NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHẦN MỀM ANSYS MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU BTCT CHỊU UỐN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2016 - 2017 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHẦN MỀM ANSYS MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU BTCT CHỊU UỐN Mã số đề tài: XD-2017-55 Sinh viên thực hiện, mã số sinh viên, lớp: Nguyễn Trường Giang Mssv:65858 Lớp:58XD8 Nguyễn Lê Huy Mssv: 29758 Lớp 58XD8 Trần Quốc Huy Mssv: 500958 Lớp 58XD8 Lê Đức Toàn Mssv:188358 Lớp 58XD8 Giáo viên hƣớng dẫn: - ThS Trần Thùy Dương - Bộ môn Cơ học Kết cấu – ĐH Xây dựng - Ks Nguyễn Mạnh Hùng – Khoa Xây Dựng – Đại học Vinh Hà Nội, tháng năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2016 - 2017 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHẦN MỀM ANSYS MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU BTCT CHỊU UỐN Mã số đề tài: XD-2017-55 Sinh viên thực hiện, mã số sinh viên, lớp: Nguyễn Trƣờng Giang Mssv:65858 Lớp:58XD8 Nguyễn Lê Huy Mssv: 29758 Lớp 58XD8 Trần Quốc Huy Mssv: 500958 Lớp 58XD8 Lê Đức Toàn Mssv:188358 Lớp 58XD8 Giáo viên hƣớng dẫn: - ThS Trần Thùy Dương - Bộ môn Cơ học Kết cấu – ĐH Xây dựng - Ks Nguyễn Mạnh Hùng – Khoa Xây Dựng – Đại học Vinh Mục lục I- ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI II- TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM ANSYS II.1 Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) II.2 Phần mềm Ansys khả áp dụng mơ kết cấu cơng trình… 11 III- MÔ PHỎNG KẾT CẤU BTCT CHỊU UỐN BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 18 III.1 Ứng xử kết cấu BTCT làm việc chịu uốn 18 III.2 Lựa chọn loại phần tử bê tông, phần tử cốt thép, mơ hình hóa cốt thép bê tơng mơ hình hóa vết nứt 19 III.3 Xác định đặc trưng học bê tông sử dụng Ansys 23 III.4 Mô kết cấu dầm BTCT chịu uốn phần mềm Ansys……… 34 III.5 Mô kết cấu BTCT chịu uốn phần mềm Ansys………… 41 IV- NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM, BẢN BTCT CHỊU UỐN VÀ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ 47 IV.1 Mẫu thí nghiệm vật liệu chế tạo 47 IV.2 Sơ đồ thí nghiệm bố trí dụng cụ đo 49 IV.3 Kết thí nghiệm 51 IV.4 Kiểm chứng kết mô số phần mềm Ansys…………… 54 IV.5 Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến ứng xử kết cấu 59 V- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 I- ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Kết cấu BTCT loại kết cấu sử dụng phổ biến cơng trình xây dựng Nhiều đề tài nghiên cứu làm việc kết cấu BTCT, kết cấu làm việc chịu uốn sàn, dầm, tiến hành Các nghiên cứu ứng xử kết cấu BTCT làm việc chịu uốn thường tiến hành phương pháp nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu mô Hiện phương pháp mô số (numerical simulation method) dựa sơ phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method) nhằm nghiên cứu làm việc kết cấu BTCT phương pháp nghiên cứu hiệu quả, hợp lý Bên cạnh chương trình mơ nhà nghiên cứu tự xây dựng nay, chương trình phân tích kết cấu ANSYS, ABAQUS, DIANA, MIDAS đáp ứng yêu cầu cho việc nghiên cứu làm việc giai đoạn đàn hồi, sau đàn hồi, phá hoại Ở nước ta nay, chương trình ANSYS ứng dụng công tác mô làm việc kết cấu cơng trình xây dựng Một số tài liệu, sách hướng dẫn mức độ việc sử dụng phần mềm ANSYS xuất nhiên việc áp dụng phần mềm việc mô làm việc kết cấu BTCT hạn chế, người sử dụng gặp nhiều khó khăn Điều xuất phát từ vấn đề như: ứng xử kết cấu BTCT , tạo thành bê tông thép, phức tạp chịu ảnh hưởng nhiều tham số khác nhau, tài liệu liên quan đến mơ kết cấu BTCT ANSYS hạn chế Từ thực tế trên, việc nghiên cứu, áp dụng phần mềm ANSYS việc mô làm việc kết cấu BTCT cần thiết, sở cho công tác nghiên cứu kết cấu BTCT cần sử dụng phần mềm công tác mô Mục tiêu nghiên cứu đề tài gồm:  Nghiên cứu tổng quan phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phần mềm ANSYS công tác mô  Nghiên cứu bước tiến hành mô kết cấu BTCT làm việc chịu uốn phần mềm ANSYS Đề xuất lựa chọn dạng mơ hình phần tử, thông số đặc trưng cần thiết cho công tác mô dựa sở kiểm chứng kết mô so với kết thực nghiệm Đối tượng nghiên cứu kết cấu dầm BTCT kết cấu BTCT làm việc chịu uốn Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu mô số phần mềm ANSYS nghiên cứu thực nghiệm Trong nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò kiểm chứng kết nghiên cứu mô II- TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM ANSYS II.1 Cơ sở phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phương pháp tổng quát hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp toán kỹ thuật khác Cơ sở phương pháp làm rời rạc hóa miền liên tục phức tạp toán Các miền liên tục chia thành nhiều miền (phần tử) Các miền liên kết với điểm nút Trên miền này, dạng biến phân tương đương với toán giải dựa hàm xấp xỉ phần tử Các hàm xấp xỉ ví dụ hàm chuyển vị phải thỏa mãn điều kiện liên tục chuyển vị biên phần tử tiếp xúc Hình 2-1 Hình ảnh minh họa phƣơng pháp PTHH Để khai thác hiệu phần mềm PTHH có tự xây dựng lấy chương trình tính tốn PTHH, ta cần phải nắm sở lý thuyết, kỹ thuật mơ hình hố bước tính phương pháp Các yêu cầu để sử dụng phương pháp PTHH cho việc phân tích làm việc kết cấu cơng trình minh họa hình Hình 2-2 Cấu trúc phƣơng pháp PTHH  Quy tắc phân chia phần tử Việc chia miền V thành phần tử ve phải thoả mãn hai quy tắc sau: - Hai phần tử khác có điểm chung nằm biên chúng Điều loại trừ khả giao hai phần tử Biên giới phần tử điểm, đường hay mặt - Tập hợp tất phần tử ve phải tạo thành miền gần với miền V cho trước tốt Tránh không tạo lỗ hổng phần tử v1 v2 v2 v1 v1 biên giới v2 biên giới biên giới Hình 2-3 Các dạng biên chung phần tử  Các dạng phần tử hữu hạn - Phần tử chiều Phần tử bậc Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Hình 2-4 Các dạng phần tử hữu hạn chiều - Phần tử hai chiều Phần tử bậc hai Phần tử bậc Phần tử bậc ba Hình 2-5 Các dạng phần tử hữu hạn hai chiều - Phần tử ba chiều Phần tử bậc ba Phần tử bậc hai Phần tử bậc Hình 2-6 Các dạng phần tử hữu hạn ba chiều  Một số dạng phần từ quy chiếu - Phần tử qui chiếu chiều -1  -1  Phần tử bậc hai Phần tử bậc -1 -1 /2 /2 Phần tử bậc ba Hình 2-7 Một số dạng phần tử quy chiếu chiều - Phần tử qui chiếu hai chiều    1 1 v 0,0 r  Phần tử bậc /2 v 0,0 /3 ,1 /2 /2 r /2 ,2 /3 /3  Phần tử bậc hai ,1 /3 /3 vr /3 0,0 /3 /3  Phần tử bậc ba Hình 2-8 Một số dạng phần tử quy chiếu hai chiều  - Phần tử qui chiếu ba chiều Phần tử tứ diện    0,0,1 0,0,1  vr 0,0, 0,1,  1,0, Phần tử bậc 0,0,1  vr  vr 0,1,  0,1, 1,0, Phần tử bậc hai 1,0,  Phần tử bậc ba Hình 2-9 Một số dạng phần tử quy chiếu tứ diện - Phần tử sáu mặt   0,1,1 0,1,1 vr 0,1,1 vr vr 1,1, Phần tử bậc      1,1, Phần tử bậc hai  1,1, Phần tử bậc ba  Hình 2-10 Một số dạng phần tử quy chiếu sáu mặt  Lực, chuyển vị, biến dạng ứng suất - Có thể chia lực tác dụng ba loại ta biểu diễn chúng dạng véctơ cột: + Lực thể tích T f : f = f[ fx, fy , fz] + Lực diện tích T : T = T[ Tx, Ty , Tz]T + Lực tập trung Pi: Pi= Pi [ Px, Py , Pz]T - Chuyển vị điểm thuộc vật ký hiệu bởi: u = [u, v, w] T Các thành phần tenxơ biến dạng ký hiệu bởi:  = [x , y, z, yz, xz, xy] T - Các thành phần tenxơ ứng suất ký hiệu :  = [x ,  y, z,  yz,  xz,  xy] T  Sơ đồ tính tốn phƣơng pháp phần tử hữu hạn Một chương trình tính PTHH thường gồm bước thể qua sơ đồ sau: Hình 2-11 Sơ đồ tính tốn phƣơng pháp phần tử hữu hạn 10 Hình 4-3 Thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu nén mơ đun đàn hồi Vật liệu thép: Thí nghiệm kéo xác định thông số cường độ mẫu thép sử dụng chế tạo dầm sàn BTCT tiến hành Kết thí nghiệm cho thấy mẫu thép đường kính lớn 10mm thuộc nhóm CII mẫu thép đường kính nhỏ 10mm thuộc nhọm C1 Hình 4-4 Thí nghiệm kéo xác định cƣờng độ thép IV.2 Sơ đồ thí nghiệm bố trí dụng cụ đo  Sơ đồ thí nghiệm mẫu dầm BTCT Các mẫu dầm thí nghiệm theo sơ đồ dầm đơn giản kê lên gối tựa cố định gối tựa di động Dầm chịu tác dụng hai lực tập trung tạo cấu phân lực Để tạo tải trọng tác dụng lên dầm, sử dụng kích thủy lực (loại 20 tấn) kết hợp hệ phân tải Giá trị tải trọng tập trung đầu kích xác định thông qua 01 dụng cụ đo lực điện tử (Load Cell) kết nối với xử lý số liệu Data – Logger TDS 530 (do hãng Tokyo Sokki – Nhật Bản sản xuất) 49 Độ võng dầm xác định thông qua 03 dụng cụ đo chuyển vị LVDT bố trí điểm, điểm gối điểm dầm Trong trường hợp độ võng f vị trí sàn xác định theo công thức: f  f2  f1  f P P Hình 4-5 Sơ đồ thí nghiệm dầm BTCT bố trí dụng cụ đo  Sơ đồ thí nghiệm BTCT Sơ đồ thí nghiệm sàn trình bày hình 3.5.Sàn thí nghiệm theo kiểu kê bốn góc Sàn chịu tác dụng 01 tải trọng tập trung ô Tải trọng tác dụng tạo cách sử dụng kích thủy lực trạm bơm dầu Các dụng cụ đo sử dụng thí nghiệm bao gồm: 01 dụng cụ đo lực (load cell) 05 dụng cụ đo chuyển vị LVDT Các dụng cụ đo lực đo chuyển vị kết nối với thu thập xử lý số liệu Data logger cho phép ghi nhận tự động đồng thời số liệu lực chuyển vị 50 Hình 4-6 Sơ đồ thí nghiệm BTCT Hình 4-7 Hình ảnh minh họa thí nghiệm BTCT IV.3 Kếtquả thí nghiệm  Kết thí nghiệm dầm BTCT Quan hệ tải trọng độ võng mẫu dầm thí nghiệm D1 D2 trình bày hình vẽ Có thể thấy, biểu đồ quan hệ tải trọng độ võng thu phù hợp với biểu đồ đặc trưng mẫu dầm BTCT bị phá hoại uốn 51 Từ biểu đồ xác định giai đoạn làm việc đặc trưng dầm BTCT tải trọng gây nứt, tải trọng gây chảy dẻo cốt thép, tải trọng cực hạn phá hoại dầm … Hình 4-8 Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng mẫu dầm BTCT Cơ chế phá hoại dầm: mẫu dầm bị phá hoại uốn (cốt thép bị chảy dẻo bê tông vùng nén bị phá vỡ) Hình ảnh vết nứt mẫu dầm thí nghiệm minh họa hình vẽ sau: Hình 4-9 Hình ảnh dầm D1 sau phá hoại 52 Hình 4-10 Hình ảnh dầm D2 sau phá hoại  Kết thí nghiệm BTCT Biểu đồ quan hệ tải trọng độ võng sàn thí nghiệm trình bày hình vẽ sau Tương tự quan hệ tải trọng –độ võng dầm BTCT, từ biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng xác định giai đoạn làm việc đặc trưng sàn thời điểm hình thành vết nứt, thời điểm cốt thép bị chảy dẻo thời điểm bị phá hoại Hình 4-11 Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng BTCT 53 Bản sàn BTCT bị phá hoại uốn Hình ảnh phá hoại sàn trình bày minh họa hình sau Hình 4-12 Hình ảnh vết nứt vùng chịu kéo BTCT thí nghiệm IV.4 Kiểm chứng kết mô số phần mềm Ansys  Kiểm chứng kết mô dầm BTCT Trước hết, để kiểm tra tính phù hợp việc lựa chọn kích thước phần tử mơ phỏng, nhóm nghiên cứu thiết lập mối quan hệ tải trọng – độ võng mẫu dầm BTCT thay đổi kích thước phần tử 30mm , 40mm 50mm Kết thu cho thấy tính hội tụ kết Kết cho thấy việc lựa chọn kích thước phần tử 50 mm phù hợp nghiên cứu 54 Hình 4-13 Ảnh hƣởng kích thƣớc phần tử đến kết mơ dầm BTCT Hình 4-14 Hình ảnh độ võng dầm Hình 4-15 Hình ảnh vết nứt dầm 55 Để kiểm chứng phù hợp kết mô phỏng, tiến hành so sánh biều đồ quan hệ tải trọng – độ võng thu từ mô từ thực nghiệm Kết thu cho thấy, mô ANSYS cho kết phù hợp với kết nghiên cứu thực nghiệm Hình 4-16 So sánh kết mô kết thực nghiệm dầm BTCT  Kiểm chứng kết sàn BTCT Tương tự dầm BTCT, kích thước phần tử bê tơng mô bàn sàn BTCT lựa chọn 50 mm dựa kết so sánh ảnh hưởng kích thước phần tử hình 56 Hình 4-17 Ảnh hƣởng kích thƣớc phần tử đến kết mơ BTCT Các hình vẽ biến dạng sàn phân bố vết nứt thể hình ảnh Hình 4-18 Hình ảnh độ võng 57 Hình 4-19 Hình ảnh vết nứt Kết so sánh biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng thu mô thực nghiệm cho thấy tính phù hợp kết mơ Hình 4-20 So sánh kết mơ kết thực nghiệm BTCT 58 IV.5 Nghiên cứu ảnh hƣởng số thông số đến ứng xử kết cấu Trong mục này, sử dụng mơ hình xây dựng kiểm chứng thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến làm việc kết cấu dầm  Ảnh hƣởng cƣờng độ bê tông Các kết thu cho thấy tăng cường độ bê tơng làm chậm lại hình thành vết nứt tăng độ cứng dầm Kết phù hợp với việc phân tích định tính làm việc dầm có xét đến yếu tố ảnh hưởng Hình 4-21 Ảnh hƣởng cƣờng độ bê tông đến quan hệ tải trọng – độ võng dầm BTCT Hình 4-22 Ảnh hƣởng cƣờng độ bê tông đến quan hệ tải trọng – độ võng BTCT 59  Ảnh hƣởng hàm lƣợng cốt thép Có thể thấy, tăng hàm lượng cốt thép tải trọng gây nứt dầm BTCT gần không tăng Ảnh hưởng cốt thép thể rõ đến độ cứng dầm Cùng giá trị tải trọng độ võng dầm giảm đáng kể tăng hàm lượng cốt thép Hình 4-23 Ảnh hƣởng hàm lƣợng cốt thép (đối với dầm BTCT) Hình 4-24 Ảnh hƣởng hàm lƣợng cốt thép (đối với BTCT) 60 V- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Phần tử SOLID65 LINK8 chọn phần mềm ANSYS phù hợp để mô tả chế chịu lực trình phá hoại kết cấu bê tơng ,kết cấu thép.Nó bổ sung tham số mơ với tượng kéo nứt vật liệu hợp lý với giai đoạn làm việc giai đoạn làm việc kết cấu BTCT thực tế Các yếu tố đầu vào ANSYS cần thiết phải làm thí nghiệm để xác định thông số nhập vào mô hình cho phần tử SOLID65 : mối quan hệ đường cong ứng suất biến dạng , hệ số mô đun đàn hồi, hệ số poison hệ số giảm yếu nứt kéo ( mặc định 0,6 ).Với thơng số lại để thí nghiệm tính xác khó khăn.Qua tài liệu tham khảo nhóm đề xuất số liệu thơng số lại sau : + Đối với dầm : ( M300) Hệ số truyền lực cắt lấy khoảng : đến , với thể vết nứt thể vết nứt thơ Nhóm đề xuất lấy 0,2 vết nứt mở , với vết nứt đóng 0,8 Ứng suất nứt kéo trục :nó vào mơ đun nứt bê tơng Nhóm đề xuất lấy 3,36 Ứng suất nén vỡ : dựa cường độ nén trục Nhóm đề xuất lấy 25 + Đối với sàn: ( M300 ) Hệ số truyền lực cắt lấy khoảng: đến , với thể vết nứt thể vết nứt thơ Nhóm đề xuất lấy 0,5 vết nứt mở , với vết nứt đóng Ứng suất nứt kéo trục :nó vào mô đun nứt bê tông Nhóm đề xuất lấy 3,36 Ứng suất nén vỡ: dựa cường độ nén trục Nhóm đề xuất lấy 40 + Việc lựa chọn thông số phụ thuộc nhiều vào cấp độ bền bê tông, nhóm đề xuất thơng số với bê tơng M200 M400 sau : Dầm mác BT M200: 0,4 - 0,8 - 2,6 - 22 Dầm mác BT M400: 0,4 - 0,8 - 3,7 - 30 61 Sàn mác BT M200: 0,5 - - - 35 Sàn mác BT M400: 0,5 - - 3,8 - 42 Sự làm việc kết cấu BTCT phụ thuộc nhiều vào lực dính BT CT giới hạn nghiên cứu nhóm thực phần mềm với lực dính hồn tồn điều yếu tố ảnh hưởng đến kết việc mô số Kết nghiên cứu ảnh hưởng cường độ bê tông hàm lượng cốt thép chịu kéo đến ứng xử dầm BTCT cho thấy: thay đổi cường độ bê tông ảnh hưởng nhiều đến tải trọng gây nứt, độ cứng dầm thay đổi; tăng hàm lượng cốt thép ảnh hưởng đến độ cứng dầm mà ảnh hưởng đến tải trọng hình thành vết nứt 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ACI 440.2R, 2002 Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, Reported by ACI Committee 440, American Concrete Institute ACI 318-2005 (2005), Building Code Requirements for Structural Concrete Farmington Hills, MI EUROCODE 2-1992-1-1 (2003), Design for Concrete Structures, Lawrence C.B., 2006, Composites for Construction: Structural Design and FRP Materials, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey FIP Bulletin No14, 2006, Externally Bonded FRP Reinforcement for RC structures, Manh Hung Nguyen, Thuy Duong Tran, 2016, Experimental Studty on Flexural Strengthening of One – Way Reinforced Concrete Slabs Using Carbon and Glass Fiber Reinforced Polymer Sheets, The 7th International Conference of Asian Concrete Federation (ACF 2016), Hà nội, Việt Nam TCVN 3118:1993 Bê tông nặng Phương pháp xác định cường độ chịu nén TCVN 5574: 2012 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế 63 ... sử dụng Ansys 23 III.4 Mô kết cấu dầm BTCT chịu uốn phần mềm Ansys …… 34 III.5 Mô kết cấu BTCT chịu uốn phần mềm Ansys ……… 41 IV- NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM, BẢN BTCT CHỊU UỐN... kiểm chứng kết mô so với kết thực nghiệm Đối tượng nghiên cứu kết cấu dầm BTCT kết cấu BTCT làm việc chịu uốn Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu mô số phần mềm ANSYS nghiên cứu thực nghiệm... mềm ANSYS việc mô làm việc kết cấu BTCT cần thiết, sở cho công tác nghiên cứu kết cấu BTCT cần sử dụng phần mềm công tác mô Mục tiêu nghiên cứu đề tài gồm:  Nghiên cứu tổng quan phương pháp phần