Phương trình dao động của hệ khi điều khiển bằng phương pháp bị động khối lượng phụ chỉ chịu tác dụng của gió.. Hệ khi điều khiển bằng phương pháp bị động dùng khối lượng phụ chỉ chịu tá
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN
TÌM ĐÁP ỨNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DO TẢI TRỌNG MÔI TRƯỜNG ( GIÓ, ĐỘNG ĐẤT, NỔ)
Trang 3MỤC LỤC
TÓM TẮT ĐỀ TÀI 4
1 Số liệu ban đầu: 4
2 Nội dung các phần học lý thuyết và tính toán: 4
Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 5
I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 5
II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 5
Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 6
I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 6
II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6
III. NỘI DUNG 6
CHƯƠNG 1 6
TÌM ĐÁP ỨNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DO TẢI TRỌNG MÔI TRƯỜNG (GIÓ, ĐỘNG ĐẤT, NỔ) 6
1.1.MÔ HÌNH HÓA NHÀ CAO TẦNG 6
1.1.1 Nhà 1 tầng 6
1.1.2 Nhà 2 tầng 7
1.1.3 Nhà n tầng 7
1.2 PHƯƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG 7
1.2.1.Phương trình dao động nhà 1 tầng 7
1.2.2.Phương trình dao động của nhà 2 tầng 8
1.2.3.Phương trình dao động của nhà 3 tầng 8
1.2.4.Phương trình dao động của nhà 4 tầng 8
1.2.5 Phương trình dao động của nhà n tầng 9
1.3.TÌM TẦN SỐ RIÊNG VÀ MODE DAO ĐỘNG 10
1.3.1.Phương trình dao động nhà 1 tầng: 10
1.3.2.Phương trình dao động điều hòa nhà 2 tầng 10
Trang 41.4.1.Phương trình dao động của hệ khi chỉ chịu tác dụng của gió (lực phương
ngang Pi(t) ) 14
1.4.2.Phương trình dao động của hệ khi chỉ chịu tác dụng của động đất, nổ z(t) 17
1.4.3.Phương trình dao động của hệ khi chịu tác dụng của động đất, nổ z(t) và gió Pi(t) 20
1.4.4.Đáp ứng của hệ dưới tác dụng của lực điều hòa (khi N=1) 22
1.4.4.1 Hệ khi chịu tác dụng của gió Pi(t) 22
1.4.4.2 Hệ khi chịu tác dụng của động đất, nổ z(t) 25
1.4.4.3.Đáp ứng theo miền thời gian 27
1.4.5.Đáp ứng của hệ dưới tác dụng của lực điều hòa (khi N=5) 27
1.4.5.1 Hệ khi chịu tác dụng của gió Pi(t) 27
1.4.5.2 Hệ khi chịu tác dụng của động đất, nổ 31
1.4.5.3.Đáp ứng theo miền thời gian 36
CHƯƠNG 2 37
ĐIỀU KHIỂN NHÀ CAO TẦNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP BỊ ĐỘNG 37
2.1 Giới thiệu 37
2.2 Một số giải pháp chống dao động 37
2.3 Điều khiển nhà cao tầng sử dụng phương pháp bị động 39
2.4 Phương trình dao động của hệ khi điều khiển bằng phương pháp bị động khối lượng phụ) chỉ chịu tác dụng của gió 40
2.5 Hệ khi điều khiển bằng phương pháp bị động (dùng khối lượng phụ) chỉ chịu tác dụng của gió 43
2.6 Hệ khi điều khiển bằng phương pháp bị động (dùng khối lượng phụ) chỉ chịu tác dụng của động đất, nổ 51
Phần 3: KẾT LUẬN, ĐỀ NGHỊ 59
I KẾT LUẬN 59
II. ĐỀ NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60
Trang 5PHỤ LỤC 1 61
Nhà 1 tầng không điều khiển dưới tác dụng của tải trọng gió 61
PHỤ LỤC 2 64
Nhà 1 tầng không điều khiển dưới tác dụng của tải trọng động đất, nổ 64
PHỤ LỤC 3 66
Nhà 5 tầng không điều khiển dưới tác dụng của tải trọng gió 66
PHỤ LỤC 4 67
Nhà 5 tầng không điều khiển dưới tác dụng của tải trọng động đất, nổ 67
PHỤ LỤC 5 68
Nhà 1 tầng điều khiển bằng phương pháp bị động dưới tác dụng của tải trọng gió 68
PHỤ LỤC 6 73
Nhà 1 tầng điều khiển bằng phương pháp bị động dưới tác dụng của tải trọng động đất, nổ 73
PHỤ LỤC 7 74
Nhà 5 tầng điều khiển bằng phương pháp bị động dưới tác dụng của tải trọng gió 74
PHỤ LỤC 8 75
Nhà 5 tầng điều khiển bằng phương pháp bị động dưới tác dụng của tải trọng động đất, nổ 75
Trang 6TÓM TẮT ĐỀ TÀI
1 Số liệu ban đầu:
- Khối lượng, độ cứng, giảm chấn của các tầng
- Khối lượng, độ cứng, giảm chấn của phương pháp điều khiển bị động
- Ngoại lực gió, động đất, nổ
2 Nội dung các phần học lý thuyết và tính toán:
- Mô hình hóa nhà cao tầng
- Phương trình dao động
- Tần số riêng, mode dao động
- Đáp ứng của nhà 1 tầng tác dụng của tải trọng môi trường (gió, động đất, nổ)
- Đáp ứng của nhà 5 tầng tác dụng của tải trọng môi trường (gió, động đất, nổ)
- Điều khiển nhà 1 tầng do tải trọng môi trường (gió, động đất, nổ) bằng phương pháp bị động
- Điều khiển nhà 5 tầng do tải trọng môi trường (gió, động đất, nổ) bằng phương pháp bị động
Trang 7Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
Bên cạnh sự phát triển của nền kinh tế thì nhu cầu nhà ở ngày càng tăng lên.Tuy nhiên, diện tích đất xây dựng thì lại có hạn cho nên nhu cầu xây chung cư, nhàcao tầng để đáp ứng nhu cầu ăn ở của nhân dân ngày càng tăng Nhưng khi xây dựngnhà cao tầng thì công trình đối mặt với rất nhiều vấn đề, trong đó ảnh hưởng của môi trường đến công trình hết sức là quan trọng Đối với những công trình thấp thì ngoại lực (gió, động đất, nổ) tác dụng lên công trình là không đáng kể Tục ngữ có câu:“Cây to gọi gió” Công trình cao tầng giống như một cái cây vô cùng cao lớn, ảnh hưởng của áp lực gió với nó rất lớn, đối với những công trình cao 50 tầng trở lên, khả năng chống gió của nó trở thành một trong những vấn đề nan giải chủ yếu trong quá trình thiết kế Khi gió thổi mạnh vào ngôi nhà nó có thể làm cho nhà bị dao động với biên độ lớn dẫn đến đổ vỡ tòa nhà Đặc biệt đối với những ngôi nhà chọc trời thì điều này càng nghiêm trọng Hay là khi động đất, nổ thì dư chấn của nó làm cho tòa nhà bị rung lắc làm khi hỏng kết cấu tòa nhà, có thể dẫn đến sập cả tòa nhà Động đất gây 1 tác hại rất lớn đối với mọi công trình, mỗi lần có động đất thì các công trình bị hư hỏng, đổ sập thiệt hại rất lớn về kinh tế thậm chí cả nhân mạng Năm 1971 động đất ở San Francisco, California, năm 1944 động đất ở Northridge,California, năm 1995 động đất ở Kobe, năm 2001 động đất ở Bhuj…Những ảnh hưởng của gió, động đất, nổ đến nhà cao tầng là không thể tránh khỏi Tuy nhiên, để giảm thiệt hại thì người ta đã sử dụng các thiết bị, phương pháp để làm giảm dao động của nhà cao tầng khi chịu tác dụng của gió, động đất, nổ Trong đó có phương pháp điều khiển bị động bằng khối lượng phụ, phương pháp này do Frahm đưa ra lần đầu tiên vào năm 1909 Nó là phương pháp hấp thụ năng lượng bằng cách sử dụng thêm 1 khối lượng phụ, 1 lò xo, 1 giảm chấn gắn lên trên tầng trên cùng của công trình Đây cũng là phương pháp mà nhóm nghiên cứu nghiên cứu trong đề tài này để làm rõ cách nó làm việc
I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đáp ứng của nhà cao tầng do tải trọng môi trường (gió, động đất, nổ)
II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Trang 8Ngoài nước vấn đề này được nghiên cứu rất nhiều và đã áp dụng vào thực tế khá hiệu quả, như năm 1971 động đất ở San Francisco, California, năm 1944 động đất ở Northridge,California, năm 1995 động đất ở Kobe, năm 2001 động đất ở Bhuj…họ đã áp dụng phương pháp điều khiển để làm giảm thiệt hại cho công trình
Trong nước gần đây cũng mới nghiên cứu ảnh hưởng của gió tới nhà cao tầng
II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tham khảo tài liệu, phân tích và tính toán
III NỘI DUNG
CHƯƠNG 1 TÌM ĐÁP ỨNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DO TẢI TRỌNG MÔI TRƯỜNG (GIÓ,
ĐỘNG ĐẤT, NỔ)
1.1.MÔ HÌNH HÓA NHÀ CAO TẦNG
1.1.1 Nhà 1 tầng
Hình 1: Mô hình hóa nhà 1 tầng
Trang 101.2.2.Phương trình dao động của nhà 2 tầng
Trang 111.2.5 Phương trình dao động của nhà n tầng
1 1
2 2
3 3
1 1
m m m M
m m
Trang 12, 0
Trang 132 1
2 2
k m k m
0.61802
1.61802
Trang 14Mode 1 Mode 2
Trang 151.4.NHÀ CAO TẦNG CHỊU TÁC DỤNG CỦA NGOAI LỰC
Hình 4: Nhà cao tầng chịu tác dụng của ngoại lực (gió, động đất, nổ)
Trang 161.4.1.Phương trình dao động của hệ khi chỉ chịu tác dụng của gió (lực phương ngang P i (t) )
Trang 17Hình 6: Phân tích lực của nhà cao tầng chịu tác dụng của ngoại lực (gió)
Trang 18( )( )( )
( )( )
N N
0 0 0
2
( )2
K M
K M M
Trang 19( )2
Phương trình dao động :
K
0 0
0
K M
0 0
2
C M
Trang 2111
Trang 220 0
0 0 0
2
( )2
K M
K M M
K
0 0
0
K M
0 0
2
C M
Trang 241.4.4.Đáp ứng của hệ dưới tác dụng của lực điều hòa (khi N=1)
1.4.4.1 Hệ khi chịu tác dụng của gió P i (t)
Trang 250 2
0 2
Trang 26- N_FloorNumber = 1 (N_FloorNumber là số lầu )
- P_bar = 1 (P_bar là ma trận lực gió )
- M_bar_withoutcontrol =1 (M_bar_withoutcontrol là ma trận khối lƣợng khi chƣa điều khiển )
- K_bar_withoutcontrol =1 ( K_bar_withoutcontrol là ma trận độ cứng khi không điều khiển )
- C_bar_withoutcontrol =1 K_bar_withoutcontrol là ma trận giảm chấn khi không điều khiển )
Trang 271.4.4.2 Hệ khi chịu tác dụng của động đất, nổ z(t)
Trang 282 1 2
Trang 29Hình 12: Đáp ứng biên độ tần số khi không điều khiển của nhà 1 tầng (ngoại
Hình 13: Đáp ứng theo miền thời gian khi N=1
1.4.5.Đáp ứng của hệ dưới tác dụng của lực điều hòa (khi N=5)
1.4.5.1 Hệ khi chịu tác dụng của gió P i (t)
Từ (1.4.42):
1 2
Kết quả: Đáp ứng biên độ tần số của lần lượt từ tầng 1 đến tầng 5 của nhà 5
tầng khi chịu tác dụng của tải trọng gió
Trang 300.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 0
Trang 310.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 0
Trang 32Với các thông số đầu vào nhƣ sau:
Trang 33Kết quả: Đáp ứng biên độ tần số của lần lƣợt từ tầng 1 đến tầng 5 của nhà 5
tầng khi chịu tác dụng của tải trọng động đất, nổ
Trang 340.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 0
Trang 35Hình 19: Đáp ứng biên độ tần số khi không điều khiển của tầng 1 của nhà 5
Trang 36Hình 21: Đáp ứng biên độ tần số khi không điều khiển của tầng 3 của nhà 5
Trang 39CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN NHÀ CAO TẦNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP BỊ ĐỘNG
2.1 Giới thiệu
Trong thời đại ngày nay, kỹ thuật điều khiển dao động công trình đã trở thành một lĩnh vực ngày càng được các kỹ sư xây dựng quan tâm Dựa trên thành tựu khoa học kỹ thuật của nhiều ngành khác nhau như vật liệu, năng lượng, cơ điện tử, cơ học, điều khiển học…khá nhiều giải pháp chống dao động đã được nghiên cứu và phát triển
Quá trình dao động của công trình là một quá trình tích luỹ, chuyển hoá và tiêu tán năng lượng
do các tác động bên ngoài cũng như do các nguyên nhân bên trong công trình gây ra Vấn đề đặt ra là các kỹ sư xây dựng can thiệp như thế nào vào quá trình biến đổi năng lượng đó để có thể khống chế dao động của công trình trong giới hạn cho phép Từ đó, các giải pháp chống dao động cho công trình ra đời cùng với các thiết bị hoạt động theo các cơ chế khác nhau
thường được cấu tạo từ những vật liệu có khả năng nội ma sát lớn, hoặc từ những bộ phận phát sinh ma sát ma sát ở đây được hiểu là ma sát Coulomb hoặc cản nhớt Trong quá trình dao động của công trình, các bộ phận của thiết bị được gắn vào công trình sẽ chuyển động tương đối với nhau, tạo ra ma sát và toả nhiệt Các thiết bị dạng này đã được ứng dụng tương đối
Trang 40có độ tin cậy cao trong thời gian dài Động cơ cũng là một bộ phận quan trọng, cần có khả năng phát lực nhanh chóng và chính xác theo yêu cầu, có độ tin cậy cao
Thiết bị giảm chấn nửa chủ động: đây là giải pháp chống dao động tương đối mới, trong đó thiết bị đóng vai trò điều tiết tác động bên ngoài lên công trình
Một thí dụ về dạng thiết bị này là thiết bị cản gió có điều khiển Tuỳ theo chiều dao động của công trình so với chiều gió thổi mà thiết bị sẽ điều khiển đóng mở các cánh đón gió để tạo ra lực đối kháng thích hợp Nguồn năng lượng bên ngoài không tạo ra trực tiếp lực đối kháng dao động của công trình, mà chỉ dùng để cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động đóng mở Khi xnhóm nghiên cứu xét các giải pháp chống dao động theo dạng tác động bên ngoài, chúng ta có thể phân loại như sau:
- Giải pháp cách chấn: do chấn động lan truyền trong nền, nên phương cách hay nhất
để chống dao động là cách ly hẳn công trình khỏi nền Vì không thể hoàn toàn cách ly được công trình khỏi nền, nên người ta bố trí thiết bị cách chấn giữa công trình và nền Thiết bị này
có độ cứng thấp nên khi nền dao động, thiết bị có biến dạng lớn, công trình bên trên nhờ có quán tính lớn nên chỉ chịu một dao động nhỏ Ngày nay, người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn, cũng như đưa thêm khả năng chủ động vào hệ thống để tăng thêm hiệu quả
Trang 41- Giải pháp giảm chấn: trong trường hợp gió tác dụng lên công trình, năng lượng dao động sẽ được truyền vào công trình mà không có khả năng cách ly Do vậy, hoặc người kỹ sư phải tăng cường độ cứng của công trình để khống chế dao động, và nhờ độ cản của bản thân công trình để giải phóng năng lượng dao động này, hoặc bố trí các thiết bị giảm chấn (bị động, chủ động hay nửa chủ động) để tăng độ cản, hay phát sinh lực điều khiển chống lại dao động, chẳng hạn như các hệ thống TMD (Active or Pasive Tuned Mass Damper), LTD (Liquid Tuned Damper)…
Hình 18: Mô hình nhà chịu tác dụng của ngoại lực
2.3 Điều khiển nhà cao tầng sử dụng phương pháp bị động
Do giới hạn đề tài nên người nghiên cứu chỉ nghiên cứu điều khiển nhà cao tầng bẳng phương pháp bị động (điều khiển bằng khối lượng phụ)
Điều khiển bằng khối lượng phụ (TMD) là 1 thiết bị gồm 1 khối lượng, 1 lò xo và 1 giảm chấn được nối với cấu trúc cần điều khiển để làm giảm đáp ứng động học của cấu trúc đó
Trang 42.Tần số của giảm chấn được điều chỉnh đến 1 tần số đặc biệt của cấu trúc khi tần số đó được kích thích Năng lượng sẽ bị tiêu tan bởi lực quán tính của giảm chấn trên cấu trúc
Hình 19: Mô hình điều khiển nhà cao tầng bằng phương pháp bị động
2.4 Phương trình dao động của hệ khi điều khiển bằng phương pháp bị động khối lượng phụ) chỉ chịu tác dụng của gió
Trang 45st st
Trang 460 2
0 2
Trang 471 2
50 100 150 200 250
Omega ratio
Phi without Phi passive
Hình 22: Đáp ứng biên độ tần số khi điều khiển và không điều khiển của nhà 1
Trang 48- N_FloorNumber = 1 (N_FloorNumber là số lầu )
- n_TMDNumber=1 (n_TMDNumber là số khối lượng phụ )
Nhận xét: Qua đồ thị ta thấy sau khi điều khiển thì tần số biên độ của hệ giảm đi so
với khi chưa điều khiển
Xét tòa nhà 5 tầng (N=5) điều khiển bằng 1 khối lượng phụ (n=1)
Kết quả: Đáp ứng biên độ tần số từ tầng 1đến tầng 5 của nhà 5 tầng có điều khiển
được biểu diễn từ hình 23 đến hình 27 (đường màu đỏ)
Trang 49Hình 23: Đáp ứng biên độ tần số khi điều khiển và không điều khiển của tầng 1
của nhà 5 tầng (ngoại lực tác dụng là gió)
Hình 24: Đáp ứng biên độ tần số khi điều khiển và không điều khiển của tầng 2
Trang 50Hình 25: Đáp ứng biên độ tần số khi điều khiển và không điều khiển của tầng 3
của nhà 5 tầng (ngoại lực tác dụng là gió)
Hình 26: Đáp ứng biên độ tần số khi điều khiển và không điều khiển của tầng 4
của nhà 5 tầng (ngoại lực tác dụng là gió)
Trang 510.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 0
Hình 27: Đáp ứng biên độ tần số khi điều khiển và không điều khiển của tầng 5
của nhà 5 tầng (ngoại lực tác dụng là gió)
Với các thông số đầu vào nhƣ sau:
- N_FloorNumber = 5 (N_FloorNumber là số lầu )
- n_TMDNumber=1 (n_TMDNumber là số khối lƣợng phụ )
- phi_mass=0.01/n_TMDNumber
Trang 52Nhận xét: Qua hình 23 đến hình 27 ta thấy biên độ của nhà cao tầng điều khiển giảm
đi so với khi không điều khiển
Trang 532.6 Hệ khi điều khiển bằng phương pháp bị động (dùng khối lượng phụ) chỉ chịu tác dụng của động đất, nổ
Trang 542 1 2
10.01
Trang 550.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 0
Hình 28: Đáp ứng biên độ tần số khi điều khiển và không điều khiển của nhà 1
- N_FloorNumber = 1 (N_FloorNumber là số lầu )
- n_TMDNumber=1 (n_TMDNumber là số khối lƣợng phụ )
Trang 56Nhận xét: Qua đồ thị và kết quả ta thấy sau khi điều khiển thì tần số biên độ của hệ
giảm đi so với khi chưa điều khiển
Xét tòa nhà 5 tầng (N=5) điều khiển bằng 1 khối lượng phụ (n=1)
Kết quả: Đáp ứng biên độ tần số từ tầng 1đến tầng 5 của nhà 5 tầng có điều khiển
được biểu diễn từ hình 23 đến hình 27 (đường màu đỏ)
