Xác định tổn hao lực căng trong dầm bê tông cốt thép ứng suất trước căng sau sử dụng tần số dao động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THỊ MỸ HẠNH XÁC ĐỊNH TỔN HAO LỰC CĂNG TRONG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC CĂNG SAU SỬ DỤNG TẦN SỐ DAO ĐỘNG Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng Cơng Nghiệp Mã số ngành : 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 01 NĂM 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Hồ Đức Duy Cán chấm nhận xét 1: PGS TS Đào Đình Nhân Cán chấm nhận xét 2: TS Thái Sơn Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 13 tháng năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Nguyễn Minh Long TS Đoàn Ngọc Tịnh Nghiêm PGS TS Đào Đình Nhân TS Thái Sơn PGS TS Lê Anh Thắng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM THỊ MỸ HẠNH Ngày, tháng, năm sinh: 16/11/1992 MSHV : 1770379 Nơi sinh: Ninh Thuận Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp Mã ngành : 60580208 I TÊN ĐỀ TÀI: XÁC ĐỊNH TỔN HAO LỰC CĂNG TRONG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC CĂNG SAU SỬ DỤNG TẦN SỐ DAO ĐỘNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Tìm hiểu nắm vững phương pháp thiết lập tổn hao ứng suất dầm BTCTƯST sử dụng tần số dao động Thu thập kết đo tần số dao động kết cấu dầm BTCTƯST căng Xây dựng mơ hình dầm theo phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) sử dụng phần mềm ANSYS APDL Hiệu chỉnh mơ hình PTHH sử dụng thuật tốn độ nhạy Phân tích đánh giá kết tổn hao lực ứng suất trước dầm Kết luận kiến nghị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/02/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS HỒ ĐỨC DUY Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS Hồ Đức Duy CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.TS Lương Văn Hải TRƯỞNG KHOA KĨ THUẬT XÂY DỰNG PGS.TS Lê Anh Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn “Xác định tổn hao lực căng dầm bê tông cốt thép ứng suất trước căng sau sử dụng tần số dao động”, cố gắng nỗ lực thân, nhận giúp đỡ nhiều từ tập thể cá nhân Tôi xin gửi lời tri ân đến tập thể nhân dành cho giúp đỡ q báo Tơi xin gửi lời tri ân đến Thầy PGS.TS Hồ Đức Duy, thầy tận tâm hướng dẫn, đưa gợi ý để hình thành nên ý tưởng đề tài Thầy góp ý cho tơi cách nhận định đắn vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu Sự tận tâm bảo động lức lớn để tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh truyền dạy kiến thức q giá cho tơi, kiến thức thiếu đường nghiên cứu khoa học nghiệp sau Tôi xin gửi lời cảm ơn đến KS Nguyễn Lục Hồng Hiệp, KS Đỗ Văn Trình, Em Trương Đại Phú Qúy bạn làm chung khóa luận giúp đỡ tơi nhiều q trình thực luận văn Sau cùng, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, người thân gia đình ủng hộ động viên tôi, giúp vượt qua khó khăn suốt q trình học tập làm luận văn trường Luận văn thạc sĩ hoàn thành thời gian quy định với nỗ lực thân, nhiên khơng thể khơng có thiếu sót Kính mong q Thầy, Cơ dẫn thêm để tơi bổ sung kiến thức hồn thiện thân Xin trân trọng cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2019 Học viên thực Phạm Thị Mỹ Hạnh iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tơi thực hướng dẫn PGS.TS Hồ Đức Duy Các kết luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm cơng việc thực Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2019 Học viên thực Phạm Thị Mỹ Hạnh iv MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN iii TÓM TẮT vii ABSTRACT viii DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU xvi CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.2 Nội dung nghiên cứu 1.3 Tính cần thiết ý nghĩa thực tiễn nghiên cứu 1.4 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi 2.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 11 2.3 Tổng kết 12 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THU THẬP SỐ LIỆU 13 3.1 Phương pháp xác định lực ứng suất trước dựa dao động 13 3.2 Kĩ thuật hiệu chỉnh mơ hình PTHH 18 v 3.3 Thuật toán độ nhạy 19 3.4 Thu thập số liệu cho toán 23 CHƯƠNG HIỆU CHỈNH MƠ HÌNH PTHH 26 4.1 Thông số đầu vào 26 4.1.1 Sơ đồ tính chi tiết dầm 26 4.1.2 Vật liệu 26 4.2 Thông số mô 27 4.2.1 Khai báo kiểu phần tử 27 4.2.2 Mơ hình phần tử bê tơng 27 4.2.2.1 Mơ hình phần tử cốt thép cáp 28 4.2.3 Khai báo vật liệu 28 4.2.3.1 Bê tông 28 4.2.3.2 Cốt thép 31 4.2.3.3 Cáp ứng suất trước 31 4.2.3.4 Lực ứng suất trước 32 4.2.4 Mơ hình dầm BTCTƯST căng phần mềm ANSYS 33 4.2.4.1 Mơ hình chia lưới phần tử 33 4.2.4.2 Điều kiên biên 34 4.3 Các bước thực trình hiệu chỉnh 36 4.4 Kết hiệu chỉnh mơ hình với lực ứng suất trước khác 38 4.4.1 Trường hợp T0=0 kN 38 4.4.2 Trường hợp T1=20 kN 42 4.4.3 Trường hợp T2=40 kN 45 4.4.4 Trường hợp T3=60 kN 48 vi 4.4.5 Trường hợp T4=80 kN 51 4.4.6 Trường hợp T5=100 kN 54 4.4.7 Trường hợp T6=120 kN 57 4.5 Tổng hợp kết hiệu chỉnh mơ hình PTHH 60 4.6 Thiết lập mối quan hệ lực ứng suất trước biến thông số 63 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH LỰC ỨNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG DẦM 68 5.1 Đánh giá kết theo dõi lực ứng suất trước 68 5.2 Triển khai ứng dụng thực tiễn 74 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG 77 6.1 Khảo sát gia tải cho dầm 78 6.1.1 Khảo sát gia tải cho dầm BTCT ƯST trường hợp T=0 kN 78 6.1.2 Khảo sát gia tải cho dầm BTCT ƯST trường hợp T=60(kN) 83 6.1.3 Khảo sát gia tải cho dầm BTCT ƯST trường hợp T=120(kN) 87 6.2 Hiệu chỉnh phương pháp xác định lực ứng suất trước dầm có gia tải 92 6.2.1 Dự đoán lực ứng suất trước dầm BTCT ƯST dùng công thức hiệu chinh với T=60(KN) 98 6.2.1 Dự đoán lực ứng suất trước dầm BTCT ƯST dùng công thức hiệu chinh với T=120 kN 100 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .102 7.1 Kết luận 102 7.2 Kiến nghị 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 108 vii TÓM TẮT Tên đề tài luận văn “Xác định tổn hao lực căng dầm bê tông cốt thép ứng suất trước căng sau sử dụng tần số dao động” Nghiên cứu trình bày phương pháp theo dõi, đánh giá tổn hao lực căng cáp dầm BTCTƯST sử dụng tần số dao động tự nhiên kỹ thuật hiệu chỉnh mơ hình PTHH thuật tốn độ nhạy Từ mục tiêu đề tài, nội dung sau thực hiện: Tìm hiểu nắm vững phương pháp thiết lập tổn hao ứng suất dầm BTCTƯST sử dụng tần số dao động Thu thập kết đo tần số dao động kết cấu dầm BTCTƯST căng Xây dựng mơ hình dầm theo phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) sử dụng phần mềm ANSYS APDL Hiệu chỉnh mơ hình PTHH sử dụng thuật tốn độ nhạy Phân tích đánh giá kết tổn hao lực ứng suất trước dầm Kết luận kiến nghị viii ABSTRACT Thesis title: “Identification of prestress-force in prestressed concrete beams using natural frequencies” This study presents methods to monitor and to estimate of prestress-force in prestressed concrete beams using natural frequencies and finite element modelupdated method by sensitive algorithm In order to achieve the objectives, the following approaches are implemented: Prestress-loss monitoring method is estimated in prestress concrete beams using natural frequency Natural frequencies of prestressed concrete beam are collected The beams are simulated by finite element model using ANSYS APDL software The finite element model is updated by sensitive algorithm Analyze and evaluate the result of prestress-loss in prestressed concrete beams The conclusions and recommendations 94 Tần số Mode (Hz) 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Mode T=0 KN 3.58 5.6 T=60 KN 7.5 T=120 KN 9.5 Các Trường Hợp Lực P (kN) Tác Dụng Lên Dầm BTCTƯST Hình 6.6 Tần số dạng dao động thứ hai dầm BTCTƯST trường hợp lực ƯST T=0 kN, T=60 kN, T=120 kN gia tải với nhiều cấp lực khác Từ Bảng 6.13, Hình 6.5 Hình 6.6 ta thấy lực ứng suất trước dầm lớn khả chịu tải ngoại lực lớn cấp gia tải, tần số dạng thứ thứ lớn DỰ ĐỐN LỰC ỨNG SUẤT TRƯỚC T(kN) • Tìm hệ số hiệu chỉnh cho trường hợp dầm BTCTƯST với T=60 (kN) 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 3.58 5.6 7.5 T-Mode T-Mode T-Trung bình GIA TẢI LỰC P (kN) TẠI VỊ TRÍ TRÊN DẦM Hình 6.7 Dự đốn lưc ứng suất trước dầm BTCT sử dụng công thức (5.3) gia tải lực P(kN) đặt vị trí 1/3L 2/3L cho dầm BTCT ƯST-T=60 kN 95 Như Hình 6.7 dự đốn lực ứng suất trước sử dụng cơng thức (5.3) kết vị trí gia tải với P=8 kN, sử dụng công thức (5.3) ta lực ứng suất trước trung bình Tn,los −tb = −386.623kN điều dần đến dự đốn kết lực khơng cịn phù hợp lực ƯST khơng âm Trên Hình 6.7 ta chia kết tần số trung bình dạng thứ dạng thứ thành giai đoạn có quan hệ nhau: • Giai đoạn 1: Sử dụng công thức gia tải với lực P=0 kN đến P=3 kN sai số nhỏ 0.003%: DỰ ĐOÁN LỰC ỨNG SUẤT TRƯỚC T(kN) 100 90 T_los= -0.0159P + 88.804 80 70 60 50 GIA TẢI LỰC P (kN) TẠI VỊ TRÍ TRÊN DẦM Hình 6.8 Dự đốn lưc ứng suất trước dầm BTCT sử dụng công thức (5.3) gia tải lực P=0(kN) đến P=3 kN với T=60 kN T GD1 n ,los  f n2,ref − f n2,los = 1 −  f n ,ref −  n2    Tn ,ref = −0.0159 P + 88.804  (6.1) • Giai đoạn 2: Khi gia tải với lực P=3 kN đến P=8 kN dựa vào hàm bình phương cực tiểu bậc ta có mối liên hệ tải trọng gia tải lực ứng suất sợi cáp Hình 6.9 96 DỰ ĐOÁN LỰC ỨNG SUẤT TRƯỚC T(kN) 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 3.58 5.6 7.5 T_los = -60.952P + 98.991 GIA TẢI LỰC P (kN) TẠI VỊ TRÍ TRÊN DẦM Hình 6.9 Dự đốn lưc ứng suất trước dầm BTCT sử dụng công thức (5.3) gia tải lực P=3 kN đến P=8 kN với T=60 kN Đặt T GD n ,los = (T GD1 n ,los   f n2,ref − f n2,los  )  x + y = 1 − f −   Tn,ref   x + y ;   n , ref n  x y ẩn số Dựa vào Hình 6.9 ta có mối quan hệ:   f − f n2,los  T GD n,los = 1 − n,ref T   x + y = −60.952 P + 98.991  n , ref 2   f −    n , ref n  (6.2) → T GD1n,los = T GD n,los → −0.0159 P + 88.804 = ( −60.952P + 98.991)  x + y (6.3) 97 DỰ ĐOÁN LỰC ỨNG SUẤT TRƯỚC T (kN) • Tìm hệ số điều chỉnh cho trường hợp dầm BTCTƯST với T=120 kN 150 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 T_los = -2.1573P+ 120.07 GIA TẢI LỰC P (kN) TẠI VỊ TRÍ TRÊN DẦM Hình 6.10 Dự đoán lực ứng suất trước dầm BTCT sử dụng cơng thức (5.3) DỰ ĐỐN LỰC ỨNG SUẤT TRƯỚC T(kN) gia tải lực P=0 kN đến P=3 kN với T=120 kN 150 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 3.58 5.6 7.4 7.5 9.5 T_los = -44.989P + 59.791 GIA TẢI LỰC P (KN) TẠI VỊ TRÍ TRÊN DẦM Hình 6.11 Dự đốn lực ứng suất trước dầm BTCT sử dụng công thức (5.3) gia tải lực P=3 kN đến P=9.5 kN với T=120 kN → T GD1n,los = T GD n,los → −2.1573P + 120.07 = ( −44.989P + 59.791)  x + y (6.4) Dựa vào công thức (6.3) (6.4) ta tìm x y Bảng 6.14 Bảng 6.14 Bảng biến số hiệu chỉnh công thức trường hợp T=120KN T=60 KN T(KN) T=120 KN T=60 KN x 0.048 0.0016 y 117.2 88.97 Chọn x Chọn y 0.025 95.000 98 Vậy cơng thức hiệu chỉnh để tính toán lực ứng suất trươc gia tải là: T hieuchinh n ,los  f n2,ref − f n2,los =  − f n,ref −  n2     Tn ,ref   0.025 + 95   (6.5) 6.2.1 Dự đoán lực ứng suất trước dầm BTCT ƯST dùng công thức hiệu chinh với T=60(KN) Sử dụng cơng thức (6.5) để tính toán lại dự đoán ứng suất dầm gia tải với lực P  3kN kết trình bày Bảng 6.15 Bảng 6.15 Dự đoán lưc ứng suất trước dầm BTCT ƯST với cấp lực gia tải đặt vị trí dầm BTCT ƯST-T=60 kN dùng công thức (6.5) P (kN) Lực ƯST T=60 kN f1 (Hz) f2 (Hz) Dự đoán lưc ứng suất trước Thieuchinh (kN) T-Mode T- Mode T-Trung bình 28.727 106.850 88.817 88.752 88.784 28.727 106.850 88.817 88.752 88.784 28.726 106.850 88.737 88.752 88.745 28.726 106.850 88.737 88.752 88.745 3.58 26.768 105.840 93.464 96.681 95.072 25.213 104.250 90.670 95.844 93.257 23.013 97.419 87.004 92.395 89.699 5.6 22.400 93.352 86.042 90.452 88.247 22.252 92.134 85.813 89.886 87.850 21.645 87.656 84.893 87.870 86.381 7.5 21.316 85.372 84.404 86.880 85.642 21.313 83.930 84.400 86.269 85.334 99 DỰ ĐOÁN LỰC ỨNG SUẤT T(kN) 120 100 80 60 40 T-Mode 20 T-Mode T-Trung bình 0 3.58 5.6 7.5 GIA TẢI LỰC P (kN) TẠI VỊ TRÍ TRÊN DẦM Hình 6.12 Dự đoán lưc ứng suất trước dầm BTCT sử dụng công thức (6.5) gia tải lực P(KN) đặt vị trí 1/3L 2/3L cho dầm BTCT ƯST-T=60 KN DỰ ĐOÁN LỰC ỨNG SUẤT TRƯỚC T(kN) 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 3.58 5.6 7.5 T-Trung bình trước hiệu chỉnh T-Trung bình sau hiệu chỉnh GIA TẢI LỰC P (KN) TẠI VỊ TRÍ TRÊN DẦM Hình 6.13 Dự đốn lưc ứng suất trước dầm BTCT trước sau sử dụng công thức hiệu chỉnh với T=60 kN Theo Bảng 6.15, Hình 6.12 Hình 6.13 ta thấy lực ứng suất trước dùng công thức sau hiệu chỉnh (6.5) cho kết phù hợp 100 6.2.1 Dự đoán lực ứng suất trước dầm BTCT ƯST dùng công thức hiệu chinh với T=120 kN Sử dụng cơng thưc (6.5) để tính tốn lại dự đốn ứng suất dầm gia tải với lực P  3kN kết trình bày Bảng 6.16 Bảng 6.16 Dự đoán lưc ứng suất trước dầm BTCT ƯST với cấp lực gia tải đặt vị trí dầm BTCT ƯST-T=120 kN dùng công thức (6.5) P (kN) Lực ƯST T=120 kN f1 (Hz) f2 (Hz) Dự đoán lưc ứng suất trước Thieuchinh (kN) T-Mode T- Mode T-Trung bình 29.117 108.300 120.000 120.000 120.000 29.028 107.980 112.847 113.068 112.957 29.028 107.980 112.847 113.068 112.957 29.027 107.970 112.767 112.851 112.809 3.58 26.922 106.570 93.749 97.069 95.409 25.516 105.430 91.201 96.464 93.833 23.422 99.073 87.660 93.209 90.434 5.6 22.840 95.059 86.730 91.257 88.993 22.471 93.738 86.152 90.633 88.392 21.862 89.112 85.219 88.515 86.867 7.4 21.764 87.326 85.071 87.725 86.398 7.5 21.680 87.250 84.945 87.692 86.319 21.536 85.459 84.730 86.918 85.824 21.199 83.049 84.232 85.901 85.067 9.5 21.135 82.247 84.139 85.569 84.854 101 DỰ ĐOÁN LỰC ỨNG SUẤT TRƯỚC, (kN) 120 100 80 60 40 T-Mode T-Mode T-Trung bình 20 0 3.58 5.6 7.4 7.5 9.5 GIA TẢI LỰC P (kN) TẠI VỊ TRÍ TRÊN DẦM Hình 6.14 Dự đốn lưc ứng suất trước dầm BTCT sử dụng công thức (6.5) gia tải lực P(kN) đặt vị trí 1/3L 2/3L cho dầm BTCT ƯST-T=120 kN DỰ ĐOÁN LỰC ỨNG SUẤT TRƯỚC T(kN) 150 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 3.58 5.6 7.4 7.5 9.5 T-Trung bình sau hiệu chỉnh T-Trung bình trước hiệu chỉnh GIA TẢI LỰC P (kN) TẠI VỊ TRÍ TRÊN DẦM Hình 6.15 Dự đốn lưc ứng suất trước dầm BTCT trước sau sử dụng công thức hiệu chỉnh với T=120 kN Theo Bảng 6.16, Hình 6.14 Hình 6.15 ta thấy lực ứng suất trước dùng công thức hiệu chỉnh (6.5) cho kết phù hợp 102 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 7.1 Kết luận Trong nghiên cứu này, lực căng cáp dầm BTCTƯST căng sau xác định dựa tần số dao động phương pháp hiệu chỉnh mơ hình PTHH qua nhiều giai đoạn Bước đầu tiên, tiến hành theo dõi thay đổi lực ƯST theo thay đổi thông số đặc trưng dầm Bước thứ hai, phương pháp nhận dạng kết cấu thông qua nhiều giai đoạn giới thiệu dựa khái niệm giá trị riêng độ nhạy để xác định mơ hình PTHH chuẩn đại diện kết cấu mục tiêu Đối với dầm BTCTƯST, vài tần số tự nhiên dao động đo từ thực nghiệm với cấp lực khác T0 – T6 Các thông số dao động phân tích từ mơ hình hiệu chỉnh PTHH từ thông số kết cấu xác định với trạng thái ƯST khác Từ việc phân tích hồi quy tuyến tính, mối quan hệ thơng số mơ hình lực ƯST thiết lập để đánh giá ảnh hưởng lực ƯST đến ứng xử thơng số kết cấu Mơ hình hiệu chỉnh PTHH đánh giá xác tần số dao động dầm BTCTƯST với sai số lớn so với thí nghiệm cho dạng dao động