Phân tích độ tin cậy của khung thép phẳng có liên kết nửa cứng

PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Hướng dẫn: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Thực : VƯƠNG NGỌC NAM TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày kết cấu thép với tính ứu việt trở thành phận quan trọng ngành xây dựng Do ngày nhiều nghiên cứu kết cấu thép thực giúp hiểu rõ chúng Một phát quan trọng nghiên cứu kết cấu thép tìm ứng xử nửa cứng dầm cột thay cho quan niệm cũ cứng hoàn toàn khớp lý tưởng nh hưởng liên kết nửa cứng không thay đổi phân phối moment dầm cột mà làm tăng chuyển vị khung ảnh hưởng đến ổn định khung Để phân tích khung thép có nhiều phương pháp đa số chưa quan tâm đến độ tin cậy kết cấu Như ta biết công trình xây dựng hoàn thành phải chịu tác động môi trường xung quanh suốt thời gian sử dụng Mà tác động biến đổi diễn đạt thông qua đại lượng mang tính ngẫu nhiên Nên vấn đề đặt phải phân tích ứng xử công trình tác động đại lượng ngẫu nhiên lý thuyết độ tin cậy đời giải vấn đề Thông thường phân tích kết cấu, tải trọng thường xem đại lượng ngẫu nhiên, đặc trưng hệ thống (kích thước hình học, cường độ vật liệu ….) xem đại lượng ngẫu nhiên độ biến động nhỏ nhiều so với tải trọng Đặc biệt khung thép có liên kết nửa cứng độ cứng liên kết xem đại lượng ngẫu nhiên, nhiên việc đưa yếu tố vào phân tích điều khó khăn độ cứng liên kết chịu ảnh hưởng nhiều nhiều yếu tố (loại liên kết, chi tiết liên kết) Do luận văn tác giả phân tích khung thép nửa cứng với tải trọng tác động cường độ đại lượng ngẫu nhiên thông qua hàm quãng dư sức bền tải trọng tuyến tính Sau đó, tác giả xây dựng chương trình Matlab để xác định xác suất phá hoại khung thép chịu tác động tải trọng đại lượng ngẫu nhiên PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Hướng dẫn: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Thực : VƯƠNG NGỌC NAM MỤC LỤC CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU I.1 Toång quan I.2 Muïc tiêu luận văn: 12 CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH KHUNG THÉP CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 14 II.1 Giới thiệu .14 II.2 Các loại liên kết nửa cứng 14 II.3 Mô hình liên kết 16 II.3.1 Các mô hình liên kết 16 II.3.2 Xaùc định thông số mô hình ba thông số Kishi vaø Chen .19 II.4 Phân tích khung thép phẳng liên kết nửa cứng .27 II.4.1 Mô hình phần tử dầm nửa cứng .27 II.4.2 Phân tích khung có liên kết nửa cứng .29 CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY 32 III.1 Giới thiệu .32 III.2 Đại lượng ngẫu nhiên, đại lượng thống kê hàm phân phối: 32 III.2.1 Caùc đại lượng ngẫu nhiên nghiên cứu độ tin cậy: 32 III.2.2 Hàm phân bố hàm mật độ: 33 III.2.3 Caùc tham số đại lượng ngẫu nhiên: 34 III.2.4 Hàm phân phối đại lượng ngẫu nhiên .34 III.3 Phân tích hiệu ứng tải trọng sức bền 36 III.4 Quãng an toàn số độ tin cậy 37 III.5 Mô hình phân tích số độ tin cậy cho hệ thống kết cấu 40 III.5.1 Giới thiệu 40 III.5.2 Phaân tích số độ tin cậy phần tử kết cấu .41 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Hướng dẫn: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Thực : VƯƠNG NGỌC NAM III.5.3 Các mô hình để phân tích số độ tin cậy 43 CHƯƠNG IV: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG KẾT CẤU 50 IV.1 Phương pháp “β – unzipping” 50 IV.1.1 Phân tích độ tin cậy hệ thống mức 1: 51 Hình 4.1 Mô hình hệ thống mức .51 IV.1.2 Phân tích độ tin cậy hệ thống mức 2, ,N 51 IV.1.3 Phân tích độ tin cậy hệ thống mức cấu (mechanism) 52 IV.2 Phương pháp nhánh biên .53 IV.2.1 Lộ trình phá hoại dạng phá hoại 53 IV.2.2 Quan điểm phương pháp nhánh biên 54 IV.3 Phương pháp mô hình Monte Carlo 57 IV.3.1 Quan điểm 58 IV.3.2 Tạo đại lượng ngẫu nhiên 58 IV.3.3 Độ xác việc ước tính xác suất 59 CHƯƠNG V: PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP LIÊN KẾT NỬA CỨNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP “β - UNZIPPING” 61 V.1 Xác định ba thông số liên kết .61 V.2 Xác định dạng phá hoại hệ kết cấu .61 V.3 Xác định số độ tin cậy hệ thống kết cấu 62 V.3.1 Xác định hệ số tương quan cặp phần tử phá hoại .62 V.3.2 Xác định xác suất xảy đồng thời cặp phần tử phá hoại: .63 V.3.3 Xác định xác suất phá hoại hệ thống: 63 CHƯƠNG VI: CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 64 VI.1 Chương trình xác định ba thông số liên kết SRC 64 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Hướng dẫn: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Thực : VƯƠNG NGỌC NAM VI.2 Chương trình xác định xác suất phá hoại khung thép phẳng RSF 66 CHƯƠNG VII: CÁC BÀI TOÁN MINH HỌA 69 VII.1 Bài toán 1: khung tầng nhịp .70 VII.2 Bài toán 2: khung tầng hai nhịp .73 VII.3 Bài toán 3: khung hai tầng nhịp .76 VII.4 Bài toán 4: khung hai tầng hai nhòp 79 VII.5 Bài toán 5: khung ba tầng hai nhịp 81 VII.6 Bài toán 6: khung hỗn hợp .83 CHƯƠNG VIII: KẾT LUẬN .86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Hướng dẫn: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Thực : VƯƠNG NGỌC NAM CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU I.1 Tổng quan Trong lónh vực xây dựng giới, khung thép trở thành kết cấu thông dụng Còn Việt Nam với tốc độ phát triển nhanh ngành xây dựng kết cấu khung thép giải pháp khả thi Để phân tích khung thép nhiều giả thiết đặt đặc biệt giả thiết liên quan đến ứng xử liên kết cột dầm Theo phương pháp truyền thống liên kết cột dầm giả thiết cứng hoàn toàn khớp lý tưởng Nhưng ứng xử thực liên kết lại rơi vào hai trạng thái đó, gọi liên kết nửa cứng Trên sở AISC, 1989 phân chia thành ba loại kết cấu khung [9]: Khung cứng (rigid-frame): liên kết cột dầm đủ cứng để đảm bảo góc hình học ban đầu cấu kiện không bị thay đổi Khung khớp (simple-frame): liên kết truyền lực cắt mà không truyền moment vào cột công trình chịu tải trọng theo phương trọng lực, liên kết dầm cột xoay không bị cản Khung nửa cứng (semirigid-frame): liên kết truyền lực cắt phần moment vào cột nh hưởng liên kết nửa cứng không thay đổi phân phối moment dầm cột mà tăng chuyển vị khung dẫn tới tăng ảnh hưởng hiệu ứng P-∆ phân tích khung Như vậy, phân tích khung thép có xét đến ảnh hưởng liên kết nửa cứng vấn đề cần quan tâm Trên giới vấn đề nửa cứng nghiên cứu từ sớm Năm 1917, Wilson Moore công bố nghiên cứu liên kết nửa cứng Điều thu hút quan tâm nhà nghiên cứu ứng xử mối liên kết PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Hướng dẫn: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Thực : VƯƠNG NGỌC NAM kết cấu thép Và nghiên cứu chủ yếu tập trung khảo sát xây dựng đường đặc tính diễn tả mối quan hệ moment góc xoay liên kết Năm 1936, Rathbun phân tích khung thép có xét đến ảnh hưởng mềm liên kết [10] Từ năm 1970, nghiên cứu thực ứng xử thực liên kết khung thép [6]: Romstad Subramanian (1970) phân tích tónh khung thép sử dụng mô hình liên kết song tuyến Moncarz Gerstle (1981) sử dụng mô hình phi tuyến để mô tả liên kết khung thép Kishi Chen (1990) đề nghị mô hình lượng với ba thông số để định nghóa đường cong M-θr Faris Kitipornchai (1992) phân tích khung không gian với ứng xử đàn dẻo liên kết nửa cứng Xu Grienson (1993) phát triển phương pháp tính toán tự động hiệu cho việc thiết kế tối ưu khung thép với liên kết nửa cứng Bhatti Hingtgen (1995) mô hình liên kết đàn dẻo tuyệt đối đánh giá ảnh hưởng độ cứng liên kết đến ứng xử khung phẳng không giằng chịu tải trọng sử dụng Hadianfard Seyyedian (1995) phân tích tónh động khung thép sử dụng mô hình ứng xử phi tuyến liên kết Còn Việt Nam, số nghiên cứu liên kết nửa cứng thực năm gần đây: Vũ Quốc Anh (Đại học kiến trúc Hà Nội) với hai báo đăng tạp chí học Việt Nam [19,20] nghiên cứu ổn định khung thép liên kết nửa cứng 10 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Hướng dẫn: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Thực : VƯƠNG NGỌC NAM Một số luận văn thạc só thực trường đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh: Trần Tuấn Kiệt với đề tài “Phân tích khung thép phẳng có liên kết nửa cứng phương pháp nâng cao”; Ngô Hữu Cường với đề tài “Phân tích vùng dẻo phi tuyến hình học cho khung thép phương pháp phần tử hữu hạn”; Trần Chí Hoàng với đề tài “Phân tích thiết kế tối ưu khung thép phẳng liên kết nửa cứng với tiết diện chữ I” Tuy nhiên, nghiên cứu nhiều nghiên cứu khác khung thép có liên kết nửa cứng dừng lại việc phân tích thiết kế chưa quan tâm đến phân tích độ tin cậy kết cấu Phân tích độ tin cậy kết cấu nghóa ta phải đánh giá khả xảy phá hoại số phận công trình hay cho công trình suốt thời gian sử dụng điều kiện môi trường xung quanh thay đổi Mà thay đổi diễn đạt thông qua đại lượng mang tính ngẫu nhiên, theo qui luật phân phối khác Nếu thực thu thập tốt số liệu đại lượng ngẫu nhiên ta dự đoán xác xuất phá hoại công trình đại lượng gây Phân tích thiết kế kết cấu theo lý thuyết độ tin cậy ngày sử dụng rộng rãi giới Nhưng việc áp dụng lý thuyết vào phân tích khung thép có liên kết nửa cứng thực năm gân đây, kể số nghiên cứu vấn đề này: L Gao, A Haldar (1995) ước lượng độ an toàn khung thép liên kết nửa cứng [6] Sakurai, B R Ellingwood, S Kushiyama (2001) nghiên cứu xác xuất ứng xử khung thép liên kết nửa cứng [5] M A Hadiarfard, R Razani (2003) nghiên cứu ảnh hưởng liến kết nửa cứng đến độ tin cậy khung thép [6] 11 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Hướng dẫn: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Thực : VƯƠNG NGỌC NAM Ngoài có số phương pháp phân tích độ tin cậy hệ thống kết cấu đưa Thoft-Christensen Murotsu [2] Ở Việt Nam, việc phân tích kết cấu theo lý thuyết độ tin cậy mẻ thiếu điều kiện thí nghiệm tài liệu lónh vực Tài liệu kể đến dịch viện só B V Gnedenko với tựa “ Các phương pháp toán học lý thuyết độ tin cậy” “Cơ sở đánh giá độ tin cậy” PGS TS Phan Văn Khôi, nhà xuất khoa học kỹ thuật Ngoài có luận văn thạc só trường đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh nghiên cứu độ tin cậy: Nguyễn Quốc Hùng với đề tài “Phân tích thiết kế khung thép phẳng chịu tác dụng tải trọng ngẫu nhiên” Nhưng luận văn phân tích xác suất phá hoại cấu kiện khung thép phẳng liên kết cứng với tải trọng tác dụng đại lượng ngẫu nhiên I.2 Mục tiêu luận văn: Khi phân tích kết cấu, tải trọng tác động đại lượng xác định cách xác, gọi đại lượng ngẫu nhiên Chúng ta ước lượng tải trọng từ ghi nhận công trình tương tự xây dựng, rõ ràng ghi nhận công trình khác không đồng Ngoài ra, đặc trưng hệ thống (kích thước hình học, cường độ vật liệu …) xem đại lượng ngẫu nhiên độ biến động nhỏ nhiều so với độ biến động tải trọng Do phân tích độ tin cậy khung thép cứng khung thép có liên kết nửa cứng tải trọng, cường độ cần xem đại lượng ngẫu nhiên Trên sở phân tích trên, luận văn đặt mục tiêu cần thực hiện: Phân tích khung thép phẳng có liên kết nửa cứng Phân tích độ tin cậy khung thép có liên kết nửa cứng trường hợp tải trọng cường độ đại lượng ngẫu nhiên 12 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Hướng dẫn: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Thực : VƯƠNG NGỌC NAM Xây dựng chương trình tính Matlab tính toán số ví dụ minh họa 13 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Hướng dẫn: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Thực : VƯƠNG NGỌC NAM CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH KHUNG THÉP CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG II.1 Giới thiệu [9], [22], [18] Liên kết dầm cột giả sử khớp lý tưởng ngàm cứng hoàn toàn hầu hết thiết kế khung thép Sự đơn giản hóa dẫn đến tính toán sai ứng xử khung Thật ra, liên kết dạng trung gian khớp lý tưởng ngàm cứng hoàn toàn, gọi liên kết nửa cứng có độ cứng chống xoay Liên kết dầm cột xoay moment uốn tác động liên kết Và biến dạng liên kết có ảnh hưởng không tốt đến ổn định khung tăng chuyển vị khung gây giảm độ cứng phần tử liên kết vào nút nửa cứng Sự tăng chuyển vị khung làm tăng ảnh hưởng bậc hai (P-∆) phần tử dầm cột ảnh hưởng đến ổn định tổng thể khung Do đó, đặc điểm phi tuyến liên kết dầm cột cần quan tâm phân tích thiết kế khung thép II.2 Các loại liên kết nửa cứng [9], [10], [13], [15], [22] Tùy theo đặc điểm cấu tạo, có nhiều loại liên kết nửa cứng có sáu loại liên kết sau sử dụng phổ biến nhất: Liên kết thép góc liên kết thép (Single webangle connections and single plate connections) Hình 2.1a,b Liên kết hai thép góc bụng dầm (Double web-angle connections) liên kết thép góc cánh cánh dầm (Top and seat angle connections) Hình 2.1c,d Liên kết thép góc cánh cánh dầm kết hợp với hai thép góc bụng dầm (Top and seat angle with double-angle connections) Hình 2.1e 14 ... TRÌNH PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 64 VI.1 Chương trình xác định ba thông số liên kết SRC 64 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG... xử khung thép liên kết nửa cứng [5] M A Hadiarfard, R Razani (2003) nghiên cứu ảnh hưởng liến kết nửa cứng đến độ tin cậy khung thép [6] 11 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT... (khớp, nửa cứng nửa cứng) 28 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KHUNG THÉP PHẲNG CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG Hướng dẫn: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Thực : VƯƠNG NGỌC NAM II.4.2 Phân tích khung có liên kết nửa cứng Với