Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản lưu biến từ trong kết cấu khung chịu động đất

Đồng thời, ứng xử trễ của hệ cản lưu biến từ dưới tác động của các băng gia tốc nền trong trường hợp có hoặc không có điện thế cung cấp cho thiết bị cũng được xem xét và cho thấy rằng h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

~ &s«6 -

PHẠM ĐÌNH TRUNG

PHÂN TÍCH HIỆU QUÁ GIAM CHAN CUA HE CAN LUU BIEN TU TRONG KET CAU

KHUNG CHIU DONG DAT

Chuyén nganh : Xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp

Mã số chuyên ngành : 60 58 20 08

LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI Hf HỦ TP.BCh THƯ VIỆN

TÓM TẮT

“PHAN TICH HIEU QUA GIAM CHAN CUA HE CAN

LUU BIEN TU TRONG KET CAU KHUNG CHIU DONG DAT”

Pham Dinh Trung

Luận văn tập trung phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản lưu biến từ (Magneto-Rheological, MR) được bố trí trong khung chịu động đất Hệ kết cấu khung được xem xét gồm kết cấu khung phẳng và khung không gian; được rời rạc dựa trên nền tảng của phương pháp phần tử hữu hạn và lý thuyết của phần tử đầm Euler-Bernoulli Hệ cản lưu biến từ MR sử dụng mô hình hiệu chỉnh Bouc-Wen; được mô hình bởi các lò xo và cản nhớt; lực cản sinh ra từ mô hình này là một hàm phụ thuộc vào điện thế cung cấp và những thông số đặc trưng của thiết bị Ứng xử của hệ cản lưu biến từ MR được thể hiện bằng phương trình vi phân thường và giải bằng phương pháp Runge-Kutta trong mỗi bước thời gian Dữ liệu các băng gia tốc

nền được lựa chọn từ phân tích phổ năng lượng dựa trên biến đổi phổ biên độ

Fourier Phương trình chuyển động của hệ kết cấu gồm có kết cấu khung và thiết bị cản lưu biến từ MR chịu tác động của các băng gia tốc nền được thiết lập dựa trên

sự cân bằng động và giải bằng phương pháp tích phân số NEWMARK trên toàn

miễn thời gian Một chương trình máy tính được viết ở đạng tổng quát bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB để phân tích phản ứng động của hệ kết cấu Độ tin cậy của

chương trình máy tính đã viết được đánh giá thông qua sự so sánh với kết quả của phần mềm SAP2000 Kết quả phân tích số được khảo sát lần lượt cho kết cấu khung phẳng và khung không gian dưới tác động của các băng gia tốc nền Elcentro 1940,

Superstition 1987, Northridge 1994 trong trường hợp không gắn hệ cản và có gắn

hệ cản lưu biến từ MR với hai trường hợp có hoặc không có điện thế cung cấp cho

thiết bị Kết quả thể hiện gồm có chuyển vị, vận tốc, gia tốc và nội lực của hệ khung

cho thấy sự hiệu quả giảm chấn của hệ cản lưu biến từ MR khi gắn trong khung Đồng thời, ứng xử trễ của hệ cản lưu biến từ dưới tác động của các băng gia tốc nền

trong trường hợp có hoặc không có điện thế cung cấp cho thiết bị cũng được xem

xét và cho thấy rằng hệ cản lưu biến từ MR tiêu tán phần lớn năng lượng trong hệ; điều này có nghĩa là hệ cản đã phát huy được tác dụng và đã bảo vệ cho kết cấu an toàn hơn Ngoài ra, độ chính xác của lời giải cũng được đánh giá thông qua sai số

giữa năng lượng đầu vào và năng lượng đầu ra trong các trường hợp phân tích.

1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN . -2222ttvkttriririrrirtirriirrrrrrree Chương 2 TỎNG QUAN 555cc

2.2 TÔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN KẾT CÁU -c:ccccvscceereeeeeeerrrrree Ổ 2.2.1 Điều khiển bị động c:cc 2222k Ủ 2.2.2 Điều khiển chủ động -5ccvveereerrrrrrrrrrrrirrrrrrrrrrrrrrev TÔ 2.2.3 Điều khiển kết hợp ccccccccettrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrer T3 2.2.4 Điều khiển bán chủ động -5csvcsrrtrerrrrrrrrrrrrrrv T3 2.4.5 Liên kết hai công trình 2++++222vYvzrrttrEEExtrrrrtrrrkkrrrrrrrrrkrrrrrri 16 bJe:.v00090 0:15 19 2.3.1 Thành phần cấu tạo 5ccccccsrtrrtrrrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrro TỔ 2.3.2 Cơ chế hoạt động -+-55scccccvvrerrrterrrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrerrkrerreeeeev 2Ô)

2.4 CAU TAO HE CAN MR

2.4.1 Cấu tao chung

3.3 MÔ HÌNH PHÀN TỬ KHUNG PHẲNG -c -©25ccvcccsrerrxverrersreev sổ Í 3.4 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHUYỀN ĐỘNG . -c-ccccvccrrree 34

3.5 TINH TOAN LUC DIEU KHIEN MR :csssriccerrrrierrrrrierrrrrrree 35

3.6 CAC PHUONG PHAP SO GIAI HE PHUONG TRINH VI PHAN DONG LUC

4.1 GIGI THIEU

4.2 MO TA HE KET CAU KHUNG

4.2.1 Thông số mô hình khung

4.3 DU LIEU CAC TRẬN ĐỘNG ĐÁTT -ccccccccvrerrrrrerrrrrrrrrrrrrrrrrrree 47

4.4 KHAO SAT SO KIEM CHUNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 51 4.4.1 Mô hình kết cấu khung phẳng -5cccccrrrrrirrirrrrrierrrrrrcer 5Í

4.3.2 Mô hình kết cấu khung không gian

4.4.3 Nhận xét

4.5 CÁC TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT SÓ VÀ THÔNG SÓ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ HIỆU QUẢ CỦA HỆ CẢN MR TRONG KÉT CẤU KHƯNG - 52 4.5.1 Các trường hợp khảo sát sỐ -.ccccc Sex, 22)

4.5.2 Thông số đánh giá hiệu quả của hệ cản MR trong kết cấu khung 53

4.6 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KỆT CẤU KHUNG PHẲNG 53

4.6.1 Phân tích ứng xử của kết cấu đưới tác động của băng gia tốc nền Elcentro 53 4.6.1.1 Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR .¿-55555sc2 53 4.6.1.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR .- 65

4.6.1.3 cố .Ụ,

4.6.2 Phân tích ứng xử của kết cấu dưới tác động của băng gia tốc nền Northidge

4.6.2.1 Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR - - 6 4.6.2.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR 8Ù

4.6.3 Phân tích ứng xử của kết cầu dưới tác động của băng gia tốc nền Superstition

4.6.3.1 Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR - - 83

4.6.3.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR -

4.7 PHAN TÍCH ỨNG XỬ CUA HE KET CẤU KHUNG KHÔNG GIAN

4.7.1 Phân tích ứng xử của kết cấu dưới tác động của băng gia tốc nền Elcentro 98

4.7.3.1 Phân tích hiệu quả giảm chấn của hé can MR

4.7.3.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR -+ 140

/ DANH MUC CONG THUC

Hình 2.1 Phân loại điều Khién két CAU ccccccccssssssssesscsssescsssseccsssseccesneccessnececsneeeessneeessens 9

Hình 2.2 Hệ điều khiển bị dong — Liquid Tuned Mass Damper

Hình 2.3 Hệ điều khiển bị động — Tuned Mass Damper - :-c-s+sc+csscseerex 11

Hình 2.4 Hệ điều khiển bị động — Viscous Fluid Dampers

Hình 2.5 Hệ điều khiển bị động — Base Isolafion -cccccccceerrrrxerrrrrrrrrer 12

Hình 2.6 Điều khiển chủ động - Tòa nhà Kyobashi SeiWa - sec 13 Hình 2.7 Điều khiển chủ động — Tòa nhà Applause -. -ec+ccccrcrrscrer 13

Hình 2.8 Cơ cấu điều khiển kết hợp khối lượng -++-+cccccvvvrrrrrrrrrree 14

Hình 2.9 Viện bảo tàng quốc gia Tokyo và thiết bị MR-30T - . 16 Hình 2.10 Cầu Dongting Lake và thiết bị MR Lord SD-1005 17 Hình 2.11 Cơ chế hoạt động của chất lưu c-: -cc+vvveeererxeertrrtrrkrrrrrrrrree 19

Hình 2.12 Cầu tạo chung hệ cản MR .- -55scccvrrtrtrkerrrrrirrrrrirrrrrrrrrrrree 20

Hình 2.13 Mô hình Bingham ::+£ 22 EvExtririrrrirrrrrrrrrrrrrrrrii 21

Hình 2.14 Kết quả so sánh của mô hình Bingham và thực nghiệm . 2 Hình 2.15 Mô hình Gamota và Filisko (1991) -+++c+resxerrrrerrrrsrsrrerrree 2

Hình 2.16 Kết quả so sánh của mô hình Gamota và Filisko và thực nghiệm 23 Hình 2.17 Mô hình Bouc-WWen - 5252 S+*t tt 9313 111222 0 111 tre 24

Hình 2.18 Kết quả so sánh giữa mô hình Bouc-Wen và thực nghiệm

Hình 2.19 Mô hình hiệu chỉnh Bouc-WWen - ¿5:5 +c+c*t‡eeeertrrrrerederrrrree 25 Hình 2.20 Kết quả so sánh giữa mô hình hiệu chỉnh Bouc-Wen và thực nghiệm 27 Hình 3.1 Mô hình kết cấu khung có gắn hệ cân MR ccccccccrrrrrrrrrrrer 30

Hình 3.2 Mô hình phần tử khung phẳng,

Hình 3.3 Mô hình phần tử khung không gian . cc©ccccccvrrtrrerrrrrrrrrrrrer 34

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán phân tích động lực học kết cầu khi có hệ cản MR

Hình 4.1 Mô hình kết cấu khung . . -555cc222ccccrerrrrrrrrtrrrrrrrrrr 4

Hình 4.2 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Elcentro 1940

Hình 4.3 Phổ năng lượng trận động đất Elcentro 1940 - - c.c-cccerrrrrrrr 48

Hình 4.4 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Superstition 1987 -errrrev 49 Hình 4.5 Phổ năng lượng trận động đất Superstition 1987 49 Hình 4.6 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Northrid 1994 ccrrrrrrrrer 50 Hình 4.7 Phổ năng lượng trận động đất Northrid 1994 -.cccccccerrrrrrrer 50

Hình 4.8 Mô hình kết cấu khung trong các trường hợp hệ cản MR khác nhau 53 Hinh 4.9 Chuyén vị động theo thời gian của nút phải trên cùng dưới tác động của trận

động đất Elcentro cccvccccccrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrirrrrrrrrrrir 53

Hình 4.10 Chuyển vị ngang lớn nhất của các nút dưới tac động của trận động đất

Hình 4.11 Độ giảm chuyển vị lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro

selasssasasvecesconssvecnssnecnsoncsstenssnegucsoneossscessesavsssssasessensassssssnseassnecsseonssesnscatascagencenseneenesnesstones 55

Hình 4.13 Độ giảm chuyển vị trung bình của các nút tác động của trận động đất

TÏC€PẨTO tt HH TH H0 00H01 111111111111111111111T11T11 0 56 Hình 4.14 Chuyển vị ngang tông bình phương trung bình của các nút tác động của trận động đất Elcenfro - -s:-2v+t222 vttErkxrttEktrrtrttrrrrrkkrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr 56 Hình 4.15 Độ giảm chuyển vị bình phương trung bình các tầng của kết cầu dưới tải trọng Elcentro

Hình 4.16 Gia tốc đỉnh phải của kết cấu tác động của trận động đất Elcentro

Hình 4.17 Gia tốc ngang lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro 58 Hình 4.18 Độ Độ giảm gia tốc lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro

Hình 4.26 Năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on tác động của trận động

Hình 4.28 Ứng xử trễ của hệ cản MR tác động của trận động dat Elcentro

Hình 4.29 Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcenfro c:-©5ccvcccsvvecrs 65 Hình 4.30 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro -.-.: ccccsccvsvrrrx 66 Hình 4.31 Lực cắt cột tầng 1 của kết cấu khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro -cccc:-cccccceecee 66 Hình 4.32 Lực cắt lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro - _—_- 67 Hình 4.33 Chuyển vị đỉnh phải của kết cấu đưới tác động của trận động đất Northidge

Hình 4.38 Chuyển vị ngang tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge ri 71

Hình 4.39 Độ giảm chuyển vị tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge -ss+- c2 re 72 Hình 4.40 Gia tốc đỉnh phải của kết cấu đưới tác động của trận động đất Northidge 72 Hình 4.41 Gia tốc ngang lớn nhất của các nút đưới tác động của trận động đất

TNGT{hiEe àtnénnhHnHHHnH112111211117111.711T.017 0.1m 73 Hình 4.42 Độ giảm gia tốc lớn nhất của các nút đưới tác động của trận động đất

Northidge

Hình 4.43 Gia tốc ngang trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất

NNorthÏỹe 5c nh H11211211011.111111011.0100 00111171 0000011001001 n1 74 Hình 4.44 Độ giảm gia tốc trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất TNorthiỹ6 5 + chnHhHHHH.1111.11111111110110101010 T001 0100001000007 n1 74 Hình 4.45 Gia tốc ngang tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge

Hình 4.46 Độ giảm gia tốc tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động dAt Northidge w cccccsccccssssssssssseesssseseseessessnssnssnsessseseeecesssssssssnnsssesseeeceessssnanuane 75 Hình 4.47 Lực cắt cột tầng 1 của kết cấu dưới tác động của trận động đất Northidge 76

Hình 4.48 Lực cắt lớn nhất của cột trong kết cấu đưới tác động của trận động đất

Hình 4.51 Cân bằng năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tác

Hình 4.57 Chuyển vị đỉnh phải của kết cấu đưới tác động của trận động đất

SIP€TSfÏẨÏOT cà Sàn nrrrrrrrrrriee §4 Hình 4.58 Chuyển vị ngang lớn nhất của các nút dưới tác động của trận động đất

Hình 4.59 Độ giảm chuyển vị lớn nhất của các nút dưới tác động của trận động đất

ŠUp€rSfiẨÏOT cành HH HH HH1 11111711117-11 te 85 Hinh 4.60 Chuyén vi ngang trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất SU€TSẨÏẨÏOH càng 85 Hình 4.61 Độ giảm chuyển vị trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Superstition

Hình 4.62 Chuyển vị ngang tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Supersfition -s-2+++t22vvvttErkrrrtrrtrtrtrrrrrrkrrrrrrrrerrrrrerrrreee §6 Hình 4.63 Độ giảm chuyển vị tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động

của trận động đất Superstition 87

Hình 4.64 Gia tốc đỉnh phải của kết cấu đưới tác động của trận động đất Superstition

87 Hình 4.65 Gia tốc ngang lớn nhất của các nút dưới tác động của trận động đất

be 000

Hình 4.66 Độ giảm gia tốc lớn nhất của các nút đưới tác động của trận động đất

ŠU€TSÏLÏOT à Sàn ng 0 H101 111.1101011011001010110 111v 88 Hình 4.67 Gia tốc ngang trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất

B101 0 Hình 4.68 Độ giảm gia tốc trung bình của các nút đưới tác động của trận động đất

Hình 4.76 Ứng xử trễ của hệ cản MR dưới tác động của trận động đất Superstition 93 Hình 4.77 Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition -. - 95

Hình 4.78 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong

trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition

Hình 4.79 Lực cắt cột tầng 1 của kết cấu khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong

trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition 96 Hình 4.80 Lực cắt lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động, đất Superstition - 96 Hinh 4.81 Chuyén vị động theo thời gian của nút phải trên cùng dudi tac động của trận động đất Elcentro 2c+tc 2v th n 011 1.1 .nrrrriier 99 Hình 4.82 Chuyển vị ngang lớn nhất của các nút dưới tác động của trận động đất

TÏC€TTO tàng 11 00111021112111111111111171111011.10.01 TT 99 Hình 4.83 Độ giảm chuyển vị lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro

Hình 4.85 Độ giảm chuyển vị trung bình của các nút tác động của trận động đất

Hình 4.89 Gia tốc ngang lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro 103 Hình 4.90 Độ Độ giảm gia tốc lớn nhất của các nút tác động của trận động đất Elcentro

Hình 4.100 Ứng xử trễ của hệ cản MR tác động của trận động đất Elcentro

Hình 4.101 Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong

trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro e-:-ccscccscceverrr 110

Hình 4.102 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong

trường hợp Passive-on tác động của trận động, đất Elcentro -‹c-csscccssccr+ 110 Hình 4.103 Lực cắt cột tầng 1 của kết cấu khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro .- 11

Hình 4.104 Lực cắt lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động dat Elcentro

Hình 4.109 Độ giảm chuyển vị trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge — T111 11 t1 1110 HH Hà re 116 Hình 4.110 Chuyên vị ngang tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động

Hình 4.111 Độ giảm chuyển vị tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động

Hình 4.113 Gia tốc ngang lớn nhất của các nút dưới tác động của trận động đất

Northidge

Hình 4.114 Độ giảm gia tốc lớn nhất của các nút đưới tác động của trận động đất

Northidge tẠ1491301903805100440408481014000403109414041151400101100101301301104401404001000001000017000019001 118

Hình 4.115 Gia tốc ngang trung bình của các nút đưới tác động của trận động đất long 119 Hình 4.116 Độ giảm gia tốc trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất

Hình 4.117 Gia tốc ngang tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Northidge 2222c+ccct+rvtrtrtErrttrrrrrkrrrrrirerrir 120 Hình 4.118 Độ giảm gia tốc tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động

Hình 4.125 Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong

125

trường hợp Passive-on đưới tác động của trận động đất Northidge

Hình 4.126 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong

„125

trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động dat Northidge

Hình 4.127 Lực cắt cột tầng 1 của kết cấu khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau

trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Northidge 126 Hình 4.128 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Northidge 126

Hình 4.129 Chuyển vị đỉnh phải của kết cấu dưới tác động của trận động đất

Hình 4.134 Chuyén vị ngang tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động

của trận động đất Superstition eccceeieeerrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrer T3 Hình 4.135 Độ giảm chuyển vị tổng bình phương trung bình của các nút dưới tác động của trận động đất Superstition

Hình 4.136 Gia tốc đỉnh phải của kết cấu dưới tác động của trận động đất Superstition

132 Hình 4.137 Gia tốc ngang lớn nhất của các nút đưới tác động của trận động đất

Hình 4.138 Độ giảm gia tốc lớn nhất của các nút dưới tác động của trận động đất

Hình 4.148 Ứng xử trễ của hệ cản MR dưới tác động của trận động đất Superstition138

Hình 4.149 Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition 140

Hình 4.150 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition 140

Hình 4.151 Lực cắt cột tầng 1 của kết cầu khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau

trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition

Hình 4.152 Lực cắt lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong

trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition 141

DANH MỤC BẢNG Bang 1.1 Thiệt hại về người và tài sản một số trận động đất -cce 2

Bảng 2.1 Đơn gid thiét bi can MR.u sscssssssssssssssesesseseesssssssssnsesisesseeseesssssssnssneesssescesssees 20

Bảng 4.1 Dữ liệu các trận động ba

Bảng 4.2 So sánh kết quả khung phẳng giữa MATLAB và SAPS2000 51

Bang 4.3 So sánh kết quả khung không gian giữa MATLAB và SAPS2000 51 Bảng 4.4 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu tác động của trận động đất Elcentro

Bảng 4.7 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu ứng với số lượng hệ cản MR khác

nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro 67

Bang 4.8 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu dưới tác động của trận động đất

Bang 4.11 Thống kê các giá trị MAX của kết cầu ứng với số lượng hệ cản MR khác

nhau trong trường hợp Passive-on đưới tác động của trận động đất Northidge 82

Bảng 4.12 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu đưới tác động của trận động đất o5 0 .,

Bang 4.13 Thống kê các giá trị AVR của kết cấu đưới tác động của trận động đất

Bảng 4.14 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu dưới tác động của trận động đất

ŠUperSfifÏOH HH Hư HH HH 1111111011011 94

Bảng 415 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu ứng với số lượng hệ cản MR khác

nhau trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận động đất Superstition 97

Bảng 4.16 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu tác động của trận động đất Elcentro

Bang 4.19 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu ứng với số lượng hệ cản MR khác

nhau trong trường hợp Passive-on tác động của trận động đất Elcentro 112

Bảng 4.20 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu dưới tác động của trận động đất

Bảng 4.24 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu đưới tác động của trận động đất

ŠUP€TSÍTEÏOT Sàn” 2111111111 1111.111111111101117 1H 139 Bảng 4.25 Thống kê các giá trị AVR của kết.cầu đưới tác động của trận động đất SUp€TSẨÏẨÏOTI nh HH 1111 139

Bảng 4.26 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu đưới tác động của trận động đất

ỔUD€TSEÏLÏOH SH 1.1.1 tà Hà tàn HH H00 111110110n11011e 139 Bảng 4.27 Thống kê các giá trị MAX của kết cầu ứng với số lượng hệ cản MR khác nhau trong trường hợp Passive-on đưới tác động của trận động, dAt Superstition 142

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MAX :Lớnnhất

AVR :(Avarage) Trung bình

RMS : (Root means square) Bình phương trung bình

Chương 1

GIỚI THIỆU

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Từ năm 2005 đến nay, trên lãnh thổ Việt Nam liên tục xảy ra các trận động

đất có cường độ vừa và nhỏ, đặc biệt từ năm 2007 trở lại đây các trận động đất xảy

ra với mật độ ngày càng nhiều Vào ngày 07/03/2013, một trận động đất có độ lớn

3,6 độ Richter đã xảy ra tại khu vực gần thủy điện Sông Tranh 2 [1] Tiếp đó, ngày 25/11/2013 cũng đã xảy ra một trận động đất có cường độ 2 độ Richter ở khu vực thủy điện Sông Tranh 2 [2] Mới đây nhất, vào lúc 22h ngày 4/12/2013 tại thành

phố Điện Biên đã xảy ra một trận động đất manh 3,8 d6 Richter [3] Mac dầu cường

độ các trận động đất là chưa lớn và hậu quả chưa thật sự nghiêm trọng nhưng điều

đó cũng chứng tỏ rằng vỏ địa chất ở Việt Nam thật sự không hoàn toàn bình ồn Bên cạnh đó, cùng với tốc độ đô thị hóa toàn cầu thì rõ ràng trong tương lai việc xảy ra động đất có thể sẽ gây ra những tổn thất lớn về nhân mạng và tài sản Một số thống

kê các số liệu về tổn thất do những trận động đất đã xảy ra trên thế giới trong thời

gian tương đối gần đây được thể hiện trong Bảng 1.1 và hình ảnh tàn phá của các trận động đất cũng được thể hiện trên Hình 1.1 đến 1.5 [4]

Trang 1

Bảng 1.1 Thiệt hại về người và tài sản của một số trận động đất [4]

(Richter) | người (Tỉ USD)

cea

TS / THESTREET SGT

gpg

fe

công trình xây dựng chịu động đất luôn là đề tài có tính thời sự và thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước cũng như ngoài

nước: lở và Liu 2003 [5], Li va Qu 2006 [6], Han và Li 2006 [7], Nguyễn 2006 [8], Bùi 2010 [9], Vương 2011 [10],

Một trong những giải pháp truyền thống trong việc thiết kế kết cấu chịu động đất là tăng độ cứng của kết cấu nhằm giải thiểu thiệt hại của công trình do tác động của động đất gây ra Tuy vậy, giải pháp này cũng thật sự chưa đem lại nhiều hiệu quả vì tăng độ cứng dẫn đến tăng trọng lượng kết cấu, góp phần tăng thêm tải trọng

do lực quán tính Do đó, việc tìm ra các giải pháp kết cấu khác để chúng ứng xử tốt hơn với động đất và làm giảm bớt tổn thất do động đất gây ra cũng là một hướng nghiên cứu được quan tâm nhiều Một trong những hướng nghiên cứu có tính thời

sự và cũng thật sự có ý nghĩa đó là gắn thêm các thiết bị lên kết cấu Mục đích để các thiết bị này hấp thu một phần năng lượng do động đất tác động, dẫn đến năng lượng còn lại của động đất tác động vào kết cấu chính sẽ giảm đi và vì vậy kết cấu

sẽ bớt nguy hiểm hơn

Vì vậy, sự ra đời của các hệ thống điều khiển kết cấu là cần thiết nhằm khắc phục các hạn chế trên, từ đó đem đến sự an toàn và hiệu quả hơn trong việc thiết kế

kết cấu các công trình chịu động đất Mục đích của việc điều khiển kết cấu là gắn thiết bị điều khiển vào kết cấu nhằm mục đích hấp thu năng lượng do tải trọng động đất Sự hấp thu năng lượng của thiết bị điều khiển có thể được mô tả thông qua mối quan hệ về năng lượng dựa trên khả năng bảo tồn như sau [4, 11]

trong dé E là tổng năng lượng kích thích công trình; #, là động năng công trinh; E,

là năng lượng biến dạng đàn hồi; E, là năng lượng biến đạng không đàn hồi (kể đến

hư hỏng của công trình); E¿ là năng lượng tiêu hao bởi thiết bị chống dao động Từ biểu thức (1.1) cho thấy, đối với kết cấu được thiết kế theo truyền thống thì vế phải

Trang 5

của (1.1) chỉ bao gồm E,, E,va E, Do dé, bằng cách thông qua thiết bị giảm

chấn lắp đặt cho công trình thì sẽ bổ sung thêm vào năng lượng E„ hay nói cách

khác động năng và năng lượng biến dạng sẽ giảm xuống, từ đó thiết bị giảm chấn đã

hạn chế bớt sự phá hoại của kết cấu do động đất gây ra

Dựa trên các bối cảnh trên, Luận văn tập trung nghiên cứu thiết bị giảm chấn nhằm giảm thiểu tác động do động đất gây ra trên công trình Một trong các thiết bị

giảm chấn mà Luân văn đề xuất nghiên cứu là dạng thiết bị điều khiển bán chủ động; chính là hệ cản Lưu biến từ (MR ; Magneto-Rheological) khi được gắn trong kết cầu khung chịu gia tốc nền động đất

1⁄22 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Luận văn này phân tích sự hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR trong kết cấu khung chịu gia tốc nền động đất, với các mục tiêu cụ thể như sau

$* Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ kết cầu gồm hệ cản lưu biến từ và kết cấu khung được rời rạc dựa trên nền tảng của phương pháp

phần tử hữu hạn khi chịu gia tốc nền động đất

% Thực hiện các khảo sát số đối với mô hình kết cấu chịu các trận động đất

khác nhau, từ đó phân tích hiệu quả của hệ cản MR khi gắn trong kết cấu khung thông qua các kết quả gồm có: chuyền vị, vận tốc, gia tốc và nội lực bên trong hệ kết cấu

s* Đánh giá sự ảnh hưởng của điện thế cung cấp cho hệ cản MR khi gắn trong

kết cấu khung lên ứng xử động bên trong hệ kết cấu

“ Danh giá sự ảnh hưởng số lượng hệ cản MR khi gắn trong kết cấu khung lên ứng xử động bên trong hệ kết cấu

$% Phân tích ứng xử của hệ cản lưu biến từ thông qua quan hệ giữa lực với chuyển vị và lực với vận tốc

Trang 6

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Trong Luận văn này tập trung phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR trong kết cấu khung phẳng chịu gia tốc nền động đất và chấp nhận một số các giả thiết sau

% Kết cấu khung làm việc trong miền đàn hồi tuyến tính và được rời rạc dua trên nền tảng lý thuyết phần tử hữu bạn của lý thuyết dầm Euler-Bernoulli

4 Gia tốc nền động đất chỉ được xem xét trong phương mặt phẳng khung có gắn thiết bị cản MR, bỏ qua ảnh hưởng đồng thời của các phương tác động

1.4 CAU TRUC CUA LUAN VAN

Cấu trúc luận văn gồm 5 chương :

Chương I: giới thiệu sơ lược các vấn đề về đề tài, từ đó phát biểu các mục tiêu

và phạm vi nghiên cứu của Luận văn

Chương 2: giới thiệu tổng quan các vấn đề về điều khiển kết cấu đặc biệt là

dạng điều khiển sử dụng trong Luận văn, đồng thời so lược về cấu tạo và các mô hình cơ học của thiết bị cản MR, từ đó lựa chọn mô hình ứng xử của hệ cản MR và chỉ ra điểm khác biệt trong Luận văn

Chương 3: trình bày toàn bộ cơ sở lý thuyết cần thiết về mô hình kết cấu khung

và ứng xử hệ cản MR, từ đó thiết lập phương trình vi phân chuyển động tổng quát của hệ và năng lượng của hệ Dữ liệu các băng gia tốc nền được phân tích dựa trên phổ năng lượng từ việc biến đổi phổ biên độ Fourier Đồng thời luận văn cũng đánh giá các phương pháp giải phương trình vi phân chuyển động; từ đó lựa chọn phương pháp giải và trình bày sơ đồ thuật toán của lời giải đó

Chương 4: thực hiệc các khảo sát số và so sánh với kết quả của phần mềm

SAP2000, nhằm kiểm tra tính chính xác và độ tin cậy của chương trình máy tính đã

viết bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB Sau đó, Luận văn thực hiện các khảo sát số

Trang 7

dé phân tích ứng xử của hệ kết cấu khung đưới tác động của các trận động đất khác nhau Đồng thời, Luận văn cũng phẩn tích các số liệu về độ giảm đáp ứng động

trong kết cấu khung và các ứng xử của thiết bị cản MR, từ đó cho thấy hiệu quả của

hệ cản MR trong kết cấu khung chịu tác động của động đất

Chương 5: các nhận xét, kết luận, kiến nghị và hướng phát triển của đề tài

Phần cuối của Luận văn là các tài liệu tham khảo sử dụng trong Luận văn, mã nguồn chương trình MATLAB

Trang 8

Chương 2

TONG QUAN

2.1 GIỚI THIỆU

Chương này giới thiệu sơ lược các dang điều khiển kết cấu, cầu tạo chất lưu và

đặc tính của các mô hình cơ học của hệ cản Đồng thời cũng trình bày sơ lược tình

hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề sử dụng thiết bị cản MR trong điều

khiển kết cấu Từ đó, Luận văn lựa chọn mô hình cơ học của hệ cản MR dùng để phân tích ứng xử hệ cản MR trong kết cầu khung và chỉ ra các điểm khác biệt của Luận văn so với các nghiên cứu trước đó

2.2 TONG QUAN DIEU KHIEN KET CAU

Căn cứ vào các tính chất làm việc thực tế của các thiết bị điều khiển kết cấu, có thể chia làm 4 loại điều khiển cơ bản như sau [4]

ĐIÊU KHIÊN KET CAU

Điều khiển Điều khiển Điều khiển chủ động bán chủ động kết hợp

Hình 2.1 Phân loại điều khiển kết cấu 2.2.1 Điều khiển bị động

Các hệ thống thiết bị điều khiển bị động có kh năng hấp thu cũng như tiêu tán

năng lượng bên trong hệ, từ đó làm giảm ứng xử động bên trong hệ và mức độ hư hại của kết cấu Các thiết bị điều khiển bị động thường được lắp đặt cố định trong

Trang 9

các bộ phận kết cấu và các thông số của thiết bị được lựa chọn dựa vào đặc tính của từng loại thiết bị Do đó, hệ điều khiển bị động có nhược điểm là khi đã lắp đặt vào công trình thì không thể thay đổi các thông số của thiết bị để phù hợp với sự biến

đổi của các tác động kích thích bên ngoài Một số các dang thiết bị điều khiển bị động có thể được kể đến như sau [4]: Hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD (Tuned Mass Dampers) ; Hệ cản điều chỉnh chất lỏng TLD (Tuned Liquid Dampers); Hệ

can ma sat FD (Friction Dampers); Hé can déo bang kim loai MD (Metallic Dampers); Hé can dan nhét (Viscous-elastic Dampers); Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous-elastic Dampers); Hệ cô lập móng Một số dang thiết bị điều khiển cơ bản

đã được ứng dụng trong các công trình, được thể hiện trên Hình 2.2 đến 2.5

Thiết bị điều khiển bị động tạo ra sự tiêu hao năng lượng một cách tự nhiên và tùy thuộc vào các đặc tính riêng của từng loại thiết bị Do đó, thiết bị điều khiển bị

động thường được xem như là một biện pháp điều chỉnh tối ưu để bảo vệ kết cấu

chống lại các tác động của tải trọng động tương ứng với các đặc tính của thiết bị

Hiện nay, hệ điều khiển bị động điều khiển bị động hiện đang được ứng dụng

rộng rãi và khá phổ biến trên thế giới Bởi vì, thiết bị điều khiển bị động thường là

đơn giản, dé hoạt động và có độ én định, đặc biệt là không cần cung cấp thêm nắng lượng cho thiết bị trong quá trình hoạt động Tuy nhiên, các thiết bị điều khiển bị động chỉ đạt hiệu quả tiêu tán năng lượng đối với một số tải trọng đặc biệt tương ứng với các đặc tính của thiết bị

Trang 10

Trang 11

Hình 2.5 Hệ điều khiển bị 2.2.2 Điều khiển chủ động

động — Base Isolation

Điều khiển chủ động là hệ thống các thiết bị có khả năng tiếp nhận trạng thái

ứng xử của kết cầu để từ đó đưa ra các ứng xử tác động lên kết cấu để đưa kết cấu

về trạng thái mong muốn Hệ thống các thiết bị này cần phải được cung cấp một nguồn năng lượng bên ngoài để từ đó sinh ra một lực kiểm soát, lực này được đặt trực tiếp lên công trình nhằm giảm thiểu ứng xử của kết cấu

Phương pháp điều khiển chủ động trong công trình dân dụng lần đầu tiên được

giới thiệu vào năm 1972 bỡi Yao [12] Quá trình điều khiển chủ động là quá trình truyền lực thông qua lực tương tác giữa thiết bị và kết cấu, từ đó làm giảm tác động

của tải trọng lên kết cấu, điều này đồng nghĩa với việc hệ điều khiển chủ động làm giảm ứng xử trong kết cấu do sự thêm hoặc bớt năng lượng của hệ thống Đồng thời, quá trình điều khiển chủ động có khả năng điều khiển các dạng dao động khác

nhau và khả năng tiêu tán năng lượng lớn hơn quá trình điều khiển bị động

Điều khiển chủ động cũng đã được ứng dụng rất nhiều trong các công trình chịu tải trọng động, một số công trình tiêu biểu có thể kể đến như sau [4]: Tòa nhà Kyobashi Seiwa ở Tokyo vào năm 1989 (Hình 2.5); Tòa nhà Applause ở Osaka vào

Trang 12

ứng dụng nhiều trong những năm gần đây Bởi vì, các thiết bị điều khiển chủ động tất phức tạp trong khâu thiết kế, lắp đặt, bảo dưỡng, đặc biệt là giá thành rất cao và cần phải cung cấp một nguồn năng lượng rất lớn

2.2.3 Điều khiển kết hợp

Điều khiển kết hợp là sự kết hợp giữa thiết bị điều khiển chủ động và bị động

Dạng điều khiển kết hợp thông thường: nhất là dạng điều khiển kết hợp về khối lượng, bao gồm thiết bị điều khiển bị động điều chỉnh khối lượng kết hợp với một

cơ cấu điều chỉnh chủ động (Hình 2.8)

Cociu điều chỉnh TU“

Cam biến công

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 Do

đó, thiết bị điều khiển bán chủ động được xem như là một thiết bị hữu ích trong việc

bảo vệ các công trình chống lại tác động của tải trọng động

TT rc lm re BR TOR a I UR IT 0008009006

Trang 14