Microsoft Word NCKH 2010 doc TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CỐT THÉP BẰNG MATLAB NGUYỄN ĐÌNH DƯ NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Biê[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH - BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TỐN CỐT THÉP BẰNG MATLAB NGUYỄN ĐÌNH DƯ NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Biên Hòa, Tháng 06 năm 2011 LỜI CÁM ƠN Hiện phần mềm tính thép cho kết cấu BTCT có nhiều thị trường phải sử dụng theo tiêu chuẩn nước ngồi Với mong muốn có phần mềm tính thép sử dụng dễ dàng, thuận tiện sử dụng theo tiêu chuẩn Việt Nam, nhóm tác giả ứng dụng ngôn ngữ Matlab việc xây dựng phần mềm tính thép Để có phần mềm ngày hơm nay, nhóm tác giả gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Đào Xuân Lộc tận tình bảo, góp ý đồng nghiệp khoa Kỹ Thuật Cơng Trình bạn trường đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh giúp đỡ nhóm nhiều q trình thực đề tài MỤC LỤC Trang LỜI CÁM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU PHẦN MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài II Tổng quan lịch sử nghiên cứu đề tài III Mục tiêu nghiên cứu IV Đối tượng phạm vi nghiên cứu V Phương pháp nghiên cứu VI Những đóng góp đề tài vấn đề mà đề tài chưa thực CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Vật liệu 1.1.1 Bê tông 1.1.2 Cốt thép 1.2 Dầm bê tông cốt thép 1.2.1 Dầm chữ nhật chịu uốn 1.2.2 Dầm chữ T chịu uốn 15 1.2.3 Hàm lượng cốt thép max, 20 1.2.4 Dầm chịu cắt 21 1.3 Cột bê tông cốt thép 22 1.3.1 Cột chữ nhật chịu nén lệch tâm phương 22 1.3.2 Cột chịu nén lệch tâm phương thép nhiều lớp 29 1.3.3 Cột chịu nén lệch tâm xiên 32 1.3.4 Cột mảnh 33 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT ÁP DỤNG VỀ MATLAB TRONG PHẦN MỀM 2.1 Giới thiệu chung 35 2.2 Khai báo biến Matlap 35 2.2.1 Một số lệnh biến 35 2.2.2 Gán biến Matlab 36 2.2.3 Ví dụ gán biến Matlab 48 CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 3.1 Hướng dẫn sử dụng phần mềm 50 3.2 Ví dụ tính tốn 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mẫu thí nghiệm hình lập phương cạnh 150mm Hình 1.2 Mẫu thí nghiệm hình lăng trụ Hình 1.3 Đường cong ứng suất biến dạng Hình 1.4 Sơ đồ ứng suất tính tốn tiết diện chữ nhật cốt đơn Hình 1.5 Sơ đồ ứng suất tính tốn tiết diện chữ nhật cốt kép Hình 1.6 Sơ đồ ứng suất tính tốn tiết diện chữ T cốt đơn Hình 1.7 Sơ đồ ứng suất tính tốn tiết diện chữ T cốt kép Hình 1.8 Sơ đồ ứng suất tính tốn cột chữ nhật chịu nén lệch tâm phương Hình 1.9 Sơ đồ tính tốn cốt thép đối xứng tiêu chuẩn TCXDVN 356 Hình 1.10 Sơ đồ tính tốn cốt thép đối xứng tiêu chuẩn BS8110 Hình 1.11 Sơ đồ tính toán cốt thép đối xứng tiêu chuẩn Eurocode Hình 1.12 Sơ đồ tính tốn cốt thép đối xứng tiêu chuẩn ACI 318 Hình 1.13 Biểu đồ tương tác Hình 1.14 Sơ đồ ứng suất tính tốn cột chữ nhật chịu nén lệch tâm phương thép nhiều lớp Hình 1.15 Sơ đồ ứng suất cột chịu nén lệch tâm xiên Hình 1.16 Biểu đồ tương tác cho cột chịu nén lệch tâm xiên DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén tính tốn bê tơng Bảng 1.2 Hệ số an tồn bê tơng Bảng 1.3 Cường độ chịu kéo tính tốn cốt thép Bảng 1.4 Hệ số an tồn cốt thép Bảng 1.5 Cơng thức tính tốn tiết diện chữ nhật cốt đơn Bảng 1.6 Công thức tính tốn tiết diện chữ nhật cốt kép Bảng 1.7 Điều kiện trục trung hịa qua cánh Bảng 1.8 Cơng thức tính tốn tiết diện chữ T cốt đơn Bảng 1.9 Cơng thức tính tốn tiết diện chữ T cốt kép Bảng 1.10 Hàm lượng cốt thép max, Bảng 1.11 Tính tốn cốt đai chịu cắt Bảng 1.12 Cơng thức tính tốn cột chữ nhật chịu nén lệch tâm phương Bảng 1.13 Cơng thức tính tốn cột chữ nhật chịu nén lệch tâm phương thép nhiều lớp Bảng 1.14 Công thức xét độ mảnh cột Trang PHẦN MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài Sau tiến hành nghiên cứu sản phẩm có liên quan đến đề tài công ty tư vấn thiết kế có sử dụng phần mềm liên quan đến vấn đề tính thép nhóm tác giả nhận thấy tồn vấn đề sau đây: Các phần mềm tính thép sử dụng theo tiêu chuẩn nước Các phầm mềm sử dụng bán quyền Và nhóm tác giả nhận thấy cần phải cho đời phần mềm tính thép sử dụng miễn phí với tính dễ sử dụng áp dụng theo tiêu chuẩn Việt Nam, giúp người sử dụng hồn thành tốt cơng việc cách xác nhanh chóng.Và lý hình thành nên đề tài: “ Xây dựng phần mềm tính tốn cốt thép Matlab” II Tổng quan lịch sử nghiên cứu đề tài Hiện giới có nhiều phần mềm tính thép Sap2000, Etabs…nhưng phần mềm nước ngồi lập trình dựa theo tiêu chuẩn thiết kế nước phương Tây, nhóm tác giả nghiên cứu phần mềm Matlab ứng dụng phần mềm Matlab vào việc xây dựng phần mềm tính thép theo tiêu chuẩn Việt Nam MatLab phần mềm chuyên dụng chạy môi trường Windows hãng MathWork sản xuất cung cấp Có thể coi MatLab ngơn ngữ tính tốn, kỹ thuật Nó tích hợp cơng cụ mạnh phục vụ tính tốn, lập trình, thiết kế, mô phỏng,… môi trường dễ sử dụng tốn lời giải biểu diễn theo ký hiệu toán học quen thuộc Ban đầu Malab viết để phục vụ cho việc tính tốn ma trận Trải qua thời gian dài, phát triển thành cơng cụ hữu ích, ngơn ngữ tính tốn kỹ thuật Trong mơi trường đại học, cơng cụ chuẩn cho khoá học mở đầu cao cấp tốn học, khoa học kỹ thuật Trong cơng nghiệp, cơng cụ lựa chọn cho việc phân tích, phát triển nghiên cứu hiệu suất cao GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang III Mục tiêu nghiên cứu Tạo công cụ tính thép sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab Cung cấp cho đội ngũ kỹ sư chuyên môn cơng cụ hỗ trợ, giúp đẩy nhanh xác hóa q trình tính tốn thép Sự đời phần mềm công cụ hỗ trợ sinh viên trình học tập thực đồ án chuyên ngành có liên quan IV Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu Đội ngũ kĩ sư hành nghề liên quan đến việc tính tốn cốt thép Sinh viên học tập khoa KTCT Các cá nhân liên quan khác V Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết tính tốn cấu kiện bê tông cốt thép Ngôn ngữ Matlab Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông bê tông cốt thép “ TCXDVN 356:2005” VI Những đóng góp đề tài vấn đề mà đề tài chưa thực Những đóng góp đề tài: - Ứng dụng ngôn ngữ Matlab vào việc xây dựng phần mềm tính thép - Việc tính tốn cốt thép phần mềm sử dụng theo tiêu chuẩn Việt Nam - Việc tính thép thực cấu kiện dầm khung 2D Những vấn đề mà đề tài chưa thực được: - Việc tính thép chưa thực cấu kiện khung 3D GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 VẬT LIỆU 1.1.1 Bê tơng: 1.1.1.1 Thí nghiệm xác định khả chịu nén bê tơng a Mẫu thí nghiệm hình lập phương Để xác định khả chịu nén bê tông, số tiêu chuẩn sử dụng mẫu thí nghiệm hình lập phương cạnh 150mm (Hình 1.1) định nghĩa cường độ đặc trưng mẫu lập phương suy từ phép thống kê kết qủa thí nghiệm: f cube = f cube,m (1 − Sν ) Trong đó: f cube,m = ∑f cube ,i n cường độ chịu nén trung bình mẫu thí nghiệm; S = 1.64 ứng với xác suất đảm bảo 95%; ν= σ= σ f cube,m hệ số biến động; ∑ (f − f cube,m ) cube ,i n −1 độ lệch quân phương; f cube,i cường độ chịu nén thời điểm 28 ngày tuổi mẫu thí nghiệm thứ i ; n số lượng mẫu thí nghiệm GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 150 150 150 Hình 1.1 Mẫu thí nghiệm hình lập phương cạnh 150mm [6] b Mẫu thí nghiệm hình lăng trụ Một số tiêu chuẩn sử dụng mẫu thí nghiệm hình lăng trụ đường kính 150mm, chiều cao 300mm (Hình 1.2) để xác định khả chịu nén bê tông định nghĩa cường độ đặc trưng mẫu lăng trụ suy từ phép thống kê kết qủa thí nghiệm: f cyl = f cyl,m (1 − Sν ) Trong đó: f cyl,m = ∑f cyl,i n cường độ chịu nén trung bình mẫu thí nghiệm ; S = 1.64 ứng với xác suất đảm bảo 95%; ν= σ= σ f cyl,m hệ số biến động; ∑ (f − f cyl,m ) cyl,i n −1 độ lệch quân phương; f cyl,i cường độ chịu nén thời điểm 28 ngày tuổi mẫu thí nghiệm thứ i ; n số lượng mẫu thí nghiệm GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 45 for cci=(3*cc-2):3*cc ii=ii+1; n=NoiLucCot(cci,2); my=NoiLucCot(cci,3); mx=NoiLucCot(cci,4); [As,muy]=TinhThepCot(cx,cy,mx,my,n,lo,Rs,Rb,Eb,Csi); Asi(ii)=As; muyi(ii)=muy; end Ass(cc,1)=max(Asi); muyy(cc,1)=max(muyi); end thepcot=[(1:size(NoiLucCot,1)/3)',Ass,muyy]; %% tinh toan cho dam errordlg('Da Tinh Toan Xong','Thông Báo','modal') % Tinh Thep function [As,muy]=TinhThepCot(cx,cy,mx,my,n,lo,Rs,Rb,Eb,Csi) % Tinh lech tam ngau nhien, don vi mm eax=max(lo/600,cx/30);eax=round(eax+10); eay=max(lo/600,cy/30);eay=round(eay+10); %1 - Xet uon doc hai phuong % Phuong x lamdax=lo/cx; e1x=mx*1000/n; eox=max(eax,e1x); if lamdax < nguyx=1; else Ix=cx*cx*cx*cy/12; % moen quan tinh truc x thetax=(0.2*eox+1.05*cx)/(1.5*eox+cx); Ncrx=2.5*thetax*Eb*Ix/(lo*lo*1000); nguyx=1/(1-n/Ncrx); end Mx_sao=n*nguyx*eox/1000; % don vi KNm % Phuong y lamday=lo/cy; e1y=my*1000/n; eoy=max(eay,e1y); if lamday My_sao/cy h=cx; b=cy; M1=Mx_sao; M2=My_sao; GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 46 else h=cy; b=cx; M1=My_sao; M2=Mx_sao; end % Gia thiet a=h/10; ho=h-a;za=h-2*a;xo=Csi*ho; % - Tinh Toan x1=n*1000/Rb/b;% don vi mm if x1 % ĐỀ Bài >> % Cho cx=600mm, cy=400mm, chiều dài tính tốn lox=loy=4000mm >> % N = 1200kN, Mx=300kNm, My=156kNm,độ lệch tâm ngẫu nhiên eax=20mm, eay=15mm >> % Bê tơng có Rb = 13MPa, thép có Rs=Rcs=280MPa, Csi = 0.6 GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 49 >> % Giai >> % Nhap du lieu >> cx=600; cy=400; lo=4000; n=1200; mx= 300; my=156; Rb= 13; Eb=29000; Csi=0.6; Rs=280; >> %tinh toan >> [As,muy]=TinhThepCot(cx,cy,mx,my,n,lo,Rs,Rb,Eb,Csi) As = 5.0978e+003 muy = 2.1241 GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 50 CHƯƠNG III GIỚI THIỆU PHẦM MỀM 3.1 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM Khởi động chương trình: xuất giao diện phần mềm Chọn modun “ tính thép khung” hay “ tính thép dầm” + Nếu chọn modun “ tính thép khung” xuất giao diện sau: GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 51 + Nếu chọn modun “ tính thép dầm” xuất giao diện sau: Gán liệu đầu vào toán GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 52 Sau gán liệu xong, click chuột vào ô “ tính cốt thép dọc” xuất kết diện tích thép GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 53 Hoặc click chuột vào ô “ tính cốt thép đai” xuất kết diện tích thép đai Trường hợp tính thép khung: sau gán liệu xong, chọn đường dẫn chứa file liệu Sau click chuột vào chuyển liệu GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 54 Sau chuyển liệu xong, click chuột chọn file kết Mở file kết xong, click chuột vào “ tính cốt thép” sau “ xuất kết quả” GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 55 3.2 VÍ DỤ TÍNH TỐN Dữ liệu tốn: Tiết diện cột có cx = 600mm; cy = 400mm Chiều dài tính tốn lox = 4m Lực nén N= 2400kN; momen Mx = 142 kNm; My = 120 kNm Cột thuộc khung siêu tĩnh, độ lệch tâm ngẫu nhiên theo hai phương eax = 20mm; eay = 15mm Bê tơng có Rb = 13 Mpa; E = 29000Mpa u cầu tính tốn cốt thép với Rs = Rsc = 280MPa Hệ số ξ R = 0.6 3.2.1 Phương pháp giải tay Giải: Xét uốn dọc phương: Phương x có λ = 4000 < ; lấy ηx = 600 Có M x* = M x = 142kNm Phương y có λ = My e1 = I= θ= N cx y 3y 12 = 120 = 0, 05m = 50mm > ea = 15mm ; lấy eoy = 50mm 2400 = 600 × 4003 = 32 ×108 mm 12 0, 2eo + 1, 05c y 1,5eo + c y N cr = ηy = 4000 > ; tính ηy 400 = 0, × 50 + 1, 05 × 400 = 0,905 1,5 × 50 + 400 2,5θ Eb I 2,5 × 0,905 × 29000 × 32 × 108 = = 13122kN lo2 40002 1 = = 1, 224 N 2400 1− 1− N cr 13122 M *y = Nη y eoy = 2400 × 1, 224 × 0, 05 = 146,88kNm Mơ hình tính tốn: GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 56 M x* 142 = = 237 kN 0, cx M *y cy Có = 146,88 = 367 kN 0, M *y cy > M x* Vậy tính theo phương y cx h = cy = 400 mm b = cx = 600 mm M = M *y = 146,88kNm M2 = 142 kNm Giả thiết: a = 40mm ; ho = 400 – 40 = 360 mm Za = 400 – 80 = 320mm ; ξRho = 0,6 x 360 = 216mm Tính tốn x1 = N 2400 ×1000 = = 308mm < ho Rb b 13 × 600 mo = − 0, x1 0, × 308 = 1− = 04867 ho 360 M = M + mo M eo = h 400 = 146,88 + 0, 4867 ×142 = 193 kNm 600 b M 193 = = 0, 0804m = 80,4mm N 2400 e = eo + 0,5h − a = 80, + 0,5 × 400 − 40 = 240, 4mm Có x1 = 308 > ξ R ho = 216 Tính theo lệch tâm bé Xác định ε o = eo 80, = = 0, 2233 ho 360 ⎛ − ξR ⎞ 0, ⎛ ⎞ 360 = 257, 2mm x = ⎜ ξR + h = ⎜ 0, + ⎟ o ⎟ 50 ε 50 0, 2233 + + × ⎝ ⎠ o ⎠ ⎝ GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 57 As/ = Ne − Rb hx ( ho − 0,5 x ) 24 ×105 × 240, − 13 × 600 × 257, ( 360 − 128, ) = = 1258mm Rsc Z a 280 × 320 Ast = K s As/ = 2,5 × 1258 = 3145mm 3.2.2 Phương pháp giải phần mềm Matlab >> % ĐỀ Bài >> % Cho cx=600mm, cy=400mm, chiều dài tính tốn lox=loy=4000mm >> % N = 2400kN, Mx=142kNm, My=120kNm, độ lệch tâm ngẫu nhiên eax=20mm, eay=15mm >> % Bê tơng có Rb = 13MPa, thép có Rs=Rcs=280MPa, Csi = 0.6 >> % Giai >> % Nhap du lieu >> cx=600; cy=400; lo=4000; n=2400; mx= 142; my=120; Rb= 13; Eb=29000; Csi=0.6; Rs=280; >> %tinh toan >> [As,muy]=TinhThepCot(cx,cy,mx,my,n,lo,Rs,Rb,Eb,Csi) As = 3.1455e+003 muy = 1.3106 Nhận xét: Qua hai phương pháp giải cho kết diện tích cốt thép giống Phương pháp giải phần mềm Matlab cho kết nhanh chóng phương pháp giải tay GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Qua nghiên cứu thử nghiệm, nhóm tác giả nhận thấy rằng: • Phần mềm tính tốn cốt thép thương mại hóa, sử dụng rộng rãi miễn phí thay phải mua quyền phần mềm • Nhóm tác giả áp dụng tiêu chuẩn “TCXDVN 356-2005” Việt Nam tính cốt thép vào phần mềm • Phần mềm tính tốn cốt thép giúp cho việc tính tốn cốt thép nhanh chóng, giúp bạn sinh viên sử dụng vào làm đồ án giải khối lượng lớn tập KIẾN NGHỊ • Nhóm tác giả kiến nghị nhà trường tạo điều kiện để nhóm giới thiệu sản phẩm đến đơn vị để phát triển sản phẩm • Hướng nghiên cứu nhóm phát triển phầm mềm việc tính thép vẽ biểu đồ tương tác cho khung 3D GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO Trang 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Gs Ts Nguyễn Đình Cống (2008),tính tốn thực hành cấu kiện bê tông cốt thép,NXB Xây dựng [2] Nguyễn Khánh Hùng (2006), Tính nội lực cốt thép Sap2000 version9, NXB thống kê [3] TS Nguyễn Trung Hịa, Kết cấu bê tơng cốt thép theo quy phạm Hoa Kỳ, NXB Xây dựng [4] Ths Ngô Thế Phong (2005), Kết cấu bê tông cốt thép, NXB Khoa học- Kỹ thuật [5] Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật [6] Võ Bá Tầm (2009), Kết cấu bê tông cốt thép – Cấu kiện (tập 1), NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh [7] Bùi Quang Trường, Tính kết cấu bê tông cốt thép, NXB Xây dựng [8] Ts Hồ Văn Sung, Thực hành xử lý số tín hiệu máy tính PC với Matlap, NXB Khoa học kỹ thuật [9] Phạm Thị Ngọc Yến (2005), Cơ sở Matlap ứng dụng, NXB Lao động – Xã hội [10] Computers and Structures Inc, Sap2000 Concrete Design manual (2000) [11] Arthur H.Nilson, Design of Concrete Structures, The McGraw-Hill Companies Inc (1997) GVTH: NGUYỄN ĐÌNH DƯ – NGUYỄN BÁ NGỌC THẢO