Nghiên cứu hiệu ứng động lực học của gió lên công trình giàn cao tần có hư hỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

CAO VĂN MAI

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA GIÓ
LÊN CÔNG TRÌNH GIÀN CAO TẦNG CÓ HƯ HỎNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

CAO VĂN MAI

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA GIÓ
LÊN CÔNG TRÌNH GIÀN CAO TẦNG CÓ HƯ HỎNG

Ngành: Cơ kỹ thuật
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 60 52 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN VIỆT KHOA

`

Hà Nội - 2015


i

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan luận văn tố t nghiêp:
̣ “Nghiên cứu hiệu ứng động lực học
của gió lên kết cấu giàn cao tầng có hư hỏng” là công trình nghiên cứu của bản
thân tôi dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư, Tiế n sỹ Nguyễn Viê ̣t Khoa.
Các kế t quả nêu trong luận văn là trung thực, không phải là sao chép toàn
văn của bấ t kỳ tài liêu,
̣ công triǹ h nghiên cứu nào khác mà không chỉ rõ trong tài
liêụ tham khảo.
Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2015
Tác giả LVTN

Cao Văn Mai


ii


iii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin cảm ơn chân thành đến các thầ y cô giáo trong trường
Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣ – ĐHQGHN cũng như các thầ y cô giảng viên kiêm nhiệm là
cán bộ Viê ̣n Cơ ho ̣c – Viê ̣n Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam nói

chung và các thầ y cô giáo trong khoa Cơ ho ̣c kỹ thuâ ̣t và tự đô ̣ng hóa nói riêng
đã tâ ̣n tin
̀ h giảng da ̣y, truyề n đa ̣t cho em nhưng kiế n thức, kinh nghiê ̣m quý báu
trong suố t thời gian học tập tại trường.
Đă ̣c biê ̣t, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắ c đế n thầ y giáo PGS. TS. Nguyễn
Viê ̣t Khoa, người thầ y đã tâ ̣n tiǹ h giúp đỡ, trực tiế p chỉ bảo, hướng dẫn em trong
suố t quá trin
̣
̀ h nghiên cứu và hoàn thành luận án tố t nghiêp.
Sau cùng, em xin giửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình ba ̣n bè và người
thân, những người luôn đô ̣ng viên, đóng góp ý kiế n và giúp đỡ em trong suố t
quá trình ho ̣c tâ ̣p, nghiên cứu và hoàn thành luận án tố t nghiê ̣p.
Chúc thầ y cô, gia đình, ba ̣n bè ma ̣nh khỏe và thành công!
Em xin chân thành cảm ơn!


iv


v

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. iii
MỤC LỤC ......................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................ix
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆN TƯỢNG FLUTTER VÀ BUFFETING TÁC

ĐỘNG LÊN KẾT CẤU CAO TẦNG CÓ HƯ HỎNG ...................................................4
1.1.

Cơ sở lý thuyết về hiện tượng Flutter đối với kết cấu giàn cao tầng. .............4

1.2.

Cơ sở lý thuyết về hiện tượng Buffeting đối với kết cấu giàn cao tầng. ........8

1.3.

Mô phỏng vận tốc gió ...................................................................................14

Kết luận chương 1 ....................................................................................................14
Chương 2. SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN .........................15
2.1.
Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn giàn cao tầng dạng mảnh. ...................15
2.1.1. Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn ............................................15
2.1.2. Thiết lập bài toán động lực học của kết cấu giàn cao tầng dạng mảnh
chịu tải trọng gió .....................................................................................................15
2.1.3. Rời rạc hóa kết cấu và thiết lập ma trận phần tử .....................................16
2.2.
Giải bài toán động lực học bằng phương pháp Newmark ............................20
2.2.1. Giới thiệu về phương pháp Newmark .......................................................20
2.2.2. Phương pháp giải bài toán động lực học dầm của Newmark...................21
Kế t luận chương 2 ....................................................................................................24
Chương 3. MÔ PHỎNG SỐ VÀ KẾT QUẢ................................................................25
3.1.

So sánh phần mềm Wind Effects với phần mềm SAP2000 .........................27

3.2.
Phân tích Flutter............................................................................................29
3.2.1. Phân tích chuyển động Flutter của kết cấu nguyên vẹn. ..........................29
3.2.2. Phân tích chuyển động Flutter của kết cấu có hư hỏng............................30
3.3.
Phân tích phản ứng động Buffeting. .............................................................32
3.3.1. Phân tích phản ứng động Buffeting của kết cấu nguyên vẹn. ...................32


vi

3.3.2.

Phân tích phản ứng động Buffeting của kết cấu có hư hỏng. ...................33

Kết luận chương 3 ....................................................................................................36
Chương 4. KẾT LUẬN ................................................................................................38
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN VĂN ..................................................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................41


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu
A
a1 , a2 ,..., a9

Giải thích
Diện tích mặt cắt
Các hệ số tích phân

[b]

Ma trâ ̣n liên hê ̣ Boolean

C

Ma trận cản

E

Modul đàn hồ i

F

Vector lực tổ ng thể

Fe

Vector lực phần tử

I

Moment quán tính mặt cắt ngang

K

Ma trận độ cứng tổng thể

Ke

Ma trận độ cứng phần tử

L

Độ dài của toàn bộ kết cấu

l

Độ dài của phần tử

M

Ma trận khối lượng tổng thể

Me

Ma trận khối lượng phần tử

N
PTHH

Ma trận các hàm dạng
Phầ n tử hữu ha ̣n

sk

Hê ̣ số thay đổ i điề u kiê ̣n biên

U

Chuyể n dich
̣

U

Vận tốc

U

Gia tốc

 ,



Hệ số của thuật toán tích phân Newmark
Góc xoay

1 ; 2

Tần số riêng thứ nhất và thứ hai

 2 ;1

Hệ số cản modal tương ứng

viii

Kí hiệu
, 

Giải thích
Hệ số của công thức cản Rayleigh

t

Bước thời gian tính tích phân



Khố i lươ ̣ng riêng

3-D

Không gian ba chiều

Fsee

Lực tự kích

Fb

Lực Buffeting

Fs

Lực gió tĩnh (thành phần lực gió trung bình).

CL

Hệ số nâng khí động học của phần tử

CD

Hệ số kéo khí động học của phần tử

CM

Hệ số mô men khí động học của phần

f

Tần số Flutter

Svv

Mật độ phổ năng lượng trong phổ Van der Hoven

Kc

Ma trận độ cứng phần từ có vết nứt

R

Ma trận chuyển hệ trục tọa độ

Vcr

.

Vận tốt gió tới hạn


41

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt
1. KS. Trần Thanh Hải. “Ứng dụng thuật toán Newmark trong phân tích ứng
xử động lực học kết cấu khung dầm” Báo cáo đề tài cấp cơ sở năm 2006, Phòng
mô phỏng và tính toán kết cấu, Viện cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam, 2006.
2. Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vượng, Giáo trình: “Sức bền vật liệu” - tập 3,
NXB Giáo dục 2004.
3. Trần Ích Thịnh, Ngô Như Khoa. “Phương pháp phần tử hữu hạn”, NXB
Khoa học kỹ thuật,2007.
4. Chu Quốc Thắng. “Phương pháp phần tử hữu hạn”, NXB Khoa học kỹ
thuật, Hà Nội, 1997.
5. Đinh Văn Phong. “Phương pháp số trong cơ học”, NXB Khoa học kỹ thuật,
Hà Nội, 1997.
Tiếng Anh
6. Alexander LA, Wood J (2009). A study of low-cycle fatigue failure of a
galvanized steel lighting column. Eng Failure Anal; 16:2153–62.
7. Bisplinghoff, R. L., Ashley, H. and Halfman, R. L.: Aeroelasticity, Chapter

1, Addison-Wesley Publishing Co., Cambridge, Mass., 1955.
8. Caracoglia L, Jones NP (2006). Wind-induced failures of highway light
poles during winter storms, In: Proceedings of the ASME pressure vessels and
piping division conference. p. 23–7.
9. Das G, Chakrabarty S, Dutta AK, Das SK, Gupta KK, Ghosh RN (2006).
Failure analysis of a high mast lamp post. Eng Failure Anal; 13:1153–8.
10. Ferreira.A.J. M (2009), MATLAB Codes for Finite Element Analysis: Solids
and Structures, Springer Science & Business Media.
11. Gilani A, Whittaker A (2000). Fatigue life of steel post structures. J Struct
Eng ASCE; 126(3):322–40.
12. Gavriluta C., Spataru S., Mosincat I., Citro1 C., Candela I., Rodriguez P.
Complete methodology on generating realistic wind speed profiles based on


42

measurements. Renewable Energy & Power Quality Journal, Vol. 10, 2012, p.
828-829.
13. Hamilton HR, Riggs GS, Puckett JA (2000). Increasing damping in
cantilevered traffic signal structures. J Struct Eng ASCE; 126(4):530–7.
14. Klinger C (2014). Failures of cranes due to wind induced vibrations.
Engineering Failure Analysis, Volume 43, August 2014, p. 198–220.
15. Peil U, Behrens M (2002). Fatigue of tubular steel lighting columns under
wind load. Wind Struct; 5:463–78.
16. Pritchard BN (1984). Steel chimney oscillations: a comparative study of
their reported performance versus predictions using existing design techniques.
Eng Struct; 6:315–23.
17. Papadopoulos C.A., Dimarogonas A.D., Coupled longitudinal and bending
vibrations of a rotating shaft with an open crack, Journal of Sound and
Vibration 117 (1) (1987), 81-93.

18. Robertson AP, Hoxey RP, Short JL, Burges LR, Smith BW, Ko RHY
(2001). Wind-induced fatigue loading of tubular steel lighting columns. Wind
Struct; 4:163–76.
19. Scanlan, R.H. (1978). The action of flexible bridges under wind. 2: Buffeting
theory, J. Sound and Vibration, 60(2), 201–211.
20. Verwiebe C, Glockner A (2003). Failure of steel chimneys due to vortex
excited vibrations in the second mode. In: Proceedings of the XI ICWE. Texas
Tech University, Lubbock; 2003.
21. Xu Y-L (2013), Wind effects on cable-supported bridges, John Wiley &
Sons Singapore Pte. Ltd.
22. Chen, X., Matsumoto, M., and Kareem, A. (2000). Time Domain Flutter
and Buffeting Response Analysis of Bridges. J. Eng. Mech., ASCE 126(1), 7–16.
23. Howe, Roger E. The Fourier transform for nilpotent locally compact groups.
I. Pacific J. Math. 73 (1977), no. 2, 307--327.
24. Lin, Y. K., and Yang, J. N. (1983). Multi-mode bridge response to
windexcitations. J. Engrg. Mech., ASCE, 109(2), 586–603.