Luận án: Phân tích dẻo kết cấu khung cột thép dầm liên hợp - Hoàng Hiếu Nghĩa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ========o O o======== HOÀNG HIẾU NGHĨA PHÂN TÍCH DẺO KẾT CẤU KHUNG CỘT THÉP DẦM LIÊN HỢP CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ========o O o======== HOÀNG HIẾU NGHĨA PHÂN TÍCH DẺO KẾT CẤU KHUNG CỘT THÉP DẦM LIÊN HỢP CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 62 58 02 08 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. NGHIÊM MẠNH HIẾN Hà Nội – Năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Vũ Quốc Anh và PGS. TS Nghiêm Mạnh Hiến.

Toàn bộ số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về các kết quả nghiên cứu và công bố của mình. Tác giả luận án Hoàng Hiếu Nghĩa ii LỜI CẢM ƠN Với tất cả tình cảm của mình, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Vũ Quốc Anh, PGS.TS Nghiêm Mạnh Hiến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án của mình. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và hoàn thành luận án.

Sau cùng, xin cảm ơn đồng nghiệp và bạn bè đã chia sẻ, động viên, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin dành tặng luận án này cho bố mẹ tôi, vợ và các con của tôi. Hà nội, tháng 5 năm 2020 Hoàng Hiếu Nghĩa iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC.

iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN .xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN .xvi MỞ ĐẦU. 1 Tính cấp thiết của đề tài. 1 Mục đích nghiên cứu .3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu.

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .4 Kết cấu luận án. 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Giới thiệu về kết cấu khung cột thép dầm liên hợp. Xu hướng phân tích, thiết kế kết cấu thép và kết cấu liên hợp.

Phân tích phi tuyến và các mức độ phân tích phi tuyến. Phân tích phi tuyến. Phi tuyến vật liệu. Phương pháp khớp dẻo.

Phương pháp vùng dẻo. Các mức độ phân tích phi tuyến. Mô hình phi tuyến vật liệu thép và bê tông. Mô hình vật liệu thép.

Mô hình phi tuyến vật liệu bê tông. Quan hệ mômen – độ cong của tiết diện dầm thép (M-). Mặt chảy dẻo của tiết diện cột thép. Các phương pháp tính toán kết cấu khung có xuất hiện khớp dẻo.

Phương pháp trực tiếp. Phương pháp gia tải từng bước. Phương pháp PTHH. Kết luận chương.

30 iv CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG QUAN HỆ MÔ MEN - ĐỘ CONG CỦA TIẾT DIỆN DẦM LIÊN HỢP VÀ MẶT CHẢY DẺO CỦA TIẾT DIỆN CỘT THÉP. Khảo sát quá trình chảy dẻo của tiết diện dầm thép. Khảo sát quá trình chảy dẻo của tiết diện cột thép. Xây dựng quan hệ mô men - độ cong của tiết diện dầm thép theo phương pháp giải tích.

Mô men dẻo theo trục chính (trục z). Mô men dẻo theo trục phụ (trục y). Xây dựng quan hệ mô men - độ cong của tiết diện dầm liên hợp theo phương pháp giải tích. Xét thành phần bản sàn bê tông.

Xét thành phần dầm thép. Xét thành phần cốt thép sàn. Sơ đồ khối chương trình SPH xây dựng M- của dầm liên hợp theo phương pháp giải tích. Xây dựng mặt chảy dẻo giới hạn của cột thép chữ I chịu nén uốn hai phương theo phương pháp giải tích.

Xây dựng mặt chảy dẻo giới hạn (P-Mz) của cột thép chữ I chịu nén uốn trong mặt phẳng chính. Xây dựng mặt chảy dẻo giới hạn (P-My) của cột thép chữ I chịu nén uốn trong mặt phẳng phụ. Xây dựng mặt chảy dẻo giới hạn (P-Mz-My-) của cột thép chữ I chịu nén uốn hai phương. Xây dựng mặt giới hạn đàn hồi (P-Mze0-Mye0-) của cột thép chữ I chịu nén uốn hai phương.

Phương trình quan hệ My - P - y; Mz - P - z đoạn cong chuyển tiếp từ đàn hồi sang chảy dẻo hoàn toàn. Ví dụ xây dựng mặt chảy dẻo (p-mz-my--) bằng phương pháp giải tích. Kết luận chương 2. 69 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PTHH PHÂN TÍCH DẺO KẾT CẤU KHUNG CỘT THÉP DẦM LIÊN HỢP XÉT ĐẾN SỰ LAN TRUYỀN VÙNG BIẾN DẠNG DẺO CỦA PHẦN TỬ.

Các giả thiết khi thực hiện bài toán phân tích. Xây dựng phần tử dầm, cột đa điểm dẻo. Xây dựng ma trận độ cứng của phần tử dầm liên hợp đa điểm dẻo khi kể đến sự lan truyền vùng biến dạng dẻo dọc theo chiều dài phần tử. Xây dựng ma trận độ cứng của phần tử cột phẳng đa điểm dẻo khi kể đến sự lan truyền vùng biến dạng dẻo dọc theo chiều dài phần tử.

Xây dựng ma trận độ cứng của phần tử cột 3D đa điểm dẻo khi kể đến sự lan truyền vùng biến dạng dẻo dọc theo chiều dài phần tử. Véc tơ tải trọng quy nút quy đổi của phần tử thanh đa điểm dẻo có điểm biến dạng dẻo liên tục dọc theo chiều dài phần tử. Phương trình cân bằng toàn hệ kết cấu. Kết luận chương 3.

89 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH DẺO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ BÀI TOÁN. Phương pháp giải phương trình cân bằng. Thuật giải phi tuyến. Phương pháp gia tải Euler đơn giản.

Phương pháp Newton-Raphson và Newton-Raphson cải tiến. Các bước phân tích dẻo của kết cấu khung. Sơ đồ thuật toán phân tích dẻo kết cấu khung và chương trình phân tích SPH. Hệ số tải trọng giới hạn và tỷ lệ chảy dẻo của tiết diện.

Khảo sát một số bài toán phân tích dẻo. Dầm đơn giản liên hợp thép - bê tông. Dầm liên tục liên hợp thép - bê tông. Khung Portal liên hợp thép - bê tông 1 tầng 1 nhịp.

Khung phẳng liên hợp 3 tầng 2 nhịp. Kết luận chương 4 .116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.120 TÀI LIỆU THAM KHẢO.132 Phương pháp xác định mặt chảy dẻo giới hạn (P-Mz-My-) của cột thép chữ I chịu nén uốn hai phương. Lực dọc lớn nhất. Mô men lớn nhất.

Mặt phẳng chính. Mặt phẳng phụ. Mặt phẳng chéo .137 Đề xuất độ cứng EI có dạng phương trình bậc 3 và tính các tích phân trong công thức hệ số ma trận độ cứng. Xây dựng quan hệ mô men - độ cong của tiết diện dầm, cột thép theo phương pháp chia thớ.

Xây dựng quan hệ mô men - độ cong của tiết diện dầm liên hợp theo phương pháp chia thớ. Tiết diện dầm liên hợp và một số giả thiết. Phương pháp chia thớ. Sơ đồ khối chương trình SPH xây dựng M- của dầm thép, dầm liên hợp và cột thép theo phương pháp chia thớ.

Xây dựng mặt chảy dẻo hoàn toàn của tiết diện cột thép theo phương pháp chia thớ. Mã nguồn dầm liên hợp thép bê tông. Mã nguồn mặt chảy dẻo của cột. Mã nguồn mặt giới hạn đàn hồi của cột .175 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu chữ cái và chữ la tinh Ai Diện tích tiết diện ngang của từng thớ i A Diện tích tiết diện phần tử thanh A(x) Hàm diện tích tiết diện phần tử thanh a1,b1,c1, Các hệ số của phương trình mối liên hệ lực nút a2,b2,c2 Ai Diện tích tiết diện tại điểm i bên trong phần tử AN Diện tích tiết diện phần lõi chịu N beff Chiều rộng tham gia làm việc của tấm sàn đối với một dầm bf Bề rộng bản cánh tiết diện thép hình I bw Chiều dày bản bụng tiết diện thép hình I E Môđun đàn hồi của vật liệu Eb Môđun đàn hồi của vật liệu bê tông Es (Ea) Môđun đàn hồi của vật liệu thép f Cường độ tính toán chịu kéo, nén của thép fu Cường độ giới hạn của vật liệu fy Cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy của thép G Môđun đàn hồi trượt của vật liệu ha (h) Chiều cao tiết diện dầm (cột) thép hình hc Chiều cao bản sàn bê tông I Mômen quán tính của tiết diện i, j Chỉ số chạy Chiều dài phần tử thanh (chiều dài phần tử thanh đa điểm L dẻo) lh Chiều dài vùng biến dạng dẻo M Mômen uốn viii MP Mômen bền dẻo của tiết diện (mô men chảy dẻo hoàn toàn) My Mômen uốn theo phương trục phụ (y) Mye0; Mze0 Mômen giới hạn đàn hồi Myu; Mzu Mômen giới hạn (cực hạn) của tiết diện Mz Mômen uốn theo phương trục chính (z) M pl .Rd Mômen bền dẻo dương M pl .