So sánh đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa hệ giàn không gian dạng phẳng và dạng vòm vượt nhịp lớn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
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

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM MỸ

Phản biện 1: GS.TS. Phạm Văn Hội
Phản biện 2: TS. Lê Anh Tuấn

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 7 tháng 7 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
 Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại
học Bách khoa - ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các kết cấu vượt nhịp 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...
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 án thạc sỹ.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu: Các khảo sát được thực hiện trên mô
hình (sử dụng phần mền thương mại) của giàn không gian dạng phẳng
và dạng vòm.

 Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát ứng xử của hai loại giàn không
gian dạng phẳng và dạng vòm từ đó so sánh và đánh giá hiệu quả kinh
tế và kỹ thuật.
3. Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp lý thuyết: Tìm kiếm và tập hợp tài liệu: nghiên
cứu và tìm hiểu 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

 Phương pháp số: Xây dựng mô hình số để khảo sát ứng xử của
giàn không gian dạng phẳng và dạng vòm.

 So sánh và đánh giá: Phân tích, so sánh và đánh giá kết quả.


2
4. Kết quả dự kiến

 Xác định được trạng thái ứng suất và biến dạng trong từng cấu
kiện của hai loại giàn không gian.

 Xác định được phân bố ứng suất trong các mắt giàn.
 Đánh giá và đề xuất giải pháp lựa chọn kết cấu giàn phù hợp
trong bài toán thiết kế
5. 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.


3
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


4
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
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...
Đối với Việt Nam, trên con đường công nghiệp hóa đất nước,
nhiều công trình vượt khẩu dộ có nhiều hình dáng đặc biệt, yêu cầu thi
công nhanh
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
1.4.1. Giàn lưới hai chiều hoặc ba chiều
1.4.2. Giàn không gian đơn, hai và ba lớp
1.5. MỘT SỐ LOẠI NÚT DÙNG CHO KẾT CẤU KHÔNG
GIAN


5
1.5.1. MERO
1.5.2. Liên kết nút Octatube và Tuball

1.6 NGUYÊN TẮC CẤU TẠO


6
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 0.1). Trong điều
kiện làm việc này, hệ thanh giàn khi làm việc chỉ chịu ảnh hưởng của
thành phần kéo và nén.

Hình 0.1. Nút giàn điển hình
2.2. HÌNH HỌC VÀ QUAN HỆ GIỮA BIẾN DẠNG-CHUYỂN VỊ
2.3. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG VÀ VÉC TƠ NỘI LỰC
2.3.1. Phương trình cân bằng
∑ 𝛿𝒑𝑇𝑣 𝒒𝑖 = ∑ ∫ 𝜎𝐺 𝛿𝜀𝑣 𝑑𝑉𝑜
𝑒

𝑒

=

∑ 𝛿𝒑𝑇𝑣
𝑒

(0.1)
∫ 𝜎𝐺 𝒃𝑑𝑉𝑜

2.3.2. Véc tơ lực nút

2.4. MA TRẬN ĐỘ CỨNG TIẾP TUYẾN


7
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).
Dựa vào cơ sở trên luận án tập trung phân tích nhằm đạt được các mục
tiêu sau:
 Cùng tải trọng tác dụng dạng kết cấu nào vượt nhịp được lớn
hơn.
 Cùng nhịp và tải trọng tác dụng dạng kết cấu nào tiêu tốn ít
vật liệu hơn.
 So sánh sự tập trung ứng suất tại nút giàn phẳng và giàn vòm.
 Kiến nghị việc lựa chọn kết cấu giàn phù hợp trong bài toán
thiết kế giàn 3D
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 (Error! Reference source not found.). Hình. 0.1
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 Error!

Reference source not found.) được sử dụng trong hệ thanh gối
đỡ hệ giàn. Loại thứ hai là thanh đường kính D90 × 3 (xem Error!

Reference source not found.) là hệ thanh giàn lớp dưới được
thiết kế chạy dọc và ngang qua thanh gối đỡ giàn. Loại còn lại là thanh


8
có đường kính D60 × 2.5 (xem Hình. 0.1) loại thanh này được sử dụng
cho tất cả các thanh còn lại của hệ giàn.

 Nhịp giàn: L thay đổi từ 15 mét đến 36 mét;
 Bước cột: b=6 mét.
 Cao cột H= 5,7 m
 Chiều cao giàn h =0,6 m

Hình0.2. 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


9
Hình 0.3. Mô hình hình học thiết kế giàn thép vòm được xây dựng
trong Abaqus
3.1.3. Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng lượn sóng

Hình 0.4. Mô hình hình học thiết kế giàn thép uốn lượn được xây
dựng trong Abaqus
3.2. VẬT LIỆU
3.2.1. Thép kết cấu
Tiêu chuẩn EN-1994-1-1 đưa ra mác thép thông thường:
3.2.2. Tôn định hình bằng thép của sàn liên hợp

 Tôn định hình phù hợp với tiêu chuẩn EN – 10147.
3.2.3. Quy đổi tương đương giữa TCVN và EC4 theo cường
độ tính toán
3.3. TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG

a. Tĩnh tải
b. Hoạt tải
c. Tải trọng gió
3.4. KẾT QUẢ VÀO THẢO LUẬN
Trong luận văn sử dụng phần mềm thương mại ABAQUS để
thực hiện công việc mô phỏng. Phần tử T3D2, đây là phần tử thanh
không gian 3D hai nút được sử dụng để phát sinh lưới cho 3 hệ giàn.


10
Kết quả phát sinh lưới cho 3 hệ giàn được cho trong Hình 0.5, Hình0.6
và Hình 0.7.

Hình 0.5. Mô hình phần tử hữu hạn của giàn thép được xây dựng
trong Abaqus

Hình0.6.Mô hình phần tử hữu hạn của giàn thép được xây dựng


11
trong Abaqus.

Hình 0.7 Mô hình phần tử hữu hạn của giàn thép được xây dựng
trong Abaqus.
3.4.1. Phân tích kết quả mô phỏng hệ giàn không gian phẳng

Hình 0.8. Sự phân bố ứng suất Von-Mises trong hệ giàn


12

Hình0.9. Sự phân bố ứng suất

 11 trong hệ giàn.

Hình 0.10. Sự phân bố biến dạng

11 trong hệ giàn


13
Biến dạng
0.000
1000000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025
1000000

Biến dạng thanh giàn lớp trên

Lực [N]

800000

600000

600000

400000

400000

200000

200000

0
-0.030

-0.025

-0.020

-0.015

-0.010

-0.005

Biến dạng

Hình 0.11. Quan hệ lực và biến dạng

Hình0.12.Chuyển vị theo phương X

0
0.000

Lực [N]

Biến dạng thanh giàn lớp dưới

800000


14

Hình0.13.Chuyển vị theo phương Y

Hình0.14.Chuyển vị theo phương Z


15
1600000

Nhịp L=15 [m]
Nhịp L=18 [m]

Nhịp L=21 [m]
Nhịp L=24 [m]
Nhịp L=30 [m]
Nhịp L=36 [m]

1400000
1200000

Lực [N]

1000000
800000
600000
400000
200000
0
0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Chuyển vị [m]

Hình 0.15. Tương quan giữa lực và chuyển vị khi nhịp giàn thay đổi.
3.4.2. Hệ giàn không gian vòm

Hình 0.16. Sự phân bố ứng suất Von-Mises trong hệ giàn.


16

Hình 0.17. Sự phân bố ứng suất

 11 trong hệ giàn.

Hình 0.18 Sự phân bố biến dạng

11 trong hệ giàn.


17

Hình0.19. chuyển vị theo phương X

Hình0.20. chuyển vị theo phương Y


18

Hình0.21.Chuyển vị theo phương Z
2500000

Nhịp L=15 [m]
Nhịp L=18 [m]
Nhịp L=21 [m]
Nhịp L=24 [m]
Nhịp L=30 [m]
Nhịp L=36 [m]

Lực [N]

2000000

1500000

1000000

500000

0
0.0

0.1

0.2

0.3

Chuyển vị [m]

Hình 0.22. Quan hệ lực-chuyển vị

0.4

0.5


19
Biến dạng
1500000

0.00
1500000

1250000

1250000

1000000

1000000

750000

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

Biến dạng thanh giàn lớp trên

750000

Biến dạng thanh giàn lớp dưới
500000

500000

250000

250000

0
0.00

0.01

0.02

0.03

0
0.04

Biến dạng

Hình 0.23. Quan hệ lực-biến dạng
3.4.3. Hệ giàn không gian lượn sóng

Hình 3.33. Sự phân bố ứng suất Von-Mises trong hệ giàn

Lực [N]

Lực [N]

-0.05


20

Hình 3.34. Sự phân bố ứng suất

 11 trong hệ giàn

Hình 3.35. Sự phân bố biến dạng

11 trong hệ giàn


21

Nhận thấy biểu đồ quan hệ lực - biến dạng của các thanh giàn
Biến dạng
0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

1000000

0.035

1000000

Biến dạng thanh giàn lớp trên
Biến dạng thanh giàn lớp dưới

800000

600000

600000

400000

400000

200000

200000

0
-0.035

-0.030

-0.025

-0.020

-0.015

-0.010

-0.005

Biến dạng

Hình 3.36. Quan hệ lực-biến dạng

Hình 3.37.Chuyển vị theo phương X

0
0.000

Lực [N]

Lực [N]

800000


22

Hình 3.38.Chuyển vị theo phương Y

Hình 3.39.Chuyển vị theo phương Z


23
Nhịp L=15 [m]
Nhịp L=18 [m]
Nhịp L=21 [m]
Nhịp L=24 [m]
Nhịp L=30 [m]
Nhịp L=36 [m]

1600000
1400000

Lực [N]

1200000
1000000
800000
600000
400000
200000
0
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

Chuyển vị [m]

Hình 3.40. Quan hệ lực-chuyển vị.
3.4.4. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa các hệ giàn

Dựa trên cơ sở tính toán, áp dụng và phân tích kết quả từ mô
phỏng bằng phương pháp số, kết quả nghiên cứu đã chỉ ra một số ưu
nhược điểm của việc sử dụng một số loại hệ giàn không gian. Từ đó,
tác giả tiến hành so sánh, đánh giá và kết luận về hiệu quả kinh tế kỹ
thuật giữa hệ giàn không gian dạng phẳng và dạng vòm vượt nhịp lớn