Đánh giá hiệu suất kết cấu nhà thép trên bàn rung động với mô hình đa đầu vào đa đầu ra

Luận án tiến sĩ: Đánh giá hiệu suất kết cấu tòa nhà thép trên bàn rung. Ứng dụng mô hình MIMO đa đầu vào đa đầu ra để phân tích động lực.

Trường ĐH

Keio University

Chuyên ngành

Applied and Computational Mechanics

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận văn thạc sĩ

Năm xuất bản

Số trang

80

Thời gian đọc

12 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tóm tắt nội dung

I.Đánh giá Hiệu Suất Kết Cấu Nhà Thép Sau Động Đất

Động đất gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng. Việc đánh giá tình trạng công trình sau động đất là cần thiết. Sức khỏe công trình cần được xác định một cách khoa học. Rung động tòa nhà cung cấp thông tin giá trị. Các thay đổi về đặc tính modal là quan trọng để đánh giá kết cấu. Nghiên cứu tập trung vào các dịch chuyển tần số và dạng dao động.

1.1. Tầm quan trọng của đánh giá sức khỏe công trình

Cần nghiên cứu sức khỏe của các tòa nhà sau động đất lớn. Đánh giá thiệt hại cấu trúc là một nhiệm vụ quan trọng. Việc này giúp xác định khả năng phục hồi và an toàn của kết cấu. Rung động cung cấp dữ liệu thiết yếu cho quá trình này. Đây là bước đầu trong việc bảo vệ con người và tài sản.

1.2. Thông tin giá trị từ rung động tòa nhà

Rung động của tòa nhà cung cấp thông tin hữu ích. Những thay đổi trong các đặc tính modal là rất quan trọng. Tần số tự nhiên, dạng dao động và suy giảm dao động là các chỉ số chính. Các chỉ số này giúp đánh giá sức khỏe và hiệu suất của kết cấu. Việc theo dõi chúng giúp phát hiện sớm các vấn đề.

1.3. Thay đổi đặc tính động lực học của kết cấu

Tần số tự nhiên cung cấp thông tin toàn cầu về cấu trúc. Chúng tương đối đơn giản, chính xác và dễ thu được. Dịch chuyển tần số cho đánh giá sức khỏe chung. Thay đổi dạng dao động giúp xác định vị trí hư hỏng hình học. Các chỉ số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá tổng thể kết cấu.

II.Mô Hình MIMO Rung Động Công Cụ Đánh Giá Hiệu Quả

Nghiên cứu sử dụng mô hình đa đầu vào đa đầu ra (MIMO). Các mô hình này phân tích dữ liệu gia tốc. Dữ liệu từ thử nghiệm tòa nhà thép quy mô đầy đủ được sử dụng. Mô hình MIMO giúp trích xuất tần số tự nhiên của cấu trúc. Đây là phương pháp hiệu quả để đánh giá phản ứng động của tòa nhà.

2.1. Giới thiệu về mô hình đa đầu vào đa đầu ra MIMO

Mô hình MIMO xử lý nhiều tín hiệu đầu vào và đầu ra. Phương pháp này cho phép phân tích toàn diện hơn. Nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về hành vi động của kết cấu. Nhiều loại mô hình MIMO được áp dụng trong nghiên cứu này. Chúng giúp cải thiện độ tin cậy của kết quả phân tích.

2.2. Ứng dụng MIMO trong phân tích dữ liệu gia tốc

Năm bộ dữ liệu gia tốc được đo tại nhiều điểm. Các điểm này bao gồm trung tâm và bốn góc trên bàn rung. Bốn tầng của mô hình quy mô đầy đủ được coi là tín hiệu đầu vào và đầu ra. Các tín hiệu này được phân tích bằng nhiều loại mô hình MIMO. Việc này giúp xác định các đặc tính động lực học.

2.3. Lợi ích của MIMO trong xác định tần số tự nhiên

Từ các mô hình MIMO đã xác định, tần số tự nhiên mode đầu tiên được thu thập. Các tần số này sau đó được so sánh. Phân tích này giúp đánh giá khả năng chịu lực của cấu trúc. MIMO cung cấp sự chính xác cao trong việc xác định tần số. Đây là chỉ số quan trọng cho sức khỏe công trình.

III.Thử Nghiệm Bàn Rung Toàn Quy Mô Phương Pháp Nghiên Cứu

Nghiên cứu này dựa trên thử nghiệm bàn rung quy mô đầy đủ. Phương pháp này tái tạo các điều kiện động đất thực tế. Dữ liệu từ các bài kiểm tra E-defense trên tòa nhà thép được phân tích. Đây là cách tiếp cận đáng tin cậy để đánh giá hiệu suất kết cấu trong điều kiện khắc nghiệt.

3.1. Mục tiêu kiểm tra bàn rung thực tế

Mục tiêu chính là đánh giá khả năng chịu lực của tòa nhà thép. Việc này thực hiện sau một hoạt động địa chấn. Thử nghiệm bàn rung quy mô đầy đủ cung cấp dữ liệu thực tế. Nó giúp xác minh hành vi của kết cấu dưới tải trọng địa chấn. Kết quả cung cấp cơ sở vững chắc cho các đánh giá.

3.2. Dữ liệu từ các bài kiểm tra E defense

Dữ liệu gia tốc từ các thử nghiệm E-defense được sử dụng. Các thử nghiệm này được thực hiện trên tòa nhà thép 4 tầng quy mô đầy đủ. Đây là nguồn dữ liệu quý giá, mô phỏng chân thực động đất. E-defense là một cơ sở thử nghiệm hàng đầu thế giới.

3.3. Mô hình tòa nhà thép 4 tầng quy mô đầy đủ

Một tòa nhà thép 4 tầng quy mô đầy đủ được sử dụng làm mô hình. Nó được đặt trên bàn rung để thực hiện các thử nghiệm. Các phép đo gia tốc được thu thập từ nhiều điểm. Đây là nền tảng cho việc phân tích bằng mô hình MIMO rung động. Mô hình này đại diện cho các công trình thực tế.

IV.Phân Tích Tần Số Tự Nhiên và Dạng Dao Động Kết Cấu

Tần số tự nhiên và dạng dao động là các đặc tính quan trọng. Chúng giúp đánh giá tình trạng sức khỏe của công trình. Nghiên cứu xem xét dịch chuyển tần số và thay đổi dạng dao động. Việc này được thực hiện dưới nhiều mức độ kích thích địa chấn. Phân tích này cung cấp cái nhìn toàn diện về hư hỏng.

4.1. Tần số tự nhiên Chỉ số toàn cầu của kết cấu

Tần số tự nhiên cung cấp thông tin toàn cầu về cấu trúc. Chúng tương đối đơn giản để đo lường và thu thập. Dịch chuyển tần số cho biết đánh giá sức khỏe chung của cấu trúc. Giảm tần số thường liên quan đến sự mất độ cứng hoặc hư hỏng. Đây là một chỉ số cơ bản nhưng mạnh mẽ.

4.2. Dạng dao động Xác định vị trí hư hỏng hình học

Khi dịch chuyển tần số cung cấp đánh giá tổng quát, thay đổi dạng dao động chi tiết hơn. Chúng có thể được phân loại đến cấp độ nhận dạng hư hỏng cao hơn. Điều này bao gồm việc xác định vị trí hình học của hư hỏng. Dạng dao động giúp khoanh vùng các khu vực bị ảnh hưởng.

4.3. Quan sát dịch chuyển tần số và dạng dao động

Nghiên cứu xem xét các dịch chuyển tần số và dạng dao động. Nhiều mức độ kích thích địa chấn được áp dụng. Kích thích này đại diện cho các mức cường độ khác nhau của trận động đất. Việc này giúp hiểu rõ cách cấu trúc phản ứng và suy giảm theo từng mức độ. Nó cung cấp dữ liệu toàn diện.

V.Ứng Dụng Dữ Liệu Thực Tế E defense Cho Nhà Thép

Nghiên cứu phân tích dữ liệu gia tốc từ các thử nghiệm E-defense. Dữ liệu này được thu thập trên tòa nhà thép 4 tầng quy mô đầy đủ. Các kích thích địa chấn mô phỏng trận động đất Hyogoken Nanbu 1995. Việc sử dụng dữ liệu thực tế nâng cao độ tin cậy của kết quả đánh giá hiệu suất kết cấu.

5.1. Nguồn dữ liệu từ trận động đất Hyogoken Nanbu 1995

Các kích thích được đại diện bởi các mức cường độ khác nhau. Chúng mô phỏng trận động đất Hyogoken Nanbu năm 1995. Dữ liệu này được thu thập tại Ga JR – Takatori. Việc sử dụng dữ liệu lịch sử giúp mô phỏng điều kiện thực tế. Nó đảm bảo tính xác thực của nghiên cứu về nhà thép.

5.2. Thu thập dữ liệu gia tốc và tín hiệu đầu vào ra

Năm bộ dữ liệu gia tốc được đo lường cẩn thận. Các điểm đo bao gồm trung tâm và bốn góc trên bàn rung. Bốn tầng của mô hình quy mô đầy đủ được coi là tín hiệu đầu vào và đầu ra. Dữ liệu này là cơ sở để xây dựng và hiệu chỉnh mô hình MIMO. Các cảm biến thu thập thông tin chính xác.

5.3. Phân tích dữ liệu gia tốc tòa nhà thép E defense

Dữ liệu gia tốc từ các thử nghiệm E-defense được phân tích kỹ lưỡng. Các thử nghiệm này được thực hiện trên tòa nhà thép 4 tầng. Nhiều loại mô hình MIMO được áp dụng để xử lý dữ liệu. Mục tiêu là thu được tần số tự nhiên mode đầu tiên của kết cấu. Việc này giúp đánh giá tình trạng sau động đất.

VI.Đánh Giá Khả Năng Chịu Lực Của Kết Cấu Nhà Thép

Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá khả năng chịu lực của tòa nhà thép. Việc này thực hiện sau một hoạt động địa chấn đáng kể. Các thử nghiệm bàn rung quy mô thực tế cung cấp bằng chứng. Phân tích tần số tự nhiên mode đầu tiên là trọng tâm. Kết quả giúp hiểu rõ hiệu suất của cấu trúc.

6.1. Phương pháp đánh giá hiệu suất cấu trúc

Hiệu suất cấu trúc được đánh giá dựa trên sự thay đổi. Các thay đổi trong tần số tự nhiên và dạng dao động được theo dõi. Phương pháp này cung cấp cái nhìn toàn diện về sức khỏe. Nó giúp xác định mức độ suy giảm của công trình. Đánh giá này quan trọng cho các biện pháp khắc phục.

6.2. So sánh tần số tự nhiên mode đầu tiên

Từ các mô hình MIMO đã định nghĩa, một số tần số tự nhiên mode đầu tiên được thu được. Các tần số này sau đó được so sánh với nhau. Việc này cho phép đánh giá sự dịch chuyển tần số. Nó là chỉ số trực tiếp của sự thay đổi độ cứng của kết cấu. So sánh này cung cấp thông tin quan trọng.

6.3. Đánh giá sức bền dựa trên tần số mode X Y

Bằng cách phân tích hai tần số tự nhiên mode đầu tiên. Các phân tích này được thực hiện theo hướng X và Y. Khả năng chịu lực của cấu trúc được đánh giá. Hiệu suất của tòa nhà được xác định. Việc này cung cấp đánh giá toàn diện về sức bền của tòa nhà thép sau địa chấn.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ assessment of structural performance of steel building on shake table using multi input multi output models

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (80 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

Assessment of Structural Performance of Steel Academic Year 3―1 Ho Thu Hien Building on Shake Table Using Multi-Input 2010 Multi-Output Models Master’ ster ’s Thesis Academic Year Year 2010 2010 Keio University Graduate School of Science and Technology School of Science for Open and Environmental Systems Systems As we know, earthquakes have caused many serious damages; that is why it is needed to study the health of buildings after these earthquakes. After a large earthquake, evaluation of damage of structures is an important task for health assessment. Vibrations of buildings give us valuable information on it. Changes in the modal properties like natural frequencies, modal shapes and modal damping are very important to assess the structures.

Among the representative structural characteristics, natural frequencies provide the global information. However they are relatively simple, accurate to measure and easy to obtain. Besides, the changes in frequencies must be considered to assess the health of structure. When the frequency shifts give the general health assessment, the mode shape changes can be categorized up to the higher level of damage identification – determination of the geometric location of the damage.

This study will consider the frequencies shifts and their mode shapes with various levels of seismic excitations. The excitations are represented by different intensity levels of the 1995 Hyogoken Nanbu Earthquake that are obtained in JR – Takatori Station. The acceleration data of E–defense tests on full scale 4-story steel building will be analyzed. Five sets of acceleration data were measured at center and 4 corners on shake table and 4 stories of the full-scale model were considered as inputs and outputs signals of many types of multi-input multi-output (MIMO) models.

From the defined models, some first mode natural frequencies of structure will be obtained and compared to each other. By analyzing the two first mode natural frequencies of X and Y directions, the capacity of structure will be assessed with its performance. The aim of this research is to assess the capacity of a steel building after a seismic activity using real-size shake table tests. Course No Sub school: Fundamental Science and Technology Mathematics Physics Molecular Chemistry Applied Physics and Physico-Informatics Chemical Biology Biosciences and Informatics Sub school: Integrated Design Engineering Multidisciplinary and Design Science System Integration Engineering Smart Device and System Engineering Photonics and Image Information Engineering Science and Technology for Designing Functions Sub school: Science for Open and Environmental Systems Space and Environment Design Engineering Science of Environment, Resources and Energy Applied and Computational Mechanics Computer Science Smart Media Communication Engineering Open Systems Management ABSTRACT As we know, earthquakes have caused many serious damages; that is why it is needed to study the health of buildings after these earthquakes.

After a large earthquake, evaluation of damage of structures is an important task for health assessment. Vibrations of buildings give us valuable information on it. Changes in the modal properties like natural frequencies, modal shapes and modal damping are very important to assess the structures. Among the representative structural characteristics, natural frequencies provide the global information.

However they are relatively simple, accurate to measure and easy to obtain. Besides, the changes in frequencies must be considered to assess the health of structure. When the frequency shifts give the general health assessment, the mode shape changes can be categorized up to the higher level of damage identification – determination of the geometric location of the damage. This study will consider the frequencies shifts and their mode shapes with various levels of seismic excitations.

The excitations are represented by different intensity levels of the 1995 Hyogoken Nanbu Earthquake that are obtained in JR – Takatori Station. The acceleration data of E–defense tests on full scale 4-story steel building will be analyzed. Five sets of acceleration data were measured at center and 4 corners i on shake table and 4 stories of the full-scale model were considered as inputs and outputs signals of many types of multi-input multi-output (MIMO) models. From the defined models, some first mode natural frequencies of structure will be obtained and compared to each other.

By analyzing the two first mode natural frequencies of X and Y directions, the capacity of structure will be assessed with its performance. The aim of this research is to assess the capacity of a steel building after a seismic activity using real-size shake table tests. ii DEDICATION To my lovely and happy family, THEUHF! iii ACKNOWLEDGEMENTS First of all, I would like to express my sincere gratitude and thanks to my advisor Professor Akira Mita for his kind advices, valuable suggestions, invaluable guidance, moral support and effective encouragement throughout the course of this study. My special gratitude is due to all my dear friends: Ms Kondo, Ms Take, Ms Hasegawa, Mr Okamoto, Mr Oshihara, Mr Kosakai, Ms Nakamura, Ms Maho, Ms Goshima, Ms Ishikawa, Mr Mutara, Mr Sato, Mr Ichimura and others, especially, international students (Mr Xing, Ms Soroka, Ms Chua and Mr Kelpal) for making my time spent at Keio University an unforgettable memory as well as for what they helped for me to overcome lot of difficulties in foreign environment.

I would like to thank to the Ministry of Education, Science and Culture of Japan (Monbukagakusho) for the full financial support and the research facilities they provided during my study. Finally, but not the least, I would like to thank and dediacte my mother, my husband and my son, for all the trust, support that they gave me. Without their love, encouragement, inspiration and sacrifice, this work could hardly be completed. iv TABLE OF CONTENTS Page ABSTRACT i DEDICATION iii ACKNOWLEDGMENTS iv TABLE OF CONTENTS v LIST OF FIGURES vii LIST OF TABLES x 1 INTRODUCTION 1 1.4 Organization of this Thesis 9 2 EXPERIMENTAL DATA 10 2.3 Full-scale 4-story steel building 12 v 2.5 Results of experiments 16 SYSTEM IDENTIFICATION FOR STRCUTURAL HEALTH 3 19 MONITORING 3.4 Experimental verification 34 4 MULTI-INPUT MULTI-OUTPUT MODELS 43 4.2 MIMO identification method 45 4.3 Application of MIMO models 46 4.1 Type of models 46 4.2 Application 48 5 CONCLUSION 59 REFERENCES 61 vi LIST OF FIGURES Page Figure 2.1 Shake table set in position 12 Figure 2.2 Full-scale 4-story steel building 13 Figure 2.3 Position of accelerometers on 5 floors of building 14 Figure 2.4 Vibration Periods at Each Shaking 17 Figure 2.5 Collapse of specimen after test by Takatori 100 % 18 Figure 3.1 A dynamic system with input u(t), output y(t) and disturbance e(t) 25 Figure 3.2 General-Linear Model Structure 29 Figure 3.3 AR Model Structure 30 Figure 3.4 ARX Model Structure 31 Figure 3.5 ARMAX Model Structure 32 Figure 3.6 Time history of JR-Takatori earthquake record 35 Figure 3.7 Steel building acceleration responses under JR-Takatori 36 vii Figure 3.8 Acceleration responses of steel building (m/s2) under JR-Takatori 38 5% Figure 3.9 Transfer functions, PSD and coherence 39 Figure 3.10 1st mode Natural Frequency 41 Figure 3.11 Accuracy Fitting between models and measused data 41 Figure 3.12 2nd mode Natural Frequency 42 Figure 4.1 Two SISO models in X and Y directions (Input at E-Defense, output 46 at roof) Figure 4.2 “2 in 2 out” model (Inputs at E-Defense, outputs at roof) 47 Figure 4.3 “4 in 4 out A” model (Inputs at E-Defense, outputs at roof) 47 Figure 4.4 “4 in 4 out B” model (Inputs at E-Defense, outputs at roof) 48 Figure 4.5 1st mode Natural Frequency.

Left: X direction, right: Y direction 49 Figure 4.6 1st mode Natural Frequency 50 Figure 4.7 1st mode Natural Frequency 50 Figure 4.8 2nd mode Natural Frequency 51 Figure 4.9 2nd mode Natural Frequency 51 Figure 4.10 Decrease Natural Frequency-1st mode 52 Figure 4.11 Decrease Natural Frequency-2nd mode 52 Figure 4.12 The 1st mode shape of “2 in 8 out” models 54 viii Figure 4.13 The 1st mode shape of “4 in 16 out A” models 55 Figure 4.14 The 1st mode shape of “4 in 16 out B” models 56 Figure 4.15 Imaginary part of 1st mode shapes 57 Figure 4.16 Damping ratio of 1st mode 57 ix LIST OF TABLES Page Table 2.1 Specification of Shaking System 12 Table 2.2 Three dimensional loading of JR-Takatori 100% 15 Table 2.3 Schedule of experiments 15 Table 2.4 Summary of Response 17 Table 2.5 Damage to the internal non-structural components 18 Table 4.1 1st natural frequency in X and Y directions 49 Table 4.2 1st mode shape in X and Y directions 58 x Chapter 1 Introduction Chapter 1 Introduction 1. Overviews Earthquakes, as the major threat to the human life and economy, have caused many serious damages. That is why it is needed to study the health of buildings after these earthquakes. The structural health monitoring has become a major research focus in the area of structural dynamics.

The interest in the ability to monitor a structure and detect damage at the earliest possible stage is pervasive throughout the civil, mechanical and aerospace engineering communities. Damage or fault detection, as determined by changes in the dynamic properties or response of structures, is a subject that has received considerable attention in the literature. The basic idea is that modal parameters (notably frequencies, mode shapes and modal damping) are functions of the physical properties of the structure (mass, damping and 1 Chapter 1 Introduction stiffness). Therefore, changes in the physical properties will cause changes in the modal properties.

Ideally, a method that can successfully detect damage must be able to address the following criteria: 1. Assess that structural damage has occurred 2. Determine the location of the damage 3. Quantify the severity of the damage 4.

Predict the remaining service life of the damaged structure At present structural damage detection is still in its infancy. In spite of the multitude of techniques that have been developed, not many techniques are able to address all the criteria for a successful damage detection technique. To date, existing damage detection techniques can be categorized into two main areas of study, as follows: 1. Damage detection techniques based on experimental data 2.

Damage detection techniques based on modal data and finite element data Early damage detection techniques involved determining frequency shifts of resonant frequencies of a structure. It was found that changes in the stiffness of a structure often indicated the presence of damage. It was also found that a change in the stiffness of a structure was also linked to changes in natural frequencies of the same structure. One set of natural frequency was measured before the structure was put into service, subsequent natural frequency measurements could be used to determine whether the structure was still sound by comparing the measured frequency with the original natural frequency.

Furthermore, by measuring the natural frequencies of a structure at 2 Chapter 1 Introduction difference stages of its life, it is possible to observe the frequency shifts as the damage propagates through the structure [4]. A similar damage detection technique based on frequency used statistical methods to predict the most likely damage location. It was assumed that sets of frequencies were measured before the structure was put into service, which represented the undamaged structure. From these, frequencies shifts of the first several modes for all possible damage scenarios were calculated mathematically.

Measurements of natural frequencies of the structure at different stages of its life would then be fitted against the postulated damage scenarios. The quality of the fit to each postulated damage scenario indicated the existence of damage. The method proposed by researchers [4] did not give any indication with regards to the accuracy of their predictions. Their method would still locate damage from slight changes in the natural frequencies due to temperature effects or measurement noise, even though no damage actually exists.

Hassiotis developed a method for the estimation of structural damage using measured changes in the natural frequencies [27]. This method proved successful in identifying both the location and the severity of the damage. However, light damage was not identified well because the change in the eigenvalues due to damage was sometimes less than the change due to noise.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Đánh giá hiệu suất kết cấu nhà thép bằng mô hình MIMO rung động" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận án tiến sĩ: Đánh giá hiệu suất kết cấu tòa nhà thép trên bàn rung. Ứng dụng mô hình MIMO đa đầu vào đa đầu ra để phân tích động lực.

Luận án "Đánh giá hiệu suất kết cấu nhà thép bằng mô hình MIMO rung động" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Keio University. Năm bảo vệ: 2010.

Luận án "Đánh giá hiệu suất kết cấu nhà thép bằng mô hình MIMO rung động" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Đánh giá hiệu suất kết cấu nhà thép bằng mô hình MIMO rung động" thuộc chuyên ngành Applied and Computational Mechanics. Danh mục: Kỹ Thuật Xây Dựng Dân Dụng & Công Nghiệp.

Luận án "Đánh giá hiệu suất kết cấu nhà thép bằng mô hình MIMO rung động" có bao nhiêu trang?

Luận án "Đánh giá hiệu suất kết cấu nhà thép bằng mô hình MIMO rung động" có 80 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Đánh giá hiệu suất kết cấu nhà thép bằng mô hình MIMO rung động" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter