THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐẶNG VĂN LÝ

THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP - 60580208

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐẶNG VĂN LÝ

THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG SỬ
DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP - 60580208
Hướng dẫn khoa học:
TS LÊ ANH THẮNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2016
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Đặng Văn Lý

ii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Lê Anh Thắng đã giúp đỡ, hướng dẫn và cung
cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân
thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng của
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Xin cảm ơn tất cả
người thân trong gia đình đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành
luận văn.
Vì kiến thức và thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ có hạn nên không tránh
khỏi những hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô
giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2016

Đặng Văn Lý

iii


TÓM TẮT
Trong việc thiết kế kết cấu nói chung và kết cấu liên hợp thép – bê tông nói
riêng , đa số các kỹ sư thiết kế sử dụng phương pháp đúng dần với các thông số cần
thiết kế. Các thông số này thường được chọn theo kinh nghiệm của kỹ sư thiết kế và
nó ảnh hưởng rất nhiều đến giá thành của cấu kiện.
Để hạn chế vấn đề trên, một phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu liên hợp dựa
trên hàm mục tiêu về chi phí sử dụng thuật toán di truyền với sự hỗ trợ của phần
mềm Matlab được đề cập trong luận văn này. Dữ liệu đầu vào bao gồm: chiều rộng
W, chiều dài L của ô sàn, hoạt tải LL, tĩnh tải DL. Kết quả tính toán bao gồm các
thông số: kích thước dầm phụ, kích thước dầm chính, số lượng chốt liên kết trên
dầm chính, số lượng chốt liên kết trên dầm phụ, chiều cao sóng tole, loại bê tông,
độ dày bê tông, và số lượng dầm phụ. Với kết quả tính toán trên, chi phí vật liệu cho
ô sàn là thấp nhất.
Cuối cùng, tác giả lập bảng tra nhằm hỗ trợ các kỹ sư thiết kế có thể chọn sơ
bộ tiết diện dầm, chiều dày sàn, số lượng dầm phụ của hệ thống sàn liên hợp nếu
mục tiêu thiết kế là tiết kiệm chi phí vật liệu. Dựa vào đó các kỹ sư cũng có thể tính
khái toán chi phí vật liệu cho sàn liên hợp khi có kích thước ô sàn cũng như tải
trọng tác động.

iv





DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU
Fy

Cường độ chịu kéo của thép

Asc

Diện tích mặt cắt ngang của chốt chịu cắt

fc

Cường độ chịu nén của bê tông

densityconc

là trọng lượng riêng của bê tông

fu

Cường độ chịu kéo của thép làm chốt

Ec

Modun đàn hồi của bê tông

γv

Hệ số an toàn

ds

Đường kính chốt

Nr

Số liên kết chịu cắt trong 1 sóng tole

wr

Rộng trung bình của sóng tole

hr

Chiều cao của sóng tole

hs

Chiều cao chốt liên kết

R

hệ số suy giảm cường độ của chốt

csteel

Đơn giá thép hình

wtsteel

Tổng trọng lượng thép

deck

craw

Đơn giá thép sàn

wtdeck

Tổng khối lượng thép sàn

cCY

Đơn giá bê tông trên mỗi đơn vị thể tích

NCY

Tổng số thể tích bê tông cần thiết

cstud

Chi phí mỗi chốt

Nstud

Tổng số lượng chốt liên kết chịu cắt

ap

Gia tốc do cộng hưởng với tải trọng điều hòa

g

Gia tốc trọng trường
vi


P0

Tải trọng đi bộ

β

Tỷ lệ modun giảm chấn của sàn

W

Trọng lượng sàn

fn

Tần số tự nhiên của sàn

tribb

Khoảng cách các dầm phụ

LL

Hoạt tải

DL

Tĩnh tải

Vub

Lực cắt tối đa trong dầm phụ

M ub

momen tối đa trong dầm phụ

Qn

Cường độ của chốt liên kết

Vug

Lực cắt tối đa trong dầm chính

M ug

Momen tối đa trong dầm chính

R

Hệ số suy giảm cường độ của chốt liên kết

*

C

Khả năng chịu nén của sàn bê tông

Pyf

Khả năng chịu kéo của bản cánh dầm

Py

Khả năng chịu kéo của tiết diện dầm

Pyweb

Khả năng chịu kéo của bản bụng dầm

nc
M cap

Khả năng chịu uốn dầm không liên hợp

c
M cap

Khả năng chịu uốn dầm liên hợp

constr
δ lim
it

Chuyển vị giới hạn do tải trọng thi công

LL
δ lim
it

Chuyển vị giới hạn do hoạt tải

Φi

Giá trị phạt
vi


tw

Bề dày bản bụng tiết diện dầm

bf

Bề rộng bản cánh của tiết diện dầm

Sx

Modul dẻo theo phương trục x của tiết diện dầm

Ix

Momen quán trính theo phương trục x của tiết diện dầm

rx

Bán kính quán tính theo phương trục x của tiết diện dầm

Zx

Modun đàn hồi theo phương x của tiết diện dầm

Iy

Momen quán trính theo phương trục y của tiết diện dầm

Sy

Modul dẻo theo phương trục y của tiết diện dầm

ry

Bán kính quán tính theo phương trục y của tiết diện dầm

Zy

Modun đàn hồi theo phương y của tiết diện dầm

Δj

Chuyển vị của dầm

fj

Tần số dao động của dầm

de

Độ dày trung bình của bê tông

tribb

Khoảng cách giữa các dầm phụ

lineb

Tải trọng tác dụng lên dầm phụ

wtb

Trọng lượng dầm phụ

wt slab

Trọng lượng sàn bê tông

wtdeck

Trọng lượng sàn thép (tole)

n

Tỷ lệ modun đàn hồi

be

Chiều rộng của sàn tham gia làm việc

vi




Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong nước và ngoài
nước đã công bố
1.1.1. Giới thiệu
Nhu cầu xây dựng nhà cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ trên thể giới nói
chung và ở Việt Nam nói riêng. Khi sử dụng các giải pháp kết cấu bê tông cốt thép
thông thường, công trình nhà cao tầng đòi hỏi kích thước các cấu kiện kết cấu có
thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mỹ. Để
khắc phục các nhược điểm kể trên, giải pháp kết cấu liên hợp thép-bê tông (Steel
Reinforced Concrete - SRC) đã và đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên
thế giới cho các công trình nhà cao tầng. Mục đích của giải pháp này là tận dụng
các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý giữa vật liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu
liên hợp có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng
chống cháy. Bên cạnh đó, công trình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp sẽ đáp ứng
được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ.
Khi thiết kế kết cấu liên hợp thép - bê tông thường sử dụng phương pháp
thiết kế truyền thống “thử-sai” hay phương pháp đúng dần với các thông số như đặc
trưng vật liệu, tải trọng, chiều dày sàn, kích thước hình học của dầm thép, cường độ
và số lượng các chốt liên kết chịu cắt… Các thông số này thường được chọn theo
kinh nghiệm của kỹ sư thiết kế và nó ảnh hưởng rất nhiều đến giá thành của cấu
kiện. Để duy trì sự cạnh tranh do sự gia tăng của giá thành vật liệu, các nhà sản
xuất, thi công buộc phải giảm chi phí và rút ngắn thời gian thi công. Do vậy, xu

hướng thiết kế hiện đại là sử dụng phương pháp thiết kế tối ưu để xác định các
thông số thiết kế sao cho chi phí các cấu kiện là nhỏ nhất được áp dụng thay thế cho
phương pháp thiết kế truyền thống để góp phần giảm chi phí đầu tư xây dựng công
trình.

1