Mô hình hóa nút khung biên bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Trong kết cấu khung bê tông cốt thép (BTCT), nút khung đóng một vai trò quan trọng trong việc truyền lực giữa các cấu kiện dầm và cột, đặc biệt là với các công trình được thiết kế chịu động đất. Trong khi hiểu biết về ứng xử các cấu kiện cột và dầm BTCT đã rất rõ ràng, ứng xử của nút khung BTCT là một vấn đề phức tạp và ít được nói đến hơn. Để đảm bảo an toàn, nguyên tắc thiết kế khung BTCT là mong muốn phá hoại bắt đầu từ dầm, cột và cuối cùng là nút khung.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 MƠ HÌNH HĨA NÚT KHUNG BIÊN BÊ TƠNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG NGANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chu Tuấn Long Trường Đại học Thủy lợi GIỚI THIỆU CHUNG Trong kết cấu khung bê tơng cốt thép (BTCT), nút khung đóng vai trị quan trọng việc truyền lực cấu kiện dầm cột, đặc biệt với cơng trình thiết kế chịu động đất Trong hiểu biết ứng xử cấu kiện cột dầm BTCT rõ ràng, ứng xử nút khung BTCT vấn đề phức tạp nói đến Để đảm bảo an toàn, nguyên tắc thiết kế khung BTCT mong muốn phá hoại dầm, cột cuối nút khung Hiện tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông BTCT Việt Nam gồm nhiều phiên theo năm, chuyển dịch từ tiêu chuẩn Nga, cụ thể: (i) TCVN 5574:1991; (ii) TCVN 5574:2012; (iii) tiêu chuẩn phát hành TCVN 5574:2018 quy định chiều dài neo cốt thép thay đổi theo hướng gần giống Eurocode Ngoài ra, TC thiết kế kháng chấn TCVN 9386:2012 chuyển dịch từ tiêu chuẩn Eurocode quy định chiều dài neo cốt thép cần tuân theo EN 1992-11:2004 Như vậy, quy định TCVN nút khung chưa đồng gây khó khăn cho kỹ sư thực hành tính tốn thiết kế cấu tạo nút khung đánh giá làm việc kết cấu khung BTCT có sẵn Mơ hình phần tử hữu hạn nút khung BTCT xây dựng nghiên cứu giới năm gần đây, cho kết đáng tin cậy Trong bối cảnh đó, xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn nút khung biên BTCT chịu tải trọng ngang đẩy dần sử dụng phần mềm ABAQUS cho phép đánh giá làm việc nút khung cấu tạo theo quy định theo TCVN qua thời kỳ khác trình bày MƠ HÌNH HĨA NÚT KHUNG BIÊN Mơ hình phần tử hữu hạn chiều nút khung biên BTCT có kể đến làm việc phi tuyến vật liệu bê tông cốt thép xây dựng phần mềm ABAQUS phiên 6.14 Mơ hình kiểm chứng kết nghiên cứu thực nghiệm Pantelides đồng [1] Hình Bố trí thí nghiệm nút khung biên Pantelides đồng [1] Hình Kích thước cấu tạo nút khung biên thí nghiệm Pantelides đồng [1] 184 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 Trong thí nghiệm này, tác giả thực thí nghiệm đẩy ngang đầu dầm nút khung với bố trí thí nghiệm Hình 1, cấu tạo kích thước nút khung Hình Nút khung chế tạo từ bê tơng có cường độ phá hoại  cu  46.2MPa , đặc trưng cốt thép Bảng Bảng Đặc trưng cốt thép [1] Cốt thép Đường kính σy (Mpa) σu (Mpa) Thép dầm #9(28.65mm) 454.4 746 Thép cột #7(22.23mm) 469.5 741.9 Thép đai #3(9.53mm) 427.5 654.3 2.1 Loại phần tử chia lưới Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R thư viện vật liệu ABAQUS dạng phần tử khối chiều, nút tuyến tính gán cho phần tử bê tơng Các cốt thép mơ hình hóa mơ hình phần tử dạng khối (solid), dạng dầm (beam) dạng (truss) Phần tử dạng khối cho phép mơ xác làm việc cốt thép tương tác bê tông - cốt thép làm tăng khối lượng tính tốn Phần tử phần tử dạng T3D2 sử dụng để mô cốt thép Tương tác bê tông - cốt thép mơ hình dạng tương tác nhúng (embeddement) với giả thiết dính bám bê tơng cốt thép tuyệt đối 2.2 Mơ hình vật liệu 2.2.1 Cốt thép Mơ hình vật liệu đàn dẻo thư viện vật liệu ABAQUS sử dụng để mô tính chất vật liệu cốt thép Đường ứng suất - biến dạng thép xác định thông qua mô đun đàn hồi Es cường độ chịu kéo fy Mô đun đàn hồi cốt thép thông thường lấy 210GPa Mơ hình sử dụng cho ứng xử kéo nén cốt thép 2.2.2 Bê tơng Mơ hình bê tơng phá hoại dẻo (Concrete Damaged Plasticity - CDP) [2] sử dụng để mơ tả tính chất vật liệu vùng kéo nén bê tông Thông số cụ thể mơ hình CDP lấy từ kết thực nghiệm tính tốn từ cường độ chịu nén lớn  cu bê tông theo công thức thực nghiệm Có nhiều cách xác định đặc trưng cho mơ hìn h CDP khác sử dụng Bài báo sử dụng công thức [3] đề xuất Trong bê tơng làm việc chịu nén đàn hồi đến ứng suất 0.5 cu , sau quan hệ ứng suất - biến dạng theo công thức thực nghiệm : c    c       c     cu Trong đại lượng β ε0 biến dạng đỉnh xác định theo công thức sau:  1   cu /   E0     8.9 10 5  cu  2.114 103 Hình Chia lưới mơ hình điều kiện biên Mơ đun đàn hồi bê tông E0 xác định theo cơng thức sau: Hình thể mơ hình nút khung biên gồm bê tông, cốt thép dọc cốt thép đai chia lưới Ảnh hưởng kích thước phần tử chia lưới đánh giá mơ hình có kích thước phần tử từ 20, 50 100mm Kết tính tốn cho thấy chia lưới phần tử với kích thước 50mm cho phép tính tốn nhanh mà đảm bảo độ xác kết Trong công thức trên, đơn vị đại lượng  cu ,  u , E0 kip/in2 (1 MPa = 0.145037743 kip/in2) Ứng xử bê tông chịu kéo xác định từ cường độ chịu nén lớn  cu bê tông thiếu thông số thực nghệm Cường độ chịu nén lớn (gây nứt) bê tông xác định theo công thức sau: E0  1.2431 102  cu  3.28312 103 185 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 Mô hình sử dụng để mở rộng nghiên cứu ứng xử nút khung BTCT  t  0.33  cu Hình Số liệu đường cong ứng suất - biến dạng dùng cho mơ hình CDP - ABAQUS [5] Hình Biểu đồ Lực - chuyển vị đầu dầm so sánh kết mô thực nghiệm Quan hệ ứng suất - biến dạng bê tông chịu kéo lấy theo [4] Bên cạnh đó, mơ hình CDP sử dụng thơng số để mơ tả q trình hình thành dạng phá hoại dẻo Giá trị thông số lấy theo khuyến cáo hướng dẫn sử dụng phần mềm Abaqus [5] 2.3 Điều kiện ràng buộc Điều kiện biên đặt vào mơ hình tương ứng với thí nghiệm kiểm chứng (Hình 2) tương ứng Hình hai đầu cột liên kết khớp, đỉnh cột bố trí lực nén tương đương 10% khả chịu nén cột (69.85kN) đầu dầm gia tải tĩnh đẩy dần Quá trình gia tải phần mềm thực thành hai bước, bước đặt lực nén lên đầu cột, sau trì lực nén Việc gia tải đẩy dần lên đầu dầm thực bước thứ sau Hình Một số đặc trưng quan trọng nút khung thời điểm phá hoại TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH Từ kết thực nghiệm, Pantelides đồng thời điểm phá hoại nút khung tương ứng Hình Những thời điểm phá hoại quan trọng nút (điểm A B) theo mô tả nghiên cứu thực nghiệm [1] thể mơ hình (Hình 5, Hình 6) KẾT LUẬN [4] [5] Mơ hình phần tử hữu hạn nút khung chịu tải trọng ngang đẩy dần cho kết tính tốn sát với kết thực nghiệm công bố 186 C P Pantelides, C Clyde, and L D Reaveley, “Performance - Based Evaluation of Reinforced Concrete Building Exterior Joints for Seismic Excitation,” Earthq Spectra, vol 18, no 3, pp 449 - 480, Aug 2002, doi: 10.1193/1.1510447 “Abaqus/CAE User’s Guide,” p 1146 L S Hsu and C - T T Hsu, “Complete stress - strain behaviour of high-strength concrete under compression,” Mag Concr Res., vol 46, no 169, pp 301–312, Dec 1994, doi: 10.1680/macr.1994.46.169.301 A Belarbi and T T C Hsu, “Constitutive Laws of Concrete in Tension and Reinforcing Bars Stiffened By Concrete,” Struct J., vol 91, no 4, pp 465–474, Jul 1994, doi: 10.14359/4154 B Wahalathantri, D Thambiratnam, T Chan, and S Fawzia, “A Material Model for Flexural Crack Simulation in Reinforced Concrete Elements Using ABAQUS,” Apr 2011  ... (truss) Phần tử dạng khối cho phép mô xác làm việc cốt thép tương tác bê tông - cốt thép làm tăng khối lượng tính tốn Phần tử phần tử dạng T3D2 sử dụng để mô cốt thép Tương tác bê tơng - cốt thép. .. điểm phá hoại quan trọng nút (điểm A B) theo mô tả nghiên cứu thực nghiệm [1] thể mơ hình (Hình 5, Hình 6) KẾT LUẬN [4] [5] Mơ hình phần tử hữu hạn nút khung chịu tải trọng ngang đẩy dần cho kết...  cu  2.114 103 Hình Chia lưới mơ hình điều kiện biên Mô đun đàn hồi bê tơng E0 xác định theo cơng thức sau: Hình thể mơ hình nút khung biên gồm bê tông, cốt thép dọc cốt thép đai chia lưới