Phân tích phi tuyến khung phẳng thép bê tông cốt thép liên hợp bằng phương vùng dẻo

ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ PHƯƠNG BÌNH PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG PHẲNG THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP VÙNG DẺO CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Mà SỐ NGÀNH: 60 58 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH - THÁNG 09/2012 Cơng trình hồn thành tại: Trường ðại học Bách Khoa – ðHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS NGÔ HỮU CƯỜNG Cán chấm nhận xét 1: PGS TS NGUYỄN VĂN YÊN Cán chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN HỒNG ÂN Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ Trường ðại học Bách Khoa, ðHQG Tp HCM ngày 28 tháng 09 năm 2012 Thành phần Hội ñồng ñánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS NGUYỄN VĂN YÊN TS NGÔ HỮU CƯỜNG TS NGUYỄN HỒNG ÂN TS LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN TS NGUYỄN SỸ LÂM Xác nhận Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn ñã ñược sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ðỒNG PGS TS NGUYỄN VĂN YÊN TRƯỞNG KHOA ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : LÊ PHƯƠNG BÌNH MSHV : 09210184 Ngày, tháng, năm sinh : 28/09/1985 Nơi sinh : ðồng Tháp Chuyên ngành : Xây dựng Dân dụng Công nghiệp Mã số : 60 58 20 1- TÊN ðỀ TÀI: PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG PHẲNG THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP VÙNG DẺO 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Tìm hiểu tình hình nghiên cứu - ðề xuất mơ hình phân tích tĩnh kết cấu dùng phương pháp vùng dẻo - Xây dựng thuật tốn phân tích phi tuyến - Xây dựng chương trình ứng dụng để tự động hóa q trình phân tích ngơn ngữ lập trình C++ - Kiểm tra độ tin cậy chương trình cách so sánh kết phân tích với nghiên cứu sẵn có 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/07/2011 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2012 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGÔ HỮU CƯỜNG Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 06 năm 2012 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ðÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TS NGÔ HỮU CƯỜNG TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Ngơ Hữu Cường, người thầy trực tiếp hướng dẫn nhiệt tình tận tâm, người cố vấn ñầy kinh nghiệm với ñịnh hướng khoa học ñúng ñắn chuẩn xác Thầy ñã ñộng viên tinh thần cho nhiều giúp vượt qua khó khăn suốt q trình nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học sau đại học, thầy giảng dạy cao học Trường ðại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh kiến thức q báu truyền đạt Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng tổ chức cán bộ, Ban chủ nhiệm khoa Xây Dựng Cơ Học Ứng Dụng, quý thầy cô Bộ mơn Cơ học đất – Nền móng, Bộ mơn Kết cấu Cơng trình trường ðại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè ln quan tâm, động viên tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi vượt qua khó khăn để hồn thành tốt luận văn Xin gửi lời cảm ơn ñến tất tác giả tài liệu mà tơi tham khảo TP HCM, tháng 06 năm 2012 LÊ PHƯƠNG BÌNH TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Sự phá hoại hệ kết cấu khung thép – bê tông liên hợp phụ thuộc vào yếu tố như: ổn định tồn hệ kết cấu cấu kiện cấu thành hệ khung chảy dẻo chịu tác dụng tải trọng Sự chảy dẻo lan truyền qua mặt cắt ngang dọc theo chiều dài cấu kiện, ñiều khác hẳn với quan niệm phần tử cịn đàn hồi đầu mút phương pháp khớp dẻo khớp dẻo hiệu chỉnh ðể khắc phục hạn chế phương pháp khớp dẻo phản ánh ñúng chất lan truyền chảy dẻo giống ứng xử thực tế, phương pháp vùng dẻo cần ñược phát triển nhằm thu ñược kết xác phân tích ứng xử ngồi miền đàn hồi tiên đốn cường độ hệ kết cấu Phân tích tuyến tính truyền thống, thường giả thuyết chuyển vị hình học kết cấu chịu tải có giá trị nhỏ Nhưng ứng xử thực tế cấu kiện hoàn toàn khác hẳn so với giả thuyết đó, chuyển vị lớn xảy ra, kết cấu thể ứng xử phi tuyến rõ rệt làm cho ñộ cứng kết cấu thay ñổi Do ñó, việc xét đến ảnh hưởng phi tuyến hình học phân tích kết cấu cần thiết Luận văn trình bày nội dung sau: Thứ nhất, phát triển hai phần tử hữu hạn, phần tử dầm – cột phẳng tương tác tồn phần có bậc tự để mơ ứng xử cấu kiện dầm – cột thép liên hợp, phần tử dầm liên hợp có bậc tự để mơ ứng xử cấu kiện dầm liên hợp tương tác bán phần Các phần tử có khả mô lan truyền dẻo qua mặt cắt ngang dọc theo chiều dài cấu kiện, dịch chuyển trục trung hịa lõi đàn hồi, diện ứng suất dư chế tạo, phi tuyến hình học Thứ hai, nghiên cứu thuật tốn để giải toán phi tuyến Thứ ba, xây dựng hai chương trình ứng dụng SCCF SCCB dùng phân tích cấu kiện dầm khung xét tương tác toàn phần bán phần, hai chương trình xây dựng theo phương pháp vùng dẻo ngôn ngữ lập trình C++ Cuối cùng, thẩm tra lại tính xác phương pháp phân tích, ổn định chương trình máy tính sở so sánh kết ñạt ñược với nghiên cứu ñáng tin cậy trước MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CHƯƠNG I TỔNG QUAN I.1 Giới thiệu chung I.1.1 Giới thiệu kết cấu thép – bê tông liên hợp I.1.2 ðặc ñiểm bật kết cấu liên hợp I.1.3 Phương pháp phân tích 11 I.1.4 Tương tác bán phần 13 I.2 Tình hình nghiên cứu kết cấu thép – bê tông liên hợp 13 I.2.1 Nghiên cứu tác giả nước 13 I.2.2 Nghiên cứu tác giả nước 16 I.3 ðặt vấn ñề 18 I.4 Mục tiêu phạm vi ñề tài 20 I.5 Cấu trúc luận văn 20 CHƯƠNG II MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 22 II.1 Giới thiệu 22 II.2 Mơ hình vật liệu 22 II.2.1 Vật liệu bê tông 22 II.2.2 Vật liệu thép 23 II.2.3 Liên kết chống trượt 23 II.3 Các giả thuyết 25 II.3.1 ðối với phần tử dầm – cột xét tương tác toàn phần 25 II.3.2 ðối với phần tử dầm xét tương tác bán phần 26 II.4 Phương pháp Rayleigh - Ritz 27 II.4.1 Năng lượng biến dạng phần tử 27 II.4.2 Năng lượng biến dạng trượt 36 II.4.3 Thế lực tác dụng 37 II.4.4 Nguyên lý toàn phần dừng 38 II.4.4.1 Phân tích hệ khung xét tương tác tồn phần 38 II.4.4.2 Phân tích hệ dầm xét tương tác bán phần 61 II.5 Các phương pháp cân gia tăng 65 II.6 Kết luận 67 CHƯƠNG III THUẬT TOÁN GIẢI PHI TUYẾN 68 III.1 Giới thiệu 68 III.2 Thuật toán Euler 69 III.3 Kỹ thuật điều chỉnh cơng 70 III.4 Kết luận 72 CHƯƠNG IV CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 73 IV.1 Giới thiệu 73 IV.2 Chi tiết q trình phân tích 73 IV.2.1 Mơ hình phần tử 73 IV.2.2 Ứng suất dư thép hình 75 IV.2.3 Chuyển từ trục tọa độ địa phương tọa độ tồn cục 76 IV.2.4 Xác ñịnh trạng thái phần tử thớ 77 IV.3 Lưu đồ thuật tốn chương trình 79 IV.4 Kết luận 79 CHƯƠNG V VÍ DỤ MINH HỌA 81 V.1 Giới thiệu 81 V.2 Bài toán dầm ñơn giản nhịp 83 V.2.1 Dầm thép – bê tông liên hợp nhịp ñơn giản E1 Chapman Balakrishnan (1964) 83 V.2.2 Dầm thép – bê tông liên hợp nhịp ñơn giản U4 Chapman Balakrishnan (1964) 85 V.2.3 Dầm thép – bê tông liên hợp nhịp ñơn giản A3 theo Haremza C (2009) 88 V.3 Bài toán dầm liên tục hai nhịp 91 V.3.1 Dầm thép – bê tông liên hợp CTB1 Ansourian (1981) 91 V.3.2 Dầm thép – bê tông liên hợp CTB4 Ansourian (1981) 94 V.4 Bài toán khung cứng 97 V.4.1 Khung thép Portal có dầm liên hợp 97 V.4.2 Khung liên hợp sáu tầng hai nhịp 98 V.4.2.1 Sự hội tụ toán với việc chia số lượng phần tử dầm – cột khác 100 V.4.2.2 Ảnh hưởng việc chia nhỏ số lượng phần tử thớ đến kết phân tích 102 V.4.2.3 Ảnh hưởng ứng suất dư dầm thép ñến kết phân tích 104 V.5 Kết luận 105 CHƯƠNG VI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107 VI.1 Kết luận 107 VI.1.1 Tóm tắt luận văn 107 VI.1.2 Kết luận 109 VI.2 Kiến nghị 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình I.1 Hình ảnh số cơng trình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp Hình I.2 Mặt cắt số tiết diện cột liên hợp (composite column) Hình I.3 Mặt cắt số tiết diện dầm sàn liên hợp Hình II.1 Quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu bê tơng 23 Hình II.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu thép 23 Hình II.3 Quan hệ lực cắt – trượt liên kết chống cắt 24 Hình II.4 Phần tử dầm – cột điển hình với tương tác tồn phần 25 Hình II.5 Phần tử dầm điển hình với tương tác bán phần 26 Hình II.6 Chuyển vị dầm liên hợp có xét tương tác bán phần 36 Hình II.7 Phần tử dầm – cột điển hình với tương tác tồn phần 37 Hình II.8 Phần tử dầm điển hình với tương tác bán phần 37 Hình III.1 Ứng xử tải trọng – chuyển vị khung cổng chịu tải trọng phân bố ñều tải trọng ngang 68 Hình III.2 Sơ đồ minh hoạ thuật tốn Euler đơn giản 69 Hình III.3 Minh họa thuật tốn điều khiển cơng 71 Hình IV.1 Sơ đồ phần tử hữu hạn cho cấu kiện dầm - cột hệ khung 74 Hình IV.2 Sơ đồ phần tử hữu hạn cho dầm có xét tương tác bán phần 74 Hình IV.3 Mơ lan truyền dẻo qua mặt cắt tiết diện cho toán khung xét tương tác toàn phần 75 Hình IV.4 Mơ lan truyền dẻo qua mặt cắt tiết diện cho tốn dầm có xét tương tác bán phần 75 Hình IV.5 Các mẫu ứng suất dư thường dùng 76 Hình IV.6 Lưu đồ thuật tốn chương trình 80 Hình V.1 Sơ ñồ hình học tiết diện dầm liên hợp E1 84 Hình V.2 Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm E1 Chapman & Balakrishnan (1964) 85 Hình V.3 Sơ ñồ hình học tiết diện dầm liên hợp U4 86 Hình V.4a Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm U4 Chapman & Balakrishnan (1964) xét tương tác tồn phần 87 Hình V.4b Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm U4 Chapman & Balakrishnan (1964) xét tương tác bán phần 87 Hình V.5 Sơ đồ hình học tiết diện dầm liên hợp A3 Haremza C (2009) 88 Hình V.6a Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm A3 Haremza C (2009) xét tương tác toàn phần 90 Hình V.6b Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm A3 Haremza C (2009) xét tương tác bán phần 90 Hình V.6c Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm A3 Haremza C (2009) xét trường hợp không tương tác 90 Hình V.7 Sơ đồ hình học tiết diện dầm CTB1 Ansourian (1981) 92 Hình V.8: Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm CTB1 Ansourian (1981) 93 Hình V.9 Sơ đồ hình học tiết diện dầm CTB4 Ansourian (1981) 94 Hình V.10a Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm CTB4 Ansourian (1981) xét tương tác toàn phần 95 Hình V.10b Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm CTB4 Ansourian (1981) xét tương tác bán phần 95 Hình V.10c Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm CTB4 Ansourian (1981) xét mức ñộ tương tác khác 96 Bảng V.11 Thơng số hình học vật liệu sử dụng khung Portal có dầm liên hợp Liew & Chen (2001) 97 Hình V.12: Quan hệ tải trọng – chuyển vị ngang ñỉnh khung Portal Liew & Chen (2001) 98 Hình V.13 Sơ ñồ tiết diện khung liên hợp sáu tầng hai nhịp 99 Hình V.14 Quan hệ tải trọng – chuyển vị ngang ñỉnh khung sáu tầng hai nhịp theo Fang et al (1999) 100 Hình V.15 Khảo sát hội tụ toán với việc chia nhỏ số phần tử cấu kiện dầm – cột khác 101 101 Bảng V.13 So sánh kết λu khung liên hợp hai nhịp sáu tầng Năm Xuất xứ phân tích λu Sai lệch (%) 1999 Fang et al 1.181 Giá trị chuẩn 2012 Luận văn 10/10 phần tử, λ=0.05 Luận văn 10/10 phần tử, λ=0.01 Luận văn 15/15 phần tử, λ=0.01 Luận văn 15/15 phần tử, λ=0.005 1.261 +6.77 1.197 +1.35 1.191 +0.85 1.180 -0.085 2012 2012 2012 Hình V.15 Khảo sát hội tụ toán với việc chia nhỏ số phần tử cấu kiện dầm – cột khác Căn vào biểu ñồ ứng xử tải trọng – chuyển vị ngang ñỉnh khung (Hình V.15) bảng so sánh kết hệ số tải trọng tới hạn cho trường hợp chia số lượng phần tử dầm, cột hệ số gia tăng tải ban đầu khác (Bảng V.13) ta có số nhân xét sau: - Nhận thấy toán hội tụ nhanh Với việc chia thô (10 phần tử hữu hạn cấu kiện) hệ số gia tăng tải ban đấu lớn (λ=0.05) vịng 03 giây nhận hệ số tải trọng tới hạn sai lệch khoảng +6.77% so với kết Fang et al Nếu chia thô (10 phần tử hữu hạn 102 cấu kiện) hệ số gia tăng tải ban ñấu nhỏ (λ=0.01) thỉ 11 giây ñã nhận ñược hệ số tải trọng tới hạn sai lệch khoảng +1.35% so với kết Fang et al - Nếu tiếp tục chia (15 phần tử hữu hạn cấu kiện) hệ số gia tăng tải ban ñấu nhỏ (λ=0.01) thỉ 19 giây ta ñã nhận ñược hệ số tải trọng tới hạn sai lệch khoảng +0.85% so với kết Fang et al Trường hợp giữ 15 phần tử hữu hạn cấu kiện, hệ số gia tăng tải ban đấu nhỏ (λ=0.005) q trình phân tích nhiều thời gian hơn, 28 giây ta ñã nhận ñược hệ số tải trọng tới hạn xác (chỉ sai lệch khoảng +0.085%) so với kết Fang et al - Như chia số lượng phần tử dầm, cột cấu kiện nhiều kết phân tích xác, nhiên điều làm tốn nhiều thời gian để phân tích Tác giả nhận thấy, để khỏi nhiều thời gian tính toán ta cần chia cấu kiện dầm cột thành 10 phần tử nhỏ hệ số gia tăng tải ban đầu λ=0.01 kết thu so với giá trị xác (sai lệch khoảng +1.35% so với ví dụ trên), kết chấp nhận q trình tính tốn thiết kế thực tế V.4.2.2 Ảnh hưởng việc chia nhỏ số lượng phần tử thớ đến kết phân tích: Tiến hành khảo sát trường hợp chia số lượng phần tử thớ diện tích mặt cắt ngang (Hình V.16) khác nhau: - Trường hợp 1: chia tiết diện bê tông thành 16 phần tử nhỏ chia tiết diện dầm thép thành 22 phần tử nhỏ - Trường hợp 2: chia tiết diện bê tông thành 16 phần tử nhỏ chia tiết diện dầm thép thành 48 phần tử nhỏ - Trường hợp 3: chia tiết diện bê tông thành 32 phần tử nhỏ chia tiết diện dầm thép thành 48 phần tử nhỏ 103 - Trường hợp 4: chia tiết diện bê tông thành 48 phần tử nhỏ chia tiết diện dầm thép thành 48 phần tử nhỏ - Trường hợp 5: chia tiết diện bê tông thành 64 phần tử nhỏ chia tiết diện dầm thép thành 66 phần tử nhỏ Hình V.16 Cách chia phần tử thớ mặt cắt ngang tiết diện 104 Hình V.17 So sánh quan hệ tải trọng – chuyển vị ngang ñỉnh khung với số lượng phần tử thớ khác cho toán khung sáu tầng hai nhịp Nhận xét: Từ biểu ñồ phản ứng tải trọng – chuyển vị ngang ñỉnh khung (Hình V.18) ta thấy chia số lượng phần tử thớ mặt cắt ngang nhiều ứng xử phi tuyến kết cấu thể rõ ràng kết phân tích hội tụ giá trị xác Khi chia mặt cắt ngang phần tử thép thành 48 thớ, chia mặt cắt ngang bê tông 32 48 thớ, kết thu khơng chênh lệch nhiều Ngược lại, chia mặt cắt bê tông thành 16 thớ nhỏ, chia mặt cắt dầm thép thành 22 48 thớ, nhận thấy kết phân tích có khác biệt rõ rệt Như vậy, rút nhận xét ứng xử kết cấu phụ thuộc nhiều vào việc chia nhỏ phần tử thớ mặt cắt ngang dầm thép bê tông V.4.2.3 Ảnh hưởng ứng suất dư dầm thép đến kết phân tích: Hệ số tải trọng tới hạn toán khung hai nhịp sáu tầng khơng kể đến ảnh hưởng ứng suất dư dầm thép λu =1.192 Nếu kể ñến ảnh hưởng ứng suất dư dầm thép theo mẫu ứng suất Vogel (1985) λu =1.181, theo mẫu ứng suất dư theo mẫu ứng suất Lehigh Notes (1965) λu =1.180 105 Như vậy, giá trị hệ số tải trọng tới hạn không kể ñến ảnh hưởng ứng suất dư cao 0.93% so với kết dùng mẫu ứng suất dư Vogel cao 1.02% so với kết dùng mẫu ứng suất dư cua Lehigh Notes Hình V.18 So sánh quan hệ tải trọng – chuyển vị ngang ñỉnh khung ảnh hưởng ứng suất dư cho toán khung sáu tầng hai nhịp V.5 KẾT LUẬN Trong chương tác giả trình bày số ví dụ minh họa dầm liên hợp nhịp ñơn giản chịu tải trọng tập trung tải trọng phân bố ñều, dầm liên hợp hai nhịp ñối xứng bất ñối xứng chịu tải trọng tập trung, khung liên hợp tầng nhịp, khung liên hợp sáu tầng hai nhịp Khi phân tích hệ dầm tác giả trình bày kết phân tích với mức ñộ liên kết khác hai thành phần dầm thép bê tơng (tương tác tồn phần, tương tác bán phần khơng tương tác) Khi phân tích hệ khung giả thuyết khơng có trượt xảy mặt tiếp xúc dầm thép bê tơng (tương tác bán phần) Qua ví dụ trên, ta thấy phương pháp phân tích vùng dẻo trình bày luận văn cho kết xác so sánh với kết phân tích kết cấu liên hợp thép – bê tông cốt thép với nghiên cứu trước Chương trình SCCF SCCB chứng tỏ mức độ tin cậy tính hiệu cao thu sai số nhỏ (có thể chấp nhận ñược) so với nghiên cứu khác trước Thuật tốn 106 tính tốn ổn định, thời gian tính tốn nhanh Qua khảo sát ảnh hưởng việc chia nhỏ phần tử ñến kết phân tích, tác giả nhận thấy Chỉ cần chia nhỏ khoảng 10 phần tử cấu kiện khung, với hệ số gia tăng tải trọng ban ñầu 0.01 kết thu xác Dĩ nhiên, chia số lượng phần tử nhiều giảm hệ số gia tăng tải trọng ban ñầu làm cho kết phân tích hội tụ kết xác, việc làm đồng thời làm tăng thời gian giải tốn, điều khơng thật cần thiết tốn phân tích thiết kế thực tế cho kết cấu xây dựng 107 Chương VI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VI.1 KẾT LUẬN VI.1.1 TÓM TẮT LUẬN VĂN Với mục tiêu nhằm phát triển chương trình máy tính tiên đốn cách đáng tin cậy ứng xử phi tuyến cấu kiện hệ khung phẳng thép – bê tông cốt thép liên hợp chịu tải trọng tĩnh, tác giả ñã tập trung nghiên cứu thực vấn ñề sau: Xây dựng hai phần tử hữu hạn, phần tử dầm – cột phẳng tương tác tồn phần có bậc tự để mô cấu kiện dầm – cột thép liên hợp, phần tử dầm liên hợp gồm dầm thép sàn bê tông cốt thép tương tác bán phần bậc tự để mơ cấu kiện dầm liên hợp cho phân tích khung thép – bê tơng liên hợp Các phần tử có khả mơ lan truyền dẻo qua mặt cắt ngang dọc theo chiều dài cấu kiện, dịch chuyển trục trung hịa lõi đàn hồi, diện ứng suất dư chế tạo, ứng xử phi tuyến hình học Phương trình độ cứng phần tử hữu hạn ñược thiết lập việc áp dụng nguyên lý tồn phần dừng có phản ánh trực tiếp ứng xử phi tuyến hình học vật liệu Các hàm nội suy ña thức bậc ba Hermit hàm nội suy Lagrangian sử dụng để mơ tả chuyển vị dọc theo chiều dài phần tử thông qua số hạng chuyển vị ñầu mút phần tử cho chuyển vị xoay chuyển vị dọc trục Mơ hình vật liệu thép đàn – dẻo tuyệt đối khơng có tái bền, mơ hình vật liệu bê tơng sử dụng lấy theo mơ hình parabol Karayanis (1994) ðể mơ tả cách xác ứng xử lan truyền dẻo qua mặt cắt ngang phần tử theo phương pháp vùng dẻo, tác giả ñã chia mặt cắt ngang tiết diện thành nhiều "phần tử thớ" nhỏ, cụ thể, tiết diện dầm thép ñược chia thành 66 phần tử thớ, bê tơng chia thành 64 phần tử thớ diện tích tiết diện phần tử thép gia cường ñược xem thớ ðiều giúp kể ñến ứng suất dư chế tạo cho dầm thép cách dễ dàng cách gán ứng suất ban ñầu vào thớ Do phần tử dầm cột ñược chia thành ne phần tử hữu hạn nhằm mục đích mơ chảy dẻo lan truyền dọc theo chiều dài cấu kiện nên có nhiều 108 bậc tự phân tích, thủ tục rút gọn bậc tự bên ñược sử dụng để cịn lại bậc tự hai ñầu cấu kiện cho phần tử dầm – cột liên hợp không xét tương tác bán phần bậc tự hai ñầu cho phần tử dầm liên hợp có xét đến ảnh hưởng trượt mặt tiếp xúc Sau đó, thủ tục ngược lại sử dụng để tìm chuyển vị bên cần xác định cấu hình biến dạng chảy dẻo phần tử thớ ðây ñiều quan trọng ñối với phương pháp vùng dẻo làm giảm đáng kể thời gian tính tốn dung lượng nhớ cần thiết để lưu trữ liệu máy tính Thuật tốn Euler đơn giản ñược sử dụng kết hợp với kỹ thuật ñiều khiển cơng để giải hệ phương trình phi tuyến nhằm dị tìm ứng xử tải trọng – biến dạng phi tuyến hệ kết cấu dùng sơ đồ Euler túy mà khơng có hiệu chỉnh sai số tích lũy qua q trình giải lớn Hai chương trình ứng dụng SCCF SCCB ñược phát triển ñể áp dụng vào việc phân tích tốn dầm khung với tương tác tồn phần tốn dầm có xét đến tương tác bán phần mặt tiếp xúc Hai chương trình phát triển ngơn ngữ lập trình C++ có khả phân tích ngồi miền đàn hồi cho hệ kết cấu dầm khung phẳng thép – bê tông liên hợp chịu tải trọng tĩnh phương pháp vùng dẻo Các liệu ñầu vào sơ đồ hình học, đặc trưng vật liệu, kích thước mặt cắt ngang cấu kiện, tải trọng tác dụng ñiều kiện biên ñược nhập qua tập tin văn để chương trình đọc tiến hành phân tích, sau kết xuất thành tập tin văn khác Kết phân tích hai chương trình đề xuất so sánh với kết sẵn có nhà nghiên cứu giới qua tốn khảo sát trước ñó nhiều phương pháp khác ñể ñánh giá mức độ xác phương pháp phân tích ñộ tin cậy ổn ñịnh chương trình máy tính đề xuất Ngồi tác giả cịn trình bày nhiều khía cạnh khác khảo sát tốc độ hội tụ tốn thơng qua việc chia nhỏ số lượng phần tử dầm (cột) khác nhau, khảo sát ảnh hưởng việc chia số phần tử thớ, ảnh hưởng ứng suất dư dầm thép, ảnh hưởng mức độ liên kết bê tơng dầm thép… đến kết phân tích 109 VI.1.2 KẾT LUẬN Các mơ hình phần tử hữu hạn dầm dầm – cột ñề xuất luận văn có khả mơ xác tác động phi tuyến hình học phi tuyến vật liệu cho cấu kiện thép – bê tông liên hợp Thông qua việc kiểm chứng kết nghiên cứu cho thấy chương trình SCCF SCCB có độ tin cậy hiệu sử dụng cao, có khả giải nhiều loại tốn khác cách nhanh chóng linh hoạt, tốn lớn gồm nhiều tầng nhiều nhịp Sự chảy dẻo thật cấu kiện dầm khung nói chung khơng tập trung vị trí cụ thể giả thuyết phương pháp khớp dẻo mà lan truyền dọc theo chiều dài cấu kiện với cường ñộ khác nhau, phương pháp khớp dẻo thường tiên đốn khơng xác ứng xử phi đàn hồi cấu kiện hệ kết cấu VI.2 KIẾN NGHỊ Phần tử dầm – cột trình bày áp dụng cho toán phẳng bỏ qua ảnh hưởng lực cắt vào chảy dẻo cấu kiện Do đó, việc xem xét ổn định ngồi mặt phẳng khung, ảnh hưởng lực cắt làm việc không gian kết cấu cần thiết Phần tử dầm bậc tự có xét đến ảnh hưởng trượt mặt tiếp xúc ñược áp dụng cho tốn dầm, cần mở rộng cho tốn khung Việc sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn luận văn cho phép tác giả khác phát triển mở rộng thành toán ba chiều Luận văn giới hạn việc phân tích hệ kết cấu liên hợp chịu tải trọng tĩnh Do cần mở rộng phân tích hệ kết cấu chịu loại tải trọng khác như: tải trọng ñộng, tải trọng lặp lại, tác ñộng nhiệt… Thêm nữa, cần khảo sát ứng xử liên kết nút khung trình chịu tải Chương trình phân tích xây dựng ngơn ngữ lập trình C++, ngơn ngữ lập trình hướng đối tượng mạnh mẽ khoa học Tuy nhiên luận văn tác giả áp dụng phương pháp lập trình thủ tục cổ điển, chưa khai thác triệt để ñược sức mạnh hướng ñối tượng ngôn ngữ lập trình Thêm nữa, cần 110 xây dựng giao diện ñồ họa tốt ñể việc nhập xuất liệu ñể trở nên dễ dàng với người sử dụng 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Eurocode 4: EN 1994_Design of composite steel and concrete structures: Part 1.1 General rules and rules for buildings [2] Yam L.C.P, Chapman J.C "The inelastic behaviour of simply supported composite beams of steel and concrete" Proc., Inst Civ Eng., 1968 [3] Arizumi Y, Hamada S, Kajita T "Elastic – plastic analysis of composite beams with incomplete interaction by finite element method" Comput Struct 1981, 14(5–6): 453–62 [4] Girhammar UA, Gopu VKA "Composite beam – columns with interlayer slip – exact analysis" J Struct Eng ASCE 1993, 119(4):1265–1281 [5] Oven V.A, Burger I.W, Plankt R.J, Wali A.A.A "An analytical model for the analysis of composite beams with partial interaction" Comput Struct 1997; 62(3):493 – 504 [6] Salari M R, Enrico Spacone, Dan M.Frangopol "Nonlinear analysis of composite beams with deformable shear connectors" Journal of Structural Engineering, 11 – 1998 [7] Gattesco N "Analytical modelling of nonlinear behaviour of composite beams with deformable connection" Journal of Constructional Steel Research 1999; 52:195 –218 [8] Dall Asta A, Zona A "Non–linear analysis of composite beams by a displacement approach".Comput Struct 2002; 80(27–30):2217–2228 [9] Dall Asta A, Zona A "Comparison and validation of displacement and mixed elements for the non–linear analysis of continuous composite beams" Comput Struct 2004; 82:2117–2130 [10] Dall Asta A, Zona A "Slip locking infinite elements for composite beams with deformable shear connection" Finite Anal Des 2004; 40(13– 14):1907–30 112 [11] Dall Asta A, Zona A "Three–field mixed formulation for the non–linear analysis of composite beams with weak shear connection" Finite Elem Anal Des 2004; 40(4):25–48 [12] Yong – Lin Pi, Bradford M.A, Uy Brian Second order nonlinear inelastic analysis of composite steel – concrete members I: Theory, Journal of Structural Engineering ASCE 2006, 10.1061/_ASCE_0733– 9445_2006_132:5_751 [13] Yong – Lin Pi, Mark Andrew Bradford, M.ASCE, and Brian Uy, M.ASCE "Second Order Nonlinear Inelastic Analysis of Composite Steel–Concrete Members II: Applications" 10.1061_ASCE_0733–9445_2006_132:5_762 [14] João Batista M Sousa Jr., Claudio E.M Oliveira, Amilton R da Silva "Displacement–based nonlinear finite element analysis of composite beam_columns with partial interaction" Journal of Constructional Steel Research 66 (2010) 772_779 [15] Dissanayake, U.I., Burgess, I.W., Davison, J.B "Development of a computer program for the analysis of composite frames with partial interaction" In: Proceedings of 4th Pacific Structural Steel Conference, Singapore, 1995 [16] Hajjar J.F, Molodan A "A distributed plasticity model for concrete–filled steel tube beamcolumns with interlayer slip" Engineering Structure 1998; 20(8):663–676 [17] Fang L.X, Chan S.L, Wong Y.L "Strength analysis of semi – rigid steel– concrete composite frames" Journal of Constructional Steel Research 1999; 52:269–291 [18] Fang L.X, Chan S.L, Wong Y.L "Numerical analysis of composite frames with partial shear–stud interaction by one element per member" Engineering Structures 2000; 22:1285–1300 [19] Nguyễn Thanh Sơn "phân tích thiết kế sàn liên hợp theo tiêu chuẩn EC4" LV TH.S EMMC, 1998 113 [20] Lương Văn Hải "phân tích phi tuyến khung composite với liên kết nửa cứng theo tiêu chuẩn EC4 mơ hình Merchant–Rankine" LV TH.S EMMC, 2003 [21] Chu Việt Cường "Phân tích nâng cao khung liên hợp thép – bê tơng cốt thép phẳng có liên kết nửa cứng" LV TH.S ðại học Bách Khoa TPHCM, 2004 [22] ðặng Hồng Tùng "Sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn xác để phân tích ảnh hưởng lực cắt dầm thép – bê tông liên hợp" LV TH.S ðại học Bách Khoa TPHCM, 2006 [23] ðỗ Việt Hưng "Phân tích khung phẳng liên hợp thép – bê tông cốt thép liên kết nửa cứng chịu tải trọng tĩnh ñộng" LV TH.S ðại học Bách Khoa TPHCM, 2007 [24] Nguyễn Văn Chúng "Phân tích tĩnh kết cấu thép – bê tơng liên hợp phương pháp ma trận ñộ cứng trực tiếp" LV TH.S ðại học Bách Khoa TPHCM, 2007 [25] Lê Quang Hồn "Phân tích đàn dẻo khung composite phẳng có liên kết nửa cứng phương pháp Merchant – Rankine kết hợp phương pháp hệ số ngàm – ñầu mút" LV TH.S ðại học Bách Khoa TPHCM, 2007 [26] Phan Thành Trung "Phân tích ứng xử dầm thép – bê tơng liên hợp ( ứng xử theo thời gian có xét ñến tương tác bán phần)" LV TH.S ðại học Bách Khoa TPHCM, 2008 [27] Lê Lương Bảo Nghi "Phân tích phi tuyến khung liên hợp thép – bê tông cốt thép có xét đến ảnh hưởng tương tác bán phần liên kết nửa cứng" LV TH.S ðại học Bách Khoa TPHCM, 2008 [28] Nguyễn Văn Chúng, Bùi Công Thành "Phân tích dầm thép bê tơng liên hợp có xét đến tương tác khơng tồn phần liên kết chịu cắt phương pháp ma trận ñộ cứng trực tiếp" Science & Technology Development, Vol 10, No 11 – 2007, 74 – 84 114 [29] Lê Lương Bảo Nghi, Bùi Cơng Thành " Phân tích phi tuyến dầm liên hợp có xét đến tương tác bán phần" Science & Technology Development, Vol 12, No.04 – 2009 [30] B A Izzuddin, C G Karayannis, and A S Elnashai "Advanded nonlinear Formulation for reinforced concrete beam – columns", Journal of Structural Engineering, Vol.120, No 10, October, 1994 [31] Jorgen G Ollgaard, Roger G Slutter and John W Fisher "Shear Strength of Stud Connectors in Lightweight and Normal-Weight Concrete" AISC Engineering Journal, 1971 [32] Ngơ Hữu Cường "Phân tích vùng dẻo phi tuyến hình học cho khung thép phẳng phương pháp phần tử hữu hạn" LV TH.S ðại học Bách Khoa TPHCM, 2003 [33] Z.Nizamuddin, R.Iding & B.Bresler &, A Computer Program for The Fire Response of Structures–Reinforced Concrete Frames , Report No.UCB FRG 77–8 July 1977 [34] F.D Queiroza, P.C.G.S Vellascob, D.A.Nethercota, "Finite element modelling of composite beams with full and partial shear", Journal of Constructional Steel Research 63 (2007) 505–521 [35] Haremza, C., Santiago, A, Simões da Silva, L and Rodrigues, J.P.C " Numerical analysis of composite steel – concrete car parks subjected to localized fires" [36] Johnson, R P., and Molenstra, N "Partial shear connection in composite beams in building" Proc., Inst Civ Engrs., Part 2, 91, 679–704 (1991) [37] Ansourian P "Experiments on continuous composite beams" Proc Inst Civil Eng, Part 1981, 71:25–51 [38] Liew J Y R, Chen H, Shanmugam N E , Chen W F "Inelastic Analysis of Steel Frames with Composite Beams" J Struct Eng 2001; (2):194–202 127 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ tên : LÊ PHƯƠNG BÌNH Ngày sinh : 28/09/1985 Nơi sinh : ðồng Tháp ðịa liện lạc : Bộ môn Cơ học ñất – Nền móng, Khoa Xây dựng Cơ học ứng dụng, Trường ðH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM ðiện thoại : 0908520732 Email: phuongbinh0901@yahoo.com QUÁ TRÌNH ðÀO TẠO ðẠI HỌC Hệ đào tạo : Chính quy Thời gian : 2003-2008 Nơi ñào tạo : Trường ðại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành : Xây dựng Dân dụng Công nghiệp CAO HỌC Thời gian : 2009 –2012 Nơi ñào tạo : Trường ðại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành : Xây dựng Dân dụng Cơng nghiệp Q TRÌNH CƠNG TÁC: Từ 2008 – : Khoa xây dựng học ứng dụng, Trường ðại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Từ 2008 – 2009 : Cán kỹ thuật Công ty Công Nghiệp ðồng Minh (ALLIED INDUSTRY) Từ 2008 – 2010 : Cộng tác với Công ty Cổ Phần Tư Vấn ðầu Tư Kinh Bắc Từ 2010 – 2011 : Cán kỹ thuật Công ty Cổ Phần Tư Vấn – ðầu Tư Xây Dựng Hoàng Hà ... 1m sử dụng giải pháp kết cấu cột liên hợp thép – bê tông thép – bê tông cốt thép Như vậy, sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép – bê tông thép – bê tông cốt thép giúp giảm kích thước cho cấu... máy tính phân tích ứng xử khung phẳng thép – bê tơng cốt thép liên hợp có xét đến ảnh hưởng tương tác bán phần b? ?tông dầm thép, liên kết dầm – cột nửa cứng Chương trình phân tích ứng xử khung qua... sâu khung thép – bê tông liên hợp để hiểu rõ chất ứng xử thật loại kết cấu cần thiết I.4 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ðỀ TÀI Mục tiêu đề tài phân tích khung phẳng thép – bê tông cốt thép liên hợp