Tải bản đầy đủ

Phân tích động lực học của khung dầm FGM chịu tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
-------------------

NGUYỄN QUANG HUÂN

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KHUNG DẦM FGM
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
-------------------

NGUYỄN QUANG HUÂN


PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KHUNG DẦM FGM
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Ngành: Cơ kỹ thuật
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 8520101.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH KIÊN

Hà Nội - 2018


i

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS.
Nguyễn Đình Kiên. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Thầy, người đã
tận tâm giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu.
Trong quá trình thực hiện Luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp
đỡ, tạo điều kiện của tập thể Lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ, chuyên viên
của Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc
gia Hà Nội; tập thể Ban lãnh đạo, cán bộ Viện Cơ học. Tôi xin bày tỏ lòng
cảm ơn chân thành về những sự giúp đỡ đó.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các nghiên cứu viên phòng Cơ học vật
rắn, Viện Cơ học; anh chị em trong nhóm Seminar đã giúp đỡ, chia sẻ kinh
nghiệm cho tôi trong quá trình thực hiện Luận văn.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình đã
chia sẻ, động viên, giúp đỡ để tôi hoàn thành Luận văn này.

Tác giả

Nguyễn Quang Huân


ii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên

Nguyễn Quang Huân


iii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... v
Danh mục các hình vẽ ........................................................................................ viii
Danh mục các bảng ............................................................................................... x
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
Chương 1 - CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT ......................................................................... 4
1.1. Quá trình phát triển các phương pháp ....................................................... 4
1.2. Một số phương pháp tính toán .................................................................. 5
1.2.1. Phương pháp tính toán tĩnh tương đương ......................................... 5
1.2.2. Phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến ............................................... 6
1.2.3. Phương pháp phân tích dạng dao động và phổ phản ứng ................. 6
1.2.4. Phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động ........... 7
1.3. Kết luận chương 1 ..................................................................................... 7
Chương 2 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ TÍNH TOÁN
ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KHUNG, DẦM 2D-FGM CHỊU TẢI
TRỌNG ĐỘNG ĐẤT ........................................................................................... 8
2.1. Dầm 2D-FGM ........................................................................................... 8
2.2. Các phương trình cơ bản ........................................................................... 9
2.3. Chuyển vị nút và nội suy ........................................................................ 11
2.4. Ma trận độ cứng ...................................................................................... 13
2.5. Ma trận khối lượng.................................................................................. 14
2.6. Phương pháp tích phân trực tiếp ............................................................. 15
2.7. Kết luận chương 2 ................................................................................... 19
Chương 3 - TÍNH TOÁN SỐ VÀ THẢO LUẬN............................................... 20
3.1. Kiểm tra chương trình tính toán .............................................................. 20
3.2. Cột 2D-FGM ........................................................................................... 24
3.3. Khung giản đơn ....................................................................................... 27
3.4. Khung nhiều tầng .................................................................................... 30


iv
3.5. Khung bất đối xứng................................................................................. 33
3.6. Kết luận chương 3 ................................................................................... 36
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 37
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN VĂN ........................................................................................................ 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 39
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 41


v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu thông thường
A11

Độ cứng dọc trục

A12

Độ cứng tương hỗ dọc trục - uốn

A22

Độ cứng chống uốn

A33

Độ cứng chống trượt

b
Ec1

Chiều rộng dầm
Mô-đun đàn hồi của gốm 1

Ec 2

Mô-đun đàn hồi của gốm 2

E m1

Mô-đun đàn hồi của kim loại 1

Em 2

Mô-đun đàn hồi của kim loại 2

E ( x, z )

Mô-đun đàn hồi hữu hiệu

Gc1

Mô-đun trượt của gốm 1

Gc 2

Mô-đun trượt của gốm 2

G m1

Mô-đun trượt của kim loại 1

Gm 2

Mô-đun trượt của kim loại 2

G ( x, z )

Mô-đun trượt hữu hiệu

h
I11

Chiều cao dầm
Mô-men khối lượng dọc trục

I12

Mô-men khối lượng tương hỗ dọc trục-quay

I 22

Mô-men khối lượng quay (của thiết diện ngang)

l
L
n
nx

Chiều dài một phần tử dầm
Chiều dài dầm
Chỉ số mũ (tham số vật liệu)
Chỉ số mũ (tham số vật liệu theo chiều dài)

nz

Chỉ số mũ (tham số vật liệu theo chiều cao)

nELE
P
Pc1
Pc2
Pm1
Pm2

Số lượng phần tử rời rạc khung, dầm
Tính chất hữu hiệu của FGM
Tính chất vật liệu của gốm 1
Tính chất vật liệu của gốm 2
Tính chất vật liệu của kim loại 1
Tính chất vật liệu của kim loại 2


vi
Vc1

Tỷ phần thể tích gốm 1

Vc 2

Tỷ phần thể tích gốm 2

Vm1

Tỷ phần thể tích kim loại 1

Vm 2

Tỷ phần thể tích kim loại 2

T
Te

Động năng của khung, dầm
Động năng của phần tử

u0

Chuyển vị dọc trục của một điểm nằm trên mặt giữa

U
Ue

Năng lượng biến dạng đàn hồi
Năng lượng biến dạng đàn hồi của phần tử

w0

Chuyển vị ngang của một điểm nằm trên mặt giữa

Véc-tơ và ma trận

d
D
D
D
Dg

Véc-tơ chuyển vị nút phần tử
Véc-tơ chuyển vị nút tổng thể
Véc-tơ vận tốc nút tổng thể
Véc-tơ gia tốc nút tổng thể
Véc-tơ gia tốc nền tổng thể

I
kg
K
K ef
mg
M
Nu

Véc-tơ ảnh hưởng
Ma trận độ cứng phần tử
Ma trận độ cứng tổng thể
Ma trận độ cứng hữu hiệu
Ma trận khối lượng phần tử
Ma trận khối lượng tổng thể
Ma trận các hàm nội suy cho chuyển vị dọc trục

Nw

Ma trận các hàm nội suy cho chuyển vị ngang

N

Ma trận các hàm nội suy cho góc quay θ

S

Ma trận chuyển tọa độ

Chữ cái Hy Lạp

 xx

Biến dạng dọc trục

 xz

Biến dạng trượt

, 


Hệ số cản Rayleigh
Tỉ lệ cản


vii





t
T
 xx

Góc quay của thiết diện ngang
Hệ số điều chỉnh trượt
Tham số trượt
Hệ số (trong thuật toán Newmark)
Bước thời gian
Tổng thời gian
Ứng suất dọc trục

 xz

Ứng suất trượt

, 


viii
Danh mục các hình vẽ
Hình 2.1. Mô hình dầm 2D-FGM ....................................................................... 8
Hình 2.2. Tỉ phần thể Vc1 và Vc2 khi nz, nx thay đổi .............................................. 9
Hình 2.3. Gia tốc nền ghi nhận được của trận động đất El Centro ................... 17
Hình 2.4. Sơ đồ khối của thuật toán .................................................................. 18
Hình 3.1. Kết cấu khung, dầm 2D-FGM được nghiên cứu ............................... 20
Hình 3.2. Chuyển vị ngang tương đối theo thời gian tại đỉnh cột...................... 21
Hình 3.3. Vận tốc theo thời gian tại đỉnh cột ..................................................... 22
Hình 3.4. Không gian pha của chuyển vị ngang tương đối và vận tốc tại đỉnh cột
............................................................................................................................. 22
Hình 3.5. Chuyển vị ngang tương đối theo thời gian tại đỉnh A của khung ...... 23
Hình 3.6. Vận tốc theo thời gian tại đỉnh A của khung ..................................... 23
Hình 3.7. Gia tốc theo thời gian tại đỉnh A của khung ...................................... 24
Hình 3.8. Chuyển vị ngang tương đối theo thời gian tại đỉnh cột (nz = 0.5) ...... 24
Hình 3.9. Vận tốc theo thời gian tại đỉnh cột (nz = 0.5) ...................................... 25
Hình 3.10. Gia tốc theo thời gian tại đỉnh cột (nz = 0.5) .................................... 25
Hình 3.11. Chuyển vị ngang tương đối theo thời gian tại đỉnh cột (nx = 0.5) .... 26
Hình 3.12. Vận tốc theo thời gian tại đỉnh cột (nx = 0.5) ................................... 26
Hình 3.13. Gia tốc theo thời gian tại đỉnh cột (nx = 0.5) .................................... 27
Hình 3.14. Chuyển vị ngang tương đối theo thời gian tại đỉnh A của khung (nz =
0.5) ....................................................................................................................... 27
Hình 3.15. Vận tốc theo thời gian tại đỉnh A của khung (nz = 0.5) .................... 28
Hình 3.16. Gia tốc theo thời gian tại đỉnh A của khung (nz = 0.5)..................... 28
Hình 3.17. Chuyển vị ngang tương đối theo thời gian tại đỉnh A của khung (nx =
0.5) ....................................................................................................................... 29
Hình 3.18. Vận tốc theo thời gian tại đỉnh A của khung (nx = 0.5).................... 29
Hình 3.19. Gia tốc theo thời gian tại đỉnh A của khung (nx = 0.5) .................... 30
Hình 3.20. Chuyển vị ngang tương đối theo thời gian tại đỉnh B của khung (nz =
0.5) ....................................................................................................................... 30
Hình 3.21. Vận tốc theo thời gian tại đỉnh B của khung (nz = 0.5) .................... 31
Hình 3.22. Gia tốc theo thời gian tại đỉnh B của khung (nz = 0.5) ..................... 31


ix
Hình 3.23. Chuyển vị ngang tương đối theo thời gian tại đỉnh B của khung (nx =
0.5) ....................................................................................................................... 32
Hình 3.24. Vận tốc theo thời gian tại đỉnh B của khung (nx = 0.5) .................... 32
Hình 3.25. Gia tốc theo thời gian tại đỉnh B của khung (nx = 0.5) ..................... 33
Hình 3.26. Chuyển vị ngang tương đối theo thời gian tại đỉnh C của khung (nz =
0.5) ....................................................................................................................... 33
Hình 3.27. Vận tốc theo thời gian tại đỉnh C của khung (nz = 0.5) .................... 34
Hình 3.28. Gia tốc theo thời gian tại đỉnh C của khung (nz = 0.5) ..................... 34
Hình 3.29. Chuyển vị ngang tương đối theo thời gian tại đỉnh C của khung (nx =
0.5) ....................................................................................................................... 35
Hình 3.30. Vận tốc theo thời gian tại đỉnh C của khung (nx = 0.5) .................... 35
Hình 3.31. Gia tốc theo thời gian tại đỉnh C của khung (nx = 0.5) ..................... 36


x
Danh mục các bảng
Bảng 3.1. Tính chất vật liệu thành phần cho khung, dầm 2D-FGM .................. 20
Bảng 3.2. So sánh tần số và phản ứng của cột thép .......................................... 21


1

MỞ ĐẦU

1.

Tổng quan

Vật liệu có cơ tính biến đổi (Functionally Graded Material - FGM) được các
nhà khoa học Nhật Bản khởi tạo lần đầu tiên ở Sendai vào năm 1984 có khả năng
ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như hàng không vũ
trụ, đóng tàu, ô tô, quốc phòng, xây dựng, sản xuất đồ gia dụng... FGM có thể
xem như là một loại vật liệu composite mới, thường được tạo từ gốm và kim loại,
với tỷ phần thể tích của các vật liệu thành phần thay đổi liên tục theo một hoặc
vài hướng không gian mong muốn. Do sự thay đổi liên tục của vật liệu thành phần,
các tính chất hữu hiệu của FGM là hàm liên tục của các biến không gian, vì thế
FGM không có các nhược điểm thường gặp trong vật liệu composite truyền thống
như sự tập trung ứng suất, tách lớp... và có khả năng ứng dụng trong các môi
trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, tính mài mòn và ăn mòn của a-xít. Trên quan
điểm động lực học, sự kết hợp các ưu điểm về độ bền cao, tỷ trọng thấp của gốm
với độ dai và khả năng chịu va đập tốt của kim loại giúp cho FGM có tiềm năng
là vật liệu kết cấu chịu tải trọng động nói chung và tải trọng động đất nói riêng.
Các kết quả về phân tích dao động của kết cấu FGM đã chỉ ra rằng ứng xử
động lực học của kết cấu FGM được cải thiện đáng kể so với kết cấu truyền thống
làm từ các vật liệu thuần nhất [8, 13]. Với khả năng chịu được nhiệt độ cao, vật
liệu FGM được sử dụng rộng rãi để làm các phần tử kết cấu trong ngành công
nghiệp hạt nhân [9], nơi mà các kết cấu chịu kích động của động đất luôn là vấn
đề đặt ra và được sự quan tâm của các nhà khoa học.
Trong nhiều tình huống thực tế, các tải trọng cơ và nhiệt có thể thay đổi theo
nhiều phương khác nhau của kết cấu [12], vì thế việc phát triển các vật liệu có cơ
tính biến đổi theo các hướng khác nhau là nhu cầu của thực tế, có ý nghĩa khoa
học, giúp cho việc tối ưu hóa kết cấu. Nghiên cứu ứng xử cơ học của dầm làm từ
vật liệu FGM có cơ tính biến đổi theo hai chiều (dầm 2D-FGM), chiều cao và
chiều dài dầm, đã được một số tác giả quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần
đây, điển hình là các tài liệu [14, 15, 16]. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu về
ứng xử của dầm 2D-FGM mới chỉ dừng lại ở phân tích dao động tự do hay mất
ổn định của dầm. Một số nghiên cứu đã đề cập tới ứng xử động lực học của dầm,
tuy nhiên các tính chất của vật liệu được giả định tuân theo quy luật hàm số Euler,
trường hợp đơn giản nhất của quy luật phân bố vật liệu FGM.


2
2.

Định hướng và nội dung nghiên cứu

Từ các phân tích nêu trên ta thấy rằng, nghiên cứu ứng xử động lực học của
dầm 2D-FGM với các tính chất vật liệu tuân theo quy luật hàm số lũy thừa vẫn
chưa được xét đến. Liên quan đến kết cấu khung, dầm 2D-FGM chịu tải trọng
động đất, theo hiểu biết của tác giả, hiện chưa có nghiên cứu nào về bài toán này.
Vì lý do này, việc đánh giá ảnh hưởng của sự phân bố vật liệu đến đáp ứng động
lực học của khung, dầm 2D-FGM chịu tải trọng động đất mà Luận văn này quan
tâm nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Trong Luận văn này, các khung dầm giả định được tạo thành từ vật liệu FGM
có cơ tính biến đổi theo hai chiều, tức là tính chất vật liệu của khung, dầm FGM
được biến đổi theo cả chiều cao và chiều dài dầm theo quy luật hàm lũy thừa.
Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên lý thuyết biến dạng trượt bậc nhất được
sử dụng kết hợp với phương pháp tích phân trực tiếp NewMark để tính toán đáp
ứng động lực học của kết cấu. Các đáp ứng động của kết cấu bao gồm sự phụ
thuộc của chuyển vị, vận tốc và gia tốc theo thời gian dưới tác động của trận động
đất El Centro được nghiên cứu. Ảnh hưởng của sự phân bố vật liệu tới đáp ứng
động lực học của các kết cấu được tính toán và đánh giá.
Từ định hướng nghiên cứu nêu trên, luận văn sẽ tiến hành thực hiện các
nhiệm vụ cụ thể sau đây:
1) Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn để nghiên cứu ứng xử động lực học của
khung, dầm FGM chịu tải trọng động đất.
2) Tìm hiểu và ứng dụng phương pháp tích phân trực tiếp trong phân tích kết cấu
chịu tải trọng động đất.
3) Phát triển chương trình tính toán dựa trên mô hình phần tử hữu hạn và thuật
toán nói trên và ứng dụng để tính toán đáp ứng động lực học cho một số khung,
dầm 2D-FGM cụ thể. Trên cơ sở kết quả số nhận được rút ra các nhận xét về
ảnh hưởng của sự phân bố vật liệu tới đáp ứng động lực học của kết cấu khung,
dầm 2D-FGM.
3.

Bố cục của luận văn

Ngoài phần Mở đầu, Luận văn gồm ba chương và phần Kết luận cùng với
các tài liệu tham khảo. Các công trình của tác giả liên quan được liệt kê ở cuối
Luận văn. Nội dung chính của các chương như sau:
 Chương 1 - Trình bày các phương pháp phân tích ứng xử của kết cấu chịu
tải trọng động đất.
 Chương 2 - Trình bày mô hình kết cấu khung, dầm 2D-FGM. Các phương
trình cơ bản, biểu thức năng lượng cho dầm 2D-FGM. Xây dựng mô hình


3
phần tử hữu hạn để tính toán đáp ứng động lực học của khung, dầm 2DFGM chịu tải trọng động đất. Biểu thức cụ thể cho ma trận độ cứng và
ma trận khối lượng cho phần tử dầm 2D-FGM được xây dựng từ các biểu
thức năng lượng.
 Chương 3 - Thực hiện tính toán số cho một số kết cấu khung, dầm 2DFGM cụ thể. Xem xét ảnh hưởng của sự phân bố vật liệu tới ứng xử động
lực học của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động đất được thảo luận
chi tiết.


4
Chương 1
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
1.1.

Quá trình phát triển các phương pháp

Trong những năm cuối thế kỷ XIX - đầu của thế kỷ XX, sau các trận động ở
Nobi (Nhật Bản – 1891) và San Francisco (1906), hai nhà khoa học Nhật Bản là
Omori và Sano đã đề xuất lý thuyết tính toán tĩnh để xác định tải trọng động đất
lên kết cấu công trình. Theo phương pháp này, toàn bộ công trình xây dựng được
xem như một vật thể cứng tuyệt đối đặt trên nền đất. Khi có động đất xảy ra, các
đặc trưng như chuyển vị ngang, vận tốc và gia tốc tại bất kỳ vị trí nào trên công
trình cũng bằng các đặc trưng dao động nền tại chân công trình. Với giả thiết này,
tải trọng động đất lên công trình được xác định theo biểu thức [4]:
x
F  Ms x0,max  0,max Q  KsQ
(1.1)
g
trong đó: M và Q lần lượt là khối lượng và trọng lượng của kết cấu công trình
x0,max : gia tốc cực đại của nền đất dưới chân công trình.
g: gia tốc trọng trường.
Ks: hệ số địa chấn.
Không lâu sau khi lý thuyết tính toán tĩnh này xuất hiện, việc phân tích tác
động của động đất lên kết cấu công trình đã làm nổi lên một số nhược điểm trong
phương pháp của Omori. Đầu tiên, có rất ít kết cấu có thể được xem là cứng tuyệt
đối. Khi nền đất chuyển động, đa số các công trình đều biến dạng nên chuyển vị
và gia tốc tại các vị trí khác nhau trên công trình là khác nhau, thậm chí còn lớn
hơn chuyển vị và gia tốc nền đất dưới chân công trình. Tiếp theo, chu kỳ dao động
tự nhiên của hệ kết cấu trùng hoặc gần trùng với chu kỳ dao động của nền đất thì
có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng làm hiệu ứng tác động của động đất tăng lên
nhiều lần. Tiếp đến là chưa xét đến độ cản của kết cấu trong quá trình dao động.
Năm 1920, nhà khoa học Nhật Mononobe đã đề nghị đưa các tính chất biến
dạng của kết cấu vào trong tính toán tác động động đất. Ông xem kết cấu như một
hệ có một bậc tự do dao động không có lực cản và giả thiết trong thời gian xảy ra
động đất, nền đất chuyển động theo quy luật điều hòa sau [4]:
x0 (t )  x0,max sin(t )

(1.2)

Trong phương pháp của mình, Mononobe chỉ xét tới phần dao động cưỡng bức
của hệ kết cấu và đã thu được hệ số khuyếch đại động có dạng sau:


5



1
T2
1 2
T0

(1.3)

trong đó: T, T0 lần lượt là chu kỳ dao động của kết cấu và chu kỳ dao động của
nền đất (T0 có giá trị từ 0.8s ~ 1s).
Trên cơ sở hệ số động đất này, tác động động đất lớn nhất lên hệ kết cấu được xác
định theo biểu thức [4]:
F   Ms x0,max  

x0,max
Q   KsQ
g

(1.4)

Tuy nhiên Mononobe đã bỏ qua lực cản, chưa xét đến lực động đất sẽ tăng thêm
khi có tác dụng của dao động tự do và dao động cưỡng bức, phạm vi áp dụng cũng
cho kết cấu có 1 bậc tự do nhưng chưa giải quyết được sự phân bố động đất theo
chiều cao công trình (tức kết cấu có nhiều bậc tự do).
Năm 1927, nhà khoa học Nga Zavriev đã đưa ra các yếu tố quan trọng trong
dao động tự nhiên trong giai đoạn khởi đầu của tác động động đất [4]. Zavriev đã
đặt nền móng đầu tiên cho cơ sở lý thuyết động lực học trong tính toán tác động
động đất.
Năm 1934, nhà khoa học Mỹ Biot đã đề xuất phương pháp tính tải trọng
động đất bằng cách dùng các số liệu dao động nền đất thực ghi lại được khi động
đất xảy ra.
Năm 1949, Housner và Kahn đã đưa ra được cách xác định phổ gia tốc bằng
thiết bị tương tự điện.
Vào những thập niên 80 của thế kỷ XX, hàng loạt các kết quả nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm được thực hiện, quan điểm thiết kế kháng chấn mới được
hình thành. Theo các quan điểm mới này, các công trình được thiết kế sao cho có
khả năng chịu được các trận động đất vừa và nhỏ xuất hiện ngẫu nhiên mà công
trình không bị hư hỏng, khi gặp các trận động đất mạnh thì công trình không bị
sụp đổ.
1.2.

Một số phương pháp tính toán

1.2.1. Phương pháp tính toán tĩnh tương đương
Phương pháp tính toán tĩnh tương đương (còn gọi là phương pháp lực ngang
tương đương) là phương pháp tính toán đơn giản nhất trong số các phương pháp
được dùng để xác định phản ứng của kết cấu chịu tác động động đất. Phương pháp
này giả định rằng kết cấu làm việc đàn hồi tuyến tính, còn tính phi tuyến hình học
được xem xét tới một cách gián tiếp. Các tải trọng ngang tác động lên chiều cao


6
công trình được xem là tương đương với tác động động đất và được tổ hợp với
các tải trọng đứng (lực trọng trường).
Phương pháp này thường được sử dụng để thiết kế các công trình tương đối
đều đặn có chu kỳ cơ bản bằng khoảng 1.5 - 2s. Đối với các công trình có hình
dạng không đều đặn hoặc có chu kỳ dài cần sử dụng các phương pháp động chính
xác hơn như phân tích dạng hoặc phân tích lịch sử phản ứng không đàn hồi.
1.2.2. Phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến
Trong phương pháp này, sự phân bố giả định lực quán tính ngang được dựa
trên giả thiết cho rằng phản ứng của công trình được kiểm soát bởi một dạng dao
động duy nhất và hình dạng của dao động này giữ nguyên không đổi trong suốt
thời gian phản ứng. Thông thường, dạng dao động cơ bản được chọn là dạng phản
ứng trội của hệ nhiều bậc tự do động, ảnh hưởng của các dạng dao động khác
được xem là nhỏ và được bỏ qua. Phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến với phân
bố tải trọng ngang như vậy được gọi là phương pháp tính toán đẩy dần quy ước
và thường được dùng để tính toán phản ứng của các công trình có chiều cao thấp
và trung bình.
Do tính đơn giản và khả năng xác định với độ chính xác chấp nhận được quá
trình biến dạng của hệ kết cấu cũng như các bộ phận thành phần mà không cần
phải thực hiện việc mô hình hóa phức tạp và tính toán công phu như tính toán
động nên phương pháp tính toán đẩy dần được xem là một phương pháp hữu hiệu
và tiện lợi trong tính toán động.
1.2.3. Phương pháp phân tích dạng dao động và phổ phản ứng
Phản ứng của kết cấu có nhiều bậc tự do chịu tác động động đất có thể được
tính toán bằng cách phân tích hệ kết cấu thành nhiều hệ kết cấu có một bậc tự do
tương đương. Tính toán phản ứng mỗi hệ tương đương theo thời gian và sau đó
cộng đại số các phản ứng lại để được phản ứng của kết cấu ban đầu. Phương pháp
này được gọi là phương pháp phân tích dạng. Nếu việc tính toán chỉ nhằm xác
định các đại lượng phản ứng lớn nhất thì tác động động đất sẽ được cho dưới dạng
phổ phản ứng và kết quả tính toán theo phương pháp tích phân dạng dao động sẽ
là phản ứng lớn nhất của hệ kết cấu. Phương pháp tính toán này có tên gọi là
phương pháp phổ phản ứng. Phương pháp tích phân dạng dao động cũng như
phương pháp phổ phản ứng có những nhược điểm sau:
 Phụ thuộc vào việc tách một cách nhân tạo các dạng dao động.
 Phải tổ hợp các kết quả tính toán ở các dạng dao động lại theo nguyên tắc
cộng tác dụng nên chỉ giới hạn ở giai đoạn làm việc đàn hồi tuyến tính của
vật liệu.


7
 Không áp dụng được cho một số hệ kết cấu không sử dụng được kỹ thuật
phân tích dạng.
 Không cho các chỉ dẫn chính xác về sự hình thành khớp dẻo ở một số cấu
kiện.
1.2.4. Phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động
Phản ứng của các hệ kết cấu chịu tác động bất kỳ hoặc động đất có thể xác
định được bằng cách tích phân trực tiếp phương trình chuyển động theo thời gian.
Phương pháp này không cần thay đổi hoặc biến đổi các phương trình chuyển động
sang hệ có một hoặc nhiều bậc tự do như ở phương pháp tích phân dạng dao động.
Phương pháp tích phân trực tiếp theo thời gian xác định các giá trị gần đúng
của nghiệm đối với một tập hợp các giá trị thời gian T được lựa chọn. Có thể
tóm tắt nguyên tắc của phương pháp này như sau: (i) giả thiết các hàm mô tả sự
biến thiên của chuyển vị, vận tốc và gia tốc trong một khoảng thời gian và (ii) các
phương trình chuyển động không phải thỏa mãn ở tất cả ở mọi thời gian T mà
chỉ trong khoảng thời gian không đổi Δt. Khoảng thời gian này được gọi là bước
thời gian. Điều này cũng có nghĩa rằng điều kiện cân bằng tĩnh của các lực quán
tính, lực cản và lực đàn hồi với tải trọng tác động sẽ xảy ra ở nhiều bước thời gian
Δt, 2Δt, …, nΔt, …. Ở mỗi bước thời gian, phương trình chuyển động được giải
với các điều kiện ban đầu là chuyển vị, vận tốc được xác định ở bước trước đó.
Phương pháp tích phân trực tiếp theo thời gian có thể áp dụng cho các hệ kết cấu
tuyến tính lẫn phi tuyến nên có thể xem là phương pháp tổng quát duy nhất tính
toán phản ứng động của các hệ kết cấu chịu tải trọng bất kỳ.
1.3.

Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tóm lược lịch sử phát triển các phương pháp phân tích
ứng xử của kết cấu chịu tải trọng động đất. Đồng thời cũng đưa ra một số ưu
nhược điểm của các phương pháp đó.


8
Chương 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ TÍNH TOÁN
ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KHUNG, DẦM 2D-FGM
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
2.1.

Dầm 2D-FGM

Hình 2.1 minh họa dầm 2D-FGM với chiều dài L, chiều rộng b và chiều cao
h trong hệ tọa độ Đề-các (x, z). Hệ tọa độ (x, z) được chọn sao cho trục x trùng với
mặt giữa của dầm, trục z vuông góc với mặt giữa và hướng lên trên.

0

Hình 2.1. Mô hình dầm 2D-FGM
Dầm được giả định được tạo thành từ bốn vật liệu thành phần, cụ thể là gốm
1, gốm 2, kim loại 1 và kim loại 2. Tỉ lệ thể tích của các vật liệu thành phần phân
bố theo quy luật hàm lũy thừa như sau:

 z 1
Vc1    
h 2
  z 1
Vm1  1    
  h 2 

nz

nz

nz
nx
  x nx 
 z 1  x 
1     , Vc 2      
 h 2  L
  L  

  x 
 1   
   L 

nx


  z 1
 , Vm 2  1    

  h 2 

nz

 x 
 
  L 

nx

(2.1)

trong đó Vc1, Vc2, Vm1, Vm2 lần lượt là tỉ phần thể tích của vật liệu gốm 1, gốm 2,
kim loại 1 và kim loại 2; L và h tương ứng là chiều dài và chiều cao của dầm; nz
và nx là các tham số vật liệu. Hình 2.2 minh họa tỉ phần thể tích vật liệu gốm 1 và
gốm 2 khi nz và nx thay đổi.
Các tính chất hữu hiệu (P) của dầm (mô-đun đàn hồi, mật độ khối, …) có thể
được đánh giá theo mô hình Voigt:
P=Vc1Pc1 + Vc2Pc2 + Vm1Pm1 + Vm2Pm2

(2.2)

trong đó Pc1, Pc2, Pm1, Pm2 biểu thị các tính chất của vật liệu gốm 1, gốm 2, kim
loại 1, kim loại 2. Thay phương trình (2.1) vào phương trình (2.2) ta được:


9
(a) nz=nx=1/3

(b) nz =nx=1/3
1

Vc2

Vc1

1
0.5
0
0.5

z/h

0
0.5

1

0

0.5

-0.5 0

z/h

x/L

(c) nz=nx =3

0.5
-0.5 0

x/L

(d) nz=nx=3
1

Vc2

1

Vc1

1

0

0.5

0.5
0
0.5

1

0

z/h

0.5
0
0.5

0.5
-0.5 0

x/L

1

0

z/h

0.5
-0.5 0

x/L

Hình 2.2. Tỉ phần thể Vc1 và Vc2 khi nz, nx thay đổi
nz
nx
nz
nx

 z 1   x   
 z 1   x 
P( x, z )  ( Pc1  Pm1 )     1      ( Pc 2  Pm 2 )      
 h 2     L   
 h 2    L 


(2.3)

Từ phương trình (2.3), thành phần vật liệu chỉ là gốm 2 và kim loại 2 nếu
nx  0 . Khi đó thay phương trình (2.1) vào (2.3) ta thu được:
n

z
 z 1
P( x, z )  ( Pc 2  Pm 2 )     Pm 2
h 2

(2.4)

Còn khi nz = 0, thành phần vật liệu gồm có pha gốm 1 và gốm 2.
2.2.

Các phương trình cơ bản

Xét một phần tử dầm có chiều dài l, trong hệ tọa độ (x, z). Trục x được chọn
trùng mặt giữa của dầm. Dựa trên lý thuyết dầm Timoshenko, chuyển vị dọc trục
và chuyển vị ngang của một điểm bất kì trên dầm được cho bởi:

u ( x, z, t )  u0 ( x, t )  z  ( x, t)
w( x,z, t )  w0 ( x, t )

(2.5)

trong đó t là biến thời gian, u0 ( x, t ), w0 ( x, t ) tương ứng là chuyển vị dọc trục và
chuyển vị theo phương ngang của một điểm bất kì trên mặt giữa của dầm;  ( x, z )


10
là góc quay của thiết diện ngang của dầm. Biến dạng dọc trục (  xx ) và biến dạng
trượt (  xz ) thu được từ phương trình (2.5) có dạng:

 xx 

u0 ( x, t )
 ( x, t )
w ( x, t )
z
,  xz  0
  ( x, t )
x
x
x

(2.6)

Theo định luật Hook, ứng suất dọc trục và ứng suất trượt được xác định:

 xx  E ( x, z ) xx ,  xz   G ( x, z ) xz

(2.7)

trong đó E ( x, z ) và G ( x, z ) tương ứng là mô-đun đàn hồi và mô-đun trượt hữu
hiệu của dầm, ψ là hệ số hiệu chỉnh trượt và chọn bằng 5/6 cho mặt cắt hình chữ
nhật.
Năng lượng biến dạng đàn hồi (U) và động năng (T) có dạng:
L

1
U    A11u,2x  2 A12u, x, x  A22,2x   A33( w, x   ) 2 dx
20

(2.8)

L

1
T    I11 (u 2  w2 )  2 I12u  I 22 2 dx
20

(2.9)

Trong đó Aij là các độ cứng; Iij là các mô-men khối lượng và chúng được định
nghĩa trong phương trình theo công thức:

( A11 , A12 , A22 )   E ( x, z )(1, z, z 2 )dA ,
A

A33   G( x, z )dA

(2.10)

A



( I11 , I12 , I 22 )    ( x, z )(1, z, z 2 )dA

(2.11)

A

Thay biểu thức các tính chất hiệu dụng ở phương trình (2.3) vào phương trình
(2.10), ta có thể viết lại các độ cứng Aij theo dạng
n

A11  A

 (A

A

x
x
)  ,
L

A12  A

 (A

A

x
x
)  ,
L

c1m1
11

c1m1
11

c 2m2
11

n

c1m1
12

c1m1
12

c 2m 2
12

n

x
c1m1
c1m1
c 2m 2  x 
A22  A22  ( A22  A22 )   ,
L

A33  A

c1m1
33

 (A

c1m1
33

A

c 2m 2
33

x
) 
L

nx

(2.12)


11
c1m1
trong đó A11c1m1, A12c1m1, A22
và A33c1m1 là các độ cứng sinh ra bởi cặp vật liệu gốm 1
c 2 m2
c 2m2
và kim loại 1; A11c 2m2 , A12c 2m2 , A22
và A33
là các độ cứng được sinh ra bởi cặp vật

liệu gốm 2 và kim loại 2. Từ phương (2.12) có thể nhận thấy rằng tham số vật liệu
nx chỉ ảnh hướng tới số hạng thứ hai trong biểu thức của Aij và trong trường hợp
A12c1m1  A12c 2m2  0 thì độ cứng sẽ tăng khi tham số nx tăng. Cũng từ phương trình
(2.12), độ cứng phần tử dầm 2D-FGM sẽ biến đổi về dầm FGM thông thường khi
ta cho tham số nx = 0 hoặc bằng cách lựa chọn 2 vật liệu gốm và 2 kim loại giống
hệt nhau. Với tính chất hiệu dụng của dầm được đưa ra ở phương trình (2.4),
chúng ta có thể dễ dàng biểu diễn các độ cứng của dầm FGM một chiều ở dạng
hiển. Chẳng hạn như độ cứng Aijc1m1 (i, j = 1, 2) sẽ có biểu thức dạng hiển như sau:

bh( Ec1  nz Em1 )
;
(nz  1)

A11c1m1 
c1m1
12

bh 2 nz ( Ec1  Em1 )
;

2(nz  1)(nz  2)

c1m1
22

bh3 (nz2  nz  2)( Ec1  Em1 )
;

4(nz  1)(nz  2)(nz  3)

A
A

(2.13)

bh(Gc1  nzGm1 )
.
(nz  1)

A33c1m1 

Tương tự như các độ cứng Aijc1m1 và Aijc 2 m 2 , các mô-men khối lượng cũng có
thể được viết lại như sau:

I11  I

c1m1
11

I12  I

c1m1
12

I 22  I

c1m1
22

 (I

c1m1
11

 (I

c1m1
12

 (I

c1m1
22

I

c 2m 2
11

x
) 
L

I

c 2m 2
12

I

c 2m2
22

nx

x
) 
L

nx

x
) 
L

(2.14)
nx

trong đó Iijc1m1 và Iijc 2m2 tương ứng là các mô-men khối lượng sinh ra bởi cặp vật
liệu gốm 1, kim loại 1 và gốm 2, kim loại 2. Các biểu thức hiển của Iijc1m1 và Iijc 2m2
cũng có dạng tương tự như (2.13).
2.3.

Chuyển vị nút và nội suy

Phần tử dầm 2 nút, mỗi nút gồm 3 bậc tự do với chiều dài l. Véc-tơ chuyển
vị nút cho một phần tử khởi tạo (i, j) bao gồm các thành phần


12

d  ui

wi i u j  j

wj 

T

(2.15)

trong đó chỉ số trên ‘T ’ được sử dụng để chỉ chuyển vị của một véc-tơ hay một
ma trận; ui , wi và  i tương ứng là chuyển vị dọc trục, chuyển vị theo phương
ngang và góc xoay tại nút thứ i; u j , wj và  i tương ứng là chuyển vị dọc trục,
chuyển vị theo phương ngang và góc xoay tại nút thứ j.
Chuyển vị dọc trục u(x), chuyển vị theo phương ngang w(x) và góc xoay θ(x) cho
phần tử của dầm được nội suy qua hàm dạng như sau
(2.16)
u  N d, w  N d,   N d
0

u

0

w



trong đó

Nu   Nu1 Nu 2 Nu 3 Nu 4 Nu 5 Nu 6 
N w   N w1 N w2 N w3 N w4 N w5 N w6 

(2.17)

N   N 1 N 2 N 3 N 4 N 5 N 6 
tương ứng là ma trận các hàm nội suy (hàm dạng) cho các chuyển vị dọc trục
u0 ( x, t ) , chuyển vị theo phương ngang w0 ( x, t ) và góc xoay  ( x, t ) . Các hàm nội
suy tuyến tính được dùng để nội suy chuyển vị dọc trục u0 ( x, t ) và hàm nội suy
Kosmatka được sử dụng cho chuyển vị theo phương ngang w0 ( x, t ) và  ( x, t ) .
Biểu thức của các hàm nội suy như sau:

lx
x
; Nu 4  ;
l
l
Nu 2  Nu 3  Nu 5  Nu 6  0
N u1 

(2.18)

N w1  N w4  0;
3
2

1   x
 x
 x






2
3
1
N w2 
  

 
 
1     l 
l
l

3
2
  x     x  
l  x  
N w3 
    2     1    
1    l  
2  l   2  l  
3
2
1   x 
 x
 x 
N w5 
 2    3      
1     l 
l
 l  
2
3
l  x      x    x  
N w6 
   1       
1    l   2   l  2  l  

(2.19)


13
2
6  x   x  
N 1  N 4  0; N 2 
      ;
(1   )l  l   l  
2

1   x
 x
N 3 
3   (4   )      1 ;
1     l 
l

2
6  x   x  
N 5 
      ;
(1   )l  l   l  

(2.20)

2
1   x
 x 



3
(2
)
N 6 
  
  .
1     l 
 l  

trong các phương trình (2.18), (2.19) và (2.20),   12Em1I / l 2 Gm1 A là tham số
trượt, A và I lần lượt là diện tích, mô-men quán tính của thiết diện ngang.
2.4.

Ma trận độ cứng

Sử dụng phép nội suy trên ta có thể viết được biểu thức cho năng lượng biến
dạng cho một phần tử dầm Ue, dưới dạng sau đây:
l

1
U e    A11u,2x  2 A12u, x, x  A22,2x   A33 ( w, x   )2 dx
20
l

1
 dT  [NTu, x A11Nu, x  2NTu, x A12N, x  NT, x A22N, x
2 0
 (N w, x  N )T A33 (N w, x  N )]dxd

(2.21)

1
 dT (k uu +k u  k   k  )d
2
1
= dT kd
2
trong đó:
k  k uu +k u  k  k

(2.22)

là ma trận độ cứng phần tử và
l

l

0

0

k uu   NTu, x A11Nu, x dx; k u    NTu, x A12N, x dx;
l

l

0

0

(2.23)

k   NT, x A22 N, x dx; k    (N w, x  N )T A33 (N w, x  N )dx

tương ứng là ma trận độ cứng phần tử sinh ra từ biến dạng dọc trục, tương hỗ giữa
biến dạng dọc trục và uốn, biến dạng uốn và biến dạng trượt.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×