Phân tích khung thép phẳng có liên kết nửa cứng

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN MẠNH CƯỜNG PHÂN TÍCH KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Chuyên ngành : Xây Dựng Dân Dụng Và Công Nghiệp Mã số ngành : 23.04.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẦN THUYẾT MINH Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2006 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN 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 PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH 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 200 Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : NGUYỄN MẠNH CƯỜNG Phái : Nam Ngày tháng năm sinh : 15 – 07 – 1976 Nơi sinh : Phú Yên Chuyên ngành : Xây dựng DD&CN Mã số : 23.04.10 I TÊN ĐỀ TÀI : PHÂN TÍCH KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : ƒ Phân tích cấu tạo ứng xử loại liên kết khung thép ƒ Xây dựng mô hình liên kết khung thép nửa cứng hệ số ngàm đầu mút ƒ Phân tích khung thép nửa cứng phương pháp giả khớp dẻo ƒ Xây dựng chương trình phân tích dẻo khung thép nửa cứng (bằng Visual Basic) III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : 03 – 07 – 2006 : 03 – 12 – 2006 : PGS TS CHU QUỐC THẮNG PGS TS BÙI CÔNG THÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS TS CHU QUỐC THẮNG PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Ngày tháng năm 2006 KHOA QUẢN LÝ NGÀNH Lời Cảm Ơn “Công cha nghóa mẹ ơn thầy” Lời em xin chân thành cám ơn PGS TS Chu Quốc Thắng , PGS TS Bùi Công Thành, hai người thầy tận tình dẫn dắt hướng dẫn, định hướng em từ bước đầu làm quen với công việc nghiên cứu khoa học đến lúc hoàn thành luận văn thạc só Lòng nhiệt tình thầy giúp em thêm nghị lực vượt qua bao khó khăn để hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cám ơn đến tất thầy cô khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, phòng Đào Tạo sau Đại học, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy suốt trình em học tập trường Xin chân thành cám ơn Bạn Nguyễn Tấn Đại trung tâm CNF thuộc Tổ chức Đại học Pháp ngữ cung cấp cho nhiều tài liệu tham khảo quý báu để hoàn thành luận văn Một lòng biết ơn vô hạn xin gửi tới cha mẹ Cha mẹ dạy cho điều hay lẽ phải , an ủi động viên nâng đỡ , giúp nghị lực để vượt qua khó khăn sống Cha mẹ gương sáng để học tập noi theo Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến tất người thân, bạn bè đồng nghiệp, người nhiệt tình giúp đỡ động viên khích lệ em suốt trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn ! Nguyễn Mạnh Cường TÓM TẮT Kết cấu thép sử dụng rộng rãi ngành xây dựng từ lâu Khi thiết kế kết cấu thép phải mô hình hóa kết cấu thật thành sơ đồ tính Việc mô hình hóa để có sơ đồ tính với ứng xử thật kết cấu khó Do đó, người ta thường sử dụng số giả thiết nhằm đơn giản hóa trình tính toán Cụ thể liên kết cột dầm giả định ngàm hoàn toàn (full rigidity) khớp lý tưởng (hinge) Tuy nhiên ứng xử thực lại nằm hai giả định Một liên kết gọi liên kết nửa cứng Bài toán khung có liên kết nửa cứng có ý nghóa quan trọng thực tế, việc giải toán có nhiều tác giả quan tâm Phân tích liên kết nửa cứng khung thép phẳng trình bày chương 2, nghiên cứu cấu tạo ứng xử loại liên kết thông số ảnh hưởng đến độ cứng liên kết Xây dựng chương trình (Visual Basic) xác định thông số mô hình thông số Kishi-Chen, mô hình thông số Richard-Abbott Khi nghiên cứu liên kết nửa cứng, thực chất nghiên cứu mô hình liên kết (tức quan hệ mômen-góc xoay) Tác giả đưa vào hệ số ngàm đầu mút nhằm mô tả liên kết nửa cứng trình bày chương Khi nghiên cứu phân tích dẻo khung thép tác giả đưa phương pháp phân tích nâng cao ( Advanced Analysis ) giả khớp dẻo với ưu điểm khối lượng tính toán phương pháp phân tích nâng cao khác trình bày chương Cuối tác giả viết chương trình phân tích khung thép có liên kết nửa cứng ( Visual Basic), dựa phương pháp giả khớp dẻo Dùng chương trình để so sánh mô hình liên kết với nhau, so sánh khác biệt khung nửa cứng với khung cứng, khảo sát ảnh hưởng sai số hình học ảnh hưởng bậc hai MỤC LỤC CHƯƠNG : TỔNG QUAN 1.1 LIÊN KẾT NỬA CỨNG 1.2 PHÂN TÍCH NÂNG CAO 1.2.1 Ứng xử khung có liên kết nửa cứng 1.2.2 Các phương pháp thiết kế khung thép truyền thống 1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI 10 CHƯƠNG : CÁC MÔ HÌNH LIÊN KẾT 2.1 ỨNG XỬ CỦA LIÊN KẾT 2.2 CÁC LOẠI LIÊN KẾT 2.3 CÁC MÔ HÌNH LIÊN KẾT 2.3.1 Các mô hình tuyến tính 2.3.2 Mô hình đa thức 2.3.3 Mô hình bậc ba B - spline model 2.3.4 Mô hình lũy thừa 2.4 CHỌN MÔ HÌNH LIÊN KẾT 2.4.1 Mô hình thông số ( Richard – Abbott ) 2.4.2 Mô hình thông số ( Kishi-Chen ) 2.5 DỮ LIỆU LIÊN KẾT 2.6 KẾT LUẬN 12 13 17 17 18 19 19 21 22 23 27 29 CHƯƠNG : PHÂN TÍCH KHUNG THÉP CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 3.1 GIỚI THIỆU 3.2 MÔ HÌNH PHẦN TỬ DẦM CỘT NỬA CỨNG 3.2.1 Hệ số ngàm đầu mút phần tử dầm nửa cứng 3.2.2 Phản lực đầu mút độ võng phần tử nửa cứng 3.2.3 Mô hình phần tử dầm cột nửa cứng 3.3 PHÂN TÍCH BẬC 3.4 PHÂN TÍCH BẬC 3.5 KẾT LUẬN 30 32 32 33 39 42 43 48 Chương : PHƯƠNG PHÁP GIẢ KHỚP DẺO 4.1 GIỚI THIỆU 4.2 PHƯƠNG PHÁP GIẢ KHỚP DẺO 4.2.1 Phần tử dầm cột 4.2.2 Quan hệ uốn dẻo 4.3 CÁC NHÂN TỐ THEN CHỐT ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỨNG XỬ CỦA KHUNG THÉP 4.3.1 Chảy dẻo uốn 4.3.2 Sự chảy dẻo kết hợp với ứng suất dư 4.3.3 Các ảnh hưởng bậc hai 4.3.4 Sai số hình học 4.3.5 Phi tuyến liên kết 4.4 TÓM TẮT 57 57 59 60 62 62 65 CHƯƠNG : CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 5.1 GIỚI THIỆU 5.2 TỔ CHỨC CHƯƠNG TRÌNH 5.3 CÁCH NHẬP LIỆU 5.4 CÁCH LƯU DỮ LIỆU 5.5 CÁCH GIẢI BÀI TOÁN 5.6 ĐỌC DỮ LIỆU XUẤT RA 5.7 TÓM TẮT 67 67 68 71 72 74 75 Chương : CÁC VÍ DỤ MINH HỌA 6.1 GIỚI THIỆU 6.2 BÀI TOÁN VÍ DỤ 6.2.1 Chuẩn bị liệu nhập 6.2.2 Nhập liệu 6.2.3 Đọc kết xuất 6.2.4 So sánh kết 6.3 BÀI TOÁN VÍ DỤ 6.3.1 Trường hợp phân tích khung bậc 6.3.2 Trường hợp phân tích khung bậc 6.3.3 So sánh kết 76 76 77 77 78 80 84 84 85 86 50 52 54 55 6.4 BAØI TOÁN VÍ DỤ 6.4.1 Trường hợp phân tích khung theo mô hình Kishi-Chen 6.4.2 Trường hợp phân tích khung theo mô hình Richard-Abbott 6.4.3 So sánh kết 6.5 BÀI TOÁN VÍ DỤ 6.6 Nhận xét kết tính 6.7 Tóm tắt Chương : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 7.1 KẾT LUẬN 7.2 KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHAÛO 89 90 91 92 95 106 106 108 110 112 Chương : Tổng quan CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 LIÊN KẾT NỬA CỨNG Khi phân tích kết cấu truyền thống, giả thuyết liên kết cấu kiện với cứng hoàn toàn (rigid), xoay tự (hinge) Vì vậy, tiến hành phân tích kết cấu, người ta lý tưởng hóa liên kết thành ngàm lý tưởng (fixed) khớp lý tưởng (pin) Tuy nhiên, thực tế liên kết không hoàn toàn cứng hẳn, không hoàn toàn mềm hẳn mà ứng xử thực tế nằm trạng thái [28] Tùy theo cách cấu tạo liên kết mà "phổ trạng thái" trải rộng từ "khớp lý tưởng", "ngàm lý tưởng" Loại liên kết "không lý tưởng" gọi loại liên kết mềm (flexible connection) hay tên khác liên kết nửa cứng (semi-rigid connection) Liên kết thường mô hình lò xo nên có gọi liên kết lò xo (spring hinged joints) Nội lực kết cấu có liên kết nửa cứng phân bố khác hẳn với kết cấu có liên kết cứng khớp Hình vẽ đơn giản sau thể rõ điều : W W Khớp - Khớp Semi - rigid W Ngàm - Ngàm Hình 1.1 Biểu đồ mômen dầm đơn giản Trong xây dựng công trình, có loại vật liệu bê tông, gỗ thép Do đặc thù kết cấu bê tông đúc toàn khối nên ảnh hưởng liên kết nửa cứng không đáng kể Còn kết cấu gỗ, thường từ đến tầng, bỏ qua không xem xét đến ảnh hưởng liên kết nửa cứng Cuối nghiên cứu liên kết nửa cứng kết cấu thép Chương : Tổng quan Bốn dạng kết cấu sau cần phải quan tâm đến liên kết nửa cứng [13], [14] • Dạng : liên kết cột thép hình dầm thép hình (Hình 1.2 a) • Dạng : liên kết cột thép hình dầm thép hình kết cấu composit (Hình 1.2 b) • Dạng : liên kết cột thép hình dầm dàn (Hình 1.2 c) • Dạng : liên kết cột thép hình dầm dàn kết cấu composit (Hình 1.2 d) ... tích khung thép nửa cứng 29 Chương 3: Phân tích khung thép có liên kết nửa cứng CHƯƠNG PHÂN TÍCH KHUNG THÉP CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 3.1 GIỚI THIỆU Trong phân tích thiết kế kết cấu khung thép thực hành... thép phẳng có liên kết nửa cứng CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 5.1 GIỚI THIỆU Chương trình bày chương trình máy tính "Phân tích khung thép phẳng có liên kết. .. TÊN ĐỀ TÀI : PHÂN TÍCH KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : ƒ Phân tích cấu tạo ứng xử loại liên kết khung thép ƒ Xây dựng mô hình liên kết khung thép nửa cứng hệ số