Hcmute nghiên cứu lập mô hình thí nghiệm bê tông chịu nén dưới tải trọng tốc độ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU LẬP MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM BÊ TƠNG CHỊU NÉN DƯỚI TẢI TRỌNG TỐC ĐỘ CAO MÃ SỐ: T2019-77TĐ SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2020 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU LẬP MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM BÊ TƠNG CHỊU NÉN DƯỚI TẢI TRỌNG TỐC ĐỘ CAO Mã số: T2019-77TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Trần Tuấn Kiệt TP HCM, Tháng 4, Năm 2020 TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU LẬP MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM BÊ TÔNG CHỊU NÉN DƯỚI TẢI TRỌNG TỐC ĐỘ CAO Mã số: T2019-77TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Trần Tuấn Kiệt TP HCM, Tháng 4, Năm 2020 TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Mục lục MỞ ĐẦU A CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC B CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC C TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU D MỤC TIÊU E CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU F ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU NỘI DUNG CHƯƠNG I 10 GIỚI THIỆU 10 1.1 Lý thực đề tài 10 1.2 Ý nghĩa nghiên cứu 10 CHƯƠNG 12 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA THIẾT BỊ HOPKINSON 12 2.1 Giới thiệu 12 2.2 Dao động dọc trục 13 2.3 Sự lan truyền sóng 16 2.4 Tính tốn ứng suất, biến dạng tốc độ biến dạng mẫu thử 20 CHƯƠNG 26 MÔ PHỎNG THIẾT BỊ HOPKINSON VỚI ABAQUS 26 3.1 GIỚI THIỆU ABAQUS [12] 26 3.2 Mô thiết bị Hopkinson với Abaqus 27 3.3 Kết phân tích 33 TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van 3.4 Kết luận chương 38 CHƯƠNG 39 MÔ PHỎNG THIẾT BỊ HOPKINSON VỚI LS-DYNA 39 4.1 Giới thiệu LS-DYNA [15] 39 4.2 Ứng dụng LS-DYNA mô thiết bị Hopkinson: 40 4.3 Kết phân tích [18]: 46 4.4 Kết luận chương: 49 CHƯƠNG 50 KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 50 5.1 Kết luận 50 5.2 Kiến nghị 50 TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Kích thước phận thiết bị 27 Bảng 3.2 Thông tin vật liệu tham số mơ hình 28 Bảng 4.1 Tóm tắt kết mô cho thiết bị Hopkinson Ross (μ = 0.3) 46 Bảng 4.2 Ảnh hưởng ma sát đến cường độ vật liệu đến DIF 48 TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 0.1 Thiết bị Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) đường kính 75 mm Hình 0.2 Sơ đồ làm việc thiết bị Hopkinson Hình 0.3 Thiết bị John Hopkinson [7, 8] Hình 0.4 Thiết bị Bertram Hopkinson [8] Hình 0.4 Thiết bị Davies [8] Hình 0.5 Thiết bị Hopkinson (SHPB) hay gọi thiết bị Kolsky [8] Hình 0.6 Khủng bố Mỹ ngày 11/9/2001 Hình 2.1 Các phận thiết bị Hopkinson [8] 12 Hình 2.2 Q trình truyền sóng thiết bị Hopkinson [8] 13 Hình 2.3 Thanh chịu sóng nén phân tố trước biến dạng [8] 14 Hình 2.4 Phân tố chịu nén 14 Hình 2.5 Các lực kháng nén phân tố 15 Hình 2.6 Sự thay đổi diện tích tiết diện vật liệu 17 Hình 2.7 Sơ đồ mẫu thử hình trụ 20 Hình 3.1 Mơ số thiết bị Hopkinson 27 Hình 3.2 Xung tải trọng 29 Hình 3.3 Chia lưới phần tử 30 Hình 3.4 Q trình truyền sóng thiết bị Hopkinson 34 Hình 3.5 Sự kiện xảy 5x10-4 giây 35 TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Hình 3.6 Ứng suất theo thời gian mẫu thử 36 Hình 3.7 Biến dạng theo thời gian mẫu thử 36 Hình 3.8 Vật liệu nhạy với tốc độ biến dạng 38 Hình 4.1 Tổng thể thiết bị Hopkinson 41 Hình 4.2 Mơ số thiết bị Hopkinson 41 Hình 4.3 Quá trình truyền sóng thiết bị Hopkinson 42 Hình 4.4 Quan hệ DIF-strain rate cho thí nghiệm Ross 47 Hình 4.5 Quan hệ DIF-strain rate cho thí nghiệm Grote 47 Hình 4.6 Ảnh hưởng ma sát đến gia tăng cường độ 48 TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA XÂY DỰNG Tp HCM, ngày 10 tháng năm 2020 THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thơng tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu lập mơ hình thí nghiệm bê tông chịu nén tải trọng tốc độ cao - Mã số: T2019 – 77TĐ - Chủ nhiệm: TS Trần Tuấn Kiệt - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 12 tháng Mục tiêu: - Tìm hiểu sở lý thuyết thí nghiệm vật liệu tải tốc độ cao - Bằng Abaqus/LS-Dyna, mơ thiết bị thí nghiệm bê tơng tải tốc độ cao Tính sáng tạo: Để tìm hiểu ứng xử vật liệu tác động tải trọng tốc độ cao cần phải có thiết bị để thí nghiệm Tuy nhiên thiết bị lại đắt chiếm diện tích lớn Đề tài đề xuất dùng Abaqus/LS-Dyna để mô lại thiết bị thí nghiệm này, thơng qua tìm hiểu ứng xử vật liệu tải trọng tốc độ cao Kết nghiên cứu: TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Mô hình mơ Abaqus/LS-Dyna cho thiết bị Hopkinson, nghiên cứu ứng xử nén vật liệu tải trọng tốc độ cao Sản phẩm: - Trần Tuấn Kiệt, Trần Minh Anh, Nguyễn Thị Thanh Hương (2020), “Ứng dụng Abaqus để mơ thiết bị thí nghiệm vật liệu chịu tải nén tốc độ cao”, Tạp chí Xây Dựng tháng 4/2020 - Một học viên thạc sĩ chờ bảo vệ Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: - Tạp chí nước Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 41 Hình 4.1 Tổng thể thiết bị Hopkinson Hình 4.1 mơ tả tổng thể thiết bị, cịn hình 4.2 mơ tả kích thước chi tiết thiết bị tương ứng với thiết bị thí nghiệm dùng Ross et al [16, 17] Grote et al [10] tương ứng Hình 4.2 Mô số thiết bị Hopkinson TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 42 Sử dụng phần tử solid nút để mô tất phận thiết bị bao gồm striker, incident, trasmitted mẫu thử Hai mơ hình vật liệu J2 DruckerPrager (D-P) [15] sử dụng cho mẫu thử Lưu ý sử dụng phần tử contact mặt tiếp xúc striker incident, incident mẫu thử, mẫu thử transmitted Ba hệ số ma sát μ = 0,1; μ = 0,2; μ = 0,3 sử dụng cho mặt tiếp xúc mẫu thử với thiết bị Bài tốn mơ áp dụng với nhiều cấp vận tốc cho striker từ 2.54 m/s đến 33.02 m/s Trong Grote et al [10] sử dụng (40) để tính tốc độ biến dạng Ross et al [16, 17] lại tính trực tiếp từ tốc độ ứng suất: (44) Hình 4.3 cho thấy mơ hình tổng thể mơ nhờ LS-Prepost trước đưa vào LS-Dyna để xử lý Hình 4.3 Q trình truyền sóng thiết bị Hopkinson TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 43 Một phần file input cho sau đây: … TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 44 … TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 45 TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 46 4.3 Kết phân tích [18]: Bảng 4.1 tổng hợp kết tốc độ biến dạng DIF (Dynamic Impact Factor) cho hai mơ hình D-P J2 thiết bị Hopkinson Ross et al.[16] Ngoài tốc độ biến dạng tìm tính trực tiếp từ mơ phỏng, bảng cịn trình bày kết tính từ phương trình (40) (44) đề cập phần Bảng 4.1 Tóm tắt kết mơ cho thiết bị Hopkinson Ross (μ = 0.3) Quan sát bảng này, ta thấy hai tính chất: 1) tốc độ biến dạng tăng tốc độ striker tăng, 2) DIF tăng tốc độ biến dạng tăng Hơn nữa, cách tính theo phương trình (40) (44), cho hai mơ hình D-P J2, cho kết khác biệt nhiều, chứng tỏ cách tính Ross et al dường thấp so với thực tế Kết mô gần xấp xỉ với (40) chứng tỏ số liệu từ mô đáng tin cậy TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 47 Cũng từ bảng 4.1 ta thấy với mẫu sử dụng mơ hình J2, DIF miền tốc độ biến dạng bé 646 s-1 thay đổi từ 1.06 đến 1.39, nghĩa độ gia tăng cường độ tốc độ biến dạng gia tăng nhỏ Trong đó, mơ hình D-P, độ gia tăng mạnh nhiều, DIF lên tận đến 2.6 (Hình 4.4) Hình 4.4 Quan hệ DIF-strain rate cho thí nghiệm Ross Đối với thiết bị Grote, kết mô cho hai loại mẫu thử L/D 0.5 cho Hình 4.5a Hình 4.5b tương ứng Hình 4.5 Quan hệ DIF-strain rate cho thí nghiệm Grote TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 48 Từ Hình 4.4 Hình 4.5b, rõ ràng so với mơ hình D-P, mơ hình J2 khơng theo luồng liệu Đặc biệt, độ gia tăng cường độ (DIF) thấp tốc độ biến dạng gia tăng, tức mơ hình J2 cho kết DIF theo tốc độ biến dạng thấp thực tế nhiều Bảng 4.2 Ảnh hưởng ma sát đến cường độ vật liệu DIF (từ kết mô thiết bị Hopkinson Grote) Ảnh hưởng hệ số ma sát (μ) DIF cho bảng 4.2 va Hình 4.6 Mơ hình mơ thiết bị Hopkinson Grote dùng để xuất liệu Kết cho thấy, tốc độ gia tải bé, hệ số ma sát dường ảnh hưởng Nó có ảnh hưởng mạnh tốc độ biến dạng tăng cao Hình 4.6 Ảnh hưởng ma sát đến gia tăng cường độ TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 49 4.4 Kết luận chương: Chương trình bày cách mơ thiết bị Hopkinson LS-Dyna để tìm ứng xử bê tơng tác động tải trọng nén tốc độ cao Hai mơ hình D-P J2, hệ số ma sát khác để tìm hiểu đặc tính động lực vật liệu bê tông Hai kết sau rút ra: - So với mơ hình D-P, model J2 không theo xu hướng thực nghiệm, đặc biệt tốc độ gia tải tăng cao, mô hình cho kết thấp hẳn - Ma sát có ảnh hưởng mạnh đến độ gia tăng cường độ động lực (DIF) Các kết phân tích sâu hơn, tham khảo thêm [18] TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 50 CHƯƠNG KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Nghiên cứu trình bày ba vấn đề: - Cơ sở lý thuyết thiết bị Hopkinson, thiết bị để thí nghiệm vật liệu tải trọng nén tốc độ cao - Bằng Abaqus mơ hình Johnson-cook, mơ tồn thiết bị Hopkinson cho vật liệu bê tơng Tính chất động lực vật liệu ra: vật liệu nhạy với tốc độ biến dạng - Bằng LS-Dyna, tiến hành mô thiết bị Hopkinson cho vật liệu bê tông với hai mơ hình D-P J2 Kết cho thấy: 1) mơ hình J2 khơng phù hợp 2) Ma sát mẫu thử nén có ảnh hưởng đến độ gia tăng động lực (DIF) vật liệu Kiến nghị Từ nghiên cứu này, vài vấn đề sau kiến nghị để phát triển thêm tương lai: - Nghiên cứu bước đầu lĩnh vực nghiên cứu ứng xử vật liệu chịu tải trọng nén tốc độ cao Vật liệu, đơn giản thép Nghiên cứu cố gắng tham khảo tài liệu để trình bày tốn mơ cho vật liệu bê tông: Là Johnson-Cook Abaqus, J2 hay D-P bê tông Cần nghiên cứu chi tiết mơ hình này, so sánh ưu khuyết điểm TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 51 phần mềm để áp dụng cho lớp vật liệu phát triển mạnh nay: bê tông sợi - Đối với lớp vật liệu bê tông sợi, ưu điểm so với bê tơng thường cường độ chịu kéo tăng lên nhiều thế, thiết kế ta khơng cịn bỏ qua Vậy ứng xử kéo vật liệu tác dụng tải trọng tốc độ cao ? Thiết bị thí nghiệm ? Bài tốn mơ cho thiết bị kéo ? Các mơ hình vật liệu sử dụng ? Các mơ hình có sẵn phần mềm tích hợp tính “nhạy với tốc độ biến dạng” chưa, hay cần phải viết bổ sung thêm cho (UMAT) ? - Có thể từ tốn mơ phỏng, tìm hiểu ngun nhân làm gia tăng cường độ động lực nén kéo ? Đây hướng phát triển thêm sau TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 52 Tài liệu tham khảo [1] Shigley, J.E and Mitchell, L.D., (1993) “Mechanical Engineering Design”, 4th ed., McGraw-Hill, New York, p.177 [2] Kaiser, M.A., (1998) “Advancements in the Split Hopkinson Bar Test”, Master thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University [3] Bancroft, D., (1941) “The velocity of Longitudinal Waves in Cylindrical Bars”, Physical Review, V.59 No.59, 588-593 [4] Kolsky, H., (1949) “An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading.” Proc Phys Soc London B62, 676-700 [5] Đặng, V.K., (2018), “Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn thi cộng đường hầm đến kết cấu cộng trình ngầm lân cận”, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trường Đại Học Mỏ Địa Chất, Hà Nội [6] Lê, B.D., et al., (2019), “Nghiên cứu thực nghiệm khả chịu tác động tải trọng nổ vật liệu bê tông chất lượng siêu cao (UHPC)”, Tạp chí Khoa học Cơng Nghệ Xây Dựng NUCE, 13 (3V), 12-21 [7] Hopkinson, J., (1901) “Further experiments on the rupture of iron wire.” Original Papers by the late John Hopkinson: Vol B Hopkinson Cambridge, Cambridge University Press, 321-324 [8] Chen, W W and Song, B., (2011) “Split Hopkinson (Kolsky) bar: design, testing and applications.” Springer [9] Bischoff, P H and Perry, S H., (1995 ) “Impact behavior of plain concrete loaded in uniaxial compression,” Journal of engineering mechanics, V 121, No 6, 685-693 TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 53 [10] Grote, D L., Park, S W and Zhou, M., (2001) “Dynamic behavior of concrete at high strain rates and pressures: experimental characterization,” International Journal of Impact Engineering, Vol 25, 869-886 [11] Graff, K.F., (1991) “Wave Motion in Elastic Solids”, Dover, New York, 80-82 [12] ABAQUS/Standard User’s Manual V6.2 (Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc USA, 2001) [13] Johnson, G R and Cook, W H., (1983) “A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures.” Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics, vol.21, 541–547 [14] Lu, J.F., Zhuang, Z., Shimamura, K., et al., (2003) “Application of numerical simulation to SHPB test to investigate the dynamic compressive behavior of material with failure.” Key Engineering Materials, 243: 433-438 [15] Hallquist, J O., (2007) “LS-DYNA keyword user’s manual,” Livermore software Technology Corporation [16] Ross, C A., Thomson, P Y and Tedesco, J W., (1989) “Split-Hopkinson Pressure-Bar test on Concrete and Mortar in Tension and Compression,” ACI Materials Journal, V 86, No 5, 475-481 [17] Ross, C A., Jerome, D M., Tedesco, J W and Hughes, M L., (1996) “Moisture and Strain rate effects on Concrete strength,” ACI Materials Journal, V 93, No 3, 293300 [18] Kim, D.J., (2009) “Strain rate effect on high performance fiber reinforced cementitious composites using slip hardening high strength deformed steel fibers”, PhD dessertation, The University of Michigan TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 54 PHỤ LỤC TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van S K L 0 Luan van ... VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu: Bê tông chịu nén với tải tốc độ cao - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mô thiết bị thí nghiệm vật liệu với tải nén tốc độ cao TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu. .. Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 32 TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao. .. Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tơng Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang NỘI DUNG TS Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang