Phân tích ổn định khung thép và sự ảnh hưởng của hệ giằng

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

--------∞0∞--------

NGUYỄN HUY PHƯỚC

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH KHUNG THÉP VÀ

SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ GIẰNG

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số chuyên ngành: 605820

LUẬN VĂN THẠC SĨ

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN PHÚ CƯỜNG

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

GIẤY XÁC NHẬN

Tôi đồng ý cung cấp toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp hợp lệ về bản quyền cho

Thư viện trường đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh. Thư viện trường đại học Mở

Thành phố Hồ Chí Minh sẽ kết nối toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp vào hệ

thống thông tin khoa học của Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh.

Ký tên

Nguyễn Huy Phước

Tôi tên là: Nguyễn Huy Phước

Ngày sinh: 20/02/1980 Nơi sinh: Vĩnh Long

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã học viên : 1785802080018

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn ―Phân tích ổn định khung thép và Sự ảnh hƣởng của

hệ giằng‖ là bài nghiên cứu của chính tôi.

Ngoại trừ những tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn trong luận văn này, tôi cam

đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chƣa từng đƣợc công bố

hoặc đƣợc sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.

Không có nghiên cứu nào của ngƣời khác đƣợc sử dụng trong luận văn này mà

không đƣợc trích dẫn theo đúng quy định.

Luận văn này chƣa bao giờ đƣợc nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các trƣờng

đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.

Nguyễn Huy Phước

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 8 năm 2021

ii

LỜI CẢM ƠN

Trƣớc tiên, với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành

tới thầy TS. NGUYỄN PHÚ CƢỜNG, ngƣời đã luôn tận tình hƣớng dẫn, động viên,

bổ sung kiến thức mà tôi chƣa đƣợc tiếp cận trƣớc đây và giúp đỡ tôi thực hiện hoàn

thành luận văn này, và học viên cũng chân thành cám ơn sự hỗ trợ tài chính đƣợc tài

trợ bởi quỹ nghiên cứu khoa học của Bộ Giáo Dục và Đào Tạo (MOET) Việt Nam,

(mã số B2019-MBS-01). Cũng nhờ kinh phí này mà luận văn đƣợc tiến hành thuận lợi

và bài bản hơn.

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô trong khoa Xây Dựng, khoa

Sau Đại học Trƣờng Đại học Mở TP.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến

thức, kinh nghiệm chuyên môn cũng nhƣ tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong

quá trình học tập, nghiên cứu.

Xin cảm ơn tất cả anh chị em, những ngƣời bạn làm việc trong ngành xây dựng đã

có những đóng góp từ những kinh nghiệm công trình thực tế có giá trị phục vụ cho đề

tài nghiên cứu này.

Cuối cùng, tôi cũng không quên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những ngƣời thân

trong gia đình đã luôn bên tôi động viên, khuyến khích tôi trong suốt quá trình Học tập

và thực hiện nghiên cứu hoàn thành Luận văn tốt nghiệp.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 8 năm 2021

Học viên

Nguyễn Huy Phước

iii

TÓM TẮT

Học viên đã tìm hiểu quá trình phát triển của Kết cấu thép trong ngành Xây dựng .

Bên cạnh những thành đạt đƣợc thì vẫn còn một số vấn đề của Kết cấu cần quan tâm,

nổi bật hơn hết là vấn đề về ổn định, không ít công trình đã bị hƣ hỏng, phá hoại vì vấn

đề này. Bên cạnh đó, việc phân tích nội lực để phục vụ công tác thiết kế vẫn dùng

phƣơng pháp truyền thống đó là phân tích tuyến tính đã đƣợc giới thiệu ở bậc đại học.

Phân tích tuyến tính đơn giản hơn các dạng phân tích khác nên nó không xác định đƣợc

tải trọng giới hạn ổn định cũng nhƣ không mô phỏng đƣợc ứng xử của kết cấu khi chịu

tải trọng gần với thực tế.

Hệ giằng là dạng kết cấu thứ cấp hiệu quả để tăng khả năng ổn định của kết cấu

thƣờng đƣợc sử dụng phổ biến. Các nghiên cứu về ổn định của Kết cấu thép trƣớc đây

đã đƣợc thực hiện bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau, vẫn không ngừng diễn ra.

Trong luận văn này, học viên sử dụng phần mềm SAP2000v22 để phân tích phi tuyến

kết cấu thép so với kết quả của các nghiên cứu trƣớc đây, đồng thời khảo sát sự ảnh

hƣởng của hệ giằng đến tải trọng ổn định nhƣ thế nào cũng nhƣ so sánh thiết kế trong

trƣờng hợp phân tích tuyến tính với phân tích phi tuyến.

Kết quả đạt đƣợc là có đƣợc cái nhìn bao quát hơn về các dạng phân tích Kết cấu

thép, phần mềm SAP2000v22 cho kết quả rất gần với các nghiên cứu trƣớc đây mà

không cần chia quá nhiều phần tử khi phân tích. Đánh giá đƣợc một số ảnh hƣởng của

hệ giằng khi phân tích để xác định tải trọng ổn định tới hạn. Cùng với đó là việc sử

dụng phân tích phi tuyến để thiết kế kết cấu thép.

iv

ABSTRACT

Author learned about the development process of Steel Structures in the

Construction industry. In addition to the achievements, there are still some structural

issues that need attention, most notably the problem of stability, many works have been

damaged or destroyed because of this problem. Besides, the analysis of internal forces

to serve the design work still uses the traditional method that is linear analysis

introduced at university level. Linear analysis is simpler than other types of analysis, so

it cannot determine the ultimate stable load nor simulate the behavior of the structure

when subjected to loads close to reality.

Bracing system is an effective form of secondary structure to increase the stability

of the commonly used structure. Stability studies of Structural Steel, previously carried

out by various methods, are still ongoing. In this thesis, author use SAP2000v22

software to analyze steel structure nonlinearly compared to the results of previous

studies, and also investigate the influence of bracing system on stable load as well as

like comparing the design in the case of linear analysis with nonlinear analysis.

The result is to have a generally view of the types of analysis of Steel Structures,

SAP2000v22 software gives results very close to previous studies without having to

divide too many elements when analyzing. Some effects of bracing system are

evaluated when analyzing to determine the ultimate stable load. In additon, we should

use nonlinear analysis to design steel structures.

v

MỤC LỤC

1.1. Giới thiệu chung

1.3. Mục tiêu nghiên cứu

1.4. Phạm vi nghiên cứu.

1.5. Ý nghĩa của nghiên cứu

3.1.2. Phân loại ổn định

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii

TÓM TẮT .......................................................................................................................iii

....................................................................................................................... v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ....................................................................................viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................xiv

CHƢƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ...........................................................................................1

.........................................................................................................1

..................................................................................................6

1.2. Xác định vấn đề cần nghiên cứu ............................................................................... 3

.................................................................................................. 8

............................................................................................. 8

CHƢƠNG 2: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ....................................................................9

CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................................. 17

3.1. Ổn định kết cấu ........................................................................................................17

3.1.1. Khái niệm về ổn định ............................................................................................17

2.2. Các nghiên cứu trong nƣớc ......................................................................................13

2.1. Các nghiên cứu trên thế giới ......................................................................................9

...................................................................................................19

3.1.3. Các phƣơng pháp phân tích ổn định .....................................................................22

vi

5.1. Phân tích ổn định khung thép

3.2. Một số dạng phân tích kết cấu..................................................................................23

3.2.1. Phân tích Tuyến tính .............................................................................................24

................................................................................................25

3.2.3. Phân tích Buckling ................................................................................................31

3.3. Hệ giằng ...................................................................................................................35

.....................................................................................35

3.2.2. Phân tích phi tuyến

......................................................................................................36

3.3.3. Một số tài liệu nền tảng .........................................................................................38

3.3.4. Các hệ số an toàn, hệ số �� .....................................................................................42

........................................................................................................50

...........................................................................................44

............................................................52

4.1. Quy trình nghiên cứu ................................................................................................52

4.2.1. Phân tích đàn hồi và phân tích không đàn hồi .......................................................52

4.2. Cách thực hiện phân tích kết cấu khung thép trên phần mềm SAP2000 v22 ...........52

3.3.1. Tại sao sử dụng hệ giằng?

3.3.2. Các dạng giằng

3.3.5. Một vài ví dụ tính toán

3.3.6. Bố trí hệ giằng

CHƢƠNG 4: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.2.2. Phân tích Buckling .................................................................................................59

4.3. Tổng kết chƣơng 4 ....................................................................................................61

CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ......................................................................62

....................................................................................62

5.1.1. Phân tích ổn định Cột thép .....................................................................................62

5.1.2. Phân tích ổn định Khung cổng Vogel ....................................................................70

vii

CHƢƠNG 6: SO SÁNH THIẾT KẾ THEO CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

KHÁC NHAU

6.1.1. Phân tích tuyến tính

6.2.1. Phân tích tuyến tính

7.1. Tóm tắt luận văn

7.4. Hƣớng phát triển của đề tài

TÀI LIỆU THAM KHẢO

5.2. Sự ảnh hƣởng của hệ giằng .......................................................................................82

5.1.3. Phân tích Khung thép 6 tầng Vogel .......................................................................74

5.1.4. Phân tích Khung không gian..................................................................................78

5.2.1. Phân tích Buckling .................................................................................................82

5.2.2. Phân tích không đàn hồi bậc hai ............................................................................95

5.3. Tổng kết chƣơng 5 ...................................................................................................101

………………………………………………………………………..102

6.1. Khung phẳng 5 tầng ............................................................................................... 102

............................................................................................. 102

6.1.2. Phân tích không đàn hồi bậc 2 ............................................................................ 104

6.2. Khung phẳng 10 tầng ............................................................................................. 105

............................................................................................. 105

6.2.2. Phân tích không đàn hồi bậc 2 ............................................................................ 107

CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................110

......................................................................................................110

7.2. Kết luận ...................................................................................................................110

7.3. Một số đề xuất. ........................................................................................................112

.................................................................................... 112

..............................................................................................114

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Nhà máy của William Strutt ở Derby (Anh).....................................................2

Hình 1.2 Công trình Wainwright .....................................................................................2

Hình 1.3 Tòa nhà Metropolian Life Insurance.................................................................2

Hình 1.4 Tòa nhà Empire State ........................................................................................2

Hình 1.5 Tòa nhà Burj Khalifa – Dubai...........................................................................2

Hình 1.6 Cầu Quebec sụp đổ năm 1907...........................................................................5

Hình 1.7 Mái nhà thi đấu Hartford năm 1978..................................................................5

Hình 1.8 Nhà xƣởng Cty Hafprodex................................................................................6

Hình 1.9 Cty Ta Hsing Erictric Wire & Cabre ................................................................6

Hình 3.1 Các dạng cân bằng vị trí (Zhang et al., 2017).................................................18

Hình 3.2 Các dạng tác động làm thay đổi trạng thái cân bằng (Chen and Lui, 1987)...19

Hình 3.3 Mất ổn định phân nhánh (Minas E. Lemonis, 2020) .....................................20

Hình 3.4 Các ứng xử sau khi phân nhánh (Wang and Wang, 2004) .............................20

Hình 3.5 Điểm giới hạn mất ổn định (Neville et al., 2018) ...........................................21

Hình 3.6 Ứng xử ổn định của tấm hình trụ.(Silvestre, 2008) ........................................22

Hình 3.7 Các cấp độ phân tích (William McGuire et al., 2000)....................................24

Hình 3.8 Hiệu ứng P-Delta của cột (Graham H. Powell, 2010) ....................................27

Hình 3.9 Ảnh hƣởng của hiệu ứng P-Delta trong quan hệ Lực-Biến dạng (Reinhorn et

al., 2010).........................................................................................................................28

Hình 3.10 Phân loại khớp theo độ cứng góc xoay (Jaspart, 2000) ................................29

ix

Hình 3.11 Ứng xử đàn hồi với dạng không hoàn hảo ban đầu.(Graham H. Powell,

2010)...............................................................................................................................34

Hình 3.12 Ứng xử không đàn hồi với dạng không hoàn hảo ban đầu.(Graham H.

Powell, 2010) .................................................................................................................34

Hình 3.13 Các dạng của hệ giằng: (a) tƣơng quan; (b) riêng lẻ; (c) liên tục; (d) phụ

thuộc (Ronald D. Ziemian, 2010) ..................................................................................37

Hình 3.14 Hệ giằng V ngƣợc .........................................................................................38

Hình 3.15 Hệ giằng V ....................................................................................................38

Hình 3.16 Hệ giằng chữ X .............................................................................................38

Hình 3.17 Hệ giằng K ....................................................................................................38

Hình 3.18 Hệ giằng chéo................................................................................................38

Hình 3.19 Hệ giằng cổng ...............................................................................................38

Hình 3.20 Hệ giằng tƣơng quan (Ronald D. Ziemian, 2010) ........................................39

Hình 3.21 Ảnh hƣởng của chuyển vị ban đầu (Ronald D. Ziemian, 2010)...................39

Hình 3.22 Thanh console có giằng.................................................................................42

Hình 3.23 Chuyển vị ban đầu (Ronald D. Ziemian, 2010)............................................44

Hình 3.24 Hệ giằng tƣơng quan chịu kéo ......................................................................44

Hình 3.25 Trƣờng hợp ba thanh giằng rời rạc (Ronald D. Ziemian, 2010)...................46

Hình 3.26 Giằng rời rạc ngay giữa cột...........................................................................46

Hình 3.27 Giằng liên tục ................................................................................................47

Hình 3.28 Giằng phụ thuộc: a) dạng dịch chuyển và không dịch chuyển; b) tác động

của độ cứng cột tƣơng đối..............................................................................................49

x

Hình 3.29 Giằng phụ thuộc ............................................................................................49

Hình 3.30 Hệ giằng ở giữa .............................................................................................51

Hình 3.31 Hệ giằng ở góc ..............................................................................................51

Hình 3.32 Hệ giằng ở biên .............................................................................................51

Hình 3.33 Hệ giằng kết hợp ...........................................................................................51

Hình 4.1 Khai báo thông số vật liệu thép.......................................................................53

Hình 4.2 Khai báo khớp dẻo ..........................................................................................53

Hình 4.3 Khai báo phân tích tuyến tính .........................................................................53

Hình 4.4 Khai báo phân tích Đàn hồi bậc 2 ...................................................................54

Hình 4.5 Khai báo phân tích Không đàn hồi bậc 1........................................................54

Hình 4.6 Khai báo phân tích Không đàn hồi bậc 2........................................................55

Hình 4.7 Gán khớp dẻo cho trƣờng hợp Phân tích không đàn hồi.................................55

Hình 4-8 Kết quả phân tích ............................................................................................56

Hình 4.9 Xuất kết quả phân tích sang Excel..................................................................57

Hình 4.10 Chọn dạng phân tích muốn xuất kết quả chuyển vị......................................57

Hình 4.11 Xuất kết quả chuyển vị theo từng bƣớc tải trọng đƣợc phân tích.................58

Hình 4.12 Trình tự xuất hiện khớp dẻo..........................................................................58

Hình 4.13 Hiện thị các khớp dẻo khi kết cấu mất ổn định.............................................59

Hình 4.14 Khai báo phân tích Buckling.........................................................................59

Hình 4.15 Xuất kết quả phân tích...................................................................................60

Hình 4.16 Kết quả thu đƣợc. ..........................................................................................60

xi

Hình 5.1 Sơ đồ tính của cột thép....................................................................................62

Hình 5.2 Các đƣờng cong Tải trọng – Chuyển vị (Đàn hồi bậc 2)................................63

Hình 5.3 Kết quả nghiên cứu trƣớc đây (Thai, 2012)....................................................64

Hình 5.4 Các đƣờng cong Tải trọng – Chuyển vị (Không đàn hồi bậc 2).....................64

Hình 5.5 Các đƣờng cong Tải trọng – Chuyển vị (Đàn hồi bậc 2)................................65

Hình 5.6 Kết quả nghiên cứu trƣớc đây (Thai, 2012)....................................................66

Hình 5.7 Các đƣờng cong Tải trọng – Chuyển vị (không đàn hồi bậc 2)......................66

Hình 5.8 Đƣờng cong Tải trọng – Chuyển vị của cột 1 đầu ngàm, 1 đầu khớp (Đàn hồi

bậc 2)..............................................................................................................................68

Hình 5.9 Dạng dao động và hệ số Buckling của cột 1 đầu ngàm, 1 đầu khớp ..............68

Hình 5.10 Đƣờng cong Tải trọng – Chuyển vị của cột 2 đầu khớp (Đàn hồi bậc 2).....69

Hình 5.11 Dạng dao động và hệ số Buckling của cột 2 đầu khớp .................................69

Hình 5.12 Mô hình khung cổng Vogel ..........................................................................70

Hình 5.13 Các đƣờng quan hệ giữa tải trọng-chuyển vị khung Cổng Vogel.................71

Hình 5.14 Vị trí Khớp dẻo (1 element ).........................................................................71

Hình 5.15 Vị trí Khớp dẻo (80 elements ) .....................................................................71

Hình 5.16 Tỉ lệ chảy dẻo tại các mặt cắt phần tử cột (Vogel, 1985) .............................71

Hình 5.17 Đƣờng cong Tải trọng – Chuyển vị khung cổng Vogel (Đàn hồi bậc 2)......73

Hình 5.18 Dạng dao động và hệ số Buckling khung cổng Vogel..................................73

Hình 5.19 Mô hình khung Vogel 6 tầng ........................................................................74

Hình 5.20 Các đƣờng cong Tải trọng-Chuyển vị Khung Vogel 6 tầng .........................75

Hình 5.21 Vị trí khớp dẻo (SAP2000v22) .....................................................................76