Mô Phỏng ứng Xử Phi Tuyến Hình Học Và Phi Tuyến Vật Liệu Của Khung ...

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (119 trang)

Trang chủ

Thạc sĩ - Cao học

Kỹ thuật

Mô phỏng ứng xử phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu của khung thép

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (8.05 MB, 119 trang )

aĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOANGƠ DUY TIẾNMƠ PHỎNG ỨNG XỬ PHI TUYẾN HÌNH HỌCVÀ PHI TUYẾN VẬT LIỆU CỦA KHUNG THÉPChuyên ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệpMã ngành: 60.58.20LUẬN VĂN THẠC SĨTP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2013 bCơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCMCán bộ hướng dẫn khoa học:TS. NGÔ HỮU CƯỜNGCán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lê Văn CảnhCán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS. Đỗ Kiến QuốcLuận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCMngày 9 tháng 9 năm 2013Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1.2.3.4.5.TS. Ngô Hữu CườngPGS. TS. Đỗ Kiến QuốcTS. Nguyễn Sỹ LâmTS. Lê Văn CảnhTS. Nguyễn Minh LongXác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành saukhi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNGTRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG cĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCMCỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc Lập - Tự Do - Hạnh PhúcTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOANHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ và tên học viên: NGÔ DUY TIẾNPhái: NamNgày, tháng, năm sinh: 27/11/1985Nơi sinh : Hà NộiChun ngành: Xây dựng cơng trình DD & CNMSHV: 112102501- TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG ỨNG XỬ PHI TUYẾN HÌNH HỌC VÀ PHITUYẾN VẬT LIỆU CỦA KHUNG THÉP2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:1) Tìm hiểu các loại liên kết và mơ hình liên kết nửa cứng chịu tải trọng tĩnh vàđộng.2) Nghiên cứu các phần tử, thuật tốn giải phi tuyến và kỹ thuật mơ phỏng củaphần mềm phần tử hữu hạn ANSYS để áp dụng phân tích ứng xử phi tuyếnhình học và vật liệu của hệ kết cấu khung phẳng chịu tải trọng tĩnh và độngvới sự hỗ trợ của ngơn ngữ lập trình MATLAB và PSPad.3) Phân tích và so sánh kết quả thu được với kết quả số của các bài báo, tài liệukỹ thuật đã công bố. Rút ra nhận xét và kết luận.3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:Tháng 01 năm 20134- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:Tháng 06 năm 20135- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGÔ HỮU CƯỜNGTp. HCM, ngày …… tháng …… năm 2013BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNHCÁN BỘ HƯỚNG DẪNTS. NGÔ HỮU CƯỜNGTRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG dLỜI CẢM ƠNTơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn luận văn, TS. Ngô HữuCường, người đã tận tình hướng dẫn, định hướng khoa học và động viên tinh thầncho tơi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình nghiên cứu luận văn. Đạo đứcvà tri thức của thầy luôn là tấm gương sáng cho chúng tôi học tập và noi theo.Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Kỹ thuật Xây dựng,Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, các thầy cô đã cung cấp cho tôinhững kiến thức vơ cùng bổ ích và q giá. Từ những kiến thức đó đã giúp cho tơicó một nền tảng kiến thức vững chắc để có thể nghiên cứu và phân tích các vấn đềtrong q trình thực hiện luận văn.Tơi cũng xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Sau đại học, Phòng đàotạo Đại học, thư viện trường, các thầy cô giảng dạy cao học và đại học tại TrườngĐại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh và tất cả các thầy cô đã giảng dạy tôi từ trướcđến nay về những kiến thức quý báu đã được truyền đạt.Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu và các đồng nghiệp trong Khoa Xây dựngTrường Đại học Xây dựng Miền Trung đã tạo mọi điều kiện để tơi có thể tập trungvào việc học và hoàn thành luận văn này. Xin cảm ơn tất cả bạn bè và gia đình lnđộng viên giúp đỡ về mặt tinh thần cho tôi trong suốt thời gian qua. Đặc biệt, tôi xinbày tỏ lòng biết ơn to lớn đến người vợ hiền của tôi, người đã luôn bên tôi kịp thờiđộng viên, chăm sóc để giúp tơi vượt qua mọi khó khăn trong thời gian vừa qua.Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thiện luận văn bằng tất cả tâm huyết vànăng lực của bản thân, tuy nhiên vẫn không thể tránh khỏi những sai sót. Do đó, rấtmong nhận được những ý kiến đóng góp nhận xét q báu và sự cảm thông của cácbạn học viên và của quý thầy cô.Học viênNgô Duy Tiến eMỤC LỤCDANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................ IDANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................... IVDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................... VTÓM TẮT.................................................................................................. VIIABSTRACT ............................................................................................. VIIICHƯƠNG I. TỔNG QUAN .......................................................................... 1I.1. Giới thiệu.............................................................................................. 1I.1.1. Đặt vấn đề ................................................................................... 1I.1.2. Phi tuyến hình học ....................................................................... 2I.1.3. Phi tuyến vật liệu ......................................................................... 2I.1.4. Liên kết nửa cứng ........................................................................ 3I.2. Tình hình nghiên cứu ............................................................................ 4I.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................... 4I.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................. 6I.3. Mục tiêu của đề tài................................................................................ 8CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT... .......................................................... 9II.1. Mơ hình vật liệu và sự sai lệch hình học .............................................. 9II.1.1. Mơ hình vật liệu ......................................................................... 9II.1.2. Sự sai lệch hình học................................................................. 10II.2. Các loại liên kết và mơ hình liên kết nửa cứng .................................. 10II.2.1. Các loại liên kết nửa cứng ....................................................... 11II.2.2. Các mô hình liên kết nửa cứng ................................................ 13II.2.2.1. Mơ hình hàm mũ Lui và Chen ...................................... 14II.2.2.2. Mơ hình bốn tham số Richard và Abbott ....................... 18 fII.3. Phần tử liên kết lị xo ......................................................................... 19II.4. Mơ hình liên kết chịu tải trọng tuần hồn........................................... 20II.5. Kết luận ............................................................................................. 22CHƯƠNG III. MÔ PHỎNG HỆ KẾT CẤU BẰNG ANSYS ..................... 23III.1. Giới thiệu ......................................................................................... 23IV.2. Các loại phần tử sử dụng trong ANSYS ........................................... 23III.2.1. Phần tử BEAM23 ................................................................... 24III.2.2. Phần tử BEAM188 ................................................................. 29III.2.3. Phần tử MASS21 .................................................................... 33III.2.4. Phần tử COMBIN39 ............................................................... 35III.3. Những giả định để đơn giản hóa....................................................... 40III.4. Lưu đồ thuật tốn trong ANSYS ...................................................... 41III.5. Phân tích phi tuyến trong ANSYS .................................................... 42III.5.1. Phân tích tĩnh.. ...................................................................... 42III.5.2. Phân tích động ...................................................................... 44III.6. Kết luận ........................................................................................... 45CHƯƠNG IV. VÍ DỤ MINH HỌA ............................................................. 46IV.1. Dầm côngxon, Cuong Ngo Huu và Seung – Eock Kim (2008) ......... 46IV.2. Dầm hai đầu ngàm, Chan và Chui (2000)......................................... 50IV.3. Khung cổng, Vogel (1985) ............................................................... 53IV.4. Khung cổng xiên, Toma và Chen (1992) .......................................... 56IV.5. Khung hai nhịp sáu tầng, Vogel (1985), phân tích tĩnh ..................... 58IV.6. Khung cổng, Chan và Chui (2000) ................................................... 66IV.7. Khung một nhịp hai tầng, Chan và Chui (2000) ............................... 68IV.8. Khung hai nhịp sáu tầng, Vogel (1985), phân tích động ................... 71IV.9. So sánh ứng xử tĩnh và động khung hai nhịp sáu tầng Vogel ............ 80IV.10. Kết luận ......................................................................................... 96 gCHƯƠNG V. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................. 97V.1. Kết luận ............................................................................................ 97V.2. Kiến nghị .......................................................................................... 98TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 99PHỤ LỤC APHỤ LỤC B IDANH MỤC HÌNH VẼHình vẽ Tiêu đềTrangHình II-1. Mơ hình vật liệu đàn – dẻo lý tưởng với tái bền tuyến tính. .......... 10Hình II-2. Các loại đường cong M – θr của các liên kết dầm – cột. ................ 11Hình II-3. Cấu tạo của các liên kết dầm – cột phổ biến.................................. 13Hình II-4. Quan hệ mơmen – góc xoay, mơ hình Chen – Lui......................... 17Hình II-5. Quan hệ độ cứng liên kết – góc xoay, mơ hình Chen – Lui. .......... 17Hình II-6. Quan hệ mơmen – góc xoay, mơ hình Richard – Abbott. .............. 19Hình II-7. Mơ hình phân tích liên kết nửa cứng. ............................................ 19Hình II-8. Phần tử liên kết lị xo. ................................................................... 19Hình II-9. Mơ hình liên kết chịu tải trọng tuần hồn. ..................................... 21Hình III-1. Các loại phần tử trong ANSYS.................................................... 23Hình III-2. Phần tử BEAM23. ....................................................................... 24Hình III-3. Hàm trọng số của tiết diện bất kỳ. ............................................... 25Hình III-4. Tiết diện dầm chữ I. .................................................................... 26Hình III-5. Phần tử BEAM188. ..................................................................... 29Hình III-6. Hệ tọa độ phần tử MASS21. ........................................................ 34Hình III-7. Phần tử COMBIN39.................................................................... 36Hình III-8. Hộp thoại Basic, phân tích tĩnh. ................................................... 42Hình III-9. Hộp thoại Nonlinear. ................................................................... 43Hình III-10. Hộp thoại Basic, phân tích động. ............................................... 44Hình IV-1. Sơ đồ dầm cơngxon. .................................................................... 46Hình IV-2. Biểu đồ khảo sát sự hội tụ dầm côngxon. .................................... 47 IIHình IV-3. Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng – chuyển vị dầm cơngxon. ..... 48Hình IV-4. Sơ đồ dầm hai đầu ngàm. ............................................................ 50Hình IV-5. Quan hệ tải trọng – chuyển vị chuẩn hóa dầm hai đầu ngàm. ...... 51Hình IV-6. Khung cổng Vogel (1985), độ sai lệch hình học  = H/400......... 53Hình IV-7. Quan hệ tải trọng – chuyển vị ngang của khung cổng Vogel. ...... 55Hình IV-8. Khung cổng xiên Vogel............................................................... 56Hình IV-9. Quan hệ tải trọng – chuyển vị của khung cổng xiên Vogel. ......... 57Hình IV-10. Khung hai nhịp sáu tầng Vogel, phân tích tĩnh. ......................... 58Hình IV-11. Quan hệ mơmen – góc xoay của các loại liên kết. ..................... 61Hình IV-12. Quan hệ độ cứng liên kết – góc xoay của các loại liên kết. ....... 61Hình IV-13. Quan hệ tải trọng – chuyển vị ngang nút đỉnh, với liên kết nửacứng tuyến tính. ..................................................................................................... 62Hình IV-14. Quan hệ tải trọng – chuyển vị ngang nút đỉnh, với liên kết nửacứng phi tuyến. ...................................................................................................... 63Hình IV-15. Quan hệ tải trọng – chuyển vị ngang nút đỉnh, với liên kết nửacứng phi tuyến và có xét phi tuyến vật liệu. ........................................................... 64Hình IV-16. So sánh quan hệ tải trọng – chuyển vị ngang nút đỉnh, với liên kếtnửa cứng phi tuyến khi có xét và khơng xét phi tuyến vật liệu. .............................. 65Hình IV-17. Khung cổng Chan – Chui và tải trọng động. .............................. 66Hình IV-18. Chuyển vị điểm giữa nhịp theo thời gian. .................................. 67Hình IV-19. Khung một nhịp hai tầng và tải trọng động. ............................... 68Hình IV-20. Chuyển vị đỉnh theo thời gian trong miền đàn hồi. .................... 69Hình IV-21. Chuyển vị đỉnh theo thời gian ngoài miền đàn hồi. .................... 69Hình IV-22. Khung hai nhịp sáu tầng Vogel, phân tích động......................... 71 IIIHình IV-23. Loại liên kết Flush end plate...................................................... 72Hình IV-24. Biểu đồ chuyển vị nút đỉnh theo thời gian,  = 1 rad/s. ............. 73Hình IV-25. Biểu đồ chuyển vị nút đỉnh theo thời gian,  = 1,66 rad/s. ........ 73Hình IV-26. Biểu đồ chuyển vị nút đỉnh theo thời gian,  = 2,41 rad/s. ........ 74Hình IV-27. Biểu đồ chuyển vị nút đỉnh theo thời gian,  = 3,3 rad/s. .......... 74Hình IV-28. Biểu đồ chuyển vị nút đỉnh theo thời gian, khi chịu tải tác dụngđột ngột trong thời gian 1 s. ................................................................................... 75Hình IV-29. Biểu đồ quan hệ mơmen – góc xoay. ......................................... 76Hình IV-30. Biểu đồ mơmen – góc xoay tại liên kết “J”, hàm mũ ................. 77Hình IV-31. Biểu đồ mơmen – góc xoay tại liên kết “J”, bốn tham số ........... 77Hình IV-32. Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang nút đỉnh theo thời gian giữa liênkết phi tuyến, liên kết cứng khi có xét và khơng xét phi tuyến vật liệu................... 78Hình IV-33. Phân tích tĩnh và động khung 2 nhịp 6 tầng Vogel..................... 80Hình IV-34. Hệ số khuếch đại chuyển vị ngang tại đỉnh A,  = 1 rad/s ......... 82Hình IV-35. Hệ số khuếch đại chuyển vị ngang tại đỉnh A,  = 1,66 rad/s .... 83Hình IV-36. Hệ số khuếch đại chuyển vị ngang tại đỉnh A,  = 2,41 rad/s .... 83Hình IV-37. Hệ số khuếch đại chuyển vị ngang tại đỉnh A,  = 3,3 rad/s ...... 84Hình IV-38. Hệ số khuếch đại của phản lực RxB,  = 1 rad/s ....................... 84Hình IV-39. Hệ số khuếch đại của phản lực RxB,  = 1,66 rad/s .................. 85Hình IV-40. Hệ số khuếch đại của phản lực RxB,  = 2,41 rad/s .................. 85Hình IV-41. Hệ số khuếch đại của phản lực RxB,  = 3,3 rad/s .................... 86Hình IV-42. Hệ số khuếch đại của phản lực RyB,  = 1 rad/s ....................... 86Hình IV-43. Hệ số khuếch đại của phản lực RyB,  = 1,66 rad/s .................. 87 IVHình IV-44. Hệ số khuếch đại của phản lực RyB,  = 2,41 rad/s .................. 87Hình IV-45. Hệ số khuếch đại của phản lực RyB,  = 3,3 rad/s .................... 88Hình IV-46. Hệ số khuếch đại của phản lực MB,  = 1 rad/s ........................ 88Hình IV-47. Hệ số khuếch đại của phản lực MB,  = 1,66 rad/s ................... 89Hình IV-48. Hệ số khuếch đại của phản lực MB,  = 2,41 rad/s ................... 89Hình IV-49. Hệ số khuếch đại của phản lực MB,  = 3,3 rad/s ..................... 90Hình IV-50. Hệ số khuếch đại của chuyển vị ngang tại đỉnh A...................... 91Hình IV-51. Hệ số khuếch đại của phản lực RxB .......................................... 92Hình IV-52. Hệ số khuếch đại của phản lực RyB .......................................... 92Hình IV-53. Hệ số khuếch đại của phản lực MB ........................................... 93Hình IV-54. Quan hệ giữa hệ số khuếch đại của chuyển vị Ux và ω .............. 94Hình IV-55. Quan hệ giữa hệ số khuếch đại của phản lực RxB và ω ............. 94Hình IV-56. Quan hệ giữa hệ số khuếch đại của phản lực RyB và ω ............. 95Hình IV-57. Quan hệ giữa hệ số khuếch đại của phản lực MB và ω .............. 95 VDANH MỤC BẢNG BIỂUBảngTiêu đềTrangBảng II-1. Thông số hàm mũ Chen – Lui (1986)... ........................................ 15Bảng III-1. Các hệ số tính tốn của tiết diện mặt cắt... ................................... 25Bảng III-2. Bảng tóm tắt các dữ liệu đầu vào của phần tử BEAM23.............. 27Bảng III-3. Bảng tóm tắt các dữ liệu đầu vào của phần tử BEAM188............ 30Bảng III-4. Bảng tóm tắt các dữ liệu đầu vào của phần tử MASS21... ........... 34Bảng III-5. Bảng tóm tắt các dữ liệu đầu vào của phần tử COMBIN39... ...... 37Bảng III-6. Các hằng số thực của phần tử COMBIN39.................................. 39Bảng IV-1. Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện dầm côngxon... .................... 46Bảng IV-2. So sánh kết quả dầm côngxon về hệ số tải tới hạn u... ............... 48Bảng IV-3. Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện dầm hai đầu ngàm... ............. 50Bảng IV-4. So sánh kết quả dầm hai đầu ngàm về hệ số tải tới hạn ... ......... 51Bảng IV-5. Kích thước mặt cắt ngang các cấu kiện khung cổng Vogel.......... 54Bảng IV-6. So sánh kết quả khung cổng Vogel về hệ số tải tới hạn u... ........ 54Bảng IV-7. Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện khung cổng xiên Vogel... ..... 56Bảng IV-8. Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện khung 2 nhịp 6 tầng Vogel... 59Bảng IV-9. Các thông số của các liên kết nửa cứng... .................................... 60Bảng IV-10. Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện khung cổng Chan - Chui... . 66Bảng IV-11. Kích thước mặt cắt ngang cấu kiện khung một nhịp hai tầng..... 68Bảng IV-12. Chuyển vị đỉnh và các phản lực tại chân cột ............................. 81 VIDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTDWALiên kết thép góc hai bên bụng dầmEEPLiên kết tấm đầu mút khơng gia cườngEEPSLiên kết tấm đầu mút có gia cườngHPLiên kết tấm đầu dầmSWALiên kết thép góc ở một bên bụng dầmTSALiên kết thép góc cánh trên và dướiTSAWLiên kết thép góc cánh trên và dưới với hai thép góc ở bụng dầmT - stubLiên kết T- stubHệ số tỷ lệCjHệ số hiệu chỉnh đường congDkThông số hằng số cho phần tuyến tính của đường congdBiến dạngdĐộ gia tăng biến dạngĐộ lệch bên của khungrĐộ gia tăng tải conEMôđun đàn hồiBiến dạng của vật liệu0Biến dạng thường trựccGóc xoay liên kếtcaGóc xoay liên kết tại điểm ApGóc xoay khơng đổi cuối cùng VIIH  Hàm giật cấp của HeavisideKiMa trận độ cứng tiếp tuyến thứ iKT1Ma trận độ cứng tiếp tuyến chuyển tríMMơmen của liên kếtMaMơmen tại điểm AM0Mơmen ban đầu của liên kếtMĐộ gia tăng mơmen nútnThơng số xác định hình dạng của đường cong mơmen – góc xoaykGóc xoay ban đầu của phần tuyến tính của đường congrGóc xoay liên kếtrGiá trị tuyệt đối biến dạng xoay của liên kếtĐộ gia tăng góc xoayỨng suất của vật liệuyỨng suất chảy của vật liệurBước tảirĐộ gia tăng tảiRkfĐộ cứng biến dạng tăng bền của liên kếtRkiĐộ cứng ban đầu của liên kếtRkpĐộ cứng biến dạng tăng bền của liên kếtScĐộ cứng liên kếtSc0Độ cứng ban đầu liên kết VIIITĨM TẮTỨng xử vịng lặp trễ mơmen – góc xoay của liên kết bán cứng phi tuyến cókhả năng hấp thụ năng lượng và từ đó giúp cho hệ kết cấu thép có khả năng tiêu tánnăng lượng của tải trọng động. Do đó khi tải trọng động tác dụng có tần số trùng vớitần số riêng của hệ kết cấu thì hiện tượng cộng hưởng vẫn khơng xảy ra. Thêm nữa,trong trường hợp nếu liên kết là cứng hoàn tồn thì ứng xử phi đàn hồi của vật liệuthép cũng ngăn hiện tượng cộng hưởng nêu trên xảy ra. Điều này là do vật liệu thépbị chảy dẻo khi chịu lực lớn và cũng có ứng xử trễ làm tiêu tán năng lượng của lựckích thích.Luận văn này nghiên cứu cách mô phỏng hệ kết cấu khung thép phẳng chịu tảitrọng tĩnh và động bằng phần tử hữu hạn thanh có xét đến ứng xử phi tuyến hìnhhọc, phi tuyến vật liệu và ứng xử phi tuyến và trễ của liên kết bán cứng và so sánhkết quả mô phỏng với các kết quả có sẵn để chứng tỏ độ tin cậy của kỹ thuật môphỏng áp dụng. Luận văn cũng trình bày một lưu đồ thuật tốn hướng dẫn cách thựchành mơ phỏng mơ hình kết cấu trong phần mềm ANSYS để làm giảm công sức xửlý. Điều này rất có ý nghĩa trong việc ứng dụng phần mềm thương mại vào công tácthiết kế trong thực tiễn theo phương pháp thiết kế trực tiếp vừa được giới thiệu gầnđây trong các tiêu chuẩn Mỹ và Eurocode.Các kết quả phân tích đạt được trong luận văn cho thấy khả năng giảm chấncao của hệ kết cấu thép khi chịu tải trọng động khi xét đến ứng xử trễ của liên kết vàvật liệu. Đây là ứng xử kết cấu rất tốt của kết cấu thép trong những vùng chịu độngđất lớn. IXABSTRACTThe moment-rotation hysteresis response of nonlinear semi-rigid connectioncan absorb energy and then helps the steel structures dissipate energy of dynamicloading. Therefore, when the applied dynamic loading has same frequency with thenatural frequency of the semi-rigid steel structures, the resonance phenomenon willnot be happened. Moreover, in the case of the connections are rigid, the inelasticbehavior of steel material also prevents the above-mentioned resonancephenomenon. The reason is that the steel material becomes yielding undersignificant applied loading and its hysteresis response also dissipate the energy ofthe force excitation.This thesis studies how to model the planar steel frame system under static anddynamic loadings by using frame finite element with the consideration of geometricand material nonlinearities, the nonlinear and hysteresis response of the connectionsand compares analysis results with existing results to prove the reliability of themodeling technique. The thesis also presents a flow of chart to guide how to modelthe steel structures using ANSYS 3D finite element package in order to reduce thehandling effort. This is meaningful in application the analysis commercial softwareinto the design work in practice following the direct design method presented inAmerican and European standards recently.The analysis results obtained in the thesis shows the dissipation capability ofthe steel structures under dynamic excitation when the hysteresis responses ofconnection and material are included. This is very good structural response of steelstructures in the high seismic regions. 1Chương I. TỔNG QUANI.1. Giới thiệuI.1.1. Đặt vấn đềHiện nay, trong các cơng trình cao tầng, các nhà thiết kế thường sử dụng vậtliệu thép hơn là dùng bêtông cốt thép bởi vì thép có khả năng chịu lực cao hơn vàcó trọng lượng nhẹ hơn bêtơng. Thêm nữa, cơng trình bằng kết cấu thép được thựchiện bằng phương pháp lắp ghép nên thời gian thi công sẽ nhanh hơn so với cáccơng trình sử dụng vật liệu bêtơng cốt thép. Trong kết cấu thép, các cấu kiện đượcliên kết với nhau bằng các phương pháp liên kết hàn và liên kết bulơng. Cách cấutạo các vị trí liên kết có nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào các cấu kiện được liênkết về cường độ, ổn định cũng như công năng sử dụng.Độ cứng liên kết tùy thuộc vào các thành phần tham gia cấu tạo thành nút liênkết, và nó sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc chung của cả kết cấu. Thơng thường, khiphân tích và thiết kế khung thép, các nhà thiết kế thường quan niệm liên kết dầm –cột hoặc là cứng tuyệt đối, hoặc là khớp lý tưởng. Giả thiết này làm cho quá trìnhphân tích, thiết kế đơn giản hơn nhưng nó dẫn đến những dự đốn thiếu chính xácvề ứng xử của liên kết và cấu kiện kết cấu nói riêng và của tồn kết cấu nói chung.Trong thực tế, hầu như không thể chế tạo được các loại liên kết lý tưởng như trên.Các khảo sát thực nghiệm cho thấy, các liên kết làm việc với một độ cứng hữu hạnvà có ứng xử phi tuyến nằm giữa hai trường hợp khớp lý tưởng và cứng tuyệt đối.Khi cơng trình chịu tải trọng động thì khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượnglà rất quan trọng, nó ảnh hưởng nhiều đến khả năng chịu lực của kết cấu. Liên kếtnửa cứng vừa có khả năng kháng mơmen (thể hiện qua đường cong quan hệ M   r ),vừa có khả năng hấp thụ năng lượng (thể hiện qua ứng xử vịng lặp trễ hystereticloops), vì vậy nó được sử dụng thích hợp cho các kết cấu chịu tải trọng tĩnh và động.Trong q trình phân tích và thiết kế hiện nay, việc mô phỏng ứng xử của kếtcấu càng đúng với thực tế thì sẽ đạt được những kết quả chính xác hơn. Muốn vậy,cần phải làm nhiều thí nghiệm thực tế để khảo sát ứng xử thật của kết cấu. Tuy 2nhiên, để xây dựng một mơ hình thí nghiệm chịu tác động của các loại tải trọngtrong phạm vi phòng thí nghiệm là rất phức tạp và tốn kém. Ngày nay, sự phát triểncủa công nghệ phần mềm và phần cứng máy tính giúp cho người thiết kế có thể môphỏng ứng xử của hệ kết cấu bằng các phần mềm phân tích chun dụng để tiênđốn ứng xử gần sát với ứng xử thật của hệ.I.1.2. Phi tuyến hình họcTheo phân tích truyền thống, biến dạng được giả thiết tỷ lệ với lực tác dụng,do đó, quan hệ giữa chuyển vị và lực tác dụng là tuyến tính. Tuy nhiên, quan niệmphân tích này khơng cung cấp thơng tin đúng về ổn định và khả năng chịu lực thựccủa kết cấu. Ngồi ra, ứng suất có trước (ứng suất dư) trong cấu kiện cũng được bỏqua trong phân tích.Phân tích phi tuyến hình học là phân tích có kể đến ảnh hưởng do sự biến đổihình học và ứng suất khởi tạo trong cấu kiện. Phân tích phi tuyến hình học thườngđược thực hiện theo hai phương pháp sau: phương pháp dầm – cột dùng hàm ổnđịnh và phương pháp phần tử hữu hạn. Trong đó, phương pháp phần tử hữu hạn cónhiều thuận lợi hơn trong việc phân tích bài tốn phi đàn hồi do dễ dàng mơ phỏngtính phi đàn hồi của vật liệu và các ảnh hưởng liên quan như sự tái bền, ứng suất dư,sự dỡ tải.I.1.3. Phi tuyến vật liệuSự phá hoại của khung thép phụ thuộc vào sự mất ổn định của toàn kết cấu vàcác cấu kiện tạo nên khung kết hợp với sự chảy dẻo khi chịu tải. Phân tích phi tuyếnvật liệu là phân tích có kể đến ứng xử phi đàn hồi của vật liệu, khi đó đường quanhệ ứng suất biến dạng khơng cịn là đường tuyến tính. Có hai phương pháp chủ yếuđược các nhà nghiên cứu dùng để phân tích phi tuyến vật liệu thép là phương phápkhớp dẻo và phương pháp vùng dẻo. Sự khác biệt giữa hai phương pháp đó là cáchmơ phỏng sự chảy dẻo của phần tử.Phương pháp khớp dẻo: phần tử được giả thuyết vẫn cịn hồn tồn đàn hồigiữa các đầu mút, một khi sự chảy dẻo của mặt cắt ngang được tìm thấy sẽ có một 3khớp dẻo được đặt tại đầu mút chảy dẻo. Những khớp dẻo này được xem như làkhớp lý tưởng trong thuật tốn gia tăng với mơmen uốn khơng đổi trong bước tải kếtiếp.Phương pháp vùng dẻo: chia mặt cắt ngang của phần tử thành nhiều thớ để mơhình hóa sự chảy dẻo qua mặt cắt ngang, trong khi đó nhiều phần tử hữu hạn đượcsử dụng dọc theo chiều dài mỗi cấu kiện khung để giả lập sự chảy dẻo dọc theochiều dài. Phương pháp này là cách chính xác nhất để tiên đoán cường độ khung vàthường được chọn để kiểm tra các phương pháp phân tích khác.I.1.4. Liên kết nửa cứngNhững ảnh hưởng do độ mềm của liên kết của kết cấu khung được bỏ qua dođộ phức tạp của nó, mặc dù chúng đã được nhận thấy từ đầu thập niên 1930. Nhữngảnh hưởng này không chỉ làm thay đổi sự phân phối mômen trong dầm và cột màcòn làm tăng độ lệch của cấu kiện và khung, do đó làm tăng ảnh hưởng phi tuyếnhình học và phi tuyến vật liệu khi phân tích khung. Các liên kết cứng và khớp đượcsử dụng trong phân tích truyền thống chắc chắn không thể đại diện cho ứng xử thựccủa liên kết. Gần đây những tiến bộ trong kỹ thuật máy tính giúp cho việc mơphỏng liên kết nửa cứng trở nên dễ dàng hơn.Tất cả các mô hình về liên kết nửa cứng đều xuất phát từ các kết quả thựcnghiệm trên các liên kết mẫu khác nhau để đạt được ứng xử mơmen – góc xoaythực, sau đó chúng được xấp xỉ hóa bằng các biểu thức toán học. Hầu hết cácnghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về liên kết nửa cứng đều tập trung vào giảiquyết hai câu hỏi quan trọng sau: làm sao để kể đến ứng xử phi tuyến của liên kếttrong phân tích và thiết kế khung; biểu diễn đường cong mơmen – góc xoay bằnghàm tốn học nào. Trong thực tế, biến dạng bởi lực dọc và lực cắt của liên kết trongkhung khá nhỏ so với biến dạng xoay, do đó, liên kết thường được mơ phỏng bằngmột lị xo xoay có chiều dài bằng khơng. Biến dạng xoay này được biểu diễn nhưmột hàm của mômen trong liên kết, nói chung đó là một đường phi tuyến. Có mộtsố lượng lớn các mơ hình tốn học để xấp xỉ đường phi tuyến này như: mơ hìnhtuyến tính; mơ hình hai, ba, bốn đường thẳng; mơ hình đa thức; mơ hình ba tham số; 4mơ hình bốn tham số, mơ hình hàm mũ. Các mơ hình ba tham số, bốn tham số vàmơ hình hàm mũ đại diện chính xác hơn cho liên kết nửa cứng nhưng cần cơng sứctính tốn nhiều hơn.I.2. Tình hình nghiên cứuI.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giớiTrên thế giới, việc nghiên cứu về liên kết nửa cứng đã được thực hiện bởi rấtnhiều các tác giả để đánh giá ứng xử của liên kết dưới tác động của các loại tảitrọng. Trong đó, có một số các nghiên cứu như sau:-A. S. Elnashai, A. Y. Elghazouli (1994) [13] đã tiến hành nghiên cứu ứngxử của khung thép nửa cứng dưới tác động của tải trọng động đất. Họ đãmơ tả một chương trình thử nghiệm trên một khung hai tầng với các liênkết dầm – cột cứng và nửa cứng. Việc kiểm chứng mơ hình được so sánhvới các thử nghiệm, việc so sánh phản ứng tĩnh và động cũng được thựchiện. Mơ hình dùng để nghiên cứu tác động của liên kết nửa cứng đếnứng xử của các thành phần và của cả hệ khung. Và nó chỉ ra rằng, khungnửa cứng có ứng xử dễ uốn, ổn định lặp và có thể sử dụng hiệu quả trongthiết kế chống động đất.-P. P. T. Chui, S. L. Chan (1996) [8] đã dùng phương pháp phần tử hữuhạn để phân tích khung phẳng chịu mơmen có xét phi tuyến liên kết.Dùng phương pháp số Newmark để giải phương trình động lực học vàphân tích phản ứng tuần hoàn của nút khung. Nghiên cứu cho thấy liênkết nửa cứng đóng vai trị hấp thụ năng lượng, giảm chấn quan trọng dướitác động của tải trọng động.-Seung-Eock Kim, Se-Hyu Choi (2001) [22] đã thực hành phân tích nângcao cho khung khơng gian nửa cứng. Mục đích của phân tích là để dựđốn chính xác kết hợp các ảnh hưởng phi tuyến của liên kết, hình học vàvật liệu trong ứng xử và cường độ của khung nửa cứng. Mô hình nănglượng của Kishi – Chen được sử dụng để mô tả ứng xử phi tuyến của liên 5kết nửa cứng. Hàm ổn định được sử dụng để thể hiện hiệu ứng bậc hailiên quan đến hiệu ứng P   và P   . Và một hàm parabol cho sự chảydẻo dần dần được sử dụng để đại diện cho phi tuyến vật liệu. Họ thựchiện phân tích cho một khung nửa cứng bốn tầng để dự đoán mối quan hệtải – chuyển vị và so sánh với kết quả thực nghiệm có sẵn.-Miodrag Sekulovic, Ratko Salatic, Marija Nefovska (2002) [18] trình bàycác ảnh hưởng của tính linh hoạt và giảm chấn trong các liên kết núttrong ứng xử động của khung thép phẳng. Một liên kết linh hoạt lệch tâmđược lý tưởng hóa bởi lị xo xoay phi tuyến và bộ giảm chấn song song.Phát triển một mơ hình số bao gồm ứng xử liên kết phi tuyến và phi tuyếnhình học của kết cấu.-Ali Ugur Ozturk, Hilmet H. Catal (2005) [20] đã nghiên cứu các phảnứng động của khung nửa cứng. Liên kết mềm được mơ hình hóa bởi lị xoxoay đàn hồi tuyến tính, với các hệ số khác nhau để kiểm tra trên cùngmột mơ hình khung nửa cứng. Để đại diện cho ứng xử thực tế, tất cả cácbiến dạng của một khung được tính tốn trong phân tích động. Nghiêncứu này chỉ ra rằng các liên kết mềm có xu hướng tăng chu kỳ rung động,đặc biệt trong các chế độ thấp hơn, nó gây ra tần số rung động giảm.-Seung-Eock Kim, Cuong Ngo Huu, Dong-Ho Lee (2006) [21] đã trìnhbày một quy trình số đáng tin cậy để phân tích lịch sử thời gian phi tuyếncủa khung thép ba chiều chịu tải trọng động. Phi tuyến hình học của cácthành phần ( P   ) và của khung ( P   ) được xem xét bằng cách sửdụng các hàm ổn định trong việc xây dựng ma trận độ cứng của khung.Sự chảy dẻo từ từ dọc theo chiều dài phần tử và trên mặt cắt ngang thìđược bao gồm bằng cách sử dụng khái niệm mơ đun tiếp tuyến và mơhình khớp dẻo mềm dựa trên một phiên bản sửa đổi bề mặt chảy dẻo củaOrbison. Kết quả của một vài ví dụ số được so sánh với việc sử dụng mơhình phần tử dầm trong chương trình ABAQUS để minh họa cho tínhchính xác và hiệu quả tính tốn của các thủ tục đề xuất. 6-Seung-Eock Kim, Cuong Ngo Huu (2008) [9] đã trình bày một phần tửdầm – cột phi tuyến mới cho mô hình khung thép khơng gian. Để mơphỏng tác động phi đàn hồi theo các xấp xỉ tập trung phi đàn hồi, nó đượchỗ trợ rằng các phần tử dầm – cột thì bao gồm hai phân đoạn là khớp dẻobên ngoài và lõi đàn hồi bên trong. Các hàm ổn định được tìm ra từ giảipháp ổn định chính xác của một đối tượng dầm – cột chịu tác dụng lựctrục và mômen uốn được sử dụng để đại diện cho ứng xử bậc hai. Kết quảcó được thì được chứng minh bằng cách so sánh với các giải pháp chìnhxác, đề xuất phương trình cho thiết kế, từ phần mềm ABAQUS và phântích vùng dẻo. Đề xuất một quy trình số là cơng cụ đáng tin cậy và hiệuquả trong việc sử dụng thiết kế kỹ thuật với khung thép khơng gian quymơ lớn.I.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nướcTại Việt Nam, trong vài năm trở lại đây, việc phân tích khung thép có liên kếtnửa cứng đang được quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên, việc nghiên cứu chủ yếu dựatrên các phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn theo lý thuyết, chứ chưa cóđiều kiện để tiến hành nghiên cứu trên một mơ hình khung thép thực nghiệm. Trongđó, có một số các nghiên cứu của các tác giả sau:-Ngơ Hữu Cường (2003) [10] đã trình bày phương pháp phân tích vùngdẻo và phi tuyến hình học cho khung thép phẳng bằng phương pháp phầntử hữu hạn. Tác giả phát triển một phần tử hữu hạn có khả năng mơphỏng sự lan truyền vùng dẻo, phi tuyến hình học, ứng suất dư, sự đảochiều ứng suất và liên kết nửa cứng để áp dụng trong phân tích khungthép phẳng.-Bùi Lâm (2004) [15] đã trình bày phương pháp phân tích phản ứng độngđất khung nhiều tầng liên kết nửa cứng. Tác giả sử dụng hàm ổn định đểmô phỏng sự thay đổi độ cứng phần tử, dùng phương pháp tĩnh lực ngangtương đương để gán tải động đất và dùng phương pháp Runge – Kuttabậc 4 để giải phương trình động lực học. 7-Đỗ Tiến Đông và Chu Quốc Thắng (2006) [11] đã trình bày một phươngpháp phân tích khung thép phẳng với các liên kết dầm – cột và chân cộtnửa cứng. Q trình phân tích đưa vào tính tốn ứng xử phi tuyến của liênkết dầm – cột và phi tuyến hình học của phần tử (hiệu ứng P – delta). Sửdụng mơ hình đa thức của Frye và Morris để mơ hình hóa liên kết dầm –cột và chân cột nửa cứng. Kết quả phân tích sẽ xác định được sự làm việccủa khung gần với thực tế hơn so với kết quả phân tích theo quan niệmkhung cứng trước đây.-Phạm Quốc Lâm (2005) [16] đã trình bày sự ảnh hưởng của liên kết nửacứng đến ứng xử động lực học của khung thép. Sử dụng mơ hình liên kếtnửa cứng của Kishi – Chen và xét khung chịu tác dụng tải gió tĩnh vàđộng.-Nguyễn Ngọc Dương (2008) [12] đã trình bày phương pháp phân tíchđộng lực học khung thép liên kết nửa cứng dùng hàm dạng siêu việt. Tácgiả sử dụng mơ hình ba tham số của Kishi – Chen, phương pháp hệ sốngàm liên kết và dùng hàm dạng siêu việt để thiết lập ma trận độ cứngphần tử.-Đồn Ngọc Tịnh Nghiêm (2010) [19] đã trình bày phương pháp phân tíchphi tuyến khung thép phẳng chịu tác dụng động đất. Tác giả đã thiết lậpmột phần tử hữu hạn có khả năng mơ phỏng sự lan truyền dẻo qua mặtcắt ngang và dọc theo chiều dài cấu kiện, ứng suất dư, phi tuyến hình họcvà sử dụng thuật tốn Newmark – β để giải hệ phương trình động học chohệ khung thép phẳng chịu tác dụng của lực động và động đất.-Đặng Ngọc Cảnh (2010) [3] đã trình bày phương pháp phân tích vùngdẻo và phi tuyến hình học khung thép không gian bằng phương phápphần tử hữu hạn. Tác giả áp dụng lý thuyết phần tử hữu hạn xây dựngmột phần tử hữu hạn có khả năng mơ phỏng ứng xử phi tuyến hình học,phi tuyến vật liệu, ảnh hưởng của ứng suất dư, sai lệch hình học ban đầuvà liên kết nửa cứng dầm – cột. 8-Keang Map (2012) [14] đã trình bày cách mơ phỏng ứng xử động phituyến đàn hồi của khung thép phẳng nửa cứng dạng cổng. Tác giả nghiêncứu cách mô phỏng độ cứng liên kết bằng phần tử lò xo xoay phi tuyếnCOMBIN39 trong phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ANSYS. Phần tửdầm – cột dùng phần tử BEAM23 (bỏ qua biến dạng cắt) và khối lượngtập trung dùng phần tử MASS21. Mô phỏng kết cấu khung thép bằngphần mềm ANSYS có xét đến độ cứng của liên kết dầm – cột như mềm,nửa cứng tuyến tính, nửa cứng phi tuyến; phi tuyến hình học và sử dụngthuật tốn Newton – Raphson và Newmark để phân tích khung thép nửacứng chịu tải trọng tĩnh và động.I.3. Mục tiêu của đề tàiMục tiêu nghiên cứu chủ yếu của đề tài là sử dụng phần mềm ANSYS để môphỏng các mô hình tính tốn kết cấu với các loại liên kết dầm – cột khác nhau;trong đó có xét đến các ảnh hưởng của phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu và độlệch hình học ban đầu của kết cấu. Từ đó tác giả khảo sát ứng xử của các dạng kếtcấu dưới tác động của các loại tải trọng tĩnh và động, so sánh với kết quả của cácnghiên cứu trước đây để đánh giá độ tin cậy của mơ hình. Cuối cùng, tác giả nêumột số nhận xét và kết luận dựa vào việc phân tích các kết quả đạt được.Với mục tiêu như trên, tác giả đã tiến hành nghiên cứu tham khảo cách sửdụng các phần tử trong phần mềm ANSYS để mô phỏng hệ kết cấu có kể đến cáctác động phi tuyến. Và để phục vụ cho việc mô phỏng trong ANSYS, tác giả cũngsử dụng các phần mềm chuyên dụng khác để hỗ trợ: (1) Sử dụng phần mềm ngơnngữ lập trình MATLAB để viết các mã nguồn xác định các thông số của các đườngquan hệ mơmen – góc xoay và độ cứng liên kết – góc xoay của liên kết; (2) Kết hợpvới việc sử dụng các câu lệnh trong ANSYS tác giả đã sử dụng phần mềm PSPad đểviết các mã nguồn cho q trình mơ phỏng, tính tốn trong ANSYS. 9Chương II. CƠ SỞ LÝ THUYẾTII.1. Mơ hình vật liệu và sự sai lệch hình họcII.1.1. Mơ hình vật liệu [4][23]Trong phương pháp vùng dẻo truyền thống, mỗi phần tử của kết cấu được chianhỏ thành nhiều phần tử và mỗi mặt cắt ngang tiết diện ở một nút tiếp tục được chiathành lưới. Một khi biến dạng dọc trục, mômen, lực dọc trục và độ cong đạt được,ứng suất trong mỗi thớ có thể được xác định bởi quan hệ ứng suất – biến dạng củavật liệu. Do đó, sự khơng hồn hảo của kích thước hình học ban đầu và ứng suất dưcó thể được kể đến dễ dàng trong tính tốn ứng suất trong các thớ như dạng hìnhhọc và trạng thái ứng suất trước khi kết cấu chịu tải. Quan hệ ứng suất – biến dạngthường được giả thuyết là đàn – dẻo lý tưởng có hoặc khơng có tái bền, thể hiệntrong hình II-1. Quan hệ ứng suất – biến dạng ( – ) có kể đến tái bền được tínhtheo cơng thức: Ekhi    y(2.1)  yE   ykhi    y   st(2.2)   y E      st  Est   y khi  st  (2.3)Trong đó: y và y là biến dạng dẻo và ứng suất dẻo tương ứng; st là biếndạng tại điểm bắt đầu tái bền; E là môđun đàn hồi và Est là môđun tái bền.Điểm bắt đầu tái bền tại biến dạng st = 10y và môđun tái bền Est = 2% E.Quan hệ ứng suất – biến dạng của đường dỡ tải dựa trên luật tái bền động học, độcứng trong suốt đường dỡ tải song song với độ cứng ban đầu (E) chỉ trong phạm vi2y. Tuy nhiên, đường dỡ tải này thì khơng xem xét trường hợp tải đơn điệu đượcphân tích cho khung thép hiệu chuẩn ở Châu Âu.

Tài liệu liên quan

Danh sách đề tài luận văn thạc sĩ khoa công nghệ hóa học- nghành khoa học và kĩ thuật vật liệu luyện kim
- 2
- 927
- 0
Đề cương môn học: Cơ học và sức bền vật liệu doc
- 122
- 632
- 3
Báo cáo nghiên cứu khoa học: "TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG CỦA KHUNG THÉP CÓ NÚT NỬA CỨNG" pps
- 6
- 607
- 5
mô phỏng ứng xử đỉnh vết nứt bằng phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng
- 29
- 875
- 4
định hướng nghiên cứu của các PTN liên quan đến khoa học và công nghệ vật liệu
- 27
- 474
- 0
Khoa học và công nghệ vật liệu
- 284
- 693
- 0
Đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 đến vật liệu của các chi tiết thuộc hệ thống nhiên liệu của động cơ xe máy
- 36
- 630
- 2
Mô hình hóa và mô phỏng ứng dụng xử cơ học của ống và tấm mỏng có kích cơ nano mét
- 27
- 315
- 0
Nghiên cứu mối quan hệ và các giải pháp kỹ thuật liên quan tới động lực học và tiêu hao nhiên liệu của ô tô du lịch
- 95
- 334
- 0
Mô hình hóa và mô phỏng ứng xử cơ học của ống và tấm mỏng có kích cỡ nano mét
- 126
- 355
- 0