Thiết kế tối ưu vị trí đặt hệ cản chất lỏng nhớt cho công trình chịu tải trọng động đất

Vì vậy, phương pháp được nghiên cứu và sử dụng phổ biến hiện nay là phương pháp thứ hai, đó là sử dụng các thiết bị điều khiển nhằm hỗ trợ cho kết cấu trong quá trình tiêu tán năng lượn

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH LÊ EM

THIẾT KẾ TỐI ƯU VỊ TRÍ ĐẶT HỆ CẢN CHẤT LỎNG NHỚT

CHO CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Chuyên ngành: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Mã số: 605820

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2015

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM

Cán bộ hướng dẫn : PGS TS CHU QUỐC THẮNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS NGUYỄN VĂN HIẾU

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 28 tháng 08 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Trang 3

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: n n t nh n n n N hi Mã số: 605820

I TÊN ĐỀ TÀI:

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Phân tích kết cấu với mô hình phần tử hữu hạn có lắp đặt h cản chất lỏng nhớt để chịu tải t ọn độn đất

- So sánh kết quả đạt được với các hần mềm và m h nh khác

- Thiết kế tối ưu vị t í đặt h cản chất lỏn nhớt

- Đưa a nhận xét, kết luận

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/2014

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/2015

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS CHU QUỐC THẮNG

Nội un và Đề cươn Luận văn thạc sĩ đã được Hội đồn hu ên n ành th n qua

Trang 4

Sau quá trình học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Trường Đại Học Bách Khoa – Thành Phố Hồ Chí Minh Đặc biệt là trong thời gian thực hiện luận văn, tôi

đã nhận được sự quan tâm, hỗ trợ, động viên và giúp đỡ của thầy cô, gia đình và bạn bè Tôi đã hoàn thành luận văn theo đúng kế hoạch của Phòng Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại Học Bách Khoa – Thành Phố Hồ Chí Minh

Để có được những kiến thức cần thiết và quý báo để hoàn thành luận văn, tôi

đã nhận được sự truyền đạt và hướng dẫn từ tất cả thầy cô giảng dạy chuyên ngành Hôm nay khi hoàn thành luận văn, tôi xin chân thành cám ơn tất cả thầy cô giảng dạy chuyên ngành đã giúp đỡ tôi khi học tập cũng như thực hiện luận văn này Đặc

biệt tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn chính PGS.TS CHU QUỐC THẮNG và thầy ThS PHẠM NHÂN HÕA đã tận tình chỉ bảo và truyền

đạt những kiến thức quý báu cho tôi cũng như hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian vừa qua

Tôi cũng chân thành cảm ơn các thầy cô trong thư viện trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu tài liệu để thực hiện luận văn này và những bạn học cùng khóa đã luôn quan tâm và có những hỗ trợ quan trọng để giúp tôi có động lực vượt qua những khó khăn trong học tập và cuộc sống

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tôi, gia đình đã tạo điều kiện cho tôi học tập và là nguồn động viên tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua

Xin chân thành cảm ơn tất cả!

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2015

Trang 5

Luận văn xây dựng mô hình cơ học, phương trình vi phân chuyển động, và thuật giải tìm đáp ứng của hệ kết cấu được trang bị hệ cản chất lỏng nhớt (VFD) tại mỗi tầng theo mô hình phần tử hữu hạn (Finite Element Model – FEM) Thuật giải phương trình vi phân chuyển động của hệ kết cấu được dựa trên phương pháp số Newmark và được hiệu chỉnh sao cho phù hợp với hệ kết cấu sử dụng loại hệ cản này Sau đó, luận văn xây dựng thuật toán tối ưu vị trí đặt hệ cản và chỉ ra thứ tự đặt

In the numerical examples, the thesis analyzes the dynamic responses of these 9 storeys, and 20 storeys steel structures when they are in no control or passive control with various external loads The thesis uses the method for the design of optimal damper locations in structures As a result of this, the thesis proposes the way to add dampers in structure optimally

Trang 6

Tôi tên : Huỳnh Lê Em, là học viên cao học chuyên ngành Xây Dựng Công trình Dân Dụng và Công Nghiệp, khoá 2012 đợt 2 trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan rằng, đây là luận văn do chính tôi thực hiện Các số liệu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố,

sử dụng để bảo vệ một học vị nào Các thông tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về kết quả nghiên cứu trong luận văn của mình

Học viên

HUỲNH LÊ EM

Trang 7

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

ABSTRACT ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG x

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 9

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 11

1.4 Sự cần thiết của luận văn 12

1.5 Mục tiêu của luận văn 13

1.6 Tổ chức và nội dung luận văn 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Damper – VFD) 14

2.1.1 Tổng quan hệ cản VFD 14

2.1.2 Cấu tạo hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Dampers-VFD) 16

2.1.3 Các ưu điểm của hệ cản VFD 18

2.2 Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) có trang bị hệ cản VFD 19

2.2.1 Mô hình phần tử hữu hạn (Finite Element Model – FEM) 19

2.2.2 Nội lực trong thanh 20

2.2.3 Mô hình tính toán cơ học 21

Trang 8

2.2.5 Thuật toán giải phương trình chuyển động 22

2.3 Thuật toán để thiết kế tối ưu vị trí đặt hệ cản VFD: The Simplified Sequential Search Algorithm (SSSA) 26

CHƯƠNG 3 CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN 27

3.1 Công trình 9 tầng 27

3.1.1 Mô tả kết cấu 27

3.1.2 Khảo sát đáp ứng kết cấu với tải trọng động đất Elcentro 28

3.1.3 Tối ưu vị trí đặt cản với tải trọng động đất Elcentro 35

3.1.4 Tìm thứ tự ưu tiên các tầng đặt hệ cản với tải trọng động đất Elcentro 39

3.1.5 Khảo sát đáp ứng kết cấu với tải trọng động đất Kobe 43

3.1.6 Tìm thứ tự ưu tiên các tầng đặt hệ cản với tải trọng động đất Kobe 47 3.2 Công trình 20 tầng 52

3.2.1 Mô tả kết cấu 52

3.2.2 Đáp ứng kết cấu với tải trọng động đất Elcentro 54

3.2.3 Tối ưu vị trí đặt hệ cản với tải trọng động đất Elcentro 57

3.2.4 Đáp ứng kết cấu với tải trọng động đất Kobe 61

3.2.5 Tối ưu vị trí đặt hệ cản với tải trọng động đất Kobe 64

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 68

4.1 Kết luận 68

4.2 Hướng phát triển đề tài 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

Trang 9

Hình 1-1: Hệ cô lập móng (Base isolation) 3

Hình 1-2: Điều khiển bị động với Buckling Restrained Brace 4

Hình 1-3: Điều khiển bị động với Oil Dampers 4

Hình 1-4: Điều khiển bị động với Tuned Mass Dampers 5

Hình 1-5: Điều khiển với Tuned Liquid column dampers 6

Hình 1-6: Điều khiển bị động với Friction Dampers 6

Hình 1-7: Điều khiển bị động với Viscous Fluid Dampers 7

Hình 1-8: Những thành phần cơ bản của vòng lặp trong điều khiển chủ động 8

Hình 1-9: Điều khiển hỗn hợp giữa chủ động hoặc bán chủ động và cách ly dao động 9

Hình 1-10: Sơ đồ tổng quan về điều khiển kết cấu 9

Hình 2-1: Công trình Wallace F Bennett Federal Building trang bị VFD 15

Hình 2-2: Công trình San Francisco Civic Center 15

Hình 2-3: Nguyên lý hoạt động của hệ cản VFD 16

Hình 2-4: Cấu tạo hệ cản VFD 16

Hình 2-5: Hệ cản VFD được gắn theo dạng hệ giằng chéo 17

Hình 2-6: VFD được gắn theo phương ngang 18

Hình 2-7: Hệ cản VFD được sử dụng như là thiết bị cách ly dao động 18

Hình 2-8: Mô hình phần tử hữu hạn 19

Hình 2-9: Phần tử mẫu khung phẳng tổng quát 19

Hình 2-10: Nội lực trong thanh 20

Hình 2-11: Kết cấu nhiều bậc tự do sử dụng hệ cản VFD 21

Hình 2-12: Lưu đồ thuật toán PHƯƠNG PHÁP SỐ để giải phương trình vi phân 25

Hình 2-13: Lưu đồ thuật toán theo phương pháp SSSA 26

Hình 3-1: Công trình 9 tầng 27

Hình 3-2: Gia tốc nền của tải trọng Elcentro 29

Hình 3-3: Lực sinh ra khi công trình chịu tải trọng Elcentro 29

Hình 3-4: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh khi không điều khiển 29

Hình 3-5: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh khi điều khiển 30

Trang 10

Hình 3-7: Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh khi điều khiển 30

Hình 3-8: Đáp ứng lực cắt chân cột khi không điều khiển 31

Hình 3-9: Đáp ứng lực cắt chân cột khi điều khiển 31

Hình 3-10: Đáp ứng moment chân cột khi không điều khiển 31

Hình 3-11: Đáp ứng moment chân cột khi điều khiển 32

Hình 3-12: Đáp ứng lực cản theo thời gian 32

Hình 3-13: Đáp ứng chu trình tiêu tán năng lƣợng VFD 32

Hình 3-14: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng khi không điều khiển 33

Hình 3-15: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng khi điều khiển 33

Hình 3-16: Đáp ứng độ dạt tầng 33

Hình 3-17: Đáp ứng độ dạt tầng khi 33

Hình 3-18: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh 37

Hình 3-19: Đáp ứng gia tầng đỉnh 37

Hình 3-20: Đáp ứng lực cắt chân cột 37

Hình 3-21: Đáp ứng moment chân cột 38

Hình 3-22: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất tại các tầng 38

Hình 3-25: Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh 41

Hình 3-28: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng 42

Hình 3-30: Gia tốc đất nền tải trọng Kobe 44

Trang 11

Hình 3-45: Công trình 20 tầng 52

Hình 3-50: Đáp ứng lực cản VFD 56

Hình 3-51: Chuyển vị lớn nhất các tầng 56

Hình 3-63: Đáp ứng lực cản VFD theo thời gian 63

Hình 3-64: Chuyển vị lớn nhất các tầng 63

Trang 12

Trang 13

Bảng 2-1 Một số công trình điển hình sử dụng hệ cản VFD hiện nay 14

Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật của hệ cản VFD 17

Bảng 3-1: Đặc trƣng của kết cấu 9 tầng 28

Bảng 3-2: Bảng sai số giữa các mô hình với mô hình FEM 34

Bảng 3-3: Thứ tự ƣu tiên đặt hệ cản 36

Bảng 3-6: Đặc trƣng của kết cấu 20 tầng 53

Trang 14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa đang chuyển biến một cách mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội Bên cạnh đó, dân số tăng nhanh và tập trung đông đúc ở các thành phố lớn đòi hỏi phải có những giải pháp thích hợp để giải quyết các vấn đề an sinh xã hội và đặc biệt là nhu cầu chỗ ở cho người dân Vì vậy, các công trình nhà cao tầng ngày càng xuất hiện nhiều để giải quyết các vấn đề trên Tuy nhiên, sự phát triển của xã hội lại có những tác động tiêu cực đến môi trường, quá trình biến đổi khí hậu đi kèm với những thảm hỏa thiên nhiên xuất hiện với tần suất ngày càng cao Yêu cầu đặt ra cho các kỹ sư thiết kế là thiết kế các công trình cao tầng thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật và có khả năng chịu được các tác động của tự nhiên, các thảm hỏa do biến đổi khí hậu gây ra đặc biệt là động đất và sóng thần Chính vì vậy, lĩnh vực điều khiển dao động đã và đang được đưa vào các thiết kế thực tế để tăng khả năng kháng chấn cho công trình trên khắp thế giới

Đất nước Việt Nam không thuộc khu vực chịu ảnh hưởng nhiều từ các trận động đất Những trận động đất xảy ra trong qua khứ tập trung chủ yếu ở Bắc bộ và một số khu vực của Trung bộ Vì vậy, việc thiết kế các công trình chống động đất trong quá khứ chưa được chú trọng nhiều Tuy nhiên, trong những năm gần đây Việt Nam cũng chịu ảnh hưởng dư chấn mạnh của các trận động đất mạnh từ các quốc gia lân cận như Phillipines, Thailand, Myanmar, Indonesia, … ảnh hưởng và làm hư hại một số công trình tại nước ta Vì vậy, theo xu thế phát triển, việc nghiên cứu và ứng dụng các biện pháp chống động đất trong công trình nhà nhiều tầng là một xu hướng tất yếu

Để thiết kế công trình chống lại các tác động bên ngoài như gió, động đất,

Chúng ta có hai phương pháp sau Phương pháp thứ nhất là phương pháp truyền

thống, nhằm tăng độ cứng của công trình, bằng cách kết hợp các cấu kiện với nhau

Trang 15

dạng công trình hay việc chọn vật liệu cho công trình cũng ảnh hưởng đến khả năng chống lại các tác động bên ngoài của công trình Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là dựa vào các đặc trưng động lực học của bản thân công trình (khối lượng, độ cứng và vật liệu), khi động đất xảy ra công trình sẽ bị hư hại hoặc sụp đổ một phần nhất định nào đó của công trình Vì vậy, phương pháp được nghiên cứu và

sử dụng phổ biến hiện nay là phương pháp thứ hai, đó là sử dụng các thiết bị điều

khiển nhằm hỗ trợ cho kết cấu trong quá trình tiêu tán năng lượng của tải trọng ngoài tác động vào công trình Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ở nhiều lĩnh vực chuyên sâu như năng lượng, cơ học, vật liệu, khá nhiều giải pháp giảm dao động đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong thực tiễn Khi xét về cách thức giảm dao động thì có thể phân thành hai loại sau:

Giải pháp cách chấn: dao động được lan truyền trong đất nền, nên cách

hiệu quả nhất để chống dao động là tách hẳn công trình ra khỏi nền Nhưng trên thực tế, chúng ta không thể hoàn toàn tách được công trình khỏi nền, nên người ta

bố trí các thiết bị đặc biệt giữa công trình và đất nền gọi là cac thiết bị cách chấn (isolater) Do thiết bị này có độ cứng thấp nên khi nền dao động nó có biến dạng lớn, nhờ vậy công trình bên trên (có quán tính lớn) chỉ chịu dao động nhỏ Loại hệ cản điển hình này là hệ cô lập móng (Base isolation)

Trang 16

Hình 1-1: Hệ cô lập móng (Base isolation)

Giải pháp giảm chấn: Trong trường hợp tải trọng gió, tải trọng dạng xung

(cháy, nổ) tác dụng lên công trình, năng lượng của tải trọng này sẽ được truyền trực tiếp vào kết cấu bên trên của công trình mà không có khả năng cách ly Do vậy, người thiết kế phải tăng độ cứng của công trình để khống chế dao động, phải nhờ vào độ cản của bản thân công trình để tiêu tán năng lượng tải trọng này, hoặc bố trí các thiết bị giảm chấn được điều khiển bị động, chủ động hay bán chủ động để phát sinh lực nhằm điều khiển công trình có được đáp ứng như mong muốn Khi xét về mặt năng lượng cung cấp cho thiết bị, ta có thể phân các thiết bị giảm chấn thành các loại sau:

+ Điều khiển bị động (passive control): Thiết bị được điều khiển bị động là loại

thiết bị không cần nguồn năng lượng cung cấp cho nó Thiết bị này sử dụng chính dao động của bản thân kết cấu để tạo ra chuyển động tương đối bên trong thiết bị và tiêu tán năng lượng Các loại thiết bị điều khiển bị động được phân loại dựa vào khả năng tiêu tán năng lượng của chúng Năng lượng có thể tiêu tán dưới dạng nhiệt năng của hiện tượng ma sát như hệ cản ma sát (Friction damper), biến dạng dẻo của kim loại (Buckling restrained brace, Stiffened shear panel), tính cản nhớt như hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous fluid damper) hoặc độ cản thủy lực (Oil damper); hệ cản cột chất lỏng (Liquid column dampers), hệ cản khối lượng (Mass dampers),…

Trang 17

Hình 1-2: Điều khiển bị động với Buckling Restrained Brace

Hình 1-3: Điều khiển bị động với Oil Dampers

Trang 18

Hình 1-4: Điều khiển bị động với Tuned Mass Dampers

Trang 19

Hình 1-5: Điều khiển với Tuned Liquid column dampers

Hình 1-6: Điều khiển bị động với Friction Dampers

Trang 20

Hình 1-7: Điều khiển bị động với Viscous Fluid Dampers

+ Điều khiển chủ động (active control): Thiết bị này sử dụng nguồn năng

Trang 21

khả năng thích ứng với các loại tải trọng khác nhau và dễ điều khiển được dao động của công trình Tuy nhiên, do phải sử dụng nguồn năng lượng để tạo ra lực điều khiển lớn từ bên ngoài nên độ tin cậy của thiết bị không cao khi có động đất xảy ra (do có khả năng mất nguồn năng lượng cung cấp) và chi phí vận hành, bảo trì cũng nhiều hơn các thiết bị khác

Hình 1-8: Những thành phần cơ bản của vòng lặp trong điều khiển chủ động

+ Điều khiển bán chủ động (semi – active control) là loại thiết bị không

đưa trực tiếp lực điều khiển từ bộ sinh lực (actuator) vào công trình để kiểm soát mà chỉ cần cung cấp năng lượng từ bên ngoài như: điện, khí nén, … Thông qua các cảm biến, thông tin về tải trọng, về dao động của công trình được đưa vào bộ xử lý trung tâm Bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý tín hiệu và phát lệnh cho bộ phận thi hành để thực hiện việc tăng độ cản và phát lực điều khiển chống lại dao động, làm thay đổi trạng thái cơ học (chuyển vị, vận tốc, gia tốc) của hệ cản để từ đó hệ cản sinh ra lực điều khiển như mong muốn Vì vậy, năng lượng cung cấp cho thiết bị sinh lực trong điều khiển bán chủ động là nhỏ hơn nhiều so với điều khiển chủ động mà vẫn giữa được ưu điểm của thiết bị chủ động đó là kiểm soát được đáp ứng của kết cấu trong từng bước thời gian cũng như ứng với từng giai đoạn tải trọng khác nhau

Các loại thiết bị thường dùng là: hệ cản độ cứng thay đổi stiffness dampers), hệ cản điều chỉnh khối lượng (semi-active tuned mass dampers),

(controlled-hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (tuned liquid column dampers), (controlled-hệ cản ma sát biến thiên (variable friction dampers), hệ cản chất lỏng nhớt biến thiên (variable viscous fluid dampers),…

+ Điều khiển hỗn hợp (Hybrid control) là hệ thống kết hợp giữa hệ cản chủ

động và hệ cản bị động, hoặc kết hợp giữa hệ cản bán chủ động và hệ cản bị động

Trang 22

Khi lực kích thích nhỏ (động đất yếu) thì hệ làm việc như hệ bị động, khi chịu lực kích thích lớn thì hệ chuyển sang làm việc như hệ bán chủ động

Hình 1-9: Điều khiển hỗn hợp giữa chủ động hoặc bán chủ động và cách ly dao động

Ngày nay, người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn cũng như đưa thêm các thiết bị sinh lực chủ động vào kết cấu để tăng thêm hiệu quả giảm đáp ứng của công trình

Xét về cách thức giảm dao động, điều khiển kết cấu có thể phân thành các loại theo sơ đồ sau:

Hình 1-10: Sơ đồ tổng quan về điều khiển kết cấu

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới có nhiều nghiên cứu về hiệu quả của các hệ cản cũng như việc

Trang 23

nghiên cứu đã đƣợc đƣa vào áp dụng trong các cơng trình thực tế: Base Isolation

Systems (Hệ cơ lập dao động), Tuned Mass Dampers (Hệ cản điều chỉnh khối

lƣợng), Controlled Stiffness Dampers (Hệ cản cĩ độ cứng thay đổi), Viscous Fluid

Dampers (Hệ cản chất lỏng nhớt),… Các bài báo quốc tế về điều khiển dao động cĩ

thể kể đến nhƣ:

 Hệ cản điều chỉnh khối lượng: K.C.S Kwok, B Samali – Performance of

tuned mass dampers under wind loads [6]

 Hệ cản chất lỏng nhớt: Robert J MCNAMARA and Douglas P Taylor –

Fluid viscous dampers for high-rise buildings [7]

 Hệ cản ma sát: Servio Tulio de la Cruz Cháidez – Contribution to the Assessment of the Efficiency of Friction Dissipators for Seismic Protection of

Lopez Garcia về tối ƣu hình dạng hệ cản trong cấu trúc nhiều bậc tự do [10] , Wei

Liu, Mai Tong, Yihui Wu nghiên cứu tối ƣu thiết bị cản trong cơng trình thép dạng kim tự tháp [11]

Trang 24

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong nước đã có nhiều đề tài nghiên cứu về việc sử dụng các hệ cản khác nhau để chống lại tải trọng động đất Các luận văn đã được nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh có thể kể đến như sau:

Các loại thiết bị cách chấn:

 Nguyễn Văn Nam – Nghiên cứu giảm chấn cho công trình chịu động đất

bằng thiết bị cô lập dao động có mặt lõm ma sát – 2008

 Lê Duy Bình - Khảo sát khả năng giảm chấn của công trình bằng hệ cô lập

móng kết hợp với hệ cản có độ cứng biến thiên – 2010

Các loại thiết bị giảm chấn:

 Bùi Đông Hoàn – Khảo sát tác dụng kháng chấn của hệ cản chất lỏng nhớt

 Lê Văn Thắng – Khảo sát khả năng giảm chấn của thiết bị MR DAMPER

dựa trên lý thuyết điều khiển mờ – 2005

 Lê Trường Giang - Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản bán chủ động

ER với các giải thuật khác nhau – 2007

 Nguyễn Minh Hiếu - Các giải thuật điều khiển hệ cản MR - 2007

 Phạm Nhân Hòa – Assessment of the Efficiency of Friction Dissipators for

Seismic Protection of Building, EMMC - 2006

 Phạm Nhân Hòa – iều khiển kết cấu chịu tải tr ng động đất với hệ cản ma

sát biến thiên - 2007

 Ngô Minh Khôi – Assessment of the Efficiency of Fluid Viscous Damper for

Seismic Protection of Building – EMMC – 2007

 Nguyễn Quang Bảo Ph c – Khảo sát khả năng giảm chất công trình với hệ

Trang 25

 Trần Văn Bền – iều khiển kết cấu chịu tải tr ng động đất với hệ cản ma

sát biến thiên và hệ cản có độ cứng thay đổi kết hợp – 2008

 Hồ Hoàng Đức Thịnh – iều khiển kết cấu chịu tải tr ng động đất với hệ

cản đàn nhớt biến thiên – 2009

 Đặng Duy Khanh– iều khiển kết cấu với giải pháp kết hợp hệ cản chất

lỏng nhớt và hệ cản có độ cứng thay đổi được điều khiển bị động-2010

 Võ Ngọc Thắng - iều khiển bán chủ động hệ cản có độ cứng thay đổi kết

hợp hệ cản nhớt – 2011

 Lê Minh Thành - Phân tích đáp ứng động lực h c có xét đến phi tuyến vật

liệu của công trình sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt chịu tải tr ng động đất –

2013

 Hoàng Công Duy - Phân tích đáp ứng động lực h c kết cấu được trang bị

hệ cản chất lỏng nhớt bằng mô hình tổng quát – 2014

1.4 Sự cần thiết của luận văn

Trên cơ sở tìm hiểu các bài báo và các luận văn cao học của khóa trước, tác giả nhận thấy khi nghiên cứu về đáp ứng động lực học của các loại hệ cản, các tác giả trước chỉ mới nghiên cứu về mô hình Shear Frame và mô hình General Approach, chưa có nghiên cứu nào trước đây sử dụng mô hình Phần tử hữu hạn (Finite Element Model – FEM) để phân tích và đánh giá đáp ứng động lực học kết cấu được trang bị hệ cản Vì vậy, việc thực hiện nghiên cứu mô hình tính toán bài toán sử dụng mô hình FEM là cần thiết để đưa ra các kiến nghị cho người kỹ sư thiết kế công trình chịu tải trọng động đất hoặc gió Mô hình FEM cho một cái nhìn

về đáp ứng thực hơn khi kết cấu sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Dampers - VFD) và mức độ chính xác cao hơn khi so sánh với các phần mềm tính toán kết cấu hiện nay

Bên cạnh đó, các nghiên cứu trước đây chưa quan tâm đến việc giới hạn lực cản đối với hệ cản Khi động đất xảy ra, nếu hệ cản chịu lực quá giới hạn cho phép thì kết cấu sẽ ứng xử phi tuyến và không còn đúng với mô hình bài toán Vì vậy, tác giả đề xuất việc giới hạn lực cản tối đa trong hệ cản dựa vào cấu tạo của từng loại

Trang 26

hệ cản nhằm phát huy hiệu quả hệ cản và thiết kế hệ cản một cách hợp lý trong thực

tế

Hiện nay, hệ cản có thể được sử dụng trong những công trình thiết kế mới lẫn những kết cấu đang tồn tại để điều khiển những dao động do động đất gây ra Giống như bất cứ thành phần nào của kết cấu, việc sử dụng hiệu quả của những hệ cản có thể đạt kết quả tích cực trong biện pháp kỹ thuật và trong việc tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, tất cả các nghiên cứu trước đây chỉ mới tập trung vào phân tích đáp ứng động lực học kết cấu của công trình được trang bị hệ cản, các hệ cản được đặt một cách ngẫu nhiên theo kinh nghiệm Trong khi đó, giá thành của các hệ cản hiện nay thường khá cao và việc thiết kế, bố trí hệ cản vào công trình thường bị giới hạn

về số lượng hệ cản Do vậy, việc thiết kế tối ưu vị trí đặt hệ cản sử dụng mô hình FEM là hết sức cần thiết nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tốt nhất cho kết cấu cũng như mang lại những hiệu quả kinh tế thiết thực

1.5 Mục tiêu của luận văn

1 Sử dụng mô hình FEM có trang bị hệ cản VFD để phân tích đáp ứng động lực học kết cấu chịu tải trọng động, giới hạn lực cản tối đa trong hệ cản và thiết kế

vị trí tối ưu của các hệ cản

2 Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để mô phỏng và tính toán các kết quả số

3 So sánh kết quả đạt được với kết quả phân tích bằng chương trình CALFEM [13], SAP2000

1.6 Tổ chức và nội dung luận văn

Từ những mục tiêu trên, nội dung luận văn sẽ được trình bày gồm 4 chương : Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Ví dụ tính toán

Chương 4: Kết luận

Trang 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Damper – VFD)

2.1.1 Tổng quan hệ cản VFD

Trên thế giới, hiện nay hệ cản VFD từ lâu được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng Theo [21], hệ cản VFD của hãng Taylor Devices đã được sử dụng trong 484 công trình (dân dụng và cầu) tập trung ở các nước thường xuyên phải chịu các trận động đất như Nhật, Mỹ, Đài Loan, Trung Quốc

Bảng 2-1 Một số công trình điển hình sử dụng hệ cản VFD hiện nay

Tên công trình Quốc gia Loại và số lượng hệ cản

trọng Kichijyouji Station Japan, Tokyo Taylor Vicous Dampers 2013 Seismic Farglory H96 Taiwan, New

Taiwan

Taylor Vicous Dampers 2013 Seismic

Farglory H93 Taiwan, New

Taiwan

Taylor Vicous Dampers 2013 Seismic

Qinshi #3 Provence Taiwan, Yilan Taylor Vicous Dampers 2013 Seismic Neimeng Wuxi

Trang 28

Hình 2-1: Công trình Wallace F Bennett Federal Building trang bị VFD

Hình 2-2: Công trình San Francisco Civic Center

Tuy hệ cản VFD được sử dụng nhiều trên thế giới nhưng trong nước VFD chỉ được sử dụng một cách khiêm tốn Các công trình xây dựng ở Việt Nam mà có

sử dụng hệ cản VFD chỉ tập trung vào các công trình cầu

Trang 29

2.1.2 Cấu tạo hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Dampers-VFD)

Hình 2-3: Nguyên lý hoạt động của hệ cản VFD Hình 2-4: Cấu tạo hệ cản VFD

Hệ cản chất lỏng nhớt là hệ cản sử dụng chất lỏng silicone Chất lỏng này chuyển động với vận tốc cao qua lỗ trên đầu piston tạo ra chênh áp suất và sinh

ra lực cản Lực cản sinh ra trong VFD [22]:

 sgn

VFD

Trong đó, C là hệ số cản của thiết bị cản nhớt;

u là vận tốc tương đối giữa 2 đầu pít tông;

 là hệ số mũ (0.31.2);

và sgn u  là hàm dấu của u, sgn u 1 khi u0,

 

sgn u  1 khi u0, và sgn u 0 khi u0Ngoài hệ cản sử dụng chất lỏng nhớt trong pít tông để sinh lực cản, người ta còn sử dụng dầu, chất lỏng nhớt đàn hồi, hoặc tận dụng ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc [23] Nhưng nhìn chung, hệ cản chất lỏng nhớt (VFD) vẫn được sử dụng nhiều nhất Hệ cản VFD được sản xuất đa dạng về chủng loại để phù hợp cho các loại công trình khác nhau, loại sinh kháng lực lớn dùng trong kết cấu công trình cầu và

Trang 30

loại nhỏ dùng trong kết cấu dân dụng và công nghiệp Khi phân tích đáp ứng và

thiết kế kết cấu sử dụng hệ cản VFD, thông số hành trình pít tông (stroke) và lực cản tới hạn (force) cần được chú ý

Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật của hệ cản VFD

Tùy vào số lượng hệ cản VFD được sử dụng trong một hệ giằng và mục đích

sử dụng VFD, có nhiều cách liên kết hệ cản này vào kết cấu như: VFD được gắn theo dạng thanh giằng chéo, VFD được gắn theo phương nằm ngang , hay VFD được sử dụng như thiết bị cách ly dao động

Hình 2-5: Hệ cản VFD được gắn theo dạng hệ giằng chéo

Trang 31

Hình 2-6: VFD được gắn theo phương ngang

Hình 2-7: Hệ cản VFD được sử dụng như là thiết bị cách ly dao động

2.1.3 Các ưu điểm của hệ cản VFD

Hệ cản VFD được sử dụng rộng rãi vì khi gắn hệ cản vào công trình, nó không làm thay đổi tần số dao động riêng của kết cấu Hơn nữa, vì các ưu điểm của

hệ cản VFD được điều khiển bị động so với kết cấu được điều khiển chủ động như [24]:

 Do tận dụng dao động của chính kết cấu nên không cần bộ sinh lực cho hệ

Vì vậy, chi phí vận hành và lắp đặt cho VFD thấp;

 Từ lâu được sử dụng rộng rãi trong các công trình quân đội nên hiệu quả giảm đáp ứng là đáng tin cậy;

 Không cần năng lượng bên ngoài cung cấp cho VFD trong quá trình chịu động đất; và

 Dưới tác động khắc nghiệt của môi trường, độ bền của hệ cản lớn

Các ưu điểm của hệ cản VFD được điều khiển bị động so với các loại hệ cản khác [25]:

 Dễ dàng lắp đặt vào kết cấu; và

 Giá thành rẻ hơn (thường chỉ chiếm khoảng 1% giá trị xây dựng công trình)

và đặc biệt khi sử dụng loại hệ cản có tính cản cao, có thể nâng tỉ số cản kết cấu lên 40%

Trang 32

2.2 Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) có trang bị hệ cản VFD

2.2.1 Mô hình phần tử hữu hạn (Finite Element Model – FEM)

Hình 2-8: Mô hình phần tử hữu hạn

Theo phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho khung phẳng, một phần tử mẫu có dạng như sau :

Hình 2-9: Phần tử mẫu khung phẳng tổng quát

Ma trận cứng phần tử của phần tử khung phẳng có dạng như sau:

Trang 33

trong đó: E, A, I, L lần lược là môdun đàn hồi của vật liệu, diện tích tiết diện

ngang, momen quán tính và chiều dài của phần tử

Ma trận khối lượng tương thích (consistent mass matrix) có dạng:

2.2.2 Nội lực trong thanh

Hình 2-10: Nội lực trong thanh

Trang 34

2.2.3 Mô hình tính toán cơ học

Xét hệ kết cấu n tầng m nhịp đƣợc trang bị hệ cản VFD ở mỗi tầng Các đặc

trƣng vật liệu và hình học đƣợc cho nhƣ hình sau:

Hình 2-11: Kết cấu nhiều bậc tự do sử dụng hệ cản VFD

Trang 35

2.2.4 Phương trình vi phân chuyển động

Sau khi ghép nối các phần tử dầm và cột thành các ma trận khối lượng và ma

trận độ cứng tổng thể, phương trình vi phân chuyển động dạng ma trận của kết cấu

d dt

u là gia tốc nền của tải trọng động đất, với xglà véc tơ gia tốc nền

theo phương ngang

VFD

F – Lực điều khiển của VFD, với F VFD được xác định theo (2.1)

2.2.5 Thuật toán giải phương trình chuyển động

Phương trình vi phân chuyển động dạng ma trận (2.5) được giải bằng

phương pháp số Newmark, tích phân trực tiếp với giả thiết rằng ở mỗi bước thời

gian gia tốc tuân theo quy luật tuyến tính

Với sự trợ giúp của máy tính và phần mềm MATLAB, miền thời gian của

bài toán được rời rạc hóa thành nt bước thời gian cách đều nhau t ( j1, 2, ,ntvới

nt là tổng số bước thời gian tính)

Trang 36

Vào năm 1959, Nathan Mortimore Newmark đã phát triển một hệ các cách giải phương trình vi phân bậc hai nhờ dựa vào hệ 2 phương trình sau [1]:

 cho quy luật xấp xỉ gia tốc tuyến tính

Trong luận văn này, phương pháp xấp xỉ gia tốc bậc nhất được sử dụng Khi

đó, phương trình (2.6) được viết lại như sau:

P P M Để tìm nghiệm của phương trình (2.5), ta cần biết

dữ liệu ở bước thời gian j-1 và số gia tải ngoài   pj Pj Pj1 Từ đó ta có thể xây dựng phương pháp số để giải tổng quát cho phương trình (2.5):

Các bước tính toán trong phương pháp Newmark

Trang 37

Trong phương pháp Newmark, khi sử dụng gia tốc theo quy luật tuyến tính

cần kiểm tra lại điều kiện hội tụ của nghiệm bài toán [1]:

Trang 38

Thuật giải của PHƯƠNG PHÁP SỐ được tĩm tắt dưới dạng lưu đồ sau:

BƯỚC THỜI GIANt

BƯỚC THỜI GIAN t+t

Hình 2-12: Lưu đồ thuật tốn PHƯƠNG PHÁP SỐ để giải phương trình vi phân

Trong đĩ, khi tính FVFD theo (2.1) tác giả giới hạn lực FVFD sao cho

FVFD≤FVFDmax dựa vào bảng thơng số kỹ thuật của các loại hệ cản được sử dụng, nhằm giúp cho hệ cản ứng xử đúng với mơ hình tính tốn

(2.1)

Trang 39

2.3 Thuật toán để thiết kế tối ưu vị trí đặt hệ cản VFD: The Simplified Sequential Search Algorithm (SSSA)

Những hệ cản được đặt liên tục tại nơi mà hiệu quả của chúng lớn nhất Tại mỗi bước, chỉ số vị trí tối ưu được tính toán Chỉ số vị trí tối ưu nhất chỉ ra vị trí đặt

hệ cản đầu tiên Hệ số cản của hệ cản được kết hợp vào mô hình toán học của kết cấu và những chỉ số tối ưu vị trí mới được tính toán Hệ cản thứ hai sau đó được đặt vào vị trí mà chỉ số vị trí tối ưu được tính toán lại đạt hiệu quả nhất Công việc được lặp lại cho đến khi tất cả hệ cản cần thiết được đặt vào kết cấu Phương pháp này sẽ được gọi tên là Thuật toán tìm kiếm liên tục đơn giản hóa (SSSA)

Hình 2-13: Lưu đồ thuật toán theo phương pháp SSSA

Trang 40

CHƯƠNG 3 CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN

Luận văn khảo sát các bài toán kết cấu khung phẳng 9 tầng và 20 tầng mẫu [12] chịu các tải trọng động đất ElCentro và Kobe để tìm ra các quy luật đặt hệ cản chất lỏng nhớt VFD cho các kết cấu này Ngoài ra, tính đúng đắn của phương pháp tính toán được minh họa bằng các so sánh với các phương pháp số CALFEM [13], SAP2000, và sự hội tụ của đáp ứng năng lượng kết cấu

3.1 Công trình 9 tầng

3.1.1 Mô tả kết cấu

Trong luận văn này tác giả xét bài toán kết cấu khung phẳng 9 tầng như [12]

Các thông số về vật liệu kết cấu bằng thép bao gồm mô đun đàn hồi E=2.104kN/cm 2

và tỉ số cản kết cấu được lấy bằng =2%

Hình 3-1: Công trình 9 tầng

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	2,93 MB