Mô phỏng ứng xử uốn của dầm btct xử dụng phương pháp pthh

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ QUANG TRÍ MƠ PHỎNG ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BTCT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PTHH Chun ngành : Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng & Công Nghiệp LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH , tháng năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn : PGS TS Chu Quốc Thắng Cán chấm nhận xét : TS Nguyễn Sỹ Lâm Cán chấm nhận xét : TS Nguyễn Trọng Phước Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 29 tháng 08 năm 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày 29 tháng 08 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : LÊ QUANG TRÍ Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 16-08-1969 Nơi sinh : Sài Gòn Chuyên ngành : Xây Dựng cơng trình Dân dụng & Cơng nghiệp Khố trúng tuyển : 2007-2009 1- TÊN ĐỀ TÀI : MÔ PHỎNG ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BTCT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN : + Nghiên cứu ứng xử uốn dầm BTCT phương pháp PTHH So sánh, đánh giá mơ hình vật liệu với lí thuyết thực nghiệm + Sử dụng APDL (ANSYS Parametric Design Language) viết chương trình xây dựng mơ hình dầm, mơ q trình uốn dầm ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02 tháng 02 năm 2009 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 29 tháng 08 năm 2009 5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS CHU QUỐC THẮNG Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỞNG BAN (Họ tên chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) PGS TS CHU QUỐC THẮNG LỜI CẢM ƠN Luận văn thực hướng dẫn PGS.TS Chu Quốc Thắng Tôi vô biết ơn tận tình hướng dẫn thầy, người truyền đạt kiến thức, hiểu biết nhiều thời gian q báo để giúp đở tơi thực hồn thành luận văn Cảm ơn gia đình, mẹ, anh chị, người ủng hộ tạo điều kiện cho tơi hồn thành đề tài nghiên cứu Cảm ơn thầy cô trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức sở, góp phần định hướng nghiên cứu giúp đỡ tơi hồn luận văn Cám ơn bạn bè, người giúp đở, ủng hộ động viên nhiều trình thực luận văn   TĨM TẮT Đã có nhiều phương pháp khác sử dụng để khảo sát đáp ứng thành phần kết cấu bêtong cốt thép tác dụng tải trọng Việc kiểm tra kết tính tốn sở thực nghiệm sử dụng rộng rãi phương tiện để nghiên cứu, phân tích phần tử đặc trưng ảnh hưởng bêtong cốt thép tác động tải trọng Đây phương pháp để tạo đáp ứng thực kết cấu bêtong cốt thép thực tế Phân tích kết cấu sở phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) sử dụng rộng rãi để nghiên cứu thành phần Luận văn nghiên cứu đáp ứng quan hệ tải trọng - độ võng dầm bêtong cốt thép phương pháp phần tử hữu hạn Mơ hình dầm nghiên cứu, mô so sánh kết với thực nghiệm Buckhouse (1997) Christopher M Foley (1998) tổng hợp giới thiệu lại [6] Các điểm đặc trưng đường cong dự đoán đáp ứng quan hệ tải trọng – độ võng so sánh với lý thuyết Thảo luận đánh giá độ xác việc sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn việc phân tích bêtong, so sánh với kết thực nghiệm kiến nghị việc mơ hình hoá dầm bêtong cốt thép phương pháp phần tử hữu hạn   MỤC LỤC Trang DANH MỤC HÌNH ẢNH MINH HỌA 10 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 13 KÝ HIỆU 14 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 21 1.1 Tổng quát 21 1.2 Các phương pháp nghiên cứu 21 a Nhóm phương pháp macro-element 22 b Nhóm phương pháp Micro-element 23 1.3 Xu hướng nghiên cứu 23 CHƯƠNG 2: CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN VÀ MỤC TIÊU LUẬN VĂN 25 2.1 Các nghiên cứu liên quan 25 2.1.1 Giới thiệu 25 2.1.2 Thực nghiệm Buckhouse (1997) 27 2.1.2.1 Giới thiệu 27 2.1.2.2 Số liệu kết thực nghiệm dầm C1 (Buckhouse 1997) 29 a Kết thí nghiệm nén mẫu bêtong 29 b Kết thí nghiệm kéo thép 30 c Kết thí nghiệm uốn dầm C1 30 2.2 Mục tiêu luận văn 31 CHƯƠNG : ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU 33 3.1 Bêtong 33 3.1.1 Tổng qt 33 3.1.2 Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng nén bêtong 35 a Mô hình Hognestad (1951) 35   b Mơ hình Todeschini 35 c Mơ hình Desayi and Krishnan (1964 ) 36 d Mơ hình Saenz (1964 ) 36 e Mơ hình Carreira and Chu (1985) 37 3.1.3 Mô đun đàn hồi 37 3.1.4 Độ bền kéo 37 3.2 Cốt thép 37 3.2.1 Tổng qt 37 3.2.2 Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng thép 38 a Mơ hình đàn - dẻo lý tưởng 38 b Mơ hình Bi-linear 38 c Mơ hình Tri-linear 39 3.3 Liên kết bêtong thép 40 3.3.1 Tổng qt 40 3.3.2 Mơ hình Bond-Slip theo phương dọc cốt thép 40 a Mô hình Bi-linear 40 b Mơ hình Eligehausen et al (1983) 40 CHƯƠNG : MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN BTCT 43 4.1 Mơ hình bêtong 43 4.1.1 Măt phá hoại bêtong 43 4.1.2 Tiêu chuẩn phá hoại bêtong 45 4.1.3 Ứng xử tuyến tính bêtong 49 4.1.4 Ứng xử phi tuyến bêtong 50 4.1.5 Mô hình nén vỡ bêtong 52 4.2 Mơ hình cốt thép 53 4.3 Tương tác bêtong – cốt thép 53 4.3.1 Biểu diễn cốt thép 53   4.3.1.1 Mơ hình discrete 53 4.3.1.2 Mơ hình embedded 53 4.3.1.3 Mơ hình smeared 54 4.3.2 Phần tử liên kết (bond element) 54 4.3.2.1 Phần tử bond-linkage 54 4.3.2.2 Phần tử bond-zone 56 4.3.2.3 Phần tử bond interface 56 4.4 Lời giải phi tuyến 57 4.4.1 Tổng quát 57 4.4.2 Lời giải 57 4.4.3 Tiêu chuẩn hội tụ 61 4.4.4 Kỹ thuật dị tìm (Line Search -LS) 62 4.5 Tính tốn số 63 CHƯƠNG : MƠ HÌNH DẦM C1 THEO LÝ THUYẾT 65 5.1 Giới thiệu 65 5.1.1 Tổng quát 65 5.1.2 Độ võng dầm BTCT 65 5.2 Phân tích ứng xử dầm C1 67 5.2.1 Quan hệ ứng suất – tải trọng 67 5.2.1.1 Giai đoạn ứng suất đàn hồi tiết diện chưa có vết nứt 67 5.2.1.2 Giai đoạn ứng suất đàn hồi tiết diện có vết nứt 68 5.2.1.3 Trạng thái giới hạn độ bền uốn 69 5.2.2 Momet giới hạn danh nghĩa (Nominal Ultimate Moment) 69 5.2.3 Độ võng dầm 71 5.2.3.1 Mơment qn tính hiệu dụng I e 71 5.2.3.2 Phương trình đường đàn hồi 71 5.2.3.3 Độ võng nhịp 73   5.3 Chương trình phân tích ứng xử dầm C1 73 5.3.1 Giới thiệu chương trình 73 5.3.2 Kết phân tích dầm C1 74 CHƯƠNG 6: MƠ HÌNH PTHH DẦM C1 SỬ DỤNG ANSYS 76 6.1 Gới thiệu 76 6.2 Mơ hình phần tử dùng ANSYS 77 6.2.1 Phần tử Solid65 77 6.2.1.1 Mô tả phần tử 77 6.2.1.2 Các giả thiết 77 6.2.2 Phần tử Link180 78 6.2.2.1 Mô tả phần tử 78 6.2.2.2 Các giả thiết 79 6.2.3 Phần tử Solid185 79 6.2.3.1 Mô tả phần tử 79 6.2.3.2 Các giả thiết 79 6.2.4 Phần tử Combin39 79 6.2.4.1 Mô tả phần tử 79 6.2.4.2 Các giả thiết 80 6.2.5 Biểu diễn vết nứt ANSYS 80 6.3 Mơ hình dầm C1 đối xứng 81 6.3.1 Loại phần tử 81 6.3.2 Hằng số đặc trưng 82 6.3.3 Đặc trưng vật liệu 83 6.3.3.1 Bêtong 83 6.3.3.2 Thép 85 6.3.3.3 Liên kết bêtong cốt thép 85 6.3.4 Xây dựng mơ hình dầm C1 86   6.3.5 Điều kiện biên tải trọng 88 6.3.6 Thiết lập lời giải phi tuyến 89 6.4 Kết nhận xét 91 6.4.1 Kết phân tích 91 6.4.1.1 Ứng xử vết nứt 91 6.4.1.2 Ứng xử sau xuất vết nứt 92 6.4.1.3 Ứng xử chảy thép sau 92 6.4.1.4 Trạng thái giới hạn cường độ 94 6.4.1.5 Đáp ứng tải trọng – biến dạng 94 6.4.2 Nhận xét 96 CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100 7.1 Kết luận 100 7.2 Kiến nghị 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 PHỤ LỤC Phụ lục : Thực nghiệm Buckhouse (1997) 105 Phụ lục : Mơ hình dầm C1 theo lí thuyết 109 Chương trình “dam BTCT.m” 109 1.1 Các hàm 109 1.2 Chương trình 111 Biểu đồ giải thuật 116 Phụ lục : Mơ hình PTHH dầm C1 sử dụng ANSYS 119 Chương trình phân tích dầm sử dụng APDL 119 Tổng hợp bước gia tải kết 136   FH *7 *& &0 G& 8' )@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@) ) * -0 A !U "3& & & & !" "& ( ! =:7"#& ! =:&: *& !*# ) +- + & 7$* -0 ) G+ ?-0G G, 0, , >+ /-0G G ,+ , >0 , )9999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) U" !F : 7* )9999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) *+, + , , + 7* O ,&-& & C ) +, 'BCA , O ,&V& & O ,&J& &CA &D(((S1-9 2O (((S1V9 2O ((SJ&1J9 2O/0&1-9 2O 0&1V9'2O?0& O0 , O0 , O0 , )9999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) *+, + + G + 7* I 0& 0+/& +& )O O ,&-& & ' O ,&V& &B O ,&J& &CF @D(((S1-9 2O (((S1V9 2O ((SJ F@D(((S1-9 2O (((S1V9 2O ((S ((SJ A@D(((S1-9 2O (((S1V9 2O ((S ((SJS D@D(((S1-9 2O (((S1V9 2O ((SJS '@D(((S1-9 2O (((S1V9 2O ((S (((SJ C@D(((S1-9 2O (((S1V9 2O ((S ((SJ H@D(((S1-9 2O (((S1V9 2O ((S ((SJS B@D(((S1-9 2O (((S1V9 2O ((S (((SJS 0& & F& A& D& '& C& H& B G,- ?0 +- + - FB O0 , O0 , O0 , )O ) , , 0 0/& & & & &HDD( ) CF N B N ' @ HDD( 0/0 & + 7* *&" ": ) + +// ) " , , + + + 0/0 $* !#" $* )9999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) U" * :* " )9999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) *+, + , + ,- G+ O ,&-& &D O ,&V& & O ,&J& &A & S1-9 2O (((S1V9 2O ((SJ&1/ 9/02S1J9 2O/0&1-9'2O 0&1V9'2O?0& O0 , O0 , O0 , )O ) *+, + , + + +- O ,&-& &D O ,&V& & O ,&J& &' &F((D(S1-9 2O (((S1V9 2O ((SJ&1/.91FO/022S1J9 2O/0& S1-O 02&1V9'2O?0& O0 , O0 , O0 , )O I 0&F 0+/& + &F ) *+, + O ,&-& &D O ,&V& &B ,- G+ /+ + 7* * F O ,&J& &F @ S1-9 2O (((S1V9 2O ((SJ F@ S1-9 2O (((S1V9 2O ((S ((SJ A@ S1-9 2O (((S1V9 2O ((S ((SJS D@ S1-9 2O (((S1V9 2O ((SJS '@ S1-9 2O (((S1V9 2O ((S (((SJ C@ S1-9 2O (((S1V9 2O ((S (((S ((SJ H@ S1-9 2O (((S1V9 2O ((S (((S ((SJS B@ S1-9 2O (((S1V9 2O ((S (((SJS 0& & F& A& D& '& C& H& B O0 , O0 , O0 , )O ) *+, + + +- O ,&-& &D O ,&V& &B O ,&J& &D @ (D(S1-9 2O (((S1V9 2O ((SJ F@ (D(S1-9 2O (((S1V9 2O ((S ((SJ A@ (D(S1-9 2O (((S1V9 2O ((S ((SJS D@ (D(S1-9 2O (((S1V9 2O ((SJS '@ (D(S1-9 2O (((S1V9 2O ((S (((SJ C@ (D(S1-9 2O (((S1V9 2O ((S (((S ((SJ H@ (D(S1-9 2O (((S1V9 2O ((S (((S ((SJS B@ (D(S1-9 2O (((S1V9 2O ((S (((SJS 0& & F& A& D& '& C& H& B O0 , O0 , O0 , )O ) , , 0 0/& & & &HDD &HCAF &* *&" ": +// $* , ) + ) )O " ) , + G + , /+ * * + + + 0/0 A( !#" $* )9999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) U" * " )9999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) U0 G +- &" ":&B(( ) *+, + G ) + + G ?+ ) + + +G +- I 0&A 0+/&F + &A )O ) *+, + +G -0 + +G ' + GO/0@H '- O ,&-& & O ,&V& &D 0&1-9 2O'S ((O1V9 2SCF(A&1-9 2O'S1 ((OV2SCF(A O0 , )O O ,&V& & 0&1-9 2O'S (((O1V9 2SCF(A&1-9 2O'S1 (((OV2SCF(A 0&1-9 2O'S (((O1V9 2SCC(A&1-9 2O'S1 (((OV2SCC(A O0 , O0 , ) *+, F + -0 0, + +G B + GO/0@ F- O ,&-& &F O ,&V& &D 0&1-9 2OBS ((O1V9 2SCF' &1-9 2OBS1 ((OV2SCF' O0 , )O O ,&V& & 0&1-9 2OBS (((O1V9 2SCF' &1-9 2OBS1 (((OV2SCF' 0&1-9 2OBS (((O1V9 2SCC' &1-9 2OBS1 (((OV2SCC' O0 , O0 , )O ) , , 0 0/& & & &B(( &BFBC &** &" ": , ) + , G + /+ ** 0 +- A +// ) , + + + 0/0 )9999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) U0 G , &" ":& ((( ) *+, + , 0 >0 ) + + G ?+ +G -G J0, O ,&-& &C &FCF(FS-&1FO/02S1-9 2O/0&FO 0&91FO?02 &FCD(FS-&1FO/02S1-9 2O/0&FO 0&( &FCC(FS-&1FO/02S1-9 2O/0&FO 0&1FO?02 O0 , )O I 0&A 0+/&A + &D ) *+, + ?0 , O ,&-&FCF(A&FCFCF ) ((( ((C( 0&-&-S O0 , )O ) , , 0 0/& & & & ((( & ((C( ) , &** *&" ": + + G ) + +// ) , + ?0 , /+ ** * , + + + 0/0 )O ) *+, + -G+ O ,&-&FCD(A&FCDCF ) ((C ( F( 0&-&-S O0 , )O ) , , 0 0/& & & & ((C & ( F( ) &** %&" ": , ) + +// ) , + + , G /+ ** % + + + 0/0 )O ) *+, + ?0 O ,&-&FCC(A&FCCCF 0&-&-S ,+) ( F + ( B( , -G+ AF O0 , )O ) , , 0 0/& & & & ( F & ( B( &** ) &" ": , + + ) + +// ) , , G + ,+- G /+ ** + + + 0/0 )@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@) ) L"* " 7$ )@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@) ) *- ,+ ) 70 , + , , , , ?, /- 0, "79 , , ( -0G J-0 /-0 J0 , @( ((HBH ) - 1( F 8F@( ( 'HD ) - 1( D 8A@( (FAC ) - 1( C 8D@( (A DB ) - 1( B @( (A AH )- F@( B ) - 1A @A A@( A AH( )- ( @ ( D@( ' ('' )- ' +N@A( O P @( DO +N 2 ) +N@F 'O P : + @W A( O P ) - @ +NO1 ! 2OO( D ) *- 0, +NO1 ! 8F@ +NO1 8F! 2OO( D ) *- 0, +NO1 ! 8A@ +NO1 8A! 2OO( D ) *- 0, +NO1 ! 8D@ +NO1 8D! 2OO( D ) *- 0, +NO1 ! , @ -O ) *- /G ,'O/0 ) , + + 0+ G, @ O , ) /? 8F@ 8FO , ) /? 8A@ 8AO , ) /? 8D@ 8DO , ) /? @ +NO , F@ A@ O ) /? ) /? , D@ A )9999999999999999999999999999999999999999999999999999999) ) /? - AA "*&D& $:7 A ) + G /, N, - GI0 ;" G, M ) 7, , 0/&+// )9999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) * "* * $ % $ $ $ % ) 999999999999999999999999999999999999999999999999999999 =*$* &, )J , G G ?G, - G , "T *& ((( ) %-+ - , ?G, /+ ,- + ,- G+2 A' U&F ) F Y *0 - +0 + +/I - & ?G , , + 0N0 G -, & - ,/G -, +-/ , , >0 # &, ) ->+ + /- 0+ , ?0 G Z- 0Z , 9#+ #$ *&:, U*$ & & &( ('& & U*$ &=& &( ('& & ) 999999999999999999999999999999999999999999999999999999 , ,/& &+//&/+ ) % - /+- + >- - /+ /,+ ) 999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) * "* $ *" ) 999999999999999999999999999999999999999999999999999999 )* , /G, ?+ + " && ) - $=*#" & & -+ , ) U-0 >+, -/0 - 0& 09A /G, ?+ + ,- ?G, +- ) + - 00 " * :& 09A 3# *"& ) 999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) * "* $ *" F ) 999999999999999999999999999999999999999999999999999999 ) *+- , GI0 $=*#" & - & ) U-0 >+, -/0 " & & $ &I&1 S ) , + , 0 " &#& $ &N&/ ) , + , 0 >- - - &+//& 0 $=*#" & G - & " & & $ &I&1 S " &#& $ &N&/ &+//& i '12 3! ! j- _- c I e f G -g '@ 7_ I e f G -g - -? * ( (DF A( * ( (DF A( * ( (DF A( * ( (DF A( * " ( (DF A( * ( (DF A( D5 , ] e Gk '12 '@ +N , 3! ! l m j- _- c I e f G -g / * AAAH (' * AAAH (' * AAAH (' * AA' ( D( 7_ * " AAAH (' * AAAH (' '5 , ] '12 _- c 3! ! >` fh >i '@ -n+ 67 o j- _- c :; ? I _I m :; -0 * D( ' 9( (' ( * D( ' 9( (' ( * D( ' 9( (' ( * D(A 9( C ( 'B C * " D (F 9( ( 'B D * DFDH 7_ C5 , ] '12