Khảo sát nội lực khung phẳng tính theo sơ đồ biến dạng (tt)

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ MÔ MEN Số hiệu Hình 1.1 Hiệu ứng P-Delta Hình 1.2 Hiệu ứng P-Delta lớn ∆ và P-Delta nhỏ δ Hình 1.3 Biến dạng của khung dưới tác dụng của tải trọng Hình 1.

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

LÊ TRUNG NHÂN

KHẢO SÁT NỘI LỰC KHUNG PHẲNG TÍNH THEO SƠ ĐỒ BIẾN DẠNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN

HÀ NỘI – 2017

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

LÊ TRUNG NHÂN KHÓA: 2015 - 2017

KHẢO SÁT NỘI LỰC KHUNG PHẲNG TÍNH THEO SƠ ĐỒ BIẾN DẠNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS CHU THỊ BÌNH

2 TS PHAN THANH LƯỢNG

HÀ NỘI – 2017

Trang 3

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi xin được tỏ lòng biết ơn và gửi lời cám ơn chân thành đến

TS Chu Thị Bình, TS Phan Thanh Lượng - người trực tiếp hướng dẫn luận

văn; tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi tìm ra hướng nghiên cứu, tiếp cận thực tế, tìm kiếm tài liệu, xử lý và phân tích số liệu, giải quyết vấn đề…nhờ đó, tôi đã hoàn thành Luận văn Thạc Sỹ của mình

Ngoài ra, trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài tôi còn nhận được nhiều sự quan tâm, góp ý, hỗ trợ quy báo của quý Thầy Cô, đồng nghiệp, bạn bè và người thân Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

● Cha Mẹ và những người thân trong gia đình đã hỗ trợ, tạo điều kiện

thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua và đặc biệt trong thời gian tôi theo học khóa thạc sỹ tại Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

● Quý Thầy Cô Khoa Xây Dựng và quý Thầy Cô Khoa Sau Đại Học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích trong suốt hai năm học vừa qua

● Trường Cao Đẳng Cần Thơ và các bạn bè, đồng nghiệp luôn động viên,

hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu./

Hà Nội, tháng 03 năm 2017

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Lê Trung Nhân

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc Sỹ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực

và có nguồn gốc rõ ràng./

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Lê Trung Nhân

Trang 5

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

Tên đề tài luận văn

Lý do chọn đề tài

Mục đích nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các vấn đề cần giải quyết

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Cấu trúc luận văn

NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU THEO SƠ ĐỒ BIẾN DẠNG 3

1.1 Khái niệm về tính toán kết cấu theo sơ đồ biến dạng 3

1.2 Một số nghiên cứu về phân tích kết cấu theo sơ đồ biến dạng 7

1.2.1 Phân tích lặp P-∆ 7

1.2.2 Phân tích P-∆ trực tiếp 8

1.2.3 Phương pháp giằng ảo (Negativi bracing member method) 9

1.2.4 Phương pháp tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn (Phương pháp P-∆) 10

1.2.5 Cách tính hiệu ứng P-Delta trong một số phần mềm phân tích kết cấu 12

a Cách tính hiệu ứng P-Delta trong SAP2000 12

a.1 Trường hợp 1: 12

a.2 Trường hợp 2: 15

b Cách tính hiệu ứng P-Delta trong ETABS 15

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH NỘI LỰC THEO SƠ ĐỒ BIẾN DẠNG 18

2.1 Lý thuyết tính nội lực khung phẳng theo sơ đồ biến dạng 18

Trang 6

2.1.1 Phương pháp giải tích 18

2.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 23

a Phương pháp Newton-Raphson (N-R) 25

b Phương pháp Newton-Raphson cải tiến 25

2.2 Tính nội lực cột đầu tự do theo sơ đồ biến dạng 26

2.3 Tính nội lực dầm theo sơ đồ biến dạng 28

2.4 Tính nội lực khung một tầng một nhịp theo sơ đồ biến dạng 29

2.5 Tính nội lực khung nhiều tầng nhiều nhịp theo sơ đồ biến dạng 36

2.6 Cách tính hiệu ứng P-Delta theo một số tiêu chuẩn thiết kế kết cấu 43

2.6.1 Theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép của Việt Nam TCVN 5575-2012 44

2.6.2 Theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép của châu Âu EN 1993-1-1 48

2.6.3 Theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép của Hoa Kỳ ANSI- AISC 360-10 49

2.6.4 Theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT của Việt Nam TCVN 5574-2012 49

2.6.5 Theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT của châu Âu EN 1992-1-1 51

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG P-DELTA VỚI NỘI LỰC KHUNG PHẲNG 53

3.1 Mô tả các khung tính toán 53

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của độ lớn tải trọng đứng 65

3.2.1 Tính với khung Bê tông Cốt thép 68

3.2.2 Tính với khung thép một tầng 71

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chuyển vị đỉnh công trình 76

3.3.1 Tính với khung Bê tông Cốt thép nhiều tầng nhiều nhịp 76

3.3.2 Tính với khung thép 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang 7

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ MÔ MEN

Số hiệu

Hình 1.1 Hiệu ứng P-Delta

Hình 1.2 Hiệu ứng P-Delta lớn (∆) và P-Delta nhỏ (δ)

Hình 1.3 Biến dạng của khung dưới tác dụng của tải trọng

Hình 1.4 Sơ đồ tính

Hình 1.5 Tính toán lực xô ngang

Hình 1.6 Khung với hệ giằng ảo

Hình 1.7 Cột khi bị biến dạng

Hình 1.8 Hộp thoại Frame Initial P-Delta Forces

Hình 1.9 Hộp thoại Load Case Data-Linear Static

Hình 1.10 Hộp thoại Analysis Options

Hình 1.11 Hộp thoại P-Delta Parameters

Hình 2.1 Một dầm đơn giản chịu tải trọng tập trung

Hình 2.2 Hai dầm đơn giản chịu tải trọng đối xứng

Hình 2.3 Ổn đinh của khung không có chuyển vị nút (Timosenco)

Trang 8

Hình 2.4 Ổn định của khung có chuyển vị nút (Timosenco)

Hình 2.5 Phương pháp Newton-Raphson (a) và Newton-Raphson cải

tiến (b) Hình 2.6 Ví dụ cột đầu tự do

Hình 2.7 Ví dụ dầm đơn giản

Hình 2.8 Khung Bê tông Cốt thép đơn giản

Hình 2.9 Hệ cơ bản

Hình 2.10 Biểu đồ mô men M1

Hình 2.13 Biểu đồ mô men 0

p

M

Hình 2.14 Tính hệ số r11

Hình 2.20 Biểu đồ momen của khung tính theo sơ đồ không biến dạng Hình 2.21 Biểu đồ momen của khung tính theo sơ đồ biến dạng

Trang 9

Hình 2.22 Biểu đồ momen có hiệu ứng P-∆

Hình 2.23 Biểu đồ momen chia nhỏ dầm và cột có hiệu ứng P-δ

Hình 2.24 Kích thước khung Bê tông Cốt thép nhiều tầng nhiều nhịp Hình 2.25 Tiết diện khung Bê tông Cốt thép nhiều tầng nhiều nhịp

Hình 2.26 Sơ đồ vị trí nút và xác định momen của khung Bê tông Cốt

thép nhiều tầng nhiều nhịp

Hình 2.27 Biểu đồ momen có kể ảnh hưởng P-Delta của khung Bê tông

Cốt thép nhiều tầng nhiều nhịp

Hình 2.28a Biểu đồ chuyển vị tại vị trí N4 không kể ảnh hưởng P-Delta

của khung Bê tông Cốt thép nhiều tầng nhiều nhịp

Hình 2.28b Biểu đồ chuyển vị tại vị trí N4 có kể ảnh hưởng P-Delta của

khung Bê tông Cốt thép nhiều tầng nhiều nhịp Hình 3.1 Sơ đồ tải trọng tác dụng của khung thép một tầng

Hình 3.2 Kích thước khung Bê tông Cốt thép nhiều tầng

Hình 3.3 Tiết diện khung Bê tông Cốt thép nhiều tầng.

Hình 3.4 Sơ đồ tải tác dụng thường xuyên của khung Bê tông Cốt thép

nhiều tầng Hình 3.5 Sơ đồ hoạt tải 1 của khung Bê tông Cốt thép nhiều tầng Hình 3.6 Sơ đồ hoạt tải 2 của khung Bê tông Cốt thép nhiều tầng

Trang 10

Hình 3.7 Sơ đồ tải gió từ trái sang của khung Bê tông Cốt thép nhiều

tầng Hình 3.8 Mặt cắt ngang sơ đồ nhà công nghiệp.

Hình 3.9 Sơ đồ tải trọng tác dụng thường xuyên của khung thép một

tầng Hình 3.10 Kích thước khung thép nhà nhiều tầng

Hình 3.11 Tiết diện khung thép nhà nhiều tầng

Hình 3.12 Sơ đồ tải tác dụng thường xuyên của khung thép nhà nhiều

tầng Hình 3.13 Sơ đồ hoạt tải 1 của khung thép nhà nhiều tầng

Hình 3.14 Sơ đồ hoạt tải 2 của khung thép nhà nhiều tầng

Hình 3.15 Sơ đồ tải trọng gió của khung thép nhà nhiều tầng

Hình 3.16 Sơ đồ khung thép 1 tầng và các điểm so sánh mô men, chuyển

vị

Trang 11

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU

Số hiệu bảng, biểu Tên bảng, biểu

Bảng 2.1 So sánh chênh lệch (%) của cột Bê tông Cốt thép khi tính

nội lực không kể và có kể đến hiệu ứng P-Delta

Bảng 2.2 So sánh chênh lệch (%) của dầm Bê tông Cốt thép khi tính

nội lực không kể và có kể đến hiệu ứng P-Delta

Bảng 2.3 So sánh chênh lệch (%) giữa P-∆ và P-δ khi tính nội lực

trong khung Bê tông Cốt thép

Bảng 2.4 So sánh chênh lệch (%) về nội lực và chuyển vị của khung

Bê tông Cốt thép nhiều tầng Bảng 2.5 Hệ số uốn dọc  của cấu kiện chịu nén đúng tâm

Bê tông Cốt thép một tầng ứng với giá trị Ncr/20

Bê tông Cốt thép một tầng ứng với giá trị Ncr/5 Bảng 3.5 Bảng tổng hợp chênh lệch (%) về chuyển vị của khung Bê

Trang 12

tông Cốt thép một tầng Bảng 3.6 Bảng thay đổi giá trị cầu trục của khung thép một tầng

Bê tông Cốt thép nhà nhiều tầng ứng với y=2.34cm

Bê tông Cốt thép nhà nhiều tầng ứng với y=3.21cm Bảng 3.15 So sánh chênh lệch (%) về nội lực và chuyển vị của khung

Trang 13

Bảng 3.17 Bảng tổng hợp chênh lệch (%) về chuyển vị của khung Bê

tông Cốt thép nhiều tầng Bảng 3.18 Bảng thay đổi giá trị vùng gió của khung thép một tầng

thép một tầng ứng với vùng gió I-A

thép một tầng ứng với vùng gió III-B

thép một tầng ứng với vùng gió IV-B

Bảng 3.22 Bảng tổng hợp chênh lệch (%) về chuyển vị khi thay đổi

giá trị vùng gió của khung thép một tầng

Bảng 3.23 Bảng thay đổi tỉ lệ (%) tải trọng gió của khung thép nhiều

tầng

thép nhiều tầng ứng với 50% tải trọng gió

thép nhiều tầng ứng với 100% tải trọng gió Bảng 3.27 So sánh chênh lệch (%) về nội lực và chuyển vị của khung

Trang 14

thép nhiều tầng ứng với 150% tải trọng gió Bảng 3.30 Bảng tổng hợp chênh lệch (%) về chuyển vị khi thay đổi tỉ

lệ (%) tải trọng gió của khung thép nhiều tầng

Trang 15

1

MỞ ĐẦU Tên đề tài luận văn

“ Khảo sát nội lực khung phẳng tính theo sơ đồ biến dạng”

Lý do chọn đề tài

Trong các bước thiết kết kết cấu, việc xác định nội lực trong khung thường dựa trên giả thiết hình dạng khung vẫn giữ nguyên như trạng thái không có tải trọng tức là tính nội lực khung theo sơ đồ không biến dạng Thực tế, khi chịu tải khung sẽ

có biến dạng và sẽ phát sinh ra nội lực do biến dạng này (hiệu ứng bậc 2) Việc tính toán có kể đến hiệu ứng bậc 2 còn gọi là phân tích theo sơ đồ biến dạng hay phân tích kết cấu có kể đến hiệu ứng P-Delta

Nội lực tính theo sơ đồ biến dạng khác với nội lực tính theo sơ đồ không biến dạng ở chỗ các chuyển vị tại nút hay biến dạng trong thanh gây ra những nội lực thêm (hiêu ứng bậc 2 hay còn gọi là hiệu ứng P-Delta)

Một số tiêu chuẩn thiết kế như tiêu chuẩn Eurocodes hay tiêu chuẩn Hoa Kỳ ANSI/AISC 360-10 cũng quy định các trường hợp phải tính nội lực có kể đến hiệu ứng P- Delta

Nhiều phần mềm phân tích kết cấu hiện nay như SAP2000, ETABS cũng có

kể đến hiệu ứng P-Delta

Đề tài đặt vấn đề khảo sát nội lực khung phẳng kết cấu thép và Bê tông Cốt thép có kể đến hiệu ứng P-Delta (tính theo sơ đồ biến dạng) sử dụng phần mềm SAP2000 Kết quả tính toán sẽ được phân tích, so sánh với các quy định trong tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam, châu Âu và Hoa Kỳ

Mục đích nghiên cứu

Khảo sát và đánh giá nội lực trong kết cấu khung kết cấu thép và Bê tông Cốt thép khi tính theo sơ đồ biến dạng, so với kết quả tính theo sơ đồ không biến dạng

và các quy định tính nội lực theo một số tiêu chuẩn thiết kế

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nội lực trong kết cấu khung phẳng

Trang 16

2

- Phạm vi nghiên cứu: Nội lực trong kết cấu khung phẳng kết cấu thép và Bê tông Cốt thép

Các vấn đề cần giải quyết

- Tìm hiểu về cách tính nội lực khung phẳng theo sơ đồ biến dạng

- Tính toán một số kết cấu khung phẳng

- Khảo sát đánh giá kết quả tính toán, so sánh với các chỉ dẫn tính toán trong một số tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép và Bê tông Cốt thép

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nội dung đề tài giúp kỹ sư kết cấu có hiểu biết thêm về nội lực và biến dạng của kết cấu Kết quả tính toán có thể dùng để đưa ra một số nhận xét, khuyến nghi cho tính nội lực khung phẳng kết cấu thép và Bê tông Cốt thép

Cấu trúc luận văn

Chương I: Tổng quan về lý thuyết tính toán kết cấu theo sơ đồ biến dạng Chương II: Phương pháp tính nội lực khung phẳng theo sơ đồ biến dạng Chương III: Khảo sát đánh giá hiệu ứng P-Delta với nội lực khung phẳng

Trang 17

THÔNG BÁO

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui

lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

Email: digilib.hau@gmail.com

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

Trang 18

88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

Luận văn đã đạt được mục tiêu đề ra:

- Tìm hiểu về cách tính nội lực khung phẳng theo sơ đồ biến dạng;

- Thực hành tính toán một số kết cấu khung phẳng theo sơ đồ có và không kể đến sơ đồ biến dạng;

- Khảo sát đánh giá kết quả tính toán, so sánh với các chỉ dẫn tính toán trong một số tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép và bê tông cốt thép;

- Các nhận xét sau được rút ra dựa trên kết quả khảo sát một số: tính toán nội lực cột, dầm và khung phẳng theo sơ đồ biến dạng, so sánh với nội lực tính theo sơ

đồ không biến dạng:

+ Khung Bê tông Cốt thép có biến dạng rất nhỏ nên tính nội lực theo sơ đồ biến dạng chênh lệch không đáng kể so với tính nội lực theo sơ đồ không biến dạng + Khung kết cấu thép có biến dạng lớn hơn khung Bê tông Cốt thép nên nội lực tính theo sơ đồ biến dạng có chênh lệch so với sơ đồ không biến dạng Sự chênh lệch này tăng khi lực dọc trong cấu kiện cột tăng hoặc chuyển vị ngang đỉnh cột tăng Tuy nhiên, khi khống chế chuyển vị ngang đỉnh cột nhỏ hơn giá trị chuyển vị lớn nhất quy định trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép thì sự chênh lệch nội lực tính theo hai sơ đồ cũng nhỏ

+ Khi các khung tính toán được khống chế chuyển vị ngang đỉnh cột nhỏ hơn giá trị giới hạn nêu trong các tiêu chuẩn thì sự chênh lệch nội lực và chuyển vị giữa

sơ đồ không biến dạng và sơ đồ biến dạng là không đáng kể (<5%);

+ Chỉ trong trường hợp lực dọc trong cột vượt quá 10% lực dọc tới hạn tính theo Ơle Ncr thì chênh lệch nội lực và chuyển vị tính theo hai sơ đồ mới đáng kể (>10%) Trong các khung chịu tải thông thường và chọn tiết diện đảm bảo điều kiện biến dạng khống chế trong tiêu chuẩn thì ít khi lục dọc trong cột lớn hơn 1/10 lực tới hạn

Định dạng
Số trang	21
Dung lượng	885,13 KB