BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI LÊ ĐẮC HẢO KHÓA: 2015 - 2017 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH KHUNG THÉP TIỀN CHẾ NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG Chuyên
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
Trang 2BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
LÊ ĐẮC HẢO KHÓA: 2015 - 2017
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH KHUNG THÉP TIỀN CHẾ NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG
Chuyên ngành: Xây dựng
LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS PHẠM VĂN TRUNG
HÀ NỘI, NĂM 2017
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại lớp cao học xây dựng 2015-2017 Vĩnh Long, cùng dưới sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của Ban chủ nhiệm khoa và cán bộ công nhân viên trong khoa, sự cố vấn và hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn luận văn, cộng với sự nỗ lực của bản thân em đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học
với đề tài: " Nghiên cứu phương pháp tính toán ổn định khung thép tiền chế
nhà công nghiệp một tầng ''
Em xin chân thành cảm ơn các cấp lãnh đạo Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, Trường Đại học xây dựng Miền Tây, Khoa xây dựng, Khoa Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội và các thầy cô giáo cùng với cán bộ công nhân viên trong khoa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình công tác và học tập, nghiên cứu tại trường
Em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn Phạm Văn Trung đã có công lớn trong việc hướng dẫn khoa học, tận tình chỉ bảo giúp em hoàn thành tốt luận văn này
Lớp CHXD 15X4-Vĩnh Long
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ luận văn hay công trình nào khác
Lớp CHXD 15X4-Vĩnh Long
Trang 5MỤC LỤC Lời cảm ơn
Cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình, sơ đồ
MỞ ĐẦU……….……….1
Lý do chọn đề tài……… 1
Mục tiêu nghiên cứu……….………2
Đối tượng nghiên cứu……… 2
Phạm vi nghiên cứu……… 2
Phương pháp nghiên cứu……… 2
Cấu trúc luận văn……… 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP KẾT CẤU THÉP 4
1.1 Giới thiệu chung nhà công nghiệp kết cấu thép 4
1.1.1 Giới thiệu chung nhà công nghiệp kết cấu thép 4
1.1.2 Vấn đề sử dụng kết cấu thép ở Việt Nam 10
1.1.3 Nguyên nhân có sự thay đổi về việc sử dụng thép 13
1.1.4 Các công trình khác bằng thép 14
1.1.5 Các tiêu chuẩn và Quy phạm, 15
1.1.6 Vật liệu thép và công nghệ chế tạo 16
1.1.7 Dự đoán định hướng phát triển 18
1.2 Lịch sử phát triển và áp dụng nhà thép tiền chế 18
1.2.1 Một số dạng khung thép tiền chế 19
1.2.2 Một số thông số cơ bản của khung thép tiền chế: 20
1.3 Những lý thuyết tính toán ổn định đang được áp dụng 24
1.3.1 Các giả thiết, sơ đồ tính toán 25
Trang 61.3.2 Thay thế độ cứng của xà ngang - Xác định hệ số đàn hồi , hệ số
đàn hồi tương đối 26
1.3.3.Xác định lực tới hạn của cột 28
1.4 Phương pháp kiểm tra ổn định tổng thể của cột vát 32
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ GẢI BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA CỘT VÁT KHUNG THÉP TIỀN CHẾ NHÀ CÔNG NGHIỆP 34
2.1 Các giả thiết tính toán 34
2.2 Xây dựng bài toán 35
2.3 Phần tử cột 36
2.3.1 Các công thức cơ bản 36
2.3.2 Các phần tử cơ bản 48
2.3.3 Phần tử dầm 52
2.3.4 Phần tử dầm (ngàm - khớp), đầu ngàm xoay góc bằng đơn vị 52 2.3.5 Phần tử dầm (ngàm - khớp), đầu khớp dịch xuống bằng đơn vị54 2.4 Lập trình giải bài toán đã xây dựng bằng Matlab 56
2.4.1 Vài nét về Matlab 56
2.4.2 Lập trình tính toán trên matlab 57
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH KHUNG THÉP TIỀN CHẾ NHÀ CÔNG NGHIỆP CÓ CỘT VÁT 61
3.1 Đặt bài toán 61
3.2 Giải bài toán 62
3.2.1 Lựa chọn sơ đồ tính khung như hình 3.3a 62
3.2.2 Phương trình ổn định của hệ này có dạng: 63
3.2.3 Xác định Q1BA, M2BA 64
3.2.4 Xác định M2BC 66
3.2.5 Giải phương trình ổn định 68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……….70
Kết luận………70
Kiến nghị……… 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 7DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Túp lều Quonset, dùng cho quân đội Mỹ trong thế chiến II 7
Hình 1.2 Các bộ phân điển hình của hệ thống nhà thép 9
Hình 1.3 Một số công trình điển hình của nhà tiền chế 19
Hình 1.4 Các bộ phận cấu tạo của nhà tiền chế 21
Hình 1.5 Sơ đồ khung ngang của nhà tiền chế 21
Hình 1.6 Sơ đồ khung 27
Hình 1.7 Sơ đồ biến dạng 26
Hình 1.8 Sơ đồ tính cột khung ngang của nhà tiền chế 26
Hình 1.9 Xà ngang có tiết diện thay đổi chữ I 27
Hình 1.10 Xà ngang có tiết diện thay đổi chữ I vát nhiều lần 28
Hình 2.1 Sơ đồ mất ổn định đối xứng của khung 35
Hình 2.2 Sơ đồ tính nửa hệ và hệ cơ bản theo phương pháp chuyển vị 35 Hình 2.3 Các biểu đồ mô men đơn vị M1 và M2 36
Hình 2.4 Đặc trưng hình học cột có tiết diện thay đổi 37
Hình 2.5 Sơ đồ biến dạng của thanh bị uốn dọc 37
Hình 2.6 Đặc trưng hình học cột có tiết diện thay đổi 46
Hình 2.7 Thanh một đầu ngàm một đầu khớp; đầu ngàm xoay 48
Hình 2.8 Thanh một đầu ngàm một đầu khớp; đầu khớp chuyển vị đứng 50
Hình 2.9 Phần tử dầm (ngàm - khớp), đầu ngàm xoay góc bằng đơn vị 53
Hình 2.10 Phần tử dầm (ngàm - khớp), đầu khớp dịch xuống bằng đơn vị 54
Hình 2.11 Sơ đồ khối lập trình thiết lập các hàm cơ bản` 59
Hình 2.12 Sơ đồ khối lập trình giải bài toán ổn định 60
Hình 3.1 Sơ đồ khung ngang nhà công nghiệp tiền chế cột vát 61
Hình 3.2 số liệu sơ đồ khung ngang và dạng mất ổn định 61
Hình 3.3 Sơ đồ tính khung và dạng mất ổn định phản đối xứng 63
Hình 3.4 Sơ đồ tính khung và dạng mất ổn định phản đối xứng 63
Trang 8DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 So sánh 3 tiết diện do tính toán 16
Bảng 1.2 Bảng xác định gí trị i 27
Bảng 1.3 Hệ số K13 29
Bảng 1.4 Hệ số K14 30
Bảng 1.5 Hệ số K11 31
Trang 9MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài:
Nhà tiền chế (Pre-Engineered Buildings) hay còn gọi là nhà thép tiền chế
là loại hình nhà thường thấy trong xây dựng công nghiệp bắt nguồn từ Mỹ khoảng nửa cuối những năm 70 thế kỷ 20 Nhà tiền chế được lắp dựng một cách đồng bộ dựa trên các kết cấu thép được thiết kế, tổ hợp và gia công sẵn theo bản thiết kế chỉ định sẵn từ trong nhà máy Sau đó những cấu kiện thành phẩm đó mới được vận chuyển đến công trường để lắp dựng
Với khung nhà thép tiền chế, hầu hết các bộ phận kết cấu được gia công sẵn tại nhà xưởng với quy trình sản xuất và kiểm định chất lượng rất chặt chẽ từ khâu thiết kế đến khâu chế tạo Ngoài công trường chỉ cần thi công trước phần kết cấu móng bê tông cốt thép theo bản vẽ thiết kế sau đó chuyển khung ra lắp dựng
Khung nhà thép tiền chế có rất nhiều ưu điểm và nó khắc phục hầu hết được những nhược điểm cũng như các điều kiện mà khung bê tông cốt thép không thể có được, dưới đây là một số ưu điểm của khung thép tiền chế [7]
Ở nước ta trong khoảng vài chục năm gần đây nhà tiền chế đã được phép dùng để xây dựng nhiều công trình công nghiệp và dân dụng Tuy nhiên các công trình này điều được thiết kế theo tiêu chuẩn nước ngoài Lý do chính là kiểm tra ổn định cho cấu kiện dạng vát chưa được đề cập một cách chi tiết trong tiêu chuẩn thiết kế ở nước ta [7]
Khi kiểm tra ổn định của cột vát quy định kỹ thuật về kết cấu thép của viện kết cấu Hoa Kỳ dựa trên ý tưởng cơ bản của cột không vát có tiết diện bằng đầu nhỏ kết hợp với bảng tra [6].Tiêu chuẩn TCXDVN 338-2005 thì trên cơ sở độ vát và chiều dài tính toán được thêm hệ số nhằm tăng chiều dài [8]
Cả hai cách tính trên điều là gần đúng, không có lời giải cho xà ngang có tiết diện thay đổi nhiều lần Phương pháp nghiên cứu một cách chính xác ổn định của cột vát trong nhà thép tiền chế là cần thiết và có tính thực tiễn cao
Trang 102 Mục đích nghiên cứu, nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu các phương pháp tính toán ổn định khung ngang nhà công nghiệp một tầng xây dựng và giải bài toán ổn định khung ngang nhà công nghiệp một tầng cột vát
Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp tính toán ổn định của cột nói chung và khung nhà công nghiệp một tầng
Xây dựng phương pháp tính toán ổn định của khung nhà thép tiền chế có tiết diện thay đổi
Nghiên cứu bằng số một ví dụ cụ thể và so sánh kết quả
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu Khung ngang nhà công nghiệp một tầng
- Phạm vi nghiên cứu
Vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi, chuyển vị trong hệ được coi là nhỏ (tuyến tính hình học) Tiết diện cột thay đổi bậc nhất (cột vát), tiết diện dầm gồm các đoạn thay đổi bậc nhất hoặc không đổi
4 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết tính toán Xây dựng và giải bài toán
Khảo sát bằng số kết quả tính toán
So sánh kết quả của phương pháp với các phương pháp hiện có
5 Cấu trúc của luận văn
Chương 1: Tổng quan về nhà công nghiệp kết cấu thép tiền chế
Chương 2: Xây dựng và giải bài toán ổn định của cột vát khung thép tiền chế nhà công nghiệp 1 tầng
Chương 3: Khảo sát bằng số, so sánh kết quả tính toán
6 Nội dung của Luận văn
Bao gồm phần mở đầu và 3 chương với các phần chính sau đây
Chương 1: Tổng quan về nhà công nghiệp kết cấu thép tiền chế
1.1 Giới thiệu chung nhà công nghiệp kết cấu thép
Trang 111.2 Lịch sử phát triển và áp dụng nhà thép tiền chế
1.3 Những lý thuyết tính toán ổn định đang được áp dụng
1.4 Phương pháp kiểm tra ổn định tổng thể của cột vát
Chương 2: Xây dựng và giải bài toán ổn định của cột vát khung thép tiền chế nhà công nghiệp 1 tầng
2.1 Các giả thiết tính toán
2.2 Xây dựng bài toán
2.3 Phần tử cột
2.4 Phần tử dầm
Chương 3: Khảo sát bằng số, so sánh kết quả tính toán
3.1 Xây dựng BT ổn định của cột có tiết diện thay đổi trong nhà thép tiền chế
3.2 Lập trình giải bài toán đã xây dựng bằng Matlab
3.3 Giải bài toán bằng Matlab
3.4 So sánh kết quả nhận được và nhận xét
Trang 12Để 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 13Tác giả đã xây dựng thành công chương trình tính toán ổn định của cột vát trong nhà thép Tiền chế bằng phương pháp chuyển vị trên ngôn ngữ lập trình Matlab
Hướng nghiên cứu
Tiếp tục nghiên cứu bài toán ổn định của cột có tiết diện thay đổi trong kết cấu nhà thép
Trang 14TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Nguyễn Xuân Ngọc, Nguyễn Tài Trung, “Ổn định và động lực học công
trình ”, Nxb Xây dựng 1997
2 G.S Lê Xuân Huỳnh, “tài liệu tính toán ổn định công trình”, Tài liệu
dùng cho học viên cao học xây dựng và những người cần nghiên cứu sâu
về ổn định công trình
3 Lê Viết Giảng Giáo trình “Ổn định công trình” Trường Đại học Bách
Khoa Đà Nẵng (2007)
4 TS Phạm văn Trung, Bài giảng ổn định và động lực học công trình 2014
5 PGS.TS Nguyễn Quang Viên, “Ổn định của cột vát trong khung thép nhà
tiền chế”, Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 01 - 9/2007
6 PGS.TS Nguyễn Quang Viên, ThS Bùi Hùng Cường…,“ổn định của cột
vát trong khung thép”, Báo cáo kết quả Đề tài KHCN cấp Bộ, m• số
B2004-34-57
7 PGS.TS Nguyễn Quang Viên, Ths.Bùi Hùng Cường, “ổn định của cột vát
tiết diện chữ I”, Báo cáo tại Hội thảo kỷ niệm 20 năm thành lập Hội Kết
cấu và công nghệ XD, Hà Nội, 12/2004
8 TCXDVN 338:2005 Kết cấu Thép - Tiêu chuẩn thiết kế
9 GS.TS Đoàn Định Kiến, “Chiều dài tính toán của cột hình vát của khung
thép”, Tạp chí Xây dựng, Hà Nội, 2005
10 AISC, “Manual of steel construction-Allowable stress design”, 1994
11 Paul Lew I., Thomas Z Scarangello Structural Engineering Handbook Fourth Edition
12 Dohi, T and Nakagawa, T Stochastic Reliability and Maintenance Modeling: Essays in Honor of Professor Shunji Osaki on his 70th Birthday — Springer London, 2013 — 360 p — ISBN 9781447149712
13 Кисeлев B A (1676), Строительния Механика, Москва Стройиздат
Trang 1514 Киселева В А (1968)Строительния Механика, Москва Стройиздат
15 CебешевВ.Г Расчет стержневых систем на устойчивость методом перемещений, учебное электронное издание, новосибирск 2004
16 Е.В Луцык Строительная механика Прочность, устойчивость и динамика сооружений — Уфа, 2012
17 Киселев В.А Строительная механика: Специальный курс Динамика
и устойчивость сооружений, Стройиздат, 1980
18 Погорелов В И Строительная механика тонкостенных конструкций, БХВ-Петербург 2007
19 Metal Building Systems Design and Specifications
Trang 16PHỤ LỤC
1 Phụ lục 1: Chương trình 1 Thiết lập các hàm số cơ bản cho thanh đàn hồi
có tiết diện vát chịu nén uốn
a2= input(‘hệ số thứ hai factor(A))
a3= input(‘hệ số thứ ba factor(A))
a4= input(‘hệ số thứ tư factor(A))
Trang 17u15=-(a1*u14+a2*u13+a3*u12) u16=-(a1*u15+a2*u14+a3*u13) u17=-(a1*u16+a2*u15+a3*u14) u18=-(a1*u17+a2*u16+a3*u15) u19=-(a1*u18+a2*u17+a3*u16) u24=-u12/2/1
u25=-a1*u24-u13/3/2
u26=-a1*u25-a2*u24-u14/4/3 u27=-a1*u26-a2*u25-a3*u24-u15/5/4 u28=-a1*u27-a2*u26-a3*u25-u16/6/5 u29=-a1*u28-a2*u27-a3*u26-u17/7/6 u36=-u24/4/3
u37=-a1*u36-u25/5/4
u38=-a1*u37-a2*u36-u26/6/5 u39=-a1*u38-a2*u37-a3*u36-u27/7/6
v26=-a1*v25- v14/4/3
v27=-a1*v26-a2*v25- v15/5/4
Trang 18y1=1+g1*t+g2*t^2+g3*t^3
w1=-u13*xi^3/3/2-u14*xi^4/4/3-u15*xi^5/5/4-u16*xi^6/6/5-u17*xi^7/7/6 w2=-u25*xi^5/5/4-u26*xi^6/6/5-u27*xi^7/7/6-u28*xi^8/8/7-u29*xi^9/9/8 w3=-u37*xi^7/7/6-u38*xi^8/8/7-u39*xi^9/9/8
Trang 192 Phụ lục 2: Chương trình tính M, Q do đầu ngàm xoay
…
u28/8/7)*t+(-u36/6/5-u37/7/6-u38/8/7-u39/9/8)*t^2);
aa1=((-u12/2/1-u13/3/2-u14/4/3-u15/5/4-u16/6/5)+(-u24/4/3-u25/5/4-u26/6/5-u27/7/6- u29/9/8)*t+(-u37/7/6-u38/8/7-u39/9/8)*t^2)*hh;
aa2=((-u13/3/2-u14/4/3-u15/5/4-u16/6/5-u17/7/6)+(-u25/5/4-u26/6/5-u27/7/6-u28/8/7- u29/9/8)*t^2+(-u37/7/6-u38/8/7-u39/9/8)*t^3)*e*I0/hh;
aa3=(1+(-u13/3/2-u14/4/3-u15/5/4-u16/6/5-u17/7/6)*t+(-u25/5/4-u26/6/5-u27/7/6-u28/8/7-bb1=((-u12-u13-u14-u15-u16)+(-u24-u25-u26-u27-u28)*t+(-u36-u37-u38-u39)*t^2); bb2=((-u13-u14-u15-u16-u17)+(-u25-u26-u27-u28-u29)*t+(-u37-u38-u39)*t^2)*hh;
bb3=-((-u13-u14-u15-u16-u17)*t+(-u25-u26-u27-u28-u29)*t^2+(-u37-u38-u39)*t^3)*e*I0/hh; d=aa1*bb2-aa2*bb1;
Trang 203 Phụ lục 3: Chương trình giải phương trình cd
…
u28/8/7)*t+(-u36/6/5-u37/7/6-u38/8/7-u39/9/8)*t^2);
aa1=((-u12/2/1-u13/3/2-u14/4/3-u15/5/4-u16/6/5)+(-u24/4/3-u25/5/4-u26/6/5-u27/7/6- u29/9/8)*t+(-u37/7/6-u38/8/7-u39/9/8)*t^2)*hh;
aa2=((-u13/3/2-u14/4/3-u15/5/4-u16/6/5-u17/7/6)+(-u25/5/4-u26/6/5-u27/7/6-u28/8/7-aa3=e*I0/hh/hh;
bb1=((-u12-u13-u14-u15-u16)+(-u24-u25-u26-u27-u28)*t+(-u36-u37-u38-u39)*t^2); bb2=((-u13-u14-u15-u16-u17)+(-u25-u26-u27-u28-u29)*t+(-u37-u38-u39)*t^2)*hh; bb3=0;
Trang 21944703867549617218195948821902840*t+142154523123362153429823639695059*t^2-6133443452649408326850103856185*t^3+104575870025296931484454896150*t^4);
Q1BA 5584595468937502*t+596477161038533*t^2)/(873928691054031835060184135211296-
Trang 22944703867549617218195948821902840*t+142154523123362153429823639695059*t^2-6133443452649408326850103856185*t^3+104575870025296931484454896150*t^4);
M2BA 24160667053463972*t+2198258659680361*t^2)*(4920899461033505*t^3-