Thiết kế tối ưu vị trí đặt hệ cản chất lỏng nhớt cho công trình chịu tải trọng động đất
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.93 MB, 112 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
HUỲNH LÊ EM
THIẾT KẾ TỐI ƯU VỊ TRÍ ĐẶT HỆ CẢN CHẤT LỎNG NHỚT
CHO CƠNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
Chun ngành: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP
Mã số: 605820
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2015
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM
Cán bộ hướng dẫn :
PGS. TS. CHU QUỐC THẮNG
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. NGUYỄN VĂN HIẾU
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 28 tháng 08 năm 2015.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. ĐỖ KIẾN QUỐC
2. TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC
3. TS. NGUYỄN VĂN HIẾU
4. PGS. TS. LÊ VĂN CẢNH
5. TS. NGUYỄN HỒNG ÂN
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
-------------------------------
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HUỲNH LÊ EM
MSHV: 12216025
Ngày, tháng, năm sinh: 11 / 02/ 1990
Nơi sinh: Hậu Giang
n
Chuyên ngành:
n t nh
n
n
n N hi
Mã số: 605820
I. TÊN ĐỀ TÀI:
“THIẾT KẾ TỐI ƯU VỊ TRÍ ĐẶT HỆ CẢN CHẤT LỎNG NHỚT
CHO CƠNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT”
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Phân tích kết cấu với mơ hình phần tử hữu hạn có lắp đặt h cản chất lỏng
nhớt để chịu tải t ọn độn đất.
- So sánh kết quả đạt được với các hần mềm và m h nh khác.
- Thiết kế tối ưu vị t í đặt h cản chất lỏn nhớt.
- Đưa a nhận xét, kết luận.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/2014
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/2015
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
PGS. TS. CHU QUỐC THẮNG
Nội un và Đề cươn Luận văn thạc sĩ đã được Hội đồn
hu ên n ành th n qua.
Tp.HCM, ngày
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
tháng
năm 2015
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHUYÊN NGÀNH
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình học tập và rèn luyện tại trƣờng Đại Học Trƣờng Đại Học Bách
Khoa – Thành Phố Hồ Chí Minh. Đặc biệt là trong thời gian thực hiện luận văn, tôi
đã nhận đƣợc sự quan tâm, hỗ trợ, động viên và giúp đỡ của thầy cô, gia đình và
bạn bè. Tơi đã hồn thành luận văn theo đúng kế hoạch của Phòng Đào Tạo Sau Đại
Học Trƣờng Đại Học Bách Khoa – Thành Phố Hồ Chí Minh.
Để có đƣợc những kiến thức cần thiết và quý báo để hồn thành luận văn, tơi
đã nhận đƣợc sự truyền đạt và hƣớng dẫn từ tất cả thầy cô giảng dạy chun ngành.
Hơm nay khi hồn thành luận văn, tôi xin chân thành cám ơn tất cả thầy cô giảng
dạy chuyên ngành đã giúp đỡ tôi khi học tập cũng nhƣ thực hiện luận văn này. Đặc
biệt tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn chính PGS.TS CHU
QUỐC THẮNG và thầy ThS. PHẠM NHÂN HÕA đã tận tình chỉ bảo và truyền
đạt những kiến thức quý báu cho tôi cũng nhƣ hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt thời
gian vừa qua.
Tôi cũng chân thành cảm ơn các thầy cô trong thƣ viện trƣờng Đại Học Bách
Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu tài liệu để thực
hiện luận văn này và những bạn học cùng khóa đã ln quan tâm và có những hỗ
trợ quan trọng để giúp tơi có động lực vƣợt qua những khó khăn trong học tập và
cuộc sống.
Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tơi, gia đình đã tạo điều
kiện cho tôi học tập và là nguồn động viên tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn tất cả!
Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2015
–i–
TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn xây dựng mơ hình cơ học, phƣơng trình vi phân chuyển động, và
thuật giải tìm đáp ứng của hệ kết cấu đƣợc trang bị hệ cản chất lỏng nhớt (VFD) tại
mỗi tầng theo mơ hình phần tử hữu hạn (Finite Element Model – FEM). Thuật giải
phƣơng trình vi phân chuyển động của hệ kết cấu đƣợc dựa trên phƣơng pháp số
Newmark và đƣợc hiệu chỉnh sao cho phù hợp với hệ kết cấu sử dụng loại hệ cản
này. Sau đó, luận văn xây dựng thuật tốn tối ƣu vị trí đặt hệ cản và chỉ ra thứ tự đặt
hệ cản vào cơng trình.
Trong phần ví dụ tính tốn minh họa, luận văn phân tích đáp ứng động lực
học của các bài toán kết cấu mẫu ứng 9 tầng và 20 tầng đuợc làm bằng thép khi có
sử dụng hoặc khơng sử dụng hệ cản VFD với các dạng tải trọng khác nhau. Sau đó,
luận văn áp dụng thuật tốn tối ƣu để tìm vị trí tối ƣu cho hệ cản trong cơng trình.
Từ đó, luận văn đƣa ra các kiến nghị về cách thức đặt hệ cản vào cơng trình một
cách tối ƣu.
ABSTRACT
The thesis presents the computational model, governing motion equation,
and algorithm for structures equipped with viscous fluid dampers (VFD) using
General Approach. The algorithm is based on the Newmark numerical method and
modified in order to be suited for the smart structures. After that, the thesis presents
the method for the design of optimal damper locations in structures.
In the numerical examples, the thesis analyzes the dynamic responses of
these 9 storeys, and 20 storeys steel structures when they are in no control or
passive control with various external loads. The thesis uses the method for the
design of optimal damper locations in structures. As a result of this, the thesis
proposes the way to add dampers in structure optimally.
– ii –
LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên : Huỳnh Lê Em, là học viên cao học chun ngành Xây Dựng Cơng trình
Dân Dụng và Cơng Nghiệp, khố 2012 đợt 2 trƣờng Đại Học Bách Khoa Thành
Phố Hồ Chí Minh. Tơi xin cam đoan rằng, đây là luận văn do chính tơi thực hiện.
Các số liệu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố,
sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Các thông tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn
này đã đƣợc ghi rõ nguồn gốc. Tơi xin chịu trách nhiệm hồn tồn về kết quả
nghiên cứu trong luận văn của mình.
Học viên
HUỲNH LÊ EM
– iii –
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... ii
ABSTRACT .............................................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................x
CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ..................................................................1
1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................ 1
1.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc .................................................................. 9
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ................................................................ 11
1.4. Sự cần thiết của luận văn ............................................................................. 12
1.5. Mục tiêu của luận văn .................................................................................. 13
1.6. Tổ chức và nội dung luận văn ..................................................................... 13
CHƢƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................14
2.1. Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Damper – VFD) .............................. 14
2.1.1.
Tổng quan hệ cản VFD .....................................................................14
2.1.2.
Cấu tạo hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Dampers-VFD) ........16
2.1.3.
Các ƣu điểm của hệ cản VFD ............................................................18
2.2. Mơ hình phần tử hữu hạn (FEM) có trang bị hệ cản VFD. ......................... 19
2.2.1.
Mơ hình phần tử hữu hạn (Finite Element Model – FEM) ...............19
2.2.2.
Nội lực trong thanh ............................................................................20
2.2.3.
Mơ hình tính tốn cơ học...................................................................21
– iv –
2.2.4.
Phƣơng trình vi phân chuyển động ...................................................22
2.2.5.
Thuật tốn giải phƣơng trình chuyển động .......................................22
2.3. Thuật tốn để thiết kế tối ƣu vị trí đặt hệ cản VFD: The Simplified
Sequential Search Algorithm (SSSA). .................................................................. 26
CHƢƠNG 3.
CÁC VÍ DỤ TÍNH TỐN ...........................................................27
3.1. Cơng trình 9 tầng ......................................................................................... 27
3.1.1.
Mơ tả kết cấu .....................................................................................27
3.1.2.
Khảo sát đáp ứng kết cấu với tải trọng động đất Elcentro ................28
3.1.3.
Tối ƣu vị trí đặt cản với tải trọng động đất Elcentro .........................35
3.1.4.
Tìm thứ tự ƣu tiên các tầng đặt hệ cản với tải trọng động đất Elcentro
...........................................................................................................39
3.1.5.
Khảo sát đáp ứng kết cấu với tải trọng động đất Kobe .....................43
3.1.6.
Tìm thứ tự ƣu tiên các tầng đặt hệ cản với tải trọng động đất Kobe .47
3.2. Cơng trình 20 tầng ....................................................................................... 52
3.2.1.
Mô tả kết cấu .....................................................................................52
3.2.2.
Đáp ứng kết cấu với tải trọng động đất Elcentro ..............................54
3.2.3.
Tối ƣu vị trí đặt hệ cản với tải trọng động đất Elcentro ....................57
3.2.4.
Đáp ứng kết cấu với tải trọng động đất Kobe ...................................61
3.2.5.
Tối ƣu vị trí đặt hệ cản với tải trọng động đất Kobe .........................64
CHƢƠNG 4.
KẾT LUẬN ...................................................................................68
4.1. Kết luận........................................................................................................ 68
4.2. Hƣớng phát triển đề tài ................................................................................ 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................69
–v–
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Hệ cơ lập móng (Base isolation).................................................................3
Hình 1-2: Điều khiển bị động với Buckling Restrained Brace ...................................4
Hình 1-3: Điều khiển bị động với Oil Dampers ..........................................................4
Hình 1-4: Điều khiển bị động với Tuned Mass Dampers ...........................................5
Hình 1-5: Điều khiển với Tuned Liquid column dampers ..........................................6
Hình 1-6: Điều khiển bị động với Friction Dampers ..................................................6
Hình 1-7: Điều khiển bị động với Viscous Fluid Dampers ........................................7
Hình 1-8: Những thành phần cơ bản của vòng lặp trong điều khiển chủ động. .........8
Hình 1-9: Điều khiển hỗn hợp giữa chủ động hoặc bán chủ động và cách ly dao
động .............................................................................................................................9
Hình 1-10: Sơ đồ tổng quan về điều khiển kết cấu .....................................................9
Hình 2-1: Cơng trình Wallace F. Bennett Federal Building trang bị VFD ...............15
Hình 2-2: Cơng trình San Francisco Civic Center ....................................................15
Hình 2-3: Nguyên lý hoạt động của hệ cản VFD ......................................................16
Hình 2-4: Cấu tạo hệ cản VFD ..................................................................................16
Hình 2-5: Hệ cản VFD đƣợc gắn theo dạng hệ giằng chéo ......................................17
Hình 2-6: VFD đƣợc gắn theo phƣơng ngang ..........................................................18
Hình 2-7: Hệ cản VFD đƣợc sử dụng nhƣ là thiết bị cách ly dao động ....................18
Hình 2-8: Mơ hình phần tử hữu hạn ..........................................................................19
Hình 2-9: Phần tử mẫu khung phẳng tổng quát ........................................................19
Hình 2-10: Nội lực trong thanh .................................................................................20
Hình 2-11: Kết cấu nhiều bậc tự do sử dụng hệ cản VFD ........................................21
Hình 2-12: Lƣu đồ thuật toán PHƢƠNG PHÁP SỐ để giải phƣơng trình vi phân ..25
Hình 2-13: Lƣu đồ thuật tốn theo phƣơng pháp SSSA ...........................................26
Hình 3-1: Cơng trình 9 tầng ......................................................................................27
Hình 3-2: Gia tốc nền của tải trọng Elcentro ............................................................29
Hình 3-3: Lực sinh ra khi cơng trình chịu tải trọng Elcentro ....................................29
Hình 3-4: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh khi khơng điều khiển .................................29
Hình 3-5: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh khi điều khiển ............................................30
– vi –
Hình 3-6: Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh khi khơng điều khiển ......................................30
Hình 3-7: Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh khi điều khiển .................................................30
Hình 3-8: Đáp ứng lực cắt chân cột khi khơng điều khiển .......................................31
Hình 3-9: Đáp ứng lực cắt chân cột khi điều khiển ..................................................31
Hình 3-10: Đáp ứng moment chân cột khi khơng điều khiển ...................................31
Hình 3-11: Đáp ứng moment chân cột khi điều khiển ..............................................32
Hình 3-12: Đáp ứng lực cản theo thời gian ...............................................................32
Hình 3-13: Đáp ứng chu trình tiêu tán năng lƣợng VFD ..........................................32
Hình 3-14: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng khi không điều khiển ..................33
Hình 3-15: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng khi điều khiển .............................33
Hình 3-16: Đáp ứng độ dạt tầng ................................................................................33
Hình 3-17: Đáp ứng độ dạt tầng khi..........................................................................33
Hình 3-18: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh ..................................................................37
Hình 3-19: Đáp ứng gia tầng đỉnh.............................................................................37
Hình 3-20: Đáp ứng lực cắt chân cột ........................................................................37
Hình 3-21: Đáp ứng moment chân cột ......................................................................38
Hình 3-22: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất tại các tầng ................................................38
Hình 3-23: Đáp ứng độ dạt tầng ................................................................................38
Hình 3-24: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh ..................................................................41
Hình 3-25: Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh .......................................................................41
Hình 3-26: Đáp ứng lực cắt chân cột ........................................................................41
Hình 3-27: Đáp ứng moment chân cột ......................................................................42
Hình 3-28: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng .....................................................42
Hình 3-29: Đáp ứng độ dạt tầng ................................................................................42
Hình 3-30: Gia tốc đất nền tải trọng Kobe ................................................................44
Hình 3-31: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh ..................................................................44
Hình 3-32: Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh .......................................................................44
Hình 3-33: Đáp ứng lực cắt chân cột ........................................................................45
Hình 3-34: Đáp ứng moment chân cột ......................................................................45
Hình 3-35: Đáp ứng lực cản VFD theo thời gian ......................................................45
– vii –
Hình 3-36: Đáp ứng chu trình tiêu tán năng lƣợng ...................................................46
Hình 3-37: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng .....................................................46
Hình 3-38: Đáp ứng độ dạt tầng ................................................................................46
Hình 3-39: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh ..................................................................49
Hình 3-40: Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh .......................................................................49
Hình 3-41: Đáp ứng lực cắt chân cột ........................................................................49
Hình 3-42: Đáp ứng moment chân cột ......................................................................50
Hình 3-43: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng .....................................................50
Hình 3-44: Đáp ứng độ dạt tầng ................................................................................50
Hình 3-45: Cơng trình 20 tầng ..................................................................................52
Hình 3-46: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh ..................................................................55
Hình 3-47: Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh .......................................................................55
Hình 3-48: Đáp ứng lực cắt chân cột ........................................................................55
Hình 3-49: Đáp ứng moment chân cột ......................................................................56
Hình 3-50: Đáp ứng lực cản VFD .............................................................................56
Hình 3-51: Chuyển vị lớn nhất các tầng ...................................................................56
Hình 3-52: Đáp ứng độ dạt tầng ................................................................................56
Hình 3-53: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh ..................................................................59
Hình 3-54: Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh .......................................................................59
Hình 3-55: Đáp ứng lực cắt chân cột ........................................................................59
Hình 3-56: Đáp ứng moment chân cột ......................................................................60
Hình 3-57: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng .....................................................60
Hình 3-58: Đáp ứng độ dạt tầng ................................................................................60
Hình 3-59: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh ..................................................................62
Hình 3-60: Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh .......................................................................62
Hình 3-61: Đáp ứng lực cắt chân cột ........................................................................62
Hình 3-62: Đáp ứng moment chân cột ......................................................................63
Hình 3-63: Đáp ứng lực cản VFD theo thời gian ......................................................63
Hình 3-64: Chuyển vị lớn nhất các tầng ...................................................................63
Hình 3-65: Đáp ứng độ dạt tầng ................................................................................63
– viii –
Hình 3-66: Đáp ứng chuyển vị tầng đỉnh ..................................................................66
Hình 3-67: Đáp ứng gia tốc tầng đỉnh .......................................................................66
Hình 3-68: Đáp ứng lực cắt chân cột ........................................................................66
Hình 3-69: Đáp ứng moment chân cột ......................................................................67
Hình 3-70: Đáp ứng chuyển vị lớn nhất các tầng .....................................................67
Hình 3-71: Đáp ứng độ dạt tầng ................................................................................67
– ix –
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1. Một số cơng trình điển hình sử dụng hệ cản VFD hiện nay ....................14
Bảng 2-2. Thông số kỹ thuật của hệ cản VFD ..........................................................17
Bảng 3-1: Đặc trƣng của kết cấu 9 tầng ....................................................................28
Bảng 3-2: Bảng sai số giữa các mơ hình với mơ hình FEM .....................................34
Bảng 3-3: Thứ tự ƣu tiên đặt hệ cản..........................................................................36
Bảng 3-4: Thứ tự ƣu tiên đặt hệ cản..........................................................................40
Bảng 3-5: Thứ tự ƣu tiên đặt hệ cản..........................................................................48
Bảng 3-6: Đặc trƣng của kết cấu 20 tầng ..................................................................53
Bảng 3-7: Thứ tự ƣu tiên đặt hệ cản..........................................................................58
Bảng 3-8: Thứ tự ƣu tiên đặt hệ cản..........................................................................65
–x–
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CHƢƠNG 1.
1.1.
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Giới thiệu chung
Ngày nay, q trình đơ thị hóa và cơng nghiệp hóa đang chuyển biến một
cách mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội. Bên cạnh đó, dân số tăng
nhanh và tập trung đông đúc ở các thành phố lớn địi hỏi phải có những giải pháp
thích hợp để giải quyết các vấn đề an sinh xã hội và đặc biệt là nhu cầu chỗ ở cho
ngƣời dân. Vì vậy, các cơng trình nhà cao tầng ngày càng xuất hiện nhiều để giải
quyết các vấn đề trên. Tuy nhiên, sự phát triển của xã hội lại có những tác động tiêu
cực đến mơi trƣờng, q trình biến đổi khí hậu đi kèm với những thảm hỏa thiên
nhiên xuất hiện với tần suất ngày càng cao. Yêu cầu đặt ra cho các kỹ sƣ thiết kế là
thiết kế các cơng trình cao tầng thỏa mãn các u cầu kỹ thuật và có khả năng chịu
đƣợc các tác động của tự nhiên, các thảm hỏa do biến đổi khí hậu gây ra đặc biệt là
động đất và sóng thần. Chính vì vậy, lĩnh vực điều khiển dao động đã và đang đƣợc
đƣa vào các thiết kế thực tế để tăng khả năng kháng chấn cho cơng trình trên khắp
thế giới.
Đất nƣớc Việt Nam không thuộc khu vực chịu ảnh hƣởng nhiều từ các trận
động đất. Những trận động đất xảy ra trong qua khứ tập trung chủ yếu ở Bắc bộ và
một số khu vực của Trung bộ. Vì vậy, việc thiết kế các cơng trình chống động đất
trong q khứ chƣa đƣợc chú trọng nhiều. Tuy nhiên, trong những năm gần đây
Việt Nam cũng chịu ảnh hƣởng dƣ chấn mạnh của các trận động đất mạnh từ các
quốc gia lân cận nhƣ Phillipines, Thailand, Myanmar, Indonesia, … ảnh hƣởng và
làm hƣ hại một số cơng trình tại nƣớc ta. Vì vậy, theo xu thế phát triển, việc nghiên
cứu và ứng dụng các biện pháp chống động đất trong công trình nhà nhiều tầng là
một xu hƣớng tất yếu.
Để thiết kế cơng trình chống lại các tác động bên ngồi nhƣ gió, động đất, ....
Chúng ta có hai phƣơng pháp sau. Phương pháp thứ nhất là phƣơng pháp truyền
thống, nhằm tăng độ cứng của cơng trình, bằng cách kết hợp các cấu kiện với nhau
nhƣ tƣờng cứng, giằng, sàn cứng,.. Ngoài ra, các yếu tố nhƣ đặc trƣng đất nền, hình
–1–
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
dạng cơng trình hay việc chọn vật liệu cho cơng trình cũng ảnh hƣởng đến khả năng
chống lại các tác động bên ngồi của cơng trình. Tuy nhiên, hạn chế của phƣơng
pháp này là dựa vào các đặc trƣng động lực học của bản thân cơng trình (khối
lƣợng, độ cứng và vật liệu), khi động đất xảy ra cơng trình sẽ bị hƣ hại hoặc sụp đổ
một phần nhất định nào đó của cơng trình. Vì vậy, phƣơng pháp đƣợc nghiên cứu và
sử dụng phổ biến hiện nay là phương pháp thứ hai, đó là sử dụng các thiết bị điều
khiển nhằm hỗ trợ cho kết cấu trong q trình tiêu tán năng lƣợng của tải trọng
ngồi tác động vào cơng trình. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ở nhiều
lĩnh vực chuyên sâu nhƣ năng lƣợng, cơ học, vật liệu, ... khá nhiều giải pháp giảm
dao động đã đƣợc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong thực tiễn. Khi xét về
cách thức giảm dao động thì có thể phân thành hai loại sau:
Giải pháp cách chấn: dao động đƣợc lan truyền trong đất nền, nên cách
hiệu quả nhất để chống dao động là tách hẳn cơng trình ra khỏi nền. Nhƣng trên
thực tế, chúng ta khơng thể hồn tồn tách đƣợc cơng trình khỏi nền, nên ngƣời ta
bố trí các thiết bị đặc biệt giữa cơng trình và đất nền gọi là cac thiết bị cách chấn
(isolater). Do thiết bị này có độ cứng thấp nên khi nền dao động nó có biến dạng
lớn, nhờ vậy cơng trình bên trên (có qn tính lớn) chỉ chịu dao động nhỏ. Loại hệ
cản điển hình này là hệ cơ lập móng (Base isolation).
–2–
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hình 1-1: Hệ cơ lập móng (Base isolation)
Giải pháp giảm chấn: Trong trƣờng hợp tải trọng gió, tải trọng dạng xung
(cháy, nổ) tác dụng lên cơng trình, năng lƣợng của tải trọng này sẽ đƣợc truyền trực
tiếp vào kết cấu bên trên của cơng trình mà khơng có khả năng cách ly. Do vậy,
ngƣời thiết kế phải tăng độ cứng của cơng trình để khống chế dao động, phải nhờ
vào độ cản của bản thân cơng trình để tiêu tán năng lƣợng tải trọng này, hoặc bố trí
các thiết bị giảm chấn đƣợc điều khiển bị động, chủ động hay bán chủ động để phát
sinh lực nhằm điều khiển cơng trình có đƣợc đáp ứng nhƣ mong muốn. Khi xét về
mặt năng lƣợng cung cấp cho thiết bị, ta có thể phân các thiết bị giảm chấn thành
các loại sau:
+ Điều khiển bị động (passive control): Thiết bị đƣợc điều khiển bị động là loại
thiết bị không cần nguồn năng lƣợng cung cấp cho nó. Thiết bị này sử dụng chính
dao động của bản thân kết cấu để tạo ra chuyển động tƣơng đối bên trong thiết bị và
tiêu tán năng lƣợng. Các loại thiết bị điều khiển bị động đƣợc phân loại dựa vào khả
năng tiêu tán năng lƣợng của chúng. Năng lƣợng có thể tiêu tán dƣới dạng nhiệt
năng của hiện tƣợng ma sát nhƣ hệ cản ma sát (Friction damper), biến dạng dẻo của
kim loại (Buckling restrained brace, Stiffened shear panel), tính cản nhớt nhƣ hệ
cản chất lỏng nhớt (Viscous fluid damper) hoặc độ cản thủy lực (Oil damper); hệ
cản cột chất lỏng (Liquid column dampers), hệ cản khối lƣợng (Mass dampers),…
–3–
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hình 1-2: Điều khiển bị động với Buckling Restrained Brace
Hình 1-3: Điều khiển bị động với Oil Dampers
–4–
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hình 1-4: Điều khiển bị động với Tuned Mass Dampers
–5–
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hình 1-5: Điều khiển với Tuned Liquid column dampers
Hình 1-6: Điều khiển bị động với Friction Dampers
–6–
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hình 1-7: Điều khiển bị động với Viscous Fluid Dampers
+ Điều khiển chủ động (active control): Thiết bị này sử dụng nguồn năng
lƣợng rất lớn để vận hành thiết bị nhằm tạo ra lực điều khiển. Loại thiết bị này có
–7–
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
khả năng thích ứng với các loại tải trọng khác nhau và dễ điều khiển đƣợc dao động
của cơng trình. Tuy nhiên, do phải sử dụng nguồn năng lƣợng để tạo ra lực điều
khiển lớn từ bên ngồi nên độ tin cậy của thiết bị khơng cao khi có động đất xảy ra
(do có khả năng mất nguồn năng lƣợng cung cấp) và chi phí vận hành, bảo trì cũng
nhiều hơn các thiết bị khác.
Hình 1-8: Những thành phần cơ bản của vòng lặp trong điều khiển chủ động.
+ Điều khiển bán chủ động (semi – active control) là loại thiết bị không
đƣa trực tiếp lực điều khiển từ bộ sinh lực (actuator) vào cơng trình để kiểm soát mà
chỉ cần cung cấp năng lƣợng từ bên ngồi nhƣ: điện, khí nén, … Thơng qua các cảm
biến, thông tin về tải trọng, về dao động của công trình đƣợc đƣa vào bộ xử lý trung
tâm. Bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý tín hiệu và phát lệnh cho bộ phận thi hành để
thực hiện việc tăng độ cản và phát lực điều khiển chống lại dao động, làm thay đổi
trạng thái cơ học (chuyển vị, vận tốc, gia tốc) của hệ cản để từ đó hệ cản sinh ra lực
điều khiển nhƣ mong muốn. Vì vậy, năng lƣợng cung cấp cho thiết bị sinh lực trong
điều khiển bán chủ động là nhỏ hơn nhiều so với điều khiển chủ động mà vẫn giữa
đƣợc ƣu điểm của thiết bị chủ động đó là kiểm sốt đƣợc đáp ứng của kết cấu trong
từng bƣớc thời gian cũng nhƣ ứng với từng giai đoạn tải trọng khác nhau.
Các loại thiết bị thƣờng dùng là: hệ cản độ cứng thay đổi (controlledstiffness dampers), hệ cản điều chỉnh khối lƣợng (semi-active tuned mass dampers),
hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (tuned liquid column dampers), hệ cản ma sát biến
thiên (variable friction dampers), hệ cản chất lỏng nhớt biến thiên (variable viscous
fluid dampers),…
+ Điều khiển hỗn hợp (Hybrid control) là hệ thống kết hợp giữa hệ cản chủ
động và hệ cản bị động, hoặc kết hợp giữa hệ cản bán chủ động và hệ cản bị động.
–8–
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Khi lực kích thích nhỏ (động đất yếu) thì hệ làm việc nhƣ hệ bị động, khi chịu lực
kích thích lớn thì hệ chuyển sang làm việc nhƣ hệ bán chủ động.
Hình 1-9: Điều khiển hỗn hợp giữa chủ động hoặc bán chủ động và cách ly dao động
Ngày nay, ngƣời ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách
chấn cũng nhƣ đƣa thêm các thiết bị sinh lực chủ động vào kết cấu để tăng thêm
hiệu quả giảm đáp ứng của cơng trình.
Xét về cách thức giảm dao động, điều khiển kết cấu có thể phân thành các
loại theo sơ đồ sau:
Hình 1-10: Sơ đồ tổng quan về điều khiển kết cấu
1.2.
Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc
Trên thế giới có nhiều nghiên cứu về hiệu quả của các hệ cản cũng nhƣ việc
sử dụng các loại hệ cản khác nhau để điều khiển tác động của động đất. Rất nhiều
–9–
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
nghiên cứu đã đƣợc đƣa vào áp dụng trong các cơng trình thực tế: Base Isolation
Systems (Hệ cô lập dao động), Tuned Mass Dampers (Hệ cản điều chỉnh khối
lƣợng), Controlled Stiffness Dampers (Hệ cản có độ cứng thay đổi), Viscous Fluid
Dampers (Hệ cản chất lỏng nhớt),… Các bài báo quốc tế về điều khiển dao động có
thể kể đến nhƣ:
Hệ cản điều chỉnh khối lượng: K.C.S. Kwok, B. Samali – Performance of
tuned mass dampers under wind loads [6].
Hệ cản chất lỏng nhớt: Robert J. MCNAMARA and Douglas P. Taylor –
Fluid viscous dampers for high-rise buildings [7].
Hệ cản ma sát: Servio Tulio de la Cruz Chaùidez – Contribution to the
Assessment of the Efficiency of Friction Dissipators for Seismic Protection of
Buildings [8].
Hệ cản độ cứng thay đổi kết hợp hệ cản ma sát: Y. Ribakov – Semi-Active
predictive control of nonlinear structures with controlled stiffness devices and
friction dampers [9].
Trong đó, hệ cản chất lỏng nhớt (viscous fluid dampers) là đƣợc sử dụng
rộng rãi nhất bởi hiệu quả giảm chấn của nó và đặc biệt là giá thành cho việc trang
bị hệ cản thấp.
Tuy nhiên, các hệ cản thƣờng đƣợc đặt vào cơng trình một cách ngẫu nhiên.
Việc thiết kế tối ƣu vị trí các hệ cản vẫn chƣa có nhiều nghiên cứu, một số tác giả
thực hiện với nhiều thuật toán và phƣơng pháp khác nhau nhƣng nhìn chung các
phƣơng pháp đƣợc đề xuất tƣơng đối phức tạp trong tính tốn và khó áp dụng vào
cơng trình thực tế. Các nghiên cứu về thiết kế tối ƣu vị trí đặt hệ cản nhƣ: Diego
Lopez Garcia về tối ƣu hình dạng hệ cản trong cấu trúc nhiều bậc tự do [10] , Wei
Liu, Mai Tong, Yihui Wu nghiên cứu tối ƣu thiết bị cản trong cơng trình thép dạng
kim tự tháp [11].
– 10 –
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
1.3.
Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Trong nƣớc đã có nhiều đề tài nghiên cứu về việc sử dụng các hệ cản khác nhau để
chống lại tải trọng động đất. Các luận văn đã đƣợc nghiên cứu tại trƣờng Đại học
Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh có thể kể đến nhƣ sau:
Các loại thiết bị cách chấn:
Nguyễn Văn Nam – Nghiên cứu giảm chấn cho công trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát – 2008.
Lê Duy Bình - Khảo sát khả năng giảm chấn của cơng trình bằng hệ cơ lập
móng kết hợp với hệ cản có độ cứng biến thiên – 2010.
Các loại thiết bị giảm chấn:
Bùi Đơng Hồn – Khảo sát tác dụng kháng chấn của hệ cản chất lỏng nhớt
– 2003.
Ngô Ngọc Cƣờng – Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ
cản điều chỉnh cột chất lỏng –TLCD – 2004.
Lê Ngọc Bảo - Nghiên cứu giải pháp giảm dao động xoắn của cơng trình
bằng hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng TLCD – 2007.
Lê Văn Thắng – Khảo sát khả năng giảm chấn của thiết bị MR DAMPER
dựa trên lý thuyết điều khiển mờ – 2005.
Lê Trƣờng Giang - Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản bán chủ động
ER với các giải thuật khác nhau – 2007.
Nguyễn Minh Hiếu - Các giải thuật điều khiển hệ cản MR - 2007.
Phạm Nhân Hòa – Assessment of the Efficiency of Friction Dissipators for
Seismic Protection of Building, EMMC - 2006.
Phạm Nhân Hòa – iều khiển kết cấu chịu tải tr ng động đất với hệ cản ma
sát biến thiên - 2007.
Ngô Minh Khôi – Assessment of the Efficiency of Fluid Viscous Damper for
Seismic Protection of Building – EMMC – 2007.
Nguyễn Quang Bảo Ph c – Khảo sát khả năng giảm chất cơng trình với hệ
cản có độ cứng biến thiên – 2008.
– 11 –
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Trần Văn Bền –
iều khiển kết cấu chịu tải tr ng động đất với hệ cản ma
sát biến thiên và hệ cản có độ cứng thay đổi kết hợp – 2008.
Hồ Hoàng Đức Thịnh –
iều khiển kết cấu chịu tải tr ng động đất với hệ
cản đàn nhớt biến thiên – 2009.
Đặng Duy Khanh–
iều khiển kết cấu với giải pháp kết hợp hệ cản chất
lỏng nhớt và hệ cản có độ cứng thay đổi được điều khiển bị động-2010.
Võ Ngọc Thắng -
iều khiển bán chủ động hệ cản có độ cứng thay đổi kết
hợp hệ cản nhớt – 2011.
Lê Minh Thành - Phân tích đáp ứng động lực h c có xét đến phi tuyến vật
liệu của cơng trình sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt chịu tải tr ng động đất –
2013.
Hồng Cơng Duy - Phân tích đáp ứng động lực h c kết cấu được trang bị
hệ cản chất lỏng nhớt bằng mơ hình tổng qt – 2014.
1.4.
Sự cần thiết của luận văn
Trên cơ sở tìm hiểu các bài báo và các luận văn cao học của khóa trƣớc, tác
giả nhận thấy khi nghiên cứu về đáp ứng động lực học của các loại hệ cản, các tác
giả trƣớc chỉ mới nghiên cứu về mơ hình Shear Frame và mơ hình General
Approach, chƣa có nghiên cứu nào trƣớc đây sử dụng mơ hình Phần tử hữu hạn
(Finite Element Model – FEM) để phân tích và đánh giá đáp ứng động lực học kết
cấu đƣợc trang bị hệ cản. Vì vậy, việc thực hiện nghiên cứu mơ hình tính tốn bài
tốn sử dụng mơ hình FEM là cần thiết để đƣa ra các kiến nghị cho ngƣời kỹ sƣ
thiết kế cơng trình chịu tải trọng động đất hoặc gió. Mơ hình FEM cho một cái nhìn
về đáp ứng thực hơn khi kết cấu sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid
Dampers - VFD) và mức độ chính xác cao hơn khi so sánh với các phần mềm tính
tốn kết cấu hiện nay.
Bên cạnh đó, các nghiên cứu trƣớc đây chƣa quan tâm đến việc giới hạn lực
cản đối với hệ cản. Khi động đất xảy ra, nếu hệ cản chịu lực quá giới hạn cho phép
thì kết cấu sẽ ứng xử phi tuyến và khơng cịn đúng với mơ hình bài tốn. Vì vậy, tác
giả đề xuất việc giới hạn lực cản tối đa trong hệ cản dựa vào cấu tạo của từng loại
– 12 –
