Tài liệu Nghiên cứu giảm biên độ dao động của dầm thép nhịp lớn bằng hệ tuned mas damper (tmd)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ----------------------------------- TRẦN PHÚ THUẦN NGHIÊN CỨU GIẢM BIÊN ĐỘ DAO ĐỘNG CỦA DẦM THÉP NHỊP LỚN BẰNG HỆ TUNED MASS DAMPER (TMD) LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ----------------------------------- TRẦN PHÚ THUẦN KHÓA: 2014 – 2016 NGHIÊN CỨU GIẢM BIÊN ĐỘ DAO ĐỘNG CỦA DẦM THÉP NHỊP LỚN BẰNG HỆ TUNED MASS DAMPER (TMD) Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ HỮU THANH Hà Nội 2016 Hà Nội 2016 LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc HàNội, các thầy cô trong Khoa sau đại học cùng với các thầy giáo, cô giáo cácKhoa, bộ môn đã giảng dạy và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành khóa học2014 - 2016. Đặc biệt em cảm ơn thầy Tiến sĩ Lê Hữu Thanh người trực tiếp hướngdẫn khoa học luận văn đã tạo mọi điều kiện, dành nhiều thời gian, nhiệt tìnhgiúp đỡ cũng như đầu tư tài liệu để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Sức bền –Kết cấu Trường Đại họcKiến trúc Hà Nội, các thầy cô trong tiểu ban bảo vệ đề cương, các thầy cô trongtiểu ban kiểm tra tiến độ luận văn, đã có những ý kiến góp ý quý báu cho nộidung luận văn. Em chân thành cảm ơn Trường Cao đẳng Xây dựng Nam định, các đồngnghiệp và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi, động viên giúp đỡ trong thời gianhọc tập, làm luận văn tốt nghiệp. Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không tránh khỏi những hạnchế, thiếu sót. Nhưng em xin hứa sẽ đầu tư nghiên cứu thêm những vấn đề cònhạn chế, thiếu sót đó để hoàn thiện thêm kiến thức của em trong quá trình làm việcsau này. Hà Nội, ngày ......, tháng 6 năm 2016 Học viên Trần Phú Thuần LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Phú Thuần MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng, biểu Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................... 1  Mục đích nghiên cứu của đề tài ............................................................. 2  Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 3  Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................... 3  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................... 3  Cấu trúc luận văn của đề tài .................................................................. 3 NỘI DUNG CHƢƠNG 1: DẦM THÉP NHỊP LỚN VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA DẦM....................................................................................................... 5 1.1. Khái niệm ................................................................................................ 5 1.2. Tải trọng tác động................................................................................... 8 1.2.1 Tải trọng đứng .......................................................................................... 8 1.2.2 Tải trọng ngang ...................................................................................... 10 1.2.3 Các loại tải trọng khác ............................................................................ 11 1.3. Độ võng cho phép trong dầm ............................................................... 11 1.4. Đặc điểm dao động tự do của dầm ....................................................... 12 1.4.1 Dao động của dầm có một bậc tự do ....................................................... 12 1.4.2 Dao động của dầm có khối lượng và độ cứng phân bố theo chiều dài ..... 20 1.4.3 Dao động của dầm kể tới biến dạng trượt và quay (Dầm Timoshenko) ... 22 1.4.4 Dao động của dầm dưới tác động của tải trọng cưỡng bức ...................... 22 1.5. Giảm biên độ dao động tự do của dầm bằng các hệ giảm dao động .. 25 1.5.1 Giảm biên độ dao động tự do của dầm .................................................... 25 1.5.2 Các hệ giảm dao động trong kết cấu công trình ....................................... 29 CHƢƠNG 2: HỆ GIẢM DAO ĐỘNG TUNED MASS DAMPER (TMD) ....... 34 2.1. Khái niệm và phân loại ......................................................................... 34 2.1.1 Hệ TMD chuyển động ............................................................................ 34 2.1.2 Hệ TMD con lắc ..................................................................................... 35 2.1.3 Hệ TMD có điều khiển ........................................................................... 35 2.1.4 Hệ TMD bán điều khiển ......................................................................... 36 2.2. TMD cho hệ kết cấu có một bậc tự do ................................................. 36 2.2.1 Hệ kết cấu và hệ TMD không xét tới độ cản nhớt ................................... 36 2.2.2 Hệ kết cấu không kể tới và hệ TMD có kể tới độ cản nhớt môi trường.... 39 2.2.3 Hệ kết cấu và hệ TMD có kể tới độ cản nhớt môi trường ........................ 46 2.3. TMD cho hệ kết cấu có nhiều bậc tự do .............................................. 48 CHƢƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ GIẢM DAO ĐỘNG TMD CHO DẦM ........................................................................................................... 54 3.1. Quy trình thực hiện .............................................................................. 54 3.2. Ví dụ tính toán 1 (hệ có một bậc tự do) ............................................... 56 3.2.1 Thông số tính toán của dầm .................................................................... 56 3.2.2 Kết quả tính toán giải tích ....................................................................... 57 3.2.3 Khảo sát kết quả tính toán bằng phương pháp số .................................... 58 3.3. Ví dụ tính toán 2 (hệ có nhiều bậc tự do) ............................................. 69 3.3.1 Các phương trình tính toán ..................................................................... 69 3.3.2 Tính toán hệ giảm dao động TMD cho dạng dao động thứ 1 ................... 71 3.3.3 Tính toán hệ giảm dao động TMD cho dạng dao động thứ 2 ................... 73 3.3.4 Khảo sát tính toán bằng phần mềm SAP 2000 ........................................ 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Tên đầy đủ 1 A Diện tích mặt cắt ngang 2 c Hệ số cản nhớt (damping cofficient) 3 E Module đàn hồi (Young’s modulus) 4 f Tần số dao động tự do 5 g Gia tốc trọng trường 6 G Module đàn hồi trượt 7 k Độ cứng của lò xo 8 m Khối lượng 9 p(t) Tải trọng theo thời gian 10 PTHH Phần tử hữu hạn 11 T Chu kỳ dao động 12 TMD Tuned Mass Damper 13 u Chuyển vị trong phương ngang (trục X) 14 v Chuyển vị theo phương đứng (trục Y) 15  Biến dạng 16  Độ dài sóng 17  Hệ số poisson 18  Tần số góc (trong dao động tự do) 19  Độ lệch pha DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU Số liệu bảng, biểu Tên bảng, biểu Bảng 1.1. Hệ số vượt tải của một số tĩnh tải tác dụng lên dầm cầu Bảng 1.2. Trọng lượng riêng của một số loại vật liệu (Bảng TCN 3.4.1-2) Bảng 1.3. Vận tốc gió theo các vùng (TCVN 2737:1995) Bảng 1.4. Hệ số điều chỉnh vận tốc gió cho dầm cầu Bảng 1.5. Độ võng cho phép trong dầm Bảng 3.1 Tần số và chu kỳ dao động của dầm có một bậc tự do Chu kỳ và tần số dao động tự do của dầm có nhiều bậc tự do Bảng 3.2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số liệu hình Tên hình Hình 1.1. Cầu đường bộ bằng dầm thép chữ I có nhịp lớn [13] Hình 1.2. Cầu bộ hành vượt qua cao tốc D1, Praha, Cộng hòa Séc [14] Hình 1.3. Cầu đường sắt Belgrade bắc qua sông Rava [12] Hình 1.4. Cầu vượt nút giao Thái Hà – Chùa Bộc, Hà Nội, Việt Nam [11] Hình 1.5. Dao động của dầm có một bậc tự do Hình 1.6. Dao động tuần hoàn của dầm có một bậc tự do Hình 1.7. Dao động tự do của dầm khi kể tới và không kể tới độ cản nhớt của môi trường [3] Hình 1.8. Dầm có khối lượng và tải trọng thay đổi theo chiều dài Hình 1.9. Dao động tự do của dầm hai đầu khớp – gối di động Hình 1.10. Dao động tự do của dầm hai đầu khớp – gối di động Hình 1.11. Dao động của dầm với các giá trị khác nhau của độ cản nhớt Hình 1.12. Biên độ dao động của dầm Hình 1.13. Hiện tượng cộng hưởng xảy ra tại cầu Tacoma, Mỹ, 1940 [15] Hình 1.14. Giảm dao động của kết cấu xuống dao động mong muốn [8] Hình 1.15. Giảm dao động của kết cấu xuống dao động mong muốn [8] Hình 1.16. Gối giảm dao động chống động đất [15] Hình 1.17. Gối giảm dao động chống động đất ma sát [15] Hình 1.18. Dao động của dầm khi sử dụng hệ TMD Hình 1.19. Dầm consol sử dụng hệ giảm dao động TMD [15] Hình 2.1. Hệ TMD chuyển động Số liệu hình Tên hình Hình 2.2. Hệ TMD con lắc Hình 2.3. Hệ TMD có điều khiển Hình 2.4. Hệ TMD bán điều khiển Hình 2.5. Hệ một bậc tự do có gắn TMD (không kể tới độ cản nhớt) [8] Hình 2.6. Hệ một bậc tự do có gắn TMD (kể tới độ cản nhớt) [8] Hình 2.7. Giá trị của H2 theo β Hình 2.8. Điều chỉnh giá trị tối ưu của hệ TMD Hình 2.9. Hệ một bậc tự do và TMD có kể tới độ cản nhớt môi trường Hình 2.10. Hệ có hai bậc tự do điều chỉnh chuyển vị bằng TMD Hình 3.1. Thiết kế TMD cho dầm đơn giản có một bậc tự do Hình 3.2. Mode dao động thứ 1 của dầm có một bậc tự do Hình 3.2. Mode dao động thứ 1 của dầm có một bậc tự do Hình 3.3 Mode dao động thứ 2 của dầm có một bậc tự do Hình 3.4 Mode dao động thứ 3 của dầm có một bậc tự do Hình 3.5 Quan hệ giữa biên độ dao động và β trong dầm Hình 3.6 Quan hệ giữa fopt và m Hình 3.7 Quan hệ giữa 1,2 opt Hình 3.8 Quan hệ giữa d opt Hình 3.9 Quan hệ giữa H 2 opt và giá trị m Hình 3.10 Quan hệ giữa H 4 opt và giá trị m Hình 3.11 Quan hệ giữa biên độ H2 vàβ trong dao động thứ 1 của dầm và giá trị m và giá trị m Số liệu hình Tên hình Hình 3.12 Quan hệ giữa biên độ H2 vàβ trong dao động thứ 2 của dầm Hình 3.13 Thiết kế TMD cho dầm đơn giản nhiều bậc tự do Hình 3.14 Mô hình phân tích TMD trong SAP 2000 Hình 3.15 Khai báo Link/Support trong SAP 2000 Hình 3.16 Mô phỏng hệ TMD trong SAP 2000 1 MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết của đề tài Trong tính toán thiết kế động lực học kết cấu cấu trình, việc giảm các biên độ dao động tự docủa công trình đặc biệt là các công trình có chiều cao lớn (nhà cao tầng, tháp truyền hình), công trình có nhịp lớn (cầu giao thông, cầu bộ hành) luôn là thách thức đối với kỹ sư thiết kế và các nhà nghiên cứu. Việc giảm được yếu tố này giúp công trình bền vững hơn dưới tác động của nguyên nhân tải trọng động. Giúp công trình giảm thiểu được các hư hỏng, đứt gãy, hay phá hủy do chuyển vị lớn gây ra. Hệ giảm dao động Tunned Mass Damper (TMD) là một trong giải pháp được lựa chọn sử dụng tại nhiều công trình trên thế giới. TMD có thể được xem là hệ con lắc giảm dao động, được cấu tạo gồm khối lượng (m), hệ lò xo đàn hồi (k) và chất cản nhớt (c). Hệ TMD thường được gắn vào công trình tại vị trí có biên độ dao động bất lợi hoặc lớn nhất. Các chỉ số m, k và c trong hệ có thể được điều chỉnh phụ thuộc vào đặc điểm của công trình để phù hợp với tần số dao động tự nhiên của công trình. Trên thế giới, hệ giảm dao độngTMD đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công cho công trình nhà cao tầng và cầu từ rất sớm. Hệ TMD được sử dụng để điều chỉnh dao động tự do của hệ sàn composite trong nhà nhịp lớn[5]. Áp dụng hệ TMD thành công để giảm dao độngtrong cầu bộ hành [7]. Thiết kế, tính toán hệ TMD cho công trình cầu [8]. Đặc điểm chung của các công trình sử dụng phương án TMD trong thiết kế giảm dao động là: giảm rõ rệt biên độ dao động tự do, giúp công trình chịu lực tốt hơn và đạt được chiều cao và nhịp thiết kế lớn[10]. Tại Việt Nam trong những năm gần đây, do có nhiều ưu điểm trong thi công lắp dựng, kết cấu thép trong công trình cầu đường bộ đang được sử dụng 2 ngày một nhiều. Cũng do yêu cầu thực tế sử dụng, kết cấu dầm đòi hỏi phải có khẩu độ lớn khi thiết kế cho các cầu vượt, cầu qua sông hay cầu bộ hành. Với nhịp thiết kế lớn dẫn tới biên độ dao động tự do trong dầm lớn. Việc tăng chiều cao làm việc của dầm là giải pháp mang lại hiệu quả không cao khi thiết kế kết cấu gặp phải tình huống này. Thông thường, hệ giảm dao động như hệ TMD sẽ mang lại hiệu quả cao giúp kỹ sư thiết kế giải quyết vấn đề trên. Thiết kế giảm dao động cũng đã được đề cập trong hệ thống tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam [4], hay đã được thực hiện trong các đề tài nghiên cứu cấp nhà nước [1]. Tuy nhiên, các nghiên cứu ở nước ta về hệ TMD hầu hết chỉ được áp dụng trong thiết kế giảm chấn, giảm dao động chonhà cao tầng.Do vậy, việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn TMD sử dụng trong kết cấu dầm nhịp lớn của các công trình giao thông và cầu bộ hành giúp kỹ sư thiết kế giải quyết được vấn đề hóc búa đang tồn tại. Xuất phát từ thực tế trên tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giảm biên độ dao động của dầm thép nhịp lớn bằng hệ Tuned Mass Damper” làđối tượng nghiên cứu của luận văn này.  Mục đích nghiên cứu của đề tài Đề tài nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu: - Thiết lập được bài toán thiết kế và ứng dụng hệ giảm dao động TMD cho các dầm thép nhịp lớn sử dụng trong các công trình giao thông tại Việt Nam. - Xây dựng được quy trình tính toán thiết kế hệ giảm dao động TMD sử dụng cho dầm nhịp lớn phù hợp với điều kiện thiết kế và thi công của Việt Nam. 3 - Đề xuất các góp ý cho quá trình thiết kếbiện pháp giảm dao động của kết cấu dầm vượt nhịp lớn.  Phạm vi nghiên cứu Đề tài được thực hiện nhằm nghiên cứu tính toán ứng dụng giải pháp TMD để giảm biên độ dao động tự do trong các kết cấu dầm thép vượt nhịp lớn sử dụng trong công trình giao thông tại Việt Nam.  Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết trong đó xây dựng bài toán phân tích thiết kế giảm dao động theo phương pháp TMD cho cấu kiện dầm thép vượt nhịp lớn. Trên cơ sở này, đề tài xây dựng một chương trình con tính toán thiết kế giảm dao động TMD cho dầm bằng ngôn ngữ Matlab. Kết quả tính toán (với các ví dụ cụ thể) bằng chương trình thiết lập trong luận văn được so sánh với kết quả tính toán bằng phần mềm đã phát triển thành công được sử dụng hiện nay.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài được lựa chọn nhằm đáp ứng nhu cầu hiện nay trong công tác thiết kế, sử dụng kết cấu dầm thép nhịp lớn phục vụ công tác phát triển mở rộng hạ tầng giao thông tại Việt Nam Đồng thời, kết quả của đề tài cũng được sử dụng cho mục đích công việc học tập của tác giả sau khi hoàn thành khóa học.  Cấu trúc luận văn của đề tài Đề tài xây dựng lý thuyết tính toán thiết kế giảm chấn cho dầm theo phương pháp TMD, với cấu trúc của luận văn được chia thành các chương chính sau: 4 MỞ ĐẦU: Trình bày lý do lựa chọn, sự cần thiết và phạm vi nghiên cứu của đề tài cũng như ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài. NỘI DUNG CHƢƠNG 1: Dầm thép nhịp lớn và các đặc điểm dao động của dầm. CHƢƠNG2:Hệ giảm dao động Tuned mass damper (TMD). CHƢƠNG3: Ví dụ tính toán thiết kế hệ giảm dao động TMD cho dầm. THÔNG BÁO Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội. Email: [email protected] TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Việc nghiên cứu ứng dụng hệ giảm dao động TMD cho các kết cấu dầm thép nhịp lớn là cần thiết và mang lại hiệu quả cao trong sử dụng vận hành và thiết kế của loại kết cấu này. Luận văn đã thực hiện nghiên cứu với kết quả đạt được của luận văn là: 1) Thiết lập được bài toán thiết kế và ứng dụng hệ giảm dao động TMD cho các dầm thép nhịp lớn sử dụng trong các công trình giao thông tại Việt Nam. 2) Xây dựng được quy trình tính toán thiết kế hệ giảm dao động TMD sử dụng cho dầm nhịp lớn phù hợp với điều kiện thiết kế và thi công của Việt Nam. 3) Kết quả tính toán trên cho ta thấy rằng, với dạng dao động thứ 2, để giảm cùng giá trị biên độ dao động, hệ TMD phải được thiết kế với độ cứng và hệ số cản nhớt môi trường lớn hơn nhiều lần các giá trị tương ứng khi tính toán ở dạng dao động thứ nhất. 4) Các giá trị của hệ TMD thiết kế cho dầm trong trường hợp xem dầm có nhiều bậc tự do nhỏ hơn trường hợp khi xem dầm chỉ có một bậc tự do. Trong điều kiện xây dựng của Việt Nam hiện nay, việc sử dụng hệ giảm dao động TMD còn nhiều hạn chế, Tuy nhiên việc sử dụng hệ TMD giúp dầm có thể khắc phục được các trạng thái guy hiểm khi hiện cộng hưởng xảy ra trong công trình và đồng thời do việc giảm các biên độ dao động tự do giúp dầm có ứng xử tốt hơn khi làm việc. Trên cơ sở này luận văn có một số kiến nghị sau: 5) Giải pháp giảm dao động TMD cần được ứng dụng đối với kết cấu dầm thép vượt nhịp lớn chịu tác dụng của các nguyên nhân tải trọng động thay đổi theo thời gian. 79 6) Đối với công trình công cộng như cầu bộ hành, cầu vượt có nhịp lớn là những kết cấu có khả năng xuất hiện hiện tượng cộng hưởng (nguyên nhân tải trọng gió, người đi đều qua cầu …) cần phải được thiết kế bổ sung hệ TMD để tránh sự cố trên. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Lê Xuân Huỳnh và Nguyễn Hữu Bình, "Nghiên cứu công nghệ chế ngự dao động kết cấu công trình nhà cao tầng phù hợp điều kiện Xây dựng ở Hà Nội," Viện KHCN Kinh tế, Hà Nội, 2008. 2. Nguyễn Văn Liên, Đinh Trọng Bằng và Nguyễn Phương Thành, Sức Bền Vật Liệu, Hà Nội: Nhà xuất bản Xây dựng, 2011. 3. TS. Lê Hữu Thanh, Bài giảng Ổn định và Động lực học. 4. Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCVN 9386:2012 Thiết kế công trình chịu động đất, Nhà xuất bản Xây dựng, 2012. Tiếng Anh 5. A. C. Webster and R. Vaicaitis, "Application of Tuned Mass Dampers to Control Vibration of Composite Floor Systems," American Institute of Steel Construction , 2003. 6. A. K. Chopra, Dynamic of Structures: Theory and Application to Earthquake Engineering, New Jersey: Prentice-Hall, Inc, 1995. 7. C. Meinhardt, "Application of Tuned Mass Dampers for Bridge Decks," in Gerb Vibration Control Systems , Essen, Germany. 8. J. J. Connor, in Introduction to Structural Motion Control, Prentice Hall, 2003, pp. 217-279. 9. R. Lourenco, "Design, Construction and Testing of an Adaptive Pendulum Tuned Mass Damper," Mater thesis submitted to Mechanical Engineering, Waterloo, Ontario, Canada, 2011. 10. R. W. Clough and J. Penzien, Dynamics of Structures, New York: Computer and Structure, Inc, US, 2003. Website 11. "Báo giao thông - Bộ Giao thông," [Online]. Available: http://www.baogiaothong.vn/cau-vuot-nhe-giam-un-tac-giao-thong-taithu-do-d49208.html. [Accessed Feb 2016]. 12. Berka, "Steel girder pedestrian," [Online]. Available: http://www.123rf.com/. [Accessed Feb 2016]. 13. "Civil Engineering Blog," [Online]. Available: http://erkrishneelram.wordpress.com. [Accessed Feb 2016]. 14. "Steel girder bride," TOP CON SERVIS, [Online]. Available: http://www.topcon.cz. [Accessed Feb 2016]. 15. "Wikipedia," [Online]. Available: https://en.wikipedia.org. [Accessed 5 2016].