NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP CONG HAI CHIỀU DƯƠNG NHIỀU LỚP. LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI LÂM THANH QUANG KHẢI NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP CONG HAI CHIỀU DƯƠNG NHIỀU LỚP CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP MÃ SỐ : 62.58.02.08 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 Luận án hoàn thành Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Thanh Huấn GS.TS Nguyễn Tiến Chương Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp trường tại: Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Vào hồi: .ngày tháng .năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện quốc gia, Thư viện trường Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội DANH MỤC CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Lâm Thanh Quang Khải (2016), Một số phương pháp xác định trạng thái ứng suất biến dạng kết cấu mái vỏ mỏng bêtơng cốt thép Tạp chí xây dựng (ISSN 0866-0762) - Bộ xây dựng, số tháng 6/2016, trang (165-168) Lâm Thanh Quang Khải, Lê Thanh Huấn (2016), Khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải nhiều lớp theo lý thuyết vỏ dị hướng theo sơ đồ lớp tương đương Tạp chí xây dựng (ISSN 0866-0762) - Bộ xây dựng, số tháng 8/2016, trang (190-194) Lâm Thanh Quang Khải, Lê Thanh Huấn, Nguyễn Tiến Chương (2016), Trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải cong hai chiều dương BTCT lớp với điều kiện biên khác Tạp chí xây dựng (ISSN 0866-0762) - Bộ xây dựng, số tháng 10/2016, trang (136-140) Lâm Thanh Quang Khải (2018), Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải bêtông cốt thép hai lớp thực nghiệm Tạp chí xây dựng (ISSN 0866-8762) - Bộ xây dựng, số tháng 3/2018, trang (58-61) Lam Thanh Quang Khai, Do Thi My Dung (2018), Stress-strain in multi-layer reinforced concrete doubly curved shell roof 15th World Conference On Applied Science, Engineering And Technology, 12/2018, India (ISBN: 978-81-939929-2-0) MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Trong tính tốn mái vỏ mỏng bêtơng cốt thép (BTCT), với loại mái vỏ mỏng như: vỏ cong hay hai chiều, vỏ trụ, vỏ cầu…theo giải tích, phương pháp số, thực nghiệm Với mái vỏ cong hai chiều loại vỏ đặc biệt thay đổi độ cong vỏ, loại kết cấu biên khác ảnh hưởng lớn đến ứng suất biến dạng vỏ có cơng trình nghiên cứu loại kết cấu Một số nghiên cứu điển hình loại vỏ cong hai chiều, có nghiên cứu giải tích giới thiệu Vlasov [63], Lê Thanh Huấn [12][13][15][16][65], Ngô Thế Phong [21] Một số nghiên cứu phương pháp số: Ahmad cộng [27], Nguyễn Hiệp Đồng [9][11], Harish cộng [40], Stefano cộng [60] Một số nghiên cứu thực nghiệm Lê Thanh Huấn [65] nghiên cứu Meleka cộng [51], Sivakumar [59]… Tuy nhiên thực tế sử dụng loại mái vỏ cong hai chiều Việt Nam ngồi lớp bêtơng vỏ chịu lực cịn có lớp khác bên lớp chống thấm, lớp chống nóng hay lớp gia cường, gia cố sửa chữa vỏ tạo nên kết cấu vỏ nhiều lớp Trong nghiên cứu giải tích giới thiệu Ambarsumian [26][66], Lê Thanh Huấn [68], An-dray-ep Nhi-me-ropski [69] với giả thiết lớp vỏ dính chặt nên đưa vỏ nhiều lớp thành vỏ lớp tương đương Ngoài nghiên cứu vỏ composite lớp hay nghiên cứu dao động hay ổn định vỏ, nghiên cứu vỏ nhiều lớp giới thiệu tác giả Rao [56], Mohan [50], Nguyen Dang Quy cộng [52], Ferreira cộng [34], Francesco cộng [35] Tuy nhiên nghiên cứu chưa thật rõ ràng đầy đủ tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng, khả tách trượt lớp vỏ cịn phức tạp tính tốn Tuy nhiên tính tốn kết cấu mái vỏ mỏng BTCT lớp hay nhiều lớp tồn nhiều vấn đề cần nghiên cứu giải như: Phải giải hệ phương trình vi phân bậc cao không dễ dàng cho biết rõ trạng thái ứng suất lớp mái vỏ, chưa có nhiều nghiên cứu thực nghiệm loại mái vỏ BTCT lớp hay nhiều lớp… Từ tham khảo nguồn tài liệu ngồi nước có nghiên cứu ứng xử mái vỏ BTCT nhiều lớp, khả tách trượt lớp mái vỏ thoải nhiều lớp thực nghiệm có sử dụng lớp bêtông cốt sợi kim loại phân tán lớp vỏ Vì vậy, tác giả thấy cần thiết nghiên cứu đề tài: "Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải bêtông cốt thép cong hai chiều dương nhiều lớp" để làm sáng tỏ vấn đề vỏ nhiều lớp thiết thực, vừa có ý nghĩa khoa học, vừa có ý nghĩa thực tiễn 2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ứng suất biến dạng mái vỏ thoải BTCT cong hai chiều dương hai lớp Nghiên cứu ảnh hưởng tham số đến ứng suất biến dạng mái vỏ thoải hai lớp xem xét khả tách trượt lớp Đối tượng phạm vị nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: mái vỏ thoải BTCT cong hai chiều dương hai lớp mặt vuông  Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải bêtông cốt thép hai lớp tác động tải trọng phân bố giai đoạn trước bêtông xuất vết nứt, trường hợp vỏ có chiều dày khơng đổi Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp phân tích phần mềm Sap2000 mơ số ANSYS Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành với vỏ làm vật liệu thật bêtông cốt thép Các phương pháp tổng hợp, phân tích so sánh để đánh giá kết Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài  Ý nghĩa khoa học: luận án góp phần làm sáng tỏ ứng suất biến dạng khả tách trượt lớp vỏ dạng kết cấu mái vỏ thoải bêtông cốt thép cong hai chiều dương nhiều lớp  Ý nghĩa thực tiễn: toán mái vỏ thoải cong hai chiều dương làm vật liệu BTCT nhiều lớp chịu tải trọng sử dụng, với cách tính tốn thực nghiệm mơ số, luận án rút số nhận xét mặt kỹ thuật nên có ý nghĩa thực tiễn Kết cấu luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, kiến nghị phần phụ lục Luận án trình bày gồm chương, nội dung cụ thể chương sau: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu mái vỏ thoải bêtông cốt thép cong hai chiều Chương 2: Lý thuyết tính mái vỏ thoải BTCT cong hai chiều dương nhiều lớp Chương 3: Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải bêtông cốt thép hai lớp thực nghiệm Chương 4: Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải hai lớp mô số khảo sát tham số Những đóng góp mới luận án Đóng góp kết nghiên cứu thực nghiệm ứng xử mái vỏ thoải cong hai chiều dương hai lớp bêtông bêtông cốt sợi thép phân tán, thông qua việc xây dựng biểu đồ: biến dạng, ứng suất, nội lực, độ võng, quan hệ tải trọng - biến dạng trượt Đánh giá mức độ liên kết lớp vỏ đến giai đoạn trước bêtông xuất vết nứt Trên sở nghiên cứu thực nghiệm, mô số ứng dụng phần mềm ANSYS, rút kết luận mái vỏ thoải cong hai chiều dương làm lớp vật liệu bêtông không bị trượt, có khả làm việc mơ hình vỏ lớp tương đương với điều kiện biên tải trọng phù hợp Sử dụng mơ hình xây dựng, nghiên cứu ảnh hưởng tham số vỏ đến trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải, gồm: bề dày lớp, vị trí lớp bêtơng sợi, hàm lượng sợi bêtông… PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP CONG HAI CHIỀU 1.1 Tổng quan nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm mái vỏ thoải bêtông cốt thép cong hai chiều lớp 1.1.1 Các nghiên cứu lý thuyết 1.1.1.1 Các nghiên cứu giải tích Để giải toán mái vỏ thoải BTCT, Vlasov [63] thiết lập hệ phương trình vi phân với hàm ứng suất chuyển vị cần tìm  w chịu tải trọng tác dụng thẳng đứng qx, y  :     2 4  w    w  w  k1  k 2  D  2    qx, y  x y  x  x  y  y     2w  4  4  4 2w   0    Eh k  k  x x x y y y   (1.1) Trên sở đó, Lê Thanh Huấn [15][65], Bai cốp V.N [67] dùng phương pháp điểm (bán giải tích) để giải hệ phương trình Vlasov tìm giá trị nội lực, ứng suất vỏ thoải cong hai chiều dương mặt hình chữ nhật cho điều kiện biên khác Ngoài để giải hệ phương trình Vlasov, Ngơ Thế Phong [21] dùng phương pháp chuỗi lượng giác kép Navier, chuỗi lượng giác đơn Lévi, phương pháp lý thuyết mô men tổng quát chịu tải trọng phân bố để xác định giá trị nội lực mô men uốn cho vỏ cong 1.1.1.2 Các nghiên cứu theo phương pháp số a) Phương pháp xấp xỉ liên tiếp Bản chất phương pháp giải phương trình vi phân bậc tổng quát có dạng:  wi  wi wi  wi 2w w 2w w  w n   wi                     i i i i i         i 1       p   Phương pháp xấp xỉ liên tiếp tác giả Nguyễn Hiệp Đồng [9][10][11] sử dụng luận án tiến sĩ báo đăng nước b) Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp dùng phần tử kiểu phẳng: dùng phần tử tam giác phẳng, phần tử tứ giác phẳng trình bày đầy đủ tài liệu: Richard [55], Lee cộng [49] Phương pháp dùng phần tử vỏ cong: nhằm tiệm cận tốt hình học kết cấu vỏ, phân tích dùng phần tử vỏ cong, có nhiều tài liệu trình bày đầy đủ: [31][36][66] Nhờ ứng dụng phương pháp PTHH, với hỗ trợ phương tiện máy tính, nhiều dạng kết cấu vỏ mỏng nhiều tác giả nước nghiên cứu phát triển, như: Bandyopadhyay cộng [29] phân tích uốn cong kết cấu vỏ cong hai chiều Các trường chuyển vị làm xấp xỉ đa thức Đỗ Đức Duy [8], Đặng Văn Hợi [18], Trần Anh Tú [17] làm sáng tỏ thêm ứng suất biến dạng mái vỏ thoải cong hai chiều, giải toán phức tạp mà trước gần chưa có lời giải tác động nhiệt độ khơng khí, ảnh hưởng kết cấu biên… Hyuk Chun Noh [39] nghiên cứu khả giới hạn kết cấu vỏ mỏng bêtơng cốt thép quy mơ lớn, có xét đến phi tuyến hình học phi tuyến vật liệu vỏ Nilophar cộng [53] sử dụng phương trình giải Vlasov để tính tốn nội lực mơ men uốn cho vỏ thoải cong hai chiều dương Harish cộng [40] nghiên cứu ứng suất biến dạng vỏ bêtông cong hai chiều phần mềm Sap2000 chịu tải trọng phân bố cho vỏ Evy Verwimp cộng [33] dự đoán tượng uốn cong vỏ mỏng bêtông cốt lưới dệt, xem xét ảnh hưởng đến tải trọng tới hạn phi tuyến tính hình học phi tuyến vật liệu vỏ Ngồi nghiên cứu ứng suất biến dạng vỏ, Stefano [60] nghiên cứu phương pháp thiết kế nhằm giảm thiểu việc sử dụng vật liệu vỏ hình dạng vỏ, điều kiện biên, tải trọng… 1.1.2 Các nghiên cứu thực nghiệm Lê Thanh Huấn [65] nghiên cứu ứng suất biến dạng vỏ thoải cong hai chiều dương mặt hình vng với mơ hình vật liệu kính hữu Gần Meleka cộng [51] thực để đánh giá việc sửa chữa tăng cường cho vỏ bêtông cốt thép với lỗ hở vật liệu sợi thủy tinh gia cố polymer (GFRP) Sivakumar cộng [59] nghiên cứu ứng suất chuyển vị vỏ cong với mặt chữ nhật, độ vồng đỉnh vỏ 80mm, dầm biên 40×50mm, với độ dày vỏ 20mm 25mm Jeyashree cộng [45] nghiên cứu ứng suất chuyển vị vỏ thoải mặt hình vng cong hai chiều kích thước 68×68cm chịu tải trọng tập trung đỉnh vỏ Tương tự, Praveenkumar cộng [54] nghiên cứu chuyển vị tải trọng vỏ cong hai chiều kích thước 110×110cm, chiều cao đỉnh vỏ 9cm với độ dày 20cm 25cm Nhận xét chung nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm vỏ lớp: nghiên cứu lý thuyết hay thực nghiệm mái vỏ thoải cong hai chiều dừng lại loại mái vỏ thoải lớp, chưa đề cập đến dạng kết cấu vỏ nhiều lớp Vì luận án tiếp tục tập trung vào nghiên cứu mái vỏ thoải cong hai chiều nhiều lớp 1.2 Tổng quan nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm mái vỏ thoải bêtông cốt thép cong hai chiều nhiều lớp Từ hệ phương trình Vlasov, Ambarsumian [26] xây dựng lý thuyết vỏ nhiều lớp dị hướng cho toán vỏ mỏng xem tản lý thuyết cho nghiên cứu vỏ nhiều lớp Ambarsumian đến kết luận lớp làm việc giai đoạn đàn hồi, không trượt lên cho phép ta khơng cịn cần thiết xem xét ứng suất biến dạng lớp riêng biệt Rao [56] xây dựng ma trận độ cứng cho vỏ thoải dị hướng nhiều lớp mặt chữ nhật, trạng thái ứng suất biến dạng vỏ tính dựa bề mặt trung gian vỏ Sau này, Lê Thanh Huấn [14][68] nghiên cứu dựa vào lý thuyết vỏ nhiều lớp dị hướng Ambarsumian tiếp tục xây dựng cho toán mái vỏ thoải BTCT cong hai chiều dương nhiều lớp với giả thiết lớp dính chặt Năm 2001, An-dray-ep Nhi-me-rop-ski [69] cơng bố cơng trình nghiên cứu vỏ nhiều lớp dị hướng, chịu uốn, ổn định dao động với cách tiếp cận khác với lý thuyết vỏ Ambarsumian Các phương trình cân liên tục viết dạng tense Trong nghiên cứu Carrera [30] nghiên cứu vỏ nhiều lớp, nhiên nghiên cứu lý thuyết chung, chưa đề cập đến khả tách trượt lớp vỏ Francesco cộng [35] nghiên cứu vỏ thoải cong hai chiều dương nằm đàn hồi Winkler-Pasternak phương pháp sai phân tổng quát Hiện từ nhiều nguồn tài liệu nước nước ngồi chưa tìm thấy cơng trình nghiên cứu thực nghiệm ứng xử mái vỏ thoải có xem xét khả tách trượt lớp mái vỏ cong hai chiều dương nhiều lớp vật liệu BTCT với kích thước lớn Để làm sáng tỏ ứng suất biến dạng mái vỏ thoải BTCT cong hai chiều dương nhiều lớp xem xét khả tách trượt lớp Luận án đưa nội dung nghiên cứu sau 1.3 Các nội dung cần nghiên cứu luận án  Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải nhiều lớp theo lời giải giải tích theo lời giải phương pháp PTHH thông qua phần mềm Sap2000  Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải hai lớp thực nghiệm  Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải hai lớp mô số  Nghiên cứu ảnh hưởng bề dày lớp, vị trí lớp bêtơng sợi đến trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải xem xét khả tách trượt lớp vỏ mô số CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH MÁI VỎ THOẢI BÊTƠNG CỐT THÉP CONG HAI CHIỀU DƯƠNG NHIỀU LỚP 2.1 Các khái niệm ứng dụng mái vỏ mỏng 2.1.1 Các khái niệm mái vỏ mỏng Mái vỏ mỏng bêtông cốt thép: loại mái bêtông cốt thép tạo mặt cong hay hai chiều, có chiều dày hv  a (với 500 a : chiều dài cạnh ngắn) [15] Mái vỏ thoải cong hai chiều: Mái vỏ BTCT cong hai chiều gọi thoải độ dốc điểm mặt vỏ so với mặt phẳng đáy không 180 tỉ số độ vồng f lớn (chiều cao từ tâm mặt chứa góc tới đỉnh mái vỏ) cạnh ngắn f  [15] a 2.1.2 Phạm vi ứng dụng ưu điểm mái vỏ mỏng Mái vỏ mỏng BTCT: sử dụng rộng rãi cơng trình xây dựng Mái vỏ mỏng BTCT dạng kết cấu khơng gian có ưu điểm [15]: Phù hợp với cơng trình độ lớn, khơng gian lớn khơng có cột trung gian So sánh với phương án sử dụng kết cấu phẳng có độ, mái vỏ mỏng có trọng lượng thân giảm 20-30% Tạo nên công trình kiến trúc có hình dáng phong phú, ấn tượng nhờ mặt cong quy mô lớn mái vỏ 2.1.3 Mái vỏ thoải cong hai chiều xây dựng ngồi nước Bảng 2.1: Các cơng trình mái vỏ thoải cong hai chiều xây dựng TT Tên cơng trình Cơng trình Wiesbaden Vị trí xây Kích thước dựng mặt Đức 3030m Dày vỏ 9cm Năm hoàn thành 1931 Nhà máy cao su Brynmawr Anh 18.925.9m 9cm 1951 Chợ Smithfield Poultry Anh 38.168.5m 7.6cm 1963 Hội trường Đại học Quốc Gia HN Việt Nam 1818m 7cm 1996 2.2 Lý thuyết tính mái vỏ thoải cong hai chiều dương lớp 2.2.1 Hệ phương trình Vlasov [63]     2 4  w    w  w  k1  k 2  D  2    qx, y  x y x y y   x   2w  4  4  4 2w   0    Eh k  k  x x x y y y   (2.5) Có nhiều phương pháp giải hệ phương trình vi phân bậc (2.5), nhiên không hẳn đơn giản Phức tạp chỗ, mái vỏ thoải BTCT, phải tìm hai hàm  w cho chúng vừa thoả mãn hệ phương trình (2.5) lại vừa thoả mãn điều kiện biên khác 2.2.2 Tính tốn vỏ theo trạng thái phi mô men 2.2.2.1 Dùng chuỗi lượng giác kép Navier [21] Nội lực phi mô men vỏ xác định theo công thức (2.7): N1  N2  16q2  mk 2 16q 2 m n  nk m n n mx ny sin sin 2 a b m  k  n y x  m mx ny sin sin 2 a b m  k  n y x  (2.7) 2.2.2.2 Dùng chuỗi lượng giác đơn Lévi [21] Nội lực phi mô men vỏ xác định theo công thức (2.9): N1   N2  4qR  4qR  Ch y  nChn b sin  n x n 1 Ch y   n 1  Chn b  sin  n x n  n  (2.9) 2.2.2.3 Dùng phương pháp điểm (bán giải tích) Tùy thuộc vào u cầu sử dụng cơng trình kết cấu biên có dạng khác nhau, kết cấu dàn phẳng, dầm, tường dãy cột, trụ góc Bai cốp V.N [67] Lê Thanh Huấn [15][65] đưa trường hợp sử dụng lý thuyết phi mô men 2.2.3 Tính tốn vỏ theo trạng thái mơ men 2.2.3.1 Tính tốn vỏ theo lý thuyết hiệu ứng biên [15][21] a) Khi vỏ liên kết khớp với kết cấu biên: 10 Chuyển vị thẳng đứng (độ võng): 16qR12 w EhC m  n     mn   2 2 m1.3 n1, sin m n sin a b (2.40) Mô men uốn:  2  m n  16qR1h M     C m1.3 n1,3    m  2   2  m n  16qR1h M     C m1.3 n1,3    m  2        2   P1 R1 n F2  m  n 2 2 a h mn   m n  sin sin a b   P1 R1 m F2  m  n 2 2 a h mn     m n  sin sin a b   Ví dụ 2.1: Mái vỏ thoải cong hai chiều dương có kích thước mặt hình vng a=b=36m, bán kính cong R1=R2=1.25a Lớp I: lớp bêtơng có chiều dày hI=10cm, B25, mô đun đàn hồi EI=315000kG/cm2 Lớp II: lớp bêtông lưới thép B20, chiều dày hII=4cm, EII=265000kG/cm2 Hệ số Poisson v=0.2 Tải trọng, kể trọng lượng thân hoạt tải mái lấy 500kG/m2 Tính nội lực, ứng suất độ võng mái vỏ thoải với biên hệ dàn khớp Giải: Hình 2.14 Biểu đồ nội lực, ứng suất, độ võng vỏ lớp theo giải tích [68] 2.4.1.2 Lời giải phương pháp PTHH thông qua phần mềm Sap2000 a) Xây dựng mô hình kết cấu mái vỏ thoải 11 Hình 2.18 Biểu đồ nội lực độ võng vỏ lớp theo giải tích Sap2000 Ghi chú: nét đỏ: theo lời giải giải tích [68]; nét xanh: theo lời giải Sap2000 Nhận xét: Nội lực chênh lệch từ 11.8% đến 31%, độ võng chênh lệch từ 12% đến 21% Đối với kết cấu BTCT, kết cấu biên đa dạng có độ cứng khác nhau, ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái ứng suất biến dạng loại kết cấu vỏ Nhằm làm sáng tỏ trạng thái ứng suất biến dạng vùng biên ảnh hưởng số lớp vỏ, tác giả tiến hành tính toán mái vỏ thoải lớp với hai điều kiện biên: ngàm khớp sau: 2.4.2 Mái vỏ thoải lớp 2.4.2.1 Trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải lớp với điều kiện biên tựa khớp a) Lời giải giải tích Ví dụ 2.2: Mái vỏ thoải cong hai chiều dương BTCT mặt hình vng a=b=36m, R1=R2=45m, gồm có lớp sau: lớp (dưới cùng) bêtông B25 dày h1=3cm, E1  315000kG / cm2 ; lớp dày h2=19cm, E2  141750kG / cm2 ; lớp bêtông B25 dày h3=3cm, E3  315000kG / cm2 ; lớp bêtông B20 dày h4=5cm, E4  264915kG / cm2 ; lớp (trên cùng) bêtơng B5 có chiều dày h5=2cm, E5  10710kG / cm2 Hệ số Poisson v=0.2 Tải trọng, kể trọng lượng thân hoạt 12 tải mái lấy 500kG/m2 Tính nội lực ứng suất mái vỏ thoải với biên hệ dàn khớp Hình 2.20 Biểu đồ nội lực ứng suất vỏ lớp biên khớp theo giải tích [68] b) Lời giải phương pháp PTHH thông qua phần mềm Sap2000 Hình 2.22 Biểu đồ nội lực vỏ lớp biên khớp theo giải tích Sap2000 Nhận xét: “Sự phân phối ứng suất vỏ nhiều lớp tùy thuộc vào số lớp mô đun đàn hồi lớp”, điểm mà chưa đánh giá rõ ràng mái vỏ thoải nhiều lớp BTCT 2.4.2.2 Trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải lớp với điều kiện biên ngàm a) Lời giải giải tích Như phương pháp giải tích, việc dùng hàm chuỗi lượng giác kép sin  , sin  khơng cịn phù hợp b) Lời giải phương pháp PTHH thơng qua phần mềm Sap2000 13 Hình 2.25 Biểu đồ nội lực, ứng suất độ võng vỏ lớp biên ngàm theo Sap2000 Nhận xét: Nội lực N vị trí gần biên với điều kiện biên ngàm nhỏ so với điều kiện biên khớp, cịn nội lực N lớn so với điều kiện biên khớp Kết cho thấy ảnh hưởng điều kiện biên vỏ lớn 2.5 Nhận xét Qua giá trị nội lực ứng suất vỏ cho thấy: “sự phân phối ứng suất vỏ nhiều lớp tùy thuộc vào số lớp mô đun đàn hồi lớp” Kết nội lực, ứng suất độ võng theo lời giải giải tích theo lời giải Sap2000 phù hợp nên sử dụng theo lý thuyết vỏ lớp tương đương để xác định ứng suất biến dạng vỏ với tải trọng phù hợp CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP HAI LỚP BẰNG THỰC NGHIỆM 3.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu thực nghiệm 3.1.1 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm a) Khảo sát khả làm việc lớp bêtơng có cấp độ bền khác b) Xây dựng biểu đồ: biến dạng, ứng suất, nội lực, độ võng, quan hệ tải trọng - biến dạng trượt vỏ 3.1.2 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm Gồm: Thiết kế thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm, đánh giá xử lý kết thí nghiệm 14 3.2 Cơ sở thiết kế mẫu mơ hình thí nghiệm 3.2.1 Cơ sở thiết kế mẫu Trong nghiên cứu lý thuyết [26][66][68] giả thiết lớp mái vỏ dính chặt mà chưa nói rõ cho trường hợp kết cấu biên nào? tải trọng giới hạn bao nhiêu? 3.2.2 Thiết lập mô hình thí nghiệm cho ḷn án - Do mơ hình mái vỏ BTCT tương đối lớn cách tạo hình thí nghiệm cho mái vỏ nhiều lớp phức tạp tốn nhiều thời gian, qua mô ANSYS cho thấy với kích thước mặt 33m mẫu đủ khả phản ứng nhạy cảm với tải trọng chất lên - Trong điều kiện sử dụng mái vỏ Việt Nam lớp bên mái vỏ lớp chịu lực chính, lớp bêtơng chống thấm, cách nhiệt có cấp độ bền thấp nằm bên vỏ Trong trường hợp sửa chữa vỏ nghiên cứu mô số với lớp BTS nằm lớp bêtông thường 3.3 Thiết kế chế tạo mẫu thí nghiệm 3.3.1 Vật liệu - Bêtơng B20 (M250) cho lớp bêtông thường B30 (M400) cho lớp bêtông cốt sợi - Sợi thép (0.5-L30mm): sợi thép đáp ứng tiêu chuẩn ASTM A820-01 [23], tỷ lệ hướng sợi từ 50 đến 100 đáp ứng ACI 544.1R-1996 [22] 3.3.2 Mẫu thí nghiệm Hình 3.2 Thiết kế mái vỏ thoải 33m thí nghiệm 3.3.3 Mục đích, loại vị trí dán strain gage - Mục đích dán strain gage (tenzomet điện trở): đo biến dạng  bề mặt bêtông cốt thép lớp, từ xác định ứng suất nội lực vị trí dán - Loại strain gage thiết bị đo biến dạng: sử dụng strain gage loại BX120-30AA, dạng dài 30mm, rộng 3mm, điện trở Rgage=120, hệ số gage=2.081% Sử dụng thiết bị đo biến dạng 15 strain gage Data loger TDS-530 (30 kênh), Data loger TDS-601 (10 kênh) Viện KHCN xây dựng IBST Strain Indicator P-3500, chuyển kênh SB10 (10 kênh) - Vị trí dán strain gage: từ kết tính tốn sơ kết mô phần mềm ANSYS - Phương pháp dán: [48] 3.3.4 Chế tạo mẫu thí nghiệm Các bước thực sau: - Bước 1: gia cơng ván khn theo hình dạng mái vỏ thoải cong hai chiều dương - Bước 2: đổ bêtông lớp 1, bêtông sợi thép với hàm lượng sợi thép bêtông 2%, - Bước 3: tiếp tục gia công cốt thép gia cường biên, dán strain gage lên thép giữa, strain gage hàn với dây điện chống nhiễu dẫn khỏi vị trí vỏ 3.3.5 Bảo dưỡng mẫu: theo TCVN 8828-2011 [5] 3.4 Thí nghiệm tiêu lý vật liệu 3.4.1 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bêtông: TCVN 3118-1993 [1] 3.4.2 Thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi bêtơng: TCVN 5726-1993 [2] 3.4.3 Thí nghiệm kéo thép Trong vỏ khơng bố trí thép chịu lực vỏ nên khơng thí nghiệm kéo thép 3.5 Thí nghiệm mái vỏ thoải bêtông cốt thép lớp 3.5.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm e) Vị trí dán strain gage mặt f) Vị trí dán strain gage mặt 16 g) Dán strain gage thép lớp h) Dán strain gage thép lớp Hình 3.11 Vị trí dán strain gage lên vỏ 3.5.2 Tiến hành thí nghiệm: tiến hành sau: Bước 1: công tác chuẩn bị, Bước 2: Lắp đặt kiểm tra thiết bị đo, Bước 3: Bắt đầu thí nghiệm 3.5.3 Kết thí nghiệm mái vỏ thoải lớp Hình 3.15 Quan hệ tải trọng biến dạng trượt vỏ Nhận xét: biến dạng trượt (Hình 3.15) cấp tải 611kG/m2 4.310-5, cịn nhỏ so với biến dạng tương đối cực hạn bêtông cu=3.510-3 Xem biên vỏ biến dạng trượt lớp nhỏ bỏ qua, nghĩa chốt thép liên kết lớp vỏ chưa phát huy tác dụng Hình 3.16 Biến dạng lớp vỏ 17 Hình 3.17 Ứng suất lớp vỏ Hình 3.18 Nội lực Nx, Ny vỏ Hình 3.19 So sánh kết ứng suất độ võng EXP SAP Nhận xét: ta thấy vị trí bên vỏ có giá trị chênh lệch ứng suất không đáng kể thực nghiệm Sap2000 3.6 Nhận xét Các lớp mái vỏ thoải không trượt lên nhau, làm việc với kết cấu nhiều lớp, sử dụng mơ hình vỏ lớp tương đương chất tải phù hợp CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MÁI VỎ THOẢI HAI LỚP BẰNG MÔ PHỎNG SỐ VÀ KHẢO SÁT THAM SỐ 4.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS nội dung nghiên cứu 4.1.1 Giới thiệu sơ lược phần mềm ANSYS Trình tự giải tốn kết cấu cơng trình phần mềm ANSYS gồm bước sau phân thành nhóm: xử lý số liệu, tính tốn xử lý kết tính tốn 18 4.1.2 Các nội dung nghiên cứu mô số - Xây dựng mơ hình PTHH cho mái vỏ thoải hai lớp thí nghiệm - Hồn thiện mơ hình PTHH việc điều chỉnh thông số đầu vào từ kết thí nghiệm vật liệu bêtơng thường, bêtơng sợi sợi thép 4.2 Lựa chọn mơ hình hóa cốt thép sợi phân tán bêtơng Để mơ hình hóa cốt thép sợi bêtông, người ta sử dụng mô hình gồm: mơ hình phân tán, mơ hình nhồi (embeded) mơ hình rời rạc (discrete) [24][32] Như nghiên cứu này, cốt thép sợi phân tán bêtơng nên sử dụng mơ hình phân tán (smeared) hợp lý 4.3 Lựa chọn mơ hình hóa vết nứt bêtông Hiện vết nứt bêtông mô hình hóa theo hai dạng là: mơ hình rời rạc (discrete) mơ hình phân tán (smeared) [38] Trong nghiên cứu này, ta chọn mơ hình phân tán (smeared) cho vết nứt bêtông 4.4 Lựa chọn mô hình tiếp xúc giữa lớp bêtơng Trong tính tốn sử dụng phần tử tiếp xúc (Interface element) phần tử lớp mỏng (Thin-layer element) để mô mặt tiếp xúc trượt lớp bêtông khác [19] 4.5 Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn cho mái vỏ 4.5.1 Phần tử mơ hình Phần tử mô bêtông: phần tử SOLID65 Phần tử tiếp xúc: mô kiểu phần tử TARGE170 cho tiếp xúc 3D Bề mặt vật mơ hình hóa kiểu phần tử CONTA173 4.5.2 Chia lưới cho mô hình Nguyên tắc chia lưới phải đảm bảo phần tử phải chung nút với nhau, ta chia theo bề dày vỏ với lớp (ESIZE,ALL,H1) chia lưới tự (MSHKEY,0) với hình dạng lưới chia theo khối tứ diện 3D (MSHAPE,1,3D) 4.5.3 Điều kiện biên tải trọng tác dụng Vỏ liên kết cứng với dầm cong biên Tải trọng tác dụng phân bố lên mặt vỏ nút lưới khối tứ diện (NSLA,R,1), lực nén P phân bố mặt vỏ (SF,ALL,PRES,P) 4.6 Mơ hình vật liệu 4.6.1 Mơ hình vật liệu bêtơng 19 Hình 4.10 Đường cong ứng suất biến dạng bê tông kéo nén trục [28] 4.6.1.1 Mơ hình ứng suất biến dạng bêtơng chịu nén Qua khảo sát mơ hình ứng suất biến dạng bêtơng chịu nén trình bày kết ứng suất biến dạng bêtông thí nghiệm (Hình 3.9), ta thấy kết thí nghiệm phù hợp với mơ hình Kachlakev 4.6.1.2 Mơ hình ứng suất biến dạng bêtông chịu kéo Mô hình định nghĩa sẵn ANSYS (Hình 4.15) [24] 4.6.2 Tiểu chuẩn phá hoại bêtông Tiêu chuẩn phá hoại Willam Warnke sử dụng nghiên cứu định nghĩa ANSYS Bêtông bị nứt bị nén vỡ thỏa mãn phương trình (4.10) [64] 4.7 Thơng số đầu vào cho mơ hình Trong ANSYS để nhập thơng số đầu vào cho phần tử bêtông SOLID65, ta phải nhập thông số sau đây: Hệ số truyền lực cắt vết nứt mở   , Hệ số truyền lực cắt vết nứt đóng  C  , Ứng suất nứt kéo trục  f r  , Ứng suất nén vỡ trục  f C'  , Hệ số giảm yếu nứt kéo (mặc định chọn 0.6), Mô đun đàn hồi EC  ,7 Hệ số Poisson, Đường cong quan hệ ứng suất biến dạng bêtông 4.8 Kết nghiên cứu giữa thí nghiệm mơ số 4.8.1 Độ võng vỏ Hình 4.17 Độ võng phương pháp 20 4.8.2 Ứng suất vỏ Hình 4.18 Ứng suất phương pháp 4.8.3 Độ võng ứng suất mái vỏ cấp tải bắt đầu bêtông xuất vết nứt Giai đoạn bắt đầu bêtông xuất vết nứt: cấp tải P=14kN/m2=1400 kG/m2, ứng suất 13.38kG/cm2 vỏ xuất vết nứt chạy dọc theo biên lớp BTS dưới, độ võng lớn đỉnh vỏ 0.17mm 4.8.4 Nhận xét Kết phân tích cho thấy mơ hình PTHH phù hợp với thí nghiệm phần mềm khác (Sap2000) Nên sử dụng mơ hình ANSYS để khảo sát ảnh hưởng bề dày lớp, vị trí lớp bêtơng sợi đến ứng suất biến dạng vỏ khả tách trượt lớp 4.9 Khảo sát tham số ảnh hưởng đến ứng suất biến dạng mái vỏ mô số 4.9.1 Tham số bề dày lớp a) Độ võng vỏ trường hợp khảo sát b) Ứng suất x c) Ứng suất y Hình 4.22 Độ võng ứng suất trường hợp khảo sát 21 4.9.2 Tham số vị trí lớp bêtơng sợi a) Độ võng vỏ trường hợp trường hợp b) Ứng suất x c) Ứng suất y Hình 4.23 Độ võng ứng suất trường hợp trường hợp 4.9.3 Khảo sát trượt lớp mái vỏ thoải Bảng 4.7: Kết tính tốn ứng suất tiếp lớn BTS 2cm nằm dưới BTS 3cm nằm lớp BTT 3cm lớp BTT 2cm Ứng suất tiếp max 0.094MPa 0.069MPa Ứng suất pháp tương ứng 0.346MPa 0.276MPa Thành phần ứng suất Nhận xét: Khi vỏ chịu tác dụng tải trọng phân bố đỉnh vỏ vng góc với mặt vỏ có xảy tượng trượt lớp mái vỏ Sau chịu tác dụng tải trọng, vị trí tiếp xúc hai lớp vỏ có chênh lệch biến dạng tương đối hai lớp 110-3 nhỏ nhiều biến dạng tương đối giới hạn bêtông cu = 3.510-3 4.10 Trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải 3636m a) Ứng suất độ võng vỏ trường hợp xét phi tuyến vật liệu 22 a) Khi bê tông bắt đầu nứt b) Khi bê tông bắt đầu phá hoại Hình 4.26 Ứng suất vỏ hàm lượng sốt sợi thép thay đổi a) Khi bê tông bắt đầu nứt b) Khi bê tông bắt đầu phá hoại Hình 4.27 Độ võng vỏ hàm lượng sốt sợi thép thay đổi b) So sánh ứng suất độ võng vỏ phân tích tuyến tính phi tuyến vật liệu a) Khi bê tơng bắt đầu nứt b) Khi bê tông bắt đầu phá hoại Hình 4.28 Ứng suất vỏ phân tích tuyến tính phi tuyến a) Khi bê tơng bắt đầu nứt b) Khi bê tông bắt đầu phá hoại Hình 4.29 Độ võng vỏ phân tích tuyến tính phi tuyến 23 c) Trượt lớp vỏ Bảng 4.12: Kết tính tốn trượt hàm lượng sợi thép thay đổi Giá trị Hàm lượng sợi 0% Hàm lượng sợi 8% Ứng suất tiếp max 0.408MPa 0.389MPa Ứng suất pháp tương ứng 1.705MPa 1.774MPa Tải trọng gây trượt 900 kG/m2 950 kG/m2 Nhận xét: Khi chưa vượt qua tải trọng gây trượt lớp vỏ khơng xảy tượng trượt, tính tốn mái vỏ thoải sử dụng lý thuyết vỏ lớp tương đương 4.11 Nhận xét Qua khảo sát lớp cho thấy biến dạng trượt bé, bỏ qua nên đưa lý thuyết vỏ lớp tương đương chất tải phù hợp Ngồi nghiên cứu mơ số mái vỏ thoải thí nghiệm, luận án cịn mở rộng tốn nghiên cứu với mái vỏ thoải nhịp lớp vật liệu phi tuyến KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Kết luận Luận án thiết kế, chế tạo thí nghiệm mơ hình vỏ kích thước lớn 3×3m làm vật liệu bêtông bêtông cốt sợi thép phân tán vốn thường thực mơ hình nhỏ vật liệu chuyển đổi Đánh giá mức độ liên kết lớp vỏ Đã thực tính tốn mơ số mái vỏ thoải thực nghiệm phần mềm ANSYS Tiến hành so sánh kết mô số với kết tính phần mềm Sap2000 kết thực nghiệm để đánh giá thông số mô phỏng, từ có sở để khảo sát thơng số lớp đánh giá mức độ trượt lớp với Qua thực nghiệm tính tốn mơ số xác định tải trọng gây trượt Khi chưa vượt qua tải trọng gây trượt lớp vỏ không xảy tượng trượt, tính tốn mái vỏ thoải sử dụng lý thuyết vỏ lớp tương đương II Kiến nghị - Kiến nghị: ▪ Khi tải trọng tác dụng lên vỏ với tải trọng thân hoạt tải mái thay hồn tồn cốt thép loại mái vỏ cong hai chiều nhiều lớp sử dụng lớp bêtông cốt sợi thép Khi tải trọng tác dụng vượt qua mái vỏ thoải bị nứt, cần bố trí thép cấu tạo cốt thép sợi 24 ▪ Khi tính tốn thiết kế vỏ, ngồi vị trí gần biên có ứng suất biến dạng phức tạp cần xem xét vị trí đỉnh vỏ góc vỏ ▪ Có thể sử dụng lý thuyết vỏ lớp tương đương với điều kiện biên tải trọng phù hợp - Hướng phát triển đề tài: ▪ Các nghiên cứu phát triển cho mái vỏ có lỗ hở loại mái vỏ mỏng khác như: mái vỏ cầu, mái vỏ trụ, mái vỏ cong hai chiều âm , cho tốn nhiệt, gió , loại điều kiện biên khác ▪ Nghiên cứu xây dựng phương trình tổng quát chứa tham số bề dày vỏ ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất biến dạng vỏ, hay nghiên cứu xây dựng phương trình chứa tham số nhịp vỏ