Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Phân tích thực nghiệm mơ hình số ứng xử học dầm gỗ liên hợp đại Trần Văn Đăng1*, Trần Đồng2 Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi Khoa Cầu đường, Trường Đại học Xây dựng Ngày nhận 11/9/2017; ngày chuyển phản biện 18/9/2017; ngày nhận phản biện 26/10/2017; ngày chấp nhận đăng 31/10/2017 Tóm tắt: Dầm gỗ liên hợp đại giải pháp kết cấu sử dụng vật liệu xanh Trong báo này, nhóm tác giả giới thiệu kết nghiên cứu thực nghiệm dầm liên hợp phiến phiến, chế tạo từ gỗ dẻ gai, thực Viện LERMAB, Pháp Bên cạnh việc phân tích ứng xử học thực nghiệm loại kết cấu này, tác giả thực nghiên cứu mơ hình số phần tử hữu hạn nhằm mô tả ứng xử học dầm liên hợp Mơ hình số đưa giúp dự báo xác số sức kháng uốn dạng phá hoại dầm Từ khóa: Dầm gỗ liên hợp, gỗ dẻ gai, mộng lược, phương pháp phần tử hữu hạn, tiêu chuẩn châu Âu Chỉ số phân loại: 2.5 Experimental analysis and numerical behavior of innovative glued laminated timber beams Van Dang Tran1*, Dong Tran2 Civil Engineering Faculty, Water Resources University Faculty of Bridge and Road Engineering, National University of Civil Engineering Received 11 September 2017; accepted 31 October 2017 Abstract: The innovative glued laminated timber beam is one of the structural solutions using green materials In this paper, we present the latest experimental results on twolayer and three-layer glued laminated timber beams made of beech wood The experiments were realized at the LERMAB Institute, France Experimental analysis of the mechanical behavior of beams was also presented A study of the finite element model was performed in parallel and succeeded in describing the mechanical behavior of the glued laminated timber beams The numerical model could can predict precisely the bending resistance and the failure mode of beams Keywords: Beech, European standard, finger-joint, finite element method, glued laminated timber beam Classification number: 2.5 * Giới thiệu chung Trên giới, dầm gỗ liên hợp đại (Glued Laminated Timber - GLT hay Glulam) ứng dụng rộng rãi lĩnh vực xây dựng cơng trình Loại kết cấu giải pháp sử dụng vật liệu xanh, có tính hiệu cao nhờ ưu điểm khả chịu lực vượt trội so với gỗ thịt, có kích thước lớn khả vượt nhịp lớn, tính ổn định cao, lại thân thiện với môi trường Dầm gỗ liên hợp GLT chế tạo từ nhiều phiến dầm có kích thước nhỏ, liên kết đối đầu với liên kết mộng lược (finger-joint), tạo phiến dầm dài hơn, phiến dầm lại dán với keo để tạo dầm GLT mong muốn Chiều dài dầm GLT đạt tới 60 m, chiều cao đạt 2,5 m chiều rộng 1/10 chiều cao Hiện nay, có nhiều dự án nghiên cứu loại kết cấu để mở rộng khả ứng dụng [1-11] Tiêu chuẩn hành châu Âu EN 338 [12] phân loại dầm liên hợp từ loại gỗ mềm (softwood) Do đó, liệu thiết kế cần bổ sung dầm liên hợp từ gỗ cứng (hardwood) Trong nghiên cứu này, dầm liên hợp từ gỗ dẻ gai, loại gỗ cứng thí nghiệm kiểm tra sức kháng uốn theo tiêu chuẩn EN 408 [13] Song song với nghiên cứu thực nghiệm, việc nghiên cứu mô hình số phương pháp phần tử hữu hạn thực nhằm xây dựng mô hình hồn thiện, có khả dự báo ứng xử học dầm liên hợp (sức kháng uốn dạng phá Tác giả liên hệ: Email: tranvandang@tlu.edu.vn 60(1) 1.2018 45 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ hoại dầm) Trên sở mơ hình số xây dựng, xác định số thiết kế dầm mà khơng cần thực thí nghiệm tốn kém, thời gian, hỗ trợ đắc lực cho công tác thiết kế liên quan đến dầm gỗ liên hợp đại Kết thí nghiệm thu đường cong “Lực - chuyển vị nhịp” dầm (F-W) (hình 3) Từ cho phép xác định mô đun đàn hồi MOE sức kháng uốn MOR dầm theo công thức (1) (2) Nội dung nghiên cứu Fmax Nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: F (N) F2 = 40%*Fmax Để đánh giá khả làm việc dầm liên hợp, thí nghiệm uốn điểm theo tiêu chuẩn châu Âu EN 408 [13] thực (hình 1) F (N) F (N) Fmax Fmax F1 = 10%*Fmax F2 = 40%*Fmax F2 = 40%*Fmax W (mm) W1 W2 F1 = 10%*F Hìnhmax3 Dạng đường cong thực nghiệm Lực - chuyển vị F1 = 10%*Fmax (mm) nhịp dầm chịu W uốn điểm.3aL2 4a W (mm) MOE W1 W2 W1 W2 w2 w1 6a 2bh (2 ) F2 F1 5Gbh 3aL22 4a 33 (1) MOE 3aL 4a (1) w w a (1) MOE 2bh 33 ( w22 w11 6a ) aF 2bh ( F2 F1 5GbhMOR ) max F2 F1 5Gbh bh 3aFmax (2) MOR 3aFmax (2) (2) MOR bh 22 bh F (N) F (N) F (N) Phân tích thực Fmax nghiệm ứng xử học dầm gỗ liên Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm uốn điểm theo tiêu chuẩn EN 408 Nghiên cứu thực nghiệm thực Viện F (N) F (N) hợp LERMAB, Pháp vào tháng 4/2017 Các dầm liên phiến phiến từ gỗ dẻ gai, có liên kết mộng (A) lược (A) chế tạo xưởng theo tiêu chuẩn kích thước dầm EN 14080 [14] tiêu chuẩn thông số sản xuất EN 385 [15] Vị trí mộng liên kết lược thiết kế nhịp, nhằm tạo trường hợp chịu tải bất lợi cho dầm (hình 2) Mỗi kiểu dầm chế tạo với số lượng 10 dầm (1 (2 F (N) F (N) hợp: (A) F2 = 40%*Fmax (B) (B) thực nghiệm “Lực - chuyển Hình thể đường cong (B) vị nhịp” dầm liên hợp phiến phiến Kết F1 = 10%*F max cho thấy, giai đoạn đầu chịuWtải, (mm)dầm liên hợp tuân theo quy luật đàn hồi Wtuyến tính Thềm đàn dẻo khơng xuất W2 dầm phiến xuất dầm phiến Khi đạt tới trạng thái3aL chịu 4lực a tới hạn, dầm bị phá (1) MOEđó giải thích liên kết mộng hoại đột ngột Điều W (mm) w2 w1W (mm) 6a Wrăng (mm)lược bố trí vị W (mm) 2bhtrí3 (2giữa ) vùng chịu dầm, nằm (mm) dầm: W (mm) F2 F(A) 5Gbh2dầm Hình Đường cong thực nghiệm lực - chuyển vịWgiữa phiến; (B) Dầm Dầm nénnghiệm lớn nhất, ứngnhịp xửcủa tổng hợp Đường cong thực lực - chuyển vị nhịp dầm:thể (A) Dầm phiến;liên (B) Dầm 3Hình phiến phiến bởicong ứng xửnghiệm cục mộng (ứng(A)xử Hình định Đường thực lực3aF - chuyển vị nhịplược dầm: Dầm phiến; (B) Dầm (2) MOR răngmax phiến.đặc trưng mộng 2lược phá hoại giòn, đột cơ3 học bh ngột) F (N) F (N) (A) (B) giả thiết làm việc đàn hồi tuyến tính giai đoạn đầu bị phá hoại (hình giả 7) thiết làm việc đàn hồi tuyến tính giai đoạn đầu bị phá hoại (hình 7) Hình Kích thước dầm gỗ liên hợp chế tạo (Type E: dầm phiến; Type F: dầm phiến) 60(1) 1.2018 (mm) W (mm) giả thiết làm W việc đàn hồi tuyến tính giai đoạn đầu bị phá hoại (hìn 7) Hình Đường conglựcthực Lực chuyển vị (B)giữa Hình Đường cong thực nghiệm - chuyểnnghiệm vị nhịp dầm:- (A) Dầm phiến; Dầm 3nhịp phiến 46 dầm: (A) Dầm phiến; (B) Dầm phiến Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Hình Dạng phá hoại đặc trưng dầm liên hợp: (A) Dầm phiến; (B) Dầm phiến Quan sát dạng phá hoại dầm gỗ liên hợp, thấy rằng, vết nứt phá hoại xuất trước tiên vị trí mộng lược đáy dầm Vết nứt phát triển đến mặt dán phiến dầm tiếp tục phát triển dọc theo mặt dán, kéo theo việc phá hoại cục dầm gỗ số vị trí mặt dán (hình 5) Hiện tượng giải thích tương đồng ứng xử học keo dán dầm liên hợp Sức kháng uốn dầm liên hợp tính tốn thể bảng Kết cho thấy, dầm liên hợp phiến có sức kháng uốn lớn đáng kể so với dầm phiến Ta kết luận rằng, việc chế tạo dầm liên hợp từ nhiều phiến làm tăng sức chịu tải dầm, liên kết mộng lược phân bố vị trí khác dầm, giúp tránh tập trung ứng suất lớn vị trí lược, nơi yếu dầm Trong mơ hình số, ứng xử học gỗ giai đoạn đàn hồi tuân theo định luật Hooke Để mô tả giai đoạn đàn dẻo gỗ chịu nén, sử dụng tiêu chuẩn bậc Hill [16], tiêu chuẩn Hoffman [17] sử dụng để mô tả phá hoại giòn gỗ chịu kéo Bảng Kết sức kháng uốn MOR dầm liên hợp Dầm phiến Dầm phiến Trung bình (Mpa) 52,42 59,36 Độ lệch chuẩn (Mpa) 8,16 6,4 Hệ số biến thiên (%) 16 11 Hình (A) Phương dọc thớ phương bán kính; (B) Phương trực giao T R; (C) Đường cong ứng suất biến dạng gỗ chịu kéo nén theo phương khác Ứng xử học liên kết keo dán phụ thuộc vào đặc tính vật liệu keo sử dụng Trong mơ hình số, quy luật kéo - tách rời (traction - separation) [18] áp dụng để mô tả làm việc liên kết keo dán, theo kết cấu giả thiết làm việc đàn hồi tuyến tính giai đoạn đầu bị phá hoại (hình 7) Nghiên cứu mơ hình phần tử hữu hạn Lựa chọn mơ hình vật liệu: Gỗ vật liệu tự nhiên, mơ hình lý tưởng gỗ xem vật liệu đồng nhất, làm việc đa phương, theo phương chính: Phương dọc thớ L(z), phương ngang thớ gồm phương tiếp tuyến T phương bán kính R (hình A, B) Ứng xử học gỗ theo phương khác Khi chịu kéo theo phương dọc thớ, gỗ bị phá hoại giòn Ngược lại, chịu nén đường cong ứng suất - biến dạng xuất thềm dẻo sau điểm giới hạn bền (hình 6C) Tuy nhiên, cường độ gỗ chịu kéo dọc thớ lớn đáng kể so với chịu nén theo phương khác 60(1) 1.2018 Lực kéo Độ tách rời Hình Ứng xử học đàn hồi tuyến tính liên kết keo dán (traction-separation) 47 Hình So sánh đường cong Lực - chuyển vị mơ hình số thực nghiệm: (A) Dầm phiến; (B) Dầm phiến Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn: Mơ hình phần tử hữu hạn xây dựng phần mềm ABAQUS [18] Trong đó, sử dụng loại phần tử tam giác gồm nút, trạng thái ứng suất phẳng, với kích thước phần tử lớn 10 mm, vị trí mặt liên kết keo, phần tử làm mịn đến mm (hình 8) Bảng so sánh kết thực nghiệm kết dự báo mơ hình số lực lớn chuyển vị dầm thời điểm dầm bị phá hoại Kết cho thấy khả dự báo tốt mơ hình số, với độ sai số nhỏ, tối đa 2,3% kết lực lớn 7,7% chuyển vị thời điểm bắt đầu phá hoại Bảng So sánh kết lực lớn chuyển vị tương ứng thực nghiệm mơ hình số Thực nghiệm Dầm phiến Dầm phiến Hình Mơ hình số phần tử hữu hạn: (A) Dầm phiến; (B) Dầm phiến Kết mơ hình phần tử hữu hạn: Hình thể đường cong “Lực - chuyển vị dầm” mơ hình số, so sánh với đường cong thực nghiệm Kết cho thấy, mơ hình số dự báo xác ứng xử học dầm liên hợp: Trong giai đoạn đầu chịu lực, dầm tuân theo quy luật đàn hồi tuyến tính, sau trạng thái biến dạng dẻo khoảng thời gian ngắn bị phá hoại đột ngột Lực lớn (N) Chuyển vị lúc phá hoại (mm) Lực lớn (N) Chuyển vị lúc phá hoại (mm) Mơ hình số Sai số (%) 29622±4613 30384 2,3 19,5±4 21 7,7 74627±7878 74042 0,8 36,9±4,6 35,4 Khi quan sát dạng phá hoại dầm liên hợp cho thấy, mơ hình số dự báo xác dạng phá hoại đặc trưng dầm phiến dầm phiến (hình 10, 11) Đường phá hoại bắt đầu mặt keo dán mộng lược, sau mộng bị tách hoàn toàn, đường phá hoại phát triển mặt dán phiến dầm, dọc theo chiều dài phía đầu dầm Kết mơ hình thể ứng suất tập trung lớn mặt keo dán cho thấy đường phá hoại thực tế dầm liên hợp Hơn nữa, dạng phá hoại mơ hình số cho thấy mộng lược nằm vùng chịu nén nằm vùng chịu kéo lớn (trường hợp dầm phiến) bị ảnh hưởng, khơng gây nguy hiểm cho dầm Do đó, chế tạo thi cơng, cần tránh bố trí liên kết mộng nằm vùng chịu kéo lớn Hình So sánh đường cong Lực - chuyển vị mơ hình số thực nghiệm: (A) Dầm phiến; (B) Dầm phiến 60(1) 1.2018 48 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ tiêu chuẩn EN 408 [10] Kết thực nghiệm cho thấy, mộng lược nằm vùng chịu kéo nhược điểm lớn dầm liên hợp, gây nên phá hoại giòn, loại phá hoại nguy hiểm kết cấu Vì vậy, việc chế tạo dầm liên hợp gồm nhiều phiến, tăng khả chịu lực dầm Do mộng lược bố trí nhiều vị trí khác nhau, tránh lực tập trung toàn mộng liên kết vùng chịu kéo, làm suy giảm sức kháng tổng thể dầm Kết nghiên cứu thực nghiệm điểm cần giải quyết, nhằm tăng sức kháng tổng thể dầm: i) Cần tối ưu hóa kích thước mộng lược, tạo liên kiết vững hơn; ii) Phát triển vật liệu keo, nâng cao hiệu liên kết cho gỗ dẻ gai Hình 10 Dạng phá hoại dầm phiến: (A) Mô hình số; (B) Thực nghiệm Trong mơ hình số xây dựng, chúng tơi đưa mơ hình phần tử hữu hạn, mơ tả thí nghiệm uốn điểm dầm phiến phiến Qua phân tích cho thấy, mơ hình dự báo xác ứng xử học dầm liên hợp, việc dự báo lực kháng lớn dầm chuyển vị dầm thời điểm bắt đầu phá hoại với sai số nhỏ, tối đa 2,3% 7,7% Ngồi ra, mơ hình số dự báo dạng phá hoại dầm cách trực quan đặc trưng so sánh với dạng phá hoại thực tế dầm Việc xây dựng hồn thiện mơ hình số giúp dự báo ứng xử học dầm gỗ liên hợp, hạn chế số lượng lớn dầm cần chế tạo phục vụ thí nghiệm, cần liệu thiết kế, mơ hình số giúp dự báo nhanh số liệu đầu vào cho thiết kế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D.O Chans, J.E Cimadevilla, E.M Gutièrrez (2008), “Glued joints in hardwood timber”, International Journal of Adhesion & Adhesives, 28, pp.457-463 [2] J Ayarkwa, Y Hirashima, Y Sasaki (2000), “Effect of finger geometry and end pressure on the flexural properties of finger-jointed tropical african hardwoods”, Forest Products Journal, 50(11/12), pp.53-63 [3] M Frese, H.J Blass (2006), “Characteristic bending strength of beech glulam”, Materials and Structures, 40, pp.3-13 Hình 11 Dạng phá hoại dầm phiến: (A) Mơ hình số; (B) Thực nghiệm [4] S Aicher, D Ohnesorge (2011), “Shear strength of glued laminated timber made from European beech timber”, Eur J Wood Prod., 69, pp.143-154 Kết luận [5] M Schmidt, A Thonniben (2012), “Relevant wood characteristics for gluind beech and ash with regard to discoloration”, Eur J Wood Prod., 70, pp.319-325 Trong nghiên cứu này, dầm gỗ liên hợp phiến phiến chế tạo từ gỗ dẻ gai, Viện LERMAB theo quy trình châu Âu thiết kế dầm gỗ liên hợp [14, 15] thí nghiệm sức kháng uốn, gồm mô men uốn lớn mô đun đàn hồi, theo thí nghiệm uốn điểm 60(1) 1.2018 [6] C Faye (2010), “Valorisation en usage structural des essences de bois franỗais douglas et du sapin BMR, Institut Technologique FCBA, 6, pp.256-259 [7] CTBA (2007), “Bois lamellé-collés (BLC); bois massifs reconstitués (BMR)”, Assemblages Bois et dérivés Conception 49 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ système, 1, pp.1-4 [8] G Dill-Langer, S Aicher (2014), “Glulam Composed of Glued Laminated Veneer Lumber Made of Beech Wood: Superior Performance in Compression Loading”, Materials and Joints in Timber Structures - RILEM, 9, pp.603-613 [9] V.D Tran, M Oudjene, P.J Méausoone (2015), “FE analysis and geometrical optimization of timber beech fingerjoint under bending test”, International Journal of Adhesion and Adhesives, 52, pp.40-47 [10] V.D Tran, M Oudjene, P.J Méausoone (2015), “Experimental and numerical analyses of the structural response of adhesively reconstituted beech timber beams”, Composite Structures Journal, 119, pp.206-217 [11] V.D Tran, M Oudjene, P.J Méausoone (2016), “Utilizing the innovative glued timber in construction”, Hội thảo quốc gia: Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững lần thứ 2, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng [12] Norme (2009), NF EN 338: Bois de structure, Classes de résistance, Editée et diffusée par lAssociation Franỗaise de Normalisation (AFNOR) 60(1) 1.2018 [13] Norme (2010), NF EN 408: Structure en bois, Bois de structure et bois lamellé-collé Détermination de certaines propriétés physiques et mécanique, Editộe et diffusộe par lAssociation Franỗaise de Normalisation (AFNOR) [14] Norme (2012), EN 14080: Timber Structures- glued laminated timber and glued solid timber requirements, CENBNBA-AFNOR [15] Norme (2002), NF EN 385: Aboutages entures multiples dans les bois de construction, Exigences de performance et exigences minimales de fabrication, Editée et diffusộe par lAssociation Franỗaise de Normalisation (AFNOR) [16] R Hill (1948), A theory of yielding and plastic flow of anisotropic metals, London Proc [17] M Oudjene, M Khelifa (2009), “Finite element modelling of wooden structures at large deformation and brittle failure prediction”, Materials and Design, 30, pp.4081-4087 [18] Dassault Systèmes Simulia Corp (2008), ABAQUS theory manual, Providence, Rhode Island, USA 50 ... (N) F (N) Phân tích thực Fmax nghiệm ứng xử học dầm gỗ liên Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm uốn điểm theo tiêu chuẩn EN 408 Nghiên cứu thực nghiệm thực Viện F (N) F (N) hợp LERMAB, Pháp vào tháng... 5Gbh 2dầm Hình Đường cong thực nghiệm lực - chuyển vịWgiữa phiến; (B) Dầm Dầm nénnghiệm lớn nhất, ứngnhịp x? ?của tổng hợp Đường cong thực lực - chuyển vị nhịp dầm: thể (A) Dầm phiến ;liên (B) Dầm 3Hình. .. dạng phá hoại thực tế dầm Việc xây dựng hồn thiện mơ hình số giúp dự báo ứng xử học dầm gỗ liên hợp, hạn chế số lượng lớn dầm cần chế tạo phục vụ thí nghiệm, cần liệu thiết kế, mơ hình số giúp dự