Nghiên cứu tính toán, thiết kế và thí nghiệm dàn thép

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 Ptt (đặt tại các nút dàn): tt ttP q B (0.1) Trong đó: KHOA HỌC SINH VIÊN Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 230 qtt: tải trọng phân bố đều trên dàn B: bước dàn L P t P t 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: + λgt = 6080 (đối với thanh cánh) + λgt =100120 (đối với thanh bụng) Diện tích cần thiết Act của tiết diện thanh: c ct f NA   (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 Act (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 AA  (2.3) Từ số hiệu thép đã chọn, tra được các đặt trưng hình học ix, iy, Ag (Ag  Act/2). Kiểm tra tiết diện đã chọn: cfA N     min (2.4) Trong đó: A: diện tích tiết diện (A = 2Ag); φmin: hệ số uốn dọc nhỏ nhất tra bảng theo λmax và f. λmax = max (λx, λy) và λmax  [λ] 2.3.2. Chọn và kiểm tra tiết diện thanh chịu kéo Diện tích cần thiết Act của tiết diện thanh: c ct f NA   (2.5) Có Act (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: ix, iy, Ag Kiểm tra tiết diện đã chọn: c n f A N   (2.6) Với: An 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: tcmg 0,074 kN/m2; 1,3p  ; 1,05g  .Độ võng cho phép của dầm 1 2 0 0L      . Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 231 Bảng 0.1. Số liệu tính bài toán 1 STT L (m) D (m) H1 (m) H2 (m) tc mp (kN/m2) 1 9 1,5 0,5 0 0,2 L H 1 dddddd 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 1 1 -74,71 -74,71 2 2 -59,77 -59,77 3 3 -44,82 -44,82 4 4 0,00 0,00 5 5 -14,94 -14,94 6 6 1,65 1,65 7 7 -15,21 -15,21 8 8 6,60 6,60 9 9 74,25 74,25 10 10 74,25 74,25 11 11 59,40 59,40 Bảng 0.3. Kết quả tính toán bài toán 1 Thanh Lực dọc (kN) λgt Act cm2 Số hiệu Thép góc 2Ag (cm2) ix (cm ) iy (cm) lx (cm) ly (cm) λmax φmin   daNcm fc daN/c m2 Kết luận Nén Kéo 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:  tc mg 0,074 kN/m2 ; 1,3p  ; 1,05g  . Độ võng cho phép của dầm 1 2 0 0L      Bảng 0.4. Số liệu tính bài toán 2 STT L (m) D (m) H1 (m) H2 (m) tc mp (kN/m2) 1 6 1,5 0,75 0,5 0,3 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 232 L H 2 H 1 dddd 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 1 1 -2,23 -2,23 2 2 0,00 0,00 3 3 -32,25 -32,25 4 4 -32,25 -32,25 5 5 -35,84 -35,84 6 6 -26,04 -26,04 7 7 14,14 14,14 8 8 -4,46 -4,46 9 9 -5,95 -5,95 10 10 -1,10 -1,10 11 11 1,49 1,49 12 12 20,83 20,83 13 13 20,83 20,83 Bảng 0.6. Kết quả tính toán bài toán 2 Thanh Lực dọc (kN) λgt Act cm2 Số hiệu thép góc 2Ag (cm 2) ix (cm) iy (cm) lx (cm) ly (cm) λmax φmin  daN/c m2 fc daN/c m2 Kết luận Nén Kéo 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 1 3 0,6 0,4 2L50x5 P tt P tt L d d d d d d d d d H 1 Hình 0.5 Sơ đồ tính bài toán 3 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 233 1 2 4 5 6 7 3 8 9 10 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/cm2) Nội lực Sai số (%) Phương pháp N (kN) 1 10,81 -1,21E-04 -1,076 Thí nghiệm -10,33 60,76 Lý thuyết -4,054 2 14,39 -1,70E-04 -1,512 Thí nghiệm -14,52 62,83 Lý thuyết -5,396 3 20,77 -2,52E-04 -2,244 Thí nghiệm -21,54 63,84 Lý thuyết -7,789 4 30,44 -3,86E-04 -3,441 Thí nghiệm -33,04 65,45 Lý thuyết -11,42 5 36,02 -4,73E-04 -4,218 Thí nghiệm -40,49 66,64 Lý thuyết -13,51 6 40,47 -5,50E-04 -4,907 Thí nghiệm -47,11 67,78 Lý thuyết -15,18 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 234 Bảng 0.9. Nội lực thanh số 5 Thanh số 5 STT Cấp tải (kN) Biến dạng Ứng suất (kN/cm2) Nội lực Sai số (%) Phương pháp N (kN) 1 10,81 -1,21E-04 -1,08 Thí nghiệm -10,37 34,83 Lý thuyết -6,756 2 14,39 -1,70E-04 -1,513 Thí nghiệm -14,52 38,06 Lý thuyết -8,994 3 20,77 -2,52E-04 -2,248 Thí nghiệm -21,58 39,84 Lý thuyết -12,98 4 30,44 -3,86E-04 -3,442 Thí nghiệm -33,04 42,43 Lý thuyết -19,03 5 36,02 -4,73E-04 -4,218 Thí nghiệm -40,49 44,40 Lý thuyết -22,51 6 40,47 -5,50E-04 -4,905 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/cm2) 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 4 30,44 6,24E-04 5,565 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 6 40,47 8,43E-04 7,518 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 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 235 phần 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.