Phân tích khung phẳng liên hợp thép và bê tông cốt thép liên kết nửa cứng chịu tải trọng gió

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðINH TRẦN AN ðỨC PHÂN TÍCH KHUNG PHẲNG LIÊN HỢP THÉP VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN KẾT NỬA CỨNG CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ NGÀNH : 23.04.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2009 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2010 ii TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc Lập – Tự Do - Hạnh Phúc o0o - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐINH TRẦN AN ĐỨC Phái : Nam Ngày, tháng, năm sinh: 26/05/1982 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: XÂY DỰNG DD & CN Mã số: 605820 TÊN ĐỀ TÀI: “PHÂN TÍCH KHUNG PHẲNG LIÊN HỢP THÉP VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN KẾT NỬA CỨNG CHỊU TẢI TRỌNG GIĨ” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu mơ hình liên kết nửa cứng cho khung liên hợp - Xây dựng mơ hình phần tử nửa cứng thiết lập trường chuyển vị cho phần tử nửa cứng chịu tải trọng tĩnh động có xét khơng xét phi tuyến hình học - Thiết lập ma trận độ cứng, ma trận khối lượng tương thích, ma trận cản véc tơ tải trọng nút tương đương Mơ thiết lập hàm tải trọng gió động - Xây dựng chương trình ứng dụng ngơn ngữ lập trình Matlab - Tiến hành phân tích toán nhằm so sánh với nghiên cứu có phát triển khung liên hợp nhiều tầng chịu tải trọng đứng tải trọng gió có xét phi tuyến hình học với mơ hình liên kết khác - Nhận xét kiến nghị NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15 - 02 - 2009 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05 - 12 - 2009 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS TS BÙI CÔNG THÀNH TRƯỞNG BAN QUẢN LÝ NGÀNH (Họ tên chữ ký) iii LỜI CÁM ƠN Tôi vui mừng hồn thành luận văn kết thúc khóa học thạc sĩ trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Cho tơi bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn luận văn, PGS.TS Bùi Công Thành, người thầy mẫu mực uyên bác, người cố vấn đầy kinh nghiệm, người định hướng nghiên cứu khoa học, tận tình hướng dẫn động viên tinh thần cho vượt qua khó khăn suốt q trình nghiên cứu Đạo đức, nhân cách tri thức thầy gương sáng cho noi theo Nhân đây, xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô trực tiếp giảng dạy, truyền đạt kiến thức mới, hay bổ ích lĩnh vực xây dựng cho tơi năm qua Tôi tin học q giá mà tơi may mắn có để làm tảng cho bước sau Cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu suốt khóa học Tơi xin gởi lời cảm ơn đến tác giả có tài liệu mà sử dụng thực luận văn Cuối tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp quan tâm động viên giúp đỡ cho tơi q trình thực luận văn Chân thành cảm ơn! iv MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU vii U CHƯƠNG TỔNG QUAN .1 1.1 SƠ LƯỢC VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊTƠNG CỐT THÉP 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ KẾT CẤU THÉP - BTCT LIÊN HỢP 1.2.1 Nghiên cứu tác giả nước 1.2.2 Nghiên cứu tác giả nước .6 1.3 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.4 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI .8 U CHƯƠNG KHUNG LIÊN HỢP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 2.1 LIÊN KẾT NỬA CỨNG 2.1.1 Mơ hình liên kết nửa cứng 2.1.2 Chọn mơ hình kiểu liên kết: 2.2 KHUNG LIÊN HỢP CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Mơ hình phần tử liên kết nửa cứng 2.2.3 Hệ số ngàm liên kết 2.2.4 Thiết lập trường chuyển vị cho phần tử nửa cứng [9] 11 2.2.5 Độ cứng liên kết liên hợp 15 2.2.5.1 Mơ hình 16 2.2.5.2 Độ cứng thành phần liên hợp 16 2.2.5.3 Đặc trưng tiết diện dầm liên hợp 18 CHƯƠNG PHÂN TÍCH KHUNG LIÊN HỢP PHẲNG 21 3.1 PHÂN TÍCH KHUNG LIÊN HỢP CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH .21 3.1.1 Ma trận độ cứng phần tử 21 3.1.2 Véc tơ tải trọng 23 v 3.1.2.1 Véc tơ tải trọng nút tải phân bố 23 3.1.2.2 Véc tơ tải trọng nút tải tập trung .23 3.1.3 Phân tích khung liên hợp khơng xét phi tuyến hình học .25 3.1.4 Phân tích khung liên hợp có xét phi tuyến hình học .25 3.1.4.1 Ma trận độ cứng phần tử nửa cứng 26 3.1.4.2 Phân tích phi tuyến hình học 31 3.1.5 Quy trình phân tích 33 3.2 PHÂN TÍCH KHUNG LIÊN HỢP CHỊU TẢI TRỌNG GIĨ ĐỘNG 33 3.2.1 Phương trình cân dao động 33 3.2.2 Xác lập ma trận tính chất kết cấu 35 3.2.2.1 Ma trận độ cứng phần tử 35 3.2.2.2 Ma trận khối lượng tương thích 38 3.2.2.3 Ma trận cản 39 3.2.3 Mơ tải trọng gió theo Monte Carlo 39 3.2.4 Giải hệ phương trình vi phân động lực học 44 3.2.4.1 Các phương pháp giải 44 3.2.4.2 Phương pháp tích phân số theo giải thuật Newmark 45 3.2.5 Phân tích khung liên hợp khơng xét phi tuyến hình học .49 3.2.6 Phân tích khung liên hợp có xét phi tuyến hình học .50 3.2.6.1 Ma trận độ cứng phần tử nửa cứng 51 3.2.6.2 Phân tích khung xét phi tuyến hình học .53 3.3 SƠ ĐỒ PHÂN TÍCH KHUNG .55 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH KHUNG LIÊN HỢP CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ 58 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH MÁY TÍNH .58 4.2 GIỚI THIỆU CÁC HÀM CỦA CHƯƠNG TRÌNH .60 4.2.1 Phần nhập liệu 60 4.2.2 Phần giải toán 63 4.2.3 Phần xuất kết 65 vi CHƯƠNG CÁC THÍ DỤ TÍNH TỐN 67 5.1 KIỂM TRA ĐỘ TIN CẬY CỦA CHƯƠNG TRÌNH 67 5.1.1 Tải tiêu chuẩn mơ hình liên kết nửa cứng EC3 (Tri - Linear) 70 5.1.2 Tải trọng đứng thiết kế với mơ hình liên kết nửa cứng EC3 (Tri - Linear) 71 5.1.3 Tải trọng đứng gió tĩnh thiết kế với mơ hình liên kết nửa cứng EC3(Tri - Linear) .71 5.1.4 Tải trọng đứng gió tĩnh với mơ hình liên kết nửa cứng EC3 (Non – Linear) mơ hình Kishi-Chen 72 5.1.5 Tải trọng đứng phổ gió với mơ hình liên kết nửa cứng .72 5.2 PHÂN TÍCH KHUNG LIÊN HỢP NHÀ NHIỀU TẦNG 91 5.2.1 Khung liên hợp 05 tầng 91 5.2.1.1 Tải trọng đứng gió tĩnh thiết kế với mơ hình liên kết nửa cứng 92 5.2.1.2 Tải trọng đứng phổ gió với mơ hình liên kết nửa cứng 96 5.2.1.3 Khảo sát ảnh hưởng độ mềm liên kết 111 5.2.2 Khung liên hợp 10 tầng .115 5.2.2.1 Tải trọng đứng gió tĩnh thiết kế với mơ hình liên kết nửa cứng 117 5.2.2.2 Tải trọng đứng phổ gió với mơ hình liên kết nửa cứng 118 5.2.1.4 Khảo sát ảnh hưởng độ mềm liên kết .125 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130 6.1 KẾT LUẬN 130 6.2 KIẾN NGHỊ 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO .135 vii DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1: Liên kết liên hợp khung LH phẳng (composite connection) Hình 1.2: Mặt cắt số tiết diện dầm liên hợp (composite beam) Hình 1.3: Mặt cắt số tiết diện cột liên hợp (composite column) Hình 1.4: Mặt cắt số tiết diện sàn liên hợp (composite slab) Hình 1.5: Tháp Millenium Vienna [16] Hình 2.1: Biến dạng xoay liên kết quan hệ (M-θr) .3 Hình 2.2: Đường tam tuyến tính M-ϕ theo Eurocode Hình 2.3: Đường cong phi tuyến M-θ theo Eurocode Hình 2.4: Mơ hình liên kết thông số Kishi-Chen Hình 2.5: Mơ hình phần tử nửa cứng .9 Hình 2.6: Hệ số ngàm liên kết .10 Hình 2.7: Quan hệ RL/EI với hệ số ngàm r 10 Hình 2.8: Biến dạng phần tử có liên kết nửa cứng 12 Hình 2.9: Xác định chiều rộng ảnh hưởng sàn 19 Hình 2.10: Tiết diện dầm liên hợp 19 Hình 3.1: Phần tử nửa cứng với bậc tự 21 Hình 3.2: Phần tử nửa cứng chịu tải trọng phân bố cường độ thay đổi tuyến tính 23 Hình 3.3: Phần tử nửa cứng chịu lực tập trung 24 Hình 3.4: Phần tử nửa cứng chịu moment tập trung 24 Hình 3.5: Phần tử lò xoliên kết (10 bậc tự do) .28 Hình 3.6: Phần tử lò xoliên kết (8 bậc tự do) 28 Hình 3.7: Biểu đồ thể tỉ số vận tốc gió trung bình .41 Hình 5.1: Sơ đồ tính tải trọng tác trọng khung 01 tầng 67 Hình 5.1a: Chi tiết A (liên kết dầm cột liên hợp) .67 Hình 5.1b: Sơ đồ tiết diện khung liên hợp nửa cứng 68 Hình 5.1c: Tiết diện dầm liên hợp 68 Hình 5.2: Biểu đồ thể quan hệ mơmen – góc xoay 69 Hình 5.3: Sơ đồ nút phần tử khung liên hợp 01 tầng 70 Hình 5.3a: Đồ thị quan hệ M-θ theo mơ hình EC3 Tri - Linear 70 Hình 5.4: Đồ thị phổ tải gió cho khung liên hợp tầng 73 Hình 5.4a: Đồ thị quan hệ M-θ theo mơ hình EC3 Tri - Linear 74 Hình 5.4b: Đồ thị chuyển vị ngang Ux2 theo mơ hình EC3 Tri - Linear 74 Bảng 5.1_1: Kết phân tích 20 trường hợp mơ hình EC3 Tri - Linear 75 Hình 5.4c: Đồ thị quan hệ M-θ theo mơ hình EC3 Non - Linear 76 Hình 5.4d: Đồ thị chuyển vị ngang Ux2 theo mơ hình EC3 Non - Linear 76 Bảng 5.2_1: Kết phân tích 20 trường hợp mơ hình EC3 Non - Linear 77 Hình 5.4e: Đồ thị quan hệ M-θ theo mơ hình ba thơng số Kishi-Chen .78 viii Hình 5.4f: Đồ thị chuyển vị ngang Ux2 theo mơ hình ba thơng số Kishi-Chen 78 Bảng 5.3_1: Kết phân tích 20 trường hợp mơ hình Kishi-Chen 79 Bảng 5.4_1: Kết tổng hợp phân tích khơng xét P-Δ mơ hình .80 Hình 5.5a: Đồ thị chuyển vị ngang Ux2 theo mơ hình EC3 Tri - Linear 80 Bảng 5.1_2: Kết phân tích 20 trường hợp mơ hình EC3 Tri - Linear 81 Hình 5.5b: Đồ thị chuyển vị ngang Ux2 theo mơ hình EC3 Non - Linear 82 Bảng 5.2_2: Kết phân tích 20 trường hợp mơ hình EC3 Non - Linear 82 Hình 5.5c: Đồ thị chuyển vị ngang Ux2 theo mơ hình Kishi-Chen 84 Bảng 5.3_2: Kết phân tích 20 trường hợp mơ hình Kishi-Chen 84 Bảng 5.4_2: Kết tổng hợp phân tích có xét P-Δ mơ hình 85 Bảng 5.5: Kết tổng hợp phân tích khung liên hợp 01 tầng .86 Hình 5.6: Sơ đồ khung liên hợp 05 tầng 91 Hình 5.6a: Sơ đồ nút phần tử khung liên hợp 05 tầng 92 Hình 5.7: Biểu đồ thể quan hệ mơmen – góc xoay theo EC3 (Tri-Linear) 93 Hình 5.8a: Biểu đồ thể quan hệ mơmen – góc xoay theo EC3 Tri-Linear 93 Bảng 5.6_1: Bảng kết chuyển vị mơmen theo mơ hình EC3 Tri-Linear 93 Hình 5.8b: Biểu đồ thể quan hệ mơmen – góc xoay theo EC3 Non-Linear 94 Bảng 5.7_1: Bảng kết chuyển vị mơmen theo mơ hình EC3 Non-Linear 94 Hình 5.8c: Biểu đồ thể quan hệ mơmen – góc xoay theo mơ hình Kishi-Chen 94 Bảng 5.8_1: Bảng kết chuyển vị mơmen theo mơ hình Kishi-Chen 94 Bảng 5.6_2: Bảng kết chuyển vị mômen theo mơ hình EC3 Tri-Linear 95 Bảng 5.7_2: Bảng kết chuyển vị mơmen theo mơ hình EC3 Non-Linear 95 Bảng 5.8_2: Bảng kết chuyển vị mômen theo mơ hình Kishi-Chen 95 Hình 5.9: Đồ thị phổ tải gió cho khung liên hợp 05 tầng 96 Hình 5.8d: Biểu đồ thể quan hệ mơmen – góc xoay liên kết .97 Hình 5.10a_1: Đồ thị chuyển vị ngang đỉnh khung theo EC3 Tri-Linear 97 Hình 5.10b_1: Đồ thị mơmen âm phần tử dầm lầu theo EC3 Tri-Linear 97 Bảng 5.9_1: Bảng phân tích 10 trường hợp phổ gió theo EC3 Tri-Linear 98 Hình 5.11a_1: Đồ thị chuyển vị ngang đỉnh khung theo EC3 Non-Linear 98 Hình 5.11b_1: Đồ thị mômen âm phần tử dầm lầu theo EC3 Non-Linear 99 Bảng 5.10_1: Bảng phân tích 10 trường hợp phổ gió theo EC3 Non-Linear 99 Hình 5.12a_1: Đồ thị chuyển vị ngang đỉnh khung theo mơ hình Kishi-Chen 100 Hình 5.12b_1: Đồ thị mômen âm phần tử dầm lầu theo mơ hình Kishi-Chen 100 Bảng 5.11_1: Bảng phân tích 10 trường hợp phổ gió theo Kishi-Chen 100 Bảng 5.12_1: Bảng kết phân tích phổ gió theo mơ hình khơng xét P-Δ 101 Bảng 5.12_3: Bảng kết so sánh phản ứng tải tĩnh tải động 102 Hình 5.10a_2: Đồ thị chuyển vị ngang đỉnh khung theo EC3 Tri-Linear 102 Hình 5.10b_2: Đồ thị mơmen âm phần tử dầm lầu theo EC3 Tri-Linear 103 Bảng 5.9_2: Bảng phân tích 10 trường hợp phổ gió theo EC3 Tri-Linear 103 Hình 5.11a_2: Đồ thị chuyển vị ngang đỉnh khung theo EC3 Non-Linear 104 ix Hình 5.11b_2: Đồ thị mômen âm phần tử dầm lầu theo EC3 Non-Linear 104 Bảng 5.10_2: Bảng phân tích 10 trường hợp phổ gió theo EC3 Non-Linear 104 Hình 5.12a_2: Đồ thị chuyển vị ngang đỉnh khung theo mơ hình Kishi-Chen 105 Hình 5.12b_2: Đồ thị mômen âm phần tử dầm lầu theo mơ hình Kishi-Chen 105 Bảng 5.11_2: Bảng phân tích 10 trường hợp phổ gió theo Kishi-Chen 106 Bảng 5.12_2: Bảng kết phân tích phổ gió theo mơ hình có xét P-Δ 106 Bảng 5.12_3: Kết tổng hợp phân tích khung liên hợp 05 tầng .107 Bảng 5.11_2: Bảng phân tích trường hợp thay đổi hệ số ngàm liên kết 111 Hình 5.13a: Đồ thị quan hệ chuyển vị đỉnh khung hệ số ngàm r 112 Hình 5.13b: Đồ thị quan hệ Mômen đầu phải dầm 21 hệ số ngàm r 112 Hình 5.13c: Đồ thị quan hệ Mơmen đầu phải dầm 33 hệ số ngàm r 112 Bảng 5.11_2: Bảng phân tích trường hợp thay đổi r theo EC3 Non-Linear 112 Hình 5.14a: Đồ thị quan hệ chuyển vị đỉnh khung hệ số ngàm r 113 Hình 5.14b: Đồ thị quan hệ Mơmen đầu phải dầm 21 hệ số ngàm r 113 Hình 5.14c: Đồ thị quan hệ Mơmen đầu phải dầm 33 hệ số ngàm r 114 Bảng 5.11_2: Bảng phân tích trường hợp thay đổi r theo Kishi-Chen .114 Hình 5.15a: Đồ thị quan hệ chuyển vị đỉnh khung hệ số ngàm r 114 Hình 5.15b: Đồ thị quan hệ Mơmen đầu phải dầm 21 hệ số ngàm r 115 Hình 5.15c: Đồ thị quan hệ Mơmen đầu phải dầm 33 hệ số ngàm r 115 Hình 5.16: Sơ đồ khung liên hợp 10 tầng 116 Hình 5.16a: Sơ đồ nút phần tử khung liên hợp 10 tầng 117 Bảng 5.12a: Bảng kết chuyển vị mơmen theo mơ hình EC3 Tri-Linear 118 Bảng 5.12b: Bảng kết chuyển vị mơmen theo mơ hình EC3 Non-Linear118 Bảng 5.12c: Bảng kết chuyển vị mơmen theo mơ hình Kishi-Chen 118 Hình 5.17: Đồ thị phổ tải trọng gió khung 10 tầng 119 Hình 5.18a: Đồ thị chuyển vị ngang đỉnh khung theo EC3 Tri-Linear 119 Hình 5.18b: Đồ thị mômen âm phần tử dầm lầu theo EC3 Tri-Linear 119 Bảng 5.13a: Bảng phân tích 10 trường hợp phổ gió theo EC3 Tri-Linear 119 Hình 5.19a: Đồ thị chuyển vị ngang đỉnh khung theo EC3 Non-Linear 120 Hình 5.19b: Đồ thị mơmen âm phần tử dầm lầu theo EC3 Non-Linear 121 Bảng 5.13b: Bảng phân tích 10 trường hợp phổ gió theo EC3 Non-Linear 121 Hình 5.20a: Đồ thị chuyển vị ngang đỉnh khung theo Kishi-Chen .122 Hình 5.20b: Đồ thị mômen âm phần tử dầm lầu theo Kishi-Chen 122 Bảng 5.13c: Bảng phân tích 10 trường hợp phổ gió theo Kishi-Chen 122 Bảng 5.12_2: Bảng kết phân tích phổ gió theo mơ hình khơng xét P-Δ 123 Bảng 5.12_4: Bảng kết so sánh phản ứng tải tĩnh tải động 123 Bảng 5.14: Bảng phân tích trường hợp thay đổi hệ số ngàm liên kết .126 Hình 5.21a: Đồ thị quan hệ chuyển vị đỉnh khung hệ số ngàm r 126 Hình 5.21b: Đồ thị quan hệ Mômen đầu phải dầm 41 hệ số ngàm r 126 Hình 5.21c: Đồ thị quan hệ Mômen đầu phải dầm 68 hệ số ngàm r 127 Bảng 5.11_2: Bảng phân tích trường hợp thay đổi hệ số ngàm liên kết 127 Phụ lục _ Mã nguồn chương trình COMSAP2D %************************************************************** % Cap nhat R(i,j): Do cung Cat Tuyen TB ung voi gocxoay Theta(i,j) for i=1:Nelement for j=1:2 if R(i,j)==inf R(i,j)=inf; else R(i,j)=0*Re(i,j)+1*Mtheta(i,j)/Theta(i,j); if Pn0(4)==30 R(i,j)=0*Re(i,j)+1*Mtheta(i,j)/Theta(i,j); elseif qt(5)==19.3 R(i,j)=0.9*Re(i,j); end end end end %************************************************************** elseif M_theta==2 % M-theta la phi tuyen > Mo hinh Khisi- Chen % Xac dinh delta(M) de xet hoi tu for i=1:Nelement for j=1:2 %Tinh goc xoay cua lien ket nua cung phi tuyen Theta(i,j)=abs(M(i,j)/R(i,j)); Theta(i,j)=min(Theta(i,j),0.044); if R(i,j)==inf Mtheta(i,j)=M(i,j); else % Xac dinh Moment dua theo quan he M(theta) > Kishi-Chen Mtheta(i,j)=Re(i,j)*Theta(i,j)/(1+(Theta(i,j)*Re(i,j)/Mu(i,j))^n(i,j))^(1/n (i,j)); if M(i,j) Mo hinh EC3 - % Xac dinh delta(M) de xet hoi tu for i=1:Nelement for j=1:2 %Tinh goc xoay cua lien ket nua cung dua theo quan he M(theta) > EC3 if abs(M(i,j))