Phân tích hiệu quả kháng chấn của hệ cản lưu biến từ kết hợp hệ cản khối lượng trong kết cấu liền kề chịu động đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-----------------------------------------------

--------------------------

VÕ HỒNG THIỆN

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KHÁNG CHẤN CỦA

HỆ CẢN LƯU BIẾN TỪ KẾT HỢP

HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG TRONG

KẾT CẤU LIỀN KỀ CHỊU ĐỘNG ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SỸ

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Thaønh phoá Hoà Chí Minh, Năm 2017.

II

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá

nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Trọng Phước, các

công thức được biến đổi đúng và số liệu được tính toán trung thực và khách quan.

Ngoài trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn theo đúng qui định trong

Luận văn này, tôi cam đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của Luận văn này

chưa từng 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, ngày …… tháng …… năm 2017.

Học viên

Võ Hồng Thiện

III

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc đến người hướng dẫn

PGS.TS. Nguyễn Trọng Phước. Thầy đã luôn luôn tận tâm hướng dẫn, tạo mọi điều

kiện cho tôi được học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài tại Trường Đại Học Mở

TP.HCM. Chỉ dẫn của Thầy không những giúp tôi tiếp thu thêm được các kiến thức

khoa học quý báu để hoàn thành Luận văn mà Thầy còn giúp tôi rất nhiều về khả năng

tư duy trong lĩnh vực mà mình nghiên cứu.

Tôi cũng 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 IV - Đại học Mở

đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu để tôi có thể hình thành tư duy nghiên

cứu và định hướng nghiên cứu trong Luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đến anh Th.S.

Phạm Đình Trung học viên cao học nghành Xây dựng dân dụng khóa II- Đại học Mở

đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn thêm cho tôi những kiến thức về chương trình MATLAB

để tôi có thể vận dụng trong bài Luận văn của mình. Đồng thời cũng cảm ơn đến các

bạn học viên đã 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 và bạn bè

đồng nghiệp đã khuyến khích, động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

khoa học và thực hiện đề tài này.

Tôi xin chân thành cảm ơn !

IV

TÓM TẮT

Luận văn này phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ cản lưu biến từ (Magneto￾Rheological, MR) kết hợp hệ cản khối lượng (Tuned Mass Dampers, TMD) trong

kết cấu liền kề chịu động đất. Mô hình của hệ gồm có hai kết cấu khung phẳng liền

kề được lắp thêm hệ TMD và nối với nhau tại các tầng bởi hệ MR. Hệ cản khối

lượng TMD được mô hình bởi một khối lượng md, một lò xo đàn hồi kd, và một hệ

cản cd. Hệ cản lưu biến từ MR sử dụng mô hình hiệu chỉnh Bouc-Wen, được mô

hình bởi các lò xo và cản nhớt, lực cản sinh ra từ mô hình này là một hàm phụ thuộc

vào điện thế cung cấp và những thông số đặc trưng của thiết bị. Dữ liệu các băng

gia tốc nền trong bài toán động lực học của hệ được lựa chọn dựa trên phổ năng

lượng từ việc biến đổi phổ biên độ Fourier. Một chương trình máy tính được viết ở

dạng tổng quát bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB, ngoài vòng lặp chính của thuật

toán Newmark trên toàn miền thời gian, chương trình còn phải tính vòng lặp theo

phương pháp Runge-Kutta để tìm lực điều khiển trong từng bước thời gian. Số liệu

đánh giá là chuyển vị đỉnh, chuyển vị ở các tầng và lực cắt lớn nhất được khảo sát

lần lượt cho kết cấu dưới tác động của các băng gia tốc nền Elcentro 1940, Kobe

1995, Northridge 1994 với các tình huống cản khác nhau. Kết quả cho thấy hiệu quả

giảm chấn của kết cấu gắn hệ cản M_TMD và kết cấu chỉ gắn hệ cản MR là khá tốt

nhưng khi kết cấu gắn đồng thời hệ cản MR kết hợp hệ cản M_TMD thì hiệu quả

giảm chấn trong kết cấu là vượt trội hơn nữa. Đồng thời, Luận văn cũng khảo sát

một số thông số như đặc tính từng hệ cản, số lượng hệ cản đến sự hiệu quả giảm va

đập này.

V

MỤC LỤC

Nhận xét GVHD ............................................................................................................ I

Lời cam đoan ............................................................................................................... II

Lời cảm ơn ................................................................................................................. III

Tóm tắt ........................................................................................................................ IV

Mục lục ......................................................................................................................... V

Danh mục công thức ............................................................................................... VIII

Danh mục hình và đồ thị ........................................................................................... IX

Danh mục bảng ........................................................................................................ XIV

Danh mục từ viết tắt ................................................................................................ XV

Chương 1. GIỚI THIỆU ............................................................................................... 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................................................. 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU...................................................................................... 6

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................................................................ 6

1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN ............................................................................... 7

Chương 2. TỔNG QUAN ............................................................................................. 8

2.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................. 8

2.2 TỔNG QUAN GIẢM CHẤN KẾT CẤU ................................................................ 8

2.2.1 Giảm chấn bị động ........................................................................................ 8

2.2.2 Giảm chấn chủ động .................................................................................... 12

2.2.3 Giảm chấn kết hợp ....................................................................................... 13

2.2.4 Giảm chấn bán chủ động ............................................................................. 14

2.3 HỆ CẢN LƯU BIẾN TỪ ........................................................................................ 16

2.3.1 Cấu tạo chất lưu biến từ ............................................................................... 16

2.3.2 Cơ chế hoạt động của chất lưu .................................................................... 16

2.3.3 Cấu tạo hệ cản lưu biến từ ........................................................................... 17

VI

2.3.4 Mô hình cơ học hệ cản MR ......................................................................... 18

2.4 HỆ CẢN KHỐI LƯỢNG ........................................................................................ 23

2.4.1 Sơ lược về hệ cản khối lượng ...................................................................... 23

2.4.3 Ứng dụng hệ cản khối lượng trong thực tiễn .............................................. 24

2.5 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC .............................................. 25

2.5.1 Các nghiên cứu ngoài nước ......................................................................... 25

2.5.2 Các nghiêng cứu trong nước ....................................................................... 29

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG........................................................................................... 31

Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 32

3.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................................... 32

3.2 MÔ HÌNH KẾT CẤU ............................................................................................. 32

3.2.1 Mô hình hệ cản TMD .................................................................................. 33

3.2.2 Phương trình chuyển động của hệ kết cấu chịu động đất ............................ 36

3.3 TÍNH TOÁN LỰC ĐIỀU KHIỂN MR .................................................................. .45

3.4 PHƯƠNG PHÁP SỐ GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ĐỘNG LỰC HỌC 47

3.4.1 Phương pháp tích phân Newmark .................................................................. 48

3.4.2 Phương pháp tích phân Runge Kutta ............................................................. 49

3.4.3 Thuật toán giải phương trình vi phân chuyển động ....................................... 51

3.5 NĂNG LƯỢNG ...................................................................................................... 53

3.6 ĐÁNH GIÁ BĂNG GIA TỐC NỀN ...................................................................... 53

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG........................................................................................... 54

Chương 4. VÍ DỤ SỐ .................................................................................................. 55

4.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................................... 55

4.2 HỆ KẾT CẤU ......................................................................................................... 55

4.2.1 Thông số mô hình kết cấu .............................................................................. 55

4.2.2 Thông số thiết bị cản MR ............................................................................... 55

VII

4.2.3 Các trường hợp khảo sát số ........................................................................... 56

4.3 DỮ LIỆU TRẬN ĐỘNG ĐẤT ............................................................................... 58

4.4 KHẢO SAT SỐ KIỂM CHỨNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH .................................. 62

4.5 PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA KẾT CẤU ............................................................. 63

4.5.1 Phân tích hiệu quả của tỉ số khối lượng  .................................................... 63

4.5.2 Phân tích hiệu quả đáp ứng của kết cấu dưới tác động của băng gia tốc nền

Elcentro ................................................................................................................... 64

4.5.3 Phân tích hiệu quả đáp ứng của kết cấu TMD dưới tác động của băng gia tốc

nền Northdge ........................................................................................................... 71

4.5.4 Phân tích hiệu quả đáp ứng của kết cấu dưới tác động của băng gia tốc nền

Kobe ........................................................................................................................ 77

4.5.5 Phân tích hiệu quả điện thế của hệ cản MR dưới tác động của băng gia tốc

nền Elcentro ............................................................................................................ 83

4.5.6 Phân tích hiệu quả của số lượng MR dưới tác động của băng gia tốc nền

Elcentro ................................................................................................................... 87

4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG........................................................................................... 91

Chương 5. KẾT LUẬN ............................................................................................... 92

5.1 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 92

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................................ 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 94

VIII

DANH MỤC CÔNG THỨC

Công thức 1.1 ................................................................................................................. 5

Công thức 2.1-2.2 ......................................................................................................... 20

Công thức 2.3 ............................................................................................................... 21

Công thức 3.1-3.6 ......................................................................................................... 34

Công thức 3.7-3.10 ....................................................................................................... 36

Công thức 3.11-3.14 ..................................................................................................... 38

Công thức 3.15 ............................................................................................................. 39

Công thức 3.16-3.17 ..................................................................................................... 40

Công thức 3.18-3.22 ..................................................................................................... 41

Công thức 3.23-3.26 ..................................................................................................... 42

Công thức 3.27-3.30 ..................................................................................................... 43

Công thức 3.31-3.35 ..................................................................................................... 44

Công thức 3.36-3.37 ..................................................................................................... 45

Công thức 3.38-3.42 ..................................................................................................... 46

Công thức 3.43-3.46 ..................................................................................................... 47

Công thức 3.47-3.49 ..................................................................................................... 48

Công thức 3.50-3.52 ..................................................................................................... 49

Công thức 3.53-3.56 ..................................................................................................... 50

Công thức 3.57 ............................................................................................................. 51

Công thức 3.58-3.59 ..................................................................................................... 53

IX

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Động đất ở Kobe, Nhật Bản – 1995 ................................................................ 2

Hình 1.2 Động đất ở Tứ Xuyên, Trung Quốc – 2008 ..................................................... 2

Hình 1.3 Động đất ở Haiti – 2010 .................................................................................. 3

Hình 1.4 Động đất ở Nepal – 2015 ................................................................................. 3

Hình 1.5 Động đất ở Ecuador – 2016 ............................................................................. 4

Hình 2.1 Phân loại Giảm chấnkết cấu ............................................................................ 8

Hình 2.2 Hệ Giảm chấnbị động – Liquid Tuned Mass Damper .................................... 9

Hình 2.3 Hệ Giảm chấnbị động – Tuned Mass Damper .............................................. 10

Hình 2.4 Hệ Giảm chấnbị động – Viscous Fluid Dampers .......................................... 10

Hình 2.5 Hệ Giảm chấnbị động – Base Isolation ......................................................... 10

Hình 2.6 Shanghai World Financial Center (1997-2008) ........................................... 11

Hình 2.7 John Hancock Tower (1968-1976) ................................................................ 11

Hình 2.8 CN Tower TV antenna, Toronto, Canada (1973) .......................................... 11

Hình 2.9 Giảm chấnchủ động – Tòa nhà Kyobashi Seiwa ........................................... 12

Hình 2.10 Giảm chấnchủ động – Tòa nhà Applause .................................................... 13

Hình 2.11 Cơ cấu thiết bị Giảm chấnkết hợp về khối lượng ........................................ 13

Hình 2.12 Viện bảo tàng quốc gia Tokyo và thiết bị MR-30T .................................... 15

Hình 2.13 Cầu Dongting Lake và thiết bị MR Lord SD-1005 ..................................... 15

Hình 2.14 Cơ chế hoạt động của chất lưu .................................................................... 17

Hình 2.15 Cấu tạo chung hệ cản MR ........................................................................... 18

Hình 2.16 Mô hình Bingham ........................................................................................ 19

Hình 2.17 Mô hình Gamota và Filisko (1991) ............................................................. 19

Hình 2.18 Mô hình Bouc-Wen ..................................................................................... 19

Hình 2.19 Kết quả so sánh giữa mô hình Bouc-Wen và thực nghiệm ......................... 20

X

Hình 2.20 Mô hình hiệu chỉnh Bouc-Wen ................................................................... 21

Hình 2.21 Kết quả so sánh giữa mô hình hiệu chỉnh Bouc-Wen và thực nghiệm ....... 22

Hình 3.1 Mô hình hai kết cấu có gắn M_TMD liên kết với nhau bằng hệ cản MR ..... 32

Hình 3.2 Mô hình hệ cản TMD .................................................................................... 33

Hình 3.3 Mô hình cơ học kết cấu n+m bậc tự do sử dụng thiết bị cản M_TMD+MR 37

Hình 3.4 Mô hình lực tác dụng lên kết cấu n+m bậc tự do .......................................... 38

Hình 3.5 Mô hình cơ học kết cấu n bậc tự do sử dụng thiết bị cản M_TMD+ MR ..... 40

Hình 3.6 Mô hình hiệu chỉnh Bouc-Wen ..................................................................... 45

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán phân tích động lực học kết cấu khi có hệ cản

MR+M_TMD ................................................................................................................ 52

Hình 4.1 Mô hình kết cấu không gắn hệ cản ................................................................ 57

Hình 4.2 Mô hình kết cấu với M_TMD ....................................................................... 57

Hình 4.3 Mô hình kết cấu ghép nối sử dụng hệ cản MR .............................................. 57

Hình 4.4 Mô hình kết cấu ghép nối sử dụng hệ cản MR + M_TMD ........................... 58

Hình 4.5 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Elcentro 1940 ............................................. 59

Hình 4.6 Phổ năng lượng trận động đất Elcentro 1940 ................................................ 60

Hình 4.7 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Kobe 1995.................................................. 60

Hình 4.8 Phổ năng lượng trận động đất Kobe 1995 ..................................................... 60

Hình 4.9 Đồ thị gia tốc nền trận động đất Northrid 1994 ............................................ 61

Hình 4.10 Phổ năng lượng trận động đất Northrid 1994 .............................................. 61

Hình 4.11 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh kết cấu 1 ứng với các trường

hợp μ dưới tải trọng Elcentro ........................................................................................ 63

Hình 4.12 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh kết cấu 1 với (μ=0.03%)

dưới tải trọng Elcentro .................................................................................................. 66

Hình 4.13 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh kết cấu 2 với (μ=0.03%)

dưới tải trọng Elcentro .................................................................................................. 65

Hình 4.14 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại các tầng kết cấu 1 với (μ=0.03%) dưới

tải trọng Elcentro ........................................................................................................... 66

XI

Hình 4.15 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại các tầng kết cấu 2 với (μ=0.03%) dưới

tải trọng Elcentro ........................................................................................................... 66

Hình 4.16 Ứng xử trễ của hệ cản MR lên kết cấu 1 dưới tác động của trận động đất

Elcentro ......................................................................................................................... 67

Hình 4.17 Ứng xử trễ của hệ cản MR lên kết cấu 2 dưới tác động của trận động đất

Elcentro ......................................................................................................................... 67

Hình 4.18 Năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận

động đất Elcentro .......................................................................................................... 68

Hình 4.19 Cân bằng năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tác

động của trận động đất Elcentro.................................................................................... 68

Hình 4.20 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng kết cấu 1 với (μ=0.03%) dưới tải

trọng Elcentro ................................................................................................................ 69

Hình 4.21 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng kết cấu 2 với (μ=0.03%) dưới tải

trọng Elcentro ................................................................................................................ 69

Hình 4.22 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh kết cấu 1 với (μ=0.03%)

dưới tải trọng Northdge ................................................................................................. 71

Hình 4.23 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh kết cấu 2 với (μ=0.03%)

dưới tải trọng Northdge ................................................................................................. 71

Hình 4.24 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại các tầng kết cấu 1 với (μ=0.03%) dưới

tải trọng Northdge ......................................................................................................... 72

Hình 4.25 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại các tầng kết cấu 2 với (μ=0.03%) dưới

tải trọng Northdge ......................................................................................................... 72

Hình 4.26 Ứng xử trễ của hệ cản MR lên kết cấu 1dưới tác động của trận động đất

Northdge ........................................................................................................................ 73

Hình 4.27 Ứng xử trễ của hệ cản MR lên kết cấu 2 dưới tác động của trận động đất

Northdge ........................................................................................................................ 73

Hình 4.28 Năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận

động đất Northdge ......................................................................................................... 74

Hình 4.29 Cân bằng năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tác

động của trận động đất Northdge .................................................................................. 74

Hình 4.30 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng kết cấu 1 với (μ=0.03%) dướitải

trọng Northdge .............................................................................................................. 75

XII

Hình 4.31 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng kết cấu 2 với (μ=0.03%) dưới tải

trọng Northdge .............................................................................................................. 75

Hình 4.32 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh kết cấu 1 với (μ=0.03%)

dưới tải trọng Kobe ....................................................................................................... 77

Hình 4.33 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh kết cấu 2với (μ=0.03%) dưới

tải trọng Kobe ................................................................................................................ 77

Hình 4.34 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại các tầng kết cấu 1 với (μ=0.03%) dưới

tải trọng Kobe ................................................................................................................ 78

Hình 4.35 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại các tầng kết cấu 2 với (μ=0.03%) dưới

tải trọng Kobe ................................................................................................................ 78

Hình 4.36 Ứng xử trễ của hệ cản MR lên kết cấu 1 dưới tác động của trận động đất

Kobe .............................................................................................................................. 79

Hình 4.37 Ứng xử trễ của hệ cản MR lên kết cấu 2 dưới tác động của trận động đất

Kobe .............................................................................................................................. 79

Hình 4.38 Năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận

động đất Kobe ............................................................................................................... 80

Hình 4.39 Năng lượng của kết cấu trong trường hợp Passive-on dưới tác động của trận

động đất Kobe ............................................................................................................... 80

Hình 4.40 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng kết cấu 1 với (μ=0.03%) dưới tải

trọng Kobe ..................................................................................................................... 81

Hình 4.41 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng kết cấu 2 với (μ=0.03%) dưới tải

trọng Kobe ..................................................................................................................... 81

Hình 4.42 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh kết cấu 1 với các điện thế

MR dưới tải trọng Elcentro ........................................................................................... 83

Hình 4.43 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh kết cấu 1 với các điện thế

MR dưới tải trọng Elcentro ........................................................................................... 83

Hình 4.44 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại các tầng kết cấu 1 với các điện thế MR

dưới tải trọng Elcentro .................................................................................................. 84

Hình 4.45 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại các tầng kết cấu 2 với các điện thế MR

dưới tải trọng Elcentro .................................................................................................. 84

Hình 4.46 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng kết cấu 1 với các điện thế MR

dưới tải trọng Elcentro .................................................................................................. 85

XIII

Hình 4.47 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng kết cấu 2 với các điện thế MR

dưới tải trọng Elcentro .................................................................................................. 85

Hình 4.48 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh kết cấu 1 với số lượng

MR:2,4,8 dưới tải trọng Elcentro ................................................................................. 87

Hình 4.49 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại tầng đỉnh kết cấu 2 với số lượng

MR:2,4,8 dưới tải trọng Elcentro ................................................................................. 87

Hình 4.50 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại các tầng kết cấu 1với số lượng

MR:2,4,8 dưới tải trọng Elcentro .................................................................................. 88

Hình 4.51 Đồ thị so sánh chuyển vị lớn nhất tại các tầng kết cấu 2 với số lượng

MR:2,4,8 dưới tải trọng Elcentro .................................................................................. 88

Hình 4.52 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng kết cấu 1 với số lượng MR:2,4,8

dưới tải trọng Elcentro .................................................................................................. 89

Hình 4.53 Đồ thị so sánh lực cắt lớn nhất tại các tầng kết cấu 2 với số lượng MR:2,4,8

dưới tải trọng Elcentro .................................................................................................. 89