SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT GIỮA HỆ GIÀN KHÔNG GIAN DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VÒM VƯỢT NHỊP LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT GIỮA HỆ GIÀN KHÔNG GIAN DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VÒM VƯỢT NHỊP LỚN Học viên: Võ Thanh Tùng Chuyên ngành: Kỹ thuật XD công trình DD & CN Mã số: 60.58.

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2017

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

Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM MỸ

Đà Nẵng - Năm 2017

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 công trình nào

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2017

Tác giả luận văn

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

Học viên: Võ Thanh Tùng Chuyên ngành: Kỹ thuật XD công trình DD & CN

Mã số: 60.58.02.08 Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Trong các kết cấu vượt nhịp lớn hiện nay 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 tuy nhiên, hiện nay tại Việt Nam có rất ít nghiên cứu về loại kết cấu này, nên đây là lý do của luận văn này Đề tài sử dụng 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, khảo sát ứng xử của các dạng giàn không gian Trong luận văn này các hệ thanh giàn khi làm việc chỉ chịu ảnh hưởng của lực kéo và lực nén Phân tích, so sánh đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của các hệ giàn dựa trên cơ sở tính toán, áp dụng và phân tích kết quả từ mô phỏng bằng phương pháp số

Từ khóa – Giàn không gian; Phần tử hữu hạn; Mô hình số

Abstract - Nowadays, In the structures with long span, there is no structure that

competed with the space frame /truss structure because of the advantages: lightweight, beautiful architecture, elegant, concentrated load is located at the nodes, the small sag, shorten the construction time However, in Vietnam there is very little research on this type

of structure, so this is the reason of this thesis The topic use deformed solid mechanics theory, finite element theory, numerical modeling to simulate the problem, behavioral survey

of forms of space truss In this thesis, the members in the truss systems when they work togethers, affected only by the tensile force and compression force Analyze and compare the economic and technical efficiency of gantry systems based on the calculation, application and analysis of numerical simulation results

Keyword - space truss; Finite element method; Numerical model

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN GIÀN THÉP KHÔNG GIAN 3

1.1 GIỚI THIỆU VỀ GIÀN THÉP KHÔNG GIAN 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.2 TỔNG QUAN VỀ GIÀN THÉP KHÔNG GIAN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 3

1.3 CẤU KẾT CẤU GIÀN KHÔNG GIAN 6

1.4 PHÂN LOẠI 6

1.4.1 Giàn lưới hai chiều hoặc ba chiều 6

1.4.2 Giàn không gian đơn, hai và ba lớp 6

1.5 MỘT SỐ LOẠI NÚT DÙNG CHO KẾT CẤU KHÔNG GIAN 9

1.5.1 MERO 9

1.5.2 Liên kết nút Octatube và Tuball 9

1.6 NGUYÊN TẮC CẤU TAO………10

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ GIÀN THÉP 11 2.1 PHẠM VI NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 11

2.2 HÌNH HỌC VÀ QUAN HỆ GIỮA BIẾN DẠNG-CHUYỂN VỊ 11

2.3 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG VÀ VÉC TƠ NỘI LỰC 14

2.3.1 Phương trình cân bằng 14

2.3.2 Véc tơ lực nút 15

2.4 MA TRẬN ĐỘ CỨNG TIẾP TUYẾN 15

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN HỆ GIÀN KHÔNG GIAN 18

3.1 DỮ LIỆU HÌNH HỌC HỆ GIÀN KHÔNG GIAN 18

3.1.1 Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng phẳng 18

3.1.2 Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng vòm 20

3.1.3 Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng lượn sóng 21

3.2 VẬT LIỆU 22

3.2.1 Thép kết cấu 22

3.2.2 Tôn định hình bằng thép của sàn liên hợp 22

3.3 TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG 23

3.4 KẾT QUẢ VÀO THẢO LUẬN 29

3.4.1 Phân tích kết quả mô phỏng hệ giàn không gian phẳng 31

3.4.2 Hệ giàn không gian vòm 35

3.4.3 Hệ giàn không gian lượn sóng 40

3.4.4 Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa các hệ giàn 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao)

PHỤ LỤC

Ký hiệu Đơn vị Chú giải

Mel,Rd N-mm Mô men kháng uốn đàn hồi thiết kế

Mpl,Rd N-mm Mô men kháng uốn dẻo thiết kế

My,V,Rd N-mm Mô men khang uốn thiết kế có tính đến sự suy giảm

tiết diện và ảnh hưởng của lực cắt

Wel,min mm3 Mô đun kháng đàn hồi tối thiểu

Số hiệu

Số hiệu

3.19 Sự phân bố biến dạng11

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong các kết cấu vượt nhịp lớn sử dụng trong các mái che sân vận động, nhà hát, hội trường, nhà triển lãm cần không gian sử dụng lớn, thông thoáng với kiến trúc thanh mảnh, hiện đại mang tính nghệ thuật hiện nay không có một loại kết cấu nào cạnh tranh được với kết cấu khung/giàn không gian bởi những ưu điểm vượt trội như sau:

sử dụng vật liệu

che những công trình có bược cột lớn, phạm vi ứng dụng đa dạng trong các kết cấu của các công trình thể thao, nhà hát, nhà ga hàng không, hội trường, v.v

tác dụng lên 1 nút của kết cấu, tải trọng này không tập trung vào bất kỳ một phần tử nào trong kết cấu mà nó sẽ được phân tán vào các phần tử hội tụ tại nút từ đó tải trọng đó lại được phân tán đi nhiều phần tử khác thông qua các nút kết nối Cách phân phối tải trọng này theo quy luật tự nhiên giống như các cấu trúc phân tử/nguyên tử hóa học rất vững chắc và hiệu quả Đây là lý do kết cấu này có thể phân phối một tải trọng tập trung rất lớn đặt tại nút của chúng Vì vậy loại kết cấu này đặc biệt hiệu quả/tiện lợi trong các nhà máy bảo trì máy bay

trong chế tạo các đĩa ăng-ten dạng parabol, ăng-ten nhiều tầng, kính viễn vọng/kính thiên văn Đây là những loại kết cấu cần độ cứng cao nhưng trọng lượng bé Xa hơn nữa, đây là những loại kết cấu yêu cầu sự áp dụng với độ chính xác cao, trong đó dung sai cho phép được chỉ định trong số hạng bình phương quân phương của những đạo hàm của mặt lý tưởng và kết cấu khung/giàn không gian đáp ứng được những yêu cầu này

có tay nghề cao trong quá trình thi công lắp dựng

của khung và chúng được lắp đặt dưới đất tránh được sự nguy hiểm khi làm việc trên cao, khai thác hết không gian sử dụng

và vận chuyển đến công trường dễ dàng Không phụ thuộc lớn vào điều kiện thời tiết trong quá trình thi công

 Trọng lượng nhẹ tiết kiệm được cột và kết cấu móng

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 văn thạc sỹ

2 Mục tiêu nghiên cứu

So sánh, đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật giữa hệ giàn không gian dạng phẳng

và dạng vòm, cụ thể

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

mền thương mại) của giàn không gian dạng phẳng và dạng vòm

và dạng vòm từ đó so sánh và đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật

4 Phương pháp nghiên cứu

thuyết cơ học vật rắn biến dạng, lý thuyết phần tử hữu hạn, xây dựng các mô hình số để

mô phỏng bài toán

dạng phẳng và dạng vòm

5 Kết quả dự kiến

giàn không gian

kế

6 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

Ngày nay Khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, lịch sử kiến trúc, xây dựng

đã trải qua bề dày sáng tạo Điều kiện này dần đáp ứng môi trường sống và không gian làm việc lý tưởng cho con người

Mỗi công trình khi xây dựng nên phải thể hiện được những tiêu chí: Bền vững, có tình thẩm mỹ kiến trúc độc đáo hài hòa và công năng sử dụng lớn Bởi nó mang trong

mình nét văn hóa đặc trưng của từng dân tộc hoặc mang tính thời đại là tiền đề để tăng trưởng kinh tế của cơ sở, ngành, của vùng và là bộ mặt của cả quốc gia

Đặc biệt những công trình có khẩu độ không gian nhịp lớn đã rất cần thiết và đem lại hiệu quả cực kỳ tối ưu, các sân vận động, sân bay, nhà ga, nhà máy, bảo tàng Với việc sáng tạo loại giàn không gian vượt nhịp lớn có nhiều ưu điểm: dể chế tạo, lắp ráp, bền, nhẹ, tạo nhiều hình dáng kiến trúc và nổi bật là vượt được nhịp lớn nên đã góp phần cho sự hoàn thiện những công trình này một cách nhanh chóng, kinh tế và linh hoạt

Hình 1.1 Ga xe lửa quốc tế Waterloo-Lonđon

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

Cụ thể: Nhà ga xe lửa quốc tế Waterloo ở Londonđược xây dựng năm 1992 do Nicholas Grimshaw, các kỹ sư kết cấu và tổ chức YRM Anthony Hunt thiết kế [3], và khánh thành vào năm 1993 Thiết kế bao gồm một số nét tân cách đặc trưng, các cấu kiện thép thon mảnh được sử dụng đã tăng thẩm mĩ và giảm đáng kể trọng lượng của hệ toàn mái Trong mặt cắt ngang cấu trúc là một giàn với ba chân Hình dạng của tấm mái nhà trong kế hoạch với bán kính lớn và mặt cắt ngang với nhiều góc khác nhau tạo thành một hệ thống xây dựng có hình dạng linh hoạt để cho phép tất cả các sai lệch hình học

có thể có

Công trình thể thao Olympic ở Sydney được thiết kế bởi The Games Facilities Giàn thép không gian lớn ở ga hàng không Kan-Sai, Nhật Bản

Hình 1.2 Ga hàng không Ka-San, Nhật Bản

Đối với Việt Nam, trên con đường công nghiệp hóa đất nước, nhiều công trình vượt khẩu độ có nhiều hình dáng đặc biệt, yêu cầu thi công nhanh như: Cung thể thao, nhà ga san bay, nhà công nhiệp được xây dựng ở nhiều nơi, trong đó các thiết kế đã chọn kết cấu giàn không gian, chẳng hạn như; nhà thi đấu thể thao Quần Ngựa, nhà thi đấu trược đại học kiến trúc, sân bay quốc tế Nội Bài

Hình 1.3 Sân bay Nội Bài

Hình 1.4 Nhà thi đấu Đại học Kiến trúc HN

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

Các loại giàn không gian về mặt kiến trúc và cấu tạo rất đa dạng trong nghiên cứu

và ứng dụng, có thể tóm tắt như sau:

1.4.1 Giàn lưới hai chiều hoặc ba chiều

Khung không gian đặc trưng là loại hai chiều hoặc ba chiều, tùy thuộc vào việc các thành viên giao nhau tại một nút chạy theo hai hoặc ba hướng [4]

1.4.2 Giàn không gian đơn, hai và ba lớp

Giàn không gian đơn, có bề mặt cong theo 1 phương hoặc hai phương, vòm barrel Hình 1.5 và vòm Hình 1.6 là những ví dụ [4]

Hình 1.5 Ga Thirumayilai luz, Chennai, Ấn Độ

Hình 1.6 Mái vòm trên gian triển lãm Al Praga li Maidan, Cơ quan hội chợ Thương

mại, New Delhi, Ấn Độ

Các hệ giàn không gian phổ biến nhất là khung không gian 02 lớp và phẳng (Hình 1.7) Khung không gian phẳng hai lớp có thể bao gồm lưới hai chiều hoặc ba chiều Trong một mạng lưới hai chiều, các thanh cấu kiện chạy theo hai hướng trực giao giao cắt tại một nút Trong lưới ba chiều, các thanh cấu kiện chạy theo ba hướng sẽ giao nhau tại một nút Sự sắp xếp cấu kiện thường được sử dụng cho khung không gian hai lớp hai chiều được thể hiện trong hình (Hinh 1.8) Các lưới hai chiều có cấu hình dày đặc như hình vuông trên hình vuông (loại 1), hình vuông trên vuông, đặt theo đường chéo (loại

2), có độ cứng cao hơn, cấu hình thưa thớt như hình vuông trên đường chéo (loại 3), đường chéo trên hình vuông (Loại 5) và hình vuông dưới lớn hơn đặt theo đường chéo (loại 4) Hình vuông trên đặt theo đường chéo (loại 6) Các kiểu cấu hình 1 và 2 có thể thường cứng nhắc hơn yêu cầu

Hình 1.7 Nhà Thi đấu đa năng tỉnh Bắc Cạn

Chiều cao của kết cấu không gian sẽ tăng lên cùng với khẩu độ của chúng, đối với khẩu độ rất lớn thì chiều cao của kết cấu khung sẽ lớn hơn cũng như chiều dày của các thanh giằng chéo Trong những trường hợp như vậy một khung không gian ba lớp có thể là một giải pháp thích hợp Lớp ở giữa đặt ở bề mặt trung hòa, có ít hoặc không có chức năng kết cấu, nhưng nó làm giảm độ dài của các thành phần giằng, nó có thể sử dụng bởi các vật liệu nhẹ, hai lớp ngoài gọi là lớp chịu lực, làm bằng kim loại, vật lệu phức hợp cốt sợ sợi thủy tinh… lớp ở giữ liên kết với hai lớp ngoài tạo thành sự làm việc chung của kết cấu 3 lớp [4]

Hình 1.8 Sáu cách xắp sếp lưới thường được dùng khung không gian

1.5 MỘT SỐ LOẠI NÚT DÙNG CHO KẾT CẤU KHÔNG GIAN

1.5.1 MERO

MERO là chữ viết tắt của Mengeringhausen, người phát minh ra đầu nối Đầu nối

MERO (xem Hình1 9) bao gồm các thành phần sau [4]

- Một quả cầu hình cầu bằng thép nóng rèn nóng với 18 lỗ khoan, ở các góc độ khác nhau, phân bố đều trên bề mặt của nó, để nhận các cấu kiện hình ống ở các góc độ khác nhau Mặt cầu có bề mặt phẳng xung quanh là các lỗ ren

- Một bu lông, được chèn vào qua một lỗ trong thành ống và đi qua một hình nón được hàn vào cuối ống

- Một tuabin chìa lục giác

Thế hệ liên kết nút MERO là thế hệ mới [5] Trong những năm gần đây, MERO

đã giới thiệu 4 loại liên kết nút mới, đặc biệt phù hợp với các khung không gian đơn, cần độ cứng uốn ở các nút để cải thiện tính ổn định Các loại liên kết nút này được cho như dưới:

- Đầu nối nút hình trụ ZK

- Đầu nối nút đĩa đĩa TK

- NK nút nối hemi-hình cầu rỗng

- Đầu nối nút khối BK

1.5.2 Liên kết nút Octatube và Tuball

Đầu nối nút Octatube được phát triển bởi Giáo sư Dr Ir Mick Eekhout của Hà Lan bao gồm một tấm cơ sở hình bát giác được hàn hai tấm bán bát giác đặt ở góc phải với nhau Đầu nối Octatube là một đầu nối tấm Các ống gặp nhau ở một nút được làm phẳng và kết nối bằng các bu lông có độ bền cao Được phát triển vào năm 1973 Đầu nối được thiết kế cho khung không gian dành cho nhà xưởng mái, kho hàng và các công trình khác mà lợi ích chi phí được chú trọng Có thể sử dụng các bộ phận khác ngoài ống để thực hiện kết nối nếu một tấm được hàn cho đến cuối của bộ phận [4] Đầu nối Tuball, được phát triển bởi Eekhout năm 1984[6], là một quả cầu rỗng được làm bằng graphite hình cầu Một phần tư quả cầu bao gồm nắp và phần còn lại

là cốc (Hình1.10) Sự kết thúc của thành phần ống tròn hoặc hình chữ nhật được kết nối được lắp ở đầu của nó bằng ren, bằng cách hàn Bu lông nối có độ bền cao, nối các đầu của ống được sử dụng nếu ống có đường kính lớn được bố trí mà không có tắc nghẽn

Hình 1.9 Liên kết nút MERO

Hình 1.10 Liên kết nút Tuball

1.6 Nguyên tắc cấu tạo

Chiều cao của giàn không gian bằng 3% khoảng vượt

Tuy nhiên chiều cao kinh kế nhất bằng 5% khoảng vượt giữa 2 đối tượng hoạt

11 % đoạn vượt công-xon

Trọng lượng nút giàn bằng 1/4 tổng trọng lượng mái

Độ mãnh các thanh giàn phải bé hơn độ mãnh giới hạn

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 2.1) Trong điều kiện làm việc này, hệ thanh giàn khi làm việc chỉ chịu ảnh hưởng của thành phần kéo và nén, trong khi đó ảnh hưởng của thành phần biến dạng uốn và cắt không đáng kể Do đó, trong luận án sử dụng lý thuyết thanh để phân tích tính toán ứng xử của hệ giàn khi tham gia chịu lực

Hình 2.1 Nút giàn điển hình

Ngoài ra, ứng xử của kết cấu trong nghiên cứu không chỉ giới hạn trong miền đàn hồi của vật liệu nhằm phát huy hết khả năng làm việc của vật liệu thép Đồng thời nghiên cứu mở rộng khảo sát ứng xử của kết cấu trong trạng thái biến dạng và chuyển vị lớn Nghiên cứu sử dụng lý thuyết thanh dựa trên biến dạng Green, nhằm đáp ứng được bài toán thành ứng xử trong trạng thái biến dạng và chuyển vị lớn Nội dung của toàn

bộ lý thuyết sẽ được trình bày trong những phần tiếp theo

2.2 HÌNH HỌC VÀ QUAN HỆ GIỮA BIẾN DẠNG-CHUYỂN VỊ

Hình 2.2 Biến dạng của một phần tử thanh điển hình

Trong Hình 2.2 trình bày một phần tử thanh 𝑃𝑜𝑄𝑜 trong trạng thái ban đầu với hệ

việc xây dựng các hàm dạng chuẩn khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Tuy nhiên chúng ta tranh việc sử dụng hàm dạng, điều không cần thiết đối với những phần

Trong phương trình (2.6), chúng ta đã giới thiệu thông số chiều dài ban đầu 𝛼𝑜

và tương thích với việc phát triển hàm dạng sau này

theo định nghĩa của biến dạng dọc trục của phần tử thanh ta có:

(2.11), và nó được gọi là biến dạng Green

Trong trường hợp chuyển vị bé đối với 𝛿𝒑 thay cho ∆𝒑 thì số hạng cuối cùng trong phương trình (2.16) hoặc (2.20) vô cùng bé và có thể được bỏ qua Lúc này biến dạng

có thể viết lại như sau:

2.3 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG VÀ VÉC TƠ NỘI LỰC

2.3.1 Phương trình cân bằng

Dựa vào nguyên lý công ảo để xây dựng phương trình cân bằng, trong phương trình cân bằng mô tả sự cân bằng giữa tổng véc tơ lực nút trên chuyển vị ảo tương ứng

và tổng nội lực bên trong kết cấu tương ứng với tích tổng ứng suất bên trong kết cấu trên biến dạng ảo tương ứng

𝑒

𝑒 𝑒

(2.22)

bỏ qua dấu tổng, và do đó chỉ xử lý trực tiếp véc tơ lực hoặc ma trận độ cứng phẩn tử

2.3.2 Véc tơ lực nút

Véc tơ biến dạng-chuyển vị 𝒃 trong phương trình (2.22) được cho trong phương

hợp với biến dạng Green và được gọi là ứng suất Piola-Kirchhof

(2.17) chúng ta thu được véc tơ lực nút như sau:

(2.23)

chuyển vị nút 𝒑 cho như sau:

Tính biến dạng từ phương trình (2.12) hoặc (2.13);

phương trình (2.14) và (2.17)

2.4 MA TRẬN ĐỘ CỨNG TIẾP TUYẾN

Trong trường hợp tổng quát công ảo của một cơ hệ được viết dưới dạng như sau:

Từ phương trình (2.28) và (2.29), số hạng đầu tiên của phương trình (2.28) có thể được viết như sau:

và phương trình (2.17) ta thu được,

vị có thể nhận được từ chương trình máy tính Trong nghiên cứu sử dụng thuật toán

“total Lagrange” tất cả các tham số liên quan đến cấu hình ban đầu của kết cấu

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) có cùng bề rộng; giàn được cấu tạo gồm hai lớp được liên kết với nhau bằng hệ thanh xiên và thanh đứng Lớp dưới và lớp trên trong ba loại hệ giàn được khống chế cùng chiều cao; các loại thanh giàn sử dụng cùng quy cách Dựa vào cơ sở trên luận án tập trung phân tích nhằm đạt được các mục tiêu sau:

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 (Hình 3.4)

Các thanh giàn được liên kết thông qua khớp cầu (xem Hình 2.1) Các trục thanh giàn quy tụ vào khớp cầu đều phải đi qua tâm của khớp cầu nhằm mục đích không tạo

ra sự lệch tâm của hệ lực từ các thanh truyền vào khớp cầu, làm cho khớp cầu bị xoay tạo ra mô mem trong đầu hệ thanh Như vậy với thiết kế liên kết nút cầu được xem làm việc như một khớp lý tưởng và do đó các thanh giàn được làm việc như một kết cấu thanh (chỉ làm việc chị kéo và nén)

Hình 3.1 Chi tiết kết cấu thanh giàn D60

Hình 3.2 Chi tiết kết cấu thanh giàn D90

Hình 3.3 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 Hình 3.1) được sử dụng trong hệ thanh gối đỡ hệ giàn Loại thứ hai là thanh đường kính 𝐷90 × 3 (xem Hình 3.2) là hệ thanh giàn lớp dưới được thiết kế chạy dọc và ngang qua thanh gối đỡ giàn Loại còn lại là thanh có đường kính 𝐷60 × 2.5 (xem Hình 3.3) loại thanh này được sử dụng cho tất cả các thanh còn lại của hệ giàn

Nhịp gối đỡ hệ giàn 𝐿 được thay đổi bằng cách tăng số đốt giàn giữa nhịp, và thông

số 𝐿 được khảo sát và sử dụng để đánh giá/so sánh về khả năng chịu lực và hiệu quả kinh tế giữa các loại hệ giàn khác Trong nghiên cứu này các thông số hình học của hệ giàn được cho như sau:

Hình 3.4 Hệ giàn không gian phẳng

Hình 3.5 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

Hệ giàn vòm được cấu tạo gồm hai hệ thanh đặt trong hai mặt cong (bán kính xác định) song song với nhau và cách nhau 0.6m (tương tự trong hệ giàn phẳng chúng 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 (xem Hình 3.6 và Hình 3.7)

Hình 3.6 Hệ giàn không gian vòm

Hình 3.7 Mô hình hình học thiết kế giàn thép vòm được xây dựng trong Abaqus

Các hệ giàn lớp trên, lớp dưới và hệ thanh xiên có cấu tạo và được liên kết với nhau hoàn toàn như trong hệ giàn phẳng, chỉ khác hệ giàn lớp trên và lớp dưới nằm trong hai mặt cong song song nhau Trong hệ giàn không gian vòm sử dụng các gối đỡ hoàn toàn tương tự trong hệ giàn phẳng và nhịp giàn 𝐿 cũng được thay đổi từ 15 mét đến 36 mét trùng với hệ giàn phẳng nhằm tạo cho các hệ giàn có cùng hệ quy chiếu để so sánh/đánh giá

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

Trong nghiên cứu này tập trung so sánh các hệ giàn có cùng đặc điểm cấu tạo Do

đó đối với hệ giàn dạng lượn sóng cũng được cấu tạo gồm hai lớp hệ giàn trên và dưới, hai hệ giàn được đặt trong hai mặt phẳng lượn sóng song song với nhau Khoảng cách giữa hai lớp hệ giàn trên và dưới cách nhau 0.6m Tượng tự hai hệ giàn lớp trên và lớp dưới được liên kết với nhau thông qua hệ thanh giàn xiên 𝐷60 × 2.5 bằng các khớp cầu (xem Hình 3.8 và Hình 3.9)

Hình 3.8 Hệ giàn không gian lượn sóng

Hình 3.9 Mô hình hình học thiết kế giàn thép uốn lượn được xây dựng trong Abaqus

Trong mô phỏng nhịp của hệ giàn không gian lượn sóng cũng được khảo sát thay đổi từ 15 mét đến 36 mét Giữa 3 hệ giàn được so sánh trong luận án đều có bề rộng và bước cột giống nhau Kích thước tiết diện cũng như vật liệu sử dụng trong hệ giàn lượn sóng giống hoàn toàn trong hai hệ giàn trên Chỉ khác chiều dài của các thanh giàn thay đổi nhưng trong thiết kế không chế sự sai khác giữa các chiều dài thanh giàn trong 3 thiết kế không vượt quá 20%

thép cán nóng phụ thuộc vào chiều dày t tra bảng trong tiêu chuẩn EN – 10025 và EN

3.2.2 Tôn định hình bằng thép của sàn liên hợp

một lớp kẽm dày ~0.02mm (mạ kẽm nóng)

ở trên

3.2.3 Quy đổi tương đương giữa TCVN và EC4 theo cường độ tính toán

Mô đun đàn hồi: tương đương

Các chỉ tiêu cơ học của thép các bon cán nóng TCVN 5709-1993 Đối chiếu với

Trọng lượng tấm lợp: tấm lợp trong công trình sử dụng tấm polycarbornate đặc ruột độ dày 3mm Trọng lượng 3.6 kg/m2 Theo TCVN 2337-1997 đối với vật liệu tấm phủ sản xuất trong nhà máy (khác với sản xuất tại công trường) thì hệ số vượt tải lấy

Sau khi tính toán, kết quả chất tải đối với trường hợp tải trọng bản thân của dàn (Tĩnh tải) cho như trong Hình 3.10

Hình 3.10 Tĩnh tải

b Hoạt tải

Hoạt tải tác dụng lên công trình được lấy theo TCVN 2737-1997, đối với mái lợp

vượt tải 1.3 Kết quả tính toán và chất tải cho như trong Hình 3.11

Hình 3.11 Hoạt tải

c Tải trọng gió

Tải trọng gió tác động lên công trình, theo yêu cầu của chủ đầu tư tính toán áp lực gió lấy theo thang Beaufort với cấp tính toán 17 Tra bảng theo thang Beaufort ứng với cấp gió 17 thì vận tốc gió tương ứng tối thiểu là: 56,1 m/s

Bảng 3.2 Tính tải trọng gió & sóng theo thang Beaufort tại Việt Nam

Cấp gió Tốc độ gió Độ cao sóng

trung bình Mức độ nguy hại Bô-pho m/s km/h m

<1 1-5 6-11 12-19

- 0,1 0,2 0,6

Gió nhẹ

Không gây nguy hại

Cấp gió Tốc độ gió Độ cao sóng

trung bình Mức độ nguy hại Bô-pho m/s km/h m

4

5

5,5-7,9 8,0-10,7

20-28 29-38

1,0 2,0

- Cây nhỏ có lá bắt đầu lay động ảnh hưởng đến lúa đang phơi màu

- Biển hơi động Thuyền đánh

cá bị chao nghiêng, phải cuốn bớt buồm

3,0 4,0

- Cây cối rung chuyển Khó đi ngược gió

- Biển động Nguy hiểm đối với tàu, thuyền

5,5 7,0

- Gió làm gãy cành cây, tốc mái nhà gây thiệt hại về nhà cửa Không thể đi ngược gió

- Biển động rất mạnh Rất nguy hiểm đối với tàu, thuyền

9,0 11,5

- Làm đổ cây cối, nhà cửa, cột điện Gây thiệt hại rất nặng

- Biển động dữ dội Làm đắm tàu biển

14,0

- Sức phá hoại cực kỳ lớn

- Sóng biển cực kỳ mạnh Đánh đắm tàu biển có trọng tải lớn

Tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE 7-2010 với vận tốc gió 56.1m/s và áp lực gió được tính theo công thức tính (3.1)

Tiêu chuẩn Hoa Kỳ có quy định riêng cho việc tính toán áp lực gió lên hệ kết cấu bao che với diện tích các cấu kiện (bộ phận) nhỏ hơn 65m2 Theo đó việc xác định tải trọng gió lên kết cấu bao che cho các dạng công trình được chia ra làm 06 phần như sau:

định nghĩa tại mục 26.2 [1]);

tầng (xem định nghĩa tại mục 26.2 [1]);

h > 60 ft (18,3 m)

có chiều cao h ≤ 160 ft (48,8 m)

mái dốc một bên, mái có máng xối

mái

1 Vận tốc gió cơ bản V;

3 Phân loại dạng đón gió;

5 Hệ số ảnh hưởng của gió giật;

6 Phân loại các dạng bao che;

ứng với dạng địa hình chuẩn C; chu kỳ lặp là 300 năm với công trình cấp I, 700 năm với công trình cấp II và 1700 năm với công trình cấp III, IV (quy định về dạng địa hình chuẩn C và các cấp công trình tuân thủ theo quy định trong [1]) Áp lực gió tối thiểu tác

quy định trong phần 1: Áp lực gió thiết kế được xác định theo công thức sau:

   

trong đó:

27.4-3[1]

ngoài nhà), được đặt theo phương pháp tuyến với mỗi bề mặt công trình Giá trị pnet được xác định theo công thức:

trong đó:

trong nhà có giá trị dương của công trình gần kín, với cao độ z được định nghĩa là cao

độ của lỗ mở cao nhất của công trình có thể gây ra áp lực trong nhà dương;

27.4-3[1];

vùng của tường và mái được xác định theo bảng 30.7-2 [1] dựa trên vận tốc gió cơ bản

C Áp lực trong bảng 30.7-2 [1] dựa trên diện tích tác dụng của gió là 10 ft2 (0,93 m2)

Áp lực gió được giảm đối với diện tích lớn hơn dựa trên hệ số giảm (RF) cho trong bảng

Áp lực trên toàn bộ vùng còn lại được đưa ra theo công thức Áp lực gió thiết kế cuối cùng được xác định theo công thức sau:

bình được xác định theo công thức sau:

trong đó:

hình dạng công trình mà có thể gây ra tác dụng lớn nhất đối với bất kỳ hướng nào;

thành hệ tường chắn mái và mái đua Tường chắn mái: Áp lực gió thiết kế được xác định theo công thức:

trong đó:

Cao độ Z(m) K z q z (daN/m 2 ) q h (daN/m 2 ) Gió đẩy

(daN/m 2 )

Gió hút (daN/m 2 )

Tải trọng tác dụng lên công trình cho như trong

Hình 3.12 Tải trọng gió theo phương Z

Hình 3.13 Tải trọng gió theo phương X

3.4 KẾT QUẢ VÀO THẢO LUẬN

Trong lĩnh phân tích kết cấu, kết quả phân tích phần tử hữu hạn có thể cung cấp thông tin chi tiết về ứng suất và biến dạng phân bố trong kết cấu Những thông tin này không dễ dạng xác định từ thực nghiệm, và do đó nghiên cứu về phương pháp số có thể được sử dụng để cung cấp số liệu bổ sung để cải thiện sự hiểu biết về bản chất vật lý ứng xử của kết cấu Hơn nữa nghiên cứu tham số trên các mô hình phần tử hữu hạn có thể được thực hiện để nâng cao hiệu quả của thiết kế kết cấu Trong những năm gần đây, những tiến bộ trong việc xây dựng phần tử hữu hạn đã cho ra những thuật toán mạnh

mẽ, tin cậy để giải quyết các bài toán hình học phức tạp, biến dạng lớn, dẻo và tương