(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu mô phỏng ứng xử bê tông xỉ thép bằng phương pháp phần tử rời rạc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN KHÁNH NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG XỬ BÊ TÔNG XỈ THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208 S K C0 8 Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN KHÁNH NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG XỬ BÊ TÔNG XỈ THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC NGÀNH: KĨ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CƠNG NGHIỆP - 60580208 Hướng dẫn khoa học: TS Trần Văn Tiếng Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN KHÁNH NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG XỬ BÊ TÔNG XỈ THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC NGÀNH: KĨ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG & CƠNG NGHIỆP - 60580208 Hướng dẫn khoa học: TS Trần Văn Tiếng Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 Luan van Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN XUÂN KHÁNH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/10/1993 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Nam Định Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: C12 KP3 Long Bình Tân, Biên Hồ, Đồng Nai Điện thoại: 0966.936.308 E-mail: nguyenxuankhanh75@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo: từ 2006 đến 2011 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết kế kỹ thuật chung cư cao cấp Hoàng Long – Thảo Điền Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: năm 2011 Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS Võ Minh Thiện Thạc sỹ: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo: từ 2016 đến 2018 Nơi học (trường, thành phố): trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Ngành học: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu mô ứng xử bê tông xỉ thép phương pháp phần tử rời rạc i Luan van Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: ngày 03/05/2018 trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Người hướng dẫn: TS Trần Văn Tiếng Tiến sĩ: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …/… đến …/ … Tại (trường, viện, nước): Tên luận án: Người hướng dẫn: Ngày & nơi bảo vệ: Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh văn cấp độ B1 khung Châu Âu Học vị học hàm chức vụ kỹ thuật thức cấp; số ngày & nơi cấp: III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2016 đến 2017 Nơi công tác Công ty CPXL Thành An 96 CN Khánh Hoà – Binh Đoàn 11 Cơng việc đảm nhiệm Nhân viên Phịng QS IV CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ: Ngày …… tháng năm 2018 Người khai ký tên XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN (Ký tên, đóng dấu) II Luan van LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 04 năm 2018 Nguyễn Xuân Khánh III Luan van LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Trần Văn Tiếng giúp đỡ, hướng dẫn cung cấp thông tin cần thiết để tơi hồn thành luận văn thạc sĩ Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Khoa Xây Dựng trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Xin cảm ơn tất bạn bè, người thân gia đình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Vì kiến thức thời gian thực luận văn thạc sĩ có hạn nên khơng tránh khỏi hạn chế thiếu sót Tơi mong đóng góp q thầy giáo, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng năm 2018 Nguyễn Xuân Khánh IV Luan van TÓM TẮT Hiện nay, giới xỉ thép ứng dụng để thay phần cốt liệu bê tông, ứng xử thực nghiệm loại bê tông nhiều tác giả nghiên cứu Tuy nhiên, để tính tốn mơ số loại bê tơng vấn đề cịn bỏ ngõ Trong nghiên cứu này, tác giả mô số ứng xử bê tông xỉ thép phương pháp phần tử rời rạc Phương pháp phần tử rời rạc cổ điển đề xuất Cundall & Strack (1979) Nhiều cấp phối bê tông xỉ đưa vào mơ phỏng, kết mơ mẫu thí nghiệm số so sánh với kết thực nghệm Kết mô thực nghiệm cho thấy hai kết gần tương đồng với Kết cho thấy tỷ lệ ứng suất nén kéo bê tông xỉ thép gần xấp xỉ với bê tông thường Phương pháp phần tử rời rạc cho ta quan sát vết nứt hướng phát triển vết nứt cách trực quan q trình mơ Từ nghiên cứu cho thấy, khả luật ứng xử mô ứng xử bê tơng xỉ thép, bên cạnh cho thấy khả phát triển luật ứng xử để mô cấu kiện sử dụng bê tông xỉ thép V Luan van ABSTRACT Nowadays, there are many studies on the application of steel slag to replace some of the aggregate in concrete In fact, this concrete and its experimental behavior have been researched by the other authors However, so as to calculate the numeric simulation about this kind of concrete, still being an inconclusive issue In this study, the author has simulated numerically slag concrete behavior by the discrete element method used - The classical discrete element method proposed by Cundall & Strack (1979) Many classes of concrete workpiece given into the simulation On the other hand, the simulating results of the sample are compared with the experimental effect Given is the two results nearly resembled one another then Meanwhiles, based on this result, it can be seen obviously that the proportion between compressing and tensile stress almost approximately with the normal concrete During the simulation, flaws and its expanding trend are able to be observed visually by the discrete element method In conclusion, with this study, it is possible to recognize that the competence of responding law in the behavioral simulation of slag concrete, besides the development of responding law in order to simulate structural component using slag concrete VI Luan van sigma (Pa) A eps (%) Hình 3.9 Đường quan hệ σ1-ε1 điểm A q trình mơ Hình 3.10 Mẫu mơ số bị phá hoại nén (a) (b) Hình 3.11 Vết nứt quan sát điểm A đường quan hệ 25 Luan van Hình 3.12 thể vị trí phá hoại mơ thí nghiệm kéo Hướng vết nứt nằm ngang, vị trí vết nứt mơ thí nghiệm kéo tương đối hợp lí vật liệu bị phá hoại chịu kéo Hình 3.12 Mẫu thí nghiệm bị phá huỷ thí nghiệm kéo 3.8.2 Kết mô số cấp phối XT02 3.8.2.1 Kết mơ thí nghiệm nén Kết mơ thí nghiệm nén trục so sánh với kết thực nghiệm mẫu thực nghiệm[2] Hình 3.13 thể đường quan hệ ứng suất dọc trục biến dạng dọc trục (σ1-ε1) thí nghiệm số thực nghiệm Kết mô cho thấy tương đồng với cấp phối XT01 Đường thí nghiệm số tương đồng với đường thực nghiệm Khi đạt tới ứng suất cực đại, kết so sánh mô số thực nghiệm cho thấy xuất chênh lệch chênh lệch nhỏ Sau đạt giá trị cực đại đường thí nghiệm số thể giai đoạn phá huỷ sau giới hạn cực đại Trong thí nghiệm thực nghiệm chưa chưa ghi nhận giai đoạn này, nên chưa thể đánh độ xác mơ giai đoạn Khả chịu nén bê tông xỉ thép từ mô số σmax,nén ≈ 30M Pa thực nghiệm có Rb=31.24MPa[3] độ xác đạt khoảng 96% so với thực nghiệm 26 Luan van Hình 3.13 Đường quan hệ σ1-ε1 thí nghiệm nén 3.8.2.2 Kết mơ thí nghiệm kéo Kết mơ thí nghiệm kéo trục chưa thể so sánh với kết thực nghiệm mẫu bê tơng Hình 3.14 thể đường quan hệ ứng suất dọc trục biến dạng dọc trục (σ1-ε1) thí nghiệm số Từ kết mơ cho ta σmax,kéo ≈ 5e6 Pa thí nghiệm kéo σmax,nén ≈ 3e7 Pa thí nghiệm nén So sánh tỷ lệ σmax,kéo σmax,nén nhận thấy khả chịu kéo bê tông xỉ thép thấp nhiều so với khả chịu nén Điều cho thấy khả chịu kéo bê tông xỉ thép thấp bê tơng thường tỷ lệ bê tông thường xấp xỉ khoảng 10 bê xỉ thép 1/16  max,keo 5e6    max,nen 3e7 16 Tương tự cấp phối XT01, việc xác định cường độ chịu kéo dọc trục mẫu thực nghiệm công thức gián tiếp có sai số định, lý dẫn đến sai số cường độ chịu kéo mẫu số mẫu thực nghiệm Ở giai đoạn bê tông đạt 28 ngày tuổi cường độ chịu kéo uốn Rku=6.16 MPa[2], cường độ chịu kéo dọc trục tính theo cường độ chịu kéo uốn Rkx=3.57 MPa[2], kết mô số σmax,kéo = MPa 27 Luan van Hình 3.14 Đường quan hệ σ1-ε1 thí nghiệm kéo 3.8.2.3 Sự phát triển vết nứt sát vết nứt Tương tự cấp phối XT01, việc sử dụng mơ hình phần tử rời rạc cho phép quan sát vết nứt xãy mẫu thí nghiệm số Hình 3.16 thể vết nứt mẫu số thí nghiệm với cấp phối XT02, quan sát vị trí điểm B đồ thị (σ1ε1) Hình 3.15 Các vết nứt vết nứt nghiêng phù hợp với vết nứt quan sát mẫu bê tơng thí nghiệm thực nghiệm [2] Các vết nứt mẫu số hình thành đứt gãy tương tác DE Kết hình ảnh từ thí nghiệm mơ cho phép quan sát hình dạng vết nứt, hướng lan truyền vết nứt Tuy nhiên, chưa đánh giá vết nứt hình thành liên kết phần tử sigma (Pa) rời rạc có kích thước lớn hay tương tác phần tử có kích thước nhỏ B eps (%) Hình 3.15 Đường quan hệ σ1-ε1 điểm B q trình mơ 28 Luan van Hình 3.16 Vết nứt quan sát điểm B đường quan hệ Hình 3.17 thể vị trí dạng vết nứt mẫu số mô thí nghiệm kéo Hướng vết nứt nằm ngang, vị trí vết nứt mơ thí nghiệm kéo tương đối hợp lí đối so với vật liệu bị phá hoại chịu kéo Hình 3.17 Mẫu thí nghiệm bị phá huỷ thí nghiệm kéo 3.8.3 Kết mơ số cấp phối XT03 3.8.3.1 Kết thí nghiệm nén: Kết mơ thí nghiệm nén trục so sánh với kết thực nghiệm mẫu bê tơng[2] Hình 3.18 thể đường quan hệ ứng suất dọc trục biến dạng dọc trục (σ1-ε1) thí nghiệm số thực nghiệm Kết mô số sát đường thực nghiệm giai đoạn ε = 0% đến ε = 0.0005% Khi đạt tới ứng suất cực đại, ứng xuất cực đại mô số thực nghiệm có chênh lệch Cường độ chịu nén cấp phối XT03 thời điểm 28 ngày Rb=38.47 MPa[2], mẫu thí nghiệm số mơ σmax,nén ≈ 38MPa, chênh lệch nhỏ với độ xác khoảng 98% so với thực nghiệm Sau đạt giá trị cực đại đường thí 29 Luan van nghiệm số thể giai đoạn suy bền sau đỉnh, thí nghiệm thực nghiệm chưa chưa ghi nhận giá trị cực hạn, nên chưa thể đánh độ xác mơ giai đoạn Kết thể biểu đồ cho thấy giá trị ε = 0.0005% đường quan hệ thực nghiệm bị gãy khúc đột ngột, điều q trình ghi nhận số liệu bị nhiễu Điều dẫn đến xuất sai số đường quan hệ mô số đường thực nghiệm Nhìn chung kết mơ số đạt độ xác tương đối so với thực nghiệm Hình 3.18 Đường quan hệ σ1-ε1 thí nghiệm nén 3.8.3.2 Kết thí nghiệm kéo: Tương tự hai cấp phối XT01, XT02, kết mơ thí nghiệm kéo trục chưa thể so sánh với kết thí nghiệm kéo mẫu bê tơng Hình 3.19 thể đường quan hệ ứng suất dọc trục biến dạng dọc trục (σ1-ε1) thí nghiệm số Kết mơ cho ta σmax,kéo ≈ 6e6 Pa So sánh tỷ lệ σmax,kéo σmax,nén nhận thấy khả chịu nén bê tông xỉ thép lớn nhiều so với khả chịu kéo Bên cạnh đó, điều cho thấy khả chịu kéo bê tông xỉ thép thấp bê tơng thường tỷ lệ xấp xỉ khoảng bê tông thường còn 10 bê tông xỉ thép 1/15.7  max,keo 6e    max,nen 3.8e 15.7 30 Luan van Tương tự cấp phối XT01, XT02 việc xác định cường độ chịu kéo dọc trục mẫu thực nghiệm công thức gián tiếp có sai số định, lý dẫn đến chênh lệch cường độ chịu kéo mẫu số mẫu thực nghiệm Ở giai đoạn bê tông đạt 28 ngày tuổi cường độ chịu kéo mẫu thực nghiệm uốn Rku= 6.45 MPa[2], cường độ chịu kéo mẫu thực nghiệm tính theo cường độ chịu kéo uốn Rkx= 3.74 MPa[2], kết mô số σmax,kéo ≈ MPa Hình 3.19 Đường quan hệ σ1-ε1 thí nghiệm kéo 3.8.3.3 Sự phát triển vết nứt: Việc sử dụng mơ hình phần tử rời rạc cho phép quan sát vết nứt xảy mẫu thí nghiệm số Hình 3.21 thể vết nứt mẫu số thí nghiệm với cấp phối XT03, quan sát vị trí điểm C đồ thị (σ1-ε1) Hình 3.20 Các vết nứt vết nứt xiên phù hợp với vết nứt quan sát mẫu bê tông thí nghiệm thực nghiệm [2] Các vết nứt mẫu số hình thành đứt gãy tương tác DE Kết hình ảnh việc mơ cho phép quan sát hình dạng vết nứt, hướng lan truyền vết nứt Tuy nhiên, chưa đánh giá vết nứt hình thành liên kết phần tử rời rạc có kích thước lớn hay tương tác phần tử có kích thước nhỏ 31 Luan van sigma (Pa) C eps (%) Hình 3.20 Đường quan hệ σ1-ε1 điểm C trình mơ Hình 3.21 Vết nứt quan sát điểm C đường quan hệ Hình 3.22 thể vị trí dạng phá hoại mơ thí nghiệm kéo Hướng vết nứt nằm ngang, vị trí vết nứt mơ thí nghiệm kéo tương đối hợp lí vật liệu bị phá hoại chịu kéo Hình 3.22 Đường quan hệ σ1-ε1 thí nghiệm kéo 32 Luan van 3.8.4 Nhận xét chung kết mơ số ba cấp phối Thí nghiệm kéo thực nghiệm bê tông xỉ thép chưa thực hiện[2], khả mơ hình phần tử rời rạc mô ứng xử kéo bê tông xỉ thép chưa kiểm chứng Đối với thí nghiệm nén dọc trục, giai đoạn đàn hổi tuyến tính đường quan hệ σ1-ε1 từ kết mơ số có xuất sai số với thực nghiệm giá trị tương đối nhỏ Khi so sánh khả chịu nén mẫu số σmax,nén cường độ chịu nén từ kết thực nghiệm Rb gần Khi xét tỷ lệ σmax,kéo σmax,nén ba cấp phối trình bày trên, nhận thấy tỷ lệ ln bé so với bê tông thường Quan sát vết nứt từ kết mô trực quan, quan sát xự xuất vết nứt, hướng lan truyền vết nứt q trình mơ tồn vết nứt kết thúc mơ 33 Luan van CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Qua kết mơ trình bày trên, mơ hình phần tử rời rạc dùng để mô số ứng xử bê tơng xỉ thép đáng khích lệ rút kết luận sau: Dựa mô hình ứng xử bê tơng đề xuất nghiên cứu trước đây, luận văn hiệu chỉnh mơ hình áp dụng cho mơ ứng xử bê tông xỉ thép Kết mô so sánh với kết thực nghiệm thí nghiệm nén đơn cho thấy khả mô hình ứng xử rời rạc mà nghiên cứu áp dụng Khi mô số bê tông xỉ thép, thông số đầu vào lấy từ kết thực nghiệm gồm: module đàn hồi, hệ số poission, khối lượng thể tích Q trình hiệu chuẩn thực cho thông số σT, φ, điền nàu làm giảm thông số cho mơ hình, giúp việc tính tốn số trở nên đơn giản đạt độ xác cao Phương pháp mơ quan sát xự xuất vết nứt, hướng lan truyền vết nứt q trình mơ tồn vết nứt kết thúc mô Kết mô số đạt độ xác tương đối so với thực nghiệm, đường quan hệ σ1-ε1 mô thực nghiệm có xuất sai số giá trị sai số tương đối nhỏ(