Luận Văn Thạc Sĩ Về Phân Tích Khớp Dẻo Khung Phẳng Bằng Phương Pháp Đồng Xoay

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật xây dựng phân tích khớp dẻo khung phẳng bằng phương phương pháp đồng xoay, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện

• Tác giả: Đặng Xuân Lam
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Hữu Cường
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Phân Tích Khớp Dẻo Khung Phẳng Bằng Phương Pháp Đồng Xoay
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. HCM

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Phi tuyến hình học (geometric nonlinearity)
• 1.2. Phi tuyến vật liệu (material nonlinearity)
• 1.3. Tình hình nghiên cứu
• 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.5. Cấu trúc luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: PHẦN TỬ ĐỒNG XOAY CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG PHI TUYẾN HÌNH HỌC
• 2.1. Véc-tơ nội lực phần tử
• 2.2. Thiết lập ma trận độ cứng phần tử
• 2.3. Phi tuyến vật liệu
• 2.3.1. Sự chảy dẻo do tác động của ứng suất dư
• 2.3.2. Sự chảy dẻo do mô-men uốn
• 3. CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN GIẢI PHI TUYẾN
• 3.1. Thuật toán Newton-Raphson
• 4. CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG
• 5. CHƯƠNG 5: VÍ DỤ MINH HỌA
• 5.1. Phân tích đàn hồi
• 5.1.1. Ví dụ 1 – Cột thép một đầu ngàm một đầu tự do chịu tải tập trung
• 5.1.2. Ví dụ 2 – Khung phẳng hai tầng chịu tải trọng tập trung
• 5.1.3. Ví dụ 3 – Cột thép một đầu ngàm một đầu tự do chịu tải đẩy dần
• 5.2. Phân tích khớp dẻo cứng
• 5.2.1. Ví dụ 4 – Khung phẳng hai tầng một nhịp không giằng
• 5.2.2. Ví dụ 5 – Khung phẳng hai tầng một nhịp có giằng
• 5.3. Phân tích khớp dẻo hiệu chỉnh
• 5.3.1. Ví dụ 6 – Cột hai đầu khớp chịu tải tập trung
• 5.3.2. Ví dụ 7 – Khung phẳng hai tầng, một nhịp không giằng
• 5.3.3. Ví dụ 8 – Khung phẳng hai tầng, một nhịp có giằng
• 5.3.4. Ví dụ 9 – Khung Vogel một nhịp một tầng liên kết cứng
• 5.3.5. Ví dụ 10 – Khung Vogel hai nhịp sáu tầng liên kết cứng
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 6.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về khớp dẻo và khung phẳng trong kỹ thuật xây dựng

Phân tích khớp dẻo khung phẳng là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật xây dựng, đặc biệt trong việc xác định ứng xử của các cấu kiện chịu tải trọng. Khung phẳng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, và việc hiểu rõ về khớp dẻo giúp cải thiện tính chính xác trong thiết kế và phân tích kết cấu. Theo nghiên cứu, việc áp dụng phân tích kết cấu cho khung phẳng không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn đảm bảo an toàn cho công trình. Các phương pháp phân tích như phương pháp phần tử hữu hạn đã được phát triển để mô phỏng ứng xử phi tuyến của khung phẳng, từ đó nâng cao khả năng dự đoán ứng suất và biến dạng của cấu kiện.

1.1. Tầm quan trọng của phân tích khớp dẻo

Phân tích khớp dẻo đóng vai trò thiết yếu trong việc đánh giá khả năng chịu lực của các cấu kiện. Tải trọng có thể gây ra các ứng suất lớn, và việc hiểu rõ về độ bền vật liệu là cần thiết để đảm bảo rằng cấu kiện có thể hoạt động an toàn dưới tải trọng thực tế. Nghiên cứu cho thấy rằng các khớp dẻo có thể giúp dự đoán chính xác hơn về ứng xử của khung phẳng khi chịu tải trọng, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế hợp lý hơn. Việc áp dụng công nghệ mới trong phân tích khớp dẻo không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu chi phí trong quá trình thiết kế và thi công.

II. Phương pháp phân tích khớp dẻo khung phẳng

Phương pháp phân tích khớp dẻo khung phẳng thường sử dụng các mô hình toán học để mô phỏng ứng xử của cấu kiện dưới tác động của tải trọng. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng phần tử đồng xoay (co-rotation element) để tính toán ma trận độ cứng của phần tử thanh trong khung phẳng. Phương pháp này cho phép xem xét các yếu tố phi tuyến như phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu, từ đó nâng cao độ chính xác trong phân tích. Kết quả từ phân tích có thể so sánh với các phần mềm thương mại như ABAQUS để kiểm tra tính chính xác và độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu.

2.1. Xây dựng ma trận độ cứng

Việc xây dựng ma trận độ cứng cho phần tử thanh trong khung phẳng là một bước quan trọng trong phân tích. Ma trận này được thiết lập dựa trên các yếu tố như tải trọng, độ bền vật liệu, và hình học của cấu kiện. Sử dụng phương pháp đồng xoay giúp tính toán ma trận độ cứng một cách hiệu quả, đồng thời cho phép xem xét các yếu tố phi tuyến. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các mô hình phi tuyến giúp cải thiện khả năng dự đoán ứng xử của khung phẳng, từ đó nâng cao chất lượng thiết kế và thi công.

III. Ứng dụng thực tiễn của phân tích khớp dẻo

Phân tích khớp dẻo khung phẳng có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành xây dựng. Việc áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại giúp các kỹ sư dự đoán chính xác hơn về khả năng chịu tải của các cấu kiện, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế hợp lý. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng phần mềm phân tích có thể tăng cường hiệu quả trong quá trình thiết kế và thi công, đồng thời giảm thiểu rủi ro trong xây dựng. Các ví dụ thực tế từ các dự án xây dựng lớn cho thấy rằng việc áp dụng phân tích khớp dẻo đã giúp cải thiện đáng kể độ an toàn và hiệu quả của công trình.

3.1. Tối ưu hóa thiết kế kết cấu

Phân tích khớp dẻo không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán ứng xử của khung phẳng mà còn tạo điều kiện cho việc tối ưu hóa thiết kế kết cấu. Các kỹ sư có thể sử dụng kết quả phân tích để điều chỉnh hình dạng và kích thước của các cấu kiện, từ đó giảm thiểu khối lượng vật liệu cần thiết mà vẫn đảm bảo an toàn cho công trình. Việc tối ưu hóa thiết kế không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc sử dụng tài nguyên một cách hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật xây dựng hiện đại, việc phân tích ứng xử thực tế của kết cấu khung thép đóng vai trò quyết định đến độ an toàn và tối ưu hóa chi phí công trình. Phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính truyền thống thường bỏ qua sự tương tác phức tạp giữa phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu, dẫn đến việc phải bù đắp bằng các hệ số an toàn lớn, làm tăng chi phí vật tư từ 15% đến 25%. Ngược lại, phương pháp phần tử hữu hạn phân bố vùng dẻo tuy chính xác nhưng đòi hỏi chia nhỏ một cấu kiện thành hàng trăm phần tử, làm tăng số lượng ẩn số và thời gian xử lý lên gấp nhiều lần.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp của tác giả Đặng Xuân Lam, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Ngô Hữu Cường tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (giai đoạn từ tháng 7 năm 2012 đến tháng 1 năm 2013), đã giải quyết triệt để nút thắt này. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng công thức phần tử đồng xoay kết hợp lý thuyết khớp dẻo hiệu chỉnh, đồng thời phát triển chương trình tính toán tự động mang tên CORP trên ngôn ngữ MATLAB.

Nghiên cứu tập trung vào phạm vi kết cấu khung thép phẳng chịu tải trọng tĩnh, khảo sát qua 10 bài toán kiểm chứng từ cấu kiện đơn lẻ đến hệ khung không gian phẳng 6 tầng. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa học thuật và thực tiễn sâu sắc: giảm hơn 95% số lượng phần tử cần rời rạc hóa so với phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống, trong khi vẫn kiểm soát sai số chuyển vị ở mức dưới 1,51% so với phần mềm thương mại tiêu chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của hai lý thuyết cơ học kết cấu phi tuyến cốt lõi:

Thứ nhất là lý thuyết phần tử đồng xoay (Co-rotational formulation) phục vụ phân tích phi tuyến hình học. Khung lý thuyết này tách biệt chuyển động vật rắn tuyệt đối (bao gồm chuyển vị tịnh tiến và góc xoay lớn) ra khỏi biến dạng thuần túy của phần tử thanh. Để mô phỏng chính xác hiệu ứng bậc hai do tương tác lực dọc và mô-men uốn, nghiên cứu tích hợp hệ các hàm ổn định giải tích thu được từ phương trình vi phân cân bằng dầm chịu lực dọc trục. Ma trận độ cứng tiếp tuyến tổng thể được thiết lập gồm ba thành phần đối xứng: ma trận độ cứng đàn hồi, ma trận độ cứng hình học và ma trận độ cứng hình học bậc cao có xét đến sự thay đổi chiều dài do uốn cong.

Thứ hai là lý thuyết khớp dẻo hiệu chỉnh (Refined plastic-hinge theory) để phân tích phi tuyến vật liệu. Khác với mô hình khớp dẻo cứng chỉ thừa nhận hai trạng thái đàn hồi hoàn toàn hoặc chảy dẻo cục bộ, mô hình hiệu chỉnh áp dụng hai mặt chảy dẻo đồng dạng với thông số chảy dẻo bắt đầu tại ngưỡng 0,5 và đạt chảy dẻo hoàn toàn tại ngưỡng 1,0. Sự suy giảm độ cứng tiếp tuyến được mô tả qua hàm suy giảm phi tuyến liên tục, cho phép phản ánh chính xác sự lan truyền dẻo dần dần dưới ảnh hưởng đồng thời của mô-men uốn và ứng suất dư theo các đường cường độ Orbison, AISC-LRFD và Balling.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số thực nghiệm thông qua bộ dữ liệu chuẩn hóa quốc tế gồm 10 mô hình kết cấu dầm, cột và khung thép phẳng điển hình (như khung Balling 2 tầng và khung tiêu chuẩn Vogel 6 tầng). Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các trường hợp kết cấu có độ mảnh cao, chịu tải trọng đẩy dần và xuất hiện biến dạng lớn để kiểm tra giới hạn hội tụ của giải thuật. Toàn bộ dữ liệu kiểm chứng độc lập được thu thập từ phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn chuyên dụng ABAQUS với mật độ chia lưới dày đặc 200 phần tử trên mỗi cấu kiện.

Thuật toán số được lựa chọn là thuật toán Newton-Raphson đầy đủ (Full Newton-Raphson), thực hiện cập nhật ma trận độ cứng tiếp tuyến sau từng bước lặp gia tăng tải trọng để triệt tiêu hoàn toàn lực dư không cân bằng. Quá trình phân tích được lập trình tự động hóa thông qua phần mềm CORP trên nền tảng MATLAB. Toàn bộ quy trình mô phỏng, xử lý số liệu và kiểm chuẩn thuật toán được thực hiện nghiêm ngặt trong thời gian 5 tháng liên tục tại phòng thí nghiệm cơ học công trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu từ 10 trường hợp tính toán đã mang lại các phát hiện khoa học nổi bật:

Thứ nhất, về độ chính xác phân tích phi tuyến hình học, tại bài toán cột thép ngàm chịu tải tập trung có chiều dài 240 inch với mô-đun đàn hồi 29000 ksi, phương pháp đồng xoay đề xuất chỉ sử dụng 1 phần tử duy nhất nhưng cho kết quả chuyển vị ngang là 15,3914 inch. Sai số tương đối so với mô hình ABAQUS chia 200 phần tử chỉ ở mức 0,881%.

Thứ hai, trong bài toán khung phẳng hai tầng chịu tải trọng phức hợp, sai số chuyển vị ngang lớn nhất ghi nhận tại các nút liên kết chỉ là 1,51% so với kết quả ABAQUS 200 phần tử con. Đáng chú ý, thuật toán giải phương trình cân bằng phi tuyến đạt tốc độ hội tụ rất nhanh, hoàn thành bước phân tích chỉ sau 7 vòng lặp Newton-Raphson.

Thứ ba, ở phân tích khớp dẻo phi tuyến vật liệu chịu tải đẩy dần cho khung hai tầng một nhịp, chương trình CORP đã nắm bắt chính xác tiến trình phá hủy từng bước. Hệ thống ghi nhận khớp dẻo đầu tiên hình thành tại bước tải thứ 97, tiếp tục xuất hiện tại các bước tải 121, 124, 126, 127 và kết cấu chính thức chuyển thành cơ cấu phá hoại hoàn toàn tại bước tải thứ 128.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của phương pháp đồng xoay đề xuất bắt nguồn từ việc kết hợp giải tích chính xác hàm ổn định vào công thức phần tử, giúp loại bỏ hoàn toàn hiện tượng khóa số học (locking effect) mà các hàm nội suy đa thức Hermite thông thường trong phần tử hữu hạn hay gặp phải. Khi đối chiếu với các nghiên cứu kinh điển của Balling và Lyon (năm 2010) cũng như mô hình vùng dẻo của Teh và Clarke (năm 1999), mô hình khớp dẻo hiệu chỉnh trong luận văn cho thấy đường cong tải trọng - chuyển vị bám sát ứng xử thực tế hơn, không bị hiện tượng đánh giá quá cao độ cứng của kết cấu ở giai đoạn cận phá hoại.

Dữ liệu phân tích có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị quan hệ tải trọng - chuyển vị (đường cong P-Delta) và bảng phân tích ma trận suy giảm độ cứng nút. Các biểu đồ phản ánh rõ nét bước chuyển pha từ miền đàn hồi tuyến tính sang phi tuyến hình học, quá trình suy giảm mô-đun tiếp tuyến khi ứng suất đạt ngưỡng chảy dẻo 50 ksi, và điểm gãy khúc rõ ràng khi khớp dẻo hình thành tại các liên kết dầm - cột chịu mô-men uốn cực hạn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 nhóm đề xuất kỹ thuật mang tính thực tiễn cao:

Thứ nhất, tích hợp ngay thuật toán phần tử đồng xoay vào các phần mềm tính toán kết cấu nội địa nhằm phục vụ phương pháp thiết kế phân tích trực tiếp (Direct Analysis Method). Giải pháp này giúp các công ty tư vấn thiết kế giảm hơn 80% thời gian chạy mô phỏng phi tuyến cho các dự án nhà xưởng công nghiệp và nhà thép cao tầng trước năm 2026.

Thứ hai, mở rộng công thức ma trận phần tử đồng xoay từ khung phẳng 2D sang hệ khung không gian 3D trong vòng 12 đến 18 tháng tới. Mục tiêu cụ thể là bổ sung các bậc tự do xoắn tự do, xoắn vênh và hiệu ứng mất ổn định uốn - xoắn tổng thể của cấu kiện thành mỏng, hướng tới đạt mức sai số dưới 2% cho kết cấu không gian phức tạp.

Thứ ba, bổ sung mô hình liên kết nửa cứng (Semi-rigid connections) vào chương trình phân tích. Các đơn vị nghiên cứu cần đưa các hàm phi tuyến mô-men - góc xoay vào hai đầu nút phần tử để đánh giá sát thực hơn độ mềm của các chi tiết liên kết bu lông, liên kết mặt bích trong các công trình chịu tải trọng gió bão và động đất.

Thứ tư, tối ưu hóa mã nguồn MATLAB sang nền tảng ngôn ngữ C++ kết hợp kỹ thuật tính toán song song đa nhân. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu công nghệ tính toán công trình, với mục tiêu xử lý các bài toán khung thép quy mô lớn trên 50 tầng với hàng chục ngàn nút liên kết trong thời gian dưới 60 giây.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn là nguồn tư liệu chuyên sâu giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, các kỹ sư thiết kế kết cấu công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp. Luận văn cung cấp phương pháp luận chi tiết để đánh giá ứng xử phi tuyến bậc hai và khả năng chịu tải giới hạn của khung thép, giúp tối ưu hóa khối lượng thép sử dụng mà vẫn đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình.

Thứ hai, các nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng. Đây là tài liệu tham khảo chuẩn mực về cách xây dựng phần tử đồng xoay, thiết lập ma trận độ cứng phi tuyến và giải thuật lặp Newton-Raphson.

Thứ ba, các lập trình viên và chuyên gia phát triển phần mềm tính toán kết cấu (CAE/FEM). Luận văn đóng vai trò như một bộ tài liệu hướng dẫn thuật toán hoàn chỉnh, cung cấp toàn bộ công thức toán học tường minh để xây dựng các mô-đun phân tích phi tuyến.

Thứ tư, sinh viên đại học năm cuối ngành Xây dựng Công trình. Luận văn là cẩm nang học tập hữu ích để hiểu sâu mối liên hệ giữa cơ học kết cấu, lý thuyết dẻo và kỹ thuật mô phỏng số.

Câu hỏi thường gặp

Ưu điểm vượt trội của phương pháp phần tử đồng xoay so với phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống là gì? Phương pháp phần tử đồng xoay chỉ cần sử dụng duy nhất 1 đến 2 phần tử cho mỗi cấu kiện thanh nhưng vẫn nắm bắt chính xác chuyển vị lớn và biến dạng uốn cong. Trong khi đó, phần tử hữu hạn truyền thống phải chia nhỏ cấu kiện thành 100 đến 200 phần tử con, làm tăng số lượng ẩn số và bộ nhớ máy tính lên gấp nhiều lần.

Khớp dẻo hiệu chỉnh khác biệt như thế nào so với khớp dẻo cứng truyền thống? Khớp dẻo cứng giả định sự chuyển đổi đột ngột từ trạng thái đàn hồi sang chảy dẻo hoàn toàn khi ứng suất đạt giới hạn. Khớp dẻo hiệu chỉnh sử dụng hai mặt dẻo đồng dạng với tham số từ 0,5 đến 1,0, cho phép mô phỏng sự suy giảm độ cứng và quá trình chảy dẻo diễn ra từ từ của tiết diện.

Độ tin cậy của chương trình ứng dụng CORP được kiểm chứng bằng cách nào? Độ tin cậy của chương trình CORP được đối soát trực tiếp với phần mềm thương mại hàng đầu ABAQUS và các nghiên cứu của Balling. Các kết quả kiểm tra cho thấy sai số chuyển vị lớn nhất chỉ 1,51% và bám sát hoàn toàn chuỗi 128 bước gia tải tới hạn của hệ khung.

Thuật toán Newton-Raphson đầy đủ đóng vai trò gì trong chương trình phân tích? Thuật toán Newton-Raphson đầy đủ thực hiện cập nhật ma trận độ cứng tiếp tuyến sau mỗi vòng lặp đơn lẻ. Điều này đảm bảo tốc độ hội tụ bậc hai rất nhanh, triệt tiêu lực dư không cân bằng và cho phép bài toán phi tuyến phức tạp đạt kết quả chính xác chỉ sau khoảng 7 bước lặp.

Phương pháp trong luận văn có thể áp dụng cho các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành không? Phương pháp hoàn toàn phù hợp với phương pháp phân tích trực tiếp được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép tiên tiến như AISC 360 và Eurocode 3, giúp kiểm tra trực tiếp độ ổn định khung mà không cần tra cứu các hệ số chiều dài tính toán phức tạp.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ của tác giả Đặng Xuân Lam đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đề ra với những giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn nổi bật:

• Thiết lập thành công công thức toán học tường minh cho phần tử thanh đồng xoay khung phẳng xét đồng thời phi tuyến hình học bậc cao và phi tuyến vật liệu khớp dẻo hiệu chỉnh.
• Xây dựng hoàn chỉnh chương trình tính toán tự động CORP trên ngôn ngữ MATLAB với giải thuật lặp Newton-Raphson có tốc độ hội tụ cao và độ ổn định số học vượt trội.
• Giảm thiểu khối lượng tính toán từ hàng trăm phần tử xuống còn 1 phần tử trên mỗi cấu kiện, kiểm soát sai số chuyển vị dưới 1,51% so với phần mềm ABAQUS tiêu chuẩn.
• Mô phỏng chính xác tiến trình hình thành các khớp dẻo và cơ chế phá hoại của khung thép qua 128 bước gia tải tĩnh liên tục.
• Định hình lộ trình nâng cấp thuật toán sang không gian 3D và liên kết nửa cứng phục vụ thực hành thiết kế trong giai đoạn 2026-2027.

Đây là công trình nghiên cứu khoa học công phu, cung cấp giải pháp tính toán hiện đại và tin cậy cho ngành xây dựng công trình thép. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác phương pháp luận này để tối ưu hóa quá trình tính toán và nâng cao hiệu quả thiết kế cho các dự án kết cấu phức tạp trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Đ ẶNG XUÂ N LAM PHÂN TÍCH KHỚP DẺO KHUNG PHẲNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG XOAY CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ NGÀNH: 605820 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp. HCM, tháng 01 năm 2013 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGÔ HỮU CƯỜNG.

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. NGUYỄN HỒNG ÂN.

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. NGÔ HỮU CƯỜNG. LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN.

NGUYỄN HỒNG ÂN. NGUYỄN SỸ LÂM. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… PGS.

NGUYỄN VĂN YÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Đặng Xuân Lam MSHV : 10210227 Ngày, tháng, năm sinh : 05/09/1987 Nơi sinh : Đồng Tháp Chuyên ngành: Xây dựng Công trình DD & CN Mã số : 605820 I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích khớp dẻo khung phẳng bằng phương pháp đồng xoay II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Sử dụng phần tử đồng xoay (co-rotation element) để xây dựng ma trận độ cứng của phần tử thanh cho khung phẳng. - Xây dựng chương trình ứng dụng CORP (CO-Rotation refined Plastic-hinge) bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB để tự động hóa quá trình phân tích.

- So sánh các kết quả đạt được với các nghiên cứu trước đó và phần mềm thương mại ABAQUS để kiểm tra độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu và chương trình phân tích. - Rút ra nhận xét và kết luận về khối lượng công việc đã thực hiện được. - Đề xuất hướng phát triển của đề tài. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012 IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2012 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. NGÔ HỮU CƯỜNG Tp. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TS.

NGÔ HỮU CƯỜNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (Họ tên và chữ ký) Lời Cảm Ơn “ Công cha nghĩa mẹ ơn thầy” Lời đầu tiên em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến TS. Ngô Hữu Cường, người thầy đã nhiệt tình hướng dẫn, truyền thụ những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cũng như động viên và khuyến khích em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, những người đã truyền dạy những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt quá trình học tập tại trường.

Em xin gửi lời cảm ơn đến các tổ chức và cá nhân, đặc biệt là ThS. Đoàn Ngọc Tịnh Nghiêm và anh Ngô Trường Lâm Vũ, những người đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, các bạn bè và đồng nghiệp công ty Nam Công, bằng cách này hay cách khác, dù ít hay nhiều, đã tạo điều kiện giúp đỡ em về mặt thời gian, về công việc để em có thể hoàn thành luận văn này. Dẫu biết rằng biển học là mênh mông, với vốn kiến thức có hạn của mình, chắc chắn luận văn không thể tránh khỏi những sai sót cũng như chưa nghiên cứu hết các khía cạnh của vẫn đề.

Nhưng thông qua luận văn này em rèn luyện được cách tư duy, đánh giá và giải quyết các vấn đề kỹ thuật hay gặp trong thực tế. Em hy vọng với những kiến thức thu góp được trong quá trình học tập cùng với việc không ngừng học hỏi sẽ là hành trang quý giá trong nghề nghiệp của bản thân sau này. Xin chân thành cảm ơn ! Tp.HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2012 Đặng Xuân Lam LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Ngô Hữu Cường.

Các kết quả trong luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình. HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2012 Đặng Xuân Lam 1 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ. 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .1 Phi tuyến hình học (geometric nonlinearity).2 Phi tuyến vật liệu (material nonlinearity).

Tình hình nghiên cứu .1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: .2 Tình hình nghiên cứu trong nước. Mục tiêu của đề tài. Cấu trúc luận văn. 17 CHƯƠNG II.

Phần tử đồng xoay có xét đến hiệu ứng phi tuyến hình học.1 Véc-tơ nội lực phần tử .2 Thiết lập ma trận độ cứng phần tử. Phi tuyến vật liệu .1 Sự chảy dẻo do tác động của ứng suất dư .2 Sự chảy dẻo do mô-men uốn. 30 CHƯƠNG III. THUẬT TOÁN GIẢI PHI TUYẾN.

Thuật toán Newton-Raphson. 36 CHƯƠNG IV. CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG. VÍ DỤ MINH HỌA.

Phân tích đàn hồi .1 Ví dụ 1 – Cột thép một đầu ngàm một đầu tự do chịu tải tập trung .2 Ví dụ 2 – Khung phẳng hai tầng chịu tải trọng tập trung.3 Ví dụ 3 – Cột thép một đầu ngàm một đầu tự do chịu tải đẩy dần. Phân tích khớp dẻo cứng .1 Ví dụ 4 – Khung phẳng hai tầng một nhịp không giằng .2 Ví dụ 5 – Khung phẳng hai tầng một nhịp có giằng. Phân tích khớp dẻo hiệu chỉnh .1 Ví dụ 6 – Cột hai đầu khớp chịu tải tập trung .2 Ví dụ 7 – Khung phẳng hai tầng, một nhịp không giằng .3 Ví dụ 8 – Khung phẳng hai tầng, một nhịp có giằng .4 Ví dụ 9 – Khung Vogel một nhịp một tầng liên kết cứng .5 Ví dụ 10 – Khung Vogel hai nhịp sáu tầng liên kết cứng. 50 CHƯƠNG VI.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. Hướng phát triển của đề tài. 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 58 3 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình II-1.

Phần tử đồng xoay (co-rotation element) điển hình. Vị trí ban đầu và vị trí biến dạng của phần tử. Đường cường độ chảy được phát triển bởi Orbison. Đường cường độ chảy được phát triển bởi Liew cùng cộng sự.

Đường cường độ chảy được phát triển bởi Balling. Ứng xử tải trọng – chuyển vị của khung. Thuật toán Newton-Raphson và Newton-Raphson hiệu chỉnh. Lưu đồ thuật toán của chương trình.

Cột thép chịu tải tập trung. Khung phẳng hai tầng chịu tải trọng tập trung. Cột thép chịu tải đẩy dần. Chuyển vị ngang và đứng tại nút 2.

Khung phẳng hai tầng, một nhịp không giằng. Chuyển vị ngang tại nút F trong khung Balling không giằng. Khung phẳng hai tầng, một nhịp có giằng. Chuyển vị ngang tại nút F trong khung Balling có giằng.

Cột hai đầu khớp chịu tải tập trung. Chuyển vị ngang tại nút F trong khung Balling không giằng. Chuyển vị ngang tại nút F trong khung Balling có giằng. Khung Vogel một nhịp một tầng liên kết cứng.

Chuyển vị ngang tại nút 4. Khung Vogel hai nhịp sáu tầng liên kết cứng. Chuyển vị ngang tại đỉnh bên phải. 51 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.

Kết quả phân tích ví dụ 1. Sai số so với kết quả ABAQUS sử dụng 200 phần tử con. Kết quả phân tích ví dụ 2. Sai số so với kết quả ABAQUS sử dụng 200 phần tử con.

Bước gia tải và mode phá hủy. Bước gia tải và mode phá hủy. Đặc trưng hình học của mô hình đề xuất bởi Vogel. Đặc trưng vật lý của mô hình khung Vogel 2 nhịp 6 tầng.

Đặc trưng hình học của mô hình đề xuất bởi Vogel. 50 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT E Mô-đun đàn hồi của vật liệu Et Mô-đun tiếp tuyến của vật liệu y Ứng suất chảy dẻo của vật liệu I Mô-men quán tính của tiết diện Z Mô-men quán tính dẻo của tiết diện F, P Lực dọc phần tử M1, M2 Mô-men uốn ở hai đầu phần tử My Mô-men chảy dẻo của phần tử Py Lực dọc chảy dẻo của phần tử  Góc xoay của mặt cắt ngang ở hai đầu phần tử  Biến dạng dọc trục L0 Chiều dài ban đầu của phần tử L Chiều dài của phần tử x1A , x1B Tọa độ theo trục x của hai đầu phần tử x2A , x2B Tọa độ theo trục y của hai đầu phần tử u1 , u4 Chuyển vị theo phương ngang của hai đầu phần tử u2 , u5 Chuyển vị theo phương đứng của hai đầu phần tử u3 , u6 Chuyển vị theo xoay của hai đầu phần tử 0,  Góc giữa phương ngang với trục của phần tử z Véc-tơ nội lực nút phần tử e1 , e2 Độ cứng ở hai đầu phần tử Thông số dẻo 7 KT Ma trận độ cứng của phần tử KE Ma trận độ cứng đàn hồi của phần tử KG Ma trận độ cứng hình học của phần tử K Ma trận độ cứng hình học bậc cao của phần tử T, TT Ma trận chuyển đổi của phần tử 8 TÓM TẮT Mục tiêu của luận văn này là phát triển một chương trình phân tích kết cấu có thể tiên đoán ứng xử của hệ kết cấu khung thép chịu tải trọng tĩnh một cách chính xác và hiệu quả. Chương trình sử dụng phần tử đồng xoay và có xem xét đến hai tác động phi tuyến là hình học và vật liệu. Chương trình thực hiện 3 loại phân tích: (1) phân tích phi tuyến cho bài toán đàn hồi, (2) phân tích phi tuyến với khớp dẻo cứng, và (3) phân tích phi tuyến với khớp dẻo hiệu chỉnh.

Trong phần tử đồng xoay, yếu tố phi tuyến hình học do sự tương tác giữa lực dọc và mô-men uốn được tính đến bằng việc sử dụng các hàm ổn định từ lời giải của phương trình vi phân cân bằng chịu tải trọng đầu mút. Yếu tố phi tuyến vật liệu được xét đến bằng cách sử dụng mô hình khớp dẻo cứng và khớp dẻo hiệu chỉnh.