Phân tích đáp ứng động lực học có xét đến phi tuyến vật liệu của công trình sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt chịu tải trọng động đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
WX

LÊ MINH THÀNH

PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CĨ XÉT ĐẾN
PHI TUYẾN VẬT LIỆU
CỦA CƠNG TRÌNH SỬ DỤNG HỆ CẢN CHẤT LỎNG NHỚT
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Chuyên Ngành : Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng Và Cơng Nghiệp
Mã s ố
: 605820

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM.
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 31 tháng 01 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS. TS Đỗ Kiến Quốc.
2. PGS. TS Chu Quốc Thắng.
3. PGS. TS Nguyễn Xuân Hùng.

4. TS Lương Văn Hải.
5. TS Nguyễn Trọng Phước.

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS Đỗ Kiến Quốc.

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
Ngày, tháng, năm sinh:

Lê Minh Thành ...................................MSHV:11216074 ............
06/01/1988 ........................................Nơi sinh:Tp.HCM ...........

Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
I. TÊN ĐỀ TÀI:
Phân Tích Đáp Ứng Động Lực Học Có Xét Đến Phi Tuyến Của Vật Liệu Của Cơng Trình
Sử Dụng Hệ Cản Chất Lỏng Nhớt (VFD) Chịu Tải Trọng Động Đất.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Khảo sát và phân tích đáp ứng động lực học của kết cấu khi xét đến ứng xử trong và ngoài
miền đàn hồi, khi có và khơng có hệ cản chất lỏng nhớt chịu tải trọng động đất tác động

vào công trình.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2012
IV. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/12/2012
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS CHU QUỐC THẮNG.

Tp. HCM, ngày 25 Tháng 12 năm 2012.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS. TS CHU QUỐC THẮNG.
BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


LỜI CẢM ƠN

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 hôm 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 Th.S 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 12 năm 2012

Trang i


TÓM TẮT LUẬN VĂN

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Các giải pháp chống động đất cho cơng trình đã được thế giới quan tâm từ lâu,
đặc biệt trong hồn cảnh thế giới có nhiều trận động đất xảy ra với cường độ lớn do sự
biến đổi khí hậu tồn cầu. Điều khiển dao động cơng trình đã trở thành một lĩnh vực
được các kỹ sư ngày càng quan tâm nhằm tăng khả năng kháng chấn cho cơng trình.
Sự hấp dẫn của Điều Khiển Kết Cấu cùng với sự biến đổi môi trường và các trận động
đất xảy ra trong thời gian gần đây đặc biệt là ở Việt Nam với mật độ ngày càng nhiều
đã thúc đẩy tác giả thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ Phân Tích Đáp Ứng Động Lực
Học Có Xét Đến Phi Tuyến Của Vật Liệu Của Cơng Trình Sử Dụng Hệ Cản Chất
Lỏng Nhớt (VFD) Chịu Tải Trọng Động Đất. Phương pháp TimeNewmark được sử
dụng để tính đáp ứng kết cấu khi xét đến ứng xử trong và ngồi miền đàn hồi, khi có
và khơng có hệ cản chất lỏng nhớt. Phần ví dụ tính tốn minh họa, luận văn phân tích
đáp ứng động lực học của các bài toán kết cấu thép mẫu (Benchmark problems) của
nhà dân dụng và cơng nghiệp có xét đến ứng xử trong và ngồi miền đàn hồi, khi có và
khơng có hệ cản chất lỏng nhớt để từ đó thấy được đáp ứng thực của kết cấu và hiệu
quả của hệ cản được sử dụng ứng với các loại tải trọng khác nhau.

Trang ii


TÓM TẮT LUẬN VĂN

ABSTRACT
The solution against earthquake for buildings has been studied for a long time,
especially there are strong earthquakes which have recently occurred due to climate
change and global warming. Structural control of buildings has gradually become the
field which motivates more and more civil engineers and scientists all around the
world in order to research on and apply it to civil structures in attempts to enhance an
ability of resisting the motion of ground. As a result of more and more earthquakes
which have happened during the past few years in Vietnam and reaping many benefits
of structural control, I have conducted my research - Master’s thesis “Analysis the
Nonlinear Dynamics Response of a Structure using Viscous Fluid Dampers
Subjected to Seismic Loading”. The thesis presents the two improved Time-New Mark
numerical methods based on the classical Time-New Mark method on purpose of
calculating the response of a structure characterized by both the nonlinear model of the
column material and the passive VFD modal. To illustrate the theory, in the numerical
examples, the thesis analyzes the dynamics nonlinear response of steel benchmark
buildings using viscous fluid dampers which behave as both one of the two steel
models consisting of elastic-plastic model or elastic-hardening model and the passive
VFD model. The samples also assess effectiveness of the structures equipped with
passive viscous dampers and draw conclusions about the advantages and
disadvantages of these smart structures.

Trang iii


TĨM TẮT LUẬN VĂN

LỜI CAM ĐOAN
Tơi tên Lê Minh Thành, là học viên cao học chuyên ngành Xây Dựng Dân
Dụng và Cơng Nghiệp, khố 2011 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 thơng tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ
nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về kết quả nghiên cứu trong luận văn
của mình.
Học viên

LÊ MINH THÀNH

Trang iv


MỤC LỤC

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i 
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................... ii 
ABSTRACT ................................................................................................................. iii 
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ iv 
MỤC LỤC ......................................................................................................................v 
1.  TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG ..................................................1 
1.1.  GIỚI THIỆU ......................................................................................................1 
1.1.1.  Điều khiển bị động ......................................................................................1 
1.1.2.  Điều khiển chủ động và bán chủ động (active & semi-active control):......3 
1.1.3.  Điều khiển hỗn hợp (Hybrid control)..........................................................3 
1.1.4.  Tóm tắt ........................................................................................................4 

1.2.  MỤC TIÊU VÀ SỰ CẦN THIẾT CỦA LUẬN VĂN: .....................................5 
1.2.1.  Tình hình nghiên cứu ngồi nước. ..............................................................5 
1.2.2.  Tình hình nghiên cứu trong nước. ...............................................................5 
1.3.  TỔ CHỨC VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN: .......................................................7 
2.  GIỚI THIỆU HỆ CẢN NHỚT VÀ CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN...............8 
2.1.  Hệ CẢN NHỚT (VFD) ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG [12][17][21] ..........8 
2.2.  CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN ......................................................................10 
2.2.1.  Mơ hình tính của kết cấu ...........................................................................10 
2.2.2.  Các đặc trưng vật liệu ...............................................................................11 
2.2.3.  Moment kháng uốn dẻo của tiết diện chữ I ...............................................12 
3.  HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO SỬ DỤNG HỆ CẢN VFD CÓ XÉT ĐẾN SỰ LÀM
VIỆC NGOÀI MIỀN ĐÀN HỒI ................................................................................13 
3.1.  PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG: ...........................................13 
3.1.1.  Mơ hình tính: .............................................................................................13 
3.1.2.  Mơ hình cơ học: ........................................................................................13 
3.1.3.  Phương trình cân bằng của hệ một bậc tự do: ...........................................14 
3.2.  THUẬT TOÁN GIẢI PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG: ........................15 
3.3.  ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA BÀI TỐN. ..........................................................23 
3.3.1.  Các sai số trong q trình tính tốn...........................................................23 
3.3.2.  Kiểm tra sai số bài toán bằng phương pháp năng lượng. ..........................24 
Trang v


MỤC LỤC

4.  VÍ DỤ TÍNH TỐN .............................................................................................25 
4.1.  KẾT CẤU 1 TẦNG .........................................................................................27 
4.1.1.  Đáp ứng kết cấu với dao động tự do .........................................................28 
4.1.2.  Đáp ứng của kết cấu với tải trọng điều hòa...............................................29 
4.1.3.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Kobe. .................................33 

4.1.4.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Elcentro ứng với 2 mơ hình
làm việc của vật liệu. ..............................................................................................37 
4.1.5.  Đánh giá sai số của kết quả tính tốn. .......................................................39 
4.2.  PHÂN TÍCH KẾT CẤU 3 TẦNG ...................................................................41 
4.2.1.  Mô tả kết cấu .............................................................................................41 
4.2.2.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Elcentro..............................43 
4.2.3.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Northidge. ..........................47 
4.2.4.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng xung. .................................................51 
4.2.5.  Phân tích đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Kobe khi thay đổi
tham số điều khiển hệ cản VFD .............................................................................55 
4.3.  PHÂN TÍCH KẾT CẤU 9 TẦNG ...................................................................57 
4.3.1.  Mô tả kết cấu .............................................................................................57 
4.3.2.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Hachinole ...........................59 
4.3.3.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Northidge. ..........................64 
4.3.4.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Northidge khi thay đổi hệ số
cản của VFD. ..........................................................................................................69 
4.3.5.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Northidge trong trường hợp
độ cứng tầng 1 bị “giảm yếu”. ...............................................................................72 
4.3.6.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng gió .....................................................73 
4.4.  PHÂN TÍCH KẾT CẤU 20 TẦNG .................................................................77 
4.4.1.  Mơ tả kết cấu .............................................................................................77 
4.4.2.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Kobe. .................................79 
4.4.3.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Northidge. ..........................83 
4.4.4.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng động đất Kobe trong trường hợp độ
cứng tầng 1 bị “giảm yếu”. ....................................................................................87 
4.4.5.  Đáp ứng của kết cấu dưới tải trọng gió. ....................................................88 
5.  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................91 
Trang vi

MỤC LỤC

5.1.  KẾT LUẬN ......................................................................................................91 
5.2.  HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.....................................................................92 
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................93 
PHỤ LỤC .....................................................................................................................95 

Trang vii


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG

1.

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG

1.1. GIỚI THIỆU
Khi thiết kế cơng trình chịu các tác động bên ngồi như tải trọng gió và tải trọng
động đất, chúng ta có hai giải pháp. Giải pháp thứ nhất là giải pháp truyền thống, giải
pháp này dựa trên sự tăng cường độ cứng của hệ kết cấu bằng cách kết hợp các cấu
kiện với nhau như hệ cột, dầm, vách cứng, lõi cứng. Ngoài ra các yếu tố khác như hình
dáng cơng trình, vật liệu sử dụng…cũng góp phần đáng kể vào khả năng chịu tác động
bên ngồi. Tuy nhiên, giải pháp truyền thống này có sự hạn chế là dưới tác động của
tải trọng ngoài, đặc biệt là tải trọng động đất, chúng ta phải chấp nhận một phần hư hại
hoặc sụp đổ một phần của cơng trình. Chính vì những lý do đó, để bảo vệ kết cấu tốt
hơn, giải 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, điều khiển kết cấu có thể phân thành

các loại theo sơ đồ sau (Hình 1-1):
ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU

ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG

ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG
VÀ BÁN CHỦ ĐỘNG

ĐIỀU KHIỂN HỖN HP
(CHỦ ĐỘNG + BỊ ĐỘNG)

CÔ LẬP MÓNG
THIẾT BỊ TIÊU TÁN NĂNG LƯNG
HỆ CẢN KHỐI LƯNG

Hình 1-1: Sơ đồ tổng quan về điều khiển kết cấu.

1.1.1.

Điều khiển bị động

Các hệ thống điều khiển bị động có khả năng hấp thu và tiêu tán năng lượng, từ
đó làm giảm phản ứng cũng như mức độ hư hại của kết cấu. Thiết bị được điều khiển
bị động là loại thiết bị không cần nguồn năng lượng cung cấp. Các loại thiết bị điều
Trang 1


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG
khiển bị động thường dùng là: hệ cản khối lượng (Mass dampers), hệ cản chất lỏng
nhớt (Viscous fluid dampers), hệ cơ lập móng (Base isolation)…

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

Hình 1-3: Điều khiển kết cấu với Base Isolation.
Trang 2


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG
1.1.2.

Điều khiển chủ động và bán chủ động (active & semi-active control):
TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG

BỘ SINH LỰC

LỰC
ĐIỀU KHIỂN

TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN

CÔNG TRÌNH

BỘ ĐO ĐẠC CẢM BIẾN

ĐÁP ỨNG ĐẦU RA

BỘ ĐIỀU KHIỂN

Hình 1-4: Những thành phần cơ bản của vòng lặp trong điều khiển chủ động

Điều khiển chủ động là hệ thống gồm những thiết bị của hệ cản bị động được
trang bị thêm bộ tác động (actuators), bộ tác động này (actuators) được cung cấp
nguồn năng lượng lớn. Dưới tác dụng của tải trọng ngồi, trạng thái của kết cấu được
tiếp nhận thơng qua các bộ cảm biến (sensors) được bố trí trong hệ kết cấu, thông tin
từ bộ cảm biến được xử lý bởi bộ điều khiển (controller) sau đó qua bộ tác động để ra
mệnh lệnh tác động lại phản ứng của kết cấu để giảm hư hỏng đến mức tối thiểu.
Điều khiển bán chủ động cũng thực hiện theo nguyên lý của điều khiển chủ
động nhưng cần nguồn năng lượng để vận hành thiết bị thấp hơn nhiều so với hệ chủ
động.
1.1.3.

Điều khiển hỗn hợp (Hybrid control)
Điều khiển hỗn hợp 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 động.

Hình 1-5: Điều khiển kết hợp giữa chủ động (bán chủ động) và cách ly dao động (bị động)
Trang 3


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG
1.1.4.

Tóm tắt

PED = (Passive Energy Dissipation): thiết bị tiêu tán năng lượng bị động.
SỰ KÍCH THÍCH
(TÁC ĐỘNG BÊN NGOÀI)

KẾT CẤU

ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU

(a) Kết cấu theo lối cổ truyền
PED
SỰ KÍCH THÍCH
(TÁC ĐỘNG BÊN NGOÀI)

KẾT CẤU

ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU

(b) Kết cấu với thiết bị tiêu tán năng lượng bị động

ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU

SỰ KÍCH THÍCH
(TÁC ĐỘNG BÊN NGOÀI)

KẾT CẤU

Bộ cảm biến

Bộ tác động

Máy tính điều khiển

(c) Kết cấu với điều khiển chủ động

ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU

SỰ KÍCH THÍCH
(TÁC ĐỘNG BÊN NGOÀI)

KẾT CẤU

Bộ tác động
PED

Bộ cảm biến

Máy tính điều khiển

(d) Kết cấu với điều khiển bán chủ động

ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU

SỰ KÍCH THÍCH
(TÁC ĐỘNG BÊN NGOÀI)

KẾT CẤU

Bộ cảm biến

PED

Bộ tác động

Máy tính điều khiển

(e) Kết cấu với điều khiển hỗn hợp

Hình 1-6: Sơ đồ làm việc của các hệ thống điều khiển.
Trang 4


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG

1.2. MỤC TIÊU VÀ SỰ CẦN THIẾT CỦA LUẬN VĂN:
1.2.1.

Tình hình nghiên cứu ngồi 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),… Các bài báo quốc tế về điều khiển
dao động 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.
1.2.2.

Tình hình nghiên cứu trong nước.
Ở Việt Nam và đặc biệt là cao học Ngành Dân dụng và Công nghiệp của Đai

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:
9 Các loại thiết bị cách chấn:
• Nguyễn Văn Giang – Giảm chấn cho nhà cao tầng bằng hệ cơ lập móng BIS –
2002.

Trang 5


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG
• Trần Tuấn Long – Dao Động tự do của kết cấu khung nhà nhiều tầng có thiết
bị cách chấn HDR (High damping rubber bearings), luận văn thạc sĩ, Trường
đại học Xây dựng-2007.
• 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.
9 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 lượngTMD - 2002.
• Bùi Đơng Hồn – Khảo sát tác dụng kháng chấn của hệ cản chất lỏng nhớt –
2003.
• Ngô Ngọc Cường – 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 Trường 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 Hịa – Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản ma
sát biến thiên, 2007.
• Ngơ Minh Khơi – Assessment of the Efficiency of Fluid Viscous Damper for
Seismic Protection of Building – EMMC – 2007.
• Nguyễn Quang Bảo Phúc – Khảo sát khả năng giảm chất cơng trình với hệ cản
có độ cứng biến thiên – 2008.
• Trần Văn Bền – Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản ma sát
biến thiên và hệ cản có độ cứng thay đổi kết hợp – 2008.
Trang 6


TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG
• Hồ Hồng Đức Thịnh – Điều khiển kết cấu chịu tải trọng động đất với hệ cản
đàn nhớt biến thiên – 2009.
• 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.
Trên cơ sở tìm hiểu, phát triển các tài liệu, các bài báo, luận văn trước, tác giả
nhận thấy các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào phân tích đáp ứng của kết
cấu sử dụng các loại hệ cản thì chỉ mong muốn kết cấu làm việc trong miền đàn hồi,
nghĩa là toàn bộ năng lượng đầu vào gần như được hấp thu bởi hệ cản. Hay nói cách

khác, các nghiên cứu trước đây chỉ xét kết cấu làm việc trong miền đàn hồi của vật
liệu. Vì vậy, thực hiện nghiên cứu mơ hình tính tốn kết cấu làm việc trong miền dẻo
của vật liệu để kết cấu làm việc gần với thực tế hơn là điều cần thiết.
Các nội dung chính của luận văn:
• Tổng quan về điều khiển dao động.
• Giới thiệu hệ cản chất lỏng nhớt (VFD) và các giả thiết tính tốn.
• Xây dựng mơ hình cơ học và phương trình chuyển động của kết cấu một nhịp
nhiều tầng làm việc trong cả miền đàn hồi và chảy dẻo sử dụng hệ cản VFD.
• Tính tốn đáp ứng của kết cấu khi làm việc trong miền đàn hồi và chảy dẻo sử
dụng hệ cản VFD chịu tác dụng của tải trọng động đất.
• Các ví dụ tính tốn nhằm đánh giá ứng xử của kết cấu khi làm việc ở miền đàn
hồi và chảy dẻo, mức độ hiệu quả giảm đáp ứng của hệ cản VFD.

1.3. 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 7


HỆ CẢN NHỚT VÀ CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN

2.

HỆ CẢN NHỚT VÀ CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN

2.1. Hệ CẢN NHỚT (VFD) ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN BỊ ĐỘNG [12][17][21]

Hình 2-1: Cấu tạo hệ cản chất lỏng nhớt Viscous Fluid Dampers.

Do các luận văn trước đã phân tích chi tiết về hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous
Fluid Dampers - VFD) nên tác giả chỉ giới thiệu các đặc điểm chính của hệ cản này.
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 piston tạo ra chênh áp suất và sinh ra lực
cản.
Lực cản sinh ra trong VFD:
FVFD = C x sign ( x )
α

(2.1)

trong đó: C : Hệ số cản của thiết bị cản nhớt.
x : Vận tốc tương đối giữa 2 đầu pít tơng.

α : hệ số mũ, α = [ 0,1 ÷ 1, 2]
Khi: α = 1 hệ cản nhớt là tuyến tính.

α < 1 hệ cản nhớt là phi tuyến, có hiệu quả với chấn động mạnh.
α > 1 ít gặp trong thực tế.

Trang 8


HỆ CẢN NHỚT VÀ CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN

Hình 2-2: Các cơng trình sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt trong thực tế.

Một số cơng trình tiêu biểu áp dụng VFD trong thời gian gần đây [9]
Bảng 2-1: Các công trình sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt.
Cơng trình
Meguro

Thành phố

Loại damper sử dụng

Japan/Tokyo Taylor Fluid Dampers

Năm xây
dựng
2010

Tải trọng

Thông tin

Seismic Công trình xây dựng mới

Gajoen

Total: 72

16 tầng, kết cấu thép, hệ

Extension

1000kN +/-50mm stroke

cản tiêu tán năng lượng

Project

1500kN +/-50mm stroke

do tải động đất.

2000kN +/-50mm stroke
Kasumigaseki Japan/Tokyo Taylor Fluid Dampers

2010

Seismic Cơng trình xây dựng mới

3 Chome

Total: 64

16 tầng, kết cấu thép, hệ

Project

1690 kN ± 100

cản tiêu tán năng lượng

mmstroke

do tải động đất.

1500kN +/-50mm stroke
Total: 7

Trang 9


HỆ CẢN NHỚT VÀ CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN

2.2. CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN
2.2.1.

EIb=∞

mn

EIb=∞

EIc,n
EIb=∞
mi

EIc,n
EIb=∞
mi

EIc,n

mi

EIb=∞

EIc,i
EIb=∞
m1

EIc,i
EIb=∞
m1

EIc,i
m1

Ln

Pn

Mơ hình tính của kết cấu

Li

Pi

mn

EIc,1

L1

P1

EIb=∞

EIb=∞

mn

E – Module đàn hồi của vật
liệu kết cấu.

EIc,1

EIc,1

I b và I c – Moment quán tính
của dầm và cột.

Ls và Li – Chiều dài nhịp
th

và chiều cao tầng thứ i .

m – Khối lượng của kết cấu.
xg ( t ) – Gia tốc nền.

x(t ) – Chuyển vị của kết cấu.
xg

LS

LS

LS

P (t ) – Tải trọng tác động

(a) Mô hình kết cấu nhiều tầng nhiều nhịp

vào kết cấu.

Hình 2-3: Mơ hình kết cấu thực
EIb=∞

EIc,n
EIb=∞

mi

Li

Pi

EIb=∞

m1

EIc,i

xi
x1

EIc,1

L1

P1

xn

mn

Ln

Pn

LS

xg

(b) Mô hình kết cấu 1 nhịp

(c) Chuyển vị của kết cấu
vị trí ban đầu của kết cấu
vị trí mới của kết cấu

Hình 2-4: Mơ hình đơn giản hố bài tốn.

Thường đối với tính tốn đáp ứng động lực học, trong các bài toán thiết kế kết

cấu và các bài báo nước ngồi [12],[14],[15], các giả thiết tính tốn là:
• Sàn là tuyệt đối cứng ( I b ≈ ∞ ) (mơ hình shear frame).
• Hệ khung nhiều tầng và nhiều nhịp được qui đổi kết cấu nhiều tầng và một
nhịp với độ cứng cột tương đương như sau:
12.EI c
columns
Li 3

ki = ∑

(2.2)

Trang 10


HỆ CẢN NHỚT VÀ CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN
2.2.2.

Các đặc trưng vật liệu

2.2.2.1. Quy luật ứng xử của vật liệu
Quan hệ lực và chuyển vị của vật liệu thép khi chịu tải trọng lặp trong thực tế
[1] được biểu diễn như Hình 2-5. Quan hệ giữa lực và chuyển vị không phải là hàm
một biến chỉ phụ thuộc vào biến dạng mà là hàm của hai biến phụ thuộc cả vào chuyển
vị và độ gia tăng hoặc giảm của chuyển vị (hay vận tốc), được biểu diễn như sau:
f s = f s ( x, x )

Dựa vào quan hệ lực và chuyển vị của thép, trong luận văn này, quy luật ứng xử
của vật liệu thép trong và ngoài miền đàn hồi được qui đổi gần đúng bằng hai mơ hình:
mơ hình đàn dẻo tuyệt đối (Hình 2.6a) và mơ hình đàn dẻo tái bền tuyến tính (Hình 2.6b)

σ

σ
σp

b σp

a

E
O 1

−σ p

O

ε

1
d

1
c

a

1

E

ε

1

−σ p

a. Mô hình đàn dẻo tuyệt đối

d

c

b.Mô hình đàn dẻo
tái bền tuyến tính

Hình 2-5: Quan hệ lực-chuyển vị của thép. Hình 2-6: Mơ hình làm việc của vật liệu.

Từ quan hệ ứng suất biến dạng, ta có quan hệ giữa lực và chuyển vị như sau:
f
f

f

S

k p=0

a

p

f

b f
p

b a-Mơ hình đàn dẻo tuyệt đối (elastic-plastic Hình

S

a

p

2.7a)

1 kp

f s ,i _ j +1 = f s , j + ki [( xi , j +1 − xi , j ) − ( xi −1, j +1 − xi −1, j )]

k

k

O 1
xlimit

u

O 1

f s ,i _ j +1 ≥ f p => f s , j = f p , ki = 0

(2.3)

u b-Mơ hình đàn dẻo tái bền tuyến tính (bilinear-

xlimit

elastic-Hình 2.7 b)
k
-f p

1
d

k p=0

c -f
p

-f p

a. Mô hình đàn dẻo tuyệt đối

1
d

k

f s ,i _ j +1 = f s , j + ki [( xi , j +1 − xi , j ) − ( xi −1, j +1 − xi −1, j )]

c
1 kp

f s ,i _ j +1 ≥ f p

b.Mô hình đàn dẻo
tái bền tuyến tính

f s ,i _ j +1 = f s , j + k p [( xi , j +1 − xi , j ) − ( xi −1, j +1 − xi −1, j )]

Hình 2-7: Quan hệ lực-chuyển vị theo mơ hình làm việc của vật liệu.

Trang 11

(2.4)


HỆ CẢN NHỚT VÀ CÁC GIẢ THIẾT TÍNH TỐN
2.2.3.

Moment kháng uốn dẻo của tiết diện chữ I
Với giả thiết khung chịu uốn thuần túy, khi vật liệu làm việc theo mơ hình đàn

hồi-dẻo lý tưởng hoặc đàn dẻo tái bền tuyến tính, moment dẻo giới hạn của tiết diện
được xác định theo công thức [2]:
M p = σ pW p

(2.5)

trong đó: σ p – Ứng suất chảy dẻo của vật liệu, đối với thép trong luận văn này,
lấy σ p = 345 MPa [15]
W p – Moment kháng uốn dẻo của tiết diện chữ I, xác định như sau [2]:
b

dc

2

db

⎛h
⎞
W p = bd c ( h − d c ) + ⎜ − dc ⎟ db
⎝2
⎠

h

(2.6)

Hình 2-8: Moment kháng uốn dẻo tiết diện I

Với giả thiết sàn tuyệt đối cứng, cột được xem như ngàm giữa hai tầng, khi
cho đầu cột một chuyển vị cưỡng bức Δ = 1 , ta có:

6EI
L2
6EI

L2

12EI
L3

B

M a = Mb =

6 EI
(ua − ub )
L2

12 EI
(ua − ub )
L3
12 EI
Vb = 3 (−ua + ub ) = −Va
L
Va =

12EI
L3

A

(2.7)

Hình 2-9: Nội lực của kết cấu khi chịu chuyển vị cưỡng bức Δ = 1 .

Từ (2.7) ta có quan hệ giữa lực cắt và moment như sau (xét về độ lớn):
12 EI
(ua − ub )
3
V
2
= L
=
6 EI
M
(ua − ub ) L
2
L

(2.8)

Khi cột chảy dẻo, V = f p , M = M p = σ pW p :
fp =

2σ pW p

(2.9)

L

Trang 12


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.

HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO SỬ DỤNG HỆ CẢN VFD CĨ XÉT
ĐẾN SỰ LÀM VIỆC NGỒI MIỀN ĐÀN HỒI

3.1. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG:
3.1.1.

Mơ hình tính:

Xét kết cấu nhiều tầng 1 nhịp với hệ cản VFD, các giả thiết tính tốn, đặc
trưng vật liệu và hình học tương tự như mục 2.2.1.

nth S-VFD
∞
n=
EA

EI cn

Ln

EA

n=

xi(t)

i floor

ith S-VFD

EI ci

Li

∞

th

EI bi=∞
mi

Pi(t)

xn(t)

nth floor

EI bn=∞
mn

Pn(t)

EA

∞
i=
EA

i=

EI b1=∞
m1

P1(t)

x1(t)

∞

1st floor

1st S-VFD
EI c1

L1

EA

EA

=∞

1=

1

∞

LS

w(t)

(a) Mơ hình kết cấu nhiều tầng

(b) Chuyển vị của kết cấu

Hình 3-1: Hệ nhiều bậc tự do sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt.

3.1.2.

Mơ hình cơ học:
x1
f s,i

f s,1
c1

m1

cVFD 1
xg

P1
x1
f s,2

FVFD,1

m1x1
m1xg

cVFD i

P1

cVFD n

FVFD,i

xn

mn

Pn
xi
f s,i+1

f s,i

c2(x2-x1) ci(xi-xi-1)
FVFD,2

cn

mi

Pi

f s,1
c1x1

ci

xi
f s,n

mixi
mixg

xn

f s,n

mx
ci+1(xi+1-xi) cn(xn-xn-1) n n
mnxg
F
F
VFD,i+1

VFD,n

Pi

Hình 3-2: Mơ hình tính tốn cơ học hệ nhiều bậc tự do.
Trang 13

Pn

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1.3.

Phương trình vi phân chuyển động của hệ nhiều bậc tự do:

Xét cơng trình có n tầng chịu tác động của động đất, mỗi tầng có thể có
( CVFD ,i ≠ 0 ) hoặc khơng có hệ cản VFD ( CVFD ,i = 0 ). Phương trình vi phân chuyển
động của từng tầng dưới tác động của động đất theo nguyên lý D’Alembert được xác
định như sau:
⎧m1 x1 + c1 x1 − c2 ( x2 − x1 ) = P1 − m1 xg − FVFD ,1 + FVFD ,2 − f s ,1 + f s ,2
⎪
⎪.....................................................................................
⎪
⎨mi xi + ci ( xi − xi −1 ) − ci +1 ( xi +1 − xi ) = Pi − mi xg − FVFD ,i + FVFD ,i +1 − f s ,i + f s ,i +1
⎪
⎪.....................................................................................
⎪mn xn + cn ( xn − xn −1 ) = Pn − mn xg − FVFD ,n − f s ,n
⎩

Phương trình chuyển động của kết cấu được viết dưới dạng ma trận như sau

Mx + Cx = P − M l xg − Fs − FVFD

(3.1)

trong đó:
0

⎡ m1
⎢
mi
M=⎢
⎢⎣ sym

⎡c1 + c2
⎢
⎢
C=⎢ 0
⎢
⎢ …
⎢⎣ sym

0⎤
⎥ – Ma trận khối lượng của kết cấu là hằng số.
⎥
mn ⎥⎦

−c2

0

0

−ci

ci + ci +1

−ci +1

−cn

0⎤
⎥
⎥
0 ⎥ – Ma trận cản của kết cấu là hằng số
⎥
⎥
cn ⎥⎦

x = { x1...xi ...xn } – Vector đáp ứng chuyển vị theo thời gian t.
T

dx
d 2x
x = , x = 2 – Vector đáp ứng vận tốc và gia tốc.
dt
dt
P = { P1...Pi ...Pn } – Vector ngoại lực tác dụng tại các tầng.
T

l = {1...1...1} – Vector phân phối gia tốc nền và là hằng số.
T

x g – Vector gia tốc nền.
Fs = { f s ,1 − f s ,2 ,..., f s ,i − f s ,i +1 ,..., f s ,n } – Vector lực đàn hồi.
T

(3.2)

FVFD = { FVFD ,1 − FVFD ,2 ,..., FVFD ,i − FVFD ,i +1 ,..., FVFD , n } – Vector lực điều khiển của VFD,
T

với FVFD ,i được xác định theo (2.1).
Trang 14

(3.3)


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khi hệ số α trong công thức (2.1) bằng 1 ( α = 1 ), ta có hệ cản chất lỏng nhớt
tuyến tính thường gặp trong thực tế, phương trình (2.1) trở thành:
FVFD ,i = CVFD ,i ( xi − xi −1 )

(3.4)

Khi đó vector lực FVFD có dạng:

FVFD

⎡CVFD ,1 + CVFD ,2
⎢
...
⎢
0
=⎢
⎢
...
⎢

⎢
sym
⎣

−CVFD ,2

0

0

...

...

...

−CVFD ,i

CVFD , i + CVFD , i +1

−CVFD , i +1

...

...

...

0

0

−CVFD , n

0 ⎤
... ⎥⎥
0 ⎥
⎥
... ⎥
CVFD , n ⎦⎥

⎧ x1 ⎫
⎪ ⎪
⎪⎪ ⎪⎪
⎨ xi ⎬
⎪ ⎪
⎪ ⎪
⎪⎩ xn ⎪⎭

(3.5)

CVFD

Từ (3.5), phương trình (3.1) có thể viết lại thành:
Mx + (C + CVFD )x = P − M l xg − Fs

(3.6)

3.2. THUẬT TỐN GIẢI PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG:
Do tính chất phi tuyến của bài toán (phi tuyến ứng xử vật liệu và phi tuyến cả

tải trọng tác dụng vào kết cấu) nên phương trình vi phân chuyển động dạng ma trận
(3.1) được giải bằng phương pháp số dựa trên phương pháp Time-Newmark.
Với sự trợ giúp của máy tính và phần mềm MATLAB, miền thời gian của bài
tốn được rời rạc hóa thành các bước thời gian cách đều nhau Δt ( j = 1, 2,..., nt với nt là
tổng số bước thời gian tính). Luận văn này sử dụng phương pháp tích phân trực tiếp
với giả thiết rằng ở mỗi bước thời gian, gia tốc tuân theo quy luật tuyến tính.
Trong phương pháp Time Newmark, khi sử dụng gia tốc theo quy luật tuyến
tính cần kiểm tra lại điều kiện ổn định của nghiệm bài tốn là [1]:
Δt ≤

3

π

Tn .

(3.7)

trong đó: Δt – bước thời gian tính tốn.
Tn – chu kỳ dao động của kết cấu.

Luận văn xây dựng phương pháp TIME NEWMARK CẢI TIẾN để giải
phương trình vi phân chuyển động trong bài tốn điều khiển dao động cơng trình có
xét đến phi tuyến vật liệu sử dụng hệ cản VFD được mô tả như sau:

Trang 15