Nghiên cứu ứng xử của tấm BTCT chịu tải trọng nhiệt độ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HUỲNH LỮ TÂN NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA TẤM BTCT CHỊU TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ Chuyên ngành: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Mã số ngành: 60.58.20 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2007 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS CHU QUỐC THẮNG Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2007 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC - CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày tháng năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HUỲNH LỮ TÂN Ngày, tháng, năm sinh: 05-03-1977 Chuyên ngành: Xây dựng Dân dụng – Công nghiệp Phái: Nam Nơi sinh: Phú Yên Mã HV: 02105515 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng xử BTCT chịu tải trọng nhiệt độ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Khảo sát ứng xử tĩnh học (ứng suất, chuyển vị khả chịu lực) BTCT tác dụng nhiệt độ theo 02 mơ hình vật liệu đẳng hướng trực hướng có kể đến tác dụng cốt thép Khảo sát tác động nhiệt độ lên ứng xử tĩnh học BTCT chịu tải trọng phân bố Khảo sát ảnh hưởng thời gian tác dụng nhiệt lên ứng xử BTCT chịu tác động nhiệt độ III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/ 02 /2007 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/ 07 /2007 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS CHU QUỐC THẮNG CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH PGS.TS CHU QUỐC THẮNG Nội dung đề cương Luận văn Thạc só Hội đồng Chuyên ngành thông qua Ngày tháng năm 2007 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Sau năm học tập nghiên cứu truyền đạt kiến thức hướng dẫn nhiệt tình Thầy, Cơ Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh tơi hồn thành Luận văn hồn tất chương trình đào tạo Thạc sĩ Nhà trường Trước tiên, xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Chu Quốc Thắng tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm q báu giúp tơi hồn thành Luận văn Xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng truyền đạt cho kiến thức quý báu suốt thời gian học tập trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo quan nơi công tác, anh chị em đồng nghiệp tất người bạn giúp đỡ, động viên, cổ vũ suốt thời gian học tập Sau cùng, xin cảm ơn người thân gia đình tốt đẹp nhất, hy sinh thầm lặng dành cho tôi, giúp vượt qua khó khăn để có thành cơng ngày hơm i TĨM TẮT LUẬN VĂN Tác động nhiệt độ lên kết cấu BTCT thông qua hai dạng: biến đổi nhiệt độ theo chiều dày biến đổi nhiệt độ thân tấm, tạo ứng xử học dạng tải trọng tác dụng lên Luận văn tập trung vào việc xây dựng mơ hình vật liệu trực hướng cho BTCT có kể đến tác dụng cốt thép ứng xử học BTCT Bằng việc đưa lời giải cho trường hợp chữ nhật biên tựa cố định chịu tải trọng ngang phân bố tải trọng nhiệt độ đồng thời, tác giả xây dựng tảng lý thuyết ứng dụng cho việc tính tốn kết cấu mơ hình vật liệu trực hướng tổng qt đồng với mơ hình vật liệu đẳng hướng trường hợp xem ứng xử vật liệu theo phương vng góc Thơng qua việc lập trình tính tốn với hỗ trợ phần mềm Matlab, luận văn tập trung khảo sát dạng tác động nhiệt độ ví dụ cụ thể Kết tính tốn với đặc trưng hình học tác dụng cốt thép phân bố ứng suất cải thiện khả chịu nhiệt độ đáng kể Đồng thời, hai dạng tác động nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến ứng xử tĩnh học BTCT chịu tải trọng ngang yếu tố thời gian tác dụng nhiệt độ tác động lớn đến ứng xử thay đổi dạng tác động nhiệt Sau cùng, việc tính tốn trường hợp cụ thể cho BTCT, luận văn tập trung làm rõ đánh giá mức vai trò nhiệt độ tác dụng lên kết cấu BTCT chịu tải trọng phân bố vai trò tác dụng cốt thép ứng xử tĩnh học chịu nhiệt độ ii ABSTRACT Thermal loading applies on reinforced concrete plate (RCP) structures by two ways: temperature variation across the plate thickness and temperature variation of the plate Two effects make mechanic action like a loading applied on the RCP This thesis focuses on establishing orthotropic material model using for RCP in which the effectiveness of steel bars on mechanic actions of RCP are included By solving the problem for simply support rectangular plate supporting distribute uniform load and thermal loading simultaneously, author builded theory foundation and applied in solving plate structures by using general orthotropic material model that may turn back to isotropic model in case the act of material according two perpendicular direction alike By buiding a program using Matlab sofware, the thesis focuses on investigating the influence of temperature with determinate problem The result pointed out that beside geometric property, the effect of steel bars in distributing stress and improving thermal capability are considerable Together, two forms of thermal loading make large effect on the static act of RCP support to transver load and the effectiveness of time of temperature action also make large effect by the transformation of thermal action forms After all, by solving many case of thermal effect, the thesis will concentrate to make clearly and evaluate properly the affection of temperature on RCP structures support to transver load and the effect of steel bars in static act of plates under thermal load iii MỤC LỤC Chương 1: Mở đầu 1.1 Tổng quan 1.2 Tác động nhiệt độ lên BTCT .3 1.3 Mục tiêu luận văn .3 1.4 Nội dung, phạm vi phương pháp nghiên cứu .4 1.4.1 Phạm vi phương pháp nghiên cứu 1.4.2 Nội dung luận văn .4 Chương 2: Các sở lý thuyết 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Sơ lược lịch sử lý thuyết 2.1.2 Ứng xử tổng quát mỏng biến dạng nhỏ 2.1.3 Quan hệ biến dạng - độ cong 2.1.4 Ứng suất nội lực 10 2.1.5 Phương trình vi phân chủ đạo độ võng 13 2.1.6 Các điều kiện biên chu vi 14 2.2 Mơ hình vật liệu cho BTCT 15 2.2.1 Định luật Hooke tổng quát 15 2.2.2 Vật liệu đàn hồi trực hướng 16 2.2.3 Vật liệu đàn hồi đẳng hướng .19 2.2.4 Bài toán ứng suất phẳng 20 2.2.5 Mơ hình vật liệu cho BTCT .22 2.2.5.1 Bài toán trực hướng .22 2.2.5.2 Các hệ số độ cứng cho BTCT 24 2.3 Cơ sở lý thuyết truyền nhiệt 25 2.3.1 Những khái niệm dẫn nhiệt 25 2.3.2 Bài tốn dẫn nhiệt khơng ổn định .26 2.3.3 Bài tốn dẫn nhiệt khơng ổn định phẳng .27 2.3.4 Xác định phân bố nhiệt BTCT theo thời gian 28 iv Chương 3: Phân tích ứng suất chuyển vị BTCT chịu tác động nhiệt độ 30 3.1 Ứng suất chuyển vị chịu tác động nhiệt độ 30 3.1.1 Bài toán trực hướng tổng quát 30 3.1.2 Tấm đẳng hướng chịu tải trọng nhiệt độ 32 3.1.2.1 Tấm chữ nhật biên tựa chịu nhiệt độ phân bố theo chiều dày 33 3.1.2.2 Tấm chữ nhật biên ngàm chịu nhiệt độ phân bố theo chiều dày .35 3.1.3 Tấm trực hướng chữ nhật biên tựa chịu nhiệt độ phân bố theo chiều dày 35 3.1.4 Tấm chữ nhật chịu gia tăng nhiệt độ 37 3.2 Tác động thời gian dẫn nhiệt lên ứng xử BTCT 39 3.3 Tấm BTCT chịu tải trọng ngang tải trọng nhiệt độ đồng thời 39 3.3.1 Tấm BTCT chữ nhật biên tựa chịu tải trọng ngang phân bố tải trọng nhiệt độ biến thiên theo chiều dày 39 3.3.2 Tấm BTCT chữ nhật biên ngàm chịu tải trọng ngang phân bố tải trọng nhiệt độ biến thiên theo chiều dày 41 3.3.3 Tấm BTCT chịu tải trọng ngang gia tăng nhiệt độ 41 Chương 4: Phân tích tốn ổn định chịu tải trọng nhiệt độ 42 4.1 Ổn định chịu tác động nhiệt độ 42 4.1.1 Phương trình ổn định trực hướng tổng quát 42 4.1.2 Nhiệt độ gia tăng tới hạn chữ nhật biên tựa 46 4.1.3 Chênh lệch nhiệt độ tới hạn chữ nhật biên tựa 49 4.2 Ổn định chịu tác dụng tải trọng ngang tải trọng nhiệt độ đồng thời 51 Chương 5: Các ví dụ tính tốn 52 5.1 Chương trình tính chữ nhật biên tựa chịu tải trọng nhiệt độ 52 5.2 Khảo sát tác động chênh lệch nhiệt độ bề mặt lên BTCT 53 v 5.2.1 Khảo sát ảnh hưởng phân bố cốt thép đến làm việc chịu tác động chênh lệch nhiệt độ bề mặt 53 5.2.2 Khảo sát ảnh hưởng chênh lệch nhiệt độ đến làm việc chịu tải trọng ngang phân bố 55 5.2.3 Khảo sát ảnh hưởng chiều dày chịu tác động chênh lệch nhiệt độ bề mặt .57 5.2.4 Khảo sát khả chịu lực chịu tác động chênh lệch nhiệt độ bề mặt 58 5.3 Khảo sát tác động gia tăng nhiệt độ lên kết cấu BTCT 62 5.3.1 Khảo sát ảnh hưởng phân bố cốt thép đến làm việc chịu tác động gia tăng nhiệt độ 62 5.3.2 Khảo sát ảnh hưởng gia tăng nhiệt độ BTCT chịu tải trọng ngang 63 5.3.3 Khảo sát khả chịu lực chịu gia tăng nhiệt độ .65 5.4 Khảo sát tác động nhiệt độ lên kết cấu BTCT có điều kiện biên khác 69 5.4.1 Khảo sát ảnh hưởng điều kiện biên đến làm việc chịu chênh lệch nhiệt độ bề mặt 69 5.4.2 Khảo sát ảnh hưởng điều kiện biên đến làm việc chịu gia tăng nhiệt độ 70 5.4.3 Khảo sát ảnh hưởng điều kiện biên đến khả chịu nhiệt độ .70 5.5 Khảo sát BTCT chữ nhật chịu tác động nhiệt độ theo thời gian 71 5.5.1 Khảo sát với liên kết biên gối tựa cạnh .73 5.5.2 Khảo sát với liên kết biên ngàm cạnh 74 5.5.3 Khảo sát trường hợp giảm nhiệt độ tức thời 76 Chương 6: Kết luận Kiến nghị 80 6.1 Kết luận 80 6.2 Phương hướng nghiên cứu 81 Tài liệu tham khảo 82 Phụ lục .84 vi Chương Chương Mở đầu MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan Kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) kết cấu ứng dụng từ lâu dễ dàng bắt gặp hầu hết loại cơng trình dân dụng, cơng nghiệp, giao thơng, thủy lợi, quốc phịng Hầu hết kết cấu BTCT sử dụng để chịu tải trọng phân bố theo phương vng góc với trục như: sàn nhà, sàn xưởng sản xuất, sàn mái, bể chứa, mặt cầu, hầm trú ẩn Tuy nhiên, thực tế kết cấu nói chung BTCT nói riêng làm việc điều kiện thay đổi liên tục môi trường nhiệt độ, độ ẩm, ngồi khả chịu tải trọng, kết cấu chịu tác động đáng kể ứng suất phát sinh tác động môi trường làm việc mà tác động biến đổi nhiệt độ đáng kể Một tính chất học đặc trưng vật liệu tính biến dạng theo trường nhiệt độ vật thể Với vật thể tự có thay đổi trường nhiệt độ vật thể có xu hướng biến dạng dài theo phương mà không bị cản trở, nhiên vật thể chịu điều kiện ràng buộc định liên kết biến dạng (hay chuyển vị) bị ngăn cản, phản lực phát sinh liên kết nguyên nhân tạo nên ứng suất bên vật thể Thành phần ứng suất biến đổi tùy thuộc vào tính chất vật liệu, tốc độ biến thiên trường nhiệt độ, điều kiện liên kết biên, hình dạng kích thước kết cấu Hơn nữa, ứng xử học vật liệu độ dẫn nhiệt, môđun đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt biến đổi theo trường nhiệt độ Kết thành phần ứng suất bên kết cấu thay đổi mà thay đổi vượt ứng suất giới hạn vật liệu dẫn đến phá hoại kết cấu Trong thực tế thiết kế kết cấu BTCT nói chung kết cấu BTCT nói riêng, ngoại trừ kết cấu làm việc môi trường chịu nhiệt độ hay mơi trường có độ ổn định nhiệt cao, kết cấu BTCT thường thiết kế chịu tải trọng học theo điều kiện làm việc mà kể đến thay đổi nhiệt độ môi trường nơi kết cấu làm việc Một nguyên nhân khiến nhà thiết Trang ... 35 3.1.4 Tấm chữ nhật chịu gia tăng nhiệt độ 37 3.2 Tác động thời gian dẫn nhiệt lên ứng xử BTCT 39 3.3 Tấm BTCT chịu tải trọng ngang tải trọng nhiệt độ đồng thời 39 3.3.1 Tấm BTCT chữ... sau nhiệt độ tăng lên khoảng 260oC Trang 29 Chương Phân tích ứng suất chuyển vị BTCT chịu tác động nhiệt độ Chương PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ CHUYỂN VỊ CỦA TẤM BTCT CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ 3.1 Ứng. .. 02105515 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng xử BTCT chịu tải trọng nhiệt độ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Khảo sát ứng xử tĩnh học (ứng suất, chuyển vị khả chịu lực) BTCT tác dụng nhiệt độ theo 02 mơ hình vật