So sánh đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa hệ giàn không gian dạng phẳng và dạng vòm vượt nhịp lớn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ THANH TÙNG SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT GIỮA HỆ GIÀN KHÔNG GIAN DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VÒM VƯỢT NHỊP LỚN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trì

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ THANH TÙNG

SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ

KỸ THUẬT GIỮA HỆ GIÀN KHÔNG GIAN DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VÒM VƯỢT NHỊP LỚN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM MỸ

Phản biện 1: GS.TS Phạm Văn Hội

Phản biện 2: TS Lê Anh Tuấn

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 7 tháng 7 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại

học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong các kết cấu vượt nhịp không có một loại kết cấu nào cạnh

tranh được với kết cấu khung/giàn không gian bởi những ưu điểm: nhẹ,

kiến trúc đẹp, tao nhã, có phân bố tải trọng tập trung rất lớn đặt tại các

nút, độ võng bé, rút ngắn được thời gian thi công

Vì rất nhiều ưu điểm vượt trội của loại kết cấu này như đã phân

tích ở trên, hiện nay tại Việt Nam đang bắt đầu ứng dụng loại kết cấu

này, ví dụ tại Đà Nẵng Cung thể thao Tiên Sơn, Nhà triển lãm, Metro,

v.v nhưng chưa có nhiều nghiên cứu về loại kết cấu này Đây chính là

lý cho cũng là tính cấp thiết của Luận án thạc sỹ

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Các khảo sát được thực hiện trên mô

hình (sử dụng phần mền thương mại) của giàn không gian dạng phẳng

và dạng vòm

Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát ứng xử của hai loại giàn không

gian dạng phẳng và dạng vòm từ đó so sánh và đánh giá hiệu quả kinh

tế và kỹ thuật

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp lý thuyết: Tìm kiếm và tập hợp tài liệu: nghiên

cứu và tìm hiểu lý thuyết cơ học vật rắn biến dạng, lý thuyết phần tử

hữu hạn, xây dựng các mô hình số để mô phỏng bài toán

Phương pháp số: Xây dựng mô hình số để khảo sát ứng xử của

giàn không gian dạng phẳng và dạng vòm

So sánh và đánh giá: Phân tích, so sánh và đánh giá kết quả

4 Kết quả dự kiến

Xác định được trạng thái ứng suất và biến dạng trong từng cấu kiện của hai loại giàn không gian

Xác định được phân bố ứng suất trong các mắt giàn

Đánh giá và đề xuất giải pháp lựa chọn kết cấu giàn phù hợp trong bài toán thiết kế

5 Cấu trúc luận văn

Nội dung cơ bản của luận văn như sau:

Chương 1: Tổng quan về giàn thép không gian

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích, tính toán giàn thép không gian

Chương 3: Áp dụng và phân tích kết quả từ mô phỏng bằng phương pháp số

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN GIÀN THÉP KHÔNG GIAN

1.1 GIỚI THIỆU VỀ GIÀN THÉP KHÔNG GIAN

1.1.1 Khái niệm

Đăng trên báo cáo khoa học kỹ thuật hiện đại phát hành năm

1984 của hiệp hội tấm vỏ và kết cấu không gian quốc tế (international association for shell and spatial structures: IASS) [1] đã thừa nhận khái niệm về khung/giàn không gian như sau:

Một khung không gian là một hệ thống kết cấu, sự lắp dựng của các phần tử tuyến tính được sắp xếp sao cho tải được truyền đi trong không gian ba chiều Trong một số trường hợp, các phần tử cấu thành

có thể là hai - chiều Một cách vĩ mô, một khung không gian thường

có dạng phẳng hoặc cong

Năm 1976, hiệp hội kỹ thuật dân dụng Hoa Kỳ báo cáo một nghiên cứu dưới tiêu đề “kết cấu khung không gian mạng tinh thể”[2] Đây là một báo cáo cách tân khung không gian được nghiên cứu và quan niệm như kết cấu mạng tinh thể của các cấu trúc nguyên tử/phân

tử hóa học và được định nghĩa như:

Một hệ kết cấu có dạng một mạng lưới các phần tử (trái ngược với một mặt liên tục), một đặc tính khác của hệ kết cấu dạng mạng tinh thể là cơ chế truyền tải trong không gian 3 chiều tự nhiên

Một sự phân biệt được xem xét giữa hai khái niệm khung không gian (space frame) và giàn không gian (space trusses) Theo thuật ngữ này thì giàn không gian các là hệ thống các phần tử liên kết với nhau bằng khớp xoay, trong khi khung không gian được dành riêng cho các kết cấu liên kết với nhau bằng các khớp cứng Trong luận văn này sẽ theo thuật ngữ của IASS, khung không gian được sử dụng như một

thuật ngữ chung, trong đó giàn không gian chỉ là một tập hợp con Hai khái niệm về kết cấu khung không gian của IASS và hiệp hội kỹ thuật dân dụng Hoa kỳ hiện nay vẫn được sử dụng song song, tùy thuộc vào người nghiên cứu thiên về quan niệm nào cho các nghiên cứu của họ Trong luận văn này sử dụng khái niệm của IASS

1.2 TỔNG QUAN VỀ GIÀN THÉP KHÔNG GIAN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Dạng kết cấu không gian đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong nhiều thập kỷ gần đây, các công trình như nhà trưng triển lãm, nhà ga, sân vận động

Đối với Việt Nam, trên con đường công nghiệp hóa đất nước, nhiều công trình vượt khẩu dộ có nhiều hình dáng đặc biệt, yêu cầu thi

công nhanh

1.3 CẤU KẾT CẤU GIÀN KHÔNG GIAN

Khung không gian bao gồm các thanh dọc trục, thường là dạng ống, được biết đến như mặt cắt rỗng hình tròn hoặc hình chữ nhật, và các nút nối các chi tiết lại với nhau Đối với các mặt cắt khác như hình I và H cũng đôi khi được sử dụng, đặc biệt nếu tải trọng được truyền đến các thanh, bên cạch lực dọc trục Trường hợp tải chỉ tác dụng ở các nút, các thanh hình tròn và hình chữ nhật có lợi hơn các kết cấu khác vì chúng có hiệu quả hơn trong nén, cho một góc xoay lớn hơn cùng một diện tích Các phần rỗng tròn có lợi thế hơn nữa là các moment quán tính của chúng đều giống nhau ở mọi hướng [4]

1.4 PHÂN LOẠI

1.4.1 Giàn lưới hai chiều hoặc ba chiều

1.4.2 Giàn không gian đơn, hai và ba lớp

1.5 MỘT SỐ LOẠI NÚT DÙNG CHO KẾT CẤU KHÔNG GIAN

1.5.1 MERO

1.5.2 Liên kết nút Octatube và Tuball 1.6 NGUYÊN TẮC CẤU TẠO

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ GIÀN THÉP

2.1 PHẠM VI NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong nghiên cứu này chỉ tập trung nghiên cứu hệ giàn thép liên kết với nhau bằng hệ khớp nối lý tưởng (xem Hình 0.1) Trong điều kiện làm việc này, hệ thanh giàn khi làm việc chỉ chịu ảnh hưởng của thành phần kéo và nén

Hình 0.1 Nút giàn điển hình

2.2 HÌNH HỌC VÀ QUAN HỆ GIỮA BIẾN DẠNG-CHUYỂN VỊ 2.3 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG VÀ VÉC TƠ NỘI LỰC 2.3.1 Phương trình cân bằng

𝑒

𝒒𝑖= ∑ ∫ 𝜎𝐺𝛿𝜀𝑣𝑑𝑉𝑜𝑒

= ∑ 𝛿𝒑𝑣𝑇∫ 𝜎𝐺𝒃𝑑𝑉𝑜𝑒

(0.1)

2.3.2 Véc tơ lực nút

2.4 MA TRẬN ĐỘ CỨNG TIẾP TUYẾN

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN HỆ GIÀN KHÔNG GIAN

Trong luận án chỉ tập trung phân tích, so sánh và đánh giá ba loại hệ giàn (i Hệ giàn phẳng; ii Hệ giàn vòm; iii Hệ giàn lượn sóng) Dựa vào cơ sở trên luận án tập trung phân tích nhằm đạt được các mục tiêu sau:

 Cùng tải trọng tác dụng dạng kết cấu nào vượt nhịp được lớn hơn

 Cùng nhịp và tải trọng tác dụng dạng kết cấu nào tiêu tốn ít vật liệu hơn

 So sánh sự tập trung ứng suất tại nút giàn phẳng và giàn vòm

 Kiến nghị việc lựa chọn kết cấu giàn phù hợp trong bài toán thiết kế giàn 3D

3.1 DỮ LIỆU HÌNH HỌC HỆ GIÀN KHÔNG GIAN

3.1.1 Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng phẳng

Hệ giàn phẳng được thiết kế gồm hai hệ thanh đặt trong hai mặt phẳng song song cách nhau 600mm (còn được gọi là hệ giàn lớp dưới

và hệ giàn lớp trên) hai hệ giàn này được liên kết với nhau thông qua

hệ thanh xiên (Error! Reference source not found.) Hình 0.1

Chi tiết kết cấu thanh giàn D120 Hệ thanh giàn được thiết kế gồm 3 loại có đường kính và chiều dày khác nhau Loại thứ nhất thanh đường kính D120 × 5 (xem Error!

đỡ hệ giàn Loại thứ hai là thanh đường kính D90 × 3 (xem Error!

thiết kế chạy dọc và ngang qua thanh gối đỡ giàn Loại còn lại là thanh

có đường kính D60 × 2.5 (xem Hình 0.1) loại thanh này được sử dụng cho tất cả các thanh còn lại của hệ giàn

Nhịp giàn: L thay đổi từ 15 mét đến 36 mét;

Bước cột: b=6 mét

Cao cột H= 5,7 m

Chiều cao giàn h =0,6 m

Hình0.2 Mô hình hình học thiết kế giàn thép phẳng được xây dựng

trong Abaqus

3.1.2 Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng vòm

Hình 0.3 Mô hình hình học thiết kế giàn thép vòm được xây dựng

trong Abaqus

3.1.3 Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng lượn sóng

Hình 0.4 Mô hình hình học thiết kế giàn thép uốn lượn được xây

dựng trong Abaqus

3.2 VẬT LIỆU

3.2.1 Thép kết cấu

Tiêu chuẩn EN-1994-1-1 đưa ra mác thép thông thường:

3.2.2 Tôn định hình bằng thép của sàn liên hợp

Tôn định hình phù hợp với tiêu chuẩn EN – 10147

3.2.3 Quy đổi tương đương giữa TCVN và EC4 theo cường

3.4 KẾT QUẢ VÀO THẢO LUẬN

Trong luận văn sử dụng phần mềm thương mại ABAQUS để thực hiện công việc mô phỏng Phần tử T3D2, đây là phần tử thanh không gian 3D hai nút được sử dụng để phát sinh lưới cho 3 hệ giàn

Kết quả phát sinh lưới cho 3 hệ giàn được cho trong Hình 0.5, Hình0.6

trong Abaqus

Hình 0.7 Mô hình phần tử hữu hạn của giàn thép được xây dựng

trong Abaqus

3.4.1 Phân tích kết quả mô phỏng hệ giàn không gian phẳng

Hình 0.8 Sự phân bố ứng suất Von-Mises trong hệ giàn

Hình0.9 Sự phân bố ứng suất 11

trong hệ giàn

Hình 0.10 Sự phân bố biến dạng11

trong hệ giàn

Hình 0.11 Quan hệ lực và biến dạng

Hình0.12.Chuyển vị theo phương X

Hình0.13.Chuyển vị theo phương Y

Hình0.14.Chuyển vị theo phương Z

Hình 0.15 Tương quan giữa lực và chuyển vị khi nhịp giàn thay đổi

3.4.2 Hệ giàn không gian vòm

Hình 0.16 Sự phân bố ứng suất Von-Mises trong hệ giàn

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0

Hình 0.17 Sự phân bố ứng suất 11

trong hệ giàn

Hình 0.18 Sự phân bố biến dạng11

trong hệ giàn

Hình0.19 chuyển vị theo phương X

Hình0.20 chuyển vị theo phương Y

Hình0.21.Chuyển vị theo phương Z

Hình 0.22 Quan hệ lực-chuyển vị

Hình 0.23 Quan hệ lực-biến dạng

3.4.3 Hệ giàn không gian lượn sóng

Hình 3.33 Sự phân bố ứng suất Von-Mises trong hệ giàn

0 250000 500000 750000 1000000 1250000 1500000

Biến dạng thanh giàn lớp trên

Hình 3.34 Sự phân bố ứng suất 11

trong hệ giàn

Hình 3.35 Sự phân bố biến dạng11

trong hệ giàn

Nhận thấy biểu đồ quan hệ lực - biến dạng của các thanh giàn

Hình 3.36 Quan hệ lực-biến dạng

Hình 3.37.Chuyển vị theo phương X

Hình 3.38.Chuyển vị theo phương Y

Hình 3.39.Chuyển vị theo phương Z

Hình 3.40 Quan hệ lực-chuyển vị

3.4.4 Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa các hệ giàn

Dựa trên cơ sở tính toán, áp dụng và phân tích kết quả từ mô phỏng bằng phương pháp số, kết quả nghiên cứu đã chỉ ra một số ưu nhược điểm của việc sử dụng một số loại hệ giàn không gian Từ đó, tác giả tiến hành so sánh, đánh giá và kết luận về hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa hệ giàn không gian dạng phẳng và dạng vòm vượt nhịp lớn

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 0

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

A Một số kết luận chính đạt được của luận án

Xác định được trạng thái ứng suất và biến dạng trong từng cấu kiện của loại giàn không gian dạng phẳng, dạng vòm và dạng uốn lượn

Xác định phân bố ứng suất trong các mắt giàn của cá các mắt giàn

So sánh, đánh giá và kết luận được về hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa hệ giàn không gian dạng phẳng và dạng vòm và dạng uốn lượn vượt nhịp lớn

B Định hướng phát triển của đề tài

Đề tài nghiên cứu mới chỉ dạng cơ bản về so sánh, đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật ở phương diện chịu lực tác dụng, chuyển vị và khối lượng tham gia trong hệ giàn So với thực tế, việc đánh giá hiệu quả cần nhiều yếu tố khách quan khác như chức năng hệ giàn, các yếu

tố tổng thể tác động lên hệ giàn không gian

Ngoài cách đánh giá các hệ giàn không gian các dạng trên, cần phát triển nghiên cứu với các dạng kết cấu giàn đặc biệt, chuyên dụng

và các dạng hệ kết cấu theo sự sắp xếp lưới thường dùng trong không gian khác để đánh giá tổng thể các hệ