Hiệu quả giảm chấn của con lắc đơn trong kết cấu chịu tải trọng động

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

--------∞0∞--------

PHAN TRUNG THÀNH

HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA CON LẮC ĐƠN

TRONG KẾT CẤU CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG

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 2021

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

Ký tên

Phan Trung Thành

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.

Tôi tên là: Phan Trung Thành

Ngày sinh: 20/10/1979 Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã học viên: 1885802080029

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Ý KIẾN CHO PHÉP BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Đình Trung

Học viên thực hiện: Phan Trung Thành Lớp: MCON018B

Ngày sinh: 20/10/1979 Nơi sinh: Long An

Tên đề tài: Hiệu quả giảm chấn của con lắc đơn trong kết cấu chịu tải trọng động

Ý kiến của giáo viên hướng dẫn về việc cho phép học viên: Phan Trung Thành

được bảo vệ luận văn trước Hội đồng:

Học viên Phan Trung Thành đã hoàn thành được nội dung luận văn thạc sỹ; một phần

kết quả đã được công bố trong 01 bài báo đăng trên Tạp chí Xây dựng. Tôi đồng ý để Học

viên Thành bảo vệ Luận văn trước Hội đồng chấm Luận văn của Trường.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 7 năm 2021

Người nhận xét

Phạm Đình Trung

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn “Hiệu quả giảm chấn của con lắc đơn trong kết

cấu chịu tải trọng động” 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.

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2021

Phan Trung Thành

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!

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2021

Phan Trung Thành

iii

TÓM TẮT

Luận văn phân tích hiệu quả giảm chấn của con lắc đơn trong kết cấu chịu

tác động của gia tốc nền động đất. Thông số của kết cấu được xây dựng dựa trên

mô hình kết cấu khung nhà nhiều tầng, cả phẳng và không gian, bằng phương

pháp phần tử hữu hạn. Tải trọng tác dụng lên khung là các băng gia tốc nền động

đất theo thời gian. Con lắc đơn cũng được mô hình với các thông số vật lý cần

thiết và được gắn trên tầng trên đỉnh của kết cấu. Toàn bộ hệ thống bao gồm kết

cấu có gắn con lắc đơn chịu băng gia tốc nền động đất được phân tích động lực

học bằng phần mềm SAP2000 dựa trên nguyên lý cân bằng động và lời giải

được phân tích 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 có vách. Đặc trưng vật

lý của con lắc đơn và cuối cùng là các băng gia tốc nền khác nhau. 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

băng 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 con lắc đơn khi được gắn trong kết cấu

chịu gia tốc nền động đất.

iv

ABSTRACT

The reduced vibration of structures included a single pendulum affected

by earthquake ground acceleration is presented in this thesis. The structures

based on a structural model of a multi-storey building, both 2D and 3D models,

are built by the finite element method. External loads acting on the structures are

ground acceleration of earthquakes. The single pendulum is also modeled with

the required physical parameters and is mounted on the top floor of the structure.

The system including a structure and a single pendulum subjected the ground

acceleration is dynamically analyzed by SAP2000 software based on the

principle of dynamic equilibrium and step by step solution in the time domain.

The research parameters in the thesis are also selected. In terms of

structure, it is the dynamic properties of 2D and 3D frame. The physical

characteristics of the single pendulum and the different background acceleration

bands are considered. The effects of these parameters on the reduced vibration of

structures are investigated.

The numerical results of the behavior of the structural system affected by

the earthquake ground acceleration, including displacement and base shear force

of the structure, show the damping effectiveness of the single pendulum 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 các bảng biểu và hình vẽ .............................................................. viii

CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU .............................................................................1

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

1.2 Mục tiêu của luận văn..........................................................................7

1.3 Đối tượng nghiên cứu..........................................................................8

1.4 Cấu trúc luận văn.................................................................................8

CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN............................................................................9

2.1 Mở đầu.................................................................................................9

2.2 Hệ cản khối lượng ...............................................................................9

2.3 Con lắc đơn........................................................................................11

2.4 Sơ đồ tính của con lắc........................................................................14

2.5 Mô hình kết cấu gắn con lắc đơn.......................................................16

2.6 Kết luận..............................................................................................19

CHƢƠNG 3 MÔ HÌNH KẾT CẤU CÓ GẮN CON LẮC ĐƠN ..............21

3.1 Giới thiệu ...........................................................................................21

3.2 Kết cấu khung....................................................................................21

3.3 Mô hình con lắc đơn..........................................................................23

3.4 Băng gia tốc nền động đất .................................................................26

3.5 Phương trình vi phân chuyển động....................................................31

3.6 Nhận xét.............................................................................................32

vi

CHƢƠNG 4 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA CON LẮC ĐƠN................33

4.1 Giới thiệu ...........................................................................................33

4.2 Thông số đặc trưng động học của con lắc.......................................33

4.3 Mô hình kết cấu khung phẳng .........................................................34

4.3.1 Ảnh hưởng của các thông số con lắc đơn ...........................36

4.3.2 Khảo sát tính thích ứng của mô hình con lắc đơn ..............46

4.4 Hiệu quả của mô hình con lắc đơn trong kết cấu ...........................51

4.5 Nhận xét.............................................................................................66

CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN.............................67

5.1 Kết luận..............................................................................................67

5.2 Hướng phát triển................................................................................68

Bài báo công bố và Tài liệu tham khảo...........................................................69

vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt, kí hiệu

TMD Hệ cản khối lượng (Tuned Mass Damper)

md

Khối lượng của TMD

d

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



Tần số riêng của hệ kết cấu

d

Tần số của hệ cản khối lượng

ug

Gia tốc nền của động đất theo thời gian

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

t

Bước thời gian tính lặp