Luận Văn Thạc Sĩ Về Phân Tích Khung Phẳng Thép Bê Tông Cốt Thép Liên Hợp

Luận văn thạc sĩ phân tích phi tuyến khung phẳng thép bê tông cốt thép liên hợp bằng phương vùng dẻo, ứng dụng trong kỹ thuật xây dựng.

• Tác giả: Lê Phương Bình
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Hữu Cường
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Phân Tích Khung Phẳng Thép Bê Tông Cốt Thép Liên Hợp Bằng Phương Pháp Vùng Dẻo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về khung phẳng thép bê tông cốt thép liên hợp

Khung phẳng thép – bê tông cốt thép liên hợp là một trong những giải pháp kết cấu hiện đại, kết hợp giữa thép và bê tông nhằm tối ưu hóa khả năng chịu lực của công trình. Sự kết hợp này không chỉ giúp tăng cường độ bền mà còn nâng cao độ ổn định và khả năng kháng chấn cho các công trình xây dựng. Theo nghiên cứu, loại kết cấu này đã được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cao tầng và cầu đường, nhờ vào những ưu điểm vượt trội mà nó mang lại. Việc sử dụng khung thép kết hợp với bê tông cốt thép không chỉ làm giảm kích thước của các cấu kiện mà còn tăng cường khả năng chịu tải trọng động, điều này rất quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu và các thảm họa tự nhiên như động đất.

1.1. Đặc điểm nổi bật của kết cấu liên hợp

Kết cấu liên hợp có nhiều đặc điểm nổi bật so với các loại kết cấu truyền thống. Đầu tiên, nó có khả năng chịu lực lớn hơn nhờ vào việc sử dụng đồng thời cả thép và bê tông. Thép mang lại khả năng chịu kéo và nén cao, trong khi bê tông cung cấp khả năng chịu nén tốt và độ bền với thời gian. Thứ hai, kết cấu này có độ cứng lớn hơn, giúp giảm thiểu sự biến dạng dưới tải trọng lớn. Cuối cùng, việc sử dụng kết cấu liên hợp cũng giúp tiết kiệm chi phí xây dựng nhờ vào việc giảm kích thước của các cấu kiện, từ đó tăng không gian sử dụng cho công trình.

II. Phương pháp phân tích kết cấu

Phân tích kết cấu khung thép – bê tông cốt thép liên hợp thường được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp vùng dẻo là một trong những phương pháp tiên tiến nhất. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác sự lan truyền của sự chảy dẻo trong kết cấu, giúp dự đoán được khả năng chịu tải cũng như độ ổn định của hệ thống. Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong tính toán mà còn giúp tối ưu hóa thiết kế kết cấu, đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng. Đặc biệt, việc sử dụng các phần tử hữu hạn trong mô hình hóa giúp giảm thiểu thời gian tính toán và tăng cường khả năng phân tích các dạng tải trọng phức tạp.

2.1. Tính toán kết cấu bằng phương pháp vùng dẻo

Phương pháp vùng dẻo được phát triển nhằm khắc phục những hạn chế của phương pháp khớp dẻo truyền thống. Trong phương pháp này, các phần tử được chia thành các vùng khác nhau, mỗi vùng có thể có các tính chất vật liệu khác nhau, từ đó mô phỏng chính xác hơn về ứng xử của kết cấu. Sự lan truyền của sự chảy dẻo sẽ được theo dõi qua các phần tử, cho phép đánh giá chính xác hơn về khả năng chịu tải và độ ổn định của kết cấu dưới tác động của tải trọng động và tĩnh.

III. Ứng dụng thực tiễn và giá trị của nghiên cứu

Nghiên cứu về phân tích khung phẳng thép – bê tông cốt thép liên hợp bằng phương pháp vùng dẻo không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành xây dựng. Việc áp dụng phương pháp này giúp các kỹ sư thiết kế có thể tối ưu hóa kết cấu, giảm thiểu chi phí và thời gian thi công. Hơn nữa, nghiên cứu này còn đóng góp vào việc nâng cao độ an toàn cho các công trình xây dựng, đặc biệt là trong các khu vực có nguy cơ cao về động đất. Các chương trình ứng dụng được phát triển trong nghiên cứu cũng hỗ trợ cho việc tự động hóa quá trình phân tích, giúp tiết kiệm thời gian và nguồn lực cho các dự án xây dựng.

3.1. Giá trị và ứng dụng trong thực tiễn

Các kết quả từ nghiên cứu này cho thấy rõ ràng rằng việc sử dụng khung thép kết hợp với bê tông cốt thép có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn, đồng thời đảm bảo an toàn cho công trình. Các ứng dụng của phương pháp phân tích này không chỉ giới hạn trong xây dựng nhà cao tầng mà còn có thể được mở rộng ra các lĩnh vực khác như cầu đường, nhà xưởng công nghiệp và các công trình hạ tầng khác. Điều này chứng tỏ rằng nghiên cứu về khung phẳng thép – bê tông cốt thép liên hợp bằng phương pháp vùng dẻo có giá trị lớn trong việc nâng cao chất lượng công trình xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ðẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ----------

---------- LÊ PHƯƠNG BÌNH PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG PHẲNG THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP VÙNG DẺO CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ NGÀNH: 60 58 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH - THÁNG 09/2012 Công trình ñược hoàn thành tại: Trường ðại học Bách Khoa – ðHQG – HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGÔ HỮU CƯỜNG Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. NGUYỄN VĂN YÊN Cán bộ chấm nhận xét 2: TS.

NGUYỄN HỒNG ÂN Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ tại Trường ðại học Bách Khoa, ðHQG Tp. HCM ngày 28 tháng 09 năm 2012 Thành phần Hội ñồng ñánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. NGÔ HỮU CƯỜNG 3. NGUYỄN HỒNG ÂN 4.

LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN 5. NGUYỄN SỸ LÂM Xác nhận của Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn ñã ñược sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ðỒNG TRƯỞNG KHOA PGS. NGUYỄN VĂN YÊN ðẠI HỌC QUỐC GIA TP.

HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : LÊ PHƯƠNG BÌNH MSHV : 09210184 Ngày, tháng, năm sinh : 28/09/1985 Nơi sinh : ðồng Tháp Chuyên ngành : Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp Mã số : 60 58 20 1- TÊN ðỀ TÀI: PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KHUNG PHẲNG THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP VÙNG DẺO 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Tìm hiểu tình hình nghiên cứu. - ðề xuất mô hình phân tích tĩnh kết cấu dùng phương pháp vùng dẻo. - Xây dựng thuật toán phân tích phi tuyến. - Xây dựng chương trình ứng dụng ñể tự ñộng hóa quá trình phân tích bằng ngôn ngữ lập trình C++.

- Kiểm tra ñộ tin cậy của chương trình bằng cách so sánh kết quả phân tích với các nghiên cứu sẵn có. 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/07/2011 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2012 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. NGÔ HỮU CƯỜNG Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 06 năm 2012 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ðÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TS.

NGÔ HỮU CƯỜNG TRƯỞNG KHOA (Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến TS. Ngô Hữu Cường, người thầy ñã trực tiếp hướng dẫn nhiệt tình và tận tâm, người cố vấn ñầy kinh nghiệm với những ñịnh hướng khoa học ñúng ñắn và chuẩn xác. Thầy ñã ñộng viên tinh thần cho tôi rất nhiều giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học và sau ñại học, các thầy cô giảng dạy cao học Trường ðại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh về những kiến thức quý báu ñược truyền ñạt.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng tổ chức cán bộ, Ban chủ nhiệm khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng, quý thầy cô trong Bộ môn Cơ học ñất – Nền móng, Bộ môn Kết cấu Công trình trường ðại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn gia ñình, bạn bè ñã luôn quan tâm, ñộng viên và tạo ñiều kiện thuận lợi giúp tôi vượt qua khó khăn ñể hoàn thành tốt luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn ñến tất cả các tác giả của những tài liệu mà tôi ñã tham khảo. HCM, tháng 06 năm 2012 LÊ PHƯƠNG BÌNH TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Sự phá hoại của hệ kết cấu khung thép – bê tông liên hợp phụ thuộc vào các yếu tố như: sự mất ổn ñịnh của toàn hệ kết cấu và các cấu kiện cấu thành hệ khung do sự chảy dẻo khi chịu tác dụng của tải trọng.

Sự chảy dẻo này lan truyền qua mặt cắt ngang và dọc theo chiều dài của cấu kiện, ñiều này khác hẳn với quan niệm phần tử vẫn còn ñàn hồi giữa các ñầu mút của nó như trong phương pháp khớp dẻo và khớp dẻo hiệu chỉnh. ðể khắc phục những hạn chế của phương pháp khớp dẻo và phản ánh ñúng bản chất lan truyền của sự chảy dẻo giống như ứng xử thực tế, phương pháp vùng dẻo cần ñược phát triển nhằm thu ñược kết quả chính xác hơn trong phân tích ứng xử ngoài miền ñàn hồi và tiên ñoán cường ñộ của hệ kết cấu. Phân tích tuyến tính truyền thống, thường giả thuyết chuyển vị hình học của kết cấu chịu tải có giá trị nhỏ. Nhưng ứng xử thực tế của cấu kiện hoàn toàn khác hẳn so với giả thuyết ñó, khi chuyển vị lớn xảy ra, kết cấu thể hiện ứng xử phi tuyến rõ rệt làm cho ñộ cứng của kết cấu thay ñổi.

Do ñó, việc xét ñến ảnh hưởng của phi tuyến hình học trong phân tích kết cấu là rất cần thiết. Luận văn này trình bày các nội dung sau: Thứ nhất, phát triển hai phần tử hữu hạn, một phần tử dầm – cột phẳng tương tác toàn phần có 6 bậc tự do ñể mô phỏng ứng xử của cấu kiện dầm – cột thép hoặc liên hợp, một phần tử dầm liên hợp có 8 bậc tự do ñể mô phỏng ứng xử của cấu kiện dầm liên hợp tương tác bán phần. Các phần tử này có khả năng mô phỏng sự lan truyền dẻo qua mặt cắt ngang và dọc theo chiều dài của cấu kiện, sự dịch chuyển trục trung hòa của lõi ñàn hồi, sự hiện diện của ứng suất dư khi chế tạo, phi tuyến hình học. Thứ hai, nghiên cứu thuật toán ñể giải bài toán phi tuyến.

Thứ ba, xây dựng hai chương trình ứng dụng SCCF và SCCB dùng trong phân tích cấu kiện dầm hoặc khung xét tương tác toàn phần hoặc bán phần, cả hai chương trình này ñược xây dựng theo phương pháp vùng dẻo bằng ngôn ngữ lập trình C++. Cuối cùng, thẩm tra lại tính chính xác của phương pháp phân tích, cũng nhưng sự ổn ñịnh của chương trình máy tính trên cơ sở so sánh kết quả ñạt ñược với các nghiên cứu ñáng tin cậy trước ñó. MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ. 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU.

4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. Giới thiệu chung. Giới thiệu về kết cấu thép – bê tông liên hợp. ðặc ñiểm nổi bật của kết cấu liên hợp.

Phương pháp phân tích. Tình hình nghiên cứu về kết cấu thép – bê tông liên hợp. Nghiên cứu của các tác giả nước ngoài. Nghiên cứu của các tác giả trong nước.

ðặt vấn ñề. Mục tiêu và phạm vi của ñề tài. Cấu trúc luận văn. 20 CHƯƠNG II.

MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN. Mô hình vật liệu. Vật liệu bê tông. Vật liệu thép.

Liên kết chống trượt. ðối với phần tử dầm – cột xét tương tác toàn phần. ðối với phần tử dầm xét tương tác bán phần. Phương pháp Rayleigh - Ritz.

Năng lượng biến dạng phần tử. Năng lượng biến dạng do trượt. Thế năng của lực tác dụng. Nguyên lý thế năng toàn phần dừng.

Phân tích hệ khung xét tương tác toàn phần. Phân tích hệ dầm xét tương tác bán phần. Các phương pháp cân bằng gia tăng. 67 CHƯƠNG III.

THUẬT TOÁN GIẢI PHI TUYẾN. Thuật toán Euler. Kỹ thuật ñiều chỉnh công. 72 CHƯƠNG IV.

CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG. Chi tiết quá trình phân tích. Mô hình phần tử. Ứng suất dư trong thép hình.

Chuyển từ trục tọa ñộ ñịa phương về tọa ñộ toàn cục. Xác ñịnh trạng thái phần tử thớ. Lưu ñồ thuật toán của chương trình. VÍ DỤ MINH HỌA.

Bài toán dầm ñơn giản một nhịp. Dầm thép – bê tông liên hợp nhịp ñơn giản E1 của Chapman và Balakrishnan (1964). Dầm thép – bê tông liên hợp nhịp ñơn giản U4 của Chapman và Balakrishnan (1964). Dầm thép – bê tông liên hợp một nhịp ñơn giản A3 theo Haremza.

Bài toán dầm liên tục hai nhịp. Dầm thép – bê tông liên hợp CTB1 của Ansourian (1981). Dầm thép – bê tông liên hợp CTB4 của Ansourian (1981). Bài toán khung cứng.

Khung thép Portal có dầm liên hợp. Khung liên hợp sáu tầng hai nhịp. Sự hội tụ của bài toán với việc chia số lượng phần tử dầm – cột khác nhau. Ảnh hưởng của việc chia nhỏ số lượng phần tử thớ ñến kết quả phân tích.

Ảnh hưởng của ứng suất dư trong dầm thép ñến kết quả phân tích. 105 CHƯƠNG VI. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

111 1 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình I. Hình ảnh của một số công trình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp. Mặt cắt một số tiết diện cột liên hợp (composite column). Mặt cắt một số tiết diện dầm sàn liên hợp.

Quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu bê tông. Quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép. Quan hệ lực cắt – trượt của liên kết chống cắt. Phần tử dầm – cột ñiển hình với tương tác toàn phần.

Phần tử dầm ñiển hình với tương tác bán phần. Chuyển vị của dầm liên hợp có xét tương tác bán phần. Phần tử dầm – cột ñiển hình với tương tác toàn phần. Phần tử dầm ñiển hình với tương tác bán phần.

Ứng xử tải trọng – chuyển vị của khung cổng chịu tải trọng phân bố ñều và tải trọng ngang. Sơ ñồ minh hoạ thuật toán Euler ñơn giản. Minh họa thuật toán ñiều khiển công hằng. Sơ ñồ phần tử hữu hạn cho cấu kiện dầm - cột trong hệ khung.2 Sơ ñồ phần tử hữu hạn cho dầm có xét tương tác bán phần.

Mô phỏng sự lan truyền dẻo qua mặt cắt tiết diện cho bài toán khung xét tương tác toàn phần. Mô phỏng sự lan truyền dẻo qua mặt cắt tiết diện cho bài toán dầm có xét tương tác bán phần. Các mẫu ứng suất dư thường dùng. Lưu ñồ thuật toán của chương trình.

Sơ ñồ hình học và tiết diện dầm liên hợp E1. Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm E1 của Chapman & Balakrishnan (1964). Sơ ñồ hình học và tiết diện dầm liên hợp U4. Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm U4 của Chapman & Balakrishnan (1964) khi xét tương tác toàn phần.

Quan hệ tải trọng – chuyển vị cấu kiện dầm U4 của Chapman & Balakrishnan (1964) khi xét tương tác bán phần .