Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
BAØN VEÀ SÖÏ LAØM VIEÄC ÑOÀNG THÔØI CUÛA KEÁT CAÁU<br />
VÔÙI BIEÁN DAÏNG CUÛA NEÀN<br />
Nguyeãn Huyønh Taán Taøi, Nguyeãn Keá Töôøng<br />
Tröôøng Ñaïi hoïc Thuû Daàu Moät<br />
<br />
<br />
TOÙM TAÉT<br />
<br />
<br />
Baøi vieát naøy trình baøy moät phöông phaùp tính keát caáu coâng trình laøm vieäc ñoàng thôøi<br />
vôùi ñaát neàn. Söï töông taùc giöõa keát caáu beân treân vaø neàn moùng beân döôùi ñöôïc moâ phoûng<br />
nhôø vaøo moâ hình tieáp xuùc moùng ñaát neàn, cho pheùp xaùc ñònh chuyeån vò cuûa moùng phuï<br />
thuoäc vaøo caùc ñaëc tröng cô líù cuûa ñaát neàn ñoàng thôøi xaùc ñònh ñöôïc noäi löïc do caùc<br />
chuyeån vò luùn cuûa caùc moùng truyeàn laïi trong keát caáu.<br />
Töø khoùa: keát caáu, neàn, moùng, laøm vieäc ñoàng thôøi, phi tuyeán,<br />
phöông phaùp phaàn töû höõu haïn<br />
*<br />
1. Giôùi thieäu böùc do moùng luùn. Tuy nhieân caùch laøm naøy<br />
Hieän nay, khi tính keát caáu coâng thöôøng daãn ñeán sai soá lôùn veà noäi löïc,<br />
trình, kyõ sö thöôøng söû duïng phaàn meàm thaäm chí laø sai laàm.<br />
tính toaùn thöông maïi nhö Sap, Etab. Ñeå khaéc phuïc hieän töôïng treân, moâ<br />
Phaàn keát caáu beân treân vaø phaàn neàn moùng hình neàn Winkler ñöôïc söû duïng ñeå moâ<br />
beân döôùi ñöôïc tính toaùn rieâng bieät. Söï phoûng söï laøm vieäc ñoàng thôøi giöõa keát caáu<br />
truyeàn taûi töø keát caáu beân treân xuoáng beân moùng vaø ñaát neàn. Moâ hình naøy quan<br />
döôùi ñöôïc thöïc hieän thoâng qua nhöõng lieân nieäm ñaát neàn öùng xöû nhö moät loø xo, quan<br />
keát líù töôûng nhö ngaøm, khôùp. Vieäc tính heä giöõa chuyeån vò vaø phaûn löïc neàn laø<br />
toaùn nhö treân khoâng xeùt ñeán söï chuyeån vò ñöôøng thaúng. Ví duï trong coâng trình [1],<br />
ñoàng thôøi cuûa keát caáu beân treân vaø moùng taùc giaû moâ hình keát caáu vaø daàm moùng<br />
beân döôùi. Caùc keát quaû noäi löïc tìm ñöôïc baêng laøm vieäc ñoàng thôøi vôùi nhau. Daàm<br />
chöa xaùc thöïc vôùi söï laøm vieäc thöïc teá cuûa moùng baêng ñöôïc chia thaønh nhieàu ñoaïn<br />
keát caáu do chöa tính ñeán phaàn noäi löïc do (phaàn töû) giôùi haïn bôûi hai ñieåm (nuùt). Taïi<br />
chuyeån vò khoâng ñoàng thôøi cuûa caùc lieân caùc nuùt, ñaët moät lieân keát loø xo theo<br />
keát. Noäi löïc xuaát hieän trong keát caáu do phöông ñöùng. Ñoä cöùng cuûa loø xo phuï thuoäc<br />
chuyeån vò khoâng ñoàng thôøi cuûa caùc lieân vaøo heä soá neàn vaø phuï thuoäc vaøo dieän<br />
keát chæ coù theå thöïc hieän sau khi giaûi baøi truyeàn taûi cuûa nuùt ñoù. Ñieåm maáu choát cuûa<br />
toaùn luùn cho töøng moùng roài töø ñoù cho giaûi moâ hình naøy laø xaùc ñònh heä soá neàn tuy<br />
laïi baøi toaùn keát caáu vôùi chuyeån vò cöôõng nhieân ñaây khoâng phaûi laø vieäc deã daøng.<br />
<br />
66<br />
Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br />
<br />
<br />
Caùch ñôn giaûn nhaát ñeå xaùc ñònh heä soá 2. Moâ hình tieáp xuùc moùng - ñaát neàn<br />
neàn laø thí nghieäm baøn neùn hieän tröôøng. Keát caáu thöôïng taàng cuûa coâng trình töïa<br />
Moâ hình neàn Winkler ñôn giaûn nhöng leân ñaát neàn thoâng qua keát caáu haï taàng<br />
haïn cheá do quan nieäm quan heä giöõa chính laø caùc moùng (hình H.1). Moâ hình tieáp<br />
chuyeån vò vaø phaûn löïc neàn laø tuyeán tính xuùc keát caáu moùng - ñaát neàn trình baøy trong<br />
trong khi öùng xöû cuûa ñaát neàn laø khoâng baøi vieát naøy ñöôïc aùp duïng cho coâng trình söû<br />
tuyeán tính. Ñeå khaéc phuïc nhöôïc ñieåm duïng keát caáu moùng ñôn. Neáu coù söï tieáp xuùc<br />
treân, moät phöông phaùp tính toaùn keát caáu giöõa moùng vaø ñaát neàn thì chuyeån vò ñöùng<br />
coâng trình laøm vieäc ñoàng thôøi vôùi ñaát neàn U cuûa moùng chính baèng ñoä luùn s(s 0) cuûa<br />
ñöôïc ñeà xuaát. Phöông phaùp naøy döïa vaøo neàn taïi vò trí taâm moùng töông öùng vôùi aùp<br />
baøi toaùn tính luùn coá keát ñeå xaùc ñònh löïc gaây luùn taïi taâm moùng laø p 0 . Trong<br />
chuyeån vò ñöùng taïi taâm caùc moùng coâng tröôøng hôïp khoâng coù söï tieáp xuùc moùng -<br />
trình, ñoàng thôøi caùc phaûn löïc do ñaát neàn neàn thì aùp löïc do ñaát neàn truyeàn vaøo moùng<br />
taùc duïng leân coâng trình töông öùng caùc baèng khoâng (p = 0). Nhö vaäy quan heä giöõa<br />
chuyeån vò ñöùng naøy phaûi thoûa maõn caùc aùp löïc ñaát neàn taùc duïng vaøo moùng p vaø<br />
phöông trình caân baèng tónh hoïc cuûa keát chuyeån vò cuûa moùng U laø moät quan heä phi<br />
caáu döôùi taùc duïng cuûa caùc taûi troïng vaø taùc tuyeán. Tính phi tuyeán ôû ñaây bao goàm hai<br />
ñoäng leân coâng trình. Do ñoù, tính phi nguyeân nhaân: (i) do qui luaät öùng xöû cuûa ñaát<br />
tuyeán trong quan heä öùng xöû cuûa ñaát neàn neàn laø phi tuyeán vaø (ii) do baûn chaát phi<br />
ñöôïc xeùt ñeán. tuyeán cuûa baøi toaùn tieáp xuùc.<br />
<br />
Kết cấu bên trên<br />
P<br />
Móng<br />
u<br />
<br />
R(u)=P<br />
Nền<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(a) (b)<br />
Hình 1: Moâ hình tieáp xuùc moùng - ñaát neàn<br />
2.1. ÖÙng suaát trong neàn ñaát troïng löôïng rieâng . ÖÙng suaát do troïng<br />
ÖÙng suaát trong neàn ñaát bao goàm öùng löôïng baûn thaân cuûa ñaát trong neàn<br />
suaát do troïng löôïng baûn thaân ñaát neàn vaø öùng bt .z (1)<br />
suaát gaây luùn do coâng trình beân treân truyeàn (b) ÖÙng suaát gaây luùn: laø öùng suaát do<br />
xuoáng thoâng qua caùc moùng. Trong ñoù: moùng coâng trình truyeàn xuoáng neàn. Trong<br />
(a) ÖÙng suaát baûn thaân: ñeå ñôn giaûn baøi vieát naøy, caùc taùc giaû chæ xeùt ñeán<br />
hoùa baøi toaùn vaø khoâng laøm maát tính toång chuyeån vò caùc moùng theo phöông ñöùng<br />
quaùt, giaû söû ñaát neàn chæ goàm moät lôùp ñaát, khoâng ñoàng thôøi, khoâng cuøng trò soá luùn.<br />
<br />
67<br />
Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br />
<br />
<br />
Goùc xoay cuûa caùc moùng chöa ñöôïc xeùt ñeán. Do ñoù ta coù theå moâ hình hoùa ñöôøng<br />
Ñeå ñôn giaûn tính toaùn, moùng coâng trình cong e döôùi daïng moät ña thöùc baäc n,<br />
ñöôïc giaû söû coù daïng hình troøn ñuùng taâm e ai { i }, i 0, n . Tröôøng hôïp ñöôøng<br />
ñöôøng kính d truyeàn aùp löïc trung bình cong neùn luùn coù daïng phöùc taïp, ta coù theå<br />
xuoáng ñaát neàn taïi taâm moùng p . Noùi caùch duøng pheùp noäi suy Lagrange hoaëc Spline.<br />
khaùc, p chính laø aùp löïc trung bình do ñaát Vôùi taäp soá lieäu nhö treân hình 2,<br />
neàn truyeàn vaøo taâm moùng coâng trình. ÖÙng ñöôøng cong baäc 3 ñaõ coù theå xaáp xæ toát. Cuï<br />
suaát do aùp löïc p gaây ra trong neàn taïi vò trí theå ñöôøng<br />
taâm moùng theo Boussinesq [4]<br />
e a3. 3 a2 . 2 a1. a0 (4)<br />
1 z 3<br />
gl p. 2 2 3/2 (2) vôùi a3 1e 20 , a2 2e 6 , a1 0.0011<br />
(r z )<br />
vaø a0 0.97 e(0) .<br />
Trong tröôøng hôïp moùng khoâng phaûi<br />
hình troøn, öùng suaát trong neàn do aùp löïc 2.3. Baøi toaùn luùn coá keát<br />
p gaây ra ñöôïc tính baèng Ñoä luùn coá keát taïi taâm moùng coâng<br />
<br />
gl p.K0 (3) trình ñöôïc tính<br />
ei1 ei 2<br />
trong ñoù K0 laø heä soá phuï thuoäc vaøo chieàu s dz (5)<br />
0 1 ei1<br />
saâu z vaø kích thöôùc cuûa moùng [5, 6]. trong ñoù s laø ñoä luùn coá keát, ei1 laø heä soá<br />
2.2. Ñöôøng cong neùn luùn roãng öùng vôùi öùng suaát baûn thaân vaø ei 2 laø<br />
heä soá roãng öùng vôùi öùng suaát gaây luùn coäng<br />
Ñöôøng cong neùn luùn e ñöôïc xaùc<br />
vôùi öùng suaát baûn thaân.<br />
ñònh töø thí nghieäm neùn coá keát maãu ñaát<br />
khoâng nôû hoâng, trong ñoù e laø heä soá roãng, Tieâu chuaån thieát keá neàn nhaø vaø coâng<br />
<br />
laø caáp aùp löïc neùn. Trong haàu heát caùc trình Vieät Nam TCXD 45-78, cho pheùp<br />
<br />
tröôøng hôïp, quan heä e laø ñöôøng cong tính ñoä luùn coá keát cuûa neàn baèng phöông<br />
<br />
ñôn ñieäu giaûm, vaø coù daïng nhö ñöôøng phaùp toång caùc lôùp phaân toá, töùc laø tính<br />
<br />
cong treân hình 2. gaàn ñuùng tích phaân treân<br />
<br />
ei1 ei 2<br />
hgl<br />
<br />
s z (6)<br />
0 1 ei1<br />
trong ñoù hgl laø ñoä saâu maø taïi ñoù xem nhö öùng<br />
suaát gaây luùn khoâng coøn coù taùc duïng gaây luùn,<br />
cuï theå gl 5 bt trong tröôøng hôïp ñaát toát,<br />
gl 0,1 0, 2 bt trong tröôøng hôïp ñaát yeáu.<br />
2.4. Qui luaät tieáp xuùc moùng - neàn ñaát<br />
Goïi U laø chuyeån vò theo phöông ñöùng<br />
cuûa moät moùng baát kyø vaø p laø aùp löïc do<br />
ñaát neàn taùc duïng vaøo moùng ñoù töông öùng<br />
Hình 2: Ñöôøng cong neùn luùn [7 : 58] vôùi ñoä luùn U . Qui luaät tieáp xuùc theo<br />
<br />
68<br />
Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br />
<br />
<br />
phöông ñöùng giöõa moùng - ñaát neàn ñöôïc dieãn hgl<br />
ei1 ( bt ) ei 2 ( gl ( p) bt )<br />
ñaït nhö sau: neáu U 0 , coù söï tieáp xuùc 0 1 ei1 ( bt )<br />
z U 0 (8)<br />
moùng – neàn, p 0 ; neáu U 0 , khoâng coù Qui luaät öùng xöû cho söï tieáp xuùc theo<br />
söï tieáp xuùc moùng - neàn, p 0 . (7) phöông ñöùng cuûa moùng vaø ñaát neàn ñöôïc<br />
Trong tröôøng hôïp coù tieáp xuùc, U s vieát laïi baèng phöông trình sau:<br />
neân töø phöông trình (6) ta coù<br />
<br />
hgl ei1 ( bt ) ei 2 ( gl ( p) bt )<br />
z U 0, neáu U 0<br />
0 1 ei1 ( bt ) (9)<br />
p 0, neáu U 0<br />
<br />
Ta coù theå chöùng minh phöông trình (9) laø töông ñöông vôùi phöông trình (7) nhö sau:<br />
(i) phöông trình (9) suy ra phöông trình (7)<br />
hgl<br />
ei1 ( bt ) ei 2 ( gl ( p) bt )<br />
- Neáu U 0, ta coù 0 1 ei1<br />
z 0 ei1 ( bt ) ei 2 ( gl ( p) bt )<br />
<br />
neân gl ( p) 0 p 0<br />
- Neáu U 0 p0<br />
(ii) phöông trình (7) suy ra phöông trình (9)<br />
hgl<br />
ei1 ( bt ) ei 2 ( gl ( p) bt )<br />
- Neáu p 0 ei1 ( bt ) ei 2 ( gl ( p) bt ) 0 1 ei1<br />
z 0 U 0<br />
<br />
- Neáu p 0 khoâng coù tieáp xuùc U > 0<br />
3. Phöông phaùp phaàn töû höõu haïn cho<br />
heä khung laøm vieäc ñoàng thôøi vôùi ñaát<br />
neàn<br />
Cho moät keát caáu khung coâng trình<br />
nhö treân hình 3. Giaû söû moùng coâng trình<br />
bò khoùa chaët theo phöông x vaø theo<br />
phöông goùc xoay . Coøn theo phöông<br />
thaúng ñöùng y , moùng coâng trình ñöôïc tieáp<br />
xuùc vôùi ñaát neàn. Qui luaät öùng xöû moâ taû söï<br />
tieáp xuùc giöõa moùng coâng trình vaø ñaát neàn Hình 3: Moâ hình khung laøm vieäc ñoàng<br />
tuaân theo phöông trình (9). Phöông trình thôøi vôùi ñaát neàn baèng phaàn töû tieáp xuùc<br />
caân baèng nuùt trong heä toïa ñoä toång theå moùng - ñaát neàn<br />
Oxy Ma traän ñoä cöùng cuûa toaøn keát caáu<br />
K.U F Fp (10) K coù ñöôïc töø vieäc saép xeáp caùc ma traän ñoä<br />
trong ñoù K laø ma traän ñoä cöùng, U laø veùc-tô cöùng phaàn töû Ke . Trong heä toïa ñoä ñòa<br />
chuyeån vò nuùt, F laø veùc-tô löïc nuùt do caùc taûi phöông cuûa phaàn töû O (hình 4) , ma<br />
troïng, Fp laø veùc-tô löïc nuùt do phaûn löïc neàn. traän ñoä cöùng phaàn töû ñöôïc xaùc ñònh [6, 7].<br />
<br />
69<br />
Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 4:<br />
Heä toïa ñoä ñòa phöông<br />
phaàn töû maãu<br />
<br />
<br />
EA / L 0 0 EA / L 0 0 <br />
0 12 EJ / L 3<br />
6 EJ / L 2<br />
0 12 EJ / L 6 EJ / L <br />
3 2 <br />
<br />
0 6 EJ / L 2<br />
4 EJ / L 0 6 EJ / L2 2 EJ / L <br />
ke (11)<br />
EA / L 0 0 EA / L 0 0 <br />
0 12 EJ / L3 6 EJ / L2 0 12 EJ / L3 6 EJ / L2 <br />
<br />
0 6 EJ / L2 2 EJ / L 0 6 EJ / L2 4 EJ / L <br />
trong ñoù E , A, J laàn löôït laø moâ-ñun ñaøn hoài, neàn truyeàn vaøo caùc moùng vaø {r} laø veùc-tô<br />
dieän tích vaø moâ-men quaùn tính theo phöông caùc baùn kính moùng. Veùc-tô löïc nuùt do<br />
uoán cuûa tieát dieän phaàn töû. Ma traän ñoä cöùng phaûn löïc neàn taùc duïng vaøo keát caáu coâng<br />
cuûa phaàn töû trong heä toïa ñoä toång theå coù ñöôïc trình thoâng qua keát caáu moùng<br />
nhôø pheùp chuyeån heä toïa ñoä Ke T .k e .T ,T<br />
(khoâng thöïc hieän toång) (13)<br />
vôùi T laø ma traän chuyeån<br />
trong ñoù L laø ma traän chæ soá sao cho<br />
cos sin 0 0 0 0<br />
Lij 1 neáu thaønh phaàn chuyeån vò Ui cuûa<br />
sin cos 0 0 0 0 <br />
keát caáu ñöôïc raøng buoäc ñieàu kieän tieáp xuùc<br />
0 0 1 0 0 0 (12)<br />
T vôùi ñaát neàn vaø giaù trò aùp löïc ñaát neàn taùc<br />
0 0 0 cos sin 0 <br />
duïng vaøo moùng töông öùng laø p j . Kích<br />
0 0 0 sin cos 0 <br />
thöôùc cuûa ma traän L laø ( Nbtd Nm ) vôùi<br />
0 0 0 0 0 1<br />
Nbtd laø soá baäc töï do cuûa keát caáu.<br />
Veùc-tô löïc nuùt F do caùc taûi troïng taäp<br />
3.1. Heä phöông trình phi tuyeán -<br />
trung taïi caùc nuùt vaø do caùc taûi troïng ngoaøi taùc<br />
Phöông phaùp giaûi<br />
duïng leân caùc phaàn töû, ñoäc giaû quan taâm coù theå<br />
Phöông trình (9) vaø (10) laäp thaønh heä<br />
tham khaûo caùch xaùc ñònh veùc-tô löïc nuùt trong<br />
phöông trình phi tuyeán, trong ñoù aån soá<br />
caùc taøi lieäu vieát veà phöông phaùp phaàn töû höõu<br />
caàn tìm laàn löôït laø veùc-tô chuyeån vò nuùt<br />
haïn trong keát caáu nhö [6, 7].<br />
{U} vaø veùc-tô caùc aùp löïc neàn {p} .<br />
Goïi N m laø soá löôïng caùc moùng trong<br />
Ñaët:<br />
coâng trình, {p} laø veùc-tô caùc aùp löïc ñaát<br />
<br />
RU (U, p) K.U F Fp 0<br />
<br />
ei1 ( bt ) ei 2 ( gl ( pi ) bt )<br />
hgl<br />
<br />
z L jiU j 0, neáu L jiU j 0 (14)<br />
{R p (U, p)}i 0 1 ei1 ( bt ) , i 1, N m<br />
pi 0, neáu L jiU j 0<br />
<br />
<br />
70<br />
Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br />
<br />
<br />
goïi laø caùc phaàn dö. Giaû söû caùc phaàn dö laø khaû vi hoaëc ít nhaát laø khaû vi treân töøng ñoaïn<br />
ñeå coù theå tính ñöôïc caùc ñaïo haøm. Phaân tích R u , R p thaønh chuoåi Taylor, ta coù:<br />
RU RU<br />
RU (U U, p p) RU (U, p) U .U p .p o(U, p) 0<br />
<br />
(15)<br />
R (U U, p p) R (U, p) R p .U R p .p o(U, p) 0<br />
p p<br />
U p<br />
Boû qua caùc soá haïng voâ cuøng beù baäc cao, ta coù:<br />
KUU .U KUp .p RU (U , p)<br />
(16)<br />
K pU .U K pp .p R p (U , p)<br />
RU RU Fp<br />
trong ñoù: K UU K ; KUp (17)<br />
U p p<br />
[KUp ]ij Lij .rj2 (khoâng thöïc hieän toång)<br />
L ji , neáu L jiU j 0<br />
R pi<br />
<br />
[K pU ]ij (18)<br />
U j 0, neáu L jiU j 0<br />
hgl ei1 ei 2 ( ( pi ))<br />
[K pp ]ij <br />
{R p }i <br />
p j 0<br />
1 e z, neáu LijU i 0<br />
(19)<br />
{p} j<br />
i1<br />
ij , neáu LijU i 0<br />
<br />
1, neáu i j<br />
trong ñoù ij laø chæ soá Kronecker vôùi ij <br />
0, neáu i j<br />
Ta laïi coù<br />
<br />
hgl<br />
ei1 ( bt ) ei 2 ( gl ( pi ) bt ) hgl<br />
ei 2 ( gl ( pi ) bt )<br />
p j<br />
0 1 ei1 ( bt )<br />
z <br />
0 p j 1 ei1 ( bt )<br />
z 0 neáu i j (2)<br />
<br />
ei 2 ( gl ( pi ) bt ) ei 2 ( gl ( pi ) bt ) ( gl ( pi ) bt )<br />
hgl hgl<br />
1<br />
p<br />
0 1 ei1 ( bt )<br />
z <br />
0 ( gl ( pi ) bt ) 1 ei1 ( bt )<br />
.<br />
pi<br />
z (21)<br />
i<br />
<br />
maø theo caùc phöông trình (2) vaø (4) ta coù,<br />
( p) 1 z3<br />
2<br />
p (r z 2 )3/2<br />
(22)<br />
ei 2 ( ( p))<br />
3a3 . 2 2a2 . a1<br />
( p)<br />
neân ma traän tieáp tuyeán K pp ñöôïc tính<br />
[K pp ]ij 0 neáu i j<br />
hgl 3a3 .( g l ( pi ) bt ) 2 2a2 .( g l ( pi ) bt ) a1 1 z 3<br />
. 2 2 3/2 .z, neáu L ji .U i 0 (23)<br />
[K pp ]ii 0 1 ei1 (ri z )<br />
1, neáu L ji .U i 0<br />
<br />
<br />
71<br />
Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br />
<br />
Caùc ma traän tieáp tuyeán beân treân ñöôïc tính vôùi giaû thieát moùng coù daïng hình troøn,<br />
ñöôøng cong neùn luùn ñöôïc moâ phoûng baèng haøm ña thöùc baäc 3. Trong tröôøng hôïp moùng coù<br />
daïng khoâng phaûi hình troøn thì öùng suaát gaây luùn ñöôïc tính theo theo phöông trình (3) vaø<br />
caùc ñaïo haøm lieân quan seõ ñöôïc tính baèng phöông phaùp soá. Tröôøng hôïp ñöôøng cong neùn<br />
e<br />
luùn phöùc taïp seõ ñöôïc noäi suy spline khi ñoù ñaïo haøm seõ ñöôïc ñònh nghóa treân töøng<br />
<br />
ñoaïn.<br />
Löu yù: Coù theå chæ söû duïng phöông trình (14)1 vôùi duy nhaát aån soá laø U ñeå giaûi, Fp ñöôïc xem laø<br />
<br />
haøm theo U . Phöông trình (14)2 ñöôïc duøng nhö moät qui luaät öùng xöû ñeå xaùc ñònh p töø ñoù tính Fp<br />
khi ñaõ bieát U . Ma traän tieáp tuyeán trong tröôøng hôïp naøy chæ goàm moät ma traän duy nhaát laø:<br />
Fp<br />
K UU K <br />
U<br />
{Fp }i pi T<br />
Vôùi x ri 2 . .Lij (khoâng thöïc hieän toång)<br />
{U} j U j<br />
Rp<br />
pi U j 1<br />
hgl<br />
U j Rp 3a3 .( g l ( pi ) bt ) 2a2 .( g l ( pi ) bt ) a1<br />
2<br />
1 z3<br />
pi 0 1 ei1<br />
.<br />
(ri 2 z 2 )3/2<br />
.z<br />
<br />
Phöông phaùp naøy hoäi tuï laâu hôn phöông phaùp söû duïng heä hai phöông trình (14)1,2 .<br />
Thuaät toaùn giaûi cho phöông phaùp naøy bao goàm moät voøng laëp ngoaøi cho caùc böôùc laëp<br />
treân U vaø moät voøng laëp trong ñeå xaùc ñònh p khi ñaõ bieát U do quan heä p vaø U laø phi<br />
tuyeán +<br />
3.2. Thuaät toaùn giaûi heä phöông trình phi tuyeán baèng phöông phaùp Newton-<br />
Raphson<br />
Choïn tröôùc giaù trò U0 0, p0 0 . Vieát laïi phöông trình (16) cho böôùc laëp thöù i<br />
<br />
KUU .U KUp .p RU<br />
i i i 1<br />
<br />
i 1<br />
K pU .U K pp .p R p<br />
i i<br />
<br />
trong ñoù caùc ma traän tieáp tuyeán ñöôïc tính öùng vôùi Ui 1 , pi 1 . Nhaân hai veá phöông<br />
1<br />
trình (162) cho K pp , ta coù<br />
pi Kpp1 .(R p K pU .Ui ) (24)<br />
Theá phöông trình (25) vaøo ( 161 ) ta ñöôïc:<br />
(KUU KUp .Kpp1 .K pU )Ui RU KUp .Kpp1 .R p (25)<br />
Giaûi phöông trình treân ta ñöôïc U , theá U vaøo phöông trình (25) ta ñöôïc p i .<br />
i i<br />
<br />
<br />
Tính laïi caùc giaù trò U vaø p taïi voøng laäp thöù i<br />
Ui Ui 1 Ui<br />
(26)<br />
pi pi 1 pi<br />
<br />
72<br />
Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br />
<br />
<br />
Tieáp tuïc quaù trình treân vôùi noäi löïc. Caùc ví duï tính toaùn trình baøy döôùi<br />
i 1 i 1<br />
U U ,p<br />
i<br />
p i<br />
cho ñeán khi ñieàu ñaây nhaèm muïc ñích ñaùnh giaù tính ñuùng ñaén<br />
kieän döøng ñöôïc thoûa maõn. cuûa phöông phaùp ñeà xuaát beân treân cuõng nhö<br />
Löu yù: Chuùng ta khoâng theå tính U so saùnh vôùi caùc keát quaû cuûa caùc phöông phaùp<br />
theo p töø phöông trình 161 ñöôïc vì ma khaùc. Caùc ví duï naøy tuy ñôn giaûn nhöng ñoùng<br />
traän KUU laø suy bieán + vai troø heát söùc quan troïng trong vieäc hôïp thöùc<br />
3.3. Ñieàu kieän döøng hoùa phöông phaùp ñeà xuaát.<br />
Ñieàu kieän döøng hay ñieàu kieän hoäi tuï 4.1. Coät chòu taûi troïng ñöùng vaø ngang<br />
laø ñieàu kieän maø taïi ñoù voøng laëp Newton-<br />
Raphson ñöôïc keát thuùc, caùc giaù trò hieän Cho moät coät chòu taûi troïng ñöùng vaø<br />
taïi cuûa caùc aån caàn tìm chính laø nghieäm ngang nhö treân hình 5-a. Coät coù kích thöôùc<br />
cuûa heä phöông trình phi tuyeán. Ñieàu kieän tieát dieän ngang 0.2m 0.4m , chieàu cao<br />
döøng caên cöù vaøo chuaån cuûa RU vaø R p [8] h=7m. Vaät lieäu duøng ñeå laøm coät coù moâ-ñun<br />
‖ RU ‖ ñaøn hoài E 3 1010 vaø heä soá Poisson<br />
TOLRu 106<br />
‖ K.U‖ (27) 0.2 . Ñaët moät löïc taäp trung<br />
‖ R p‖ TOLRp 108 P 7.85 10 N taïi ñænh coät vaø löïc phaân boá<br />
5<br />
<br />
<br />
trong ñoù TOLRu , TOLRp laø sai soá cho ñeàu qx 17500N / m suoát chieàu daøi coät. Coät<br />
pheùp cuûa caùc phaàn dö, ‖ •‖ laø chuaån tieáp xuùc vôùi neàn thoâng qua moùng ñôn coù<br />
Euclide ñöôïc ñònh nghóa daïng hình troøn ñöôøng kính 1m. Söï laøm vieäc<br />
ñoàng thôøi giöõa moùng coät vaø neàn ñöôïc moâ<br />
‖ •‖ (•)T .• (28)<br />
hình baèng phaàn töû tieáp xuùc moùng - ñaát neàn.<br />
4. Caùc keát quaû tính toaùn Ñaát neàn beân döôùi coät coù troïng löôïng rieâng<br />
Caùc líù thuyeát tính toaùn trình baøy beân 18000N / m3 , ñöôøng cong neùn luùn e <br />
treân ñöôïc laäp trình treân chöông trình Matlab nhö treân hình 1. Caùc keát quaû thu ñöôïc nhôø<br />
V7.6.0. Quaù trình xöû líù soá lieäu sau khi tính vaøo chöông trình tính ñöôïc laëp trình treân<br />
toaùn ñöôïc thöïc hieän nhôø vaøo caùc coâng cuï ñoà Matlab V7.6.0. Pheùp laëp Newton-Raphson<br />
hoïa trong chöông trình Matlab. Keát quaû tính hoäi tuï raát nhanh, chæ vôùi 3 voøng laëp vôùi<br />
toaùn seõ ñöôïc bieåu thò thoâng qua traïng thaùi chuaån cuûa caùc phaàn dö laàn löôït laø<br />
bieán daïng cuûa keát caáu cuõng nhö caùc bieåu ñoà ‖ RU‖ 10 ‖, Rp‖ 10<br />
8 17<br />
<br />
<br />
.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 5: (a) Traïng thaùi ban ñaàu vaø sô ñoà taûi troïng<br />
(b) Traïng thaùi bieán daïng. Caùc giaù trò chuyeån vò ñaõ ñöôïc khuyeách ñaïi 10 laàn<br />
<br />
73<br />
Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br />
<br />
<br />
Phaûn löïc do ñaát neàn taùc duïng leân Moâ-men taïi<br />
chaân coät tính ñöôïc<br />
chaân coät tính ñöôïc {Fp }1 7.85 10 N ,<br />
5 M cc 384650Nm , moâ-men taïi ñænh coät<br />
aùp löïc ñaát neàn taïi taâm moùng tính ñöôïc tính ñöôïc M dc 1.89 1010 , ñuùng vôùi<br />
p 9.99493 104 N / m2 . Kieåm tra laïi ñieàu nghieäm giaûi tích<br />
kieän caân baèng theo phöông ñöùng qL2 15700 72<br />
M cc 384650 Nm , M dc 0 .<br />
4 4<br />
{Fp }1 F 7.85 105<br />
Löïc caét taïi chaân coät tính ñöôïc<br />
12<br />
. p F 7.85 10 5<br />
Qcc 109900N , löïc caét taïi ñænh coät<br />
4<br />
Qdc 1.45 1010 N , ñuùng vôùi nghieäm giaûi<br />
Kieåm tra laïi baøi toaùn tính luùn vôùi aùp<br />
tích M cc qL 15700 7 109900N , Qdc 0 .<br />
löïc gaây luùn p 9.99493 104 N / m2 , chieàu<br />
Löïc doïc trong coät tính ñöôïc N 78500 N<br />
daøy lôùp phaân toá z 0.02m vaø chieàu saâu<br />
treân toaøn coät, ñuùng vôùi nghieäm giaûi tích<br />
taét luùn hgl 10m baèng phöông phaùp toång<br />
N P 78500 N . Caùc bieåu ñoà moâ-men,<br />
lôùp phaân toá. Ñoä luùn tính ñöôïc vôùi baûng<br />
löïc caét vaø löïc doïc trong coät ñöôïc trình baøy<br />
tính ñöôïc laëp treân phaàn meàm Microsoft<br />
treân caùc hình 6 vaø 7, hoaøn toaøn phuø hôïp keát<br />
Excel, s 0.04498 baèng ñuùng vôùi<br />
quaû giaûi tích cuûa líù thuyeát daàm.<br />
{U1}y 0.044948 .<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
a) (b)<br />
(a) (b)<br />
Hình 6: (a) Bieåu ñoà moâ-men uoán M, (b) Bieåu ñoà löïc caét Q. Maøu vaøng öùng vôùi<br />
giaù trò noäi löïc aâm, maøu ñoû öùng vôùi giaù trò noäi löïc döông.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 7: Bieåu ñoà löïc doïc N. Maøu vaøng öùng vôùi giaù trò noäi löïc aâm,<br />
maøu ñoû öùng vôùi giaù trò noäi löïc döông.<br />
<br />
74<br />
Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br />
<br />
<br />
4.2. Khung hai taàng hai nhòp khung chòu taûi troïng taäp trung<br />
Moät coâng trình coù keát caáu khung phaúng Qy 78500N . Taát caû caùc moùng cuûa coâng<br />
hai taàng hai nhòp nhö treân hình 8. Chieàu trình ñeàu coù daïng hình troøn ñuùng taâm.<br />
cao moãi taàng h 3.5m , chieàu daøi nhòp Ñöôøng kính cuûa caùc moùng bieân laø 1.5m,<br />
L 5m . Khung ñöôïc cheá taïo bôûi loaïi vaät lieäu ñöôøng kính cuûa moùng giöõa laø 2.5m. Ñaát neàn<br />
coù moâ-ñun ñaøn hoài E 3 1010 vaø heä soá döôùi coâng trình coù troïng löôïng rieâng<br />
Poisson 0.2 . Tieát dieän caùc caáu kieän coät 18000N / m3 , ñöôøng cong neùn luùn e <br />
vaø daàm baèng nhau vaø baèng 0.2m 0.4m . Söï nhö treân hình 2. Caùc keát quaû thu ñöôïc nhôø<br />
laøm vieäc ñoàng thôøi giöõa moùng coät vaø neàn vaøo chöông trình tính ñöôïc laëp trình treân<br />
ñöôïc moâ hình baèng phaàn töû tieáp xuùc moùng - Matlab V7.6.0. Pheùp laëp Newton-Raphson<br />
ñaát neàn. Sô ñoà taûi troïng ñöôïc theå hieän nhö hoäi tuï raát nhanh chæ vôùi 3 voøng laëp vôùi<br />
treân hình 8-a. Caùc daàm chòu taûi troïng phaân chuaån cuûa caùc phaàn dö laàn löôït laø laø<br />
boá ñeàu qy 7850N / m . Caùc nuùt giöõa cuûa ‖ RU‖ 6.91109 ,‖ Rp‖ 6.63109 .<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 8: (a) Traïng thaùi ban ñaàu vaø sô ñoà taûi troïng; (b) Traïng thaùi bieán daïng<br />
Caùc giaù trò chuyeån vò ñaõ ñöôïc khuyeách ñaïi 20 laàn.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 9: Bieåu ñoà löïc doïc N. (a) phöông phaùp tính keát caáu laøm vieäc ñoàng thôøi vôùi ñaát<br />
neàn. (b) phöông phaùp tính keát caáu taùch rieâng. Caùc bieåu ñoà ñöôïc veõ cuøng tæ leä.<br />
<br />
75<br />
Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 10: Bieåu ñoà moâ-men uoán M. (a) phöông phaùp tính keát caáu laøm vieäc ñoàng thôøi vôùi<br />
ñaát neàn. (b) phöông phaùp tính keát caáu taùch rieâng. Caùc bieåu ñoà ñöôïc veõ cuøng tæ leä.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(a) (b)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 11: Bieåu ñoà löïc caét Q. (a) phöông phaùp tính keát caáu laøm vieäc ñoàng thôøi vôùi ñaát neàn.<br />
(b) phöông phaùp tính keát caáu taùch rieâng. Caùc bieåu ñoà ñöôïc veõ cuøng tæ leä.<br />
Ñoä luùn taïi taâm hai moùng bieân tính Ñoä luùn leäch giöõa moùng bieân vaø moùng giöõa<br />
ñöôïc laø s1 s3 0.0118m vaø ñoä luùn taïi laø s 0.0057 m .<br />
moùng giöõa s2 0.0175m öùng vôùi aùp löïc Phaûn löïc do ñaát neàn taùc duïng leân caùc<br />
ñaát neàn taïi taâm caùc moùng laàn löôït laø chaân coät tính ñöôïc {Fp }1 0.652 10 N ,<br />
5<br />
<br />
<br />
p1 p3 9.223103 N / m2 {Fp }2 1.836 105 N ,<br />
p2 9.351103 N / m2 {Fp }3 0.652 105 N . Ñieàu kieän caân baèng<br />
theo phöông ñöùng ñöôïc thoûa maõn, cuï theå<br />
Phöông trình (13) ñöôïc thoûa maõn cho<br />
ñeán chöõ soá thaäp phaân thöù 7 sau daáu phaåy.<br />
<br />
{F } 3.14 10 N<br />
p i<br />
5<br />
<br />
<br />
Y 7850 10 7850 10 78500 78500 3.14 10 5<br />
N<br />
<br />
ÔÛ bieåu ñoà löïc doïc, coù söï giaûm trò soá ôû vò bieân tính ñöôïc laø N1 N3 0.652 105 N .<br />
trí coät giöõa vaø taêng trò soá ôû vò trí coät bieân Trong khi vôùi phöông phaùp tính keát caáu taùch<br />
(hình 9-a). Löïc doïc trong coät giöõa tính ñöôïc rieâng (hình 9-b), löïc doïc chuû yeáu taäp trung ôû<br />
laø N2 1.836 10 N , löïc doïc trong caùc coät<br />
5<br />
coät giöõa ( N2 2.376 105 N ) coøn löïc doïc<br />
<br />
76<br />
Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br />
<br />
<br />
trong caùc coät bieân khoâng ñaùng keå ñeán nhöõng sai laàm trong thieát keá keát caáu<br />
( N1 N3 3.82 10 N ). Löïc doïc trong caùc<br />
4<br />
chòu löïc beân treân cuõng nhö keát caáu moùng beân<br />
daàm taêng leân khoaûng 3 laàn, cuï theå trong döôùi. Ñieàu naøy coù theå daãn ñeán laõng phí vaät<br />
daàm taàng 2, N 2.04 104 N thay vì lieäu ôû moät soá caáu kieän nhöng ôû nhöõng caáu<br />
6.32 103 N . kieän khaùc laïi khoâng ñöôïc thieát keá ñuû khaû<br />
Treân caùc hình 9, 10 vaø 11, caùc bieåu ñoà naêng chòu löïc. Haäu quaû laø nhöõng caáu kieän<br />
naøy seõ bò phaù hoaïi, laøm giaûm tuoåi thoï coâng<br />
noäi löïc thu ñöôïc baèng phöông phaùp tính toaùn<br />
trình thaäm chí laø gaây saäp ñoå toaøn boä coâng<br />
keát caáu laøm vieäc ñoàng thôøi vôùi ñaát neàn vaø<br />
trình. Qua ñoù cuõng cho thaáy söï caàn thieát cuûa<br />
phöông phaùp tính keát caáu taùch rieâng (quan<br />
vieäc tính toaùn keát caáu coâng trình laøm vieäc<br />
nieäm chaân coät ñöôïc ngaøm chaët), cuøng döõ lieäu<br />
ñoàng thôøi vôùi ñaát neàn trong ñoù phöông phaùp<br />
ñaàu vaøo. Ta nhaän thaáy raèng noäi löïc caùc caáu<br />
ñeà xuaát laø moät löïa choïn.<br />
kieän tính toaùn vôùi phöông phaùp tính toaùn<br />
Caàn löu yù raèng, vôùi phöông phaùp tính<br />
keát caáu laøm vieäc ñoàng thôøi vôùi ñaát neàn coù söï<br />
keát caáu taùch rieâng, vieäc aùp ñaët chuyeån vò<br />
khaùc bieät ñaùng keå so vôùi phöông phaùp tính<br />
cöôõng böùc ôû caùc goái töïa baèng ñuùng ñoä luùn cuûa<br />
toaùn keát caáu taùch rieâng.<br />
caùc moùng töông öùng sau khi ñaõ giaûi baøi toaùn<br />
Do moùng giöõa bò luùn nhieàu hôn caùc moùng luùn vôùi caùc giaù trò phaûn löïc tính ñöôïc chæ<br />
bieân moät ñoaïn 0.0057m neân caùc daàm bò caêng cho pheùp xaùc ñònh noäi löïc trong keát caáu vôùi<br />
ôû thôù döôùi taïi vò trí giao nhau vôùi coät giöõa moät ñoä chính xaùc töông ñoái. Moät caâu hoûi<br />
thay vì caêng ôû thôù treân nhö trong phöông ñöôïc ñaët ra: neáu quaù trình treân ñöôïc laëp laïi<br />
phaùp tính keát caáu taùch rieâng ñoàng thôøi laøm nhieàu laàn thì ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc giaù trò<br />
taêng moâ-men uoán leân 5.5 laàn taïi vò trí giao noäi löïc vaø ñoä luùn chính xaùc hay khoâng? Ñeå<br />
nhau vôùi coät bieân. Giaù trò moâ-men lôùn nhaát laøm roõ caâu hoûi treân, caùc taùc giaû ñaõ thöïc<br />
trong daàm taàng 1 M max 2.267 104 Nm vaø hieän vieäc tính laëp cho ví duï naøy baèng<br />
trong daàm taàng 2 M max 1.809 104 Nm . phöông phaùp tính keát caáu taùch rieâng vôùi<br />
Giaù trò moâ-men nhoû nhaát taêng leân khoaûng 2- cuøng soá lieäu ñaàu vaøo. Caùc keát quaû tính toaùn<br />
3 laàn. Löïc caét trong daàm taïi vò trí x=0 giaûm ôû caùc laàn laëp ñöôïc trình baøy ôû baûng 1. Sau 4<br />
trong khi löïc caét trong daàm taïi vò trí giao laàn laëp, keát quaû tính toaùn cho ra caùc phaûn<br />
nhau vôùi coät bieân taêng khoaûng 2 laàn, löïc caét löïc keùo ôû goái töïa 1, 2. Ñieàu naøy laø voâ líù,<br />
trong caùc coät bieân taàng 2 tăng 2 leân khoaûng chöùng toû pheùp laëp treân khoâng hoäi tuï. Treân<br />
3 laàn. hình laø bieåu ñoà noäi löïc trong keát caáu töông<br />
Neáu söû duïng keát quaû noäi löïc khoâng phuø öùng vôùi caùc laàn laëp.<br />
hôïp vôùi söï laøm vieäc cuûa coâng trình seõ daãn<br />
Baûng 1: Ñoä luùn vaø phaûn löïc ôû caùc böôùc laëp<br />
<br />
Laàn laëp s1, s2 s3 R1, R3 R2 DR1, DR3 DR2<br />
1 0.01065 0.01639 6.55E+04 1.83E+05 2.72E+04 -5.44E+04<br />
2 0.01791 0.01803 3.88E+04 2.36E+05 -2.67E+04 5.33E+04<br />
3 0.01080 0.02300 9.61E+04 1.22E+05 5.73E+04 -1.15E+05<br />
4 0.02578 0.01217 -2.63E+04 3.67E+00 -1.22E+05 -1.22E+05<br />
<br />
77<br />
Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 12: Bieåu ñoà löïc doïc ôù caùc böôùc laëp 2, 3, 4.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 13: Bieåu ñoà moâ-men ôù caùc böôùc laëp 2, 3, 4.<br />
5. Keát luaän taïi caùc moùng baèng ñuùng vôùi ñoä luùn cuûa<br />
Phöông phaùp ñeà xuaát cho pheùp tính ñaát neàn beân döôùi, coøn noäi löïc cuûa keát caáu<br />
toaùn keát caáu coâng trình laøm vieäc ñoàng bao goàm caû phaàn noäi löïc do taûi troïng beân<br />
thôøi vôùi bieán daïng cuûa ñaát neàn. Ñieåm môùi treân vaø do chuyeån vò luùn khoâng ñoàng thôøi<br />
cuûa phöông phaùp naøy laø ñaëc tröng cô lí vaø cuûa caùc moùng. Ñaây laø cô sôû cho vieäc thieát<br />
öùng xöû phi tuyeán cuûa ñaát neàn ñöôïc ñöa keá keát caáu coâng trình beân treân cuõng nhö<br />
vaøo trong quaù trình tính toaùn keát caáu. keát caáu neàn moùng beân döôùi moät caùch<br />
Keát quaû tính toaùn cho bieát chuyeån vò vaø chính xaùc, phuø hôïp vôùi söï laøm vieäc thöïc<br />
noäi löïc trong keát caáu, trong ñoù chuyeån vò teá cuûa coâng trình.<br />
*<br />
A SIMPLE MODEL FOR CALCULATION OF SUPERSTRUCTURE –<br />
SOIL INTERACTION<br />
Nguyen Huynh Tan Tai, Nguyen Ke Tuong<br />
Thu Dau Mot University<br />
ABSTRACT<br />
This article presents a method of working structures simultaneously with the ground. The<br />
interaction between the above structure - foundation under simulated by the model exposed<br />
structure foundation - the land, allows to determine displacement of the foundation depends<br />
on the mechanical characteristics of the ground and determine the internal forces are due to<br />
the subsidence of the foundation displacement transfer in the structure.<br />
Keywords: structural, foundation, work the same time, non-linear,<br />
finite element method<br />
<br />
78<br />
Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br />
<br />
<br />
TAØI LIEÄU THAM KHAÛO<br />
[1] Ñaëng Tænh, Phöông phaùp phaàn töû höõu haïn. Tính toaùn khung vaø moùng coâng trình<br />
laøm vieäc ñoàng thôøi vôùi neàn, NXB Khoa hoïc kyõ thuaät, 1999.<br />
[2] Terzaghi, K. et Peck, R.B., Meùcanique des sols appliqueùes aux travaux publics et au<br />
baâtiment, Dunod, 1957.<br />
[3] Bowles, J. E., Foundation Analysis and Design (5th Edition), McGraw-Hill, 1996.<br />
[4] Timoshenko S. and Goodier J. N., The Theory of Elasticity, McGraw Hill, 1951.<br />
[5] Chaâu Ngoïc AÅn, Cô hoïc ñaát, NXB Ñaïi hoïc Quoác gia TP. Hoà Chí Minh, 2000.<br />
[6] Tieâu chuaån thieát keá neàn, nhaø vaø coâng trình TCXD 45-78, NXB Xaây Döïng, 1979.<br />
[7] Cao Vaên Chí, Trònh Vaên Cöông, Cô hoïc ñaát, NXB Xaây Döïng, 2003.<br />
[8] Zienkiewicz O.C. and Taylor R.L., Finite Element Method, McGraw Hill, 1967.<br />
[9] Ñoã Kieán Quoác, Ñaøn hoài öùng duïng vaø phöông phaùp phaàn töû höõu haïn, NXB Ñaïi hoïc<br />
Quoác gia TP. Hoà Chí Minh, 2003.<br />
[10] Crisfield M.A., Non-linear finite element analysis of solids and structures - Vol. 1:<br />
Essentials, John Wiley and Sons, 1991.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
79<br />