5.1.3.3. Cốt thép chịu lực.
Sử dụng công cụ Instance Part trên vùng thanh công cụ, xuất hiện cửa số Create Instance nhƣ hình 5.18, Part (phần cấu kiện lắp ghép), Instance Type (loại lắp ghép đối tƣợng). Sử dụng phƣơng pháp này cho Cốt thép chịu lực và cốt đai. Tiếp theo đó vào View - Assembly Display Option, xuất hiện cửa sổ Assembly Display Option trong cửa sổ này cần hiện đối tƣợng nào cần hiệu chỉ thì đánh đấu vào đối tƣợng đó (sử dụng cơng cụ này để dàng lắp ghép chính xác từng đối tƣợng tránh tình trạng các đối tƣợng bị che khuất khó thao tác). Sau khi tiến hành thêm đủ đối tƣợng cần lắp ghép vào vùng hoạt động, để thuận tiện việc theo tác tiến hành, sử dụng cơng cụ nhóm để nhóm các thành phần khung thép chịu lực (cốt đai và cốt chịu lực) thành một cấu kiện mới để dể dàng theo tác trong quá trình thao tác. Cuối cùng tiến hành di chuyển nhóm cốt thép vào vị trí chính xác trong dầm bê tơng kết quả thu đƣợc cuối cùng nhƣ hình 5.19.
68
Hình 5.19: Hồn thành việc lắp ghép các đối tƣợng. 5.1.4. Định nghĩa gán buộc.
Từ modul trên thanh môi trƣờng, lựa chọn công năng Interation để tiến hành định nghĩa quan hệ gán buộc giữa mơ hình. Để thuận tiện cho việc định nghĩa gán buộc bê tông và các tấm đệm, sử dụng lệnh Partition Cell để tiến hành chia các đối tƣợng thành khối nhƣ hình 5.20.
Hình 5.20: Mơ hình sau khi chia khối các đối tƣợng.
5.1.4.1. Gán buộc giữa cốt thép chịu lực và bê tông.
Sử dụng chức năng Create Contraint trên thanh công cụ, xuất hiện cửa sổ Create Contraint trong của sổ này Name (tên loại gán buộc), Type (loại gán buộc do cốt thép chịu lực và cốt đi theo loại nhúng nên sử dụng Embedded), tiếp theo nhấn Continue, vùng thông báo hiển thị “Select the embedded region”, lựa chọn thép cần
69
gán buộc, vùng tiếp tục thông báo “Select the method for host region”, nhấn nút Whole Model (gán toàn bộ đối tƣợng) , xuất hiện của sổ Edit Contraint. Sau đó, nhấp OK để thốt khỏi cửa sổ Edit Contraint, hồn thành định nghĩa gán buộc giữa cốt thép và bê tơng nhƣ hình 5.21.
Hình 5.21: Gán buộc giữa cốt thép và bê tông.
5.1.4.2. Gán buộc giữa điểm đặt lực và dầm bê tơng.
Mơ hình dầm bê tơng cốt thép để có thể gán tải trọng lên dầm, cần phải tạo một điểm đặt lực ảo để gán tải trọng cho dầm, điểm đó làm điểm tự chọn và phải các mặt trên lớp đệm thép. Vì vậy, cần gán buộc giữa điểm này và dầm bê tông cốt thép. Trong trƣờng hợp này, chúng ta sử dụng loại ràn buộc Coupling.
Để tạo điểm gán tải trọng, sử dụng công cụ Create Reference Point trong modul Interaction, vùng thông báo sẽ hiện thị “Select point to act as reference point – or enter X,Y,Z”, ta nhập tọa độ cần thiết. Kết thúc lệnh nhấn Done. Sau khi hồn thành hiển thị nhƣ hình 5.22.
70
5.1.4.3. Gán buộc giữa tấm thép và dầm bê tông.
Tấm thép đệm ở gối và ở nhịp khi chúng ta tạo chƣa có sự liên kết với dầm, vì vậy, chúng ta cần tạo sự liên kết giữa tấm thép đệm và dầm bê tông cốt thép (nhƣ bên ngoài thực nghiệm theo phƣơng đứng), để dể dàng tính tốn, giả thiết chúng dính chặt nhau theo phƣơng đứng. Trong trƣờng hợp này sử dụng loại gán buộc Tie. Để gán buộc Tie, sử dụng công cụ Create Constraint trong modul Interaction, xuất hiện cửa sổ Create Constraint, lựa chọn phƣơng thức Tie, nhấn Continue. Vùng thông báo tiếp tục hiển thị “Select region for master type”, tiếp theo nhấn nút Surface vùng hiển thị tiếp tục hiển thị “Select region for master Surface”, tiến hành đƣa chuột chọn vùng tiếp xúc dầm bê tông của tấm thép, nhấn Done. Vùng hiển thị tiếp tục hiển thị “Choose the slave type”, nhấn nút Surface, dùng chuột chọn phần tiếp xúc tấm thép của dầm bê tơng, sau đó nhấn Done, xuất hiện cửa sổ Edit Constraint, chấp nhận các mặc định nhấn OK. Hoàn thành việc gán buộc giữa tấm thép và dầm bê tông sẽ hiện thị nhƣ hình 5.23.
Hình 5.23: Gán buộc giữa tấm thép và dầm bê tông. 5.1.5. Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên. 5.1.5. Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên.
Từ Modul trên thanh môi trƣờng, lựa chọn công năng Load để định nghĩa tải trọng và điều kiện biên.
71
Trong phần thí nghiệm dầm bê tơng trong thực nghiệm, tải trọng tác dụng trên dầm là tải trọng theo quy luật thời gian. Vì vậy, cần phải tạo quy luật tải trọng theo thời gian cho dầm khi tá dụng tải
Thiết lập quy luật tải trọng, vào Tool – Amplitudes – Create, xuất hiện cửa sổ Create Amplitudes, sau đó nhấn Continue, xuất hiện cửa sổ Edit Amplitudes, tiếp hành nhập quy luật tải theo thời gian, sau đó nhấn OK hồn thành.
Gán tải trọng cho dầm, trong phần này chúng ta tiếp hành gán chuyển vị cho dầm thay vì gán lực, vì theo một số nghiên cứu của các tác giả (Wahalathantri, Thambiratnam, Chan, Fawzia, 2011) đề xuất nên sử dụng phƣơng pháp gán tải trọng cho dầm bằng chuyển vị sẽ cho kết quả hội tu hơn so với phƣơng pháp gán tải lực. Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng ta sử dụng phƣơng pháp gán tải trọng bằng chuyển vị cho dầm.
Gán tải trọng cho dầm, sử dụng công cụ Create Boundary Condition trong modul Load.Sau khi nhấn vào công cụ này, xuất hiện cửa số Create Boundary Condition, trong của sổ này Name (tên tải trọng), Step (bƣớc thiếp lập), Category (loại đối tƣợng gán), Type for Select Step (cách gán tải trọng trong phần này chúng ta sử dụng chuyển vị), nhấn Continue. Vùng thông báo sẽ hiện thị “Select regions for the Boundary Condition”, dùng chuột chọn điểm đặt lúc mà chúng ta đã tạo phần gán buộc, sau đó nhấn Done. Xuất hiện cửa sổ Edit Boundary Condition nhƣ hình 5.24. Tiến hành nhập giá trị chuyển vị thu đƣợc từ thí nghiệm nhấn ok để hồn tất.
72
Hình 5.24: Cửa sổ Edit Boundary Condition.
5.1.5.2. Định nghĩa điều kiện biên.
Sử dụng công cụ Create Boundary Condition trong modul Load, trong phần này thiết lập tƣơng tự đối với phần định nghĩa tải trọng. Tuy nhiên trong cửa sổ Edit Boundary Condition, thì chúng ta chọn chuyển vị bằng không thay vì nhập giá trị nhƣ ở phần gán tải trọng.
5.1.6. Chia lƣới cho cấu kiện dầm.
Chia lƣới cho cấu kiện dầm sử dụng công cụ Mesh từ modul trên thanh môi trƣờng.
5.1.6.1. Thiết lập lưới.
Để thiết lập lƣới cho cấu kiện dầm, sử dụng công cụ Seed Part. Sau khi nhấn vào lệnh, xuất hiện cửa sổ Global Seeds nhƣ hình 5.25, trong cửa sổ này,
73
Approximate global size (kích thƣớc chia lƣới), tiếp tục nhấn Apply. Sau khi hoàn thành thiết lập hiển thị nhƣ hình 5.26
Hình 5.25: Cửa sổ Global Seeds.
Hình 5.26: Mơ hình thiết lập chia lƣới.
5.1.6.2. Phân chia lưới cho cấu kiệm dầm.
Phân chia lƣới cho cấu kiện dầm, sử dụng công cụ Mesh Part trên thanh công cụ Mesh.Sau nhấn vào thanh cơng cụ này, xuất hiện thơng báo nhƣ hình 5.27. Sau đó chọn đối tƣợng, nhấn Yes, dựa vào định nghĩa ở phần thiết lập trên, mơ hình sẽ
74
tự động chia đối tƣợng nhƣ đã thiếp lập phần trên.Sau khi chia lƣới hồn thành xuất hiện nhƣ hình 5.28.
Hình 5.27: Thơng báo về chia lƣới.
Hình 5.28: Mạng lƣới phần tử hữu hạn dầm bê tông. 5.1.7. Thiết lập các bƣớc phân tích. 5.1.7. Thiết lập các bƣớc phân tích.
Thiếp lập các bƣớc phân tích đối với dầm bê tông sử dụng công năng Step trên thanh modul. Sau khi nhấn vào thanh công cụ trên, xuất hiện cửa sổ Create Step. Trong cửa sổ này, Name (tên loại phân tích), Procedure type (loại phân tích), cuối cùng nhấp Continue. Xuất hiện cửa sổ Edit Step nhƣ hình 5.29, trong của sổ này, Time Period (chu kỳ thời gian), sau khi hoàn thành thiết lập nhấn OK.
75
5.2. Thơng số tính tốn cho mơ hình.
5.2.1. Mơ hình vật liệu bê tơng.
Từ kết quả thí nghiệm mẫu và cơng thức tính tốn các thơng số của mơ hình vật liệu bê tông ở chƣơng 2. Các thơng số tính tốn đặc trƣng của bê tông nhƣ: modul đàn hồi Ec, hệ số poission c, cƣờng độ chịu kéo fc, cƣờng độ chịu nén ft
đƣợc tính tốn trình bày ở bảng cho hai dầm bê tông thƣờng (RCB) và dầm bê tông xỉ (SRCB).
Bảng 5.1: Thông số đặc trƣng của bê tông thƣờng và bê tông xỉ.
Bê tông thƣờng c E (MPa) c fc (MPa) t f (MPa) 40,4 0,2 40,86 3,97 Bê tông xỉ c E (MPa) c fc (MPa) t f (MPa) 26,80 0,2 30,31 3,06
Từ thông số đặc trƣng vật liệu của bê tông thƣờng và bê tông xỉ, có thể tính các thơng số đầu vào cho mơ hình vật liệu bê tơng theo hai mơ hình số vật liệu bê tông đƣợc phát triển bởi Hsu-Hsu(1994).
Thơng số của mơ hình Hsu – Hsu (1994).
Mơ hình Hsu-Hsu gồm có hai thông số về đƣờng cong miền chịu nén và
đƣờng cong miền chịu kéo
Bảng 5.2: Thông 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 Ứng suất (c) Biến dạng (c) Ứng suất (c) Biến dạng (c) 1,07E+07 0,00E+00 1,40E+07 0,00E+00
76
1,74E+07 9,60E-04 2,66E+07 1,05E-03 2,08E+07 1,44E-03 3,51E+07 1,58E-03 2,22E+07 1,19E-03 3,96E+07 2,11E-03 2,25E+07 2,40E-03 4,08E+07 2,64E-03 2,24E+07 2,60E-03 4,07E+07 2,81E-03 2,23E+07 2,80E-03 4,04E+07 2,98E-03 2,21E+07 3,06E-03 3,99E+07 3,15E-03 2,19E+07 3,28E-03 3,94E+07 3,33E-03
2,16E+07 3,50E-03 3,88E+07 3,50E-03
Bảng 5.3: Thông số miền chịu kéo của mơ hình Hsu-Hsu. Mơ hình vật liệu bê tơng
của RCB
Mơ hình vật liệu bê tông của SRCB Ứng suất (c) Biến dạng (c) Ứng suất (c) Biến dạng (c) 2,64E+06 0,00E+00 3,55E+06 0,00E+00 2,03E+06 1,11E-03 2,74E+06 1,84E-03
1,19E+06 3,54E-03 1,60E+06 5,89E-03 2,64E+05 7,70E-03 3,55E+05 1,28E-03
5.2.2. Mơ hình vật liệu thép.
Các thơng số tính tốn đặc trƣng của thép trong đề tài này sử dụng loại thép AII modul đàn hồi Es, hệ số poission s, cƣờng độ chịu kéo fy, cƣờng độ chịu kéo cực hạn fu đƣợc trình bày ở bảng .
Bảng 5.4: Thông số đặc trƣng của cốt thép.
s
E (MPa) s fy(MPa) fu(MPa)
77
Từ thông số đặc trƣng cốt thép trong bảng… , Chúng ta có thể tính tốn các thơng số tính tốn đƣa vào mơ hình. loại mơ hình trong mơ tả vật liệu cốt thép trong đề tài này là: mơ hình IEPL.
Thơng số mơ hình IEPL.
Trong mơ hình vật liệu IEPL, tính chất cốt thép đƣợc mô tả bằng đƣờng quan hệ ứng suất và biến dạng thông qua các thông số: modul đàn hồi Es, hệ số poission
s
, cƣờng độ chịu kéo fy cƣờng độ chịu kéo cực hạn fu, biến dạng chịu kéo cực hạn u.
Bảng 5.5: Thơng số đặc trƣng của mơ hình IEPL.
s
E (MPa) s fy(MPa) fu(MPa) u
290 0.3 365 440 0.001
5.2.3. Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử.
5.2.3.1. Loại phần tử mô phỏng.
Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R trong thƣ viện vật liệu của phần mền Abaqus đƣợc sử dụng để rời rạc mơ hình. Phần tử C3D8R là dạng khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính đƣợc gán cho cho các phần tử bê tơng thƣờng và bê tơng xỉ trong mơ phỏng tính tốn.
Các thanh cốt thép có thể đƣợc mơ hình hóa bằng mơ hình dạng khối, dạng dầm hoặc dạng thanh và sử dụng phần tử T3D2. Bảng 5.6: Loại phần tử mô phỏng dầm. Phần tử mô phỏng Bê tông Cốt dọc chịu kéo Cốt dọc chịu nén Cốt đai Đệm thép Loại phần tử C3D8R T3D2 T3D2 T3D2 C3D8R 5.2.3.2. Tỉ lệ chia phần tử.
Tỉ lệ chia phần tử ảnh hƣởng nhiều đến tính hội tụ của kết quả và tài nguyên máy tính đáp ứng. Trong nghiên cứu này, khảo sát nhiều tỉ lệ chia khác nhau: Mesh 200, Mesh 100, Mesh 80, Mesh 50, Mesh 20. Từ đó, so sánh các kết từ các tỉ lệ
78
chia này và đề xuất tỉ lệ chia hợp lý tối ƣu giữa độ chính xác kết quả và tài nguyên máy tính đáp ứng để giải bài tốn.
5.2.3.3. 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 đƣợc trình bày ở sau:
Bảng 5.7: Thơng số mơ hình phá hoại dẻo mơ hình.
c
K b0 c0
0,667 0,1 1,16 300 0,00005
Trong đó:
+ Kc – Tỉ số cƣờng độ chịu kéo ngoài mặt phẳng làm việc so với cƣờng độ chịu nén trong mặt phẳng làm việc.
+ - Hệ số lệch tâm vật liệu.
+ b0 c0- Hệ số giữa cƣờng độ chịu nén 1 trục với cƣờng độ chịu nén 2 trục.
+ - góc phá hủy. + - Độ nhớt
5.2.3.4. Nhận xét về thông số đầu vào.
Những thơng số đầu vào cho mơ hình phá hoại dẻo trình bày trên. Những thơng số này thu đƣợc từ việc thí nghiệm mẫu dầm bê tơng cốt thép thƣờng và bê tông xỉ cốt thép. Do mẫu thí nghiệm khơng nhiều, vì thế mức độ chính xác mơ hình mơ phỏng tƣơng đối. Những thơng số mơ hình phá hoại chỉ sử dụng tham khảo (để xuất riêng của hƣớng dẫn Abaqus). Nên kết quả mơ phỏng dầm sẽ có sai số nhất định (khơng hồn tồn chính xác).
5.3. Kết quả mơ phỏng dầm BTCT đá và dầm bê tông cốt thép xỉ:
79
Sau khi tiến hành thiết lập các bƣớc mô phỏng dầm bê tông trên phần mền Abaqus, sử dụng Mơ hình Hsu-Hsu (1994) để mơ phỏng tính chất ứng xử vật liệu bê tơng. Cùng với mơ hình số vật liệu thép: mơ hình cải tiến mơ hình đàn dẻo (IEPL) để mơ phỏng tính chất ứng xử cốt thép trong mô phỏng, Kết quả xuất ra từ mơ hình so sánh với kết quả thu đƣợc từ thí nghiệm thực tế.
Hình 5.30: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị
Hình 5.30 là sự so sánh quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa dầm bê tông cốt thép B15 và dầm BTCT B22.5, cho chúng ta thấy rằng dầm bê tông cốt thép làm việc trong miền đàn hồi khi tải trọng đạt giá trị dƣới 70 (kN). Lúc này điều không có sự sai lệch lớn. Khi tải trọng vƣợt giá trị 80 (kN) thì dầm bê tơng cốt thép làm việc trong miền đàn-dẻo, chuyển vị giữa dầm tăng lên. Lúc này, cũng chƣa có sự khác biệt lớn. Khi tải trọng vƣợt giá trị 80 (kN), thì chuyển vị giữa dầm theo mơ hình với kết quả thực nghiệm sai lệch khoảng 7%.
Từ nhận xét trên, biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa dầm, đƣa ra kết quả tƣơng đối chính xác của mô phỏng so với giá trị thực nghiệm (khoảng sai lệch 7%). Vậy ta có thể sử dụng kết quả ứng suất cốt thép trong mơ phỏng để tính tốn lực kéo Q trong cốt théptheo từng cấp tải trọng.
Thơng qua xử lý hình ảnh bằng phƣơng pháp DIC xác định đƣợc các thông
số kỹ thuật về chiều rộng (Wc), chiều dài (Lc) và năng lƣợng dẻo phá hủy (G) tại
0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 TẢ I TRỌN G (K N ) CHUYỂN VỊ (mm) BIỂU ĐỒ CHUYỂN VỊ BTCT B22.5 ABAQUS BTCT B15
80
các vị trí phát triển vết nứt tƣơng ứng theo từng cấp tải trọng, chon vị trí bắt đầu phát triển vết nứt CMOD cách đáy dầm 3cm. Trong Bảng 5.7 và bảng 5.8, P là tải trọng uốn của dầm và Q là lực kéo gây ra sự phát triển vết nứt giữa dầm. Từ đó tính tốn đƣợc năng lƣợng phá hủy (G) trong quá trình phát triển vết nứt với số liệu cụ thể nhƣ sau:
Bảng 5.8: Tổng hợp số liệu thông số cơ học dầm B15 Số Số TT P (KN) Q (KN) (mm) G (KNmm) (KNmm) G CMOD (mm) 1 38.6 14.88 0.113 1.681 1.681 0.113 2 48.62 20.54 0.074 0.419 2.100 0.121 3 61.24 25.87 0.052 0.277 2.377 0.128
Bảng 5.9: Tổng hợp số liệu thông số cơ học dầm B22.5 Số Số TT P ( KN) Q (KN) (mm) G (KNmm) G (KNmm) CMOD (mm) 1 69.65 34.12 0.102 3.480 3.480 0.102 2 83.63 39.24 0.108 0.553 4.033 0.194 3 84.88 39.98 0.115 0.085 4.118 0.203 4 86.84 40.10 0.124 0.015 4.133 0.223