Ứng xử động dầm Timoshenko trên nền phi tuyến chịu tải trọng di động bằng phương pháp phần tử hữu hạn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VŨ MẠNH TUẤN ỨNG XỬ ĐỘNG DẦM TIMOSHENKO TRÊN NỀN PHI TUYẾN CHỊU TẢI TRỌNG DI ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chuyên ngành: Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng Và Cơng Nghiệp Mã số: 60 58 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỐ HỒ CHÍ MINH, thing 12 năm 2015 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đỗ Kiến Quốc - TS Nguyễn Trọng Phước Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Ngô Hữu Cường Cán chấm nhận xét 2: TS Lê Trung Kiên Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 19 tháng 02 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Chu Quốc Thắng Chủ tịch hội đồng PGS.TS Ngô Hữu Cường Thành viên Phản biện PGS.TS Lương Văn Hải Thành viên TS Đào Đình Nhân Thư ký TS Lê Trung Kiên Thành viên Phản biện Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận vãn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VỆT NAM Độc lập-Tự do-Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Vũ Mạnh Tuấn MSHV: 12214138 Ngày, tháng, năm sinh: 23/08/1988 Nơi sinh: Lâm Đồng Chun ngành: Xây Dụng Cơng Trình DD&CN Mã số: 605820 I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG XỬ ĐỘNG DẦM TIMOSHENKO TRÊN NỀN PHI TUYẾN CHỊU TẢI TRỌNG DI ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu tốn động lục học dầm xây dựng mơ hình toán dầm phi tuyến chịu tải di động - Thiết lập phuơng trình hệ dùng phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp số Newmark để giải toán dầm Timoshenko phi tuyến Viết chương trình máy tính để phân tích tốn - Kiểm chứng chuơng trình máy tính, đánh giá độ hội tụ toán khảo sát ứng xử động dầm thay đổi thông số dầm, vận tốc, hệ số cản III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/07/2015 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2015 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC - TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC Tp HCM, ngày 04 tháng 12 năm 2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG [ii] LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn người thầy hướng dẫn luận văn cho PGS.TS Đỗ Kiến Quốc TS Nguyễn Trọng Phước, hai thầy tận tình hướng dẫn, động viên giúp đỡ tơi nhiều để tơi hoàn thành luận văn tốt nghiệp Nhân tiện đây, gửi lời cảm ơn đến ThS Phạm Đình Trung - Bộ mơn Ket cấu - Khoa Xây dựng, Trường Đại học Quang Trung hỗ trợ tơi q trình thực luận văn Tiếp đến, xin cảm ơn Trường Đại học Bách khoa - Đại học quốc gia Tp HCM, thầy cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng truyền đạt kiến thức tạo kiện cho tơi hồn thành khóa học thạc sĩ Để hồn thành chương trình đào tạo, nhận nhiều giúp đỡ bạn bè, anh chị học viên cao học khoá 20122013 anh chị em công ty hỗ trợ công việc cho Sau cùng, muốn tỏ lòng biết ơn đến gia đình mình, cảm ơn bố mẹ đồng hành, ủng hộ, động viên tinh thần, tạo điều kiện cho suốt thời gian học tập thực luận văn Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015 Vũ Mạnh Tuấn [iv] TĨM TẮT Phân tích ứng xử động lực học dầm Timoshenko phi tuyến chịu tải trọng di động trình bày Luận văn Dầm mơ tả lý thuyết Timoshenko có xét đến ảnh hưởng biến dạng trượt rời rạc hóa phương pháp phần tử hữu hạn với phần tử thẳng Nền có ứng xử phi tuyến mơ tả quan hệ bậc ba lực chuyển vị với thông số nền: hệ số tuyến tính, hệ số chịu cắt, hệ số phi tuyến, hệ số cản Dựa lý thuyết phần tử hữu hạn, từ xây dựng ma trận độ cứng dầm, tải trọng di động, thiết lập phương trình chuyển động hệ giải phương pháp bước Newmark toàn miền thời gian Một chương trình máy tính viết ngơn ngữ lập trình MATLAB để giải tốn xây dựng Các kết số bao gồm chuyển vị động, nội lực dầm cho thấy hiệu tính hiệu cơng cụ phần tử hữu hạn cho kết hội tụ định Đồng thời, luận văn khảo sát yếu tố như: thông số dầm, thông số nền, loại tải trọng di động nhằm tìm yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị động nội lực dầm [iii] LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, ngoại trừ số liệu kết tham khảo từ cơng trình nghiên cứu khác ghi rõ luận văn, công việc cá nhân thục duới sụ huớng dẫn PGS.TS Đỗ Kiến Quốc TS Nguyễn Trọng Phuớc Các số liệu, kết nêu luận văn trung thục, khách quan đuợc thục xác; chuơng trình máy tính tơi tự viết dụa ngơn ngữ lập trình MATLAB [V] MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA i LỜI CẢM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xi CHUƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Cấu trúc luận văn CHUƠNG TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu 2.2 Một số mơ hình 2.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nuớc 2.4 Tình hình nghiên cứu nuớc 11 2.5 Kết luận chuơng 12 CHUƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 3.1 Giới thiệu 13 3.2 Mơ hình dầm, nền, tải trọng toán 13 3.3 Thiết lập phuơng trình chuyển động 17 3.4 Phuơng pháp giải Newmark 22 3.5 Thuật toán 25 3.6 Kết luận chuơng 27 CHUƠNG VÍ DỤ SỐ 28 4.1 Giới thiệu 28 [Vi] 4.2 Kiểm chứng chương trình tính 28 4.2.1 Bài toán dao động dầm không 28 4.2.2 Bài tốn dao động dầm có 33 4.3 Khảo sát hội tụ lời giải 36 4.3.1 Khảo sát hội tụ chuyển vị tăng số chia bước thời gian 36 4.3.2 Khảo sát hội tụ chuyển vị tăng số lượng phần tử dầm 38 4.4 Khảo sát ảnh hưởng thông số 40 4.4.1 Ảnh hưởng hệ số tuyến tính hệ số phi tuyến 40 4.4.2 Ảnh hưởng hệ số tuyến tính hệ số chịu cắt 45 4.4.3 Ảnh hưởng hệ số tuyến tính vận tốc lực di động 48 4.4.1 Ảnh hưởng hệ số phi tuyến vận tốc lực di động 53 4.4.2 Ảnh hưởng hệ số chịu cắt vận tốc lực di động 55 4.4.3 Ảnh hưởng hệ số cản nhớt vận tốc lực di động 58 4.4.4 Khảo sát ảnh hưởng biến thiên vận tốc lực di động 62 4.5 Khảo sát ảnh hưởng thông số dầm 65 4.5.1 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi dầm vận tốc lực di động 65 4.5.2 Ảnh hưởng vận tốc lực di động 71 4.6 Kết luận chương 73 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74 5.1 Kết luận 74 5.2 Hướng phát triển 74 TÀI LỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 81 [vii] DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Dầm winkier [13] Hình Dầm Pasternak [37] Hình Dầm ray xe lửa Dahlberg [39] Hình Dầm Timoshenko nhiều nhịp chịu vật thể di động [47] Hình Vật thể di động với vận tốc biến thiên [49] Hình Dầm chịu tải trọng động phi tuyến bậc [27] Hình Dầm phi tuyến không chịu tải trọng di động [1] 11 Hình Mơ hình dầm đàn hồi biến thiên 11 Hình Chuyển vị lục nút phần tử dầm đàn hồi [1] 21 Hình 10 Kết chuyển vị dầm Kien [4] luận văn 31 Hình 12 Dầm tựa đơn chịu tác động vật thể chuyển động [8] 31 Hình 13 Chuyển vị động dầm chuẩn hóa theo thời gian 32 Hình 14 Chuyển vị động dầm theo Phuơng pháp Garlekin FEM [34] 34 Hình 15 Kết chuyển vị động dầm luận văn 35 Hình 16 Khảo sát sụ hội tụ chuyển vị tăng số chia buớc thời gian 38 Hình 17 Chuyển vị dầm tăng số phần tử dầm 40 Hình 18 Miền chuyển vị dầm ki k3 biến thiên 42 Hình 19 Chuyển vị dầm ki=o kỉ biến thiên 43 Hình 20 Chuyển vị dầm ki=104N/m2 kỉ biến thiên 43 Hình 21 Chuyển vị dầm ki=106N/m2 kỉ biến thiên 44 Hình 22 Chuyển vị dầm ki=l 08N/m2 kỉ biến thiên 44 Hình 23 Miền chuyển vị điểm dầm ki k2 thay đổi, kỉ = kN/m4 46 Hình 24 Miền chuyển vị điểm dầm ki k2 thay đổi, kỉ = 1.2X1 o2 kN/m4 47 Hình 25 Miền chuyển vị điểm dầm ki k2 thay đổi, kỉ = 1.2x 108 kN/m4 48 Hình 26 Miền chuyển vị dầm ki V biến thiên 51 Hình 27 Chuyển vị dầm ki=2.8x o2 [N/m2] V [m/s] thay đổi 51 Hình 28 Chuyển vị dầm ki=2.8x 104 [N/m2] V [m/s] thay đổi 52 [viii] Hình 29 Chuyển vị dầm ki=2.8x 106 [N/m2] V [m/s] thay đổi 52 Hình 30 Miền chuyển vị dầm k3 V biến thiên 55 Hình 31 Miền chuyển vị dầm k2 V biến thiên 58 Hình 32 Miền chuyển vị dầm ị V biến thiên 61 Hình 33 Chuyển vị điểm dầm ị thay đổi 61 Hình 34 Dầm tuyến tính có độ cúng thay đổi 62 Hình 35 Miền chuyển vị gữa dầm tỷ số độ cúng ki(1)/k/2) V thay đổi 65 Hình 36 Chuyển vị gữa dầm V thay đổi úng với tỷ số độ cúng kin)/kií2) 65 Hình 37 Miền chuyển vị dầm mô đun đàn hồi vận tốc thay đổi 68 Hình 38 Chuyển vị dầm E=2.1X 103[N/m2] V [m/s] thay đổi 69 Hình 39 Chuyển vị dầm E=2 lxl 05[N/m2] V [m/s] thay đổi 69 Hình 40 Chuyển vị dầm E=2.1X 107[N/m2] V [m/s] thay đổi 70 Hình 41 Chuyển vị dầm E=2.1X 109[N/m2] V [m/s] thay đổi 70 Hình 42 Chuyển vị động dầm vận tốc lục di động thay đổi 72 Hình 43 Chuyển vị cục đại dầm vận tốc lục di động thay đổi 72 [65] Hình 34 Miền chuyển vị gữa đầm tỷ số độ cứng ki (1)/ki(2) V thay đổi Hình 35 Chuyển vị gữa dầm V thay đổi ứng với tỷ sổ độ cứng ki (1)/ki(2) 4.5 Khảo sát ảnh hưởng thông số dầm 4.5.1 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi dầm vận tốc lực di động Mô hình tốn dùng để khảo sát mơ hình dầm Timoshenko thông số đàn nhớt phi tuyến tựa đom, chịu tải trọng di động Thời điểm ban đầu vận đứng yên, chuyển vị vận tốc ban đầu hệ không Các đại lượng đặc [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] 123 ... TÀI: ỨNG XỬ ĐỘNG DẦM TIMOSHENKO TRÊN NỀN PHI TUYẾN CHỊU TẢI TRỌNG DI ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu toán động lục học dầm xây dựng mơ hình tốn dầm phi tuyến. .. Timoshenko phi tuyến chịu tải trọng di động phương pháp phần tử hữu hạn Nội dung chi tiết sau: - Xây dựng toán dầm Timoshenko phi tuyến chịu tải trọng di động; - Tìm hiểu sở lý thuyết phần tử hữu hạn. .. trọng động, sử dụng mơ hình phi tuyến sáu thông số để xét đến ứng xử phi tuyến tính cản nhớt nền, tác động đồng thời biến dạng cắt dầm Với toán dầm chịu tải di động, phương pháp phân tích ứng xử động