Nghiên cứu ứng dụng phần mềm ansys trong mô phỏng số bài toán kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng vật liệu composite

Nghiên cứu ứng dụng phần mềm ansys trong mô phỏng số bài toán kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng vật liệu composite Title: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Ansys trong mô phỏng số bài toán kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng vật liệu composite Authors: Lê Duy Long Advisor: Nguyễn Việt Hùng Keywords: Đầm bê tông; Gia cố; Vật liệu tổng hợp Issue Date: 2007 Publisher: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Abstract: Gồm bài toán dầm bê tông cốt thép gia cường bằng vật liệu composite của nước ngoài, Ứng dụng bài toán đối với dầm bê tông cốt thép ở Việt Nam. Description: Luận văn (Thạc sỹ khoa học) Ngành Cơ kỹ thuật

bộ giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hµ néi - luận văn thạc sĩ khoa học ngành : Cơ kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng Phần mềm ansys mô số toán kết cấu bê tông cốt thép gia cường vật liệu composite Lê Duy Long Hà Nội 2007 Mc lc PHN A: BÀI TỐN DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE CỦA NƯỚC NGOÀI CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG Trang 1.1 Đối tượng 1.3 Phạm vi 1.4 Mô hình máy tính kết cấu gia c­êng d¶i FRP ………………… CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN MƠ HÌNH VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT… 10 2.1 Lựa chọn mơ hình………… ……………………………………… 11 2.2 Hướng giải quyết…………………………………………………… 11 2.2.1 Các loại phần tử sử dụng mơ hình…………………… 11 2.2.1.1 Bê tông cốt thép……… ……………………………………… 11 2.2.1.2 Composite FRP………………………………………………… 11 2.2.1.3 Các gối thép…………………………………………………… 12 2.2.2 Các tính chất vật liệu………………………………………………13 2.2.2.1 Bê tông………………………………………………………… 14 2.2.2.2 Cốt thép gối tựa thép………………………………………… 15 2.2.2 Vật liệu composite FRP…………………………………………16 2.2.3 Dạng hình học……………………………………………………….18 2.2.4 Rời rạc hố PTHH………………………………………………… 24 2.2.5 Các điều kiện biên điều kiện tải trọng……………………………26 2.2.6 Nghiệm phi tuyến……………………………………………………28 2.2.7 Quá trình chọn kiểu phân tích để giải tốn ANSYS………31 CHƯƠNG 3: KẾT QU V PHN TCH KT QA.32 3.1 Đường cong tải träng - biÕn d¹ng …………………………………… 32 3.1.1 Đồ thị Tải - Biến dạng kéo cốt thép #7………………… 32 3.1.1.1 Dầm gốc không gia cường………………………………………32 3.1.1.2 Dầm chịu uốn ………………………………………………… 34 3.1.1.3 Dầm chịu cắt ………….……………………………………… 35 3.1.1.4 Dầm chịu uốn- cắt …….……………………………………… 36 3.1.2 Đồ thị Tải – Biến dạng kéo lớp composit………………………38 3.1.2.1 Dầm chịu uốn………………………………………………… 38 3.1.2.2 Dầm chịu cắt……………………………………………………39 3.1.2.3 Dầm chịu uốn- cắt………………………………………………40 3.1.3 Đồ thị Tải – Biến dạng nén bê tông………………………… 41 3.1.3.1 Dầm gốc không gia cường………………………………………41 3.1.3.2 Dầm chịu uốn …………………………………………………42 3.1.3.3 Dầm chịu cắt……………………………………………………43 3.1.3.4 Dầm chịu uốn- cắt…………………………………… ……… 44 3.2 Đồ thị đường cong Tải trọng – Chuyển vị …………………………… 45 3.2.1 Dầm gốc không gia cường ……………………………45 3.2.2 Dầm chịu uốn……………………………………… .46 3.2.3 Dầm chịu cắt………………………………………………………47 3.2.4 Dầm chịu uốn – cắt……………………………………………… 48 3.3 So sánh khả chịu tải dầm thực nghiệm dầm mô ANSYS 49 3.3.1 Tải trọng gây vết nứt đầu tiên50 3.3.2 Tải trọng hỏng51 PHN B: NG DNG BÀI TOÁN ĐỐI VỚI DẦM BTCT Ở VIỆT NAM CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN MƠ HÌNH VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT 4.1 Lựa chọn mơ hình…………………………………………………… 55 4.2 Hướng giải …………………………………………………… 55 4.2.1 Lựa chọn kiểu phần tử để giải tốn…………………… 55 4.2.2 Các tính chất vật liệu………………………………………………56 4.2.2.1 Bê tông……………………………………………………………56 4.2.2.2 Cốt thép gối tựa thép………………………………………….56 4.2.2.3 Vật liệu composite FRP………………………………………… 56 4.2.3 Dạng hình học………………………………………………………58 4.2.4 Rời rạc hoá PTHH………………………………………………….59 4.2.5 Nghiệm phi tuyến………………………………………………… 61 4.2.6 Q trình chọn kiểu phân tích để giải tốn ANSYS…… 62 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 64 5.1 Đồ thị Tải trọng - Biến dạng kéo cốt thép Φ12…………….65 5.1.1 Dầm gốc không gia cường ……………………………………….66 5.1.2 Dầm chịu uốn…………………………………………………… 66 5.2 Đồ thị Tải – Biến dạng kéo lớp composit…………………………66 Dầm chịu uốn ………………………………………………………… 67 5.3 Đồ thị Tải – Biến dạng nén bê tông………………………………68 5.3.1 Dầm gốc không gia cường ……………………………………… 68 5.3.2 Dầm chịu uốn ………………….……………………………… 69 5.4 Đồ thị đường cong Tải trọng – Chuyển vị …………………………….69 5.4.1 Dầm gốc không gia cường………………… ………… 70 5.4.2 Dầm chịu uốn…………… ……………………………………… 71 5.5 Tải trọng gây vết nứt 72 5.6 Tải trọng bắt đầu gây biến dạng dẻo thép Φ12……………….73 5.7 Tải trọng kết thúc mơ hình ANSYS……………………………….73 CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG 76 6.1 Kết luận………………………………………………………………….76 6.2 Hướng mở rng.76 Luận văn thạc sĩ Lê Duy Long Lời mở ®Çu N­íc ta n»m khu vùc nhiƯt ®íi Èm, lại có hệ thống lớn cầu, kết cấu bê tông cốt thép xây dựng từ cách nhiều năm Hệ thống cầu, kết cấu đà bị xuống cấp tác động môi trường, nhiều năm điều kiện tu bảo dưỡng thường xuyên Hiện theo thống kê cho thấy có tới hàng trăm cầu bê tông cốt thép cũ cần sửa chữa, làm Tuy nhiên có đủ nguồn kinh phí để xây dựng hàng loạt cầu Vì phương án sửa chữa tăng cường cầu yếu để trì làm việc công trình cầu thêm thời gian cần thiết Đà có nhiều biện pháp sửa chữa tăng cường khả chịu lực cầu, kết cấu bê tông cốt thép đà áp dụng tuỳ thuộc vào tình hình làm việc thực tế cầu Một công nghệ đà áp dụng thành công gia cường cách dán thêm thép kết cấu cũ Sau tóm tắt số ứng dụng điển hình nước Việt Nam + Cầu bê tông cốt thép có sơ đồ nhịp dài 4x13m Pháp bị nứt gÃy quy định năm 1980 đà dán thép đáy kết cấu nhịp Các thép rộng 300mm dày 4mm, dài 4300mm dán ngang cầu Lượng keo dán trung bình đà dùng kg keo dán/m2 bề mặt dán Kết đà giảm độ võng hoạt tải 10% vết nứt không phát triển + Tại Nga đà có nghiên cứu thử nghiệm gia cường kết cấu bê tông cốt thép cách dán thêm phần cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực thép vào vùng chịu kéo kết cấu cũ nhằm tăng cường khả chịu lực dầm bê tông cốt thép + Tại Việt Nam đà tiến hành gia cường phương pháp dán thép số cầu như: cầu Bà rén, cầu Trần Thị Lý, cầu đường sắt Km 410+580, cầu Km 411 + 800 số cầu đồng sông Cửu Long Kết vết nứt cũ dấu hiệu gia tăng, khả chịu lực cầu đảm bảo C k thut -Khoa C khớ Trng HBKHN Luận văn thạc sĩ Lê Duy Long Tuy nhiên, sau nhiều năm sử dụng cho thấy công nghệ dán thép gia cường kết cấu BTCT có nhược điểm sau: + Các thép đà xuất gỉ, sét khí hậu ẩm ướt khu vực cầu + Các thép bị cong vênh bong số điểm cục + Yêu cầu công tác bảo dưỡng thép thường xuyên phức tạp + Khi dán thêm thép vào kết cấu đà làm tăng thêm trọng lượng tĩnh kết cấu gây ảnh hưởng đến khả chịu hoạt tải kết cấu bê tông cốt thép Trước nhược điểm 10 năm trở Một số nước tiên tiến Mỹ, Anh, Pháp đà triển khai nghiên cứu, ứng dụng công nghệ dán polyme cốt sợi kết cấu bê tông cốt thép thay cho thép để gia cường Với đặc điểm nhẹ, độ bền lớn thép nhiều lần, chịu ảnh hưởng môi trường nên polyme không bị cong vênh, bong tróc làm tăng tải trọng khai thác, tuổi thọ kết cấu Tuy nhiên việc tính toán theo phương pháp thông thường phức tạp tốn nhiều thời gian Một số nhà nghiên cứu giới đà sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải kết thu gần với thực tế Vì để ứng dụng với điều kiện vật liệu môi trường Việt nam Trong đề tài nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS (phần mềm dựa phân tích phần tử hữu hạn) để mô số toán kết cấu bê tông cốt thép gia cường vật liệu composite Sau kết hợp so sánh với kết thực nghiệm để đưa kết luận lựa chọn gia cường kết cấy bê tông cốt thép cho phù hợp C k thut -Khoa C khớ Trng HBKHN Luận văn thạc sĩ Lª Duy Long PHẦN A: BÀI TỐN DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE CỦA NƯỚC NGOI CHNG 1: GII THIU CHUNG 1.1 Đối tượng nghiên cứu Bn loại dầm bê tông cốt thép xây dựng với cách thức gia cường khác nhau, để thể ứng xử dầm từ liệu thực nghiệm đối tượng mô hình máy tính nhằm mục đích: ã Thí nghiệm ứng xử kết cấu dầm có dải FRP ã Thiết lập phương pháp luận để ứng dụng tính toán mô hình dầm bê tông cốt thép gia cường dải FRP 1.2 Phạm vi Mô hình phần tử hữu hạn đà phát triển để mô ứng xử dầm từ ứng xử tuyến tính, phi tuyến, hỏng chương trình ANSYS So sánh thực thông qua biểu ®å ®­êng cong Ứng suất – biến dạng(ƯS - BD), đường cong ộ võng - tải trọng nhịp dầm, tải trọng gây vết nứt đầu tiên, kiểu vết nứt hỏng 1.3 Mô hình kết cấu gia cường dải FRP Mô hình ứng xử bê tông cốt thép kết cấu xây dựng dân dụng phương pháp phn t hu hn thách thức khó khăn, phức tạp chúng vật liệu không đồng nhất, dị hướng Từ năm 1967, số tác giả đà mô hình BTCT phương pháp phần tử hữu hạn có xét đến vết nứt dựa giả thiết hướng dạng vết nứt đà xác định trước Gần đây, đà có số nhà nghiên cứu dự định mô ứng xử bê tông cốt thép gia cường dải FRP phương pháp phần tử hữu hạn, so sánh với kết thí nghiệm dÇm gia c­êng FRP Cơ kĩ thuật -Khoa Cơ khớ Trng HBKHN Luận văn thạc sĩ Lê Duy Long phòng thí nghiệm So sánh liệu thí nghiệm kết từ mô hình phần tử hữu hạn có phù hợp tốt Các chế hỏng khác từ giòn tới dẻo đà mô Mt s hỡnh nh dựng chng trỡnh ANSYS để nghiên cứu dầm cầu gia cường thêm FRP: Cơ kĩ thuật -Khoa Cơ khí Trường ĐHBKHN Luận văn thạc sĩ Lê Duy Long Hình 1 Dầm cầu gia cường dải FRP C k thut -Khoa C khớ Trng HBKHN Luận văn thạc sÜ Lª Duy Long sai lớn gấp lần giới hạn mặc định ANSYS nhằm đạt hội tụ nghiệm số (0,5% cho lực 5% cho chuyển vị) Hình 4.13:Thiết lập dung sai hội tụ lực chuyển vị ANSYS 4.2.6 Quá trình chọn kiểu phân tích để giải tốn ANSYS Ở tốn ta chọn kiểu phân tích tĩnh (static) dựa vào kết toán Cơ kĩ thut -Khoa C khớ 66 Trng HBKHN Luận văn thạc sÜ Lª Duy Long CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Sơ đồ điểm lấy đồ thị 950 F/2 25 1450 25 Ø10 150 F/2 10 550 10 Ø12 50 50 1500 100 Hình 5.1:Sơ đồ điểm cần lấy kết 5.1 Đồ thị Tải - Biến dạng kéo cốt thép Φ 12 5.1.1 Dầm gốc khơng gia cường Hình 5.2 – Đồ thị Tải trọng-biến dạng kéo thép Φ12dầm không gia cườngFRP Cơ kĩ thuật -Khoa Cơ khí 67 Trường ĐHBKHN LuËn văn thạc sĩ Lê Duy Long Hỡnh 5.2 th hin đường cong biến dạng kéo thép Φ12.Nhìn vào đường cong Tải trọng biến dạng ta nhận thấy dầm xuất vết nứt bê tông giá trị tải trọng 5,5 kN.Và bắt đầu chảy dẻo thép Φ12 giá trị tải trọng 32 kN 5.1.2 Dầm chịu uốn Hình 5.3 – Đồ thị Tải trọng-biến dạng kéo thép Φ12 dầm chịu uốn Hình 5.3 ta thấy dầm bắt đầu xuất vết nứt bê tông giá trị tải trọng 5,5 kN Và đến giá trị tải trọng 48 kN thép Φ12 bắt đầu có chảy dẻo Cơ kĩ thuật -Khoa Cơ khí 68 Trường HBKHN Luận văn thạc sĩ Lê Duy Long 5.2 thị Tải – Biến dạng kéo lớp composit 5.2.1 Dầm chịu uốn Hình 5.4 – Đồ thị Tải trọng-biến dạng kéo dải CFRP dầm chịu uốn Cơ kĩ thut -Khoa C khớ 69 Trng HBKHN Luận văn thạc sÜ Lª Duy Long 5.3 Đồ thị Tải – Biến dạng nén bê tông 5.3.1 Dầm gốc không gia cường Hình 5.5 – Đồ thị Tải trọng-biến dạng nén bê tông dầm không gia cường Cơ kĩ thuật -Khoa C khớ 70 Trng HBKHN Luận văn thạc sĩ Lª Duy Long 5.3.2 Dầm chịu uốn Hình 5.6 – Đồ thị Tải trọng-biến dạng nén bê tông dầm chịu uốn Cơ kĩ thuật -Khoa Cơ khí 71 Trường ĐHBKHN Luận văn thạc sĩ Lê Duy Long 5.4 th Tải – Chuyển vị Chuyển vị đo điểm mặt dầm 5.4.1 Dầm gốc không gia cường Hình 5.7 – Đồ thị Tải trọng-chuyển vị đáy dầm khơng gia cường Hình 5.7 cho ta thấy tải trọng gây vết nứt giá tri 5,5 kN.Tải trọng kết thúc mơ hình 37 kN Cơ kĩ thuật -Khoa Cơ khí 72 Trường ĐHBKHN LuËn văn thạc sĩ Lê Duy Long 5.4.2 Dm chu un Hình 5.8 – Đồ thị Tải trọng-chuyển vị đáy dầm chịu uốn Hình 5.7 cho ta thấy tải trọng gây vết nứt giá tri 5,5 kN.Tải trọng kết thúc mơ hình 117 kN Cơ kĩ thut -Khoa C khớ 73 Trng HBKHN Luận văn thạc sÜ Lª Duy Long 5.4.3 Đồ thị so sánh độ võng hai dầm mơ hình PTHH Hình 5.9: Biểu đồ đường cong tải trọng – độ võng hai dầm mơ hình PTHH Kết luận: H×nh 5.9 minh hoạ khác đường cong độ võng tải trọng dầm mô hình PTHH Hai ng cong cho thấy độ cứng dầm trước sau gia cường FRP tương tự phạm vi tun tÝnh, sau xt hiƯn vÕt nøt, ®é cøng dầm gia cường cao dầm sở So sánh khả chịu tải kt thỳc mụ hỡnh dầm mô hình PTHH, dầm gia cường chịu uốn, có khả chịu tải cao dầm sở 68% C k thut -Khoa C khớ 74 Trng HBKHN Luận văn thạc sĩ Lê Duy Long 5.5 Tải trọng gây vết nứt Tải trọng gây vết nứt phân tích PTHH bước tải trọng mà dầm xuất vết nứt BT mô hình Bảng 3.1 thể tải trọng gây vết nứt cho mô hình với loại dầm Bảng 5.1: So sánh tải trọng gây vết nứt Dầm Tải trọng gây vết nứt ANSYS Dầm sở 5,5 kN Dầm chịu uốn 5,5 kN 5.6 Ti trọng bắt đầu gây biến dạng dẻo thép Φ12 Bảng 5.2:So sánh tải trọng gây biến dạng dẻo thộp 12 Dầm Tải trọng gõy s bt u chy thộp 12 ANSYS Dầm sở 35 kN Dầm chịu uốn 48 kN Nhn thy gia cường thêm CFRP khả chống lại biến dạng dẻo thép Φ12 tăng thêm 27% Cơ kĩ thut -Khoa C khớ 75 Trng HBKHN Luận văn thạc sÜ Lª Duy Long 5.7 Tải trọng kết thúc mơ hình ANSYS Bảng 5.2:So sánh tải trọng gây biến dng thộp 12 Tải trọng kt thỳc Dầm ANSYS Dầm sở 37 kN Dầm chịu uốn 117 kN Khi gia cường thêm CFRP khả chịu tải tăng lên 68% Một số hình ảnh mơ ANSYS: Cơ kĩ thuật -Khoa Cơ khí 76 Trng HBKHN Luận văn thạc sĩ C k thut -Khoa C khớ Lê Duy Long 77 Trng HBKHN Luận văn thạc sĩ Lê Duy Long CHNG 6: KT LUN V HƯỚNG MỞ RỘNG 6.1 Kết luận Từ kết hai dạng tốn ta rút kết luận: • Trong phạm vi tuyến tính,kết mơ hình mơ ANSYS phù hợp tốt mô hình thực nghiệm • Trong phạm vi ngồi vùng tuyến tính có phù hợp mơ thực nghiệm.Tuy nhiên mơ hình mơ ANSYS cứng so với mơ hình thực nghiệm 6.2 Hướng mở rộng toán Từ hai dạng toán ta có sở giải thêm nhiều dạng tốn khác như: • Mơ hình thí nghiệm (kéo, nén, uốn, xoắn… ) • Mơ hình dầm chịu ứng lực • Bài tốn dao động • Bài tốn ổn định • Bài tốn vật liệu composite loại khác • Bài tốn dầm bê tơng cốt thép bị nứt dán gia cường vật liệu composite Cơ k thut -Khoa C khớ 78 Trng HBKHN Luận văn thạc sĩ Lê Duy Long lời cảm ơn Để học tập hoàn thành xong luận văn cao học Tôi đà bảo tận tình thầy cô môn Cơ học vật liệu kết cấu - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đặc biệt thầy giáo hướng dẫn, PGS TS Ngun ViƯt Hïng cïng víi PGS TS Th¸i ThÕ Hùng ThS Phan Sỹ Thanh Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thày cô môn thầy đà hướng dẫn suốt thời gian vừa qua Và em xin chân thành cảm ơn anh chị, bạn đồng nghiệp trung tâm DASI đà giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho trình làm luận văn tốt nghiệp C k thut -Khoa C khớ 79 Trng HBKHN Luận văn thạc sĩ Lê Duy Long Tài liƯu tham kh¶o [1] Ngun ViƯt Hïng, Ngun Träng Gi¶ng (2003), Ansys mô số công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Văn Phái, Vũ Văn Khiêm (2001), Phương pháp phần tử hữu hạn thực hành học, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội [3] Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long, Nguyễn Định Giang (2003), Giải toán kỹ thuật chương trình ANSYS, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, thành phố Hồ Chí Minh [4] Chu Quốc Thắng (1997), Phương pháp phần tử hữu hạn, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] Trần ích Thịnh, Trần Đức Trung, Nguyễn Việt Hùng (2000), Phương pháp phần tử hữu hạn, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [6] Finite element modeling of reinforced concrete structures strengthened with FRP laminates, Damian Kachlakev,Phd Cơ kĩ thuật -Khoa Cơ khí 80 Trường ĐHBKHN ... ứng dụng với điều kiện vật liệu môi trường Việt nam Trong đề tài nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS (phần mềm dựa phân tích phần tử hữu hạn) để mô số toán kết cấu bê tông cốt thép gia cường vật. .. có nghiên cứu thử nghiệm gia cường kết cấu bê tông cốt thép cách dán thêm phần cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực thép vào vùng chịu kéo kết cấu cũ nhằm tăng cường khả chịu lực dầm bê tông cốt. .. trí cốt thép bố trí dầm bê tơng Trong mơ hình PTHH, phần tử Link8 thể cho cốt thép coi phần tử liên kết Diện tích mặt cắt cốt thép lấy theo tài liệu ? ?Kết cấu bê tông cốt thép? ?? Ký hiệu cốt thép