Khảo sát hiệu quả của damper lò xo thông qua thí nghiệm dao động tự do mô hình kết cấu thu nhỏ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thiết bị damper gắn vào kết cấu có tác dụng tăng độ cứng và độ cản cho kết cấu. Bên cạnh đó, damper còn có vai trò hấp thu và tiêu tán năng lượng do tải trọng động (chẳng hạn như gió động, động đất) giúp kết cấu giảm nhẹ ảnh hưởng do các loại tải trọng trên gây ra. Đề tài này nhằm tìm hiểu hiệu quả của giải pháp giảm chấn bằng damper, thông qua thí nghiệm dao động tự do trên mô hình kết cấu mô phỏng khung nhà 1 nhịp 3 tầng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khảo sát hiệu quả của damper lò xo thông qua thí nghiệm dao động tự do mô hình kết cấu thu nhỏ

KHẢO SÁT HIỆU QUẢ CỦA DAMPER LÒ XO THÔNG QUA THÍ NGHIỆM DAO ĐỘNG TỰ DO MÔ HÌNH KẾT CẤU THU NHỎ Trần Tuấn Nam1, Phạm Phương Nam2, Nguyễn Quang Phú2, Nguyễn Phan Nhật Trung2, Lê Liên Hưng2, Lê Quý Đoàn3 1 Khoa Xây dựng, trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH) 2 Lớp 18DXDB1, trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH) 3 Lớp 16DXDA4, trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH) TÓM TẮT Thiết bị damper gắn vào kết cấu có tác dụng tăng độ cứng và độ cản cho kết cấu. Bên cạnh đó, damper còn có vai trò hấp thu và tiêu tán năng lượng do tải trọng động (chẳng hạn như gió động, động đất) giúp kết cấu giảm nhẹ ảnh hưởng do các loại tải trọng trên gây ra. Đề tài này nhằm tìm hiểu hiệu quả của giải pháp giảm chấn bằng damper, thông qua thí nghiệm dao động tự do trên mô hình kết cấu mô phỏng khung nhà 1 nhịp 3 tầng. Các phương án khác nhau về số lượng và độ cứng damper được khảo sát. Từ kết quả thí nghiệm, hiệu quả giảm chấn của damper được chứng minh. Từ khóa: Damper, dao động tự do, độ cản, động đất, kháng chấn. 1. MỞ ĐẦU Kháng chấn là một nhiệm vụ quan trọng trong lĩnh vực thiết kế xây dựng, qua đó người thiết kế cần đưa ra giải pháp thiết kế sao cho công trình có khả năng chịu lực và phân tán năng lượng hiệu quả khi có tải trọng tác dụng vào. Trong thiết kế kháng chấn, ta không chỉ quan tâm tăng cường độ cứng (k) cho kết cấu mà còn lưu ý tăng độ cản (c) của công trình. Có nhiều phương pháp tăng độ cản, trong đó có phương pháp sử dụng damper (hay còn gọi là giảm chấn). Các thông tin cơ bản và phương pháp tính toán kết cấu sử dụng damper có thể tham khảo từ các tài liệu [1-3]. Nghiên cứu này kế thừa và triển khai tiếp kết quả của nhóm tác giả [4] giúp minh họa cơ chế làm việc của damper dựa trên cơ sở lý thuyết và kết quả đo lường từ thí nghiệm dao động tự do trên mô hình kết cấu mô phỏng khung nhà 1 nhịp 3 tầng. Damper được sử dụng trong thí nghiệm là lò xo với các độ cứng khác nhau. Bài báo giới thiệu kết quả thí nghiệm của các phương án kết cấu: không gắn damper, và gắn damper với số lượng và độ cứng khác nhau. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phương tr nh chuyển động của hệ một bậc tự do (SDOF) Trong trường hợp xảy ra động đất, nền đất bị chuyển động với gia tốc üg. Lúc này tải trọng tác dụng lên hệ kết cấu sẽ là lực quán tính phát sinh do nền đất chuyển động. Xét hệ một bậc tự do (SDOF) có khối lượng m, độ cứng k, độ cản c chịu tác dụng của gia tốc nền üg, ta có các lực tác dụng lên kết cấu sẽ bao gồm (Hình 1): Hình 1. Các lực tác dụng trên hệ một bậc tự do (SDOF) 510
Như vậy phương trình cân bằng được thiết lập như sau: fD  fS   fI (1) (1’) Phương trình chuyển động cho hệ SDOF là: (2) 2.2 Dao động tự do của hệ SDOF có cản (c > 0) Ứng xử động lực học của hệ kết cấu sẽ phụ thuộc vào các thông số m, c, k của hệ. Đối với hệ có cản (c > 0), xuất hiện thêm đại lượng ξ = c/2mω gọi là tỉ số cản. Theo các tài liệu [5-6], kết quả tính toán cho hệ SDOF có cản thu được phương trình dao động như sau: (3) trong đó, ωD gọi là tần số dao động có xét đến tính cản. D   1   2 (4) –ξωt Thành phần gây tắt dần dao động là hàm số e . Nếu hệ có độ cản lớn (thông qua việc gắn thêm –ξωt damper) thì tỉ số cản ξ sẽ tăng lên, hàm số e sẽ càng tăng độ ảnh hưởng, khiến dao động tự do nhanh chóng tắt đi. Thí nghiệm dao động tự do được thực hiện nhằm kiểm chứng cơ sở lý thuyết này. 3. THÍ NGHIỆM DAO ĐỘNG TỰ DO 3.1 Thiết kế mô hình Mô hình kết cấu được thiết kế dưới dạng khung nhà 1 nhịp 3 tầng với kích thước chiều cao tầng từ dưới lên lần lượt là 170 mm, 165 mm và 165 mm (Hình 2). Mô hình được thiết kế từ các vật liệu đơn giản, chẳng hạn như cột được làm từ thước thép dẻo có kích thước 500×26×1 mm; sàn được làm từ các tấm ván gỗ la phông; thiết bị giảm chấn (damper) được thiết kế từ lò xo kim loại. Khung 3 tầng 1 nhịp Damper lò xo mềm Damper lò xo cứng Hình 2. Quy cách mô hình thí nghiệm và các loại damper lò xo với độ cứng khác nhau 3.2 Quy trình thí nghiệm Thí nghiệm dao động tự do được thực hiện qua các phương án như sau (Hình 3): Mô h nh khung đơn (Model 0): không gắn damper. Mô hình khung giảm chấn loại 1a (Model 1a): gắn 1 damper lò xo mềm. 511
Mô hình khung giảm chấn loại 2a (Model 2a): gắn 2 damper lò xo mềm. Mô hình khung giảm chấn loại 1b (Model 1b): gắn 1 damper lò xo cứng. Mô hình khung giảm chấn loại 2b (Model 2b): gắn 2 damper lò xo cứng. Model 1 Model 1a Model 2a Model 1b Model 2b (không damper) (1 damper mềm) (2 damper mềm) (1 damper cứng) (2 damper cứng) Hình 3. Các loại mô hình thí nghiệm (không/có gắn damper lò xo) Mỗi mô hình được gán điều kiện ban đầu tương tự nhau, với vận tốc ban đầu bằng 0, chuyển vị ban đầu u0 = 10 cm, sau đó dao động tự do đến khi tắt hẳn. Vì không có thiết bị đo đạc điện tử chính xác, việc đo chuyển vị và thời gian được thực hiện thủ công bằng cách ghi lại từ video quay hình lúc thí nghiệm. 3.3 Kết quả thí nghiệm Để xác định chính xác chu kỳ dao động của mỗi loại mô hình, nhóm tác giả lần lượt xác định hiệu số thời gian giữa hai mốc biên độ đỉnh với độ chính xác đến 0,01 s, sau đó tính giá trị trung bình Ttb. Kết quả cho 5 thí nghiệm của 5 mô hình được thể hiện trong Bảng 1. Kết quả khá tin cậy, thể hiện đúng bản chất lý thuyết: mô hình khung đơn cho giá trị chu kỳ lớn nhất (0,423 s), khi gắn thêm lò xo thì độ cứng khung tăng lên, chu kỳ có xu hướng giảm xuống. Mô hình 2b gắn 2 lò xo cứng nên có chu kỳ nhỏ nhất (0,39 s). Bảng 1. Chu kỳ dao động của các loại mô hình Mô hình T1 (s) T2 (s) T3 (s) T4 (s) T5 (s) T6 (s) T7 (s) T8 (s) T9 (s) T10 (s) T11 (s) T12 (s) T13 (s) T14 (s) T15 (s) Ttb (s) Model 1 0,34 0,39 0,39 0,46 0,46 0,45 0,45 0,40 0,39 0,39 0,46 0,46 0,40 0,40 0,46 0,423 Model 1a 0,41 0,50 0,40 0,40 0,46 0,39 0,46 0,46 0,40 0,39 0,39 0,40 0,46 0,46 0,40 0,419 Model 2a 0,40 0,46 0,40 0,40 0,39 0,39 0,39 0,45 0,46 0,39 0,39 0,40 0,46 0,45 0,39 0,405 Model 1b 0,38 0,39 0,45 0,39 0,33 0,38 0,39 0,41 0,39 0,39 0,46 0,46 0,30 0,29 0,42 0,391 Model 2b 0,35 0,39 0,39 0,46 0,45 0,39 0,40 0,33 0,39 0,46 0,39 0,39 0,33 0,39 0,39 0,390 Hình 4 mô tả gần đúng tiến trình thời gian (time-history) dao động tự do của từng loại mô hình, trong đó chuyển vị đỉnh umax/min tại mỗi chu kỳ được xác định trực tiếp từ kết quả thí nghiệm. Mặt khác, để loại bỏ sai số do xác định thời gian không chính xác bằng đồng hồ thủ công, nhóm tác giả đề xuất thay thế các mốc thời điểm tương ứng với chuyển vị đỉnh umax/min bằng cách cộng các khoảng giá trị chu kỳ trung bình Ttb đã xác định trong Bảng 1. Kết quả từ Hình 4 cho thấy: – Khi gắn thêm 1 lò xo mềm (Model 1a), độ cứng không thay đổi đáng kể, chu kỳ không khác nhiều, nên biên độ dao động của khung hầu như không khác biệt nhiều so với mô hình khung đơn (Model 1). – Khi gắn thêm 2 lò xo mềm (Model 2a), độ cứng có tăng lên, chu kỳ giảm xuống còn 0,405 s, đồng thời biên độ dao động có xu hướng giảm nhẹ, thể hiện ảnh hưởng của độ cản lên kết cấu. – Khi gắn thêm lò xo cứng (Model 1b và 2b), độ cứng tăng lên đáng kể, nên chu kỳ dao động được rút ngắn gần 10%, nên kết quả dao động lệch pha và tắt dần nhanh hơn so với mô hình khung đơn (Model 1). Biên độ dao động cũng giảm đáng kể, đặc biệt khi có thêm nhiều lò xo thì độ cản (c) càng tăng lên, khiến dao động càng có xu hướng tắt dần nhanh chóng, 512
10 Model 1a Model 1 Model 2a 5 u (cm) 0 -5 -10 0 1 2 time (s) 3 4 5 10 Model 1b Model 1 Model 2b 5 u (cm) 0 -5 -10 0 1 2 time (s) 3 4 5 Hình 4. Chuyển vị theo thời gian của các loại mô hình Bảng 2. Tỉ lệ phần trăm chuyển vị đỉnh so với biên độ ban đầu u0 u (cm) 10 Model 1 Model 1a Model 2a Model 1b Model 2b 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U10 U11 U12 U13 Hình 5. So sánh chuyển vị đỉnh tại các nửa chu kỳ của các loại mô hình 3.4 So sánh và nhận xét Bảng 2 trình bày chuyển vị đỉnh (ui) đo được sau mỗi nửa chu kỳ dao động, trong đó i là thứ tự của các nửa chu kỳ dao động. Tỉ số phần trăm thể hiện trong bảng được tính bằng tỉ số ui/u0, với u0 là chuyển vị ban đầu. Các giá trị trong Bảng 2 được minh họa bằng biểu đồ trên Hình 5, trong đó các cột lần lượt thể hiện kết quả đo được của các mô hình không có damper và có damper với số lượng/độ cứng khác nhau. 513
Từ kết quả thí nghiệm ta có thể rút ra các nhận xét: – Chuyển vị đỉnh sau các chu kỳ đều có xu hướng giảm xuống, do tính chất cản của hệ. Tuy nhiên, mức độ giảm có sự khác nhau giữa các mô hình, tùy vào số lượng và độ cứng của các damper. Mô hình càng có nhiều damper thì tính chất cản càng thể hiện rõ, chẳng hạn như mô hình có gắn 2 damper cứng thì tỉ số chỉ còn 20% ở chu kỳ 13, so với kết quả 33% của mô hình không damper. – Như vậy, hiệu quả giảm chấn của damper dựa trên tính toán lý thuyết (đã trình bày ở mục 2.2, thông –ξωt qua hàm số e ) nhanh chóng gây tắt dao động đã được thí nghiệm trên kiểm chứng. Vì điều kiện thời gian hạn hẹp, nên đề tài chưa tiến hành thí nghiệm ở các thể loại damper khác để thấy rõ hơn hiệu quả này, qua đó gợi mở hướng nghiên cứu tiếp theo. – Hiệu quả này đạt được là do khi có gắn thêm damper thì công trình sẽ được tăng tỉ số cản ξ, từ đó tăng lực hãm fD cho hệ. Ngoài ra trong quá trình dao động, damper có sự biến dạng dọc trục, qua đó tiêu tán bớt năng lượng bằng ma sát nhiệt… góp phần làm giảm cơ năng của hệ, khiến mức độ dao động nhanh chóng được giảm bớt. 4. KẾT LUẬN Do nhu cầu phát triển, ngày càng có nhiều giải pháp kháng chấn cho công trình dựa trên các thành tựu khoa học kỹ thuật mới. Trong đó, damper là thiết bị giảm chấn có tiềm năng lớn trong việc thiết kế công trình chịu động đất. Bài báo đã giới thiệu kết quả thí nghiệm khảo sát hiệu quả của damper lò xo trên một mô hình kết cấu đơn giản, giúp kiểm chứng trực quan kiến thức lý thuyết về ảnh hưởng của độ cản (c) đến việc tắt dần của dao động. Thông qua đó, bài báo gợi mở được các hướng nghiên cứu tiếp theo cho sinh viên, như khảo sát các loại damper có độ cứng lớn hơn, hoặc damper có tính chất cản nhớt. Kết quả thí nghiệm tuy dừng ở mức độ tham khảo do chưa đủ điều kiện trang thiết bị đo đạc chính xác số liệu, nhưng đã thể hiện nỗ lực sáng tạo của sinh viên trong ý tưởng chế tạo mô hình, ghi chép và phân tích số liệu, từ đó giúp sinh viên thêm yêu thích kiến thức chuyên ngành và kích thích tinh thần học hỏi, nghiên cứu, tìm tòi giải quyết vấn đề. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Lê Ninh (2010) Động đất và tính toán công trình chịu động đất, NXB Khoa học kỹ thuật. [2] Bộ Xây dựng (2012) Hướng dẫn thiết kế kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép chịu động đất theo TCXDVN 9386:2012, NXB Xây dựng. [3] Nguyễn Lê Ninh (2011) Cơ sở lý thuyết tính toán công trình chịu động đất, NXB Khoa học kỹ thuật. [4] Trần Tuấn Nam, Nguyễn Văn Hùng (2017) Khảo sát hiệu quả kháng chấn của damper trong thí nghiệm dao động tự do trên mô hình kết cấu thu nhỏ. Tuyển tập báo cáo Hội thảo NCKH Sinh viên Hutech 2016-2017. [5] Anil. K.Chopra (2012) Dynamics of structures – Theory and applications to earthquake engineering. Prentice Hall. [6] Amr. S. Elnashai, Luigi Di Sarno (2008) Fundamentals of earthquake engineering, John Wiley & Son, Ltd. 514