Phân tích sự ảnh hưởng của hệ cản khối lượng và lưu biến điện trong khung phẳng chịu động đất

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

HUỲNH TUẤN DŨNG

PHÂN TÍCH SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ CẢN
KHỐI LƯỢNG VÀ LƯU BIẾN ĐIỆN TRONG
KHUNG PHẲNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT
Chuyên ngành : Xây Dựng Dân Dụng – Công Nghiệp
Mã số ngành : 60. 58. 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh tháng 9 năm 2013


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: TS. LƯƠNG VĂN HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. HỒ HỮU CHỈNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG, TP. HCM
Ngày 13 tháng 9 năm 2013
Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. CHU QUỐC THẮNG
CHỦ TỊCH
2. TS. LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN

THƯ KÝ
3. TS. LƯƠNG VĂN HẢI
PHẢN BIỆN 1
4. TS. HỒ HỮU CHỈNH
PHẢN BIỆN 2
5. TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC
ỦY VIÊN
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 KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---o0o--Tp. HCM, ngày 21 tháng 01 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: HUỲNH TUẤN DŨNG

Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 06/10/1977

Nơi sinh: TIỀN GIANG

Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng - Cơng Nghiệp

MSHV: 11210234

Khóa: 2011
1- TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG VÀ
LƯU BIẾN ĐIỆN TRONG KHUNG PHẲNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
 Tìm hiểu đặc tính của hệ cản khối lượng và hệ cản lưu biến điện trong kết cấu.
 Thiết lập mơ hình kết cấu khung phẳng có gắn hệ cản TMD (khối lượng) + ER
(lưu biến điện) chịu tải trọng động đất; tìm hiểu đặc tính của động đất trong miền
thời gian.
 Phân tích sự hiệu quả của hệ cản TMD + ER với các điện thế khác nhau trong
một số trường hợp kết cấu khung phẳng với tần số khác nhau và các trận động
đất khác nhau thông qua phổ năng lượng của động đất.
 Xây dựng chương trình tính tốn bằng ngơn ngữ lập trình MATLAB để phân tích
phản ứng của kết cấu dưới các tải trọng động đất khác nhau.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2013
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21 – 6 – 2013
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. Nguyễn Trọng Phước

QL CHUYÊN NGHÀNH


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy hướng
dẫn 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. 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 tôi rất nhiều về khả năng tư duy khoa học.
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cơ đã và đang giảng dạy
chương trình Sau đại học nghành Xây dựng dân dụng đã truyền đạt cho tôi
những kiến thức khoa học quý báu, cảm ơn các bạn học cùng lớp đã ln có
những chia sẻ và trao đổi kiến thức bổ ích trong suốt thời gian qua.
Tơi cũng xin cảm ơn các anh chị quản lý thư viện đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi được tham khảo nguồn tài liệu quý giá của trường, cám ơn các anh
chị trong Khoa đào tạo sau đại học tạo nhiều điều kiện thuận lợi trong suốt q
trình tơi theo học.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân, gia đình, bè
bạn, 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 LUẬN VĂN

Tên đề tài:
Phân tích sự ảnh hưởng của hệ cản khối lượng và lưu biến điện
trong khung phẳng chịu tải động đất.
Học viên: Huỳnh Tuấn Dũng

Luận văn phân tích ảnh hưởng của hệ cản kết hợp giữa hệ cản điều chỉnh
khối lượng TMD (Tuned Mass Damper) với hệ cản lưu biến điện ER (ElectroRheological) trong kết cấu khung phẳng chịu tải động đất. Tìm hiểu mơ hình của
hệ cản khối lượng và lưu biến điện để gắn vào kết cấu. Trong hệ cản lưu biến

điện, lực sinh ra phụ thuộc vào điện thế cung cấp, chuyển vị và vận tốc của kết
cấu tại các thời điểm. Phương trình chuyển động của kết cấu có gắn TMD kết
hợp ER chịu tải tải động đất được thiết lập dựa trên nguyên lý cân bằng động, và
phương trình được giải bằng phương pháp tích phân số của Newmark theo từng
bước thời gian. Phổ năng lượng của động đất được đánh giá dựa vào sự phân tích
Fourier FFT để thu được tần số trội. Dựa vào ngơn ngữ lập trình MATLAB, một
chương trình máy tính được viết để phân tích phản ứng động của hệ kết cấu có
gắn thiết bị chịu động đất, chương trình này cũng được kiểm chứng với một số
kết quả từ các nghiên cứu khác. Kết quả số thu được là chuyển vị, gia tốc, vận
tốc của hệ, nội lực của kết cấu và năng lượng tiên tán, qua đó cho thấy hiệu quả
của hệ cản kết hợp TMD + ER.


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
2.3 HỆ CẢN CHỦ ĐỘNG TMD ....................................................................... 14
2.4 HỆ CẢN ER ................................................................................................. 19
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG................................................................................ 24
Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................... 26
3.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................ 26
3.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA KẾT CẤU.............................. 26

3.3 CHI TIẾT CẤU TẠO CỦA HỆ CẢN ER ................................................... 36
3.4 TÍNH TỐN LỰC ĐIỀU KHIỂN ER......................................................... 44
3.5 PHƯƠNG PHÁP GIẢI ................................................................................ 44
3.6 NĂNG LƯỢNG ........................................................................................... 47
3.7 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT GIẢI BIẾN ĐỔI FOURIER FFT .............. 48
3.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG................................................................................ 53
Chương 4. VÍ DỤ SỐ ....................................................................................... 54
4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................... 54


4.2 KIỂM CHỨNG CODE VỚI CÁC ĐỂ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN VÀ BÀI BÁO
ĐÃ CƠNG BỐ ............................................................................................. 54
4.3 VÍ DỤ SỐ KHUNG 9 TẦNG ...................................................................... 57
4.3.1 Phân tích đáp ứng của kết cấu dưới tải động đất ElCentro................. 59
4.3.2 Phân tích đáp ứng của kết cấu dưới tải động đất Superstition ............ 80

4.4 CÁC VÍ DỤ KHÁC ..................................................................................... 99
4.4.1 Khung 6 tầng ....................................................................................... 99
4.4.2 Khung 3 tầng .................................................................................... 108
4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG............................................................................. 111
Chương 5. KẾT LUẬN ................................................................................. 112
5.1 KẾT LUẬN ............................................................................................... 112
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.............................................................. 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 114
PHỤ LỤC........................................................................................................ 118


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Động đất ở Northridge, California – 1994 ............................................3
Hình 1. 2 Động đất ở Kobe, Nhật Bản – 1995 .....................................................3

Hình 1. 3 Động đất ở Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ – 1999 .............................................4
Hình 1. 4 Động đất ở Haiti – 2010 ........................................................................4
Hình 2.1 Hệ điều khiển bị động – Tuned Mass Damper ....................................10
Hình 2.2 Hệ điều khiển bị động – Liquid Tuned Mass Damper ........................10
Hình 2.3 Hệ điều khiển bị động – Viscous Fluid Dampers ................................11
Hình 2.4 Điều khiển chủ động –Tịa nhàKyobashi Seiwa .................................12
Hình 2.5 Mơ hình TMD ......................................................................................14
Hình 2.6 TMD trong thực tế ...............................................................................18
Hình 2.7 Mơ hình ER .........................................................................................19
Hình 2.8 Sự chuyển dịch của các hạt trong lưu chất ER khi có điện trường .....19
Hình 3.1 Hệ một bậc tự do .................................................................................26
Hình 3.2 Lực tác dụng của hệ một bậc tự do.......................................................27
Hình 3.3 Hệ n bậc tự do ......................................................................................27
Hình 3.4 Lực tác dụng của hệ n bậc tự do...........................................................27
Hình 3.5 Hệ n bậc tự do có gắn TMD .................................................................30
Hình 3.6 Hệ n bậc tự do có gắn TMD+ER..........................................................33
Hình 3.7 Mơ hình cơ học kết cấu n bậc tự do có gắn TMD+ER.........................33
Hình 3.8 Lực tác dụng của hệ n bậc tự do có gắn TMD+ER ..............................34
Hình 3.9 Chuyển động của lưu chất theo điện trường của thiết bị ER ...............37
Hình 3.10 Mặt cắt ngang thiết bị ER ..................................................................37
Hình 3.11 Thiết bị ER với 5 xylanh liên kết song song ......................................38
Hình 3.12 Thiết bị ER với 5 xylanh tháo rời ......................................................38
Hình 3.13 Mơ hình Gamota ................................................................................41


Hình 3.14 Ứng xử của hệ cản ở 0 và 3.1 kV/mm; 0.6 và 3.3Hz .......................41
Hình 4.1 Mơ hình khung kết cấu 3 tầng khơng gắn thêm hệ cản.......................55
Hình 4.2 Mơ hình khung kết cấu 3 tầng có gắn thêm ER ..................................56
Hình 4.3 Mơ hình khung kết cấu 9 tầng có gắn thêm TMD+ER .......................57
Hình 4.4 Đồ thị gia tốc nền trận động đất ElCentro...........................................59

Hình 4.5 Phổ năng lượng trận động đất ElCentro ..............................................60
Hình 4.6 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro ........60
Hình 4.7 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới
tải trọng ElCentro ...........................................................................................61
Hình 4.8 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng
ElCentro..........................................................................................................61
Hình 4.9 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều chỉnh 0kv dưới tải trọng ElCentro ..........................................................62
Hình 4.10 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều chỉnh 5kv dưới tải trọng ElCentro ..........................................................62
Hình 4.11 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro ..........63
Hình 4.12 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải
trọng ElCentro ................................................................................................63
Hình 4.13 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng
ElCentro..........................................................................................................64
Hình 4.14 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều khiển 0kv dưới tải trọng ElCentro ..........................................................64
Hình 4.15 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều khiển 5kv dưới tải trọng ElCentro ..........................................................65
Hình 4.16 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro .........65
Hình 4.17 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải
trọng ElCentro ................................................................................................66
Hình 4.18 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng
ElCentro..........................................................................................................66
Hình 4.19 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều khiển 0kv dưới tải trọng ElCentro ..........................................................67


Hình 4.20 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều khiển 5kv dưới tải trọng ElCentro ..........................................................67

Hình 4.21 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro ...............68
Hình 4.22 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải
trọng ElCentro ................................................................................................68
Hình 4.23 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng
ElCentro..........................................................................................................69
Hình 4.24 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều
khiển 0kv dưới tải trọng ElCentro ..................................................................69
Hình 4.25 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều
khiển 5kv dưới tải trọng ElCentro ..................................................................70
Hình 4.26 Mơmen chân cột tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro 70
Hình 4.27 Mơmen chân cột tầng 1 của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản
dưới tải trọng ElCentro ...................................................................................71
Hình 4.28 Mơmen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải
trọng ElCentro ................................................................................................71
Hình 4.29 Mơmen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện
thế điều khiển 0kv dưới tải trọng ElCentro ....................................................72
Hình 4.30 Mơmen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện
thế điều khiển 5kv dưới tải trọng ElCentro ....................................................72
Hình 4.31 Năng lượng trong trường hợp passive on của kết cấu dưới tải trọng
ElCentro..........................................................................................................73
Hình 4.32 Cân bằng năng lượng trong trường hợp passive on của kết cấu dưới
tải trọng ElCentro ...........................................................................................73
Hình 4.33 Quan hệ giữa chuyển vị - lực của ER điện thế điều chỉnh 5kv ........74
Hình 4.34 Quan hệ giữa vận tốc - lực của ER điện thế điều chỉnh 5kv ............74
Hình 4.35 Quan hệ giữa chuyển vị - lực của ER điện thế điều chỉnh 0kv ........75
Hình 4.36 Quan hệ giữa vận tốc - lực của ER điện thế điều chỉnh 0kv ............75
Hình 4.37 Độ giảm chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng
ElCentro..........................................................................................................77

Hình 4.38 Độ giảm gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng
ElCentro..........................................................................................................77
Hình 4.39 Độ giảm vận tốc

tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng

ElCentro..........................................................................................................78
Hình 4.40 Độ giảm lực cắt tầng 1của khung kết cấu dưới tải trọng ElCentro ..78
Hình 4.41 Độ giảm mơmen chân cột tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng
ElCentro..........................................................................................................79
Hình 4.42 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Superstition ...................................80
Hình 4.43 Phổ năng lượng trận động đất Superstition ......................................80
Hình 4.44 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng Superstition 81
Hình 4.45 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu khơng gắn thêm hệ cản dưới
tải trọng Superstition ......................................................................................81
Hình 4.46 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải
trọng Superstition ...........................................................................................82
Hình 4.47 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều chỉnh 0kv dưới tải trọng Superstition .....................................................82
Hình 4.48 Chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều chỉnh 5kv dưới tải trọng Superstition .....................................................83
Hình 4.49 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng Superstition .....83
Hình 4.50 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu khơng gắn thêm hệ cản dưới tải
trọng Superstition ...........................................................................................84
Hình 4.51 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng
Superstition .....................................................................................................84
Hình 4.52 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều khiển 0kv dưới tải trọng Superstition .....................................................85
Hình 4.53 Gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều khiển 5kv dưới tải trọng Superstition .....................................................85

Hình 4.54 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng Superstition ....86
Hình 4.55 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải
trọng Superstition ...........................................................................................86


Hình 4.56 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng
Superstition .....................................................................................................87
Hình 4.57 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều khiển 0kv dưới tải trọng Superstition .....................................................87
Hình 4.58 Vận tốc tầng đỉnh của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế
điều khiển 5kv dưới tải trọng Superstition .....................................................88
Hình 4.59 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng Superstition ..........88
Hình 4.60 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải
trọng Superstition ...........................................................................................89
Hình 4.61 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải trọng
Superstition .....................................................................................................89
Hình 4.62 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều
khiển 0kv dưới tải trọng Superstition .............................................................90
Hình 4.63 Lực cắt tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện thế điều
khiển 5kv dưới tải trọng Superstition .............................................................90
Hình 4.64 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng
Superstition .....................................................................................................91
Hình 4.65 Mơmen chân cột tầng 1 của khung kết cấu không gắn thêm hệ cản
dưới tải trọng Superstition ..............................................................................91
Hình 4.66 Mơmen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD dưới tải
trọng Superstition ...........................................................................................92
Hình 4.67 Mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện
thế điều khiển 0kv dưới tải trọng Superstition ...............................................92
Hình 4.68 Mơmen chân cột tầng 1 của khung kết cấu gắn thêm TMD+ER điện
thế điều khiển 5kv dưới tải trọng Superstition ...............................................93

Hình 4.69 Năng lượng trong trường hợp passive on của kết cấu dưới tải trọng
Superstition .....................................................................................................93
Hình 4.70 Cân bằng năng lượng trong trường hợp passive on của kết cấu dưới
tải trọng Superstition ......................................................................................94
Hình 4.71 Độ giảm chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng
Superstition .....................................................................................................96


Hình 4.72 Độ giảm gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng
Superstition .....................................................................................................96
Hình 4.73 Độ giảm vận tốc

tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng

Superstition .....................................................................................................97
Hình 4.74 Độ giảm lực cắt tầng 1của khung kết cấu dưới tải trọng
Superstition .....................................................................................................97
Hình 4.75 Độ giảm mơmen chân cột tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng
Superstition .....................................................................................................98
Hình 4.76 Mơ hình khung kết cấu 6 tầng có gắn thêm TMD+ER ....................99
Hình 4.77 Phổ năng lượng trận động đất Sanfernando....................................100
Hình 4.78 Độ giảm chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng
Sanfernando ..................................................................................................101
Hình 4.79 Độ giảm gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng
Sanfernando ..................................................................................................102
Hình 4.80 Độ giảm vận tốc

tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng

Sanfernando ..................................................................................................102

Hình 4.81 Độ giảm lực cắt tầng 1của khung kết cấu dưới tải trọng
Sanfernando ..................................................................................................103
Hình 4.82 Độ giảm mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng
Sanfernando ..................................................................................................103
Hình 4.83 Độ giảm chuyển vị tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng
ElCentro........................................................................................................105
Hình 4.84 Độ giảm gia tốc tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng
ElCentro........................................................................................................106
Hình 4.85 Độ giảm vận tốc

tầng đỉnh của khung kết cấu dưới tải trọng

ElCentro........................................................................................................106
Hình 4.86 Độ giảm lực cắt tầng 1của khung kết cấu dưới tải trọng
ElCentro........................................................................................................107
Hình 4.87 Độ giảm mômen chân cột tầng 1 của khung kết cấu dưới tải trọng
ElCentro........................................................................................................107
Hình 4.88 Mơ hình khung kết cấu 3 tầng có gắn thêm TMD+ER ..................108


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thiệt hại về người và tài sản một số trận động đất ...............................2
Bảng 3.1 Thông số của hệ cản lưu biến điện ứng với các giá trị điện áp............44
Bảng 4.1 So sánh các giá trị của kết cấu không gắn thêm hệ cản dưới tải trọng
động đất Elcentro bước thời gian 0.005s .............................................................55
Bảng 4.2 So sánh các giá trị của kết cấu có gắn ER dưới tải trọng động đất
Elcentro ................................................................................................................56
Bảng 4.3 Các thông số của ER ứng với điện thế 5kv và 0kv ..............................58
Bảng 4.4 Giá trị đỉnh của các biểu đồ chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực của
khung kết cấu 9 tầng dưới tải trọng ElCentro ......................................................76

Bảng 4.5 Giá trị đỉnh của các biểu đồ chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực của
khung kết cấu 9 tầng dưới tải trọng Superstition .................................................95
Bảng 4.6 Giá trị đỉnh của các biểu đồ chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực của
khung kết cấu 6 tầng dưới tải trọng Sanfernando ..............................................100
Bảng 4.7 Giá trị đỉnh của các biểu đồ chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực của
khung kết cấu 6 tầng dưới tải trọng ElCentro ....................................................104
Bảng 4.8 Giá trị đỉnh của các biểu đồ chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực của
khung kết cấu 3 tầng dưới tải trọng Sanfernando ..............................................109
Bảng 4.9 Giá trị đỉnh của các biểu đồ chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực của
khung kết cấu 3 tầng dưới tải trọng ElCentro ....................................................110


CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
1. TMD( Tuned Mass Damper): Hệ cản điều chỉnh khối lượng.
2. ER (Electro-Rheological): Lưu biến điện.
3. MR (Magneto - Rheological): Lưu biến từ.
4. FFT (Fast Fourier Transform): Biến đổi Fourier.
5. MTMD (Multiple Tuned Mass Damper): Hệ nhiều cản điều chỉnh
khối lượng.
6. PF-TMD (Passive Friction - TMD): TMD ma sát bị động.
7. SAF-TMD (Semi-active Friction - TMD): TMD ma sát bán chủ động.
8. STMD (Semi-active TMD): TMD bán chủ động.
9. NTMD (Nonlinear Tuned Mass Damper) TMD phi tuyến.


Chương 1.

GIỚI THIỆU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, với tốc độ đơ thị hóa
ngày càng cao thì ngày càng nhiều kết cấu cơng trình hạ tầng như nhà và cầu lớn
được xây dựng để giải quyết nhu cầu ở, làm việc đi lại của con người. Để đạt
được tốc độ phát triển cao về tăng trưởng kinh tế do sự tăng nhanh về dân số,
con người đã tác động rất lớn vào thiên nhiên và cũng đã gây nên sự thay đổi lớn
trong tự nhiên; khí hậu, thời tiết ngày càng thay đổi bất thường và khó dự báo
hơn, từ đó có nhiều thiên tai hơn kể cả có qui luật tự nhiên và trái qui luật như:
gió bão, động đất, sóng thần… đã ảnh hưởng đến trực tiếp đến con người và cơ
sở hạ tầng phục vụ cho sự phát triển, trong số đó các cơng trình có mức độ nguy
hiểm cao thường là nhà nhiều tầng.

Trong những năm gần đây, thiên tai mà đặc biệt là động đất đã xảy ra
thường xuyên hơn, với cường độ mạnh hơn và phạm vi tác động ngày càng rộng
hơn, nó khơng cịn là đặc thù của một vài quốc gia mà diễn ra tại nhiều nơi khác
trên thế giới như và trong đó có Việt Nam. Từ đầu năm 2005 trở lại đây, tại Việt
Nam có năm nhiều hơn 10 trận, và cường độ cũng tương đối lớn khơng có sự
tăng giảm mạnh, ví dụ như năm 2007 ở ngồi khơi Vũng Tàu - Phan Thiết có

1


động đất 5,3 độ Richter, đầu năm 2011 cũng xảy ra một trận với cường độ 4,7 độ
Richter (nguồn Báo Cơng đồn Bộ khoa học và cơng nghệ). Gần đây hơn, động
đất kích thích do các cơng trình thủy điện cũng gây nguy hiểm đến các kết cấu
hạ tầng xung quanh. Như thế vỏ trái đất ở Việt Nam cũng khơng hồn tồn bình
ổn, do đó để phục vụ cho việc phát triển hạ tầng thì cần phải chú trọng về vấn đề
động đất để hạn chế thấp nhất những thiệt hại về người và tài sản khi có động đất
xảy ra. Dưới đây là một số số liệu về các tổn thất của những trận động đất đã xảy
ra trên thế giới trong thời gian gần đây và hình ảnh mình họa cho sự tàn phá của
động đất.

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

Con

Tài sản

(Richter)

người

(Tỉ USD)

Northrid,California

6.7

57

20

17/01/1995

Kobe, Nhật Bản

6.8

6.434

147

17/8/1999

Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ

7.4

17.127

6.5

28/9/1999

Chi-Chi, Đài Loan

7.6

2400

14

26/01/2001

Gujarat, Ấn Độ

7.6

20.085

4.5

26/12/2003

Đông nam Iran

6.6

26.200

8.5

26/12/2004

Sumatra, Inđônêxia

9.1

283.106

200

12/5/2008

Tứ Xuyên, Trung Quốc

7.9

87.000

86

12/1/2010

Haiti

7

222.570

14

11/3/2012

Đông bắc, Nhật Bản

8.9

20.000

243

Thời điểm

Địa điểm

17/01/1994

(Nguồn Wikipedia; [22])

2


Hình 1.1 Động đất ở Northridge, California – 1994 (Nguồn Wikipedia)

Hình 1.2 Động đất ở Kobe, Nhật Bản – 1995 (Nguồn Wikipedia)

3


Hình 1.3 Động đất ở Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ – 1999 (Nguồn Wikipedia)

Hình 1.4 Động đất ở Haiti – 2010 (Nguồn Wikipedia)

4


Những số liệu, hình ảnh trên đã phác họa cho chúng ta thấy sự tàn phá
khủng khiếp của động đất, vì thế bài tốn ứng xử của kết cấu cơng trình khi chịu
động đất ln là đề tài có tính thời sự đối với các nhà khoa học trên thế giới cũng
như trong nước, các giải pháp truyền thống để kết cấu chống lại tải động đất là
tăng độ cứng và khả năng chịu lực của kết cấu, bằng cách tăng tiết diện các cấu
kiện chịu lực như dầm, cột, vách cứng. Nhưng các giải pháp trên không thực sự
hiệu quả vì đã làm tăng giá thành, trọng lượng kết cấu tăng góp phần tăng tải do
lực qn tính gây ra khi có lực tác động ngang.

Khắc phục các hạn chế trên nhiều cơng trình nghiên cứu đã được thực
hiện, nhằm tìm ra các giải pháp tiêu tán một phần năng lượng do động đất gây
nên, hạn chế truyền năng lượng có hại vào kết cấu, bằng cách lắp đạt các thiết bị
điều khiển có khả năng phát sinh một lực trái chiều với lực động đất làm triệt

tiêu một phần năng lượng truyền vào kết cấu, khi đó mối quan hệ về năng lượng
giữa đầu vào và đầu ra của kết cấu được thể hiện như sau
E  Ek  E s  E h  E d

(1.1)

Trong đó E là tổng năng lượng tác động vào kết cấu; Ek là động năng của kết
cấu; Es là năng lượng biến dạng đàn hồi của kết cấu; Eh là năng lượng biến
dạng không đàn hồi (kể đến hư hỏng của cơng trình); Ed là năng lượng tiêu tán
bởi thiết bị chống dao động. Qua mối quan hệ về năng lượng trên, với giá trị E
bất kỳ và khi đó Ed càng lớn thì Eh càng nhỏ từ đó giảm thiểu năng lượng có hại
cho kết cấu. Hiện nay dù có nhiều thiết bị điều khiển kết cấu khác nhau, song
mục đích cuối cùng vẫn là làm sao cho các thiết bị đó hấp thu và tiêu tán một
lượng lớn năng lượng sinh ra từ tải động đất làm giảm tối đa năng lượng có hại
tác động vào kết cấu.
Có rất nhiều giải pháp để điều khiển kết cấu khi chịu động đất đã được
nghiên cứu trong khoảng vài thập niên gần đây. Sơ lược có thể kể đến như cơ lập
móng, tạo liên kết với nền mềm hơn, thay thế bằng các gối cao su, lắp các hệ cản
để tăng ma sát, hệ khối lượng để hấp thu năng lượng, dùng các chất lưu biến,

5


dùng hệ thống điện điều khiển,… Cho đến nay sự hiệu quả cũng đã có ý nghĩa,
một số giải pháp đã ứng dụng, một số giải pháp còn đang giai đoạn nghiên cứu.
Tuy nhiên sự ứng dụng thực sự thì chưa nhiều và đây cũng là hướng nghiên cứu
thách thức các kỹ sư kết cấu trên toàn thế giới.

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN
Luận văn này là phân tích sự ảnh hưởng của hệ cản khối lượng, TMD và

lưu biến điện, ER, khi gắn vào kết cấu khung phẳng chịu động đất. Sự hiệu quả
của TMD cũng đã được một số nghiên cứu thực hiện và có ứng dụng. Việc gắn
thêm thiết bị ER thì tương đối mới trong thời gian gần đây với kết quả cũng có
sự hiệu quả giảm chấn. Vì vậy, việc tìm hiểu thêm một giải pháp nữa kết nối
TMD và ER trong khung phẳng ứng xử như thế nào khi có động đất được lựa
chọn trong đề tài này. Chi tiết các nội dung thực hiện được sơ lược như sau:
-

Tìm hiểu mơ hình ứng xử của TMD và ER từ các tài liệu tham khảo,

lựa chọn mơ hình phù hợp với phạm vi đề tài để phân tích.
-

Xem xét một hệ kết cấu nhiều bậc tự do có gắn TDM và TMD+ER

chịu tải động đất. Xây dựng mơ hình kết cấu, thiết lập phương trình chuyển động
và chọn phương pháp giải.
-

Thực hiện việc tính toán số khi kết cấu chịu gia tốc nền động đất, tìm

chuyển vị, nội lực trong kết cấu.
-

Dùng sự phân tích phổ Fourier để đánh giá tần số trội của gia tốc nền,

từ đó lựa chọn số liệu gia tốc nền phù hợp với khung kết cấu.
-

Phân tích tiêu tán năng lượng của hệ cản ER với điện áp khác nhau.

Từ các mục tiêu trên, sự mong muốn đạt được của Luận văn cũng khơng
nằm ngồi mục đích tìm hiểu sự hiệu quả các công cụ gắn thêm cho kết cấu.

6


1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Nội dung của Luận văn gồm 5 chương được mô tả sơ lược như sau.
Chương này giới thiệu sơ lược về nêu vấn đề, ý tưởng thực hiện luận văn. Tổng
quan về tình hình nghiên cứu liên quan từ ngoài nước và trong nước được trình
bày, trong chương 2 với nội dung từ ý chính của các tài liệu tham khảo. Chương
3 nêu cơ sở lý thuyết của Luận văn gồm mơ hình kết cấu, phương trình chuyển
động của kết cấu khơng gắn thêm hệ cản, có gắn thêm TMD, ER và TMD+ER;
phân tích FFT để lựa chọn dữ liệu đầu vào cho bài toán; Thuật tốn và sơ đồ
khối cũng được mơ tả trong chương này. Kết quả số được mô tả trong chương 4
của Luận văn, có khá nhiều bài tốn được giải và kiểm chứng làm cơ sở cho các
nhận định trong chương 5. Phần tài liệu tham khảo và phụ lục mã nguồn chương
trình cũng được đưa vào cuối Luận văn.

7


Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 GIỚI THIỆU :
Chương này sẽ giới thiệu sơ lược quá trình hình thành và phát triển của
điều khiển kết cấu, trình bày tính thời sự, thu hút, tiếp diễn của quá trình nghiên

cứu các hệ cản chủ động TMD và hệ cản bán chủ động ER, phân tích tình hình
nghiên cứu trong và ngồi nước về hai hệ cản nói trên, từ đó xác định ý tưởng
ghép TMD và ER trong cùng một khung kết cấu phẳng chịu tải động đất của
luận văn.

2.2 TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN KẾT CẤU:
Căn cứ vào tính chất làm việc có thể phân loại điều khiển kết cấu như sau:
-

Điều khiển bị động;

- Điều khiển chủ động;
- Điều khiển bán chủ động;
- Điều khiển kết hợp;

8


2.2.1 Điều khiển bị động
Các hệ thống điều khiển bị động có khả năng giúp kết cấu hấp thu và tiêu
tán một phần năng lượng do các tác động từ bên ngồi như: gió, bão, động đất và
các chấn động khác, từ đó làm giảm năng lượng truyền vào kết cấu. Hệ điều
khiển này có ưu điểm là khơng cần nguồn cung cấp năng lượng bên ngồi trong
q trình vận hành, tuy nhiên thiết bị điều khiển bị động thường được thiết kế tối
ưu cho một tải trọng riêng biệt, nên nhược điểm của hệ bị động là khi đã lắp đặt
vào cơng trình thì khơng có thể thay đổi các thông số cho phù hợp với sự thay
đổi của tải trọng tác động.

Sơ đồ làm việc của hệ thống điều khiển bị động như sau:
Hệ thống điều khiển

Bị động

Ngoại lực tác
động

Kết cấu

Phản ứng của kết
cấu

Các loại thiết bị tiêu tán năng lượng bị động được dùng phổ biến hiện nay
bao gồm: Hệ cơ lập móng ; Hệ cản điều chỉnh khối lượng TMD (Tuned Mass
Dampers) ; Hệ cản điều chỉnh chất lỏng TLD (Tuned Liquid Dampers); Hệ cản
ma sát FD (Fiction Dampers); Hệ cản dẻo bằng kim loại MD (Metallic
Dampers); Hệ cản đàn nhớt (Viscous-elastic Dampers); Hệ cản chất lỏng nhớt
(Viscous Fluid Dampers);

9


Hình 2.1 Hệ điều khiển bị động – Tuned Mass Damper (nguồn Internet)

Hình 2.2 Hệ điều khiển bị động – Liquid Tuned Mass Damper (nguồn
Internet,[22] )

10