Đề tài Điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất và gió bằng hệ giảm chấn khối lượng (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất và gió bằng hệ giảm chấn khối lượng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT VÀ GIĨ BẰNG HỆ GIẢM CHẤN KHỐI LƯỢNG MÃ SỐ: SV2010 - 86 NGƯỜI CHỦ TRÌ: VÕ VĂN CƯỜNG NGƯỜI THAM GIA: DƯƠNG HỒN HẢO S K C 0 0 3 1 7 3 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 04/2011
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT VÀ GIÓ BẰNG HỆ GIẢM CHẤN KHỐI LƯỢNG MÃ SỐ: SV2010-86 THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI CHỦ TRÌ : VÕ VĂN CƯỜNG NGƯỜI THAM GIA : DƯƠNG HOÀN HẢO ĐƠN VỊ : KHOA XÂY DỰNG VÀ CƠ HỌC ỨNG DỤNG. TP. HỒ CHÍ MINH – 04/2011
3. Nghiên cứu khoa học GVHD : TS PHAN ĐỨC HUYNH MỤC LỤC TĨM TẮT ĐỀ TÀI 2 PHẦN 1 : DẪN NHẬP I. Lý do chọn đề tài 2 II. Mục đích 2 III. Mục tiêu nghiên cứu 2 IV. Yêu cầu của đề tài 2 PHẦN 2 : NỘI DUNG NGHIÊN CỨU I. Mơ hình hĩa hệ thống điều khiển và nhà cao tầng bằng phương trình dao động 1. Mơ hình hệ thống điều khiển và nhà cao tầng 3 2. Mơ hình hĩa hệ thống điều khiển và nhà cao tầng bằng phương trình dao động 4 II. Tính tốn dao động của nhà cao tầng dưới tác dụng của giĩ và động đất 1. Phương trình dao động của nhà N tầng 8 2. Đáp ứng của hệ dao động theo miền tần số dưới tác dụng của giĩ và động đất 10 III. Phương pháp điều khiển bị động (Passive control method) 1. Xác định các ma trận M,C,K và P 15 2. Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển theo miền tần số 20 3. Đáp ứng của hệ dao động trước và sau điều khiển theo miền theo gian 29 PHẦN 3 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN I. Kết luận 35 II. Hướng phát triển 1. Phương pháp điều khiển bán chủ động (Semi-Active control method) 35 2. Phương pháp điều khiển chủ động (Active control method) 36 3. Phương pháp điều khiển Hybrid (Hybrid control method) 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 PHỤ LỤC I. Phụ lục 1 38 II. Phụ lục 2 40 III. Phụ lục 3 43 VÕ VĂN CƯỜNG Trang 1 DƯƠNG HỒN HẢO
4. Nghiên cứu khoa học GVHD : TS PHAN ĐỨC HUYNH Đề tài: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA GIĨ VÀ ĐỘNG ĐẤT BẰNG HỆ GIẢM CHẤN KHỐI LƯỢNG Mã số: SV2010-86 TĨM TẮT ĐỀ TÀI : Nghiên cứu phương pháp ổn định động lực học của nhà cao tầng chịu tác dụng của giĩ và động đất bằng hệ giảm chấn khối lượng (Mass Dampers –MDs), nguyên cứu giải pháp tối ưu cho hệ điều khiển thơng qua các phương pháp điều khiển như : passive, semi-active, active, và hybrid, khảo sát ảnh hưởng của nhiều bộ MD đến kết quả điều khiển. PHẦN 1 : DẪN NHẬP I. Lý do chọn đề tài : Nước ta đang tiến hành phát triển cơ sở hạ tầng để phục vụ cơng nghiệp hĩa – hiện đại hĩa đất nước, do đĩ diện tích đất xây dựng nhà ở cho dân (nhất là ở các Tp lớn : Hà Nội, Tp.HCM ) sẽ bị thu hẹp nên việc xây dựng chung cư cao tầng để đáp ứng nhu cầu nhà ở cho nhân dân là một vấn đề hết sức cần thiết. Nhưng khi xây dựng nhà cao tầng thì cơng trình phải đối mặt với rất nhiều vấn đề, trong đĩ ảnh hưởng của mơi trường đến cơng trình là hết sức quan trọng. Đối với một số cơng trình nhà cao tầng (từ 50 tầng trở lên), khả năng chống lại lực giĩ của nĩ đang trở thành một vấn đề nan giải (khi giĩ thổi mạnh vào ngơi nhà cĩ thể làm cho nĩ bị dao động mạnh đến một lúc nào đĩ tịa nhà sẽ bị đổ vỡ) trong quá trình thiết kế xây dựng, một yếu tố khác khơng kém phần quan trọng đĩ là lực nền (động đất, nổ), nĩ cũng làm cho tịa nhà bị rung lắc và dao động mạnh, làm hư hỏng kết cấu và cĩ thể dẫn đến sập cả tịa nhà. Những trận động đất kinh hồng đã làm hư hỏng rất nhiều cơng trình xây dựng (trong đĩ cĩ cơng trình nhà cao tầng), gây thiệt hại kinh tế và tính mạng con người như : - Năm 1971 động đất ở San Francisco, California, Mỹ. - Năm 2011 động đất ở Nhật Bản. Với những lý do trên Nhĩm nghiên cứu chọn đề tài: “ Điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của giĩ và động đất bằng hệ giảm chấn khối lượng ”. II. Mục đích : Nhĩm thực hiện đề tài với mục đích tìm được những giải pháp hợp lý trong việc điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của giĩ và động đất. III. Mục tiêu nghiên cứu : Do thời gian cĩ hạn nên Nhĩm nghiên cứu chỉ nghiên cứu được một số vấn đề: - Mơ hình hĩa hệ thống điều khiển và nhà cao tầng bằng phương trình dao động. - Tính tốn dao động nhà cao tầng dưới tác dụng của giĩ và động đất. - Dùng phương pháp điều khiển bị động (Passive control method) trong điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của giĩ và động đất. IV. Yêu cầu của đề tài : Để làm giảm dao động (biên độ) của nhà cao tầng thì cĩ rất nhiều cách khác nhau, Ở đề tài này Nhĩm nghiên cứu chọn một số phương pháp điều khiển sau: Passive, Semi-Active, Active và Hybrid để điều khiển ổn định kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của giĩ và động đất. Trong các phương pháp này, Người nghiên cứu khảo sát từ một cho đến nhiều hệ MD được bố trí liên tục tại tầng trên cùng của tịa nhà. Tùy vào phương pháp điều khiển mà sẽ cho ra những kết quả điều khiển khác nhau. VÕ VĂN CƯỜNG Trang 2 DƯƠNG HỒN HẢO
5. Nghiên cứu khoa học GVHD : TS PHAN ĐỨC HUYNH PHẦN 2 : NỘI DUNG NGHIÊN CỨU I. Mơ hình hĩa hệ thống điều khiển và nhà cao tầng bằng phương trình dao động : I.1. Mơ hình hệ thống điều khiển và nhà cao tầng : Giả thuyết : Sàn cứng tuyệt đối. Ý nghĩa các ký hiệu:  Mi : Khối lượng của Sàn thứ i.  Ki : Độ cứng của các cột ở tầng thứ i. MN PN(t)  Ci : Giảm chấn tường cột ở tầng thứ i. CN  N : Số chỉ tầng thứ I của nhà cao tầng. KN/2 KN/2  Pi(t) : Lực giĩ tác dụng ở tầng thứ i (Force excited).  Z(t) : Chuyển vị của tín hiệu PN-1(t) động đất (Base excited). MN-1  Phần tử điều khiển: mi : khối lượng. ci : giảm chấn. ki : độ cứng.  n : số phần tử điều khiển. M2 P2(t) C2 K2/2 K2/2 P1(t) M1 C1 K1/2 K1/2 Z(t) Hình1.1 VÕ VĂN CƯỜNG Trang 3 DƯƠNG HỒN HẢO
6. Nghiên cứu khoa học GVHD : TS PHAN ĐỨC HUYNH I.2. Mơ hình hĩa hệ thống điều khiển và nhà cao tầng bằng phương trình dao động : Ý nghĩa các ký hiệu: X : Chuyển vị của tầng thứ i. i Hình 1.2 xi : chuyển vị của phần tử điều khiển thứ i.  Xét M1 : Xét cân bằng M1 : P MXKXCXKXXCXX    1 11 1111 22 1 22 1  MZ1 P MXCCXCXKKXKX   1 (1.1) 11 12122 1 21 22  MZ1  Xét M2 : VÕ VĂN CƯỜNG Trang 4 DƯƠNG HỒN HẢO
7. Nghiên cứu khoa học GVHD : TS PHAN ĐỨC HUYNH Xét cân bằng M2 : P MXKXXCXXKXXCXX     2 22221 221 332 332  MZ2 P MXCXCCXCXKXKKXKX    2 (1.2) 2221 2 3233 21 2 32 33  MZ2 Phương trình dao động tổng quát : M M; i 3; N 1 3N 1 P MXCXCCXCXKXKKXKX    i (1.3) iiii 1 iiiii 1 1 1 ii 1 iiiii 1 1 1  MZi P MMXCXCCXCXKXKKXKX:     3 (1.4) 3 3332 34344 32 3 43 44  MZ3 P MMXCXCCXCXKXKKXKX:     N 1 (1.5) NNNNNNNNNNNNNNNNN 111121 1 121 1  MZN 1  Xét MN : Xét cân bằng MN : P MXKXX CXX   kxXcxXkxXcxX    kxXcxX   N NNNNNNNN 1 1 1 1 N 1 1 N 2 2 N 2 2 N nnNnnN  MZN 1 n n MXCX  C cXKX  K kX NNNN 1 N  iNNN 1 N  iN i i (1.6) P cxkxcx  kx  cx  kx N 1 1 1 1 2 2 2 2 n n n n  MZN 1  Xét m1 : VÕ VĂN CƯỜNG Trang 5 DƯƠNG HỒN HẢO
8. Nghiên cứu khoa học GVHD : TS PHAN ĐỨC HUYNH Xét cân bằng m1 :   m1 x 1 k 1 x 1 XNN c 1 x  1 X m 1 Z 0   cX1NN kX 1 mx 1 1 cx 1  1 kx 1 1 mZ 1 (1.7) Phương trình dao động tổng quát : m2 mn ; j 2; n cX kX mx cx  kx mZ  (1.8) jN jN jj jj jj j   m2: cX 2NN kX 2 mx 2 2 cx 2  2 kx 2 2 mZ 2 (1.9)   mn: cX nNnN kX mx nnnnnn cx  kx mZ n (1.10)  Hệ phương trình dao động N-tầng và n-phần tử điều khiển dưới tác dụng của lực giĩ :    MXCCXCXKKXKXP11 12122 1 21 221     MXCXCCXCXKXKKXKXP2221 23233 21 2 32 332 MXCXCCXCXKXKKXKXP    3332 34344 32 3 43 443     MXCXCCXCXKXKKXK    XP NNNNNNNNNNNNNNN 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 NN 1 n n       MXCXNNNNN 1 C cXKX iNNNN 1 K kX iN cxkxcxkx 1 1 1 1 2 2 2 2  cxkxP nnnnN   i i c X k X m x c x  k x 0 1NN 1 1 1 1 1 1 1 c X k X m x c x  k x 0 2NN 2 2 2 2 2 2 2        cn X N kn X N m n x n c n x n k n x n 0  Hệ phương trình dao động N-tầng và n-phần tử điều khiển dưới tác dụng của lực nền (nổ , động đất) :     MXCCXCXKKXKXMZ11 12122 12122 1      MXCXCCXCXKXKKXKXMZ2221 2323321 2 3233 2 MXCXCCXCXKXKKXKXMZ     3332 3434432 3 4344 3          MXCXCCXCXKXKNNNNNNNNNNNN 1 1 1 2 1 1 1 2 1 KXKXMZNNNNN 1 1 n n        MXCXNNNNN 1 C cXKX iNNNN 1 K kX iN cxkxcxkx 11112222 cxkx nnnnN MZ 1   i i   cX1NN kX 1 mx 1 1 cx 1  1 kx 1 1 mZ 1 c X k X m x c x  k x m Z 2NN 2 2 2 2 2 2 2 2        cXnN kX nN mx nn cx nn kx nn mZ n VÕ VĂN CƯỜNG Trang 6 DƯƠNG HỒN HẢO
9. Nghiên cứu khoa học GVHD : TS PHAN ĐỨC HUYNH Phương trình dao động cĩ thể được viết lại như sau: P MX CX  KX P t (1.11) Trong đĩ:  MZ T  X X1 X 2   XN x 1 x 2    x n  (X: là vector chuyển vị)     T  X X1 X 2   XN x 1 x  2    x  n      T  X X1 X 2   XN x 1 x 2    x n  T  P(t) là vectơ lực: PPPP 1 2   N 0 0    0 M 0  1 0M 0  2 0 M  3     M N 1 M M N m 0  1 0 m  2    mn  CCC1 2 2 0 CCCC2 2 3 3  0 CCC3 3 4      CCCCNNNN 1 1  C n C C c c c c N N i1 2 n i c1 c 1 0 0 c20 c 2       c0 c n n  KKK1 2 2 0 KKKK2 2 3 3  0 KKK3 3 4       KKKK NNNN 1 1 K n K K k k k k N N i1 2 n i k1 k 1 0 0 k20 k 2       k0 k n n VÕ VĂN CƯỜNG Trang 7 DƯƠNG HỒN HẢO
10. Nghiên cứu khoa học GVHD : TS PHAN ĐỨC HUYNH II. Tính tốn dao động của nhà cao tầng chịu tác dụng động của giĩ và động đất : II.1. Phương trình dao động nhà N tầng : Giả sử cấu trúc của các tầng là giống nhau Dựa vào cơng thức (1.11) , chúng ta suy ra được phương trình dao động của nhà cao tầng (N: số tầng) : P   (2.1) MXCXKX  MZ. Trong đĩ: T  XXXX 1 2    N  (X: là vector chuyển vị)     T  XXXX 1 2    N      T  XXXX 1 2    N  T  P(t) là vectơ lực , trong đĩ : PPPP 1 2    N  M 0  1 0 M  2   M 3  MMM 0     M N 1 0  0 M N Giả sử : M1 = M2 = = Mi = M0 : khối lượng của 1 tầng M 0 1 0  0 0M  0 1  0   M   1 0 MMMM 0 0        M 0 0  1 0  0 M 0  0 1 1 0  0 1    1 M     1 0  0 1 VÕ VĂN CƯỜNG Trang 8 DƯƠNG HỒN HẢO
11. Nghiên cứu khoa học GVHD : TS PHAN ĐỨC HUYNH CCC 0  1 2 2 CCCC  2 2 3 3 0 CCCC 3 3 4 4  CCC 0      0 CCCCNNNN 1 1 0 CCNN Giả sử : C1 = C2 = = Ci = C0 : Giảm chấn của 1 tầng 2CC 0  2 1 0  0 0 CCC2  1 2 1  0 0 0 0 CCC 2 0 1 2 1 0 0 0 CC 0      0      0 CCC02 0 0 1 2 1 0 CC0 0 0 1 1 2 1 0  1 2 1  0 1 2 1 C      0 1 2 1 0 1 1 KKK 0  1 2 2 KKKK  2 2 3 3 0 KKKK KKK 3 3 4 4  0      0 KKKKNNNN 1 1 0 KKNN Giả sử : C1 = C2 = = Ci = C0 : Độ cứng của 1 tầng 2KK 0  2 1 0  0 0 KKK2  1 2 1  0 0 0 0 KKK 2 0 1 2 1 0 0 0 KK 0      0      0 KKK02 0 0 1 2 1 0 KK 0 1 1 0 0 2 1 0  1 2 1  0 1 2 1 K      0 1 2 1 0 1 1 VÕ VĂN CƯỜNG Trang 9 DƯƠNG HỒN HẢO
12. Nghiên cứu khoa học GVHD : TS PHAN ĐỨC HUYNH II.2. Đáp ứng của hệ dao động theo miền tần số dưới tác dụng của giĩ và động đất : P Từ hệ phương trình (2.1):   MXCXKX  MZ Pp t Pp p t Force excited o Đặt : P t (2.2) M Z t M MZ  Z  t Force excited 0 0 Pp p t () Force excited   0 MMXCCXKKX0 0 0 M MZ Z  t() Base excited 0 0 K 0 2 : là tần số 0 KM 0  0 0 M 0 C Với :  0 CM 2.   : là hệ số giảm sĩc (2.3) 02M  0 0 0 0 0 0 P 0 X0,st Force excited K0 MZ.  X 0 0 Base excited 0,st K 0 PX p p t () Force excited   2 0,st 0 MMXMCXMKX0 2 0  0 0  0 0 M X K Z t() Base excited 0,st 0 2 X P p t () Force excited   2 0 0,st MXCXKX 20  0  0  2 X M Z t() Base excited 0 0,st XXX  Đặt : XXX   (2.4) XXX0,st 0, st 0, st 2 P p t () Force excited   2 0 MXCXKX 20  0  0 2 M Z t() Base excited 0  0.01(rad / s );  0.01 0 0 Giả sử : P t ei t; Z t e i  t (2.5) i t i  t  2 i  t X  e X  i  e X  e  2 Pei t () Forceexcited M2 ei t 2   C  i  e i  t  2 K  e i  t 0 0 0 0 2 i t 0 Me() Baseexcited 2 i t 2 2 i t 0 Pe() Force excited M 2   C  i   K  e 0 0 0 2 i t 0 Me() Baseexcited  2 Pei t () Force excited M2 2   C  i   2 K  ei t 0 0 0 0 2 i t 0 Me() Baseexcited VÕ VĂN CƯỜNG Trang 10 DƯƠNG HỒN HẢO
13. Nghiên cứu khoa học GVHD : TS PHAN ĐỨC HUYNH 2 Chia 2 vế cho 0 , ta được : P ()Force excited 2   2 M i2 0  0 C K      P 0 0 (2.6) M i2  C K    0 0 0  0 MM  ()Base excited 2   M i2  C K  0 0  0 0 Lưu đồ giải thuật : Begin Nhập : Các ma trận MCKP,,, và ζ và ω . n n False If P 1 True for j=1:1:n for j=1:1:n Tính  j,1 theo (2.7) Tính  j,2 theo (2.8)   plot , j ,1 and plot ,  j ,2   0 0 Finish 2   (2.7)  j,1 abs inv M i 2 0  0 C K P   0 0 2    j, 2 abs inv M i 2 0  0 C K M (2.8)   0 0  Omega ratio = và phi withoutcontrol = j,1 hoặc (= j, 2 ). 0 VÕ VĂN CƯỜNG Trang 11 DƯƠNG HỒN HẢO