BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-----------------------------------

ĐINH TRỌNG QUANG

TÍNH TOÁN KẾT CẤU KHUNG THÉP
NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-----------------------------------

ĐINH TRỌNG QUANG
KHÓA: 2014 – 2016


TÍNH TOÁN KẾT CẤU KHUNG THÉP
NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chuyên ngành:

Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN

Mã số:

60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN
DỤNG & CÔNG NGHIỆP
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHẠM VĂN TRUNG
TS. LÊ HỮU THANH
XÁC NHẬN
CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN

Hà Nội – 2016


LỜI CÁM ƠN
Trước hết tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc về sự giúp đỡ và chỉ
dẫn hữu ích thường xuyên của các thầy cô giáo Trường Đại học Kiến Trúc Hà
Nội, sự giúp đỡ và tạo điều kiện của Khoa Đào tạo sau đại học trong quá trình
học tập cũng như hoàn thành luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phạm Văn Trung và TS. Lê
Hữu Thanh đã chỉ bảo tận tình và cho tôi nhiều góp ý đúng đắn cũng như tạo
điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên để tôi hoàn thiện luận văn một


Tính cấp thiết của đề tài ................................................................. 1



Mục đích nghiên cứu của đề tài ..................................................... 2



Phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2



Phương pháp nghiên cứu ............................................................... 3



Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................... 3



Cấu trúc luận văn của đề tài .......................................................... 3

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: KẾT CẤU KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP ........................ 5
1.1.

Tổng quan về khung nhà công nghiệp........................................... 5

1.1.1 Khái niệm ......................................................................................... 5


Tính toán nội lực khung nhà công nghiệp bằng PP PTHH. ....... 30

2.2.1 Phần tử có tiết diện không thay đổi................................................. 30
2.2.2 Phần tử có tiết diện thay đổi theo chiều dài..................................... 35
2.3.

Chương trình tính toán kết cấu khung thép nhà công nghiệp. .. 40

2.3.1 Khái niệm chung ............................................................................ 40
2.3.2 Ngôn ngữ lập trình Fortran ............................................................. 42
2.3.3 Lập trình giao diện GID.................................................................. 44
2.3.4 Sơ đồ khối chương trình. ................................................................ 44
2.4.

Thiết lập chương trình tính.......................................................... 46

2.4.1 Xây dựng giao diện đầu vào của chương trình bằng GID ............... 46
2.4.2 Thiết lập chương trình tính bằng ngôn ngữ Fortan .......................... 52


CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN ............................................................ 63
3.1

Khái niệm chung........................................................................... 63

3.2

Ví dụ tính toán 1 ........................................................................... 63


2

Dir

Direction (Phương tác dụng)

3

Fortran

4

GUI

5

GID

Phần mềm xử lý dao diện đồ họa

6

HT

Hoạt tải

7

PTHH


Đặc trưng hình học mặt cắt ngang của khung

63

Bảng 3.2.

Thông số đầu vào vật liệu

63

Bảng 3.3.

So sánh kết quả chuyển vị
So sánh kết quả nội lực

69
70

Bảng 3.4.
Bảng 3.5.

So sánh phản lực liên kết chân cột

70

Bảng 3.6.

Đặc trưng hình học mặt cắt ngang của kèo cột

71


Bảng 3.12.

So sánh kết quả chuyển vị tại đỉnh kèo

75

Bảng 3.13.

So sánh kết quả nội lực tại chân và vai cột

75

Bảng 3.14.

So sánh phản lực liên kết chân cột

76


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số liệu hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1.
Hình 1.2.
Hình 1.3.

Thẻ nhập đầu vào vật liệu của chương trình
Điều kiện ràng buộc tại gối liên kết
Thẻ nhập tải trọng tác dụng tại nút của phần tử
Sơ đồ khối của chương trình
Sơ đồ khối của Mesh module
Sơ đồ khối của Macro module
Khung nhà công nghiệp 2 tầng
Gán liên kết trong GID
Khung nhà công nghiệp 2 tầng thiết lập bằng phần
mềm GID
Số nút trong khung sau khi chia lại phần tử
Số phần tử trong khung sau khi chia lại

6
7
7
8
9
9
10
12
12
13
13

Hình 1.12.
Hình 1.13.
Hình 1.14.
Hình 1.15.
Hình 2.1.

54
63
65
66
66
66


Số liệu hình

Tên hình

Trang

Hình 3.6.
Hình 3.7.
Hình 3.8.

Chia lưới phần tử khung nhà công nghiệp 2 tầng
Khung nhà công nghiệp 1 tầng có tiết diện thay đổi
Khung nhà công nghiệp 1 tầng có tiết diện không đổi
Số phần tử khung nhà công nghiệp 1 tầng (sau khi
Mesh)
Số nút trong khung nhà công nghiệp 1 tầng (sau khi
Mesh)
Khung nhà công nghiệp 1 tầng có tiết diện thay đổi

67
71
73

thép tổ hợp, do vậy hình dáng và cấu tạo của chúng tương đối dễ dàng, phong
phú. Tùy theo yêu cầu của chủ đầu tư, kết cấu dạng này có thể có thêm một
đến haimức sàn trong chiều cao của kết cấu. Tại Việt Nam, có nhiều công ty
thép vừa và nhỏ có thể đủ năng lực cung cấp, chế tạo dạng kết này cho thị
trường xây dựng trong và ngoài nước.
Dạng kết cấu khung thép tiền chế xuất hiện lần đầu tại nước ta trong các
nhà máy, dự án có vốn đầu tư nước ngoài ở giai đoạn đầu khi đất nước mở
cửa. Cùng với đó, hệ thống tài liệu thiết kế của dạng kết cấu này cũng được
các nhà nghiên cứu trong nước quan tâm, đề xuất các giải pháp tính toán[4].
Đặc biệt tại Việt Nam, kết cấu thép khung tiền chế được phát triển tương đối


2
đầy đủ (cả về tính toán, chế tạo) bởi công ty thép Zamil với sách hướng dẫn
tính toán tương đối đầy đủ, chi tiết[15].
Trong quá trình và thực tế công việc của tác giả tại địa phương, thường
các chủ đầu tư khi có nhu cầu sử dụng khung thép nhà tiền chế trong dự án
của mình thường đòi hỏi tiến độ thiết kế cũng như xây dựng rất gắt gao. Tuy
nhiên, việc tính toán kết cấu dạng này vẫn còn nhiều bất cập, khó khăn như:
hệ thống tiêu chuẩn tính toán trong nước chưa được xây dựng hoàn thiện,
phần mềm thiết kế chuyên dụng không phổ biến. Vì vậy, trong rất nhiều dự án
các nhà thầu Việt Nam không thể đáp ứng được các yêu cầu của chủ đầu tư về
mặt tiến độ trong công tác thiết kế.
Do vậy, việc nghiên cứu hoàn thiện các phương pháp tính cũng như đề
xuất quy trình các bước thực hiện, xây dựng chương trình tính toán nội lực
cho khung nhà công nghiệp là thiết thực và cần thiết trong bài toán thiết kế
nhà công nghiệp hiện nay. Trên cơ sở đó, “Tính toán kết cấu khung thép nhà
công nghiệp bằng phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH)” được lựa chọn làđề
tài nghiên cứu của luận văn này.



Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài được lựa chọn nhằm đáp ứng nhu cầu hiện nay trong công tác thiết

kế, tính toán kết cấu khung nhà công nghiệp bằng thép. Đồng thời, kết quả
của đề tài cũng được sử dụng cho mục đích công việc học tập của tác giả sau
khi hoàn thành khóa học.


Cấu trúc luận văn của đề tài
Đề tài sử dụng lý thuyết tính toán kết cấu theo phương pháp PTHH để

xây dựng bài toán tính nội lực của kết cấu khung nhà công nghiệp bằng thép.
Phần mềm Fortran được sử dụng để viết chương trình tính sử dụng cho luận
văn. Giao diện của chương trình (xử lý số liệu đầu vào và kết quả của bài
toán) được thiết lập dựa trên nền tảng của phần mềm GID. Do vậy, cấu trúc
của luận văn được tác giả chia thành các chương chính sau:
MỞ ĐẦU: Trình bày lý do lựa chọn, sự cần thiết và phạm vi nghiên
cứu của đề tài cũng như ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài.
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1:Kết cấu khung thép nhà công nghiệp.


4
CHƯƠNG 2:Tính toán kết cấu khung thép nhà công nghiệp bằng
phương pháp PTHH.
CHƯƠNG 3: Ví dụ tính toán.


THÔNG BÁO

ra rằng: Khi hệ khung là các thanh có tiết diện không đổi theo chiều dài, kết
quả tính toán của phần mềm khá chính xác so với các phần mềm được so sánh
(SAP 2000). Kết quả tính toán của phần mềm có thể tin cậy sử dụng cho công
tác học tập và thiết kế.
Trong ví dụ 2 khi thanh có tiết diện thay đổi, kết quả tính toán của phần
mềm còn có sai khác so với SAP 2000. Sự sai khác này do nguyên nhân như:
(1) Có sự khác nhau của việc xác định vùng cứng tại nút của phần tử giữa
chương trình và phần mềm SAP 2000 và (2) Sai số khi xác định ma trận độ
cứng của phần tử có tiết diện thay đổi do áp dụng một số phép toán gần đúng
khi chương trình tính toán. Sự sai khác này đặc biệt trong trường hợp xác định
độ võng sự sai khác lên đến 30 %.


80
2. Kiến nghị
Đề tài cần hoàn thiện hơn trong việc mô phỏng tính toán nút cứng của
hệ khung khi khung có tiết diện thay đổi để có kết quả chính xác gơn.
Hiện tại luận văn sử dụng ngôn ngữ lập trình Fortran 90, hiện tại
Fortran đã được cập nhập với các phiên bản cao hơn với nhiều hỗ trợ hơn. Do
vậy đề tài cần phải được cập nhật những thay đổi này.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Bộ môn kết cấu thép, khoa Xây dựng, ĐH Kiến trúc Hà nội: "Bài giảng
thép đặc biệt - Kết cấu thép trụ", 2014.
2. Nguyễn Quốc Bảo và Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý
thuyết và lập trình, Tập 1, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 2000.
3. Nguyễn Quốc Bảo và Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý
thuyết và lập trình, Tập 2, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 2000.
19. "Bộ Xây dựng - Trang thông tin KHCN," 03 2016. [Online]. Available:
/>20. "Portal frame," 3 2016. [Online]. Available: SteelConstruction.info.


PHỤ LỤC
PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN PHẦN TỬ THANH DẦM

C ============================================================
C FILE: ELEM06.FOR
C ============================================================
SUBROUTINE ELMT06 (DL,UL,XL,IX,TL,S,P,NDF,NDM,NST,ISW)
C ......................................................................
C . 3D SPACE FRAME ELEMENT

.

C.

.

C ......................................................................
IMPLICIT REAL*8 (A-H,O-Z)
C


IF (DL(8).NE.0.0D0 )WRITE(6,2001)DL(9)
2 RETURN
C ... COMPUTE ELEMENT STIFFNESS MATRIX [K]
3 CALL STIF06 (S,DL,ST,SA,VV,EL,NST,ISW)
RETURN
C ... COMPUTE AND PRINT ELEMENT FORCES, i.e. {R}=[k][V]{U}
C

DETERMINE [k][V]
4 CALL STIF06 (S,DL,ST,SA,VV,EL,NST,ISW)
DO 402 I=1,12

402 UT(I) = 0.0D0
DO 405 I=1,12
DO 403 J=1,6
403

UT(I) = UT(I) + SA(I,J)*UL(J,1)
DO 404 J=7,12

404

UT(I) = UT(I) + SA(I,J)*UL(J-6,2)

405 CONTINUE
C ... MIDSPAN MOMENTS (+VE; HOGGING MOMENT, -VE; SAGGING MOMENT)
FLEX2 = (UT(11) - UT(5))*0.5D0
FLEX3 =-(UT(12) - UT(6))*0.5D0
C ... DUE TO LOCAL DISTRIBUTED FORCES
IF (DL(8).NE.0.0D0) THEN

MCT = 50
410 WRITE(6,4000)N,MA,IX(1),(UT(I),I=1,6),FLEX2,FLEX3,IX(2),
1 (UT(I),I=7,12)
IF (PSOFT.NE.0.0D0) WRITE(7,4001)IX(1),(UT(I),I=1,6),
3IX(2),(UT(I),I=7,12)
RETURN
C ... COMPUTE CONSISTENT AND LUMPED MASS MATRICES
5 CALL MASS06 (NST,DL,VV,EL,ST,SA,S,P)
RETURN
C ... COMPUTE INTERNAL FORCE VECTOR (RHS)
6 IF (DL(8).NE.0.0D0) THEN
C ... DUE TO LOCAL DISTRIBUTED FORCES
XM = DL(8)*EL*EL/12.0D0
XV = DL(8)*EL/2.0D0
XN = XV
IN = IDINT(DL(9))


GOTO (611,612,613),IN
C ... LOCAL FORCES IN 1-DIRECTION (AXIAL DIRECTION) ...
611 GOTO 616
C ... LOCAL FORCES IN 2-DIRECTION
612 DO 605 I=1,3
P(I) = XV*VV(I,2)
P(I+3) = XM*VV(I,3)
P(I+6) = P(I)
605

P(I+9) =-P(I+3)
GOTO 616

C ... COMPUTE GEOMENTRIC STIFFNESS MATRIX