Phân tích dẻo bậc hai của khung thép không gian

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o ĐINH VĂN HẬU PHÂN TÍCH DẺO BẬC HAI CỦA KHUNG THÉP KHÔNG GIAN Chuyên ngành : Xây dựng dân dụng công nghiệp Mã số ngành: 23.04.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2007 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: P.Giáo Sư -Tiến Só Bùi Công Thành Người chấm nhận xét 1:……………………………………………………………………… Người chấm nhận xét 2:……………………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày………tháng………năm 2007 TRØNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ 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: ĐINH VĂN HẬU Ngày tháng năm sinh: 22/8/1976 Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng Và Công Nghiệp Phái: Nam Nơi sinh: Bắc ninh MSHV: 02103524 I- TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH DẺO BẬC HAI CỦA KHUNG THÉP KHÔNG GIAN (Trường hợp khảo sát: Nghiên cứu phân tích khớp dẻo bậc hai) II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu ứng xử khung thép không gian Nghiên cứu phương pháp nâng cao, đặc biệt phương pháp phân tích khớp dẻo bậc hai khung thép không gian Xây dựng phần mềm để phân tích theo phương pháp khớp dẻo bậc hai cho khung thép So sánh kết nhận xét III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 4/2006 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 3/2007 V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH Nội dung đề cương Luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày………tháng………năm …………… TRƯỞNG PHÒNG ĐT SĐH TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng Quý thầy cô trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, người tận tình dạy dỗ truyền đạt kiến thức quý giá cho Em năm học trường Khối kiến thức mà thày cô trang bị thực cho Em hành trang quý báu để giúp Em bước vào đời cách vững vàng công việc, góp phần nhỏ bé lực để xây dựug nước Việt Nam ngày giàu đẹp Đặc biệt Em xin trân trọng tỏ lòng biết ơn thầy PGS.TS Bùi Công Thành, người tận tình hướng dẫn, động viên Em tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ cho Em hoàn thành luận văn Ngoài xin gửi tới lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp, người động viên khuyên nhủ giúp đỡ suốt thời gian vừa qua TĨM TẮT Thơng thường để phân tích hệ kết cấu khung thép người kỹ sư thường phân tích theo trạng thái giới hạn dựa vào phá hoại kết cấu Qua quan sát thực tế, dựa vào nghiên cứu kết thí nghiệm, người ta nhận thấy cấu kiện kết cấu thép bị chảy dẻo trước phá hoại Do đó, để phân tích tính tốn nội lực mơ tả ứng xử của hệ khung thép cách xác, cần phải xét đến chảy dẻo kết cấu phân tích hệ khung Vấn đề nghiên cứu luận văn là: Nghiên cứu phương pháp phân tích khớp dẻo bậc hai cho khung khơng gian Phương pháp phân tích nâng cao phương pháp phân tích kể đến ảnh hưởng phi tuyến hình học lẫn phi tuyến vật liệu độ bền, độ ổn định hệ kết cấu cấu kiện riêng lẻ kể đến Do độ ổn định cấu kiện riêng lẻ không cần phải kiểm tra phương pháp thông thường Có nhiều phương pháp phân tích nâng cao, phương pháp phân tích khớp dẻo bậc hai nghiên cứu vận dụng luận văn để phân tích khung thép khơng gian Chi tiết mối quan hệ dầm-cột mơ hình khớp dẻo trình bày Phương pháp xem xét hiệu ứng thành phần P − δ , hiệu ứng cong ảnh hưởng đồng thời đàn hồi chuyển vị dọc, uốn xoắn Nó dự đốn xác ổn định đàn hồi xoắn dọc trục xoắn ngang, mà yếu tố cần thiết cho đánh giá xác ứng xử phi tuyến khung khơng gian Từ nghiên cứu lý thuyết, chương trình tính tốn thiết lập có khả phân tích nội lực, chuyển vị khung thép khơng gian Chương trình cho biết trình tự hình thành khớp dẻo tải trọng phá hoại kết cấu Chương trình xét đến ảnh hưởng dẻo bậc hai ảnh hưởng hình thành khớp dẻo phân tích kết cấu Kết chương trình hợp lý so sánh với kết có sẵn tài liệu [11,23,25] - MỤC LỤC *** CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 Đặt vấn đề Tình hình nghiên cứu khung thép Phương pháp phân tích 4 Mục tiêu nội dung nghiên cứu CHƯƠNG 2: ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU KHUNG THÉP 2.1 Phi tuyến hình học 2.2 Phi tuyến vật liệu 10 2.3 Tóm tắt 10 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỚP DẺO BẬC HAI CỦA KHUNG KHÔNG GIAN 11 3.1 Một số hạn chế phân tích thiết kế khung 11 3.2 Các phương pháp phân tích nâng cao 14 3.2.1 Phương pháp vùng dẻo (plastic-zone method) 15 3.2.2 Phương pháp giả khớp dẻo (quasi-plastic hinge method) 16 3.2.3 Phương pháp khớp đàn dẻo (elastic-plastic hinge method) 16 3.2.4 Phương pháp lực liên quan đến khớp dẻo (notional load plastic hinge) 17 3.2.5 Phương pháp hiệu chỉnh khớp dẻo (refined-plastic hinge method) 17 3.2.6 Phương Pháp Phân Tích Khớp Dẻo Bậc hai (second-order plastic hinge analysis) 3.3 3.4 18 Các giả thiết sử dụng việc mơ hình hóa phần tử dầm-cột tiến hành phân tích nâng cao 19 Phương pháp phân tích khớp dẻo bậc hai khung khơng gian 19 3.4.1 Phương trình cơng ảo 20 3.4.2 Các hàm nội suy 21 3.4.3 Ma trận độ cứng phần tử 23 3.4.4 Hiệu ứng cong sai lệch hình học ban đầu cấu kiện (member bowing effect and initial out-of-straingtness) 28 3.4.5 Công thức độ cứng tiếp tuyến (Tangent stiffness formulation) 31 3.4.6 Cơng thức tính khớp dẻo (Plastic hinge formulation) 32 3.4.7 Phương pháp giải 32 CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH – CÁC VÍ DỤ MINH HOẠ 34 4.1 Giới thiệu 34 4.2 Lưu đồ thực chương trình 34 4.3 Các ví dụ minh họa 36 4.3.1 Bài tốn 1: Phân tích khung cổng Vogel tầng nhịp 36 4.3.2 Bài toán 2: Phân tích khung khơng gian tầng nhịp 40 4.3.3 Bài tốn 3: Phân tích khung khơng gian tầng (lệch tầng) 48 4.3.4 Bài tốn 4: Ví dụ thiết kế - Phân tích khung khơng gian tầng 4.4 nhịp 58 Tóm tắt 70 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71 5.1 Kết luận 71 5.2 Hướng phát triển 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 76 PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CHƯƠNG TRÌNH 77 - PHAÂN TÍCH DẺO BẬC HAI CỦA KHUNG THÉP KHÔNG GIAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐẶT VẤN ĐỀ: Kết cấu thép loại kết cấu quan trọng ngành xây dựng Các cơng trình đại dùng kết cấu khung thép ngày sử dụng nhiều thực tiễn Với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật với phương pháp tính kết hợp với máy tính, việc đưa mơ hình tính sát với làm việc thực tế hệ kết cấu cần thiết nhằm đáp ứng yêu cầu thực tế xây dựng Phân tích khớp dẻo khung phẳng bao gồm cấu kiện với tiết diện đặc, giằng đầy đủ mặt phẳng khung nghiên cứu vài năm gần Lý thuyết phân tích nâng cao khung phẳng cứng nửa cứng trình bày xác minh thực nghiệm [2,3] Những phương pháp phân tích thực việc dự đốn độ bền độ ổn định cấu kiện, với điều kiện thỏa mãn cho việc thiết kế cột dầm-cột theo trạng thái giới hạn Mặc dù có nhiều phân tích khớp dẻo kết cấu khung khơng gian với công thức giả thuyết khác xác hiệu chúng việc giải khung lớn chưa đạt kết mong muốn Nghiên cứu giới thiệu luận văn mở rộng phân tích nâng cao khung phẳng [3] cho khung không gian [17,19], nhằm phản ánh xu hướng cải tiến chương trình phân tích nâng cao để chúng tiên đốn xác ứng xử kết cấu thép khơng gian Để giải tốn việc nghiên cứu phân tích khớp dẻo bậc hai cần thiết Quan hệ dầm-cột thành lập dựa vào hàm nội suy ổn định cho chuyển vị ngang, xét đến chảy dẻo chuyển vị dọc trục chuyển vị uốn Sự phi tuyến vật liệu mơ hình giả thuyết khớp dẻo tập trung Việc phân tích khớp dẻo bậc hai kết cấu khung giảm tiết diện khung, dẫn đến giảm vật liệu cho thiết kế mang tính kinh tế cao LUẬN VĂN CAO HỌC NGÀNH –XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Trang PHÂN TÍCH DẺO BẬC HAI CỦA KHUNG THÉP KHÔNG GIAN Bên cạnh chương trình máy tính phát triển dự đốn xác tải trọng ổn định cột khung việc mơ hình cấu kiện phần tử Nó sử dụng để dự đoán tải trọng ổn định liên quan đến ổn định xoắn dọc trục xoắn ngang, điều cần thiết để đảm bảo độ xác cao phân tích phi tuyến kết cấu khung khơng gian Những ví dụ số bao gồm phi tuyến vật liệu hình học sử dụng để chứng minh xác hiệu phương pháp đưa Hiện có nhiều phương pháp phân tích tính tốn khung thép có kể đến dẻo Tuy nhiên Việt Nam cịn mẻ, đặc biệt với tốn phân tích dẻo bậc hai khung thép không gian Với phát triển mạnh mẽ ngành kỹ thuật máy tính với phương pháp số, phương pháp phân tích kết cấu cách trực tiếp hệ tổng thể nghiên cứu phát triển hứa hẹn phương pháp tương lai TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU: • Các nghiên cứu giới: − Frye Morris (1975) giới thiệu cách tính lặp để xét đến ảnh hưởng đặc tính phi tuyến liên kết Họ giả thiết rằng, ứng xử vật liệu đàn hồi tuyến tính từ phát triển phương trình diễn tả mối quan hệ mơmen góc quay tương đối liên kết khung − Chen Lui (1985) đề nghị mơ hình liên kết cột-dầm để áp dụng thực hành thiết kế Mơ hình phát triển dựa sở liệu thực nghiệm − Seung-Eock Kim Wai-Fah Chen (1995) đề nghị phương pháp phân tích nâng cao (advanced analysis) dùng thực hành để thiết kế khung thép có liên kết nửa cứng Phương pháp xét đồng thời tất ảnh hưởng phi tuyến liên kết, hình học vật liệu Ảnh hưởng xoắn ngang xem bỏ qua với giả thiết cấu kiện giằng đủ [5,6,7] Các nghiên cứu gần vừa công bố (2002) giải ảnh hưởng tượng [15] LUẬN VĂN CAO HỌC NGÀNH –XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Trang PHÂN TÍCH DẺO BẬC HAI CỦA KHUNG THÉP KHÔNG GIAN − Liew J.Y.R cộng (1997) tiến hành thí nghiệm khung khơng giằng có liên kết nửa cứng làm sở so sánh tiến hành phân tích dẻo bậc hai [16] − Kim Seung Eock, Choi Se Hyu , Park Moon Ho (2001) dùng phương pháp nâng cao để phân tích khung thép khơng gian có liên kết nửa cứng, xét đồng thời ảnh hưởng phi tuyến mối nối, hình học vật liệu, đồng thời xoắn ngang [14,15] − Seung-Eock Kim, Dong-Ho Lee (2001) đưa phương pháp nghiên cứu mơ hình dẻo phân bố bậc hai khung thép không gian kiểm tra qua mơ hình thực nghiệm [24] • Các nghiên cứu Việt Nam: − Trần Tuấn Kiệt (Đại học Bách khoa TP.HCM) thực luận văn thạc sĩ với đề tài: “Phân tích khung thép phẳng có liên kết nửa cứng phương pháp nâng cao” tháng 12 năm 2002 [26] − Ngô Hữu Cường (Đại học Bách khoa TP.HCM) thực luận văn thạc sĩ với đề tài: “Phân tích vùng dẻo phi tuyến hình học cho khung thép phẳng phương pháp phần tử hữu hạn” tháng năm 2003 [21] − Nguyễn Trung (Đại học Bách khoa TP.HCM) thực luận văn thạc sĩ với đề tài: “Phân tích khung thép khơng gian có liên kết nửa cứng phương pháp nâng cao” tháng năm 2003 [22] Quy phạm Kết cấu thép ta (TCVN 338: 2005) Theo quy phạm này, mục 1.1.2, phương pháp phân tích dẻo, cho phép kể đến biến dạng khơng đàn hồi phận hay toàn cấu kiện, thảo mãn điện kiện: Giới hạn chảy thép khơng lớn q 450 N/mm2, có vùng dẻo chảy rõ rệt; Kết cấu chịu tải trọng tác dụng tĩnh (khơng có tải trọng động lực va chạm tải trọng lặp gây mỏi); Cấu kiện sử dụng thép cán nóng, có tiết diện đối xứng LUẬN VĂN CAO HỌC NGÀNH –XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Trang PHÂN TÍCH DẺO BẬC HAI CỦA KHUNG THÉP KHÔNG GIAN N0=N; N=es(1:2:size(es,1),1)'; end Kred=red(K,bc(:,1)); if (det(Kred)