Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Nội dung: tổng quan về kết cấu khung cột thép dầm liên hợp, xu hướng thiết kế kết cấu thép và kết cấu liên hợp, phân tích phi tuyến và các mức độ phân tích phi tuyến, các mô hình phi tuyến vật liệu thép và bê tông, các mô hình phân tích dẻo kết cấu khung, quan hệ mômen – độ cong của tiết diện dầm, mặt chảy dẻo và các phương pháp tính toán kết cấu khung có xuất hiện khớp dẻo. Chương 2: Xây dựng quan hệ mô men – độ cong của tiết diện dầm liên hợp và mặt chảy dẻo của tiết diện cột thép Nội dung: Khảo sát quá trình chảy dẻo của tiết diện dầm, cột thép, xây dựng phương pháp tính và quan hệ mô men – độ cong của tiết diện dầm thép, dầm liên hợp, cột thép theo phương pháp giải tích. Xây dựng biểu thức độ cứng tiếp tuyến, mặt giới hạn đàn hồi và mặt giới hạn dẻo (P-Mz-My-) của tiết diện chữ I cho cột 2D, 3D bằng phương pháp giải tích. Xây dựng mô đun chương trình SPH bằng ngôn ngữ lập trình Delphi XE8 để xây dựng đường quan hệ (M-) của tiết diện dầm thép, dầm liên hợp và mặt chảy dẻo của cột thép tiết diện chữ I.
Chương 3: Phân tích dẻo kết cấu khung cột thép dầm liên hợp xét đến sự lan truyền vùng biến dạng dẻo của phần tử Nội dung: Xây dựng phần tử thanh đa điểm dẻo với phần tử 2 điểm nút ở 2 đầu và n điểm biến dạng dẻo dọc theo chiều dài phần tử, xây dựng phương trình độ cứng bậc 3, xây dựng ma trận độ cứng của phần tử thanh đa điểm dẻo có xét luan an 6 đến sự lan truyền biến dạng dẻo dọc theo chiều dài phần tử, xây dựng véc tơ tải trọng nút quy đổi với tải trọng tập trung và tải trọng phân bố. Chương 4: Xây dựng chương trình phân tích dẻo và khảo sát một số bài toán Nội dung: Thành lập và xây dựng mô hình, sơ đồ thuật toán, xây dựng chương trình SPH bằng ngôn ngữ lập trình Delphi XE8 để phân tích nội lực và chuyển vị, hệ số tải trọng giới hạn của hệ kết cấu, tỷ lệ chảy dẻo của tiết diện, thứ tự hình thành khớp dẻo và ứng xử dẻo lan truyền của toàn hệ kết cấu khung cột thép dầm liên hợp ứng với từng cấp tải trọng. Khảo sát bằng số một số bài toán phân tích: dầm đơn giản, dầm liên tục liên hợp, khung phẳng cột thép dầm liên hợp chịu tải trọng tĩnh. Kết quả phân tích từ chương trình được so sánh với các kết quả của thí nghiệm đã có và các nghiên cứu đã được công bố trên thế giới.
Kết luận: Trình bày các kết quả mới của luận án và hướng phát triển của luận án. Danh mục các công trình khoa học đã công bố: 15 bài báo đăng trên các tạp chí khoa học, 02 bài gửi chờ phản biện tại tạp chí thuộc danh mục ISI và SCOPUS và 4 bài báo cáo trong hội thảo khoa học. Tài liệu tham khảo: 15 tài liệu bằng tiếng Việt, 90 tài liệu bằng tiếng Anh đã được sử dụng để hoàn thành luận án. Phụ lục: Trình bày lý thuyết chia thớ, lý thuyết giải tích, xác định mặt chảy dẻo, phương trình độ cứng bậc 3 của đoạn phần tử và và trình bày mã nguồn các modul tính trong luận án.
luan an 7 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu về kết cấu khung cột thép dầm liên hợp Kết cấu khung liên hợp là loại kết cấu được cấu tạo từ thép kết cấu kết hợp với bê tông hoặc bê tông cốt thép để cùng làm việc chịu lực. Loại kết cấu này đã tích hợp được những ưu điểm nổi bật của hai loại vật liệu khác nhau là thép và bê tông để tạo thành một kết cấu có khả năng chịu lực tốt hơn, tăng độ ổn định cho kết cấu, tăng khả năng kháng chấn và khả năng chịu lửa so với việc chỉ sử dụng kết cấu thép hoặc bê tông đơn thuần. Trong những năm gần đây việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông trên thế giới và tại Việt Nam trong lĩnh vực kết cấu công trình nhà cao tầng đã và đang được các nhà nghiên cứu và các kỹ sư quan tâm thể hiện qua các công trình thực tế như hình 1.1 và qua các nghiên cứu như: Yam và Chapman [102], Ranzi và Bradford [82], Bùi Công Thành và Chu Việt Cường [1], Nguyễn Văn Chúng [9], Phạm Văn Hội [12].
Hình ảnh công trình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp Các nghiên cứu về kết cấu liên hợp trên thế giới ngày càng được nghiên cứu nhiều hơn và theo nhiều hướng tiếp cận khác nhau. Tại Việt Nam loại kết cấu này mới được nghiên cứu và áp dụng khoảng 10 năm gần đây và chủ yếu tập trung vào nghiên cứu tính toán cấu kiện và liên kết, sự phân tích tổng thể của hệ kết cấu khi chịu tải trọng còn ít được nghiên cứu, do đó hướng tiếp cận nghiên cứu loại kết cấu này có ý nghĩa khoa học, thực tiễn trong ngành xây dựng. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu khung phẳng với cột thép và dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép. Xu hướng phân tích, thiết kế kết cấu thép và kết cấu liên hợp Hiện nay khi phân tích và tính toán kết cấu thép và kết cấu liên hợp thường sử dụng các phương pháp truyền thống sau (hình 1.2) [19], [75], [87]: luan an 8 - Thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD): việc tính toán ứng suất dựa trên đàn hồi bậc nhất, còn ảnh hưởng về phi tuyến hình học được ngầm xét trong các phương trình tính toán cấu kiện.
- Thiết kế dẻo (PD): Dùng phân tích khớp dẻo bậc nhất để phân tích kết cấu. Thiết kế dẻo có xét đến ảnh hưởng phân phối nội lực dẻo trên toàn hệ kết cấu, còn phi tuyến hình học và ảnh hưởng của sự chảy dẻo theo thời gian không được xét đến nên chúng được đưa vào trong các phương trình tính toán cấu kiện. - Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD): Dùng phân tích đàn hồi bậc nhất với các hệ số khuếch đại hay trực tiếp dùng phân tích đàn hồi bậc 2 để xét đến phi tuyến về mặt hình học, còn độ bền cực hạn của cấu kiện cột - dầm phản ánh gián tiếp qua các phương trình tương tác khi thiết kế cấu kiện. Phương pháp phân tích và thiết kế kết cấu Cả 3 phương pháp ADS, PD, LRFD đều yêu cầu phải kiểm tra riêng rẽ từng cấu kiện, nhất là phải tính đến hệ số K (hệ số chiều dài tính toán).
Theo phương pháp truyền thống (hình 1.2), thiết kế kết cấu bao gồm 2 bước: Bước 1: Dùng phân tích đàn hồi tuyến tính và nguyên lý cộng tác dụng để xác định nội lực và chuyển vị của hệ kết cấu. Bước 2: Kiểm tra khả năng chịu lực, ứng suất giới hạn, ổn định của từng cấu kiện riêng lẻ. Phương pháp thiết kế truyền thống trên đã được áp dụng lâu đời và có ưu điểm là đơn giản hóa công việc thiết kế của người kỹ sư. Tuy nhiên nó không luan an 9 thể hiện rõ quan hệ phi tuyến giữa tải trọng và chuyển vị, không thể hiện rõ tính phi tuyến của vật liệu kết cấu, chưa xem xét đầy đủ ứng xử của toàn hệ kết cấu do đó nó dẫn đến việc lãng phí vật liệu.
Nếu có xem xét thì mới chỉ dừng lại ở việc tính gián tiếp thông qua các công thức thiết kế hoặc các hệ số đơn giản nào đó được đề xuất trong các tiêu chuẩn [19], [75]. Trong thực tế khi hệ kết cấu chịu tải trọng, kết cấu có thể trải qua quá trình đàn hồi và chuyển sang giai đoạn chảy dẻo đáng kể mà chưa bị phá hủy hay mất ổn định cục bộ. Do vậy ta cần phải nghiên cứu sâu hơn nữa trạng thái dẻo của cả hệ kết cấu hay phân tích phi tuyến vật liệu hệ kết cấu. Đó là hướng thiết kế hiện đại (phân tích tiên tiến) và chỉ thực hiện trong một bước thiết kế vì nó sẽ phản ánh chính xác sự làm việc thực tế của hệ kết cấu, dự đoán chính xác dạng phá hủy dẻo và tải trọng giới hạn của kết cấu khung khi chịu tải trọng tĩnh và là một điều rất cần thiết để có thể đảm bảo độ tin cậy của đồ án thiết kế.
Các nghiên cứu về vấn đề này điển hình như: Chan và Chui [34], White [99], Wrong [101], Chen và Sohal [36], Chen, Kim và Choi [37], Yong cùng cộng sự [104], Orbison và Guire [79], Nguyễn Văn Tú [10], Võ Thanh Lương [14]. Phân tích phi tuyến và các mức độ phân tích phi tuyến 1. Phân tích phi tuyến Phân tích kết cấu là xác định chuyển vị, biến dạng và ứng suất của từng phần tử của hệ kết cấu dưới tác dụng của tải trọng nào đó. Trong phân tích đàn hồi tuyến tính vật liệu được giả thiết là không chảy dẻo và các tính chất của vật liệu không thay đổi, biến dạng tỷ lệ với lực tác dụng, đường biểu diễn quan hệ ứng suất biến dạng là đường thẳng, các phương trình cân bằng được thiết lập dựa trên trường hợp cấu hình kết cấu chưa biến dạng dẻo.
Các biến dạng được xem là nhỏ và không ảnh hưởng đáng kể đến sự cân bằng của hệ kết cấu. Phân tích này chưa xét đến sự thay đổi hình học, tích chất vật liệu và sự thay đổi hình dạng của kết cấu trong quá trình chịu tải. Người thiết kế thường bổ sung các hệ số để xét đến các tác động trên cho nên chưa phản ánh đúng bản chất làm việc thực tế của kết cấu. Bài toán phân tích tuyến tính thường đơn giản và không tốn nhiều công sức.
Bài toán phân tích phi tuyến, quan hệ lực - biến dạng là đường cong, do đó phải giải lặp vì kết cấu đã bị biến dạng với tải trọng trước đó và độ cứng kết cấu bị luan an 10 suy yếu dần, máy tính sẽ cập nhật dữ liệu hình học, tính chất vật liệu sau mỗi lần tải trọng thay đổi. Phi tuyến vật liệu Phân tích phi tuyến vật liệu là phân tích có kể đến ứng xử ngoài miền đàn hồi của vật liệu. Khi chịu tải trọng, vật liệu làm việc từ giai đoạn đàn hồi, bắt đầu chảy dẻo, đàn dẻo và chảy dẻo hoàn toàn. Khi bắt đầu chảy dẻo, các thớ bên ngoài sẽ chảy dẻo trước và sẽ lan truyền dần vào các thớ bên trong tiết diện.