Tính toán hệ số cản nhớt tối ưu trong dầm chịu tác dụng của tải trọng động (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --- NGUYỄN VĂN NGHĨA TÍNH TOÁN HỆ SỐ CẢN NHỚT TỐI ƯU TRONG DẦM CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN NGHĨA

TÍNH TOÁN HỆ SỐ CẢN NHỚT TỐI ƯU TRONG DẦM CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

Hà Nội 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN NGHĨA KHÓA: 2016 – 2018

TÍNH TOÁN HỆ SỐ CẢN NHỚT TỐI ƯU TRONG DẦM CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ HỮU THANH

Hà Nội 2018

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc

Hà Nội, các thầy cô trong Khoa sau đại học cùng với các thầy giáo, cô giáo các Khoa, bộ môn đã giảng dạy và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành khóa học 2016 - 2018

Đặc biệt em cảm ơn thầy TS Lê Hữu Thanh người trực tiếp hướng dẫn khoa học luận văn đã tạo mọi điều kiện, dành nhiều thời gian, nhiệt tình giúp

đỡ cũng như đầu tư tài liệu để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Sức bền – Kết cấu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, các thầy cô trong tiểu ban bảo vệ đề cương, các thầy cô trong tiểu ban kiểm tra tiến độ luận văn, đã có những ý kiến góp ý quý báu cho nội dung luận văn

Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót Nhưng em xin hứa sẽ đầu tư nghiên cứu thêm những vấn đề còn hạn chế, thiếu sót đó để hoàn thiện thêm kiến thức của em trong quá trình làm việc sau này

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Học viên

Nguyễn Văn Nghĩa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Nghĩa

MỤC LỤC

Lời cám ơn

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, chữ viêt tắt

Danh mục các bảng

Danh mục hình vẽ và đồ thị

MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết của đề tài 1

Mục đích nghiên cứu của đề tài 2

Phạm vi nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

Cấu trúc luận văn của đề tài 3

NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1: HỆ SỐ CẢN NHỚT TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU DẦM 4

1.1 Hệ số cản môi trường trong kết cấu công trình 4

1.2 Lực cản môi trường trong kết cấu dầm 7

1.3 Hệ số cản tối ưu 10

1.4 Hệ số cản môi trường và các mô hình tính toán 14

CHƯƠNG 2: HỆ SỐ CẢN NHỚT TỐI ƯU TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU DẦM 20

2.1 Các khái niệm chung 20

2.2 Động lực học kết cấu dầm 20

2.3 Ảnh hưởng của hệ số cản tới dao động của dầm 27

2.3.1 Biên độ dao động 27

2.3.2 Hiện tượng cộng hưởng 28

2.3.3 Phạm vi điều chỉnh các đại lượng giảm dao động của hệ kết cấu 29 2.3.4 Hệ điều chỉnh độ cản môi trường trong kết cấu dầm 31

2.4 Độ cứng của dầm 39

2.4.1 Bài toán tĩnh định 39

2.4.2 Bài toán động lực học 46

2.5 Xác định lực cản môi trường của dầm 48

2.5.1 Lực cản nhớt 48

2.5.2 Lực cản ma sát 49

2.5.3 Lực cản do tính trễ của vật liệu 50

2.5.4 Lực cản môi trường trong vật liệu có tính nhớt 51

2.6 Xác định lực cản môi trường của dầm bằng thực nghiệm 55

CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN 59

3.1 Tính toán hệ số cản nhớt tối ưu của dầm 59

3.1.1 Các đặc điểm dao động tự do của dầm 59

3.1.2 Ảnh hưởng của tỉ số cản tới biên độ của dầm 61

3.1.3 Ảnh hưởng của độ cứng kết cấu tới biên độ của dầm 63

3.1.4 Tính toán hệ số cản tối ưu cho dầm 68

3.2 Tính toán giảm dao động của dầm bằng hệ điều khiển 69

3.3 Nhận xét và thảo luận 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Chữ viết tắt Tên đầy đủ

2 c Hệ số cản nhớt ( damping cofficient)

3 E Module đàn hồi ( Young,s modulus)

9 p(t) Tải trọng theo thời gian

10 PTHH Phần tử hữu hạn

13 u Chuyển vị theo phương ngang (trục X)

14 v Chuyển vị theo phương đứng (trục Y)

18 ω Tần số góc ( trong dao động tự do)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số thứ tự bảng Nội dung bảng

Bảng 1 Hệ số cản môi trường của loại vật liệu[4]

Bảng 2 Hệ số cản môi trường theo trạng thái làm việc của

vật liệu [4]

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ ‘kích’ bổ sung hệ số cản trong công trình[13] Hình 1.2 Lực cản nhớt trong hệ Tunned Mass Damper (TMD)

[14]

Hình 1.3 Lực cản do tính đàn dẻo và ma sát vật liệu trong gối

cách chấn[15]

Hình 1.4 Dầm thép chữ I trong cầu giao thông đường bộ[17] Hình 1.5 Dầm hộp sử dụng cho cầu được tổ hợp từ nhiều cấu

kiện Hình 1.6 Dầm sử dụng hệ giảm chấn Tuned Mass Damper -

TMD [18]

Hình 1.7 Dao động tự do của dầm tắt dần dưới tác dụng của lực

cản môi trường [3]

Hình 1.8 Thay đổi biên độ dao động trong hệ kết cấu với các giá

trị khác nhau của lực cản môi trường[3]

Hình 1.9 Sự phát triển năng lượng của hệ bởi dao động nền El

Centro[7]

Hình 1.10 Cơ cấu hoạt động của hệ cản nhớt[7]

Hình 1.11 Cấu tạo thực tế hệ cản nhớt môi trường[19]

Hình 1.12 Cấu tạo hệ cản ma sát[7]

Hình 1.13 Cấu tạo thực tế hệ cản ma sát [20]

Hình 1.14 Hệ cản nhớt trễ[7]

Hình 1.15 Hệ cản nhớt trễ bố trí trong kết cấu công trình [7] Hình 2 1 Mô hình tính dao động của hệ có một bậc tự do

Hình 2 2 Dao động điều hòa của hệ khi không kể tới lực cản môi

trường Hình 2 3 Dao động tự do của hệ khi kể tới độ cản của môi

trường

Hình 2 4 Ảnh hưởng của hệ số cản tới biên độ dao động

Hình 2 6 Biên độ dao động trong hiện tượng cộng hưởng

Hình 2 7 Phạm vi điều chỉnh các đại lượng trong kết cấu để giảm

biên độ dao động Hình 2 8 Biên độ dao động trong hiện tượng cộng hưởng

Hình 2 9 Nguyên lý cấu tạo hệ điệu chỉnh bị động

Hình 2 10 Nguyên lý cấu tạo hệ điệu chỉnh chủ động

Hình 2.11 Hệ một bậc tự do có gắn hệ điều chỉnh dao động[7] Hình 2.12 Mô hình dầm Consol có lắp đặt hệ TMD

Hình 2.13 Giá trị của H2 theo β[7]

Hình 2.14 Điều chỉnh giá trị tối ưu của hệ TMD[7]

Hình 2.15 Các đại lượng chuyển vị của dầm chịu uốn [7]

Hình 2.16 Biến dạng của phần tử dầm [7]

Hình 2.17 Dầm consol [7]

Hình 2.18 Các thành phần nội lực trong đoạn dầm [7]

Hình 2.19 Lực cản nhớt

Hình 2.20 Lực cản ma sát và chuyển vị của hệ

Hình 2.21 Lực cản do tính trễ của vật liệu và chuyển vị của hệ Hình 2.22 Vòng lặp của hệ cản do tính trễ của vật liệu a) Hệ số

cản uyến tính và (b) Hệ số cản phi tuyến Hình 2.23

Mối liên hệ ứng suất và biến dạng trong vật liệu theo trạng thái a) Đàn hồi tuyến tính, (b) Vật liệu nhớt và c) Vật liệu dẻo

Hình 2.24 Mối liên hệ ứng giữa Lực cản môi trường F và chuyển

vị của vật liệu dẻo Hình 2.25 Ứng xử của hệ kết cấu có một bậc tự do dưới ảnh hửng

của hệ số cản kết cấu và hệ số cản nhớt

Hình 2.26 Thí nghiệm xác định độ cản môi trường trong dầm

consol [12]

Hình 2.27 Thí nghiệm xác định hệ số cản môi trường của dầm có

gắn hệ TMD [10]

Hình 2.28 Hệ TMD gắn ở đầu dầm trong thí nghiệm trình bày ở

Hình 2.27 Hình 3.1 Mô hình kết cấu dầm thép chịu tải trọng động

Hình 3.2 Mode dao động 1 của công trình

Hình 3.3 Hệ số động kd khi lực cản môi trườngkhông đáng kể Hình 3.4 Hệ số động kd khi hệ số cản < 1%

Hình 3.5 Hệ số động kd khi hệ số cản <5%

Hình 3.6 Hệ số động kd khi hệ số cản 5-30%

Hình 3.7

Hệ số động kd của hệ khi tăng độ cứng và khối lượng (mối liên hệ giữa kđ ) khi hệ số cản của công trình 5%

Hình 3.8

Hệ số động kd của hệ khi tăng độ cứng và khối lượng (mối liên hệ giữa kđ ) khi hệ số cản của công trình

là 1% và 5%

Hình 3.9 Hệ số kd theo độ cứng α = 0.5 – 1.0 và 1.0 – 1.5 với

các giá trị của hệ số cản từ 1% đến 5%

Hình 3.10 Quan hệ giữa

opt

f

và m

Hình 3.11 Quan hệ giữa

do p t



và giá trị m

Hình 3.12 Quan hệ giữa H2optvà giá trị m

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Trong kết cấu công trình, hệ số cản nhớt môi trường được sinh ra do sự

ma sát của vật liệu hoặc sinh ra từ các hệ vật lý (hệ tiêu tán hoặc hấp thu năng lượng) được lắp đặt thêm vào trong công trình Như ta đã biết việc lựa chọn tính toán các thông số của các hệ hấp thu và tiêu tán năng lượng phụ thuộc rất nhiều độ cản nhớt của công trình [1, 3] Nhiều kết quả nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng: với việc lựa chọn bổ sung hệ số cản nhớt môi trường hợp

lý sẽ giúp công trình giảm được các dao động cưỡng bức có hiệu quả cũng như tránh được các tình huống nguy hiểm do cộng hưởng gây ra [7,8]

Trên thế giới, đối với hầu hết các công trình nhà cao tầng, công trình nằm trong vùng có động đất mạnh hay các dầm có chiều dài lớn chịu tác dụng của tải trọng động (cầu giao thông, cầu bộ hành) đều được sử dụng hệ điều chỉnh hoặc điều khiển dao động Do vậy, việc tính toán kể tới hệ số cản trong công trình là yêu cầu tất yếu và thường được tính toán với mô hình có nhiều

ưu điểm do Rayleigh đề xuất [11].Đối với cấu kiện dầm, phương pháp thực nghiệm có thể được áp dụng do chi phí thực hiện không quá cao và kết quả thu được có độ tin cậy cũng như sát với thực tế làm việc của kết cấu [12]

Việt Nam trong những năm gần đây, việc xây dựng và thiết kế các kết cấu công trình sử dụng dầm có nhịp lớn chịu các tải trọng dao động cưỡng bức ngày càng nhiều như: dầm đỡ các động cơ motor trong các nhà máy, trạm

xử lý nước thải, các cầu vượt có một hoặc nhiều nhịp Để hạn chế các tác động cũng như tăng khả năng làm việc của kết cấu trong các trường hợp này, việc kể tới hệ số cản trong hay sử dụng các hệ điều khiển dao động cần thiết

và hiệu quả Tuy nhiên,việc áp dụng cũng như các tài liệu nghiên cứu về lĩnh vực này còn thiếu cũng như còn chưa đầy đủ ở nước ta hiện nay

Như đã trình bày, việc áp dụng các hệ điều khiển mang lại nhiều lợi ích cho kết cấu dầm có nhịp lớn khi tính toán dao động Trong đó; hệ giảm dao độngchỉ có hiệu quả cao khi hệ số cản của hệ kết cấu chínhđược xác định tối

ưu nhất [7] Xuất phát từ đặc điểm trên cũng như việc nghiên cứu trong lĩnh vực này tại Việt Nam còn nhiều hạn chế, luận văn lựa chọn đề tài “Tính toán

hệ số cản nhớt tối ưu trong dầm chịu tác dụng của tải trọng động” là đối tượng nghiên của đề tài

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đề tài “Tính toán hệ số cản nhớt tối ưu trong dầm chịu tác dụng của tải trọng động” được thực hiện với mục tiêu đạt được như sau:

- Xây dựng quy trình và áp dụng tính toán hệ số cản nhớt tối ưu là cơ sở phục vụ việc tính toán điều khiển dao động trong các dầm vượt nhịp lớn chịu tải trọng động

- Phục vụ và áp dụng vào việc tối ưu hoá kết cấu công trình, là một vấn

đề đang được nghiên cứu rất nhiều vào thời điểm hiện nay

Phạm vi nghiên cứu

Do giới hạn về thời gian của chương trình đào tạo, đề tài thực hiện nghiên cứu tính toán hệ số cản nhớt cho dầm được giới hạn trong các phạm vi như sau:

- Dầm được chế tạo từ vật liệu thép hình có các tiết diện mặt cắt ngang như chữ I

- Các liên kết ở hai đầu dầm là các liên kết đơn giản

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phân tích tính toán bằng phần mềm tính toán kết cấu SAP 2000 Trong đó:

- Xây dựng lý thuyết tính toán hệ số cản nhớt tối ưu trong công trình

- Khảo sát bằng ví dụ tính toán cụ thể

- Từ kết quảrút ra các kết luận và kiến nghị cho đề tài để áp dụng vào thực tiễn

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trong nội dung, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu, kết quả của đề tài có thể được áp dụng khi phân tích tính toán và thiết kế các hệ giảm dao động cho dầm có nhịp lớn chịu tải trọng động Với kết quả đạt được, đề tài cũng là một trong những cơ sở để kỹ sư thiết kế xem xét bài toán tối ưu kết khi phân tích kết cấu công trình

Cấu trúc luận văn của đề tài

Đề tài “Tính toán hệ số cản nhớt tối ưu trong dầm chịu tác dụng của tải trọng động” được cấu trúc chia thành các chương chính sau:

Chương mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn, sự cần thiết và phạm vi nghiên cứu của đề tài cũng như ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài

Chương 1: Tổng quan về hệ số cản nhớt và hệ số cản nhớt tối ưu trong tính toán động lực học công trình

Chương 2: Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán hệ số cản nhớt tối ưu

trong dầm chịu tác dụng của tải trọng động

Chương 3: Ví dụ tính toán, áp dụng lý thuyết xây dựng được tính toán cho

các bài toán cụ thể So sánh kết quả tính toán giải tích với kết quả khảo sát

bằng phần mềm số Phân tích đánh giá kết quả của bài toán

Kết luận và kiến nghị: Từ kết quả của đề tài, tác giả đề xuất các kết luận

và kiến nghị rút ra được từ nghiên cứu của luận văn này

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui

lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1) Kết luận

Đề tài nghiên cứu phân tích xác định hệ số cản môi trường tối ưu trong kết cấu dầm nhịp lớn chịu tải trọng động Việc xác định định hệ số cản tối ưu giúp công trình có ứng xử tốt nhất dưới tác dụng của tải trọng cũng như tiết kiệm được chi phí xây dựng Luận văn thực hiện tính toán 2 giải pháp cho một cấu kiện dầm đơn giản trong đó lựa chọn giải pháp tăng độ cản trong công trình kết hợp với điều chỉnh độ cứng và sử dụng hệ điều chình TMD Với nội dung đã trình bày luận văn đã được thực hiện với mục tiêu đạt được như sau:

1) Thiết lập được bài toán và hệ thống được cơ sở lý thuyết tính toán

hệ số cản môi trường tối ưu cho cấu kiện khi chỉ kể tới hệ số cản trong kết cấu và hệ số cản trong các hệ lắp thêm vào công trình (TMD)

2) Dầm được khảo sát với hệ số cản khác nhau và dựa vào mối liên hệ giữa các đại lượng như kết quả trình bày tại Chương 3 để xác định giá trị tối ưu cho dầm

3) Với nội dung đã đạt được, kết quả phân tích của luận văn có thể được áp dụng trong phân tích động lực học dầm nhịp lớn phục vụ công tác học tập và nghiên cứu cũng như thiết kế của tác giả

2) Kiến nghị

Cũng như nhiều kết quả nghiên cứu đã đề xuất, việc tính toán kể tới hệ

số cản môi trường tối ưu cho dầm nên cần được xem xét với một số kiến nghị như sau:

1) Việc sử dụng hệ điều chỉnh (thêm vào hệ số cản từ hệ khác bên ngoài kết cấu) có hiệu quả cao giúp công trình ứng xử tối ưu hơn khi chịu tác dụng của nguyên nhân tải trọng động

2) Việc bổ sung hệ kết cấu phụ cũng là nguyên nhân làm tăng tải trọng tác dụng vào công trình, Do vậy việc lựa chọn tỉ lệ hợp lý của các đại lượng hệ cản và độ cứng của hệ chính và phụ cần được lựa chọn hợp lý và nên được kiểm chứng bằng thực nghiệm

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1 Hoàng Văn Bình (2017),Tính toán dao động của khung nhà cao tầng có

cấu tạo hệ giảm dao động TMD,Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật Xây dựng công

trình DD&CN, Đại học Kiến trúc Hà Nội, Hà Nội

2 Lê Xuân Huỳnh và Nguyễn Hữu Bình (2008), “Nghiên cứu công nghệ chế ngự dao động kết cấu công trình nhà cao tầng phù hợp điều kiện Xây dựng

ở Hà Nội”,Báo cáo nghiên cứu Khoa học, Sở Khoa học & Công nghệ Hà

Nội

3 Trần Phú Thuần (2016),Nghiên cứu giảm biên độ dao động của dầm thép

nhịp lớn bằng hệ tuned mass damper (TMD),Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật

Xây dựng công trình DD&CN, Đại học Kiến trúc Hà Nội, Hà Nội

Tiếng Anh

4 Adams V and Askenazi A (1999) “Building Better Products with Finite Element Analysis”, on Word Press, Santa Fe, N.M

5 Alipour A, Zareian F (2008), “Study Rayleigh Damping in Structures;

Unceratinties and Treatments”, The 14 th World Conference on

Earthquake Engineering, Beijing, China

6 Bachmann H (1995), “Vibration Problems in Structures”, Birkhauser Verlag, Berlin

7 Connor J J (2003),In Introduction to Structural Motion Control,Prentice

Hall, New Jersey, United State,

8 Clough R W, Penzien J (2003), Dynamics of Structures, New York:

Computer and Structure, Inc, US

9 ChopraA K (1995), Dynamics of Structures, New Jew Jersey, Pentice –

Hall