Giảm chấn cho kết cấu sử dụng hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng bán chủ động

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

NGUYỄN VĨNH PHÚC

GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU SỬ DỤNG HỆ CẢN
ĐIỀU CHỈNH CỘT CHẤT LỎNG BÁN CHỦ ĐỘNG

Chuyên ngành : KT Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số ngành

: 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, 09 – 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Trọng Phước

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Cao Văn Vui

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM,
ngày 23 tháng 08 năm 2018.

Thành phần Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Chu Quốc Thắng
2. PGS.TS Lương Văn Hải
3. PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
4. PGS.TS Đào Đình Nhân
5. TS Cao Văn Vui

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS CHU QUỐC THẮNG

TS. LÊ ANH TUẤN


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN VĨNH PHÚC

MSHV: 1670098

Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1992 ............................ Nơi sinh: Quảng Nam ..........
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng Và Cơng Nghiệp .....
Mã số : 60.58.02.08
I. TÊN ĐỀ TÀI:
GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU SỬ DỤNG HỆ CẢN ĐIỀU CHỈNH
CỘT CHẤT LỎNG BÁN CHỦ ĐỘNG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Xây dựng mơ hình kết cấu có lắp đặt hệ sTLCD (Semi Active Tuned Liquid
Column Damper), lập phương trình chuyển động chủ đạo, viết mã nguồn
chương trình tính.
2. Phân tích hiệu quả giảm dao động với việc lắp đặt hệ cản chất lỏng bán chủ
động sTLCD và hệ cản chất lỏng bị động pTLCD và khi không đặt hệ giảm
chấn khi kết cấu chịu tải điều hịa và một số chấn động đất dựa trên chương
trình tính tốn được viết bằng ngơn ngữ lập trình MATLAB.
3. Nhận xét về hệ giảm chấn sTLCD.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 26/02/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC
Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . .. năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH

PGS.TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS. LÊ ANH TUẤN
I


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và thực hiện luận văn tại Trường Đại học Bách khoa –
Đại học quốc gia TPHCM, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào
tạo Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Xây dựng và các thầy cô trực tiếp tham gia giảng dạy
đã truyền đạt những kiến thức và phương pháp học tập, nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy hướng dẫn tôi thực hiện Luận văn này,
PGS.TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC, người đã tận tình dẫn dắt và hướng dẫn tôi
ngay từ bước đầu làm quen với cơng việc nghiên cứu khoa học đến lúc hồn thành
một luận văn thạc sĩ và đã truyền đạt những kiến thức hết sức q báu cho tơi.
Bên cạnh đó, tơi cũng chân thành cám ơn tất cả thầy cô trong Khoa, Trường
đã giúp đỡ tôi khi học tập tại trường, đặc biệt các thầy cô trong Thư viện của trường
đã tạo điều kiện cho tơi tìm tài liệu để thực hiện luận văn này; và tôi cũng được gửi
đến những bạn học cùng khóa ln sát cánh bên tơi trong những ngày học tập.
Sau cùng, tôi xin cảm ơn gia đình đã tạo điều kiện cho tơi học tập và động viên
tơi những khi tơi gặp khó khăn.
Chân thành cảm ơn tất cả!

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2018

Nguyễn Vĩnh Phúc

II


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Giảm chấn cho kết cấu bằng hệ cản cột cản chất lỏng (Tuned Liquid Column

Damper-TLCD) ngày càng được quan tâm trong những năm gần đây. Một mơ hình
bán chủ động (semi-active Tuned Liquid Column Damper-sTLCD) đã được đề xuất
rất gần đây để khắc phục một số nhược điểm của hệ TLCD truyền thống. Hiệu quả
giảm chấn của hệ sTLCD thơng qua thuật tốn điều khiển có thể thay đổi độ cứng
một cách liên tục để điều chỉnh đến tần số tức thời của kết cấu.
Tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu giảm chấn dùng hệ bán chủ động, mơ
hình kết cấu để phân tích trong luận văn này bao gồm một bể chứa chất lỏng hình chữ
U được đặt ở tầng trên cùng và được kết nối với hệ kết cấu chính bằng một lị xo có
thể thay đổi được độ cứng. Kết cấu chính được mơ tả bởi sự rời rạc hóa với các chuyển
vị ngang tại sàn tầng. Biến đổi Fourier theo thời gian ngắn (Short Time Fourier
Transformation-STFT) được áp dụng để tìm miền tần số tức thời của kích động/ngoại
lực và kết hợp thuật tốn điều khiển, từ đó hệ cản bán chủ động này tự điều chỉnh độ
cứng để làm hiệu quả giảm dao động tăng lên. Phương trình chuyển động của cả hệ
chịu tải trọng động được thiết lập và được giải bằng phương pháp tích phân Newmark
trên miền thời gian, được thể hiện trên ngơn ngữ lập trình MATLAB.
Cuối cùng, kết luận được rút ra về sự hiệu quả giữa mơ hình sTLCD và 2 mơ
hình khi hệ kết cấu khơng gắn hệ cản (no-TLCD) và có hệ cản bị động TLCD, nhằm
cung cấp các thơng tin hữu ích cho việc nghiên cứu hiệu quả giảm chấn của hệ cản
cột chất lỏng trong kết cấu chịu tải trọng động.

III


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Nguyễn Vĩnh Phúc, là học viên cao học chuyên ngành Xây Dựng Dân
Dụng và Công Nghiệp, khoá 2016 Trường Đại học Bách khoa – Đại học quốc gia
Thành phố Hồ Chí Minh. Tơi cam đoan rằng, đây là luận văn do chính tơi thực hiện
dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Trọng Phước. Các kết quả trong Luận
văn được thực hiện chính xác, các nhận xét là khách quan.
Tôi xin chịu trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong luận văn của mình.

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 9 năm 2018

Nguyễn Vĩnh Phúc

IV


MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ………............................................................I
LỜI CẢM ƠN……………………...………............................................................II
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ…………………………………………….…III
MỤC LỤC………………………………………………………………………….V
DANH MỤC HÌNH VẼ………………………………………………………...VIII
DANH MỤC BẢNG BIỂU…………………………………………………...….XI
DANH MỤC KÍ HIỆU…………………………………………………………XVI
MỘT SỐ KÍ HIỆU VIẾT TẮT……………………………...……………….XVII
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU…………………………………………………….....1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ………………………………………………………………..1
1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN.…………………….……………………….5
1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN……………………….…………………....5
1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN………………………………….…………...........6
CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI………………………………………..7
2.1 Phân loại cản chất lỏng …………………………………………………….7
2.1.1 Hệ cản sử dụng sóng chất lỏng (TSD/TLD)……………………….....8
2.1.2 Hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD)…………………………….10
2.1.3 Hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng chủ động/bán chủ động……….….10
2.2 Thiết bị điều khiển bán chủ động - thiết bị thay đổi độ cứng…………...11
2.3 Tổng quan tài liệu về hệ cản cột chất lỏng bán chủ động……………….13
2.3.1 Nghiên cứu ngoài nước………………………………………………13

2.3.2 Nghiên cứu trong nước………………………………………………15
2.4 Một số ứng dụng của TLD, TLCD………………………………………..16
2.5 Kết luận chương……………………………………………………………20
CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT…………………………………………….21
3.1 Giới thiệu…………………………………………………………………...21
3.2 Nguyên tắc hoạt động của TLCD…………………………………………21
3.2.1 Mô tả toán học cho TLCD…………………………………………..22

V


3.3 Nguyên tắc hoạt động của hệ TLCD cải tiến……………………………..23
3.3.1 Mơ tả tốn học cho hệ TLCD cải tiến………………………………23
3.3.2 Xác định hàm truyền của hệ TLCD cải tiến……………………….26
3.3.3 Lựa chọn các thông số thiết kế cho hệ cản…………………………28
3.3.4 Hệ kết cấu nhiều bậc tự do với TLCD……………………………...31
3.3.5 Phương pháp giải……………………………………………………34
3.4 Nguyên tắc hoạt động của hệ TLCD bán chủ động (sTLCD)…………...35
3.4.1 Biến đổi Fourier theo thời gian ngắn……………………………….36
3.4.2 Thuật toán điều khiển……………………………………………….39
3.5 Kết luận chương……………………………………………………………40
CHƯƠNG 4 : VÍ DỤ SỐ………………………………………………………….41
4.1 Giới thiệu…………………………………………………………………...41
4.2 Kiểm chứng chương trình tính……………………………………………42
4.2.1 Bài tốn chu kỳ dao động và dạng dao động riêng………………..42
4.2.2 Bài toán kết cấu chịu tải trọng xung……………………………….43
4.2.3 Bài toán kết cấu SDOF có lắp đặt TLCD………………………….44
4.3 Phản ứng của hệ kết cấu sTLCD với tải trọng điều hòa………………...47
4.3.1 Khảo sát tỷ số tần số hệ kết cấu sTLCD với tải trọng điều hòa…..48
4.3.2 Khảo sát sự thay đổi độ cứng của lò xo kết nối trong TLCD……..51

4.3.3 Khảo sát tỷ số khối lượng    trong hệ TLCD……………………53
4.3.4 Khảo sát tỷ số khối lượng    trong hệ sTLCD…………………..55
4.3.5 Khảo sát hệ số   trong hệ sTLCD………………………………..58
4.3.6 Khảo sát hệ số   trong hệ sTLCD……………………………….59
4.4 Phản ứng của hệ kết cấu sTLCD với tải trọng động đất………………...61
4.4.1 Động đất El Centro……………………………………………….....61
4.4.2 Động đất ParkField………………………………………………….68
4.5 Kết luận chương……………………………………………………………74
CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI………….….75
5.1 Kết luận …………………………………………………………………….75
5.2 Hướng phát triển đề tài ……………………………………………….…..76
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..77

VI


LÝ LỊCH TRÍCH NGANG………………………………………………………82
PHỤ LỤC……………………………………………………………………….....83

VII


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Bản đồ phân vùng bão nhiệt đới trên Trái Đất giai đoạn 1945-2006……..2
Hình 1.2: Hệ cản bị động TMD được lắp đặt cho tòa nhà Taipei 101………………3
Hình 1.3: Thiết bị điều khiển chủ động Active-Tuned Mass Damper………………4
Hình 2.1: (a) Thiết bị giảm dao động cho tàu biển
(b) Thiết bị giảm dao động cho vệ tinh khơng gian…………………….....7
Hình 2.2: (a) Hệ cản chất lỏng TLD

(b) Hệ cản chất lỏng TLCD
(c) Hệ cản chất lỏng bán chủ động………………………….………….....8
Hình 2.3: Mơ tả hiện tượng sóng vỡ (Soong và Dargush,1997)………………….....9
Hình 2.4: Một số dạng bể chứa phổ biến cho TLD………………………………….9
Hình 2.5: Mơ tả cho hệ cản cột chất lỏng………………………………………….10
Hình 2.6: Thiết bị thay đổi độ cứng………………………………………………..11
Hình 2.7: Sơ đồ hoạt động của thiết bị SAIVS…………………………………….12
Hình 2.8: Thiết bị SAIVS trong thực tế……………………………………………13
Hình 2.9: Yokohama Marine Tower (YMT)
và Tokyo International Airport Tower (TIAT)…………………………16
Hình 2.10: Shin Yokohama Prince Hotel (SYPH)
và hệ giảm chấn TLD (Tamura và cộng sự, 1995)…………………….17
Hình 2.11: (a) Tòa nhà Comcast Building
(b) Hệ cản TLCD được lắp đặt trên đỉnh tịa nhà……………………....17
Hình 2.12: Hệ TLCD được lắp đặt trong tịa nhà One Mandison……………….…18
Hình 2.13: Hệ TLCD được lắp đặt trong tịa nhà Millennium Tower……………..19
Hình 2.14: Cầu Bãi Cháy, Quảng Ninh, Việt Nam………………………………...19

VIII


Hình 3.1: Phát họa nguyên lý hoạt động của TLCD…………………………….…22
Hình 3.2: Mơ hình kết cấu-LCD cho hệ 1 bậc tự do(F.Sakai, 1989)………………22
Hình 3.3: Mơ hình kết cấu-LCD cải tiến…………………………………………..23
Hình 3.4: Sự phụ thuộc giá trị r.m.s của chuyển vị vào giá trị  …………………29
Hình 3.5: a, Sự thay đổi giữa r.m.s của chuyển vị và  / L với T1=0.7s, So=10 cm2/s3
b, Sự thay đổi giữa r.m.s của chuyển vị và  / L với T1=0.7s, So=100 cm2/s3…30
Hình 3.6: Sơ đồ khối xác định giá trị Cp và giá trị (  / L )opt………………………31
Hình 3.7: Mơ hình kết cấu-TLCD và phân tích lực tác động lên hệ………………31
Hình 3.8: a, Mơ hình kết cấu-sTLCD 1 bậc tự do

b, Mơ hình kết cấu-sTLCD n bậc tự do…………………………………36
Hình 3.9: Phép biến đổi Fourier theo thời gian ngắn………………………………37
Hình 3.10: Sự phân chia các đoạn nhỏ tín hiệu trong STFT……………………….37
Hình 3.11: Sơ đồ đơn giản thuật tốn điều khiển…………………………………..39
Hình 3.12: Sơ đồ thuật tốn điều khiển kết hợp STFT
để xác định độ cứng của SAIVS……………………………………….39
Hình 4.1 : Tải trọng theo thời gian…………………………………………………43
Hình 4.2: Bài tốn hệ kết cấu SDOF-TLCD chịu tải trọng So……………………..45
Hình 4.3: Kết quả chuyển vị hệ kết cấu SDOF(chu kì 0.3s) của luận văn………....46
Hình 4.4: Kết quả chuyển vị hệ kết cấu SDOF(chu kì 0.3s) của bài báo…………..46
Hình 4.5: Kết quả chuyển vị hệ kết cấu SDOF(chu kì 0.7s) của luận văn…………46
Hình 4.6: Kết quả chuyển vị hệ kết cấu SDOF(chu kì 0.7s) của bài báo…………..47
Hình 4.7: Kết cấu 20 tầng-sTLCD chịu tải điều hịa……………………………....48
Hình 4.8: Tải gia tốc nền điều hịa điều hịa……………………………………….48
Hình 4.9: PSD của tải điều hịa dạng Sin…………………………………………..49
Hình 4.10: Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD, w-sTLCD với   0.5 chịu tải điều hịa……………………49
Hình 4.11: Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD, w-sTLCD với   1chịu tải điều hịa……………………….50
Hình 4.12: Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD, w-sTLCD với   2 chịu tải điều hịa……………………...50
Hình 4.13: Phổ chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD, w-sTLCD chịu tải điều hòa……………………………...….51
IX


Hình 4.14: Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD(   0.5 ) chịu tải điều hịa…………………………...………52
Hình 4.15:Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD(   1) chịu tải điều hịa……………………………………….52

Hình 4.16: Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD(   2 ) chịu tải điều hịa…………………………………..…52
Hình 4.17: Phổ chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD(   1  3 ) chịu tải điều hịa…………………………………..53
Hình 4.18: Phổ chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD(   1  8% ) chịu tải điều hịa………………………………..54
Hình 4.19: Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD,w-sTLCD(   1% ) chịu tải điều hịa………………………..55
Hình 4.20: Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD,w-sTLCD(   5% ) chịu tải điều hịa…………..…………...55
Hình 4.21: Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD,w-sTLCD(   8% ) chịu tải điều hịa……………………….55
Hình 4.22: Phổ chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD(   1  8% ) chịu tải điều hịa……………………………….56
Hình 4.23: Phổ chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-sTLCD(   1  8% ) chịu tải điều hịa………………………………56
Hình 4.24: Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD,w-sTLCD(   0.5 ) chịu tải điều hịa………………………..58
Hình 4.25: Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD,w-sTLCD(  1 ) chịu tải điều hịa…………………………..58
Hình 4.26: Chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD,w-sTLCD(   1.5 ) chịu tải điều hịa………………………...59
Hình 4.27: Phổ chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD(   0.1  1 ) chịu tải điều hịa………………………………...60
Hình 4.28: Phổ chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-sTLCD(   0.1  1 ) chịu tải điều hịa……………………………….60
Hình 4.29: Gia tốc nền trận động đất El Centro……………………………………62

X

Hình 4.30: Phổ năng lượng trận động đất El Centro……………………………….62
Hình 4.31: Phổ chuyển vị tầng 20 với no-TLCD,
w-TLCD, w-sTLCD chịu tải trọng động đất ElCentro………………...63
Hình 4.32: Phổ chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-TLCD(   0.1  1 ) sTLCD chịu tải trọng động đất ElCentro….........65
Hình 4.33: Phổ chuyển vị tầng 20 hệ kết cấu no-TLCD,
w-sTLCD(   0.1  1 ) chịu tải trọng động đất ElCentro………………..65
Hình 4.34: Chuyển vị tầng 20 với no-TLCD,w-TLCD,
w-sTLCD (   0.5 ) chịu tải trọng động đất ElCentro…………………..66
Hình 4.35: Chuyển vị tầng 20 với no-TLCD,w-TLCD,
w-sTLCD (   1 ) chịu tải trọng động đất ElCentro…………………….66
Hình 4.36: Chuyển vị tầng 20 với no-TLCD,w-TLCD,
w-sTLCD (   1.5 ) chịu tải trọng động đất ElCentro………………….66
Hình 4.37: Phổ chuyển vị tầng 20 với no-TLCD,w-TLCD,
w-sTLCD chịu tải trọng động đất ElCentro…………………………....68
Hình 4.38: Gia tốc nền trận động đất ParkField…………………………………...68
Hình 4.39: Phổ năng lượng trận động đất ParkField………………………………69
Hình 4.40: Phổ chuyển vị tầng 20 với no-TLCD, w-TLCD,
w-sTLCD chịu tải trọng động đất ParkField…………………………..69
Hình 4.41: Phổ chuyển vị tầng 20 với no-TLCD,
w-TLCD (   1  5% ) chịu tải trọng động đất ParkField…..………….71
Hình 4.42: Phổ chuyển vị tầng 20 với no-TLCD,
w-sTLCD (   1  5% ) chịu tải trọng động đất ParkField………...…..71
Hình 4.43: Chuyển vị tầng 20 với no-TLCD,w-TLCD,
w-sTLCD (   0.5 ) chịu tải trọng động đất ParkField………………..72
Hình 4.44: Chuyển vị tầng 20 với no-TLCD,w-TLCD,
XI

w-sTLCD (  1 ) chịu tải trọng động đất ParkField…………………..72
Hình 4.45: Chuyển vị tầng 20 với no-TLCD,w-TLCD,
w-sTLCD (   1 .5) chịu tải trọng động đất ParkField…………………73
Hình 4.46: Phổ chuyển vị tầng 20 với no-TLCD,w-TLCD,
w-sTLCD chịu tải trọng động đất ParkField…………………………...74

XII


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Phân loại một vài thiết bị giảm dao động cho kết cấu……………………3
Bảng 4.1: Thông số kết cấu khung 3 tầng………………………………………….42
Bảng 4.2 : Chu kỳ dao động của khung……………………………………………43
Bảng 4.3: Kiểm tra thuật toán Newmark…………………………………………..44
Bảng 4.4: Kiểm tra kết quả tính tốn của luận văn với bài báo……………………45
Bảng 4.5: Chuyển vị max của kết cấu 20 tầng với no-TLCD,
w-TLCD, w-sTLCD chịu tải điều hòa…………………………………..51
Bảng 4.6: Chuyển vị đỉnh tốt nhất ứng với   1  8% chịu tải điều hòa………….54
Bảng 4.7: Chuyển vị đỉnh tốt nhất ứng với   1  8% (w-TLCD)
chịu tải điều hòa…………………………………………………………57
Bảng 4.8: Chuyển vị đỉnh tốt nhất ứng với   1  8% (w-sTLCD)
chịu tải điều hòa…………………………………………………………57
Bảng 4.9: Chuyển vị đỉnh tốt nhất ứng với   0.5  1
chịu tải điều hòa…………………………………………………………59
Bảng 4.10: Chuyển vị đỉnh max ứng với   1  8% (w-TLCD)
chịu tải trọng động đất ElCentro………………………………………..63

Bảng 4.11: Chuyển vị đỉnh max ứng với   1  8% (w-sTLCD)
chịu tải trọng động đất ElCentro………………………………………..64
Bảng 4.12 Chuyển vị đỉnh tốt nhất ứng với   0.5  1

chịu tải trọng động đất ElCentro………………………………………..67
Bảng 4.13: Chuyển vị đỉnh max ứng với   1  8% (w-TLCD)
chịu tải trọng động đất ParkField……………………………………………...70

Bảng 4.14: Chuyển vị đỉnh max ứng với   1  8% (w-sTLCD)
chịu tải trọng động đất ParkField……………………………………….70
Bảng 4.15: Chuyển vị đỉnh tốt nhất ứng với   0.5  1
chịu tải trọng động đất ParkField……………………………………….73

XIII


DANH MỤC KÍ HIỆU
K(t)

Độ cứng của thiết bị bán chủ động SAIVS theo thời gian t

Ke

Độ cứng của lò xo trong thiết bị bán chủ động SAIVS



Góc mở của lị xo trong thiết bị bán chủ động SAIVS

B

Khoảng cách ngang của bể chứa chất lỏng hình chữ U

L

Chiều dài của cột chất lỏng trong bể



Hệ số Headloss hay độ mở của van trong bể

Mc

Khối lượng của bể chứa chất lỏng



Trọng lượng riêng của chất lỏng trong bể

A

Tiết diện ngang của 1 nhánh bể chữ U

A1

Tiết diện ngang của van mở trong bể chữ U

g

Gia tốc trọng trường

Ms

Khối lượng của kết cấu chính

Ks

Độ cứng của kết cấu chính

Cs

Độ cản của kết cấu chính


z (t )

Gia tốc của nền đất theo thời gian t

u(t )

Gia tốc của chất lỏng theo thời gian t


x (t )

Gia tốc của kết cấu chính theo thời gian t


y (t )

Gia tốc của bể chất lỏng theo thời gian t

u (t )

Vận tốc của chất lỏng theo thời gian t

x (t )

Vận tốc của kết cấu chính theo thời gian t

y (t )

Vận tốc của bể chất lỏng theo thời gian t

u (t )

Chuyển vị của chất lỏng theo thời gian t

XIV


x (t )

Chuyển vị của kết cấu chính theo thời gian t

y (t )

Chuyển vị của bể chất lỏng theo thời gian t

Cp

Hệ số cản tuyến tính tương đương của chất lỏng trong bể

 u

Độ lệch chuẩn của vận tốc chất lỏng trong bể

x

Độ lệch chuẩn của chuyển vị kết cấu chính

L

Tần số tự nhiên của chất lỏng trong bể

1

Tần số tự nhiên ở mode dao động đầu tiên của kết cấu chính

 inst

Tần số tự nhiên tức thời của kết cấu chính

id

Tần số tự nhiên trung bình của kết cấu chính

2

Tần số tự nhiên của bể chất lỏng



Tỷ số B / L

k2

Độ cứng của lò xo kết nối trong hệ TLCD bị động

c2

Độ cản của lò xo kết nối trong hệ TLCD bị động



Tỷ số M c /  AL

1

Tỷ số cản của hệ chính

2

Tỷ số cản của hệ cản



Tỷ số khối lượng giữa hệ cản và kết cấu chính

X ( )

Biến đổi Laplace theo thời gian của x (t )

Y ( )

Biến đổi Laplace theo thời gian của y (t )

U ( )

Biến đổi Laplace theo thời gian của U (t )

Z()

Biến đổi Laplace theo thời gian của 
z (t )

H 1 ( )

Hàm truyền thể hiện mối liên hệ giữa chuyển vị hệ kết cấu 1 bậc tự do
và tải trọng gia tốc nền

XV


H 2 ( )

Hàm truyền thể hiện mối liên hệ giữa chuyển vị của hệ kết cấu 1 bậc
tự do (khi bể không chuyển động) tới tải trọng gia tốc nền

H x ( )

Hàm truyền thể hiện mối liên hệ giữa chuyển vị kết cấu tới tải trọng
gia tốc nền

H y ( )

Hàm truyền thể hiện mối liên hệ giữa chuyển vị của bể chất lỏng tới
tải trọng gia tốc nền

H u ( )

Hàm truyền thể hiện mối liên hệ giữa chuyển vị chất lỏng tới tải trọng
gia tốc nền

So

Cường độ phổ của White Noise

S x ( )

Cường độ phổ của chuyển vị kết cấu chính

S u ( )

Cường độ phổ của vận tốc chất lỏng trong bể



Tỷ số điều chỉnh

P (t ,  )

Hàm mật độ năng lượng phổ

w( t )

Hàm cửa sổ

X ( n, k )

Biến đổi Fourier rời rạc của chuỗi tín hiệu

XVI


MỘT SỐ KÍ HIỆU VIẾT TẮT
TLD

Tuned Liquid Damper

Cản chất lỏng

TLCD

Tuned Liquid Column Damper

Cản cột chất lỏng

sTLCD

Semi-Active Tuned Liquid Column Damper

Cản cột chất lỏng
bán chủ động

TSD

Tuned Sloshing Damper

Cản sóng chất lỏng

SAIVS

Semi-Active continuously Cản chất lỏng

Thiết bị điều khiển

and independently variable stiffness device

thay đổi độ cứng

Semi-Active Tuned Mass Damper

Cản khối lượng

sTMD

bán chủ động
STFT

Short Time Fourier Transform

Biến đổi Fourier theo
thời gian ngắn

PSD

Power Spectral Density

XVII

Năng lượng phổ


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong suốt thời gian tồn tại, cơng trình xây dựng có thể chịu sự tác động từ các
tác nhân nguy hiểm bên ngồi như gió bão hoặc động đất. Đây là những hiện tượng
tự nhiên diễn ra khá nhiều ở khắp nơi trên thế giới với số lượng và cường độ khác
nhau, đặc biệt là động đất. Việc dự báo động đất xảy ra khi nào, độ lớn bao nhiêu là
bài tốn khó và ít liên quan đến ngành kết cấu cơng trình xây dựng. Lịch sử đã từng
ghi nhận những trận động đất lớn gây ra thiệt hại vô cùng lớn về nhân mạng và tài
sản. Gần đây tại Nepal ghi nhận trận động đất mạnh 7.9 độ Richter làm ít nhất 2500
người thiệt mạng sau thảm họa và động đất cũng xuất hiện với mật độ tương đối dày
trên thế giới. Nước ta may mắn nằm trong khu vực địa lý chịu ít ảnh hưởng của động
đất mạnh.
Tuy vậy, Việt nam cũng đã ghi nhận từng xảy ra nhiều trận động đất có cường
độ lớn nhỏ khác nhau, trong đó có 2 trận động đất cấp VIII, 11 trận cấp VII và 60 trận
cấp VI (thang cường độ MSK-64). Với các trận động đất có độ lớn như trên, nó có
thể gây tác động nguy hiểm hơn lên các cơng trình xây dựng. Mặc khác, Việt Nam
lại nằm trong khu vực hoạt động mạnh của bão nhiệt đới như trên Hình 1.1. Dù khơng
có sức phá hoại lớn như động đất nhưng gió bão là một trong những tác nhân gây ra
nguy hiểm cho cơng trình xây dựng, có thể làm giảm sự an tồn đặc biệt đối với cơng

trình xây dựng nhiều tầng.

Chương 1: Giới thiệu

1


Hình 1.1: Bản đồ phân vùng bão nhiệt đới trên Trái Đất giai đoạn 1945-2006 [37]
Trong những năm gần đây, việc xây dựng các tòa nhà nhiều tầng hơn ở các thành
phố lớn ngày càng nhiều nhất là các chung cư và cao ốc văn phòng. Cùng với việc sử
dụng vật liệu nhẹ, có độ bền cao hơn và các kỹ thuật xây dựng tiên tiến làm cho kết
cấu ngày càng nhẹ hơn, thanh mảnh hơn và tất nhiên tần số dao động riêng thấp hơn.
Những cơng trình như vậy có thể nhạy hơn với kích động bên ngồi như gió và động
đất do dao động chậm hơn.
Đối với kết cấu cơng trình xây dựng, một trong những thách thức là giảm chuyển
vị (tất nhiên giảm nội lực bên trong) của kết cấu khi có ngoại lực động tác động để
đảm bảo sự an toàn hơn cho kết cấu chịu lực. Một hướng nghiên cứu rất thời sự để
làm giảm phản ứng động này là sử dụng thiết bị làm giảm dao động; những hướng
khác cũng được quan tâm như tăng kích thước cấu kiện, tăng độ cứng,… nhưng ít
hiệu quả do phải tăng trọng lượng bản thân dẫn đến lực quán tính do tải trọng động
gây ra càng lớn. Thiết bị làm giảm dao động cho kết cấu có thể được phân thành ba
nhóm chính: Hệ cơ lập địa chấn (Seismic Isolation Systems), hệ tiêu tán năng lượng
bị động (Passive Energy Dissipation Systems), và hệ điều khiển chủ động/bán chủ
động (Semi-Active and Active Control), phân loại một vài thiết bị giảm dao động được
thể hiện trong Bảng 1.1 (Soong và Dargush, 1997).
Chương 1: Giới thiệu

2

Bảng 1.1: Phân loại một vài thiết bị giảm dao động cho kết cấu
Tiêu tán năng lượng

Hệ điều khiển bán chủ

bị động
Hệ cản kim loại

động/bị động
Hệ giằng chủ động

Gối đàn hồi

(Metallic Dampers)

(Active Bracing Systems)

(Elastomeric Bearings)

Hệ cản ma sát

Hệ cản khối lượng bán

(Friction Dampers)

chủ động/chủ động

Hệ cản đàn nhớt

(Semi-Active/Active Mass

Gối cao su - chì

(Viscoelastic Dampers)

Dampers)

(Lead Rubber Bearings)

Hệ cản chất lỏng nhớt

Hệ có thay đổi độ cứng

(Viscous Fluid Dampers)

hoặc tính cản

Hệ cản khối lượng

(Variable Stiffness or

Gối ma sát trượt

(Tuned Mass Dampers)

Damping Systems)

(Sliding Friction Pendulum)

Hệ cản chất lỏng

Vật liệu thông minh

(Tuned Liquid Dampers)

(Smart Materials)

Cô lập địa chấn

Hệ cô lập là loại thiết bị cách ly kết cấu với kích động dưới nền móng (động đất)
và thường được đặt tại chân (móng) của cơng trình. Hệ điều khiển bị động khơng u
cầu năng lượng để hoạt động. Các thiết bị này rất đáng tin cậy vì ít bị ảnh hưởng bởi
các tác nhân bên ngoài. Chúng phân tán năng lượng sử dụng dao động của chính bản
thân cơng trình để tạo ra chuyển động của thiết bị hoặc chuyển hóa động năng thành
nhiệt. Một ưu điểm của thiết bị này là yêu cầu bảo trì thấp.

Hình 1.2: Hệ cản bị động TMD được lắp đặt cho tòa nhà Taipei 101 [38]
Chương 1: Giới thiệu

3


Hệ điều khiển chủ động yêu cầu một nguồn năng lượng bên ngoài tác động vào,
khoảng hàng chục kilowatts để vận hành các cảm biến cung cấp lực điều khiển cho
cơng trình. Chúng tự tìm lực phản ứng của cơng trình để xác định lực điều khiển cần
thiết. Các thiết bị này hoạt động hiệu quả hơn các thiết bị bị động vì chúng có khả
năng thích ứng với các điều kiện tải trọng khác nhau và điều khiển các mode dao
động khác nhau. Tuy nhiên do tốn nhiều năng lượng để vận hành nên chúng không
đáng tin cậy khi động đất xảy ra. Chi phí lắp đặt và bảo trì đắt hơn so với các thiết bị
bị động. Hơn nữa hiện tương “trễ” trong ứng xử làm cho việc điều khiển ít hiệu quả

do thời gian tác dụng rất ngắn để hệ cung cấp lực làm cho thiết bị chủ động chưa
được phổ biến và tương đối khó trong thực tiễn ở thời điểm này, có lẽ dạng này dành
cho tương lai nhiều hơn.

Hình 1.3: Thiết bị điều khiển chủ động Active-Tuned Mass Damper [39]

Hệ điều khiển bán chủ động không trực tiếp tạo lực vào hệ điều khiển mà dùng
tính chất cơ lý có thể điều chỉnh được để tăng khả năng hoạt động. Sự thay đổi tính
chất cơ học của hệ dựa vào tác động nhỏ của lực kích thích bên ngồi. Vì lực ngồi
tác dụng vào chỉ gây biến đổi tính chất của thiết bị như độ cứng và tính cản nên năng
lượng để thiết bị này hoạt động không nhiều. Ưu điểm của hệ này tốn ít năng lượng,
ổn định và đáng tin cậy vì chúng hoạt động như thiết bị bị động khi mất năng lượng
nhưng hiệu quả cũng chưa thật sự cao và các mơ hình cũng cịn phức tạp.

Qua q trình tìm hiểu về hệ cản chất lỏng (Tuned Liquid Damper) từ các tài liệu
tham khảo, có thể thấy rằng các nghiên cứu có liên quan hiện tại chủ yếu tập trung
Chương 1: Giới thiệu

4


vào các mơ hình TLD truyền thống. Những năm gần đây, trong nước đã có một số
cơng bố liên quan đến hệ cản chất lỏng, trong đó có hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng
(TLCD) nhưng đều là những hệ cản bị động. Cho đến nay, qua danh mục tài liệu tham
khảo trong nước, chưa có cơng bố liên quan đến hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng bán
chủ động (sTLCD). Do đó luận văn này tìm hiểu hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng bán
chủ động để lắp lên kết cấu, từ đó đánh giá hiệu quả giảm dao động do sTLCD mang
lại cho kết cấu.

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Mục tiêu của luận văn là đánh giá hiệu quả giảm dao động của sTLCD mang lại
cho kết cấu chịu tải trọng động và gia tốc nền của động đất. Các nhiệu vụ cụ thể hơn
được thể hiện như sau:
- Tìm hiểu mơ hình TLCD và mơ hình sTLCD: mô tả thiết bị thay đổi độ cứng
và tác động của nó đến hệ cản, cơ chế thay đổi độ cứng.
- Xây dựng mơ hình kết cấu gắn hệ cản sTLCD: Thiết lập phương trình vi phân
chuyển động cho hệ kết cấu có gắn sTLCD, hệ kết cấu được xem xét trong luận
văn này là hệ kết cấu khung phẳng với các bậc tự do là chuyển vị ngang tại các
sàn tầng, liên kết giữa kết cấu với đất là liên kết ngàm cứng, khối lượng tầng được
quy về độ cao sàn và bỏ qua khối lượng các cột.
- Viết chương trình máy tính để giải quyết mục tiêu đặt ra: Xây dựng thuật tốn,
lập trình bằng ngơn ngữ MATLAB, kiểm chứng chương trình.
- Khảo sát các thơng số ảnh hưởng đến hiệu quả giảm dao động của hệ sTLCD:
tỷ số khối lượng (  ), tỷ số chiều rộng cột nước trên chiều dài cột nước (  ), tỷ
số điều chỉnh (  ), tỷ số tần số (  ), hệ số (  ).

1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
Luận văn này theo hướng nghiên cứu lý thuyết và phân tích số liệu thu được từ
kết quả lập trình tính tốn bằng ngơn ngữ lập trình MATLAB. Mơ hình cơ học tương
đương được sử dụng để mơ tả ứng xử của sTLCD. Phương trình chuyển động của hệ
kết cấu-sTLCD được thiết lập dựa vào cân bằng lực và được giải bằng phương pháp
Newmark-Gia tốc trung bình. Tải trọng động tác dụng lên hệ kết cấu là tải trọng điều

Chương 1: Giới thiệu

5


hòa và gia tốc nền động đất. Kết quả thu được phần nào được kiểm chứng với các
công bố trước đó và dùng để đánh giá hiệu quả giảm chấn.

1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Luận văn bao gồm 5 chương, tóm tắt nội dung các chương được sơ lược như sau.
Chương đầu tiên giới thiệu sơ lược về đề tài, nêu ra vấn đề giảm dao động cho kết
cấu và lựa chọn đề tài. Chương 2 trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu liên
quan đến đề tài với những nghiên cứu đã có liên quan đến hệ cản chất lỏng (TLD),
cản cột chất lỏng (TLCD), cản khối lượng bán chủ động (sTMD) và giới thiệu một
vài ứng dụng của TLCD, sTMD trong thực tế; nội dung được tìm hiểu từ các tài liệu
tham khảo chủ yếu là bài báo ở nước ngoài. Cơ sở lý thuyết liên quan đến sTLCD,
mô tả thiết bị thay đổi độ cứng được sử dụng cho luận văn được trình bày chi tiết
trong chương 3, chương này cũng thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho hệ
kết cấu-sTLCD và trình bày phương pháp giải và xây dựng thuật tốn để giải phương
trình vi phân chuyển động, đồng thời xây dựng thuật toán điều khiển cho thiết bị bán
chủ động. Chương 4 của luận văn thực hiện các ví dụ số để đánh giá hiệu quả giảm
dao động cho kết cấu bằng sTLCD; Khảo sát các thơng số có ảnh hưởng đến hiệu quả
của sTLCD. Cuối cùng, kết quả thu được về đánh giá hiệu quả giảm dao động của
sTLCD qua các thông số khảo sát và hướng phát triển đề tài được trình bày trong
chương 5. Danh mục tài liệu tham khảo và mã nguồn chương trình máy tính được in
trong phần phụ lục của Luận văn.

Chương 1: Giới thiệu

6