Tính toán thiết kế khung thép bằng phương pháp phân tích trực tiếp theo quy phạm mỹ AISC (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ĐỒNG ANH TUẤN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TRỰC TIẾP THEO QUY PHẠM MỸ AISC:2010 LUẬN V

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

ĐỒNG ANH TUẤN

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG THÉP BẰNG PHƯƠNG

PHÁP PHÂN TÍCH TRỰC TIẾP THEO

QUY PHẠM MỸ AISC:2010

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

ĐỒNG ANH TUẤN KHÓA: 2013-2015

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG THÉP BẰNG PHƯƠNG

PHÁP PHÂN TÍCH TRỰC TIẾP THEO

Hà Nội – 2015

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện Luận văn này tác giả được người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Quốc Anh tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cũng như tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy!

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô giáo, các cán bộ của khoa Đào tạo sau đại học thuộc Trường đại học Kiến trúc Hà Nội đã giúp đỡ

và chỉ dẫn trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến Gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả học tập và nghiên cứu

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến nhà trường, Ban QLDA Sông Hồng và các đồng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả hoàn thành Luận văn này

Do thời gian thực hiện Luận văn không nhiều và trình độ tác giả có hạn, mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng trong Luận văn sẽ không tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các Thầy cô giáo, cùng các bạn đồng nghiệp để Luận văn hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả Luận văn

Đồng Anh Tuấn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp Cao học ngành kỹ thuật xây dựng

công trình dân dụng và công nghiệp với đề tài “Tính toán thiết kế khung thép

bằng phương pháp phân tích trực tiếp theo quy phạm Mỹ AISC:2010” là

Luận văn do cá nhân tôi thực hiện Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong Luận văn là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và tuân thủ theo Tiêu chuẩn Xây dựng hiện hành Kết quả nghiên cứu không sao chép bất kỳ tài liệu nào khác

Tác giả Luận văn

Đồng Anh Tuấn

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục Lục

Danh mục các ký tự và chữ viết tắt ký tự La Tinh

Danh mục bảng, biểu

Danh mục hình vẽ

MỞ ĐẦU 1

Lý do chọn đề tài 1

Mục đích nghiên cứu 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH TRỰC TIẾP 4

1.1. Xu hướng thiết kế khung thép 4

1.2.Nguồn gốc và mức độ phân tích phi tuyến [10] 7

1.2.1 Nguồn gốc của phi tuyến 7

1.2.2 Các mức độ phân tích 7

1.3.Hướng tiếp cận ma trận [10] 9

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ KHUNG THÉP THEO TIÊU CHUẨN MỸ AISC-LRFD (2010) 27

2.1 Tóm tắt tiêu chuẩn AISC-LRED (2010) [6] 27

2.1.1 Phương pháp phân tích trực tiếp (Direct Analysis Method-DAM) 27

2.1.2 Phương pháp chiều dài tính toán 29

2.1.3 Phương trình tương tác 33

2.1.4 Mômen uốn yêu cầu M r 34

2.1.5 Cường độ cột P n 37

2.1.6 Mômen uốn danh nghĩa M n 37

2.2.Phân tích đàn hồi bậc hai trong thiết kế khung thép [12] 39

2.2.1 Những yêu cầu cơ bản 39

2.2.2 Giới hạn của hướng dẫn 40

2.2.3 Những quy định thiết kế 40

2.3.Quy trình phân tích và thiết kế trực tiếp [9] 48

CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ TRỰC TIẾP KHUNG THÉP 52

3.1.Ví dụ 1: Tính toán khung 2 nhịp 2 tầng 52

3.1.1 Phương pháp AISC-LRFD 53

3.1.2 Phương pháp thiết kế trực tiếp 63

3.2.Ví dụ 2: Tính toán khung 2 nhịp 1 tầng 71

3.2.1 Phương pháp AISC-LRFD 71

3.2.2 Phương pháp thiết kế trực tiếp 75

3.3.Ví dụ 3: Tính toán khung thép 1 nhịp 2 tầng 80

3.3.1.Phương pháp AISC-LRFD 81

3.3.2.Phương pháp thiết kế trực tiếp 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

Kết luận 92

Kiến nghị 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC KÝ TỰ VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ TỰ LA TINH

A: Diện tích tiết diện nguyên

Fcr :Ứng suất suất tới hạn

Fe : Ứng suất oằn đàn hồi

h o: Khoảng cách giữa hai tâm cánh

MA : Trị tuyệt đối cuả mômen lớn

nhất tại vị trí một phần tư của cấu kiện không giằng

MB :Trị tuyệt đối cuả mômen tại vị

trí một phần hai của cấu kiện không giằng

MC : Trị tuyệt đối cuả mômen lớn

nhất tại vị trí một phần ba của cấu kiện không giằng

Mn : Mômen uốn danh nghĩa Mmax: Trị tuyệt đối lớn nhất của

mômen trong cấu kiện không giằng

Mlt : Mômen bậc nhất sử dụng tổ

hợp tải LRFD chỉ do tác dụng của lực ngang của khung không giằng

Mnt : Mômen bậc nhất sử dụng tổ

hợp tải LRFD của khung không giằng

[N]: Véc tơ hàm dạng phần tử n: Số bận tự do, số nút phần tử

Ni :Tại trọng thay thế đặt tại tầng i

{P} :Véc tơ lực nút tổng thể L: Lực nén dọc trục

Pc : Độ bền nén thiết kế theo LRFD

Lb Khoảng cách giữa hai giằng cấu

kiện chịu uốn

Lp : Khoảng cách giữa hai giằng để

cấu kiện không mất ổn định tổng thể

Lr : Khoảng cách lớn nhất giữa hai

giằng để cấu kiện mất ổn định tổng

thể trong giai đoạn đàn dẻo

Mr: Mômen uốn yêu cầu

Mu: Mômen uốn yêu cầu theo

Yi : Tải trọng theo phương trọng

lực

Z: Mô đun tiết diện dẻo

KÝ TỰ HY LẠP

{∆}: Véc tơ chuyển vị nút

∆: Chuyển vị

δ: Đại lượng ảo

ε: Ten xơ ứng suất

θ: Chuyển vị góc

λ: Tỉ số tải trọng, hệ số biến dạng dẻo

ξ: Tọa độ vô hướng

π: 3.1414…

ρ: Bán kính cong : Ứngsuất cắt

a : Hệ số giảm độ cứng

b : Hệ số giảm độ cứng : Ứng suất pháp

y: Ứng suất chảy

: Hàm mặt chảy Ø: Góc

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu

phẳng 2 nhịp 2 tầng

Bảng 3.4

Kết quả kiểm tra trạng thái giới hạn về cường độ của tiết diện theo phường pháp AISC-LRFD và phương pháp thiết kế trực tiếp

DANH MỤC HÌNH VẼ

chuyển vị ngang (khung giằng)

vị ngang

Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ

giằng và không giằng

sử dụng bình thường

dụng bình thường

thép phẳng 2 nhịp 2 tầng

phẳng 2 nhịp 2 tầng

giằng và không giằng

giằng và không giằng

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Như đã biết, vật liệu thép là vật liệu có tính đàn hồi - dẻo rõ rệt và nhiều

mô hình gần đúng biến dạng đàn hồi dẻo của chúng như: đàn hồi dẻo lý tưởng, đàn hồi dẻo song tuyến, đàn hồi dẻo đa tuyến tính, đàn hồi dẻo Ramberg – Osgood … chính vì vậy kết cấu thép có rất nhiều ưu điểm như: khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao, cường độ lớn, tiết diện nhỏ, trọng lượng nhỏ, vì tiết diện của kết cấu thép nhỏ, tạo được nhịp lớn Nên việc thiết kế khung thép là rất quan trong và được thực hiện bởi các bước sau:

Bước một: dùng phân tích đàn hồi tuyến tính và nguyên lý cộng tác dụng

để xác định các kết quả cần thiết như nội lực, chuyển vị của các tổ hợp tải nguy hiểm có thể tác động vào hệ kết cấu;

Bước hai: khả năng chịu lực của từng cấu kiện được kiểm tra riêng lẻ theo điều kiện cường độ bằng các công thức quy định trong các tiêu chuẩn có xét đến tác động của các yếu tố phi tuyến vật liệu, hình học liên quan đến độ bền, ổn định một cách không tường minh; kiểm tra điều kiện sử dụng bình thường (độ võng, độ lệch, chiều rộng vết nứt)

Tuy nhiên phương pháp thiết kế truyền thống vẫn chưa thể hiện rõ quan

hệ giữa tải trọng và chuyển vị, chưa xem xét đầy đủ ứng xử của kết cấu ở mức

độ toàn hệ Trong thiết kế hiện đại, việc dự đoán dạng phá hủy và tải trọng cực hạn của khung thép là một điều cần thiết để có thể đảm bảo độ tin cậy của

đồ án thiết kế Để giải quyết vấn đề này cần phải giải các bài toán phức tạp,

có khối lượng tính toán lớn gây nhiều khó khăn cho các kỹ sư

Dựa trên nhu cầu về ứng xử thật sự của khung thép dưới tác động của tải

trọng để có những phương án thiết kế tối ưu, Tôi chọn đề “Tính toán thiết kế

khung thép bằng phương pháp phân tích trực tiếp theo quy phạm Mỹ AISC:2010”

Mục đích của luận văn trước tiên là tổng hợp các lý thuyêt cơ bản về tính toán thiết kế phân tích kết cấu khung thép

Tiến hành nghiên cứu các phần mềm, chương trình phân tích kết cấu và quy trình thiết kế trực tiếp dùng phân tích phi tuyến và ứng dụng phương pháp thiết kế trực tiếp để thiết kế kết cấu khung thép trên cơ sở so sánh kết quả phân tích với các kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn AISC-LRFD

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Xem xét kết cấu khung thép cho trường hợp khung phẳng và được giằng đầy đủ theo phương ngoài mặt phẳng (các dầm được cung cấp đủ gối tựa ngang) để ứng suất trong cấu kiện đạt tới giới hạn chảy

Tiết diện cấu kiện thép dạng I cánh rộng

Liên kết giữa các thanh là liên kết cứng

Tải trọng tác dụng gồm tải trọng tĩnh

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng chương trình phân tích MASTAN2, đây là một chương trình phân tích kết cấu bằng phương pháp khớp dẻo được phát triển bởi giáo sư Ronald D Ziemian – Đại học Bucknell và giáo sư William McGuire – Đại học Cornell Hoa Kỳ Chương trình được viết trên nền Matlab, cung cấp cho người dùng giao diện thân thiện, có khả năng mô hình hóa các kết cấu phẳng chịu tải trọng tĩnh, khả năng phân tích tuyến tính và phi tuyến cũng như hiển thị các kết quả phân tích

MASTAN2 là chương trình phân tích dành cho mục đích giáo dục, không thu phí sử dụng và ngày càng được nhiều sinh viên trên khắp thế giới

sử dụng để phân tích các bài toán kết cấu

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Tính toán khả năng chịu lực của hệ kết cấu thép, đánh giá so sánh kết quả của phương pháp phân tích trực tiếp, chỉ ra hạn chế trong phương pháp sử dụng chiều dài tính toán

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

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

A Phương pháp thiết kế khung thép theo phương pháp chiều dài tính toán AISC-LRFD có những hạn chế:

1 Xác định hệ số chiều dài tính toán khá phức tạp, khối lượng tính toán

cho từng cấu kiện lớn

2 Tính toán tách rời từng cấu kiện để kiểm tra cường độ theo các phương trình tương tác chưa thể hiện được tác động lẫn nhau giữa các cấu kiện trong toàn hệ

3 Không dự đoán được dạng phá huỷ của cả hệ kết cấu do hạn chế của công thức tương tác LRFD

4 Phương pháp này khó khăn khi chuyển thể lập trình thành phần mềm tính toán

B Phương pháp thiết kế khung thép có xét đến sự làm việc của cả hệ có kể đến các ảnh hưởng bậc hai và các yếu tố phi đàn hồi - phương pháp phân tích trực tiếp có thể giải quyết được các hạn chế trên:

1 Không sử dụng hệ số chiều dài tính toán vì tác động của sự sai lệch hình học được kể đến bằng phương pháp tải trọng ngang thay thế, ảnh hưởng của ứng suất dư được kể đến nhờ phương pháp khớp dẻo tinh chỉnh và tác động phi tuyến hình học đã được kể đến trực tiếp trong phân tích;

2 Tính toán cấu kiện trong tổng thể cả hệ kết cấu, trong phân tích sử dụng phân tích phi tuyến kể đến các ảnh hưởng bậc hai và những yếu tố phi đàn hồi làm sự giảm độ cứng của cấu kiện khi chịu tải, thể hiện được sự phân

bố lại nội lực và sự hình thành khớp dẻo

Một số ưu điểm khác của phương pháp trên: Không cần phân loại khung, thiết

kế an toàn và kinh tế hơn, có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn: thiết

kế kết cấu chịu động đất, chịu lửa, biến dạng lớn…

Phương pháp thiết kế trực tiếp có những ưu điểm rõ ràng như nêu trên, việc áp dụng phương pháp trực tiếp vào tính toán liên quan đến khối lượng tính toán đồ sộ, phải xây dựng các phần mềm tính toán mạnh, phức tạp Việc sản xuất các phần mềm có chất lượng, tin cậy đòi hỏi mức đầu tư lớn, nên có

lộ trình đầu tư để phát triển việc tính toán theo phương pháp này

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Lưu Văn Tường

(2006), Kết cấu thép – Cấu kiện cơ bản, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội

[2] GS.TS, Đoàn Định Kiến (2012), Thiết kế kết cấu thép (theo quy

phạm Hoa Kỳ AISC/ASD), NXB Xây Dựng, Hà Nội

[3] Đoàn Đình Kiến, Nguyễn Song Hà, Thiết kế kết cấu theo quy phạm

Hoa kỳ AISC 2005, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật

[4] Ths Trần Thị Thôn, Thiết kế nhà thép tiền chế (theo Quy phạm Hoa

Kỳ AISC-2005/ASD và LRFD), NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

Tiếng Anh

[5] AISC (2005), ANSI/AISC 360-05 Specification for Structural Steel

Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL

[6] AISC (2010), ANSI/AISC 360-10 Specification for Structural Steel

Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL

[7] Chen W.F and Lui E.M Structural Stability: Theory and

Implementation, Upper Saddle River, New Jersey: Prentice-Hall, Inc, 1987

[8] Donald W.White, E.A “Stability Analysis and Design of Steel

Building Frames Using the 2005 AISC Specification”, Steel Structures, vol, 6,

pp 71-91, 2006

[9] Kim S.E, Chen W.F “Design guide for steel frames using advanced

analysis program”, Engineering Structures 21 pp.352–36, 1999

[10] McGuire W Gallagher, R H, and Ziemian R.D (2000) Matrix

[11] Nair R S “Stability Analysis and the 2005 AISC Specification”,

Modern Steel Construction, May 2007

inelastic analysis in steel frame design, Report of the Special Project

Committee on Advanced Analysis, Technical Committee on Compression and

Flexural Members of the Structural Engineering Institute of ASCE

[13] Surovek-Maleck,A.E, and White D.W (2004),“Alternative Approaches for Elastic Analysis and Design of Steel Frames, I:

Overview”, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol, 130, No, 8,

August, pp, 1186-1196

[14] Surovek, A.E, and Ziemian R.D, (2005), “The Direct Analysis

Method:

Bridging the Gap from Linear Elastic Analysis to Advanced Analysis in

Steel Frame Design”, Proceedings of the 2005

Structures Congress and Exposition, Metropolis and Beyond, New York, p

1197-1210

[15] Ziemian, (ed,) (2010) Guide to Stability Design Criteria for

Metal Structures, 6th Edition, Structural Stability Research Council, Wiley,

1078 pp

[16] Ziemian R.D, McGuire W A method for incorporating live load

reduction provisions in frame analysis Engrg J AISC(1992);29(1):1-3