Hiệu quả giảm chấn của hệ cô lập móng kết hợp với hệ cản nhớt gắn ở kết cấu phụ

Nội dung text: Hiệu quả giảm chấn của hệ cô lập móng kết hợp với hệ cản nhớt gắn ở kết cấu phụ

1. Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ nhất về Động lực học và Điều khiển Đà Nẵng, ngày 19-20/7/2019, tr. 1-6, DOI 10.15625/vap.2019000248 Hiệu quả giảm chấn của hệ cô lập móng kết hợp với hệ cản nhớt gắn ở kết cấu phụ Dương Lê Trường1, Nguyễn Trọng Phước2 1Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung 2Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mở TP. Hồ Chí Minh E-mail: duongletruong@muce.edu.vn phuoc.nguyen@ou.edu.vn Tóm tắt nghiên cứu cho thấy hiệu quả giảm chấn khi liên kết các Bài báo phân tích hiệu quả giảm chấn của hệ kết hợp gồm hệ cô kết cấu liền kề với nhau bằng các thiết bị giảm chấn như: lập móng (Base Isolation, BI) gắn ở kết cấu chính nối với kết hệ cản đàn nhớt, hệ cản chất lỏng, hệ cản lưu biến từ. cấu phụ bằng hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Damper, Dựa trên ý tưởng này, bài báo tập trung phân tích VFD) dưới tác dụng của gia tốc nền động đất. Hệ cô lập móng hiệu quả giảm chấn của hai kết cấu liền kề sử dụng hai hệ sử dụng mô hình cân bằng tuyến tính đàn–nhớt để mô tả ứng xử cản đó là gối cô lập và hệ cản chất lỏng nhớt. Trong đó, trễ của gối. Hệ cản chất lỏng nhớt được mô phỏng bởi quan hệ hai kết cấu có số tầng khác nhau nhưng chiều cao tầng lực cản và vận tốc chuyển động của hệ, có thể là tuyến tính hoặc bằng nhau được nối với nhau bằng hệ cản chất lỏng nhớt, phi tuyến và sử dụng mô hình tổng quát Maxwell để tính lực hệ cô lập móng được gắn ở kết cấu chính. Phương trình cản. Phương trình chuyển động của hệ chịu gia tốc nền được chuyển động của hệ khi chịu gia tốc nền của động đất thiết lập dựa trên nguyên lý cân bằng động và được giải bằng được thiết lập và được giải bằng phương pháp New Mark phương pháp Newmark. Phần mềm MATLAB được sử dụng để trên toàn miền thời gian. Gia tốc nền cũng được lựa chọn viết chương trình máy tính phân tích phản ứng động của hệ kết những trận động đất với phổ tần số tương đối gần với tần cấu. Kết quả số từ phản ứng động chuyển vị, gia tốc và lực cắt số riêng của kết cấu. Ứng xử của các hệ cản được phân cho thấy hiệu quả của hệ kết hợp. tích dưới dạng tường minh bằng phương pháp số và lập trình bằng ngôn ngữ MATLAB. Từ khóa: Hệ cản chất lỏng nhớt, hệ cô lập móng, gia tốc nền. 2. Cơ sở lý thuyết 1. Đặt vấn đề 2.1. Mô hình kết cấu Trong những năm gần đây động đất xảy ra ngày càng tăng về số lượng và cường độ, ngày càng phức tạp và khó dự đoán. Gây ra những thiệt hại khủng khiếp về người và của như: Ngày 27/02/2010 tại Chile xảy ra trận động đất mạnh 8,8 độ Richter làm khoảng 800 người thiệt mạng và gây thiệt hại ước tính lến đến 30 tỷ USD. Ngày 11/3/2011 tại Nhật Bản xảy ra trận động đất mạnh 9 độ Richter làm khoảng 16000 người thiệt mạng và gây thiệt hại từ 122 tỷ USD đến 235 tỷ USD. Ngày 25/4/2015 tại Nepal xảy ra trận động đất mạnh 7,9 độ Richter làm khoảng 8000 người thiệt mạng và gây thiệt hại hơn 5 tỷ USD, Vì vậy, việc tìm ra các giải pháp kháng chấn cho kết cấu chịu tác động của động đất luôn là đề tài có tính thời sự và thu hút rất nhiều nhà khoa học trong nước cũng như quốc tế quan tâm nghiên cứu. Một trong những giải pháp đó là gắn các thiết bị tiêu tán năng lượng vào kết cấu để tiêu tán năng lượng kết cấu và làm cho kết cấu an toàn hơn. Trong số những thiết bị đó, thiết bị giảm chấn bị động được xem khá hiệu quả đó là thiết bị gối cô lập, thiết bị này được khá nhiều nhà nghiên cứu công bố và được sử dụng rộng rãi ở những vùng quốc gia thường xuyên xảy ra động đất như: Nhật Bản, Mỹ, New Zealand, Tuy nhiên, thiết bị này có nhược điểm là chuyển vị tương đối giữa kết cấu bên trên và nền khá lớn, đồng thời không phát huy hiệu quả khi chịu các trận động đất mạnh ở gần vị trí đứt gãy. Ngoài ra, còn có khá nhiều Hình 1: Mô hình kết cấu 1
2. Dương Lê Trường, Nguyễn Trọng Phước Xét hai kết cấu nhà có số tầng khác nhau, các tầng có cceff 11 c 11 0 0 cùng cao độ, khối lượng và độ cứng mỗi tầng là như c 0 0 nhau, được mô hình với số bậc tự do động lực học khác 11 nhau. Các dầm được xem như tuyệt đối cứng và chỉ có C1 (7) chuyển vị theo phương ngang được xem xét, hệ kết cấu 0 0 c()1nm giả định làm việc trong miền đàn hồi. Các thông số khác 00 cc()1()1nm nm như khối lượng, độ cứng, cản của từng kết cấu được thể hiện ở Hình 1. Hệ cản chất lỏng nhớt được bố trí tại các sàn của công trình 2, hệ cô lập móng gắn ở công trình 1. Phương trình vi phân chuyển động có dạng sau: 2.2. Gối cô lập BI Theo Matsagar (2004) [2], đã mô tả mối quan hệ ứng xử giữa biến dạng - lực trong gối cô lập BI theo mô hình Mu Cu  Ku Df Mru (1) VFD g cân bằng tuyến tính đàn - nhớt dựa trên tiêu chuẩn Uniform Building Code và International Building Code. Dựa trên tiêu chuẩn này, thì quan hệ ứng xử phi tuyến của trong đó: MCK,, lần lượt là các ma trận khối lượng, biến dạng - lực trong gối cô lập BI được thay thế bằng cản, độ cứng của kết cấu; fFVD  ff12, , , fn  là véctơ mô hình cân bằng tuyến tính đàn - nhớt thông qua thông lực tác dụng hệ VFD; D là ma trận thể hiện vị trí điểm số độ cứng đàn hồi và cản nhớt hiệu quả. đặt; r 1,1, 1 T là véctơ đơn vị; uuu,, lần lượt là Độ cứng đàn hồi tuyến tính hiệu quả trong mỗi chu kỳ tải trọng được xác định từ đường cong thực nghiệm các véctơ đáp ứng chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo thời của biến dạng - lực của gối cô lập BI, được mô tả: gian của kết cấu; u g là gia tốc nền của động đất theo thời gian. Các ma trận M, C, K được định nghĩa và có F F kích thước như sau: k (8) eff M11 0  nm 1, nm 1 nm 1, n trong đó F và F là lực dương và âm ứng với chuyển M (2) + - 21,21nm nm 0 M vị ∆ và ∆. Lúc này độ cứng hiệu quả là giá trị độ dốc 22 nn,1 m nn , của đường nối hai đỉnh trong vòng lặp ứng xử trễ của gối cô lập BI, thể hiện trên Hình 2. C11 0  nm 1, nm 1 nm 1, n C (3) 21,21nm nm 0 C 22 nn,1 m nn , K11 0  nm 1, nm 1 nm 1, n K (4) 21,21nm nm 0 K 22 nn,1 m nn , với các ma trận tính chất của kết cấu thứ nhất. Hình 2: Mô hình ứng xử cân bằng tuyến tính đàn–nhớt m 0 0 0 b Tỷ số cản hiệu quả của gối cô lập BI được xác định 0 00m 11 dựa trên năng lượng tiêu tán trong mỗi chu kỳ tải, được M (5) thể hiện bởi 1 00 m(1)1nm 0 00 0 m ()1nm 2 E  loop (9) eff 2 k eff kkeff 11 k 11 0 0 k 0 0 11 với Eloop là năng lượng tiêu tán của mỗi chu trình tác động K1 (6) của tải trọng, keff là độ cứng hiệu quả, 0 0 k ()1nm cM 2  là độ cản nhớt hiệu quả của gối cô lập eff eff eff 00 kk()1()1nm nm 2
3. Hiệu quả giảm chấn của hệ cô lập móng kết hợp với hệ cản nhớt gắn ở kết cấu phụ BI, eff 2/ Teff là tần số tự nhiên hiệu quả, TMkeff 2/ /eff là chu kỳ hiệu quả của gối cô lập BI, M là tổng toàn bộ khối lượng kết cấu bên trên. Lực sinh ra trong gối cô lập BI là Fb kx eff b cx eff b (10) 2.2. Hệ cản chất lỏng nhớt Hình 5: Mối quan hệ Lực - Chuyển vị của hệ VFD Hệ VFD là hệ cản chất lỏng nhớt được phát minh cách đây cả thế kỷ, tuy nhiên đến năm 1990 mới đưa vào áp dụng cho các công trình dân dụng. Hiện nay, trên thế 3. Kết quả số giới hệ cản VFD được sử dụng nhiều cho các công trình Khảo sát hai kết cấu: kết cấu 20 tầng (Building 1) và xây dựng. Hệ VFD của hãng Taylor Devices được lựa kết cấu (Building 2) 10 tầng, các thông số: khối lượng, độ chọn nhiều nhất, sử dụng tập trung ở các nước thường cứng và cản của hai kết cấu lần lượt là: Building 1: xuyên phải chịu các trận động đất như Mỹ, Nhật, Hàn mk 1,29 105 g , kNm 4109 / , Building 2: Quốc, Đài Loan, Trung Quốc. i1 i1 4 8 mki2 1,29 10 g , kNmi2 410 / . Khối lượng của 5 sàn móng mkb 1, 29 10 g. Tần số riêng thấp nhất của Building 1 là 2,147 Hz, Building 2 là 4,189 Hz. Gia tốc nền được lựa chọn Elcentro như Hình 6 có các tầng số xấp xỉ khi phân tích chuỗi Fourier là 2,07 Hz và các đỉnh khác xấp xỉ từ 1,8 đến 2,6 Hz được thể hiện Hình 7. Hình 3: Sơ đồ cấu tạo và Mô hình hệ VFD Hình 6: Gia tốc nền động đất Elcentro Theo mô hình tổng quát Maxwell thì độ cứng và cản của hệ VFD được thể hiện như Hình 4 [3]. Hình 4: Mô hình tổng quát Maxwell của hệ VFD Mô hình này phải thỏa mãn điều kiện sau đây xx ev x; xx ev x ; (11)Hình 7: Phổ năng lượng động đất Elcentro  F Kxev Cx Khảo sát số thực hiện 4 trường hợp sau: . Kết cấu tách rời – không gắn hệ cản (Uncontrol) . Kết cấu lắp hệ VFD (VFD) trong đó: F là lực cản, x là chuyển vị tổng của cản, xe và xv là các chuyển vị của độ cứng và cản, xe và . Kết cấu lắp BI ở Building 1 (BI) . Kết cấu lắp BI kết hợp hệ VFD (BI+VFD) xv là các vận tốc của độ cứng và cản, ,  là các hệ số đại diện mối quan hệ lực và vận tốc. Mối quan hệ giữa Tỷ số cản lấy chung cho Building 1 và Building 2 là Lực cản và chuyển vị thể hiện ở Hình 5. ξ =2%, các dạng dao động cao hơn tính theo phương pháp Rayleigh. Thông số VFD chọn cNsm 1105 / , 3
4. Dương Lê Trường, Nguyễn Trọng Phước 1, chu kỳ hiệu quả của gối cô lập TTeff/1 1 , tỷ số Kết quả cho thấy, từ Hình 8 và Hình 9 chuyển vị tầng đỉnh theo thời gian của hệ gắn BI+VFD và hệ chỉ gắn BI cản hiệu quả của gối cô lập eff 0,1. Các giá trị đáp khi chịu động đất đạt hiệu quả cao trong 7 giây đầu tiên, ứng chuyển vị, gia tốc và lực cắt phân tích rõ dưới dạng tuy nhiên sau 14 giây sau có hiệu quả cao chỉ còn đối với biểu đồ. Building 2, Building 1 đạt hiệu quả nhưng không cao. Chuyển vị lớn nhất của hệ BI+VFD ở tầng đỉnh giảm đáng kể so với kết cấu không gắn hệ cản (Hình 10 và Hình 11) Building 1 là 49,04%, Building 2 là 51,21%, chuyển vị lớn nhất ở Building 1 của hệ BI+VFD so với hệ BI là tương đối. Hình 8: Chuyển vị tầng đỉnh Building 1 Hình 12: Lực cắt lớn nhất các tầng Building 1 Hình 9: Chuyển vị tầng đỉnh Building 2 Hình 13: Lực cắt lớn nhất các tầng Building 2 Hiệu quả giảm lực cắt trong hệ BI+VFD vẫn đạt hiệu quả trong quá trình xảy ra động đất. Cụ thể, lực cắt hệ BI+VFD giảm tối đa là 64,53%, tiếp theo là hệ BI giảm 64,30% và cuối cùng là hệ VFD giảm 7,63% so với kết cấu không gắn hệ cản ứng với Building 1. Tương ứng với Building 2 lực cắt giảm tối đa cho hệ BI+VFD là 44,86% Hình 10: Chuyển vị lớn nhất các tầng Building 1 và 42,98% cho hệ VFD so với hệ không cản. Hình 11: Chuyển vị lớn nhất các tầng Building 2 Hình 14: Gia tốc tầng đỉnh Building 1 4
5. Hiệu quả giảm chấn của hệ cô lập móng kết hợp với hệ cản nhớt gắn ở kết cấu phụ Hình 15: Gia tốc tầng đỉnh Building 2 Hình 18: Quan hệ Lực – biến dạng của gối cô lập BI Hình 16: Gia tốc lớn nhất các tầng Building 1 Hình 19: Quan hệ Lực – biến dạng của hệ VFD Qua Hình 14, Hình 15 cho thấy gia tốc ở tầng đỉnh theo thời gian của hệ BI+VFD vẫn đạt hiệu quả so với hệ không cản, hệ VFD và tăng nhẹ so với hệ BI. Hiệu quả giảm gia tốc lớn nhất trong kết cấu là: Building 1 giảm 56,32%, Building 2 giảm 23,66%. Ứng xử bên trong hệ VFD và gối cô lập BI cũng được phân tích và thể hiện dưới dạng tường minh thông qua mối qua hệ giữa lực và biến dạng được thể hiện ở Hình 18, Hình 19. Hình 17: Gia tốc lớn nhất các tầng Building 2 Bảng 1: Hiệu quả giảm đáp ứng cho Building 1 Chuyển vị Vận tốc Lực cắt Gia tốc Trường hợp Max Độ giảm Max Độ giảm Max Độ giảm Max Độ giảm khảo sát (cm) (%) (m/s) (%) (kN) (%) (m/s2) (%) Uncontrol 6,28 0,00 0,88 0,00 18975 0,00 13,76 0,00 VFD 5,94 5,41 0,83 5,68 17528 7,63 13,13 4,58 BI 3,34 46,82 0,38 56,82 6774 64,30 5,94 56,83 BI+VFD 3,2 49,04 0,36 59,09 6730 64,53 6,01 56,32 5
6. Dương Lê Trường, Nguyễn Trọng Phước Bảng 2: Hiệu quả giảm đáp ứng cho Building 2 Chuyển vị Vận tốc Lực cắt Gia tốc Trường hợp Max Độ giảm Max Độ giảm Max Độ giảm Max Độ giảm khảo sát (cm) (%) (m/s) (%) (kN) (%) (m/s2) (%) Uncontrol 2,48 0,00 0,58 0,00 1431 0,00 11,37 0,00 VFD 1,35 45,56 0,33 43,10 816 42,98 9,11 19,88 BI+VFD 1,21 51,21 0,31 46,55 789 44,86 8,68 23,66 [8] Phước N.T., Trung P.Đ., Phân tích hiệu quả giảm chấn của 4. Kết luận gối cô lập kết hợp với hệ cản lưu biến từ và hệ cản khối Mô hình hệ cô lập móng gắn ở kết cấu chính nối với lượng trong kết cấu chị u động đất, Hội nghị Khoa học toàn kết cấu phụ bằng hệ cản chất lỏng nhớt dưới tác dụng của quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XII, 2015. gia tốc nền động đất được thiết lập và đánh giá hiệu quả [9] Zhou Y., Lu X., Weng D., Zhang R., A Practical design giảm chấn của hệ cản. Từ các kết quả số cho thấy được, method for reinforced concrete structures with viscous kết cấu chính gắn BI đã đạt được hiệu quả giảm chấn trong kết cấu là khá tốt về chuyển vị, vận tốc, gia tốc và dampers. Engineering Structures, vol. 39, pp. 187-198, lực cắt. Hệ VFD liên kết giữa hai kết cấu cũng đạt được 2012. hiệu quả giảm chấn trong kết cấu là tương đối, nhưng khi [10] Murase M., Tsuji M., Takewaki I., Smart passive control of hệ BI gắn ở kết cấu chính liên kết với kết cấu phụ bằng buildings with higher redundancy and robustness using hệ VFD mang lại hiệu quả giảm chấn trong kết cấu là base-isolation and inter-connection, Earthquake and vượt trội so với hệ VFD và hệ không cản. Structures , vol. 4, no. 6, pp. 649-670, 2013. Tài liệu tham khảo [1] Chopra A.K., Dynamics of structures -theory and applications to earthquake engineering, Fourth Edition, Prentice Hall, New Jerse, 2012. [2] Matsagar V.A. and Jangid R.S., Influence of isolator characteristics on the response, Engineering Structures, vol. 26, pp. 1735-1749, 2004. [3] Greco R. and Marano G.C., Identification of parameters of Maxwell and Kelvin-Voigt generalized model for viscous dampers, Journal of Sound and Vibration, vol. 21(2), pp. 260-274, 2015. [4] Narkhede D.I. and Sinha R., Behavior of nonlinear fluid viscous dampers for control of shock vibrations, Journal of Sound and Vibration, 2014. [5] Kandemir-Mazanoglu E.C. and Mazanoglu K., An optimization study for viscous dampers between adjacent buildings, Mechanical Systems and Signal Processing, 2016. [6] Patel C.C., Seismic analysis of parallel structures coupled by lead extrusion dampers, International Journal of Advanced Structural Engineering, vol. 9, pp. 177-190, 2017. [7] Kasagi M., Fujita K., Tsuji M., Takewaki I., Automatic generation of smart earthquake-resistant building system: Hybrid system of base-isolation and building connection, Heliyon e00069, 2016. 6