3.5.1 Điều kiện biên.
- Lý tưởng hóa các gối tựa thí nghiệm bằng các liên kết.
- Ta xét điều kiện biên về chuyển vị và điều kiện biên về lực.
3.5.2 Điều kiện biên về chuyển vị.
Hình 3. 12 Điều kiện biên về chuyển vị của cột.
3.5.4 Điều kiện về lực.
- Main Menu -> Solution -> Define Load -> Apply -> Structural -> Pressure - >Areas.
- Tại Areas 200 x 200 mm.
Hình 3. 13 Lực Pressure trên cột.
Giải bài toán(Solution)
- Solution -> Analysis Type -> New Analysis: phân tích tĩnh đã được chọn.
- Sol’nControls:
9 Time at end of loadstep: 1.
9 Number of substeps is to bechosen.
9 Number of substeps: 100.
9 Frequency: Write everysubstep.
- Solution -> Solve -> CurrentLS.
- Xuất hiện cửa sổ “Solve Current Load Step” và “/StatusCommands”.
- Nhấn Ok trên cửa sổ “Solve Current LoadStep”.
- Đến khi hiện lên cửa sổ “Note” là đã hoàn thành xong phân tích.
- Nhấn“Close”
3.6. Kết quả.
3.6.1 Kết quả nứt và chuyển vị. Mô hình Co1.00.
Hiện tượng: khi tải tăng lên các vết nứt nghiêng bắt đầu xuất hiện gần phần trên của đầu cột phần lớn tập trung ở giữa các mặt của cột. Các vết nứt tăng về số
lượng và diện tích nứt rộng hơn với sự gia tăng tải lớn. Với xấp xỉ 96% tải phá hủy (985.2kN), lớp phủ bê tông bị bong ra một cách rõ rệt.
a) Mô hình trong ANSYS b) Mô hình thí nghiệm[8] Hình 3. 14 Kết quả nứt mô hình Col.00
Hình 3. 15 Kết quả chuyển vị mô hình Col.00 (mm).
Từ kết quả nứt và chuyển vị giữa mô hình được xây dựng trên phần mềm ANSYS và thực nghiệm. Ta thấy có sự tương đồng với chệnh lệch nhỏ, đặc biệt khu vực xảy ra hiện tượng nứt của bê tông là giống nhau (Hình 3.14). Mặc khác, biểu đồ
chuyển vị cũng cho thấy ứng xử khả năng chiu tải cũng giống nhau. Từ đó, ta có thể
xác minh độ tin cậy với các mô hình khác được mô phỏng trên phần mềm ANSYS ngay sau đây.
Mô hình Col.01.L.3P (Phương án 1).
Dựa vào kết quả mô hình Col.00 ta tìm ra cách hạn chế sự hiện tượng bê tông bị
bong ra bằng cách gia cường các tấm thép chịu tải với kích trước như Hình 3.1 Col.01.L.3P.
Hiện tương: Khi tăng tải lên, các vết nứt nhỏ bắt đầu xuất hiện ngay dưới tấm tải, tăng tải lên nữa thì xuất hiện các vết nứt lớn ở phần dưới của trụ. Sau đó, với xấp xỉ
97% tải trọng phá hủy của trụ (1850kN), vỏ bê tông bắt đầu bị bong ra, cho thấy sự
vênh ở cả cốt thép dọc và các góc. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 ‐1 0 1 2 3 4 5 6 7 Loa d (kN ) Displacement (mm) FEM EXP
a) Kết quả nứt trong ANSYS b) Kết quả nứt thí nghiệm [8]. Hình 3. 16 Kết quả nứt mô hình Col.01.L.3P.
Hình 3. 17 Kết quả chuyển vị mô hình Col.01.L.3P (mm).
Mô hình Col.02.L.6P (Phương án 2).
Với việc thay đổi cách bố trí tấm thép chịu tải có kịch thước khác nhau (Hình 3.1 Col.02.L.6P) kết quả nhận được cũng khác nhau.
Hiện tượng: Ở phương pháp gia cường này các vết nứt nhỏ bắt đầu xuất hiện sớm
ở dưới tấm tải. Ở phần dưới cùng và trên đầu cột, các vết nứt lớn hình thành do sự co giãn của lớp bê tông bên trong. Khi tải tăng, lớp bê tông bong ra lớn làm tấm tải bị phá vỡ liên kết tại các mối hàn. Điều này xảy ra ở mức xấp xỉ 95% tải phá hủy (1600 kN). 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0.5 1 1.5 2 Loa d (kN ) Displacement (mm) FEM EXP
a) Mô hình trong ANSYS b) Mô hình thí nghiệm [8]. Hình 3. 18 Kết quả nứt mô hình Col.02.L.6P.
Hình 3. 19 Kết quả chuyển vị mô hình Col.02.L.6P (mm).
Mô hình Col.03.C.3P (Phương án 3).
Tương tự như phương pháp 1. Nhận ra còn hiện tượng bê tông ở các vùng không có tấm tải vẫn xuất hiện chuyển vị lớn (bong ra). Vì vậy, ta thực nghiệm phương pháp tương tự với 2 mặt cột được phủ kín hoàn toàn bởi tấm thép, còn 2 mặt còn lại vẫn để
như phương pháp 1 (Hình 3.1 Col.03.C.3P)
Hiện tượng: Các vết nứt nhỏ xuất hiện ở phần trên đầu cột ở dưới tấm tải. Các vết nứt tăng dần về số lượng và diện tích trở nên rộng hơn khi tải tăng. Với xấp xỉ 99%
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 lo a d (k N ) Displacement (mm) FEM EXP
tải phá hủy và các vết nứt lớn khiến tấm tải bị mất liên kết tại mối hàn khi tải đạt tới 1545 kN.
a) Kết quả nứt trong ANSY b) Kết quả nứt thí nghiệm[8]. Hình 3. 20 Kết quả nứt mô hình Col.03.C.3P.
Hình 3. 21 Kết quả chuyển vị mô hình Col.03.C.3P (mm).
Mô hình Col.04.C.6P. (Phương án 4).
Việc mất liên kết tại các mối hàn của các tấm ở phương án 2 cho ta thấy vẫn còn sự hạn chế của phương án gia cường này. Vì thế, để khắc phục hiện tượng này ta tiếp tục thử nghiệm phương pháp tương tự phương pháp 2. Tuy nhiên, 2 mặt đối diện của cột được phủ kín bởi tấm thép chịu tải và 2 mặt còn lại không đổi (Hình 3.1)
Hiện tượng: Các vết nứt nhỏđiển hình xuất hiện ở phần trên và dưới của cột. Đặc
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 ‐0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Lo a d (kN ) Displacement (mm) FEM EXP
tăng lên, các vết nứt bắt đầu xuất hiện với cường độ và diện tích tăng làm các lớp bê tông dưới tấm tải bị bong ra, đôi khi lộ cả cốt thép bên trong. Cuối cùng, sẽ bị phá hủy
ở xấp xỉ 87% tải phá hủy (1815 kN). So với kết quả thí nghiệm ta có thể thấy rõ sự
biến dạng của tấm tải ở mô hình FEM (Hình 3.22).
a) Kết quả nứt trong ANSYS b)Kết quả nứt thí nghiệm[8]
Hình 3. 22 Kết quả nứt mô hình Col.04.C.6P.
Hình 3. 23 Kết quả chuyển vị mô hình Col.04.C.6P (mm).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Loa d (k N ) Displacement (mm) EXP FEM
Mô hình Col.05.Pl.(Phương án 5).
Từ 4 phương án gia cường trên ta có thể nhân ra rằng: Hiện tường mất kiên kết tại mối hàn của các tấm thép thường xảy ra khi chịu tải lớn. Đồng thời hiện tượng chuyển vị lớn của lớp bê tông (bị bong ra), kéo theo sau là sự phá hủy hoàn toàn cột. Vì vậy, trong nghiêm cứu này nhầm khắc phục các nhục điểm nêu trên, tác giảđã đưa ra phương pháp cuối cùng là bố trí các tấm thép phủ kín 4 mặt của cột.
Hiện tượng: Từ các kết quả nứt ở 4 phương pháp gia cường cột bằng tấm thép tác giả tiếp tục thử nghiệm 1 phương pháp hoàn toàn khác. Ở phương pháp này cột BTCT
được bao kín 4 mặt bởi tấm tải (Hình 3.24). Vì vậy, kết quả nứt của bê tông không thể
quan sát cụ thể cũng như dấu hiệu phá hủy của bê tông bên trong tấm tải. Tuy nhiên, kết quảđáng chú ý là khi tăng tải lên thì các tấm tải có hiện tại võng vào trong, phần trên cột xuất hiện hiện tượng phình ra như (Hình 3.24).
a)Kết quả nứt trong ANSYS b) Kết quả nứt thí nghiệm[8] Hình 3. 24 Kết quả nứt mô hình Col.05.Pl.
Hình 3. 25 Kết quả chuyển vị mô hình Col.05.C.Pl (mm).
3.7. Nhận xét kết quả.
Hình 3. 26 Kết quả chuyển vị của tất cả mô hình trên ANSYS.
‐200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 ‐0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Lo a d (kN ) Displacement (mm) FEM EXP 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 ‐1 0 1 2 3 4 5 Loa d (kN ) Disceplacement (mm) Chart Title Col.00 Col.01.L.3P Col.02.L.6P Col.03.C.3P Col.04.C.6P Col.05.PL
Bảng 3.2 Tóm tắt kết quả chuyển vị mô hình trên ANSYS. Mô 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 quả chuyển vị Hình 3.26 và bảng 3.2 ta có thểđưa ra một số nhận xét và lựa chọn phương pháp gia cường cho cột BTCT:
-Mô hình Col.01.L.3P và mô hình Col.04.C.6P sau khi được gia cường tấm thép chịu tải thì khả năng chịu tải tăng 87.8% và 89% so với cột BTCT Hình Col.00. Chuyển vị của các phần tử bê tông cũng hạn chế một cách đáng kể chỉ bằng xấp xỉ
0.27% (đối với mô hình Col.01.L.3P) và 0.22% (đối với mô hình Col.04.C.6P) so với cột BTCT mô hình Col.00.
-Kết quả cũng cho thấy phương pháp gia cường Col.02.L.6P và Col.03.C.3P có sự tương quan khá rõ và tải phá hủy và chuyển vị khá tương đồng với nhau. Tải phá hủy tăng 62% (mô hình Col.02.L.6P) và tăng 57% (Mô hình Col.03.C.3P). Đồng thời, chuyển vị cũng giảm đáng kể xấp xỉ 65 % (mô hình Col.02.L.6P) và xấp xỉ 65% (mô hìnhCol.03.C.3P). Vì vậy, 2 phương pháp này có thể áp dụng như nhau tùy vào mực
đích và yêu cầu kĩ thuật.
-Ngoài ra, phương pháp cuối cùng tuy được bao phủ toàn bộ bởi tấm thép nhưng kết quả về chuyển vị khá lớn so với còn phương pháp thử nghiệm trong nghiêm cứu này. Tải phá hủy có tăng so với mô hình Col.00 vào khoảng tăng 62%. Tuy nhiên, so với các phương pháp ở mức tải phá hủy tương đương thì kết quả chuyển vị lại lớn hơn
khá nhiều (xấy xỉ 149% so với mô hình Col.03.C.3P và 147% so với mô hình Col.02.L.6P.
Từ các kết quả thu được từ việc xây dựng mô hình trên phần mềm ANSYS, tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn và kết quả thực nghiêm. Ta nhận thấy rằng, phương án gia cường Col.01.L.3P và Col.04.C.6P là 2 phương án tốt ưu nhất. Giúp cột BTCT chịu tải tác dụng cao nhất với chuyển vị nhỏ nhất.
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN 4.1. Kết luận.
Trong luận văn này, tác giả đã tìm hiểu lý thuyết phá hủy bê tông cốt thép và các phương pháp gia cường cột bê tông bằng thép tấm. Từđó tác giảđã ứng dụng vào việc xây dựng các mô hình phần tử hữu hạn trong phần mềm Ansys, mô phỏng quá trình nén cột trước và sau khi gia cường. Các kết quả mô phỏng đều được so sánh với thực nghiệm
được tham khảo từ bài báo quốc tế [8]. Qua các kết quả tính toán, có thể đưa ra được phương pháp gia cường nào là tốt nhất.
Phần tử SOLID65 và LINK180 được chọn trong phần mềm ANSYS là phù hợp để
mô phỏng cơ chế chịu lực và quá trình phá hoại của kết cấu bê tông, kết cấu thép.Nó
được bổ sung các tham số có thể mô phỏng cùng với hiện tượng kéo nứt của vật liệu hợp lý với các giai đoạn làm việc trong các giai đoạn làm việc của kết cấu BTCT thực tế.
Đồng thời, phần tử SOLID185 cũng là lựa chọn tốt trong phần mềm ANSYS để mô phỏng cho các phương pháp gia cường cột BTCT bằng các tấm thép.
Các phân tích và kết quả trên cho thấy, có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình cột BTCT. Tuy nhiên, trong quá trình mô hình hoá cần thực hiện một số điều chỉnh cho phù hợp.
4.2. Ưu điểm và khuyết điểm. 4.2.1 Ưu diểm:
Có thể tìm ra hay dựđoán được các ứng xử chính của kết cấu bê tông cốt thép cho
đến khi phá hoại bao gồm: Khả năng chịu lực cục hạn, chuyển vị lớn nhất, quan hệ lực – chuyển vị, sự hình thành và phát triển của các vết nứt, khu vực hình thành phá hoại.
Thích hợp cho việc gia cường kết cấu chịu uốn, có hiệu quả kỹ thuật cao, không làm tăng chiều cao của kiến trúc và kết cấu, không làm thu hẹp không gian công trình, thi công đơn giản vì vật liệu phổ biến từ lâu.
4.2.2 Nhược điểm:
Ứng xử của bê tông khi vết nứt bắt đầu xuất hiện là rất phức tạp.
Việc xây dựng các mô hình tính toán thiết kế chỉ dựa trên nền tảng lí thuyết cơ học hiện nay khá là phức tạp.
Mô hình lớn nên việc thiết lập giải đòi hỏi thiết bị sử dụng phải đáp ứng được. Lớp thép bên ngoài dễ bị rỉ và nhưng chịu nhiều tác động khác bên ngoài môi trường dẫn đến tuổi thọ của kết cấu có thể giảm so với dự tính.
PHỤ LỤC A
. Mô tả bài toán
• Chọn kiểu bài toán
- Command: Main Menu ->Preferences.
- Cửa sổ “Preferences for GUI Filtering” xuấthiện
- Chọn Structural, bấm OK.
• Lựa chọn phần tử cho mô hình (Element types).
- Ta lựa chọn 3 phần tử: solid 65, link 180, solid 185.
- Preprocessor -> Element type -> Add/Edit/Delete ->Add
- Chọn phần tử solid 65 cho vật liệu bê tông.
- Có 4 loại vật liệu ta cần khai báo :
Vật liệu Loại phần tử Thứ tự vật liệu
Bê tông Solid 65 1
Cốt thép đứng Link 180 2 Cốt thép vòng Link 180 3
- Chọn phần tử Link 180 cho vật liệu cốt thép.
Chọn phần tử solid 185 cho vật liệu tấm thép.
Khai báo đặc trưng cơ học cho phầntử
Preprocessor -> Material Props -> MaterialModels.
• Định nghĩa tính chất cảu vật liệu bê tông:
- Preprocessor -> Material Props -> MaterialModels.
• Định nghĩa đường cong ứng suất của bê tông: Preprocessor -> Material Props -> MaterialModels.
Định nghĩa các thông số giới hạn cảu bê tông:
Định nghĩa tính chất vật liệu cho cốt thép:
Thép dọc với đường kính 12mm:
• Định nghĩa vật liệu đàn dẻo lý tưởng, ứng xử theo mối quan hệứng suất-biến dạng song tuyến tính
Thép vòng với đường kính 8mm:
• Môdun đàn hồi và hệ số Poisson
• Định nghĩa vật liệu đàn dẻo lý tưởng, ứng xử theo mối quan hệứng suất-biến dạng song tuyến tính
• Diện tích mặt cắt ngang của cốt thép
Định nghĩa tính chất vật liệu cho tấm thép:
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Phùng Ngọc Dũng, Lê Thị Thanh Hà, Phân tích và thiết kế dầm bê tông cốt thép chịu uốn trên tiết diện nghiêng theo ACI 318, EUROCODE 2 và 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 và các tác giả, Kết cấu bê tông cốt thép – phần cấu kiện cơ bản, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2014.
[4] Tiêu chuẩn Việt Nam, Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, TCVN5574- 2012, Nhà xuất bản 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 và 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.
[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.219- 231. 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/