Đang tải... (xem toàn văn)
Tham khảo tài liệu 'CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH', kỹ thuật - công nghệ, điện- điện tử phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả
NGUYỄN TIẾN KHIÊM CƠ SƠ ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH os i| NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUOC GIA HA NO! NGUYEN TIEN KHIEM CƠ SỞ ĐÔNG LUC HOC CONG TRINH NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI HÀ NỘI, 2004 NHÀ XUẤT BẢN Đại HỌC QUỐC GIA HA NOI 16 Hàng Chuối - Hai Bà Trưng -Hà Nội Điện thoại: (04) 9715011, Fax: (04) 9714899 Email: nxb@vnu.edu.vn * * *% Chịu trách nhiệm xuất Giám đốc PHÙNG QUỐC BẢO Tổng biên tập PHẠM THÀNH HƯNG Chịu trách nhiệm nội dung Hội đồng xét duyệt giáo trình Viện Cơ học Người nhận xét - GS TS NGUYEN VAN PHO PGS TSKH DO SON Biên tập xuất bản: NGUYÊN NGỌC Chế bản: ĐÀO NHƯ MAI Trình bày bìa: ĐÀO NHƯ MAI QUYÊN CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH Mã số: 1K-01015-01204 In 200 cuốn, khổ 16 x 24 Nhà in Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Số xuất bản: 5/422/XB-QLXB, ngày 7/4/2004 Số trích ngang: 95 KH/XB In xong nộp lưu chiểu quý II năm 2004 Lời nói đầu Cuốn sách nhỏ biên soạn dựa sở giảng tác giả uê chuyên đề Động lực học công trừnh Trung tâm Hợp tác Daa tao va Boi dưỡng Cơ học thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội Trong khuôn khổ chuyên đề ngắn, phải trừùnh bày môn rộng, buộc phối suy nghĩ để lựa chọn nội dung uà cách truyền đạt cho phù hợp Có lẽ mà sách khơng thể bao quát hết uấn đề Động lực học cơng trình Trước hết, phải phân biệt Động lực học cơng trừnh uới Lý thuyết dao động nói chung uà uới Dao động kỹ thuật nói riêng Lý thuyết dao động nói chung sở lý thuyết uê q trìnhacó tính chủ hỳ, thường gặp nhiều ngành khoa học, kỹ thuật khác Vột lý, Cơ học, Chế tạo máy, Giao thông, Xây dựng nghiên cứu khái niệm uê dao động uàò phương pháp để nghiên cứu, phát trừnh dao động thực tế Dao động kỹ thuật cụ thể hoá lý thuyết dao động, nhằm cung cấp cho kỹ sự hiểu biết cần thiết để lý giải uè xử lý tượng dao động kỹ thuật Động lực học cơng trình khơng thể dừng lại đối tượng kỹ thuật nói chung, mà tập trung ịo nghiên cứu đối tượng cụ thể cơng trình hệ học đàn hồi Tuy nhiên hiểu động lực học cơng trình mơn Dao động hệ đàn hồi, uài trường hợp khó mị phân biệt rõ rùng Nếu đối tượng Lý thuyết dao động hệ đèn hồi mơ hình tốn học uật thể đàn hồi mạng tính tổng qt, Động lực học cơng trình tập trung o đối tượng thực tế mơ phịng hệ đàn hồi - cơng trình Bên cạnh đó, lý thuyết dao động hệ học, tính tổng qt, khơng cần quan tâm nhiều đến uiệc mơ hình hố hệ học, Động lực học cơng trình, phận Động lực học nói chung cần phải bắt đầu từ uiệc xây dựng mơ hình tốn học cho đổi tượng thực tế Khi mơn Động lực học cơng trình phải cung cấp cơng cụ để mơ hình hố đối tượng (cơng trình) minh Với tự uậy, giảng tơi hình thành Trong tiết trình bày cách trọn uẹn từ uiệc mơ hình hố lời giải, kết luận có ý nghĩa cụ thể Tuy nhiên mục đích để cung cấp cho học uiên ý tưởng để tự mùừnh giải tốn có thé gdp thực tế Nội dung mị tơi muốn trun đạt khái niệm bản; phương pháp cần thiết uà số ứng dụng có tính hoa Những tính tốn phúc tạp khơng trình bày tiết boi vi 11 muốn dành số công uiệc cho người đọc tham gia 0ịo q trình tư tự bơi dưỡng thêm kiến thúc Có thể nói, đặc điểm riêng để phân biệt sách uới tài liệu cơng bố tính đọng uè cách tiếp cận đặc trưng phổ đổi uới bùi toán quen thuộc Rất nhiều uấn đê ẩn sơu tính tốn, bình luận mỏ khơng thịnh dé mục riêng biệt Người đọc không tim thấy uiệc tích phân phương trình chuyển động miễn thời gian Vì lễ chúng tơi gọi sách Cơ sở động lực học cơng trình Xin cảm on Trung tâm Hợp tác Dao tao va Bồi dưỡng Cơ học; Chương trình nghiên cứu Nhà nước uễ khoa học tự nhiên tạo điêu biện uà ủng hộ uễ tài lận tỉnh thần uiệc hồn thành sách nhỏ Đặc biệt xin cảm ơn GS TSKH Đào Huy Bích (Chủ tịch Hội đồng đào tạo Trung tậm Hop tac Dado tao va Bồi dưỡng Cơ học), GS TSKH Nguyễn Cao Mệnh (Chủ tịch Hội đồng xét duyệt cho xuất giáo trình này), GS TS Nguyễn Văn Phó uà PGS.TSKH Đỗ Sơn (những phản biện) đọc kỹ uà cho nhiều ý biến xác đáng nội dụng cách trình bày mị tác gia cố gắng sửa lại theo ý kiến họ Tôi xin cảm ơn đồng nghiệp 0à học trị Phịng Chẩn đốn kỹ thuật cơng trình, Viện Cơ học hỗ trợ uiệc tính tốn học số, uẽ hình ` Cuốn sách khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý đồng nghiệp Mọi ý kiến góp ý ln đón nhộn cách trọng 0à xin gửi uê: Viện Cơ học, 264 Đội Cấn, Hà Nội Tóc giả il MUC LUC Trang Lời nói đầu «SH TA 1010110111 rry i Nhập môn Động lực học cơng trình -ceeceesseeesssrrrreersersrse Chương Những khái niệm Động lực học Cơng tTÌNHH ‹ c9 90 1n n6 00681 168466116046808441e6 1.1 Hệ bậc tự ỞO0 1.2 Hệ nhiều bậc tự dO HH HH HH HH HH 2v ng dàn rời 22 1.3 Truyền sóng đàn hồi c.c ctneierreere 32 1.4 Dao động uốn đầm đàn hồi neo Chương 39 Những phương pháp tính tốn Động lực học cơng trình c-ceeeseekesssseeesereeessrrae 49 2.1 Phương pháp ma trận hệ số ảnh hưởng 2.2 Phương pháp ma trận truyển 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn .Q 2.4 Phương pháp ma trận độ cứng động 2S c2 sye 2.5 Cơng cụ máy tính động lực học cơng trình Chương Một số tốn thực tế Động lực học cơng trình 3.1 Dao động đầm cầu tác dụng tải trọng động 101 3.2 Phan ứng cơng trình động đất ccccecccce 107 3.3 Động lực học cơng trình biển 0S 2t net 118 3.4 Bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình -ccccccccccccee 122 Một số đề kiểm tra Tài liệu tham khảo NHẬP MƠN ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH 0.1 Khái niệm động lực học cơng trình a Khái niệm uề động lực học Cơ học nói chung khoa học chuyển động cân tác dụng lực khác Nếu xét trạng thái cân vật thể đưới tác dụng lực ngồi ta có tốn tĩnh học Trạng thái cân hiểu khơng có chuyển động, tức vật thể có gia tốc vận tốc không Suy luận thông thường dẫn đến quan niệm cho tĩnh học bỏ qua yếu tố thời gian nghiên cứu trạng thái cân vật thể Và tốn có tính đến yếu tố thời gian coi động lực học Thực chất, quan điểm chưa đầy đủ Yếu tố thời gian điểu kiện cần chưa đủ động lực học Động lực học phận học nghiên cứu chuyển động uật thể có ké đến quán tính chúng Quán tính thuộc tính vật chất, có xu hướng bảo tồn trạng thái tổn tại, chống lại tác động bên ngồi nhằm thay đổi trạng thái sẵn có chúng Quán tính đặc trưng khối lượng lực quán tính tính khối lượng nhân với gia tốc vật thể chuyển động Như vậy, quán tính dấu hiệu cốt lõi động lực học Nếu bỗ qua quán tính, tức cho gia tốc khơng, tốn khơng cịn động lực học chứa yếu tố thời gian Nếu tĩnh học có lịch sử lâu đài với Cơ học, động lực học thực trở thành phận Cơ học nhờ phát minh Newton Ba định luật Newton trở thành viên gạch xây nên môn động lực học cổ điển Trong định luật này, quan trọng Động lực học định luật thứ hai “Tổng hợp tất lực ngồi tác dụng lên uột có khối lượng m uà gia tốc a ma (khối lượng nhân uới gia tốc)” Tư tưởng động lực học ý nghĩa ngày hôm Cơ hoc 2_ Nguyễn Tiến Khiêm Động lực học cơng trình b Khái niệm uề cơng trình Trong Cơ học cổ điển Newton, người ta xét đến chất điểm Sau có nghiên cứu đến vật rắn tuyệt đối Đây đối tượng học lý thuyết mà có thời trở thành môn học sinh viên ngành khoa học tự nhiên kỹ thuật Trong phát triển học sau người ta mở rộng đối tượng sang vật thể biến dạng Các vật thể thường xác định hàm số phụ thuộc không vào thời gian mà phụ thuộc vào toạ độ khơng gian chứa vật thể Vì vật thể biến đạng tạo thành hệ học với tham gọi hệ liên tục hay hệ số phần bố liên tục thường \vô số bậc tự đo Cơng trình hệ ‘hoc gồm nhiều vat thể biến dạng liên kết với tạo thành một-chỉnh thể thực số chức định sẵn Vì hệ học phức tạp gồm nhiều thành phần khác liên kết lại thành đối tượng có hình dáng kích thước, nên cơng trình thực chất hệ vô số bậc tự Sơ dé cấu trúc cơng trình gọi kết cấu cơng trình Các tham số để mơ tả kết cấu cơng trình bao gồm tham số hình học, vật liệu, liên kết phần tử với môi trường Như hệ học, kết cấu cơng trình có đặc trưng động lực học tần số, dạng dao động riêng, tham số trạng thái làm việc chuyển vị, vận tốc, gia tốc, ứng suất, biến đạng, Như động lực học cơng trình khoa học nghiên cứu đặc trưng động lực học trạng thái ứng suất, biến dạng cơng trình tác dụng tải trọng ngồi có kể đến qn tính chúng Những khái niệm động lực học cơng trình trình bày chương 0.2 Mơ hình hóa cơng trình Việc tính tốn động lực học cơng trình trở nên phức tạp có mặt lực quán tính mà lực quán tính lại phụ thuộc vào khối lượng chuyển động cơng trình Các cơng trình hệ học có khối lượng phân bố liên tục không gian nên lực quán tính trường véc tơ phân bố khơng gian, ngun tắc, tốn động lực học cơng trình thường mơ tả Nhập môn động lực học công trùnh phương trình vi phân đạo hàm riêng phức tạp Nói chung, để giải tốn động lực học cơng trình, người ta cần phải tìm cách mơ tả cơng trình cách đơn giản sát với thực tế Dưới trình bày sơ lược số mơ hình thơng dụng cơng trình a Mơ hình tập trung bhối lượng Đây mơ hình hố, giả thiết cách gần phân bế khối lượng liên tục khơng gian cơng trình quy tập trung số điểm Khi cơng trình thực chất thay hệ hữu hạn chất điểm toán động lực học cơng trình trở nên đơn giản lực quán tính xác định điểm khối lượng tập trung Lúc này, toán động lực học cơng trình mơ tả hệ phương trình vị phân thường Tuy nhiên, việc tập trung khối lượng, việc quy đổi khối lượng điểm liên hệ chất điểm để đảm bảo độ xác kết phân tích động lực học vấn để phụ thuộc vào kinh nghiệm hiểu biết chuyên gia loại cơng trình cụ thể Hình 1.1.1 Dầm đơn giản mơ hình khối lượng tập trung thay b Mơ hình tọa độ suy rộng Mơ hình xây dựng dựa tập vô hạn đếm tham số phụ thuộc thời gian Cơ sở tốn học việc mơ hình hóa tổn khai triển trường chuyển vị hệ dạng tổng chuỗi vô hạn hàm trực giao #/(x,y,z) biết thỏa mãn điều kiện biên hình học u(x, y,2,1) = ` b, (ĐỀ, (x, y,2) nel = S5, cos(œ,„ + œ„)1, (x,y,2) n=l = Šứn; cos(w,t)+ B* sin(, 9M, (x,y,z) nel (0.1) ... cứng động 2S c2 sye 2.5 Cơng cụ máy tính động lực học cơng trình Chương Một số tốn thực tế Động lực học cơng trình 3.1 Dao động đầm cầu tác dụng tải trọng động 101 3.2 Phan ứng cơng trình động. .. hố hệ học, Động lực học cơng trình, phận Động lực học nói chung cần phải bắt đầu từ uiệc xây dựng mơ hình tốn học cho đổi tượng thực tế Khi mơn Động lực học cơng trình phải cung cấp cơng cụ để... Khái niệm động lực học cơng trình a Khái niệm uề động lực học Cơ học nói chung khoa học chuyển động cân tác dụng lực khác Nếu xét trạng thái cân vật thể đưới tác dụng lực ta có tốn tĩnh học Trạng