ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ THANH TÙNG SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT GIỮA HỆ GIÀN KHÔNG GIAN DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VÒM VƯỢT NHỊP LỚN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Đà Nẵng - Năm 2017 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM MỸ Phản biện 1: GS.TS Phạm Văn Hội Phản biện 2: TS Lê Anh Tuấn Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp họp Trường Đại học Bách Khoa vào ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Trong kết cấu vượt nhịp khơng có loại kết cấu cạnh tranh với kết cấu khung/giàn không gian ưu điểm: nhẹ, kiến trúc đẹp, tao nhã, có phân bố tải trọng tập trung lớn đặt nút, độ võng bé, rút ngắn thời gian thi công Vì nhiều ưu điểm vượt trội loại kết cấu phân tích trên, Việt Nam bắt đầu ứng dụng loại kết cấu này, ví dụ Đà Nẵng Cung thể thao Tiên Sơn, Nhà triển lãm, Metro, v.v chưa có nhiều nghiên cứu loại kết cấu Đây lý cho tính cấp thiết Luận án thạc sỹ Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Các khảo sát thực mơ hình (sử dụng phần mền thương mại) giàn không gian dạng phẳng dạng vòm  Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát ứng xử hai loại giàn không gian dạng phẳng dạng vòm từ so sánh đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp lý thuyết: Tìm kiếm tập hợp tài liệu: nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết học vật rắn biến dạng, lý thuyết phần tử hữu hạn, xây dựng mơ hình số để mơ tốn  Phương pháp số: Xây dựng mơ hình số để khảo sát ứng xử giàn không gian dạng phẳng dạng vòm  So sánh đánh giá: Phân tích, so sánh đánh giá kết Kết dự kiến  Xác định trạng thái ứng suất biến dạng cấu kiện hai loại giàn không gian  Xác định phân bố ứng suất mắt giàn  Đánh giá đề xuất giải pháp lựa chọn kết cấu giàn phù hợp toán thiết kế Cấu trúc luận văn Nội dung luận văn sau: Chương 1: Tổng quan giàn thép không gian Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích, tính tốn giàn thép khơng gian Chương 3: Áp dụng phân tích kết từ mơ phương pháp số CHƯƠNG TỔNG QUAN GIÀN THÉP KHÔNG GIAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ GIÀN THÉP KHÔNG GIAN 1.1.1 Khái niệm Đăng báo cáo khoa học kỹ thuật đại phát hành năm 1984 hiệp hội vỏ kết cấu không gian quốc tế (international association for shell and spatial structures: IASS) [1] thừa nhận khái niệm khung/giàn không gian sau: Một khung không gian hệ thống kết cấu, lắp dựng phần tử tuyến tính xếp cho tải truyền không gian ba chiều Trong số trường hợp, phần tử cấu thành hai - chiều Một cách vĩ mơ, khung khơng gian thường có dạng phẳng cong Năm 1976, hiệp hội kỹ thuật dân dụng Hoa Kỳ báo cáo nghiên cứu tiêu đề “kết cấu khung không gian mạng tinh thể”[2] Đây báo cáo cách tân khung không gian nghiên cứu quan niệm kết cấu mạng tinh thể cấu trúc nguyên tử/phân tử hóa học định nghĩa như: Một hệ kết cấu có dạng mạng lưới phần tử (trái ngược với mặt liên tục), đặc tính khác hệ kết cấu dạng mạng tinh thể chế truyền tải không gian chiều tự nhiên Một phân biệt xem xét hai khái niệm khung không gian (space frame) giàn không gian (space trusses) Theo thuật ngữ giàn khơng gian hệ thống phần tử liên kết với khớp xoay, khung không gian dành riêng cho kết cấu liên kết với khớp cứng Trong luận văn theo thuật ngữ IASS, khung không gian sử dụng thuật ngữ chung, giàn khơng gian tập hợp Hai khái niệm kết cấu khung không gian IASS hiệp hội kỹ thuật dân dụng Hoa kỳ sử dụng song song, tùy thuộc vào người nghiên cứu thiên quan niệm cho nghiên cứu họ Trong luận văn sử dụng khái niệm IASS 1.2 TỔNG QUAN VỀ GIÀN THÉP KHÔNG GIAN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Dạng kết cấu không gian sử dụng rộng rãi giới nhiều thập kỷ gần đây, các cơng trình nhà trưng triển lãm, nhà ga, sân vận động Đối với Việt Nam, đường cơng nghiệp hóa đất nước, nhiều cơng trình vượt dộ có nhiều hình dáng đặc biệt, yêu cầu thi công nhanh 1.3 CẤU KẾT CẤU GIÀN KHƠNG GIAN Khung khơng gian bao gồm dọc trục, thường dạng ống, biết đến mặt cắt rỗng hình tròn hình chữ nhật, nút nối chi tiết lại với Đối với mặt cắt khác hình I H sử dụng, đặc biệt tải trọng truyền đến thanh, bên cạch lực dọc trục Trường hợp tải tác dụng nút, hình tròn hình chữ nhật có lợi các kết cấu khác chúng có hiệu nén, cho góc xoay lớn diện tích Các phần rỗng tròn có lợi moment quán tính chúng giống hướng [4] 1.4 PHÂN LOẠI 1.4.1 Giàn lưới hai chiều hoặc ba chiều 1.4.2 Giàn không gian đơn, hai và ba lớp 1.5 MỘT SỐ LOẠI NÚT DÙNG CHO KẾT CẤU KHÔNG GIAN 1.5.1 MERO 1.5.2 Liên kết nút Octatube Tuball 1.6 NGUYÊN TẮC CẤU TẠO CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THÚT TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ GIÀN THÉP 2.1 PHẠM VI NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong nghiên cứu tập trung nghiên cứu hệ giàn thép liên kết với hệ khớp nối lý tưởng (xem Hình 0.1) Trong điều kiện làm việc này, hệ giàn làm việc chịu ảnh hưởng thành phần kéo nén Hình 0.1 Nút giàn điển hình 2.2 HÌNH HỌC VÀ QUAN HỆ GIỮA BIẾN DẠNG-CHUYỂN VỊ 2.3 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG VÀ VÉC TƠ NỘI LỰC 2.3.1 Phương trình cân bằng ∑ 𝛿𝒑𝑇𝑣 𝒒𝑖 = ∑ ∫ 𝜎𝐺 𝛿𝜀𝑣 𝑑𝑉𝑜 𝑒 𝑒 = ∑ 𝛿𝒑𝑇𝑣 𝑒 (0.1) ∫ 𝜎𝐺 𝒃𝑑𝑉𝑜 2.3.2 Véc tơ lực nút 2.4 MA TRẬN ĐỘ CỨNG TIẾP TUYẾN CHƯƠNG PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN HỆ GIÀN KHÔNG GIAN Trong luận án tập trung phân tích, so sánh đánh giá ba loại hệ giàn (i Hệ giàn phẳng; ii Hệ giàn vòm; iii Hệ giàn lượn sóng) Dựa vào sở luận án tập trung phân tích nhằm đạt các mục tiêu sau:  Cùng tải trọng tác dụng dạng kết cấu vượt nhịp lớn  Cùng nhịp tải trọng tác dụng dạng kết cấu tiêu tốn vật liệu  So sánh tập trung ứng suất nút giàn phẳng giàn vòm  Kiến nghị việc lựa chọn kết cấu giàn phù hợp toán thiết kế giàn 3D 3.1 DỮ LIỆU HÌNH HỌC HỆ GIÀN KHÔNG GIAN 3.1.1 Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng phẳng Hệ giàn phẳng thiết kế gồm hai hệ đặt hai mặt phẳng song song cách 600mm (còn gọi hệ giàn lớp hệ giàn lớp trên) hai hệ giàn liên kết với thông qua hệ xiên (Error! Reference source not found.) Hình 0.1 Chi tiết kết cấu giàn D120 Hệ giàn thiết kế gồm loại có đường kính chiều dày khác Loại thứ đường kính D120 × (xem Error! Reference source not found.) sử dụng hệ gối đỡ hệ giàn Loại thứ hai đường kính D90 × (xem Error! Reference source not found.) hệ giàn lớp thiết kế chạy dọc ngang qua gối đỡ giàn Loại còn lại có đường kính D60 × 2.5 (xem Hình 0.1) loại sử dụng cho tất các còn lại hệ giàn  Nhịp giàn: L thay đổi từ 15 mét đến 36 mét;  Bước cột: b=6 mét  Cao cột H= 5,7 m  Chiều cao giàn h =0,6 m Hình0.2 Mơ hình hình học thiết kế giàn thép phẳng xây dựng Abaqus 3.1.2 Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng vòm 10 Kết phát sinh lưới cho hệ giàn cho Hình 0.5, Hình0.6 Hình 0.7 Hình 0.5 Mơ hình phần tử hữu hạn giàn thép xây dựng Abaqus Hình0.6.Mơ hình phần tử hữu hạn giàn thép xây dựng 11 Abaqus Hình 0.7 Mơ hình phần tử hữu hạn giàn thép xây dựng Abaqus 3.4.1 Phân tích kết mô phỏng hệ giàn không gian phẳng Hình 0.8 Sự phân bố ứng suất Von-Mises hệ giàn 12 Hình0.9 Sự phân bố ứng suất  11 hệ giàn Hình 0.10 Sự phân bố biến dạng 11 hệ giàn 13 Biến dạng 0.000 1000000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 1000000 Biến dạng giàn lớp Lực [N] 800000 600000 600000 400000 400000 200000 200000 -0.030 -0.025 -0.020 -0.015 -0.010 -0.005 Biến dạng Hình 0.11 Quan hệ lực biến dạng Hình0.12.Chuyển vị theo phương X 0.000 Lực [N] Biến dạng giàn lớp dưới 800000 14 Hình0.13.Chuyển vị theo phương Y Hình0.14.Chuyển vị theo phương Z 15 1600000 Nhịp L=15 [m] Nhịp L=18 [m] Nhịp L=21 [m] Nhịp L=24 [m] Nhịp L=30 [m] Nhịp L=36 [m] 1400000 1200000 Lực [N] 1000000 800000 600000 400000 200000 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Chuyển vị [m] Hình 0.15 Tương quan lực chuyển vị nhịp giàn thay đởi 3.4.2 Hệ giàn khơng gian vòm Hình 0.16 Sự phân bố ứng suất Von-Mises hệ giàn 16 Hình 0.17 Sự phân bố ứng suất  11 hệ giàn Hình 0.18 Sự phân bố biến dạng 11 hệ giàn 17 Hình0.19 chuyển vị theo phương X Hình0.20 chuyển vị theo phương Y 18 Hình0.21.Chuyển vị theo phương Z 2500000 Nhịp L=15 [m] Nhịp L=18 [m] Nhịp L=21 [m] Nhịp L=24 [m] Nhịp L=30 [m] Nhịp L=36 [m] Lực [N] 2000000 1500000 1000000 500000 0.0 0.1 0.2 0.3 Chuyển vị [m] Hình 0.22 Quan hệ lực-chuyển vị 0.4 0.5 19 Biến dạng 1500000 0.00 1500000 1250000 1250000 1000000 1000000 750000 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 Biến dạng giàn lớp 750000 Biến dạng giàn lớp dưới 500000 500000 250000 250000 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 Biến dạng Hình 0.23 Quan hệ lực-biến dạng 3.4.3 Hệ giàn khơng gian lượn sóng Hình 3.33 Sự phân bố ứng suất Von-Mises hệ giàn Lực [N] Lực [N] -0.05 20 Hình 3.34 Sự phân bố ứng suất  11 hệ giàn Hình 3.35 Sự phân bố biến dạng 11 hệ giàn 21 Nhận thấy biểu đồ quan hệ lực - biến dạng các giàn Biến dạng 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 1000000 0.035 1000000 Biến dạng giàn lớp Biến dạng giàn lớp dưới 800000 600000 600000 400000 400000 200000 200000 -0.035 -0.030 -0.025 -0.020 -0.015 -0.010 -0.005 Biến dạng Hình 3.36 Quan hệ lực-biến dạng Hình 3.37.Chuyển vị theo phương X 0.000 Lực [N] Lực [N] 800000 22 Hình 3.38.Chuyển vị theo phương Y Hình 3.39.Chuyển vị theo phương Z 23 Nhịp L=15 [m] Nhịp L=18 [m] Nhịp L=21 [m] Nhịp L=24 [m] Nhịp L=30 [m] Nhịp L=36 [m] 1600000 1400000 Lực [N] 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Chuyển vị [m] Hình 3.40 Quan hệ lực-chuyển vị 3.4.4 Đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật hệ giàn Dựa sở tính tốn, áp dụng phân tích kết từ mơ phương pháp số, kết nghiên cứu số ưu nhược điểm việc sử dụng số loại hệ giàn khơng gian Từ đó, tác giả tiến hành so sánh, đánh giá kết luận hiệu kinh tế kỹ thuật hệ giàn không gian dạng phẳng dạng vòm vượt nhịp lớn 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Một số kết luận chính đạt của luận án Xác định trạng thái ứng suất biến dạng cấu kiện loại giàn khơng gian dạng phẳng, dạng vòm dạng uốn lượn Xác định phân bố ứng suất mắt giàn cá mắt giàn So sánh, đánh giá kết luận hiệu kinh tế kỹ thuật hệ giàn khơng gian dạng phẳng dạng vòm dạng uốn lượn vượt nhịp lớn B Định hướng phát triển của đề tài Đề tài nghiên cứu dạng so sánh, đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật phương diện chịu lực tác dụng, chuyển vị khối lượng tham gia hệ giàn So với thực tế, việc đánh giá hiệu cần nhiều yếu tố khách quan khác chức hệ giàn, yếu tố tổng thể tác động lên hệ giàn khơng gian Ngồi cách đánh giá các hệ giàn không gian dạng trên, cần phát triển nghiên cứu với dạng kết cấu giàn đặc biệt, chuyên dụng dạng hệ kết cấu theo xếp lưới thường dùng không gian khác để đánh giá tổng thể hệ ... biến dạng cấu kiện loại giàn không gian dạng phẳng, dạng vòm dạng uốn lượn Xác định phân bố ứng suất mắt giàn cá mắt giàn So sánh, đánh giá kết luận hiệu kinh tế kỹ thuật hệ giàn không gian dạng. .. giàn 3D 3.1 DỮ LIỆU HÌNH HỌC HỆ GIÀN KHÔNG GIAN 3.1.1 Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng phẳng Hệ giàn phẳng thiết kế gồm hai hệ đặt hai mặt phẳng song song cách 600mm (còn gọi hệ giàn. .. mền thương mại) giàn khơng gian dạng phẳng dạng vòm  Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát ứng xử hai loại giàn khơng gian dạng phẳng dạng vòm từ so sánh đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật Phương pháp