B GIO DC V O TO B XY DNG VIN KHOA HC CễNG NGH XY DNG NGUYN QUC HNG PHN TCH KHUNG THẫP PHNG Cể XẫT N MM CA LIấN KT, CHU TI TRNG NGANG THAY I LP Cể CHU K LUN N TIN S K THUT H Ni 2010 B GIO DC V O TO B XY DNG VIN KHOA HC CễNG NGH XY DNG NGUYN QUC HNG PHN TCH KHUNG THẫP PHNG Cể XẫT N MM CA LIấN KT, CHU TI TRNG NGANG THAY I LP Cể CHU K Chuyờn ngnh: Xõy dng dõn dng v Cụng nghip Mó s: 62.58.20.01 LUN N TIN S K THUT Ngi hng dn khoa hc: PGS.TS Nguyn Tin Chng GS.TS Nguyn Vn Phú H Ni 2010 Phần mở đầu 1) Tính cấp thiết đề tài luận án Ngày nay, kết cấu nhà khung thép sử dụng phổ biến lĩnh vực xây dựng công trình dân dụng công nghiệp Giải pháp sử dụng kết cấu thép cho phép rút ngắn thời gian xây dựng so với trường hợp dùng vật liệu truyền thống bê tông, gạch đá Kết cấu thép gia công thành cấu kiện rời nhà máy công trường mang lắp dựng Tại công trình xây dựng, cấu kiện lắp ráp lại với phương pháp liên kết liên kết hàn, liên kết đinh tán, liên kết bu lông Cấu tạo nút liên kết có nhiều loại khác phụ thuộc vào yêu cầu chịu lực cấu kiện liên kết mặt cường độ, ổn định công sử dụng Liên kết dầm-cột cấu tạo từ nhiều phận riêng biệt như: thép góc chữ L, bu lông, thép sườn tăng cường Do đó, đặc điểm ứng xử liên kết phụ thuộc vào ứng xử phận liên kết Nhiều công trình nghiên cứu áp dụng qui trình thí nghiệm kiểu liên kết gia công lắp ráp phòng thí nghiệm Kết thu từ việc thí nghiệm tập hợp thành ngân hàng liệu, sở để xây dựng mô hình nghiên cứu đặc điểm quan hệ ứng xử liên kết Liên kết có ảnh hưởng nhiều đến làm việc hệ kết cấu Quan niệm thiết kế thường cho nút liên kết cứng khớp chưa đầy đủ Thực tế, khung thép có liên kết nửa cứng sử dụng phổ biến lĩnh vực xây dựng Đặc điểm ứng xử phi tuyến liên kết nửa cứng phụ thuộc vào trạng thái làm việc phức tạp phận cấu thành liên kết Bài toán đặt tải đơn giản nghiên cứu nhiều, ngoại lực gia tăng bước không đổi chiều để phân tích trạng thái làm việc kết cấu Tuy nhiên thực tế, ngoại lực tác dụng lên kết cấu thường có qui luật thay đổi, chẵng hạn tải gió động đất, tác dụng theo chiều ngược lại với biên độ thay đổi Vấn đề tính toán khung thép có liên kết nửa cứng giới quan tâm nghiên cứu từ lâu đưa vào áp dụng thực tế tiêu chuẩn thiết kế số nước Các kết nghiên cứu giới tập trung vào nghiên cứu đặc điểm làm việc liên kết đưa mô hình ứng xử liên kết Việc nghiên cứu tính toán kết cấu có liên kết nửa cứng chủ yếu tập trung vào mô hình tuyến tính phi tuyến đàn hồi Các nghiên cứu chứng tỏ rằng, ứng xử liên kết có đặc tính phi tuyến đàn dẻo Nhiệm vụ đặt cho luận án nghiên cứu tính toán khung thép phẳng có liên kết nửa cứng theo mô hình phi tuyến đàn dẻo, chịu tác dụng tải trọng thay đổi; nhằm làm sáng tỏ làm việc kết cấu mà mô hình tính toán tuyến tính phi tuyến đàn hồi chưa phản ánh 2.Nội dung cấu trúc luận án 2.1 Nội dung luận án Tổng quan kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng Bài toán khung thép có liên kết nửa cứng vấn đề có từ lâu, nhiều tác giả khắp giới nghiên cứu giải phần theo thời gian Bao gồm công trình nghiên cứu đặc điểm ứng xử liên kết nửa cứng nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu lý thuyết Những công trình nghiên cứu mô hình ứng xử liên kết nửa cứng, nghiên cứu tính toán kết cấu thép có liên kết nửa cứng với mô hình ứng xử đàn hồi cho toán tĩnh lực động lực, mô hình ứng xử đàn dẻo cho toán tĩnh lực Một số nghiên cứu khác tập trung phân tích đặc điểm ứng xử liên kết nửa cứng dựa mô hình thí nghiệm chịu tải đơn điệu tải thay đổi lặp với nhiều dạng cấu tạo liên kết khác Luận án tập trung nghiên cứu tính toán kết cấu khung có liên kết nửa cứng chịu tác dụng tải ngang đơn điệu tải ngang thay đổi để nghiên cứu đặc trưng làm việc toàn kết cấu khung ảnh hưởng liên kết nửa cứng phi tuyến Xây dựng toán tổng quát khung thép có liên kết nửa cứng phi tuyến Thành lập ma trận độ cứng phần tử, ma trận độ cứng kết cấu có xét đến ảnh hưởng liên kết nửa cứng theo nguyên lý chuyển vị Xây dựng thuật toán để tính toán cho trường hợp kết cấu khung chịu tải trọng đứng tải ngang đơn điệu kể đến ảnh hưởng liên kết nửa cứng theo số mô hình ứng xử khác Tính toán kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng chịu tải ngang tải trọng đứng không đổi Tính toán kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng chịu tải lặp theo phương ngang, với mô hình ứng xử liên kết nửa cứng đàn dẻo Tính toán đẩy dần (Pushover) kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng chịu tải trọng đứng không đổi tải ngang tăng dần Tính toán kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng có tham gia tải trọng đứng không đổi giải cho hai trường hợp: tải ngang đơn điệu tải ngang thay đổi lặp chu kỳ Xây dựng thuật toán lập trình chương trình tính ngôn ngữ Matlab có đủ độ tin cậy, áp dụng vào nghiên cứu thiết kế 2.2 Cấu trúc luận án Luận án gồm có chương không kể phần mở đầu kết luận chung luận án, danh mục tài liệu tham khảo phụ lục kèm theo Phần mở đầu, trình bày tính cấp thiết đề tài; mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu cấu trúc luận án Chương 1, Tổng quan kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng, trình bày số công trình nghiên cứu liên quan tác giả nước Trình bày số kiểu liên kết nửa cứng phổ biến, liệu liên kết, đặc điểm mô hình ứng xử liên kết nửa cứng, phương pháp phân loại liên kết, đặc điểm ứng xử lặp liên kết nửa cứng Kết luận chương Chương 2, Tính toán khung thép phẳng có liên kết nửa cứng phi tuyến Xây dựng ma trận độ cứng phần tử, ma trận độ cứng kết cấu tổng thể, xây dựng véc tơ tải nút phần tử, phương trình cân bằng, tính toán cho trường hợp kết cấu thép có liên kết nửa cứng chịu tác dụng tải ngang tải trọng đứng không đổi với số mô hình ứng xử mô men-góc xoay liên kết Kết luận chương Chương 3, Tính toán khung thép có liên kết nửa cứng phi tuyến chịu tác dụng tải ngang thay đổi Giới thiệu toán, trình bày mô hình ứng xử mô mengóc xoay liên kết nửa cứng, số dạng tải ngang thay đổi áp dụng nghiên cứu Tính toán cho trường hợp kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng chịu tác dụng tải ngang thay đổi lặp Kết luận chương 3 Chương 4, Tính toán khung thép có liên kết nửa cứng chịu tác dụng tải ngang lặp chu kỳ tải trọng đứng không đổi Giới thiệu toán, trình bày mô hình ứng xử lặp chu kỳ quan hệ mô men-góc xoay liên kết, xây dựng thuật toán tính toán đẩy dần (pushover) kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng chịu tải trọng đứng không đổi tải ngang tăng dần không đổi chiều, xây dựng thuật toán tính toán đẩy dần lặp chu kỳ(cyclic pushover) kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng chịu tải trọng đứng không đổi tải ngang đổi chiều Kết luận chương Kết luận kiến nghị luận án, nêu kết đóng góp khoa học luận án tồn tại, kiến nghị phương hướng cần nghiên cứu Phần phụ lục giới thiệu văn mã nguồn chương trình tính toán viết ngôn ngữ MATLAB Chương TổNG QUAN kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng 1.1 Các nghiên cứu liên kết nửa cứng kết cấu khung thép Các công trình nghiên cứu liên kết nửa cứng kết cấu khung thép số tác giả thực từ năm 30 kỷ 20 giai đoạn này, nghiên cứu tập trung vào thí nghiệm phân tích qui luật ứng xử liên kết để từ xây dựng mô hình tính toán học Nhiều nhà nghiên cứu xem xét ảnh hưởng độ mềm liên kết đến ứng xử khung thép; Batho Rowan(1934) [74] đề xuất phương pháp đường thẳng dầm phổ biến để phân loại độ mềm liên kết Rathun (1936) [74] xem xét độ cứng liên kết dùng cho phương pháp phân phối mô men Baker Williams (1936) Sourochnikoff (1950) [74] tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng lắc khung có liên kết nửa cứng Các tác giả tiên phong việc áp dụng phương pháp ma trận độ cứng vào toán phân tích khung có liên kết nửa cứng Monforton Wu (1963) [84] Theo đó, việc xác định ma trận độ cứng cấu kiện véctơ tải trọng nút phần tử phụ thuộc theo độ cứng liên kết tuyến tính Những nghiên cứu khung có liên kết nửa cứng có sử dụng phương pháp ma trận độ cứng đúc kết nhiều nhà nghiên cứu Arbabi (1982), Jones (1982), Globle (1963), Lightfoot LeMessurier (1974), Romstad Subramanian (1970) [74] Frye Morris (1975) [82] tác giả xem xét mô hình liên kết phi tuyến khung thép Những kỹ thuật khác để kết hợp độ mềm liên kết vào chương trình tính toán phân tích đàn hồi không đàn hồi khung thép, xem xét trường hợp chuyển vị nhỏ chuyển vị lớn trình bày tác Al-Bermani Kitipornchai (1992), Bijaard (1986), Galea (1988), Goto Chen (1987), Liew et al (1993), Lui Chen (1987), Pogg (1988), Shi Atluri (1989) [74] Goto Chen (1987) [32] trình bày phương pháp dựa vào máy tính, ứng dụng dễ dàng vào thực tiễn thiết kế liên kết mềm, sử dụng máy tính nhỏ ứng xử liên kết lên mô hình cách sử dụng trực tiếp liệu thí nghiệm đường cong phân tích sẵn có, trường hợp đơn giản mô hình đường thẳng hai đường thẳng Gerstle (1988) [32] đưa phương pháp thiết kế sử dụng máy tính để xem xét ứng xử thực liên kết, liên kết thể lò xo xoay Cosenza (1989) [74] phát triển phương pháp Gerstle đề xuất có kể thêm ảnh hưởng lực dọc Nee Haldar (1988) Halder Nee (1989) [74] kiến nghị sử dụng phần tử kích thước nhỏ để mô tả liên kết nửa cứng Phương pháp làm tăng số bậc tự ma trận độ cứng Thêm vào đó, Shi (1987) dùng lò xo xoay có đặc trưng phi tuyến phần tử liên kết độc lập mô hình liên kết mềm Lui Chen (1988) [32] nghiên cứu ảnh hưởng giằng ứng xử khung nửa cứng Lee Basu (1989) [66] phân tích khung nửa cứng phương pháp độ cứng cát tuyến có kể đến ảnh hưởng biến dạng lớn Deierlein(1990) thực nghiên cứu số dựa phân tích tới hạn khung không gian có liên kết nửa cứng phương pháp rời rạc khớp dẻo phi tuyến; Hsieh Deierlein (1991) [66] đề xuất phương pháp phân tích kể đến ảnh hưởng phi tuyến liên kết Liên kết phần độc lập mô hình có độ dài không, hàm lũy thừa tham số sử dụng để mô ứng xử phi tuyến liên kết AlBermani Kitipornchai (1992) [80] đề xuất phương pháp kể đến ảnh hưởng độ mềm liên kết phân tích phi tuyến khung không gian Liên kết xem lò xo xoay, đặc điểm ứng xử phi tuyến mô cách sử dụng mô hình hàm số mũ Gần đây, Ho Chen(1993) [30] vận dụng phương pháp bước nhảy độ cứng cát tuyến kỹ thuật PTHH dựa chuyển vị cho phân tích khung nửa cứng không gian Yau Chan (1994) [30] kiến nghị mô hình chuỗi lò xo phức hợp, có kể đến ảnh hưởng dẻo độ mềm liên kết Dhillon OMalley (1999) [81] kết hợp phân tích khung kể đến ảnh hưởng biến dạng lớn độ mềm liên kết, phương pháp dùng việc kết nối với tiêu chuẩn Mỹ (LRFD 1993) Lo Stiemer (1996) [83] trình bày phương pháp phân tích khung phẳng có liên kết mềm theo mô hình Frye Morris, ma trận độ cứng có kể đến ảnh hưởng độ mềm liên kết, kết phân tích cho thấy ảnh hưởng đáng kể đến phân bổ nội lực kết cấu kể đến ứng xử nửa cứng liên kết Faella (2000) [31] ồng tác giả thực 28 loại liên kết tổ hợp từ tiết diện chữ T với thông số kích thước hình học khác gia tải lặp chu kỳ, đề xuất mô hình giải tích để mô tả ứng xử lặp liên kết bu lông với chữ T Xu (2001) [66] đề xuất phương pháp phân tích kể đến ứng xử mô men-góc xoay (M-) phi tuyến liên kết ảnh hưởng P- P- Kim Choi (2001) [30] đề xuất phương pháp phân tích khung không gian nửa cứng kể đến phi tuyến hình học vật liệu, ma trận độ cứng kể đến ảnh hưởng liên kết nửa cứng với đặc điểm ứng xử mô hình hàm tham số Kameshki Saka (2003) [74] trình bày phương pháp thiết kế tối ưu khung thép nhiều tầng có liên kết nửa cứng phi tuyến Việt Nam, công trình nghiên cứu [18] tác giả mô liên kết nửa cứng ba lò xo, hai lò xo thẳng đại diện cho hai chuyển vị thẳng, lò xo xoay đại diện cho chuyển vị xoay liên kết áp dụng với toán phân tích khớp dẻo tuyến tính hình học cho kết cấu Trong công trình nghiên cứu [13] tác giả trình bày phương trình mô men-góc xoay phần tử có liên kết nửa cứng phụ thuộc hệ số tỷ số độ cứng độ cứng nút, sau thiết lập công thức liên hệ nội lực chuyển vị hai đầu mút phần tử Trong công trình nghiên cứu [17] mô liên kết nửa cứng lò xo không trọng lượng có chiều dài không, thiết lập ma trận độ cứng hình học phần tử dầm có liên kết nửa cứng qua việc đề xuất phương pháp dùng tải trọng dọc trục cột đạt từ phân tích tuyến tính để xác định tải trọng dọc trục tới hạn hệ số chiều dài ảnh hưởng cột kết cấu khung Trong công trình nghiên cứu [16] tác giả dùng mô hình liên kết nửa cứng có ba lò xo (hai lò xo chuyển vị thẳng lò xo chuyển vị xoay), có kể đến vùng cứng vị trí dầm-cột, theo mô hình ba đường thẳng Bên cạnh việc tác giả tập trung thí nghiệm, xây dựng mô hình tính, nhóm tác giả khác dùng kết nghiên cứu để ảnh hưởng lợi ích việc sử dụng liên kết nửa cứng kết cấu xây dựng thực tế Năm 1987, tác giả Lindsey [66] mô tả quy trình thiết kế việc thiết kế khung có liên kết nửa cứng cho thấy rằng, khung với liên kết nửa cứng mang lại lợi ích kinh tế nhiều khung có kiểu liên kết thông thường tương ứng, việc ứng dụng thích hợp Năm 1988, Nethercot [66] đề xuất phương pháp kể đến ảnh hưởng độ mềm liên kết vào thực tiễn thiết kế cột cho thấy hiệu tiết kiệm rõ độ mềm liên kết xét đến Năm 1995, nhóm tác giả Kishi [32] nghiên cứu tác dụng việc sử dụng kết hợp liên kết nửa cứng cứng vào ứng xử công trình cao tầng tính khả thi việc sử dụng này, nhằm đạt hiệu kinh tế công trình cao tầng Dhillon OMalley (1999) [36] chứng tỏ thiết kế có hiệu kinh tế cao có xét đến liên kết nửa cứng Jaspart năm 2000 [66] xuất công trình nghiên cứu chung loại liên kết nửa cứng quan hệ ứng xử phi tuyến (M- ) Theo tác giả này, quy phạm thiết kế, cần có nhìn cân nhắc tất tính chất quan trọng liên quan đến liên kết nửa cứng để đạt sở lý luận khoa học mang lợi ích kinh tế cao Sekulovic Salatic năm 2001 [68] đề cập đến tầm quan trọng độ mềm liên kết việc nghiên cứu tác động độ mềm liên kết đến độ lệch khung phẳng chịu tải trọng tĩnh Sakurai Kyshiyama năm 2001 [66] nghiên cứu ảnh hưởng đặc điểm quan hệ góc xoay-mô men biến dạng khung ngang nhận thấy rằng, lắc ngang tăng lên với việc kể đến ứng xử liên kết, tải trọng giới hạn lượng suy giảm đáng kể với độ mềm liên kết Kameshki Saka năm 2003 [66] trình bày phương pháp thiết kế tối ưu khung thép cao tầng phi tuyến có liên kết nửa cứng Nghiên cứu cho thấy rằng, đặc điểm ứng xử thực liên kết xét đến kết tính toán thiết kế làm cho kết cấu nhẹ Hadianfard Razani năm 2003 [66] nghiên cứu tầm quan trọng việc kể đến ứng xử thực liên kết nửa cứng phân tích Đồng thời số trường hợp lý tưởng hóa liên kết dẫn tới việc đánh giá thấp lực tác dụng độ lệch khung Hiện giới, số qui phạm thiết kế công trình kết cấu thép có kể đến độ mềm liên kết như: Quy phạm thiết kế theo sức bền (AISC, 1986, 1989), Qui phạm thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD), Thiết kế kết cấu data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng chịu tác dụng tải ngang thay đổi lặp Kết luận chương 3 Chương 4, Tính toán khung thép có liên kết nửa cứng chịu tác dụng tải ngang lặp chu kỳ tải trọng đứng... toán kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng chịu tải ngang tải trọng đứng không đổi Tính toán kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng chịu tải lặp theo phương ngang, với mô hình ứng xử liên kết... (Pushover) kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng chịu tải trọng đứng không đổi tải ngang tăng dần Tính toán kết cấu khung thép có liên kết nửa cứng có tham gia tải trọng đứng không đổi giải cho hai