» Luận Văn - Báo Cáo

» Báo cáo khoa học

NGHIÊN CỨU GIẢM DAO ĐỘNG CHO NHÀ NHIỀU TẦNG BẰNG HỆ CẢN CON LẮC

Chia sẻ: Phạm Đức Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

0

Báo xấu

172
lượt xem 41
download

NGHIÊN CỨU GIẢM DAO ĐỘNG CHO NHÀ NHIỀU TẦNG BẰNG HỆ CẢN CON LẮC

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài này nghiên cứu phương pháp giảm dao động cho nhà nhiều tầng bằng hệ cản dạng con lắc đặt ở đỉnh nhà. Giải bài toán cơ sở nhà một tầng, một nhịp và tổng quát hóa cho bài toán nhà n tầng. Từ đó tác giả áp dụng cho nhà 5 tầng cụ thể.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: NGHIÊN CỨU GIẢM DAO ĐỘNG CHO NHÀ NHIỀU TẦNG BẰNG HỆ CẢN CON LẮC

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 NGHIÊN CỨU GIẢM DAO ĐỘNG CHO NHÀ NHIỀU TẦNG BẰNG HỆ CẢN CON LẮC STUDYING FOR REDUCING VIBRATIONS OF MULTIPLE-STORY BUILDINGS WITH PENDULUM BLOCK SYSTEM SVTH: Trần Thị Xuân Thanh Lớp 05X1D, Khoa Xây Dựng DD & CN, Trường Đại học Bách khoa GVHD: ThS. Đỗ Minh Đức Khoa Xây Dựng DD & CN, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Đề tài này nghiên cứu phương pháp giảm dao động cho nhà nhiều tầng bằng hệ cản dạng con lắc đặt ở đỉnh nhà. Giải bài toán cơ sở nhà một tầng, một nhịp và tổng quát hóa cho bài toán nhà n tầng. Từ đó tác giả áp dụng cho nhà 5 tầng cụ thể. ABSTRACT Research method for reducing vibrations in multiple-story buildings located at the top of the building in pendulum block system. Solving the the single-story, single-span basis problem and generalizing for n-story problem. Since then the author applies the five-story building. 1. Mở đầu Cuối thế kỷ 18, những ngôi nhà chọc trời đầu tiên đã không bị phá hủy theo quan điểm do dao động gây ra. Chính trọng lượng khá lớn của các tường chịu lực bằng các khối xây mà lực gió không thể thắng nổi. Ngày nay, những ngôi nhà chọc trời sử dụng vật liệu nhẹ, không gian mở tối ưu làm giảm thực sự độ cứng của ngôi nhà. Dao động của nhà với biên độ lớn dưới tác dụng của gió, động đất trở thành vấn đề phức tạp gây phá hủy kết cấu. Do vậy, nghiên cứu giảm dao động cho nhà nhiều tầng là cần thiết. 2. Tổng quan Hiện nay đã có nhiều phương pháp làm giảm dao động cho nhà nhiều tầng như: - Phương pháp dùng hệ quả cầu - lò xo đặt theo phương ngang được mô hình như hình 1a, con lắc đặt theo phương đứng (TMD) như hình 1b. - Phương pháp nhờ dao động trễ pha của nước trong bể, bể được đặt ở đỉnh công trình (TLD) như hình 1c. - Phương pháp nhờ chuyển động trượt tương đối của công trình và móng như hình 1d (LRB). a.Mô hình hệ dao động b. Công trình Taipei 101 c. Công trình One Rincon Hill d. Công trình Parliament Hình 1. Một số cách bố trí hệ giảm dao động trên công trình. 324
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 Qua tìm hiểu, ta nhận thấy đã có nhiều mô hình giảm dao động cho nhà được ứng dụng vào thực tế nhưng chưa thấy những nghiên cứu lí thuyết và ứng dụng tính toán vào các phần mềm chuyên dụng hiện nay. Bài báo này đưa ra hướng tiếp cận mới cho bài toán dao động bằng phần mềm Matlab. 3. Nghiên cứu lí thuyết 3.1. Các giả thiết cho nhà chịu cắt Tổng khối lượng các kết cấu tập trung ở các mức sàn. - Các dầm trên sàn tuyệt đối cứng so với cột. - Biến dạng của kết cấu không phụ thuộc vào lực dọc trong các cột. - Bỏ qua ảnh hưởng lực cản môi trường. - Với giả thiết trên, kết cấu có n khối lượng tập trung ở các mức sàn thì có n bậc tự do trong bài toán động lực học. 3.2. Bài toán nhà một tầng 3.2.1. Mô hình Mô hình nhà một tầng và mô hình tương đương thể hiện như hình 2, hình 3. x1 m1 m1 x1 c1 c1 m1 mm m c1 m Hình 2. Mô hình nhà một tầng. Hình 3. Hai mô hình tương đương. 3.2.2. Hệ phương trình Lagrăng II cho nhà 1 tầng Cơ hệ có 2 bậc tự do. Gọi: x1 là dịch chuyển ngang của khối lượng m1, φ là góc quay. c1 là độ cứng khung nhà (lò xo), l là chiều dài con lắc. Chọn hệ tọa độ đủ độc lập tuyến tính q1 = x1, q2 = φ Động năng của cơ hệ Cơ hệ gồm: Vật m1 chuyển động tịnh tiến, vật m chuyển động hợp (tịnh tiến và quay). 1 1 Động năng: T = T1 + T2 = m1v12 + mv2 2 ,với v1 x12 l 2 2 x1 , v2 2 x1l cos 2 2 1 12 T = (m1 m) x12 2 ml mlx1 cos (1) 2 2 1 Thế năng (lấy gốc thế năng tại vật m1): c1 x12 mglcos 2 325
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 Lực suy rộng của các lực thế: Qx1 = c1 x1 , Q = (2) mgl sin x1 dT T Phương trình Lagrăng II: (3) Qi dt qi qi Thay (1), (2) vào (3) với giả thiết φ bé, cos φ ≈ 1, bỏ qua vô cùng bé bậc cao, (m1 m) x1 ml c1 x1 0 ta có được hệ phương trình (4) x1 l g 0 Hệ phương trình (4) có thể viết dưới dạng ma trận: M (5) x Kx 0 Hệ phương trình (5) có dạng hệ phương trình dao động tự do, với: [M] có dạng ma trận khối lượng, [K] là ma trận độ cứng, {x}là vec tơ chuyển vị. m1 m ml c1 0 x1 [M] = , [K] = , {x} = 1 l 0 g 3.2.3. Giải bài toán nhà 1 tầng Ứng dụng phần mềm Matlab giải hệ phương trình (5) tìm tần số góc (6) và vẽ đồ thị biểu diễn dao động tắt dần theo thời gian t của biên độ dao động x1 như hình 4. 1/2 21 2 2 22 (6) (10m1 10m c1l 100m 200m1m 20lm1c1 100m 20mcl c l 1 1 1 2 lm1 Hình 4. Đồ thị dao động tắt dần theo thời gian t của biên độ x . Từ hình 4 ta nhận thấy dao động tắt dần nhanh. Điều này hứa hẹn đây là một phương pháp giảm dao động hiệu quả cho nhà cao tầng. 3.2.4. Tối ưu bài toán Khối lượng (m) và chiều dài con lắc (l) là yếu tố quyết định cho mục đích giảm dao động. Do vậy, việc tối ưu m, l là cần thiết. Từ công thức (6) ta vẽ được đồ thị 3D thể hiện mối liên hệ giữa l, m, ω như hình 5, 6 với góc nhìn 450 và 900. Từ hình 5, 6 ta nhận thấy m tăng, l giảm thì tần số góc ω tăng. Mặt khác tần số dao động càng lớn thì công trình càng ít nguy hiểm [4]. Nếu f là tần số giới hạn của nhà thì : 326
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 4 f 4lm1 20 2 f 2 m1 2 2 f 2c1l 5c1 18 Từ (6) ta có: m >0 (7) 22 20 f 4 f 4lm1 20 2 f 2 m1 2 2 f 2c1l 5c1 18 5 Vậy chọn m = mmin = , với l > (8) 22 2 f2 20 f 2 Hình 5. Đồ thị thể hiện quan hệ l, m , ω Hình 6. Đồ thị thể hiện quan hệ l, m , ω 0 góc nhìn 900 góc nhìn 45 Việc chọn m = mmin vừa làm giảm khối lượng nhà vừa giảm giá thành xây dựng các thiết bị treo buộc con lắc nên kinh tế hơn.Tùy vào từng trường hợp cụ thể, ta có thể chọn m > mmin để dao động tắt dần nhanh hơn. 3.3. Bài toán nhà n tầng 3.3.1. Mô hình xn xn mn mn mn m m m cn cn x2 x2 x1 x2 xn m2 m2 m2 ..... ..... m1 m2 mn c2 c1 ci c2 x1 x1 m c2 m1 m1 c1 c1 Hình 7. Mô hình khung nhà n tầng Hình 8. Hai mô hình tương đương 3.3.2. Hệ phương trình vi phân cho nhà n tầng Nhà n tầng có con lắc trên đỉnh sẽ có (n + 1) bậc tự do. 327
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 Tương tự mục 3.2.2 lập phương trình Lagrăng II cho nhà n tầng. Hệ phương trình vi phân được viết dưới dạng ma trận: M x Kx 0 m1 0 0 ... 0 0 0 c1 c2 c2 0 ... 0 0 00 x1 0 m2 0 ... 0 0 0 c2 c2 c3 c3 ... 0 0 00 x2 0 0 m3 ... 0 0 0 0 c3 c3 c4 ... 0 0 00 x3 [M] = ... ... ... ... ... ... , [K] = ... ... ... , {x}= ... ... ... ... ... ... ... 0 0 0 ... mi 0 0 0 0 0 ... cn 1 cn 1 cn cn 0 xn 1 0 0 0 ... 0 mn m ml 0 0 0 ... 0 cn cn 0 xn 0 0 0 ... 0 1 l 0 0 0 ... 0 0 0g 3.4. Áp dụng bài toán cụ thể Xét một khung nhà chịu cắt 5 tầng có 1 con lắc trên đỉnh nhà. m5 EI EI Mô đun đàn hồi E = 2.7×107 kN/m2, khối lượng tầng m1 = m2 = m3 = m4 = m4 = m5 = 5000 kNs2/m. Momen quán tính cột I = 33×10-6 m4, chiều cao tầng EI EI h = 4.5 m, tần số giới hạn [4] f = 1.1 m3 EI EI 12(2 EI ) Hệ số độ cứng cho mỗi tầng tính theo công thức: ci = m2 l3 EI EI 12 2 2.7 107 33 10 6 m1 c1 = c2 = c3 = c4 = c5 = = 234.7 (kN/m) EI EI 4.53 5 Hình 9. Mô hình nhà 5 tầng Theo (7), (8) có được l > = 0.207 (m), 2 f2 2 4 f 4lm1 20 2 f 2 m1 2 2 f 2c1l 5c1 18 = 15.72 (kNs2/m) m 22 20 f Xét các trường hợp m = 100 kNs2/m, m = 70 kNs2/m, m = 40 kNs2/m, m = 16 kNs2/m với l = 0.21 m. Lập trình bằng Matlab cho kết quả tần số ứng với dạng dao động riêng đầu tiên thể hiện ở bảng 1. Bảng 1. Tần số dao động ứng với các trường hợp m Khối lượng con lắc (kNs2/m) Tần số m = 100 m = 70 m = 40 m = 16 f1(1/s) 1.10921 1.10594 1.10266 1.10003 Nhận xét: Khối lượng con lắc càng lớn thì tần số dao động càng lớn, công trình càng ít nguy hiểm. Với m chọn thỏa mãn (7) tương ứng với tần số giới hạn f = 1.1 thì kết quả xét với dạng dao động đầu tiên có f > 1.1. Điều này đơn giản trong tính toán khi xét đến thành phần động của tải trọng gió. 328
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 4. Kết luận và kiến nghị 4.1. Kết luận Phương pháp giảm dao động bằng hệ cản dạng con lắc đem lại hiệu quả cho nhà nhiều tầng. So với trường hợp không áp dụng biện pháp giảm dao động, biện pháp này thể hiện rõ ưu điểm là tần số dao động lớn ít gây nguy hiểm cho công trình trong vùng gió và động đất mạnh. Ứng dụng phần mềm Matlab, việc tìm tần số góc, chuyển vị mỗi tầng một cách nhanh chóng mà các phần mềm chuyên dụng như Etabs, Sap2000 chưa giải quyết được. 4.2. Kiến nghị Tiếp tục nghiên cứu giảm dao động cho các trường hợp đặt nhiều con lắc trên một tầng hay đặt ở nhiều tầng khác nhau. Nghiên cứu kết cấu nhà bằng mô hình khung không gian với độ cứng sàn tầng là hữu hạn, thay độ cứng tương đương của mỗi tầng bằng ma trận độ cứng với quan niệm hệ kết cấu gồm nhiều phần tử như phương pháp phần tử hữu hạn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TSKH Nguyễn Văn khang, TS Thái Mạnh Cầu, PGS.TS Vũ Văn Khiêm, PGS.TS Nguyễn Phong Điền, PGS.TS Nguyễn Nhật Lệ (2009), Bài tập dao động kĩ thuật, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật, Hà Nội. [2] GS.TSKH Võ Như Cầu (2006), Tính kết cấu theo phương pháp động lực học, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội. [3] Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab/Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật, Hà Nội. [4] TCVN 2737 : 1995, Tải trọng tác động –Tiêu chuẩn thiết kế. [5] Nguyễn Trọng, Lê Thị Hoàng Yến, Tống Danh Đạo (2006), Cơ học lí thuyết- Tập 1, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật, Hà Nội. [6] Nguyễn Trọng, Lê Thị Hoàng Yến, Tống Danh Đạo (2006), Cơ học lí thuyết- Tập 2, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật, Hà Nội. 329

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.11: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Tài Chính Ngân Hàng

172 tài liệu

708 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline:0933030098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2009-2019 TaiLieu.VN. All rights reserved.