(Luận văn) mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của tải va chạm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN lu LÊ QUANG TRỰC an n va tn to p ie gh MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI VA CHẠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN d oa nl w an lu nf va LUẬN VĂN THẠC SĨ lm ul Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng z at nh oi Mã số: 8.58.02.01 z m co l gm @ an Lu Long An - 2019 n va ac th si BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ QUANG TRỰC lu an n va p ie gh tn to MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI VA CHẠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN d oa nl w nf va an lu LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng lm ul Mã số: 8.58.02.01 z at nh oi z @ m co l gm Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Tích Thiện an Lu Long An – 2019 n va ac th si i LỜI CAM ĐOAN Ngoài kết tham khảo từ cơng trình khác ghi luận văn, xin cam kết luận văn tơi thực luận văn nộp Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa sử dụng cơng bố cơng trình khác Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thông tin lu trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc an n va p ie gh tn to HỌC VIÊN THỰC HIỆN nl w d oa Lê Quang Trực nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si ii LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hoàn thành kết trình học tập nghiên cứu học viên Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Bên cạnh nỗ lực học viên, hoàn thành chương trình luận văn khơng thể thiếu giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế Cơng nghiệp Long An) q trình học tập hoàn thành luận văn cao học Nhân đây, xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trương Tích Thiện tập thể thầy cơ, đồng nghiệp tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền lu an đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành tốt luận n va văn tn to Cũng này, xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao p ie gh học Xây dựng hỗ trợ tơi q trình học tập thực luận văn d oa nl w HỌC VIÊN THỰC HIỆN nf va an lu lm ul Lê Quang Trực z at nh oi z m co l gm @ an Lu n va ac th si iii Tóm tắt luận văn Kết cấu trụ cầu bê tơng cốt thép (BTCT) thường thiết kế để chống lại tải trọng gió, địa chấn đặc biệt va chạm phương tiện đường thủy Tai nạn va chạm phương tiện đường thủy trụ cầu không vấn đề hay xảy Việt Nam mà giới Trước thiệt hại to lớn gây va chạm phương tiện đường thủy với trụ cầu, việc nghiên cứu biện pháp bảo vệ trụ cầu trước nguy va chạm cần thiết Tuy nhiên, nghiên cứu biện pháp phòng tránh va chạm tàu Việt Nam thơng qua mơ số cịn hạn lu an chế Trong báo này, nhóm tác giả phân tích phá hủy trụ cầu bê tông cốt n va thép va chạm với sà lan thơng qua chương trình ANSYS với mơ đun Explicit tn to Đồng thời, xác định vị trí bị phá hủy trụ cầu q trình va chạm để từ p ie gh đề xuất phương án thiết kế hay gia cố hiệu d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.1 Trên giới 1.2.2 Trong nước lu 1.3 Tổng quan tượng va chạm sà lan trụ cầu an n va 1.3.1 Kết cấu sà lan 1.3.3 Nguyên nhân gây va chạm sà lan trụ cầu ie gh tn to 1.3.2 Kết cấu trụ cầu p 1.3.4 Một số phương án bảo vệ cầu kết cấu khác trước va chạm nl w phương tiện thủy d oa 1.4 Ý nghĩa đề tài an lu 1.5 Mục tiêu phạm vi đề tài nf va 1.6 Tóm tắt chương lm ul CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 z at nh oi 2.1 Kết cấu bê tông cốt thép 10 2.1.1 Giới thiệu 10 z 2.1.2 Đặc điểm cấu tạo bê tông cốt thép 11 gm @ 2.2 Đánh giá cường độ bê tông theo tiêu chuẩn 5574-2012 Việt Nam 13 l m co 2.3 Một số tiêu chuẩn phá hủy bê tông 16 an Lu 2.4 Lực va chạm 21 2.5 Phương pháp phần tử hữu hạn 25 n va ac th si v 2.5.1 Quan hệ ứng suất biến dạng 25 2.5.2 Phương pháp phần tử hữu hạn toán động lực học tường minh (Explicit Dynamic) 29 2.6 Tóm tắt chương 32 CHƯƠNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN 34 3.1 Giới thiệu mô đun phần mềm dùng để mô 34 3.1.1 Mô đun Explicit dynamic ANSYS WORKBENCH 34 3.1.2 Các bước thực 35 3.2 Mô hình mơ 38 lu an 3.2.1 Mô tả toán 38 va n 3.2.2 Thông số vật liệu 41 ie gh tn to 3.2.3 Xây dựng mơ hình 42 p 3.2.4 Nhập thơng số phân tích 48 nl w 3.2.5 Chia lưới mơ hình 49 d oa 3.2.6 Thiết lập điều kiện biên 50 an lu 3.2.7 Giải 52 nf va 3.2.8 Phân tích kết 53 lm ul 3.2.9 So sánh kết 57 z at nh oi 3.3 Tóm tắt chương 58 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 z gm @ 4.1 Kết luận 59 4.2 Kiến nghị hướng phát triển 59 l m co TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 an Lu n va ac th si vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sà lan tự hành hoạt động sông Hình 1.2 Sự hoạt động tàu thuyền qua cầu Hình 1.3 Cầu Cao Lãnh bắt qua sông Tiền - Đồng Tháp Hình 1.4 Cấu tạo chung cầu bê tông cốt thép Hình 1.5 Cầu Tjorn, Thụy Điển Hình 1.6 Cầu Tjorn cũ sau va chạm Hình 1.7 Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ lu Hình 2.1 Kết cấu dầm, cột bê tông cốt thép 10 an n va Hình 2.2 Biểu đồ mô men cách đặt cốt thép 12 tn to Hình 2.3 Biểu đồ lực cắt cách bố trí cốt đai 12 ie gh Hình 2.4 Sơ đồ bố trí cốt thép dự ứng lực 13 p Hình 2.5 Dạng hình học phần tử SOLID65 16 oa nl w Hình 2.6 Năng lượng va chạm theo Minorsky 21 Hình 2.7 Thí nghiệm va chạm Woisin 22 d lu nf va an Hình 2.8 Lực va chạm theo thời gian đề xuất Woisin 22 Hình 2.9 Lực va tĩnh theo kích thước tàu 23 lm ul Hình 2.10 Tổng lượng ứng với lượng khác 23 z at nh oi Hình 2.11 Quan hệ lực va chạm vận tốc tàu theo AASHTO 24 Hình 2.12 So sánh lực va lên tường cứng cọc đàn hồi ứng với phương pháp z khác 25 gm @ Hình 2.13 Đồ thị ứng suất biến dạng 26 l m co Hình 3.1 Lưu đồ phân tích động lực học va chạm ANSYS 35 an Lu Hình 3.2 Chọn mơ đun Explicit Dynamic 35 Hình 3.3 Định nghĩa tương tác vật rắn 36 va n Hình 3.4 Lưới phần tử tốn va chạm 36 ac th si vii Hình 3.5 Thiết lập điều kiện biên 37 Hình 3.6 Các thơng số phân tích 37 Hình 3.7 Chọn giải 38 Hình 3.8 Kết ứng suất trình va chạm 38 Hình 3.9 Sà lan chở hàng sông 39 Hình 3.10 Kích thước sà lan JH 39 Hình 3.11 Cầu Jiujiang Trung Quốc [1] sau tai nạn va chạm xảy 40 Hình 3.12 Sơ đồ bố trí bê tơng cốt thép trụ cầu 41 lu Hình 3.13 Chọn cơng cụ xây dựng hình học 42 an n va Hình 3.14 Tạo hình học trụ cầu 42 tn to Hình 3.15 Chọn kích thước hai chiều 43 ie gh Hình 3.16 Tạo khối chữ nhật 43 p Hình 3.17 Tạo đường thẳng khối chữ nhật để mơ hình cốt thép 44 oa nl w Hình 3.18 Tạo diện tích mặt cắt ngang cho cốt thép 44 Hình 3.19 Tạo nhiều cốt dọc lệnh copy 45 d lu nf va an Hình 3.20 Tạo cốt đai 45 Hình 3.21 Tạo nhiều cốt đai lệnh copy 46 lm ul Hình 3.22 Tạo vật thể đặc trưng cho khối lượng tác động lên đỉnh trụ cầu 46 z at nh oi Hình 3.23 Thiết lập khối lượng 47 Hình 3.24 Xác định kích thước hình học sà lan hình chiếu 47 z gm @ Hình 3.25 Tạo mơ hình sà lan ba chiều 48 l Hình 3.26 Thiết lập tương tác vật rắn 48 m co Hình 3.27 Thiết lập thông số tương tác hệ số ma sát 49 an Lu Hình 3.28 Chia lưới mơ hình 49 n va Hình 3.29 Thiết lập điều kiện biên gia tốc trọng trường 50 ac th si viii Hình 3.30 Thiết lập điều kiện biên chuyển vị 51 Hình 3.31 Thiết lập điều kiện biên vận tốc 51 Hình 3.32 Thiết lập thơng số phân tích 52 Hình 3.33 Chọn kết chuyển vị cần xuất 52 Hình 3.34 Chọn kết ứng suất cần xuất 53 Hình 3.35 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,13s 53 Hình 3.36 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,2s 54 Hình 3.37 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,26s 54 lu Hình 3.38 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,3s 55 an n va Hình 3.39 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,13s 55 tn to Hình 3.40 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,2s 55 ie gh Hình 3.41 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,26s 56 p Hình 3.42 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,3s 56 oa nl w Hình 3.43 Đồ thị ứng suất Von Misses theo thời gian 57 Hình 3.44 Đồ thị chuyển vị tổng theo thời gian 57 d lu nf va an Hình 3.45 So sánh kết tham khảo từ [1] kết tính tốn 58 z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si 47 lu an n va to gh tn Hình 3.23 Thiết lập khối lượng p ie Tạo phane offset Z -6850mm Trên plane tạo sketch sà lan có kích thước d oa nl w thông số nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu Hình 3.24 Xác định kích thước hình học sà lan hình chiếu n va Extrude tạo bề dày cho sà lan 10600mm ac th si 48 lu Hình 3.25 Tạo mơ hình sà lan ba chiều an n va Sau hồn thành vẽ mơ hình ta qua phần model để nhập thông số p ie gh tn to 3.2.4 Nhập thơng số phân tích d oa nl w Nhập hệ số ma sát cho toán Ta vào body interaction nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu Hình 3.26 Thiết lập tương tác vật rắn n va ac th si 49 lu an va n Hình 3.27 Thiết lập thông số tương tác hệ số ma sát tn to gh 3.2.5 Chia lưới mơ hình p ie Kích thước lưới mơ hình 200 mm d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu Hình 3.28 Chia lưới mơ hình n va ac th si 50 3.2.6 Thiết lập điều kiện biên Việc chọn thân trụ để gắn cốt thép không làm thay đổi bước thiết lập điều kiện tiếp xúc Mặc dù bỏ qua thân trụ có chiều cao H = 15m bệ trụ thân trụ có chiều cao H=15m đảm bảo liên kết với chi tiết bên Ở đây, giả sử mặt bên thân trụ ngàm theo phương chuyển vị góc xoay Chia lưới cho mơ hình với element size = 200mm Đặt gia tốc trường g = 9,81 m/s2 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w nf va an lu lm ul z at nh oi Hình 3.29 Thiết lập điều kiện biên gia tốc trọng trường Điều kiện biên chuyển vị: ngàm mặt đáy trụ z m co l gm @ an Lu n va ac th si 51 lu an n va to gh tn Hình 3.30 Thiết lập điều kiện biên chuyển vị p ie Đặt vận tốc cho sà lan v = 4,11m/s theo hường 900 d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu Hình 3.31 Thiết lập điều kiện biên vận tốc n va ac th si 52 3.2.7 Giải Giải 0,3 s lu an n va gh tn to p ie Hình 3.32 Thiết lập thơng số phân tích w Sau nhập thơng số , nhấn solve để giải , xuất kết chuyển vị d oa nl tổng ứng suất nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu Hình 3.33 Chọn kết chuyển vị cần xuất n va ac th si 53 lu an n va tn to Hình 3.34 Chọn kết ứng suất cần xuất p ie gh 3.2.8 Phân tích kết d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu Hình 3.35 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,13s n va ac th si 54 lu an n va Hình 3.36 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,2s p ie gh tn to d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul Hình 3.37 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,26s z m co l gm @ an Lu n va ac th si 55 lu an va n Hình 3.38 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,3s p ie gh tn to d oa nl w nf va an lu lm ul Hình 3.39 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,13s z at nh oi z m co l gm @ an Lu n va Hình 3.40 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,2s ac th si 56 Hình 3.41 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,26s lu an n va p ie gh tn to oa nl w d Hình 3.42 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,3s nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si 57 lu an n va p ie gh tn to Hình 3.43 Đồ thị ứng suất Von Misses theo thời gian d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z @ co l 3.2.9 So sánh kết gm Hình 3.44 Đồ thị chuyển vị tổng theo thời gian m Quan sát hình 3.41, thân trụ có khả chịu kéo tốt gắn cốt thép Tuy an Lu nhiên, vật liệu bê tông với bước thời gian va chạm nứt cách nghiêm trọng có n vượt giá trị bền va khả gãy trụ cầu lớn Các thép chịu ảnh hưởng lớp bê tông bảo vệ ac th si 58 Theo [1], kết cấu sà lan kết cấu dạng vỏ gia cố khung thép nên va chạm, ứng suất tương đương tập trung nhiều hai bên mép thành trụ mũi sà lan bị biến dạng lớn Tuy nhiên, nghiên cứu này, hạn chế tài ngun tính tốn nên kết cấu sà lan nhóm tác giả đơn giản hóa cách sử dụng phần tử khối, mũi sà lan cứng so với thực tế nên va chạm, vùng ứng suất tương đương lớn hai bên mép thành trụ cầu, ứng suất tương đương tập trung nhiều mặt trụ cầu Kết mô vùng tập trung ứng suất lớn nhóm tác giả có tương đồng với kết tham khảo từ [1], vị trí hai bên mép thành trụ cầu Các phần tử bị phá hủy vùng ứng suất lớn bị xóa trở thành chấm đỏ, mô tả đường nứt gãy trụ cầu lu an n va p ie gh tn to oa nl w Kết luận văn d Kết tham khảo từ [1] an lu Hình 3.45 So sánh kết tham khảo từ [1] kết tính tốn nf va lm ul 3.3 Tóm tắt chương z at nh oi  Mơ hình va chạm xây dựng mô đun Explicit dynamic  Do sà lan với tải trọng lớn vận tốc lớn nên va chạm với trụ cầu gây ảnh hưởng lớn đến trụ z  Trong 0,3 s, trụ cầu bị vỡ phần bê tơng ngồi phần thép bên gm @ chuyển vị tương đối lớn m độ bền để chịu va chạm lớn sà lan co l  Kết thực tế ra, với trụ bê tông cốt thép chưa đủ an Lu n va ac th si 59 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1.Kết luận Bài toán va chạm động lực học dạng tốn có mức độ khó tương đối Bước đầu nghiên cứu, luận văn giải số vấn đề sau:  Xây dựng mơ hình trụ cầu bê tông cốt thép sà lan  Thiết lập thông số vật liệu bê tông cốt thép cho thân trụ  Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy bê tông  Thiết lập tương tác đối tượng trụ cầu sà lan  Mô trình va chạm trụ cầu sà lan lu  Xác định vùng phá hủy trụ cầu an n va  So sánh kết mô với kết công bố từ tài liệu uy tín to Qua kết mơ phỏng, thấy ảnh hưởng tải trọng cầu gh tn tác động lên trụ, kết hợp với phần chân trụ bị ngàm nên vùng bị nứt gãy trụ không p ie nằm sát mặt đất hay vị trí va chạm mà nằm khoảng lưng chừng hai vị trí w Bên cạnh khơng tránh khỏi khó khăn sau: oa nl  Sự phức tạp biên dạng hình học số lượng cốt thép trụ cầu dẫn d đến việc giải toán nhiều thời gian để kết lu nf va an  Tìm kiếm tài liệu cịn nhiều hạn chế, nên việc mơ tả khung thép cho phần mũi sà lan gặp khó khăn nên chưa xây dựng mũi sà lan xác lm ul 4.2 Kiến nghị hướng phát triển z at nh oi Định hướng phát triển cho đề tài xuất phát từ giới hạn Do  Phân tích chi tiết biến dạng sà lan mơ hình với vỏ z @ khung thép gm  Mô ứng xử va chạm kết cấu nhịp với sà lan an Lu  Mô hướng va chạm sà lan với cầu m biên cho trụ cầu co l  Mơ hình móng cọc xét tương tác với đất để cải thiện điều kiện n va ac th si 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sha, Y and H Hao Nonlinear finite element analysis of barge collision with a single bridge pier, Engineering Structures, 41: pp 63-76, 2012 [2] Tran, D.P A study of Floating Protection System subjected to Vessel Collisions Considering Fluid-Structure Interaction, in Ocean Civil Engineering, Mokpo National Maritime University, 2016 [3] Minorsky, V.U An Analysis of Ship Collisions with Reference to Protection of Nuclear Power Plants, in Other Information:Orig Receipt Date: 31-DEC-59, p lu Medium: X; Size: Pages: 10, 1958 an n va [4] Woisin, G GKSS collision tests, United Kingdom, 1978 tn to [5] Svensson, H Protection of Bridge Piers against Ship Collision, Steel Construction 2, 2009 gh p ie [6] AASHTO Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of nl w Highway Bridges, in Final Report, 1991 d oa [7] EN, Eurocode 1: Actions on structures, 1991 1983 nf va an lu [8] Mondorf, P.E Floating Pier Protections Anchored by Prestressing Tendons, [9] Trương Tích Thiện Lý thuyết dẻo kỹ thuật Nhà xuất đại học quốc gia z at nh oi lm ul TP.HCM, 2014 [10] Nguyễn Việt Hùng Nguyễn Trọng Giảng ANSYS mô số công nghiệp phần tử hữu hạn Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2003 z m co l gm rotxuong-song/1070536.tml @ [11].tuoitre.vn/tin/chinh-tri-xa-hoi/20160320/cau-ghenh-dang-sap-nguoi-dan- an Lu n va ac th si 61 PHỤ LỤC Nội dung luận văn chấp nhận báo cáo Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học Hà Nội vào ngày 09/04/2019 với chủ đề Mô trình va chạm phá hủy sà lan trụ cầu bê tông cốt thép lu an n va p ie gh tn to d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si