Phân tích phi tuyến khung liên hợp thép BTCT có xét đến ảnh hưởng của tương tác bán phần và liên kết nửa cứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA YZ LÊ LƯƠNG BẢO NGHI PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG LIÊN HỢP THÉP-BTCT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC BÁN PHẦN VÀ LIÊN KẾT NỬA CỨNG CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ NGÀNH : 605820 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ 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 sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …… tháng …… năm 2008 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : LÊ LƯƠNG BẢO NGHI Ngày, tháng, năm sinh : 17/10/1983 Chuyên ngành Giới tính : Nam Nơi sinh : Lâm Đồng : Xây dựng Dân dụng & Cơng nghiệp Khố (Năm trúng tuyển) : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG LIÊN HỢP THÉP-BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC BÁN PHẦN VÀ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN − Phân tích mơ hình dầm liên hợp có xét tương tác bán phần, ứng xử phi tuyến vật liệu liên kết dựa mơ hình động học Newmark Sử dụng phương pháp PTHH dựa chuyển vị để thiết lập phần tử dầm liên hợp có bậc tự − Đề xuất mơ hình liên kết liên hợp nửa cứng với ứng xử khác chịu momen dương momen âm − Phát triển mơ hình phần tử dầm liên hợp thành mơ hình phần tử dầm liên hợp khung có xét tương tác bán phần, liên kết nửa cứng ứng xử phi tuyến vật liệu liên kết − Thiết lập mô hình phần tử cột liên hợp có xét ứng xử phi tuyến vật liệu phi tuyến hình học phương pháp PTHH dựa chuyển vị − Xây dựng chương trình tính tốn có giao diện ngơn ngữ lập trình Matlab để tự động hố q trình phân tích − Khảo sát số, so sánh kết đạt với nghiên cứu trước − Rút nhận xét, kết luận kiến nghị 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày 21 tháng 01 năm 2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 30 tháng 06 năm 2008 5- 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) TRƯỞNG BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) PGS TS BÙI CÔNG THÀNH ii LỜI CẢM ƠN Tơi xin trân trọng chân thành tỏ lịng biết ơn đến q Thầy cơ, Ban giám hiệu, Phịng Đào tạo Sau Đại học trường đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh truyền đạt cho tơi nhừng kiến thức quý giá tạo điều kiện học tập tốt suốt hai năm học cao học trường Đặc biệt xin gởi đến PGS TS Bùi Cơng Thành lịng biết ơn sâu sắc, người thầy trực tiếp hướng dẫn nhiệt tình tân tâm với định hướng lời khuyên quý báu giúp hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn thầy cô Bộ môn Sức bền Kết cấu tạo điều kiện cho tơi suốt q trình học tập Tôi xin gởi lời cảm ơn đến tác giả tài liệu mà sử dụng q trình làm luận văn Cuối tơi xin tỏ lịng biết ơn gia đình, bạn bè quan tâm động viên suốt thời gian thực luận văn iii MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược kết cấu liên hợp thép-bêtông cốt thép 1.2 Giới thiệu ứng xử cấu kiện khung liên hợp thép-bêtông cốt thép 1.3 Tình hình nghiên cứu kết cấu thép-BTCT liên hợp .5 1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu 11 1.5 Mục tiêu phạm vi đề tài .13 1.6 Cấu trúc luận văn 14 Chương MƠ HÌNH PHẦN TỬ DẦM THÉP-BÊTƠNG LIÊN HỢP CĨ XÉT TƯƠNG TÁC BÁN PHẦN VÀ PHI TUYẾN VẬT LIỆU 15 2.1 Giới thiệu 15 2.2 Mô hình động học phương trình cân chủ đạo cho dầm liên hợp 15 2.2.1 Mơ hình động học Newmark .15 2.2.2 Điều kiện tương thích 17 2.2.3 Điều kiện cân 18 2.2.4 Quan hệ ứng suất suy rộng – biến dạng suy rộng .20 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn dựa chuyển vị 21 2.3.1 Thiết lập công thức 21 2.3.2 Thiết lập ma trận độ cứng dầm liên hợp bậc tự 22 2.3.3 Thiết lập vectơ tải nút phần tử dầm liên hợp bậc tự 25 2.3.4 Tính nội lực nút phần tử dầm liên hợp bậc tự 26 2.4 Thiết lập ma trận độ cứng vectơ tải nút bậc tự cho phần tử dầm liên hợp ghép từ nhiều phần tử nhỏ 27 2.5 Kết luận 28 Chương PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG THÉP-BÊTƠNG LIÊN HỢP CĨ XÉT TƯƠNG TÁC BÁN PHẦN VÀ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 30 3.1 Giới thiệu 30 3.2 Mơ hình liên kết liên hợp nửa cứng 31 v 3.3 Mơ hình dầm liên hợp khung có xét tương tác bán phần liên kết nửa cứng 32 3.3.1 Ma trận độ cứng vectơ tải nút phần tử dầm liên hợp có liên kết nửa cứng 32 3.3.2 Rút gọn ma trận độ cứng véctơ tải nút phần tử liên hợp bậc tư thành bậc tự lắp ghép vào khung .36 3.4 Mô hình cột thép-bêtơng liên hợp có xét phi tuyến vật liệu phi tuyến hình học .38 3.4.1 Mơ hình động học .38 3.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn dựa chuyển vị 41 3.4.3 Ma trận độ cứng cột có xét đến phi tuyến hình học 42 3.5 Phân tích phi tuyến khung thép-bêtơng liên hợp có xét tương tác bán phần liên kết nửa cứng 43 3.5.1 Các mơ hình ứng xử vật liệu, liên kết chống trượt liên kết dầm-cột 43 3.5.2 Phương pháp phân tích phi tuyến 46 3.6 Kết luận 50 Chương CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN 51 4.1 Giới thiệu 51 4.2 Sơ đồ giải thuật .51 4.3 Các chức cuả chương trình 51 4.4 Giao diện chương trình cách sử dụng 52 4.5 Kết luận 55 Chương VÍ DỤ MINH HỌA 56 5.1 Ví dụ 1: dầm thép-bêtông liên hợp nhịp đơn giản 56 5.2 Ví dụ 2: dầm thép-bêtông liên hợp hai nhịp liên tục 63 5.3 Ví dụ 3: khung thép Portal có dầm liên hợp 66 5.4 Ví dụ 4: ứng xử liên kết liên hợp nửa cứng 71 5.5 Ví dụ 5: khung liên hợp sáu tầng hai nhịp .73 vi Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận 81 6.2 Kiến nghị 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC A PHỤ LỤC CƠ SỞ LÝ THUYẾT 89 A.1 Thiết lập ma trận độ cứng vectơ tải nút cho phần tử dầm liên hợp bậc tự phương pháp PTHH dựa chuyển vị .89 A.2 Phân tích dầm liên hợp đơn giản phương pháp giải tích Newmark 92 PHỤ LỤC B GIAO DIỆN VÀ CÁCH SỬ DỤNG VÀ MÃ NGUỒN CHƯƠNG TRÌNH COMFAD .95 B.1 Giao diện cách sử dụng .95 B.2 Mã nguồn số file chương trình .108 vii Trang Chương CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 SƠ LƯỢC VỀ KẾT CẤU LIÊN HỌP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP Trong kết cấu cơng trình xây dựng, kết hợp vật liệu khác thường thấy kết hợp thép bêtơng Mặc dù tính chất có khác chúng lại bổ sung hổ trợ nhau: bêtông chịn nén tốt chịu kéo kém, thép chịu kéo nén tốt dễ bị oằn chịu nén, bêtơng góp phần làm tăng khả chịu lực, độ cứng, độ ổn định thép hình tăng sức chịu nhiệt kết cấu Vì kết hợp bêtông thép tạo dạng kết cấu phổ biến tiêu biểu ngành xây dựng dạng kết cấu liên hợp thép - bê tông (steel-concrete composite construction), gọi tắt kết cấu liên hợp (LH) Dạng kết cấu thể nhiều ưu điểm so với dạng kết cấu thông thường bê tông cốt thép hay thép, áp dụng rộng rãi công trình cầu cao ốc Dạng kết cấu sử dụng thập kỷ qua tiếp tục phát triển mạnh mẽ ưu tiên hàng đầu ngành xây dựng ngày Kết cấu liên hợp hiểu thông thường cấu kiện tạo từ phần tử khác (như hình 1.1, 1.2, 1.3) việc sử dụng kết hợp vật liệu thép bê tông sau cho làm việc hiệu Dạng kết cấu tận dụng ưu điểm khả chịu kéo thép, khả chịu nén bê tông sử dụng vật liệu có cường độ cao Hình 1.1: Mặt cắt số tiết diện dầm liên hợp (composite beam) Trang Chương Hình 1.2: Mặt cắt số tiết diện cột liên hợp (composite column) Hình 1.3: Liên kết dầm cột liên hợp (composite joint) Hơn thập kỷ qua, việc nghiên cứu sử dụng kết cấu liên hợp tiếp tục phát triển Trong trình sử dụng kết cấu liên hợp thể ưu điểm bật sau : - Khả chịu chịu tải độ cứng kết cấu tăng (dầm liên hợp, cột, liên kết mơmen) - Độ dẻo tăng, sử dụng thích hợp cho khả kháng chấn cao (cột bê tông chèn thép, liên kết dầm cột) - Tăng khả chống cháy - Thời gian thi công nhanh, mơ đun cơng tác thi cơng Hiện tồ nhà cao tầng giới sử dụng kết cấu composite Taipei Tower 101 tầng cao 508m ( Đài Loan) ; Millenium Tower (Viennna-Áo, 55 Trang Chương tầng diện tích sàn khoảng 1000m2 xây dựng thời gian khoảng tháng) Petronas Towers (Malaysia, 95 tầng, cao 450m), Bank of China Tower (Hong Kong, 70 tầng, 369 m), Dalas Main Center (Mỹ, 73 tầng, 281 m) Hình 1.4: Tháp Millenium Vienna [57] Tại Việt Nam có số cơng trình sử dụng kết cấu liên hợp như: Bệnh viện Chợ Rẫy 12 tầng xây dựng năm 1971, cao ốc Harbour View 1993, Saigon Center 1995, cao ốc văn phòng Posco 1997, Diamon Plaza 1.2 GIỚI THIỆU VỀ ỨNG XỬ CÁC CẤU KIỆN TRONG KHUNG LIÊN HỢP THÉP-BÊTƠNG CỐT THÉP Hình 1.5: Dầm thép bình thường dầm liên hợp Dầm liên hợp cấu tạo gồm dầm thép bê tông hay bê tơng cốt thép (hình 1.5) Tác động liên hợp thép bê tơng phụ thuộc vào tính chất liên Trang 115 Phụ lục B Kn((ie-1)*4+[1:8],(ie-1)*4+[1:8])= Kn((ie-1)*4+[1:8],(ie-1)*4+[1:8])+Ke(:,:,ie); end %========================================================================== % CO DAC LAI THANH PHAN TU DAM 8BTD %========================================================================== k11=[ Kn(1:4,1:4) Kn(1:4,nsub*4+1:nsub*4+4); Kn(nsub*4+1:nsub*4+4,1:4) Kn(nsub*4+1:nsub*4+4,nsub*4+1:nsub*4+4) ]; k22=[ Kn(5:nsub*4,5:nsub*4) ]; k12=[ Kn(1:4,5:nsub*4) Kn(nsub*4+1:nsub*4+4,5:nsub*4) ]; Kb88=k11-k12*inv(k22)*k12'; p1=[ Pn(1:4); Pn(nsub*4+1:nsub*4+4) ]; p2= Pn(5:nsub*4); Pb8=p1-k12*inv(k22)*p2; %========================================================================== % HIEU CHINH NUT NUA CUNG CUA PHAN TU DAM 8BTD %========================================================================== Ril=beam{ib}.Ril; Rir=beam{ib}.Rir; Mul=beam{ib}.Mul; Mur=beam{ib}.Mur; if tel DUOC PHAN TU DAM 6BTD %========================================================================== T86=[ -h 0 0; 0 0 0; 0 0; 0 0 0; 0 -h; 0 0; 0 0 0; 0 0 1]; Kb=T86'*Kbs88*T86; Pb=T86'*Pbs8; %========================================================================== beam{ib}.T86=T86; beam{ib}.Kbs1010=Kbs1010; beam{ib}.Pbs10=Pbs10; beam{ib}.T1210=T1210; beam{ib}.k22=k22; beam{ib}.k12=k12; beam{ib}.p2=p2; beam{ib}.Ke=Ke; beam{ib}.Le=Le; mnanalysis_run_CSLM File hàm để tính ma trận độ cứng cột liên hợp function [Kc]=mnanalysis_run_CSLM(ic); global col mat rst ana it %========================================================================== %Tinh cac dac trung vat lieu va hinh hoc cua tiet dien %========================================================================== %Vat lieu Ec=mat.Ec; fc=mat.fcb; Er=mat.Er; fr=mat.fyr; fru=mat.fur; Es=mat.Es; fs=mat.fyc; fsu=mat.fuc; Trang 117 Phụ lục B %Tiet dien enc=col{ic}.enc; bc=col{ic}.bc; hc=col{ic}.bc; nc=ana.ncc; Ar=[col{ic}.Ar;col{ic}.Ar]*2; co_r=col{ic}.co_r; hs=col{ic}.hs; bf=col{ic}.bf; tw=col{ic}.tw; tf=col{ic}.tf; nf=ana.nfc; nw=ana.nwc; %so doan chia nsub=ana.nsubc; %chieu dai cot L=col{ic}.L/nsub; %========================================================================== %Thiet lap MTDC cua phan tu cot phi tuyen vat lieu %========================================================================== qct=rst.qct; qnct=rst.qnct; Kn=zeros((nsub+1)*3,(nsub+1)*3); for ie=1:nsub; % -%MTDC cua cac phan tu Ke(:,:,ie)=zeros(6,6); ci=[-0.774596669241483,0.000000000000000,0.774596669241483]; wi=[ 0.555555555555555,0.888888888888889,0.555555555555555]; qet(:,ie)=qnct(ic,(ie-1)*3+1:(ie-1)*3+6)'; % -for ig=1:length(ci) %ma tran tinh bien dang B= [ 0, -1/L, 0, 0, 1/L, 0; -6*ci(ig)/L^2, 0, 1/2/L*(-2+6*ci(ig)), 6*ci(ig)/L^2, 0, 1/2/L*(2+6*ci(ig))]; %ma tran tinh ung suat em=B*qet(:,ie); hw=hs-2*tf; yfb=[tf/nf/2:tf/nf:tf-tf/nf/2]'; yw=tf+[hw/nw/2:hw/nw:hw-hw/nw/2]'; yft=hs-tf+[tf/nf/2:tf/nf:tf-tf/nf/2]'; yc=-hc/2+hs/2+[hc/nc/2:hc/nc:hc-hc/nc/2]'; yr=hs/2+[-co_r(2);co_r(2)]; EA=0;ES=0;EJ=0; Trang 118 %Dac trung tiet dien thep for il=1:2 er=em(1)+em(2)*(yr(il)-hs/2);er=abs(er); if abs(er)