- Hệ số modul – đàn hồi.
(2.4)
d : Được xác định tại vị trí ứng suất 0.3 c0 được tính tốn thơng số dựa vào c 0.8 cu
2.3. Mơ hình vật liệu thép trong mô phỏng.
Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng điển hình của cốt thép gồm bốn giai đoạn (Hình 4): tuyến tính (AB), chảy (BC), tái bền (CD) và hóa mềm (DE).
Tuy vậy, trong tính tốn cốt thép được coi là vật liệu đàn dẻo lý tưởng, giai đoạn tái bền và mềm hóa được bỏ qua. Trong kết cấu BTCT cốt thép có dạng thanh hoặc lưới nên không cần quan tâm đến ứng xử ba chiều của cốt thép. Để thuận tiện trong tính tốn, mơ hình vật liệu của cốt thép được sử dụng theo quan hệ ứng suất – biến dạng một chiều.
Hiện nay có hai quan niệm về mơ hình thép theo quan hệ ứng suất – biến dạng một chiều: Mơ hình thép đàn dẻo lý tưởng, Mơ hình thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng. 2.4. Mơ hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL).
Mơ hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) được thiết lập dựa trên đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của thép được trình bày hình 2.6. Đường cong này được xác định dựa vào các thông số của thép: Modul đàn hồi thép Es, Và giá trị cường độ chịu nén tiêu chuẩn của thép fy.
Hình 2.6: Quan hệ ứng suất và biến dạng của mơ hình thép (SEPL) [18] 2.5. Mơ hình bám dính.
Mơ hình bám dính [20] được thiết lập dựa trên đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của thép được trình bày hình 2.7. Từ mơ hình này xác định được các thông số: Lực kéo lớn nhất tnmax , Và năng lượng phá hủy GIC được tính bằng diện
Hình 2.7: Lực kéo tuột của thép và bê tông Geopolymer [20] 2.6. Tổng quan về ABAQUS
Hiện nay ABAQUS [21] là một bộ phần mền lớn dùng để mô phỏng cơng trình, kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn dề mơn phỏng phi tuyến phức tạp. ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mơ phỏng hình dạng bất kỳ. Đồng thời kho mơ hình vật liệu có thể mơ phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt thép,…. ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất , chuyển vị), cần có khả năng mơ phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền dẫn nhiệt, phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học mơi trường điện áp.
ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu : ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit. Ngồi ra vẫn cịn hai khối phân tích phụ có cơng dụng đặc biệt : ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design. ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS Evironment) là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử lý như thiết lập mơ hình, gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia mạng lưới….
CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 3.1. Thơng số tính tốn cho mơ hình.
3.1.1. Mơ hình vật liệu bê tơng.
Từ kết quả thí nghiệm mẫu chịu nén của các tài liệu tham khảo từ các nghiên cứu trước đó của các tác giả được áp dụng và cơng thức tính tốn các thơng số của mơ hình vật liệu bê tơng ở chương 2. Các thơng số tính tốn đặc trưng của bê tông như: modul đàn hồi Ec, hệ số poission Ʋc, cường độ chịu nén fc, cường độ chịu kéo ft
được tính tốn và trình bày ở bảng 3.1 cho 3 loại vật liệu là bê tông thường (RCB), bê tông xỉ (SRCB) và bê tông Geopolymer (GRCB).
Bảng 3.1: Thông số đặc trưng của các loại bê tông.
Bê tông thường
c E (Mpa) c fc (Mpa) t f (Mpa) 3.169905E+4 0.2 25.5 2.64 Bê tông xỉ c E (Mpa) c fc (Mpa) t f (Mpa) 3.502061E+4 0.2 40.86 3.96 Bê tông Geopolymer
c E (Mpa) c fc (Mpa) t f (Mpa) 3.103515E+4 0.152 36.2 4.2
Từ thông số đặc trưng vật liệu của bê tông thường, bê tông xỉ và bê tơng Geopolymer, có thể tính các thơng số đầu vào cho mơ hình vật liệu bê tơng theo hai mơ hình số vật liệu bê tơng được phát triển bởi Hsu – Hsu (1994)
3.1.1.1. Thơng số của mơ hình Hsu – Hsu (1994).
Mơ hình Hsu – Hsu gồm có hai thơng số về đường cong miền chịu nén và đường cong miền chịu kéo của ba loại bê tông tương ứng được thể hiện dưới bảng 3.2 và bảng 3.3 dưới đây. Được đề xuất vào môi trường Abaqus khi nhập các giá trị chịu kéo ft và chịu nén fc vào mơ hình Hsu – Hsu được trình bày ở mục 2.2.1 .
Bảng 3.2: Thơng số miền chịu nén của mơ hình Hsu – Hsu.
Mơ hình vật liệu bê tơng của RCB
Mơ hình vật liệu bê tơng của SRCB
Mơ hình vật liệu bê tông của GRCB Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c
1.41E+07 0.00E+00 2.26E+07 0.00E+00 2.01E+07 0.00E+00 1.93E+07 2.03E-02 3.09E+07 3.00E-02 2.73E+07 2.88E-02 2.36E+07 2.83E-02 3.78E+07 4.20E-02 3.35E+07 4.02E-02 2.49E+07 3.31E-02 3.99E+07 4.91E-02 3.53E+07 4.70E-02 2.55E+07 3.76E-02 4.09E+07 5.58E-02 3.62E+07 5.34E-02 2.51E+07 4.43E-02 4.02E+07 6.57E-02 3.56E+07 6.29E-02 2.45E+07 4.83E-02 3.93E+07 7.17E-02 3.48E+07 6.86E-02 2.28E+07 5.57E-02 3.66E+07 8.27E-02 3.24E+07 7.91E-02 1.77E+07 7.42E-02 2.83E+07 1.10E-01 2.51E+07 1.05E-01 1.39E+07 8.98E-02 2.23E+07 1.33E-01 1.98E+07 1.28E-01 1.21E+07 1.00E-01 1.93E+07 1.49E-01 1.71E+07 1.43E-01 1.01E+07 1.14E-01 1.62E+07 1.68E-01 1.44E+07 1.61E-01
Bảng 3.3: Thông số miền chịu kéo của mơ hình Hsu – Hsu.
Mơ hình vật liệu bê tơng của RCB
Mơ hình vật liệu bê tơng của RCB
Mơ hình vật liệu bê tông của GRCB Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c 2.64E+06 0.00E+00 3.96E+06 0.00E+00 4.20E+06 0.00E+00 2.03E+06 1.51E-03 3.05E+06 1.41E-03 3.23E+06 1.89E-03 1.19E+06 4.83E-03 1.78E+06 4.52E-03 1.89E+06 6.06E-03 2.64E+05 1.05E-02 3.96E+05 9.84E-03 4.20E+05 1.32E-02
3.1.2. Mơ hình vật liệu thép.
Các thơng số tính tốn đặc trưng của thép trong đề tài này sử dụng loại thép AIII như: modul đàn hồi Ec, hệ số poission Ʋc, cường độ chịu kéo fy, cường độ chịu nén fu được trình bày trong bảng 3.4.
Bảng 3.4: Thông số đặc trưng của cốt thép [3] c c E (Mpa) c fy (Mpa) u f (Mpa) 210E+3 0.3 365 440
Từ thông số đặc trưng cốt thép trong bảng 4.6 , Chúng ta có thể tính tốn các thơng số tính tốn đưa vào mơ hình. Có hai loại mơ hình trong mơ tả vật liệu cốt thép trong đề tài này là: mơ hình SEPL và mơ hình IEPL.
3.1.2.1. Thơng số mơ hình SEPL.
Trong mơ hình vật liệu SEPL, tính chất cốt thép được mơ tả bằng đường quan hệ ứng suất và biến dạng thông qua các thông số: modul đàn hồi Es, hệ số poission ʋs, cường độ chịu kéo f y .
Bảng 3.5: Thơng số đặc trưng của mơ hình SEPL [3] s
E
(Mpa) s fv
(Mpa)
210E+3 0.3 365
3.1.2.2. Thơng số mơ hình IEPL.
Trong mơ hình vật liệu IEPL, tính chất cốt thép được mô tả bằng đường quan hệ ứng suất và biến dạng tương tự với mơ hình SEPL qua các thơng số: modul đàn hồi
Es, hệ số poission Ʋs, cường độ chịu kéo fy, cường độ chịu nén fu, biến dạng chịu
Bảng 3.6: Thông số đặc trưng của mơ hình IEPL [3] s s E (Mpa) s fy (Mpa) u f (Mpa) u 210E+3 0.3 365 440 0.001
3.1.3. Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử.
3.1.3.1. Loại phần tử mô phỏng.
Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R trong thư viện vật liệu của phần mền Abaqus [20] được sử dụng để rời rạc mơ hình. Phần tử C3D8R là dạng khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính được gán cho cho các phần tử bê tông thường, bê tông xỉ, bê tông Geolymer và cốt thép chịu lực trong mơ phỏng tính tốn.
Các thanh cốt thép đai có thể được mơ hình hóa bằng mơ hình dạng khối, dạng dầm hoặc dạng thanh và sử dụng phần tử T3D2. Bảng 3.7: Loại phần tử mô phỏng dầm [20] Phân tử Mô phỏng Bê tông Cốt thép Ø 14 Cốt thép Ø 12 Cốt đai Đệm thép Loại phân tử C3D8R C3D8R C3D8R T3D2 C3D8R
3.1.3.2. Thơng số mơ hình phá hoại dẻo.
Trong mơ phỏng theo mơ hình phá hoại dẻo ngồi các thơng số để mơ tả tính chất vật liệu bê tơng, vật liệu cốt thép. Mơ hình cần phải có thơng số dẻo thơng số này được trình bày ở sau:
Bảng 3.8: Thơng số mơ hình phá hoại dẻo mơ hình [3] c c
K b0/c0
3.2. Các bước mơ hình hóa thí nghiệm kéo tuột trên phần mền ABAQUS. Mơ phỏng thí nghiệm kéo tuột trên phần mềm Abaqus nhằm mục đích truy xuất ra những giá trị lực kéo lớn nhất, năng lượng phá hoại và hệ số độ nhớt của các bê tơng Geopolymer. Qua đó sử dụng các thơng số này đưa vào việc mô phỏng dầm bê tơng Geopolymer có đề cập đến liên kết khơng hồn hảo giữa bê tơng và cốt thép khi dầm bị phá hoại.
3.2.1. Xây dựng cấu kiện.
Việc xây dựng các cấu kiện, từ modul trên thanh trong môi trường làm việc của phần mền Abaqus và lựa chọn công năng Part trên thanh modul.
3.2.1.1. Cấu kiện mẫu bê tơng hình trụ.
3.2.1.1.1. Xây dựng cấu kiện
Trên vùng công cụ sử dụng biểu tượng (Create Part) . Sau đó xuất hiện cửa sổ Create Part như hình 3.1. Trong của số này Name (đặt tên cấu kiện, Modeling Space (sử dụng đối tượng mô phỏng 3D), Type (loại phần tử sử dụng phần tử deformable), Base Feature (trong mục này chúng ta sử dụng dạng Solid, loại Extrusion, sắp xỉ phần tử 3).
Hình 3.1: Cửa sổ Create Part trong Abaqus.
Vẽ hình hai chiều.
Sau khi khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều, nhấn biểu tượng (Create circle) để vẽ đường kính của mẫu thử bằng 0.15 (m) như hình 3.2.
Hình 3.2: Mơ hình hình học hai chiều cấu kiện bê tơng.
Vẽ hình ba chiều.
Sau khi hồn thành vẽ đường kính của mẫu bê tơng, vùng thơng báo hiển thị như hình 3.3, nhấn nút Done xuất hiện của sổ Edit Base Extrusion (thiếp lập Depth chiều cao của mẫu bê tơng hình trụ), sau đó nhấn OK để xác nhận và thốt khỏi cửa sổ. Mơ hình dầm bê tơng sau khi hồn thành như hình 3.4.
Hình 3.3: Cửa số Edit Base Extrusion.
Hình 3.4: Mơ hình ba chiều của mẫu bê tơng hình trụ. 3.2.1.1.2. Đục lỗ cấu kiện. 3.2.1.1.2. Đục lỗ cấu kiện.
Đục lỗ cấu kiện bê tông sẽ tương ứng với 3 loại thép là Ø12, Ø16, Ø20 mà thí nghiệm kéo tuột đã được nêu ở trên.
Thực hiện thao tác 2D
Trên vùng công cụ sử dụng biểu tượng (Create cut: extrude). Sau đó chọn mặt cần cắt để đục lỗ trên mẫu bê tông tương ứng với tiết diện và đường kính lỗ đục tương ứng với loại thép trong mơ hình mơ phỏng.
Hình 3.5: giao diện 2D của vị trí đục lỗ
Vẽ hình ba chiều
Sau khi hồn thành khởi tạo mơ hình hai chiều. Nhấn nút Done trên vùng thơng báo và chọn “Through all/ok”, mơ hình ba dầm bê tơng đục lỗ sau khi hồn thành cho như hình...
Hình 3.6: Mơ hình hình học ba chiều của mẫu bê tông sau khi đục lỗ
3.2.1.2. Cấu kiện thép chịu lực trong thí nghiệm kéo tuột.
Cấu kiện thép chịu lực trong mơ phỏng thí nghiệm kéo tuột cũng tương ứng với 3 loại thép Ø12, Ø16, Ø20 mà thí nghiệm đã thực hiện.
Xây dựng cấu kiện
Trên vùng công cụ sử dụng biểu tượng (Create Part) . Sau đó xuất hiện cửa sổ Create Part như hình 3.7. Trong cửa số này Name (đặt tên cấu kiện, Modeling Space (sử dụng đối tượng mô phỏng 3D), Type (loại phần tử sử dụng phần tử deformable), Base Feature (trong mục này chúng ta sử dụng dạng Solid, loại Extrusion, xấp xỉ phần tử 3).
Hình 3.7: Cửa sổ Create Part trong Abaqus.
Vẽ hình hai chiều.
Sau khi khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều, nhấn biểu tượng (Create circle) để vẽ đường kính thép chịu lực như hình 3.8.
Hình 3.8: Mơ hình hình học hai chiều cấu kiện thép chịu lực.
Vẽ hình ba chiều.
Sau khi hồn thành vẽ đường kính của thép, vùng thơng báo hiển thị như hình 3.9, nhấn nút Done xuất hiện của sổ Edit Base Extrusion (thiếp lập Depth chiều cao của mẫu bê tơng hình trụ), sau đó nhấn OK để xác nhận và thốt khỏi cửa sổ. Mơ hình
dầm bê tơng sau khi hồn thành như hình 3.10.
Hình 3.9: Cửa số Edit Base Extrusion.
Hình 3.10: Mơ hình ba chiều của thép chịu lực. 3.2.1.3. Cấu kiện tấm thép đệm.
Xây dựng cấu kiện và đục lỗ cấu kiện tương tự mẫu bê tông sau khi thực hiện xong tấm thép đệm sẽ có dạng như hình 3.11.
Hình 3.11: cấu kiện tấm thép đệm
3.2.2. Định nghĩa vật liệu và gán đặc trưng vật liệu cho các cấu kiện.
3.2.2.1. Định nghĩa vật liệu.
Vật liệu bê tông.
liệu bê tông thường, bê tông xỉ và bê tông Geopolymer được lấy từ các nghiên cứu trước đó của các tác giả tại trường đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. Các hệ số modul đàn hồi Ec, hệ số poission Ʋc, cường độ chịu kéo fc, cường độ chịu nén ft, từ các thí nghiệm trên được áp dụng cùng với mơ hình Hsu – Hsu (1994) để nhập vào mơ hình vật liệu mơ phỏng trong phần mềm Abaqus.
Trên vùng công cụ sử dụng (Create Material). Xuất hiện cửa sổ Edit Material, trong hộp thoại này Name (tên cấu kiện). Tiếp tục nhấn General – Density, trong cửa số này nhập giá trị Mass Density (khối lượng riêng bê tông). Tiếp tục lựa chọn
Mechanical – Elasticity – Elastic, trong cửa sổ Data nhập các giá trị Young’s Modulus, hệ số poission của bê tông. Tiếp tục lựa chọn Mechanical – Concrete Damaged Plasticity, trong mục Plasticity nhập thơng số mơ hình dẻo trình bày phần 3.1.3.3, trong mục Compressive Behavior nhập giá trị đường cong hệ ứng suất – biến dạng của miền bê tơng chịu nén như hình 3.2, tương tự trong mục Tensile Behavior nhập giá trị đường cong hệ ứng suất – biến dạng của miền bê tông chịu
kéo như hình 3.3. Cuối cùng chọn OK hồn thành thiếp lập thơng số cho vật liệu bê tơng.
Hình 3.12: Xác định thông số vật liệu bê tông.
Vật liệu cốt thép chịu lực.
Trên vùng công cụ sử dụng (Create Material). Xuất hiện cửa sổ Edit Material, trong hộp thoại này Name (tên cấu kiện). Tiếp tục nhấn General – Density, trong cửa số này nhập giá trị Mass Density (khối lượng riêng thép). Tiếp tục lựa chọn
Mechanical – Elasticity – Elastic, trong cửa sổ Data nhập các giá trị Young’s Modulus, hệ số poission của thép. Tiếp tục lựa chọn Mechanical – Plasticity - Plastic, trong mục Plasticity nhập thơng số mơ hình dẻo trình bày phần 3.1.3.3,
trong mục này nhập các thông số đường cong hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép. Kết thúc nhấn OK hoàn thành của số Edit Material.
Vật liệu thép đệm lực.
Thiết lập vật liệu cho thép đệm lực tương tự như đối với cốt thép chịu lực, nhưng thay đổi thông số vật liệu của thép đệm.
3.2.2.2. Định nghĩa thuộc tính mặt cắt. Bê tơng (thép lực và thép đệm làm tương tự) Bê tông (thép lực và thép đệm làm tương tự)
- Để định nghĩa thuộc tính mặt cắt tiết diện sử dụng cụ Create Section trên
vùng công cụ, xuất hiện cửa số Create Section như hình 3.13. Trong hộp thoại này
Name (tên tiết diện mặt cắt ngang), Category (đối tượng mô phỏng trong trường hợp này sử dụng đối tượng Solid), Type (tính chất mặt cắt sử dụng Homogeneous),
sau đó nhấn Continue. Xuất hiện cửa sổ Edit Section như hình 3.13 sau đó chọn thêm Material ( vật liệu cho mặt cắt), các lựa chọn khác sử dụng mặc định sau đó nhấn OK, hồn thành định nghĩa các thuộc tính mặt cắt như hình 3.13. Định nghĩa tương tự cho tấm đệm thép và thép chịu lực.
Hình 3.13: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tơng.
3.2.2.3. Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện.
Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện sử dụng Assign Section trên vùng thanh công cụ, vùng thông báo hiển thị như hình 3.14, chọn đối tượng cần gán tiết diện trong