Phân tích khung thép phẳng dạng ống có liên kết nửa cứng

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM HỒNG THÁI PHÂN TÍCH KHUNG THÉP PHẲNG DẠNG ỐNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Chuyên ngành : Xây Dựng Dân Dụng Và Công Nghiệp Mã số ngành : 23.04.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2005 LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành cám ơn PGS TS Bùi Công Thành, người tận tình dẫn dắt hướng dẫn từ bước đầu làm quen với công việc nghiên cứu khoa học đến lúc hoàn thành luận văn thạc só Lòng nhiệt tình thầy giúp vượt qua bao khó khăn để hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cám ơn đến tất thầy cô khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, phòng Đào Tạo sau Đại học, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Một lòng biết ơn vô hạn xin gửi tới cha mẹ tôi, người cho tất từ thể xác, kiến thức, tâm hồn … để có hiểu biết ngày hôm Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến tất người thân, bạn bè đồng nghiệp, người nhiệt tình giúp đỡ động viên suốt trình làm luận văn Chương 1: Tổng Quan CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 KHÁI NIỆM VỀ LIÊN KẾT NỬA CỨNG VÀ THÉP DẠNG ỐNG [1], [5], [6], [7],[12], [29], [30], [31], [39] Những thủ tục phân tích kết cấu khung truyền thống dựa vào giả thiết liên kết lý tưởng: khớp nút cứng Các mô hình với liên kết lý tưởng làm đơn giản thủ tục tính toán lại không phản ảnh làm việc thực tế nút khung Mô hình liên kết cứng giả thiết không tồn góc xoay tương đối liên kết mômen đầu dầm truyền hoàn toàn sang cột Ngược lại, liên kết khớp giả thiết ràng buộc góc xoay liên kết mômen liên kết luôn không Tuy nhiên, thực tế, liên kết không hoàn toàn cứng hẳn, không hoàn toàn khớp lý tưởng, mà ứng xử có độ đàn hồi định biến dạng cục phân tố nối bulông, nối… Tùy theo cách cấu tạo liên kết mà trạng thái trải rộng từ khớp lý tưởng đến ngàm lý tưởng Loại liên kết “không lý tưởng” gọi loại liên kết mềm (flexible connection) hay tên khác liên kết nửa cứng (semi-rigid connection) Liên kết thường mô hình lò xo nên có gọi liên kết lò xo (spring hinged joints) Nội lực kết cấu nửa cứng phân bố khác hẳn với kết cấu có liên kết cứng khớp Nghiên cứu liên kết nửa cứng kết cấu có liên kết nửa cứng giúp phân tích trạng thái kết cấu cách trực quan xác Trong tính toán kết cấu với liên kết giả sử lý tưởng kết nhận không gần với ứng xử kết cấu thật Nếu liên kết giả thiết cứng tuyệt đối, chuyển vị nút phần tử nhỏ, mômen uốn nhịp dầm bé mômen vị trí gần liên kết lại thường có giá trị lớn Chương 1: Tổng Quan Điều ngược lại hoàn toàn ta giả thiết liên kết phần tử dầm cột liên kết khớp Với kết cấu có liên kết xem nửa cứng, có phân phối lại nội lực nên giá trị mômen đầu dầm giảm so với trường hợp xem liên kết tuyệt đối cứng mômen dầm giảm so với trường hợp xem liên kết khớp lý tưởng Từ làm việc hợp lý dẫn đến kích thước tiết diện dầm, cột liên kết chọn hợp lý xác Vì vậy, việc xem xét liên kết liên kết nửa cứng giúp làm giảm trọng lượng kết cấu khung, giảm kích thước cấu kiện, chiều cao xây dựng tầng giảm đi, giảm vật liệu bao che, giảm lượng tiêu thụ trình sử dụng, mang lại lợi ích kinh tế cao Một trở ngại chưa có phương pháp thống để phân tích tính toán khung thép có liên kết nửa cứng Đặc biệt với toán ổn định, phi tuyến hình học, dao động khung thép có liên kết nửa cứng thường tính toán gần cách tách phần tử dầm cột riêng lẻ Do đó, kết đạt tương đối khó áp dụng thực tế Với phát triển mạnh mẽ ngành kỹ thuật máy tính với phương pháp số, phương pháp phân tích kết cấu cách trực tiếp hệ tổng thể nghiên cứu phát triển Chương trình tính toán kết cấu STAAD PRO cho phép khai báo liên kết nửa cứng, giới hạn mức độ quan hệ mômen góc xoay (M-θr) tuyến tính, nghóa độ cứng liên kết số Mặt khác, số độ cứng ước lượng theo chủ quan kinh nghiệm người thiết kế, quan hệ thực M-θr phi tuyến nghóa độ cứng liên kết giảm dần tải trọng gia tăng (nội lực gia tăng) Khung thép dạng ống (hollow structural sections -HSS) loại khung thép có cột thép ống (ống tròn, vuông, chữ nhật), dầm thép chữ I (wide flange) thép ống Do liên kết cột dầm đa dạng Đối với loại liên Chương 1: Tổng Quan kết khác độ cứng liên kết khác nhau, tức quan hệ (M-θr) khác Vì cần nghiên cứu phân loại thật xác liên kết Ứng xử liên kết nửa cứng phi tuyến chịu ảnh hưởng yếu tố phi tuyến sau [29], [30]: Phi tuyến liên kết: Quan hệ mômen góc xoay liên kết phi tuyến Phi tuyến hình học: Do ảnh hưởng bậc hai bao gồm: + Ảnh hưởng P-∆, P-δ (gọi chung P-Delta) + Ảnh hưởng không hoàn chỉnh hình học Phi tuyến vật liệu: Do ảnh hưởng chảy dẻo ứng suất dư Trên giới, liên kết nửa cứng nghiên cứu từ sớm có nhiều nhà khoa học tham gia nghiên cứu [29], [30]: - Wilson Moore (1917), lần công bố báo nghiên cứu liên kết nửa cứng giới Bài báo tập trung khảo sát xây dựng đường đặc tính diễn tả mối quan hệ mômen góc xoay liên kết - Batho Rowan (1934), Rathbun (1936), Sourochnikoff (1949) dùng nhiều phương pháp khác phương pháp phân phối mômen, phương pháp độ lệch-độ dốc, phương pháp đường đàn hồi để phân tích khung có xét đến tính mềm liên kết [31] - DeFalco Marino (1966) tiến hành hiệu chỉnh chiều dài ảnh hưởng cột thiết kế thông qua độ cứng dầm Độ cứng biểu diễn hàm hệ số liên kết nửa cứng Z Lothers đề nghị - Frye Morris (1975) giới thiệu cách tính lặp để xét ảnh hưởng đặc tính phi tuyến liên kết Họ giả thiết rằng, ứng xử vật liệu đàn hồi tuyến Chương 1: Tổng Quan tính từ phát triển phương trình diễn tả mối quan hệ mômen góc xoay tương đối liên kết khung - Moncarz Gestle (1981) trình bày phương pháp chuyển vị sử dụng ma trận (matrix displacement method) để phân tích khung có xét đến liên kết nửa cứng - Simitises vaø Vlahinos (1982), Simitises, Swishhelm vaø Vlahinos (1984) nghiên cứu ổn định khung có kể đến liên kết nửa cứng - Chen Lui (1985) đề nghị mô hình liên kết cột-dầm để áp dụng thực hành thiết kế Mô hình phát triển dựa liệu thực nghiệm - Lei xu Donale E.Grierson (1992) giới thiệu phương pháp tự động hóa máy tính để thiết kế tối ưu khung thép có xét đến ảnh hưởng liên kết nửa cứng [32] - Seung-Eock Kim Wai-Fah Chen (1995) đề nghị phương pháp phân tích nâng cao dùng thực hành để thiết kế khung thép có liên kết nửa cứng Phương pháp xét đồng thời tất ảnh hưởng phi tuyến liên kết, phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu - Liew J.Y.R cộng (1997) tiến hành thí nghiệm khung không giằng có liên kết nửa cứng làm sở so sánh phân tích dẻo bậc - Yosuk Kim Wai-Fah Chen (1998) đề nghị phương pháp thực hành khác để thiết kế khung thép có liên kết nửa cứng sở quy phạm AISCLRFD - G.C Clifton J.W Butterworth (1999), G.C Clifton, J.W Butterworth M Pantke (2001) tiến hành nghiên cứu đề nghị mô hình liên kết nửa cứng hệ khung chống động đất - Kim Seung Eock, Choi Se Hyu Park Moon (2001) dùng phương pháp phân tích nâng cao để phân tích khung thép không gian có liên kết nửa cứng, Chương 1: Tổng Quan xét đồng thời tất ảnh hưởng phi tuyến liên kết, phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu, đồng thời xoắn ngang [17], [20], [26] - Đối với nghiên cứu thực nghiệm thép có dạng ống, White (1965), White Fang (1966) thực nhiều thí nghiệm với tải tónh loại liên đơn giản (liên kết loại 2, theo AISC, 1989) Blais (1974) Picard Giroux (1976), Dawe vaø Grondin (1985), Kato et al (1981), Stelco (1981), Kanatani et al (1980, 1986), Korol vaø Mirza (1982b), Mang et al (1983)… tiến hành nhiều thí nghiệm với liên kết mômen (liên kết loại 1, theo AISC, 1989) Tất nghiên cứu thực nghiệm nhằm mục đích xác định quan hệ mômen-góc xoay liên kết [31] Phân tích khung có xét đến ảnh hưởng liên kết nửa cứng đề cập tiêu chuẩn tính toán nước Cụ thể tiêu chuẩn tính toán ủy ban châu Âu Eurocode, tiêu chuẩn tính toán kết cấu thép Anh, Mỹ Australia… Mặc dù vậy, chưa có qui định kỹ thuật thiết kế chi tiết phương pháp tính cụ thể để giúp kỹ sư đưa liên kết nửa cứng ứng dụng vào thực tế Ở Việt Nam, vấn đề liên kết nửa cứng mẻ Những nghiên cứu gần lý thuyết chưa có điều kiện để làm thí nghiệm Trong giáo trình Kết cấu thép (1998) [13], phần 3.7 chương có đề cập đến liên kết nửa cứng hệ khung thép nhà cao tầng, giới thiệu sơ lược Tác giả Vũ Quốc Anh, Đại học Kiến Trúc Hà Nội, người nghiên cứu liên kết nửa cứng Bài báo đăng nước tạp chí “Vietnam Journal of Mechanics”, NCST of Vietnam Vol 23, 2001, No Theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép Việt Nam TCXDVN 338 : 2005 [2], liên kết nửa cứng kể đến dạng hệ số chiều dài ảnh hưởng µ điều kiện liên kết gần sát với lý thuyết (phụ lục Chương 1: Tổng Quan D), song hệ số tham khảo chưa phân loại liên kết hay có dẫn kỹ thuật phương pháp tính cụ thể Gần đây, số luận văn Thạc só nghiên cứu liên kết nửa cứng [12], [29], [30]: - Trần Tuấn Kiệt (Đại học Bách Khoa TP.HCM) thực đề tài luận văn Thạc só với đề tài: “Phân tích khung thép phẳng có liên kết nửa cứng phương pháp nâng cao” tháng 12 năm 2002 Luận văn sử dụng mô hình thông số Kishi Chen phương pháp hiệu chỉnh khớp dẻo - Nguyễn Trung (Đại học Bách Khoa TP.HCM) thực đề tài luận văn Thạc só với đề tài: “Phân tích khung thép không gian có liên kết nửa cứng phương pháp nâng cao” tháng năm 2003 - Trần Chí Hoàng (Đại học Bách Khoa TP.HCM) với đề tài “Phân tích thiết kế tối ưu khung thép phẳng có liên kết nửa cứng với tiết diện chữ I”, tháng năm 2003 - Chu Việt Cường (Đại học Bách Khoa TP.HCM) với đề tài “Phân tích nâng cao khung liên hợp thép – bêtông cốt thép phẳng có liên kết nửa cứng”, tháng 12 năm 2004, đề tài sử dụng mô hình liên kết đề nghị Eurocode áp dụng phương pháp hiệu chỉnh khớp dẻo để phân tích khung - Ngoài luận văn Ngô Hữu Cường với đề tài:” Phân tích vùng dẻo phi tuyến hình học cho khung thép phẳng phương pháp phần tử hữu hạn”, tháng năm 2003, PGS TS Chu Quốc Thắng hướng dẫn, nghiên cứu kết cấu với liên kết nửa cứng sử dụng mô hình tứ tuyến FOLEY phương pháp vùng dẻo để phân tích khung thép phẳng - Lương Văn Hải thực nghiên cứu với đề tài “Non-linear analysis of composite frames with semi-rigid connection” thaùng 11 năm 2003 Nhìn chung, luận văn nghiên cứu cho liên kết nửa cứng dầm cột có tiết diện chữ I (wide-flange) với số mô hình liên kết Chương 1: Tổng Quan cụ thể như: mô hình ba thông số Kishi-Chen, mô hình thông số Richard-Abbott Đồng thời tập trung vào phân tích hai liên kết điển hình liên kết thép góc cánh cánh có thép góc bụng dầm Các mô hình liên kết khác loại liên kết khác chưa phân tích đầy đủ 1.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI [29], [30], [31] Đối với liên kết nửa cứng, mô hình liên kết đóng vai trò quan trọng Sự đa dạng cấu tạo liên kết dẫn đến khác ứng xử liên kết Do đó, việc nghiên cứu phương pháp để mô hình hóa số liệu thực nghiệm liên kết vấn đề cần thiết có tính thực tiễn Bên cạnh đó, việc xây dựng phát triển chương trình phân tích khung thép có xét đến độ mềm liên kết đồng thời kiểm tra độ bền, độ ổn định toàn kết cấu quan trọng Đề tài “Phân tích khung thép phẳng dạng ống có liên kết nửa cứng” với mục đích tìm hiểu cấu tạo ứng xử loại liên kết nửa cứng khung thép có dạng ống, từ xây dựng mô hình liên kết chương trình tính toán cho loại liên kết Do luận văn tập trung vào vấn đề xây dựng mô hình liên kết từ kết thực nghiệm, từ áp dụng phương pháp hiệu chỉnh khớp dẻo để phân tích khung thép phẳng có liên kết nửa cứng xây dựng chương trình phân tích Một số nội dung luận văn là: • Xây dựng mô hình liên kết từ kết thực nghiệm cho liên kết nửa cứng phương pháp bình phương bé Đồng thời thể đoạn chương trình viết ngôn ngữ Matlab Visual Basic để tính hệ số mô hình nhằm mục đích kiểm tra, đánh giá kết so sánh với chương trình SCDB Đại học Purdue-Mỹ (Steel Connection Data Bank Program) [32], [38] • Phương pháp phân tích dùng luận phương pháp hiệu chỉnh khớp dẻo, phương pháp phân tích nâng cao [37] Chương 1: Tổng Quan • Luận văn phát triển thêm môđun chương trình SEMIFRAME viết Visual Basic để tự động hóa trình tính toán với mô hình thiết lập, đồng thời dùng chương trình để tính toán so sánh khác biệt khung cứng khung nửa cứng, so sánh mô hình liên kết với nhau, so sánh với chương trình Prokon để thấy rõ đặc điểm phương pháp nâng cao Ngoài ra, luận văn phát triển môđun tiện ích cho chương trình SEMIFRAME, điều giúp trình phân tích khung trực quan, sinh động, nhanh chóng sai sót Luận văn bước phát triển nghiên cứu liên kết nửa cứng với việc bổ sung thêm mô hình liên kết, loại liên kết với thép có hình ống Phân tích cặn kẽ liên kết hai ống RHS lập chương trình tính hệ số độ cứng cho loại liên kết Do đó, nói luận văn góp phần hoàn thiện “bộ sưu tập” liên kết nửa cứng 1.3 NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN Nội dung luận văn gồm chương sau: Chương 1: Tổng Quan Chương 2: Liên Kết Nửa Cứng Với Cột Có Hình Ống Chương 3: Mô Hình Liên Kết Chương 4: Phân Tích Nâng Cao - Phương Pháp Hiệu Chỉnh Khớp Dẻo Chương 5: Chương Trình Phân Tích Khung Có Liên Kết Nửa Cứng Bằng Phương Pháp Nâng Cao Chương 6: Các Ví Dụ Minh Họa Chương 7: Kết Luận Và Kiến Nghị ... trọng Đề tài ? ?Phân tích khung thép phẳng dạng ống có liên kết nửa cứng? ?? với mục đích tìm hiểu cấu tạo ứng xử loại liên kết nửa cứng khung thép có dạng ống, từ xây dựng mô hình liên kết chương trình... 7: Kết Luận Và Kiến Nghị Chương 2: Liên Kết Nửa Cứng Với Cột Có Hình Ống CHƯƠNG LIÊN KẾT NỬA CỨNG VỚI CỘT CÓ HÌNH ỐNG 2.1 GIỚI THIỆU Chương giới thiệu số liên kết nửa cứng với cột có hình ống. .. Một trở ngại chưa có phương pháp thống để phân tích tính toán khung thép có liên kết nửa cứng Đặc biệt với toán ổn định, phi tuyến hình học, dao động khung thép có liên kết nửa cứng thường tính