Đề tài tiến hành phân tích sự làm việc của dàn thép. Các dạng dàn thép khác nhau được phân tích tính toán. Các kết quả về nội lực của thanh dàn được được so sánh với phần mềm SAP2000 và kết quả thí nghiệm thực tiễn. Qua các kết quả phân tích số, tác giả rút ra một số kết luận quan trọng và hướng phát triển.
Trang 1NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ
THÍ NGHIỆM DÀN THÉP
SV Phạm Châu Đức
SV Ngô Quang Duy GVHD: KS Lê Văn Trình
Trường Đại học Xây dựng Miền Trung
Tóm tắt
Đề tài tiến hành phân tích sự làm việc
của dàn thép Các dạng dàn thép khác nhau
được phân tích tính toán Các kết quả về nội
lực của thanh dàn được được so sánh với phần
mềm SAP2000 và kết quả thí nghiệm thực
tiễn Qua các kết quả phân tích số, tác giả rút
ra một số kết luận quan trọng và hướng phát
triển
Từ khóa
Dàn thép, thí nghiệm dàn thép, tính toán
dàn thép
1 Đặt vấn đề
Các bài toán về phân tích sự làm việc của dàn thép nhà công nghiệp đã được nhiều tác giả trong và ngoài nước thực hiện kể cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm Các nghiên cứu này đã đưa ra trạng thái ứng suất biến dạng của dàn thép khi chịu tải trọng tác dụng trong các giai đoạn làm việc của dàn Tuy nhiên các nghiên cứu này chưa trình bày cách cụ thể cách tiếp cận các kết quả phù hợp với trình độ sinh viên
Tình hình giảng dạy và hiểu biết của sinh viên đại học nói chung và sinh viên Trường Đại học Xây dựng Miền Trung nói riêng về sự làm việc của dàn thép chỉ dừng lại là những hiểu biết về lý thuyết Còn các quy trình thí nghiệm cũng như khảo sát bằng thực nghiệm của bài toán
sự làm việc thực tế của dàn thép còn chưa được tiếp cận Chính vì thế nghiên cứu này sẽ tập trung đưa ra quy trình thí nghiệm cụ thể và đánh giá kết quả thí nghiệm để làm rõ sự hiểu biết đó và đây
là cách nhìn bài toán một cách trực quan
và phù hợp với tình hình giảng dạy hiện nay tại Nhà trường Ngoài ra để đánh giá mức độ tin cậy của kết quả thực nghiệm
so với lý thuyết thì nghiên cứu cũng sẽ đưa vào phương pháp nghiên cứu mô phỏng bằng phần tử hữu hạn
2 Cơ sở lý thuyết 2.1 Xác định tải trọng tác dụng lên dàn và sơ đồ tính dàn
Tải trọng tác dụng lên dàn P tt (đặt
tại các nút dàn):
tt tt
P q B (0.1)
Trong đó:
KHOA HỌC SINH VIÊN
Trang 2q tt: tải trọng phân bố đều trên dàn
B: bước dàn
L
P t
P t
P t
1
4
9
2
5
10
6
3 7 11 8
Hình 2.1 Sơ đồ tính toán và số thứ tự phần tử
các thanh dàn
2.2 Xác định nội lực trong các thanh
dàn
Nội lực trong dàn được xác định theo
ba phương pháp sau:
- Lý thuyết: phương pháp tách mắt,
phương pháp mặt cắt, Một số giả thuyết
khi tính toán theo phương pháp lý thuyết:
+ Trục các thanh đồng quy tại tim
nút dàn;
+ Xem nút dàn là khớp;
+ Thanh dàn chỉ chịu nội lực dọc
trục (kéo hay nén đúng tâm)
Phương pháp phần tử hữu hạn: sử
dụng phần mềm SAP2000
- Thí nghiệm dàn thép
- Kết quả được xử lý tính toán qua
đó đưa ra kết luận
2.3 Chọn và kiểm tra tiết diện thanh
dàn
2.3.1 Chọn và kiểm tra tiết diện
thanh chịu nén
Khi chọn tiết diện cần giả thiết độ
mảnh λ:
+ λ gt = 6080 (đối với thanh cánh)
+ λ gt =100120 (đối với thanh bụng)
Diện tích cần thiết A ct của tiết diện
thanh:
c ct
f
N A
(2.2)
Trong đó: N: lực nén trong thanh;
c: hệ số điều kiện làm việc;
f: cường độ tính toán của vật
liệu thép;
φ: hệ số uốn dọc, tra bảng II.1
phụ lục II GT KCT
Từ A ct (diện tích cần thiết của hai
thép góc) dựa vào các bảng thép góc, xác
định số hiệu thép góc cần dung thỏa mãn:
2
ct g
A
A
(2.3)
Từ số hiệu thép đã chọn, tra được
các đặt trưng hình học i x , i y , A g (A g
A ct /2)
Kiểm tra tiết diện đã chọn:
c
f A
N
min (2.4)
Trong đó: A: diện tích tiết diện (A = 2A g);
φ min: hệ số uốn dọc nhỏ nhất tra
bảng theo λ max và f
λ max = max (λ x , λ y ) và λ max [λ]
2.3.2 Chọn và kiểm tra tiết diện thanh chịu kéo
Diện tích cần thiết A ct của tiết diện thanh:
c ct
f
N A
(2.5)
Có A ct (diện tích cần thiết của hai
thép góc) dựa vào các bảng thép góc, xác
định số hiệu thép góc cần dung thỏa mãn
Từ số hiệu thép đã chọn, tra được
các đặc trưng hình học: i x , i y , A g… Kiểm tra tiết diện đã chọn:
c n
f A
N
(2.6)
Với: A n diện tích thực của tiết diện
Yêu cầu về độ mảnh: max
3 Ví dụ số
Đề tài đưa ra một số ví dụ tính toán
về dàn thép với kích thước và mô hình khá nhau Kết quả được trình bày dưới dạng bảng tính
3.1 Bài toán 1
Tính toán và thiết kế cho dàn thép ở Hình 0.1 với các số liệu tính toán như Bảng 0.1 Mái lợp tôn múi tráng kẽm dày 0,7 mm; có trọng lượng: gm tc
0,074 kN/m2; p 1, 3
; g 1, 05
Độ võng cho
phép của dầm
1
2 0 0
L
Trang 3Bảng 0.1 Số liệu tính bài toán 1
STT L
(m)
D
(m)
H1
(m)
H2
(m)
tc m
p
(kN/m 2 )
L
d d d d d d
Hình 0.1 Sơ đồ tính bài toán 1
Kết quả tính toán
L
1
4 9
2 5 10 6
3 7 11 8
Hình 0.2 Sơ đồ đánh số thứ tự các thanh dàn
bài toán 1
Bảng 0.2 Nội lực các thanh dàn bài toán 1
Nội lực dàn
Stt Thanh
Nội lực (kN)
Lý thuyết SAP2000
Bảng 0.3 Kết quả tính toán bài toán 1
Thanh
Lực
dọc
(kN)
λ gt
A ct cm2 Số
hiệu Thép góc
2A g
(cm 2 )
i x
(cm )
i y
(cm)
l x
(cm)
l y
f c
daN/c
Kết luận
1 -74,71 70 4,59 L50x5 9,60 1,51 2,52 150,92 150,92 99,95 0,55 1420,1 2100 Thỏa
2 -59,77 70 3,67 L50x5 9,60 1,51 2,52 150,92 150,92 99,95 0,55 1136,1 2100 Thỏa
3 -44,82 70 2,75 L50x5 9,60 1,51 2,52 150,92 150,92 99,95 0,55 852,0 2100 Thỏa
4 0,00 L50x5 9,60 1,51 2,52 13,33 16,67 0,0 2100 Thỏa
5 -14,94 100 1,22 L50x5 9,60 1,51 2,52 120,74 150,92 79,96 0,72 215,6 2100 Thỏa
6 1,65 0,08 L50x5 9,60 1,51 2,52 26,67 33,33 17,2 2100 Thỏa
7 -15,21 100 1,24 L50x5 9,60 1,51 2,52 122,93 153,66 81,41 0,71 222,6 2100 Thỏa
8 6,60 0,31 L50x5 9,60 1,51 2,52 40,00 50,00 68,8 2100 Thỏa
9 74,25 3,54 L50x5 9,60 1,51 2,52 150,00 150,00 773,4 2100 Thỏa
10 74,25 3,54 L50x5 9,60 1,51 2,52 150,00 150,00 773,4 2100 Thỏa
11 59,40 2,83 L50x5 9,60 1,51 2,52 150,00 150,00 618,8 2100 Thỏa
3.2 Bài Toán 2
Tính toán và thiết kế cho dàn thép ở Hình 0 với các số liệu tính toán trong
Bảng 0.4 Mái lợp tôn múi tráng kẽm dày
0,7 mm; có trọng lượng: gm tc
0,074 kN/m2 ; p 1, 3
; g 1, 05
Độ võng cho phép của dầm
1
2 0 0
L
Bảng 0.4 Số liệu tính bài toán 2
STT L (m)
D (m)
H1 (m)
H2 (m)
tc m
p
(kN/m 2 )
Trang 4d d
d d
Hình 0.3 Sơ đồ tính bài toán 2
Kết quả tính toán
1
2 3
4 5
6 7 8 9 10
11
12 13
Hình 0.4 Sơ đồ đánh số thứ tự các thanh dàn
bài toán 2
Bảng 0.5 Nội lực các thanh dàn bài toán 2
Nội lực dàn Stt Thanh
Nội lực (kN)
Lý thuyết SAP2000
Bảng 0.6 Kết quả tính toán bài toán 2
Thanh
Lực
dọc
(kN)
λ gt
A ct cm2 Số
hiệu thép góc
2A g
(cm
2
)
i x
(cm)
i y
(cm)
(cm)
daN/c
f c
daN/c
Kết luận
1 -2,23 70 0,14 L30x3 3,48 0,90 1,45 50,00 50,00 55,62 0,84 76,4 2100 Thỏa
2 0,00 70 0,00 L30x3 3,48 0,90 1,45 75,26 75,26 83,72 0,70 0,0 2100 Thỏa
3 -32,25 70 1,98 L30x3 3,48 0,90 1,45 75,26 75,26 83,72 0,70 1331,8 2100 Thỏa
4 -32,25 70 1,98 L30x3 3,48 0,90 1,45 75,26 75,26 83,72 0,70 0,0 2100 Thỏa
5 -35,84 70 2,20 L30x3 3,48 0,90 1,45 75,26 75,26 83,72 0,70 1479,8 2100 Thỏa
6 -26,04 100 1,60 L30x3 3,48 0,90 1,45 75,00 93,75 83,43 0,70 748,3 2100 Thỏa
7 14,14 0,67 L30x3 3,48 0,90 1,45 75,00 93,75 406,2 2100 Thỏa
8 -4,46 100 0,36 L30x3 3,48 0,90 1,45 50,00 62,50 55,62 0,84 128,3 2100 Thỏa
9 -5,95 100 0,48 L30x3 3,48 0,90 1,45 81,39 101,74 90,54 0,65 170,9 2100 Thỏa
10 -1,10 100 0,09 L30x3 3,48 0,90 1,45 81,39 101,74 90,54 0,65 31,6 2100 Thỏa
11 1,49 0,07 L30x3 3,48 0,90 1,45 60,00 75,00 42,8 2100 Thỏa
12 20,83 0,992 L30x3 3,48 0,90 1,45 150 150 598,6 2100 Thỏa
13 20,83 0,992 L30x3 3,48 0,90 1,45 150 150 598,6 2100 Thỏa
3.3 Bài toán 3
Xác định nội lực các thanh trong dàn
thép thể hiện Hình 0 với các số liệu tính
toán trong Bảng 0.7 Các thanh dàn có
tiết diện L50x5 Kết quả so sánh với thí
nghiệm thực tiễn
Bảng 0.7 Số liệu tính bài toán 3
STT L (m) d
(m)
H1
(m) Tiết diện
L
Hình 0.5 Sơ đồ tính bài toán 3
Trang 52
3
Hình 0.6 Đánh số thanh dàn
Nội lực thanh dàn được xác định với
các cấp tải khác nhau bằng mô hình thí
nghiệm như trên hình
Hình 0.7 Mô hình thí nghiệm
Hình 0.8 Tensor biến dạng
Hình 0.9 Máy STS-WIFI
Hình 0.10 Thiết bị đo chuyển vị
Nội lực thanh dàn thu được từ thí nghiệm được so sánh với phương pháp lý thuyết Kết quả được thể hiện trong bảng 0.8, bảng 0.9 và bảng 0.10
Bảng 0.8 Nội lực thanh số 3
Thanh số 3
STT Cấp tải
(kN)
Biến dạng
Ứng suất (kN/cm 2 )
Nội lực
Sai số (%) Phương pháp N (kN)
Thí nghiệm -10,33
60,76
Lý thuyết -4,054
Thí nghiệm -14,52
62,83
Lý thuyết -5,396
Thí nghiệm -21,54
63,84
Lý thuyết -7,789
Thí nghiệm -33,04
65,45
Lý thuyết -11,42
Thí nghiệm -40,49
66,64
Lý thuyết -13,51
Thí nghiệm -47,11
67,78
Lý thuyết -15,18
Trang 6Bảng 0.9 Nội lực thanh số 5
Thanh số 5
STT Cấp tải
(kN) Biến dạng
Ứng suất (kN/cm 2 )
Nội lực Sai số
(%) Phương pháp N (kN)
Thí nghiệm -10,37
34,83
Lý thuyết -6,756
Thí nghiệm -14,52
38,06
Lý thuyết -8,994
Thí nghiệm -21,58
39,84
Lý thuyết -12,98
Thí nghiệm -33,04
42,43
Lý thuyết -19,03
Thí nghiệm -40,49
44,40
Lý thuyết -22,51
Thí nghiệm -47,09
46,28
Lý thuyết -25,29
Bảng 0.10 Nội lực thanh số 9
Thanh số 9
STT Cấp tải
(kN)
Biến dạng
Ứng suất (kN/cm 2 )
Nội lực Sai số
(%) Phương pháp N (kN)
1 10,81 1,98E-04 1,7665
Thí nghiệm 16,959
28,29
Lý thuyết 12,161
2 14,39 2,81E-04 2,5087
Thí nghiệm 24,084
32,78
Lý thuyết 16,189
3 20,77 4,11E-04 3,6653
Thí nghiệm 35,187
33,59
Lý thuyết 23,366
Thí nghiệm 53,424
35,90
Lý thuyết 34,245
5 36,02 7,37E-04 6,5768
Thí nghiệm 63,137
35,82
Lý thuyết 40,523
Thí nghiệm 72,173
36,92
Lý thuyết 45,529
4 Kết luận và kiến nghị
Đề tài đã tiến hành phân tích sự
làm việc của dàn thép Các dạng dàn
thép khác nhau được phân tích tính
toán Các kết quả về nội lực của thanh
dàn được so sánh với phần mềm
SAP2000 và kết quả thí nghiệm thực
tiễn Qua các kết quả phân tích số, tác
giả rút ra một số kết luận quan trọng và hướng phát triển
4.1 Kết luận
- Nội lực của các thanh trong dàn phụ thuộc vào vị trí của thanh và tải trọng tác dụng
- Kết quả nội lực tính toán bằng phương pháp lý thuyết giống tương tự với
Trang 7phần mềm SAP2000 chứng tỏ tính chính
xác trong qua trình tính toán
- Nội lực bằng phương pháp lý
thuyết chênh lệch so với thí nghiệm chứng
tỏ sự khác nhau trong mô hình tính trên lý
thuyết và thực nghiệm
4.2 Kiến nghị
Sử dụng mô hình dàn thép đã được
áp dụng trong đề tài để áp dụng vào môn học Thí nghiệm công trình Qua đó giúp sinh viên có cái nhìn trực quan hơn về dàn thép và thí nghiệm dàn thép
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư và Lưu Văn Tường, 2007 Kết cấu thép – Cấu kiện cơ bản NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội
[2] Trần Thị Thôn Bài tập Thiết kế kết cấu NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh