Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TẤT THÀNH
KHẢO SÁT CÁC MÔ HÌNH PHÁ HOẠI DẺO
CỦA DẦM BÊ TÔNG XỈ CỐT THÉP
TRONG THÍ NGHIỆM UỐN BA ĐIỂM
NGÀNH: KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208
2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TẤT THÀNH
KHẢO SÁT CÁC MÔ HÌNH PHÁ HOẠI DẺO
CỦA DẦM BÊ TÔNG XỈ CỐT THÉP
TRONG THÍ NGHIỆM UỐN BA ĐIỂM
NGÀNH: KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208
Hướng dẫn khoa học:
T.S LÊ ANH THẮNG
iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
NGUYỄN TẤT THÀNH
1
CẢM TẠSau thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Thành Phố Hồ Chí Minh, được sự chỉ hỗ trợ cuả quý thầy trong trường. Tôi đã
hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu cùng
quý thầy của trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập nâng cao cả tri thức
và lối sống.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Chủ Nhiệm Khoa cùng các Thầy Cô
khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng đã quan tâm, giảng dạy và truyền đạt kiến
thức vô cùng quý báo trong quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện
luận văn tốt nghiệp của tôi..
Và đặc biệt tôi vô cùng biết ơn Thầy Lê Anh Thắng đã tận tình giúp đỡ và
hỗ trợ chỉ bảo tôi ngay từ bước đầu làm luận văn; trang bị và truyền đạt cho tôi
những kinh nghiệm, kiến thức quý báo để nghiên cứu, cũng như gợi mở những
phương hướng thực hiện, hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp.
Và cảm ơn các bạn lớp XDC2015A cũng như các lớp khác đã nhiệt tình
giúp đở và chân thành góp ý kiến để luận văn hoàn chỉnh hơn.
Luận văn tốt nghiệp là quá trình nghiên cứu lâu dài và sự hỗ trợ quý Thầy
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM. Tuy rằng luận văn này được thực
hiện với sự cố gắng lớn lao, nhưng cũng không ít sai sót trong quá trình nghiên
cứu. Rất mong nhận được sự quan tâm góp ý kiến, cũng như chỉ bảo thật nhiều của
quý thầy để luận văn được hoàn thiện hơn.
Trân trọng!
Thành Phố Hồ Chính Minh,ngày 16 tháng 09 năm 2016
Học viên thực hiện
Nguyễn Tất Thành
Lớp XDC 2015A
2
TÓM TẮT
Việc sử dụng vật liệu xỉ thép ứng dụng trong xây dựng là một hướng
nghiên cứu phát triển ở Việt Nam. Xỉ thép có tính chất tương tự nhằm thay
thế đá tự nhiên trong bê tông. Trong nghiên cứu này, đưa ra đánh giá quá
trình mô phỏng mô hình dầm bê tông cốt thép mà thay thế cốt liệu lớn bằng
xỉ. Việc đánh giá mô hình được dựa trên kết quả thực nghiệm, tiến trình mô
phỏng và thông số định nghĩa trong mô hình. Mô hình và phân tích được thể
hiện thông qua phần mền Abaqus. Hai mô hình đường cong quan hệ ứng suất
và biến dạng của bê tông được lựa chọn để đánh giá quá trình mô phỏng dầm.
Mỗi mô hình có hai đường cong ứng xử ở hai trạng thái làm việc của bê tông.
Vật liệu bê tông được mô phỏng bằng cả miền chịu kéo và chịu nén. Trong
nghiên cứu này, Sự kết hợp giữa hai mô hình số thép với hai mô hình bê tông
để tìm sự kết hợp phù hợp. Tỉ lệ chia phần tử cũng là một đề xuất khi mô
phỏng dầm. Mô hình được đánh giá chính xác khi sai số giữa hai biểu đồ
đường cong quan hệ lực và chuyển vị dầm giữa mô phỏng và thực nghiệm
nhỏ nhất. Trong phân tích mô hình mô phỏng, dầm bê tông xỉ cốt thép được
mô phỏng dựa vào thực nghiệm và mô hình số vật liệu của bê tông thường
(RCB). So sánh biểu đồ thực nghiệm và mô phỏng để phân tích đưa ra nhận
xét. Tương tự kết quả mô phỏng của dầm bê tông thường (RCB) và dầm bê
tông xỉ (SRCB) cũng được so sánh. Từ kết quả so sánh này, Nghiên cứu này
chỉ ra rằng có thể sử dụng thông số mô hình bê tông thường để mô phỏng cho
dầm bê tông xỉ và đưa ra sai số cần thiết khi sử dụng giả thuyết này.
3
ABSTRACT
Using slag in construction is a promisingly research direction for
sustainable development in Vietnam. The properties of slag are expected to
replaceable large particles in concretes. The article discusses the process of
validating computational models of concrete beams in which large particles is
replaced by steel slag. The model evaluation was conducted on the basis of
experimental results and covers the process of modeling and identification of
parameters in the model. The modeling and analysis is conducted in supported
environment of Abaqus. Two models of stress-strain relationship of concretes
are chosen for consideration in beams modeling processes. Each model has
two curves representing behaviors in both stages of concretes. Concretes
material is simulated both compression and tension processes. They are
combined with two steel reinforcement models to find suitable models of slag
concretes. A meshed size is also proposed for the beams modeling. Small
errors between two relationship curves of load and mid-span deflection
indicates that the validation is successes. Moreover, In this simple supported
beam analysis, the model of SRCB was conducted on the basis of
experimental and computational models of concrete beams in which use
crushed limestone aggregate concretes (RCB). Finally, the results of the
experimentation and the Abaqus analysis were comprared in a diagram.
Similarly, the results of the model of SRCB and models of RCB also were
comprared. From the results of this comparison, The article shows that can
use the process of modeling and identification of parameters of the model of
RCB to simulate for SRCB and shows that degree of accuracy when using the
model of RCB to simulate for SRCB.
4
MỤC LỤCTrang tự đầu Trang
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH CÁ NHÂN ................................................................................... i
CẢM TẠ ..................................................................................................... ii
TÓM TẮT .................................................................................................. iv
MỤC LỤC .................................................................................................. vi
DANH SÁCH HÌNH.................................................................................... x
DANH SÁCH BẢNG ............................................................................... xiv
Chương 1 – TỔNG QUAN........................................................................... 1
1.1. Tổng Quan ............................................................................................ 1
1.1.1. Phương pháp mô phỏng tính toán............................................. 1
1.1.2. Bê tông xỉ cốt thép ................................................................... 4
1.2. Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu ...................................... 4
1.2.1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................... 5
1.2.2. Mục đích nghiên cứu đề tài ...................................................... 5
1.2.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài................................... 5
1.2.4. Phương pháp nghiên cứu............. ................................................5
1.2.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ................................. 5
Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................6
2.1. Công nghệ mô phỏng dầm ..................................................................... 6
2.1.1. Khái niệm về mô phỏng ........................................................... 6
2.1.2. Ưu và nhược điểm mô phỏng ................................................... 7
2.1.3. Một số loại mô phỏng dầm bê tông cốt thép................................7
2.1.4. Phương pháp mô phỏng ba chiều (3D).........................................9
5
2.1.5. Phương pháp mô phỏng hai chiều (2D)......................................10
2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng dầm............................ 10
2.3. Mô hình phá hoại dẻo cho dầm bê tông cốt thép .................................. 12
2.4. Mô hình vật liệu bê tông trong mô phỏng ........................................... 13
2.4.1. Mô hình vật liệu bê tông trong ABAQUS ............................. 13
2.4.2. Một số mô hình số vật liệu bê tông ....................................... 16
2.5. Mô hình vật liệu thép trong mô phỏng ................................................ 23
2.5.1. Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) .................... 23
2.5.2. Mô hình vật liệu thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng (IEPL) ......... 24
2.6. Thông số tính toán cho mô hình .......................................................... 25
2.6.1. Hệ số modul đàn hồi ............................................................ 27
2.6.2. Hệ số poission...................................................................... 27
2.6.3. Tỉ lệ chia phần tử (Size Mesh) ............................................. 27
2.6.4. Thông số mô hình phá hoại dẻo ........................................... 27
2.6.5. Loại phần tử trong mô phỏng ............................................... 28
2.6.6. Mô hình bám dính vật liệu bê tông và cốt thép chịu lực...28
2.7. Giới thiệu tổng quan về phần mền Abaqus............................ ..27
Chương 3 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỦA DẦM...........................29
3.1. Các tính toán nén mẫu để lấy thông số đầu vào cho mô hình ............... 31
3.1.1. Cấp phối bê tông sử dụng trong thí nghiệm........................... 31
3.1.2. Kết quả nén cường độ ........................................................... 31
3.2. Thí nghiệm cấu kiện dầm chịu uốn ba điểm......................................... 32
3.2.1. Mục đích thí nghiệm .............................................................. 32
3.2.2. Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm ......................................... 32
3.2.3. Công tác chuẩn bị.......................................................................35
6
3.2.4. Trình tự thí nghiệm.....................................................................36
3.2.5. Kiểm tra mẫu thử........................................................................37
3.3. Kết quả thực nghiệm dầm bê tông xỉ ................................................... 39
3.3.1. Chuyển vị giữa dầm ............................................................... 39
3.3.2. Biến dạng giữa dầm ............................................................... 39
3.3.3. Biến dạng tại ¼ dầm .............................................................. 40
Chương 4 - THIẾT LẬP MÔ HÌNH TRÊN PHẦN MỀN
ABAQUS........................................................................................................42
4.1. Thông số tính toán cho mô hình .......................................................... 42
4.1.1. Mô hình vật liệu bê tông ....................................................... 42
4.1.2. Mô hình vật liệu thép ............................................................ 46
4.1.3. Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử ......................... 47
4.2. Các bước mô hình hóa trên phần mền ABAQUS ................................. 48
4.2.1. Xây dựng cấu kiện ................................................................. 48
4.2.2. Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt ............................... 54
4.2.3. Định nghĩa lắp ghép cấu kiện ................................................. 57
4.2.4. Định nghĩa ràng buộc ............................................................. 59
4.2.5. Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên ................................... 62
4.2.6. Chia lưới cho cấu kiện dầm.................................................... 64
4.2.7. Thiết lập các bước phân tích .................................................. 66
4.2.8. Công tác phân tích ................................................................. 66
4.2.9. Một số chú ý khi thiết lập phân tích mô hình ......................... 68
Chương 5- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM MÔ
HÌNH MÔ PHỎNG DẦM..............................................................................69
5.1. Hướng nghiên cứu và so sánh .............................................................. 69
5.2. Kết quả mô phỏng dầm bê tông thường và bê tông xỉ .......................... 70
5.3. Đánh giá sự chính xác mô hình mô phỏng ........................................... 70
7
5.3.1. So sánh tỉ lệ chia phần tử ....................................................... 70
5.3.2. Đánh giá sự chính xác mô hình số vật liệu ............................. 71
5.3.3. So sánh kết quả mô hình bê tông thường và bê tông xỉ ......... 76
Chương 6 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM MÔ
HÌNH MÔ PHỎNG DẦM..............................................................................80
6.1. Kết luận và đánh giá ............................................................................ 80
6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo ............................................................... .80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ .82
8
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH TRANG
Hình 2.1: Mô phỏng dầm bê tông cốt thép....................................................10
Hình 2.2: Mô hình độ cứng chịu kéo bê tông (Abaqus Manual 2008).........14
Hình 2.3: Mô hình đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng....................15
Hình 2.4: Kết quả so sánh mô phỏng và thí nghiệm thực..............................16
Hình 2.5: Mô hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006).................18
Hình 2.6: Mô hình độ cứng chịu kéo sửa đổi cho Abaqus............................18
Hình 2.7: Mô hình đường cong nén bê tông theo Hsu – Hsu........................19
Hình 2.8: Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu nén
Hognestad........................................................................................................21
Hình 2.9: Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu kéo
Hognestad........................................................................................................22
Hình 2.10: Quan hệ ứng suất và biến dạng khái quát hóa của mô hình
thép..................................................................................................................21
Hình 2.11: Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép (SEPL)...........23
Hình 2.12 : Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép IEPL..............24
Hình 2.13 : Mô hình bám dính của 2 loại vật liệu..........................................29
Hình 3.1: Strain gauge....................................................................................33
Hình 3.2: Thiết bị đo chuyển vị......................................................................34
Hình 3.3: Máy uốn cấu kiện...........................................................................34
Hình 3.4: Máy ghi số liệu thực nghiệm..........................................................35
Hình 3.5: Gia công cốt thép và ván khuôn.....................................................36
Hình 3.6: Quá trình trộn bê tông....................................................................36
9
Hình 3.7: Công tác đầm dùi...........................................................................37
Hình 3.8: Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 150 x150 mm...........................37
Hình 3.9: Mô hình thí nghiệm cấu kiện dầm.................................................38
Hình 3.10: Thiết kế dầm tính toán..................................................................38
Hình 3.11: Vị trí Strain gauge và LVDT........................................................38
Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tông thường.........39
Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tông xỉ.................39
Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ biến dạng giữa dầm và lực của dầm bê tông
thường..............................................................................................................40
Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ biến dạng giữa dầm và lực của dầm bê tông
xỉ......................................................................................................................40
Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ biến dạng ¼ dầm và lực của dầm bê tông
thường..............................................................................................................41
Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ biến dạng ¼ dầm và lực của dầm bê tông
xỉ......................................................................................................................41
Hình 4.1: Cửa sổ Create Part trong Abaqus...................................................49
Hình 4.2: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông................................50
Hình 4.3: Kích thước mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông..............50
Hình 4.4: Cửa số Edit Base Extrusion............................................................50
Hình 4.5: Mô hình ba chiều của cấu kiện dầm bê tông..................................51
Hình 4.6: Mô hình hai chiều của cấu kiện tấm đệm thép...............................51
Hình 4.7: Mô hình ba chiều của cấu kiện tấm đệm thép................................52
Hình 4.8: Mô hình hình học hai chiều của cốt đai..........................................52
Hình 4.9: Mô hình hình học ba chiều của cốt đai...........................................53
Hình 4.10: Mô hình hình học hai chiều của cốt thép dọc...............................53
Hình 4.11: Mô hình hình học ba chiều của cốt thép dọc...............................54
Hình 4.12: Xác định thông số vật liệu bê tông..............................................55
10
Hình 4.13: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tông.......................56
Hình 4.14: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho cốt thép......................57
Hình 4.15: Lựa đối tượng gán mặt cắt............................................................57
Hình 4.16: Cửa sổ Edit Section Assignment..................................................57
Hình 4.17: Cửa sổ Create Instance.................................................................58
Hình 4.18: Cửa sổ sao khi hoàn thành việc lắp ghép bê tông và đệm
thép..................................................................................................................59
Hình 4.19: Hoàn thành việc lắp ghép các đối tượng......................................60
Hình 4.20: Mô hình sau khi chia khối các đối tượng.....................................60
Hình 4.21: Ràng buộc giữa cốt thép và bê tông.............................................61
Hình 4.22: Gàn buộc giữa điểm đặt lực và dầm bê tông................................62
Hình 4.23: Gàn buộc giữa tấm thép và dầm bê tông......................................63
Hình 4.24: Cửa sổ Edit Boundary Condition.................................................64
Hình 4.25: Cửa sổ Global Seeds....................................................................65
Hình 4.26: Mô hình thiết lập chia lưới...........................................................65
Hình 4.27: Thông báo về chia lưới.................................................................66
Hình 4.28: Mạng lưới phần tử hữu hạn dầm bê
tông.................................................................................................................66
Hình 4.29: Cửa sổ Edit Step..........................................................................67
Hình 4.30: Cửa sổ Create Job........................................................................67
Hình 4.31: Cửa sổ Edit Job............................................................................68
Hình 4.32: Cửa sổ Job Manager.....................................................................68
Hình 5.1: Kết quả mô phỏng dầm
RCB.................................................................................................................71
Hình 5.2: Kết quả mô phỏng dầm SRCB.......................................................71
Hình 5.3: Biểu đồ so sánh các tỉ lệ chia tại giá trị chuyển vị 0,035...............72
11
Hình 5.4: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị so sánh trường hợp 1 dầm bê
tông xỉ..............................................................................................................74
Hình 5.5: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị so sánh trường hợp 2 dầm bê
tông xỉ..............................................................................................................76
Hình 5.6: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị cho RCB và SRCB..................78
Hình 5.12: Biểu đồ độ quan hệ tải trọng và ứng suất cốt thép cho RCB và
SRCB. .............................................................................................................79
Hình 6.1: Sự mở rộng vết nứt Abaqus. ..........................................................82
Hình 6.2: Mô phỏng nút khung và chịu tải động. ..........................................82
12
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG TRANG
Bảng 2.1: Thông số mô hình phá hoại dẻo.....................................................26
Bảng 3.1: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông xỉ..............................................28
Bảng 3.2: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông thường......................................28
Bảng 3.3: Cường độ chịu nén mẫu bê tông thường và bê tông xỉ..................29
Bảng 4.1: Thông số đặc trưng của bê tông thường và bê tông xỉ...................39
Bảng 4.2: Thông số miền chịu nén của mô hình Hsu-Hsu.............................40
Bảng 4.3: Thông số miền chịu kéo của mô hình Hsu-Hsu.............................40
Bảng 4.4: Thông số miền chịu nén của mô hình E. Hognestad.....................41
Bảng 4.5: Thông số miền chịu kéo của mô hình E. Hognestad.....................42
Bảng 4.6: Thông số đặc trưng của cốt thép....................................................42
Bảng 4.7: Thông số đặc trưng của mô hình SEPL.........................................43
Bảng 4.8: Thông số đặc trưng của mô hình IEPL.........................................43
Bảng 4.9: Loại phần tử mô phỏng dầm.........................................................44
Bảng 4.10: Thông số mô hình phá hoại dẻo mô hình....................................44
Bảng 5.1: Kết quả lực và chuyển vị giữa dầm cho nhiều tỉ lệ chia...............68
1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan.
1.1.1. Phương pháp mô phỏng tính toán.
Hiện nay, các cấu kiện trong công trình xây dựng được làm việc với
nhiều hình thức khác nhau. Để hiểu rõ các ứng xử của chúng trong quá trình
làm việc là điều rất cần thiết vì khi đó sẽ tính toán được rũi ro, cũng như dự
trù phương án thiết kế kết cấu phù hợp và hiệu quả với ứng xử đó tránh
trường hợp phát sinh rũi ro gây ảnh hưởng đến sự an toàn công trình. Nhiều
phương pháp đã được sử dụng để nghiên cứu ứng xử cấu kiện bê tông cốt
thép, trong đó có hai phương pháp thường sử dụng nhất là phương pháp thí
nghiệm và phương pháp mô phỏng. Nhưng phương pháp thí nghiệm có thể
cho biết được ứng xử thực của kết cấu nhưng lại tồn tại những khuyết điểm:
thời gian nghiên cứu lâu, chỉ phù hợp với cấu kiện kích thước (cấu kiện mà có
thể thí nghiệm) và tốn rất nhiều kinh phí để thí nghiệm cấu kiện. Những năm
gần đây, việc sử dụng phần tử hữu hạn (PTHH) trong xây dựng trở nên phổ
biến do sự phát triển không ngừng của công nghệ máy tính, mà chương trình
toán Abaqus là một trong những lựa chọn tốt nhất để mô phỏng và phân tích
ứng xử cấu kiện bê tông cốt thép nói riêng và mô phỏng tính toán nói chung.
Tuy nhiên, ứng xử vật liệu trong miền dẻo của kết cấu bê tông cốt thép là
tương đối phức tạp do thuộc tính phi tuyến của vết nứt và nén vở bê tông
trong giai đoạn đẻo. Thực tế phải cần một sự kết hợp mô phỏng được thực
hiện trước và kết quả thí nghiệm dùng để kiểm chứng và hiệu chỉnh. Sau đó,
mới dùng phương pháp mô phỏng cho cấu kiện khác. Trong nghiên cứu này,
mô phỏng bằng phần mền Abaqus và thí nghiệm đối chứng được thực hiện
cho cấu kiện dầm chịu uốn ba điểm để đưa ra những phân tích và bình luận.
2
Nhiều nghiên cứu đã đưa ra được mô hình hóa cấu kiện bê tông. Từ
đó có thể sử dụng các thông số tính toán từ phần mền để hiểu rỏ hơn ứng xử
cấu kiện bê tông dưới tác dụng lực tác động. Một số nghiên cứu như sau:
+ Nghiên cứu “ Nghiên cứu ứng xử của nút khung bê tông cốt thép
bằng phương pháp phần tử hữu hạn” của tác giả Ths. Lê Đăng Dũng – Bộ
môn kết cấu xây dựng – Viện kỹ thuật xây dựng. Trong nghiên cứu này, tác
giả đã sử dụng phần mền Abaqus (SIMULA 2008) để mô phỏng tính toán nút
khung bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Từ mô phỏng , tác giả trình bày sự
làm việc và khảo sát sự phá hủy của nút khung khi thay đổi độ lệch tâm giữa
dầm và cột.
+ Nghiên cứu “ Mô hình phần tử hữu hạn và thí nghiệm kiểm chứng
ứng xử không đàn hồi của kết cấu bê tông cốt thép” của tác giả Nguyễn Trần
Trung, Phạm Hữu Huy, Lư Quang Hải, Hồ Hữu Chỉnh. Các tác giả đã mô
phỏng tính toán phần tử hữu hạn bằng chương trình ANSYS. Dựa và mô hình
tác giả phân tích được ứng xử phi tuyến của các cấu kiện dầm cột bê tông cốt
thép, trong đó phần tử SOLID dùng để mô phỏng vật liệu bê tông, LINK dùng
để mô phỏng vật liệu cốt thép.
+ Nghiên cứu “Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt
thép được tăng cường bằng bê tông lưới cốt dệt” của tác giả Nguyễn Huy
Cường, Vũ Văn Hiệp, Lê Đăng Dũng. Trong nghiên cứu này, các tác giả trình
bày nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường
bằng lưới dệt bê tông bên ngoài. Tác giả sử dụng phương pháp tính toán phần
tử hữu hạn bằng phần mền Abaqus. Phần mền Abaqus được sử dụng để mô
phỏng sự làm việc chịu uốn của kết cấu, có xét đến đặc điểm làm việc phi
tuyến của vật liệu, cũng như hình học. Mô hình ứng xử bám dính giữa hai lớp
vật liệu bê tông và lưới dệt sử dụng để mô tả chính xác sự làm việc, cũng như
cơ chế phá hoại của kết cấu dầm được gia cường.
3
+ Nghiên cứu “ A Material Model for Flexuaral Crack Simulation in
Reinforced Concrete Elements Using Abaqus” của tác giả Wahalathantri.B.L ,
Thambiratnam.D.P , Chan.T.H.T , FAWZIA.S . Trong nghiên cứu này, Các
tác giả đưa ra được các mô hình ứng xử vật liệu bê tông cốt thép cho phần
mền Abaqus. Mô hình mô tả ứng xử vật liệu thì bao gồm mô hình quan hệ
ứng suất biến dạng miền nén, và sự phá hoại miền kéo. Tác giả cũng mô
phỏng tính toán ứng xử của dầm chịu uốn. Thông qua kết quả, tác giả cho
chúng ta sự chính xác của các mô hình mô tả ứng xử vật liệu bê tông cốt thép.
+ Nghiên cứu “ Nolinear Analysis of Reinforced Con concrete
Beam Bending Failure Experimentation Based on Abaqus” của các tác giả
Deng Sihua, Qie Ze, Wang Li. Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần mền Abaqus. Trong phân tích
tính toán dầm thì các tác giả lựa chọn mô hình phá hoại dẻo để sử dụng tính
toán mô phỏng dầm chịu uốn. Tác giả phân tích ứng xử sự làm việc và phá
hoại của dầm chịu uốn.
+ Nghiên cứu “Modeling of Concrete for Nonlinear Analysis Using
Finite Element Code Abaqus” của các tác giả S.V. Chaudhari và
M.A.Chakrabaeti. Trong nghiên cứu này, tác giả đã phân tích tính toán tính
chất vật liệu bê tông có xét đến tính phi tuyến. Tác giả sử dụng phương pháo
phần tử hữu hạn thông qua phần mền Abaqus. Trong mô hình tính toán, tác
giả đã sử dụng mô hình 3D và mô hình phá hoại dẻo và mô hình vết nứt rời
rạc qua đó so sánh sự chính xác của hai mô hình khi mô phỏng tính toán cấu
kiện dầm chịu uốn.
Vì vậy, Nghiên cứu bằng phương pháp bằng phương pháp mô phỏng
rất phát triển để nghiên cứu ứng xử cấu kiện dầm. Phương pháp này có nhiều
ưu điểm nhưng khả năng khảo sát ứng cấu kiện: tiết kiệm thời gian nghiên
cứu, có thể ứng dụng trên nhiều cấu kiện, thay đổi thông số mô hình tương
4
đối nhanh, có thể nghiên cứu trên cấu kiện có kích thước không thể thực
nghiệm.
1.1.2. Bê tông xỉ cốt thép.
Trong nghiên cứu này, đối tượng nghiên cứu chính là vật liệu bê tông
xỉ cốt thép. Bê tông xỉ cốt thép ngày này được xem là một loại vật liệu xanh,
làm giảm sự ô nhiễm môi trường (do sử dụng xỉ thép trong nghành chế tạo
kim loại nặng giảm lượng xỉ thải ra môi trường). Bê tông xỉ cốt thép cũng là
một chủ đề nghiên cứu mạnh ở Việt Nam. Xỉ thép là một loại vật liệu phế thải
từ nghành công nghiện luyện thép. Những nhà nghiên cứu nghĩ rằng, vật liệu
xỉ có thể thay thế một phần trong cấu kiện bê tông cốt thép (thay thế cốt liệu
lớn đá). Hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm về loại vật liệu xỉ
này. Và cũng chỉ ra rằng xỉ thép là loại vật liệu có tính chất tương tự tính chất
của đá tự nhiên. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí
Minh cũng có nhiều nghiên cứu về tính chất vật liệu xỉ như nghiên cứu của
tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng, 2015 [8] bằng phương pháp thực nghiệm.
Trong nghiên cứu này chỉ ra rằng “ Đưa ra được hệ số modul đàn hồi bê tông
xỉ cốt thép, hệ số possion, cũng nhưng tính chất cường độ bê tông xỉ tốt hơn
bê tông đá tự nhiên”. Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp mô phỏng
để xem tính chất của vật liệu xỉ trong dầm chịu uống ba điểm.
1.2. Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu.
1.2.1. Tính cấp thiết của đề tài.
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu tính chất của xỉ thép, cũng như tính chất
của bê tông xỉ cốt thép. Nhưng chưa nghiên cứu về ứng xử vật liệu bê tông xỉ
cốt thép trong cấu kiện. Nghiên cứu này mong muốn sử dụng những tính chất
của bê tông xỉ đã có từ những nghiên cứu trước, để mô phỏng tính toán cho
cấu trước cho trong thí nghiệm uốn ba điểm cho thấy ứng xử cấu kiện trong
chịu tác dụng của tải trọng so sánh kết của thực nghiệm. Hướng đến sử dụng
5
mô phỏng để mô tả những cấu kiện không thể thí nghiệm được tại phòng thí
nghiệm.
1.2.2. Mục đích nghiên cứu đề tài.
Nghiên cứu này đề cập đến hai vấn đề chính trong quá trình mô phỏng
tính toán dầm bê tông xỉ cốt thép trong thí nghiệm chịu uốn ba điểm.
+ Đưa ra những nhân tố ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng và cũng đề
xuất những thông số sử dụng để mô phỏng để đạt được kết quả chính xác
nhất.
+ Đề xuất giả thuyết mô hình ứng xử vật liệu bê tông xỉ trong mô
phỏng dầm bê tông xỉ cốt thép trong thí nghiệm chịu uốn ba điểm. Thông qua
mô hình vật liệu dùng cho bê tông đá thường (đưa ra hệ số sai lệch).
1.2.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài.
Đối tượng chính trong nghiên cứu này là loại vật liệu bê tông xỉ cốt
thép, trong đó có sử dụng bê tông đá tự nhiên để đưa ra kết quả kiểm chứng.
Phạm vi nghiên cứu đề tài, dầm bê tông xỉ cốt thép chịu uốn ba điểm.
1.2.4. Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu chính trong đề tài là phương pháp mô phỏng
theo phần tử hữu hạn kết hợp với so sánh kết quả thực nghiệm (từ thí nghiệm
thực tế).
1.2.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Hoàn thiện thêm cách nghiên cứu mô phỏng cho loại vật liệu mới bê
tông xỉ cốt thép.
Tăng khả năng ứng dụng xỉ thép trong dầm bê tông xỉ cốt thép so với
bê tông đá tự nhiên.
Đưa ra được cách mô phỏng dầm bê tông xỉ và đưa ra được những nhân
tố ảnh hưởng trực tiếp kết quả mô phỏng.
Đề xuất được mô hình số ứng xử vật liệu cho bê tông xỉ cốt thép.
6
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Công nghệ mô phỏng dầm.
2.1.1. Khái niệm về mô phỏng.
Mô hình hóa (Modeling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô
hình nhằm các thu nhận thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến
hành các thực nghiệm trên mô hình. Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên
cứu mô hình để hiểu biết về đối tượng gốc gọi lý thuyết mô hình hóa. Nếu các
quá trình xảy ra trong mô hình đồng nhất (theo các chỉ tiêu định trước) với
các quá trình xảy ra trong đối tượng gốc thì người ta nói rằng mô hình đồng
nhất với đối tượng. Lúc này người ta có thể tiến hành các thực nghiệm trên
mô hình để thu nhận thông tin về đối tượng.
Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hóa dựa
trên việc xây dựng mô hình số (Numerical model) và dùng phương
pháp số (Numerical method) để tìm các lời giải. Chính vì vậy máy tính số là
công cụ hữu hiệu và duy nhất để thực hiện việc mô phỏng hệ thống. Lý thuyết
cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mô
hình gần đúng với đối tượng mà thôi, vì trong quá trình mô hình hóa bao giờ
cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình,
để mô hình có thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế. Mặc dù vậy, mô hình
hóa luôn luôn là một phương pháp hữu hiệu để con người nghiên cứu đối
tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên. Đặc biệt, ngày nay với
sự trợ giúp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa học máy tính và công
nghệ thông tin, người ta đã phát triển các phương pháp mô hình hóa cho phép
xây dựng các mô hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời
việc thu nhận, lựa chọn, xử lý các thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh
7
chóng và chính xác. Chính vì vậy, mô hình hóa là một phương pháp
nghiên cứu khoa học mà tất cả những người làm khoa học, đặc biệt là
các kỹ sư đều phải nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt động của
mình.
2.1.2. Ưu và nhược điểm mô phỏng.
Phương pháp mô phỏng có một số ưu và nhược điểm hơn so với
phương pháp nghiên cứu thực nghiệm như sau:
� Giá thành nghiên cứu phương pháp mô phỏng tương đối thấp
hơn so với phương pháp thực nghiệm.
� Thời gian dự đoán kết quả nhanh hơn so với phương pháp thực
nghiệm.
� Nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng của giảm rủ ro trong
quá trình thí nghiệm.
� Phương pháp mô phỏng cũng có thể dự đoán được những cấu
kiện tương đối lớn ( không thể nghiên cứu trong thí nghiệm do điều kiện thí
nghiệm không cho phép).
Tuy nhiên, phương pháp mô phỏng cũng tồn tại những khuyết điểm cần
đáng chú ý.
� Phương pháp để sai số so với thực nghiệm. Do có rất nhiều thông
số điều chỉnh cần phải nắm rõ những thông số này tránh trường hợp kết quả
lệch do các thông số tính toán.
� Phương pháp này cũng cho kết quả tương đối chính xác.
2.1.3. Một số loại mô phỏng dầm bê tông cốt thép.
Dầm bê tông cốt thép là cấu kiện chịu uốn được áp dụng rộng rãi trong
nghành xây dựng. Đối với việc dự đoán ứng xử dầm bê tông cốt thép, có
nhiều phương pháp được sử dụng trong đó có cả phân tích tĩnh và phương
pháp số. Tính toán phân tích tĩnh của dầm bê tông được áp dụng cho dầm có
8
tình đồng nhất và những hình dạng đơn giản. Phương pháp này cũng tính toán
cho dầm bê tông cốt thép khi chưa xuất hiện vết nứt. Tuy nhiên, khi định
nghĩa ứng xử hoàn toàn cho vật liệu, xét đến sự không đồng nhất mặt cắt
ngang như là: sự ảnh hưởng của cốt thép chịu lực, vật liệu tính toán đến miền
dẻo (xét đến trạng thái khi xuất hiện vết nứt), kể đến sự ảnh hưởng của việc
trượt giữa các vật liệu (trong đó có sự trượt bê tông và cốt thép) thì phương
pháp phân tích tĩnh toán không áp dụng được, mà thay vào đó là phương pháp
số.
Ngoài việc phương pháp số có thể dự đoán được ứng xử của dầm bê
tông cốt thép ở cả giai đoạn đàn hồi, giai đoạn dẻo (xuất hiện vết nứt) và ứng
xử những trạng thái phức tạp của dầm. Cùng sự phát triển máy tính ngày càng
phổ biến, thì những phần mền tính toán mô phỏng dự trên phương pháp số
cũng pháp triễn rộng rãi cho các cấu kiện trong nghành xây dựng. Trong đó
phương pháp phần tử hữu hạn cũng phát triển theo. Phương pháp này cùng
với phần mền máy tính đã giải quyết được nhiều bài toán phức tạp, trong đó
việc tính toán mô phỏng dầm bê tông cốt thép.
Trong đó phương pháp phần tử hữu hạn phụ thuộc và một số yếu tố
sau:
1. Quy mô của kết cấu (một cấu kiện hay toàn bộ kết cấu).
2. Sự phức tạp của cấu kiện mô phỏng (1D, 2D, 3D).
3. Kết quả cần đạt được (cho toàn bộ, cục bộ cấu kiện).
4. Mức độ chính xác.
5. Sự hạn chế của mô hình (vật liệu phân tích đàn hồi, trạng thái
dẻo, sự trượt các vật liệu...)
Ngoài ra, khi tính toán mô phỏng cho cấu kiện, vấn đề quan trọng là
cân bằng giữa sự chính xác từ kết quả mô hình và phương tiện mô phỏng (liên
quan đến cấu hình máy để chạy kết quả mô phỏng và thời gian chạy mô
9
hình). Khi cần sự chính xác tiệm cận với giá trị thực tế thì phải dùng phương
tiện máy tính cho mô hỏng phải mạnh và tương ứng thời gian tính toán cho
bài toán cũng tương đối dài.
Vấn đề vết nứt trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép, nó thuộc về sự phá
hoại cục bộ dầm. Cùng với hiện tượng này, là hiện tượng trượt giữa bê tông
và cốt thép chịu lực. Hai hiện tượng này là nguồn gốc chính cho sự phát triển
phi tuyết của vật liệu bê tông cốt thép. Ở giai đoạn này vật liệu ứng xử hoàn
toàn khác so với giai đoạn đàn hồi. Trong phương pháp mô phỏng dựa trên
phần tử hữu hạn, giai đoạn này được phát triển mô hình riêng.
2.1.4. Phương pháp mô phỏng ba chiều (3D).
Cấu kiệm dầm bê tông cốt thép thường không sử dụng mô phỏng đối
tượng vật rắn (3D) .Vì khi sử dụng đối tượng vật rắn (3D) đòi hỏi nhiều biến
tính toán hơn đối tượng cấu trúc (1D) hoặc đối tượng lên tục (2D). Nhưng khi
sử dụng đối tượng vật rắn (3D) mang lại một số ưu điểm. Khi sử dụng đối
tượng này sẽ đạt được dạng phá hủy của dầm (nứt và trượt neo cốt thép tại
gần gối) mà khi sử dụng đối tượng khác thì không thể đạt được kết quả.
Mô phỏng cốt thép chịu lực khi chọn đối tượng dầm theo mô hình ba
chiều cũng có nhiều cách mô phỏng khác nhau như là:
+ Mô phỏng cốt thép chịu lực sử dụng đối tượng 3D. Khi mô
phỏng xem mỗi thanh cốt thép là một đối tượng. Trong quá trình phân tích
xem các thanh cốt thép này là một lớp giữa bê tông hoặc nhúng chúng vào
trong bê tông. Sau đó khai báo sự bám dính bề mặt hai loại vật liệu bê tông và
thép bằng mô hình bám dính.
+ Mô phỏng cốt thép chịu lực sử dụng đối tượng như tấm theo
2D gán một chiều dày quy đổi tương đối cho lớp này hoặc có thể mô phỏng
cốt thép lực như dạng thanh theo 1 phương. Khi phân tích tính toán thì định
nghĩa các tính chất đối tượng này theo mặt cắt ngang dầm.
10
Trong cả hai trường hợp mô phỏng cho thanh cốt thép chịu lực cho dầm
bê tông cốt thép đều được sử dụng rộng rãi và được áp dụng cho nhiều phần
mền mô phỏng trong đó có phần mền Abaqus.
Hình 2.1 – Mô phỏng dầm bê tông cốt thép.
2.1.5. Phương pháp mô phỏng hai chiều (2D).
Tương tự đối với mô hình theo ba phương. Mô hình mô phỏng dầm
theo hai phương cũng không được sử dụng trong ứng xử toàn cục của dầm.
Tuy nhiên, Phương pháp mô phỏng hai chiều thường được sử dụng trong việc
xác định về vết nứt (bề rộng vết nứt, hình dạng vết nứt).
Cấu kiện dầm có chiều lớn hơn so với bề rộng và chiều cao nên ứng
suất phẳng thường được sử dụng để phân tích dầm theo phương pháp mô
phỏng 2D. Cốt thép chịu lực trong dầm có thể mô phỏng theo đối tượng 2D
hoặc thanh 1D.
2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng dầm.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là phương pháp số để giải
các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các
điều kiện kiện cụ thể.
Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục
phức tạp của bài toán. Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con
(phần tử). Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền
con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa
11
trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với
sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử.
Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử
dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần
(PTVPTP) và phương trình tích phân. Ví dụ, như phương trình truyền
nhiệt. Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình
vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc
chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà
sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn,….
PPPTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V
của nó mà chỉ trong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định của
hàm.Trong PPTHH miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con,
gọi là phần tử. Các miền này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên
biên của phần tử được gọi là nút. Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn
qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên
phần tử. Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem
là ẩn số cần tìm của bài toán.
Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là
tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng
đó là ổn định số học (numerically stable), nghĩa là những lỗi trong việc nhập
dữ liệu và tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra
xuất ra trở nên vô nghĩa. Có rất nhiều cách để làm việc này, tất cả đều có
những ưu điểm và nhược điểm. PPPTHH là sự lựa chọn tốt cho việc
giải phương trình vi phân từng phần trên những miền phức tạp (giống
như những chiếc xe và những đường ống dẫn dầu) hoặc khi những yêu cầu
về độ chính xác thay đổi trong toàn miền. Ví dụ, trong việc mô phỏng thời tiết
trên Trái Đất, việc dự báo chính xác thời tiết trên đất liền quan trọng hơn là
12
dự báo thời tiết cho vùng biển rộng, điều này có thể thực hiện được bằng việc
sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.
Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như:
NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000,
SAMCEF, ABAQUS, ...
2.3. Mô hình phá hoại dẻo cho dầm bê tông cốt thép.
Trong phân tính phi tuyến kết cấu bê tông cốt thép có ba loại phi tuyến
chính: Phi tuyến vật liệu, phi tuyến hình học, phi tuyến điều kiện biên. Phi
tuyến vật liệu không chỉ xem xét đến miền đàn hồi, mà còn được xem xét đến
đến trạng thái làm việc dẻo khi phân tích tính chất cơ học của vật liệu bê tông
và cốt thép. Trong phần mền ABAQUS, tính chất vật liệu được định nghĩa
bằng mô hình vật liệu gồm có 2 giai đoạn: Giai đoạn đàn hồi và giai đoạn dẻo.
Trong giai đoạn đàn hồi, tính chất vật liệu được định nghĩa bằng hai thông số
cơ bản: Modul đàn hồi và hệ số possion. Trong giai đoạn dẻo: Tính chất vật
liệu được định nghĩa bằng quan hệ ứng suất – biến dạng. Tuy nhiên có rất
nhiều mô hình quan hệ ứng suất biến dạng: Mô hình phá hoại dẻo, Mô hình
vết nứt rời rạc, Mô hình vết nứt giòn…Mô hình dẻo của sự phá hoại bê tông
có những thuận lợi như sau: có thể sử dụng cho nhiều loại tải khác nhau ( tải
tập trung, tải trọng động, tải theo chu kỳ…).
Mô hình vết nứt giòn được sử dụng khi vật liệu có tính chất cơ học thay
đổi khi xuất hiện vết nứt do kéo. Ứng xử của vật liệu dưới tác dụng chịu nén
lúc này được giả định là đàn hồi tuyến tính. Mô hình này được lựa chọn cách
thức xuất hiện vết nứt rời rạc để đại diện cho ứng xử giòn không liên tục (vết
nứt rời rạc xuất hiện ở những vị trí khác nhau) trong vật liệu. Vì vậy mô hình
này phù hợp cho các loại vật liệu có tính chất giòn như đất sét, đá…
Mô hình vết nứt rời rạc thường được sử dụng để tính toán phi tuyến
dưới tác dụng của tải trọng tỉnh. Mô hình này chủ yếu sử dụng cho kết cấu bê
13
tông và cốt thép thường. Mô hình cho phép xác định được phản ứng kết cấu
dưới tác dụng các tác động. Sự phá hoại bê tông trong mô hình vết nứt rời rạc
là xuất hiện vết nứt ở vùng chịu kéo bê tông hoặc vở bê tông ở vùng chịu nén.
Mô hình được xây dựng bao gồm cả những ứng xử quan trọng như vết nứt,
biến dạng dẻo…. Vết nứt đã xuất hiện vị trí và hướng của nó được lưu lại để
xét cho các tính toán tiếp theo, nói cách khác tiết diện xuất hiện vết nứt sẽ
được tính toán với độ cứng và cường độ tương ứng với tiết diện thu hẹp do
vết nứt.
Mô hình phá hoại dẻo kết hợp cả tính đàn hồi và kéo đẳng hướng và
ứng xử dẻo khi nén để thể hiện tính phi tuyết của vật liệu bê tông. Định nghĩa
này trái ngược lại với vết nứt giòn. Mô hình phá hoại dẻo người dùng có thể
khai báo được giai đoạn cứng hóa và mềm hóa khi chịu nén như ứng xử phi
tuyến trong thực tế của vật liệu bê tông. Vì vậy, Mô hình phá hoại dẻo thường
được sử dụng trong mô phỏng tính toán cấu kiện bê tông cốt thép.
Mô hình phá hoại dẻo có những ưu nhược riêng:
+ Ưu điểm mô hình này: Có thể sử dụng cho nhiều loại vật liệu khác
nhau và cho nhiều loại tải trọng khác nhau (tải trọng tĩnh, tải trọng động, tải
trọng theo chu kỳ)
+ Nhược điểm mô hình: Mô hình mô phỏng ứng xử vật liệu bê tông cốt
thép thông qua ứng xử vật liệu bê tông, cốt thép và các hệ số mô hình phá
hoại dẻo. Nếu chúng ta không kiểm soát thông số đầu vào một cách chính xác
rất dể xảy ra sự sai lệch về kết quả mô phỏng tính toán.
2.4. Mô hình vật liệu bê tông trong mô phỏng.
2.4.1. Mô hình vật liệu bê tông trong ABAQUS.
Phần mền ABAQUS (SIMULIA, 2008) [1] , mô hình phá hoại dẻo
được biểu diễn qua hai loại phá hoại chính trong bê tông: vết nứt chịu kéo,
14
cường độ chịu nén phá hủy. Trong mô hình, ứng xử nén dọc trục và kéo dọc
trục bê tông là hai tính chất quan trọng trong mô hình phá hoại dẻo.
2.4.1.1. Quan hệ độ cứng chịu kéo.
Trong mô hình phá hoại dẻo, để mô phỏng tính ứng xử trong miền kéo
bê tông trong ABAQUS. Chúng ta chia nhỏ miền phá hủy trong quan hệ ứng
suất biến dạng được diễn tả bằng hình 2.2. Thông số đầu vào mô hình: Modul
đàn hồi (E), ứng suất (� ), biến dạng vết nứt ( ckt�ckt� ) phụ thuộc cấp độ bền của
bê tông. Biến dạng vết nứt ( ckt�ckt� ) được tính toán dựa vào tổng biến dạng theo
công thức sau:
ck elt t ol� � �� �ckt t� � �ckt tt�� (1)
Trong đó: 0
el tol E
�� � - ứng suất trong miền đàn hồi.
t� - tổng biến dạng của bê tông.
Hình 2.2 – Mô hình độ cứng chịu kéo bê tông (Abaqus Manual 2008).
Phần mền Abaqus SIMULIA 2008 [5] kiểm tra chính xác đường cong
phá hủy sử dụng giá trị biến dạng dẻo ( plt�pl
t� ) được tính toán dựa vào công
thức (2).
15
0(1 )
pl ck t tt t
t
dd E
�� �� � ��(1t t d
pl ck tdt� plt �ck t
t� (2)
2.4.1.2. Quan hệ ứng suất – biến dạng trong miền nén.
Định nghĩa quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông trong miền nén,
thông số đầu vào: Ứng suất chịu nén( c� ), biến dạng ngoài miền đàn hồi ( inc�inc� )
được xác định bằng công thức (3) theo tổng biến dạng và biến dạng dẻo được
tính toán bằng công thức (4)
in elc c oc� � �� �inc c� � �inc cc� (3)
Trong đó: 0
el col E
�� � - biến dạng trong miền đàn hồi.
c� - tổng biến dạng trong miền chịu nén.
0(1 )
pl in c cc c
c
dd E
�� �� � ��(1c c d
pl in cdc� �plc �in c� (4)
Đường cong cơ bản quan hệ ứng suất và biến dạng của bê tông chịu
nén được minh họa hình 2.3.
Hình 2.3 – Mô hình đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng.
16
2.4.2. Một số mô hình số vật liệu bê tông.
Trong đề tài nghiên cứu này, có hai mô hình vật liệu bê tông được đề
xuất trong tính toán: Mô hình Hsu-Hsu (1994) [6] và Mô hình Hognestad
(1954) [7]. Hai mô hình vật liệu này được sử dụng phổ biến hiện nay và đã
nghiên cứu thành công ở một số công trình như: “Nghiên cứu ứng xử chịu uốn
của dầm bê tông cốt thép được tăng cường dệt bằng bê tông cốt lưới dệt” của
các tác giả (Nguyễn Huy Cường, Vũ Văn Hiệp và Lê Đăng Dũng, 2012) [15].
Nghiên cứu này sử dụng mô hình E.Hognestad để mô phỏng vật liệu bê tông
trong quá trình mô phỏng sự phá hoại của dầm có gia cường lưới cốt sợi. Từ
kết quả mô phỏng so với thực nghiệm cho thấy kết quả tương đối chính xác.
Trên thế giới hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu: “Nolinear Analysis of
Reinforced Concrete Beam Bending Failure Experimentation Based on
Abaqus” của các tác giả (Deng Sihua, Qie Ze và Wang Li, 2015) [2]. Sử dụng
mô hình Hognestad để mô phỏng tính chất vật liệu trong dầm bê tông. Kết
quả chỉ ra rằng: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của mô phỏng và thực
nghiệm là tương đối chính xác.
Hình 2.4 – Kết quả so sánh mô phỏng và thí nghiệm thực tế [5]
Ngoài ra, nghiên cứu “A Material Model for Flexural Crack Simulation
in Reinforced Concrete Elements Using Abaqus”, của các tác giả
17
(Wahalathantri, Thambiratnam và Chan Fawzia, 2012) [2]. Trong nghiên cứu
này, các tác giả đã sử dụng mô hình mô hình Hsu – Hsu (1994) để mô phỏng
tính chất của vật liệu bê tông trong dầm bê tông trong thí nghiệm uốn ba điểm
và thí nghiệm uốn 4 điểm. Kết quả cũng chỉ ra rằng, kết quả mô phỏng tương
đối chính xác so với thực nghiệm.
2.4.2.1 Mô hình Hsu – Hsu (1994).
Mô hình Hsu – Hsu mô tả tính chất phi tuyến của vật liệu bê tông, dựa
trên mô hình phá hoại dẻo được biểu diễn qua hai loại phá hoại chính trong bê
tông: vết nứt chịu kéo, cường độ chịu nén phá hủy. Tương tự trong đường
cong của phần mền Abaqus đề xuất. Mô hình dựa trên cường độ chịu nén dọc
trục và chịu kéo dọc trục để mô tả tính chất bê tông. Từ đó đưa ra hai đường
cong quan hệ ứng suất – biến dạng chịu kéo và chịu nén của bê tông để mô tả
tính chất bê tông khi làm việc.
Mô hình số cho ứng xử chịu kéo của bê tông
Mô hình số cho ứng cử chịu kéo của bê tông đề xuất Hsu-Hsu (1994)
được sửa đổi và phát triển bởi Nayal và Rasheed (2006) là phù hợp tính toán
trong phần mền Abaqus. Do đó, chúng tôi ứng dụng mô hình này để thể hiện
ứng xử chịu kéo của bê tông. Mô hình tính này cũng thể hiện sự hình cường
độ chịu kéo dựa trên nền tảng quan hệ ứng suất biến dạng đẳng hướng. Mô
hình độ cứng chịu kéo cho bê tông cốt thép được đề xuất Hsu-Hsu (1994)
được minh họa hình 2.5. Mô hình độ cứng chịu kéo sửa đổi bởi Nayal và
Rasheed (2006) phù hợp với Abaqus được thể hiện hình 2.5.
18
Hình 2.5 - Mô hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006).
Việc sửa đổi mô hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006). Vì
biến dạng lớn nhất � cr� khi ứng suất � 0t� xuống � 00.8 t�� thì phần mền
Abaqus sẽ báo lỗi. Vì thế, Cần thay đổi giá trị ứng suất biến dạng tại vị trí đạt
giá trị biến dạng cực hạn � 0125 ,0.77cr t� �� � và � 0,cr t� � để tránh tình trạng
báo lỗi khi chạy phần mền Abaqus.
Hình 2.6 - Mô hình độ cứng chịu kéo sửa đổi cho Abaqus.
19
Mô hình số đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng trong miền
chịu nén.
Ứng xử đường cong ứng suất – biến được cho bê tông được thiết lập
theo phương pháp số được phát triển bởi Hsu – Hsu (1994). Trong mô hình
này có thể được sử dụng phát triển quan hệ ứng suất - biến dạng đến cường
độ nén 1 trục phá hủy đến 0.3 cu�� . Mô hình tính toán này có thể tính toán
cho cường độ chịu nén bê tông cấp độ khoảng 60MPa. Đường cong quan hê
ứng suất – biến dạng Hsu – Hsu minh họa qua hình 2.7.
Hình 2.7 – Mô hình đường cong nén bê tông theo Hsu – Hsu.
Trong hình 2.7, cường độ chịu nén cực hạn tại � 0c� và � 0� và biến
dạng tương ứng � d� thì � 00.3 t�� . Miền đàn hồi nằm trong khoảng 50%
cường độ chịu nén cực hạn. Mô hình phương pháp sô Hsu – Hsu tính toán
cường độ chịu nén từ � 00.5 c�� đến � 00.3 c�� . Đường cong ứng suất – biến
dạng theo Hsu – Hsu thỏa mản phương trình (5)
20
0
0
..
1
c
c cuc
� �� �
� �
� �� � � �� � �� �� �� � � �� �� �
(5)
Trong đó: Hệ số
0 0
1
1 .cu
E
�
�
�� �� � �� �
- hệ số phụ thuộc vào hình
dạng đường cong ứng suất - biến dạng.
5 30 8.9 10 . 2.114 10cu� �� �� � � � .
2 30 1.2431 10 . 3.28312 10cuE �� � � � - hệ sô Modul
đàn hồi.
d� - được xác định tại vị trí ứng suất � 00.3 c��
được tính toán thông dựa vào 0.8c cu� �� �
2.5.2.2. Mô hình Hognestad.
Tương tự như mô hình Hsu-Hsu, mô hình Hognestad được phát triển
bởi E.Hognestad [7] dùng để mô tả tính chất phi tuyến của bê tông dựa trên
mô hình phá hoại dẻo. Mô hình cũng dựa trên cường độ chịu kéo và chịu nén
dọc trục thiết lập đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng của miền chịu
kéo và miền chịu nén để mô tả tính chất bê tông khi làm việc.
Mô hình ứng xử chịu nén của bê tông.
Ứng xử đường cong ứng suất – biến dạng vùng chịu nén bê tông được
thiết lập theo phương pháp số được phát triển bởi E. Hognestad [7] được biểu
diển bằng hình 2.8.
21
Hình 2.8 – Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu nén
Hognestad.
Trong hình 2.8, Các hệ số được tính toán bằng các công thức sau:
2
00
00
0
. 2. ,
. 1 0.015 ,
inc c
c
plc c u
u
f
f
� �� � �� �
� �� � � �� �
� � �� �� �� � � � �� � �� ��� � ��
� � � � �� ��� ��
(6)
Trong đó: cf - cường độ chịu nén cực hạn bê tông.
0� - biến dạng tại giá trị cường độ chịu nén cực hạn.
u� - biến dạng cực hạn bê tông.
Mô hình ứng xử chịu kéo của bê tông.
Trong phương pháp số được phát triển E. Hognestad [7] thì quan hệ
đường cong ứng suất – biến dạng miền chịu kéo có dạng hình 2.9 và được
thiết lập bởi công thức sau:
22
6
1.7
. 1.2 0.2 ,
. ,. 1
int t t
t t
pl tc t t
tt t
f
f
� �� � �� �
��� � �
��� � �
� � �� �� �� � � � � � �� � �� ���� � �� � �� �� �
� ��
(7)
Trong đó: tf - cường độ chịu kéo bê tông.
t� - biến dạng kéo cực hạn bê tông.
t� - hệ số điều chỉnh đường cong ( t� = 1�2).
Hình 2.9 – Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu kéo
Hognestad.
2.5. Mô hình vật liệu thép trong mô phỏng.
Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng điển hình của cốt thép gồm bốn
giai đoạn (Hình 2.10): tuyến tính (AB), chảy (BC), tái bền (CD) và hóa mềm
(DE).
23
Hình 2.10 – Quan hệ ứng suất và biến dạng khái quát hóa của mô hình thép.
Tuy vậy, trong tính toán cốt thép được coi là vật liệu đàn dẻo lý tưởng,
giai đoạn tái bền và mềm hóa được bỏ qua. Trong kết cấu BTCT cốt thép
có dạng thanh hoặc lưới nên không cần quan tâm đến ứng xử ba chiều của
cốt thép. Để thuận tiện trong tính toán, mô hình vật liệu của cốt thép được sử
dụng theo quan hệ ứng suất – biến dạng một chiều.
Hiện nay có hai quan niệm về mô hình thép theo quan hệ ứng suất –
biến dạng một chiều: Mô hình thép đàn dẻo lý tưởng, Mô hình thép cải tiến
đàn dẻo lý tưởng.
2.5.1. Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL).
Mô hình vậu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) được thiết lập dựa trên
đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của thép được trình bày hình 2.11.
Đường cong này được xác định dựa vào các thông số của thép: Modul đàn hồi
thép sE , và giá trị cường độ chịu nén tiêu chuẩn của thép yf .
24
Hình 2.11 – Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép (SEPL).
2.5.2. Mô hình vật liệu thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng (IEPL).
Ứng xử của cấu kiện chịu uốn bị ảnh hưởng lớn khi cốt thép chảy. Do
quá trình chảy của thép làm tăng đột ngột biến dạng của kết cấu nên điều
kiện hội tụ khó được đảm bảo trong quá trình tính toán. Vì vậy, sử dụng mô
hình đàn dẻo sẽ đảm bảo được sự hội tụ cho tới khi cấu kiện đạt cường độ
tới hạn. Giả thiết về biến dạng hóa cứng tuyến tính ngay khi cốt thép chảy
không ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả, đồng thời độ dốc của nhánh
hóa cứng cũng được xác định để đảm bảo năng lượng biến dạng của mô hình
bằng với năng lượng biến dạng của quan hệ ứng suất – biến dạng của thép từ
thực nghiệm. Thực tế, mô hình này đã được áp dụng thành công trong một số
nghiên cứu của các tác giả như ( Ngo và Scordelis [8], Vebo và Ghali [11],
2008). “Trong nghiên cứu này các tác giả chỉ ra rằng việc sử dụng mô hình
cải tiến mô hình cđàn dẻo của cốt thép chịu lực cho kết quả chính xác hơn với
việc sử dụng mô hình đàn dẻo lý tưởng”. Trong nghiên cứu này y� và u� được
sử dụng trong mô hình cho cả cốt thép dọc và cốt thép đai (hình 2.12).
25
Hình 2.12 – Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép IEPL.
2.6. Thông số tính toán cho mô hình.
2.6.1. Hệ số modul đàn hồi.
Trong quá trình tính toán các thông số mô phỏng thì modul đàn hồi là
thông số chủ yếu để thiết lập tính toán. Từ thông số modul đàn hồi có thể tính
toán ra đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông. Theo tiêu
chuẩn ACI - 318 hệ số modul đàn hồi phụ thuộc chủ yếu vào cường độ chịu
nén của bê tông. Ta có công thức tính modul đàn hồi của bê tông đá tính toán
theo cường độ chịu nén.
� Đối với bê tông thường (đá)
'15000c cE f� � (8)
Trong đó:
cE - modul đàn hồi của bê tông � 2kg
cm .
'cf - cường độ chịu nén của bê tông (psi).
� Đối với bê tông xỉ
Theo như tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng modul đàn hồi của bê tông xỉ
ngoài việc phụ thuộc cường độ chịu nén, còn phụ thuộc vào khối lượng thể
26
tích khô của xỉ trong thí nghiệm. Theo nghiên cứu “ Ứng xử chịu uốn của
dầm bê tông cốt liệu xỉ thép” ( Nguyễn Thị Thúy Hằng, 2014) “chỉ ra rằng,
nếu sử dụng công thức tính modul đàn hồi cho bê tông nặng (9) để tính toán
cho xỉ (do trọng lượng riêng xỉ lớn hơn 2500kg/cm2 nên xem xỉ là bê tông
nặng) thì kết quả sai lệch nhiều”.1.50.043 wc cE f� � � (9)
Trong đó:
cE - modul đàn hồi của bê tông � 2kg
cm .
w - khối lượng thể tích khô của bê tông nặng w 2500� 2kg
cm
'cf - cường độ chịu nén của bê tông (Mpa).
Sau khi tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng qua nhiều lần thí nghiệm nén
mẫu để đo được modul đàn hồi cho bê tông xỉ. Tác giả thấy rằng modul đàn
hồi trong thí nghiệm lớn hơn so với công thức (9) một lượng sai lệch hằng số.
Từ đó tác giả đã đề xuất công thức sửa đổi từ công thức tính toán Modul cho
bê tông nặng cho tính toán modul bê tông xỉ như sau (10).
1.50.043 wc cE f� � � + 7291.65 (10)
Trong đó:
cE - modul đàn hồi của bê tông � 2kg
cm .
w - khối lượng thể tích khô của bê tông nặng w 2500� 2kg
cm
'cf - cường độ chịu nén của bê tông (Mpa).
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng công thức (10) để tính toán
modul đàn hồi của bê tông xỉ.
27
2.6.2. Hệ số poission.
Tương tự như hệ số modul đàn hồi, hệ số poission là một trong những
thông số quan trọng để thể hiện tính chất vật liệu bê tông trong mô phỏng. Từ
lâu hệ số poission của bê tông thường đã được nghiên cứu nhiều nhưng đối
với bê tông xỉ thì còn rất ít. Theo nghiên cứu “ Ứng xử chịu uốn của dầm bê
tông cốt liệu xỉ thép” (Nguyễn Thị Thúy Hằng, 2015) “ Trong nghiên cứu
này cũng chỉ ra rằng hệ số poission của bê tông xỉ bằng phương pháp thực
nghiệm mẫu nén 15x15. Tác giả đã tiến hành thí nghiệm với nhiều mẫu bê
tông xỉ bằng trang thiết bị đo hệ số poission tại phòng thí nghiệm vật liệu của
trường đại học sư phạm kỹ thuật. Tác giả kết luận rằng: Giá trị hệ số poission
của bê tông xỉ thu được từ thí nghiệm dao động trong khoảng từ 0.1 - 0.2 gần
tương tự như bê tông đá (truyền thống). Trong phần luận văn này, chúng tôi
cũng sử dụng hệ số poission được kết luận từ bài báo này”.
2.6.3. Tỉ lệ chia phần tử (Size Mesh).
Việc chia phần tử ảnh hưởng rất nhiều đến sự hội tụ cũng như là kết
quả phân tích tính toán trong mô phỏng. Do đó, việc lực chọn độ mịn đủ nhỏ
khi chia lưới là rất cần thiết để đảm bảo sự thay đổi kích thước phần tử là
không ảnh hưởng nhiều đến kết quả mô phỏng tính toán. Hiện nay, chưa có
nghiên cứu đề xuất một tỉ lệ hợp lý vừa giảm được sai số trong quá trình tính
toán vừa đáp ứng được cấu hình máy tính thực hiện mô phỏng. Trong phần
luận văn này đưa ra một số giá trị chia phần tử vào khảo sát sự chính xác từng
tỉ lệ chia. Từ đó, đề xuất một tỉ lệ chia hợp lý cho thí nghiệm dầm chịu uốn ba
điểm.
2.6.4. Thông số mô hình phá hoại dẻo.
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng mô hình phá hoại dẻo để mô
phỏng tính toán cho dầm. Vì vậy, khi khai báo các thông số tính toán phần
28
mền Abaqus yêu cấu các thông số dẻo cho mô hình: Thông số trình bày ở
bảng 2.1 là thông số được đề xuất từ phần mền Abaqus.
Bảng 2.1: Thông số mô hình phá hoại dẻo.
cK � 0 0b c� � !
0,667 0,1 1,16 300 0,00005
2.6.5. Loại phần tử trong mô phỏng.
Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R trong thư viện vật liệu của phần
mền Abaqus được sử dụng để rời rạc mô hình. Phần tử C3D8R là dạng khối 3
chiều, 8 nút tuyến tính được gán cho cho các phần tử bê tông thường và bê
tông xỉ trong mô phỏng tính toán.
Các thanh cốt thép có thể được mô hình hóa bằng mô hình dạng khối,
dạng dầm hoặc dạng thanh. Việc sử dụng mô hình phần tử dạng khối không
được chọn trong nghiên cứu này do nó làm tăng khối lượng tính toán và có
thể máy tính không thể xử lý được. Hơn nửa, thanh cốt thép có độ uốn ngoài
trục khá thanh khá nhỏ, vì vậy phần tử dạng thanh T3D2 được sử dụng để mô
phỏng cốt thép chịu lực. Trong nghiên cứu này lực chọn phần tử dạng thanh
T3D2 để mô phỏng cốt thép. Cụ thể hơn, lựa chọn phần tử dây (wire) trong
Abaqus để mô phỏng cho cốt thép chịu lực. Các thanh thép này được nhúng
vào trong bê tông, tăng độ cứng kết cấu với giả thiết bám dính bề mặc bê tông
cốt thép là tuyệt đối. Số liệu đầu vào của dạng phần tử này là diện tích mặt cắt
ngang và không cần định nghĩa cụ thể tiết diện hình học của mặt cắt.
2.6.6. Mô hình bám dính vật liệu bê tông và cốt thép chịu lực.
Hiện tượng vết nứt trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép và hiện trượt
giữa bê tông và cốt thép chịu lực, là nguồn gốc chính cho sự phát triển phi
tuyến của vật liệu bê tông cốt thép (tương tự đối với vật liệu bê tông xỉ cốt
thép). Trong giai đoạn này vật liệu ứng xử hoàn toàn khác so với giai đoạn
29
đàn hồi, và cần có mô hình riêng cho hai hiện tượng này. Trong đó, Mô hình
bám dính giữa vật liệu bê tông và cốt thép chịu lực được mô tả như hình:
Hình 2.13 – Mô hình bám dính của 2 loại vật liệu.
Trong nghiên cứu này, do hạn chế và điều kiện thí nghiệm để xác định
mô hình bám dính của hai loại vật liệu bê tông và cốt thép. Vì vậy, Đề tài
nghiên cứu này chỉ nghiên cứu với giả thuyết bám dính giữa bê tông và cốt
thép là tuyệt đối. Với giới hạn nghiên cứu đề tài này, sẽ có mức độ sai số khi
mô phỏng với giả thuyết trên.
2.7. Giới thiệu tổng quan về phần mền Abaqus.
Hiện nay ABAQUS là một bộ phần mền lớn dùng để mô
phong công trình,kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi
giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến
vấn dề môn phỏng phi tuyến phúc tạp. ABAQUS có kho phần tử phong
phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ. Đồng thời kho mô hình vật liệu
có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao
gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt
thép,…. ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu
(ứng suất, chuyển vị), có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong
lĩnh vực khác như truyền đẫn nhiệt, phân tích âm thanh,điện tử, phân tích cơ
học môi trường điện áp.
ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu : ABAQUS/Standard và
30
ABAQUS/Explicit. Ngoài ra vẫn còn hai khối phân tích phụ có công dụng đặc
biệt : ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design. ABAQUS/CAE (Complete
ABAQUS Evironment) là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử
lý như thiết lập mô hình, gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia mạng
lưới…. ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân tích và sử lý kết quả.
31
Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỦA DẦM
3.1. Các tính toán nén mẫu để lấy thông số đầu vào cho mô hình.
3.1.1. Cấp phối bê tông sử dụng trong thí nghiệm.
Cấp phối trong đề tài này, sử dụng cấp phối từ thí nghiệm đề xuất của
tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng (2014) [8] cho bê tông thường và bê tông xỉ.
Cấp phối này sử dụng cho bê tông thường đạt cường độ chịu nén khoảng
30MPa và đối với bê tông xỉ đạt cường độ chịu nén khoảng 40MPa.
Bảng 3.1: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông xỉ.Xi măng
(Kg)
Cát
(Kg)
Xỉ thép
(Kg)
Nước
(l)N/XM
Phụ Gia
(ml)
411,7 687,1 1431,3 190 0,46 4,1
Bảng 3.2: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông thường.Xi măng
(Kg)
Cát
(Kg)
Đá
(Kg)
Nước
(l)N/XM
Phụ Gia
(ml)
411,7 687,1 1173,3 190 0,46 4,1
3.1.2. Kết quả nén cường độ.
Cường độ chịu nén của mẫu khối lập phương trong thí nghiệm dầm mô
phỏng được trình bày ở bảng 3.2. Trong thí nghiệm nén mẫu để xác định
cường độ chịu nén chúng tôi sử dụng mẫu lập phương 150x150x150mm, để
chuyển sang mẫu trụ 150x300mm để đưa thông số vào mô phỏng, sử dụng
công thức chuyển đổi (11).
32
1,2cu
cy cc
ff � (11)
Trong đó:
+ cycf - cường độ chịu nén mẫu trục 150x300mm (MPa)
+ cucf - cường độ chịu nén mẫu lập phương 150x150x150mm
Bảng 3.3: Cường độ chịu nén mẫu bê tông thường và bê tông xỉ.
Loại mẫu cf
(MPa)
Bê Tông Thường 27,02
Bê tông Xỉ 40,86
3.2. Thí nghiệm cấu kiện dầm chịu uốn ba điểm.
3.2.1. Mục đích thí nghiệm.
Thí nghiệm với mụthuyeest nâng cao tính ổn định và khả năng chịu lực
cho các kết cấu bê tông hiện đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam. Thí
nghiệm trình bày một số kết quả khảo sát thực nghiệm trên các mẫu thí
nghiệm dầm bê tông kích thước lớn, các quan sát, đánh giá tập trung vào quan
hệ lực và độ võng, lực và biến dạng của dầm bê tông có và không có xỉ thép
tham gia, so sánh chúng với nhau nhằm tìm ra các ưu, nhược điểm của cốt
liệu xỉ so với các cốt liệu truyền thống .
3.2.2. Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm.
Các bộ dụng cụ thí nghiệm đòi hỏi phải phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế,
độ chính xác cao, dễ lắp ráp, sử dụng.
33
3.2.2.1. Cảm biến đo biến dạng lá Strain Gage (cảm biến điện trở dây).
Strain gage dùng để đo biến dạng của bề mặt cấu kiện. Strain gage lá
điện trở đo biến dạng là loại cảm biến có cấu tạo rất mỏng, có thể gọi với
nhiều tên khác nhau như: strain gage, cảm biến điện trở dây, cảm biến điện
trở biến dạng, cảm biến lá đo, cảm biến sức căng.
Hình 3.1: Strain gauge.
Strain gages được dán lên các kết cấu cần quan trắc. Thiết bị đo kích
hoạt và đo tần số rung của dây căng trong strain gages, qua đó tính toán được
mức độ thay đổi biến dạng so với trạng thái ban đầu. Trong thí nghiệm này, ta
dùng Strain Gauge cho vị trí giữa dầm.
3.2.2.2. Cảm biến đo độ võng LVDT (Linear Variable Displacement
Transducer).
Cảm biến LVDT dùng để đo độ võng của khối cấu kiện dưới tác động
của tải trọng tĩnh hay động. Để thu được kết quả chính xác và tốt nhất, đầu
tiên là phải xác định chính xác mặt phẳng chuẩn để làm điểm tựa. Điểm tựa
chuẩn này không di chuyển, xem như cứng tuyệt đối, gắn một đầu của cảm
biến lên kết cấu và đầu kia lên điểm tựa này. Dưới tác động của tải trọng thì
có sự thay đổi vị trí của cấu kiện kết cấu với điểm tựa này, đây chính là độ
võng ta cần đo.
34
Hình 3.2: Thiết bị đo chuyển vị.
Trong thí nghiệm này ta dùng 2 LVDT cho 2 vị trí cách điểm giữa dầm
ra 2 bên một khoảng cách 75 cm và 2 LVDT cho vị trí giữa dầm.
3.2.2.3. Máy uốn cấu kiện
Nhằm kiểm tra khả năng chịu lực thực tế (proof test) của cấu kiện. Thí
nghiệm cùng máy uốn dầm với tải trọng tĩnh thường được lựa chọn để kiểm
tra khả năng làm việc của cấu kiện ở giai đoạn phục vụ (Servicebility limit
state-SLS) và khả năng chịu lực tới hạn (Ultimate limit state-ULS).
Hình 3.3: Máy uốn cấu kiện.
35
3.2.2.4. Máy ghi lực chuyển vị và biến dạng (Data Logger)
Được sử dụng với tất cả các cảm biến dây rung. Khi đọc các lực tải,
chuyển vị hay biến dạng, máy tích hợp đa tự động quét qua tất cả các cảm
biến dây rung, áp dụng hệ số hiệu chỉnh và bù đắp, và hiển thị các tải trực tiếp
trong đơn vị kỹ thuật. Tất cả các kết quả đọc có thể được lưu trữ và xuất sang
một số định dạng tập tin khác nhau.
Hình 3.4: Máy ghi số liệu thực nghiệm.
Trong thí nghiệm này, máy data logger sẽ thu thập các thông số của các
biến dạng ở giữa dầm, tải trọng tác dụng và các chuyển vị giữa và ¼ dầm bê
tông cốt thép có xỉ thay thế cốt liệu thô.
3.2.3. Công tác chuẩn bị.
Các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm cũng được chuẩn bị để cân đo, pha chế
theo tỷ lệ cho trước.
Gia công cốt thép, ván khuôn dầm theo kích thước định sẵn: Cốt thép
được gia công được đảm bảo chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu 25mm.
Khuôn được lau sạch, bôi một lớp dầu mỏng vào mặt trong khuôn.
36
Hình 3.5: Gia công cốt thép và ván khuôn.
3.2.4. Trình tự thí nghiệm
Sau khi định lượng vật liệu bằng các quy trình cân đo đong đếm, tiến
hành công tác trộn bê tông.
Tiến hành kiểm tra độ sụt trước khi đúc mẫu. Sau đó, đổ hỗn hợp bê
tông tươi vào khuôn và tiến hành đầm dùi để bê tông có thể lắp đầy vào ván
khuôn tránh tình trạng rỗ bề mặt dầm.
Hình 3.6: Quá trình trộn bê tông.
37
Hình 3.7: Công tác đầm dùi.
Dùng búa gõ nhẹ xung quanh thành khuôn cho nước xi măng chảy đều
tránh rổ mặt khi tháo khuôn. Dùng bay xoa phẳng mặt khuôn. Ghi nhãn (hạng
mục, ký hiệu mẫu, ngày đúc, mác, người đúc) và đem dưỡng hộ. Mẫu sau khi
dưỡng hộ đủ ngày sẽ làm thí nghiệm nén, mặt chịu nén phải là mặt tiếp xúc
với thành khuôn.
Hình 3.8: Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 150 x150 mm.
3.2.5. Kiểm tra mẫu thử
Tất cả các cấu kiện dầm đều được tiến hành thí nghiệm tại phòng thí
nghiệm của Trường ĐHSPKT.
Dầm được đặt trên tựa đơn trên các gối tựa của máy uốn. Các thiết bị
đo biến dạng và chuyển vị được gắn trên dầm để ghi nhận kết quả.
38
Dầm bê tông kích thước 3300 x 200 x 300 (mm). Các gối đỡ cách đầu
dầm 150 mm. Tải trọng tác dụng thẳng đứng ngay tại giữa dầm.
Hình 3.9: Mô hình thí nghiệm cấu kiện dầm [16].
Cốt thép chịu kéo sử dụng thép phi 14 có diện tích tiết diện ngang As =
153,9 2mm . Cốt thép chịu nén sử dụng thép phi 12 có diện tích tiết diện ngang
As = 113,1 2mm . Cốt thép đai chịu cắt phi 6 a100 mm có As = 2,3 2mm .
Hình 3.10: Thiết kế dầm tính toán [16].
Hình 3.11: Vị trí Strain gauge và LVDT [16].
39
3.3. Kết quả thực nghiệm dầm bê tông xỉ.
3.3.1. Chuyển vị giữa dầm.
Từ kết quả thực nghiệm của dầm bê tông thường và bê tông xỉ, ta thu
được kết quả sau:
Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tông thường.
Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tông xỉ.
3.3.2. Biến dạng giữa dầm.
Kết quả thu được từ Strain gauge được gắn ở giữa dầm.
40
Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ biến dạng giữa dầm và lực của dầm bê tông
thường.
Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ biến dạng giữa dầm và lực của dầm bê tông xỉ.
3.3.3. Biến dạng tại ¼ dầm.
Kết quả thu được từ Strain gauge được gắn ở 1/4 dầm.
41
Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ biến dạng ¼ dầm và lực của dầm bê tông thường.
Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ biến dạng ¼ dầm và lực của dầm bê tông xỉ.
42
Chương 4: THIẾT LẬP MÔ HÌNH TRÊN PHẦN MỀN ABAQUS
4.1. Thông số tính toán cho mô hình.
4.1.1. Mô hình vật liệu bê tông.
Từ kết quả thí nghiệm mẫu chịu nén chương 3 và công thức tính toán
các thông số của mô hình vật liệu bê tông ở chương 2. Các thông số tính toán
đặc trưng của bê tông như: modul đàn hồi cE , hệ số poission c" , cường độ
chịu kéo cf , cường độ chịu nén tf được tính toán trình bày ở bảng 4.1 cho
hai dầm bê tông thường (RCB) và dầm bê tông xỉ (SRCB).
Bảng 4.1: Thông số đặc trưng của bê tông thường và bê tông xỉ.
Bê tông thường
cE
(MPa)c"
cf
(MPa)
tf
(MPa)
40,4 0,2 40,86 3,97
Bê tông xỉ
cE
(MPa)c"
cf
(MPa)
tf
(MPa)
26,80 0,2 30,31 3,06
Từ thông số đặc trưng vật liệu của bê tông thường và bê tông xỉ, có thể
tính các thông số đầu vào cho mô hình vật liệu bê tông theo hai mô hình số
vật liệu bê tông được phát triển bởi Hsu-Hsu và E. Hognestad.
2.4.2.1 Thông số của mô hình Hsu – Hsu (1994).
Mô hình Hsu-Hsu gồm có hai thông số về đường cong miền chịu nén
và đường cong miền chịu kéo
43
Bảng 4.2: Thông số miền chịu nén của mô hình Hsu-Hsu.
Mô hình vật liệu bê tông
của RCB
Mô hình vật liệu bê tông
của SRCB
Ứng suất
( c� )
Biến dạng
( c� )
Ứng suất
( c� )
Biến dạng
( c� )
1,07E+07 0,00E+00 1,40E+07 0,00E+00
1,74E+07 9,60E-04 2,66E+07 1,05E-03
2,08E+07 1,44E-03 3,51E+07 1,58E-03
2,22E+07 1,19E-03 3,96E+07 2,11E-03
2,25E+07 2,40E-03 4,08E+07 2,64E-03
2,24E+07 2,60E-03 4,07E+07 2,81E-03
2,23E+07 2,80E-03 4,04E+07 2,98E-03
2,21E+07 3,06E-03 3,99E+07 3,15E-03
2,19E+07 3,28E-03 3,94E+07 3,33E-03
2,16E+07 3,50E-03 3,88E+07 3,50E-03
44
Bảng 4.3: Thông số miền chịu kéo của mô hình Hsu-Hsu.
Mô hình vật liệu bê tông
của RCB
Mô hình vật liệu bê tông của
SRCB
Ứng suất
( c� )
Biến dạng
( c� )
Ứng suất
( c� )
Biến dạng
( c� )
2,64E+06 0,00E+00 3,55E+06 0,00E+00
2,03E+06 1,11E-03 2,74E+06 1,84E-03
1,19E+06 3,54E-03 1,60E+06 5,89E-03
2,64E+05 7,70E-03 3,55E+05 1,28E-03
2.4.2.2 Thông số của mô hình E. Hognestad (1951).
Mô hình E. Hognestad gồm có hai thông số về đường cong miền chịu
nén và đường cong miền chịu kéo
Bảng 4.4: Thông số miền chịu nén của mô hình E. Hognestad. Mô hình vật liệu bê tông
của RCB
Mô hình vật liệu bê tông của
SRCB
Ứng suất
( c� )
Biến dạng
( c� )
Ứng suất
( c� )
Biến dạng
( c� )
1,62E+07 0,00E+00 2,45E+07 0,00E+00
1,73E+07 8,00E-04 2,61E+07 8,00E-04
2,27E+07 1,20E-03 3,43E+07 1,20E-03
2,59E+07 1,60E-03 3,92E+07 1,60E-03
2,70E+07 2,00E-03 4,08E+07 2,00E-03
45
2,65E+07 2,20E-03 4,01E+07 2,20E-03
2,61E+07 2,40E-03 3,94E+07 2,40E-03
2,57E+07 2,60E-03 3,87E+07 2,60E-03
2,52E+07 2,80E-03 3,81E+07 2,80E-03
2,47E+07 3,00E-03 3,74E+07 3,00E-03
2,43E+07 3,20E-03 3,67E+07 3,20E-03
2,37E+07 3,40E-03 3,60E+07 3,40E-03
2,34E+07 3,60E-03 3,54E+07 3,60E-03
2,29E+07 3,80E-03 3,47E+07 3,80E-03
Bảng 4.5: Thông số miền chịu kéo của mô hình E. Hognestad. Mô hình vật liệu bê tông
của RCB
Mô hình vật liệu bê tông
của SRCB
Ứng suất
( c� )
Biến dạng
( c� )
Ứng suất
( c� )
Biến dạng
( c� )
1,90E+06 0,00E+00 2,34E+06 0,00E+00
2,53E+06 4,90E-05 3,11E+06 4,90E-05
3,24E+06 7,63E-05 3,98E+06 7,63E-05
3,23E+05 2,15E-04 3,977E+05 2,15E-04
3,22E+06 3,57E-04 3,976E+06 3,57E-04
3,21E+06 4,80E-04 3,974E+06 4,80E-04
3,20E+06 6,41E-04 3,971E+06 6,41E-04
46
4.1.2. Mô hình vật liệu thép.
Các thông số tính toán đặc trưng của thép trong đề tài này sử dụng loại
thép AIII như: modul đàn hồi sE , hệ số poission s" , cường độ chịu kéo yf ,
cường độ chịu kéo cực hạn uf được trình bày ở bảng 4.6.
Bảng 4.6: Thông số đặc trưng của cốt thép.
sE
(MPa)s"
yf
(MPa)
uf
(MPa)
210 0,3 365 440
Từ thông số đặc trưng cốt thép trong bảng 4.6 , Chúng ta có thể tính
toán các thông số tính toán đưa vào mô hình. Có hai loại mô hình trong mô tả
vật liệu cốt thép trong đề tài này là: mô hình SEPL và mô hình IEPL.
4.1.2.1. Thông số mô hình SEPL.
Trong mô hình vật liệu SEPL, tính chất cốt thép được mô tả bằng
đường quan hệ ứng suất và biến dạng thông qua các thông số: modul đàn hồi
sE , hệ số poission s" , cường độ chịu kéo yf .
Bảng 4.7: Thông số đặc trưng của mô hình SEPL.
sE
(MPa)s"
yf
(MPa)
210 0,3 365
4.1.2.2. Thông số mô hình IEPL.
Trong mô hình vật liệu SEPL, tính chất cốt thép được mô tả bằng
đường quan hệ ứng suất và biến dạng thông tương tự với mô hình SEPL qua
47
các thông số: modul đàn hồi sE , hệ số poission s" , cường độ chịu kéo yf ,
cường độ chịu kéo cực hạn uf , biến dạng chịu kéo cực hạn u� .
Bảng 4.8: Thông số đặc trưng của mô hình IEPL.
sE
(MPa)s"
yf
(MPa)
uf
(MPa)u�
210 0,3 365 440 0,002
4.1.3. Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử.
4.1.3.1. Loại phần tử mô phỏng.
Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R trong thư viện vật liệu của phần
mền Abaqus được sử dụng để rời rạc mô hình. Phần tử C3D8R là dạng khối 3
chiều, 8 nút tuyến tính được gán cho cho các phần tử bê tông thường và bê
tông xỉ trong mô phỏng tính toán.
Các thanh cốt thép có thể được mô hình hóa bằng mô hình dạng khối,
dạng dầm hoặc dạng thanh và sử dụng phần tử T3D2.
Bảng 4.9: Loại phần tử mô phỏng dầm. Phần tử mô
phỏngBê tông
Cốt dọc chịu
kéo
Cốt dọc chịu
nénCốt đai Đệm thép
Loại phần tử C3D8R T3D2 T3D2 T3D2 C3D8R
4.1.3.2.Tỉ lệ chia phần tử.
Tỉ lệ chia phần tử ảnh hưởng nhiều đến tính hội tụ của kết quả và tài
nguyên máy tính đáp ứng. Trong nghiên cứu này, khảo sát nhiều tỉ lệ chia
khác nhau: Mesh 200, Mesh 100, Mesh 80, Mesh 50, Mesh 20. Từ đó, so
sánh các kết từ các tỉ lệ chia này và đề xuất tỉ lệ chia hợp lý tối ưu giữa độ
chính xác kết quả và tài nguyên máy tính đáp ứng để giải bài toán.
48
4.1.3.3. Thông số mô hình phá hoại dẻo.
Trong mô phỏng theo mô hình phá hoại dẻo ngoài các thông số để mô
tả tính chất vật liệu bê tông, vật liệu cốt thép. Mô hình cần phải có thông số
dẻo thông số này được trình bày ở sau:
Bảng 4.10: Thông số mô hình phá hoại dẻo mô hình.
cK � 0 0b c� � !
0,667 0,1 1,16 300 0,00005
Trong đó:
+ Kc – Tỉ số cường độ chịu kéo ngoài mặt phẳng làm việc so với cường
độ chịu nén trong mặt phẳng làm việc.
+ � - Hệ số lệch tâm vật liệu.
+ 0 0b c� � - Hệ số giữa cường độ chịu nén 1 trục với cường độ chịu nén
2 trục.
+ - góc phá hủy.
+ ! - Độ nhớt
4.1.3.4. Nhận xét về thông số đầu vào.
Những thông số đầu vào cho mô hình phá hoại dẻo trình bày trên.
Những thông số này thu được từ việc thí nghiệm 8 mẫu dầm bê tông cốt thép
thường và bê tông xỉ cốt thép. Do mẫu thí nghiệm không nhiều, vì thế mức độ
chính xác mô hình mô phỏng tương đối. Những thông số mô hình phá hoại
chỉ sử dụng tham khảo (để xuất riêng của hướng dẫn Abaqus). Nên kết quả
mô phỏng dầm sẽ có sai số nhất định (không hoàn toàn chính xác).
4.2. Các bước mô hình hóa trên phần mền ABAQUS.
4.2.1. Xây dựng cấu kiện.
Việc xây dựng các cấu kiện, từ modul trên thanh trong môi trường làm
việc của phần mền Abaqus và lựa chọn công năng Part trên thanh modul.
49
4.2.1.1. Cấu kiện dầm bê tông.
Xây dựng cấu kiện
Trên vùng công cụ sử dụng biểu tượng (Create Part) . Sau đó
xuất hiện cửa sổ Create Part như hình 4.1. Trong của số này Name (đặt tên
cấu kiện, Modeling Space (sử dụng đối tượng mô phỏng 3D), Type (loại phần
tử sử dụng phần tử deformable), Base Feature (trong mục này chúng ta sử
dụng dạng Solid, loại Extrusion, sắp xỉ phần tử 3).
Hình 4.1: Cửa sổ Create Part trong Abaqus.
Vẽ hình hai chiều.
Sau khi khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều, nhấn biểu tượng
(Create lines connected) trên vùng thanh công cụ, ở vùng thông báo hiển thị
“Pick a starting point for line or enter X Y” (chọn điểm bắt đầu của đường
thẳng hoặc nhập tọa độ X Y), màn hình đồ họa xuất hiện điểm bắt đầu của
đường thẳng, vùng thông báo tiếp tục hiển thị “Pick an end point for line or
enter X Y” (chọn điểm kết thúc của đường thẳng hoặc nhập tọa độ), trong
màn hình xuất hiện một đường thẳng liên tục. Vùng thông báo tiếp tục hiển
thị lựa chọn điểm cuối của đường thẳng, lần lượt nhập tọa độ vị trí các điểm
đến khi hoàn thành mặt cắt dọc dầm như hình 4.2. Cuối cùng nhấn Esc trên
bàn phím để kết thúc lệnh vẽ.
50
Hình 4.2: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông.
Sau khi thiết lập được mô hình hình học hai chiều cấu kiện. Sử dụng
lệnh Add Dimension trên vùng công cụ tiến hành đo kiểm tra kích
thước dầm như hình 4.3.
Hình 4.3: Kích thước mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông.
Cuối cùng, sử lệnh Save Model Database trên thanh công cụ để
lưu mặt cắt vừa thiếp lập.
Vẽ hình ba chiều.
Sau khi hoàn thành vẽ mặt cắt dọc dầm, vùng thông báo hiển thị như
hình 4.4, nhấn nút Done xuất hiện của sổ Edit Base Extrusion (thiếp lập Depth
chiều cao của dầm), sau đó nhấn OKE để xác nhận và thoát khỏi cửa sổ. Mô
hình dầm bê tông sau khi hoàn thành như hình 4.5.
Hình 4.4: Cửa số Edit Base Extrusion.
51
Hình 4.5: Mô hình ba chiều của cấu kiện dầm bê tông.
4.2.1.2. Cấu kiện tấm đệm thép.
Xây dựng cấu kiện
Cấu kiện tấm thép đệm ở gối và tấm thép đệm lực khởi tạo tương tự
như đối với cấu kiệm dầm bê tông.
Vẽ hình hai chiều
Khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều tương tự như đối với dầm bê
tông . Sau khi khởi tạo thành công xuất hiện như hình 4.6.
Hình 4.6: Mô hình hai chiều của cấu kiện tấm đệm thép.
Vẽ hình ba chiều
Việc khởi tạo cấu kiện ba chiều của cấu kiện đệm thép tương tự đối với
cấu kiện dầm bê tông. Sau khi khởi tạo thành công xuất hiện hình 4.7.
52
Hình 4.7: Mô hình ba chiều của cấu kiện tấm đệm thép.
4.2.1.3. Cấu kiện cốt thép đai.
Xây dựng cấu kiện
Trên vùng công cụ sử dụng biểu tượng (Create Part). Sau
đó xuất hiện cửa sổ Create Part như hình 15. Trong của số này Name (đặt tên
cấu kiện, Modeling Space (sử dụng đối tượng mô phỏng 3D), Type (loại phần
tử sử dụng phần tử deformable), Base Feature (trong mục này chúng ta sử
dụng dạng Wire, loại Planar).
Vẽ hình hai chiều
Sau khi khởi động giao diện vẽ đồ họa hai chiều. Các bước thực hiện
tương tự đối với cấu kiện dầm. Sau khi khởi tạo hình vẽ hai chiều tiến hành
đo kích thước kiểm tra như hình 4.8.
Hình 4.8: Mô hình hình học hai chiều của cốt đai.
53
Vẽ hình ba chiều
Sau khi hoàn thành khởi tạo mô hình hai chiều. Nhấn nút Done trên
vùng thông báo, mô hình ba chiều vòng thép đai sau khi hoàn thành cho như
hình 4.9.
Hình 4.9: Mô hình hình học ba chiều của cốt đai.
4.2.1.4. Cấu kiện cốt thép dọc.
Xây dựng cấu kiện
Khởi tạo xây dựng cấu kiện cốt thép dọc tương tự như đối với cốt thép
đai.
Vẽ hình hai chiều.
Sau khi hoàn thành các bước khởi tạo đối tượng. Việc vẽ hình hai chiều
cho cấu kiện cốt thép dọc tương tự phần cốt thép đai. Hoàn thành việc vẽ hình
hai chiều cho cốt thép dọc thể hiện như hình 4.10.
Hình 4.10: Mô hình hình học hai chiều của cốt thép dọc.
Vẽ hình ba chiều
Sau khi hoàn thành khởi tạo mô hình hai chiều. Nhấn nút Done trên
vùng thông báo, mô hình ba chiều vòng thép đai sau khi hoàn thành cho như
hình 4.11.
54
Hình 4.11: Mô hình hình học ba chiều của cốt thép dọc.
4.2.2. Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt.
Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt
4.2.2.1. Định nghĩa vật liệu.
Vật liệu bê tông.
Trên vùng công cụ sử dụng (Create Material). Xuất hiện cửa sổ Edit
Material, trong hộp thoại này Name (tên cấu kiện). Tiếp tục nhấn General –
Density, trong cửa số này nhập giá trị Mass Density (khối lượng riêng bê
tông). Tiếp tục lựa chọn Mechanical – Elasticity – Elastic, trong cửa sổ Data
nhập các giá trị Young’s Modulus, hệ số poission của bê tông. Tiếp tục lựa
chọn Mechanical – Concrete Damaged Plasticity, trong mục Plasticity nhập
thông số mô hình dẻo trình bày phần 4.1.3.3, trong mục Compressive
Behavior nhập giá trị đường cong hệ ứng suất – biến dạng của miền bê tông
chịu nén như hình 4.12, tương tự trong mục Tensile Behavior nhập giá trị
đường cong hệ ứng suất – biến dạng của miền bê tông chịu kéo như hình 4.12.
Cuối cùng chọn OKE hoàn thành thiếp lập thông số cho vật liệu bê tông.
55
Hình 4.12: Xác định thông số vật liệu bê tông.
Vật liệu cốt thép chịu lực.
Trên vùng công cụ sử dụng (Create Material). Xuất hiện cửa sổ Edit
Material, trong hộp thoại này Name (tên cấu kiện). Tiếp tục nhấn General –
Density, trong cửa số này nhập giá trị Mass Density (khối lượng riêng thép).
Tiếp tục lựa chọn Mechanical – Elasticity – Elastic, trong cửa sổ Data nhập
các giá trị Young’s Modulus, hệ số poission của thép. Tiếp tục lựa chọn
Mechanical – Plasticity - Plastic, trong mục Plasticity nhập thông số mô hình
dẻo trình bày phần 4.1.3.3, trong mục này nhập các thông số đường cong hệ
ứng suất - biến dạng của cốt thép. Kết thúc nhấn OKE hoàn thành của số Edit
Material.
Vật liệu thép đệm lực.
Thiết lập vật liệu cho thép đệm lực tương tự như đối với cốt thép chịu
lực, nhưng thay đổi thông số vật liệu của thép đệm.
56
4.2.2.2. Định nghĩa thuộc tính mặt cắt.
Bê tông
Để định nghĩa thuộc tính mặt cắt tiết diện sử dụng cụ Create Section
trên vùng công cụ, xuất hiện cửa số Create Section như hình 4.13. Trong hộp
thoại này Name (tên tiết diện mặt cắt ngang), Category (đối tượng mô phỏng
trong trường hợp này sử dụng đối tượng Solid), Type (tính chất mặt cắt sử
dụng Homogeneous), sau đó nhấn Continue. Xuất hiện cửa sổ Edit Section
như hình 4.14 sau đó chọn thêm Material ( vật liệu cho mặt cắt), các lựa chọn
khác sử dụng mặc định sau đó nhấn OKE, hoàn thành định nghĩa các thuộc
tính mặt cắt như hình 4.14. Định nghĩa tương tự cho tấm đệm thép.
Hình 4.13: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tông.
Cốt thép
Nhấn chọn biểu tượng (Create Section) trên vùng thanh công cụ, xuất
hiện cửa sổ Create Section trong cửa sổ này: Name (tên thuộc tính mặt cắt),
Category (loại đối tượng beam), Type (loại phần tử Truss), các thông số khác
chọn mặc định, nhấn chọn Continue, xuất hiện cửa sổ như hình 4.14, Material
(vật liệu lựa chon đúng vật liệu cho cốt thép), Cross-Sectional area ( diện tích
mặt cắt ngang). Chọn oke để hoàn thành định nghĩa thuộc tính mặt cắt ngang
cho cốt thép. Định nghĩa tương tự cho cốt thép đai.
57
Hình 4.14: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho cốt thép.
4.2.2.3. Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện.
Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện sử dụng Assign Section trên vùng
thanh công cụ, vùng thông báo hiển thị như hình 4.15, chọn đối tượng cần gán
tiết diện trong vùng đồ họa, nhấn Done, xuất hiện cửa sổ Edit Section
Assignment như hình 4.16. Trong mục Section (lựa chọn loại tiết diện), sau
đó nhấn OKE, hoàn thành định nghĩa gán thuộc tính. Sử dụng tương tự đối
với các cấu kiện Bê tông, cốt thép chịu lực, thép đệm.
Hình 4.15: Lựa đối tượng gán mặt cắt.
Hình 4.16: Cửa sổ Edit Section Assignment.
58
4.2.3. Định nghĩa lắp ghép cấu kiện.
4.2.3.1. Dầm bê tông.
Từ modul trên thanh môi trường, lực chọn công năng Assembly. Sử
dụng Instance Part trên vùng thanh công cụ, xuất hiện cửa sổ Create Instance
như hình 4.17, trong hợp thoại này Part ( đối tượng đưa ra lắp ghép), Instance
Type (loại đối tượng cần lắp ghép). Nhấn oke để hoàn thành lắp ghép đối
tượng.
Hình 4.17: Cửa sổ Create Instance.
4.2.3.2. Đệm thép.
Để thêm đối tượng vào vùng lắp ghép thiết lập tương tự như đối với
dầm bê tông. Sau thêm vào vùng làm việc. Sử dụng Translate Instance để di
chuyển đệm thép đúng vào vị trí mô phỏng. Sau khi hoàn tất nhấn Done được
như hình 4.18.
59
Hình 4.18: Cửa sổ sau khi hoàn thành việc lắp ghép bê tông và đệm thép.
4.2.3.3. Cốt thép chịu lực.
Sử dụng công cụ Instance Part trên vùng thanh công cụ, xuất hiện cửa
số Create Instance như hình 4.17, Part (phần cấu kiện lắp ghép), Instance
Type (loại lắp ghép đối tượng). Sử dụng phương pháp này cho Cốt thép chịu
lực và cốt đai. Tiếp theo đó vào View – Assembly Display Option, xuất hiện
cửa sổ Assembly Display Option trong cửa sổ này cần hiện đối tượng nào cần
hiệu chỉ thì đánh đấu vào đối tượng đó (sử dụng công cụ này để dàng lắp ghép
chính xác từng đối tượng tránh tình trạng các đối tượng bị che khuất khó thao
tác). Sau khi tiến hành thêm đủ đối tượng cần lắp ghép vào vùng hoạt động.
Để thuận tiện việc theo tác tiến hành, sử dụng công cụ nhóm để nhóm các
thành phần khung thép chịu lực (cốt đai và cốt chịu lực) thành một cấu kiện
mới để dể dàng theo tác trong quá trình thao tác. Cuối cùng tiến hành di
chuyển nhóm cốt thép vào vị trí chính xác trong dầm bê tông kết quả thu được
cuối cùng như hình 4.19.
60
Hình 4.19: Hoàn thành việc lắp ghép các đối tượng.
4.2.4. Định nghĩa ràng buộc.
Từ modul trên thanh môi trường, lựa chọn công năng Interation để tiến
hành định nghĩa quan hệ ràng buộc giữa mô hình. Để thuận tiện cho việc định
nghĩa ràng buộc bê tông và các tấm đệm, sử dụng lệnh Partition Cell để tiến
hành chia các đối tượng thành khối như hình 4.20.
Hình 4.20: Mô hình sau khi chia khối các đối tượng.
4.2.4.1. Gàn buộc giữa cốt thép chịu lực và bê tông.
Sử dụng chức năng Create Contraint trên thanh công cụ, xuất hiện cửa
sổ Create Contraint trong của sổ này Name (tên loại ràng buộc), Type (loại
ràng buộc do cốt thép chịu lực và cốt đi theo loại nhúng nên sử dụng
Embedded), tiếp theo nhấn Continue, vùng thông báo hiển thị “Select the
61
embedded region”, lựa chọn thép cần ràng buộc, vùng tiếp tục thông báo
“Select the method for host region”, nhấn nút Whole Model (gán toàn bộ đối
tượng) , xuất hiện của sổ Edit Contraint. Sau đó, nhấp OKE để thoát khỏi cửa
sổ Edit Contraint, hoàn thành định nghĩa ràng buộc giữa cốt thép và bê tông
như hình 4.21.
Hình 4.21: Ràng buộc giữa cốt thép và bê tông.
4.2.4.2. Gàn buộc giữa điểm đặt lực và dầm bê tông.
Mô hình dầm bê tông cốt thép để có thể gán tải trọng lên dầm, cần phải
tạo một điểm đặt lực ảo để gán tải trọng cho dầm. Điểm đó làm điểm tự chọn
và phải các mặt trên lớp đệm thép. Vì vậy, cần gán gàng buộc giữa điểm này
và dầm bê tông cốt thép. Trong trường hợp này, chúng ta sử dụng loại ràn
buộc Coupling.
Để tạo điểm gán tải trọng, sử dụng công cụ Create Reference Point
trong modul Interaction, vùng thông báo sẽ hiện thị “Select point to act as
reference point – or enter X,Y,Z”, ta nhập tọa độ cần thiết. Kết thúc lệnh nhấn
Done. Sau khi hoàn thành hiển thị như hình 4.22.
62
Hình 4.22: Gàn buộc giữa điểm đặt lực và dầm bê tông.
4.2.4.2. Gàn buộc giữa tấm thép và dầm bê tông.
Tấm thép đệm ở gối và ở nhịp khi chúng ta tạo chưa có sự liên kết với
dầm. Vì vậy, chúng ta cần tạo sự liên kết giữa tấm thép đệm và dầm bê tông
cốt thép (như bên ngoài thực nghiệm theo phương đứng), để dể dàng tính toán
, giả thiết chúng dính chặt nhau theo phương đứng. Trong trường hợp này sử
dụng loại gàn buộc Tie.
Để gán buộc Tie, sử dụng công cụ Create Constraint trong modul
Interaction, xuất hiện cửa sổ Create Constraint, lựa chọn phương thức Tie,
nhấn Continue. Vùng thông báo tiếp tục hiển thị “Select region for master
type” , tiếp theo nhấn nút Surface vùng hiển thị tiếp tục hiển thị “Select region
for master Surface”, tiến hành đưa chuột chọn vùng tiếp xúc dầm bê tông của
tấm thép, nhấn Done. Vùng hiển thị tiếp tục hiển thị “Choose the slave type”,
nhấn nút Surface, dùng chuột chọn phần tiếp xúc tấm thép của dầm bê tông,
sau đó nhấn Done, xuất hiện cửa sổ Edit Constraint, chấp nhận các mặc định
nhấn OKE. Hoàn thành việc gàn buộc giữa tấm thép và dầm bê tông sẽ hiện
thị như hình 4.23.
63
Hình 4.23: Gàn buộc giữa tấm thép và dầm bê tông.
4.2.5. Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên.
Từ Modul trên thanh môi trường, lựa chọn công năng Load để định
nghĩa tải trọng và điều kiện biên.
4.2.5.1. Định nghĩa tải trọng.
Trong phần thí nghiệm dầm bê tông trong thực nghiệm, tải trọng tác
dụng trên dầm là tải trọng theo quy luật thời gian. Vì vậy, cần phải tạo quy
luật tải trọng theo thời gian cho dầm khi tá dụng tải
Thiết lập quy luật tải trọng, vào Tool – Amplitudes – Create, xuất hiện
cửa sổ Create Amplitudes, sau đó nhấn Continue, xuất hiện cửa sổ Edit
Amplitudes, tiếp hành nhập quy luật tải theo thời gian, sau đó nhấn OKE hoàn
thành.
Gán tải trọng cho dầm, trong phần này chúng ta tiếp hành gán chuyển
vị cho dầm thay vì gán lực. Vì theo một số nghiên cứu của các tác giả
(Wahalathantri, Thambiratnam, Chan, Fawzia, 2011) đề xuất nên sử dụng
phương pháp gán tải trọng cho dầm bằng chuyển vị sẽ cho kết quả hội tu hơn
so với phương pháp gán tải lực. Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng ta sử
dụng phương pháp gán tải trọng bằng chuyển vị cho dầm.
Gán tải trọng cho dầm, sử dụng công cụ Create Boundary Condition
trong modul Load. Sau khi nhấn vào công cụ này, xuất hiện cửa số Create
Boundary Condition, trong của sổ này Name (tên tải trọng), Step (bước thiếp
64
lập), Category (loại đối tượng gán), Type for Select Step (cách gán tải trọng
trong phần này chúng ta sử dụng chuyển vị), nhấn Continue. Vùng thông báo
sẽ hiện thị “Select regions for the Boundary Condition”, dùng chuột chọn
điểm đặt lúc mà chúng ta đã tạo phần gàn buộc, sau đó nhấn Done. Xuất hiện
cửa sổ Edit Boundary Condition như hình 4.24. Tiến hành nhập giá trị chuyển
vị thu được từ thí nghiệm nhấn oke để hoàn tất.
Hình 4.24: Cửa sổ Edit Boundary Condition.
4.2.5.2. Định nghĩa điều kiện biên.
Sử dụng công cụ Create Boundary Condition trong modul Load. Trong
phần này thiếp lập tương tự đối với phần định nghĩa tải trọng. Tuy nhiên trong
cửa sổ Edit Boundary Condition, thì chúng ta chọn chuyển vị bằng không
thay vì nhập giá trị như ở phần gán tải trọng.
65
4.2.6. Chia lưới cho cấu kiện dầm.
Chia lưới cho cấu kiện dầm sử dụng công cụ Mesh từ modul trên thanh
môi trường.
4.2.6.1. Thiết lập lưới.
Để thiếp lập lưới cho cấu kiện dầm, sử dụng công cụ Seed Part. Sau khi
nhấn vào lệnh, xuất hiện cửa sổ Global Seeds như hình 4.25, trong cửa sổ này,
Approximate global size (kích thước chia lưới), tiếp tục nhấn Apply. Sau khi
hoàn thành thiết lập hiển thị như hình 4.26.
Hình 4.25: Cửa sổ Global Seeds.
Hình 4.26: Mô hình thiết lập chia lưới.
66
4.2.6.1. Phân chia lưới cho cấu kiệm dầm.
Phân chia lưới cho cấu kiện dầm, sử dụng công cụ Mesh Part trên thanh
công cụ Mesh. Sau nhấn vào thanh công cụ này, xuất hiện thông báo như hình
4.27. Sau đó chọn đối tượng, nhấn Yes, dựa vào định nghĩa ở phần thiết lập
trên, mô hình sẽ tự động chia đối tượng như đã thiếp lập phần trên. Sau khi
chia lưới hoàn thành xuất hiện như hình 4.28.
Hình 4.27: Thông báo về chia lưới.
Hình 4.28: Mạng lưới phần tử hữu hạn dầm bê tông.
4.2.7. Thiết lập các bước phân tích.
Thiếp lập các bước phân tích đối với dầm bê tông sử dụng công năng
Step trên thanh modul. Sau khi nhấn vào thanh công cụ trên, xuất hiện cửa sổ
Create Step. Trong cửa sổ này, Name (tên loại phân tích), Procedure type
(loại phân tích), cuối cùng nhấp Continue. Xuất hiện cửa sổ Edit Step như
hình 4.29, trong của sổ này, Time Period (chu kỳ thời gian), sau khi hoàn
thành thiết lập nhấn OKE.
67
Hình 4.29: Cửa sổ Edit Step.
4.2.8. Công tác phân tích.
Từ thanh công cụ modul trên thanh môi trường, lựa chọn chức năng Job
để tiến hành phân tích.
4.2.7.1. Định nghĩa công tác phân tích.
Sử dụng biểu tượng (Create Job) trên thanh công cụ, xuất hiện cửa sổ
như hình 4.30. Trong cửa sổ này, Name (tên công tác phân tích), sau khi đặt
tên công tác phân tích chọn Continue. Phần mền sẽ xuất hiện cửa sổ Edit Job
như hình 4.31, chấp nhận các phân tích nhấn OKE. Hoàn thành các bước định
nghĩa công tác phân tích.
Hình 4.30: Cửa sổ Create Job.
68
Hình 4.31: Cửa sổ Edit Job.
4.2.7.2. Giao diện phân tích.
Từ thanh menu Job trên thanh menu, lựa chọn Manager. Sau khi chọn
xuất hiện cửa sổ Job Manager như hình 4.32. Nhấn Submit có thể thấy dưới
Status trong cửa sổ lần lượt chuyển qua các giai đoạn Submited (giao diện
phân tích), Running (quá trình phân tích), cuối cùng là Completed ( hoàn
thành phân tích). Nhấn Results (phân tích kết quả) phần mền sẽ tự động
chuyển sang modul Visualization.
Hình 4.32: Cửa sổ Job Manager.
69
4.2.9. Một số chú ý khi thiết lập phân tích mô hình.
Sau khi hoàn thành các bước thiết lập mô hình như đã trình bày ở phần
trên. Tiến hành kiểm tra mô hình bằng Data Check trong hộp thoại Job
Manager để kiểm tra các sai sót thiếp lập. Để trách một số sai sót trong quá
trình thiết lập, trong phần này đưa ra các chú ý cần trách trong quá trình
thuyết lập để có để chạy được mô hình.
+ Đối với đối tượng dầm bê tông được chia ở công cụ Mesh, nhưng đối
với cốt thép nên chia trong trực tiếp khi xác định đối tượng.
+ Phải kiểm tra tài nguyên máy tính có thể đủ để chạy được mô hình,
trách trường hợp máy không đủ khả năng chạy được.
+ Tất cả đối tượng điều được quản lý phần cây mô hình của phần mền,
tránh trường hợp xóa trực tiếp đối tượng trong môi trường làm việc có thể đối
tượng được xóa như tính chất vẫn còn sẽ ảnh hưởng kết quả mô phỏng và
không chạy được mô phỏng.
70
Chương 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG DẦM
5.1. Hướng nghiên cứu và so sánh.
Sau khi tiến hành thiết lập các bước mô phỏng dầm bê tông trên phần
mền Abaqus, từ những thông số tính chất: bê tông thường, bê tông xỉ, cốt thép
trong dầm. Kết quả xuất ra từ mô hình so sánh với kết quả thu được từ thí
nghiệm thực tế được thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Trường đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Trong phần này, trình bày hai
hướng so sánh chính là:
+ Đánh giá sự chính xác từ sự mô phỏng thông qua các thiết lập thông
số cho phần mền Abaqus . Vì phần mền Abaqus là phần mền mô phỏng dầm
bê tông xỉ tương đối thân thiện và dể dàng thay đổi các thông số tính toán.
Bên cạnh đó, để đạt được kết quả tính toán từ mô phỏng chính xác nhất.
Người sử dụng phần mền Abaqus cần phải quản lý tốt những nhân tố có thể
ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng. Trong nghiên cứu này thì đưa ra một số tác
nhân có thể ảnh hưởng nhiều đến kết quả như: Mô hình vật liệu, Mô hình
thép, Tỉ lệ chia phần tử dầm khi phân tích ( những tham số này có thể ảnh
hưởng đến kết quả mô phỏng). Sau khi mô phỏng so sánh kết quả từ mô
phỏng kết hợp với thực nghiệm sẽ đề xuất mô hình vật liệu ( bê tông và cốt
thép) và tỉ lệ chia hợp lý nhất, để cho kết quả chính xác nhất.
+ Trong nghiên cứu này đã sử dụng mô hình số vật liệu bê tông thường
để thiếp lập cho bê tông xỉ (vì theo một số nghiên cứu tính chất bê tông
thường và bê tông xỉ gần tương đương nhau). Trong phần này, sẽ đưa ra so
sánh sai số của mô hình mô phỏng và thí nghiệm dầm như: chuyển vị, so sánh
biến dạng giữa dầm, biến dạng 1/4 dầm, ứng suất cốt thép chịu lực cho bê
71
tông thường và đối với bê tông xỉ. Từ đó, kết luận có thể dùng mô hình số vật
liệu bê tông cho mô phỏng bê tông xỉ không, nếu được thì sai số là bao nhiêu.
5.2. Kết quả mô phỏng dầm bê tông thường và bê tông xỉ.
Hình 5.1: Kết quả mô phỏng dầm RCB.
Hình 5.2: Kết quả mô phỏng dầm SRCB.
5.3. Đánh giá sự chính xác mô hình mô phỏng.
5.3.1. So sánh tỉ lệ chia phần tử .
Tỉ lệ chia phần tử trong quá trình mô phỏng là một trong những nhân
tốt có thể ảnh hưởng rất lớn đến kết quả mô phỏng. Nhưng nếu sử dụng giá trị
chia phần tử quá mịn sẽ làm tăng khối lượng tính toán và tài nguyên máy tính
có thể không đáp ứng được khối lượng quá lớn. Để có thể đưa ra giá trị chia
phần tử hợp lý nhất không ảnh hưởng lớn đến kết quả bài toán cũng tài
nguyên máy tính có thể đáp ứng được khối lượng bài toán. Nghiên cứu này
đưa ra nhiều tỉ lệ chia khác nhau: Mesh sizes 200, Mesh sizes 100, Mesh sizes
80, Mesh sizes 50, Mesh sizes 20 so sánh sự chính xác theo thời gian xử lý
bài toán. Trong quá trình thực hiện mô phỏng cho tỉ lệ chia có đưa ra thời gian
xử lý bài toán cho những tỉ lệ chia, thời gian này chỉ mang tích chất tham
72
khảo do nó phụ thuộc rất lớn vào tốc độ xử lý. Tốc độ xử máy để phân tích
bài toán trong trường hợp này CPU Intel core i7 (3.2GHz).
Bảng 5.1: Kết quả lực và chuyển vị giữa dầm cho nhiều tỉ lệ chia.
d
(mm)
Mesh sizes
200
Mesh sizes
100
Mesh sizes
80
Mesh sizes
50
Mesh sizes
20Test
mP
(kN)
# mP
(kN)
# mP
(kN)
# mP
(kN)
# mP
(kN)
# tP
(kN)
0,01 42,5 0,41 80,1 0,113 74 0,028 69,8 0,031 70,1 0,026 72
0,015 63,2 0,37 93,2 0,075 96,2 0,046 97,8 0,030 98,2 0,026 100,8
0,018 64,4 0,42 100,7 0,086 98,4 0,107 99,1 0,101 99,8 0,094 110,2
0,02 67,5 0,41 114,7 0,003 113,6 0,012 114,2 0,007 114,4 0,005 115
0,025 71,4 0,40 112,9 0,051 115,7 0,028 116,4 0,022 117,2 0,015 119
0,03 73,2 0,39 114,9 0,044 118,6 0,013 119,2 0,008 119,4 0,007 120,2
0,035 42,5 0,41 80,1 0,113 74 0,028 69,8 0,031 70,1 0,026 72
Time
(min)15,3 30,43 51,2 162,05 216,1
Time
(min)
Hình 5.3: Biểu đồ so sánh các tỉ lệ chia tại giá trị chuyển vị 0,035.
73
Trong bảng 5.1, d – chuyển vị (m), mP - Tải trọng từ kết quả mô phỏng
mô phỏng, tP - tải trọng từ kết quả thực nghiệm, mod1t
PP
� �# � � �� �
- độ
lệch giữa giá trị tải trọng mô phỏng so với tải trọng thực tế.
Sau khi tiến hành phân tích bài toán cho những tỉ lệ chia khác nhau
được trình bày ở bảng 5.1. Để thấy rõ hơn sự phụ thuộc độ lệch vào tỉ lệ chia
và thời gian có thể nhận ra biểu đồ hình 5.3.
Qua bảng 5.1 và biểu đồ hình 5.3, chỉ ra rằng để có độ sai lệch kết quả
thấp nhất cần có thời gian xử lý và tỉ lệ chia mịn. Quan biểu đồ hình 5.3 cho
ta thấy rằng, đối với bài toán dầm bê tông xỉ chịu uốn ba điểm trong nghiên
cứ này chúng ta nên xử dụng tỉ lệ chia Mesh-80. Vì với tỉ lệ này, giá trị độ
lệch so với Mesh-20 tương đối nhỏ 2% (không đáng kể) trong khi thời gian
xử lý được rút ngắn hơn khoảng 165 phút (24%).
Khi mô phỏng đối với dầm bê tông xỉ chịu uốn ba điểm trong nghiên
cứu này nên sử dụng tỉ lệ chia Mesh-80 vừa đáp ứng độ chính xác tương đối
bài toán và giá thành việc mô phỏng.
5.3.2. Đánh giá sự chính xác mô hình số vật liệu.
Trong phần này, để so sánh sự chính xác của mô hình số vật liệu trong
mô phỏng dầm bê tông xỉ. Nghiên cứu này đưa ra 2 loại mô hình số vật liệu
bê tông thường được sử dụng để mô phỏng tính toán dầm: Mô hình Hsu-Hsu
(1994) và mô hình E. Hognestad (1951) để mô phỏng tính chất ứng xử vật
liệu bê tông. Cùng với đó nghiên cứu cũng đưa ra hai mô hình số vật liệu
thép: Mô hình đàn dẻo lý tưởng (SEPL) và mô hình cải tiến mô hình đàn dẻo
(IEPL) để mô phỏng tính chất ứng xử cốt thép trong mô phỏng. Từ 2 mô hình
số vật liệu bê tông xỉ và 2 mô hình số vật liệu thép. Nghiên cứu này sẽ có 4
trường hợp để so sánh với thực nghiệm.
74
+ Trường hợp 1a: Mô hình vật liệu bê tông Hsu-Hsu (1994) kết hợp
mô hình vật liệu thép cải tiến mô hình đàn đẻo lý tưởng (IEPL).
+ Trường hợp 1b: Mô hình vật liệu bê tông E.Hognestad (1951) kết
hợp mô hình vật liệu thép cải tiến mô hình đàn đẻo lý tưởng (IEPL).
+ Trường hợp 2a: Mô hình vật liệu bê tông Hsu-Hsu (1994) kết hợp
mô hình vật liệu thép đàn đẻo lý tưởng (SEPL).
+ Trường hợp 2b: Mô hình vật liệu bê tông Hognestad (1951) kết hợp
mô hình vật liệu thép đàn đẻo lý tưởng (SEPL).
Từ kết quả so sánh với thực hiện, nghiên cứu này sẽ đề xuất trường hợp
chính xác cho mô phỏng .
5.2.2.1. Mô hình vật liệu Hsu-Hsu (1994) và E.Hognestad (1951) kết
hợp mô hình vật liệu thép cải tiến mô hình đàn đẻo lý tưởng (IEPL) (trường
hợp 1a và 1b).
Hình 5.4: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị so sánh trường hợp 1 dầm bê
tông xỉ.
Trong trường hợp 1, để mô phỏng dầm bê tông xỉ: Hsu – Hsu (1994)
để mô phỏng tính chất vật liệu bê tông kết hợp với mô hình cải tiến mô hình
75
đàn dẻo lý tưởng (IEPL) để mô phỏng tính chất vật liệu thép (trường hợp 1a)
và mô hình E.Hognestad (1951) kết hợp với mô hình IEPL (trường hợp 1b).
Kết quả mô phỏng được trình bày qua biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị
giữa dầm hình 5.4.
Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa dầm hình 5.4, cho chúng ta
thấy rằng dầm bê tông xỉ cốt thép làm việc trong miền đàn hồi khi tải trọng
đạt giá trị dưới 80 (kN). Lúc này, cả 2 trường hợp 1a (Hsu – Hsu và IEPL )
và 1b (E. Hognestad và IEPL) điều không có sự sai lệch lớn. Khi tải trọng
vượt giá trị 80 (kN) thì dầm bê tông xỉ cốt thép làm việc trong miền dẻo, lúc
này chuyển vị giữa dầm tăng lên nhanh chóng. Lúc này, 2 trường hợp cũng
chưa có sự khác biệt lớn. Khi tải trọng vượt giá trị 110 (kN), thì chuyển vị
giữa dầm cho mô hình trường hợp 1a là tương đối chính xác so với kết quả
thực nghiệm khoảng lệch khoảng 0.8% (gần như chính xác tại một số điểm)
và giá trị tải trọng đạt giá trị 120.2 (kN) tại chuyển vị 0.035m. Trong khi đó,
giá trị chuyển vị giữa dầm cho mô hình trường hợp 1b tương đối khác so với
thực nghiệm khoảng lệch giữa hai mô hình và thực nghiệm là 8% và tải trọng
đạt giá trị 130,3 (kN) khi chuyển vị tại 0,035m.
Từ nhận xét trên, biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa dầm hình
5.4 chỉ ra sự kết hợp mô hình vật liệu Hsu – Hsu (1994) để mô phỏng tính
chất bê tông kết hợp với mô hình (IEPL) để mô phỏng tính chất cốt thép
(trường hợp a), đưa ra kết quả tương đối chính xác so với giá trị thực tế
(khoảng lệch hai mô hình khoảng 0,8%) so với trường hợp 1b.
5.2.2.2. Mô hình vật liệu Hsu-Hsu (1994) và E.Hognestad (1951) kết
hợp mô hình đàn đẻo lý tưởng (SEPL) (trường hợp 2a và 2b).
76
Hình 5.5: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị so sánh trường hợp 2 dầm bê
tông xỉ.
Trong trường hợp 2, để mô phỏng dầm bê tông xỉ sử dụng: Hsu – Hsu
(1994) kết hợp với mô hình SEPL (trường hợp 1a) và mô hình E.Hognestad
(1951) kết hợp với mô hình SEPL (trường hợp 2b). Kết quả mô phỏng được
trình bày qua biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa dầm hình 5.5.
Biểu đồ hình 5.5 cũng chỉ ra rằng, dầm bê tông xỉ cốt thép làm việc
trong miền đàn hồi khi tải trọng đạt giá trị dưới 80 (kN). Lúc này, cả 2 trường
hợp 2a (Hsu – Hsu và SEPL ) và 2b (E. Hognestad và SEPL) đều không có sự
sai lệch lớn. Khi tải trọng vượt giá trị 80 (kN) thì dầm bê tông xỉ cốt thép làm
việc trong miền dẻo, lúc này chuyển vị giữa dầm tăng lên nhanh chóng. Lúc
này, 2 trường hợp cũng chưa có sự khác biệt lớn. Khi tải trọng đạt 110 (kN)
thì có sự khác biệt giữa 2 trường hợp 2a và 2b và so với giá trị thực nghiệm.
Đối với trường hợp 2a sự sai lệch giá trị chuyển vị giữa dầm của mô phỏng so
với thực tế là tương đối lớn khoảng 16,7%. Tương tự đối với trường hợp 2b
sự sai lệch giá trị chuyển vị giữa dầm của mô phỏng so với thực tế là tương
đối lớn khoảng 9%.
77
Kết luận, từ những phân tích cho 4 trường hợp lựa chọn mô hình mô
phỏng cho dầm (2 mô hình vật liệu bê tông và 2 mô hình vật liệu cốt thép).
Kết quả so sánh chỉ ra rằng, nhìn chung các trường hợp đều có sự sai khác,
nhưng đối với trường hợp 1a kết quả sai lệch giá trị chuyển vị giữa dầm của
giá trị mô phỏng và kết quả thực nghiệm là tương đối nhỏ khoảng 0,8% và có
thể chấp nhận được. Từ đây, có thể nhận định được khi mô phỏng dầm bê
tông xỉ trong thí nghiệm chịu uốn ba điểm nên sử dụng mô hình Hsu-Hsu
(1994) để mô phỏng tính chất bê tông kết hợp với mô hình IEPL để mô phỏng
tính chất vật liệu cốt thép cho giá trị mô phỏng tương đối chính xác.
5.3.3. So sánh kết quả mô hình bê tông thường và bê tông xỉ .
5.3.3.1. So sánh về biểu đồ chuyển vị.
Trong phần so sánh này, khi mô phỏng nghiên cứu đã sử dụng mô hình
Hsu-Hsu (1994) để mô phỏng tính chất bê tông kết hợp với mô hình IEPL để
mô phỏng tính chất vật liệu cốt thép cùng với tỉ lệ chia Mesh-80 để mô phỏng
cho dầm bê tông xỉ và dầm bê tông thường kiểm chứng. Kết quả của 2 dầm
RCB và SRCB được trình bày ở biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa
dầm hình 5.6.
Từ số liệu thu được từ mô phỏng và thực nghiệm, nghiên cứu này đã vẽ
biểu đồ độ lệch giá trị tải trọng của mô phỏng và thực nghiệm cho hai dầm
RCB và SRCB (hình 5.6)
78
Hình 5.6: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị cho RCB và SRCB.
Hình 5.7: Biểu đồ độ lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm biến dạng giữa
dầm cho RCB và SRCB.
Biểu đồ hình 5.7, mod1t
dd
� �# � � �� �
- phần trăm độ lệch giá trị tải
trọng cuả thực nghiệm và mô phỏng.
Hình 5.6 và hình 5.7 chỉ ra rằng, độ lệch giữa kết quả mô phỏng và thực
nghiệm của dầm bê tông xỉ là tương nhỏ (độ lệch lớn nhất khoảng 3,3% tại
79
giá trị chuyển vị 0,01m). Tương tự, giá trị độ lệch đối với dầm bê tông thường
cũng tương đối nhỏ (độ lệch lớn nhất khoảng 3,3% tại giá trị chuyển vị
0,01m). Từ đó ta có thể thấy rằng kết quả mô phỏng dầm tương đối chính xác
cho hai dầm (dầm bê tông đá và bê tông xỉ).
Nhìn chung, từ các kết quả thu được từ mô phỏng và thực nghiệm cho
thấy độ lệch của dầm bê tông đá và bê tông xỉ là tương đối gần nhau (chỉ cách
nhau khoảng 1 – 3%). Và độ lệch của kết quả cho dầm bê tông xỉ là tương đối
chính xác nhiều hơn so với dầm bê tông thường. Vì vậy, có thể kết luận rằng
nếu sử dụng mô hình vật liệu phát triển cho bê tông thường để mô phỏng tính
chất bê tông đá là hoàn toàn chấp nhận được.
5.2.3.4. So sánh về biểu đồ ứng suất cốt thép.
Hình 5.12: Biểu đồ độ quan hệ tải trọng và ứng suất cốt thép cho RCB và
SRCB.
Trong phần này, nghiên cứu thực hiện so sánh ứng suất cốt thép trong
mô phỏng với ứng suất cốt thép tính toán theo tiêu chuẩn ACI – 318 (11) (do
điều kiện thí nghiệm dầm không cho phép thu được kết quả ứng suất cốt thép
nên phải so sánh với tiêu chuẩn Hoa kỳ). Biểu đồ độ quan hệ tải trọng và ứng
80
suất cốt thép cho RCB và SRCB (hình 5.12) chỉ ra rằng ứng suất trong cốt
thép từ mô phỏng với tiêu chuẩn ACI – 318 (11) độ lệch tương đối nhỏ
(khoảng 10 – 15%). Qua biểu đồ hình 5.12 cũng cho ta thấy rằng độ lệch của
dầm bê tông đá và bê tông xỉ là tương đối gần nhau (chỉ cách nhau khoảng
5%). Và độ lệch của kết quả cho dầm bê tông xỉ là tương đối chính xác nhiều
hơn so với dầm bê tông thường. Vì vậy, có thể kết luận rằng nếu sử dụng mô
hình vật liệu phát triển cho bê tông thường để mô phỏng tính chất bê tông đá
là hoàn toàn chấp nhận được.
81
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
6.1. Kết luận và đánh giá.
Qua kết quả thí nghiệm đã trình bày, nghiên cứu này có thể rút ra các
kết luận sau:
+ Khi mô phỏng dầm bê tông cốt thép và dầm bê tông xỉ cốt thép,
những nhân tố: Mô hình vật liệu bê tông, mô hình vật liệu thép, tỉ lệ chia
phần, ảnh hưởng đến kết quả tính toán. Trong nghiên cứu này đề xuất khi mô
phỏng nên sử dụng: mô hình bê tông Hsu-Hsu (1994) và mô hình thép IEPL
và tỉ lệ chia Mesh-80 cho kết quả tương đối chính xác trong thí nghiệm dầm
chịu uốn ba điểm.
+ Giả thuyết sử dụng mô hình tính toán mô phỏng cho bê tông thường
để mô phỏng tính chất bê tông xỉ có thể chấp nhận được và sai số tương đối
nhỏ.
6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo.
Khi đã có mô hình để mô phỏng tính chất bê tông xỉ trình bày ở phần
trên thì có thể mở rộng thêm những nghiên cứu khác như:
+ Từ mô hình ta có thể nghiên cứu được sự mở rộng vết nứt trong dầm
bê tông xỉ. Phần mền Abaqus đang phát triểm công cụ mô tả sự mở rộng vết
nứt.
82
Hình 6.1: Sự mở rộng vết nứt Abaqus.
+ Nghiên cứu này, chỉ nghiên cứu ứng xử cho dầm bê tông xỉ. Qua
những kết quả thu được từ nghiên cứu này chúng ta có thể nghiên cứu ứng xử
cho cột bê tông xỉ hay nút khung khi chịu tải trọng tỉnh hoặc tải trọng động.
Hình 6.2: Mô phỏng nút khung và chịu tải động.
83
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Wahalathantri, Thambiratnam, Chan, Fawzia. A material model for
flexural crack simulation in reinforced concrete elements using Abaqus,
Queensland University of Technology, Brisbane, Australia, pp.260-264,
2011.
[2] Deng Silhua, Qie Ze, Wang Li. Nonlinear Analysis of Reinforced
Concrete Beam Bending Failure Experimentation Based on ABAQUS,
International Conference on Information Sciences, Mechinery, Materials
and Energy (ICISMME 2015) , Beijing China, pp.440-444, 2015.
[3] Veo, A. Anh Ghali A. (1977).: Moment Curvature Relation of Reinforced
Concrete Slads, Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 103, No.ST3,
pp.515-531.
84
[4] S.V.Chaudhari, M.A.Chakrabarti,: Modeling of concrete for nonlinear
analysis Using Finite Element Code ABAQUS, Department of Applied
Sciences & Humanitie Rajiv Gandhi institute of Technology, Mumbai,
India, pp. 402-408, 2012.
[5] Abaqus Theory Manual. Version 6.13, ABAQUS Inc., pp 398-420, 2013.
[6] Hsu, L.S., & Hsu, C.-T.T. (1994). Complete stress-strain behaviour of
high-strength concrete under compression. Magazine of Concrete
Research, 46(169), pp 301-312,1994.
[7] Eivind, Hognestad.: A Study of Combined Bending and Axial Load in
Reinforced Concrete Members. ENGINEERING EXPERIMENT STATION,
University of Illinois, Urbana, November 1951. Bulletin Series No. 399,
ENGINEERING EXPERIMENT STATION, University of Illinois,
Urbana, Vol. 49, No. 22. Bulletin Series No. 399A, Vol. 49, No. 22.
[8] Thi-Thuy-Hang NGUYEN, Ứng xử chịu uốn dầm bê tông cốt liệu xỉ.
Người Xây Dựng, Viet Nam,pp 12-16, 2015.
[9] Agnieszka PEŁKA-SAWENKO1, Tomasz WRÓBLEWSKI, Maciej
SZUMIGAŁA2. Validation of Computational Models of Steel-Concrete
Composite Beams, West Pomeranian University of Technology of Szcze
Faculty of Civil Engineering and Architecture, Poznań,pp. 25-28, 2014.
[10] ACI 318-04: Building Code Requirements for Reinforced Concrete.
USA, 2014.
[11] Mien Van Tran, Chanh Van Nguyen, Toyaharu NAWA, Boonchai
Stimannaithum, “ Properties Of High Strength Concrete Using Steel Slag
Coarse Aggregate” ,pp. 72 – 75, 2012
[12] M. Maslehuddin, Alfarabi M. Sharif, M. Shameem, M. Ibrahim, M.S.
Barry, “Comparison Of Properties Of Steel Slag And Crushed Limestone
Aggregate Concretes” ,pp. 35-38, 2012
85
[13] Ths. Lê Đăng Dũng, “ Nghiên cứu ứng xử của nút khung bê tông cốt
thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, Bộ môn kết cấu xây dựng – Viện
kỹ thuật xây dựng. pp. 24-27, 2010
[14] Nguyễn Trần Trung, Phạm Hữu Huy, Lư Quang Hải, Hồ Hữu Chỉnh., “
Mô hình phần tử hữu hạn và thí nghiệm kiểm chứng ứng xử không đàn hồi
của kết cấu bê tông cốt thép” , pp. 12-16, 2011
[15] Nguyễn Huy Cường, Vũ Văn Hiệp, Lê Đăng Dũng, “Nghiên cứu ứng xử
chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng bê tông lưới cốt
dệt” , pp.43-47, 2015.
[16] Nguyễn Hồng Vũ, “Ứng sử cấu kiện Bê tông cốt thép cốt liệu Xỉ Thép”,
pp 2, 2015