Giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng ngang dùng hệ cản khối lượng

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

--------∞0∞--------

VÕ HOÀNG PHI

GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU

NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

DÙNG HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

--------∞0∞--------

VÕ HOÀNG PHI

GIẢM CHẤN CHO KẾT CẤU

NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

DÙNG HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số chuyên ngành: 8 58 02 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM ĐÌNH TRUNG

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

GIẤY XÁC NHẬN

Tôi tên là: Võ Hoàng Phi

Ngày sinh: 05/11/1974 Nơi sinh: Bình Dương

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã học viên: 1885802080012

Tôi đồng ý cung cấp toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp hợp lệ về bản quyền cho

Thư viện trường đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh. Thư viện trường đại học Mở

Thành phố Hồ Chí Minh sẽ kết nối toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp vào hệ thống

thông tin khoa học của Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh.

Ký tên

Võ Hoàng Phi

TRUONG DAI HQC MO

THANH pHo no cui MrNH

KHOA DAO TAO SAU DAI HOC

ceNG HoA xA Her cuu Ncni.l vIFT NAM

Ddc lAp - Tu do - Hanh nhrfic

Tp. H6 Chi Minh, ngdy thdng ndm 2022

.f TInN CHO PHEP nAo VE LUAN vAN THAC Si

CU^q. CIANc vITN rrUOxG DAN

tr6t c6u nhi cao

Tp. H6 Chi Minh, ngdy ....... thdng ...... ndm 2022

Ngudi nhAn x6t

TS. Pham Dinh Trung

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn “Giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tải

trọng ngang dùng hệ cản khối lượng” là bài nghiên cứu của chính tôi.

Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi

cam đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được

công bố hoặc được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.

Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận

văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định.

Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các

trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.

TP. Hồ Chí Minh, Năm 2022

Võ Hoàng Phi

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin cảm ơn chân thành đến TS. Phạm Đình Trung, người thầy

hướng dẫn Luận văn này; Thầy đã tận tâm hướng dẫn, động viên và tạo điều kiện

tốt để tôi thực hiện Luận văn; Những tài liệu tham khảo và kiến thức do Thầy cung

cấp giúp tôi nhận định đúng đắn trong việc nghiên cứu.

Bên cạnh đó, tôi cũng gửi lời cảm ơn quý Thầy Cô giảng dạy lớp Cao học

ngành Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại Mở Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt

cho tôi nhiều kiến thức quý giá trong chuyên ngành; đồng thời tôi cũng cảm ơn các

bạn cùng khóa học đã đồng hành cùng tôi trải qua chương trình đào tạo này.

Cuối cùng, tôi xin ghi nhận sự giúp đỡ của gia đình đã luôn bên cạnh động

viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua.

Xin chân thành cảm ơn!

TP. Hồ Chí Minh, Năm 2022

Võ Hoàng Phi

iii

TÓM TẮT

Luận văn này phân tích hiệu quả giảm chấn cho kết cấu nhà cao tầng chịu tải

trọng ngang bằng hệ cản khối lượng. Mô hình của kết cấu được thiết lập dựa trên

mô hình kết cấu khung nhà nhiều tầng, cả phẳng và không gian, được rời rạc hóa

bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Tải trọng ngang tác dụng lên khung là các tải

trọng điều hoà với tần số thay đổi và gia tốc nền động đất theo thời gian. Hệ cản

khối lượng Tuned Mas Damper (TMD) được mô hình với các thông số khối lượng,

cản và lò xo vật lý và được gắn trên đỉnh hoặc một số tầng của kết cấu nhà nhiều

tầng. Toàn bộ hệ thống bao gồm hệ kết cấu có gắn hệ TMD chịu tải trọng điều hoà

và gia tốc nền động đất được phân tích ứng xử động lực học bằng phần mềm

SAP2000 dựa trên nguyên lý cân bằng động và tìm nghiệm trên toàn miền thời gian.

Các thông số nghiên cứu trong đề tài cũng được lựa chọn. Về kết cấu, là đặc

trưng động lực học của khung phẳng và không gian. Đặc trưng vật lý của TMD và

cuối cùng là các tải trọng điều hòa với tần số thay đổi và gia tốc nền của các trận

động đất. Sự ảnh hưởng của những thông số này đến hiệu quả giảm chấn được khảo

sát. Kết quả phân tích ứng xử của hệ kết cấu chịu tác động lần lượt của các tải trọng

điều hoà và gia tốc nền động đất gồm có chuyển vị và lực cắt ở các tầng của kết cấu

cho thấy hiệu quả giảm chấn của mô hình TMD khi được gắn trong kết cấu chịu tải

trọng điều hoà và gia tốc nền động đất.

iv

ABSTRACT

This thesis analyzes the reduced dynamic responses for multi storey building

structures subjected to dynamic horizontal loads using Tuned Mass Damper

(TMD). The model of the structure is established based on the multi storey frame

structure model, both 2D and 3D models, and is discretized by the finite element

method. The external horizontal loads acting on the are harmonic loads with

variable frequency and acceleration of the earthquake ground over time. The

TMDs are modeled with mass, damper and physical spring parameters and are

mounted on top or several floors of a multi-storey building structure. The system

including the structural and TMD system under the harmonic load and the

earthquake ground acceleration is analyzed for dynamic behavior by SAP2000

software based on the principle of dynamic equilibrium and step by step solution

in the time domain.

The research parameters in the topic are also selected. Regarding the structure, it

is the dynamic characteristic of 2D and 3D frame. The physical characteristics of

the TMD and finally the variable frequency loads and ground acceleration of the

earthquake ground. The influence of these parameters on the dynamic response

is investigated. The numerical results of the analysis of the behavior of the

structural system under the influence of harmonic loads and the earthquake

ground acceleration, including displacement and shear force at the floors of the

structure, show the efficiency of the TMD model.

v

MỤC LỤC

Lời cam đoan ...................................................................................................... i

Lời cảm ơn .................................................................................................... ii

Tóm tắt ................................................................................................... iii

Abstract .................................................................................................... iv

Mục lục ..................................................................................................... v

Danh mục các chữ viết tắt ............................................................................... vii

Danh mục bảng biểu và hình vẽ ........................................................................ ix

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI ........................................ 1

1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................ 1

1.2 Mục tiêu của luận văn .......................................................................... 3

1.3 Cấu trúc của luận văn .......................................................................... 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ............................................................................ 4

2.1 Mở đầu ................................................................................................. 4

2.2 Hệ cản khối lượng ................................................................................ 4

2.3 Mô hình hệ cản khối lượng ................................................................ 15

2.4 Nhận xét ............................................................................................. 17

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH KẾT CẤU CÓ HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG ......... 18

3.1 Giới thiệu ........................................................................................... 18

3.2 Kết cấu khung .................................................................................... 18

3.3 Mô hình hệ cản khối lượng ................................................................ 20

3.4 Phương trình chuyển động ................................................................. 22

3.5 Nhận xét ............................................................................................. 24

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH SỐ HIỆU QUẢ CỦA HỆ CẢN ...................... 25

vi

4.1 Giới thiệu ........................................................................................... 25

4.2 Khung phẳng chịu tải điều hòa .......................................................... 26

4.2.1 Kết cấu và tải trọng điều hòa .................................................... 26

4.2.2 Thông số khối lượng của hệ cản ............................................... 28

4.2.3 Thông số tần số tải trọng .......................................................... 29

4.2.4 Số lượng TMD .......................................................................... 30

4.3 Khung phẳng chịu gia tốc nền động đất ............................................ 46

4.3.1 Thông số khối lượng của hệ TMD ........................................... 46

4.3.2 Các trận động đất khảo sát ........................................................ 46

4.3.3 Số lượng TMD .......................................................................... 49

4.4 Khung không gian chịu gia tốc nền ................................................... 58

4.4.1 Phân tích với trận động đất Elcentro ........................................ 63

4.4.2 Phân tích với trận động đất Kobe ............................................. 71

4.4.3 Phân tích với trận động đất Northridge .................................... 79

4.5 Nhận xét ............................................................................................. 88

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN .............................................................................. 89

5.1 Kết luận .............................................................................................. 89

5.2 Hướng phát triển ................................................................................ 90

Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 91

Bài báo công bố .................................................................................................. 95

vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt, kí hiệu

TMD Hệ cản khối lượng (Tuned Mass Damper)

m

Khối lượng của TMD

k

Độ cứng của TMD

d

c Hệ số cản của TMD

M Khối lượng của kết cấu một bậc tự do

k Độ cứng của kết cấu một bậc tự do

c Độ cản của kết cấu một bậc tự do

ω Tần số riêng của hệ kết cấu

ωd

Tần số của hệ cản khối lượng

ωg Tần số riêng của ngoại lực

&&u Vectơ gia tốc của các bậc tự do

u& Vectơ vận tốc của các bậc tự do

u Vectơ chuyển vị của các bậc tự do

r Vectơ đơn vị

M Ma trận khối lượng khi kết cấu không gắn hệ cản

C Ma trận cản khi kết cấu không gắn hệ cản

K Ma trận độ cứng khi kết cấu không gắn hệ cản

M Ma trận khối lượng khi hệ có TMD

C Ma trận cản khi hệ có TMD

K Ma trận độ cứng khi hệ có TMD

Fg vectơ lực tác động

viii

µ Tỷ số khối lượng

γ Tỷ số tần số điều chỉnh

β Tỷ số tần số ngoại lực và dao động riêng

f Tần số dao động của TMD

f1 Tần số dao động của hệ

T Chu kỳ dao động

ξ Tỷ số cản

P Tải trọng điều hòa hình sin

P0 Tải trọng đơn vị

∆t Bước thời gian tính lặp