Ứng dụng phần mềm tính toán kết cấu robot structural analysis để phân tích nội lực khung thép nhà công nghiệp theo TCVN 2737:1995

Nội dung text: Ứng dụng phần mềm tính toán kết cấu robot structural analysis để phân tích nội lực khung thép nhà công nghiệp theo TCVN 2737:1995

1. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN KẾT CẤU ROBOT STRUCTURAL ANALYSIS ĐỂ PHÂN TÍCH NỘI LỰC KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP THEO TCVN 2737:1995 Trần Ngọc Tuấn, Võ Đại Nam, Phan Lê Tuấn, Phạm Đoàn Đăng Khoa, Trần Nguyễn Tường Phi Khoa Xây dựng, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: TS. Nguyễn Văn Giang TÓM TẮT Việc tính toán khung thép nhà tiền chế là một nội dung rất quan trọng trong môn học Đồ án kết cấu thép 2: ”Thiết kế nhà công nghiệp một tầng, một nhịp bằng thép” ở các trường đại học có chuyên ngành xây dựng ở Việt Nam. Thông thường nội dung phân tích tải trọng và tổ hợp tải trọng là dựa vào các tổ hợp cơ bản. Theo tiêu chuẩn tải trọng và tác động TCVN 2737:1995, có 2 loại tổ hợp cơ bản 1 và 2. Trong đó, tổ hợp cơ bản 1 gồm tĩnh tải và hoạt tải thông thường, còn tổ hợp cơ bản 2 gồm tĩnh tải và nhiều hơn 02 hoạt tải. Việc tổ hợp như vậy sẽ dẫn đến một số sai sót như chồng hoạt tải trong tổ hợp hoặc xét quá nhiều tổ hợp không có ý nghĩa dẫn đến việc tính toán đồ án nặng nề và phức tạp. Trong bài báo này, các tác giả so sánh với kết quả phân tích nội lực của khung thép nhà tiền chế bằng cách tổ hợp tải trọng theo TCVN 2737:1995 với các kết quả được xuất ra từ phần mềm phân tích kết cấu ROBOT STRUCTURAL ANALYSIS cũng đã được tích hợp tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam TCVN 5575:2012 để từ đó rút ra một số kết luận có ích cho các sinh viên đang thực hiện đồ án kết cấu thép 2. Từ khóa: tải trọng, tổ hợp tải trọng, nhà tiền chế, kết cấu thép, phân tích kết cấu. Giới thiệu & ưu điểm vượt trội của phần mềm robot structural analysis professional Robot Structural Analysis Professional là phần mềm phân tích kết cấu hiện đại của hãng Autodesk. Robot Structural Analysis Professional có khả năng phân tích thiết kế đối với các hệ kết cấu thép, bê tông cốt thép, kết cấu gỗ các kết cấu cao tầng, siêu cao tầng. Đây là một phần mềm tính toán kết cấu hiện đại và có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phần mềm khác như: mô hình hóa, phân tích và thiết kế nhiều loại kết cấu, bao gồm phân tích tuyến tính cũng như phi tuyến bất kỳ cấu trúc nào như tòa nhà, cầu, hầm, công trình dân dụng và các cấu trúc đặc biệt khác trong xây dựng, cho phép người dùng tạo ra các mô hình công trình, thực hiện phân tích, xác minh kết quả đạt được và thực hiện kiểm tra tiêu chuẩn tính toán của các thành phần kết cấu, lập hồ sơ cho công trình đã tính toán thiết kế. Đặc biệt là khả năng mô phỏng các ứng xử của kết cấu dưới tác động của tải trọng, nhất là tải gió/tuyết và động đất, Đồ họa nhẹ nhàng, mượt mà, trơn tru không bị giật như các phần mềm khác, Các công cụ dựng mô hình vượt trội và tính tùy biến cao hơn hẳn các phần mềm khác, Tiêu chuẩn thiết kế phù hợp với TCVN của chúng ta ( phù hợp cả về tiêu chuẩn vật liệu và tiêu chuẩn thiết kế tính toán), Thiết kế và tính toán trực tiếp dầm, cột, sàn mà 813
2. không cần phải xuất nội lực qua bảng Excel, Modul thiết kế dầm, cột thân thiện, Bảng thuyết minh rõ ràng mạch lạc, dùng làm thuyết minh luôn được, Liên kết tốt với Revit Structure. Dễ dàng chuyển mô hình từ bên Revit qua Robot để phân tích kết cấu, 1 MÔ HÌNH PHÂN TÍCH KHUNG NHÀ TIỀN CHẾ 1.1 Mô hình kết cấu Mô hình tính toán kết cấu khung nhà tiền chế bằng kết cấu thép được phân tích bởi phần mềm Robot Structural Analysis. Hình 1. Mô hình kết cấu của khung nhà tiền chế trong Robot Structural Analysis Bảng 1. Thông số kích thước khung Nhịp L 18 m Sức trục 300/50 KN Bước cột 6 m Cao trình R 6.9 m Chiều dài nhà ∑B 168 m Chiều cao nhà H 10.7 m Độ dốc i 15% Địa hình xây dựng A Vùng áp lực gió I 2 W0 65 daN/m Bố tr 2 khe nhiệt 814
3. 1.2 Thông số đầu vào Bảng 2. Thông số đặc trưng tiết diện và tải trọng tác động lên khung Cấu A. Tiết diện (mm) B. Tải trọng kiện 1. Mái Tole lợp sóng vuông dày 0.7mm 1. Trọng lượng bản thân các cấu kiện: TLBT (Phần mềm tự tính toán) 2. Dầm Dầm chính I 300×700x8 2. Các lớp hoàn thiện (HTHIEN) : 1.02 (kN/m) Dầm phụ I 250×500x5 3. Hoạt tải sữa chữa mái (HTAI) : 2.4 (kN/m) 3. Cột Phần tử 1 I 300×700x8 4. Hoạt tải tính toán sàn tầng điển hình: 2.4(kN/m) Phần tử 2 I 300×700x6 5. Hoạt tải đứng của cầu trục (Dmax, Dmin) : Dmax= 626.4 (kN). Dmin= 182.7 (kN) Vai cột I 300×700x8 6. Lực hãm T : ±21.92 (kN) 7. Tải trọng gió (GioX, GioXX) (kN/m). qđẩy qhút q1 q2 q3 q4 q5 q6 3.71 -2.78 -2.94 3.39 -2.81 -2.91 -2.62 -2.13 2 CÁC TRƯỜNG HỢP TẢI TRỌNG Dmax = ncyp∑Pmaxyi (1) Tải trọng đứng của cầu trục Dmin = ncyp∑Pminyi (2) T = n γ T ∑y (3) Lực hãm ngang của cầu trục c p 1 i Q = γ W k B (4) Tải trọng gió p 0 c Hình 2. Tải trọng bản thân của khung (KN) Hình 3. Tải trọng lớp hoàn thiện (KN/m) 815
4. Hình 4. Hoạt tải chất đầy (KN/m) Hình 5. Hoạt tải chất nửa bên trái(KN/m) Hình 6. Hoạt tải chất nửa bên phải (KN/m) Hình 7. Hoạt tải đứng cầu trục bên trái (KN) Hình 8. Hoạt tải đứng cầu trục bên phải (KN) Hình 9. Tải trọng gió theo phương X ( N/m) Hình 10. Tải trọng gió theo phương XX ( N/m) 816
5. 3 THIẾT LẬP CÁC TỔ HỢP TẢI TRỌNG Bảng 3. Các tổ hợp cơ bản 1 (THCB1) COMBO 1 1 TT 1 HT 1 COMBO 2 1 TT 1 HTTRAI 1 COMBO 3 1 TT 1 HTPHAI 1 TỔ HỢP CƠ BẢN 1 COMBO 4 1 TT 1 DmaxTrai 1 COMBO 5 1 TT 1 DmaxPhai 1 COMBO 6 1 TT 1 GIOX 1 COMBO 7 1 TT 1 GIOXX 1 Bảng 4. Các tổ hợp cơ bản 1 (THCB2) COMBO 8 1 TT 0.9 HT 0.9 DmaxTrai COMBO 9 1 TT 0.9 HT 0.9 DmaxPhai COMBO 10 1 TT 0.9 HTTRAI 0.9 DmaxTrai COMBO 11 1 TT 0.9 HTTRAI 0.9 DmaxPhai COMBO 12 1 TT 0.9 HTPHAI 0.9 DmaxTrai COMBO 13 1 TT 0.9 HTPHAI 0.9 DmaxPhai COMBO 14 1 TT 0.9 HT 0.9 GIOX COMBO 15 1 TT 0.9 HT 0.9 GIOXX COMBO 16 1 TT 0.9 HTTRAI 0.9 GIOX COMBO 17 1 TT 0.9 HTTRAI 0.9 GIOXX TỔ HỢP CƠ COMBO 18 1 TT 0.9 HTPHAI 0.9 GIOX BẢN 2 COMBO 19 1 TT 0.9 HTPHAI 0.9 GIOXX COMBO 20 1 TT 0.9 DmaxTrai 0.9 GIOX COMBO 21 1 TT 0.9 DmaxTrai 0.9 GIOXX COMBO 22 1 TT 0.9 DmaxPhai 0.9 GIOX COMBO 23 1 TT 0.9 DmaxPhai 0.9 GIOXX COMBO 24 1 TT 0.9 HT 0.9 DmaxTrai 0.9 GIOX COMBO 25 1 TT 0.9 HT 0.9 DmaxPhai 0.9 GIOX COMBO 26 1 TT 0.9 HT 0.9 DmaxTrai 0.9 GIOXX COMBO 27 1 TT 0.9 HT 0.9 DmaxPhai 0.9 GIOXX COMBO 28 1 TT 0.9 HTPHAI 0.9 DmaxTrai 0.9 GIOX COMBO 29 1 TT 0.9 HTPHAI 0.9 DmaxPhai 0.9 GIOX 817
6. COMBO 30 1 TT 0.9 HTPHAI 0.9 DmaxTrai 0.9 GIOXX COMBO 31 1 TT 0.9 HTPHAI 0.9 DmaxPhai 0.9 GIOXX COMBO 32 1 TT 0.9 HTTRAI 0.9 DmaxTrai 0.9 GIOX COMBO 33 1 TT 0.9 HTTRAI 0.9 DmaxPhai 0.9 GIOX COMBO 34 1 TT 0.9 HTTRAI 0.9 DmaxTrai 0.9 GIOXX COMBO 35 1 TT 0.9 HTTRAI 0.9 DmaxPhai 0.9 GIOXX 4 SO SÁNH CÁC GIÁ TRỊ NỘI LỰC THUỘC CÁC TỔ HƠP CƠ BẢN 1 VÀ 2 4.1 So sánh nội lực trong dầm khung Hình 11. Giá trị biểu đồ bao momen thuộc Hình 12. Giá trị biểu đồ bao momen thuộc THCB1 (kN.m) THCB2 (kN.m) Vị trí có Momen (M) lớn nhất tại đầu dầm giao với cột Hình 13. Giá trị biểu đồ bao lực cắt thuộc Hình 14. Giá trị biểu đồ bao lực cắt thuộc THCB1 (KN) THCB2 (KN) Vị trí có lực cắt (Q) lớn nhất tại đầu dầm giao với cột 4.2 So sánh nội lực trong cột khung Cặp nội lực tính toán cột là: |Nmax|, Mtu, Qtu và |Mmax|, Ntu, Qtu Hình 15. Giá trị biểu đồ bao lực dọc thuộc THCB1 Hình 16. Giá trị biểu đồ bao lực dọc thuộc THCB2 (KN) (KN) Vị trí có lực dọc tại liên kết ngàm đối với cả 2 trường hợp tổ hợp cơ bản. 818
7. Hình 17. Giá trị biểu đồ bao momen Hình 18. Giá trị biểu đồ bao momen thuộc THCB1 (kN.m) thuộc THCB2 (kN.m) Vị trí Momen thuộc tổ hợp cơ bản 2 ở liên kết ngàm và vai cột, còn đối với tổ hợp cơ bản 1 thì Momen lại xuất hiện ở vai cột. 5 KẾT LUẬN − Qua ví dụ so sánh nội lực của các cấu kiện thuộc về các tổ hợp cơ bản 1 và 2 theo TCVN 2737:1995 với kết quả được phân tích bằng phần mềm Robot Structural Analysis, ta có thể rút ra các kết luận như sau: Đối với cấu kiện Dầm: nội lực tính toán thuộc tổ hợp cơ bản 1 và tổ hợp cơ bản 2 được phân tích bởi phần mềm Robot Structural Analysis có các giá trị M và Q dường như tương đồng với nhau, nhưng số liệu thuộc về tổ hợp cơ bản 1 có giá trị lớn hơn nên chúng ta sẽ sử dụng kết qủa này để thiên về an toàn khi kiểm tra khả năng chịu uốn của dầm thép trong khung nhà tiền chế. Đối với cấu kiện Cột: nội lực tính toán thuộc tổ hợp cơ bản 1 và tổ hợp cơ bản 2 bằng phần mềm Robot Structural Analysis, có các giá trị M, N, Q chênh lệch khá lớn, cụ thể nội lực thuộc tổ hợp cơ bản 2 có giá trị nội lực lớn hơn tổ hợp cơ bản 1. Do đó khi tính toán cấu kiện cột thì ta sẽ sử dụng nội lực tính toán thuộc tổ hợp cơ bản 2 để tính toán và kiểm tra cột thép. − Từ các giá trị nội lực thuộc hai tổ hợp cơ bản 1 và 2 được phân tích bằng phần mềm Robot Structural Analysis kể trên sẽ giúp cho sinh viên lựa chọn được các cặp nội lực nguy hiểm để thiết kế các cấu kiện chính trong khung nhà công nghiệp bằng thép. Trước mắt phục vụ việc học hiệu quả ở môn học đồ án kết cấu thép 2, sau này là các công việc có liên quan đến việc thiết thiết kế sau khi tốt nghiệp. 819
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Hội (chủ biên) (2012). Kết cấu thép. NXB. Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2] Đoàn Định Kiến (chủ biên) (2007). Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp. NXB. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [3] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 5575:2012. Kết cấu thép tiêu chuẩn thiết kế. NXB. Xây dựng, Hà Nội. [4] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 2737:1995. Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế. NXB. Xây dựng, Hà Nội. [5] Autodesk Robot Structural Analysis Professional (2019). Phần mềm phân tích kết cấu nâng cao. 820