Nghiên cứu tính toán dao động tự so của dầm cao bằng phương pháp phần tử hữu hạn (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ---*--- NGUYỄN MINH SƠN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA DẦM CAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠ

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-* -

NGUYỄN MINH SƠN

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA DẦM CAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN

Trang 2

Hà Nội - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS VŨ THANH THỦY

2 TS TRỊNH TỰ LỰC

Hà Nội - 2014

Trang 3

LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, các thầy cô trong khoa Sau đại học, cùng với các thầy cô giáo các bộ môn đã tạo mọi điều kiện để chúng tôi có thể hoàn thành khoá học 2012-2014!

Đặc biệt tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn luận văn tốt nghiệp của tôi là cô giáo, TS Vũ Thanh Thủy và thầy giáo, TS Trịnh

Tự Lực Tôi xin cảm ơn cô và thầy đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện, dành nhiều thời gian cũng như đầu tư tài liệu để hướng dẫn tôi hoàn thành được luận văn tốt nghiệp của mình!

Luận văn của tôi còn chưa thật hoàn chỉnh, nhiều chỗ trình bày còn thiếu sót Nhưng tôi xin hứa sẽ đầu tư nghiên cứu thêm những vấn đề còn thiếu sót

đó để hoàn thiện thêm kiến thức của mình trong quá trình làm việc sau này!

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đã thực hiện đầy đủ các yêu cầu của một luận văn tốt nghiệp thạc sỹ chuyên ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp Tôi cam đoan đã thực hiện đúng quy cách luận văn, và nội dung đề tài phù hợp với chuyên ngành Đề tài luận văn của tôi cũng không bị trùng lặp với các đề tài luận văn tốt nghiệp trước đây Nội dung của luận văn đã được trích dẫn đầy

đủ các tài liệu tham khảo

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Minh Sơn

Trang 5

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

2 Mục đích và phương pháp nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài

PHẦN 2: NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DAO ĐỘNG CỦA DẦM

THƯỜNG VÀ DẦM CAO

3

1.1 Khái niệm dầm cao và phân biệt với dầm thường 3

1.2 Một số phương pháp tính toán dầm cao, sự khác nhau trong

tính toán dầm cao và dầm thông thường

14

1.2.1 Lý thuyết tính toán dầm khi không xét biến dạng trượt 14 1.2.2 Lý thuyết tính toán dầm khi xét biến dạng trượt 23

1.3.2 Phương trình vi phân của dầm dao động tự do khi xét ảnh

hưởng của biến dạng trượt

28

1.3.3 Một số phương pháp giải bài toán dao động tự do 30

Trang 6

1.4 Nhiệm vụ của luận văn 32 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA DẦM

CAO THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

36

2.1.1 Chọn phần tử thanh chịu uốn không xét đến biến dạng trượt 34 2.1.2 Chọn phần tử thanh chịu uốn có xét biến dạng trượt 36

Trang 7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT A: Diện tích tiết diện ngang

Ae : Ma trận hỗn hợp của phần tử

b: Bề rộng dầm

dy

dx

: Đạo hàm bậc nhất hay hệ số góc của đường đàn hồi

E: Môđun đàn hồi của vật liệu

G: Modun đàn hồi trượt của vật liệu

h: Chiều cao tiết diện dầm, tấm

J: Mô men quán tính của tiết diện

K: Hệ số tập trung ứng suất cắt xét tới sự phân bố không đều của ứng suất cắt theo chiều cao tiết diện

y: Chuyển vị của trục dầm hay đường đàn hồi của dầm

u: Chuyển dịch theo phương Ox của phân tố

v: Chuyển dịch theo phương Oy của phân tố

w: Chuyển dịch theo phương Oz của phân tố

Z: Ký hiệu phiếm hàm

 X : Véc tơ nội lực, biến dạng nút của phần tử thanh chịu uốn

: Góc xoay của mặt cắt ngang do mô men gây ra

: Biến dạng uốn do mô men gây ra

 : Ký hiệu biến phân

: Biến dạng dài tương đối

Trang 8

: Góc trượt hay biến dạng trượt do lực cắt gây ra

x, : ứng suất pháp theo phương Ox

y,: ứng suất pháp theo phương Oy

Trang 9

Bảng 3-2 So sánh sự chênh lệch của ba tần số dao động riêng đầu

tiên của dầm khớp-khớp khi có xét và không xét ảnh hưởng của biến dạng trượt khi thay đổi tỉ số h/l

50

Bảng 3-3 Ba tần số dao động riêng đầu tiên của dầm tiết diện chữ

nhật có liên kết ngàm – tự do

54

tiên của dầm console khi có xét và không xét ảnh hưởng

của biến dạng trượt khi thay đổi tỉ số h/l

55

nhật có liên kết ngàm – ngàm

59

tiên của dầm ngàm-ngàm khi có xét và không xét ảnh hưởng của biến dạng trượt khi thay đổi tỉ số h/l

60

nhật có liên kết ngàm – khớp

64

tiên của dầm ngàm-khớp khi có xét và không xét ảnh hưởng của biến dạng trượt khi thay đổi tỉ số h/l

65

Trang 10

Dầm chuyển tại công trình Hyatt Regency Denver- Trung

tâm hội nghị Colorado-Denver – Mỹ

7

Hình 1-8 Phá hoại cắt (trượt) của dầm cao chịu lực tập trung 8 Hình 1-9 Phá hoại cắt (trượt) của dầm cao có tiết diện giảm yếu 8 Hình 1-10 Phá hoại cắt của dầm có chiều cao lớn 10 Hình 1-11 Quĩ đạo ứng suất chính trong dầm cao 11 Hình 1-12 Ứng suất bê tông trong dầm cao 11 Hình 1-13 Mô hình thanh chống giằng trong dầm cao 12

Hình 1-14

Mô hình thanh chống giằng trong dầm nhiều nhịp chịu lực

tập trung

12

Hình 1-15 Thí nghiệm trên một dầm cao lớn (Kông & Kubik 1991) 15

Hình 1-16 Thí nghiệm trên một dầm cao lớn (bởi Ashoure – đại học

Cambridge)

15

Hình 1-17 Trạng thái ứng suất của dầm chịu uốn ngang phẳng 17

Trang 11

Hỡnh 1-18 Mặt cắt ngang của dầm trước và sau khi biến dạng 18 Hỡnh 1-19 Hệ lực tỏc dụng lờn phõn tố dầm 21 Hỡnh 1-20 Biến dạng của phõn tố dầm Timoshenko cú xột đến lực cắt 23 Hỡnh 1-21 Hệ lực tỏc dụng trờn phõn tố dầm dao động tự do 28 Hỡnh 2-1 Phần tử thanh chịu uốn khi khụng xột biến dạng trượt 35 Hỡnh 2-2 Phần tử thanh chịu uốn khi xột biến dạng trượt 39 Hỡnh 2-3 Phần tử lực cắt đẳng thụng số 40 Hỡnh 2-4 Phần tử lực cắt đẳng thụng số 43

Hỡnh 3-2

Ba dạng dao động riêng đầu tiên của dầm có liên kết khớp

hai đầu với tỉ lệ chiều cao dầm/nhịp là 1/20

47

Hỡnh 3-3

47

Hỡnh 3-4

48

Hỡnh 3-5

48

Hỡnh 3-6

Trang 12

Ba dạng dao động riêng đầu tiên của dầm có liên kết 2 đầu

ngàm với tỉ lệ chiều cao dầm/nhịp là 1/20

57

Hỡnh 3-15 Ba dạng dao động riêng đầu tiên của dầm có liên kết 2 đầu

58

59

Trang 14

Theo xu hướng ngày nay, nhà nhiều tầng là những công trình phức hợp đáp ứng nhiều công năng đòi hỏi kết cấu dầm cao chuyển đổi giữa các tầng, hay như yêu cầu dầm cao trong các công trình nhà công nghiệp với các dầm tải trọng lớn, nhịp nhỏ. Do đó, việc nghiên cứu về dầm cao nói chung cũng như nghiên cứu về dao động tự do của dầm cao nói riêng là rất quan trọng. Dầm cao gồm ba dạng chính: dầm chuyển, console ngắn và một số dầm công nghiệp tải trọng lớn khác.

Mặc dù vấn đề tính toán dao động dầm là rất quan trọng và đã được nhiều nhà khoa học quan tâm, và đã có nhiều công trình nghiên cứu, song vẫn còn nhiều vấn đề về phân tích tính toán các kết cấu vẫn chưa được xem xét hết. Cũng xuất phát từ nhu cầu giải quyết những vấn đề đó, và trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ, tôi đã chọn đề tài của mình là:

“Nghiên cứu tính toán dao động tự do của dầm cao theo phương pháp

phần tử hữu hạn.”

Mục đích và phương pháp nghiên cứu của luận văn là:

Trang 15

Áp dụng các phương pháp tính toán dao động tự do để xây dựng bài toán tính toán dao động tự do của dầm cao.

Xem xét sự ảnh hưởng của các yếu tố tác động đến dao động của dầm cao.

Tập hợp kết quả tính toán, từ đó đưa ra so sánh dao động tự do dầm cao

và dầm thông thường.

Tìm hiểu lý thuyết tính toán dầm cao, lý thuyết động lực học công trình, phương pháp phần tử hữu hạn.

So sánh, tổng hợp và rút ra kết luận.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng của luận văn là nghiên cứu dao động tự do của dầm cao. Phạm vi nghiên cứu: Tính toán dao động tự do trong mặt phẳng của dầm cao trong giới hạn đàn hồi.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn là:

Luận văn nghiên cứu dao động tự do của dầm cao, sử dụng phương pháp PTHH để tính toán tần số dao động riêng của dầm cao. Kết quả nghiên cứu có thể đước sử dụng trong các bài toán tính toán dầm cao chịu tải trọng động nói chung và tải trọng động đất nói riêng.

Trang 16

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

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

Trang 17

3 Khi tính toán dao động của dầm cao có xét biến dạng trượt, các tần số dao động riêng của dầm đã thay đổi đáng kể, điều này cho thấy sự cần thiết phải xét biến dạng trượt cho dầm cao trong các bài toán động lực học công trình Ví dụ như với dầm liên kết hai đầu ngàm, làm bằng vật liệu BTCT (G=E/2,5), có tỉ lệ h/l=1/8 khi xét biến dạng trượt có chênh lệch về tần số dao động riêng thứ nhất là -8.52%, tần số dao động riêng thứ hai là -16.42%, tần

số dao động riêng thứ ba là -24.34% so với khi không xét biến dạng trượt, mặt khác khi tỉ lệ h/l=1/3 (dầm cao) thì chênh lệch về tần số dao động riêng thứ nhất là -35.42%, tần số dao động riêng thứ hai là -50.21% và tần số dao động riêng thứ ba là -59.33% so với khi không xét biến dạng trượt Hoặc ví dụ với dầm liên kết hai đầu là ngàm - khớp, làm bằng vật liệu BTCT (G=E/2,5), với

tỉ lệ dầm cao h/l=1/3 thì chênh lệch về tần số dao động riêng thứ nhất là 24.71%, tần số dao động riêng thứ hai là -41.77% và tần số dao động riêng thứ ba là -53.65% so với khi không xét biến dạng trượt

-2 Kiến nghị và những nghiên cứu tiếp theo:

1 Các kết quả tính toán trên cho thấy việc cần thiết phải xét biến dạng trượt khi tính toán dao động cho dầm cao

2 Sử dụng các phần tử mẫu chuyển vị và lực cắt độc lập để xây dựng

Trang 18

69

và giải các bài toán dao động cho hệ kết cấu

3 Dùng các kết quả tính toán dao động tự do của dầm cao xét biến dạng trượt để nghiên cứu dự báo vị trí sẽ xuất hiện vết nứt, độ nghiêng và sự phát triển của vết nứt trong kết cấu

Trang 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT

[1] TCXDVN 356 : 2005 - Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn

thiết kế

[2] TCN 272-05 Tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt nam Nhà xuất bản giao thông

vận tải, Hà nội 2006

[3] Nguyễn Thúc An, Nguyễn Đình Chiều, Khổng Doãn Điền, Lý thuyết dao

động, NXB Nông Nghiệp, Hà Nội

[4] Nguyễn Thùy Anh Phương pháp mới tính toán tấm chịu uốn Học viện

Kỹ thuật Quân sự, Luận án tiến sỹ, Hà Nội 2012

[5] Phạm Đình Ba, Động lực học công trình, NXB Nông Nghiệp, Hà Nội [6] Phạm Đình Ba, Nguyễn Tài Trung (2005), Giáo trình động lực học công

trình, NXB Xây dựng, Hà Nội

[7] Đoàn Văn Duẩn Nghiên cứu ổn định đàn hồi của kết cấu hệ thanh có xét

đến biến dạng trượt Trường Đại học kiến trúc Hà Nội, Luận án Tiến sỹ,

Hà Nội 2010

[8].Nguyễn Văn Đạo Cơ học giải tích Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà

Nội, 2001

[9].Phan Thanh Điệp Tính toán nội lực và chuyển vị của dầm chịu uốn có xét

đến biến dạng trượt theo phương pháp PTHH; Luận văn thạc sỹ, Trường

Đại học Kiến trúc Hà Nội, năm 2012

[10] Lê Ngọc Hồng Sức bền vật liệu Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà

Nội 2002

[11].Phạm Khắc Hùng, Đào Trọng Long, Lê Văn Quý, Lều Thọ Trình (1974),

Ổn định và động lực học công trình, NXB Đại học và Trung học chuyên

nghiệp, Hà Nội

Trang 20

[12] Nguyễn Văn Khang, Dao động kỹ thuật, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà

Nội

[13] Nguyễn Tiến Khiêm (2004), Cơ sở Động Lực học công trình, NXB Đại

học quốc gia, Hà Nội

[14] Nguyễn Văn Liên, chủ biên Sức bền vật liệu, Nhà xuất bản xây dựng,

Hà Nội 1994

[15].Đặng Quốc Lương, Cơ học cơ sở tập II, NXB Xây dựng, Hà Nội

[16].Đặng Quốc Lương, Bài tập động lực học công trình, NXB Xây dựng, Hà

Nội

[17] Đặng Quốc Lương (2001), Phương pháp tính trong kỹ thuật, NXB Xây

dựng

[18] Phan Quang Minh (2008), Kết cấu Bê tông cốt thép - Phần cấu kiện cơ

bản, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

[19] Chu Quốc Thắng (1997), Phương pháp phần tử hữu hạn, Nhà Xuất bản

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

[20] Vũ Thanh Thủy Xây dựng bài toán dầm khi xét đầy đủ hai thành phần

nội lực Mômen uốn M và lực cắt Q Tạp chí Xây dựng số tháng 4/2009

[21].Vũ Thanh Thủy Nghiên cứu chuyển vị và nội lực của dầm xét biến dạng

trượt Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Luận án tiến sĩ, 2010

[22] Nguyễn Văn Tỉnh (1987), Cơ sở tính dao động công trình, NXB Xây

dựng, Hà Nội

[23] Nguyễn Y Tô, Lê Quang Minh, Vũ Đình Lai, Nguyễn Khải, Lê Minh

Khanh (1969), Sức bền vật liệu, Nhà Xuất bản Đại Học và THCN, Hà

Nội

[24] Nguyễn Viết Trung, chủ biên Tính toán kết cấu Bê tông cốt thép theo

mô hình dàn ảo Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội 2005

Trang 21

[25] X.P Timoshenko (1963), Những vấn đề dao động trong kỹ thuật, NXB

Khoa học kỹ thuật, Hà Nội

[26].X.P Timosenko và X.Vôinôpki - Krige Tấm và vỏ Phạm Hồng Giang,

Vũ Thanh Hải, Nguyễn Khải, Đoàn Hữu Quang dịch Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 1976

TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH

[28] American Concrete Institute, Building Code Requirements for Structural

Concrete and Commentary ACI 318-08

[29].Bathe Klaus Jỹrgen Finite Element Procedures Prentice–Hall

[33] CSA Committee A23.3 – 1994 Design of Concrete Structures Canadian

Standards Association Etobicoke, Ontario

[34] Demeter G.Fertis (1973), Dynamics and Vibration of Structures,

Intersciene Publication, USA

[35].D Duthinh, N.J Carino Shear Design of HSC Beams: A Review

of the State-of-the-Art NISTIR 5870, 1996

[36] EN 1992 EUROCODE 2 Design of Concrete Structure

[37].Felippa Carlos A Introduction to finite element methods Department of

Aerospace Engineering Sciences and Center for Aerospace Structures

Trang 22

University of Colorado Boulder, Colorado 80309-0429, USA, Last updated Fall 2004

[38].Prof F.K.Kong, Reinforced Concrete Deep Beams

[39].Kolousek Vladimir, DSc Professor, Technical University, Pargue

Dynamics in engineering structures Butter worths London, 1973

[40].Ray W.Clough, Joseph Penzien (1993), Dynamics of Structures,

International Editions, Singapore

[41] Snip 2.03.01 – 84*

[42].Timoshenko, Sp Young, D.H Wearer.W (1995), Vibration problems in

[43].Zienkiewicz O.C The finite element method in engineering Science

Maidenhead, M.c Graw- Hill Book Company Europe, 1991

[44].Wilson Edward L Professor Emeritus of Structural Engineering

University of California at Berkeley Three-Dimensional Static and

Dynamic Analysis of Structures Computers and Structures, Inc

Berkeley, California, USA Third Edition, Reprint January 2002

[45].Ray W.Clough, Edward L Wilson, Early Finite Element Research at

Berkeley, University of California, U.S.A

[46].Gilbert Strang, George Fix, An analysis of the finite element method

Định dạng
Số trang	34
Dung lượng	2,25 MB