Phân tích sự ảnh hưởng của hệ cản khối lượng và lưu biến điện trong khung phẳng chịu động đất

 Phân tích sự hiệu quả của hệ cản TMD + ER với các điện thế khác nhau trong một số trường hợp kết cấu khung phẳng với tần số khác nhau và các trận động đất khác nhau thông qua phổ năng

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

1 PGS TS CHU QUỐC THẮNG CHỦ TỊCH

2 TS LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN THƯ KÝ

3 TS LƯƠNG VĂN HẢI PHẢN BIỆN 1

4 TS HỒ HỮU CHỈNH PHẢN BIỆN 2

5 TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC ỦY VIÊN

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên nghành sau khi luận văn được sửa chữ (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

Trang 3

- -o0o -

Tp HCM, ngày 21 tháng 01 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng - Công Nghiệp MSHV: 11210234

Khóa: 2011

1- TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG VÀ LƯU BIẾN ĐIỆN TRONG KHUNG PHẲNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Tìm hiểu đặc tính của hệ cản khối lượng và hệ cản lưu biến điện trong kết cấu

 Thiết lập mô hình kết cấu khung phẳng có gắn hệ cản TMD (khối lượng) + ER (lưu biến điện) chịu tải trọng động đất; tìm hiểu đặc tính của động đất trong miền thời gian

 Phân tích sự hiệu quả của hệ cản TMD + ER với các điện thế khác nhau trong một số trường hợp kết cấu khung phẳng với tần số khác nhau và các trận động đất khác nhau thông qua phổ năng lượng của động đất

 Xây dựng chương trình tính toán bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB để phân tích phản ứng của kết cấu dưới các tải trọng động đất khác nhau

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2013

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21 – 6 – 2013

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

TS Nguyễn Trọng Phước

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS Nguyễn Trọng Phước, Thầy đã luôn tận tâm hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện cho tôi được học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài Những chỉ dẫn của Thầy không chỉ là những kiến thức khoa học quý báu giúp tôi hoàn thành luận văn mà Thầy còn giúp tôi rất nhiều về khả năng tư duy khoa học

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô đã và đang giảng dạy chương trình Sau đại học nghành Xây dựng dân dụng đã truyền đạt cho tôi những kiến thức khoa học quý báu, cảm ơn các bạn học cùng lớp đã luôn có những chia sẻ và trao đổi kiến thức bổ ích trong suốt thời gian qua

Tôi cũng xin cảm ơn các anh chị quản lý thư viện đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được tham khảo nguồn tài liệu quý giá của trường, cám ơn các anh chị trong Khoa đào tạo sau đại học tạo nhiều điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình tôi theo học

Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân, gia đình, bè bạn, những tri kỷ đã luôn gắn bó cùng tôi, không ngừng khuyến khích tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu khoa học và thực hiện đề tài này

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Tên đề tài:

Phân tích sự ảnh hưởng của hệ cản khối lượng và lưu biến điện

trong khung phẳng chịu tải động đất

Học viên: Huỳnh Tuấn Dũng

Luận văn phân tích ảnh hưởng của hệ cản kết hợp giữa hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD (Tuned Mass Damper) với hệ cản lưu biến điện ER (Electro-Rheological) trong kết cấu khung phẳng chịu tải động đất Tìm hiểu mô hình của

hệ cản khối lượng và lưu biến điện để gắn vào kết cấu Trong hệ cản lưu biến điện, lực sinh ra phụ thuộc vào điện thế cung cấp, chuyển vị và vận tốc của kết cấu tại các thời điểm Phương trình chuyển động của kết cấu có gắn TMD kết hợp ER chịu tải tải động đất được thiết lập dựa trên nguyên lý cân bằng động, và phương trình được giải bằng phương pháp tích phân số của Newmark theo từng bước thời gian Phổ năng lượng của động đất được đánh giá dựa vào sự phân tích Fourier FFT để thu được tần số trội Dựa vào ngôn ngữ lập trình MATLAB, một chương trình máy tính được viết để phân tích phản ứng động của hệ kết cấu có gắn thiết bị chịu động đất, chương trình này cũng được kiểm chứng với một số kết quả từ các nghiên cứu khác Kết quả số thu được là chuyển vị, gia tốc, vận tốc của hệ, nội lực của kết cấu và năng lượng tiên tán, qua đó cho thấy hiệu quả của hệ cản kết hợp TMD + ER

Trang 6

MỤC LỤC

Danh sách các hình vẽ

Danh sách các bảng biểu

Chữ viết tắt

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN 6

1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 7

Chương 2 TỔNG QUAN 8

2.1 GIỚI THIỆU 8

2.2 TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU 8

2.3 HỆ CẢN CHỦ ĐỘNG TMD 14

2.4 HỆ CẢN ER 19

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 24

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 26

3.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA KẾT CẤU 26

3.3 CHI TIẾT CẤU TẠO CỦA HỆ CẢN ER 36

3.4 TÍNH TOÁN LỰC ĐIỀU KHIỂN ER 44

3.5 PHƯƠNG PHÁP GIẢI 44

3.6 NĂNG LƯỢNG 47

3.7 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT GIẢI BIẾN ĐỔI FOURIER FFT 48

Chương 4 VÍ DỤ SỐ 54

Trang 7

4.2 KIỂM CHỨNG CODE VỚI CÁC ĐỂ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN VÀ BÀI BÁO

ĐÃ CÔNG BỐ 54

4.3 VÍ DỤ SỐ KHUNG 9 TẦNG 57

4.3.1 Phân tích đáp ứng của kết cấu dưới tải động đất ElCentro 59

4.3.2 Phân tích đáp ứng của kết cấu dưới tải động đất Superstition 80

4.4 CÁC VÍ DỤ KHÁC 99

4.4.1 Khung 6 tầng 99

4.4.2 Khung 3 tầng 108

Chương 5 KẾT LUẬN 112

5.1 KẾT LUẬN 112

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHỤ LỤC 118

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Động đất ở Northridge, California – 1994 .3

Hình 1 2 Động đất ở Kobe, Nhật Bản – 1995 .3

Hình 1 3 Động đất ở Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ – 1999 .4

Hình 1 4 Động đất ở Haiti – 2010 4

Hình 2.1 Hệ điều khiển bị động – Tuned Mass Damper .10

Hình 2.2 Hệ điều khiển bị động – Liquid Tuned Mass Damper .10

Hình 2.3 Hệ điều khiển bị động – Viscous Fluid Dampers 11

Hình 2.4 Điều khiển chủ động –Tòa nhàKyobashi Seiwa .12

Hình 2.5 Mô hình TMD 14

Hình 2.6 TMD trong thực tế 18

Hình 2.7 Mô hình ER .19

Hình 2.8 Sự chuyển dịch của các hạt trong lưu chất ER khi có điện trường .19

Hình 3.1 Hệ một bậc tự do .26

Hình 3.2 Lực tác dụng của hệ một bậc tự do 27

Hình 3.3 Hệ n bậc tự do 27

Hình 3.4 Lực tác dụng của hệ n bậc tự do 27

Hình 3.5 Hệ n bậc tự do có gắn TMD 30

Hình 3.6 Hệ n bậc tự do có gắn TMD+ER 33

Hình 3.7 Mô hình cơ học kết cấu n bậc tự do có gắn TMD+ER 33

Hình 3.8 Lực tác dụng của hệ n bậc tự do có gắn TMD+ER 34

Hình 3.9 Chuyển động của lưu chất theo điện trường của thiết bị ER 37

Hình 3.10 Mặt cắt ngang thiết bị ER 37

Hình 3.11 Thiết bị ER với 5 xylanh liên kết song song 38

Hình 3.12 Thiết bị ER với 5 xylanh tháo rời 38

Hình 3.13 Mô hình Gamota 41

Trang 9

Hình 3.14 Ứng xử của hệ cản ở 0 và 3.1 kV/mm; 0.6 và 3.3Hz 41

Hình 4.1 Mô hình khung kết cấu 3 tầng không gắn thêm hệ cản 55

Hình 4.2 Mô hình khung kết cấu 3 tầng có gắn thêm ER 56

Hình 4.3 Mô hình khung kết cấu 9 tầng có gắn thêm TMD+ER 57

Hình 4.4 Đồ thị gia tốc nền trận động đất ElCentro 59

Hình 4.5 Phổ năng lượng trận động đất ElCentro 60

Hình 4.6 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro 60

Hình 4.7 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải trọng ElCentro 61

Hình 4.8 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng ElCentro 61

Hình 4.9 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều chỉnh 0kv dưới tải trọng ElCentro 62

Hình 4.10 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều chỉnh 5kv dưới tải trọng ElCentro 62

Hình 4.11 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro 63

Hình 4.12 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải trọng ElCentro 63

Hình 4.13 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng ElCentro 64

Hình 4.14 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều khiển 0kv dưới tải trọng ElCentro 64

Hình 4.15 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều khiển 5kv dưới tải trọng ElCentro 65

Hình 4.16 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro 65

Hình 4.17 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải trọng ElCentro 66

Hình 4.18 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng ElCentro 66

Hình 4.19 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều khiển 0kv dưới tải trọng ElCentro 67

Trang 10

Hình 4.20 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế

điều khiển 5kv dưới tải trọng ElCentro 67

Hình 4.21 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro 68

Hình 4.22 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải trọng ElCentro 68

Hình 4.23 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng ElCentro 69

Hình 4.24 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều khiển 0kv dưới tải trọng ElCentro 69

Hình 4.25 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều khiển 5kv dưới tải trọng ElCentro 70

Hình 4.26 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro 70 Hình 4.27 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải trọng ElCentro 71

Hình 4.28 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng ElCentro 71

Hình 4.29 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều khiển 0kv dưới tải trọng ElCentro 72

Hình 4.30 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều khiển 5kv dưới tải trọng ElCentro 72

Hình 4.31 Năng lượng trong trường hợp passive on của kết cấu dưới tải trọng ElCentro 73

Hình 4.32 Cân bằng năng lượng trong trường hợp passive on của kết cấu dưới tải trọng ElCentro 73

Hình 4.33 Quan hệ giữa chuyển vị - lực của ER điện thế điều chỉnh 5kv 74

Hình 4.34 Quan hệ giữa vận tốc - lực của ER điện thế điều chỉnh 5kv 74

Hình 4.35 Quan hệ giữa chuyển vị - lực của ER điện thế điều chỉnh 0kv 75

Hình 4.36 Quan hệ giữa vận tốc - lực của ER điện thế điều chỉnh 0kv 75

Hình 4.37 Độ giảm chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro 77

Trang 11

Hình 4.38 Độ giảm gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng

tải trọng Superstition 81

Hình 4.46 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải

trọng Superstition 82

Hình 4.47 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế

điều chỉnh 0kv dưới tải trọng Superstition 82

Hình 4.48 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế

điều chỉnh 5kv dưới tải trọng Superstition 83

Hình 4.49 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng Superstition 83 Hình 4.50 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải

Hình 4.51 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng

Superstition 84

Hình 4.52 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế

điều khiển 0kv dưới tải trọng Superstition 85

Hình 4.53 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế

Hình 4.54 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng Superstition 86 Hình 4.55 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải

Trang 12

Hình 4.56 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng

Superstition 87

Hình 4.59 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng Superstition 88 Hình 4.60 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải

Hình 4.61 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng

Superstition 89

Hình 4.62 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều

khiển 0kv dưới tải trọng Superstition 90

Hình 4.63 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều

khiển 5kv dưới tải trọng Superstition 90

Hình 4.64 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng

Superstition 91

Hình 4.65 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản

dưới tải trọng Superstition 91

Hình 4.66 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải

Hình 4.67 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện

thế điều khiển 0kv dưới tải trọng Superstition 92

Hình 4.68 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện

thế điều khiển 5kv dưới tải trọng Superstition 93

Hình 4.69 Năng lượng trong trường hợp passive on của kết cấu dưới tải trọng

Trang 13

Hình 4.72 Độ giảm gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng

Trang 14

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thiệt hại về người và tài sản một số trận động đất .2 Bảng 3.1 Thông số của hệ cản lưu biến điện ứng với các giá trị điện áp 44 Bảng 4.1 So sánh các giá trị của kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải trọng

động đất Elcentro bước thời gian 0.005s 55

Bảng 4.2 So sánh các giá trị của kết cấu có gắn ER dưới tải trọng động đất

Elcentro 56

Bảng 4.3 Các thông số của ER ứng với điện thế 5kv và 0kv 58 Bảng 4.4 Giá trị đỉnh của các biểu đồ chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực của

khung kết cấu 9 tầng dưới tải trọng ElCentro 76

Bảng 4.5 Giá trị đỉnh của các biểu đồ chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực của

khung kết cấu 9 tầng dưới tải trọng Superstition 95

khung kết cấu 6 tầng dưới tải trọng Sanfernando 100

khung kết cấu 3 tầng dưới tải trọng Sanfernando 109

Trang 15

CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

1 TMD( Tuned Mass Damper): Hệ cản điều chỉnh khối lượng

2 ER (Electro-Rheological): Lưu biến điện

3 MR (Magneto - Rheological): Lưu biến từ

4 FFT (Fast Fourier Transform): Biến đổi Fourier

5 MTMD (Multiple Tuned Mass Damper): Hệ nhiều cản điều chỉnh khối lượng

Trang 16

sở hạ tầng phục vụ cho sự phát triển, trong số đó các công trình có mức độ nguy hiểm cao thường là nhà nhiều tầng

Trong những năm gần đây, thiên tai mà đặc biệt là động đất đã xảy ra thường xuyên hơn, với cường độ mạnh hơn và phạm vi tác động ngày càng rộng hơn, nó không còn là đặc thù của một vài quốc gia mà diễn ra tại nhiều nơi khác

trên thế giới như và trong đó có Việt Nam Từ đầu năm 2005 trở lại đây, tại Việt

Nam có năm nhiều hơn 10 trận, và cường độ cũng tương đối lớn không có sự tăng giảm mạnh, ví dụ như năm 2007 ở ngoài khơi Vũng Tàu - Phan Thiết có

Trang 17

động đất 5,3 độ Richter, đầu năm 2011 cũng xảy ra một trận với cường độ 4,7 độ

Richter (nguồn Báo Công đoàn Bộ khoa học và công nghệ) Gần đây hơn, động

đất kích thích do các công trình thủy điện cũng gây nguy hiểm đến các kết cấu

hạ tầng xung quanh Như thế vỏ trái đất ở Việt Nam cũng không hoàn toàn bình

ổn, do đó để phục vụ cho việc phát triển hạ tầng thì cần phải chú trọng về vấn đề động đất để hạn chế thấp nhất những thiệt hại về người và tài sản khi có động đất xảy ra Dưới đây là một số số liệu về các tổn thất của những trận động đất đã xảy

ra trên thế giới trong thời gian gần đây và hình ảnh mình họa cho sự tàn phá của động đất

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

(Richter)

Con người

Tài sản (Tỉ USD)

Trang 18

Hình 1.1 Động đất ở Northridge, California – 1994 (Nguồn Wikipedia)

Hình 1.2 Động đất ở Kobe, Nhật Bản – 1995 (Nguồn Wikipedia)

Trang 19

Hình 1.3 Động đất ở Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ – 1999 (Nguồn Wikipedia)

Hình 1.4 Động đất ở Haiti – 2010 (Nguồn Wikipedia)

Trang 20

Những số liệu, hình ảnh trên đã phác họa cho chúng ta thấy sự tàn phá khủng khiếp của động đất, vì thế bài toán ứng xử của kết cấu công trình khi chịu động đất luôn là đề tài có tính thời sự đối với các nhà khoa học trên thế giới cũng như trong nước, các giải pháp truyền thống để kết cấu chống lại tải động đất là tăng độ cứng và khả năng chịu lực của kết cấu, bằng cách tăng tiết diện các cấu kiện chịu lực như dầm, cột, vách cứng Nhưng các giải pháp trên không thực sự hiệu quả vì đã làm tăng giá thành, trọng lượng kết cấu tăng góp phần tăng tải do lực quán tính gây ra khi có lực tác động ngang

Khắc phục các hạn chế trên nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện, nhằm tìm ra các giải pháp tiêu tán một phần năng lượng do động đất gây nên, hạn chế truyền năng lượng có hại vào kết cấu, bằng cách lắp đạt các thiết bị điều khiển có khả năng phát sinh một lực trái chiều với lực động đất làm triệt tiêu một phần năng lượng truyền vào kết cấu, khi đó mối quan hệ về năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của kết cấu được thể hiện như sau

Trong đóE là tổng năng lượng tác động vào kết cấu;E klà động năng của kết cấu; E s là năng lượng biến dạng đàn hồi của kết cấu; E h là năng lượng biến dạng không đàn hồi (kể đến hư hỏng của công trình); E d là năng lượng tiêu tán bởi thiết bị chống dao động Qua mối quan hệ về năng lượng trên, với giá trịE

bất kỳ và khi đó E d càng lớn thì E hcàng nhỏ từ đó giảm thiểu năng lượng có hại cho kết cấu Hiện nay dù có nhiều thiết bị điều khiển kết cấu khác nhau, song mục đích cuối cùng vẫn là làm sao cho các thiết bị đó hấp thu và tiêu tán một lượng lớn năng lượng sinh ra từ tải động đất làm giảm tối đa năng lượng có hại tác động vào kết cấu

Có rất nhiều giải pháp để điều khiển kết cấu khi chịu động đất đã được nghiên cứu trong khoảng vài thập niên gần đây Sơ lược có thể kể đến như cô lập móng, tạo liên kết với nền mềm hơn, thay thế bằng các gối cao su, lắp các hệ cản

để tăng ma sát, hệ khối lượng để hấp thu năng lượng, dùng các chất lưu biến,

Trang 21

dùng hệ thống điện điều khiển,… Cho đến nay sự hiệu quả cũng đã có ý nghĩa, một số giải pháp đã ứng dụng, một số giải pháp còn đang giai đoạn nghiên cứu Tuy nhiên sự ứng dụng thực sự thì chưa nhiều và đây cũng là hướng nghiên cứu thách thức các kỹ sư kết cấu trên toàn thế giới

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Luận văn này là phân tích sự ảnh hưởng của hệ cản khối lượng, TMD và lưu biến điện, ER, khi gắn vào kết cấu khung phẳng chịu động đất Sự hiệu quả của TMD cũng đã được một số nghiên cứu thực hiện và có ứng dụng Việc gắn thêm thiết bị ER thì tương đối mới trong thời gian gần đây với kết quả cũng có

sự hiệu quả giảm chấn Vì vậy, việc tìm hiểu thêm một giải pháp nữa kết nối TMD và ER trong khung phẳng ứng xử như thế nào khi có động đất được lựa chọn trong đề tài này Chi tiết các nội dung thực hiện được sơ lược như sau:

- Tìm hiểu mô hình ứng xử của TMD và ER từ các tài liệu tham khảo, lựa chọn mô hình phù hợp với phạm vi đề tài để phân tích

- Xem xét một hệ kết cấu nhiều bậc tự do có gắn TDM và TMD+ER chịu tải động đất Xây dựng mô hình kết cấu, thiết lập phương trình chuyển động

và chọn phương pháp giải

- Thực hiện việc tính toán số khi kết cấu chịu gia tốc nền động đất, tìm chuyển vị, nội lực trong kết cấu

- Dùng sự phân tích phổ Fourier để đánh giá tần số trội của gia tốc nền,

từ đó lựa chọn số liệu gia tốc nền phù hợp với khung kết cấu

- Phân tích tiêu tán năng lượng của hệ cản ER với điện áp khác nhau

Từ các mục tiêu trên, sự mong muốn đạt được của Luận văn cũng không nằm ngoài mục đích tìm hiểu sự hiệu quả các công cụ gắn thêm cho kết cấu

Trang 22

1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Nội dung của Luận văn gồm 5 chương được mô tả sơ lược như sau Chương này giới thiệu sơ lược về nêu vấn đề, ý tưởng thực hiện luận văn Tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan từ ngoài nước và trong nước được trình bày, trong chương 2 với nội dung từ ý chính của các tài liệu tham khảo Chương

3 nêu cơ sở lý thuyết của Luận văn gồm mô hình kết cấu, phương trình chuyển động của kết cấu không gắn thêm hệ cản, có gắn thêm TMD, ER và TMD+ER; phân tích FFT để lựa chọn dữ liệu đầu vào cho bài toán; Thuật toán và sơ đồ khối cũng được mô tả trong chương này Kết quả số được mô tả trong chương 4 của Luận văn, có khá nhiều bài toán được giải và kiểm chứng làm cơ sở cho các nhận định trong chương 5 Phần tài liệu tham khảo và phụ lục mã nguồn chương trình cũng được đưa vào cuối Luận văn

Trang 23

2.2 TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU:

Căn cứ vào tính chất làm việc có thể phân loại điều khiển kết cấu như sau:

- Điều khiển bị động;

- Điều khiển chủ động;

- Điều khiển bán chủ động;

- Điều khiển kết hợp;

Trang 24

2.2.1 Điều khiển bị động

Các hệ thống điều khiển bị động có khả năng giúp kết cấu hấp thu và tiêu tán một phần năng lượng do các tác động từ bên ngoài như: gió, bão, động đất và các chấn động khác, từ đó làm giảm năng lượng truyền vào kết cấu Hệ điều khiển này có ưu điểm là không cần nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài trong quá trình vận hành, tuy nhiên thiết bị điều khiển bị động thường được thiết kế tối

ưu cho một tải trọng riêng biệt, nên nhược điểm của hệ bị động là khi đã lắp đặt vào công trình thì không có thể thay đổi các thông số cho phù hợp với sự thay đổi của tải trọng tác động

Sơ đồ làm việc của hệ thống điều khiển bị động như sau:

Các loại thiết bị tiêu tán năng lượng bị động được dùng phổ biến hiện nay bao gồm: Hệ cô lập móng ; Hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD (Tuned Mass Dampers) ; Hệ cản điều chỉnh chất lỏng TLD (Tuned Liquid Dampers); Hệ cản

ma sát FD (Fiction Dampers); Hệ cản dẻo bằng kim loại MD (Metallic Dampers); Hệ cản đàn nhớt (Viscous-elastic Dampers); Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Dampers);

Hệ thống điều khiển

Bị động

cấu Ngoại lực tác

động

Trang 25

Hình 2.1 Hệ điều khiển bị động – Tuned Mass Damper (nguồn Internet)

Hình 2.2 Hệ điều khiển bị động – Liquid Tuned Mass Damper (nguồn

Internet,[22] )

Trang 26

Hình 2.3 Hệ điều khiển bị động – Viscous Fluid Dampers (nguồn Internet )

2.2.2 Điều khiển chủ động

Hệ thống điều khiển chủ động thu nhận ứng xử của kết cấu khi có tác động của ngoại lực thông qua các bộ cảm biến (sensor) đo đạc, để từ đó tác động lại kết cấu một lực ngược chiều với ngoại lực và làm giảm phản ứng của kết cấu, triệt tiêu một phần năng lượng có hại tác động vào kết cấu Quá trình điều khiển chủ động có khả năng điều khiển các mode dao động khác nhau và cho các tải trọng khác nhau, có thể làm tăng khả năng tiêu tán năng lượng hơn quá trình điểu khiển bị động, nhưng điều khiển chủ động đặc biệt cần một nguồn năng lượng đáng kể để tác động một lực đủ lớn tương ứng với lực tác động vào công trình

Sơ đồ làm việc của hệ thống điều khiển chủ động như sau:

Trang 27

Hình 2.4 Điều khiển chủ động –Tòa nhàKyobashi Seiwa [22] (nguồn Internet )

2.2.3 Điều khiển kết hợp:

Là sự kết hợp giữa thiết bị điều khiển chủ động và bị động, dưới tác động của ngoại lực thì hệ bị động sẽ hoạt động trước, khi ứng xử của kết cấu đạt đến một giới hạn đã mặc định thì hệ chủ động mới hoạt động, dạng thông thường nhất là điều khiển kết hợp khối lượng, bao gồm thiết bị điều chỉnh khối lượng bị động kết hợp với một cơ cấu điều chỉnh chủ động

Sơ đồ làm việc của hệ thống điều khiển kết hợp như sau:

Hệ điều khiển bị động

Trang 28

2.2.4 Điều khiển bán chủ động:

Hệ điều khiển bán chủ động tận dụng ưu điểm của hệ bị động và hệ chủ động, khi tải trọng nhỏ thì hệ làm việc theo nguyên lý điều khiển bị động, khi tải trọng đạt đến một giới hạn mặc định thì hệ sẽ làm việc theo nguyên lý điều khiển chủ động, vì thế các thiết bị điều khiển bán chủ động còn được gọi là thiết bị điều khiển thông minh Đây là một thiết bị hữu ích trong việc bảo vệ công trình chống lại tác động của gió và động đất và quá trình tiêu hao năng lượng diễn ra một cách tự nhiên, ổn định và cần một nguồn năng lượng nhỏ để hoạt động Trong trường hợp khi nguồn năng lượng chính cung cấp thiết bị gián đoạn thì thiết bị vẫn có thể hoạt động bình thường bởi năng lượng được cung cấp bằng pin, vì vậy thiết bị luôn hoạt động ổn định trong mọi trường hợp Chính vì những

ưu điểm vượt trội của thiết bị điều khiển bán chủ động so với thiết bị điều khiển

bị động và chủ động nên hiện nay nhiều nhà khoa học tham gia nghiên cứu thiết

bị này Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các thiết bị điều khiển bán chủ động không làm tăng năng lượng cơ học, nhưng có những đặc trưng động học có thể thay đổi

để làm giảm ứng xử của kết cấu Hệ điều khiển bán chủ động có một số loại như sau: hệ cản chất lỏng thay đổi, thiết bị có độ cứng thay đổi, thiết bị có cản ma sát điều khiển được, hệ cản lưu chất

Sơ đồ làm việc của hệ thống điều khiển bán chủ động như sau:

Bộ cảm biến

Điều khiển bán chủ động

cấu Ngoại lực tác

động

Trang 29

Trong số các loại thiết bị điều khiển bán chủ động thì hệ cản chất lưu được xem là thiết bị ưu việt nhất, vì chúng có cơ chế hoạt động đơn giản và dễ lắp đặt, sử dụng

Có 2 loại chất lưu có thể sử dụng cho thiết bị điều khiển là : lưu biến điện gọi tắt ER (electrorheological ﬂuids) và lưu biến từ gọi tắt MR (magnetorheological ﬂuids)

2.3 HỆ CẢN CHỦ ĐỘNG TMD:

Hình 2.5 Mô hình TMD (nguồn Wikipedia)

Hệ cản chủ động TMD 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

Lần đầu tiên TMD được đề xuất bởi Frahm (1909) [30], 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

Kết cấu chính

Trang 30

TMD lần đầu tiên được Den Hartog (1985) đưa ra, kể từ đó các thông số tối ưu cho TMD được nghiên cứu rộng rải

Sau đó lý thuyết về TMD được phát triển mạnh, có nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến thiết bị này, McNamara (1977) nghiên cứu sự làm việc của TMD dưới tác dụng của tải trọng gió [30] Warburton (1981) nghiên cứu các thông số tối ưu của TMD với khung kết cấu 2 bậc tự do, và đã báo cáo 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) 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 bị nhiều tải trọng nối tiếp và cách khắc phục

là dùng nhiều TMD cho kết cấu Abe và Igusa (1995) cũng cho thấy rằng các kết cấu có tần số riêng gần nhau thì tần số riêng thấp nhất là cần thiết được chọn để phân tích Kaynia (năm 1981); Sladex & Klingner (năm 1983) nghiên cứu cho thấy nhược điểm của hệ TMD trong việc giảm chấn đối với tải động đất Hsiang-Chuan Tsai (1994) tiếp tục nghiên cứu tìm các thông số tối ưu cho hệ cản TMD [19]

Tình hình nghiên cứu trong nước về TMD còn nhiều hạn chế, năm 2002 tác giả Nguyễn Hữu Anh Tuấn đã nghiên cứu luận văn thạc sỹ với đề tài “ khảo sát giải pháp điều khiển kết cấu với hệ cản thay đổi khối lượng TMD” [26], tác giả đã trình bày cơ chế làm việc của hệ cản TMD trong quá trình điều khiển kết cấu, khảo sát sự làm việc của hệ cản TMD dưới tác động các dạng tải khác nhau

và trình bày phương pháp chọn các thông số tối ưu của hệ cản TMD theo các quan điểm khác nhau

Năm 2007 tác giả Phạm Hữu Nghĩa đã nghiên cứu luận văn thạc sỹ với đề tài “Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản thay đổi khối lượng MTMD” [28], tác giả đã nghiên cứu sự làm việc của hệ cản MTMD, mục

Trang 31

tiêu là khắc phục một số nhược điểm của hệ TMD, mỗi TMD trong MTMD điều khiển các tần số khác nhau nên thích ứng với nhiều tải khác nhau trong thực tế

K.K Wong (2008) [33] 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, Ging Long Lin, Jer Fu Wang (2009) [6] 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, một TMD ma sát

bị động (PF-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 chủ động (SAF-TMD) với các khả năng như: (1) Các lực ma sát của SAF-TMD có thể được điều chỉnh phù hợp với phản ứng của kết cấu chịu địa chấn (2) Các lực ma sát có thể được khuếch đại thông qua hệ thống phanh (3) Một 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

Trang 32

Kevin K F Wong, John L Harris (2010) [21] 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 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, Chi Chang Lin, Lyan Ywan Lu, Yu Bo Ho (2011) [16] 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; các SAF-TMD là hiệu quả hơn PF-TMD với lực trượt

cố định

Roffel, A., Lourenco, R., Narasimhan, S., and Yarusevych, S (2011) [29]

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 có 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

Trang 33

C Sun, R.P Eason, S.Nagarajaiah, A.J.Dick (2013) [32] nghiên cứu về việc giảm dao động khi sử dụng TMD phi tuyến (NTMD), TMD bán chủ động (STMD) và kết hợp hai loại mắc song song (MTMD), 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 bổ sung STMD với tỷ lệ nhỏ trong MTMD thì giảm đáng kể ứng xử của kết cấu so với sử dụng chỉ NTMD

Hình 2.6 TMD trong thực tế (nguồn Wikipedia )

Trang 34

2.4 HỆ CẢN ER:

Hình 2.7 Mô hình ER (nguồn Wikipedia)

Hình 2.8 Sự chuyển dịch của các hạt trong lưu chất ER khi có điện trường

(nguồn Wikipedia)

Được phát hiện ra từ năm 1947 bởi Winslow, hiện tượng này đã được các nhà vật lí trên thế giới chú ý Chất lỏng điện biến được coi là có rất nhiều tiềm năng trong công nghiệp nhờ các đặc tính như thời gian đáp ứng cực nhanh (khoảng vài mili giây), tiêu thụ năng lượng hầu như không đáng kể và khả năng

Điện cực bên trong

Điện cực bên ngoài

Ống ER Lưu chất ER

Điện nguồn

Buồng khí

Màng ngăn

Trang 35

điều khiển được như một chất lỏng thông minh Đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện, đặc biệt là ở Mỹ, Nhật Bản và Trung Quốc Tuy nhiên ứng dụng của loại chất lỏng này trong công nghiệp vẫn còn rất hạn chế, vì liên kết giới hạn chưa cao (khoảng vài kPa với chất lỏng điện biến truyền thống) Tuy nhiên, các nhà khoa học ở Hồng Kông đã sản xuất thành công một loại chất lỏng mới với liên kết lên tới hàng trăm kPa, tức là gấp hai mươi lần so với chất lỏng điện biến truyền thống, nhờ vào việc giảm kích thước của các hạt mang điện xuống cỡ nanomet Điều này đã làm thay đổi một số quan niệm về hiện tượng điện biến của chất lỏng (hiệu ứng ER - Electrorheological effect) Để phân biệt, người ta gọi tên hiện tượng mà các nhà khoa học Hồng Kông tìm ra là hiện tượng điện

biến mạnh Giant ER effect (nguồn Wikipedia)

Ehrgott và Makris (1992) ER được giới thiệu từ nghiên cứu trên mô hình thu nhỏ [24] Lưu chất trong ER là sự lơ lửng của các hạt mịn trong dung dịch cách điện Khi điện trường tác dụng vào chất lỏng, sự tương tác hút giữa các hạt

lơ lửng làm cho chúng nhanh chóng tạo thành một hệ thống vững chắc giống như dạng keo, do đó độ nhớt của chất lỏng ER thay đổi tăng từ ba đến bốn lần đáp ứng với điện trường tương ứng Đặc trưng của chất lỏng ER là biến đổi từ trạng thái lỏng sang dạng keo dưới tác dụng của điện trường, và sau đó trở lại trạng thái lỏng khi hết tác dụng của điện trường, với thời gian vài mili giây Sự phản ứng và hồi phục lại trạng thái ban đầu nhanh này đã thu hút các ứng dụng

kỹ thuật của nó trong các thiết bị điều khiển cơ học bằng điện để biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học như van thủy lực, bộ giảm chấn, phanh, giảm xóc, và thiết bị truyền động Khi có điện trường tác dụng vào chất lỏng ER, thì hiệu quả bắt đầu từ mức tối thiểu, và bắt đầu tăng Những đường cong được sinh ra vì có hai sự tương tác khác nhau giữa các hạt phân tán ER Tại mức chịu cắt thấp, dưới tác dụng của điện trường áp lực thủy tỉnh được tạo ra, các hạt phân tán thành các cấu trúc liên kết, sau đó có thể bị phá vỡ bởi một gia tăng biến dạng cắt, cấu trúc liên kết bị phá vỡ có xu hướng sắp xếp lại tạo thành cấu trúc liên kết mới một cách liên tục do tác động của điện trường, ứng suất cắt này thường tăng lên cùng với cường độ điện trường tác động, đôi khi với điện trường

Trang 36

cao, các ứng suất cắt của chất lỏng ER giảm so với tốc độ cắt, như khi khả năng chịu cắt tăng, tỷ lệ phá hủy liên kết của các hạt trở nên nhanh hơn so với tốc độ hình thành liên kết mới Ở mức chịu cắt cao hơn, lưu chất ER ứng xử giống chất lỏng trong đó các các cấu trúc liên kết hạt ER bị phá vở hoàn toàn, khi cường độ điện trường cao nó ứng xử như dạng keo cứng với một ứng suất cắt còn lại, bởi

vì các chuỗi hạt ER chống lại sự cắt Lưu chất ER với các vật liệu là tinh thể sắt hoặc dây dẫn bọc được phủ chất cách điện đã được xây dựng

Henri P Gavin và Hanson (1994) [14] nghiên cứu hệ cản ER damper sử dụng xi lanh tiết diện chủ nhật và piston gồm chín tấm thép liên kết song song với nhau Mc Clamroch N.H, Gavin, H.P (1995) đã đề nghị thuật giải

“decentralized bang bang” cho hệ cản ER Năm 1996 Makris đưa ra thiết bị ER với thiết kế by-pass sử dụng mô hình Bingham cùng thuật giải điều khiển neural network [25]; Gavin thiết kế hệ cản ER sử dụng các tấm điện cực song song

Gopalakrishna M Kamath and Norman M Wereley (1997) [17] nghiên cứu mô hình đàn nhớt dẽo phi tuyến của ER, tác giả đã trình bày đặc điểm ứng

xử của ER về ứng suất cắt so với biến dạng trượt, mô hình lưu chất phi tuyến của

ER là sự kết hợp của các ứng suất cắt tuyến tính Ứng suất cắt tuyến tính, ba tham số đàn hồi nhớt và phần tử nhớt được dùng để mô tả ứng suất cắt trong việc đánh giá hiệu quả tương ứng trước và sau chảy dẻo Để thu thập ứng xử của vật liệu khi chuyển tiếp tại điểm chảy dẻo, sự kết hợp phi tuyến của các ứng suất cắt tuyến tính được sử dụng Mô hình có quan hệ giửa biến dạng cắt đầu vào và ứng suất cắt ở đầu ra được sử dụng là hệ thống đơn giản bao gồm hai cơ chế tuyến tính mắc song song Một hệ thống kỹ thuật dự đoán được phát triển để đánh giá các thông số của mô hình từ kết quả thực nghiệm, gồm có ứng suất cắt so với biến dạng cắt của vòng lặp trể tại các cấp độ khác nhau của điện trường Kết quả của phương pháp xác định này chỉ ra thông số mà ER giảm chấn hiệu quả hơn

Trang 37

Năm 1998, Gavin cùng các cộng sự đã đưa ra được phương pháp thử nghiệm và thiết kế hệ cản ER cùng với sự cải tiến để hệ cản ER có thể đạt hiệu quả trong khắc phục tải động đất Năm 2001 Gavin thí nghiệm một số thiết bị cản sử dụng chất lưu ER gồm các ống hình trụ đồng tâm liên kết song song hoặc nối tiếp hoặc kết hợp các hai [14]

L.Bitman và các cộng sự (2005) [1] nghiên cứu ER sử dụng mô hình Eyring dẽo, nghiên cứu đã phân tích lý thuyết và trình bày thực nghiệm của ER,

mô tả đặc điểm giảm chấn thực tế qua quan hệ lực - vận tốc và quan hệ lực - chuyển vị với đầu vào là chuyển vị hình sin, mô hình Eyring được đề xuất Trên

cơ sở mô hình lưu biến Eyring, mô hình Eyring dẻo được xây dựng bởi sự kết hợp của các hàm phi tuyến đơn giản Vì vậy mô hình Eyring dẻo có ưu điểm là thiết kế và lập công thức đơn giản, mặc dù nó là hàm phi tuyến Ngoài ra mô hình Eyring dẻo có thể thu thập các đáp ứng giảm chấn rất tốt, đặc biệt là trong hai trường hợp trước và sau chảy dẻo Một ER được thiết lập, lực giảm chấn của

nó dưới điện trường khác nhau và tần số kích thích được kiểm chứng thực nghiệm Dựa trên các kiểm chứng về đáp ứng giảm chấn, mô hình Eyring dẻo được xây dựng và xác nhận, được chứng minh bằng sự so sánh giữa kết quả giảm chấn lý thuyết với kết quả thực nghiệm qua mối quan hệ lực – vận tốc hình sin và lực – chuyển vị hình sin

Tình hình trong nước cũng có những nghiên cứu về ER như Lê Trường Giang (2006) đã nghiên cứu luận văn thạc sỹ với đề tài “Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản bán chủ động ER với các thuật giải khác nhau” [23], tác giả trình bày nhiều thuật giải khác nhau để giá hiệu quả của ER và ví dụ số bằng thuật giải LQR (linear quadratic regulator) và H2/LQG

Năm 2007 tác giả Nguyễn Minh Hiếu đã nghiên cứu luận văn thạc sỹ với

đề tài “ Các thuật điều khiển hệ cản MRD” [27], tác giả bày nhiều thuật giải khác nhau để giá hiệu quả của MR

Trang 38

Năm 2007 tác giả Đinh Nguyễn Bữu Lộc đã nghiên cứu luận văn thạc sỹ với đề tài “ Khảo sát giải pháp giảm chấn bằng hệ cản điều chỉnh khối lượng bán chủ động STMD” trong đó nghiên cứu cơ chế làm việc của hệ cản TMD – RM với thuật giải điều khiển logic mờ [11]

O.Yunus Gumus, Ozlem Erol, H Ibrahim Unal (2011) [18] nghiên cứu chất lưu cho ER là FeCl3 có chứa 89.2% polythiophene (PT) và 10.8% borax Các ER có tỷ lệ khối lượng từ 5 25% PT và borax/ dầu silicone đã được thực nghiệm và kết quả là phân loại được tỷ lệ hợp lý Một số ảnh hưởng đến ER như khối lượng, vận tốc, cường độ điện trường, tần số và nhiệt độ đã được nghiên cứu Kiểm tra từ biến được thực hiện cho ER để đánh giá thực nghiệm ứng xử đàn nhớt và biến dạng đàn nhớt

Youngwook P Seo, Hyoung Jin Choi, Yongsok Seo (2011) [35] trong nghiên cứu của mình đã phân tích ứng xử dòng chảy của chất lỏng ER với các thay đổi cấu trúc liên kết hạt, tác giả đã so sánh dự đoán của mô hình với kết quả thực nghiệm, qua đó cho thấy mô hình đã đề xuất chính xác dự đoán về ứng xử cắt cả về số lượng lẫn chất lượng Dữ liệu ứng suất cắt của các thay đổi cấu trúc liên kết các hạt có thể được ghép vào phương trình của vận tốc cắt của mô hình mới Mô hình đề xuất sử dụng các thông số ít hơn so với mô hình CCJ, đủ khả năng phù hợp tốt với dữ liệu thực nghiệm, giá trị tham số phù hợp qua toàn bộ vận tốc cắt, áp dụng cường độ trường điện khác nhau Ứng suất đã được tìm thấy gần như tuyến tính phụ thuộc vào cường độ trường, khác với dự đoán của mô hình phân cực

Ozlem Erol, H Ibrahim Unal , Bekir Sari (2012) [13] tiếp tục nghiên cứu

từ biến ER với lưu chất là polythiophene (PT) kết hợp polyoxymethylene (POM) theo tỷ lệ 50-50

Trang 39

Kazuhiro Yoshida, Kazuhito Kamiyama, Joon Wan Kim, Shinichi Yokota (2012) [20] nghiên cứu về bộ truyền động thông minh khắc phục lại sự rối loạn chất lỏng ER, bộ truyền động gồm có một bộ điểu khiển giá trị ER và bộ phận khống chế sự chảy ngược Van điều tiết giá trị ER được hình thành từ một đôi chuyển động và cố định của các tấm điện mắc song song, có khoảng cách thay đổi được gắn trong ER, độ nhớt thay đổi rỏ theo cường độ điện trường Chuyển động của các tấm điện động được sử dụng như chuyển vị đầu ra Bằng cách cho dòng điện vào bộ điều khiển ER thì đã tăng áp lực thủy tỉnh do tăng độ nhớt của

ER, lực đầu ra tăng lên Ngoài ra bộ truyền động có thể ngăn chuyển vị do lực nhiễu với bộ phận chống chảy ngược mà không cần thêm thiết bị cảm ứng và điều khiển Cơ chế dùng áp lực thủy tỉnh thay đổi do bộ điều khiển ER làm thay đổi khoảng cách giửa các tấm điện từ đó thay đổi độ nhớt ER Tính năng của thiết bị truyền động được đề xuất là tính bền vững chống lại sự xáo trộn với cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn Tác giả đã đưa ra cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của

mô hình, phương trình toán học cũng được thiết lập, một mô hình truyền động có đường kính 14mm được chế tạo để thực nghiệm Kết quả là độ cứng của thiết bị

đã được chứng minh là cao hơn 4.5 lần so với thiết bị không có cơ chế phản hồi

vị trí riêng Một cơ chế để phóng đại các chuyển vị đầu ra bằng cách sử dụng điều khiển áp suất đã được đề xuất và giá trị đã được khẳng định thông qua thí nghiệm

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG:

Hệ cản chủ động TMD và thiết bị bán chủ động ER luôn được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học, với hiệu quả giảm chấn, tiêu tán năng lượng có hại tác động vào kết cấu mà nó đã mang lại, đã thu hút ngày càng nhiều nhà khoa học liên tục nghiên cứu để phát triển bổ sung vào các nghiên cứu trước

đó, nhằm từng bước hoàn thiện hơn, để đáp ứng tốt hơn nửa hiệu quả giảm chấn, tiêu tán năng lượng của kết cấu

Trang 40

Góp phần vào việc nghiên cứu các hệ cản, luận văn sẽ nghiên cứu sự làm việc của kết cấu khi kết hợp hai hệ cản TMD và ER trong cùng một khung kết cấu phẳng, qua đó khảo sát hiệu quả tiêu tán năng lượng của hệ cản Phương trình chuyển động cơ bản của kết cấu có gắn TMD và ER được thể hiện như sau:

Định dạng
Số trang	177
Dung lượng	4,15 MB