Luận văn thạc sĩ về mô phỏng ứng xử động phi tuyến của khung thép phẳng nửa cứng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật xây dựng mô phỏng ứng xử động phi tuyến khung thép phẳng nửa cứng dạng cổng, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn

• Tác giả: Keang Map
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Hữu Cường
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp
• Đề tài: Mô Phỏng Ứng Xử Động Khung Thép Nửa Cứng Trong Kỹ Thuật Xây Dựng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU
• 1.1. TỔNG QUAN
• 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.3. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG
• 2. CHƯƠNG II: LIÊN KẾT DẦM-CỘT
• 2.1. GIỚI THIỆU
• 2.2. PHÂN LOẠI LIÊN KẾT THEO EUROCODE
• 2.2.1. Phân loại theo độ cứng
• 2.2.2. Phân loại theo độ bền
• 2.3. CÁC LOẠI LIÊN KẾT NỬA CỨNG
• 2.4. CÁC MÔ HÌNH LIÊN KẾT NỬA CỨNG
• 2.4.1. Mô hình toán học
• 2.4.2. Mô hình số
• 2.4.3. Mô hình thí nghiệm
• 2.5. MÔ HÌNH LIÊN KẾT DƯỚI CHỊU TẢI TUẦN HOÀN
• 2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG II
• 3. CHƯƠNG III: MÔ HÌNH PHÂN TÍCH
• 3.1. MÔ HÌNH PHÂN TỬ HỮU HẠN
• 3.2. MÔ HÌNH LIÊN KẾT DẦM-CỘT TRONG ANSYS
• 3.2.1. Mô hình liên kết
• 3.2.2. Phần tử lò xo xoay COMBIN39
• 3.3. NHỮNG GIÁ ĐỊNH ĐỂ ĐƠN GIẢN HÓA
• 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG III
• 4. CHƯƠNG IV: VÍ DỤ KIỂM CHỨNG
• 4.1. PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG
• 4.1.1. Phân tích đối chứng: Khung thép 4 tầng Silva
• 4.1.2. Khung 2 nhịp 6 tầng Vogel
• 4.1.3. Khung 10 tầng Kameshki
• 4.2. PHÂN TÍCH TĨNH VÀ ĐỘNG
• 4.2.1. Mô hình dầm hai đầu liên kết lò xo xoay
• 4.2.2. Khung 2 nhịp 6 tầng Vogel
• 5. CHƯƠNG V: SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ TĨNH VÀ ĐỘNG
• 5.1. PHÂN TÍCH TĨNH
• 5.2. PHÂN TÍCH ĐỘNG
• 5.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG V
• 6. CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 6.1. TÓM TẮT
• 6.2. KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về khung thép và ứng xử của các liên kết trong kết cấu xây dựng là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật xây dựng. Các mô hình liên kết nửa cứng đóng vai trò chủ chốt trong việc xác định khả năng chịu lực của khung thép. Việc mô phỏng ứng xử động của các khung nửa cứng là cần thiết để hiểu rõ hơn về tính chất động lực học của các kết cấu. Kỹ thuật xây dựng hiện đại yêu cầu các nghiên cứu sâu về ứng xử của cấu trúc trong các tình huống tải trọng khác nhau, đặc biệt là trong điều kiện động. Việc đánh giá chính xác ứng xử của cấu trúc thép không chỉ giúp cải thiện thiết kế mà còn nâng cao độ an toàn và tính bền vững của công trình.

1.1 Tổng quan

Tình hình nghiên cứu về ứng xử của khung thép trên thế giới đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ trong việc áp dụng các phương pháp mô phỏng hiện đại. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ứng xử của các liên kết nửa cứng có thể được mô phỏng thông qua các mô hình toán học và phần mềm như ANSYS. Việc sử dụng công nghệ mô phỏng giúp các kỹ sư có thể dự đoán chính xác hơn về hành vi của các kết cấu trong điều kiện tải động. Đặc biệt, việc phân tích động lực học của khung thép là rất quan trọng để đảm bảo rằng các công trình có thể chịu được các tác động từ môi trường, như động đất hoặc gió mạnh.

II. Mô hình phân tích

Mô hình phân tích ứng xử động của khung thép nửa cứng thường sử dụng các phần tử lò xo xoay như COMBIN39 trong phần mềm ANSYS. Mô hình này cho phép mô phỏng độ cứng của liên kết giữa dầm và cột, từ đó phân tích các ứng xử tĩnh và động của kết cấu. Việc áp dụng các phương pháp phân tích này giúp xác định được các thông số như tải trọng động, ứng suất và biến dạng trong các cấu trúc thép. Kỹ thuật mô phỏng không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn cho phép các kỹ sư thực hiện các thử nghiệm trên mô hình ảo, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế hiệu quả hơn.

2.1 Mô hình liên kết dầm cột

Liên kết dầm-cột trong khung thép được phân loại dựa trên độ cứng và khả năng chịu lực. Các liên kết nửa cứng có ứng xử phi tuyến, và việc đánh giá chính xác ứng xử của chúng là rất quan trọng. Mô hình hóa liên kết nửa cứng cho phép các kỹ sư dự đoán được hành vi của kết cấu dưới tải trọng động. Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã chỉ ra rằng ứng xử của các liên kết này có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào các yếu tố như độ cứng và hình dạng của liên kết.

III. Ứng xử tĩnh và động

Việc phân tích ứng xử tĩnh và động của khung thép là rất quan trọng trong thiết kế kết cấu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ứng xử tĩnh thường không phản ánh chính xác hành vi thực tế của kết cấu khi chịu tải động. Do đó, cần thực hiện các phân tích động lực học để đảm bảo rằng các kết cấu có thể chịu được các tác động từ môi trường. Phân tích động không chỉ giúp đánh giá được khả năng chịu lực mà còn cho phép phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trong thiết kế.

3.1 Phân tích động

Phân tích động của khung thép nửa cứng cho phép xác định được các yếu tố như tần số tự nhiên, dao động và phản ứng của kết cấu dưới tải trọng động. Các mô hình mô phỏng cho thấy rằng ứng xử động của khung thép có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm độ cứng của liên kết và hình dạng của kết cấu. Việc sử dụng các phương pháp phân tích động giúp cải thiện tính chính xác trong việc dự đoán hành vi của kết cấu trong các tình huống tải trọng khác nhau.

IV. Kết luận

Nghiên cứu về mô phỏng ứng xử động của khung thép nửa cứng trong kỹ thuật xây dựng đã chỉ ra rằng việc sử dụng các mô hình mô phỏng hiện đại là rất cần thiết. Các nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện thiết kế mà còn nâng cao độ an toàn và tính bền vững của các công trình xây dựng. Việc áp dụng các phương pháp phân tích động và tĩnh sẽ giúp các kỹ sư có được cái nhìn tổng quát hơn về hành vi của kết cấu trong thực tế.

4.1 Đề xuất

Để nâng cao chất lượng thiết kế và phân tích kết cấu, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về ứng xử của khung thép nửa cứng. Việc phát triển các mô hình mô phỏng mới và cải tiến các phương pháp phân tích hiện có sẽ giúp các kỹ sư có thể dự đoán chính xác hơn về hành vi của kết cấu trong các điều kiện tải trọng khác nhau. Đồng thời, cần tăng cường nghiên cứu thực nghiệm để xác nhận tính chính xác của các mô hình mô phỏng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu khung thép dầm-cột là hệ kết cấu phổ biến trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, đặc biệt là các công trình có nhịp lớn, nhiều tầng và nhà xưởng. Theo ước tính, việc sử dụng kết cấu thép giúp rút ngắn thời gian thi công đáng kể so với vật liệu bê tông truyền thống. Các cấu kiện thép được sản xuất và gia công tại xưởng, sau đó lắp ráp tại công trường bằng các loại liên kết hàn hoặc bulông. Ứng xử của liên kết dầm-cột ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả làm việc của toàn bộ hệ kết cấu. Trong thiết kế truyền thống, liên kết dầm-cột thường được giả định là liên kết cứng hoặc khớp để đơn giản hóa tính toán. Tuy nhiên, thực tế cho thấy liên kết này có ứng xử nằm giữa hai trạng thái trên, gọi là liên kết nửa cứng, với đặc điểm phi tuyến phụ thuộc vào trạng thái làm việc của các bộ phận cấu thành.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình mô phỏng ứng xử phi tuyến và vòng trễ của liên kết dầm-cột nửa cứng trong khung thép chịu tải trọng tĩnh và động, sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ANSYS 12.1. Nghiên cứu tập trung vào mô phỏng độ cứng liên kết bằng phần tử lò xo xoay phi tuyến COMBIN39, đồng thời xét đến ảnh hưởng phi tuyến hình học (hiệu ứng P-Delta). Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích khung thép Vogel 6 tầng 2 nhịp, khảo sát ứng xử tĩnh và động, so sánh kết quả mô phỏng với các kết quả thực nghiệm và tài liệu chuyên ngành để kiểm chứng độ chính xác.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp phương pháp mô phỏng chính xác hơn cho liên kết nửa cứng, giúp nâng cao độ tin cậy trong thiết kế và phân tích kết cấu thép, đồng thời hỗ trợ dự đoán ứng xử động của hệ kết cấu trong điều kiện tải trọng thực tế, đặc biệt là tải trọng động đất và tải trọng điều hòa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình liên quan đến ứng xử của liên kết dầm-cột nửa cứng trong kết cấu thép:

• Phân loại liên kết theo Eurocode 3: Liên kết được phân thành ba loại chính dựa trên độ cứng xoay: liên kết cứng, liên kết khớp và liên kết nửa cứng. Liên kết nửa cứng có độ cứng nằm giữa hai loại còn lại, có khả năng truyền mômen, lực cắt và lực dọc nhưng với ứng xử phi tuyến.

• Mô hình liên kết nửa cứng: Nghiên cứu sử dụng mô hình hàm mũ Chen-Lui (1988) để mô phỏng ứng xử phi tuyến của liên kết, đặc trưng bởi đường cong mômen-góc xoay và vòng trễ hysteresis. Mô hình này cho phép mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến và vòng trễ của liên kết dưới tải trọng động.

• Mô hình bốn thông số Richard-Abbott (1975): Được sử dụng để khảo sát sự khác biệt khi lựa chọn các mô hình liên kết nửa cứng khác nhau, với ưu điểm là mô hình vật lý tốt, tính toán đơn giản và luôn đảm bảo độ cứng liên kết dương.

• Ảnh hưởng phi tuyến hình học (hiệu ứng P-Delta): Ảnh hưởng bậc hai của biến dạng lớn trong dầm và cột được xem xét để mô phỏng chính xác hơn ứng xử thực tế của kết cấu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu đầu vào bao gồm các đặc trưng hình học và vật liệu của khung thép Vogel 6 tầng 2 nhịp, các thông số liên kết nửa cứng theo mô hình Chen-Lui, cùng các kết quả thực nghiệm và tài liệu chuyên ngành để đối chiếu.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm ANSYS 12.1 với các phần tử hữu hạn:

  • Phần tử BEAM23 để mô phỏng dầm và cột với khả năng mô phỏng tác động phi tuyến hình học.

  • Phần tử lò xo xoay phi tuyến COMBIN39 để mô phỏng liên kết dầm-cột nửa cứng với ứng xử vòng trễ.

  • Phần tử MASS21 để mô phỏng khối lượng tập trung.

• Phương pháp chọn mẫu: Mô hình khung Vogel 6 tầng 2 nhịp được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu điển hình, đại diện cho các công trình khung thép nhiều tầng có liên kết nửa cứng.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2012, bao gồm xây dựng mô hình, phân tích tĩnh và động, so sánh kết quả và hoàn thiện luận văn.

• Phương pháp giải bài toán: Phân tích tĩnh sử dụng thuật toán Newton-Raphson, phân tích trị riêng dùng thuật toán Lanczos, phân tích động sử dụng phương pháp Newmark kết hợp thuật toán lặp phi tuyến Newton-Raphson để giải hệ phương trình động lực học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô phỏng ứng xử phi tuyến và vòng trễ của liên kết nửa cứng: Mô hình lò xo xoay COMBIN39 trong ANSYS cho phép mô phỏng chính xác đường cong mômen-góc xoay phi tuyến và vòng trễ hysteresis của liên kết dầm-cột. Kết quả phân tích tĩnh và động cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các loại liên kết cứng, nửa cứng và khớp, với độ cứng ban đầu của liên kết nửa cứng khoảng 50.000 kNm/rad.

2. Ảnh hưởng của độ cứng liên kết đến tần số dao động tự nhiên: So sánh các khung thép 4 tầng Silva với các mức độ cứng liên kết khác nhau cho thấy tần số dao động tự nhiên tăng từ khoảng 3.07 Hz (liên kết mềm) lên 4.62 Hz (liên kết cứng), tức tăng khoảng 50%. Điều này chứng tỏ độ cứng liên kết ảnh hưởng lớn đến đặc trưng động học của kết cấu.

3. Ứng xử động của khung Vogel 6 tầng 2 nhịp: Hệ số khuếch đại động Ap (tỷ lệ giữa ứng xử động và tĩnh) của chuyển vị và phản lực tại đỉnh khung thay đổi theo tần số tải trọng điều hòa và độ cứng liên kết. Khi tần số kích thích gần với tần số dao động riêng của hệ, hiện tượng cộng hưởng không xảy ra do ứng xử vòng trễ của liên kết nửa cứng giúp tiêu tán năng lượng.

4. So sánh mô hình liên kết nửa cứng khác nhau: Mô hình hàm mũ Chen-Lui và mô hình bốn thông số Richard-Abbott cho kết quả tương đồng về ứng xử phi tuyến, tuy nhiên mô hình Chen-Lui yêu cầu nhiều tham số hiệu chỉnh hơn. Mô hình Richard-Abbott được đánh giá là hiệu quả và tiện lợi cho tính toán.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ bản chất phi tuyến và vòng trễ của liên kết nửa cứng, làm giảm độ cứng hiệu dụng khi tải trọng tăng và tạo ra hiệu ứng giảm chấn trong phân tích động. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng trong luận văn phù hợp với các kết quả thực nghiệm và tài liệu chuyên ngành, khẳng định độ tin cậy của phương pháp sử dụng phần tử lò xo xoay COMBIN39 trong ANSYS.

Việc mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến và vòng trễ giúp dự đoán ứng xử thực tế của kết cấu dưới tải trọng động, đặc biệt là tải trọng động đất và tải trọng điều hòa, từ đó nâng cao hiệu quả thiết kế và đảm bảo an toàn kết cấu. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong mômen-góc xoay, biểu đồ hệ số khuếch đại động theo tần số, và bảng so sánh tần số dao động tự nhiên giữa các loại liên kết.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng mô hình lò xo xoay phi tuyến COMBIN39 trong thiết kế kết cấu thép: Khuyến nghị các kỹ sư thiết kế sử dụng mô hình này để mô phỏng liên kết nửa cứng, nhằm nâng cao độ chính xác trong phân tích ứng xử tĩnh và động của khung thép. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án thiết kế hiện tại.

2. Xem xét ảnh hưởng phi tuyến hình học trong phân tích kết cấu: Đề xuất tích hợp hiệu ứng P-Delta trong các phần mềm phân tích để phản ánh chính xác biến dạng lớn và ứng xử phi tuyến của kết cấu. Chủ thể thực hiện: các đơn vị thiết kế và phần mềm chuyên ngành, trong vòng 1-2 năm tới.

3. Khảo sát và lựa chọn mô hình liên kết phù hợp: Tùy theo yêu cầu thiết kế và dữ liệu thực nghiệm, lựa chọn mô hình Chen-Lui hoặc Richard-Abbott để mô phỏng liên kết nửa cứng, cân nhắc giữa độ chính xác và tính tiện lợi. Thời gian thực hiện: trong quá trình thiết kế và phân tích.

4. Nâng cao nghiên cứu ứng xử động của kết cấu thép: Khuyến khích nghiên cứu sâu hơn về ứng xử vòng trễ và giảm chấn của liên kết nửa cứng dưới tải trọng động đất và tải trọng điều hòa, nhằm phát triển các tiêu chuẩn thiết kế mới. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học trong 3-5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu thép: Nắm bắt phương pháp mô phỏng liên kết nửa cứng chính xác, áp dụng trong thiết kế các công trình dân dụng và công nghiệp để tối ưu hóa kết cấu và tiết kiệm chi phí.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành xây dựng: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo về mô hình liên kết nửa cứng, phương pháp phân tích phi tuyến và ứng xử động của kết cấu thép.

3. Sinh viên cao học ngành xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp: Học tập các phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn, phân tích phi tuyến và ứng dụng phần mềm ANSYS trong nghiên cứu kết cấu.

4. Các đơn vị tư vấn và kiểm định kết cấu: Áp dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá chính xác hơn về trạng thái làm việc của liên kết dầm-cột trong các công trình hiện hữu, đặc biệt khi đánh giá an toàn chịu tải động.

Câu hỏi thường gặp

1. Liên kết nửa cứng là gì và tại sao cần mô phỏng chính xác?
   Liên kết nửa cứng có độ cứng nằm giữa liên kết cứng và khớp, truyền mômen và lực cắt nhưng với ứng xử phi tuyến. Mô phỏng chính xác giúp dự đoán đúng ứng xử thực tế của kết cấu, tránh sai số trong thiết kế và đảm bảo an toàn.

2. Phần tử lò xo xoay COMBIN39 trong ANSYS có ưu điểm gì?
   COMBIN39 mô phỏng được ứng xử phi tuyến và vòng trễ của liên kết, cho phép phân tích tĩnh và động chính xác, đồng thời tích hợp hiệu ứng phi tuyến hình học, phù hợp với các bài toán kết cấu phức tạp.

3. Ảnh hưởng của phi tuyến hình học (P-Delta) trong phân tích kết cấu là gì?
   Phi tuyến hình học phản ánh biến dạng lớn và chuyển vị ngang của cấu kiện, ảnh hưởng đến độ cứng và ổn định kết cấu. Xem xét hiệu ứng này giúp mô phỏng chính xác hơn ứng xử thực tế, đặc biệt trong tải trọng động.

4. Mô hình Chen-Lui và Richard-Abbott khác nhau thế nào?
   Mô hình Chen-Lui sử dụng hàm mũ với nhiều tham số hiệu chỉnh, mô phỏng chi tiết ứng xử phi tuyến. Mô hình Richard-Abbott đơn giản hơn với bốn tham số, dễ tính toán và vẫn đảm bảo độ chính xác cao.

5. Ứng xử vòng trễ của liên kết nửa cứng có tác dụng gì trong kết cấu?
   Ứng xử vòng trễ giúp tiêu tán năng lượng động, giảm hiện tượng cộng hưởng và tăng khả năng chịu tải động của kết cấu, đặc biệt quan trọng trong thiết kế kháng chấn.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng ứng xử phi tuyến và vòng trễ của liên kết dầm-cột nửa cứng trong khung thép bằng phần tử lò xo xoay COMBIN39 trên phần mềm ANSYS 12.1.
• Kết quả phân tích tĩnh và động cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của độ cứng liên kết đến đặc trưng dao động và ứng xử chuyển vị của khung thép.
• Mô hình hàm mũ Chen-Lui và mô hình bốn thông số Richard-Abbott được đánh giá là phù hợp để mô phỏng liên kết nửa cứng với độ chính xác cao.
• Ứng xử vòng trễ của liên kết nửa cứng giúp giảm thiểu hiện tượng cộng hưởng và tăng khả năng chịu tải động của kết cấu.
• Đề xuất áp dụng mô hình này trong thiết kế và phân tích kết cấu thép, đồng thời nghiên cứu sâu hơn về ứng xử động và tiêu chuẩn thiết kế liên kết nửa cứng trong tương lai.

Next steps: Triển khai áp dụng mô hình trong các dự án thực tế, mở rộng nghiên cứu ứng xử động dưới tải trọng động đất và tải trọng gió, phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế liên kết nửa cứng.

Call-to-action: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng phương pháp mô phỏng này để nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong thiết kế kết cấu thép hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I GIỚI THIỆU L1 TONG QUAN Nhiều nghiên cứu đã chi ra rang một trong những công việc có liên quan nhất trong việc thiết kế kết cau thép và kết cau liên hợp là việc đánh giá chính xác về ứng xử của mô hình kết cau đại diện cho ứng xử thực tế của liên kết dầm-cột. Van dé nay đã là chủ dé của nhiều nghiên cứu. Trong thiết kế trạng thái giới hạn cần nghiên cứu sâu rộng về các ứng xử của kết cầu ứng với các cấp tải cudi cùng, độ cứng của các liên kết dầm-cột đóng vai trò rất quan trọng tới khả năng chịu lực cực hạn của kết cấu khung thép. Việc dự đoán ứng xử của kết cầu lý tưởng mà không kể đến độ cứng của liên kết dầm-cột có thé dẫn đến việc đánh giá không chính xác ứng xử thực tế của kết cau trong phân tích thiết kế kết cau.

Trong thiết kế kết cấu thép truyền thống, hầu hết các liên kết dầằm-cột được giả định là mô hình liên kết cứng (rigid connection) hoặc liên kết khớp (hinge) dé đơn giản hóa mô hình phân tích. Liên kết cứng là liên kết mà ở đó không xảy ra góc xoay giữa các cấu kiện liên kết và truyền toàn bộ mômen uốn, lực cắt và lực dọc. Ngược lại, liên kết khớp được đặc trưng bởi chuyển vị xoay tự do giữa các cau kiện liên kết và không có truyền mômen uốn giữa các cầu kiện của liên kết mà chi truyền lực lực dọc và lực cat. Tuy nhiên trong thực tế, các liên kết không thé hiện được ứng xử ly tưởng như vậy.

Các liên kết giữa dầm và cột có ứng xử năm ở giữa ứng xử của liên kết cứng và liên kết khớp do đó những liên kết này được gọi là nửa cứng (semi-rigid connection). Liên kết nửa cứng được đặc trưng bởi đường cong quan hệ mômen-góc xoay riêng của từng loại liên kết. Hầu hết các thí nghiệm đều chứng minh rang đường cong quan hệ mômen-góc xoay của các loại liên kết đều có ứng xử phi tuyến. Điều đó cho thấy răng việc mô phỏng liên kết dầm-cột hợp lý là rất quan trọng dé thiết kế và phân tích kết cấu chính xác.

Khác với phi tuyến liên kết, ảnh hưởng bậc hai của phi tuyến hình học của dầm và cột cũng đóng vai trò quan trọng. Phân tích kết cau có kế đến phi tuyến hình học trong phân tích bậc hai hay phân tích P-Delta (P-8 và P-A). Ứng xử phi tuyến hình học xảy ra khi có sự biến đổi 4 hình học của các thành phan dầm-cột khi bị uốn cong và kết cấu xuất hiện các chuyền vị ngang (hoặc lệch) so với trạng thái ban đầu. Một điều quan trọng khác là việc phân tích động cho khung thép phăng có xét đến ảnh hưởng của độ cứng liên kết, đặc biệt là liên kết nửa cứng phi tuyến.

Phần lớn các nghiên cứu và phân tích thiết kế thực hành chỉ tập trung vào phân tích ứng xử tĩnh của hệ kết cau. Phân tích tĩnh tuy đơn giản nhưng không phan ánh được chính xác ứng xử của hệ do bỏ qua tác động của hiện tượng cộng hưởng và khả năng giảm chấn nhờ ứng xử vòng trễ của liên kết. Do đó cần phải nghiên cứu ứng xử động của hệ kêt cau dé có thê tiên đoán chính xác hơn ứng xử của hệ kết cau.2 TINH HÌNH NGHIÊN CỨU I2.1 Tình hình nghiên cứu trên thé giới Các nghiên cứu về ứng xử của khung thép có liên kết nửa cứng cần có biểu đỗ quan hệ mômen-góc xoay của liên kết ứng với trường hợp tải tĩnh và biểu dé ứng xử vòng trễ của quan hệ mômen-góc xoay đối với tải động. Các thí nghiệm về khung thép có liên kết nửa cứng đã được thực hiện và nghiên cứu cho từng loại liên kết khác nhau ứng với tải tĩnh và động.

Những nghiên cứu thực nghiệm đầu tiên được tiến hành bởi Rathbun (1936), Hechtman và Johnston (1947). Trong các nghiên cứu này 15 kết quả thực nghiệm với tải tĩnh được tiến hành trên liên kết thép góc trên và dưới dầm (Top and seat angle connection) được liên kết bang đinh tán cho thay răng liên kết chịu một phan mômen đầu dầm do đó được xem như liên kết nửa cứng. Từ kết quả thực nghiệm của liên kết thép chịu tải lặp, Popov và Pinkley (1968) dùng hàm Ramberg-Osgood hiệu chỉnh dé dé xuất mô hình vòng trễ của liên kết sát với kết quả thực nghiệm. Markley và Gestlen (1982) đã báo cáo các kết quả của 26 thí nghiệm trên các loại liên kết khác nhau của liên kết nửa cứng.

Đường cong mômen-góc xoay được thiết lập dựa vào những kết quả thí nghiệm của các trường hợp tải tuần hoàn va tai tĩnh. Driscol và Lu (1989) báo cáo kết qua thí nghiệm của 6 khung đúng ty lệ dùng liên kết thép góc trên và dưới dầm (top and seat angle connection) chịu tải 5 trọng tuần hoàn, trong đó số hàng bulông. bề dày thép góc kẹp trên va bulông kéo trước được cau tạo khác nhau. Gan đây, Nader và Astaneh (1991) [2] đã thực hiện thí nghiệm bàn lắc giả lập điều kiện động đất tác động vào khung công có liên kết lần lượt là khớp (hai thép góc hai bên bụng dầm), nửa cứng (các thép góc ở cánh trên, cánh dưới, và hai bên bụng dầm) và liên kết cứng (cánh dầm được hàn trực tiếp vào cột và bụng dầm liên kết với cột bang thép góc).

Kết quả nghiên cứu cho thay khung nửa cứng có lực cắt đáy giảm nhưng chuyền vị ngang tăng so với trường hợp khung cứng. Các nghiên cứu lý thuyết về phân tích phi tuyến khung thép có liên kết nửa cứng chịu tải tĩnh và động: Chen và Lui (1986) [1] đề xuất một phương pháp phân tích dựa vào các phần tử hữu hạn để xác định lực và chuyển VỊ trong kết cấu có xét tới ảnh hưởng của phi tuyến hình học và phi tuyến liên kết. Elnashai Elgazhouli (1994) [3] nghiên cứu ứng xử của khung thép nửa cứng chịu tác dụng của động đất và kết luận răng khung thép nửa cứng có chuyền vị nhỏ hơn so với các mô hình mềm và cứng. Vì vậy, họ kết luận rằng các khung nửa cứng có xu hướng chịu được tác động động đất tốt hơn so với khung cứng hay khung mềm.

Barsanvà Chiorean (1996) [4] đã phát triển một chương trình phân tích có thể mô phỏng ứng xử của kết câu khung thép có xét tới ảnh hưởng bậc hai, ứng xử nửa cứng của liên kết dầm-cột và phi tuyến vật liệu. Chan và Chui (2000) [5] nghiên cứu ứng xử tĩnh và động cua mô hình dé xuất cua Vogel có xét tới ảnh hưởng phi tuyến hình học và phi tuyến liên kết và kết luận rằng khi chuyển vị và nội lực trong hệ kết cầu có xu hướng lớn hơn khi mô hình được tác dụng bởi hoạt tải với tần số kích thích nhỏ hơn. Đối với trường hợp các tần số kích thích băng tần số cơ bản của kết cau, mô hình này không xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Sekulovic, Salatic và Nefovska (1999) [6] đã xây dựng một chương trình tinh toán dựa trên phương pháp phan tử hữu hạn dé phân tích nội lực và chuyền vị trong khung thép có kế đến ứng xử của phi tuyến hình học và phi tuyến liên kết.

Dé mô phỏng ứng xử của liên kêt dâm-cột trong hệ kêt cầu, nghiên cứu này đã đề xuât sử 6 dụng các liên kết lệch tâm bao gồm một phan tử lò xo có độ cứng vô han của thanh xoay. Kameshki va Saka (1999) [7] đã sử dung một thuật toán di truyén dé tối ưu hóa đường cong mômen-góc xoay của kết cấu thép và kết luận rằng hệ kết cau với các liên kết nửa cứng có xu hướng có trọng lượng ít hơn so với hệ có các liên kết mềm. Kim Seung-Eock và Se-Hyu Choi (2000) [8] đề xuất sử dụng mô hình liên kết của Kishi & Chen để mô phỏng ứng xử tĩnh của khung ba chiều có xét tới ứng xử phi tuyến hình học, liên kết đầm-cột va vật liệu. Keulen, Nethercot và Snijder (2003) [9] đã đánh giá ứng xử của liên kết nửa cứng theo phương pháp độ cứng cát tuyến và kết luận rằng phương pháp này là phù hợp dé đánh giá ứng xử phi tuyến của liên kết nửa cứng.

Castro cùng cộng sự (2005) [I0] đã nghiên cứu ảnh hưởng của liên kết nửa cứng trong ứng xử động của kết cau khung thép phăng và kết luận rang khung thép phang sử dụng liên kết dầm-cột có ứng xử phi tuyến có thé chịu được tải trọng tuần hoàn tốt hon. Silva cùng cộng sự (2005) [11] thực hiện một phân tích tham số để xác định ứng xử tĩnh của khung thép có tính đến ứng xử nửa cứng của liên kết dầm-cột. Trong đó, một mô hình lò xo thăng tuyến tính đã được sử dụng để mô phỏng liên kết dam-cét. Silva cùng cộng sự (2008) [12] đã nghiên cứu ứng xử tinh và động của công trình thép 4 tầng với ứng xử nửa cứng tuyến tính và phi tuyến của liên kết dam-cét (tuyến tính và phi tuyến) băng cách sử dụng phần mềm ANSYS 10.0, trong đó liên kết dầằm-côt được mô phòng bang phan tử lò xo xoay COMBIN39: nghiên cứu đã xác định ứng xử vòng trễ của liên kết dưới tác dụng của tải trọng động tuần hoàn băng mô hình ứng xử trễ với đường chất tải và dỡ tải theo đường tuyến tính song song (Hình I- la).

Trong luận văn này, tác giả sẽ nghiên cứu ứng xử vòng trễ theo mô hình đường cong Kishi-Chen [23] để có thể tiên đoán chính xác hơn ứng xử của hệ kết cầu (Hình I-1b). ———- loading ~~ “hy unloading Fig. Adopted hysteretic model. Mô hình tuyến tinh (Silva[12]) b.

Mô hình đường cong (Kishi-Chen[23]) Hình I-1.M6G hình ứng xử vòng tré của liên kết nửa cứng phi tuyến L2.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam Ở Việt Nam các nghiên cứu phân tích ứng xử của khung thép chịu tải trọng tĩnh và động có liên kết nửa cứng và có kế đến các ứng xử phi tuyến hình học và vật liệu chỉ mới được quan tâm nghiên cứu gần đây. Các nghiên cứu này cũng chỉ là phân tích lý thuyết chứ chưa có điều kiện để làm thí nghiệm. Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu như sau: Đoàn Tuyết Ngọc (2000) [13] xác định tý số giữa độ cứng nút và độ cứng thanh, sau đó sử dụng phương pháp chuyên vị truyền thống dé tìm chuyền vị va nội lực của phần tử dưới tác dụng của tải trọng. Trần Tuan Kiệt (2002) [14] xét đến liên kết nửa cứng thông qua việc đưa độ cứng tiếp tuyến của nó và áp dụng phương pháp hiệu chỉnh khớp dẻo.

Sau đó phân tích khung bằng phương pháp phân tích nâng cao để tìm nội lực và chuyền vị.