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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 ...