Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Mô phỏng quá trình va chạm liên tiếp theo thời gian giữa khung thép và nhiều vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến hình học

Chia sẻ: ViJiji ViJiji | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn được nghiên cứu với mục tiêu nhằm nghiên cứu cách áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích đáp ứng động lực học theo thời gian của kết cấu khung thép trong quá trình va chạm liên tiếp dưới tác động của nhiều vật nặng. Sử dụng chương trình ANSYS để phân tích đáp ứng động lực học theo thời gian của kết cấu khung thép trong quá trình bị va chạm liên tiếp và so sánh với kết quả thí nghiệm hoặc kết quả trong một số nghiên cứu trước đó.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Mô phỏng quá trình va chạm liên tiếp theo thời gian giữa khung thép và nhiều vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến hình học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN CHÂU NGỌC LÂM MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH VA CHẠM LIÊN TIẾP THEO THỜI GIAN GIỮA KHUNG THÉP VÀ NHIỀU VẬT NẶNG CÓ XÉT ĐẾN YẾU TỐ PHI TUYẾN HÌNH HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.580201 Long An – 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN CHÂU NGỌC LÂM MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH VA CHẠM LIÊN TIẾP THEO THỜI GIAN GIỮA KHUNG THÉP VÀ NHIỀU VẬT NẶNG CÓ XÉT ĐẾN YẾU TỐ PHI TUYẾN HÌNH HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.580201 Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thanh Nguyên Long An – 2020
i LỜI CAM ĐOAN Ngoài những kết quả tham khảo từ những công trình khác như đã được ghi trong luận văn, tôi xin cam kết rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và luận văn chỉ được nộp tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Châu Ngọc Lâm
ii LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của học viên tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực của học viên, hoàn thành chương trình luận văn không thể thiếu sự giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ của tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An) trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn cao học này. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Thanh Nguyên cùng tập thể các thầy cô, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này. Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học Xây dựng đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Châu Ngọc Lâm
iii Tóm tắt luận văn Việc sử dụng kết cấu khung thép trong các dự án xây dựng đem lại rất nhiều lợi ích. Với một tỷ lệ sức mạnh-trọng lượng vượt trội, các kết cấu thép trong xây dựng có nhiều ưu điểm để thỏa mãn các tiêu chuẩn thiết kế quy định, các tiêu chí kinh doanh…. Từ những tòa nhà siêu cao tầng đến những không gian rộng lớn cho sản xuất, những cây cầu kéo dài, kết cấu thép chắc chắn là một cấu trúc không thể thiếu. Ở Việt Nam hầu hết các công trình nhà thép tiền chế rất được ưa chuộng dùng trong xây dựng nhà kho, nhà xưởng thậm chí là nhà dân dụng khung thép.. Bên cạnh đó việc tính toán nội lực và biến dạng đối với kết cấu khung thép cũng rất phức tạp khi xét đến yếu tố tải trọng tác động theo thời gian. Trong đó tải trọng va chạm nhiều lần liên tiếp rất cần được xem xét nhất là đối với những kết cấu khung thép lớn. Việc phân tích hiện tượng va chạm theo thời gian của kết cấu khung thép theo các phương pháp thực nghiệm thì rất phức tạp và mất nhiều thời gian. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học máy tính, việc ứng dụng các phương pháp tính số gần đúng để giải các bài toán kỹ thuật trở nên thuận lợi hơn rất nhiều. Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp tính số được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, phương pháp này cho kết quả hội tụ tốt so với các kết quả từ thí nghiệm và lý thuyết. Do đó, trong đề tài này, tác giả sẽ dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích quá trình va chạm liên tiếp theo thời gian giữa khung thép và nhiều vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến hình học.
iv LARGE DEFORMATION ANALYSIS OF STEEL FRAME SUBJECTED TO MULTIPLE OBJECTS COLLISION The use of steel frame structures in construction projects brings a lot of benefits. With an outstanding strength-weight ratio, steel structures in construction have many advantages to satisfy the prescribed design standards, business criteria .... From super high-rise buildings to vast production spaces, long bridges, steel structures are definitely an indispensable structure. In Vietnam, most of pre-engineered steel buildings are very popular for constructing warehouses, factories, even steel frame houses. Besides, the calculation of internal force and deformation of the structure The steel frame is also very complicated considering the impact load factor over time. In particular, the impact load many times consecutively needs to be considered especially for large steel frame structures. The analysis of the phenomenon of collision over time of steel structure structure by experimental methods is very complicated and time-consuming. Currently, with the strong development of computer science, the application of approximate numerical methods to solve technical problems has become much more convenient. The finite element method is the most widely used numerical method today, which gives good convergence results compared with the results from experiments and theory. Therefore, in this topic, the author will use the finite element method to analyze the continuous collision process over time between steel frame and many heavy objects taking into account the geometric nonlinear element.
v MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................ 1 1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 1 1.2. Hiện tượng va chạm................................................................................. 4 1.3. Các giả thiết của va chạm ........................................................................ 6 1.4. Quan hệ chuyển động trong thời gian va chạm ........................................ 6 1.5. Tổng quan về tình hình nghiên cứu .......................................................... 7 1.6. Lý do chọn đề tài ..................................................................................... 8 1.7. Lợi ích của đề tài ..................................................................................... 9 1.8. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................. 9 1.9. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................... 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................. 11 2.1. Bài toán tiếp xúc .................................................................................... 11 2.1.1. Mô hình ma sát ............................................................................... 11 2.1.2. Phương pháp Penalty và Lagrange multiplier: ............................... 14 2.2. Lý thuyết động lực học quá độ ............................................................... 19 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG .................................. 26 3.1. Giới thiệu về ANSYS APDL: ................................................................ 26 3.2. Phần tử mô phỏng và lưu đồ mô phỏng.............................................. 26 3.2.1. Phần tử BEAM188 trong ANSYS .................................................... 26 3.2.2. Phần tử PLANE182 trong ANSYS ................................................... 27 3.2.3. Phần tử TARGE169 trong ANSYS ................................................... 27 3.2.4. Phần tử CONTA172 trong ANSYS .................................................. 28 3.3. Mô hình 1 ............................................................................................. 30 Trình tự các bước thực hiện : ................................................................... 30 3.4. Mô hình 2: ............................................................................................. 42 Trình tự các bước thực hiện: .................................................................... 43 Tính bền cho thanh dầm: .......................................................................... 51 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............ 59 4.1 Kết luận .............................................................................................. 59 4.2 ưu điểm luận văn ................................................................................ 59
vi 4.3 Khuyết điểm luận văn ......................................................................... 59 4.4 Kiến nghị và hướng phát triển ............................................................ 60 Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 61
vii MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 11. Toà nhà Empire State làm bằng thép ................................................ 1 Hình 1. 2. Nhà xưởng công nghiệp nhiều tầng.................................................... 2 Hình 1. 3. Sân vận động tổ chim bằng kết cấu thép ............................................ 2 Hình 1. 4. Bãi đậu xe nhiều tầng bằng thép ........................................................ 3 Hình 1. 5. Thí nghiệm va chạm liên tiếp trên khung thép ................................... 4 Hình 1. 6. Quy luật biến đổi của xung lực .......................................................... 5 Hình 1. 7. Mô hình va chạm ............................................................................... 7 Hình 1. 8. Mối tương quan giữa P và P' .............................................................. 7 Hình 2. 1 Mô hình ma sát Coulomb .................................................................. 11 Hình 2. 2 Các lò xo ảo được thêm vào tại các tiếp xúc điểm của lực ................ 16 Hình 2. 3 Lực tác động trục tiếp làm vật biến dạng .......................................... 18 Hình 3. 1 Hình dạng, vị trí nút và hệ tọa độ phần tử cho pần tử BEAM188 ...... 26 Hình 3. 2 Mặt cắt hình chữ nhật ....................................................................... 27 Hình 3. 3 Hình dạng, vị trí nút và hệ tọa độ phần tử cho phần tử PLANE182... 27 Hình 3. 4 Hình dạng, vị trí nút và hệ tọa độ phần tử cho phần tử TARGE169 .. 28 Hình 3. 5 Hình dạng, vị trí nút và hệ tọa độ phần tử cho phần tử CONTA172 .. 29 Hình 3. 6 Mô hình 1 ......................................................................................... 30 Hình 3. 7 Khai báo loại phần tử ........................................................................ 31 Hình 3. 8 Tùy chọn dạng cho thanh dầm .......................................................... 31 Hình 3. 9 Tùy chọn cách thức phần tử .............................................................. 31 Hình 3. 10 Tùy chọn độ cứng va chạm ............................................................. 32 Hình 3. 11 Khai báo mặt cắt cho thanh dầm ..................................................... 32 Hình 3. 12 Nhập giá trị modul đàn hồi, hệ số Poisson của thanh dầm ............... 32 Hình 3. 13 Nhập giá trị mật độ khối lượng ....................................................... 33 Hình 3. 14 Tạo đoạn thẳng tượng trưng cho thanh dầm .................................... 33 Hình 3. 15 Tạo khối vuông với kích thước theo đề bài ..................................... 34 Hình 3. 16 Chia lưới cho thanh dầm ................................................................. 34
viii Hình 3. 17 Chia lưới cho khối vuông ................................................................ 35 Hình 3. 18 Tạo Contact Pair ............................................................................. 35 Hình 3. 19 Thiết lập chế độ Transient cho bài toán ........................................... 35 Hình 3. 20 Đặt điều kiện biên cho thanh dầm ................................................... 36 Hình 3. 21 Đặt điều kiện biên cho khối vuông .................................................. 36 Hình 3. 22 Gán khoảng thời gian ban đầu để giữ khối vuông ........................... 37 Hình 3. 23 Solve bài toán với khoảng thời gian đã gán ..................................... 37 Hình 3. 24 Xóa bỏ điều kiện biên cho khối vuông ............................................ 38 Hình 3. 25 Thiết lập thời gian 3 giây cho bài toán Transient ............................ 38 Hình 3. 26 Bài toán Transient đã giải xong....................................................... 39 Hình 3. 27 Biểu đồ chuyển vị mô hình 1 ......................................................... 39 Hình 3. 28 Biểu đồ phản lực mô hình 1 ............................................................ 40 Hình 3. 29 Khối vuông va chạm tại thời điểm t = 0,75 giây.............................. 40 Hình 3. 30 Khối vuông va chạm tại thời điểm t = 0,76 giây.............................. 41 Hình 3. 31 Khối vuông va chạm tại thời điểm t = 0,77 giây.............................. 41 Hình 3. 32 Biểu đồ moment tại thời điểm khối vuông va chạm sâu nhất .......... 41 Hình 3. 33 Mô hình 2 ....................................................................................... 42 Hình 3. 34 Mô hình hình học (2) bài toán ......................................................... 43 Hình 3. 35 Nhập giá trị modul đàn hồi và hệ số Poisson của thanh dầm .......... 43 Hình 3. 36 Nhập giá trị mật độ khối lượng cho thanh dầm ............................... 43 Hình 3. 37 Nhập thông số mặt cắt của thanh dầm ............................................. 44 Hình 3. 38 Nhập giá trị modul đàn hồi và hệ số Poisson của khối cầu .............. 44 Hình 3. 39 Nhập giá trị mật độ khối lượng cho khối cầu .................................. 45 Hình 3. 40 Dựng mô hình thanh dầm và khối cầu............................................. 45 Hình 3. 41 Tạo Contact Pair cho mô hình 2 ...................................................... 46 Hình 3. 42 Gán điều kiện biên cho thanh dầm .................................................. 46 Hình 3. 43 Thiết lập thời gian 1 giây cho bài toán Transient ............................ 47 Hình 3. 44 Bài toán Transient với thời gian 1 giây đã giải xong ....................... 47 Hình 3. 45 Biểu độ chuyển vị ở mô hình 2 ....................................................... 48
ix Hình 3. 46 Biểu đồ phản lực ở mô hình 2 ......................................................... 48 Hình 3. 47 Vị trí quả cầu ở thời điểm t = 0.23 giây........................................... 49 Hình 3. 48 Vị trí quả cầu ở thời điểm t = 0.24 giây........................................... 49 Hình 3. 49 Vị trí quả cầu ở thời điểm t = 0.25 giây........................................... 49 Hình 3. 50 Biểu đồ moment tại thời điểm 0.23 giây ......................................... 50 Hình 3. 51 Biểu đồ moment tại thời điểm 0.24 giây ......................................... 50 Hình 3. 52 Biểu đồ moment tại thời điểm 0.25 giây ......................................... 51 Hình 3. 53 Hai vật thể va chạm với dầm thép ................................................... 52 Hình 3. 54 Chia lưới các đối tượng................................................................... 52 Hình 3. 55. Khai báo các cặp tiếp xúc .............................................................. 53 Hình 3. 56. Phần tử mục tiêu ............................................................................ 53 Hình 3. 57. Phần tử tiếp xúc ............................................................................. 54 Hình 3. 58. Kết quả chuyển vị vật nặng 1 theo thời gian .................................. 54 Hình 3. 59. Kết quả chuyển vị vật nặng 2 theo thời gian .................................. 55 Hình 3. 60. Kết quả chuyển vị điểm giữa dầm theo thời gian ........................... 55 Hình 3. 61. Biến dạng của dầm trong va chạm lần 1 ......................................... 56 Hình 3. 62. Biến dạng của dầm trong va chạm lần 2 ......................................... 56 Hình 3. 63. Biến dạng của dầm trong va chạm lần 3 ......................................... 57 Hình 3. 64. Vật nặng va chạm khung thép ........................................................ 57 Hình 3. 65. Biến dạng của khung khi mới va chạm lần 1 .................................. 58 Hình 3. 66. Biến dạng lớn của khung trong quá trình va chạm ......................... 58
1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Vật liệu thép, kết cấu khung thép được sử dụng rộng rãi trong những đại đô thị thế giới, các công trình cầu đường, cao ốc văn phòng, cho đến những tác phẩm mang tính nghệ thuật, không còn giới hạn trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Cấu trúc khung thép thép sở hữu sức mạnh cao và được áp dụng trong xây dựng dân dụng rất phổ biến, do đó, tương lai ứng dụng thép trong xây dựng có không gian rất rộng để phát triển lên tầm cao mới. Vì nhiều lý do, thép kết cấu thường là vật liệu lý tưởng khi xây dựng các tòa nhà, cầu và các công trình lớn khác. Hình 1. 11. Toà nhà Empire State làm bằng thép Thép là một trong những vật liệu lý tưởng nhất để sử dụng khi xây dựng các tòa nhà công nghiệp. Có một vài lý do cho điều này, bao gồm chi phí, sức mạnh, độ bền, và nhiều hơn nữa. Sức mạnh mà thép cung cấp có lợi theo nhiều cách. Độ bền cao của nó đồng nghĩa với chi phí lao động sẽ thấp hơn trong suốt vòng đời dự án, giảm thiểu tác động tiềm tàng trong việc sửa chữa. Ngoài ra, thép là một trong những vật liệu xây dựng cường độ cao nhất hiện có trên thị trường.
2 Hình 1. 2. Nhà xưởng công nghiệp nhiều tầng Với tỷ lệ cường độ/trọng lượng cao nhất so với bất kỳ vật liệu xây dựng nào khác, thép đảm bảo sự kiên cố tuyệt vời cho ngay cả những công trình công nghiệp lớn nhất. Hình 1. 3. Sân vận động tổ chim bằng kết cấu thép
3 Hình 1. 4. Bãi đậu xe nhiều tầng bằng thép Ngoài ra, với trọng lượng nhẹ và tính dễ thi công lắp ghép của thép làm cho nó trở thành một vật liệu ưu tiên hàng đầu trong các dự án xây công trình phục vụ dân cư. Kết cấu khung thép đủ bền để chịu được tất cả trọng lượng của nhiều chiếc xe. Thép được sử dụng xây dựng những cây cầu vượt nhịp lớn. Tỷ lệ sức mạnh nổi bật của nó so với trọng lượng bản thân được ứng dụng rộng rãi trong những cấu trúc đặc biệt này, độ bền và sự dẻo dai của kết cấu khung thép đảm bảo chịu được tải trọng của các phương tiện lưu thông và an toàn cho người sử dụng. Trong quá trình thiết kế kết cấu khung thép, việc nghiên cứu khả năng chống đỡ của kết cấu này dưới tác động của tải trọng va chạm đóng một vai trò quan trọng trong kỹ thuật và là một trong những vấn đề cơ bản trong nghiên cứu cơ học ứng dụng. Nhiều cuộc thử nghiệm độ bền của khung thép và nhiều lời giải lý thuyết cho bài toán va chạm kết cấu khung thép đã được thực hiện. Để thiết kế một kết cấu khung thép vừa có độ thẩm mỹ, vừa có tính kinh tế lại an toàn, việc nghiên cứu ứng xử của kết cấu này khi chịu tác động của tải va chạm điều cần thiết. Ngoài ra, việc đánh giá vận tốc va chạm, vị trí va chạm, thời gian tác động của tiếp xúc và biến dạng trong quá trình tác động cũng rất quan trọng, bởi vì điều này giúp cho việc xác định đáp ứng của kết cấu khi bị va chạm liên tục và đánh giá tổng thể sự biến dạng của kết cấu, các vị trí biến dạng lớn. Với sự phát triển của máy tính, phương pháp số đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá ứng xử của kết cấu trong quá trình va chạm theo thời gian. Điều này sẽ được thực hiện thông qua đề tài mô phỏng quá trình va chạm liên tiếp theo thời gian giữa khung thép và nhiều vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến hình học.
4 Hình 1. 5. Thí nghiệm va chạm liên tiếp trên khung thép 1.2. Hiện tượng va chạm Va chạm là một quá trình động lực học đặc biệt, trong đó vận tốc của vật biến đổi rõ rệt về cả độ lớn và phương chiều trong một thời gian vô cùng bé. Trong va chạm, vận tốc thường biến đổi rất lớn trong một khoảng thời gian vô cùng bé. Điều đó có nghĩa là, trong quá trình va chạm, có một lực rất lớn đã tác động vào vật. Lực này khác với các lực thông thường như trọng lực, lực cản, áp lực... ở chỗ nó chỉ xuất hiện trong quá trình va chạm, không xuất hiện trước và sau va chạm. Rất khó xác định được độ lớn của nó nhưng ta có thể biết được quy luật biến đổi. Mặt khác, do lực va chạm biến đổi rất rõ trong một thời gian rất ngắn nên ta đánh giá tác dụng của nó qua xung lực.
5 Hình 1. 6. Quy luật biến đổi của xung lực Công thức tính lực va chạm r τ r I = ∫ Fdt 0 Trong đó: F: lực va chạm I: xung lực tuyến tính Gọi quãng đường di chuyển được trong khoảng thời gian va chạm là l, ta có r τr l = ∫ vdt 0 Vì τ là một đại lượng vô cùng bé nên l cũng rất nhỏ, chính vì thế, để đơn giản bài toán, ta có thể nói rằng, trong quá trình va chạm, các chất điểm của cơ hệ không di chuyển đáng kể. Quan sát quá trình va chạm, ta thấy quá trình này gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn biến dạng và giai đoạn khôi phục. Giai đoạn biến dạng xảy ra trong thời gian τ1 , bắt đầu từ lúc 2 vật vừa tiếp xúc nhau, do khả năng biến dạng của chúng, chổ tiếp xúc nhau giữa 2 vật này sẽ sinh ra biến dạng. Trong giai đoạn này, vận tốc của cả 2 vật là bằng nhau. Giai đoạn khôi phục xảy ra trong thời gian τ2 , bắt đầu từ cuối giai đoạn biến dạng, lúc này, do khả năng đàn hồi của vật mà 2 vật có thể lấy lại một phần hình dáng ban đầu hay hoàn toàn, kết thúc giai đoạn này, 2 vật sẽ tách nhau ra và có vận tốc khác nhau.
6 Tùy theo khả năng khôi phục lại hình dạng của vật sau biến dạng mà ta có thể phân va chạm thành 2 loại: va chạm mềm và va chạm đàn hồi: • Va chạm mềm: là quá trình va chạm mà trong đó không có giai đoạn khôi phục. Đặc điểm của quá trình va chạm này là khi kết thúc quá trình va chạm, những phần tử ở miền tiếp xúc có cùng vận tốc pháp tuyến. • Va chạm đàn hồi: là quá trình va chạm mà trong đó có giai đoạn khôi phục, vật sau khi bị biến dạng có thể khôi phục lại một phần hay hoàn toàn hình dạng so với ban đầu. Đặc điểm của quá trình va chạm này là khi kết thúc quá trình va chạm, những phần tử ở miền tiếp xúc không có cùng vận tốc pháp tuyến. 1.3. Các giả thiết của va chạm Vì lý do hiện tượng va chạm rất phức tạp, nên ta có thể đơn giãn hóa bài toán bằng cách chỉ tập trung vào việc nghiên cứu các thành phần ảnh hưởng chủ yếu trong quá trình va chạm. Chính vì thế, ta sẽ đưa ra một số giả thuyết sau a) Giả thiết thứ 1: Vì trong va chạm xuất hiện lực va chạm rất lớn nên trong quá trình khảo sát, ta có thể bỏ qua các thành phần thông thường như: trọng lực, áp lực, … Giả thuyết này dựa trên đặc điểm thứ nhất của va chạm đã trình bày bên trên. b) Giả thiết thứ 2: Theo đặc điểm thứ 2 của va chạm, ta thấy rằng trong quá trình va chạm, các chất điểm di chuyển rất ít nên ta có thể bỏ qua di chuyển của chất điểm trong va chạm. Hay nói một cách khác, trong quá trình va chạm, các chất điểm trong hệ đứng yên. c) Giả thiết thứ 3: Quá trình biến dạng xảy ra theo 2 giai đoạn, giai đoạn biến dạng và giai đoạn khôi phục. Để phản ánh đặc điểm của quá trình va chạm, người ta so sánh xung lượng trong 2 giai đoạn đó. 1.4. Quan hệ chuyển động trong thời gian va chạm Chúng ta giả sử rằng có 2 vật m1 và m2 đang chuyển động. Để đơn giản bài toán, ta sẽ sử dụng các giả thiết đã nêu ở phần trên. Xem hệ chuyển động là tuyến tính 1 chiều, va chạm thẳng xuyên tâm. Chúng ta sẽ bỏ qua các ngoại lực tác dụng vào hệ như lực ma sát, lực cản của môi trường xung quanh,… đồng thời xem vận tốc là 1 đại lượng vô hướng, chiều dương hướng từ phải sang trái và chiều âm sẽ hướng ngược lại
7 Hình 1. 7. Mô hình va chạm Gọi P, P’ là đại lượng thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc của 2 vật trước và sau khi va chạm P = v1 − v2 P' = v'1 − v'2 Trong đó, v1 luôn hướng sang phải (luôn có giá trị là dương). Từ đó, ta có mối tương quan giữa P và P’ như hình bên dưới. Hình 1. 8. Mối tương quan giữa P và P' Dựa vào hình vẽ trên, chúng ta thấy rằng giá trị của P là luôn dương trước va chạm và có gíá trị âm sau đó. Ban đầu, vật 1 có vật tốc lớn hơn vật 2 nên P hướng lên. Khi vật 1 bắt đầu chạm vào vật 2, quá trình biến dạng xảy ra (đối với vật liệu dẻo và vật liệu đàn hồi), đồng thời làm vật 1 giảm vật tốc, trong khi vận tốc của vật 2 tăng dần. Đến thời điểm tcv thì P bằng 0 , lúc này, 2 vật sẽ có cùng vật tốc, đồng thời kết thúc quá trình biến dạng. Tiếp theo, vật 2 sẽ có vận tốc lơn hơn vật 1 làm cho P có giá trị âm, và xảy ra quá trình khôi phục (đối với vật liệu đàn hồi). 1.5. Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Các vấn đề liên quan đến ứng xử của các kết cấu dầm thép, khung thép trong quá trình va chạm theo thời gian theo thời gian được công bố trên các tạp chí quốc tế với
8 các nghiên cứu điển hình như của tác giả Xiaoli Qi và các cộng sự đã tiến thành thí nghiệm hiện tượng va chạm liên tiếp giữa quả cầu và dầm thép và công bố trên tạp chí Advances in Mechanical Engineering vào năm 2016. Tác giả Dorogoy và các cộng sự đã tiến thành thí nghiệm va chạm trượt giữa hai dầm nhôm và công bố kết quả vào năm 2008 hay tác giả Schonberg đã tiến hành đánh giá đáp ứng của dầm thép trong trường hợp va chạm có vận tốc thấp và tiếp xúc lớn. 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Những vấn đề liên quan đến việc nghiên cứu ứng xử kết cấu dưới tác động của tải trọng va cũng được thực hiện ở Việt Nam, chủ yếu là va chạm trong thời gian ngắn, chỉ xét một vật thể va chạm. Một số nghiên cứu tiêu biểu có thể được kể đến như tác giả Nguyễn Thành Tâm đã phân tích va chạm trực diện nhằm thiết kế cải tiến kết cấu xe ô tô khách thỏa mãn điều kiện an toàn và công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Khoa Học và Công Nghệ vào năm 2015 hay tác giả Nguyễn Quang Dũng đã mô phỏng quá trình tương tác của đầu đạn cỡ 7,62mm với bản thép có độ dày khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu va chạm chỉ xét một đối tượng va chạm với kết cấu. Thời gian mô phỏng ngắn, không xét đến sự va chạm liên tiếp (sự nảy lên xuống của vật rắn khi rơi và chạm kết cấu). Vì vậy, đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu ứng xử của kết cấu khung thép trong quá trình va chạm liên tiếp do nhiều vật thể gây ra. 1.6. Lý do chọn đề tài Việc sử dụng kết cấu khung thép trong các dự án xây dựng đem lại rất nhiều lợi ích. Với một tỷ lệ sức mạnh-trọng lượng vượt trội, các kết cấu thép trong xây dựng có nhiều ưu điểm để thỏa mãn các tiêu chuẩn thiết kế quy định, các tiêu chí kinh doanh…. Từ những tòa nhà siêu cao tầng đến những không gian rộng lớn cho sản xuất, những cây cầu kéo dài, kết cấu thép chắc chắn là một cấu trúc không thể thiếu. Ở Việt Nam hầu hết các công trình nhà thép tiền chế rất được ưa chuộng dùng trong xây dựng nhà kho, nhà xưởng thậm chí là nhà dân dụng khung thép.. Bên cạnh đó việc tính toán nội lực và biến dạng đối với kết cấu khung thép cũng rất phức tạp khi xét đến yếu tố tải trọng tác động theo thời gian. Trong đó tải trọng va chạm nhiều lần liên tiếp rất cần được xem xét nhất là đối với những kết cấu khung thép lớn.
9 Việc phân tích hiện tượng va chạm theo thời gian của kết cấu khung thép theo các phương pháp thực nghiệm thì rất phức tạp và mất nhiều thời gian. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học máy tính, việc ứng dụng các phương pháp tính số gần đúng để giải các bài toán kỹ thuật trở nên thuận lợi hơn rất nhiều. Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp tính số được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, phương pháp này cho kết quả hội tụ tốt so với các kết quả từ thí nghiệm và lý thuyết. Do đó, trong đề tài này, tác giả sẽ dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích quá trình va chạm liên tiếp theo thời gian giữa khung thép và nhiều vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến hình học. 1.7. Lợi ích của đề tài 1.7.1. Lợi ích khoa học Việc áp dụng các phương pháp tính số giải các bài toán kỹ thuật thông qua các chương trình tính toán hiện đại là xu hướng chung của thế giới. Các kết quả tính toán mô phỏng giúp ta tiết kiệm được chi phí và thời gian làm thí nghiệm. Bên cạnh đó, dựa vào các kết quả tính toán được ta có thể đề ra các giải pháp tối ưu cho kết cấu. 1.7.2. Lợi ích thực tiễn Các kết quả của luận văn góp phần làm rõ hơn đáp ứng động lực học theo thời gian của kết cấu khung thép trong quá trình va chạm liên tiếp dưới tác động của nhiều vật nặng. Từ đó góp phần thúc đẩy việc ứng dụng kết cấu này trong nhiều lĩnh vực khác nhau. 1.8. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.8.1. Mục tiêu tổng quát Phân tích quá trình va chạm liên tiếp theo thời gian giữa khung thép và nhiều vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến hình học. 1.8.2. Mục tiêu cụ thể Cụ thể, mục tiêu của đề tài này như sau: - Mục tiêu 1: Tìm hiểu tổng quan các kết cấu khung thép được sử dụng trong công nghiệp.