Đại Học Quốc Gia TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Y”Z

LÊ TRƯỜNG GIANG

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA HỆ CẢN BÁN
CHỦ ĐỘNG ER VỚI CÁC GIẢI THUẬT KHÁC NHAU
Chuyên ngành : XÂY DỰNG DÂN DỤNG – CÔNG NGHIỆP
Mã số ngành : 23.04.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2006


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS – TS CHU QUỐC THẮNG ....................

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...................................................................................

MUÏC LUÏC
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghóa Việt Nam
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
Tp. HCM, ngày

tháng

năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Lê Trường Giang
Ngày, tháng, năm sinh: 04 -05 -1976
Chuyên ngành: Xây Dựïng Dân Dụng - Công Nghiệp

Phái: Nam
Nơi sinh:TPHCM
MSHV: 02103521

I. TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM CHẤN CỦA HỆ CẢN BÁN CHỦ ĐỘNG ER VỚI
CÁC GIẢI THUẬT KHÁC NHAU
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1. Nghiên cứu cơ chế làm việc của hệ cản ER.
2. Phân tích hệ cản sử dụng thuật giải H2/LQG, so sánh với thuật giải LQR.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 03 - 07 - 2006
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04-12-2006
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS -TS CHU QUỐC THẮNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

PGS-TS CHU QUỐC THẮNG

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông
qua.
Ngày
TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH

Tháng

Năm 2006

TRƯỞNG KHOA QL NGAØNH


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Chu Quốc Thắng đã tận tình hướng dẫn
tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Sự động viên cùng những lời khuyên chân
thành, quý báu của thầy giúp tôi vượt qua được những khó khăn trong lúc thực
hiện luận văn.

Xin chân thành cảm ơn Ban Gíam Hiệu, phòng đào tạo sau Đại Học
trường Đại Học Bách Khoa TPHCM cùng các Thầy cô tham gia giảng dạy
chương trình Cao Học ngành Xây Dựng Dân Dụng.
Tôi chân thành cảm ơn Ban Gíam Đốc cùng toàn thể đồng nghiệp công
ty Kiểm Định Xây Dựng Sài Gòn đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận án
trong suốt thời gian qua.
Tôi vô cùng biết ơn Cha Mẹ, Vợ, cùng toàn thể những người thân, bạn
bè, luôn bên cạnh tôi trong những lúc khó khăn nhất.


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Từ trước đến nay, động đất và gió bão luôn là những nguyên nhân chính
gây nên tổn thất không lường trước được đối với cơ sở hạ tầng. Sự phát triễn các
loại vật liệu cường độ cao cùng với các phương pháp tính kết cấu hiện đại cho
phép tính toán giảm thiểu các thiệt hại do môi trường thiên nhiên gây ra. Tuy
nhiên, cách này không đem lại hiệu quả như mong muốn. Ngược lại, những
nghiên cứu về lónh vực điều khiển kết cấu, lónh vực tương đối mới , đã đem lại
một tương lai rất hứa hẹn trong việc hạn chế đến mức thấp nhất những tác động
môi trường bất lợi này.
Lý thuyết về hệ điều khiển bị động, chủ động, cùng các thuật giải điều
khiển đã được phát triễn mạnh mẽ trong những năm gần đây. Hệ cản bán chủ
động mới được phát minh trong thập niên 90 nhưng là hệ cản vượt trội, tận dụng
ưu điểm của cả hai hệ cản trên. Phương pháp điều khiển trước đây dựa trên
trạng thái hồi tiếp đầy đủ của chuyển vị hoặc giá trị vận tốc. Tuy nhiên, khi
công trình chịu ảnh hưởng của tác nhân kích thích động đất, các đại lượng này
rất khó xác định một cách trực tiếp, chính xác.
Luận văn trình bày một trong những hệ cản bán chủ động, được gọi hệ cản
thông minh, là hệ cản Electrorheological Damper (ER Damper). Mô hình của
Gamota được sử dụng, thể hiện đầy đủ tính chất cơ học của hệ cản ER Damper.

Phản ứng của kết cấu chịu lực điều khiển tổng quát dựa trên mô hình không gian
trạng thái. Lý thuyết điều khiển dựa trên 2 thuật giải: LQR với trạng thái hồi
tiếp chuyển vị, vận tốc và H2/LQG với trạng thái hồi tiếp gia tốc, ứng dụng vào


hệ cản ER kết hợp với công cụ hỗ trợ mô phỏng Simulink của Matlab. Mô hình
kết cấu sử dụng trong nghiên cứu là khung thép 3 tầng. Hiệu quả giảm chấn của
hệ cản ER được đánh giá thông qua kết quả trình bày bằng số và đồ thị so sánh
giữa 2 thuật giải điều khiển.
Từ những kết quả thu được, luận văn nhấn mạnh thuật giải H2/LQG sử
dụng điều khiển hồi tiếp gia tốc là thuật giải hiệu quả và mang tính ứng dụng
cao.


ABSTRACT
Up to now, Earthquakes and strongwinds are always main reasons which
cause unanticipated damage in infrastructure. The development of strong
materials and modern structural calculation methods enable us to minimize
damage caused by natural environment. However, this method doesn’t bring
desired effect . On the contrary, research on structural controls, which are
relatively fairly field, has brought very brilliant future on reducing impact of
natural to a minimum level.
The theory of passive, active systems and algorithm controls were strongly
developed in recent years. Semi active damper system was invented in 1990s.
However, it is dominant system and takes full advantage of two damper systems
above. The previous control strategies based on full state feedback of necessary
displacements

and


velocities.

However,

during

seismic

activity,

that

measurements are very difficult to achive directly and exactly. This thesis would
present one of the semi active damper systems, the so-called Smart Damper, is
Electrorheological Damper (ER Damper). The phenomenological model based
on Gamota model is proposed to effectively portray the behavior of ER Damper.
Responses of structure with general control force based on state space model.
Two control algorithms strategies are applied to design control system: LQR with
full state feedback of displacements and velocities; H2/LQG with acceleration
feedback in assosiation with Simulink tool of Matlab. Structure model used in
this study is the three-storeys steel frame. Seismic reducing effect of ER damper
is estimated through figure and graphs. This result is compared between two
control algorithms. Through studying, this thesis emphasize that

H2/LQG

algorithm based on acceleration feedback is really effective and applicable.


TỔNG HP BẢNG BIỂU


CHƯƠNG 1
Bảng 1.1

Các hệ thống tiêu tán năng lượng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

CHƯƠNG 2
Bảng 2.1

Các thông số của hệ cản ER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Bảng 2.2

So sánh thông số của 2 hệ cản ER và MR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

CHƯƠNG 5
Bảng 5.1

Gía trị max của các đáp ứng - Trận động đất Elcentro. . . . . . . . . 79

Bảng 5.2

Gía trị rms của các đáp ứng - Trận động đất Elcentro. . . . . . . . . 83

Bảng 5.3

Gía trị max của các đáp ứng trận động đất Kobe. . . . . . . . . . . . . . 93

Bảng 5.4


Gía trị rms của các đáp ứng trận động đất Kobe. . . . . . . . . . . . . . 93

Bảng 5.5

Gía trị max của các đáp ứng trận động đất Hachinohe. . . . . . . . . 94

Bảng 5.6

Gía trị rms của các đáp ứng trận động đất Hachinohe. . . . . . . . . . 94

Bảng 5.7

Gía trị max của các đáp ứng trận động đất Northdridge. . . . . . . . 95

Bảng 5.8

Gía trị rms của các đáp ứng trận động đất Northdridge. . . . . . . . . 95

Bảng 5.9

Gía trị lực cắt max-trận động đất Elcentro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

xiii


TỔNG HP HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1
Hình 1.1


Sơ đồ của một hệ giảm chấn bị động. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Hình 1.2

Mô hình hệ thống kết cấu cô lập móng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Hình 1.3

Một số cách bố trí của hệ cản chất lỏng nhớt. . . . . . . . . . . . . . . . 4

Hình 1.4

Mô hình hệ cản TLD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Hình 1.5

Mô hình hệ 1 bậc tự do và TLCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Hình 1.6

Sơ đồ làm việc của một hệ giảm chấn chủ ñoäng. . . . . . . . . . . . . . 5

Hình 1.7

Toà nhà Kyobashi Seiwa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Hình 1.8

Mô hình hệ cản AMD(active mass damper). . . . . . . . . . . . . . . . . 6


Hình 1.9

Hệ thay đổi độ cứng chủ động. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Hình 1.10 Mô hình một hệ bán chủ động. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Hình 1.11 Sơ đồ làm việc của một hệ bán chủ động. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Hình 1.12 Mô hình 1 hệ cản chất lưu có thể điều chỉnh bán chủ động. . . . . 9

CHƯƠNG 2
Hình 2.1

Mặt cắt ngang thiết bị cản ER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Hình 2.2

Thiết bị cản ER với 5 xy lanh liên kết song song. . . . . . . . . . . . . . 14

Hình 2.3

Thiết bị cản ER với 5 xy lanh tháo rời. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

ix


Hình 2.4

Mô hình Bingham. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Hình 2.5


Mô hình Gamota. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Hình 2.6

Ứng xử của hệ cản giữa lý thuyết và thực nghiệm. . . . . . . . . . . . 20

Hình 2.7

Mô hình hệ caûn MR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Hình 2.8

Lắp đặt hệ cản trong nhà cao tầng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Hình 2.9

Lắp đặt hệ cản tại cầu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Hình 2.10 Lắp đặt hệ cản tại cầu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Hình 2.11 Lắp đặt hệ cản tại bảo tàng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Hình 2.12 Lắp đặt hệ cản tại cầu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

CHƯƠNG 3
Hình 3.1

Mô tả tính chất hàm truyeàn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

CHƯƠNG 4
Hình 4.1


Sơ đồ biễu diễn quá trình tối öu hoùa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

Hình 4.2

Đồ thị xác định các cực của hệ dao động tự nhiên. . . . . . . . . . . . .43

Hình 4.3

Hiệu quả rời rạc tín hiệu của quá trình quantization. . . . . . . . . . . 44

Hình 4.4

Sơ đồ hoạt động của thiết bị bán chủ động. . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Hình 4.5

Sơ đồ hệ điều khiển bán chủ động. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Hình 4.6

Sơ đồ hệ điều khiển kết cấu chịu kích thích động đất. . . . . . . . . . 50

Hình 4.7

Đồ thị thể hiện thuật toán chọn giá trị điện thế. . . . . . . . . . . . . . . 55

Hình 4.8

Sơ đồ thể hiện thuật giải của hệ cản ER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56


CHƯƠNG 5
Hình 5.1

Kết cấu dùng trong tính toán. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

x


Hình 5.2

Sơ đồ tính toán lực fER bằng Simulink, trường hợp v=0. . . . . . . . . 65

Hình 5.3

Sơ đồ tính toán lực fER bằng Simulink, trường hợp v=5kV. . . . . . .66

Hình 5.4

Sơ đồ mô phỏng trường hợp Uncontrolled. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Hình 5.5

Sơ đồ mô phỏng trường hợp Passive-Off. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Hình 5.6

Sơ đồ mô phỏng trường hợp Passive-On. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Hình 5.7


Sơ đồ mô phỏng trường hợp Semi-LQR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Hình 5.8

Sơ đồ mô phỏng trường hợp Semi-H2/LQG. . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Hình 5.9

Đồ thị thể hiện các trường hợp chuyển vị. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Hình 5.10 Đồ thị thể hiện các trường hợp vận tốc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Hình 5.11 Đồ thị thể hiện các trường hợp gia tốc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Hình 5.12 Độ giảm các đáp ứng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Hình 5.13 Chuyển vị các tầng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Hình 5.14 Độ lệch các tầng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Hình 5.15 Vận tốc các tầng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Hình 5.16 Độ giảm rms chuyển vị các taàng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Hình 5.17 Độ giảm rms vận tốc các tầng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Hình 5.18 Độ giảm rms gia tốc tầng 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Hình 5.19 Chuyển vị rms các tầng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Hình 5.20 Độ lệch rms các tầng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Hình 5.21 Vận tốc rms các tầng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Hình 5.22 Chuyển vị tầng đỉnh- Trận động ñaát Elcentro. . . . . . . . . . . . . . . . 89

xi


Hình 5.23 Vận tốc tầng đỉnh- Trận động đất Elcentro. . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Hình 5.24 Gia tốc tầng đỉnh- Trận động đất Elcentro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Hình 5.25 Đáp ứng của kết cấu theo phương pháp H2/LQG. . . . . . . . . . . . . . 93

Hình 5.26 Quan hệ lực – vận tốc piston, v=0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Hình 5.27 Quan hệ lực – vận toác piston, v=vmax. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Hình 5.28 Quan hệ điện thế theo thời gian – phương pháp LQR. . . . . . . . . . 97
Hình 5.29 Quan hệ điện thế theo thời gian – phương pháp H2/LQG. . . . . . . 98
Hình 5.30 Quan hệ lực cản theo thời gian. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Hình 5.31 Lực cắt tầng 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Hình 5.32 Đồ thị thể hiện độ giảm lực cắt các tầng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

xii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
TÓM TẮT LUẬN VĂN
MỤC LỤC

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU ...........................................................................................................1
1.1

Hệ thống tiêu tán năng lượng bị động (Passive Energy Dissipation
Systems):......................................................................................................2
1.1.1 Hệ cô lập móng (base isolation ):.....................................................2
1.1.2 Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Damper ): ......................................3
1.1.3 Hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (Tuned Liquid Column Damper –
TLCD và TLD): ................................................................................4

1.2


Hệ điều khiển chủ động( Active Control systems): ....................................5

1.3

Hệ điều khiển Hybrid:.................................................................................7

1.4

Hệ điều khiển bán chủ động(Semi-Active Damper Systems): ...................7

1.5

Hệ điều khiển bán chủ động ER: ................................................................9

1.6

Mục tiêu của luận văn:..............................................................................10

1.7

Nội dung của luận văn:..............................................................................11

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ CẢN ER...........................................................12
2.1

Chất lưu ER: ..............................................................................................12
2.1.1 Chất lưu truyền thoáng : ...................................................................12



2.1.2 Chất lưu đang nghiên cứu: ..............................................................12
2.2

Cấu tạo thiết bị cản ER: ............................................................................13

2.3

Cơ chế dòng chảy của chất lưu ER:...........................................................15

2.4

Mô hình cơ học của hệ cản ER:.................................................................16
2.4.1 Mô hình chất lưu ER .......................................................................16
2.4.2 Mô hình động học ...........................................................................18

2.5

So sánh với hệ cản MR Damper:...............................................................22

2.6

Một số cách thức lắp đặt hệ cản:...............................................................24

CHƯƠNG 3
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC KẾT CẤU ............................................................26
3.1

Tổng quan:.................................................................................................26

3.2


Lý thuyết bền Lyapunov: ..........................................................................26
3.2.1 Tính bền của hệ 1 bậc tự do : ........................................................27
3.2.2 Tính bền của hệ nhiều bậc tự do : ..................................................27
3.2.2.1 Hệ không cản.....................................................................27
3.2.2.2 Hệ có cản ...........................................................................28

3.3

Mô hình không gian trạng thái: .................................................................29

3.4

Phân tích hàm truyền:................................................................................31

3.5

Thiết lập quy luật điều khiển cho không gian trạng thái ..........................32

3.6

Quy luật điều khiển hồi tiếp(feedback) ....................................................33

CHƯƠNG 4
THUẬT GIẢI ĐIỀU KHIỂN ..............................................................................35
4.1

Thuật giải điều khiển LQR: ......................................................................35
4.1.1 Nguyên lý cơ bản :..........................................................................35
4.1.2 Thuật giải LQR: ..............................................................................37

4.1.2.1 Hệ thống liên tục( continuous systems) : ..........................37


4.1.2.2 Hệ thống rời rạc(discrete systems ): .................................41
4.1.3 Sự tồn tại của thuật giải LQR: ........................................................42
4.2

Thuật giải H2/LQG:...................................................................................43
4.2.1 Nguyên lý cơ bản:...........................................................................43
4.2.1.1 Nhận và xử lý dữ liệu:.......................................................43
4.2.1.2 Thực nghiệm xác định hàm truyền: ..................................46
4.2.2 Thuật giải H2/LQG :........................................................................47
4.2.3 Thuật toán Clipped-Optimal: ..........................................................54
4.2.4 Hệ cản ER sử dụng thuật giải H2/LQG:..........................................56
4.2.5 Sự tồn tại của thuật giải H2/LQG:...................................................58

CHƯƠNG 5
ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ...................................................................................59
5.1

Số liệu động đất:........................................................................................59

5.2

Ví dụ tính toán: ..........................................................................................61

5.3

Xác định trạng thái kết cấu: ......................................................................62
5.3.1 Phương pháp LQR :.........................................................................63

5.3.2 Phương pháp H2/LQG : ...................................................................64

5.4

Xác định lực cản gây ra từ thiết bị ER damper: ........................................64

5.5

Các trường hợp khảo sát đáp ứng của hệ cản ER: ....................................67

5.6

Kết quả khảo sát:.......................................................................................73
5.6.1 Quan hệ lực-vận tốc piston : ...........................................................96
5.6.2 Quan hệ điện thế theo thời gian : ...................................................97
5.6.3 Quan hệ lực cản theo thời gian : .....................................................99
5.6.4 Gía trị lực cắt tầng: .......................................................................100

CHƯƠNG 6
KẾT LUẬN .........................................................................................................103


PHỤ LỤC
TÀI LIỆU THAM KHẢO


Chương 1: Giới Thiệu

CHƯƠNG 1:


GIỚI THIỆU
Ngày nay, công trình xây dựng đóng vai trò hết sức quan trọng trong cuộc
sống hiện đại. Chúng ta cần những công trình lớn, đẹp nhằm tối ưu không gian
sống cho dân cư đô thị nhưng cũng phải đảm bảo an toàn chống lại tác động môi
trường như gió, bão, động đất. Chúng ta đã biết, động đất chính là nguyên nhân
của đợt sóng thần gây thảm hoạ kinh hoàng tai Indonesia trước đây.Vừa qua,
bão mạnh cũng đã gây ra hư hỏng nặng nề nhà cửa tại miền Trung nước ta. Vấn
đề cần quan tâm là làm thế nào để hạn chế đến mức thấp nhất những tác động
do thiên nhiên gây ra này.
Giải pháp truyền thống để chống lại các tác động do gió động, động đất là
tăng độ cứng lẫn khả năng chịu lực của kết cấu thông qua việc tăng kích thước
tiết diện cột, dầm, vách cứng, dẫn đến tăng khối lượng công trình . Tuy nhiên
giải pháp này sẽ làm tăng lực quán tính khi có động đất.
Nhiều nghiên cứu trong vài thập niên trở lại đây đã đưa ra một lónh vực
hoàn toàn mới là điều khiển kết cấu và có khả năng ứng dụng cao. Nhật Bản là
nơi chịu động đất nhiều nhất, đã là nước tiên phong áp dụng các giải pháp điều
khiển kết cấu để làm giảm thiểu các thiệt hại.
Hiện nay, hệ điều khiển kết cấu có thể chia thành 4 loại: bị động, chủ
động, hybrid vaø semi active.

1


Chương 1: Giới Thiệu
Bảng1.1: Các hệ thống tiêu tán năng lượng
Các hệ thống điều khiển kết cấu
Hệ bị động

Điều khiển chủ động


Điều khiển Hydrid và
bán chủ động

-Cô lập động đất(gối đàn -Hệ giằng chủ động.

-Hệ cản chủ động ghép

hồi..)

-Hệ cản khối lượng chủ

HMD.

-Hệ cản kim loại, ma sát

động.

-Hệ cản active base

-Hệ cản đàn nhớt

-Hệ thống có thể thay

isolate.

-Hệ cản chất lỏng – nhớt

đổi độ cứng.

- Hệ cản chất lỏng thay


-Hệ cản điều chỉnh khối

đổi(variable-orifice

lượng

fluid).

-Hệ cản điều chỉnh chất

-Hệ cản bán chủ động

lỏng.

ER/MR

1.1 Hệ thống tiêu tán năng lượng bị động (Passive Energy Dissipation
Systems)[19]:

Hình 1.1: Sơ đồ của một hệ giảm chấn bị động
1.1.1 Hệ cô lập móng (base isolation ):
Hệ thống cô lập móng được lắp đặt tại móng của kết cấu. Các gối đàn hồi
có tính mềm dẻo và khả năng hấp thu năng lượng tốt. Do đó hệ cô lập móng một
phần phản hồi và một phần hấp thu một lượng năng lượng truyền vào do động

2


Chương 1: Giới Thiệu

đất trước khi năng lượng này chuyển vào kết cấu. Kết quả là làm tiêu tán năng
lượng yêu cầu đối với hệ kết cấu và tăng khả năng tồn tại của nó.

Hình 1.2: Mô hình hệ thống kết cấu cô lập móng.
1.1.2 Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Damper )[17],[19]:
Hệ cản này tận dụng tính nhớt của chất lỏng để làm tăng tính cản của
kết cấu. Những thiết bị này được lắp đặt vào công trình tạo thành những hệ
cản nhằm tiêu tán năng lượng gây ra bởi dao động do gió mạnh hay động
đất, làm cho những ảnh hưởng nguy hại của chúng trở nên nhỏ đi, không
dẫn đến phá hoại công trình. Các thiết bị này có thể tạo ra lực cản lên đến
670KN[19].Hiện nay có rất nhiều thiết bị tiêu tán năng lượng loại này.
Mỗi loại trong chúng có một cách thức riêng để tiêu tán năng lượng và
điều khiển dao động.

3


Chương 1: Giới Thiệu

Hình 1.3: Một số cách bố trí của hệ cản chất lỏng nhớt.
1.1.3 Hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (Tuned Liquid Column Damper –
TLCD và TLD)[5], [16]:

Hình 1.4: Mô hình hệ cản TLD

Hình 1.5: Mô hình hệ 1 bậc tự do và TLCD

4



Chương 1: Giới Thiệu
Tuy nhiên các hệ cản này có mặt hạn chế là không thể hiệu chỉnh theo sự
thay đổi của kết cấu, cách sử dụng và điều kiện tải trọng.
1.2 Hệ điều khiển chủ động( Active Control systems)[19], [ 29]:
Các hệ điều khiển dạng này sử dụng năng lượng ngoài tạo ra lực tác dụng
lên kết cấu. Ứng xử điều khiển thích hợp dựa trên các đáp ứng kết cấu đo được.
Nhiều loại hệ cản này đã được phát triễn, nghiên cứu như: active tendon
(Roorda 1975; Yang và Giannopoulos 1978), hệ giằng chủ động(Reinhorn, et
al.,1989b). hệ cản khối lượng chủ động(Addel-Rohman và Leipholz 1983).
Chung et al sử dụng thuật giải tuyến tính bậc hai( linear quadratic regulator) cho
hệ cản active tendon với 3 bậc tự do,(1989). Song song với việc thử nghiệm các
lọai hệ cản, nhiều thuật giải điều khiển cho hệ chủ động đã được nghiên cứu và
phát triễn. Kỹ thuật đầu ra hồi tiếp sử dụng đại lượng gia tốc tuyệt đối được phát
triển bởi Dyke et al(1994)([8], [9]), Suhardjo(1990). Gỉai thuật điều khiển phi
tuyến cũng được áp dụng để làm tăng hiệu quả của các hệ chủ động này như:
fuzzy logic, neural network, sliding mode control[1]. Sự ứng dụng đầu tiên của
hệ điều khiển chủ động là toà nhà Kyobashi Seiwa năm1989(Kobori 1994;
Sakamoto, et al 1994).

Hình 1.6: Sơ đồ làm việc của một hệ giảm chấn chủ động

5


Chương 1: Giới Thiệu

Hình 1.7: Toà nhà Kyobashi Seiwa

Hình 1.8: Mô hình hệ cản AMD(active mass damper)


6


Chương 1: Giới Thiệu

Hình 1.9: Hệ thay đổi độ cứng chủ động (Active Variable stiffness-AVS) công trình Kajima Technical Research Institute(Nhật Bản).
1.3 Hệ điều khiển Hybrid[ 6]:
Hệ cản này kết hợp hai hay nhiều hơn các thiết bị bị động và chủ động.
Bằng cách này, hệ hybrid có thể làm giảm bớt những hạn chế của hai hệ trên so
với khi chúng làm việc độc lập. Tiêu biểu cho hệ này là hai hệ :
ƒ Hệ cản khối lượng Hybrid(Hybrid mass damper).
ƒ Hệ cô lập chủ động(actice base isolate).
Hệ cản khối lượng Hybrid là sự kết hợp giữa một hệ cản điều chỉnh khối
lượng(tuned mass damper) và một actuator chủ động. Hệ này đã được áp dụng
cho toà nhà Shinjuku Park Tower ở Nhật.
Hệ cô lập chủ động kết hợp giữa hệ cô lập chủ động và actuator điều khiển
để tăng cường hiệu quả giảm dao động.
1.4 Hệ điều khiển bán chủ động(Semi-Active Damper Systems):
Hệ cản này tận dụng những ưu điểm của hệ bị động và hệ chủ động, không
đòi hỏi nguồn năng lượng lớn, có thể sử dụng năng lượng pin hay ắc quy. Điều
này rất quan trọng do khi có động đất xảy ra thì nguồn năng lượng của công trình
có thể bị ngắt. Khi kích thích là yếu thì hệ làm việc như một hệ cản bị động. Khi
kích thích mạnh, hệ có khả năng làm việc như một hệ cản hoàn toàn chủ động.

7


Chương 1: Giới Thiệu
Các nghiên cứu chỉ ra rằng, thiết bị điều khiển bán chủ động không làm tăng
năng lượng cơ học , nhưng có những đặc trưng động học có thể thay đổi để làm

giãm tối ưu đáp ứng của kết cấu. Hệ bán chủ động có các loại:
ƒ Hệ cản chất lỏng thay đổi( variable-orifice fluid damper)
ƒ Thiết bị cản ma sát điều khiển được.
ƒ Thiết bị có độ cứng thay đổi
ƒ Hệ cản chất lưu điều khiển được

Hình 1.10: Mô hình một hệ bán chủ động

Hình 1.11: Sơ đồ làm việc của một hệ bán chủ động
Trong số các hệ cản trên, hệ cản chất lưu điều khiển được là một loại khác
của thiết bị bán chủ động, tiện lợi hơn hệ cản bán chủ động trên đây ở chỗ là
không có phần nào chuyển động trừ piston, chế tạo đơn giản và có độ tin cậy
cao.

8


Chương 1: Giới Thiệu
Có hai loại chất lưu được sử dụng trong hệ cản loại này:
ƒ Chất lỏng lưu biến điện (Electrorheological fluid – ER).
ƒ Chất lỏng lưu biến từ (Magnetorheological fluid – MR).

Hình 1.12: Mô hình 1 hệ cản chất lưu có thể điều chỉnh bán chủ động.
1.5 Hệ điều khiển bán chủ động ER:
Hệ cản đầu tiên này được giới thiệu từ những năm 1992 do Ehrgott và
Masri nghiên cứu về mô hình thu nhỏ[20 ]. Henri P.Gavin và Hanson nghiên cứu
hệ cản ER damper sử dụng xilanh tiết diện chử nhật và piston gồm chín tấm thép
liên kết cứng, song song nhau (1994).
Masri tiếp tục nghiên cứu đưa ra thiết bị ER với thiết kế by-pass sử dụng
mô hình Bingham cùng thuật giải điều khiển neural network(1996)[1], [20]

.Gavin et al (1996) thiết kế hệ cản ER sử dụng các tấm điện cực song song. Mô
hình này tạo ra lực cản 0.2-0.6 kN. Symms et al đưa ra hệ cản ER long stroke với
lực cản tạo ra được là 1.2-3.8 kN[32].
Cùng với nghiên cứu của mình Gavin và các cộng sự đã đưa ra được
phương pháp thử nghiệm và thiết kế hệ cản này cùng với sự cải tiến để hệ cản
ER damper có thể đạt hiệu quả trong khắc phục tải trọng động(1998).
McClamroch and Gavin (1995) đã đề nghị thuật giải điều khiển ‘decentralized
bang bang’dùng cho hệ caûn ER[22],[23].

9