Trao đổi về nội dung giảng dạy nhằm phát triển kỹ năng định tính trong môn Cơ học kết cấu

Chia sẻ: Dạ Thiên Lăng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Trao đổi về nội dung giảng dạy nhằm phát triển kỹ năng định tính trong môn Cơ học kết cấu" tập trung thảo luận một số kỹ năng về định tính thường gặp và các ví dụ minh họa cụ thể trong thực hành phân tích kết cấu. Các thảo luận này có thể là gợi ý góp phần làm bài giảng môn học trở nên phong phú và giàu tính thực tiễn hơn. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Trao đổi về nội dung giảng dạy nhằm phát triển kỹ năng định tính trong môn Cơ học kết cấu

607 705 Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ XI, Hà Nội, 02-03/12/2022 Trao đổi về nội dung giảng dạy nhằm phát triển kỹ năng định tính trong môn Cơ học kết cấu Nguyễn Bá Duẩn1,*, Phạm Xuân Đạt1 , Nguyễn Mạnh Yên1 và Hà Mạnh Hùng1 1 Đại học Xây dựng Hà Nội *Email: duannb@huce.edu.vn Tóm tắt. Cơ học kết cấu cùng với các bộ môn thuộc Cơ học Vật rắn biến dạng cung cấp cho sinh viên các lý thuyết về các định lý, định luật cơ học vật rắn. Môn học trang bị cho người học các kỹ năng cả về định lượng lẫn định tính. Tuy nhiên xu hướng ứng dụng các phần mềm tin học ngày nay, phần lớn công việc định lượng đều được tự động hóa bằng các phần mềm chuyên dụng và kỹ năng định tính của người kỹ sư sẽ trở nên quan trọng hơn. Điều này đặt ra yêu cầu thay đổi đối với mục tiêu và phương pháp giảng dạy môn Cơ học kết cấu. Theo đó, sẽ là hợp lý hơn khi một số nội dung giảng dạy phục vụ các kỹ năng định lượng được giảm khối lượng. Trong khi đó, các nội dung liên quan đến kỹ năng định tính cần được tăng cường. Trong phạm vi một bài tham luận ngắn, nhóm tác giả tập trung thảo luận một số kỹ năng về định tính thường gặp và các ví dụ minh họa cụ thể trong thực hành phân tích kết cấu. Các thảo luận này có thể là gợi ý góp phần làm bài giảng môn học trở nên phong phú và giàu tính thực tiễn hơn. Từ khóa: Nội dung giảng dạy Cơ học kết cấu, phân tích kết cấu, phát triển kỹ năng định tính. 1. Đặt vấn đề Đa số môn học được giảng dạy trong trường đại học đều được thiết kế để trang bị cho người học những kiến thức phục vụ một số nhiệm vụ chuyên môn cụ thể. Nội dung môn Cơ học kết cấu được biên soạn nhằm phục vụ mục đích mô hình hóa và phân tích kết cấu công trình dưới tác động của tải trọng và các nguyên nhân khác. Trong nhiệm vụ mô hình hóa kết cấu, người kỹ sư cần phải thực hiện các nhiệm vụ cụ thể như: Thiết lập sơ đồ tính lý tưởng từ kết cấu công trình thực với sơ đồ phần tử (thanh dầm, dàn, phần tử tấm, vỏ), tải trọng đầu vào, vật liệu kết cấu, và điều kiện biên về chuyển vị (ngàm, khớp, ngàm trượt) giữa công trình và nền đất hoặc giữa các phần công trình với nhau. Trong nhiệm vụ phân tích nội lực, người kỹ sư kết cấu cần xác định được nội lực (biểu đồ mô men uốn, lực cắt và lực dọc) trong tất cả các cấu kiện tương ứng với các trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng yêu cầu. Cần nhấn mạnh rằng, đây là hai nhiệm vụ đóng vai trò quan trọng trong quá trình thực hiện một dự án xây dựng, từ lúc hình thành ý tưởng phương án kết cấu cho đến giai đoạn thiết kế chi tiết phương án, và được thực hiện lặp đi lặp lại nhiều lần bởi nhiều đơn vị tư vấn độc lập như đơn vị tư vấn thiết kế, tư vấn thẩm tra hay đơn vị kiểm định. Nội dung cơ bản của chương trình Cơ học kết cấu là cùng với các bộ môn thuộc Cơ học Vật rắn biến dạng cung cấp cho sinh viên các lý thuyết về các định lý, định luật cơ học vật rắn: bảo toàn năng lượng, công thực và công khả dĩ, cân bằng tĩnh và động, các giả thiết về sơ đồ tính cũng như vật liệu ... Môn học sẽ trang bị cho người học các kỹ năng cả về định lượng lẫn định tính. Xét về mặt định lượng, kỹ sư kết cấu phải đảm nhiệm một khối lượng tính toán khổng lồ về phân tích kết cấu. Với một công trình cao 40 tầng với diện tích mặt bằng khoảng 40 (m) x 40 (m) thì sơ đồ tính của kết cấu có không ít hơn 20 nghìn phần tử thanh dầm cột, phần tử tấm vỏ và phần tử khối đế móng. Để thực hiện nhiệm vụ này, môn Cơ học kết cấu trang bị cho người học các thuật giải gần đúng (ví dụ: phương pháp phân phối mô men) hay các kỹ thuật nhằm đơn giản hóa tính toán (biến đổi hệ đối xứng chịu tải trọng đối xứng/phản xứng, sơ đồ khung phẳng tương đương). Trong khi đó, mặt định tính như khả năng phán đoán tính chất làm việc của cấu kiện (thanh dàn chịu kéo-nén, đường biến dạng và thớ căng biểu đồ mô men trong hệ khung dầm), khả năng hình dung đường truyền tải trọng trong hệ kết cấu hay sự
608 706 Nguyễn Bá Duẩn1,*, Phạm Xuân Đạt1 , Nguyễn Mạnh Yên1 và Hà Mạnh Hùng1 phân phối nội lực theo tính chất độ cứng, có vai trò không kém quan trọng nhằm hỗ trợ kỹ sư trong việc kiểm tra tính đúng đắn và hợp lý của mô hình tính toán, cũng như kết quả nội lực tính toán. Theo đà phát triển vũ bão của xu hướng ứng dụng các phần mềm tin học ngày nay, phần lớn công tác thiết kế kết cấu công trình đều được tự động hóa bằng các phần mềm chuyên dụng như ETABS (phân tích nội lực kết cấu nhà cao tầng), SAP2000 (phân tích nội lực kết cấu cho các dạng kết cấu tổng hợp), MIDAS (phân tích nội lực kết cấu nhà, và công trình giao thông). Nếu cách đây vài chục năm, một kỹ sư sẽ phải mất khoảng 2 đến 3 tuần để hoàn thành nhiệm vụ tính toán nội lực của một kết cấu khung của một công trình nhà 10 tầng bằng phương pháp phân phối mô men, thì hiện nay với sự hỗ trợ của các phần mềm chuyên dụng người kỹ sư chỉ cần 2 ngày để thực hiện công việc đó với độ chính xác cao hơn nhiều so với trước đây. Có thể nói, sự có mặt của các phần mềm tính toán kết cấu chuyên dụng đã giải phóng kỹ sư kết cấu khỏi phần lớn khối lượng công việc tính toán. Nói một cách khác, các kỹ năng về định lượng như đã nói ở trên đây đã trở nên ít quan trọng hơn so với trước đây. Theo chiều hướng ngược lại, kỹ năng về định tính của người kỹ sư đã và đang trở nên hết sức quan trọng vì các lý do sau đây. Thứ nhất, kết cấu công trình xây dựng hiện đại ngày càng có độ phức tạp cao hơn và qui mô công trình cũng lớn hơn rất nhiều. Nếu như cách đây 20 năm, Hà Nội có rất ít công trình có số tầng nhiều hơn 25 tầng thì hiện nay các công trình xây mới (văn phòng, chung cư, tòa nhà hỗn hợp) đều có số tầng phổ biến từ 30 đến 40 tầng. Ngoài ra, các công trình hiện đại này có hình khối kiến trúc rất đa dạng, đồng thời sử dụng nhiều loại vật liệu mới mà không chỉ bê tông cốt thép như trước đây. Để thực hiện mô phỏng ứng xử kết cấu công trình, người kỹ sư phải vận dụng kỹ năng định tính để xây dựng nhiều mô hình kết cấu khác nhau tương ứng với các giả thiết lý tưởng hóa khác nhau. Thứ hai, với mỗi hệ kết cấu có hàng trăm nghìn bậc tự do, kỹ năng định tính thực sự quan trọng để giúp kỹ sư nhanh chóng tìm thấy các cấu kiện cần kiểm soát kết quả nội lực xuất ra từ các phần mềm chuyên dụng một cách hiệu quả. Hình 1 [1] trình bày một ví dụ minh họa về sự phức tạp của một kết cấu công trình hiện đại. Kết cấu công trình thực có chiều cao lớn (215m) và độ mảnh lớn, đồng thời có sự gián đoạn về kết cấu cả theo phương đứng và phương ngang (Hình 1a). Sơ đồ tính lý tưởng với tổng số chuyển vị nút (số bậc tự do) lớn, lên đến 500000. Số lượng phần tử thanh và phần tử tấm tương ứng là khoảng 25000 và 40000. (a) Công trình thực
609 707 Trao đổi về nội dung giảng dạy nhằm phát triển kỹ năng định tính trong môn Cơ học kết cấu (b) Sơ đồ tính kết cấu Hình 1. Ví dụ về kết cấu công trình hiện đại và sơ đồ tính tương ứng Có thể nói trong thực hành tính toán hiện nay đã có một sự dịch chuyển đáng kể về yêu cầu đối với kỹ năng về định lượng và kỹ năng về định tính của người kỹ sư thiết kế. Điều này đặt ra yêu cầu thay đổi đối với mục tiêu và phương pháp giảng dạy môn Cơ học kết cấu. Theo đó, sẽ là hợp lý hơn khi một số nội dung giảng dạy phục vụ các kỹ năng định lượng được giảm khối lượng. Các nội dung này có thể bao gồm các thủ thuật biến đổi và đơn giản hóa sơ đồ tính, xác định chuyển vị trong hệ thanh phẳng bằng phương pháp nhân biểu đồ nội lực, hay xác định nội lực trong kết cấu khung bằng phương pháp phân phối mô men. Trong khi đó, các nội dung liên quan đến kỹ năng định tính cần được tăng cường. Trong phạm vi một bài tham luận ngắn, nhóm tác giả tập trung thảo luận một số kỹ năng về định tính thường gặp và các ví dụ minh họa cụ thể trong thực hành phân tích kết cấu. Các thảo luận này có thể là gợi ý góp phần làm bài giảng môn học trở nên phong phú và giàu tính thực tiễn hơn. Bảng 1. Chương trình giảng dạy môn Cơ học kết cấu ở trường Đai học xây dựng Hà Nội Tên môn học Số tín chỉ Số tiết Cơ học kết cấu 1: Hệ tĩnh định 3 57 Cơ học kết cấu 2: Hệ siêu tĩnh 2 39 Phương pháp số trong cơ học kết cấu 2 39 Động lực học công trình 2 39 2. Một số minh họa về định tính thường gặp trong thực hành phân tích kết cấu 2.1. Phân tích cấu tạo hình học của hệ Hệ kết cấu trong xây dựng thường được cấu tạo từ nhiều cấu kiện liên kết với nhau để chịu các nguyên nhân tác động bên ngoài như tải trọng. Hệ có thể được cấu tạo theo nhiều hình thức khác nhau nhưng phải đảm bảo dưới tác dụng của tải trọng hệ vẫn giữ được dạng hình học ban đầu hoặc không sụp đỗ. Vấn đề này yêu cầu người kỹ sư phải nắm rõ các quy tắc cơ bản để xây dựng và cấu tạo một hệ có khả năng chịu tải trọng (hệ bất biến hình – Hình 2).
610 708 Nguyễn Bá Duẩn1,*, Phạm Xuân Đạt1 , Nguyễn Mạnh Yên1 và Hà Mạnh Hùng1 (a) Hệ biến hình: sụp đổ khi chịu tải trọng ngang (b) Hệ biến hình tức thời: xuất hiện nội lực vô cùng lớn (c) Hệ bất biến hình: có khả năng chịu tải trọng Hình 2. Các trường hợp cấu tạo hình học của hệ 2.2. Xác định nhanh dấu nội lực của thanh dàn Lựa chọn kích thước tiết diện và chiều dài cấu kiện phụ thuộc vào trạng thái kéo-nén của thanh dàn. Thanh dàn chịu kéo có kích thước tiết diện nhỏ hơn và chiều dài cấu kiện (từ mắt dàn đến mắt dàn) dài hơn do ứng suất cho phép trên mặt cắt cấu kiện có thể đạt đến cường độ chịu kéo của vật liệu. Trong khi đó, thanh dàn chịu nén bị khống chế bởi dạng phá hoại mất ổn định dọc trục, vì thế kích thước tiết diện thanh thường lớn hơn và chiều dài cấu kiện thường ngắn hơn. Việc xác định nhanh dấu của nội lực sẽ giúp kỹ sư nhanh chóng lựa chọn được sơ đồ kết cấu hợp lý nhằm đảm bảo tiêu chí an toàn và tiết kiệm. (a) Thanh chịu nén phía dưới có tiết diện bé và có chiều dài lớn
611 709 Trao đổi về nội dung giảng dạy nhằm phát triển kỹ năng định tính trong môn Cơ học kết cấu (b) Thanh chịu nén phía dưới có tiết diện lớn và có chiều dài nhỏ Hình 3. Hệ dàn mái dạng con-son (nguồn: Internet) Hình 3 trình bày 2 sơ đồ dàn mái sân vận động với kết cấu dạng con-son nhịp lớn. Mặt cắt dàn dạng tam giác ngược với hai thanh phía trên và một thanh phía dưới. Xét tổ hợp tải trọng nguy hiểm theo phương trọng lực (chiều tác dụng từ trên xuống dưới) do trọng lượng bản thân kết cấu và tải trọng gió đẩy, thanh dàn phía dưới chịu lực nén lớn, trong khi hai thanh cánh trên chịu kéo. Ở dàn mái thứ nhất (Hình 3a), ba thanh dàn có cùng kích thước tiết diện nhưng thanh dàn cánh dưới có chiều dài cấu kiện (từ mắt đến mắt) gấp đôi các thanh cánh trên. Sơ đồ kết cấu này không thực sự hợp lý vì kết cấu dàn sẽ bị phá hoại sớm do sự phá hoại mất ổn định của thanh dàn cánh dưới. Ngược lại, dàn mái thứ hai (Hình 3b) được thiết kế hợp lý hơn vì thanh dàn cánh dưới chịu nén có tiết diện lớn hơn nhiều so với hai thanh cánh trên, trong khi chiều dài các cấu kiện này bằng nhau. 2.3. Xác định nhanh đường biến dạng và dạng biểu đồ mô men của kết cấu khung dầm Vì kết cấu khung dầm của công trình thực với hàng ngàn cấu kiện luôn có số lượng bậc siêu tĩnh lớn, việc người kỹ sư kiểm tra giá trị chính xác của nội lực mô men uốn tại từng tiết diện/cấu kiện được kết xuất ra từ chương trình tính bằng các phép tính tay đơn giản là điều bất khả thi. Ngoài ra mỗi sơ đồ tính có rất nhiều trường hợp tải trọng tác dụng cần phải được xem xét. Vì vậy, sẽ phù hợp hơn nếu người kỹ sư được trang bị kỹ năng đánh giá tính hợp lý của hình dạng đường biến dạng và biểu đồ mô men uốn trong kết cấu khung dầm vốn rất phổ biến. Trong phạm vi môn Cơ học kết cấu, trước hết kỹ năng này có thể được giảng dạy và truyền đạt thông qua các kết cấu khung dầm đơn giản với một số lượng hữu hạn bậc siêu tĩnh. Xét một dầm siêu tĩnh có đầu thừa chịu tải trọng như Hình 4a. Có thể thấy tiết diện giữa của nhịp dầm và đầu công xôn sẽ chuyển vị võng xuống, trong khi tiết diện tại các gối tựa bị giữ lại. Với dạng biến dạng này, thớ căng mô men dương sẽ xuất hiện tại nhịp dầm, trong khi tại gối tựa đầu thừa sẽ xuất hiện mô men âm. Căn cứ trên các nhận xét như vậy, dạng biểu đồ mô men của dầm sẽ được vẽ nhanh chóng. Cho một khung một tầng và ba nhịp chịu tải trọng như Hình 4(b). Tải trọng phân bố sẽ làm cho đoạn dầm CD võng xuống, kéo theo chuyển vị xoay của hai nút khung C và D. Với giả thiết nút là cứng tuyệt đối, chuyển vị xoay của hai nút này sẽ gây biến dạng đối với các cấu kiện thanh qui tụ như trên hình vẽ. Do các tiết diện A, H, G, F bị ngàm, trên các cấu kiện thẳng đứng sẽ xuất hiện điểm
612 710 Nguyễn Bá Duẩn1,*, Phạm Xuân Đạt1 , Nguyễn Mạnh Yên1 và Hà Mạnh Hùng1 không mô men (vị trí biểu đồ mô men đổi dấu). Từ những nhận xét trên đây, dạng biểu đồ mô men sẽ được vẽ phác nhanh chóng. (a) Dầm siêu tĩnh có đầu thừa (b) Khung một tầng và ba nhịp Hình 4. Quan hệ giữa Tải trọng tác dụng – Đường biến dạng – Thớ căng mô men [2] 2.4. Xác định nhanh đường truyền tải trọng trong hệ kết cấu Hình 5. Đường truyền tải trọng trong kết cấu nhà dân dụng [2]
613 711 Trao đổi về nội dung giảng dạy nhằm phát triển kỹ năng định tính trong môn Cơ học kết cấu Đường truyền tải trọng (load path) là một thuật ngữ tương đối phổ biến trong thực hành tính toán kết cấu nhằm mô tả sự truyền tải trọng trong kết cấu công trình, từ vị trí tác động xuống đến móng của công trình. Đối với kết cấu công trình nhà dân dụng (Hình 5), tĩnh tải và hoạt tải phân bố sẽ truyền từ cấu kiện sàn sang dầm phụ, từ dầm phụ truyền sang dầm chính, rồi về cột và cuối cùng xuống móng. Tương tự, tải trọng gió tác dụng lên bề mặt của công trình theo phương ngang sẽ truyền về các tấm sàn, sau đó truyền về kết cấu lõi cứng và truyền xuống móng công trình. Đường truyền tải trọng sẽ giúp cho kỹ sư nhận diện được các cấu kiện chịu lực chính hoặc đáng lưu ý để gia cường, hoặc các cấu kiện thứ yếu khi không nằm trong đường truyền tải trọng. Tương ứng với mỗi loại tải trọng như tĩnh tải, hoạt tải hay tải trọng gió bão và động đất, sẽ xuất hiện các đường truyền tải trọng khác nhau, đồng nghĩa với tầm quan trọng của cấu kiện liên quan cũng khác nhau. 2.5. Áp dụng nhanh phương trình cân bằng lực và mô men Mô hình tính được thiết lập bằng các phần mềm Phần tử hữu hạn như Etabs, Sap2000, Safe nhìn chung tương đối phức tạp với sự có mặt của nhiều loại phần tử hữu hạn khác nhau (beam element, shell element, truss element). Quá trình xây dựng mô hình tính thường xuyên xuất hiện nhiều lỗi chủ quan và khách quan. Lỗi chủ quan do người sử dụng có thể bao gồm nhập thiếu (hoặc sai) dữ liệu về tải trọng cũng như kích thước và vị trí phần tử. Lỗi khách quan thường xảy ra đối với kỹ thuật chia lưới tự sinh (automeshing shell) đối với các phần tử bản vỏ (shell element) có hình dạng và kích thước hình học không hợp lý. Các lỗi khách quan này cũng sẽ dẫn đến hiện tượng “mất” hoặc phân phối sai lệch tải trọng. Đa phần các lỗi chủ quan và khách quan này đều có thể được phát hiện bằng các phép kiểm tra sự cân bằng lực của mô hình tính và có thể được liệt kê như sau: - Trong từng trường hợp tải trọng thẳng đứng: tổng phản lực theo phương đứng tại liên kết với nền đất phải xấp xỉ bằng tổng tải trọng đầu vào của trường hợp tải trọng cụ thể đó (ví dụ: tĩnh tải bản thân, tĩnh tải phụ thêm, hoạt tải), tổng phản lực theo phương ngang phải xấp xỉ bằng không. - Trong từng trường hợp tải trọng theo phương ngang: tổng phản lực theo phương ngang tại liên kết với nền đất phải xấp xỉ bằng tổng tải trọng đầu vào của trường hợp tải trọng cụ thể đó (ví dụ: tải trọng gió theo các phương, tải trọng động đất theo các phương), tổng phản lực theo phương đứng phải xấp xỉ bằng không. 3. Kết luận Nguyên nhân xuất phát từ sự phức tạp và đa dạng của kết cấu công trình hiện đại, cùng với các yêu cầu khách quan khác như tối ưu hóa vật liệu và không gian sử dụng. Điều này đặt ra yêu cầu thay đổi đối với mục tiêu và nội dung giảng day của môn Cơ học kết cấu trong các trường đại học khối kỹ thuật. Ngoài ra, với sự có mặt của các phần mềm phân tích kết cấu chuyên dụng, công tác thiết kế kết cấu trong vài chục năm gần đây đã và đang trải qua những thay đổi mạnh mẽ. Mặc dù công việc tính toán của người kỹ sư kết cấu được giảm đi đáng kể, nhưng các khối lượng công việc khác như đề xuất giải pháp kết cấu, thiết lập mô hình tính và kiểm soát tính đúng đắn của kết quả nội lực, biến dạng và chuyển vị kết xuất từ chương trình tính có xu hướng tăng cao. Theo đó, nhóm tác giả đề xuất một số nội dung giảng dạy mang tính định lượng nên giảm tải, trong khi các nội dung nhằm phát triển kỹ năng định tính của người kỹ sư nên được đầu tư và mở rộng nhiều hơn. Các nội dung cần được thảo luận sâu hơn: • Điều chỉnh thời lượng giảng dạy các bài toán định lượng và định tính như thế nào là phù hợp? • Xây dựng nội dung lý thuyết, ví dụ, bài tập định tính bao quát, đa dạng, dễ hình dung phù hợp với từng chuyên ngành cụ thể và có tính thực tiễn cao. • Bổ sung nội dung giảng dạy các phần mềm phân tích kết cấu (phiên bản giáo dục) để có thêm dữ liệu so sánh, nhận xét và đánh giá.
614 712 Nguyễn Bá Duẩn1,*, Phạm Xuân Đạt1 , Nguyễn Mạnh Yên1 và Hà Mạnh Hùng1 Tài liệu tham khảo [1] https://marinatown.vn/#toa-nha [2] R. C. Hibbeler, Structural Analysis, 9th Edition, (2015).