Đề tài Tìm đáp ứng của nhà cao tầng do tải trọng môi trường (gió, động đất, nổ) (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Tìm đáp ứng của nhà cao tầng do tải trọng môi trường (gió, động đất, nổ) (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN TÌM ĐÁP ỨNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DO TẢI TRỌNG MÔI TRƯỜNG ( GiÓ, ĐỘNG ĐẤT, NỔ) S K C 0 0 0 2 8 1 MÃ SỐ: SV 2010 - 56 S K C 0 0 2 8 2 2 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2010
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN TÌM ĐÁP ỨNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DO TẢI TRỌNG MÔI TRƯỜNG ( GIÓ, ĐỘNG ĐẤT, NỔ) MÃ SỐ: SV2010-56 NGƯỜI THỰC HIỆN: LÀNH VĂN THỦY HUỲNH KIM MẠNH ĐƠN VỊ: KHOA XD&CHƯD TP. HỒ CHÍ MINH – 2010
3. MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỀ TÀI 4 1. Số liệu ban đầu: 4 2. Nội dung các phần học lý thuyết và tính toán: 4 Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 5 I. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 5 II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 5 Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 6 I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 6 II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6 III. NỘI DUNG 6 CHƢƠNG 1 6 TÌM ĐÁP ỨNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DO TẢI TRỌNG MÔI TRƢỜNG (GIÓ, ĐỘNG ĐẤT, NỔ). 6 1.1.MÔ HÌNH HÓA NHÀ CAO TẦNG 6 1.1.1 Nhà 1 tầng 6 1.1.2. Nhà 2 tầng 7 1.1.3. Nhà n tầng 7 1.2. PHƢƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG. 7 1.2.1.Phƣơng trình dao động nhà 1 tầng. 7 1.2.2.Phƣơng trình dao động của nhà 2 tầng. 8 1.2.3.Phƣơng trình dao động của nhà 3 tầng. 8 1.2.4.Phƣơng trình dao động của nhà 4 tầng. 8 1.2.5. Phƣơng trình dao động của nhà n tầng. 9 1.3.TÌM TẦN SỐ RIÊNG VÀ MODE DAO ĐỘNG . 10 1.3.1.Phƣơng trình dao động nhà 1 tầng: 10 1.3.2.Phƣơng trình dao động điều hòa nhà 2 tầng 10 1
4. 1.4.1.Phƣơng trình dao động của hệ khi chỉ chịu tác dụng của gió (lực phƣơng ngang Pi(t) ). 14 1.4.2.Phƣơng trình dao động của hệ khi chỉ chịu tác dụng của động đất, nổ z(t) 17 1.4.3.Phƣơng trình dao động của hệ khi chịu tác dụng của động đất, nổ z(t) và gió Pi(t). 20 1.4.4.Đáp ứng của hệ dƣới tác dụng của lực điều hòa (khi N=1) 22 1.4.4.1. Hệ khi chịu tác dụng của gió Pi(t) 22 1.4.4.2. Hệ khi chịu tác dụng của động đất, nổ z(t) 25 1.4.4.3.Đáp ứng theo miền thời gian 27 1.4.5.Đáp ứng của hệ dƣới tác dụng của lực điều hòa (khi N=5) 27 1.4.5.1. Hệ khi chịu tác dụng của gió Pi(t) 27 1.4.5.2. Hệ khi chịu tác dụng của động đất, nổ. 31 1.4.5.3.Đáp ứng theo miền thời gian 36 CHƢƠNG 2 37 ĐIỀU KHIỂN NHÀ CAO TẦNG SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP BỊ ĐỘNG 37 2.1. Giới thiệu. 37 2.2. Một số giải pháp chống dao động 37 2.3. Điều khiển nhà cao tầng sử dụng phƣơng pháp bị động 39 2.4. Phƣơng trình dao động của hệ khi điều khiển bằng phƣơng pháp bị động khối lƣợng phụ) chỉ chịu tác dụng của gió. 40 2.5. Hệ khi điều khiển bằng phƣơng pháp bị động (dùng khối lƣợng phụ) chỉ chịu tác dụng của gió. 43 2.6. Hệ khi điều khiển bằng phƣơng pháp bị động (dùng khối lƣợng phụ) chỉ chịu tác dụng của động đất, nổ . 51 Phần 3: KẾT LUẬN, ĐỀ NGHỊ 59 I. KẾT LUẬN 59 II. ĐỀ NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 2
5. PHỤ LỤC 1 61 Nhà 1 tầng không điều khiển dƣới tác dụng của tải trọng gió 61 PHỤ LỤC 2 64 Nhà 1 tầng không điều khiển dƣới tác dụng của tải trọng động đất, nổ. 64 PHỤ LỤC 3 66 Nhà 5 tầng không điều khiển dƣới tác dụng của tải trọng gió. 66 PHỤ LỤC 4 67 Nhà 5 tầng không điều khiển dƣới tác dụng của tải trọng động đất, nổ. 67 PHỤ LỤC 5 68 Nhà 1 tầng điều khiển bằng phƣơng pháp bị động dƣới tác dụng của tải trọng gió. 68 PHỤ LỤC 6 73 Nhà 1 tầng điều khiển bằng phƣơng pháp bị động dƣới tác dụng của tải trọng động đất, nổ. 73 PHỤ LỤC 7 74 Nhà 5 tầng điều khiển bằng phƣơng pháp bị động dƣới tác dụng của tải trọng gió. 74 PHỤ LỤC 8 75 Nhà 5 tầng điều khiển bằng phƣơng pháp bị động dƣới tác dụng của tải trọng động đất, nổ. 75 3
6. TÓM TẮT ĐỀ TÀI 1. Số liệu ban đầu: - Khối lƣợng, độ cứng, giảm chấn của các tầng. - Khối lƣợng, độ cứng, giảm chấn của phƣơng pháp điều khiển bị động. - Ngoại lực gió, động đất, nổ. 2. Nội dung các phần học lý thuyết và tính toán: - Mô hình hóa nhà cao tầng. - Phƣơng trình dao động. - Tần số riêng, mode dao động. - Đáp ứng của nhà 1 tầng tác dụng của tải trọng môi trƣờng (gió, động đất, nổ). - Đáp ứng của nhà 5 tầng tác dụng của tải trọng môi trƣờng (gió, động đất, nổ). - Điều khiển nhà 1 tầng do tải trọng môi trƣờng (gió, động đất, nổ) bằng phƣơng pháp bị động. - Điều khiển nhà 5 tầng do tải trọng môi trƣờng (gió, động đất, nổ) bằng phƣơng pháp bị động. 4
7. Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ Bên cạnh sự phát triển của nền kinh tế thì nhu cầu nhà ở ngày càng tăng lên.Tuy nhiên, diện tích đất xây dựng thì lại có hạn cho nên nhu cầu xây chung cƣ, nhàcao tầng để đáp ứng nhu cầu ăn ở của nhân dân ngày càng tăng. Nhƣng khi xây dựngnhà cao tầng thì công trình đối mặt với rất nhiều vấn đề, trong đó ảnh hƣởng của môi trƣờng đến công trình hết sức là quan trọng. Đối với những công trình thấp thì ngoại lực (gió, động đất, nổ) tác dụng lên công trình là không đáng kể. Tục ngữ có câu:“Cây to gọi gió”. Công trình cao tầng giống nhƣ một cái cây vô cùng cao lớn, ảnh hƣởng của áp lực gió với nó rất lớn, đối với những công trình cao 50 tầng trở lên, khả năng chống gió của nó trở thành một trong những vấn đề nan giải chủ yếu trong quá trình thiết kế. Khi gió thổi mạnh vào ngôi nhà nó có thể làm cho nhà bị dao động với biên độ lớn dẫn đến đổ vỡ tòa nhà. Đặc biệt đối với những ngôi nhà chọc trời thì điều này càng nghiêm trọng. Hay là khi động đất, nổ thì dƣ chấn của nó làm cho tòa nhà bị rung lắc làm khi hỏng kết cấu tòa nhà, có thể dẫn đến sập cả tòa nhà. Động đất gây 1 tác hại rất lớn đối với mọi công trình, mỗi lần có động đất thì các công trình bị hƣ hỏng, đổ sập thiệt hại rất lớn về kinh tế thậm chí cả nhân mạng. Năm 1971 động đất ở San Francisco, California, năm 1944 động đất ở Northridge,California, năm 1995 động đất ở Kobe, năm 2001 động đất ở Bhuj Những ảnh hƣởng của gió, động đất, nổ đến nhà cao tầng là không thể tránh khỏi. Tuy nhiên, để giảm thiệt hại thì ngƣời ta đã sử dụng các thiết bị, phƣơng pháp để làm giảm dao động của nhà cao tầng khi chịu tác dụng của gió, động đất, nổ. Trong đó có phƣơng pháp điều khiển bị động bằng khối lƣợng phụ, phƣơng pháp này do Frahm đƣa ra lần đầu tiên vào năm 1909. Nó là phƣơng pháp hấp thụ năng lƣợng bằng cách sử dụng thêm 1 khối lƣợng phụ, 1 lò xo, 1 giảm chấn gắn lên trên tầng trên cùng của công trình. Đây cũng là phƣơng pháp mà nhóm nghiên cứu nghiên cứu trong đề tài này để làm rõ cách nó làm việc. I. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Đáp ứng của nhà cao tầng do tải trọng môi trƣờng (gió, động đất, nổ). II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 5
8. Ngoài nƣớc vấn đề này đƣợc nghiên cứu rất nhiều và đã áp dụng vào thực tế khá hiệu quả, nhƣ năm 1971 động đất ở San Francisco, California, năm 1944 động đất ở Northridge,California, năm 1995 động đất ở Kobe, năm 2001 động đất ở Bhuj họ đã áp dụng phƣơng pháp điều khiển để làm giảm thiệt hại cho công trình. Trong nƣớc gần đây cũng mới nghiên cứu ảnh hƣởng của gió tới nhà cao tầng. III. NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI Tác động của động đất, nổ đến nhà cao tầng. Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Nghiên cứu ảnh hƣởng của động đất, gió, nổ đến việc thiết kế, lựa chọn kích thƣớc kết cấu, thiết lập các hệ điều khiển để làm tăng khả năng chịu lực của hệ. II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tham khảo tài liệu, phân tích và tính toán III. NỘI DUNG CHƢƠNG 1 TÌM ĐÁP ỨNG CỦA NHÀ CAO TẦNG DO TẢI TRỌNG MÔI TRƢỜNG (GIÓ, ĐỘNG ĐẤT, NỔ). 1.1.MÔ HÌNH HÓA NHÀ CAO TẦNG 1.1.1 Nhà 1 tầng Hình 1: Mô hình hóa nhà 1 tầng 6
9. 1.1.2. Nhà 2 tầng Hình 2: Mô hình hóa nhà 2 tầng 1.1.3. Nhà n tầng Hình 3: Mô hình hóa nhà n tầng 1.2. PHƯƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG. 1.2.1.Phƣơng trình dao động nhà 1 tầng. mx cx kx F() t (1.2.1) 7