Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu cơ chế làm việc của kết cấu "Metal Road"

BẢN CAM KẾT Họ và tên học viên: Lê Quang Dũng Chuyên ngành: Xây dựng Cầu - Hầm Tên luận văn: Nghiên cứu cơ chế làm việc của kết cấu “Metal Road” Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Đặng Đăng Tùng Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Nguyễn Cảnh Tuấn Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Phùng Mạnh Tiến Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM

ngày 27 tháng 08 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS Lê Bá Khánh2 TS Nguyễn Danh Thắng3 TS Nguyễn Cảnh Tuấn4 TS Phùng Mạnh Tiến5 TS Phạm Quang Nhật Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Lê Quang Dũng MSHV: 12144611 Ngày, tháng, năm sinh: 15/12/1988 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Xây dựng Cầu, Hầm Mã số : 605825

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu cơ chế làm việc của kết cấu “Metal Road” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Thu thập thông tin về công nghệ Metal Road - Nghiên cứu về ứng dụng phần mềm MIDAS/Civil để phân tích kết cấu Metal Road

- Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn để nghiên cứu mối tương quan giữa chiều dài nhịp và góc nghiêng mặt dốc đến sự thay đổi nội lực và biến dạng của kết cấu Metal Road Xem xét khả năng ứng dụng của công nghệ Metal Road trong điều kiện địa hình đồi núi phức tạp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Đặng Đăng Tùng

Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin trân trọng gởi lời cảm ơn đến tất cả các quý Thầy (Cô) khoa Kỹ Thuật Xây Dựng trường ĐH Bách Khoa TPHCM, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm hết sức quý báu trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Bằng tất cả tấm lòng, tôi cũng xin gửi đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp lời cảm ơn và những tình cảm chân thành nhất, những người đã khuyến khích, hỗ trợ, động viên, tạo điều kiện cho tôi theo hết khóa học thạc sĩ và hoàn thành luận văn

Xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Đặng Đăng Tùng, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

mặt cầu bằng bê tông cốt thép được đỡ bởi hệ dầm thép liên kết với các trụ thép tròn nhồi bê tông Với ưu điểm về khả năng chịu lực, tiết kiệm chi phí thi công, độ ổn định cao, nên giải pháp “Metal Road” rất phù hợp cho các dự án đường khu vực miền núi ở Việt Nam Trong luận văn này, nghiên cứu cơ chế làm việc của kết cấu “Metal Road” bao gồm xem xét ảnh hưởng của chiều dài nhịp và góc nghiêng mặt dốc đến nội lực và biến dạng của kết cấu “Metal Road” Kết quả cho thấy, có thể nói “Metal Road” có khả năng ứng dụng trong việc xây dựng và mở rộng đường miền núi ở Việt Nam trong điều kiện địa hình phức tạp

Abstract

The “Metal Road” solution is a steel bridge structure consists of reinforce concrete bridge deck is supported by steel girder system linked to concrete filled steel tubes (CFT) With the advantage of bearing capacity, saving construction cost, high stability, “Metal Road” solution is very suitable for road projects in mountainous areas in Vietnam In this study, the structural mechanism of “Metal Road” is considered based on the effect of span length and slope angle to the internal force and deformation As the results, it can be said that “Metal Road” solution is suitable solution for constructing and expanding road in mountain area with complicated conditions

BẢN CAM KẾT

Họ và tên học viên: Lê Quang Dũng Chuyên ngành: Xây dựng Cầu - Hầm

Tên luận văn: Nghiên cứu cơ chế làm việc của kết cấu “Metal Road”

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm, có sử dụng các tài liệu tham khảo có ghi trong phần tài liệu tham khảo và với sự hướng dẫn của Tiến sĩ Đặng Đăng Tùng Những kết quả nghiên cứu, tính toán là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về luận văn này và chịu bất kỳ hình thức kỷ luật nào của Khoa và Nhà trường nếu vi phạm

Học viên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 4

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 5

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ “METAL ROAD” 7

1.1 Lịch sử ra đời của phương pháp “Metal road” 7

1.2 Kết cấu “Metal road” 7

1.3 Khả năng ứng dụng của phương pháp “Metal road” 10

1.4 Phạm vi áp dụng phương pháp “Metal road” 13

1.5 Phương pháp thi công của kết cấu “Metal Road” 14

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 16

2.1 Tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn 16

2.3.4 Loại phần tử, tiết diện 25

2.3.5 Điều kiện biên 25

2.3.6 Các tải trọng nghiên cứu 26

2.3.7 Tổ hợp tải trọng 27

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CHIỀU DÀI NHỊP ĐẾN NỘI LỰC

VÀ BIẾN DẠNG CỦA KẾT CẤU METAL ROAD 28

3.1 CÁC TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU 28

3.1.1 Phạm vi nghiên cứu 28

3.1.2 Các sơ đồ nghiên cứu 28

3.2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 30

3.2.1 Lực dọc lớn nhất (Nmax) 30

3.2.2 Momen lớn nhất theo phương y và phương z (Mymax, Mzmax) 33

3.2.3 Lực cắt lớn nhất theo phương y và phương z (Qymax, Qzmax) 36

3.2.4 Ứng suất lớn nhất (max) 40

3.2.5 Chuyển vị của hệ (Dxmax, Dymax, Dzmax) 43

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC NGHIÊNG MẶT DỐC ĐẾN NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG CỦA TRỤ ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG KẾT CẤU METAL ROAD 45

4.1 CÁC TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU 45

4.1.1 Phạm vi nghiên cứu: 45

4.1.2 Các sơ đồ nghiên cứu: 45

4.2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 48

4.2.1 Lực dọc lớn nhất (Nmax) 48

4.2.2 Momen lớn nhất theo phương z (Mzmax) 52

4.2.3 Momen lớn nhất theo phương y (Mymax) 55

4.2.4 Lực cắt lớn nhất theo phương y (Qymax) 56

4.2.5 Lực cắt lớn nhất theo phương z (Qzmax) 60

4.2.6 Ứng suất lớn nhất (max) 60

4.2.7 Chuyển vị của trụ CFT 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

KẾT LUẬN 70

KIẾN NGHỊ 70 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

  

MỞ ĐẦU1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Cơ sở hạ tầng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế của đất nước Đặc biệt, việc nâng cấp, mở rộng và xây dựng mới các tuyến đường miền núi để nối liền giữa các khu kinh tế, thu hẹp sự chênh lệch giữa vùng xuôi, vùng ngược góp phần phát triển kinh tế một cách đồng bộ đang ngày được chú trọng

Địa hình Việt Nam đa dạng bao gồm: đồi núi, đồng bằng, bờ biển và thềm lục địa, trong đó đồi núi chiếm ¾ diện tích lãnh thổ, đồng bằng chỉ chiếm ¼ diện tích trên đất liền và bị đồi núi ngăn cách thành nhiều khu vực Vì vậy việc xây dựng các tuyến đường trên miền núi là một yêu cầu quan trọng trong xây dựng giao thông của đất nước

Giải pháp cầu hệ khung không gian là giải pháp trong đó dầm chủ, hệ liên kết ngang và cọc thép được liên kết cứng với nhau tạo thành một hệ khung ổn định Với ưu điểm về đặc tính vật liệu, khả năng chịu lực, tiết kiệm chi phí thi công nên giải pháp này đang là sự lựa chọn hiệu quả cho việc xây dựng đường miền núi hiện nay Đặc biệt là các khu vực danh lam thắng cảnh, nơi mà quang cảnh thiên nhiên cần được bảo tồn thì giải pháp này phát huy hiệu quả nhất

Tuy nhiên, giải pháp này chưa được sử dụng rộng rãi trong điều kiện tại Việt Nam Do đó, việc nghiên cứu phân tích lý thuyết và khả năng ứng dụng của loại kết cấu này là hết sức cần thiết và sẽ mở ra hướng phát triển mới trong chuyên ngành cầu ở nước ta

Trong thời gian qua đã có một số bài báo, đề tài nghiên cứu về giải pháp “Metal road”, điển hình như:

- TS Đặng Đăng Tùng, TS Nguyễn Cảnh Tuấn, ThS Vũ Việt Hùng

(2014)“Nghiên cứu cơ chế làm việc của giải pháp kết cấu “Metal Road”” Tạp

chí Cầu Đường, số 5, 2014, trang 34-39, ISSN1859-459X;

- Nguyễn Văn Út Thi, “Nghiên cứu tính khả thi của phương pháp metal road

trong xây dựng đường miền núi Việt Nam”, Luận văn thạc sĩ, ĐH Bách Khoa

TPHCM, 2015;

Bài báo “Nghiên cứu cơ chế làm việc của giải pháp kết cấu “Metal Road” của TS Đặng Đăng Tùng, TS Nguyễn Cảnh Tuấn, ThS Vũ Việt Hùng đã đánh giá lại quy trình thiết kế cho kết cấu ống thép nhồi bê tông theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành (22TCN 272-05, ACI 2008, AASHTO 2010, AISC 2010) Nghiên cứu đã giới thiệu lý thuyết tính toán sức kháng nén dọc trục và sức kháng uốn của kết cấu ống thép nhồi bê tông theo phương pháp phân tích ứng suất dẻo (PSDM) Ảnh hưởng của chiều dài tự do đến sức chịu tải cực hạn của kết cấu, trường hợp kết cấu chịu tác dụng đồng thời của lực nén dọc trục và momen cũng được nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu tính khả thi của phương pháp metal road trong xây dựng đường miền núi Việt Nam” của tác giả Nguyễn Văn Út Thi đã xem xét, đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng phương pháp “Metal Road” trong xây dựng đường miền núi so với phương pháp đào đắp truyền thống

Tất cả các đề tài trên vẫn chưa đề cập nghiên cứu về ảnh hưởng của chiều dài nhịp và góc nghiêng mặt dốc đến kết cấu “Metal Road” Việc nghiên cứu này sẽ làm cho công việc thiết kế được tốt hơn khi giải pháp này được đưa vào ứng dụng thực tiễn

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Giải pháp “Metal road” là một dạng kết cấu cầu hệ khung không gian bao gồm mặt cầu bằng bê tông cốt thép được đỡ bởi hệ dầm thép liên kết với các trụ thép tròn nhồi bê tông Với ưu điểm về khả năng chịu lực, tiết kiệm chi phí thi công, độ ổn định cao, nên giải pháp “Metal road” rất phù hợp cho các dự án đường khu vực miền núi ở Việt Nam, đặc biệt các khu vực có danh lam thắng cảnh, khu bảo tồn thiên nhiên Nghiên cứu cơ chế làm việc của kết cấu “Metal Road” và đưa ra những kiến nghị, xem xét khả năng ứng dụng phương pháp “Metal road” trong điều kiện địa hình đồi núi phức tạp ở Việt Nam

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Trong giới hạn thời gian thực hiện luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu những nội dung chính sau:

 Xem xét ảnh hưởng của chiều dài nhịp: so sánh nội lực và biến dạng của kết cấu “Metal road” với các chiều dài nhịp khác nhau

 Xem xét ảnh hưởng của góc nghiêng mặt dốc: so sánh nội lực và biến dạng của trụ ống thép nhồi bê tông trong kết cấu “Metal road” với các góc nghiêng mặt dốc khác nhau

 Xem xét khả năng ứng dụng phương pháp “Metal road” trong điều kiện địa hình đồi núi phức tạp

Luận văn chỉ nghiên cứu đối với các mô hình cầu ở trạng thái giới hạn cường độ I, xem xét sự làm việc của vật liệu trong miền đàn hồi, không xét các ứng xử phi tuyến, các ứng xử cục bộ Các trụ thép tròn nhồi bê tông giả thiết được ngàm vào lớp đất tốt, không xét đến sự tương tác giữa hệ trụ ống thép nhồi bê tông và đất nền bên dưới trong các mô hình tính toán

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Kết cấu “Metal road” là kết cấu siêu tĩnh bậc cao nên tác giả tiến hành xây dựng mô hình kết cấu, tính toán và phân tích các mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm MIDAS/Civil Các kết quả nội lực và biến dạng được so sánh dưới dạng bảng và đồ thị

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Đây là đề tài nghiên cứu về một loại kết cấu mới nhằm đóng góp những luận điểm khoa học vào cơ sở dữ liệu về giải pháp xây dựng đường khu vực miền núi ở Việt Nam Từ đó có thể mở rộng các hướng nghiên cứu để hoàn thiện thêm những hiểu biết về loại kết cấu này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ “METAL ROAD” 1.1 Lịch sử ra đời của phương pháp “Metal road”

Phương pháp “Metal road” là công nghệ xây dựng đường của Nhật, được phát triển bởi Tập đoàn JFE, Nhật Bản Công nghệ này đã được hội đồng thành viên Trung tâm Công nghệ bảo trì đường bộ đánh giá và chứng nhận vào tháng 3 năm 2000 Giải pháp “Metal Road” đã được ứng dụng thực tế trong nhiều dự án đường miền núi ở Nhật Bản [3]

1.2 Kết cấu “Metal road”

Giải pháp “Metal Road” đã được ứng dụng thực tế trong nhiều dự án đường miền núi ở Nhật Bản Kết cấu “Metal road” là một dạng kết cấu cầu hệ khung không gian bao gồm mặt cầu bằng bê tông cốt thép được đỡ bởi hệ dầm thép liên kết với các trụ thép tròn nhồi bê tông Với ưu điểm về khả năng chịu lực, tiết kiệm chi phí thi công, độ ổn định cao, nên giải pháp “Metal Road” rất phù hợp cho các dự án đường khu vực miền núi Việt Nam, đặc biệt các khu vực có danh lam thắng cảnh, khu bảo tồn thiên nhiên

Hình 1-1: (a) Kết cấu “Metal road”; (b) Ứng dụng trong thực tế

Trong đó, kết cấu cọc ống thép nhồi bê tông giữ vai trò rất quan trọng vì vừa là hệ móng cọc, vừa là trụ đỡ kết cấu phần trên làm việc như một cột chịu nén và uốn đồng thời Tuy nhiên, do phương án kết cấu được áp dụng trong khu vực đồi núi có độ dốc sườn lớn nên chiều dài cọc ống thép sẽ thay đổi tùy theo vị trí cọc

Các cọc nằm ngoài sườn dốc sẽ có chiều dài lớn hơn nên khả năng mất ổn định khi chịu nén sẽ bị hạn chế

Kết cấu ống thép nhồi bê tông có những ưu điểm như sức kháng uốn và nén cao, dễ thi công, không cần ván khuôn, và kích thước cấu kiện nhỏ hơn so với kết cấu bê tông cốt thép Ngoài ra, lõi bê tông còn có tác dụng chống mất ổn định cục bộ làm gia tăng sức kháng cho kết cấu.[5]

Giải pháp “Metal Road” phù hợp cho công trình mở rộng đường bộ ở mặt phẳng nghiêng dốc ở khu vực miền núi, đặc biệt các khu vực có danh lanh thắng cảnh, khu bảo tồn thiên nhiên, duy trì đáng kể thảm thực vật và hiện trạng địa hình, gần như không có bất kỳ đất thải và đất dư thừa, bảo vệ môi trường tốt hơn so với các phương pháp xây dựng đào đắp truyền thống

Kết cấu khung không gian 3 chiều có độ cứng lớn, các cấu kiện được chế tạo sẵn trong nhà máy, trọng lượng nhẹ và ngắn; vận chuyển, thi công, xây dựng và lắp đặt dễ dàng; đồng thời thời gian xây dựng cũng được rút ngắn

Tải trọng từ cấu trúc thượng tầng sẽ truyền đến mặt đất thông qua sự hỗ trợ trụ thép tròn nhồi bê tông, không gây ảnh hưởng đến sự ổn định của mặt dốc hiện hữu Trong quá trình xây dựng không cần xây dựng đường tạm mà vẫn duy trì được giao thông hiện có trong khu vực

Hình 1-2: Bố trí chung một phương án “Metal road”

Phương pháp “Metal road” có 3 loại mặt cắt phổ biến: loại tiêu chuẩn, loại kiểu hẫng, loại kiểu cầu [3]

a) Loại tiêu chuẩn:

Hình 1-3: Loại tiêu chuẩn

b) Loại kiểu hẫng:

Hình 1-4: Loại kiểu hẫng

c) Loại kiểu cầu:

Hình 1-5: Loại kiểu cầu

1.3 Khả năng ứng dụng của phương pháp “Metal road”

Phương pháp “Metal road” thích hợp trong việc xây dựng mới, mở rộng cũng như sửa chữa đường miền núi Phương pháp “Metal road” rất phù hợp khi áp dụng ở những nơi địa hình phức tạp và có mái dốc lớn Một số trường hợp cụ thể áp dụng phương pháp “Metal road” như sau:

a) Trường hợp tránh tác động và bảo vệ bờ sông:

b) Trường hợp vùng mặt trượt:

c) Trường hợp sử dụng không gian trên các sườn dốc:

d) Trường hợp trong các khu vực cần bảo tồn thiên nhiên:

e) Trường hợp khắc phục thảm họa:

f) Trường hợp đường có bán kính đường cong nhỏ:

g) Trường hợp đảm bảo giao thông đường bộ hiện hành:

h) Trường hợp sử dụng trong các cầu

i) Trường hợp trên làn bên của đường cao tốc

j) Trường hợp bắt qua thung lũng sâu

1.4 Phạm vi áp dụng phương pháp “Metal road”

Phương pháp “Metal road” được áp dụng trong trường hợp góc nghiêng của mặt dốc trên 300 hoặc trong trường hợp tầng chống đỡ sâu (chiều dày lớp phong hóa trên 2m)

Hình 1-6: Phạm vi ứng dụng của phương pháp “Metal Road”

1.5 Phương pháp thi công của kết cấu “Metal Road”

Trong trường hợp mở rộng đường, phương pháp thi công của kết cấu “Metal Road” sẽ không ảnh hưởng đến sự lưu thông của các phương tiện giao thông và luôn đảm bảo mặt bằng xây dựng, quá trình xây dựng hoàn toàn nằm trong phạm vi của phần mở rộng (phần mặt đường xây dựng mới) Quá trình xây dựng gồm 5 bước như hình 1-7, hình 1-8, hình 1-9, hình 1-10, hình 1-11 mô tả dưới đây:

Bước 1: Chuẩn bị thiết bị, vật liệu Bước 2: Xác định vị trí tim cọc

Hình 1-9: Hình 1-10: Bước 3: Đậy nắp cọc, thi công dầm Bước 4: Tháo gỡ tấm thép tạm

Đặt tấm thép tạm tạo thành hệ Thi công bản mặt cầu giàn giáo Thiết bị di chuyển trên

hệ giàn giáo và thi công cọc tiếp theo

Hình 1-11: Bước 5: Hoàn thiện

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ MÔ HÌNH

PHẦN TỬ HỮU HẠN

Hiện nay có rất nhiều phương pháp để tính toán, kết cấu “Metal road” là một kết cấu siêu tĩnh bậc cao nên việc tính toán chính xác nội lực biến dạng cầu rất phức tạp Trong thiết kế cần phải xem xét đầy đủ các mô hình chịu lực, các giai đoạn làm việc… và có thể dùng các phương pháp cơ học kết cấu thông thường hoặc phần tử hữu hạn để giải

Thực chất của phương pháp lực và chuyển vị trong cơ học kết cấu đều xuất phát từ ý tưởng giải bài toán của lý thuyết đàn hồi theo chuyển vị và theo ứng suất, phương pháp lực chọn các phản lực làm ẩn số, phương pháp chuyển vị chọn các chuyển vị làm ẩn số, tuy nhiên quá trình giải theo hai phương pháp này đều mang tính thủ công nên khả năng thực hiện đồng bộ trên máy tính cũng như tính chính xác là không cao, gặp nhiều khó khăn Luận văn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Midas/Civil 2011 để giải quyết việc tính toán nội lực và biến dạng cầu trong các trường hợp nghiên cứu

2.1 Tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của máy tính, phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp được ứng dụng nhiều nhất để phân tích kết cấu Phương pháp phần tử hữu hạn xuất hiện vào những năm 1940 khi máy tính còn trong buổi sơ khai và phương pháp này phát triển mạnh vào những năm của thập niên 60 cùng với việc phát triển ngày càng mạnh của máy tính So với các phương pháp số học khác, một trong những ưu thế của phương pháp này là lập trình để dùng trên máy Nó tạo ra thuận lợi trong việc tự động tính toán các số liệu với nhiều loại kích thước, hình dạng, vật liệu, điều kiện biên khác nhau… Ngày nay, phương pháp phần tử hữu hạn ngày càng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như kỹ thuật công trình, cơ khí, truyền nhiệt ,thấm ,trường điện thế, điện từ, cơ chất lỏng… và được xem như là một phương pháp hữu hiệu nhất trong việc giải các bài toán trong môi trường liên tục và rời rạc Đây là một phương pháp số đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó

Trong phương pháp phần tử hữu hạn vật thể liên tục (tức miền tính toán) được biểu diễn như là một tập hợp các phần tử hữu hạn Các phần tử hữu hạn này được xem như liên kết với nhau tại một số điểm gọi là nút Các nút thường nằm trên biên phần tử nơi các phần tử liền kề nhau được xem là liên kết với nhau Do sự biến thiên thực sự của biến trường (chuyển vị,ứng suất, nhiệt độ, áp suất…) bên trong vật thể (môi trường liên tục) chưa biết trước, ta giả thiết biến thiên của biến trường bên trong một phần tử hữu hạn có thể được xấp xỉ bởi một hàm đơn giản Hàm xấp xỉ (hay hàm nội suy) được xác định theo biến trường tại các nút Khi phương trình của biến trường được viết cho toàn bộ miền tính toán, các ẩn số mới sẽ là giá trị tại các nút của biến trường Bằng cách giải hệ phương trình này ta xác định được giá trị của biến trường tại các nút và từ hàm nội suy đã giả thuyết ta xác định được sự biến thiên của biến trường trong miền tính toán

Hình 2-1: Sự chia lưới thành các phần tử hữu hạn

Mấu chốt trong việc giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn là xây dựng ma trận độ cứng cho phần tử Từ đó lắp ghép các phương trình phần tử dựa vào các điều kiện liên tục, điều kiện biên để tạo phương trình cho hệ và giải các hệ phương trình này [7] Các bước tiến hành chung của phương pháp phần tử hữu hạn như sau:

Bước 1: Rời rạc hóa kết cấu: phân chia miền tính toán thành E miền con/phần tử các miền con liên kết với nhau tại điểm nút:

- Xây dựng lưới phần tử hữu hạn - Xây dựng hệ tọa độ địa phương và toàn cục

- Xây dựng số nút và số phần tử - Tính chất hình học cho bài toán Bước 2: Chọn một hàm nội suy hay một mô hình chuyển vị thích hợp Mô hình nên đơn giản (thường có dạng đa thức) nhưng phải thỏa mãn một số yêu cầu về hội tụ

Mô hình chuyển vị bên trong phần tử được giả thiết là:

, ,( , , )

( , , )

e

u x y zUv x y zN Q

tử (e) có lực phân bố  tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt; và có  là lực phân bố tác dụng lên một đơn vị thể tích vật thể Vectơ biến dạng  có thể được biểu diễn theo vectơ chuyển vị nút Qebằng cách lấy đạo hàm (2.1) một cách thích hợp và ta được:

00

0

xxyyzzxyyzzx



 (2.4)

0

xy

ee

vectơ lực nút (tác dụng theo phương vectơ chuyển vị nút Q của toàn bộ kết cấu) tổng thế năng của kết cấu có thể được viết như sau:

p

 được mở rộng bằng cách thêm các giá trị zero tại các nơi cần thiết Nói cách khác dấu tổng trong phương trình (2.8) ám chỉ việc mở rộng các ma trận phần tử thành kích thước của toàn bộ công trình và cộng các giá trị xếp chồng nhau Như vậy phương trình (2.7) và (2.8) cho ta:

Phương trình (2.9) biểu diễn thế năng của toàn bộ kết cấu theo chuyển vị nút

Q Trạng thái cân bằng của kết cấu có thể được xác định bằng cách giải các điều kiện cần thiết sau (để cực tiểu thế năng):

[ ]K là ma trận độ cứng của toàn bộ cấu kiện

Q là vectơ chuyển vị nút của toàn bộ cấu kiện

 là vectơ tải tập trung Bước 3: Tập hợp các phương trình phần tử để được hệ phương trình cân bằng tổng thể cho hệ:

Xây dựng điều kiện liên tục giữa các biên phần tử với các biến cơ sở (quan hệ giữa bậc tự do địa phương và bậc tự do toàn cục, thiết lập quan hệ kết nối giữa các phần tử) bằng quan hệ giữa nút địa phương với nút toàn cục

Xây dựng điều kiện cân bằng Lắp ghép các phương trình phần tử dựa vào các bước trên, kết quả là hệ thống phương trình:  K . P Trong đó ma trận độ cứng của toàn hệ là   ( )

1

e

K   K Và vectơ tải nút tổng thể là: cE1( ( )ie ( )se ( )be )

e

P P  P P P

( )ei

P

 là vectơ lực nút phần tử do biến dạng ban đầu gây ra

( )es

P

 là vectơ lực nút phần tử do lực bề mặt gây ra

( )eb

P

là vectơ lực nút phần tử do lực bề khối gây ra

P

 là vectơ lực nút tổng cộng Bước 4: Dựa vào bài toán các điều kiện biên:

Xác định bậc tự do toàn cục của biến sơ cấp Xác định bậc tự do toàn cục của biến thứ cấp Giải tìm giá trị của ẩn số chuyển vị nút sau khi đã kết hợp điều kiện biên để được hệ phươn trình có dạng  K . P

Đối với bài toán tuyến tính, hệ phương trình có thể giải một cách dễ dàng

Bước 5: Tính toán ứng suất và biến dạng của phần tử

Giải hệ phương trình đã lắp ghép, phân tích và đánh giá kết quả Tính các đại lượng dẫn xuất

Tính sai số và tốc độ hội tụ bài toán So sánh với lời giải tích nếu có

2.2 Phần mềm tính toán Midas/Civil

MIDAS/Civil là một hệ thống tích hợp, được phát triển nhằm mục đích hỗ trợ phân tích kết cấu cầu cũng như các kết cấu phổ thông khác của MIDAS IT, Hàn Quốc Trong số rất nhiều chương trình hỗ trợ mô hình hóa và phân tích kết cấu hiện nay, MIDAS/Civil đang nổi lên như là một chương trình mạnh, có tốc độ tính toán lớn, có thể thực hiện nhiều công việc phân tích kết cấu khác nhau, rất dễ sử dụng và yêu cầu mức đầu tư không cao Chi tiết về các tính năng của chương trình này được khái quát một số tính nổi bật sau:[8]

 Khả năng phân tích:  Quy mô: MIDAS/Civil có khả năng phân tích kết cấu với số phần tử và số nút không hạn chế

 Dạng phân tích: MIDAS/Civil hỗ trợ hầu hết các dạng phân tích cần thiết trong kỹ thuật kết cấu như phân tích tĩnh, phân tích động, phân tích tuyến tính, phân tích phi tuyến biến dạng lớn, phân tích thủy nhiệt, phân tích các quá trình thi công có xét đến sự thay đổi tính năng vật liệu theo thời gian, phân tích co ngót, từ biến…  Dạng phần tử: MIDAS/Civil cung cấp hầu hết các dạng phần tử đủ khả năng mô hình hóa và phân tích các bài toán kết cấu

 Tốc độ tính toán: so với nhiều chương trình khác, tốc độ tính toán của MIDAS/Civil là rất cao do chương trình này áp dụng nhiều thuật toán tính toán hiện đại như giải đa ma trận (multi-frontal solver)

 Giao diện: MIDAS/Civil cung cấp các giao diện đồ họa tiền xử lý và hậu xử lý rất tiện dụng và rất trực quan

Qua tham khảo, xem xét một số phần mềm tính toán, tác giả nhận thấy phần mềm MIDAS/Civil là có giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng, tính chính xác cao đặc biệt là được ứng dụng cho rất nhiều công trình thực tế trên thế giới, vì vậy tác giả quyết định lựa chọn phần mềm MIDAS/Civil phiên bản 2011 để tiến hành mô hình hóa và phân tích kết cấu trong các trường hợp nghiên cứu

2.3 Mô hình hóa kết cấu “Metal Road” trong MIDAS/Civil 2.3.1 Các thông số hình học

Trong giới hạn của đề tài, tác giả đưa ra hướng nghiên cứu cho kết cấu “Metal road” có chiều dài toàn cầu L=60m với các nhịp lần lượt là L1=4m, L2=5m, L3=6m các thông số hình học như sau:

– Bề rộng toàn bộ mặt cầu 7.00m bao gồm: + Bề rộng làn xe chạy: 2x3.00 = 6.00m + Lan can: 2x0.50 = 1.00m – Mặt cắt ngang cầu gồm 2 dầm thép H588x300x12/20, khoảng cách giữa

các tim dầm là 5.8m – Dầm ngang thép H588x300x12/20, khoảng cách giữa các tim dầm ngang

lần lượt là L1=4m, L2=5m, L3=6m – Bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép dày 230mm – Lớp phủ mặt cầu bằng bê tông nhựa dày 50mm – Trụ ống thép nhồi bê tông:

+ D=300mm, t=8mm + D=400mm, t=10mm + D=500mm, t=10mm

(với D là đường kính và t là bề dày của ống thép)

Hình 2-2: Mặt cắt ngang đại diện

2.3.2 Mô hình hóa kết cấu

MIDAS/Civil là phần mềm tính toán chuyên về cầu Việc mô hình không gian sẽ cho kết quả chính xác hơn Dầm dọc, dầm ngang, trụ ống thép nhồi bê tông được mô hình giống với kết cấu thật Sử dụng hệ đơn vị KN-m thống nhất trong mô hình kết cấu và khai báo tải trọng

Hình 2-3: Mô hình hóa kết cấu “Metal Road” trong MIDAS/civil

2.3.3 Thông số vật liệu

Thép được làm từ thép theo tiêu chuẩn ASTM với mác thép là A53 Thép có giới hạn chảy Fy = 240 Mpa, giới hạn kéo đứt Fu = 415 Mpa, mô đun đàn hồi E = 200000 Mpa, hệ số giãn nở hông được xấp xỉ bằng 0.3. 

Bê tông sử dụng bê tông C3000 theo tiêu chuẩn ASTM có cường độ chịu nén 28 ngày là fc’ = 30 Mpa Mô đun đàn hồi của bê tông Ec được xấp xỉ bằng công thức

'

4700 fc Mpa theo tiêu chuẩn ACI (2008) Biến dạng lớn nhất của bê tông khi nén tương ứng với giá trị độ bền fc’ nằm trong khoảng 0.002 ÷ 0.003

 

Giới hạn đứt (Mpa)

Độ giãn dài(%)

Dầm

ASTM

Cọc & cấu

Bảng 2-2: Đặc trưng vật liệu bê tông

Cấu kiện Tiêu chuẩn Mác bê tông Cường độ chịu nén

(Mpa) Mặt cầu & cấu kiện khác

ASTM

C3000 30

2.3.4 Loại phần tử, tiết diện

Phần tử dầm dọc, dầm ngang được mô hình là phần tử beam Tiết diện được xây dựng theo tiêu chuẩn thiết kế JIS (Japan Industrial Standard) mà MIDAS/Civil hỗ trợ

Phần tử trụ ống thép nhồi bê tông là phần tử beam Tiết diện được tính chính xác bằng công cụ Sectional Property Calculator Version V1.5.1 (MIDAS/SPC v1.5.1) Trình tự các bước: Vẽ đúng tỷ lệ trong Autocad rồi export sang SPC Tính đặc trưng trong SPC rồi export sang MIDAS (Midas section file *.sec)

2.3.5 Điều kiện biên

Mô hình hóa các liên kết ngàm tại vị trí chân trụ ống thép nhồi bê tông

Ngoài ra, dầm dọc liên kết với trụ ống thép nhồi bê tông bằng các mối nối thép tại đầu cọc Để mô hình hóa liên kết khớp tại vị trí này tác giả dùng tính năng giải phóng liên kết xoay tại đầu dầm (Beam End Release)

Hình 2-4: Liên kết dầm dọc và trụ ống thép nhồi bê tông

2.3.6 Các tải trọng nghiên cứu

 Tĩnh tải: Tĩnh tải bao gồm trọng lượng của tất cả cấu kiện của kết cấu, phụ kiện và tiện ích công cộng kèm theo, trọng lượng lớp phủ, trọng lượng mặt cầu

Bảng 2-3: Bảng tỷ trọng các vật liệu Vật liệu Trọng lượng riêng (kN/m3) Thép kết cấu 77,09 Bê tông bản mặt cầu 25,00

Lớp phủ 22,50  Hoạt tải: Hoạt tải xe ô tô trên mặt cầu HL93 sẽ gồm một tổ hợp của: xe tải

thiết kế hoặc xe 2 trục thiết kế và tải trọng làn thiết kế

- Xe hai trục thiết kế: Xe hai trục gồm một cặp trục 110.000N cách nhau 1200mm Cự ly chiều ngang của các bánh xe lấy bằng 1800mm

- Tải trọng làn thiết kế: Tải trọng làn thiết kế gồm tải trọng 9,3N/mm phân bố đều theo chiều dọc Theo chiều ngang cầu được giả thiết là phân bố đều trên chiều rộng 3000mm Ứng lực của tải trọng làn thiết kế không xét lực xung kích

Hình 2-5: Đặc trưng của xe tải thiết kế

 Lực xung kích (IM): tính bằng 25% tác động của xe tải thiết kế hay xe hai trục thiết kế Lực xung kích không tính cho tải trọng làn thiết kế Bề rộng mặt cầu được chọn tính toán là 6m, nên số làn xe được khai báo là 2 làn xe

Bảng 2-4: Hệ số làn tương ứng với các trường hợp Số làn chất tải Hệ số làn (m)

1 1,20 2 1,00 3 0,85 >3 0,65

2.3.7 Tổ hợp tải trọng

Tác giả dùng tổ hợp tải trọng cường độ I theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 để tính toán trong luận văn Tổ hợp được lấy theo bảng sau:

Bảng 2-5: Tổ hợp tải trọng cường độ I Stt Tổ hợp tải

TG EQ

1 Cường độ I 1.25 1.50 1.75 - - -

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CHIỀU DÀI NHỊP ĐẾN NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG CỦA KẾT CẤU METAL ROAD 3.1 CÁC TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU

3.1.1 Phạm vi nghiên cứu

Với các phương pháp phân tích kết cấu và phần mềm đã được lựa chọn trong chương 2, trong chương 3, tác giả thực hiện phân tích tính toán một số trường hợp kết cấu “Metal road” có chiều dài nhịp khác nhau Trên cơ sở mô hình các trường hợp nghiên cứu, dùng phần mềm Midas/Civil phân tích xác định nội lực và biến dạng tại một số vị trí điển hình Thông qua việc so sánh nội lực và biến dạng giữa các trường hợp nghiên cứu, luận văn nêu được ảnh hưởng của chiều dài nhịp đến sự phân bố nội lực và biến dạng trong kết cấu “Metal road”

3.1.2 Các sơ đồ nghiên cứu

Trên cơ sở đối tượng và phạm vi nghiên cứu đã biết, tác giả đề xuất các trường hợp về sự thay đổi chiều dài nhịp như sau:

Hình 3-1: Chiều dài nhịp L=4(m)

Hình 3-2: Chiều dài nhịp L=5(m)

Hình 3-3: Chiều dài nhịp L=6(m)

3.2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

Với mỗi đường kính trụ ống thép nhồi bê tông, tác giả sẽ dùng phần mềm MIDAS/CIVIL để mô hình hóa và gán cho từng chiều dài nhịp khác nhau Từ kết quả tính toán, luận văn phân tích và so sánh nội lực, chuyển vị lớn nhất theo các phương trong hệ tọa độ phần tử của dầm và trụ ống thép nhồi bê tông gồm: moment uốn lớn nhất theo phương y (Mymax), moment uốn lớn nhất theo phương z (Mzmax), các lực cắt lớn nhất, ứng suất lớn nhất; các chuyển vị lớn nhất của dầm và trụ CFT Luận văn không xem xét góc xoay vì các giá trị góc xoay không thay đổi nhiều khi chiều dài nhịp thay đổi

3.2.1 Lực dọc lớn nhất (Nmax)

Hình 3-4: Biểu đồ lực dọc Nmax khi chiều dài nhịp L=4(m), đường kính trụ CFT

D=300mm

Hình 3-5: Biểu đồ lực dọc Nmax khi chiều dài nhịp L=5(m), đường kính trụ CFT

D=300mm

Hình 3-6: Biểu đồ lực dọc Nmax khi chiều dài nhịp L=6(m), đường kính trụ CFT

D=300mm

Bảng 3-1: Giá trị lực dọc lớn nhất Nmax (kN) trong trụ CFT

Ghi chú:

Hình 3-8: Biểu đồ quan hệ L - Nmax trong trụ CFT

Nhận xét: Quan hệ giữa chiều dài nhịp L=3+x (x=1÷3) và lực dọc lớn nhất

Nmax trong dầm và trụ CFT được thể hiện như trong hình 3-7, hình 3-8 Giá trị Nmax lớn nhất khi chiều dài nhịp L=6(m), giá trị Nmax nhỏ nhất khi chiều dài nhịp L=4(m) Giá trị Nmax tăng khi chiều dài nhịp tăng dần Khi chiều dài nhịp tăng, giá trị Nmax trong dầm tăng trung bình từ 6.90%-8.27%, giá trị Nmax trong trụ CFT tăng trung bình từ 9.59%-10.97%

3.2.2 Momen lớn nhất theo phương y và phương z (Mymax, Mzmax)

Hình 3-9: Biểu đồ momen Mymax khi chiều dài nhịp L=4(m), đường kính trụ CFT

D=300mm

700800900100011001200130014001500

Ghi chú: