BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --- ĐINH TRỌNG QUANG KHÓA: 2014 – 2016 TÍNH TOÁN KẾT CẤU KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP
Hà Nội - 2016
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-
ĐINH TRỌNG QUANG KHÓA: 2014 – 2016
TÍNH TOÁN KẾT CẤU KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS PHẠM VĂN TRUNG
TS LÊ HỮU THANH
Hà Nội - 2016
Trang 3BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-
ĐINH TRỌNG QUANG KHÓA: 2014 – 2016
TÍNH TOÁN KẾT CẤU KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN
DỤNG & CÔNG NGHIỆP
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS PHẠM VĂN TRUNG
TS LÊ HỮU THANH
XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN
Hà Nội – 2016
Trang 4LỜI CÁM ƠN
Trước hết tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc về sự giúp đỡ và chỉ dẫn hữu ích thường xuyên của các thầy cô giáo Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, sự giúp đỡ và tạo điều kiện của Khoa Đào tạo sau đại học trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn này
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Phạm Văn Trung và TS Lê Hữu Thanh đã chỉ bảo tận tình và cho tôi nhiều góp ý đúng đắn cũng như tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên để tôi hoàn thiện luận văn một cách hoàn chỉnh và tốt nhất
Tôi xin trân thành cảm ơn các thầy, cô trong Hội đồng chấm luận văn đã tham gia đóng góp ý kiến quý báu cho bản luận văn
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 6 năm 2016
Học viên
Đinh Trọng Quang
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Đinh Trọng Quang
Trang 6MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng, biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU 1
Tính cấp thiết của đề tài 1
Mục đích nghiên cứu của đề tài 2
Phạm vi nghiên cứu 2
Phương pháp nghiên cứu 3
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3
Cấu trúc luận văn của đề tài 3
NỘI DUNG CHƯƠNG 1: KẾT CẤU KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 5
1.1 Tổng quan về khung nhà công nghiệp 5
1.1.1 Khái niệm 5
1.1.2 Phân loại 6
1.1.3 Chi tiết và cấu tạo các bộ phận trong khung nhà công nghiệp 11
1.2 Tải trọng tác dụng 14
1.2.1 Tĩnh tải (TT) 14
1.2.2 Hoạt tải (HT) 15
1.2.3 Tải trọng gió 15
Trang 71.2.4 Các loại tải trọng khác 16
1.2.5 Tổ hợp tải trọng 16
1.3 Tính toán nội lực khung nhà công nghiệp 17
1.3.1 Tính toán nội lực khung bằng phương pháp giải tích 17
1.4.1 Tính toán nội lực khung bằng phương pháp số 21
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN KẾT CẤU KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 24
2.1 Phương pháp PTHH và các đặc điểm tính toán 24
2.1.1 Các khái niệm cơ bản 24
2.1.2 Các phương trình cơ bản trong PTHH 24
2.1.3 Kết nối phần tử trong hệ kết cấu 28
2.1.4 Áp đặt các điều kiện biên 29
2.2 Tính toán nội lực khung nhà công nghiệp bằng PP PTHH 30
2.2.1 Phần tử có tiết diện không thay đổi 30
2.2.2 Phần tử có tiết diện thay đổi theo chiều dài 35
2.3 Chương trình tính toán kết cấu khung thép nhà công nghiệp 40
2.3.1 Khái niệm chung 40
2.3.2 Ngôn ngữ lập trình Fortran 42
2.3.3 Lập trình giao diện GID 44
2.3.4 Sơ đồ khối chương trình 44
2.4 Thiết lập chương trình tính 46
2.4.1 Xây dựng giao diện đầu vào của chương trình bằng GID 46
2.4.2 Thiết lập chương trình tính bằng ngôn ngữ Fortan 52
Trang 8CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN 63
3.1 Khái niệm chung 63
3.2 Ví dụ tính toán 1 63
3.2.1 Số liệu tính toán 63
3.2.2 Trình tự tính toán 65
3.3 Ví dụ tính toán 2 72
3.3.1 Khung có tiết diện không thay đổi 73
3.3.2 Khung có tiết diện thay đổi 75
3.4 Phân tích đánh giá kết quả tính toán 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Trang 9DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Trang 10DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU
Số liệu
Bảng 3.1 Đặc trưng hình học mặt cắt ngang của khung 63
Bảng 3.2 Thông số đầu vào vật liệu 63
Bảng 3.3 So sánh kết quả chuyển vị 69
Bảng 3.4 So sánh kết quả nội lực 70
Bảng 3.5 So sánh phản lực liên kết chân cột 70
Bảng 3.6 Đặc trưng hình học mặt cắt ngang của kèo cột 71
Bảng 3.7 Thông số đầu vào vật liệu 72
Bảng 3.8 Đặc trưng hình học mặt cắt ngang của kèo cột 72
Bảng 3.9 So sánh kết quả chuyển vị tại đỉnh kèo 73
Bảng 3.10 So sánh kết quả nội lực tại chân và vai cột 74
Bảng 3.11 So sánh phản lực liên kết chân cột 74
Bảng 3.12 So sánh kết quả chuyển vị tại đỉnh kèo 75
Bảng 3.13 So sánh kết quả nội lực tại chân và vai cột 75
Bảng 3.14 So sánh phản lực liên kết chân cột 76
Trang 11DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Kết cấu điển hình của khung nhà công nghiệp 6
Hình 1.5 Nhà công nghiệp có cột giữa chịu moment ở đỉnh kèo 9
Hình 1.8 Chi tiết cấu tạo cột khung nhà công nghiệp 12
Hình 1.12 Khung nhà công nghiệp có cột và kèo thay đổi tiết
Hình 2.2 Phần tử có tiết diện thay đổi theo chiều dài 35 Hình 2.3 Thanh tiết diện thay đổi chịu tải phân bố 39
Hình 2.6 Thẻ nhập đầu vào vật liệu của chương trình 47
Hình 2.8 Thẻ nhập tải trọng tác dụng tại nút của phần tử 50
Hình 3.3 Khung nhà công nghiệp 2 tầng thiết lập bằng phần
Hình 3.4 Số nút trong khung sau khi chia lại phần tử 66
Trang 12Số liệu hình Tên hình Trang
Hình 3.6 Chia lưới phần tử khung nhà công nghiệp 2 tầng 67 Hình 3.7 Khung nhà công nghiệp 1 tầng có tiết diện thay đổi 71 Hình 3.8 Khung nhà công nghiệp 1 tầng có tiết diện không đổi 73 Hình 3.9 Số phần tử khung nhà công nghiệp 1 tầng (sau khi
Trang 131
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Do chính sách mở cửa và thu hút đầu tư nước ngoài của chính phủ, trong những năm gần đây, Việt Nam đã và đang đón nhận luồng vốn đầu tư nước ngoài ngày một tăng Đơn cử đó là hàng loạt các dự án xây dựng các nhà máy chế tạo, phân xưởng lắp ráp được đầu tư xây dựng tại các khu công nghiệp trên khắp cả nước
Trong hầu hết các dự án này, nhà công nghiệp khung thép nhẹ tiền chế thường được các chủ đầu tư lựa chọn sử dụng để xây dựng lắp đặt nhà xưởng, phân xưởng Bởi loại kết cấu này có ưu điểm, lắp dựng nhanh chóng, giá thành hợp lý, tính thẩm mỹ cao, đáp ứng được các yêu cầu về không gian (nhịp) lớn trong các dây truyền sản xuất Chu kỳ làm việc của kết cấu phù hợp với thời gian đầu tư của dự án
Kết cấu khung nhà công nghiệp dạng này thường được tính toán như khung phẳng với tiết diện cột, dầm có thể được thay đổi theo chiều cao và chiều dài nhịp để tiết kiệm vật liệu Cả dầm và cột thường được chế tạo từ thép tổ hợp, do vậy hình dáng và cấu tạo của chúng tương đối dễ dàng, phong phú Tùy theo yêu cầu của chủ đầu tư, kết cấu dạng này có thể có thêm một đến haimức sàn trong chiều cao của kết cấu Tại Việt Nam, có nhiều công ty thép vừa và nhỏ có thể đủ năng lực cung cấp, chế tạo dạng kết này cho thị trường xây dựng trong và ngoài nước
Dạng kết cấu khung thép tiền chế xuất hiện lần đầu tại nước ta trong các nhà máy, dự án có vốn đầu tư nước ngoài ở giai đoạn đầu khi đất nước mở cửa Cùng với đó, hệ thống tài liệu thiết kế của dạng kết cấu này cũng được các nhà nghiên cứu trong nước quan tâm, đề xuất các giải pháp tính toán[4] Đặc biệt tại Việt Nam, kết cấu thép khung tiền chế được phát triển tương đối
Trang 14hệ thống tiêu chuẩn tính toán trong nước chưa được xây dựng hoàn thiện, phần mềm thiết kế chuyên dụng không phổ biến Vì vậy, trong rất nhiều dự án các nhà thầu Việt Nam không thể đáp ứng được các yêu cầu của chủ đầu tư về mặt tiến độ trong công tác thiết kế
Do vậy, việc nghiên cứu hoàn thiện các phương pháp tính cũng như đề xuất quy trình các bước thực hiện, xây dựng chương trình tính toán nội lực cho khung nhà công nghiệp là thiết thực và cần thiết trong bài toán thiết kế nhà công nghiệp hiện nay Trên cơ sở đó, “Tính toán kết cấu khung thép nhà công nghiệp bằng phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH)” được lựa chọn làđề tài nghiên cứu của luận văn này
Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đề tài nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu:
Thiết lập được bài toán tính toán nội lực kết khung thép nhà công nghiệp bằng bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Sử dụng kết hợp phần mềm GID và Fortran để thiết lập, xây dựng chương trình tính nội lực của khung thép nhà công nghiệp
Phạm vi nghiên cứu
Đề tài được thực hiện để nghiên cứu tính toán nội lực cho kết cấu khung phẳng sử dụng cho nhà máy, nhà xưởng Khung được chế tạo bằng các thép tổ hợp lắp dựng tại hiện trường
Trang 153
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết trong đó xây dựng bài toán tính toán nội lực của khung nhà công nghiệp trên cơ sở lý thuyết của phương pháp PTHH Bài toán này là cơ sở để xây dựng chương trình tính bằng phần mềm lập trình sử dụng ngôn ngữ Fortran kết hợp phần mềm GID - được sử dụng để thiết lập dao diện của chương trình
Kết quả tính toán (với các ví dụ cụ thể) bằng chương trình thiết lập trong luận văn được so sánh với kết quả tính toán bằng phần mềm đã phát triển thành công được sử dụng hiện nay
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài được lựa chọn nhằm đáp ứng nhu cầu hiện nay trong công tác thiết
kế, tính toán kết cấu khung nhà công nghiệp bằng thép Đồng thời, kết quả của đề tài cũng được sử dụng cho mục đích công việc học tập của tác giả sau khi hoàn thành khóa học
Cấu trúc luận văn của đề tài
Đề tài sử dụng lý thuyết tính toán kết cấu theo phương pháp PTHH để xây dựng bài toán tính nội lực của kết cấu khung nhà công nghiệp bằng thép Phần mềm Fortran được sử dụng để viết chương trình tính sử dụng cho luận văn Giao diện của chương trình (xử lý số liệu đầu vào và kết quả của bài toán) được thiết lập dựa trên nền tảng của phần mềm GID Do vậy, cấu trúc của luận văn được tác giả chia thành các chương chính sau:
MỞ ĐẦU: Trình bày lý do lựa chọn, sự cần thiết và phạm vi nghiên
cứu của đề tài cũng như ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1:Kết cấu khung thép nhà công nghiệp
Trang 164
CHƯƠNG 2:Tính toán kết cấu khung thép nhà công nghiệp bằng
phương pháp PTHH
CHƯƠNG 3: Ví dụ tính toán
Trang 17THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội
TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN
Trang 181) Thiết lập được bài toán tính toán nội lực kết khung thép nhà công nghiệp bằng bằng phương pháp phần tử hữu hạn
2) Sử dụng kết hợp phần mềm GID và Fortran để thiết lập, xây dựng chương trình tính nội lực của khung thép nhà công nghiệp
Thông qua kết quả tính toán được so sánh với các phần mềm khác đã chỉ
ra rằng: Khi hệ khung là các thanh có tiết diện không đổi theo chiều dài, kết quả tính toán của phần mềm khá chính xác so với các phần mềm được so sánh (SAP 2000) Kết quả tính toán của phần mềm có thể tin cậy sử dụng cho công tác học tập và thiết kế
Trong ví dụ 2 khi thanh có tiết diện thay đổi, kết quả tính toán của phần mềm còn có sai khác so với SAP 2000 Sự sai khác này do nguyên nhân như: (1) Có sự khác nhau của việc xác định vùng cứng tại nút của phần tử giữa chương trình và phần mềm SAP 2000 và (2) Sai số khi xác định ma trận độ cứng của phần tử có tiết diện thay đổi do áp dụng một số phép toán gần đúng khi chương trình tính toán Sự sai khác này đặc biệt trong trường hợp xác định
độ võng sự sai khác lên đến 30 %
Trang 1980
2 Kiến nghị
Đề tài cần hoàn thiện hơn trong việc mô phỏng tính toán nút cứng của
hệ khung khi khung có tiết diện thay đổi để có kết quả chính xác gơn
Hiện tại luận văn sử dụng ngôn ngữ lập trình Fortran 90, hiện tại Fortran đã được cập nhập với các phiên bản cao hơn với nhiều hỗ trợ hơn Do vậy đề tài cần phải được cập nhật những thay đổi này
Trang 20TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1 Bộ môn kết cấu thép, khoa Xây dựng, ĐH Kiến trúc Hà nội: "Bài giảng thép đặc biệt - Kết cấu thép trụ", 2014
2 Nguyễn Quốc Bảo và Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý thuyết và lập trình, Tập 1, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 2000
3 Nguyễn Quốc Bảo và Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý thuyết và lập trình, Tập 2, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 2000
4 Phạm Văn Hội, Nguyễn QuangViên, Phạm Văn Tư và Lưu Văn Tường, Kết cấu thép - Cấu kiện cơ bản, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật,
7 TCVN 2737: 1995 "Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế"., Nhà xuất bản Xây dựng
8 Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCVN 5575:2012 Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế, Hà Nội, 2012
9 TCVN 9386:2012 “Thiết kế công trình chịu động đất, Hà Nội: Nhà Xuất bản Xây dựng, 2012
10 Chu Quốc Thắng, Phương pháp phần tử hữu hạn, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 1997
11 Lều Thọ Trình, Cơ học kết cấu - Tập 2: Hệ siêu tĩnh, Hà Nội: Nhà XB Khoa học kỹ thuật, 2006
Trang 21Tiếng Anh
12 Hartmann Friedel and Katz Casimir, Structural Analysis with Finite
Element, Berlin: Springer, 2007
13 Mark S Gockenbach, Understanding and Implementing the Finite
Element Method, Philadelphia : Society for Industrial and Applied
Mathematics Philadelphia , 2006
14 S T Woolcock, S Kitipornchai and M A Bradford, Design of Portal Frame Building, 3rd edidion, Australian: Australian Institute of Steel Cóntruction, 1999
15 P R Salter, A S Malik and C M King, "Design of Single - Span Steel Portal Frame to BS 5950-1:2000," UK, The Steel Construction Institute Silwood Park, 2004
16 “Zamil Steel Company, Zamil steel design manual,” 1999
Website
17 "Bộ Thông tin và Truyền Thông," [Online] Available: http://mic.gov.vn
18 "Nhà xinh - Thương hiệu nội thất hàng đầu Việt Nam" 03 2016 [Online] Available: http://nhaxinh.com/
19 "Bộ Xây dựng - Trang thông tin KHCN," 03 2016 [Online] Available: http://www.xaydung.gov.vn/
20 "Portal frame," 3 2016 [Online] Available: SteelConstruction.info
Trang 22PHỤ LỤC
PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN PHẦN TỬ THANH DẦM
C ============================================================
C FILE: ELEM06.FOR
C ============================================================ SUBROUTINE ELMT06 (DL,UL,XL,IX,TL,S,P,NDF,NDM,NST,ISW)
C
C 3D SPACE FRAME ELEMENT
C
C
IMPLICIT REAL*8 (A-H,O-Z)
C COMMON HEAD(20),NUMNP,NUMEL,NUMMAT,NEN,NEQ
COMMON HEAD(20),NUMNP,NUMEL,NUMMAT,NEN,NEQ,PSOFT
COMMON /ELDATA/ N,MA,MCT,IEL,NEL
DIMENSION IX(1),XL(NDM,1),DL(1),TL(1),S(NST,1),P(1),UL(NDF,1)
DIMENSION VV(3,3),ST(6,6),UT(12),SA(12,12)
C COMMON ROUTE
LFLAG = 1
IF (ISW.EQ.1) GOTO 1
C COMPUTE COOR TRANSFOMATION MATRIX [V] (DIRECTIONS COSINES OF
C LOCAL AXES W.R.T GLOBAL AXES), & STORED IN [V] OF IT'S TRANSPOSE
C
C DIR COSINES OF THE MEMBER AXIS (X-LOCAL) & LENGHT OF THE MEMBER
CALL UNIVEC (XL,1,2,VV(1,1),EL,NDM)
C DIR COSINES OF THE AXES NORMAL TO MEMBER AXIS (LOCAL Y & Z) CALL UNIVEC (XL,1,3,VV(1,2),TMP,NDM)
CALL CROSPR (VV(1,1),VV(1,2),VV(1,3))
CALL CROSPR (VV(1,3),VV(1,1),VV(1,2))
C GOTO CORRECT ARRAY PROCESSOR
GOTO (1,2,3,4,5,6,7,8,6),ISW
C READ AND PRINT MATERIAL DATA