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

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.

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.