Tính toán khung gắn thiết bị tiêu tán năng lượng chịu tải trọng tĩnh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (387.51 KB, 3 trang )
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
TÍNH TỐN KHUNG GẮN THIẾT BỊ TIÊU TÁN NĂNG LƯỢNG
CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH
Nguyễn Tiến Chương1, Phạm Thu Hiền1, Nguyễn Hải Quang2,
1
Trường Đại học Thủy lợi, email:
2
Trường Đại học Điện lực
1. GIỚI THIỆU CHUNG:
Mục tiêu cơ bản của việc thiết kế các
cơng trình chịu động đất là bảo vệ sinh
mạng con người và của cải vật chất xã hội.
Theo quan niệm trước đây, để thực hiện
được mục tiêu trên các cơng trình xây dựng
khơng được phép bị phá hoại khi động đất
xẩy ra. Do đó, cơng trình xây dựng được
thiết kế với tác động động đất lớn nhất dự
kiến sẽ xảy ra và làm việc hoàn toàn trong
miền đàn hồi.
Tuy nhiên, qua quan sát thực tế, nội lực
xuất hiện trong kết cấu có thể lớn hơn nhiều
lần nội lực xác định theo tiêu chuẩn kháng
chấn hiện hành cho một trận động đất có
cùng cường độ. Mặc dù nội lực gia tăng rất
lớn nhưng cơng trình vẫn đứng vững sau
các trận động đất vượt cấp động đất thiết kế
cho phép. Có thể giải thích điều này là do
sự hình thành các “khớp dẻo” ở một số cấu
kiện chịu lực hay khả năng phân tán năng
lượng của các cấu kiện không chịu tải đã bị
bỏ qua khi tính tốn kết cấu. Chính vì vậy
việc quy định thiết kế các cơng trình chỉ
làm việc trong giai đoạn đàn hồi dưới tác
dụng của động đất là chưa hợp lý và có thể
xem là không kinh tế.
Theo quan điểm thiết kế kháng chấn hiện
đại, việc thiết kế kháng chấn một cơng trình
xây dựng cần đảm bảo hai tiêu chí liên quan
chặt chẽ với nhau: bảo đảm kết cấu có khả
năng chiu lực lớn trong miền đàn hồi và có
khả năng phân tán năng lượng do động đất
truyền vào, thông qua sự biến dạng dẻo trong
giới hạn cho phép hoặc các thiết bị hấp thu
năng lượng.
Bài báo đề cập đến việc xây dựng ma trận
độ cứng của phần tử có gắn thiết bị tiêu tán
năng lượng và khảo sát sự làm việc của khung
với phần tử dầm trên chịu tải trọng tĩnh.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
Xét 1 phần tử hai đầu cứng, có chiều dài
L, có gắn thiết bị tiêu tán năng lượng trong
dầm, với hệ số đàn hồi là C. Kinh nghiệm
tính tốn các hệ dầm và khung cho ta thấy
phần ảnh hưởng của biến dạng dọc trục đối
với các chuyển vị thường nhỏ hơn rất nhiều
so với phần ảnh hưởng của biến dạng uốn
và biến dạng trượt thể hiện qua mô men
uốn và lực cắt, do đó thường có thể bỏ
qua được.
189
Hình 1. Phần tử dầm có gắn thiết bị
tiêu tán năng lượng
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
Sử dụng phương pháp lực để tìm ma trận
độ cứng K của phần tử, chuyển vị của nút
được xác định theo công thức MaxwellMorh 1874:
M M
km R jk Z jm k m ds (1)
EI
Trường hợp 1: Xét chuyển vị thẳng tại i
bằng 1, chuyển vị xoay tại i và các chuyển vị
tại j bằng 0.
i 1
i j j 0
Khi đó ta có biểu đồ nội lực tại trạng thái
“k”,”m” và các biểu thức nội lực tương ứng
như sau:
y
M i M j
Rm
L
Mi M j
xM
2
2
L. L 2
6 EI LC
1
2
1
Qi
2
L
M
i
0
6 EI LC
0
Qj
2
2
M j L. L 2 0
6 EI LC
1
L2
2
6 EI LC
Xét tương tự các trường hợp cịn lại, ta sẽ
tìm được ma trận độ cứng [K] của thanh có
dạng:
2
2
L. L 2
6 EI CL
1
L2
2
K 6 EI 2 CL
2
L. L 2
6 EI CL
1
L2
2
6 EI CL
1
L2
2
6 EI CL
L
1
3EI CL2
L L
1
EI 12 EI CL2
1
2
2
L
6 EI CL
2
L2
2
L.
6 EI CL
1
L2
2
6 EI CL
2
L2
2
L.
6 EI CL
L
1
6 EI CL2
L L
1
EI 12 EI CL2
1
2
L
2
6 EI CL
1
L2
2
6 EI CL
L
1
6 EI CL2
L L
1
EI 12 EI CL2
1
2
L
2
6 EI CL
L
1
3EI CL2
L L
1
EI 12 EI CL2
L
Khi C = ∞
12 EI
3
L
6 EI
2
K L
12 EI
L3
6 EI
L2
y1 x
6 EI
L2
4 EI
L
6 EI
2
L
2 EI
L
12 EI
L3
6 EI
L2
12 EI
L3
6 EI
L2
6 EI
L2
2 EI
L
6 EI
2
L
4 EI
L
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU:
Xét khung bê tông cốt thép ( có module
đàn hồi E = 21000 MPa) kích thước tiết diện
dầm và cột như hình 3, dầm có gắn thiết bị
tiêu tán năng lượng với ma trận độ cứng K
như trên, khung chịu tải trọng ngang hình sin.
R1 1
y2 1
R2 0
Hình 2. Biểu đồ nội lực của
phần tử
Xét,
L
R R
M .M1
dx m 1 1
EI
C
0
i
(2)
L
R R
M .M 2
dx m 2 0
EI
C
0
i
(3)
Từ (2) & (3), ta có:
Hình 3. Khung bê tông cốt thép
190
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
Moment (KN.cm)
Bảng 1 thể hiện kết quả tính tốn khung
với dầm chưa gắn thiết bị tiêu tán năng
lượng, của phần mềm SAP2000 và chương
trình tính tốn dựa trên nền tảng Mathlab.
Dựa vào kết quả nội lực và chuyển vị tại đỉnh
theo thời gian, có thể thấy sự chính xác của
chương trình tính đã lập.
12000
9000
6000
3000
0
-3000
-6000
-9000
-12000
0
Bảng 1. So sánh kết quả giữa 2 phần mềm
Mathlab
1
2
3
4
Time (s)
5
Shear (KN)
Displacement (cm)
Displacement (cm)
Chuyển vị ngang đỉnh (cm)
0
1.2
0.8
0.4
0
-0.4
-0.8
-1.2
0
6
1
2
3
4
Time (s)
5
Moment (KN.cm)
Moment (KN.cm)
0
1
2
3
4
Time (s)
5
1
2
3
4
Time (s)
5
3
4
Time (s)
5
6
Lực cắt dầm (KN)
40
Shear (KN)
0
-20
20
0
-20
-40
-40
0
1
2
Displacement (cm)
Shear (KN)
20
3
4
Time (s)
5
6
0
2
3
4
Time (s)
1
2
2
1
0
-1
-2
0
1
6
1
2
3
4
Time (s)
5
6
Hình 4. Kết quả tính tốn khung với dầm có
gắn thiết bị tiêu tán năng lượng
0
40
5
Lực cắt dầm (KN)
9000
6000
3000
0
-3000
-6000
-9000
6
3
4
Time (s)
30
20
10
0
-10
-20
-30
0
6
Momen chân cột (KN.cm)
9000
6000
3000
0
-3000
-6000
-9000
2
Mô men chân cột (KN)
SAP2000
1.2
0.8
0.4
0
-0.4
-0.8
-1.2
1
5
6
Chuyển vị ngang đỉnh (cm)
6
4. KẾT LUẬN:
Bài báo trình bày cách tìm ma trận độ
cứng K của phần tử có gắn thiết bị tiêu tán
năng lượng thơng qua phương pháp lực;
Dựa vào kết quả khảo sát khung bê tông
cốt thép 1 tầng 1 nhịp với dầm là phần tử như
trên (Hình 4), có thể thấy khi dầm có gắn
thiết bị tiêu tán năng lượng: chuyển vị ngang
tại đỉnh khung tăng (0,96cm tăng lên
1,47cm), nội lực trong khung có thay đổi: lực
cắt dầm giảm (từ 30,07KN giảm xuống 20,31
KN) và mômen chân cột tăng (8382,59
KN.cm tăng lên 10421,51 KN.cm).
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1] Lều Thọ Trình. 2000. Cơ học kết cấu. Nhà
xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
191
