62
This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA
Overview
Download & View 62 as PDF for free.
More details
- Words: 2,300
- Pages: 6
N©ng cao chÊt lîng vµ tuæi thä c«ng tr×nh b»ng c¸c bé hÊp thô dao ®éng IMPROVING QUALITY AND LIFE OF STRUCTURES BY VIBRATION ABSORBERS
NguyÔn §«ng Anh, L· §øc ViÖt ViÖn C¬ häc ViÖt Nam TrÇn Chñng Côc Gi¸m ®Þnh Nhµ níc ABSTRACT: In the 21st century, the trend toward more flexible structures such as tall
buildings and longer span horizontal structures has resulted in more structural vibration under external loading. Undesired vibrations can cause local damage and loss of life of the structure. One of the methods to solve this problem bases on installation vibration absorbers in the structure. The paper presents some concepts of this method. Some theory models, applications, and examples are also provided. tõ kho¸: §iÒu khiÓn kÕt cÊu, hÊp thô dao ®éng
1. më ®Çu Trong thÕ kû 21, c¸c c«ng tr×nh hiÖn ®¹i sÏ cã quy m« ngµy cµng lín vÒ chiÒu dµi vµ chiÒu cao. Sù gia t¨ng vÒ quy m« kÕt cÊu dÉn tíi sù gia t¨ng ®é nh¹y c¶m dao ®éng khi chÞu kÝch ®éng ngoµi. Ch¼ng h¹n, biªn ®é dao ®éng do giã g©y ra víi toµ nhµ Empire State Building ë thµnh phè NewYork (mét trong nh÷ng cao èc sím nhÊt cña Mü) lµ vµi inch (1inch= 2.54cm) th× biªn ®é dao ®éng do giã g©y ra víi toµ th¸p ®«i Trung t©m th¬ng m¹i thÕ giíi ë Mü lµ vµi foot (1foot = 30.5cm). Sù kh¸c nhau nµy chñ yÕu do th¸p ®«i cao vµ m¶nh h¬n nhiÒu th¸p Empire State. Nh thÕ, cïng víi sù t¨ng lªn vÒ quy m« kÕt cÊu hiÖn ®¹i, sù nh¹y c¶m víi c¸c dao ®éng cã h¹i ®· vµ ®ang lµ mét nguyªn nh©n kh«ng nhá dÉn tíi h háng vµ gi¶m tuæi thä c¸c c«ng tr×nh x©y dùng trong thÕ kû 21. HiÖn nay, viÖc ph¸t triÓn cña c¸c phÇn mÒm m¸y tÝnh vµ kü thuËt ®o ®· cho phÐp c¸c kü s ph©n tÝch ®îc c¸c qu¸ tr×nh ®éng lùc phøc t¹p cña kÕt cÊu. Nh÷ng nghiªn cøu thuéc lÜnh vùc nµy ®· dÉn tíi viÖc ¸p dông c¸c bé hÊp thô dao ®éng (HTD§) ®Ó gi¶m dao ®éng cã h¹i cña c«ng tr×nh. Ph¬ng ph¸p nµy dùa trªn viÖc g¾n vµo hÖ kÕt cÊu chÝnh nh÷ng bé HTD§. Mét phÇn dao ®éng cña kÕt cÊu c«ng tr×nh bÞ hÊp thô b»ng bé HTD§. Cã 2 c¸ch chÝnh ®Ó hÊp thô. HÊp thô thô ®éng lµ ph¬ng ph¸p hÊp thô hoµn toµn tù ®éng, kh«ng cã sù ®iÒu khiÓn. HÊp thô tÝch cùc lµ ph¬ng ph¸p sö dông c¸c bé kÝch ®éng lùc sinh lùc t¸c ®éng vµo kÕt cÊu. Lùc nµy ®îc t¹o ra theo mét ch¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn tèi u ®· ®îc tÝnh to¸n tríc. HÊp thô tÝch cùc lµ ph¬ng ph¸p hiÖu qu¶ h¬n nhng còng phøc t¹p h¬n hÊp thô thô ®éng. M« h×nh tÝnh to¸n lý thuyÕt cña c¸c ph¬ng ph¸p hÊp thô nãi trªn sÏ ®îc tr×nh bµy ë phÇn 2 cña bµi b¸o. PhÇn 3 ®Ò cËp ®Õn mét sè vÝ dô sö dông c¸c m« h×nh tÝnh to¸n lý thuyÕt trong trêng hîp cô thÓ.
2. m« h×nh tÝnh to¸n lý thuyÕt 2.1. HÖ kÕt cÊu chÝnh Σ1 f(t)
KÕt cÊu Σ1 cã s¬ ®å nh h×nh 1. §Çu vµo cña kÕt cÊu lµ lùc kÝch ®éng f(t), ®Çu ra lµ dÞch chuyÓn cña kÕt cÊu x(t). Ph¬ng tr×nh ®Æc trng cña kÕt cÊu cã d¹ng:
Σ1
x(t)
H1: S¬ ®å kÕt cÊu chÝnh
M&x& + Cx& + Kx = f (t )
(1)
Trong ®ã, M, C, K lÇn lît lµ c¸c ma trËn khèi lîng, ®é c¶n vµ ®é cøng kÕt cÊu 2.2. Bé HTD§ thô ®éng Σ 2
x(t)
Bé HTD§ thô ®éng Σ 2 cã s¬ ®å nh h×nh 2. §Çu vµo cña bé HTD§ gåm x(t) lµ chuyÓn dÞch kÕt cÊu, θ(t) lµ tham sè ®Æc trng cho bé HTD§. §Çu ra lµ lùc f1 do bé HTD§ s¶n sinh ra nh»m HTD§ cña kÕt cÊu. Ph¬ng tr×nh ®Æc trng cña Σ 2 cã d¹ng:
Σ2
f1 ( y , y& , θ )
θ(t) H2: S¬ ®å bé HTD§ thô ®éng
f1 = f1 ( y, y& ,θ )
(2)
ë ®©y y thÓ hiÖn sè bËc tù do cña b¶n th©n bé HTD§, tu©n theo ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng:
m&y& = g ( x, x&, &x&, y, y& )
(3)
Trong ®ã m lµ khèi lîng bé HTD§. 2.3. Bé HTD§ tÝch cùc Σ 3 Bé HTD§ tÝch cùc Σ 3 cã s¬ ®å nh x(t) M¸y tÝnh M¸y kÝch ®éng h×nh 3. §©y lµ mét hÖ tÝch hîp gi÷a m¸y tÝnh vµ m¸y kÝch ®éng. §Çu vµo lµ chuyÓn dÞch cña kÕt cÊu. M¸y tÝnh quyÕt ®Þnh lùc Σ3 ®iÒu khiÓn dùa vµo mét thuËt to¸n ®îc H3: S¬ ®å bé HTD§ tÝch cùc x¸c ®Þnh tríc råi göi tíi m¸y kÝch ®éng. M¸y kÝch ®éng sinh lùc ®iÒu khiÓn u(t) t¸c ®éng vµo kÕt cÊu.
u(t)
2.4. HÖ kÕt cÊu ®îc ®iÒu khiÓn B»ng c¸ch ghÐp nèi c¸c thµnh phÇn ë c¸c môc tríc, ta cã ®îc s¬ ®å cña 1 kÕt cÊu hiÖn ®¹i. Ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña kÕt cÊu ®îc ®iÒu khiÓn cã d¹ng:
M&x& + Cx& + Kx = f (t ) + u (t ) + f1 ( y, y& ,θ ) Tuú vµo sù xuÊt hiÖn cña c¸c thµnh phÇn mµ ta cã 4 trêng hîp sau: - NÕu hÖ kh«ng cã Σ 3 vµ tham sè θ(t) = const
(4)
Σ3 th× ta cã ph¬ng ph¸p HTD§ thô ®éng. Khi ®ã c¸c tham sè cña Σ 2 ®· ®îc lùa chän tríc vµ kh«ng thay ®æi trong qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn. ViÖc ®o chuyÓn dÞch lµ kh«ng cÇn thiÕt. - NÕu hÖ kh«ng cã Σ 2 th× ta cã ph¬ng ph¸p HTD§ tÝch cùc. Dao ®éng ®îc hÊp thô qua lùc cña m¸y kÝch ®éng. ViÖc ®o chuyÓn dÞch lµ cÇn thiÕt.
u(t) f(t)
Σ1
x(t)
f1 ( y , y& , θ ) θ(t)
Σ2
H4: S¬ ®å hÖ kÕt cÊu ®îc ®iÒu khiÓn
- NÕu hÖ cã c¶ Σ 2 vµ Σ 3 th× ta cã ph¬ng ph¸p HTD§ ghÐp - NÕu tham sè θ(t) cã thÓ thay ®æi b»ng 1 thuËt to¸n thÝch hîp trong qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn th× ta cã ph¬ng ph¸p HTD§ b¸n tÝch cùc. Trong trêng hîp nµy, c¸c bé HTD§ thuéc lo¹i ®iÒu khiÓn ®îc. 2.5. C¸c tiªu chuÈn thiÕt kÕ tèi u bé HTD§ §Ó lùa chän tham sè θ(t) hoÆc luËt ®iÒu khiÓn u(t), ngêi ta quan t©m tíi viÖc phèi hîp mét sè tiªu chuÈn sau: - Tèi thiÓu dÞch chuyÓn cña kÕt cÊu chÝnh nh»m ®¶m b¶o an toµn cho kÕt cÊu - Tèi ®a ®é cøng vµ ®é c¶n cña kÕt cÊu - Tèi thiÓu gia tèc cña kÕt cÊu chÝnh nh»m ®¶m b¶o thuËn lîi cho sù lµm viÖc cña con ngêi - Tèi thiÓu lùc trong khung kÕt cÊu - Tèi thiÓu n¨ng lîng do m¸y kÝch ®éng tiªu tèn VÒ ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n tham sè θ(t) cho bé HTD§ thô ®éng Σ 2 , trong trêng hîp ®¬n gi¶n, víi kÕt cÊu 1 bËc tù do vµ kÝch ®éng ®iÒu hoµ ho Æc ån tr¾ng th× tån t¹i lêi gi¶i gi¶i tÝch. Tuy nhiªn, nãi chung, ph¬ng ph¸p sè thêng ®îc ¸p dông ®Ó t×m tham sè tèi u. VÒ ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh luËt ®iÒu khiÓn tèi u u(t) cho bé HTD§ tÝch cùc Σ 3 , lêi gi¶i gi¶i tÝch LQG lµ luËt ®iÒu khiÓn ®îc ¸p dông phæ biÕn nhÊt trong ®iÒu khiÓn tÝch cùc hÖ tuyÕn tÝnh. Ngoµi ra, mét sè luËt ®iÒu khiÓn kh¸c cã thÓ t×m thÊy trong [1], [2], [4]. Mét sè vÝ dô cho m« h×nh tÝnh to¸n lý thuyÕt trªn sÏ ®îc ®Ò cËp ë phÇn tiÕp theo 3. c¸c vÝ dô 3.1. Bé HTD§ TMD §©y lµ lo¹i bé HTD§ ®îc sö dông trong c¸c cao èc ®Ó gi¶m dao ®éng cã h¹i do giã. Mét vÝ dô vÒ bé HTD§ lo¹i nµy cã thÓ ®îc thÊy trªn h×nh 5.
H5: ¶nh chôp bé HTD§ TMD ®îc l¾p ®Æt vµo th¸p Shinsuku Park cao 52 tÇng (NhËt B¶n) ®Ó chèng l¹i dao ®éng do ®éng ®Êt vµ giã m¹nh.
y(t)
Bé HTD§ TMD cã nhiÒu h×nh d¹ng vµ c¸ch bè trÝ k kh¸c nhau nhng m« h×nh tÝnh to¸n ®Òu t¬ng tù TMD nhau. XÐt ph¬ng tr×nh ®Æc trng cña bé HTD§ TMD m c cã m« h×nh nh h×nh 6. y(t) lµ chuyÓn dÞch t¬ng ®èi cña TMD so víi kÕt cÊu, m,k,c lÇn lît lµ H6: S¬ ®å bé HTD§ TMD khèi lîng, ®é cøng vµ ®é c¶n cña TMD. C¸c tham sè ®Æc trng cña bé TMD lµ θ=(m,c,k). Ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng (3) cña bé HTD§ b©y giê cã d¹ng:
m&y& = m&x& − cy& − ky
x(t)
(5)
Ph¬ng tr×nh ®Æc trng (2) cña bé HTD§ TMD cã d¹ng:
f1 ( y, y& ,θ ) = cy& + ky
(6)
HÖ ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña kÕt cÊu ®îc ®iÒu khiÓn trë thµnh:
m&y& = m&x& − cy& − ky M&x& + Cx& + Kx = f (t ) + cy& + ky
(7)
Trong trêng hîp kÕt cÊu chÝnh 1 bËc tù do vµ cã c¶n C= 0, f(t) lµ kÝch ®éng ®iÒu hoµ th× Den Hartog [3] ®· t×m ra lêi gi¶i tèi u cña tham sè θ lµ: −2 Km m 1 + k = M M 3k c = m 2( M + m)
(8)
C¸c lêi gi¶i t¬ng tù còng ®îc ®a ra trong mét sè trêng hîp kÝch ®éng ngÉu nhiªn. Tuy nhiªn, nãi chung kh«ng tån t¹i c¸c lêi gi¶i gi¶i tÝch trong trêng hîp kÕt cÊu chÝnh nhiÒu bËc tù do. 3.2. Bé HTD§ chÊt láng MR §©y lµ lo¹i bé HTD§ cã thÓ ®iÒu khiÓn ®îc tham sè ®Æc trng θ(t) mét c¸ch dÔ dµng
H7: Bé HTD§ chÊt láng MR
XÐt ph¬ng tr×nh ®Æc trng cña bé HTD§ chÊt láng MR cã m« h×nh nh trªn h×nh 8. Theo [5], tham sè ®Æc trng θ cña bé HTD§ chÊt láng MR bao gåm: ChÊt láng MR
θ=(a1,..a8,v)
x(t)
Trong ®ã 8 tham sè a1,..a8 lµ c¸c h»ng sè ®Æc trng cña chÊt láng MR vµ ®îc t×m tõ thùc nghiÖm, v lµ hiÖu ®iÖn thÕ t¹o ra tõ trêng ®Æt vµo chÊt láng. Còng theo [5], ph¬ng tr×nh (3) vµ (2) trong trêng hîp bé HTD§ chÊt láng MR cã d¹ng:
H8:S¬ ®å bé HTD§ chÊt láng MR
y(t)=x(t) a + a2 v f1 ( y, y& ,θ ) = 1 (a5 + a6 v + (a7 + a8 v ) y& ) a3 + a 4 v
(9) (10)
Nh vËy, b»ng c¸ch thay ®æi tõ trêng qua v, ngêi ta cã thÓ thay ®æi ®îc c¸c ®Æc trng ®éng lùc cña bé HTD§ chÊt láng MR. Ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña hÖ kÕt cÊu trong trêng hîp nµy cã d¹ng:
M&x& + Cx& + Kx = f (t ) +
a1 + a2 v (a5 + a6 v + (a7 + a8v )x& ) a3 + a 4 v
(11)
3.3. Bé HTD§ tÝch cùc AMD §©y lµ bé HTD§ tÝch cùc sö dông sù hç trî cña c¸c thiÕt bÞ ®o, m¸y tÝnh ®iÒu khiÓn vµ m¸y kÝch ®éng lùc
H9: S¬ ®å bé HTD§ tÝch cùc AMD
Tõ c¸c kÕt qu¶ ®o chuyÓn dÞch cña kÕt cÊu, m¸y tÝnh sÏ quyÕt ®Þnh lùc kÝch ®éng tèi u vµ göi lÖnh ®iÒu khiÓn ®Õn m¸y kÝch ®éng lùc. M¸y kÝch ®éng lùc sinh lùc t¸c ®éng ®Õn chuyÓn ®éng cña AMD, tõ ®ã HTD§ kÕt cÊu. Ngêi ta thêng sö dông luËt ®iÒu khiÓn d¹ng
u (t ) = G1 x + G2 x&
(12)
Trong ®ã G1 vµ G2 lµ c¸c ma trËn ®· ®îc tÝnh to¸n tèi u theo luËt ®iÒu khiÓn LQG. Ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña kÕt cÊu ®îc ®iÒu khiÓn trong tr êng hîp nµy cã d¹ng:
M&x& + Cx& + Kx = f (t ) + G1 x + G2 x& (13) Nh vËy qua (13) ta thÊy, ma trËn G1 vµ G2 cã t¸c dông thay ®æi ®é cøng vµ ®é c¶n cña kÕt cÊu. 4. kÕt luËn Bµi b¸o ®· s¬ bé tr×nh bµy c¸c kh¸i niÖm míi cña ph¬ng ph¸p sö dông c¸c bé HTD§. Mét sè m« h×nh lý thuyÕt vµ vÝ dô ¸p dông thùc tÕ cña c¸c bé HTD§ còng ®· ®îc ®Ò cËp. ViÖc sö dông c¸c bé HTD§ nh»m n©ng cao chÊt lîng vµ tuæi thä c¸c c«ng tr×nh x©y dùng lµ mét c«ng nghÖ cßn kh¸ míi ë níc ta. §©y lµ mét lÜnh vùc c«ng nghÖ hiÖn ®¹i, míi ph¸t triÓn nhanh chãng trong vµi chôc n¨m l¹i ®©y. Tuy nhiªn, víi u ®iÓm vÒ kü thuËt vµ kinh tÕ, ph¬ng ph¸p nµy ®· vµ ®ang ®îc ¸p dông réng r·i trªn thÕ giíi. Tµi liÖu tham kh¶o 1. NguyÔn §«ng Anh, An identification algorithm for feedback active control, the 3rd International Workshop on Structural Control, Champ-Sur-Marne, July 6-8, 2000, pp. 27-38. 2. NguyÔn §«ng Anh, L· §øc ViÖt, On the local optimal control counterforces in active controlled structures, in Proceedings of the International Conference on Advances in Building Technology, 4-6 December 2002, HongKong, China, pp. 937-944 3. Den Hartog. J.P, Mechanical vibrations, 4th Edition, McGraw-Hill, NY, 1956 4. Kobori.T, Inoue.Y, Seto.K, Iemura.H, Nishitani.A: Proceedings of the 2nd World Conference on Structural Control, Vol.1, Kyoto, Japan. 5. Spencer .B.F, Dyke .S.J, Sain. M.K, Carlson.J.D, Phenomenological model for magnetorelogical dampers, J.Eng.Mech, 123(3), pp. 230-238.
NguyÔn §«ng Anh, L· §øc ViÖt ViÖn C¬ häc ViÖt Nam TrÇn Chñng Côc Gi¸m ®Þnh Nhµ níc ABSTRACT: In the 21st century, the trend toward more flexible structures such as tall
buildings and longer span horizontal structures has resulted in more structural vibration under external loading. Undesired vibrations can cause local damage and loss of life of the structure. One of the methods to solve this problem bases on installation vibration absorbers in the structure. The paper presents some concepts of this method. Some theory models, applications, and examples are also provided. tõ kho¸: §iÒu khiÓn kÕt cÊu, hÊp thô dao ®éng
1. më ®Çu Trong thÕ kû 21, c¸c c«ng tr×nh hiÖn ®¹i sÏ cã quy m« ngµy cµng lín vÒ chiÒu dµi vµ chiÒu cao. Sù gia t¨ng vÒ quy m« kÕt cÊu dÉn tíi sù gia t¨ng ®é nh¹y c¶m dao ®éng khi chÞu kÝch ®éng ngoµi. Ch¼ng h¹n, biªn ®é dao ®éng do giã g©y ra víi toµ nhµ Empire State Building ë thµnh phè NewYork (mét trong nh÷ng cao èc sím nhÊt cña Mü) lµ vµi inch (1inch= 2.54cm) th× biªn ®é dao ®éng do giã g©y ra víi toµ th¸p ®«i Trung t©m th¬ng m¹i thÕ giíi ë Mü lµ vµi foot (1foot = 30.5cm). Sù kh¸c nhau nµy chñ yÕu do th¸p ®«i cao vµ m¶nh h¬n nhiÒu th¸p Empire State. Nh thÕ, cïng víi sù t¨ng lªn vÒ quy m« kÕt cÊu hiÖn ®¹i, sù nh¹y c¶m víi c¸c dao ®éng cã h¹i ®· vµ ®ang lµ mét nguyªn nh©n kh«ng nhá dÉn tíi h háng vµ gi¶m tuæi thä c¸c c«ng tr×nh x©y dùng trong thÕ kû 21. HiÖn nay, viÖc ph¸t triÓn cña c¸c phÇn mÒm m¸y tÝnh vµ kü thuËt ®o ®· cho phÐp c¸c kü s ph©n tÝch ®îc c¸c qu¸ tr×nh ®éng lùc phøc t¹p cña kÕt cÊu. Nh÷ng nghiªn cøu thuéc lÜnh vùc nµy ®· dÉn tíi viÖc ¸p dông c¸c bé hÊp thô dao ®éng (HTD§) ®Ó gi¶m dao ®éng cã h¹i cña c«ng tr×nh. Ph¬ng ph¸p nµy dùa trªn viÖc g¾n vµo hÖ kÕt cÊu chÝnh nh÷ng bé HTD§. Mét phÇn dao ®éng cña kÕt cÊu c«ng tr×nh bÞ hÊp thô b»ng bé HTD§. Cã 2 c¸ch chÝnh ®Ó hÊp thô. HÊp thô thô ®éng lµ ph¬ng ph¸p hÊp thô hoµn toµn tù ®éng, kh«ng cã sù ®iÒu khiÓn. HÊp thô tÝch cùc lµ ph¬ng ph¸p sö dông c¸c bé kÝch ®éng lùc sinh lùc t¸c ®éng vµo kÕt cÊu. Lùc nµy ®îc t¹o ra theo mét ch¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn tèi u ®· ®îc tÝnh to¸n tríc. HÊp thô tÝch cùc lµ ph¬ng ph¸p hiÖu qu¶ h¬n nhng còng phøc t¹p h¬n hÊp thô thô ®éng. M« h×nh tÝnh to¸n lý thuyÕt cña c¸c ph¬ng ph¸p hÊp thô nãi trªn sÏ ®îc tr×nh bµy ë phÇn 2 cña bµi b¸o. PhÇn 3 ®Ò cËp ®Õn mét sè vÝ dô sö dông c¸c m« h×nh tÝnh to¸n lý thuyÕt trong trêng hîp cô thÓ.
2. m« h×nh tÝnh to¸n lý thuyÕt 2.1. HÖ kÕt cÊu chÝnh Σ1 f(t)
KÕt cÊu Σ1 cã s¬ ®å nh h×nh 1. §Çu vµo cña kÕt cÊu lµ lùc kÝch ®éng f(t), ®Çu ra lµ dÞch chuyÓn cña kÕt cÊu x(t). Ph¬ng tr×nh ®Æc trng cña kÕt cÊu cã d¹ng:
Σ1
x(t)
H1: S¬ ®å kÕt cÊu chÝnh
M&x& + Cx& + Kx = f (t )
(1)
Trong ®ã, M, C, K lÇn lît lµ c¸c ma trËn khèi lîng, ®é c¶n vµ ®é cøng kÕt cÊu 2.2. Bé HTD§ thô ®éng Σ 2
x(t)
Bé HTD§ thô ®éng Σ 2 cã s¬ ®å nh h×nh 2. §Çu vµo cña bé HTD§ gåm x(t) lµ chuyÓn dÞch kÕt cÊu, θ(t) lµ tham sè ®Æc trng cho bé HTD§. §Çu ra lµ lùc f1 do bé HTD§ s¶n sinh ra nh»m HTD§ cña kÕt cÊu. Ph¬ng tr×nh ®Æc trng cña Σ 2 cã d¹ng:
Σ2
f1 ( y , y& , θ )
θ(t) H2: S¬ ®å bé HTD§ thô ®éng
f1 = f1 ( y, y& ,θ )
(2)
ë ®©y y thÓ hiÖn sè bËc tù do cña b¶n th©n bé HTD§, tu©n theo ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng:
m&y& = g ( x, x&, &x&, y, y& )
(3)
Trong ®ã m lµ khèi lîng bé HTD§. 2.3. Bé HTD§ tÝch cùc Σ 3 Bé HTD§ tÝch cùc Σ 3 cã s¬ ®å nh x(t) M¸y tÝnh M¸y kÝch ®éng h×nh 3. §©y lµ mét hÖ tÝch hîp gi÷a m¸y tÝnh vµ m¸y kÝch ®éng. §Çu vµo lµ chuyÓn dÞch cña kÕt cÊu. M¸y tÝnh quyÕt ®Þnh lùc Σ3 ®iÒu khiÓn dùa vµo mét thuËt to¸n ®îc H3: S¬ ®å bé HTD§ tÝch cùc x¸c ®Þnh tríc råi göi tíi m¸y kÝch ®éng. M¸y kÝch ®éng sinh lùc ®iÒu khiÓn u(t) t¸c ®éng vµo kÕt cÊu.
u(t)
2.4. HÖ kÕt cÊu ®îc ®iÒu khiÓn B»ng c¸ch ghÐp nèi c¸c thµnh phÇn ë c¸c môc tríc, ta cã ®îc s¬ ®å cña 1 kÕt cÊu hiÖn ®¹i. Ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña kÕt cÊu ®îc ®iÒu khiÓn cã d¹ng:
M&x& + Cx& + Kx = f (t ) + u (t ) + f1 ( y, y& ,θ ) Tuú vµo sù xuÊt hiÖn cña c¸c thµnh phÇn mµ ta cã 4 trêng hîp sau: - NÕu hÖ kh«ng cã Σ 3 vµ tham sè θ(t) = const
(4)
Σ3 th× ta cã ph¬ng ph¸p HTD§ thô ®éng. Khi ®ã c¸c tham sè cña Σ 2 ®· ®îc lùa chän tríc vµ kh«ng thay ®æi trong qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn. ViÖc ®o chuyÓn dÞch lµ kh«ng cÇn thiÕt. - NÕu hÖ kh«ng cã Σ 2 th× ta cã ph¬ng ph¸p HTD§ tÝch cùc. Dao ®éng ®îc hÊp thô qua lùc cña m¸y kÝch ®éng. ViÖc ®o chuyÓn dÞch lµ cÇn thiÕt.
u(t) f(t)
Σ1
x(t)
f1 ( y , y& , θ ) θ(t)
Σ2
H4: S¬ ®å hÖ kÕt cÊu ®îc ®iÒu khiÓn
- NÕu hÖ cã c¶ Σ 2 vµ Σ 3 th× ta cã ph¬ng ph¸p HTD§ ghÐp - NÕu tham sè θ(t) cã thÓ thay ®æi b»ng 1 thuËt to¸n thÝch hîp trong qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn th× ta cã ph¬ng ph¸p HTD§ b¸n tÝch cùc. Trong trêng hîp nµy, c¸c bé HTD§ thuéc lo¹i ®iÒu khiÓn ®îc. 2.5. C¸c tiªu chuÈn thiÕt kÕ tèi u bé HTD§ §Ó lùa chän tham sè θ(t) hoÆc luËt ®iÒu khiÓn u(t), ngêi ta quan t©m tíi viÖc phèi hîp mét sè tiªu chuÈn sau: - Tèi thiÓu dÞch chuyÓn cña kÕt cÊu chÝnh nh»m ®¶m b¶o an toµn cho kÕt cÊu - Tèi ®a ®é cøng vµ ®é c¶n cña kÕt cÊu - Tèi thiÓu gia tèc cña kÕt cÊu chÝnh nh»m ®¶m b¶o thuËn lîi cho sù lµm viÖc cña con ngêi - Tèi thiÓu lùc trong khung kÕt cÊu - Tèi thiÓu n¨ng lîng do m¸y kÝch ®éng tiªu tèn VÒ ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n tham sè θ(t) cho bé HTD§ thô ®éng Σ 2 , trong trêng hîp ®¬n gi¶n, víi kÕt cÊu 1 bËc tù do vµ kÝch ®éng ®iÒu hoµ ho Æc ån tr¾ng th× tån t¹i lêi gi¶i gi¶i tÝch. Tuy nhiªn, nãi chung, ph¬ng ph¸p sè thêng ®îc ¸p dông ®Ó t×m tham sè tèi u. VÒ ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh luËt ®iÒu khiÓn tèi u u(t) cho bé HTD§ tÝch cùc Σ 3 , lêi gi¶i gi¶i tÝch LQG lµ luËt ®iÒu khiÓn ®îc ¸p dông phæ biÕn nhÊt trong ®iÒu khiÓn tÝch cùc hÖ tuyÕn tÝnh. Ngoµi ra, mét sè luËt ®iÒu khiÓn kh¸c cã thÓ t×m thÊy trong [1], [2], [4]. Mét sè vÝ dô cho m« h×nh tÝnh to¸n lý thuyÕt trªn sÏ ®îc ®Ò cËp ë phÇn tiÕp theo 3. c¸c vÝ dô 3.1. Bé HTD§ TMD §©y lµ lo¹i bé HTD§ ®îc sö dông trong c¸c cao èc ®Ó gi¶m dao ®éng cã h¹i do giã. Mét vÝ dô vÒ bé HTD§ lo¹i nµy cã thÓ ®îc thÊy trªn h×nh 5.
H5: ¶nh chôp bé HTD§ TMD ®îc l¾p ®Æt vµo th¸p Shinsuku Park cao 52 tÇng (NhËt B¶n) ®Ó chèng l¹i dao ®éng do ®éng ®Êt vµ giã m¹nh.
y(t)
Bé HTD§ TMD cã nhiÒu h×nh d¹ng vµ c¸ch bè trÝ k kh¸c nhau nhng m« h×nh tÝnh to¸n ®Òu t¬ng tù TMD nhau. XÐt ph¬ng tr×nh ®Æc trng cña bé HTD§ TMD m c cã m« h×nh nh h×nh 6. y(t) lµ chuyÓn dÞch t¬ng ®èi cña TMD so víi kÕt cÊu, m,k,c lÇn lît lµ H6: S¬ ®å bé HTD§ TMD khèi lîng, ®é cøng vµ ®é c¶n cña TMD. C¸c tham sè ®Æc trng cña bé TMD lµ θ=(m,c,k). Ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng (3) cña bé HTD§ b©y giê cã d¹ng:
m&y& = m&x& − cy& − ky
x(t)
(5)
Ph¬ng tr×nh ®Æc trng (2) cña bé HTD§ TMD cã d¹ng:
f1 ( y, y& ,θ ) = cy& + ky
(6)
HÖ ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña kÕt cÊu ®îc ®iÒu khiÓn trë thµnh:
m&y& = m&x& − cy& − ky M&x& + Cx& + Kx = f (t ) + cy& + ky
(7)
Trong trêng hîp kÕt cÊu chÝnh 1 bËc tù do vµ cã c¶n C= 0, f(t) lµ kÝch ®éng ®iÒu hoµ th× Den Hartog [3] ®· t×m ra lêi gi¶i tèi u cña tham sè θ lµ: −2 Km m 1 + k = M M 3k c = m 2( M + m)
(8)
C¸c lêi gi¶i t¬ng tù còng ®îc ®a ra trong mét sè trêng hîp kÝch ®éng ngÉu nhiªn. Tuy nhiªn, nãi chung kh«ng tån t¹i c¸c lêi gi¶i gi¶i tÝch trong trêng hîp kÕt cÊu chÝnh nhiÒu bËc tù do. 3.2. Bé HTD§ chÊt láng MR §©y lµ lo¹i bé HTD§ cã thÓ ®iÒu khiÓn ®îc tham sè ®Æc trng θ(t) mét c¸ch dÔ dµng
H7: Bé HTD§ chÊt láng MR
XÐt ph¬ng tr×nh ®Æc trng cña bé HTD§ chÊt láng MR cã m« h×nh nh trªn h×nh 8. Theo [5], tham sè ®Æc trng θ cña bé HTD§ chÊt láng MR bao gåm: ChÊt láng MR
θ=(a1,..a8,v)
x(t)
Trong ®ã 8 tham sè a1,..a8 lµ c¸c h»ng sè ®Æc trng cña chÊt láng MR vµ ®îc t×m tõ thùc nghiÖm, v lµ hiÖu ®iÖn thÕ t¹o ra tõ trêng ®Æt vµo chÊt láng. Còng theo [5], ph¬ng tr×nh (3) vµ (2) trong trêng hîp bé HTD§ chÊt láng MR cã d¹ng:
H8:S¬ ®å bé HTD§ chÊt láng MR
y(t)=x(t) a + a2 v f1 ( y, y& ,θ ) = 1 (a5 + a6 v + (a7 + a8 v ) y& ) a3 + a 4 v
(9) (10)
Nh vËy, b»ng c¸ch thay ®æi tõ trêng qua v, ngêi ta cã thÓ thay ®æi ®îc c¸c ®Æc trng ®éng lùc cña bé HTD§ chÊt láng MR. Ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña hÖ kÕt cÊu trong trêng hîp nµy cã d¹ng:
M&x& + Cx& + Kx = f (t ) +
a1 + a2 v (a5 + a6 v + (a7 + a8v )x& ) a3 + a 4 v
(11)
3.3. Bé HTD§ tÝch cùc AMD §©y lµ bé HTD§ tÝch cùc sö dông sù hç trî cña c¸c thiÕt bÞ ®o, m¸y tÝnh ®iÒu khiÓn vµ m¸y kÝch ®éng lùc
H9: S¬ ®å bé HTD§ tÝch cùc AMD
Tõ c¸c kÕt qu¶ ®o chuyÓn dÞch cña kÕt cÊu, m¸y tÝnh sÏ quyÕt ®Þnh lùc kÝch ®éng tèi u vµ göi lÖnh ®iÒu khiÓn ®Õn m¸y kÝch ®éng lùc. M¸y kÝch ®éng lùc sinh lùc t¸c ®éng ®Õn chuyÓn ®éng cña AMD, tõ ®ã HTD§ kÕt cÊu. Ngêi ta thêng sö dông luËt ®iÒu khiÓn d¹ng
u (t ) = G1 x + G2 x&
(12)
Trong ®ã G1 vµ G2 lµ c¸c ma trËn ®· ®îc tÝnh to¸n tèi u theo luËt ®iÒu khiÓn LQG. Ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña kÕt cÊu ®îc ®iÒu khiÓn trong tr êng hîp nµy cã d¹ng:
M&x& + Cx& + Kx = f (t ) + G1 x + G2 x& (13) Nh vËy qua (13) ta thÊy, ma trËn G1 vµ G2 cã t¸c dông thay ®æi ®é cøng vµ ®é c¶n cña kÕt cÊu. 4. kÕt luËn Bµi b¸o ®· s¬ bé tr×nh bµy c¸c kh¸i niÖm míi cña ph¬ng ph¸p sö dông c¸c bé HTD§. Mét sè m« h×nh lý thuyÕt vµ vÝ dô ¸p dông thùc tÕ cña c¸c bé HTD§ còng ®· ®îc ®Ò cËp. ViÖc sö dông c¸c bé HTD§ nh»m n©ng cao chÊt lîng vµ tuæi thä c¸c c«ng tr×nh x©y dùng lµ mét c«ng nghÖ cßn kh¸ míi ë níc ta. §©y lµ mét lÜnh vùc c«ng nghÖ hiÖn ®¹i, míi ph¸t triÓn nhanh chãng trong vµi chôc n¨m l¹i ®©y. Tuy nhiªn, víi u ®iÓm vÒ kü thuËt vµ kinh tÕ, ph¬ng ph¸p nµy ®· vµ ®ang ®îc ¸p dông réng r·i trªn thÕ giíi. Tµi liÖu tham kh¶o 1. NguyÔn §«ng Anh, An identification algorithm for feedback active control, the 3rd International Workshop on Structural Control, Champ-Sur-Marne, July 6-8, 2000, pp. 27-38. 2. NguyÔn §«ng Anh, L· §øc ViÖt, On the local optimal control counterforces in active controlled structures, in Proceedings of the International Conference on Advances in Building Technology, 4-6 December 2002, HongKong, China, pp. 937-944 3. Den Hartog. J.P, Mechanical vibrations, 4th Edition, McGraw-Hill, NY, 1956 4. Kobori.T, Inoue.Y, Seto.K, Iemura.H, Nishitani.A: Proceedings of the 2nd World Conference on Structural Control, Vol.1, Kyoto, Japan. 5. Spencer .B.F, Dyke .S.J, Sain. M.K, Carlson.J.D, Phenomenological model for magnetorelogical dampers, J.Eng.Mech, 123(3), pp. 230-238.
