Phương pháp trực tiếp tính toán kết cấu thanh thẳng có kể đến ảnh hưởng của biến dạng trượt và lực dọc

Luận văn thạc só Nguyễn Trọng Nhân ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  NGUYỄN TRỌNG NHÂN PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP TÍNH TOÁN KẾT CẤU THANH THẲNG CÓ KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG TRƯT VÀ LỰC DỌC CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DD&CN MÃ SỐ NGÀNH : 23.04.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2003 GVHD : GS.TSKH Nguyễn Xuân Hùng Page Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc -o0o - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên : NGUYỄN TRỌNG NHÂN Ngày tháng năm sinh : 19/01/1977 Chuyên ngành : XÂY DỰNG DD&CN Phái : nam Nơi sinh : An giang Mã số ngành : 23.04.10 I - TÊN ĐỀ TÀI : PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP TÍNH TOÁN KẾT CẤU THANH THẲNG CÓ KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG TRƯT VÀ LỰC DỌC II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nhiệm vụ : Trình bày sở lý thuyết phương pháp trực tiếp tính toán kết cấu thẳng có kể đến ảnh hưởng biến dạng trượt lực dọc Khảo sát ví dụ tính toán cụ thể rút nhận xét Nội dung : Luận văn gồm Chương : - Chương : Giới thiệu tổng quan - Chương : Cơ sở lý thuyết - Chương : Tính toán kết cấu phẳng - Chương : Tính toán kết cấu không gian - Chương : Ví dụ tính toán kết cấu thẳng phẳng - Chương : Nhận xét kết luận III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 14 tháng 03 năm 2003 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 14 tháng 09 năm 2003 V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH GS.TSKH NGUYỄN XUÂN HÙNG Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày …… tháng…… năm 2003 PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : GS.TSKH NGUYỄN XUÂN HÙNG Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc só bảo vệ : HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……………………tháng ……………………năm 2003 Luận văn thạc só Nguyễn Trọng Nhân LỜI CẢM ƠN Trải qua thời gian học tập nghiên cứu, em hoàn thành Luận văn thạc só chuyên ngành Xây dựng DD&CN Em thực thấy trưởng thành kiến thức chuyên môn Để có kết này, em quên công lao to lớn Thầy, Cô trường Đại Học Bách Khoa, đặc biệt Thầy, Cô khoa Kỹ thuật Xây dựng trực tiếp giảng dạy kiến thức q báo thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn thầy Giáo sư Tiến só khoa học Nguyễn Xuân Hùng, hướng dẫn tận tình suốt thời gian em thực luận văn Thầy hướng dẫn từ bước ban đầu để hình thành đề tài đến nội dung yếu đề tài mà em thực Bên cạnh đó, thầy cung cấp tài liệu liên quan để định hướng góp phần làm phong phú cho đề tài Một lần nữa, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tất Thầy dành cho em Em xin chân thành cám ơn thầy Tiến só Bùi Công Thành, phó chủ nhiệm khoa Kỹ thuật Xây dựng; thầy Phó giáo sư Tiến só Chu Quốc Thắng, phó Hiệu trưởng trường Đại học Bách Khoa; thầy Phó giáo sư Tiến só Nguyễn Văn Yên; thầy Phó giáo sư Tiến só Đỗ Kiến Quốc người Thầy tận tâm giảng dạy trược tiếp truyền đạt kiến thức q báo, kinh nghiệm thực tiễn, hành trang ban đầu thiếu đường khoa học em sau Cuối cùng, xin chân thành cám ơn Gia đình, người thân yêu đồng nghiệp tạo điều kiện tốt động viên nhiều suốt thời gian học tập, nghiên cứu thực luận văn tốt nghiệp GVHD : GS.TSKH Nguyễn Xuân Hùng Page Luận văn thạc só Nguyễn Trọng Nhân TÓM TẮT LUẬN VĂN Tên đề tài : PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP TÍNH TOÁN KẾT CẤU THANH THẲNG CÓ KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG TRƯT VÀ LỰC DỌC Nội dung : Việc tính toán xác kết cấu, đặc biệt kết cấu nhịp lớn, cao tầng … yêu cầu thiết thực, có ý nghóa lớn công tác thiết kế kiểm định, chuẩn đoán công trình Với phát triển ngành công nghệ thông tin, việc tính toán toán kỹ thuật ngày thuận lợi Trong phạm vi này, luận văn trình bày phương pháp trực tiếp tính toán hệ kết cấu thẳng chịu kéo ( chịu nén ), chịu xoắn ( không gian ) chịu uốn trường hợp : ( theo mô hình dầm Euler-Bernoulli ); có kể đến ảnh hưởng biến dạng trượt ( theo mô hình dầm Timôsenkô ); có ảnh hưởng lực dọc ( hiệu ứng P-delta ); ảnh hưởng đồng thời biến dạng trượt lực dọc đến chuyển vị, nội lực phần tử hệ kết cấu Bên cạnh đó, thông qua việc khảo sát ví dụ tính toán cụ thể theo phương pháp kết so sánh với phần mềm SAP2000 ( phần mềm xây dựng theo phương pháp PTHH ) kết môn Sức bền vật liệu, rút vài nhận xét việc ứng dụng tính toán kết cấu kỹ thuật Cơ sở lý thuyết phương pháp trực tiếp dựa vào phương trình cân ngoại lực, phương trình vi phân quan hệ chuyển vị, biến dạng nội lực Bằng trợ giúp chương trình tính toán, ta xác định xác nghiệm chuyển vị từ xây dựng ma trận độ cứng xác, lực tương đương xác phần tử Ma trận độ cứng trường hợp có xét ảnh hưởng biến dạng trượt có xuất hệ số ảnh hưởng biến dạng trượt α , ma trận trường hợp có xét ảnh hưởng lực dọc có xuất hệ số ảnh hưởng lực dọc α , trường hợp có xét ảnh hưởng đồng thời biến dạng trượt lực dọc có hệ số Việc xây dựng lực tương đương tính toán cho loại phần tử chịu kéo (nén) chịu uốn, gồm số trường hợp tải trọng cụ thể : tải trọng phân bố đều, tải trọng lực tập trung điểm, tải trọng mômen tập trung điểm … trường hợp Sau thiết lập ma trận độ cứng lực tương đương cho phần tử thẳng, dựa vào mô hình tương thích ghép nối hệ kết cấu phẳng ( hệ GVHD : GS.TSKH Nguyễn Xuân Hùng Page Luận văn thạc só Nguyễn Trọng Nhân không gian ) nhằm xây dựng hệ phương trình quan hệ ma trận độ cứng, chuyển vị nút lực nút Khi giải hệ phương trình xác định chuyển vị nút, để từ suy nội lực phần tử thẳng Trước hết, tác giả sử dụng chương trình MAPLE 7.0 xây dựng chương trình K_Qtd, để xác định ma trận độ cứng lực tương đương xác Bên cạnh đó, để tự động hoá tính toán hệ khung phẳng trường hợp chịu ảnh hưởng đồng thời biến dạng trượt lực dọc, tác giả xây dựng chương trình Khung2D ngôn ngữ VISUAL C++ 6.0 Luận văn gồm chương : - Chương : Giới thiệu tổng quan - Chương : Cơ sở lý thuyết - Chương : Tính toán kết cấu phẳng - Chương : Tính toán kết cấu không gian - Chương : Ví dụ tính toán kết cấu phẳng - Chương : Nhận xét kết luận Tóm lại, luận văn trình bày sở lý thuyết phương pháp trực tiếp, ví dụ áp dụng tính toán cụ thể theo lý thuyết này, đồng thời so sánh kết với kết biết hay kết từ phần mềm SAP2000 Điều xác nhận tính đắn lý thuyết, tính cần thiết kể đến ảnh hưởng biến dạng trượt hay lực dọc tính toán kết cấu thực tế, nhằm thu hoạch kết xác hơn, gần thực tế làm việc kết cấu GVHD : GS.TSKH Nguyễn Xuân Hùng Page Luận văn thạc só Nguyễn Trọng Nhân MỤC LỤC Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn Mục lục Chương : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 10 1.2 Phương pháp ma trận độ cứng 13 1.2.1 Ma trận độ cứng phần tử kết cấu 13 1.2.2 Ma trận độ cứng hệ kết cấu 14 Chương : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phần tử chịu kéo ( chịu nén ) 15 2.1.1 Chuyển vị nội lực chịu kéo ( chịu nén ) 15 2.1.2 Ma trận độ cứng phần tử chịu kéo ( chịu nén ) 16 2.1.3 Lực tương đương phần tử chịu kéo ( chịu nén ) 18 a) Trường hợp tải trọng dọc p(x) tải trọng phân bố p b) Trường hợp tải trọng dọc p(x) tải trọng lực tập trung P c) Trường hợp có chuyển vị cưỡng thay đổi nhiệt độ 2.2 Phần tử chịu uốn trường hợp ( Theo mô hình dầm Euler-Bernoulli ) 20 2.2.1 Chuyển vị nội lực chịu uốn trừơng hợp 20 2.2.2 Ma trận độ cứng phần tử chịu uốn trường hợp 21 2.2.3 Lực tương đương phần tử chịu uốn trường hợp 23 a) Trường hợp tải trọng phân bố GVHD : GS.TSKH Nguyễn Xuân Hùng Page Luận văn thạc só Nguyễn Trọng Nhân b) Trường hợp tải trọng lực tập trung c) Trường hợp tải trọng mômen tập trung d) Trường hợp tải trọng phân bố thành đoạn e) Trường hợp có chuyển vị cưỡng thay đổi nhiệt độ 2.3 Phần tử chịu uốn lúc kể đến ảnh hưởng biến dạng trượt ( Theo mô hình dầm Timôsenkô ) 27 2.3.1 Chuyển vị nội lực chịu uốn lúc có kể đến ảnh hưởng biến dạng trượt 27 2.3.2 Ma trận độ cứng phần tử chịu uốn lúc kể đến ảnh hưởng biến dạng trượt 29 2.3.3 Lực tương đương phần tử chịu uốn lúc kể đến ảnh hưởng biến dạng trượt 31 a) Trường hợp tải trọng phân bố b) Trường hợp tải trọng lực tập trung c) Trường hợp tải trọng mômen tập trung 2.4 Phần tử chịu uốn lúc kể đến ảnh hưởng lực dọc 33 2.4.1 Chuyển vị nội lực phần tử chịu uốn lúc có kể đến ảnh hưởng lực dọc ( Hiệu ứng P-delta ) 33 2.4.2 Ma trận độ cứng phần tử chịu uốn lúc kể đến ảnh hưởng lực dọc 34 2.4.3 Lực tương đương phần tử chịu uốn lúc kể đến ảnh hưởng lực dọc 36 a) Trường hợp tải trọng phân bố b) Trường hợp tải trọng lực tập trung c) Trường hợp tải trọng mômen tập trung 2.5 Phần tử chịu uốn lúc kể đến ảnh hưởng đồng thời biến dạng trượt lực dọc 39 2.5.1 Chuyển vị nội lực chịu uốn lúc có kể đến ảnh hưởng đồng thời biến dạng trượt lực dọc 39 2.5.2 Ma trận độ cứng phần tử chịu uốn lúc kể đến ảnh hưởng đồng thời biến dạng trượt lực dọc 40 GVHD : GS.TSKH Nguyễn Xuân Hùng Page Luận văn thạc só Nguyễn Trọng Nhân 2.5.3 Lực tương đương phần tử chịu uốn lúc kể đến ảnh hưởng đồng thời biến dạng trượt lực dọc 42 a) Trường hợp tải trọng phân bố b) Trường hợp tải trọng lực tập trung c) Trường hợp tải trọng mômen tập trung 2.6 Ma trận độ cứng tải trọng tương đương phần tử thẳng chịu xoắn 43 2.6.1 Phương trình vi phân quan hệ góc xoắn mômen xoắn 43 2.6.2 Ma trận độ cứng lực tương đương phần tử kết cấu chịu xoắn 44 2.7 Tóm tắt chương 46 Chương : TÍNH TOÁN KẾT CẤU THANH PHẲNG 3.1 Ma trận độ cứng phần tử kết cấu phẳng 48 3.1.1 Ma trận độ cứng phần tử kết cấu phẳng hệ toạ độ địa phương 48 3.1.2 Ma trận độ cứng phần tử kết cấu phẳng hệ toạ độ tổng thể 50 3.2 Ma trận độ cứng, vectơ lực tương đương vectơ chuyển vị hệ kết cấu phẳng 51 3.2.1 Ma trận độ cứng, vectơ lực tương đương vectơ chuyển vị hệ kết cấu phẳng tự 51 3.2.2 Ma trận độ cứng, vectơ lực tương đương vectơ chuyển vị hệ kết cấu phẳng có liên kết 52 3.3 Tính toán chuyển vị, phản lực liên kết nội lực hệ kết cấu phẳng 53 3.4 Tóm tắt chương 55 Chương : TÍNH TOÁN KẾT CẤU THANH KHÔNG GIAN 4.1 Ma trận độ cứng phần tử kết cấu không gian GVHD : GS.TSKH Nguyễn Xuân Hùng 55 Page Luận văn thạc só Nguyễn Trọng Nhân 4.1.1 Ma trận độ cứng phần tử kết cấu không gian hệ toạ độ địa phương 58 4.1.2 Ma trận độ cứng phần tử kết cấu không gian hệ toạ độ tổng thể 59 4.2 Ma trận độ cứng, vectơ lực tương đương vectơ chuyển vị hệ kết cấu không gian 60 4.2.1 Ma trận độ cứng, vectơ lực tương đương vectơ chuyển vị hệ kết cấu không gian tự 60 4.2.2 Ma trận độ cứng, vectơ lực tương đương vectơ chuyển vị hệ kết cấu không gian có liên kết 60 4.3 Tính toán chuyển vị, phản lực liên kết nội lực hệ kết cấu không gian 60 4.4 Tóm tắt chương 61 Chương : VÍ DỤ TÍNH TOÁN KẾT CẤU THANH PHẲNG 5.1 Trình tự tính toán theo phương pháp trực tiếp 62 5.2 Giải thuật chương trình tính toán 64 5.2.1 Sơ đồ khối giải thuật 5.2.2 Chương trình tính toán 5.3 Ví dụ tính toán cụ thể 67 5.3.1 Bài toán : Tính toán ổn định dầm đơn không xét ảnh hưởng biến dạng trượt 67 5.3.2 Bài toán : Tính toán ổn định dầm đơn xét ảnh hưởng biến dạng trượt 72 5.3.3 Bài toán : Tính toán ổn định dầm consol không xét ảnh hưởng biến dạng trượt 77 5.3.4 Bài toán : Tính toán ổn định dầm consol xét ảnh hưởng biến dạng trượt 80 5.3.5 Bài toán : Tính toán ổn định dầm đơn siêu tónh không xét ảnh hưởng biến dạng trượt 83 5.3.6 Bài toán : Tính toán dầm liên tục 86 5.3.7 Bài toán : Tính toán khung phẳng 88 GVHD : GS.TSKH Nguyễn Xuân Hùng Page ... : PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP TÍNH TOÁN KẾT CẤU THANH THẲNG CÓ KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG TRƯT VÀ LỰC DỌC II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nhiệm vụ : Trình bày sở lý thuyết phương pháp trực tiếp tính toán. .. LUẬN VĂN Tên đề tài : PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP TÍNH TOÁN KẾT CẤU THANH THẲNG CÓ KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG TRƯT VÀ LỰC DỌC Nội dung : Việc tính toán xác kết cấu, đặc biệt kết cấu nhịp lớn, cao tầng... lại phương pháp trực tiếp tính toán kết cấu Trong đó, giải trường hợp kết cấu hệ thẳng chịu uốn : bản, xét ảnh hưởng biến dạng trượt, xét ảnh hưởng lực dọc, xét ảnh hưởng biến dạng trượt lực dọc