Mô phỏng ứng xử rạn nứt của cột bê tông cốt thép được gia cường bởi các tấm thép bằng phương pháp phần tử hữu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ TUẤN PHONG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ RẠN NỨT CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BỞI CÁC TẤM THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.58.02.01 Long An - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ TUẤN PHONG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ RẠN NỨT CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BỞI CÁC TẤM THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.58.02.01 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Tích Thiện Long An - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Ngoài kết tham khảo từ cơng trình khác ghi luận văn, xin cam kết luận văn tơi thực luận văn nộp Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa sử dụng cơng bố cơng trình khác Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc HỌC VIÊN THỰC HIỆN Lê Tuấn Phong ii LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hoàn thành kết trình học tập nghiên cứu học viên Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Bên cạnh nỗ lực học viên, hoàn thành chương trình luận văn khơng thể thiếu giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế Cơng nghiệp Long An) q trình học tập hoàn thành luận văn cao học Nhân đây, xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trương Tích Thiện tập thể thầy cơ, đồng nghiệp tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành tốt luận văn Cũng này, xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học Xây dựng hỗ trợ tơi q trình học tập thực luận văn HỌC VIÊN THỰC HIỆN Lê Tuấn Phong iii Tóm tắt luận văn Luận văn nghiên cứu ứng xử cột bê tông cốt thép trước sau gia cường thép phương pháp phần tử hữu hạn so sánh với kết thực nghiệm, bao gồm bốn chương Chương trình bày tổng quan tình trạng sử dụng hư hỏng kết cấu BTCT tính cập thiết việc sửa chữa gia cường kết cấu BTCT nước ta, tổng quan số phương pháp nghiêm cứu gia cường Tập trung chủ yếu phương pháp gia cường kết cấu BTCT thép Chương trình bày ứng xử vật liệu bê tông cốt thép nội dung phương pháp số tính tốn phân tích kết cấu BTCT Để kiểm nghiệm kết tính tốn với phương pháp số Mục đích việc tính toán xác minh độ tin cậy luận án việc phân tích mơ hình kích thước mơ hình cách đắn Chương tập trung phương pháp xây dựng mơ hình xuất kết tính tốn phần mềm chun mơ phỏng, từ rút nhận xét kết phương pháp gia cường Chương rút kết luận phương pháp gia cường phương pháp phân tích kết cấu BTCT phần mềm chun tính tốn iv FINITE ELEMENT ANALYSIS FOR BEHAVIOR OF REINFORCED CONCRETE COLUMNS STRENGTHENED BY STEEL PLATE The dissertation studied the behavior of reinforced concrete columns before and after reinforcing steel plates by finite element method and compared with experimental results, including four chapters Chapter presents an overview of the use and damage of reinforced concrete structures as well as the necessity of repairing and reinforcing reinforced concrete structures in our country, an overview of some rigorous research methods Focus mainly reinforced method reinforced concrete structures by steel plates Chapter presents the basic behaviors of reinforced concrete materials and the content of numerical methods in calculating and analyzing reinforced concrete structures To test the calculation results with numerical methods The purpose of this calculation is to verify the reliability of the thesis by properly analyzing the size model of the model Chapter focuses on modeling methods and outputs the results of calculations on specialized simulation software, from which the results of each reinforcement method are drawn Chapter draws conclusions of reinforced method and method of reinforced concrete structure analysis on specialized software v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Một số phương pháp gia cường kết cấu BTCT 1.3.1 Tóm tắt số phương pháp gia cường kết cấu BTCT [3] 1.3.2 Phương pháp gia cường kết cấu BTCT thép 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Tính cần thiết đề tài 1.6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.7 Một số đề tài nghiên cứu nước 1.8 Dự kiến kết đạt CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Xác định đặc trưng học bê tông cốt thép sử dụng Ansys 2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn cho nứt kết cấu bê tông cốt thép 12 2.3 Tiêu chuẩn nứt bê tông 16 2.4 Tóm tắt chương 25 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH TÍNH TỐN 26 3.1 Các số liệu liên quan đến mơ hình 26 3.2 Xây dựng mơ hình ANSYS 28 3.3 Chia lưới mơ hình 29 3.4 Kết xây dựng mơ hình ANSYS 31 3.5 Thiết lập điều kiện biên 33 3.5.1 Điều kiện biên 33 vi 3.5.2 Điều kiện biên chuyển vị 34 3.5.4 Điều kiện lực 34 3.6 Kết 35 3.6.1 Kết nứt chuyển vị 35 3.7 Nhận xét kết 43 CHƯƠNG KẾT LUẬN 46 4.1 Kết luận 46 4.2 Ưu điểm khuyết điểm 46 4.2.1 Ưu diểm: 46 4.2.2 Nhược điểm: 46 PHỤ LỤC A 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1Minh họa phương pháp gia cường cột BTCT thép [4] 3  Hình Thép góc cạnh dùng gia cường [5] 3  Hình Kết cấu cột BTCT bị phá hủy [1] 6  Hình Mơ hình quan hệ ứng suất-biến dạng bê tơng theo Todeschini 9  Hình 2 Mơ hình quan hệ ứng suất-biến dạng bê tơng theo Kent Park 10  Hình Mơ hình quan hệ ứng suất-biến dạng bê tơng theo Popovics 11  Hình Mơ hình quan hệ ứng suất-biến dạng bê tơng theo EC2 12  Hình Mơ hình quan hệ ứng suất-biến dạng bê tơng theo Kachlakev 13  Hình Dạng hình học phần tử SOLID65 14  Hình Dạng hình học phần tử link 180 15  Hình Mơ hình Smeared 16  Hình Mơ hình Embeded 16  Hình 10 Mơ hình Discrete 17  Hình 11 Các mơ hình nứt bê tơng 18  Hình 12 Bề mặt phá hủy 3-D khơng gian ứng suất 21  Hình 13 Mặt cắt bề mặt phá hoại 22  Hình 14 Bề mặt phá hủy khơng gian ứng suất 24  Hình 15 SOLID185 Cấu trúc rắn 3-D 25  Hình 16 Đầu ứng suất SOLID185 26  Hình Bản vẽ kích thước cột BTCT [2] 31  Hình Mơ hình ANSYS cột 34  Hình 3 Bố trí cốt thép 34  Hình Chia lưới phần tử bê tông 35  Hình Chia lưới phần tử cốt thép 35  Hình Mơ hình Col.00 36  Hình Mơ hình Col.L.3P 36  Hình Mơ hình Col.02.L.6P 37  Hình Mơ hình Col.03.C.3P 37  Hình 10 Mơ hình Col.04.C.6P 38  viii Hình 11 Mơ hình Col.05.Pl 38  Hình 12 Điều kiện biên chuyển vị cột 39  Hình 13 Lực Pressure cột 39  Hình 14 Kết nứt mơ hình Col.00 40  Hình 15 Kết chuyển vị mơ hình Col.00 (mm) 41  Hình 16 Kết nứt mơ hình Col.01.L.3P 42  Hình 17 Kết chuyển vị mơ hình Col.01.L.3P (mm) 42  Hình 18 Kết nứt mơ hình Col.02.L.6P 43  Hình 19 Kết chuyển vị mơ hình Col.02.L.6P (mm) 43  Hình 20 Kết nứt mơ hình Col.03.C.3P 44  Hình 21 Kết chuyển vị mơ hình Col.03.C.3P (mm) 44  Hình 22 Kết nứt mơ hình Col.04.C.6P 45  Hình 23 Kết chuyển vị mơ hình Col.04.C.6P (mm) 45  Hình 24 Kết nứt mơ hình Col.05.Pl 46  Hình 25 Kết chuyển vị mơ hình Col.05.C.Pl (mm) 47  Hình 26 Kết chuyển mơ hình ANSYS 47  47 1800 1600 1400 Load (kN)  1200 1000 FEM 800 EXP 600 400 200 ‐0.5 ‐200 0.5 1.5 2.5 3.5 Displacement (mm)  Hình 25 Kết chuyển vị mơ hình Col.05.C.Pl (mm) 3.7 Nhận xét kết Chart Title  2000 1800 1600 Load (kN)  1400 Col.00 1200 Col.01.L.3P 1000 Col.02.L.6P 800 Col.03.C.3P 600 Col.04.C.6P 400 Col.05.PL 200 ‐1 Disceplacement (mm)  Hình 26 Kết chuyển mơ hình ANSYS 48 Bảng 3.2 Tóm tắt kết chuyển vị mơ hình ANSYS Mơ hình Tải phá hủy (kN) Chuyển vị (mm) Col.00 985.2 4.2 Col.01.L.3P 1850 1.13 Col.02.L.6P 1600 1.48 Col.03.C.3P 1545 1.46 Col.04.C.6P 1815 0.924 Col.05.C.Pl 1597 2.18 Dựa vào kết chuyển vị Hình 3.26 bảng 3.2 ta đưa số nhận xét lựa chọn phương pháp gia cường cho cột BTCT: - Mơ hình Col.01.L.3P mơ hình Col.04.C.6P sau gia cường thép chịu tải khả chịu tải tăng 87.8% 89% so với cột BTCT Hình Col.00 Chuyển vị phần tử bê tông hạn chế cách đáng kể xấp xỉ 0.27% (đối với mơ hình Col.01.L.3P) 0.22% (đối với mơ hình Col.04.C.6P) so với cột BTCT mơ hình Col.00 - Kết cho thấy phương pháp gia cường Col.02.L.6P Col.03.C.3P có tương quan rõ tải phá hủy chuyển vị tương đồng với Tải phá hủy tăng 62% (mơ hình Col.02.L.6P) tăng 57% (Mơ hình Col.03.C.3P) Đồng thời, chuyển vị giảm đáng kể xấp xỉ 65 % (mơ hình Col.02.L.6P) xấp xỉ 65% (mơ hìnhCol.03.C.3P) Vì vậy, phương pháp áp dụng tùy vào mực đích yêu cầu kĩ thuật - Ngoài ra, phương pháp cuối bao phủ toàn thép kết chuyển vị lớn so với phương pháp thử nghiệm nghiêm cứu Tải phá hủy có tăng so với mơ hình Col.00 vào khoảng tăng 62% Tuy nhiên, so với phương pháp mức tải phá hủy tương đương kết chuyển vị lại lớn 49 nhiều (xấy xỉ 149% so với mơ hình Col.03.C.3P 147% so với mơ hình Col.02.L.6P Từ kết thu từ việc xây dựng mơ hình phần mềm ANSYS, tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn kết thực nghiêm Ta nhận thấy rằng, phương án gia cường Col.01.L.3P Col.04.C.6P phương án tốt ưu Giúp cột BTCT chịu tải tác dụng cao với chuyển vị nhỏ 50 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết luận Trong luận văn này, tác giả tìm hiểu lý thuyết phá hủy bê tơng cốt thép phương pháp gia cường cột bê tơng thép Từ tác giả ứng dụng vào việc xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn phần mềm Ansys, mơ q trình nén cột trước sau gia cường Các kết mô so sánh với thực nghiệm tham khảo từ báo quốc tế [8] Qua kết tính tốn, đưa phương pháp gia cường tốt Phần tử SOLID65 LINK180 chọn phần mềm ANSYS phù hợp để mô chế chịu lực q trình phá hoại kết cấu bê tơng, kết cấu thép.Nó bổ sung tham số mô với tượng kéo nứt vật liệu hợp lý với giai đoạn làm việc giai đoạn làm việc kết cấu BTCT thực tế Đồng thời, phần tử SOLID185 lựa chọn tốt phần mềm ANSYS để mô cho phương pháp gia cường cột BTCT thép Các phân tích kết cho thấy, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mơ hình cột BTCT Tuy nhiên, q trình mơ hình hố cần thực số điều chỉnh cho phù hợp 4.2 Ưu điểm khuyết điểm 4.2.1 Ưu diểm: Có thể tìm hay dự đốn ứng xử kết cấu bê tơng cốt thép phá hoại bao gồm: Khả chịu lực cục hạn, chuyển vị lớn nhất, quan hệ lực – chuyển vị, hình thành phát triển vết nứt, khu vực hình thành phá hoại Thích hợp cho việc gia cường kết cấu chịu uốn, có hiệu kỹ thuật cao, không làm tăng chiều cao kiến trúc kết cấu, không làm thu hẹp khơng gian cơng trình, thi cơng đơn giản vật liệu phổ biến từ lâu 4.2.2 Nhược điểm: Ứng xử bê tông vết nứt bắt đầu xuất phức tạp Việc xây dựng mơ hình tính tốn thiết kế dựa tảng lí thuyết học phức tạp 51 Mơ hình lớn nên việc thiết lập giải địi hỏi thiết bị sử dụng phải đáp ứng Lớp thép bên dễ bị rỉ chịu nhiều tác động khác bên ngồi mơi trường dẫn đến tuổi thọ kết cấu giảm so với dự tính 52 PHỤ LỤC A Mơ tả tốn • Chọn kiểu tốn - Command: Main Menu ->Preferences - Cửa sổ “Preferences for GUI Filtering” xuấthiện - Chọn Structural, bấm OK • Lựa chọn phần tử cho mơ hình (Element types) - Ta lựa chọn phần tử: solid 65, link 180, solid 185 - Preprocessor -> Element type -> Add/Edit/Delete ->Add - Chọn phần tử solid 65 cho vật liệu bê tơng - Có loại vật liệu ta cần khai báo : Vật liệu Loại phần tử Thứ tự vật liệu Bê tông Solid 65 Cốt thép đứng Link 180 Cốt thép vòng Link 180 Tấm thép Solid 185 53 - Chọn phần tử Link 180 cho vật liệu cốt thép Chọn phần tử solid 185 cho vật liệu thép Khai báo đặc trưng học cho phầntử Preprocessor -> Material Props -> MaterialModels • Định nghĩa tính chất cảu vật liệu bê tông: - Modun đàn hồi hệ số passion 54 - Preprocessor -> Material Props -> MaterialModels • Định nghĩa đường cong ứng suất bê tông: Preprocessor -> Material Props -> MaterialModels - Quan hệ đường cong ứng suất biết dạng bê tông: 55 Định nghĩa thông số giới hạn cảu bê tông: Định nghĩa tính chất vật liệu cho cốt thép: Thép dọc với đường kính 12mm: • Mơdun đàn hồi hệ số Poisson 56 • Định nghĩa vật liệu đàn dẻo lý tưởng, ứng xử theo mối quan hệ ứng suất-biến dạng song tuyến tính Diện tích mặt cắt ngang cốt thép 57 Thép vịng với đường kính 8mm: • Môdun đàn hồi hệ số Poisson • Định nghĩa vật liệu đàn dẻo lý tưởng, ứng xử theo mối quan hệ ứng suất-biến dạng song tuyến tính 58 • Diện tích mặt cắt ngang cốt thép Định nghĩa tính chất vật liệu cho thép: • Mơdun đàn hồi hệ số Poisson 59 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phùng Ngọc Dũng, Lê Thị Thanh Hà, Phân tích thiết kế dầm bê tơng cốt thép chịu uốn tiết diện nghiêng theo ACI 318, EUROCODE TCVN 5574:2012, Tạp chí KHCN xây dựng số 3/2014 [2] 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, ViệtNam [3] Phan Quang Minh tác giả, Kết cấu bê tông cốt thép – phần cấu kiện bản, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2014 [4] Tiêu chuẩn Việt Nam, Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, TCVN55742012, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội 2012 [5] TCVN 3118:1993 Bê tông nặng Phương pháp xác định cường độ chịu nén [6] TCVN 5574: 2012 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế [7] Một số phương pháp gia cường kết cấu cột BTCT, Nguyễn Vĩnh Sáng Tiếng Anh [8] Behavior of reinforced concrete columns strengthened by jacket, 2014 [9] 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 ConcreteInstitute [10] ACI 318-2005 (2005), Building Code Requirements for Structural Concrete Farmington Hills, MI [11] EUROCODE 2-1992-1-1 (2003), Design for ConcreteStructures, [12] Lawrence C.B., 2006, Composites for Construction: Structural Design and FRP Materials, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NewJersey [13] FIP Bulletin No14, 2006, Externally Bonded FRP Reinforcement for RCstructures 61 [14] ACI Committee 318 (2008), Building Code Requirementsfor Structural Concrete (ACI 318-08) and Commentary (318R-08) Farmington Hills: American Concrete Institute [15] Abdul Ghaffar, Development of shear capacity equations for rectangular reinforced concrete beam, Pak J Engg & Appl Sci Vol 6, Jan, 2010 (p1-8) [16] Bentz, E.C., Vecchio, F.J., & Collins, M.P (2006) Simplified Modified Compression Field Theory for Calculating Shear Strength of Reinforced Concrete Elements, ACI Structural Journal, v.103, n.4, pp.614 - 624 [17] Collins, M.P., & Vecchio, F.J (1986) The Modified Compression Field Theory for Reinforced Concrete Elements Subjected to Shear, ACI Journal, v.83, n.2, pp.219231 Trang web [18] http://tapchivatuyentap.tlu.edu.vn/Portals/10/So%2057/So%205700005.pdf [19] https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1687404814000467-gr1.jpg [20] https://123doc.org//document/4140476-nghien-cuu-gia-cuong-ket-cau-be-tong- cot-thep-bang-tam-composite-ung-dung-cho-cong-trinh-thuy-loi.htm [21] http://thephongphat.com/thep-tam/ ... KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ TUẤN PHONG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ RẠN NỨT CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BỞI CÁC TẤM THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật... phương pháp khác 3 Hình 1Minh họa phương pháp gia cường cột BTCT thép [4] Hình Thép góc cạnh dùng gia cường [4] 4 1.4 Phương pháp tính tốn gia cường cột BTCT thép hình Tính khả chịu lực cột sau gia. .. 2.1 Xác định đặc trưng học bê tông cốt thép sử dụng Ansys 2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn cho nứt kết cấu bê tông cốt thép 12 2.3 Tiêu chuẩn nứt bê tông 16 2.4 Tóm tắt chương