Phân tích phi tuyến khung thép phẳng chịu tải trọng và nhiệt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - LƯƠNG QUỐC DŨNG PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG THÉP PHẲNG CHỊU TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP MÃ SỐ NGÀNH : 23.04.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07- 2010 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Người hướng dẫn khoa học: TS NGÔ HỮU CƯỜNG Người chấm nhận xét 1: TS ĐỖ ĐẠI THẮNG Người chấm nhận xét 2: TS LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ngày 25 tháng 10 năm 2010 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Trường Đại học Bách khoa Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TPHCM PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Lương Quốc Dũng Phái : Nam Ngày – tháng – năm sinh : 04 - 07 - 1977 Nơi sinh : Đồng Tháp Chuyên ngành : Xây dựng DD&CN Mã số Khóa : 2008 : 23.04.10 I- TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG THÉP PHẲNG CHỊU TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT NHIỆT II- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN : • Phát triển phần tử hữu hạn có khả mơ lan truyền vùng dẻo, phi tuyến hình học, ứng suất dư để áp dụng phân tích khung thép phẳng chịu tải trọng nhiệt • Nghiên cứu thuật tốn để giải tốn phi tuyến • Xây dựng thuật tốn cho chương trình máy tính Lập trình ngơn ngữ lập trình C++ dựa vào thuật tốn xây dựng • Kiểm tra tính đắn kết đạt sở so sánh với kết nghiên cứu từ trước • Rút nhận xét kết luận Nêu lên hướng phát triển đề tài III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25/02/2010 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/07/2010 V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGÔ HỮU CƯỜNG Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua Tp.HCM, ngày tháng _ năm 2010 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TS NGÔ HỮU CƯỜNG CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) Lời Cảm Ơn “ Công cha nghĩa mẹ ơn thầy” Lời em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn luận án, TS Ngô Hữu Cường, người thầy mẫu mực uyên bác, người cố vấn đầy kinh nghiệm, tận tình hướng dẫn, định hướng khoa học động viên tinh thần cho tơi vượt qua khó khăn suốt q trình nghiên cứu Đạo đức tri thức thầy gương sáng cho chúng em noi theo Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Quản lý khoa học Sau đại học, Khoa Kỹ thuật xây dựng, thầy cô giảng dạy cao học Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh tất thầy cô dạy từ trước đến kiến thức quý báo truyền đạt Một lòng biết ơn vô hạn xin gửi tới cha mẹ Cha mẹ dạy cho điều hay lẽ phải, an ủi động viên nâng đỡ con, giúp nghị lực để vượt qua khó khăn sống Cha mẹ gương sáng để học tập noi theo Tôi xin cảm ơn thủ trưởng đồng nghiệp Công ty cổ phần xây dựng Kiên Giang, xin cảm ơn tất bạn bè và người thân động viên tạo điều kiện giúp tơi hồn thành luận án Xin chân thành cảm ơn ! Tp.HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2010 Lương Quốc Dũng TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG THÉP PHẲNG CHỊU TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT Luận án nghiên cứu trình truyền nhiệt kết cấu, khả chịu nhiệt tối đa khung, ứng xử vật liệu thép nhiệt độ cao, từ phân tích ảnh hưởng nhiệt đến làm việc phi tuyến cấu kiện khung thép Phương pháp phân tích vùng dẻo phi tuyến hình học sử dụng để phân tích phi tuyến khung thép tác dụng tải trọng nhiệt Trong phân tích tuyến tính hình học, chuyển vị hình học kết cấu chịu tải giả thuyết có giá trị nhỏ, phương trình cân quan hệ động học viết tương ứng với cấu hình khơng chuyển vị Nhưng thực tế, chuyển vị lớn xảy ra, kết cấu biểu lộ ứng xử phi tuyến rõ rệt, làm cho độ cứng kết cấu thay đổi vật liệu cấu tạo kết cấu đàn hồi tuyến tính tuyệt đối Do đó, việc kể đến phi tuyến hình học phân tích kết cấu cần thiết Sự phá hoại khung thép phụ thuộc vào ổn định toàn kết cấu cấu kiện cấu tạo nên khung chảy dẻo chịu tải nhiệt Ứng xử không đàn hồi khả chịu tải kết cấu thép nghiên cứu từ lâu, Tuy nhiên, phân tích giới hạn cấu kiện nhỏ thường dùng phương pháp khớp dẻo để phân tích Với phương pháp mô la truyền dẻo qua mặt cắt ngang cấu kiện khơng thực tế Do phương pháp vùng dẻo cần thực để thu kết thực tế Luận án trình bày nội dung sau: - Thứ nhất, phát triển phần tử hữu hạn có khả mơ lan truyền vùng dẻo, phi tuyến hình học, ứng suất dư để áp dụng phân tích khung thép phẳng chịu tải trọng nhiệt - Thứ hai, phương pháp công cho phép sơ đồ bước Euler đơn giản giải tốn phân tích phi tuyến; - Thứ ba, xây dựng thuật tốn cho chương trình máy tính Lập trình ngơn ngữ lập trình C++ dựa vào thuật toán xây dựng - Cuối cùng, kiểm tra tính đắn kết đạt sở so sánh với kết nghiên cứu từ trước MỤC LỤC MỤC LỤC Chương I I.1 I.2 TỔNG QUAN GIỚI THIỆU CHUNG I.1.1 Giới thiệu cơng trình bị cháy I.1.2 Phi tuyến hình học I.1.3 Phi tuyến vật liệu TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI I.2.1 Tình hình nghiên cứu giới I.2.2 Tình hình nghiên cứu nước I.3 SỰ CẦN THIẾT I.4 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 11 I.5 CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN 12 Chương II MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 13 II.1 GIỚI THIỆU 13 II.2 MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 13 II.2.1 Các giả thiết 13 II.2.2 Phương pháp Rayleigh-Ritz 14 II.2.3 II.3 II.2.2.1 Năng lượng biến dạng phần tử 15 II.2.2.2 Thế lực tác dụng 21 II.2.2.3 Nguyên lý toàn phần dừng 22 II.2.2.4 Xác định ma trận cát tuyến phần tử [K] 25 Các phương trình cân gia tăng 31 SỰ BIẾN THIÊN THUỘC TÍNH CƠ HỌC CỦA THÉP VỚI NHIỆT ĐỘ 32 II.3.1 Sự biến thiên Modul đàn hồi thép với nhiệt độ 32 II.3.2 Sự biến thiên ứng suất chảy dẻo thép với nhiệt độ 34 II.4 ĐƯỜNG CONG NHIỆT ĐỘ THỜI GIAN CHUẨN 36 II.5 KẾT LUẬN 37 Chương III THUẬT TOÁN GIẢI PHI TUYẾN 38 III.1 GIỚI THIỆU 38 III.2 THUẬT TOÁN EULER 39 MỤC LỤC III.3 KỸ THUẬT ĐIỀU CHỈNH CÔNG 40 III.4 KẾT LUẬN 42 Chương IV CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 43 IV.1 GIỚI THIỆU 43 IV.2 CHI TIẾT QUÁ TRÌNH PHÂN TÍCH 43 IV.2.1 Mơ hình phần tử 43 IV.2.2 Chuyển từ trục tọa độ địa phương sang toàn cục 45 IV.2.3 Xác định trạng thái phần tử thớ 46 IV.3 LƯU ĐỒ THUẬT TỐN CHƯƠNG TRÌNH FIRE - PZ 47 IV.4 KẾT LUẬN 48 Chương V CÁC VÍ DỤ MINH HỌA 49 V.1 GIỚI THIỆU 49 V.2 KIỂM TRA SỰ CHÍNH XÁC CHƯƠNG TRÌNH FIRE - PZ 51 V.3 V.2.1 Dầm đơn 51 V.2.2 Khung EHR 54 V.2.3 Khung cổng EGR 55 V.2.3 Khung hai nhip ZSR 57 KẾT LUẬN 59 Chương VI KẾT LUẬN 60 VI.1 TÓM TẮT LUẬN ÁN 60 VI.2 KẾT LUẬN 61 VI.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CHƯƠNG TRÌNH FIRE - PZ LIỆT KÊ CÁC HÌNH ẢNH MINH HỌA Hình 2.1: Phần tử dầm – cột điển hình 14 Hình 2.2: Biểu đồ ứng suất – biến dạng phần tử thép 15 Hình 2.3: Mơ hình vật liệu đàn – dẻo tuyệt đối thép 17 Hình 2.4: Sự chảy dẻo phần mặt cắt ngang & thành phần biến dạng 20 Hình 2.5: Phần tử hữu hạn dầm – cột điển hình dùng để phân tích khung 22 Hình 2.6: Biểu đồ tỉ số Hình 2.7: Biểu đồ tỉ số E (T ) thép với nhiệt độ 34 E (20) f y (T ) f y (20) thép với nhiệt độ 36 Hình 2.8: Đường cong chuẩn thép với nhiệt độ theo ISO 834 36 Hình 2.9: Sơ đồ thiết lập ma trận độ cứng tiếp tuyến phần tử dầm cột 37 Hình 3.1: Ứng xử tải trọng – chuyển vị khung cổng chịu tải trọng phân bố tải trọng ngang cột 38 Hình 3.2: Sơ đồ minh họa thuật toán Euler đơn giản 39 Hình 3.3: Sơ đồ Minh họa thuật tốn điều chỉnh cơng khơng đổi 41 Hình 4.1a: Phần tử HH dùng đê mô chảy dẻo theo chiều dài cấu kiện 44 Hình 4.1b: Cách mơ lan truyền dẻo cấu kiện 44 Hình 4.2: Các mẫu ứng suất dư 45 Hình 4.3: Lưu đồ thuật tốn chương trình FIRE-PZ 47 Hình 5.1: Dầm đơn 52 Hình 5.2: Tỷ lệ chảy dẻo mặt cắt ngang (%) dầm đơn 52 Hình 5.3: Biểu đồ chuyển vị - nhiệt độ với mức nhiệt độ cực hạn dầm đơn 52 Hình 5.4: Biểu đồ chuyển vị - nhiệt độ ứng với cấp tải khác 53 Hình 5.5: Khung EHR 54 Hình 5.6: Tỷ lệ chảy dẻo mặt cắt ngang (%) khung EHR1 55 Hình 5.7: Khung EGR 56 Hình 5.8: Tỷ lệ chảy dẻo mặt cắt ngang (%) khung EGR1 57 Hình 5.9: Khung ZSR 57 Hình 5.10: Tỷ lệ chảy dẻo mặt cắt ngang (%) khung ZSR1 58 LIỆT KÊ CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Bảng tỉ số Bảng 2.2: Bảng tỉ số E (T ) thép với nhiệt độ theo tiêu chuẩn Eurocode3 33 E (20) f y (T ) f y (20) thép với nhiệt độ theo tiêu chuẩn Eurocode3 35 Bảng 5.1: Định dạng liệu nhập vào chương trình FIRE - PZ 49 Bảng 5.2: Bảng so sánh kết nhiệt độ cực hạn dầm đơn 53 Bảng 5.3: Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện khung EHR 54 Bảng 5.4: Bảng so sánh kết nhiệt độ tới hạn khung EHR 55 Bảng 5.5: Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện khung EGR 56 Bảng 5.6: Bảng so sánh kết nhiệt độ tới hạn khung EGR 56 Bảng 5.7: Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện khung ZSR 58 Bảng 5.8: Bảng so sánh kết nhiệt độ tới hạn khung ZSR 58 LIỆT KÊ CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Diễn giải t Tổng biến dạng  Biến dạng liên quan đến ứng suất tức thời th Biến dạng nhiệt  Hệ số giản nở nhiệt thép (=14.10-6 per C0) Tt Mức nhiệt độ Tt+1 Mức nhiệt độ th Biến dạng cong nhiệt th,a Biến dạng dọc trục nhiệt t Biến dạng nhiệt thớ b Biến dạng nhiệt thớ D Chiều cao mặt cắt  Tỉ số biến thiên nhiệt độ thớ thớ  Ứng suất y Ứng suất chảy dẻo yt Ứng suất kéo yt Ứng suất nén Ve  Thể tích phần tử cịn đàn hồi Vp  Thể tích phần tử bị chảy dẻo Ae  Diện tích phần tử cịn đàn hồi Ap Diện tích phần tử bị chảy dẻo G Trọng tâm mặt cắt ngang Ge Trọng tâm lõi đàn hồi u Chuyển vị dọc trục điểm C v Chuyển vị thẳng đứng điểm C Sze Mơ men tỉnh diện tích lõi đàn hồi trục z Ize Mơ men qn tính lõi đàn hồi trục z dCGe Độ dịch chuyển lõi đàn hồi PAp Tải trọng dọc trục diện tích mặt cắt ngang chảy dẻo CHƯƠNG V: CÁC VÍ DỤ MINH HỌA ta thấy việc phân tích theo phương pháp lan truyền dẻo (vùng dẻo) cần thiết để tiên đoán ứng sử thật kết cấu V 2.2 Khung EHR Bài toán khung Hình 5.4 thí nghiệm Rubert Schaumann [35] Vật liệu giả thiết đàn dẻo tuyệt modun đàn hồi vật liệu 21000 kN/cm2 Tất cấu kiện khung có tiết diện thép I (IPE80) Ứng suất chảy dẻo tiết diện y (kN/cm2) P1 P2 (2) (3) h (1) L Hình 5.5 Khung EHR Bảng 5.3 Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện khung EHR Cấu kiện IPE80 bf (mm) 46 tf (mm) 3.8 d (mm) 80 tw (mm) 3.8 Tiết diện cấu kiện khung trình bày Bảng 5.2 Khung đánh số nút số phần tử Hình vẽ 5.5 Khung tính với hệ số gia tải ban đầu  = 0,005 số lượng phần tử chia cấu kiện 30 Kết thể hình vẽ Bảng 5.3 sau: 54 CHƯƠNG V: CÁC VÍ DỤ MINH HỌA 92.66 3.67 61.01 31.65 Hình 5.6 Tỷ lệ chảy dẻo mặt cắt ngang (%) khung EHR1 ứng với mức nhiệt độ cực hạn T=600 (0C) Bảng 5.3 So sánh kết nhiệt độ tới hạn khung EHR nhiều cấp tải [7] Tên L h khung (cm) (cm) y P1 P2 (kN) (kN) Nhiệt độ tới hạn Tu ( 0C) Test ( kN/cm2) SL A.A Chan Tỷ lệ sai lệch (%) Tác SL giả Chan A.A Tác giả EHR1 119 117 39.5 56 14 600 626 642 600 +4.333 +7.00 EHR2 124 117 39.5 84 21 530 559 561 551 +5.472 +5.849 +3.962 EHR3 124 117 38.2 112 28 475 475 489 470 +2.947 -1.052 EHR4 125 150 38.9 20 562 529 587 567 -5.872 +4.448 +0.889 EHR5 125 150 38.9 24 460 450 552 548 -2.174 +20 +19.13 EHR6 125 150 38.9 27 6.7 523 574 550 534 =9.751 +5.162 +2.103 Cũng kết đạt từ toán dầm Với toán khung EHR ta thấy giá trị nhận gần xác so với kết test Kết xác so với kết nhận từ phương pháp phân tích khớp dẻo Chi Kin Iu, Siu Lai Chan [19] kết có từ Wai - Fah Chen, Ken Hwa (A.A Advanced Analysis)[7] Điều chứng minh rằng, phân tích khung theo phương pháp vùng dẻo cho kết xác so với phân tích theo phương pháp khớp dẻo V 2.3 Khung cổng EGR Bài tốn khung Hình 5.7 thí nghiệm Rubert Schaumann [35] Vật liệu giả thiết đàn dẻo tuyệt modun đàn hồi vật liệu 21000 55 CHƯƠNG V: CÁC VÍ DỤ MINH HỌA kN/cm2 Tất cấu kiện khung có tiết diện thép I (IPE80) Ứng suất chảy dẻo tiết diện y ( kN/cm2) P1 P1 (3) 1170 P2 (2) (1) 1220 Hình 5.7 Khung EGR Tiết diện cấu kiện khung trình bày Bảng 5.4 Khung đánh số nút số phần tử Hình vẽ 5.7 Khung tính với hệ số gia tải ban đầu  = 0,005 số lượng phần tử chia cấu kiện 30 Kết thể Bảng 5.5: Bảng 5.5 Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện khung EGR bf (mm) 46 Cấu kiện IPE80 tf (mm) 3.8 d (mm) 80 tw (mm) 3.8 Bảng 5.6 So sánh kết nhiệt độ tới hạn khung EGR nhiều cấp tải [7] Tên L h khung (cm) (cm) y P1 P2 (kN) (kN) Nhiệt độ tới hạn Tu ( 0C) Test ( kN/cm ) SL A.A Chan Tỷ lệ sai lệch (%) Tác SL giả Chan A.A Tác giả EGR1a 122 117 38.2 65 2.5 533 476 531 484 -10.69 -0.375 -9.193 EGR1b 122 117 38.2 65 2.5 515 476 531 484 -7.572 +3.107 -6.019 EGR2 122 117 38.5 40 1.6 612 580 635 596 -5.229 +3.758 -2.614 EGR3 122 117 38.5 77 3.0 388 425 418 387 +9.536 +7.732 -0.258 EGR4 122 117 41.2 77 3.0 424 435 441 426 +2.594 +4.009 +0.472 EGR5 122 117 41.2 88 3.4 335 400 375 332 +19.40 +11.94 -0.896 EGR6 122 117 41.2 88 3.4 350 400 375 332 +14.28 +7.143 -5.143 EGR7 122 117 32.0 68.5 2.6 454 466 468 458 +2.643 +3.083 0.881 EGR8 122 117 38.5 77 464 455 439 387 -10.69 -0.375 -9.193 56 CHƯƠNG V: CÁC VÍ DỤ MINH HỌA 38.99 38.99 9.33 18.65 Hình 5.8 Tỷ lệ chảy dẻo mặt cắt ngang (%) khung EGR1 ứng với mức nhiệt độ cực hạn T=484 (0C) Kết từ bảng 5.5 ta nhận thấy nhiệt độ tới hạn khung EGR với nhiều cấp tải trọng khác nhiều cấp ứng suất chảy dẻo khác kết gần xác so với kết thí nghiệm Điều chứng minh chương trình (FIRE - PZ) phân tích khung theo phương pháp vùng dẻo khung chịu tải trọng nhiệt độ đáng tin cậy Do sử dụng chương trình FIRE - PZ để dự tính nhiệt độ cực hạn khung cấu kiện V 2.4 Khung hai nhip ZSR (Khung chịu tác dụng nhiệt khơng đều) Bài tốn khung Hình 5.9 thí nghiệm Rubert Schaumann [35] Vật liệu giả thiết đàn dẻo tuyệt modun đàn hồi vật liệu 210 kN/mm2 Tất cấu kiện khung có tiết diện thép I (IPE80) Ứng suất chảy dẻo tiết diện y (kN/mm2) P1 P1 h (4) (1) L P1 (5) (2) (3) P2 L Hình 5.9 Khung ZSR 57 CHƯƠNG V: CÁC VÍ DỤ MINH HỌA Tiết diện cấu kiện khung trình bày Bảng 5.6 Khung đánh số nút số phần tử Hình vẽ 5.9 Khung tính với hệ số gia tải ban đầu = 0,005 số lượng phần tử chia cấu kiện 30 Kết thể Bảng 5.7: Bảng 5.7 Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện khung ZSR bf (mm) 46 Cấu kiện IPE80 tf (mm) 3.8 d (mm) 80 tw (mm) 3.8 Bảng 5.8 So sánh kết nhiệt độ tới hạn khung ZSR nhiều cấp tải [7] Tên L h khung (cm) (cm) y P1 P2 (kN) (kN) ( kN/cm2) Nhiệt độ tới hạn Tu ( 0C) Test SL A.A Chan Tỷ lệ sai lệch (%) Tác SL giả Chan A.A Tác giả ZSR1 120 118 35.5 74 2.85 547 504 539 551 -7.861 -1.463 +0.731 ZSR2 120 118 38.0 84.5 3.25 479 469 478 479 -2.088 -0.209 ZSR3 120 118 43.2 68.5 2.64 574 577 600 577 +0.525 +4.530 +0.525 27.98 46.33 35.32 Hình 5.10 Tỷ lệ chảy dẻo mặt cắt ngang (%) khung ZSR1 ứng với mức nhiệt độ cực hạn T=551 (0C) Cũng kết đạt tất toán trước Với tốn khung ZSR (nhiệt khơng cho toàn khung) ta thấy giá trị nhận gần xác so với kết test Kết xác so với kết nhận từ phương pháp phân tích khớp dẻo Chi Kin Iu, Siu Lai Chan [19] kết có từ Wai - Fah Chen, Ken Hwa (A.A)[7] Điều chứng minh rằng, phân tích 58 CHƯƠNG V: CÁC VÍ DỤ MINH HỌA khung theo phương pháp vùng dẻo cho kết xác so với phân tích theo phương pháp khớp dẻo Do sử dụng chương trình FIRE-PZ để dự tính nhiệt độ cực hạn khung cấu kiện V KẾT LUẬN Qua ví dụ trên, ta thấy phương pháp phân tích với phần tử hữu hạn trình bày cho kết xác so sánh với kết phân tích khung nhà nghiên cứu trước Chương trình FIRE - PZ tỏ đáng tin cậy hiệu với kết sai số so với thí nghiệm bé, thuật tốn tính tốn ổn định, thời gian tính tốn nhanh minh họa lan truyền dẻo qua mặt căt ngang dọc theo chiều dài cấu kiện trực quan, sinh động 59 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN Chương VI KẾT LUẬN VI.1 TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án phát triển phần tử hữu hạn dầm – cột khơng đàn hồi có khả mơ lan truyền dẻo qua mặt cắt ngang dọc theo chiều dài cấu kiện, sai lệch hình học ban đầu, diện ứng suất dư chế tạo, dịch chuyển lõi đàn hồi trình chảy dẻo, ảnh hưởng phi tuyến hình học biến đổi hình học, uốn theo trục trục phụ cột để tìm phản ứng phi tuyến tải trọng tới hạn khung thép không chịu nhiệt chịu nhiệt Các phương trình độ cứng phần tử hữu hạn thiết lập nguyên lý toàn phần dừng phương pháp Rayleigh – Ritz Hàm nội suy đa thức bậc ba Hermit hàm nội suy Lagrangian tuyến tính dùng hàm dạng chuyển vị xoay chuyển vị dọc trục Ảnh hưởng lực cắt vào khung bỏ qua Mơ hình vật liệu đàn dẻo tuyệt đối sử dụng Nhiệt xem tác dụng lên toàn khung Phần tử hữu hạn dựa vào khái niệm “phần tử thớ” để diễn tả lan truyền dẻo theo phương pháp vùng dẻo kể đến ứng suất dư dể dàng cách gán vào ứng suất ban đầu thớ Vì cấu kiện chia thành nhiều phần tử hữu hạn nên có nhiều bậc tự phân tích Do thủ tục rút gọn bậc tự bên sử dụng để lại sáu bậc tự hai đầu cấu kiện Sau sử dụng thủ tục ngược lại để tính chuyển vị bên cần xác định ứng suất chảy dẻo phần tử thớ Đối với phương pháp vùng dẻo, điều quan trọng giảm đáng kể cơng sức thời gian tính tốn dung lượng nhớ cần thiết máy tính Chi tiết việc xây dựng phần tử hữu hạn trình bày Chương II Phương pháp cơng thuật tốn Euler đơn giản chọn để giải toán phi tuyến với phần tử hữu hạn trình bày Chương III 60 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN Chương IV vào chi tiết cách vận dụng nghiên cứu lý thuyết phần trước trình bày lưu đồ thuật tốn tổng thể để cụ thể hóa trình tự phân tích khung phục vụ cho việc xây dựng chương trình FIRE - PZbằng ngơn ngữ lập trình C++ Các liệu đầu vào sơ đồ hình học, đặc trưng vật liệu kích thước mặt cắt ngang cấu kiện khung, điều kiện biên, tải trọng tác dụng, tham số điều khiển nhập qua tập tin văn để chương trình đọc tiến hành phân tích, sau kết xuất thành tập tin văn khác Ngồi chương trình Graphic viết C++ để vẽ sơ đồ hình học, tải trọng tác dụng vào kết cấu để kiểm tra liệu nhập vào biểu đồ biểu thị tỷ lệ phần trăm chảy dẻo mặt căt ngang dựa vào tập tin kết nhận để phục vụ cho việc nhận định kết phân tích Chương V trình bày việc phân tích khung phân tích từ báo, cáo báo cáo đáng tin cậy giới nhiều tác giả với nhiều phương pháp khác VI.2 KẾT LUẬN Phần tử dầm – cột trình bày có khả mơ phi tuyến hình học phi tuyến vật liệu xác Chương trình FIRE – PZ có độ tin cậy cao, có khả giải nhiều tốn khác cách linh hoạt nhanh chóng, kể khung lớn nhiều tầng, nhiều nhịp Ta sử dụng chúng để kiểm tra điều chỉnh tảng lý thuyết phương pháp phân tích khác (chẳng hạn phương pháp khớp dẻo) để chúng mơ ứng xử thật kết cấu ứng dụng thiết kế kỹ thuật Kết nhận sử dụng phương pháp khớp dẻo để giải tốn khung có cột chịu uốn trục phụ câu hỏi ảnh hưởng lớn ứng suất dư vào khả mơ men dẻo Với khả giải tốn phương pháp vùng dẻo, chương trình dùng làm sở cho phương pháp khớp dẻo để chúng giả lập xác ứng xử uốn trục phụ Phần tử thớ hữu hạn trình bày có khả phát triển để áp dụng cho nhiều tiết diện khác cho trường hợp khung có giằng khơng 61 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN giằng Tuy nhiên, thời gian có hạn, luận án áp dụng với tiết diện chữ I tiết diện sử dụng phổ biến kết cấu khung thép khung phân tích khung khơng giằng Phân tích phi tuyến hình học tiên đoán tải trọng tới hạn khung nhỏ phân tích tuyến tính phân tích khơng đàn hồi tiên đoán tải trọng tới hạn lớn nhiều lần so với phân tích đàn hồi Nếu ta khơng xem xét ảnh hưởng hai vấn đề đồng thời kết nhận có sai số lớn Với sơ đồ hình học điều kiện tải trọng hoàn toàn giống nhau, diện ứng suất dư độ lệch hình học ban đầu hướng lệch ảnh hưởng lớn đến khả chịu tải khung Sự chảy dẻo thật cấu kiện khung nói chung khơng tập trung vị trí cụ thể giả thiết phương pháp khớp dẻo mà lan dọc theo chiều dài cấu kiện với cường độ cao, cấu kiện chịu lực dọc lớn, cột phía các khung thấp tầng, cột tầng khung nhiều tầng Thông thường mặt cắt ngang bị chảy dẻo nhiều mức độ khác khơng có trường hợp tiết diện bị chảy dẻo hoàn toàn (100%) So với phương pháp khớp dẻo, phân tích cần chia số lượng phần tủ hữu hạn cấu kiện nhiều để đạt kết xác Đối với chương trình FIRE - PZ ta cần chia tối thiểu khoảng phần tử cấu kiện VI.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Phần tử hữu hạn trình bày áp dụng cho phần tử phẳng bỏ qua ảnh hưởng lực cắt vào chảy dẻo cấu kiện, việc xem xét oằn mặt phẳng khung, ảnh hưởng lực cắt làm việc không gian kết cấu công việc cần thiết Việc sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn kỹ thuật khác luận án cho phép tác giả khác mở rộng để phân tích cho tốn ba chiều Phân tích giới hạn với kết cấu chịu tải trọng tĩnh tải nhiệt , cần mở rộng để phân tích kết cấu chịu tải trọng lặp lặp lại tải trọng động, xem xét thêm mơ hình liên kết nửa cứng cho khung 62 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN Việc giải toán phi tuyến với thuật toán Euler đơn giản dựa phương pháp công để điều chỉnh hệ số tải trọng gia tăng cho kết tốt Như biết, kết cấu trạng thái tới hạn định thức ma trận độ cứng giá trị khơng Do để nhận kết xác mà không cần giảm hệ số tải trọng gia tăng ban đầu (điều nhiều thời gian tính tốn) ta nên lặp bước gia tăng tải cuối để định thức ma trận độ cứng nhỏ đến giá trị Luận án mở rộng với khung khơng gian 3D Ngoài ra, cần khảo sát thêm tiết diện khác tiết diện thành mỏng, tiết diện chữ nhật, tiết diện tổ hợp… Luận án mở rộng thêm với khung có liên kết nửa cứng, liên kết tổ hợp Vì theo thực tế liên kết khung thép khơng phải cứng hồn tồn, phân tích luận án cho kết chuyển vị nhỏ so với thí nghiệm thật Trong thí nghiệm thật nhiệt độ tác dụng đến liên kết bulơng liên kết bị chảy dẻo cho liên kết giảm độ cứng, từ làm cho góc xoay liên kết lớn dần ảnh hưởng đến khả chịu tải tới hạn kết cấu Nên phát triển ứng dụng tối ưu hóa kết cấu dựa vào sở luận án Ở đây, ta lựa chọn hàm mục tiêu trọng lượng khung chọn thuật toán tối ưu phù hợp Tuy ngơn ngữ lập trình C++ ngôn ngữ mạnh mẽ với phương pháp lập trình hướng đối tượng đầy hiệu khoa học luận án tác giả áp dụng phương pháp lập trình thủ tục cổ điển, chưa khai thác tối đa sức mạnh Mặt khác cần phải xây dựng khả giao diện đồ họa tốt để việc nhập xuất liệu trở nên dễ dàng với người sử dụng 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ARBED – Research, Luxembourg/ Department of Bridges and Structure Engineering, University of Liege, Belgium – REFAO/CAFIR Computer assisted analysis of the fire resistance of steel and composite steel – concrete structures CEC research 7210-SA/502 Technical reports to 6, 1982/85 [2] ARBED - Research, Luxembourg, University of Liege, Belgium, Buckling curves in case of fire CEC research 7210-SA/515/931/316/618, 1992/95 [3] Bailey C.G (1998) ‘’Development of computer software to simulate the structural behavior of steel – framed building in fire’’ Computer and Structures ,67:421-38 [4] BS5950 (1990) Structural use of steel in buildings: Part 8: Code of Practice for Fire Resistant Design, London, British Standards Institution [5] Chan B.H.M (2002) “Non–linear analysis of steel frames under non– proportional and fire loads’’ Doctor of Philosophy, the Hong Kong Polytechnic University [6] Cheng W.C., Mak C.K (1975) ‘’Computer analysis of steel frames in fire’’ Journal of Structural Divison, 101(ST4):855-67 [7] Chen W.F., Hwa K (2004) ’’Survial Time Prediction of Steel Frame under Elevated Temperature Using Advanced Anaysis’’, Steel structures [8] Cường N.H (2003) ‘’Phân Tích Vùng Dẻo Phi Tuyến Hình Học Cho Khung Thép Phẳng Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn’’ Luận văn thạc sỹ ĐHBK Tp.HCM Người hướng dẫn: PGS.TS Chu Quốc Thắng [9] Dotreppe J.C, Franssen J.M, Schleich J.B (1984) ‘’Computer aided fire resistance for steel and composite structures’’ Review acier/Stahl/Steel No [10] ECCS (1985) Design Manual on the European Recommendations for the Fire Safety of Steel Structures European Commission for Constructional Steelwork.Elsevier, Brussels [11] Enghezouli A.Y., Izzuddin B A., Richardson A.J (2000) “Numerical modelling of the structural fire behaviour of composite buildings” Fire Safety Journal 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [12] Eurocode 3, Design of Steel Structures: Part 1.2: General Rules, Structural Fire Design, ENV 1993-1-2, Brussels, European Committee for Standardisation, 1995 [13] Eurocode 4, Design of Composite Steel and Concrete Structures: Part 1.2: General Rules, Structural Fire Design, ENV 1994-1-2, Brussels, European Committee for Standardisation, 1994 [14] EI-Zanaty M.H., Murray D.W (1983) ‘’Nonlinear finite element analysis of steel frames’’ Journal of Strurural Division, 109 (ST2): 353-68 [15] Franssen J.M (1987) Etude du comportement au feu des structures mixtes acier – beton (CEFICOSS) A study of behavior of composite steel-concrete structures in fire These de Doctorat Belgique: Universite de Liege [16] Franssen J.M (1990) ‘’The unloading of building meterials submitted to fire’’ Fire safety Journal , 16: 213-37 [17] Franssen J.M., Kodur V.K.R, Mason J (2000) User’s manual for SAFIR: a computer program for analysis of structures submitted to fire Internal Report SPEC/2000_03, 2000 Belgium: University of Liege, ponts et Charpentes [18] ISO 834 (1975) Fire resistance tests: elements of building construction, international standard 843 [19] Iu C.K., Chan S.L (2004) ‘’A simulation-based large deflection and Inelastic analysis of steel frames under fire’’ Journal of Structural Engineering [20] Iu C.K., Chan S.L., Zha X.X (2005) ‘‘Nonlinear pre – fire and post – fire analysis of steel frames’’ Engineering Structurers, P1689 – 1702 [21] Jeanes D.C (1985) ‘’Applications of the computer in modeling the endurance of structural steel floor systems’’ Fire safety Journal, 9:119-35 [22] Jeanes D.C (1982) ‘’Predicting fire endurance od steel structures’’, Preprint 82-033, ASCE Convention, Nevada, April 26-30, , American Society of Civil Engineers [23] Lamont S (2001) ‘’The behaviour of multi-storey composite steel framed structures in response to compartment fires’’ Doctor of Philosophy, University of Edinhurgh [24] Liew R.J.Y., Tang L.K., Holmaas T., Choo Y.S (1998) ‘’Advanced analysis for the assessment of steel frames in fire’’ Journal of Sconstructional Steel Research, 47:19-45 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [25] Lewis K.R.(2000) ’’Fire Design of Steel Members ”, A report submitted in partial fulfilment of the requirements for the degree of Master of Fire Engineering at the University of Canterbury,Christchurch, New Zealand [26] Najjar S.R, Burgess I.W (1996) ‘’A nonlinear analysis for three – Dimensional steel frames in fire conditions’’ Engineering Structures, 18(1): 77-89 [27] Richard Liew J.Y., Chen H (2004) ‘‘Explosion and Fire Analysis of Steel Frames Using Fiber Element Approach’’ Journal of Structural Engineering [28] Richard Liew J.Y., ASCE M., and Chen H (2004) ‘’Explosion and Fire Analysis of Steel Frames Using Fiber Element Approach’’ Journal of Constructional Steel Research [29] Saab H.A., Nethercot D.A (1991) ‘’Modelling steel frame behavior under fire conditions’’ Engineering Structures ,13: 371-82 [30] SNZ (1997) Steel Structures Standard NZS 3404: Part & Part Standards New Zealand, Wellington [31] Scheleich J.B., Dotreppe J.C., Franssen J.M (1986)‘’Numerical simulation of fire resistance tests on steel and composite structures elements or frames’’ Fire safety Sciences: Proceedings of the First International Symposium., p 311-23 [32] Terro M.J (1991) ‘’Numerical modeling of thermal and structures response of reinforced concrete structures in fire’’ PhD thesis, Department of Civil Enginearing, Imperical college of Science, Technology And Medicine [33] Thắng C Q (1997) “Phương pháp phần tử hữu hạn”, NXB Khoa học Kỹ thuật [34] Wang Y.C., Moore D.B (1995) ‘’Steel frames in fire analysis’’ Engineering structure ,17(6):462-72 [35] Rubert A, Schaumann P (1985)’’Temperaturabhangige werkstoffeigenschaften von baustahl bei brandbeanspruchung’’.Stahlbau, 3:81– 65 TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Học tên : Lương Quốc Dũng Sinh ngày : 04/07/1977 Nơi sinh: Đồng Tháp Địa liên lạc: A6 Lý Thái Tổ, TTTM 30/4 TP Rạch Giá, tỉnh Kiên Giang QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Từ 1996 đến 2001 học Đại học trường Đại học Cần Thơ - Từ 2008 đến 2010 học Cao học trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC - Từ năm 2001 đến nay, Cty cổ phần xây dựng Kiên Giang Địa chỉ: Số 11-12 Lô B3 đường Chi Lăng, Phường Vĩnh Bảo, TP Rạch Giá, tỉnh Kiên Giang PHỤ LỤC MÃ NGUỒN CHƯƠNG TRÌNH FIRE - PZ ... việc phi tuyến cấu kiện khung thép Phương pháp phân tích vùng dẻo phi tuyến hình học sử dụng để phân tích phi tuyến khung thép tác dụng tải trọng nhiệt Trong phân tích tuyến tính hình học, chuyển... THÉP PHẲNG CHỊU TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT Luận án nghiên cứu trình truyền nhiệt kết cấu, khả chịu nhiệt tối đa khung, ứng xử vật liệu thép nhiệt độ cao, từ phân tích ảnh hưởng nhiệt đến làm việc phi tuyến. .. lên khung chịu tải trọng đứng tải ngang, mặt khác tác giả nghiên cứu khả chịu lực khung chịu tải trọng nhiệt cách dùng phương pháp khớp dẻo phân tích phi tuyến hệ khung - Liew et al [24] đưa phân