Sử dụng ma trận độ cứng hiệu chỉnh trong phân tích tĩnh kết cấu khung có nút liên kết đàn hồi (tóm tắt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGƠ ĐÌNH TÙNG SỬ DỤNG MA TRẬN ĐỘ CỨNG HIỆU CHỈNH TRONG PHÂN TÍCH TĨNH KẾT CẤU KHUNG CÓ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGƠ ĐÌNH TÙNG KHÓA: 2018 – 2020 SỬ DỤNG MA TRẬN ĐỘ CỨNG HIỆU CHỈNH TRONG PHÂN TÍCH TĨNH KẾT CẤU KHUNG CÓ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN THỊ THÚY VÂN Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGƠ ĐÌNH TÙNG KHĨA: 2018 – 2020 SỬ DỤNG MA TRẬN ĐỘ CỨNG HIỆU CHỈNH TRONG PHÂN TÍCH TĨNH KẾT CẤU KHUNG CĨ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN THỊ THÚY VÂN XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN Hà Nội – 2020 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, thầy cô khoa Sau đại học với thầy giáo, cô giáo khoa, môn giảng dạy tạo điều kiện để hồn thành khóa học 2018 - 2020 Đặc biệt tơi cảm ơn cô TS Trần Thị Thúy Vân, người trực tiếp hướng dẫn khoa học luận văn tạo điều kiện, dành nhiều thời gian, nhiệt tình giúp đỡ giới thiệu đầy đủ tài liệu để tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp Cảm ơn thầy giáo, cô giáo môn Sức bền – Kết cấu trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, thầy cô tiểu ban bảo vệ đề cương, thầy cô tiểu ban kiểm tra tiến độ luận văn, có ý kiến góp ý quý báu cho nội dung luận văn Vì thời gian thực luận văn có hạn nên khơng tránh khỏi hạn chế, thiếu sót Tơi xin hứa đầu tư nghiên cứu thêm vấn đề hạn chế, thiếu sót để hồn thiện thêm kiến thức trình làm việc sau Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Ngơ Đình Tùng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng Học viên Ngơ Đình Tùng MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục ……………………………………………………………………… Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng, biểu Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… * Lý chọn đề tài * Mục đích nghiên cứu đề tài * Đối tượng phạm vi nghiên cứu * Phương pháp nghiên cứu * Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Cấu trúc luận văn NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU KHUNG PHẲNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TĨNH HỆ KHUNG PHẲNG CĨ LIÊN KẾT ĐÀN HỒI 1.1 Tổng quan sử dụng khung phẳng kết cấu cơng trình 1.2 Các phương pháp phân tích tĩnh hệ khung phẳng có liên kết đàn hồi 13 1.2.1 Các phương pháp giải tích 13 1.2.2 Các phương pháp số 26 CHƯƠNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH TĨNH HỆ KẾT CẤU KHUNG PHẲNG CÓ LIÊN KẾT ĐÀN HỒI SỬ DỤNG MA TRẬN ĐỘ CỨNG HIỆU CHỈNH 31 2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn hệ khung phẳng 31 2.1.1 Nội dung tổng quát phương pháp phần tử hữu hạn hệ khung phẳng 31 2.1.2 Trình tự bước phân tích tốn theo phương pháp PTHH 33 2.2 Phân tích tĩnh khung phẳng có liên kết đàn hồi sử dụng ma trận độ cứng hiệu chỉnh 36 2.2.1 Thiết lập ma trận độ cứng hiệu chỉnh phân tích tĩnh hệ khung phẳng có liên kết đàn hồi 36 2.2.2 Quy trình phân tích tĩnh khung thép phẳng có liên kết đàn hồi 46 2.23 Quy trình phân tích khung phẳng có liên kết đàn hồi 54 CHƯƠNG VÍ DỤ TÍNH TỐN 55 3.1 Thiết lập toán phân tích nội lực chuyển vị cho khung thép phẳng tầng, nhịp 55 3.2 Khảo sát nội lực khung phẳng kể đến độ đàn hồi liên kết 67 3.3 So sánh kết nội lực khung phẳng chưa kể đến độ đàn hồi liên kết với phần mềm Sap2000 68 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt HCB PP PTHH HTĐC PT HTĐR Tên đầy đủ Hệ Phương pháp phần tử hữu hạn Hệ tọa độ chung Phần tử Hệ tọa độ riêng DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình Tên hình Trang Hình 1.1 Khung với hai hệ thống dầm Hình 1.2 Cơng trình nhà có hệ khung chịu lực Hình 1.3 Kết cấu khung sử dụng nhà cơng nghiệp Hình 1.4 Kết cấu khung thép nhà cơng nghiệp Hình 1.5 Kết cấu nhà thép Hình 1.6 Ví dụ cơng trình sử dụng khung thép Hình 1.7 Ví dụ khung phẳng 10 Hình 1.8 Khung thép phẳng có liên kết đàn hồi 11 Hình 1.9 Khung thép phẳng tầng nhịp có liên kết đàn hồi 11 Hình 1.10 Ví dụ hệ khung siêu tĩnh 13 Hình 1.11 Ví dụ thiết lập hệ hệ siêu tĩnh 14 Hình 1.12 Ví dụ sơ đồ tính khung có liên kết đàn hồi 20 Hình 1.13 Hệ khung có liên kết đàn hồi 20 Hình 1.14 Ví dụ hệ siêu động hệ xác định động 22 Hình 1.15 Ví dụ cách thiết lập HCB phương pháp chuyển vị 23 Hình 1.16 Ví dụ hệ khung có liên kết đàn hồi 25 Hình 1.17 Hệ ví dụ hình 1.15 26 Hình 2.1 Khung thép phẳng có liên kết đàn hồi tầng nhịp 37 Hình 2.2 Phần tử dầm với liên kết đàn hồi 38 Hình 2.3 Phần tử dầm 2-D 40 Hình 2.4 Phần tử cột 2-D 41 Hình 2.5 Khung thép phẳng chịu liên kết đàn hồi 46 Hình 2.6 Sơ đồ khối chương trình tính nội lực chuyển vị phương pháp phần tử hữu hạn 54 Hình 3.1 Ví dụ tính tốn nội lực chuyển vị khung thép phẳng kể đến độ đàn hồi liên kết 55 Hình 3.2 Ví dụ tính toán nội lực chuyển vị khung thép phẳng kể đến độ đàn hồi liên kết 68 DANH MỤC BẢNG, BIỂU Số hiệu bảng, biểu Bảng 3.1 Tên bảng, biểu Kết momen M (kN.m) khung phẳng kể đến độ đàn hồi liên kết Trang 67 MỞ ĐẦU * Lý chọn đề tài Trong tính tốn phân tích kết cấu cơng trình việc lựa chọn mơ hình tính tốn phù hợp bước quan trọng, cho kết tính tốn xác so với làm việc thực tế kết cấu Đối với kết kết cấu khung phẳng,ví dụ- kết cấu khung thép phẳng, để đơn giản tính toán người ta coi nút liên kết dầm cột liên kết cứng liên kết khớp hoàn toàn Khi giả thiết liên kết cứng bỏ qua độ đàn hồi liên kết Trong trường hợp liên kết cứng mơ men đạt giá trị lớn vị trí gối Ngược lại, trường hợp giả thiết liên kết dầm cột liên kết khớp mơ men lớn đạt vị trí nhịp dầm, mơ men gối không Nếu sử dụng liên kết đàn hồi phân phối lại mơ men nhịp gối Nói cách khác mô men lớn gối nhịp giảm Vì thế, việc sử dụng liên kết đàn hồi nút khung phân tích tính tốn kết cấu làm cho nội lực hệ phân bố cách hợp lý hơn, phù hợp với thực tế làm việc kết cấu, từ giảm kích thước tiết diện hệ kết cấu, giảm giá thành sản phẩm cơng trình Trong tiêu chuẩn Eurocode châu Âu, tiêu chuẩn ASCE Mỹ có dẫn cụ thể kể đến độ đàn hồi liên kết Tuy nhiên, tài liệu dẫn tính tốn tiêu chuẩn tính tốn cho kết cấu khung phẳng chưa có dẫn xét tới độ đàn hồi nút liên kết cách cụ thể Do đó, tính tốn kết cấu khung phẳng gặp khó khăn định Để kể đến độ đàn hồi liên kết sử dụng nhiều phương pháp tính tốn khác Các phương pháp giải tích phương pháp lực hay phương pháp chuyển vị giúp giải sơ đồ hình học tải trọng tác dụng lên khung không phức tạp Đối với sơ đồ khung có hình dạng phức tạp gặp khó khăn định mặt tính tốn Với phát triển cơng nghệ thơng tin phát triển phương pháp số việc kể đến độ đàn hồi liên kết giải cách triệt khơng gặp trở ngại mặt tốn học Vì vậy, luận văn này, học viên chọn đề tài “Sử dụng ma trận độ cứng hiệu chỉnh phân tích tĩnh kết cấu khung có nút liên kết đàn hồi” để hồn thành luận văn * Mục đích nghiên cứu đề tài Phân tích nội lực chuyển vị khung phẳng có kể đến độ đàn hồi liên kết phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng ma trận độ cứng hiệu chỉnh; Thiết lập quy trình tính tốn nội lực chuyển vị kết cấu khung phẳng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng ma trận độ cứng hiệu chỉnh Khảo sát ảnh hưởng độ đàn hồi liên kết tới kết tính tốn nội lực chuyển vị từ đưa số khuyến nghị cần thiết * Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu khung phẳng Phạm vi nghiên cứu: Kết cấu khung phẳng chịu tải trọng tĩnh, vật liệu làm việc giai đoạn đàn hồi * Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu phương pháp tính tốn mơ hình tính tốn kết cấu khung phẳng để phân tích nội lực chuyển vị hệ Trên sở lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn mô hình tính tốn có kể đến độ đà hồi nút liên kết Sử dụng phần mềm ứng dụng MathCad (Matlab) lập trình giải số ví dụ tính toán 3 * Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học: Đưa kết khảo sát ảnh hưởng độ đàn hồi liên kết tới kết tính tốn nội lực chuyển vị hệ kết cấu khung phẳng Các kết nghiên cứu áp dụng việc phân tích kết cấu cơng trình * Cấu trúc luận văn đề tài Ngoài phần mở đầu kết luận nội dung luận văn gồm có ba chương: - Chương I: Tổng quan kết cấu khung phẳng phương pháp phân tích tĩnh hệ khung phẳng có liên kết đàn hồi 1.1.Tổng quan sử dụng khung phẳng kết cấu cơng trình 1.2.Các phương pháp phân tích tĩnh hệ khung phẳng có liên kết đàn hồi 1.2.1.Các phương pháp giải tích 1.2.2.Các phương pháp số - Chương II: Quy trình phân tích tĩnh hệ kết cấu khung phẳng có liên kết đàn hồi sử dụng ma trận độ cứng hiệu chỉnh 2.1.Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn hệ khung phẳng 2.1.1.Nội dung tổng quát phương pháp phần tử hữu hạn hệ khung phẳng 2.1.2.Trình tự bước phân tích tốn theo phương pháp PTHH 2.2 Phân tích tĩnh khung phẳng có liên kết đàn hồi sử dụng ma trận độ cứng hiệu chỉnh 2.2.1.Thiết lập ma trận độ cứng hiệu chỉnh phân tích tĩnh hệ khung phẳng có liên kết đàn hồi 4 2.2.2.Quy trình phân tích tĩnh khung phẳng có liên kết đàn hồi 2.2.3.Quy trình phân tích tĩnh khung phẳng có liên kết đàn hồi - Chương III: Ví dụ tính tốn 3.1 Thiết lập tốn phân tích nội lực chuyển vị cho khung thép phẳng tầng, nhịp 3.2.Khảo sát nội lực khung phẳng kể đến độ đàn hồi liên kết 3.3.So sánh kết nội lực khung phẳng chưa kể đến độ đàn hồi liên kết với phần mềm Sap2000 THÔNG BÁO Để xem phần văn tài liệu này, vui lịng liên hệ với Trung Tâm Thơng tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội Email: digilib.hau@gmail.com TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 75 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Trong luận văn, tác giả tìm hiểu phân tích tốn kết cấu khung phẳng khảo sát nội lực khung thép phẳng kể đến độ đàn hồi liên kết Tác giả trình bày kết cấu khung thép phẳng kể đến độ đàn hồi liên kết thiết lập trình tự tính tốn khung phẳng phần mềm Mathcad Trong luận văn, tác giả tìm hiểu áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp số hiệu để giải tốn tính toán kết cấu khung phẳng chịu liên kết đàn hồi Tác giả tìm hiểu phân tích số phương pháp giải toán khung phẳng chịu liên kết đàn hồi thấy phương pháp phần tử hữu hạn việc giải vấn đề mà đề tài đặt tốn phân tích nội lực chuyển vị khung phẳng chịu liên kết đàn hồi hiệu Trong luận văn, tác giả viết chương trình tính nội lực chuyển vị khung phẳng chịu liên kết đàn hồi dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng phần mềm tính tốn Mathcad- phần mềm có giao diện dễ sử dụng thân thiện với người đọc, cho kết tường minh, hình ảnh thể rõ ràng, kết nhanh chóng Các kết tính nội lực chuyển vị khung phẳng chương trình thiết lập luận văn hồn tồn trùng khớp với kết tính toán phần mềm SAP2000 76 KIẾN NGHỊ: Tiếp tục nghiên cứu triển khai phương pháp phần tử hữu hạn tốn phân tích nội lực chuyển vị phức tạp chịu tải trọng chịu tải trọng ngang Hướng nghiên cứu tiếp theo: Tính tốn phân tích nội lưc chuyển vị hệ khung chịu lực phức tạp, chịu tải trọng có điều kiện TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vũ Quốc Anh (2002), Phương pháp tính nội lực chuyển vị khung thép có xét đến độ đàn hồi liên kết, Tuyển tập cơng trình khoa học, Hội nghị học toàn quốc lần thứ VII, Hà Nội 11/2002, tr 45-51 Vũ Quốc Anh , Tính toán thiết kế khung thép liên kết đàn hồi Vũ Quốc Anh, Nguyễn Trâm (2002), Hiệu kinh tế thiết kề khung thép có xét đến độ đàn hồi liên kết, Tuyển tập cơng trình khoa học, Hội nghị học toàn quốc lần thứ VII, Hà Nội 11/2002, tr 603-609 Bộ xây dựng (2012) TCVN 5575 : 2012 Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế Phạm Đinh Ba, Nguyễn Tai Trung, Động lực học cơng trình, NXB KH&KT,2005 Nguyễn Đình Cống, Tính tốn tiết diện cột bê tơng cốt thép Nguyễn Hoài Sơn, Lê Thanh Phong, Mai Đức Đãi, Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn kết cấu Nguyễn Hồng Sơn (2007), Phân tích kết cấu khung thép phẳng có liên kết nửa cứng phi tuyến, Luận văn Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Kiến trúc hà Nội, Hà Nội Nguyễn Thời Trung, Nguyễn Xuân Hùng , Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng Matlab 10 Trần Ích Thịnh , Ngơ Như Khoa, Phương Pháp phần tử hữu hạn 11 Lều Thọ Trình (2006), Cơ học kết cấu tập 1- hệ tĩnh định,NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 12 Lều Thọ Trình (2006), Cơ học kết cấu tập - hệ siêu tĩnh, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội 13 Chu Quốc Thẳng, Phương pháp Phần tử Hữu Hạn, NXB Khoa học &kĩ thuật, 1997 68 Tiếng Anh 14 B S.Dhillon and J.W.O’Malley Interactive Design of Semirigid Steel Frames Journal of 15 David ANDERSON, David A.NETHERCOT, Frans BIJLAARD, Riccardo ZANDONINI, Analysis and design off stell frames with semirigid connections 16 Guo Hua Li, Cheng Zhi Qi, Jian Luo: Nonlinear Finite Element Analysis of Steel Frame with Semi-Rigid Connections 17 G.R Monforton and T.S.Wu.Matric analysis of semi-rigidly connected frame.Journal of Structural Division, ASCE, vol.89(1963),ST6,p.13 18 E Lightfoot and A.P.Le Messurier Elastic analysis of frameworks with elastic connections.Journal of Structural Division, ASCE, vol 100(1974), ST6, p.1297 19 M.E.Kartal, H.B Başağa & A Bayraktar, M Muvafık, Effects of Semi-Rigid Connection on Structural Responses 20 Wai-fah chen, Norimitsu kishi, Masato komuro, Semi-rigid connections handbook,tr 46-50  ... pháp PTHH 2.2 Phân tích tĩnh khung phẳng có liên kết đàn hồi sử dụng ma trận độ cứng hiệu chỉnh 2.2.1.Thiết lập ma trận độ cứng hiệu chỉnh phân tích tĩnh hệ khung phẳng có liên kết đàn hồi 4 2.2.2.Quy... lập ma trận độ cứng hiệu chỉnh phân tích tĩnh hệ khung phẳng có liên kết đàn hồi 36 2.2.2 Quy trình phân tích tĩnh khung thép phẳng có liên kết đàn hồi 46 2.23 Quy trình phân tích khung. .. đến độ đàn hồi liên kết giải cách triệt không gặp trở ngại mặt tốn học Vì vậy, luận văn này, học viên chọn đề tài ? ?Sử dụng ma trận độ cứng hiệu chỉnh phân tích tĩnh kết cấu khung có nút liên kết