Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR nối giữa hai kết cấu

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

---

LÊ THANH CƯỜNG

PHÂN TÍCH
HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN
CỦA HỆ CẢN MR NỐI GIỮA HAI KẾT CẤU
Chuyên ngành : Xây Dựng Dân Dụng – Công Nghiệp
Mã số ngành : 60. 58. 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh. tháng 12 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

Cán bộ chấm nhận xét 1: .......................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: .......................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG, TP. HCM
Ngày ......... tháng ........... năm .............

Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
2.
3.
4.
5.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
nghành sau khi luận văn được sửa chữ (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA XÂY DỰNG
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---o0o--Tp. HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: LÊ THANH CƯỜNG

Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 11/05/1981

Nơi sinh: HÀ TĨNH

Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng – Cơng Nghiệp

MSHV: 11211006

Khóa: 2011
1- TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA HỆ CẢN MR KHI NỐI GIỮA HAI
KẾT CẤU
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Tìm hiểu hệ cản lưu biến từ MR: vật liệu, đặc tính và mơ hình cơ học.
- Áp dụng hệ cản MR để nối hai kết cấu và phân tích sự hiệu quả khi toàn bộ hệ chịu
động đất: Thiết lập phương trình chủ đạo có mơ hình MR, giải bài toán động lực học
và đánh giá kết quả.
- Viết chương trình máy tính bằng ngơn ngữ MATLAB giải bài tốn động lực học
trên: Trong từng bước thời gian mô phỏng ứng xử MR bằng phương pháp Runge
Kutta và trên toàn miền thời gian bằng phương pháp tích phân Newmark; lựa chọn
dữ liệu động đất bằng phân tích phổ năng lượng theo chuỗi Fourier (FFT)
- Đánh giá sự hiệu quả của MR khi được nối giữa hai kết cấu.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 25 - 12 - 2012
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TS. Nguyễn Trọng Phước

BAN QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến người hướng
dẫn khoa học TS. Nguyễn Trọng Phước. Thầy đã luôn tận tâm hướng dẫn, động
viên và tạo mọi điều kiện cho tôi được học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài tại
Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM. Những chỉ dẫn của Thầy không chỉ là những
kiến thức khoa học quý báu giúp tơi hồn thành luận văn mà Thầy cịn giúp tơi rất
nhiều về khả năng tư duy khoa học.
Tôi xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô đã và đang giảng
dạy chương trình Sau đại học nghành Xây dựng dân dụng khóa 2011 đã truyền đạt
cho tơi những kiến thức khoa học quý báu. Tôi cũng xin cảm ơn các anh chị quản lý
thư viện Trường Đại Học Học Bách Khoa TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho
tôi được tham khảo các nguồn tài liệu quý giá của trường. Và cũng cảm ơn đến các
bạn học viên đã ln có những chia sẻ và trao đổi kiến thức bổ ích trong suốt thời
gian qua.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân, gia đình, thầy
cơ, bè bạn và những tri kỷ đã ln gắn bó cùng tơi, khơng ngừng khuyến khích tơi
trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu khoa học và thực hiện đề tài này.

Tôi xin chân thành cảm ơn !


TĨM TẮT

“Phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR nối giữa hai kết cấu”

Lê Thanh Cường

Luận văn phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR (MagnetoRheological, lưu biến từ) khi được bố trí nối giữa hai kết cấu chịu gia tốc nền động
đất. Thiết bị cản MR được mơ phỏng bởi các lị xo và cản nhớt, trong đó lực cản
sinh ra là một hàm phụ thuộc vào điện thế và những thông số khác trong thiết bị.

Phương trình chuyển động của các kết cấu và hệ cản chịu tác dụng gia tốc nền của
động đất được thiết lập dựa trên nguyên lý cân bằng động và giải bằng phương pháp
tích phân trực tiếp từng bước theo thời gian. Sự đáp ứng của hệ cản MR trong từng
bước thời gian được mơ tả bởi phương trình vi phân cấp 1 và giải bằng phương
pháp số Runge-Kutta. Một chương trình máy tính được viết bằng ngơn ngữ
MATLAB để phân tích phản ứng động của hệ kết cấu. Kết quả số từ phản ứng động
gồm có chuyển vị, vận tốc và năng lượng tiêu tán cho thấy sự hiệu quả của hệ cản
MR với các điện áp điều khiển khác nhau khi được nối giữa hai kết cấu.


ABSTRACT

“Analyses effective for dynamic response reduction of MR damper – connected
coubled structures”

Le Thanh Cuong

This thesis analysed dynamic reduction of MR damper (Magneto-Rheological)
which set between two structures under ground motion. MR damper is simulated by
springs , viscous damper and dashpot. This equipment produce a force which is a
function depend on voltage and parameter. The governing equations of motion of the
coupled system is established base on principle of dynamic balancing, this equations
are solved using Newmark’s step-by-step method. The response of MR damper over
a small time interval is simulated by 4th order Runge-Kutta method. A program was
establish base on Mathlap to analyse dynamic response of structures. The result
obtained from the numerical study is drawn effective of MR damper which is
connected coupled structure.


MỤC LỤC

Danh sách các hình vẽ .......................................................................................................
Danh sách các bảng biểu ...................................................................................................
Chữ viết tắt ........................................................................................................................
Chương 1. GIỚI THIỆU ............................................................................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................................... 1
1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN................................................................................. 6
1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN ................................................................................ 7
Chương 2. TỔNG QUAN.............................................................................................. 8
2.1 GIỚI THIỆU .............................................................................................................. 8
2.2 TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU ................................................................. 8
2.2.1 Điều khiển bị động......................................................................................... 9
2.2.2 Điều khiển chủ động .................................................................................... 10
2.2.3 Điều khiển kết hợp ....................................................................................... 13
2.2.4 Điều khiển bán chủ động ............................................................................. 13
2.3 CHẤT LƯU MR...................................................................................................... 16
2.3.1 Thành phần cấu tạo ...................................................................................... 16
2.3.2 Cơ chế hoạt động ......................................................................................... 17
2.4 CẤU TẠO HỆ CẢN MR ........................................................................................ 18
2.4.1 Cấu tạo chung .............................................................................................. 18
2.4.2 Giá thành một số loại hệ cản MR ................................................................ 19


2.4.3 Mơ hình cơ học hệ cản MR ......................................................................... 19
2.5 LIÊN KẾT HAI CƠNG TRÌNH ............................................................................. 25
2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................... 28
Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 29
3.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................ 29
3.2 MƠ HÌNH KẾT CẤU ............................................................................................. 29
3.3 MƠ HÌNH CƠ HỌC................................................................................................ 30

3.4 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHUYỀN ĐỘNG ............................................... 33
3.5 TÍNH TỐN LỰC ĐIỀU KHIỂN MR ................................................................... 38
3.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỐ GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ĐỘNG LỰC
HỌC......................................................................................................................... 39
3.6.1 Phương pháp tích phân Newmark .................................................................. 40
3.6.2 Thuật tốn giải phương trình vi phân chuyển động ....................................... 41
3.7 NĂNG LƯỢNG ...................................................................................................... 44
3.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................... 45
Chương 4. VÍ DỤ SỐ................................................................................................... 45
4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................ 45
4.2 MƠ TẢ KẾT CẤU GHÉP NỐI .............................................................................. 45
4.3 SỐ LIỆU TRẬN ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG ĐỂ PHÂN TÍCH KẾT CẤU .............. 46
4.4 PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU DƯỚI TẢI ĐỘNG ĐẤT
ELCENTRO ............................................................................................................ 51
4.4.1 Phân tích hiệu quả giảm đáp ứng của hệ cản MR .......................................... 51
4.4.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR ............................................... 62
4.4.3 Nhận xét ......................................................................................................... 64
4.5 PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU DƯỚI TẢI ĐỘNG ĐẤT
SUPERSTITION ..................................................................................................... 65
4.5.1 Phân tích hiệu quả giảm đáp ứng của hệ cản MR .......................................... 65
4.5.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR ............................................... 76


4.5.3 Nhận xét ......................................................................................................... 77
4.6 PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU DƯỚI TẢI ĐỘNG ĐẤT
NORTHRIDGE ....................................................................................................... 79
4.6.1 Phân tích hiệu quả giảm đáp ứng của hệ cản MR .......................................... 79
4.6.2 Phân tích ảnh hưởng của số lượng hệ cản MR ............................................... 84
4.6.3 Nhận xét ......................................................................................................... 85
4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................... 86

Chương 5. KẾT LUẬN ............................................................................................... 88
5.1 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 88
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................................ 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 90
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 94


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Động đất ở Northridge, California – 1994 ....................................................... 2
Hình 1.2 Động đất ở Kobe, Nhật Bản – 1995................................................................. 3
Hình 1.3 Động đất ở Tứ Xuyên, Trung Quốc – 2008 ..................................................... 3
Hình 1.4 Động đất ở Haiti – 2010 .................................................................................. 4
Hình 1.5 Động đất ở Đơng Bắc, Nhật Bản – 2012 ......................................................... 4
Hình 2.1Phân loại điều khiển kết cấu ............................................................................. 8
Hình 2.2 Hệ điều khiển bị động – Liquid Tuned Mass Damper .................................... 9
Hình 2.3 Hệ điều khiển bị động – Viscous Fluid Dampers .......................................... 10
Hình 2.4 Hệ điều khiển bị động –Base Isolation .......................................................... 10
Hình 2.5 Điều khiển chủ động –Tịa nhàKyobashi Seiwa ............................................ 12
Hình 2.6Điều khiển chủ động –Tịa nhàApplause ........................................................ 12
Hình 2.7Cơ cấu điều khiển kết hợp khối lượng ............................................................ 13
Hình 2.8Viện bảo tàng quốc gia Tokyo và thiết bị MR-30T ........................................ 15
Hình 2.9Cầu Dongting Lake và thiết bị MR Lord SD-1005 ........................................ 15
Hình 2.10Cầu Binzhou Yellow River ........................................................................... 16


Hình 2.11Cơ chế hoạt động của chất lưu ...................................................................... 17
Hình 2.12Cấu tạo chung hệ cản MR ............................................................................. 18
Hình 2.13 Mơ hình Bingham ........................................................................................ 20
Hình 2.14Kết quả so sánh của mơ hình Bingham và thực nghiệm .............................. 20

Hình 2.15Mơ hình Gamota và Filisko (1991) .............................................................. 21
Hình 2.16Kết quả so sánh của mơ hình Gamota và Filisko và thực nghiệm................ 22
Hình 2.17Mơ hình Bouc-Wen ...................................................................................... 22
Hình 2.18Kết quả so sánh giữa mơ hình Bouc-Wen và thực nghiệm .......................... 23
Hình 2.19Mơ hình hiệu chỉnh Bouc-Wen..................................................................... 24
Hình 2.20 Kết quả so sánh giữa mơ hình hiệu chỉnh Bouc-Wen và thực nghiệm ....... 25
Hình 2.21 Tịa nhà Triton Square Office ...................................................................... 27
Hình 2.22 Tịa nhà Kajima Intelligent .......................................................................... 27
Hình 2.23 Tịa nhà Konoike Headquarter ..................................................................... 28
Hình 3.1 Mơ hình kết cấu ghép nối sử dụng hệ cản MR .............................................. 30
Hình 3.2 Mơ hình cơ học kết cấu n+m bậc tự do sử dụng thiết bị cản MR ................. 32
Hình 3.3 Mơ hình cơ học kết cấu n bậc tự do sử dụng thiết bị cản MR ....................... 33
Hình 3.4Lưu đồ thuật tốn phân tích động lực học kết cấu khi có hệ cản MR ............ 43
Hình 4.1 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Elcentro 1940 ............................................ 48
Hình 4.2 Phổ năng lượng trận động đất Elcentro 1940 ................................................ 48
Hình 4.3Đồ thị gia tốc nền trận động đất Superstition 1987 ........................................ 49
Hình 4.4Phổ năng lượng trận động đất Superstition 1987 ........................................... 49
Hình 4.5Đồ thị gia tốc nền trận động đất Northrid 1994 .............................................. 50


Hình 4.6Phổ năng lượng trận động đất Northrid 1994 ................................................. 50
Hình 4.7Chuyển vị tầng đỉnh của kết cấu dưới tải trọng Elcentro ............................... 51
Hình 4.8Chuyển vị lớn nhất các tầng của kết cấu dưới tải trọng Elcentro ................... 52
Hình 4.9Độ giảm chuyển vị của kết cấu dưới tải trọng Elcentro ................................. 52
Hình 4.10Chuyển vị trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng Elcentro ............. 52
Hình 4.11Độ giảm chuyển vị trung bình của kết cấu dưới tải trọng Elcentro .............. 53
Hình 4.12Chuyển vị bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Elcentro ........................................................................................................ 53
Hình 4.13Độ giảm chuyển vị bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải
trọng Elcentro .............................................................................................. 53

Hình 4.14Gia tốc tầng đỉnh của kết cấu dưới tải trọng Elcentro .................................. 54
Hình 4.15Gia tốc lớn nhất các tầng của kết cấu dưới tải trọng Elcentro ...................... 54
Hình 4.16Độ giảm gia tốc các tầng của kết cấu dưới tải trọng Elcentro ...................... 54
Hình 4.17Gia tốc trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng Elcentro .................. 55
Hình 4.18Độ giảm gia tốc trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng Elcentro .... 55
Hình 4.19Gia tốc bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Elcentro ........................................................................................................ 55
Hình 4.20Gia tốc bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Elcentro ........................................................................................................ 56
Hình 4.21Lực cắt tầng 1 của kết cấu dưới tải trọng Elcentro ....................................... 56
Hình 4.22Lực cắt lớn nhất các tầng của kết cấu dưới tải trọng Elcentro ..................... 56
Hình 4.23Độ giảm lực cắt các tầng của kết cấu dưới tải trọng Elcentro ...................... 57


Hình 4.24Lực cắt trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng Elcentro .................. 57
Hình 4.25Độ giảm lực cắt trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng Elcentro ... 57
Hình 4.26Lực cắt bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Elcentro ........................................................................................................ 58
Hình 4.27Độ giảm lực cắt bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Elcentro ........................................................................................................ 59
Hình 4.28Năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tải trọng
Elcentro ........................................................................................................ 59
Hình 4.29Cân bằng năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tải trọng
Elcentro ........................................................................................................ 59
Hình 4.30Ứng xử trễ của hệ cản MR dưới tải trọng Elcentro ...................................... 59
Hình 4.31Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
trường hợp Passive-on dưới tải trọng Elcentro ............................................ 62
Hình 4.32Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
trường hợp Passive-on dưới tải trọng Elcentro ............................................ 62
Hình 4.33Lực cắt lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong

trường hợp Passive-on dưới tải trọng Elcentro ............................................ 63
Hình 4.34Chuyển vị tầng đỉnh của kết cấu dưới tải trọng Superstition ....................... 65
Hình 4.35Chuyển vị lớn nhất các tầng của kết cấu dưới tải trọng Superstition ........... 65
Hình 4.36Độ giảm chuyển vị các tầng của kết cấu dưới tải trọng Superstition ........... 66
Hình 4.37Chuyển vị trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng Superstition ........ 66
Hình 4.38Độ giảm chuyển vị trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Superstition .................................................................................................. 66


Hình 4.39Chuyển vị bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Superstition .................................................................................................. 67
Hình 4.40Chuyển vị bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Superstition .................................................................................................. 67
Hình 4.41 Gia tốc tầng đỉnh của kết cấu dưới tải trọng Superstition ........................... 67
Hình 4.42 Gia tốc lớn nhất các tầng của kết cấu dưới tải trọng Superstition ............... 68
Hình 4.43 Độ giảm gia tốc các tầng của kết cấu dưới tải trọng Superstition ............... 68
Hình 4.44 Gia tốc trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng Superstition............ 68
Hình 4.45 Độ giảm gia tốc trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Superstition .................................................................................................. 69
Hình 4.46 Gia tốc bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Superstition .................................................................................................. 69
Hình 4.47 Độ giảm gia tốc bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Superstition .................................................................................................. 69
Hình 4.48 Lực cắt tầng 1 của kết cấu dưới tải trọng Superstition ................................ 70
Hình 4.49 Lực cắt lớn nhất các tầng của kết cấu dưới tải trọng Superstition............... 70
Hình 4.50 Độ giảm lực cắt lớn nhất các tầng của kết cấu dưới tải trọng Superstition . 70
Hình 4.51 Lực cắt trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng Superstition ........... 71
Hình 4.52 Độ giảm lực cắt trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Superstition .................................................................................................. 71
Hình 4.53 Lực cắt bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng

Superstition .................................................................................................. 71


Hình 4.54 Độ giảm lực cắt bình phương trung bình các tầng của kết cấu dưới tải trọng
Superstition .................................................................................................. 72
Hình 4.55 Năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tải trọng
Superstition ................................................................................................ 742
Hình 4.56Cân bằng năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tải trọng
Superstition .................................................................................................. 73
Hình 4.57Ứng xử trễ của thiết bị MR dưới tải trọngSuperstition................................. 73
Hình 4.58Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
trường hợp Passive-on dưới tải trọng Superstition ...................................... 76
Hình 4.59Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
trường hợp Passive-on dưới tải trọng Superstition ...................................... 76
Hình 4.60Lực cắt lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
trường hợp Passive-on dưới tải trọng Superstition ...................................... 77
Hình 4.61 Chuyển vị tầng đỉnh của kết cấu dưới tải trọng Northridge ........................ 79
Hình 4.62 Chuyển vị các tầng của kết cấu dưới tải trọng Northridge .......................... 79
Hình 4.63 Gia tốc tầng đỉnh của kết cấu dưới tải trọng Northridge ............................. 80
Hình 4.64 Gia tốc các tầng của kết cấu dưới tải trọng Northridge ............................... 80
Hình 4.65 Lực cắt tầng 1 của kết cấu dưới tải trọng Northridge .................................. 80
Hình 4.66 Lực cắt các tầng của kết cấu dưới tải trọng Northridge ............................... 81
Hình 4.67 Năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tải trọng
Northridge .................................................................................................... 81
Hình 4.68 Cân bằng năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tải
trọng Northridge ........................................................................................... 81


Hình 4.69 Chuyển vị lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
trường hợp Passive-on dưới tải trọng Northridge ........................................ 84

Hình 4.70 Gia tốc lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
trường hợp Passive-on dưới tải trọng Northridge ........................................ 84
Hình 4.71 Lực cắt lớn nhất các tầng khi gắn số lượng hệ cản MR khác nhau trong
trường hợp Passive-on dưới tải trọng Northridge ........................................ 84


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thiệt hại về người và tài sản một số trận động đất.......................................... 1
Bảng 2.1 Đơn giá thiết bị cản MR ................................................................................ 19
Bảng 4.2 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 1dưới tải trọng Elcentro .................. 60
Bảng 4.3 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 2 dưới tải trọng Elcentro ................. 60
Bảng 4.4 Thống kê các giá trị AVR của kết cấu 1 dưới tải trọng Elcentro .................. 61
Bảng 4.5 Thống kê các giá trị AVR của kết cấu 2 dưới tải trọng Elcentro .................. 61
Bảng 4.6 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu 1 dưới tải trọng Elcentro .................. 61
Bảng 4.7 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu 2 dưới tải trọng Elcentro .................. 62
Bảng 4.8 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 1 ứng với số lượng hệ cản MR khác
nhau trong trường hợp Passive-on dưới tải trọng Elcentro ........................... 63

Bảng 4.9 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 2 ứng với số lượng hệ cản MR khác
nhau trong trường hợp Passive-on dưới tải trọng Elcentro ........................... 63
Bảng 4.10 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 1dưới tải trọng Superstition .......... 74
Bảng 4.11 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 2 dưới tải trọng Superstition ......... 74
Bảng 4.12 Thống kê các giá trị AVR của kết cấu 1 dưới tải trọng Superstition .......... 74
Bảng 4.13 Thống kê các giá trị AVR của kết cấu 2 dưới tải trọng Superstition .......... 75
Bảng 4.14 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu 1 dưới tải trọng Superstition .......... 75
Bảng 4.15 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu 2 dưới tải trọng Superstition .......... 75


Bảng 4.16 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 1 ứng với số lượng hệ cản MR khác

nhau trong trường hợp Passive-on dưới tải trọng Superstition .................... 77
Bảng 4.17 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 2 ứng với số lượng hệ cản MR khác
nhau trong trường hợp Passive-on dưới tải trọng Superstition .................... 77
Bảng 4.18 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 1dưới tải trọng Northridge ............ 82
Bảng 4.19 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 2 dưới tải trọng Northridge ........... 82
Bảng 4.20 Thống kê các giá trị AVR của kết cấu 1 dưới tải trọng Northridge ............ 82
Bảng 4.21 Thống kê các giá trị AVR của kết cấu 2 dưới tải trọng Northridge ............ 83
Bảng 4.22 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu 1 dưới tải trọng Northridge ............ 83
Bảng 4.23 Thống kê các giá trị RMS của kết cấu 2 dưới tải trọng Northridge ............ 83
Bảng 4.24 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 1 ứng với số lượng hệ cản MR khác
nhau trong trường hợp Passive-on dưới tải trọng Northridge...................... 85
Bảng 4.25 Thống kê các giá trị MAX của kết cấu 2 ứng với số lượng hệ cản MR khác
nhau trong trường hợp Passive-on dưới tải trọng Northridge...................... 85


VIẾT TẮT

1. MR (Magneto-Rheological) Lưu biến từ
2. MAXLớn nhất
3. AVR (Avarage) Trung bình
4. RMS (root means square) Bình phương trung bình


1

Chương 1.

GIỚI THIỆU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Từ năm 2007 đến nay các trận động đất có cường độ nhỏ và vừa với mật độ
ngày càng nhiều đã xảy ra trên lãnh thổ Việt Nam. Đặc biệt từ ngày 3/09/2012 đến
nay các trận động đất xảy ra liên tục tại thủy điện Sơng Tranh 2 với cấp độ ngày
càng tăng có gây hậu quả nhất định dù chưa thật sự nghiêm trọng. Một số trận động
đất gần đây ở Trung Quốc, Lào cũng đã có ảnh hưởng nhất định đến nước ta… Điều
đó chứng tỏ rằng vỏ trái đất ở Việt Nam cũng khơng hồn tồn bình ổn.Cùng với tốc
độ đơ thị hóa thì rõ ràng việc xảy ra động đất trong tương lai có thể sẽ gây ra những
tổn thất lớn về nhân mạng và tài sản. Bảng 1.1 dưới đây trình bày vài số liệu về tổn
thất của những trận động đất đã xảy ra trên thế giới tương đối gần đây.


2
Bảng 1.1Thiệt hại về người và tài sản một số trận động đất

Thời điểm

Địa điểm

Cường
độ
(Richter)

17/01/1994

Northrid,California

6.8

60

20

17/01/1995

Kobe, Nhật Bản

6.9

5502

147

17/08/1999 Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ

7.8

17118

6.5

26/01/2001

Gujarat, Ấn Độ

7.6

20085

4.5

26/12/2003

Đông nam Iran

6.6

26200

8.5

26/12/2004

9.1

283106

200

7.9

69195

10

12/1/2010

Sumatra, Inđônêxia
Tứ Xuyên, Trung
Quốc
Haiti

7

222570

14

11/3/2012

Đông bắc, Nhật Bản

8.9

20000

243

12/5/2008

Con
người

Tài sản
(Tỉ
USD)

Hình 1.1 Động đất ở Northridge, California – 1994


3

Hình 1.2 Động đất ở Kobe, Nhật Bản – 1995

Hình 1.3 Động đất ở Tứ Xuyên, Trung Quốc – 2008


4

Hình 1.4 Động đất ở Haiti – 2010

Hình 1.5 Động đất ở Đơng Bắc, Nhật Bản – 2012
Những hình ảnh trên phác họa cho chúng ta thấy sự tàn phá vơ cùng khủng
khiếp của động đất. Vì vậy bài tốn ứng xử của kết cấu cơng trình xây dựng khi
chịu động đất ln là đề tài có tính thời sự đối với các nhà khoa học trên thế giới


5
cũng như trong nướcCho2004 [3],Chooi 2008 [4], Jansen 2000 [10],Leiman 1994
[13], Nguyễn 2006 [17], Vương 2011 [25]….
Giải pháp truyền thống để chống lại tác động của động đất là tăng độ bền, độ
cứng của kết cấu để chịu được tác động trực tiếp này nhưng lại bộc lộ một số hạn
chế như sau:
Độ an tồn khơng cao, với động đất mạnh thì kết cấu làm việc ngồi miền
đàn hồi, năng lượng được tiêu tán chủ yếu là do sự hư hỏng, phá hoại cục bộ
của chính kết cấu.
Phạm vi sử dụng tương đối hạn chế, không thể dùng được trong các cơng
trình quan trọng vì khơng cho phép các phần tử kết cấu làm việc ngoài miền
đàn hồi.
Tốn kém, do tăng tiết diện kết cấu làm cho giá thành tăng nhưng hiệu quả
vẫn khơng được như mong muốn.

Vì những hạn chế trên sự ra đời của các hệ thống điều khiển kết cấu là cần
thiết để đem đến sự an tồn và hiệu quả hơn trong thiết kế các cơng trình dân dụng.
Mục đích của điều khiển kết cấu là hấp thu năng lượng do tải trọng động gây nên.
Mối quan hệ về năng lượng do Uang và Bereno 1988[24] đề xuất được xem xét trên
khả năng bảo tồn như sau.
E = Ek + E s + Eh + E d

(1.1)

trong đó E là tổng năng lượng kích thích cơng trình; Ek là động năng cơng trình; Es
là năng lượng biến dạng đàn hồi; Eh là năng lượng biến dạng khơng đàn hồi (kể đến
hư hỏng của cơng trình); Ed là năng lượng tiêu hao bởi thiết bị chống dao động.
Đối với kết cấu theo truyền thống, vế phải của (1.1) chỉ bao gồm Ek , Es và Eh .
Bằng cách thêm vào năng lượng Ed thông qua thiết bị giảm chấn lắp đặt cho cơng
trình thì động năng và năng lượng biến dạng sẽ giảm xuống hay nói cách khác thiết
bị giảm chấn đã hạn chế bớt sự phá hoại của kết cấu do động đất.


6
Hệ điều khiển chủ động, bị động và bán chủ động thường áp dụng cho từng
cơng trình riêng biệt. Khi có nhiều cơng trình gần nhau, để tiêu tán năng lượng cho
cơng trình ngồi giải pháp trên các nhà khoa học cịnliên kết các cơng trình với nhau
Bharti 2010[1], Kim 2006[11], Kim 2011 [12]. Khi có dao động xảy ra, tác động
qua lại giữa các cơng trình thơng qua các thiết bị liên kết có thể hạn chế chuyển
động của cơng trình. Các liên kết này có độ cản và độ cứng phụ thuộc vào các yêu
cầu thiết kế, có thể làm tiêu tán năng lượng cho cơng trình khi chịu tải trọng động.
Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của thiết bị điều khiển lưu biến từ MR
được nối giữa hai cơng trình lên phản ứng động của hệ khi chịu động đất.

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Luận văn này phân tích sự hiệu quả giảm chấn của hệ cản MR (MagnetoRheological Damper, lưu biến từ) khi nối chúng giữa hai kết cấu chịu gia tốc nền
động đất để từ đó xem xét và chọn một giải pháp kết cấu để chúng ứng xử tốt hơn
với sự tác động của động đất.
Các mục tiêu chi tiết của luận văn được sơ lược như sau.
Tìm hiểu các mơ hình ứng xử của hệ MR từ các tài liệu tham khảo và lựa
chọn mơ hình phù hợp với phạm vi đề tài.
Xem xét sự làm việc đồng thời của hệ kết cấu được ghép nối như hệ một hệ
nhiều bậc tự do, chịu tải động đất. Xây dựng mơ hình kết cấu, thiết lập
phương trình chuyển động tổng quát và lực chọn phương pháp giải.
Thực hiện việc tính tốn số khi hệ kết cấu có MR chịu gia tốc nền động đất,
tìm chuyển vị, vận tốc, gia tốc sàn tầng, mơ men và lực cắt trong thanh.
Dùng sự phân tích phổ Fourier để đánh giá tần số trội của gia tốc nền, từ đó
lựa chọn số liệu đầu vào của bài tốn kết cấu.
Phân tích hiệu quả tiêu tán năng lượng của hệ cản MR ứng với các điện thế
khác nhau.