Phân tích phi tuyến khung thép nửa cứng sử dụng phương pháp vùng dẻo

Sự khác biệt giữa phân tích tuyến tính và phân tích phi tuyến nằm ở chỗ: phân tích tuyến tính không xét ảnh hưởng qua lại giữa các tác nhân nội lực như lực dọc ảnh hưởng lên mô men uốn t

Tôi tên là: PHẠM THÁI

Ngày sinh: 12/08/1995 Nơi sinh: Đăklăk

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Mã học viên: 1885802080018

Tôi đồng ý cung cấp toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp hợp lệ về bản quyền cho Thư viện trường đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh Thư viện trường đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh sẽ kết nối toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp vào hệ thống thông tin khoa học của Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh

Ý KIẾN CHO PHÉP BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC sĩ

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN PHÚ CƯỜNG

Học viên thực hiện: PHẠM THÁI Lớp: MCON018A

Tên đề tài: Phân Tích Phi Tuyến Khung Thép Nửa Cứng Sử Dụng Phương Pháp Vùng

Dẻo.

Ý kiến của giáo viên hướng dẫn về việc cho phép học viên PHẠM THÁI được bảo vệ luận

văn trước Hội đồng:

Người nhận xét

TS NGUYỄN PHÚ CƯƠNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng công trình nghiên cứu về đề tài: “Phân Tích Phi Tuyến Khung Thép Nửa Cứng Sử Dụng Phương Pháp Vùng Dẻo” là một công trình nghiên cứu của chính bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của thầy TS Nguyễn Phú Cường

Số liệu và kết quả tính toán từ mô hình ABAQUS được trình bày ở phân tích này do chính tôi thực hiện là hoàn toàn trung thực, mới, và tôi chưa thấy nơi nào trình bày chi tiết về vấn đề tôi đang nghiên cứu này

Tác giả

PHẠM THÁI

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng của bản thân, em còn nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hỗ trợ tận tình của thầy cô giáo, bạn bè và những người thân trong gia đình.

Lời đầu tiên, xin gửi lời kính trọng và biết on sâu sắc đến Thầy Tiến sĩ Nguyễn Phú Cường, anh Thạc sĩ Nguyễn Văn Thường, những người đã luôn sát cánh, nhiệt tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành

đề tài này.

Bản thân tôi cũng xin bày tỏ lòng biết on đến các thầy cô, giảng viên Khoa Xây Dựng và Khoa Sau Đại học Trường Đại học Mở TP.HCM đã truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn, đặc biệt hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại trường.

Tôi xin cám on Bộ Giáo Dục và Đào Tạo Việt Nam đã hỗ trợ một phần kinh phí nghiên cứu, một phần nhỏ kinh phí được trích từ đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ mang mã số đề tài B2023-MBS-03 đã giúp đề tài hoàn thành một cách hiệu quả nhất có thể.

Mặc dù đã rất nổ lực để chính mình thực hiện và hoàn thành luận văn này, nhung với những hiểu biết còn hạn chế và thời gian nghiên cứu có hạn, chắc rằng luận văn không tránh khỏi những sai sót nhất định, học viên kính mong Quý Thầy Cô và bạn

bè thông cảm và đóng góp ý kiến để học viên có thể bổ sung và hoàn thiện luận văn này.

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết on sâu sắc đến gia đình, bạn bè, những người

đã luôn bên tôi động viên, khuyến khích tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành

đề tài này trong tưong lai sau này.

Tp HCM, Ngày 10 tháng 03 năm 2023

Học viên

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn tập trung nghiên cứu về các hiện tượng vật lý và phi tuyến phức tạp của kết cấu khung thép Hiệu ứng bậc 2 (phi tuyến hình học) được xét đến trong nghiên cứu này Ứng xử không đàn hồi của vật liệu thép được giả thuyết là đàn dẻo

lý tưởng Liên kết giữa dầm nối với cột cũng được xét đến bằng cách thay thế bằng phần tử lò xo xoay bằng kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn dùng phần tử connector trong Abaqus, ứng xử mô men góc xoay của lò xo là đường cong phi tuyến Đường quan hệ ứng xử mô men góc xoay được thể hiện lại qua các hàm toán học thông qua

mô hình 3 tham số của Kishi-Chen, mô hình hàm mũ của Lui-Chen, … Ba loại phần

tử trong thư viện Abaqus được dùng trong nghiên cứu này là phần tử Wire/beam, shell, solid Phần tử dầm cột được chia nhỏ thành nhiều phần tử để xét đến sự chảy dẻo từng phần của dầm và cột (vùng dẻo) Ứng suất dư cũng được xét đến trong nghiên cứu này cho trường hợp dùng phần tử shell và solid

Phần mềm Abaqus được dùng để tiến hành nghiên cứu này Tác giả khảo sát qua 4 ví dụ ở Chương 5 để khảo sát các ứng xử phi tuyến Một số kết quả phân tích được so sánh với các công bố quốc tế uy tín nhằm kiểm chứng lại độ chính xác và kỹ thuật mô phỏng đúng đắn dùng phần mềm PTHH Abaqus Ứng xử phi tuyến của khung thép được học viên nghiên cứu chi tiết dùng cả ba loại phần tử hữu hạn của Abaqus (Wire/Beam, Shell, Solid)

Kết quả đạt được là cái nhìn bao quát hơn về ứng xử thật của Kết cấu khung thép, đặc biệt là việc sử dụng phần mềm Abaqus phân tích nâng cao các kết cấu khung thép, giúp người nghiên cứu hiểu rõ ứng xử thực của kết cấu thép trong thực tế và thiết kế thực hành

ABSTRACT

This thesis focuses on the study of physical and nonlinear complex phenomena

of steel frame structures The second-order effect (Geometric nonlinearity) is considered in this study The material behavior of steel is assumed to be perfectly plastic The connection between beam and column is also considered by replacing the rotational spring element with finite element connector technique in Abaqus, and the nonlinear moment-rotation curve of the spring is taken into account The moment-rotation relationship is expressed mathematically using the 3-parameter model of Kishi-Chen, the exponential model of Lui-Chen, etc Three types of elements in the Abaqus library, namely wire/beam, shell, and solid elements, are used in this study The beam-column element is divided into many small elements to consider the local plastic deformation (plastic zone) of the beam and column The residual stress is also considered in this study for the case of using shell and solid elements

The Abaqus software is used to conduct this study The author examines four examples in Chapter 5 to investigate nonlinear behavior Some of the analysis results are compared with reputable international publications to verify the accuracy and correctness of the finite element modeling using Abaqus The nonlinear behavior of steel frames is studied in detail using all three types of Abaqus finite elements (wire/beam, shell, and solid)

The results achieved provide a more comprehensive understanding of the actual behavior of steel frame structures, especially the use of advanced Abaqus analysis for steel frame structures, which helps researchers understand the actual behavior of steel structures in practice and in design

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II TÓM TẮT LUẬN VĂN III DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ X

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.2 XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 2

1.2.1 Phân tích phi tuyến 5

1.2.2 Phi tuyến hình học (Geometry Nonlinearity) 5

1.2.3 Phi tuyến vật liệu (Material Nonlinearity) 6

1.2.4 Phi tuyến liên kết (Connection Nonlinearity) 7

1.2.5 Sự không hoàn hảo về hình học (Geometry Imperfection) 7

1.2.6 Ứng suất dư (Residual Stress) 8

1.2.7 Vùng Panel (Panel Zone) 12

CHƯƠNG 2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 13

2.1 CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI 13

2.2 CÁC NGHIÊN CỨU Ở VIỆT NAM 16

2.3 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN 18

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG THÉP 20

3.2 CÁC CẤP ĐỘ PHÂN TÍCH 20

3.3 PHƯƠNG PHÁP VÙNG DẺO (Plastic zone method) 22

3.4 MÔ HÌNH VẬT LIỆU VÀ SỰ SAI LỆCH HÌNH HỌC 23

3.4.1 Mô hình vật liệu thép 23

3.4.2 Sự sai lệch hình học 24

3.5 CÁC MÔ HÌNH LIÊN KẾT NỬA CỨNG 24

3.5.1 Mô hình ba thông số (Kishi – Chen) 25

3.5.2 Mô hình hàm mũ Chen Lui (Exponential Model) 27

3.5.3 Mô hình bốn thông số (Richard – Abbott Model) 28

3.6 MÔ HÌNH LIÊN KẾT LÒ XO XOAY 3 CHIỀU 29

3.6.1 Các thành phần kết nối cơ bản tịnh tiến 34

3.6.2 Các thành phần kết nối cơ bản quay 35

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

4.1 PHẦN MỀM ABAQUS 37

4.1.1 Đơn vị trong Abaqus 37

4.1.2 Các phần tử trong Abaqus 37

4.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44

4.2.1 Quy trình nghiên cứu 44

4.2.2 Mô phỏng phân tích cho khung thép điển hình 44

4.2.3 Mô phỏng các bước phân tích đặc biệt cho khung thép 66

4.3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN PHI TUYẾN KẾT CẤU 69

4.3.1 Phân tích chu kỳ trực tiếp 69

4.3.2 Trình giải phương trình tuyến tính lặp 71

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 74

5.1 KHUNG CỔNG TRỤC CỦA VOGEL (Portal Vogel’s) 74

5.1.1 Liên kết cứng 75

5.1.2 Liên kết nửa cứng 96

5.1.3 Liên kết khớp 105

5.2 KHUNG THÉP PHẲNG 2 NHỊP, 6 TẦNG VOGEL 110

5.3 KHUNG KHÔNG GIAN VUÔNG (Square Space Frame) 116

5.4 KHUNG 3D HAI TẦNG (Two-story three-dimensional frame - HCN ) 120

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 124

6.1 KẾT LUẬN 124

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1 Khái niệm về chênh lệch bền uốn cho các phương pháp phân tích nâng cao

khác nhau,(Sheta, 2014) 23

Bảng 4 1 Hệ thống đơn vị SI (mm) 37

Bảng 4 2 Phân tích các loại phần tử tác giả sử dụng trong luận văn này.(‘Abaqus Analysis User’s Guide (6.14)’) 38

Bảng 4 3 Vật liệu sử dụng cho bài toán khung cổng trục Vogel (1 tầng 1 nhịp) 46

Bảng 5 1.Kích thước và đặc trưng hình học của tiết diện sử dụng cho khung 1 tầng 1 nhịp (khung cổng trục Vogel’s) 74

Bảng 5 2.Thông số vật liệu cho khung 1 tầng 1 nhịp (khung cổng trục Vogel’s) 74

Bảng 5 3 Các hệ số mất ổn định khung cổng Vogel 77

Bảng 5 4 Các hệ số mất ổn định khung cổng Vogel – Wire 3D 81

Bảng 5 5 Các hệ số mất ổn định khung cổng Vogel – Shell, không xét ứng suất dư (USD) 85

Bảng 5 6 Các hệ số mất ổn định khung cổng Vogel – Shell, xét ứng suất dư (USD) 87

Bảng 5 7 Các hệ số mất ổn định khung cổng Vogel – Solid, không xét ứng suất dư (USD) 91

Bảng 5 8 Các hệ số mất ổn định khung cổng Vogel – Solid, xét ứng suất dư (USD) 93

Bảng 5 9 So sánh liên kết nửa cứng với các kết quả trước 99

Bảng 5 10 So sánh liên kết nửa cứng với các kết quả trước 100

Bảng 5 11 So sánh liên kết nửa cứng với các kết quả trước 102

Bảng 5 12 So sánh liên kết nửa cứng với các kết quả trước 104

Bảng 5 13 So sánh liên kết khớp với các kết quả trước 106

Bảng 5 14 So sánh liên kết khớp với các kết quả trước 107

Bảng 5 15 Vật liệu sử dụng cho bài toán 111

Bảng 5 16 Kích thước và đặc trưng hình học của tiết diện sử dụng cho khung 6 tầng 2 nhịp 111

Bảng 5 17 So sánh liên kết khớp với các kết quả trước 113

Bảng 5 18 Thông số liên kết nửa cứng theo mô hình hàm mũ, 114 (Lui and Chen, 1986), (Lui and Chen, 1988) 114 Bảng 5 19 Thông số tiết diện khung không gian vuông 117 Bảng 5 20 Bảng kết quả so sánh khung không gian vuông (Square Space Frame) 117 Bảng 5 21 Thông số tiết diện khung 3D hai tầng (Two-story frame) 121 Bảng 5 22 Bảng kết quả so sánh khung 3D hai tầng (Two-story frame) 121

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Tòa nhà Burj Khalifa 1

Hình 1 2 Tòa nhà Empire State 1

Hình 1 3 Tòa nhà Willis Tower 1

Hình 1 4 Tòa nhà Bank of China Tower 1

Hình 1 5 Tòa nhà Hearst Tower 2

Hình 1 6 Nhà xưởng Cty Hafprodex 4

Hình 1 7 TaHsing Erictric Wire &Cabre 4

Hình 1 8 Công ty CP thép Hòa Phát Dung Quất 4

Hình 1 9 Công Ty TNHH Đầu Tư Phát Triển Khải Phát 4

Hình 1 10 Ứng suất dư do quá trình cán 9

Hình 1 11 Đường cong ứng suất - biến dạng thép khi có ảnh hưởng của ứng suất dư 10

Hình 1 12 Mẫu ứng suất dư Lehigh Notes (US, 1965) 11

Hình 1 13 Mẫu ứng suất dư (Vogel, 1985) 11

Hình 1 14 Mẫu ứng suất dư của thép tổ hợp hàn (Kim and Lee, 2002) 12

Hình 3 1 Các cấp độ phân tích (Mcguire, Gallagher and Ziemian, 2000) và (Chen, Kishi and Komuro, 2014) 21

Hình 3 2 Mô hình Đàn - Dẻo lý tưởng (Perfectly Elastic-Plastic Model) 24

Hình 3 3 Biến dạng liên kết Dầm – Cột (Deformation point of Beams - Columns) 25

Hình 3 4 Ứng xử Mômen – Góc xoay của mô hình ba tham số Kishi – Chen (1987) 26

Trong đường dẫn tải nguyên bản, quan hệ mô men – góc xoay (Hình 3 5.) theo thời điểm được thể hiện theo biểu thức sau: 28

Hình 3 6 Mô hình liên kết bốn thông số (Richard and Abbott, 1975) 29

Hình 3 7 Mô hình mô phỏng liên kết nửa cứng 30

Hình 3 8 Mô hình lò xo 30

Hình 3 9 Kiểu kết nối JOIN 31

Hình 3 10 Kiểu kết nối xoay 33

Hình 4 1 Vị trí nút cho một phần tử hữu hạn 41

Hình 4 2 Phần tử tấm vỏ thông thường so với liên tục 42

Hình 4 3 Hình dạng, sơ đồ tính của kết cấu 45

Hình 4 4 Hình dạng, kích thước của tiết diện Cột – Dầm (HEA340, HEB300) 45

Hình 4 5 Các Part mô hình trong bài toán khung cổng trục Vogel (1 tầng 1 nhịp) 46 Hình 4 6 Part cột HEB300 47

Hình 4 7 Part dầm HEA340 47

Hình 4 8 Part cột HEB300 47

Hình 4 9 Part dầm HEA340 47

Hình 4 10 Part nút giao dầm và cột PANELZONE-HEA340 47

Hình 4 11 Part dầm HEA340 47

Hình 4 12 Part cột FLANGE HEB300 48

Hình 4 13 Part cột WEB HEB300 48

Hình 4 14 Part tấm thép gia cường PLATE 48

Hình 4 15 Part dầm HEA340 FB 48

Hình 4 16 Part dầm HEA340 FT 48

Hình 4 17 Part dầm HEA340-W 48

Hình 4 18 Part nút giao dầm và cột HEA340 FB-PNZ 48

Hình 4 19 Part nút giao dầm và cột HEA340 FT-PNZ 49

Hình 4 20 Part nút giao dầm và cột HEA340-W-PNZ 49

Hình 4 21 Part cột HEB300 FB 49

Hình 4 22 Part cột HEB300 FT 49

Hình 4 24 Part tấm thép gia cường PLATE P 49

Hình 4 25 Part tấm thép gia cường PLATE T 49

Hình 4 26 Khai báo vật liệu thép trong bài toán khung cổng trục Vogel (1 tầng 1 nhịp) 50

Hình 4 29 Khai báo tiết diện thép trong bài toán khung cổng trục Vogel (1 tầng 1 nhịp) 51

Hình 4 30 Gán tiết diện thép trong bài toán khung cổng trục Vogel (1 tầng 1 nhịp) 51

Hình 4 31 Gán các Part với nhau thành mô hình hoàn chỉnh 52

Hình 4 32 Khai báo liên kết cho dầm cột 52

Hình 4 33 Thiết lập các bước phân tích 53

Hình 4 34 Khai báo điều kiện biên chân cột 53

Hình 4 35 Gán tải trọng cho bài toán 54

Hình 4 36 Chia nhỏ phần tử cột 54

Hình 4 37 Chia nhỏ phần tử dầm 55

Hình 4 38 Khai báo bước giải cho bài toán 55

Hình 4 39 Chạy mô hình bài toán 56

Hình 4 40 Thể hiện hình dạng, sơ đồ tính của kết cấu 56

Hình 4 41 Hình dạng, kích thước của tiết diện Cột – Dầm (HEB160, HEB200) 57

Hình 4 42 Hình dạng, kích thước của tiết diện Cột – Dầm (HEB220, HEB240) 57

Hình 4 43 Hình dạng, kích thước của tiết diện Cột – Dầm (IPE300, IPE330) 58

Hình 4 44 Hình dạng, kích thước của tiết diện Cột – Dầm (HEB260, IPE240) 58

Hình 4 45 Hình dạng, kích thước của tiết diện Cột – Dầm (HEB360, IPE400) 59

Hình 4 46 Các Part mô hình trong bài toán khung phẳng 6 tầng Vogel (6 tầng 2 nhịp) 60

Hình 4 47 Part cột 60

Hình 4 48 Part dầm 60

Hình 4 47 Khai báo vật liệu thép bài toán khung phẳng 6 tầng Vogel (6 tầng 2 nhịp)

61

Hình 4 52 Khai báo tiết diện thép bài toán khung phẳng 6 tầng Vogel (6 tầng 2 nhịp) 61

Hình 4 53 Gán tiết diện thép trong bài toán khung phẳng 6 tầng Vogel (6 tầng 2 nhịp) 62

Hình 4 54 Gán các Part với nhau thành mô hình hoàn chỉnh 62

Hình 4 55 Khai báo liên kết cho dầm cột 63

Hình 4 56 Thiết lập các bước phân tích 63

Hình 4 57 Khai báo điều kiện biên chân cột 64

Hình 4 58 Gán tải trọng cho bài toán 64

Hình 4 59 Chia nhỏ phần tử cột 65

Hình 4 60 Chia nhỏ phần tử dầm 65

Hình 4 61 Khai báo bước giải cho bài toán 66

Hình 4 62 Chạy mô hình bài toán 66

Hình 4 63 Cửa sổ create step 67

Hình 4 64 Của sổ Edit step 67

Hình 4 65 Gán độ cứng cho Panezone 68

Hình 4 66 Mặt cắt tiết diện cột 69

Hình 4 67 Mặt cắt tiết diện dầm 69

Hình 4 68 Gán ứng xuất dư cho cột 69

Hình 4 69 Một hàm chuyển vị tại mọi thời điểm t trong một chu kỳ tải với chu kỳ T ở các lần lặp khác nhau.(‘Abaqus Analysis User’s Guide (6.14)’) 70

Hình 5 1 Sơ đồ tính của khung cổng trục 74

Hình 5 2 3D khung Wire 2D 75

Hình 5 3 So sánh đường cong chuyển vị tải trọng – Wire 2D 76

Hình 5 5 Các vị trí khớp dẻo trong khung – Wire 2D 78

Hình 5 6 Chảy dẻo vùng chân cột – Wire 2D (Hướng dưới nhìn lên) 79

Hình 5 7 3D khung Wire 3D 79

Hình 5 8 So sánh đường cong chuyển vị tải trọng – Wire 3D 80

Hình 5 9 Đường cong chuyển vị tải trọng – Wire 3D – chia nhiều phần tử 81

Hình 5 10 Các vị trí khớp dẻo trong khung – Wire 3D 82

Hình 5 11 Chảy dẻo vùng chân cột – Wire 3D (Hướng dưới nhìn lên) 82

Hình 5 12 3D khung phần tử Shell 83

Hình 5 13 Panel zone nút 1,2 – Shell, S4R 84

Hình 5 14 Đường cong chuyển vị _ tải trọng – Shell, không xét ứng xuất dư (USD) 84

Hình 5 15 Chỉa nhỏ phần tử dầm cột, gán ứng suất dư cho dầm cột – Shell, S4R 86 Hình 5 16 Đường cong chuyển vị tải trọng – Shell, có xét ứng xuất dư (USD) 86

Hình 5 17 So sánh đường cong chuyển vị tải trọng _ Shell_Có và không xét USD 87

Hình 5 18 Vùng dẻo trong khung – Shell, S4R 88

Hình 5 19 Vùng dẻo trong cột – Shell, S4R 88

Hình 5 20 Chảy dẻo vùng chân cột, không có USD – Shell, S4R (Hướng dưới nhìn lên) 89

Hình 5 21 Chảy dẻo vùng chân cột, có xét đến USD – Shell, S4R (Hướng dưới nhìn lên) 89

Hình 5 22 3D khung phần tử Solid 90

Hình 5 23 Panel zone nút 1,2 – Solid, C3DR8 91

Hình 5 24 Đường cong chuyển vị tải trọng – Solid, không xét USD 91

Hình 5 25 Chỉa nhỏ phần tử dầm cột, gán ứng suất dư cho dầm cột – Solid 92

Hình 5 26 Đường cong chuyển vị tải trọng – Solid, có xét USD 93

Hình 5 27 Đường cong chuyển vị tải trọng _Solid _có và không xét USD 94

Hình 5 28 Vùng dẻo trong khung – Solid, C3DR8 94

Hình 5 29 Vùng dẻo trong cột – Solid, C3DR8 95

Hình 5 30 Chảy dẻo vùng chân cột, không USD – Solid, C3DR8 (Hướng dưới nhìn lên) 95

Hình 5 31 Chảy dẻo vùng chân cột, có USD – Solid, C3DR8 (Hướng dưới nhìn lên) 95

Hình 5 32 So sánh đường cong chuyển vị tải trọng của các dạng phần tử 96

Hình 5 33 Biểu đồ mô men - góc xoay của liên kết dầm – cột 97

Hình 5 34 Khai báo, gán đường cong liên kết dầm – cột trong Abaqus 98

Hình 5 35 Đường cong chuyển vị tải trọng – Wire 2D, không xét USD 99

Hình 5 36 Đường cong chuyển vị tải trọng – Wire 3D, không xét USD 100

Hình 5 37 Đường cong chuyển vị tải trọng – Shell 101

Hình 5 38 Đường cong so sánh chuyển vị tải trọng – Shell, xét – không xét USD 102

Hình 5 39 Đường cong chuyển vị tải trọng – Solid 103

Hình 5 40 Đường cong so sánh chuyển vị tải trọng – Solid, xét và không xét USD 104

Hình 5 41 Đường cong so sánh chuyển vị tải trọng , các dạng phần tử 105

Hình 5 42 Đường cong chuyển vị tải trọng – Wire 2D, không xét USD 106

Hình 5 43 Đường cong chuyển vị tải trọng – Wire 2D, không xét USD 107

Hình 5 44 Đường cong chuyển vị tải trọng – Shell 108

Hình 5 45 So sánh đường cong - Shell, xét và không xét USD 108

Hình 5 46 Đường cong chuyển vị tải trọng – Shell 109

Hình 5 47 So sánh đường cong - Shell, xét và không xét USD 109

Hình 5 48 So sánh đường cong chuyển vị tải trọng, các phần tử 110

Hình 5 49 Khung phẳng 2 nhịp 6 tầng Vogel 112

Hình 5 51 Các đường cong Tải trọng - Chuyển vị khung qua các tầng – Abaqus113 Hình 5 52 Quan hệ mô men – góc xoay của các loại liên kết nửa cứng theo mô hình

hàm mũ, (Lui and Chen, 1988) 115

Hình 5 53 Các đường cong Tải trọng - Chuyển vị, Wire 3D – Không USD 116

Hình 5 54 Khung không gian vuông (Square Space Frame) 117

Hình 5 55 Đường cong tải trọng và chuyển vị của khung không gian vuông 119

Hình 5 56 Tỷ kệ chảy dẻo trong khung khung không gian vuông 119

Hình 5 57 Tỷ lệ chảy dẻo của tiết diện tại mặt cắt chân cột khung không gian vuông 120

Hình 5 58 Khung 3D hai tầng (Two-story frame) 121

Hình 5 59 Đường cong tải trọng và chuyển vị của khung 3D hai tầng (Two-story frame) 122

Hình 5 60 Tỷ kệ chảy dẻo trong khung 3D hai tầng (Two-story frame) 123

Hình 5 61 Tỷ lệ chảy dẻo của tiết diện tại mặt cắt chân cột khung 3D hai tầng 123

Hình 6 1 Các dạng tiết diện kết cấu liên hợp 126

Hình 6 2 Nút liên hợp 126

Hình 6 3 Khung cột thép liên hợp, dầm thép hình (Bui et al., 2021) 127

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 GIỚI THIỆU

Kết cấu thép hiện nay đã và đang được sử dụng khá phổ biến, cụ thể, trên thế giới, các tòa nhà sử dụng kết cấu thép hiện đại đã từng chiếm vị trí đứng đầu – tọa vị lâu dài như: Vị trí 1: Tòa nhà Burj Khalifa (2009, Dubai), vị trí 2: Tòa nhà Empire State (1931, Mỹ), vị trí 3: Tòa nhà Willis Tower (1973, Mỹ), vị trí 4: Tòa nhà Bank

of China Tower (1992, Trung quốc), vị trí 5: Tòa nhà Hearst Tower (2006, Mỹ) theo (Nhà Việt, 2017) Và đến năm 2021 thì cũng đã có thêm nhiều tòa nhà, công trình kết cấu thép khác phá vỡ các vị trí đứng đầu Rõ ràng, các công trình xây dựng ứng dụng Kết cấu thép trên thế giới đã phát triển rất nhanh, ngày một mạnh mẽ và những thành tựu của Kết cấu thép thật sự rất ấn tượng

Hình 1 3 Tòa nhà Willis Tower

Hình 1 4 Tòa nhà Bank of China Tower

Hình 1 5 Tòa nhà Hearst Tower Tại Việt Nam chúng ta cũng không ngoài xu thế đó Kết cấu thép đã không dừng lại ở kết cấu nhà xưởng công nghiệp Trong lĩnh vực dân dụng, kết cấu thép đã được ứng dụng phổ biến như: nhà hàng, khách sạn, nhà ở dân dụng, tòa nhà văn phòng, trạm BTS và các công trình công cộng như: sân bay, trường học, bãi đậu xe, sân vận động, … đặc biệt đại dịch Covid là khó khăn, thách thức nhưng là cơ hội để Việt Nam thể hiện tốc độ phát triển của kết cấu thép khi xây dựng các bệnh viện bằng kết cấu thép dã chiến một cách thần tốc để vượt qua đại dịch Ở khu vực Đông Nam Á, Việt Nam là một trong những quốc gia sản xuất thép và ứng dụng kết cấu thép mạnh mẽ trong ngành xây dựng Nhiều công ty nhà thép tiền chế của Việt Nam, không những sản phẩm mà cả dịch vụ của họ được đánh giá là hàng đầu trong khu vực, có thể kể đến như Zamill (FDI), BMBnSteel (VN), ATAD (VN) , VICCO, PEB (FDI), … Với những ưu điểm nổi bậc như: khả năng chịu lực cao đáng tin cậy, tỷ trọng nhẹ, tính công nghiệp hóa cao, thi công nhanh, hình dáng kết cấu phong phú đa dạng,

… và các yếu điểm của kết cấu thép như chịu lửa kém, tính bị ăn mòn cao đã có biện pháp khắc phục Kết cấu thép đã thoát khỏi định kiến “Khô khan, rẻ tiền, hạn chế hình dáng” như trước đây, mà ngày nay Kết cấu thép trở nên “Hiện đại, thẩm mỹ, tiết kiệm, nhanh chóng”

1.2 XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU

Tình hình chiến sự thế giới leo thang, sự cạn kiệt nguồn khoán sản, kinh tế lạm phát, vật giá tăng, đứt gãy chuỗi cung ứng,… thì việc cải tiến, tối ưu hóa, đáp ứng thời gian nhanh gọn của kết cấu thép vẫn được đề xuất cao Để đáp ứng điều đó, ngoài

việc áp dụng biện pháp thi công cho phù hợp thì vấn đề phân tích, thiết kế Kết cấu thép như thế nào để đảm bảo sự ổn định, bền bỉ và kinh tế, thẩm mỹ cần được quan tâm thấu đáo

Theo thiết kế truyền thống thông thường chỉ xét đến khả năng chịu lực, ứng xử của thép ở giai đoạn đàn hồi Độ cứng liên kết tùy thuộc vào cấu tạo các nút liên kết,

sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc chung của kết cấu Khi tính toán kết cấu, thường sẽ khai báo liên kết dầm cột là tuyệt đối cứng hoặc liên kết khớp lý tưởng, điều này làm cho quá trình phân tích, tính toán được đơn giản hơn nhưng kết quả chưa thật sự tin cậy, đưa đến những dự đoán thiếu đi sự chính xác

Trong quá trình hình thành và phát triển đến nay, trên Thế giới và ở Việt Nam không ít công trình kết cấu thép đã bị sụp đổ trong quá trình đang thi công hoặc sau khi vận hành, sử dụng một thời gian do nhiều nguyên nhân: các liên kết kết cấu, biện pháp thi công, ổn định,… được thông tin trên Internet và nhiều Tạp chí như sau:

- Tại Việt Nam:

Ngày 14.7.2017 nhà xưởng của Công ty Hafprodex bị sập đổ khi đang thi công lắp dựng khung trong khu công nghiệp Châu Sơn, tỉnh Hà Nam

Ngày 17/4/2018, công trình bị sập tại công trình thi công nhà xưởng của một công ty đóng tại khu công nghiệp Mỹ Phước 3, thị xã Bến Cát, Bình Dương

Ngày 31/10/2018 Sập nhà xưởng ở Đồng Nai Công Ty TNHH Đầu Tư Phát

Ngày 19/5/2019 khung nhà thép rộng gần 3.000m2 tại xưởng của công ty ở phường Hòa Phú, Tp.Thủ Dầu Một, Bình Dương bất ngờ đổ sập, do mất ổn định liên kết

Ngày 28-10 2020, tại Nhà máy thép Hòa Phát Dung Quất, Bình Sơn, Quảng Ngãi sập xuống trong quá trình thi công

là liên kết nửa cứng (Semi-rigid connections)

Khi mô phỏng sự làm việc của kết cấu gần giống với thực tế thì kết quả thu được

sẽ chính xác hơn Nhưng để tìm được sự làm việc gần giống với thực tế cần phải trải qua nhiều thí nghiệm thực tế để khảo sát được ứng xử thật của kết cấu, quá trình này

sẽ rất tốn kém và phức tạp

Đến hiện tại, với sự phát triển mạnh mẽ, sự bức phá của khoa học kỹ thuật và công nghệ, nhiều phần mềm tính toán kết cấu được viết ra, chúng ta có thể sử dụng

các phần mềm phần tử hữu hạn có độ chính xác cao, mô phỏng được các hiện tượng vật lý phức tạp mà các phần mềm chuyên giải quyết các bài toán kỹ thuật như SAP2000 và ETABS không thể tiên đoán chính xác được Những phần mềm phần tử hữu hạn thương mại nâng cao như ABAQUS và ANSYS giúp mô phỏng các ứng xử của kết cấu một cách chính xác hơn, đáp án gần hội tụ về lời giải thực tế hay các thí nghiệm thực

1.2.1 Phân tích phi tuyến

Phân tích kết cấu là xác định chuyển vị, biến dạng và ứng suất của từng phần tử của hệ kết cấu dưới tác dụng của tải trọng nào đó Phân tích bậc nhất giả thuyết rằng biến dạng tỷ lệ với lực tác dụng, đường biểu diễn quan hệ ứng suất biến dạng là đường thẳng Tuy nhiên, phân tích này chưa xét đến sự thay đổi hình học, tính chất vật liệu

và sự thay đổi hình dạng của kết cấu trong quá trình chịu tải, , người thiết kế thường nhân thêm các hệ số để xét đến các tác động trên cho nên chưa phản ánh đúng bản chất của kết cấu

Bài toán phân tích tuyến tính thường đơn giản và không tốn nhiều công sức của máy tính Bài toán phân tích phi tuyến, quan hệ lực - biến dạng là đường cong, do đó phải giải lặp vì kết cấu đã bị biến dạng với tải trọng trước đó và ma trận độ cứng kết cấu bị suy giảm dần, máy tính sẽ cập nhật dữ liệu hình học, tính chất vật liệu, sau mỗi lần tải trọng thay đổi Một phân tích phi tuyến hoàn chỉnh cho khung thép bao gồm: Phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu và phi tuyến liên kết

Sự khác biệt giữa phân tích tuyến tính và phân tích phi tuyến nằm ở chỗ: phân tích tuyến tính không xét ảnh hưởng qua lại giữa các tác nhân nội lực như lực dọc ảnh hưởng lên mô men uốn (thường gọi đơn giản là hiệu ứng P-Delta), phân tích tuyến tính giả sử vật liệu làm việc đàn hồi tuyệt đối và độ cứng vật liệu không thay đổi, phân tích tuyến tính không xét ảnh hưởng của sự sai lệch hình học ban đầu, ứng suất dư ban đầu bên trong phần tử, … còn với phân tích phi tuyến chúng ta có thể xét tất cả các yếu tố trên Phân tích tuyến tính thì chỉ cần đưa thông số đầu vào chúng ta

sẽ có được đáp án là nội lực tương ứng Trong phân tích phi tuyến chúng ta phải giải bài toán lặp từng bước giống như bài toán thí nghiệm thực tế chúng ta tăng tải dần dần đến khi kết cấu phá hoại Trong quá trình tăng tải thì tính chất vật liệu, độ cứng kết cấu đã thay đổi và ứng xử theo tải trọng ngoài tác động lên hệ kết cấu

1.2.2 Phi tuyến hình học (Geometry Nonlinearity)

hẳn với ma trận bình thường vì có thể thêm các ẩn số chuyển vị Khác với phân tích tuyến tính mà lời giải có thể tìm được một cách đơn giản và trực tiếp, phân tích phi tuyến tính hình học thường cần đến một thủ tục lặp trong cách gia tải từng bước do

sự thay đổi hình học của kết cấu không được biết khi thành lập phương trình cân bằng và quan hệ động học cho bước tính toán hiện tại Rõ ràng, việc phân tích này rất cần thiết khi càng ngày càng có nhiều kết cấu làm bằng vật liệu nhẹ có cường độ cao Phân tích phi tuyến hình học thường được thực hiện theo hai phương pháp sau: (i) Phương pháp Dầm – Cột dùng hàm ổn định và (ii) Phương pháp phần tử hữu hạn dùng khái niệm năng lượng Trong đó phương pháp phần tử hữu hạn có nhiều thuận lợi hơn trong việc phân tích bài toán phi đàn hồi do dễ dàng mô phỏng tính phi đàn hồi của vật liệu và các ảnh hưởng liên quan như sự tái bền, ứng suất dư và sự dỡ tải Hiện tượng phi tuyến hình học đơn giản dễ hiểu nhất trong bài toán phân tích khung hay xét đến là hiệu ứng P-Delta, gồm hiệu ứng P-Delta cục bộ và P-Delta tổng thể Hiệu ứng P-Delta là hiện tượng lực dọc làm tăng mô men thứ cấp, khi có lực dọc đặt ở 2 đầu phần tử và phần tử sẽ chịu thêm mô men do lực dọc sinh ra do sự biến dạng của phần tử khỏi cấu hình biến dạng ban đầu do tác dụng của tải trọng, hiện tượng này gọi là hiện tượng P-Delta cục bộ ở cấp độ 1 phần tử, hiện tượng này không thể xét được trong phân tích tuyến tính đàn hồi

1.2.3 Phi tuyến vật liệu (Material Nonlinearity)

Sự phá hoại của khung thép phụ thuộc vào sự mất ổn định của toàn kết cấu và các cấu kiện tạo nên khung thép, kết hợp với sự chảy dẻo khi chịu tải Phân tích phi tuyến vật liệu là phân tích có kể đến ứng xử không đàn hồi của vật liệu, đường quan

hệ ứng suất không còn là đường thẳng tuyến tính mà là đường song tuyến tính, đa tuyến tính (vật liệu thép), hoặc đường cong (vật liệu bê tông chịu nén)

Có hai phương pháp chủ yếu được dùng là: phương pháp khớp dẻo và phương pháp vùng dẻo

Phương pháp khớp dẻo: phần tử được giả thuyết còn trong giai đoạn đàn hồi giữa các đầu mút, 2 đầu phần tử sẽ xuất hiện khớp dẻo khi đạt đến tiêu chuẩn chảy dẻo cụ thể Những khớp dẻo này được xem như là khớp lý tưởng trong thuật toán giải gia tăng tải trọng với moment uốn tại khớp không đổi trong bước tải kế tiếp, nghĩa là khi hình thành khớp dẻo rồi thì sơ đồ tính tại vị trí đó từ ngàm thành khớp

Phương pháp vùng dẻo: Chia mặt cắt ngang của phần tử thành nhiều thớ để mô hình hóa sự chảy dẻo qua từng thớ ở mặt cắt ngang, trong khi đó nhiều phần tử hữu hạn được sử dụng dọc theo chiều dài mỗi cấu kiện khung để giả lập sự chảy dẻo dọc

theo chiều dài Phương pháp này là cách tính chính xác nhất để tiên đoán cường độ khung và thường được chọn để kiểm tra các phương pháp khác

1.2.4 Phi tuyến liên kết (Connection Nonlinearity)

Những ảnh hưởng do độ mềm của liên kết vào kết cấu khung được bỏ qua do tính phức tạp của nó, mặc dù chúng đã được nhận thấy từ đầu thập niên 1930 Những ảnh hưởng này không chỉ làm thay đổi sự phân phối momen trong dầm và cột mà còn làm tăng độ lệch của cấu kiện và khung, do đó làm tăng ảnh hưởng của phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu khi phân tích khung Các liên kết ngàm, khớp và ngàm trượt được sử dụng trong phân tích truyền thống chắc chắn không thể đạt đại diện cho ứng

xử thực của liện kết Gần đây, những tiến bộ trong kỹ thuật máy tính làm cho việc

mô phỏng liên kết nủa cứng trở nên dễ dàng hơn

Thông thường, một phân tích được giả thuyết rằng những liên kết dầm nối cột

là cứng tuyệt đối hay khớp lý tưởng Với nút cứng tuyệt đối, xem như các thành phần liên kết không bị xoay, toàn bộ moment tại đầu dầm được truyền qua cột, nút xoay cứng Mặt khác, liên kết khớp lý tưởng thì làm việc như một khớp không ma sát, không ràng buộc xoay liên kết nên moment liên kết bằng không Tuy nhiên, trong thực tế liên kết không phải là cứng tuyệt đối hay khớp lý tưởng Liên kết nửa cứng

đã cho thấy sự ảnh hưởng lớn của nó đến chuyển vị hệ kết cấu và làm phân phối lại nội lực trong các phần tử

1.2.5 Sự không hoàn hảo về hình học (Geometry Imperfection)

Sự không hoàn hảo về hình học ở các thành viên thép hình lạnh đề cập đến độ lệch của thực tế thành viên từ một hình học "hoàn hảo" Những sự không hoàn hảo này bao gồm võng, cong vênh hoặc vặn vẹo của một thành viên, cũng như những khiếm khuyết cục bộ như vết lõm, và sự gợn sóng của tấm Nó là không thực tế, cũng không bắt buộc, phải có sự hiểu biết chi tiết về sự hoàn chỉnh mô hình không hoàn hảo tồn tại trong các phần tử Sức mạnh của một phần tử thép định hình nhất định đặc biệt nhạy cảm với sự không hoàn hảo trong hình dạng của các mã riêng Nếu biên độ của các khiếm khuyết trong các mã riêng thấp nhất được biết đến, thông tin đó đủ để

mô tả đầy đủ các khiếm khuyết hình học có ảnh hưởng nhất

Hầu hết các thành viên thép kết cấu có những khiếm khuyết hình học ban đầu là kết quả của quá trình sản xuất, vận chuyển và xử lý Các khiếm khuyết hình học ban đầu có thể được phân loại thành hai loại chính, đó là các khiếm khuyết cục bộ và tổng

phần tử cấu trúc kim loại và theo hướng vuông góc với các bề mặt phần tử cấu trúc Mặt khác, các khiếm khuyết hình học tổng thể ban đầu là các cấu hình toàn cầu cho toàn bộ phần tử cấu trúc dọc theo chiều dài thành viên theo bất kỳ hướng nào Sự không hoàn hảo về hình học cục bộ và tổng thể ban đầu có thể được dự đoán từ các

mô hình phần tử hữu hạn bằng cách tiến hành phân tích giá trị riêng của độ uốn để thu được các trường hợp xấu nhất của chế độ khóa cục bộ và tổng thể Các hiện tượng vênh cục bộ và tổng thể này sau đó có thể được xác định bằng cường độ đo được trong các thử nghiệm Sự chồng chất có thể được sử dụng để dự đoán các chế độ khóa cục bộ và tổng hợp cuối cùng Các chế độ khóa kết hợp kết quả có thể được thêm vào tọa độ ban đầu của phần tử kết cấu Các tọa độ cuối cùng có thể được sử dụng trong bất kỳ phân tích phi tuyến tiếp theo

1.2.6 Ứng suất dư (Residual Stress)

Ứng suất dư là trạng thái ứng suất tồn tại phần lớn bên trong các bộ phận kết cấu thép mà không có bất kỳ tác động của ngoại lực và cũng có thể hiểu là ứng suất tạo ra do quá trình nguội không đều trong quá trình chế tạo Điều quan trọng là nhận biết sự có mặt của nó vì ứng suất dư ảnh hưởng đến cường độ của các cấu kiện chịu lực Ứng suất dư được sinh ra trong vật liệu và chi tiết kết cấu ở hầu hết các quá trình sản xuất(Jian Lu, Society, 1996)Và(Klimanek, 1989)

- Quá trình biến dạng dẻo hoặc định hình gồm cán, kéo, ép, uốn, rèn, dập, kéo sợi, phun bi và bắn laser

- Quá trình gia công cơ, lắp ráp, phủ bề mặt như hàn, hàn phun sơn, mạ, mài

- Gia công nhiệt hoặc xử lý nhiệt hóa bao gồm làm nguội, xử lý nhiệt bằng laser và plasma, thấm Cacbon, thấm Nitơ độ cứng bề mặt, trong quá trình đúc

và làm nguội vật liệu đa pha

Khảo sát ví dụ hình 1.1 mô tả sự phân bố ứng suất dư phát sinh do quá trình cán

Sự khác nhau của đường kính bánh cán dẫn đến sự phân bố của ứng suất nén và kéo cũng khác nhau rõ rệt

a, b,

a) Đường kính bánh cán nhỏ; b) Đường kính bánh cán lớn

Hình 1 10 Ứng suất dư do quá trình cán (Trần Minh Tiến, 2016)

Những phần tử thép luôn luôn bị chịu nhiệu độ cao trong quá trình chế tạo Khi nguội đi, phần tiết diện có bề mặt tiếp xúc lớn sẽ bị mất nhiệt nhanh hơn những phần

có bề mặt tiếp xúc nhỏ Trong tiết diện hình thành những thành phần ứng suất tự cân bằng với nhau Thành phần ứng suất như thế gọi là ứng suất dư Ứng suất dư có thể coi như một thành phần ngoại lực (bất lợi về khả năng chịu lực của cấu kiện) Ảnh hưởng của ứng suất dư được mô tả như mô Hình 1.11 Trong thí nghiêm nén 1 mẫu thép cắt từ cột, quan hệ σ-ε sẽ đi the đường AEC (nét đứt) Tuy nhiên, khi thí nghiệm thực tế 1 cột ngắn, quan hệ σ-ε lại đi theo đường ABC Hiện tượng này là do trong cột có ứng suất dư Ứng suất dư là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền, tuổi thọ và khả năng chống mài mòn của chi tiết.(Đặng, Ngọc Cảnh, 2010)

Hình 1 11 Đường cong ứng suất - biến dạng thép khi có ảnh hưởng của ứng suất

dư Ứng suất dư có thể có lợi hoặc có hại, phụ thuộc vào dấu và vị trí của ứng suất

dư Trong trường hợp bề mặt chi tiết có ứng suất dư kéo thường là nguyên nhân chính gây nên các vết nứt và làm giảm độ bền mỏi của chi tiết Ngược lại, bề mặt chi tiết có ứng suất dư nén thường có lợi vì chúng tăng độ bền mỏi của chi tiết và khả năng chống nứt do ăn mòn dưới ứng suất Do đó, trong một số trường hợp người ta thường kiểm soát quá trình xử lý nhiệt hoặc sau xử lý nhiệt bằng cách phun bi hoặc cán sâu

để sinh ra ứng suất dư nén trên bề mặt chi tiết (Kandil, Lord and Fry, 2001) và (Poerner, Nathan W., 2007)

Bung

Hình 1 14 Mẫu ứng suất dư của thép tổ hợp hàn (Kim and Lee, 2002)

1.2.7 Vùng Panel (Panel Zone)

Vùng cứng giao giữa dầm và cột (vùng panel)có thể được định nghĩa là phần của khung có ranh giới nằm trong liên kết cứng của hai hoặc nhiều thành viên với các mạng nằm trong một mặt phẳng chung.Vùng cứng được phân loại là mạnh, trung bình hoặc yếu về sức mạnh và liên quan đến khả năng uốn của dầm kết nối

Các vùng cứng giao giữa dầm và cột được gán cho các khớp để mô hình hóa tính linh hoạt của các kết nối dầm – cột Các vùng cứng giao giữa dầm và cột có thể

là tuyến tính hoặc phi tuyến và có thể ảnh hưởng đến các biện pháp thực hiện sau:

 Biến dạng kết cấu

 Chu kỳ kết cấu

 Mô ment phân bố đều

Khi thiết kế hệ thống khung thép dễ uốn, các yêu cầu về tấm liên tục được tính như một phần của kiểm tra thiết kế dựa trên mã Đối với phần này của kiểm tra thiết

kế, không bắt buộc phải xác định vùng bảng

CHƯƠNG 2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Với những ưu điểm vốn có, ứng dụng Kết cấu thép ngày càng rộng rãi trong ngành Xây dựng trên toàn thế giới Các nghiên cứu về kết cấu thép đã và đang được thực hiện ngày càng nhiều để tận dụng những điểm mạnh của thép cũng như những điểm hạn chế cần được khắc phục

2.1 CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI

 Từ năm 1960-1980:

Phân tích phi tuyến cho khung thép được phát triển từ những năm 60 Các phân tích phi tuyến đầu tiên được thực hiện bởi (J H Argyris , S Kelsey, 1960), (Connor, Logcher and Chan, 1968)

Các nghiên cứu sớm nhất có xét đến ảnh hưởng của phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học là của (Korn and Galambos, 1968), (Alvarez and Birnstiel, 1969) Sau

đó các nhà khoa học đã áp dụng phương pháp này để nghiên cứu ứng xử của dầm, cột riêng lẻ và các khung đơn giản như tác giả (Yasuyuki Aoshima, Vinakota S and Badu J -C., 1974), (Vinnakota and Äystö, 1976)

 Từ năm 1981-2000:

(Moncarz and Gerstle, 1981) “Steel Frames with Nonlinear Connections một

chương trình phân tích được phát triển để tính đến tính linh hoạt phi tuyến của các kết nối dầm-cột cũng như phản ứng với lịch sử thay đổi tải trọng”

(Orbison, 1982) “Nonlinear static analysis of three-dimensional steel frames

hướng đến việc phát triển các quy trình phân tích phi tuyến chính xác, hiệu quả có khả năng mô hình hóa ứng xử phi tuyến về mặt hình học và vật chất của các khung thép chịu tải tĩnh của các chương trình máy tính để hoàn thiện và hỗ trợ chúng”

(Lui and Chen, 1986) “Analysis and behaviour of flexibly-jointed frames

trình bày một phương pháp phân tích ứng xử của khung thép phẳng dùng phân tích khớp dẻo, sửdụng hàm mũ để mô phỏng ứng xử phi tuyến của liên kết nửa cứng sau

đó dùng kỹ thuật lặp gia tăng điều khiển tải trọng Newton-Raphson (an incremental load control Newton-Raphson iterative technique) để giải bài toán Khẳng định liên kết nửa cứng gây ảnh hưởng lớn đến phản ứng tổng thể của kết cấu”

(Lui and Chen, 1987) “Steel frame analysis with flexible joints đã trình bài

một phương pháp phân tích khung thép có liên kết mềm, xem liên kết cột nối cột là

phương pháp hiệu chỉnh ma trận độcứng dầm-cột có kể đến liên kết nửa cứng sau đó khảo sát ảnh hưởng của liên kết mềm đến cường độ, độ võng và nội lực phân bố trong khung thép ”

(Chandra, Trikha and Krishna, 1990) “Nonlinear analysis of steel space

structures trình bày một quy trình lặp tăng dần bậc hai dựa trên phương pháp chuyển

vị để thực hiện phân tích đàn hồi phi tuyến của các khung không gian xem xét các ảnh hưởng của phi tuyến hình học”

(Hsieh and Deierlein, 1991) “Nonlinear analysis of three – dimensional steel

frames with semi – rigid connections dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân

tích khung thép không gian chịu tải trọng tĩnh có kể đến phi tuyến hình học (ma trận

độ cứng hình học), vật liệu và liên kết ”

(Foley and Vinnakota, 1997) “Inelastic analysis of partially restrained

unbraced steel frames phát triển một phần tử hữu hạn dùng để phân tích khung

không đàn hồi sử dụng thuật toán công hằng thông qua giải thuật lặp Euler đơn giản

để giải, sự lan truyền dẻo được thể hiện qua việc chia tiết diện thành nhiều thớ ”

(Teh and Clarke, 1999) “Plastic-zone analysis of 3d steel frames using beam

elements sử dụng công thức đồng xoay (corotational formulation) từ lý thuyết cơ vật

rắn để mô phỏng phần tử dầm cho khung không đàn hồi ba chiều tiết diện ống dùng phân tích vùng dẻo, không xét đến độ mềm liên kết ”

(Avery and Mahendran, 2000) “Distributed plasticity analysis of steel frame

structures comprising non-compact sections dùng mô phỏng dẻo phân bố dưới

dạng phần tử shell bằng phần mềm ABAQUS để so sánh với các phương pháp phân tích nâng cao khác có xét đến phi tuyến hình học, vật liệu và mất ổn định cục bộ ”

 Từ năm 2001-2010:

(Foley, 2001) “Advanced analysis of steel frames using parallel processing

and vectorization trình bày mô hình phần tử hữu hạn để giải quyết bài toán phân tích

nâng cao theo phương pháp vùng dẻo cho khung thép phẳng sử dụng tiến trình sử lý song song và vectơ, có xét đến phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu ”

(Kim and Choi, 2005) “Practical second-order inelastic analysisfor

three-dimensional steel frames subjected to distributed load Phân tích này đánh giá một

cách thực tế cả sức mạnh và hành vi của một hệ thống cấu trúc và các thành phần cấu thành của nó một cách trực tiếp Để nắm bắt các hiệu ứng bậc hai liên quan đến P−δ

và P−Δ, các hàm ổn định được sử dụng để giảm thiểu thời gian mô hình hóa và giải

pháp Khái niệm mô đun tiếp tuyến của Hội đồng nghiên cứu cột (CRC) được sử dụng

để tính đến năng suất giảm dần do ứng suất dư ”

(Ngo-Huu, Kim and Oh, 2007) “Nonlinear analysis of space steel frames

using fiber plastic hinge concept Một khái niệm khớp dẻo dạng thớ, trong đó tiết

diện mặt cắt ngang được phân chia nhỏ, áp dụng nghiên cứu này để dự đoán ứng xử không đàn hồi bậc hai của khung thép không gian thay vì khái niệm khớp dẻo thông thường sử dụng bề mặt chảy ”

(Sekulovic and Nefovska-Danilovic, 2008) “Contribution to transient

analysis of inelastic steel frames with semi-rigid connections phân tích ứng xử

không đàn hồi của khung thép có kể đến phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu và phi tuyến liên kết dựa trên tiếp cận phương pháp khớp dẻo hiệu chỉnh Một lần nữa nghiên cứu đã khẳng định khả năng hấp thụ dao động và giảm chấn của liên kết nửa cứng Liên kết nửa cứng làm giảm tần số dao động và lực cắt tầng so với liên kết cứng Cho

ta thấy năng lượng vòng trễ tại liên kết đóng vai trò quan trọng hơn nhiều so với năng lượng vòng trễ tại khớp dẻo ”

(Ngo-Huu and Kim, 2009) “Practical advanced analysis of space steel frames

using fiber hinge method Các hàm ổn định thu được từ giải pháp ổn định chính xác

của dầm-cột chịu lực dọc trục và mô men uốn cuối được sử dụng để biểu diễn hiệu ứng bậc hai Các kết quả thu được được chứng minh là chính xác bằng cách so sánh chúng với giải pháp chính xác, phương trình đề xuất cho thiết kế và kết quả từ ABAQUS và phân tích vùng dẻo Quy trình số được đề xuất chứng tỏ là một công cụ đáng tin cậy và hiệu quả để sử dụng hàng ngày trong thiết kế kỹ thuật khung thép không gian quy mô lớn ”

 Từ năm 2011- 2021:

(Ngo-Huu, Nguyen and Kim, 2012) “Second-order plastic-hinge analysis of

space semi-rigid steel frames trình bày một quy trình số dựa trên phương pháp

Dầm-cột cho tĩnh phi tuyến phân tích khung thép bán cứng không gian Các hiệu ứng bậc hai được xem xét bằng cách sử dụng hàm ổn định đạt được từ lời giải chính xác của dầm-cột chịu lực 2 đầu Sự không đàn hồi ứng xử của vật liệu được xét bằng cách sử dụng mặt chảy dẻo ”

(Nguyen and Kim, 2014) “An advanced analysis method for

three-dimensional steel frames withsemi-rigid connections một phương pháp phân tích

chính xác của phần tử dầm-cột dưới tác dụng lực dọc trục và moment uốn ở hai đầu phần tử”

(Thai et al., 2016) “System reliability evaluation of steel frames with

semi-rigid connections trình bày một quy trình số chính xác và hiệu quả để đánh giá độ

tin cậy của hệ thống khung thép liên kết nửa cứng Độ bền và ứng xử cuối cùng của khung được dự đoán bằng cách sử dụng mô hình khớp dẻo tinh chế do hiệu quả tính toán của nó, trong khi hành vi phi tuyến tính của các liên kết nửa cứng được ghi lại bằng mô hình điện ba tham số Kết quả chỉ ra rằng độ tin cậy của khung bị ảnh hưởng mạnh bởi các liên kết nửa cứng ”

(Nguyen, 2016) “Advanced analysis for planar steel frames with semi-rigid

connections using plastic-zone method trình bày một quy trình phần tử hữu hạn dựa

trên chuyển vị để phân tích độ dẻo phân bố bậc hai của khung thép phẳng với các liên kết dầm-cột nửa cứng dưới tải trọng tĩnh Một phần tử cột dầm-dẻo đàn hồi biến dạng cứng một phần, trực tiếp tính đến tính phi tuyến hình học, năng suất dần dần của vật liệu và tính linh hoạt của các kết nối bán cứng, được đề xuất ”

Nonlinear Analysis of Steel Frames trình bày chi tiết phương pháp giải phi tuyến

tĩnh có tên gọi là phương pháp điều khiển chuyển vị tổng quát hóa, bài toán phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu khung thép được áp dụng phương pháp này có xét đến các yếu tố: phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu, hiện tượng sai lệch hình học ban đầu và ứng suất dư cũng được kể đến ”

(Nguyen, Le-Van and Thanh, 2020) “Nonlinear Inelastic Analysis of 2D Steel

Frames, An Improvement of the Plastic Hinge Method trình bày một phương pháp

mới để phân tích phi tuyến tính Khung thép 2D được trình bày bằng cách cải tiến phương pháp khớp dẻo ”

(Nguyen and Tran, 2021) “Impacts of residual stress and shear deformation

on 2D steel frames using fiber plastic hinge element: nonlinear behavior and strength mô hình một phần tử được sử dụng để phân tích phi tuyến bằng cách sử

dụng các hàm ổn định để nắm bắt hiện tượng delta P-nhỏ Hiện tượng delta P-lớn được xem xét bằng cách sử dụng ma trận độ cứng hình học Xét đến ứng suất dư trong kết cấu và được tính theo chương trình phần tử hữu hạn được mã hóa bằng ngôn ngữ lập trình Fortran để dự đoán ứng xử phi tuyến tính và độ bền cuối cùng của khung thép phẳng ”

2.2 CÁC NGHIÊN CỨU Ở VIỆT NAM

Ở Việt Nam, nghiên cứu về ứng xử phi tuyến khung thép còn khá ít và chưa kết hợp được nhiều yếu tố phi tuyến vào trong một bài toán phân tích kết cấu và sử dụng những phương pháp giải đơn giản, chưa phản ánh đúng ứng xử thật của kết cấu:

 Từ năm 2000-2020:

(Trần Tuấn Kiệt, 2002) “Phân tích khung thép phẳng bằng phương pháp

nâng cao xét đến ảnh hưởng của liên kết nửa cứng thông qua việc đưa độ cứng tiếp

tuyến liên kết vào phương pháp khớp dẻo hiệu chỉnh Sau đó phân tích khung bằng phân tích nâng cao để tìm nội lực và chuyển vị ”

(Ngô, Hữu Cường, 2003) “Phân tích vùng dẻo và phi tuyến hình học cho

khung thép phẳng bằng phương pháp phần tử hữu hạn xét đến độ mềm liên kết

bằng cách hiệu chỉnh ma trận độ cứng phần tử Dùng phương pháp phần tử hữu hạn

để giải quyết bài toán ”

(Đặng, Ngọc Cảnh, 2010) “Phân tích vùng dẻo và phi tuyến hình học khung

thép không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng lý thuyết phần tử

hữu hạn xây dựng một phần tử hữu hạn có khả năng mô phỏng ứng xử phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu, ảnh hưởng của ứng suất dư, sai lệch hình học ban đầu, và liên kết nửa cứng dầm - cột ”

(Nguyễn Phú Cường, 2010) “Phân tích phi tuyến khung thép phẳng nửa cứng

chịu tải trọng động đất bằng phương pháp vùng dẻo, đã phát triển một phần tử

hữu hạn dầm – cột phẳng không đàn hồi có khả năng mô phỏng sự lan truyền dẻo qua mặt cắt ngang và dọc theo chiều dài cấu kiện, sự sai lệch hình học ban đầu, sự hiện diện ứng suất dư khi chế tạo, sự dịch chuyển lõi đàn hồi trong quá trình chảy dẻo, ảnh hưởng của phi tuyến hình học do sự biến đổi hình học, sự uốn theo trục chính và trục phụ của cột để tìm phản ứng phi tuyến và tải trọng tới hạn của khung thép phẳng liên kết khớp, cứng, nửa cứng, hoặc khung có liên kết hỗn hợp.”

(Nguyễn, Trọng Lâm, 2014) “Phân tích phi tuyến khung thép phẳng bằng

phương pháp lực dựa trên phân tích số trình bày chi tiết cách phát triển một chương

trình phân tích kết cấu để mô phỏng ứng xử của hệ kết cấu khung thép phẳng chịu tải trọng tĩnh một cách chính xác và hiệu quả ”

(Đặng Thị Phương Uyên, 2015) “Phân tích phi tuyến khung dàn thép phẳng

sử dụng phương pháp dầm-cột phi tuyến hình học được phân tích bằng phương

phương pháp này chia nhỏ phần tử ít hơn làm cho thời gian phân tích tính toán được rút ngắn hơn.”

(Nguyễn Phú Cường, 2020) “Tại sao nên dùng Phân tích phi tuyến cho thiết

kế kết cấu? giải thích sự khác nhau giữa phân tích phi tuyến và phân tích tuyến tính

truyền thống được dùng khi thiết kế kết cấu, sự khác biệt giữa các cấp độ phân tích khác nhau được trình bày cụ thể và được làm rõ qua một ví dụ minh họa ”

Trong đề tài này, học viên sẽ nghiên cứu về “Phân tích phi tuyến khung thép

nửa cứng sử dụng phương pháp vùng dẻo” có xét đến ứng xử phi tuyến hình học

(phi tuyến hình học tổng thể và địa phương của kết cấu), liên kết nửa cứng phi tuyến, ứng xử phi tuyến của vật liệu (vật liệu đàn – dẻo lý tưởng), xét tới ứng suất dư ban đầu trong kết thép tìm ra kết quả và so sánh với các nghiên cứu trước đây (được thực hiện bằng phương pháp khác) Từ đó rút ra được các kết luận và độ tin cậy khi sử dụng phần mềm ABAQUS vào việc tính toán và mô phòng kết cấu thép

2.3 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Mục tiêu nghiên cứu chủ yếu của đề tài là nghiên cứu sự khác biệt giữa việc áp dụng các loại phần tử hữu hạn khác nhau của ABAQUS, ảnh hưởng như thế nào đến kết quả chuyển vị, biến dạng, nội lực của khung thép phẳng từ đó kiến nghị các loại phần tử phù hợp cho bài toán phân tích khung thép phẳng qua phương pháp Vùng Dẻo

Nhiệm vụ cụ thể của luận văn:

a Tìm hiểu và sử dụng thành thạo phần mềm ABAQUS dùng cho bài toán phân tích khung thép phẳng

b Đọc tài liệu nghiên cứu trên thế giới và phân tích kết quả, đưa ra mô hình ứng

xử vật liệu thép phù hợp cho bài toán phân tích khung thép phẳng

c Mô phỏng một số ví dụ liên quan đến khung thép phẳng chịu tải trọng tĩnh và

so sánh với kết quả của các nghiên cứu trên thế giới

d So sánh kết quả đạt được và cải tiến chỉnh sửa mô hình phần tử hữu hạn cho phù hợp với kết quả các nghiên cứu trước đó

e Kiến nghị loại phần tử phù hợp để mô phỏng khung thép phẳng và độ chính xác khi sử dụng các loại phần tử khác nhau so với các công bố quốc tế

Theo đó, các chương của luận văn sẽ trình bày các vấn đề sau:

Chương 1 Đặt vấn đề, đề cập lịch sử phát triển của ngành kết cấu thép trên thế

giới nói chung và Việt Nam nói riêng Xác định các vân đề cần nghiên cứu và trình bày các loại phi tuyến trong kết cấu thép và được áp dụng phân tích trong luận văn này

Chương 2 Trình bày các nghiên cứu trong và ngoài nước để định hướng mục

tiêu của luận văn Xác định mục tiêu của luận văn

Chương 3 Trình bày nguồn gốc phi tuyến, các phương pháp phân tích: Khớp

dẻo, vùng dẻo,…, các phân tích về liên kết nửa cứng Các mô hình liên kết nửa cứng hay sử dụng trong phân tích kết cấu Qua đó, chọn ra một mô hình để áp dụng trong luận văn

Chương 4 Trình bày phương pháp nghiên cứu, các bước thực hiện bài toán phân

tích điển hình bằng phần mềm Abaqus và trình bày một số bước đặc biệt trong phân tích của luận văn này

Chương 5 Khảo sát phân tích qua một số ví dụ đã được trình bày và phân tích

bởi nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Các trường hợp khảo sát được phân làm 3 phần: khung có liên kết cứng, khung có liên kết nửa cứng và khung có liên kết khớp, qua các loại phần tử: Wire 2D, Wire 3D, Shell, Solid Đồng thời, xét đến không hoàn hảo hình học, phi tuyến vật liệu, vùng Panel zone, ảnh hưởng của ứng suất dư trong khung phẳng cũng được khảo sát kĩ Qua đó, đánh giá được khả năng phân tích nhanh chóng, chính xác và hiệu quả của việc sử dụng phần mềm Abaqus trong luận văn này

Chương 6 Tóm tắt các điểm chính của luận văn, phân tích những hạn chế và đề

xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG THÉP

3.1 NGUỒN GỐC CHÍNH CỦA PHI TUYẾN

Phân tích phi tuyến đưa ra một số tùy chọn để giải quyết các vấn đề xuất phát từ các giả định Chúng ta có thể chỉ xem xét tính phi tuyến của hình học Nghĩa là, chúng

ta có thể tiếp tục coi vật liệu cấu trúc là đàn hồi nhưng bao gồm các tác động của biến dạng và chuyển vị giới hạn trong việc xây dựng các phương trình cân bằng Cũng có thể chỉ xem xét tính phi tuyến của vật liệu, tức là ảnh hưởng của sự thay đổi các đặc tính của vật liệu cấu thành khi chịu tải Và, như là một lựa chọn chung thứ ba, chúng tôi có thể bao gồm các ảnh hưởng của cả phi tuyến tính hình học và vật liệu trong phân tích Trong mỗi trường hợp, khả năng kết hợp của các hành động nội bộ phải được xem xét; nó có thể là một đặc điểm nổi trội của phân tích Trong số nhiều nguồn của mỗi lớp phi tuyến là nguồn sau đây

Ảnh hưởng về hình học:

a Các yếu không hoàn hảo hình học ban đầu như sự cong vênh của các phần tử và

không thẳng đứng kết cấu khung trong quá trình lắp dựng

b Ứng suất dư (Residual Stress)

c Ảnh hưởng P-∆: Mômen gây mất ổn định bằng tải trọng theo phương trọng lực

nhân với chuyển vị ngang mà nó phải chịu theo sự chuyển dịch ngang của kết cấu đỡ

d Ảnh hưởng P-δ: Sự kết hợp của lực dọc trục lên độ cứng chống uốn của cấu kiện

riêng lẻ

Ảnh hưởng vật liệu:

a Biến dạng dẻo của kết cấu thép

b Nứt hoặc từ biến của các kết cấu bê tông cốt thép

c Tương tác không đàn hồi của lực dọc, uốn, cắt, và xoắn