gồm 5 chương và 1 phụ lục tập trung vào các nội dung sau:
~ Các thiết bị cản ma sát bị động (FD) và thiết bị cản ma sát biến thiên điều khiến ban cht
động(VFD)
— Phân tích và tính toán khảo sát hiệu quả giảm chấn của FD
~ Phan tích, và xây dựng thuật toán điều khiến thiết bị VFD nhằm thực hiện điều khiến
bán chú động kết cấu
— Thực hiện khảo sát hiệu quả giảm chắn của VFED
— Đưa ra các khuyến nghị nhằm ứng dụng trong thực tiễn thiết kế công trình
Trang 13
CÁC LOẠI THIẾT BỊ MA SÁT TRONG THỰC TẾ
những thiết bị tiêu tán năng
lượng bằng lực ma sát Các _ Lực ma sát lon nhat = uN
Hệ cản này do Pall cái tiến từ hệ cản LSB, đây là loại hệ cản được nghiên cứu, phát triển
và dùng nhiều nhất hiện nay trong số các hệ cản ma sát
cunipression tension
“«_ bra cok h'® Su oy’ Hinh 2.3 Lắp đặt hệ
“beam ; slip joint with | | NOS ZA inks can ma sat Pall cing
friction pad ¡| JSC |: chung với hệ giẳng
Trang 14CÁC LOẠI THIẾT BỊ MA SÁT TRONG THỰC TẾ
Môt số hình ánh thực tế của hệ cắn ma sát Pall [2]:
» Seismic Upgrade of Boeing Commercial Airplane Factory, Everrett, USA:
a es eh re
Cost of Retrofit: US$65 million
Savings: US$30 million
Savings: More than 60%
compared to other structural
Savings : More than 50% in
seismic upgrade cost and time
> Uu diém cua hé can ma sat bi động (FD) là được sử dụng để cải tạo các công trình thấp
tầng chịu động đất với chi phí và thời gian lắp đặt thấp hơn so với các phương pháp kháng chấn
khác
Trang 15
CÁC LOẠI THIẾT BỊ MA SÁT TRONG THỰC TẾ :
2.3 Cac thiét bi can ma sat bién thién (VFD):
Hệ cản ma sát biến thiên đang được dùng hiện nay là hệ cản ma sát bang vật liệu áp điện
(piezoeclectricity friction damper) (Hinh 2.6 va Hinh 2.7) Lực pháp tuyến của hệ cản ma sát
được điều khiển bằng hiệu điện thế cung vào vật liệu theo quan hệ sau 0:
4EAd,,V (t) eto
es h
trong đó: ,„„ là lực ma sát được đặt trước trong hệ cản ma sát;
E = mô đun đàn hồi Young của vật liệu áp điện;
A = diện tích mặt cắt ngang của lớp vật liệu;
h = bề dày mỗi lớp vật liệu áp điện;
d,„ = hệ số biến dạng của lớp vật liệu áp điện;
Figure 1.2: A semi-active joint
Hinh 2.6 Hé can ma sat bang vat liguap Hinh 2.7 Nút điều khiển bán chủ động bằng
điện FPA-1700-LV vật liệu áp điện
Trang 16
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản ma sát bị động:
3.1.1 Mô hình tính toán của kết cấu:
Xét kết cấu ø tầng được trang bị n FD nhu sau (Hinh 3.1):
x(t) _ xv) _
nhưng chưa biển dang
—— Vị trí mới sau biến dạng
(a) Kết cấu khung phẳng (b) Chuyển động của kết cấu
Mình 3ï Sơ đồ kết cầu khung nhiều tầng được trang bị FD
theo mô hình sàn tuyệt đôi cứng [9]
Các ký hiệu: zm, và zz, lần lượt là khôi lượng của kêt câu và của hệ giăng ở tâng thứ 7;
x,(t) va x’ (¢) lần lượt là chuyên vị của kết cầu và của hệ giằng so với đất nền ở tầng thứ 7, P (?)
va x, (¢) là lực tác động và gia tốc nền của tải trọng đông đất biến thiên theo thời gian
Trang 17
Kosten cheery HA) TỔ
Hinh 3.3 So dé luc tac động vào các khối lương tách TỜI
Với giả thiết sàn tuyệt đối cứng, ta quy khối lượng mỗi tầng thành khối lượng tập trung
mụ, các khối lượng này được liên kết với nhau bằng các lò xo #; và hệ cản cơ Hệ giăng chứa FD
được quy thành khối lượng tập trung ø;' đặt trên m; va chúng liên kết với nhau băng lực ma sát
F;, lực ma sát này chính là lực ma sát trong hệ cản được lắp đặt ở mỗi tang
và gia tốc của kết cau
e Các ma trận đặc trưng của hệ giằng (M1%%,C% K34 ,x°,x“ và X°) cũng xác định tương
tự như các ma trận đặc trưng của kết cấu
HƯƠNG
NNYYợợnnnnnnnnợnnununzưznnnnaaazagơnaaơơnaơzszơơợơợờơngguznnnnuäẵẳäăaaaaaanemn
6
Trang 18e z¿ : hệ sô ma sát động của thiệt bi can ma sat duoc lap dat 6 tang thu
3.1.2 Thuật toán giải phương trình chuyền động:
— FD làm việc dưới 2 trạng thái:
e Trang thai “dinh” khi: |F, |< Frys, = HN, | (3.2a)
Khi đó, ta có quan hệ sau: „X' =„ Xf và „&' =„ k° q st St se St 3.2b
f (mà Co ~ À I
hE; Jia — Lomax, / ENE GT J =F maxes
a Fj dea ~ —Frmax,j nêu (F; Ì Š —Fmav/
Các chỉ số dưới sr và s/ chỉ trạng thái của FD, st là “dính” và s/ là “trượt”
Từ (3.2a) và (3.3a): chỉ khi nào FD ở trạng thái “trượt” thì mới làm tiêu tán năng lượng
của tải trọng tác động Đối với FD được điều khiển bị động thì 7 =cons, giá trị Ƒ„„ , này
và lực ma sát lúc này được xác cnt
phụ thuộc vào thiết bị cản ma sát (tức là phụ thudc vao hé sé ma sat déng wz; va luc kep Nj) theo ©
quan hé sau:
Theo (3.4): luc ma sat lén nhat Fra; (khi FD xây ra trạng thái “trượt”) mà ta thiết lập
trước trong mỗi hệ cản là có thể thay đổi được qua việc thay đổi giá trị lực kep Nj
— Viéc tim dap tmg cua két cau (x*,x* va #*) từ phương trình chuyên động là phụ thuộc
vào tải trọng tac dong ( P(t), gia toc nền ¥, (¢)) va trang thai cla FD, do đó, bài toán mang tính
phi tuyến Phương pháp số để giải bài toán này như sau:
e Chia thời gian / thành các bước thời gian /; (/, =/.A/, ¿ là bước thời gian thứ ¡ và At là
mỗi bước thời gian)
e Quan hệ giữa chuyên vị và vận tốc vào gia tôc được lây theo phương pháp Time —
Newmark như sau [9]:
Trang 19#; và g lan lượt là các sai số về gia tốc và lực ma sát trong môi lân tính lặp
e Kết quả bài toán là chính xác khi lấy
Trang 20
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.2 Thuật toán điều khiến và đáp ứng của kết cầu sử dụng VED:
3.2.1 Đặc điểm của kết cấu được trang bị hệ cần ma sát biến thiên:
Xét kêt câu z tâng được trang bị r hệ cản ma sát biến thiên như sau (Hình 3.5):
| Thiết bị đo lực ma sat (load cell)
[X]B6 cảm tiền (sensor) đo trạng thái của kết cầu
4BO DIEU KHIEN Tin hieu _
Hinh 3.5 Sơ dé kết cấu được trang bị VFD và hệ thông điều khiến [4]
Các ký hiệu: m,„k, và x,(¿) lần lượt là khối lượng, độ cứng và chuyên vị so với đất nền
của tầng thứ ¡; &,, là độ cứng của hệ giằng: N, () là lực pháp tuyến (normal force) bién thién
theo thời gian của hệ cản VFD
Khi kết cấu chịu động đất, phương trình chuyển động của kết cầu được mô tả trong không
gian véctơ trạng thái như sau [4]: -
trong đó: z(¿): diễn tả trạng thái của kết cấu bao gồm chuyên vị tương đối và vận tốc tương đối của các tầng so với đất nền; u(/): vector lực điều khiển; w(¿): vector gia tốc nền
của trận động đất; A : ma trận xác định đặc trưng của kết cầu bao gồm các ma trận khối lượng,
ma trận cản và ma trận độ cứng của kết câu; B và E: ma trận phân bố lực điều khiển và gia tộc
nên
Trang 21
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.2.2 Xác định luật điều khiển trong mô hình điều khiển bán chủ động:
Đối với hệ cản ma sát, khi hoạt động, chúng làm việc dưới 2 trạng thái:
— Khi hệ gản ma sát ở trạng thái “đính”: |¿,(2)|< „N,() (3.11)
— Khi hệ 6ản ma sát ở trạng thái “trượt”: |z,()|= „M,(?) (3.12)
trong dé: 4; la hệ số ma sat của hệ cản ở tang thứ ¡
—_ Từ(G.IT) và @.12), ta nhận thây răng: chỉ khi nào hệ cản ma sát ở trạng thái “trượt” thì
kết câu mới điêu khiên được và chỉ khi ở trạng thái “trượt” hệ cản ma sát mới làm tiêu tán năng
lượng do tải trọng tác động
e Đối với kết cấu được điều khiển bị động, ta có quan hệ giữa lực điều khiên u; va luc
pháp tuyên N; khi FD ở trạng thái “trượt” như sau [8]:
u,(t) =sgn| x, (4)- 4 (0)] 4, (3.13)
trong đó: x, là vận tốc cla tang thứ , +¡ là vận tốc của hệ giăng giữ FD, @, là lực
pháp tuyến của FD Trong trường hợp điều khiển bị động này, N; luôn là hằng số
e Còn đối với kết cấu được điều khiển bán chủ động sử dụng hệ cản ma sát biển thiên,
quan hệ giữa lực điều khiên và lực pháp tuyên khi VFD ở trạng thái “trượt” tại bước thời gian [k]
A,=e*"; By=A'(e*™ -1)B, E, =A" (e°" -HE;
t=k.Ar, k la bude thoi gian thik, Ar 1a bude thoi gian
trong đó: K, là ma tran độ cứng của hệ giằng chứa VFD mà phần tử thứ ¡ nằm
trên đường chéo là độ cứng của hệ giằng thứ i (k,,); D là ma trận chỉ ra mỗi quan hệ giữa
chuyên vị địa phương của hệ cản và chuyển vị toàn cục của kết cấu; I là ma trận đơn vị
- Như vậy, ta đã điều khiển kết cấu thông qua lực pháp tuyến biến thiên X, (?) từ công thức
(3.14), luật điều khiển ,(/) được xác định như sau [6]:
a
N,(t)=sgn[a, 00)” (3.16)
trong đó, ñ và F 1a vector luc điều khiển và ma trận chứa thuật toán điều khiển â
và F được lấy theo lý thuyết điều khiển chủ động; C là ma trận định vị các bộ cảm ứng
Đến đây, nếu ta thiết lập được ma trận chứa thuật toán điều khiển Ê thì vẫn dé của bài
toán xem như được giải quyết Ê có thể là luật điều khiển tổng quát bất kỳ, trong bài báo này, F
được xác định theo mô hình điêu khiên sử dụng trực tiếp dữ liệu đầu ra như sau [6] :
ấ` F =B;'| ®,, diag(4,), - A,.®, |.(C.®;) ~ -¬Il (3.18)
trong đó: ®, là ma trận chứa vectơ riêng theo mục đích điều khiển; A¿, B¿ và ®„
là ma trận được lẫy ra từ r hàng dưới của các ma trận A, B và ®,
ed
10
Trang 22
Hệ cản ma sát biến thiên đang được dùng hiện nay là hệ cản ma sát bằng vật liệu áp điện
(piezoeclectricity friction damper) Luc phap tuyến của hệ cản ma sát được thay đổi nhờ hiệu
điện thé cấp vào vật liệu piezoelectricity theo quan hệ (2.2)
3.3 Tìm đáp ứng của kết cầu được trang bị hệ cản ma sát biên thiên:
Xét phương trình chuyển động của kết cầu trong không gian trạng thái (3.10), néu phuong
trình được rời rạc hóa trong miên thời gian sao cho các lực tác động và lực điều khiển là hằng số
trong mỗi bước thời gian thì đáp ứng của hệ trong bước thời gian tiếp theo sẽ phụ thuộc vào bước
thời gian trước đó như sau [4]:
z[k +1|=A,.2[k]+B,.u[k]+E,.w[k] (3.20)
trong đó: u được xác định bằng phương pháp “hiệu chỉnh lực cân bằng” [5] Tức
là, ở mỗi bước thời gian, ta giả sử trước trang thai cua VFD để tính toán giá trị của lực điều khiển
u rồi sau đó hiệu chỉnh dần giá trị u cho đến chúng khi tắt cả đều thỏa mãn điều kiện giả thiết về
trạng thái
Trang 23
4.1 Tham số điều khiến của hệ cản ma sát:
Chu trình liêu tán măng lượng của hệ cản ma sát trong két câu
|m = 5000kg; c=0 1225(AN A „Và k= 29.9913(4N/ „|| với tải trọng động đất ElCentro
Chuyen vi tuong doi x-x' (cm) Chuyen vi (cm)
Hinh 4.1 | Chutrinh tiéu tan nang luong hé cản ma sát bị động và bán chủ động
Nhan xét:
— Chu trinh tiéu tan nang luong cla FD va VFD đều có hình dạng giống với luật
Coulomb (Hinh 2.1) - định nghĩa về hệ cản ma sát
— VFD giúp hệ cản ma sát làm việc cả trong đoạn có phô động đất nhỏ và lớn trong khi
FD thì chỉ hiệu quả khi có lực tác động đủ lớn (tức ED chỉ tiêu tán năng lượng khi ở trạng thái
“trượt”
Xét kết cầu khung 3 tầng của tòa nhà mẫu [HỊ- Các đặc điểm động lực học của kết cầu
được xác định theo mô hình sàn tuyệt đôi cứng (shear building):
4.78 0 0
Các ma trận khối lượng, cản và độ cứng:M, =| 0 478 0 |x10° (4g)
0 0 5.18 8.6979 -2.8402 0 2786 -1393 0
D, =| -2.8402 4.3796 -1.5394 -i0 23) ;K,=|-1393 2786 -1393 x10” B
Trang 24
Tham so dieu khien r Tham so dieu khien ZETA
Hình 4.2 Quan hệ giữa độ giảm đáp ứng của kết câu và tham sô điệu khiên với tải trọng
động đất ElCentro
Nhân xét:
— Déi véi FD, khi thay đôi tham số điều khiến r từ nhỏ đến lớn thì z đạt giá trị tối ưu (tức
là FD tiêu tán năng lượng nhiều nhất) Điều này là do khi z nhỏ —> lực ma sát lớn nhất trong FD
nhỏ —> năng lượng tiêu tán do ma sát nhỏ, khi r lớn > FD không thường xây ra trạng thái “trượt” —_|
—> FD ít có chu kỳ tiêu tán năng lượng —> FD giống hệ giảng
- Đối với VFD, độ giảm đáp ứng là phụ thuộc tuyến tính vào tham số điều khiển CG
— Néu nhu @ diéu khién bi động, mức độ hiệu quả giảm chấn lơn nhất là không đổi (ứng
với tham số z tối ưu) thì ở điều khiển bán chủ động, mức độ hiệu quả giảm chấn là có thể thay
đổi được nhờ vào việc thay đổi tham số £
4.2 Két cau 3 tang:
Để đánh giá đầy đủ hơn mức độ hiệu quả giảm chấn của FD và VFD, ta xét kết cầu được
thiết kế ở nhiều đạng khác nhau như sau:
(A) Khung không giăng và không có —
thiết bị tiêu tán năng lượng mà an NL oN
(B) Khung có giăng nhưng không có (9 (B) (C)
thiết bị tiêu tán năng lượng oe | ® Cảm biến đo chuyển vị
(C) Khung với 3 FD Oe s oo , ,
(D) Khung với 3VFD ° Cam i“ do van ee
(E) Khung với 1 VFD oe oe ———— —^==—v- !lŸ ` V động
Trang 25VÍ DỤ TÍNH TOÁN
Tải trọng động đất ElCentro với PG4=0.348g được ta sử dụng để phân tích các trường
hợp (A), (B), (C), (D) và (E) (Hình 4 3), trường hợp (D) có 6 cảm biến để đo chuyến vị và gia
tốc, trong khi đó trường hợp (E) chỉ cần 2 cảm biến để đo chuyến vị và gia tốc Độ cứng của hệ
giảng trong trường hợp (B) được lấy bằng k,/3= 432(kN / cm), độ cứng này cũng là độ cứng
của hệ giằng được sử dụng để giữ hệ cản ma sát trong trường hợp (C) Trong trường hợp (C), hệ
cản ma sát được điều khiến bị động với tham số r thay đôi: 0.06 (C1); 0.08 (C2); 0.10 (C3) Còn
trường hợp (D) và (E) được điều khiến với tham số ý = 0.3
Bang) Số liệu đáp ứng của các trường hợp (A), (B), (C), Oy va
| SỐ | Tham Chuyên rị trang bình (cm) | Gia tốc trụ
THỊ thiét bi DK | số ĐK Tang 1 Tang 2- Tang 3 "Tầng Í Vang a + CÁ
(A) = — 0.8413 | 1.4998 | 1 aes 0.6785 | 0.9602 | 1.1699
Truong hop Truong hop
(a) Tang I (b) Tang I (c) Tâng III Hình 44 Độ giảm của về chuyển vị, gia tốc và độ giảm lực điều khiển lớn nhất của các tầng
GE Chuyen vi ton nhat
EiMEInd Chuyen ví trung binh
2259 Gia toc ton nhat
ea Gia toc trung bình
| RB Luc dieu khien ton nhất
Trang 26Thoi gian (s) Thọi gian (s)
(a) Chuyên vi tang III (b) Gia toc tang ITI
8 5 : ¬——=—==== = Chuyen v tuong doi lon nhat
-0.015 -0.01 -0.005 0 0005 001 0015 002 - 0 50 100 NNNNEhuyen v tuống doi trung bình
Chuyen vi (%) Do giam (%)
(c) Quan hệ giữa lực ĐK — chuyển vị tầng Ill (d) Độ giảm đáp ứng của kêt câu
Hình 4.5 Đáp ứng của kết cầu (trường hợp (D)) dưới tải động dat ElCentro Ghi chú: Độ giảm lực điều khiển lớn nhất được so sánh với lực điêu khiển lớn nhất trong
5 trường hợp (C0.06 , C0.08 , C0.10, (D), (E)) là trường hợp C0.10
Nhân xé:
~ Các trường hợp Cọc 06 › Coos , Co.10 trong điều khiển bị động cho dap ứng âm về gia tốc
lớn nhất (tức là làm tăng gia tốc lớn nhất (Hình 4.4)), nguyên nhân là do khả năng giảm gia tốc
của hệ can ma sat la co han Đối với hệ cản ma sát được điều khiển bị động, cách để làm tăng
hiệu quả độ giảm gia tốc là ta phải giảm lực ma sát điều khiển lớn nhất, nhưng khi giảm lực ma
sát điều khiển lớn nhất thì sẽ làm giảm mức độ hiệu quả đối với chuyển vị
— Trường hợp (E) điều khiển bằng VFD (với c= 0.30) cho mức độ hiệu quả giảm chấn
gần bằng trường hợp C0.10 nhưng lực điều khiển chỉ bằng 40% so với trường hợp C0.10, do đó,
ta có thê sử dụng IVFD điều khiển bán chủ động thay cho việc sử dụng cả 3FD ở điều khiển bi
động vì lý do kiến trúc nào đó
~ Nếu ta chỉ cần mức độ hiệu quả là chấp nhận được thì việc sử dụng IVFD ở tầng I (ở
trường hợp E) so với 3VFD (ở trường hợp (D)) là ta đã giảm được chỉ phí lắp đặt cũng như chi
phí vận hành do số lượng VFD giảm đi
Trang 27VÍ DỤ TÍNH TOÁN
43 Kết cấu 9 tầng:
Đề đánh giá mức độ hiệu quả mang tính thực tế của VED, ta xét 'kết cầu của 1 tòa nhà 9
tầng mẫu [11] chịu tải trọng động đất Đặc điểm của công trình được cho trong Bảng 2 Các ma
trận M”, D',K” được xác định như trong [8]
Bac tw do n=10, khung làm bằng thép có E=200GPa=2x104kN/cm?
Bảng 2 Các đặc điểm của khung 9 tần
4.3.1 Lựa chọn các phương án thiết kế:
Tải trọng động đất ElCentro được sử dụng để phân tích đáp ứng của kết cấu, kết quả của
24 phương án sử dụng VED (đặt ở các tang dưới cling) được cho trong Bang 3 va Bang 4 sau:
| Bang 3 Lye diéu khiến lớn nhất max trong VED _
ara ee Da ae
| 207.1 | 199.1 | 308.4 | 215.8 | 324.9 | 308.9 | 223.4 | 339.4 | 317.7 | 358.2 252.5 | 236.2 | 376.1 | 260.3 | 398.4 | 386.9 | 275.8 | 425.0 | 402.5 | 389.7
_Mức độ hiệu quả giám đáp ứng trung bình Ơ G(%)
048777” 11.20 | 28.83 | 41.67 | 39.90 0.60.1 13.21 | 31.57 | 44.18 | 44.01 0.75 114.92 | 33.78 | 46.10 | 47.25
00 16.50 | 35.82 | 47.67 | 49.94
105 1:17.97 1 37.54 | 48.99 | 52.15 1.20.1 19.24 1 39.03 | 50.21 | 54.00
16
Trang 28VÍ DỤ TÍNH TOÁN
G (%) Lessee neni er t8 @-: Su dung 2VFD
: —— peep Onn -@- Su dung 3VFD
Hình 48 — Biêu đồ so sánh mức độ hiệu quả giảm chấn trung bình của các phương án so với
phương án sir dung 1 VFD
Trang 29
VÍ DỤ TÍNH TOÁN
Nhận xét
- Đối với tham số đ :
e Lực điều khiển lớn nhất trong các phương án là phụ thuộc tuyến tính vào tham
11.20%=8.04% trong khi lực điều khiển lớn nhất đã tăng: — 2071 “100=100.77%, các
phương án sử dụng 2VFD ; 3VED hay 4VFD cũng cho kết quả tương tự Do đó, việc tăng tham
số điều khiển đ đủ lớn để đạt mức độ hiệu quả như mong muốn là không khả thi vi sẽ dan dén
lực điều khiến sẽ lớn vô cùng
— Khi ta tăng số lượng VED thi G tăng lên một cách đáng kể (xem Hình 4.8) thì phương
án sử dụng 2VED (cùng tham số điều khiển ý ) thì hiệu qua tăng hơn gấp 2.5 lần so với phương
án sử dụng 1 VFD, nếu sử dụng 3VED hoặc 4VFED thì hiệu quả tăng hơn 3.5 lần so với phương án
sit dung 1 VFD
— Nhu vậy, muốn cải thiện hiệu quả giảm chấn như mong muốn thì ta phải tăng số lượng
VFD điều khiến kết cấu, việc tăng tham số điều khiến đ chỉ mang tích chất “vi chỉnh” hiệu quả
giảm chắn và thiết kế lực ma sát điều khiển lớn nhất Nhưng nếu sử dụng càng nhiều VFD thì sẽ
dẫn đến chí phí lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng càng tăng lên
— Tủy vào mục tiêu thiết kế mả ta lựa chọn số lượng VFD cũng như tham số điều khiến
¢ , chẳng hạn như trong ví dụ này ta mong muốn G 1a 50% thì ta có thể thiết kế theo 2 phương
BE Chuyen vi trung binh
(A Luc cat trung binh
2 Gia toc trung binh
GE Chuyen vi tuong doi trung binh
Trang 30
° io ——————— WE Chuyen vi trung bin
9 foes gg Luc cat trung binh
8 :š] Gia toc trung binh
Hình 410 Độ giảm đáp ứng của kết cấu khi sử dụng phương án IÏ
Rõ ràng khi ta sử dụng phương án I thì số lượng VFD it hơn phương án II nhưng bù lại thì
lực điều khiển lớn nhất ở 3 tâng lại lớn hơn lực điều khiển lớn nhất ở 4 tầng khi ta sử dụng
4VED, do đó, tùy vào chỉ phí dùng cho VFD và chúng loại VFD đang có mà ta có thể dùng
phương án Ï hoặc II
4.3.2 Đáp ứng của kết cấu với các phố gia tốc nền khác:
Trang 31
VÍ DỤ TÍNH TOÁN
Nhân xéi:
— Theo các biểu đề tổng hợp về độ giảm đáp ứng (Hình 4 l1) thì đáp ứng của kết cấu với
chuyên vị, lực cắt và gia tốc lớn nhất là không hiệu quả nhiều so với các đáp ứng trung bình, nhất
là đáp ứng của kết cấu đối với các tải động dat có cường độ lớn (như Northridge) Điều này được
lý giải là do các đáp ứng lớn nhất thường xây ra ở thời điểm đầu của trận động đất, ở thời điểm
này đáp ứng của kết cấu là phụ thuộc phân lớn vào bản thân kết cầu và chưa có sự tham gia nhiều
của hệ cản ma sát vào đáp ứng của kết cấu Một lý do khác nữa là do đặc điểm của FD: “năng
vị, lực cắt lớn nhất là không hiệu quả
— Kêt câu gân như là không dao động ở vùng có gia tốc nên nhỏ và không xây ra trường
hop đáp ứng âm (Hình 4 I 1), đây cũng là điêm khác biệt so với kêt câu được điêu khiên bị động
4.4 — Với kết cầu 20 tầng:
Xét kết cdu 20 tang mau [11] chiu tai trọng động đất Đặc điểm của kết cấu được cho
trong Bang 5 sau: ; ,
SO tang 20, bac tu do n=22, khung lam bang thép c6 E=200GPa=2x104kN/em*
Tỉ số cản của khung bằng thép được lấy: £, =0.02 (7 = l,2, 22)
i Đặc trưng của kết cầu 20 tầng
— Chuyen vi tuong doi lon nhat
552 | 584 Luc cat lon nhat
762 Ì 762 Gia toc lon nhat
Chuyen vì trung binh
Chuyen w tuong doi trung binh
— Luc cat trung binh
| I Gia toc trung binh