Ứng xử tính chuyển vị lớn của hệ dàn thép không gian có kể đến sự trượt bu lông liên kết

NG X NV L N C A H DÀN THÉP KHƠNG GIAN CĨ K NS T BU LƠNG LIÊN K T STATIC LARGE DISPLACEMENT BEHAVIOR OF SPATIAL STEEL TRUSS SYSTEM WITH BOLT SLIP Chuyên ngành: T D Trình Dân D 60 58 02 08 , tháng 08 2021 N -HCM PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH h Nghiêm P.HCM ngày 22 tháng 08 2021 (Online Google Meet) - - - - - - - NHI M V LU MSHV: 1770369 Chuyên ngành: T Mã ngành: 60580208 I TÊN 01/08/1994 D Trình Dân D N TÀI: NG X CÓ K N V L N C A H DÀN THÉP KHÔNG GIAN NS T BU LÔNG LIÊN K T II Thi t l p ma tr c ng ph n t dàn thép không gian d a ngun lý cơng o ng xoay có k n ng x chuy n v l n s t c a bu lông liên k t Phát tri ng ngơn ng l p trình MATLAB b ng thu t u n chuy n v t ng quát hi u ch nh ki m ch xác c a k t qu phân tích v i nghiên c III : IV V 22/02/2021 : 05/08/2021 : PGS.TS Bùi Cơng Thành TP.HCM, ngày tháng 21 ƠN ĐÀO TẠO PGS.TS PGS.TS Bùi Công Thành i L IC c tiên, PGS.TS Ngô H tr c g i nh ng l i c bi chân thành t i Th y ng Th y PGS.TS Bùi Công Thành ng d n, h su t th i gian th c hi n lu c ThS m , c tơi có th hồn thành lu Nh ng ki n th c quý giá k hoàn thi n trình th c hi n lu n thi c giúp t tin ti p t c phát tri n nghiên c u khoa h c sau Tơi xin chân thành c ih nhi tồn th Th y Cô Khoa K thu t Xây d ng truy n th cho nh ng ki n th c quý báu th c hi n lu Sau cùng, tơi xin bày t lịng bi t ki n, h tr b n bè u ng viên su t trình h c t p nghiên c u t i T ng i h c Bách Khoa Do th i gian nghiên c u có h n hi u bi t h n ch nên lu không tránh kh i nh ng sai sót nh ch c ch n nh, tác gi kính mong Q Th c gi tơi có th b sung hoàn thi n nh ng nghiên c u sau TP H Chí Minh, tháng 08 Nguy n Thanh Ph ng ii 21 TÓM T T LU M t ph n t h u h c thi t l p l n cho h dàn thép không gian ch u t i tr i chuy n v ns b ng nguyên lý công o t ng t liên t b ng cách g n lò xo th chuy n v t ng quát hi u ch c áp d gi i h c phân tích so sánh v i nghiên c tin c y c a ph n t c áp d ng u c a ph n t v i chi u dài bi n d ng l n nh t b ng v i kho ng h ch t o gi a bu lông l b n mã thép Thu n Các ví d s t bulơng liên k t xu t iii u n ng phi ch ng ABSTRACT A corotational finite element is established for large-displacement elastic analysis of spatial steel trusses subjected to static load with bolt slip by the principle of virtual work Both instantaneous and continuous slip models are applied by attaching straight springs to the element ends with the maximum translations equal to the fabricated clearances between the bolts and the holes in steel gusset plates The modified generalized displacement control method is applied to solve the nonlinear equilibrium equation systems Some numerical examples are analyzed and their results are compared with the published results to prove the reliability of the proposed element iv L I CAM i dung trình bày lu is ng d n c a Th y PGS.TS Ngô H Thành Các s li u lu ng Th y PGS.TS Bùi Cơng c trình bày trung th c t k t qu phân tích c a phát tri n Các k t qu lu c công b nghiên c u khác Tôi xin ch u trách nhi m v lu a TP H Chí Minh, tháng 08 H c viên Nguy n Thanh Ph ng v 21 M CL C NHI M V LU L IC i ii TÓM T T LU .iii ABSTRACT iv L v DANH M C HÌNH V viii DANH M C CÁC KÝ HI U x M U 1.1 T ng quan phân tích phi n 1.1.1 Phi n hình h c 1.1.2 Phi n liên k t 1.2 Gi i thi u k t c u dàn thép 1.3 T ng quan tình hình nghiên c u 1.3.1 Tình hình nghiên c u th gi i 1.3.2 Tình hình nghiên c c 1.4 S c n thi t c a nghiên c u 1.5 M c tiêu nghiên c u 1.6 N i dung chi ti t 1.7 c ti n 1.7.1 c 1.7.2 c ti n 1.8 u 1.9 ng nghiên c u ph m vi nghiên c u 10 1.10 C u trúc c a lu 10 LÝ THUY T 11 vi 2.1 Các gi thi t 11 2.2 Ph n t ng xoay 11 2.3 Ph n t ng xoay có k 2.3.1 2.3.2 ns t bu lông liên k t 15 t bu lông liên k t 15 c ng ph n t có k ns 2.4 Thu t toán gi i h t bu lông liên k t 18 n 19 2.4.1 Thu t toán GDCM 21 2.4.2 Thu t toán MGDCM 23 CÁC VÍ D S 29 3.1 H dàn không gian 12 29 3.2 Thanh dàn ch u l c d c tr c 31 3.3 H dàn 34 3.4 H vòm 24 36 3.5 H dàn 35 Thomson 37 K T LU N 41 4.1 K t lu n 41 4.2 Ki n ngh 41 TÀI LI U THAM KH O 43 PH L C A 46 PH L C B 47 PH N LÝ L CH TRÍCH NGANG 50 O 50 Q TRÌNH CƠNG TÁC 50 vii DANH M C HÌNH V Hình 1-1 Mơ hình ph n t Hình 1-2 S ng xoay t bu lông liên k t Hình 2-1 ng h c ph n t h u h ng xoay 11 Hình 2-2 S d ch chuy n nh t c u hình hi n t i 14 Hình 2-3 Quan h l c Hình 2-4 chuy n v t bulơng liên k t 16 t liên k t bulông c a Kitipornchai [7] 17 Hình 2-5 Ph n t Hình 2-6 m gi i h n snap-through snap- Hình 2-7 D u c Hình 2-8 t bulơng liên k t 18 c cs d ng cân b ng 20 23 thu t toán MGDCM 25 Hình 3-1 Mơ hình dàn khơng gian 12 29 Hình 3-2 Quan h h s t i chuy n v a nút 30 Hình 3-3 Quan h h s t i chuy n v a nút 30 Hình 3-4 Quan h h s t i chuy n v a nút 31 Hình 3-5 ch u l c d c tr Hình 3-6 Quan h l c t bulông liên k t 31 chuy n v d c tr c 32 Hình 3-7 ng c a tham s nt l t (n=6) 33 Hình 3-8 ng c a tham s nt l t (m=100) 33 Hình 3-9 H dàn 34 Hình 3-10 Quan h l c chuy n v th ng c a h dàn 34 viii 3.4 H vòm 24 M th c trình bày Hình 3-12 ng c trình bày [18] Tác x c ah gi s d ng ph n t xu kh o sát so sánh v i nghiên c u c a Ramalingam, ng th i th c hi n tính tốn áp d ng mơ hình II v i tham s K t qu u n khác c trình bày Hình 3-13 Hình 3-12 Mơ hình h dàn vịm 24 thanh: (a) m Hình 3-13 Quan h l c chuy n v 36 ng t ng, (b) m t b ng nh vịm (n= 6) t theo mơ hình I, k t qu phân tích phù h p v i nghiên c u c a Ramalingam [18] V y r ng m 50 ng x c a h tham s m h it V h t ng t, ng x c a h t Tuy nhiên v i l n theo thông s 3.5 ng cân b ng c a h i theo n tr ng thái i nhi u so v ng t liên t c, quan h l c chuy n v thay u t H dàn 35 Thomson M t h dàn c trình bày hình Hình 3-14 g m 19 nút 35 ch ng M i Di n tích ti t di n c a m i ch ng xiên 5161mm2 , l i 5484 mm2 ng x c a h c trình bày [18] Tác gi s d ng ph n t xu kh o sát so sánh v i nghiên c u c a ng th i th c hi n tính tốn áp d ng mơ hình II v i tham s n khác K t qu c tr Hình 3-14 H dàn 35 Thomson 37 u Hình 3-15 Quan h l c ngang - chuy n v ngang ví d cs d chuy n v nghiên c u h dàn ph - ng h t ho c s d i l n so v t ng quan h l c- t I, k t qu phân tích c a Ramaligam [18] Khi áp d ng mơ hình t II, chuy n v n i l c h u ng ví d 3.3 3.4 trùng kh p t t v i nghiên c s g it ir theo c a giá tr c a tham h Thomson, m 10 quan h l c ng h t ng t 38 chuy n v Hình 3-16 Quan h l c ngang g it Quan h l c ngang-chuy n v ngang gi a nh ng - chuy n v ngang g it ng chuy n v ngang c th hi n hình Hình 3-15 Hình 3-16 m t giá tr l c chuy n v gi a nh p h u h t v trí, gi a nh p b ng m t n a so v i chuy n v g it a v i hi u ng St Venant [31]: quan h chuy n v ng su t nh kho ng cách l n t t l c ng quan h gi a l c ngang nh c ng h g it t s d ng chuy n v ngang gi a t I trùng kh p t t v i nghiên c a Ramaligam [18] 39 Hình 3-17 Quan h l c ngang l c d c xiên K t qu t không nl cd ng quan h gi a l c ng h u n m i v i h K t qu phù h p v i k t lu n c a Zhan c ng s [12] nghiên c u mơ hình th c nghi t bu lơng lên kh ng mơ hình I, k t qu phân tích phù h p v i nghiên c u c a Ramaligam [18] V chuy n v trùng kh p v g it u l c s phá h tr ng th 40 ng c a s lên k t c u ch u t i K T LU N 4.1 K t lu n M t ph n t c xây d ng m i cho toán phân i chuy n v l n c a h dàn thép ng x t c a bulông liên k t h c xem xét b ng cách g n thêm lò xo th ng vào h c t ng quát hi u ch t liên t c Thu cs d u n chuy n v t ng gi i h n xây d phát tri n b ng ngôn ng MATLAB Ph n t kh o sát ng c a s u ph n t áp d ng xu t bulông liên k không gian Các k t qu s cho th y ph n t c s d ng cho ví d s n ng x c a h k t c u dàn thép xu c áp d ng thành công cho i chuy n v l n c a h dàn thép ch u t i tr ng th i k t qu ng c n k t qu phân tích c xây d hình ph n t ng xoay, thi t l p ma tr tài s d ng mô c ng ph n t d a nguyên lý công o k t h p v i ng x bi n d ng d c tr c c a ph n t dàn không gian vào mơ hình t bu lơng liên k t Thu t toán MGDCM k t h p tiêu chu n xét d u t chuy n v có kh c bi ng cân b ng K t qu tính tốn cho th y, y u t phi n s bulông liên k t ng l n kh i hình h t ul cc ah c n xem xét y u t thi t k t áp d cho k t qu phân tích khác ph thu c nhi u tham s nên c n có thêm nghiên c u th c nghi m v v có thêm d li u khuy n cáo áp d ng thi t k 4.2 Ki n ngh Ph n t xu t c m i ch gi i h n khơng gian có liên k t d c tr c n a c ng ch u t i tr có xem xét chuy n v l n Do v y, vi c phát tri ng, ch u nhi t k toán dàn thép u t i tr ng n s ch y d o c a v t li u thép c n thi t 41 mb tin c y s d thêm nghiên c u th c nghi t bulông liên k t, c n có xây d ng b tham s áp d ng cho lo i liên k t bulơng có c u t u a, s gi a nhóm bulơng m t liên k u ki n t u t c n xem xét thêm nghiên c u ti p theo 42 TÀI LI U THAM KH O [1] F Joannides and W Weller, Structural Part London: Thomas Telford, 2002 steel design to BS5950: [2] K I E Ahmed, R K N D Rajapakse and M S joint slippage on the response of transmission towers subject to frost-heave, Advances in Structural Engineering, vol 12, no 1, pp 1-17, 2009 [3] J G S Silva, P C G Vellasco, S A L Andrade and M I R assessment of current steel design models for transmission and telecommunication towers, Journal of Constructional Steel Research vol 61, pp 1108-1134, 2005 [4] W O Peterson , J Power Div., Journal of the Power Division, vol 88, no 1, pp 39 65, 1962 [5] M , Div., Journal of the Power Division,vol 94, no 1, pp 24, 1968 [6] N P Rao, G M S Knight, N Lakshmanan and N R Iyer, tower deformation, Practice Periodical on Structural Design and Construction, vol 17, pp 65 73, 2012 [7] S Kitipornchai, F G A Al-Bermani and A H Peyrot, Effect of bolt slippage on ultimate behavior of lattice structures, Journal of Structural Engineering, vol 120, pp 2281 2287, 1994 [8] N Ungkurapinan, S R De S Chandraleerthy, R K N D Rajapakse and S B , Engineering structures, vol 25, no 6, pp 779 788, 2003 [9] H T Thai and S E Kim, Large deflection inelastic analysis of space trusses using generalized displacement control method, Journal of Constructional Steel Research vol 65, pp 1987-1994, 2009 [10] H Saffari, N M Mirzai, I Mansouri and M H Bagheripour, Efficient Numerical Method in Second-Order Inelastic Analysis of Space Trusses, Journal of Computing in Civil Engineering, vol 27, pp 127-138, 2013 [11] T Tiainen and M Heinisuo, Tubular Steel Truss Design Using Semi-rigid Joints , Computing in Civil and Building Engineering, vol 28, pp 1287-1294, 2014 [12] Y Zhan, G Wu and Q L Lu, Modeling the effect of joint slip in lattice steel structures, Journal of Performance of Constructed Facilities, vol 30, p 04015059, 2015 [13] C Lu, Y Ou, X Ma and J E Mills, Structural Analysis of Lattice Steel Transmission Towers: A Review, Journal of Steel Structures & Construction, vol 2, iss 1, p 1000114, 2016 [14] J M Battini Co-rotational Beam Elements in Instability Problems PhD 43 dissertation, Royal Institute of Technology, Sweden, 2002 [15] -Ochoa, Large Deflection Stability of Slender BeamColumns with Semirigid Connections: Elastica Approach, Journal of Engineering Mechanics, vol 130, pp 274-282, 2004 [16] W F Chen and E M Lui, Structural Stability Theory and Upper Saddle Rive: Prentice-Hall, 1987 [17] R M Souza Force-Based Finite Element for Large Displacement Inelastic Analysis of Frames PhD dissertation, UC Berkeley, 2000 [18] R Ramalingam and S A Jayachandran, A Computational Method for the Inelastic Postbuckling of Steel Space Structures with Bolt Slip, International Journal of Structural Stability and Dynamics, vol 17, p 1750044, 2017 [19] c, Nguy n S Lâm Nguy n T n Tiên, Phân tích chuy n v l n dàn khơng gian ngồi mi i, T p chí Xây d ng, s 10, tr 93-97, 2014 [20] Ph t Áp D ng Th a S Lagrange Phân Tích K t C u Dàn Ph ng Có u Ki c T Do Ch u T i Tr , T p chí Khoa H c Cơng Ngh Xây D ng, s 4, tr 33-38, 2017 [21] T N Doan-Ngoc, X L Dang, Q T Chu, R J Balling, C Ngo-Huu, Secondorder plastic-hinge analysis of planar steel frames using corotational beam-column element, Journal of Constructional Steel Research, vol 121, pp 413-26, 2016 [22] Tr Phân tích phi n khung thép ph ng n a c ng b ng ph n t ng xoay Lu , ng i h c Bách Khoa Tp H Chí Minh, 2006 [23] Nguy i Phân tích vùng d o phi n khung thép ph ng n a c ng ch u t i tr ng ph n t h u h ng xoay Lu , ng i h c Bách Khoa Tp H Chí Minh, 2017 [24] L L Yaw "3D Co-rotational Truss Formulation." Internet: https://gab.wallawalla.edu/~louie.yaw/Co-rotational_docs/3Dcorot_truss.pdf, 2011 [25] Y B Yang and M S Shieh, Solution method for nonlinear problems with multiple critical points, AIAA journal, vol 28, pp 2110-2116, 1990 [26] S E Leon, E N Lages, C N de Araújo and G H Paulino, On the effect of constraint parameters on the generalized displacement control method, Mechanics Research Communications, vol 56, pp 123-129, 2014 [27] S E Leon, G H Paulino, A Pereira I M Menezes and E N Lages Library of Nonlinear Solutation Schemes, Applied Mechanics Reviews, vol 64, iss 4, p 040803, 2011 [28] D Kroeker Structural Analysis of Transmission Towers with Connection Slip Modeling, Master Thesis, University of Manitoba, Canada, 2000 44 [29] J.-L Batoz and G Incremental Displacement Alogrithms for nonlinear problems, International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol 14, pp 1262-1267, 1979 [30] K I E Ahmed, R K N D Rajapakse and M S joint slippage on the response of transmission towers subjected to frost-heave, Adv Struct Eng., vol 12, no 1, pp 17, 2009 [31] I Choi and C O Horgan, Principle and End Effect in Anisotropic Elasticity, Journal of Applied Mechanics, vol 44, pp 424-430, 1977 [32] M A Crisfield and J Shi, An energy conserving co-rotational procedure for nonlinear dynamics with finite elements, Nonlinear Dynamics, vol 9, pp 37 52, 1996 [33] Y B Yang and L J Leu, nonlinear analysis of trusses, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol 92, pp 121-131, 1991 45 PH L C A CÁC KÍ HI U NH P LI C t Bi n s Di n gi i n_ele S ph n t n_nod S nút A Di n tích m t c t ngang ph n t E Fref L c tham chi u x,y,z T icon 10 bc 11 Ps1 L c ch t c a bu lông th nh t 12 Ps2 L c ch t c a bu lông th hai 13 nl, ml Tham s 14 ninc S l n gia t 15 dl_0 Tham s i c a v t li u t ph n t liên k t b i nút u ki n biên u n n, m c u 46 PH L C B S LI U C A CÁC VÍ D B.1 H dàn không gian 12 47 EA 0.5 0.5 1.0 1.0 B.2 H dàn ch u l c d c tr c EA/L 100 B.3 H dàn E (kN/mm2) A(m2) 2.06.108 0.06452 48 B.4 H vòm 24 EA(N) 10000 B.5 H dàn 35 Thomson 1,2,6,8,10,11,13,15,17,19,21,23,26,28,30,31,34,35 3,4,5,7,9,12,14,16,18,20,22,24,25,27,29,32,33 49 Area (mm ) 5161 5484 PH N LÝ L CH TRÍCH NGANG H tên: Nguy n Thanh Ph ng 01/08/1994 a ch liên l c: S Th S nh ng Hi ng Hi p Bình Chánh, thành ph c, TP.HCM n tho i: 0344 496 856 Email: nthanhphung94@gmail.com O 2012 2017 i h c Bách Khoa 2017 2021: H c viên cao h TP.HCM i h c Bách Khoa Q TRÌNH CƠNG TÁC 2017 2018: K 2018 Hi n t i: K tc ut n Thi t k Xây d t c u t i công ty TNHH nhà thép PEB Building 50 PEB Steel ... NG X CÓ K N V L N C A H DÀN THÉP KHÔNG GIAN NS T BU LÔNG LIÊN K T II Thi t l p ma tr c ng ph n t dàn thép không gian d a ngun lý cơng o ng xoay có k n ng x chuy n v l n s t c a bu lông liên k... có k Ni A ns (2.24) t bu lông liên k t t bu lông liên k t Trong liên k t bulông làm vi c nh ma sát, n i l m t ph ng vng góc v i tr c c a bulơng t i tr b il (2.22) A d c ng ti p n c a ph n t dàn. .. a dàn khơng gian có th ph c t p có nhi u bi n th v c liên k t v i thông qua liên k t mà ng x phi n c a k t c u dàn thép không gian m t quan tr ng phân tích k t c u m v nh u h u h t k t c u dàn