Case study · Master's thesis · 2019Nghiên cứu tiêu biểu · Luận văn thạc sĩ · 2019

Stiffness or mass? Outriggers versus pendulum dampersTăng độ cứng hay thêm khối lượng? Outrigger và giảm chấn con lắc

Two philosophies for taming a tall building under earthquake: stiffen it with outrigger trusses, or add a pendulum mass that swings against it. Thirteen models of a 30-storey building show which one gives more control per tonne.Hai triết lý để kiểm soát nhà cao tầng khi động đất: làm cứng bằng hệ dầm outrigger, hoặc treo một khối lượng con lắc dao động ngược pha. Mười ba mô hình nhà 30 tầng cho thấy phương án nào hiệu quả hơn trên mỗi tấn vật liệu.

← Research← Nghiên cứu

30storeys, 2% dampingtầng, cản 2%
13configurations comparedcấu hình được so sánh
−37.7%roof displacement with outriggerschuyển vị đỉnh với outrigger
3% vs 5%added mass: outrigger vs PTMDkhối lượng thêm: outrigger và PTMD

The questionCâu hỏi nghiên cứu

As buildings grow taller they become more flexible, and roof displacement and inter-storey drift start to govern design. Designers can either add stiffness — outrigger trusses that tie the core to the perimeter columns — or add a tuned mass, such as a pendulum damper near the roof. Each is well studied on its own, but practical guidance comparing them on the same building, and on the material each consumes, is scarce.

Nhà càng cao thì càng mềm, và chuyển vị đỉnh cùng chuyển vị lệch tầng bắt đầu quyết định thiết kế. Người thiết kế có thể tăng độ cứng — dùng hệ outrigger nối lõi với cột biên — hoặc thêm khối lượng điều chỉnh, như giảm chấn con lắc gần mái. Mỗi giải pháp đã được nghiên cứu riêng, nhưng còn thiếu những so sánh thực tế trên cùng một công trình và theo lượng vật liệu mỗi giải pháp tiêu tốn.

What I didNội dung thực hiện

  • Modelled a 30-storey frame–core building in SAP2000 with 2% structural damping, under identical gravity and seismic loading.
  • Mô hình nhà khung – lõi 30 tầng bằng SAP2000, cản kết cấu 2%, cùng tải trọng đứng và tải động đất.
  • Varied the outrigger number (one or two levels) and location along the height (five cases), with added mass of 1.5–3% of the structure.
  • Thay đổi số tầng outrigger (một hoặc hai tầng) và vị trí theo chiều cao (năm trường hợp), với khối lượng thêm 1,5–3% khối lượng công trình.
  • Varied the pendulum TMD mass ratio from 2% to 5%, then combined the best pendulum with an outrigger at level 15.
  • Thay đổi tỷ lệ khối lượng giảm chấn con lắc (PTMD) từ 2% đến 5%, rồi kết hợp con lắc tốt nhất với outrigger tại tầng 15.
  • Compared the optimum of each family by roof displacement, velocity, acceleration and maximum storey drift.
  • So sánh phương án tối ưu của từng nhóm theo chuyển vị đỉnh, vận tốc, gia tốc và chuyển vị lệch tầng lớn nhất.

ResultsKết quả

0%10%20%30%40% 37.7% 23.6% 27.9% 22% 38% 30.1% 10.9% 8.4% Roof displacementChuyển vị đỉnh Roof velocityVận tốc đỉnh Max. storey driftLệch tầng lớn nhất Outrigger PTMD CombinedKết hợp
Figure 1. Reduction relative to the uncontrolled frame for the optimum of each system (drift with the combined system: 8.4%). Data from my Master's thesis (Kunsan National University, 2019).Hình 1. Mức giảm so với khung không điều khiển cho phương án tối ưu của từng hệ (lệch tầng với hệ kết hợp: 8,4%). Số liệu từ luận văn thạc sĩ (ĐH Quốc gia Kunsan, 2019).

The outrigger system reduced roof displacement by 37.7% and maximum drift by 30.1%, clearly ahead of the pendulum damper (23.6% and 10.9%) while using 3% added mass instead of 5%. The pendulum was better at suppressing velocity (38% versus 22%), which matters more for occupant comfort than for structural safety. Combining the two did not add their benefits: the combined system performed between the two.

Hệ outrigger giảm 37,7% chuyển vị đỉnh và 30,1% chuyển vị lệch tầng, vượt rõ giảm chấn con lắc (23,6% và 10,9%) trong khi chỉ dùng 3% khối lượng thêm thay vì 5%. Con lắc lại giảm vận tốc tốt hơn (38% so với 22%), yếu tố quan trọng với tiện nghi người sử dụng hơn là an toàn kết cấu. Kết hợp hai hệ không cộng dồn hiệu quả: hệ kết hợp cho kết quả nằm giữa hai phương án.

Engineering takeaway. For seismic drift control in a building of this height, stiffness placed at the right level buys more than mass. Where to place stiffness is a question I meet again every day in temporary works design.Bài học kỹ thuật. Để kiểm soát chuyển vị lệch tầng khi động đất ở nhà có chiều cao này, độ cứng đặt đúng tầng hiệu quả hơn khối lượng. Đặt độ cứng ở đâu cũng là câu hỏi tôi gặp lại hằng ngày khi thiết kế kết cấu tạm.

What I carry forwardĐiều tôi mang theo

This study compared options by building thirteen models one at a time. In construction practice I face the same kind of choice every week — which method, which support system, at which level — usually with even less time. Learning from past designs to narrow the options early is one of the questions in my PhD agenda.

Nghiên cứu này so sánh các phương án bằng cách dựng lần lượt 13 mô hình. Trong thực tế thi công, tôi gặp kiểu lựa chọn tương tự hằng tuần — biện pháp nào, hệ chống nào, đặt ở cao độ nào — thường với ít thời gian hơn. Học từ các thiết kế trước để thu hẹp phương án ngay từ đầu là một trong các câu hỏi trong định hướng PhD của tôi.