PHÂN PHỐI HỢP LÝ NỘI LỰC TRONG KHUNG THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỨNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐỘ CỨNG NÚT KHUNG
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:
- Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, rất nhiều vật liệu đã được phát triển và nâng lên tầm cao mới, mang đến cho ngành xây dựng nhiều giải pháp kỹ thuật tối ưu trong thiết kế các kết cấu công trình. Trong những số đó, thép là một loại vật liệu xây dựng cơ bản đã được sử dụng từ rất lâu, nhưng vẫn một chiếm tỷ trọng lớn trong ngành xây dựng hiện đại và được yêu thích bởi các nhà thiết kế do những đặc tính nổi bật: có khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao, trọng lượng nhẹ, tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp, tính công nghiệp hóa cao, tính kín, không thấm nước,…
- Kết cấu thép là giải pháp tối ưu cho thiết kế công trình cao tầng, vượt nhịp lớn. Do đó, khi tính toán, ngoài kiểm tra khả năng chịu lực của các cấu kiện, liên kết tại các nút là một phần rất quan trọng, nó quyết định đến sự ổn định chung cho toàn công trình.
- Thông thường, khi phân tích và thiết kế khung thép, các nhà thiết kế thường quan niệm các liên kết tại nút khung là liên kết cứng tuyệt đối hoặc liên kết khớp lý tưởng. Giả thiết này làm cho quá trình phân tích, tính toán, thiết kế đơn giản hơn nhưng nó dẫn đến những dự đoán thiếu chính xác về sự làm việc chung của kết cấu. Thực tế, các liên kết của nút khung là liên kết nửa cứng, do đó việc tính toán, khảo sát với sơ đồ thật này và tìm ra quy luật phân bố nội lực của nút khung sẽ đem lại những lợi ích về kinh tế hơn vì tiết kiệm được vật liệu, đơn giản cho quá trình chế tạo và thi công.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
– Đối tượng nghiên cứu: Nút khung thép nhà gara ô tô 03 tầng 02 nhịp.
– Phạm vi nghiên cứu: tập trung khảo sát sự thay đổi nội lực của khung khi thay đổi độ cứng của nút.
Phương pháp nghiên cứu:
- – Tìm hiểu các đặc điểm về nhà thép, các loại liên kết trong khung thép, các mô hình nghiên cứu của liên kết.
- – Tìm hiểu cách tính độ cứng ban đầu sơ bộ bằng phương pháp tổ hợp trong EC3-1993.
- – Tính toán ví dụ cụ thể bằng số trong khung thép 3 tầng 2 nhịp với các liên kết: cứng, nửa cứng. Thay đổi độ cứng của nút để sự phân phối nội lực trong khung hợp lý. Từ đó rút ra sự phân tích so sánh sự ảnh hưởng của độ cứng liên kết đến nội lực trong khung.
Mục tiêu cần đạt được:
- Tìm ra được giá trị độ cứng thích hợp của liên kết sao cho Momen gối và Momen nhịp gần bằng nhau.
Bố cục luận văn:
Nội dung của luận văn bao gồm các phần chính như sau:
– Phần Mở đầu.
– Chương 1: Tổng quan về kết cấu thép
Giới thiệu đại cương về kết cấu thép: lịch sử hình thành, các đặc điểm. Từ đó đặt vấn đề cần nghiên cứu, giới thiệu sơ bộ về liên kết trong kết cấu khung thép.
Kết luận chương 1.
– Chương 2: Quan niệm độ cứng của các nút liên kết và phương pháp xác định độ cứng nút khung.
Tìm hiểu các quan niệm về độ cứng liên kết dầm cột trong khung nhà công nghiệp theo các tiêu chuẩn AISC và EC-3 và các tiêu chuẩn khác…
Xác định độ cứng xoay của liên kết bằng phương pháp tổ hợp theo EC-3 khi xét ảnh hưởng của mômen uốn bỏ qua ảnh hưởng của lực dọc trục và xét ảnh hưởng đồng thời của mômen uốn và lực dọc trục.
Kết luận chương 2.
– Chương 3: Phân phối hợp lý nội lực trong khung thép chịu tải trọng đứng bằng phương pháp thay đổi độ cứng nút khung.
Tính toán một công trình có 03 tầng, 02 nhịp với kiểu liên kết cứng và nửa cứng (EEP) trong các trường hợp:
– Nút cứng hoàn toàn.
– Nút nửa cứng (Chỉ xét ảnh hưởng của Momen uốn và bỏ qua ảnh hưởng của lực dọc).
– Nút nửa cứng (Xét ảnh hưởng của Momen uốn và lực dọc).
Từ đó rút ra bảng phân tích so sánh sự khác nhau về nội lực giữa các trường hợp. Trên cơ sở kết quả độ cứng và nội lực của nút nửa cứng vừa tìm được, tiến hành kiểm tra với nhiều độ cứng khác nhau để tìm ra được giá trị hợp lý của nội lực.
Kết luận chương 3.
Phần kết luận: Nhận xét kết quả tìm được. Rút ra kết luận và đưa ra kiến nghị. Dự kiến các hướng nghiên cứu tiếp theo.
Danh mục tài liệu tham khảo.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÉP
Tổng quan về kết cấu thép:
Kết cấu thép là một lĩnh vực quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng hiện đại, làm bộ phận chịu lực công trình, không chỉ trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp mà còn cả trong các ngành thủy lợi thủy điện…
Sơ lược về lịch sử phát triển kết cấu thép: [6]
– Kết cấu kim loại được tìm ra sớm nhất ở Trung Quốc, song so với kết cấu gỗ, gạch đá, kết cấu thép ra đời muộn hơn và gặp nhiều khó khăn do kỹ thuật chế tạo kim loại còn hạn chế. Châu Âu, mãi đến thế kỷ 17, mới có kết cấu bằng gang..
– Bước sang thời kỳ phát triển của chủ nghĩa tư bản, cùng với sự phát triển của công thương nghiệp và giao thông vận tải, kỹ thuật luyện kim và gia công kim loại bắt đầu phát triển tạo điều kiện cho kết cấu gang, thép phát triển nhanh. Từ thế kỷ 17, nhiều công trình xây dựng bằng gang thép ra đời như: mái nhà cung điện và đền thờ ở Nga (Thế kỷ 17), cầu bằng gang đầu tiên ở Châu Âu nhịp dài 30m ở Anh năm 1776- 1779… Đến đầu thế kỷ 19, nhiều nhà xưởng bằng sắt định hình nhịp khá lớn (15, 16, 34m) ra đời với hình thức liên kết đã biết dùng đinh tán.
– Đến giữa thế kỷ 19, các phương pháp luyện thép mới ra đời: Phương pháp Ô- Bu-Nốp (Nga – 1853), Phương pháp Bet-sme (Anh – 1856), phương pháp Mác-tanh (Pháp -1865)… Từ đó kết cấu thép bắt đầu phát triển mạnh mẽ. Năm 1885, N.Bê -nác- Đốt tìm ra phương pháp hành hồ quang điện dùng điện cực bằng than và đến năm 1888, N. G.Sla-via-Nốp đưa ra phương pháp hàn điện bằng điện cực kim loại… Kết cấu thép dùng liên kết hàn phát triển và trở nên phổ biến. Bên cạnh đó, lý thuyết tính tóan cũng đạt những tiến bộ lớn: Đ.I.Giu-ráp-xki (1822-1891) nghiên cứu và đưa ra lý luận tính dàn có thanh xiên, P.S. Da-xin-ski nghiên cứu phương pháp tính toán cấu kiện chịu nén… Cùng với sự phát triển của kỹ thuật luyện kim và chế tạo cơ khí, kết cấu thép dần dần đáp ứng yêu cầu nhà công nghiệp, đòi hỏi cần trục lớn, sườn phân xưởng bằng khung cứng…
– Từ những năm 50 trở về sau, ở Liên Xô (cũ), trường phái kết cấu thép ra đời và phát triển theo 3 nguyên tắc: Tiết kiệm thép, giảm công chế tạo và nâng cao tốc độ thi công công trình kết cấu thép. Nhờ đó đã đạt được những thành tựu lớn trong việc thống nhất hóa và tiêu chuẩn hóa kết cấu dựa trên hệ môđun thống nhất, đạt chỉ tiêu kinh tế cao. Liên Xô cũng là nước đầu tiên nghiên cứu và áp dụng phương pháp tính theo trạng thái giới hạn, hợp lý hơn và tiết kiệm vật liệu thép. Trên cơ sở những ưu điểm nổi bật của vật liệu và kết cấu thép, những thành tựu của nó tiếp tục phát huy tác dụng to lớn trong xây dựng và công nghiệp nhờ những dạng vật liệu thép tốt hơn (thép hợp kim nhẹ và bền hơn), hình thức kết cấu đơn giản, hợp lý cùng với phương pháp thi công nhanh và tiên tiến.
-Việt Nam với tiềm năng to lớn về nguyên liệu quặng sắt đã sớm xây dựng nhà máy gang thép (Thái Nguyên), học hỏi và vận dụng những tiến bộ về kết cấu thép cuả Liên Xô và thế giới vào điều kiện của mình, nhờ đó cũng đạt được những kết quả đáng khích lệ trong việc sử dụng kết cấu thép, đã và đang đáp ứng những yêu cầu của sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Đặc điểm của kết cấu thép: [1]
a. Ưu điểm: [1]
– Là kết cấu an toàn nhất, vì: cường độ vật liệu thép lớn nhất.
Thép CT3 có: Rk,n,u=2100 kG/cm2; Rc=1300kG/cm2; REM=3200 kG/cm2;
– Là kết cấu có độ tin cậy cao: cấu trúc thuần túy nhất, vật liệu đàn hồi dẻo phù hợp với giả thiết tính toán và kết cấu thép làm việc phù hợp với lý thuyết tính toán.
– Là kết cấu nhẹ nhất: giảm tải nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu lực. Đặc trưng bởi hệ số: c=γ/R; (γ: trọng lượng riêng của vật liệu; R: cường độ của vật liệu).
– Đạt trình độ công nghiệp hóa cao trong sản xuất chế tạo, lắp dựng: sản xuất hàng loạt cấu kiện lẻ, giảm thời gian sản xuất và thi công, giảm giá thành, phù hợp với sản xuất công nghiệp.
– Thi công nhanh: thuận tiện cơ động trong vận chuyển và lắp ráp.
– Có tính “kín”: không thấm nước, khí, phù hợp với các công trình chứa bể khí, chất lỏng,…
b. Nhược điểm: [1]
– Dễ han gỉ: tốn nhiều chi phí bảo vệ trong quá trình sử dụng.
– Tính phòng hỏa kém: ở nhiệt độ 500-600oC, thép chuyển dẻo và mất khả năng chịu lực.
Phạm vi sử dụng kết cấu thép: [1]
Thông thường, kết cấu thép được sử dụng cho các công trình lớn (nhịp, chiều cao, hay tải trọng,…) hay các công trình có yêu cầu sử dụng đặc biệt (đòi hỏi kín, nhẹ, công trình tạm,…)
Phạm vi sử dụng:
– Khung nhà công nghiệp, nhà dịch vụ, triễn lãm, trưng bày,…
– Công trình công cộng: chủ yếu là nhịp lớn L ≥ 30-40m mà kết cấu bê tông cốt thép không thích ứng.
– Cầu sắt, đường bộ,..
– Kết cấu cột, tháp trụ: tháp truyền hình, tháp dàn khoan,…
– Kết cấu bản: bể chứa chất lỏng, khí, vỏ lò cao, ống dẫn khí đường kính lớn,…
– Kết cấu di động: cửa van, cửa cống, các loại cầu trục có trọng lượng bản thân không lớn nên rất phù hợp với tính chất của thép.
Yêu cầu đối với kết cấu thép: [1]
Khi thiết kế kết cấu thép, cũng phải đạt được các yêu cầu sau đây đối với mọi loại kết cấu khác.
a. Yêu cầu về sử dụng: [1]
Đây là yêu cầu cơ bản nhất đối với người thiết kế.
– Kết cấu thép phải thỏa mãn các yêu cầu về chịu lực đề ra do điều kiện sử dụng: phải đảm bảo độ an toàn, như: kết cấu phải đủ độ bền, độ cứng, đủ sức chịu mọi tải trọng sử dụng.
– Kết cấu thép phải đảm bảo độ bền lâu thích đáng của công trình. Hình dạng cũng như cấu tạo của kết cấu phải đảm bảo sao cho tiện bảo dưỡng, tiện kiểm tra và sơn bảo vệ.
– Yếu tố thẩm mỹ cũng là một yêu cầu sử dụng, đặc biệt quan trọng đối với công trình công cộng có kết cấu lộ ra ngoài. Kết cấu thép có hình dạng hài hòa, thanh thoát.
b. Yêu cầu về kinh tế: [1]
– Tiết kiệm vật liệu: thép cần được sử dụng một cách hơp lý, đúng chỗ, thay thế bằng vật liệu khác khi có thể được. Việc tiết kiệm vật liệu còn được thể hiện bằng cách chọn giải pháp kết cấu hợp lý, dùng thép cường độ cao, dùng phương pháp tính toán tiên tiến.
– Tính công nghệ khi chế tạo: kết cấu phải được thiết kế sao cho phù hợp với việc chế tạo công xưởng và việc sử dụng những thiết bị chuyên dụng hiện có, do đó làm giảm công chế tạo.
– Lắp ráp nhanh: kết cấu thép được chế tạo trong nhà máy, sau đó phải dễ dàng vận chuyển đến nơi lắp dựng bằng cách chi nhỏ từng đơn vị vận chuyển hay để nguyên cả kết cấu. Tại công trường, kết cấu có thể được khuyếch đại và lắp ráp nhanh với những thiết bị có sẵn; liên kết khi lắp dựng phải dễ dàng thuận tiện.
Đặt vấn đề về kết cấu thép:
Trong kết cấu khung thép các cấu kiện như dầm, cột và giằng được liên kết với nhau tạo thành hệ kết cấu chịu lực. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy, các liên kết đều có độ đàn hồi nhất định hay còn gọi là liên kết mềm hoặc liên kết nửa cứng (semi-rigids). Bài toán phân tích kết cấu khung thép đã được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm trong thời gian gần đây, các phần mềm phân tích kết cấu cũng đã cập nhật mô hình nửa cứng của liên kết dầm-cột như SAP2000, ETABS qua đó phân tích nội lực – chuyển vị và tính toán thiết kết các tiết diện. Để mô hình liên kết dầm cột cho bài toán phân tích kết cấu, cần thiết xác định được quan hệ biến dạng và chuyển vị của nút liên kết, biểu đồ quan hệ này được gọi là đường đặc tính của liên kết dầm cột. Đường đặc tính của liên kết dầm cột phụ thuộc vào kiểu liên kết, hình dạng, kích thước hình học của các phân tố trong liên kết v.v…
Bằng các nghiên cứu thực nghiệm xác định đường đặc tính liên kết nửa cứng đã được nhiều tác giả trong và ngoài nước thực hiện gần đây, đã xây dựng được thư viện số liệu về độ cứng và giá trị mômen giới hạn của các liên kết, các giá trị này phản ánh xác thực sự làm việc của các phân tố trong liên kết. Tuy nhiên, do tính đa dạng về hình thức liên kết và chi phí cho mỗi nghiên cứu thực nghiệm là khá lớn, với điều kiện như ở Việt Nam các số liệu thí nghiệm các liên kết dầm-cột vẫn còn khiêm tốn. Một cách xác định biểu đồ quan hệ trên bằng việc phân tích biến dạng và phá hoại của liên kết xẽ được tác giả đề cập sau đây, phần nào cải thiện được các nhược điểm trên khi xác định đặc trưng cơ học của liên kết.
Trong luận văn này, sẽ tập trung phân tích ảnh hưởng của độ cứng liên kết các nút ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu khung. Bằng phương pháp thay đổi lần lượt độ cứng liên kết của các nút khung, ta phân tích các giá trị độ cứng của liên kết, tìm ra được giá trị nội lực và chuyển vị ứng với mỗi loại liên kết đó. Rút ra kết luận, so sánh kết quả thu được để nhằm làm sáng tỏ: độ cứng ảnh hưởng đến kết cấu khung như thế nào.
Liên kết và sự làm việc của liên kết trong kết cấu khung thép
Liên kết trong kết cấu khung thép: [2]
Mỗi liên kết dầm cột trong kết cấu khung thép cần đảm bảo yêu cầu về khả năng chịu lực và đáp ứng yêu cầu kinh tế. Do tính đa dạng của hình thức liên kết và dạng cơ bản của nó đã được xác định, nhưng để phân tích được sự làm việc của tổng thể các phân tố trong mỗi liên kết là việc làm phức tạp, do có nhiều yếu tố ảnh hưởng như loại vật liệu và quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp, loại liên kết trong liên kết, kích thước hình học từng cấu kiện, sự thay đổi tiết diện, điều kiện làm việc với các loại tải trọng. Các yếu tố này ảnh hưởng rất lớn đến giá thành của mỗi cấu kiện. Việc phân loại liên kết cũng đã được đề cập trong các tiêu chuẩn thiết kết kết cấu thép của một số nước.
Hình thức đơn giản nhất của liên kết dầm cột, là hàn trực tiếp bản cánh và bản bụng dầm vào bản cánh của cột hoặc có bổ sung thép góc ở hai bên bụng dầm trong trường hợp lắp ghép, cánh thép góc được hàn vào cánh cột và bụng dầm, ngoài ra còn có thể bổ sung bulông liên kết thép góc vào bụng dầm khi dựng lắp.
Liên kết thường sử dụng hàn trực tiếp với các cấu kiện, được sử dụng khi kết cấu có nhịp nhỏ, tải trọng nhỏ, chi tiết liên kết đơn giản, đẹp, độ cứng kháng chuyển vị xoay lớn nhưng chủ yếu sử dụng cho kết cấu chịu tải trọng tĩnh, hình dạng của liên kết như ở hình 1.1.
Hình 1. 1: Liên kết hàn và tổ hợp bu lông- hàn
Hình thức khác, liên kết dùng liên kết bulông với nhiều dạng khác nhau, có thể dùng thép bản hoặc thép góc sử dụng bulông để ghép chúng lại với nhau, có thể tập hợp thành các dạng khác nhau như ở hình 1.2. Thường sử dụng kiểu liên kết này cho kết cấu nhịp lớn, tải trọng lớn, đặc biệt trong khung nhà cao tầng, nhà nhịp lớn, đây là liên kết lắp ghép các cấu kiện đẩy nhanh tiến độ thi công nhưng việc sản xuất và lắp dựng phức tạp, chi phí giá thành lớn.
Hình 1. 2: Liên kết bulông dầm và cột
Ngoài ra còn có hình thức tổ hợp liên kết hàn và bulông, loại liên kết kết hợp liên kết hàn bản ghép bản bụng hoặc bản cánh vào dầm và liên kết với bản cánh cột bằng bulông được sử dụng phổ biến.
Phân loại liên kết có thể xuất phát từ các tiêu chí khác nhau như vị trí, tính chất truyền lực, dạng liên kết, cách chế tạo, vật liệu liên kết v.v… Trong phân tích kết cấu khung thép với mô hình liên kết nửa cứng có thể dựa vào.
– Mô hình phân tích: phân tích đàn hồi, phân tích dẻo-cứng, phân tích đàn-dẻo với vật liệu đàn hồi dẻo tuyến tính hoặc phi tuyến;
– Khả năng kháng của nút: nút có độ mềm chuyển vị xoay, chuyển vị thẳng phi tuyến hoặc tuyến tính;
– Tải trọng tác dụng: tải trọng tĩnh, tải trọng động, tải trọng lặp có hoặc không có chu kỳ và thời gian xác định.
– Phương pháp phân tích: phương pháp lực, phương pháp chuyển vị đơn vị, phương pháp ma trận chuyển tiếp, phương pháp phần tử hữu hạn …vv.
Sự làm việc của liên kết trong kết cấu khung thép
Khả năng chịu lực và biến dạng của các phân tố trong liên kết phụ thuộc vào sự làm việc của ba vùng phân biệt đó là: (1) Vùng chịu kéo; (2) vùng chịu nén và (3) vùng chịu cắt. Biến dạng, khả năng chịu lực giới hạn của các phân tố trong liên kết có thể xác định bằng việc phân tích chịu lực của từng thành phần của phân tố liên kết.
– Vùng kéo: Biến dạng của bản bụng cột, biến dạng của cánh cột, biến dạng của tấm nối, phá hoại của mối hàn hoặc bulông;
– Vùng nén: Biến dạng hoặc ổn định của bụng cột, biến dạng của cánh cột và tấm nối;
– Vùng chịu cắt: ổn định về cắt, phá hoại của mối hàn chịu kéo.
Sự làm việc của các phân tố trên có thể mô hình bằng các lò xo hoặc pít tông được mắc nối tiếp hoặc song song trong sơ đồ.
Đường đặc tính liên kết nửa cứng:
Quan hệ nội lực-chuyển vị (M-θ) của liên kết phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và là đường cong. Quan hệ có thể được biểu diễn bằng đường cong dựa trên quan hệ toán học, cũng có thể được biểu diễn bằng đa tuyến (thông thường là nhị tuyến hoặc tam tuyến) như ở một số tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép.
Đường đặc tính liên kết nửa cứng biểu diễn bằng đường cong
Mô tả quan hệ (M-θ) của liên kết dầm cột, một số tác giả cho rằng chúng có dạng đường cong như ở hình 1.3a (có gia cường) và 1.3b (có thềm chảy).
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN KY THUAT\LUAN VAN LOP K26 XDDD\PHAN NHAT NAM
