ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ CAO VĂN MAI NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA GIÓ LÊN CÔNG TRÌNH GIÀN CAO TẦNG CÓ HƯ HỎNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ CAO VĂN MAI NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA GIÓ LÊN CÔNG TRÌNH GIÀN CAO TẦNG CÓ HƯ HỎNG Ngành: Cơ kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 60 52 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN VIỆT KHOA ` Hà Nội - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn tố t nghiêp: ̣ “Nghiên cứu hiệu ứng động lực học gió lên kết cấu giàn cao tầng có hư hỏng” là công trình nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư, Tiế n sỹ Nguyễn Viê ̣t Khoa Các kế t quả nêu luận văn là trung thực, không phải là chép toàn văn của bấ t kỳ tài liêu, ̣ công triǹ h nghiên cứu nào khác mà không chỉ rõ tài liêụ tham khảo Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2015 Tác giả LVTN Cao Văn Mai ii iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn chân thành đến các thầ y cô giáo trường Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣ – ĐHQGHN cũng các thầ y cô giảng viên kiêm nhiệm cán Viê ̣n Cơ ho ̣c – Viê ̣n Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam nói chung và các thầ y cô giáo khoa Cơ ho ̣c kỹ thuâ ̣t và tự đô ̣ng hóa nói riêng đã tâ ̣n tin ̀ h giảng da ̣y, truyề n đa ̣t cho em kiế n thức, kinh nghiê ̣m quý báu suố t thời gian học tập trường Đă ̣c biê ̣t, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắ c đế n thầ y giáo PGS TS Nguyễn Viê ̣t Khoa, người thầ y đã tâ ̣n tiǹ h giúp đỡ, trực tiế p chỉ bảo, hướng dẫn em suố t quá trin ̣ ̀ h nghiên cứu hoàn thành luận án tố t nghiêp Sau cùng, em xin giửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình ba ̣n bè và người thân, những người đô ̣ng viên, đóng góp ý kiế n và giúp đỡ em suố t quá trình ho ̣c tâ ̣p, nghiên cứu và hoàn thành luận án tố t nghiê ̣p Chúc thầ y cô, gia đình, ba ̣n bè ma ̣nh khỏe và thành công! Em xin chân thành cảm ơn! iv v MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆN TƯỢNG FLUTTER VÀ BUFFETING TÁC ĐỘNG LÊN KẾT CẤU CAO TẦNG CÓ HƯ HỎNG 1.1 Cơ sở lý thuyết tượng Flutter kết cấu giàn cao tầng 1.2 Cơ sở lý thuyết tượng Buffeting kết cấu giàn cao tầng 1.3 Mô vận tốc gió 14 Kết luận chương 14 Chương SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 15 2.1 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn giàn cao tầng dạng mảnh .15 2.1.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn 15 2.1.2 Thiết lập toán động lực học kết cấu giàn cao tầng dạng mảnh chịu tải trọng gió .15 2.1.3 Rời rạc hóa kết cấu thiết lập ma trận phần tử .16 2.2 Giải toán động lực học phương pháp Newmark 20 2.2.1 Giới thiệu phương pháp Newmark .20 2.2.2 Phương pháp giải toán động lực học dầm Newmark 21 Kế t luận chương 24 Chương MÔ PHỎNG SỐ VÀ KẾT QUẢ 25 3.1 So sánh phần mềm Wind Effects với phần mềm SAP2000 27 3.2 Phân tích Flutter 29 3.2.1 Phân tích chuyển động Flutter kết cấu nguyên vẹn 29 3.2.2 Phân tích chuyển động Flutter kết cấu có hư hỏng 30 3.3 Phân tích phản ứng động Buffeting 32 3.3.1 Phân tích phản ứng động Buffeting kết cấu nguyên vẹn .32 vi 3.3.2 Phân tích phản ứng động Buffeting kết cấu có hư hỏng .33 Kết luận chương 36 Chương KẾT LUẬN 38 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu A a1 , a2 , , a9 Giải thích Diện tích mặt cắt Các hệ số tích phân [b] Ma trâ ̣n liên ̣ Boolean C Ma trận cản E Modul đàn hồ i F Vector lực tổ ng thể Fe Vector lực phần tử I Moment quán tính mặt cắt ngang K Ma trận độ cứng tổng thể Ke Ma trận độ cứng phần tử L Độ dài toàn kết cấu l Độ dài phần tử M Ma trận khối lượng tổng thể Me Ma trận khối lượng phần tử N PTHH Ma trận hàm dạng Phầ n tử hữu ̣n sk Hê ̣ số thay đổ i điề u kiê ̣n biên U Chuyể n dich ̣ U Vận tốc U Gia tốc  ,  Hệ số thuật toán tích phân Newmark Góc xoay 1 ; 2 Tần số riêng thứ thứ hai  ;1 Hệ số cản modal tương ứng viii Kí hiệu ,  Giải thích Hệ số công thức cản Rayleigh t Bước thời gian tính tích phân  Khố i lươ ̣ng riêng 3-D Không gian ba chiều Fsee Lực tự kích Fb Lực Buffeting Fs Lực gió tĩnh (thành phần lực gió trung bình) CL Hệ số nâng khí động học phần tử CD Hệ số kéo khí động học phần tử CM Hệ số mô men khí động học phần f Tần số Flutter Svv Mật độ phổ lượng phổ Van der Hoven Kc Ma trận độ cứng phần từ có vết nứt R Ma trận chuyển hệ trục tọa độ Vcr Vận tốt gió tới hạn 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt KS Trần Thanh Hải “Ứng dụng thuật toán Newmark phân tích ứng xử động lực học kết cấu khung dầm” Báo cáo đề tài cấp sở năm 2006, Phòng mô tính toán kết cấu, Viện học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, 2006 Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vượng, Giáo trình: “Sức bền vật liệu” - tập 3, NXB Giáo dục 2004 Trần Ích Thịnh, Ngô Như Khoa “Phương pháp phần tử hữu hạn”, NXB Khoa học kỹ thuật,2007 Chu Quốc Thắng “Phương pháp phần tử hữu hạn”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1997 Đinh Văn Phong “Phương pháp số học”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1997 Tiếng Anh Alexander LA, Wood J (2009) A study of low-cycle fatigue failure of a galvanized steel lighting column Eng Failure Anal; 16:2153–62 Bisplinghoff, R L., Ashley, H and Halfman, R L.: Aeroelasticity, Chapter 1, Addison-Wesley Publishing Co., Cambridge, Mass., 1955 Caracoglia L, Jones NP (2006) Wind-induced failures of highway light poles during winter storms, In: Proceedings of the ASME pressure vessels and piping division conference p 23–7 Das G, Chakrabarty S, Dutta AK, Das SK, Gupta KK, Ghosh RN (2006) Failure analysis of a high mast lamp post Eng Failure Anal; 13:1153–8 10 Ferreira.A.J M (2009), MATLAB Codes for Finite Element Analysis: Solids and Structures, Springer Science & Business Media 11 Gilani A, Whittaker A (2000) Fatigue life of steel post structures J Struct Eng ASCE; 126(3):322–40 12 Gavriluta C., Spataru S., Mosincat I., Citro1 C., Candela I., Rodriguez P Complete methodology on generating realistic wind speed profiles based on 42 measurements Renewable Energy & Power Quality Journal, Vol 10, 2012, p 828-829 13 Hamilton HR, Riggs GS, Puckett JA (2000) Increasing damping in cantilevered traffic signal structures J Struct Eng ASCE; 126(4):530–7 14 Klinger C (2014) Failures of cranes due to wind induced vibrations Engineering Failure Analysis, Volume 43, August 2014, p 198–220 15 Peil U, Behrens M (2002) Fatigue of tubular steel lighting columns under wind load Wind Struct; 5:463–78 16 Pritchard BN (1984) Steel chimney oscillations: a comparative study of their reported performance versus predictions using existing design techniques Eng Struct; 6:315–23 17 Papadopoulos C.A., Dimarogonas A.D., Coupled longitudinal and bending vibrations of a rotating shaft with an open crack, Journal of Sound and Vibration 117 (1) (1987), 81-93 18 Robertson AP, Hoxey RP, Short JL, Burges LR, Smith BW, Ko RHY (2001) Wind-induced fatigue loading of tubular steel lighting columns Wind Struct; 4:163–76 19 Scanlan, R.H (1978) The action of flexible bridges under wind 2: Buffeting theory, J Sound and Vibration, 60(2), 201–211 20 Verwiebe C, Glockner A (2003) Failure of steel chimneys due to vortex excited vibrations in the second mode In: Proceedings of the XI ICWE Texas Tech University, Lubbock; 2003 21 Xu Y-L (2013), Wind effects on cable-supported bridges, John Wiley & Sons Singapore Pte Ltd 22 Chen, X., Matsumoto, M., and Kareem, A (2000) Time Domain Flutter and Buffeting Response Analysis of Bridges J Eng Mech., ASCE 126(1), 7–16 23 Howe, Roger E The Fourier transform for nilpotent locally compact groups I Pacific J Math 73 (1977), no 2, 307 327 24 Lin, Y K., and Yang, J N (1983) Multi-mode bridge response to windexcitations J Engrg Mech., ASCE, 109(2), 586–603 [...]... Thanh Hải Ứng dụng thuật toán Newmark trong phân tích ứng xử động lực học kết cấu khung dầm” Báo cáo đề tài cấp cơ sở năm 2006, Phòng mô phỏng và tính toán kết cấu, Viện cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 2006 2 Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vượng, Giáo trình: “Sức bền vật liệu” - tập 3, NXB Giáo dục 2004 3 Trần Ích Thịnh, Ngô Như Khoa “Phương pháp phần tử hữu hạn”, NXB Khoa học kỹ thuật,2007... liệu” - tập 3, NXB Giáo dục 2004 3 Trần Ích Thịnh, Ngô Như Khoa “Phương pháp phần tử hữu hạn”, NXB Khoa học kỹ thuật,2007 4 Chu Quốc Thắng “Phương pháp phần tử hữu hạn”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1997 5 Đinh Văn Phong “Phương pháp số trong cơ học , NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1997 Tiếng Anh 6 Alexander LA, Wood J (2009) A study of low-cycle fatigue failure of a galvanized steel lighting column