3.2.1. Mô tả bài toán
Trong luận văn này, mô hình va chạm giữa trụ cầu và xà lan được tham khảo từ [1]. Cầu Jiujiang tại Trung Quốc có cácc trụ cầu vuông có kích thước 3,1m x 3,1m và chiều cao 15m. Trụ cầu chịu 1 khối lượng tượng trưng cho phần cầu là 130 tấn. Sà lan cách trụ cầu 1 khoảng cách 0,49m ( để xem như không có gia tốc ).
Sà lan loại thông thường có kết cấu khá đơn giản, có sự linh hoạt và chứa được nhiều tải trọng. Chúng thường được đẩy hoặc kéo bởi một loại tàu, trong đề tài xét sà lan được đẩy di chuyển với vận tốc 4,11 m/s.
Hình 3.9. Sà lan chở hàng trên sông
Theo AASHTO, sà lan JH được sử dụng rộng rãi nhất. Loại sà lan ở các thủy vực của Mỹ, do đó, không làm mất tính tổng quát, nó được sử dụng như là mô hình cơ sở trong nghiên cứu hiện nay. Các tham số tương ứng được đưa ra trong bảng 3.Thông số kích thước của sà lan JH được tham khảo từ bảng thông số kỹ thuật thuộc AASHTO
Hình 3.10.Kích thước của sà lan JH
Bảng 3.1. Thông số kích thước sà lan Kích thước (m) BM ( bề rộng ) 59,4 LB ( chiều dài ) 10,6 HL (chiều cao đầu mũi) 6 DV ( độ sau thùng chứa) 4 RL ( chiều dài mũi ) 3,7
Sà lan được cấu tạo chính từ thép tấm và thép hình. Cấu trúc bên trong của chúng là khung dàn với loại thép hình, vỏ bên ngoài được bao phủ bởi loại thép tấm (bề dày từ 0,01 đến 0,013). Thép tấm được sự hỗ trợ của thép hình để tăng cứng và đảm bảo độ bền. Loại thép sử dụng cho mô hình sà lan là thép A36, mặc dù thép A36 thuộc loại thép độ bền cao, chúng thường được sử trong công nghệ đóng tàu phục vụ ở biển, sông lớn.
Để nghiên cứu những ảnh hưởng của biến dạng của trụ cầu bê tông cốt thép khi vị sà lan va chạm, vật liệu thép và bê tông là vật liệu phi tuyến. trụ cầu là một cốt bìa có độ sâu 50 mm. Các cốt thép dọc có đường kính 30 mm được đặt cách nhau 300 mm trên bốn mặt của trụ cầu. Các cốt đai có đường kính 20 mm và được đặt cách nhau 200 mm dọc theo chiều cao của trụ cầu. Mô hình trụ cầu được hiển thị trong hình 3.11, trong đó a là chiều rộng trụ cầu và c là chiều dày lớp vỏ bê tông.
Hình 3.12. Sơ đồ bố trí bê tông cốt thép trong trụ cầu
3.2.2. Thông số vật liệu
Bảng 3.2. Thông số vật liệu
VẬT LIỆU THÔNG SỐ VẬT LIỆU GIÁ TRỊ Mass density 7865 kg/m3
Young's modulus 2007GPa Poisson's ratio 0,27 STEEL Yield stress 310 Mpa Failture strain 0,35
C 40
P 5
Mass density 2340kg/m3 Poisson's ratio 22,8GPa CONCRETE Young's modulus 0,2 Unconfined Strength 40 Failture strain 0,1
3.2.3. Xây dựng mô hình
Chọn module Explicit Dynamic
Hình 3.13. Chọn công cụ xây dựng hình học
Vào New Design Modeler Geometry để thiết lập mô hình
Vẽ trên mặt phằng x0z hình chữ nhật có kích thước 3100mm x 15000mm
Hình 3.15. Chọn các kích thước hai chiều
Extrude hình chữ nhật có bề dày 3100mm , ta có được trụ bê tông
Chọn mặt phẳng cách mặt ngoài 1 khoảng 50mm, trên mặt phẳng đó ta vẽ đường thẳng cách cạnh 50mm, ta có 1 cốt dọc
Hình 3.17. Tạo đường thẳng trong khối chữ nhật để mô hình cốt thép
Tạo line từ sketch vừa vẽ và tạo bánh kính cho line là 15mm
Hình 3.18. Tạo diện tích mặt cắt ngang cho cốt thép
Hình 3.19. Tạo nhiều cốt dọc bằng lệnh copy
Tương tự ta làm với cốt đai. Ta vẽ 1 sketch hình chữ nhật lên plane cách mặt đầu của khối 100mm , sao cho các cạnh của sketch cách cạnh hình vuông 50mm
Hình 3.20. Tạo các cốt đai
Dùng lệnh Pattern để copy line body vừa tạo dọc theo chiều dài của khối. Ta được cốt đai
Hình 3.21. Tạo nhiều cốt đai bằng lệnh copy
Vẽ 1 khối trên đầu trụ để tượng trưng cho thân cầu. Khối này có kích thước 3500mm x 3300mm
Hình 3.23.Thiết lập khối lượng
Tạo 1 phane offset Z -6850mm . Trên plane tạo sketch sà lan có kích thước như thông số
Hình 3.25. Tạo mô hình sà lan ba chiều
3.2.4. Nhập các thông số phân tích
Sau khi hoàn thành vẽ mô hình ta qua phần model để nhập các thông số Nhập hệ số ma sát cho bài toán. Ta vào body interaction
Hình 3.27. Thiết lập các thông số tương tác như hệ số ma sát
3.2.5. Chia lưới mô hình
Kích thước lưới của mô hình là 200 mm
3.2.6. Thiết lập điều kiện biên
Việc chọn thân trụ để gắn cốt thép sẽ không làm thay đổi bước thiết lập điều kiện tiếp xúc. Mặc dù bỏ qua thân trụ có chiều cao H = 15m và bệ trụ nhưng thân trụ có chiều cao H=15m vẫn được đảm bảo liên kết với các chi tiết bên dưới. Ở đây, chúng ta giả sử sẽ mặt bên dưới của thân trụ được ngàm theo các phương chuyển vị và góc xoay.
Chia lưới cho mô hình với element size = 200mm Đặt gia tốc trong trường g = 9,81 m/s2
Hình 3.29. Thiết lập điều kiện biên gia tốc trọng trường
Hình 3.30. Thiết lập điều kiện biên chuyển vị
Đặt vận tốc cho sà lan v = 4,11m/s theo hường 900
3.2.7. Giải
Giải trong 0,3 s
Hình 3.32. Thiết lập các thông số phân tích
Sau khi nhập các thông số , nhấn solve để giải , xuất ra 2 kết quả là chuyển vị tổng và ứng suất
Hình 3.34. Chọn các kết quả ứng suất cần xuất ra
3.2.8. Phân tích kết quả
Hình 3.36. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,2s
Hình 3.38. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,3s
Hình 3.41. Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,26s
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 quả
Quan sát hình 3.41, thân trụ có khả năng chịu kéo tốt khi được gắn cốt thép. Tuy nhiên, vật liệu bê tông với bước thời gian va chạm sẽ nứt một cách nghiêm trọng và có khả năng gãy trụ cầu rất lớn. Các thanh thép sẽ chịu ảnh hưởng khi lớp bê tông bảo vệ
Theo [1], kết cấu sà lan là kết cấu dạng tấm vỏ và được gia cố bằng các khung thép nên khi va chạm, ứng suất tương đương tập trung nhiều ở hai bên mép thành trụ do mũi sà lan bị biến dạng lớn. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, do hạn chế về tài nguyên tính toán nên kết cấu sà lan được nhóm tác giả đơn giản hóa bằng cách sử dụng các phần tử khối, mũi sà lan cứng hơn so với thực tế nên khi va chạm, ngoài vùng ứng suất tương đương lớn ở hai bên mép thành trụ cầu, ứng suất tương đương còn tập trung nhiều trên mặt của trụ cầu. Kết quả mô phỏng vùng tập trung ứng suất lớn nhất của nhóm tác giả có tương đồng với kết quả tham khảo từ [1], ở vị trí hai bên mép thành trụ cầu. Các phần tử bị phá hủy tại vùng ứng suất lớn sẽ bị xóa đi và trở thành những chấm đỏ, mô tả đường nứt gãy của trụ cầu.
Kết quả tham khảo từ [1] Kết quả luận văn
Hình 3.45.So sánh kết quả tham khảo từ [1] và kết quả tính toán
3.3. Tóm tắt chương 3
Mô hình va chạm được xây dựng trên mô đun Explicit dynamic
Do sà lan với tải trọng lớn và vận tốc lớn nên khi va chạm với trụ cầu gây ảnh hưởng lớn đến trụ.
Trong 0,3 s, trụ cầu đã bị vỡ phần bê tông ngoài và phần thép bên trong cũng chuyển vị tương đối lớn
Kết quả thực tế cũng đã chỉ ra, với trụ bê tông cốt thép trên vẫn chưa đủ độ bền để chịu được sự va chạm lớn của sà lan
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1.Kết luận
Bài toán va chạm động lực học là một dạng bài toán có mức độ khó tương đối. Bước đầu nghiên cứu, luận văn đã giải quyết được một số vấn đề sau:
Xây dựng mô hình trụ cầu bê tông cốt thép và sà lan
Thiết lập các thông số vật liệu bê tông cốt thép cho thân trụ.
Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy của bê tông.
Thiết lập sự tương tác giữa các đối tượng trụ cầu và sà lan
Mô phỏng quá trình va chạm giữa trụ cầu và sà lan.
Xác định những vùng phá hủy trên trụ cầu
So sánh kết quả mô phỏng với kết quả đã được công bố từ tài liệu uy tín. Qua kết quả mô phỏng, có thể thấy được do sự ảnh hưởng của tải trọng của cầu tác động lên trụ, kết hợp với phần chân trụ bị ngàm nên vùng bị nứt gãy của trụ không nằm sát mặt đất hay tại vị trí va chạm mà nằm ở khoảng lưng chừng giữa hai vị trí này.
Bên cạnh đó không tránh khỏi những khó khăn sau:
Sự phức tạp về biên dạng hình học và số lượng cốt thép của trụ cầu dẫn đến việc giải bài toán mất rất nhiều thời gian để ra kết quả
Tìm kiếm tài liệu còn nhiều hạn chế, nên việc mô tả khung thép cho phần mũi sà lan gặp khó khăn nên vẫn chưa xây dựng mũi sà lan chính xác.
4.2. Kiến nghị và hướng phát triển
Định hướng phát triển cho đề tài này sẽ xuất phát từ những giới hạn trên. Do đó
Phân tích chi tiết hơn biến dạng của sà lan khi mô hình với tấm vỏ và khung thép
Mô phỏng ứng xử va chạm giữa một kết cấu nhịp với sà lan.
Mô hình các móng cọc và xét sự tương tác với đất để cải thiện điều kiện biên cho trụ cầu
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 bản đại học quốc gia TP.HCM, 2014.
[10]. Nguyễn Việt Hùng và Nguyễn Trọng Giảng. ANSYS và mô phỏng số trong công nghiệp bằng phần tử hữu hạn. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2003.
[11].tuoitre.vn/tin/chinh-tri-xa-hoi/20160320/cau-ghenh-dang-sap-nguoi-dan- rotxuong-song/1070536.tml.
PHỤ LỤC
Nội dung của luận văn đã được chấp nhận báo cáo tại Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học tại Hà Nội vào ngày 09/04/2019 với chủ đề Mô phỏng quá trình va chạm và phá hủy giữa sà lan và trụ cầu bê tông cốt thép.