Nghiên cứu kết cấu thép bê tông cốt thép liên hợp chịu tải trọng động đất

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH MINH HIẾU NGHIÊN CỨU KẾT CẤU THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành: XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP Mã số ngành: 23 04 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2007 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, i ngày tháng năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC - - - oOo - - - - - - oOo - - - Tp HCM, ngày 05 tháng 03 năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ I Họ tên học viên: HUỲNH MINH HIẾU Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 27- 01-1978 Nơi sinh: Lâm Đồng Chuyên ngành: XÂY DỰNG DD&CN MSHV: 02104545 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KẾT CẤU THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: • Nghiên cứu việc sử dụng mô hình phần tử dầm liên hợp để phân tích ứng xử khung phẳng thép – bê tông cốt thép liên hợp tác dụng tải trọng động đất • Xét đến ảnh hưởng hai mô hình liên kết cứng nửa cứng • Sử dụng phương pháp tích phân số giải thuật Newmark để giải phương trình vi phân dao động • Xây dựng chương trình tính toán với ngôn ngữ kỹ thuật Matlab • Ví dụ kiểm chứng minh hoạ • Kết luận kiến nghị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 03 / 07 / 2006 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05 / 03 / 2007 ii V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS TS BÙI CÔNG THÀNH CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Thầy, Cô trường Đại học Bách Khoa Thành phồ HCM, người tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức quý giá cho suốt thời gian học, giúp hoàn thành luận văn kết thúc khóa học thạc só Với lòng nhiệt tình, vốn kiến thức sâu rộng kinh nghiệm sẵn có, Thầy Cô hình thành cho ý tưởng ban đầu suốt trình nghiên cứu, giúp tự hoàn thiện tự tin nhiều bước đường đời Lời cảm ơn xin chân thành gửi đến PGS TS BÙI CÔNG THÀNH, người tận tình hướng dẫn cho nhiều ý kiến bổ ích trình nghiên cứu khoa học đến lúc hoàn thành luận văn thạc só Lòng nhiệt tình Thầy học đáng nhớ cho Tôi hình ảnh người Thầy nghiệp giáo dục Và Tôi cảm ơn Thầy, Cô trực tiếp giảng dạy, truyền đạt kiến thức lónh vực xây dựng cho hai năm qua Tôi tin học quý may mắn có dược để làm hành trang cho bước sau Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tác giả có tài liệu mà sử dụng thực làm luận văn Cuối xin gửi nơi lời cảm ơn đến bậc thầy, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp… giúp đỡ động viên suốt trình tìm kiếm thông tin cho việc thực luận văn Chân thành cảm ơn! iv TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngày nay, với tiến xã hội, khoa học công nghệ với nhu cầu ngày cao an toàn người đặt lên vị trí hàng đầu Với tiêu chí đó, nhà khoa học kỹ sư xây dựng tìm cách nâng cao kiến thức nghiên cứu để đưa mô hình kết cấu mà nhà họ bền tác động môi trường Hàng loạt mô hình xây dựng nhằm thể ứng xử thật kết cấu nhiều giả thiết tải trọng Trong luận văn tác giả sử dụng mô hình phần tử dầm liên hợp Michael (2005) để phân tích ứng xử khung thép – bê tông cốt thép tải trọng động đất Với mục đích tìm hiểu khả làm việc kết cấu liên hợp tải trọng động luận văn sử dụng thêm hai mô hình liên kết cứng nửa cứng nhằm đánh giá ứng xử kết cấu ảnh hưởng đặc tính phi tuyến liên kết Như ứng xử khung phẳng thép – bê tông cốt thép liên hợp đánh giá độ cứng liên kết mục tiêu luận văn v MỤC LỤC Mục Trang Tờ nhận xét i Tờ nhiệm vụ ii Lời cảm ơn iv Tóm tắt luận văn v Mục lục vi CHƯƠNG TỔNG QUAN 01 1.1 Giới Thiệu 01 1.2 Tình Hình Nghiên Cứu Khung Thép – Bê Tông Cốt Thép Liên Hợp 05 1.3 Mục Đích Và Phạm Vi Nghiên Cứu Của Đề Tài 09 CHƯƠNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ DẦM LIÊN HP 11 2.1 Giới Thiệu Mô Hình Phần Tử Dầm Liên Hợp 11 2.2 Đặc Trưng Cơ Bản Và ng Xử Của Phần Tử Dầm Và Cột Thép – Bê Tông Cốt Thép Liên Hợp 12 CHƯƠNG MÔ HÌNH LIÊN KẾT CỨNG VÀ NỬA CỨNG 22 3.1 Giới Thiệu 22 3.2 Liên Kết Nửa Cứng Theo Tiêu Chuẩn EUROCODE 23 3.3 Kết Luận 28 CHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐỘNG KHUNG LIÊN HP 29 4.1 Giới Thiệu 29 4.2 Thiết Lập Phương Trình Vi Phân Dao Động 30 4.3 Mô Hình Kết Cấu Chịu Tải Trọng Động Đất .33 vi 4.4 Giải Phương Trình Dao Động Bằng Phương Pháp Số Theo Giải Thuật Của NEWMARK Và Lưu Đồ Thực Hiện Chương Trình .34 CHƯƠNG KIỂM CHỨNG VÀ THÍ DỤ MINH HOẠ 38 5.1 Kiểm Chứng Tính Đúng Đắn Của Chương Trình 38 5.2 Các Ví Dụ Tính Toán Khung Liên Hợp Chịu Tải Trọng Động Ñaát 43 5.3 Kết Luận Chung 56 CHƯƠNG KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 57 6.1 Keát Luận Kiến Nghị .57 6.2 Hướng Phát Triển Của Đề Tài 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHẦN PHỤ LUÏC 65 vii Chương CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU Hiện nhu cầu đời sống ngày cao nhu cầu xây dựng quan tâm vấn đề an toàn, thẫm mỹ kinh tế Do nhà xây dựng luôn tìm cách đưa giải pháp tính toán kết cấu để đạt nhu cầu khí hậu, thời tiết phức tạp cộng thêm trái đất ngày biến động, động đất xảy khắp nơi đe dọa tính mạng người nên việc tìm loại vật liệu kết cấu chống lại điều kiện khắc nhiệt thiên nhiên điều cần thiết nhiều người quan tâm Từ có nhiều nhà khoa học, kỹ sư đưa nhiều chương trình tính toán, mô phỏng, phân tích làm việc kết cấu đưa giải pháp thích hợp cho loại công trình Hiện nhà cao tầng nhiều công trình kiến trúc khác xây dựng với khung kết cấu thép – bê tông liên hợp mô hình ưa chuộng Với kết cấu nhà khoa học đưa nhiều mô hình phân tích nhằm mô hình xác ứng xử kết cấu chịu tải trọng từ đơn giản đến phức tạp tải động đất, tải đột ngột hay theo chu kì Để mô hình xác với thực tiển người ta đưa vào khái niệm phi tuyến vật liệu, phi tuyến hình học khái niệm - Nghiên cứu kết cấu thép – bêtông liên hợp chịu tải trọng động đất Chương loại liên kết qua người ta thí nghiệm mô hình xác làm việc kết cấu Một trở ngại chưa có phương pháp thống để phân tích tính toán khung liên hợp 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 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 hứa hẹn phương pháp tương lai Trước người ta thường sử dụng bêtông cốt thép thép hình để xây dựng nhà cao tầng, cầu cảng Ngày với công nghệ phát triển đưa nhiều loại kết cấu liên hợp, kết cấu thép – bêtông cốt thép liên hợp coi mạnh giải pháp thích hợp cho dự án lớn nhà cao tầng, cầu bến cảng Do nhiều đặc tính vượt trội hai loại vật liệu cấu thành độ cứng kết cấu bê tông, tốc độ thi công chịu lực lớn thép Với đặc tính kết cấu liên hợp loại kết cấu có khả chống dao động tốt nên việc sử dụng kết cấu liên hợp cho việc chống lại dịch chuyển đất tải trọng động đất thích hợp chủ đề nghiên cứu luận văn - Nghiên cứu kết cấu thép – bêtông liên hợp chịu tải trọng động đất Phần Mã Nguồn L=sqrt((x2-x1)^2+(y2-y1)^2); lx=(x2-x1)/L; ly=(y2-y1)/L; index=feeldof(nd,nnel,ndof); if hc==0 m=Asc*78.255; %daN/cm else m=Asc*78.255+(Acr-Asc)*20; %daN/cm end 3.2 Tính Toạ Độ Trọng Lượng Bản Thân Phần Tử Dầm FILE NAME: beamindexd.m %********************************************************************** * x1=gcoord(nd(1),1);y1=gcoord(nd(1),2); x2=gcoord(nd(2),1);y2=gcoord(nd(2),2); L=sqrt((x2-x1)^2+(y2-y1)^2); lx=(x2-x1)/L; ly=(y2-y1)/L; index=feeldof(nd,nnel,ndof); if hc==0 m=Asb*78.255; else m=Asb*78.255+Wjj*tc*20; end 3.3 Tính Ma Trận Khối Lượng Tương Thích [M] FILE NAME: massbeam.m % *********************************************************************** % TO ESTABLISH THE STIFFNESS MATRIX OF BEAMS ELEMENT - 89 - Nghiên cứu kết cấu thép – bêtông liên hợp chịu tải trọng động đất Phần Mã Nguồn % *********************************************************************** function [M]=massbeam( L, lx, ly, p1, p2, m) D=4-p1*p2; f1=560+224*p1+32*p1^2-196*p2-328*p1*p255*p1^2*p2+32*p2^2+50*p1*p2^2+32*p1^2*p2^2; f2=224*p1+64*p1^2-160*p1*p2-86*p1^2*p2+32*p1*p2^2+25*p1^2*p2^2; f3=560-28*p1-64*p1^2-28*p2-184*p1*p2+5*p1^2*p264*p2^2+5*p1*p2^2+41*p1^2*p2^2; f4=392*p2-100*p1*p2-64*p1^2*p2-128*p2^2-38*p1*p2^2+55*p1^2*p2^2; f5=32*p1^2-31*p1^2*p2+8*p1^2*p2^2; f6=124*p1*p2-64*p1^2*p2-64*p1*p2^2+31*p1^2*p2^2; m11=140*D^2; m14=70*D^2; m22=4*f1; m23=2*L*f2; m25=2*f3; m33=4*L^2*f5; m35=L*f4; m26=-L*f4; m36=-L^2*f6; m44=m11; m55=4*f1; m56=-2*L*f2; m66=m33; mm=m*L/420/D^2*[m11 0 m14 0 m22 m23 m25 m26 m23 m33 m35 m36 m14 0 m44 0 0 m25 m35 m55 m56 m26 m36 m56 m66]; T=[lx ly 0 0; -ly lx 0 0; 0 0 0; 0 lx ly 0; - 90 - Nghiên cứu kết cấu thép – bêtông liên hợp chịu tải trọng động đất Phần Mã Nguồn 0 -ly lx 0; 0 0 1]; M=T'*mm*T; 3.4 Tính Ma Trận Độ Cứng Kết Cấu [K] FILE NAME: stiffbeam.m % *********************************************************************** % TO ESTABLISH THE STIFFNESS MATRIX OF BEAMS ELEMENT % *********************************************************************** % function [K]=stiffbeam( E, I, A, L, lx, ly, p1, p2) b11=3*p1/(4-p1*p2); b12=3*p1*p2/(4-p1*p2); b22=3*p2/(4-p1*p2); k22=4*E*I*(b11+b12+b22)/L^3; k23=2*E*I*(2*b11+b12)/L^2; k25=-k22; k26=2*E*I*(b12+2*b22)/L^2; k33=4*E*I*b11/L; k55=k22; k35=-k23; k36=2*E*I*b12/L; k56=-k26; k66=4*E*I*b22/L; kk=[ E*A/L 0 -E*A/L 0 k22 k23 k25 k26 k23 k33 k35 k36 -E*A/L 0 E*A/L 0 - 91 - Nghiên cứu kết cấu thép – bêtông liên hợp chịu tải trọng động đất Phần Mã Nguoàn k25 k35 k55 k56 k26 k36 k56 k66]; T=[lx ly 0 0; -ly lx 0 0; 0 0 0; 0 lx ly 0; 0 -ly lx 0; 0 0 1]; K=T'*kk*T; 3.5 Kết Nối Ma Trận Độ Cứng Khối Lượng Tổng Thể [KK, MM] FILE NAME: feasmbl1.m function [KK,MM]=feasmbl1(KK,MM,K,M,index) edof=length(index); for i=1:edof ii=index(i); for j=1:edof jj=index(j); KK(ii,jj)=KK(ii,jj)+K(i,j); MM(ii,jj)=MM(ii,jj)+M(i,j); end end 3.6 Hàm Dò Tìm Chỉ Số Bậc Tự Do Của Phần Tử FILE NAME: feeldof.m function [index]=feeldof(nd,nnel,ndof) edof=nnel*ndof; k=0; for i=1:nnel - 92 - Nghieân cứu kết cấu thép – bêtông liên hợp chịu tải trọng động đất Phần Mã Nguồn start=(nd(i)-1)*ndof; for j=1:ndof k=k+1; index(k)=start+j; end end 3.7 Hàm Gán Điều Kiện Biên FILE NAME: feaplyc.m function [KK,MM]=feaplyc(KK,MM,bcdof,bcval) n=length(bcdof); sodof=size(KK); i=1:n; c=bcdof(i); KK(c,:)=[]; KK(:,c)=[]; MM(c,:)=[]; MM(:,c)=[]; 3.8 Tính Các Thông Số Ban Đầu Cho Giải Thuật NEWMARK với Liên kết Cứng FILE NAME: firstcaculate.m xt0=zeros(nn,1); vt0=zeros(nn,1); FFt0=zeros(nn,1); at0=inv(MM)*(FFt0-CC*vt0-KK*xt0); % step 1.2 gama=0.56; beta=0.25*(0.5+gama)^2; a1=1/beta/dtat^2; a2=1/beta/dtat; - 93 - Nghiên cứu kết cấu thép – bêtông liên hợp chịu tải trọng động đất Phần Mã Nguồn a3=1/beta/2-1; a4=gama/beta/dtat; a5=gama/beta-1; a6=dtat*(gama/2/beta-1); xti=xt0;vti=vt0;ati=at0; k=KK+CC*a4+MM*a1; % step 1.3 an=MM*a2+CC*gama/beta; bn=MM*1/2/beta+CC*a6; 3.9 Tính Các Thông Số Ban Đầu Cho Giải Thuật NEWMARK với Liên kết Nửa Cứng FILE NAME: firstcaculates.m xt0=zeros(nn,1); vt0=zeros(nn,1); FFt0=zeros(nn,1); at0=inv(MM)*(FFt0-CC*vt0-KK*xt0); % step 1.2 gama=0.56; beta=0.25*(0.5+gama)^2; a1=1/beta/dtat^2; a2=1/beta/dtat; a3=1/beta/2-1; a4=gama/beta/dtat; a5=gama/beta-1; a6=dtat*(gama/2/beta-1); xti=xt0;vti=vt0;ati=at0; an=MM*a2+CC*gama/beta; bn=MM*1/2/beta+CC*a6; % step 1.3 3.10 Gán Tải Trọng Động Đất FILE NAME: loadd.m for s=1:1:nn if i8