Nghiên cứu áp dụng mô hình giàn ảo để tính toán kết cấu tại vùng neo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA      ĐẶNG NGỌC LỢI NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO ĐỂ TÍNH TỐN KẾT CẤU TẠI VÙNG NEO CHUN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU HẦM MÃ SỐ NGÀNH : 60 58 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS VŨ XUÂN HÒA Cán chấm nhận xét : TS LÊ BÁ KHÁNH Cán chấm nhận xét : TS PHÙNG MẠNH TIẾN Luận văn thạc sĩ bảo vệ hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa TP HCM, ngày 24 tháng 08 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS TS LÊ THỊ BÍCH THỦY TS VŨ XUÂN HÒA TS LÊ BÁ KHÁNH TS PHÙNG MẠNH TIẾN TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc Lập Tự Do Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 22 tháng 07 năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐẶNG NGỌC LỢI Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1986 Nơi sinh: Đồng Tháp Chuyên ngành: Xây Dựng Cầu Hầm MSHV: 10381100 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO ĐỂ TÍNH TỐN KẾT CẤU TẠI VÙNG NEO NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Chương : Tổng quan hướng nghiên cứu Chương : Đặc điểm kết cấu bê tông dự ứng lực phương pháp tính tốn áp dụng Chương : Phương pháp mơ hình giàn ảo ứng dụng Chương : Áp dụng mơ hình giàn ảo tính tốn kết cấu vùng neo Chương : Kết luận NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2012 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2013 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS VŨ XUÂN HÒA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QL CHUN NGÀNH TS VŨ XN HỊA TS LÊ BÁ KHÁNH KHOA QL CHUYÊN NGÀNH TÓM TẮT LUẬN VĂN Phương pháp mơ hình giàn ảo cơng cụ việc tính tốn thiết kế vùng chịu lực cục nơi mà giả thiết tiết diện phẳng áp dụng Những vùng cục tiêu biểu đầu dầm, vai cột, trụ cầu, vùng neo cáp cấu kiện dự ứng lực Đối với vùng neo cáp kết cấu bê tông dự ứng lực, phân bố ứng suất vùng neo phụ thuộc vào số lượng neo, trình tự căng cáp, vị trí đặt neo, đặc trưng hình học tiết diện Trong luận văn tập trung vào áp dụng mơ hình giàn ảo để tính tốn vùng neo cáp dự ứng lực dầm I căng sau Qua việc kiểm tra đối chiếu kết tính tốn, thiết kế theo phương pháp mơ hình giàn ảo với kết tính tốn theo phương pháp phần tử hữu cho thấy mơ hình giàn ảo có độ tin cậy cao Đồng thời phương pháp mơ hình giàn ảo phương pháp đơn giản trực quan nên thuận lợi ứng dụng thiết kế cơng trình thực tế ABSTRACT Strut and tie modeling method is “a tool” for simulation and designing local zones where elastic bending theory can not be applied Typical localized areas are the dapped-end beams, corbels, piers, anchorage zones in prestressed concrete structures For anchorage zones of the prestressed concrete structure, the stress distribution in the anchorage zone depends on a number of anchors, prestressing process, anchors arrangement, geometrical properties of the cross sections This thesis focuses on the application of strut and tie modeling method to simulate the anchorage zones of I prestressed beams The comparison of the results of calculation and design using strut and tie model with the ones by finite element method shows that strut and tie model is reliable Moreover, strut and tie modeling method is simple and gives the intuitive result, therefore its applications in the design of practical work are facile LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trước hết xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất quý Thầy Cô khoa Kỹ Thuật Xây Dựng trường ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, truyền đạt cho kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt thời gian học tập trường Bằng tất lịng, tơi xin gửi đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp lời cám ơn tình cảm chân thành nhất, khuyến khích, hỗ trợ, động viên, tạo điều kiện cho tơi hồn thành chương trình học tập trường Xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Vũ Xuân Hòa, người thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho tơi suốt q trình thực luận văn Cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể phòng thiết kế − Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Bách Khoa động viên, giúp đỡ tạo điều kiện đặc biệt kĩ sư Bùi Quốc Phong hỗ trợ tài liệu hữu ích trình thực luận văn Mặc dù cố gắng hoàn thành luận văn, thời gian kiến thức có hạn nên chắn luận văn cịn thiếu sót định Kính mong q Thầy, Cơ, q anh chị đóng góp ý kiến để khắc phục nâng cao kiến thức Xin chân thành cám ơn! TP Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 07 năm 2013 Tác giả Đặng Ngọc Lợi LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Đặng Ngọc Lợi tác giả đề tài “Nghiên cứu áp dụng mô hình giàn ảo để tính tốn kết cấu vùng neo”, xin cam đoan nội dung luận văn tài liệu tham khảo thật mang tính khoa học trình bày I MỤC LỤC CHƢƠNG TỔNG QUAN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .2 1.3 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 1.3.1 Các nghiên cứu nƣớc 1.3.2 Các nghiên cứu nƣớc 1.4 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5.1 Về lý thuyết 1.5.2 Về áp dụng 1.6 BỐ CỤC VÀ NỘI DUNG THỰC HIỆN LUẬN VĂN .6 1.6.1 Bố cục 1.6.2 Nội dung thực CHƢƠNG ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU BÊ TƠNG DỰ ỨNG LỰC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐƢỢC ÁP DỤNG 2.1 TỔNG QUAN KẾT CẤU BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC .8 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Sơ lƣợc hình thành phát triển bê tơng dự ứng lực 2.2 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC .11 2.2.1 Khái niệm phƣơng pháp tạo dự ứng lực 11 2.2.2 Đặc điểm cấu tạo 11 2.2.3 Đặc điểm chịu lực 13 2.3 NHỮNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐƢỢC ÁP DỤNG TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU .14 2.3.1 Phƣơng pháp lực 14 2.3.2 Phƣơng pháp chuyển vị 15 2.3.3 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn 16 II 2.4 NHỮNG VẤN ĐỀ GẶP PHẢI TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC 17 2.5 ĐẶC ĐIỂM NEO, VÙNG NEO CÁP DỰ ỨNG LỰC 18 2.5.1 Giới thiệu chung 18 2.5.2 Phân tích ứng suất vùng neo kết cấu căng trƣớc 20 2.5.3 Phân tích ứng suất vùng neo kết cấu căng sau 21 2.6 LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ĐƢỢC ÁP DỤNG PHÂN TÍCH VÙNG NEO 22 2.6.1 Tính tốn theo lý thuyết đàn hồi 22 2.6.2 Tính tốn theo phƣơng pháp mơ hình giàn ảo 26 2.6.3 Tính tốn theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn 27 CHƢƠNG 29 PHƢƠNG PHÁP MƠ HÌNH GIÀN ẢO VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ 29 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG .29 3.2 VÙNG B, VÙNG D VÀ PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 29 3.3 CÁC BỘ PHẬN CẤU THÀNH GIÀN ẢO 32 3.3.1 Thanh chống 33 3.3.2 Thanh giằng 33 3.3.3 Nút vùng nút 34 3.4 NỘI DUNG TÍNH TỐN THEO PHƢƠNG PHÁP MƠ HÌNH GIÀN ẢO 37 3.4.1 Điều kiện để thành lập mơ hình giàn ảo 37 3.4.2 Triết lý thiết kế 39 3.4.3 Thiết kế giằng chịu kéo 39 3.4.4 Thiết kế chống chịu nén 40 3.4.5 Thiết kế vùng nút 42 3.4.6 Phƣơng pháp tính tốn nội lực giàn ảo 45 3.5 PHƢƠNG PHÁP XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO 45 3.5.1 Xây dựng mơ hình giàn dựa vào dòng lực 46 3.5.2 Xây dựng mơ hình dựa vào tranh ứng suất 47 3.5.3 Xây dựng mơ hình dựa vào mơ hình mẫu 48 3.5.4 Phƣơng pháp để đạt đƣợc mơ hình giàn tối ƣu 48 3.6 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU 50 III 3.6.1 Cấu kiện dự ứng lực căng trƣớc 51 3.6.2 Cấu kiện dự ứng lực căng sau 52 CHƢƠNG 56 ÁP DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO ĐỂ TÍNH TỐN KẾT CẤU TẠI VÙNG NEO CÁP 56 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VÀ THƠNG SỐ TÍNH TỐN 56 4.2 PHÂN TÍCH THEO PHƢƠNG PHÁP THÔNG THƢỜNG 60 4.3 PHƢƠNG PHÁP LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI 62 4.3.1 Tính tốn vùng neo theo phƣơng pháp lý thuyết đàn hồi trƣờng hợp căng cáp 63 4.3.2 Thiết kế thép vùng neo 69 4.4 PHƢƠNG PHÁP MƠ HÌNH GIÀN ẢO 71 4.4.1 Tính tốn vùng neo theo phƣơng pháp mơ hình giàn ảo 71 4.4.2 Thiết kế cốt thép kiểm tốn mơ hình giàn ảo 82 4.5 NHẬN XÉT KẾT QUẢ TÍNH TỐN 87 4.5.1 Theo thiết kế thông thƣờng 87 4.5.2 Theo phƣơng pháp lý thuyết đàn hồi 88 4.5.3 Theo phƣơng pháp mơ hình giàn ảo 88 4.6 KIỂM TRA KẾT QUẢ TÍNH TỐN THEO MƠ HÌNH GIÀN ẢO BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 89 4.6.1 Giới thiệu phần mềm Ansys 89 4.6.2 Dạng phần tử đƣợc sử dụng mơ hình hóa vùng neo cáp 90 4.6.3 Nội dung kiểm tra mơ hình giàn 94 4.6.4 Phân tích ứng suất vùng neo mơ hình đàn hồi 95 4.6.5 Phân tích ứng suất vùng neo mơ hình đàn dẻo lý tƣởng 98 4.6.6 Nhận xét kết tính tốn theo phần tử hữu hạn 107 CHƢƠNG 108 KẾT LUẬN 108 5.1 KẾT LUẬN 108 5.2 KIẾN NGHỊ 109 Trang 98 4.6.5 Phân tích ứng suất vùng neo mơ hình đàn dẻo lý tƣởng Các dạng mơ hình bê tơng cốt thép đƣợc đề xuất Tavarez (2001) nhƣ Hình 4.31 bao gồm mơ hình rời rạc (discrete model), mơ hình liên kết (embedded model) mơ hình chỉnh thể (smeared model) Trong luận văn sử dụng dạng mơ hình chỉnh thể (smeared model) để mô vùng neo, tốn kiểm tra việc bố trí cốt thép mơ hình, khơng phân tích vùng neo trạng thái tới hạn hay xác định ứng suất thép xảy chảy dẻo bê tơng Vì vậy, mơ cốt thép theo mơ hình chỉnh thể giảm đƣợc thời gian mô nhƣ việc phân tích giải tốn Cốt đai cốt dọc phân bố theo dạng lƣới thép nên mơ hình thép theo tỉ lệ thể tích bê tơng nhƣ Hình 4.31c a) b) c) Hình 4.31 Các dạng mơ hình cốt thép phần tử bê tơng cốt thép Trên Hình 4.31a, cốt thép bê tông đƣợc mô phần tử khác nhau, liên kết hai phần tử với nút Phần tử bê tông sử dụng phần tử Solid65 với bậc tự chuyển vị thẳng Phần tử cốt thép sử dụng phần tử link8 dạng phần tử chịu kéo, nén thể đƣợc biến dạng dẻo cốt thép [19] Khi mô thƣờng sử dụng dạng phần tử đƣợc hổ trợ Ansys dạng nút phần tử (node and element) để đảm bảo nút cốt thép bê tông mô điểm Hình 4.31b cốt thép bê tơng đƣợc mô nhƣ trƣờng hợp a, nhiên mơ hình sử dụng điều kiện tƣơng thích chuyển vị nút phần tử Do cốt thép đƣợc nhúng (embebbed) vào bê tông cách mô Luận văn thạc sĩ Trang 99 phần tử liên kết để đảm bảo tƣơng thích chuyển vị Dạng mơ hình đƣợc sử dụng thực tế chƣa xác định đƣợc chuyển vị tƣơng đối bê tông cốt thép, mô tốn nhiều thời gian phải sử dụng thêm phần tử liên kết Hình 4.31c cốt thép bê tơng đƣợc mơ dạng chỉnh thể, có nghĩa cốt thép đƣợc trộn (smeared) vào bê tông theo tỉ lệ thể tích Mơ hình chỉnh thể giảm đƣợc thời gian mô phỏng, giảm đƣợc số lƣợng nút phần tử nên giảm thời gian tính tốn Để kiểm tra kết tính tốn bố trí cốt thép từ mơ hình giàn ảo, luận văn sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để mô làm việc vùng neo Việc xét ảnh hƣởng cốt thép kết cấu bê tông phản ánh chất làm việc kết cấu giai đoạn đàn hồi sau đàn hồi Tuy nhiên, để kết tính tốn có độ tin cậy cao, tác giả mơ Ansys kết thí nghiệm nén dầm phịng thí nghiệm kết mô phần tử hữu hạn Buckhous Wolanski [16] a) Bài toán kiểm tra làm việc đồng thời bê tông cốt thép Buckhous [16] thực thí nghiệm nén dầm phịng thí nghiệm để xác định ứng xử thực tế dầm bê tông cốt thép chịu uốn giai đoạn đàn hồi giai đoạn sau nứt Các thông số mơ hình  Kích thƣớc dầm 10x18(in)  Khoảng cách gối 180(in)  Tải trọng P tác dụng vị trí nhƣ Hình 4.32 tải trọng P tăng dần đến dầm phá hoại P P Hình 4.32 Kích thƣớc dầm thí nghiệm Buckhous Wolanski Để giảm thời gian tính tốn, nên mơ ¼ dầm, điều kiện biên, vật liệu thép, bê tông tham khảo Anthony J Wolanski [16] Việc giải toán phần tử Luận văn thạc sĩ Trang 100 hữu hạn giai đoạn sau nứt, tốn nhiều thời gian cơng sức, tốn mang tính chất kiểm tra nên phân tích mơ 02 q trình tăng tải Tải trọng dầm làm việc giai đoạn đàn hồi P=5120(lbs) ELEMENTS MAY 2013 10:20:13 DamBTCT-P=8000 Y WY ZWZ WX X Hình 4.33 Mơ hình dầm bê tơng cốt thép phần mềm Ansys Trong phần khảo sát chuyển vị, vết nứt so sánh với kết thí nghiệm nén dầm phịng thí nghiệm Buckhous (1997) kết mô phần tử hữu hạn Wolanski (2004) Kết mô phần tử hữu hạn phần mềm Ansys V12, theo trƣờng hợp gia tải Phan dam BTCT su dung nonlinear a.1 Gia tải đến tải trọng P=8000(lbs) Độ võng lớn dầm 0.4243 (in), kết theo Wolanski Buckhous 0.424(in) [hình 3.19, 16], giai đoạn dầm nứt chiều dày vết nứt nhƣ Hình 4.34 DISPLACEMENT MAY 2013 10:12:28 DamBTCT-P=8000 STEP=1 SUB =158 TIME=8000 DMX =.424393 Y WY WZ WX Z X CRACKS AND CRUSHING MAY 2013 10:17:11 DamBTCT-P=8000 STEP=1 SUB =158 TIME=8000 Y WY WZ WX Z X dam BTCT su dung nonlinear HìnhPhan 4.34 Chuyển vị nhịp hình thái vết nứt với cấp tải P=8000(lbs) Luận văn thạc sĩ Trang 101 a.2 Gia tải đến tải trọng P=12000(lbs) Độ võng lớn dầm 0.692 (in), kết theo Wolanski Buckhous 0.693 (in) [hình 3.19, 16], giai đoạn dầm nứt vết nứt phát triển rộng lên phía gần vùng gối đặt lực P nhƣ Hình 4.35 DISPLACEMENT AUG 19 2013 22:45:20 DamBTCT-P=12000 STEP=1 SUB =233 TIME=12000 DMX =.693802 Y WY WX X WZ Z CRACKS AND CRUSHING AUG 19 2013 22:47:38 DamBTCT-P=12000 STEP=1 SUB =233 TIME=12000 Y WY WZ WX Z X Phan dam BTCT su dung nonlinear Hình 4.35 Chuyển vị nhịp hình thái vết nứt với cấp tải P=12000(lbs) Kết phân tích hai trƣờng hợp gia tải đến cấp tải 12000(lbs) cho thấy kết phân tích theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn mơ hình đàn dẻo có xét đến làm việc đồng thời bê tông cốt thép phù hợp với thí nghiệm nén dầm Buckhous kết mô phần tử hữu hạn Wolanski Từ việc phân tích kiểm tra này, áp dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn vào phân tích kết cấu Phan dam BTCT su dung nonlinear vùng neo để xét đến tính phi tuyến vật liệu, phân tích làm việc đồng thời bê tông cốt thép phản ánh gần làm việc vùng neo thực tế b) Phân tích phần tử hữu hạn vùng neo mơ hình đàn dẻo Khi phân tích mơ hình đàn dẻo, thơng số cần khai báo để xét đến cƣờng độ bê tông cốt thép theo mơ hình đàn dẻo lý tƣởng là:  Cƣờng độ chịu nén bê tông lấy 0.8fc' =32Mpa  Cƣờng độ chịu kéo bê tông lấy 0.58 f c' =3.75Mpa  Cƣờng độ chịu kéo cốt thép fy=350Mpa Luận văn thạc sĩ Trang 102  Hàm lƣợng cốt thép phân bố theo phƣơng, phƣơng y nhƣ tính tốn bố trí theo phƣơng pháp mơ hình giàn ảo ρ y-1 =1.50% tƣơng ứng với cốt thép phân bố đoạn cách neo 480mm, tƣơng tự ρ y-2 =0.98% ρ y-3 =0.57% hàm lƣợng cốt thép đại diện cho giằng số 35 24 Hàm lƣợng cốt thép phân bố theo phƣơng x, ρz-bot =1.03% 03 lớp phần tử biên dƣới Các lớp bố trí theo hàm lƣợng cốt thép cần thiết chống nứt cho dầm ρz-cl =0.35%  Cƣờng độ thép, mơ hình vật liệu, thơng số mơ hình kích thƣớc phần tử trình bày mục 4.1 b.1 Mơ hình vùng neo phần tử Solid65  phần tử bê tơng Trƣờng hợp tính tốn đầu dầm đƣợc mô phần tử bê tông phần mềm Ansys phần tử Solid65 phần tử có nút Kích thƣớc phân chia phần tử nhƣ trình bày mục 4.6.2 Trƣờng hợp tính toán trƣờng hợp xét tất neo đƣợc căng ảnh hƣởng phản lực gối dầm đƣa vào khai thác Kết phân tích đƣợc thể qua biểu đồ sau NODAL SOLUTION MAY 30 2013 06:47:44 NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=500 SUB =1 SX (AVG) TIME=500 RSYS=0 SX (AVG) DMX =.491282 RSYS=0 SMN =-5.021 DMX =.491282 SMX =3.895 SMN =-5.021 SMX =3.895 MX Y Y MN Z MAY 29 2013 22:11:57 X Z X WX WY WZ -5.021 -3.04 -1.059 922661 2.904 -4.031 -2.049 -.067995 1.913 3.895 -5.021 -3.04 -1.059 922661 2.904 PTICHVUNGNEO-PLG-solid65 -4.031 -2.049 -.067995 1.913 PTICHVUNGNEO-PLG-solid65 Hình 4.36 Ứng suất phân bố theo phƣơng x – phần tử bê tông Luận văn thạc sĩ 3.895 Trang 103 NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=500 SY (AVG) RSYS=0 DMX =.491282 SMN =-9.805 SMX =1.959 MAY 29 2013 22:10:07 NODAL SOLUTION MAY 29 2013 22:11:08 SUB =1 TIME=500 SY (AVG) RSYS=0 DMX =.491282 SMN =-9.805 SMX =1.959 MX Y Y X WX Z WY Z WZ X WX WY WZ MN -9.805 -7.191 -8.498 -9.805 PTICHVUNGNEO-PLG-solid65 -4.577 -5.884 -7.191 -8.498 PTICHVUNGNEO-PLG-solid65 -3.27 -5.884 -1.963 -4.577 651601 -.65547 1.959 -1.963 651601 -3.27 -.65547 1.959 Hình 4.37 Ứng suất phân bố theo phƣơng y – phần tử bê tông NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=500 SZ (AVG) RSYS=0 DMX =.491282 SMN =-22.419 SMX =2.696 MAY 29 2013 22:13:15 MN NODAL SOLUTION MAY 29 2013 22:12:33 SUB =1 TIME=500 SZ (AVG) RSYS=0 DMX =.491282 SMN =-22.419 SMX =2.696 MX Y Z X Y WX WY Z WZ X WX WY -22.419 -19.628 -16.838 -22.419 PTICHVUNGNEO-PLG-solid65 -14.047 -19.628 -11.256 -16.838 PTICHVUNGNEO-PLG-solid65 -8.466 -14.047 -5.675 -11.256 -2.885 -8.466 -.094372 -5.675 Hình 4.38 Ứng suất phân bố theo phƣơng z – phần tử bê tông Luận văn thạc sĩ WZ 2.696 -2.885 -.094372 2.696 Trang 104 POST1 JUL 24 2013 09:13:58 SUB =1 TIME=500 2.55 PATH PLOT NOD1=15336 NOD2=15309 411 USX USY -1.728 -3.867 USZ -6.006 Stress -8.145 -10.284 -12.423 -14.562 -16.701 -18.84 294 147 588 441 882 735 1176 1029 1470 1323 Distant PTICHVUNGNEO-PLG-solid65 Hình 4.39 Ứng suất dọc trục neo số – phần tử bê tông Biểu đồ phân bố ứng suất sau neo trƣờng hợp xét đến cƣờng độ kéo nén bê tông, cho ta thấy phạm vi từ đầu dầm đến vị trí h/2 xuất vết nứt bên bê tông ứng suất vƣợt cƣờng độ chịu nén bê tông Nhƣ thể Hình 4.39 vùng neo bị nứt mặt phẳng chứa cáp b.2 Mơ hình vùng neo phần tử Solid65 có xét đến cốt thép Trƣờng hợp tính tốn này, vùng neo đầu dầm đƣợc mô phần tử bê tông phần mềm Ansys sử dụng phần tử Solid65 Trong phần phân tích vùng neo có xét đến cốt thép bê tông, sử dụng mô hình chỉnh thể nhƣ mơ hình Hình 4.31c tỉ lệ cốt thép theo tỉ lệ thể tích bê tông Khai báo thông số cƣờng độ chịu nén chịu kéo bê tông cho phần tử Solid65, kích thƣớc phân chia phần tử nhƣ trình bày mục 4.6.2 Hàm lƣợng cốt thép nhƣ trình bày Trƣờng hợp tính tốn trƣờng hợp dầm đƣa vào khai thác Kết phân tích phần tử hữu hạn đƣợc thể qua biểu đồ từ Hình 4.40 đến Hình 4.43 Luận văn thạc sĩ Trang 105 NODAL SOLUTION MAY 29 2013 NODAL SUB SOLUTION =1 SUB =1TIME=500 SX (AVG) TIME=500 RSYS=0 SX (AVG) RSYS=0DMX =.52461 SMN =-5.613 DMX =.52461 SMX =1.482 SMN =-5.613 22:34:33 MAY 29 2013 22:28:59 SMX =1.482 MX MN Y Z Y Z X X -5.613 -4.036 -4.825 -3.248 -4.036 -2.46 PTICHVUNGNEO-PLG-CTHEP-DC -4.825 -3.248 -5.613 -2.46 -.883293 693247 -1.672 -.095023 1.482 -.883293 693247 -1.672 -.095023 1.482 PTICHVUNGNEO-PLG-CTHEP-DC Hình 4.40 Ứng suất theo phƣơng x – phần tử bê tông xét ảnh hƣởng cốt thép 1 NODAL SOLUTION MAY 29 2013 NODAL SUB SOLUTION =1 SUB =1TIME=500 SY (AVG) TIME=500 RSYS=0 SY (AVG) RSYS=0DMX =.52461 SMN =-11.049 DMX =.52461 SMX =1.394 SMN =-11.049 SMX =1.394 22:35:43 MAY 29 2013 22:29:29 MX Y MN Z Y Z -11.049 X X -8.284 -5.519 -2.754 011352 -9.667 -6.901 -4.136 -1.371 1.394 -11.049 -8.284 -5.519 -2.754 011352 PTICHVUNGNEO-PLG-CTHEP-DC -9.667 -6.901 -4.136 -1.371 1.394 PTICHVUNGNEO-PLG-CTHEP-DC Hình 4.41 Ứng suất theo phƣơng y – phần tử bê tông xét ảnh hƣởng cốt thép Luận văn thạc sĩ Trang 106 1 NODAL SOLUTION MAY 29 2013 22:33:23 MAY 29 2013 22:30:00 SUBSOLUTION =1 NODAL TIME=500 SUB =1 SZ (AVG) TIME=500 RSYS=0 SZ (AVG) DMX =.52461 RSYS=0 SMN =-24.377 DMX SMX =.52461 =2.356 SMN =-24.377 SMX =2.356 MN Y MX Z Y Z -24.377 X X -18.437 -21.407 -24.377 -18.437 PTICHVUNGNEO-PLG-CTHEP-DC -21.407 -12.496 -6.555 -.614721 -15.466 -9.526 -3.585 2.356 -12.496 -6.555 -.614721 -15.466 -9.526 -3.585 2.356 PTICHVUNGNEO-PLG-CTHEP-DC Hình 4.42 Ứng suất theo phƣơng z – phần tử bê tông xét ảnh hƣởng cốt thép POST1 MAY 30 2013 07:14:31 STEP=1 SUB =27 TIME=500 206 PATH PLOT NOD1=15336 NOD2=15309 -2.017 USX USY -4.238 USZ -6.459 -8.68 Stress -10.901 -13.122 -15.343 -17.564 -19.785 -22.006 294 147 PTICHVUNGNEO-PLG-CTHEP 588 441 882 735 1176 1029 1470 1323 Distant Hình 4.43 Ứng suất dọc trục neo số – phần tử bê tông xét ảnh hƣởng cốt thép Luận văn thạc sĩ Trang 107 4.6.6 Nhận xét kết tính tốn theo phần tử hữu hạn Phân tích vùng neo mơ hình đàn hồi, biểu đồ thể phân bố ứng suất vùng neo giả thiết vật liệu đồng đẳng hƣớng đƣợc thể từ Hình 4.26 đến Hình 4.30 Ứng suất phân bố vùng neo không vƣợt cƣờng độ chịu kéo hay nén bê tông Biểu đồ phân bố ứng suất theo phƣơng ngang cách vùng neo 0.3m neo số 3, cho thấy phạm vi ứng suất phân bố tập trung tâm tiết diện chủ yếu dọc theo chiều cao (theo phƣơng y) chiều dài (theo phƣơng z) đầu dầm Do đó, việc phân tích vùng neo đầu dầm cách sử dụng mơ hình giàn 2D cho kết phù hợp với làm việc thực tế vùng Phân tích vùng neo mơ hình đàn dẻo, xét cƣờng độ chịu kéo, nén bê tông Biểu đồ phân bố ứng suất bê tông đƣợc thể từ Hình 4.36 đến Hình 4.39 Ta thấy có khác biệt lớn so với trƣờng hợp giả thiết vật liệu bê tông cốt thép đồng đẳng hƣớng Khi xét đến cƣờng độ chịu kéo, nén bê tông, vùng neo xuất vết nứt bên bê tông, ứng suất vƣợt cƣờng độ chịu kéo giới hạn bê tông 3.75Mpa có phân phối lại ứng suất Phạm vi ứng suất vƣợt khả chịu kéo bê tông đƣợc thể Hình 4.36, làm cho bê tơng bị nứt kéo vỡ Vị trí xuất từ đầu neo khoảng h/2 (dọc chiều dài dầm) Từ kết phân tích cho thấy, cần thiết phải gia cƣờng lớp lƣới thép vị trí sau neo cách neo khoảng h/2 để đảm bảo chống nứt Trên thực tế, việc xuất ứng suất kéo làm xuất vết nứt bên bê tơng xảy nhƣ Hình 4.36, nên khó kiểm sốt ngồi thực tế Phân tích vùng neo mơ hình đàn dẻo, xét ảnh hƣởng cốt thép, với số lƣợng cốt thép khoảng cách bố trí theo phƣơng pháp mơ hình giàn ảo Kết phân tích cho thấy, ứng suất kéo vùng neo giảm xuống, vùng neo đầu dầm khơng xuất điểm vết nứt phía sau neo có phân phối lại ứng suất bên phần tử, ứng suất nén tăng lên theo phƣơng giảm ứng suất kéo bên neo nhƣ Hình 4.43 Tuy nhiên, độ cứng kết cấu tăng lên xét mơ hình có cốt thép, vị trí sát sau neo vùng ứng suất kéo theo phƣơng z tăng lên Do cần phải bố trí lớp lƣới thép gia cƣờng mặt tiếp xúc thép đệm bê tông để chống lại phá hoại cục vùng Luận văn thạc sĩ Trang 108 CHƢƠNG KẾT LUẬN 5.1 KẾT LUẬN Qua việc phân tích đặc điểm chịu lực vùng neo cáp đầu dầm I căng sau phƣơng pháp mơ hình giàn ảo đối chiếu kiểm tra kết tính tốn, thiết kế theo phƣơng pháp mơ hình giàn ảo với kết tính tốn theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn có xét đến mơ hình vật liệu đàn hồi đàn dẻo, kết luận sau đƣợc rút Việc phân tích, tính tốn vùng neo phƣơng pháp mơ hình giàn ảo đơn giản, có tính thực hành cao khơng cần hỗ trợ phần mềm chuyên dùng khác Kết tính tốn, bố trí cốt thép trực quan nên áp dụng vào thực tế thiết kế thuận lợi dễ dàng đƣợc kiểm tra Khi thiết kế cốt thép theo mô hình giàn ảo phạm vi bố trí cốt thép chịu kéo xuất phát từ kích thƣớc giằng, nên việc bố trí cốt thép thuận lợi hợp lý, đảm bảo vừa tiết kiệm vừa an toàn Cụ thể, theo tính tốn từ phƣơng pháp mơ hình giàn ảo vùng đầu dầm đƣợc bố trí cốt thép (theo giằng) dày phạm vi từ đầu dầm đến vị trí cách đầu dầm đoạn h/2 Kiểm tra việc bố trí cốt thép mơ hình giàn ảo phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho thấy kết phân tích phần tử hữu hạn cho kết tính tốn phù hợp với kết tính tốn theo phƣơng pháp mơ hình giàn ảo Phƣơng pháp mơ hình giàn ảo xét đồng thời nhiều trƣờng hợp tải trọng khác Từ việc áp dụng mơ hình giàn ảo tính toán, thiết kế vùng neo nơi điều kiện chịu lực phụ thuộc vào số lƣợng neo, trình tự căng cáp, vị trí đặt neo, tải trọng khác thuận lợi Đối với đầu dầm có bề rộng nhỏ phân bố ứng suất chủ yếu mặt phẳng chứa cáp Do đó, việc áp dụng mơ hình giàn ảo 2D luận văn kết tính tốn phù hợp với làm việc vùng neo đầu dầm Luận văn thạc sĩ Trang 109 Đối với vùng neo có tiết diện chữ nhật chịu tải đơn giản nhƣ trƣờng hợp neo đơn, thành lập mơ hình giàn ảo dựa mơ hình mẫu có sẵn, việc tính tốn mơ hình đơn giản nhanh chóng Tuy nhiên, vùng neo chịu lực phức tạp gồm nhiều lực tác dụng theo phƣơng khác nhau, trƣờng hợp căng cáp khác nhau, để xây dựng mơ hình giàn ảo phù hợp với làm việc vùng này, ta phải dựa vào tranh ứng suất Việc xây dựng mơ hình giàn ảo phải thơng qua kết phân tích phần tử hữu hạn bố trí chống, giằng cách khảo sát vùng ứng suất kéo nén nên mơ hình đƣợc lập phụ thuộc vào quan điểm ngƣời thiết kế Do đó, cần phải có kinh nghiệm việc thành lập mơ hình để giảm bớt số mơ hình khơng khả dĩ, dẫn đến kết tính tốn khơng phù hợp với thực tế 5.2 KIẾN NGHỊ Dạng kết cấu bê tông dự ứng lực đƣợc sử dụng rộng rãi lĩnh vực xây dựng cơng trình Tuy nhiên việc phân tích, tính tốn vùng chịu lực cục gặp nhiều hạn chế Trong khuôn khỗ luận văn Thạc Sĩ, qua việc nghiên cứu áp dụng mơ hình giàn ảo để tính toán kết cấu vùng neo đầu dầm I căng sau Các kiến nghị sau đƣợc rút ra:  Trong thực tế thiết kế cơng trình kết cấu bê tơng cốt thép dự ứng lực, để tính tốn thiết kế vùng chịu lực cục tiêu biểu nhƣ vùng neo cáp phƣơng pháp thơng thƣờng nên sử dụng phƣơng pháp mơ hình giàn ảo  Đối với dầm có bề dày nhỏ, cần sử dụng mơ hình giàn 2D Luận văn thạc sĩ Tài liệu tham khảo [1] Bộ giao thông vận tải, “Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05.” NXB giao thông vận tải, năm 2005 [2] Bộ giao thông vận tải, “Giải thích tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05.” NXB giao thông vận tải, năm 2005 [3] Nguyễn Đức Thanh, et al, “Nghiên cứu áp dụng mơ hình chống giằng (sơ đồ hệ thanh) thiết kế kết cấu cầu bê tông cốt thép” Báo cáo tổng kết ứng dụng khoa học, năm 2006 [4] LRFD Bridge Design Specifications, Section 5.3, Concrete Structures AASHTO, Washington, D.C 1993, 2005, 2007 [5] Building Code Requirements for Reinforced Concrete and Commentary ACI 318-02 ACI Committee 318, ACI, Michigan [6] Nguyễn Viết Trung, et al, Tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép theo mơ hình giàn ảo, nhà xuất xây dựng, năm 2005 [7] Phạm Minh Trí, “Nghiên cứu áp dụng mơ hình giàn ảo tính tốn trụ cầu” luận văn Thạc sĩ, trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM, năm 2011 [8] Prof Andrew Whittken, “Bài giảng môn học Bê tông cốt thép nâng cao”, biên dịch PhD Hồ Hữu Chỉnh, trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.HCM, lớp cao học K2010 [9] Antoine E Naaman, Prestressed Concrete Analysis and Design 2nd edition, cheapter 4, cheapter15, 2009 [10] Ning Zhang, Kang-Hai Tan “Direct strut-and-tie model for single span and continuous deep beams” Science direct, Engineering Structures 29, trang 2987– 3001, năm 2007 [11] Attaulllah Shah, Ehsanul Haq, et al, “Analysis and Design of Disturbed Regions in Concrete Structures”, Science direct, Engineering 14, trang 3317–3324, năm 2011 [12] Zhi-Qi He, Zhao Liu “Optimal three-dimensional strut-and-tie models for anchorage diaphragms in externally prestressed bridges” Science direct, Engineering Structures, 32 trang 2057-2064, năm 2010 [13] J Schlaich, Schiifer “Design and detailing of structural concrete using strutand-tie models” The Structural Engineer, Volume 69, March 1991 [14] VSL international ltd “Detailing for post-tensioned” Bern, Switzerland [15] Lê Hịa “Thiết kế đài cọc Bê tơng cốt thép theo mơ hình giàn ảo khơng gian: lý thuyết thực nghiệm”, luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Tp.HCM, 2009 [16] Anthony J Wolanski “flexural behavior of reinforced and prestressed concrete beams using finite element analysis”, 2004 [17] Nawy, Prestressed concrete – A fundamental approach, 5th ed [18] Ansys V12.0 Finite Element Analysis System, SAS IP, Inc, SAS năm 2011 [19] Buckhouse, E.R, “External Flexural Reinforcement of Existing Reinforced Concrete Beams Using Bolted Steel Channels”, Marquette University, Wisconsin [20] Vũ Hồng Hƣng, “Ansys- Phân tích kết cấu cơng trình thủy lợi thủy điện”, Tập I, nhà xuất xây dựng năm 2011 [21] Kail- Heinz Reineck, “Example for design of structrual concrete with strut and tie models”, ACI international SP 208, năm 2002 [22] Vũ Xuân Hòa, “Bài giảng mô học Kết cấu cầu nâng cao” trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.HCM, lớp cao học K2010, năm 2011 [23] Nguyễn Viết Trung, Hồng Hà, at al “Các ví dụ tính tốn dầm cầu chữ I, T, Super T bê tông cốt thép dự ứng lực theo tiêu chuẩn 22 TCN 272 – 05”, Nhà xuất xây dựng, năm 2005 TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC I TÓM TẮT Họ tên : Đặng Ngọc Lợi Phái : Nam Sinh ngày : 10/10/1986 Nơi sinh : Đồng Tháp Nhà riêng : 136/57 Trần Văn Quang, Phường 10 Quận Tân Bình, Tp HCM Điện thoại : 012 33 37 37 43 Cơ quan : Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Bách Khoa Email : loi.ngocdang@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Năm 2005 – 2010: Sinh viên trường Đại học Bách Khoa Tp HCM Tốt nghiệp đại học: Năm 2010 Hệ: Chính quy Chuyên ngành: Xây dựng Cầu Đường Năm 2010: Được tuyển thẳng vào ngành học Cầu Hầm, phương thức đào tạo theo chương trình giảng dạy Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Chuyên Nghành: Xây Dựng Cầu Hầm Mã số học viên: 10381100 III Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ tháng 03/2010 đến tháng 09/2010: công tác Công ty Cổ phần Tư vấn thiết kế xây dựng Đồng Tiến Từ tháng 09/2010 đến nay: cơng tác phịng thiết kế - Công ty Cổ phần Tư vấn xây dựng Bách Khoa Xác nhận quan địa phương (Thủ trưởng ký tên đóng dấu) TS Vũ Xn Hịa Tp HCM, ngày 22 tháng năm 2013 Người khai Đặng Ngọc Lợi ... : Đặc điểm kết cấu bê tông dự ứng lực phương pháp tính tốn áp dụng Chương : Phương pháp mơ hình giàn ảo ứng dụng Chương : Áp dụng mơ hình giàn ảo tính tốn kết cấu vùng neo Chương : Kết luận NGÀY... pháp tính tốn, thiết kế phù hợp với khả chịu tải thực tế vùng neo, phƣơng pháp mơ hình giàn ảo phƣơng pháp thích hợp Việc nghiên cứu áp dụng phƣơng pháp mơ hình giàn ảo tính tốn kết cấu vùng neo. .. nghiên cứu; Chƣơng 2: Đặc điểm kết cấu bê tơng dự ứng lực phƣơng pháp tính tốn đƣợc áp dụng; Chƣơng 3: Phƣơng pháp mơ hình giàn ảo ứng dụng nó; Chƣơng 4: Áp dụng mơ hình giàn ảo để tính tốn kết