Phân tích động lực học công trình chịu tải trọng động đất có xét đến phi tuyến vật liệu và sử dụng tầng mái như hệ cản điều chỉnh khối lượng tmd

Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Northridge .... Đồ thị so sánh vận

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

BÙI NGUYỄN TRỌNG TOÀN

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN PHI TUYẾN VẬT LIỆU VÀ

SỬ DỤNG TẦNG MÁI NHƯ HỆ CẢN ĐIỀU CHỈNH KHỐI

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn 1: TS Lương Văn Hải

Cán bộ hướng dẫn 2: PGS.TS Nguyễn Thời Trung

5 TS Lương Văn Hải

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: BÙI NGUYỄN TRỌNG TOÀN MSHV: 12210266 Ngày, tháng, năm sinh: 26/09/1989 Nơi sinh: An Giang Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 605820

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích động lực học công trình chịu tải trọng động đất có xét đến phi tuyến vật liệu và sử dụng tầng mái như hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma trận cản cho các phần

tử khung phẳng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method)

2 Phát triển thuật toán, lập trình tính toán bằng chương trình Matlab để giải hệ phương trình động lực tổng thể của bài toán

3 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả của chương trình với Sap2000

4 Tiến hành thực hiện các ví dụ số nhằm khảo sát các đáp ứng quan trọng của kết cấu sử dụng hệ cản TMD, từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/02/2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 20/06/2014

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lương Văn Hải

PGS TS Nguyễn Thời Trung

Tp HCM, ngày tháng… năm 2014

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS Lương Văn Hải PGS.TS Nguyễn Thời Trung

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Trang 4

i

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Lương Văn Hải và Thầy PGS.TS Nguyễn Thời Trung Thầy đã hướng dẫn giúp tôi hình thành nên ý tưởng của đề tài, hướng dẫn tôi phương pháp tiếp cận nghiên cứu Thầy

đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt chặng đường vừa qua

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt khóa Cao học vừa qua

Mặc dù bản thân đã cố gắng nghiên cứu và hoàn thiện, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót nhất định Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi

bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô

Tp HCM, ngày 14 tháng 09 năm 2014

Bùi Nguyễn Trọng Toàn

Trang 5

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong những năm gần đây, giải pháp giảm chấn cho công trình đã được nghiên cứu nhiều Tuy nhiên, phần lớn nghiên cứu đều tập trung vào các thiết bị giảm chấn được sản xuất sẵn với chi phí khá đắt Hơn nữa, các nghiên cứu về thiết bị giảm chấn đều tập trung vào ứng xử đàn hồi của kết cấu mà chưa xét nhiều đến ứng xử phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu của kết cấu Do đó, Luận văn này nhằm nghiên cứu ứng dụng hệ kết cấu có sẵn của công trình và thiết bị hệ cô lập đơn giản với chi phí rẻ để giảm chấn cho công trình Đồng thời, xem xét ứng xử của công trình khi kể đến yếu tố phi tuyến Việc phân tích được thực hiện bằng cách xây dựng mô hình khung phẳng chịu tác dụng của tải trọng động đất theo thời gian Ngôn ngữ lập trình Matlab được sử dụng để xây dựng chương trình tính toán và phân tích kết quả Để thấy rõ hiệu quả giảm chấn cho công trình, các ví dụ số sẽ được trình bày cho công trình chịu các trận động đất khác nhau Các kết quả phân tích sẽ cho thấy hiệu quả giảm chấn khi thiết kế tầng mái của công trình như hệ cản TMD

Trang 6

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS Lương Văn Hải và Thầy PGS.TS Nguyễn Thời Trung

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Tp HCM, ngày 14 tháng 09 năm 2014

Bùi Nguyễn Trọng Toàn

Trang 7

iv

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 1

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xviii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan về điều khiển dao động 5

1.2.1 Điều khiển bị động 5

1.2.2 Điều khiển chủ động 7

1.2.3 Điều khiển bán chủ động 8

1.2.4 Điều khiển hỗn hợp 8

1.3 Ứng dụng TMD trong thực tế 8

1.4 Tình hình nghiên cứu về TMD 11

1.4.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 11

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 14

1.5 Mục tiêu và hướng nghiên cứu Luận văn 15

1.6 Luận văn 16

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 Hệ cô lập cao su lõi chì 17

2.2 Ứng dụng hệ cô lập cao su lõi chì trong thực tế 20

2.3 Mô hình tầng mái đóng vai trò như TMD 21

2.4 Phương trình vi phân chuyển động của TMD 22

Trang 8

v

2.4.1 Hệ một bậc tự do 22

2.4.2 Hệ nhiều bậc tự do 23

2.5 Cơ sở thiết kế TMD 25

2.6 Một số giả thiết trong phân tích khung phẳng 25

2.7 Xây dựng ma trận tính chất phần tử khung phẳng 26

2.7.1 Ma trận độ cứng đàn hồi phần tử khung phẳng 26

2.7.2 Ma trận độ cứng hình học phần tử khung phẳng 29

2.7.3 Ma trận độ cứng phần tử khung phẳng có xét đến phi tuyến vật liệu……… .29

2.7.4 Ma trận khối lượng tương thích 30

2.7.5 Ma trận cản 31

2.8 Phương trình vi phân chuyển động 32

2.9 Mô hình vật liệu bê tông 32

2.10 Giải phương trình vi phân chuyển động bằng phương pháp số 34

2.10.1Các phương pháp giải 34

2.10.2Phương pháp tích phân Newmark 35

2.11 Phân tích khung phẳng chịu tải trọng động đất 39

2.11.1Phân tích khung không xét đến phi tuyến 39

2.11.2Phân tích khung xét đến phi tuyến hình học 39

2.11.3Phân tích khung xét đến phi tuyến vật liệu 41

2.12 Sơ đồ khối phân tích khung bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất 41

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ SỐ 43

3.1 So sánh kết quả với chương trình Sap2000 46

3.1.1 So sánh kết quả khung dao động tự do 46

3.1.2 So sánh kết quả khung chịu tải trọng động đất Elcentro 49

3.2 Phân tích khung 5 tầng, 2 nhịp chịu tải trọng động đất 52

3.2.1 Phân tích khung chịu tải trọng Northridge 52

3.2.2 Phân tích khung chịu tải trọng Hachinohe 61

3.2.3 Phân tích khung chịu tải trọng Kobe 70

Trang 9

vi

3.2.4 Phân tích khung 5 tầng chịu tải trọng động đất khi thay đổi khối

lượng TMD .78

3.2.5 So sánh hiệu quả của TMD với khung 5 tầng chịu các trận động đất khác nhau 79

3.3.1 Phân tích khung chịu tải trọng Elcentro 80

3.3.3 Phân tích khung chịu tải trọng Hachinohe 94

3.3.4 Phân tích khung chịu tải trọng Kobe 96

3.3.5 Phân tích khung 10 tầng chịu tải trọng động đất khi thay đổi khối lượng TMD 99

3.3.6 So sánh hiệu quả của TMD với khung 10 tầng chịu các trận động đất khác nhau 100

3.3.7 Xét ảnh hưởng của tỉ số cản 102

3.3.8 So sánh hiệu quả của TMD khi có dùng và không dùng hệ cô lập cao su lõi chì 103

3.4.1 Phân tích khung chịu tải trọng Elcentro 105

3.5 So sánh hiệu quả của tầng mái đóng vai trò như TMD khi tầng này được đặt đối xứng và bất đối xứng 110

3.6 Phân tích khung 15 tầng có lệch tầng, 3 nhịp chịu tải trọng động đất 112

3.7 Xét ảnh hưởng của chiều cao tầng đến hiệu quả của TMD 115

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 117

4.1 Kết luận 117

4.2 Hướng phát triển luận văn 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 126

Trang 10

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Động đất ở Haiti (2010) 2

Hình 1.2 Động đất ở Tứ Xuyên, Trung Quốc (2008) 2

Hình 1.3 Động đất ở Kobe, Nhật Bản (1995) 3

Hình 1.4 Động đất ở Northridge, California (1994) 3

Hình 1.5 Động đất ở Niigata, Nhật Bản (1964) 3

Hình 1.6 Sơ đồ tổng quan về cách thức điều khiển kết cấu 5

Hình 1.7 Hệ cản điều chỉnh khối lượng (Tuned Mass Damper) 6

Hình 1.8 Hệ cản điều chỉnh chất lỏng (Tuned Liquid Damper) 6

Hình 1.9 Hệ cô lập móng (Base Isolation) 7

Hình 1.10 Cơ chế hoạt động của hệ cản điều chỉnh chủ động 7

Hình 1.11 Hệ cản điều khiển hỗn hợp (Hybrid control) 8

Hình 1.12 Hệ cản điều chỉnh khối lượng (TMD) 11

Hình 2.1 Cấu tạo hệ cô lập cao su lõi chì 17

Hình 2.2 Cấu tạo hệ cô lập cao su thiên nhiên 18

Hình 2.3 Mô hình song tuyến tính của cao su lõi chì 19

Hình 2.4 Hệ cô lập cao su lõi chì trong công trình The Toushin 24 Ohmori Building 21

Hình 2.5 Mô hình tầng mái đóng vai trò như TMD 21

Hình 2.6 Mô hình cơ học của tầng mái đóng vai trò như TMD 22

Hình 2.7 Mô hình hệ nhiều bậc tự do 23

Hình 2.8 Phần tử khung phẳng trong hệ trục tọa độ tổng thể 26

Hình 2.9 Góc nghiêng của phần tử khung phẳng 28

Hình 2.10 Mô hình vật liệu theo Karayannis Karayannis (1994) 33

Hình 3.1 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Hachinohe 44

Hình 3.2 Cường độ năng lượng phổ trận động đất Hachinohe 44

Hình 3.3 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Northridge 45

Hình 3.4 Cường độ năng lượng phổ trận động đất Northridge 45

Trang 11

viii

Hình 3.5 Sơ đồ hình học khung phẳng 5 tầng, 2 nhịp 46Hình 3.6 Đồ thị chuyển vị tại đỉnh khung 5 tầng dao động tự do không

TMD 47Hình 3.7 Sơ đồ hình học khung phẳng 5 tầng, 2 nhịp, 1 tầng mái đóng vai

trò như TMD 47Hình 3.8 Đồ thị chuyển vị tại đỉnh khung 5 tầng khi phân tích dao động tự

do có TMD 48Hình 3.9 Đồ thị chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng chịu tải trọng động

đất Elcentro 49Hình 3.10 Chuyển vị tại đỉnh khung 5 tầng theo chương trình Sap2000 50Hình 3.11 Đồ thị so sánh chuyển vị tại đỉnh khung 5 tầng chịu tải trọng động

đất Elcentro 51Hình 3.12 Chuyển vị tại đỉnh khung 5 tầng theo chương trình Sap2000 51Hình 3.13 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không

xét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Northridge 53Hình 3.14 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xét

và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Northridge 53Hình 3.15 Đồ thị so sánh gia tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xét

và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Northridge 53Hình 3.16 Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung 5 tầng khi không xét và

có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Northridge 54Hình 3.17 Đồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không xét và

có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Northridge 54Hình 3.18 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Northridge 56

Trang 12

ix

Hình 3.19 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Northridge 56Hình 3.20 Đồ thị so sánh gia tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Northridge 56Hình 3.21 Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung 5 tầng khi không TMD

và có TMD chịu tải trọng động đất Northridge 57Hình 3.22 Đồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không TMD

và có TMD chịu tải trọng Northridge 57Hình 3.23 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và

khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến 59Hình 3.24 Biểu đồ so sánh chuyển vị tầng 59Hình 3.25 Biểu đồ so sánh độ lệch tầng 60Hình 3.26 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không

xét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Hachinohe 62Hình 3.27 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xét

và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Hachinohe 62Hình 3.28 Đồ thị so sánh gia tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xét

và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Hachinohe 62Hình 3.29 Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung 5 tầng khi không xét và

có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Hachinohe 63Hình 3.30 Đồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không xét và

có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Hachinohe 63Hình 3.31 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Hachinohe 64

Trang 13

x

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Hachinohe 65Hình 3.33 Đồ thị so sánh gia tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Hachinohe 65Hình 3.34 Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung 5 tầng khi không TMD

và có TMD chịu tải trọng động đất Hachinohe 65Hình 3.35 Đồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không TMD

và có TMD chịu tải trọng động đất Hachinohe 66Hình 3.36 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và

xét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Kobe 70Hình 3.40 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xét

và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Kobe 71Hình 3.41 Đồ thị so sánh gia tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không xét

và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Kobe 71Hình 3.42 Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung 5 tầng khi không xét và

có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Kobe 71Hình 3.43 Đồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không xét và

có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Kobe 72Hình 3.44 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Kobe 73

Trang 14

xi

Hình 3.46 Đồ thị so sánh gia tốc ngang tại đỉnh khung 5 tầng khi không TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Kobe 73

Hình 3.47 Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung 5 tầng khi không TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Kobe 74

Hình 3.48 Đồ thị so sánh momen tại chân cột khung 5 tầng khi không TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Kobe 74

Hình 3.49 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến 76

Hình 3.50 Biểu đồ so sánh chuyển vị tầng 77

Hình 3.51 Biểu đồ so sánh độ lệch tầng 77

Hình 3.52 Biểu đồ so sánh hiệu quả của TMD khi tỉ số khối lượng thay đổi 79

Hình 3.53 Biểu đồ so sánh hiệu quả của TMD với khung 5 tầng chịu các trận động đất khác nhau 80

Hình 3.54 Sơ đồ hình học khung 10 tầng, 2 nhịp, 1 tầng mái đóng vai trò như TMD 81

Hình 3.55 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi không xét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Elcentro 82

Hình 3.56 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi không xét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Elcentro 82

Hình 3.57 Đồ thị so sánh gia tốc ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi không xét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Elcentro 82

Hình 3.58 Đồ thị so sánh lực cắt tại chân cột khung 10 tầng khi không xét và có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Elcentro 83

Trang 15

xii

Hình 3.59 Đồ thị so sánh momen tại chân cột khung 10 tầng khi không xét và

có xét đồng thời phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu chịu tải trọng động đất Elcentro 83Hình 3.60 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Elcentro 84Hình 3.61 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Elcentro 85Hình 3.62 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Northridge 90Hình 3.66 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Northridge 90Hình 3.67 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Hachinohe 94Hình 3.71 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Hachinohe 94Hình 3.72 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và

khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến 96Hình 3.73 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Kobe 97Hình 3.74 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi không

Trang 16

xiii

Hình 3.75 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và

khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến 98Hình 3.76 Biểu đồ so sánh hiệu quả của TMD khi tỉ số khối lượng thay đổi 100Hình 3.77 Biểu đồ so sánh hiệu quả của TMD với khung 10 tầng chịu các

trận động đất khác nhau 101Hình 3.78 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi tỉ số

cản thay đổi chịu tải trọng động đất Northridge 102Hình 3.79 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 10 tầng khi tỉ số cản

thay đổi chịu tải trọng động đất Northridge 102Hình 3.80 Đồ thị so sánh độ giảm phản ứng kết cấu khi tỉ số cản thay đổi 103Hình 3.81 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi có hệ cô lập cao su lõi chì

và không có hệ cô lập cao su lõi chì 104Hình 3.82 Sơ đồ hình học khung 15 tầng, 3 nhịp, 1 tầng mái đối xứng đóng

vai trò như TMD 105Hình 3.83 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 15 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Elcentro 106Hình 3.84 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung khung 15 tầng khi

không TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Elcentro 106Hình 3.85 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD 108Hình 3.86 Đồ thị so sánh chuyển vị ngang tại đỉnh khung 15 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Northridge 108Hình 3.87 Đồ thị so sánh vận tốc ngang tại đỉnh khung 15 tầng khi không

TMD và có TMD chịu tải trọng động đất Northridge 109Hình 3.88 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và

khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến 110Hình 3.89 Sơ đồ hình học khung 15 tầng, 3 nhịp, 1 tầng mái bất đối xứng

đóng vai trò như TMD 111Hình 3.90 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi đặt đối xứng và bất đối

xứng 112

Trang 17

xiv

Hình 3.91 Sơ đồ hình học khung 15 tầng có lệch tầng, 3 nhịp, 1 tầng mái bất

đối xứng đóng vai trò như TMD 113Hình 3.92 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi đặt đối xứng và bất đối

xứng 114Hình 3.93 Đồ thị so sánh chuyển vị khi có TMD và không TMD 115Hình 3.94 Đồ thị so sánh hiệu quả của TMD khi số tầng thay đổi 115

Trang 18

xv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thiệt hại về người và tài sản từ một số trận động đất mạnh 1

Bảng 1.2 Các công trình sử dụng hệ cản TMD bị động 9

Bảng 3.1 Thông số các trận động đất điển hình 43

Bảng 3.2 Bảng so sánh tần số dao động riêng 46

Bảng 3.3 Bảng so sánh chuyển vị đỉnh khung 47

Bảng 3.5 Bảng so sánh chuyển vị đỉnh khung chịu tải trọng Elcentro 49

Bảng 3.7 Bảng phân tích khung khi kết cấu làm việc đàn hồi (không TMD) và khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến (không TMD) 55

Bảng 3.8 Bảng so sánh phân tích khung khi không TMD và có TMD 57

Bảng 3.9 Bảng so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến 58

Bảng 3.10 Bảng phân tích hiệu quả giảm chuyển vị tầng của TMD 59

Bảng 3.11 Bảng phân tích hiệu quả giảm độ lệch tầng của TMD 60

Bảng 3.12 Bảng phân tích khung khi kết cấu làm việc đàn hồi (không TMD) và kết cấu làm việc có xét phi tuyến (không TMD) 64

Bảng 3.13 Bảng phân tích khung khi không TMD và có TMD 66

Bảng 3.15 Bảng phân tích hiệu quả giảm chuyển vị tầng của TMD 68

Bảng 3.16 Bảng phân tích hiệu quả giảm độ lệch tầng của TMD 68

Bảng 3.17 Bảng phân tích khung khi kết cấu làm việc đàn hồi (không TMD) và khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến (không TMD) 72

Bảng 3.18 Bảng phân tích khung khi không TMD và có TMD 75

Trang 19

xvi

Bảng 3.20 Bảng phân tích hiệu quả giảm chuyển vị tầng của TMD 76Bảng 3.21 Bảng phân tích hiệu quả giảm độ lệch tầng của TMD 77Bảng 3.22 Bảng so sánh hiệu quả của TMD khi tỷ số khối lượng thay đổi 78Bảng 3.23 Bảng so sánh hiệu quả của TMD với khung 5 tầng chịu các trận

động đất khác nhau 79Bảng 3.24 Bảng phân tích khung khi kết cấu làm việc đàn hồi (không TMD)

và khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến (không TMD) 84Bảng 3.25 Bảng phân tích khung khi không TMD và có TMD 85Bảng 3.26 Bảng so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và

khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến 86Bảng 3.27 Bảng phân tích hiệu quả giảm chuyển vị tầng của TMD 87Bảng 3.28 Bảng phân tích hiệu quả giảm độ lệch tầng của TMD 88Bảng 3.29 Bảng phân tích khung khi không TMD và khi có TMD (Có xét

đến phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) 90Bảng 3.30 Bảng so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và

khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến 91Bảng 3.31 Bảng phân tích hiệu quả giảm chuyển vị tầng của TMD 92Bảng 3.32 Bảng so sánh hiệu quả giảm chuyển vị tầng của TMD 93Bảng 3.33 Bảng phân tích khung khi không TMD và khi có TMD (Có xét

đến phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) 95Bảng 3.34 Bảng so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và

khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến 95Bảng 3.35 Bảng phân tích khung khi không TMD và có TMD (Có xét đến

phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) 97Bảng 3.36 Bảng so sánh hiệu quả của TMD khi kết cấu làm việc đàn hồi và

khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến 98Bảng 3.37 Bảng so sánh hiệu quả của TMD khi tỷ số khối lượng thay đổi 99Bảng 3.38 Bảng so sánh hiệu quả của TMD với khung 10 tầng chịu các trận

động đất khác nhau 100

Trang 20

xvii

Bảng 3.39 Bảng so sánh phân tích khung khi tỉ số cản thay đổi (Có xét đến

phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) 103Bảng 3.40 Bảng so sánh phân tích khung khi có hệ cô lập cao su lõi chì và

không có hệ cô lập cao su lõi chì 104Bảng 3.41 Bảng phân tích khung khi không TMD và có TMD (Có xét đến

kết cấu làm việc có xét phi tuyến 107Bảng 3.43 Bảng phân tích khung khi không TMD và có TMD (Có xét đến

khi kết cấu làm việc có xét phi tuyến 110Bảng 3.45 Bảng so sánh hiệu quả của TMD khi đặt đối xứng và bất đối xứng 111Bảng 3.46 Bảng phân tích khung khi không TMD và khi có TMD (Có xét

đến phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu) 113Bảng 3.47 Bảng so sánh hiệu quả của TMD khi đặt đối xứng và bất đối xứng 114

Trang 21

LRB Cao su lõi chì (Lead Rubber Bearing)

NRB Cao su tự nhiên (Natural Rubber Bearing)

E Mô đun đàn hồi Young của vật liệu

I Mô men quán tính của vật liệu

Trang 22

t Chiều dày một lớp cao su

 Khối lượng riêng của vật liệu

Trang 23

1.1 Đặt vấn đề

Từ năm 2005 đến nay, các trận động đất có cường độ nhỏ và vừa xảy ra càng nhiều

ở nước ta Các trận động đất này dù chưa gây ra những thiệt hại nghiêm trọng nhưng đó là lời cảnh báo cho công tác thiết kế các công trình của nước ta, đặc biệt

là những công trình cao tầng tập trung số lượng người nhiều hay các công trình có tầm quan trọng lớn Mặt khác, tốc độ đô thị hóa của nước ta đang tăng rất nhanh thì việc xảy ra những trận động đất trong tương lai có thể gây ra những tổn thất nghiêm trọng về nhân mạng và tài sản Bảng 1.1 cung cấp những dữ liệu tổn thất nặng nề về người và tài sản do các trận động đất gây ra Hình 1.1, Hình 1.2, Hình 1.3, Hình 1.4, Hình 1.5 thể hiện sự tàn phá nghiêm trọng của động đất

Bảng 1.1 Thiệt hại về người và tài sản từ một số trận động đất mạnh

Thời điểm Địa điểm Cường độ

(Richter) Con người Tài sản

Trang 24

Tổng quan 2

Thời điểm Địa điểm Cường độ

(Richter) Con người Tài sản

(tỷ USD) Loan

Trang 25

Tổng quan 3

Hình 1.3 Động đất ở Kobe, Nhật Bản (1995)

Hình 1.4 Động đất ở Northridge, California (1994)

Hình 1.5 Động đất ở Niigata, Nhật Bản (1964)

Trang 26

Tổng quan 4

Từ các bảng trên cho thấy các bài toán ứng xử của kết cấu công trình xây dựng khi chịu động đất là vấn đề đáng lưu tâm của các nhà thiết kế và khoa học trên thế giới cũng như trong nước Khi thiết kế công trình chịu các lực kích thích như tải trọng gió hay tải trọng động đất, chúng ta thường có hai giải pháp Giải pháp thứ nhất là giải pháp truyền thống để kết cấu có khả năng chống lại các tác động trên là tăng độ cứng của hệ kết cấu, bằng cách tăng kích thước tiết diện của các cấu kiện như dầm, cột, vách cứng, lõi cứng… Ngoài ra hình dáng công trình và đặc trưng vật liệu của kết cấu cũng góp phần đáng kể vào khả năng chống lại các tác động bên ngoài Tuy nhiên, hạn chế của giải pháp truyền thống này là việc tăng tiết diện của các cấu kiện làm tăng trọng lượng của công trình Do đó, lực quán tính tác động vào công trình sẽ lớn hơn khi chịu tải trọng gió và động đất Hơn nữa, dưới tác động của tải trọng ngoài, đặc biệt là tải trọng động đất, chúng ta phải chấp nhận một phần hư hỏng hoặc một phần sụp đổ của công trình Xu hướng phát triển ngày nay các công trình xây dựng áp dụng nhiều loại vật liệu mới, nhẹ và có cường độ cao để công trình được cao hơn, kích thước các cấu kiện chịu lực được thu nhỏ lại, nhẹ hơn và

có hình dáng phức tạp Do đó, các công trình này có độ mảnh lớn, độ cản thấp, làm giảm khả năng kháng chấn của công trình

Từ những lý do đó, để tăng khả năng kháng chấn của công trình, giải pháp thứ hai được sử dụng, đó là sử dụng các hệ cô lập hay các thiết bị điều khiển để hỗ trợ cho kết cấu trong quá trình tiêu tán năng lượng Khá nhiều giải pháp giảm dao động cho công trình đã được nghiên cứu và sử dụng trên thế giới Ở Việt Nam, điều khiển kết cấu vẫn còn là lĩnh vực mới Do đó, ngành xây dựng nước ta cần có nhiều nghiên cứu và ứng dụng điều khiển kết cấu vào tính toán giảm chấn cho các công trình xây dựng Ngành cao học xây dựng của trường ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh cũng đã có vài nghiên cứu về đề tài điều khiển kết cấu trong những năm gần đây Tuy nhiên, đa số các đề tài trước đều sử dụng các thiết bị giảm chấn của nước ngoài với các thông số sẵn có của nhà sản xuất Trong phạm vi ứng dụng tại Việt Nam, tận dụng tính đàn hồi của vật liệu (địa phương sẵn có) như cao su kết hợp với tầng mái làm hệ cản điều chỉnh khối lượng – TMD để giảm chấn cho nhà cao tầng

Hệ cản TMD gồm có khối lượng (mass) + liên kết đàn hồi (spring) + liên kết cản

Trang 27

Tổng quan 5

(damper), được gắn vào kết cấu để làm giảm dao động của kết cấu Tần số của hệ cản được điều chỉnh đến 1 tần số riêng của kết cấu để khi tần số này được kích động thì hệ cản sẽ cộng hưởng lệch pha với chuyển động của kết cấu Năng lượng sẽ tiêu tán do lực quán tính của hệ cản tác dụng kết cấu Giải pháp sử dụng tầng mái kết hợp với hệ cao su lõi chì cũng làm việc dựa trên nguyên lý đĩ

1.2 Tổng quan về điều khiển dao động

Xét về cách thức giảm dao động cho cơng trình, điều khiển kết cấu cĩ thể phân thành các dạng như sơ đồ như Hình 1.6 Các dạng điều khiển cĩ thể liệt kê như sau: Điều khiển bị động, điều khiển chủ động và bán chủ động, điều khiển hỗn hợp…

ĐIỀU KHIỂN HỖN HỢP (CHỦ ĐỘNG + BỊ ĐỘNG)

ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG VÀ BÁN CHỦ ĐỘNG

HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG

THIẾT BỊ TIÊU TÁN NĂNG LƯỢNG

CÔ LẬP MÓNG

ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG

ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU

Hình 1.6 Sơ đồ tổng quan về cách thức điều khiển kết cấu

1.2.1 Điều khiển bị động

Hệ thống điều khiển bị động là hệ thống tự vận hành mà khơng cần nguồn năng lượng bên ngồi Mục đích chính của hệ thống điều khiển bị động là tiêu tán năng lượng thơng qua các phương pháp khác nhau được chia làm hai loại: Phương pháp đầu tiên là biến đổi năng lượng động lực thành năng lượng nhiệt, chẳng hạn thơng qua chảy dẻo của kim loại, thanh trượt ma sát hay dịch chuyển của chất lỏng Phương pháp thứ hai là hoạt động dựa trên việc truyền năng lượng giữa hai hay nhiều dạng dao động của cơng trình bằng cách thêm vào một thiết bị bổ sung để hấp thụ năng lượng của kết cấu chính Một số hệ cản thuộc dạng điều khiển bị động bao gồm: hệ cản điều chỉnh khối lượng (Tuned Mass Damper) (Hình 1.7), hệ cản điều

Trang 28

Tổng quan 6

chỉnh chất lỏng (Tuned Liquid Damper) như Hình 1.8, hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Damper), hệ cô lập móng (Base Isolation) như Hình 1.9…

Hạn chế của hệ cản này là chỉ thích ứng với một số băng tần số nhất định

Do đó, hệ cản này được thiết kế tối ưu cho trận động đất này nhưng chưa chắc đã hiệu quả cho trận động đất khác

Hình 1.7 Hệ cản điều chỉnh khối lượng (Tuned Mass Damper)

Hình 1.8 Hệ cản điều chỉnh chất lỏng (Tuned Liquid Damper)

(Lực sóng nước)

Trang 29

số khác nhau, khắc phục được nhược điểm của hệ điều khiển bị động Nhược điểm của hệ thống này là phụ thuộc vào năng lượng bên ngồi nên khi xảy ra động đất thì nguồn năng lượng bên ngồi dễ bị ngắt Do đĩ, làm mất đi hiệu quả của hệ cản Cơ chế hoạt động của hệ cản chủ động như Hình 1.10

ĐÁP ỨNG ĐẦU RA

TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN

TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LỰC

Hệ cơ lập

Dịch chuyển đất nền

Trang 30

Tổng quan 8

1.2.3 Điều khiển bán chủ động

Hệ thống này là sự kết hợp những thuận lợi của hệ điều khiển chủ động và bị động

Hệ thống này hoạt động theo cơ chế tương tự hệ điều khiển chủ động nhưng nhu cầu cung cấp năng lượng bên ngoài nhỏ hơn nhiều, và khi nguồn điện bên ngoài bị ngắt thì hệ thống này vẫn sẽ hoạt động như hệ điều khiển bị động

1.2.4 Điều khiển hỗn hợp

Điều khiển hỗn hợp là hệ thống kết hợp giữa hệ cản điều khiển chủ động và hệ cản điều khiển bị động hoặc là sự kết hợp giữa hệ cản điều khiển bán chủ động và hệ cản điều khiển bị động Khi lực tác động nhỏ thì hệ làm việc như hệ điều khiển bị động, khi lực kích thích đủ lớn thì hệ chuyển sang làm việc như hệ điều khiển bán chủ động

Hình 1.11 Hệ cản điều khiển hỗn hợp (Hybrid control)

1.3 Ứng dụng TMD trong thực tế

Một số công trình sử dụng hệ cản TMD trong thực tế thể hiện trong

Bảng 1.2 Trong bảng này cung cấp các thông số về tần số tự nhiên, khối lượng, tỉ

Trang 31

CN TowerTV

antenna

(553m)

Toronto, Canada

passive tuned mass damper

370t damping ratio:

no TMD~1% with TMD~4%

Sydney Tower

(305 m)

Sydney, Australia

passive tuned mass damper (pendulum type)

Trang 32

2 passive tuned mass dampers

HKW chimney

(120m)

Frankfurt,Germany

passive tuned mass damper ( pendulum type)

Trang 33

Tổng quan 11

1.4 Tình hình nghiên cứu về TMD

1.4.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Hệ cản TMD (Hình 1.12) là thiết bị hấp thu năng lượng được sử dụng trong nhiều kết cấu, được mô tả bao gồm một khối lượng thứ cấp, một lò xo và một cản nhớt, TMD được gắn vào kết cấu chính để tiếu tán một phần năng lượng có hại

Hình 1.12 Hệ cản điều chỉnh khối lượng (TMD)Lần đầu tiên TMD được đề xuất bởi Frahm (1909) [1], trong việc làm giảm chuyển động của con tàu Hiệu quả của TMD phụ thuộc vào tần số riêng của kết cấu và tần

số của lực tác động Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho TMD lần đầu tiên được Den Hartog (1985) [2] đưa ra, kể từ đó các thông số tối ưu cho TMD được nghiên cứu rộng rãi

Sau đó lý thuyết về TMD được phát triển mạnh, có nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến thiết bị này, McNamara (1977) [3] nghiên cứu sự làm việc của TMD dưới tác dụng của tải trọng gió Warburton (1981) [4] nghiên cứu các thông số tối ưu của TMD với kết cấu 2 bậc tự do, và đã cho thấy rằng các thông số xác định cho kết cấu

2 bậc tự do là gần đúng với những nghiên cứu kết cấu 1 bậc tự do nếu tỷ lệ của hai tần số riêng của kết cấu là hợp lý Abe và Igusa (1995) [5] cũng đã cho thấy rằng với kết cấu nhiều bậc tự do có tần số riêng cách nhau lớn, thì gần đúng với kết cấu 1 bậc tự do chịu nhiều tải trọng nối tiếp và cách khắc phục là dùng nhiều TMD cho kết cấu Abe và Igusa (1995) [5] cũng cho thấy rằng các kết cấu có tần số riêng gần

Hệ cản TMD

Hệ kết cấu chính

Trang 34

Tổng quan 12

nhau thì tần số riêng thấp nhất là cần thiết được chọn để phân tích Kaynia (1981) [6], Sladex & Klingner (1983) [7] nghiên cứu cho thấy nhược điểm của hệ TMD trong việc giảm chấn đối với tải động đất Hsiang-Chuan Tsai (1994) [8] tiếp tục nghiên cứu tìm các thông số tối ưu cho hệ cản TMD

K.K Wong (2008) [9] đã nghiên cứu phân tán năng lượng địa chấn của kết cấu đàn hồi bằng TMD, nghiên cứu đã chỉ ra rằng kết cấu đàn hồi được mô hình hóa bằng phương pháp lực tương đương, là cốt lõi của phân tích tiêu hao năng lượng dẻo trong kết cấu Hiệu quả của TMD trong việc giảm những phản ứng năng lượng cũng được nghiên cứu bằng cách sử dụng phổ năng lượng dẻo khác nhau cho các kết cấu khác nhau Kết quả cho thấy việc sử dụng TMD sẽ tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu, vì đã tiêu tán một lượng lớn năng lượng bởi TMD cho đến khi phản ứng không còn ở trạng thái nguy hiểm Do đó, làm tăng việc tiêu tán năng lượng chấn động và giảm năng lượng dẻo của kết cấu Giảm năng lượng dẻo của kết cấu liên quan trực tiếp đến việc giảm thiệt hại của kết cấu Do đó, TMD được kết luận là khá hiệu quả trong việc bảo vệ kết cấu trong việc chịu động đất Tuy nhiên, sự tiêu tán năng lượng của TMD sẽ bị hạn chế nếu kết cấu vượt giới hạn dẻo

Chi Chang Lin và các cộng sự (2009) [10] đã nghiên cứu việc bảo vệ kết cấu chịu địa chấn bằng hệ bán chủ động TMD ma sát, tác giả đã cho thấy hệ TMD ma sát có

ưu điểm là làm tiêu hao năng lượng thông qua cơ chế ma sát mà không cần các thiết

bị cản bổ sung Tuy nhiên, hệ cản TMD ma sát bị động (Passive Friction-TMD) có nhược điểm là độ ma sát được cố định và đã được xác định trước, không thể điều chỉnh được độ ma sát từ đó nó chỉ hiệu quả cho một tần số nhất định Để khắc phục được vấn đề nêu trên, tác giả đã đưa ra hệ TMD ma sát bán chủ động (Semi Active Friction-TMD) với các khả năng như: các lực ma sát của SAF-TMD có thể được điều chỉnh phù hợp với phản ứng của kết cấu chịu địa chấn, các lực ma sát có thể được khuếch đại thông qua hệ thống phanh Lực dính lớn của TMD có thể được sử dụng để nâng cao hiệu quả TMD Kết quả đã chứng minh rằng SAF-TMD hiệu quả hơn so với PF-TMD

Kevin K F Wong và John L Harris (2010) [11] nghiên cứu thiệt hại động đất và phân tích sự bất ổn của kết cấu với TMD dựa trên năng lượng dẻo, sử dụng phân

Trang 35

Tổng quan 13

tích số để nghiên cứu các ứng xử toàn phần và tiêu tán năng lượng cục bộ chống uốn của khung thép 6 tầng có gắn TMD và không gắn TMD cho 100 mô hình không cố định Gaussian chịu tải động đất Hiệu quả của TMD được đánh giá dựa trên sự giảm ứng xử của kết cấu đối với chấn động Kết quả nghiên cứu đã chứng minh, TMD có thể nâng cao khả năng chịu chấn động của kết cấu, tiêu tán năng lượng ở các trận động đất có mức rung chuyển thấp, và ít hiệu quả hơn đối với trận động đất có mức độ rung chuyển mạnh

Ging Long Lin và các cộng sự (2011) [12] đã tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng việc kiểm soát rung động địa chấn khi sử dụng bộ điều khiển bán chủ động

ma sát cản điều chỉnh khối lượng Để kiểm tra hiệu quả của TMD ma sát bán chủ động, một mẫu thử nghiệm SAF-TMD được chế tạo và sử dụng thử nghiệm, điều khiển ma sát thay đổi được thực hiện để SAF-TMD hoạt động với tải động đất có cường độ khác nhau Kết quả thu được chứng minh rằng, các kết quả thực nghiệm phù hợp với kết quả tính toán bằng lý thuyết, SAF-TMD là hiệu quả hơn PF-TMD với lực trượt cố định

Roffel và các cộng sự (2011) [13] đã nghiên cứu khả năng khắc phục sự chuyển động không đúng hướng mong muốn trong dao động của TMD Nghiên cứu chỉ ra rằng từ sự suy giảm, thay đổi ngoài ý muốn các thuộc tính của cấu trúc và thiết kế của TMD có thể dẫn đến sự giảm hiệu suất đáng kể của nó Để khắc phục vấn đề này tác giả đã đề xuất phướng pháp khắc phục, đó là TMD con lắc hoạt động ba chiều trong một hệ khung có thể điều chỉnh tần số dao động riêng của nó và hai cản

để điều chỉnh hệ thống Nghiên cứu này đã phát triển một phương pháp hiệu quả để khắc phục sự chuyển động không theo mong muốn của TMD nhưng vẫn giữ được

sự đơn giản của hệ thống bị động TMD

Sun và các cộng sự (2013) [14] nghiên cứu về việc giảm dao động khi sử dụng TMD phi tuyến (Nonlinear TMD), TMD bán chủ động (Semiactive TMD) và kết hợp hai loại mắc song song (Multiple TMD) Một biên độ đỉnh dao động của kết cấu được chọn để khảo sát, nghiên cứu chỉ ra rằng MTMD là giảm biên độ đỉnh đáng kể MTMD có hiệu quả trong việc làm giảm phản ứng của kết cấu chịu địa chấn, tác giả cũng đã nghiên cứu về các thông số thiết kế MTMD, và tìm thấy việc

Trang 36

Tổng quan 14

bổ sung STMD với tỷ lệ nhỏ trong MTMD thì giảm đáng kể ứng xử của kết cấu so với sử dụng chỉ NTMD

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nguyễn Hữu Anh Tuấn (2002) [15] đã khảo sát giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD trong Luận văn Thạc sĩ tại Đại Học Bách Khoa Tp.HCM Luận văn giới thiệu về hệ cản TMD, các giải pháp điều khiển TMD Đỗ Thị Ngọc Tam (2011) [16] khảo sát khả năng giảm chấn cho nhà cao tầng

sử dụng hồ nước mái đặt trên cao su lõi chì Tác giả phân tích, so sánh hiệu quả giảm chuyển vị và vận tốc của công trình khi có hồ nước mái đặt trên cao su lõi chì

và khi không xét hồ nước mái đặt trên cao su lõi chì với các trận động đất điển hình Vương Thị Vỹ Dạ (2011) [17] khảo sát khả năng giảm chấn cho nhà cao tầng sử dụng bể nước mái và vật liệu đàn hồi, vật liệu đàn hồi tác giả sử dụng là hệ cô lập cao su thiên nhiên Tác giả sử dụng phần mềm Etabs để mô hình công trình 20 tầng, qua đó khảo sát hiệu quả giảm chuyển vị và vận tốc của công trình

Trên cơ sở tìm hiểu các bài báo, luận văn trong và ngoài nước, tác giả nhận thấy các nghiên cứu trước đây về TMD chủ yếu tập trung vào phân tích đáp ứng của kết cấu trong miền đàn hồi, nhưng trong thực tế khi động đất xảy ra thì phần lớn kết cấu làm việc trong miền phi tuyến Do đó, thực hiện nghiên cứu mô hình tính toán kết cấu làm việc trong miền phi tuyến của vật liệu để kết cấu làm việc gần hơn với thực

tế là điều cần thiết Hơn nữa, trong các nghiên cứu trước đây về TMD, các tác giả chỉ xem xét TMD ở dạng con lắc hay hồ nước mái của công trình mà ít xem xét sử dụng hệ kết cấu sẵn có của công trình để làm hệ cản TMD Có một vài nghiên cứu

sử dụng tầng mái ở dạng tầng mềm để làm TMD cho kết cấu Tuy nhiên, hiệu quả lại không cao Nhược điểm của TMD ở dạng con lắc là sử dụng nhiều không gian của công trình, nhược điểm của TMD ở dạng hồ nước mái là khối lượng hồ nước sẽ thay đổi so với thiết kế ban đầu do nhu cầu sử dụng nước của con người sống trong công trình nên sẽ không đảm bảo hiệu quả so với thiết kế ban đầu Nhược điểm khi

bố trí tầng mái ở dạng tầng mềm và liên kết trực tiếp với kết cấu chính là tỉ số cản của tầng mềm quá thấp Việc thêm vào tầng mái cho công trình để làm hệ cản TMD, và bổ sung hệ cô lập cao su lõi chì để liên kết tầng mái và kết cấu chính sẽ

Trang 37

Tổng quan 15

khắc phục được các nhược điểm của các giải pháp trên, do khối lượng tầng luôn đảm bảo so với thiết kế ban đầu và tỉ số cản được tăng lên rất nhiều từ lõi chì Tầng đóng vai trò như TMD hoàn toàn có thể được sử dụng như các tầng thông thường

1.5 Mục tiêu và hướng nghiên cứu Luận văn

Mục tiêu chính của Luận văn nhằm phân tích các đáp ứng của công trình chịu tải trọng động đất Đồng thời, công trình sử dụng tầng mái như hệ cản TMD có kể đến yếu tố phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu Luận văn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM để mô hình khung phẳng và sử dụng mô hình vật liệu bê tông của Karayannis (1994) [27] để kể đến yếu tố phi tuyến trong bài toán Các vấn đề nghiên cứu cụ thể trong Luận văn này bao gồm:

o Khảo sát và so sánh các đáp ứng quan trọng của công trình như chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực giữa mô hình đàn hồi và mô hình phi tuyến

o Phân tích và so sánh hiệu quả giảm chuyển vị, vận tốc, nội lực, độ lệch tầng… của kết cấu khi có TMD và không có TMD

o Đánh giá hiệu của TMD khi kết cấu làm việc trong miền đàn hồi và khi kết cấu làm việc có xét đến phi tuyến

o Xem xét mối tương quan giữa số tầng và hiệu quả của TMD

o Xem xét hiệu quả của tầng mái đóng vai trò như TMD có bổ sung hệ cô lập cao su lõi chì so với khi bố trí tầng mái ở dạng tầng mềm, liên kết trực tiếp với kết cấu chính

Các bước để tiến hành như sau:

a) Thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma trận cản cho các phần tử khung phẳng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method)

b) Phát triển thuật toán, lập trình tính toán bằng chương trình Matlab để giải

hệ phương trình động tổng thể của bài toán

c) Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả của chương trình với kết quả của phần mềm Sap2000

d) Tiến hành thực hiện các ví dụ số nhằm khảo sát các đáp ứng quan trọng của kết cấu sử dụng hệ cản TMD, từ đó rút ra kết luận và kiến nghị

Trang 38

Tổng quan 16

1.6 Luận văn

Nội dung trong Luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: Nhằm giới thiệu sơ lược về điều khiển kết cấu, lịch sử hệ cản điều chỉnh khối lượng (Tuned mass damper – TMD)

Chương 2: Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết của phần tử hữu hạn, phương pháp thiết lập các hàm dạng, các ma trận tính chất của phần tử khung phẳng đồng thời giới thiệu lý thuyết thiết kế hệ cô lập cao su lõi chì và lý thuyết thiết kế TMD Chương 3: Chương này trình bày các kết quả số đạt được tính bằng chương trình Matlab, xem xét các đáp ứng quan trọng của kết cấu khi sử dụng hệ cản TMD Chương 4: Từ kết quả số đạt được trong Chương 4, tiến hành đưa ra các kết luận quan trọng đạt được trong Luận văn và kiến nghị hướng phát triển của đề tài

Tài liệu tham khảo: trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài

Phụ lục: Trình bày một số đoạn mã lập trình Matlab chính để tính toán các ví dụ số trong Chương 3

Trang 39

2.1 Hệ cô lập cao su lõi chì

Hệ cô lập cao su lõi chì (Lead Rubber Bearing - LRB) như Hình 2.1 là thiết bị dùng

để cô lập dao động cho công trình hoặc một bộ phận của công trình LRB được cấu tạo từ nhiều lớp thép mỏng và cao su mỏng đan xen với nhau, hệ có lõi chì hình trụ tròn để tăng độ cứng và độ cản so với hệ NRB (Natural Rubber Bearing) như Hình 2.2

Hình 2.1 Cấu tạo hệ cô lập cao su lõi chì

Bề dày của tấm thép khoảng 2.54cm, và bề dày lớp cao su ở giữa những tấm thép khoảng 7.62 – 19.05cm So sánh NLB chỉ có cao su, khi ta sử dụng tấm thép thì

Trang 40

Cơ sở lý thuyết 18

biến dạng theo phương đứng giảm đi đáng kể, và giữ cho những lớp cao su không bị phồng ra hai bên Vì những tấm thép ko ngăn cản lớp cao su chuyển vị theo phương ngang nên độ cứng ngang không bị ảnh hưởng nhiều so với độ cứng theo phương đứng

NRB sản xuất dễ dàng, chi phí tương đối rẻ so với những vật liệu chịu lực khác Nhưng đặc tính cơ học của nó lại phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian, tỷ số cản thấp khoảng 2% - 3% nên NRB chỉ chịu được những tải ngang nhỏ Do vậy, phải gắn thêm thiết bị cản để có thể điều khiển chuyển vị cao hơn Những bất lợi về thuộc tính cản thấp của NRB có thể khắc phục bằng cách thêm lõi chì vào giữa NRB và được gọi là cao su lõi chì (Lead Ruber Bearing – LRB) như Hình 2.1

Hình 2.2 Cấu tạo hệ cô lập cao su thiên nhiên Hiệu quả chịu lực của LRB phụ thuộc vào lực ngang tác dụng vào Khi lực tác dụng còn nhỏ, lõi chì sẽ giữ những tấm thép lại không cho dịch chuyển, độ cứng ngang LRB lúc này lớn Nhưng khi lực tác dụng lớn hơn, lực do tấm thép tác dụng vào lõi chì sẽ làm cho lõi chì biến dạng hay chuyển sang dẻo, sự cản trễ bắt đầu phát triển

và lõi chì sẽ hấp thu năng lượng Do đó, độ cứng ngang của LRB sẽ giảm xuống

Hệ số cản tương đương của LRB dao động trong khoảng 15% - 35%, và mô hình song tuyến tính được dùng để mô tả cho thuộc tính cơ học của LRB

Một số lợi ích của hệ cao su lõi chì:

o Giảm 1/4 - 1/2 đáp ứng với tải trọng động đất so với kết cấu truyền thống

o Tiết kiệm 5-20 % chi phí đầu tư cho công trình

Tấm thép dày

Cao su mỏng

Cao su bao quanh

Tấm thép mỏng

Định dạng
Số trang	148
Dung lượng	3,73 MB