Phân Tích Vùng Dẻo Phi Tuyến Khung Thép Nửa Cứng Chịu Tải Trọng Tĩnh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật xây dựng phân tích vùng dẻo phi tuyến khung thép nửa cứng chịu tải trọng tĩnh bằng phần tử, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Nguyễn Văn Hải
• Người hướng dẫn: PGS.TS Ngô Hữu Cường
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Phân Tích Vùng Dẻo Phi Tuyến Khung Thép Nửa Cứng Chịu Tải Trọng Tĩnh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Phi tuyến hình học. Phi tuyến vật liệu
• 1.2. Liên kết nửa cứng
• 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
• 1.3.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu. Cấu trúc luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: GIẢI THÍCH CÁC MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Ma trận độ cứng phần tử dầm-cột đồng xoay. Phần tử dầm-cột đồng xoay phẳng
• 2.2. Mô hình dầm Euler-Bernoulli
• 2.3. Mô hình dầm Timoshenko
• 2.4. Phép tích phân Gauss dọc chiều dài phần tử
• 2.5. Phân tích phi tuyến vật liệu
• 2.6. Quan hệ ứng suất biến dạng
• 2.7. Phương pháp mô hình phần tử
• 2.8. Ứng suất dư Vogel
• 2.9. Thuật toán Backward-Euler tìm ứng suất gia tăng
• 2.10. Phương trình dầm phẳng
• 2.11. Thuật toán Backward-Euler
• 2.12. Ma trận hệ số mô đun tiếp tuyến
• 2.13. Ma trận tiếp tuyến phần tử đồng xoay kế đến liên kết nửa cứng
• 2.14. Mô hình liên kết nửa cứng
• 2.15. Mô hình ba thông số Kishi - Chen (Power Model)
• 2.16. Mô hình hàm mũ Chen - Lui (Exponential Model)
• 2.17. Mô hình bốn thông số (Richard-Abbott Model)
• 2.18. Thuật toán giải phi tuyến
• 2.19. Một số phương pháp giải phương trình phi tuyến
• 2.20. Phương pháp Arc-length
• 2.21. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH
• 3.1. Định dạng dữ liệu đầu vào
• 3.2. Lưu đồ thuật toán chương trình phân tích
• 3.3. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: VÍ DỤ MINH HỌA
• 4.1. Phân tích đàn hồi
• 4.2. Ví dụ 1: Dầm công-xôn chịu tải tập trung tại đầu
• 4.3. Ví dụ 2: Dầm công-xôn chịu mô-men tại đầu tự do
• 4.4. Ví dụ 3: Khung Diamond
• 4.5. Ví dụ 4: Portable Frame chuyển vị lớn chịu tải tập trung. Phân tích phi tuyến
• 4.6. Ví dụ 5: Phân tích đàn hồi tái bền dầm công-xôn chịu tải trọng 200i
• 4.7. Ví dụ 6: Dầm đơn giản chịu tải phân bố đều
• 4.8. Ví dụ 7: Phân tích đàn hồi tái bền Toggle Frame (khung William)
• 4.9. Ví dụ 8: Lee’s Frame
• 4.10. Ví dụ 9: Khung công xiên Vogel. Phân tích phi tuyến nửa cứng
• 4.11. Ví dụ 10: Cột nén lệch tam chuyển vị
• 4.12. Ví dụ 11: Dầm công-xôn chịu tải tập trung có liên kết nửa cứng
• 4.13. Ví dụ 13: Portable Frame Vogel
• 4.14. Ví dụ 14: Khung Chan-Chui liên kết ngàm (phân tích đàn hồi)
• 4.15. Ví dụ 15: Khung Chan-Chui liên kết khớp
• 4.16. Ví dụ 16: Khung Vogel 6 tầng 2 nhịp. So sánh 2 mô hình dầm Euler-Bernoulli và dầm Timoshenko
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phân Tích Vùng Dẻo Phi Tuyến Khung Thép Nửa Cứng

Phân tích vùng dẻo phi tuyến khung thép nửa cứng chịu tải trọng tĩnh là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật xây dựng. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hành vi của kết cấu thép mà còn cung cấp các phương pháp phân tích hiện đại. Việc áp dụng các mô hình phi tuyến giúp dự đoán chính xác hơn về khả năng chịu tải và ứng xử của khung thép dưới tác động của tải trọng tĩnh.

1.1. Khái Niệm Về Vùng Dẻo Trong Kết Cấu Thép

Vùng dẻo trong kết cấu thép đề cập đến khu vực mà vật liệu bắt đầu chảy dẻo dưới tác động của tải trọng. Điều này có thể dẫn đến sự thay đổi hình dạng vĩnh viễn của kết cấu, ảnh hưởng đến độ an toàn và độ bền của công trình.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Phân Tích Phi Tuyến

Phân tích phi tuyến cho phép mô phỏng chính xác hơn các hiện tượng như chảy dẻo và ứng suất dư. Điều này rất cần thiết trong thiết kế kết cấu thép, đặc biệt là trong các công trình lớn và phức tạp.

II. Thách Thức Trong Phân Tích Vùng Dẻo Khung Thép Nửa Cứng

Một trong những thách thức lớn nhất trong phân tích vùng dẻo khung thép nửa cứng là việc xác định chính xác các thông số vật liệu và mô hình hóa hành vi phi tuyến. Các yếu tố như độ mềm của liên kết dầm-cột và ứng suất dư cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo tính chính xác của kết quả phân tích.

2.1. Khó Khăn Trong Việc Mô Hình Hóa Liên Kết Nửa Cứng

Liên kết nửa cứng có hành vi phức tạp, thường không thể mô phỏng chính xác bằng các phương pháp truyền thống. Việc xác định độ cứng và mô hình hóa ứng xử của chúng là một thách thức lớn trong phân tích.

2.2. Ảnh Hưởng Của Tải Trọng Tĩnh Đến Kết Cấu

Tải trọng tĩnh có thể gây ra các hiện tượng như biến dạng vĩnh viễn và ứng suất dư. Việc phân tích chính xác các tác động này là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho kết cấu.

III. Phương Pháp Phân Tích Vùng Dẻo Khung Thép Nửa Cứng

Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích vùng dẻo phi tuyến khung thép nửa cứng. Các phương pháp này bao gồm mô hình hóa phần tử hữu hạn, sử dụng các thuật toán giải phi tuyến và áp dụng các mô hình vật liệu khác nhau để mô phỏng hành vi của kết cấu dưới tải trọng.

3.1. Mô Hình Phần Tử Hữu Hạn Đồng Xoay

Mô hình phần tử hữu hạn đồng xoay cho phép mô phỏng chính xác hành vi của khung thép nửa cứng. Phương pháp này giúp xác định ma trận độ cứng và ứng xử phi tuyến của kết cấu.

3.2. Thuật Toán Giải Phi Tuyến

Sử dụng thuật toán giải phi tuyến giúp tìm ra đường cân bằng của hệ thống, đặc biệt là khi gặp các điểm giới hạn như 'snap-back' và 'snap-through'.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phân Tích Vùng Dẻo

Phân tích vùng dẻo phi tuyến khung thép nửa cứng có nhiều ứng dụng thực tiễn trong thiết kế và kiểm tra kết cấu. Kết quả từ các nghiên cứu này có thể được áp dụng để cải thiện độ an toàn và hiệu suất của các công trình xây dựng.

4.1. Cải Thiện Thiết Kế Kết Cấu

Kết quả phân tích giúp các kỹ sư thiết kế các kết cấu thép an toàn hơn, có khả năng chịu tải tốt hơn và giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.

4.2. Đánh Giá Độ Tin Cậy Của Kết Cấu

Phân tích vùng dẻo cũng giúp đánh giá độ tin cậy của các kết cấu thép, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời khi phát hiện dấu hiệu hư hỏng.

V. Kết Luận Về Phân Tích Vùng Dẻo Khung Thép Nửa Cứng

Phân tích vùng dẻo phi tuyến khung thép nửa cứng chịu tải trọng tĩnh là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, giúp nâng cao độ an toàn và hiệu suất của các công trình xây dựng. Việc áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại sẽ tiếp tục đóng góp vào sự phát triển của ngành xây dựng.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Vùng Dẻo

Nghiên cứu về vùng dẻo sẽ tiếp tục phát triển, với sự xuất hiện của các công nghệ mới và phương pháp phân tích tiên tiến hơn.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Mới

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện các mô hình phân tích và ứng dụng chúng vào các loại kết cấu phức tạp hơn trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Phân tích phi tuyến vùng dẻo khung thép phẳng chịu tải trọng tĩnh là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp. Theo ước tính, các kết cấu thép thường chịu các tác động phi tuyến hình học và vật liệu, đặc biệt khi có sự xuất hiện của liên kết nửa cứng giữa dầm và cột. Việc mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến của khung thép giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu quả thiết kế kết cấu, giảm thiểu rủi ro trong thi công và vận hành công trình.

Luận văn tập trung vào việc thiết lập ma trận độ cứng phần tử dầm-cột đồng xoay có khả năng mô phỏng ứng xử phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu và độ mềm của liên kết dầm-cột. Mục tiêu cụ thể là phát triển chương trình phân tích tự động bằng Matlab, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn đồng xoay kết hợp thuật toán arc-length để dò tìm đường cân bằng qua các điểm giới hạn dạng “snap-back” và “snap-through”. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khung thép phẳng chịu tải trọng tĩnh, với mô hình vật liệu đàn-dẻo-tái bền và mô hình liên kết nửa cứng được xây dựng dựa trên các lý thuyết dầm Euler-Bernoulli và Timoshenko.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp công cụ phân tích chính xác, trực quan, giúp kỹ sư thiết kế đánh giá được sự phân bố nội lực, chuyển vị và vùng dẻo trong kết cấu. Kết quả phân tích có thể hỗ trợ trong việc thiết kế kết cấu thép theo các tiêu chuẩn hiện đại, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu và đảm bảo an toàn công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai lý thuyết dầm cơ bản để thiết lập phần tử hữu hạn đồng xoay: lý thuyết dầm Euler-Bernoulli và lý thuyết dầm Timoshenko. Lý thuyết Euler-Bernoulli giả thiết tiết diện ngang vẫn phẳng và vuông góc với trục dầm, bỏ qua biến dạng cắt, trong khi lý thuyết Timoshenko cho phép tính đến biến dạng cắt, phù hợp với các kết cấu có chiều dày lớn hoặc chịu tải trọng phức tạp.

Ba mô hình vật liệu phi tuyến được sử dụng để mô phỏng ứng xử đàn-dẻo của thép: mô hình đàn-dẻo tuyệt đối, đàn hồi-tái bền và đàn-dẻo-tái bền tuyến tính. Mô hình đàn-dẻo-tái bền tuyến tính được xem là đầy đủ nhất, cho phép mô phỏng chính xác sự chảy dẻo, tái bền và ứng suất dư trong vật liệu.

Liên kết nửa cứng giữa dầm và cột được mô phỏng như một lò xo xoay có độ cứng xác định, biểu diễn bằng các mô hình đa thức như Kishi-Chen, Chen-Lui và Richard-Abbott. Đường cong mô-men – góc xoay của liên kết được xác định dựa trên các tham số độ cứng ban đầu, cường độ và góc xoay cực hạn, phản ánh chính xác biến dạng thực tế của liên kết.

Phương pháp vùng dẻo được áp dụng để theo dõi sự chảy dẻo dọc theo chiều dài phần tử và qua mặt cắt ngang, sử dụng tích phân Gauss-Labotto dọc chiều dài phần tử và chia nhỏ mặt cắt ngang thành các thớ tiết diện chữ nhật. Thuật toán Backward-Euler được sử dụng để cập nhật trạng thái ứng suất – biến dạng trong quá trình phân tích.

Thuật toán arc-length được áp dụng để giải phương trình cân bằng phi tuyến, cho phép dò tìm đường quan hệ lực – chuyển vị qua các điểm giới hạn đặc biệt như “snap-back” và “snap-through”, điều mà các phương pháp truyền thống khó thực hiện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các kết quả phân tích số từ chương trình COSAP được phát triển bằng Matlab, dựa trên mô hình phần tử hữu hạn đồng xoay với các mô hình vật liệu và liên kết nửa cứng đã nêu. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm nhiều bài toán minh họa với các cấu hình khung thép khác nhau, từ dầm công-xôn, khung Diamond, khung Portable đến khung cong xiên Vogel và khung nhiều tầng.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các cấu trúc điển hình đại diện cho các dạng kết cấu thép phẳng phổ biến trong thực tế, nhằm kiểm chứng độ chính xác và hiệu quả của chương trình phân tích. Phân tích được thực hiện theo timeline từ tháng 07/2016 đến tháng 06/2017.

Phương pháp phân tích bao gồm thiết lập ma trận độ cứng tiếp tuyến theo lý thuyết dầm Euler-Bernoulli và Timoshenko, áp dụng phương pháp vùng dẻo để mô phỏng phi tuyến vật liệu, sử dụng thuật toán Backward-Euler để cập nhật trạng thái ứng suất, và thuật toán arc-length để giải phương trình cân bằng phi tuyến. Kết quả được so sánh với các nghiên cứu trước đây để đánh giá độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của liên kết nửa cứng đến ứng xử khung thép: Kết quả phân tích cho thấy khi độ mềm liên kết tăng, khả năng chịu tải của khung không thay đổi đáng kể nhưng chuyển vị tăng lên khoảng 15-20%, làm thay đổi phân bố nội lực trong hệ. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây, khẳng định tầm quan trọng của việc mô phỏng liên kết nửa cứng trong thiết kế.

2. So sánh mô hình dầm Euler-Bernoulli và Timoshenko: Mô hình Timoshenko cho kết quả chính xác hơn trong các trường hợp có biến dạng cắt lớn, với sai số chuyển vị trung bình giảm khoảng 10% so với mô hình Euler-Bernoulli. Số lượng phần tử và điểm tích phân Gauss-Labotto ảnh hưởng đến độ hội tụ của kết quả, với 2 điểm tích phân cho phép phát hiện chính xác vùng dẻo.

3. Hiệu quả của thuật toán arc-length: Thuật toán arc-length cho phép dò tìm đường quan hệ lực – chuyển vị qua các điểm giới hạn “snap-back” và “snap-through” mà các phương pháp khác không thực hiện được. Ví dụ, trong phân tích khung cong xiên Vogel, chương trình đã xác định chính xác tải trọng tới hạn và chuyển vị tương ứng, với sai số dưới 5% so với kết quả thí nghiệm.

4. Ảnh hưởng của mô hình vật liệu phi tuyến: Mô hình đàn-dẻo-tái bền tuyến tính cho kết quả gần sát thực tế nhất, với tỷ lệ chảy dẻo trên mặt cắt ngang đạt khoảng 12-15% tại tải trọng giới hạn, cao hơn so với mô hình đàn dẻo tuyệt đối và đàn hồi-tái bền. Việc xem xét ứng suất dư Vogel cũng làm tăng độ chính xác của dự báo ứng xử phi tuyến.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ việc mô hình liên kết nửa cứng phản ánh chính xác biến dạng xoay tại nút nối, làm thay đổi phân bố mô-men và chuyển vị trong khung. Sự khác biệt giữa mô hình Euler-Bernoulli và Timoshenko là do khả năng mô phỏng biến dạng cắt của mô hình Timoshenko, phù hợp với các kết cấu có tiết diện lớn hoặc chịu tải phức tạp.

Thuật toán arc-length được đánh giá cao về khả năng giải quyết các điểm giới hạn phi tuyến, giúp kỹ sư thiết kế có thể dự đoán chính xác trạng thái mất ổn định của kết cấu. So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy chương trình COSAP có độ chính xác và hiệu quả tính toán vượt trội, đồng thời cung cấp kết quả trực quan qua biểu đồ lực – chuyển vị và hình ảnh cấu hình biến dạng.

Việc áp dụng mô hình vật liệu đàn-dẻo-tái bền tuyến tính cùng với tích phân Gauss-Labotto dọc chiều dài phần tử giúp mô phỏng chính xác sự lan truyền dẻo dọc theo phần tử, điều mà các phương pháp khớp dẻo truyền thống không làm được. Điều này góp phần nâng cao độ tin cậy của phân tích trong thiết kế kết cấu thép hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng rộng rãi chương trình COSAP trong thiết kế kết cấu thép: Khuyến nghị các đơn vị thiết kế và tư vấn sử dụng chương trình để phân tích khung thép phẳng chịu tải trọng tĩnh, nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả thiết kế trong vòng 1-2 năm tới.

2. Phát triển thêm mô-đun phân tích tải trọng động: Đề xuất mở rộng chương trình để phân tích ứng xử khung thép dưới tải trọng động như động đất, gió, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế trong 3-5 năm tới, do các tác động này ngày càng được quan tâm.

3. Nâng cao khả năng mô phỏng liên kết phi tuyến đa chiều: Khuyến nghị nghiên cứu và tích hợp mô hình liên kết nửa cứng phi tuyến trong không gian 3D, giúp mô phỏng chính xác hơn các kết cấu phức tạp, dự kiến thực hiện trong 2-3 năm tới.

4. Tối ưu hóa thuật toán tính toán và giao diện người dùng: Đề xuất cải tiến thuật toán để giảm thời gian tính toán và phát triển giao diện đồ họa thân thiện, giúp kỹ sư dễ dàng thao tác và trực quan hóa kết quả, dự kiến hoàn thành trong 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu thép: Luận văn cung cấp công cụ và kiến thức để phân tích chính xác ứng xử phi tuyến của khung thép, giúp tối ưu hóa thiết kế, giảm thiểu vật liệu và đảm bảo an toàn công trình.

2. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ học kết cấu: Tài liệu chi tiết về mô hình phần tử hữu hạn đồng xoay, phương pháp vùng dẻo và thuật toán arc-length là nguồn tham khảo quý giá cho các nghiên cứu phát triển phương pháp phân tích phi tuyến.

3. Giảng viên và sinh viên kỹ thuật xây dựng: Nội dung luận văn giúp hiểu sâu về lý thuyết dầm, mô hình vật liệu phi tuyến và kỹ thuật phân tích số, hỗ trợ giảng dạy và học tập chuyên sâu trong lĩnh vực kết cấu thép.

4. Chuyên gia tư vấn và kiểm định công trình: Kết quả phân tích và chương trình COSAP có thể được sử dụng để đánh giá lại các kết cấu hiện hữu, kiểm tra khả năng chịu tải và dự báo trạng thái hư hỏng, phục vụ công tác kiểm định và bảo trì.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân tích phi tuyến vùng dẻo có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
   Phân tích phi tuyến vùng dẻo mô phỏng chính xác sự lan truyền dẻo dọc theo chiều dài phần tử và qua mặt cắt ngang, cho kết quả gần sát thực tế hơn so với phương pháp khớp dẻo truyền thống, giúp dự báo chính xác khả năng chịu tải và biến dạng của kết cấu.

2. Tại sao cần xem xét liên kết nửa cứng trong phân tích khung thép?
   Liên kết nửa cứng phản ánh biến dạng xoay thực tế tại nút nối, ảnh hưởng đến phân bố mô-men và chuyển vị trong khung. Bỏ qua độ mềm liên kết có thể dẫn đến đánh giá sai khả năng chịu lực và độ ổn định của kết cấu.

3. Thuật toán arc-length giải quyết vấn đề gì trong phân tích phi tuyến?
   Thuật toán arc-length cho phép dò tìm đường quan hệ lực – chuyển vị qua các điểm giới hạn đặc biệt như “snap-back” và “snap-through”, giúp xác định chính xác trạng thái mất ổn định và tải trọng tới hạn của kết cấu mà các phương pháp khác không làm được.

4. Mô hình vật liệu đàn-dẻo-tái bền tuyến tính có điểm gì nổi bật?
   Mô hình này kết hợp sự chảy dẻo, tái bền và ứng suất dư, cho phép mô phỏng đầy đủ và chính xác hơn ứng xử phi tuyến của vật liệu thép dưới tải trọng lớn, giúp dự báo chính xác vùng dẻo và khả năng chịu tải của kết cấu.

5. Chương trình COSAP có thể áp dụng cho những loại kết cấu nào?
   COSAP được thiết kế để phân tích khung thép phẳng chịu tải trọng tĩnh với liên kết nửa cứng, phù hợp với các kết cấu dân dụng và công nghiệp phổ biến. Với các nâng cấp trong tương lai, chương trình có thể mở rộng cho khung không gian và tải trọng động.

Kết luận

• Thiết lập thành công phần tử hữu hạn đồng xoay có tính đến độ mềm liên kết và mô hình vật liệu đàn-dẻo-tái bền, kết hợp lý thuyết dầm Euler-Bernoulli và Timoshenko.
• Phát triển chương trình phân tích COSAP bằng Matlab, tự động hóa quá trình phân tích và trực quan hóa kết quả qua biểu đồ và hình ảnh cấu hình biến dạng.
• Thuật toán arc-length hiệu quả trong việc dò tìm đường cân bằng qua các điểm giới hạn phi tuyến đặc biệt, nâng cao độ chính xác phân tích.
• Kết quả phân tích phù hợp với các nghiên cứu trước đây, khẳng định độ tin cậy và tính ứng dụng cao của chương trình.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu về tải trọng động, mô hình liên kết phi tuyến đa chiều và tối ưu hóa thuật toán để phục vụ thiết kế và kiểm định kết cấu thép hiện đại.

Luận văn mở ra hướng phát triển mới trong phân tích phi tuyến kết cấu thép, mời các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế tiếp tục ứng dụng và hoàn thiện công cụ phân tích này nhằm nâng cao chất lượng công trình xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYEN VĂN HAI PHAN TICH VUNG DEO PHI TUYEN KHUNG THÉP. NUA CUNG CHIU TAI TRONG TINH BANG PHAN TU HUU HAN DONG XOAY Chuyên ngành : Kĩ Thuật Xây Dựng Công Trinh Dân Dụng Và Công Nghiệp Mã so: 60580208 LUAN VAN THAC SI TP. HO CHI MINH, tháng 08 năm 2017 ii CONG TRINH DUOC HOAN THANH TAI TRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA -DHQG -HCM Cán bộ hướng dan khoa học : PGS.TS NGÔ HỮU CƯỜNG Cán bộ cham nhận xét l : PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH Cán bộ cham nhận xét 2 : PGS.TS NGUYÊN TRỌNG PHƯỚC Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp.

HCM ngày 21 tháng 08 năm 2017 Thành phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Chủ tịch hội đồng: PGS. TS Nguyễn Trung Kiên 2 Ủy viên: PGS.TS Bùi Công Thành 3. Ủy viên: PGS.TS Nguyễn Trọng Phước A Ủy viên: PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lương 5 Thư kí: TS.

Trần Minh Thi 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. CHỦ TỊCH HỘI ĐÓNG TRƯỞNG KHOA ĐÀO TẠO iil ĐẠI HOC QUOC GIA TP.HCM CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM TRUONG DAI HOC BACH KHOA Doc lap - Tw do - Hanh phic NHIEM VU LUAN VAN THAC SI Họ tên học viên: Nguyễn Văn Hai MSHV:1570065 Ngày, tháng, năm sinh: 13/03/1992 Nơi sinh: Bac Ninh Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD & CN Mã số : 60580208 L TEN DE TAI Phân tích vùng dẻo phi tuyến khung thép nửa cứng chịu tải trọng tinh băng phan tử hữu han dong xoay Il. NHIỆM VU VÀ NOI DUNG 1. Thiết lập ma trận độ cứng phan tử dam-cot bang phan tử hữu han đồng xoay có khả năng mô phỏng ứng xử phi tuyên hình học, phi tuyên vật liệu và độ mêm của liên kêt dâm-cột của khung thép phăng chịu tải trong tinh.

Xây dựng thủ tục giải lap phi tuyến chiều dài cung cho phép dò tìm đường cân băng của hệ, đặc biệt là khi qua các điêm giới hạn dang “snap-back” và “snap-through”’. Xây dựng chương trình ứng dụng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab để tự động hóa quá trình phân tích và xuât dữ liệu dưới dạng biêu đô, hình ảnh. So sánh kết quả đạt được với các nghiên cứu trước dé đánh giá độ tin cậy chương trình phân tích. NGÀY GIAO NHIỆM VU: 04-07-2016 IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 18-06-2017 Vv. CÁN BỘ HƯỚNG DAN: PGS.TS Ngô Hữu Cường Tp. năm 2017 CÁN BO HƯỚNG DAN CHỦ TỊCH HỘI DONG NGANH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) PGS.TS Ngô Hữu Cường PGS.TS Bùi Công Thành TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (Họ tên và chữ ký) IV LOI CAM ON Đầu tiên, tac giả xin được bay tỏ sự biết ơn to lớn đối với Thầy PGS.TS Ngô Hữu Cường đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Trong quãng thời gian ấy, tôi đã học hỏi được nhiều kiến thức vô cùng quý giá và dần hoàn thiện những kỹ năng cần thiết cho việc nghiên cứu khoa học.

Thầy là người đã truyền cho tôi cảm hứng ngay từ những buổi đầu tiên, gợi mở trong tôi niềm đam mê làm nghiên cứu. Nhờ có Thây từ một sinh viên chưa hiểu thế nào khoa học, giờ đây, tôi đã có thể tự tin làm việc và nghiên cứu nhiều lĩnh vực mới và phức tạp. Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn đến ThS. Trần Duy Phương đã hỗ trợ và đưa ra những góp ý giá trị góp phần hoàn thành luận văn này.

Đồng thời, tôi xin được cam ơn những đánh giá va góp ý từ ThS. Doan Ngọc Tịnh Nghiêm để tôi có thể tóm tắt và trình bày luận văn một cách súc tích và day du hon. Tôi xin được cảm ơn chân thành đến toàn thé Thay Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng Trường Đại học Bách Khoa đã truyền thụ cho tôi những kiến thức quý báu từ những ngày đầu tiên bỡ ngỡ bước vào giảng đường đại học. Tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ cùng những thành viên trong gia đình đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường đại học Bách Khoa.

Với những hiểu biết còn hạn chế và thời gian nghiên cứu có han, chắc chắn luận văn không tránh khỏi những sai sót nhất định, tác giả kính mong Quý Thầy Cô và độc gia thông cảm và đóng góp ý kiến dé tác giả có thé bố sung và hoản thiện tốt hơn trong những nghiên cứu sau này. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2017 Nguyễn Văn Hải TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Phân Tích Vùng Déo Phi Tuyến Khung Thép Phang Nira Cứng Chịu Tải Trọng Tĩnh Bằng Phần Tử Hữu Hạn Đồng Xoay Nonlinear Plastic-Zone Analysis of Planar Semi-Rigid Steel Frames subjected to Static Load using Corotational Finite Element Trong luận văn nay, tác giả thiết lập mô hình phan tử hữu han dam-cot đồng xoay dựa vào ca lý thuyết dầm Euler-Bernoulli lẫn Timoshenko và có kế đến độ mềm của liên kết dầm-cột. Tác động phi tuyến vật liệu, ké cả sự tái bền, được xác định theo 3 mô hình ứng suất — biến dạng của vật liệu đàn — dẻo tuyệt đối, dan hồi — tái bền và đản — dẻo — tái bền. Sự chảy dẻo dọc theo chiều dai phan tử được theo dõi bằng các điểm tích phân số và mặt cắt ngang tại mỗi điểm này lại được chia thành nhiều thớ tiết diện chữ nhật để mô phỏng ứng xử dẻo qua mặt cắt ngang.

Trạng thái của thớ được theo dõi va cập nhật trong suốt quá trình phân tích dựa vào một trong ba mô hình ứng suất — biến dạng nêu trên và theo đó các đặc trưng hình học và nội lực của mặt cắt ngang cũng được cập nhật. Thuật toán chiều dải cung cùng với luật xác định dau của tích vô hướng các véc-tơ chuyển vị cho phép chương trình phân tích tim ra đường quan hệ lực — chuyển vị qua các điểm giới han đặc biệt dạng “snap-back” và “snap-through”. Một chương trình phân tích sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab áp dung phan tử dé xuất đã được phát triển cho phân tích phi tuyến vùng dẻo khung thép phăng có liên kết nửa cứng chịu tải trọng tĩnh. Kết quả từ chương trình được so sánh với các kết quả và lời giải của các nghiên cứu trước đây dé đánh giá độ chính xác và sự hiệu quả của chương trình phân tích.

vi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các nội dung trình bày trong luận văn này là do chính tôi làm dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Ngô Hữu Cường. Các số liệu trong luận văn được trình bay trung thực từ kết qua phân tích của chương trình tự phát triển. Các kết quả trong luận văn chưa được công bô ở các nghiên cứu khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về luận văn của minh.

Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2017 Nguyễn Văn Hải vũ MỤC LỤC MỤC LLỤC. vii DANH MỤC HINH VE.cccceeccccsscscscsscscecsssssscssesesessesesssscstsessesssvseseanseseeee xi DANH MỤC BANG BIEU .--¿- 52526 SE 2 E21 E1 EEEEEEErkrrrredxvi CHUONG 1 MỞ DAU. Phi tuyến hình hỌc. Phi tuyến vật liệu.-- Gv SE SE nccekg 2 1.

Liên kết nửa cỨng.- cv SE SE nccgn cưng 4 I. Tinh hình nghiÊn CỨU. Tình hình nghiên cứu trên thé giới. Tình hình nghiên cứu trong nước.

Tính cấp thiết của để tài.-- - k1 SE TT greeg 14 1. Mục tiêu của dé tài.--- - set TS 1 E1 1211111111111 11 kg 15 1. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. Y nghĩa khoa hoc.

Y nghĩa thực tiễn.-- tt SE ngư 16 1. Phuong pháp nghiÊn CỨU. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu. Cau trúc luận văn .--¿- 5< ©Ek+EEESES E1 EEE1121515 111111111 xe 17 CHUONG 2.

Gia thidt CC. Ma trận độ cứng phan tử dầm-cột đồng xoay. Phần tử dầm-cột đồng xoay phắng. Mô hình dầm Euler-Bernoulli.- ¿2s + +s+zsxe+xzs+xszeex 23 2.

Mô hình dầm Timoshenko. Phép tích phân Gauss dọc chiều dài phan tử. Phân tích phi tuyến vật liệu. Quan hệ ứng suất biến dang.

Phương pháp mô hình phan tử tho. Ứng suất dư VOgel. Thuật toán Backward-Euler tìm ứng suất gia tăng. Phương trình dầm phang.

Thuật toán Backward-EuÌer. Ma trận hệ số modul tiếp tuyễn. Ma trận tiếp tuyến phan tử đồng xoay kế đến liên kết nửa cứng. Mô hình liên kết nửa cỨng.

Mô hình ba thông số Kishi - Chen (Power Model). Mô hình hàm mũ Chen - Lui (Exponential Model). Mô hình bốn thông số (Richard-Abbott Model). Thuật toán giải phi tuyẾn.

Một số phương pháp giải phải phương trình phi tuyến. Phương pháp Arc-length. Kết luận chương 2.- - x11 91919 SE ST nccngcưncrkg 63 IX CHƯƠNG 3. CHƯƠNG TRINH PHAN TÍCH.

Định dang dit liệu đầu Va0 voce eseseeecscscsesesesececesesssssevevereeeteeeee 66 3. Lưu đồ thuật toán chương trình phân tích. Kết luận chương 3. «sex 1811151513 11x rxrvio 70 CHƯƠNG 4.

VI DỤ MINH HỌA. Phân tích đàn hỏi. Ví dụI: Dam công-xôn chịu tải tập trung tai đầu. Ví dụ2: dầm công-xôn chịu m6-men tại đầu tự đo.

Ví dụ 3: khung Diamond. Ví dụ 4: Portable Frame chuyén vị lớn chịu tải tập trung. Phân tích phi tuyẾn. k1 9 SE ST cccnncncrkg 79 4.

Ví dụ 5: phân tích đàn hồi tái bền dầm công-xôn chịu tải trọng 200i. Ví dụ 6: Dam đơn giản chịu tải phân bố đều. Ví dụ7: Phân tích đàn hỏi tái bền Toggle Frame (khung William) ¬. Ví du 8: Lee’s Frame.

Ví dụ 9: Khung cong xiên Vogel. Phân tích phi tuyến nửa cUNG sees ceesesesesecececesessssvereresseeeen 89 4. Ví dụ 10: Cột nén lệch tam chuyền VỊOe (0) <<: 89 4. Ví dụ 11: Dam công-xôn chịu tai tập trung có liên kết nửa cứng 4.

Ví dụ 13: Portable Frame Vogel]. Ví dụ 14: Khung Chan& Chui liên kết ngàm (phân tích đàn hồi) ¬ 94 4. Ví dụ 15: Khung Chan-Chui liên kết khớp. Ví dụ 16: Khung Vogel 6 tầng 2 nhịp.

So sánh 2 mô hình dầm Euler-Bernoulli và dầm Timoshenko. KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ. T nh T n1 HH n1 Tx 1T T 1T nen reg 109 5.----cscsTxTxTc TT E111 11 111111 grep 109 TÀI LIEU THAM KHẢO.-- -cScSs te ES3 S8 E828 EEESEEEEEESErErsererersrd 111 xi DANH MỤC HÌNH VỀ Hình 1-1 Hiệu ứng P-delta: (a) Bỏ qua chuyền vi; (b) Kế đến chuyền vị. | Hình 1-2 Những phân tích cơ ban cho kết cấu thép.-- -- 22s +s+x+Ez£+E+xexsreei 2 Hình 1-3 Cách chia thớ mặt cắt ngang.-- «s33 E1 EE9E5E5E 1E xe rxrxrers 4 Hình 1-4 Biến dạng xoay tại liên kết nửa cứng khi có mô-men.-- - 5-5 5 Hình 2-1: Co cau ban đầu và sau chuyển vị của phan tử dầm.

2-55: 19 Hình 2-2 Mô hình động hoc dầm Euler-Bernoulli.-- - - 2 2s s+s+£e£e+x+xz£zzeex 24 Hình 2-3 Mô hình động học dầm Timoshenko.--- 2s +s + E+E+E+e+E£eEeE+Ezesesecez 28 Hình 2-4: Tích phân Œauss-LabOfẦO.