Mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của tải va chạm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ QUANG TRỰC MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI VA CHẠM 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 - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ QUANG TRỰC MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI VA CHẠM 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 – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Ngồi kết tham khảo từ cơng trình khác ghi luận văn, tơi xin cam kết luận văn 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 công 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 Quang Trực ii LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hồn thành kết q trình học tập nghiên cứu học viên Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Bên cạnh nỗ lực học viên, hồn thành chương trình luận văn thiếu giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An) q trình học tập hồn thành luận văn cao học Nhân đây, xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trương Tích Thiện tập thể thầy cô, 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 trình học tập thực luận văn HỌC VIÊN THỰC HIỆN Lê Quang Trực iii Tóm tắt luận văn Kết cấu trụ cầu bê tông cốt thép (BTCT) thường thiết kế để chống lại tải trọng gió, địa chấn đặc biệt va chạm phương tiện đường thủy Tai nạn va chạm phương tiện đường thủy trụ cầu không vấn đề hay xảy Việt Nam mà giới Trước thiệt hại to lớn gây va chạm phương tiện đường thủy với trụ cầu, việc nghiên cứu biện pháp bảo vệ trụ cầu trước nguy va chạm cần thiết Tuy nhiên, nghiên cứu biện pháp phòng tránh va chạm tàu Việt Nam thơng qua mơ số cịn hạn chế Trong báo này, nhóm tác giả phân tích phá hủy trụ cầu bê tơng cốt thép va chạm với sà lan thông qua chương trình ANSYS với mơ đun Explicit Đồng thời, xác định vị trí bị phá hủy trụ cầu q trình va chạm để từ đề xuất phương án thiết kế hay gia cố hiệu iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.1 Trên giới 1.2.2 Trong nước 1.3 Tổng quan tượng va chạm sà lan trụ cầu 1.3.1 Kết cấu sà lan 1.3.2 Kết cấu trụ cầu 1.3.3 Nguyên nhân gây va chạm sà lan trụ cầu 1.3.4 Một số phương án bảo vệ cầu kết cấu khác trước va chạm phương tiện thủy 1.4 Ý nghĩa đề tài 1.5 Mục tiêu phạm vi đề tài 1.6 Tóm tắt chương CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Kết cấu bê tông cốt thép 10 2.1.1 Giới thiệu 10 2.1.2 Đặc điểm cấu tạo bê tông cốt thép 11 2.2 Đánh giá cường độ bê tông theo tiêu chuẩn 5574-2012 Việt Nam 13 2.3 Một số tiêu chuẩn phá hủy bê tông 16 2.4 Lực va chạm 21 2.5 Phương pháp phần tử hữu hạn 25 v 2.5.1 Quan hệ ứng suất biến dạng 25 2.5.2 Phương pháp phần tử hữu hạn toán động lực học tường minh (Explicit Dynamic) 29 2.6 Tóm tắt chương 32 CHƯƠNG MÔ HÌNH TÍNH TỐN 34 3.1 Giới thiệu mô đun phần mềm dùng để mô 34 3.1.1 Mô đun Explicit dynamic ANSYS WORKBENCH 34 3.1.2 Các bước thực 35 3.2 Mơ hình mơ 38 3.2.1 Mơ tả tốn 38 3.2.2 Thông số vật liệu 41 3.2.3 Xây dựng mơ hình 42 3.2.4 Nhập thơng số phân tích 48 3.2.5 Chia lưới mơ hình 49 3.2.6 Thiết lập điều kiện biên 50 3.2.7 Giải 52 3.2.8 Phân tích kết 53 3.2.9 So sánh kết 57 3.3 Tóm tắt chương 58 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 4.1 Kết luận 59 4.2 Kiến nghị hướng phát triển 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sà lan tự hành hoạt động sông Hình 1.2 Sự hoạt động tàu thuyền qua cầu Hình 1.3 Cầu Cao Lãnh bắt qua sông Tiền - Đồng Tháp Hình 1.4 Cấu tạo chung cầu bê tông cốt thép Hình 1.5 Cầu Tjorn, Thụy Điển Hình 1.6 Cầu Tjorn cũ sau va chạm Hình 1.7 Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ Hình 2.1 Kết cấu dầm, cột bê tông cốt thép 10 Hình 2.2 Biểu đồ mô men cách đặt cốt thép 12 Hình 2.3 Biểu đồ lực cắt cách bố trí cốt đai 12 Hình 2.4 Sơ đồ bố trí cốt thép dự ứng lực 13 Hình 2.5 Dạng hình học phần tử SOLID65 16 Hình 2.6 Năng lượng va chạm theo Minorsky 21 Hình 2.7 Thí nghiệm va chạm Woisin 22 Hình 2.8 Lực va chạm theo thời gian đề xuất Woisin 22 Hình 2.9 Lực va tĩnh theo kích thước tàu 23 Hình 2.10 Tổng lượng ứng với lượng khác 23 Hình 2.11 Quan hệ lực va chạm vận tốc tàu theo AASHTO 24 Hình 2.12 So sánh lực va lên tường cứng cọc đàn hồi ứng với phương pháp khác 25 Hình 2.13 Đồ thị ứng suất biến dạng 26 Hình 3.1 Lưu đồ phân tích động lực học va chạm ANSYS 35 Hình 3.2 Chọn mơ đun Explicit Dynamic 35 Hình 3.3 Định nghĩa tương tác vật rắn 36 Hình 3.4 Lưới phần tử tốn va chạm 36 vii Hình 3.5 Thiết lập điều kiện biên 37 Hình 3.6 Các thơng số phân tích 37 Hình 3.7 Chọn giải 38 Hình 3.8 Kết ứng suất trình va chạm 38 Hình 3.9 Sà lan chở hàng sông 39 Hình 3.10 Kích thước sà lan JH 39 Hình 3.11 Cầu Jiujiang Trung Quốc [1] sau tai nạn va chạm xảy 40 Hình 3.12 Sơ đồ bố trí bê tơng cốt thép trụ cầu 41 Hình 3.13 Chọn cơng cụ xây dựng hình học 42 Hình 3.14 Tạo hình học trụ cầu 42 Hình 3.15 Chọn kích thước hai chiều 43 Hình 3.16 Tạo khối chữ nhật 43 Hình 3.17 Tạo đường thẳng khối chữ nhật để mơ hình cốt thép 44 Hình 3.18 Tạo diện tích mặt cắt ngang cho cốt thép 44 Hình 3.19 Tạo nhiều cốt dọc lệnh copy 45 Hình 3.20 Tạo cốt đai 45 Hình 3.21 Tạo nhiều cốt đai lệnh copy 46 Hình 3.22 Tạo vật thể đặc trưng cho khối lượng tác động lên đỉnh trụ cầu 46 Hình 3.23 Thiết lập khối lượng 47 Hình 3.24 Xác định kích thước hình học sà lan hình chiếu 47 Hình 3.25 Tạo mơ hình sà lan ba chiều 48 Hình 3.26 Thiết lập tương tác vật rắn 48 Hình 3.27 Thiết lập thơng số tương tác hệ số ma sát 49 Hình 3.28 Chia lưới mơ hình 49 Hình 3.29 Thiết lập điều kiện biên gia tốc trọng trường 50 viii Hình 3.30 Thiết lập điều kiện biên chuyển vị 51 Hình 3.31 Thiết lập điều kiện biên vận tốc 51 Hình 3.32 Thiết lập thơng số phân tích 52 Hình 3.33 Chọn kết chuyển vị cần xuất 52 Hình 3.34 Chọn kết ứng suất cần xuất 53 Hình 3.35 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,13s 53 Hình 3.36 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,2s 54 Hình 3.37 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,26s 54 Hình 3.38 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,3s 55 Hình 3.39 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,13s 55 Hình 3.40 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,2s 55 Hình 3.41 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,26s 56 Hình 3.42 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,3s 56 Hình 3.43 Đồ thị ứng suất Von Misses theo thời gian 57 Hình 3.44 Đồ thị chuyển vị tổng theo thời gian 57 Hình 3.45 So sánh kết tham khảo từ [1] kết tính tốn 58 47 Hình 3.23 Thiết lập khối lượng Tạo phane offset Z -6850mm Trên plane tạo sketch sà lan có kích thước thơng số Hình 3.24 Xác định kích thước hình học sà lan hình chiếu Extrude tạo bề dày cho sà lan 10600mm 48 Hình 3.25 Tạo mơ hình sà lan ba chiều 3.2.4 Nhập thơng số phân tích Sau hồn thành vẽ mơ hình ta qua phần model để nhập thông số Nhập hệ số ma sát cho tốn Ta vào body interaction Hình 3.26 Thiết lập tương tác vật rắn 49 Hình 3.27 Thiết lập thông số tương tác hệ số ma sát 3.2.5 Chia lưới mơ hình Kích thước lưới mơ hình 200 mm Hình 3.28 Chia lưới mơ hình 50 3.2.6 Thiết lập điều kiện biên Việc chọn thân trụ để gắn cốt thép không làm thay đổi bước thiết lập điều kiện tiếp xúc Mặc dù bỏ qua thân trụ có chiều cao H = 15m bệ trụ thân trụ có chiều cao H=15m đảm bảo liên kết với chi tiết bên Ở đây, giả sử mặt bên thân trụ ngàm theo phương chuyển vị góc xoay Chia lưới cho mơ hình với element size = 200mm Đặt gia tốc trường g = 9,81 m/s2 Hình 3.29 Thiết lập điều kiện biên gia tốc trọng trường Điều kiện biên chuyển vị: ngàm mặt đáy trụ 51 Hình 3.30 Thiết lập điều kiện biên chuyển vị Đặt vận tốc cho sà lan v = 4,11m/s theo hường 900 Hình 3.31 Thiết lập điều kiện biên vận tốc 52 3.2.7 Giải Giải 0,3 s Hình 3.32 Thiết lập thơng số phân tích Sau nhập thơng số , nhấn solve để giải , xuất kết chuyển vị tổng ứng suất Hình 3.33 Chọn kết chuyển vị cần xuất 53 Hình 3.34 Chọn kết ứng suất cần xuất 3.2.8 Phân tích kết Hình 3.35 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,13s 54 Hình 3.36 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,2s Hình 3.37 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,26s 55 Hình 3.38 Ứng suất tương đương thời điểm t = 0,3s Hình 3.39 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,13s Hình 3.40 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,2s 56 Hình 3.41 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,26s Hình 3.42 Chuyển vị tổng thời điểm t = 0,3s 57 Hình 3.43 Đồ thị ứng suất Von Misses theo thời gian Hình 3.44 Đồ thị chuyển vị tổng theo thời gian 3.2.9 So sánh kết Quan sát hình 3.41, thân trụ có khả chịu kéo tốt gắn cốt thép Tuy nhiên, vật liệu bê tông với bước thời gian va chạm nứt cách nghiêm trọng có khả gãy trụ cầu lớn Các thép chịu ảnh hưởng lớp bê tông bảo vệ vượt giá trị bền 58 Theo [1], kết cấu sà lan kết cấu dạng vỏ gia cố khung thép nên va chạm, ứng suất tương đương tập trung nhiều hai bên mép thành trụ mũi sà lan bị biến dạng lớn Tuy nhiên, nghiên cứu này, hạn chế tài ngun tính tốn nên kết cấu sà lan nhóm tác giả đơn giản hóa cách sử dụng phần tử khối, mũi sà lan cứng so với thực tế nên va chạm, vùng ứng suất tương đương lớn hai bên mép thành trụ cầu, ứng suất tương đương tập trung nhiều mặt trụ cầu Kết mô vùng tập trung ứng suất lớn nhóm tác giả có tương đồng với kết tham khảo từ [1], vị trí hai bên mép thành trụ cầu Các phần tử bị phá hủy vùng ứng suất lớn bị xóa trở thành chấm đỏ, mô tả đường nứt gãy trụ cầu Kết tham khảo từ [1] Kết luận văn Hình 3.45 So sánh kết tham khảo từ [1] kết tính tốn 3.3 Tóm tắt chương  Mơ hình va chạm xây dựng mô đun Explicit dynamic  Do sà lan với tải trọng lớn vận tốc lớn nên va chạm với trụ cầu gây ảnh hưởng lớn đến trụ  Trong 0,3 s, trụ cầu bị vỡ phần bê tơng ngồi phần thép bên chuyển vị tương đối lớn  Kết thực tế ra, với trụ bê tông cốt thép chưa đủ độ bền để chịu va chạm lớn sà lan 59 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1.Kết luận Bài toán va chạm động lực học dạng tốn có mức độ khó tương đối Bước đầu nghiên cứu, luận văn giải số vấn đề sau:  Xây dựng mơ hình trụ cầu bê tơng cốt thép sà lan  Thiết lập thông số vật liệu bê tông cốt thép cho thân trụ  Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy bê tông  Thiết lập tương tác đối tượng trụ cầu sà lan  Mơ q trình va chạm trụ cầu sà lan  Xác định vùng phá hủy trụ cầu  So sánh kết mô với kết công bố từ tài liệu uy tín Qua kết mơ phỏng, thấy ảnh hưởng tải trọng cầu tác động lên trụ, kết hợp với phần chân trụ bị ngàm nên vùng bị nứt gãy trụ không nằm sát mặt đất hay vị trí va chạm mà nằm khoảng lưng chừng hai vị trí Bên cạnh khơng tránh khỏi khó khăn sau:  Sự phức tạp biên dạng hình học số lượng cốt thép trụ cầu dẫn đến việc giải toán nhiều thời gian để kết  Tìm kiếm tài liệu cịn nhiều hạn chế, nên việc mơ tả khung thép cho phần mũi sà lan gặp khó khăn nên chưa xây dựng mũi sà lan xác 4.2 Kiến nghị hướng phát triển Định hướng phát triển cho đề tài xuất phát từ giới hạn Do  Phân tích chi tiết biến dạng sà lan mơ hình với vỏ khung thép  Mô ứng xử va chạm kết cấu nhịp với sà lan  Mơ hình móng cọc xét tương tác với đất để cải thiện điều kiện biên cho trụ cầu  Mô hướng va chạm sà lan với cầu 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sha, Y and H Hao Nonlinear finite element analysis of barge collision with a single bridge pier, Engineering Structures, 41: pp 63-76, 2012 [2] Tran, D.P A study of Floating Protection System subjected to Vessel Collisions Considering Fluid-Structure Interaction, in Ocean Civil Engineering, Mokpo National Maritime University, 2016 [3] Minorsky, V.U An Analysis of Ship Collisions with Reference to Protection of Nuclear Power Plants, in Other Information:Orig Receipt Date: 31-DEC-59, p Medium: X; Size: Pages: 10, 1958 [4] Woisin, G GKSS collision tests, United Kingdom, 1978 [5] Svensson, H Protection of Bridge Piers against Ship Collision, Steel Construction 2, 2009 [6] AASHTO Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges, in Final Report, 1991 [7] EN, Eurocode 1: Actions on structures, 1991 [8] Mondorf, P.E Floating Pier Protections Anchored by Prestressing Tendons, 1983 [9] Trương Tích Thiện Lý thuyết dẻo kỹ thuật Nhà xuất đại học quốc gia TP.HCM, 2014 [10] Nguyễn Việt Hùng Nguyễn Trọng Giảng ANSYS mô số công nghiệp phần tử hữu hạn Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2003 [11].tuoitre.vn/tin/chinh-tri-xa-hoi/20160320/cau-ghenh-dang-sap-nguoi-danrotxuong-song/1070536.tml 61 PHỤ LỤC Nội dung luận văn chấp nhận báo cáo Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học Hà Nội vào ngày 09/04/2019 với chủ đề Mô trình va chạm phá hủy sà lan trụ cầu bê tông cốt thép ... TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ QUANG TRỰC MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI VA CHẠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN... thuyết thuật tốn khác Trong đề cương này, ứng xử phi tuyến kết cấu bê tơng cốt thép có tác dụng tải va chạm tính tốn mơ phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp số mạnh có khả giải nhiều tốn kỹ thuật... 100oC), ứng suất xuất không đáng kể, khơng làm phá hoại lực dính bám bê tơng cốt thép 2.1.2 Đặc điểm cấu tạo bê tông cốt thép 2.1.2.1 Bê tông cốt thép thường Cốt thép đặt vào cấu kiện bê tông cốt thép