Luận văn thạc sĩ về ứng xử tính chuyển vị lớn của hệ dàn thép không gian

• Tác giả: Nguyễn Thanh Phòng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Ngô Huy Đăng
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Tính Chuyển Vị Lớn Của Dàn Thép Không Gian Với Sự Trượt Bu Lông
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan phân tích phi tuyến
• 1.2. Phi tuyến hình học
• 1.3. Phi tuyến liên kết
• 1.4. Giới thiệu kết cấu dàn thép
• 1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu
• 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Thiết lập ma trận phần tử dàn thép không gian
• 2.2. Mô hình phần tử có khe hở và sự trượt bu lông liên kết
• 2.3. Thuật toán giải hệ phương trình phi tuyến
• 2.3.1. Thuật toán GDCM
• 2.3.2. Thuật toán MGDCM
• 3. MINH HỌA VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
• 3.1. Mô hình dàn không gian 12 thanh
• 3.2. Phân tích sự trượt bu lông liên kết
• 3.3. Phân tích kết quả và so sánh
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về dàn thép không gian

Dàn thép không gian là một cấu trúc được thiết kế để chịu tải trọng lớn và có khả năng chịu lực tốt. Ứng xử dàn thép trong các điều kiện khác nhau, đặc biệt là trong trường hợp chuyển vị lớn, là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và phân tích kết cấu. Sự trượt bu lông trong dàn thép không gian có thể ảnh hưởng đến tính ổn định và khả năng chịu lực của toàn bộ hệ thống. Do đó, việc nghiên cứu ứng suất trong kết cấu và các yếu tố liên quan đến sự trượt bu lông là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các công trình xây dựng. Theo nghiên cứu, các mô hình phân tích hiện tại chưa hoàn toàn phản ánh đúng hành vi của dàn thép khi có hiện tượng trượt bu lông xảy ra, dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các phương pháp phân tích mới.

1.1. Tầm quan trọng của dàn thép trong xây dựng

Dàn thép không gian được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng hiện đại nhờ vào khả năng chịu lực và độ bền cao. Các ứng dụng phổ biến bao gồm mái vòm, cầu, và các kết cấu lớn khác. Việc phân tích khả năng chịu lực của dàn thép không gian là rất quan trọng để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của công trình. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng phân tích kết cấu cần phải xem xét kỹ lưỡng các yếu tố như cơ học vật liệu, tính toán kết cấu, và các hiện tượng phi tuyến tính có thể xảy ra trong quá trình làm việc của dàn thép. Điều này đặc biệt quan trọng trong các môi trường có điều kiện tải trọng thay đổi hoặc có tác động từ bên ngoài như gió và động đất.

II. Phân tích ứng xử của dàn thép không gian với sự trượt bu lông

Nghiên cứu về ứng xử tính chuyển vị lớn của dàn thép không gian với sự trượt bu lông đã chỉ ra rằng hiện tượng này có thể gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng chịu lực của kết cấu. Việc sử dụng phương pháp phân tích phi tuyến cho phép mô phỏng chính xác hơn hành vi của dàn thép trong các tình huống thực tế. Các mô hình phân tích hiện tại thường bỏ qua các yếu tố như độ trượt của bu lông, dẫn đến kết quả không chính xác trong việc đánh giá khả năng chịu lực của dàn thép. Do đó, việc áp dụng các phương pháp mới như mô hình hóa dàn thép và sử dụng phần mềm phân tích kết cấu là rất cần thiết để nâng cao độ chính xác trong các dự báo về ứng xử của dàn thép.

2.1. Các phương pháp phân tích hiện tại

Hiện nay, có nhiều phương pháp phân tích được sử dụng để đánh giá ứng xử của dàn thép không gian, bao gồm cả phương pháp phân tích tĩnh và động. Tuy nhiên, các phương pháp này thường không tính đến các yếu tố như sự trượt bu lông và các ứng suất phi tuyến có thể xảy ra trong quá trình làm việc của kết cấu. Việc áp dụng các phương pháp mới như thuật toán tối ưu hóa và mô hình hóa 3D có thể giúp cải thiện độ chính xác trong các phân tích và dự đoán ứng xử của dàn thép. Bằng cách kết hợp các công cụ phân tích hiện đại với các phương pháp truyền thống, khả năng đánh giá chính xác hơn về ứng xử của dàn thép trong các điều kiện khác nhau có thể được nâng cao.

III. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về ứng xử tính chuyển vị lớn của dàn thép không gian với sự trượt bu lông đã cung cấp những hiểu biết quan trọng về cách mà các yếu tố này ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu. Các kết quả từ nghiên cứu này có thể được áp dụng để cải thiện thiết kế và thi công các công trình xây dựng, đặc biệt là trong các lĩnh vực yêu cầu tính chính xác cao như cầu, tháp truyền hình và các công trình công nghiệp lớn. Việc áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại sẽ giúp các kỹ sư có được những giải pháp tối ưu hơn trong việc thiết kế và xây dựng các kết cấu thép, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ của công trình.

3.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình phân tích mới, có khả năng phản ánh chính xác hơn về hành vi của dàn thép trong các điều kiện thực tế. Điều này bao gồm việc nghiên cứu sâu hơn về cơ học vật liệu, tính toán kết cấu, và các yếu tố ảnh hưởng đến sự trượt bu lông. Ngoài ra, việc ứng dụng các công nghệ mới như cảm biến và phân tích dữ liệu lớn có thể mở ra những hướng đi mới trong việc giám sát và bảo trì các công trình dàn thép, đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng.

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kết cấu thép không gian, việc phân tích hành vi phi tuyến hình học và ảnh hưởng của sự trượt bu lông liên kết là một thách thức lớn đối với các kỹ sư kết cấu. Theo ước tính, các kết cấu dàn thép không gian chiếm tỷ lệ quan trọng trong các công trình dân dụng và công nghiệp hiện đại nhờ vào hiệu quả kết cấu và khả năng chịu tải cao. Tuy nhiên, sự trượt bu lông liên kết làm thay đổi tính chất làm việc của liên kết, dẫn đến sai lệch lớn giữa kết quả phân tích lý thuyết và thực tế. Mục tiêu nghiên cứu là phát triển một phần tử hữu hạn corotational cho phân tích biến dạng lớn của dàn thép không gian chịu tải tĩnh, có xét đến sự trượt bu lông liên kết, nhằm nâng cao độ chính xác và tin cậy của mô hình phân tích phi tuyến.

Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi các dàn thép không gian có số lượng bu lông liên kết lên đến 75, với các mô hình phân tích được xây dựng và kiểm chứng qua các ví dụ số điển hình trong khoảng thời gian gần đây. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ phân tích chính xác hơn cho thiết kế và đánh giá an toàn kết cấu thép không gian, góp phần giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa chi phí thi công.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết phần tử hữu hạn corotational và mô hình liên kết bán cứng (semi-rigid connection) với sự trượt bu lông. Lý thuyết phần tử hữu hạn corotational cho phép mô hình hóa biến dạng lớn và chuyển vị phi tuyến của các thanh dàn thép không gian, trong khi mô hình liên kết bán cứng xem xét sự trượt bu lông thông qua các lò xo đặc trưng cho khe hở giữa bu lông và lỗ trên bản mã thép.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Phần tử hữu hạn corotational: mô hình phần tử có khả năng tách chuyển vị lớn thành chuyển vị cứng và biến dạng nhỏ, giúp phân tích phi tuyến hiệu quả.
• Sự trượt bu lông liên kết: hiện tượng trượt xảy ra do khe hở và ma sát giữa bu lông và lỗ, ảnh hưởng đến độ cứng và khả năng chịu lực của liên kết.
• Thuật toán giải hệ phương trình phi tuyến: sử dụng phương pháp điều khiển biến dạng tổng quát (Generalized Displacement Control Method - GDCM) và phiên bản cải tiến (MGDCM) để giải các hệ phương trình phi tuyến phức tạp.
• Mô hình lò xo đặc trưng: mô phỏng sự trượt bu lông bằng các lò xo có chiều dài biến dạng giới hạn tương ứng với khe hở thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm các mô hình dàn thép không gian tiêu biểu với số lượng thanh từ 12 đến 35, được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành và dữ liệu thực nghiệm từ các nghiên cứu trước. Cỡ mẫu mô hình được lựa chọn nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng kiểm chứng kết quả.

Phương pháp phân tích sử dụng phần tử hữu hạn corotational kết hợp với mô hình lò xo đặc trưng cho sự trượt bu lông, được lập trình trên nền tảng MATLAB. Thuật toán MGDCM được áp dụng để giải hệ phương trình phi tuyến, giúp xử lý chính xác các hiện tượng biến dạng lớn và trượt liên kết. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2019 đến 2021, với các bước chính gồm xây dựng mô hình, lập trình thuật toán, phân tích các ví dụ số và so sánh kết quả với dữ liệu thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ chính xác của phần tử hữu hạn corotational: Kết quả phân tích mô hình dàn không gian 12 thanh cho thấy sự trùng khớp gần như tuyệt đối với kết quả nghiên cứu của các tác giả trước, với sai số dưới 2% về chuyển vị và ứng suất. Điều này chứng minh tính tin cậy của phần tử trong mô phỏng biến dạng lớn.

2. Ảnh hưởng của sự trượt bu lông liên kết: Qua phân tích thanh dàn chịu lực dọc trục, khi chiều dài biến dạng lò xo trượt đạt khoảng 1 mm và tải trượt bu lông là 10 kN, sự trượt chiếm khoảng 20% tổng biến dạng liên kết, làm giảm đáng kể độ cứng liên kết và thay đổi phân bố lực trong dàn.

3. So sánh các mô hình trượt bu lông: Mô hình trượt liên tục (continuous slip) cho kết quả phân tích phù hợp hơn với thực tế so với mô hình trượt đứt (instantaneous slip), đặc biệt khi tham số mô hình m và n được lựa chọn hợp lý (m=4, n=6). Sự khác biệt về lực và chuyển vị có thể lên đến 15% giữa hai mô hình.

4. Hiệu quả của thuật toán MGDCM: Thuật toán MGDCM cho phép giải quyết các bài toán phi tuyến phức tạp với hiện tượng snap-through và snap-back, đảm bảo hội tụ nhanh và ổn định hơn so với phương pháp GDCM truyền thống. Thời gian tính toán giảm khoảng 30% trong các ví dụ số.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm là do sự trượt bu lông liên kết, vốn không được xem xét đầy đủ trong các mô hình tuyến tính truyền thống. Việc mô hình hóa sự trượt bằng các lò xo đặc trưng giúp phản ánh chính xác hơn hành vi thực tế của liên kết bán cứng, từ đó cải thiện độ tin cậy của phân tích kết cấu.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo của Kitipornchai và cộng sự (1994), cũng như Ramalingam (2018), khẳng định tính ứng dụng rộng rãi của mô hình phần tử corotational kết hợp MGDCM trong phân tích kết cấu thép không gian. Các biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị và lực - trượt được trình bày rõ ràng, minh họa sự thay đổi độ cứng liên kết theo tải trọng và biến dạng, hỗ trợ trực quan cho việc đánh giá thiết kế.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp một công cụ phân tích chính xác, có thể áp dụng trong thiết kế và kiểm định các kết cấu thép không gian hiện đại, đặc biệt là các công trình có yêu cầu cao về độ bền và độ ổn định.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng mô hình phần tử corotational trong thiết kế kết cấu thép không gian: Khuyến nghị các kỹ sư sử dụng mô hình này để phân tích biến dạng lớn và ảnh hưởng của trượt bu lông, nhằm nâng cao độ chính xác thiết kế trong vòng 1-2 năm tới.

2. Tích hợp thuật toán MGDCM vào phần mềm phân tích kết cấu: Đề xuất các nhà phát triển phần mềm xây dựng và tích hợp thuật toán MGDCM để giải quyết các bài toán phi tuyến phức tạp, giảm thời gian tính toán và tăng độ ổn định, thực hiện trong 1 năm.

3. Nghiên cứu mở rộng mô hình trượt bu lông liên kết: Khuyến khích nghiên cứu thêm về các mô hình trượt phức tạp hơn, bao gồm ảnh hưởng của ma sát và biến dạng nhựa, nhằm hoàn thiện mô hình trong 3-5 năm tới.

4. Thực nghiệm kiểm chứng mô hình: Đề xuất tiến hành các thí nghiệm thực tế trên các kết cấu dàn thép không gian có số lượng bu lông lớn để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình, thực hiện song song với nghiên cứu mô hình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu thép: Nghiên cứu cung cấp công cụ phân tích chính xác cho thiết kế các kết cấu dàn thép không gian chịu tải lớn, giúp tối ưu hóa vật liệu và đảm bảo an toàn công trình.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành kết cấu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết phần tử hữu hạn corotational và các thuật toán giải hệ phi tuyến, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.

3. Chuyên gia kiểm định và giám sát công trình: Giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của sự trượt bu lông liên kết đến hiệu suất kết cấu, từ đó đưa ra các biện pháp kiểm tra và bảo trì phù hợp.

4. Nhà phát triển phần mềm kỹ thuật: Cung cấp cơ sở để phát triển các module phân tích kết cấu phi tuyến có tính năng mô phỏng trượt bu lông, nâng cao tính ứng dụng và độ chính xác của phần mềm.

Câu hỏi thường gặp

1. Phần tử hữu hạn corotational là gì và tại sao lại quan trọng?
   Phần tử corotational là mô hình phần tử hữu hạn cho phép tách chuyển vị lớn thành chuyển vị cứng và biến dạng nhỏ, giúp phân tích phi tuyến hiệu quả. Nó quan trọng vì mô phỏng chính xác biến dạng lớn trong kết cấu thép không gian, đặc biệt khi có sự trượt bu lông.

2. Sự trượt bu lông liên kết ảnh hưởng thế nào đến kết cấu?
   Sự trượt làm giảm độ cứng liên kết, thay đổi phân bố lực và có thể gây ra sai lệch lớn giữa phân tích lý thuyết và thực tế. Ví dụ, trượt có thể chiếm đến 20% tổng biến dạng liên kết trong một số trường hợp.

3. Thuật toán MGDCM có ưu điểm gì so với GDCM?
   MGDCM cải tiến khả năng hội tụ, xử lý tốt các hiện tượng snap-through và snap-back, giảm thời gian tính toán khoảng 30% so với GDCM, giúp giải các bài toán phi tuyến phức tạp hiệu quả hơn.

4. Mô hình lò xo đặc trưng dùng để mô phỏng trượt bu lông như thế nào?
   Mô hình sử dụng các lò xo có chiều dài biến dạng giới hạn tương ứng với khe hở thực tế giữa bu lông và lỗ, mô phỏng sự trượt liên tục hoặc đứt quãng tùy theo đặc tính liên kết.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho những loại kết cấu nào?
   Nghiên cứu phù hợp với các kết cấu dàn thép không gian trong công trình dân dụng, công nghiệp, tháp truyền tải điện, nhà ga, sân vận động, nơi có yêu cầu cao về độ bền và ổn định kết cấu.

Kết luận

• Phát triển thành công phần tử hữu hạn corotational kết hợp mô hình trượt bu lông liên kết, nâng cao độ chính xác phân tích kết cấu thép không gian.
• Thuật toán MGDCM chứng minh hiệu quả vượt trội trong giải các bài toán phi tuyến có biến dạng lớn và hiện tượng trượt liên kết.
• Kết quả phân tích phù hợp với dữ liệu thực nghiệm và các nghiên cứu quốc tế, khẳng định tính tin cậy của mô hình.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các mô hình trượt phức tạp hơn và ứng dụng trong phần mềm phân tích kết cấu hiện đại.
• Đề xuất các bước tiếp theo gồm tích hợp thuật toán vào phần mềm, mở rộng mô hình và thực nghiệm kiểm chứng trong vòng 1-3 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu nên áp dụng mô hình và thuật toán này trong thiết kế và phân tích kết cấu thép không gian để nâng cao hiệu quả và độ an toàn công trình.