Báo cáo tóm tắt Đề tài Nghiên cứu ổn định tổng thể của dầm thép có tiết diện thay đổi
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHꢀ
CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ
CỦA DẦM THÉP CÓ TIẾT DIꢀN THAY ĐỔI
Mã số: Đ2015-02-123
Chủ nhiệm đề tài: TS. Trần Quang Hưng
Đà Nꢁng, Tháng 9/2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHꢀ
CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ
CỦA DẦM THÉP CÓ TIẾT DIꢀN THAY ĐỔI
Mã số: Đ2015-02-123
Xác nhận của cơ quan chủ trì
đề tài
Chủ nhiệm đề tài
TS. Trần Quang Hưng
Đà Nꢁng, Tháng 9/2016
DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA
Chủ nhiệm đề tài
GV.TS. Trꢀn Quang Hưng
Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường ĐHBK,
ĐHĐN
Thành viên tham gia
GV.ThS. Lê Cao Tuấn
Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường ĐHBK,
ĐHĐN
KS. Lê Xuân Dũng
Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường ĐHBK,
ĐHĐN
ThS. Huỳnh Văn Viện
Sở Xây dựng tỉnh Quảng Ngãi
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
MỤC LỤC
i
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
ii
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
DANH MỤC CÁC HÌNH ꢀNH
DANH MỤC CÁC BꢀNG BIỂU
iii
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
iv
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
F
: Vectơ lực
P
: Lực tập trung
δ
: hệ số biểu diễn sự thay đổi chiều cao tiế diện
:Mô đun đàn hồi thép
:Ứng suất
E
ε
:Biến dạng
q
: Lực phân bố
M
: Mômen
Mcr
Mcr1
θ
: Mô men tới hạn đàn hồi
: Mô men tới hạn đàn hồi ứng với δ=1
: Góc xoay
hmax
hmin
L
: chiều cao lớn nhất tiết diện
: chiều cao bé nhất tiết diện
: Nhịp dầm
h
: Chiều cao tiết diện thép
: Biến dạng trượt
U
: Vectơ chuyển vị
u,v,w
kcr
[K]
[Kσ]
: các chuyển vị thẳng
: = Mcr/ Mcr1
: Ma trận độ cứng
: Ma trận độ cứng hình học
v
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
THÔNG TIN KẾT QUꢀ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu ổn định tổng thể của dầm thép có tiết diện
thay đổi
- Mã số: Đ2015-02-123
- Chủ nhiệm: Trần Quang Hưng
- Thành viên tham gia: Lê Cao Tuấn, Lê Xuân Dũng, Huỳnh Văn Viện
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
- Thời gian thực hiện: Từ 01 tháng 10 năm 2015 đến 30 tháng 09 năm
2016
2. Mục tiêu:
-
-
-
Xây dựng được lí thuyết tính ổn định tổng thể dầm thép có tiết diện
thay đổi.
Xây dựng được mô hình số và dùng phần mềm ANSYS để đánh
giá kết quả.
Ứng dụng được vào lập chỉ dẫn, quy định trong thiết kế dầm tiết
diện thay đổi của khung nhà thép công nghiệp tiền chế
3. Tính mới và sáng tạo:
Đã thiết lập được các biểu đồ và công thức tính gần đúng ổn định
tổng thể cho dầm thép có chiều cao tiết diện thay đổi tuyến tính, đây là hình
thức kết cấu rất phổ biến trong khung nhà dân dụng và công nghiệp, nhưng
chưa được chỉ dẫn và quy định tính toán trong tiêu chuẩn.
4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu:
Đề tài đã nêu được tổng quan về lý thuyết tính toán ổn định của
dầm thép chịu uốn, từ đó thiết lập được các hệ phương trình vi phân cho
a
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
trường hợp dầm có chiều cao tiết diện thay đổi. Qua đó đưa ra được luận
chứng cho sự cần thiết phải dùng phương pháp phần tử hữu hạn để giải
quyết bài toán. Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng để tính toán ổn định
được tóm lược một cách cô đọng, từ đó thực hiện một loạt các tính toán cụ
thể để xây dựng nên được các biểu đồ và công thức tính mômen tới hạn đàn
hồi cho một số trường hợp phổ biến.
5. Tên sản phẩm:
-
Bài báo đăng trong tạp chí, hội nghị trong nước: 01 bài (Trần
Quang Hưng. Huỳnh Văn Viện. Ổn định tổng thể của dầm thép
chữ I có chiꢀu cao tiết diện thay đổi. Tuyển tập hội nghị Cơ học kỹ
thuật toàn quốc, tập 1, trang 136-144. Đà Nẵng, 03-05/08/2015.
-
Đào tạo thạc sĩ: 03 (Huỳnh Văn Viện, Trần Nguyên Phong và Trần
Quang Nhật).
-
-
-
Phương pháp tính toán.
Báo cáo phân tích.
Bản kiến nghị
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng
áp dụng:
-
Tính toán được ổn định tổng thể của dầm có chiều cao tiết diện
thay đổi.
-
-
Áp dụng để thiết kế nhà thép dân dụng và công nghiệp.
Có thể chuyển giao trực tiếp cho các đơn vị tư vấn thiết kế.
7. Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính
b
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
Ngày 20 tháng 9 năm 2016
Cơ quan Chủ trì
Chủ nhiệm đề tài
Trần Quang Hưng
c
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Lateral buckling of I steel tapered beam
Code number: Đ2015-02-123
Project Leader: Tran Quang Hung
Coordinator: Le Cao Tuan, Le Xuan Dung, Huynh Van Vien
Implementing institution: University of Science and Technology, UD
Duration: from October 1st 2015 to September 30th 2016
2. Objective(s):
-
-
-
Formulation of lateral buckling of I steel tapered beam problem.
Modeling by finite elements method and simulation by ANSYS.
Establishment of specification for steel frame design in case of
tapered sections.
3. Creativeness and innovativeness:
Establishment of diagrams and formulas in order to calculate elastic
critical moment of I steel tapered beam – a very popular case of steel frame
but there has not been yet any design specification by Vietnamese code.
4. Research results:
An overview about lateral buckling of beam is achieved, by basing
on this theory differential equations of I steel tapered beam are formulated.
Finite elements model is proposed as well. A number of numerical
simulations have been developed in order to construct some diagrams and
formulas which allow to obtain elastic critical bending moment.
5. Products:
-
01 paper: Lateral buckling of I tapered section. Proceedings of
National Conference on Technical Mechanics, Vol. 1, pages 136-
144. Danang, 03-05/08/2015.
d
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
-
-
-
-
Training of 03 graduated masters.
Design approach and specification.
Analysis report.
Recommendation.
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
-
Effective method for calculating lateral buckling of I tapered
section beam.
-
-
Design of steel frame.
Results can be directly transferred to consultants.
e
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Khi tính toán thiết kế kết cấu thép trong công trình xây dựng dân dụng, cần
phải xem xét hai khả năng chính là độ bền và độ ổn định của kết cấu. Do
vật liệu thép có cường độ rất cao so với các vật liệu xây dựng khác nên tiết
diện thường mảnh, điều kiện về độ bền dễ thỏa mãn nhưng điều kiện về ổn
định lại không thỏa. Thực tế điều kiện ổn định là điều kiện tiên quyết đến
khả năng chịu lực của các cấu kiện dầm, cột trong công trình.
Hiện kết cấu thép đang được sử dụng rộng rãi trong lắp dựng nhà công
nghiệp ở nước ta, do sự phát triển vượt bậc về vật liệu, thép cường độ cao
ngày càng được sử dụng nhiều dẫn đến các khung nhà công nghiệp rất
thanh mảnh, nhẹ và thẩm mỹ. Để tiết kiệm vật liệu, người thiết kế thường
thay đổi tiết diện dầm trong khung phù hợp với nội lực trong dầm, điều đó
dẫn đến phải tính toán dầm có tiết diện thay đổi.
Việc tính toán ổn định tổng thể (chống lật) của dầm có tiết diện thay đổi là
vấn đề khá phức tạp, tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu thép của Việt
Nam TCVN 5575:2012 hoàn toàn không có một hướng dẫn nào đề cập đến
vấn đề này. Khi thiết kế thực tế, các kỹ sư thường bố trí khoảng cách các xà
gồ thật dày để đảm bảo điều kiện này, dẫn đến có thể lãng phí.
Trên thế giới đã có một số nghiên cứu về tính ổn định tổng thể cho dầm tiết
diện thay đổi, các nghiên cứu đó đã đưa ra một số lí thuyết tính toán dựa
vào ổn định dầm trong miền đàn hồi của Timoshenko trong một số bài toán
cụ thể. Các nghiên cứu này cũng chưa thể được áp dụng để tính toán đối
với một khung thép nhà công nghiệp.
Vậy việc nghiên cứu tính toán dầm ổn định tổng thể của dầm có tiết diện
thay đổi là vấn đề thực sự cần thiết, giúp thiết lập các cơ sở, chỉ dẫn cho các
kỹ sư trong thiết kế khung thép nhà công nghiệp một cách tin cậy và hiệu
quả.
2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Mất ổn định tổng thể của dầm chịu uốn là hiện tượng xảy ra khi dầm có
1
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
chiều cao tiết diện lớn so với bề rộng, dầm bị lật ra ngoài mặt phẳng. Đây
là vấn đề cơ bản trong thiết kế kết cấu thép.
Một trong những nghiên cứu đầu tiên về vấn đề này là nghiên cứu của
Timoshenko [4], trong đó ông đã dùng phương pháp giải tích để giải bài
toán ổn định của dầm tiết diện không đổi làm việc đàn hồi lí tưởng, sơ đồ
hai đầu khớp chịu mômen uốn thuần túy. Từ bài toán cơ bản này có thể
phát triển thành nhiếu sơ đồ chịu lực phức tạp khác. Kết hợp với các kết
quả có được từ thí nghiệm, phương pháp tính toán ổn định tổng thể dầm
thép đã được đưa vào rất chi tiết trong các tiêu chuẩn thiết kế như TCVN
5575:2012, Eurocode 3… Tuy nhiên các tiêu chuẩn chỉ giới hạn trong việc
tính toán dầm có tiết diện không đổi.
Đối với dầm có tiết diện thay đổi, do các đặc trưng hình học của dầm biến
đổi theo chiều dài dầm nên các thông số trở nên phức tạp hơn nhiều. Nếu
dùng phương pháp đại số cổ điển thì sẽ dẫn đến phương trình vi phân bậc
cao khó có thể giải tường minh được, vấn đề càng phức tạp hơn khi tải
trọng tác dụng lên dầm có nhiều kiểu khác nhau. Các tác giả sau này chủ
yếu dùng phương pháp số (phần tử hữu hạn) để mô hình, phương pháp số
còn có ưu điểm là có thể kể đến ứng xử phi tuyến hình học một cách dễ
dàng. Có thể liệt kê một số nghiên cứu như:
-
H. R. Ronagh [13] đã phát triển mô hình gần đúng dùng phương
pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán ổn định của dầm I có chiều
cao thay đổi, trong đó có xét đến lực nén và ảnh hưởng của tỉ số
diện tích cánh và bụng dầm. Tác giả dùng phần tử thanh thuần túy
nên đơn giản được bài toán nhưng chưa xét đến hết các vấn đề khác
liên quan đến cấu tạo tiết diện, vị trí tải trọng.
-
Abdelrahmane Bekaddour Benyamina [14] đã tìm lời giải giải tích
và phương pháp số mô hình một cách khá toàn diện, nghiên cứu
này chỉ áp dụng cho dầm đơn giản chịu tải phân bố.
-
-
Liliana Marques [15] đã tổng hợp các nghiên cứu và khảo sát số để
đề xuất một số vấn đề khi thiết kế dầm I tiết diện thay đổi.
A. Andrade [16] đã khảo sát dầm tiết diện thay đổi trong đó bụng
dầm được bố trí các điểm cố kết ngoài mặt phẳng để chống lật. Tác
giả đã mô hình các thanh cố kết bằng các liên kết tương đương.
2
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
Đa số các nghiên cứu trên đã giải quyết được một phần bài toán về ổn định
tổng thể của dầm tiết diện thay đổi trong những trường hợp đơn giản. Thực
tế, các dầm trong kết cấu thép nhà công nghiệp có tải trọng và các điều kiện
biên phức tạp hơn nhiều, do đó cần xây dựng phương pháp tính toán một
cách tổng quát và thực dụng.
Ở nước ta việc tính toán kết cấu thép dựa theo tiêu chuẩn TCVN 5575:2012
được biên dịch từ tiêu chuẩn của LB Nga. Vấn đề ổn định tổng thể của dầm
chỉ được quy định với dầm tiết diện không đổi, chưa có bất kì một quy định
nào đối với dầm tiết diện thay đổi. Các tài liệu của các tác giả trong nước
cũng dựa vào TCVN 5575:2012, hiện dường như không có nghiên cứu nào
liên quan đến dầm thép tiết diện thay đổi.
3. Mục tiêu của đề tài
- Xây dựng được lí thuyết tính ổn định tổng thể dầm thép có tiết diện
thay đổi.
- Xây dựng được mô hình số và dùng phần mềm ANSYS để đánh giá
kết quả.
- Ứng dụng được vào lập chỉ dẫn, quy định trong thiết kế dầm tiết diện
thay đổi của khung nhà thép công nghiệp tiền chế.
4. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
- Dùng lí thuyết kết hợp với mô hình số (và thực nghiệm nếu có thể).
- Lý thuyết: thu thập các tài liệu và công bố liên quan, từ đó xây dựng
được lí thuyết về tính toán ổn định tổng thể của dầm.
- Phương pháp mô phỏng số: dùng phương pháp phần tử hữu hạn mô
hình toàn bộ dầm, tính ổn định có kể đến phi tuyến hình học.
5. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu gồm:
- Mở đầu: tổng quan về vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước, các
vấn đề còn tồn đọng, tính cấp thiết cũng như mục tiêu của đề tài.
- Chương 1: tổng quan về tính toán ổn định của dầm thép
- Chương 2: Ổn định tổng thể của dầm có tiết diện thay đổi
- Chương 3: Các trường hợp tính toán cụ thể và xây dựng các biểu đồ
thực hành
- Kết luận và kiến nghị
3
Đꢀ tꢁi KH&CN cấp Đại học Đꢁ Nẵng
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA
DẦM THÉP
1.1 Ổn định đàn hồi của dầm thép
1.1.1 Các phương trình cân bằng của dầm khi mất ổn định
Các nghiên cứu lí thuyết đầu tiên về vấn đề này được Timoshenko thiết lập
[4]. Xét dầm đơn giản khi chịu tại trọng thẳng đứng, tiết diện không đổi
như Hình 1.1.
x
m
z
O
C'
n
(a)
y
m
y
z
-u
P1
P2
z
x
O
C
C'
n
l
(b)
(c)
Hình 1.1 Chuyển vị của dầm khi mất ổn định
Góc xoay có giá trị nhỏ, ta có thể giả định độ cong trong các mặt phẳng
và là như nhau. Mối quan hệ giữa hai hệ trục tọa độ được thể hiện
trong bảng Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Mối liên hệ cosin của các góc giữa các trục
x
y
z
1
-
du/dz
dv/dz
1
1
du/dz
dv/ dz
4
Tải về để xem bản đầy đủ
41 trang
13820
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo tóm tắt Đề tài Nghiên cứu ổn định tổng thể của dầm thép có tiết diện thay đổi", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bao_cao_tom_tat_de_tai_nghien_cuu_on_dinh_tong_the_cua_dam_t.pdf
