điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất và gió bằng hệ giảm chấn khối lượng

HCM ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT VÀ GIÓ BẰNG HỆ GIẢM CHẤN KHỐI LƯỢNG MÃ SỐ: SV2010-86 THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

Tp Hồ Chí Minh, 2010

S 0 9

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT VÀ GIÓ

BẰNG HỆ GIẢM CHẤN KHỐI LƯỢNG

MÃ SỐ: SV2010 - 86

S KC 0 0 3 1 7 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT VÀ GIÓ BẰNG HỆ GIẢM CHẤN KHỐI LƯỢNG

MÃ SỐ: SV2010-86

THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI CHỦ TRÌ : VÕ VĂN CƯỜNG

NGƯỜI THAM GIA : DƯƠNG HOÀN HẢO

ĐƠN VỊ : KHOA XÂY DỰNG VÀ CƠ HỌC

ỨNG DỤNG

TP HỒ CHÍ MINH – 04/2011

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 2

PHẦN 1 : DẪN NHẬP I Lý do chọn đề tài 2

II Mục đích 2

III Mục tiêu nghiên cứu 2

IV Yêu cầu của đề tài 2

PHẦN 2 : NỘI DUNG NGHIÊN CỨU I Mô hình hóa hệ thống điều khiển và nhà cao tầng bằng phương trình dao động 1 Mô hình hệ thống điều khiển và nhà cao tầng 3

2 Mô hình hóa hệ thống điều khiển và nhà cao tầng bằng phương trình dao động 4

II Tính toán dao động của nhà cao tầng dưới tác dụng của gió và động đất 1 Phương trình dao động của nhà N tầng 8

2 Đáp ứng của hệ dao động theo miền tần số dưới tác dụng của gió và động đất 10

III Phương pháp điều khiển bị động (Passive control method) 1 Xác định các ma trận M,C,K và P 15

2 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển theo miền tần số 20

3 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển theo miền theo gian 29

PHẦN 3 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN I Kết luận 35

II Hướng phát triển 1 Phương pháp điều khiển bán chủ động (Semi-Active control method) 35

2 Phương pháp điều khiển chủ động (Active control method) 36

3 Phương pháp điều khiển Hybrid (Hybrid control method) 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

PHỤ LỤC I Phụ lục 1 38

II Phụ lục 2 40

III Phụ lục 3 43

Nghiên cứu phương pháp ổn định động lực học của nhà cao tầng chịu tác dụng của gió và động

đất bằng hệ giảm chấn khối lượng (Mass Dampers –MDs), nguyên cứu giải pháp tối ưu cho hệ điều khiển thông qua các phương pháp điều khiển như : passive, semi-active, active, và hybrid, khảo sát ảnh hưởng của nhiều bộ MD đến kết quả điều khiển

Những trận động đất kinh hoàng đã làm hư hỏng rất nhiều công trình xây dựng (trong đó có công trình nhà cao tầng), gây thiệt hại kinh tế và tính mạng con người như :

- Năm 1971 động đất ở San Francisco, California, Mỹ

III Mục tiêu nghiên cứu :

Do thời gian có hạn nên Nhóm nghiên cứu chỉ nghiên cứu được một số vấn đề:

- Mô hình hóa hệ thống điều khiển và nhà cao tầng bằng phương trình dao động

- Tính toán dao động nhà cao tầng dưới tác dụng của gió và động đất

- Dùng phương pháp điều khiển bị động (Passive control method) trong điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của gió và động đất

IV Yêu cầu của đề tài :

Để làm giảm dao động (biên độ) của nhà cao tầng thì có rất nhiều cách khác nhau, Ở đề tài này Nhóm nghiên cứu chọn một số phương pháp điều khiển sau: Passive, Semi-Active, Active và Hybrid để điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của gió và động đất Trong các

phương pháp này, Người nghiên cứu khảo sát từ một cho đến nhiều hệ MD được bố trí liên tục tại

tầng trên cùng của tòa nhà Tùy vào phương pháp điều khiển mà sẽ cho ra những kết quả điều khiển khác nhau

PHẦN 2 : NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

I Mô hình hóa hệ thống điều khiển và nhà cao tầng bằng phương trình dao động :

I.1 Mô hình hệ thống điều khiển và nhà cao tầng : Giả thuyết : Sàn cứng tuyệt đối

 Ci : Giảm chấn tường cột ở tầng thứ i

 N : Số chỉ tầng thứ I của nhà cao tầng

 Pi(t) : Lực gió tác dụng ở tầng thứ i (Force excited)

 Z(t) : Chuyển vị của tín hiệu động đất (Base excited)

I.2 Mô hình hóa hệ thống điều khiển và nhà cao tầng bằng phương trình dao động :

Phương trình dao động có thể được viết lại như sau:

N N

n

M M M

M M

M m m

II Tính toán dao động của nhà cao tầng chịu tác dụng động của gió và động đất :

II.1 Phương trình dao động nhà N tầng : Giả sử cấu trúc của các tầng là giống nhau

Dựa vào công thức (1.11) , chúng ta suy ra được phương trình dao động của nhà cao tầng (N: số tầng) :

T N

 P(t) là vectơ lực , trong đó :  1 2 

T N

P P P    P



1 2 3

0 1

00

00

N

N

M M M

M M

II.2 Đáp ứng của hệ dao động theo miền tần số dưới tác dụng của gió và động đất :

0 0

0 0 0 0,

0

0 0 0,

C

C M M

Chia 2 vế cho 02, ta được :

2

0 0 2

II.2.1 Nhà 1 tầng không điều khiển dưới tác dụng của gió (Force excited) và động đất (Base excited) : Code matlab (xem phụ lục 1)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

DANG DAO DONG

DANG DAO DONG

II.2.2 Nhà 5 tầng không điều khiển dưới tác dụng của gió (Force excited) và động đất (Base excited) : Đồ thị dao động ở tầng 1

Code matlab (xem phụ lục 1)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

DANG DAO DONG

II.2.3 Nhà 21 tầng không điều khiển dưới tác dụng của gió (Force excited) và động đất (Base excited) : Đồ thị dao động ở tầng 1

Code matlab (xem phụ lục 1)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

III Phương pháp điều khiển bị động (Passive control method) :

 Ma trận M:

0

0 0

0

0

0 1

2 2

0

0

1 0

0 1 0 0

0 1

0

1 1

0 0

0 0

m m

M

m

m M

0

0

0 0

M m m

Mà theo giả thiết :

n n

00

III.2 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau khi điều khiển theo miền tần số :

0 0

0 0 0 0,

0

0 0 0,

0

22

st

st

K

K M M

C

C M M

0 0

Lưu đồ giải thuật :

III.2.1 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển (Nhà 1-tầng và 1-phần tử điều khiển) dưới tác dụng của gió (Force excited) và động đất (Base excited) :

Code matlab (xem phụ lục 2)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

DANG DAO DONG

Omega ratio

Phi withoutcontrol Phi passive

Hình 3.1 : Force excited

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

DANG DAO DONG

Omega ratio

Phi withoutcontrol Phi passive

Hình 3.2 : Base excited

III.2.2 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển (Nhà 1-tầng và 5-phần tử điều khiển) dưới tác dụng của gió (Force excited) và động đất (Base excited) :

Code matlab (xem phụ lục 2)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

DANG DAO DONG

Omega ratio

Phi withoutcontrol Phi passive

Hình 3.3 : Force excited

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

DANG DAO DONG

Omega ratio

Phi withoutcontrol Phi passive

Hình 3.4 : Base excited

III.2.3 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển (Nhà 1-tầng và 21-phần tử điều khiển) dưới tác dụng của gió (Force excited) và động đất (Base excited) :

Code matlab (xem phụ lục 2)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

DANG DAO DONG

Omega ratio

Phi withoutcontrol Phi passive

Hình 3.5 : Force excited

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

DANG DAO DONG

Omega ratio

Phi withoutcontrol Phi passive

Hình 3.6 : Base excited

III.2.4 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển (Nhà 5-tầng và 5-phần tử điều khiển) dưới tác dụng của gió (Force excited) và động đất (Base excited) : Đồ thị dao động ở tầng 5

Code matlab (xem phụ lục 2)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0

50 100

Hình 3.7 : Force excited

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

DANG DAO DONG

Omega ratio

Phi withoutcontrol Phi passive

Hình3.8 : Base excited

III.2.5 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển (Nhà 5-tầng và 21-phần tử điều khiển) dưới tác dụng của gió (Force excited) và động đất (Base excited) : Đồ thị dao động ở tầng 5

Code matlab (xem phụ lục 2)

20 40 60 80 100

40 60 80 100 120 140 160

Hình 3.10 : Base excited

III.2.6 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển (Nhà 21-tầng và 1-phần tử điều khiển) dưới tác dụng của gió (Force excited) và động đất (Base excited) : Đồ thị dao động ở tầng 21

Code matlab (xem phụ lục 2)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

DANG DAO DONG

Omega ratio

Phi withoutcontrol Phi passive

Hình 3.11 : Force excited

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0

Hình 3.12 : Base excited

III.3 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau khi điều khiển theo miền thời gian :

n

span

X Y

  0 0 0

Z X Y Z 

: Bước nhảy thời gian

III.3.1 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển (Nhà 1-tầng và 1-phần tử điều khiển) dưới tác dụng của gió (Force excited):

Code matlab (xem phụ lục 3)

Hình 3.13

III.3.2 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển (Nhà 1-tầng và 5-phần tử điều khiển) dưới tác dụng của gió (Force excited):

Code matlab (xem phụ lục 3)

Hình 3.14

III.3.3 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển (Nhà 1-tầng và 21-phần tử điều khiển) dưới tác dụng của gió (Force excited):

Code matlab (xem phụ lục 3)

III.3.4 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển (Nhà 5-tầng và 1-phần tử điều

khiển) dưới tác dụng của gió (Force excited): Đồ thị dao động ở tầng 5

Code matlab (xem phụ lục 3)

Hình 3.16

III.3.7 Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển (Nhà 21-tầng và 1-phần tử điều

khiển) dưới tác dụng của gió (Force excited): Đồ thị dao động ở tầng 21

Code matlab (xem phụ lục 3)

Hình 3.17

PHẦN 3 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

I Kết luận:

Sau mười tháng thực hiện thì đề tài: “Điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của gió và động đất bằng hệ giảm chấn khối lượng” về cơ bản được hoàn thành Nhìn chung nhóm nghiên cứu đã thực hiện được yêu cầu đặt ra của đề tài Qua đề tài nghiên cứu này, người nghiên cứu đã củng cố và hoàn thiện những kiến thức đã học Từ những kinh nghiệm và kiến thức thu được qua việc nghiên cứu, người thực hiện tự tin trong vị trí tương lai là một kỹ sư

có khả năng nghiên cứu và đưa ra một số giải pháp để phục vụ cho nhu cầu công nghiệp hoá - hiện đại hoá của nước nhà

Kết quả của quá trình nghiên cứu đề tài: “Điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của gió và động đất bằng hệ giảm chấn khối lượng” đã tìm được đáp ứng của nhà cao tầng do tải trọng môi trường (gió, động đất, nổ) khi điều khiển bằng phương pháp bị động Điều khiển làm cho biên độ dao động của tòa nhà giảm đi so với khi chưa điều khiển Quá trình tính toán người nghiên cứu đã làm rõ được cơ chế điều khiển của phương pháp điều khiển bị động Tuy nhiên do hạn chế về thời gian, tài liệu, kinh phí, các điều kiện kỹ thuật và trình độ của người nghiên cứu nên đề tài chỉ dừng lại ở phương pháp điều khiển bị động (Passive control method) và định hướng nghiên cứu cho một số phương pháp điều khiển: Semi-Active , Active và Hybrid

II Hướng phát triển :

Nếu tiếp tục nghiên cứu đề tài: “Điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của gió và động đất bằng hệ giảm chấn khối lượng” thì người thực hiện, nghiên cứu một số phương pháp điều khiển khác :

1 Phương pháp điều khiển bán chủ động (Semi-Active control method):

Phương pháp điều khiển bị động không cần các cảm biến nên sẽ giới hạn khả năng điều khiển, không thích ứng với những thay đổi của hệ điều khiển hoặc chính bản thân nó Điều này đặc biệt

quan trọng khi tỉ số khối lượng giữa m i và M i quá bé Giải pháp ở đây là thay đổi giá trị của độ

cứng hoặc giá trị của giảm chấn, phương pháp này gọi là semi-active

 

Z t

Hình 4.1.Semi-Actve

Ý nghĩa các ký hiệu trọng các hình bên:

 m,c và k: là khối lượng, giảm chấn và

độ cứng của hệ điều khiển

 M,C và K: là khối lượng, giảm chấn và

độ cứng của mỗi tầng

 f : là lực đo gió

 Z t : là gia tốc của tín hiệu động đất

 C0: là bộ điều khiển (Computer controller)

 S: là ký hiệu của cảm biến ( Sensor)

2 Phương pháp điều khiển chủ động (Active control method):

Phương pháp này sử dụng tổ hợp bộ điều khiển (controller), cảm biến (sensors) và cơ cấu truyền động (actuators) Hiệu quả của phương pháp này khá cao nhưng chi phí bảo trì cao

3 Phương pháp điều khiển Hybrid (Hybrid control method):

Phương pháp này là sự tổ hợp giữa điều khiển chủ động và bị động Thích hợp cho hệ chịu nhiều dạng tải trọng khác nhau

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Satish Nagarajaiah (2007), "Structures with Semiactive Variable Stiffness Single/Multiple Tuned Mass Dampers", J Struct Eng,1(67), pp 67-77

[2] Nishant Kishore Rai,G.R.Reddy,S.Ramanujam,V.Venkatraj and P.Agrawal."Seismic

Response Control Systems for Structures”

[3] Anil K.Chopra(1995), Dynamic of Structures: Theory and Applicantions to Earthquake Engineering, Enlewood Cliffs,New Jersey

[4] Den Hartog, J P (1947), Mechanical Vibrations, McGraw Hill, N.Y

[5] John D.Holmes (2004), Wind Loading of Structures, Spon Press, London

[6] S Nagarajaiah (2009), “Adaptive passive, semiactive, smart tuned mass dampers:

identification and control using empirical mode decomposition,hilbert transform, and short-term fourier transform”, Structural Control And Health Monitoring, Houston

[7] Nadathur Varadarajan, Satish Nagarajaiah (2003), “Response Control Of Building With Variable Stiffness Tuned Mass Daper Using Empirical Mode Decomposition And Hilbert

Transform Algorithm”,Engineering Mechanics, 2(16), pp 1-12

title('DANG DAO DONG'); h= get(gca,'Title');

%%%%%%%%%%% các chương trình con kèm theo

function M_bar = M_Normalize(N_FloorNumber,n_TMDNumber,phi_mass)

%define M_bar

M_bar=[eye(N_FloorNumber) zeros(N_FloorNumber,n_TMDNumber);

zeros(n_TMDNumber,N_FloorNumber) phi_mass*eye(n_TMDNumber)];

%%%%%%%%%%

function C_bar = C_Normalize(N_FloorNumber,n_TMDNumber,phi_damping)

C_bar=[C_bar1 C_bar2;C_bar3 C_bar4];

clear C_bar1 C_bar2 C_bar3 C_bar4;%freeing up system memory

K_bar=[K_bar1 K_bar2;K_bar3 K_bar4];

clear K_bar1 K_bar2 K_bar3 K_bar4;%freeing up system memory

%%%%%%%%%%

function

FreqResAmplitude=withoutcontrol_FreqRes(M_bar,C_bar,K_bar,omega_ratio,damping_ratio,P_ bar,forceexcitedORbaseexcited)

%Tinh dap ung nha cao tang khi khong dieu khien

end

dlmwrite(s1, [Phi_passive_withcontrol(:,1:N_FloorNumber)], 'delimiter', '\t');

ylabel('Phi withoutcontrol')

grid on

dlmwrite(s2, [omega_ratio' Phi_without], 'delimiter', '\t');

legend('Phi withoutcontrol','Phi passive')

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% các chương trình con kèm theo

function V11 = V11(N_FloorNumber,n_TMDNumber)

M_bar=M_Normalize(N_FloorNumber,n_TMDNumber,0); %no control

K_bar=K_Normalize(N_FloorNumber,n_TMDNumber,0); %no control

%Tinh dap ung nha cao tang khi dieu khien bang phuong phap passive

end

C_bar=[C_bar1 C_bar2;C_bar3 C_bar4];

clear C_bar1 C_bar2 C_bar3 C_bar4;%freeing up system memory

K_bar=[K_bar1 K_bar2;K_bar3 K_bar4];

clear K_bar1 K_bar2 K_bar3 K_bar4;%freeing up system memory

[M_bar,C_bar,K_bar] = MCK_Normalize(N_FloorNumber,n_TMDNumber,phi_mass,r_c,r_k); [T_with Z_with]=ode45(@(t,y)

f_ode(t,y,M_bar,C_bar,K_bar,P_bar,omega_0,damping_ratio,omega_f,forceexcitedORbaseexcite d),tspan,Z0);

title('DANG DAO DONG'); h= get(gca,'Title');