Điều khiển kết cấu bằng sự kết hợp hệ cản ma sát và hệ cản nhớt

ĐẠ I H ỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MIN H
TRƯỜNG ĐẠ I HỌC BÁCH KHOA


H Ồ VIẾT TIÊN P HƯỚ C

ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU BẰNG SỰ KẾT HỢP
HỆ CẢN MA SÁT VÀ HỆ CẢN NHỚT

C huyên Ngành : Xây Dựng Cơng Trình Dân D ụng Và Cơ ng N ghiệp
Mã số
: 605820

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2013

Trang i


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQGHCM.

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS CHU QUỐC THẮNG.

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Lương Văn Hải.

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Nguyễn Trọng Phước.

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM
ngày 13 tháng 06 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS. TS Chu Quốc Thắng.
2. TS Nguyễn Trọng Phước.
3. TS Lương Văn Hải.
4. TS Hồ Hữu Chỉnh.
5. TS Lê Văn Phước Nhân.

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

TS Lê Văn Phước Nhân

Trang ii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH

NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA

1.1.1. NHIỆM VỤ ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Hồ Viết Tiên Phước .......................... MSHV:10210239 ...........

Ngày, tháng, năm sinh: 24/12/1972 ...................................... Nơi sinh:Tp.Đà Nẵng .....
Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Điều khiển kết cấu bằng sự kết hợp hệ cản ma sát và hệ cản nhớt.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Khảo sát và phân tích đáp ứng động lực học của kết cấu khi điều khiển dao động
của kết cấu bằng sự kết hợp hệ cản ma sát và hệ cản nhớt.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/6/2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS CHU QUỐC THẮNG.

Tp. HCM, ngày 20 Tháng 9 năm 2013.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS-TS CHU QUỐC THẮNG

TS.LƯU XUÂN LỘC

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DƯNG

TS.LƯU XUÂN LỘC

Trang iii

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và thực hiện luận văn, được sự tận tình chỉ bảo, động viên của
thầy cô và các bạn bè để vượt qua những khó khăn, tác giả đã hồn thành luận văn
theo đúng như quyết định của Phòng Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại Học Bách
Khoa – Thành Phố Hồ Chí Minh.

Nhưng để có được những kiến thức q báo hơm nay khi ra trường, tôi xin chân
thành cám ơn tất cả bạn bè, thầy cô trong khoa đã giúp đỡ tôi khi học tập cũng như
thực hiện luận văn này. Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng
dẫn chính PGS.TS. CHU QUỐC THẮNG và thầy hướng dẫn ThS. PHẠM
NHÂN HỊA đã tận tình chỉ bảo và truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi.

Tôi cũng chân thành cảm ơn các thầy cô trong thư viện trường ĐH Bách Khoa
Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tơi tìm tài liệu để thực hiện luận văn
này và những bạn học cùng khóa ln sát cánh bên tơi trong những ngày học tập
khó khăn.

Sau cùng, tơi xin cảm ơn gia đình tơi đã tạo điều kiện cho tôi học tập và động viên
tôi những khi tơi gặp khó khăn.
Chân thành cảm ơn tất cả!
Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013

Trang iv


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn xây dựng mơ hình cơ học, phương trình vi phân chuyển động, và thuật
giải tìm đáp ứng của hệ hai kết cấu liền kề sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt (VFD) tại
mỗi tầng và hệ cản ma sát giữa hai kết cấu được điều khiển bị động. Thuật giải

phương trình vi phân chuyển động của hệ kết cấu được dựa trên phương pháp số
TimeNewmark và được hiệu chỉnh cho phù hợp với hệ kết cấu liền kề này.
Trong phần ví dụ tính tốn minh họa, luận văn phân tích đáp ứng động lực học của
các bài tốn kết cấu liền kề có cột đuợc làm bằng thép, có sử dụng hoặc khơng sử
dụng hệ cản VFD và FD với các dạng tải trọng khác nhau. Từ đó, luận văn đưa ra
các kiến nghị về các ưu và nhược điểm về việc sử dụng kết hợp hai loại hệ cản này
cho các kỹ sư thiết kế cơng trình xây dựng đối với hệ kết cấu liền kề.

ABSTRACT
The thesis proposes the model, differential equation of motion, and two algorithms
in order to compute the responses of a two adjacent structure equipped with viscous
fluid dampers (VFD) at each of the floors and friction dissipators (FD) between the
two buildings. These two algorithms are based on the numerical method
TimeNewMark and modified in accordance with the structure controlled via both
VFD and FD.
In the numerical examples, the thesis analyzes the dynamics responses of structural
passive control for the adjacent steel structure subjected to seismic and wind load
without or with both VFD and FD passively controlled. As a consequence of this,
the thesis draws conclusions related to some advantages and disadvantages of the
two adjacent buildings equipped with both VFD and FD.

Trang v


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên, là học viên cao học chuyên ngành Xây Dựng Dân Dụng và Cơng Nghiệp,
khố 2010 trường 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 chưa từng được ai công bố, sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Các thông tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc. Tơi

xin chịu trách nhiệm hồn tồn về kết quả nghiên cứu trong luận văn của mình.
Học viên

HỒ VIẾT TIÊN PHƯỚC

Trang vi


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN......................................................................................... v
ABSTRACT ........................................................................................................... v
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. vi
MỤC LỤC............................................................................................................ vii
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG ......................... 1

1.1. GIỚI THIỆU .............................................................................................. 1
1.2. MỤC TIÊU VÀ SỰ CẦN THIẾT CỦA LUẬN VĂN ................................ 5
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước......................................................... 6
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước. ........................................................ 7
1.2.3. Các nội dung chính của luận văn.......................................................... 8
1.3. TỔ CHỨC VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN .................................................. 8
CHƯƠNG 2.

CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA CÁC

HỆ CẢN

9

2.1. GIẢ THIẾT MƠ HÌNH TÍNH TOÁN ........................................................ 9
2.2. HỆ CẢN NHỚT (VFD) ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG [12][19][24] ... 10
2.3. HỆ CẢN MA SÁT (FD) ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG [17] ............... 12
CHƯƠNG 3.

HỆ HAI KẾT CẤU LIỀN KỀ ĐƯỢC TRANG BỊ HỆ CẢN

CHẤT LỎNG NHỚT VÀ HỆ CẢN MA SÁT .................................................... 14
3.1. HỆ KẾT CẤU HAI TÒA NHÀ – HAI BẬC TỰ DO ............................... 14
3.1.1. Mơ hình cơ học .................................................................................. 14
3.1.2. Phương trình vi phân chuyển động ..................................................... 15
3.2. HỆ KẾT CẤU HAI TÒA NHÀ – NHIỀU BẬC TỰ DO .......................... 16
3.2.1. Mơ hình tính ...................................................................................... 16
3.2.2. Mơ hình cơ học: ................................................................................. 17
3.2.3. Phương trình vi phân chuyển động của hệ nhiều bậc tự do: ................ 18
3.3. THUẬT TỐN GIẢI PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG .................... 24
3.4. NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ KẾT CẤU ...................................................... 28

Trang vii


CHƯƠNG 4.

VÍ DỤ TÍNH TỐN .................................................................. 29

4.1. HỆ KẾT CẤU B1-1 TẦNG VÀ B2-1 TẦNG ........................................... 29
4.1.1. Mô tả kết cấu ..................................................................................... 29
4.1.2. Đáp ứng của kết cấu với dao động tự do ............................................ 30

4.1.3. Đáp ứng của kết cấu với tải trọng điều hòa ........................................ 34
4.1.4. Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Kobe............................. 37
4.1.5. Sai số trong phương pháp Time Newmark 2 ...................................... 38
4.2. HỆ KẾT CẤU B1-9 TẦNG + B2-3 TẦNG HOẶC 9 TẦNG .................... 42
4.2.1. Mơ tả kết cấu ..................................................................................... 42
4.2.2. Phân tích đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất ElCentro......... 45
4.2.3. Phân tích hệ gồm 2 kết cấu B1-9 tầng và B2-9 tầng chịu tải trọng động
đất ElCentro ................................................................................................... 48
4.2.4. Đáp ứng của hệ kết cấu B1-9 tầng và B2-9 tầng chịu tải trọng động đất
Northidge ....................................................................................................... 51
4.2.5. Đáp ứng của hệ kết cấu B1 chính và B2 phụ với tải trọng Kobe ......... 53
4.3. HỆ KẾT CẤU B1-20 TẦNG + B2-20 TẦNG .......................................... 56
4.3.1. Mô tả kết cấu ..................................................................................... 56
4.3.2. Đáp ứng hệ kết cấu B1-20 tầng + B2-20 tầng dưới tác dụng của tải
trọng động đất ElCentro ................................................................................. 57
4.3.3. Đáp ứng của hệ kết cấu B1-20 tầng + B2-9 tầng chịu tải trọng Kobe . 62
4.3.4. Đáp ứng hệ kết cấu B1-20 tầng + B2-20 tầng dưới tải trọng gió ......... 66
CHƯƠNG 5.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................... 75

5.1. KẾT LUẬN .............................................................................................. 75
5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................................................. 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 77
PHỤ LỤC............................................................................................................. 79

Trang viii


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG

2.1. GIỚI THIỆU
Sự gia tăng dân số và phát triển về kinh tế xã hội cũng đòi hỏi sự phát triển cơ sở hạ
tầng tương ứng. Tuy nhiên, do tài nguyên đất đai trong một thành phố bị giới hạn
nên ngày càng nhiều các cơng trình cao tầng được xây dựng gần nhau. Các cơng
trình cao tầng này thường dễ bị hư hỏng hoặc sụp đổ dưới tác dụng của tải trọng
động đất do ở các tầng, khối lượng là rất lớn nhưng chỉ được đỡ bởi những cột
mảnh. Do đó, chuyển vị tuyệt đối ở các tầng trên cao thường rất lớn so với các tầng
dưới và lực cắt ở các tầng dưới thì rất lớn so với các tầng trên.
Để giúp cơng trình có thể chống lại các tác động bên ngồi thì chúng ta có hai
phương pháp sau. Phương pháp thứ nhất là tăng độ cứng của cơng trình, bằng cách
kết hợp các cấu kiện với nhau như tường cứng, giằng, sàn cứng, ... và khi thiết kế
cịn có thể xem xét đến hình dáng của cơng trình, với mặt bằng cơng trình hình dáng
vng hay chữ nhật thì có khả năng chịu tác động của động đất tốt hơn là các hình
dạng khác. Việc chọn vật liệu cho cơng trình cũng rất quan trọng, vật liệu dễ uốn
như thép thì tốt hơn các loại vật liệu giịn như bê tơng. Ngồi ra, đặc trưng nền đất
bên dưới cơng trình cũng ảnh hưởng đến dao động của cơng trình bên trên nên
chúng cần phải được xem xét khi thiết kế kết cấu. Phương pháp thiết kế truyền
thống dựa trên các đặc trưng động lực học của bản thân cơng trình (khối lượng, độ
cứng và vật liệu) để chống lại tác động bên ngồi thì phải chấp nhận một phần hư
hại nhất định của công trình. Vì vậy, để bảo vệ kết cấu tốt hơn, người ta sử dụng
phương pháp thứ hai đó là dùng các thiết bị điều khiển để hỗ trợ cho kết cấu trong
quá trình tiêu tán năng lượng của tải trọng bên ngồi tác động vào cơng trình. Dựa
trên các thành tựu khoa học kỹ thuật của nhiều ngành khác nhau như vật liệu, năng
lượng, cơ học, điều khiển học,… khá nhiều giải pháp giảm dao động đã được
nghiên cứu và phát triển, khi xét về cách thức giảm dao động thì có thể phân thành

hai loại sau:
 Giải pháp cách chấn: do chấn động lan truyền trong nền, nên phương cách
hiệu quả nhất để chống dao động là cách ly hẳn cơng trình khỏi nền. Vì khơng
thể hồn tồn cách ly được cơng trình khỏi nền, nên người ta bố trí các thiết bị

Trang 1


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG
cách chấn giữa công trình và nền. 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).
 Giải pháp giảm chấn: trong trường hợp tải trọng gió, tải trọng dạng xung
(cháy, nổ) tác dụng lên cơng trình, năng lượng của tải trọng này sẽ được truyền
trực tiếp vào kết cấu bên trên của cơng trình mà khơng có khả năng cách ly. Do
vậy, người kỹ sư phải tăng độ cứng của cơng trình để khống chế dao động, phải
nhờ vào độ cản của bản thân cơng trình để giải phóng năng lượng tải trọng này,
hoặc bố trí các thiết bị giảm chấn được điều khiển bị động, chủ động hay bán
chủ động để phát sinh lực nhằm điều khiển cơng trình có được đáp ứng như
mong muốn. Khi xét về mặt năng lượng 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 được điều khiển bị động là
loại thiết bị không cần nguồn năng lượng cung cấp cho nó. Khi sự cố mất
điện do động đất xảy ra, hệ thống thiết bị này rất đáng tin cậy vì chúng
khơng cần nguồn năng lượng cung cấp. Thiết bị này sử dụng chính dao
động của bản thân kết cấu để tạo ra chuyển động tương đối bên trong thiết
bị và tiêu tán năng lượng. Sử dụng loại hệ cản này có một ưu điểm nữa là

khơng làm mất ổn định của cơng trình vì thiết bị này khơng đưa lực tác
động từ ngồi vào, và thường chi phí bảo trì cho loại thiết bị này rẻ hơn so
với các loại điều khiển khác. Các loại thiết bị điều khiển bị động thường
dùng là: hệ cản khối lượng (Mass dampers), hệ cản cột chất lỏng (Column
liquid dampers), hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous fluid dampers), hệ cản ma
sát (Friction Dissipators),…

Trang 2


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG

Hình 2-1: Điều khiển bị động với Tuned Mass Dampers

Hình 2-2: Điều khiển kết cấu với Base Isolation.

Trang 3


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG


Điều khiển chủ động (active control): Thiết bị này sử dụng nguồn năng
lượng rất lớn để vận hành thiết bị nhằm tạo ra lực điều khiển. Loại thiết bị
này có khả năng thích ứng với các loại tải trọng khác nhau và dễ điều khiển
được dao động của cơng trình. Tuy nhiên, do phải sử dụng nguồn năng
lượng để tạo ra lực điều khiển lớn từ bên ngoài nên độ tin cậy của thiết bị
khơng cao khi có động đất xảy ra (do có khả năng mất nguồn năng lượng
cung cấp) và chi phí vận hành, bảo trì cũng nhiều hơn các thiết bị khác.



Điều khiển bán chủ động (semi – active control) là loại thiết bị không
đưa trực tiếp lực điều khiển từ bộ sinh lực (actuator) vào cơng trình để kiểm
sốt mà chỉ cần cung cấp năng lượng 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 như
mong muốn. Vì lý do này mà năng lượng 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 được ưu điểm của thiết bị chủ động đó là kiểm sốt được đáp
ứng của kết cấu trong từng bước thời gian cũng như ứng với từng giai đoạn
tải trọng khác nhau. Các loại thiết bị thường dùng là: hệ cản độ cứng thay
đổi (controlled-stiffness dampers), hệ cản điều chỉnh khối lượng (semiactive 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),…
TẢI TRỌNG TÁ C ĐỘNG
LỰC
ĐIỀ U KHIỂN
BỘ SINH LỰ C

TÍN HIỆ U ĐIỀ U KHIỂN

CÔNG TRÌNH

BỘ ĐO ĐẠC CẢM BIẾN

ĐÁ P Ứ NG ĐẦU RA

BỘ ĐIỀ U KHIỂN

Hình 2-3: Những thành phần cơ bản của vòng lặp trong điều khiển chủ động



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. Khi lực kích thích nhỏ (động đất yếu) thì hệ làm việc như hệ bị động,
khi chịu lực kích thích lớn thì hệ chuyển sang làm việc như hệ bán chủ

Trang 4


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG
động. Nội dung của luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu loại điều khiển
hỗn hợp này.

Hình 2-4: Điều khiển hỗn hợp giữa chủ động hoặc bán chủ động và cách ly dao động

Ngày nay, người ta còn sử dụng kết hợp thiết bị giảm chấn với thiết bị cách chấn
cũng như đưa 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 2-5):
ĐIỀ U KHIỂ N KẾT CẤU

ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG

ĐIỀU KHIỂ N CHỦ ĐỘNG
VÀ BÁ N CHỦ ĐỘNG

CÔ LẬP MÓNG

ĐIỀU KHIỂ N HỖN HP
(CHỦ ĐỘ NG + BỊ ĐỘNG)

VFD (Hệ cả n chất lỏ ng nhớt)
FD (Hệ cản ma sát)

THIẾT BỊ TIÊU TÁN NĂNG LƯNG

TMD (Hệ cả n điều chỉnh khối lượ ng)
CSD (Hệ cản có độ cứng thay đổ i)
MR (Hệ cả n lưu biế n từ)

Hình 2-5: Sơ đồ tổng quan về điều khiển kết cấu

2.2. MỤC TIÊU VÀ SỰ CẦN THIẾT CỦA LUẬN VĂN
Hầu hết các cơng trình được xây dựng cạnh nhau chịu lực độc lập do chúng khơng
có bất cứ một sự liên kết nào. Vì vậy, khả năng chịu tải trọng động đất hay tải trọng
gió thì tùy thuộc vào bản thân mỗi cơng trình. Khi khoảng cách giữa các cơng trình
đủ nhỏ, hai hoặc nhiều cơng trình thể cùng liên kết, cùng tham gia chịu lực bên

Trang 5


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG
ngồi tác động. Vì vậy, việc nghiên cứu, phân tích, và đánh giá các đáp ứng động
lực học của hệ 2 hoặc nhiều tòa nhà là việc làm cần thiết để đưa ra các kiến nghị
cho các kỹ sư xây dựng.
2.2.1.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Các nghiên cứu trên thế giới về điều khiển dao động rất đa dạng về chủng loại hệ
cản. Rất nhiều nghiên cứu đã được đưa vào áp dụng trong các cơng trình thực tế:
Base Isolation Systems (Hệ cơ lập dao động), Tuned Mass Dampers (Hệ cản điều
chỉnh khối lượng), Controlled Stiffness Dampers (Hệ cản có độ cứng thay đổi),
Viscous Fluid Dampers (Hệ cản chất lỏng nhớt), … Nhưng hầu hết các nghiên cứu
quốc tế về điều khiển dao động chỉ dừng lại ở từng hệ cản riêng lẻ có thể kể đến
như:


Hệ cản điều chỉnh khối lượng: K.C.S. Kwok, B. Samali – Performance of
tuned mass dampers under wind loads [9].



Hệ cản chất lỏng nhớt: Robert J. MCNAMARA and Douglas P. Taylor –
Fluid viscous dampers for high-rise buildings [12].



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 [14].



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 [16].

Trong đó, hệ cản chất lỏng nhớt (viscous fluid dampers) là được 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.
Các nghiên cứu quốc tế về đáp ứng động lực học của hệ gồm 2 tòa nhà cùng liên
kết, cùng tham gia chịu lực có thể kể đến như:


Seismic response of adjacent buildings connected with dampers - A.V.
BHASKARARAO and R.S. JANGID – 2004 [17].



Earthquake Performance of Isolated Buildings Connected with MR
Dampers - S. M. Dumne and M. K. Shrimali – 2007 [18].

Trang 6


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG
2.2.2.

Tình hình nghiên cứu trong nước.

Ở Việt Nam và đặc biệt là cao học Ngành Dân dụng và Công nghiệp của Đại học
Bách Khoa Tp.HCM đã có nhiều luận văn về điều khiển dao động kết cấu chống tải
trọng động đất với các loại hệ cản khác nhau. Các luận văn về điều khiển dao động
kết cấu chống tải trọng động đất với các loại hệ cản khác nhau có thể kể đến như
sau:
 Các loại thiết bị cách chấn:



Nguyễn Văn Giang – Giảm chấn cho nhà cao tầng bằng hệ cơ lập móng BIS
– 2002.



Nguyễn Văn Nam – Nghiên cứu giảm chấn cho cơng trình chịu động đất
bằng thiết bị cơ lập dao động có mặt lõm ma sát – 2008.

 Các loại thiết bị giảm chấn:


Nguyễn Hữu Anh Tuấn - Khảo sát giải pháp điều khiển bị động kết cấu với
hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD – 2002.



Bùi Đơng Hồn – Khảo sát tác dụng kháng chấn của hệ cản chất lỏng nhớt
– 2003.



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.



Phạm Nhân Hòa – Assessment of the Efficiency of Friction Dissipators for
Seismic Protection of Building, EMMC, 2006.



Phạm Nhân Hòa – Điều khiển kết cấu chịu tải trọng 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.



Đặng Duy Khanh – Điều 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 – Điều khiển hỗn hợp hệ cản có độ cứng thay đổi và hệ cản
chất lỏng nhớt để chống động đất cho cơng trình – 2011.

Trang 7


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG

Trên cơ sở tìm hiểu, phát triển các tài liệu, các bài báo trong và ngồi nước, và các
luận văn cao học của khóa trước, tác giả nhận thấy chưa có nghiên cứu nào trước
đây sử dụng kết hợp cả hai loại hệ cản chất lỏng nhớt (VFD) và hệ cản ma sát (FD)
cho hệ gồm hai cơng trình liền kề. Vì vậy, việc thực hiện nghiên cứu mơ hình tính
tốn bài tốn này là cần thiết để đưa ra các kiến nghị cho người kỹ sư thiết kế cơng
trình chịu tải trọng động đất hoặc gió do sự biến đổi khí hậu ngày càng tăng.
2.2.3.

Các nội dung chính của luận văn



Tổng quan về điều khiển dao động.



Giới thiệu hệ cản chất lỏng nhớt (VFD), hệ cản ma sát (FD).



Xây dựng mơ hình cơ học và phương trình vi phân chuyển động của hệ kết
cấu một nhịp nhiều tầng của 2 toàn nhà sử dụng đồng thời hệ cản VFD giữa
các tầng và FD giữa 2 tịa nhà.



Tính tốn đáp ứng của hệ kết cấu này dưới tác dụng của tải trọng động đất
và các loại tải trọng khác.



Các ví dụ tính tốn nhằm phân tích ứng xử của kết cấu và đánh giá mức độ
hiệu quả giảm đáp ứng của hai loại hệ cản này.

2.3. TỔ CHỨC VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn gồm 5 chương và 1 phụ lục:
 Chương 1: Tổng quan điều khiển dao động.
 Chương 2: Giới thiệu hệ cản và các giả thiết tính tốn.
 Chương 3: Cơ sở lý thuyết.
 Chương 4: Ví dụ tính tốn.
 Chương 5: Kết luận và kiến nghị.
 Phụ lục:

Mã nguồn chương trình MATLAB.

Trang 8


CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN

CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN VÀ ĐẶC TRƯNG

CHƯƠNG 3.

CỦA CÁC HỆ CẢN
Do vấn đề điều khiển dao động đã được nghiên cứu khá nhiều ở các luận văn trước
nên trong chương này, các giả thiết tính tốn hay các đặc trưng cơ học chỉ được
trình bày một cách tóm tắt. Chỉ những nội dung thật cần thiết và được sử dụng trong
luận văn của các hệ cản ma sát và hệ cản chất lỏng nhớt sẽ được trình bày.

3.1. GIẢ THIẾT MƠ HÌNH TÍNH TỐN

ithF

Hi

Pi,1

1stF

m1,2
EIb=

m1,1
EIb=
EI1,1

xg

L1,1

m1,1
EIb=
EI1,1

EIn,2
mi,2
EIb=

EI1,1

Li,1

Ln,1

mn,2
EIb=

EIi,2

mn,2
EIb=
EIn,2

mi,2
EIb=

EIi,2

m1,2
EIb=
EI1,2

EIn,2
mi,2
EIb=

Li,2

Pi,2

EIi,2

m1,2
EIb=
EI1,2

L1,2

Pn,2

P1,2
EI1,2

Ln,2

Hình 3-1: Mơ hình kết cấu thực

Hn+m

Pn+m,1

Hn

Pn,1

Pi,1

mn+m,1
EIb=
EI n+m,1

mn,1
EIb=
EIn,1
mi,1

Hi

EIb=

H1

P1,1

xg

EIi,1

m1,1
EIb=

xn+m,1

Pn,2

mn,2
EIb=
EIn,2
mi,2
EIb=

Pi,2
EIi,2
P1,2

m1,2
EIb=
EI1,1

xn,1

xn,2

xi,1

xi,2

x1,1

x1,2

EI1,2
(b) Chuyển vị củ a kế t cấ u
Vị trí ban đầu
Vị trí mớ i

(a) Mô hình kết cấu nhiều tầng
một nhịp sau khi đượ c quy đổ i

Hình 3-2: Mơ hình đơn giản hóa bài toán

Trang 9

Hn

m1,1
EIb=

H1

P1,1

mn,2
EIb=

Hi

nthF

Hn

(n+m)thF
Pn,1

mn+m,1
mn+m,1
mn+m,1
EIb=
EIb=
EIb=
EIn+m,1

EIn+m,1
EIn+m,1
mn,1
mn,1
mn,1
EIb=
EIb=
EIb=
EI n,1
EIn,1
EIn,1
mi,1
mi,1
mi,1
EIb=
EIb=
EIb=
EIi,1
EIi,1
EIi,1

H1

H n+m

Pn+m,1


CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN
Xét hệ gồm hai kết cấu 1 và 2 có chiều cao tại mỗi tầng bằng nhau, trong đó H i là chiều cao tầng

thứ ith của cả hai kết cấu. Kết cấu 1 gồm (n+m) tầng và kết cấu 2 gồm n tầng như (Hình 3-1). Chỉ
số thứ 1 trong các đại lượng dùng để chỉ tầng thứ ith; chỉ số thứ hai chỉ kết cấu 1 hoặc 2. Chẳn hạn,

EI i ,1 vaø EI i ,2 lần lượt là độ cứng của cột tại tầng thứ ith kết cấu 1 và kết cấu 2. Vì vậy, một cách
ngắn gọn, mi lần lượt là khối lượng tại tầng thứ ith của kết cấu; 
x g  t  là gia tốc nền; Pi (t ) là tải
trọng tác động vào kết cấu; xi  t  là chuyển vị của kết cấu.
Đối với việc tính toán đáp ứng động lực học của kết cấu được trang bị hệ cản VFD+FD chịu tải
trọng động đất, các giả thiết tính tốn [12],[14],[15]:


Sàn là tuyệt đối cứng ( EI b   ) (mơ hình shear frame hay shear building). Vì sàn là tuyệt
đối cứng nên hệ khung nhiều tầng và nhiều nhịp được quy đổi thành hệ khung nhiều tầng, một
nhịp và cột hai đầu ngàm có độ cứng tương đương:

ki 


12 EI c
3
columns H i



(2.1)

Tải trọng tác dụng vào kết cấu đủ nhỏ sao cho kết cấu chỉ làm việc trong miền đàn hồi. Lực
đàn hồi sinh ra trong cột tỷ lệ thuận với chuyển vị theo quy luật:

f s  k .x

(2.2)

3.2. HỆ CẢN NHỚT (VFD) ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG [12][19][24]

Thanh điều khiển

Xi lanh

Ngăn 1

Chất lỏng Silicon chịu nén

Ngăn 2
Đầu Piton

Bộ tích trữ
Van điều khiển

Hình 3-3: Cấu tạo hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Damper)

Trang 10


CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN

Thiết bị được làm từ thép không gỉ và làm từ nhiều vật liệu siêu bền để đạt tuổi thọ
ít nhất 40 năm. Hệ cản nhớt là hệ cản sử dụng chất lỏng silicone, chất lỏng chuyển
động với vận tốc cao qua lỗ trên đầu pít tông tạo ra chênh áp suất và sinh ra lực cản.
Lực cản sinh ra trong VFD phụ thuộc vào vận tốc ở hai đầu của piston VFD:



FiVFD  CiVFD xi  xi 1 sign  xi  xi 1 
trong đó, CiVFD

(2.3)

: hệ số cản của thiết bị cản nhớt ở tầng thứ ith;

xi  xi 1 : hiệu số vận tốc tuyệt đối giữa 2 đầu pít tơng của VFD;



: hệ số mũ,   0,1  1,2

Khi   1 : hệ cản nhớt là tuyến tính.

  1 : hệ cản nhớt là phi tuyến, hiệu quả với chấn động mạnh.
  1 : ít gặp trong thực tế.

Trang 11


CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN
Hình 3-4: Các cơng trình sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt trong thực tế

3.3. HỆ CẢN MA SÁT (FD) ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG [17]

Tấm đệm ma sát

Nêm bên trong
Nêm bên ngồi

Khớp lị xo

Mặt trụ ngồi
Mặt cắt dọc

Hình 3-5: Cấu tạo hệ cản ma sát (Friction Damper)

Lực ma sát được sinh trong hệ cản ma sát phụ thuộc hai trạng thái [17]:
 Trạng thái dính:
Ở trạng thái ban đầu, tất cả hệ cản ma sát ở trạng thái dính. Hệ cản ma sát tuân theo
quy luật tuyến tính và vì vậy được xem như là hệ cản lị xo có độ cứng rất lớn
FD
nhưng lực ma sát không vượt quá lực ma sát lớn nhất Fslip
:
FD
Fi FD  kiFD  xi  xi 1  sign  xi  xi 1   Fslip
,i

(2.4)

trong đó: kiFD được lấy bằng 5000 lần độ cứng tầng ith của kết cấu 1;

xi  xi 1 và xi  xi 1 lần lượt là hiệu chuyển vị và hiệu vận tốc
giữa hai đầu hệ cản FD;
FD
Fslip
,i là lực ma sát giới hạn của hệ cản khi xẩy ra trạng thái trượt.

FiFD

 Trạng thái trượt:
FD
Khi lực ma sát vượt quá giá trị Fslip
, độ cứng kiFD

bằng không và lực ma sát khi này tuân theo quy

FD

ki

O

xi-xi-1

luật:
FD
Fi FD  Fslip
.sign  xi ,2  xi ,1 

(2.5)

Trang 12

Hình 3-6: Chu trình tiêu tán
năng lượng hệ cản FD

CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN

Hình 3-7: Các cơng trình sử dụng hệ cản – California, USA

Hình 3-8: Các cơng trình sử dụng hệ cản – Washonton ,USA

Trang 13


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

HỆ HAI KẾT CẤU LIỀN KỀ ĐƯỢC TRANG BỊ

CHƯƠNG 4.

HỆ CẢN CHẤT LỎNG NHỚT VÀ HỆ CẢN MA
SÁT
4.1. HỆ KẾT CẤU HAI TÒA NHÀ – HAI BẬC TỰ DO
4.1.1.

Mơ hình cơ học
B1

H1

P1,1

m1,1

D1
VF
 1,1

k1,1

FD1

B2

,1

P1,2

m1,2

1

,2

D1
VF
 1,2

xg

L1

H
 1,1=tan-1 L 1

k1,2

H
 1,2=tan-1 L 1
2

L2

Mô hình hệ hai kết cấu một tầng được trang bị hệ
cản VFD và được nối với nhau bằng hệ cản FD
Hình 4-1: Khung phẳng hệ hai bậc tự do được trang bị hệ cản VFD và FD
x1,1
x1,2

k1,1

k1,2
c1,1

xg

VFD
C1,1

F1FD

m1,1

P1,1

m1,2

 =0

c1,2

P1,2

x1,1
k1,1.x1,1
c1,1.x1,1
VFD
F1,1

P1,1

m1,1x1,1
m1,1xg

F1FD

xg

CVFD
1,2

x1,2
F1FD

m1,2x1,2
m1,2xg

k1,2.x1,2
c1,2.x1,2
VFD
F1,2
P1,2

Hình 4-2: Mơ hình tính tốn cơ học hệ hai bậc tự do

Xét hệ kết cấu gồm 2 tòa nhà một tầng B1 và B2 được trang bị hệ cản chất lỏng
nhớt (VFD) và hệ cản ma sát (FD) được điều khiển bị động; VFD được trang bị ở
mỗi B1 và B2; FD được trang bị để nối B1 và B2.

Trang 14


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong luận văn, khối lượng cột được xem như là bé hay không đáng kể so với khối
lượng tầng nên khối lượng của kết cấu tập trung vào tầng và ma trận khối lượng của
hệ kết cấu có dạng thu gọn theo đường chéo chính (Lumped Mass System), trong
đó, m1,1 & m1,2 lần lượt là khối lượng tầng của kết cấu B1 và B2.
Do giả thiết dầm-sàn là cứng tuyệt đối, nên độ cứng chuyển vị ngang của cột
k1,1 và k1,2 được tính theo mơ hình Shear Building và được xác định theo (2.1).
c1,1 vaø c1,2 lần lượt là hệ số cản của B1 và B2 và được xác định như sau:

c1, j  2 m1, j1, j  j  1, 2  .

Lực cản bị động sinh ra trong hệ cản VFD F1,VFD
và FD F1FD của hệ phụ thuộc
j
chuyển vị và vận tốc của kết cấu B1 và B2 và được xác định theo (2.3) và [(2.4)
hoặc (2.5)]. Cụ thể,

 F VFD   C VFD cos   x  sign  x 
1, j
1, j
1, j
1, j
 1, j
 FD
  F1  k1FD x1 sign  x1,2  x1,1   F1slip , FD trạng thá i dính
  FD
slip , FD
.sign  x1,2  x1,1 
trạng thá i trượt
  F1  F1

 j  1, 2 

(3.1)

trong đó, C1,VFD
là hệ số cản VFD được trang bị vào cơng trình nhưng hệ số
j
cản này bị giảm đi một lượng cos1, j  1 do F1,VFD
là thành phần
j



lực theo phương ngang. Vì vậy, F1,VFD
 C1,VFD
x1, j sign  x1, j 
j
j
theo phương nghiêng có thể được xem là lực F1,VFD
theo phương
j
ngang nếu ta sử dụng hệ số cản được trang bị vào cơng trình đủ
lớn và có giá trị C1,VFD

j

C1,VFD
j
cos1, j

 C1,VFD
, tức C1,VFD
j
j , sao kết cấu

nhận được lực điều khiển theo phương ngang như mong muốn là


F1,VFD
 C1,VFD
x1, j sign  x1, j 

j
j
4.1.2.

Phương trình vi phân chuyển động

Từ Hình 4-2, phương trình vi phân chuyển động của từng tầng dưới tác động của tải
trọng động đất theo nguyên lý D’Alembert được xác định như sau:

Trang 15


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 m1,1
x1,1  c1,1 x1,1  k1,1 x1,1  P1,1  m1,1
xg  F1,1VFD  F1FD

VFD
x1,2  c1,2 x1,2  k1,2 x1,2  P1,2  m1,2 
xg  F1,2
 F1FD
 m1,2 

(3.2)

Phương trình (3.2) được viết lại dưới dạng ma trận như sau:
 + Cx  Kx = P  M l 
Mx
x g  FVFD  FFD

m1,1 0 
c1,1 0 
 k1,1
trong đó: M  
; C
; K


 0 m1,2 
 0 c1,2 
0

(3.3)

0 
– lần lượt là
k1,2 

 x1,1 
ma trận hằng số mô tả khối lượng, độ cản, và độ cứng của kết cấu; x    ;
 x1,2 

x 

dx
d 2x
; x  2 – lần lượt là véc tơ đáp ứng chuyển vị, vận tốc, và gia tốc theo của
dt
dt

 P1,1 
1
kết cấu theo thời gian; P    – véc tơ ngoại lực tác dụng của kết cấu; l    là
1
 P1,2 

 F FD 
 F VFD 
véc tơ hằng số phân phối gia tốc nền; FVFD   1,1VFD  và FFD   1FD  lần lượt là
 F1,2 
 F1 
vector lực điều khiển VFD và FD được xác định theo (3.1).
Thuật toán tìm đáp ứng của kết cấu được trình bày trong mục 4.3.

4.2. HỆ KẾT CẤU HAI TÒA NHÀ – NHIỀU BẬC TỰ DO
4.2.1.

Mơ hình tính

Xét hệ gồm hai kết cấu liền kề nhiều tầng một nhịp B1 và B2, B1 có n  m tầng và
B2 có n tầng. Mỗi kết cấu được trang bị hệ cản VFD ở mỗi tầng và hai kết cấu
được nối với nhau bằng các hệ cản FD ở các tầng. Các giả thiết tính tốn, đặc trưng
vật liệu và hình học được lấy như mục 3.3.

Trang 16


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

mn+m,1

Pn+m,1

,1
+m

kn+m,1

Dn
VF
mn,1

k n,1

Dn
VF
mi,1

ki,1

Di
VF
m1,1

Pn,1

Pi,1

P1,1

k1,1

xg

Pn,2

FDn

mn,2
kn,2

FDi

Dn
VF
mi,2

ki,2

FD1

D i,2
VF
m1,2

,1

,2

,1

D 1,1
VF

Pi,2

D 1,2
VF

P1,2

k1,2

Mô hình hai kế t cấu đượ c trang bị hệ cả n VFD
và được nố i với nhau bằ ng hệ cả n FD

Hình 4-3: Hệ nhiều bậc tự do sử dụng hệ cản VFD và hệ cản FD

4.2.2.

Mơ hình cơ học:

Vì giả thiết là sàn tuyệt đối cứng, nên ta có thể coi mỗi tầng là một bậc tự do.
Tương tác giữ các tầng hoặc giữa 2 tịa nhà khơng những phụ thuộc vào các đặc
trưng động lực học của kết cấu cịn qua các hệ cản mà được mơ hình hóa như Hình
4-4.
k1,1

ki,1

k n,1

c1,1
VFD
C1,1

xg

P1,1

ci,1
m1,1

x1,1

cn,1

CVFD
i,1

x1,2
c1,2

VFD
C1,2

P1,2

m1,2

mi,1

Pi,1

CVFD
n,1
Pn,1

F1FD
k1,2

k n+m,1

FiFD

xi,2

ki,2
ci,2
CVFD
i,2

mi,2

Pi,2

xn,2

k n,2

cn,2
VFD
Cn,2

VFD
Cn+m,1

xn,1 Pn+m,1
FnFD

Pn,2

Trang 17

cn+m,1
mn,1

mn,2

mn+m,1

xn+m,1