Phân tích ứng xử cơ nhiệt của kết cấu dầm bê tông cốt thép khi chịu tác động của lửa và tải trọng cơ đồng thời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CƠNG NGHIỆP LONG AN HỒ DUY KHÁNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ NHIỆT CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA LỬA VÀ TẢI TRỌNG CƠ ĐỒNG THỜI 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 CƠNG NGHIỆP LONG AN HỒ DUY KHÁNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ NHIỆT CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA LỬA VÀ TẢI TRỌNG CƠ ĐỒNG THỜI 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 BẢN CAM KẾT 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 Hồ Duy Khánh 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 Hồ Duy Khánh iii Tóm tắt luận văn Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ bền lâu, khả sử dụng kết cấu cơng trình, cơng trình bêtơng bê tơng cốt thép (BTCT) sử dụng phổ biến Hiện tượng gây phá hoại kết cấu bêtông BTCT vốn nhiều nguyên nhân phức tạp gây nên, cần quan tâm nghiên cứu Sự tác động nhiệt độ lên bêtơng tượng thường gặp cơng trình xây dựng gặp hỏa hoạn.Sự phá hoại bêtông phát triển từ nhiều nguyên nhân, mà chất đặc tính vật liệu khâu sản xuất, thi cơng Nhiều cơng trình xây dựng sử dụng kết cấu dầm BTCT có quy mơ lớn cầu, nhà cao tầng, cơng trình lớn, cơng trình cơng nghiệp,… địi hỏi tính bền vững khả chống đỡ tốt trường hợp hỏa hoạn Việc sụp đổ kết cấu BTCT gây nhiều bất lợi không mặt kỹ thuật mà ảnh hưởng đến kinh tế Việc phân tích trường nhiệt độ ứng suất kết cấu dầm bê tơng cốt thép có ý nghĩa vơ quan trọng, nhằm mục đích đánh giá khả chịu tải kết cấu điều kiện hỏa hoạn Tuy nhiên phân bố thường phức tạp số lượng phần tử nhiều khó khăn tính tốn điều kiện biên Luận văn giới thiệu qui trình lập giải tốn phân tích trường nhiệt độ ứng suất dầm bê tông cốt thép phương pháp phần tử hữu hạn Từ kết phân tích dự đốn qui luật mức độ phát triển trường nhiệt độ ứng suất khối bê tông cốt thép, từ đưa giải pháp cải tiến vật liệu iv ANALYSIS OF REINFORCED CONCRETE BEAMS SUBJECTED TO FIRE AND STATIC LOADING There are many factors that affect the durability, usability of the structure, especially concrete and reinforced concrete works that are commonly used The phenomenon of destroying concrete structures and reinforced concrete has many complicated causes, so it is necessary to study The impact of temperature on concrete is a common phenomenon in construction works when there is a fire Vandalism in concrete can develop from many causes, which are essentially properties of materials in the manufacturing and construction stages Many construction works using largescale reinforced concrete beam structures such as bridges, high-rise buildings, large buildings, industrial works, etc require sustainability and good resilience in case of fire The collapse of reinforced concrete structures has many disadvantages not only technically but also economic impacts The analysis of the temperature and stress field in reinforced concrete beam structure is extremely important, in order to evaluate the load-bearing capacity of the structure under fire conditions However, this distribution is often very complicated due to the large number of elements and the difficulty in calculating boundary conditions This thesis introduces the process of making and solving problem of analyzing temperature and stress field in reinforced concrete beams by finite element method From the results of the analysis it is possible to predict the law and the degree of development of the temperature and stress field in reinforced concrete blocks, thereby offering improved solutions for materials v MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1  1.1.  Giới thiệu đề tài 1  1.2.  Đối tượng nghiên cứu 2  1.3.  Phạm vi nghiên cứu 2  1.4.  Mục tiêu nghiên cứu 2  1.5.  Tính cấp thiết đề tài: 2  1.6.  Một số đề tài nghiên cứu nước 3  CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5  2.1 Giới thiệu truyền nhiệt 5  2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn toán truyền nhiệt 9  2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn cho nứt kết cấu bê tông cốt thép 11  2.3.1 Phần tử bê tông 11  2.3.2 Phần tử cốt thép 12  2.3.3 Mơ hình phần tử cốt thép bê tông 13  2.3.4 Tiêu chuẩn nứt bê tông 16  2.4 Bài toán trường cặp đôi chiều nhiệt-kết cấu 22  2.5 Thiết bị thử (TCVN 9311-1 (2012)) 26  2.6 Tóm tắt chương 28  CHƯƠNG 3.THIẾT LẬP PHƯƠNG PHÁP SỐ CHO BÀI TOÁN 29  3.1 Giới thiệu mơ hình 29  3.2 Mô tả toán nhiệt- kết cấu chiều ANSYS 31  3.3 Thông số vật liệu: 34  3.3.1.  Thiết đặt thơng số cho tốn nhiệt 34  3.4 Thiết đặt thông số cho toán kết cấu: 39  3.5 Xây dựng mơ hình Ansys: 49  3.6 Đặt điều kiện biên nhiệt giải toán nhiệt 51  1.7.  Đặt điều kiện biên kết cấu giải toán kết cấu: 52  3.7 Kết toán nhiệt dầm BTCT 54  3.8 Kết toán kết cấu dầm BTCT: 57  CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61  vi 4.1 Kết luận 61  4.2 Kiến nghị 61  TÀI LIỆU THAM KHẢO 62  vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 Một tòa nhà Brazil bị sụp đổ hỏa hoạn 1  Hình Tòa nhà Windsor Tower Anh sau 26h bị cháy năm 2005 Hình Mơ hình tác động nhiệt 5  Hình 2 Phân tố nhiệt 6  Hình Dạng hình học phần tử SOLID65 12  Hình Dạng hình học phần tử link 180 12  Hình Mơ hình Smeared 13  Hình Mơ hình Embeded 14  Hình Mơ hình Discrete 14  Hình Các mơ hình nứt bê tơng 15  Hình Bề mặt phá hủy 3-D khơng gian ứng suất 18  Hình 10 Mặt cắt bề mặt phá hoại 20  Hình 11 Bề mặt phá hủy khơng gian ứng suất 22  Hình 12 Phương pháp phân tích cặp đôi 23  Hình 13 Phương pháp phân tích cặp đơi trực tiếp 24 Hình Mơ hình thực nghiệm dầm bê tơng cốt thép Kodur 29  Hình Mặt cắt ngang dầm bê tông cốt thép 30  Hình 3 Lị thử nghiệm cấu trúc – nhiệt phịng thí nghiệm MSU’s Civil 30  Hình Đồ thị nhiệt độ lò thử nghiệm thay đổi theo thời gian theo tiêu chuẩn ASTM E119 31  Hình LINK 33 32  Hình Phần tử SOLID 65 SOLID 70 33  Hình Phần tử SOLID 65 34  Hình LINK 180 34  Hình Đồ thị độ dẫn nhiệt bê tông thay đổi theo nhiệt độ 35  Hình 10 Đồ thị nhiệt dung riêng vật liệu bê tông thay đổi theo nhiệt độ 36  Hình 11 Đồ thị khối lượng riêng vật liệu bê tông thay đổi theo nhiệt độ 37  Hình 12 Đồ thị độ dẫn nhiệt vật liệu cốt thép thay đổi theo nhiệt độ 38  Hình 13 Đồ thị nhiệt dung riêng vật liệu cốt thép thay đổi theo nhiệt độ 38  Hình 14 Đồ thị khối lượng riêng vật liệu cốt thép 39  viii Hình 15 Đồ thị Module đàn hồi vật liệu bê tông thay đổi theo nhiệt độ 40  Hình 16 Phương trình quan hệ đường cong ứng suất biến dạng 41  Hình 17 Đồ thị mối quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu bê tông 42  Hình 18 Hệ số nứt cho bê tơng 42  Hình 19 Đồ thị độ giãn nở nhiệt thay đổi theo nhiệt độ bê tông 43  Hình 20 Đồ thị module đàn hồi vật liệu thép thay đổi theo thời gian 44  Hình 21 Phương trình đường cong quan hệ ứng suất biến dạng cho vật liệu thép 45  Hình 22 Đồ thị mối quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu cốt thép 47  Hình 23 Đồ thị mối quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu cốt đai 48  Hình 24 Đồ thị độ giãn nở nhiệt vật liệu thép 49  Hình 25 Kích thước nửa mơ hình dầm bê tơng cốt thép 50  Hình 26 Phân bố cốt thép cốt đai bên dầm 51  Hình 27 Thiết đặt điều kiện biên nhiệt đối lưu cho loadsteps 52  Hình 28 Chuyển đổi dạng phân tích tốn 53  Hình 29 Đặt điều kiện biên cho toán kết cấu 53  Hình 30 Trường phân bố nhiệt độ tổng thể dầm thời điểm 4h (14400s) 54  Hình 31 Trường phân bố nhiệt độ mặt cắt dầm thời điểm 2h (7200s) 54  Hình 32 Trường phân bố nhiệt độ mặt cắt dầm thời điểm 3h (10800s) 55  Hình 33 nodes mơ hình số mơ hình thực nghiệm 56  Hình 34 Đồ thị nhiệt độ điểm 56  Hình 35 Ứng suất von-mises dầm thời điểm 900s 57  Hình 36 Ứng suất von-mises dầm thời điểm 1800s 57  Hình 37 Chuyển vị theo phương Y, y_max = -0.004 (m) 58  Hình 38 Chuyển vị theo phương Y, y_max = -0.009 (m) 58  Hình 39 Đồ thị so sánh chuyển vị mơ hình số mơ hình Kodur theo thời gian 59  Hình 40 Nứt bê tông 60  Hình 41 Nứt bê tông lan rộng 60  49 Hình 24 Đồ thị độ giãn nở nhiệt vật liệu thép 3.5 Xây dựng mơ hình Ansys: Bởi tốn đối xứng nên xét nửa mô hình tốn để đơn giản hóa tăng tốc độ tính tốn Xét nửa chiều dài dầm có kích thước L1987.5mm x W254mm x D406mm, với chia lưới số phần tử hình (53 elements x elements x 10 elements) 50 Hình 25 Kích thước nửa mơ hình dầm bê tơng cốt thép Bê tơng cốt thép mơ hình xác theo tỉ lệ mơ hình thực tế Mỗi node cốt thép trùng với node bê tông, thể ảnh sau: 51 Hình 26 Phân bố cốt thép cốt đai bên dầm Sau chia lưới cho bê tông cốt thép, số node số phần tử mơ hình là: 4158 nodes 3718 elements 3.6 Đặt điều kiện biên nhiệt giải tốn nhiệt Bài tốn mơ lại q trình đốt lửa lị, nhiệt độ tăng dần theo thời gian, bước thời gian có nhiệt độ khác Thời gian (phút) 15 30 60 90 120 150 180 210 240 Nhiệt độ (°C) 20 760 843 927 978 1010 1031 1052 1072 1093 Chúng ta tạo loadsteps với nhiệt độ thời gian tương ứng bảng Vì mơ hình mơ tả cháy lửa, nên trình dẫn nhiệt đến chủ yếu từ nhiệt đối lưu.Hệ số truyền nhiệt đối lưu mặt chịu lửa (2 bên phía dưới) 52 25W/m2°C.Hệ số truyền nhiệt đối lưu mặt cịn lại khơng chịu lửa (mặt trên) 9W/m2°C Nhiệt độ ban đầu cho dầm bê tông cốt thép 20°C (nhiệt độ phịng) Loại phương pháp phân tích nhiệt cho tốn độ (Transient.) Hình 27 Thiết đặt điều kiện biên nhiệt đối lưu cho loadsteps 1.7 Đặt điều kiện biên kết cấu giải toán kết cấu: Sau kết thúc trình giải tốn nhiệt, phương pháp phân tích chuyển sang phân tích kết cấu Do đó, loại phần tử đổi từ Link 33 sang link 180 từ Solid 70 sang Solid 65 Chúng ta dùng lệnh [ETCHG] để chuyển đổi dạng phân tích: 53 Hình 28 Chuyển đổi dạng phân tích tốn Nhưng mặc định ANSYS chuyển đổi Solid 70 sang Solid 185 Do cần phải thêm Solid 65 để mơ hình hóa cho vật liệu bê tơng Việc xóa mesh cũ gán lại thơng số vật liệu Solid 65 cho khối bê tông điều cần thiết Điều kiện biên nhiệt độ cũ toán nhiệt phải xóa hồn tồn Với tốn kết cấu, toán đối xứng, thêm vào ràng buộc chuyển vị node theo phương hình Dầm BTCT chịu tải trọng theo phương y có độ lớn: 50kN Hình 29 Đặt điều kiện biên cho toán kết cấu 54 3.7 Kết toán nhiệt dầm BTCT Sau giải toán nhiệt độ, kết nhiệt phải kiểm tra trước chuyển sang tốn phân tích kết cấu Kết phân bố nhiệt độ sau 4h tác dụng lửa: Hình 30 Trường phân bố nhiệt độ tổng thể dầm thời điểm 4h (14400s) Hình 31 Trường phân bố nhiệt độ mặt cắt dầm thời điểm 2h (7200s) 55 Hình 32 Trường phân bố nhiệt độ mặt cắt dầm thời điểm 3h (10800s) Kết nhiệt độ mơ hình số so sánh với kết mơ hình thực nghiệm Kodur điểm hình theo bảng sau: Time (phút) Temp (oC) Rebar point 15 30 60 90 120 150 180 210 240 20 760 843 927 978 1010 1031 1052 1072 1093 20 37.888 91.471 204.92 301.3 382.94 452.82 513.46 567.11 615.31 20 20.862 29.284 77.427 141.38 205.62 266.73 323.58 376.15 425.14 20 20.569 26.397 63.239 117.37 174.32 230.08 283.27 333.27 380.15 Quarter depth point Mid depth point Bảng 15 Kết nhiệt độ điểm theo thời gian 56 Hình 33 nodes mơ hình số mơ hình thực nghiệm Ta bảng kết so sánh nhiệt độ: Hình 34 Đồ thị nhiệt độ điểm Nhận xét: kết nhiệt độ thu tính Ansys kết nhiệt độ Kodur sát 57 3.8 Kết toán kết cấu dầm BTCT: Ứng suất dầm tăng dần theo thời gian: thấy ứng suất lớn mặt tiếp xúc với lửa: Hình 35 Ứng suất von-mises dầm thời điểm 900s Hình 36 Ứng suất von-mises dầm thời điểm 1800s 58 Chuyển vị deflection theo phương Y theo thời gian: Hình 37 Chuyển vị theo phương Y, y_max = -0.004 (m) Hình 38 Chuyển vị theo phương Y, y_max = -0.009 (m) 59 Theo tốn mơ hình Kodur, kết dầm bị phá hủy thời điểm 180 phút.Sử dụng Ansys xác định dầm bị phá hủy thời điểm khoảng 190 phút, gần với tốn thực nghiệm Hình so sánh biến dạng toán số mơ hình thực nghiệm theo phương Y Hình 39 Đồ thị so sánh chuyển vị mô hình số mơ hình Kodur theo thời gian 60 Kết nứt dầm tải trọng lửa tải trọng cơ: Hình 40 Nứt bê tơng Hình 41 Nứt bê tơng lan rộng Có thể thấy vết nứt lan rộng từ mặt dầm (tiếp xúc với lửa nhiều nhất) lan dần sang phương lại 61 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Trong luận văn này, học viên tìm hiểu lý thuyết mơ tốn trường cặp đơi nhiệt, tiêu chuẩn phá hủy bê tông để đưa vào phần mềm mơ Ansys Dựa mơ hình thực nghiệm dầm bê tông cốt thép chịu lửa tham khảo từ báo quốc tế, học viên xây dựng mô hình phần tử hữu hạn dầm bê tơng cốt thép, khai báo tính chất phi tuyến vật liệu thay đổi theo nhiệt độ, thiết lập điều kiện biên nhiệt tải học, mô trình phá hủy bê tơng tác động tải nhiệt so sánh với kết thực nghiệm Bài tốn phân tích trường cặp đơi nhiệt kết cấu cho dầm bê tơng cốt thép có mức khó tương đối Bước đầu nghiên cứu, luận văn giải số vấn đề sau: - Xác định thông số vật liệu thay đổi theo trường nhiệt độ vật liệu thép vật liệu bê tông - Tìm cách chuyển đổi kết nhiệt thành điều kiện biên cho tốn kết cấu - Mơ tả mơ hình dầm bê tơng cốt thép dạng discrete - Xác định xu hướng lan rộng vết nứt tải nhiệt lửa 4.2 Kiến nghị Bên cạnh kết thu từ luận văn,có khó khăn cần giải cho hướng phát triển đề tài - Ứng suất nhiệt lớn yêu cầu cao substep dẫn tới bước đầu khó khăn để làm cho toán đạt hội tụ - Để đảm bảo sát kết nghiên cứu, phần tử chia lưới cịn lớn dẫn tới kết xác - Vì ứng suất lớn nên trình nứt diễn nhanh phá hủy dầm nhanh 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO A.Tài liệu tiếng Anh [1] M Elshorbagy, M Abdel-Mooty & A Akl (2017), “nonlinear numerical simulation of coupled thermal-structural response of rc beams during fire test”, Structural Engineering Department, Cairo University, Egypt [2] V.K.R Kodur, Ankit Agrawal (2016), “An approach for evaluating residual capacity of reinforced concrete beams exposed to fire”, Journal of Engineering Strucutures, Vol 110, 2016, pp 293-306 [3] Eurocode2 (2004) Design of concrete structures, Part 1- 2: General rules-structural fire design ENV 1992-1-2.UK: CEN: European Committee for standardization; 2004 [4] Eurocode1 (2002) Actions on Structures, Part 1-2: General actions Actions on structures exposed to fire ENV 1991-1-2.UK: CEN: European Committee for standardization; 2002 [5] S.P Ingale, A.Z Patel, D.D Date, A.B Chalke (2015) “advanced transient thermal and structural analysis of disc brake by ansys work bench” international research journal of engineering and technology, vol.2 2015, pp 2395-0072 [6] M Elshorbagy, M Abdel-Mooty & A Akl (2017), “nonlinear numerical simulation of coupled thermal-structural response of rc beams during fire test”, structural engineering department, cairo university, egypt [7] V.K.R Kodur, Ankit Agrawal (2016), “an approach for evaluating residual capacity of reinforced concrete beams exposed to fire”, journal of engineering strucutures, vol 110, 2016, pp 293-306 A.Tài liệu tiếng Việt [8] Trương Tích Thiện, Nguyễn Thanh Nhã Phân tích kết cấu Nhà xuất Đại học Quốc Gia Tp HCM (2016) [9] Nguyễn Việt Hùng Nguyễn Trọng Giảng.ANSYS mô số công nghiệp phần tử hữu hạn Nhà xuất khoa học kỹthuật Hà Nội – 2003 [10] Nguyễn Thái Dương, Phân tích nguyên nhân nứt kết cấu bê tông cốt thép yếu tố vật liệu, thi công nhiệt độ, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Hà Nội, 2015 [11] Hồ Ngọc Khoa, Vũ Chí Cơng, Phân tích trường nhiệt độ ứng suất nhiệt bê tông khối lớn phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (Số 14), trang 17-27, 2012 [12] Tạ Quang Vinh, Các biện pháp hạn chế vết nứt ứng suất nhiệt thi công bê tông khối lớn , Luận văn thạc sỹ, Trường ĐH Kiến trúc Hà Nội, 2005 63 [13] Nguyễn Minh Việt, Nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt bê tông đầm lăn xây dựng công trình thủy lợi thủy điện việt nam, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Hà Nội, 2017 [14] Hoàng Anh Giang, Dầm bê tông cốt thép chịu tác động lửa - lựa chọn phần tử cho mơ hình nhiệt học Ansys, Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 [15] TCVN 9311-1 (2012), Thử nghiệm chịu lửa Các bộphận cơng trình xây dựng ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CƠNG NGHIỆP LONG AN HỒ DUY KHÁNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ NHIỆT CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA LỬA VÀ TẢI TRỌNG CƠ ĐỒNG THỜI LUẬN... nghiệm dầm bê tơng cốt thép đốt lò nung thử nghiệm Dầm bê tơng cốt thép có kích thước L3952mm x W254mm x D406mm hình Hình Mơ hình thực nghiệm dầm bê tông cốt thép Kodur Cốt thép dầm gồm cốt thép chịu. .. hưởng nhiệt độ lên khả chịu tải dầm bê tông cốt thép ví dụ Mơ hình chia làm hai tốn: nhiệt kết cấu Bài tốn nhiệt phân tích để tính tốn trường nhiệt độ dầm BTCT thời điểm khác nhau.Các trường nhiệt