Luận Văn Thạc Sĩ: Phân Tích Ảnh Hưởng Của Vết Nứt Thở Đến Tần Suất Dao Động Tự Nhiên Của Dầm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật xây dựng phân tích ảnh hưởng của vết nứt thở đến tần suất dao động tự nhiên của dầm, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Lê Bùi Việt
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Hiền Lương
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Xây dựng Dân Dụng và Công Nghiệp
• Đề tài: Phân Tích Ảnh Hưởng Của Vết Nứt Thở Đến Tần Số Dao Động Tự Nhiên Của Dầm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. HCM

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn tập trung vào phân tích ảnh hưởng của vết nứt thở đến tần số dao động tự nhiên của dầm trong xây dựng. Vết nứt thở là hiện tượng vết nứt đóng mở theo chu kỳ dao động, gây ra sự thay đổi độ cứng của dầm. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) kết hợp với cơ học rạn nứt được sử dụng để thiết lập mô hình và tính toán. Mục tiêu chính là xác định tần số dao động tự nhiên của dầm có vết nứt thở, từ đó đánh giá độ bền và an toàn của kết cấu.

1.1. Mục tiêu luận văn

Mục tiêu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của vết nứt thở đến tần số dao động tự nhiên của dầm. Phương pháp PTHH được sử dụng để thiết lập ma trận độ cứng và khối lượng của dầm có vết nứt. Kết quả sẽ được so sánh với các nghiên cứu trước đây để đánh giá độ chính xác.

1.2. Tình hình nghiên cứu

Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào vết nứt mở, bỏ qua tính chất phi tuyến của vết nứt thở. Các mô hình hiện đại đã bắt đầu xem xét sự đóng mở của vết nứt trong quá trình dao động, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Luận văn này kế thừa và phát triển các phương pháp hiện có để phân tích chính xác hơn.

II. Lý thuyết dao động dầm có vết nứt thở

Chương này trình bày lý thuyết cơ bản về dao động của dầm có vết nứt thở. Phương trình chuyển động của dầm được thiết lập dựa trên lý thuyết Euler-Bernoulli. Vết nứt thở được mô hình hóa như một lò xo có độ cứng thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào biên độ dao động.

2.1. Phương trình chuyển động

Phương trình chuyển động của dầm được thiết lập dựa trên lý thuyết Euler-Bernoulli. Vết nứt thở được mô hình hóa bằng cách thay đổi độ cứng của dầm theo thời gian. Điều này dẫn đến sự thay đổi tần số dao động tự nhiên của dầm.

2.2. Tần số tự nhiên của dầm có vết nứt

Tần số dao động tự nhiên của dầm có vết nứt thở được xác định bằng cách giải phương trình đặc trưng của hệ. Kết quả cho thấy sự giảm đáng kể tần số khi vết nứt xuất hiện và thay đổi theo độ sâu và vị trí của vết nứt.

III. Xây dựng mô hình vết nứt

Chương này trình bày các phương pháp xây dựng mô hình vết nứt thở. Mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng vết nứt như một phần tử có độ cứng thay đổi. Các yếu tố như độ sâu và vị trí vết nứt được xem xét để đánh giá ảnh hưởng đến tần số dao động tự nhiên.

3.1. Mô hình vết nứt mở

Mô hình vết nứt mở giả định vết nứt luôn mở trong suốt quá trình dao động. Điều này đơn giản hóa bài toán nhưng bỏ qua tính chất phi tuyến của vết nứt thở.

3.2. Mô hình vết nứt thở

Mô hình vết nứt thở xem xét sự đóng mở của vết nứt theo thời gian. Độ cứng của dầm thay đổi liên tục, dẫn đến sự thay đổi tần số dao động tự nhiên. Mô hình này phức tạp hơn nhưng chính xác hơn trong việc mô phỏng thực tế.

IV. Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng để phân tích tần số dao động tự nhiên của dầm có vết nứt thở. Ma trận độ cứng và khối lượng của dầm được thiết lập, từ đó giải phương trình đặc trưng để xác định tần số dao động.

4.1. Ma trận độ cứng và khối lượng

Ma trận độ cứng và khối lượng của dầm được thiết lập dựa trên lý thuyết Euler-Bernoulli. Vết nứt thở được mô hình hóa bằng cách thay đổi độ cứng của phần tử có vết nứt.

4.2. Giải thuật phân tích tần số

Giải thuật được thiết kế để tính toán tần số dao động tự nhiên của dầm có vết nứt thở. Kết quả được so sánh với các phương pháp khác để đánh giá độ chính xác.

V. Phân tích số và kết quả

Chương này trình bày kết quả phân tích số của dầm có vết nứt thở. Các yếu tố như độ sâu và vị trí vết nứt được khảo sát để đánh giá ảnh hưởng đến tần số dao động tự nhiên. Kết quả cho thấy sự giảm đáng kể tần số khi vết nứt xuất hiện và thay đổi theo độ sâu và vị trí của vết nứt.

5.1. Ảnh hưởng của độ sâu vết nứt

Kết quả cho thấy tần số dao động tự nhiên giảm đáng kể khi độ sâu vết nứt tăng. Điều này phản ánh sự suy giảm độ cứng của dầm khi vết nứt phát triển.

5.2. Ảnh hưởng của vị trí vết nứt

Vị trí của vết nứt thở cũng ảnh hưởng đến tần số dao động tự nhiên. Vết nứt ở giữa dầm có ảnh hưởng lớn hơn so với vết nứt ở các vị trí khác.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã phân tích ảnh hưởng của vết nứt thở đến tần số dao động tự nhiên của dầm. Kết quả cho thấy sự giảm đáng kể tần số khi vết nứt xuất hiện và thay đổi theo độ sâu và vị trí của vết nứt. Phương pháp PTHH kết hợp với cơ học rạn nứt đã chứng minh hiệu quả trong việc mô phỏng và phân tích.

6.1. Kết luận

Luận văn đã thành công trong việc phân tích ảnh hưởng của vết nứt thở đến tần số dao động tự nhiên của dầm. Kết quả có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá độ bền và an toàn của kết cấu.

6.2. Hướng phát triển

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc mở rộng mô hình cho các loại kết cấu phức tạp hơn hoặc kết hợp với các phương pháp khác để nâng cao độ chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP. HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA  LÊ BÙI VIỆT PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA VẾT NỨT THỞ ĐẾN TẦN SỐ DAO ĐỘNG TỰ NHIÊN CỦA DẦM Chuyeân ngaønh : XAÂY DÖÏNG DAÂN DUÏNG VAØ COÂNG NGHIEÄP Maõ soá ngaønh : 60 58 20 LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ TP. HCM, Tháng 09 năm 2013 Coâng Trình Ñöôïc Hoaøn Thaønh Taïi TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA - ĐHQG TP HCM Caùn boä höôùng daãn khoa hoïc : PGS. NGUYEÃN THỊ HIEÀN LÖÔNG Caùn boä chaám nhaän xeùt 1 : PGS. BUØI COÂNG THAØNH Caùn boä chaám nhaän xeùt 2 : TS. HOÀ ÑÖÙC DUY Luaän vaên thaïc só ñöôïc baûo veä taïi Tröôøng Ñaïi Hoïc Baùch Khoa, ÑHQG Tp. HCM, ngaøy 15 thaùng 09 naêm 2013 Thaønh phaàn Hoäi Ñoàng ñaùnh giaù luaän vaên thaïc só goàm : 1. Nguyeãn Thò Hieàn Löông 2. Buøi Coâng Thaønh 3. Hoà Ñöùc Duy 4. Nguyeãn Thôøi Trung 5. Nguyeãn Hoàng AÂn ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---------------- ---oOo--- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : LÊ BÙI VIỆT Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 30/11/1983 Nơi sinh : Quảng Ngãi Chuyên ngành : Xây dựng Dân Dụng và Công Nghiệp MSHV : 09210218 1- TÊN ĐỀ TÀI : Phân tích ảnh hưởng của vết nứt thở đến tần số dao động tự nhiên của dầm 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN : - Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với cơ học rạn nứt thiết lập ma trận độ cứng của phần tử có vết nứt, thành lập mô hình phần tử hữu hạn cho dầm nứt. Từ đó xác định tần số tự nhiên của dầm tại các vị trí và độ sâu khác nhau. - Lập chương trình Matlab tính toán tần số tự nhiên của dầm có vết nứt. - So sánh và phân tích kết quả số phương pháp đề xuất với các phương pháp khác. 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . 5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. NGUYỄN THỊ HIỀN LƯƠNG Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. HCM, ngày ……tháng…….năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) PGS. NGUYỄN THỊ HIỀN LƯƠNG TRƯỞNG KHOA ……………………. (Họ tên và chữ ký) LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến giáo viên hường dẫn Cô NGUYỄN THỊ HIỀN LƯƠNG đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy NGUYỄN HẢI đã cho em những lời khuyên bổ ích và truyền đạt những kiến thức quí báu để em hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Chân thành cám ơn các quí Thầy, Cô khoa Kỹ Thuật Xây Dựng - Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM đã giảng dạy, truyền đạt cho em phương pháp nghiên cứu và những kiến thức bổ ích đó chính là nền tảng giúp em hoàn thành luận văn này Xin gửi lời cảm ơn của mình đến tất cả các tác giả có tài liệu mà tôi đã sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng là con gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt là Cha Mẹ đã tạo mọi điều kiện và luôn ủng hộ về tinh thần để con có thể yên tâm học tập cũng như hoàn thành công việc của mình. LÊ BÙI VIỆT TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong luận văn này, một phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với cơ học rạn nứt được sử dụng để phân tích ảnh hưởng vết nứt thở đến tần số dao động tự nhiên của dầm. Mô hình vết nứt sử dụng là mô hình phần tử vết nứt. Mô hình này được áp dụng cho dầm với một vết nứt ở cạnh, và các tần số riêng được khảo sát theo chiều sâu vết nứt và các vị trí vết nứt khác nhau trên dầm. Ứng xử đóng lại và mở ra của vết nứt sẽ được xét đến trong suốt dao động của dầm, những thay đổi độ cứng của dầm có vết nứt được xem như một hàm theo thời gian, dẫn đến tần số và hình dạng mốt cũng thay đổi. Kết quả thu được cho thấy rằng việc bỏ qua ứng xử thở của vết nứt sẽ dẫn đến những sai sót đáng kể trong việc đánh giá các đặc tính dao động của dầm nứt. Để đánh giá mức độ chính xác các kết quả thu tác giả có so sánh với một số công trình khoa học đã được công bố trước đó. i MỤC LỤC MỤC LỤC. i DANH MỤC HÌNH VẼ . iv DANH MỤC BẢNG BIỂU . ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU . xi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT . xii CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU .2 Mục tiêu luận văn .3 Tình hình nghiêng trên thế giới và trong nước .4 Bố cục Luận Văn . 5 CHƯƠNG 2 : LÝ THUYẾT DAO ĐỘNG DẦM CÓ VẾT NỨT THỞ .1 Phương trình chuyển động .2 Tần số tự nhiên của dầm có vết nứt cạnh .3 Tần số tự nhiên của dầm vết nứt thở .12 CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẾT NỨT .1 Nguyên nhân, cách hạn chế và phương pháp khảo sát vết nứt .2 Các mô hình mô phỏng vết nứt hiện nay .3 Các quan niệm phân tích dao động của kết cấu có vết nứt .2 Mô hình vết nứt mở .2 Hệ số cường độ ứng suất .3 Mô hình vết nứt thở .32 CHƯƠNG 4 : PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN .1 Phương trình chuyển động của dầm Euler- Bernoulli .2 Phương pháp phần tử hữu hạn .1 Ma trận độ cứng và khối lượng phần tử dầm chưa có vết nứt .2 Ma trận độ cứng và khối lượng phần tử dầm có vết nứt .3 Tần số dao động tự nhiên của dầm .1 Tần số dao động tự nhiên của dầm chưa có vết nứt .2 Phương trình chuyển động của dầm có vết nứt mở .3 Phương trình chuyển động của dầm có vết nứt thở .4 Các sơ đồ giải thuật phân tích tần số tự nhiên của dầm có vết nứt .46 CHƯƠNG 5 : PHÂN TÍCH SỐ VÀ MÔ TẢ KẾT QUẢ .1 BÀI TOÁN 1 : PHÂN TÍCH DAO DỘNG TỰ DO DẦM TỰA ĐƠN.1 Ảnh hưởng chiều sâu và vị trí vết nứt đến tần số tự nhiên của dầm .2 So sánh kết quả số với thức nghiệm và một số bài báo khác .3 So sánh sai số phương pháp đề xuất với lý thuyết .4 Phân tích mốt dao động của dầm tựa đơn .2 BÀI TOÁN 2 : DẦM BỊ NGÀM MỘT ĐẦU .1 Ảnh hưởng chiều sâu và vị trí vết nứt đến tần số tự nhiên của dầm .2 So sánh kết quả phương pháp đề xuất với lý thuyết và MFE .3 Phân tích mode dao động của dầm một đầu ngàm.80 CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .85 TÀI LIỆU THAM KHẢO .90 iv DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1 Hình 1.1 - Dầm một đầu ngàm với vết nứt thở . 2 CHƯƠNG 2 Hình 2.1 - Mô hình dầm tựa đơn có một vêt nứt ở cạnh .2 - Sự biến đổi trạng thái vết nứt ở mode 1 của dầm tựa đơn có vết nứt tại giữa nhịp . 13 CHƯƠNG 3 Hình 3.1 - Mô hình vết nứt tương đương.2 - Mô hình phần tử vết nứt .3 - Mô hình vết nứt là mô hình lò xo xoắn .4 - Mô hình vết nứt là mô hình phần tử tấm.5 - Các mô hình vết nứt mở .6 - Vết nứt trong dầm .7 - Hiện tượng mở ra và đóng lại của vết nứt trong dao động dầm .8 - Mô hình hệ tuyến tính từng phần một bậc tự do .9 - Mô hình phẩn tử hữu hạn của dầm .10 - Kết nối hai thành phần bằng lò xo .11 - Tiếp xúc giữa hai vật thể .12 - Ba mốt nứt cơ bản .13 - Đường bất kỳ xung quanh đỉnh của vết nứt .14 - Các thành phần tải trên phần tử dầm với một vết nứt ngang . 29 v CHƯƠNG 4 Hình 4.1 - Phần tử dầm Euler-Bernoulli .2 - Phần tử dầm hai điểm nút .3 - Biến dạng của dầm Euler-Bernoulli.4 - Mô hình dầm có một vết nứt .5 - Mô hình phần tử với một vết nứt .6 - Mô tả phần tử vết nứt .7 - Sơ đồ giải thuật cho bài toán xác định tần số riêng của dầm có vết nứt mở .8 - Sơ đồ giải thuật cho bài toán xác định tần số riêng của dầm có vết nứt thở . 47 CHƯƠNG 5 Hình 5.1 - Dầm tựa đơn với một vết nứt cạnh .2 - Ba dạng mốt cơ bản đầu tiên của dầm tựa đơn chưa có vết nứt.3 - Ảnh hưởng của vết nứt đến tần số dao động tự nhiên thứ 1 của dầm có vết nứt giữa nhịp (ne = 49e) .4 - Ảnh hưởng vị trí và chiều sâu của vết nứt thở đến tần số thứ 1 của dầm tựa đơn có vết nứt .5 - Ảnh hưởng vị trí và chiều sâu của vết nứt thở đến tần số thứ 2 của dầm tựa đơn có vết nứt .1 Ảnh hưởng vết nứt thở lên tần số tự nhiên thứ nhất của dầm nứt .6 - Ảnh hưởng của vết nứt thở đến tần số thứ 1 của dầm tựa đơn có vết nứt ở giữa nhịp .7 - Ảnh hưởng vị trí và chiều sâu của vết nứt thở đến tần số của dầm tựa đơn có vết nứt ở giữa nhịp .8 - Ảnh hưởng vị trí và chiều sâu của vết nứt thở đến tần số của dầm tựa đơn có vết nứt ở giữa nhịp, so sánh kết quả với kết quả [5], [7] .9 - Ảnh hưởng vị trí và chiều sâu của vết nứt thở đến tần số thứ 1 của dầm tựa đơn có vết nứt ở giữa nhịp .10 - Sai số Matlab với phương pháp lý thuyết [12] .11 - Mode I của dầm tựa đơn có vết nứt ở phần tử thứ 6, a/h =0.12 - Mode II của dầm tựa đơn có vết nứt ở phần tử thứ 6, a/h =0.13 - Mode III của dầm tựa đơn có vết nứt ở phần tử thứ 6, a/h =0.14 - Mode I của dầm tựa đơn có vết nứt cạnh ở giữa dầm, a/h =0.15 - Mode II của dầm tựa đơn có vết nứt cạnh ở giữa dầm, a/h =0.16 - Mode III của dầm tựa đơn có vết nứt cạnh ở giữa dầm, a/h =0.17 - Dầm một đầu ngàm với một vết nứt ở cạnh .18 - Ảnh hưởng vị trí và chiều sâu vết nứt mở đến tần số tự nhiên thứ 1 của dầm .19 - Ảnh hưởng vị trí và chiều sâu vết nứt mở đến tần số tự nhiên thứ 2 của dầm .20 - Ảnh hưởng vị trí và chiều sâu vết nứt mở đến tần số tự nhiên thứ 3 của dầm .