Phân tích trường biến dạng dầm bê tông cốt thép chịu uốn bằng phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số

TĨM TẮT ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH TRƢỜNG BIẾN DẠNG TRONG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN BẰNG PHƢƠNG PHÁP TƢƠNG QUAN ẢNH KỸ THUẬT SỐ Phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số (DIC) kỹ thuật xây dựng trƣờng biến dạng vật thể chịu lực.Trƣờng biến dạng chuyển vị bao gồm biến dạng chuyển vị theo phƣơng xx, yy xy Thí nghiệm dầm bê tơng cốt thép chịu uốn điểm đƣợc chọn để áp dụng phƣơng pháp DIC Bê tông cốt thép với cốt liệu đá xỉ đƣợc xét đến luận văn Ban đầu thông số kỹ thuật DIC đƣợc kiểm chứng so sánh biến dạng thực đo biến dạng xác định đƣợc từ DIC Sau đó, kết hợp kết phân tích thí nghiệm uốn dầm phƣơng pháp phần tử hữu hạn DIC để xây dựng mối liên hệ lực gây nứt đặc trƣng học phá hủy cho dầm bê tông cốt thép.Kết nguyên cứu đề tài cho thấy tính khả thi việc sử dụng phƣơng pháp cho việc xây dựng trƣờng biến dạng xác định đặc trƣng học phá hủy vật liệu v ABSTRACT RESEARCH TOPIC ANALYSE THE DISPLACEMENT FIELDS IN REINFORCED CONCRETE UNDER THREE POINTS BENDING USING THE DIGITAL IMAGE CORRELATION (DIC) TECHNIQUE The digital image correlation (DIC) technique is a modern method to establish the displacement fields of the load bearing object The deformation and displacements contain deformation and displacements in the xx, yy and xy directions The reinforced concrete beam under three points bending experiment was chosen to apply DIC technique Reinforced concrete is the material with the aggregates are rock and cinder was used in this experiment Originally, the DIC parameters were verified by comparing deformation results from physical measurement and DIC technique Then, combining the analyzed results of the three point bending experiment by finite element method and DIC to establish the relationship between the cracking stress and the characteristics of fracture mechanic for reinforced concrete beams The result of this research showed the feasibility of applying this technique to establish the displacement fields and determine the characteristics of fracture mechanic of the material vi MỤC LỤC CHƢƠNG 1.1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu: .1 1.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc: 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc: 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 1.3 Mục tiêu đề tài nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu đề tài .4 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài .4 CHƢƠNG 2.1 Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số .6 2.1.1 Lý thuyết biến dạng chiều rộng vết nứt: .6 2.3 Xác định lƣợng phá hủy phát triển vết nứt (G): 12 CHƢƠNG 14 3.1 Nguyên liệu sử dụng 14 3.1.1 Cốt liệu xỉ thép 14 3.1.2 Cốt liệu lớn (đá dăm) 16 3.1.3 Cốt liệu mịn (cát vàng) 18 3.1.4 Nƣớc 19 3.1.5 Xi măng 19 3.2 Quy chuẩn thiết kế cấp phối bê tông đá xỉ thép 20 3.3 Thí nghiệm cấu kiện dầm 21 3.3.1 Mục đích thí nghiệm .21 3.3.2 Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm 21 3.3.3 Công tác chuẩn bị 25 3.3.4 Trình tự thí nghiệm .25 3.3.5 Kiểm tra mẫu thử 26 CHƢƠNG 28 4.1 Xác định độ phân giải 28 vii 4.1.1 Dầm bê tông cốt thép thƣờng B15 B22.5 28 4.1.2 Dầm bê tông cốt thép xỉ 32 4.2 Xác định chiếu dài bề rộng vết nứt 35 4.2.1 Dầm bê tông cốt thép thƣờng B15 & B22.5 36 4.2.2 Dầm bê tông cốt thép xỉ: .48 CHƢƠNG 57 5.1 Các bƣớc mơ hình hóa phần mền ABAQUS 57 5.1.1 Xây dựng cấu kiện 57 5.1.2 Định nghĩa vật liệu thuộc tính mặt cắt 62 5.1.3 Định nghĩa lắp ghép cấu kiện 66 5.1.4 Định nghĩa gán buộc 68 5.1.5 Định nghĩa tải trọng điều kiện biên 70 5.1.6 Chia lƣới cho cấu kiện dầm .72 5.1.7 Thiết lập bƣớc phân tích 74 5.2 Thơng số tính tốn cho mơ hình .75 5.2.1 Mơ hình vật liệu bê tơng 75 5.2.2 Mơ hình vật liệu thép .76 5.2.3 Loại phần tử mô tỉ lệ chia phần tử 77 5.3 Kết mô dầm BTCT đá dầm bê tông cốt thép xỉ: 78 5.3.1 Dầm bê tông cốt thép B15 B22.5: 78 5.3.2 Dầm bê tông cốt thép xỉ: .83 5.4 Kết luận 84 5.5 Hƣớng nghiên cứu 84 viii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1: Tính chất lý xỉ thép Phú Mỹ theo TCVN 15 Bảng 3.2: Kết thí nghiệm lý xỉ thép 16 Bảng 3.3: Các tiêu lý đá sử dụng .17 Bảng 3.4: Các tiêu lý cát sử dụng 18 Bảng 3.5: Các tiêu lý xi măng sử dụng 20 Bảng 3.6: Bảng cấp phối bê tông xỉ đá tự nhiên (1m3) 21 Bảng 4.1: Kết tổng hợp số liệu vùng biến dạng dầm B22.5 30 Bảng 4.2: Kết tổng hợp sớ liệu vùng biến dạng dầm xỉ .34 Bảng 4.3: Tổng hợp số liệu tải trọng bề rộng vết nứt dầm BTCT B22.5 40 Bảng 4.4: Tổng hợp số liệu tải trọng bề rộng vết nứt dầm BTCT B15 44 Bảng 4.5: Tổng hợp số liệu thông số học dầm B15 .46 Bảng 4.6: Tổng hợp số liệu thông số học dầm B22.5 46 Bảng 4.7: Tổng hợp số liệu tải trọng bề rông vết nứt dầm xỉ 50 Bảng 4.8: Tổng hợp số liệu thông số học dầm xỉ 54 Bảng 5.1: Thông số đặc trƣng bê tông thƣờng bê tông xỉ 75 Bảng 5.2: Thông số miền chịu nén mơ hình Hsu-Hsu 75 Bảng 5.3: Thông số miền chịu kéo mô hình Hsu-Hsu 76 Bảng 5.4: Thông số đặc trƣng cốt thép 76 Bảng 5.5: Thông số đặc trƣng mơ hình IEPL .77 Bảng 5.6: Loại phần tử mô dầm .77 Bảng 5.7: Thơng số mơ hình phá hoại dẻo mơ hình 78 Bảng 5.8: Tổng hợp số liệu thông số học dầm B15 .80 Bảng 5.9: Tổng hợp số liệu thông số học dầm B22.5 80 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Xác định ô lƣới vùng khảo sát Hình 2.1: Sơ đồ vị trí hình ảnh vùng biến dạng trƣớc sau chuyển vị Hình 2.2: Vẽ sơ đồ hình ảnh phụ bề mặt .8 Hình 2.3: Thay đổi vị trí tƣơng đối sau nứt xảy .10 Hình 2.4: Biểu đồ ứng suất chuyển vị vết nứt qua mặt cắt ngang .11 Hình2.5: Biểu đồ ứng suất chuyển vị vết nứt qua mặt cắt dọc 12 Hình 2.6: Hình minh họa vị trí vùng lƣơng phá hủy 13 Hình3.1: Xỉ thép thay cốt liệu thô tự nhiên .14 Hình3.2: Biểu đồ thành phần hạt xỉ thép sử dụng 16 Hình 3.3: Đá dăm tự nhiên 17 Hình 3.4: Biểu đồ thành phần hạt đá sử dụng 17 Hình 3.5: Cát vàng 18 Hình 3.6: Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng 19 Hình 3.7: Xi măng .19 Hình 3.8: Strain gauge .22 Hình 3.9: Thiết bị đo chuyển vị 23 Hình 3.10: Máy ảnh Cannon EOS 7D .23 Hình 3.11: Máy uốn cấu kiện 24 Hình 3.12: Máy ghi số liệu thực nghiệm 24 Hình 3.13 Gia cơng cốt thép ván khuôn 25 Hình 3.14 Q trình trộn bê tơng .25 Hình 3.15 Công tác đầm dùi 26 Hình 3.16 Mơ hình thí nghiệm cấu kiện dầm 26 Hình 3.17 Thiết kế dầm tính tốn 27 Hình 4.1: So sánh biến dạng dầm BTCT B22.5 cấp tải P=89,94KN: 29 Hình 4.2: So sánh biến dạng dầm BTCT B22.5 cấp tải P=93,28KN: 29 x Hình 4.3: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 cấp tải P=52.58KN: 31 Hình 4.4: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 cấp tải P=72.25KN: 31 Hình 4.5: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 cấp tải P=75.46KN: 32 Hình 4.6: Kết biến dạng vị trí đặt Strain gauge .34 Hình 4.7: Q trình phát triển vết nứt dầm bê tơng cốt thép B22.5 theo cấp tải trọng .37 Hình 4.8: Quá trình phát triển vết nứt dầm bê tông cốt thép B15 theo cấp tải trọng .39 Hình 4.9: Mặt cắt xác định vị trí phát triển vết nứt (CTOD) 41 Hình 4.10: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 1-1 41 Hình 4.11: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 2-2 42 Hình 4.12: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 3-3 42 Hình 4.13: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 4-4 43 Hình 4.14: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 5-5 43 Hình 4.15: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 1-1 44 Hình 4.16: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 2-2 45 Hình 4.17: Biểu đồ cấp tải trọng (P) chiều dài vết nứt (Lc) .46 Hình 4.18: Biểu đồ chiều rộng (Wc) chiều dài vết nứt (Lc) 47 Hình 4.19: Quá trình phát triển vết nứt .49 Hình 4.20: Mặt cắt xác định vị trí phát triển vết nứt (CTOD) 51 Hình 4.21: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 1-1 51 Hình 4.22: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 2-2 52 Hình 4.23: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 3-3 53 Hình 4.24: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 4-4 53 Hình 4.25: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 5-5 54 Hình 4.26: Biểu đồ cấp tải trọng (P) chiều dài vết nứt (Lc) .55 Hình 4.27: Biểu đồ chiều rộng (Wc) chiều dài vết nứt (Lc) 56 xi Hình 5.1: Cửa sổ Create Part Abaqus 58 Hình 5.2: Mơ hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông 58 Hình 5.3: Kích thƣớc mơ hình hình học hai chiều cấu kiện bê tơng 59 Hình 5.4: Cửa số Edit Base Extrusion 59 Hình 5.5: Mơ hình ba chiều cấu kiện dầm bê tông 59 Hình 5.6: Mơ hình hai chiều cấu kiện đệm thép 60 Hình 5.7: Mơ hình ba chiều cấu kiện đệm thép 60 Hình 5.8: Mơ hình hình học hai chiều cốt đai .61 Hình 5.9: Mơ hình hình học ba chiều cốt đai 61 Hình 5.10: Mơ hình hình học hai chiều cốt thép dọc 62 Hình 5.12: Xác định thơng số vật liệu bê tông 63 Hình 5.13: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tơng .64 Hình 5.14: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho cốt thép 65 Hình 5.15: Lựa đối tƣợng gán mặt cắt 65 Hình 5.16: Cửa sổ Edit Section Assignment 65 Hình 5.17: Cửa sổ Create Instance .66 Hình 5.18: Cửa sổ sau hoàn thành việc lắp ghép bê tơng đệm thép 67 Hình 5.19: Hoàn thành việc lắp ghép đối tƣợng 68 Hình 5.20: Mơ hình sau chia khối đối tƣợng 68 Hình 5.21: Gán buộc cốt thép bê tông .69 Hình 5.22: Gán buộc điểm đặt lực dầm bê tơng 69 Hình 5.23: Gán buộc thép dầm bê tông .70 Hình 5.24: Cửa sổ Edit Boundary Condition .72 Hình 5.25: Cửa sổ Global Seeds 73 Hình 5.26: Mơ hình thiết lập chia lƣới 73 Hình 5.27: Thơng báo chia lƣới 74 Hình 5.28: Mạng lƣới phần tử hữu hạn dầm bê tông 74 xii Hình 5.29: Cửa sổ Edit Step 74 Hình 5.30: Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị 79 Hình 5.31: Biểu đồ lực kéo (Q) Năng lƣợng phá hủy (G) 81 Hình 5.32: Biểu đồ lực (Q) CMOD dầm BTCT B15 B22.5 82 Hình 5.33: Biểu đồ tái trọng (P) CMOD dầm BTCT B15 B22.5 82 xiii CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu: Bƣớc sang kỷ 21, kinh tế ngày phát triển mạnh, tốc độ đô thị hóa tăng nhanh, dân số ngày đơng dẫn đến nhu cầu nhà ở, trụ sở làm việc cơng trình cơng cộng trở thành vấn đề xúc cho đô thị giới Giải pháp xây dựng nhà cao tầng biện pháp hữu hiệu để giải vấn đề tăng dân số nhƣ nhu cầu khác đô thị Trong nhiều năm trở lại đây, hàng loạt cơng trình nhà cao tầng với quy mơ chiều cao lớn đƣợc đƣa vào xây dựng sử dụng Việt Nam giới, nhà cao tầng phát triển từ sớm với tốc độ nhanh Tùy theo công mục đích sử dụng, cơng trình áp dụng loại hệ kết cấu khác cho phù hợp Dầm phận kết cấu có vai trị định tham gia làm việc hệ kết cấu cơng trình nhà cao tầng cầu vƣợt biển, sơng lớn Mỗi loại hệ dầm có khả thích ứng riêng với thể loại cơng trình khác Trong trình khai thác sử dụng cơng trình khơng tránh khỏi lão hóa xuống cấp theo thời gian, nhu cầu sửa chữa bảo dƣỡng dầm kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đảm bảo chúng hoạt động trạng thái bình thƣờng, tránh gặp cố xảy không phát đƣợc vết nứt hệ thống dầm Điều đòi hỏi phải lập nên mức độ can thiệp phù hợp việc trì tuổi thọ cơng trình Q trình phá hủy hồn tồn dầm bê tơng cốt thép đƣợc chia thành giai đoạn chính: Giai đoạn hình thành vết nứt: Hình thành vùng biến dạng ban đầu vết nứt nhỏ li ti mắt thƣờng khơng nhìn thấy đƣợc Giai đoạn phát triển vết nứt: Các vết nứt nhỏ li ti phát triển nối lại với hình thành vết nứt lớn, mắt thƣờng nhìn thấy đƣợc tới phá hủy hoàn toàn Sau tiến hành thiết lập bƣớc mô dầm bê tơng phần mền Abaqus, sử dụng Mơ hình Hsu-Hsu (1994) để mơ tính chất ứng xử vật liệu bê tơng Cùng với mơ hình số vật liệu thép: mơ hình cải tiến mơ hình đàn dẻo (IEPL) để mơ tính chất ứng xử cốt thép mơ phỏng, Kết xuất từ mơ hình so sánh với kết thu đƣợc từ thí nghiệm thực tế BIỂU ĐỒ CHUYỂN VỊ TẢI TRỌNG (KN) 100 80 60 BTCT B22.5 40 ABAQUS 20 BTCT B15 0 10 20 30 40 CHUYỂN VỊ (mm) Hình 5.30: Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị Hình 5.30 so sánh quan hệ tải trọng chuyển vị dầm bê tông cốt thép B15 dầm BTCT B22.5, cho thấy dầm bê tông cốt thép làm việc miền đàn hồi tải trọng đạt giá trị dƣới 70 (kN) Lúc điều sai lệch lớn Khi tải trọng vƣợt giá trị 80 (kN) dầm bê tơng cốt thép làm việc miền đàn-dẻo, chuyển vị dầm tăng lên Lúc này, chƣa có khác biệt lớn Khi tải trọng vƣợt giá trị 80 (kN), chuyển vị dầm theo mơ hình với kết thực nghiệm sai lệch khoảng 7% Từ nhận xét trên, biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị dầm, đƣa kết tƣơng đối xác mơ so với giá trị thực nghiệm (khoảng sai lệch 7%) Vậy ta sử dụng kết ứng suất cốt thép mơ để tính tốn lực kéo Q cốt théptheo cấp tải trọng Thông qua xử lý hình ảnh phƣơng pháp DIC xác định đƣợc thông số kỹ thuật chiều rộng (Wc), chiều dài (Lc) lƣợng dẻo phá hủy (G) 79 vị trí phát triển vết nứt tƣơng ứng theo cấp tải trọng, chon vị trí bắt đầu phát triển vết nứt CMOD cách đáy dầm 3cm Trong Bảng 5.7 bảng 5.8, P tải trọng uốn dầm Q lực kéo gây phát triển vết nứt dầm Từ tính tốn đƣợc lƣợng phá hủy (G) q trình phát triển vết nứt với số liệu cụ thể nhƣ sau: Bảng 5.8: Tổng hợp số liệu thông số học dầm B15 Số TT P (KN) 38.6 48.62 61.24 Q (KN) 14.88 20.54 25.87  (mm) 0.113 0.074 0.052 G G (KNmm) (KNmm) 1.681 1.681 0.419 2.100 0.277 2.377 CMOD (mm) 0.113 0.121 0.128 Bảng 5.9: Tổng hợp số liệu thông số học dầm B22.5 G Số P Q  TT ( KN) (KN) (mm) 69.65 34.12 0.102 3.480 3.480 0.102 83.63 39.24 0.108 0.553 4.033 0.194 84.88 39.98 0.115 0.085 4.118 0.203 86.84 40.10 0.124 0.015 4.133 0.223 87.22 42.17 0.130 0.269 4.402 0.337 80 G (KNmm) (KNmm) CMOD (mm) 45 40 35 Q (KN) 30 25 20 BTCTM300 15 BTCTM200 10 0 G (KN.mm) Hình 5.31: Biểu đồ lực kéo (Q) Năng lƣợng phá hủy (G) Hình 5.31 Thể mối liên hệ lực kéo Q lƣợng phá hủy (G) dầm BTCT B15 dầm BTCT B22.5.Từ biểu đồ ta thấy dầm BTCT B15 lực kéo Q