Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng mô phỏng quá trình va chạm liên tiếp theo thời gian giữa khung thép và nhiều vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến hình học

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô phỏng va chạm giữa khung thép và vật nặng, phân tích yếu tố phi tuyến hình học trong kỹ thuật xây dựng.

• Tác giả: Châu Ngọc Lâm
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Nguyên
• Trường học: Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
• Đề tài: Mô Phỏng Va Chạm Khung Thép Với Vật Nặng: Nghiên Cứu Phi Tuyến Hình Học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Long An

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hiện tượng va chạm
• 1.2. Các giả thiết của va chạm
• 1.3. Quan hệ chuyển động trong thời gian va chạm
• 1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
• 1.5. Lý do chọn đề tài
• 1.6. Lợi ích của đề tài
• 1.7. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.8. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Bài toán tiếp xúc
• 2.2. Mô hình ma sát
• 2.3. Phương pháp Penalty và Lagrange multiplier
• 2.4. Lý thuyết động lực học quá độ
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
• 3.1. Giới thiệu về ANSYS APDL
• 3.2. Phần tử mô phỏng và lưu đồ mô phỏng
• 3.3. Phần tử BEAM188 trong ANSYS
• 3.4. Phần tử PLANE182 trong ANSYS
• 3.5. Phần tử TARGE169 trong ANSYS
• 3.6. Phần tử CONTA172 trong ANSYS
• 3.7. Trình tự các bước thực hiện
• 3.8. Tính bền cho thanh dầm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Khuyết điểm luận văn
• 4.2. Kiến nghị và hướng phát triển
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan

Trong lĩnh vực xây dựng, khung thép đã trở thành một lựa chọn phổ biến nhờ vào tỷ lệ sức mạnh-trọng lượng vượt trội. Việc sử dụng khung thép trong các công trình như nhà xưởng, cầu và các tòa nhà cao tầng không chỉ mang lại tính thẩm mỹ mà còn đảm bảo độ bền và an toàn. Tuy nhiên, việc tính toán nội lực và biến dạng của khung thép dưới tác động của tải trọng va chạm là một thách thức lớn. Đặc biệt, nghiên cứu phi tuyến hình học trong quá trình va chạm liên tiếp giữa khung thép và vật nặng là cần thiết để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế. Việc áp dụng các phương pháp mô phỏng hiện đại như phương pháp phần tử hữu hạn giúp giảm thiểu thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu và thiết kế.

1.1. Hiện tượng va chạm

Va chạm là một quá trình động lực học phức tạp, trong đó vật nặng có thể gây ra những biến dạng lớn cho khung thép. Trong quá trình va chạm, lực tác động có thể thay đổi nhanh chóng, dẫn đến những biến dạng không thể dự đoán trước. Việc phân tích hiện tượng này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về ứng xử của khung thép mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế các kết cấu an toàn hơn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, việc đánh giá chính xác lực va chạm và thời gian tác động là rất quan trọng để xác định khả năng chịu lực của khung thép.

1.2. Các giả thiết của va chạm

Để đơn giản hóa bài toán, một số giả thiết cần được đưa ra. Đầu tiên, lực va chạm được coi là lực lớn nhất trong quá trình va chạm, do đó có thể bỏ qua các lực thông thường như trọng lực. Thứ hai, trong thời gian va chạm, các chất điểm trong hệ được giả định là đứng yên, giúp giảm thiểu độ phức tạp trong tính toán. Cuối cùng, quá trình va chạm được chia thành hai giai đoạn: biến dạng và khôi phục, điều này giúp hiểu rõ hơn về cách mà khung thép phản ứng dưới tác động của vật nặng.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết cho việc mô phỏng va chạm giữa khung thép và vật nặng dựa trên các nguyên lý động lực học và lý thuyết tiếp xúc. Việc áp dụng các mô hình ma sát và phương pháp Penalty giúp mô phỏng chính xác hơn các tương tác giữa các vật thể. Lý thuyết động lực học quá độ cũng được sử dụng để phân tích các lực tác động trong quá trình va chạm. Những kiến thức này không chỉ giúp xây dựng mô hình mô phỏng mà còn cung cấp nền tảng cho việc phân tích và đánh giá ứng xử của khung thép trong các tình huống va chạm khác nhau.

2.1. Bài toán tiếp xúc

Bài toán tiếp xúc trong mô phỏng va chạm giữa khung thép và vật nặng là một trong những vấn đề quan trọng. Việc xác định chính xác các điểm tiếp xúc và lực tác động tại các điểm này là rất cần thiết để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng. Các phương pháp như phương pháp Penalty và Lagrange multiplier được sử dụng để mô phỏng các tương tác này, giúp tạo ra một mô hình gần gũi với thực tế hơn.

2.2. Lý thuyết động lực học quá độ

Lý thuyết động lực học quá độ cung cấp các công cụ cần thiết để phân tích các lực tác động trong quá trình va chạm. Việc áp dụng lý thuyết này giúp hiểu rõ hơn về cách mà khung thép phản ứng dưới tác động của vật nặng. Các phương trình động lực học được thiết lập để mô phỏng các trạng thái khác nhau của hệ thống trong quá trình va chạm, từ đó đưa ra các dự đoán về ứng xử của khung thép.

III. Mô hình tính toán mô phỏng

Mô hình tính toán mô phỏng được xây dựng dựa trên phần mềm ANSYS APDL, cho phép thực hiện các phân tích phức tạp về va chạm giữa khung thép và vật nặng. Các phần tử mô phỏng như BEAM188, PLANE182, TARGE169 và CONTA172 được sử dụng để tạo ra các mô hình chính xác. Trình tự các bước thực hiện mô phỏng được thiết lập rõ ràng, từ việc tạo mô hình đến việc phân tích kết quả. Việc sử dụng phần mềm này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ chính xác trong việc dự đoán ứng xử của khung thép trong các tình huống va chạm khác nhau.

3.1. Giới thiệu về ANSYS APDL

ANSYS APDL là một phần mềm mạnh mẽ cho phép thực hiện các mô phỏng phức tạp trong lĩnh vực cơ học. Phần mềm này cung cấp nhiều công cụ để xây dựng mô hình và phân tích các hiện tượng vật lý, bao gồm cả va chạm. Việc sử dụng ANSYS APDL trong nghiên cứu này giúp tạo ra các mô hình chính xác và dễ dàng điều chỉnh theo yêu cầu của bài toán.

3.2. Phần tử mô phỏng và lưu đồ mô phỏng

Các phần tử mô phỏng như BEAM188 và PLANE182 được sử dụng để mô phỏng các thành phần của khung thép. Lưu đồ mô phỏng được thiết lập để hướng dẫn quá trình thực hiện mô phỏng, từ việc tạo mô hình đến việc phân tích kết quả. Việc sử dụng các phần tử này giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình mô phỏng.

IV. Kết luận và đề xuất hướng phát triển

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc mô phỏng va chạm giữa khung thép và vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến hình học là rất cần thiết. Kết quả từ mô phỏng không chỉ cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế các kết cấu an toàn mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực này. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo là mở rộng mô hình để xem xét các yếu tố khác như ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến ứng xử của khung thép trong quá trình va chạm.

4.1. Khuyết điểm luận văn

Mặc dù nghiên cứu đã đạt được nhiều kết quả tích cực, vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục. Việc mô phỏng chỉ tập trung vào một số loại vật nặng nhất định và chưa xem xét đến các yếu tố môi trường có thể ảnh hưởng đến kết quả. Điều này có thể dẫn đến những sai lệch trong việc dự đoán ứng xử thực tế của khung thép.

4.2. Kiến nghị và hướng phát triển

Để nâng cao độ chính xác của mô phỏng, cần mở rộng nghiên cứu để bao gồm nhiều loại vật nặng và các yếu tố môi trường khác. Việc áp dụng các công nghệ mới trong mô phỏng và phân tích cũng sẽ giúp cải thiện kết quả nghiên cứu. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc nghiên cứu ứng xử của khung thép dưới tác động của các loại tải trọng khác nhau trong thời gian dài.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu khung thép là một trong những vật liệu xây dựng chủ đạo trong các dự án công nghiệp và dân dụng hiện nay, đặc biệt tại Việt Nam, nơi nhà thép tiền chế được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng nhà kho, nhà xưởng và nhà dân dụng khung thép. Với tỷ lệ sức mạnh-trọng lượng vượt trội, thép mang lại nhiều ưu điểm về độ bền, tính kinh tế và khả năng thi công nhanh chóng. Tuy nhiên, việc tính toán nội lực và biến dạng của kết cấu khung thép dưới tác động tải trọng va chạm liên tiếp theo thời gian là một thách thức lớn do tính phức tạp và yếu tố phi tuyến hình học.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là mô phỏng quá trình va chạm liên tiếp theo thời gian giữa khung thép và nhiều vật nặng, đồng thời xét đến yếu tố phi tuyến hình học nhằm phân tích đáp ứng động lực học của kết cấu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng ứng xử cơ học của kết cấu khung thép trong quá trình va chạm liên tiếp, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm ANSYS APDL, trong khoảng thời gian mô phỏng 3 giây.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của các mô hình tính toán, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian so với phương pháp thực nghiệm truyền thống. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng kết cấu khung thép trong các công trình xây dựng lớn, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Theo ước tính, việc mô phỏng chính xác quá trình va chạm có thể giảm thiểu rủi ro hư hỏng kết cấu lên đến 15-20% trong các dự án thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết động lực học quá độ: Phương trình chuyển động bán rời rạc của hệ cơ học được mô tả qua ma trận khối kết cấu, ma trận giảm chấn và ma trận độ cứng kết cấu. Phương pháp tích phân thời gian Newmark được sử dụng để giải các phương trình động lực học phi tuyến, đảm bảo độ ổn định và chính xác trong mô phỏng.

• Mô hình tiếp xúc và ma sát Coulomb: Định luật Coulomb được áp dụng để mô phỏng trạng thái dính và trượt giữa các bề mặt tiếp xúc. Hai phương pháp Penalty và Lagrange multiplier được sử dụng để xử lý điều kiện tiếp xúc trong mô hình phần tử hữu hạn, trong đó phương pháp Penalty mô phỏng lực tiếp xúc qua các lò xo ảo tuyến tính, còn phương pháp Lagrange multiplier đảm bảo không có sự xâm nhập giữa các bề mặt.

• Yếu tố phi tuyến hình học: Tính phi tuyến được xét đến trong quá trình biến dạng lớn của kết cấu, ảnh hưởng đến ma trận độ cứng và đáp ứng động lực học của khung thép khi chịu va chạm liên tiếp.

Các khái niệm chính bao gồm: xung lực va chạm, giai đoạn biến dạng và khôi phục, hệ số ma sát tĩnh và động, phần tử hữu hạn BEAM188, PLANE182, TARGE169 và CONTA172 trong ANSYS.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình mô phỏng số được xây dựng trên phần mềm ANSYS APDL, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích quá trình va chạm liên tiếp giữa khung thép và nhiều vật nặng. Cỡ mẫu mô hình bao gồm thanh dầm thép dài 100 inch với mặt cắt 0.5x1 inch và các khối vuông mô phỏng vật nặng có kích thước và vị trí xác định rõ ràng.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng các trường hợp va chạm với các điều kiện biên ngàm hai đầu thanh dầm và khối vuông được giữ cố định trước khi rơi tự do. Phân tích được thực hiện theo phương pháp động lực học quá độ, sử dụng thuật toán tích phân thời gian Newmark với bước thời gian nhỏ để đảm bảo độ chính xác.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong 3 giây mô phỏng quá trình va chạm liên tiếp, với các bước thiết lập mô hình, chia lưới, khai báo phần tử, thiết lập điều kiện biên, giải bài toán và xuất kết quả dưới dạng biểu đồ chuyển vị, phản lực và moment.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phản ứng chuyển vị của khung thép dưới va chạm liên tiếp: Biểu đồ chuyển vị cho thấy tại khoảng thời gian 0.75-0.8 giây, vật nặng bắt đầu va chạm với thanh dầm, gây ra biến dạng lớn nhất tại điểm giữa thanh dầm. Chuyển vị tối đa đạt khoảng 0.02 inch, tương ứng với sự biến dạng đáng kể trong kết cấu.

2. Phản lực tại điểm tiếp xúc tăng đột biến: Phản lực đo được tại điểm va chạm tăng lên đến 1500 lbf trong thời gian ngắn, sau đó giảm dần khi vật nặng rời khỏi thanh dầm. So với tải trọng tĩnh, phản lực va chạm tăng khoảng 120%, cho thấy tác động lớn của tải trọng động.

3. Ảnh hưởng của yếu tố phi tuyến hình học: Mô phỏng có xét đến phi tuyến hình học cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong kết quả biến dạng và phản lực so với mô hình tuyến tính, với biến dạng lớn hơn khoảng 10% và phản lực cao hơn 8%, khẳng định tầm quan trọng của việc xét yếu tố phi tuyến trong phân tích va chạm.

4. Tác động của va chạm liên tiếp nhiều vật nặng: Khi mô phỏng va chạm liên tiếp của nhiều vật nặng, kết cấu khung thép chịu biến dạng tích lũy, với chuyển vị điểm giữa thanh dầm tăng dần qua từng lần va chạm, lên đến 0.035 inch sau 3 lần va chạm, tăng khoảng 75% so với va chạm đơn lẻ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do lực va chạm lớn và thời gian tác động ngắn, tạo ra xung lực cao làm kết cấu biến dạng nhanh và mạnh. Việc xét đến yếu tố phi tuyến hình học giúp mô hình phản ánh chính xác hơn thực tế, bởi trong quá trình va chạm, biến dạng lớn làm thay đổi ma trận độ cứng kết cấu.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng phù hợp với các thí nghiệm va chạm liên tiếp trên khung thép được công bố trên tạp chí quốc tế, đồng thời vượt trội hơn các mô hình chỉ xét va chạm đơn lẻ hoặc tuyến tính. Biểu đồ chuyển vị và phản lực có thể được trình bày qua các bảng số liệu và đồ thị thời gian để minh họa rõ ràng quá trình va chạm và đáp ứng của kết cấu.

Ý nghĩa của kết quả là giúp các kỹ sư thiết kế kết cấu khung thép có thể dự đoán chính xác hơn ứng xử của kết cấu dưới tải trọng va chạm liên tiếp, từ đó đưa ra các giải pháp gia cố hoặc điều chỉnh thiết kế nhằm đảm bảo an toàn và độ bền công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn có xét đến phi tuyến hình học trong thiết kế kết cấu khung thép: Động từ hành động là "triển khai", target metric là "độ chính xác mô phỏng biến dạng và nội lực", timeline trong vòng 6 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị thiết kế và tư vấn xây dựng.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng va chạm liên tiếp tích hợp với dữ liệu thực nghiệm: Động từ "phát triển", target metric "tăng cường khả năng dự báo ứng xử kết cấu", timeline 1 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

3. Tổ chức đào tạo chuyên sâu về phương pháp phần tử hữu hạn và mô phỏng động lực học phi tuyến cho kỹ sư xây dựng: Động từ "tổ chức", target metric "nâng cao năng lực chuyên môn", timeline 3-6 tháng, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo.

4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật về kiểm tra và đánh giá kết cấu khung thép chịu va chạm liên tiếp: Động từ "xây dựng", target metric "đảm bảo an toàn và chất lượng công trình", timeline 1-2 năm, chủ thể là Bộ Xây dựng và các tổ chức chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu xây dựng: Nắm bắt phương pháp mô phỏng va chạm liên tiếp để tối ưu thiết kế, giảm thiểu rủi ro hư hỏng kết cấu trong thực tế.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành kỹ thuật xây dựng: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu sâu hơn về động lực học kết cấu và mô phỏng phi tuyến.

3. Doanh nghiệp thi công và tư vấn xây dựng: Áp dụng kết quả mô phỏng để đánh giá an toàn công trình, lập kế hoạch thi công phù hợp với tải trọng va chạm thực tế.

4. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn xây dựng: Tham khảo để xây dựng các quy định kỹ thuật về kiểm tra, đánh giá kết cấu khung thép chịu tải động và va chạm liên tiếp.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong mô phỏng va chạm kết cấu?
   Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chi tiết ứng xử phi tuyến và biến dạng lớn của kết cấu dưới tải trọng động, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian so với thí nghiệm thực tế. Ví dụ, mô phỏng va chạm liên tiếp trên khung thép cho kết quả hội tụ tốt với dữ liệu thực nghiệm.

2. Yếu tố phi tuyến hình học ảnh hưởng thế nào đến kết quả mô phỏng?
   Phi tuyến hình học phản ánh biến dạng lớn làm thay đổi ma trận độ cứng kết cấu, dẫn đến kết quả biến dạng và phản lực chính xác hơn. Nghiên cứu cho thấy biến dạng tăng khoảng 10% khi xét yếu tố này.

3. Tại sao cần xét va chạm liên tiếp thay vì va chạm đơn lẻ?
   Va chạm liên tiếp tạo ra biến dạng tích lũy và ảnh hưởng lâu dài đến độ bền kết cấu, trong khi va chạm đơn lẻ chỉ phản ánh tác động tức thời. Mô phỏng cho thấy chuyển vị tăng 75% sau 3 lần va chạm liên tiếp.

4. Phần mềm ANSYS APDL được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   ANSYS APDL cung cấp các phần tử chuyên dụng như BEAM188, PLANE182, TARGE169 và CONTA172 để mô phỏng kết cấu và tiếp xúc, hỗ trợ phân tích động lực học quá độ với yếu tố phi tuyến hình học.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế xây dựng?
   Kết quả mô phỏng giúp kỹ sư thiết kế điều chỉnh kết cấu, lựa chọn vật liệu và biện pháp gia cố phù hợp, đồng thời xây dựng tiêu chuẩn kiểm tra an toàn kết cấu chịu tải va chạm liên tiếp.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích thành công quá trình va chạm liên tiếp theo thời gian giữa khung thép và nhiều vật nặng, xét đến yếu tố phi tuyến hình học, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm ANSYS APDL.
• Kết quả mô phỏng cho thấy biến dạng và phản lực tại điểm va chạm tăng đáng kể khi xét va chạm liên tiếp và yếu tố phi tuyến, khẳng định tính cần thiết của mô hình phi tuyến trong thiết kế kết cấu.
• Phương pháp Newmark và các phần tử tiếp xúc chuyên dụng đã được áp dụng hiệu quả, đảm bảo độ chính xác và ổn định trong phân tích động lực học quá độ.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về ứng xử kết cấu khung thép dưới tải trọng va chạm động, hỗ trợ thiết kế an toàn và kinh tế hơn cho các công trình xây dựng.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp dữ liệu thực nghiệm và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật về kiểm tra kết cấu chịu va chạm liên tiếp. Đề nghị các đơn vị thiết kế và nghiên cứu phối hợp triển khai ứng dụng kết quả nghiên cứu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Vật liệu thép, kết cấu khung thép được sử dụng rộng rãi trong những đại đô thị thế giới, các công trình cầu đường, cao ốc văn phòng, cho đến những tác phẩm mang tính nghệ thuật, không còn giới hạn trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Cấu trúc khung thép thép sở hữu sức mạnh cao và được áp dụng trong xây dựng dân dụng rất phổ biến, do đó, tương lai ứng dụng thép trong xây dựng có không gian rất rộng để phát triển lên tầm cao mới. Vì nhiều lý do, thép kết cấu thường là vật liệu lý tưởng khi xây dựng các tòa nhà, cầu và các công trình lớn khác. Toà nhà Empire State làm bằng thép Thép là một trong những vật liệu lý tưởng nhất để sử dụng khi xây dựng các tòa nhà công nghiệp.

Có một vài lý do cho điều này, bao gồm chi phí, sức mạnh, độ bền, và nhiều hơn nữa. Sức mạnh mà thép cung cấp có lợi theo nhiều cách. Độ bền cao của nó đồng nghĩa với chi phí lao động sẽ thấp hơn trong suốt vòng đời dự án, giảm thiểu tác động tiềm tàng trong việc sửa chữa. Ngoài ra, thép là một trong những vật liệu xây dựng cường độ cao nhất hiện có trên thị trường.

Nhà xưởng công nghiệp nhiều tầng Với tỷ lệ cường độ/trọng lượng cao nhất so với bất kỳ vật liệu xây dựng nào khác, thép đảm bảo sự kiên cố tuyệt vời cho ngay cả những công trình công nghiệp lớn nhất. Sân vận động tổ chim bằng kết cấu thép 3 Hình 1. Bãi đậu xe nhiều tầng bằng thép Ngoài ra, với trọng lượng nhẹ và tính dễ thi công lắp ghép của thép làm cho nó trở thành một vật liệu ưu tiên hàng đầu trong các dự án xây công trình phục vụ dân cư. Kết cấu khung thép đủ bền để chịu được tất cả trọng lượng của nhiều chiếc xe.

Thép được sử dụng xây dựng những cây cầu vượt nhịp lớn. Tỷ lệ sức mạnh nổi bật của nó so với trọng lượng bản thân được ứng dụng rộng rãi trong những cấu trúc đặc biệt này, độ bền và sự dẻo dai của kết cấu khung thép đảm bảo chịu được tải trọng của các phương tiện lưu thông và an toàn cho người sử dụng. Trong quá trình thiết kế kết cấu khung thép, việc nghiên cứu khả năng chống đỡ của kết cấu này dưới tác động của tải trọng va chạm đóng một vai trò quan trọng trong kỹ thuật và là một trong những vấn đề cơ bản trong nghiên cứu cơ học ứng dụng. Nhiều cuộc thử nghiệm độ bền của khung thép và nhiều lời giải lý thuyết cho bài toán va chạm kết cấu khung thép đã được thực hiện.

Để thiết kế một kết cấu khung thép vừa có độ thẩm mỹ, vừa có tính kinh tế lại an toàn, việc nghiên cứu ứng xử của kết cấu này khi chịu tác động của tải va chạm điều cần thiết. Ngoài ra, việc đánh giá vận tốc va chạm, vị trí va chạm, thời gian tác động của tiếp xúc và biến dạng trong quá trình tác động cũng rất quan trọng, bởi vì điều này giúp cho việc xác định đáp ứng của kết cấu khi bị va chạm liên tục và đánh giá tổng thể sự biến dạng của kết cấu, các vị trí biến dạng lớn. Với sự phát triển của máy tính, phương pháp số đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá ứng xử của kết cấu trong quá trình va chạm theo thời gian. Điều này sẽ được thực hiện thông qua đề tài mô phỏng quá trình va chạm liên tiếp theo thời gian giữa khung thép và nhiều vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến hình học.

Thí nghiệm va chạm liên tiếp trên khung thép 1. Hiện tượng va chạm Va chạm là một quá trình động lực học đặc biệt, trong đó vận tốc của vật biến đổi rõ rệt về cả độ lớn và phương chiều trong một thời gian vô cùng bé. Trong va chạm, vận tốc thường biến đổi rất lớn trong một khoảng thời gian vô cùng bé. Điều đó có nghĩa là, trong quá trình va chạm, có một lực rất lớn đã tác động vào vật.

Lực này khác với các lực thông thường như trọng lực, lực cản, áp lực. ở chỗ nó chỉ xuất hiện trong quá trình va chạm, không xuất hiện trước và sau va chạm. Rất khó xác định được độ lớn của nó nhưng ta có thể biết được quy luật biến đổi. Mặt khác, do lực va chạm biến đổi rất rõ trong một thời gian rất ngắn nên ta đánh giá tác dụng của nó qua xung lực.

Quy luật biến đổi của xung lực Công thức tính lực va chạm r τ r I = ∫ Fdt 0 Trong đó: F: lực va chạm I: xung lực tuyến tính Gọi quãng đường di chuyển được trong khoảng thời gian va chạm là l, ta có r τr l = ∫ vdt 0 Vì τ là một đại lượng vô cùng bé nên l cũng rất nhỏ, chính vì thế, để đơn giản bài toán, ta có thể nói rằng, trong quá trình va chạm, các chất điểm của cơ hệ không di chuyển đáng kể. Quan sát quá trình va chạm, ta thấy quá trình này gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn biến dạng và giai đoạn khôi phục. Giai đoạn biến dạng xảy ra trong thời gian τ1 , bắt đầu từ lúc 2 vật vừa tiếp xúc nhau, do khả năng biến dạng của chúng, chổ tiếp xúc nhau giữa 2 vật này sẽ sinh ra biến dạng. Trong giai đoạn này, vận tốc của cả 2 vật là bằng nhau.

Giai đoạn khôi phục xảy ra trong thời gian τ2 , bắt đầu từ cuối giai đoạn biến dạng, lúc này, do khả năng đàn hồi của vật mà 2 vật có thể lấy lại một phần hình dáng ban đầu hay hoàn toàn, kết thúc giai đoạn này, 2 vật sẽ tách nhau ra và có vận tốc khác nhau. 6 Tùy theo khả năng khôi phục lại hình dạng của vật sau biến dạng mà ta có thể phân va chạm thành 2 loại: va chạm mềm và va chạm đàn hồi: • Va chạm mềm: là quá trình va chạm mà trong đó không có giai đoạn khôi phục. Đặc điểm của quá trình va chạm này là khi kết thúc quá trình va chạm, những phần tử ở miền tiếp xúc có cùng vận tốc pháp tuyến. • Va chạm đàn hồi: là quá trình va chạm mà trong đó có giai đoạn khôi phục, vật sau khi bị biến dạng có thể khôi phục lại một phần hay hoàn toàn hình dạng so với ban đầu.

Đặc điểm của quá trình va chạm này là khi kết thúc quá trình va chạm, những phần tử ở miền tiếp xúc không có cùng vận tốc pháp tuyến. Các giả thiết của va chạm Vì lý do hiện tượng va chạm rất phức tạp, nên ta có thể đơn giãn hóa bài toán bằng cách chỉ tập trung vào việc nghiên cứu các thành phần ảnh hưởng chủ yếu trong quá trình va chạm. Chính vì thế, ta sẽ đưa ra một số giả thuyết sau a) Giả thiết thứ 1: Vì trong va chạm xuất hiện lực va chạm rất lớn nên trong quá trình khảo sát, ta có thể bỏ qua các thành phần thông thường như: trọng lực, áp lực, … Giả thuyết này dựa trên đặc điểm thứ nhất của va chạm đã trình bày bên trên. b) Giả thiết thứ 2: Theo đặc điểm thứ 2 của va chạm, ta thấy rằng trong quá trình va chạm, các chất điểm di chuyển rất ít nên ta có thể bỏ qua di chuyển của chất điểm trong va chạm.

Hay nói một cách khác, trong quá trình va chạm, các chất điểm trong hệ đứng yên. c) Giả thiết thứ 3: Quá trình biến dạng xảy ra theo 2 giai đoạn, giai đoạn biến dạng và giai đoạn khôi phục. Để phản ánh đặc điểm của quá trình va chạm, người ta so sánh xung lượng trong 2 giai đoạn đó. Quan hệ chuyển động trong thời gian va chạm Chúng ta giả sử rằng có 2 vật m1 và m2 đang chuyển động.

Để đơn giản bài toán, ta sẽ sử dụng các giả thiết đã nêu ở phần trên. Xem hệ chuyển động là tuyến tính 1 chiều, va chạm thẳng xuyên tâm. Chúng ta sẽ bỏ qua các ngoại lực tác dụng vào hệ như lực ma sát, lực cản của môi trường xung quanh,… đồng thời xem vận tốc là 1 đại lượng vô hướng, chiều dương hướng từ phải sang trái và chiều âm sẽ hướng ngược lại 7 Hình 1. Mô hình va chạm Gọi P, P’ là đại lượng thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc của 2 vật trước và sau khi va chạm P = v1 − v2 P' = v'1 − v'2 Trong đó, v1 luôn hướng sang phải (luôn có giá trị là dương).

Từ đó, ta có mối tương quan giữa P và P’ như hình bên dưới. Mối tương quan giữa P và P' Dựa vào hình vẽ trên, chúng ta thấy rằng giá trị của P là luôn dương trước va chạm và có gíá trị âm sau đó. Ban đầu, vật 1 có vật tốc lớn hơn vật 2 nên P hướng lên. Khi vật 1 bắt đầu chạm vào vật 2, quá trình biến dạng xảy ra (đối với vật liệu dẻo và vật liệu đàn hồi), đồng thời làm vật 1 giảm vật tốc, trong khi vận tốc của vật 2 tăng dần.

Đến thời điểm tcv thì P bằng 0 , lúc này, 2 vật sẽ có cùng vật tốc, đồng thời kết thúc quá trình biến dạng. Tiếp theo, vật 2 sẽ có vận tốc lơn hơn vật 1 làm cho P có giá trị âm, và xảy ra quá trình khôi phục (đối với vật liệu đàn hồi). Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Các vấn đề liên quan đến ứng xử của các kết cấu dầm thép, khung thép trong quá trình va chạm theo thời gian theo thời gian được công bố trên các tạp chí quốc tế với 8 các nghiên cứu điển hình như của tác giả Xiaoli Qi và các cộng sự đã tiến thành thí nghiệm hiện tượng va chạm liên tiếp giữa quả cầu và dầm thép và công bố trên tạp chí Advances in Mechanical Engineering vào năm 2016.

Tác giả Dorogoy và các cộng sự đã tiến thành thí nghiệm va chạm trượt giữa hai dầm nhôm và công bố kết quả vào năm 2008 hay tác giả Schonberg đã tiến hành đánh giá đáp ứng của dầm thép trong trường hợp va chạm có vận tốc thấp và tiếp xúc lớn. Tình hình nghiên cứu trong nước Những vấn đề liên quan đến việc nghiên cứu ứng xử kết cấu dưới tác động của tải trọng va cũng được thực hiện ở Việt Nam, chủ yếu là va chạm trong thời gian ngắn, chỉ xét một vật thể va chạm.