Ổn định thanh dầm thành mỏng tiết diện chữ z

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo NGUYỄN DUY THIÊN GIANG ỔN ĐỊNH THANH DẦM THÀNH MỎNG TIẾT DIỆN CHỮ Z CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ NGÀNH : 23.04.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ (PHẦN THUYẾT MINH) THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10 NĂM 2006 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : NGUYỄN DUY THIÊN GIANG Ngày, tháng, năm sinh : 22 - 09 - 1974 Chuyên ngành: Xây dựng Dân dụng Công nghiệp Phái : nam Nơi sinh : TP.HCM MSHV: 02103522 I- TÊN ĐỀ TÀI: ỔN ĐỊNH THANH DẦM THÀNH MỎNG TIẾT DIỆN CHỮ Z II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu sở lý thuyết phương pháp lý thuyết dầm tổng quát (Generalized beam theory - GBT) toán xác định ổn định vênh với điều kiện biên khác dầm tiết diện chữ Z (và C) nhằm khắc phục hạn chế phương pháp dải hữu hạn việc xác định ổn định vênh - Tóm tắt áp dụng phương pháp dải hữu hạn phân tích ổn định đàn hồi thành mỏng làm sở so sánh với phương pháp lý thuyết dầm tổng quát - Áp dụng tính toán cường độ chịu nén, uốn dầm thành mỏng tiết diện Z (và C) theo tiêu chuẩn Mỹ (AISI – Direct strength method) - Khảo sát ổn định đàn hồi tính toán cường độ chịu nén, uốn kết cấu cụ thể thông qua ví dụ tính toán - Xây dựng phần mềm phân tích ổn định đàn hồi tính toán cường độ chịu nén, uốn thẳng tiết diện chữ Z (và C) theo tiêu chuẩn III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02 – 02 - 2006 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06 – 10 - 2006 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN VĂN YÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH PGS.TS NGUYỄN VĂN YÊN Nội dung, đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH Ngày tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN YÊN Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 1: Luận văn thạc só bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm Lời cảm ơn Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Yên dẫn dắt, hướng dẫn tận tình truyền đạt kiến thức q báu cho hoàn thành luận văn tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM q thầy cô tận tình truyền đạt kiến thức mẻ cho suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn Thầy phản biện dành thời gian để hiểu làm sáng tỏ vấn đề mà tác giả nghiên cứu Xin cảm ơn Mẹ tôi, người mà kính trọng yêu thương sinh thành nuôi dưỡng qua biết khó khăn để có ngày hôm Dẫu muộn màng theo kịp người trai mẹ! Xin cảm ơn gia đình, người thân bạn bè động viên giúp đỡ công việc trình học tập nghiên cứu Xin cảm ơn gia đình bé nhỏ tôi, người kề vai sát cánh chia sẻ khó khăn với Đặc biệt dành cho trai yêu dấu sau nối tiếp Chân thành cảm ơn tác giả tài liệu mà tham khảo để thực luận văn Nguyễn Duy Thiên Giang THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU * Thuật ngữ : ASD (Allowable stress design) : phương pháp ứng suất thiết kế cho phép Beam – colum : cấu kiện dầm - cột Buckling : ổn định Design capacity : khả chịu lực thiết kế Distortional buckling : ổn định vặn DSM (Direct strength Method) : phương pháp cường độ trực tiếp FEM (Finite element method) : phương pháp phần tử hữu hạn FSM (Finite strip method) : phương pháp dải hữu hạn GBT (Generalized beam theory) : Lý thuyết dầm tổng quát Global buckling : ổn định tổng thể Local buckling : ổn định cục LRFD : phương pháp hệ số tải trọng (Load and resistance factor design) cường độ Mode : dạng mode biến dạng Moment hinge : khớp xoay Point-symmetric section : tiết diện đối xứng qua tâm Section modulus : môđun chống uốn Shear center : tâm cắt Stability analysis procedure : qui trình phân tích ổn định First-order analysis : phân tích bậc Rigid body : tiết diện hóa cứng Second-order analysis : phân tích bậc Transverse displacement : chuyển vị thẳng Warping function : hàm số vênh Yield stress : ứng suất chảy * Ký hiệu : A (Area of cross-section) : diện tích tiết diện a,b,c (Ordinates of warping function) : tung độ hàm vênh B,C,D : đặc trưng tiết diện (Section properties for individual modes) dạng mode biến dạng riêng biệt bi (Width of bith plate element) : chiều rộng phần tử thứ i E (Young’s modulus) : môđun đàn hồi Young k f s (In-plane movement of a face at its mid-point) : độ dịch chuyển mặt phẳng điểm nằm đường trung bình phần tử dạng mode thứ k k f s (Movement normal to a face at its mid-point) : dịch chuyển theo phương pháp vuông góc mặt phẳng điểm nằm đường trung bình phần tử dạng mode thứ k k fϑ (Rotation of the chord line of a face) : độ xoay đường trung bình G (Shear modulus) : môđun đàn hồi trượt I (Second moment of area) : môment quán tính tiết diện i,j,k (Mode number) : số dạng mode thứ i,j,k J (St.Venant torsional constant) : số xoắn St.Venant K (Stiffness matrix) : ma trận độ cứng k (Foundation constant) : hệ số L (Span of member) : chiều dài nhịp cấu kiện M (Bending moment) : môment uốn M11, M22, MI_I , MII_II M11buckling, M22buckling MI_Ibuckling, MII_IIbuckling : môment uốn quanh trục ngang 1-1, trục đứng 2-2, trục quán tính I_I, II_II tiết diện : môment uốn ổn định quanh trục 1-1, trục 2-2, trục quán tính I_I, II_II tiết diện m (Uniformly applied torque or transverse bending moment) : môment uốn hay xoắn phân bố mặt phẳng P, N (Axial load) : lực dọc Pbuckling : lực dọc ổn định λ : hệ số tải trọng Fy, Py, My : ứng suất, lực dọc, môment chảy dẻo q (Uniformly distributed load for individual mode) : tải trọng phân bố dạng mode biến dạng riêng biệt s (Distance around member) : khoảng cách tới cấu kiện t (Thickness) : chiều dày phần tử n (nodes) : số nút n-1=m : số phần tử V (Generalised displacement function) : hàm chuyển vị tổng quát v,w (global displacement in conventional theory) : thành phần chuyển vị tổng thể theo lý thuyết cổ điển u~ (wraping function) : hàm vênh ~ (displacement components in GBT) : thành phần chuyển vị theo GBT v~, w W (Stress resultant) : nội lực, kết thu x,y,z (Global ordinate system) : hệ trục tọa độ tổng thể α,β,λ (Non-dimensional coefficients defined in text) : hệ số không thứ nguyên Γ (Warping constant) : số vênh ν (Poisson’s ratio) : hệ số Poisson σ (Design stress) : ứng suất tính toán φ (Rotation) : góc xoay α : góc phương ω (Sectorial coordinate) : tọa độ quạt TÓM TẮT Kết cấu thành mỏng tiết diện hở loại kết cấu đại ứng dụng cách rộng rãi lónh vực Cụ thể khung kèo Zamil, BHP , dầm, cột, xà gồ thép tiết diện chữ C, U, Z chúng có chiều dày mỏng so với cánh bụng chúng dễ bị ổn định đưa vào sử dụng Phần lớn cấu kiện thành mỏng với mặt cắt hở chia thành ba nhóm dạng ổn định [22] : - Mất ổn định cục (Local buckling) : bao gồm chuyển vị xoay mà chuyển vị thẳng vị trí đường góc tiết diện, ổn định cục bao gồm xoắn mặt cắt ngang - Mất ổn định vênh (Distortional buckling) : bao gồm chuyển vị xoay chuyển vị tịnh tiến vị trí đường góc tiết diện, ổn định vênh bao gồm xoắn phần tiết diện phần có đáp ứng cứng vït trội so với phần khác - Mất ổn định tổng thể (Global buckling) : ổn định Euler quen thuộc, bao gồm chuyển vị tịnh tiến (uốn) có chuyển vị xoay (xoắn) toàn mặt cắt ngang Hoàn toàn vênh ổn định tổng thể Mất ổn định cục Mất ổn định vênh Mất ổn định tổng thể Hiện có nhiều phương pháp số để nghiên cứu ứng xử thành mỏng ổn định : phương pháp tính tay Lau-G.Hancock theo qui phạm Úc, phương pháp tính tay Ben Shafer-Pekoz theo qui phạm Mỹ, phương pháp FEM (Finite element method), phương pháp FSM (Finite strip method) phương pháp GBT (Generalized beam theory ) Tuy nhiên phương pháp GBT xác định dạng ổn định riêng biệt phương pháp FSM phương pháp FEM phân biệt Đặc biệt FSM khảo sát ổn định cấu kiện có đầu tựa đơn đơn giản GBT có khả khảo sát ổn định cấu kiện có điều kiện biên khác (2 đầu tựa đơn, đầu ngàm, đầu ngàm đầu tựa đơn)ø với thời gian giải toán vô nhỏ Rất nhiều nghiên cứu dạng ổn định thành mỏng cho thấy ổn định vênh trạng thái có ứng xử phức tạp so với ổn định cục ổn định tổng thể Theo [22], ta khử ổn định cục tổng thể rãnh gia cường giằng bụng tổng thể : “Các rãnh gia cường không ảnh hưởng đến ứng xử ổn định vênh ổn định tổng thể cấu kiện Điều lý thú rãnh gia cường cấu tạo đủ lớn làm tăng hệ số tải trọng ổn định cục tới hạn cấu kiện, hay nói cách trực quan khử ổn định cục cấu kiện” Luận văn gồm phần, chương tập trung khảo sát ổn định vênh (distortional buckling) vênh kết cấu thành mỏng sử dụng thông dụng tiết diện chữ Z, C phương pháp GBT, cụ thể : + Tóm tắt lý thuyết ổn định thành mỏng cổ điển + Giới thiệu phương pháp GBT phân tích ổn định vênh cấu kiện thành mỏng phương pháp GBT + Tóm tắt lý thuyết phân tích ổn định cấu kiện thành mỏng FSM + Trên sở lý thuyết có tác giả xây dựng chương trình tính toán ngôn ngữ Matlab để phân tích ổn định vênh phương pháp GBT phân tích dạng ổn định lại phương pháp FSM + Để kiểm tra độ xác chương trình, ví dụ minh họa thực đối chiếu với kết tính toán phương pháp FSM phương pháp FEM + Thông qua sử dụng kết phân tích từ phương pháp GBT kết hợp với phương pháp FSM để áp dụng vào việc xác định cường độ thiết kế cấu kiện thành mỏng chịu nén, uốn phương pháp cường độ trực tiếp Phụ lục B: Mã nguồn chương trình CFBA end end end axis equal hold off B.39 File tính theo qui phạm Mỹ AISI: DSM.m %Chuong trinh tinh toan cuong chiu nen hoac cuong chiu uon cua tiet %dien chu Z va chu C theo phuong phap cuong truc tiep %Directstrengthmethod %Du lieu dau vao %*************************** % CAU KIEN COT %*************************** if chon==1 %Kiem tra kich thuoc tiet dien if td==2 %Tiet dien chu c if (Bw/t)